2001 추계학술발표회논문집한국원자력학회 MIDAS 실험장치에서의물- 증기유동의다차원적혼합거동관찰 Experimental Observation of a Multi-dimensional Mixing Behavior of Steam-Water Flow in the MIDAS Test Facility 권태순, 윤병조, 어동진, 주인철, 송철화, 박종균 한국원자력연구소대전광역시유성구덕진동 10 요약강수부직접주입방식의가압경수로의환상형강수부에서의비상노심냉각수우회, 비상노심냉각수침투, 물-증기응축과축적수위등에대한다차원적열수력거동을 MIDAS 실험장치에서실험적으로관찰하였다. 대형냉각재상실사고의후기재관수기간을모의하는정상상태실험을통해강수부에서의주요열수력거동을넓은범위의실험조건하에서정량적으로고찰하였다. MIDAS 실험장치는 1400 MWe 의가압경수로형원자로의 1/4.93 선형축소된물-증기개별효과실험장치로서, 대형냉각재상실사고의충수또는재관수기간동안다양한안전주입위치에따른환상형강수부에서의다차원적열수력거동을이해하는데초점이맞추어져있다. 등온선은환상형강수부에서의물-증기의상간간섭에관한다차원적거동을잘보여주고있으며, 또한거시적인실험결과는강수부영역에서예상되는다차원적열수력거동을잘보여주고있다. Abstract Multi-dimensional thermal-hydraulic behavior, such as ECC(Emergency Core Cooling) bypass, ECC penetration, steam-water condensation and accumulated water level, in an annular downcomer of a PWR (Pressurized Water Reactor) reactor vessel with a DVI(Direct Vessel Injection) injection mode is presented based on the experimental observations in the MIDAS (Multi-dimensional Investigation in Downcomer Annulus Simulation) steam-water test facility. From the steady-state tests to simulate a late reflood phase of LBLOCA(Large Break Loss-of-Coolant Accidents), major thermal-hydraulic phenomena in the downcomer are quantified under a wide range of test conditions. Especially, isothermal lines show well multi-dimensional phenomena of phase interaction between steam and water in the annulus downcomer. Overall test results show that multi-dimensional thermal-hydraulic behaviors occur in the downcomer annulus region as expected. The MIDAS test facility is a steam-water separate effect test facility, which is 1/4.93 linearly scaled-down of a 1400 MWe PWR type of nuclear reactor, with focusing on understanding multi-dimensional thermal-hydraulic phenomena in annulus downcomer with various types of safety injection location during refill or reflood phase of a LBLOCA in PWR.
