본 연구에서는 한국원자력연구원의 핵연료가공시설 굴뚝 내에서 9곳의 시료채취 위치를 선정하여 ANSI/HPS N13.1-1999 지침에서 제시하는 기준에 따라 그 적절성을 평가하였다. 유체를 포함한 다중물리 해석 소프트웨어인 COMSOL을 활용하여 유동교란 지점으로부터 굴뚝 직경의 배수 높이 위치(L/D) 단면에서의 속도분포, 유동각 및 $10{\mu}m$ 크기의 입자분포 등의 항목에 대하여 기준만족 여부를 평가하였다. 평가 결과, 5 L/D 이상에서 속도분포에 대한 기준을 만족했으며, 평균 유동각에 대한 기준은 모든 위치에서 만족했다. 입자분포에 대한 기준은 5 L/D 와 9 L/D 에서 만족하였으나, 그 분포가 일부에서 기준을 만족하지 못하였다. 균일한 입자분포를 얻기 위한 방법으로 굴뚝 내 정적 혼합장치(static mixer)와 둘레링(perimeter ring)을 추가하는 것을 제안하고, 이에 대한 평가를 수행하였다. 정적 혼합장치를 추가한 경우에는 5-10 L/D, 둘레링을 추가한 경우에는 5 L/D 및 7-10 L/D 에서 입자분포에 대한 기준을 만족하였다. 보완을 위하여 추가한 2 가지 조건에서, 입자분포에 대한 기준을 만족하는 지점은 속도분포 및 평균 유동각에 대한 기준 역시 만족하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 방법은 신규시설뿐만 아니라, 현장입증시험 수행이 어려운 운영중인 시설에 대하여 시료채취 위치의 적절성을 평가하기 위한 방법으로 활용될 수 있다.
본 연구에서는 한국원자력연구원의 핵연료가공시설 굴뚝 내에서 9곳의 시료채취 위치를 선정하여 ANSI/HPS N13.1-1999 지침에서 제시하는 기준에 따라 그 적절성을 평가하였다. 유체를 포함한 다중물리 해석 소프트웨어인 COMSOL을 활용하여 유동교란 지점으로부터 굴뚝 직경의 배수 높이 위치(L/D) 단면에서의 속도분포, 유동각 및 $10{\mu}m$ 크기의 입자분포 등의 항목에 대하여 기준만족 여부를 평가하였다. 평가 결과, 5 L/D 이상에서 속도분포에 대한 기준을 만족했으며, 평균 유동각에 대한 기준은 모든 위치에서 만족했다. 입자분포에 대한 기준은 5 L/D 와 9 L/D 에서 만족하였으나, 그 분포가 일부에서 기준을 만족하지 못하였다. 균일한 입자분포를 얻기 위한 방법으로 굴뚝 내 정적 혼합장치(static mixer)와 둘레링(perimeter ring)을 추가하는 것을 제안하고, 이에 대한 평가를 수행하였다. 정적 혼합장치를 추가한 경우에는 5-10 L/D, 둘레링을 추가한 경우에는 5 L/D 및 7-10 L/D 에서 입자분포에 대한 기준을 만족하였다. 보완을 위하여 추가한 2 가지 조건에서, 입자분포에 대한 기준을 만족하는 지점은 속도분포 및 평균 유동각에 대한 기준 역시 만족하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 방법은 신규시설뿐만 아니라, 현장입증시험 수행이 어려운 운영중인 시설에 대하여 시료채취 위치의 적절성을 평가하기 위한 방법으로 활용될 수 있다.
In this study, air sampling locations in the stack of the Advanced Fuel Science Building (AFSB) at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) were assessed according to the ANSI/HPS N13.1-1999 specification. The velocity profile, flow angle and $10{\mu}m$ aerosol particle profile ...
