KR102446368B1 - 연구로 이상유동 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예는 연구로 일차냉각계통 내 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 시 공기 유입량 평가와 감쇠탱크의 성능평가를 할 수 있도록 실제 사고 모사와 감쇠탱크 성능 평가를 용이하게 구현할 수 있는 연구로 이상유동 실험장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치는 모사수조부내의 수조수가 배출되는 차압모사 배관에 연결되고, 노심 하향류 연구로의 일차냉각계통 내 최상단 배관의 부압에 해당되는 노심차압 환경을 모사하는 차압모사부, 차압모사부에 파단모사 배관으로 연결되고, 파단모사 배관의 파단시 외부의 공기가 유입되는 환경을 모사하여 공기 유입량을 측정하는 파단모사부, 그리고 파단모사부에 성층화모사 배관으로 연결되고, 성층화모사 배관을 통해 감쇠탱크 내로 공기가 유입되어 발생되는 공기-물 성층화 현상을 모사하는 성층화시험부를 포함하며, 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 상황을 실제 사고 환경으로 모사하여 파단모사 배관의 파단시 공기 유입량 평가와 감쇠탱크의 성능평가를 실험한다.

Description

연구로 이상유동 실험장치{FLOW REGIME TEST APPARATUS OF RESEARCH REACTOR}

본 발명은 연구로 이상유동 실험장치에 관한 것이다.

연구로에서는 N-16(Nitrogen-16) 방사능 저감을 위해 감쇠탱크를 설치하게 된다. 감쇠탱크는 다양한 형태로 설계되는데 일반적으로 매우 큰 부피를 가지며 탱크 내 유속을 늦춰서 냉각재가 오랜 시간 탱크에 체류하도록 설계한다. 이러한 감쇠탱크는 공기 파단 사고 대처 설비가 설계 목적이 아니었지만 N-16 저감 역할과 동시에 공기 포집 기능을 수행할 수 있도록 설계를 변경할 수 있다. 하지만 해당 기기의 성능 평가가 필요한 상태이며, 이를 수치해석을 통해 적용하기에는 계산의 복잡성, 어려움 등의 한계가 있다.

연구로 일차냉각계통 내 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 시 공기 유입량 평가가 필요하며, 대처 설비로 설계한 감쇠탱크의 성능 평가가 시급한 실정이다. 하지만 연구로에서 공기 유입 사고에 대한 실험 및 수치해석을 수행한 바가 거의 없어, 실제 사고 모사와 감쇠탱크 성능 평가를 위한 실험장치의 개발이 요구되고 있다.

관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,794,061는 "사이펀 차단기 시뮬레이션 장치 및 방법"을 개시한다.

한국등록특허 1,794,061

본 발명의 한 실시예는 연구로 일차냉각계통 내 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 시 공기 유입량 평가와 감쇠탱크의 성능평가를 할 수 있도록 실제 사고 모사와 감쇠탱크 성능 평가를 용이하게 구현할 수 있는 연구로 이상유동 실험장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치는 모사수조부내의 수조수가 배출되는 차압모사 배관에 연결되고, 노심 하향류 연구로의 일차냉각계통 내 최상단 배관의 부압에 해당되는 노심차압 환경을 모사하는 차압모사부, 차압모사부에 파단모사 배관으로 연결되고, 파단모사 배관의 파단시 외부의 공기가 유입되는 환경을 모사하여 공기 유입량을 측정하는 파단모사부, 그리고 파단모사부에 성층화모사 배관으로 연결되고, 성층화모사 배관을 통해 감쇠탱크 내로 공기가 유입되어 발생되는 공기-물 성층화 현상을 모사하는 성층화시험부를 포함하며, 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 상황을 실제 사고 환경으로 모사하여 파단모사 배관의 파단시 공기 유입량 평가와 감쇠탱크의 성능평가를 실험한다.

