연구의 배경
배관 내에서 서로 다른 온도의 유체가 밀도차에 의해서 층이 분리된 채 존재하는 현상을 열성층 (Thermal Stratification) 현상이라 하며, 이러한 열성층에 의한 온도차는 배관의 축방향, 원주방향 및 반경방향으로 과도한 열응력 및 열피로를 유발시켜 배관의 건전성을 저해할 수 있다. 다수의 원자력 발전소에서는 지금까지 가압기 밀림관의 이상변형, 지지물 파손 및 feedwater nozzle, 고압안전주입관, 잔열제거계통 배관에서의 결함 등, 과도한 열응력 및 열피로에 인한 기계적 손상사례가 발생해 왔다. 특히, USNRC 는 Bulletin 88-08 및 88-11 을 통해 가압기 밀림관에 대한 열성층화 현상의 존재여부 검토 및 평가를 수행하여 배관의 건전성을 확인하고 설계 수명기간 중의 건전성 유지방안을 촉구하였다. 가압기 밀림관 (surge line)은 원자로 냉각재 계통의 가압기 (pressurizer)와 고온관 (hot leg)을 연결하는 배관이며, 배관 내에서 가압기 측의 고온 냉각재와 이에 비해 상대적으로 낮은 온도인 고온관 측의 냉각재가 만나 배관 상하부 간에 온도차가 항시 상존하고 있다.
열성층이 존재하는 배관에 대한 구조적 건전성을 평가하기 위해서는 배관 벽면 및 내부에서의 과도 온도분포를 파악하는 것이 필수적이며, 기존의 연구들은 특정 형상에 대한 실험장치, 가압기 밀림관의 직접적인 온도측정, 해석적인 방법 및 수치계산 등을 통해 배관에서의 온도분포를 파악하려 하였다. 특히, 그 동안 실험 및 직접적인 온도측정이 어렵다는 이유로, CFD 해석을 통한 연구들이 많이 수행되었다. 하지만, 기존의 연구들은 배관 벽 두께를 무시하여 계산하거나 배관을 단순 직관으로 가정하여 계산하는 등 문제점이 있었다. 실제 배관은 몇몇의 곡관부와 배관 두께가 존재하며, 유체로부터 배관 벽으로의 대류 열전달과 배관내부에서의 전도 열전달이 동시에 일어나기 때문에, 정확한 결과를 도출하기 위해서는 실제 배관 형상에 대한 해석 및 conjugate heat transfer 해석이 필수적으로 이루어져야 한다.
연구의 내용
본 연구에서는 실제 밀림관의 형상을 3 차원으로 모델링하고, conjugate heat transfer를 포함한 3차원 과도 열유동 해석을 수행하여, 실제 PWR 가압기 밀림관에 대한 정확한 과도 온도분포를 파악하였다. 또한, 배관 벽을 고려한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교함으로써, conjugate heat transfer의 영향에 대한 평가를 수행하였다. 특히, shear stress transport (SST) 난류모델을 사용하였으며, 유체의 온도차에 의한 부력효과는 밀도차 (ρ-ρref)를 직접적으로 평가하여 계산하였다.
연구의 결과
Mesh 및 time step에 대한 민감도 해석을 수행하여, 계산결과에 영향을 미치지 않는 최적의 노드 개수와 time step size를 구하였으며, out-surge 문제의 경우 각각 230,000 개 및 0.1 초, in-surge 문제의 경우 각각 230,000 개 및 0.05 초의 결과를 도출하였다.
Conjugate heat transfer 영향평가를 통해 벽 (conjugate heat transfer)을 고려하지 않았을 때의 결과가 벽을 고려한 경우의 결과보다 배관벽 상하부의 온도차를 낮게 예측하여 실제현상을 왜곡하여 예측할 뿐만 아니라 비 보수적인 결과를 보임으로써, 열성층 배관의 열하중을 과학적이고 높은 정확도로 예측하기 위해서는 conjugate heat transfer 해석이 필수적으로 수행되어야 한다는 결론을 얻었다.
고리 1 호기 가압기 밀림관의 열성층에 의한 구조적 건전성을 평가하기 위해 필요한 배관의 3 차원 과도 온도분포가 파악되었으며, 추가로 열성층 현상에 대한 입구 속도의 영향을 평가하기 위한 CFD 해석이 수행되었다.
규제검증 평가지침
· 실제 PWR 가압기 밀림관에 대한 정확한 온도분포를 파악하기 위해서는 3 차원의 밀림관 형상을 실제적으로 모델링하여, 과도 열유동 해석을 수행해야 한다.
· 밀림관 벽 두께를 고려하지 않은 경우, 벽 두께를 고려한 경우보다 비보수적인 결과를 보일 뿐만 아니라 실제현상을 왜곡하여 예측하기 때문에 열성층 배관의 열하중을 과학적이고 높은 정확도로 예측하기 위해서는 배관의 벽 두께를 고려한 conjugate heat transfer 해석이 필수적으로 수행되어야 한다.