i-SMR 격납용기 내 증기 방출 조건에서 증기 유동장 해석 = CFD Analysis of Steam Flow Fields in the i-SMR Containment Under Steam Release Conditions

국문 초록 (Abstract)

혁신형 소형모듈원자로(i-SMR)의 피동격납용기냉각계통(Passive Containment Cooling System, PCCS)에 작용하는 증기 유동 특성을 규명하기 위해 EDV(Emergency Depressurization Valve) 개방을 가정한 증기 방출 조건에서 격납용기 내부의 다차원 유동장을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 기법으로 분석하였다. 이때 원자로용기(Reactor Vessel, RV) 내부의 고압 증기가 격납용기(Containment Vessel, CV)로 방출되면서 PCCS 열교환기(Heat Exchanger, HX) 주변의 응축막 두께, 표면 속도, 증기 공급량 등 열전달 성능에 영향을 주는 복합 유동이 형성된다. CFD 해석의 신뢰성 확보를 위해 국제 표준 ISP-47 TOSQAN 실험을 활용한 벤치마크를 수행한 결과, Realizable k-ε 모델이 고속 제트 및 벽면 근처 유동 재현성에서 가장 우수함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 EDV 개방 초기와 말기의 대표 시나리오를 구성하였다. 해석 결과, 초기에는 고속 제트와 강한 순환유동이 PCCS HX 주변까지 형성된 반면, 말기에는 방출 유량 감소로 인해 PCCS HX 주변에 약한 비순환 하향류가 확대되는 양상을 보였다. 본 연구는 i-SMR PCCS 성능 평가에서 핵심이 되는 다차원 증기 유동 특성을 정량적으로 제시하여 향후 응축 열전달 모델 개선 및 안전성 분석의 기반 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Steam flow characteristics acting on the Passive Containment Cooling System(PCCS) of the innovative Small Modular Reactor (i-SMR) were investigated usingcomputational fluid dynamics (CFD) under Emergency Depressurization Valve(EDV) steam-release conditions, where high-pressure steam discharged from the Reactor Vessel (RV) into the Containment Vessel (CV) generates multidimensionalflow structures that influence PCCS performance. A benchmark analysis using the ISP-47 TOSQAN experiment confirmed that the Realizable k–ε turbulence modelprovides the most accurate prediction of jet behavior and near-wall flowfeatures, and this model was used to construct representative early and late EDV-opening scenarios. The results show that the early stage forms ahigh-velocity jet with strong circulation toward the PCCS heat exchangers,whereas the late stage exhibits weakened discharge with the development of aweak downward non-circulatory flow, providing quantitative insight for futureimprovements in condensation heat-transfer modeling and safety analyses.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목표 1
• 1.2 선행 연구 3
• 1.3 지배방정식 4
• 1.4 난류 모델 5
• 2. 벤치마크 해석 6
• 2.1 실험 배경 6
• 2.2 해석 조건 8
• 2.2.1 격자 조건 8
• 2.2.2 경계 조건 9
• 2.2.3 물리 조건 9
• 2.3 평가 결과 9
• 3. i-SMR 해석 11
• 3.1 가상 시나리오 11
• 3.2 해석 조건 11
• 3.2.1 해석 형상 11
• 3.2.2 격자 조건 12
• 3.2.3 경계 조건 14
• 3.2.4 물리 조건 17
• 3.3 해석 결과 17
• 3.3.1 분출 제트 속도 17
• 3.3.2 PCCS HX 주변 유동장 17
• 4. 결론 25
• 참고문헌 26
• 부록 28
• Abstract 29