The critical heat flux (CHF) in the vicinity of an inclination angle of 90° for the reactor vessel lower head external wall was measured using three test sections of a two-dimensional slice. The top of the test section, which simulates the reactor vessel lower head for the in-vessel retention through the external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) strategy for severe accidents, was primarily considered in this study. The first purpose of this study was to evaluate the CHF in terms of local conditions for the top of the reactor vessel lower head using a 2D small-scale test section and especially clarify the geometric scaling effect and the relationship for the CHF between a 2D slice test section and a 3D downward facing hemisphere. The second purpose is to predict the CHF for the realistic conditions of IVR-ERVC strategy and academically investigate the effect of additive, heater material and pressure.
For the geometric scaling effect, three test sections, with respective radius of curvatures values of 0.15 m, 0.25 m and 0.5 m were used. To compare with the large-scale experiments, the heater material of type 304 stainless steel (SUS304) was used and the mass flux of 50 and 500 $kg/m^2s$ and the inlet subcooling near the saturated condition were considered. The ULPU data were generally greater than the CHF data in this study, which is due to the surface property. Using the CHF data from Jeong et al. (2005), the CHF results were discussed based on the local condition for scales between R=0.15 and 2.5 m. However, the local conditions cannot suitably explain the relationship between the R=0.25 m and R=0.5 m test cases. To eliminate the inconsistency in the CHF relationship of the mass flux and exit quality conditions, a flow visualization technique was used, and the formation of a two-phase boundary layer flow was observed. Applying the scaled-down gap size, the exit quality values for the experimental results were modified. CHF correlations were developed with the data from this study and from Jeong et al. (2005).
For the effect of additive, heater material, three test sections were also used. The heater material of SUS304 and SA508 (low alloy steel) and the additive solutions of boric acid and tri-sodium phosphate (TSP, Na_3PO_4·12H_2O) were used. The CHF on the SUS304 heater was enhanced by using additives, except for boric acid case in the R=0.15 m test section. It was explained that the CHF enhancement was due to wettability improvement by additive and the CHF reduction resulted from the smooth surface due to more removal of boric acid under low exit quality condition. An enhancement of CHF with the SA508 heater was confirmed in comparison with stainless steel reference heaters, which have negligible steel oxidation. As a result of the combined effect tests, the CHF with a TSP solution was reduced and the CHFs with a boric acid and a mixed solution (boric acid and TSP) were enhanced in comparison with the deionized water reference case. The CHF results are discussed in terms of steel oxidation according to the pH of the working fluid. Steel oxidation is also affected by local flow conditions as shown in the R=0.5 m tests in which the boric acid and mixed solution had negligible effects on CHF enhancement. Under a relatively high concentration of boric acid (2.5 wt%), additive deposition as well as steel oxidation were observed and resulted in CHF enhancement.
For the pressure effect, the R=0.5 m test section was used under the pressure of 2 bar. The CHF for pressurized conditions was enhanced in comparison with 1 bar data, as the general relationship. However, there was disagreement between the experimental results and the existing CHF model. For the effect of heater material and additive, although the CHF enhancement was also confirmed, the CHF enhancement rate was decreased in comparison with 1 bar cases because the effect of the wettability improvement on the CHF can be reduced in relatively low void fraction.
The CHF on a downward facing curved surface was theoretically discussed for the effect of heater material, additive, pressure as well as local conditions, and the CHF model was developed, based on the characteristic of flow boiling CHF model and the existing model. The proposed CHF model consists of the five relationship for CHF mechanism, slug length, relative velocity between liquid and vapor, micro layer thickness and liquid velocity. For the reference case (SUS304, DI water), the proposed CHF model including the best fitting constant terms is well matched with the tendency with mass flux, exit quality and pressure. For the Combined cases of heater material and additive, the correction factors were found, based on the relationship between the CHF enhancement ratio and the void fraction.
3가지 크기의 2차원 slice 시편을 이용해, 원자로용기 하부헤드 외벽 90° 근처 부분에 대한 임계열유속을 측정하였다. 특히, 중대사고 시 원자로용기 외벽냉각을 통한 노심용융물 노내 억류에 대한 원자로용기 하부헤드 조건을 모사하는 시편의 상부 부분에서의 임계열유속 특성을 파악하는 것이 근본적인 연구 목표이다. 세부적으로는, 2차원 소규모 시편을 이용해 국부조건에 따라 임계열유속을 평가하고, 2차원 시편과 3차원 하향 반구 시편과의 관계성과 구조적인 척도 효과를 파악하는 것이 첫 번째 목표이다. 그리고 원자로용기 외벽냉각 전략에 대한 실제 조건을 적용해 임계열유속 평가하고 학문적으로는 첨가제, 가열면 재질, 압력에 대한 영향을 분석하는 것이 두 번째 목표이다.
