The flame arrest function using the quenching mesh for hydrogen gas that is generated during severe accidents is studied for the purpose of arresting DDT and maintaining the equipment’s survivability. When considering safety, the metallic mesh with a gap distance of 0.3 mm is finally designed from the results of the quenching distances measurement.
The performance test is carried out to check the flame arrest function between the compartments of the quenching mesh that is designed based on the measured quenching distance. In the quenching mesh performance test of the small-scale experimental facility (Sub-atmospheric pressure, 30% hydrogen concentration), the quenching mesh played a role of flame quenching below 0.4Bar. The flame is quenched or not quenched at 0.3Bar depending on the flame velocity. The medium-scale tests (Over atmospheric pressure, 8-10% hydrogen concentration) are carried out at the conditions over the atmospheric pressure (1.1-2.2Bar) for various hydrogen concentrations (8-10%). From the flame images and the temperatures and pressures measured during combustion, it is confirmed that the quenching mesh played a role of flame quenching up to a 10% hydrogen concentration at 1.0Bar. The quenching mesh played a role of quenching the flame with a flame velocity of 1.65m/s at 1.8Bar. However, the quenching mesh could not play a role of quenching the flame over 2.0Bar.
In the medium-scale test facility, the equipment survivability test is carried to check the equipments protection in a containment using the quenching mesh. The model equipment (10cmx10cmx10cm) is located at the center of the flame passage. At an atmospheric pressure, the temperature of 100℃ at the surface of the model equipment during the hydrogen combustion is maintained at near the atmospheric pressures. The mesh played a role of protecting the equipment during the hydrogen combustion. However, the temperature at the surface of the model equipment increases to over 200℃ when the initial pressure increases up to 1.4Bar. In addition, the temperatures increase much more when flame is accelerated.
The analysis is performed to estimate whether the flame can be quenched or not at a combustion condition. The first model, which is derived by assuming that the flame is quenched by the conduction heat loss from the flame zone to the mesh, approximates the experimental results. However, the exact agreement is obtained when assuming the heat conduction from the high temperature zone of over 2000℃ to the wall at the room temperature is not linear. The second model that is the case when the conduction heat loss from the flame to unburned gas and the convection loss from the flame to the mesh wall, is considered, simultaneously, shows a big difference because it assumes that the reaction zone occurs at total flame thickness and the heat convection from the flame zone to the mesh wall is modeled. To overcome the difference between the models, we assumed that the coefficients, which are almost constant for an initial mixture condition, are equal to the constant. The relation using the expansion ratio, the flame velocity and the initial pressure that are very important factors for flame quenching is suggested. In other words, if $ρ_u/(ρ_bPV_f)$ is greater than 1 for the metallic mesh with a 0.3mm gap distance, the flame is quenched. If the expansion ratio over the initial pressure and flame velocity is less than 1, the flame is propagated.
In conclusion, the quenching mesh with a 0.3mm gap distance can be a means for hydrogen control in severe accidents to arrest the DDT that is caused by the flame propagation and to protect the major equipments during the hydrogen combustion.
원전 중대사고시 필수적으로 발생하는 수소가스에 의한 폭발 위험을 대처하기 위해 소염망을 이용하여 격실간 화염전파 억제 및 기기 보호 가능성을 연구하였다. 이를 위해 먼저 수소가스에 적용할수 있는 소염거리를 측정하였다. 대기압 조건에서 소염거리는 기존의 연구결과와 잘 일치하였다. 중대사고시 압력조건을 고려하기 위해 압력효과에 대한 소염거리를 측정한 결과 압력이 증가할수록 소염거리는 감소하였으며, 수증기를 농도가 증가하는 경우 소염거리는 증가하였다. 어느 경우든 소염거리는 이론 당량비에서 최소값을 보였으며, 압력 및 수증기는 서로 상쇄효과가 있었다. 중대사고시 격납건물내의 수소농도는 이론 당량비 보다 훨씬 낮으나 보수성을 고려하여 소염거리는 이론 당량비에서 결정되었다. 실제 소염망은 안전성을 고려하여 측정된 소염거리의 1/2로 줄여 간극을 0.3mm으로하여 설계하였다.
