To assess corium coolability during severe accidents of LWR, significant number of studies have been conducted previously to investigate the characteristics of debris beds formed from FCI due to fragmentation of molten corium and settlement of the fragments in a water pool. However, their focus has been placed on the oxidic component (UO2/ZrO2) of corium, while little attention has been paid to the debris bed formation due to FCI of the metallic component (Zr/Fe) of corium. The present thesis work is motivated to fill the knowledge gap in debris bed formation, since metallic melt-coolant interactions may be encountered at the initial corium discharge following melt-through of RPV, especially in Nordic BWRs. The goal is to characterize the debris beds in a water pool through melt-coolant interaction experiments using various simulants of corium metallic component. A numerical simulation of melt jet breakup in a water pool is also performed. The thesis work consists of five parts.

The first part is the methodology about the experimental approach on metallic melt water interactions. A simplified scaling analysis is achieved based on the similarity of dimensionless numbers: Stephan number (St) and Froude number (Fr). As a result, simulant materials were selected, and DEFOR-M and DEFOR-O facility designs for metallic and oxidic melt respectively were determined. The facilities are equipped with high-speed cameras for visualization, weight sensors for melt flow rate and debris bed mass determination, three-dimensional laser scanner for debris bed profile measurement, as well as measurements of bed porosity and particle size distribution. The double-crucible design is used in DEFOR-O facility to avoid melt contamination by crucible which was found in the previous DEFOR tests.

The second part is an experimental investigation on debris bed formation in the case of a metallic melt jet falling into a water pool. DEFOR-M facility is employed in the experiment, with a focus on the influential parameters such as melt superheat, melt jet free fall height, coolant subcooling, water pool depth and material. Sn and Zn are used as simulants of metallic corium. The experimental results reveal mainly debris bed characteristics including configuration and porosity of a debris bed as well as morphology and size distribution of debris particles under various combinations of the influential parameters.

The third part is an extension of the second part by using the binary (Sn-Bi) alloy, to simulate the possible binary Zr-Fe mixture in corium. The test facility and procedure are the same as in the second part. It is found that a substantial fraction of Sn-Bi melt forms nonparticulate debris chunks in a highly subcooled water pool. The melt superheat has mild influences on the metallic melt coolant interactions under high water subcooling conditions, while the water subcooling has strong effects on solidification of melt droplets. The composition of the binary alloy also shows an influence on the melt water interaction process.

The fourth part is a comparison of debris bed characteristics obtained from different melt materials such as Sn, Sn-Bi, Zn and Bi2O3-WO3. The DEFOR-O facility with double crucibles is employed to perform debris bed formation experiment of Bi2O3-WO3 melt. The experimental results show that the melt materials have strong effects on debris bed characteristics under a comparable test condition. Metallic melts are sensitive to oxidation, especially in the Zn case where significant oxidic layers are found on the particles. Typical metallic particles are flake-like, with smooth surface and large aspect ratio. In contrast, particles in oxidic melt case have smooth surfaces with quasi-spherical shape and small aspect ratio. Coolant subcooling plays an important role in both oxidic and metallic melt-water interactions. Overall, bed porosity and debris particles in the DEFOR-M tests with metallic melt are much larger than those in the DEFOR-O tests with the oxidic melt and in the FARO tests with prototypical materials.

The fifth part is a numerical simulation of melt jet breakup in a water pool using a MCFD approach where a coupled CLSVOF method is used to capture melt-coolant interfaces. The focus is placed on the prediction of interface instabilities and jet breakup length, and their influential factors such as melt materials, jet diameter, free fall height, in-pool structures, multiple jets and pitch/diameter ratio. DEFOR-M tests are simulated by the numerical approach, and the comparative results show a good agreement between simulation and experiment, in terms of instability pattern and jet breakup length. It is also found that the jet breakup length in DEFOR-M tests cannot be predicted by the existing correlations (e.g., Taylor’s, Epstein & Fauske’s and Matsuo’s). Based on present experimental and numerical data, a new correlation for jet breakup length is proposed with a similar form of Satio’s correlation.

Omfattande studie har genomförts för att utforska egenskaperna hos grusbädden som bildas när härdsmältan fragmenteras och fragmenten sjunker till botten av en vattenbassäng efter FCI under svåra haverier i lättvattenreaktorer (LWR) som en ledd i att analysera kylningen av härdsmältan. Tidigare har forskningen främst fokuserat på den oxidiska komponenten i härdsmältan (UO2/ZrO2), medan det har varit brist på uppmärksamhet på grusbädden som uppstår genom interaktionen mellan härdsmältans metalliska komponenter (Zr/Fe) och kylmedlet.

