Original Article

Journal of Computational Fluids Engineering. 30 June 2026. 73-83
https://doi.org/10.6112/kscfe.2026.31.2.073

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 누출 용융염 거동 특성

  • 3. 입력모델

  • 4. 결과 고찰

  • 5. 결 론

1. 서 론

제4세대 원자로(GEN-IV, Generation-IV) 개발의 하나로서, 원자로 기술 및 안전성 측면에서 용융염 원자로(MSR, Molten Salt Rector)가 세계적으로 개발되고 있다. 최초의 용융염 원자로는 1960년부터 1970년까지 미국에서 개발되었으며[1,2,3], 열중성자 스펙트럼 흑연 감속재 개념이다[4,5]. 2005년 이후 유럽에서는 고체연료 고속 중성자로의 장기적 대안으로 고속 중성자 용융염 원자로에 관심을 집중하였다[6]. 용융염 원자로의 일반적인 특징은 액체연료로 용융 불화물이나 염화물을 사용하고, 일반적으로 고압인 가압경수로(PWR, Pressurized Water Reactor)와는 달리 저압이다. 현재, 국내외에서 해양용 용융염 원자로와 초소형 용융염 원자로가 개발되고 있으며, 사용 목적에 따라 용융염의 조성이 달라질 수 있다.

용융염 원자로에서 냉각재 상실 등의 사고가 발생하면 용융염은 원자로냉각재계통(RCS, Reactor Coolant System) 외부인 격납용기(Containment) 등으로 누출될 수 있다. 계통에서 누출된 용융염을 코어 캐처(Core Catcher)와 격납용기와 같은 설비에 가두게 되면 설비 내에서 이동하며 퍼지게 된다. 용융염 원자로의 안전성 측면에서 계통에서 누출된 액체 용융염은 주변과의 열전달로 고화되면서 장기 냉각되어야 한다. 누출된 용융염의 퍼짐현상은 융융염의 초기조건인 온도와 점도 및 고화온도 등과 누출된 용융염을 가두는 설비의 바닥 조건 및 1차원, 2차원, 경사도 등의 퍼짐 공간의 형상 등 다양한 인자에 따라 달라진다. 따라서 누출된 용융염의 퍼짐 및 냉각 특성은 용융염 원자로 안전성 측면에서 매우 중요하다.

본 연구는 전산유체역학 상용 전산코드인 ANSYS Fluent[7]를 사용하여 누출 용융염의 퍼짐 및 냉각을 해석하였다. 본 연구에서는 용융염의 조성에 따른 퍼짐 및 냉각 특성을 규명하기 위하여 누출 용융염이 KCl-UCl3인 경우와 KCl-NaCl-UCl3인 두 경우에 대한 해석을 수행하였다. 누출 용융염의 유량증가에 따른 퍼짐 특성을 규명하기 위하여 누출 용융염의 유량이 0.1 kg/s에서 20 kg/s까지 증가시키면서 ANSYS Fluent 계산을 수행하였다. 또한 용융염 누출시간이 퍼짐 특성에 미치는 영향도 평가하였다. 즉, 본 연구에서는 ANSYS Fluent를 사용하여 용융염 원자로에서 냉각재 상실사고가 발생하여 용융염이 코어캐처나 격납용기 등으로 누출되었을 때 퍼짐 및 냉각 특성을 규명하기 위한 해석을 수행하였다.

2. 누출 용융염 거동 특성

Fig. 1은 누출 용융염이 퍼질 때 관련 열전달 특성을 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 주변 공기 및 구조물로 대류 및 복사열전달이 발생하여 누출 용융염 표면에 고화 피막층(crust)이 형성될 수 있고, 생성된 피막층과 하부 구조물에서는 전도 열전달이 발생한다. 용융염 내부는 붕괴열의 열원이 있으므로 대류열전달이 발생한다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F1.jpg
Fig. 1.

