원자력발전소의 사용후핵연료 저장수조는 노심에서 인출된 핵연료를 저장하는 기능을 한다. 사용후핵연료는 동위원소의 방사성붕괴로 인해 오랜시간 지속적으로 붕괴열을 방출한다. 따라서 펌프를 이용한 능동계통에 의해 지속적으로 붕괴열을 제거해야한다. 하지만 후쿠시마 사고 시, 소내외 전원완전상실사고로 인해 능동계통이 정지하면서 붕괴열이 제거되지 못하여 저장수조의 냉각수 수위가 줄어들었고 핵연료의 건전성이 훼손되었다.
이에 따라 전원상실사고가 발생하여도 붕괴열을 안정적으로 제거 할 수 있는 피동냉각계통이 필요하며, 이와 관련된 연구개발이 진행되고 있다. 특히 전력이 필요 없는 피동열교환 장치인 히트파이프를 이용한 연구들이 보고 되었지만, 실험을 통해 검증된 일반화된 설계자료를 제시하지 못하고 있다. 이에 본 연구에서는 히트파이프를 이용한 피동냉각계통의 개념설계를 수행하였으며, 설계에 활용할 수 있는 요소 기술을 확보하기 위하여 이론해석 모델을 개발하고 실험을 통해 해석 모델의 평가를 수행하였다. 각 연구내용은 아래와 같이 요약 된다.

■ 사용후핵연료 저장수조 피동냉각계통 설계개념 제안
본 연구에서 제안하는 피동냉각계통은 전원상실사고 시, 저장수조의 핵연료에서 방출되는 붕괴열 8.83MW를 제거하는 것을 설계기준으로 하며, 비등으로 인한 냉각수 손실을 막기 위해 냉각수의 온도가 90℃를 넘지 않도록 한다. 또한 열침원은 최종열침원의 역할이 가능한 공기를 사용한다. 이에 따라 공랭 열전달 면적을 효과적으로 증가시키기 위해 히트파이프의 응축부가 여러 갈래로 분지되는 포크형 히트파이프의 설계개념을 제안하였다.

■ 열전달 성능해석 이론 모델 구축 및 프로토타입 개념설계
포크형 히트파이프 하나의 열전달 성능을 예측하기 위해 MATLAB R2014a를 이용하여 이론해석 모델을 작성하였다. 열저항에 의한 열전달과 작동유체의 유동 시 형성되는 압력강하를 고려하여 열전달 성능을 계산하였으며, 또한 히트파이프의 주요 작동한계인 비산한계와 비등한계를 고려하여 히트파이프의 최대 열전달 성능을 제한하였다. 이를 이용하여 포크형 히트파이프를 이용한 피동냉각계통의 개념설계를 수행하였다. 물을 작동유체로 하며 직경이 15cm, 길이가 12m인 하나의 증발부와 직경이 5cm, 길이가 4m인 12개의 응축부로 이루어진 포크형 히트파이프의 열전달 성능은 약 52.7kW로 계산되었으며, 168개의 포크형 히트파이프로 붕괴열 8.83MW를 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한 설계한 포크형 히트파이프에 대해 비산한계와 비등한계를 기준으로 여유도를 평가한 결과, 각각 4.31과 1.79의 값을 나타냈다. 각 작동한계의 여유도는 상관식으로 예측되는 작동한계와 이론적으로 계산된 열전달 성능의 비로서 1보다 클수록 여유도가 큰 것을 의미한다. 이에 따라서 작동한계의 제한 없이 작동이 가능함을 확인하였다.

■ 포크형 히트파이프 열전달 실험
포크형 히트파이프의 열전달 현상 관측하기 위한 축소모델 히트파이프와 실험장치를 제작하였다. 직경이 19.05mm, 길이가 1m인 하나의 증발부와 직경이 12.7mm, 길이가 1m인 12개의 응축부로 축소모델 포크형 히트파이프를 제작하였으며, 실험적으로 측정된 최대 열전달 성능은 약 2.3kW였다. 또한 여러 가지 열전달 현상이 관측되었다. 증발부에서는 압력진동으로 인해 불안정성이 관측되는 가이즈 비등(Geyser boiling)과 안정적으로 비등이 일어나는 완전발달 비등이 관측되었다. 완전발달 비등은 운전특성에 따라 다시 풀비등과 환형비등으로 나뉘어졌다. 응축부에서는 끝단으로 갈수록 열전달 성능이 저하되고 급격한 온도구배를 가지는 구간이 관측되었으며, 문헌조사를 바탕으로 불응축기체가 존재할 때 보이는 특징인 것으로 확인 하였다.

■ 성능해석 이론 모델 평가
열전달 성능해석의 방법론을 평가하기 위해 실험에서 측정된 열전달량을 해석 모델의 경계조건으로 활용하여 계산된 작동유체의 온도를 실험과 비교하였다. 실험과 해석에서 공통적으로 증발부 하단부에서 상단으로 갈 수록 포화온도가 감소 하였고, 그 경향성이 일치하였다. 이러한 포화온도의 차이는 충진된 액체의 수두에 의해 발생한다. 하지만 전반적으로 해석결과가 실험에서 측정한 작동유체의 온도보다 낮게 계산되었다. 이에 대한 원인은 불응축기체의 영향으로 판단되며, 불응축기체에 의해 응축부의 약 34% 열전달 면적이 열전달이 없는 것으로 가정하였을 때, 실험에서 측정한 작동유체 온도와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.