1. PAFS 안전성/성능 입증 실험

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Transcript 1. PAFS 안전성/성능 입증 실험

2015 원자력안전해석심포지엄
2015.7.16~17, 대천 한화리조트 파로스
신형원전 안전해석을 위한
실험 프로그램
2015. 07. 16
김한곤
2015 원자력안전해석심포지엄
목 차
Ⅰ. 개 요
Ⅱ. APR+ 실험 현황
Ⅲ. 피동계통 실험 현황 및 계획
Ⅳ. 맺음말
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅰ. 개 요
APR1400 이후 신형원전 개발 전략
1990s
Main
PWR
OPR1000
2000s
2010s
APR1400
APR+
US-APR1400
Localized
PWR
2020s
Innovative PWR*
APR+1000
EU-APR
Small & Medium PWR
* 미확정
단기 전략
 APR1400 시장 확대 : US-APR1400, EU-APR
 한국형 원전의 경쟁력 지속 : Gen III+ PWR (APR+)
 개도국 진출을 위한 중형 GEN III+ PWR 개발 : APR+1000
장기 전략
 안전성의 획기적인 개선 : Evolutionary  Revolutionary
 Core Technology (PECCS, PCCS)
3
2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
 APR1400 기준으로 새롭게 채택된 ADF 중 안전해석이 요구되는 사항들
 피동보조급수계통 (PAFS) : 기존 능동보조급수계통을 대체
 Emergency Core Barrel Duct (ECBD) : 안전주입수 우회를 원천적으로 차단
 노심입구 유량분배판 개선 : 노심입구유량분포 불확실도 저감
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
PAFS 개요
능동형 보조급수계통을 피동형 보조급수계통으로 완전 대체 설계
AF
AF
ModulatingIsolation
Valve
Valve
Motor
Driven
LO
M
LO
-4
Feed
Water
Tank
A
8"
12"
SG A
Steam
Line
LO
8"
M
Turbine
Driven
중력, 자연대류,
응축 등 자연력
이용
LO
M
LO
8"
Feed
Water
Tank
B
12"
8"
SG B
Steam
Line
LO
APR 1400 보조급수계통 개략도
M
PAFS(Passive Aux. Feed-water System) 개략
도
5
2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
PAFS 설계 개요
 수평형 열교환기 채택
12"
Vent
 수격현상 등 유동 불안정성 방지 설계
Drain
Vent
Drain
12"
 독립된 4계열 (50%/계열)/기동밸브 다중 설계
MS
System
 단일고장기준 만족, 8시간 내 SC 운전 진입
 PCHX 최대 138 MW열제거,
Vent
S/G
S/G
Emergency
Connection
CST
AAP
10"
 비응축성 기체 최대 51 cc, 배기라인 설계
 표준설계인가시 변경된 설계 수행중
AB Yard
SC-3 NNS
10"
FW
System
6
2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
개별효과 실험
 준정상상태 실험
 전 운전영역 냉각 성능 검증
[200·300·400·540·650·750kw]
 측정 : PCHX 열 제거량, 계통 압력/온도/유량
 결과 : 전 운전영역 운전 가능,
수평 성층류 유지(수격 방지요건 만족)
PCHX 길이 방향 온도
 PCCT 수위변화 실험
 300→750kw 열출력 조건 실험
 조건: 정상수위 → 3.5 m(PCHX상부)
 결과 : 수격 없이 자연대류 원할
 기동실험
 기동 초기 배관내 응축수 영향고려 안정화 여부
 조건 : 540kw, 7.85Mpa에서 기동밸브 개방
 결과 : 기동 후 약 300초에서 안정화 됨
PCCT 수위변화
시간에 따른 PAFS 유량
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
개별효과 실험
 천이운전 실험
 MSSV 개방에 따른 PAFS 성능 및 건전성 확인
 계통 압력/유량 및 열전달율 측정
 10초 : 영향 없음, 200초 : MSSV 닫히면 정상
상태로 바로 복귀하여 자연순환 유지
증기/응축수 유량
 기동밸브 개도 변화 실험
 기동밸브 개도 변화시 영향 평가
 540kw에서 밸브개도 100% → 30%까지 조절
 50% ~ 30%사이에서 조절 가능
