ASSESSMENT OF CORE BYPASS FLOW IN A PRISMATIC VERY HIGH TEMPERATURE REACTOR BY USING UNIT-CELL EXPERIMENT AND CFD ANALYSIS

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단위-셀 실험과 전산유체해석을 통한 블록형 초고온가스로의 노심우회유량 평가

윤 수 종,^*1 진 창 용,¹ 김 민 환,² 박 군 철³

S.J. Yoon,^*1 C.Y. Jin,¹ M.H. Kim² and G.C. Park³

An accurate prediction of the bypass flow is of great importance in the VHTR core design concerning the fuel thermal margin. Nevertheless, there has not been much effort in evaluating the amount and the distribution of the core bypass flow. In order to evaluate the behavior and the distribution of the coolant flow, a unit-cell experiment was carried out. Unit-cell is the regular triangular section which is formed by connecting the centers of three hexagonal blocks. Various conditions such as the inlet mass flow rate, block combinations and the size of bypass gap were examined in the experiment. CFD analysis was carried out to analyze detailed characteristics of the flow distribution. Commercial CFD code FLUENT 6.3 was validated by comparing with the experimental results. In addition, SST model and standard k-ε model were validated. The results of CFD simulation show good agreements with the experimental results. SST model shows better agreement than standard k-ε model. Results showed that block combinations and the size of the bypass gap have an influence on the bypass flow ratio but the inlet mass flow rate does not.

Key Words : 초고온가스로(Very High Temperature Reactor), 블록형 노심(Block-type Core), 흑연 블록(Graphite Block), 노심우회류(Core Bypass Flow), 우회류 간극(Bypass Gap), 단위-셀(Unit-Cell), 전산유체역학(CFD)

접수일: 2009년 5월 8일, 수정일: 2009년 6월 16일, 게재확정일: 2009년 6월 19일.

1 학생회원, 서울대학교 대학원 원자핵공학과

2 정회원, 한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부 3 정회원, 서울대학교 원자핵공학과

* Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론

현재 수소 생산을 위해 개발 중인 원자로는 핵연료의 형태 에 따라 페블형(pebble type reactor)과 블록형(block-type prismatic reactor)으로 구분된다. 본 연구에서는 미국에서 개발 된 고온가스로인 GT-MHR[1]의 설계를 기반으로 개발 중인 초고온가스로를 대상으로 삼고 있으며 그 특징은 다음과 같 다. 우선 초고온가스로의 출구 냉각재 목표 온도는 950℃로서

매우 고온이기 때문에 노심 구조물의 재질은 이러한 고온을 견디기 위해 흑연을 사용하고 있다. Fig. 1과 2는 General Atomic사의 GT-MHR의 노심 및 노심 단면도를 나타낸 것으 로서 그림에서 나타난 바와 같이 육각기둥 흑연 블록을 노심 에 배치하여 구성하며 유효 노심은 각 층당 102 개씩 10층으 로 구성하여 총 1020개의 핵연료 블록들로 구성된다. 유효노 심의 외경은 4.83 m이고 높이는 7.83 m이다. 노심을 구성하는 표준 핵연료 블록은 Fig. 3과 같이 면대면 길이가 0.36 m, 높 이 0.793 m로서 블록 내에 108개의 냉각재 홀과 210개의 핵 연료 홀을 가지고 있다. 반사체 블록의 경우 블록 내부에 냉 각재 홀 및 핵연료 홀이 없고 크기는 핵연료 블록과 동일하 다. 노심 블록은 크게 핵연료 블록과 반사체 블록으로 구분되 며 제어봉 홀의 존재 여부에 따라서 세분화된다. 초고온가스 로의 노심에 배치된 블록 사이에는 노심 블록의 교체 및 재 배치를 위하여 일정 크기의 간극을 두게 된다. 이러한 간극의

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Fig. 1 Schematic diagram of GT-MHR core and coolant flow path[1]

Fig. 2 Cross-sectional view of GT-MHR core[1]

Fig. 3 Standard fuel graphite block[1]

