An experimental study has been performed to investigate thermal-hydraulic phenomena in the downcomer with Direct Vessel Injection (DVI), which is a new Safety Injection System (SIS) of Korea Advanced Power Reactor 1400 (APR1400). In this study, several separated experiments have been performed based on the thermal-hydraulic phenomena in the downcomer. The performed experiments are divided into two categories: steam/water interaction and boiling in the downcomer.
Three experiments have been performed to investigate the steam/water interaction in the downcomer using a plane-channel type test section, which is scaled down as the 1/7 ratio of the prototype reactor (APR1400). First, the water film spreading test is performed and its results are compared with both the experiment with real size of DVI diameter in order to verify the suggested scaling law by KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) and the experiment with a 1/7 scaled cylindrical-type test section in order to see the curvature effect. It turn out that the curvature effect is negligible and the present modified linear scaling law is more appropriate than the linear scaling law. Second, the onset of sweep-out and the amount of ECC water bypass by sweep-out are measured in the present experiments from the visual observation. The onset of continuous sweep-out is used to analyze the water height in the downcomer and amount of ECC water bypass by sweep-out is compared with the UCB (University of California, Berkeley) and KfK(Kernforschungs- zentrum Karlsruhe) correlations, The present data of ECC water bypass by sweep-out lie between the predictions by two correlations. Third, direct ECC water bypass test has been performed to investigate the ECC water film behavior by interaction with high-speed steam from intact cold leg in the downcomer. From the air/water interaction tests, ECC water bypass fraction is highly dependent on DVI position rather than on gas flow rates. From the steam/water interaction tests, is observed that most of inlet steam flow is reduced by the condensation in downcomer.
Two experiments have been carried out to investigate the boiling phenomena in the downcomer. An asscssment of RELAP5/MOD3.2 has been performed with the heated wall which has a thickness of 8.2cm and height of 27cm and is made of the same material as the prototype (APR 1400) with chrome plating against rusting. The test has been performed in order to find the manufacturing problems and to adopt the major parameters for the downcomer boiling. Second, the main test has been performed with the same thickness as the prototype (21cm) and a height of 150cm. Form the experiments, we visually observed strong liquid recirculation and vapor jetting near the heated wall due to the axial migration of voids only in the thin layer of the heated wall but little bubble migration to the bulk region. The size of the thin layer is about 4cm, which is used for the radical nodal size in the radial double-node schemes. The RELAP5 calculations using three different nodal schemes are compared with experimental date in aspects of water level, void fraction, wall temperature and phase velocities. The radial single-node scheme produces no liquid recirculation, resulting in the sudden level drop due to a sudden increase in void fraction. The double-nodal scheme with the top-bottom radial connections yields the strong circulation, eliminating the sudden level drop. As a result, the nodal scheme produces better results than the radial single-nodal scheme and the double-nodal scheme with all radial connections. Based on the information from the measurement of local liquid velocity profile and visual observation, the drift velocity is developed to apply into the downcomer with a large gap and a vertical heated wall. The proposed drift velocity model has been implemented into RELAP5 and verified with the experimental results.
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, 이러한 현상의 이해를 위해서는 적절한 실험적 연구가 필요하게 되었다. 본 연구에서는 이러한 열수력적 현상들을 증기와 안전주입수의 상호 작용, 그리고 강수부 내에서의 비등 현상으로 나누어 실험적 연구를 수행하였다.
