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보고서 요약서
요약문
SUMMARY
Contents
목차
제1장 연구개발 과제개요 39
제1절 연구개발의 목적 및 필요성 39
제2절 연구 내용 및 범위 42
제3절 참고문헌 44
제2장 국내외 기술개발 현황 47
제1절 국내 연구개발 현황 47
제2절 해외 연구개발 현황 49
제3장 감속재 유동 정상상태 실험 53
제1절 MCT 실험 장치 53
1. 감속재 순환유동 실험(MCT) 시설 53
2. 감속재 탱크 순환 회로 60
제2절 PIV 속도장 측정 시스템 61
1. PIV 작동 원리 및 측정 절차 61
2. PIV 측정 시스템의 개선 64
제3절 PIV 측정 실험 결과 69
1. 측정 실험 조건 69
2. 측정 실험 결과 74
제4절 감속재 순환 유동 패턴의 불안정성 분석 89
제5절 실험 조건 및 결과 database 정리 91
제6절 결론 및 기대효과 95
제7절 참고문헌 97
제4장 과도상태 실험체계 구축 101
제1절 MCT 온도측정시스템 설계 및 제작 101
1. 서론 101
2. MCT 온도측정시스템 제작 요건 103
3. MCT 온도측정시스템 소프트웨어 설계 요건 109
4. IR 센서 교정 절차서 113
5. TC 센서 교정 절차서 128
6. 결론 142
7. 참고문헌 144
제2절 과도현상 가열실험 히터 제작 및 시험 145
1. 설비 개요 145
2. 설계 및 제작 요건 146
3. 히터 성능시험 요건 154
제5장 정상상태 CFD 코드 해석 157
제1절 CANDU-6 감속재 순환유동 OpenFOAM 해석 157
1. 연구 배경 157
2. OpenFOAM 해석의 이론적 배경분석과 감속재 해석 158
3. 유동장 수치 해석 163
4. 결론 173
제2절 CANDU-6 감속재 순환유동 STAR-CCM+ 해석 174
1. 연구 배경 174
2. 중수로 감속재 계통 모델링 175
3. 중수로 감속재 열유동 해석 결과 181
4. 결론 245
제6장 감속재 3차원 개별실험 해석 248
제1절 부력유동과 경사 제트와의 열유체적 상호작용 248
1. 연구 배경 248
2. 상세 실험장치 및 조건 253
3. 수평 원통관에서 발생한 자연대류 257
4. 외부 제트와 자연대류(부력유동)의 상호 작용 258
5. 결론 271
6. 참고문헌 273
제2절 중수로 감속재 탱크에서의 전단 제트 275
1. 연구 배경 275
2. 실험 결과 및 해석 277
3. 수치 해석 293
4. 결론 299
5. 참고문헌 301
제3절 칼란드리아 관과 강제 감속재 유동의 열적 상호작용 302
1. 연구 배경 302
2. 실험적 연구 305
3. 수치해석 연구 317
4. 참고문헌 332
제4절 단일 감속재 순환 노즐 유동 333
1. 연구 배경 333
2. 실험 상세 내용 335
3. 실험 결과 및 토의 341
제7장 과냉각 여유도 실험에 대한 채널 건전성 평가 349
제1절 연구 배경 349
제2절 비공개 계산 351
1. 다중물리 및 지배방정식 351
2. 계산 결과 356
3. 타기관 계산 비교 360
제3절 공개 계산 366
1. 비등 모델 366
2. 계산 결과 368
제4절 결론 369
제8장 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 372
제1절 목표 달성도 372
제2절 관련 분야에의 기여도 374
제9장 연구개발 결과의 활용계획 378
제1절 연구항목별 활용 계획 378
1. 감속재 유동 정상상태 실험 378
2. 과도상태 실험체계 구축 378
3. 정상상태 CFD 코드 해석 378
4. 감속재 3차원 개별실험 해석 379
5. 과냉각 여유도 실험에 대한 채널 건전성 평가 379
제10장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 383
제11장 연구개발성과의 보안등급 387
제12장 연구장비의 구축 및 활용 결과 391
제1절 주요 실험설비 현황 391
1. 감속재 탱크 391
2. 일이차 순환 회로 391
3. 순환 펌프 392
4. 열교환기 393
5. 유량제어 밸브, 주입/배수 라인, 필터장치 394
6. 유량/온도 계측기, 제어 판넬 395
제2절 활용 결과 397
제13장 연구개발과제수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 401
부록 404
