KALIMER-600 (Korea Advanced Liquid Metal Reactor), which is a pool type SFR (Sodium-cooled Fast Reactor), was developed by KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute). DBE(Design Basis Events) for KALIMER-600 has been analyzed in the one dimension. In this study, the one dimensional ana-lyzed sodium hot pool is modified to a three dimensional node system, because the one dimensional analysis cannot represent the phenomena of the inside pool of a big size pool with many compositions, such as UIS (Upper Internal Structure), IHX (Intermediate Heat eXchanger), DHX (Decay Heat eXchanger), and pump. Furthermore, the SFR design of 300 and 1200MWe are tried based on 600MWe. In the design of 300MWe, there are two different design challenges consisted with the one and two IHTS (Intermediate Heat Transport System) loops. The one and multi-dimensional analysis method are applied to the two conceptual designs of 300 and 1200MWe SFR.
To begin with, the results of the multi-dimensional analysis compared with the one dimensional analy-sis results in normal operation, TOP (Transient of Over Power), LOF (Loss Of Flow), and LOHS (Loss Of Heat Sink) conditions. First, the results in normal operation condition show the good agreement between the one and multi-dimensional analysis. However, according to the sodium temperatures of the core inlet, outlet, the fuel central, cladding and PDRC (Passive Decay heat Removal Circuit), the temperatures of the one di-mensional analysis are generally higher than the multi-dimensional analysis in conditions except the normal operation state, and the PDRC operation time in the one dimensional analysis is generally longer than the multi-dimensional analysis. In particular, we can see the reverse and mixing flow phenomena in LOHS better than TOP and LOF, which affect the peak temperature in the one dimensional analysis at 330 s but is not observed in the multi-dimensional analysis. In addition, the different temperatures at the central of fuel and cladding are shown due to different mass flow in the core. The two PDRCs show the almost same results in one and multi-dimensional analysis, respectively. However, in the comparison between the one and multi-dimension, the removal capability of PDRC in the multi-dimensional analysis is better than the one dimensional analysis at the beginning of calculation. The aspects change at the ending of calculation due to the different mass flow in PDRC and over flow sodium temperature. In wrap up, the sodium temperatures of the core in the one dimensional analysis are generally about 20℃ higher than the multidimensional analysis. The temperature peak in one dimensional analysis under LOHS at 330 sec does not show in the multi-dimensional analysis, because the reverse and mixing flow pattern from the three dimensional hot pool to the core outlet region. Even thought there are some different results between the two different dimensional analyses, we can say that the KALIMER-600 system has the enough safety margins.
The designs of 300MWe and 1200MWe are conducted. In the design of 300MWe is classified as two methods; they are the one and two IHTS loops. The comparison between in the one and multi-dimensional analysis is similar with the previous analysis. However, the mass flow tendency difference is shown between the different loop numbers. In short, the two loops system is safer than the one loop, because, after the reactor trip by accident condition, the pump coast-down time is longer in the two loops system than the one loop system. The longer coast-down time leads more heat removal from the primary system. The SFR for 1200MWe is only calculated in the steady state condition. In this result, the 1200MWe does not have any problems at least under the steady state condition. In other words, the calculated 300MWe and 1200MWe are showing the safe system, because all results are below the design criteria. As further works, the analysis of DBEs of 300MWe consisted with two loops and 1200MWe and the development of more realistic modeling methods are required.
KALIMER-600은 풀 형태 소듐 고속로로써 한국원자력연구원에서 개발하였다. 한국원자력연구원에서는 과거에 KALIMER-600의 DBE들에 대해서 MARS-LMR 코드를 이용해서 일 차원으로 해석을 했었다. 본 연구에서는 소듐 풀 내부의 복잡한 시스템과 다양한 현상들에 대해서 일 차원 모델로 묘사하기에 부족하다고 생각하여 기존에 수행된 일 차원 연구를 기반으로 고온 소듐 풀을 MARS-LMR코드를 이용해서 삼차원으로 모델링 함으로써 전체적으로 다차원 시스템 설계 및 해석을 시도해 보겠다. 또한 600MWe의 설계 자료를 기반으로 해서 300 그리고 1200MWe에 대해서도 설계를 시도해보았다. 300MWe 설계의 경우에는 중간 열전달 계통이 한 개인 경우와 두 개인 경우로 나누어서 비교해보았다.
