<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.2.189 ISSN 1226-4881
가압중수형 원자로의 중성자 감속재 순환 유동가시화와 삼차원 전산해석
엄 태 광* · 이 재 영*†
* 한동대학교 기계제어공학부 ,
Visualization and 3D Numerical Analysis of the Circulation Flow of the Neutron Moderator in a Heavy-Water Nuclear Reactor
Tae Kwang Eom * and Jae Young Lee *†
* Dept. of Mechanical Control Engineering, Handong Global Univ.
(Received August 16, 2011; Revised November 15, 2011; Accepted November 17, 2011)
1. 서 론
우리나라의 원전 개발정책은 경수로형 원자로를 주원자로로 하고 중수형 원자로(CANDU)를 보조 로형으로 하는 혼합로형 발전체계를 유지하고 있
다. CANDU 원자로의 특징은 수평형 배관에서의 냉각재 유동과 감속재의 경우 수평형 원통의 형상 을 갖고 있고, 현재 국내에서 안전해석용 최적열 수력코드는 경수로기반의 해석체계를 갖고 있다.
따라서, 경수로의 해석 코드를 그대로 사용하기에 는 중수로의 구조적 차이로 인하여 여러 가지 한 계와 모순을 동반한다. 이는 수평유동 위주의 중 수로에서는 중력효과가 적게 발현하여 미세한 힘 의 균형에 의한 영향이 두드러지는 현상을 가지고 Key Words : Moderator Cooling System(감속재 냉각 시스템), CANDU(중수형 원전), Calandria(칼란드리아),
Chemical Visualization Method(화학처리기법), CFD(전산유체해석), Flow Patterns(유동 패턴), k-ε Turbulence Model(난류모델 k-ε)
초록: 현 운행중인 중수로의 안전장치인 감속재는 원전사고시 최종 열침원의 역할을 감당한다. 감속재 연구 수행을 위해 CANDU6 의 축소화 모델인 HUKINS 는 최대출력 10kW 로, 칼란드리아 직경은 원모델 의 1/8 에 해당하는 0.95m 이며 축방향 길이가 38.4mm 의 열원 88 개가 삽입되어 있다. HUKINS 내 감속 재 유동패턴의 발생 여부를 판단하고자 화학처리기법을 활용하였고 그 결과 출력파워 약 7.7kW 에서 각 입력유량을 4,7,11L/min 으로 유입시 감속재의 유동패턴이 부력기조유동, 혼합양상유동, 모멘텀 기조유동 의 양상을 나타났다. 3 가지 유동패턴에 대해 육면체 격자를 기본으로 구성된 약 190 만개의 격자수 내에 서 난류모델 kε 의 예측결과와 실험결과간에 유사성을 보임으로써 HUKINS 가 CANDU6 감속재 유동의 실험적 연구에 사용 가능함을 입증했다.
Abstract: The heavy moderator acts as the ultimate heat-sink in an operating CANDU reactor. HUKINS has been developed to investigate moderator flow patterns. HUKINS consists of a 38.4-mm-thick cylindrical shell with a 0.95 m inner diameter and 88 sus-tubes that produce a total heat of 10 kW. A chemical visualization method was selected to estimate the occurrence of typical moderator flow patterns. Momentum-dominated flow, mixed flow, and buoyancy- dominated flow are detected under conditions of a heat load of 7.7 kW and input mass flow rates of 4, 7, and 11 L/min.
The experimental results are similar to the results of a CFD simulation that consisted of approximately 1.9 million grids and was conducted using the k-ε turbulence model. Therefore, both the present experiments and simulations using HUKINS, a 1/8-scale model, represent all three important flow patterns expected in the real CANDU6 reference reactor.
Thus, it has been demonstrated that HUKINS could be useful in the study of CANDU6 moderator circulation.
† Corresponding Author, [email protected]
© 2012 The Korean Society of Mechanical Engineers
있기 때문이다. 따라서 3 차원적 해석에 적합한 기 존의 CFD 코드는 중수로형 계통에 적용을 위해 해석모델 및 노드화 방법론에 대한 많은 고찰과 경험이 필요하다.
