Modelling of the late phase of core degradation in light water reactors

Abstract

The objective of the present work is to develop a model to describe the late phase of melting and degradation processes in the core of a Light Water Reactor which occur during a severe accident. This model was integrated in the German system code ATHLET-CD. The purpose is to apply the code to severe accident scenarios in order to obtain information on the timing of processes, on possible variants of the evolution and on options of accident management measures during the available time margins. This can also give an improved basis for the development of new LWR concepts with improved safety features, for which the probability and consequences of such accidents are strongly reduced.

The model and computational module MESOCO developed in the frame of the present work describes the accident progression under conditions of an already significantly degraded core where melting and relocation of ceramic components dominate. It has been based on a quasi-continuum description for the complex, changing geometrical structure and the melt and steam or gas flows in this structure. Melt accumulation in the core, and, finally modes of melt release to the lower head are considered as the most important effects determining the subsequent processes regarding coolability and retention issues in the lower head and possible failure modes of the RPV as well as the timing of such developments. Emphasis therefore has been laid on the description of melting and solidification behaviour with interactions between different materials and melt pool formation in the core as well as subsequent behaviour of the pool/crust configuration. The time development of these processes, in connection with cooling boundary conditions, given essentially by the water level development, decides on sideways versus downwards progression, on formation of large pools, on temporarily stable crusts or rather on continuous downwards melt flow as well as on subsequent failure and outflow modes.

Validation analyses based on PHEBUS experiments FPT4 and FPT1 are presented, applying separate calculations with MESOCO as well as with the model implemented in ATHLET-CD. Calculations have been performed for reactor scenarios by checking variants of the modelling. From the experiences with these calculations it is concluded that strong trends exist towards pool formation with subsequent lateral melt outflow after continued heatup and subsequent failure. This results in gradual outflow modes with reduced flow rate and favours particulate debris formation in the lower head as potentially coolable configuration and yields also strong arguments against the risk of efficient steam explosions with resulting critical loads. Further analyses for a larger spectrum of conditions and accident scenarios are, however, required to confirm these results and conclusions. The present model and its integration in the system code ATHLET-CD yield a basis for this.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der späten Phase des Kernschmelzens und der Kernzerstörung bei schweren Störfällen in Leichtwasserreaktoren. Dieses Modell wurde in den deutschen Systemcode ATHLET-CD integriert. Dieser soll auf Szenarien schwerer Störfälle angewendet werden, um Informationen über die zeitliche Entwicklung, mögliche Varianten im Unfallablauf sowie Eingriffsmöglichkeiten durch Accident-Management-Maßnahmen innerhalb des zur Verfügung stehenden Zeitrahmens zu erhalten. Hierbei wird auch zur Entwicklung neuer Konzepte für Leichtwasserreaktoren beigetragen, bei denen die Eintrittswahrscheinlichkeit und der Folgen solcher schwerer Störfälle stark vermindert sind.

Das Modell bzw. Rechenprogramm MESOCO, das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde, beschreibt die Störfallentwicklung unter Bedingungen eines bereits weitgehend zerstörten Reaktorkerns, die vorwiegend durch das Schmelzen und die Verlagerung von keramischen Materialkomponenten geprägt sind. Das Modell basiert auf einer Quasi-Kontinuumsbeschreibung für die komplexe, veränderliche geometrische Struktur und die Strömung von Schmelze und Dampf bzw. Gas durch diese Struktur. Ansammlung von Schmelze im Kern und schließlich die Art des Ausfließens von Schmelze aus dem Kern in die untere Kalotte des Reaktordruckbehälters werden als entscheidende Effekte angesehen, die die nachfolgenden Prozesse hinsichtlich der Kühlbarkeit und der Rückhaltung von Kernschmelze in der unteren Kalotte bzw. die Art und den Zeitpunkt des Versagens des Reaktordruckbehälters bestimmen. Der Schwerpunkt wurde deshalb auf die Beschreibung des Schmelzens und Erstarrens unter dem Einfluss von Material-Wechselwirkung und der Bildung von Schmelzeseen im Kern sowie des nachfolgenden Verhaltens von Schmelzesee und umgebender Kruste gelegt. Die zeitliche Entwicklung dieser Prozesse entscheidet darüber, zusammen mit den Kühlungsbedingungen, die vorwiegend durch die Entwicklung des Wasserstands im Kern bestimmt werden, ob das Schmelzen vorwiegend seitlich oder nach unten fortschreitet, ob sich große Schmelzeseen innerhalb zeitweise stabiler Krusten oder ein eher kontinuierlicher Schmelzefluss nach unten ergeben, sowie letztendlich über die Art des Ausfließen von Schmelze aus dem Kern.

Es werden Validierungsrechnungen anhand der PHEBUS Versuche FPT4 und FPT1 vorgestellt, die sowohl mit MESOCO als auch mit dem in ATHLET-CD integrierten Modell durchgeführt wurden. Anhand von Rechnungen für Reaktorbedingungen wurden verschiedene Varianten der Modellierung überprüft. Aus den Erfahrungen dieser Rechnungen wird geschlossen, dass generell eine starke Tendenz zur Ausbildung von Schmelzeseen besteht, wobei die weitere Aufheizung zum seitlichen Versagen von Krusten und nachfolgendem Ausfließen von Schmelze aus dem Kern führt. Daraus ergibt sich ein eher allmähliches Ausfließen mit begrenzten Massenströmen, wodurch die Bildung von Partikelschüttungen mit hohem Kühlungspotential in der unteren Kalotte begünstigt wird. Ein allmähliches Ausfließen wirkt auch dem Risiko kritischer Druckbelastungen durch starke Dampfexplosionen entgegen. Weitere Untersuchungen für ein breiteres Spektrum von Bedingungen und Unfallszenarien sind jedoch notwendig, um diese Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu bestätigen. Hierzu liefert das vorliegende Modell und seine Integration in ATHLET-CD die Grundlage.