Results of the LOCA bundle test QUENCH-L2 with M5® claddings (SR-7677)

Ergebnisse des unter Bedingungen eines LOCA-Störfalls ausgeführten Versuches QUENCH-LOCA-2 mit M5®-Hüllrohren
Der QUENCH-L2-Bündelversuch wurde im Rahmen der QUENCH-LOCA-Testserie durchgeführt. Die M5®-Rohre im Lieferzustand mit Außendurchmesser von 10,75 mm wurden als Hüllrohre von 21 elektrisch beheizten Stäbe verwendet. Wie schon im früheren QUENCH-L1-Test, wurden die Brennstabsimulatoren separat mit Krypton bis zu einem Innendruck von 55 bar beaufschlagt. Bündelkonfiguration und Testprotokoll waren ähnlich denen des Referenztests QUENCH-L1 mit Zry-4-Hüllrohren. Eine Änderung zu dem vorhergehenden Versuch war die Verwendung von Wolfram für die Heizelemente mit 4,6 mm Durchmesser statt der Tantalheizer mit 6,0 mm Durchmesser. ... mehrDiese Maßnahme erlaubte, den störenden Einfluss der hohen Duktilität des Tantals bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Das spezifische Ziel des QUENCH-L2-Tests war es, Informationen über das Verhalten der M5®-Legierung unter Bedingungen eines LOCA-Störfalls mit komplettem Bruch eines Rohres des Kühlkreislaufes (LB-LOCA) bereitzustellen, besonders mit Fokus auf die so genannte sekundäre Hydrierung des Hüllrohrmaterials. Der Versuch wurde am 30. Juli 2013 am Karlsruher Institut für Technologie erfolgreich durchgeführt. Das Temperatur-Zeit-Szenario entsprach dem eines typischen LB-LOCA-Störfalls in einem deutschen DWR. Die Vortestberechnungen wurden am Paul Scherrer Institut mit dem SCDAP/RELAP5-Code durchgeführt. Vor dem Experiment wurden die Stäbe mit Krypton bis zu einem Druck von 20 bar gefüllt. Der Versuch startete mit der Stabilisierung des Bündels bei einer elektrischen Leistung von 3,6 kW. Dabei wurden 6 g/s Argon und 2 g/s überhitzter Dampf in das Bündel injiziert, sodass die maximale Bündeltemperatur der Stabilisierungsphase von ca. 860 K erreicht wurde. Während dieser Phase wurde der Stabinnendruck auf 55 bar erhöht. Das Bündel wurde bei 860 K und 55 bar für 1000 s gehalten. Die Transiente wurde durch schnelles Erhöhen (3,8 s) der elektrischen Leistung auf 42 kW gestartet, gefolgt von einem Anstieg auf 60 kW innerhalb der nächsten 42 s. In diesem Zustand wurde das Bündel für den Rest der transienten Phase (bis 77 s) gehalten. Während dieses Zeitraums stieg die Temperatur wie geplant auf ein maximales Niveau von etwas oberhalb 1350 K (maximal gemessen wurdwurden 1398 K). Die durchschnittliche Aufheizgeschwindigkeit in der transienten Phase betrug 7,6 K/s. Die erhöhte Duktilität der Hüllrohre führte zu einer fortschreitenden Rohrdehnung und schließlich zum Bersten von allen Hüllrohren. Das erste Bersten erfolgte 48 s nach Start der Transiente beim inneren Stab # 08 bei etwa 1113 K. Alle Stäbe versagten innerhalb der nächsten 20 s. Die Bersttemperaturen lagen zwischen 1050 K und 1195 K (ähnlich denen beim QUENCH-L1-Versuch). Der azimutale Temperaturunterschied erreichte 70 K für einige Stäbe zum Zeitpunkt des Berstens. Die durchschnittliche Dauer des Druckabbaus in den Stäben auf Systemdruck betrug etwa 38 s (ähnlich den Versuchen QUENCH-L0 und -L1). Der Versuch wurde fortgesetzt mit einer Leistungsrücknahme auf 3,5 kW (Simulation der Nachzerfallswärme) bei 78 s und der Injektion von 20 g/s Dampf. In dieser Phase fand eine kontinuierliche Abkühlung auf ca. 1030 K statt. Der Kühlphase folgte nach 208 s das Abschrecken mit 100 g/s Wasser. Die ersten 40 s waren nötig, um das kleine Volumen am Bündelfuß zu füllen; während dieser Zeit erhöhte sich die Temperatur etwas aufgrund der Abschaltung der Dampfeinspeisung. Das erste Abschrecken wurde nach 238 s in den unteren Ebenen des Bündels registriert. Die Abschreckfront bewegte sich allmählich nach oben, und das erste Abschrecken im Ballooning-Bereich fand nach 265 s statt. Die komplette Bündelkühlung wurde nach 300 s erreicht. Die Nachuntersuchung mit Videoskop zeigte typische Ballooning-Bilder in den Ebenen zwischen 800 und 1000 mm. Einige Stäbe wiesen zwischen den Gitterabstandshaltern bei 550 und 1050 mm Höhe Krümmungen auf. Fragmentierungen der Hüllrohre wurde nicht beobachtet (Restduktilität ist ausreichend). Es wurde umfangreiches Datenmaterial aus den Laserscanner-Messungen herangezogen, um das Ausmaß der Bündel-Blockade für jede Ebene zu ermitteln. Die maximale Blockade des Kühlkanals (15% bei 960 mm) war niedriger im Vergleich zu QUENCH-L0 und -L1 (ca. 23%). Aufgrund moderater Blockade wurde eine gute Kühlbarkeit für alle drei Bündel QUENCH-L0, -L1 und -L2 beobachtet. Wirbelstrommessungen an den Außenoberflächen jedes Hüllrohres zeigten im Vergleich zu den QUENCH-L0 und L1-Tests einen niedrigeren Oxidationsgrad. Eine detaillierte Bestimmung der Konzentration und Verteilung des absorbierten Wasserstoffs wurde mittels Neutronenradio- und Tomographie durchgeführt. Ausgeprägte Wasserstoffbänder wurden nur bei fünf Innenstäben beobachtet, und nur in zwei Fällen lag die Wasserstoffkonzentration über 1000 Gew.-ppm (ca. 1100 Gew.-ppm). Alle anderen zwölf geprüften Hüllrohre zeigten Konzentrationen zwischen 60 und 670 Gew.-ppm. Alle 21 Hüllrohre wurden in Zugversuchen getestet. Ähnlich den QUENCH-L0-Stäben mit Wasserstoffkonzentrationen unter 1500 Gew.-ppm versagten neun QUENCH-L2-Hüllrohre an der Berststelle aufgrund von
Spannungskonzentration. Alle anderen Hüllrohre versagten nach Einschnürung außerhalb des Ballooning-Bereiches.

