<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2013.37.5.665
ISSN 1226-4873
소듐 시험루프 내 소듐대 공기 열교환기의 고온 설계§
이형연*†, 어재혁*, 이용범*
* 한국원자력연구원
High-Temperature Design of Sodium-to-Air Heat Exchanger in Sodium Test Loop
Hyeong-Yeon Lee*†, Jae-Hyuk Eoh* and Yong-Bum Lee*
* Korea Atomic Energy Research Institute
(Received December 28, 2012 ; Revised February 12, 2013 ; Accepted February 12, 2013)
1. 서 론
한국원자력연구원(KAERI)이 2028 년까지 건설 예정인 제 4 세대 소듐냉각 고속로(Gen IV SFR) 의 특정설계 인허가를 취득하는 데 있어 원자로 정지 사고 시 안전하고 신뢰성 있는 잔열 제거 능력의 실증은 필수 요건으로 되어 있으며, 특히 후쿠시 마 원전 사고 이후 그 중요성이 더욱 부각되고 있 다.
(1)KAERI 가 개발 중인 소듐냉각 원형로의 붕괴
열 제거를 위한 잔열제거계통(Decay heat Removal Circuit: DRC)은 안전등급으로 분류되며, 이는 설계 의 다양성 확보를 위해 Fig. 1 에서와 같이 피동형 잔열제거계통(Passive DRC : PDRC)과 능동형 잔열제 거계통(Active DRC : ADRC)으로 구성된다.
소듐대 공기 열교환기(sodium-to-air heat exchanger) 에는 ADRC 에 설치되는 핀형(finned) 소듐대 공기 열교환기인 FHX(Finned-tube Sodium-to-Air Heat Exchanger)와 PDRC 에 설치되는 헬리컬형 소듐대 공 기 열교환기인 AHX(Helical-coil Air Heat Exchanger)가 있다.
여기서는 이미 Fig. 2 의 STELLA-1 소듐 시험루 프 내에 설치된 AHX 와 KAERI 부지 내에 설치 예정인 Fig. 3 의 강제통풍형 소듐대 공기열교환기 Key Words: Sodium Test Loop(소듐 시험루프), Sodium-to-Air Heat Exchanger(소듐-공기열교환기), High
Temperature Design(고온 설계), Creep-Fatigue(크리프-피로)
초록: 제 4 세대 소듐냉각 고속로에는 중간열교환기(IHX), 붕괴열제거 열교환기(DHX), 공기 열교환기(AHX), 핀형 소듐-공기 열교환기(FHX) 및 증기발생기(SG)를 포함한 다양한 열교환기들이 설치된다. 본 연구에서 는 STELLA-1 시험루프에 설치된 소듐-공기 열교환기인 AHX 와 SELFA 시험루프에 설치될 핀형(finned) 소 듐-공기 열교환기인 FHX 등 2 기의 열교환기 설계에 대해 3D 상세 유한요소해석을 수행하고, 동 결과에 기초하여 고온설계 기술기준을 따라 크리프-피로 손상평가를 수행하였다. 손상 평가결과 AHX 와 FHX 는 의도하는 크리프 피로 손상 하중 하에서 구조 건전성을 유지하는 것으로 확인되었다.
Abstract: In a Korean Generation IV prototype sodium-cooled fast reactor (SFR), various types of high-temperature heat exchangers such as IHX (intermediate heat exchanger), DHX (decay heat exchanger), AHX (air heat exchanger), FHX (finned-tube sodium-to-air heat exchanger), and SG (steam generator) are to be designed and installed. In this study, the high-temperature design and integrity evaluation of the sodium-to-air heat exchanger AHX in the STELLA-1 (sodium integral effect test loop for safety simulation and assessment) test loop already installed at KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) and FHX in the SEFLA (sodium thermal-hydraulic experiment loop for finned-tube sodium-to-air heat exchanger) test loop to be installed at KAERI have been performed. Evaluations of creep-fatigue damage based on full 3D finite element analyses were conducted for the two heat exchangers according to the high- temperature design codes, and the integrity of the high-temperature design of the two heat exchangers was confirmed.
§ 이 논문은 대한기계학회 2012 년도 추계학술대회(2012.
11. 7.-9., CECO) 발표논문임
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers
Fig. 1 Schematic of decay heat removal circuit
Fig. 2 Schematic of the STELLA-1 sodium test loop 성능실험 루프, SELFA(Sodium Thermal-hydraulic Experiment Loop for Finned-tube sodium-to-Air heat exchanger) 내에 설치될 예정인 FHX 의 고온 설계 및 손상평가에 대해 다룬다.