본 발명의 한 실시예는 연구로 일차냉각계통 내 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고를 실제 모사하여 공기 유입량 평가와 감쇠탱크의 성능평가를 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치의 연결관계를 도시한 도면이다.
도 2는 차압모사부의 상세도이다.
도 3은 일반적인 수조와 노심구조물을 실험용 모사수조부로 단순화한 개념도이다.
도 4는 파단모사부의 상세도이다.
도 5는 파단모사용 오리피스를 이용하여 배관 파단의 모사 형상을 도시한 도면이다.
도 6은 성층화시험부의 상세도이다.
도 7은 기포 크기별 물속에서의 상승 속도를 나타낸 도면이다.
도 8은 유량조절부의 상세도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 연구로 이상유동 실험장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치의 연결관계를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치는 차압모사부(100), 파단모사부(200), 성층화시험부(300), 그리고 유량조절부(400)를 포함하며 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 상황을 실제 사고 환경으로 모사하여 파단모사 배관의 파단시 공기 유입량 평가와 감쇠탱크(320)의 성능평가를 실험할 수 있다.

차압모사부(100)는 모사수조부(10)내의 수조수(12)가 배출되는 차압모사 배관(110)에 연결되고, 노심 하향류 연구로의 일차냉각계통 내 최상단 배관의 부압에 해당되는 노심차압 환경을 모사할 수 있다. 일차냉각계통 내 최상단 배관 파손을 모사하기 위해서 우선적으로 수행되어야 할 부분은 최상단 배관에서의 부압을 형성하는 것이다.

파단모사부(200)는 차압모사부(100)에 파단모사 배관(210)으로 연결되고, 최상단 배관의 파단시 외부의 공기가 유입되는 환경을 모사하여 공기 유입량을 측정할 수 있다. 파단모사부(200)는 최상단 배관 내 형성된 부압에 의한 배관 파단 사고 시 외부의 공기 유입환경을 모사할 수 있으며, 이때 최상단 배관의 파단 크기 또는 파단 모양에 의한 영향을 파악하여 공기 유입량을 측정할 수 있다.

성층화시험부(300)는 파단모사부(200)에 성층화모사 배관(310)으로 연결되고, 성층화모사 배관(310)을 통해 감쇠탱크(320) 내로 공기가 유입되어 발생되는 공기-물 성층화 현상을 모사할 수 있다. 성층화시험부(300)는 성층화모사 배관(310)을 통해 유입된 공기가 감쇠탱크(320) 내로 유입되었을 때 공기-물 성층화가 잘 일어나 일정시간 동안 감쇠탱크(320) 출구로 공기가 빠져나가지 않는 현상을 관측할 수 있다.

유량조절부(400)는 성층화시험부(300)와 모사수조부(10)의 사이에서 유량조절 배관(410)으로 연결되고, 계통 유량을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치는 일차냉각계통의 구성을 최대한 반영하여 해당되는 배관 및 주요 유체기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연구로 이상유동 실험장치를 이용하여 관찰되어야 하는 최상단 배관의 파단 사고 모사시 공기 유입량을 검출하는 유량계(FI; flow indicator)와 해당되는 배관에서의 압력을 검출하는 압력계(PI ; pressure indicator), 수위를 검출하는 수위계(LI ; Level Indicator) 그리고 차압 변화를 검출하는 차압계(DP ; Differential Pressure)를 포함할 수 있다. 또한 감쇠탱크(320)의 공기분율을 확인할 수 있도록 감쇠탱크(320)의 유입 배관에 구비되는 제1 가시화부(330), 배출 배관에 구비되는 제2 가시화부(340)에서의 공기분율(VF ; Void Fraction)을 측정하여 감쇠탱크(320) 내에서 발생하는 공기-물 성층화 현상 및 출구로의 공기 유출 여부를 확인할 수 있다. 상기한 바와 같이 연구로 이상유동 실험장치에는 연구로 일차냉각계통의 주요 유체기기들을 포함할 수 있다. 한편, 연구로 이상유동 실험장치는 최상단 배관의 파단을 모사한 실험시 열전달에 의한 영향이 미비할 것으로 예상되는 구성을 제외할 수 있다. 예를 들어, 노심의 핵연료 연소부와 열교환기는 실험의 필요에 따라 제외할 수 있다.

