The containment is the most important barrier against the release of radioactive materials into the environment during accident conditions of nuclear power plants. Therefore the development of a reliable containment cooling system is one of key areas in advanced reactor development.
To enhance the safety of the containment system, many new containment system designs have been proposed and developed in the world. Several passive containment cooling system (PCCS) concepts for both steel and concrete containment systems are overviewed and assessed comparatively. Major concepts considered are: (a) the spray of water on the outer surface of a steel containment from an elevated tank, (b) an external moat for a steel containment, (c) a suppression pool for a concrete containment, and (d) combination of the internal spray and internal or external condensers for a concrete containment. Emphasis is given to the heat removal principles, the required heat transfer area, system complexity and operational reliability.
As one of conceptual design steps of containment, a methodology based on scaling principles is proposed to determine the containment size according to the power level. The AP600 containment system is selected as the reference containment to which the scaling laws are applied. Governing equations of containment pressure are set up in consideration of containment behavior in accident conditions. Then, the dimensionless numbers, which characterize the containment phenomena, are derived for the blowdown dominant and decay heat dominant stage, respectively. The important phenomena in blowdown stage are mass and energy sources and their absorption in containment atmosphere or containment structure, while heat transfer to the outer environment becomes important in decay heat stage. Based on their similarity between the prototype and the model, the containment sizes are determined for higher power levels and are compared with the SPWR containment design values available from the literature. It shows the possibility of rapid conceptual design tools that can supply detail design stage with a good starting point.
Conceptual design of the PCCS for a concrete containment using condensers inside the containment is accomplished based on steady-state two-phase momentum equations to determine important design parameters such as the required heat transfer area of the condenser tubes. Assuming a decay power level of 2%, the required heat transfer area for 1,000MWe plant is assessed to be about 2,000㎡ (equivalent to 1,600 of 10 m-long, 4cm-OD tubes) with relative elevation difference of 38m between the condenser and the steam condensing pool and the riser diameters of 0.62m.
본 연구에서는 가압경수로를 위한 피동 격납용기계통의 설계방법론 개발이 이루어졌다.
이를 위해 먼저, 신형가압경수로를 위해 제안된 여러 가지 피동 격납용기 냉각 개념 중에서 대표적인 것을 선택하여, 이들의 비교평가를 수행하였다. 평가는, 사고 시, 격납용기 내부의 열수력학적 거동과 냉각수의 거동 및 냉각 방법 등 주로 열 전달 관련 부분과, 내진문제, 격납용기계통의 복잡성 및 피동성 정도 등의 열 전달과는 관련이 없지만, 중요한 부분으로 나누어 수행되었다.
격납용기 개념설계 방법론중의 하나로, scaling 방법을 이용해 격납용기의 크기를 결정할 수 있는 방법에 대한 개발이 이루어졌다. 이를 위해, 먼저 사고 시 격납용기 내의 열 수력학적 거동을 잘 묘사할 수 있는 지배방정식과 상관식들이 도입되었다. 격납용기의 안전성과 관련해서 가장 중요한 변수는 사고시의 격납용기내의 최대압력이다. 격납용기내의 압력증가가 주로 어떤 원인에 의해서 이루어지느냐에 따라, blowdown 가압과정과 decay heat 가압과정으로 나눌 수 있다. 각 과정에 따른 적절한 지배방정식에 적합한 무차원 변수를 도입하여 이들을 무차원화 하였다. 각 과정의 현상들을 잘 나타낼 수 있는 무차원 수를 생성하고, 이들을 바탕으로 설계를 위한 scaling criteria를 얻었다. 이렇게 개발된 방법을 이용해 격납용기의 크기를 결정하였다. AP600의 격납용기를 원형으로 하여, 발전소 용량을 변화 시켰을 때, 필요한 격납용기의 체적과 열 전달 면적을 계산해 내었다. 이 과정에서 모든 scaling criteria를 만족시키는 것이 불가능하므로, 각 scaling criteria의 중요성과 발전소의 안전성을 고려하여 격납용기 크기를 결정하고, 기존의 설계 값들과 비교하였다.
콘크리트 격납용기를 위한 피동 격납용기 냉각 개념 중에서 내부응축기를 이용한 계통의 개념설계가 이루어졌다. 계통을 단순화하여, 운동량 방정식과 에너지 균형관계식을 도입하여, 1,000MWe 의 용량을 가지는 발전소에서, 붕괴열의 수준이 2% 일 때, 이를 제거하기 위한 열 전달 면적을 주요 설계변수의 민감도 분석을 통해 계산하였다.
향후 연구과제로는, 피동 격납용기 냉각계통의 정량적인 비교평가와, 새로이 설계된 격납용기계통의 설계변수 검증을 위해 격납용기 해석코드를 이용한 분석이 요구된다.
