A High Pressure Melt Ejection (HPME) is one of the most important phenomena relevant to Direct Containment Heating(DCH) which could lead to an early containment failure in a severe accident of PWRs. Dispersal of core debris following a postulated high pressure failure of PWR reactor vessel has been investigated by experimental works and one-dimensional computer modeling to find the relation between the fraction of melt simulant retained in the cavity and the reactor vessel initial conditions as well as to examine the hydrodynamic processes in a reactor cavity geometry.
Simulated HPME experiments have been performed with two small-scale (1/25-th and 1/41-st) transparent reactor cavity models of the Young-Gwang unit 1&2. Wood's metal and water have been used as melt sumulants while high pressure nitrogen and carbon dioxide have been used as driver gases to simulate the blowdown steam and gas from the breach of the reactor pressure vessel.
The high speed movies of the transient tests showed that no fraction of the melt simulant exits the cavity model via the vertical cavity tunnel under its own momentum, and that the discharged simulant from the pressure vessel exits the reactor cavity model during the gas blowdown. The principal removal mechanism seemed to be a combined mechanism of film entrainment and particle levitation due to the driving force of the blowdown gas.
Experimental data for the fraction of melt simulant retained in the cavity model ($Y_f$) during a postulated scenario of the HPME from PWR pressure vessels have been obtained as a function of various test parameters. These data have been used to develop a correlation for $Y_f$ that fits all the data (a total of 313 data points) within the standard deviation of 0.054 by means of dimensional analysis and nonlinear least squares optimization technique. The basic effects of important parameters used to describe the HPME accident sequence on the $Y_f$ are determined based on the correlation obtained here and experimental evidence.
From the quasi-steady tests, a dispersed-droplet mode of sweepout was observed to occur in the experiments at much lower gas velocities than the predicted values by the entrainment thresholds. This indicates that in these experiments actual disengagement of liquid droplets from the fluid surface was occurred by some other mechanism not by the idealized wave-crest stripping and growth of interface instability. And also there was an optimum depth of water in the cavity models for the threshold gas velocity of the liquid droplets drived out from the cavity model.
Additionally the one-dimensional computer model for the HPME from a reactor vessel has been developed on the basis of the existence of a 'dispersed annular flow' regime within the cavity, which is presumed by the observation of the high speed movies. Predicted values for the $Y_f$ have a good agreement with the experimental data for the water simulant tests, whereas the predictions of $Y_f$ have a lack of agreement with experimental data for the Wood's metal simulant tests mainly due to the discrepancy of entrainment model. Two or three-dimensional model may be required for a more detailed analysis of the complex flow field in a cavity
고압용융물방출(HPME)은 가압경수로(PWR)의 중대사고시 초기에 격납용기의 파손에 이르게 할 수 있는 격납용기 직접가열현상(DCH)에 관련되는 중요한 현상중 하나이다. PWR원자로용기가 가상적으로 고압상태에서 파손되었을 때, 주어진 기하학적 구조의 원자로 캐비티내에서 HPME에 대한 유체역학적 경위를 조사하고, 원자로 노심용융물의 모사체가 원자로 캐비티 모델에 잔류되는 비율과 원자로용기의 초기조건과의 관계를 규명하기 위하여 실험적 연구와 1차원 전산모델을 이용한 연구가 수행되었다.
실험적 연구로 두 개의 투명한 영광(1,2 호기)발전소 원자로 캐비티의 축소모형 (1/25 및 1/41)을 이용하여 고압용융물 방출에 관한 실험을 수행하였다. 노심용융물의 모사체로는 우드합금(Wood's metal)과 물을 사용하였으며, 원자로 가압용기의 갈라진 틈으로 부터 blowdown되는 증기와 가스를 모의하기 위해서는 고압의 질소와 이산화탄소를 구동가스로 사용하였다.
과도상태 시험의 고속촬영으로 노심용융물 모사체가 수직 캐비티 터널을 자신의 운동량으로 빠져나오지 못하고 가스 blowdown중에 빠져 나옴을 알았다. 모사체의 주요 이동 메카니즘은 blowdown 가스의 구동력에 의한 필름의 액적화 및 입자 부유의 혼합 메카니즘으로 보인다.
하나의 가상적 시나리오로서 가압경수로(PWR) 압력용기로부터 고압용융물이 방출될 때 노심용융물중 캐비티 밖으로 방출되지 않고 캐비티 속에 남는 용융물의 비율($Y_f$)을 여러가지 실험변수의 함수로 데이타를 얻었다. 이 실험 데이타를 차원해석과 비선형 최소자승 최적화 기법에 의해 전체 실험 데이타(313 데이타)와 표준편차 0.054 이내로 일치하는 $Y_f$에 대한 상관식을 도출하는데에 사용하였다. 또한 도출된 상관식과 실험적 증거에 의하여 HPME 사고경위를 기술하는데에 사용되는 주요 매개변수들이 $Y_f$에 미치는 기본적 영향을 결정하였다.
준 정상상태의 시험으로부터 분산액적은 액적발생 시작속도 관계식에 의한 속도보다 작은 가스속도에서도 캐비티모델 밖으로 밀려나옴이 관찰되었다. 이는 액적의 방출이 시작되는 점에서는 액체표면으로부터 액적이 유리되는 메카니즘이 이상적인 파동정상의 일탈이나 경계면의 불안정의 성장에 기인하는 메카니즘과 다름을 의미한다. 액적이 캐비티 밖으로 밀려나오는 가스의 시작속도에는 최적상태의 액체층의 깊이가 존재하였다.
그리고 고속촬영에 의하여 관찰된 원자로 캐비티내의 'dispersed annular flow'영역이 존재한다는 사실에 입각하여 HPME에 대하여 1차원 전산모델을 개발하였다. 전산모델에 의한 $Y_f$값에 대한 예측치는 물 모사체의 실험데이터와 잘 일치하였으나, 우드합금의 실험데이터와는 일치하지 않았으며 그 주된 원인은 액적발생율 모델이 맞지 않는 것 때문이었다. 원자로 캐비티내의 복잡한 유동장내에서 상세한 해석을 위하여는 2차원 혹은 3차원의 모델이 요구된다
