Investigation of Hydraulic Flow Properties around the Mouths of Deep Intake and Discharge Structures at Nuclear Power Plant by Numerical Model

원 자 력 공 학

대 한 토 목 학 회 논 문 집

제32권 제2A 호·2012년 3월 pp. 123 ~ 130

수치모의를 통한 원자력 발전소 심층 취·배수 구조물 유·출입구 주변에서의 수리학적 흐름특성 고찰

Investigation of Hydraulic Flow Properties around the Mouths of Deep Intake and Discharge Structures at Nuclear Power Plant by Numerical Model

이상화*·이성면**·박병준***·이한승****

Lee, Sang Hwa·Yi, Sung Myeon·Park, Byong Jun·Lee, Han Seung

···

Abstract

A cooling system is indispensable for the fossil and nuclear power plants which produce electricity by rotating the turbines with hot steam. A cycle of the typical cooling system includes pumping of seawater at the intake pump house, exchange of heat at the condenser, and discharge of hot water to the sea. The cooling type of the nuclear power plants in Korea recently evolves from the conventional surface intake/discharge systems to the submerged intake/discharge systems that minimize effectively an intake temperature rise of the existing plants and that are beneficial to the marine environment by reducing the high tem- perature region with an intensive dilution due to a high velocity jet and density differential at the mixing zone. It is highly anticipated that the future nuclear power plants in Korea will accommodate the submerged cooling system in credit of sup- plying the lower temperature water in the summer season. This study investigates the approach flow patterns at the velocity caps and discharge flow patterns from diffusers using the 3-D computational fluid dynamics code of FLOW-3D

^®

. The approach flow test has been conducted at the velocity caps with and without a cap. The discharge flow from the diffuser was simulated for the single-port diffuser and multi-ports diffuser. The flow characteristics to the velocity cap with a cap demonstrate that fish entrainment can significantly be minimized on account of the low vertical flow component around the cap. The flow pattern around the diffuser is well agreed with the schematic diagram by Jirka and Harleman.

Keywords : nuclear power plant, deep intake, deep discharge, velocity cap, FLOW-3D

^®

···

요 지

증기를 발생시켜 터빈 (turbine) ^{을 회전시키는 화력 및 원자력 발전 계통에서 냉각시설은 필수적인 구조물이며} , ^{냉각수 순환}

계통은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입시켜 증기와 열 교환 후 다시 외해로 배출시키는 형태를 취하고 있다 . 최근 냉각수 취·배수 방식을 표층 취·배수 방식이 아닌 심층 취·배수 방식으로 변경하고 있는데 , 기존 원 전의 재순환 온도에 대한 영향을 최소화 하고 , 온배수 방류시 밀도차로 인한 부력으로 온배수 혼합효과를 높여 온배수에 의 한 환경피해 범위를 최소화하기 위해서이다 . ^특히 , ^{하절기에 저층의 저온 냉각수를 취수할 수 있다는 이점 때문에 향후 계}

획되는 발전소들도 심층 취·배수 방식을 도입할 것으로 예상된다 . 본 연구에서는 원자력 발전소의 냉각시설 중 심층 취·배 수 구조물의 입구 주변을 3 차원 전산유체역학 코드인 FLOW-3D

^®

로 모사하여 그 흐름특성을 분석하였다 . 취수구 (intake) 의 경우 연직취수 조건에서 유속 덮개 (Velocity cap), 배수구 (diffuser) 의 경우 방류수의 분사방향에 변화를 주어 모의하였으며 ,

그 결과 취수구의 경우 유속덮개에 의한 연직 유속성분의 현저한 감소로 인한 어류 유입영향을 최소화할 수 있을 것으로 판단되며 , 배수구 희석효과는 Jirka 및 Harleman 이 제시한 2 차원 온배수 프룸 (frume) 과 잘 일치 하는 것으로 나타났다 .

