Alsmeyer, H.

Foit, J.J.

Meyer, L.

Schütz, W.

Foit, J. J.

KITopen

Im Verlauf eines schweren Kern-schmelzenunfalls kann bei lang-zeitigem, aber sehr unwahr-scheinlichem Ausfall der Kühlungder geschmolzene Brennstoffden Reaktordruckbehälter (RDB)durchschmelzen und in die Reak-torgrube und auf das Betonfun-dament austreten. Untersuchun-gen zu den dabei auftretenden,wichtigen Vorgängen wurden imForschungszentrum Karlsruhebereits in den 80er Jahren ingroßen Versuchsanlagen begon-nen. Diese Arbeiten verfolgtenzunächst das Ziel, im Rahmender in Deutschland und USAdurchgeführten Sicherheitsstudi-en die Gefährdung aus schwerenReaktorunfällen zu quantifizieren[1]. Insbesondere der Reaktorun-fall in Tschernobyl (1986) unter-strich, trotz vieler gravierenderDefizite im Vergleich mit den Si-cherheitskonzepten westlicherReaktoren, die Notwendigkeitsolcher Untersuchungen. DieFragen, für die im Forschungs-zentrum bereits vor TschernobylAntworten erarbeitet wurden, be-treffen u. a. den Angriff des Be-tonfundaments durch dieSchmelze, insbesondere die Fun-damentdurchdringung und denAnstieg des Drucks im Sicher-heitsbehälter.Obwohl die Eintrittswahrschein-lichkeit für so schwere Unfälle indeutschen Reaktoren sehr kleinist – sie liegt etwa bei 10-5 pro Re-aktorjahr – wurden, vor dem Hin-tergrund einer wachsenden Sen-sibilität der Öffentlichkeit die An-forderungen an die Sicherheit imFalle schwerer Unfälle wesentlicherhöht. Für die in Deutschlandlaufenden Reaktoren wurden da-her zusätzliche Maßnahmen er-griffen, die einerseits die Ein-griffsmöglichkeiten beim Unfallverbessern und andererseits dieeventuelle Freisetzung von Ra-dioaktivität nach außen stark ver-ringern [2]. Dazu gehören zumBeispiel die gefilterte Druckent-lastung und der frühzeitige Was-serstoffabbau im Sicherheits-behälter. Diese Maßnahmen ba-sieren auch auf einer vertieftenUnfallanalyse in verschiedenenVersuchsanlagen des Zentrums,die auch weiterhin mit der Zielset-zung betrieben werden, den Un-fallablauf besser zu verstehenund Eingriffsmöglichkeiten aufzu-zeigen.Bei der anschließenden Darstel-lung folgen wir der zeitlichen Ent-wicklung des Unfalls, beginnendmit dem Austritt der heißen Kern-schmelze aus dem Reaktor-druckbehälter bis zum langzeiti-gen Angriff des Fundaments undder eventuellen Kühlung derSchmelze im Fundamentbereich.Der Austritt der Schmelze ausdem Druckbehälter kann im Zen-trum der Bodenkalotte oderdurch seitliches Versagen etwa inHöhe der Schmelzenoberflächeerfolgen. Dies hängt von den De-tails des Unfallablaufs, eventuelleingeleiteten Kühlmaßnahmenwie auch von Durchbrüchen imBoden des Druckbehälters ab. Unterstellt man, dass die Druck-entlastung des Primärkreises er-folgreich durchgeführt wurde,dass also der die Schmelze trei-bende Dampfdruck auf deutlichunter 20 bar abgesenkt ist, sokönnen die Reaktionskräfte beiRDB-Versagen von den Aufla-gern des RDB abgetragen wer-den. Die Schmelze kann jedoch,je nach der vorliegenden Geome-trie, in wesentlichen Teilen ausder Reaktorgrube ausgetragenund in angrenzende Räume oderin den Sicherheitsbehälter verla-gert werden. Sie wird dabei zumgroßen Teil fein