Heat transfer characteristics on spreading of spill molten salt

누출 용융염의 퍼짐에는 누출 용융염의 초기조건인 온도, 온도에 따른 물성값, 용융염의 조성 및 고화 온도, 누출 용융염의 특성 및 누출 유량이 영향을 미치며, 누출 용융염의 캐처시 조건인 누출바닥의 열수력 조건인 철과 콘크리트 등의 바닥 재질, 바닥 물질의 물성값 및 누출 용융염과 기계적·화학적 반응 특성, 누출 용융염과 바닥 물질과의 열전달 특성이 영향을 미친다. 또한 누출 용융염의 캐처시 퍼짐 영역 특성인 캐처계통의 하부 기하학적 특성, 누출 용융염의 캐처계통 하부와의 접촉 특성, 캐처 하부와 접촉된 누출 용융염의 이송 과정의 기하학적 특성이 누출 용융염의 퍼짐에 영향을 미친다.

누출 용융염의 퍼짐 특성은 용융상태에서의 수력학적 운동과 퍼짐과정에서의 고화과정에 크게 좌우된다. 수력학적 운동관점에서 용융염의 퍼짐 특성은 중력, 관성(inertia), 점도에 의해 지배된다. 누출 용융염으로부터 바닥면이나 상부 주변과의 열손실, 누출 용융염의 내부에서 열 발생량 등에 따라 결정되는 용융염의 고화 정도가 퍼짐 특성에 영향을 미친다. 누출 용융염의 퍼짐에 대해서는 실험적 연구 방법, 해석모델 개발과 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)을 이용한 해석 연구 방법, 실험과 해석을 포함한 종합 연구 방법으로 연구가 진행되고 있다.

누출 용융염의 퍼짐에 대하여 실험에 기반을 둔 연구 방법은 비교적 간단하게 수행할 수 있지만 특정한 사고 조건에만 적용될 수 있는 단점을 가지고 있으며, 기하학적 형상, 누출 용융염의 양, 조성 등 실제 조건과의 상사성 여부가 관건이다. 모델개발 및 전산유체역학을 이용한 해석적 연구에서는 실험에서 도출된 현상학적 결과를 바탕으로 모델개발, 코드 검증을 수행하여 실제 원자로의 경우에 적용한다. 이 연구에는 해석적, 반경험적, 전산해석적 접근법이 있다. Navier-Stokes 방정식을 다양한 형태로 단순화하여 퍼짐현상을 해석적으로 풀고자 하는 해석적 접근법은 축대칭, 비고화 등 현상을 단순화하더라도 실제로 해석해를 얻기는 쉽지 않다. 실험 상관식과 몇 가지 가정을 통해 만들어진 퍼짐 모델을 이용하는 반경험적 접근법은 사용된 모델이나 상관식의 한계 때문에 다양한 조건으로 확장하여 사용할 수 없는 한계를 가지고 있다. 최근 컴퓨터의 계산 능력이 증대되면서 전산해석적 접근법의 가능성이 크게 대두되고 있으나, 움직이는 자유표면, 상변화 등에 대한 모델링이 필연적으로 수반되어야 하므로 그 결과의 해석과 적용에 주의를 기울일 필요가 있다. 일반적으로 평판을 흘러가는 유체의 퍼짐 특성은 관성력에 의해 주로 지배되는 gravity-inertia 상태와 점성력에 의해 지배되는 gravity-viscous 상태로 구분할 수 있다. Gravity-inertia 상태에서 유체의 퍼짐 특성은 유체의 점도 영향에 무관하게 된다[8].