핵심용어 : 원자력 발전소 , ^심층취수 , ^심층배수 , velocity cap, FLOW-3D

^®

···

1. 서 론 1.1 개요

최근 원자력 발전에 의한 국내 전력 의존도는 지속적으로

증가하여 36%를 분담하고 있는 것으로 알려져 있으며, 원자 력 발전소 건설에 있어 냉각수 순환이 용이한 부지 확보의 어려움으로 다수 호기가 밀집하게 되는 원자력 단지가 이루 어지고 있는 추세이다. 현재 건설 중인 원전이 7기, 건설을

*정회원·동아대학교공과대학토목공학과교수·공학박사

(E-mail : [email protected])

**한국전력기술원자력본부토목건축기술그룹차장·공학석사

(E-mail : [email protected])

***정회원·한국농어촌공사농어촌연구원수리시험연구팀연구원·공학박사

(E-mail : [email protected])

****교신저자·동아대학교공과대학토목공학과하천항만실험실·박사과정

(E-mail : [email protected])

계획하고 있는 원전이 총 6 기로 이 원전이 모두 완공되면 총 34 개의 원전이 전력을 생산하게 되며 , 원전 추가 건설을

통해 정부는 2030 년 원자력 발전이 전체 발전량 가운데

59% 를 차지하게 한다는 에너지 기본계획 ( 제 1 차 국가에너지

기본계획 ) 을 2008 년 수립하였다 . 저탄소 녹색성장에 걸맞게

신·재생에너지를 개발하는 데도 노력해야 하겠지만 , 에너지 경제연구원에 따르면 현재 1 kW 의 전기를 생산하는 단가는 원자력이 40 원 , 석탄 60 원 , 액화천연가스 (LNG) 125 원 , 증유

188 원 , 신·재생에너지 240 원 등으로 현재까지는 사실상 원 자력 발전만큼 대용량의 에너지를 값싸게 생산할 수 있는 발전방식에 대한 대안이 없는 실정이다 .

특히 , 증기를 발생시켜 터빈 (turbine) 을 회전시키는 화력 및 원자력 발전 계통에서 냉각시설은 필수적인 구조물이기 때문 에 발전소는 대용량의 냉각수 확보가 중요한 입지 선정 요건 으로 작용한다 . 우리나라의 경우는 큰 하상계수로 인해 강우가 적은 겨울철이나 건기시에는 냉각수로 이용될 하천수가 부족 하기 때문에 대부분 해안에 위치하고 있다 . 냉각수의 순환계통 은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입 시켜 증기와 열 교환 후 다시 해양으로 배출시키는 형태를 취 하고 있다 . 최근 新고리 1, 2 호기 , 新월성 1, 2 호기 건설을 필 두로 냉각수 취·배수 방식을 기존의 표층 취·배수 방식이

아닌 수심 10 m 이상에서 취수하고 배수하는 심층 취·배수

방식이 도입되고 있는데 , 기존 원전의 재순환 온도에 대한 영 향을 최소화 하고 , 온배수 방류시 밀도차로 인한 부력으로 온 배수 혼합효과를 높여 온배수에 의한 환경피해 범위를 최소화 할 수 있고 , 하절기에 저층의 저온 냉각수를 취수할 수 있다는 이점 때문에 향후 계획되는 발전소들도 심층 취·배수 방식을

도입할 것으로 예상되고 있다 (Fig. 1). 그러나 심층 취·배수

방식의 활용비중이 증가되는 반면 취수구조물에 관한 기존의 연구는 취수로나 취수 펌프장에 관한 것들만 있으며 심층 취 수 구조물에 관한 연구 실적은 없는 상태이며 배수구조물에 관 한 연구 또한 매우 미흡한 상태이다 .

본 연구에서는 원자력 발전소의 냉각시설 중 심층 취·배 수 구조물의 유·출입구 주변의 기하학적 변화가 흐름특성 에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 3 ^{차원 전산유체역학 코}

드인 FLOW-3D

^®

를 이용하여 현상을 모사하였으며 , 취수 구

조물의 경우 연직취수 조건에서 유속 덮개 (Velocity cap) 의

유무에 따른 유동양상을 , 배수 구조물의 경우 방류수의 분사 방향에 변화에 따른 유동양상과 온배수 확산에 따른 온도변 화 양상을 비교·분석하였다 .

1.2 FLOW-3D

^®

기본이론

1.2.1 지배방정식

일반적으로 FLOW-3D

^®

를 이용한 3 차원 자유수면 해석에

서 거론되는 지배방정식은 연속방정식 , 운동량 방정식 , 기타 난류해석 모형 등을 꼽을 수 있고 연속방정식 중 변밀도 혹 은 압축성 흐름 (variable density or compressible flow) 은 다음과 같이 표기 된다 .

