The severe accident hydrogen control regulation of 10CFR50.34 (f) requires that the plant design shall include a hydrogen control system which can safely accommodate the hydrogen resulting from a 100% metal-water reaction, and limit its concentration in the containment to no greater than 10%. This regulation is applied to UCN 3&4 design for the first time in Korea. However, the severe accident hydrogen control system such as hydrogen igniters is not designed to be installed at UCN 3&4 containment. Further, UCN 3&4 do not have the safety-grade containment fan cooler system that will influence on the hydrogen transport and combustion.
This study is focussed on the modelling and simulation of the hydrogen behavior by CONTAIN computer code to identify quantitatively how the containment ESFs such as containment fan system, hydrogen igniters and containment spray system have influence on the hydrogen mixing and burning in the severe accident conditions in order to determine whether the hydrogen control system such as igniters is needed for large dry containment and suggest the severe accident mitigation scheme for the hydrogen combustion. However, the direct containment heating (DCH) effects and corium-coolant-concrete interactions including steam exlposion in the reactor cavity are not analyzed in this study, the following conclusions are effective only in the severe accident sequences without these phenomena.
About 1 hour after RPV breach, high turbulent flow is predicted to prevail in the lower containment compartments. During this period, the irreversible flow loss coefficients govern the hydrogen mixing in the lower comartments. However, after this period, it is edtimated that the containment fan system do not have a significant influence on the hydrogen transport in the containment. A more detailed investigation for the estimation of relevant flow loss coefficients for the lumped-parameter code such as CONTAIN should be carried out. After completion of this investigation, the containment fan system effects including the passive mixing concepts should be re-evaluated in detail.
The hydrogen igniter system greatly reduced the hydrogen concentrations in the containment. Therefore, it is highly recommended that the hydrogen igniter system should be installed at the future large dry PWR containment in order to meet the severe accident hydrogen regulation of 10CFR 50.34(f) and to reduce the possibility of the hydrogen DDT or detonation.
It is suggested that the containment spary system should not be used for the hydrogen mixing purpose in the severe accident conditions, because it suddenly remove a large quantity of steam and rapidly increase the hydrogen concentration to a higher level, which could result in a local detonation.
10CFR50.34(f)의 중대사고 수소제어규정은 발전소 설계시 100%의 물-금속 반응에 의해 발생하는 수소를 안전하게 처리할 수 있고 그리고 격납건물 내부의 수소농도를 10% 이하로 제한할 수 있는 수소제어계통의 설치를 요구하고 있다. 이 규정이 한국에서는 처음으로 울진 원자력 3,4호기에 적용되었다. 그러나 수소점화기와 같은 중대사고 수소제어계통이 울진 3,4호기 격납건물에 설치되지 않았으며, 더우기 수소의 혼합 및 연소에 영향을 줄 수 있는 안전등급의 격납건물 송풍냉각계통이 설치되지 않았다.
이 연구는 CONTAIN 코드를 사용하여 격납건물의 송풍계통, 수소점화기계통, 살수계통 등의 격납건물 공학적 안전설비가 수소 혼합 및 연소에 미치는 영향을 정량적으로 규명함으로써 대형 건식 격납건물에 수소점화기와 같은 수소제어계통의 설치가 필요한 지를 평가하고 수소제어를 위한 중대사고 완화 방안을 제시하기 위해 격납건물 내부의 수소거동을 모형화하고 모의하는 데 목적을 두었다. 그러나 격납건물 직접가열현상, 노심응용물-콘크리트- 냉각수상호작용 및 증기폭발 현상 등은 이 연구에서 분석 되지 않았기 때문에 연구 결과들은 이러한 현상이 발생치 않은 중대사고들에만 유효하다.
다음 사항들이 이 연구를 통해 밝혀졌다. 원자로 용기 파손 후 약 1시간 경과후 격납건물 하부 소격실들에서는 강한 난류가 형성되었으며, 이 경우 유동손실계수들이 하부 소격실들에서의 수소혼합에 큰 영향을 주었다. 그러나 이 기간이 지난 후 격납건물 송풍계통은 격납건물 내부의 수소혼합에 큰 영향을 주지 않는 것으로 예측되었다. 따라서 CONTAIN과 같은 Lumped parameter 코드에 적합한 유동손실계수들의 예측을 위한 상세한 연구가 필요하며, 그 후에 피동혼합 설계개념을 포함한 격납건물 송풍계통의 영향을 상세히 재평가 하여야 한다.
수소점화기계통은 격납건물 내부의 수소농도를 크게 감소시켰다. 따라서 10CFR50.34(f)의 중대사고 수소제어규정을 만족하고 수소의 폭발이나 연소 천이폭발 현상의 가능성을 감소시키기 위해 앞으로 건설된 대형 건식 PWR 격납건물에는 수소 점화기 계통의 설치가 권고된다. 격납건물 살수계통의 작동은 상당량의 증기를 급격히 응축제거하여 수소의 국부적 폭발을 일으킬 수 있는 정도까지 수소농도를 급격히 상승시키기 때문에 중대사고 조건에서 수소혼합 목적으로 사용해서는 안된다는 결론을 얻었다.