 비응축성 가스 영향 실험
 PAFS 초기 기동시 비응축성 가스 최대 질량분율 0.63%
 보수적으로 1.01% 질량 분율 실험
 약 3% 정도 응축열전달 계수 감소/거의 영향 없음
응축수 유량 변화
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
종합효과실험
 기존의 ATLAS 설비에 PAFS 추가 설치
 PAFS 작동시 RCS의 종합적인 거동 평가 목적
 FLB, SLB, SGTR시 PAFS 성능 검증
 모든 경우 자연순환 유량 안정적 형성
 모든 경우 8시간 이내 정지냉각 계통 진입
SGTR시 유체온
도
FLB시 유체온도
SLB시 유체온도
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
사고 및 성능 해석
 보조급수 유량 및 엔탈피 산출
 CESEC III 해석의 Boundary 데이터 제공을 위해 각 사고 별 유량 및 엔탈피 곡선
생산 (RELAP)
 설계기준 사고 해석 (CESEC-III) : 모든 사고 및 과도상태 조건에서 허용기준 만족
 해석 결과 예 : 주급수 파단사고 거동 비교[APR1400 – APR+]
 향후에는 SPACE 통합해석 필요
-사고 초기 PAFS의
냉각능력이 더 우수
해서 초기 온도 상승
이 나타나지 않음
- 사고후 30분 후에
도 AFWS 대비 우수
한 냉각 능력 보유
APR1400
APR+ SSAR
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
1. PAFS 안전성/성능 입증 실험
안전성 향상
DBA 사고시 안전성 향상
보조급수 작동기간 중 MSSV 개방 없음 : MSSV 개방 고착 가능성 감소
과압사고시 방사선량 저감 :
사고
APR1400 SSAR(mSv)
APR+ SSAR(mSv)
FLB (EAB 2hr, PIS)
5.72
0.058
RCP Locked Rotor
(EAB)
19.3
11.1
CEA Ejection [via
Secondary)
50.8
7.23
SGTR (EAB 2hr, PIS)
10.1
6.59
 예비 PSA 결과
 신고리 3,4대비 노심 손상빈도 (CDF) 약 50% 감소 예상
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
2. 노심입구 유동분포 성능 실험
노심유동분포 시험 개요
 목적
APR+ 노심 유량 및 분산값 정량화를 통한 열적여유도
향상
 시험 개요
 입구유량인자분포는 핵비등이탈률 제한치 설정시
중요한 인자임 (Thermal Margin에 중요한 인자)
 OPR1000 대비 APR1400은 입구유량 불확실도 5배 증
가
 OPR1000 : 0.024 ← 시험 측정치
 APR1400 : 0.116 ← 시험결과 외삽
 APR1400 대비 APR+ 노심 설계 차이
 유량 약 3.5% 감소 (노심 16F/A, RCP 3% 증가)
 노심 Tave 증가
 HIPER 연료 사용
노심유동분포 시험장치 구성
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
2. 노심입구 유동분포 성능 실험
1/5 모의 핵연료 설계
 1/5 Scale 핵연료집합체 시뮬레이터 설계 및 제작
 Full Scale 3-핵연료집합체 횡유동 실험
 실험데이터를 이용한 핵연료집합체 CFD해석 방법론 개발/검증
 1/5 핵연료집합체 시뮬레이터 설계
110
CFD (90%)
CFD (100%)
CFD (110%)
Exp (90%)
Exp (100%)
Exp (110%)
Flow rate (kg/s)
105
100
95
90
85
0
1000
2000
3000
4000
5000
Axial location of fuel channel (mm)
3-FA 횡유동 실험장치 개요
횡유동에 대한 실험/CFD 결과비교
시뮬레이터 설계
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
2. 노심입구 유동분포 성능 실험
노심유동분포시험장치 제작
 노심유동분포 시험장치 제작
 1/5-scale, 상온, cold water test
 핵연료시뮬레이터(257개) 제작 및 교정
 모의노심, 계통 및 계측설비 제작
 주요 측정인자
 각 핵연료집합체의 입구유량 및 출구압력 분포
 계통 내 각 지점의 압력, 고온관 유속분포 등
핵연료 시뮬레이터
계통구성
1/5축척 원자로용기
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
2. 노심입구 유동분포 성능 실험
노심유동분포 시험결과
 주요결과
 평형/비평형조건에서 노심유동분포 차이는
크지 않음
 Downcomer 및 lower-plemum에서의 평
탄화 때문임.