In this study, air sampling locations in the stack of the Advanced Fuel Science Building (AFSB) at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) were assessed according to the ANSI/HPS N13.1-1999 specification. The velocity profile, flow angle and $10{\mu}m$ aerosol particle profile at the cross-section as functions of stack height L and stack diameter D (L/D) were assessed according to the sampling location criteria using COMSOL. The criteria for the velocity profile were found to be met at 5 L/D or more for the height, and the criteria for the average flow angle were met at all locations through this assessment. The criteria for the particle profile were met at 5 L/D and 9 L/D. However, the particle profile at the cross-section of each sampling location was found to be non-uniform. In order to establish uniformity of the particle profile, a static mixer and a perimeter ring were modeled, after which the degrees of effectiveness of these components were compared. Modeling using the static mixer indicated that the sampling locations that met the criteria for the particle profile were 5-10 L/D. When modeling using the perimeter ring, the sampling locations that met the criteria for particle profile were 5 L/D and 7-10 L/D. The criteria for the velocity profile and the average flow angle were also met at the sampling locations that met the criteria for the particle profile. The methodologies used in this study can also be applied during assessments of air sampling locations when monitoring stacks at new nuclear facilities as well as existing nuclear facilities.
In this study, air sampling locations in the stack of the Advanced Fuel Science Building (AFSB) at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) were assessed according to the ANSI/HPS N13.1-1999 specification. The velocity profile, flow angle and $10{\mu}m$ aerosol particle profile at the cross-section as functions of stack height L and stack diameter D (L/D) were assessed according to the sampling location criteria using COMSOL. The criteria for the velocity profile were found to be met at 5 L/D or more for the height, and the criteria for the average flow angle were met at all locations through this assessment. The criteria for the particle profile were met at 5 L/D and 9 L/D. However, the particle profile at the cross-section of each sampling location was found to be non-uniform. In order to establish uniformity of the particle profile, a static mixer and a perimeter ring were modeled, after which the degrees of effectiveness of these components were compared. Modeling using the static mixer indicated that the sampling locations that met the criteria for the particle profile were 5-10 L/D. When modeling using the perimeter ring, the sampling locations that met the criteria for particle profile were 5 L/D and 7-10 L/D. The criteria for the velocity profile and the average flow angle were also met at the sampling locations that met the criteria for the particle profile. The methodologies used in this study can also be applied during assessments of air sampling locations when monitoring stacks at new nuclear facilities as well as existing nuclear facilities.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
입자 분포에 대한 기준은 5 L/D 와 9 L/D 에서 만족하였으나, 그 분포가 일부에서 기준을 만족하지 못하였다. 균일한 입자분포를 얻기 위한 방법으로 굴뚝 내 정적 혼합장치와 둘레링을 추가하는 것을 제안하고, 이에 대한 평가를 수행하였다. 정 적 혼합장치를 추가한 경우에는 5-10 L/D, 둘레링을 추가한 경우에는 5 L/D 및 7-10 L/D 에서 입자분포에 대한 기준을 만족하였다.
제안 방법
본 연구에서는 AFSB의 시료채취 위치에 대한 사전 평가 방법으로, CFD 모듈이 포함된 COMSOL을 활용하여 수치해석 하였다. 해석된 결과를 바탕으로 ANSI/HPS N13.
본 연구에서는 AFSB의 시료채취 위치에 대한 사전 평가 방법으로, CFD 모듈이 포함된 COMSOL을 활용하여 수치해석 하였다. 해석된 결과를 바탕으로 ANSI/HPS N13.1-1999 에서 제시하고 있는 시료채취 위치에 대한 허용기준과 비교 하였다. 기준을 만족하지 못하는 항목의 경우, 이를 해결하기 위한 개선방안을 제시하였다.
1-1999 에서 제시하고 있는 시료채취 위치에 대한 허용기준과 비교 하였다. 기준을 만족하지 못하는 항목의 경우, 이를 해결하기 위한 개선방안을 제시하였다.
또한 평가를 위해 각 위치에 17 개의 측정지점을 형상화하였다. 모든 형상은 해석결과에 영향 을 미치지 않는 범위 내에서 해석시간 및 오류의 발생 확률을 줄이기 위해 단순화하였다.
해당 시설의 주 감시핵종인 우라늄의 밀도(19.1 g·cm-3)를 적용하고 평가 조건인 10 μm 입자 크기로 설정하였다.
풍량은 각 ACU의 최대 풍량인 22,800 m3 ·h-1 및 31,500 m3 ·h-1 로 설정하였다.
는 중력을 나타낸다. 입자는 굴뚝 내 유동의 영향을 고려하여 나비어-스톡스 방정식과 연동하여 해석하였다.
