본 연구에서는 인듐 액체금속이온원을 제작하여 빔 특성에 대해 연구를 하였으며, 기존의 연구를 하였던 갈륨 액체금속 이온원의 빔특성과 비교분석 하였다. 빔특성 분석을 위해 빔 안정도, 전류-전압특성곡선, 에너지 퍼짐을 측정하였다. 액체금속이온원에 사용되는 액체금속 저장소 및 바늘전극(tip)은 $500{\mu}m$의 직경을 갖는 텅스텐을 사용하였으며, 국내에서 제작된 제품을 사용하였다. 액체금속 저장소의 구조는 이전에 구상하여 연구가 이루어진 6개의 pre-etching된 텅스텐와이어(wire)가 묶여진 형태를 사용하였다.
한국원자력연구소에서 개발중인 액체금속로인 KALIMER는 경수로나 증수로와 근본적으로 설계가 상이하므로 PSA 방법에 대한 새로운 접근방법을 개발해야 한다. 액체금속로 KALIMER에 대한 확률론적 안전성 평가 방법 (PSA, Probabilistic Safety Assessment) 관련 연구는 초기 사건의 도출 및 빈도계산 방법과 주요 계통의 신뢰성 예비 평가에 대한 것이다. 초기 사건이란 원전에 과도 현상을 유발하여 발전소 정지를 초래하는 모든 비정상 사건을 의미하는 것으로 PSA에서 사건 수목을 구성하는 데 기본이 되는 정보이다. 액체금속로는 기존의 경수로 및 중수로와는 전혀 다른 설계를 갖고 있으므로 액체금속로 특유의 초기 사건을 도출하는 방법 및 이들 초기 사건의 빈도를 계산하는 방법에 대한 연구를 수행하였다. KALIMER 주요 계통의 신뢰성 예비 평가를 수행하기 위하여 확률론적 안전성 평가에서 계통분석기법으로 널리 이용되는 고장수목분석의 절차와 방법에 대한 방법론을 선정하여 PSA 방법론을 개발하였다.
액체금속로의 안전설계 및 안전해석에 있어서 고려되어야하는 용융나트륨과 콘크리트 반응의 특성, 그리고 이들 반응의 모델을 조사 분석하였고 액체금속로 개발 선진국들의 나트륨-콘크리트 반응연구 현황을 검토 분석하였다. 그리고 나트륨-콘크리트 반응은 매우 복잡하여 액체금속로 개발 선진국에서 이의 반응 연구를 꾸준히 진행시키고 있고 액체금속로의 안전설계 및 안전운전을 위하여 보다 완벽한 반응모델을 개발하고자 노력하고 있어 우리나라에서 액체금속로 개발을 추진하기 위한 앞으로의 나트륨콘크리트 연구방향을 제시하였다.
집속이온빔장치(Foucused Ion Beam)에서 사용하는 액체금속이온원(Liquid Metal Ion Source)은 고 전류밀도, 고 휘도, 낮은 에너지퍼짐 등 많은 장점이 있다. 대부분의 집속이온빔 장치에서 플라즈마 이온소스에 비해 빔의 직경이 작고 GFIS 보다 다루기 쉬워 액체금속이온원을 많이 사용하고 있다. 기존에 사용하던 액체금속이온원에 서프레셔라는 새로운 전극을 추가시켜 팁과 갈륨저장소, 서프레셔, 추출극 구조로 만들었다. 이 연구를 위해 RPA(Retarding Potential Analyser)를 제작 하였다. RPA는 두 개의 메쉬와 하나의 컬렉터로 이루어져 있으며, 액체금속이온과 플로팅 되어있는 RPA에 전압의 차이를 주기위해 베터리로 제작한 파워로 액체금속이온에 인가되는 전압에 + 90V, -90V까지 제어가 가능하게 만들었다. 본 연구에서는 서프레셔의 유무에 따른 액체금속이온원의 에너지 퍼짐에 대해 연구하였다. 추출극에 전압 변화를 주어 방출되는 전류를 5uA, 10uA, 15uA, 20uA로 변화시켜가며 RPA에서 측정되는 전류를 가지고 전류-전압의 관계를 보았고, 에너지 퍼짐정도를 알았다. 마찬가지로 서프레셔에 전압 변화를 주어 전류-전압 관계, 에너지 퍼짐정도를 알았다.
환상형 이중벽 증기발생기와 환상형 전자펌프 신개념을 개발하여 중간열교환계통과 소듐 배관이 없는 단순하고 밀집된 형태의 액체금속로인 SAILMER 노형 개념을 제안하였다. 금속핵연료를 사용하는 모듈형으로 증기발생기에서의 소듐과 물 반응사고에 대비한 연구와 제작기술을 제고시키면 이 노형은 경제성과 고유안전성을 동시에 구현할 수 있다.
