Water droplets are generated in the reflood period of a large break loss-of-coolant accident by either shattering of liquid ligament or interfacial shear force. As generated droplets experience vaporization, collision and merging with other droplets, and further breaking up by spacer grid and aerodynamic force, their diameters could vary. Droplet diameter plays an important role in estimating reflood heat and mass transfer, especially in dispersed flow film boiling regime. System thermal-hydraulic analysis code like RELAP5 in which Sauter mean diameter is used as an average diameter in general, however, does not consider mechanistic variation of the diameter. The average diameter is often adjusted as a function of local Weber number in some situations. In this study, mechanism of droplet size variation and how to accordingly determine Sauter mean diameter are proposed assuming lognormal distribution. And it is validated against RBHT data using RELAP5/Mod3.3 patch 5 code. Proposed model was found to quite well predict Sauter mean diameter of droplets and cladding temperatures of RBHT, especially in droplet-prevailing region. And standard deviation of their uncertainty was evaluated as ±0.259 mm. Average difference between measured and calculated cladding temperatures along the core of ten RBHTs was reduced from 42.1 K to 21.7 K with less scatter by 31.7 K.
대형냉각재상실사고의 재관수 기간에 액적은 급냉선단 근방의 액적기둥 분열, 기포의 파열, 벽면의 액체상 필름과 증기상간의 상간마찰 등으로 발생된다. 생성된 액적은 증기상으로 인한 항력으로 노심 상부로 이동되며, 이동되는 동안 연료봉 또는 구조물로부터 직접 또는 간접적으로 전달되는 열로 인한 증발, 구조물과의 부딪힘으로 인한 파열, 액적간의 충돌로 인한 파열 또는 병합, 증기상과의 상호작용으로 인한 파열 등의 현상으로 인해 액적의 평균직경은 변하게 된다. 액적의 평균직경은 열전달을 지배하는 표면적을 결정하기에, 재관수 기간, 특히 액적과 증기상이 같이 존재하는 분산유동 영역에서의 열전달 현상을 해석하는데 매우 중요한 인자이다. RELAP5와 같은 열수력 해석 코드들은 주로 Sauter 평균직경을 이용하여 액적직경을 모사하지만, 상기에 기술된 액적직경을 변화시키는 다양한 현상들을 충분히 고려하고 있지 않다. 본 연구에서는 액적직경의 분포를 Log-normal 분포로 가정하고, 액적직경을 변화시키는 상기의 다양한 현상들을 모델링하였다. 개발된 모델을 RELAP5/MOD3.3 Patch 5 코드에 적용하고, 재관수 기간에서의 액적의 Sauter 평균직경을 실험적으로 측정한 RBHT 실험데이터를 대상으로 개발된 모델을 평가하였다. 평가결과, 개발된 모델은 실험에서 측정된 Sauter 평균직경에 대한 코드의 예측능력을 향상시켰음이 확인되었고, 이때 개발된 모델의 불확실도의 표준편차는 ±0.259 mm로 평가되었다. RBHT의 피복재온도 실험데이터를 이용한 코드의 피복재온도 예측성능 평가에서는, 코드 예측값과 실험데이터와의 차이가 코드 수정전 평균 42.1 K에서 코드 수정후 평균 21.7 K로 20.4 K 감소하였고, 실험데이터를 95% 포괄하는 피복재온도 범위도 31.7 K 감소하여 코드의 피복재온도 예측능력이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
