초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 과제에서는 APR1400 노형의 가동중 원전이 채택하고 있는 중대사고 대처전략인 노심용융물 노내 억류 및 냉각(IVR-ERVC)에 대한 안전해석 방법을 개선·확장시키기 위해, 라그랑지안 입자 기반의 노내 해석 모델(1세부)과 계통해석 코드 기반의 노외 외벽냉각 해석모델(2세부)을 개발하고, 두 전산해석 모듈을 연계하여 새로운 노심용융물 노내·외 통합 냉각해석 플랫폼 개발을 목표로 함.
[1세부] 라그랑지안 기반의 원자로 다물리 해석 체계를 개발하여, APR 1400 노형의

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 과제에서는 APR1400 노형의 가동중 원전이 채택하고 있는 중대사고 대처전략인 노심용융물 노내 억류 및 냉각(IVR-ERVC)에 대한 안전해석 방법을 개선·확장시키기 위해, 라그랑지안 입자 기반의 노내 해석 모델(1세부)과 계통해석 코드 기반의 노외 외벽냉각 해석모델(2세부)을 개발하고, 두 전산해석 모듈을 연계하여 새로운 노심용융물 노내·외 통합 냉각해석 플랫폼 개발을 목표로 함.
[1세부] 라그랑지안 기반의 원자로 다물리 해석 체계를 개발하여, APR 1400 노형의 주요 중대사고 대처 전략인 노심용융물 노내 억류 및 냉각(IVR-ERVC) 관련 노내 열수력 현상들을 해석하고, 벤치마크 실험 데이터를 활용하여 검증
[2세부] 1세부에서 개발한 노심용융물 거동 모의 코드와의 연계 모듈을 개발하고, 사고 시나리오별 열적 여유도 평가에 적용하고, 개발한 전산해석코드의 모의 결과를 상용 중대사고 해석 코드 계산결과와 비교·검증

○ 전체 내용
1세부에서는 완화입자유체동역학(SPH) 기반의 라그랑지안 전산해석 기법을 이용하여 IVR-ERVC 전략 시 노심용융물의 노내거동을 모의할 수 있는 물리 및 수치모델들을 구현하고 이를 검증하였으며, 고성능 해석을 위하여 다중 GPU 기반의 병렬화를 수행함. 개발된 해석 체계의 타당성 및 유용성을 시연하기 위해서 통합 연계해석체계를 활용하여 APR1400 원자로 노형의 IVR-ERVC 전략에 대한 예비해석을 수행함.
2세부에서는 계통해석코드로서 국내 규제기관의 인허가에 사용되는 MARS-KS를 선정하여 원자로용기 외벽 냉각 해석모델을 수립함. 2상 자연대류 유동에 의한 압력강하와 원자로용기 하반구 임계열유속 모델을 개선하고, 이를 1세부에서 개발한 노심용융물 모의 완화입자유체동역학 코드와 연계하여 노심용융물 노내 억류 및 냉각 시 노내・외 현상을 예측하는 새로운 전산해석체계를 구축함.

[1세부]
■ 노심용융물의 노내 거동 해석을 위한 입자기반 물리모델 구현·검증 및 물성 데이터베이스 구축
- 성층류 모의를 위한 정규화 밀도 기반의 지배방정식 개발 및 검증
- 자연대류 모의를 위한 SPH 부력모델 개발 및 검증
- 난류현상 모의를 위한 SPH 난류모델 적용
- 용융침식 및 크러스트 생성 모의를 위한 상변화 모델 개발 및 검증
- 노심용융물 노내 거동 해석을 위해 필요한 물성 수집 및 데이터베이스 구축
- 벤치마크 실험 해석을 통한 입자기반 물리모델 검증
■ 대규모·고해상도 해석 능력 확보를 위한 다중 GPU 기반의 코드 병렬화 구현
- 다중 그래픽카드 시스템 구축 및 동시성 프로그래밍 기법 도입
- 다중 GPU를 이용한 입자기반 전산해석코드 병렬화
- 코드 병렬화 성능 평가
■ IVR-ERVC 통합 연계해석체계 구축 및 시연
- 소켓통신을 이용한 SOPHIA-MARS 코드 연계체계 구축
- 통합연계해석을 위한 사고시나리오 및 해석조건 선정
- SOPHIA-MARS 통합연계해석 수행 및 결과분석

