보고서 정보
주관연구기관 |
한국해양대학교 Korea Maritime University |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2011-03 |
주관부처 |
교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST) |
등록번호 |
TRKO201300012858 |
DB 구축일자 |
2013-07-29
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키워드 |
초고온원자로.용융염.세라믹코팅.페블노심.프리즈매틱노심.VHTR.Molten salt.Ceramic coating.Pebble core.Prismatic core.
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초록
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Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
○ 마이크로 챈널 이용 컴팩 중간열교환기 설계 기술 개발
본 연구에서는 수치해석 및 실험적 접근을 통해 He-Molten salt 중간열교환기 설계를 위한 열수력 실험 자료를 구축하고 중간열교환기 개념설계 도출 및 해석 모델을 개발하고자 하였다. 연구 내용은 다음과 같다.
- 마이크로챈널에서 헬륨의 열유동 특성 실험 및 해석
- 마이크로챈널에서 물의 대류 비등 열전달 실험
- 마이크로챈널에서 용융염 열수력 특성 실험
- He-Molten salt VHTR 중간열교환기 기
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
○ 마이크로 챈널 이용 컴팩 중간열교환기 설계 기술 개발
본 연구에서는 수치해석 및 실험적 접근을 통해 He-Molten salt 중간열교환기 설계를 위한 열수력 실험 자료를 구축하고 중간열교환기 개념설계 도출 및 해석 모델을 개발하고자 하였다. 연구 내용은 다음과 같다.
- 마이크로챈널에서 헬륨의 열유동 특성 실험 및 해석
- 마이크로챈널에서 물의 대류 비등 열전달 실험
- 마이크로챈널에서 용융염 열수력 특성 실험
- He-Molten salt VHTR 중간열교환기 기본 설계 및 성능해석
- 모형 중간열교환기 설계, 제작 및 성능 실험
○ 내열.내식 및 내마모성 소재 기술 개발
본 연구에서는 VHTR용 열수송계에서 가장 핵심적인 소재인 ‘Inconel 617 (Ni-22Cr-12.5Co-9Mo-1Al)과 Hastelloy X (Ni-21Cr-9Mo-0.5W)’ 상에 코팅을 수행하여 이들 소재의 내열.내식 및 내마모성 물성개선을 위한 연구를 수행하였다.
초고온 환경 하 공기, He-gas 및 MS (molten salt, FLINAK: LiF-NaF-KF) 환경에서 사용되는 열수송용 구조재료에 대해 습식화학적방법 및 물리적기상합성법에 의한 표면개질 및 마이크로 초내열(refractory ceramics; 공유결합성 nitride 및 oxide 세라믹) 코팅층을 형성시켜 이들 소재의 내열.내식 물성을 개선하는 연구를 수행하였으며, 또한 고온 장기사용 시 문제가 될 수 있는 고온에서의 코팅막 변화 및 모재의 조직변화 등 미세구조와 상(phase) 형성, 공기중에서의 고온 부식 및 그에 따른 손상(embrittlement 혹은 wear resistance) 등 기초적이며 핵심적인 연구들을 수행하였다.
본 연구에서는 VHTR용 열 수송용 구조재료에 대한 물성개선 및 코팅 신소재 개발을 통한 핵심기반기술 확립을 위해 Ni-Cr계 합금(Inconel 617 및 Hastelloy X) 상에 [1. 표면 개질(순간급속가열법(RTP), 수열처리 및 MOD: Metallo-organic decomposition(deposition))에 의한 물성개선, 2. VD(vapor deposition, CVD 및 PVD) 및 pack cementation에 의한 초내열 코팅, 3. 원 소재 및 표면처리 된 소재에 대한 내열.내식 물성 연구 및 고온 Air, He-gas, MS(molten salts, FLINAK 용융염) 분위기 물성연구]를 수행하였다.