여기서 , ( u , v , w ) 는 ( x , y , z ) 방향 속도성분 , V

F

는 개방체적분 량 (open volume fraction), ρ는 밀도 , R

DIF

는 밀도확산 , R

SOR

는 원천항 (source 혹은 sink), A는 면적분량 (area fraction) 이다 .

유체의 속도성분에 따른 운동량 방정식은 Navier-Stokes

방정식으로 표현된다 .

(2a) (2b) (2c)

여기서 , G는 힘 ( 중력 , 비관성 body acceleration 등 ) 이다 . 1.2.2 수치기법

1) 유한차분법 (Finite Difference Method, FDM)

FLOW-3D

^®

는 기본 유한차분방식에 FAVOR

^TM

기법을 도

입한 유한체적법 (Finite Volume Method, FVM) 을 사용하고 있다 . 일반적으로 해석을 하게 되면 해석 영역을 작은 격자 로 나눈 후 , 이 격자 단위로 계산이 이루어지게 된다 . 각 격자에 대해서 주어진 압력에 대해서 다음 시간에서의 속도

를 구하며 이 속도를 이용하여 포아송 (Poisson) 방정식 형태

의 압력방정식의 해를 구한 다음 다시 속도를 교정하고 그 후에 자유표면의 해석이 요구될 때는 VOF 방정식을 풀어나 가는 방법을 이용하고 있다 .

2) VOF(Volume of Fluid)

제트 , 비산 및 파도 등과 같은 복잡한 자유표면 운동의 기술은 움직이는 격자를 사용하는 라그랑지안 방법보다 고 정 오일러리안 방법을 사용하는 VOF 방법이 보다 간단히

이루어 질 수 있다 . FLOW-3D

^®

에 사용되고 있는 VOF 방

법은 다른 공용되고 있는 VOF 방법과는 달리 정확한 압력

및 운동학적 경계 조건을 적용하고 있으며 , ^{또 유한 차분시 경}

계면의 불선명 (smearing) 을 방지하기 위해 특별 수치차분법을

사용함으로써 두 유체 ( 유체와 공기일 경우는 보통 자유 표면으 로 가정 ) 사이의 운동을 기술할 수 있는 수치 해석 방법

(TruVOF

^TM

) ^이다 . VOF ^방정식 (Volume of Fluid Advection Equation) 은 다음과 같다 .

여기서 , F

DIF

는 유체의 확산 , F

SOR

는 유체의 원천항 (source

와 sink) 이다 . 3) FAVOR

^TM

FLOW-3D

^®

는 기본적으로 유한 차분법으로 구성된 프로그

V

_F

∂ρ --- ∂ ∂t

∂x --- ρuA (

_x

) ∂ ∂y --- ρvA (

_y

) ∂ ∂z --- ρwA (

_z

)

+ + + = R

_DIF

+ R

_SOR

∂u ∂t --- 1

V

_F

--- uA

_x

∂u

--- vA ∂x

_y

∂u --- wA ∂y

_z

∂u

--- ∂z

+ +

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ 1

ρ ---∂p

--- G ∂x

_x

R

_SOR

ρV

_F

---

– u

+ –

=

∂v ∂t

--- 1 V --- uA

_{F x}

∂v

∂x --- vA

_y

∂v

∂y --- wA

_z

∂v

∂z ---

+ +

⎝ ⎠

⎛ ⎞

+ 1

ρ ---∂p ∂y ---

– G

_y

R

_SOR

ρV

_F

---v – +

=

∂w ∂t --- 1

V

_F

--- uA

_x

∂w

--- vA ∂x

_y

∂w --- wA ∂y

_z

∂w

--- ∂z

+ +

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ 1

ρ ---∂p --- ∂z

– G

_z

R

_SOR

ρV

_F

---w – +

=

∂F ∂t --- ∂

∂x --- FuA (

_x

) ∂ + ∂y --- FvA (

_y

) ∂ + ∂z --- FwA (

_z

)

⎩ ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

+ = F

_DIF

+ F

_SOR

Fig. 1 Cooling System Diagram of Power Plant

램으로 유동영역과 구조물의 구분이 계단식으로 표현되어 구 조물 근처에서 조밀한 격자를 필요로 한다는 단점이 있다 .

