Experimental study on CHF of SiC, Cr surfaces for post fuel cladding in nuclear power plant

Abstract

SiC 표면과 Cr 표면을 이용해, 대기압 조건하에서 임계열유속을 측정하였다. 수조비등 실험 조건하에서 SiC와 Cr 코팅된 표면을 이용해서 임계열유속을 측정한 후, 스테인리스 및 Zircaloy-4 시편을 이용해서 측정한 임계열유속 값과 비교하고 SiC 및 Cr 표면의 적용 가능성을 평가했다. 임계열유속 결과는 표면의 물과의 친수성 정도로 설명 할 수 있었다. 또한, 유동 비등 실험 조건하에서 α-SiC 튜브와 스테인리스 튜브의 임계열유속을 측정 및 비교했다. 실험 결과는 시편과 물방울의 충돌 실험 및 SEM 측정을 통해 설명 할 수 있었다. 실험 결과에 따르면, SiC 표면은 실제 조건에서 기존 대비 동등, 혹은 그 이상의 임계열유속 여유도를 지닐 것으로 예측되며, Cr 표면의 경우에는 실제 적용을 위해서는 임계열유속 증진을 위해 표면에 특별한 처리가 필요로 할 것으로 보인다. 실험 데이터와 기존의 연구들 데이터에 기초로 해서 핵 비등 영역 및 천이 비등 영역을 표현할 수 있는 열전달 상관식을 개발했다. 개발된 상관식에서 뭉쳐진 큰 기포 면적에 관한 부분을 기포가 가지는 속도를 적용한 계산을 통해 하향 가열면에 적용할 수 있는 임계열유속 상관식을 개발했다. 개발된 모델에서 계산된 결과 값과 기존 실험 결과 값들의 비교를 통해 모델을 평가했다. 이번 수조비등 실험에서 사용된 SiC 코팅의 경우, 실험 전후 모든 표면이 상온의 공기중에 오랜시간 노출 시 상대적으로 소수성을 보이는 표면으로 변했다. XPS촬영을 통해 코팅의 표면에 소수 결합이 생성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 기존의 연구들에 기초하여, 소수성으로 변한 표면을 증류수에 담궈 뒀을 시, 점차적으로 친수적인 특성을 되찾았다. 이러한 경향은 상대적으로 높은 온도에서 그 효과가 더 가속화 됐으며, burnout 부분 근처에서 온도 효과가 가장 큼을 확인 할 수 있었다.