초록 ▼

$\circ$ 페블 베드형 원자로 내 열유동 분석
페블 베드형 원자로의 노심내 유동 관측을 위해 패블 모형이 삽입 가능한 풍동과 국지 속도장을 측정하기 위한 PIV 시스템을 자체 개발하였습니다. 이를 통하여, 유동 가시화와 속도장 측정, 국지적 표면 온도 측정 목표까지 달성하였습니다. 또한 기초적인 CFD 해석을 병행하며, 이전 연구자들의 전산 해석 결과와 실험 결과를 비교 분석하여 전산 해석 시 반드시 고려해야 할 요소를 지적하였습니다. 현재 세계적으로 실험데이터가 거의 없는 상황에서, 본 연구의 실험 데

$\circ$ 페블 베드형 원자로 내 열유동 분석
페블 베드형 원자로의 노심내 유동 관측을 위해 패블 모형이 삽입 가능한 풍동과 국지 속도장을 측정하기 위한 PIV 시스템을 자체 개발하였습니다. 이를 통하여, 유동 가시화와 속도장 측정, 국지적 표면 온도 측정 목표까지 달성하였습니다. 또한 기초적인 CFD 해석을 병행하며, 이전 연구자들의 전산 해석 결과와 실험 결과를 비교 분석하여 전산 해석 시 반드시 고려해야 할 요소를 지적하였습니다. 현재 세계적으로 실험데이터가 거의 없는 상황에서, 본 연구의 실험 데이터는 원자력 안전 해석에 보탬이 되고, 추후 실험적 연구의 바탕이 될 수 있을 것이라 판단합니다.
$\circ$ 나노 스케일 안전관련 이상유동 분석
나노유체의 열전도율은 입자 크기 감소에 따라 선형적으로 증가하였고, 핵비등 영역에서의 열유속차이는 물보다 낮은 열전달 효과를 보였으며 이는 four conductivity probe에서도 같은 열유속에서 나노유체의 경우 2~3배 낮은 주파수 크기를 나타낸 것을 확인할 수 있었습니다. 최종적으로, 나노 유체에서의 기포 이탈 빈도 측정을 통한 열유속 측정 데이터를 획득하고 상관 관계 그래프를 작성하여 나노유체의 기초적인 열유동 특성을 제시하였습니다.

Abstract ▼

1. Study of thermal hydraulic analysis of Pebble bed reactor core of HTGR
In the present study, a vertical wind tunnel was constructed for the pebble bed geometry in the structure of Face Centered Cubic(FCC) and the flow field was measured by using the Particle Image Velocimetry(PIV) directly. In

1. Study of thermal hydraulic analysis of Pebble bed reactor core of HTGR
In the present study, a vertical wind tunnel was constructed for the pebble bed geometry in the structure of Face Centered Cubic(FCC) and the flow field was measured by using the Particle Image Velocimetry(PIV) directly. In order to measure the local surface temperature, the heating system and temperature measurement system were installed in the wind tunnel. Due to the limitation of the accessibility of the light for particle identification and the improvement of image quality, the system is scaled up to reduce the mean flow velocity by keeping the same Reynolds number, as 21614, of the PBMR-250MWth. For the experiment in the room temperature instead of the high temperature, as 900oC of the HTGR, the study of the heat transfer analogy was performed.