2. 공기 열교환기의 형상 및 설계
AHX 및 FHX 는 Fig. 1 에서와 같이 각각 원자로 용기 바깥의 ADRC 및 PDRC 루프 상부에 설치된
Fig. 3 Schematic of the SELFA sodium test loop
(a) AHX (b) FHX Fig. 4 Configurations of the AHX and FHX 다. STELLA-1 소듐 시험루프 내에 설치된 AHX 에 는 Fig. 4(a)에서와 같이 36 개의 헬리컬형 전열관 이 설치되었다.
또한 핀이 부착된(finned) 능동형 잔열제거열교 환기인 FHX 에는 Fig. 4(b)에서와 같이 핀형(finned) 직관 전열관이 설치된다.
SFR 원형로의 잔열제거계통은 설계의 다양성 (diversity) 및 다중성(redundancy) 개념에 기초하여 피동형인 2 기의 PDRC 루프와 능동형인 2 기의 ADRC 루프로 구성된다. 각 PDRC 는 1 기의 AHX 와 붕괴열제거 열교환기(DHX)로 구성되고, ADRC 는 각 1 기의 FHX 와 DHX 로 구성된다.
또한 KAERI 가 설계, 제작 및 설치를 완료한 STELLA-1 시험 루프 내 1 기가 설치된 AHX 의 형상은 Fig. 4 에서와 같고, SELFA 시험루프 내에 설치될 FHX 의 형상은 Fig. 4(b)에서와 같다.
S TELLA - 1 시험 루프 내에 설치된 A HX 와 SELFA 시험루프에 설치될 FHX 의 설계 인자는
AHX FHX
DHX
AHX Mech. Pump
Sodium Storage Tank
Reservoir Tank Main Expansion Tank
Cold Trap
Cold loop heater Hot loop heater
Cold loop EMP Hot loop EMP
Plugging meter
Sodium Expansion Tank
Sodium Purification Loop Heater Sodium Purification Loop EMP
Table 1 Design parameters of AHX
Table 2 Design parameters of FHX
Fig. 5 Configurations of the AHX in the STELLA-1 loop 각각 Table 1 및 Table 2 에 제시하였다.
Table 1 및 2 에서 보는 바와 같이 AHX 와 FHX 의 전열관의 외경 및 두께는 각각 34mm, 1.65mm 로 동일하게 설정되어 있다.
Fig. 6 Configurations of the FHX in the SELFA loop STELLA-1 시험루프는 피동잔열제거계통 내 열 교환기의 성능검증 및 기계식 소듐 펌프의 성능시 험을 위해 2012 년에 구축이 완료된 바 있다.
(2,3)AHX 전열관의 재질은 Fig. 5 에서와 같이 316 스테 인리스강(316SS)이고, 외곽 셸의 재질은 304SS 이다.
STELLA-1 시험루프의 AHX 에 연결되는 DHX 의 재 질은 Mod.9Cr-1Mo 강이며, 크리프-피로 하중 하에서 이에 대한 건전성 평가가 기 수행된 바 있다.
(4,5)핀형 소듐대 공기열교환기인 FHX 의 형상은 Fig. 6 에서와 같으며, 직관과 곡관 조합의 전열관 이 총 9 개로 구성되어 있고, 핀은 직관부에만 고 주파용접으로 부착된다. 핀의 제원은 Table 2 에서 와 같이 두께는 1.5mm, 높이는 15mm 이고, 전열 관 미터당 152 개의 헬리컬형 핀이 접합된다. FHX 전열관 및 상⋅하 헤더의 재질은 316SS 이다.
3. 공기 열교환기의 고온구조 평가
3.1 AHX 의 3D 유한요소 해석
STELLA-1 시험루프에 설치된 공기 열교환기 (AHX)의 형상 모델은 Fig. 4(a)에서와 같으며, 36 개 의 헬리컬형 전열관이 설치된다. AHX 의 3D 유한 요소(FE) 해석모델은 Fig. 7 에서와 같이 헬리컬 전 열관 부분까지 해석 모델링에 포함시켰으며, 전체 적으로 FE 모델에는 803,199 절점과 523,754 개의 3D 선형 솔리드 요소가 사용되었다.
본 연구에서는 STELLA-1 시험루프 내 AHX 의 설계와 관련하여 Fig. 8 의 과도에 대해 해석을 수 행하였다. 일차측 최고 소듐온도가 500°C 이고, 외 통(outer shell) 내 이차측 공기 온도가 최고 350°C 를 유지할 때 AHX 의 온도분포는 Fig. 9 에서와 같 이 고온의 소듐이 흐르는 AHX 의 상부는 고온 분 포를, 저온의 공기와 열교환이 일어나는 하부는 저온 분포를 보여주고 있다.
