In this study, mainly two experimental works have been done. The first one is the non-heating simulation of pool boiling and CHF using the air-blowing drilled flat plate and the related analytical study on the formation of macrolayer. And the second is the CHF experiments for the in-vessel retention strategy of severe accident.
First, the non-heating experimental method was proposed and confirmed by the experiments and analytical study. The proposed non-heating experimental methodology is based on the macrolayer dryout model: by measuring the initial macrolayer thickness and bubble departure frequency from the non-heating experiments, the onset of CHF can be predicted based on the macrolayer thickness. Through the non-heating experiments, the void fraction, the macrolayer thickness and the bubble departure frequency were measured. The macrolayer thickness measured by the conduction probe was generally well agreed with the previous steam-water experiments in its trend and magnitude. And, the predicted CHF values by the proposed methodology were generally agreed well with the boiling CHF data for horizontal, flat plate. On the other hand of experimental works, an analytical study on formation of the macrolayer and its relation with the CHF was conducted. Through this analytical study, we found that the lateral coalescence of the growing bubble was the underlying mechanism of the macrolayer formation. Through this experimental and analytical study, the feasibility of the non-heating simulation was confirmed.
Second, the CHF on the reactor vessel outer wall was measured using 2-dimensional slice test section. Because there is few CHF data for the mass flux less than 200 kg/㎡sec, in this experimental study, the mass flux effect on the CHF was mainly studied. The radius, the width of heater and the channel gap were 2.5 m, 10 cm and 15 cm relatively. The CHF data under the inlet subcooling of 2~14 K and the mass flux 6~210 kg/㎡sec had been acquired and a CHF correlation had been proposed. The measured CHF value was generally smaller than that of ULPU. However, the general trend of the CHF according to mass flux was similar with that of ULPU. And the experimental CHF data were compared with predicted values by the SULTAN correlation. The SULTAN correlation predicted well this study’s data for high mass flux (150 kg/㎡sec ~). But, it couldn’t predict well under low mass flux condition. The developed local-condition-based correlation showed good prediction capability for low quality (-0.01~0.44) and low mass flux less than 210 kg/㎡sec with RMS error of 1.9%.
본 연구를 통하여 가열 없이 공기-물 시스템을 이용하여 수조비등과 임계열유속을 모사할 수 있는 방법론을 개발하였으며, 원자로용기 외벽을 모사한 2차원 실험시편을 가열하여 임계열유속을 측정하는 실험을 수행하였다.
대규모 가열 실험을 간편하게 모사하기 위한 비가열 모사 실험 방법론 개발을 위해 비가열 모사 실험이 수행되었다. 직경 25~40 mm 의 원형 평판에 0.2~0.3 mm의 미세한 구멍을 1.0~1.5 mm 간격으로 뚫어놓은 시편을 상온의 물로 채워진 수조에 넣고 공기를 주입하면서 기포분율과 기포이탈 빈도를 측정하는 실험을 수행하였다. 기포분율 분포로부터 Macrolayer 두께를 추정하였는데, 증기-물 시스템을 사용한 가열 실험에서 관찰된 두께 상관식들과 경향이 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 기포이탈빈도와 Macrolayer 두께를 Macrolayer Dryout 모델에 적용하여 임계열유속을 예측하였다. 예측 결과 상향평판의 가열 실험을 통해 얻어진 임계열유속과 유사한 값을 얻을 수 있었다. 한편, 해석적인 모델을 사용하여 예측한 결과 인접한 기포 사이의 결합에 의해 Macrolayer가 생성되는 것으로 나타났다. 이러한 실험과 해석을 통해 가열실험의 비가열 모사실험 방법론의 타당성이 검증되었다.
원자로용기 외벽에서의 임계열유속을 측정하기 위한 실험에는 반지름이 2.5m인 1/4원 형태의 2차원 실험시편이 사용되었다. 시편의 히터(가열부) 폭은 10 cm 이며 히터와 관찰창의 거리는 15 cm 였다. 직류 전원(40V, 5000A)을 사용하여 히터를 직접 가열하였으며, 시편의 끝부분에서 임계열유속을 측정하였다. 입구 과냉도 조건은 2~14 ℃, 질량유속 조건은 6~210 kg/㎡s 였다. ULPU 실험과 SULTAN 실험이 주로 200 kg/㎡s 이상의 질량유속에 대해 실험이 수행되었기 때문에 본 연구에서는 질량유속 200 kg/㎡s 이하 영역에서의 임계열유속 거동을 연구하였다. 임계열유속 측정 결과 입구 과냉도의 증가와 질량유속의 증가에 따른 임계열유속 증가를 확인할 수 있었다. 비슷한 규모의 실험이었던 ULPU 실험과 비교한 결과 전반적으로 낮은 임계열유속 값을 보였다. 또한 본 실험의 결과를 대규모 실험인 SULTAN 실험 데이터를 바탕으로 개발된 SULTAN 상관식과 비교해 본 결과 일반적으로 높게 예측하는 것으로 나타났다.
본 연구를 통해 얻어진 데이터를 사용하여 질량유속과 출구 건도를 사용한 국부조건 임계열유속 상관식을 개발하였다. 개발된 상관식은 출구 건도 -0.01~0.44, 질량유속210 kg/㎡s 이하 영역에 적용 가능하며 본 실험 데이터에 대해1.9%의 RMS 오차를 보였다.