이러한 단점을 보완하기 위해 통상 유한 요소법을 사용하거

나 유체와 구조물이 접하는 표면과 일치하는 격자계 (body

fitted grid system) 를 사용하고 있으나 FLOW-3D

^®

는 계산 속도의 이점을 그대로 유지하면서도 공간상의 구조물 표현을 비교적 정확하게 표시할 수 있도록 하는 FAVOR ^TM (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하고 있다 .

4) 난류 ( k - ε 모형 , RNG)

FLOW-3D

^®

에서는 5 개의 난류모형 (Prandtl Mixing Length 이 론 , One Equation, Two( k - ε ) Equation, RNG(Renormalization Group) Model, 그리고 , LES(Large Eddy Simulation Model))

이 사용되고 있다 . 가장 간단한 모형은 난류운동에너지를 포 함하는 이송방정식이며 이는 다른 난류특성인자와 함께 사 용되고 있다 . 이 인자 (parameter) 의 선택은 난류를 특정화하 는 거리와 시간을 결정하는 운동에너지와 같이 사용될 수 있으며 , 인위적으로 선택될 수 있다 . 가장 많이 사용되는 모 형은 k - ε 모형이며 , 여기서 k는 난류운동에너지 , ε은 소산을 의미한다 . ^{이 모형은 많은 형태의 유동에 보편적으로 이용이}

되어 왔지만 간혹 무차원 변수의 변환을 필요로 하고 있다 .

이러한 불편함에 따라 RNG 모형이 등장하게 되었는데 이는

k , ε 평균식의 통계학적 방법을 사용하고 있다 . 그리고

RNG 모형의 상수들은 k - ε 에서와 달리 직접적으로 계산할 수 있으며 저농도류 (Low Intensity Flow) 등과 같은 더 넓 은 응용범위를 가지고 있다 .

2. 모형구성

취수구와 배수구에 각각 두 가지 형태의 구조물을 만들어 주변 흐름양상을 비교하는데 중점을 두었다 . 3 차원 수치모의 는 3 ^{차원으로 모형화 된 기하학적 자료의 입력을 요구하게}

된다 . 본 연구에서는 2 차원으로 작성된 설계도면을 바탕으로

3 차원 CAD 소프트웨어인 Solid Edge 를 이용해 3 차원 도면

을 작성한 후 STL 파일을 생성하여 FLOW-3D

^®

에 입력시

켰으며 , ^입력조건 ( ^수온 , ^{취·배수량} , ^관경등 ) ^{은 현 원자력 발}

전소에 적용된 값을 이용하였다 . 취수구는 사분면에서 냉각

수를 취수하는 방식을 고려해 X, Y 축으로 정사각형의 격자

를 형성한 반면 배수구에서는 냉각수가 방류되는 방향으로 격자의 크기를 늘려 해석을 수행하였다 . 취수구의 경우는 냉 각에 필요한 해수를 취수하는 상황에서 발생하는 유동해석

만을 수행한 반면 배수구의 경우는 냉각수를 수중 유출시키 는데 있어 유동해석 뿐만 아니라 온배수 확산에 대한 온도 변화 해석도 수행하였다 .

2.1 입력조건

2.1.1 취수구

취수구 해석시 모형의 범위는 사분면에서 냉각수를 취수하

는 방식을 고려하여 X, Y 방향으로 각각 60.00 m 로 설정

하였고 수심 20.00 m 지점에 구조물을 설치하였다 . Case 1

과 2 는 동일한 격자상에서 해석이 수행 되었으며 취수량은

13.50 m ³ /s, 경계조건으로 Z max 는 대기압 , Z min 은 Wall, 그

외 나머지 모든 면은 Fluid Height 로 처리하고 질량 원천

요소 ( 여기서는 mass sink) 를 취수구 관내에 삽입하였고 초기

조건의 수위는 EL.0.00 m 로 설정하였다 . Case 1 은 Fig.