325 kPa 로 설정하였다[8]. 입자는 덕트 내 지정된 단면에서 각 10,000 개, 총 20,000 개가 균일하게 주입되도록 설정하였으며, Drag Force 및 Gravity Force를 적용하였다. 해당 시설의 주 감시핵종인 우라늄의 밀도(19.
해석되는 영역의 격자모양은‘Tetrahedral’이며, 유동해석에 적합한‘Fluid dynamics’ 의‘Finer’크기를 적용하였다.
유동의 특성을 평가하기 위해 ‘Turbulent Flow–Turbulent Flow, k-ε’를‘Stationary’ 방법으로 해석하였으며, 입자의 분포를 평가하기 위해‘Particle Tracing for Fluid Flow’를‘Time dependent’ 방법으로 해석하였다. 시간에 따른 입자의 궤적을 확인하 기 위해 초기시간(t=0)에 20,000 개의 입자가 동시에 방출되도록 설정하였으며, 굴뚝의 배출면 또는 굴뚝의 벽과 충돌하여 모든 입자의 거동이 멈추는 시간을 고려하여 해석 시간을 150 초로 설정하였다. 해석되는 영역의 격자모양은‘Tetrahedral’이며, 유동해석에 적합한‘Fluid dynamics’ 의‘Finer’크기를 적용하였다.
굴뚝 내 난류를 형성하여 입자의 섞임을 높이기 위한 방 법으로 Fig. 4와 같이 굴뚝 내 지표면에서 13 m 높이 지점에 직경 0.7 m, 높이 0.2 m 의 정적 혼합장치를 모델링하였다. 해당 장치는 중심부와 둘레에 서로 다른 형태의 날개로 구성되어 회전을 생성한다.
굴뚝 내 한쪽으로 치우친 유동으로 생기는 불균일한 입자분포를 개선하기 위해 Fig. 5와 같이 굴뚝 내 지표면에서 13 m 높이 지점에 둘레링을 모델링하였다. 둘레링의 높이는 0.
Fig. 1과 같이 AFSB의 덕트 및 굴뚝을 1:1 축척의 3차원으로 모델링 하였다. 공기정화기(air cleaning unit, ACU)를 거친 유출물은 2 개의 사각덕트(각 지름 1.
대상 데이터
5 m의 강재 원통형 독립구조의 굴뚝으로 이동하여 외부 환경으로 배출된다. 유동의 교란이 시작되는 지점을 지표면에 서 11.5 m 높이로 설정하고, 해당 지점으로부터 굴뚝 직경의 배수 높이 위치(L/D)에 따라 총 9 곳의 시료채취 위치 (2-10 L/D)를 선정하였다. 또한 평가를 위해 각 위치에 17 개의 측정지점을 형상화하였다.
이론/모형
시료채취 위치 기준에 대한 평가는 40CFR60 Appendix A[3]에 제시된 방법에 따라 현장에서 직접 수행한다. 다만, 측정자가 방사성 기체에 직접 피폭할 가능성과 안전사고에 대한 우려 등이 있기 때문에 AFSB와 같이 실제 운영 중인 시설에서 수행하기 어렵다.
굴뚝 내 유동을 해석하기 위해 정상상태 비압축성 유체에 대한 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes’equation)을 적용하였으며 식 (2), (3)과 같이 나타낼 수 있다[6].
시간 변화에 따른 각 측정지점에서의 입자분포를 해석하기 위해 뉴턴 제2법칙을 적용하였으며, 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다[7].
수치해석은 유체를 포함한 다중물리 해석 소프트웨어 인 COMSOL을 사용하였다. 유동의 특성을 평가하기 위해 ‘Turbulent Flow–Turbulent Flow, k-ε’를‘Stationary’ 방법으로 해석하였으며, 입자의 분포를 평가하기 위해‘Particle Tracing for Fluid Flow’를‘Time dependent’ 방법으로 해석하였다.
유동의 특성을 평가하기 위해 ‘Turbulent Flow–Turbulent Flow, k-ε’를‘Stationary’ 방법으로 해석하였으며, 입자의 분포를 평가하기 위해‘Particle Tracing for Fluid Flow’를‘Time dependent’ 방법으로 해석하였다.
