The concern about nuclear safety related to the severe accident has been sharply raised after the Fukushima accident. Among various safety issues, the passive safety system and corium cooling are the mostly emerged ones. As a critical heat flux(CHF) is a main restricting factor of the heat removal capacities of both kinds of safety systems, a number of researches have been performed to understand and improve the CHF.
In order to enhance the CHF, various methods of surface treatment have been being actively studied for decades. Generally, degree of CHF enhancement by surface treatment is determined by a number of factors, such as surface roughness, porosity, structure shape, structure spacing, etc. Most of them are known to affect the bubble dynamics as well as dry spot dynamics for improvement of the heat removal ability. To discover the CHF enhance-ment mechanism by surface structure, we investigated the individual parametric effect on structured-surface CHF and developed the CHF mapping method.
We performed CHF experiments using structured surfaces in the water pool to validate the parameter effects and to understand their physical meanings. Experimental results showed that the CHF has a peak value as the fin geometry changes. Fins with height of 0.5 mm produced the largest CHF, 1.7 $MW/m^2$, and fins longer than 2 mm reduced the CHF values.
To explain the results, the CHF mapping method was developed by describing the liquid supply-side and demand-side limits.
The liquid demand-side limit, governed by the nucleate boiling heat removal capability, is calculated using the dry spot model considering the extended surface and contact angle. In case of the effect of surface extension by fin structures, it is analyzed by relating fin efficiency and a local heat transfer coefficient on the fin surface with the CHF. The fin efficiency through the fin structure is calculated with the thermal conductivity of heaters, structure size, spacing, fin length and local heat transfer coefficients. We found out that contact angle is changed with the variation of fin geometry through its measurement. The effect of its change on the nucleation site density is considered in CHF calculation by the dry spot model.
We considered three liquid supply-side limits which restrict the liquid supply to the heating surface: capillary limit, and counter-current flow limitations (CCFLs) in the structure and in the free volume. The capillary limit is determined by balancing the capillary pressure and viscous dissipation in the liquid film on the fin side. The CCFL in the structure is calculated using the Wallis correlation and the CCFL in the free volume limits the liquid downward flow by the vapor jetting from the heating surface.
The CHF map for our experimental results successfully describes the CHF trend of the structured surfaces in the water pool. Additionally, the experiment performed in the FC-72 pool is well matched with the CHF map. As a result, we concluded that the CHF mapping method is an effective means of explaining CHF for the heater of fin structure in pool boiling.
It has been known through experimental observation that a dry patch plays an important role in CHF initiation. We developed a dry patch model based on the observation as well as the dry spot model. There exist quenchable and unquenchable dry patches at high wall heat flux. Experimental observation showed that the formation of the unquenchable dry patchs is a main source for CHF initiation.
In the dry patch model we proposed thermal and hydraulic criteria for the onset of the unquenchable dry patch at the high heat flux: an unquenchable dry patch with a critical size can be generated when the following two criteria are satisfied. As a hydraulic criterion, we assume that the coalescence of the whole dry spots takes place generating a dry patch if all of them just contacts each other. As a thermal criterion, we consider the temperature of the dry patch. An unquenchable dry patch will be formed if its peripheral temperature reaches Leidenfrost temperature so that it may not be rewetted even with bubble detach-ment.
The critical size of the dry patch is obtained by CFD simulation so that its peripheral temperature may be the same as Leidenfrost temperature. Wall dry area fraction can be obtained by calculating the probability of the formation of the unquencable dry patchs satisfying both criteria for its critical size. We demonstrated that the dry patch model succesfully predicted experimental CHF data obtained in pool boiling and forced convective flow boiling of water.
후쿠시마 사고 이후, 중대사고와 관련된 원자력 안전에 관한 우려가 급격히 높아지고 있다. 여러가지 안전 현안 중에서도, 피동안전시스템과 코륨 냉각시스템에 대한 부분은 크게 부각된 부분으로, 두 시스템의 냉각 용량을 제한하는 임계열유속은 개선되어야 할 부분으로 연구되어 왔다.
