MARS-KS 동적운동모델을 활용한 해양조건에서의 해양 부유식 원자로 열수력 해석

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 에너지시스템공학부, 2022. 8. 조형규.최근 다양한 국가와 기관에서 탄소 중립을 위한 에너지원으로 해양 원전을 주목하고 있다. 2018년 국제 해사 기구(IMO)에서 선박에서 배출되는 탄소 절감을 위한 전략을 발표함에 따라, 선박 추진을 위한 해양 원전 사용이 증대될 것으로 예상되고 있다. 또한, 해양 부유식 원자력 발전에 대한 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 부유식 원전은 뛰어난 기동성을 바탕으로 오지 전력 공급 및 해양 탐사 등에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 해양 원전은 바다의 파도와 조류에 의해 움직이는 선박 플랫폼 위에서 작동되기 때문에, 기존의 육상 원전 시스템과는 다른 열수력 현상이 발생한다. 이에 따라, 해양 원자로 내 유체 거동을 예측하기 위해서, 시스템 열수력 해석 코드는 해양 환경이 발생시키는 외력을 반영하여 유체역학적 효과를 계산할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구의 목표는 MARS-KS의 동적운동모델을 개선하여 해양 원자로 시스템에 대한 안전해석 능력을 확보하는 것이다. MARS-KS는 경수로 원자로에 대한 과도 해석을 수행하는 시스템 열수력 해석 코드로, 동적운동모델이라는 특수 옵션을 통해 원자로에 미치는 경사 및 요동의 효과를 계산할 수 있다. 이전 선행 연구를 통해 모델 개선이 이루어졌지만, 1차원 PIPE 컴포넌트에 초점을 맞추어 연구가 진행되어 실제 모델의 사용에는 많은 제약이 있었다. 따라서, 본 연구에서는 다음과 같은 코드 수정을 통해 동적운동모델을 확장하였다. 먼저, PIPE 이외의 BRANCH와 ANNULUS와 같은 다양한 1차원 컴포넌트를 대상으로 모델을 적용하였다. 이를 위해 볼륨 연결 벡터의 처리 방식과 벡터 부호 계산 알고리즘, 유동 양식 맵 결정 방법에 대한 코드 수정이 이루어졌다. 두번째로는 코드의 해석 정확도를 높이기 위해 일부 수치 계산법이 개선되었다. 동적운동에 의한 외력의 수학적 특징을 고려하여 압력 수두 계산 방법을 수정하고, 사용자 입력 테이블의 적분 방식을 변경하여 수치 오차를 최소화하였다. 마지막으로, 다차원 컴포넌트 MULTID을 대상으로도 모델을 확장하였다. 회전 좌표계에서의 다차원 유동 효과를 구현하기 위해, 전향력(Coriolis force)에 대한 가속도 모델이 MULTID 지배방정식에 추가되었다. 본 연구에서 수행된 동적운동모델 코드 개선에 대한 검증을 위해 다양한 개념문제가 도입되었다. 일차원 및 다차원 컴포넌트를 포함하는 문제를 설계하고 모델을 적용해보고자 하였다. 다방면의 모델링 상황과 운동 조건에 대하여, 코드의 해석 결과와 이론해의 비교를 통해 모델 성능을 확인하였다. 전향력 모델의 경우, 전산 유체 역학 코드를 이용한 시뮬레이션을 추가로 수행하여 정량적 평가를 진행했다. 또한, 선박 침수 실험을 대상으로 한 모델 검증도 수행되었다. 코드를 이용해 실험을 재현한 결과, 배가 기울어지는 상황에서 격실 간의 유체 이동이 동적모델을 통해 적절히 예측되는 것을 확인하였다. 이러한 검증 과정을 통해 동적운동모델의 코드 개선이 타당하게 이루어졌으며, 다양한 컴포넌트에 적용 가능하다는 것을 증명하였다. 동적운동모델의 활용성을 높이기 위해 본 연구에서는 다음과 같이 두가지 해석이 진행되었다. 첫번째는 단순화된 중력 기반 안전 주입 시스템이다. 동적 운동 상황에서 해당 시스템의 작동 성능을 확인하였고, 이를 통해 해양 원자로 해석 시 일차원 및 다차원 모델링의 필요성을 분석하였다. 두번째로는 해양 부유식 원자로 BANDI-60S에 대한 안전해석을 수행하였다. 수직 조건, 경사 조건, 요동 조건의 원자로를 가정하고, 정상운전 및 소형 냉각재 상실 사고(SB-LOCA) 상황에서의 원자로 안전성을 평가했다. 동적 운동의 영향을 고려하여 노심 등의 원자로 시스템의 일부 기기는 다차원으로 모델링 되어 해석에 활용되었다. 정상 운전 조건에서는 해양 환경의 영향이 미비했던 것이 반해, 사고 상황에서는 동적 운동에 의해 원자로의 거동이 달라졌으며 특히 경사 조건의 영향이 크게 나타났다. 또한, 경사 상황에서 파단부 높이에 따른 사고 영향을 확인하고자, 높은 DVI 설계에 대한 해석이 추가적으로 수행되었다. 