Investigation of Hydraulic Flow Properties around the Mouths of Deep Intake and Discharge Structures at Nuclear Power Plant by Numerical Model

A cooling system is indispensable for the fossil and nuclear power plants which produce electricity by rotating the turbines with hot steam. A cycle of the typical cooling system includes pumping of seawater at the intake pump house, exchange of heat at the condenser, and discharge of hot water to the sea. The cooling type of the nuclear power plants in Korea recently evolves from the conventional surface intake/discharge systems to the submerged intake/discharge systems that minimize effectively an intake temperature rise of the existing plants and that are beneficial to the marine environment by reducing the high temperature region with an intensive dilution due to a high velocity jet and density differential at the mixing zone. It is highly anticipated that the future nuclear power plants in Korea will accommodate the submerged cooling system in credit of supplying the lower temperature water in the summer season. This study investigates the approach flow patterns at the velocity caps and discharge flow patterns from diffusers using the 3-D computational fluid dynamics code of $FLOW-3D^{(R)}$. The approach flow test has been conducted at the velocity caps with and without a cap. The discharge flow from the diffuser was simulated for the single-port diffuser and multi-ports diffuser. The flow characteristics to the velocity cap with a cap demonstrate that fish entrainment can significantly be minimized on account of the low vertical flow component around the cap. The flow pattern around the diffuser is well agreed with the schematic diagram by Jirka and Harleman.

수치모의를 통한 원자력 발전소 심층 취·배수 구조물 유·출입구 주변에서의 수리학적 흐름특성 고찰

증기를 발생시켜 터빈(turbine)을 회전시키는 화력 및 원자력 발전 계통에서 냉각시설은 필수적인 구조물이며, 냉각수 순환 계통은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입시켜 증기와 열 교환 후 다시 외해로 배출시키는 형태를 취하고 있다. 최근 냉각수 취 배수 방식을 표층 취 배수 방식이 아닌 심층 취 배수 방식으로 변경하고 있는데, 기존 원전의 재순환 온도에 대한 영향을 최소화 하고, 온배수 방류시 밀도차로 인한 부력으로 온배수 혼합효과를 높여 온배수에 의한 환경피해 범위를 최소화하기 위해서이다. 특히, 하절기에 저층의 저온 냉각수를 취수할 수 있다는 이점 때문에 향후 계획되는 발전소들도 심층 취 배수 방식을 도입할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 원자력 발전소의 냉각시설 중 심층 취 배수 구조물의 입구 주변을 3차원 전산유체역학 코드인 $FLOW-3D^{(R)}$로 모사하여 그 흐름특성을 분석하였다. 취수구(intake)의 경우 연직취수 조건에서 유속 덮개(Velocity cap), 배수구(diffuser)의 경우 방류수의 분사방향에 변화를 주어 모의하였으며, 그 결과 취수구의 경우 유속덮개에 의한 연직 유속성분의 현저한 감소로 인한 어류 유입영향을 최소화할 수 있을 것으로 판단되며, 배수구 희석효과는 Jirka 및 Harleman이 제시한 2차원 온배수 프룸(frume)과 잘 일치 하는 것으로 나타났다.