미국 아르곤국립연구소(ANL: Argonne National Laboratory)에서는 누출 용융염의 퍼짐 및 냉각에 대한 실험 및 해석을 수행하였다[9,10]. 염화물 용융염을 사용하여 누출 용융염과 용융염 내의 방사성 핵종의 거동에 영향을 미칠 것으로 예상되는 개별 공정을 강조하기 위한 실험을 수행하였다. 실험의 종류는 강철 위에서의 용융염 퍼짐, 누출 용융염의 퍼짐 중 열전달 특성, 용융염 퍼짐 동안의 에어로졸 생성이 포함되었다[11,12,13]. 누출 용융염의 퍼짐 및 냉각은 용융 FLiNaK가 평평한 강철판 위로 유출되는 사고경위에 대해 MELTSPREAD 전산코드[14]를 사용하여 해석하였다. MELTSPREAD 전산코드는 미국 아르곤국립연구소에서 가압경수형 원자로의 중대사고(severe accident) 발생시 생성되는 고온 노심용융물의 1차원 유동 및 고화과정을 모의하기 위해 개발되었으며, 최근에 용융염에 대한 모델이 추가되었다. 용융염에 대한 MELTSPREAD 전산코드 모델은 FLiNaK의 보정된 융해열 값을 사용하고 많은 용융염 유출량을 모의할 수 있도록 개선하여 사용하였다[15,16]. 이와 같은 1차원 단순해석은 복잡한 물성을 갖는 용융염을 대상으로 상변화 등의 복합열전달 해석에는 한계가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 전산유체역학 해석 코드인 ANSYS Fluent를 사용하여 해석을 수행하였다.

3. 입력모델

누출 용융염 조성 및 누출 유량 증가에 따라 누출 용융염의 퍼짐 및 냉각에 대한 해석을 수행하기 위해 Fig. 2의 왼쪽 그림과 같은 2차원 축대칭 입력모델을 적용하였고, 오른쪽 그림과 같은 격자 생성을 하였다. 왼쪽 그림에서 보는 바와 같이 누출유량이 적은 경우에는 길이가 1 m이고 높이가 0.15 m, 누출유량이 커 최종 퍼짐거리가 1 m를 초과하는 경우에는 길이가 2 m이고 높이를 0.3 m로 모의하였다. 누출유량이 적은 경우에는 하부 강철판의 좌측 주입구 높이 25 mm에서 5 mm 반경으로 제트 형태로 용융염이 강철판에 수직으로 낙하하여 이상기체로 가정한 상부 공기와 열전달로 고화되면서 우측으로 퍼진다고 모의하였다. 누출유량이 큰 경우에는 주입구 높이 50 mm에서 10 mm 반경으로 모의하였다. 하부 강철판의 두께는 6.35 mm이고 강철판 하부는 최소 열전달 계수 10 W/m·k를 사용하여 온도가 15°C인 대기와 열전달된다고 모의하였다. 공기와 철판의 초기온도는 15°C라고 가정하였으며 공기영역의 초기속도는 0 m/s이다. 본 입력모델은 실제 개념개발 중인 용융염 원자로의 융용염 누출사고와는 규모 및 기하학적 형상에 차이가 있다. 초소형 용융염 원자로는 누출 격납용기 바닥면이 평판일 가능성이 크고, 해양용 용융염 원자로는 곡률을 가지고 있을 가능성이 크다. 본 입력모델은 초소형 원자로에는 바로 적용이 가능하고, 곡률이 있는 경우에 대한 해석은 추후 수행할 예정이다. 해석 특성상 많은 용융염이 누출되는 경우에 대한 해석은 어려움이 있어 소량의 용융염이 누출되는 경우를 모의하였다. 본 해석에서는 격자에 대한 민감도 해석을 수행하여 최적 격자수를 결정하여, 사용한 격자수는 32,000개이다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F2.jpg
Fig. 2.

Input model and mesh generation for spreading analysis of spill molten salt using ANSYS fluent