성능/효과
정 적 혼합장치를 추가한 경우에는 5-10 L/D, 둘레링을 추가한 경우에는 5 L/D 및 7-10 L/D 에서 입자분포에 대한 기준을 만족하였다. 보완을 위하여 추가한 2 가지 조건에서, 입자분포에 대한 기준을 만족하는 지점은 속도분포 및 평균 유동각에 대한 기준 역시 만족하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 방법은 신규시설뿐만 아니라, 현장입증시험 수행이 어려운 운영중인 시설에 대하여 시료채취 위치의 적절성을 평가하기 위한 방법으로 활용될 수 있다.
형성된 불규칙 한 흐름은 배출면 방향으로 향할수록 점차 안정화되어 일정한 흐름을 보였다. 유동교란 지점으로부터 굴뚝 직경 배수의 높이 위치(L/D)에서의 속도분포 COV 평가 결과, 2 L/D에서 43.9%로 가장 높았으며, 10 L/D 에서 8.7%로 가장 낮았다. 속도분포에 대한 기준을 만족하는 위치는 5 L/D 이상으로 나 타났다.
속도분포에 대한 기준을 만족하는 위치는 5 L/D 이상으로 나 타났다. 굴뚝의 바닥면을 기준으로 평균 유동각을 평가한 결과, 모든 시료채취 위치에서 허용기준을 만족하였다. 입자분포에 대한 COV 평가 결과, 교란지점과 가장 가까운 2 L/D 에서의 54.
굴뚝의 바닥면을 기준으로 평균 유동각을 평가한 결과, 모든 시료채취 위치에서 허용기준을 만족하였다. 입자분포에 대한 COV 평가 결과, 교란지점과 가장 가까운 2 L/D 에서의 54.8%로 가장 높았으며, 9 L/D 에서 15.9%로 가장 낮 게 나타났다. 입자분포는 5 L/D 와 9 L/D 에서 기준을 만족 하고 있으나, 다소 균일하지 못한 모습을 보였다.
입자분포 평가 결과, 2 곳을 제외한 모든 시료채취 위치에서 입자분포에 대한 기준을 만족하지 못하고 있음을 확인하였다. 굴뚝 내 균일한 입자분포를 얻기 위해 대형 난류를 생성하여 입자의 섞임을 높이는 방법이 사용된다.
둘레링보다 정적 혼합장치를 지나가는 유출물에서 상대적으로 많은 소용돌이를 형성하며 혼합되는 모습을 나타냈다. 정적 혼합장치 모델링 결과에 따른 속도분포 COV는 2 L/D 에서 51.9%로 이전 평가보다 높은 값을 보 였으나, 3 L/D 에서 21%로 크게 감소하였으며, 4 L/D 에서 13.2%로 기준을 만족하였다. 배출면으로 향할수록 COV가 점차 감소하였으며, 10 L/D 에서 4.
2%로 기준을 만족하였다. 배출면으로 향할수록 COV가 점차 감소하였으며, 10 L/D 에서 4.5%로 가장 낮았다. 둘레링을 모델링 한 경우에는 2 L/D 에서 19.
둘레링 모델링 결과에 따른 평균 유동각은 이전 평가와 유사한 값을 보이며 모든 위치에서 기준을 만족하고 있었다. 정적 혼합장치를 모델링 한 경우에는 날개에 따라 유동의 변화가 심하게 발생하면서 상당히 높은 값을 나타냈다.
입자에 대한 COV 확인결과, 정적 혼합장치 또는 둘레링을 모델링 했을 때 기존 평가보다 더 많은 위치에서 기준을 만족하고 있음을 확인하였다. 정적 혼합장치를 모델링 한 경우에는 5 L/D에서 15.
입자에 대한 COV 확인결과, 정적 혼합장치 또는 둘레링을 모델링 했을 때 기존 평가보다 더 많은 위치에서 기준을 만족하고 있음을 확인하였다. 정적 혼합장치를 모델링 한 경우에는 5 L/D에서 15.8%, 6 L/D에서 15.1%, 7 L/D 에서 18.2%, 8 L/D 에서 18.3%, 9 L/D 에서 17%, 10 L/D에 서 15.5%, 총 6곳에서 기준을 만족하고 있음을 확인하였다. 둘레링을 모델링 한 경우에는 5 L/D 에서 18.