fragmentiert undkann dadurch sehr effektiv ther-misch und chemisch mit demDampf und der Atmosphäre imSicherheitsbehälter reagieren.Diese Materialtransportprozessesowie die thermischen und che-mischen Wechselwirkungen wer-den mit dem Ziel untersucht,mögliche Gefährdungen für dieIntegrität des Reaktorsicherheits-behälters und Gegenmaßnahmendazu aufzuzeigen.Aufbauend auf den DCH-Experi-menten (Direct ContainmentHeating) in SANDIA/USA werdendiese Vorgänge in den DISCO Ex-perimenten (DISpersion von CO-rium) im IKET untersucht, mitSchwerpunkt auf den engen Ka-vernen typischer europäischerReaktoren. In einer 1:18 skalier-ten Geometrie wird die Corium-Schmelze durch kalte Modellflüs-sigkeiten oder heiße Thermit-schmelzen (T>2000°C) (Abb. 1)simuliert. In den Versuchsreihenwurden systematisch die Berst-drücke, die Versagensquer-schnitte und -orte, die Treibgase(Stickstoff oder Dampf) und dieAtmosphäre im Sicherheitsbehäl-ter (Luft oder Dampf-Luftge-misch) variiert. Versagt der RDB am Boden, kön-nen bei Drücken nahe 20 bar biszu 75 % der Schmelze aus derDispersion derSchmelzeEinführung61(61)Untersuchung der Phänomene schwererer Störfälleaußerhalb des DruckbehältersH. Alsmeyer, J.J. Foit, L. Meyer, IKET; W. Schütz, IRSNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 36  2/2004  S. 61-66 Reaktorkaverne ausgetragenwerden. Bei Restdrücken unter 5bar sinkt dieser Anteil unter 10 %.Bei seitlichem Versagen ist derSchmelzeaustrag wesentlich ge-ringer. Durch Wärmeübergang von denkleinen Schmelzetröpfchen andie Atmosphäre im Sicherheits-behälter und durch die Verbren-nung des Wasserstoffes, derdurch die Reaktion des metalli-schen Teils der Schmelze mitdem Dampf erzeugt wird, kannsich der Druck im Sicherheits-behälter kurzzeitig um 2 bis 4 barerhöhen. Ist der direkte Weg ausder Reaktorgrube in den Sicher-heitsbehälter versperrt, und nureine Verbindung in die relativ en-gen Pumpen- und Dampferzeu-gerräume vorhanden, so ist dieWasserstofferzeugung und -ver-brennung geringer. Damit vermin-dern sich auch der Energieeintragin die Atmosphäre und der Druck-anstieg. Für weitergehende Aussagensind anlagenbezogene Experi-mente und eine sorgfältige Über-tragung mit Rechenprogrammennotwendig. Mit einem leistungs-fähigen Thermohydraulik-Codewerden die Experimente analy-siert und dabei die darin verwen-deten Modelle verbessert. DasZiel ist, eine Extrapolation vonden Experimenten in kleinemMaßstab mit Modellfluiden aufden Reaktormaßstab und dieprototypischen Uranoxid-Stahl-schmelzen durchführen zu kön-nen.Bei lokalem Versagen des Druck-behälters kann, getrieben durchden Druck des Dampfes imPrimärkreis, der Schmelzeaus-stoß für wenige Sekunden alskompakter Strahl erfolgen, ge-folgt von einem dispergierendenStrahl nach dem Gasdurchbruch.Die KAJET-Experimente unter-suchten die erodierende Wirkungdieses Schmelzestrahls, wenndieser, getrieben von Gas-drücken bis zu 2 MPa, auf denBeton in der Reaktorgrube trifft.Die Kernschmelze wurde dabeidurch Thermitschmelze mit Tem-peraturen von etwa 2000°C simu-liert.Die Versuche untersuchten dieErosion der beiden Betonsorten„Konstruktions-Beton“ und„Borosilikatglas-Beton“. Es