도 2는 차압모사부의 상세도이며, 도 3은 일반적인 수조와 노심구조물을 실험용 모사수조부(10)로 단순화한 개념도이다. 차압모사부(100)는 일차냉각재 유량에서 노심 압력강하를 모사할 수 있다. 즉, 차압모사부(100)는 모사수조부(10)내의 수조수(12)가 배출되는 차압모사 배관(110)에 연결되고, 노심 하향류 연구로의 일차냉각계통 내 최상단 배관의 부압에 해당되는 노심차압 환경을 모사할 수 있다. 차압모사부(100)는 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이 모사수조부(10)에 연결된 차압모사 배관(110)에 구비되어 차압을 모사하는 복수의 차압모사용 오리피스(120), 그리고 차압모사 배관(110)에 구비되어 차압모사 배관(110)의 압력을 조절하는 모터구동밸브(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 모사수조부(10)는 일반적인 수조(20)에서 일차냉각계통의 최상단 배관(24)의 파단 사고를 고려하여 노심(22)이 위치된 하부와 최상단 배관(24)이 외부로 연결되는 상부로 구분하고 상부만 포함되도록 형성할 수 있다. 즉, 모사수조부(10)는 도 3에 도시한 바와 같이 기존 수조(20)에서 노심(22)이 위치된 하부는 생략될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치에서는 실제 연구로에서 적용하는 10미터 이상의 수조(20) 깊이를 구현하기 어려우며, 노심(22) 구조물 역시 비용이나 공간의 제약에 의해 설치가 어렵다. 연구로에서는 수조(20) 상부 대기압으로부터 수조(20)의 깊이만큼의 정수압이 더해지고 노심(22) 압력강하가 고려될 수 있다. 그리고 최상단 배관(24)으로의 높이에 따른 정수압을 고려하면 최상단 배관(24)에서의 압력이 결정될 수 있다. 연구로는 일반적으로 개방형 수조(20)를 포함한 형태로 설계되며, 연구로 활용 목적 및 설계 특성에 따라 노심(22) 상향류 또는 하향류로 설계될 수 있다. 또한 연구로 사고시 핵연료에서 발생하는 붕괴열 냉각을 위해 수조수 재고량을 유지할 수 있는 방안으로 수조(20)를 관통하는 일차냉각계통의 배관을 원자로 상부보다 높게 설치할 수 있다. 수조(20) 내 냉각재는 노심(22)을 통과하여 최상단 배관(24)으로 진행되는데 이 때 매우 높은 노심 압력강하가 발생할 수 있다. 이러한 특징은 높은 출력의 연구로에서 잘 나타나며, 높은 노심압력 강하로 인해 정상상태 운전에서 일차냉각계통 최상단 배관(24)에서는 대기압 보다 낮은 부압이 나타나게 된다. 이를 단순화하여 모사수조부(10)에서 기존 최상단 배관(24)의 높이로 직접 차압모사 배관(110)을 연결하고 이후 차압모사용 오리피스(120)와 모터구동밸브(130)를 활용하여 차압모사 배관(110)을 최상단 배관(24)에서의 압력과 동일한 환경으로 설정할 수 있다. 참조번호 140은 모사수조부(10)로부터 차압모사 배관(110)으로 공급되는 수조수(12)의 흐름을 단속하는 밸브이다.

도 3을 참조하면, 차압모사용 오리피스(120) 설치 위치의 경우 차압모사 배관(110)과 동일한 높이에서 설치가 가능하지만 차압모사용 오리피스(120)에서 많은 차압을 발생시키게 되면 발생할 수 있는 공동화 현상(cavitation) 방지를 위해 차압모사용 오리피스(120)의 설치 높이를 다소 낮춰 설치할 수 있다. 차압모사용 오리피스(120)는 차압을 분산하기 위해 하나의 오리피스가 아닌 2개의 오리피스를 포함할 수 있다. 차압모사용 오리피스(120)는 제1 차압 오리피스(122)와 제2 차압 오리피스(124)를 포함할 수 있다. 제1 차압 오리피스(122)와 제2 차압 오리피스(124)는 서로 이격된 위치에 구비되며, 서로 다른 높이 차이를 갖도록 위치될 수 있다. 그리고 차압모사 배관(110)에서의 정확한 부압 설정을 위해 미세 조정이 가능한 모터구동밸브(130)를 설치할 수 있다. 차압모사부(100)는 차압모사 배관(110)에서의 압력을 확인하기 위해 해당되는 부분에 압력계를 포함할 수 있다.