용융염 누출 거동 해석을 위하여 VOF(Volume Of Fluid) 이상유동 모델, 고화와 용융이 발생하는 이상(two phase)의 mushy 영역 인자는 105, κ-ε 점성유동 모델, 이산 좌표(Discrete Ordinates)의 상부 공기와 복사열전달 모델, 압력과 속도의 연계해 방법은 PISO(Pressure-Implicit Split-Operator), 체적분율 방식은 수정 HRIC(High Resolution Interface Capturing), 공간 이상화(Spatial Discretization) 2차 상향 차분(Second Order Upwind) 모델을 각각 사용하였다. 방출된 유체 제트가 기판과 관성충돌한 직후의 속도는 유체 방출속도에 비해 비교적 크기 때문에 대부분의 기존 연구에서와 같이 난류모델을 기본적으로 고려하였다. 본 해석에서 가장 중요한 누출 용융염의 고화과정인 액체로부터 고체로 변화하는 상변화 모델은 Enthalpy-porosity 기법을 사용하였다. 이 기법은 액체와 고체가 섞여 있는 mushy 영역을 다공성 매질처럼 취급하여 속도를 억제하며 엔탈피를 이용하여 상변화를 모의하는 것이다. 이 기법에서 비례상수인 mushy 인자인 Amush의 값이 클수록 고화가 신속히 진행되어 용융염이 고화되는 동안 퍼짐성이 더욱 빠르게 감소된다. 본 해석에서 복사열전달은 이산 좌표(DO) 모델을 사용하였다. 이 모델은 서로 다른 각도 방향에 걸쳐 복사 열전달방정식(RTE)을 풀어 복사열전달을 계산하는 계산 기법입니다. 이 방법은 공간 영역과 각도 영역을 모두 이산화하여 흡수, 방출 및 산란을 포함한 복잡한 기하학적 시스템과 다중 물리적 상호 작용에서 복사 전파 계산을 쉽게 한다. 방향별 복사 강도와 스펙트럼 특성을 통합함으로써, 이 모델은 용융염 표면, 인접 구조물 및 환경 사이의 열전달을 효과적으로 포착하여 다상 유동이 관련된 경우에 특히 적합한 모델이다.

본 해석에 사용한 누출 유량은 Table 1에 나타나 있다. 표에서 보는 바와 같이 누출 용융염의 조성에 따른 퍼짐 영향을 평가하기 위해 누출 용융염이 KCl-UCl3인 경우와 KCl-NaCl-UCl3인 두 경우에 대한 해석을 수행하였다. 누출 용융염의 저유량인 0.1 kg/s와 0.5 kg/s인 경우에 계산시간을 고려하여 용융염 누출시간이 각각 20초와 120초에 대한 해석을 수행하였다. 또한 누출 용융염이 KCl-UCl3인 경우에는 유출 유량 증가와 동일 질량의 누출시간 증가가 퍼짐 및 냉각에 미치는 영향을 평가하기 위하여 20초 동안 누출 유량이 1, 3, 5, 10, 20 kg/s로 증가하는 경우와 40초 동안 5 kg/s, 80초 동안 5 kg/s, 100초 동안 1, 2 kg/s인 경우에 대한 해석도 수행하였다. 본 해석에서 누출 용융염의 초기온도는 용융염 원자로의 노심출구 온도인 923 K로 가정하였으며, 각 경우에 대한 총 계산시간은 120초이다.

Table 1.

Spill out mass flow rate and time for 120 sec

Molten salt category KCl-UCl3 KCl-NaCl-UCl3
Mass flow rate for 20 sec(kg/s) 0.1, 0.5 0.1, 0.5
Mass flow rate for 120 sec(kg/s) 0.1, 0.5 0.1, 0.5
Mass flow rate for 20 sec(kg/s) 1.0, 3.0, 5.0, 10.0, 20.0 -
Mass flow rate for 40 sec(kg/s) 5.0 -
Mass flow rate for 80 sec(kg/s) 5.0 -
Mass flow rate for 100 sec(kg/s) 1.0, 2.0 -

본 ANSYS Fluent 해석에 사용한 누출 용융염의 조성 및 물성값은 Table 2가 보여주고 있다. 표에서 보는 바와 같이 초소형 용융염 원자로 경우의 KCl-UCl3는 KCl이 46%, UCl3가 54%로 각각 구성되며, 해양용 용융염 원자로의 KCl-NaCl-UCl3는 KCl이 20.3%, NaCl이 42.9%, UCl3가 36.8%로 각각 구성된다. 누출 용융염의 퍼짐에 영향을 많이 미치는 고화온도는 용융온도가 높은 U를 많이 포함하고 있는 KCl-UCl3가 809 K로서 KCl-NaCl-UCl3의 742 K보다 높다. 용융염 물성값 제한으로 용융잠열은 같은 값을 사용하였다. 용융염이 누출되는 하부의 철판은 밀도가 8,030 kg/m3, 비열이 502.5J/(kg·K), 열전도도가 16.3W/(m·K)를 본 해석에 사용하였다.