중수형 원자로의 GSI(generic safety issue)중에 중 수형 원자로의 중장기 안전연구 현안으로 제시되 고 있는 것이 감속재 온도예측(GAI95G05) 능력이 다. 현재 원자력연구소에 의한 RELAP5-CANDU 코드가 개발되어 있으나 현재의 고온채널에 대한 위치와 온도를 정당화할 수 없다. 이에 대한 신뢰 있는 결과도출을 위해서는 감속재 열침원에 대한 3 차원적 해석이 요구된다. 감속재 열제거능력 상 실시 예기되는 이상유동의 발생과 복잡한 구조물 을 잘 예측하면서 신뢰성있게 난류유동 및 이상유 동을 잘 표현할 수 있는 3 차원적 전산해석능을 보유하기 위해서는 상용 CFD 코드의 활용이 주목 된다. 그러므로 감속재 열침원 분포해석을 위한 실증실험을 기반으로 노드화 및 해석 방법론의 개 발을 통해 3 차원 열유동장 분포 및 감속재 온도 계수에 대한 피드백효과의 정확한 진단이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 감속재 연구 수행을 위 해 정확한 축소화 법칙이 적용된 축소화 모델에서 감속재에 대한 지속적인 연구가 수행될 필요가 있 다.
감속재 열침원 성능특성 실험과 관련하여 선행된 연구는 캐나다의 AECL 과 COG 의 주관 하에 SPEL(Koroyannaski 등, 1983), STERN(Hadaller, 1990), MTF(Khartabil 등, 2000)의 연구가 수행되었다. 1983 년 SPEL(Sheridan Park Engineering Laboratory)에서 Koroyannaski 등(1)은 칼란드리아와 같은 원통형 장치 내에서 유체의 입력제트와 내부열에 의해 발생되는 유동현상에 대한 실험연구를 수행하였다. SPEL 실험 은 축소모형은 아니지만 재순환 유동, 비등이 없는 유체의 가열, 칼란드리아 축에 평행하게 나열된 수 평관들의 2 차 배열 등 CANDU 원자로의 전형적인 특성을 반영한 실험이었다. 화학반응을 이용한 유동 가시화기법을 사용하여 실험장치 안에서의 주도적인 유동양식을 결정하여 수평형 원통내에 감속재의 유 동은 모멘텀기조유동, 혼합양상유동, 부력기조주도유 동이 발생한다고 보고하였다. 그후 1990 년에는 STERN 의 Hadaller 등(2~4)에 의하여 1/4 축소 비율의 실증 실험이 수행되었다. STERN 의 실험은 칼란드리 아 내부의 감속재 거동에 대하여, 입력노즐의 각도 변화(2)와 열원(3,4)의 삽입여부에 따른 유동패턴변화와 온도측정을 수행하였다. 화학반응을 이용한 가시화 기법을 사용하여 유동영역을 판정하였으며, LDV
(laser doppler anemometer)를 이용하여 유속을 측정하 였는데 유동패턴 판정을 크게 모멘텀 주도 유동과 부력주도 유동으로 나누었다. 2000 년 Khartabil(5)는 CRLAECL(Chalk River Laboratories of Atomic Energy of Canada Limited)에서 MTF(Moderator temperature facility)내 3 차원 감속재 유동과 관련한 용기내 핵채 널의 열수력 저항, 입력노즐내 속도분배, 실린더형 용기 벽 내의 유동발달 그리고 온도차이에 대한 난 류 발생등을 연구를 실시하였다.
2. 화학적 유동가시화
2.1 HUKINS 실험설비의 주요 구성요소
Lee 등(6)은 축소화 기법에 따라 분석한 1/8 의 스케일비를 가지는 HUKINS 실험장치를 설계, 제 작하였다. 동작 유체는 물로서 이에 적합하도록 설계하였으며, 85℃이상의 온도범위와 대기압에서 의 동작을 고려하였다. 동작 유체에 관해서는 루 프를 형성하여 배관 제작을 하였고 루프에서의 순 환을 위하여 펌프를 설치하였다. 칼란드리아 입력 노즐부에서의 유량을 조절하기 위하여 밸브를, 칼 란드리아 내부에서의 화학적 유동 가시화를 위하 여 가시화물질 주입부를 칼란드리아 입력 노즐부 와 루프의 순환부에 각각 설치하였다. 본 실험의 주 관심 영역인 칼란드리아 테스트 섹션에는, 내 부에서의 유동현상을 관측하기 위하여 전면부를 투명한 폴리카보네이트로 제작하였다. 또한, 칼란 드리아 입출구에서의 온도를 일정하게 유지하도록 루프의 순환부에 열교환기를 설치하였다.
