[국내논문]가압중수형 원자로의 중성자 감속재 순환 유동가시화와 삼차원 전산해석 Visualization and 3D Numerical Analysis of the Circulation Flow of the Neutron Moderator in a Heavy-Water Nuclear Reactor원문보기
현 운행중인 중수로의 안전장치인 감속재는 원전사고시 최종 열침원의 역할을 감당한다. 감속재 연구 수행을 위해 CANDU6 의 축소화 모델인 HUKINS 는 최대출력 10kW 로, 칼란드리아 직경은 원모델의 1/8 에 해당하는 0.95m 이며 축방향 길이가 38.4mm 의 열원 88 개가 삽입되어 있다. HUKINS 내 감속재 유동패턴의 발생 여부를 판단하고자 화학처리기법을 활용하였고 그 결과 출력파워 약 7.7kW 에서 각입력유량을 4,7,11L/min 으로 유입시 감속재의 유동패턴이 부력기조유동, 혼합양상유동, 모멘텀 기조유동의 양상을 나타났다. 3 가지 유동패턴에 대해 육면체 격자를 기본으로 구성된 약 190 만개의 격자수 내에서 난류모델$k{\varepsilon}$의 예측결과와 실험결과간에 유사성을 보임으로써 HUKINS 가 CANDU6 감속재 유동의 실험적 연구에 사용 가능함을 입증했다.
현 운행중인 중수로의 안전장치인 감속재는 원전사고시 최종 열침원의 역할을 감당한다. 감속재 연구 수행을 위해 CANDU6 의 축소화 모델인 HUKINS 는 최대출력 10kW 로, 칼란드리아 직경은 원모델의 1/8 에 해당하는 0.95m 이며 축방향 길이가 38.4mm 의 열원 88 개가 삽입되어 있다. HUKINS 내 감속재 유동패턴의 발생 여부를 판단하고자 화학처리기법을 활용하였고 그 결과 출력파워 약 7.7kW 에서 각입력유량을 4,7,11L/min 으로 유입시 감속재의 유동패턴이 부력기조유동, 혼합양상유동, 모멘텀 기조유동의 양상을 나타났다. 3 가지 유동패턴에 대해 육면체 격자를 기본으로 구성된 약 190 만개의 격자수 내에서 난류모델 $k{\varepsilon}$의 예측결과와 실험결과간에 유사성을 보임으로써 HUKINS 가 CANDU6 감속재 유동의 실험적 연구에 사용 가능함을 입증했다.
The heavy moderator acts as the ultimate heat-sink in an operating CANDU reactor. HUKINS has been developed to investigate moderator flow patterns. HUKINS consists of a 38.4-mm-thick cylindrical shell with a 0.95 m inner diameter and 88 sus-tubes that produce a total heat of 10 kW. A chemical visual...
The heavy moderator acts as the ultimate heat-sink in an operating CANDU reactor. HUKINS has been developed to investigate moderator flow patterns. HUKINS consists of a 38.4-mm-thick cylindrical shell with a 0.95 m inner diameter and 88 sus-tubes that produce a total heat of 10 kW. A chemical visualization method was selected to estimate the occurrence of typical moderator flow patterns. Momentum-dominated flow, mixed flow, and buoyancy-dominated flow are detected under conditions of a heat load of 7.7 kW and input mass flow rates of 4, 7, and 11 L/min. The experimental results are similar to the results of a CFD simulation that consisted of approximately 1.9 million grids and was conducted using the k-${\varepsilon}$ turbulence model. Therefore, both the present experiments and simulations using HUKINS, a 1/8-scale model, represent all three important flow patterns expected in the real CANDU6 reference reactor. Thus, it has been demonstrated that HUKINS could be useful in the study of CANDU6 moderator circulation.