도 4는 파단모사부의 상세도이다. 도 4에 도시한 바와 같이 파단모사부(200)는 연구로 일차냉각계통 내 최상단 배관 위치를 고려하고 유량계측, 파단 크기 변화 등을 구현하기 위해 파단모사 배관(210)과 공기측 배관(210a)을 포함할 수 있다. 실제 일차냉각계통의 최상단 배관이 파단시 대기에 노출된 파단부에서 공기가 유입될 수 있다. 따라서, 파단모사 배관(210)과 공기측 배관(210a)은 실제 일차냉각계통의 최상단 배관이 위치된 상황을 고려하여 배치할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 최상단 배관의 파단 상황을 파단모사 배관(210)에 연결된 공기측 배관(210a)의 파단으로 모사할 수 있다. 즉, 파단모사부(200)는 차압모사부(100)에 파단모사 배관(210)과 공기측 배관(210a)으로 연결되고, 최상단 배관의 파단시 외부의 공기가 유입되는 환경을 모사하여 공기 유입량을 측정할 수 있다. 파단모사부(200)는 공기유입 특성을 파악하기 위해 파단모사 배관(210)과 공기측 배관(210a)이 연결되는 연결부에 파단모사용 가시화부(220)를 포함할 수 있다. 여기서, 파단모사용 가시화부(220)는 가시화창(sight glass)를 포함할 수 있다.

공기측 배관(210a)에는 최상단 배관의 파단 크기 및 형상을 고려한 파단모사용 오리피스(230)를 포함할 수 있다. 공기측 배관(210a)에는 최상단 배관의 파단을 모사하기 위해 기설정 개방시간동안 공기측 배관(210a)의 개폐를 단속할 수 있는 공기구동밸브(240)(Air Operate Valve)와 공기 유량 계측을 위한 파단모사용 유량계(250)를 포함할 수 있다. 공기구동밸브(240)의 경우 실제 작동시간은 0.1초 가량으로 매우 짧은 개방시간을 유지하도록 설정할 수 있다.

파단모사용 오리피스(230)의 파단 크기 또는 공기측 배관(210a)의 부압 크기에 따라 파단 단면에서 일부 물이 배출되는 현상이 발생할 수 있다. 파단모사부(200)는 공기측 배관(210a)으로부터 배출된 물을 저장하기 위한 저장용기(260)(basin)를 포함할 수 있다. 정상상태에서 공기측 배관(210a)에 구비된 공기구동밸브(240)의 전단까지는 모두 물로 가득찬 상태로 정체된 상태를 유지하다가 최상단 배관의 파단을 모사하는 공기구동밸브(240)의 개방 이후 외부공기가 유입되는 형태로 구현할 수 있다.

도 5는 파단모사용 오리피스를 이용하여 배관 파단의 모사 형상을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 파단모사용 오리피스(230)를 이용하여 배관 파단의 크기 및 형상이 매우 작은 파단 크기부터 배관 크기와 동일한 파단까지 모사할 수 있다. 배관 파단의 형상에 따른 영향을 확인하기 위해 다양한 가로세로비를 가지는 타원형의 파단형태를 고려할 수 있다. 예를 들어, 파단모사용 오리피스(230)를 이용한 배관 파단의 모사 형상은 제1 오리피스 구멍(232)의 가로세로비가 1인 경우를 가정한다. 그리고 가로세로비가 4인 제2 오리피스 구멍(232a)을 갖는 제2 파단모사용 오리피스(230a), 가로세로비가 16인 제3 오리피스 구멍(232b)을 갖는 제3 파단모사용 오리피스(230b), 가로세로비가 36인 제4 오리피스 구멍(232c)을 갖는 제4 파단모사용 오리피스(230c)를 포함할 수 있다. 파단모사용 오리피스(230)를 이용하여 파단부 크기 및 형상을 다양하게 모사하는 이유는 파단부로 유입되는 공기 유입량 및 유입형태 그리고 기포크기 등에 영향을 미치기 때문이다. 유입형태는 이후 배관 내 물과 공기의 흐름 형태(flow regime)에 영향을 미치며, 기포크기의 경우 감쇠탱크(320) 내에서 성층화 여부를 가늠하는 주요한 변수로 작용하기 때문이다.