○ 페블 베드 국지 열유동 특성 연구
- 페블 베드 열유동 실증 실험 및 해석
본 연구에서는 면심 입방 격자 구조의 페블 베드 형상을 장착하기 위한 수직 풍동을 제작하였으며, 유속 측정을 위하여 비삽입형 유속 측정 방법으로 입자 영상 유속계를 자체적으로 개발하였다. 페블 표면의 국지 온도분포를 측정하기 위하여 히터와 온도 측정 시스템이 설치되었다. 빠른 유속에서 광원의 한계점을 극복하고 입자 영상의 질을 향상 시키기 위하여 PBMR-250MWth 의 레이놀즈 수 21614를 동일하게 유지하여 상사성을 지켜 주면서 평균 유속을 줄일 수 있도록 축소화 모델 연구를 수행하였다. 국지 표면 온도 측정에 있어서도, 실제 섭씨 900도에 달하는 출구온도와 열전달 유사성을 유지하며 상온에서 실험을 하기 위해 열전달 유사성 연구를 수행하였다.
- 마이크로, 나노 스케일 이상유동 해석을 통한 원자력 안전성 증진 연구
가. 매크로 스케일에서의 이상유동 연구
매크로 스케일에서의 이상유동 특성 분석을 위한 수직 종합 유동루프를 설계 및 제작하였고, 지능형 이상유동 패턴 분류 방법을 제시하였다.
나. 메조 스케일에서의 이상유동 연구
메조 스케일에서의 이상유동 연구를 위하여 중수형 원자로의 분기관에서 기포침윤 및 액적비산 메커니즘을 규명하였고, 이상유동
시계열 데이터의 카오스 동특성을 분석하였다.
다. 마이크로 스케일의 이상유동 연구
마이크로 스케일의 이상 유동을 분석하기 위하여 경계면적 밀도의 관계식의 배경압력 효과를 나타내기 위한 관계식 개선 방법론을
제시하였고 경계면적 운동량 전달항 중 lift force를 공리화 하기 위한 기초 실험으로 기포 상승실험을 수행하였다.
라. 나노유체의 열전도성 증대 특성 연구
나노유체의 열전도성 증대 특성을 연구하여 안전운전의 마진 증대를 위한 기초 연구를 하며, 원자로의 냉각효율 증대를 위한 기초 실험을 수행하였다.
○ 초고속 3차원 전산 해석 기술 개발
원자력 발전소의 안전해석에 관련된, 예를 들면 upper plenum, lower plenum에서의 유동해석 또는 fuel rod bundle에서의 난류해석 등과 같은 3차원 열수력 해석을 수행하려면 복잡한 geometry 때문에 경험상 적어도 500 만개 이상의 격자가 필요하다. 이러한 문제 때문에 기존의 PC급의 컴퓨터로는 원자력 발전소의 안전해석에 관련된 초고속 3차원 열수력 해석을 할 수 없다. 위와 같이 매우 큰 컴퓨팅 파워와 많은 계산이 소요되는 3차원 열수력 해석을 초고속으로 수행하기 위해 실험실 규모에서 운영할 수 있는 시스템의 기술개발과 기반을 구축, 이를 바탕으로 한국표준원전 및 고온가스로 원자로 내부 유동을 해석하였다.
Abstract
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Ⅲ. Research Scope
○ VHTR Intermediate Heat Exchanger Design using microchannels
In the present work, numerical analyses and experiments have been carried out to obtain the thermal fluid data of high temperature molten salt (Flinak) as well as helium to develop a design technology for a VHTR IH
Ⅲ. Research Scope
○ VHTR Intermediate Heat Exchanger Design using microchannels
In the present work, numerical analyses and experiments have been carried out to obtain the thermal fluid data of high temperature molten salt (Flinak) as well as helium to develop a design technology for a VHTR IHX.
