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요약문

목차

1. 연구개발과제의 개요 12

1-1. 연구개발 배경 12

1-2. 연구개발 필요성 13

1-3. 국내외 연구 동향 14

1-4. 연구개발 목표 17

2. 연구수행내용 및 성과 19

2-1. 노심 다차원 2상유동맵 개발 19

2-2. 노심 다차원 벽면 및 계면 모델 개발 22

2-3. 원자로 강수부 및 상하부 공동 기기스케일 해석 모델 개발 37

2-4. 노심 핵연료봉 온도 예측모델 개발 40

2-5. 벽면 비등 모델 개발 47

2-6. 노심다차원 2상유동 모델 검증 52

2-7. CUPID-SG 개발 68

2-8. 원자로 건물 내 수소거동 예측 모델 개발 74

2-9. HYMERES2 프로젝트 검증실험 해석 84

2-10. 기기스케일 원자로 열수력 해석 코드 개발 92

2-11. 기기스케일 노심열수력/핵연료 해석모듈 연계 기술 개발 107

2-12. 원자로건물 응축모델 개발 및 검증 116

2-13. 위탁과제 연구성과 122

2-14. 정량적 연구성과 요약 140

3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 147

3-1. 목표 147

3-2. 목표 달성여부 148

3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) 149

4. 연구개발성과의 활용 계획 등 150

붙임. 참고문헌 153

서지정보양식(BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET) 155

표목차

표 2-1-1. 유동맵 구분 위한 기포율 기준 정의 19

표 2-1-2. 각 유동영역에서 계면면적 계산식 20

표 2-2-1. 단상 벽면마찰모델 검증 22

표 2-2-2. 이상유동 벽면마찰모델 검증 실험 조건 23

표 2-2-3. 계면열전달계수 모델 요약 31

표 2-2-4. 마찰계수 변화에 따른 수치 안정성 비교 35

표 2-3-1. UPTF 실험 조건 및 실험 결과 38

표 2-4-1. 1차원 열전도 해석 형상계수 41

표 2-4-2. 열구조체 형상별 경계조건 이산화 상수 41

표 2-5-1. 각 벽면비등 모드 별 사용되는 상관식 요약 47

표 2-5-2. CHF 보정에 사용되는 Multiplier 49

표 2-6-1. 정규화된 축방향 열량 분포 55

표 2-6-2. PERICLES Forced reflood 실험 케이스 58

표 2-6-3. FS31701 실험 조건 60

표 2-6-4. RBHT-1196 실험 조건 62

표 2-7-1. U-tube 모델 검증 70

표 2-7-2. APR1400 증기발생기 주요 설계 변수 72

표 2-8-1. 개별 비응축성 기체의 물성치 관련 상수값 74

표 2-8-2. 개별 비응축성 기체 입력 78

표 2-8-3. 계산 정밀도 별 대류항 계산 방법 82

표 2-9-1. HYMERES-2 프로젝트 실험주제 84

표 2-9-2. Dry-well 치수 84

표 2-9-3. 초기조건 및 경계조건 86

표 2-10-1. OPR1000 및 APR1400 해상도별 격자수 99

표 2-10-2. OPR1000 정상운전 조건 103

표 2-10-3. 증기관 파단사고 사건 진행 104

표 2-11-1. CUPID-to-FRAPTRNA 연계 변수 108

표 2-11-2. FRAPTRAN-to-CUPID 연계변수 109

표 2-11-3. 단일채널 연계 시험 계산 조건 111

표 2-11-4. 단일 핵연료봉-단일 채널 계산 결과 112

표 2-11-5. 다중 채널 계산 결과 114

표 2-12-1. CUPID 벽면응축모델 116

표 2-12-2. COPAIN 계산조건 119

표 2-12-3. Khun 계산조건 120

표 2-13-1. 두 가지 MG기법의 성능 비교 126

표 2-13-2. 두 가지 MG기법의 성능 비교(3차원) 127

표 2-13-3. GMG 방법과 FMG방법의 단계 별 해석 시간의 비교 129

그림목차