한편, 파단모사부(200)는 공기측 배관(210a)으로 유입되는 공기량을 측정하기 위해 파단모사용 유량계(250)를 포함할 수 있다. 그리고 파단모사부(200)는 파단부를 모사하는 파단모사용 오리피스(230)의 전후단에 구비되는 제1 파단 차압계(270)를 포함할 수 있다. 따라서, 공기 유입량을 중복 체크할 수 있다. 공기 유입은 파단을 모사하면서 대기에 노출된 상태에서 유입되는 것이 아니라 공기측 배관(210a)을 통해 공기가 유입됨에 따라 공기측 배관(210a) 내에서 차압이 발생할 수 있다. 이를 보정하기 위해 공기구동밸브(240)의 전단에 대기와의 차압을 검출하는 제2 파단 차압계(280)를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 제1 파단 차압계(270)와 제2 파단 차압계(280)를 이용하여 차압을 보정할 수 있다.

상기한 바와 같이 파단모사부(200)를 구비함으로써 노심 하향류 연구로에서 일차냉각계통의 최상단 배관의 파단 사고 환경을 모사하여 공기 유입량을 파악할 수 있다. 최상단 배관의 압력 변화에 따른 공기 유입량, 파단부 파단 크기에 따른 공기 유입량을 파악함으로써 실제 연구로에서의 파단사고 상황에서 공기 유입량을 예측하여 연구로 안전에 기여할 수 있다. 연구로에서 공기유입 사고에 대한 연구가 거의 진행되지 않아, 공기 유입을 확인할 수 있는 신호가 사실상 전무하다. 본 실험에서는 감쇠탱크(320) 유입 이후 차압변화를 통해 확인할 수 있는데, 이는 감쇠탱크(320) 내에 상당량의 공기가 쌓인 이후에나 가능하다. 이러한 이유로, 파단모사부(200) 주변에서 공기 유입에 따른 압력 변화를 면밀히 검토하고, 확인함으로써 조기에 공기 유입을 확인할 수 있다.

도 6은 성층화시험부의 상세도이다. 도 6에 도시한 바와 같이 성층화시험부(300)는 파단모사부(200)에 성층화모사 배관(310)으로 연결되고, 파단모사 배관(210)으로 유입된 공기가 감쇠탱크(320) 내로 유입되어 발생되는 공기-물 성층화 현상을 모사할 수 있다. 여기서, 성층화모사 배관(310)은 감쇠탱크(320)의 하부에 연결되고, 공기 포집 기능을 수행하는 유입 배관, 그리고 감쇠탱크(320)의 하부에 연결되고, 배출되는 유체를 안내하는 배출 배관을 포함할 수 있다. 성층화시험부(300)는 감쇠탱크(320)를 중심으로 감쇠탱크(320)의 전후단에 해당되는 계측기와 성층화용 가시화부를 포함할 수 있다. 감쇠탱크(320)는 방사성 물질의 체류시간을 증가시켜 N-16 저감의 목적 이외에도 공기 포집 기능을 수행할 수 있도록 유입 배관을 하부에 설치할 수 있다. 감쇠탱크(320)가 정상상태에는 모두 물로 가득찬 상태이며, 배관 파단 사고 이후 공기 유입에 의해 성층화 현상이 발생하거나 일부 공기 유출이 발생할 수 있다. 파단모사부(200)의 설명에서 상술한 바와 같이 감쇠탱크(320)는 기포크기의 영향을 매우 많이 받게 된다.

도 7은 기포 크기별 물속에서의 상승 속도를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 작은 기포의 경우 상승 속도 역시 매우 낮은 반면 큰 기포의 경우 상승 속도 역시 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 결국 매우 작은 크기의 기포는 상승속도 역시 매우 낮은데 감쇠탱크(320) 내 하향류 속도 보다 상승속도가 작을 경우 성층화 되지 못하고 출구로 빠져 나갈 수 있다. 실험을 위해 감쇠탱크(320)는 다양한 무차원수를 고려하여 축소 설계할 수 있다.