2. Nano Scale Two-phase Flow
Basic research of thermal conductivity enhancement characteristics of Nanofluid and Cooling efficiency enhancement analysis.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ...17
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ...20
• 제 1 절 페블배드 열유동 분석 ...20
• 제 2 절 나노 스케일 안전 관련 이상유동 분석 ...25
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ...27
• 제 1 절 페블배드 열유동 분석 ...27
• 1. 페블 베드 열유동 분석을 위한 시스템 설계 ...32
• 2. 실험 장치 구상 및 전산 해석 연구 ...40
• 3. 고온 페블 유동장 측정을 위한 풍동 설계 및 제작 ...56
• 4. 3차원 유체 속도장 측정 도구 개발 ...74
• 5. 페블 베드 속도장 측정 및 분석 ...98
• 6. 페블 표면 온도 측정 결과 ...116
• 7. 페블 베드 열유동 분석에 대한 결론 및 토론 ...120
• 제 2 절 나노 스케일 안전 관련 이상유동 분석 ...121
• 1. 열전도도 측정 회로 및 센서 ...121
• 2. 나노유체 제조 ...124
• 3. 비등실험장치 ...126
• 4. 나노 유체에서의 기포 크기와 이탈 빈도 ...129
• 제 4 장 목표 달성도 및 대외 기여도 ...159
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ...161
• 제 6 장 참고문헌 ...162
• 부록 A 페블배드 풍동 실험장치 설계도면
• 표 2.1.1 HTGR의 선진 연구 사례 ...22
• 표 2.1.2 국내외 연구 수준 ...22
• 표 3.1.1 HTGRs의 발전사 ...28
• 표 3.1.2 PBMR-250MW 사양표 ...32
• 표 3.1.3 시뮬레이션 메쉬 정보 ...32
• 표 3.1.4 실험 조건 계산 결과 ...42
• 표 3.1.5 PBMR-250MWth의 열적 특성 ...43
• 표 3.1.6 열유속 계산시 고려할 변수 ...45
• 표 3.1.7 덕트 구성표 ...48
• 표 3.1.8 엘보의 설치 유무에 따른 풍동의 실험 결과 ...65
• 표 3.1.9 풍동 내 속도 분포 (엘보 미설치) (m/s) ...66
• 표 3.1.10 풍동 내 속도 분포(엘보 설치) (m/s) ...66
• 표 3.1.11 Graphite와 Brass의 열전도도 ...69
• 표 3.1.12 히터의 출력 전력 사양 ...69
• 표 3.1.13 알고리즘 결과 데이터 ...85
• 표 3.1.14 Photron-FASCAM Ultima-512 의 초고속 카메라 사양 ...86
• 표 3.1.15 Power-LED 사양 ...88
• 표 3.1.16 속도 측정 시스템 조건 ...98
• 표 3.2.1 전도성 프로브 센서의 특성 ...137
• 그림 2.1.1 BCC격자 속도장 측정 결과 (Hassan, Texas A&M Univ) ...23
• 그림 2.1.2 시뮬레이션 형상조건에 따른 표면 속도 분포 (SNU) ...24
• 그림 3.1.1 세계의 HTGR의 모습들 ...28
• 그림 3.1.2 PBR의 개괄적 개념도 ...29
• 그림 3.1.3 PBR 연료 구체 (PBMR Ltd.) ...30
• 그림 3.1.4 연료 구체의 구성 개념도 ...31
• 그림 3.1.5 FCC격자 시뮬레이션 메쉬 ...33
• 그림 3.1.6 시뮬레이션 결과 스트림라인 ...34
• 그링 3.1.7 패블 표면 부근 속도 분포 ...35
• 그림 3.1.8 패블 표면 압력 분포 ...35
• 그림 3.1.9 패블 표면 온도 분포 ...36
• 그림 3.1.10 패블 격자 속도 벡터 ...37
• 그림 3.1.11 표면 부근 속도 그래프 ...38
• 그림 3.1.12 패블 표면 압력 그래프 ...39
• 그림 3.1.13 패블 표면 온도 그래프 ...39
• 그림 3.1.14 헬륨가스 점성계수(Viscosity of He as =250K~1000K) ...41