실제 원자로 시스템에 대한 안전해석을 통해, 해양 원전의 성능과 안전 평가를 위한 MARS-KS 동적운동모델 해석 능력을 달성했음을 확인할 수 있었다.Various countries and institutions have spotlighted marine reactors as a zero-emission energy source for ship propulsion or offshore plants. Since International Maritime Organization (IMO) established a strategy to reduce total emissions from shipping in 2018, the use of the nuclear reactor is expected to be extended for commercial ship propulsion. Developments of floating nuclear power plants are also being conducted as they have strength of multi-purpose application and high mobility; to power remote areas, and support electricity for marine exploration. As a marine reactor operates under the waving ship platform, the thermal-hydraulic phenomena in the system must be different from land-based reactors. To predict the fluid behaviors in the reactor, the system thermal-hydraulics code requires advanced capability to simulate the hydrodynamic effects reflecting the external forces that the moving environment generates. Therefore, the aim of this study was to improve MARS-KS to be applied for the safety analysis of marine reactor system by implementing and improving the moving reactor model. MARS-KS is a code for thermal-hydraulic system analysis of light water reactor transients and employs a moving reactor model that can calculate inclination and rolling effects on the reactor system. Despite the enhancements were made through the previous researches, however, the model had limitations since the studies had been made focusing on one-dimensional PIPE components. In this study, the following code improvements were introduced to extend the model. Firstly, the model was implemented for various one-dimensional components including BRANCH and ANNULUS. It accompanied the modification on the volume connection vector, density calculation algorithm, and flow regime map determination. Next, the numerical calculation methods in the model were updated to obtain the enhanced accuracy. The advanced scheme of the pressure head calculation was introduced considering the mathematical characteristics of external forces. The integral method for the user-supplied table was also changed to minimize the error. Lastly, the model was applied for MULTID component. The Coriolis force was newly modeled in the governing momentum equations to analyze the multi-dimensional flow effect under motion conditions. The improved moving reactor model was verified with conceptual problems that were designed to observe the modified code features. The problems showed the performance of the motion model in diverse modeling and dynamic motion conditions. The verification was conducted by comparing the code simulation results with analytical solutions. For the Coriolis force model verification, the computational fluid dynamic (CFD) code simulation was additionally performed for quantitative