MARS-KS를 이용한 i-SMR PCCS 열교환기 내부 유동불안정성에 관한 연구 = A Study on Flow Instability inside the i-SMR PCCS Heat Exchanger Using the MARS-KS Code

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 혁신형 소형모듈원자로(innovative-Small Modular Reactor, i-SMR)의 피 동안전계통 중 하나인 PCCS(Passive Containment Cooling System) 열교환기 내부에서 발생 하는 2상 유동불안정을 MARS-KS 코드를 이용하여 규명하는데 있다, i-SMR PCCS는 사고 시 열교환기 내부와 ECT(Emergency Cooling Tank) 사이의 밀도차로 인한 자연순환을 통해 격납건물의 과압방지기능을 한다. 그러나 사고 후 시간이 경과함에 따라 열교환기에 인가되 는 열속으로 2상 유동불안정성이 발생할 수 있고, 이러한 불안정성은 열전달 성능저하 및 열교환기에 피로도를 증가시키므로 설계단계에서 2상 유동불안정성 해석이 중요하다. 본 연구에서는 먼저 Yun(2010) 및 Lee(2019)의 과냉비등실험 연구를 기반으로 MARS-KS 2.0을 검증하였다. 이후 i-SMR PCCS와 열구조체를 모델링하고 사고상황을 가정한 열유속 인 가에 따른 2상 유동불안정성 특성을 분석하였다. 특히 무차원수인 과냉도지수(Nsub), 상변화지 수(Npch)를 이용하여 안정성지도를 작성함으로써 불안정성 발생영역을 시각적으로 제시하였다. 또한 입구 형상손실계수(Kor)를 다양하게 적용하여 그 변화가 안정성경계에 미치는 영향을 평 가하였으며, Kor값이 5.0 ~ 6.5 에서 안정성평면의 안정영역이 확장됨을 확인하였다. 본 연구결과는 I-SMR PCCS 설계 시 2상 유동불안정성을 최소화하기 위한 기초자료로 활용 될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to characterize the two-phase flow instability that may develop inside the heat exchanger of the PCCS, a key passive safety features of the innovative Small Modular Reactor(i-SMR). by using the MARS-KS code. During an accident, the PCCS removes heat through natural circulation driven by the density difference between the in-containment heat exchanger and the ECT. As the accident progresses, however, the increasing heat flux applied to the tubes can trigger two-phase flow instabilities, potentially degrading heat transfer performance and accelerating thermal fatigue. Understanding these instability mechanisms is essential for securing reliable PCCS performance in the design stage.
In this study, the MARS-KS 2.0 code was first validatied against the subcooled boiling experiments conducted by Yun(2010) and Lee(2019). The i-SMR PCCS and its heat structures were then modeled to analyze the characteristics of two-phase flow instability under accident-induced heat flux conditions. Using the non-dimensional subcooling number(Nsub) and phase change number(Npch), a stability map was constructed to visually indentify the instality regions. In addition, the effect of varing the inlet loss coefficient(Kor) on the stability boundary was evaluated, and it was confirmed that the stable region expands when Kor is in the range of approximately 5.0 to 6.5. The results of this study provide fundamental insights for minimizing two-phase flow instability in the design of the i-SMR PCCS.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 6
• 1.1 연구의 배경 6
• 1.2 선행 연구사례 9
• 1.3 연구 목표 및 방법 11
• 2. 연구 내용 12
• 2.1 MARS-KS 검증
• 2.1.1 SUBO 실험 벤치마킹 12
• 2.1.2 JNU 과냉비등 실험 벤치마킹 20
• 2.2 i-SMR PCCS 해석 초기조건 23
• 2.3 CASE별 MARS 해석 26
• 2.4 CASE별 안정성 지도 31
• 3. 결론 35
• 참고문헌 36
• Abstract 38
• 감사의 글 39