Investigation of Bubble Induced Natural Convective Flow in 2-D Rectangular Pool for Ex-Vessel Debris Bed Coolability using PIV

Abstract

In Nordic BWRs, severe accidents are managed using the wet cavity strategy, which is based on the assumption that a porous debris bed will formed on the cavity floor of containment due to the fuel coolant interaction (FCI). In this strategy, the long term coolability of the debris bed should be assures, to secure integrity of the containment from the over-pressurization and concrete ablation caused by molten-corium-concrete interaction (MCCI). Previous research revealed that natural convection affects debris bed formation, which is related to the debris bed coolability. Accordingly in this study, to investigate how geometry and thermal characteristics of the debris bed affect natural convection in the cavity pool, the natural convection in a 2D rectangular pool was measured at different side slope angle and air injection rates (AIRs). To simulate the natural convection in a flooded cavity pool, DAVINCI-2D facility which consists of acrylic pool and air injection system was developed. The simulated flow was visualized by particle image velocimetry (PIV) and shadowgraphy. From the visualized images, quantified data of the natural convection such as intensity of circulation flow, size of stagnant area, center position of the circulation flow, velocity profile, bubble volume, local void fraction, and bubble swarm width were measured. From the measured data, effects of the side slope angle and AIR were investigated. Also the measured data are provided in a data sheet for code validation. Furthermore the effect of bubble coalescence on drag force decrease is discussed. To quantify the effect of bubble coalescence, the product of bubble cross area and drag coefficient was compared between non-coalesced and coalesced bubble. The comparison revealed that the drag force decreases at the time of bubble coalescence. By the bubble coalescence effect, it is expected that initially flat debris bed (side slope angle is low) will promote formation of coolable debris bed. Because the debris bed which has lower side slope angle can make the natural convection stronger.

원자력 안전설계를 위한 기본 개념인 심층방호(Defense in depth)에서, 격납건물은 중대사고시 방사능 물질의 외부 유출을 막기 위한 최후의 방벽 역할을 한다. 따라서 방사능 유출로 인한 피해를 막기 위해서는 중대사고시 격납건물의 건전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 만약 노심용융물이 격납건물 공동으로 누출되었을 때 냉각이 제대로 이루어지지 않는다면, 고온의 노심용융물에 의한 콘크리트 삭마와 막대한 가스 발생에 의한 과압으로 격납건물의 건전성이 위협받게 된다. Nordic BWRs의 경우 중대사고 관리 전략으로써 격납건물 공동에 8-11 m 수위의 물을 채우는 ‘Wet cavity’ 전략을 채택하고 있다. 이 경우, 격납건물 공동으로 누출된 노심용융물이 낙하하면서 물과 반응하여 파편화되고, 결과적으로 격납건물 바닥에는 보다 냉각에 유리한 다공성 파편 잔해층이 형성된다. 하지만 파편 잔해층이 형성된 이후에도 붕괴열이 계속 발생하기 때문에 충분한 냉각이 이루어지지 않는다면, 파편 잔해층이 다시 용융되어 콘크리트 바닥과 반응함으로써 격납건물의 건전성을 위협할 수 있다. 선행 연구에 따르면 파편 잔해층의 냉각성은 잔해층의 기하학적 특성과 밀접한 관계가 있고, 기하학적 특성은 잔해층의 형성 과정에서 미리 쌓인 노심 용융물의 붕괴열에 의해 발생한 자연대류유동에 큰 영향을 받는다(S. Yakush et al., 2009). 즉 파편 잔해층의 냉각성을 정확하게 예측하여 중대사고시 적절한 대처 방안을 마련하기 위해서는, 자연대류와 파편 잔해층 형성간의 관계를 이해하여 조건에 따른 파편 잔해층의 형상을 예측할 수 있어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 DAVINCI 2-D 실험장치를 제작하여 층수된 격납건물 공동에서 파편 잔해층의 붕괴열로 인한 자연대류 유동을 모사하였고, 이것을 PIV와 Shadowgraphy 기법을 통해 측정하여 파편 잔해층의 특성(붕괴열, 경사도)이 자연대류유동의 강도(Velocity integral of circulation flow)에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 자연대류유동을 시뮬레이션 하는 코드의 검증을 위해, 자연대류 유동의 정량적인 특성(Velocity profile, stagnant area, center position of circulation flow, bubble swarm width, local void fraction of bubble swarm)을 측정하여 제공하였다. 공기주입유량(붕괴열)이 증가함에 따라, 수조 내부의 기포량이 증가함에도 불구하고 공기주입유량 6-14 L/min 부근에서 순환유동의 강도가 감소하는 경향을 보였다. 그리고 파편 잔해층의 경사도가 증가함에 따라, 수조 내부의 기포량에는 변화가 없었으나 순환유동의 강도가 전반적으로 낮아지는 경향을 보였다. 이러한 경향은 공기주입유량 증가에 따른 기포무리의 폭(bubble swarm width)의 변화에서도 나타났고, shadowgraphy 영상을 통해 기포무리의 폭이 줄어들면서 기포의 뭉침이 많아지는 것을 관측하였다. 낮은 공기주입유량(~6 L/min)에서 상승하는 기포는 기포류(bubbly flow)의 거동을 보이다가, 유량이 증가함에 따라 기포가 점점 많아지면서 기포들이 뭉치기 시작하고, 기포무리의 폭이 감소하였다(6-14 L/min). 그리고 파편 잔해층의 경사각이 증가함에 따라 기포무리의 폭이 좁아지면서 기포의 뭉침이 더 많아지는 것을 확인하였다. 이러한 기포의 뭉침(coalescence)이 순환유동에 미치는 영향을 알아보기 위해서, N개의 기포가 뭉침에 따른 기포의 단면적과 항력계수의 변화를 계산한 결과, 기포가 뭉칠수록 기포의 단면적과 항력계수의 곱(AcrossⅹCD)이 감소하는 결과를 얻었다. 기포가 뭉치는 순간에는 기포와 물의 상대속도의 변화가 없다고 가정하면, 계산된 결과(AcrossⅹCD)를 통해 기포가 뭉치는 순간 기포의 항력이 감소함을 확인할 수 있다. 결과적으로 수조 내부의 기포량 증가와 기포무리 폭의 감소에 의해 뭉침 현상이 증가하고, 기포 뭉침은 기포의 항력을 감소시켜서 순환유동의 강도가 감소한 것으로 보인다. 이러한 기포 뭉침 효과로 인해, 초기에 쌓인 파편 잔해층의 경사각이 낮을수록 자연대류로 인한 낙하 용융물 파편 퍼짐 현상이 촉진되어, 잔해층이 보다 평평하게 쌓일 것으로 예상된다. 따라서 노외 노심용융물 파편 잔해층의 냉각성을 향상시키기 위해서는, 파편 잔해층이 형성되는 초기에 잔해층을 잘 퍼지게 만들기 위한 노력이 필요하다.