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문제 정의
- 또한, 측정은 원전 건설공기에 직접적인 영향을 줄 수 있고, 측정으로 원자로 설계변경시 건전성 및안전성 영향이 검토되어야 하며, 측정센서의 설치 및 제거 가능성 검토 등 실제적으로 고려할 중요한 선정기준이 많다. 그러므로, 본 논문에서는 APR1400 RVI CVAP 측정위치 선정을 위해 포함되어야 할 주요 기준을 개발하였다.
제안 방법
- APR1400 RVI CVAP 측정을 위하여 APR1400 RVI 설계자료와 Palo Verde 1호기 및 영광 4호기의 측정 위치 및 측정 항목을 비교 · 분석하였다(2,5~6).
- 3은 APR1400 RVI CVAP 유동 및 구조해석 방법론을 나타낸다. Fig. 3에서 보는 바와 같이, APR1400 RVI에 가해지는 수력하중 함수를 산출 하기 위해 펌프 맥동에 의한 주기적 하중 및 난류에 의한 불규칙적 하중은 유동해석을 통해 산출한다. 그리고 그 결과를 구조해석의 입력값으로 주어 구조물의 구조응답을 산출한다.
- RVI CVAP는 해석(analysis), 측정(measurement) 그리고 검사(inspection)로 구성되는데, 측정은 시운전 시험 중에 핵연료 장전 전(pre-core) 원자로 고온기능시험(HFT : hot functional test)시 수행되며, 해석으로부터 산출된 원자로의 정상운전 및 과도운전 상태에서의 진동 예측값을 확인하고, 60년의 원전 전 수명기간 동안의 운전에 대한 안전 여유도를 결정하기 위한 것이다.
- 본 논문에서 필수 측정 구조물로 검토된 UGS를 포함한 CSB와 LSS에 대한 측정값과 Test acceptance criteria와의 분석결과는 선정기준으로써 중요하다. 그러나, 2.2항에서 UGS는 APR1400 RVI CVAP를 위한 필수 측정구조물로 검토되었으므로 CSB와 LSS에 한해 Palo Verde 1호기의 측정값과 Test acceptance criteria를 비교 및 분석하기로 한다. Fig.
- RVI CVAP 측정은 원전 건설 주공정(critical path)에 해당되어 원전 건설공기에 직접적인 영향을 주며, 측정으로 인한 원자로의 설계 변경시 이로 인한 건전성 및 안전성에 대한 영향 검토와 규제기관의 인허가가 요구된다. 그러므로, APR1400 RVI CVAP 측정위치 선정기준으로 규제지침 적용, RVI 설계 분석, SYSTEM 80 측정결과 분석, 원자로 설계 변경여부 검토, 유동 및 구조 해석결과 적용 그리고 설치/제거 가능성 검토 등을 포함하였다. 이 연구결과는 현재 수행되고 있는 APR1400 RVI CVAP 유동 및 구조 해석결과를 기초로 향후 수행 될 APR1400 RVI CVAP 측정위치 및 측정항목 선정에 기초 자료로 활용될 것이다.
- 3에서 보는 바와 같이, APR1400 RVI에 가해지는 수력하중 함수를 산출 하기 위해 펌프 맥동에 의한 주기적 하중 및 난류에 의한 불규칙적 하중은 유동해석을 통해 산출한다. 그리고 그 결과를 구조해석의 입력값으로 주어 구조물의 구조응답을 산출한다.
- . 분석 결과, 영광 4호기는 LSS에서 측정을 하지 않았고, UGS와 CSB를 측정하였다. Palo Verde 1호기 대비 영광 4호기 UGS는 구조적으로 설계가 변경되어 측정구조물로 선정되었고, 열수력학적으로 원자로 입출구 속도(vessel inlet/outlet velocity) 감소(25.
- 1을 이용한다. 설계계산서 및 설계도면을 바탕으로 CSB, LSS, UGS, IBA로 분류하여 수행하며 진동모드 및 고유 진동수 산출은 RCP가 가지고 있는 주파수 영역를 포함하여 해석 범위(0 ~ 500 Hz)를 설정한다.
- 위 2.1의 규제지침에 따른 측정구조물의 선정을 위하여 APR1400의 유효 원형인 SYSTEM 80 원전과 APR1400 원전의 열수력(thermal-hydraulic) 및 구조(structure) 설계를 분석하였다(7~13).