한편, 공기 유입 현상 및 기포크기에 따라 성층화 현상 유무를 관찰하기 위해 감쇠탱크(320)의 주변 배관에 성층화용 가시화부를 설치할 수 있다. 성층화용 가시화부는 감쇠탱크(320)의 유입 배관에 구비되어 감쇠탱크(320)로부터 유입되는 공기의 흐름을 나타내는 제1 가시화부(330), 그리고 감쇠탱크(320)의 배출 배관에 구비되어 감쇠탱크(320)로부터 배출되는 공기의 흐름을 나타내는 제2 가시화부(340)를 포함할 수 있다. 다공판 역시 아크릴 재질로 설계하여 파단판 홀 주변에서의 유동을 관찰할 수 있다. 감쇠탱크(320) 내에서 공기-물 성층화가 잘 일어나서 일정 시간 동안 공기가 배출되지 않더라도 지속적으로 공기가 유입되면 출구로 공기는 유출될 수 있다. 감쇠탱크(320)의 차압 신호를 이용한 펌프(420) 정지 신호를 생성해야 하며, 이를 위해 성층화시험부(300)는 감쇠탱크(320) 상하단을 연결하는 차압검출라인에 성층화용 차압계(350)를 포함할 수 있다. 감쇠탱크(320)의 차압을 검출하는 성층화용 차압계(350)에서 발생되는 차압 정보는 추후 펌프(420) 보호 및 시스템 안전정지를 위한 연구로 안전등급 신호로 활용할 수 있다. 감쇠탱크(320)의 출구로 빠져나가는 공기의 경우 배출 배관에 위치한 제2 가시화부(340)와 배출 배관에서의 수두 계측을 통해 감지할 수 있다. 보다 정밀한 공기분율을 계측하기 위해서 와이어 메쉬 감지기(WMS ; Wire Mesh Sensor)를 포함할 수 있다. 와이어 메쉬 감지기의 경우 촘촘한 그물망의 형태로 위치하는데 각 점에서의 전도도에 의해 공기 혹은 물을 구분하며, 단면에서의 공기분율을 정확히 계측할 수 있다.

상기한 바와 같이 성층화시험부(300)를 구비함으로써 감쇠탱크(320) 내 공기 유입에 따른 성층화 현상을 관찰하고 일정 공기분율 이상의 공기가 유출되기 전까지의 감쇠탱크(320) 차압을 측정하여 펌프(420) 정지 신호로 활용하며 이를 통해 펌프(420) 건전성을 확보할 수 있다. 또한, 감쇠탱크(320)의 주변 배관에 적용한 성층화용 가시화부를 활용하여 감쇠탱크(320) 내 공기-물 성층화 현상 및 공기 유출 현상을 용이하게 파악하여 감쇠탱크(320) 내 다공판 설계를 개선할 수 있다. 이를 통해 공기 포집 성능을 향상시켜 안전기능을 강화할 수 있다.

일반적으로 일차냉각계통 배관 파단 사고를 LOCA(loss of coolant accident)라고 부르게 되는데 이는 배관 내부의 압력이 외부의 압력보다 높아서 냉각재가 유출되는 사고를 의미한다. 하지만 앞서 언급한 일차냉각계통 최상단에서는 대기압보다 낮은 부압이 발생하며 해당 배관의 파단은 냉각재 유출이 아닌 외부 공기 유입의 형태로 나타나게 된다. 또한 대부분의 기존 연구들이 LOCA 사고에만 주목했을 뿐 외부 공기 유입에 대한 고려가 거의 없었으며, 이로 인해 공기 유입량이 얼마나 될지에 대한 연구 및 사례조사가 거의 없다. 게다가 연구로 설계에 있어 LOCA 사고의 경우 원자로 핵연료의 장기냉각이 가능한 안전설비로 SBV(siphon brake valve)가 있는 반면 공기 유입 사고 시 대처 설비는 전무한 상태이다. 공기가 일차냉각계통으로 유입되면 계통 내 주요기기를 통과하게 되는데 감쇠탱크(320) 내부 유입 시 냉각재의 체류시간을 감소시킬 수 있으며, 펌프(420)로 유입되면 펌프(420)의 작동성에 큰 영향을 미칠 수 있다.