2(a) 와 같이 2.5 m 의 취수관이 수면방향에 연직으로 향해

있는 반면 Case 2(Fig. 2(b)) 는 Case 1 과 관경은 같으나 취수관 위로 유속덮개가 씌워져 있어 수평방향으로도 취수 가 가능하도록 설계되었다 . Case 1 의 상부 지름은 5.50 m

로 설정하였고 Case 2 의 덮개 (cap) 높이는 2.50 m 지름은

8.50 m ^{로 설정하여 해석을 수행하였다} .

2.1.2 배수구

배수구에서는 32°C 의 냉각수가 13.50 m ³ /s 의 방류량으로

23°C 의 수중으로 유출되는 것으로 하여 해석을 수행하였다 . Fig. 2 Geometry for Simulation of Intake Structure

Table 1. Boundary Type (The Case of Intake Structure) Direction Boundary Type Input

Type Direction Boundary Type Input

Type X

min

(left) Specified Pressure Fluid

Height X

max

(right) Specified Pressure Fluid

Height Y

min

(front) Specified Pressure Fluid

Height Y

max

(back) Specified Pressure Fluid

Height Z

min

(bottom) Wall - Z

max

(top) Specified

Pressure Pressure Table 2. Information of Calculation Grid (The Case of intake

Structure)

Contents Size (m) Number of Cell Range (m)

X-Direction 0.40 153 -30.6~30.6

Y-Direction 0.40 153 -30.6~30.6

Z-Direction 0.40 62 -23.8~1.0

Total Num. of Cell 1,451,358

Case 1 과 2 의 배수구는 수심 21 m 에 설치하며 직경 2.5 m

의 토출구 중심 높이는 해저면으로부터 3.00 m 상부 지점에

위치한다 . Case 1 에서는 배수구 끝단이 수평방향에서 14° 위

로 향해있으며 Case 2 는 직경 2.50 m 의 배관에서 1.40 m

직경인 3 개의 배수관으로 분리되어 방류되게 된다 (Fig. 3(a), (b)). 이 때 3 개의 배수관은 수평방향으로 각각 20° 씩 틀어 져 유출되게 된다 . 모의 영역은 온배수의 유출 방향을 고려하 여 X 축의 격자를 -30 m~150 m 까지 설정하였으며 Y 축은

-45 m~45 m 까지 설정하였다 . 경계조건으로 Z max 는 대기압 , Z min 은 Wall 로 설정하고 나머지 모든 면을 Fluid Height 로 처리하였으며 , 원천항 ( 여기서는 mass source) 을 삽입하여

32°C 의 냉각수를 수중 유출시키도록 처리하였다 .

3. 해석결과 3.1 취수구

취수구 관내에서는 Case 1 ^과 2 ^{모두 최대} 3.70 m/s ^유속

이 발생되었지만 취수구주변 5.00 m 지점까지는 0.50 m/s

미만의 유속이 발생하였으며 취수관내로 해수 유입시 이상 와류 현상은 나타나지 않았다 (Fig. 4(a), (b)). 취수로 인한

수위의 변화는 0.05 m 미만이며 해저 바닥면의 유속 분포

또한 아주 미미해 취수로 바닥세굴은 발생하지 않을 것으로 예상된다 .

Fig. 5 는 취수구 해석 수행시 총 10 개의 측점을 설정한

것으로 각 관측점에서 X, Y, Z 에 대한 유속 성분을 검토하 였다 . 이는 일반적으로 어류는 수평유속에는 저항성이 우수 하지만 연직성분의 유속에는 저항성이 떨어지므로 두 가지

안 (case) 에 대한 연직 성분 유속을 비교하기 위함이다 .

수평 유속은 Case 1 이 Case 2 에 비하여 평균 0.067 m/s Fig. 3 Geometry for Simulation of Discharge Structure

Table 3. Boundary Type (The Case of Discharge Structure) Direction Boundary Type Input

Type Direction Boundary

Type Input

Type X

min

(left) Specified Pressure Fluid

Height X

max

(right) Specified

Pressure Fluid Height Y

min

(front) Specified Pressure Fluid

Height Y

max

(back) Specified

Pressure Fluid Height Z

min

(bottom) Wall - Z

max

(top) Specified

Pressure Pressure Table 4. Information of Calculation Grid (The Case of Discharge

Structure)

Contents Size (m) Number of Cell Range (m)

X-Direction 0.65 277 -30.00~150.05

Y-Direction 0.65 138 -44.85~44.85

Z-Direction 0.65 39 -24.35~1.00

Total Num. of Cell 1,490,814

Fig. 4 Contour Plot of Velocity Magnitude at Y=0 (The Case of Intake)

Fig. 5 Observation Points at Intake

느리게 나타난 반면 연직 성분 유속은 Case 2 가 평균

0.014 m/s 느리게 나타났다 (Table 5).