The heavy moderator acts as the ultimate heat-sink in an operating CANDU reactor. HUKINS has been developed to investigate moderator flow patterns. HUKINS consists of a 38.4-mm-thick cylindrical shell with a 0.95 m inner diameter and 88 sus-tubes that produce a total heat of 10 kW. A chemical visualization method was selected to estimate the occurrence of typical moderator flow patterns. Momentum-dominated flow, mixed flow, and buoyancy-dominated flow are detected under conditions of a heat load of 7.7 kW and input mass flow rates of 4, 7, and 11 L/min. The experimental results are similar to the results of a CFD simulation that consisted of approximately 1.9 million grids and was conducted using the k-${\varepsilon}$ turbulence model. Therefore, both the present experiments and simulations using HUKINS, a 1/8-scale model, represent all three important flow patterns expected in the real CANDU6 reference reactor. Thus, it has been demonstrated that HUKINS could be useful in the study of CANDU6 moderator circulation.
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문제 정의
전기 히터의 제작과정에서 발생하는 히터 각각의 소모 전력량 차이는 실험장치 내부의 열적 불균등을 생성하여 정확한 실증실험을 어렵게 한다. 따라서 본 연구에서는 실험장치 내부의 균일한 열원 공급을 위한 열원 제어기를 설계 제작하였다. Table 1 은 CANDU6 의 축소화모델인 HUKINS 주요 실험장치의 규격을 나타낸다.
이는 감속재의 진행과 모양에 대한 이미지 처리가 일정한 시간 간격에 따라 이루어지면, 감속 재의 변화 추이를 통해 각 유동의 상대적 속도 차이를 알 수 있고 유입되는 감속재가 칼란드리아 내부의 온도 보다 낮으므로 감속재 유입 시 감속 재의 진행방향과 모양에 따라 각 유동 패턴의 온도 분포도 어느 정도 예상이 가능하기 때문이다. 실증실험과 전산해석간 결과 비교 시 전산해석결과의 건전성 판단과 각 유동의 특성을 분석하는 자료로 활용하고자 한다.
이에 본 연구에서는 기존 CANDU-6 의 칼란드 리아를 1/8 로 축소화한 실험장치인 HUKINS 에서 유동장의 가시화를 위한 실험을 수행하였다. 가시 화는 BTB 용액과 수산화나트륨 수용액의 상호작용을 이용한 화학적 방법을 사용하여 시간에 따른 주입유량의 전파과정을 기록하였다.
가설 설정
HUKINS 내 해석 유체의 작동 유체는 단일상로 비압축성 유체며 유체와 히터간의 열교환 모사는 열에너지로 설정하다. 칼란드리아 내 주요 힘이 부력과 모멘텀이므로 부력은 온도 함수로 구현되는 Boussinesq 가정을 적용하였고 입력노즐에서 나오는 모멘텀은 중간세기의 난류를 설정하였다. 해석 설정 시 높은 해상도를 적용하여 해석을 수행하였고 해석결과의 RMS 는 열전달 관련 항목을 제외하고 유동 및 난류 항목은 10-4 이하로 수렴 하여 해석의 건전성을 확인했다.
제안 방법
화학적 처리 기법을 이용한 실증 실험의 유동 패턴의 결과와 비교하기 위한 전산 유체해석의 격자는 사각격자를 기본으로 하였다. ANSYS ICEM CFD-11.0 을사용하여 생성된 총 격자수는 1,881,618 이고 노드수는 448,148 개를 기반으로 격자를 조성하였고 핵채널과 칼란드리아 내 벽면에는 경계층의 효과를 고려하여 격자를 조밀하게 형성시켰다. 난류 모델은 k-ε 이며 벽함수는 가변성이 적용되었다.
HUKINS 의 칼란드리아에서 다양한 입력유량과 주입열량에 의해서 형성되는 유동패턴을 관찰하기 위해서 디지털 동영상 촬영을 하였다. 촬영된 동영상을 편집프로그램을 통해 각 유동별로 모멘텀 기조유동은 1s, 혼합양상유동은 2s 그리고 부력기조유동은 6s 의 일정한 간격을 가지고 화면을 캡쳐 하도록 설정한 후 각각 모멘텀기조유동과 혼합양상유동의 경우에는 32 장씩, 정체구간이 관찰되는 부력기조유동은 40 장을 나열하였다.
