In order to investigate boiling phenomena experimentally in the downcomer during LBLOCA with Direct Vessel Injection (DVI), which is a new Safety Injection System (SIS) of Advanced Power Reactor 1400 MW (APR1400), several parameters should be measured through the verification of their applicability. In this study, measurement techniques of the parameters are developed for the downcomer boiling experiment; local phase velocities, local void fraction and heat flux from the heated wall. The experiment has been performed with the heated wall, which has a thickness of 8.2 cm and a height of 32.5 cm and made of the same material as the prototype (APR1400) with chrome coating against rusting.
The newly developed pitot tube is applied to the measurement of local liquid velocity and its calibration curve is obtained experimentally with the consideration of the effect according to water temperature and hole size changes. The developed pitot tube measures the local liquid velocity with 0.69 % deviation and it is confirmed that the water temperature and geometrical change does not affect the calibration curve.
The high-speed camera and commercial software are used to measure the local vapor velocity with the accuracy of 0.06 m/sec per pixel and the procedure is confirmed in the present study. It turns out that the vapor velocity is insensitive to void size.
High-speed camera and image processing are used to measure the local void fraction with the determined intensity criterion for distinguishing each phase and the results are compared with the bulk void fraction by differential pressure transmitters. In the actual experiment, the developed method is applied successfully and the results show that the criterion of intensity has little effect on local void fraction. And, it is observed that the tendency between the measured local and bulk void faction is maintained with time.
In order to measure heat flux from the heated wall, two heat flux measurement techniques are developed using the thermocouples and RELAP5: the hardware-oriented heat flux measurement using two neighbor thermocouples and the software-assisted heat flux measurement using one thermocouple and the conduction equation. While the former is so simple and applicable in the mild heat flux region, the latter very accurately measures the heat flux even in the heat flux region with a sharp gradient, which is observed in the downcomer boiling.
신형경수로(APR1400)에서는 안전주입계통으로 원자로용기 직접주입계통 (DVI)을 채택하고 있다. 이러한 DVI를 가지는 강수부에서 발생하는 열수력적 현상은 기존의 저온관 주입방식(CLI)과는 다를 것으로 예상되며, 특히 비등 현상에 관한 실험적 연구가 필요하게 되었다. 본 연구에서는 이러한 강수부 내에서의 비등 현상들을 이해하기 위해, 주요 국부 변수인 액체 속도, 기포 속도와 분율, 그리고 원자로 벽면에서의 열유속 측정하는 기술을 개발하였다.
액체 속도 측정을 위해 기존의 피토관을 개량하여 양쪽 방향의 유체의 속도를 측정할 수 있는 피토관을 개발하였고, 실험적으로 얻어진 교정 곡선을 통해 0.69%의 정확성을 확인하였다. 개발된 피토관은 실제 실험에 적용하여 국부 액상 속도 및 거리에 따른 속도 구배를 측정하는데 적용하였으며, 적용된 액상의 온도나 개발된 피토관의 구멍 크기에 따른 효과는 미미한 것으로 확인되었다.
기포 속도는 고속 카메라를 이용한 영상 획득과 상업용 소프트웨어인 ‘Image Pro’를 이용한 영상처리 기법을 이용하였으며, 이에 따른 오차는 픽셀당 약 0.06 m/sec 이다. 실제 실험에의 적용을 통해, 기포 속도는 적절히 측정되었으며, 이러한 기포 속도는 기포의 크기와 무관한 관계가 있음을 확인하였다.
국부 기포 분율(평면 기포 분율)은 고속 카메라와 상업용 소프트웨어를 이용한 영상처리 방법과 본 연구에서 정해진 영상 강도 기준을 이용하여 측정되었으며, 이 결과는 차압계를 통해 측정된 부피 기포 분율과 비교되었다. 실험에의 실제 적용을 통해, 국부 기포 분율과 부피 기포 분율은 성공적으로 측정되었으며, 정해진 영상 강도 기준이 측정 오차에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 또한, 국부 기포분율과 부피 기포 분율은 서로 비슷한 경향을 보임을 확인하였다.
벽면에서의 열유속은 열전대들로 측정된 온도 정보와 열전대 사이의 거리를 통해 간단한 일차 전도방정식을 대입하여 측정될 수 있다. 이 측정방법은 매우 간단하고 빠른 방법이나, 열유속이 급격하게 변하는 영역에서는 적용하기 힘든 단점이 있다. 반대로 일차전도방정식을 소프트웨어를 이용하여 계산하여 열유속을 측정하는 방법은 전 열유속 영역에서 매우 정확한 열유속 값을 계산할 수 있으나, 복잡한 후처리 작업이 요구된다. 개발된 두 가지 열유속 측정 방법을 통해 가열면에서의 표면 온도와 열유속이 실제 실험에서 측정되었다.