1. 서론 차세대원자로 (APR1400) 의가상적인대형냉각재상실사고 (LBLOCA) 발생시재관수 (Reflood) 기간동안원자로용기강수부 (Downcomer) 에서상온의안전주입수와과열증기사이의열수력적상호작용에대한다양한연구가진행되고있다 [1,2,3]. 원자로용기의저온관노즐로부터약 2.1 m 상부에위치한비상노심냉각수주입노즐을통해비상노심냉각수를강수부로직접주입 (DVI: Direct Vessel Injection) 하는안전주입방식을갖는원자로용기강수부에서의열수력관련주요관심사는비상노심냉각수의우회율 (ECC Bypass), 증기응축 (Steam Condensation), 비상노심냉각수우회 (ECC Bypass), 비상노심냉각수강수부하부침투 (ECC Penetration), 강수부의온도분포및과냉각여유도 (Subcooling Margin) 및강수부수위등이다. 대형냉각재상실사고시의비상노심냉각계통의성능에관한평가계산시, 동일한경계조건을적용한평가모델 (Evaluation Model) 과, 최적코드 (Beast Estimate Code) 결과가재관수기간동안에강수부수위, 피복재온도등주요항목에서상호차이를보이고있다 [1]. 이러한상이한결과로인하여강수부의열수력현상에대한이해의필요성과해석코드에대한평가계산용실험데이터의필요성이증대된시점이다. 이에따라안전주입수의강수부직접주입에따른강수부물-증기열수력에초점을맞춘 MIDAS(Multi-dimensional Investigation in Downcomer Annulus Simulation) 개별효과실험이수행되고있다 [2,3]. MIDAS 실험은대형냉각재상실사고의재관수기간동안원자로용기강수부로주입되는안전주입수와저온관을통해강수부로유입되는증기와의열수력적상호작용에관한개별효과실험이다. 본논문에서는대형냉각재상실사고시후기재관수 (late reflood) 기간동안강수부에서의물-증기혼합유체의등온선등강수부에서의다차원적열수력거동에관한결과를논의하고자한다. 2. 실험장치 MIDAS 실험장치의주요구성을 Fig. 1 에나타내었다. MIDAS 실험장치는 1400 Mwe 의가압경수로를선형축소비 1/4.929 비로축소하였으며, 최대운전조건은 10 Bar, 300 o C 이다. 별도의증기공급장치에서생성된증기가강수부에주입되고, 파단부위를통과한증기는격납건물모의기를거쳐대기로방출되는개방형형태 (Open Loop) 의실험장치이다. 원자로용기의강수부와노심사이의열수력적간섭및상호반응, 그리고원자로용기의벽면가열효과는실험장치를이용한모의대상에서배제하였다. MIDAS 실험장치에서각저온관의증기유량, 비상노심냉각수주입유량등은각각개별적으로조절가능하며, 비상노심냉각수의주입위치는체적척도비와선형척도비에따라각각설치되어있다. 강수부의수위에따른 Sweep-out, 안전주입수우회현상, 안전주입노즐의위치에따른안전주입수직접우회 (Direct Bypass) 현상, 그리고전체우회율 (Total Bypass Fraction) 등에관한관찰이각각가능하며, 증기및안전주입수의주입조건을다양하게변경하며정상상태개별효과실험을수행할수있다. 주요제어변수는증기의온도, 증기유량, 증기압력, 강수부온도, 강수부압력, 강수부수위, 안전주입수온도, 안전주입수유량및격납건물압력등이다.
2.1 유체계통 Fig.2 에나타낸강수부의상세도와같이, MIDAS 실험장치는노심과동축의강수부를노심과분리하여강수부를환형으로제작하여, 강수부의안쪽과바깥쪽에서의계측의편이성을증대시켰다. 강수부의전체형상은 Fig. 3 에나타낸바와같다. 각계통은저온관, 노심모의부, 파단유동물-증기분리기 (Separator), 격납건물모의기 (Containment), 고압비상노심냉각계통 (HPSI), 안전주입탱크 (SIT) 모의계통및외부증기공급계통으로구성되어있다. 주요계통의상호연결은 Fig.1 에나타내었다. 저온관배치및비상노심냉각계통의주입노즐 (DVI) 설치각도는 Fig. 4 에나타낸바와같다. 