Numerical Study on the Effects of Blister Damage on Coolant Flow, Heat Transfer in Plate-type Fuel Elements

기술 요약: 판형 연료 소자의 블리스터 손상이 냉각재 유동 및 열전달에 미치는 영향에 관한 수치적 연구

문제 정의
JRR-3M 및 CARR와 같은 고중성자속 연구용 원자로에서 널리 사용되는 판형 연료 소자는 운전 중 장기적으로 블리스터(blister) 손상에 취к될 수 있다. 핵분열 가스의 거동과 조사 효과로 인해 발생하는 이 손상은 냉각재 채널의 기하학적 변형과 국부적인 열전달 저하를 유발한다. 이러한 변화는 유동장의 균일성을 깨뜨리고, 유동 박리를 유도하며, 핫스팟(hot spot)을 생성하고, 잠재적으로 핵沸(nucleate boiling) 이탈(DNB)을 촉발하여 원자로 안전에 직접적인 위협을 가한다. 기존 연구들이 블리스터 성장 역학 및 특정 폐쇄 시나리오를 다루어 왔으나, 특정 원자로 기하 구조에 대한 블리스터의 위치, 크기, 개수 및 형태가 열수력 성능에 미치는 결합된 효과에 관한 체계적인 매개변수 분석은 여전히 부족한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 JRR-3M 연구용 원자로의 전형적인 기하 구조와 운전 매개변수를 프로토타입으로 활용하여, 블리스터 손상이 냉각재 유동 및 열전달에 미치는 영향을 조사하기 위해 전산유체역학(CFD)을 적용하였다.

• 모델 구축: 주요 치수(예: 2.35 mm 채널 폭)와 운전 조건을 유지한 단순화된 2판, 단일 채널 기하 구조를 개발하였다. 모델은 유동 안정성을 보장하기 위해 입구 및 출구 섹션을 포함하며, 평균적인 연료 집합체를 모사하기 위해 대칭 경계 조건을 사용하였다.
• 수치적 접근법: Fluent 소프트웨어 패키지 내에서 Realizable $k-\epsilon$ 난류 모델과 Scalable wall function을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 본 연구는 정상 상태(steady-state), 단상(single-phase) 비압축성 유동을 가정한다.
• 검증: 수치 모델은 실험 데이터 및 참고 문헌과 비교 검증되었으며, 피크 온도 상대 오차는 0.3% 이내로 나타났다. 격자 독립성 검증을 통해 약 743,855개의 셀로 구성된 격자가 압력 강하 및 온도 예측에 정확한 결과를 제공함을 확인하였다.
• 매개변수 설계: 변수를 분리하기 위해 10가지 계산 케이스를 설계하였다:
  • 그룹 A (크기): 열적 고위험 구역 내 다양한 높이(0.5 mm ~ 1.5 mm)를 가진 단일 블리스터.
  • 그룹 B (위치): 입구, 출구 및 열적 고위험 구역에 배치된 대형 블리스터.
  • 그룹 C (개수/배열): 단일 블리스터부터 4개의 블리스터까지 포함하는 구성으로, 종방향 및 횡방향 배열을 포함한다.

주요 결과
수치 조사 결과, 유동 저항 및 열전달 특성과 관련하여 다음과 같은 결과가 도출되었다:

• 유동장 구조: 블리스터는 유동 박리를 유도하여 블리스터의 배후 측(leeward side)에 저속 재순환 구역(정체 영역)을 형성한다. 다중 블리스터 구성에서는 블리스터 사이의 간극에서 와류 구조가 형성되어 국부적인 유체 혼합을 향상시킨다.
• 온도 분포: 재순환 구역은 블리스터 중심으로부터 약 1개 블리스터 직경만큼 하류에 위치한 뚜렷한 "핫스팟"을 생성한다. 다중 블리스터 간의 와류가 국부적 혼합을 개선하기는 하지만, 증가된 폐쇄로 인한 전반적인 열전달 저하를 완전히 상쇄하지는 못한다.
• 크기의 영향: 블리스터 크기는 가장 결정적인 매개변수이다. 블리스터 높이가 0.5 mm에서 1.5 mm로 증가함에 따라 압력 강하(최대 12.9%까지)와 최대 연료 온도의 상승(최대 7.0 K까지)이 비선형적으로 증가하였다.
• 개수의 영향: 블리스터의 개수가 증가하면 유동 저항이 크게 누적된다. 예를 들어, 4개의 블리스터가 횡방향으로 배열된 경우 기준 대비 압력 강하가 11.5% 증가하였다. 그러나 열전달 저하에 미치는 누적 효과는 유동 저항에 미치는 효과보다 완만한 것으로 나타났다.
• 위치의 영향: 블리스터의 축 방향 위치(입구, 출구 또는 채널 중앙)는 압력 강하와 온도 모두에 미치는 영향이 미미하였으며, 압력 강하와 온도의 변화는 각각 0.4% 및 0.1% 미만이었다.
• 민감도 분석: 정량적 민감도 계수를 통해 블리스터 크기가 열수력 거동에 가장 지배적인 영향을 미치며, 그 다음은 블리스터의 개수임을 확인하였다. 축 방향 위치는 영향이 미미한 것으로 판단되었다.

의의 및 결론
본 연구는 좁은 직사각형 채널 내 높은 유속 조건에서, 블리스터 손상과 관련된 주요 위험이 전통적인 우려 사항인 "열적 위기(thermal crisis)"에서 "유동 저항 증가" 및 잠재적 유동 불안정성으로 전환된다고 결론짓는다.

저자들은 본 연구가 연구용 원자로의 안전 모니터링 및 평가를 위한 새로운 정량적 관점을 제공한다고 주장한다. 구체적으로, 연구 결과는 다음을 시사한다:

1. 안전 모니터링은 연료 판의 활성 구역 상부에 우선순위를 두어야 한다.
2. 블리스터가 감지될 경우, 특정 축 방향 위치보다는 그 크기와 개수를 평가하는 데 우선순위를 두어야 한다.
3. 대형 블리스터 또는 다수의 블리스터 집합은 유동 저항에 불균형적으로 큰 영향을 미치므로 고순위 관리 대상으로 취급되어야 한다.

본 논문은 이러한 결론이 정상 상태, 단상 유동 및 정적 블리스터 조건에 기반하고 있음을 명시한다. 향후 연구에서는 보다 포괄적인 안전 평가 프레임워크를 구축하기 위해 동적 블리스터 성장, 2상 비등 조건 및 피로 분석을 탐구할 것을 제안한다.