analysis. The validation of the motion model was also performed against ship flooding experiment. It showed that the code could simulate the fluid movement crossing the compartments under inclining conditions. The verification and validation concluded that the motion model was well modified and able to work on any components. Two demonstrations regarding reactor safety were performed using improved motion model. Firstly, the simplified gravity-driven safety injection tank was simulated under motion conditions, suggesting the features of one- and multi-dimensional modeling in the marine reactor analysis. Secondly, the off-shore floating reactor BANDI-60S was analyzed in the normal operation and Small Break Loss of Coolant Accident (SB-LOCA) under ocean conditions. The plant system adopted both one- and multi-dimensional modeling feature in order to capture motion effect. While the reactor in normal operation was almost unaffected by the motion environment, the accident transients showed a different reactor behavior especially under inclination. Moreover, the high DVI design was additionally simulated under inclination showing that it could affect the core temperature and the recirculation. The safety analysis of practical reactor system brought the point that the MARS-KS moving reactor model became applicable for the evaluation of marine reactor design performance and its safety.Chapter 1. Introduction １ 1.1. Study background １ 1.2. Objectives and scope ４ Chapter 2. Improvement of MARS-KS Moving Reactor Model ６ 2.1. MARS-KS moving reactor model ６ 2.1.1. Mathematical formulation ７ 2.1.2. Motion input option ９ 2.2. Code modification for the model extension １０ 2.2.1. Re-establishment of volume connection １０ 2.2.2. Improvement of flow regime map determination １２ 2.2.3. Accuracy improvement in pressure head calculation １３ 2.2.4. Modification of the vector sign algorithm １５ 2.2.5. Modified integral method for user-supplied table １６ 2.2.6. Coriolis acceleration model for MULTID １８ Chapter 3. Verification and Validation of MARS-KS Moving Reactor Model ２７ 3.1. Verification of moving reactor model ２７ 3.1.1. BRANCH channel problem ２７ 3.1.2. Yawing rectangular slab problem with various nodalization modeling ２８ 3.1.3. Two vertical PIPEs problem ２９ 3.1.4. Verification of Coriolis acceleration model ３０ 3.2. Validation of moving reactor model ３５ 3.2.1. Ship flooding experiment (Ruponen et al., 2007) ３５ Chapter 4. Application for Marine Reactor Safety Analysis ６３ 4.1. Simplified gravity-driven injection system ６３ 4.2. Safety analysis on floating reactor under motion condition ６６ 4.2.1. Overview of offshore floating reactor, BANDI-60S ６６ 4.2.2. Steady state analysis for normal operation ７０ 4.2.3. Transient analysis for DVI break SB-LOCA ７３ 4.2.4. Transient analysis for DVI break SB-LOCA with upper DVI/RRV design ８０ Chapter 5. Conclusions １２９ Nomenclature １３２ References １３４ 국문 초록 １３８석

