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문제 정의
- 본 연구에서는 고준위 핵폐기물 처분 시 발생되는 열을 효율적으로 제거하기 위해 계절별 환기시스템을 가동하였을 때 변화되는 열전달계수를 계산하고자 하였다. 이를 위해 한국원자력연구소 내 고준위처분시스템의 실증을 위해 건설된 지하처분연구시설(KURT)에서 환기기를 가동시킨 후 처분장내 대기의 기상조건을 실측하였다.
- 이에 본 연구에서는 한국원자력연구원에서 고준위 폐기물 처분시스템의 다양한 현장 실증 연구를 위해 건설한 KURT에서 계절에 따른 열전달계수 산정을 목표로 대기온도 변화가 가장 뚜렷한 여름철과 겨울철에 실측을 실시하였다. 결정질 화강암반에 위치하고 있는 KURT는 터널크기 6m×6m로서 하향구배 10%의 180 m의 진입터널과 75 m의 연구모듈 터널로 구성되어 있다[5].
제안 방법
- 강제대류 조건에서 KURT 내 히터구간의 열전달계수는 앞서 언급한 바와 같이 점성계수와 공기밀도를 통해 산정된 레이놀즈수를 통해 대류열전달계수(hc)를 결정하였다. 그리고 실측된 시간별 건구온도를 통해 복사열전달계수(hr)를 결정하여 계절별 전체 열전달계수(ht)를 산정하였다.
- 이에 본 연구에서는 히터구간에서 측정된 섭씨온도를 절대온도로 환산한 후 식(12)를 이용하여 시간별 랭킨온도를 계산하였다. 계산된 랭킨온도를 토대로 역학적 점성계수를 산출하여 히터구간 내 유동형태를 검토하였고, 실측을 통해 산출된 마찰계수로 누셀트 수를 구하여 대류열전달계수를 산정하였다.
- 고준위 방사성 폐기물 처분장 내의 온도 예측을 위해 여름철과 겨울철로 나누어 KURT 내 히터구간의 건구온도, 습구온도, 암반표면온도 및 고도를 측정하였다. 또한 강제대류조건의 열전달계수 산정을 위해 오전 10시 45분부터 환기기를 가동하여 히터구간 내에 외부공기를 유입시켰다.
- 고준위 폐기물 처분장의 경우 방사성 동위원소의 붕괴 현상으로 인한 발열과정으로 처분장 내부에 심각한 온도상승을 제어하여야 한다. 그래서 본 연구에서는 여름철과 겨울철로 나누어 KURT 내 환기 시설을 작동하여 히터구간 내 대기를 강제대류 상태로 만들고 그에 따른 열전달계수를 결정하였다. 강제대류조건을 위한 환기기는 오전 10시 45분에 가동하여 오후 5시에 멈추었으며, 기류 공급은 급기 방식으로 설정하였다.
- 02 W/m2ㆍK 밖에 차이를 나타내지 않았다. 그래서 본 절에서는 이론적으로 히터구간 대기의 풍속을 0.5 m/s 에서 5 m/s 의 변화를 가정하여 여름철과 겨울철의 hc의 변화를 분석하였다.
- )를 결정하였다. 그리고 실측된 시간별 건구온도를 통해 복사열전달계수(hr)를 결정하여 계절별 전체 열전달계수(ht)를 산정하였다.
- 그리고 히터구간의 대표직경 및 형상들을 레이저를 이용한 거리 측정 장비인 오스트리아의 Leica사 제품 DISTOTM lite를 사용하여 측정하였다(Fig. 11). 거리 0.
- 고준위 방사성 폐기물 처분장 내의 온도 예측을 위해 여름철과 겨울철로 나누어 KURT 내 히터구간의 건구온도, 습구온도, 암반표면온도 및 고도를 측정하였다. 또한 강제대류조건의 열전달계수 산정을 위해 오전 10시 45분부터 환기기를 가동하여 히터구간 내에 외부공기를 유입시켰다.
- 본 실험에서 히터구간은 KURT 외부에 설치된 급기 팬으로부터 연결된 덕트에 의해 일정 풍량의 외부공기를 유입시킴으로써 강제대류(Forced convection)상태를 만들었다. 전체 열전달계수는 식(1)과 같이 대류열전달계수(hc)와 복사열전달계수(hr)로 구성되어 있으며, 복사열전달계수에 수분에 의해 제거되는 열을 나타내는 흡수분율 (Absorption fraction)를 곱한 수치와 대류열전달계수와의 합으로 나타나게 된다[6].