Fig. 1 은 실험설비 전체 구성도를 나타낸 것으 로 칼란드리아 탱크의 측면을 기준으로한 실험설
Fig. 1 Experimental facilities of HUKINS(1st Power supply, 2nd heater control, Calandria tank)
Table 1 Main Parts and values of experimental facility
구분 규격
칼란드리아
(Test Section) 지름: 950mm, 폭: 38.4mm
입력노즐 총면적: 660mm2, 수직방향각도: 15°
드레인 총면적: 660mm2, 수직방향각도: 0,16.3°
열원 내경: 33mm, 길이 38.3mm 물 저장탱크 20L
펌프 최대
유출 물질량 126LPM 열교환기의
최대 제거열량 10kW
비의 모습으로 실험설비는 크게 칼란드리아 탱크 및 관련계통장치, 열원제어부, 계측장치의 세 부분 으로 구분된다. 이때 감속재 열침원 성능 특성을 위한 실증 실험에 있어서, 칼란드리아 관의 모사 를 위해, 88 개의 전기히터가 사용된다. 전기 히터 의 제작과정에서 발생하는 히터 각각의 소모 전력 량 차이는 실험장치 내부의 열적 불균등을 생성하 여 정확한 실증실험을 어렵게 한다. 따라서 본 연 구에서는 실험장치 내부의 균일한 열원 공급을 위 한 열원 제어기를 설계 제작하였다. Table 1 은 CANDU6 의 축소화모델인 HUKINS 주요 실험장 치의 규격을 나타낸다.
2.2 화학적 유동 가시화 기법
유동을 관찰하는 방법으로는 LDV(Laser Doppler Velocimetry), PIV(Particle Image Velocimetry) 그리고 화 학적 유동 가시화 기법 등이 있다. LDV 와 PIV 는 국 소적 유동 측정에는 탁월하나 큰 장치에서 전체의 유 동을 관찰하기에는 적합하지 않아 HUKINS 실험설비 내의 유선을 관측하기 위하여 화학적 유동 가시화 기 법을 사용하였다.
화학적 유동 가시화 기법은 용액에 산염기 지시 약을 첨가한 후, 관찰하고자 하는 유체의 흐름 속 에 pH 변화를 만들어 유동을 관측하는 방법이다.
본 연구에서 유동 가시화를 위해 사용한 산염기 지시약은 BTB (bromothymol blue) 용액이다. 화학적 유동 가시화는 pH 변화에 따른 색변화를 관측하 는 기법이기 때문에, 가시화를 한번 수행한 후에 도 관찰 유체의 pH 를 원래대로 회복시킴으로 반 복적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 실험과 같이 순환구조를 가지는 실험장치에 있어 서 그 적용능이 탁월한 기법이다.
화학적 유동 가시화를 위한 본 실험절차는 다음 과 같다. 칼란드리아 탱크 내부 용액에 BTB 지시
Fig. 2 Visualization of Momentum-dominated flow pattern using chemical method (Observation interval time: 1s)
약을 첨가하면 내부 유체는 녹색(pH 7)을 띄게 된 다. 그런 다음 주입장치를 통해 pH 8 - 12 의 수산 화나트륨수용액을 입력 노즐부로 주입한다. 입력 노즐부를 통해 약 염기의 수산화나트륨 수용액이 주입되면, pH 변화가 생기면서 수용액과 섞이는 부분의 유체 색깔이 푸른색으로 변화한다. 반복실 험을 위해 pH 4.0 정도의 묽은 염산을 넣어 내부 유체가 중성을 유지하게 한다. 위의 과정을 반복 함으로 계속적인 유동 가시화가 가능하다. 또한 물에서의 수산화나트륨 수용액의 확산계수는 상온 시 m2/min 으로 알려져 있어 유동장 실험조건의 속 도에 비해 작은 값을 가지므로 유동 추적물질로 적당하다고 판단된다.