3.2 배수구

Fig. 7 은 수심별 , 배수구로 부터의 거리별 관측점을 설정한

것으로 유속 및 수온 변화를 출력하였다 . 수심별 간격 (Z-Dir.)

은 EL. -18.0 m~EL. 0.0 m ^까지 6 m ^{간격으로 설정하였으며}

거리별 간격 (X-Dir.) 은 5.0 m~125.0 m 으로 설정하였다 . 수평 부분 (Y-Dir.) 으로는 배수구 중심 (Y=0.0 m) 과 -20.0 m 지점에 동일한 관측점을 설정하여 해석을 수행하였다 .

3.2.1 유속분포

배수구에서 냉각수 방류시 토출구 끝단의 유속은 Case 1

에서는 2.30 m/s, Case 2 에서는 2.9 m/s 의 유속이 발생하였 으며 1.00 m/s 이상의 유속 분포는 Case 1 에서는 토출구에서

25 m 지점까지 , Case 2 에서는 12 m 지점까지 나타났다 . Case 1 은 15 m 지점 이후부터 0.50 m/s 이하로 유속이 줄어 들지만 Case 2 는 45 m 지점까지 0.50 m/s 이상의 유속이 발생하였다 (Fig. 8).

Fig. 9, 10 은 동일관측점에서 유속 분포를 비교한 그래프

로 수평방향의 유속은 3.0 m/s 미만의 유속분포를 나타내었 으며 배수구 중심으로부터 15.0 m 이상 지점 중 EL.( − ) 18.00 m 의 XY 유속은 Case 1 에 비해 Case 2 가 2 배 이상 으로 발생하였지만 다른 관측점에서는 Case 1 의 유속이 빠 르게 분포 되었다 . Case 2 에서는 해수면 (EL.0.00 m) 에 배수 영향을 미치지 않는 반면 Case1 ^에서는 0.50 m/s ^{미만의 느}

린 유속이지만 해수면에 영향을 미치는 것으로 나타났다 .

수직 방향 유속에서 Case 1 이 해수면 방향으로 14° 위로 향 하고 있어 Point 1, 8, 9, 15 에서는 다른 관측점에 비해 빠른 유속을 나타내었지만 이 4 개의 관측점을 제외한 부분에서는

0.100 m/s 미만의 유속 분포를 나타내었으며 부분적으로 확산

Table 5. Mean Velocity of Observation Points (The Case of Intake, unit : m/s)

관측점 Case 1 Case 2 XY 비교 Z 비교

① XY ② Z ③ XY ④ Z ① - ③ ② - ④ Point 01 0.001 -2.080 0.000 -2.073 0.001 -0.007 Point 02 0.000 -1.403 0.000 -1.400 0.000 -0.003 Point 03 0.000 -0.582 0.000 -0.496 0.000 -0.086 Point 04 0.519 -0.165 0.718 -0.168 -0.199 0.003 Point 05 0.240 -0.182 0.454 -0.138 -0.214 -0.045 Point 06 0.081 0.007 0.201 0.047 -0.120 -0.040 Point 07 0.081 -0.018 0.186 -0.042 -0.105 0.024 Point 08 0.037 -0.003 0.049 0.000 -0.013 -0.004 Point 09 0.036 -0.008 0.051 -0.013 -0.014 0.005 Point 10 0.033 -0.012 0.041 -0.024 -0.008 0.012 AVG 0.103 -0.445 0.170 -0.431 -0.067 -0.014

Fig. 6 Mean Velocity at Observation Points (The Case of Intake)