 노심 각 핵연료집합체의 유량/압력분포 측정
 시험오차 검토
 노심입구유량의 최대오차(계산치) : 0.6%
 벤츄리 방출계수(실측치) 표준편차 :
노심입구유량 분포 (4-pump)
0.36%
 유량(실측치) 표준편차 : 최대 0.035%
 정밀한 측정이 되었음을 확인함
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
2. 노심입구 유동분포 성능 실험
시험결과 활용
 노심평가 입력자료의 표준편차 감소량
기존 설계값
(APR1400 + 외삽)
시험 결과값
비고
4-펌프
0.057
0.0082
- 86%
3-펌프
0.062
0.0102
- 84%
4-펌프
0.009
0.0019
- 79%
3-펌프
0.014
0.0051
- 64%
변 수 구 분
노심 입구유량 분포
노심 출구압력 분포
 표준편차 기준으로 64 ~ 86% 감소
 DNBR SAFDL 감소에 의한 열적여유도 증가
 노심외곽 유량 증가에 따른 최적화 설계/실험 수행중
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
3. ECBD 성능 검증 실험
ECBD 개요
 Core Barrel에 Duct를 설치하여 LBLOCA시 ECC 우회를 원천적으로 차
단
 4-EDG 설계 구현시 안전 요건 만족 가능
 안전여유도 향상 또는 SIP 최적화 가능
HL
DVI
Nozzle
80
h
R
R+h

45
Break
Flow
CL
Bypass Fraction (%)

DVI-2 & 4
DVI-3 & 4
DVI-1 & 4
60
DVI-1&4
(4-EDG)
1/5-Scale Air-Water Test
With Duct
40
DVI-2&4
20
DVI-1&4
DVI-1&4
DVI Vel=1.0
0
DVI-3&4
5
10
Duct
DVI-3&4
DVI Vel=1.0
15
20
Cold leg Vel. (m/sec)
DD
ECBD
uc
t
ECBD의 개선효과
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2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
3. ECBD 성능 검증 실험
Full Scale Duct 주입실험
ECC Duct
shape
Elliptical
Circular
Injection Velocity
(m/s)
Spillage (%)
1.792
12.102
1.641
5.886
1.566
4.770
1.757
4.013
1.584
3.181
1/1-Scale
18
2015 원자력안전해석심포지엄
Ⅱ. APR+ 실험 현황
3. ECBD 성능 검증 실험
1/5 Scale 종합 우회 실험
 어떤 조합에서도 우회율이 기존
설계대비 현저히 낮은 결과 도출
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III. 피동계통 실험 현황 및 계획
2015 원자력안전해석심포지엄
 피동 원자로 개념 도출
 RCS 배치 : 한국형 원전의 배치 준용 (2Loop)
 건물배치 : IRWST 상향, Top-Mounted ICI, 고온관이하 침수
 피동안전계통 :
 피동보조급수계통 (PAFS)
 피동비상노심냉각계통(PECCS)
 피동원자로건물냉각계통(PCCS)
 피동중대사고대처설비 등
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2015 원자력안전해석심포지엄
III. 피동계통 실험 현황 및 계획
1. PECCS 개발을 위한 Hybrid SIT 성능실험
PECCS 개요
 목적 : 기존의 안전주입계통을 대체
 계통 구성
 SIT 2대/Hybrid SIT 2대
 LBLOCA시에는 4대의 SIT 모두 작동
 Hybrid SIT는 SIS 신호에 의해 저온관과의 압력평형으로 작동
 가압기 POSRV를 이용하여 다단계 압력 방출
 고온관에 대형 압력방출밸브 장착
 고압 (100기압)에서의 압력평형시 H-SIT내의
국부적 거동 및 종합거동에 대한 실험 필요
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2015 원자력안전해석심포지엄