2.3 유동패턴의 실시간 관측과 분석
HUKINS 의 칼란드리아에서 다양한 입력유량과 주입열량에 의해서 형성되는 유동패턴을 관찰하기 위해서 디지털 동영상 촬영을 하였다. 촬영된 동 영상을 편집프로그램을 통해 각 유동별로 모멘텀 기조유동은 1s, 혼합양상유동은 2s 그리고 부력기 조유동은 6s 의 일정한 간격을 가지고 화면을 캡쳐 하도록 설정한 후 각각 모멘텀기조유동과 혼합양 상유동의 경우에는 32 장씩, 정체구간이 관찰되는 부력기조유동은 40 장을 나열하였다.
Fig. 2 는 각 입력노즐의 유량은 11L/min 로 유입하
고 열원공급은 하지 않은 조건에서 관찰된 모멘텀기 조 유동의 경우를 촬영한 것으로 시간의 흐름에 따 라 감속재가 얇은 줄기로 상단부로 올라갔다 큰 줄 기를 이루며 상단부에서 하단부로 전진하는 모양을 보인다. 모멘텀기조유동은 혼합양상유동 및 부력기 조주도유동에 비해 입구유량이 큼에 따라 감속재의 제트에 의한 운동량이 강하기 때문에 하단부로 이동 하는 동안 오른쪽으로 약간 기운 모양의 좌우 대칭 을 갖추며 좌우로 퍼지면서 소멸되지 않은 모멘텀 기류에 의해 중앙의 상단 좌우 대각선 방향으로 퍼 지는 모습을 관찰 할 수 있다. 이로 인해 감속재가 좌우 중앙 하단 부분에 감속재가 가장 늦게 도달하 게 되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 3 은 각 입력노즐의 유량을 7L/min 로 유입하 고 열원 공급량은 약 7.7kW 으로 유동양식은 혼합양 상유동이다. 양쪽에서 동일하게 분사된 모멘텀과 부 력에 의한 매질의 상승이 서로 근접하여 힘겨루기를 하는 양상이 된다. 그래서 노즐의 양단이 대칭이 아 니라 동일한 입력유량에도 불구하고 어느 한쪽은 모 멘텀이 우세하고 다른 한쪽은 부력의 우세로 나타나 는 비대칭성을 띄게 된다. 이러한 비대칭성은 유동 장 전체에 영향을 끼쳐, 비대칭적인 유동을 이루게 된다. 따라서 모멘텀이 우세한 경우는 상단부에 매 우 광범위하게 냉각수가 살포되고, 이에 반해 상대 적 모멘텀이 열악한 반대방향의 노즐에서 나온 냉각 수는 회전을 거듭하게 됨에 따라 비대칭유동을 가지 며 고온지역을 형성하게 된다. 그러나 혼합양상유동 은 그 강인도가 떨어져, 온도 상승이 크지 않을 것 으로 예상된다. Fig. 3 에서 관찰되는 것과 같이 왼쪽 중상부에 감속재가 도달하는 것이 가장 나중이 되는 것을 보게 된다.
Fig. 4 는 유동조건이 각 입력노즐의 유량값이 4L/min 이며 열원 공급량은 약 7.7kW 으로 유동양 식으로 부력기조유동에 속한다. 부력기조유동으로 노즐에서 나온 모멘텀 보다 열에 의한 매질의 상 승이 더 큰 힘을 발휘하여, 상승유동이 강하게 나 타나는 경우이다. 이런 경우는 상단부에 정체영역 이 발생할 것이 예측되고 그 정체 영역에는 감속 재의 유입이 적게 되어 고온 지역을 형성 할 것으 로 예측된다. 상층부에 극심한 정체현상을 보이는 데, 이는 양쪽 노즐의 모멘텀에 의한 영향력이 점 차 줄어듦에 따라 부력에 의한 유체의 흐름으로 인해 매우 느린 속도를 가지고 위로 전진하기 때 문이다. 상단부의 정체 구간은 대류현상을 방해해 상하단간의 온도차이를 크게 할 것으로 예상된다.
