선박용 원자로 열수력 해석을 위한 MARS-KS 동적운동모델 개선

Abstract

선박용 원자로는 지상의 원자력발전소와는 다르게 해양 조건에 의해서 발생하는 외력의 영향을 받는다. 이러한 외력은 추가적인 가속도를 일으키고 선박용 원자로의 각 시스템 및 계통에 영향을 줄 수 있다. 따라서 선박용 원자로를 설계하고 안전성을 평가하기 위해서는 해양 조건에 의해 발생하는 효과를 고려 할 수 있는 열수력 안전해석 코드가 필요하다. 본 연구는 궁극적으로 선박용 원자로의 안전해석 코드를 이용한 실제적인 안전성 평가의 기반을 수립하고자 진행 되었다. 이를 위한 연구 목표로 안전해석코드인 MARS-KS의 동적운동모델을 확인, 검증하고 일부 문제점을 개선하였다. 원자로 시스템 해석 코드인 MARS는 동적운동모델을 포함하고 있으며, 이 모델은 운동량 방정식에 포함된 체적힘 항을 계산하여 MARS가 선박의 3차원 운동에서 나타나는 열수력 현상을 시뮬레이션 할 수 있도록 한다. 연구 목표 달성을 위해 크게 3가지 분야로 나누어서 연구를 진행하였다. 첫 번째는 MARS 동적운동모델에 대한 확인 및 검증이다. 우선 코드 내에 포함된 물리적 모델에 대해서 파악하였고, 동적운동모델이 해양조건에 따른 유체의 운동을 정확하게 모사할 수 있다는 것을 해석해를 통해 정량적으로 확인하였다. 그리고 열수력 시스템 해석의 검증을 위해 Murata의 횡요동 조건 단상 자연대류 실험에 대한 해석을 수행하였다. 두 번째는 동적운동모델에 대한 3가지 개선이다. 먼저 사용자입력옵션을 구현해서 실제 선박의 운동과 같은 불규칙한 운동을 모사 할 수 있도록 하였다. 다음으로 동적운동모델이 활성화 된 경우 매 시간 단계마다 체적의 경사 정보를 계산해서 유동양식 맵을 결정하는데 반영되도록 알고리즘을 개선했다. 마지막으로 교차유동을 구현하였다. 체적의 면 정보를 이용해 주 유동흐름의 1차원 방향뿐만 아니라 3차원 교차유동의 입력이 가능하도록 하였고, 강수부에 대한 안전해석에 활용될 수 있도록 하였다. 세 번째는 일체형 선박용 원자로를 탑재한 선박을 가정하고 동적운동모델을 적용해 보았다. 이를 위해 단상 자연대류 실험장치인 RTF(REX-10 Test Facility)를 이용하였다. 우선 RTF 정상상태에서 MARS의 해석능력을 검증하였고, 동적운동모델을 적용하기 위해 동적조건 상황을 시뮬레이션 해 보았다. 그리고 발생 가능한 해양 사고 상황 시 선박용 원자로 안전성을 평가할 수 있는 안전해석을 수행하였다.

Unlike land-based nuclear power plants, marine or floating reactors are affected by external forces due to ocean conditions. These external forces can cause additional accelerations and affect each systems and equipments of the marine reactor. Therefore, in designing a marine reactor and evaluating its performance and stability, a thermal hydraulic safety analysis code is necessary for the thermal hydrodynamic effects of ship motion. The purpose of this study is to evaluate the safety of marine reactors using safety analysis code. For this purpose, the dynamic motion model in MARS was verified and improved. MARS, which is a reactor system analysis code, includes a dynamic motion model that can simulate the thermal-hydraulic phenomena under three-dimensional motion by calculating the body force term included in the momentum equation. Research was conducted in three major topics to achieve the research objective. The first topic is the verification and validation of the dynamic motion model in MARS. The mathematical formulation contained in the code was confirmed and it was verified that the dynamic motion model can simulate the fluid motion in accordance with ocean conditions with reasonable accuracies. And the system scale validation for the dynamic motion model was performed by comparing the Muratas experimental results. As a Second topic, three modifications were made to the dynamic motion model

first, a user-supplied table to simulate realistic ship motions was implemented, second, the flow regime map determination algorithm was improved by calculating the volume inclination information at every time step, when the dynamic motion model was activated, and third, revised model for the cross flow was implemented, and it can be used for the safety analysis of the downcomer. In the third topic, The capability of MARS in steady state through a single phase natural circulation experiment of RTF (REX-10 Test Facility)was validated, and the code simulated the motion condition to apply the dynamic motion model for a ship equipped with integral type reactor. And then, safety analysis to evaluate marine reactor safety in case of possible marine accidents was performed.