MACE OCH ACEX-EXPERIMENT

ACE (Advanced Containment Experiments) är ett internationellt projekt som har pågått sedan 1988 vid Argonne National Laboratories i USA och leds av EPRI. Sverige har deltagit i programmet sedan starten. Syftet har varit att undersöka hur en smälta av urandioxid växelverkar med vatten och betong under realistiska förhållanden. Projektet består av fyra delprojekt/faser:

• Fas A: Filteravskiljning

• Fas B: Jods beteende vid svåra haverier • Fas C: Smälta-betongreaktioner

• Fas D: Smältans kylbarhet

Medan ACE-projektet pågick beslöts att ett uppföljningsprojekt skulle påbörjas 1993, det s.k. ACEX-projektet (ACE analysis EXtension). Syftet med detta projekt har varit att i ovannämnda områden ta fram modeller och vid behov komplettera med småskaliga experiment.

Nästan alla delar av ACE-projektet var avslutade när APRI-4 projektet påbörjades och resultaten har beskrivits tidigare, se ref. 2.3.1-2. Det som återstod var att avsluta fas D som också benämns MACE (Melt/Debris Attack and Coolability Experiments) samt att ta fram modeller för de fenomenologiska problem som har belysts inom ACE-projektet. Dessutom har småskaliga experiment genomförts där viktiga data saknats.

En sammanfattning av de experimentella och analytiska studierna som bedrivits inom delprojekten ACE/MACE/ACEX finns i ref. 2.3-3.

2.3.1. MACE-projektet

Inom MACE-projektet har en serie experiment genomförts för att undersöka smältans kylbarhet genom tillförsel av vatten ovanifrån. Dessa experiment har utförts med prototypiskt material (UO2, ZrO2 och Zr) och med en kvadratiskt yta

upp till 120x120 cm.

Man började med storskaliga försök (MACE M3a, M3b) där motivet var att minska väggeffekter och uppnå att skorpan brister av sin egen tyngd och ovanliggande vatten.

Det första försöket misslyckades medan det andra genomfördes med lyckat resultat efter att ett antal åtgärder hade vidtagits. Man använde sig av cirka två ton (2000 kg) prototypiska ämnen som UO2, ZrO2 och Zr samt en tillsats av U3O8

lades till för att bilda termit med UO2.

Försöken började med att man värmde den prototypiska blandningen dels genom att antända termitblandningen av uranoxider, dels genom ohmisk uppvärmning. När blandningen hade smält (cirka 2150 oK) tillsattes vatten ovanifrån, varvid en skorpa bildades.

I alla experiment varade den snabba och effektiva nedkylningsfasen i 1-4 minuter vilket ledde till att en fast skorpa av ”corium” bildades överst på den prototypiska smältan, se tabell 2.3.1 där värmeflödet från smälta till vatten som uppmättes i MACE framgår. Därefter skedde den huvudsakliga värmeavgivningen från smältan via vatten som trängt in i tunna sprickor i skorpan. Denna fas varade vanligen i 15-20 minuter och avslutades med att skorpan separerade från smältan. Detta genom att skorpan förenade sig med väggarna i kärlet och blev hängande där. Därefter blev värmeöverföringen från smältan betydligt sämre.

Tabell 2.3.1. Uppskattat värmeflöde från härdsmältan till vattnet utgående från MACE försöken.

Försök M0, M1b, M3b

Betong av kalksten/vanlig sand (amerikansk anläggning)

Försök M4

Kvartsbaserad betong (tillämplig på nordiska BWR)

Tid från

vattenbegjutning Värmeflöde till vattnet Tid frånvattenbegjutning Värmeflöde till vattnet 0 – 3 min 3500 kW/m2 0 – 1.5 min 4500-->1800 kW/m2 3 – 20 min 600 kW/m2 1.5 – 10 min 1800 -->700 kW/m2 20 – 60 lineärt 600--> 200 kW/m2 10 – 26 min 700 --> 200 kW/m 2 60 - 200 kW/m2 26 - 200 kW/m2

Vid den efterföljande undersökningen konstaterades att en stor del av smältan hade trängt upp genom skorpan som eruptioner (jämför vulkanutbrott) och bildat en vulkanliknande formation. En viktig observation var att skorpan inte hade brustit som man hade hoppats.

Efter dessa experiment, kom de flesta deltagande parter överens om att utvidga MACE till fler experiment men med kiselrik betong, som används i de flesta europeiska anläggningar, istället för kalkrik betong, som används i de flesta amerikanska anläggningar. Dessutom gick man tillbaka till storleken 50x50 cm då test M3b visat att även arean 120x120 cm inte är tillräcklig för att erhålla bristning av skorpa.

Nästa försök (M4) i denna serie utfördes i mars 1999 där mängden prototypisk smälta uppgick till 480 kg. Detta försök är det mest intressanta ur nordisk synvinkel eftersom betongen i detta experiment är av samma typ som den som används i nordiska reaktorer. Figur 2.3.1 visar en översikt av M4- försöket.

Växelverkan mellan smälta och betong leder till att det sker en avverkning och därmed en förtunning av betongskiktet. Strax innan vatten tillfördes, var avverkningshastigheten i M4-försöket 4,0 mm/min. Med tillförsel av vatten, minskade värdet till ca 1,8 mm/min. Liknande beteende observerades även i de andra MACE experimenten. Vidare observerade man ett hål med en area på 15

cm2 på toppen av skorpan i en tidig fas av experimentet, se figurerna 2.3.2 och 2.3.3 vilka visar fördelningen sedd uppifrån respektive från sidan.

Sammanfattningsvis kan sägas att MACE försöken inte med säkerhet kunde påvisa att smältan är kylbar genom tillförsel av vatten ovanifrån. Försöken har visat att en prototypisk smälta med en tjocklek av ca 10 cm är kylbar genom värmeledning genom den växande skorpan av stelnad smälta som bildas på ovansidan. För större smälttjocklekar blir kylningen mera komplex.

De flesta experter inom området anser att bildningen av en stabil skorpa som är fast förenad med inneslutningsväggarna ej är representativ för verkliga haveriförhållanden. Snarare anser man att om skorpan skulle fastna mot väggarna kommer den att brytas upp i centrum p g a det överliggande vattnets tyngd eller kanske redan p g a skorpans egen vikt. Under sådana förhållanden kommer kontakten mellan smältan, skorpan och vattnet att periodiskt variera under haveriförloppet.