Fig. 3 Visualization of Mixed type flow pattern using chemical method (Observation interval time: 2s)
Fig. 4 Visualization of Buoyancy-dominated flow pattern using chemical method(Observation interval time: 6s)
2.4 유동장의 경계선 추출 이미지처리 기법 앞에서 설명한 화학적 유동 가시화 실증 실험 결과 들은 차후 전산유체 해석코드의 결과와 비교하는데 활용하려고 한다. 이를 위해 촬영된 영상에서 감속재 의 진행방향과 모양에 대한 이미지의 추출하는 이미 지 처리 프로그램을 개발하였다. 감속재 진행 방향과 모양에 대한 이미지 처리의 방법은 수산화나트륨 수 용액이 BTB 와의 혼합작용에 의한 화학반응 시 푸른 계통의 다양한 색으로 가시화 되므로 발생하는 유동 경계선의 푸른색을 추출하여 시간의 흐름에 따라 색 깔을 부여하는 방식이다.
Fig. 5 은 앞에서 언급한 내용인 화학적 유동 패 턴의 가시화 현상에 대한 실시간 측정과 이미지 처리 과정을 나타낸 것이다. 감속재의 진행 순서 가 칼란드리아 내에서 상대적 온도차이를 발생하 게 하는 지역과 밀접한 연관성이 예상 되므로 각 유동의 경계선 이미지에 순서에 따라 색깔을 부여 하였다. 색의 순서는 상용 전산유체해석 코드의 온도장내 저온에서 고온으로 진행 시 나타내는 색 의 순서를 인용하였다. 정체가 심한 부력기조유동 경우에는 총 9 장의 경계선을 추출하였고 운동량 기조유동과 혼합양상유동에서는 총 7 장의 경계선 을 추출하여 색을 부여한 다음 조합한 결과를 Fig.
6 에 나타냈다.
Fig. 6 은 (a) 모멘텀기조유동, (b) 혼합양상유동(c) 부력기조유동을 앞에서 언급한 이미지처리기법을 통해 조합한 가시화 결과이다. 가시화 결과는 실
Fig. 5 The image processing procedure for the visualization of real time measurement of the chemical flow pattern
험 반복성을 통해 해당 조건 내 동일 유동장 확인 하였으나, 색 분리에 의한 경계층 추출 결과는 한 번 실험의 결과이다. 상단은 하단의 각 유동패턴 에 히터경계선을 추가로 삽입하여 칼란드리아 내 부의 유동장 형성에 따른 상대적 고온 지역을 보 다 쉽게 이해할 수 있도록 하였다. 2.3 절에서 분석 한 각 유동의 흐름을 한 그림에 나타내어 각 유동 의 특징을 파악하기 용이하다는 장점을 가지고 있 다. 이는 감속재의 진행과 모양에 대한 이미지 처 리가 일정한 시간 간격에 따라 이루어지면, 감속 재의 변화 추이를 통해 각 유동의 상대적 속도 차 이를 알 수 있고 유입되는 감속재가 칼란드리아 내부의 온도 보다 낮으므로 감속재 유입 시 감속 재의 진행방향과 모양에 따라 각 유동 패턴의 온 도 분포도 어느 정도 예상이 가능하기 때문이다.
실증실험과 전산해석간 결과 비교 시 전산해석결 과의 건전성 판단과 각 유동의 특성을 분석하는 자료로 활용하고자 한다.
3. 전산해석
3.1 격자생성과 해석결과
화학적 처리 기법을 이용한 실증 실험의 유동 패턴 의 결과와 비교하기 위한 전산 유체해석의 격자는 사 각격자를 기본으로 하였다. ANSYS ICEM CFD-11.0 을 사용하여 생성된 총 격자수는 1,881,618 이고 노드수 는 448,148 개를 기반으로 격자를 조성하였고 핵채널 과 칼란드리아 내 벽면에는 경계층의 효과를 고려하 여 격자를 조밀하게 형성시켰다. 난류 모델은 k-ε 이 며 벽함수는 가변성이 적용되었다. HUKINS 내 해석 유체의 작동 유체는 단일상로 비압축성 유체며 유체 와 히터간의 열교환 모사는 열에너지로 설정하다. 칼
Fig. 6 Experiment results of each flow pattern using the chemical fluid method and the image processing (a) Momentum dominated flow (b) Mixed type flow (c) Buoyancy dominated flow
(a) (b) (c)
Flow Pattern Contour Test Section
Fig. 7 Computational mesh for calculating a HUKINS reactor on central plane (a) Calandria configuration (b) heater surface (c) Vessel wall surface
란드리아 내 주요 힘이 부력과 모멘텀이므로 부력은 온도 함수로 구현되는 Boussinesq 가정을 적용하였고 입력노즐에서 나오는 모멘텀은 중간세기의 난류를 설 정하였다. 해석 설정 시 높은 해상도를 적용하여 해 석을 수행하였고 해석결과의 RMS 는 열전달 관련 항 목을 제외하고 유동 및 난류 항목은 10-4이하로 수렴 하여 해석의 건전성을 확인했다.