Table 2.

Material properties of molten salt as composition

Molten salt category KCl-UCl3 KCl-NaCl-UCl3
Composition 46-54 20.3-42.9-36.8
Solidification temperature(K) 809 742
Density(kg/m3) 3,654 3,282
Specific heat(J/kg·K) 475 570
Thermal conductivity(W/m·K) 0.283 0.38
Dynamic viscosity(m2/s) 7.86 × 10-7 7.23 × 10-7
Latent heat of fusion(J/kg) 144,657 144,657

4. 결과 고찰

Fig. 34 KCl-UCL3 누출 용융염의 퍼짐을 보여주는 체적분율 분포와 온도 분포를 각각 보여주고 있다. 본 해석에서 누출 용융염은 KCl-UCl3이고, Fig. 34는 0.1 kg/s와 0.5 kg/s로 각각 20초 동안 용융염이 누출된 경우이다. 체적분율 분포와 온도 분포에서 보는 바와 같이 용융염 누출은 좌측 하단으로부터 시작한다. 체적분율 분포에서 1.0은 용융염을 나타내고 0.0은 공기를 나타낸다. 또한 Fig. 2의 왼쪽 그림에서 보는 바와 같이 x축은 퍼짐거리, y축은 누출 용융염의 거리에 따른 높이를 각각 보여주고 있다. 중심축 높이 0.15 m나 0.3 m의 용융염 누출구 면에서 하방향으로 시간별 누출 유량변화에 따라서 반경방향으로 바닥면에서 퍼짐 유동이 형성된다. 초기의 고온 누출온도 923 K는 바닥면과 주변 환경으로의 복합 열전달에 의하여 용융염 유동의 온도 분포가 변화됨을 확인할 수 있다. 주변과의 열전달로 감소되면서 고화온도인 809 K에 도달하면 액체 융융염이 고화되면서 외곽에 고화층을 형성하게 된다. 또한 그림에서 보는 바와 같이 누출 용융염이 철판 상부에서 철판 자체 및 대기와의 열전달을 진행하면서 시간경과에 따라 퍼져 나가는 것을 확인할 수 있다. 온도분포에서 보는 바와 같이 바닥의 철 자체의 온도상승으로 용융염 바닥의 온도가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 용융염이 0.5 kg/s로 20초 동안 누출되는 경우가 0.1 kg/s로 20초 동안 누출되는 경우보다 더 많이 퍼지지만 누출유량 만큼인 5배까지는 퍼지지는 않는다. Fig. 5는 KCl-UCL3 누출 용융염의 유량이 0.1 kg/s와 0.5 kg/s인 경우에 대한 액상분율을 보여주고 있다. Fig. 2의 왼쪽 그림에서 보는 바와 같이 x축은 퍼짐거리, y축은 누출 용융염의 거리에 따른 높이를 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 초기에 누출된 빨간색의 액체 용융염이 주변과의 열전달로 파란색으로 고화되어 가는 것을 확인할 수 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F3.jpg
Fig. 3.

Volume fraction and temperature distribution of spill molten salt(Spill salt = KCl-UCL3, Spill mass flow rate = 0.1 kg/s for 20sec)

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F4.jpg
Fig. 4.

Volume fraction and temperature distribution of spill molten salt(Spill salt = KCl-UCL3, Spill mass flow rate= 0.5 kg/s for 20 sec)

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F5.jpg
Fig. 5.

