2017 안전해석심포지움, 대천한화리조트, 6 월 22-23 CUPID 코드기반 중대사고기기스케일열수력해석기술개발 2017. 06. 23. 이재룡 *, 박익규, 이승준, 조윤제, 윤한영 열수력중대사고안전연구부한국원자력연구원 Thermal Hydraulics and Severe Accident Research Division
목차 1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 2/35
1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 3/35
CUPID 개발 단상 & 2 상유동 (Single- and two-phase flows) 기기 - & CFD 스케일 (component- or CFD-scale) 정상상태 & 사고해석 (steady-state and transient analyses ) 2012~2016 Development of CUPID CUPID CUPID/DeCART ρ l, T l, α l, T fuel fuel q Pin wise kinetics code coupling DeCA RT PAFS Analysis Modeled by CUPID Modeled by MARS Application to passive system CUPID-SG Component Analysis CUPID/MARS CUPID MARS 액체온도 Multi-scale TH 2007~2011 Highresolution Numerical Method DNS Meso-scale Setup Numerical Method 3D 2-fluid 3-field Implicit scheme Unstructured FVM V/V Component-scale MARS, SPACE System-scale 10-3 10-2 10-1 10 0 Scale (m) 4/35
CUPID 수치모델 지배방정식 Mathematical models of CUPID 2 유체 3 장 (Two-Fluid Three-Field) 모델 연속방정식 (3) NC 연속방정식 (1) 운동량방정식 (3x3) 에너지방정식 (2) 상태방정식 ( Pe, ) k k k / t u k k k k k k X t X u / 0 k k n k k n k int u / t u u P u g F k k k k k k k k k k kt k k k k g geg / t g kekuk P g / t P gug gqg s qg Ps / P Hig T Tg ghg P Ps / P H gl Tg Tl 비정렬격자계 (Unstructured) 기반유한체적법 (FVM) Collocated (Cell-Centered) mesh Semi-implicit, Implicit Scheme f i S f dr f j 5/35
상관식및병렬계산 물리모델 자유매질 (Open Media) CFD-스케일해석 계면유동맵 (Topology map) 다공매질 (Porous Media) 노심봉다발모델 증기발생기 U-tube 모델 (CUPID-SG) mist sharp interface bubble 병렬계산 영역분할 (Domain Decomposition) MPI (Message Passing Interface) 우수한병렬성능확인 병렬성능 6/35
전후처리프로세서 전처리 OpenFOAM 데이터구조 오픈소스프로그램 : SALOME 자체개발프로그램 : CUPID-POP 후처리 오픈소스프로그램 : Paraview 대용량병렬후처리기 : GLOVE (KISTI) CUPID 워크벤치 GUI 기반 CUPID-POP GLOVE CUPID Workbench Paraview 7/35
CUPID 사용자지원 사용자그룹 http://cupiders.org CUPID User Group KAERI User Agreement CUPID V/V User Contract Technical Support University & Institution Industry 4 th CUPIDERS (DCC, 2016.08.26) 5 th CUPIDERS ( 한양대, 2017.08.25) 8/35
1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 9/35
OECD/NEA PSI Benchmark Exercise (1/2) The GEMIX (GEneral MIxing experiment) Exercise of PSI 13 기관참여 CUPID Number of grid CUPID minimum maximum 10/35
OECD/NEA PSI Benchmark Exercise (2/2) Ranking for concentration Ranking for thickness of mixing layer CUPID CUPID Ranking for mean velocity Ranking for turbulent kinetic energy CUPID CUPID 11/35
IAEA/CRP Benchmark ROCOM (1/3) The ROCOM (ROssendort COolant Mixing) OECD/PKL Mesh generation Facility overview SALOME Rod bundle 194 aluminum tubes perforated drum Lower plenum Downcomer 12/35