Fig. 4 Gap size variation of core[3]

크기는 블록의 크기에 따라서 변화하게 된다. 흑연 노심 블록 은 원자로를 운전함에 따라 변형되는데 이는 흑연의 특성에 기인한 것으로 흑연 노심 블록들이 방사선 조사에 따라 수축 및 팽창하고 하기 때문이다[2]. 특히 방사선 조사에 따라 흑 연 블록이 수축하면서 블록 사이의 간극의 크기는 증가하게 된다. Fig. 4는 이러한 노심 블록의 크기 변화를 운전 주기에 따라서 나타낸 것[3]으로서 운전 초기와 말기에 방사선 조사 량의 차이로 인해 간극의 크기가 국부적으로 다르게 분포함 을 알 수 있다.

한편 초고온가스로는 냉각재로서 불활성 기체인 헬륨을 사 용한다. 헬륨 냉각재의 대부분은 핵연료 블록 내부에 있는 냉

각재 홀을 통해서 흐르나 일정 부분은 블록 사이에 존재하는 간극을 통해 흐르게 된다. 이와 같이 냉각재 홀이 아닌 블록 사이의 간극을 통해 흐르는 유량을 노심우회유량이라 정의한 다. 초고온가스로의 노심우회유로는 크게 동일 선상에 배열된 블록 간에 존재하는 우회류 간극(bypass gap)과 층층이 쌓여있 는 블록의 횡류 간극(crossflow gap)으로 구분되며 Fig. 5는 노 심 내 유로를 나타낸 것이다. 앞서 기술한 바와 같이 흑연 블 록의 크기 변화에 따라 간극 크기는 변화하고 이로 인해 노 심 내부의 노심우회유량의 분포도 변화한다. 우회류 간극 크 기의 증가로 인해 노심우회유량이 증가하면 그만큼 유효냉각 유량이 감소하게 된다. 이는 냉각효율이 감소함을 의미하는 것으로써 원자로의 효율을 감소시킬 뿐더러 수소 생산을 위 한 출구 냉각재의 목표 온도 달성에 악영향을 끼치게 된다[5].

또한 국부적인 노심 블록의 온도 상승을 야기하여 노심 건전 성을 저해하는 요인으로 작용한다. 더욱이 초고온가스로의 경 우 기존의 고온가스로보다 노심출구온도가 높기 때문에 노심 의 열 여유도가 낮다. 따라서 초고온가스로 노심의 열적 여유 도 및 건전성을 확보하고 냉각재 출구온도의 목표달성을 위

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Fig. 5 Definition of bypass flow, crossflow and effective coolant flow

Fig. 6 Concept of unit-cell and block combination

Fig. 7 Unit-cell experimental facility 해선 노심 내 유동분포 최적화가 매우 중요하다. 기존의 연구

결과[4]에 따르면 노심우회유량은 전체 유량의 10 ~ 25% 정 도가 발생할 것으로 예상되나 이를 정량화하기 위한 연구는 국내외적으로 수행된 바가 거의 없는 상황이다. 따라서 본 연 구에서는 실험 및 전산유체코드를 이용한 해석을 통해 우회 유량을 정량화하고 유량 분포의 특성을 파악하고자 한다.

