Introduction

2011년 3월, 규모 9.0의 지진과 쓰나미로 인해 후쿠시마 원자력 발전소 내에 전력 공급 능력이 상실되어 안전시스템에 의해 원자로가 정지했지만, 정지 이후 발생된 잔열의 적절한 냉각이 이루어지지 못하여 원자로 내부 장전된 연료봉의 온도가 높아져 노심이 용융(meltdown)되었다.(1) 후쿠시마 사고 이후, 원자력 발전소에 대하여 발전소 정전사고(SBO, Station BlackOut)와 그 연장 상황에 대한 취약성이 밝혀지면서 전력 공급에 관계없이 작동 가능한 피동형 원자로 잔열 냉각 계통의 중요성이 대두되었다.

히트파이프는 양단이 막힌 관 내 작동 유체의 상변화로 인한 잠열을 이용하여 적은 온도 차에도 열을 효과적으로 전달하는 장치이다.(2) 히트파이프는 크게 증발부, 단열부, 응축부로 구분된다. 증발부에서 열을 흡수해 작동 유체가 증발하여 기체가 되고 단열부를 지나 응축부에 도달하여 열을 방출하며 응축되어 내부에 설치된 윅(wick) 구조를 따라 다시 증발부로 돌아오는 과정을 반복하며 열을 전달하는 순환 폐회로를 형성한다. 히트파이프의 작동유체는 윅 구조에 의한 모세관력에 의해 증발부와 응축부 사이를 순환하기 때문에, 작동하는데 외부 전력이 필요 없다는 장점을 가지고 있다. 히트파이프는 주로 전자기기들의 냉각장치로 많이 쓰이며 일반적으로 CPU와 같은 작은 발열제품의 열을 제거하는데 주로 사용되지만, 그 크기와 사용 분야에 대해서는 방대한 범위를 가지고 있기 때문에 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 원자력 분야에서도 히트파이프를 냉각계통에 적용하는 연구가 꾸준히 수행되고 있다. Singh et al.에 의해 thermal diode 역할의 히트파이프를 이용한 원자로 격납건물 내 사용 후 핵연료 저장조에 사용될 수 있는 비상 노심냉각계통 개념이 제안되었고, 계산 결과 사고 시 사용 후 핵연료의 잔열을 충분히 제거할 수 있었다.(3) Mochizuki et al.에 의하여 BWR 노심에 적용될 수 있는 loop type 히트파이프 비상냉각계통의 개념이 제안되었고, 개략적인 열제거 용량과 기대효과에 대한 연구가 수행되었다.(4) Syiridenko 는 WWER에서의 히트파이프를 이용한 피동 비상 냉각 계통의 설계를 제안하여, 증발부를 노심에 두고 응축부는 외부 공기 또는 추가적으로 설치된 수조에 두는 방식을 제안하였다.(5) Nam et al.은 APR1400 격납건물 피동냉각계통으로 다발형 써모사이폰을 적용한 개념을 제안하였으며, 제거 열량 및 열전달 계수를 구하여 붕괴열 제거에 충분한 열적 성능을 예비 검증하였다.(6)

본 연구에서는 히트파이프에 CFD 적용 검증을 위하여 관형 히트파이프에 대한 해석 조건과 동일하게 진행된 실험 결과와 상용 CFD를 이용한 해석 결과를 비교함으로써 수행된 사전 검증 내용을 포함하여, 제어봉과 결합된 하이브리드 히트파이프의 설계 후보군에 대하여 열유속에 따른 성능해석 및 적용 타당성을 검토하는 것을 목적으로 하였다.

하이브리드 히트파이프는 원자로 내 제어봉과 결합되어 내부에 반응도 제어를 위한 B₄C 펠렛이 삽입된 형태로 제어봉 역할을 하며 내부 증기통로를 확보하여 히트파이프의 역할도 함으로써, 원자로 반응도 제어 및 정지(shutdown)의 역할과 동시에 발생되는 잔열을 제거할 수 있게 고안된 신개념 노내 피동형 잔열 냉각 계통을 의미한다. Fig. 1은 제어봉과 결합된 하이브리드 히트파이프의 개념도를 나타낸다.