Tube information
No. of tubes 36
Tube O. D (mm) 34.0 Tube I. D (mm) 30.7 Thickness (mm) 1.65
Length (m) 23.76
Material 316SS
Shroud size
I.D. (m) 1.53
Length (m) 5.60
Tube information (FHX)
No. of tubes 9
Bare Tube O. D (mm) 34.0
Bare Tube I. D (mm) 30.7
Thickness (mm) 1.65
Finned tube length (m) 23.76
Fin height (mm) 15.0
Fin thickness (width, mm) 1.5 Tube inclined angle (deg) 8.7
No. of fin (per m) 152
Total No.of fins per each tube row (EA) 1364 Surface area of single bare tube (m2) 7.67 Fin surface area on single tube (m2) 6.71
Material 316SS
304SS
316SS
316SS
316SS
Fig. 7 3D CAD and FE model of the STELLA AHX
Fig. 8 Thermal loading conditions at primary side of sodium in AHX
Fig. 9 Temperature distribution at steady state 열응력 해석결과는 Fig. 10 에서 보는 바와 같이 전체적으로 AHX 기기 내에서 Mises 응력강도가 최대 279.88MPa 로 계산되어 고온설계 기술기준의 일차 및 이차응력강도 허용치 범주 내로 계산되었 다. 여기서 유의할 부분은 기존의 단순화된 해석 모델을 이용한 해석 결과가 통상 높은 응력수준을 보이는 것으로 알려져 있지만, 3D FE 해석에 기초
Fig. 10 Stress intensity at the end of heat-up under secondary loads
(a) Tubesheet (b) Outer shell Fig. 11 Stress intensity of tubesheet and outer shell at the
end of heat-up under secondary loads
한 본 열교환기 내 상⋅하 튜브시트에서의 Mises 응력강도는 Fig. 11 에서 보는 바와 같이 최대 152.05MPa 로 비교적 낮게 계산되었다는 점이다.
3.2 AHX 의 크리프-피로 손상평가
AHX 의 열응력 해석 결과를 이용하여 고온 설 계기술기준인 ASME Section III Subsection NH
(6)및 프랑스의 RCC-MRx
(7)을 따라 크리프-피로 손상 평 가결과를 수행하였다. 본 연구에서는 각 코드의 최신 버전인 2010 년판을 따라 설계평가를 수행하 였다. ASME-NH 설계코드의 2010 년판이 2007 년판 대비 가장 두드러지게 바뀐 내용 중의 하나는 크 리프 손상평가에 사용되는 유지응력의 계산 시 분 모로 들어가는 안전계수가 기존의 0.67 에서 0.9 로 변경됨으로써 크리프 손상 평가에 사용되는 유지 응력의 크기기 더 적게 계산되고, 이에 따라 보수 성이 완화되었다는 점이다.
100oC/hr
100oC/hr 500°C
200°C
3 hr 3 hr
time (hr) 72 hr
72 hr
max
max
max
Fig. 12 Five significant locations in AHX
Fig. 13 Configuration of FHX and concept of supporting 양 기술기준을 따라 Fig. 12 의 상부 T1 노즐을 포함하는 주요 다섯 부위 중 가장 응력수준이 높 은 T1 노즐부에 대해 손상평가를 수행한 크리프 수명은 양 코드 모두 30 만 시간 이상으로 계산된 반면 피로수명은 ASME-NH 를 따를 경우 식 (1)에 서와 같이 2,993 시간, RCC-MR 을 따른 경우 식 (2) 에서와 같이 92,593 시간으로 계산되었다. 따라서 AHX 의 고온 손상평가 결과 ASME-NH 의 평가 결과가 RCC-MRx 보다 보수적인 것으로 나타났다.
2,993 3 10
5n t
∆ D
+ ≤
> × (1)
92,593 3 10
5+ ∆ ≤
> ×
n t
D
(2)
3.3 FHX 의 3D 유한요소 해석
SELFA 시험 루프 내 핀형 잔열제거 열교환기인 FHX 에 대해 Fig. 13 에서와 같이 4-pass 로 구성되 는 9 개 전열관이 유동유발진동(FIV) 환경에 노출 되기 때문에
(8)본 연구에서는 FHX 전열관 다발의 FIV 를 저감하기 위해 Fig. 13 의 스페이서 스트립 (spacer strip) 위치에 단순 지지하는 해외의 개념
(8)과는 달리 FHX 프레임의 상하에 지지 와이어 (support wire) 및 스페이서 스트립을 이용해 고정 시키는 지지개념을 채택하였다.