저온관에서강수부하부로약 2.8 m 지점이상의강수부는환상형 (Annulus) 강수부로, 그이하는단일파이프로설계되었다. 강수부와노심모의기사이는분리가능한차단벽을설치함으로써강수부와노심사이의열수력적상호작용을의도적으로차단시켰다. 증기공급장치는 2~10 Bar 압력범위에서 300 o C 과열증기를공급할수있다. 증기공급장치는포화증기와과열증기를각각발생시킬수있으며, 주어진포화압력에서최대증기과열도는약 180 o C 이며, 증기과열도는개별제어가가능하다. 파단유동 (Break Flow) 의계측오차를감소시키기위하여물-증기분리기 (Separator) 를도입하였다. 물-증기분리기를통과한파단유동은증기와냉각수를각각분리된후각각을개별적으로계측되도록하였다. Separator 수위의변화에따른축적수의계측오차를감소시키기위하여물-증기분리기에는내경 600mm 인 Separator 하부에파이프외경이 08 mm, 길이약 3.3 m 인파이프를삽입하여 Separator 하부의유체제적을감소시켰다. 단면적의축소비만큼계측오차는감소한다. 2.2 계측계통저온관의계측계통은 Fig.4 와과같으며, 계통에서나가는유동경로는강수부하부배출라인, 물-증기불리기의증기라인및물배출라인등이다. 총파단유량은물-증기분리기의증기유량, 물유량및물-증기분리기하부파이프에축적되는물등이다. 주요질량보존은 Fig. 에나타낸바와같다. 강수부상부환형지역에서의온도계배치는 Fig. 6 과같다. 환형강수부를따라 22. 도간격으로열전대가배치되어있다. 강수부에서의열전대는증기 -물혼합지역은반경방향으로각각 3 개를배열하여안쪽과바깥쪽에서의비상냉각수의온도및증기의온도를계측한다. 단상유동이예측되는곳즉, 액상이예상되는하부쪽과증기의온도계측을위한곳은강수부의가운데에열전대를 1 개씩만균등배치하였다. 강수부의열전대반경방향배치는 Fig.6 의 b -column 위치와동일하다. 3. 실험방법 안전주입계통은단일고장가정이적용되어, 파단저온관및이와 180 도로서로마주보는반대편에위치하는두개의안전주입노즐 (DVI-2 & 4) 을통해안전주입수가강수부로유입된다. 본실험에서는저온관및강수부의수위는충분히낮게유지하여저온관하단부에서파단저온관으로누출되는냉각수의 sweep-out 현상을배제시킨다. 이러한조건하에서증기와안전주입수사이의열수력적상호작용에따른비상노심냉각수의직접우회현상에관한실험이수행되었다.
실험의초기조건및경계조건은 TRAC 코드에의한안전해석결과 [,6] 로부터, 사고발생후약 20 초가경과된시점에서의열수력적조건을적용하였다. 각저온관에서의유동조건은시간에대해주기가빠른유동진동이있는상황이므로평균값을적용하였다. 3 개의저온관증기유량, 온도, 및압력은동일한것으로가정하였다. 실험기준조건은코드결과평균치로부터 (+) 방향의보다큰값을선택하였으며, 공칭강수부압력 (Nominal Downcomer Pressure), 공칭저온관주입과열증기온도를적용하였다. 실험의초기조건및경계조건은 Table.2 에정리하였다. 본실험을위하여수정선형척도법이적용되었다 [4]. 저온관및강수부에서의평균값을기준으로한각척도값은 Table 1 과같다. Table 1 Scaling Parameter Parameter Ratio Reference Value Scaled Value C.L Steam Flowrate per Coldleg (l) 2. 14.1 [kg/sec]*3 0.269[kg/sec]*3 D/C Pressure 1 180 [kpa] 180.0 [kpa] C.L Steam Temperature 1 197 [ o C] 197.0 [ o C] C.L Steam Velocity (l) 0. 