2. 노심우회유량 정량화 연구

2.1 단위-셀 노심우회유량 정량화 실험

초고온가스로의 노심우회유량을 측정하기 위한 실험 장치 로서 단위-셀 실험 장치를 구축하였다. Fig. 6과 같이 노심 내 육각 블록의 세 중점을 연결한 면을 검사 체적의 단면으로 삼는 단위-셀(unit-cell)을 도입하여 검사 체적 내에 포함되는 블록의 조합 및 각 블록 사이의 간극의 크기에 따른 우회유 량 분포의 변화를 측정하였다. 단위-셀 내의 블록 조합은 핵 연료 블록과 반사체 블록의 조합에 따라 총 3 가지 케이스로 구성되며 실험 장치를 구성하는 테스트 블록들은 실제 노심 블록과 동일한 크기로 제작되었다. 또한 블록 사이의 간극의 크기는 1, 3, 5 mm의 세 가지 경우를 고려하였다. 실험 장치 는 상온, 상압의 공기를 작동 유체로 사용하였으며 개방형 루 프를 채택하였다. Fig. 7은 실험장치의 구성을 보여주는 것으 로 크게 주유동 장치(main flow system), 측정 장치(measuring devices), 데이터 획득 장치(Data acquisition system) 및 시험부 (test section)로 구성된다. 단위-셀은 전체 노심 영역의 국부적 인 일부분에 해당하므로 단위-셀로 유입되는 유량은 균일한 것으로 가정하였고 입구 유량의 균일성을 확보하기 위해 시 험부 입구 측에 풍동을 설치하였다. 유량을 측정하기 위한 측 정 장치로서 평균 양방향 유동 튜브(BDFT)[6]를 사용하였다.

평균 양방향 유동 튜브는 H자 형태의 유량계 센서의 전단과 후단에서 유동에 의해 형성되는 압력 차이와 평균 유속 간의 관계를 통해 질량 유량을 측정한다. 우회유량 측정은 입구 유 량과 각 블록을 통과하는 유량을 측정하여 이들 간의 차이를 통해 계산하게 된다. 시험부의 경우 세 개의 육각 블록의 중 점을 연결한 영역보다 약간 확대되어 한 변의 길이가 426.6 mm인 정삼각형 채널이다. 이는 시험부의 경계가 핵연료 블록 내부의 냉각재 홀들을 이등분하여 냉각재 홀을 반으로 가르 는 벽이 생기는 것을 피하기 위해 단위-셀 영역을 조정한 것 이다. 시험부 핵연료 블록과 반사체 블록 및 간극 조절 블록 으로 구성되며 핵연료 블록의 경우 블록 후단에 냉각재 홀을 통해 흐르는 유량을 모아서 측정하기 위해 파이프를 연결하 였다. 간극 조절 블록은 블록 중앙 선상에 위치한 요철의 두 께를 달리하여 우회류 간극의 크기를 조절할 수 있게 하였고 테스트 블록에 간극 크기에 해당하는 작은 탭을 삽입하여 전 체적으로 간극 크기가 균일하게 유지될 수 있도록 하였다.

Table 1은 입구유량, 블록의 조합 및 우회류 간극의 크기에 따른 실험 케이스를 정리한 것이다.

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gap 1 mm gap 3 mm gap 5 mm

F1

G1F1W1 G3F1W1 G5F1W1 G1F1W2 G3F1W2 G5F1W2 G1F1W3 G3F1W3 G5F1W3

F2

F3

Table 1 Test matrix 라서 본 연구에서는 초고온가스로 노심 우회유량을 평가하기

위한 해석 체계를 구축하고자 상용 전산유체코드인 FLUENT 6.3[7]을 이용하여 단위-셀 실험에 대한 해석을 수행하였고 실 험 결과와의 비교를 통해 FLUENT의 정확성 및 신뢰성을 평 가하고자 하였다. 또한 산업적으로 널리 쓰이는 표준 k-ε 모 델, 표준 k-ω 모델과 SST(Shear Stress Transport) 모델을 비교 하여 각 모델의 우회유량 예측 능력을 평가하고자 하였다.

2.2.2 지배방정식 및 수치해석 방법

본 연구에서는 정상상태 Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 해석을 수행하였다. 비압축성 난류 유동에 대한 지배 방정식인 연속 방정식과 운동량 방정식은 다음과 같다.



 ∇ ·  (1)



  ∇ · ∇  ∇ ·^ (2)

반복 수치 계산은 보존 방정식의 잉여값(residual)이 10^-5 이 하가 될 때까지 수행하였다. FLUENT는 지배방정식을 이산화 하기 위해 유한체적법을 사용한다. 본 연구에서는 압력-유속 간의 연계(coupling)는 SIMPLE 기법을 적용하였고 pressure interpolation scheme은 standard scheme을 적용하였다. 그리고 운동량 보존 방정식의 대류항에 대해서는 1차 상류차분법을 이용하였다.

