중소형 원자로의 자연대류 성능평가

Abstract

기존의 대형 원자로에 비하여 중소형 원자로는 안전성 측면에서 높은 평가를 받고 있으며, 해수담수화, 지역난방 등 다양한 활용 가능성으로 주목을 받고 있다. 또한 펌프에서 일어날 수 있는 사고를 근본적으로 배제하기 위하여 자연대류를 이용한 냉각방식에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. CAREM(아르헨티나), AST-500(러시아), 그리고 NHR-200(중국)등이 자연대류 냉각방식을 채택한 원자로의 대표적인 예이다. 우리나라에서도 최근 세계의 연구 동향에 맞춰 중소형 원자로의 개념 설계가 진행 중에 있으며, 그 중 REX-10(Regional Energy rX-10)은 지역난방 및 소규모 전력생산에 적합하도록 10 MW의 열출력에 안전성을 높이기 위하여 자연대류를 이용한 냉각방식을 사용하고 있다. REX-10의 열수력학적 거동을 알아보기 위하여 척도법을 이용하여 REX-10을 모사한 실험장치(RTF)를 설계하였다. 단상과 이상 유동을 모사할 수 있는 척도법에 대한 연구를 수행하였으며, 길이비는 1:1, 부피비 1:50, 출력비 1:50 등으로 설정되었다. 설계된 결과를 바탕으로 REX-10을 축소설계하여 자연대류 실험을 수행할 수 있는 RTF를 제작하였다. 실험장치의 외경은 40 cm, 총 높이는 약 6 m이며, 크게 하단부의 노심과 상단부의 가압기와 고온관, 가운데 부분의 열교환기, 그리고 외부의 냉각기로 구성되어 있다. 또한 온도, 유량, 압력 및 차압을 측정할 수 있는 측정 장치도 구축하였다. 1-Dimensional approach를 기초로 하여 실험 변수를 선정하였다. 가장 큰 영향을 미치는 변수는 출력으로 판단되었으며, 출력이 자연대류 거동에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. 출력이 증가할수록 자연대류 유량이 점점 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 자연대류 유량은 출력의 1/3제곱에 비례하는 모습을 보였다. 이는 정상상태 자연대류에서의 유량식과 일치하는 것으로 나타났다. 출력이 200 kW일 때의 노심 출구의 온도는 실험 조건인 2.0 MPa에서의 끓는점을 넘지 않는 것으로 평가되었으며, 노심에서 발생한 열이 2차측 냉각수를 통하여 모두 제거되는 결과를 보여, RTF는 자연대류를 통해 안전성을 유지하는 것으로 평가되었다.; Small-medium reactors have been highly evaluated to have more safe characteristics than those of large reactors. In addition, it could be used for a variety of purposes, such as small-scale power production in mountainous of island area, seawater desalination, regional heating system. For a higher safety, studies about a way of using natural circulation have being conducted around world ? CAREM(Argentina), AST-500(Russia), and NHR-200(china) etc. According to this tendency, REX-10(Regional Energy rX-10) is designed in Korea for regional heating and small-scale power production. To investigate the thermal-hydraulic behavior of REX-10, we designed Rex-10 Test Facility (RTF), simulating REX-10, by using the scaling law. The scaling ratios of length, volume and power were set with 1/1, 1/50 and 1/50, respectively. The diameter and total length of RTF are 40 cm and approximately 6 m, respectively. The facility is composed of various components, which are a core in the bottom part, a heat exchanger in the middle part, a pressurizer and hot legs in the upper part, and chillers outside the facility. The test instrumentation is also designed to measure temperatures, flow rates, pressures, and pressure drop. The experiment parameters were adopted based on the 1-dimensional approach. There are a variety of parameters which influence natural circulation behavior such as heater power, overall flow resistance parameter, the distance between the center of the heat exchanger and the core. As the experimental geometries are fixed, it is found that the most important parameter is the heater power under the experimental conditions. In addition, to evaluate the effect of heater power, some experiments were conducted at varying heater power condition (from 70 kW to 170 kW) under constant primary pressure (2.0 MPa) and secondary flow rate (4.5 liter per minute). As the results of the experiments, the temperature and flow rate increase with increasing heater power. The flow rate is particularly proportional to heater power to the one third. These results show good agreement in terms of the governing equation of steady state natural circulation. In conclusion, it was evaluated that RTF is satisfied with the safety of a natural circulation system. The outlet temperature of the core at 200 kW heater power did not exceed the boiling temperature at 2.0 MPa, and the heat generated in the reactor core was removed by the coolant in the secondary loop.