IAEA/CRP Benchmark ROCOM (2/3) Facility overview 13/35
IAEA/CRP Benchmark ROCOM (3/3) Boron concentration Cold leg flow distribution Boron concentration 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Maximum boron concentration Upper DC (Exp.) Lower DC (Exp.) Core Inlet (Exp.) Upper DC (Refer, k-e) Lower DC (Refer, k-e) Core Inlet (Refer, k-e) Upper DC (Refer, SST) Lower DC (Refer, SST) Core Inlet (Refer, SST) k-ε model SST k-ω model 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time (s) Boron concentration 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Averaged boron concentration Upper DC (Exp.) Lower DC (Exp.) Core Inlet (Exp.) Upper DC (Refer, k-e) Lower DC (Refer, k-e) Core Inlet (Refer, k-e) Upper DC (Refer, SST) Lower DC (Refer, SST) Core Inlet (Refer, SST) Downcomer flow distribution 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Time (s) k-ε model SST k-ω model 14/35
연구로 Siphon Break 해석 (1/3) 연구로 Siphon breaker Siphon breaker (4) Rx Pressure boundary: atmosphere (1) (2) (3) Water Tank LOCA 시 ( 출구 ) 수위감소 (1) Siphon breaker 노출 (2) Main pipe Initially, filled with water of 298 K siphon breaker 통해주배관으로공기유입 냉각수유출정지 Outlet: atmosphere (LOCA) 15/35
연구로 Siphon Break 해석 (2/3) Base Case RELAP5 계산 ( 전지한외 ) 유동맵기반계면마찰계수 주배관기포직경 = 0.056 m 난류모델적용 대수모델 (mixing length=0.2m) 16/35
연구로 Siphon Break 해석 (3/3) Void fraction and pressure contours vacuum atmosphere Hydraulic head atmosphere 17/35
1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 18/35
봉단위노심열수력해석 부수로격자 APR1400 부수로전노심모델링 격자생성 SALOME 사용, 부수로스케일격자생성 APR1400 상세형상정보 Fuel rod, shroud, water gap and guide tube 부수로패턴고려 ( 다공도, 투과율, 수력직경등 ) 부수로패턴 Type Name 1 Assembly (center) 2 Assembly (side) 3 Assembly (corner) 4 Guide tube (center) 5 Guide tube (side) Water Gap 6 Guide tube (corner) 7 Water gap (center) 8 Water gap (corner) Guide tube 9 Water gap (side) 10 Shroud (edge) 11 Shroud (near edge) 12 Shroud (side wall) 13 Shroud (between gap) Shroud 19/35
봉단위노심열수력해석 병렬해석 신고리 3 호 1 주기전출력 (cycle 1 hot full power) 대용량병렬계산 METIS 사용, 임의영역분할 분할된영역의격자수 : 53514 ±15 Parameters 전체격자수 2,675,698 Problem time 1.5 sec 프로세서수 50 계산시간 30 min CPU : Dual Intel(R) Xeon(R) E5-2600 20/35
봉단위노심열수력해석 출력및온도 신고리 3 호 1 주기전출력 (cycle 1 hot full power) 출력및냉각수온도분포 Coolant temperature distribution Power density distribution (K) (MW/m3) 21/35
증기발생기열수력해석 - 일차계통온도 1 차측입구온도 (SG inlet plenum - 596 K) 경계조건부여 출구평균온도 : 563K 설계요건만족 Tp(K) Outlet temperature distribution 22/35
증기발생기열수력해석 - 기포율 기포율분포 (economizer and a stay cylinder 고려 ) APR1400 SG (CUPID-)SG Sample 1 (ATHOS) 23/35