2.2.3 해석 모델링 및 해석 조건

본 연구에서는 단위-셀 실험장치의 형상 모델링과 격자 생 성을 위하여 GAMBIT 2.2.30[8]을 이용하였으며, 실험장치의 형상을 고려하여 사면체와 육면체의 혼합 격자를 사용하였다.

냉각재 홀 채널과 우회류 간극 채널의 난류유동 해석을 위해 운동량 방정식의 레이놀즈 응력항은 Menter의 SST 모델[9]을

적용하여 계산하였다. 초고온가스로 노심 유동 분포에 대해 정확한 결과를 얻기 위해선 유동 박리 및 채널 내에서의 압 력 분포를 정확하게 예측할 필요가 있다. SST 모델은 k-ε 모 델과 k-ω 모델의 장점을 결합한 모델로서 다양한 종류의 정 확한 박리 예측에 매우 효과적인 것으로 알려져 있다[10]. 따 라서 SST 모델을 통한 해석 결과와 실험 결과를 비교함으로 써 초고온가스로의 노심 유동장 해석에 대한 SST 모델 적용 의 타당성을 고찰해 보았다. 또한 산업적으로 널리 이용되는 표준 k-ε 모델 및 표준 k-ω 모델을 적용한 해석을 통해 난류 모델에 따른 우회유량 예측 능력을 비교하였다.

해석 케이스 및 경계 조건은 실험 케이스에 대응하여 결정 된다. 실험을 통해 측정된 입구 유량을 해석 모델의 입구부 경계 조건으로 설정하였다. Fig. 8은 실험 장치 모델링 및 격 자 구조를 나타낸 것이고 Fig. 9-11은 각 블록 조합 별 해석 모델을 보여준다. 블록 조합별 해석에 사용된 격자수는 Table 2에 정리하였다. 격자 민감도 테스트는 F3 case에 대하여 노 드수를 기준으로 각각 137만개의 격자와 246만개의 격자를 사용하여 수행하였다. 작동 유체는 공기이며 계산에 사용한 밀도와 점성도는 각각 1.225 kg/m³과 1.7894E-5 kg/m-s이다.

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Fig. 9 Simulation domain (F3 case)

Fig, 10 Simulation domain (F2 case)

Fig. 11 Simulation domain (F1 case)

Number of Elements Number of Nodes F1 Case 1,330,000 810,000 F2 Case 2,070,000 1,420,000 F3 Case 2,600,000 2,060,000

Table 2 Mesh statistics

Fig. 12 Bypass flow ratio according to the bypass gap size

Fig. 13 Comparison of bypass flow ratio between experimental results and CFD predictions

3. 연구결과 및 논의

3.1 우회유량 정량화 실험 및 해석 결과 3.1.1 우회유량의 분포 및 특징

Table 3은 전체유량에 대한 우회유량의 비를 정리한 것이 다. 입구 유량 조건을 변화시키면서 실험한 경우 우회유량의 비율은 거의 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 이는 해석 에서도 동일한 결과가 나타나고 있었다. 우회류 간극을 통해 흐르는 우회유량의 절대값은 입구유량에 따라서 증가하지만 전체 유량에 대한 우회유량의 비는 입구 유량 조건에 독립적 임을 알 수 있다. 하지만 우회유량의 비는 블록 조합 및 우회 류 간극의 크기에 대해선 변화하는 것으로 나타났다.

블록 조합에 핵연료블록의 수가 많아질수록 같은 조건에서 우회유량의 비가 감소하는 것을 볼 수 있다. 우회류 간극 5 mm에 대해 F3 case, F2 case, F1 case의 우회유량 비는 각각

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Cases

Experiment CFD Analysis Winlet

(kg/s)

ΓBypass

(%)

Winlet

(kg/s)