그림 1-1-1. PWR Safety Analysis History 12

그림 1-3-1. APR1400 SIT 기기스케일 해석 14

그림 1-3-2. CUPID 코드 예측 순위 및 기술실시 15

그림 1-3-3. 다분야 융합 다차원 안전해석 코드 개발 로드맵 15

그림 1-3-4. 가상원자로(VERA) 구성도 16

그림 1-3-5. 가상원자로에 의한 노심 CRUD 두께 예측 16

그림 1-3-6. CASL 시뮬레이션 기반 원전 안전해석 기술 개발 로드맵 17

그림 2-1-1. 수직유동맵 19

그림 2-1-2. 기포유동 및 Slug 유동(붉은 색)에서의 Laplace 수 기반 계면면적 계산 20

그림 2-1-3. Pre-CHF 영역에서의 유속/질량유량 변화에 따른 계면면적 연속성 결과 21

그림 2-1-4. Transition 영역에서의 유속/질량유량 변화에 따른 계면면적 연속성 결과 21

그림 2-1-5. Post-Dryout 영역에서의 유속/질량유량 변화에 따른 계면면적 연속성 결과 21

그림 2-1-6. wf_dry 값 변화 21

그림 2-1-7. wf_dry 값 변화에 따른 계면면적 21

그림 2-2-1. 이상유동 벽면마찰모델 검증 결과 24

그림 2-2-2. 이상유동 계면마찰모델 유동맵 24

그림 2-2-3. 이상유동 계면마찰모델 계산 흐름도 25

그림 2-2-4. 기포분율과 CHF가중치에 따른 계면마찰계수 26

그림 2-2-5. 기포분율과 성층가중치에 따른 계면마찰계수 27

그림 2-2-6. 기포분율에 따른 계면마찰계수 27

그림 2-2-7. Pre-CHF 유동 영역 연속성 테스트 31

그림 2-2-8. Post-Dryout 유동 영역 연속성 테스트 32

그림 2-2-9. 3-D boiling 테스트 검증 계산 32

그림 2-2-10. 3차원 수증기 주입 개념 문제 계산 33

그림 2-2-11. 3-D PNL 7x7 개략도 및 90% 유로막힘 압력강하 모델 검증 35

그림 2-2-12. 3-D Fully-implicit anisotropic 압력강하 모델 검증 36

그림 2-3-1. 3-D UPTF 장치 개략도 37

그림 2-3-2. 3-D UPTF 계산 격자 1 38

그림 2-3-3. 3-D UPTF 계산 격자 2 38

그림 2-3-4. 3-D UPTF 해석 결과 예시(기포율 및 속도 벡터) 39

그림 2-3-5. 3-D UPTF 해석 결과 비교 39

그림 2-4-1. 1차원 열전도 해석 계산 격자 40

그림 2-4-2. 1차원 열전도체 해석 모델 검증 42

그림 2-4-3. 2차원 열전도 해석 격자 43

그림 2-4-4. 2차원 열전도도 정의 43

그림 2-4-5. 2차원 열전도 모델 검증 해석 1 44

그림 2-4-6. 2차원 열전도 모델 검증 해석 2 45

그림 2-4-7. 재관수시 축방향 격자 조절 알고리즘 45

그림 2-4-8. 축방향 격자 조절 알고리즘 적용 해석 46

그림 2-5-1. 벽면 비등모델 분기도 47

그림 2-5-2. CHF 내삽 개념도 48

그림 2-5-3. 벽면비등모델 검증 계산 51

그림 2-6-1. Edward Pipe 실험 개략도 53

그림 2-6-2. 해석 격자 구성 53

그림 2-6-3. Choking 모델 적용한 해석 결과 54

그림 2-6-4. Choking throat에서의 속도 전이 54

그림 2-6-5. NUREG-CR-0590 핵연료 갭 열전도도 실험 개략도 55

그림 2-6-6. Rod 611-3 핵연료 갭 열전도도 해석 결과 비교 56

그림 2-6-7. PERICLES 장치 상부 및 측면도 57

그림 2-6-8. 벽면온도 측정 위치 및 축방향 열유속 분포 57

그림 2-6-9. PERICLES 해석 격자 58

그림 2-6-10. 벽면온도 거동 해석 결과 비교 59

그림 2-6-11. 벽면온도 및 기포율 해석 결과 비교 59

그림 2-6-12. FLECHT-SEASET 채널 단면도 및 전열봉 단면도 60

그림 2-6-13. FLECHT-SEASET 해석 격자 61

그림 2-6-14. FLECHT-SEASET 31701 해석 결과 비교 61

