Results of the LOCA bundle test QUENCH-L3 with optimised ZIRLO™ claddings (SR-7737)

Ergebnisse des unter Bedingungen eines LOCA-Störfalls ausgeführten Versuches QUENCH-LOCA-3 mit opt. ZIRLO™-Hüllrohren
Der QUENCH-L3-Bündelversuch wurde im Rahmen der QUENCH-LOCA-Testserie durchgeführt. Das Ziel der Testreihe ist die Untersuchung von Dehnung, Bersten, Oxidation und sekundärer Hydrierung der Hüllrohre unter repräsentativen Auslegungsstörfallbedingungen sowie der Einfluss dieser Parameter auf die mechanischen Eigenschaften dieser Rohre. Mit den Versuchen dieser Serie wird das Verhalten von verschiedenen Hüllrohrmaterialien mit und ohne Vorhydrierung untersucht. ... mehrFür den QUENCH-L3-Versuch wurden frische opt. ZIRLO™-Hüllrohre (Außendurchmesser: 10,75 mm) verwendet. Die Bündelkonfiguration und das Testprotokoll waren ähnlich dem Referenztest QUENCH-L1, der mit frischen Zircaloy-4-Hüllrohren durchgeführt wurde. Spezifisches Ziel des QUENCH-L3-Tests war die Untersuchung des Verhaltens der ZIRLOHüllrohre, mit speziellem Fokus auf die Auswirkungen des Berstens dieser Rohre auf deren sekundäre Hydrierung. Der Test wurde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) am 17. März 2015 erfolgreich durchgeführt.
Zu Beginn des Experiments wurde zunächst die Teststrecke stabilisiert. Hierzu wurde das Bündel erwärmt mit einer elektrischen Leistung von 3,6 kW, einer Gasströmung von 6 g/s Argon sowie 2 g/s überhitzten Dampfes bis eine maximale Hüllrohrtemperatur von etwa 845 K erreicht war. Während dieser Stabilisierungsphase (mit einer Dauer von 1700 s) wurden die Stäbe bis auf 55 bar mit Krypton beaufschlagt. In der sich anschließenden 75.8 s dauernden Aufheizphase wurde die elektrische Leistung auf 60 kW erhöht. Während dieser Zeit stiegen die Temperaturen von ihren Anfangswerten (d.h. denen am Ende der Stabilisierungsphase) bis zu einem Maximum von 1325 K. Die durchschnittliche Aufheizgeschwindigkeit betrug 6,3 K/s. Die erhöhte Duktilität der erwärmten Hüllrohre führte zu deren fortschreitender Dehnung und anschließendem Bersten aller Rohre. Die Bersttemperatur betrug 1117 ± 30 K. Das Experiment wurde mit einer Leistungsreduzierung auf 3,5 kW (Modellierung der Zerfallswärme) und Einführung von Dampf bei einem Nennwert von 20 g/s fortgesetzt (Abkühlphase). In dieser Phase fand zuerst eine Aufwärmung auf 1346 K und danach eine Abkühlung auf etwa 920 K (an der Bündelebene 850 mm) und 950 K (950 mm) statt. Die darauf folgende Abschreckphase erfolgte vom Bündelboden aus mit einer Wassereinspeisung von bis zu 100 g/s (entspr. 3,3/g/s/Effektivstab). Das vollständige Abschrecken wurde nach 295 s erreicht. Aufnahmen nach dem Versuch mit einem Videoskop vom Bündelinneren zeigen Ballooning-Bereiche typischerweise in den heißesten Bündelebenen zwischen 800 und 1000 mm. Das Bündel wurde demontiert und die geometrischen Parameter aller Stäbe wurden mit einem Laserscanner bestimmt; die gemessenen Hüllrohr-Umfangsdehnungen im Berstbereich lagen zwischen 20% und 35%. Mit Ultraschallmessungen wurde die Verminderung der Hüllrohrwandstärke in der Nähe von Berstöffnungen bestimmt. Die axiale und radiale Verteilung sowie die Stärke von Oxidschichten an den Hüllrohren wurden durch Wirbelstromverfahren ermittelt; die maximale Dicke von ZrO2 - in Kombination mit α-Zr(O)-Schichten - betrug etwa 25 μm für innere und 16 μm für äußere Stäbe. Die Bestimmung der Konzentration und Verteilung von absorbiertem Wasserstoff wurde mit Hilfe der Neutronentomographie durchgeführt; über den Umfang gemittelte Wasserstoffkonzentrationen zwischen 200 und 500 wppm wurden oberhalb der Berstöffnungen (sekundäre Hydrierung) der inneren Stäben gemessen. Die Messung der mechanischen Eigenschaften und die Bestimmung der Restduktilität wurden durch Zugversuche mit Hüllrohrsegmenten bewerkstelligt; bei den äußeren Stäben zeigten sich Sprödbrüche bei Spannungen von etwa 500 MPa hauptsächlich aufgrund der Spannungskonzentration an den Spitzen von Berstöffnungen. Die Mehrheit der inneren Stäbe versagte durch Einschnürung in weitem Abstand von der Berstöffnung; nur eines davon brach aufgrund Spannungskonzentration in den Spitzen der Berstöffnung.

