격자 없이
스스로 섞이는 연료

SMR의 경제성을 올리는 길 중 하나는 한 번 장전한 연료로 더 오래 운전하는 것입니다. 농축도를 높인 우라늄(HALEU)을 쓰면 주기를 늘리고 노심을 작게 만들 수 있습니다. 다만 같은 크기에서 출력이 올라가므로, 열을 더 잘 빼내지 못하면 안전 여유가 줄어듭니다.

그래서 금속 연료가 다시 주목받습니다. 열전도가 좋고, 무엇보다 원하는 모양으로 뽑아낼 수 있습니다. 나선형 십자 연료(HCF)는 그 자유도를 쓴 설계입니다. 네 잎 십자 단면을 축을 따라 천천히 꼬아 놓으면, 냉각재가 그 골을 따라 돌면서 스스로 섞입니다.

선행 연구는 이 형상이 기존 연료보다 전열면적을 크게 늘리고, 무엇보다 지지격자를 없앨 수 있다고 평가했습니다. 격자는 봉을 잡아 주는 대신 압력손실을 만드는 부품입니다. 격자 없이 섞을 수 있다면 펌프 동력을 아끼면서 열을 더 뺄 수 있습니다.

최적화한 형상 기준 전열면적 증가 — 비등경수로 +29%, 가압경수로 +40% (Conboy 등)

이 형상의 성능을 설계에 쓰려면 검증된 상관식이 필요하고, 상관식을 만들려면 실제 속도장을 재야 합니다. 그런데 HCF 서브채널에서는 PIV 수준의 3차원 속도장 데이터가 공개된 적이 없었습니다.

광학 계측이 어렵기 때문입니다. 봉 사이 틈은 좁고 구조물은 곡면투성이라, 빛을 넣어도 경계마다 꺾입니다. 탐침을 꽂으면 재려던 유동 자체가 달라집니다. 선행 연구는 압력손실이나 출구 농도 분포처럼 바깥에서 잴 수 있는 양에 머물렀고, 해석 쪽에서도 RANS 계산이 압력손실조차 제대로 맞히지 못했습니다.

3 × 3 봉다발을 광경화(SLA) 3D 프린터로 출력하고, 다섯 구간을 이어 붙여 다섯 비틀림 피치 길이로 만들었습니다. 자석 안에 들어가는 부품은 모두 비자성 재질이어야 해서, 고정 나사까지 폴리카보네이트를 썼습니다. 펌프와 유량계는 관측창이 있는 별도의 조종실에 두고, 호스만 자석실로 넘겼습니다.

출력면의 거칠기도 확인했습니다. 거칠기 레이놀즈수가 2.36으로 수력학적 매끈 영역(5 미만)에 들어, 프린팅 표면이 이차유동 구조를 바꿀 만한 수준은 아니라고 판단했습니다.

형상이 한 피치마다 되풀이되므로 유동도 언제부터 되풀이되는지 확인해야 합니다. 단면끼리 축방향으로 얼마나 닮았는지를 상관계수로 재 봤습니다.

전체 유량 분포는 한 피치만 지나도 거의 반복 상태에 들어섰습니다. 다만 벽 가까이의 국소 분포는 그보다 늦어, 두 피치(L/Dh ≈ 45)까지 가야 수렴했습니다. 해석 격자를 어디서부터 잡고 주기 경계를 어디에 둘지 정할 때 쓸 수 있는 기준입니다.

벌크 유동

1λ

국소 분포 (벽 근처)

2λL/D_h ≈ 45

안쪽 네 칸 사이의 네 계면을 지나는 유동을 계면마다 따로 계산했습니다. 코어 와류가 12시에서 9시 방향으로 돌아가면서, 그 방향의 계면으로 유체가 더 빨리 실려 갑니다.

세로 계면 두 곳은 측정 위치가 달라져도 비슷한 값으로 모이는 반면, 가로 계면 두 곳은 교환이 더 강하게 나타났습니다. 옮겨 다니는 와류가 가로 틈을 통해 이웃 칸과 더 직접 부딪힌다는 뜻입니다.

여기서 센 것은 평균 압력차가 만드는 전향 유동입니다. 난류가 만드는 교환 성분은 이번 측정에서 다루지 않았고, 이어지는 연구에서 채울 부분입니다.