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보고서 요약서
요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 연구개발과제의 개요 13
제1절 연구 배경·목적 및 내용 13
1. 연구 개요 13
2. 연구 필요성 13
3. 연구 내용 및 범위 14
제2장 국내외 기술개발 현황 16
제1절 국내의 기술개발 현황 16
제2절 국외의 기술개발 현황 21
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 26
제1절 가열표면 개질 및 제작 수행 내용 및 결과 26
1. 마이크로/밀리 표면 개질 기법 개발 내용 및 결과 26
2. EPD를 활용한 나노입자 증착 기법 개발 내용 및 결과 28
3. 열처리를 통한 표면 강화 및 표면 특성 결과 31
4. 압력강하 특성 분석 34
제2절 평판형 풀비등에서의 비등 성능 평가 및 결과 36
1. 실험장치 구성 36
2. 풀비등 실험 결과 및 특성 분석 37
제3절 공동연구를 통한 교류 내용 45
1. 공동연구를 통한 교류 내용 45
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 48
제1절 연구개발 목표 및 달성도 48
1. 연구개발 목표 및 달성도 48
2. 국제협력기반조성사업 성과 49
제2절 연구의 가능성과 대외 기여도 51
1. 개발된 연구의 가능성과 대외 기여도 평가 51
제5장 연구개발결과의 활용계획 52
제1절 추가 연구의 필요성 52
1. 추가연구의 필요성 52
2. 지속적 협력을 위한 체계 53
3. 후속연구 추진을 위한 로드맵 (강제대류비등) 56
제2절 연구결과 활용계획 58
1. 타 연구에의 응용 58
2. 기업화 추진방안 58
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 59
제1절 비등성능 및 표면 강도를 증진시키는 표면개질 기법 59
제7장 참고문헌 61
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I. 제목
핵연료봉피복관 표면구조 개선 및 특성변화를 통한 열성능향상 및 신뢰성 증진에 대한 연구
II. 연구개발의 목적 및 필요성
핵연료 사용에 있어서 안전성의 확보와 열전달 효율 극대화는 원자력 발전 시스템 최적화에 매우 중요한 과제이다. 이에 따라 본 연구는 핵연료봉 피복관을 개질하여 열전달 성능을 증진시켜 효율성을 증대하고, 핵연료의 마모로 인한 파손과 비정상상태에서 핵연료 재질인 지르칼로이에 일어나는 산화방지를 통한 수소 생성 억제등의 안전성 향상을 목표로 한다. 이를 위해서 핵연료봉 피복관 재질과 가열표면의 개질을 통한 임계열유속 및 비등열전달 성능향상기술에 대하여 중점 연구를 해온 포항공과대학교 첨단원자력공학부와 핵연료봉 피복관 건전성 확보 및 핵연료 열전달 연구를 활발히 진행 하고 있는 미국 위스콘신주립대학교 원자력공학과와의 공동연구를 진행한다. 이로써 지난 수십년간 제한적인 발전을 해온 차세대 핵연료봉 피복관의 고효율화 및 신뢰성(Reliability) 향상을 위한 기술을 개발하고, 아울러 한·미 활발한 학제간 교류를 통하여 국제 공동연구기반을 구축하고자 한다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구에서는 열전달 성능을 증진시키고 마모와 부식을 막을 수 있는 핵연료봉 피복관의 표면을 개발하기 위한 기초연구를 포항공과대학교 원자력공학과와 미국 위스콘신주립대학교 원자력공학과의 공동연구를 통하여 수행하였다. 세부적으로 포항공과대학교 김무환 교수 연구팀은 가열표면에 인공적인 마이크로-밀리 크기 원기둥 구조로 개질을 통한 가열표면의 임계열유속 증진 연구를 집중적으로 진행하였고, 미국 위스콘신주립대학교의 Michael. L. Corradini 교수 연구팀에서는 나노입자를 증착하는 전기증착(ElectroPhoretic Deposition: EPD)법을 개발하여 핵연료봉의 마모나 부식에 따른 핵연료봉 파손 방지 연구를 진행하였다. 이와 같은 상호 독자적 기술력과 기술적 상승효과에 대한 이해를 바탕으로 공동연구의 필요성에 대한 인식하에 공동연구가 한국연구재단의 원자력국제협력기반조성사업의 일환으로 추진되었다. 이를 통하여 양 연구팀이 활발한 교류를 지난 일년동안 펼쳐 공동연구에 대한 이해를 같이하고 기술적 기반을 수립하였다.
