3차원 기포 재구성 기법을 적용한 직접접촉응축 특성에 관한 실험적 연구 = Experimental Study on Direct Contact Condensation Characteristics with 3D Bubble Reconstruction Method|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Direct contact condensation (DCC) has been used in various industries because of strong heat transfer efficiency. In particular, nuclear reactors use direct contact condensation phenomenon to protect the containment integrity during LOCA (Loss Of Coolant Accident). SMART (System-integrated Modular Advanced ReacTor) developed by KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) selected Containment Pressure and Radioactivity Suppression System (CPRSS) using DCC concept as a Passive Containment Cooling System (PCCS). The CPRSS lowers the pressure and temperature of containment during accident and prevent the release of radioactive material to atmosphere by condensing steam and dissolving radioactivity into an IRWST (In-Containment Refueling Water Storage Tank). SISTA (SMART IRWST Separated Test Apparatus) was constructed to validate design concept of the SMART CPRSS. In this paper, the steam mass flux was simulated as a scaled-down value from SMART CPRSS during LOCA and temperature was set to the 50 ℃ in order to induce chugging phenomenon occurring in SMART CPRSS. Visualization equipments were installed around the IRWST in order to investigate the DCC phenomenon. The results of the experiment were analyzed according to the conditions of the steam mass flux, the IRWST temperature, the direction of the sparger and the fraction of the non-condensable gas, respectively. Experimental results showed that the condensation regime was changed from external chugging to oscillatory bubble at 42 when IRWST temperature was 50 ℃ and the condensation regime was changed between 40 and 42 when IRWST temperature was 60 ℃. In the case of bubble deformation, as the steam mass flux increased, the size and lifetime of the bubbles decreased and the frequency of bubble generation increased. As a result of the steam & non-condensable gas mixture test, the size of the bubbles increased and the frequency bubble generation increased. In test condition of this study, the direction of the steam injection sparger had little effect on the DCC phenomenon. To accurately measure the characteristics of DCC bubbles deformation, 3D bubble reconstruction method was applied. It was possible to reconstruct more accurate shape of bubbles by reflecting visualized information of bubble deformation from two high speed cameras in front and side views of IRWST. In addition, to validate the 3D bubble reconstruction method, a virtual bubbles shape made by a 3D CAD program were used to quantify an uncertainty. Similar to the DCC bubbles, the virtual bubbles were created with a 3D CAD program. and it was applied in the same way using 3D bubble reconstruction method.

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국문 초록 (Abstract)

포화온도 이상의 기체가 과냉각된 액체와 만나 응축되는 직접접촉응축 현상은 다양한 산업에서 응용되고 있으며 다양한 원자로에서 배단파단 사고 시 격납용기를 냉각시키기 위하여 사용하고 있다. 최근 한국원자력연구원에서 개발한 소형원자로인 SMART(System-integrated Modular Advanced ReacTor)는 직접접촉응축 개념을 사용한 격납용기 압력 및 방사능 저감계통(Containment Pressure and Radioactivity Suppression System, CPRSS)을 도입할 예정이다. SMART 격납용기 압력 및 방사능 저감계통은 배관파단 사고 시 격납용기로 유출되는 고온고압의 증기를 응축시켜 격납용기의 온도와 압력을 낮추고, 유출된 방사선 물질을 용해시키는 기능을 한다. SMART 격납용기 압력 및 방사능 저감계통의 개념 검증 및 주요 장치에서 발생하는 열수력 거동을 파악하기 위해 SISTA (SMART IRWST Separated Test Apparatus)가 설치되었다. 본 논문에서는 SMART 격납용기 압력 및 방사능 저감계통에서 발생하는 직접접촉웅축 현상을 모의하기 위하여, SMART 배단 파단사고 시 예상되는 증기유속 및 재장전수조(In-Containment Refueling Water Storage Tank, IRWST) 온도를 SISTA 실험장치에서 모의하여 실험을 수행하였다. 직접접촉응축 현상이 발생되는 기포의 형상을 확인하기 위해 가시화 장비를 설치하였으며, 증기유속, IRWST 온도, 스파저의 방향 및 비응축가스의 분율의 조건에 따라 변하는 응축 현상 및 기포의 모습에 따라 결과를 정리하였다. 실험결과 수평 스파저 실험에서 IRWST 온도가 50 ℃일 때는 42 에서 응축영역의 변화가 일어났고, IRWST 온도가 60 ℃일 때는 40 과 42 사이에 응축영역의 변화가 일어날 것으로 예상되었다. 기포 형상의 경우 증기유속이 증가할수록 응축 기포의 크기 및 수명은 감소했고 기포 생성의 빈도수는 증가하였다. 증기-비응축가스 혼합 실험 결과, 비응축가스가 혼합된 경우 기포의 크기는 증가하였고 기포 생성 빈도는 감소하였다. 본 시험조건에서는 증기분사 스파저의 방향이 응축현상에 미치는 영향은 거의 없었다. 또한 기포의 물리적 변수를 정확히 예측하기 위하여 3차원 기포 재구성 기법을 응축 기포에 적용하였다. 3차원 기포 재구성 기법을 응축 기포에 적용한 결과, 2차원으로 해석했을 때보다 기포 형상에 대한 정보를 많이 반영하여 더 정확한 기포 형상을 재현할 수 있었다. 추가적으로 3차원 기포 재구성 기법을 검증하기 위하여 3차원 설계 프로그램으로 만든 기포 형상을 사용하였다. 가시화 장비로 촬영한 응축 기포의 형상과 유사하게 3차원 설계 프로그램으로 가상 응축 기포를 만들었고, 그 형상의 정면과 측면 방향의 이미지를 이용하여 기존에 실제 응축 기포를 재구성한 방법과 동일하게 가상 응축 기포를 재현하였다.

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포화온도 이상의 기체가 과냉각된 액체와 만나 응축되는 직접접촉응축 현상은 다양한 산업에서 응용되고 있으며 다양한 원자로에서 배단파단 사고 시 격납용기를 냉각시키기 위하여 사용...

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