Study on Metallic Melt Coolant Interactions and Debris Bed Formation in a Water Pool

QC 2023-10-10

Abstract

Omfattande studie har genomförts för att utforska egenskaperna hos grusbädden som bildas när härdsmältan fragmenteras och fragmenten sjunker till botten av en vattenbassäng efter FCI under svåra haverier i lättvattenreaktorer (LWR) som en ledd i att analysera kylningen av härdsmältan. Tidigare har forskningen främst fokuserat på den oxidiska komponenten i härdsmältan (UO2/ZrO2), medan det har varit brist på uppmärksamhet på grusbädden som uppstår genom interaktionen mellan härdsmältans metalliska komponenter (Zr/Fe) och kylmedlet.

Denna avhandling har som mål att fylla detta kunskapsgap när det gäller bildandet av grusbädden. Detta är särskilt viktigt eftersom en reaktion mellan härdsmältans metalliska komponenter och kylmedlet kan inträffa vid det initiala utsläppet av härdsmältan efter att reaktortanken har smält igenom, särskilt i nordiska kokvattenreaktorer (BWR). Målet är att utföra experiment med olika metallkomponentsimulanter för att studera effekterna av interaktionen mellan härdsmältans metalliska komponenter och kylmedlet samt karakterisera grusbädden som bildas i vattenbassängen. Dessutom kommer numerisk simulering av uppbrytning av härdsmältstrålen i en vattenbassäng att genomföras. Avhandlingen är uppdelad i fem delar.

Den första delen fokuserar på den experimentella metoden för att studera interaktionen mellan metalliska smältor och vatten. En förenklad skalanalys baserad på dimensionslösa parametrar, Stefan-tal (St) och Froude-tal (Fr), används för att välja simulanter och utforma experimentella anläggningar DEFOR-M- och DEFOR-O för metalliska och oxidiska smältor. Anläggningarna är utrustade med höghastighetskameror för visualisering, viktsensorer för att mäta smältflödeshastighet och grusbäddens massa, en tredimensionell laserskanner för att mäta grusbäddens profil, samt för att utföra mätningar av bäddens porositet och partiklarnas storleksfördelning. För att förhindra förorening av smältan i degeln används en dubbel degelkonstruktion i DEFOR-O-anläggningen.

Den andra delen fokuserar på experimentell undersökning av hur en grusbädd bildas när metallisk smälta strålar ner i en vattenbassäng. Experimentet utförs med DEFOR-M-anläggningen och undersöker påverkande parametrar som smältöverhettning, höjden från vilken smältstrålen faller, underkylning av kylmedlet, vattendjup och material. Sn och Zn används som simulanter av metallisk smälta. Resultaten ger insikter om grusbäddens egenskaper, inklusive form, porositet och partiklarnas storleksfördelning under olika kombinationer av dessa faktorer.

Den tredje delen utökar den andra delen genom att använda en legering blandning (Sn-Bi) för att simulera den potentiella Zr-Fe-blandningen i härdsmältan. Experimenten utförs med samma anläggning och förfarande som i den andra delen. Resultaten visar att en betydande del av Sn-Bi-smältan bildar icke-partikelformiga grusbäddar i kraftigt underkylt vatten. Överhettning av smältan påverkar reaktionen mellan härdsmältans metalliska komponenter och kylmedlet i mindre utsträckning när vattnet är kraftigt underkylt, medan underkylning av vattnet har en större påverkan på solidifiering av smältdropparna. Legeringssammansättningen har också en inverkan på interaktionsprocessen mellan smältan och vattnet.

Den fjärde delen jämför egenskaperna hos grusbäddar som bildats av olika smältmaterial, såsom Sn, Sn-Bi, Zn och Bi2O3-WO3. DEFOR-O-anläggningen med dubbla deglar används för att studera bildandet av en grusbädd av Bi2O3-WO3-smältan. Resultaten visar att smältmaterialen har en betydande inverkan på grusbäddens egenskaper under jämförbara förhållanden. Metallsmältor är känsliga för oxidation, särskilt Zn, vilket resulterar i oxidiska skikt på partiklarna. Metallpartiklar har vanligtvis en flingaliknande form med slät yta och högt aspektförhållande, medan partiklar i oxidiska smältor har släta ytor och kvasi-sfärisk form med lågt aspektförhållande. Underkylning av kylmedlet spelar en viktig roll i interaktionen mellan oxidiska och metalliska smältor och vattnet. Generellt sett är bäddporositeten och partiklarna i DEFOR-M-tester med metallisk smälta mycket större än i DEFOR-O-tester med den oxidiska smältan och i FARO-tester med prototypiska material.

I den femte delen genomförs en numerisk simulering av hur smältstrålar bryts upp i en vattenpool med hjälp av en MCFD-metod som använder en kopplad CLSVOF-metod för att spåra gränssnittet mellan smältan och kylmedlet. Målet är att beräkna instabiliteten i gränssnittet och längden på uppbrytningen av strålen, samt att undersöka påverkande faktorer såsom smältmaterial, stråldiameter, höjden från vilken strålen faller, bassängens strukturer, flera strålar och förhållandet mellan höjden och diametern på strålen.DEFOR-M-tester simulerades, och resultaten jämfördes sedan med experimentella data. De jämförande resultaten visar att simuleringen stämmer väl överens med experimenten när det gäller instabilitetsmönster och längden på strålbrytningen. Det är emellertid värt att notera att de befintliga korrelationerna, såsom Taylors, Epstein & Fauskes och Matsuos, inte kan användas för att förutsäga jetstrålens uppbrytningslängd i DEFOR-M-testerna. Baserat på de nuvarande experimentella och numeriska resultaten föreslås en ny korrelation med en liknande struktur som Satios korrelation för att beräkna jetstrålens brytningslängd. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-337797