Development of a Comprehensive MCCI Model including Pre-flooding Severe Accident Management in Nuclear Power Plants = 원전 중대사고 시 사전충수 전략을 포함한 종합적인 MCCI 해석 모델 개발

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 사전충수된 원자로 캐비티 내에서 노심용융물, 콘크리트, 냉각재 간의 상호작용을 해석하기 위한 계산 모델의 개발을 다룬다. 본 해석은 연료–냉각재 상호작용(FCI) 이후 형성된 debris bed 조건으로부터 시작하며, 이후 캐비티 하부에서 발생하는 노심용융물–콘크리트 상호작용(MCCI) 시뮬레이션에 중점을 두고 수행된다. 본 연구는 국내 규제용 중대사고 종합 해석을 위한 통합 코드 시스템 구축을 목표로 한국에서 개발 중인 SAFARI (Safety Analysis Code for Severe Accident Risk Identification) 프로젝트의 일환으로 수행되었으며, 기존의 해석 도구에 의존하지 않고 독립적인 분석 코드를 개발함으로써 debris bed 형성과 후속 MCCI 간의 물리적 연계를 정밀하게 구현할 수 있는 유연성을 확보하였다. 이러한 배경에서, FCI와 MCCI 해석의 연계는 MCCI 해석의 초기조건을 물리적으로 일관되게 설정하기 위해 필수적으로 요구된다.

개발된 MCCI 해석 코드는 보존 법칙에 기반한 열전달, 상변화, 화학 반응, 붕괴열 모델 등을 포함하며, 노드 기반 계산 구조와 시간 적분 절차를 통해 수치적 안정성과 해석 일관성을 확보하였다. 코드의 신뢰성을 검증하기 위해 1차원 및 2차원 조건에서 기존의 실험 데이터를 활용한 검증을 수행하였고, 전형적인 MCCI 거동을 재현할 수 있음을 확인하였다.

이후, SAFARI 프로젝트에서 개발된 기존의 FCI 코드와 본 MCCI 코드 간의 연계 기법을 수립하였다. 연계 방식은 단방향(one-way)과 양방향(two-way)으로 구분되며, 단방향 연계는 debris bed 특성만 전달하는 방식인 반면, 양방향 연계는 MCCI 진행 과정 중 파편층과 하부 용융풀 간의 상호작용 및 격납건물 압력 평가를 포함하는 반복적 연계 특성을 가진다. 이러한 연계 해석의 물리적 정합성을 확보하기 위해 MCCI 코드 내 데이터 처리 및 인터페이스 구조 개선을 수행하였다.

마지막으로, 연계 해석 기능을 1000 MWe급 가압경수로를 기준으로 한 원전 규모 시나리오에 적용하였다. 초기 노내 조건은 MELCOR 해석을 통해 도출하였으며, FCI 이후 형성된 debris bed 조건을 사전충수 환경 하에서 반영하였다. 중대사고시 사전충수 시나리오에 미치는 영향을 분석하기 위해 단방향 및 양방향 연계 방식을 모두 적용하였다. 그 결과, 개발된 모델은 FCI 이후 국소 MCCI로의 전이를 물리적으로 일관되게 모사할 수 있음을 확인하였다. 또한 초기 캐비티 수심 및 연계 방식에 따른 콘크리트 침식 거동과 격납건물 가압 경향을 비교·분석함으로써, 중대사고 완화 전략 수립을 위한 캐비티 냉각 조건 평가에 기초 자료를 제공할 수 있음을 보여주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents the development of analysis model to evaluate the interaction between molten core, concrete, and coolant in a pre-flooded reactor cavity. Starting from the debris conditions formed after Fuel–Coolant Interaction (FCI), the analysis focuses on simulating the subsequent ex-vessel progression, particularly the Molten Core–Concrete Interaction (MCCI), that governs concrete ablation. The work is conducted within the broader context of the SAFARI (Safety Analysis Code for Severe Accident Risk Identification) project, which aims to establish a regulatory grade integrated code system for severe accident analysis in South Korea. Developing a dedicated analysis code rather than relying solely on existing tools enables greater flexibility in implementing detailed physical coupling between debris formation and subsequent MCCI, thereby improving the fidelity of post-FCI MCCI simulations. In this context, coupling the FCI and MCCI codes is essential to ensure consistent post-FCI conditions.