wur-den insgesamt sieben Experi-mente (KJ02 bis KJ08) erfolgreichdurchgeführt. Um die Wirkungder beiden Schmelzephasen Me-tall und Oxid in einem Versuchunabhängig voneinander unter-suchen zu können (die beidenPhasen trennen sich aufgrund ih-res Dichteunterschiedes undwerden nacheinander ausge-stoßen), wurde eine um 90° dreh-bare Probetrommel mit zwei Be-tonprobekörpern eingesetzt.Erosion durchSchmelzestrahl62(62)Abb. 1: Die Versuchsanlage DISCO-H modelliert die Hauptkompo-nenten und Volumina eines Druckwasserreaktors.Reaktor-SicherheitsbehälterDruckbehälter desReaktorkühlmittelsystemsPumpen- undDampferzeugerräumeReaktordruckbehälterFe-Al2O3-SchmelzeReaktorgrubeNach der Beaufschlagung der er-sten Probe durch den Eisenstrahlwurde die zweite Probe in denStrahlbereich geschwenkt undvom Oxidstrahl beaufschlagt. Zurzeitabhängigen Erfassung derErosionsfront waren die Pro-bekörper mit Thermoelementeninstrumentiert. Typische Versuchsparameter undErgebnisse am Beispiel KJ08 mit Konstruktionsbeton sind:Schmelzemasse 75 kg Eisenbzw. 84,5 kg Oxid; Schmelzetem-peratur 2050 °C; Treibdruck 0,8MPa; Dauer der Wechselwirkung5,8 s bzw. 2,9 s; Erosionstiefe 65mm bzw. 29 mm; erodiertes Be-tonvolumen 180 ml bzw. 95 ml(Abb. 2).Insgesamt steht nun eine Daten-basis aus zwei Versuchsreihenmit 0,3 MPa bis 0,8 MPa Treib-druck zur Verfügung, nämlichKJ02-04 und KJ08 für Konstrukti-ons-Beton und KJ05, 06, 07 fürBorosilikatglas-Beton. Die maxi-malen Tiefenerosionsraten lagenbei 11 mm/s. Generell gilt, dassdie Erosionsraten für Oxidstrah-len geringer sind als für Eisen-strahlen. Ebenso sind die Ratenfür Borosilikatglas-Beton gerin-ger als für Konstruktionsbeton.Mit dem Treibdruck steigen auchdie Erosionsraten an.Die theoretische Interpretationder Experimente erfolgte in Zu-sammenarbeit mit der Ruhr-Uni-versität Bochum. Das Aufschmel-zen des Betons durch den Wär-meeintrag des auftreffendenSchmelzestrahls wurde dabei alsder entscheidende Mechanismusidentifiziert.Wenn die Schmelze mit geringerRate aus dem Druckbehälter aus-tritt, z. B. nach vollständigem Ab-fall des Primärkreisdrucks, ist dasAusbreitverhalten der Schmelzeauf dem Beton von großem Inter-esse, da dies den Angriff des Be-tons und die eventuelle Kühlbar-keit der Schmelze beeinflusst.Nach früheren Experimenten imForschungszentrum und in eu-ropäischen Partnerländern istdas Ziel der EU geförderten Ex-perimente ECOKATS, die Daten-basis durch Großexperimente zuvervollständigen und diese zurabschließenden Validierung vonRechenprogrammen zu verwen-den.Für diese Experimente wurde einneuer Typ von Thermitschmelzeentwickelt, die einen Erstarrungs-bereich zwischen 1822 K und1373 K besitzt und bezüglich desAusbreitverhaltens wesentlicheEigenschaften der Kernschmelzeaufweist. Für die Ausbreitung vonSchmelzen ist vor allem derenViskosität wichtig, die allerdingswegen der hohen Temperaturennicht direkt gemessen werdenkonnte. Sie wurde daher aus ei-nem Experiment bestimmt, indem 193 kg Schmelze mit einerAnfangstemperatur von 1893 K ineinem langen Kanal ausgebreitetwurden, dessen Boden mit kera-mischem Material ausgekleidetwar. Die Ausbreitung