Fig. 7 Observation Points at Discharge

으로 인해 음 ( − ) 의 값을 가지는 관측점도 확인되었다 . 3.2.2 온배수 확산

배수구의 온배수 확산 부분에 있어서는 Case 1 ^{의 토출구}

가 해수면 방향으로 향해있어 30 m 지점부터 해수면에 수

온 상승이 발생되었고 70 m 지점부터는 하층부에서도 온도상 승영향이 발생하였다 . 이는 배수구에서 방류된 온배수가 수 면에 도달한 후 회전하면서 하층부까지 온도상승을 발생시

켰다 . Case 2 에서는 수평방향으로 향해있어 해저면의 수온

상승이 발생하였다 . 그러나 두 Case 모두 일정 범위 이상으 로 확산되면서 해저면에서 해수면까지 전범위의 수온 상승 을 나타내었다 .

온배수 확산에 있어서 배수구 중심부분에서는 Case 1 이

Case 2 에 비해 EL.( − )18.00 m 에서는 수온이 낮은 반면 다 른 관측점 에서는 높게 나타났으며 , 거리가 멀어질수록 해수와 의 혼합으로 수온이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다 . 수평방 Fig. 8 Contour Plot of Velocity Magnitude at Y=0 (The Case of Intake)

Fig. 9 Mean Velocity of XY-Direction at Observation Points (The Case of Discharge)

Fig. 10 Mean Velocity of Z-Direction at Observation Points (The Case of Discharge)

향으로의 확산은 Case 2 ^{의 구조물 형상이 중심과 좌우로 확산}

되게 만들어져 있는 특징을 나타내어 주듯 EL.( − )18.0 m 에서 는 Case 2 가 Case 1 보다 높은 수온을 나타내었으며 , 해수 면에 가까워지고 배수구에서 멀어질수록 Case 1 의 수온이 더 높게 나타났다 .

Fig. 13 은 Case 1 과 동일한 구조물을 EL.( − )40.00 m 지

점에 설치하여 해석을 수행한 결과물로 Fig. 14 의 2 차원 수

로에서의 수중방류시 온배수의 확산 모식도 (Jirka &

Harleman, 1973) 와 유사한 확산 양상을 나타내고 있음을 알

수 있으며 , 본 연구에서 수행한 수치모의는 현상을 잘 모사 한 것으로 판단된다 .

4. 결 론

수치해석 결과 심층 취수구조물 주변 5.00 m 지점까지는

0.50 m/s 미만의 유속이 발생하였으며 동일지점의 유속을 비

교하였을 시 수평 유속은 Case 1 이 Case 2 에 비하여 평균

0.067 m/s 느리게 나타난 반면 연직 성분 유속은 Case 2 가

평균 0.014 m/s 느리게 나타났다 . 심층 배수구조물의 방류시

1.00 m/s 이상의 유속 분포는 Case 1 에서는 토출구에서 25 m

지점까지 , Case 2 에서는 12 m 지점까지 나타났다 . Case 1

은 15 m ^{지점 이후부터} 0.50 m/s ^{이하로 유속이 줄어들지만}

Case 2 는 45 m 지점까지 0.50 m/s 이상의 유속이 발생하였 으며 온배수확산의 경우 두 Case 모두 일정 범위 이상으로 확산되면서 해저면에서 해수면까지 전범위의 수온 상승을 나 타내었다 .

취수구와 배수구 각각 두 가지 안들을 비교하였을 때 동 일한 관경에서 동일한 유량을 취·배수 하더라도 구조물의 형상에 따라 주변의 흐름특성은 상이하게 나타났다 .

취수구에서는 어류의 유입이 주 문제점인 가운데 일반적으 로 어류는 수평유속에는 저항성이 우수하지만 연직성분에는

Fig. 11 Contour Plot of Temperature Magnitude at Y=0 (The Case of Discharge)

Fig. 12 Mean Temperature at Observation Points (The Case of Discharge)

Fig. 13 Temperature Distribution XZ plane

Fig. 14 Distribution Diagram of Deep Discharge

저항성이 떨어지므로 연직성분의 유속을 최소로 할 수 있는 구조물을 고려하여 설계가 되어야 하며 배수구에서는 해저 면의 세굴을 발생시키지 않으면서 온배수를 효율적으로 확 산시킬 수 있는 방향으로 구조물을 설계하여야 한다.