형성된 격자를 나타낸 그 Fig. 7 은 z 축의 평면 을 나타낸 것으로 격자의 종류와 적용 위치 그리 고 형상의 각 위치와 특성을 파악할 수 있게 표현 하였다. 칼란드리아 내부를 고체부분와 유체부분 으로 분류하여 고체부분의 형성으로 히터와 물의 연결성을 용이하게 해줌으로써 열전달 효과를 모 사했다. 히터를 고체부분으로 형성 시 히터의 온 도가 단순히 설정된 열 유속에 의해서 결정되는 것이 아니라 히터의 재질 속성인 열전달 계수와 히터의 첫 기입 온도 값과 감속재의 유입에 따른 주변 온도에 의해 결정되게 했다. 이때 히터의 열 전달 물성치는 AISI316 의 열전달 계수를 인용하 였다. 해석 시 기입 조건으로 입력노즐의 온도는 45℃이며 내부열량은 7.7kW 이다. 앞에서 언급한 격자의 형성과 기입조건을 기반으로 해석한 결과 인 (a) 모멘텀기조유동, (b) 혼합양상유동, (c) 부력 기조유동의 유동을 Fig. 8 에 나타냈다. 해석결과에 대한 자세한 분석은 3.2 절의 실증실험과 전산해석 간 결과비교를 통해 언급하고자 한다.
3.2 실증실험과 전산해석간 결과 비교
Fig. 9 는 전산 유체 해석의 결과와 가시화 실증 실험 간의 결과 비교를 나타낸 것이다. Fig. 9(a)는 모멘텀기조유동으로 이 유동의 특징을 살펴보면 국소적 비대칭이 있지만 전반적으로 대칭성을 유 지하며 입력노즐에서의 강한 운동량으로 상단에서
(a) Momentum dominated flow
(b) Mixed type flow
(c) Buoyancy dominated flow
Fig. 8 Thermal flow patterns (left) and Streamline (right) of CFD result (a) Momentum dominated flow (Vin=11L/min, Tin=45℃, Heat Load ℃7.7kW) (b) Mixed type flow (Vin=7L/min, Tin=45℃, Heat Load ℃7.7kW) (c) Buoyancy dominated flow (Vin=4L/min, Tin=45℃, Heat Load
7.7kW)
℃
하단으로 곧장 내려가는 양상을 보인다. 국소적 고온지역은 상단지역과 하단부분에 국소적으로 생 성되는데 상단의 부분은 입력노즐의 강한 모멘텀 이 원통의 벽에 의해 형성되어지는 회전력으로 상 대적으로 운동량이 적은 부분이 상단에 발생하기 때문이며 하단부분은 양쪽 노즐부의 분사된 감속 재의 주 흐름이 상단보다 하단에서 비교적 활발하 지 못함에 따라 형성되어진다. 실험자료는 열공급 이 없는 상태라 열공급이 있는 상태의 전산해석결 과인 모멘텀주도유동과 명확한 비교는 어렵지만 모멘텀주도유동이 가지는 주요특징인 상단에서 하 단으로 분사되는 주 흐름과 칼란드리아 좌우 측으 로 퍼져 가는 유동흐름 모사는 비교적 유사성을 가지고 있는 것을 보게 된다.
