| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구의 최종 목표는 차원해석 방법을 적용하여 중대사고시 수소 거동 평가를 위한 성층화 깨짐 모델의 개발이다. 이를 달성하기 위하여 연차별로 세부 목표를 수행하였다(그림 1). (1차연도) 수소 거동 관련 국내/외 실험 데이터베이스 구축 및 계측 오차 분석 (2차연도) 차원해석을 통하여 수소 거동에 영향을 미치는 주요변수들의 무차원화 (3차연도) 실험 데이터베이스로부터 무차원수 그룹의 함수적 상관관계 도출 및 수소분포 평가 ○ 전체 내용 (1차연도) 수소 거동 관련 실험 DB 구축 및 계측 오차 분석 ○ 충돌 제트에 의한 수소 성층화 깨짐 관련 국내/외 대형 실험 장치에서 수행된 결과 취합 및 정리하고, 실험 데이터베이스 설계 및 구축 ○ 국내/외 대형 실험 장치의 성능을 평가하기 위하여 실험 용기의 스케일 비교 및 계측과 제어시스템의 성능검토 ○ 수소 농도분석기의 계측한계와 오차에 대한 정량적 분석 (2차연도) 수소 성층화 혼합 거동에 영향을 미치는 주요 변수들의 무차원화 ○ 수소 성층화 형성 및 깨짐 실험 및 해석 결과로부터 수소거동에 대한 물리적 현상(난류) 검토 ○ 수소 성층화 형성 및 깨짐에 영향을 미치는 주요 변수(유체물성, 유동 특성, 실험 용기의 규모 등) 도출 ○ 차원해석 방법(Buckingham‘s PI theorem)을 이용하여 성층화 깨짐에 대한 주요 변수들의 무차원화 그룹 도출 (3차연도) 수소 성층화 혼합 거동의 무차원군 그룹 사이의 함수적 상관관계(모델) 도출 및 수소분포 평가 ○ 실험 DB로부터 수소 성층화 깨짐 모델 개발 및 개선 ○ 중대사고 종합코드(MELCOR)로 OPR1000의 SBLOCA 시 저온관 파단 부위로부터 격납건물 대기로 배출되는 수소와 증기 질량 유량 계산, 성층화 깨짐 모델에 필요한 조건(초기 성층화 영역, 충돌 제트의 유동 특성) 도출, 사고 진행 과정에서 격납건물 상부의 수소 성층화 혼합 평가 ○ 증기 플룸 충돌에 의한 수소 성층화 혼합 평가의 불확실성 분석 □ 연구개발성과 본 연구는 2년 9개월 동안 연차별 수행한 연구개발 내용을 안전기술보고서 제출 (3편), 국외 SCI 논문 게재(2편), 국내외 학술대회(7편)에 발표하였고, 전문 연구인력(박사 1명)을 양성하였다. (1) 충돌 제트에 의한 성층화 깨짐 거동의 8개 주요 변수를 Buckingham's PI theorem을 통하여 4개 무차원수로 도출하였다. SPARC와 PANDA 실험(공기 제트의 충돌)을 바탕으로 무차원수 사이의 함수관계(성층화 깨짐 기본 모델)를 찾았다. 기본 모델의 적용 범위를 확장하기 위하여 THAI 실험(증기 제트의 충돌)을 추가하였다. Froude number에서 제트의 부력과 증기 응축의 영향을 고려할 수 있는 수정 계수를 정의하여 수소 성층화 깨짐 모델을 개선하였다. (2) 중대사고 조건에서 수소 성층화 깨짐 모델의 주요 변수(초기 성층화 영역, 충돌제트 유동)를 도출하기 위하여 MELCOR 코드로 OPR1000 격납건물에서 SBLOCA(저온관 2인치 파단)를 계산하였다. 저온관 파단 부위를 통하여 격납건물대기 중으로 수소와 증기가 배출되고, 격납건물 상부에 성층화 영역이 형성되는 것을 평가하기 위하여 난류 부력 제트의 농도 감쇠 상관식을 적용하였다. 수소배출 종료 후에 성층화 영역에 충돌하는 증기 플룸에 의한 밀도 경계면의 이동(수소 성층화 혼합 거동)을 평가하였다. (3) 수소분포 실험에서 성층화 영역의 깨짐 정도를 나타내는 충돌 제트의 상승 거리에 대한 밀도 기준, 용기(격납건물) 벽면이 부력 제트 유동에 미치는 영향, 수소 발생량의 차이, 격납건물 상부로 수소-증기가 배출될 때 가정한 노즐 직경의 영향, 성층화 영역의 수소 농도, 증기 응축 영향 등이 성층화 혼합 거동에 미치는 불확실성을 평가하였다. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 (1) LP 코드는 거대한 격납건물을 수십 개의 제어체적으로 나누어서 계산하기 때문에 한 개의 제어체적이 담당하는 실제 부피가 상대적으로 크다(그림 2 왼쪽). 하나의 제어체적에서는 가스가 균일하게 혼합된다고 가정하고 평균 수소 농도를 계산하므로 국부적인 수소분포를 해석하는데 불확실성이 있다. 또한, MELCOR는 경계층의 농도 추적이 없고, 제어체적에서 운동량 전달을 무시하기 때문에 높은 에너지로 배출되어 상승하는 제트-플룸 거동을 예상하지 못한다. 사고해석에서 제트-플룸 현상에 대한 모델이 없는 것은 MELCOR 코드의 단점이다. 수소 성층화 깨짐 모델로 평가한 격납건물 상부 비균일한 수소분포는 LP 코드의 거대한 제어체적에서 균일한 수소 농도로 가정하여 계산한 결과를 보완할 수 있다. (2) CFD 코드는 격납건물을 수만에서 수백만 개의 격자로 이산화하고(그림 2 오른쪽), Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 풀어서 유체 거동을 계산하므로 수소분포의 비균일성과 과도상태를 평가할 수 있지만, 계산 부하가 증가하므로 다양한 시나리오에 대한 민감도 분석에 많은 시간이 소요된다. 중대사고 해석에서 불확실성을 평가하기 위하여 다양한 변수에 대한 민감도 분석은 필수적이다. 수소 성층화 깨짐 모델은 성층화 혼합 거동에 영향을 미치는 주요 변수(성층화 위치와 농도, 격납건물 직경과 대기로 배출되는 유로 직경, 노즐 출구에서 유속과 밀도,제트/플룸의 주입 시간)를 포함하므로 변수의 민감도 분석을 위한 적합한 계산조건을 도출하여 코드의 계산 부하를 감소시킬 수 있다. (출처 : 요약문 2p) |