ΓBypass

(%) G1F1W1 0.0825 2.57 0.0836 1.48 G1F1W2 0.1754 2.53 0.1771 2.11 G1F1W3 0.2706 3.11 0.2759 2.55 G1F2W1 0.1427 1.51 0.1427 0.67 G1F2W2 0.2935 1.53 0.2935 1.03 G1F2W3 0.4513 1.77 0.4513 1.21 G1F3W1 0.1801 1.19 0.1801 0.41 G1F3W2 0.3736 1.39 0.3736 0.64 G1F3W3 0.556 1.22 0.5566 0.77 G3F1W1 0.0930 14.40 0.1009 14.71 G3F1W2 0.1753 14.45 0.2105 14.30 G3F1W3 0.2719 14.46 0.3257 14.45 G3F2W1 0.1461 7.73 0.1471 6.50 G3F2W2 0.3035 6.35 0.3037 7.47 G3F2W3 0.4656 6.70 0.4644 7.79 G3F3W1 0.1863 4.75 0.1789 4.29 G3F3W2 0.3843 4.89 0.3653 4.99 G3F3W3 0.5700 4.46 0.5492 5.26 G5F1W1 0.0973 30.44 0.0973 29.78 G5F1W2 0.2063 28.70 0.2063 29.51 G5F1W3 0.3156 28.21 0.3156 29.53 G5F2W1 0.1577 13.22 0.1562 14.83 G5F2W2 0.3266 12.95 0.3197 14.61 G5F2W3 0.4866 13.18 0.4858 14.61 G5F3W1 0.1911 10.99 0.1812 10.31 G5F3W2 0.3878 10.46 0.3743 10.35 G5F3W3 0.5802 10.70 0.5634 10.31 Table 3 Summary of experimental and computational results 운데 우회류 간극이 차지하는 면적이 작을수록 우회류 간극

의 변화에 따른 영향이 상대적으로 크게 나타나는 것으로서 노심의 국부적인 위치에 따라 우회류 간극의 영향이 달라질 수 있음을 의미한다. 즉, 초고온가스로 노심의 핵연료 영역의 경우 흑연 노심 블록이 받는 방사선 조사량이 더 많기 때문 에 노심 블록의 변형도 더 크게 발생하고 우회류 간극의 크 기도 반사체 영역에 비해 크게 형성되지만 이로 인한 노심 전체의 우회유량의 변화는 상대적으로 작게 발생할 수 있음 을 의미한다.

연구 결과로부터 우회유량 간극의 크기가 일정 수준 이하 로 작아지면 블록 조합에 상관없이 우회유량의 비가 매우 작 게 형성됨을 알 수 있었다. 우회류 간극의 크기가 1 mm인 경 우에는 블록 조합에 상관없이 0.5% ~ 3% 정도의 우회유량비 가 나타남을 볼 수 있다. 원자로 노심의 우회류 간극의 크기 는 핵연료 주기 초기에 3 mm 정도에서 핵연료 주기 말기에 는 5 mm 이상으로 증가하게 된다. 우회류 간극 1 mm 실험은 매우 보수적으로 우회류 간극의 크기를 작게 설정하여 간극 크기의 영향을 평가해 본 것이다. 따라서 실험 결과로부터 Core Restraint System 등을 통해 우회류 간극의 크기를 일정 수준 이하로 제어하는 것은 노심우회유량을 저감하는데 효과 적인 방법이 될 수 있음을 알 수 있다.

3.1.2 CFD 해석 결과

단위-셀 실험의 경우 블록 내부의 구조의 복잡성과 우회류 간극의 크기가 좁기 때문에 냉각재 홀 및 간극의 유동장에 대한 상세한 실험 결과를 도출할 수 없었다. 전산유체코드를 이용한 유동해석은 이러한 실험상의 한계를 극복하는데 매우 유용하다. 본 연구에서는 상용전산유체 코드인 FLUENT 6.3을 사용하여 실험에 대한 해석을 수행하여 냉각재 홀 및 우회류 간극에서의 유동장을 분석하였다. 우선 FLUENT의 해석 능력 을 평가하기 위해 유량 분포에 대한 실험과 해석 결과를 비 교해 보았다.