폐교가 농촌 커뮤니티에 미치는 영향에 관한 연구

학위논문 (석사)-- 서울대학교 환경대학원 환경계획학과, 2017. 8. 이희연.저출산·고령화로 인한 인구감소는 지방소멸의 위협으로 이어지고 있다. 특히 농촌의 초등학교 학령기 인구 감소로 인한 학교 통폐합은 매우 심각한 수준이다. 이미 전국에서 약 4,000개교에 달하는 학교가 학생 수 부족으로 폐교되었다. 농촌에서의 폐교는 지역사회의 쇠퇴를 더욱 가속화 시킨다는 우려가 커지고 있으며, 이로 인해 일본 뿐 아니라 국내에서도 학생 한명을 위해 학교 문을 다시 여는 사례도 나타났다. 본 연구는 이러한 배경 하에서 초등학교 통폐합이 농촌 커뮤니티에 미치는 영향을 분석하는데 목적을 두었다. 본 연구는 다음과 같은 세 가지 연구 질문에서 시작되었다. 첫째, 소규모 지역에서 폐교가 발생하면 어린 자녀를 동반한 인구 이동이 얼마나, 어느 기간 동안 나타나는가? 둘째, 소규모 지역에서 폐교 이후에 나타나는 인구이동은 지역의 출산력과 인구구조에 어떠한 변화를 가져오는가? 셋째, 소규모 지역에서 폐교 이후 지역민들이 겪는 사회‧경제‧심리적 측면에서의 어려움은 무엇인가? 인구이동 및 인구 특성 변화 분석을 위해 강원도에서 폐교가 다수 발생한 정선군과 홍천군, 춘천시의 면들을 선정하였으며, 사례지역 분석을 위해 폐교 발생 이후 학교가 전부 사라진 춘천시 남면과 초등학교가 하나 남은 춘천시 북산면을 비교대상지역으로 선정하여 참여관찰을 중심으로 주민면담과 학부모 대상 설문조사를 수행하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 인구이동의 분석 결과, 폐교발생 이후 10세 미만의 자녀를 동반한 인구 전출의 급증과 전입감소를 보이고 있다. 또한 인구감소가 크게 나타난 이후 폐교발생 시, 전출에 변화가 없거나 오히려 감소를 보이는 한편, 전입의 감소가 더욱 두드러지게 나타나 순 이동률이 (-)를 보이고 있다. 전체적으로 폐교 이후 2-8년 사이에 더욱 순 이동률의 감소가 컸으며, 14년이 지난 시점부터는 점차 회복추이를 나타내었다. 이렇게 전출한 인구는 춘천시의 경우 70%가 지역 내에서 이동한 반면, 정선군과 홍천군은 60-70%가 자녀를 데리고 타지로 이주하여 군의 위기로까지 이어질 수 있다. 둘째, 폐교 발생 이후 가임여성 인구의 유출은 지역 출산력 감소로 이어져, 전출 증가와 출산력 감소의 상반된 추이를 나타내었다. 또한 이와 같은 젊은 인구 및 출산력의 감소는 장기적으로 지역의 인구특성에도 영향을 미쳐, 지역 내 유아 및 학령기 인구와 가임여성 인구 등의 감소 및 고령인구 증가로 이어졌으며, 인구 3,000명 미만의 소규모 지역일수록 그 타격은 더욱 크게 나타났다. 셋째, 1,000여명의 소규모 마을에서 폐교가 된 마을과 학교가 존립한 마을을 비교한 결과, 폐교 이후 약 10년간 학교가 존재하지 않았던 지역은 학교가 남아있는 지역에 비해 주민활동 및 지역 활기 면에서 가장 큰 차이를 보였다. 북산면은 주민들이 자체적으로 활동하는 수준이 높고 지역의 미래에 대한 인식이 긍정적인 반면, 남면은 노인연령층이 지역민의 다수를 차지하게 되면서 정부의존적인 성향이 강했으며 자체활동이 거의 없을 뿐 아니라 지역의 소멸을 걱정하는 주민들도 다수 있었다. 이는 북산면이 강원도 소멸위기 지역 중 2번째라는 소멸위기 지표와는 다소 차이가 있는 결과이며, 오히려 북산면에 비해 남면의 소멸위기 위험 수준이 더 높다고 볼 수 있다. 이와 같이 학교 통폐합은 농촌의 황폐화를 더욱 초래하고 있었으며 특히 소규모 마을의 소멸을 위협하는 요인이 되고 있었다. 따라서 학교 통폐합을 하는 경우, 단순한 학생 수 기준이 아닌 다양한 지역 특성을 고려해야 한다. 본 연구의 정책적 시사점을 다음과 같다. 첫째, 학교 통폐합 기준으로 학교가 위치한 지역 학생들의 경제력에 대한 고려가 선행되어야 하며, 학교 간이 아닌 통합학교와 가정 간의 거리를, 행정구역 단위가 아닌 실질적으로 가까운 곳으로 통합학교를 선정하여 지역 학생들의 부담을 최소화 시켜야 한다. 둘째, 지역특성에 대한 고려를 통해 학교가 지역의 생명 이어가기 기능을 담당할 수 있도록 해야 하며, 운영비 효율을 위한 다양한 학교 운영방안의 모색이 필요하다. 동시에 폐교이후의 부지와 시설들은 최대한 주민들을 위한 공간으로 이용될 수 있도록 이에 대한 고민이 선행되어야 할 것이다. 셋째, 학교 통폐합은 단순한 교육적 개편 문제가 아닌 농촌 문제로 인식될 필요가 있으며, 이를 위해 교육 및 도시 계획적 측면의 융‧복합이 이루어져야 할 것이다.