39.8 [m/sec] 17.93 [m/sec] 선형척도비 : l = 1/ 4.929 Table 2 Initial and Boundary Conditions of the Test Component Parameter [unit] Set Value Actual Value Steam Flowrate [kg/sec] 0.260 0.262 Cold leg-1 Pressure [ kpa ] - - Temperature [ o C] 197 198.26 Steam Flowrate [kg/sec] 0.26 0.278 Cold leg-2 Pressure [ kpa] - - Temperature [ o C] 197 199.34 Steam Flowrate [kg/sec] 0.26 0.2603 Cold leg-3 Pressure [ kpa] - - Temperature [ o C] 197 197.49 Flowrate [kg/sec] N/A N/A ECC-1 Pressure [ kpa] - - Temperature [ o C] N/A N/A Flowrate [kg/sec] 1.37 1.366 ECC-2 Pressure [ kpa] - - Temperature [ o C] 49 49.26 Flowrate [kg/sec] N/A N/A ECC-3 Pressure [ kpa] - - Temperature [ o C] N/A N/A Flowrate [kg/sec] 1.37 1.370 ECC-4 Pressure [ kpa] - - Temperature [ o C] 49 49.71 Pressure [ kpa] 180 179.38 Downcomer Temperature [ o C] N/A N/A (LT-DU-0117F) Water Level [m] 0.4 0.4 Containment Pressure [ kpa] - 177.87 Temperature [ o C] N/A N/A Heatup N/A 2.949 kg/sec D/C Drain t > 0. sec - 2.949 kg/sec t < 600. sec - 2.949 kg/sec
4. 실험결과및고찰 계통에유입되는증기및비상노심냉각수, 그리고계통으로배출되는파단류사이의질량보존에대한정의는식 (1) 과같다. 평균질량보존은약 -1.168% 로서배출유량이주입유량보다작게계측되고있으며, 표준편차는 1.987 이다. 실험시간에따른질량보존오차를 Fig. 7 에나타내었다. 계통에유입되는증기및비상노심냉각수, 그리고계통으로배출되는파단류사이의에너지보존에대한정의는식 (2) 와같다. 에너지보존은약 2.042% 정도가배출에너지보다많게계측되고있으며, 표준편차는 1.21 이다. 단, 구조물열손실은고려되지않았다. 시간에따른에너지보존오차를 Fig. 8 에나타내었다. Fig.7 과 Fig.8 은각각질량보존및에너지의보존이충분히낮은범위에서잘보존되고있음을보여주고있다. Mass Balance(%) = m t m t Total, in( ) Total, out ( ) * m ( t) Total, in Energy Balance(%) = e t e t Total, in( ) Total, out ( ) * e ( t) Total, in 100 (1) 100 (2) 실험에서강수부수위는저온관하단부에서의 Sweep-out 현상을배제하기위하여충분히낮게유지하였다. 강수부내부의수위는저온관근처의수위를계측하는 4 개의축은약 90 도간격으로강수부에배치되어있다. Fig.9 는네방향에서의강수부수위를나타내고있다. 강수부의수위는저온관바닥을기준으로평균 0.4m 위치에유지되고있다. 강수부의수위에따른강수부축적량의계측에따른질량변화량이크므로이를방지하기위하여강수부의수위는거의일정하게유지하였다. Fig.10 은강수부의바깥쪽벽근처에서의온도분포를나타내고있다. DVI-2 및 DVI-4 주입노즐을통해차가운비상노심냉각수가주입되고있다. 저온관 1번, 2 번및 3 번으로과열증기가강수부로주입되고있다. 고온관주위의상대적으로낮은온도영역이관측되고있는데, 저온의비상노심냉각수가강수부의하부쪽으로강하되고있는현상으로해석된다. Fig.11 은강수부의안쪽벽면근처에서의온도분포를나타내고있다. 