Fig. 14 Thermal loading conditions at primary side of sodium in FHX
지지 와이어와 스페이서 스트립의 재질은 모두 316 스테인리스강이고, 지지 와이어는 직경이 5mm 이고, 스페이서 스트립은 폭이 15mm, 두께가 3.3mm 이다. 지지 와이어는 프레임의 상부에 체결 되는 와이어의 경우 길이 방향으로 인장응력을 받 으며, 하부에 체결되는 와이어의 경우 FIV 대비 선인장(pre-tension) 하중을 받도록 설치되며, 이는 해석 모델링에서 ABAQUS 의 TRUSS 요소로 모델 링이 되었다.
작용 하중으로는 FHX 및 소듐의 자중과 열 하 중을 고려하였다. 열 하중 조건은 Fig. 14 에서와 같이 FHX 의 소듐 측에 대해서는 연료 재장전 온 도인 200°C 를 유지하다 100°C/hr 로 550°C 까지 가열된 후 동 온도가 유지되다가 다시 100°C/hr 의 냉각률(cool-down rate)로 200°C 까지 냉각된 후 200°C 를 유지하는 과도 조건에 대해 고려하였다.
4-pass 전열관의 직관 중앙 부위에만 헬리컬 형 태의 핀이 설치되는데, 전열관군의 열전달 해석에 서는 헬리컬 전열관 전체를 모델링 할 경우 유한 요소해석 문제가 과도하게 방대해지는 문제가 발 생하므로, 본 해석에서는 유한요소 해석이 가능하 도록 모델링을 단순화시켰다.
FHX 의 열하중 조건은 Fig. 14 에서와 같이 재장 전 온도인 200°C 가 유지되다가 100°C/hr 로 3.5 시 간 가열된 후 550°C 고온 상태에 도달하고, 72 시 간 유지 후 100°C/hr 로 3.5 시간 동안 냉각된 후 다시 200°C 온도에 도달하는 것으로 설정되었다.
복잡한 형상의 헬리컬 핀이 부착된 전열관에 대 해 핀이 없는 bare 전열관 대비 표면적 증가분에 대해 열전달계수를 보정하여 열전달해석을 수행하 였다. 즉, 헬리컬 전열관에서와 동일한 열전달이 bare 전열관에서 일어난다고 가정하고 보정된 열
T1 Nozzle
Outer Shell Tubesheet
Inner Shell T2 Nozzle
Support wire
Piping (4”SCH40)
15mm
Φ5mm Piping 4”SCH40)
Spacer strip
Support point
100oC/hr 100oC/hr
550°C
200°C
3.5 hr 3.5 hr
time (hr) 72 hr
Temp.
(℃)
0.5 hr Heat Up Transient
전달 계수를 산정하여 열전달 해석에 적용하였다.
이상의 절차를 따라 가열 개시 후에 계산된 열전 달 해석 결과는 Fig. 15 에서와 같이 최대 온도가 549.63°C 인 분포를 보여주었다.
동 열전달해석 결과를 적용한 열응력해석 결과 는 Fig. 16 에서와 같이 전체적으로 최대 Mises 응 력강도는 하부 헤더의 배관 노즐부에서 발생하였 으며, 최대치는 63.46MPa 로서 통상의 응력강도 (3S
m=315MPa@525°C
(3))와 비교할 때 응력이 상당 히 낮게 걸리는 것으로 나타났다.
또한 전열관 및 지지 구조의 최대 응력계산 결 과는 전열관 지지 와이어에서 13.72MPa, 지지 와 이어에서 14.64MPa 인 것으로 계산되어 설계 허용 치 대비 응력수준에서 상당한 여유가 있는 것으로 계산되었다. 이는 전열관 지지에 지지 와이어라는 유연 지지 개념을 채택함으로써 열팽창 구속에 따 른 열응력을 최소화시켰기 때문인 것으로 판단된 다.
3.4 FHX 의 크리프-피로 손상평가
FHX 의 응력해석 결과로부터 응력 수준이 상대 적으로 높은 세 군데를 Fig. 17 에서와 같이 선정 하였다. 그런데 Fig. 16 에서와 같이 응력수준은 유 연한 지지 와이어의 채택으로 인해 상당히 낮게
(a) At t=3hr 10min (b) At t=3hr 30min Fig. 15 Heat transfer analysis of FHX
Fig. 16 Thermal stress analysis of FHX
계산되었고, 세 군데 위치 가운데 벽면 온도가 크 리프 영역에 해당되는 위치는 상부 헤더 노즐부위 로 나타났다.