Fig. 13은 우회유량 분포에 대한 실험 및 SST 모델을 적용

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Fig. 16 Velocity streamline at the inlet of blocks(F3 case)

Fig. 17 Velocity streamline at the inlet of blocks (F2 case) Fig. 14 Analysis location for velocity distribution

Fig. 15 Velocity distribution at coolant holes and bypass cap channel

로부터 기인할 수도 있으나 주로 실험 장치의 간극의 크기와 해석 형상의 간극의 크기의 차이로부터 기인하는 것으로 판 단된다.

Fig. 15는 우회류 간극 5 mm 경우의 우회류 간극을 기준 으로 블록 내부의 냉각재 홀 위치에 따른 속도 분포를 나타 낸 것이다. Fig. 14와 같이 단위-셀 채널 중심부에서 모서리 방향으로 우회류 간극과 3개의 냉각재 홀들이 존재하게 되는 데 이들 채널에 대한 유속 분포를 도시하였다. 각 블록 조합 에 따라 입구유량 조건이 다르기 때문에 냉각재 홀 및 우회 류 간극에서의 최대 속도의 크기도 각기 다르게 나타나고 있 다. 우회류 간극보다 유로가 상대적으로 넓은 냉각재 홀의 최 대 유속이 더 크게 형성되고 있으며 냉각재 홀 및 우회류 간 극에서의 Reynolds 수는 대부분 2×10⁴ ~ 3×10⁴의 범위로써 각 채널의 유동이 모두 난류 영역에 속함을 알 수 있다. 해석 결 과의 유속 분포에서 우회류 간극 유로에서 벽으로 접근할수 록 유속이 증가하는 것처럼 보이나 이는 단위-셀의 단면에서 Y 자 형태의 우회류 간극의 중심부 교차점에서 더 빠른 유속

이 형성됨을 보여주고 있는 것이다. 한편 냉각재 홀의 위치 별 유속 분포의 경우 그래프에 나타난 바와 같이 우회류 간 극으로부터의 거리와 무관하게 균일한 유속 분포를 보여주고 있다. 따라서 하나의 핵연료 블록 내의 냉각재 홀로 유입되는 유동에 대해 균일한 분포를 가정할 수 있으며 이는 초고온가 스로의 노심 유동 분포에 대한 모델링 단순화에 대한 근거로 활용될 수 있을 것이다.

Fig. 16-18은 블록 조합별 블록 입구 측에서의 유속 및 유 동 분포를 보여주고 있다. 블록 입구 측에서의 유속은 대체로 5~10 m/s 이내로 형성되고 있으며 냉각재 홀 내부 및 우회류 간극에서는 20~40 m/s 정도로 형성되었다. 유동 분포를 살펴 보면 F3 케이스의 경우 각 블록으로 유동이 균일하게 분포되 어 들어감을 확인 할 수 있다. F1, F2 케이스의 경우 냉각재

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Fig. 18 Velocity streamline at the inlet of blocks (F1 case)

Number of Nodes ΓBypass [%]

Experimental Result 10.70 1.37×10⁶ (Coarse) 10.16 2.06×10⁶ (Reference) 10.31 2.46×10⁶ (Fine) 10.41

Table 5 Mesh Sensitivity Test Fig. 19 Velocity distribution in the coolant hole and bypass gap (F3

case)

Bypass Gap 5 mm

Case Exp. SST k-ε k-ω

F1 28.21 29.53 26.02 26.87 F2 13.18 14.61 14.96 15.44 F3 10.07 10.31 10.56 10.81

Bypass Gap 3 mm

Case Exp. SST k-ε k-ω

F1 14.46 14.45 14.49 15.35 F2 6.70 7.79 7.53 7.83 F3 4.46 5.26 5.29 5.49 Table 4 Comparison of Turbulence Models for Bypass Flow Ratio

Fig. 20 Velocity distribution in the coolant hole and bypass gap (F2 case)

Fig. 21 Velocity distribution in the coolant hole and bypass gap (F1 case)

홀이 없이 완전히 막혀있는 반사체 블록으로 인해 유동이 반 사체 블록에서 핵연료 블록 쪽으로 휘어지며 우회류 간극으 로 유입되고 있는 것으로 나타났다. 전체 유로의 면적 중에

우회류 간극 유로가 차지하는 면적의 비와 반사체 블록으로 인해 발생되는 횡방향 유동은 블록 조합에 따른 우회유량 분 포의 변화를 발생시키는 주요 원인으로 판단된다.