[부록 1] 정압 데이터: 그림 5.2.5(a), 5.2.6, 5.2.7(a), 5.2.8(a) 406
[부록 2] 전단제트 속도 분포 데이터 407
[부록 3] Reverse flow jet velocity profile along the y-axis, with CT's in the MCT(air) 410
[부록 4] Boundary condition at nozzle exit plotted in Fig. 5.3.4 for ReDh=36000[이미지참조] 411
[부록 5] Average heat transfer coefficient along the y-axis plotted in Fig. 5.3.7 412
[부록 6] Heat transfer coefficient distribution plotted in Fig. 5.3.8(a), ReDh=46800[이미지참조] 413
[부록 7] Heat transfer coefficient distribution plotted in Fig. 5.3.8(b), ReDh=15695[이미지참조] 414
[부록 8] Heat transfer coefficient distribution plotted in Fig. 5.3.8(c), ReDh=36026[이미지참조] 415
서지정보양식(BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET) 416
표 1.1.1. 국내외 감속재 연구현황 50
표 2.1.1. 각 실험 조건에 대한 DB 리스트 92
표 3.1.1. 타입별 IR 센서봉 개수 105
표 3.1.2. 타입별 IR 센서 개수 105
표 3.1.3. IR 피교정기의 교정항목, 측정범위 및 교정방법 113
표 3.1.4. IR 피교정기 온도 측정값에 영향을 주는 인자들 119
표 3.1.5. 표준백금저항온도계와 IR 센서 측정 결과 예시 123
표 3.1.6. IR 피교정기 교정결과 125
표 3.1.7. 기준온도계와 IR 피교정기 측정 결과 예시로부터 구한 표준의 평균편차 126
표 3.1.8. TC 피교정기의 교정항목, 측정범위 및 교정방법 128
표 3.1.9. TC 피교정기 온도 측정값에 영향을 주는 인자들 134
표 3.1.10. 표준백금저항온도계와 TC 센서 측정 결과 예시 138
표 3.1.11. TC 피교정기 교정결과 139
표 3.1.12. 기준온도계와 TC 피교정기 측정 결과 예시로부터 구한 표준의 평균편차... 140
표 4.1.1. 유체의 물성치 162
표 4.2.1. 유입되는 중수의 물성 177
표 4.2.2. 수치해석 변수 및 조건 180
표 5.1.1. 실험장치의 크기와 조건 253
표 5.2.1. 실험 장비의 크기와 실험 조건 277
표 5.3.1. Test rig dimensions and test conditions 305
표 5.4.1. The flow conditions of the KAERI MCT experiments using water 339
표 5.4.2. The flow conditions of the present experiments using air 339
표 6.1.1. 온도에 대한 흑연의 물성치, ρ=1,810㎏/㎥ 354
표 7.1.1. 펌프 주요 사양 392
표 7.1.2. 열교환기 주요 사양 393
표 7.1.3. 제어 판넬 주요 사양 395
그림 1.1.1. 중수로 칼란드리아 형상 41
그림 1.1.2. 기존 CFD 다공성 매질 모델을 이용한 감속재 혼합유동 예측 결과 41
그림 2.1.1. 1/4 척도 감속재 탱크 설계도면 55
그림 2.1.2. 1/4 척도 감속재 탱크 구조물의 3차원 형상 56
그림 2.1.3. 레이저 광선의 투과에 의해 형성된 유동 측정 단면과 카메라가 위치한 모습 57
그림 2.1.4. 감속재 순환유동 실험(MCT) 장치 전체 측면 모습 58
그림 2.1.5. 감속재 탱크 순환회로를 위에서 내려다 본 모습 58
그림 2.1.6. MCT 실험 시설들이 위치한 건물의 모습 59
그림 2.1.7. PIV 측정을 위한 Timing diagram 62
그림 2.1.8. 촬영된 PIV 이미지와 계산된 속도장 결과 63
그림 2.1.9. 레이저 빔 가이드 관절 끝의 경통과 변경된 cylindrical lens 모습 64
그림 2.1.10. 레이저 가이드 경통 이송장치 65
그림 2.1.11. 레이저 평면광 두께 조절을 위한 슬릿 67
