CANDU 원전 공급자관의 FAC 감육부위 확인을 위한 CFD 해석

Abstract

유동가속부식(Flow-Accelerated Corrosion, FAC)은 탄소강 또는 저합금강 재질의 배관, 압력용기 등에서 유체와 금속표면 간의 상대적인 운동으로 인해 재질의 감육이 가속화 되는 현상이다. 원자력발전소에서는 2차계통의 탄소강이나 저합금강 배관, CANDU형 원전의 공급자관(Feeder Pipe)에서 장기운전에 따른 두께 감육현상이 보고되고 있다. 일반적으로 FAC는 기기의 재료와 내부유체의 유속, 온도, pH, 용존산소(Dissolved Oxygen, DO) 등의 인자들에 영향을 받는다. 그러나 국부 영역에서의 온도, pH, 재료적 성질, DO는 거의 일정한 것으로 고려할 수 있으므로 감육 형상은 국부적 유동특성에 의해 결정된다.

CANDU형 원전의 공급자관은 CANDU-6 Station Bulletin 96-2 "Feeder Wall Thickness Measurement"에 따라 두께검사를 수행하여 왔다. 그러나 그 두께검사는 곡관 외호면을 중심으로 실시되어 왔으며 측정부위에 대한 명확한 근거가 없었다. 이에 따라 규제기관에서는 전단응력(Shear Stress) 감육 모델에 따른 해석결과를 토대로 곡관 내호면에 대해서도 추가 검사를 요구한 바 있다.

한편 교육과학기술부 주관으로 서울대학교에서 수행한 "가압수형 원전 2차측 배관 연속 감시시스템 개발" 과제에서 반경방향 국부유속(Local Radial Velocity)을 이용하여 3차원 감육 형상을 예측한 바 있고, 황경모 박사의 학위논문인 "탄소강 배관 내의 편향 난류유동에 따른 속도성분과 국부 감육의 상관관계 규명"에서도 반경방향 국부유속이 유동 측면에서의 감육 지배인자임을 제시한 바 있다. 이와는 반대로 한국원자력안전기술원에서 원자력안전현안 평가기술개발 사업의 일환으로 수행된 "CANDU 공급자관 건전성평가 규제기술 개발" 보고서에서 CFD 해석을 통해 전단응력이 감육 민감부위를 선정하는 인자라고 제시하고 있으며, Sandia National Laboratories에서 발표한 "Computational Fluid Dynamic Simulations of Pipe Elbow Flow" 보고서에서도 전단응력과 난류운동에너지(Turbulent Kinetic Energy)가 감육에 지배적인 인자라고 밝히고 있다. 따라서 감시의 효율성 제고를 위하여 전단응력 모델과 반경방향 국부유속(Local Radial Velocity) 모델을 비교 검토하여 감육 민감부위 선정을 재고할 필요성이 있다.

본 논문에서는 중수형 원전의 공급자관 곡관부를 대상으로 반경방향 국부유속 모델을 적용한 CFD 해석을 수행하여 감육 민감부위를 확인하였다. 또한 전단응력 모델을 적용한 해석결과와의 비교, 검토를 통하여 향후 공급자관 감육관리를 위한 위치선정에 도움이 될 수 있도록 검토결과를 제시하고자 하였다.