유동을 관찰하는 방법으로는 LDV(Laser Doppler Velocimetry), PIV(Particle Image Velocimetry) 그리고 화학적 유동 가시화 기법 등이 있다. LDV 와 PIV 는 국소적 유동 측정에는 탁월하나 큰 장치에서 전체의 유동을 관찰하기에는 적합하지 않아 HUKINS 실험설비 내의 유선을 관측하기 위하여 화학적 유동 가시화 기법을 사용하였다.
1983 년 SPEL(Sheridan Park Engineering Laboratory)에서 Koroyannaski 등(1)은 칼란드리아와 같은 원통형 장치 내에서 유체의 입력제트와 내부열에 의해 발생되는 유동현상에 대한 실험연구를 수행하였다. SPEL 실험은 축소모형은 아니지만 재순환 유동, 비등이 없는 유체의 가열, 칼란드리아 축에 평행하게 나열된 수평관들의 2 차 배열 등 CANDU 원자로의 전형적인 특성을 반영한 실험이었다. 화학반응을 이용한 유동 가시화기법을 사용하여 실험장치 안에서의 주도적인 유동양식을 결정하여 수평형 원통내에 감속재의 유동은 모멘텀기조유동, 혼합양상유동, 부력기조주도유 동이 발생한다고 보고하였다.
그후 1990 년에는 STERN 의 Hadaller 등 (2~4)에 의하여 1/4 축소 비율의 실증 실험이 수행되었다. STERN 의 실험은 칼란드리아 내부의 감속재 거동에 대하여, 입력노즐의 각도 변화(2)와 열원(3,4)의 삽입여부에 따른 유동패턴변화와 온도측정을 수행하였다. 화학반응을 이용한 가시화 기법을 사용하여 유동영역을 판정하였으며, LDV(laser doppler anemometer)를 이용하여 유속을 측정하였는데 유동패턴 판정을 크게 모멘텀 주도 유동과 부력주도 유동으로 나누었다.
이에 본 연구에서는 기존 CANDU-6 의 칼란드 리아를 1/8 로 축소화한 실험장치인 HUKINS 에서 유동장의 가시화를 위한 실험을 수행하였다. 가시 화는 BTB 용액과 수산화나트륨 수용액의 상호작용을 이용한 화학적 방법을 사용하여 시간에 따른 주입유량의 전파과정을 기록하였다. 이를 통해 모멘텀기조유동, 혼합유동, 부력기조유동을 모두 가시화했다.
5 은 앞에서 언급한 내용인 화학적 유동 패턴의 가시화 현상에 대한 실시간 측정과 이미지 처리 과정을 나타낸 것이다. 감속재의 진행 순서가 칼란드리아 내에서 상대적 온도차이를 발생하게 하는 지역과 밀접한 연관성이 예상되므로 각유동의 경계선 이미지에 순서에 따라 색깔을 부여 하였다. 색의 순서는 상용 전산유체해석 코드의 온도장내 저온에서 고온으로 진행 시 나타내는 색의 순서를 인용하였다.
은 축소화 기법에 따라 분석한 1/8 의 스케일비를 가지는 HUKINS 실험장치를 설계, 제작하였다. 동작 유체는 물로서 이에 적합하도록 설계하였으며, 85℃이상의 온도범위와 대기압에서의 동작을 고려하였다. 동작 유체에 관해서는 루프를 형성하여 배관 제작을 하였고 루프에서의 순환을 위하여 펌프를 설치하였다.
