The radioactive materials were released by molten corium–concrete interaction (MCCI) in Fukushima Daiichi accident. In order to prevent this situation, it is necessary to perform a quantitative analysis of concrete ablation and establish a strategy to mitigate the MCCI. However, because the MCCI has inherent uncertainty and complexity, it is not fully understood yet. In this study, an analysis model was developed and MCCI analysis was conducted for NPPs using the model to provide database for establishment of MCCI mitigation strategy of real NPPs. First, the CORQUENCH code was selected as the analysis tool to conduct the MCCI analysis for NPPs. The analysis model was proposed and validated for both small and large MCCI experiments. The validation results confirmed that the analysis model predicts the experimental results well regardless of experimental scale within a reasonable range. Second, MCCI analysis was conducted for the NPPs under a conservative assumption to consider the uncertainties in the initial conditions. The results showed that continuous ablation occurs when water is not injected into the reactor cavity and the containment liner plate is damaged by the core melt at 916 min after the melt pouring time. To verify the analysis results, sensitivity analyses were conducted for the initial corium temperature, total corium mass, melt eruption model, void fraction model, and time step. Third, possible MCCI mitigation strategies were proposed based on additional analyses. One strategy is adding new concrete at the bottom of the reactor cavity. In this case, the analysis results showed that the additional concrete should have a thickness of 40 cm or more to secure extra time for the core melt cooling. The other is injecting water into the reactor cavity. The analysis results confirmed that the core melt is effectively cooled down when the water is injected in the early phase.
일본 후쿠시마 원전에서는 원자로 냉각 기능 상실로 인해 노심용융물과 콘크리트 반응이 발생하였고 격납건물의 바닥 콘크리트가 삭마 되면서 방사성물질이 외부로 유출된 바 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해서는 정량적인 분석을 통해 노심용융물과 콘크리트 반응으로 인한 콘크리트 삭마 정도를 평가하고 평가 결과에 근거하여 노심용융물과 콘크리트 반응을 완화할 수 있는 전략을 수립할 필요가 있다. 그러나 노심용융물과 콘크리트 반응은 다상 유동 및 열전달 현상으로 현상 자체의 복잡성과 불확실성으로 인해 현재 지식 수준에서 이해도가 높지 않으며 관련 연구가 부족하다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 삭마 분석을 위한 분석모델을 제안하고 최신 분석 코드를 사용하여 노심용융물과 콘크리트 반응을 정량적으로 평가하기 위한 방법론을 개발하였다. 우선 콘크리트 삭마에 큰 영향을 미칠 수 있는 용융물 점성 향상 모델, 콘크리트 삭마 모델, 용융물과 콘크리트 사이의 열전달 모델, 용융물 상부로의 열전달 모델에 대한 검증을 통해 제안된 분석모델의 타당성을 확인하였다. 이후 분석모델이 실제 현상을 얼마나 잘 예측하는지 확인하기 위해 소형 실험과 대형 실험을 각각 선정하고 분석을 수행하였다. 제안된 분석모델을 적용한 콘크리트 침식 분석 결과, 스케일에 관계없이 실제 콘크리트 침식 정도를 잘 예측함을 확인하였다. 분석모델을 사용하여 실제 발전소 스케일에 대한 분석을 수행한 결과, 냉각수가 주입되지 않는 경우 노심용융물과 콘크리트 반응으로 인해 90 cm 두께의 콘크리트가 반응 시작으로부터 약 916분 후에 완전히 삭마됨을 확인하였다. 이후 노심용융물 초기 온도, 노심용융물 질량, 용융물 분출 모델, 기포율 모델에 대한 민감도 분석을 수행하여 분석결과의 신뢰성을 확인하였다. 발전소 분석 결과를 바탕으로 노심용융물과 콘크리트 반응을 완화할 수 있는 두 가지 전략을 제안하였다. 첫 번째는 냉각에 유리한 새로운 콘크리트를 추가로 타설하는 전략이며 이 경우 최소 40 cm 이상의 두께가 되어야 효과적임을 분석을 통해 확인하였다. 두 번째는 원자로공동에 냉각수를 주입하는 전략이며 이 경우 주입 시점이 빠를수록 노심용융물 냉각에 효과적임을 확인하였다.
