As interests in a severe accident have increased after Fukushima nuclear power plant accident in 2011, the concept of multi-functional magnetic nanoparticles (MFMNs) was suggested as one of the mitigation strategies. However, despite numerous advantages of nanoparticles verified by previous research, the use of them in nuclear power plants (NPPs) has some limitations, particularly altering the thermal-hydraulic characteristics of coolant in the system. Therefore, before applying the concept of MFMNs into the system, evaluation of thermal characteristics of nanofluids is highly necessary, especially as to critical heat flux (CHF) for a safety margin. In this study, consequently, we want to find out which shape and size of silica nanoparticles would be suitable for the part of MFMNs through the CHF evaluation. On this basis, pool boiling experiments were conducted with magnetite (25nm) and various size (8nm to 2000nm) and shape (porous and non-porous) of silica nanoparticles, which are components of MFMNs. The flat-type heater was used as the test section of the experimental facility. Furthermore, relatively low concentration conditions ($10^{-5}$ % vol. to $10^{-3}$% vol.) compared with previous studies was applied since the lower concentration of nanoparticles is good for coolant stability and economics. In addition, sonication process was performed for the preparation of well-dispersed stable nanofluids. Consequently, the improvement and deterioration of CHF were observed depending on concentrations and particle size of silica nanoparticles. Furthermore, the surface analysis using scanning electron microscope (SEM) images and contact angle measurement was conducted, and the deposition of nanoparticles on the heater surface and the wettability enhancement were confirmed. Furthermore, the influential parameters on boiling mechanism were additionally investigated. Thus, based on the previous studies and verifications, sufficient discussions on the persuasive mechanisms regarding the experimental results are suggested in this paper.
후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후로 중대 사고에 대한 관심이 증가되면서, 사고 피해 완화 전략의 일안으로 다기능성 자성 나노 입자 개념이 제안되었다. 이전의 연구들을 통해서 나노 입자의 많은 장점들이 밝혀졌지만, 원자력 발전소에 나노 입자를 사용하는데 여러 제한 사항들이 있다. 대표적으로, 나노 입자는 발전소 내 냉각재의 수력학적 특징들을 변화시킨다. 그리하여, 다기능성 자성 나노 입자를 시스템에 적용하기에 앞서, 나노 용액의 충분한 열 특성 평가가 수행되어야 한다. 특별히, 시스템의 안전 여유도를 평가하기 위한 임계열유속에 대한 평가가 필요하다. 이 논문에서는 다기능성 자성 나노 입자의 구성 입자로서 어떠한 크기와 모양을 가진 실리카 나노 입자가 적합한지에 대하여 임계열유속 평가를 통해 평가하고자 한다. 먼저, 다기능성 자성 나노 입자의 구성 물질로서 25nm 크기의 자성 나노 입자와, 8nm에서 2000nm의 다양한 크기와 형태(비정형 입자 및 다공성 입자)를 가진 실리카 입자를 이용하여, 수조 비등 실험을 진행하였다. 실험에는 평판형 히터를 사용하였고, 상대적으로 이전 연구자들의 실험보다 낮은 농도의 용액을 이용하였다. 안정된 상태의 나노 용액을 만들기 위해, 준비 과정에서 초음파 처리 공정을 수행하였다. 실험 결과, 실리카 나노 입자의 농도와 크기에 따라서, 임계열유속의 증진과 감소를 관찰 할 수 있었다. 전체적으로, 높은 농도 영역과 낮은 농도 영역으로 나누어서 결과를 살펴 볼 수 있었는데, 고농도 영역에서는 모든 입자에서 임계열유속이 증진되는 것을 확인 할 수 있었고, 상대적으로 작은 크기의 입자의 경우에 저농도 영역에서 임계열유속이 감소하는 것을 관찰하였다. 실험 이 후, 주사 전자 현미경과 접촉각 측정을 통해, 나노 입자의 흡착 정도를 관찰하였고, 나노 입자가 습윤성에 미치는 영향에 대해서도 평가하였다. 하지만, 습윤성의 영향만으로는 입자 크기에 따른 임게열유속의 경향을 설명하는데 한계가 있음을 확인 하였다. 그리하여, 임계열유속에 영향을 주는 다른 인자들에 대하여 조사하고 충분한 논의를 통해, 보여지는 결과의 원인을 파악하고자 하였다.