가동중검사와 보수는 원자력발전소의 원자로계통설계에서 매우 중요한 설계개념이다. 액체금속로 KALIMER의 가동성 검증을 위해서 기계계통 설계에 가동중검사와 보수개념이 반영되어야 한다. 본 연구에서는 KALIMER 의 안전성과 신뢰성을 확보하기 위하여 KALIMER의 개념설계 단계에 필요한 가동중검사와 보수의 기본개념을 설정하였다. 액체금속로 가동중검사 규정인 ASME Section XI Division 3를 반영하고 KALIMER의 설계특성을 고려하여 원자로계통과 주요부품의 가동중검사와 보수에 대한 방법과 요건을 설계하고 기술하였다.
국내개발 액체금속로 KALIMER 노심으로 설계한 전기출력 150 MWe (열출력 392 MWth)의 U-Zr이원합금핵연료 사용 소형노심에 대하여 열수력 특성을 분석하고, 그 결과를 전기출력 333 MWe (열출력 840 MWth)의 중형노심설계 특성과 비교ㆍ분석하였다. 분석에는 국내개발 액체금속로 KALIMER 노심설계기술 개발의 일환으로서 개발한 개념설계 초기 단계에서의 노심 열수력 특성 분석 방법을 사용하였다. 열수력 특성 분석은 먼저 각 집합체의 최고 선출력에 따라 유량그룹을 설정하고, 각 집합체의 최고온도 연료봉에 대하여 냉각재 온도, 피복관 중심온도, 핵연료 중심온도 등을 계산하는 방식으로 수행하였다. 특성분석 결과 두 노심 모두 노심내 출력분포를 더욱 평탄화 하고, 노심핵연료 영역에 대한 반경방향 블랑? 영역의 출력비율을 높이는 작업이 필요하다.
원자력 중장기 연구개발 일환으로 수행중인 액체금속로 설계기술개발 프로젝트는 개념 설계분야와 기반기술구축 분야로 구성되어 있는 상호 긴밀한 연계가 강조되기 프로젝트이다. 대과제를 중심으로 각 세부과제 및 분야 내에서 시스템별 인터페이스 등이 종합적으로 관리되어야 할 필요성이 있는 프로젝트이다. 액체금속로 설계기술개발 프로젝트의 연구생산성 향상을 위해 공정계획을 수립하고, 프로젝트 수행 중에 산출되는 연구결과물을 검증하여, 검증된 자료를 프로젝트 수행원들에게 공유할 수 있게 Web WorkFlow를 이용한 자료 검증/공유시스템을 개발하여 운영하고 있으며, 최종적으로 검증된 자료는 데이터베이스를 구축하여 활용하고 있다. 이렇게 함으로써 한국원자력연구소에서 개발증인 액체금속로 설계 기술개발 프로젝트를 최적화된 계획 및 관리를 통하여 연구개발을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
전자펌프(Electromagnetic)는 액체금속의 도전성을 이용하는 것으로 종래의 기계식에 비해 회전부가 없고 기밀을 요하는 패킹장치 등이 없어 보수가 필요없을 뿐 아니라 동작시 유도전압 조정기를 이용하여 유량제어를 쉽게 할 수 있는 등 많은 장점이 있다. 따라서 신뢰성과 안전성이 요구되는 고속증식로, 인공위성과 같이 액체금속을 냉각재로 사용한는 시스템의 펌프에는 물론 알루미늄, 납, 수은 등과 같이 산업계에서 많이 쓰이는 용융금속의 수송에도 대단히 중요한 장치이다. 그러나 전자펌프는 구조상 2차측(액체금속)과 펌프닥트등에서의 손실이 대단히 클 뿐 아니라 전자펌프의 이용 특성상 높은 온도에서 사용해야 하므로 절연 및 내열재료 특성에도 아직 연구되어야 할 과제가 많다. 본 난에서는 이러한 관점에 입각하여 전자펌프의 기본원리를 기술하고 국내외의 연구현황 및 전망을 고찰하여 보고자 한다.
액체금속로 노심 열유체 설계의 기본 목표는 노심을 구성하는 집합체에서 발생하는 열량을 효과적으로 추출하기 위해 각각의 집합체 냉각재 유량을 적절히 분배하고, 이에 따른 온도분포가 적절하게 유지되도록 하는 것이다. 노심 열유체 설계 및 특성 분석은 전체노심에 대한 각 집합체의 유량영역을 구분하고, 집합체별 온도분포를 계산하여, 최종적으로 집합체에 대한 상세 부수로 해석을 하는 과정으로 진행된다. 본 논문에서는 이러한 액체금속로의 노심 열유체 설계 방법론을 기술하고, 이를 바탕으로 KALIMER의 증식특성 노심과 breakeven 노심에 대한 열유체 설계와 특성분석을 수행하였다. KALIMER는 원자력 중장기 과제로 개념설계가 진행 중인 전기출력 150MWe, 열출력 392MWth의 금속핵연료를 사용하는 액체 금속로이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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