이를 통해 모멘텀기조유동, 혼합유동, 부력기조유동을 모두 가시화했다. 또한 전산해석을 이용한 3 차원 유동해석 역시 병행하였다. 격자구성 시 올바른 경계층을 모사를 위해 격자를 조밀하게 구성하여 kε 난류모델 내 실험과 유사한 유동패턴결과를 얻어냈다
본 실험의 주 관심 영역인 칼란드리아 테스트 섹션에는, 내부에서의 유동현상을 관측하기 위하여 전면부를 투명한 폴리카보네이트로 제작하였다. 또한, 칼란 드리아 입출구에서의 온도를 일정하게 유지하도록 루프의 순환부에 열교환기를 설치하였다.
칼란드리아 입력 노즐부에서의 유량을 조절하기 위하여 밸브를, 칼란드리아 내부에서의 화학적 유동 가시화를 위하여 가시화물질 주입부를 칼란드리아 입력 노즐부와 루프의 순환부에 각각 설치하였다. 본 실험의 주 관심 영역인 칼란드리아 테스트 섹션에는, 내부에서의 유동현상을 관측하기 위하여 전면부를 투명한 폴리카보네이트로 제작하였다. 또한, 칼란 드리아 입출구에서의 온도를 일정하게 유지하도록 루프의 순환부에 열교환기를 설치하였다.
가시화 결과는 실험 반복성을 통해 해당 조건 내 동일 유동장 확인 하였으나, 색 분리에 의한 경계층 추출 결과는 한번 실험의 결과이다. 상단은 하단의 각 유동패턴에 히터경계선을 추가로 삽입하여 칼란드리아 내부의 유동장 형성에 따른 상대적 고온 지역을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하였다. 2.
앞에서 설명한 화학적 유동 가시화 실증 실험 결과 들은 차후 전산유체 해석코드의 결과와 비교하는데 활용하려고 한다. 이를 위해 촬영된 영상에서 감속재의 진행방향과 모양에 대한 이미지의 추출하는 이미지 처리 프로그램을 개발하였다. 감속재 진행 방향과 모양에 대한 이미지 처리의 방법은 수산화나트륨 수용액이 BTB 와의 혼합작용에 의한 화학반응 시 푸른 계통의 다양한 색으로 가시화 되므로 발생하는 유동 경계선의 푸른색을 추출하여 시간의 흐름에 따라 색깔을 부여하는 방식이다.
HUKINS 의 칼란드리아에서 다양한 입력유량과 주입열량에 의해서 형성되는 유동패턴을 관찰하기 위해서 디지털 동영상 촬영을 하였다. 촬영된 동영상을 편집프로그램을 통해 각 유동별로 모멘텀 기조유동은 1s, 혼합양상유동은 2s 그리고 부력기조유동은 6s 의 일정한 간격을 가지고 화면을 캡쳐 하도록 설정한 후 각각 모멘텀기조유동과 혼합양상유동의 경우에는 32 장씩, 정체구간이 관찰되는 부력기조유동은 40 장을 나열하였다.
7 은 z 축의 평면을 나타낸 것으로 격자의 종류와 적용 위치 그리고 형상의 각 위치와 특성을 파악할 수 있게 표현 하였다. 칼란드리아 내부를 고체부분와 유체부분으로 분류하여 고체부분의 형성으로 히터와 물의 연결성을 용이하게 해줌으로써 열전달 효과를 모사했다. 히터를 고체부분으로 형성 시 히터의 온도가 단순히 설정된 열 유속에 의해서 결정되는 것이 아니라 히터의 재질 속성인 열전달 계수와 히터의 첫 기입 온도 값과 감속재의 유입에 따른 주변 온도에 의해 결정되게 했다.
동작 유체에 관해서는 루프를 형성하여 배관 제작을 하였고 루프에서의 순환을 위하여 펌프를 설치하였다. 칼란드리아 입력 노즐부에서의 유량을 조절하기 위하여 밸브를, 칼란드리아 내부에서의 화학적 유동 가시화를 위하여 가시화물질 주입부를 칼란드리아 입력 노즐부와 루프의 순환부에 각각 설치하였다. 본 실험의 주 관심 영역인 칼란드리아 테스트 섹션에는, 내부에서의 유동현상을 관측하기 위하여 전면부를 투명한 폴리카보네이트로 제작하였다.
