One of the most critical event expected in high temperature gas-cooled reactors (HTGR) is an air-ingress accident caused by a pipe break. When air ingresses into the reactor core following the accident, the graphite material consisting of reactor modera-tors and reflectors suffers from chemical reactions with gases. Such a situation would cause serious consequences increasing temperature, damaging structural integrity and accumulating toxic gases.
In this study, the main focus has been on the rate of reaction among the various topics concerned with the oxidation of graphite during the air-ingress. The followings are the main parameters that affect the rate of oxidation and product gases: (1) Kinetics, (2) Mass Diffusion, (3) Combined Effect of Kinetics and Mass Diffusion, (4) Moisture, (5) Shape and Size, and (7) Degree of Burn-off. Until recently, many researchers have studied this field, but there is still no good model that covers all these effects. In the present study, we experimentally investigated various effects related to the graphite oxidation, and developed theoretical models. Finally, we validated the models by comparison with the experimental data.
Conclusively, the present study recommends the following graphite ocxidation models :
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고온가스냉각로는 높은 안전성과 경제적으로 수소를 생산할 수 있다는 장점 때문에 현재 세계적으로 가장 활발히 연구가 진행중인 원자로이다. 현재 이 원자로의 안전성에 대한 다양한 분석이 수행되고 있는데, 이 중 공기침투(Air Ingress)를 가장 심각한 사고로 예상하고 있다. 공기침투는 원자로 배관이 깨졌다고 가정했을 시에 발생하는 현상으로 처음에는 원자로 내부의 냉각재가 외부로 빠져나가게 되고, 그 이후에 공기 중에 포함된 산소분자가 기체확산 현상에 의하여 발전소 노심으로 침투하게 되는 현상을 말한다. 이러한 공기침투가 문제가 되는 이유는 대기중의 산소가 원자로 노심에 감속재나 구조재로 사용하고 있는 흑연과 매우 빠른 산화반응을 일으키게 되기 때문이다. 이 반응을 통해서 발생할 수 있는 문제점은 다음과 같다.
(1) 이 반응을 통해 발생하는 열에 의해서 원자로의 온도가 상승한다.
(2) 이 반응을 통해서 흑연의 구조가 취약해져 발전소의 건전성에 문제가 된다.
(3) 이 반응을 통해서 발생하는 일산화탄소 (CO) 기체는 인체에 유해하다.
이 반응을 분석하기에 앞서 필요한 것은 이 반응이 얼마나 발생하는지를 정확히 예측하는 일이다. 이 반응의 속도에 영향을 미치는 요인들로는 (1) 화학적인 영향, (2) 질량 확산의 영향, (3) 습기의 영향, (4) 흑연의 형상 및 크기의 영향, (5) 반응 정도의 영향 등이 있으며, 지금까지 많은 연구자들에 의해서 연구가 수행되었다. 하지만, 이 모든 영향들을 고려할 수 있는 만족할 만한 모델은 현재까지 개발되지 못했다. 이 연구의 목적은 이런 다양한 영향들이 존재할 때, 흑연의 산화반응의 속도를 정확히 예측할 수 있는 반응 모델을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 이러한 모델을 개발하기 위해 다양한 실험을 수행하였으며, 이 실험결과를 바탕으로 이론적인 모델을 완성하였다.
화학적인 영향은 기존의 연구자들에 의해서 가장 많은 연구가 수행된 분야이다. 기존의 연구들을 통해서 아레니우스 모델이 화학적인 영향을 잘 반영한다고 밝혀졌기 때문에, 본 연구에서도 이 결과를 따랐다. 본 연구에서는 화학적인 영향이 잘 반영된 550℃ 부근의 저온에서 반응 가스를 분석하여 화학계수들을 정확히 결정하였다.
질량 확산의 속도를 계산하기 위해서 기존의 연구자들은 열전달과 질량전달 사이의 유사성을 이용하였다. 이 방법은 이미 잘 알려져 있는 열전달 상관식을 활용할 수 있다는 점에서 매우 유용한 방법이지만 현재까지 실험적인 검증은 충분히 이루어 지지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 열전달과 질량확산 사이의 유사성을 이용하여 질량전달속도를 정확히 예측할 수 있다는 사실을 실험을 통해 검증하였다.