Liquid fraction of spill molten salt(Spill salt = KCl-UCL3, Spill mass flow rate= 0.1 kg/s or 0.5 kg/s for 20 sec)

Fig. 67은 누출 용융염 조성 및 누출 유량 증가와 누출시간 증가에 따라 누출 용융염 퍼짐 및 냉각 해석에 대한 계산결과를 각각 보여주고 있다. 좌측 그림은 용융염 누출시간이 20초인 경우이고 우측 그림은 누출유량이 120초 동안 지속되는 경우이다. 누출 용융염의 초기온도가 용융염 원자로의 노심출구 온도인 923 K로 동일할 때 용융염의 고화온도가 퍼짐거리에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 즉, 고화온도가 742 K인 KCl-NaCl-UCl3가 고화온도가 809 K인 KCl-UCl3보다 누출 용융염이 퍼질 수 있는 액체상태가 더 오랫동안 지속되기 때문에 더 많이 퍼져나가는 것을 알 수 있다. 용융염의 누출유량 증가는 퍼짐길이를 증가시키나 비례하여 증가하지 않는다. 용융염 누출이 120초 동안 누출될 때는 20초 동안 누출되는 경우보다 퍼짐길이가 계속 증가한다. 이는 120초 동안 누출되는 경우가 20초 동안 누출되는 경우에 비하여 누출 용융염 전체 질량이 증가하기 때문이다. 누출된 용융염은 시간이 경과하면서 용융염 상부와 열전달로 액체 용융염이 고화되기 때문에 약 60~70초에 기울기가 변하게 된다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F6.jpg
Fig. 6.

Spreading distance of spill molten salt as function of salt composition

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F7.jpg
Fig. 7.

Spreading distance of spill molten salt as function of spill mass flow rate

Fig. 8의 좌측 그림은 KCl-UCl3의 용융염이 20초 동안, 누출 유량 증가에 따라 퍼짐해석에 대한 계산결과를 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 누출 용융염 유량을 1 kg/s에서 20 kg/s로 증가시키면 퍼짐거리가 많이 증가하는 것으로 나타났다. 용융염 누출 유량이 1 kg/s에서 20 kg/s로 20배 증가시키면 퍼짐거리는 매우 증가하는 것을 확인할 수 있다. 누출 용융염의 누출시간을 20초로 하였기 때문에 약 30초 이후에는 액체 용융염이 고화되어 퍼짐길이가 거의 증가하지 않는다. Fig. 8의 우측 그림은 KCl-UCl3 용융염이 20초 동안, 누출 유량 증가에 따라 최종 계산시간인 120초에 퍼짐길이에 대한 계산결과를 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 누출 용융염의 유량을 0.1 kg/s에서 1 kg/s까지 증가시키면 퍼짐길이가 비례하여 많이 증가하지만, 이후 누출 용융염 유량을 증가시키면 퍼짐길이가 비례하여 증가하지 않는다. 이와 같은 기울기 변화는 누출유량 2 kg/s와 10 kg/s에 각각 나타난다. 누출유량이 10 kg/s와 20 kg/s인 경우에는 퍼짐길이가 각각 1.44 m와 1.85 m로 각각 나타났다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F8.jpg
Fig. 8.

Spreading distance of spill molten salt as function of time increase and increase of spill mass flow rate

Fig. 9의 좌측 그림은 KCl-UCl3 용융염 100 kg이 누출될 때 퍼짐길이에 대한 계산결과인데, 누출유량이 1 kg/s로 100초 동안과 5 kg/s로 20초 동안인 경우를 비교하여 보여주고 있다. Fig. 9의 우측 그림은 KCl-UCl3 용융염 200 kg이 누출될 때 퍼짐길이에 대한 계산결과이다. Fig. 10의 좌측 그림은 누출유량이 10 kg/s로 20초 동안, 5 kg/s로 40초 동안, 2 kg/s로 100초 동안인 경우를 비교하여 보여주고 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F9.jpg
Fig. 9.

Spreading distance of spill molten salt for total mass of 100 kg or 200 kg

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kscfe/2026-031-02/N0500310205/images/jkscfe_2026_312_073_F10.jpg
Fig. 10.

Spreading distance of spill molten salt for total mass of 200 kg or 400 kg

Fig. 10의 우측 그림은 KCl-UCl3 용융염 400 kg이 누출 때 퍼짐길이에 대한 해석결과인데, 누출유량이 20 kg/s 20초 동안, 5 kg/s로 80초 동안인 경우를 비교하여 보여주고 있다. 그림들에서 보는 바와 같이 같은 질량이 초기에 많이 누출되는 경우가 장시간 누출되는 경우보다 퍼짐길이가 더 크게 나타나는 것으로 나타났다.

