Separate effects tests on hydrogen combustion during direct containment heating events

Experimente zur Wasserstoffverbrennung bei DCH-Prozessen
Im Rahmen der Forschung zu schweren Unfällen in Leichtwasserreaktoren werden im Institut für Energie- und Kerntechnik des Forschungszentrums Karlsruhe seit 1998 die Versuchanlagen DISCOC und DISCO-H betrieben, konzipiert zur Untersuchung der Druckbelastung des Sicherheitsbehälters durch Schmelzedispersion (Direct Containment Heating, DCH) bei Versagen des Reaktordruckbehälters (RDB). Vorangegangene Experimente haben die Schmelzeverteilung und Druckerhöhung im Sicherheitsbehälter bei verschiedenen europäischen Reaktorgeometrien untersucht, unter Anwendung von Eisen-Aluminium-Schmelzen und Dampf als Modellfluide.
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Die Analyse dieser Experimente hat gezeigt, dass der Druckanstieg sowohl durch den Wärmeübergang von der Schmelze an das Gas, aber auch zum nicht unerheblichen Teil durch Wasserstoffverbrennung verursacht wurde. So hat sich die Notwendigkeit ergeben, die charakteristischen Eigenschaften der Wasserstoffverbrennung während des DCH-Prozesses besser beschreiben zu können. Um diese Fragen zu klären, wurden Einzeleffektexperimente in der DISCO-H Versuchsanlage durchgeführt. Mit Ausnahme der Schmelzedispersion laufen in diesen Experimenten die gleichen Prozesse ab, wie sie während des DCH-Vorganges auftreten, das sind das Abblasen einer heißen Wasserstoff-Dampf Mischung in den Sicherheitsbehälter und die Zündung dieses Gasgemisches in einer LuftDampf-Wasserstoff Atmosphäre. Der Effekt der Schmelzepartikel als Zünder wurde mit Thermitkerzen simuliert. Die experimentellen Daten werden benutzt, um Modelle in Verbrennungscodes zu kalibrieren und um auf Reaktormaßstab zu extrapolieren.
Die Experimente wurden in zwei Schritten durchgeführt. Für eine Serie von 6 Tests wurde eine vereinfachte Geometrie benutzt, um die Hauptparameter der Verbrennung zu studieren. Dann wurden zwei Tests in einer prototypischeren Geometrie durchgeführt, bei der das Gas aus der Grube zuerst in einen separaten Reaktorraum und von dort in den Sicherheitsbehälter strömt. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt:
• Als Anfangsbedingung im Sicherheitsbehälter wurde eine Luft- bzw. ein Luft-Dampf-Atmosphäre bei 100°C und 2 bar eingestellt, mit Wasserstoffkonzentrationen zwischen 0 und 7 mol%, repräsentativ für die Atmosphäre im Containment bei Versagen des RDB.
• Einblasen eines heißen Dampf-Wasserstoffgemisches in die Reaktorgrube bei 20 bar, repräsentativ für ein Kühlmittelabblasen durch ein Leck im RDB und der Wasserstofferzeugung während dieser Phase.
Die wichtigsten gemessenen Größen waren (1) der Druckanstieg im Sicherheitsbehälter, (2) die Gastemperaturen und (3) die Anzahl der verbrannten Wasserstoffmole. Diese Experimente kennzeichnen die Rate der Wasserstoffverbrennung, die Vollständigkeit und die Art der Verbrennung bei verschiedenen Anfangsbedingungen. Der Anteil des verbrannten Wasserstoffs betrug zwischen 55% und 100% der Gesamtmenge in der einfachen Geometrie und 46% bzw. 67% in der mehr prototypischen Geometrie. Der Wirkungsgrad hinsichtlich Druckerhöhung im Sicherheitsbehälter lag zwischen 46% und 67%.
Spezielle Verbrennungscodes müssen angewendet werden um zu prüfen, ob diese Ergebnisse auch für den Reaktormaßstab gelten.

In the frame of severe accident research for light water reactors Forschungszentrum Karlsruhe (FZK/IKET) operates the facilities DISCO-C and DISCO-H since 1998, conceived to investigate the direct containment heating (DCH) issue. Previous DCH experiments have investigated the corium dispersion and containment pressurization during DCH in different European reactor geometries using an iron-alumina melt and steam as model fluids. The analysis of these experiments showed that the containment was pressurized by the debristo-gas heat transfer but also to a large part by hydrogen combustion.
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The need was identified to better characterize the hydrogen combustion during DCH. To address this issue separate effect tests in the DISCO-H facility were conducted. These tests reproduced phenomena occurring during DCH (injection of a hot steam-hydrogen mixture jet into the containment and ignition of the air-steam-hydrogen mixture) with the exception of corium dispersion. The effect of corium particles as igniters was simulated using sparkler systems. The data will be used to validate models in combustion codes and to extrapolate to prototypic scale.
Tests have been conducted in the DISCO-H facility in two steps. First a small series of six tests was done in a simplified geometry to study fundamental parameters. Then, two tests were done with a containment geometry subdivided into a subcompartment and the containment dome. The test conditions were as follows:
• As initial condition in the containment an atmosphere was used either with air or with a homogeneous air-steam mixture containing hydrogen concentrations between 0 and 7 mol%, temperatures around 100°C and pressure at 2 bar (representative of the containment atmosphere conditions at vessel failure).
• Injection of a hot steam-hydrogen jet mixture into the reactor cavity pit at 20 bar, representative of the primary circuit blow down through the vessel and hydrogen produced during this phase.
The most important variables measured were (1) the increase in pressure in the containment vessel, (2) gas temperatures, and (3) the number of moles of hydrogen burnt.
These tests characterize the time scale of the hydrogen combustion, its completeness and the combustion mode for different initial conditions in the containment. The fraction of burnt hydrogen was between 55% and 100% of total available hydrogen in the basic geometry, and 46% and 67%, respectively in the more prototypic geometry. The efficiency of the hydrogen combustion in respect to pressure rise in the containment was between 46% and 67%. Dedicated combustion codes must be applied to verify, if these results prove true for reactor scale.