III. 피동계통 실험 현황 및 계획
1. PECCS 개발을 위한 Hybrid SIT 성능실험
개별효과 실험
 목적 : 압력평형배관 개방시 증기응축에 의한 압력평형 유지 여부
Pressure (MPa)
Press._OV-PBL-101 backward _C150-02
18.0
18.0
16.0
16.0
14.0
14.0
12.0
12.0
10.0
10.0
8.0
8.0
6.0
Case4(FCV 100% open)
Case5(FCV 10% open)
Case6(PBL_no orifi., FCV 100% open)
4.0
2.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
6.0
4.0
2.0
7000
Time (sec)
OV-PBL1
200 kW Heater
개별효과시험 장치 개념도
개별효과실험장치 예비계산
(MARS-KS code 이용)
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2015 원자력안전해석심포지엄
III. 피동계통 실험 현황 및 계획
1. PECCS 개발을 위한 Hybrid SIT 성능실험
개별효과 실험 Test Matrix
SIT
No
1
2
Phase I
base case
배관 길이 영향
(압력손실)
노즐
가압기
온도
수위
압력
압력
없음
-
-
-
-
-
-
배관/밸브
위치
-
-
-
완료
-
-
short
-
완료
노즐 영향
있음
-
-
-
-
-
-
4
보수적 조건
-
저
고
저
고
-
-
5
보수적 조건
-
저
저
저
고
-
-
1
SIT 온도
-
고
-
-
-
-
-
-
-
저
-
-
-
-
-
-
고
-
-
-
-
3
SIT 수위
일정
길이
3
2
Phase II
목적
4
압력차
-
-
-
저
고
-
-
5
밸브 위치 I
-
-
-
-
-
-
SIT
6
밸브 위치 II
-
-
-
-
-
-
중간
기타 추가시험
필요 시
~ 2015/06
~ 2015/08
~ 2015/09
~ 2015/10
~ 2015/12
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2015 원자력안전해석심포지엄
III. 피동계통 실험 현황 및 계획
1. PECCS 개발을 위한 Hybrid SIT 성능실험
개별효과 실험 결과
• 가압기(PT-HPZR-101) 압력은 설정압력인
15.51 MPa에 대해 0.06 MPa의 평균오차
범위 내에서 적절하게 모의됨.
가압기(PT-HPZR-101) & 혼합형 SIT(PT-HSIT-101) 압력 변화
가압기와 혼합형 SIT의 압력평형 경향
• 주입된 증기의 열혼합 현상에 의해 생성된
열성층화 영역은 120 mm 이하
• 과도영역 전 구간에서의 온도변화가 2.0 ℃
내외
SIT 수직 위치별 유체온도
SIT 열전대 수직 위치 및 수위 변화
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2015 원자력안전해석심포지엄
III. 피동계통 실험 현황 및 계획
2. PCCS 개발을 위한 열교환기 성능실험 (계획)
PCCS 개요




열교환기가 격납건물 내부에 위치한 간접 응축방식
수직형 열교환기 사용 및 격납건물 Dome 영역에 위치
33% 용량의 열교환기 집합체를 4 Train으로 구성
Mission Time : 72시간 (일주일까지 연장 목표)
〈 열교환기 개념안 〉
〈 PCCS 1train 개념안 〉
〈 PCCS 개념안 〉
25
2015 원자력안전해석심포지엄
IV. 맺음말




APR1400 개발시에는 완성된 설계의 성능을 입증하기 위한 실험이 대부
분이었음
APR+ 개발시에는 초기 설계와 실험을 병행 수행 : 설계자료를 생산하기
위한 실험
설계/실험 일정의 차이, 표준설계인가 이후의 설계변경 등에 따라 최초
원전 건설시 추가 확인 필요
 노심입구 유량분배판 설계 개선에 따른 유량분포
 ECBS 성능 추가 확인을 위한 1/5 Scale 실험 결과
 SPACE를 이용한 PAFS 통합해석 (PAFS 열전달 모델 추가)
피동안전계통 개발을 위한 핵심기술 개발 및 성능 실험 수행중
 실험결과에 따른 해석 모델 추가 및 다차원 해석 방법론 필요
26