Table 3은 용융염 조성, 누출 유량, 누출 지속시간의 계산인자에 따는 120초 동안의 최종 퍼짐길이를 보여주고 있다. KCl-UCl3 용융염 100 kg이 1 kg/s로 100초 동안 누출될 때 120초 동안의 최종 퍼짐길이는 0.94 m, 5 kg/s로 20초 동안 누출될 때의 최종 퍼짐길이는 1.0 m로 각각 나타나 동일 질량이 20초 동안 누출되는 경우의 퍼짐길이가 100초 동안 누출되는 경우의 퍼짐길이보다 더 크게 나타났다. KCl-UCl3 용융염 200 kg이 2 kg/s로 100초 동안 누출될 때의 최종 퍼짐길이는 1.22 m, 5 kg/s로 40초 동안 누출될 때의 최종 퍼짐길이는 1.29 m, 10 kg/s로 20초 동안 누출될 때의 최종 퍼짐길이는 1.44 m로 각각 나타나 동일 질량이 짧은 시간인 20초 동안 누출되는 경우의 퍼짐길이가 가장 크게 나타났다. KCl-UCl3 용융염 400 kg이 5 kg/s로 80초 동안 누출될 때의 최종 퍼짐길이는 1.59 m, 20 kg/s로 20초 동안 누출될 때의 최종 퍼짐길이는 1.85 m로 각각 나타나 동일질량이 짧은 시간인 20초 동안 누출되는 경우의 퍼짐길이가 더 크게 나타났다.

Table 3.

Final spreading distance as function of sensitivity parameters

Molten salt category Spill mass flow rate(kg/s) Spill duration time(sec) Spreading distance(m)
KCl-UCl3 0.1 20 0.17
KCl-NaCl-UCl3 0.1 20 0.18
KCl-UCl3 0.1 120 0.26
KCl-NaCl-UCl3 0.1 120 0.28
KCl-UCl3 0.5 20 0.37
KCl-NaCl-UCl3 0.5 20 0.39
KCl-UCl3 1.0 20 0.49
KCl-UCl3 3.0 20 0.81
KCl-UCl3 5.0 20 1.0
KCl-UCl3 10.0 20 1.44
KCl-UCl3 20.0 20 1.85
KCl-UCl3 1.0 100 0.94
KCl-UCl3 2.0 100 1.22
KCl-UCl3 5.0 40 1.29
KCl-UCl3 5.0 80 1.59

5. 결 론

용융염 원자로의 안전에 있어 가장 중요한 것은 액체 핵연료염이 계통 내에서 격납용기 등으로 누출되는 사고가 발생할 때 방사능물질이 격납용기 외부로 방출되지 않게 하는 것이다. 방사성 핵종을 함유한 누출 용융염의 퍼짐 및 열전달 특성은 용융염 누출 사고 발생 시 방사성 핵종 분포에 매우 많은 영향을 미친다. 본 연구에서는 ANSYS Fluent 전산코드를 사용하여 해상 MSR 경우인 KCl-NaCl-UCl3 조성, 초소형 MSR 경우인 KCl-UCl3 조성의 누출 용융염의 퍼짐 및 냉각과정을 분석하였다. 또한, 용융염 누출 사고 시 누출유량 증가가 용융염의 퍼짐거리에 미치는 영향을 분석하였다.