8 에 나타냈다. 해석결과에 대한 자세한 분석은 3.2 절의 실증실험과 전산해석간 결과비교를 통해 언급하고자 한다.
STERN 의 실험은 칼란드리아 내부의 감속재 거동에 대하여, 입력노즐의 각도 변화(2)와 열원(3,4)의 삽입여부에 따른 유동패턴변화와 온도측정을 수행하였다. 화학반응을 이용한 가시화 기법을 사용하여 유동영역을 판정하였으며, LDV(laser doppler anemometer)를 이용하여 유속을 측정하였는데 유동패턴 판정을 크게 모멘텀 주도 유동과 부력주도 유동으로 나누었다. 2000 년 Khartabil(5)는 CRLAECL(Chalk River Laboratories of Atomic Energy of Canada Limited)에서 MTF(Moderator temperature facility)내 3 차원 감속재 유동과 관련한 용기내 핵채 널의 열수력 저항, 입력노즐내 속도분배, 실린더형 용기 벽 내의 유동발달 그리고 온도차이에 대한 난류 발생등을 연구를 실시하였다.
화학적 처리 기법을 이용한 실증 실험의 유동 패턴의 결과와 비교하기 위한 전산 유체해석의 격자는 사각격자를 기본으로 하였다. ANSYS ICEM CFD-11.
대상 데이터
화학적 유동 가시화 기법은 용액에 산염기 지시약을 첨가한 후, 관찰하고자 하는 유체의 흐름 속에 pH 변화를 만들어 유동을 관측하는 방법이다. 본 연구에서 유동 가시화를 위해 사용한 산염기 지시약은 BTB (bromothymol blue) 용액이다. 화학적 유동 가시화는 pH 변화에 따른 색변화를 관측하는 기법이기 때문에, 가시화를 한번 수행한 후에도 관찰 유체의 pH 를 원래대로 회복시킴으로 반복적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
1 은 실험설비 전체 구성도를 나타낸 것으로 칼란드리아 탱크의 측면을 기준으로한 실험설비의 모습으로 실험설비는 크게 칼란드리아 탱크 및 관련계통장치, 열원제어부, 계측장치의 세 부분으로 구분된다. 이때 감속재 열침원 성능 특성을 위한 실증 실험에 있어서, 칼란드리아 관의 모사를 위해, 88 개의 전기히터가 사용된다. 전기 히터의 제작과정에서 발생하는 히터 각각의 소모 전력량 차이는 실험장치 내부의 열적 불균등을 생성하여 정확한 실증실험을 어렵게 한다.
이론/모형
난류 모델은 k-ε 이며 벽함수는 가변성이 적용되었다.
성능/효과
이를 통해, 현재 개발중인 1/8 축소화 모델인 HUKINS 가 성공적으로 CANDU-6 감속재 유동의 실험적 연구에 사용 가능함을 입증했다.
이런 현상으로 상단부와 하단 부분에 성층권 형성이 이루어져 상단부에 고온이 형성되는 것을 보게 된다. 전산유체해석과 실험 결과를 비교 시 부력기조 유동이 가지는 가장 큰 특징인 칼란드리아 상단부의 정체 현상인 성층권형성이 유사한 곳에서 형성되는 것을 보게 된다. 이런 성층권 형성은 원자로 운전시 고온 지역을 유발시켜 안전상에 문제를 일으킬 수 있으므로 부력기조유동이 형성되지 않도록 하여야 한다
칼란드리아 내 주요 힘이 부력과 모멘텀이므로 부력은 온도 함수로 구현되는 Boussinesq 가정을 적용하였고 입력노즐에서 나오는 모멘텀은 중간세기의 난류를 설정하였다. 해석 설정 시 높은 해상도를 적용하여 해석을 수행하였고 해석결과의 RMS 는 열전달 관련 항목을 제외하고 유동 및 난류 항목은 10-4 이하로 수렴 하여 해석의 건전성을 확인했다.