그림 2-6-15. RBHT 채널 단면도 및 전열봉 단면도 62

그림 2-6-16. RBHT 채널 63

그림 2-6-17. RBHT 해석 격자 63

그림 2-6-18. RBHT-1196 해석 결과 비교 64

그림 2-6-19. APR1400 계통 개념도 65

그림 2-6-20. 정상상태, 방출, 재관수 모드에서 유량 경계조건 65

그림 2-6-21. 정상상태, 방출, 재관수 모드에서 속도 및 압력 분포 66

그림 2-6-22. APR1400 LBLOCA시 강수부 기포분율 67

그림 2-6-23. APR1400 LBLOCA시 원자로 단면 기포분율 67

그림 2-7-1. 일차원 냉각재 해석 모델 계산 격자 68

그림 2-7-2. U-tube 열전도 모델 계산 격자 68

그림 2-7-3. 일차냉각계통 격자 생성 모델 70

그림 2-7-4. U-tube 모델에 의한 주요 형상 모델 구현 70

그림 2-7-5. 이차냉각계통 계산 격자 생성 방법 71

그림 2-7-6. 이차냉각계통 계산 격자 71

그림 2-7-7. 이차냉각계통 해석 경계조건 72

그림 2-7-8. 일차냉각재 온도 분포 73

그림 2-7-9. 이차냉각재 기포율 분포 73

그림 2-7-10. 이차냉각재 속도 분포 73

그림 2-8-1. 다종 비응축성 기체 모델 검증을 위한 개념 문제 79

그림 2-8-2. 다종 비응축성 기체 검증 해석 경계조건 및 200초 계산 결과 79

그림 2-8-3. 다종 비응축성 기체 확산 검증 개념 문제 80

그림 2-8-4. 다종 비응축성 기체 확산 검증 해석 81

그림 2-8-5. 다종 비응축성 기체 2차 정확도 대류항 계산 모델 검증 문제 82

그림 2-8-6. 2차 정확도 다종 비응축성 기체 대류 모델 검증 83

그림 2-9-1. PANDA 실험장치 개략도 85

그림 2-9-2. H2P1_0 형상 및 실험조건 85

그림 2-9-3. 초기조건 : 높이에 따른 헬륨 몰분율 86

그림 2-9-4. 경계조건, 입구 속도 프로파일/입구 온도 프로파일 86

그림 2-9-5. 격자 x-y 단면 / 격자 x-z 단면 / 계산영역분할 87

그림 2-9-6. H2P1_0 실험형상 및 계산격자 89

그림 2-9-7. 시간에 따른 기체온도 90

그림 2-9-8. 600초에서 기체온도 분포 90

그림 2-9-9. 높이 D 및 G에서 반경방향 기체온도(600초) 90

그림 2-9-10. 시간에 따른 헬륨농도 91

그림 2-10-1. OPR1000 원자로용기 RCMesh-2D 단면 격자생성 92

그림 2-10-2. RVMesh-3D를 적용한 3차원 격자생성 과정 93

그림 2-10-3. 반구형태 격자 생성 방법 94

그림 2-10-4. 2차원 단면격자 수정 94

그림 2-10-5. RVMesh-3D 반구 외곽 격자 형태 94

그림 2-10-6. 저/고온관 격자 연결 요건 그림 95

그림 2-10-7. 격자 연결을 위한 셀 면 분할 95

그림 2-10-8. 저온관 및 고온관 격자 생성 95

그림 2-10-9. 저온관 및 고온관 격자 병합을 위한 인덱스 생성 96

그림 2-10-10. “non-conformal” 격자 분할 96

그림 2-10-11. “2D_plane.in” 주요 입력 설명 97

그림 2-10-12. “3D_mesh.in” 주요 입력 98

그림 2-10-13. “3D_mesh.in” 주요 입력 설명 98

그림 2-10-14. RVMesh-3D로 생성된 OPR1000 및 APR1400 격자 99

그림 2-10-15. RVMesh-3D로 생성된 OPR1000 해상도별 격자 99

그림 2-10-16. RPI 해석 결과 101

그림 2-10-17. APR1400 핵연료집합체 대상, EVVD모델 검증 계산 결과 102

그림 2-10-18. FSAR의 유동분포 값과 CUPID-RV 계산값 비교 102

그림 2-10-19. 부수로 스케일 정상상태 해석 결과: 좌-유체온도, 우-노심출력 103

그림 2-10-20. SLBFP 사고시, 노심 출력/열수력 분포 105

그림 2-10-21. 원자로 핵연료봉 가시화 106

그림 2-10-22. 최소 임계열유속비 106