누출 용융염의 온도가 주변과의 열전달로 감소하여 고화온도에 도달하면 액체 융융염이 고화되면서 외곽에 피막층을 형성한다. 고화온도가 742 K인 KCl-NaCl-UCl3 용융염이 고화온도가 809 K인 KCl-UCl3 용융염보다 더 많이 퍼져나가는 것으로 나타나, 용융염의 초기온도가 같을 때 용융염의 고화온도가 퍼짐거리에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 누출 용융염의 유량증가는 퍼짐길이를 증가시키나 비례하여 증가하지 않는 것으로 나타났다. 용융염 누출이 120초 동안 지속되는 경우에는 20초 동안 누출되는 경우보다 퍼짐길이가 계속 증가하나 약 60~70초에 기울기가 변하게 된다. 같은 질량이 초기에 많이 누출되는 경우의 퍼짐길이가 긴시간 동안 누출되는 경우보다 퍼짐길이가 더 크게 나타나는 것으로 나타났다. 누출 용융염의 거동을 종합적으로 평가하기 위해서는 누출 용융염의 초기조건, 누출 용융염 주변의 경계조건, 누출 용융염 바닥의 특성, 정확한 용융염의 물성값 사용 등에 대한 해석이 추가로 필요하다.

Acknowledgements

이 논문은 2022년도 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행된 연구입니다.(KRIT-CT-22-017, 차세대 다목적 고출력 전력생산기술(액체연료 열원발생기 수송 및 안전성 평가 기술))

References

1

1965, Oak Ridge National Laboratory, MSRE Design and Operations Report Part 1- Description of Reactor Design, ORNL-RM-728.

2

1964, Beall, S.E., Haubenreich, P.N., Lindauer, R.B. and Tallackson, J.R., MSRE Design and Operations Report Part V- Reactor Safety Analysis Report, ORNL-RM-732.

3

1965, Smith, A.N., MSRE Design and Operations Report Part IX Safety Procedure and Emergency Plan, ORNL-TM-909.

4

2019, Kim, S.J. and Yun, S.H., Study of Development Direction for Molten Salt Reactor, KAERI/RR-4532/2019.

5

2023, IAEA, Status of Molten Salt Reactor Technology, Technical Reports Series No. 489 (STI-DOC-010-489), Vienna.

6

2019, Gerardin, D., Uggenti, A.C., Beils, S., Carpignano, A., Dulla, S., Merle, E., Heuer, D., Laureau, A. and Allibert, M., “A Methodology for the Identification of the Postulated Initiating Events of the Molten Salt Fast Reactor,” Nucl. Eng. Technol., Vol.51, p.1024.

10.1016/j.net.2019.01.009
7

2024, Ansys Fluent Theory Guide.

8

2013, Ye, I.S., Kim, J.A., Ryu, C.K., Ha, K.S., Kim, H.Y. and Song, J.H., “Numerical Investigation of the Spreading and Heat Transfer Characteristics of Ex-vessel Core Melt,” Nucl. Eng. Technol., Vol.45, No.1.

9

2021, Thomas, S. and Jackson, J., Testing to evaluate Processes expected to occur during MSR Salt Spill Accidents, ANL/CFCT-21/22.

10

2022, Thomass, S. and Jackson, J., MSR Salt Spill Accident Testing Using Eutectic NaCl-UCl3, ANL/CFCT-22/32.

11

2022, Rose, M.A., Gardner, L.D., Lichtenstein, T.T., Thomas, S.A. and Wu, E., Property Measurements of NaCl-UCl3 and NaCl-KCl-UCl3 Molten Salts, ANL/CFCT- 22/45 Rev.1.

12

2023, Thomas, S. and Jackson, J., Conceptual Design of Engineering-scale Molten Salt Spill Tests to support Molten Salt Reactor Licensing, ANL/CFCT-23/13.

13

2023, Thomasand, S. and Jackson, J., Integrated Progress Testing of MSR Salts Spill Accidents, ANL/CFCT-23/25.

14

2018, Farmer, M., The MELTSPREAD Code for Modeling of Ex-Vessel Core Debris Spreading Behavior. Code Manual – Version 3.0, ANL Report, ANL-18/30.

15

2021, Thomas, S. and Jackson, J., Modeling Molten Salt Spreading and Heat Transfer using MELTSPREAD – An Uncertainty Analysis, ANL/CFCT-21/27.

16

2022, Thomass, S. and Jackson, J., Modelling Molten Salt Spreading and Heat Transfer using MELTSPREAD-Model Development Updates, ANL/CFCT-22/15.

페이지 상단으로 이동하기