우선, 일 차원과 다 차원의 결과를 정상상태, TOP, LOF, LOHS 등 네 가지의 조건에서 비교해보았다. 정상상태의 경우에는 전체적으로 일 차원과 다 차원간에 유사한 결과를 보였다. 그러나 노심의 질량 유량과 노심의 소듐 온도는 Table3-1에서 보여지듯이 약간의 차이를 보였다. 이 이유는 일 차원과 다 차원간의 MARS-LMR 입력 조건을 달리해줘야 하는 부분이 있기 때문이다. 그것은 소듐 풀에서의 정 방향과 역 방향 흐름에 대한 에너지 손실 계수에 독립적인 레이놀즈 수가 다르기 때문이다. TOP, LOF, LOHS의 사고에 대해서 노심 입구, 출구 소듐 온도, 핵연료 중심과 클래딩의 온도, 그리고 노심의 소듐 질량 유량에 대해서 일 차원과 다차원간에 비교를 해보았다. 결과 TOP와 LOF의 조건에서 노심 입, 출구에서의 소듐 온도는 일 차원에서 약 20도 정도 높은 결과를 보였다. 그리고 핵연료의 중심과 클래딩의 온도는 비슷한 결과를 보였다. 수행된 비교 중에서 주목할 만한 부분은 LOHS 사고에서이다. LOHS의 사고 발생 약 330초 후에 노심의 출구 소듐 온도에서 일 차원과 다 차원간에 약 85도 정도의 차이를 보였다. 그 이유는 노심 출구 부분에서 소듐의 역류 현상 때문이다. Figure3-19에서 보여지듯이 일 차원의 경우는 상승 유로와 역방향 유로가 동시에 나타나지 않고 있으나 다 차원 해석의 경우에는 소듐 고온 풀의 안쪽 방향으로는 상승 유로가 생성되나 외부 노드에서는 반대로 하강 유로가 동시에 생성된다. 그렇기 때문에 뜨거운 소듐이 일 차원과 달리 역방향 흐름으로 다음 올라오는 소듐과 섞임 현상 등이 동시에 일어난다. 다음의 유동 패턴은 다른 사고 조건에서도 차이를 보이는 큰 원인 중에 하나이다.
300MWe의 결과는 중간 열전달 계통이 하나인 경우와 두 개인 경우를 각각 일 차원과 다차원에서 비료를 시도해보았다. 중간 열전달 계통이 하나인 경우에는 중간 열 교환기가 두 개, 펌프 한 개 이나 두 개인 경우에는 중간 열 교환기가 네 개, 펌프는 두 개이다. 본 주제에 대해서는 TOP의 경우만 계산을 완성하였기 때문에 TOP 사고 아래서 비교를 실시 하였다. 두 조건에 대한 계산에 있어서 가장 큰 차이를 보인 부분은 중간 열 교환 계통에서의 소듐 질량 유량이다. 펌프가 한 개인 경우보다 두 개인 경우에 펌프 정지까지 걸린 시간이 오래 걸렸다. 즉, 펌프가 두 개인 경우 조금 더 길게 소듐의 강제 흐름을 형성시켜주었다. 이로인 해서 중간 열 전달 계통의 입, 출구 온도가 두 개의 펌프일 경우 온도차이가 작게 나타났다. 1200MWe의 설계는 정상상태의 경우에 대해서만 계산을 수행하였다. 1200MWe의 일 차원과 다 차원 간에 노심에 흐르는 질량 유량, 소듐의 온도와 저온 소듐 풀의 수위에서 약간의 차이만 보였을 뿐 전체적으로 일 차원과 다 차원간에 유사한 경향을 보였다.
본 연구에서 수행된 모든 계산 결과는 KLAIMER-600의 설계 기준치보다 낮고 충분한 안전 여유도를 가지는 것으로 판단되었다. 따라서 설정된 TOP, LOF, LOHS의 조건 아래에서 안전한 시스템을 구축하고 있다고 보여진다. 끝으로300MWe의 중간 열전달 계통의 차이에 따른 LOF와 LOHS에 대한 사고 해석과 1200MWe에 대한 사고 해석이 앞으로 더 수행되어야 하겠다.
