A Printed Circuit Steam Generator (PCSG) is one of the promising steam generator types that is manufactured with diffusion bonding process, so it has advantages such as high surface-to-volume ratio, better affordability, and superior structural integrity under high pressure and temperature conditions. Nonetheless, PCSG is a once-through steam generator, thus dryout and two-phase instability occur in the flow path. Due to these phenomena, periodical alternating stress induced by dryout thermal fluctuation can finally lead to the thermal fatigue failure. To overcome the limitation of dryout in once-through steam generator channels, a mitigation strategy by controlling wettability of the channel surface is investigated in this thesis. To experimentally analyze the dryout phenomena, a test section with semi-circular bare surface channel with 4mm diameter and another test section with identical geometry but hydrophobic surface were manufactured, and experiments with two test sections were conducted. As a result, frequencies of dryout thermal fluctuation on both the bare and the hydrophobic surfaces were measured as 0.1 to 1Hz but the maximum temperature amplitude was smaller for the hydrophobic surface by 20℃. Furthermore, to assess thermal fatigue failure under real nuclear reactor operating condition, a dryout frequency prediction model and a dryout amplitude prediction model are newly suggested based on the newly obtained experimental data in this thesis and the previous studies. To analyze thermal fatigue failure under more challenging conditions than a light water reactor condition, a PCSG for PGSFR operating condition was newly designed and evaluated. From the design results of PCSG and the newly proposed dryout thermal fluctuation prediction model, the frequency was estimated to be 51Hz under the PGSFR operating condition. With the predicted variables, PCSGs under PGSFR operating condition with bare surface and hydrophobic surface are modeled with finite element method, and it was observed that the PCSG with hydrophobic surface has smaller alternating stress induced by dryout thermal fluctuation under the identical thermal-hydraulic condition.
인쇄 회로 증기발생기(PCSG)는 확산접합기법을 활용하여 제작하는 차세대 증기발생기 개념 중 하나로써 높은 집적도로 인해 경제성을 가지며, 고온 고압의 조건에서도 우수한 구조적 건전성을 가지는 장점이 있다. 하지만, PCSG는 관류형 증기발생기의 특징을 갖기 때문에 관내에서 드라이아웃과 이상 유동 불안정성이 발생하고, 드라이아웃 온도 진동으로 인한 벽면에 주기적인 열응력 변화가 열피로파괴를 야기할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 표면 젖음성을 조절을 통해 드라이아웃 진동으로 인한 피로파괴를 완화하는 전략에 대해 논의한다. 먼저 실험적으로 현상을 분석하기 위해 직경 4mm를 가지는 반원형 일반 유로와 형상은 같지만 소수성 물질을 코팅한 테스트 섹션을 각각 제작하여 드라이아웃 온도 진동 실험을 수행하였다. 그 결과 두 표면에서 관측된 드라이아웃 진동은 0.1~1Hz의 진동수를 가진 반면, 관찰된 최대 온도 진폭은 소수성 표면에서 최대 약 20℃ 정도 감소하는 것을 확인하였다. 더 나아가 실제 원자로 운전 조건에서 PCSG 피로파괴 평가를 하기 위해 실험결과와 이전 문헌들로부터 드라이아웃 진동수와 진폭을 예측하는 모델을 제안하였다. 경수로보다 더 가혹한 운전 조건에서 PCSG 피로파괴를 평가하기 위해 PGSFR 운전 조건에서 PCSG를 설계하였고, 설계 결과와 제안한 드라이아웃 모델로부터 51Hz의 진동수를 갖는 것을 확인했다. 도출된 결과들로부터 유한요소 해석 방법으로 일반 표면과 소수성 표면을 갖는 PGSFR 조건의 PCSG를 각각 모사하고, 같은 조건에서 소수성 표면에서 드라이아웃 열진동으로 인한 열응력이 작아지는 것을 확인하였다.