Denna avhandling har som mål att fylla detta kunskapsgap när det gäller bildandet av grusbädden. Detta är särskilt viktigt eftersom en reaktion mellan härdsmältans metalliska komponenter och kylmedlet kan inträffa vid det initiala utsläppet av härdsmältan efter att reaktortanken har smält igenom, särskilt i nordiska kokvattenreaktorer (BWR). Målet är att utföra experiment med olika metallkomponentsimulanter för att studera effekterna av interaktionen mellan härdsmältans metalliska komponenter och kylmedlet samt karakterisera grusbädden som bildas i vattenbassängen. Dessutom kommer numerisk simulering av uppbrytning av härdsmältstrålen i en vattenbassäng att genomföras. Avhandlingen är uppdelad i fem delar.

Den första delen fokuserar på den experimentella metoden för att studera interaktionen mellan metalliska smältor och vatten. En förenklad skalanalys baserad på dimensionslösa parametrar, Stefan-tal (St) och Froude-tal (Fr), används för att välja simulanter och utforma experimentella anläggningar DEFOR-M- och DEFOR-O för metalliska och oxidiska smältor. Anläggningarna är utrustade med höghastighetskameror för visualisering, viktsensorer för att mäta smältflödeshastighet och grusbäddens massa, en tredimensionell laserskanner för att mäta grusbäddens profil, samt för att utföra mätningar av bäddens porositet och partiklarnas storleksfördelning. För att förhindra förorening av smältan i degeln används en dubbel degelkonstruktion i DEFOR-O-anläggningen.

Den andra delen fokuserar på experimentell undersökning av hur en grusbädd bildas när metallisk smälta strålar ner i en vattenbassäng. Experimentet utförs med DEFOR-M-anläggningen och undersöker påverkande parametrar som smältöverhettning, höjden från vilken smältstrålen faller, underkylning av kylmedlet, vattendjup och material. Sn och Zn används som simulanter av metallisk smälta. Resultaten ger insikter om grusbäddens egenskaper, inklusive form, porositet och partiklarnas storleksfördelning under olika kombinationer av dessa faktorer.

Den tredje delen utökar den andra delen genom att använda en legering blandning (Sn-Bi) för att simulera den potentiella Zr-Fe-blandningen i härdsmältan. Experimenten utförs med samma anläggning och förfarande som i den andra delen. Resultaten visar att en betydande del av Sn-Bi-smältan bildar icke-partikelformiga grusbäddar i kraftigt underkylt vatten. Överhettning av smältan påverkar reaktionen mellan härdsmältans metalliska komponenter och kylmedlet i mindre utsträckning när vattnet är kraftigt underkylt, medan underkylning av vattnet har en större påverkan på solidifiering av smältdropparna. Legeringssammansättningen har också en inverkan på interaktionsprocessen mellan smältan och vattnet.

Den fjärde delen jämför egenskaperna hos grusbäddar som bildats av olika smältmaterial, såsom Sn, Sn-Bi, Zn och Bi2O3-WO3. DEFOR-O-anläggningen med dubbla deglar används för att studera bildandet av en grusbädd av Bi2O3-WO3-smältan. Resultaten visar att smältmaterialen har en betydande inverkan på grusbäddens egenskaper under jämförbara förhållanden. Metallsmältor är känsliga för oxidation, särskilt Zn, vilket resulterar i oxidiska skikt på partiklarna. Metallpartiklar har vanligtvis en flingaliknande form med slät yta och högt aspektförhållande, medan partiklar i oxidiska smältor har släta ytor och kvasi-sfärisk form med lågt aspektförhållande. Underkylning av kylmedlet spelar en viktig roll i interaktionen mellan oxidiska och metalliska smältor och vattnet. Generellt sett är bäddporositeten och partiklarna i DEFOR-M-tester med metallisk smälta mycket större än i DEFOR-O-tester med den oxidiska smältan och i FARO-tester med prototypiska material.

I den femte delen genomförs en numerisk simulering av hur smältstrålar bryts upp i en vattenpool med hjälp av en MCFD-metod som använder en kopplad CLSVOF-metod för att spåra gränssnittet mellan smältan och kylmedlet. Målet är att beräkna instabiliteten i gränssnittet och längden på uppbrytningen av strålen, samt att undersöka påverkande faktorer såsom smältmaterial, stråldiameter, höjden från vilken strålen faller, bassängens strukturer, flera strålar och förhållandet mellan höjden och diametern på strålen.DEFOR-M-tester simulerades, och resultaten jämfördes sedan med experimentella data. De jämförande resultaten visar att simuleringen stämmer väl överens med experimenten när det gäller instabilitetsmönster och längden på strålbrytningen. Det är emellertid värt att notera att de befintliga korrelationerna, såsom Taylors, Epstein & Fauskes och Matsuos, inte kan användas för att förutsäga jetstrålens uppbrytningslängd i DEFOR-M-testerna. Baserat på de nuvarande experimentella och numeriska resultaten föreslås en ny korrelation med en liknande struktur som Satios korrelation för att beräkna jetstrålens brytningslängd.