- 본 절에서는 여름철 자연대류조건에서 산정한 열전달계수 수치와 강제대류조건에서의 열전달계수를 비교하였다. 자연대류시 열전달계수는 hr 약 5.
- 산정된 점성계수와 평균 공기밀도를 통해 계절에 따른 레이놀즈수를 결정하였다. Fig.
- 암반의 표면온도는 히터가 삽입된 위치를 중심으로 전방위 30 cm 거리의 온도를 평균하여 사용하였는데, Fig. 10의 적외선을 이용하여 -32℃∼535℃까지 측정 가능한 미국의 Raytak사 제품인 ST20-Pro를 사용하였다.
- 2 m∼200 m에서 오차범위 ±3 mm로서 비교적 정확한 수치를 보인다. 열전달계수 산정 시 필요한 히터구간의 대기압은 Fig. 12의 미국 American Paulin System사의 Model T-5 altimeter를 사용하여 시간에 따른 고도 측정 후 대기압으로 환산하였다.
- 본 연구에서는 고준위 핵폐기물 처분 시 발생되는 열을 효율적으로 제거하기 위해 계절별 환기시스템을 가동하였을 때 변화되는 열전달계수를 계산하고자 하였다. 이를 위해 한국원자력연구소 내 고준위처분시스템의 실증을 위해 건설된 지하처분연구시설(KURT)에서 환기기를 가동시킨 후 처분장내 대기의 기상조건을 실측하였다. 실측 데이터를 이용하여 열전달계수를 산정한 결과는 아래와 같다.
- 열전달계수는 대류열전달계수와 복사열전달계수로 구성되어 있으며 대류조건(강제대류 & 자연대류)에 따라 그 수치가 달라진다. 이에 대한 기존 연구들을 살펴보면 강제대류조건에서 복사에 의한 열전달 효과는 매우 작아 무시 가능하므로 대류열전달계수를 통해 실험공간의 열전달계수가 결정된다[2] 라는 보고가 있으나, KURT 내 강제대류 조건의 특성상 지하 내부에 충분한 풍속이 형성되지 못하여 본 연구에서는 복사에 의한 열전달 효과를 포함시켰다. 그리고 강제대류 시 콘크리트 양생과정에서의 대류열전달계수의 변화 요인으로는 유입공기의 풍속과 대기의 온도를 들 수 있는데, 20℃~30℃ 범위에서의 온도 변화는 대류열전달계수에 큰 영향을 주지 못하는 것[3]을 알 수 있었다.
- 이에 본 연구에서는 히터구간에서 측정된 섭씨온도를 절대온도로 환산한 후 식(12)를 이용하여 시간별 랭킨온도를 계산하였다. 계산된 랭킨온도를 토대로 역학적 점성계수를 산출하여 히터구간 내 유동형태를 검토하였고, 실측을 통해 산출된 마찰계수로 누셀트 수를 구하여 대류열전달계수를 산정하였다.
- 히터구간 내 대기의 환경인자 측정에 앞서 향후 시뮬레이션에 적용 될 형상을 DISTOTM lite 기기를 사용하여 측정하였다. KURT 설계 및 시공 시 결정된 보강 후 단면적은 6 m×6 m이나 발파작업으로 인하여 Fig.
- 히터구간 모듈에서의 열전달 계수 결정을 위해 대기의 건습구 온도, 대기압, 암반표면온도를 오전 10시부터 오후 5시까지 30분 간격으로 계측을 실시하였다. 열전달 산정에 필요한 건구온도 및 습구온도는 Fig.
- 그리고 터널 환기에 의한 열손실을 차단하기 위해 히터 시험구간에는 차단벽이 설치되어 있다. 히터구간을 강제대류조건으로 설정하기 위해 오전 10시45분부터 KURT 외부에 설치된 터보팬으로부터 일정한 풍량을 지속적으로 공급하였고, 열전달계수 산정에 필요한 대기의 건ㆍ습구온도, 암반표면온도 및 고도를 30분 간격으로 여름철과 겨울철로 나누어 측정하였다.
