An experimental study has been performed to analyze the two-phase mixture level swell and the liquid entrainment/off-take through the break in a vessel, which are important phenomena to determine the bleed capacity of the Safety Depressurization System (SDS) of Korea Advanced Power Reactor 1400 (APR1400). Three separate experiments are performed in this study: (a) the depressurization and two-phase mixture level swell experiment; (b) the two-phase mixture level measurement experiment; (c) the liquid entrainment and off-take experiment.
A series of experiments has been performed using a scaled pressurized vessel in various depressurization conditions to analyze the two-phase mixture level swell and the liquid entrainment/off-take phenomena from the two-phase mixture surface in the first experiment. The test parameters are the initial pressure (10 - 38.75bars), the initial water level (43.7% - 80.0% of full height), the orifice inner diameter (10mm, 17.5mm, and 20mm). The liquid off-take takes place in certain experimental conditions. The measured parameters in the present experiments are axial void fraction distributions, pressures, temperatures in the test vessel, and the mixture density and mass flowrate through the discharge pipe. An assessment of RELAP5/MOD3 code with the present experimental data has been performed. With appropriate nodalization and time step, RELAP5/MOD3 showed reasonable agreement with the present experimental data for the gradual depressurization without liquid off-take. In the case that the off-take takes place, however, RELAP5/MOD3 under-predicts the amount of liquid entrainment/off-take during depressurization.
In the second experiment, an assessment of an ultrasonic sensor and a two-wire type capacitance probe for the two-phase mixture level measurement has been performed under the same experimental conditions to adopt an appropriate measurement method for the two-phase mixture level swell and to investigate pool void fraction by the swelled two-phase mixture level. The ultrasonic sensor measured the two-phase mixture level with a maximum error of 1.77% and has been adopted for the measurement of two-phase mixture level in the entrainment and off-take experiment. The capacitance probe highly under-predicted the level data in the high void fraction region. The cause of the error is identified as the change of the dielectric constant when the probe is applied to the measurement of the two-phase mixture levels. A correction method for the capacitance probe is proposed by correcting the change of the dielectric constant of the two-phase mixture. The correction method for the capacitance probe produces an r.m.s. error of 5.4%. The RELAP5/MOD3 code has been assessed with the present experimental data and the existing pool void correlations based on the drift flux model. The Kataoka-Ishii correlation shows the best agreement with the present experimental data with an r.m.s. error of 2.5%. The RELAP5/MOD3 results are very similar to the present experimental data when $j_g^+$ is higher than 1.768. However, RELAP5/MOD3 code over-predicts the present void fraction data when $j_g^+$ is lower than 1.768 since linear interpolation is used between Zuber-Findlay and Kataoka-Ishii correlations with the coefficients proposed by Rouhani.
In the third experiment, an experimental study has been performed in order to investigate the effects of the superficial air velocity in the vessel and the distance between the surface and the break on the liquid entrainment and off-take through the break at the top of a vessel. A correlation for the droplet entrainment, $E_{fg}$, through the break at the top of a vessel has been developed in terms of $j_g^*/h^*$. The present experimental data are proportional to the $7^{th}$ power of $j_g^*/h^*$ and have higher values of $E_{fg}$ than those of the existing pool entrainment data due to (a) the pulling toward the break of the liquid deentrained on the top wall of the vessel and (b) the existence of a gas acceleration region near the inlet of the break. A correlation for the onset of off-take has been developed in terms of the Froude number $(Fr_g)$ at the break and the non-dimensional inception height $(h_b/d)$. The developed correlation shows agreement with the present experimental data with a maximum error of ±15%. The experimental data for off-take quality of the discharged liquid through the break at the top of a vessel have been obtained and they agree with Schrock’s off-take quality correlation with the r.m.s. error of 15.8%. The present off-take data can be extended on the same line with the present droplet entrainment data in plot of $E_{fg}$ vs. $j_g^*/h^*$.
Korea Advanced Power Reactor 1400의 안전감압시스템의 bleed capacity를 결정하는데 중요한 현상들인 이상혼합물의 수면상승과 용기 상단에 위치한 방출구를 통한 액적동반 및 off-take를 해석하기 위한 실험적 연구가 수행되었다. 이를 위해 본 연구에서는 다음과 같이 열수력학적 현상 별로 나누어 세가지 개별 실험을 수행하였다.
