Generische thermohydraulische und physikochemische Analysen zur Implementierung eines ATHLET-Moduls für die Simulation thermohydraulischer Folgen von Zinkborat-Ablagerungen im DWR-Kern (AZora / Verbundprojekt)
Teilprojekt:
Laborexperimente zur Modellierung des Kristallisations- und Ablagerungsverhaltens sowie der Wärmetransporteigenschaften von Zinkboraten
Hintergrund:
Im Fall eines Kühlmittelverluststörfalles im Druckwasserreaktor ist mit einer Korrosion feuerverzinkten Inventars wie Laufgitterroste oder Stützgitter von Sumpfsieben in borsäurehaltigen Kühlmittellösungen zu rechnen. Dies kann später zu Abscheidungen schwerlöslicher Korrosionsprodukte, speziell Zinkborate, in heißen Zonen des Reaktorkerns führen.
Zielstellung:
Im Vorhaben sollen auf Basis generischer experimenteller Untersuchungen im Labormaßstab Daten und Korrelationen zu folgenden Sachverhalten erarbeitet werden:
- Löslichkeit und Kristallisationsverhalten entstandener Zinkborate im Kühlmittel
- Temperatur-, konzentrations- und strömungsabhängige Abscheideraten von Zinkboraten an Hüllrohroberflächen als Schicht oder im erhitzten Kühlmittel als mobile Partikel
- Abhängigkeiten der Wärmeleitfähigkeit entstandener Zinkborat-Schichten auf Hüllrohroberflächen von den Bildungsbedingungen wie Temperaturen und Zinkkonzentrationen
- Entfernung von Zink-Ionen aus dem Kühlmittel mittels Ionenaustauschern im Rahmen der Störfallfolgenbehandlung
Diese Daten und Korrelationen sollen als Basis in die Modellierung und computergestützte Simulation der Effekte von Zinkborat-Abscheidungen im Reaktorkern durch den Projektpartner GRS mit einfließen. Auf diesem Wege soll es in Zukunft möglich werden, genauere und zuverlässigere Analysen thermohydraulischer Folgen von Zinkborat-Abscheidungen im DWR-Kern für verschiedenste Störfallszenarien zu erstellen. Somit können diese Szenarien vergleichend sicherheitstechnisch bewertet werden.
Methoden und Ergebnisse:
Links: Prinzipieller Aufbau der Strömungsmesszelle (SMZ) mit beheiztem Zircaloy-Block zur Bestimmung von parameterabhängigen ZnB-Abscheideraten und Wärmeleitfähigkeiten aufgewachsener Zinkborat-Schichten auf heißen Hüllrohr-Oberflächen.
Rechts: Oberfläche des Zr4-Blocks vor (oben) und nach (unten) einem Zinkborat-Abscheideexperiment mit beheizter Zr4-Oberfläche.
Die begonnenen ZnB-Abscheideexperimente dienen der Untersuchung möglicher ZnB-Schichtbildungen auf DWR-Hüllrohroberflächen nach postuliertem Kühlmittelverluststörfall.
Wichtige Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der aufgewachsenen ZnB-Schichten und ihrer Eigenschaften (z.B. Wärmeleitfähigkeit) sind dabei neben Kamerabildern auch die Laser-Triangulation (Schichtdickenmessung) und die Wärmekalorimetrie (u.a. für Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit aufgewachsener ZnB-Schichten).
Publikationen:
U. Harm, M. Wiezorek, H. Kryk, U. Hampel
LOCA Scenario-Related Zinc Borate Precipitation
Studies at Lab Scale, Proceedings of the Annual Meeting on Nuclear Technology (AMNT 2019), Berlin 2019
W. Kästner, S. Alt, A. Seeliger, F. Zacharias, U. Harm, R. Illgen, U. Hampel, H. Kryk
Modelling thermal-hydraulic effects of zinc borate deposits in the PWR core after LOCA - Experimental strategies and test facilities
International Journal for Nuclear Power, Vol. 65 , Issue 6/7 (2020): 341-345