대상 데이터
- 터널크기는 6m×6m로서 하향구배 10%의 180 m의 진입터널과 75 m의 연구모듈 터널로 구성되어 있다. KURT 내부를 지탱하고 있는 암반은 결정질 화강암반이며, 본 연구에서 실측이 이루어진 히터구간은 90℃로 발열되고 있는 히터로 인해 건조한 암반표면인 상태이다. Fig.
- 결정질 화강암반에 위치하고 있는 KURT는 터널크기 6m×6m로서 하향구배 10%의 180 m의 진입터널과 75 m의 연구모듈 터널로 구성되어 있다[5]. 연구모듈 터널은 시추공 히터시험(Borehole heater test, BHT) 구간으로써, KURT 우측 연구모듈 막장 벽면에서 실시되며 길이 2 m, 용량 5 kw의 히터가 90℃로 암반 내부를 가열하고 있고, 주변으로 15개의 관측공이 천공되어 있다. 그리고 터널 환기에 의한 열손실을 차단하기 위해 히터 시험구간에는 차단벽이 설치되어 있다.
- 터널크기는 6m×6m로서 하향구배 10%의 180 m의 진입터널과 75 m의 연구모듈 터널로 구성되어 있다.
이론/모형
- 775 m의 값을 나타냈다. 그리고 레이놀즈수 산정을 위해 시간에 따른 히터구간의 공기밀도를 식(11)의 이상기체 방정식을 통해 계산하였으며, 유입공기의 유속 v는 hot wire를 이용해 실측하였다.
- 본 절에서는 레이놀즈수에 중요한 영향을 끼치는 역학적 점성계수 (이하 점성계수)를 산정하기 위해 히터구간 내에 건구온도를 측정하여 식(12)의 Sutherland‘s Formula를 이용하였으며, 식(11)의 이상기체 방정식을 통해 시간에 따른 공기 밀도를 결정하여 히터구간 내부의 레이놀즈수를 산정하였다.
성능/효과
- 1. 환기 시설에서 발생되는 토출 풍속은 약 6.5 m/s로 측정되었지만 환기 설비 구조상 히터구간 내 발생되는 풍속은 평균 0.81 m/s로서 매우 적은 수치를 나타냈다. 시간에 따른 점성계수와 공기밀도를 산정하여 레이놀즈수를 결정하였는데 여름철과 겨울철 평균 레이놀즈수는 각각 318,941, 333,583으로서 환기기 가동에 의해 히터구간 내 대기가 난류 유동 형태를 나타내었다.
- 2. 여름철 hr은 5.86 W/m2ㆍK, 겨울철은 5.43 W/m2ㆍK로서 환기기를 통한 일정 풍속의 유입공기에 의해 히터구간 내부의 대기온도가 여름철에 비해 겨울철이 낮기 때문에 약 0.43 W/m2ㆍK 가량 여름철 hr의 수치가 더 높았다. 그리고 레이놀즈수에 의해 큰 변화를 나타내는 hc는 유입되는 공기의 풍속이 환기기 가동으로 계절에 상관없이 일정하여 레이놀즈수의 차이가 크지 않아 여름철 5.
- 3. 여름철 대류조건에 따른 열전달계수를 비교한 결과, 자연대류조건일 때 보다 강제대류조건에서 열전달계수의 수치가 69.42% 증가하였는데, 특히 복사열전달계수 hr의 증가율은 2.18%인 반면 대류열전달계수 hc는 약 125.3%로서 상당한 증가율을 나타냈다.
- 4. 본 연구를 통해 강제대류 시 계절의 변화에 따른 KURT 내 히터구간의 전체 열전달계수는 일정 풍속의 공기를 유입 시킬 경우 계절 변화에 상관없이 일정한 수치를 나타낼 것으로 판단된다. 그리고 강제대류시 전체 열전달계수의 결정의 핵심 요소는 복사열전달계수가 아닌 대류열전달계수라고 사료된다.
- 이러한 결과는 지하 공간 내 강제대류조건에서의 열전달계수 변화는 유입되는 공기를 통한 온도변화 차이에 큰 영향을 받는다고 판단된다. ht 분석결과, 여름철의 평균 ht는 약 7.68 W/m2ㆍK 로서 겨울철에 비해 상대적으로 일정한 값을 나타내었고, 겨울철 ht는 최소 7.16 W/m2ㆍK, 최대 7.42 W/m2ㆍK의 범위에서 변화하였으며 평균 7.24 W/m2ㆍK의 수치를 나타냈다.
