Results of the LOCA bundle test QUENCH-L4 with pre-hydrogenated M5® claddings (SR-7712)

Ergebnisse des unter Bedingungen eines LOCA-Störfalls ausgeführten Versuches QUENCH-LOCA-4 mit hydrierten M5®-Hüllrohren
Der QUENCH-L4-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-L4-Versuch wurden M5®-Hüllrohre (Außendurchmesser: 10,75 mm) mit etwa 100 gew. ppm Wasserstoff vorbelastet. Die
Bündelkonfiguration und das Testprotokoll waren ähnlich dem Referenztest QUENCH-L2, der mit nicht vorbehandelten M5®-Hüllrohren durchgeführt wurde. Spezifisches Ziel des QUENCH-L4-Tests war die Untersuchung des Verhaltens der vorhydrierten Hüllrohre, mit speziellem Fokus auf die Auswirkungen des Berstens dieser Rohre auf deren sekundäre Hydrierung. Der Test wurde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) am 30. Juli 2014 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 850 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 Aufheizphase wurde die elektrische Leistung auf 60 kW erhöht, und diese Testphase dauerte 82 s. Während dieser Zeit stiegen die Temperaturen von ihren Anfangswerten (d.h. denen am Ende der Stabilisierungsphase)
bis zu einem Maximum von 1352 K. Die durchschnittliche Aufheizgeschwindigkeit betrug 6,7 K/s. Die erhöhte Duktilität der erwärmten Hüllrohre führte zu deren fortschreitender Dehnung und anschließendem Bersten aller Rohre. Die Bersttemperatur betrug 1107 ± 27 K (etwa 30 K niedriger als im QUENCH-L2-Test). 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 eine
Abkühlung auf etwa 980 K 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 300 s erreicht. Aufnahmen nach dem Versuch mit einem Videoskop vom Bündelinneren zeigen Ballooning-Bereiche typischerweise in den heißesten Bündelebenen zwischen 900 und 950 mm. Das Bündel wurde demontiert und die geometrischen Parameter aller Stäbe wurden mit einem Laserscanner bestimmt; die gemessenen Hüllrohr-Umfangsdehnungen im Berstbereich lagen zwischen 18% und 30%. Bei allen Stäben konnten kleine Verbiegungen in den radialen Ebenen, die durch die Berstöffnungen gingen, festgestellt werden. 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) -Schichtenbetrug etwa 25 μm. Die Bestimmung der Konzentration und Verteilung von absorbiertem Wasserstoff wurde
mit Hilfe der Neutronentomographie durchgeführt; eine maximale Wasserstoffkonzentration von ca. 1500 wppm wurde oberhalb der Berstöffnung (sekundäre Hydrierung) des zentralen Stabes gemessen. Die Messung der mechanischen Eigenschaften und die Bestimmung der Restduktilität wurden durch Zugversuche mit Hüllrohrsegmenten von ca. 800 mm 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 drei innere Hüllrohre brachen aufgrund sekundärer Hydrierung. Mikrostrukturuntersuchungen von Hüllrohren und Hydriden-Verteilung wurden mittels XRD- und EBSDVerfahren durchgeführt.

The QUENCH-L4 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 L4 test, M5® claddings pre-loaded with approximately 100 wppm hydrogen and with an outside diameter of 10.75 mm have been used. ... mehrLike in all experiments of the QUENCH LOCA series, the fuel rod simulators were separately pressurized with krypton to 55 bar. Bundle configuration and test protocol were similar to the reference test QUENCH L2 with as-received M5® claddings. Specific objectives of QUENCH L4 were to provide information about the behavior of pre-hydrided M5® alloy on the response to a best-estimate large-break LOCA sequence, with special focus on the impact of burst parameters on secondary hydrogenation of the cladding. The test was successfully conducted at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) on July 30, 2014.
The experiment started by stabilizing the bundle conditions with an application of electrical bundle power of 3.6 kW and gas flows of 6 g/s argon plus 2 g/s superheated steam resulting in maximum bundle temperatures of about 850 K. During this stabilization phase (lasting 1700 s) the rods were refilled with krypton to 55 bar. The transient stage was initiated by increasing of electrical power to 60 kW and lasted 82 s. During this period the temperatures increased from their initial values to a maximum of 1352 K. The average heatup rate at the maximum temperature location was 6.7 K/s. The increased ductility of the heated cladding resulted in a progressive ballooning and consequent burst of all rods. The burst temperature is 1107 ± 27 K (about 30 K lower in comparison to the QUENCH-L2 test). The experiment continued with power decrease to 3.5 kW to simulate decay heat and injection of steam at a nominal of 20 g/s (cool-down stage). In this stage mostly steady cooling to about 980 K occurred. The cooling phase was followed by up to 100 g/s (3.3 /g/s/effective rod) water injection from bundle bottom (quench stage). Complete quench was achieved at 300 s.
Post-test videoscope inspections showed typical ballooning pictures at the hottest bundle elevations between about 900 and 950 mm. The bundle was dismounted and geometric parameters of all rods were determined by laser scanning; the range of circumferential strains measured was between 18% and 30%. A small bending of all rods was detected in the plane going radially through the burst opening. Ultrasound measurements were used to determine 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. Determination of concentration and distribution of absorbed hydrogen was performed by neutron imaging methods; a maximal hydrogen concentration of about 1500 wppm was measured above the burst opening (secondary hydrogenation) of the central rod of the bundle. 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. Majority of the inner rods was fractured due to necking far away from the burst for the inner rods; only three claddings were fractured due to secondary hydrogenation. Micro-structure examinations of claddings and distribution of hydrides were performed by means of XRD and EBSD methods.