Improvement of Thermal-Hydraulic System Code for Multidimensional Mixing Behavior in a Downcomer Annulus

Abstract

가압경수로인 APR1400형 원전은 사고 시 원자로용기 강수부에 안전주입수를 직접 주입하는 방식(DVI)을 채택하고 있다. DVI 노즐은 원자로용기 강수부에 직접 연결되어 있기 때문에, 복잡한 열수력적 거동이 강수부 영역 내에서 발생할 것으로 예상된다. 한국원자력연구원은 종합효과실험장치인 ATLAS를 활용하여 APR1400형 원전을 대상으로 한 실험을 수행하였다. 수행된 실험 중 50% DVI관 파단 사고 모의 결과를 국제공동연구인 ISP-50을 위한 실험으로 채택하였으며, 실험에서 관측된 상부 강수부에서 비상노심냉각수의 혼합과 같은 다차원적인 현상들에 대한 계통코드의 예측 능력이 현안으로 제기되었다. 실험 결과에 따르면 저온의 비상노심냉각수는 고온의 강수부 내의 냉각수와 활발하게 혼합되는 것으로 나타났다. 하지만, 이러한 혼합 현상은 계통코드에서 적절하게 예측되지 않았다. 대부분의 계산 결과들은 비상노심냉각수가 주입되는 건전부의 온도를 파단부의 온도보다 상당히 낮게 예측하여 강수부 영역에서 횡방향 온도 성층화 현상을 보였다. 원형인 APR1400과 실험 장치와의 형상비 차이는 강수부에서의 혼합 거동에 영향을 줄 수 있으므로, 본 연구에서는 APR1400형 원전과 유사한 형상비를 갖는 종합효과실험장치인 SNUF를 이용하여 실험을 수행하였다. ATLAS의 경우 길이 대비 직경의 척도비가 6.0인 반면, SNUF의 경우에는 약 2.0으로써, 원형과 상대적으로 유사한 형상비를 보인다. SNUF를 이용한 실험 결과에 따르면, 환형 강수부 내에서 비상노심냉각수의 혼합이 원활하게 이루어지는 것으로 나타났다. 하지만, 최적계통분석코드인 MARS를 활용한 분석 결과에 따르면, 강수부에서의 온도 성층화 현상이 예측되었다. 이는 원형인 APR1400형 원전에 대한 분석 결과에서도 강수부에서 혼합 현상은 적절하게 예측되지 않을 수 있음을 의미한다. 혼합 현상에 대한 계통코드의 예측 능력 한계점에 대한 원인을 다음과 같이 규명하였다. MARS에서는 1차원 체적과 3차원의 MultiD 국소체적이 유로에 의해 연결되어 있는 경우, 비교적 크기가 큰 3차원 영역에서는 해당 유로에 의해 형성되는 축방향 및 횡방향 속도가 작다는 이유로 해당 유로에 의해 전달되는 운동량속 항을 무시한다. 하지만, 간극이 얇은 강수부에 노즐이 연결되어 있고 동 노즐을 통해 수직 방향으로 유체가 유입되는 경우에는, 강수부 내벽에서의 충돌에 의해 무시할 수 없는 축방향 및 횡방향 속도 분포가 형성될 수 있다. 즉, 충돌에 의해 형성되는 유동의 운동량속 항의 고려가 필요하다. 따라서, 계통코드인 MARS에 적용하기 위한 적절한 분출 충돌 모델(Jet Impingement Model)을 개발하였다. 분출 충돌 모델을 개발하기 위해 전산유체역학(CFD) 프로그램을 활용한 계산이 수행되었다. 다양한 조건 하에서의 전산유체역학 계산 결과를 바탕으로 분출 충돌 모델을 수식화하였다. 분출 충돌 현상에 의한 운동량속 항(Momentum Flux Term)은 노즐의 직경, 환형 강수부의 간극 크기 및 유입 유동의 속도를 변수로서 개발되었다. 동 모델은 3차원 국소체적과 연결된 유로의 운동량속 항으로서 MARS 코드에 적용되었다. 분출 충돌 모델이 적용된 수정된 MARS는 SNUF, ATLAS 및 ROCOM 실험 결과를 통해 검증되었으며, 동 검증 결과에 따르면 수정된 MARS는 실험 결과에 대해 상대적으로 높은 예측도를 보였다. 분출 충돌 모델의 발전소 적용성을 평가하기 위해 APR1400형 원전에서의 DVI관 파단 사고 시 강수부에서의 비상노심냉각수 혼합 거동을 MARS를 통해 평가하였으며, 수정된 MARS는 기존 MARS에 비해 강수부에서 상대적으로 활발한 혼합을 예측하였으며, 파단부로 방출되는 붕소의 우회 비율을 높게 평가하였다. 추가적으로 APR1400형 원전에서의 증기관파단사고에 대한 분석을 MARS 코드를 활용하여 수행하였다. 중기관파단사고 시 분출 충돌 모델에 따른 혼합 효과를 평가하기 위해 감속재온도계수에 의한 양의 반응도를 노심에서의 국부적인 유체 온도를 바탕으로 평가하였다. 동 분석 결과에 따르면, 기존 MARS와 수정된 MARS에 의한 반응도 차이는 약 0.2 ~ 0.4%Δρ로 평가되었다. APR1400형 원전의 경우 증기관파단사고 시 약 0.2%Δρ의 안전 여유도가 갖는다는 점을 고려할 때, 분출 충돌 모델을 적용한 MARS는 안전 해석 결과에 의미 있는 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다.