증기발생기열수력해석 - 속도벡터 APR1400 SG (CUPID-)SG Sample 1 (ATHOS) APR1400 SG (CUPID-)SG Sample 1 (ATHOS) 24/35
1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 25/35
미래부 5 차원자력연구개발사업 (2017~) 기기스케일안전해석기술개발에중점을둠 안전해석적용을위한 2상유동 CFD 기술은장기적연구개발이필요함 안전해석에직접적으로활용될수있는기기스케일해석기술개발 다차원원자로안전해석기술 ( 노심봉단위사고해석 ) 격납건물상세해석기술 다차원열수력 / 핵연료연계해석기술 기기스케일노심열수력안전해석기술 다차원안전해석적용 SBLOCA,LBLOCA 해석시출력분포고려 LBLOCA 재관수시강수부거동해석 LBCOCA 초기하부공동기포율분포해석 주증기관파단사고해석 붕소희석사고해석 반응도기인사고해석 기기스케일원자로건물상세해석기술 중대사고진입방지기술개발적용 수소거동해석 에어로졸해석 피동원자로건물해석 다차원열수력 / 핵연료연계해석기술 핵연료변형을고려한안전해석적용 핵연료변형을고려한 DEC 해석 핵연료변형을고려한 RIA 해석 핵연료변형을고려한 LBLOCA 해석 26/35
봉단위 LOCA 해석 기술 개발 봉단위 LOCA 해석을 위한 모델 및 상관식 개발 Y Z X regime 4 3 2 1 1 i.a. x 10 4 1.5 0.5 1 0.8 vf x 0.6 10 0 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 void 1 계면면적 봉단위 LOCA 해석 성능 목표 계통열수력 LOCA 해석: 노드수 ~200개, 계산 시간 ~20분 봉단위 LOCA 해석: 노드수 ~200백만개, 계산시간(목표) ~1시간 27/35
1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 28/35
CUPID 코드중대사고해석적용배경 중대사고규제검증계산측면에서상세계산용전산코드중요 ( 조용진, 4 th CUPIDERS, 2016) 기술수요 격납건물수소 3 차원해석 증기발생기 Inlet Plenum 유동분석 원자로외벽냉각 3 차원해석 방사성물질이동모델 CFD 외 LPM 전산코드중간성능과빠른 계산시간을가지는전산코드필요 CUPID 코드적용성 원자로 2 상유동고정밀해석적용성확인됨 원천기술을국내에서보유하여활용및확장가능성높음 현재설계기준사고및중대사고적용을위한모델개발중 29/35
코어캐처적용해석 (1/2) 중대사고대처설비열수력해석 CE-PECS (KAERI) 실험검증해석 코어캐처개념 CE-PECS (KAERI) CE-PECS CUPID 물리모델 Bubble departure diameter Bubble size Default Tolubinsky Yoneda Improved Kocamustafaogullari Yun 30/35
코어캐처적용해석 (2/2) 중대사고대처설비열수력해석 CE-PECS (KAERI) 실험검증해석 Flow behavior Void fraction Natural circulation flow rate Flow rate (kg/s) 8 6 4 2 EXP(CE-PECS, 4-1) Default model Improved model Mass flow rate (kg/s) 4 3 2 1 EXP CUPID 0 0 10 20 30 40 50 Tsub ( O C) 0 0 1000 2000 3000 Time (s) Default model Improved model Velocity vector 120 Flow rate (kg/s) 8 6 4 2 EXP(CE-PECS, 3-1) Default model Improved model 0 0 10 20 30 40 50 Temperature ( O C) 90 60 30 EXP CUPID 0 0 1000 2000 3000 Time (s) Tsub ( O C) 31/35
격납건물해석모델개발 열수력상세해석모델개발 HYMERES (PSI) 실험참여및검증해석 PCCS 검증실험 (KAERI) 해석 벽면응축모델개발 ATLAS 격납건물실험 (KAERI) 검증해석 HYMERES 실험 중대사고상세해석모델개발 수소수송모델개발및검증 수소수송방정식 CUPID 구현 비응축성가스물성치수정 에어로졸수송모델개발및검증 PCCS 실증실험 32/35
증기발생기 Inlet Plenum 해석모델개발 PRECISE (PSI) 실험참여 Precise REflux Condensation Investigation SEtup 튜브내비응축성기체농도에따른응축액막두께정밀계측 DB 확보및 FLUENT 코드 해석수행 CUPID 해석계획 응축모델개발및검증 Inlet plenum 포함사고해석 FLUENT 해석 33/35
1. CUPID 코드개발현황 2. 원전고정밀열수력해석 1) CFD 스케일 2) 기기스케일 3. 사고해석기술개발현황및계획 1) 설계기준사고해석 2) 중대사고해석 4. 결론 34/35
결론 CUPID 코드는 CFD 또는기기스케일해석이가능하도록개발되었으며검증문제를통하여적용성을입증함. 원전열수력안전해석기술은실용적인측면에서기기스케일해석기술개발전략이효과적임. (2상유동 CFD 해석은제한적인범위에서활용가능함 ) 5차원연사연구개발에서는 CUPID 기반의기기스케일원자로열수력및격납건물상세해석기술개발을수행중임. 이와같은기기스케일해석기술은격자수 ~1백만개를사용하여사고해석계산시간은 ~1 시간을목표로함. 35/35