그림 2.1.12. 레이저 슬릿을 장착하기 전(왼쪽)과 후(오른쪽)의 PIV 이미지의 비교 67
그림 2.1.13. 위치별 측정된 속도장의 통합 알고리즘 68
그림 2.1.14. 감속재 탱크 길이방향(z축)에... 70
그림 2.1.15. 가로 방향 (x축 방향)에 따른 실험 측정 구간 71
그림 2.1.16. 실험이 진행되는 동안 왼쪽/오른쪽 입구 노즐의 유량 73
그림 2.1.17. 실험이 진행되는 동안 물의 온도 73
그림 2.1.18. PIV 측정 영상 및 속도장 결과 74
그림 2.1.19. z축 방향 위치별 y축 방향 하향 속도 분포의 비교 76
그림 2.1.20. x축 방향 위치별 y방향 하향 속도 분포의 비교 76
그림 2.1.21. z=+30mm인 xy 평면에서의 유동 분포 77
그림 2.1.22. z=+30mm인 xy 평면에서의 유동 fluctuation 분포 78
그림 2.1.23. 비가열 조건에서 좌우 입구 유량 비대칭에 따른 제트 충돌 위치의 비교 80
그림 2.1.24. 가열 정도에 따른 제트 충돌 위치 비교... 82
그림 2.1.25. 가열 정도에 따른 제트 충돌 위치 비교... 82
그림 2.1.26. 가열 정도에 따른 제트 충돌 위치 비교... 83
그림 2.1.27. 가열 정도에 따른 제트 충돌 위치 비교... 83
그림 2.1.28. 가열 정도에 따른 제트 충돌 위치 비교... 84
그림 2.1.29. 가열 정도에 따른 제트 충돌 위치 비교... 84
그림 2.1.30. Ar=0.078 인 경우 제트 충돌 위치의 유사성 비교... 85
그림 2.1.31. Ar=0.116 인 경우 제트 충돌 위치의 유사성 비교 86
그림 2.1.32. Ar=0.156 인 경우 제트 충돌 위치의 유사성 비교 86
그림 2.1.33. 비가열 및 가열 조건에서 z축 방향의 분포 87
그림 2.1.34. 비가열시 측면 유동의 분포... 88
그림 2.1.35. 가열시 측면 유동의 분포... 88
그림 2.1.36. 순간유동장을 통해 본 jet impingement position의 불안정성 89
그림 2.1.37. 순간유동장에서의 jet impingement position 측정 방법 90
그림 2.1.38. 매 순간유동장에서 추적한 jet impingement position의 진동 모습 90
그림 2.1.39 매 순간유동장에서 추적한 jet impingement position의 진동 특성 분석 91
그림 3.1.1. MCT 온도측정시스템 환경 구성 103
그림 3.1.2. TC와 IR 센서를 동시에 장착한 센서봉 구성 104
그림 3.1.3. IR 센서봉 구성 105
그림 3.1.4. NI社의 PCI 8431/2 보드 107
그림 3.1.5. 디지털온도계 115
그림 3.1.6. 온도교정용 수조 116
그림 4.1.1. CANDU-6 감속재 탱크 형상 160
그림 4.1.2. CANDU-6 감속재 탱크의 격자 161
그림 4.1.3. 정상 상태 계산에서 출구와 중심에서의 온도의 변화 163
그림 4.1.4. 정상 상태 계산에서 y+ 및 속도 분포 164
그림 4.1.5. 정상 상태 계산에서 z=0 에서 온도 분포 165
그림 4.1.6. 정상 상태 계산에서 x=0 에서 온도 분포 166
그림 4.1.7. 과도 상태 계산에서 출구와 중심에서의 온도의 변화 167
그림 4.1.8. y+ 분포(840 초) 168
그림 4.1.9. z=0에서 속도 분포(615 ~ 840 sec) 169
그림 4.1.10. z=0에서 온도 분포(615 ~ 840 sec) 169
그림 4.1.11. x=0에서 속도 분포(615 ~ 840 sec) 170
그림 4.1.12. x=0에서 온도 분포(615 ~ 840 sec) 171
그림 4.1.13. 입구 노즐에서 유동의 평균속도 172
그림 4.2.1. 중수로 감속재 장치 도식도 175
그림 4.2.2. 장치의 격자 생성 176
그림 4.2.3. 유동 분포 결과(case 1) 182
그림 4.2.4. 속도 분포 결과(case 1) 183
그림 4.2.5. 온도 분포 결과(case 1) 184
그림 4.2.6. 유동 분포 결과(case 2) 185
그림 4.2.7. 속도 분포 결과(case 2) 186
그림 4.2.8. 온도 분포 결과(case 2) 187
그림 4.2.9. x-y 단면별 온도 분포 결과(case 2) 188
그림 4.2.10. y-z 단면별 온도 분포 결과(case 2) 189
그림 4.2.11. 열 출력(watt) 분포(case 2) 190