[2세부]
■ 원자로용기 외벽냉각 계통해석 모델 개발
- 대상 노형에 대해 원자로용기와 단열체, 원자로공동 간 자연대류유로 입력개발
- CFD 해석 결과와의 비교를 통한 자연대류 유로 압력강하(손실계수) 모델 수립
- 원자로용기 하반구 임계열유속 실험 DB 이식 및 열전달영역 판별 기준 수정
■ 완화입자유체동역학 코드와의 연계모듈 개발
- 노내 노심용융물의 거동은 완화입자유체동역학 코드가, 노외 원자로용기 외벽냉각은 MARS-KS 코드가 모의하는 연계 플랫폼 개발
- 대상 노형 사고 시나리오별 열적여유도 평가에 적용
■ 상용 중대사고 해석코드와의 비교・검증
- 중대사고 해석코드(MELCOR)를 이용한 노심용융물 노내억류 해석 결과 도출
- 새롭게 개발한 전산해석코드의 모의 결과와의 상호 비교 및 차이점 분석

○ 1차년도
□ 목표
[1세부]
■ 노심용융물 물성 관련 데이터베이스 구축 및 탑재
■ 노심용융물 노내 거동 해석모델 개발 및 검증
■ SOPHIA-IVR 노내 거동 해석 체계 구축

[2세부]
■ 원자로용기 외벽냉각 3차원 CFD 해석
■ 원자로용기 외벽냉각 MARS-KS 입력 개발

□ 내용
[1세부]
- 노심용융물 및 원자로용기 물성 확보
- 기존 입자코드 내 물성 모델 탑재
- SOPHIA 코드 내 노심용융물 노내 열수력학적 거동 관련 입자기반 물리모델 개발 및 구현, 개별적 수치 검증 수행
- SOPHIA-IVR 코드의 실험적 검증을 위한 벤치마크 실험 선정 및 자료 수집
- SOPHIA-IVR을 이용한 벤치마크 실험 예비 해석

[2세부]
- 2상 자연순환 유동 해석결과 도출
- 자연대류 유로 손실계수 모델 수립
- 손실계수 모델 입력 반영 후 계산

○ 2차년도
□ 목표
[1세부]
■ 노심용융물 노내 거동 해석 통합 코드 개발 (SOPHIA-IVR)
■ MARS-KS 코드와의 연계모듈 개발

[2세부]
■ 2상 자연대류 압력강하 및 하향 반구 임계열유속 모델이 개선된 MARS-KS 모델 개발
■ 완화입자유체동역학 코드와의 연계모듈 개발

□ 내용
[1세부]
- 입자기반의 노심용융물 노내 거동 통합코드 개발 (SOPHIA-IVR)
- SOPHIA-IVR 코드의 실험적 검증
- SOPHIA-IVR 코드의 병렬화
- SOPHIA 코드와 MARS 코드 간 연계 방법론 도출
- 연계 플랫폼 개발

[2세부]
- 원자로용기 하반구 임계열유속 실험 DB 이식 및 열전달 영역 판별 기준 수정
- 완화입자유체동역학 코드와 MARS-KS 연계모듈 개발 및 예비 성능검증
- MELCOR 코드의 노심용융물 노내 억류 및 냉각 입력 개발