임계열유속을 향상시키기 위한 여러 가지 방법은 수십년간 다각도로 연구되어 왔다. 그 중, 일반적으로 표면 처리에 의한 임계열유속 향상은 많은 요소에 의해 영향을 받으며 대부분은 비등효율을 높여 열제거 용량을 높이는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 어떠한 요소가 어떠한 작용을 통해 임계열유속 증진에 관여하는지를 관찰하기 위해 핀 구조를 갖는 표면을 이용한 임계열유속 실험을 수행하였다. 실험 결과, 핀 구조의 형상 변화에 의해 임계열유속의 최대값이 나타나는 것으로 관찰되었다. 최대 임계열유속 값은 0.5mm길이의 핀 구조를 갖는 표면에서 나타났으며, 핀 구조가 길어질수록 임계열유속 값은 감소하였다.
실험 결과를 설명하기 위해, 본 연구에서는 액체 공급과 수요 한계를 바탕으로 한 임계열유속 매핑법을 제시하였다.
액체 수요 한계는 핵비등에 의한 열제거 용량에 의해 결정되며, 확대 표면적과 접촉각을 고려한 드라이-스팟 모델을 활용하여 계산한다. 핀 구조에 의한 표면적 확대는 핀 효율과 국지 열전달계수를 사용하여 계산하며, 핀 효율은 핀 구조 형상과 히터 물질의 열전도율에 의해 결정된다. 접촉각은 임계열유속을 결정하는 요소 중 하나로, 드라이-스팟 모델의 공동 크기 계산시에 고려한다.
세 가지의 액체 공급 한계는 가열 표면으로의 액체 공급량을 제한하여 임계열유속을 발생시키며, 모세관력에 의한 한계, 구조 내부와 자유 공간에서의 대향류 유동 한계를 포함한다. 모세관력에 의한 한계는 핀 벽면에서 액막의 모세관력과 점성 소실의 균형이 이루어지지 않을 때 일어난다. 구조에 의한 대향류 유동 한계는 Wallis 상관식을 이용해 계산할 수 있으며, 자유 공간에서의 대향류 유동 한계는 증기 분출에 의한 하향 액체 흐름의 제한을 나타낸다.
본 실험 결과에 대한 임계열유속 매핑법 적용은 성공적으로 임계열유속 값의 변화 동향을 예측하였으며, FC-72를 이용한 이전 연구의 실험 결과도 비교적 정확하게 예측하였다. 따라서, 본 연구에서는 임계열유속 매핑법이 임계열유속에 대한 이해와 예측에 효과적이라고 판단하였다.
또한, 본 연구에서는 임계열유속 발생에 중요한 역할을 하는 드라이 패치 해석을 위해 드라이-스팟 모델에 기반한 드라이 패치 모델을 제안하였다. 급격한 비등 조건에서 냉각 불가능한 드라이 패치 형성은 임계열유속을 발생하게 하는 주요 요인이 된다.
이를 판단하기 위해 본 모델은 냉각 불가능한 드라이 패치의 수력적, 열적 형성 기준을 수립하였다. 수력적 조건으로는 드라이 패치를 채우는 드라이 스팟의 분포를 특정함으로써 드라이 스팟이 합쳐지는 현상을 묘사하였다. 또한, 드라이 패치의 경계면 온도가 드라이 패치의 증기막을 유지하기 위해서는 온도가 충분히 높아야 하므로, quenching 온도를 넘어서는 경계면 온도를 갖는 드라이 패치의 크기가 열적 조건이 된다. 이를 위해 CFD를 사용하여 경계면 온도가 Leidenfrost 온도를 넘어서는 드라이 패치의 온도를 구하였다.
최종적으로 표면 건조 표면적 비율을 수력적, 열적 가지 조건을 모두 만족하는 드라이 패치의 형성 비율을 활용해 계산하였으며, 이를 통해 임계열유속을 예측할 수 있었다. 수립된 모델을 실험에 적용하여 계산한 결과, 풀 비등과 대류 비등 환경에서의 임계열유속을 성공적으로 예측하였다.
