KR102592748B1 - 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법에 관한 것으로, 중대사고 전산해석 코드에 분석 대상 원전과 사고 시나리오를 입력 하여 코드 분석 결과를 얻는 단계; 상기 코드 분석 결과로부터 국소 수소분석의 수행을 위한 초기조건 및 경계조건을 도출하는 단계; 상기 분석 대상 원전의 3차원 모델에 상기 초기조건 및 경계조건을 입력하여 국소 수소농도를 분석하는 단계; 및 상기 국소 수소농도가 일정 기준 이상인지 판단하는 단계를 포함한다.

Description

3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법{Method for evaluating local hydrogen concentration in containment building by severe accident using 3-dimentional compuational analysis code}

본 발명은 객관적인 평가가 가능한 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법에 관한 것이다.

원자력 발전소에서는 노심이 용융되는 중대사고에 대한 대비가 필요하다.

중대사고 시에는 수소가 축적되어 수소농도가 높아지고 이로 인해 수소폭발의 가능성이 있다.

따라서 중대사고 시에 수소폭발 가능성, 즉 수소위협의 여부에 대한 평가가 중요하다. 또한 수소위협은 국소적으로 높은 수소농도 발생의 파악이 중요하다.

국소 수소농도 분석을 위해 3차원 분석이 필요한데, 3차원 분석은 초기조건 및 경계조건에 따라 결과 편차가 많이 발생하는 문제가 있다. 또한 3차원 분석은 재분석 비용이 크므로 명확한 방법론을 도입하여 재분석 횟수를 줄일 필요성이 있다.

일본 특허 공개 제2012-225823호(2012년 11월 15일 공개)

따라서 본 발명의 목적은 객관적인 평가가 가능한 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법에 있어서, 중대사고 전산해석 코드에 분석 대상 원전과 사고 시나리오를 입력 하여 코드 분석 결과를 얻는 단계; 상기 코드 분석 결과로부터 국소 수소분석의 수행을 위한 초기조건 및 경계조건을 도출하는 단계; 상기 분석 대상 원전의 3차원 모델에 상기 초기조건 및 경계조건을 입력하여 국소 수소농도를 분석하는 단계; 및 상기 국소 수소농도가 일정 기준 이상인지 판단하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.

상기 초기조건 및 상기 경계조건은 1차원 전산해석 코드로부터 얻어질 수 있다.

상기 초기조건은 상기 격납건물 내의 각 격실의 온도, 압력 및 기체 농도 정도를 포함하며, 상기 경계조건은 파단 위치로부터 유출되는 물질의 유량을 포함할 수 있다.

상기 코드 분석결과로부터 수소위험이 발생하는 시간에 대한 수소위험구간을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 수소위험 구간 도출 이후, 상기 격납건물 내 격실 별 최대 평균수소농도를 판단하는 단계; 및 수소 연소가 가능한지 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 초기조건 및 경계조건은 상기 격납건물 내 격실 별 최대 평균수소농도가 제1수소농도 기준보다 높으며 수소 연소가 가능하다고 판단되면 도출할 수 있다.

상기 분석 대상 원전의 3차원 모델에서 상기 사고시나리오를 기반으로 가연성 기체의 방출 위치를 선정하는 단계를 더 포함하며, 상기 국소 수소농도를 분석하는 단계에서는, 상기 가연성 기체의 방출 위치가 추가로 입력될 수 있다.

상기 국소 수소농도가 제2수소농도 기준보다 높으면, 3차원 연소를 분석하는 단계; 및 연소 이후 온도와 압력을 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1수소농도 기준은 상기 제2수소농도 기준보다 낮을 수 있다.

본 발명에 따르면 객관적인 평가가 가능한 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 국소 수소농도 판단 방법의 순서도이다.

본 발명에서는 중대사고 코드를 이용한 1차원 분석을 통해 초기조건과 경계조건을 도출한다.

도출된 초기조건과 경계조건은 원자력 발전소(원전) 3차원 모델에 입력되어 국소 수소농도를 분석하는데 사용된다.

원전 3차원 모델은 분석하고자 하는 원전을 대상으로 마련되며, 본 발명에서는 원전 3차원 모델을 직접 마련하거나 별도로 마련된 원전 3차원 모델을 활용할 수도 있다.

원전 3차원 모델에서는 가연성 기체의 방출 위치를 선정하게 되고, 국소 수소농도 분석에는 초기조건 및 경계조건과 함께 가연성 기체의 방출위치가 사용될 수 있다.

1차원 분석에서는 가연가능성, 온도 및 압력 등을 감안하여 수소위험구간을 도출하고, 최대 평균수소농도가 제1수소농도 기준을 넘고 수소 연소가 가능한 상황으로 판단되는 경우에만 초기조건 및 경계조건을 도출한다.

3차원 분석에서는 국소 수소농도가 제2수소농도 기준을 넘는지를 판단하고, 제2수소농도 기준을 넘으면 3차원 연소 분석과 연소 이후 온도 및 압력 분석을 수행한다.

제1수소농도 기준은 제2수소농도 기준보다 낮을 수 있다. 제1수소농도 기준은 대기압에서의 수소연소 하한선일 수 있으며, 제2수소농도 기준은 규제기관의 지침에서의 수치를 사용할 수 있다.

위와 같은 평가방법에 따르면 평가 절차를 표준화할 수 있어 평가 결과의 객관성을 높일 수 있다. 또한 표준화된 평가 방법론을 사용하기 때문에 평가에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 검증에 소요되는 비용 역시 절감할 수 있다.

본 발명의 방법은 컴퓨터를 이용하여 수행될 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 국소 수소농도 판단 방법의 순서도이다.

먼저 중대사고 분석 대상 원전을 선정한다(S100).

이후 1차원 분석(S201 내지 S207)과 3차원 모델링(S301 내지 S303)을 수행한다. 3차원 모델링은 별도로 마련된 결과물을 활용할 수도 있다.

1차원 분석에 대해 설명한다.

먼저 분석 시나리오를 선정한다(S201). 분석 대상이 되는 사고 시나리오는 확률론적 안전성 평가나 공학적 판단에 의거하여 선정한다. 사고 시나리오는 안전주입계통, 살수계통, 잔열제거계통 등 원전에 존재하는 안전설비 들의 가용여부에 따라 선정될 수 있다.

이후 중대사고 전산해석 입력을 작성한다(S202). 이 단계에서는 대상원전과 사고 시나리오를 기반으로 전산해석 입력을 작성한다. 원전 설계정보에 대해 작성된 입력파일을 사용하고, 선정된 사고 시나리오에 따라 설비의 온/오프 시점을 입력한다. 이 단계에서는 MAAP나 MELCOR와 같은 원전 중대사고 전산해석 코드에 입력가능한 형태로 작성한다.

다음으로 전산해석을 시행하고 결과를 도출한다(S203). 마련된 입력파일을 중대사고 전산해석 코드에 입력 후 분석을 수행한다.

전산해석 결과로부터 수소위험구간을 도출한다(S204). 수소위험구간은 시간개념으로 가연가능여부, 온도 및 압력 등을 고려하여 도출한다. 시간구간을 설정하는 이유는 3차원 상세 분석 시 사고 전 구간을 해석하기 위해서는 과도한 시간이 걸려, 일정 위험 수준을 넘는 구간만을 해석하기 위함이다. 수소위험구간을 도출하는 방법은, 예를 들어, 격납건물 수소 농도가 최고치 혹은 가연가능농도인 4%되는 시점을 구간의 시작으로 설정할 수 있다.

다음으로 최대 평균수소농도가 4%이상인지를 판단하고(S205) 최대 평균수소농도가 4%이상인 경우 증기 및 산소농도를 추가적으로 고려하여 수소 연소가 가능한 상황인지 판단한다(S206). 이와 같은 판단은 격실 별로 이루어질 수 있다. 격실은 예를 들어, 증기발생기 격실, 가압기 격실 또는 원자로공동 등이 있다.

4%는 제1수소농도 기준으로 대기압에서의 수소연소 하한선이다. 다른 실시예에서 제1수소농도 기준은 변경될 수 있다.

수소 연소가 가능한 상황인지 여부는 수소농도, 산소농도, 증기농도 및 온도 등을 이용하여 가연한계를 파악하여 판단할 수 있다. 가연가능여부를 판단하기 위해 아래 그래프(출처: NUREG/CR-3468) 혹은 실험적 데이터에 의거한 관련 수식 등이 참고될 수 있으며, 아래 그림에서 Air의 의미는 산소가 풍부한 공기를 의미한다.

최대 평균수소농도가 4%이상이며 수소 연소가 가능한 상황으로 판단된 격실에 대해서는 초기조건과 경계조건을 도출한다(S207). 3차원 분석 시작 시점을 판단하여 해당 시점의 격납건물 내부 상태를 초기조건으로 도출하고, 1차 계통에서 유출되는 수소, 증기, 냉각수량을 기반으로 3차원 분석용 경계조건을 도출할 수 있다.

다음으로 3차원 모델링에 대해 설명한다.

먼저 대상 발전소의 형상정보를 파악한다(S301). 형상정보는 설계자료 및 도면 등으로부터 파악하며 격납건물의 내부 형상을 파악한다.

다음으로 격납건물 및 내부구조물을 3차원 모델링한다(S302). 파악된 형상정보를 기본으로 3D 모델링 툴을 이용하여 모델링을 수행한다.

이후 격납건물 내 3차원 유동영역을 추출하고 격자를 생성한다(S303). 이 단계에서는 3차원 모델을 활용하여 격납건물 내부의 유체영역을 추출하고 추출된 유동영역에 해석툴(Star-CCM+ 등)에 맞춘 3차원 해석 격자를 생성한다.

이상과 같이 1차원 분석이 완료되고 3차원 모델이 마련되면 3차원 분석을 수행한다(S401 내지 S408).

먼저, 시나리오에 기반하여 격납건물 내 가연성 기체의 방출 위치를 선정한다(S401). 이 단계에서는 선정된 시나리오를 기준으로 하여 1차 계통에서의 방출위치를 선정하며, 예를 들어 저온관을 방출위치로 선정할 수 있다.

이후 가연성 기체 방출조건 및 발전소 초기조건/경계조건을 입력하고(S402) 수소거동 3차원 상세분석을 실시한다(S403). 입력 단계에서 1차원 분석 결과에 기반하여 시간에 따른 방출 유량 데이터를 입력하고 1차원 분석 결과에서 도출된 격납건물 초기 대기 상태 등을 입력한다.

수소위험구간의 시작 지점에서의 1차원 분석 결과를 토대로 3차원 분석의 초기조건을 설정할 수 있다. 1차원 분석에서 도출된 각 격실의 온도 압력, 각 물질의 농도 정보를 3차원 분석 시작지점의 온도, 압력, 각 물질 농도로 입력할 수 있다.

경계조건은 1차원 분석에서 파단된 위치(원자로 고온관, 저온관, 가압기 릴리프밸브 등)를 기준으로 해당 위치에서 나오는 물질의 유량 등을 1차원 분석 결과를 토대로 입력할 수 있다.

3차원 상세분석은 전산유체해석툴(Star-CCM+ 등)을 활용하여 수행될 수 있다.

다음으로 국소 수소농도를 분석하고(S404) 국소 수소농도가 10%이상인지 판단한다(S405). 이 단계에서는 3차원 상세분석 결과 분석 툴(Star-CCM+, Ansys CFD-Post 등)을 이용하여 분석하며 3차원 상세분석 결과에서 수소농도가 10%를 넘는 곳이 존재하는 곳이 있는지 파악한다.

10%는 제2수소농도 기준이며, 규제기관에서 관리를 요구하고 있는 수치이다. 제2수소농도 기준은 변경될 수 있다.

수소 농도가 10%를 넘는 곳은 격실 내의 특정 공간일 수 있다. 즉, 격실 전체는 수소농도가 10% 미만이어도 특정 공간(수소방출구는 제외)에서 10%가 넘으면 국소 수소농도가 10%이상인 것으로 판단한다.

전산유체해석툴(Star-CCM+ 등)에서 연소해석 기능을 활용하여 3D 해석시행

국소 수소농도가 10%이상인 것으로 판단되면 3차원 연소 분석(S406)과 연소 이후 온도 및 압력 분석(S407)을 수행한다. 3차원 연소 분석은 전산유체해석툴(Star-CCM+ 등)의 연소해석 기능을 활용하여 수행될 수 있다. 연소 이후 온도압력 분석은 3D 상세분석 결과 분석 툴(Star-CCM+, Ansys CFD-Post 등)을 이용하여 연소 이후 격납건물 내부의 온도압력에 대한 분석을 수행하여 위험성을 평가하는 것으로 화염속도, 압력 하중의 변화 등을 분석한다.

분석 결과로부터 격납건물 벽면에서의 시간에 따른 격납건물 내부의 온도 압력 데이터 그래프, 격납건물 내부의 온도, 압력, 수소 등 물질농도 분포를 얻을 수 있다.

분석결과를 이용하여 격납건물 벽면 측의 온도 압력을 분석할 수 있으며, 격납건물의 벽면의 압력결과를 이용하여 3D 구조해석에 사용하여 안전성을 평가할 수도 있다.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 3차원 전산해석코드를 활용하여 중대사고 시 격납건물 내 국소 수소농도를 판단하는 방법에 있어서,
   중대사고 전산해석 코드에 분석 대상 원전과 사고 시나리오를 입력 하여 코드 분석 결과를 얻는 단계;
   상기 코드 분석 결과로부터 국소 수소분석의 수행을 위한 초기조건 및 경계조건을 도출하는 단계;
   상기 분석 대상 원전의 3차원 모델에 상기 초기조건 및 경계조건을 입력하여 국소 수소농도를 분석하는 단계; 및
   상기 국소 수소농도가 일정 기준 이상인지 판단하는 단계를 포함하며,
   상기 초기조건 및 상기 경계조건은 1차원 전산해석 코드로부터 얻어지며,
   상기 초기조건은 상기 격납건물 내의 각 격실의 온도, 압력 및 기체 농도 정도를 포함하며,
   상기 경계조건은 파단 위치로부터 유출되는 물질의 유량을 포함하며,
   상기 코드 분석결과로부터 수소위험이 발생하는 시간에 대한 수소위험구간을 도출하는 단계를 더 포함하며,
   상기 수소위험 구간 도출 이후,
   상기 격납건물 내 격실 별 최대 평균수소농도를 판단하는 단계; 및
   수소 연소가 가능한지 판단하는 단계를 더 포함하며,
   상기 초기조건 및 경계조건은 상기 격납건물 내 격실 별 최대 평균수소농도가 제1수소농도 기준보다 높으며 수소 연소가 가능하다고 판단되면 도출하며,
   상기 분석 대상 원전의 3차원 모델에서 상기 사고시나리오를 기반으로 가연성 기체의 방출 위치를 선정하는 단계를 더 포함하며,
   상기 국소 수소농도를 분석하는 단계에서는,
   상기 가연성 기체의 방출 위치가 추가로 입력되며,
   상기 국소 수소농도가 제2수소농도 기준보다 높으면,
   3차원 연소를 분석하는 단계; 및
   연소 이후 온도와 압력을 분석하는 단계를 더 포함하며,
   상기 제1수소농도 기준은 상기 제2수소농도 기준보다 낮은 방법.
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