SERENA – Ångexplosioner i reaktorinneslutningen

2.6.1. Bakgrund

Under januari 2002 startades ett OECD/NEA-projekt kallat SERENA – Steam Explosion REsolution for Nuclear Applications. Sverige har inte deltagit i den första fasen av projektet. Anledning till detta var att projektets huvudsakliga syfte var att genomföra ångexplosionsberäkningar för olika reaktorsituationer och Sve- rige saknade beräkningsverktyg för detta ändamål.

Det övergripande målet med SERENA har varit att få en tillräckligt bra förståelse för ångexplosioner för att kunna göra riskbedömningar av reaktoranläggningar. Projektet hade följande fyra specifika delmål:

 Att utvärdera förmågan hos ett flertal ångexplosionskoder att prediktera explosionsbelastningar för realistiska förhållanden i och utanför reaktortan- ken.

 Att identifiera viktiga ångexplosionsfenomen och uppskatta relaterade osä- kerheter.

 Att föreslå fortsatt forskning med syfte att reducera dessa osäkerheter till en acceptabel nivå.

Dessa målsättningar uppnåddes huvudsakligen genom jämförande beräkningar av relevanta experiment och relevanta generiska haverisituationer i och utanför reak- tortanken. I figur 3.6.1 visas förutsättningar för ”in-vessel” och ”ex-vessel” be- räkningar.

När projektet avslutades i december 2005 kunde man konkludera dels att reaktor- tanken skulle motstå postulerade ”in-vessel” ångexplosioner, dels att ”in-vessel” ångexplosioner inte utgör något hot mot inneslutningens integritet. Dessa slutsat- ser kunde dras trots osäkerheter, framförallt vad gäller ånginnehållet under pre- mixing, tack vare att beräknade impulser var tillräckligt små jämfört med reaktor- tankens hållfasthet. Beträffande ”ex-vessel” explosioner var slutsatsen inte lika positiv, dvs. det gick inte att utesluta att en ångexplosion skulle kunna hota inne- slutningens integritet.

In-vessel Ex-vessel

Figur 3.6.1. Förutsättningar för reaktorberäkningar i fas 1 av SERENA-projektet.

Ett annat problem var att olika datamodeller som beräknar förloppen vid ångex- plosioner, gav stor spridning i resultaten. Detta kunde tyda på att det finns brister i förståelsen av fenomen relaterade till ångexplosioner i reaktorinneslutningen. Den förmodligen viktigaste frågan där kunskapen behöver förbättras är ånginnehållet (voiden) i blandningszonen strax innan explosionen. I figur 3.6.2 kan man se att beräknade impulser i utrymmet under reaktortanken (som motsvarar nedre dry- well i svenska kokvattenreaktorer) kan bli höga och att det är en stor spridning mellan impulser beräknade med olika koder.

Utvärderingen av resultaten från SERENA-projektet ledde till en rekommendation för fortsatt forskning med syfte att minska osäkerheter och därigenom uppnå stör- re tillförlitlighet i beräkningar av säkerhetsmarginalerna, i synnerhet vad gäller inneslutningsbelastningar.

2.6.2. SERENA 2 – Fortsättningen av SERENA

Fas 2 av SERENA-projektet startade i oktober 2007 och 11 länder deltar. Delta- gande organisationer är:

 Tractabel Engineering, Belgien

 Atomic Energy of Canada Limited, Kanada  VTT, Finland

 CEA and IRSN, Frankrike  GRS, Tyskland

 Japan Nuclear Energy Safety Organisation, Japan

 KAERI and Korea Institute of Nuclear Safety, Sydkorea  Jozef Stefan Institute, Slovenien

 Strålsäkerhetsmyndigheten, Sverige  Paul Scherrer Institute, Schweiz  US NRC, USA

Syftet med fas 2 av projektet är att bringa klarhet i ångexplosionsfenomen för prototypiska smältor genom att genomföra ett begränsat antal väl designade expe- riment med avancerad mätutrustning. Ett annat syfte är att tillhandahålla experi- mentella data för vidareutveckling och validering av ångexplosionskoder. Som stöd till den experimentella delen finns en grupp vars uppdrag är att genomföra för- och efterberäkningar med olika koder samt beräkningar för realistiska haveri- scenarier.