온도가 낮을 경우에는 화학반응이 온도가 높을 경우에는 질량 확산에 의해서 반응 속도가 결정된다. 하지만 그 중간 영역에서는 두 가지 영향이 모두 반응 속도에 영향을 미치게 되고, 그 영역을 내부세공확산 (in-pore diffusion) 영역이라고 한다. 기존의 연구에서는 이 영역의 반응속도를 예측하기 위해 온도 별로 영역을 나누어 각각 서로 다른 상관식을 적용해 왔다. 하지만 본 연구에서는 한 개의 식으로 화학반응에서 질량전달까지의 모든 영역을 예측할 수 있는 모델을 이론적으로 개발하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 검증되었다.
습기에 대한 영향은 현재까지 기존의 연구자들에 의해서 연구가 수행된 바가 없었기 때문에 현재까지의 모델에서도 고려되지 않았다. 하지만 대기중의 공기에는 항상 다량의 습기가 포함되어 있기 때문에, 보다 실제 현상에 가까운 반응속도를 예측하기 위해서는 반드시 이 영향을 고려해 주어야 한다. 습기의 영향을 분석하기 위해 반응가스내의 습도를 정확하기 조절할 수 있는 장치를 개발하였으며, 이것을 이용하여 반응속도 및 성분가스를 분석하였다. 그 결과 습기가 화학적인 특성에는 영향을 주지 않지만 질량전달 속도는 감소시키는 방향으로 영향을 주는 것이 관찰되었으며, 그 원인은 일산화탄소의 연소반응 때문임이 밝혀 졌다. 이론적인 모델을 통하여 빠른 연소반응이 존재할 경우 질량 확산 속도가 본래 속도에 비해 절반으로 줄어드는 것이 유도 되었으며, 실험 결과와의 분석을 통해 검증 되었다.
흑연의 형상이나 크기는 흑연의 연소반응에 직접적인 영향을 주는 중요한 요인이나 현재까지 다양한 형상이나 크기에 대한 영향을 연구한 결과가 없다. 하지만 기존의 모델들은 편의상 반응속도가 외부 표면적에 비례하는 것으로 예상하고 식을 사용하고 있다. 본 연구에서는 흑연의 외부 표면적과 내부세공의 표면적을 각각 측정하여 형상의 영향을 분석하였다. 이 연구에서는 특히 불가능 할 것으로 생각되었던 내부 세공의 면적만을 따로 측정할 수 있는 방법을 개발하였으며 그 결과 외부 표면반응은 내부세공의 반응에 비해 그 크기가 무시할 수 있을 정도로 작다는 것이 밝혀졌다. 이것은 반응이 외부 표면적에 비례하는 값이 아니라 부피에 비례하는 값이라는 것을 보여주는 결과이다.
짧은 시간 동안에는 흑연의 산화속도가 일정한 것으로 보이지만 산화반응은 내부 세공의 구조를 변화시키기 때문에 오랜 시간을 놓고 보면, 반응속도가 처음에는 증가하다가 나중에는 감소하는 경향을 보인다. 이 변화의 매커니즘에 대해서는 기존의 연구자들이 많은 실험을 통해서 정성적으로 밝혀내었다. 하지만 현재까지 이 영향을 고려하여 반응속도를 예측하기 위한 시도는 거의 없었다. 본 연구에서는 모델링 및 시뮬레이션을 통해 시간에 따라 변하는 반응속도를 예측하는 시도를 하였으며, 그 결과 실험결과와 잘 일치하는 결과를 얻어내었다. 또한 원자로 안전해석코드에 사용할 수 있는 2영역(Two-Region Model) 모델을 개발하였다.
마지막으로 기존의 연구들에서 무시되었던 흑연과 이산화탄소 $(CO_2)$ 의 반응을 실험을 통해서 산화반응과 비교분석을 수행하였다. 그 결과 흑연/이산화탄소의 반응은 흑연/산소 반응에 비해 무시할 수 있을 정도로 그 크기가 적었다. 하지만 산소가 모두 소진된 이후에는 흑연/이산화탄소의 반응이 중요해 질 것으로 예상하기 때문에 이것에 대한 상관식을 구하였다.
결론으로 본 연구를 통해서 얻어진 흑연산화반응 모델은 실제 공기침투 사고 시 정확한 흑연산화반응을 예측 가능하게 함으로써 고온가스원자로의 안전해석에 매우 유용하게 사용될 것이다.