도 8은 유량조절부의 상세도이다. 도 8에 도시한 바와 같이 유량조절부(400)는 성층화시험부(300)와 모사수조부(10)의 사이에서 유량조절 배관(410)으로 연결되고, 계통 유량을 형성할 수 있다. 유량조절부(400)는 펌프(420)와 바이패스배관(430), 후단 모터구동밸브(440)를 포함할 수 있다. 펌프(420)는 유량조절 배관(410)에 구비되어 수조수(12)의 흐름을 조절한다. 필요흡입수두(NPSHr)를 고려하여 펌프(420)의 유량과 양정을 결정할 수 있다. 그리고 유량조절을 위해 바이패스배관(430) 및 밸브, 오리피스, 후단 모터구동밸브(440)를 설치할 수 있다. 후단 모터구동밸브(440)를 이용하여 유량 미세조정을 수행할 수 있다. 펌프(420)의 경우 펌프(420) 정지 이후에도 관성력을 이용하여 노심 붕괴열을 제거하기 위한 관성바퀴(flywheel)가 설치될 수 있다. 따라서, 공기 유입 상황에서의 관성력 변화를 관측할 수 있다. 연구로의 공학적 안전설비(Engineered Safety Features) 가운데 하나인 관성바퀴에 대해 공기 유입 사고에서의 성능 분석을 수행할 수 있으며, 영향력 평가를 통해 설계 개선을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치의 경우 수두 모사를 위해 높게 설치될 수 있다. 그리고 펌프(420)의 진동이 전체 실험장치 및 구조물에 영향을 줄이기 위해 펌프(420) 전후단에 플렉시블 호스(422)(flexible hose)를 연결하여 구조건전성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치에서 주요 변수는 냉각재 유량, 최상단 배관에서의 압력(대기압과의 차압), 파단부 파단 크기, 파단 형상 등이다. 냉각재 유량의 경우 공기 유입 시 흐름 형태(flow regime)를 결정하는 변수로 작용할 수 있다. 최상단 배관에서의 압력과 파단부의 파단 크기는 공기 유입량에 직접적인 영향을 미치는 인자로 본 실험에서 가장 중요한 변수라 할 수 있다. 최상단 배관에서의 압력은 낮을수록, 파단부의 파단 크기는 커질수록 공기 유입량은 증가될 것으로 예상된다. 파단 형상의 경우 공기 유입 형태 변화를 가져올 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연구로 이상유동 실험장치를 이용한 실험과정을 설명한다.

1) 펌프(420) 기동전에 연구로 이상유동 실험으로 모사할 차압 조건 및 파단 크기, 파단 형상을 결정하여 해당되는 배관에 대응되는 각각의 오리피스를 설치한다.

2) 펌프(420)를 기동하고 바이패스배관(430)에 부착된 밸브 및 펌프(420) 후단에 설치한 후단 모터구동밸브(440)를 구동하여 유량조절을 수행한다.

3) 최상단 배관에서의 압력을 확인하여 실험 조건의 차압을 만족하도록 모터구동밸브(130)를 활용하여 조정한다.

4) 최상단 배관에서의 압력이 실험 조건을 만족한 상태로 충분히 수렴된 이후 파단모사부(200)의 공기구동밸브(240)를 개방하여 파단을 모사한다.

5) 파단모사부(200)의 파단모사 배관(210)으로 유입되는 공기 거동을 파단모사용 가시화부(220)를 통해 관찰하며, 파단모사용 유량계(250)에서의 유량정보를 확인한다.

6) 공기유입에 따른 최상단 배관에서의 압력 상승을 확인하며, 감쇠탱크(320)의 유입 배관과 배출 배관에서의 공기 흐름 및 감쇠탱크(320) 내부로 공기 이동을 확인한다.

7) 감쇠탱크(320) 내부에서의 공기-물 성층화 현상 유무를 성층화용 가시화부를 통해 확인하며, 감쇠탱크(320) 출구에 위치한 배출 배관으로 공기전달을 확인한다.

8) 감쇠탱크(320) 상하단의 차압을 성층화용 차압계(350)를 통해 관찰하며, 설정값이 확인되면 펌프(420)를 정지한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 ; 모사수조부 12 ; 수조수
100 ; 차압모사부 110 ; 차압모사 배관
120 ; 차압모사용 오리피스 130 ; 모터구동밸브
200 ; 파단모사부 210 ; 파단모사 배관
210a ; 공기측 배관 220 ; 파단모사용 가시화부
230 ; 파단모사용 오리피스 240 ; 공기구동밸브
250 ; 파단모사용 유량계 260 ; 저장용기
270 ; 제1 파단 차압계 280 ; 제2 파단 차압계
300 ; 성층화시험부 310 ; 성층화모사 배관
320 ; 감쇠탱크 330 ; 제1 가시화부
340 ; 제2 가시화부 350 ; 성층화용 차압계
400 ; 유량조절부 410 ; 유량조절 배관
420 ; 펌프 422 ; 플렉시블 호스
430 ; 바이패스배관 440 ; 후단 모터구동밸브

Claims (12)