후속연구
감속재 열제거능력 상실시 예기되는 이상유동의 발생과 복잡한 구조물을 잘 예측하면서 신뢰성있게 난류유동 및 이상유동을 잘 표현할 수 있는 3 차원적 전산해석능을 보유하기 위해서는 상용 CFD 코드의 활용이 주목된다. 그러므로 감속재 열침원 분포해석을 위한 실증실험을 기반으로 노드화 및 해석 방법론의 개발을 통해 3 차원 열유동장 분포 및 감속재 온도 계수에 대한 피드백효과의 정확한 진단이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 감속재 연구 수행을 위해 정확한 축소화 법칙이 적용된 축소화 모델에서 감속재에 대한 지속적인 연구가 수행될 필요가 있다.
앞에서 설명한 화학적 유동 가시화 실증 실험 결과 들은 차후 전산유체 해석코드의 결과와 비교하는데 활용하려고 한다. 이를 위해 촬영된 영상에서 감속재의 진행방향과 모양에 대한 이미지의 추출하는 이미지 처리 프로그램을 개발하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 원전 개발정책은 어떠한 체계를 유지하고 있는가?
우리나라의 원전 개발정책은 경수로형 원자로를 주원자로로 하고 중수형 원자로(CANDU)를 보조로형으로 하는 혼합로형 발전체계를 유지하고 있다. CANDU 원자로의 특징은 수평형 배관에서의 냉각재 유동과 감속재의 경우 수평형 원통의 형상을 갖고 있고, 현재 국내에서 안전해석용 최적열 수력코드는 경수로기반의 해석체계를 갖고 있다.
경수로의 해석 코드를 그대로 사용하기에 중수로의 구조적 차이로 인하여 여러 가지 한계와 모순을 동반하는 이유는?
따라서, 경수로의 해석 코드를 그대로 사용하기에는 중수로의 구조적 차이로 인하여 여러 가지 한계와 모순을 동반한다. 이는 수평유동 위주의 중수로에서는 중력효과가 적게 발현하여 미세한 힘의 균형에 의한 영향이 두드러지는 현상을 가지고 있기 때문이다. 따라서 3 차원적 해석에 적합한 기존의 CFD 코드는 중수로형 계통에 적용을 위해 해석모델 및 노드화 방법론에 대한 많은 고찰과 경험이 필요하다.
CANDU 원자로의 특징은?
우리나라의 원전 개발정책은 경수로형 원자로를 주원자로로 하고 중수형 원자로(CANDU)를 보조로형으로 하는 혼합로형 발전체계를 유지하고 있다. CANDU 원자로의 특징은 수평형 배관에서의 냉각재 유동과 감속재의 경우 수평형 원통의 형상을 갖고 있고, 현재 국내에서 안전해석용 최적열 수력코드는 경수로기반의 해석체계를 갖고 있다. 따라서, 경수로의 해석 코드를 그대로 사용하기에는 중수로의 구조적 차이로 인하여 여러 가지 한계와 모순을 동반한다.
참고문헌 (8)
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Hadaller, G. I. and Fortman, R. A., 1990, "Moderator Temperature Distribution Experiments, Phase 1: Unobstructed and Obstructed; Adiabatic and Diabatic with Resistance Heating," COG R&D Commercial, Mach.
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Khartabil, H.F., Inch, W.W., Szymanski, J., Novog, D., Tavasoli, V. and Mackinon, J., 2002. "Three dimensional moderator circulation experimental program for validation of CFD code MODTURC_CLAS," In 21st CNS Nuclear Simulation Symposium, Ottawa, Canada.
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Yoon, C., Rhee, B.W. and Min, B.J., 2002, "Validation of a CFD Analysis Model for Predicting CANDU-6 Moderator Temperature Against SPEL Experiments," Proceedings of ICONE10, April 14-18, Virginia, USA.
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