고속증식로 연구개발 仲井 悟 : 핵연료 사이클 개발기구 大洗工學센터 신기술 개발시험 그룹 리더 온도 흔들림 배관 등 구조물 손상 냉각재의 영향 고온과 저온의 유체가 섞임으로써 유체에 온도의 변화(온도 흔들림)가 반복하여 발생한다. 이 유체의 온도 흔들림이 배관이나 용기 벽의 구조물에 전달되면 구조물도 온도변화를 거듭한다. 온도변화로 구조물 속에서 구조물이 늘었다 줄었다 함으로써 응력이 발생하는데, 예를 들면 100만번 이상이나 반복됨으로써 구조물의 건전성이 손상되는 현상을 서멀스트라이핑 현상이라고 한다. 특히 나트륨을 냉각재로 사용하는 고속증식로에서는 나트륨의 열전도율이 높기 때문에 유체의 온도 흔들림이 구조물에 전달되기 쉬워 그 현상의 해명이 중요하다. 서멀스트라이핑 현상에 대해서 구조물의 건전성을 유지하기 위해 지금까지는 고온과 저온의 유체의 온도차를 작게 하는 대책, 온도변화에 의한 응력의 반복에 내성이 있는 인코넬이라는 재료를 사용하는 등의 대책이 이루어져 왔다. 그러나 이러한 것들은 신규 설비나 고가의 재료 사용이라는 경제적인 문제뿐 아니라, 과도한 보수성을 가져서 대담한 구조개념의 채용과 같은 최적의 설계를 지향하기는 어려웠다. 파손한계를 시험 따라서 이 현상의 온도 흔들림과 그 구조재로의 전달과 감쇠 메커니즘을 해명함으로써 경제성, 구조건전성을 향상하는 최적 설계에 사용할 수 있는 평가법을 확립하기 위해 물이나 나트륨을 사용한 유체 속의 온도혼합현상, 유체에서 구조물에의 온도 흔들림의 전달, 구조물의 온도변동에 의한 파손한계에 관한 시험을 실시하고 있다. 나트륨은 빛을 투과하지 않기 때문에 현상이상세한 해명은 곤란하지만, 물 실험에서는 온도계에 의한 온도측정과 가시화에 의한 상세한 유동거동의 파악이 가능하며, 온도 흔들림의 상세한 메커니즘을 해명할 수 있다. 온도가 다른 유체가 서로 섞임으로써 발생하는 온도 흔들림의 모습이나 구조물에 전달되어 가는 과정에서 변화하는 모습을 물 실험으로 온도계(열전대와 감온액정), 또는 가시화 화상을 이용한 입자화상 유속측정법(PVI)에 의해 밝혔다. PVI는 미소 입자를 섞은 흐름을 레이저 라이트 시트와 카메라로 촬영하고, 2 장의 화상에서 입자의 이동거리를 계산, 이동속도를 구하는 방법으로, 다점 동시 다차원 속도장 정보를 얻을 수 있다. 그림에 3 개 온도의 다른 분류 혼합에 대한 가시화 시험에서 얻어진 화상과 PVI에 의한 유속분포의 계산치를 나타내었다. 메커니즘 해명으로 실기(實機)에서 사용되는 나트륨에 대해서는 물 실험의 결과를 기초로, 물 실험과 똑같은 세 개의 분류체계에서 온도 흔들림 현상과 구조물에의 열 전달 방법, 구조물 속에서의 온도변화에 대해 측정했다. 유체 속에서의 온도 흔들림이 구조물 표면이나 구조물 속에서 크기 감쇠한다는 것이 밝혀졌다. 또 실용적인 체계로서 배관의 합류부를 모사한 T자관 체계에서의 물 실험에 있어, 비교적 긴 주기에서의 온도 혼합현상이나 배관 벽면에 스포트 상태로 온도가 다른 영역이 형성되어 그 경계가 변동하는 현상의 해명도 진행하고 있다. 이들 실험 데이터는 계산기 시뮬레이션의 검증 데이터로서 유효하게 사용하고 있다. 또한 유체이 온도변화에 의한 구조물의 파괴시험을 실시, 구조물 손상의 메커니즘을 밝힐 예정이다. 이 현상은 유체와 구조 두 분야에서의 해석 및 실험을 포함하여 검토를 진행함으로써 서멀스트라이핑 현상에 대해 간소한 설비로 동시에 고가의 재료를 사용하지 않고 구조물의 건전성을 유지할 수 있는 합리적인 설계를 가능케 하는 평가법을 책정하고, 고속 증식로의 경제성, 건전성을 향상시킨다. (NK)