Experimental Study on Steam Explosions in Chemical Solutions and Seawater

QC 2024-02-01

Abstract

Ångexplosioner kan uppstå vid svåra haverier i lättvattenreaktorer (LWR), vilka är termiska detonationer orsakade av snabb och intensiv förångning av kylvätska vid direkt kontakt med härdsmälta (corium). Intresset av att förstå och mildra händelseutvecklingen vid svåra haverier har drivit fram många studier som syftar till att undersöka ångexplosionsfenomenen vid svåra haverier. De flesta av de tidigare studierna tog dock inte hänsyn till effekten av kemiska tillsatser i kylvätskan i kärnkraftverk, såsom tillsatser av borsyra, NaOH och Na3PO4 för kontroll av vattenkemi, och direkt nyttjande av havsvatten (NaCl-tillsats) vid extrema situationer som vid Fukushima-olyckan. Detta doktorsavhandling är motiverat att fylla kunskapsluckan om effekterna av de kemiska tillsatserna (H3BO3, NaOH, Na3PO4 och NaCl) på ångexplosioner.

Det primära syftet med föreliggande forskning är att erhålla egenskaper hos ångexplosioner i havsvatten och kemiska lösningar av H3BO3/NaOH/Na3PO4 med prototypiska koncentrationer. För att uppnå detta mål har en serie experiment genomförts i MISTEE-experimentplattformen vid KTH, där enstaka droppar och flera droppar faller ner i en mängd olika kylvätskebassänger fyllda med havsvatten eller kemiska lösningar av H3BO3/NaOH/Na3PO4. Doktorsavhandlingen består av fyra delar enligt följande.

Den första delen är en beskrivning av den experimentella metodik som utvecklats i denna studie. Två experimentanläggningar, kallade MISTEE-CE och MISTEE-SEA av respektive mekanisk plugg och aerodynamisk levitation för smälttillförsel, designades på MISTEE-plattformen. Båda uppsättningarna var utrustade med höghastighetskameror för visualisering, en trycksensor för dynamisk tryckmätning och en fragmentfångare för skräpuppsamling. En design med dubbeldegel användes för att möjliggöra induktionsuppvärmning samtidigt som man undviker smältkontamination. Det aerodynamiska levitationssystemet implementerades i MISTEE-SEA för att minska störningen av den mekaniska pluggen. Alla kemiska lösningar framställdes i laboratoriet med avgasat avjoniserat vatten. Tennet (Sn) valdes som smältmaterial på grund av godartade egenskaper lämpade för säker hantering i laboratoriet.

Den andra delen är en redovisning av visuella observationer och parametrar valda för att karakterisera ångexplosioner. Visualiseringen inkluderar  förekomsten av ångexplosioner samt fenomen med växelverkan mellan smältdroppar och kylvätska. En smältdroppe som faller ner i kylvätskebadet med avjoniserat vatten eller kemisk lösning kan genomgå ett av de tre typiska fenomenen: deformation utan fragmentering, mindre fragmentering eller spontan ångexplosion. Ett test med flertal droppar kan dock innefatta sammanslagning och ett flertal explosioner av droppar, vilket resulterar i en mer komplex uppsättning fenomen. Avkylningsdjupet och det laterala deformationsförhållandet definierades och användes för att analysera den dynamiska processen för en enskild smältdroppe i kylvätskan, medan det högsta trycket användes för att jämföra ångexplosionsenergi. Dessutom undersöktes fördelningen av partikelstorlekar i smältesterna.

Den tredje delen är en sammanfattning och en redogörelse av intressanta observationer under experimenten med ångexplosioner med en enskild smältdroppe i olika kemiska lösningar och med 1 g smältprov. Resultaten visade att borsyratillsatsen hade liten inverkan på ångexplosion när borsyrakoncentrationen var lägre än 1,2 viktprocent, men risken för ångexplosioner var högre med 3,2 viktprocent borsyralösning. Tillsatsen av NaOH och Na3PO4 till en borsyralösning begränsar avsevärt inverkan på ångexplosioner. Detta tyder på att närvaron av PO43- och H+-joner har en betydande roll för spontana ångexplosioner. Dessutom medförde havsvatten en ökad förekomst av spontana ångexplosioner, med en tydlig korrelation mellan ökande salthalt och en större sannolikhet för ångexplosion. Jämfört med avjoniserat vatten medförde kemiska lösningar (inklusive havsvatten) mer uttalad deformation i smältdroppar på samma djup, innan smälta kom i direktkontakt med kylvätska. Vidare hade de högsta trycken vid ångexplosioner i kemiska lösningar potential att nå betydligt högre värden än de i avjoniserat vatten. De kemiska lösningarna, förutom den med 1,2 viktprocent H3BO3, tenderade till att bilda en större andel finfördelade partiklar av smältresterna.

Den fjärde delen handlar om de experimentella resultaten av en ångexplosionstudie med flertal smältdroppar som faller ner i avjoniserat vatten och kemiska lösningar, med 5 g respektive 20 g smältprover. Det visade sig att under identiska testförhållanden ökade det högsta trycket vid ångexplosionerna med smältprovets massa, vilket resulterade i en märkbart större andel finfördelade smältrestpartiklar i fallet med 20 g smältprov. Ångexplosionerna var koncentrerade till ett grundare område när man använde kemiska lösningar istället för avjoniserat vatten. I jämförelse med experimenten med en enskild droppe förminskades inverkan av de kemiska lösningarna på ångexplosioner i testerna med flertal droppar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-342853