Results of the LOCA bundle test QUENCH-L5 with pre-hydrogenated optimised ZIRLO™ claddings (SR-7738)

Ergebnisse des unter Bedingungen eines LOCA-Störfalls ausgeführten Versuches QUENCH-LOCA-5 mit
hydrierten opt. ZIRLO™-Hüllrohren
Der QUENCH-L5-Bündelversuch wurde im Rahmen der QUENCH-LOCA-Testserie durchgeführt. Das Ziel der Testreihe ist die Untersuchung von Dehnung, ersten, 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-L5-Versuch wurden opt. ZIRLO-Hüllrohre (Außendurchmesser: 10,75 mm) mit etwa 300 wppm Wasserstoff vorbelastet. Die Bündelkonfiguration und das Testprotokoll waren ähnlich dem Referenztest QUENCH-L3, der mit nicht vorbehandelten opt. ZIRLO-Hüllrohren durchgeführt wurde. Spezifisches Ziel des QUENCH-L5-Tests war die Untersuchung des Verhaltens der vorhydrierten Hüllrohre, mit speziellem Fokus auf die Auswirkungen des Hydrierens auf die Dehnungs- und Berst-Parameter, sowie die Hüllrohrintegrität während des Abschreckens.Der Test wurde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) am 10. Februar 2016 erfolgreich durchgeführt. Zu Beginn des Experiments wurde zunächst die Teststrecke stabilisiert. Hierzu wurde das Bündel erwärmt mit einer elektrischen Leistung von 3,25 kW, einer Gasströmung von 6 g/s Argon sowie 2 g/s überhitzten Dampfes bis eine Hüllrohrtemperatur von höchstens etwa 800 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; diese Testphase dauerte 76 s. Während dieser Zeit stiegen die Temperaturen von ihren Anfangswerten (d.h. denen am Ende der Stabilisierungsphase) bis zu einem Maximum von 1205 K. Die durchschnittliche Aufheizgeschwindigkeit betrug 6 K/s. Die erhöhte Duktilität der erwärmten Hüllrohre führte zu deren fortschreitender Dehnung und anschließendem Bersten aller Rohre. Die Bersttemperatur betrug 1087 ± 36 K (etwa 35 K niedriger als im QUENCH-L3-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 930 K statt. Die darauf folgende Abschreckphase erfolgte vom Bündelfuß aus mit einer Wassereinspeisung von bis zu 100 g/s (entspr. 3,3/g/s/Effektivstab). Das vollständige Abschrecken wurde nach 290 s erreicht. Aufnahmen nach dem Versuch mit einem Videoskop vom Bündelinneren zeigen Ballooning-Bereiche typischerweise in den heißesten Bündelebenen zwischen 850 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 21% und 33%. Das ist etwas höher als für die QUENCH-L3-Hüllrohre; ebenso war die axiale Ausdehnung der Balloonings-Region größer für QUENCH-L5 als für QUENCH-L3. Einige Hüllrohre bildeten bis zur drei Ballooning-Regionen. Die maximale Blockade des Kühlkanals (25%) wegen des Balloonings war etwas höher im Vergleich zu QUENCH-L3 (21%). 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 der 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 15 μm (weniger im Vergleich zu QUENCH-L3 aufgrund niedrigerer Temperaturen). Beim Quenchen nach der Hochtemperaturphase wurde keine Fragmentierung der Hüllrohre beobachtet, weder für QUENCH-L3 noch für QUENCH-L5 (Restfestigkeiten oder Duktilität sind ausreichend). Wegen der relativ kurzen Dauer (nur ca. 30 s) der Versuchsphase im Temperaturbereich von über 850 °C (bei QUENCH-L3 dauerte diese nahezu 100 s) fand keine sekundäre Hydrierung der Hüllrohre statt (T > 850 °C: komplette Umwandlung zu β-Zr-Phase). Die Messung der mechanischen Eigenschaften und die Bestimmung der Restduktilität wurden durch Zugversuche bei Raumtemperatur an Hüllrohrsegmenten von ca. 800 mm bewerkstelligt; Sprödbrüche bei Spannungen von etwa 540 MPa (ca. 40 MPa mehr als für QUENCH-L3) fanden hauptsächlich aufgrund der Spannungskonzentration an den Spitzen von Berstöffnungen statt. Die restlichen Hüllrohre versagten durch Einschnürung in weitem Abstand von der Berstöffnung.

The QUENCH-L5 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 L5 test, opt. ZIRLO™ claddings pre-loaded with approximately 300 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 L3 with as-received opt. ZIRLO claddings. Specific objectives of QUENCH L5 were to provide information about the behavior of pre-hydrided opt. ZIRLO alloy on the response to a best-estimate large-break LOCA sequence, with special focus on the impact of hydrided claddings on their ballooning and burst parameters, as well as cladding integrity during quenching. The test was successfully conducted at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) on February 10, 2016.
The experiment started by stabilizing the bundle conditions with an application of electrical bundle power of 3.25 kW (linear heat rate of approx. 0.9 W/cm) and gas flows of 6 g/s argon plus 2 g/s superheated steam resulting in maximum bundle temperatures of about 800 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 76 s. During this period the peak cladding temperature increased from their initial values to a maximum of 1205 K. The average heatup rate at the maximum temperature location was 6 K/s. The increased ductility of the heated cladding resulted in a progressive ballooning and consequent burst of all rods. The burst temperature is 1087 ± 36 K (about 35 K lower in comparison to the QUENCH-L3 test performed without pre-hydrogenation). 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 930 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 about 290 s.
Post-test videoscope inspections showed typical ballooning pictures at the hottest bundle elevations between about 850 and 1000 mm. The bundle was dismounted and geometric parameters of all rods were determined by laser scanning; the range of circumferential strains measured was between 21% and 33%. It is slightly higher as for the QUENCH-L3 claddings; as well as the axial extension of ballooning region for each cladding was larger for QUENCH-L5 in comparison to QUENCH-L3. Some rods have up to three ballooning regions for both tests QUENCH-L5 and -L3. The maximum blockage ratio of the cooling channel (25%) due to ballooning was slightly higher in comparison to QUENCH-L3 (21%). 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 15 µm (lower in comparison to QUENCH-L3 due to lower temperatures). During quenching, following the high-temperature phase, no fragmentation of claddings was observed for both QUENCH-L3 and QUENCH-L5 (residual strengths or ductility is sufficient). No secondary hydrogenation was indicated for the QUENCH-L5 claddings due to relative short high temperature period: less of 30 s above 850 °C (complete transition to β-Zr phase) in comparison to almost 100 s for QUENCH-L3. Measurement of mechanical properties and determination of residual ductility were carried out by tensile tests with cladding tube segments (about 800 mm length) at room temperature and showed fracture of claddings at engineering stress of about 540 MPa (about 40 MPa higher in comparison to the QUENCH-L3 test) mostly due to stress concentration at burst opening tips. Residual part of claddings was fractured due to necking far away from the burst.