Experimenten genomförs i den s.k. TROI-anläggningen som finns hos KAERI i Sydkorea samt i KROTOS-anläggningen som numera ligger i Cadarache i Frank- rike. Projektet kommer att pågå till september 2011. Tidigare har tester genom- förts i TROI med smältmängder upptill 30 kg. Materialet i smältan var en bland- ning av UO2 och ZrO2 samt i en del fall tillsatser av zirkonium eller stål. Generellt

för dessa experiment var att överhettad smälta (i vissa tester var överhettningen betydande) växelverkar med underkylt vatten. Experimenten i TROI har bekräftat den betydelse som smältans sammansättning har för sannolikheten att en ångex- plosion inträffar och för energiutbytet vid explosionen.

En serie med sex kompletterande tester vardera i TROI och KROTOS kommer att genomföras, dvs. totalt 12 tester. Grundförutsättningarna för dessa experiment visas i tabell 3.6.1. Effekten av smältans sammansättning på initiering och propa- gering av en explosion kommer att studeras genom att använda fyra olika smält- kompositioner, se tabell 3.6.2.

Grundkompositionen är en eutektisk blandning av UO2 och ZrO2, dvs. 70% UO2

och 30% ZrO2, eftersom tidigare TROI-experiment visade att denna sammansätt-

ner. Andra kompositioner kommer att bestämmas senare. För att garantera att en explosion kommer att inträffa, används en trigger i alla tester.

Tabell 3.6.1: Grundförutsättningar för KROTOS och TROI experiment.

Parameter

KROTOS

TROI

Smältans massa, kg

~ 5

~ 20

Vattenbassängens djup, m

≤ 1.1

0.7 – 1-3

Vattenbassängens diameter, m

0.2

0.6

Smältans fallhöjd, m

0.5

0.5 – 1.0

Tabell 3.6.2: Föreslagna sammansättningar på smältan.

I tabell 3.6.3 visas förslag till testmatris. Smältans temperatur kommer att ligga nära den temperatur som ges av realistiska bedömningar av haveriförloppet. Stark överhettning som i vissa tidigare TROI-experiment kommer att undvikas.

Det första testet i TROI, TS-1, genomfördes i september 2008. Smältstrålens dia- meter i vattnet var 5 cm och en explosion ägde rum. Smältans temperatur var ca 2600oC och smältmängden ca 15.4 kg. Explosionens verkningsgrad har uppskat- tats med hjälp av uppmätta impulser men det finns osäkerheter på grund av pro- blem med bestämning av smältans temperatur. Resultaten visade att verknings- graden inte överstiger ca 0.1 %. Medianen för partikelstorleken ligger på ca 0,5 mm.

I november 2008 genomfördes det andra testet i TROI, TS-2. Testparametrarna för TS-2 var samma som för TS-1 med undantag för vattnets underkylning, som var lägre i TS-2 än i TS-1, nämligen 62oC mot 115oC, och att smältmängden var mindre, nämligen 12.5 kg. Denna skillnad berodde på lägre tryck och högre vat- tentemperatur. Resultaten från TS-1 och TS-2 är jämförbara men verkningsgraden var något högre i TS-1 än TS-2.

Tabell 3.6.3: Förslag till testmatris för KROTOS och TROI.

Det första testet i KROTOS, KS-1, genomfördes i augusti 2008. Smältans tempe- ratur var ca 2700 oC och smältmängden som deltog i explosionen var ca 2.6 kg. Verkningsgraden var något högre jämfört med TS-1 och TS-2. Detta skulle delvis kunna förklaras av 1-D geometrin i KROTOS. Partikelstorleken för fragmenterad smälta är ungefär samma som i TROI-testerna.