- 단면을 기준으로 가로의 길이는 약 6.8 m로 측정되었으며, 측면은 2 m 간격으로 높이를 측정하여 평균을 낸 결과 약 6.19 m를 나타내었다. 그리고 좌측 벽면의 히터는 바닥으로부터 약 2 m 위치에 설치되었다.
- 대기유속에 따른 hc 산정 결과 계절에 큰 상관없이 0.5 m/s 당 약 2.7 W/m2ㆍK∼3.2 W/m2ㆍK 가량 증가하였다.
- 이는 자연대류와 강제대류조건일 때 hc의 확연한 차이를 보여준다. 두 가지 열전달계수를 바탕으로 ht를 평균적으로 보았을 경우 자연대류 시 4.533 W/m2ㆍK, 강제대류 시 7.46 W/m2ㆍK로써 강제대류조건에서 ht가 약 69.42% 증가하였다.
- 대류열전달계수는 암반표면의 온도와 대기온도 사이의 차이에 비례하는 형태로 나타나게 되며, 이는 기체의 물성 값이 아니라 기체의 유동형태에 의존하게 된다. 본 연구가 진행된 KURT 내 히터구간에서는 기체의 운동이 환기기 가동에 의해서 강제대류 조건을 나타내어 열전달의 많은 부분은 대류열전달에 의해 일어날 것으로 예상되지만, 유입되는 공기의 풍속이 작은 경우는 복사열전달의 효과와 큰 차이가 없을 것으로 사료된다. 식(7)에서 대류열전달계수는 누셀트 수(Nusselt number)와 공기의 열전도도의 곱을 터널 대표직경으로 나눈 수치가 되며, 본 연구에서 실측된 여름철과 겨울철의 평균 대기온도(22.
- 211 kg/m3 까지 상승하였다. 실측치를 이용한 산정 결과, 여름철 히터구간 내 대기의 건구온도 평균은 22.49℃로서 평균 공기밀도 1.176 kg/m3 을 나타냈으며, 겨울철의 경우 히터구간 내 대기의 평균 건구온도는 15.12℃로서 평균 공기밀도 1.206 kg/m3 을 보였다.
- 식 (9)에서 레이놀즈수는 공기밀도와 정비례관계, 점성계수와는 반비례관계에 있음을 알 수 있는데 수치상으로 점성계수의 크기가 매우 작아 레이놀즈수의 변화에는 큰 영향을 끼치지 못하는 것으로 사료된다. 여름과 겨울의 분석 결과, 각각 평균 318,941 과 333,583 으로서 환기기 가동에 의해 히터구간 내 대기는 난류유동 형태를 나타내었다.
- 적용결과, 여름철의 점성계수는 시간에 따라 증가하는 추세를 보였으며, 겨울철의 경우는 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 13, Fig. 14). 표준대기압 조건에서 공기의 물리적 성질이 대기온도가 20℃일 때 점성계수가 1.
- 81 m/s로 측정 되었다. 환기 시스템 방식의 차이로 인하여 환기팬을 작동하였음에도 불구하고 대기의 기류 풍속이 매우 적어 대류열전달계수가 복사열전달계수 수치와 흡사한 결과를 나타낼 것으로 예상하였다.
- 1 은 계절에 따른 KURT 내 히터구간에서의 암반표면온도와 건습구온도를 시간에 따라 30분 간격으로 실측한 데이터이다. 환기기 가동 후 여름철의 암반표면 온도는 평균 22.65℃, 건구온도는 평균 22.49℃로 측정되었다. 덕트를 통해 유입되는 공기의 평균온도는 24.
후속연구
- 처분장 내 대기 기상조건을 실측하고 열전달계수를 산정하여 최적의 환기시스템이 마련된다면, 방사성 폐기물에서 대기로 전달되는 고열과 독성을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 처분장 내 작업원들의 작업환경을 개선하고 각종 위험요소를 저감시켜 친환경적인 고준위 방사성 폐기물 처분장의 건설이 가능할 것으로 사료된다.
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