wurde 55 slang mit einem annähernd kon-stanten Volumenstrom von 1 l/sgespeist. Aus den gemessenenFrontpositionen als Funktion derZeit wurde unter Verwendung vonhierfür entwickelten Näherungs-Ausbreitung vonSchmelze63(63)Abb. 2: Schnitt durch die Betonprobekörper (Maße in mm).Erosion durch Eisen-StrahlV = 180 mlV = 95 mlErosion durch Oxid-Strahl60706529lösungen die Viskosität abge-schätzt. Dies ist möglich, daOxidschmelzen zunächst dünnethermische Grenzschichten aus-bilden, die die Frontbewegung inder Anfangsphase der Ausbrei-tung kaum beeinflussen. DiesePhase dauerte 12 s an. Danachführte die in der Umgebung derFront sich herausbildende mit-schwimmende Kruste zu einerVerlangsamung des Ausbrei-tungsvorganges. Unmittelbarnach dem Stillstand dieser Krustenach 28 s floss die heiße Schmel-ze darunter mit erhöhter Ge-schwindigkeit weiter. Dieser Vor-gang wiederholte sich mit einerVerankerung einer zweiten Krustenach 45 s. Das Ende der Frontbe-wegung war mit dem Stillstandeiner dritten Kruste nach 74 s er-reicht, 16 s nachdem die Schmel-zeeinspeisung beendet war. Der ECOKATS-1 Versuch unter-sucht die Ausbreitung auf einergroßen, ebenen Betonfläche. DieAusbreitungsgeometrie bestandaus einem 2.6 m langen und 0.29m breiten Kanal, der in eine 3 m x4 m große Fläche mündete (Abb.3). Die große Oxidmasse von 547kg, die bei einer Anfangstempe-ratur von 1873 K mit einemannähernd konstanten Volumen-strom von 2 l/s auf die Ausbrei-tungsfläche geleitet wurde, er-möglichte es, den Einfluss derAbkühlung der Schmelze auf die3-dim Ausbreitung zu untersu-chen, ohne dass die Schmelze-einspeisung vor der Ausbildungstarker Krusten beendet war. DieAusbreitung von heißen Schmel-zen auf Beton wird einerseitsdurch die freigesetzten Gase be-einflusst, indem die Viskositätdurch die in der Schmelze enthal-tenen Blasen verändert wird.Durch die Gasströmung steigt dieViskosität um das vierfache an,was die aus früheren Versuchengewonnenen Erkenntnisse unter-mauert. Anderseits ist bei denhier vorherrschenden niedrigenAusflussraten die Ausbildung vonKrusten an der Ausbreitungsfrontvon großer Bedeutung, die wieein Damm eine ungestörten Aus-breitung behindern und zu einerkomplexen Schmelzfront führen.Es ist nicht möglich, diese Vor-gänge in einem Rechenpro-gramm (CORFLOW) im Detail zumodellieren. Daher wird zur Beur-teilung der Güte der Rechener-gebnisse die im Experiment be-deckte Fläche als Maßstab ge-nommen. Die erzielte Überein-stimmung (Abb. 4) belegt die Lei-stungsfähigkeit des eingesetztenRechenprogramms. Im Hinblickauf die Anwendung für die Reak-torsicherheit steht damit einWerkzeug zur Verfügung, dasauch unter sehr ungünstigen Be-dingungen, nämlich bei kleinenAusströmraten und geringerÜberhitzung der Schmelze, zu-verlässige Aussagen zum Aus-breitverhalten der Schmelze er-laubt.Die Kernschmelze hat bei Austrittaus dem Druckbehälter eine An-fangstemperatur von etwa2000°C. Unter dieser extremenFundamenterosion undKühlbarkeit64(64)Abb. 3: ECOKATS-1, Ende der Ausbreitung.Abb. 4: Vergleich Experiment mit Nachrechnung.0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,50,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0Zeit [s]Bedeckte Fläche [m2 ]ExperimentCORFLOW ErgebnisseBeanspruchung zersetzt sich derBeton der Reaktorkaverne, wo-durch Gase in den Sicherheits-behälter freigesetzt werden,während die Schmelze, beheiztdurch die nukleare Nachwärme,in das Fundament vordringt. Wie die Verwendung der BETAExperimente im Rechenpro-gramm WECHSL gezeigt hat, isteine Durchdringung des Beton-fundaments nicht auszuschlie-ßen, wenn nicht eine wirksameKühlung der Schmelze einsetzt,die die Nachwärme langfristigaus der Schmelze entzieht. Hier-zu werden aktuell, unter Beteili-gung von Partnern im Rahmen-programm der EU, zwei Konzepteverfolgt: a) Kühlung durch Wasseraufgabeauf die Schmelze, b) Kühlung durch Injektion vonWasser von unten in dieSchmelze.Experimente zur Kühlung vonoben erfordern große Ausbreit-flächen, damit nicht die Seiten-wände die Bildung einer Ober-flächenkruste in untypischer Wei-se beeinflussen, was sich auf diezu untersuchenden Kühlvorgän-ge auswirken würde. Um eine65(65)Abb 5: Simulierte Kernschmelze auf einer 2 x 2 m2 Betonfläche;Ausbreitung (a) und Kühlung durch Wasseraufgabe von oben (b).a bSchmelze von mindestens 20 cmHöhe zu realisieren, wurden imExperiment ECOKATS-2 3200 kgsimulierter Kernschmelze, beste-hend aus Metall- und Oxidanteil,in eine Betonkaverne von 2 m x 2m ausgegossen (Abb. 5 a). Inner-halb von 40 s war die Schmelzegleichmäßig ausgebreitet undverursachte, wie erwartet, einestarke Betonerosion. In dieserfrühen Phase wurde die Flutungder Schmelze durch Aufgabe von4 Litern Wasser/s von einer Seiteher ausgelöst. Der Kontakt desWassers mit der Schmelzenober-fläche verlief sehr ruhig, ohnedass es zu heftigen Reaktionenzwischen Schmelze und Wasserkam. Unter der zunächst dünnenWasserschicht bildete dieSchmelze eine anfangs noch hellglühende, dünne Oberflächen-kruste aus. Diese Kruste besitztLöcher, durch die die Gase ausder andauernden Betonerosionabströmen. Die Kruste kühlt sichschnell ab und wird dunkel, wasauch den Übergang von Film- zuBlasensieden kennzeichnet. Die-sen Übergang zeigt Abb. 5 b, mitdem von rechts nach links fort-schreitendem Abkühlen derOberfläche.Die Kruste ist bis auf die gas-durchströmten Löcher geschlos-sen und fest mit der seitlichenBetonwand verankert. Dies ver-hindert das Eindringen des Was-sers von oben und damit ein Auf-brechen der Schmelze, was dieVoraussetzung für einen wirksa-men Wärmeentzug aus dem in-neren der Schmelze wäre. Infolgeder Gasfreisetzung aus dem Be-ton wird jedoch durch den entste-henden Gasdruck die Kruste iminneren Bereich der Fläche umbis zu 20 cm angehoben und bil-det eine teilweise poröse Strukturaus. Weiterhin transportieren dieGase aus den Löchern in der Kru-ste Lava-ähnliche Schmelze indie obere Wasserschicht, waszum Aufbau von etwa 15 Vulkan-kegeln mit bis zu 20 cm Höheführt. Wie der nur langsame Tem-peraturabfall am Boden derSchmelze zeigt, tragen diese Vor-gänge allerdings nur wenig zurVerbesserung der Kühlung bei,so dass die Kühlung im wesentli-chen durch die Wärmeleitung inder Oberflächenkruste begrenztwird. Daher erstarrt im Verlaufedes Experiments der Zentralbe-reich der Schmelze