Severe core damage modelling in the codes ATHLET/CD, ICARE2, MELCOR and SCDAP/RELAP5

Directorate-General For Research And Innovation European Commission

Description

A state-of-the-Art report
Nuclear energy and safety

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Extrait

ISSN 1018-5593
Europäische Kommission
■
Modellbasis der Störfallanalyseprogramm
ATHLET/CD, ICARE2, MELCOR
und SCDAP/RELAP5
Statusbericht
Bericht
EUR 16937 DE/EN Europäische Kommission
European Commission
und -tedinolo
Modellbasis der Störfallanalyseprogramm
ATHLET/CD, ICARE2, MELCCR
und SCDAP/RELAP5
Statusbericht
Severe core damage modelling
in the codes ATHLET/CD, ICARE2,
MELCOR and SCDAP/RELAP5
A state-of-the-Art report
U. Brockmeier
Ruhr-universität Bochum, Inst, für Energietechnik
Postfach 10 2148
D-44721 Bochum
Vertrag Nr FI3S-CT92-0001
Diese Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprogramms der Europäischen Kemergie
Kommission über die Sicherheit bei der Kernspaltung 1990-1994, konzentiertr Aktion
über "Reaktorsicherheit", Projekt 1: Kerndegradation, durchgefürt.
Research work performed in the framework of the specific programme
'Nuclear Fission Safety 1990-1994' of the European Atomic Energy Community
Reinforced concerted action on 'Reactor Safety' - Project 1 : Core degradation
Generaldirektion
Wissenschaft, Forschung, und Entwiclung
Directorate-General
Science, Research and Development
1996 EUR 16937 DE/EN HINWEIS
Weder die Europäische Kommission noch Personen, die im Namen
dieser Kommission handeln, sind für die etwaige Verwendung
der nachstehenden Informationen verantworlich.
LEGAL NOTICE
Neither the European Commission nor any person acting on behalf of the Commission
is responsible for the use which might be made of the following information
Bibliographische Daten befinden sich am Ende der Veröffentlichung
Cataloguing data can be found at the end of this publication
Luxemburg: Amt für amtliche Veröffentlichungen der Europäischen Gemeinschaften, 1996
Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1996
ISBN 92-827-7619-0
© EGKS-EG-EAG, Brüssel · Luxemburg, 1996
© ECSC-EC-EAEC, Brussels · Luxembourg, 1996
Printed in Belgium Inhaltsverzeichnis ¡»
Executive Summary ES1
1. Einleitung 1
1.1 Einführung in die Thematik
1.1.1 Zielsetzung und Entwicklung der Reaktorsicherheitsfor­
schung
1.1.2 Auslegungsüberschreitende Störfälle - Verhalten des
Kerns nach Kühlmittelverlust (Phänomenologie) 8
1.1.2.1 Kernaufheizung 11
1.1.2.2 Kernschmelzen und Bildung von Kühlkanalblockaden
durch wiedererstarrte Schmelzen3
1.1.2.3 Bildung eines Schüttbettes aus keramischen Kern­
trümmern und eines Schmelzesees 20
1.1.2.4 Verlagerung aus dem Kernbereich in die untere
Bodenkalotte des RDB 23
1.1.2.5 Versagen der Bodenkalotte5
1.1.2.6 Natürliche Konvektion7
1.1.2.7 Wiederfluten des Kerns8
1.1.2.8 Spaltproduktfreisetzung und -transport im
Reaktorkühlsystem 29
1.1.3 Überblick über experimentelle und theoretische Arbeiten 35
1.1.3.1 Experimentelle Programme 36
1.1.3.2 Computerprogrammsysteme (Codes) 41
1.2 Zielsetzung der Arbeit 45
1.3 Gliederung8
Literatur zu Kapitel 19 iv Inhaltsverzeichnis
2. Merkmale, Architektur und Handhabung der
Codes ATHLET/CD, ICARE2, MELCOR und
SCDAP/RELAP5 63
2.1 Kurzbeschreibung der Codes
2.1.1 Einordnung in den Gesamtzusammenhang, Abg anzung
