A detailed computational fluid dynamics (CFD) simulation analysis model was developed using ANSYS CFX 16.1 and analyzed to simulate the basic design and internal flow characteristics of a 180 MW small modular reactor (SMR) with a natural circulation flow system. To analyze the natural circulation phenomena without a pump for the initial flow generation inside the reactor, the flow characteristics were evaluated for each output assuming various initial powers relative to the critical condition. The eddy phenomenon and the flow imbalance phenomenon at each output were confirmed, and a flow leveling structure under the core was proposed for an optimization of the internal natural circulation flow. In the steady-state analysis, the temperature distribution and heat transfer speed at each position considering an increase in the output power of the core were calculated, and the conceptual design of the SMR had a sufficient thermal margin (31.4 K). A transient model with the output ranging from 0% to 100% was analyzed, and the obtained values were close to the $T_{hot}$ and $T_{cold}$ temperature difference value estimated in the conceptual design of the SMR. In low power operations (1, 2, 4, 7%), recirculation at the top of the core occurred due to “Eddy” at the beginning of the flow, but disappeared when the internal flow stabilization step took place. In addition, the core temperature increased by 3 ~ 4$^\circ C$ compared to the porous media model during low power operations, but it was confirmed that there were no abnormalities in the system’s safety (DNB, etc.). The thermal and hydraulic characteristics of the models that applied porous media to the core & steam generators and the models that embodied the entire detail shape were compared and analyzed. Although there were differences in the ability to analyze detailed flow characteristics at some low powers, it was confirmed that there was no significant difference in the thermal hydraulic characteristics’ analysis of the SMR system’s conceptual design. Therefore, it is proposed that the CFD model adopting the porous media can be analyzed to reflect the internal structure changes, core output variations, and power up operation conditions of the SMR’s conceptual design.
자연순환 유동 시스템을 갖는 180MW의 소형 모듈형 원자로(Small Modular Reactor, SMR)의 기본 개념설계를 3D로 정밀하게 구현하고 내부 유동특성을 분석하기 위해 전산 유체역학(CFD) 시뮬레이션 해석 모델을 개발하였다. CFD 시뮬레이션 모델 구현 및 분석은 ANSYS CFX 16.1을 사용하였다. 원자로 내부 냉각재의 순환을 위한 펌프 없이 이루어지는 자연순환 현상의 분석을 위해, 임계조건에서의 다양한 초기 출력을 가정하여 각 출력마다 정상상태 유동특성을 평가하였다. 분석결과 각 출력에서의 맴돌이(Eddy) 현상과 유동 불균형 현상이 확인되었으며, 내부 자연순환 유동 최적화를 위한 노심 하부의 유량평준화 설계를 여러 가지 전산해석 시험을 통해 분석 및 최적 설계안을 제안하였다. 정상 상태 분석에서, 노심의 출력 증가를 고려한 각 위치에서의 온도분포 및 열전달 속도가 계산되었고, 본 SMR의 개념 설계가 충분한 열적여유도 (31.4 K)를 갖고 있음을 확인하였다. 또한, 출력 범위가 0% 에서 100% 인 전출력 과도모델을 설정 및 분석하고 확인한 $T_{hot}$ 및 $T_{cold}$ 는 SMR의 개념 설계에서 추정된 온도에 근접했다. 저출력 운전(1, 2, 4, 7%)에서 유동 초기에 노심 상부에서 맴돌이현상(Eddy)에 의한 Recirculation 이 발생했으나 내부유동 안정화 단계 접어들면 소멸되었다. 또한 이때의 노심 온도는 Porous 미디어 모델 대비 3~4$^\circ C$ 높게 평가되었으나 시스템 안전성(DNB 등)에는 이상 없음을 확인하였다. 전산해석에서 물리적 구조가 복잡할 경우 해석 시간 단축을 위해 사용하는 Porous 미디어를 노심 및 증기발생기에 적용한 모델과 전체 형상을 상세 구현한 모델과의 열수력적 특성을 비교분석 하였다. 일부 저출력에서의 상세 유동특성 분석능력 차이는 존재하나, 개념설계 SMR의 시스템 내 열수력 특성 분석에는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 따라서, 개념설계 SMR의 내부구조 변화 및 노심출력 상세 특성 반영시 Porous 미디어를 채용한 CFD 모델을 사용하여 분석 가능함이 제시되었다.