• 그림 3.1.15 연료구의 구조 ...43
• 그림 3.1.16 실험 시스템의 개념도 ...46
• 그림 3.1.17 덕트 시스템 단순화 ...47
• 그림 3.1.18 (a) CFD 풍동 유동 분포 스트림 라인 (코너 날개 없음) ...50
• 그림 3.1.18 (b) CFD 풍동 유동 분포 속도분포 (코너 날개 없음) ...51
• 그림 3.1.19 (a) CFD 풍동 유동 분포 스트림 라인 (코너 날개 2개) ...52
• 그림 3.1.19 (b) CFD 풍동 유동 분포 속도분포 (코너 날개 2개) ...53
• 그림 3.1.20 (a) CFD 풍동 유동 분포 스트림 라인 (코너 날개 3개) ...54
• 그링 3.1.20 (b) CFD 풍동 유동 분포 속도분포 (코너 날개 3개) ...55
• 그림 3.1.21 축류 곡선 ...60
• 그림 3.1.22 풍동 전체 단면 ...61
• 그림 3.1.23 송풍기 DTB-3803 380V/1900W ...62
• 그림 3.1.24 측정부 ...63
• 그림 3.1.25 풍동 시스템 완성 사진 ...64
• 그림 3.1.26 풍동 유동의 속도 분포도 (코너 날개 없음) (m/s) ...67
• 그림 3.1.27 풍동 유동의 속도 분포도 (코너 날개 2개) (m/s) ...67
• 그림 3.1.28 풍동 출구의 속도 프로파일 ...68
• 그림 3.1.29 히터와 열전대 삽입을 위한 황동구 가공 구상도 ...70
• 그림 3.1.30 열전대 삽입을 위한 홀 가공 ...70
• 그림 3.1.31 히터와 열전대 삽입 모습 ...71
• 그림 3.1.32 열전대와 히터 삽입 후 완성된 황동구 ...71
• 그림 3.1.33 베크라이트 틀 내 FCC 형태의 패블 삽입 개념도 ...72
• 그림 3.1.34 테스트 섹션 15T 베크라이트 틀 ...73
• 그림 3.1.35 황동구와 히터의 삽입 ...73
• 그림 3.1.36 테스트 섹션 내 황동구 삽입 ...73
• 그림 3.1.37 PIV의 시스템에 대한 개략도 ...75
• 그림 3.1.38 이미지 좌표의 matrix화 ...77
• 그림 3.1.39 조사 영역의 영역 분할 ...78
• 그림 3.1.40 Normalized Cross-Correlation ...80
• 그림 3.1.41 Cross-Correlation 계산 예 ...81
• 그림 3.1.42 Direct Cross-Correlation 계산 알고리즘 개념도 ...82
• 그림 3.1.43 Standard image of Particle Image Velocimetry ...84
• 그림 3.1.44 알고리즘 결과 비교 ...84
• 그림 3.1.45 Photron-FASCAM Ultima-512 high speed camera ...86
• 그림 3.1.46 초고속 카메라의 CCD Sensitivity (RGB) ...87
• 그림 3.1.47 Power LED 광원 모듈 ...89
• 그림 3.1.48 Power-LED 모듈 테스트 (a) Red beam screen, (b) Green beam screen (c) Beam thickness test, (d) Light source module ...89
• 그림 3.1.49 적외선 레이저 다이오드 Brightlase Ultra-50 ...90
• 그림 3.1.50 적외선 레이저 빔 스크린 테스트 자료 ...91
• 그림 3.1.51 PIV 시스템 ...92
• 그림 3.1.52 황동구 및 열전대 삽입 ...94
• 그림 3.1.53 히터 컨트롤 패널 ...95
• 그림 3.1.54 열전쌍 오차 테스트 결과 그래프 ...96
• 그림 3.1.55 온도 측정 장치 개념도 ...97
• 그림 3.1.56 Agilent34970A 구성 및 열전쌍과 포트 연결 ...97
• 그림 3.1.57 속도장 1 (0초~0.01초) ...99
• 그림 3.1.58 속도장 2 (0.04초~0.05초) ...100
• 그림 3.1.59 속도장 3 (0.08초~0.09초) ...101
• 그림 3.1.60 속도장 4 (0.12초~0.13초) ...102
• 그림 3.1.61 패블 표면 부근 유속 분석 위치 ...103
• 그림 3.1.62 유속 그래프(0sec~0.01sec) ...104
• 그림 3.1.63 유속 그래프(0.04sec~0.05sec) ...105