Fig. 19-21은 냉각재 홀 및 우회류 간극 채널 출구부 유속 분포를 보여주고 있으며 앞서 기술한 바와 같이 냉각재 홀 별 유속 분포가 거의 균일하게 형성되고 있음을 확인 할 수 있다. 우회류 간극의 유속 분포의 경우 벽면 효과가 상대적으 로 작은 세 블록의 교차점인 중심부에서 유속이 더 빠르게

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형성되는 것으로 나타났다.

우회유량 예측에 대한 난류 모델 별 정확성을 평가하기 위 해 표준 k-ε 모델, 표준 k-ω모델과 SST 모델을 적용한 해석 결과와 실험 결과를 비교해 보았다. 난류 모델 간 비교는 우 회류 간극 3mm와 5 mm에 대해 수행하였으며 블록 조합 별 입구 유량은 각 케이스의 최대 유량 조건을 적용하였다. 실제 원자로의 노심에서 거의 형성되지 않을 것으로 예상되는 우 회류 간극 1mm 케이스는 비교에서 제외하였다. Table 4는 실 험 및 각 모델별 우회유량의 비를 정리한 것으로 해석 결과 유량 분포를 예측하는 데 있어서는 표준 k-ε 모델, 표준 k-ω 모델과 SST 모델 간에 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.

따라서 전체 노심에 대해 우회유량 분포를 예측함에 있어서 난류모델에 따른 민감도가 크지 않을 것으로 판단된다.

Table 5는 격자수에 대한 민감도 분석을 수행한 결과로서 냉각재 홀과 우회류 간극에의 반경 방향 및 수직 방향의 격 자 크기를 조절하였다. 우회유량 분포에 대한 FLUENT 계산 결과가 적용한 격자 크기에 크게 의존하지 않음을 보여준다.

4. 결 론

블록형 초고온가스로의 노심우회유량을 평가하기 위해 실 제 원자로의 노심 블록을 실제 크기로 모사한 실험을 수행하 였다. 우회유량 정량화 실험은 단위-셀 개념을 도입하여 블록 조합과 우회류 간극의 크기, 입구 유량 조건의 영향을 고찰하 였다. 또한 실험에 대한 CFD 해석을 수행하여 상용 CFD 코 드인 FLUENT의 해석능력을 평가하고 초고온가스로 노심우회 유량 평가를 위한 해석 기술을 구축하였다. 실험 및 해석 결 과는 서로 잘 일치하였으며 우회유량의 형성이 주로 우회류 간극의 크기에 의해 결정된다는 점과 핵연료 블록 내 냉각재 홀의 속도 분포가 대체로 균일하게 형성되는 것을 확인하였 다. 또한 블록으로 유입되는 입구유량의 변화는 유동 분포에 영향을 주지 않음을 확인하였다. 난류 모델에 따른 영향을 평 가하기 위하여 표준 k-ε모델, 표준 k-ω 모델, SST 모델을 비 교하였으나 우회유량 예측에 있어서 난류 모델에 따른 영향 은 크지 않는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 CFD 코드를 이용하여 블록형 초고온가스로의 노심우회유량을 예측할 수 있는 해석 기술을 구축하고 해석 결과의 타당성을 평가하였 다. 본 연구를 통해 도출된 우회유량에 대한 데이터 및 해석

기술은 향후 초고온가스로 노심의 열적 여유도를 평가하고 안전성을 확보하기 위한 연구의 기초 자료로서 활용될 수 있 을 것으로 기대된다.

후 기

본 논문은 교육과학기술부의 재원으로 시행하는 한국과학 재단의 원자력기술개발사업으로 지원받았습니다. (연구과제 관리코드: 2008-2005919)

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