- Design and construction of helium experimental loop and performing thermal hydraulic experiment for high pressure helium flow in microchannels
- Design and construction of flow boiling experimental loop for water and performing flow boiling experiment for water flow in microchannels
- Design and construction of molten salt experimental loop and performing thermal hydraulic experiment for molten salt flow in microchannels
- Conceptual design of VHTR IHX and developing thermal analysis tool for IHX
○ VHTR high temperature alloy study
Inconel 617 and Hastelloy X(R) alloys have superior high temperature properties and finds application in thermal systems such as gas-turbine engine and heat exchanger for the gas-cooled nuclear reactor. Recently, surface modification (physical vapor deposition, PVD, and chemical vapor deposition, CVD) on Inconel 617 and Hastelloy X(R) by refractory coating receives much attention due to the increased high temperature stability against corrosion and wear.
In the present work, TiN, TiCN, TiAlN and Ti-Al-O coating layers were deposited on Inconel 617and Hastelloy X(R) by arc discharge and r.f. sputtering, and $TiO_2$ and $Al_{2}O_3$ layers were deposited by metal-organic (solution) deposition (MOD). Comparative study on the morphological and structural property of each ceramic coating layer and its effect on the wear and thermal oxidation resistance of Inconel 617 and Hastelloy X(R) has been conducted.
○ Thermal hydraulic analysis of Pebble bed reactor core
- Pebble bed reactor core
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 900℃ of the HTGR, the study of the heat transfer analogy was performed.
- Nano Scale Two-phase Flow
i. Macro Scale Two-phase Flow
Vertical two-phase loop was constructed for character analysis of two-phase flow. Two-phase flow pattern identification using an artificial neural network was provided.
ii. Meso Scale Two-phase Flow
Bubble permeation and droplet scattering mechanism in branch pipe of a heavy water nuclear reactor were analyzed. Dynamic behaviour of two-phase flow time series data analysis was performed.
iii. Micro Scale Two-phase flow
Equation improvement method to indicate the pressure effect of interface area density equation was adopted. Basic experiment of bubble rising was performed to axiomize lift force from the interface area momentum.
iv. Nano Scale Two-phase Flow
Basic research of thermal conductivity enhancement characteristics of Nanofluid and Cooling efficiency enhancement were analyzed.
○ High-speed computing technology
STAR-CD, a commercial CFD code is used to analyze the flow field, pressure and temperature distribution inside the reactor vessel of the KSNP and VHTR. The calculation domain is built as the same as the geometry of the reactor vessel and internals including flow skirt, instrument guide tubes, and lower support structure. A quarter geometry of the KSNP is considered as the calculation domain. Based on these flow field analysis, a method that can evaluate k-factor for downcomer and lower plenum. The k-factor is required to be provided for the safety analysis using system analysis codes such as RELAP, TRACE, and MARS.
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 보고서 요약서 ... 3
- 요약문 ... 4
- SUMMARY ... 15
- 목차 ... 25
- 제1장 연구개발과제의 개요 ... 26
- 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 30
- 제1절 마이크로기술 기반 초고온 원자로 중간열교환기 ... 30
- 제2절 초고온 열 수송계통 내열.내식 소재개발 ... 32
- 제3절 고온가스 원자로의 페블베드 노심 열수력 실험 ... 34
- 제4절 초고속 3차원 고온가스로 해석기술 ... 36
- 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 39
- 제1절 마이크로기술 기반 초고온 원자로 중간열교환기 ... 39
- 제2절 초고온 열 수송계통 내열.내식 소재개발 ... 47
- 제3절 고온가스 원자로의 페블베드 노심 열수력 실험 ... 53
- 제4절 초고속 3차원 고온가스로 해석기술 ... 58
- 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 64
- 제1절 마이크로기술 기반 초고온 원자로 중간열교환기 ... 64
- 제2절 초고온 열 수송계통 내열.내식 소재개발 ... 66
- 제3절 고온가스 원자로의 페블베드 노심 열수력 실험 ... 68
- 제4절 초고속 3차원 고온가스로 해석기술 ... 70
- 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 72
- 제1절 마이크로기술 기반 초고온 원자로 중간열교환기 ... 72
- 제2절 초고온 열 수송계통 내열.내식 소재개발 ... 73
- 제3절 고온가스 원자로의 페블베드 노심 열수력 실험 ... 74
- 제4절 초고속 3차원 고온가스로 해석기술 ... 75
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