The QUENCH-L3 experiment was performed in the framework of the QUENCH-LOCA test series. The overall objective of this bundle test series is the investigation of ballooning, burst, degree of oxidation and secondary hydrogen uptake of the cladding under representative design-basis accident conditions and their influence on the mechanical properties. The various experiments of the series examine the behavior of different cladding materials and the effect of pre-hydriding. For the QUENCH L3 test, as-received ZIRLO™ cladding tubes with an outside diameter of 10.75 mm have been used. ... mehrLike in all experiments of the QUENCH LOCA series, all 21 fuel rod simulators were separately pressurized with krypton to 55 bar. Bundle configuration and test protocol were similar to the reference test QUENCH L1 with Zry-4 claddings. A difference with respect to the reference QUENCH L1 experiment was the use of tungsten for the electrical heater elements with 4.6 mm diameter instead of tantalum heaters with 6.0 mm diameter. Specific objectives of QUENCH-L3 were to provide information about the response of ZIRLO alloy to a best-estimate large-break LOCA sequence, with special focus on the impact of burst parameters on secondary hydrogenation of the cladding. The experiment was successfully conducted at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) on March 17, 2015.
Prior to the experiment the rods were filled with krypton to 30 bar at 800 K. The experiment started with stabilizing the bundle conditions applying electrical bundle power of 3.6 kW in 6 g/s argon plus 2 g/s superheated steam resulting in maximum bundle temperatures of approximately 845 K. During this stabilization phase (duration 1700 s) the rod internal pressure was increased to 55 bar. The transient was initiated by increasing the electrical power to 60 kW and lasted 75.8 s. During this period the temperatures increased from their initial values to 1325 K. The average heatup rate at the maximum temperature location was 6.3 K/s. Both the increasing ductility and decreasing creep strength of the heated cladding resulted in a progressive ballooning and consequent burst of all of the rods. The burst temperature was 1117 ± 30 K. The experiment continued with a power decrease to 3.5 kW to simulate decay heat and injection of steam at a nominal of 20 g/s. The cladding temperatures increased to a maximum of 1346 K, followed by steady cooling to about 920 K (at elevation 850 mm) and 950 K (elevation 950 mm). The cooling phase was terminated by quenching with up to 100 g/s water injection from bundle bottom. Complete quench was achieved at 295 s.
Post-test videoscope inspection showed typical ballooning pictures at elevations between about 800 and 1000 mm. The bundle was dismounted and the following geometric characterization of all rods by laser scanning revealed formation of multiple ballooning regions; the range of circumferential strains measured was between 20% and 35%. Ultrasound measurements were used to determine the degree of thinning of cladding wall in vicinity of burst openings. Axial and radial distribution of oxidation rate was measured by eddy current methods; maximal combined thickness of ZrO2 and α Zr(O) layers was about 25 µm for inner rods and 16 µm for outer rods. Determination of concentration and distribution of absorbed hydrogen was performed by neutron imaging methods; a circumferentially averaged maximal hydrogen concentration between about 200 and 500 wppm was measured above the burst openings (secondary hydrogenation) of inner bundle rods. Measurement of mechanical properties and determination of residual ductility were carried out by tensile tests with cladding tube segments and showed fracture of claddings at engineering stress of about 500 MPa mostly due to stress concentration at burst opening tips for the outer bundle rods. The majority of the inner rods was fractured due to necking far away from the burst for the inner rods; only one cladding was fractured due to stress concentration at the opening middle.