RELAP5-3D is one of the most important system analysis codes in nuclear field, which has been developed for best-estimate transient simulation of light water reactor coolant systems during postulated accidents. The GAMMA code is a multi-dimensional multi-component mixture analysis code with the complete set of chemical reaction models which is developed for safety analysis of HTGR (High Temperature Gas Cooled Reactor) air-ingress. The two codes, RELAP5-3D and GAMMA, are coupled to be used for nuclear-hydrogen system analysis, which requires the capability of the analysis of multi-component gas mixture and two-phase flow.
In order to couple the two codes, 4 steps are needed. Before coupling, the GAMMA code was transformed into DLL (dynamic link liberally) from executive type and RELAP5-3D was recompiled into Compaq Visual Fortran environments for our debugging purpose. As the second step, two programs - RELAP5-3D and GAMMA codes - must be synchronized in terms of time and time step. Based on that time coupling, the coupled code can calculate simultaneously. Time-step coupling had been accomplished successfully and it is tested by using a simple test input. As a next step, source-term coupling was done and it was also tested in two different test inputs. The fist case is a simple test condition, which has no chemical reaction. And the other test set is the chemical reaction model, including four non-condensable gas species, which are He, O2, CO, CO2. Finally, in order to analyze combined cycle system, heat-flux coupling has been made and a simple heat exchanger model was demonstrated.
원자력 분야의 대표적인 시스템 코드인 RELAP5-3D와 혼합 가스 및 gas-cooled reactor에 대한 해석을 할 수 있는 GAMMA 코드를 커플링하는 작업을 했다. 커플링할 수 있는 여러가지 방법중에 DLL을 이용하여 RELAP5-3D 에서 GAMMA를 직접 불러서 사용할 수 있도록 하였다. 이번 커플링을 통해서 달성된 것은 크게 두가지 인데. 하나는 RELAP5-3D 에서 다룰 수 없었던 기체와 벽면 사에서 발생하는 화학 반응을 처리 할 수 있게 된 것이고, 다른 하나는 두 코드를 열교환기를 통해서 연결 할 수 있게 됨으로써 gas-steam 이 혼합된 시스템에 대한 해석을 할 수 있게 된 것이다.
TASK0-본격적인 커플링 전에, text기반으로 되어 있어서 디버깅하기 힘든 기존의 개발 환경을 보다 직관적이고 편리하게 만들 필요가 있어서 Compaq Visual Fortran으로 바꾸는 작업을 했고, 자세한 과정은 이 문서에 상세하게 기술했다. 커플링 뿐 만 아니라 RELAP5-3D 에 새로운 관계식을 추가하거나 계수를 변경하는 등, 수정 작업을 할 때 편리하게 사용 할 수 있다.
TASK1-시스템 코드 두개가 연결되기 위해서는 우선 각 코드의 time step이 일치해야 한다. time step 커플링에서 제일 중요한 것은 각 코드에서 수렴이 실패했을 경우에 대한 처리 이고, 한번이라도 어긋나면 그 이후의 계산은 아무 의미가 없어지기 때문에 세심한 주의가 필요하다. 이 커플링에 대한 검증은 이 후 커플링을 통해서도 계속 검증했다고 볼 수 있다.
TASK2 - RELAP5-3D 에는 없고 GAMMA에는 있는 대표적인 기능이 가스와 벽면 사이의 화확 반응에 대한 고려이다. source term 커플링은 GAMMA에서 계산한 화학 반응으로 인해 생긴 가스(CO,$CO_2$)의 에너지와 질량을 RELAP5-3D 의 source term으로 넣어주는 방법으로 구현되었다.
TASK3 - gas cycle과 steam cycle이 연결되어 있는 시스템의 경우. 현재까지 나와있는 코드로는 FLOWNEX 라는 상업용 프로그램 말고는 대안이 없는 상황이었다. 하지만gas cycle 쪽은 GAMMA 가 계산하고 steam cycle 쪽은 RELAP5-3D 이 계산하게 만들면서heat flux 커플링을 이용하여 그 중간을 열교환기 형태로 연결시켰다. 각각의 장점을 그대로 살리면서 상업용 프로그램보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있는 방법을 제시했다.
두 코드 모두 2/3D 의 다 차원 해석도 가능한 코드이기 때문에 그 부분에 대한 테스트를 할 필요가 있고, steam cycle 쪽이 다상유동인 경우 대한 실험적인 데이터가 있다면 의미있는 비교가 될 것이다.
