최근 원자력발전소의 수명이 연장됨에 따라 경제성 확보를 위해 핵연료의 주기가 증가하고 있다. 이로 인해 노심에 장전되는 핵연료의 연소도가 증가하여 원전의 안전성 평가 시 핵연료 수명 주기 연장에 따른 영향의 반영이 요구되는 상황이다. 미국 및 프랑스, 한국 등에서는 핵연료 연소도 증가에 따른 안전성 평가 기준을 개정하고 있으며, 특히 원전의 정상운전 중에 핵연료봉 표면에 침적되는 크러드에 의한 열저항 효과를 모델링 요건에 반영하도록 규정하고 있다. 크러드는 노심 냉각수의 수화학조건에 의해 생성되는 원자로 1차측 구조재의 부식생성물이 핵연료봉 표면에서 미포화 핵비등 열전달로 인해 침적되는 물질로써, 다공성 미세구조를 갖는 것으로 알려져 왔다. 다공성 미세구조 표면은 물의 비등열전달 특성을 향상시킬 수 있는 것으로 보고되고 있는데, 최근 크러드가 침적된 표면에서 비등열전달 특성이 향상될 경우 원전의 안전성 평가에 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 있을 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 다공성 미세구조를 갖는 크러드 침적표면을 제작하고 재관수 열전달 실험을 수행함으로써 크러드 침적으로 인한 재관수 열전달 현상의 변화를 관찰하였으며, 그 원인을 분석하였다.
원자로 1차측 운전조건과 동일한 압력, 온도 및 수화학 조건을 조성한 실험을 통해서 크러드를 침적하였으며, 표면에 침적된 크러드를 분석한 결과 영광원전에서 관찰할 수 있는 암석형태의 크러드가 침적됨을 확인하였다. 또한, 침적된 크러드의 구성물질이 실제 가압경수로의 크러드에서 발견되는 산화니켈 및 니켈페라이트 등으로 구성됨을 확인하였다. 이와 함께 크러드 침적 표면에 대한 젖음특성 측정을 통해 크러드 침적 표면이 친수성 특성을 나타내면서 다공성 구조 내부로의 모세관 유동을 발생시킬 수 있는 표면인 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 크러드가 침적된 단일 가열봉을 이용한 재관수 실험을 위해 가압경수로의 재관수 조건을 모의할 수 있는 재관수 실험장치를 제작하였다. 재관수 실험장치는 노심 내 순수증기 환경을 구현하기 위한 순수증기 공급계통과 재관수 시 주입되는 냉각수의 유동을 모의하기 위한 냉각수 공급계통으로 구성되어 있으며, 가압경수로 노심 부수로의 수력학적 직경과 동일한 냉각유로를 갖는 재관수 시험계통을 설계 및 제작하였다.
크러드가 침적된 가열봉을 이용한 재관수 실험에서 냉각수 주입 유속 및 과냉도에 따른 급랭 열전달 변화를 측정하였고, 이때 발생하는 재관수 유동을 초고속카메라를 이용하여 가시화하였다. 재관수 실험 결과, 크러드가 침적된 표면에서 일반표면에 비해 재적심 온도가 최대 50 K 증가하는 결과를 보였으며, 고온표면과 냉각수의 순간적인 접촉 시 모세관 유동으로 인한 급격한 비등현상을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 다공성 구조를 갖는 크러드 침적 표면에서 막비등 열전달 및 재적심 현상이 향상됨을 실험적으로 관찰 및 측정할 수 있었다. 또한, 크러드 침적 표면에서 일반표면에 비해 약 100%의 임계열유속 향상을 측정하였다. 이 또한 크러드의 다공성 미세구조로 인한 모세관 유동의 영향으로써, 임계열유속 향상을 통해 천이비등 및 핵비등 열전달 영역의 열전달 계수 또한 향상됨을 확인하였다. 최종적으로, 다공성 미세구조를 갖는 크러드 침적 표면에서 재적심 온도가 증가하고 임계열유속 향상을 통한 열전달 계수 향상 효과가 급랭 열전달 시 재수착 전선의 전파속도를 크게 증가시켜 과열된 시편의 급랭에 필요한 시간을 절반 수준으로 단축시킴이 확인되었다.
본 연구는 크러드 침적 표면에 대한 재관수 및 급랭 열전달 실험 결과를 세계 최초로 획득하고 크러드 침적 표면에서 급랭 현상이 가속됨을 입증하는 첫번째 연구결과를 제공한다는 것에 의의가 크다고 판단된다. 그러나 고난이도의 크러드 침적 시편 제작 과정 및 제한된 횟수의 재관수 실험결과로 인해 크러드 침적 표면의 재관수 및 급랭 열전달 현상에 대해 깊이있는 결론을 제시하는 것은 무리가 있다고 판단된다. 따라서 본 연구의 후속연구로써 다양한 조건에서 침적된 크러드 표면을 활용한 재관수 실험을 통해 크러드 침적 표면이 비등 열전달에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 연구가 필요하며, 이를 바탕으로 크러드 침적 표면에 대한 재관수 및 급랭 열전달 모델 개발이 필요하다고 판단된다.