첫 번째, 다양한 감압 조건에서 이상혼합물의 수면상승 및 액적동반/off-take 현상을 해석하기 위하여 스케일링된 가압용기를 이용하여 감압 및 수면상승 실험을 수행하였다. 실험변수는 초기압력 (10-38.75bar), 초기수위 (가압용기 길이의 43.7% - 80.0%), 오리피스 내경(10mm, 17.5mm, 20mm)이다. 본 실험에서 감압시 액적동반 및 off-take가 발생하는 것으로 나타났고, 축방향 기포분율 분포, 용기 내부 압력 및 온도 변화, 그리고 방출구를 통하여 방출되는 이상혼합물의 질량유량 및 기포분율을 측정하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 실험 데이타를 이용하여 RELAP5/MOD3 코드의 평가를 수행하였다. 적절한 nodalization과 time step을 사용하였을 경우, 감압이 비교적 완만하고, off-take가 일어나지 않는 조건에서는 RELAP5/MOD3 코드의 예측 결과가 실험결과와 비교적 잘 일치하였다. 그러나 off-take가 발생하는 빠른 감압조건에서는 축방향 기포분율 분포, 이상혼합물 수위 및 방출유량의 비교에서 RELAP5/MOD3 코드가 off-take 현상을 모사하지 못하기 때문에 실험결과와 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
두 번째, 액적동반 및 off-take 실험에서 중요한 변수중의 하나인 이상혼합물의 수위 측정 방법 선정 및 이상혼합물에 의해 형성되는 기포분율에 관한 연구를 수행하기 위하여, capacitance probe와 ultrasonic sensor를 이용하여 이상혼합물의 수위측정 실험 및 평가를 수행하였다. Ultrasonic sensor는 최대 1.77%의 오차범위에서 실험결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 반면에 capacitance probe는 이상혼합물의 기포분율이 커질 수록 오차가 커지는 것으로 나타났다. 이러한 오차 발생의 원인은 기포분율이 커질수록 이상혼합물의 유전율이 단상유체에 비해서 낮아지기 때문인 것으로 나타났다. Capacitance probe를 이상혼합물의 수위측정에 적용하기 위한 보정 방법을 제안하였다, 제안된 보정 방법을 사용하였을 경우, R.M.S. 오차범위 5.4%이내에서 실험 데이터와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 얻어진 실험 데이터를 이용하여 RELAP5/MOD3 코드와 Drift Flux 모델에 기초한 실험 상관식을 평가하였다. Kataoka-Ishii 상관식이 R.M.S 2.5%의 오차범위에서 실험 데이터와 가장 잘 일치하는 것으로 나타났다. RELAP5/MOD3의 경우에는 $j_g^+$ 가 1.768 이상일 때는 실험결과와 잘 일치하는 것으로 나타났지만 $j_g^+$ 가 1.768 보다 작을 때에는 Kataoka-Ishii 상관식과 Zuber-Findlay 상관식을 이용하여 보간하기 때문에 실험결과와 차이가 발생하였다.
마지막으로, 기체속도 및 방출구와 이상혼합물의 표면까지의 거리가 액적동반 및 off-take 현상에 미치는 영향을 살펴보기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 용기 상부에 방출구가 존재할 경우에, 액적동반에 관한 실험 상관식을 개발하였다. 본 실험에서 얻어진 실험결과는 기존의 액적동반 실험결과에 비해서 높은 값을 가지는 것으로 나타났으며 $j_g^*/h^*$ 의 7제곱에 비례하는 것으로 나타났다. 그 원인은 (a) 용기 상부 벽에 de-entrained 된 액체가 방출구 쪽으로 pulling되는 현상과 (b) 방출구 입구 근방에서 기체의 가속에 의한 것으로 판명되었다. 본 실험을 통하여 onset of off-take 상관식을 개발하였고, 실험 데이터와 최대 15%이내에서 잘 일치하는 것으로 나타났다. Off-take 건도에 관한 실험 데이타는 기존의 Schrock 상관식 및 실험데이타와 15.8% 오차범위 이내로 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 기존의 수평관과 동일한 off-take 메커니즘이 적용되는 것을 알 수 있었다. Off-take 데이터를 액적동반 데이터와 같이 $j_g^*/h^*$ 함수로 나타낼 경우 동일 연장선상에 있음을 알 수 있으며, 본 실험에서 액적동반에 관한 실험결과가 기존의 실험결과에 비해 높게 나타나는 원인이 용기 상부에 방출구가 존재하기 때문으로 판명되었다.