그림 2-10-23. 최소 임계열유속 예측 위치의 피복재 온도 및 임계열유속비 가시화 106

그림 2-11-1. CUPID-FRAPTRAN 연계를 위한 Array 정의 107

그림 2-11-2. CUPID-to-FRAPTRAN 변수 흐름도 110

그림 2-11-3. FRAPTRAN-to-CUPID 변수 흐름도 110

그림 2-11-4. CUPID-FRAPTRAN 단일 핵연료-단일 채널 연계 모델 110

그림 2-11-5. 초기 CUPID 정상상태 계산 112

그림 2-11-6. CUPID-FRAPTRAN 다중 채널 연계 모델 113

그림 2-11-7. CUPID-FRAPTRAN 다중 채널 연계 모델: MPI 영역 분할 114

그림 2-11-8. CUPID-FRAPTRAN 유체 연계 시간간격 조절 115

그림 2-11-9. CUPID-FRAPTRAN 유체 연계 에너지보존성 확인 115

그림 2-12-1. COPAIN 해석형상 및 계산격자(P0441) 119

그림 2-12-2. COPAIN 계산결과 120

그림 2-12-3. Kuhn1.1-1 계산 형상, 높이에 따른 내벽 온도, 계산 격자 121

그림 2-12-4. Kuhn1.1-1 계산결과 121

그림 2-13-1. V-cycle 멀티그리드 개념도 122

그림 2-13-2. 멀티그리드 해법 성능 122

그림 2-13-3. Colored Gauss-Siedel 방법의 성능향상 123

그림 2-13-4. Colored Gauss-Siedel 방법의 병렬성능 124

그림 2-13-5. Nested(Hierarchical) 격자계와 non-nested 격자계 125

그림 2-13-6. Area(volume) intersection 방법 및 거리 가중법에 의한 내삽법 126

그림 2-13-7. 두 가지 FMG기법의 수렴특성 및 해석 시간의 비교 126

그림 2-13-8. 두 가지 FMG기법의 수렴특성 및 해석 시간의 비교(3차원) 127

그림 2-13-9. 주어진 셀(solid circle)의 이웃 셀(blank circle)들의 정의 128

그림 2-13-10. 조밀격자계(왼쪽)와 coarsening을 적용한 성긴 격자계(오른쪽) 128

그림 2-13-11. 2차원(왼쪽) 및 3차원(오른족) 문제에서의 GMG 방법의 성능 129

그림 2-13-12. 부수로 스케일 해석을 위한 핵연료봉 모델 개선 결과 130

그림 2-13-13. SALOME 이용 부수로 격자 생성 과정 131

그림 2-13-14. CUPID2.0 이용 APR1400 전노심해석 결과 132

그림 2-13-15. 지지격자 압력강하 모델 수정에 의한 수치 안정성 개선 결과 132

그림 2-13-16. 각 부수로 경계 별 혼합날개에 의한 횡방향 유동 방향 133

그림 2-13-17. 횡방향 대류 인자에 따른 최적의 추가 난류 혼합계수 134

그림 2-13-18. 혼합날개 모델 APR1400 단일 집합체 계산 출구 분포 비교 134

그림 2-13-19. 혼합날개 모델 APR1400 계산 결과 비교 134

그림 2-13-20. PSBT 열혼합실험 대상 CUPID 해석 결과 135

그림 2-13-21. MATIS-H 실험에 대한 CFD 해석 결과 및 횡방향 대류인자 136

그림 2-13-22. CFD 해석 결과를 이용해 도출한 부수로별 횡방향 대류 인자 136

그림 2-13-23. 수정 횡방향 대류인자 적용 후 CUPID 해석 결과 137

그림 2-13-24. 혼합 날개 모델에 따른 부수로 열혼합 해석 결과 137

그림 2-13-25. 혼합 날개 모델에 따른 MDNBR 발생 위치 137

그림 2-13-26. PSBT 2상유동 실험 조건 138

그림 2-13-27. PSBT 2상유동 실험 대상 CUPID 검증 결과 138

그림 2-13-28. BFBT 2상유동 실험 조건 139

그림 2-13-29. BFBT 2상유동 실험 대상 CUPID 검증 결과 139

그림 2-13-30. Two-phase multiplier 적용에 따른 기포율 예측 개선 139

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