01 — 문제
복잡한 형상일수록
안이 보이지 않습니다
초고온가스로, 소듐냉각고속로, 용융염원자로 같은 차세대 원자로는 내부 구조가 복잡합니다. 구형 연료가 쌓인 페블베드, 나선 철선을 감은 봉다발, 나선형 전열관처럼 곡면이 많은 형상이 유동을 결정합니다. 설계를 검증하려면 이런 구조물 사이를 지나는 속도장을 직접 재야 합니다.
문제는 빛입니다. PIV나 LDV 같은 광학 계측은 유동을 건드리지 않고 잴 수 있다는 것이 장점이지만, 고체와 유체의 경계에서 빛이 꺾입니다. 곡면에서는 그 정도가 훨씬 심해 뒤쪽 구조물이 일그러지거나 아예 가려집니다. 어디를 재고 있는지조차 알 수 없게 됩니다.
해법은 경계 자체를 없애는 것입니다. 유체의 굴절률을 고체와 똑같이 맞추면 빛은 경계를 지나면서도 꺾이지 않습니다. 이것이 굴절률 정합(MIR)입니다. 다만 지금까지는 아크릴(PMMA, 약 1.49)을 깎아 모형을 만들어야 했고, 위와 같은 형상은 깎아서 만들 수 없었습니다.
연구실 촬영 · 소리 없음
영상 — 신상오
직접 보기
페블베드 형상이 사라집니다
격자 무늬 앞에 유리 셀을 놓고, 굴절률을 맞춘 액체 속에 투명한 페블(구형 연료 모형)을 하나씩 쌓아 페블베드를 만듭니다.
액체 밖에서는 페블 하나하나의 윤곽이 또렷합니다. 그런데 잠기는 순간 사라집니다. 고체와 유체의 굴절률이 같아 경계에서 빛이 꺾이지 않고, 뒤쪽 격자가 그대로 비치기 때문입니다.
01.5 — 증거
다섯 가지 형상이 같은 액체 안에서 사라집니다
3D 프린터로 뽑은 시험부 다섯 가지(꼬인 각기둥 · 페블베드 · 와이어랩 봉다발 · 원관 · 자이로이드)를 같은 굴절률 정합액에 반쯤 담갔습니다. 뒤에는 격자를 세워 둡니다.
액체 밖으로 나온 위쪽에서는 구조물이 격자를 일그러뜨립니다. 잠긴 아래쪽에서는 격자가 그대로 지나갑니다. 형상이 달라도 같은 일이 일어납니다.
이렇게 벽이 보이지 않게 되면 안쪽 어느 평면이든 골라 속도장을 잴 수 있습니다.
벽이 사라진 뒤에 보이는 것
지그재그 유로(PCHE)의 한 굽이를 깊이가 다른 두 평면에서 잰 시간 평균 속도장입니다. 벽 쪽 유동을 가리는 것이 없으니 굽이 안쪽 구석까지 들어갑니다.
주류는 지그재그를 따라가며 벌크 속도의 2.0~2.2배까지 올라갑니다. (a) 평면에서는 유동의 중심이 바깥 벽으로 밀리고, 안쪽 구석을 지난 자리에서 약한 역류가 나타납니다(최소 −0.13 Ub). (b)는 그 자리를 확대한 것으로, 떨어진 길이가 수력직경의 0.30배입니다.
깊이가 다른 (c) 평면에서는 어디에서도 속도가 양수입니다(최소 +0.9 Ub). 같은 굽이인데 깊이에 따라 다르게 움직인다는 뜻입니다.
02 — 모델
깎을 수 없다면, 출력하면 됩니다
광경화(SLA) 3D 프린터로 투명 수지를 출력하면 형상 제약이 사라집니다. 아래 세 모형은 모두 기존 가공으로는 만들기 어려운 구조입니다.
페블베드
Pebble bed
구형 연료가 쌓인 초고온가스로 노심
와이어 랩 봉다발
Wire-wrapped rods
나선 철선을 감은 소듐냉각고속로 연료봉
나선형 전열관
Helical coiled tube
일체형 원자로 증기발생기 전열관
사진 — 신상오
맞춰야 할 값은 1.546
출력물의 굴절률을 프리즘 커플러로 네 개 파장에서 측정했습니다. 파장이 길어질수록 굴절률이 낮아지는 정상 분산을 보입니다.