IV. 연구개발결과
본 연구를 통해 최종적으로 표면 개질 기법을 통한 상변화열전달 성능향상과 마모 및 부식을 막을 수 있는 핵연료봉 피복관 개발을 위한 국제 공동연구 환경을 조성하였다. 기존 각 팀의 연구 내용을 바탕으로 표면 구조 및 나노입자가 가열표면을 코팅하여 임계열유속을 상승시킨다는 점에 착안하여, MEMS (초소형 기전 공학, MicroElectroMechanical System) 기술을 이용해 실리콘(Silicon) 기반의 마이크로와 밀리 구조 표면을 형성시키고, 이 위에 EPD 기술을 통하여 밀리/나노 혹은 마이크로/나노 가열 구조를 완성하였다.
표면 개질기법은 각각 기존의 포항공과대학교 연구팀과 위스콘신주립대학교 연구 팀의 밀리구조를 만드는 표면 개질기법과 EPD를 통한 나노 입자 표면 증착 방법을 기반으로 본 연구 환경에 적합하도록 응용·융합하여 새로 개발하였다. 그 후 증착된 나노입자로 코팅된 표면의 강도를 높이기 위해 400℃ 고온로에서 6시간동안 열처리를 수행하였다. 열처리 후 표면의 특성을 측정하여본 결과, 표면 젖음성이 뛰어나고 나노 입자가 가열표면에 강하게 붙어 있는 것을 확인하였다. 그리고 개질된 표면에서 임계열유속 실험을 통하여 매우 큰 임계열유속의 증진을 확인할 수 있었다.
이러한 연구를 통하여 상변화열전달 성능 및 내마모성과 내식성이 향상된 가열표면의 개발을 위한 기초를 확립하였고, 미국 위스콘신주립대학 연구팀과 활발한 연구교류를 통하여 국제 공동연구의 기반을 성공적으로 마련할 수 있었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구를 통하여 개발된 밀리/나노 혹은 마이크로/나노 가열구조 표면은 밀리 혹은 마이크로 구조와 나노입자 구조의 장점을 혼합하여 안정적으로 비등성능을 증진시켰다. 또한 가열표면을 나노입자로 코팅하고 고온의 열처리를 통해 표면의 강도를 강화시켰다. 현재는 아직 기초단계의 연구이기에 지속된 연구와 발전이 필요하겠지만, 기존의 개질기법으로 만들어진 나노구조 혹은 마이크로 구조에 비하여 높은 강도를 갖기 때문에 실제 원자력 발전소나 열전달 시스템 등에 적용될 수 있는 가능성이 있다고 판단된다. 특히, 표면 코팅과 열처리를 이용한 후 처리를 통하여 마모와 부식을 막을 수 있어, 위 기법을 핵연료봉 피복관에 사용되는 지르칼로이 합금에까지 적용하여 발전시킬 수 있다면 높은 열전달 성능과 내마모성, 그리고 내식성을 가진 획기적인 핵연료봉이 개발될 것으로 기대된다.
또한, 본 연구를 통하여 미국 원자력학회장이자 미국 위스콘신주립대학의 공대 부학장 및 원자력공학과 과장, 에너지 연구센터장 등을 역임하며 에너지 및 원자력 안전열수력분야에서 세계적인 전문가인 Michael. L. Corradini 교수 연구팀과 활발한 공동 연구를 진행함으로써, 원자력 안전, 열수력 및 기초열전달 연구분야에 있어 첨단기술을 공유 발전하는 국제적 교류 환경이 조성될 것으로 기대된다.
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