그림 4.2.12. 방사 방향의 열 출력(watt) 분포(case 2) 191
그림 4.2.13. 축방향의 열 출력(watt) 분포(case 2) 192
그림 4.2.14. 계산회수에 따른 온도의 수렴성 평가 194
그림 4.2.15. 유동 분포 결과(case 3) 195
그림 4.2.16. 온도 분포 결과(case 3) 196
그림 4.2.17. 격자수에 따른 유동분포 결과 비교 197
그림 4.2.18. 격자수에 따른 온도분포 결과 비교 198
그림 4.2.19. 노즐 입구의 속도 주입비율 변화에 따른 계산 결과(x-y 단면) 200
그림 4.2.20. 노즐 입구의 속도 주입비율 변화에 따른 계산 결과(y-z 단면) 201
그림 4.2.21. Full scale 도식도 203
그림 4.2.22. 유동 분포 결과(case 7) 204
그림 4.2.23. 속도 분포 결과(case 7) 205
그림 4.2.24. 방사방향 및 축방향의 열 출력(watt) 분포(case 7) 206
그림 4.2.25. 온도 분포 결과(case 7) 207
그림 4.2.26. 단면별 계산 결과(x-y 단면) - case 7 208
그림 4.2.27. 단면별 계산 결과(y-z 단면) - case 7 209
그림 4.2.28. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(30초~360초) - case 8 212
그림 4.2.29. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(30초~360초) - case 8 213
그림 4.2.30. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(390초~720초) - case 8 214
그림 4.2.31. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(390초~720초) - case 8 215
그림 4.2.32. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(750초~1080초) - case 8 216
그림 4.2.33. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(750초~1080초) - case 8 217
그림 4.2.34. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(1110초~1440초) - case 8 218
그림 4.2.35. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(1110초~1440초) - case 8 219
그림 4.2.36. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(1470초~1530초) - case 8 220
그림 4.2.37. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(1470초~1530초) - case 8 220
그림 4.2.38. 유동 분포 결과(case 8) 221
그림 4.2.39. 온도 분포 결과(case 8) 222
그림 4.2.40. 단면별 계산 결과(x-y 단면) - case 8 223
그림 4.2.41. 단면별 계산 결과(y-z 단면) - case 8 224
그림 4.2.42. 유동 분포 결과(case 9) 225
그림 4.2.43. 온도 분포 결과(case 9) 226
그림 4.2.44. 단면별 계산 결과(x-y 단면) - case 9 227
그림 4.2.45. 단면별 계산 결과(y-z 단면) - case 9 228
그림 4.2.46. 유동 분포 결과(case 10) 230
그림 4.2.47. 속도 분포 결과(case 10) 231
그림 4.2.48. 온도 분포 결과(case 10) 232
그림 4.2.49. 단면별 계산 결과(x-y 단면) - case 10 233
그림 4.2.50. 단면별 계산 결과(y-z 단면) - case 10 234
그림 4.2.51. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(30초~360초) - case 10 235
그림 4.2.52. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(30초~360초) - case 10 236
