해양원전 안전해석을 위한 MARS-KS motion model의 다차원 유동 해석능력 구현

Abstract

In 2018, International Maritime Organization(IMO) adopted an initial strategy on the reduction of greenhouse gas emissions from ships to reduce the total annual greenhouse gas emissions by at least 50% by 2050 compared to 2008 levels. Thus, researches for marine reactor development as eco-friendly energy and safety analysis of marine reactor are actively being conducted. It is expected that new regulatory demand arises, and fundamental research is required to secure independent verification capability at the level of regulatory agencies. In this background, an improvement study for the MARS-KS motion model was conducted for marine reactor safety analysis. The goal of the study is to implement the multi-dimensional flow analysis capability in MARS-KS motion model. The research was conducted in the order of code improvement, verification, and application study. First, the 7 code improvements were performed. Improvement of volume direction unit vector generation method for user-friendly code implementation, correction of linear acceleration term considering inertial force, correction of the formula for the volumes position under the rotational condition, update of junction property, calculation of pressure drop along each axis and improvement of connection information formula between connected volumes to realize multi-dimensional flow analysis. And improvement study was conducted to extend the MARS-KS motion model to the MULTID component. The second is the verification of the improved code. First, 1D component and cross-flow verification was performed by solving the conceptual problem used in the previous research for the MARS-KS motion model at Seoul National University(H.K. Beom et al., 2019). For the verification of the 1D component, the manometer and vertical pipe conceptual problem were analyzed under various motion conditions, and analysis results were compared quantitatively with the analytical solution. Next, for cross-flow verification, a conceptual problem simulating the downcomer in the reactor was selected by connecting 1D vertical pipes with a cross-junction. When simulating the downcomer in the reactor, the six-pipe and eight-pipe conceptual problems that could be implemented through this study were verified with the existing conceptual problem consisting of four-pipe. Following the verification of 1D component and cross-flow, the conceptual problems for a 3D slab and an annular 3D cylinder were selected for the verification of the MULTID component. Likewise, it was analyzed under various motion conditions. In addition, analysis capability of the motion model for MULTID component was confirmed by applying the motion conditions in which various external forces act on the 3D slab. Finally, the modified code was used to predict the thermal-hydraulic phenomena, and the change of flow instability and critical heat flux under motion conditions was examined. First, the results of predicting the flow instability under two-phase conditions through the RELAP5 code(M. Colombo et al., 2012) were compared with the MARS-KS analysis results. Next, utilizing the MARS-KS motion model, the unstable region that appears due to flow instability in stationary and motion conditions was predicted and compared. The change of critical heat flux due to dynamic motion under the same heat flux condition was also examined using the same analytical model. When the critical heat flux appears, the heat transfer efficiency to the working fluid greatly decreases, thus the wall temperature increases rapidly. From this, it was confirmed whether the critical heat flux occurs in the stationary and motion conditions. Through this application study, the usability of the improved code was verified.

2018년 국제해사기구(IMO)는 IMO 선박 온실가스 감축 초기전략을 채택하여 선박에서 배출되는 온실가스를 2050년까지 2008년 대비 50% 감축하기 위한 계획을 수립하였다. 국제해사기구의 조치에 따라 친환경 에너지로써 해양원전을 개발하기 위한 국내·외 연구가 활발히 진행되고 있다. 산학연에서 해양원전 개발과 안전성 평가를 위한 연구가 활발히 진행됨에 따라 신규 규제수요의 발생이 예상되며, 규제기관 차원의 독자적인 검증능력 확보를 위한 기반 연구가 요구된다. 이러한 배경에서 해양원전의 안전성 평가를 위한 MARS-KS motion model의 개선연구를 수행하였다. 연구목표는 MARS-KS motion model의 다차원 유동 해석능력의 구현이며, 이를 위해 코드 개선, 개념문제를 통한 검증, 그리고 개선된 코드를 활용한 응용 순으로 연구를 수행하였다. 첫 번째로 MARS-KS motion model에 대해 다음과 같은 7가지 사항을 개선하였다. 사용자 친화적인 코드 구현을 위한 Volume direction unit vector 생성방법의 개선, 관성력을 고려한 직선가속도 항 수정, 회전 중심에 관한 오류 수정, 매시간 단계마다 정션(Junction) 정보 업데이트, 다차원 유동을 구현하기 위한 축별 압력 수두 계산 및 연결정보 계산식의 개선, 그리고 MARS-KS motion model을 MULTID 컴포넌트로 확장하기 위한 개선연구를 수행하였다. 두 번째는 개선된 MARS-KS motion model에 대한 검증이다. 먼저, 서울대학교에서 MARS-KS motion model의 물리적 모델 검증(H.K. Beom et al., 2019) 시 사용하였던 개념문제 풀이를 통해 1D 컴포넌트와 교차유동(Cross-flow)에 대한 검증을 수행하였다. 1D 컴포넌트의 검증을 위해 1차원 마노미터와 수직 파이프 개념문제를 다양한 운동 조건에서 해석하였고, 이론해와 정량적으로 비교하여 코드의 적절성을 확인하였다. 다음으로 교차유동 검증을 위해 단상 조건의 1차원 수직 파이프를 교차정션(Cross-junction)으로 연결하여 강수부를 모사한 개념문제를 선정하였다. 강수부를 모사할 때, 4개 파이프로 구성된 기존 개념문제와 함께 본 연구를 통해 구현할 수 있게 된 6개 파이프와 8개 파이프 개념문제에 대한 검증을 수행하였다. 1D 컴포넌트와 교차유동 검증에 이어 MULTID 컴포넌트 검증을 위해 3차원 슬래브와 환형의 3차원 실린더 개념문제를 선정하였다. 마찬가지로 다양한 운동 조건에 따른 해석결과가 이론해를 적절하게 예측하는지 확인하였다. 또한, 3차원 슬래브를 다양한 외력이 복합적으로 작용하는 운동 조건을 적용하여 Motion model의 MULTID 컴포넌트 해석능력을 확인하였다. 마지막 세 번째로 개선된 코드를 열수력 현상 예측에 활용하여 운동 조건에서 유동 불안정성(Flow instability)과 임계열유속(Critical Heat Flux)의 변화 거동을 검토하였다. 먼저, RELAP5 코드를 통해 2상 조건에서 유동 불안정성을 예측한 결과(M. Colombo et al., 2012)를 MARS-KS 해석결과와 비교하였다. 다음으로 MARS-KS motion model을 통해 정지 상태와 운동 조건에서 유동 불안정성으로 인해 나타나는 불안정 영역(Unstable region)을 예측·비교하였다. 유동 불안정성에 이어, 동일한 해석모델을 사용하여 같은 열속 조건에서 동적운동에 의한 임계열유속의 변화를 확인하였다. 임계열유속이 발생하면 작동 유체에 대한 열전달 효율이 크게 감소하여 벽면 온도가 급격히 증가한다. 따라서 정지 상태와 운동 조건에서 벽면 온도를 비교하여 임계열유속의 발생 여부를 확인하였다. 이와 같은 응용연구를 통해 개선된 코드의 활용성을 입증하였다.