Results of the LOCA reference bundle test QUENCH-L1 with Zircaloy-4 claddings (SR-7651)

Ergebnisse des unter Bedingungen eines LOCA-Störfalls ausgeführten
Referenzversuches QUENCH-LOCA-1
Der QUENCH-L1-Versuch wurde als Referenztest für die QUENCH-LOCA-Testserie konzipiert. Ziel der Bündel-Testserie ist die Prüfung von Brennstabhüllrohrmaterialien hinsichtlich Verformung, Bersten und Wasserstoffaufnahme bei der für deutsche Reaktoren repräsentativen LOCA-Auslegungsstörfallszenarien. Des Weiteren werden mittels detaillierter mechanischer Nachuntersuchungen anhand von Festigkeitseigenschaften Versprödungskriterien für Hüllrohre ermittelt. Das QUENCH-L1-Testbündel bestand aus 21 elektrisch beheizten Brennstabsimulatoren mit Hüllrohren aus Zircaloy-4 im Lieferzustand. ... mehrJeder Brennstabsimulator wurde separat mittels Krypton druckbeaufschlagt. Für alle Stäbe wurde ein Enddruck von 55 bar eingestellt. Während 90 s wurde die Temperatur in der transienten Phase von 570 auf 1100 °C erhöht. Die abnehmende Festigkeit und die zunehmende Duktilität des Hüllrohrmaterials mit zunehmender Temperatur führten zum lokalen Ausbeulen und anschließendem Bersten aller Brennstabsimulatoren in der transienten Phase. Das Experiment wurde durch Abschrecken des Bündels mit Wasser nach einer ca. 120 s dauernden Abkühlphase beendet. Nachuntersuchungen ergaben Werte für die Dehnung zwischen 25% und 45% im Bereich der Hüllrohre mit einem maximalen Oxidationsgrad von 2% ECR, der im Berstbereich gemessen wurde. Neutronen-radiographische Untersuchungen der Hüllrohre zeigten eine erhöhte Konzentration von absorbiertem Wasserstoff in den Hüllrohren in der Nähe der aufgeplatzten Beulen. Für die inneren Stäbe konnte nachgewiesen werden, dass der Wasserstoff in bandförmigen Bereichen an der Grenze zur inneren Oxidationszone absorbiert wurde. Zugversuche an den Hüllrohren mit erhöhtem Wasserstoffgehalt zeigten, dass alle Stäbe im Zentralbereich der Berstöffnungen versagten (Anmerkung - der Zentralstab konnte leider nicht getestet werden, da er bereits während der manuellen Entfernung der Heizer oberhalb und unterhalb der Berstöffnung im Bereich der Wasserstoffbänder zerbrach).

The QUENCH-L1 bundle experiment with Zircaloy-4 cladding tubes was defined as reference test for the QUENCH-LOCA test series. The overall objective of this bundle test series is the investigation of ballooning, burst and secondary hydrogen uptake of the cladding under representative design based accident conditions, as well as to check the embrittlement criteria by means of detailed mechanical post-test investigations. The QUENCH-L1 test bundle contained 21 electrically heated fuel rod simulators made of as-received Zircaloy-4 claddings. Each rod was separately pressurized with krypton gas using an initial pressure of 55 bar for all rods. ... mehrThe transient phase with heating up from 570 °C to 1100 °C lasted 90 s. The decreasing yield strength and increasing ductility of the heated claddings with increasing temperature resulted in a progressive ballooning and consequent burst of all rods during the transient. The duration of the slow cooling phase was about 120 s. The test was terminated by water quenching. Post-test investigations showed maximal strain values between 25 and 45% at cladding positions with oxidation degree corresponding to 2% ECR measured in the burst region. Neutron radiography investigations of inner cladding tubes showed elevated concentrations of absorbed hydrogen close to the burst positions in band shaped cladding regions formed at the boundary of inner oxidised zone (so called secondary hydriding). Tensile tests on the cladding tubes with higher hydrogen content showed, that all rods failed in the centre of the burst opening (remark – unfortunately, the centre cladding could not be tested since it already has broken during the manual withdrawal of heaters in the regions of the hydrogen bands above and below the burst opening).