한국원자력연구원 핵연료가공시설의 굴뚝 내 시료채취 위치를 전산 유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 기법을 활용하여 평가한 결과, 속도분포에 대한 기준은 5 L/D 이상에서 만족하였으며, 평균 유동각에 대한 기준은 모든 위치에서 만족하고 있음을 확인하였다.
후속연구
보완을 위하여 추가한 2 가지 조건에서, 입자분포에 대한 기준을 만족하는 지점은 속도분포 및 평균 유동각에 대한 기준 역시 만족하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 방법은 신규시설뿐만 아니라, 현장입증시험 수행이 어려운 운영중인 시설에 대하여 시료채취 위치의 적절성을 평가하기 위한 방법으로 활용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
COMSOL은 무엇인가?
1-1999 지침에서 제시하는 기준에 따라 그 적절성을 평가하였다. 유체를 포함한 다중물리 해석 소프트웨어인 COMSOL을 활용하여 유동교란 지점으로부터 굴뚝 직경의 배수 높이 위치(L/D) 단면에서의 속도분포, 유동각 및 $10{\mu}m$ 크기의 입자분포 등의 항목에 대하여 기준만족 여부를 평가하였다. 평가 결과, 5 L/D 이상에서 속도분포에 대한 기준을 만족했으며, 평균 유동각에 대한 기준은 모든 위치에서 만족했다.
굴뚝 내 균일한 입자 분포를 얻기 위해 대형 난류를 생성하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?
굴뚝 내 균일한 입자분포를 얻기 위해 대형 난류를 생성하여 입자의 섞임을 높이는 방법이 사용된다. 난류를 형성하기 위해 90 ˚회전(turns), 기류모음(converging airstreams), 혼합상자(mixing box), 둘레링(perimeter ring) 및 혼합장치(mixer) 등이 사용될 수 있으며, 상기 제시된 장치들은 시설의 특성 및 시료채취환경에 따라 설치되어야 한다
한국원자력연구원 내 핵연료가공시설에서 방사능을 어떻게 측정하는가?
한국원자력연구원 내 핵연료가공시설(Advanced Fuel Science Building, AFSB)에서는 부유성 개봉 우라늄을 취급하는 시설로, 외부로 배출되는 입자상 방사성 물질을 감시하기 위해 굴뚝에서 시료를 채취한 후 방사능을 측정하는 방법을 사용한다. 굴뚝 내 시료채취는 ANSI N13.
참고문헌 (8)
American national Standards Institute (ANSI), Sampling Airborne Radioactive Materials in Nuclear Facilities, ANSI N13.1, New York (1969).
American national Standards Institute/Health Physics Society (ANSI/HPS), Sampling and Monitoring Release of Airborne Radioactive Substances from the Stacks and Ducts of Nuclear Facilities, ANSI/HPS N13.1, New York (1999).
United States Environmental Protection Agency (U.S.EPA), Sample and velocity traverses for stationary sources, 40CFR60, Appendix. A, Method 1, Washington, D.C. (1995).
M.Y. Ballinger, K.P. Recknagle, J.A.Glissmeyer, S.T Yokuda, and J.M.Barnett, "Sampling Point Compliance Tests for 325 Building at Set-Back Flow Conditions", Pacific Northwest National Laboratory Report, PNNL-20397, Washington D.C. (2011).
P. Geraldini, "Numerical Modeling of Sampling Airborne Radioactive Particles Methods from the Stacks of Nuclear Facilities in Compliance with ISO 2889", Proc. of The 2014 COMSOL Conference, Cambridge (2014).
COMSOL, "CFD Module User's Guide", 147-153, COMSOL AB, Stockholm, Sweden (2016).
COMSOL, "Particle Tracing Module User's Guide", 195-222, COMSOL AB, Stockholm, Sweden (2016).
International Organization for Standardization (ISO), Sampling airborne radioactive materials from the stacks and ducts of nuclear facilities, ISO 2889, Switzerland (2010).
이 논문을 인용한 문헌
저자의 다른 논문 :
연구과제 타임라인
LOADING...
LOADING...
LOADING...
LOADING...
LOADING...
활용도 분석정보
상세보기
다운로드
내보내기
활용도 Top5 논문
해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다. 더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.