In-vessel retention (IVR) by external vessel flooding to maintain the molten core in reactor vessel by cooling the outer of it is one of the accident management strategies currently being employed in some advanced water reactors. However, the ability of the reactor vessel to transfer heat into coolant beneath the vessel is limited by the occurrence of critical heat flux (CHF) at its outer surface. Enhancing CHF at the outer surface of the reactor vessel allows a higher thermal margin and a significant enhancement of IVR capability. Higher CHF can be achieved by using either an advance coolant and/or an engineered fuel cladding surface.
Nano-fluids, colloidal dispersions of nano-size particles in base fluids, have been of interest for the last decade as advanced coolant for heat transfer systems, including nuclear reactors. One of the most interesting properties of nano-fluids is to enhance CHF over that of the base fluids, which has been obtained in many previous works. This opens a possibility for using nano-fluids to enhance the IVR capabilities of Advanced Light Water Reactor (ALWR) systems.
In this study, pool boiling CHF behavior on a small plate at varying inclination angle of the heated surface under atmospheric pressure was examined. Three nano-fluids with high suspension stability were selected by the Zeta Potential method to investigate the effects of each nano-fluid on pool boiling CHF, which were 0.05% $Al_2O_3$, 0.05% CNT + 10% $H_3BO_3$, 0.05% $Al_2O_3$ + 0.05% CNT. CHF increased as the heated surface was inclined from downward facing to vertical position. Nano-fluids enhanced CHF significantly in comparison with pure water. Among the three selected fluids, combination of $Al_2O_3$ + CNT nano-particles showed the highest CHF enhancement with the maximum of 122% at downward facing position, while $Al_2O_3$ nano-fluid exhibited the lowest CHF enhancement. The underlying mechanism of CHF enhancement in nano-fluids was investigated. Surface morphology modification of the heated surface after boiling in nano-fluids was found as the main source of CHF enhancement. Two surface parameters which are roughness and contact angle were the CHF governing factors. However, the contribution of roughness to CHF enhancement was stronger than that of contact angle.
원자로 외벽냉각을 통한 원자로 용기내부 노심 용융물 억류기술(이하 IVR)은 현재 차세대 원자로의 중대사고 대처 전략 중의 하나로 연구되고 있다. 그러나 원자로용기에서 외벽냉각수로의 열전달 성능은 원자로용기 외벽의 임계열유속에 의해 제한된다. 따라서 임계열유속의 증진은 원자로 용기 외벽의 높은 열적여유도와 IVR 성능의 증진을 가능하게 한다. 임계열유속의 증진은 외벽냉각수의 개선이나 핵연료 피복관의 개선을 통해 이루어 질 수 있다.
나노크기의 입자가 유체에 분산되어있는 나노유체는 지난 십여 년간 원자력발전소를 비롯한 열전달 시스템에서 차세대 냉각수로 많은 연구가 이루어졌다. 나노유체의 여러가지 장점 중 특히 임계열유속을 증진시키는 성능은 많은 관심을 받고 연구가 이루어졌다. 그리하여 나노유체를 통해 IVR의 성능을 증진시킬 가능성을 열게 되었다.
본 연구에서는 대기압하의 수조비등에서 평판 하향면의 각도를 변화시키면서 임계열유속을 측정하였다. 높은 분산성을 보인 세가지 나노유체 (0.05%산화알루미늄나노유체, 0.05%탄소나노튜브 + 10% 붕산나노유체, 0.05% 산화알루미늄 + 0.05% 탄소나노튜브 나노유체)를 가지고 수조비등 임계열유속의 증진효과를 살펴보았다. 임계열유속은 하향 가열면의 각도를 직각으로 세움에 따라 증가하였다. 나노유체는 증류수를 사용했을 때에 비해 임계열유속을 상당히 증진시켰다. 세가지 나노유체 중 산화알루미늄+탄소나노튜브 나노유체가 122%의 가장 큰 증진율을 보였다. 임계열유속의 증진 기구에 대해서도 연구하였다. 나노유체를 사용하였을 때 가열 표면 형태의 개선이 임계열유속 증진의 주요 원인인 것으로 나타났다. Roughness와 Contact Angle이 임계열유속에 영향을 미치는 두가지 표면 요소였으며, 그 중 Roughness의 임계열유속에 대한 효과가 Contact Angle의 임계열유속에 대한 효과보다 크게 나타났다.
