설계공학특론 기말발표 윤종웅, 정운호 설계공학특론 석사반 팀12 Department of Nuclear Quantum Engineering Korea Advanced Institute of Science and Technology June 9, 2016

원자력공학이란? 원자로 노심설계 계통설계 핵폐기물 관리 및 재처리 방사선의 이용 원자력공학은 좁게는 원자로 노심설계와 열수력계통설계와 같은 설계공학부터 넓게는 핵폐기물 관리 및 재처리, 방사선의학이나 비파괴검사와 같은 방사선의 활용법에 대한 연구까지 포괄한다. 440기로 세계 총발전량 10% 25기로 국내 총발전량 중 30%가량 차지 국내 원자력을 화력으로 대체하면 이산화탄소 배출량 1억4747만톤 증가 유럽 탄소배출권가격으로 환산하면 1조610억원에 달함 이렇듯 원자력 발전은 이미 인류사회에서 아주 중요한 입지에 있음

Science Engineering 원자력공학이란? 1690년 프랑스 Denis Papin, piston engine 과 centrifugal pump 발명 1698년 영국 토마스 사베리, 초기 스팀엔진인 사베리엔진 개발 (Miner’s Friend) 1769년 스코틀랜드 제임스 와트, 응축기를 이용한 증기기관 효율 증대 및 실용화 세명 다 인류역사의 전환점이 된 발명품인 증기기관 개발에 한 획을 그은 공학자이나 스팀엔진의 과학적 원리보다는 그 구현 및 실험을 통한 성능향상에 힘씀. 수업시간에 배운 정의 과학이란, 자연현상에 대한 해석(解釋, interpretation)과 자연법칙의 해명(解明) 및 확립을 목적으로 하는 학문. 공학이란 “사람이 또는 사회가 필요로 하는 또는 욕구(欲求)하는 유형(有形), 무형(無形)의 것을 구현하는 학문” 인류가 문명사회를 이룬 이후 아주 오랜기간동안 공학이 과학을 선도. 왜 이런지는 잘 모르겠지만 이렇게 하면 좋다! 가 핵심. 하지만 원자력은 과학이 공학을 선도한 대표적인 케이스. 원자력발전에 대한 이론이 철저하게 정립되고나서 그것을 실제로 실현시켰다. Engineering

원자력공학의 특징 발전속도가 더디다 왜? 안전이 제일 중요하기 때문에 가능한 모든 나쁜 상황에 대한 시나리오 분석 항상 보수적으로 연구하고 철저하게 검증된 기술만 사용 될 것 같은 좋은 기술보다 여태까지 잘 작동하던 낡은 기술 선호 개발된 기술 실증과 검증이 느림 원자로에서 발생가능한 상황을 정확하게 예측하기 위한 모델 또는 방법론 개발에 초점 과학이 공학을 선도한 학문인만큼 발전 속도가 빠를 것 같지만 다른 어떤 공학보다도 발전 속도가 더딤. 체르노빌 사고도 상용 원자로를 이용해 실험을 하려다 실패해서 생긴 사고

원자력 안전

정운호의 연구 안전주입탱크 유량조절장치의 성능 평가를 위한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 방법론 개발 및 검증

연구배경

연구정의 목적 필요성 안전주입탱크 유량조절장치의 성능 평가를 위한 CFD 해석 방법론 개발 및 검증 노심 급수가 충분치 않아 노심이 공기 중에 노출되면 바로 노심 융해 또는 그에 준하 는 대형사고로 이어진다 따라서 원자로 안전주입탱크와 그에 포함된 유량조절장치의 정확한 성능예측이 필 수 유량조절장치의 형태가 복잡하고 내부에서 질소와 물이 섞여 와류를 형성하기 때 문에 유동 거동을 분석하기 어려움 이를 타파하기 위해 CFD 해석을 이용해 왔으니 현재의 방법론은 안전주입탱크 상부 기체와 물의 경계면에 대한 모사가 부정확 보다 정확하게 안전주입탱크 내부에서의 유동을 예측할 수 있는 CFD 해석 방법론의 개발이 시급 CFD 해석을 통해 도출 된 결과가 실제와 잘 맞는지에 대한 검증 또한 필요

연구방법 고난에 타협하지 않는 끈기 치밀한 논리적 사고 논리적 사고의 유연성 내 연구의 정의부터 철저하게 짚어보자!