그림 4.2.53. 시간경과에 따른 유동 분포 결과(390초~540초) - case 10 237
그림 4.2.54. 시간경과에 따른 온도 분포 결과(390초~540초) - case 10 238
그림 4.2.55. 방사방향과 축방향의 열 출력(watt) 분포(case A) 240
그림 4.2.56. 단면별 계산 결과(x-y 단면) - case A 241
그림 4.2.57. 단면별 계산 결과(y-z 단면) - case A 242
그림 4.2.58. 단면별 계산 결과(x-y 단면) - case B 243
그림 4.2.59. 단면별 계산 결과(y-z 단면) - case B 244
그림 5.1.1. 칼란드리아관의 개략도 250
그림 5.1.2. 감속재 순환을 이용한 부차적 냉각의 개략도 251
그림 5.1.3. 실험장치 구성 254
그림 5.1.4. PIV를 이용한 유동 가시화 개략도 255
그림 5.1.5. 실린더 주변의 국부 누셀 수(Nusselt number) 분포(RaD=1.15×10⁶)[이미지참조] 258
그림 5.1.6. 레이놀즈 수 1500에서의 자유제트의 중심선 속도의 변화 (출구에서의 난류강도:... 259
그림 5.1.7. 동향 제트에 의한 원형 실린더 위의 국부 열전달의 분포 261
그림 5.1.8. 제트출구와 원형 실린더간의 간극이 정체점과 기준점에 미치는 영향 261
그림 5.1.9. 대향 제트에 의한 원형 실린더위의 국부 열전달의 분포 263
그림 5.1.10. 제트출구와 원형 실린더간의 간극이 정체점과 기준점에 미치는 영향 263
그림 5.1.11. 동향제트와 부력유동의 상호작용 265
그림 5.1.12. 대향제트와 부력유동의 상호작용 266
그림 5.1.13. 경사 제트충돌로 인한 국부 열전달의 증가(Rej=1500, ArD=0.1, H/Dj=10.0)[이미지참조] 268
그림 5.1.14. 평균 열전달의 경사각의 의존성 270
그림 5.2.1. 고온 노심영역에 대한 외부냉각방식의 개략도 276
그림 5.2.2. 이차원 벽제트 실험 장치의 사진과 개략도 278
그림 5.2.3. 원통형 감속재 탱크내의 유동장을 360도 전 방위로 조명할 수 있도록 레이저 원으... 280
그림 5.2.4. 벽제트 노즐의 경계조건 283
그림 5.2.5. 단일 벽제트로 인한 오목한 감속재 탱크의 내벽 정압과 속도분포 284
그림 5.2.6. 하류위치 α=45°에서 오목한 감속재 탱크의 내벽 면에 수직한 방향으로의 정압... 285
그림 5.2.7. 정압과 벽제트의 속도분포(비교를 위해 단일 벽제트의 경우도 포함) 287
그림 5.2.8. 벽면의 정압과 벽제트의 속도 분포(슬롯(1)의 레이놀즈 수는 40,000이고 슬롯(2)... 289
그림 5.2.9. 비대칭적인 대향 벽제트의 결과로 감속재 탱크 근처에 형성된 역방향제트의 유동... 291
그림 5.2.10. 슬롯(1)에서 분사된 헬륨기포로 가시화된 역제트 유동 292
그림 5.2.11. 속도의 크기와 유선의 분포 비교 296
그림 5.2.12. 수치해석으로 예측한 원주방향의 벽정압과 실측치의 비교 (비대칭적인 경우) 297
그림 5.3.1. Moderator circulation tank(MCT) facility and calandria tubes(CT) 303
그림 5.3.2. Schematics of counter wall jets that collide and... 304
그림 5.3.3. Two-dimensional wall jet test setup showing a photograph of the test rig with... 306
그림 5.3.4. Photographs of a calandria tube with surface heating setup 307
그림 5.3.5. Nozzle exit boundary conditions 310
그림 5.3.6. Development of the reverse jet along the vertical axis of the MCT with CTs... 310
그림 5.3.7. Area-weighted average heat transfer around certain calandria tubes in the... 313
그림 5.3.8. Mixed convection heat transfer around selected calandria tubes (i.e. y/D=0.4,... 314