in Form einerkompakten Schicht, die ein Ein-dringen des Kühlwassers vonoben nicht zulässt. Die Nachun-tersuchungen zeigen, dass ledig-lich die oberen 4 cm der oxidi-schen Schmelzeschicht in einegut kühlbare Konfiguration über-führt wurden. Daher kann unterReaktorbedingungen ein Stoppder Fundamenterosion alleindurch Flutung von oben nicht er-wartet werden. Diese Ergebnissebestätigen Experimente des Ar-gonne National Laboratory/USA,die mit nachbeheizten Schmel-zen auf der Basis von UO2, aller-dings in wesentlich kleinererGeometrie, gewonnen wurden.Eine wirksamere Kühlung derSchmelze gelingt, wenn Wasservon unten in die Schmelze einge-geben wird, was zu schneller Ver-dampfung und dem Aufbrechender Schmelze führt. Dieses so ge-nannte COMET-Konzept wird imForschungszentrum entwickeltund optimiert. Dazu dient die CO-MET-Versuchsanlage, die nachwesentlicher Erweiterung derfrüher entwickelten Versuchs-und Heiztechnik bei den BETA-Experimenten eingesetzt wird,und eine kontinuierliche Simulati-on der Nachwärme über den ge-samten Versuchzeitraum ermög-licht (Abb. 6).Nach Ausbreitung auf der ebenenCOMET-Kühleinrichtung erodiertdie Schmelze zunächst eine biszu 10 cm hohe Opferschicht ausBeton und schmilzt dann Zutritts-wege für das Flutwasser auf. Jenach Bauart erfolgt der Wasser-zutritt aus einer Vielzahl vonKanälen, oder aus einer wasser-führenden Betonschicht am Bo-den der Kühleinrichtung. DasKühlwasser steht gegenüber derSchmelze unter einem geringenÜberdruck, so dass die Kühlungrein passiv erfolgt.Die Experimente zeigen, dass dieSchmelze zuverlässig gestopptund gekühlt werden kann (Abb.7). Die Kühleinrichtung wird zurZeit bezüglich Bauhöhe und kühl-barer Schmelzenhöhe optimiert,um einen Einsatz in Reaktoren zu ermöglichen.Die beschriebenen Experimenteund die begleitende Entwicklungvon Rechenprogrammen er-höhen wesentlich die Kenntnisseüber den Ablauf schwerer Unfäl-le, aber auch über Eingriffsmög-lichkeiten zur Unfallminderung.Damit leisten diese Arbeiten ei-nen Beitrag zum weiteren, siche-ren Betrieb der existierenden Re-aktoren. Die internationale Ein-bindung und der intensive Aus-tausch mit wichtigen Ländern in-nerhalb und außerhalb Europasmit Förderung durch die Europäi-sche Union unterstützen damitdie Absicherung eines internatio-nal hohen Sicherheitsniveaus derLeichtwasserreaktoren.Ausblick66(66)Abb. 6: COMET-Versuchsanlage.[1] Deutsche Risikostudie Kernkraftwerke, Phase B, Verlag TÜVRheinland, Bonn 1989[2] Fortschritte bei der Beherrschungund Begrenzung der FolgenauslegungsüberschreitenderEreignisse, Fachtagung der KTG-Fachgruppen Reaktorsicherheit undThermo- und Fluiddynamik, Karlsruhe, 25. - 26. 9. 2003, FZKA6935 (2004)LiteraturAbb. 7: Kühlbare, porös erstarrte Schmelze im Schnitt.0,85 m O W

Untersuchung der Phänomene schwerer Störfälle außerhalb des Druckbehälters. Studies of severe accident phenomena in the ex-vessel phase

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Untersuchung der Phänomene schwerer Störfälle außerhalb des Druckbehälters. Studies of severe accident phenomena in the ex-vessel phase

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