Existing safety paradigm does not offer engineered means to mitigate the consequences of a radioactivity release accidents at a nuclear power plant. The recent Fukushima accident has demonstrated the very possibility of beyond design base conditions that could jeopardize the functionalities of safety systems to the extent that Defense in Depth (DiD) layers of protection are breached and fission product release to the environment occurs. Out-containment mitigation of radiological consequences by suppressing the spread of radioactive material has been identified as a means of protection.
This dissertation examines a new accident management approach based on aerodynamic barriers to limit the dispersion of radioactive material in the event of containment failure. The approach is based on using airflow movement generated by aerodynamic barriers around reactor containment to confine and capture the released fission products. The fundamental theory and elements of aerodynamic barriers are advanced in relation to their utilization in limiting the spread of radioactive material in the event of containment failure in combination with an integrated suction system. Based on this development, a conceptual design is devised to confine, capture and treat fission products following containment failure using aerodynamic barriers.
Computational fluid dynamic (CFD) modeling based on Euler-Lagrange method is used to simulate the behavior of released fission products under the implementation of aerodynamic barriers and the relevant performance parameters are derived to assess the effectiveness.
This study demonstrates the feasibility of aerodynamic barrier approach using six aerodynamic towers under a set of standard containment failure states and a reference wind speed of 5m/sec. Aerodynamic barrier placement distance is identified as a key parameter for confining radionuclide at elevated containment leak rates, and a correlation is proposed to select proper distance based on the bounding containment leak rate. This study also evaluates the effect of wind conditions, and finds that aerodynamic barrier parameters for the selected wind speed (with an average momentum ratio of 2.3) are sufficiently robust to handle wind loads in the range of 2-8m/sec (or momentum ratio between 15-1) without requiring an adjustment. For wind speeds less than 2m/sec, adjusting discharge angle inwards by $10^o$ is sufficient to ensure effectiveness of aerodynamic barriers. For all other wind speeds (4-10m/sec), maintaining average momentum ratio of 2.3 (by adjustment of aerodynamic barrier discharge speed) can provide necessary protection against wind infiltration with radionuclide confinement.
The verification and validation of the computational model is also performed. The validation is performed by assessing model predictions against available experimental data of constituent benchmark problems as well as the experiments performed using an in-house scaled-down experimental setup using particle image velocimetry (piv) measurements.
Future studies are recommended to assess long-term performance of the proposed approach in the field or a wind tunnel. Also, it will be interesting to explore further applications of using aerodynamic barriers in angular arrangement.
기존의 안전 패러다임은 원자력 발전소의 방사능이 환경으로 방출된 사고의 결과를 완화하기 위해 설계된 공학적인 기술을 제공하지 않는다. 최근의 후쿠시마 사고는 설계기준초과 사고에서 원전을 보호하는 심층 방어가 파손될 수 있고, 그에 따라 환경에 방출되는 핵분열 제품이 얼마나 위험할 수 있는지를 보여준다. 따라서 격납건물 외부에서라도 유출된 방사성 물질의 확산을 억제함으로써 원전 안전성을 강화하고 사고를 완화하는 것이 새로운 보호수단 방법 중 하나로 떠오르고 있다.
본 논문은 가압수형 원자로의 과압으로 인한 격납건물파손 사고 시 방출되는 방사성 물질의 분산을 제한하는 공기역학적 장벽에 기초한 새로운 사고 관리 접근방식을 검토한다. 이 접근방식은 원자로 건물 주변의 공기역학적 장벽에 의해 생성된 공기 흐름 이동을 사용하여 통합 흡입 시스템에 의한 능동적 포획을 통해 격납건물 외부로 방출된 방사성 물질들의 확산을 제한하고 억제한다. 이러한 결합 된 접근법에 기초하여, 방사성 물질들의 확산을 제한하고, 흡입하여 처리장비까지 보낼 수 있는안전시스템의 개념 설계가 고안되었다. 그러기 위해서 Euler-Lagrange 방법에 기초한 전산 유체역학 모델링이 사용되었다.
이 연구는 격납건물파손 사고 시원자로 건물을 둘러싸는 효과적인 공기역학적 장벽을 만들기 위해 6개의 공기역학적 타워의 사용가능성을 입증한다. 모델링을 통해 높은 누출률에서 방사성 물질들의 확산을 제한하기 위한 핵심 매개변수는 주탑 거리이라는 것을 보여주었으며, 또한 연구에 선택된 풍속에 대한 공기역학적 장벽 매개변수(평균 운동량 비율 2.3)가 추가 조정 없이 2-8m/sec 범위의 풍하중을 처리할 수 있을 정도로 충분하다는 것을 발견했다. 다른 모든 풍속(4~10m/sec)의 경우 평균 2.3의 모멘텀 비율을 유지하면 방사성물질 확산방지구역에 바람이 침투하는 것을 막을 수 있다.
향후 현장 또는 풍동 연구를 통해 공기역학적 장벽을 사용한 사고관리 시스템의 장기적 성능을 평가할 것을 권장하며, 또한 공기역학적 장벽을 적용하여 공공 및 재산에 상당한 위험이 될 수 있는 화학 및 공정 산업에서 독성 가스와 물질의 분산을 억제함으로써 대중들의 안정성을 높이는 방안도 추가적인 연구를 통해 검토하기를 권장한다.