저온관주변의고온영역이축소되었고, DVI 노즐근처의저온대가약간확장되어나타나고있다. 이는강수부로주입된저온의비상노심냉각수가벽에부딪치고, 이로인해비상노심냉각수가퍼지면서안쪽벽면근처에서의온도를떨어뜨리는현상을나타나고있는것으로해석된다. Fig.12 는강수부의중심선에서의온도분포를나타내고있다. 파단저온관에 180 도의반대편에위치한저온관 2 번하부의저온대가크게나타나고있다. 이영역은파단저온관을중심으로대칭축에해당하는영역이므로여타영역보다상대적으로약한증기횡류 (Steam Crossflow) 의영향을받아비상노심냉각수의침투가활발한영역이나타난것으로해석된다. 두개의고온관주변에서의. 저온대가나타나는것은공기실험에서도이미관측되었지만고온관의차단효과 (Blocking Effect) 와두저온관의고속증기제트가만나횡류가작아
지는증기정체영역 (Stagnation region) 이고온관주변에존재하고, 이정체영역에서상부의비상노심냉각수가침투되고있는것으로해석된다. 이상에서와같이 3 개의저온관을통해주입되는과열증기와강수부로직접주입되는비상노심냉각수가혼재하는강수부는고온관의차단효과및증기의응축과정체, 그리고횡류의복합적인유동장이존재하는매우복잡한다차원유동을형성하고있음을유추할수있다.. 결론 강수부직접주입방식을갖는가압경수로의대형냉각재상실사고의후기재관수기간을모의하는정상상태실험을통해환상형강수부에서의비상노심냉각수우회, 비상노심냉각수침투, 물-증기응축과축적수위등에대한다차원적열수력거동을 MIDAS 실험장치에서실험적으로관찰하였다. 등온선은환상형강수부에서의물-증기의상간간섭에관한다차원적거동을잘보여주고있으며, 또한거시적인실험결과는강수부영역에서예상되는다차원적열수력거동을잘보여주고있다. 3 개의저온관을통해주입되는과열증기와강수부로직접주입되는비상노심냉각수가혼재하는강수부는고온관의차단효과및증기의응축과정체, 그리고횡류의복합적인유동장이존재하는매우복잡한다차원유동을형성하고있음이관찰되었다. Acknowledgements 본연구는과학기술부의원자력연구개발중장기사업의지원하에수행되었습니다. MIDAS 실험장치척도법의검토및조언을주신노희천교수, 실험수행에귀중한자문을주신오승종, 이원재박사, 실험조건결정에도움을주신김한곤박사께감사드립니다. References [1] K.H. Bae et al., Pre-test Analysis for the KNGR LBLOCA DVI Performance Test Using a Best Estimate Code MARS, NTHAS-2: 2nd Japan-Korea Symposium on Nuclear Hydraulics and Safety, Fukuoka, Japan, Oct. 1-18, 2000. [2] B.J.Yun, et al., Experimental Observation of the Direct ECC Bypass during LBLOCA Reflood Phase in the Air/Water Test :UPTF Test 21-D Counterpart Test, 4 th Int l Conf. Multiphase Flow, May 27 to June 1, 2001, New Orleans, USA. [3] T.S. Kwon, et al., A Study on the Liquid Film Width of ECC Water Jet for DVI Injection, 4 th Int l Conf. Multiphase Flow, May 27 to June 1, 2001, New Orleans, USA. [4] 윤병조외, 차세대원자로대형냉각재상실사고모의를위한열수력실험장치의척도해석, KAERI/TR-1878/2001, 한국원자력연구소 (2001) [] NKD/RD-01100M, KNGR DVI 성능검증 Test Matrix 송부, 2001.. 7, 전력연구원, 신형원전개발쎈터. [6] 김한곤, 신형경수로안전주입성능평가를위한실험조건, Private Communication (2001).