지속적인 원자력발전 증대에 상응하는 관련기술의 개발이 원자력발전의 경제성 및 안정성을 높이기 위해 꾸준한 연구 가 이루어져야 하는 가운데 원자력 발전의 냉각수 취·배수 구조물에 대한 연구는 국외에서는 수리모형 실험과 수치 해 석이 병행되어 진행되는 반면 국내에서는 그 실적이 없는 상태이다. 이에 대한 연구는 국외 의존도가 매우 높은 실정 으로 국내에서도 이런 연구가 시급히 진행되어야 할 것으로 판단된다.

본 연구는 조석 및 파고를 제외한 상태에서 해석을 수행 한 것으로 심층 취·배수시 구조물 주변의 흐름 특성을 파 악하는데 중점을 두었다. 향후 구조물 설치 지역의 조석 및 파고를 적용시켜 해석할 예정이며 이와 더불어 수리모형실 험을 통한 비교, 분석 및 취·배수로 인한 세굴 및 퇴적에 관한 연구도 병행 될 것이다.

참고문헌

김대근 , ^서일원 (2003) ^{수표면 및 수중방류 방식으로 주변수 흐름}

이 있는 수역에 방류된 온수의 혼합거동 수치모의 , ^대한토목

학회논문집 , 대한토목학회 , 제 23 권 제 6 호 , pp. 489-497.

김효일 , 고광훈 , 이기혁 (2001) 온배수 영향 저감을 위한 심층배 수 구조물의 적용성 검토 , ^{한국전력기술} , ^제 12 ^{권 제} 1 ^{집 통권}

제 38 호 pp. 6-14.

김효일 , 고광훈 , 이기혁 (2001) 심층배수 구조물의 구조형식별 특

성 및 설계기준 , ^{한국전력기술} , ^제 12 ^{권 제} 1 ^{집 통권 제} 38 ^호 pp. 15-25.

류시완 , 서일원 (2003) 일방향확산관을 통해 방류된 병합부력제트

의 거동 , ^{대한토목학회논문집} , 대한토목학회 , 제 23 권 pp.

271-279.

박수길 (2009) 원전 심층 취배수 구조물 건설을 위한 침매터널 시

공방법 연구 , 석사학위논문 , 울산대 산업대학원 .

이용곤 , 정상화 , 김창완 , 김종강 (2006), 보령화력발전소 7.8 호기 순환수 취수에 대한 수리 및 수치모형 실험 , ^{대한토목학회논}

문집 , ^{대한토목학회} , ^제 26 ^{권 제} 5 ^호 , pp. 459-467.

이진성 , 조수 , 심경종 , 장문성 , 손장열 (2009) 댐의 심층저온수 취 수시 성층화 유지조건에 대한 CFD 를 이용한 분석 , ^한국태양

에너지학회지 , ^{한국태양에너지학회} , Vol 29, No 2, pp. 31- 38.

임재호 , 윤영덕 , 김천주 (2008) 신고리 1,2 호기 원자력 발전소 수 중배수 해상공사에 적용된 시공사례 , 대한토목학회 정기학술 대회논문집 , 대한토목학회.

한국전력공사 전력연구원 (1999) 냉각수 취수구조물 개선기술 연구 ,

한국전력공사 .

( 社 ) 電力土木技術協會出版委員會 (1995) 火力·原子力發展所土木構 造物の設計.

Jirka, G.H. and Harleman, D.R.F. (1973) The Mechanics of sub- merged multiport diffusers for buoyant discharges in shallow water. Technical Report No. 169, Ralph M. Parson Laboratory for Water Resources and Hydrodynamics, M.I.T.

US Nuclear Regulatory Commission (2009) Regulatory Guide 1.125 , Physical Models for Design and Operation of Hydraulic Structures and Systems for Nuclear Power Plants.

Tatsuaki Nakato (1994) A hydraulic model study of Korea elec- tronic power corporation's ULCHIN nuclear units 3 and 4 cir- culation water and essential service water intake structures, IIHR Report No. 370.

( ^접수일 : 2012.1.4/ ^심사일 : 2012.2.10/ ^{심사완료일} : 2012.3.5 ⁾