Thermodynamic Analysis of Vapor Explosion Phenomena

증기폭발 현상의 열역학적 해석

A vapor explosion has been a concern in nuclear reactor safety due to its potential for a destructive mechanical energy release. In order to properly assess the hazard of a vapor explosion, it is necessary to accurately estimate the conversion efficiency of the thermal energy to mechanical energy. In the absence of a complete model to determine the explosive energy yield, one may have to rely on a simpler upper bound estimate such as a thermodynamic model. This paper discusses various thermodynamic models and presents a clarification of each model in their mathematical formulation and the thermodynamic work conversion. It is shown that the work release in the shock adiabatic model of Board and Hall is essentially equal to that of Hicks-Menzies thermodynamic model. The effect of coolant void fraction on the explosion efficiency is also predicted based on these thermodynamic models. Finally, the Hicks-Menzies model is modified to account for the chemical reaction between a metallic fuel and water and the resultant effects on the explosion expansion work are discussed.

증기폭발이 발생하면 파괴적인 동력에너지가 방출될 가능성이 있으므로. 이 현상은 원자력 발전소 안전성 연구 분야에서 중요한 현상으로 지목되어 왔다. 따라서 증기폭발이 미치는 영향을 분석하기 위해서는 폭발시 수반되는 열에너지가 동력에너지로 전환되는 비율을 정확히 해석할 수 있어야 한다. 그러나, 정확한 해석 방법의 개발이 이루어지지 않은 현 상황에서는 순수히 이론에 근거한 열역학적 해석 방법 등을 이용할 수 있으며 이러만 접근 방식은 그 결과가 보수적이라는데 그 의미가 있다. 본 논문에서는 현재까지 알려진 열역학적 해석 방법들을 정리하였고. 이론적으로 모순된 부분을 수정하여 비교하였다. 지금까지 알려진 바와는 달리. Hicks-Menzies 모델과 Board-Hall 모델은 에너지 전환율에서 동일한 결과를 나타냄을 보였다. 또한 증기폭발에서 냉각수 포기 기공율의 영향을 계산, 검토하였으며, 금속의 발열반응의 영향을 분석할 수 있는 열역학적 모델을 제시하였다.