제 1 장 서론 1 1. 연구의 배경과 목적 1 2. 연구의 방법과 연구 대상 지역 4 3. 연구의 범위 5 4. 연구의 흐름도 7 제 2 장 이론적 배경과 선행연구 고찰 9 1. 지역사회에서의 학교의 의미와 역할 9 2. 학교 통폐합의 시기별 정책 변화 16 3. 선행연구 고찰 22 4. 선행연구와의 차별성 35 제 3 장 강원도 폐교 발생의 시계열적 분포와 실태 37 1. 강원도 시군별 폐교 발생의 시계열적 분포 37 2. 강원도 시군별 폐교위기에 처한 학교들의 실태 44 제 4 장 폐교 발생에 따른 인구의 동태적 변화 48 1. 폐교 발생에 따른 인구이동의 변화 48 2. 폐교 이후 인구구조의 변화 72 3. 소결 79 제 5 장 학교 유무가 농촌 커뮤니티에 미치는 영향력 81 1. 사례 마을 선정과 분석틀 81 2. 사례 마을별 학교 살리기 운동 비교 87 3. 소규모 농촌 커뮤니티에서 학교의 영향력 분석 90 4. 소결 121 제 6 장 결론 및 시사점 123 1. 결론 123 2. 정책적 시사점 125 참고문헌 129 학부모 대상 설문지 135Maste

: 공동주택의 인증기준을 중심으로

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 환경조경학과, 2012. 2. 김기호.최근 기후변화에 따른 환경 문제의 심각성은 전 인류의 지대한 관심사가 되었다. 우리정부는 이러한 환경변화를 고려한 지속가능성을 국가의 핵심적인 목표로 두고 있다. 특히, 도시·건축 분야에서는 친환경적 요소에 대한 사전 고려가 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 2002년부터 시행된 친환경건축물 인증제도가 그 대표적인 예로, 2011년 11월 현재까지 인증을 받은 총 건수는 1638건에 달한다. 본 연구는 국내 친환경건축물 인증제도를 다각도로 분석하여 문제점을 도출하고 그 해결방안을 모색하는 것을 목적으로 한다. 연구의 대상은 7개 용도에 대한 인증기준 가운데, 주거부문으로 대표되는 공동주택의 인증기준에 초점을 두고 있다. 또한, 인증기준의 9개 심사분야 가운데 토지이용, 교통, 에너지, 수자원, 환경오염, 유지관리, 생태환경 부문을 집중적으로 다루고 있다. 연구의 진행 과정은 아래와 같다. 우선 예비인증을 획득했으면서 서울시와 수도권에 위치한 44개 공동주택 단지의 인증 제반자료를 토대로 기초통계 분석을 실시하였다. 이를 통해 인증기준의 부문별·평가항목별 특성을 파악하고 문제점을 도출하였다. 또한 본인증을 획득하였으며, 현장조사가 가능한 서울시내 4개 단지를 대상으로 심층 분석을 실시하였다. 이를 통해 인증 획득의 요소인 항목들의 실제 적용 특성을 파악하고, 실효성을 검증하여 문제점을 도출하였다. 다음으로 개정된 지표의 특성 및 문제점을 분석하였다. 개정 이전과 이후의 인증기준을 비교하여, 개정 이전 인증기준에 나타난 문제점들의 개선여부를 파악하였다. 그리고 개정 이전 인증기준의 문제점 가운데 개선되지 않은 요소와 개정 된 인증기준에서 새롭게 나타난 문제점을 종합하여 결론을 도출하였다. 상기의 분석과정을 통하여 도출된 공동주택 친환경 인증기준의 문제점 및 개선방안을 요약하면 다음과 같다. 첫째, 개정된 인증기준에서는 외부환경과 관련된 토지이용 부문과 교통부문의 중요도가 하락하였다. 개선방안으로 해외동향에서 살펴본 근린단위(neighborhood scale)의 친환경 인증기준 개발을 제안하였다. 둘째, 정량적 평가기준에 의한 평가의 한계로 인해 주거환경, 특히 외부환경의 질적 수준이 확보되지 않는 경우가 있음을 확인하였다. 이에 대한 대안으로 질적 평가가 요구되는 항목의 경우 방법론적인 측면에서 가이드라인 형태의 인증기준을 제안 하였다. 셋째, 친환경 인증 공동주택과 비인증 공동주택이 실제 에너지 사용이나 이산화탄소 배출량 측면에서 큰 차이가 발생하지 않았다. 이는 에너지 절감 정도 및 이산화탄소 배출량 저감 정도를 파악할 수 있는 시스템을 연계하여 인증기준에 반영되도록 제안하였다. 넷째, 점수획득이 매우 쉬워 변별력이 떨어지는 평가항목들이 개정 이전의 인증기준에서 지적되었으며, 그 중 일부는 개선되지 않은 채 개정된 인증기준에서 유지되고 있었다. 이 항목들에 대해서는 평가기준을 강화하거나, 배점을 낮추어 변별력을 강화할 것을 제안하였다. 본 연구의 결과는 친환경건축물의 인증기준이 앞으로도 지속적인 개정을 거쳐 도시 · 건축분야의 친환경 계획에 더욱 지대한 영향을 미치게 될 것이라는 점에서 의미를 갖는다. 