원전밸브 유동차단 및 기능입증 성능평가를 위한 수치해석적 연구

Abstract

원자력발전소에서 사용하는 동력구동 능동밸브는 ASME QME-1[1] 에 의해 성능검증을 수행하여 구조적 건전성과 작동성이 평가되어야 한다. 성능검증은 일종의 설계검증으로서 대표적인 밸브 시편의 검증 결과를 가지고 나머지 밸브의 성능을 입증한다. 이때 대표성을 가지는 밸브 시편을 모밸브라고 하고 나중에 입증되는 밸브를 상사밸브라고 한다. 모밸브의 선택방법은 ASME QME-1 2002 까지의 기술기준에 의하면 밸브의 호칭치수에 의해 결정된다. 모밸브는 주로 시험에 의해 성능검증이 이루어지고 시험결과를 사용하여 상사밸브가 모밸브와 동등하게 성능검증 되었음을 확인하는 확장에 사용된다. 상사밸브의 확장 방법은 구동기와 밸브의 크기와 용량에 대한 단순한 비교를 통해 단순확장과 구조적 건전성과 작동성을 해석에 의해 평가하는 일반확장이 있다. 단순확장은 시험결과에 의존하므로 많은 모밸브가 필요하므로 시간과 비용이 많이 소요된다. 그러나 일반확장은 최소한의 밸브를 모밸브로 선정하여 시험결과를 확보한 후 해석에 의해 유연하게 평가를 수행하므로 시험비용과 시간을 절약할 수 있다. 이때 사용하는 해석방법은 모밸브의 시험결과와 비교하여 적절성을 확보해야 한다. 일반적으로 해석의 의미는 단순한 수계산에서 시작하여 복잡한 연속체역학을 고려한 전산유체해석이나 유한요소 해석을 모두 포함한다. 그러나 해석에 의한 일반확장은 개념이 정확하지 않고 시험을 통한 확증을 할 수 있는 기회가 없었으며 관련분야의 연구자들과의 융합연구가 이루어지지 않아서 발전되지 않았다. 일반확장을 위해 사용하는 해석은 크게 구조적 건전성과 작동성의 문제로 나누어 진다. 구조적 건전성의 문제는 주로 유한요소해석을 통해 수행되며 작동성의 문제는 유한요소해석, 다물체 동역학 해석, 전산유체해석 그리고 실험식에 의해 검증된 수계산 등이 모두 사용된다. 밸브 자체에 대한 복잡하고 고유한 특성은 3차원 유동해석을 통해 평가하여 실험적으로 검증하여 산업계에서 많이 사용하는 유량계수, 밸브계수, 차압에 의한 힘 등의 관계식에서 요구하는 압력, 온도, 차압을 1차원 비정상 유동해석으로 구하여 적용하고 동시에 밸브 내부의 다물체 동역학적인 해석의 힘으로 사용하여 작동성을 평가한다. 본 연구에서는 이러한 해석방법론을 적용하기 위한 첫번째 단계로서 공개솔버인 EasyDyn을 플랫폼으로 하여 1차원 유동해석 솔버를 개발하였고 Defense Technical Information Center[3]의 검증문제를 활용하여 솔버의 적절성을 검증하고자 한다.