An integral response scaling method for reduced-height test facilities is developed and validated for the local and integral phenomena using the RELAP5/MOD3.2 code. For application of a well-scaled code to the scaling validation the scalability of RELAP5 is assessed following a series of procedures.
In the present schematic scaling methodology the scaling laws are generated from four scaling analyses: 3-D differential equation-based scaling analysis, 1-D differential equation-based scaling analysis, component-based scaling analysis, and overall integral scaling analysis. Through use of integral response function, scaling parameters related to four types of requirements are identified: time scaling, initial-condition scaling, transient scaling, and bifurcation-phenomena scaling requirements. In the present scaling method flow velocities in the vertical channel and at break locations of the scaled-down model can be preserved setting up the scaling as $τ_R = ℓ_R$. The significance of the velocity preservation in the reduced height facility is demonstrated by the RELAP5 code.
To validate the present scaling method, similarity criteria from the integral response scaling method are applied to the scaled-down model of the Korea Standard Nuclear Power Plant simulating core boil-off process during the mid-loop operation. The scaled-down model is basically developed with the length and area scales of 1/5 and 1/100, respectively. The integral simulation and local calculations for pot-boiling, blowdown, heat transfer in the steam generator, and off-take are conducted for a loss of RHR during the mid-loop operation to show the preservation of the similarity criteria using RELAP5. It turns out that the scaled-down model based on the present scaling method well maintains the similarity of the nondimensional parameters for the local phenomena. Furthermore, the integral simulation indicates that there are no noteworthy differences in the general trends between the prototype and scaled models.
In the assessment of code scalability we identify the phenomena that are important to the thermal hydraulic behavior of a particular plant during a particular accident scenario using the guideline of OECD/CSNI code assessment matrices and PIRT process. Scalability of RELAP5 is assessed for the sample phenomena such as pot-boiling, CCFL, and off-take. In case of CCFL in horizontal-to-inclined pipe the new CCFL correlation, which shows the length to diameter effect, is derived based on the SET database and implemented into standard RELAP5.
Validation experiments for mid-loop operations (3 SETs and 1 IET) are simulated by RELAP5. From RELAP5 calculations and comparison with experimental results the deficiencies for predictions of the experimental results are discussed.
From the present study we recommend that the experimental results concerning with SETs (the discharge quality and the transition criteria in off-take experiment, effect of void fraction on CCFL) can be reflected to the RELAP5 models.
길이가 축소된 실험장치에 대한 종합반응스케일링 방법이 개발되었고 RELAP5/MOD3.2 코드를 이용해서 국부 및 종합 현상들에 대한 스케일링이 검증되었다. 스케일링 검증에 스케일링이 잘된 코드를 적용하기 위해서 RELAP5의 스케일능력이 일련의 절차를 거쳐서 평가되었다.
본 연구의 체계적인 스케일링 방법론에서는 스케일링 법칙들이 다음 4가지 스케일링 분석으로부터 도출되었다. 즉, 3차원 미분방정식을 기반으로 한 스케일링 분석, 1차원 미분방정식을 기반으로 한 스케일링 분석, 각 기기들을 기반으로 한 스케일링 분석, 그리고 전체 루프에 대한 스케일링 분석 등이다. 종합반응함수를 사용해서 다음 4가지 유형의 요구조건 들과 관련된 스케일링 인자들이 인식되었다. 즉, 시간 스케일링, 초기조건 스케일링, 과도현상 스케일링, 그리고 분기점현상 스케일링 요구조건 등이다. 본 스케일링 방법에서는 $τ_R = ℓ_R$ 으로 설정하여 축소모델의 수직유로와 파단부위에서 유동속도가 보존된다. RELAP5 코드를 이용하여 길이가 축소된 실험장치에서 속도 보존이 중요함을 증명하였다.
본 스케일링방법을 증명하기 위해서 종합반응스케일링 방법으로부터 나온 상사관계가 한국표준원전의 축소모델에 적용되었는데 참조발전소의 거동은 부분충수 운전중 노심비등 현상을 다루었다. 축소모델은 기본적으로 길이 및 면적비가 각각 1/5 과 1/100로써 축소되었다. 종합현상 및 팟보일링, 취출현상(blowdown), 증기발생기 튜브내에서의 열전달, 그리고 off-take와 같은 국부현상 들이 RELAP5코드를 이용하여 모사되었다. 이들 현상들의 모사는 부분충수운전중 잔열제거계통 능력상실 사고를 가정하였고 원형 및 축소 모델들간의 상사관계가 잘 보존됨을 보이기 위함이다. 계산결과 본 스케일링 방법으로부터 나온 축소 모델은 국부현상 들에 대한 무차원인자 들의 상사성을 잘 보존하였다. 게다가, 종합현상에 대한 계산에서도 원형과 축소모델 간의 전반적인 거동에 큰 차이를 보이지 않았다.
코드 스케일링능력 평가에서는 OECD/CSNI 코드평가 모형과 PIRT 과정을 통해서 특정 사고 시나리오에 대한 특정 발전소의 열수력학적 거동에 중요한 영향을 미치는 현상들을 인식하였다. 이들 중 RELAP5 코드의 스케일링능력 평가가 팟보일링, 역류유동제한현상, 그리고 off-take 등과 같은 국부현상 들에 대해 예시적으로 적용되었다. 수평 및 경사관에서의 역류유동제한현상과 같은 경우에서는 길이와 직경비의 스케일링 효과가 반영되도록 새로운 상관식이 실험 데이터베이스로 부터 개발되었고 기존의 RELAP5 코드에 수정 보완되었다.
마지막으로 부분충수운전 안전성 평가를 위한 실증실험 결과들을 RELAP5 코드로 모사하였다. 본 실증실험 들은 3개의 개별실험과 1개의 종합실험 들로 이루어져 있다. 코드 계산결과와 실험결과 들의 비교를 통해서 코드 예측이 실험결과와 차이를 보이는 부분들에 대해서 논의 되었다.
본 연구를 통해서 개별효과 실험들과 관련된 내용들 (off-take 실험에서의 건도값과 천이 조건, CCFL 실험에서 물의 출구에서의 기공율 영향) 이 RELAP5 코드 모델에 반영될 것을 제안한다.