그림 5.3.9. Schematic of bi-reverse-flow configuration that may provide cooling to CT's... 315
그림 5.3.10. Fine mesh for the moderator tank with the CT's 319
그림 5.3.11. The reverse jet velocity profile with tubes in the moderator tank using the... 322
그림 5.3.12. The velocity magnitude map of the flow field inside the moderator tank, ... 324
그림 5.3.13. The reverse jet velocity profile determined on the finest mesh including error... 326
그림 5.3.14. The heat transfer coefficient around the uppermost cylinder adjacent to the... 327
그림 5.3.15. The influence of the α1 coefficient on the numerical solution 328
그림 5.3.16. The inflation layer around the uppermost CT(y/D=0.4) 330
그림 5.3.17. The heat transfer coefficient around the uppermost cylinder adjacent to the... 330
그림 5.4.1. Schematics of an external cooling scheme for the hot reactor core region 334
그림 5.4.2. The experimental setup for the characterization in the flow distribution... 336
그림 5.4.3. The dove-tail-like moderator circulation nozzle 337
그림 5.4.4. Laser light sheet is formed outside the large chamber and illuminates the... 340
그림 5.4.5. Raw PIV image with homogeneous seeding distribution from a single inlet... 342
그림 5.4.6. PIV flow image of the velocity magnitude |V| contours that are normalized by... 343
그림 5.4.7. Normalized velocity profile measured at y/B=1.0 344
그림 5.4.8. RMS map of the velocity field (V rms ) near to the nozzle exit 345
그림 6.1.1. CANDU-6의 중대사고에서 압력관과 칼란드리아관의 접합 문제 349
그림 6.1.2. IAEA/ICSP 벤치마크 실험 문제 350
그림 6.1.3. 단순화된 문제: 계산 영역 351
그림 6.1.4. 다중물리 현상의 개념도 352
그림 6.1.5. 다중물리 지배방정식 352
그림 6.1.6. 경계 조건 353
그림 6.1.7. 히터의 가열 조건과 격자계 354
그림 6.1.8. Zircaloy의 열역학적 물성치 355
그림 6.1.9. PT 온도에 대한 선형 팽창률의 변화 357
그림 6.1.10. 단열 외부 경계 조건에 대한 계산 및 비교 358
그림 6.1.11. KAERI 비공개 계산 결과 359
그림 6.1.12. AERB(인도) 계산 결과 360
그림 6.1.13. BARC(인도) 계산 결과 360
그림 6.1.14. CNSC(캐나다) 계산 결과 362
그림 6.1.15. COG(캐나다) 계산 결과 362
그림 6.1.16. KEPCO(한국) 계산 결과 363
그림 6.1.17. KNUPP(파키스탄) 계산 결과 363
그림 6.1.18. NPCIL(인도) 실험 결과 364
그림 6.1.19. SNN(루마니아) 계산 결과 364
그림 6.1.20. 비등 단계와 각 모델의 적용 366
그림 6.1.21. 온도와 열유속의 관계 및 CHF 367
그림 6.1.22. KAERI 공개 계산 결과 368
그림 7.1.1. 감속재 순환 펌프 392
그림 7.1.2. 판형 열교환기 393
그림 7.1.3. 3way 밸브 394
그림 7.1.4. 제어 판넬 396