Untersuchungen zum Wechselwirkungsverhalten keramischer Schutzschichten und Betonen mit Hochtemperatur-Metallschmelzen

Rensing, Börne; Kugeler, Kurt

doi:26351

Untersuchungen zum Wechselwirkungsverhalten keramischer Schutzschichten und Betonen mit Hochtemperatur-Metallschmelzen

Rensing, Börne (Author)

2004 & 2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Börne Rensing

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangIII, 165 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheMaschinenbau Energietechnik

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Prüfungsjahr: 2004. - Publikationsjahr: 2005

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kugeler, Kurt (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-12-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-20050260
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-123668
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62072/files/62072.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zirkoniumoxidkeramik (Genormte SW) ; Beton (Genormte SW) ; Hochtemperaturfestigkeit (Genormte SW) ; Langzeitverhalten (Genormte SW) ; Metallschmelze (Genormte SW) ; Schutzschicht (Genormte SW) ; Opferschicht (Genormte SW) ; Kernschmelzen (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Leichtwasserreaktor (frei) ; EPR (frei) ; Corecatcher (frei) ; chemische Wechselwirkung (frei) ; Kernrückhaltung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die gesicherte, weltweite Energieversorgung unter Berücksichtigung ökonomischer Interessen sowie ökologischer Aspekte gehört zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Im Hinblick auf die global diskutierte CO2 Problematik (Treibhauseffekt) spielt die Kernenergie im Bereich der elektrischen Energieerzeugung in Zukunft weiterhin eine große Rolle. Bezüglich der Verbesserung der Sicherheit bei der nuklearen Energiebereitstellung wird weltweit eine Reihe von Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen und untersucht. Diese zielen auf Anlagen ab, bei denen es keinesfalls zu einer Freisetzung von Spaltprodukten kommen kann und auch im Falle hypothetischer Störfälle die Folgen auf die Anlage selbst beschränkt bleiben. Am Beispiel des European Pressurized Water Reactor (EPR) werden die Anforderungen zur Beherrschung von Kernschmelzen aufgezeigt und ein Lösungsansatz zur Schmelzerückhaltung beschrieben. Explizit werden die Anforderungen an Schutz- und Opfermaterialien aufgezeigt. In großmaßstäblichen Experimenten zum Wechselwirkungsverhalten von Metallschmelzen mit Schutzschichten wurde die Stabilität verschiedener auf ZrO2-basierenden Schutzmaterialien im Kontakt mit der metallischen Phase einer Kernschmelze untersucht. Die hierfür durchgeführten Großexperimente zeichneten sich durch Hochtemperatur-Stahlschmelzen (bis 2000°C) und Schmelzemassen von bis zu 6 Mg aus. Die untersuchten ZrO2-Keramiken wiesen gegenüber den Hochtemperatur-Stahlschmelzen grundsätzlich eine gute Widerstandsfähigkeit auf. Die gewonnenen Erkenntnisse bekräftigen aus rein werkstofftechnischer Sicht die Zweckmäßigkeit von ZrO2-Stampfmasse als Schutzschicht im realen Maßstab. Im Rahmen der Untersuchungen zur Wechselwirkung von Kernschmelze (Metallphase) mit diversen Betonen fanden weitere Großexperimente statt. In drei transienten Versuchen (ohne Nachbeheizung der Schmelze) konnten für insgesamt sechs verschiedene Betonsorten Erkenntnisse, insbesondere über das zeitliche, zweidimensionale Erosionsverhalten, gewonnen werden. Diese Versuche wurden mit Schmelzemassen von jeweils 2.000 kg und Temperaturen von circa 2.000°C durchgeführt. In allen Versuchen dominierte die Erosion in die Seitenwand gegenüber der Erosion in den Boden. Die größte integrale Erosion ergab sich im Falle des eisenoxidreichen Opferbetons, direkt gefolgt von den Konstruktionsbetonen. Hauptaufgabe des Opferbetons im Corecatcher ist die Dichteänderung der oxidischen Phase. Aufgrund der größten integralen Erosion erscheinen die eisenoxidreichen Betone als Opferbeton am geeignetsten. Die Ergebnisse können sowohl zur Weiterentwicklung und Validierung entsprechender Rechenmodelle genutzt, als auch darüber hinaus dazu verwendet werden, eine Auswahl geeigneter Unfallbeherrschungsmaßnahmen zu treffen. Die dargestellten Resultate sind einerseits für die Beantwortung von Fragestellungen zu bestehenden Anlagen und andererseits ebenfalls auch für zukünftige Anlagen nutzbar.

In consideration of economic interests as well as ecological aspects secured, world-wide power supply belongs to the largest challenges of our time. Regarding the CO2 global discussed problem (greenhouse effect), nuclear energy is continuously playing a major decisive role in the range of electrical energy production in future. A set of solutions is suggested and examined globally concerning security improvements of nuclear energy supply. Aim is to prevent the release of fission products under any circumstance. Furthermore, it is essential to limit consequences to the plant itself in case of hypothetical incidents. Exemplified at the European Pressurized Water Reactor (EPR) the requirements of controlling core melt-accidents are pointed out and a solution for melt retention (core- catcher) is described. Process knowledge of postulated core melt accidents is enhanced by understanding the behaviour of structural materials in combination with a core melt. Therefore, suitable measures to ensure the integrity of reactor containment can be developed. Explicitly the requirements of protective and sacrificial materials are identified. The stability of various refractory materials all based on zirconia (ZrO2) in contact with metallic phase of core melt has been investigated in large-scale experiments. These tests were characterised by high temperature metallic melts with melt temperature of about 2000°C and melt masses of up to 6 mg. They proved that zirconia could fulfil the task of a protective material against the metallic melt impact. Erosion effects have not been detected. The early sintering of the zirconia ramming mass led to high surface stability which could effectively prevent infiltration of the metallic melt into the zirconia ramming mass. Anyhow, loose ramming mass was still found below the stable layer. This is advantageous with respect to the prevention of crack formation due to thermal loads. Experiments investigating the behaviour of zirconia protective materials against high-temperature metallic melts showed a good long-term stability for the investigated zirconia compounds. Furthermore the MCCI (Molten Corium Concrete Interaction) behaviour of various structural and sacrificial concretes was characterised in experiments with high-temperature metal melts. The experimental goals are related to investigations of interactions between concrete and core melt in two-dimensional geometries, particularly in terms of ratio of horizontal and vertical erosion. In three transient experiments (without after-heating of melt) with high-temperature-melts six different types of concretes were investigated. These six tests were carried out with melt masses by 1 mg each and temperatures of about 2.000°C. In all attempts the rate of melt progression in the wall increases super proportional in comparison to the erosion at the bottom. The sacrificial concrete rich in iron oxide showed the highest erosion. The sacrificial concretes with portland cement showed a higher erosion than the sacrificial concretes with alumina cement. Due to largest integral erosion, iron oxide-rich concrete appears as sacrificial concrete most qualified. The results can be used both for the enhancement and validation of appropriate computer models and beyond that to meet a selection of suitable accident controlling measures. On the one hand the represented results are usable for answering questions to existing plants, on the other hand likewise also for future plants.

OpenAccess:
PDF
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