Experimente zur Wasserstoffverbrennung bei DCH-Prozessen
Im Rahmen der Forschung zu schweren Unfällen in Leichtwasserreaktoren werden im Institut für Energie- und Kerntechnik des Forschungszentrums Karlsruhe seit 1998 die Versuchanlagen DISCOC und DISCO-H betrieben, konzipiert zur Untersuchung der Druckbelastung des Sicherheitsbehälters durch Schmelzedispersion (Direct Containment Heating, DCH) bei Versagen des Reaktordruckbehälters (RDB). Vorangegangene Experimente haben die Schmelzeverteilung und Druckerhöhung im Sicherheitsbehälter bei verschiedenen europäischen Reaktorgeometrien untersucht, unter Anwendung von Eisen-Aluminium-Schmelzen und Dampf als Modellfluide.
Die Analyse dieser Experimente hat gezeigt, dass der Druckanstieg sowohl durch den Wärmeübergang von der Schmelze an das Gas, aber auch zum nicht unerheblichen Teil durch Wasserstoffverbrennung verursacht wurde. So hat sich die Notwendigkeit ergeben, die charakteristischen Eigenschaften der Wasserstoffverbrennung während des DCH-Prozesses besser beschreiben zu können. Um diese Fragen zu klären, wurden Einzeleffektexperimente in der DISCO-H Versuchsanlage durchgeführt. Mit Ausnahme der Schmelzedispersion laufen in diesen Experimenten die gleichen Prozesse ab, wie sie während des DCH-Vorganges auftreten, das sind das Abblasen einer heißen Wasserstoff-Dampf Mischung in den Sicherheitsbehälter und die Zündung dieses Gasgemisches in einer LuftDampf-Wasserstoff Atmosphäre. Der Effekt der Schmelzepartikel als Zünder wurde mit Thermitkerzen simuliert. Die experimentellen Daten werden benutzt, um Modelle in Verbrennungscodes zu kalibrieren und um auf Reaktormaßstab zu extrapolieren.
Die Experimente wurden in zwei Schritten durchgeführt. Für eine Serie von 6 Tests wurde eine vereinfachte Geometrie benutzt, um die Hauptparameter der Verbrennung zu studieren. Dann wurden zwei Tests in einer prototypischeren Geometrie durchgeführt, bei der das Gas aus der Grube zuerst in einen separaten Reaktorraum und von dort in den Sicherheitsbehälter strömt. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt:
• Als Anfangsbedingung im Sicherheitsbehälter wurde eine Luft- bzw. ein Luft-Dampf-Atmosphäre bei 100°C und 2 bar eingestellt, mit Wasserstoffkonzentrationen zwischen 0 und 7 mol%, repräsentativ für die Atmosphäre im Containment bei Versagen des RDB.
• Einblasen eines heißen Dampf-Wasserstoffgemisches in die Reaktorgrube bei 20 bar, repräsentativ für ein Kühlmittelabblasen durch ein Leck im RDB und der Wasserstofferzeugung während dieser Phase.
Die wichtigsten gemessenen Größen waren (1) der Druckanstieg im Sicherheitsbehälter, (2) die Gastemperaturen und (3) die Anzahl der verbrannten Wasserstoffmole. Diese Experimente kennzeichnen die Rate der Wasserstoffverbrennung, die Vollständigkeit und die Art der Verbrennung bei verschiedenen Anfangsbedingungen. Der Anteil des verbrannten Wasserstoffs betrug zwischen 55% und 100% der Gesamtmenge in der einfachen Geometrie und 46% bzw. 67% in der mehr prototypischen Geometrie. Der Wirkungsgrad hinsichtlich Druckerhöhung im Sicherheitsbehälter lag zwischen 46% und 67%.
Spezielle Verbrennungscodes müssen angewendet werden um zu prüfen, ob diese Ergebnisse auch für den Reaktormaßstab gelten
