원자력공학과 이동영 학생 SCI 저널 제1저자로 논문 게재
제4세대 원전 ‘고온가스냉각로’에 적용을 위한 예비연구 수행
“원전의 안전성 확보를 위한 연구 지속할 것”

일본 후쿠시마 원자력발전소 사고 이후 원자력발전소의 안전성 문제가 뜨거운 감자로 떠올랐다. 최근에는 새 정부가 탈원전 정책을 거론하면서 논란이 재점화되고 있다. 탈원전에 대한 찬반 갈등이 첨예한 가운데 세계적으로 원전 전문가들은 더 안전하고 경제적인 제4세대 원전을 개발 중이다.

원자력공학과 이동영 학생(13학번, 지도교수 정범진)은 제4세대 원전 가운데 하나인 구형 핵연료(Pebble bed)를 채택한 고온가스냉각로(VHTR)에 적용을 염두에 둔 예비연구를 수행해 지난 7월 7일 SCI 저널 <Heat and Mass Transfer> 온라인판에 논문을 게재했다.

이동영 학생이 제1저자로 참여한 논문 제목은 ‘Visualization of natural convection heat transfer on a sphere(단일구에서의 자연 대류 열전달 시각화)’다.

“기존 연구 범위에서 확장된 연구”
고온가스냉각로는 제4세대 원전 중 가장 안전하고 경제성이 뛰어난 것으로 인정받는다. 원전의 가장 위험한 사고는 냉각수가 제대로 공급되지 않아 핵연료가 녹으면서 방사능이 유출되는 것인데, 고온가스냉각로는 전원과 냉각수 공급이 끊겨도 공기의 자연 대류만으로 충분히 냉각돼 안전성을 확보할 수 있다.

이동영 학생은 “구형의 핵연료가 수백 개 장전되는 고온가스냉각로에서 전원이 상실되는 경우, 자연 대류에 의해 핵연료의 열이 얼마나 제거될 수 있는지 냉각 성능을 평가해보고 싶었다”고 말했다.

그러나 관련 연구 자료가 부족했다. 이에 이동영 학생은 고온가스냉각로의 자연 대류 열전달에 대한 예비연구로 전기도금 실험기법을 이용해 지름 1~12cm의 단일구에서 발생하는 자연 대류 열전달을 측정했다.

그 결과 구의 지름이 증가함에 따라 유동 박리(Flow Separation) 지점이 구의 상단에서 측면으로 이동하고, 상부에서의 난류 유동 영역이 증가하는 것을 관찰했다.

정범진 교수는 “기존 연구에서는 유동 시각화만 수행됐으나, 이번 연구에서는 열전달을 시각화함으로써 유동 박리 지점을 관찰해 기존 연구 범위를 확장시켰다”라고 설명했다.

“연구 통해 전공을 한 차원 더 높이 이해할 수 있게 됐다”
이동영 학생이 연구를 시작한 것은 3학년에 올라가던 2015년. “자신에게 맞는 전공 분야를 찾고 싶어 실험실에 지원했다”는 그는 문헌조사 등을 실시한 후 실험장치를 설계, 지난해 8월부터 실험을 시작했다.

실험과 그 결과를 분석하는 데 교수는 물론 실험실의 석·박사 과정 선배들의 조언이 큰 도움이 됐다. 그는 “실험은 혼자 할 수 있어도 분석은 혼자 할 수 없다”라며 “같은 실험결과에 대해 여러 시각을 들으면서 또 다른 시각으로 접근하는 법을 배울 수 있었다”고 밝혔다.

또한 이동영 학생은 연구가 전공공부에 도움이 됐다고 전했다. “직접 연구를 해보니 그 전에 암기하면서 넘겼던 수식과 물리적 현상의 의미를 이해할 수 있었고, 실험결과를 다각도로 분석하면서 전공을 한 차원 더 높이 이해할 수 있게 됐다”고 말했다.

연구 확장해 지속적으로 논문 작성
이번 연구는 산업통상자원부 에너지인력양성사업의 지원을 받아 수행됐다. 이동영 학생은 연구를 확장해 구의 개수를 늘려가면서 발열하는 많은 구가 임의로 쌓여있는 상태에서의 자연 대류 열전달 연구를 수행해 이미 다른 SCI 저널에 논문을 투고했으며, 최근에는 강제대류 열전달에 대한 실험을 마치고 논문을 작성 중이다.

현재 4학년인 이동영 학생은 졸업 후, 석·박사통합과정으로 대학원에 진학해 원전에서 중대사고가 발생했을 때 원자로 중심부의 용융물 파편층의 냉각성능을 평가하는 연구를 지속함으로써, 원전의 안전성 확보를 위해 노력할 계획이다.