또한, 친환경 주거단지 조성의 지침 역할을 할 수 있는 친환경건축물 인증제도의 개선은 에너지 부하저감 및 생태환경의 보존과 더불어 주거환경의 질적 향상에 이바지 할 수 있을 것이다.Recently the magnitude of environmental issues related to climate change is becoming significant concerns for human being. Under the circumstances, the government of Korea also aims to set the policies of sustainability considering environmental change. As one of environmental policies in the field of urban planning and architecture, Green Building Certification System(GBCS) has been implemented under the supervision of central government since 2002. The effect of the policy has proven to test 1638 of certification until November 2011, and it is expected to increase the number of applications for the certified buildings due to the financial incentive policies that have been offered. The Certification Criteria of GBCS, however, faces some critical opinions and requirements for upgrading due to several problems. The purpose of this study, therefore, is to define the actual condition and the problems in the certification criteria for the apartment housing based on sustainable development concept for residential complex, and to analyze systematically those problems. The study covers the apartment housing among 6 different building types such as business facilities, apartment housings, lodgings, schools, sales facilities, and mixed use residential complexes. The scope of this research is limited an assessment subject to 7 sectors; the land utilization, transportation, energy, water resources, environmental pollution, maintenance and management, and ecological environment. For the research, firstly, the former 44 indicators were analyzed through 136 assessment scores of certified apartment housings from 2006 to 2010. Secondly, a series of an on-site survey was conducted at four apartment housing projects certified by the former certification system. The field investigation included visual inspection and interviews with apartment managers. Lastly, the newly revised certification system was reviewed. Major findings of this study are as follows: 1) The weighting in the sectors related outdoor space such as the land utilization, transportation and the ecological environment sector decreases markedly in the revised certification system. 2) Some indicators established only to gain a score in the certification assessment of the GBCS-certified apartment housings were not used properly or maintained. 3) The effectiveness of energy and CO2 related indicators is imperceptible. 4) Some problems occurred in the former criteria were not improved in the revised one. To sum up, this paper drew the limitation of GBCS by examining both the former criteria and the newly revised criteria, and made suggestions for the improvement. The additional study is required to develop the criteria and the study range needs to be extended to the all sectors.Maste