ASME-NH 및 RCC-MRx 를 따른 평가 결과 상부 헤더 노즐 부위에서 총 변형률 범위는 각각 0.05%
및 0.035%로 비교적 낮게 계산되었고, ASME-NH 의 절차를 따라 크리프-피로 손상 평가를 수행한 결과 아래와 같이 피로수명은 10
6사이클 이상으 로, 크리프 파단 수명은 식 (3)에서와 같이 3×10
5이상으로 평가되어 Fig. 17 의 상부헤더 노즐 부위 는 피로 및 크리프 손상에 대한 건전성이 유지되 는 것으로 나타났다.
6 5
10 3 10
n t
∆ D
+ ≤
> > ×
(3)
또한 RCC-MRx 의 절차를 따라 크리프-피로 손 상 평가를 수행한 결과 아래와 같이 피로수명은 식 (4)에서와 같이 10
8사이클 이상, 크리프 파단 수명은 3×10
5이상으로 평가되어 크리프-피로 건 전성이 확보되는 것으로 나타났다.
8 5
10 3 10
n t
∆ D
+ ≤
> > ×
(4)
식 (3)과 식 (4)에서 첫 번째 분모항은 피로수명 횟수를, 분자의 n 은 실제 발생 횟수를 의미하고, 두 번째 항의 분모인 3×10
6은 크리프 파단수명(시 간)을 의미하며, 분자의 ∆t 는 한다. 따라서 Fig. 14 의 설계과도 발생 횟수 및 총 고온유지 시간을 의 미하는 것으로, 실제 시험시설의 운전 조건을 감 안하면 피로 및 크리프 손상은 발생하지 않는 것 으로 평가된다.
핀형 열교환기는 일반적으로 산업계에서 널리 사용되는 열교환기이다. 그러나 소듐냉각 고속로
Fig. 17 Three significant locations in FHX
에서의 FHX 와 같은 원자력등급의 핀형 열교환기 에 대해서는 설계 및 제작 경험이 국내에서 아직 전무한 상태인 바 본 연구에서 수행한 원자력등급 핀형잔열제거 열교환기의 고온 설계 및 건전성 평 가에 기초하여 KAERI 는 향후 원자력 품질보증 (QA) 절차를 거쳐 국내에서 FHX 를 제작하고, 동 기기의 성능 및 전산코드 검증실험을 수행할 계획 이다.
4. 결 론
본 논문에서는 소듐냉각 고속로(sodium-cooled fast reactor, SFR)의 ‘SFR 안전성 모의시험시설’ 개 발과 관련하여 현재 한국원자력연구원이 구축을 완료한 STELLA-1 시험시설 내 헬리컬형 소듐대 공기 열교환기인 AHX와 구축 추진 중인 SELFA 소듐 시험루프 내 핀형 소듐대 공기 열교환기 (FHX)에 대해 고온 설계 및 크리프-피로 손상평가 를 수행하였다. AHX 및 FHX 기기에 대해 고온설 계 기술기준인 ASME-NH와 RCC-MRx를 따라 3D 유한요소 해석 기반 크리프-피로 손상평가를 수행 하였다. 손상 평가 결과 소듐 시험 루프에 사용되 는 AHX 및 FHX 기기는 설정된 과도 하중 하에 서 수명기간 25년에 걸쳐 크리프 손상은 발생하지 않는 것으로 나타났고, 피로 손상은 AHX의 경우 무시할 수 있는 수준으로 매우 작게 발생하는 것 으로 나타났다. 또한 AHX에 대해 3D 응력해석 을 수행한 결과 튜브-튜브시트 접합부에서의 응력 크기가 기존의 2D 단순화 모델 기반 해석의 경우 에 대해 알려진 것보다 응력수준이 낮은 것으로 나타났다. ASME-NH 및 RCC-MRx를 따른 평가결 과를 비교해보면 FHX에 대해서는 두 코드에서 모 두 손상이 발생하지 않는 것으로 나타났지만 AHX에서는 피로손상 부문에서 ASME-NH가 RCC-MR보다 더 보수적인 결과를 주는 것으로 나 타났다.
후 기
본 연구는 교육과학기술부의 지원을 받아 2012 년도 원자력연구개발사업 및 국제협력사업을 통해 수행되었음.
참고문헌
