NET 논문 소개
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● 제목 : Influence of an in-vessel debris bed on the heat load to a reactor vessel under an IVR condition
● 저자 : 박준수, 박해균, 정범진 (경희대학교)
● 원문 : NET Volume 55. Issue 1, pp.180-189, January 2023
- □ 원자력발전소에서 중대사고가 발생하여 노심이 용융될 경우, 원자로 용기가 건전성을 유지할 것인지는 매우 중요한 관심사이며 이에 따라 사고대응전략이 수립된다. 원자로 용기가 손상된다면 노심용융물이 원자로 용기 밖으로 유출될 것이고 이 경우 원자로 하부에는 물이 없어야 하고 용융물을 냉각할 수 있는 코어캐쳐(Core catcher)가 설치된다. 반면, 원자로 용기가 건전성을 유지할 수 있다면 원자로 용기 외부를 충수시켜 외벽냉각을 수행하게 된다. 이 경우 방사성물질을 원자로 용기내(In-Vessel Retention)에 가둘 수 있게 된다.
- □ IVR연구는 원자로 하부에 고인 노심용융물이 밀도차에 따라서 2층 또는 3층으로 층상화된 상태에서 붕괴열과 외벽냉각으로 인하여 자연대류가 발생하고 이때 원자로 용기에 주어지는 열부하가 외벽냉각에 의해 충분히 냉각될 수 있는지를 확인하는 방식으로 수행된다.
- □ 이는 열원을 포함하는 매질의 자연대류 열전달이라는 측면에서 학문적 관심사이며 원자로 용융물을 직접 사용하기 어렵다는 측면 그리고 원자로형별로 용융물의 조성이 다르다는 측면이 연구의 어려운 점이다.
- □ 원자로 부피 대비 표면적이 상대적으로 큰 중형원전(예: AP-1000)의 경우에는 IVR 전략이 유효하고 용량이 큰 대형원전(예: EPR-1800)의 경우에는 그렇지 않아서 코어캐쳐를 둔다. 우리 원전인 APR-1400의 경우에는 그 중간에 해당하기 때문에 세심한 연구가 필요하다.
- □ 이 연구는 원자로 하부에 노심용유물과 함께 고형 잔해물(Debris)이 쌓여있을 경우 고형 잔해물에 의한 열전달 영향을 실험적으로 평가한 것이다.
(그림 1 참조).
- □ 이 연구에서는 열전달 실험을 대신하여 물질전달 실험을 수행한 것이 방법론적 특징이다. 열전달과 물질전달을 모델링한 수학적 방정식은 동일한 등급(Class)이다. 연속방정식, 운동량 방정식은 동일하고 에너지방정식과 농도방정식은 온도를 농도로 열전달계수를 확산계수로 바꾸면 동일하다. 따라서 열전달 문제를 물질전달 문제로 바꾸어 해를 구하고 물질전달의 해를 다시 열전달의 해로 전환할 수 있게 된다. 이 연구에서 황산구리 수용액을 이용한 전기도금계를 물질전달계로 활용하였다.
- □ 열전달에서 유체의 부피팽창을 통하여 부력을 형성하는 것과 같이 전기도금계에서는 용액내 구리이온이 음극에서 석출되면서 용액의 구리이온농도 감소가 큰 부력을 형성한다. 따라서 이 실험기법을 활용하면 작은 장치로 높은 부력을 유도할 수 있으며 양극에서 음극으로 이동한 구리이온의 양은 전류측정만으로 간단하고 정확하게 측정된다.
- □ APR-1400에서 중대사고가 발생한 것을 가정하여 노심용융물의 조성과 양을 평가하였고 이를 기준으로 잔해물 층이 없는 장치와 4가지 다른 잔해물 층 높이를 가지는 장치를 구성하여 실험을 수행하였다.
- □ 실험결과 원자로 하부에 형성된 고형 잔해물 층은 자연대류 유동을 방해하는 것으로 나타났다. 잔해물 층의 두께 증가에 따라서 이러한 현상은 더욱 두드러지게 나타났으며 그 결과 잔해물 층이 없는 경우와 비교할 때, 상부 금속층과 원자로 용기에 주는 열부하가 감소하였다. 즉 붕괴열이 충분히 냉각되지 못함을 의미한다.
- □ 잔해물 층에 의해 덥힌 영역에서의 열전달이 크게 감소함을 확인하였다. 또한 잔해물 층의 형성으로 인하여 감소된 부력높이로 계산된 RaH와 동일한 RaH를 가지는 잔해물이 없는 장치가 동일한 열전달 성능을 보임을 확인하였다.
- □ 이 연구는 실물질 실험을 수행할 수 없는 중대사고 실험영역에서 물질전달 실험을 통하여 높은 부력영역(RaH ~ 1015)에서의 현상학적 실험을 구현하였고 잔해층의 열부하 영향을 제시한 최초의 연구이다.
