A real time reactor system analysis code, ARTIST, based on drift flux model has been developed to investigate the transient system behavior under low pressure, low flow and low power conditions with noncondensible gas present in the system. The governing equations of the ARTIST code consist of three mass continuity equations (steam, liquid and noncondensibles), two energy equations (gas and mixture) and one momentum equation (mixture) constituted with the drift flux model.
The capability of ARTIST in predicting two-phase flow void distribution in the system has been validated against experimental data. The results of the ARTIST axial void distribution at low pressure and low flow, are far better than the results of both the homogeneous model of TASS code and the two-fluid model of RELAP5/MOD3 code. Also, RELAP5/MOD3 calculation shows the large amplitude of void fraction oscillations at low pressure. These results imply that interfacial momentum transfer terms in the two-fluid model formulation should be carefully constituted, especially for the low pressure condition due to the big density differences between steam and water.
Thermal-hydraulic state solution scheme is developed when noncondensible gas exists. Numerical consistency and convergence of obtaining equilibrium state is tested with the ideal problems for various situations including very low partial pressure conditions. Calculated thermal-hydraulic state for each test shows consistent and expected behaviour.
A new multi-layer back propagation network algorithm for calculating the departure from nucleate boiling ratio (DNBR) is developed and adopted in ARTIST code in order to have real-time DNBR evaluation by eliminating the tandem procedure of the transient DNBR calculation. The algorithm trained by different patterns generated by latin hypercube sampling method on the performance space is tested for the randomly sampled untrained data and the transient DNBR data. The uncertainty of the algorithm is quantified by the generalization ratio and the one-sided 95/95 tolerance limit. Results show that the accuracy depends on the axial flux shape characterization method. And the computation time is so small that it can be neglected compared to those of DNBR calculation code.
ARTIST code can be utilized as a practical analysis tool in analyzing the nuclear reactor transients and accidents occurring at low pressure, low flow and low power conditions which usually contains the noncondensible gas by significantly reducing oscillations which require a long computation time in the two-fluid model system codes.
비응축성 기체가 포함되어 있는 저압, 저유량, 저출력 조건하에서 발생되는 원자로의 계통과도상태의 거동 해석을 위하여 상대유량모델 (Drift flux)을 이용한 실시간 원자로 계통해석코드 ARTIST를 개발하였다. ARTIST 코드는 비응축성 기체, 증기 및 물 각각에 대한 질량보존방정식과 증기와 물에 대한 에너지보존방정식 및 상대유량모델로 보완되는 혼합운동량방정식을 기본으로 구성되었다.
ARTIST 코드의 이상유동 시의 계통의 기포율 예측 능력을 검증하기위하여 실험자료와 비교하였다. 검증결과, 특히, 저압, 저유량 조건 시에 수직방향의 기포율 분포에 대한 계산결과는 균질유동모델 코드인 TASS 코드나 이상유동모델 코드인 RELAP5/MOD3의 계산결과보다 정확하였다. 또한 RELAP5/MOD3로 계산시 저압에서 기포율의 주기적 진동현상이 대단히 크게 나타났으며 이로 인하여 오랜 계산시간이 소요되었다. 이러한 결과는 저압조건에서는 이상간 계면에서의 운동량 전달과 관련된 항들이 매우 정확하게 다루어지지 않으면 증기와 물의 큰 밀도차이와 결합되어 비현실적인 결과를 예측하게 됨을 의미한다.
저압조건에서는 흔히 비응축성 기체가 원자로계통 내에 다량 존재하므로, 비응축성 기체의 상태를 기술하기 위한 수치해법을 개발하였다. 수치해법의 일관성 및 수렴성을 검증하기 위하여 부분압이 거의 없을 때를 포함한 이상적 상황을 설정하여 수치해를 검증하였다. 검증결과, 계산된 결과는 일관성있는 예상된 결과를 보여주었다.
또한, 과도상태시의 핵비등이탈률을 계산하는 기존의 3단계 직렬적 절차를 제거하여 실시간 계산능력을 확보할 수 있도록 과도상태 계산시 동시에 핵비등이탈률이 계산되도록 다층 역전파기법에 의한 신경회로망모델 (Multi-layer back propagation network algorithm)을 개발하여 ARTIST 코드에 삽입하였다.
라틴하이퍼큐브(Latin Hypercube) 표본추출방법에 의해 추출된 훈련자료로 학습시킨 후 임의로 추출된 비학습자료와 과도상태시의 핵비등이탈률 자료를 이용하여 성능을 평가하였다. 일반화비율(Generalization Ratio) 및 95/95 허용한도(Tolerance limit)로 불확실도를 추정하였다. 성능평가 결과, 축방향 출력분포를 특성화시키는 방법에 따라 정확도 차이가 발생하였으며, 계산시간은 핵비등이탈률 계산 코드에서 소요되는 시간에 비해 무시할 정도로 작았다.
ARTIST 코드는 이상유동모델에서는 오랜 계산시간의 원인이 되는 비현실적 진동 현상을 현저하게 줄임으로써, 비응축성 기체를 포함하는 저압, 저유량, 저출력 조건하에서 발생되는 원자로 과도상태 해석과 핵비등이탈률 계산이 실시간으로 요구되는 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