- 위 2.2항 ~ 2.3항에 기술된 바와 같이 LSS와 CSB는 필수 측정구조물이 아님에도 불구하고, 초기에 LSS와 CSB의 측정을 고려하여 검토하였다. 그러나, LSS와 CSB의 측정시 측정케이블의 라우팅(routing)을 위해 얼라인먼트 키(alignment key)에 홀(hole)을 가공하는 RVI 설계변경이 필요한 것으로 검토되었다.
- 주기적 및 불규칙적 수력하중에 대한 구조응답 해석은 Modal 해석에 사용된 모델과 동일하게 사용한다. 주기적 수력하중에서 산출된 RCP 진동수별 압력하중과 불규칙적 수력하중에서 산출된 난류에 의한 PSD spectrum을 적용하여 구조물에 발생 되는 응력, 변형률 및 변위 등을 산출한다.
- 주기적 수력하중은 원자로 냉각재 펌프의 맥동이 RVI 표면에 작용하는 압력하중으로 펌프 주파수와 동일하게 등배수 관계를 가지면서 압력파로 발생된다. 주기적 수력하중을 산출하기 위해 ANSYS Ver. 12.1을 이용하여 음파 해석(acoustic analysis) 을 수행하고 펌프 주파수별 각 구조물 표면의 압력을 산출한다.
대상 데이터
- Palo Verde 1호기는 SYSTEM 80의 최초 건설 원전으로서 원형(prototype)으로 분류되어 해석, 광범위한 측정 그리고 전체 검사로 CVAP를 수행해야 했으므로 RVI의 모든 구성품을 대상으로 측정이 수행되었다. 본 논문에서 필수 측정 구조물로 검토된 UGS를 포함한 CSB와 LSS에 대한 측정값과 Test acceptance criteria와의 분석결과는 선정기준으로써 중요하다.
데이터처리
- Modal 해석은 APR1400 RVI 각 구조물들이 가지고 있는 강성과 질량에 대해 진동 모드와 진동수를 분석하는 것으로 ANSYS Ver. 12.1을 이용한다. 설계계산서 및 설계도면을 바탕으로 CSB, LSS, UGS, IBA로 분류하여 수행하며 진동모드 및 고유 진동수 산출은 RCP가 가지고 있는 주파수 영역를 포함하여 해석 범위(0 ~ 500 Hz)를 설정한다.
- 불규칙적 수력하중은 RVI에서 유체의 난류에 의하여 발생되는 불규칙적인 압력이 RVI 표면에 작용하는 하중으로 주파수별 압력을 PSD(power spectral density)로 산출한다. 불규칙적 수력하중은 CFD(computational fluid dynamics) 해석 프로그램인 ANSYS CFX를 사용하여 압력을 산출한다.
성능/효과
- 분석 결과, 영광 4호기는 LSS에서 측정을 하지 않았고, UGS와 CSB를 측정하였다. Palo Verde 1호기 대비 영광 4호기 UGS는 구조적으로 설계가 변경되어 측정구조물로 선정되었고, 열수력학적으로 원자로 입출구 속도(vessel inlet/outlet velocity) 감소(25.9%), 다운콤머 속도(downcomer velocity) 감소(13.9%) 등으로 CSB의 불규칙적 수력하중의 차이가 예상되어 CSB도 측정구조물로 선정된 것으로 분석되었다.
- 이상의 Palo Verde 1호기(SYSTEM 80) 측정값과 Test acceptance criteria의 비교 및 분석을 통하여, APR1400 RVI CVAP 측정을 위해서 CSB와 LSS는 측정에서 제외가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러므로, APR1400 RVI CVAP 측정위치 선정기준으로 규제지침 적용, RVI 설계 분석, SYSTEM 80 측정결과 분석, 원자로 설계 변경여부 검토, 유동 및 구조 해석결과 적용 그리고 설치/제거 가능성 검토 등을 포함하였다. 이 연구결과는 현재 수행되고 있는 APR1400 RVI CVAP 유동 및 구조 해석결과를 기초로 향후 수행 될 APR1400 RVI CVAP 측정위치 및 측정항목 선정에 기초 자료로 활용될 것이다.
- 이상의 RVI 열수력 및 구조 설계의 비교 · 분석을 통하여 APR1400 RVI CVAP 측정을 위해서, UGS는 필수적으로 선정되어야 할 것으로 판단된다.
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