Confronting the aftermath of the Fukushima nuclear power plant accident, demands for enhanced safety features are raised steadily. One remarkable demand is adoption of passive systems. Korea has developed the passive auxiliary feedwater system (PAFS) for the Advanced Power Reactor Plus (APR+) against prolonged station blackout and confirmed its performance. Nowadays, to provide countermeasures against a more severe scenario of a loss of coolant accident under prolonged station blackout, a passive containment cooling system (PCCS) is stressed.
We propose several versions of our own PCCS design based on APR+ with its main feature resting on the air holdup tank (AHT). The AHT, which is similar to the suppression pool in BWRs, is a compartment disposed inside containment. Since the AHT draws air from the free space of containment, or near PCCS heat exchangers (HXs), air mass fraction near HXs can be reduced significantly, increasing their performance significantly. We find out through system code analysis that presence of AHT occupying 20% of containment free space leads to reduction of the number of PCCS HX tubes by more than one third.
Furthermore, through scoping analysis, HXs with in-tube condensation and external condensation are compared. As a result, externally condensing HXs outperform internally condensing ones because internally condensing tubes operates only in the presence of flow.
The phenomenon of flow instability inside PCCS HXs is observed and analyzed using the system code, MARS. Parametric study is performed to find out that the flow instability is mitigated by increasing the tube inclination, return nozzle height, and throttling degree.
Experiments are performed to explore the geometric effects of PCCS HX tubes. For that purpose, tube inclination and diameter are varied at two representative pressure values (0.24MPa, 0.38MPa) and two air mass fraction values (0.2, 0.4). Nearly horizontal tubes give 15%-30% higher heat transfer coefficients over vertical tubes, and smaller tubes (2.68cm OD) give 10%-20% higher coefficients over larger tubes (4.91cm OD). These results can be directly reflected on design of PCCS HXs. Regarding the tube bundle test on three layers of tubes with 10° and 30° inclinations, heat transfer degradation is found to be less than 5% at our test range.
In analysis of our experimental results, CFD approach is used and found to predict heat transfer coefficients very well (error~4%) while conventional correlations and heat and mass transfer analogy methods show relatively poor prediction (error~15%). After the validation, the CFD approach is further utilized to see the effect of steam-air velocity and chamber size on condensation heat transfer coefficients. Larger velocity and chamber size offer better heat removal performance; for example, injection of steam and air mixture at 1.0m/s brings about 40% higher heat transfer coefficient than at 0.1m/s. As the last finding, applicable range of CFD approach is examined: the CFD approach gives increasing discrepancy against our experiments when air mass fraction is less than 0.1.
후쿠시마 사고 이후, 발전소 정전 사고 상황 시에도 핵연료 및 격납건물의 안전을 보장할 수 있는 피동 계통에 대한 요구가 강화되고 있다. 국내에서도 APR+ 원전에 대해 피동 보조급수 계통을 개발 및 검증하여 발전소 정전 사고에 대비할 수 있게 하였다. 현재 발전소 정전 사고 뿐 아니라 배관 파단 사고가 동시에 발생한 사고에 대해서도 안전을 보장하기 위해 피동 격납건물 냉각 계통에 대한 개념 연구가 진행되고 있다. 지금까지 전 세계적으로 다양한 격납건물 냉각 계통 개념이 제시되고 개별 및 종합 실험이 수행되었지만 아직 주요 설계 요소에 대한 검증 및 열교환기 실험이 부족하다.
본 연구를 통해 국내 APR+ 원전을 기반으로 한 피동 격납건물 냉각 계통을 설계하고 성능 분석을 수행하였다. 또한 격납건물 냉각 계통의 핵심인 열교환기 형상 및 개수에 따른 효과를 실험적으로 확인하고 실험 상관식, 열물질전달상사 방식, CFD를 활용하여 분석하였다. 주요 성과는 다음과 같다.
첫째, 공기수집탱크(Air Holdup Tank, AHT)를 특징으로 한 효율적인 피동 격납건물 냉각 계통을 제시하고 주요 설계 요소 효과를 확인하였다. 공기 수집탱크는 격납건물 내부에 위치한 격실로서 격납건물 내 공간과 배기라인으로 연결되어 있어, 배관파단 사고시 격납건물 내부 (열교환기 주변) 공기를 제거하여 열교환기의 열전달률을 증가시킨다. 이 때, 공기수집탱크의 부피가 격납건물 자유체적의 20%에 이를 때, 열교환기의 설치 개수가 1/3 이하로 감소한다. 또한 시뮬레이션 계산을 통해 관외 응축 열교환기가 관내 응축 열교환기보다 더 효율적임을 확인하였다. 이는 관외 응축 열교환기가 격납건물 내 유동을 만들 구동력이 부족할 때에도 잘 작동하기 때문이다. 마지막으로 피동 격납건물 냉각 계통의 열교환기 내 유동 불안정에 대한 설계 변수 효과 분석을 하여, 열교환기의 각도를 증가시키거나 회수 노즐의 높이를 증가시키거나 스로틀링을 강화함으로 유동을 안정화시킬 수 있음을 확인하였다.
둘째, 관외 응축 열교환기의 기울기와 직경과 개수의 효과를 실험적으로 확인하고 분석하였다. 두 개의 압력 (0.24MPa, 0.38MPa)과 공기 분율 (0.2, 0.4)에 대해 열교환기 형상 효과를 확인하였다. 기울기가 수평에 가까울 때 수직에 비해 성능이 15%-30% 증가함을 관찰하였고, 직경이 4.91cm에서 2.68cm로 감소할 때 성능이 10%-20% 증가함을 관찰하였다. 관의 기울기나 직경은 설계 시 비교적 용이하게 변경할 수 있기에 이와 같은 실험 결과를 적극적으로 활용할 수 있을 것이라 여겨진다. 또한 다중 열교환기 효과 실험을 수행하여, 3열로 이루어진 10도와 30도의 열교환기 튜브에서 열전달 감소가 거의 없음을 확인하였다. 이와 같은 열교환기의 기하학적 효과는 기존의 실험 상관식으로는 예측이 불가능하였고, 열물질 전달 상사를 사용한다 할지라도 우리의 실험 데이터에 대해 오차가 15%정도에 이르렀다. CFD를 사용하여 응축양을 열교환기 표면 수증기 확산속도에 비례하도록 직접 User Defined Function를 통해 정의하여 계산하였을 때, 튜브의 기하학적 특성을 반영하여 계산할 할 수 있었을 뿐 아니라 우리의 실험 데이터에 대해 오차가 4% 이내로 정확함을 볼 수 있었다. 이뿐 아니라 CFD 계산을 통해 증기 속도 효과나 용기 크기 효과를 확인할 수 있었다. 다만 공기분율이 0.1 이하로 떨어질 때에는 CFD 계산의 예측 정도가 떨어짐을 확인하였다. 향후 다양한 조건에 대한 실험적 검증을 수행하며 공기 분율이 적을 때에 대해서도 예측 가능하도록 개발하는 것이 필요하다.