Fig. 9(b)는 혼합양상유동 양식에 속하며 이 유동 의 특징을 살펴보면 좌측부에서 분사되는 감속재 의 운동량이 우측부에서 분사되는 것보다 강하게 작용하여, 좌우 비대칭의 구조를 만들어진 것이 (a)
(b)
(c)
Outlet Nozzle Inlet Nozzle Heater
확인된다. 좌측 부에서 분사된 감속재는 상단부로 올라가서 우측부에서 분사된 감속재와 함께 하단 부로 빠져 나오게 된다. 이로 인해 좌측 중상단부 에 상대적으로 고온의 감속재가 형성되어 전산유 체 해석결과와 가시화 실험 결과와의 비교 시 유 사한 비대칭구조를 가짐을 보게 된다. 혼합양상유 동은 양쪽의 입구노즐에서 같은 유량이 분사하여 도 수직방향각도의 16.3°에 위치하는 우측 드레인 의 영향에 의해 비대칭 유동현상을 나타낸다. 혼 합양상유동의 경우 입구노즐의 분사에 의한 모멘 텀과 열원에 의한 부력이 미묘하게 균형을 이루는 상태이기 때문에 다른 유동인 모멘텀기조유동과 부력기조유동과 달리 드레인의 위치가 유동의 패 턴에 큰 영향력을 미치는 것으로 판단된다.
Fig. 9(c)는 부력기조유동으로 온도분포를 살펴보 면, 입력노즐에서의 유체분사속도가 느려서 이에 따른 운동량의 효과가 거의 없고 온도에 의한 부 력효과만이 강하게 나타냄을 보게 되는데 부력효 과로 인하여 상대적으로 상단부에 높은 온도가 분
(a) Buoyancy dominated flow
(b) Mixed type flow
(c) Buoyancy dominated flow
Fig. 9 Comparison of flow patterns based on thermal flow field of CFD results (left) and experiment results using chemical visualization method (right)
포하고 있으며, 입력 노즐부를 통해 주입되는 감 속재는 칼란드리아 탱크의 상단부까지 치솟지 못 하고 이차유동을 형성하여 하단부로 빠져나가는 것이 확인된다. 이런 현상으로 상단부와 하단 부 분에 성층권 형성이 이루어져 상단부에 고온이 형 성되는 것을 보게 된다. 전산유체해석과 실험 결 과를 비교 시 부력기조 유동이 가지는 가장 큰 특 징인 칼란드리아 상단부의 정체 현상인 성층권형 성이 유사한 곳에서 형성되는 것을 보게 된다. 이 런 성층권 형성은 원자로 운전시 고온 지역을 유 발 시켜 안전상에 문제를 일으킬 수 있으므로 부 력기조유동이 형성되지 않도록 하여야 한다
4. 결 론
가압중수형 원자로의 중성자 감속재로 사용되는 중수가 순환하는 칼란드리아 내부의 유동패턴은 중수형 원자로의 안전에 중요한 요소로 앞선 여러 연구진들에 의해 주입노즐에 의한 제트와 중성자 의 직접가열에 의한 상승력의 균형이 다양한 유동 패턴을 형성되는 것으로 알려져 왔다. 따라서 감 속과 효율적인 냉각을 위해 올바른 감속재의 유동 장 해석이 필수적으로 선행되어야 하며 또한 해석 결과를 판단해줄 실험적 근거 역시 뒷받침되어야 한다.
이에 본 연구에서는 기존 CANDU-6 의 칼란드 리아를 1/8 로 축소화한 실험장치인 HUKINS 에서 유동장의 가시화를 위한 실험을 수행하였다. 가시 화는 BTB 용액과 수산화나트륨 수용액의 상호작 용을 이용한 화학적 방법을 사용하여 시간에 따른 주입유량의 전파과정을 기록하였다. 이를 통해 모 멘텀기조유동, 혼합유동, 부력기조유동을 모두 가 시화했다. 또한 전산해석을 이용한 3 차원 유동해 석 역시 병행하였다. 격자구성 시 올바른 경계층 을 모사를 위해 격자를 조밀하게 구성하여 kε 난 류모델 내 실험과 유사한 유동패턴결과를 얻어냈 다
이를 통해, 현재 개발중인 1/8 축소화 모델인 HUKINS 가 성공적으로 CANDU-6 감속재 유동의 실험적 연구에 사용 가능함을 입증했다.
후 기
본 연구는 교육과학기술부의 제원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사 드 립니다.
참고문헌
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