Consequence evaluation of in-vessel fuel coolant interactions in the European Pressurized Water Reactor

Die vorliegende Untersuchung betrachtet moegliche Konsequenzen einer Verlagerung von Kernschmelze in das untere Plenum des European Pressurized Water Reactor (EPR). Im Gegensatz zu frueheren Studien ist die gewaehlte Vorgehensweise nicht Risiko orientiert, sondern orientiert sich an den Konsequenzen des Vorganges, d.h. in jedem Schritt werden die extremsten Konsequenzen, die nicht mit hoher Zuverlaessigkeit ausgeschlossen werden konnten, als Grundlage fuer den naechsten Schritt angenommen. Fuer drei unterschiedliche, zu Kernschmelze fuehrende Szenarien, wurde mit den drei Kernschmelzecodesystemen SCADP/RELAP5, MELCOR, und MAAP der Zustand der Schmelze im Reaktorkern vor dem Absturz in das untere Plenum berechnet. Aus dem Ergebnisspektrum wurden maximale Werte fuer die Konfiguration des Schmelzepools als Startbedingungen fuer die Vorvermischungsrechnungen mit MATTINA und MC3D extrahiert. Fuer jeden Code wurde ein genereller Parametersatz erstellt, der eine bestmoegliche Analyse von sowohl FARO als auch PREMIX und QUEOS Versuchen ermoeglichte. Es wurden axiale und laterale Ausfluss-Szenarien aus verschiedenen Hoehen untersucht. Generell wird die berechnete Vorvermischung durch grosse Schmelze-Verlagerungsraten, grosse anfaengliche Tropfen, und durch Druckverlustkoeffizienten in der 'flow distribution plate' im unteren Plenum erhoeht. Die thermische Energie fuer eine moegliche Dampfexplosion wurde konservativ fuer verschiedene Szenarien abgeschaetzt. Unter Beruecksichtigung der verfuegbaren experimentellen und analytischen Ergebnisse wurde ein angemessener, konservativer Konversionsfaktor festgelegt. Ferner wurde angenommen, dass 40% der mechanischen Energie zur Beschleunigung des Schuettbettes und des restlichen Schmelzepools auf der unteren Gitterplatte zur Verfuegung steht, was zu einer betraechtlichen Belastung des Reaktordeckels fuehren kann. Die Belastungsenergien, denen der Reaktordeckel widerstehen kann, wurden aus Modell-Experimenten im BERDA-Programm abgeleitet, die ein weites Spektrum von moeglichen Bedingungen umfassen. Unter Beruecksichtigung spezieller Aehnlichkeits-Bedingungen wurden die Ergebnisse auf Reaktormassstab uebertragen. Allgemein kann man aus den Ergebnissen der Untersuchung schliessen, dass die kinetische Energie des abrupt nach oben beschleunigten Slugs in Wechselwirkung mit dem Reaktordeckel die Grenzen der Belastbarkeit des Deckels erreichen wuerde. Jedoch basieren diese Resultate auf Anwendung von sehr konservativen Annahmen in jedem Zwischenschritt. In der Mehrheit der betrachteten pessimistischen Faelle bleibt jedoch die kinetische Energie unter der Lastabtragungsfaehigkeit des Deckels. In diesem Sinne ist keine Notwendigkeit fuer zusaetzliche Design-Massnahmen gegen In-vessel Dampfexplosion erkennbar, und zum #alpha#-mode Versagen der Containments fuehrende Pfade muessen nicht betrachtet werden. (orig.)In this study consequences of in-vessel melt relocation scenarios into the lower plenum of the European Pressurized Water Reactor (EPR) are considered. In contrast to former work the approach is not risk oriented but consequence oriented. In every step, the most adverse consequences that cannot be excluded with high reliability are taken as basis for the next step. From three different core melt initiators the state of the molten pool prior to crust failure was calculated by SCADAP/RELAP5, MAAP, and MELCOR. From these data upper values for molten pool mass and pool temperature were chosen for premixing analyses with MC3D and MATTINA. For each code a parameter set was selected derived from code validation using selected FARO, PREMIX, and QUEOS experiments. Various outflow scenarios at bottom and lateral positions at different elevations of the molten pool were calculated. All calculations were performed in axial symmetry (2D) except one 3D MC3D calculation. Generally, the calculated premixing process is enhanced by large melt release rates, large initial droplet size and pressure loss of the flow distribution plate in the lower plenum. The thermal energy available for an in-vessel steam explosion was estimated conservatively from selected premixing configurations. Based on available theoretical and experimental information a reasonably conservative energy conversion factor was selected. Then 40% of the mechanical energy may accelerate the remnants of debris and the molten pool on top of the lower core support plate in upward direction. This may lead to a considerable mechanical load to the upper vessel head. The load energies which the reactor vessel head can withstand are determined on basis of experimental results from the BERDA facility that cover a broad spectrum of conditions and applying similarity theory to convert experimental results to the reactor scale. In general one can conclude from results of these investigations, that the kinetic energy of a core melt moving potentially rapidly upward as consequence of an in-vessel fuel coolant interaction might reach the load carrying capabilities of the vessel head. However, this result is only obtained when the most pessimistic assumptions are applied in every step of the analyses. In the majority of the considered pessimistic cases the kinetic energy remains below the load carrying capabilities of the reactor vessel head. In so far there is no need for additional design measures against steam explosions and alpha-mode containment failure sequences need not to be considered. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: ZA 5141(6316) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekDEGerman