열성층의 영향을 고려한 직접주입배관의 구조 및 피로 해석

Abstract

열성층(thermal stratification) 현상이란 배관 내 온도가 서로 다른 두 유체간의 온도/밀도차로 인한 부력에 의해 고온유체와 저온유체로 층을 이루며 유동이 안정화하려는 현상을 말한다. 한국형 신형 원전(APR1400 : advanced power reactor 1400 MW-class)에서 공학적 안전설비 핵심 계통이고 표준원전 대비 주요 설계 특성 중의 하나인 원자로직접주입(DVI : direct vessel injection) 배관에 대해 설계 단계에서부터 발생 가능한 열성층 의 영향을 고려하도록 요구하고 있다. 이에 본 논문은 DVI 배관 내 열성층 현상에 따른 최대 굽힘력과 국부 응력을 구하는 방법론을 제시하고 이를 구조 및 피로 해석에 적용하여 코드 요건을 만족시키고 배관 건전성을 확보하는데 목적이 있다. 원자로의 DVI 노즐과 첫 번째 격리밸브 사이에서 열성층 현상이 발생되리라 예측되고, 이에 따라 배관 내 굽힘응력(global bending stress)과 국부 응력(local stress)이 추가로 생긴다. 배관 내 비정상 열유동 해석을 통해 시간에 따른 배관 내 온도 분포를 구했으며 이를 이용하여 각각의 응력을 산출하였다. 해석 결과 24,600초에서 최대 굽힘응력이 산출되었고, 국부 응력은 50.59 MPa로 나타났다. 이를 기존의 배관 피로 해석에 추가로 고려함으로써 배관응력해석 코드인 ASME Section III의 Subsection NB-3600에 기초한 구조 및 피로 해석을 수행하였고, 코드요건을 검토한 결과 직접주입배관계는 안전하다고 판명되었다.

주요어 : 열성층(thermal stratification), 원자로직접주입(DVI : direct vessel injection) 배관, 비정상 열유동(unsteady state thermal flow), 구조 및 피로 해석(structure and fatigue analysis)