• 그림 3.1.64 유속 그래프(0.08sec~0.09sec) ...106
• 그림 3.1.65 유속 그래프(0.12sec~0.13sec) ...107
• 그림 3.1.66 패블 표면 부근(2.5mm지점)에서의 유속 분포 그래프 ...109
• 그림 3.1.67 BCC 격자구조에서 패블 표면 온도 분포 (J.J. LEE et al) ...110
• 그림 3.1.68 연료 표면의 온도 (J.J. LEE et al) ...111
• 그림 3.1.69 격자 공간 내 유속 분석 위치 ...112
• 그림 3.1.70 격자 공간 내부 유속 분포 그래프 (라인 a) ...113
• 그림 3.1.71 격자 공간 내부 유속 분포 그래프 (라인 b) ...113
• 그림 3.1.72 격자 공간 내부 유속 분포 그래프 (라인 c) ...114
• 그림 3.1.73 격자 공간 내부 유속 분포 그래프 (라인 d) ...114
• 그림 3 1.74 격자 공간 내부 유속 분포 그래프 (라인 e) ...115
• 그림 3.1.75 테스트 섹션 내 열전쌍 삽입 도면 ...116
• 그림 3.1.76 냉각하지 않은 경우 정상상태의 패블표면온도(5시간 가열) ...118
• 그림 3.1.77 $20^{\circ}C$ 공기로 3시간 냉각 후 정상상태의 패블 표면 온도 ...119
• 그림 3.2.1 Hot-wire probe 상세도면(ANSYS) ...122
• 그림 3.2.2 나노유체의 열전도도 측정 센서 장치의 개략도 ...123
• 그림 3.2.3 (a) pH 농도에 따른 5nm, 10nm, 35nm TiO2 나노유체의 침전량 비교 그래프 ...124
• 그림 3.2.4 0.35vo1%의 35nm Al203의 pH 값에 따른 침전량 ...125
• 그림 3.2.5 풀비등 실험 장치의 전기적 배선에 대한 개념도 ...126
• 그림 3.2.6 풀 비등 실험장치 전체 도면도 ...127
• 그림 3.2.7 풀비등 실험장치 실제 모습 ...128
• 그림 3.2.8 Four probe sensor 기본 개념도 ...130
• 그림 3.2.9 노치 표면 부근의 나노입자의 형태 ...132
• 그림 3.2.10 실측에 사용된 Four sensor probe의 센서 팁 ...134
• 그림 3.2.11 실측에 사용된 Four sensor probe의 개략도 (SS pin D=0.12mm) ...135
• 그림 3.2.12 Double Probe Conductivity Sensor의 AC 회로도 ...138
• 그림 3.2.13 Double Probe Conductivity Sensor의 AC 회로 구현 ...139
• 그림 3.2.14 Four Probe Conductivity Sensor에 사용되는 DC 회로도 ...140
• 그림 3.2.15 Four Probe Conductivity Sensor의 DC 구현 ...140
• 그림 3.2.16 Four Conductivity Probe를 이용한 실시한 기포 신호 측정 실험 장치 ...142
• 그림 3.2.17 Four Conductivity Probe을 이용한 데이터 획득 과정 ...143
• 그림 3.2.18 오실로스코프 내 기포 신호 실측과 데이터 생성 ...145
• 그림 3.2.19 풀비등과 Four probe sensor DAQ의 Labview 프로그램 ...146
• 그림 3.2.20 풀비등 실험장치내 Four Conductivity Probe sensor의 설치 ...148
• 그림 3.2.21 물 내 기포의 이탈 빈도주기와 크기 관찰 지점 ...149
• 그림 3.2.22 물 내 기포의 이탈 빈도주기와 크기의 관련성 ...150
• 그림 3.2.23 물과 TiO2 나노유체의 기포 이탈 빈도 비교 ...152
• 그림 3.2.24 TiO2 코팅 표면과 매끈한 표면에서의 기포 이탈 빈도에 대한 비교 관찰을 위한 비교 조건의 위치 ...154
• 그림 3.2.25 TiO2 코팅 표면과 매끈한 표면에서의 기포 이탈 빈도에 대한 비교 ...155
• 그림 3.2.26 매끈한 표면에서 물의 풀 비등 현상 ...156
• 그림 3.2.27 5nm TiO2 코팅 표면의 풀 비등 현상 (1~6) ...157
• 그림 3.2.28 5nm TiO2 코팅 표면의 풀 비등 현상 (7~12) ...158