연구방법 공간상 제약이 있어 Full-size 실험은 불가능 유동거동을 지배하는 무차원수에 대한 정보가 부족해 scailing을 하기도 힘듬 Fluidic device의 구조가 복잡해서 크기를 줄이면 내구도에 문제 40bar로 압력이 높아 실험장치 압력용기의 두께가 지나치게 두꺼워짐 문제점 Low-flow mode에서 fluidic device 내부에서의 vortex 형성 CFD 해석 방법론을 검증할 수 있기만 하면 된다. 문제의 본질 Fluidic device의 구조 단순화 방법론 검증은 CFD 모델을 실험장치에 맞추어 변경해서 진행한다 구조를 단순화시키면 기존 SIT와는 유동이 다르니 압력도 낮출 수 있음 압력이 낮으면 가시화 용이 가시화를 통해 더 좋은 데이터를 뽑아보자 -> PIV 도입 해결책

연구방법

윤종웅의 연구 PIV기법을 활용한 IVR-ERVC 상황에서의 임계열유속 상관식 개선

연구배경 중대사고의 정의? 중대사고 완화 전략 원자로의 노심(Core)이 냉각되지 못하여 핵연료가 용융되는 사고 노심 출구 온도 1200 °F 이상에서 중대사고로 판단 중대사고 완화 전략 중대사고를 예방 위해 다양하고 다중적인 안전계통 존재 그럼에도 만약 중대사고가 일어난다면 어떻게 사고를 완화할까?

연구배경 IVR-ERVC (In-vessel retention/external reactor vessel cooling) 노심 용융물을 원자로 안에 억류시키는 것이 기본 철학 원자로 동공에 냉각수를 채워서 원자로를 물 속에서 냉각 자연순환 유동 상황에서 비등열전달 현상 발생 원자로 외벽의 임계열유속 (Critical heat flux)이 성패를 결정 <System configuration of IVR-ERVC strategy> <IVR-ERVC strategy>

연구정의 원자로 하부 곡면에서의 임계열유속 연구 이전 연구들의 동향 이전 연구들의 한계 임계열유속 측정실험 → 상관식 개발 임계열유속 모델 제시 이전 연구들의 한계 평균적, 광역적인 유동조건을 사용 주요 인자인 유동 속도에 대한 연구 부족 나만의 연구 → 유동장의 실험적 측정을 통한 임계열유속 상관식 개선

연구 방법 유동장 측정 실험 방법? PIV(입자 영상 유속계) 해양, 항공 분야에서 사용되는 유동 속도 측정 방법 창의성 <Conceptual diagram of PIV technique> 논리적 사고의 유연성 원전 계통 원자로 열수력학 임계열유속 확장 응용 변 형 재 정 립 통 합 반대쪽 정의 원리 현재의 확립된 정의 PIV 가시화 법칙 합리적인 논리적 사고 전문 지식 주변 새로운 주 전문 지식 전문 지식 일 반 지 식

연구방법 PIV 실험 문제점 LIF/PIV 이상유동에서 버블의 레이저 산란현상 추적 입자의 가시화 불가능 → LIF(Laser induced fluorescence) 기법 접목 후 해결: 작전적 지식 활용 LIF/PIV 기본 PIV 기법과 같은 원리를 사용하지만, 특정 파장의 빛을 산란하는 형광 추적 입자와 광학 필터 사용

결론 주 전문 지식에 새로운 주변 전문 지식인 PIV 기법을 통합하고, LIF 기법을 확장 응용하여 논리적 사고의 유연성을 통해 새로운 연구방법을 적용 창의성 논리적 사고의 유연성 원전 계통 원자로 열수력학 임계열유속 확장 응용 변 형 재 정 립 통 합 반대쪽 정의 원리 현재의 확립된 정의 PIV 가시화 LIF 법칙 합리적인 논리적 사고 전문 지식 주변 새로운 주 전문 지식 전문 지식 일 반 지 식

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