gegen andere Entwicklungen
2.1.2 ATHLET/CD 64
2.1.3 ICARE25
2.1.4 MELCOR
2.1.5 SCDAP/RELAP5 66
2.1.6 Zugrundeliegende Codeversionen 6
2.2 Architektur und Handhabung der Codes8
Literatur zu Kapitel 2 75
3. Zentrale Modelle in den Codes 79
3.1 Störfallphasen und korrespondierende Modellgruppen 80
3.2 Modelle für Vorgänge in der frühen Störfallphase 81
3.2.1 Thermohydraulik 8
3.2.1.1 Modelle2
3.2.1.2 Spezifika der einzelnen Codes 96
3.2.1.3 Numerik 103
3.2.1.4 Bewertung
3.2.2 Strukturaufheizung9
3.2.2.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes 10
3.2.2.2 Numerik 112 Inhaltsverzeichnis
3.2.2.3 Bewertung 113
3.2.3 Nukleare und elektrische Wärmeerzeugung 115
3.2.3.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes
3.2.3.1.1 Modelle für die Nachzerfallswärmeleistung 116
3.2.3.1.2 Elektrische Heizleitermodelle 117
3.2.3.2 Bewertung 119
3.2.4 Wärmestrahlungsaustausch 120
3.2.4.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes 12
3.2.4.2 Bewertung6
3.2.5 Hüllrohrdehnung und -bruch9
3.2.5.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes 12
3.2.5.2 Bewertung 134
3.2.6 Materialoxidation und Wasserstoff bildung 136
3.2.6.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes7
3.2.6.2 Bewertung 141
3.2.7 Chemische Wechselwirkungen zwischen Kernmaterialien
und Bildung flüssiger Phasen4
3.2.7.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes 14
3.2.7.1.1 Brennstoff-Wechselwirkungen 145
3.2.7.1.2 Nichtbrennstoff-Wechselwirkungen 151
3.2.7.2 Bewertung 152
3.2.8 Verlagerung und Erstarrung verflüssigten Materials 154
3.2.8.1 Modelle und Spezifika der einzelnen Codes 154
3.2.8.2 Bewertung 163 vi Inhaltsverzeichnis
3.3 Modelle für Vorgänge in der späten Störfallphase 164
3.3.1 Bildung eines Kerntrümmerschüttbetts und seine
Auf heizung 164
3.3.2 Bildung, Ausbreitung und Aufheizung eines Schmelze­
sees im Kernbereich 170
3.3.3 Verlagerung von Kerntrümmern und Schmelze in das
untere Plenum und nachfolgende Aufheizung 173
3.3.4 Versagen der Bodenkalotte5
3.3.5 Bewertung 17
Literatur zu Kapitel 37
4. Verifikation der Codes 189
4.1 Verifikationsmatrix
4.2 Verifikationsaktivitäten am Beispiel des Internationalen
Standardproblems Nr. 31 (ISP-31) 191
4.2.1 Beschreibung der CORA-Versuchsanlage
4.2.1.1 Brennstabbündel3
4.2.1.2 Bündelumfassung 195
4.2.1.3 Hochtemperaturschild6
4.2.1.4 Quenchvorrichtung
4.2.2 Durchführung des Versuchs CORA-13 197
4.2.3 Nachrechnung von CORA-13 200
4.3 Vergleich experimenteller Ergebnisse mit Rechnungen 202
4.3.1 Bündelaufheizung 203
4.3.2 Oxidation und Wasserstofferzeugung 210
4.3.3 Materialverlagerung 214 Inhaltsverzeichnis vu
4.4 Bewertung 218
Literatur zu Kapitel 49
5. Entwicklungsschwerpunkte 223
5.1 Entwicklungsbedarf ausgehend vom derzeitigen Stand der
Modellierung 22
5.1.1 Thermohydraulik4
5.1.2 Kernauf heizung
5.1.3 Materialoxidation und Wasserstofferzeugung 225
5.1.4 Chemische Wechselwirkungen zwischen Kern­
materialien und Bildung flüssiger Phasen 227
5.1.5 Mechanisches Stabverhalten 230
5.1.6 Verlagerung von Schmelze und Bildung
metallischer Blockaden1
5.1.7 Spätphasenmodelie 232
5.1.8 Resümee4
5.2 Schwerpunkte derzeitiger und zukünftiger Entwicklung 236
5.3 Schlußbetrachtung und Ausblick8
Literatur zu Kapitel 5 243
Formelzeichen7
Abkürzungen 256