The MCCI analysis code is developed based on fundamental conservation laws and includes key physical models for heat transfer, phase change, chemical reactions, and decay heat. Numerical stability and solution consistency are ensured through a node-based computational framework and time integration procedures. Validation of the developed code is conducted using established experimental data under both 1-D and 2-D configurations, confirming its capability to reproduce representative MCCI behavior.

A coupling methodology is then established between the developed MCCI code and an existing FCI code developed within the SAFARI project. The coupling approaches are categorized as one-way and two-way: the former transfers debris characteristics without further feedback, while the latter incorporates iterative interaction between the debris bed and underlying molten corium during MCCI progression, including containment pressure estimation. To ensure physical consistency in the coupled simulation, improvements are made to the MCCI code, including enhancements to data handling and interface structures.

Finally, the coupled analysis capability is applied to a plant-scale scenario for a reference 1000 MWe pressurized water reactor. Initial in-vessel conditions are obtained from MELCOR simulations, and the effects of post-FCI debris formation are considered under pre-flooding scenario. The standalone and system-coupled analysis are both employed to evaluate their impact on plant-scale severe accident scenario. The results demonstrate that the developed coupling methodology can simulate the transition from FCI to localized MCCI phenomena in a physically consistent manner. The analysis also highlights how the initial cavity water level and coupling approach influence the progression of concrete ablation and the associated containment pressurization, providing insights relevant to pre-flooding strategies for Severe Accident Management (SAM).

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Contents iv
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Objectives 6
• 1.3 Current state of the art 7
• Chapter 2. Developent and Validation of the MCCI analysis code 15
• 2.1 Code overview 15
• 2.2 Corium configuration 18
• 2.3 Governing equations 20
• 2.3.1 Mass conservation equation 21
• 2.3.2 Energy conservation equation 22
• 2.4 Heat transfer modeling 24
• 2.4.1 Top surface modeling 25
• 2.4.2 Bottom and Side surface modeling 31
• 2.5 Validation of the MCCI code 33
• 2.5.1 1-D MCCI validation 35
• 2.5.2 2-D MCCI validation 38
• 2.5.3 Overall implications of the validation results 45
• Chapter 3. Development of the coupling methodology 64
• 3.1 Description of the FCI code 64
• 3.1.1 Physical models implemented 64
• 3.1.2 Experimental validation basis 67
• 3.2 Coupling methodology 69
• 3.2.1 Oerview of the coupling approach 69
• 3.2.2 One-way coupling methodology 70
• 3.2.3 Two-way coupling methodology 71
• 3.2.4 Initial conditions from in-vessel analysis 79
• 3.2.5 Improvements to the MCCI code for coupling 80
• Chapter 4. Plant-scale assessment using coupling methodology 98
• 4.1 Application to plant-scale case 99
• 4.1.1 Reference 1000MWe PWR case 99
• 4.1.2 Simulation setup and conditions 99
• 4.2 MCCI analysis with debris bed-molten corium interaction 101
• 4.2.1 Representative results 102
• 4.2.2 Comparison with existing methodologies 103
• 4.2.3 Comparison by initial cavity water level 106
• 4.3 System-coupled MCCI analysis 107
• 4.3.1 Representative results 107
• 4.3.2 Effect of initial cavity water level 108
• 4.4 Safety implications for pre-flooding strategy in SAM 109
• 4.4.1 Implications from standalone MCCI analysis 109
• 4.4.2 Implications from system-coupled MCCI analysis 111
• Chapter 5. Conclusions and Recommendations 125
• 5.1 Conclusions 125
• 5.2 Recommendations 127
• References 131
• Appendix A Detailed description of MCCI modeling 138
• Appendix B MCCI material property modeling 146
• 국문 초록 157