Fig. 1. 
Concept of the hybrid heat pipe with control rod (The left picture is obtained from [9])

후쿠시마 후속조치로써 PAFS(Passive Auxiliary Feedwater System), Hybrid SIT(Safety Injection Tank), 원자로압력용기와 격납용기 내 재장전수탱크(IRWST, Incontainment Refueling Water Storage Tank)의 위치 재조정 등과 같은 피동형 안전 계통들이 제안되었지만, 이들 중 대부분은 원자로냉각을 위한 급수 공급을 중심으로 개발되었기 때문에, 사고 시 원자로 내부에 급수 공급이 불가능한 상황에 대해서는 제한적인 활용을 가지며 충분히 냉각되지 않은 원자로 내부 핵연료가 용융되어 외부로 방사성 물질의 누출로 이어질 가능성을 가지고 있다.

제어봉과 결합된 하이브리드 히트파이프는 노 내 기존 제어봉이 있던 위치를 대신하여 위치하며 사고 시 중력에 의해 자동으로 떨어지는 제어봉의 원리를 이용하여 노심에 삽입되어 정지 후 발생되는 잔열을 제거하는 이점을 가진다. 제어봉과 결합된 하이브리드 히트파이프는 기존 제어봉을 대체하여 기존 원자력발전소의 구조 변경 없이 바로 도입될 수 있고, 더 나아가 열침원 냉각 시스템 설치로 냉각 성능을 확보할 수 있다. Fig. 2는 하이브리드 히트파이프가 제어봉과 결합되어 노내 피동형 잔열냉각계통을 구성하는 전체적인 개요 및 냉각 성능 확보를 위한 다양한 시스템 설계들을 보여준다. Fig. 2 의 (a)는 응축부에 설치된 냉각수조의 냉각수가 IRWST와 연결되어 냉각 성능을 확보한 설계를, (b)는 원자로압력용기 내부를 분리시켜 부수적인 채널을 통한 냉각재 순환에 의한 냉각 성능을 확보한 설계를, (c)는 응축부 냉각수조에 부가적인 히트파이프를 도입하여 냉각 성능을 확보한 설계를 나타낸다.

Fig. 2. 
Schematic for designs of hybrid heat pipe cooling system

제어봉과 결합된 하이브리드 히트파이프의 내부에 삽입된 B₄C 펠렛에 대해 (a)중심부에 원통형으로 삽입되어 동심형의 증기 통로를 가지는 형태; (b)튜브 형태로 삽입되어 중심부에 원형의 증기 통로를 가지는 형태인 두 가지로 설계될 수 있다. Fig. 3은 두 가지 형태의 설계 후보군의 내부 구조에 대한 단면도를 보여준다. 각 후보군은 서로 동일한 반응도 제어능력을 가진다고 가정한다.

Fig. 3. 
Sectional view of hybrid heat pipe candidate (a) and (b)

후쿠시마 사고 이후 원자로 정지 후 피동형 잔열제거계통의 필요성이 대두됨에 따라, 열전달 효율이 높고 작동에 대해서 완전 피동형의 특성을 가지는 히트파이프와 제어봉을 결합한 하이브리드 히트파이프 냉각계통의 개념을 제안하였다. 제어봉과 결합된 하이브리드 히트파이프는 사고 시 중력에 의해 자동으로 낙하하는 제어봉과 결합되어 원자로 내부 반응도를 제어하고 원자로 안전정지의 역할을 할 뿐만 아니라, 내부 작동유체의 상변화에 따른 효율적인 열전달로 정지후 발생하는 잔열을 노내에서 직접 제거할 수 있는 이점을 가지고 있다. 이에 따른 하이브리드 히트파이프의 냉각 성능을 평가하기 위해서 상용 CFD 코드인 ANSYS-CFX를 이용하여 계산이 이루어 졌고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

• 1) 히트파이프의 CFD 해석 검증을 위하여 동일 조건의 실험이 수행되어 결과가 비교되었다. 외벽 온도 분포에 대해 계산 결과와 실험 측정 결과가 타당한 범위 내에서 일치하는 것으로 보아, 히트파이프의 성능 분석에 CFD 해석 방법 및 이후 수행될 성능 분석에 대한 검증이 이루어졌다.
• 2) 하이브리드 히트파이프의 설계 후보군 (a)와 (b)에 대해서 다양한 열유입 조건에 대해서 외벽 온도 분포 및 열저항 경향을 통해 냉각성능이 분석되었다. 하이브리드 히트파이프의 설계 조건에 따라 열유입에 따른 열저항의 경향이 달라짐을 확인할 수 있었다.