소염망을 통한 화염전파 억제를 평가하기 위해서 우선 격실간 화염전파 실험을 수행하였다. 격실간 화염전파 억제 실험은 소형실험(초기압력이 대기압이하, 이론 당량비)과 중형실험(초기압력 대기압 이상, 수소농도 8-10%)에서 수행하였다. 소형 실험결과 초기압력이 0.4bar 이상인 경우 소염망의 성능은 격실간 화염전파 억제 기능을 수행하지 못하였다. 또한, 초기압력이 0.3Bar인 경우에도 화염속도가 빠른 경우는 소염이 이루어지지 않았다. 이러한 실험 결과를 설명하기 위해 현상학적 모델을 개발하여 적용한 결과 초기압력의 중요성이 소염망의 성능에 미치는 효과를 정성적으로 잘 설명해 주었다. 소형실험에서의 결과는 압력이 대기압 이하의 낮은 압력과 이론 당량비 수소농도 조건에서 수행되었으므로 대기압 이상, 수소농도 약 10%내외의 원전 조건에 소염망의 적용성을 평가하는데 한계가 있었다. 따라서 대기압 이상의 초기압력(1.0Bar-2.2Bar)과 실제 원전에서 발생 가능한 수소농도(~8-10%)조건에 대해 중형규모의 비교적 큰 수소연소실에서 소염망의 성능을 평가 하였다. 실험결과 화염 이미지, 온도변화, 압력변화로부터 초기압력이 대기압일 때 수소농도 10% 까지 소염망이 격실간 화염전파 억제 기능을 잘 수행함을 확인하였다. 즉 화염전파 이미지를 촬영한 결과 소염망이 없는 경우 화염은 급속히 격실간 전파하였으나 소염망이 설치된 경우 화염은 전파하지 못하고 고온의 가스만 천천히 소염망을 통과하는 것으로 나타났다. 소염망이 설치된 전단의 격실에서는 대기온도가 수소농도에 따라 약 400~500℃ 를 유지하였으나 소염망이 설치된 반대편의 격실의 온도는 100℃ 이하로 유지되었다. 초기 공기압의 효과를 보기위해 격실내 초기 압력을 1.1기압부터 1.4기압까지 증가시킨 경우, 화염속도 1.45m/s(수소농도 10%)에 대해서도 소염망을 성능을 잘 유지하였다. 또한, 화염가속효과를 보기 위해 첫번째 격실앞에 화염가속장치를 설치하여 소염망의 성능을 실험하였다. 가속 장치는 이전에 비해 약 15% 정도의 화염가속효과를 가져왔다. 이번에도 초기 공기압을 1.1기압부터 2.2기압까지 증가시킨 경우에 대해 소염망의 성능을 실험한 결과 1.8기압까지는 소염망의 성능이 유지되었으나 2기압 이상에서는 소염망의 성능이 유지되지 못하였다.
소염망을 수소연소 기간동안 격납건물내 주요기기 보호에 활용하고자 기기 보호 실험이 중형규모의 실험장치에서 이루어졌다. 이를 위해 모델기기(크기 10cm×10cm×10cm)를 화염이 지나가는 중앙에 설치하였다. 모델기기 표면에서 약 5mm 떨어진 곳에 열전대를 설치한 후 모델기기의 주변에 소염망이 없을 경우와 있을 경우에 대해 실험하였다. 이때 소염망은 모델기기의 표면으로부터 약 10mm 거리에 위치한다. 초기압력이 대기압에서는 수소농도 약 10%까지 소염망을 설치하였을 경우 모델기기의 표면온도가 약 100℃ 이하로 유지되었다. 따라서 원전에서 주요기기의 검증온도가 약 200℃ 부근이므로 기기의 건전성이 유지된다고 할수 있었다. 그러나 압력을 대기압 이상 1.4기압까지 증가시킨 경우 표면의 온도는 200℃ 이상으로 나타나 모델기기의 건전성이 유지된다고 보기 어려웠다. 더욱이 화염을 가속시키고 초기 압력을 2.0기압으로 유지 시킨경우 표면의 온도는 더욱 증가하여 기기 건전성의 유지가 어려웠다.
실험결과의 해석은 어떤 수소연소 조건까지 격실간 소염망의 성능이 유지될수 있는지를 평가하기위해 이루어졌다. 모델은 소염망의 단일 요소에서 화염에서 소염망으로의 열전달 모델을 통해 이루어지는 것으로 가정하였다. 화염 냉각 모델은 첫째 화염 냉각이 소염망의 벽면을 통해 전도열로 이루어지는 경우로 기존의 두개의 평판사이의 화염냉각 모델을 본 실험에서 수행한 사각모형의 화염냉각 모델로 확장한 모델과 두번째는 화염에서의 열손실을 화염으로부터 대기로의 전도 열손실과 화염에서 소염망 벽면으로의 열전달을 대류 열전달로 이루어지는 경우인 기존 연구자의 모델을 사용하였다. 첫번째 모델의 경우 화염영역에서 소염망 벽면으로 전도 열전달을 선형분포로 모델하는 경우 실험과 비교적 근사하였으나 보다 정확한 일치를 위해 열전도 방법이 선형분포가 아닌 계수를 조정한 임의 분포에서 잘 실험을 잘 예측하였다. 두번째 모델의 경우 실험과 많은 차이를 보였는데 이에 대한 이유로는 화염두께 모델시 화염지역을 화염두께로 가정하였고, 화염지역에서 소염망 벽면으로의 열전달을 전도가 아닌 대류 열전달로 모의하였기 때문이다. 두 모델에서 초기 혼합물 조건에 따라 변화가 미미한 물질상수로 이루어진 계수를 일정계수로 놓고 주어진 팽창비, 화염속도 및 초기압력을 이용하여 소염망의 성능을 판단 할수 있는 소염기준을 제시하였다. 즉 0.3mm 의 소염거리를 가진 금속 소염망은 $ρ_u/(ρ_bPV_f)$ 이 1보다 큰 연소조건에서는 소염이 이루어지고, 1 보다 작으로 소염이 이루어지지 않는다.
결론적으로 중대사고 사고시 수증기가 존재하므로 소염거리가 증가하므로 0.3mm의 소염거리를 소염망을 수소농도가 높게 나타나는 격실 사이에 설치할 경우 화염전파 억제 가능성은 매우 높아 아음속연소에서 초음속으로 천이 억제가 가능하다. 또한, 수소연소시 우려되는 주요기기의 보호실험에서도 압력이 높을수록 모델기기의 표면의 온도가 증가하였으나 이는 모델기기의 표면으로부터 소염망까지의 거리를 조절하므로써 온도를 낮출수 있으므로 기기 보호 이용 될 수 있다.