The APR1400 (Advanced Power Reactor of 1400 MWe) adopts a DVI (Direct Vessel Injection) system that injects SI (Safety Injection) water directly into the reactor vessel downcomer during accidents. Since the DVI nozzles are directly attached to the reactor vessel downcomer, complex thermal-hydraulic phenomena are expected to occur in the downcomer region. KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) has carried out experiments by utilizing ATLAS (Advanced Thermal-hydraulic Test Loop for Accident Simulation), an integral test facility, for the APR1400. Among the experiments, a 50% DVI line break accident was selected for ISP (International Standard Problem) No. 50 exercise. In this exercise, multidimensional phenomena such as ECC (Emergency Core Cooling) water mixing in the upper downcomer observed were highlighted in terms of the capability of system codes. It was found that the codes' prediction capability of three-dimensional downcomer mixing phenomena was not satisfactory in most calculations. The cold ECC water was well mixed with the hot inventory according to the test result. However, this vigorous mixing was not predicted appropriately by the system codes. In most calculations, the fluid temperature of the intact loop side annulus was much lower than that of the broken side annulus with the azimuthal temperature stratification in the downcomer region. Since the difference of aspect ratios between the prototype and the test facilities can influence the mixing behavior in the downcomer, an experimental study was performed with an integral effect test facility, SNUF (Seoul National University Facility), to observe the mixing behavior in the downcomer which has a similar aspect ratio with the prototype. The length to diameter scaling ratio of SNUF is approximately 2.0 while that of ATLAS is 6.0. According to the results of SNUF test, the ECC water was mixed well in the downcomer annulus. However, the azimuthal temperature stratification in the downcomer was predicted by a best-estimated system code, MARS (Multi-dimensional Analysis Reactor Safety). It means that the analysis results for the prototype, APR1400, can be inaccurate in terms of describing the mixing phenomena in the downcomer. The cause of the limitation to predict the mixing behavior was investigated. In MARS, the momentum flux terms are set to zero for the junction between the one-dimensional volume and the three-dimensional cell of MultiD component because the axial and radial velocities are small in the large three-dimensional region. However, if the nozzles are attached to the downcomer, which has a thin gap size, the axial and radial velocities are not small when the incoming orthogonal flow through the nozzles impinges against the downcomer wall. It was necessary to consider the momentum flux terms induced by the impinging flow, so that an appropriate jet impingement model to apply for the system code, MARS, was developed in this study. To develop the jet impingement model, CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations were carried out, and the jet impingement model was formulated based on the CFD calculations with various conditions. The momentum flux term by the jet impingement phenomena was correlated with the diameter of the nozzle, the gap size of the downocmer, and the velocity of the incoming flow. This model was applied to MARS by considering the momentum flux term for the junctions connected to the three-dimensional cell. The modified MARS with the jet impingement model was validated with the test results from SNUF, ATLAS, and ROCOM (Rossendorf Coolant Mixing), and the analysis results showed good agreements with each test data. For plant application, the ECC mixing behavior in the downcomer during the DVI line break accident in the APR1400 was estimated by utilizing MARS. It was found that more vigorous mixing in the downcomer was predicted by the modified MARS code, and the boron bypass ratio through the broken DVI nozzle estimated by the modified MARS code was larger than that estimated by the original MARS code. And the SLB (Steam Line Break) accident in the APR1400 was analyzed with MARS. The reactivity due to the negative MTC (Moderator Temperature Coefficient) was estimated according to the local fluid temperature in the core to identify the mixing effect of the jet impingement model during the SLB accident. According to the analysis results, the reactivity difference was around 0.2 ~ 0.4%Δρ between the original MARS and modified MARS. When considering the safety margin of the APR1400 for the SLB accident is around 0.2%Δρ, MARS adopting incorporation of the jet impingement model can influence the safety analysis outcome meaningfully.