Improvement and verification of steam explosion models and codes for application to accident scenarios in light water reactors

Abstract

Steam explosions can occur during an accident with core melting in Light Water Reactors (LWR) as a consequence of the interaction between molten core material with the water inside the Reactor Pressure Vessel (RPV) or, if RPV failure cannot be excluded, due to the release of melt from the RPV into water in the cavity. Generally, steam explosions progresses through two distinct phases, characterized by different time scales for the dominant processes i.e. the premixing and explosion phase. The objective of this thesis is to evaluate critical conditions and the resulting damage potential of steam explosions under real reactor conditions. As a basis, models for simulation of the premixing and the explosion phase of steam explosion are already available as IKEJET/IKEMIX and IDEMO codes, currently under development at IKE. A status in the development is to be reached, where the existing models and corresponding computer programs can be applied for risk analysis and for accident management. A major limitation in obtaining strong steam explosions has been determined to be the mass of melt available to be mixed with water without too high a void during the premixing phase. The mass in the mixture is limited by the rate of melt mass plunging into the water (pours diameter, melt velocity) and by the break-up of the melt flow which may be assumed to take form as jets. This break-up yields the mass which can be intermixed with water to form an explosive mixture. Steam production under film boiling may produce a highly voided mixture which limits heat transfer from melt to coolant, and thus decreases the possibility of a strong steam explosion. It additionally affects the fragmentation processes. During the explosion phase, a high void yields dampening effects due to the high compressibility of the coolant, which in turn reduces the possibility of developing strong pressure waves. In order to capture essential features decisive for the explosion strength and to check the capabilities of the models to reproduce them sufficiently, verification of the codes against specified and qualified experiments is required. First calculation attempts performed with IKEJET/IKEMIX code for the experiment FARO L-28 showed significant void overestimation. A reasonable explanation for such a strong steam accumulation in the mixture was found in the used friction models yielding too high interfacial friction between steam and water which as a consequence suppresses fast steam escape from the mixing zone. A new model which considers different vapour velocities for both liquid and steam continuous regimes in the transition range (0.3 < < 0.7) has been developed and implemented in the IKEJET/IKEMIX code. Calculations with the improved model provided good agreement with the experimental data for the pressure development, the energy release, jet break-up and void in the mixture. Verification of the IDEMO code has been performed taking the experiments FARO L-33 and KROTOS K-44 as a basis for this validation with the aim of creating a unique model description for the different cases in order to be able to extrapolate the results to reactor conditions. Calculations for reactor conditions are carried out in order to asses the capabilities of the codes and to get a perspective of the limiting effects on explosion strength and the resulting loads. It was attempted to reach the most challenging conditions by considering conditions with highest amounts of melt in the mixture in the frame of the underlying scenario conditions. This has been accomplished by varying the melt composition, the melt diameter, the flow rate, the water level, the possible lateral extension of the mixture and the trigger time. It appeared that the limitations to strong steam explosions due to water depletion and in addition, partial jet break-up, strongly reduce the damaging potential of steam explosion, at least in saturated conditions, much more than it had been assumed earlier.