고속의 증기와 안전주입수의 상호작용 실험에서는 1/7로 척도된 평판형의 실험장치를 이용하여 세 가지 개별 실험을 수행하였다. 첫째, 액막 퍼짐 실험을 통해 원형(ARP1400)과 달리 평판형으로 제작된 실험장치의 곡률효과와 사용된 척도법의 유용성을 검증하였다. 수행된 실험 결과로부터, 곡률에 의한 현상 왜곡은 무시할 정도이고, 수정 선형 척도법이 다차원적인 강수부 내의 현상을 해석하기에 적합한 척도법임을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서 수행된 실험 조건은 수정 선형 척도법에 의해 결정되었다. 둘째, Sweep-out 실험을 통해 그 발생 시점과 강수부 수위에 따른 안전주입수의 우회량을 측정하였다. 이 현상은 기존의 측량 파단에서의 액체 견인현상과 유사하며, 이러한 현상에 대한 기존의 상관식을 본 실험 결과와 비교하였다. Sweep-out 의 발생시점과 관련하여, 계속적인 발생시점을 제안하고, 이에 따른 상관식에서의 A 값을 공기와 증기에 대해 각각 제안하였다. 파단 저온관에서의 건도를 통해 안전주입수의 우회량을 측정하고, 기존의 UCB 및 KfK 상관식과 비교하였으며, 기존 상관식들이 실험결과를 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 마지막으로, 안전주입수의 직접 우회 현상과 관련된 실험을 통해, 안전주입수의 우회량은 증기의 속도 보다는 DVI 의 위치가 파단 저온관과 얼마나 근접해 있는가와 밀접히 관련되며, 그 양은 유입된 대부분의 증기가 안전주입수와 만나면서 대부분 응축됨에 따라 파단 저온관쪽으로 액체를 견인할 힘을 상당 부분 잃는 것으로 나타났다.
강수부 내의 비등 현상과 관련하여, 예비 실험 및 본 실험이 수행되었고, 실험 결과를 RELAP5/MOD3.2 계산을 통해 비교하였다. 예비 실험에서는 계측 방법의 검증 및 현상의 관찰, 본 실험 장치의 설계 및 제작 상의 문제점들을 파악하기 위해 8.2 ㎝의 두께를 가지는 실제 원자로 외벽과 같은 재질의 탄소강 (SA508 CL.Ⅲ)을 사용하였다. 두 번째로, 본 실험에서는 실제 강수부 외벽 두께와 같은 21㎝, 높이 1.5m 의 탄소강을 이용해 실험을 수행하였다. 강수부 내의 비등 현상 실험을 통해 가열면에 의해 만들어진 기포들은 강수부 중심으로 퍼지지 않고, 가열면을 따라서만 이동하며, 액체의 강한 순환 현상이 관찰되었다. 또한, 기포들이 이동하는 얇은 층은 약 4 ㎝ 로 관찰되었으며, 반경 방향의 액상 속도 분포 측정을 통해 이를 확인하였다. 이러한 기포층은 반경 방향의 노드 분할 시, 노드 크기를 결정 짓는 값이 된다. RELAP5를 이용한 계산에서는 세 가지의 서로 다른 노드 구성을 이용하였고, 각각의 결과는 실험을 통해 얻어진 수위, 기포분율, 벽면 온도 분포, 각 상의 속도 등과 비교되었다. 일반적으로 사용되는 반경 방향으로 하나의 노드를 가지는 계산에서는 물의 재순환을 모사하지 못함으로써 기포 분율의 갑작스런 증가, 이로 인한 수위의 갑작스런 강하 현상을 보였으며, REALP5가 가지는 I-D 계산의 제약성을 확인하였다. 반경 방향으로 두개의 노드를 가지고 노드의 윗부분과 아랫부분의 노드만을 서로 연결한 경우는 기포가 강수부의 전체 영역으로 퍼지는 것을 방지함으로써, 물의 강력한 순환을 제공하여 이러한 갑작스런 수위의 강하를 제거할 수 있었다. 결과적으로 이러한 노드 구성은 기존의 단일 노드로 구성된 경우나 모든 노드가 반경방향으로 연결된 경우보다 나은 결과를 제공하였다. 국부 액상 속도 분포의 측정과 현상의 관찰을 통해, 비교적 큰 직경에서 수직 가열면을 가지는 강수부에 적용하기 위한 드리프트 속도 모델이 개발되었다. 제안된 드리프트 속도 모델은 RELAP5 에 적용되었고, 실험 결과와의 비교를 통해 본 실험과 같은 상황에서 제안된 모델이 보다 유용함을 확인하였다.
