설계공학특론 기말발표 윤종웅, 정운호 설계공학특론 석사반 팀12

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

2 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

3 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

4 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

5 원자력 안전

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

7 연구배경

8 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

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

10 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

11 연구방법

12 윤종웅의 연구 PIV기법을 활용한 IVR-ERVC 상황에서의 임계열유속 상관식 개선

13 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?

14 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>

15 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

16 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

17 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

18 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

19 Thank you