구조적인 척도 효과를 파악하기 위해서 곡률반경 0.15 m, 0.25 m, 0.5 m의 3가지 시편을 사용하였고, 대규모 실험의 임계열유속 결과와도 비교하기 위해서 가열면 재질로 스테인리스 스틸 계열인 SUS304를 사용하고, 50-500 $kg/m^2s$의 질량 유속, 포화상태에 가까운 입구 비포화도 조건을 고려하였다. ULPU 실험 결과와 비교해 본 연구에서 얻은 임계열유속 결과가 상대적으로 낮았는데, 이는 가열면 특성 차이에 기인하는 것으로 나타났다. Jeong et al. (2005)의 실험결과를 이용해 곡률반경 0.15 m-2.5 m 규모 범위에서 국부조건에 대해 임계열유속을 해석하였다. 하지만 곡률반경 0.25 m와 0.5 m 시편에 관해서는 국부조건에 따라 임계열유속 해석하는 것이 타당하지 않았다. 임계열유속과 국부조건의 일반적인 관계성에 위배되는 결과에 대해서 유로 내 유동을 관찰하고, 규모 크기와 간극의 관계성을 적용해 출구 건도 값을 보정하였다. 이를 기반으로 본 연구와 Jeong et al. (2005)의 임계열유속 결과를 종합해 임계열유속 상관식을 개발하였다.
첨가제와 가열면 재질 영향을 파악하기 위해서 마찬가지로 3 가지의 시편을 사용하였다. 가열면 재질로는 SUS304와 탄소강 재질의 SA508, 첨가제 용액으로 붕산과 삼인산나트륨 (TSP)을 사용하였다. SUS304 가열면에서는 곡률반경 0.15 m 시편에서 붕산 경우를 제외하고, 모든 경우에서 임계열유속 증진을 확인하였고 이는 증류수에 비해 첨가제가 좋은 습윤특성을 지니기 때문이다. 하지만 붕산의 임계열유속 저감 효과는 오히려 붕산이 저 건도 조건에서는 표면을 더 매끄럽게 변화시키는 특성에 기인하는 것으로 해석하였다. SA508 시편에서는 철 산화효과에 의해 SUS304 시편에 비해 임계열유속이 증진되는 결과를 나타냈다. 첨가제와 가열면 재질 복합 영향에 대해서는 SA508 시편에서 첨가제에 따른 영향을 파악하였다. 증류수 조건에 비해, TSP 용액의 경우 임계열유속이 감소되는 결과를, 붕산과 붕산, TSP 혼합용액의 경우 임계열유속이 증진되는 결과를 얻었다. 이는 첨가제에 따라 철 산화 정도가 달라져 임계열유속 차이가 발생한 것으로 판단하고 용액의 pH와 실험 후 표면을 관찰하였다. 상대적으로 큰 규모의 시편 (곡률반경 0.5 m)에서는 임계열유속 증진 정도가 감소하는 결과를 확인하였고, 원인은 고 건도 조건에서는 철 산화 정도와 습윤성이 감소하기 때문이라 추측하였다. 또한 상대적으로 높은 농도의 붕산 용액 조건에서 철 산화뿐만 아니라 첨가제가 표면에 쌓이기 때문에 좀 더 높은 임계열유속 증진을 나타냈다.
압력 영향을 평가하기 위해서 2 기압 조건에서 곡률반경 0.5 m 시편을 사용해 임계열유속 결과를 얻었으며, 일반적으로 알려진 경향대로 1 기압 조건에 비해 임계열유속이 증진됨을 확인하였다. 하지만 그 증진 정도에 대해서는 기존의 임계열유속 모델과 상당한 차이를 보였다. 첨가제와 가열면 재질 영향은 1 기압 조건과 마찬가지로 가압 조건에서도 임계열유속을 증진시키는 경향을 보였다. 하지만 임계열유속 증진 정도는 가압 조건에서는 감소하였고, 이는 가압으로 인한 낮은 기포분율 조건에서 습윤특성의 효과가 감소하기 때문이라 해석하였다.
본 연구에서 얻은 모든 결과들을 종합해, 가열면 재질, 첨가제, 압력, 국부조건에 대해 이론적으로 분석하고, 기존 유동비등 임계열유속 모델과 하향면 임계열유속 모델에 기반해 앞서 언급한 모든 영향을 반영할 수 있는 임계열유속 모델을 개발하였다. 제안된 임계열유속 모델은 임계열유속 발생 기작, 슬러그 길이, 액체 기체간 상대 속도, 미세층 두께, 액체 속도에 관한 5 가지 관계식으로 구성하였다. 대표적인 조건으로 SUS304, 증류수 조건에 대해서 실험 값과 비교해 얻은 상수 값을 적용한 임계열유속 모델은 질량 유속, 출구 건도, 압력에 대한 경향성을 잘 나타내었다. 첨가제과 가열면 재질이 복합된 조건에 대해서는 임계열유속 증진 비율과 기포 분율과의 관계성을 이용해 보정인자를 구했다.
