An experimental study has been performed to investigate the droplet de-entrainment and air-water countercurrent flow limitation (CCFL) in the upper plenum during a loss-of-coolant accident (LOCA). Three separate experiments are performed in this study: (a) water accumulation and CCFL in the upper plenum with a multi-hole plate; (b) droplet de-entrainment by inertial impact on vertical rods in an air-droplet mixture flow; (c) droplet de-entrainment in the horizontal pipe.
In the first experiment, an experimental study is conducted to investigate the onsets of water accumulation and CCFL through perforated plates inside a vertical tank. The thickness of plates is 1 cm and 4 cm, with a relatively large hole diameter of 5 cm. The numbers of holes are 4 and 12. We examine the effects of the number of holes, plate thickness, water injection method and the location of air vent line on the onset of water accumulation or on the onset of CCFL. In addition, we investigate the influence of the location of air vent line on water level distributions. Experimental results show that the onset of water accumulation is promoted as the number of holes decreases and the water injection lines increase, while the plate thickness and the location of air vent line have a negligible effect on the onset of water accumulation. The location of air vent line in the upper plenum does not affect the water level distribution on the plate. For given water flow rate, the onset of CCFL occurs at the nearly same air flow rate regardless of the plate thickness. The negligible effect of the plate thickness on the water accumulation and CCFL means that the water accumulation and CCFL are initiated at the top of the plate rather than at its bottom. The gas flow rate per hole required for the onset of CCFL is relatively higher in the multi-hole plate than in the single tube because some of tubes in the multi-hole plate provide a flow path for liquid with less air-liquid resistance than in the single tube.
In the second experiment, we experimentally investigate the de-entrainment of droplets by inertial impaction on an array of vertical rods in an air-droplet mixture flow. The de-entrainment efficiencies are measured for a single rod, for a single row of rods, and for a multi-row of rods. We investigate the effects of the droplet mass flux (0.5 kg/㎡s to 5.4 kg/㎡s), the droplet Weber number (3000 to 8000), the air velocity (0 m/s to 6 m/s), the rod geometry, and the surface roughness and the rod diameter-to-pitch ratio effect on the de-entrainment. The results for a single rod show that the de-entrainment efficiency decreases slightly as the droplet mass flux increases; however, in our experimental ranges, there is negligible dependence on the droplet Weber number, the air velocity, and the surface roughness. The rod geometry affects the de-entrainment efficiency. The results for a single row of rods show that the existence of neighboring rods promotes de-entrainment due to droplet splashing, and we develop a correlation to show the effect of diameter-to-pitch ratio on the de-entrainment. Using information on the de-entrainment efficiencies of a single rod and those of a single row of rods, we propose a correlation that predicts the de-entrainment efficiency for a multi-row of rods with a staggered array. The RMS errors of the correlation from the de-entrainment efficiencies experimentally obtained are within 13.5 percent.
In the third experiment, the de-entrainment of droplets in hot-legs is experimentally evaluated. To simulate the hot-leg, a horizontal pipe with a diameter of 0.084 m is connected to the upper plenum. The diameter-to-length ratio of the test section is 0.168. To evaluate the de-entrainment rate, liquid film is extracted at two different points (0.15 m and 0.65 m distant from pipe inlet) along the axial direction of the test section. The ranges of droplet mass flux are 0.52 to 1.7 kg/㎡s. The ranges of superficial velocity of air are 15 to 20 m/s. The results show that about 80% of droplets are de-entrained within 0.5 m from the inlet of the test section regardless of droplet mass flux and air velocity. On the basis of the experimental data, a correlation is developed to predict the de-entrainment fraction in the horizontal pipe.
냉각재 상실사고(LOCA)시 원자로 상부플레넘과 고온관(hot leg)에서의 액적점착 및 Upper Core Support Plate (UCSP)에서의 역류유동제한에 관한 실험적 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 다음과 같이 세가지 개별 실험을 수행하였다.
첫 번째, UCSP를 모사하는 다공성 판(perforated plate)에서의 물의 축적이 시작되는 시점(onset of water accumulation)과 CCFL이 발생하는 시점(onset of CCFL)에 관한 실험을 수행하였다. 원자로 상부플레넘을 모사하기 위해서 내경이 48 cm이고 높이가 2 m인 수직 탱크의 중앙 높이에 다공성 판을 설치하였다. 판의 두께는 1 cm와 4 cm이고 hole의 개수는 4개와 12개이다. 실험을 통해서 유동 통로, 즉 hole의 개수, 판의 두께, 상부플레넘으로의 물 주입 방법, 그리고 상부플레넘에서의 공기 배출구의 방향이 물의 축적과 CCFL에 미치는 영향을 살펴보았다. 또한 공기 배출구의 방향이 상부플레넘에서의 수위 분포에 미치는 영향을 살펴보았다. 물의 축적이 시작되는 시점은 주입되는 물의 유량이 많을수록, 그리고 hole의 개수가 적을수록 증진되었다. 공기 배출구의 방향이 물의 축적과 CCFL의 시점, 그리고 상부플레넘에서의 수위 분포에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 또 물의 축적과 CCFL의 시점은 판의 두께와는 무관하였다.
두 번째, 상부플레넘 제어봉안내관(control rod guide tube)에서의 액적점착률을 조사하기 위해서 실험을 수행하였다. 상부플레넘의 제어봉안내관을 모사하기 위해서 폭 0.3 m, 높이 0.292 m인 사각 유로 내에 수직봉을 설치하였다. 수직봉의 직경은 0.048 m이다. 하나의 수직봉, 하나의 열로 이루어진 수직봉 배열, 그리고 총 다섯 개의 열로 이루어진 수직봉 배열에 대해서 각각 액적점착률(de-entrainment efficiency)을 측정하였다. 액적의 질량 유속 (0.5 - 5.4 kg/㎡s), 액적의 Weber 수, 공기 속도 (0 - 6 m/s), 수직봉의 형상, 표면 조도, 그리고 수직봉의 직경-피치 비에 대한 영향을 조사하였다. 액적점착률은 액적의 질량 유속이 증가할수록 약간 감소하였으나, 액적의 Weber 수, 공기 속도, 표면조도가 액적점착률에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 하나의 열로 이루어진 수직봉 배열에서는 수직봉의 직경-피치 비가 증가할수록 액적점착률이 증가하였다. 하나의 수직봉과 하나의 열로 이루어진 수직봉 배열에서의 액적점착률로부터 다수 열에서의 액적점착률을 예측할 수 있는 새로운 실험상관식을 개발하였다. 개발된 상관식과 실험 데이터와의 RMS 오차는 ±13.5% 이다.
마지막으로, 고온관내에서의 액적점착률을 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 고온관을 모사하기 위해서 직경이 0.084 m이고 측정 길이가 0.5 m 인 수평관을 수직 탱크에 연결하였다. 수평관내에서 점착된 액적은 액막의 형태로 관 내부를 흐르게 되는데 액막을 추출함으로써 액적점착률을 측정하였다. 수평관내로 유입되는 액적의 질량 유속(0.52 - 1.7 kg/㎡s)과 공기 속도(15 - 20 m/s)의 영향을 조사하였다. 측정 결과, 액적의 질량 유속과 공기 속도와는 상관없이 유입되는 액적의 80%가 0.5 m의 측정 길이에서 점착되었다. 실험 데이터를 기준으로 수평관에서의 액적점착률을 예측할 수 있는 상관식을 개발하였다.