The QUENCH-L2 bundle experiment was performed in the framework of the QUENCH-LOCA test series. As-received M5® tubes with an outside diameter of 10.75 mm were used as claddings of 21 electrical heated rods. Similar to the previous QUENCH-L1 test, the fuel rod simulators were separately internally pressurized with krypton to 55 bar. Bundle configuration and test protocol were similar to the reference test QUENCH-L1 with Zry-4 cladding. A change related to the previous experiment was the use of tungsten for the heater elements with 4.6 mm diameter instead of tantalum heaters with 6.0 mm diameter. ... mehrThis measure avoids a disturbing influence of too high ductility of tantalum at high temperatures. Specific objectives of QUENCH-L2 were to provide information about the behaviour of the M5® alloy on the response to a best-estimate large break LOCA sequence, as regards the impact of burst parameters on secondary hydriding of the cladding.
The experiment was successfully conducted at the Karlsruhe Institute of Technology on July 30, 2013 according to a temperature/time-scenario typical for a LB LOCA in a German PWR. Pre test calculations were performed at Paul Scherrer Institute by using the SCDAP/RELAP5 code system.
Before the experiment, the rods were filled with krypton to 20 bar. The experiment started by stabilizing the bundle conditions with an application of electrical bundle power of 3.6 kW in 6 g/s argon plus 2 g/s superheated steam, resulting in maximum bundle temperatures of about 860 K. During this stabilization phase the rods were pressurized with krypton to 55 bar. The bundle was kept at peak cladding temperature (PCT) of 860 K and internal rod pressure 55 bar for 1000 s before the transient started. The transient was initiated by rapidly increasing the electrical power to 42 kW, reached after 3.8 s, followed by a steady increase to 60 kW within the next 42 s and maintained at that level for the rest of the transient (until 77 s). During this period, the temperatures increased from their initial values to a maximum in excess of 1350 K, as planned. The average heatup rate at the maximum temperature location was 7.6 K/s.
The increased ductility of the heated cladding resulted in a progressive ballooning and consequent burst of all claddings. The first burst occurred 48 s after transient initiation at the inner rod #08 at about 1113 K. All rods failed within the next 20 s. The burst temperatures were between 1050 K and 1195 K (similar to QUENCH-L1). The azimuthal temperature gradient for several rods reached 70 K on the burst time. The average depressurization duration of rods to the system pressure was about 38 s (similar to tests QUENCH-L0 and L1).
The experiment continued with a power decrease to 3.5 kW at 78 s to simulate decay heat and injection of steam at nominal 20 g/s. After short period of peak cladding temperature increase to 1398 K, the bundle cooling was established. In this test stage mostly steady cooling to about 1030 K occurred. The cooling phase was followed by the injection of up to 100 g/s water from 208 s. The first 40 s were needed to fill the lower volume; during this time the temperatures increased somewhat in the absence of significant steam flow. The first quenching occurred at the bottom of the bundle at 238 s. Quenching progressed readily toward the top, and the first quench in the region of ballooning occurred at 265 s. Complete quenching was achieved at 300 s.
The post-test videoscope inspection showed typical ballooning pictures at elevations between about 800 and 1000 mm. Some rods seem to be bent between the grid spacers located at 550 and 1050 mm. No fragmentation of claddings was observed (residual ductility is sufficient). The data from the laser scanner measurements allow defining the degree of the bundle blockage for each elevation. The maximum blockage ratio of the cooling channel (15% at 960 mm) was lower in comparison to QUENCH-L0 and -L1 (about 23%). Due to moderate blockage a good bundle coolability was kept for all three bundles QUENCH-L0, -L1 and -L2. Eddy-current measurements at the outer surface of each cladding revealed lower degree of oxidation in comparison to QUENCH-L0 and L1 tests.
A detailed determination of concentration and distribution of the absorbed hydrogen was realized by means of neutron radio- and tomography. Pronounced hydrogen bands in the claddings were observed only for five inner rods and only in two cases the hydrogen concentration exceeds 1000 wppm (about 1100 wppm). All other twelve investigated claddings showed concentrations between 60 and 670 wppm.
All 21 claddings were subjected to tensile tests. Nine claddings failed during tensile tests due to stress concentration at the burst position – similar to rods of the QUENCH-L0 bundle with hydrogen concentration less of 1500 wppm. All other claddings failed due to fracture after necking at elevations outside of ballooning region.