A PC-based real-time simulator for two-loop pressurized water reactor plants, FISA-2/PC, has been developed for classroom training in support of full-scope simulator, onsite transient analysis, and engineering studies.
The FISA-2/PC package consists of three functional modules: plant module, graphic display module, and interactive communication module. The plant module based on first-principle includes models for core kinetics, reactor coolant system, steam generator, main steam line, and control and protection systems. Each of the models is optimized to obtain the capability of real-time simulation. In the plant module, implicit algorithms in lieu of explicit ones are used due to their inherent stability and efficiency in solving the stiff set of equations resulted from component models. Especially for simulating the reactor coolant system thermal-hydraulics, the FISA-2 numerical scheme is developed, which adopts a fully-implicit two-fluid model for two-phase flow. It allows the use of a larger time-step than the Courant limit without any numerical instability, and it also guarantees reasonable accuracy.
As tools for man/machine interface, FISA-2/PC uses a color CRT monitor, a standard keyboard, and a mouse. The menu-driven on-line graphic display module receives the values of about 140 parameters from the plat module and subsequently displays some parameters selected by the user on a color CRT monitor. It is designed to provide the user with more information at a glance by dynamically displaying schematic diagrams of the systems, vertical bar chart, symbols indicating the operating status of each component, alphanumeric values, and trend curves. The interactive communication module receives about 60 parameters from the user via the keyboard and mouse, and transfers them to the plant module so as to enable the user to perform his specific actions. In order to facilitate interactive communications, the tree-structured menu are always prepared on the monitor. This module provides the user with various initiating events (malfunctions and manual controls),and thus a wide range of nuclear steam supply system (NSSS) transients can be easily simulated. This module also enables the user to select one of the menu-driven graphic displays.
Various NSSS transients have been simulated for the validation and verification of the plant module. The results of FISA-2/PC are compared against actual plant data and those of RELAP5/MOD2 and RETRAN. Although complete validation has not been attained yet, it may be said that FISA-2/PC can simulate a variety of transients with reasonable accuracy in real time. In addition, through numerous runs of FISA-2/PC, it is convinced that FISA-2/PC is a very efficient tool for increasing operator's understanding of normal and abnormal NSSS transients.
퍼스널 컴퓨터에서 작동되는 가압경수형 원자력발전소의 실시간 시뮬레이터 FISA2/PC를 개발하였다. 이것은 대형 시뮬레이터 교육에 앞선 기초적 개념교육과 현장에 서의 원전사고해석 및 기타의 공학적 연구에 사용할 목적으로 설계제작하였다.
이 시뮬레이터의 구조는 기능적으로 크게 세 부분, 즉, 발전소 모듈(plant module) 과 그래픽 디스플레이 모듈(graphic display module)과 상호작용 모듈(interactive communication module)로 나누어진다. 제 1 법칙(보존법칙)에 바탕을 둔 발전소 모듈은 노심의 동특성, 일차 냉각계통 및 증기발생기의 열수력학적 현상, 주증기관, 제어 및 보호계통 등을 모의하는 모델로 구성된다. 각각의 모델은 실시간 모의가 가능하도록 최적화되어있다. 여기에서 각 모델의 지배방정식의 시간상수가 광범위하게 분포되어 있으므로, 시간에 관한 후방차분법(backward Euler finite difference method)과 전방차분법을 적절히 이용하여 해를 구함으로써 수치적 안정성과 효율을 도모했다. 특히 원전 일차 냉각계통 내부의 열수력학적 현상을 모의하기 위해, 이상유동모델(two-fluid model)을 이용하되 완전후방차분법으로 해를 구하는 FISA-2 수치해법을 개발하였다. 이 해법은 시간 적분구간의 크기가 쿠랑 제한치(Courant limit)보다 큰 경우에도 안정된 해를 보장하며 적절한 정확성 역시 검증을 통해서 확인되었다.
FISA-2/PC 시뮬레이터는 컬러 모니터와 표준 키보드와 마우스(mouse)를 통해서 사용자와 상호 연결된다. 메뉴(menu)에 의해 작동되는 그래픽 디스플레이 모듈은 발전소 모듈로부터 약 140 개의 변수값을 전달받아서 사용자가 선택한 일부의 변수를 일정한 시간 간격으로 칼러 모니터 화면에 시각적으로 나타낸다. 이 모듈은 특정 계통의 개념도(schematic diagram), 막대 그래프, 각 부품의 운전상태를 나타내는 기호, 숫자 및 추이곡선등을 이용하여 원전의 운전상태를 사용자에게 일목요연하게 제시하도록 설계되어있다. 상호작용 모듈은 키보드와 마우스를 통해서 사용자로부터 약 60 개의 변수값을 읽어들이며, 이들 변수를 발전소 모듈로 전달하여 사용자로 하여금 운전행위를 가능하게 한다. 상호작용을 용이하게 하기 위해 피라밋 구조의 메뉴를 컬러모니터 화면의 우측에 항상 준비해두었다. 이 메뉴에는 여러가지 초기사상(initiating event; 부품의 고장이나 사고 혹은 수동제어 등을 포함)이 준비되어, 핵증기공급계통의 다양한 사고가 쉽게 모의될 수 있을 뿐만 아니라, 여러가지 그래픽 디스플레이 중의 어느 하나를 선택하기 위한 메뉴도 준비되어있다.
이 시뮬레이터의 발전소 모듈을 검증하기 위해 고리 원자력 1 호기를 대상으로 여러가지 사고를 모의했으며, 모의 결과를 실제 발전소 자료 및 최적계산코드(best estimate code)의 해석 결과와 비교분석해보았다. 지금까지 완벽한 검증은 수행되지 않았으나, 이 시뮬레이타는 원전의 복잡한 과도현상과 가상사고를 비교적 정확하게 실시간에 근접하여 모의할 수 있는 것으로 사료된다. 결론적으로, 이 시뮬레이터는 원전의 정상 혹은 비정상적 과도현상의 개념(槪念)과 경향(傾向)을 사용자에게 효율적으로 보일 수 있는 매체가 될 수 있다.