Bei schweren Störfällen in Leichtwasserreaktoren (LWR) mit Auftreten von Kernschmelze können Dampfexplosionen als Folge von Wechselwirkungen zwischen geschmolzenem Reaktorinventar und Wasser innerhalb des Reaktordruckbehälters (RDB) oder, bei Versagen des RDB durch Einströmen von Schmelze in die wassergefüllte Reaktorgrube, nicht ausgeschlossen werden. Beim Ablauf von Dampfexplosionen können zwei verschiedene Phasen identifiziert werden, die sich durch verschiedene Zeitskalen für die sie dominierenden Prozesse charakterisieren lassen: Die Vorvermischungs- und die Explosionsphase. Das Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung von kritischen Bedingungen für das Auftreten von Dampfexplosionen und das daraus resultierende Zerstörungspotenzial unter realen Reaktorbedingungen. Als Grundlage hierfür werden die Rechenprogramme IKEJET/IKEMIX für die Vorvermischungs- und IDEMO für die Explosionsphase verwendet, die sich am IKE in der Entwicklung befinden. Es soll ein Stand erreicht werden, der eine Verwendung der existierenden Modelle und der korrespondierenden Rechenprogramme für Risikoanalyse und Risikomanagement erlaubt. Als begrenzender Faktor, der das Ausmaß der Dampfexplosion wesentlich bestimmt, wurde die Masse der Schmelze, welche mit Wasser ohne größeren Dampfanteil vermischt wird, identifiziert. Die Schmelzemasse in der Mischung wird sowohl durch die in Form von angenommenen Schmelzestrahlen ins Wasser fallende Schmelzemasse (Durchmesser des Schmelzestrahls, Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze), als auch durch die Zerteilung der Schmelze-Strömung bestimmt. Diese Zerteilung der Schmelze bei zusätzlicher Durchmischung mit Wasser kann möglicherweise zu explosionsfähigen Mischungen führen. Dampfproduktion durch Dampffilmsieden kann zu dampfreichen Mischungen führen, mit einem stark erniedrigten Potenzial für Dampfexplosionen, da der Wärmeübergang von Schmelze auf Kühlmittel stark reduziert wird. Außerdem beeinflusst der Dampfanteil selbst auch den Fragmentierungsprozess. Ein hoher Dampfanteil in der Mischung führt durch die resultierende Kompressibilität des Gemischs zur Dämpfung der Druckwelle einer Dampfexplosion während der Explosionsphase. Um die für die Explosionsstärke wesentlichen Größen sowie die Aussagekraft der Modelle ausreichend zu überprüfen, müssen die entwickelten Rechenprogramme einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden. Dazu werden geeignete und genau beschriebene Experimente nachgerechnet. Resultate erster, für das Experiment FARO L-28 mit IKEMIX/IKEJET durchgeführte Rechnungen, wies starke Überschätzung des Dampfanteils in der Vorvermischung auf. Als Ursache für die überhöhte, simulierte Dampfakkumulation in der Mischung wurde die mit herkömmlichen Modellen berechnete zu hohe Interphasenreibung zwischen Dampf und Wasser ausgemacht. Diese verhindert eine schnellere Dampfflucht aus der Mischungszone. Ein neues Modell für die Interphasenreibung im Übergangsbereich zwischen wasserkontinuierlichem und dampfkontinuierlichem Bereich wurde entwickelt. Die zugrunde liegende Annahme hierfür ist die Existenz von vertikalen Dampfkanälen mit eigenen Dampfgeschwindigkeiten im Übergangsbereich (0.3 < < 0.7), gegenüber dem wasserkontinuierlichen Bereich des Übergangsbereichs. Dieses Modell wurde in IKEJET/IKEMIX implementiert. Rechnungen mit dem verbesserten Modell zeigen gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten für den Druckanstieg, die Energiefreisetzung, den Strahlzerteilung und den Dampfanteil in der Mischung. Verifikationsrechnungen mit dem Explosionscode IDEMO wurden für die Experimente FARO L-33 und KROTOS K-44 durchgeführt mit dem Ziel einer allgemein gültigen Modellierung zur Beschreibung dieser Experimente mit verschiedenen Schmelzematerialien (Corium vs. Al2O3), um einen auf Reaktorbedingungen extrapolierbaren Code zu bekommen. Rechnungen für Reaktorbedingungen werden durchgeführt, um die Fähigkeiten der Codes im Allgemeinen abzuschätzen und um eine Perspektive der die Explosionsstärke und resultierenden Belastungen begrenzenden Effekte zu erhalten. Es wurde versucht für die zugrunde liegenden Szenarien die Bedingungen herauszuarbeiten, bei denen die höchsten Schmelzemasse in der Mischung erreicht werden. Hierzu wurde die Schmelzezusammensetzung, der Schmelzestrahldurchmesser, der Schmelzemassenstrom, der Wasserspiegel, die mögliche laterale Ausdehnung der Mischung und der Triggerzeitpunkt variiert. Die Resultate weisen auf eine Limitierung von starken Dampfexplosionen hin aufgrund von wasserarmen Mischungsverhältnissen und zusätzlich wegen des partiellen Strahlaufteilung/-zerteilung ein - gegenüber früheren Annahmen - stark reduziertes Schädigungspotential von Dampfexplosionen bei gesättigten Bedingungen.