(8) () (4) (6) (7) (1) DV DV CL (3) (2) Fig. 1 Isometric View of the MIDAS Facility Fig.2 Downcomer Annulus Level=9.081 (from base Level) I.D 0.9387, t10 O.D 0.8348, t22 0 o 270 o 180 o DVI Nozzle : KNGR Full Height 90 o (LT-DU-0117F) 0.37 0.66 2.109 0.426 DVI Nozzle : KNGR Linear Height Level=6.972 m KNGR (from base Level) Coldleg 1~3, Broken Coldleg Hotlegs Level= 4.491m 2.81 Pressure Tap Coldleg-2 Hotleg-1 270 o Coldleg-1 0 o 180 o 90 o Coldleg-3 Hotleg-2 B.L. 4.491m (LT-DU-02) 4.121 3.926 1.879 I.D 0.408 t8 Level = 1.828 R 0.68(20 o ) Core 1.3878 Bottom of Pipe Base Elevation = 0.0 m (Reference Elevation) Level= 0.19 0.19 16" 16", sch20s I.D. 0.3906m 16" I.D 0.72 Level =0.717 (from base Level) 0.22 1.439 1.840 R 0.609(70 o ) 1.202 0.3 1.872 Downcomer Drain Unit : m Fig.3 Sketch of the Downcomer
FT-CL-201 PT-CL-202 TEF-CL-201C(RTD) D TEF-CL-202 TEF-CL-203 TEW-CL-201 Coldleg-2 A TEF-CL-204 TEF-CL-20 B TEW-CL-202 DVI-2 PT-CL-201 LT-CL-202 C 0 o -(A) PT-CL-301 LT-CL-302 C Coldleg-3 TEF-CL-304 B TEF-CL-30 TEW-CL-302 DVI-3 FT-CL-301 PT-CL-302 TEF-CL-301C(RTD) A D TEF-CL-302 TEF-CL-303 TEW-CL-301 270 o -(M) Downcomer Core 90 o -(E) D TEF-CL-102 TEF-CL-103 TEW-CL-101 FT-CL-101 PT-CL-102 TEF-CL-101C(RTD) DVI-1 TEF-CL-104 TEF-CL-10 B TEW-CL-102 A Coldleg-1 180 o -(I) C PT-CL-101 LT-CL-102 DVI-4 Broken Coldleg Separator Fig. 4 Top view of Cold Leg Arrangement ECC-2 (FT-DV2-02) C.L-1 (FT-CL-101) C.L-2 (FT-CL-201) C.L-3 (FT-CL-301) D/C Level Downco mer Broken ECC-4 (FT-DV4-02) Steam (FT-CL-401) Steam Water Separa tor Separater Level Outer Downcomer Cylinder M TF b N a a D/C Gap c TF b c O d P Inner Downcomer Cylinder TF A Elevation D/C Drain (FT-LP-01) (FT-LP-02) Separator Drain (FT-CT-01) D/C Outer Wall t 10 mm Radial Position 1. mm 2.0 mm D/C Inner Wall t 22 mm Fig. Break Flow Measurement Fig.6 Location of Thermocouple in the Downcomer
Mass Balance(%) : (w in -w out )/w in x100 10 0 - -10 0 200 400 600 TIME(Sec) Energy Balance(%) : (E in -E out )/E in x100 10 0 - -10 0 200 400 600 TIME(sec) Fig. 7 Mass Balance Fig. 8 Energy Balance 2 D/C Water level (m) 1 0 0 200 400 600 Time (sec) LT-DU-0117B LT-DU-0117F LT-DU-0117J LT-DU-0117N Downcomer Elevation, meter 7. 7 6. 6. DVI3 DVI4 DVI1 DVI2 CL3 BCL CL1 CL2 0 4 90 13 180 22 270 31 Circumferential Angle, Degree T 170.4 160.7 11.0 141.2 131. 121.8 112.0 102.3 92.6 82.9 73.1 63.4 3.7 43.9 34.2 Fig. 9 Downcomer Water Level Fig. 11 Isothermal line at Downcomer Inner Wall Downcomer Elevation, meter 7. 7 6. 6. DVI3 DVI4 DVI1 DVI2 CL3 BCL CL1 CL2 T 170.4 160.7 11.0 141.2 131. 121.8 112.0 102.3 92.6 82.9 73.1 63.4 3.7 43.9 34.2 Downcomer Elevation, meter 7. 7 6. 6. DVI3 DVI4 DVI1 DVI2 CL3 BCL CL1 CL2 T 170.4 160.7 11.0 141.2 131. 121.8 112.0 102.3 92.6 82.9 73.1 63.4 3.7 43.9 34.2 0 4 90 13 180 22 270 31 Circumferential Angle, Degree 0 4 90 13 180 22 270 31 Circumferential Angle, Degree Fig. 10 Isothermal line at Downcomer Outer Wall Fig.12 Isothermal line at the Center of Downcomer