1. 모사수조부내의 수조수가 배출되는 차압모사 배관에 연결되고, 노심 하향류 연구로의 일차냉각계통 내 최상단 배관의 부압에 해당되는 노심차압 환경을 모사하는 차압모사부,
   상기 차압모사부에 파단모사 배관으로 연결되고, 상기 파단모사 배관의 파단시 외부의 공기가 유입되는 환경을 모사하여 공기 유입량을 측정하는 파단모사부, 그리고
   상기 파단모사부에 성층화모사 배관으로 연결되고, 상기 성층화모사 배관을 통해 감쇠탱크 내로 공기가 유입되어 발생되는 공기-물 성층화 현상을 모사하는 성층화시험부
   를 포함하며,
   상기 파단모사부는
   상기 차압모사부에 연결되는 상기 파단모사 배관에 구비되어 공기유입 상태를 나타내는 파단모사용 가시화부,
   상기 파단모사 배관에 연결되는 공기측 배관에 구비되는 파단모사용 오리피스,
   상기 공기측 배관에 구비되어 파단을 모사하기 위해 기설정 개방시간동안 상기 공기측 배관의 개폐를 단속하는 공기구동밸브, 그리고
   상기 공기측 배관에 구비되어 상기 공기측 배관의 공기 유량을 계측하는 파단모사용 유량계를 포함하고,
   상기 최상단 배관에서 발생하는 부압에 의한 공기 유입 사고 상황을 실제 사고 환경으로 모사하여 상기 파단모사 배관의 파단시 공기 유입량 평가와 상기 감쇠탱크의 성능평가를 실험하는 연구로 이상유동 실험장치.
2. 제1항에서,
   상기 차압모사부는
   상기 모사수조부에 연결된 상기 차압모사 배관에 구비되어 차압을 모사하는 복수의 차압모사용 오리피스, 그리고
   상기 차압모사 배관에 구비되어 상기 차압모사 배관의 압력을 조절하는 모터구동밸브
   를 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 공기측 배관의 단부에 구비되어 상기 파단모사용 오리피스의 파단 크기 또는 상기 공기측 배관의 부압 크기에 따라 파단 단면에서 발생된 물이 배출되어 저장되는 저장용기를 더 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
5. 제1항에서,
   상기 파단모사용 오리피스의 전후단에 구비되어 차압을 검출하는 제1 파단 차압계를 더 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
6. 제5항에서,
   상기 공기구동밸브 전단에 구비되어 대기와의 차압을 검출하는 제2 파단 차압계를 더 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
7. 제1항에서,
   상기 성층화시험부는
   상기 감쇠탱크의 하부에 연결되고, 공기 포집 기능을 수행하는 유입 배관,
   상기 감쇠탱크의 하부에 연결되고, 배출되는 유체를 안내하는 배출 배관, 그리고
   상기 감쇠탱크의 유입 배관과 상기 배출 배관에 각각 구비되는 성층화용 가시화부
   를 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
8. 제7항에서,
   상기 성층화용 가시화부는
   상기 감쇠탱크의 유입 배관에 구비되어 상기 감쇠탱크로부터 유입되는 공기의 흐름을 나타내는 제1 가시화부, 그리고
   상기 감쇠탱크의 배출 배관에 구비되어 상기 감쇠탱크로부터 배출되는 공기의 흐름을 나타내는 제2 가시화부
   를 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
9. 제7항에서,
   상기 감쇠탱크의 상하단을 연결하는 차압검출라인에 구비되어 차압을 검출하는 성층화용 차압계를 더 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
10. 제1항에서,
    상기 성층화시험부와 상기 모사수조부의 사이에서 유량조절 배관으로 연결되고, 상기 수조수의 계통 유량을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
11. 제10항에서,
    상기 유량조절부는
    상기 유량조절 배관에 구비되어 필요흡입수두(NPSHr)를 고려하여 유량과 양정이 결정되며, 상기 수조수의 계통 유량을 조절하는 펌프,
    상기 유량조절 배관에 연결되는 바이패스배관, 그리고
    상기 유량조절 배관에 구비되어 상기 수조수의 계통 유량을 미세 조정하는 후단 모터구동밸브를 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.
12. 제11항에서,
    상기 펌프의 전후단에 연결되는 플렉시블 호스를 더 포함하는 연구로 이상유동 실험장치.

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