○ 3차년도
□ 목표
[1세부]
■ 통합연계해석 코드 완성
■ 통합 연계해석체계를 이용한 IVR-ERVC 해석

[2세부]
■ 연계모듈을 이용한 노심용융물 노내 억류 전개 과정 전산 모의
■ MELCOR 해석 결과와의 교차검증 및 해석모델 간 차이점이 미치는 영향 규명
■ 원자로용기 외벽냉각 계통해석 모델링 지침 제안

□ 내용
[1세부]
- 기존 MELCOR 해석을 참고하여 해석 조건 선정
- 원자로 용발 고려/비고려 IVR-ERVC 전략 해석 수행
- IVR-ERVC 전략 해석 중 노내·외 거동 분석

[2세부]
- 완화입자유체동역학 코드와 MARS-KS 연계모듈 최종 완성
- 신규 개발 전산해석코드를 이용한 대상 노형 사고 전개 과정 및 열적여유도 평가
- MELCOR 해석 결과와의 교차검증 및 해석모델 간 계산 결과의 차이에 미치는 영향 규명

□ 연구개발성과
■ [원자력 안전 성과] 안전기술보고서(N-STAR) 6건 달성함.
■ [인력양성] 박사 4명, 석사 1명, 학사 3명 양성함.
■ [국내·외 논문 게재] 국외 SCI 5건 달성함.
■ [학술 발표] 국제 학술회의 발표 2건, 국내 학술회의 발표 8건 달성함.
■ [수상] 국제 학술대회 논문상 1건 달성함.
■ [홍보] 안전해석코드 사용자그룹 정기회의 기술세션 발표 1건 달성함.
■ [기타] 소프트웨어 등록 2건(1건 예정), 라이센스 체결 1건, 연구시설·장비 1건, 규제 DB 3건, 규제 방법론 개발 4건 달성함.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
■ 라그랑지안 입자 기반 노심용융물 노내 억류 전산해석기술 개발 및 확보
■ 노심용융물 노내 억류 해석의 실험적 검증을 위한 벤치마킹 자료 확보
■ 타 중대사고의 노심용융물 관련 열수력학적 현상 해석 능력 확보
■ 코드 연계를 통한 시스템 코드의 중대사고 확장 해석 능력 확보
■ 고해상도 전산해석기술 개발 및 확보, Best estimation 기반의 상세 해석 데이터 확보
■ 중대사고 대처 전략 관련 안전해석 기술 향상, 전통적인 안전해석 기술 보완
■ 원자로용기 외벽냉각 시 2상 자연대류 유동에 대한 계통해석코드 모델링 지침 제시
■ 완화입자유체동역학 코드와 기 검증된 코드인 MARS-KS를 연계한 신규 중대사고 노내현상 평가체계 개발
■ 가동중 원전의 중대사고 시 보다 사실적인 열부하 및 안전여유도 평가 기술을 확보함으로써 기존 중대사고 규제기술의 보완・확장에 활용
■ 중대사고 법제화에 대응하여 규제기관이 APR1400의 중대사고 관리 전략인 노심용 융물 노내 억류를 정확하고 효과적으로 규제할 수 있는 평가체계 구축 지원

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 1) 연구개발 목적 ... 7
• 2) 국·내외 연구개발 현황 ... 7
• 3) 연구개발의 필요성 ... 11
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 32
• 1) 연구수행 결과 ... 32
• 2) 목표 달성 수준 ... 42
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 45
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 45
• 2) 자체 보완활동 ... 45
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 45
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 45
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 46
• 1) 연구개발성과 활용계획 ... 47
• 부록 1. 노심용융물 노내 억류 벤치마크 실험 요약 및 분석 ... 49
• 부록 2. SOPHIA 코드를 이용한 노심용융물 노내거동 해석체계 개발 ... 102
• 부록 3. MARS-KS를 이용한 노외거동 해석체계 개발 ... 223
• 부록 4. SOPHIA-MARS 연계해석 ... 336
• <별첨 1> 대표성과 소개서 ... 368
• <별첨 2> 연구개발성과 증빙자료 ... 371
• 끝페이지 ... 406