적층 두께를 0.05 mm와 0.025 mm로 바꿔 출력해도 값은 거의 같았습니다 (532 nm에서 1.544와 1.546). 출력 해상도가 광학 물성을 바꾸지 않는다는 뜻이므로, PIV에 흔히 쓰는 532 nm 기준 1.546 을 목표로 삼았습니다.
404 – 829 nm 구간을 모두 측정해 두었기 때문에, 다른 광원을 쓰는 PLIF 같은 기법에도 그대로 쓸 수 있습니다.
적층 두께 0.025 mm 시료 측정값 · Prism Coupler, TE 모드, 정확도 ±0.001
03 — 유체
안전하고
냄새 없는 액체로
상용 SLA 수지는 굴절률이 1.5를 넘습니다. 이 범위를 맞추는 기존 유체들은 각각 문제가 있었습니다. 요오드화나트륨 수용액은 금속을 부식시키고 변색되며, p-사이멘은 독성과 자극성이 있어 별도의 폐액 처리 설비가 필요합니다. 앞서 제안된 아니스유·광유 혼합액은 냄새가 강해 실험실에서 오래 쓰기 어려웠습니다.
그래서 굴절률이 높으면서(1.567) 독성이 낮고 거의 무취인 벤질 벤조에이트를 기준 유체로 골랐습니다. 여기에 굴절률을 목표값까지 낮추고 점도도 함께 낮춰 줄 공용매가 필요했습니다. 후보는 셋이었고, 판단 기준은 간단했습니다. 섞이는가.
- 기준
벤질 벤조에이트
Benzyl Benzoate
- 굴절률
- 1.567
- 점도
- 8.6 cP
- 밀도
- 1.118 g/cm³
이 유체에 무엇을 섞을지가 문제입니다.
광유
Mineral Oil
- 굴절률
- 1.459
- 점도
- 70 cP
- 밀도
- 0.85 g/cm³
✕상이 분리되고 뿌옇게 흐려집니다. 광학 측정에 쓸 수 없습니다.
실리콘 오일
Silicone Oil
- 굴절률
- 1.405
- 점도
- 970 cP
- 밀도
- 0.97 g/cm³
✕상이 분리되고 뿌옇게 흐려집니다. 광학 측정에 쓸 수 없습니다.
이소프로필 미리스테이트
IPM
- 굴절률
- 1.435
- 점도
- 4.7 cP
- 밀도
- 0.85 g/cm³
○완전히 섞여 맑은 용액이 됩니다. 점도와 밀도도 낮아 유동 조절에 유리합니다.
광유와 실리콘 오일은 벤질 벤조에이트와 섞이지 않았습니다. 이소프로필 미리스테이트만 완전히 혼화되어, 두 성분의 비율만으로 굴절률과 점도를 동시에 조절할 수 있는 조합이 되었습니다.
04 — 직접 맞춰보기
비율과 온도를 바꿔 보세요
아래 값은 모두 논문의 상관식으로 실시간 계산됩니다. 목표 굴절률 1.546에 가까워질수록 왼쪽 격자가 곧아지고, 정확히 맞으면 구조물이 사라집니다.
혼합액 굴절률
1.5459
목표와의 차이
−0.0001
점도
7.5cP
이 온도의 최적 조성입니다 (φ = 0.841)
굴절률은 Arago-Biot 혼합 법칙과 열광학 계수, 점도는 Grunberg-Nissan 식과 Arrhenius 식으로 계산합니다. 온도 상관식은 φ = 0.8 에서 측정한 값이며, 점도의 온도 그래프도 같은 조성 기준입니다.
05 — 검증
실제로 사라집니다
비틀린 각기둥을 세 가지 매질에 담그고 1 cm 격자를 배경에 두어 촬영했습니다. 곡률과 비틀림이 동시에 있어 굴절률 정합의 성능을 가혹하게 검증할 수 있는 형상입니다.
비틀린 각기둥 모델 · 배경 격자 1 cm
사진 — 신상오
- 매질 굴절률
- 1.546
- 모델과의 차이
- +0.000
모델이 거의 보이지 않고 격자가 곧게 이어집니다. 경계에서 빛이 꺾이지 않는다는 뜻입니다.
06 — 정리
무엇이 가능해졌나
형상 제약이 사라졌습니다
깎아서 만들 수 없던 페블베드, 와이어 랩 봉다발, 나선형 전열관을 그대로 출력해 실험할 수 있습니다.
안전하고 다루기 쉽습니다
부식성도 독성도 없고 거의 무취입니다. 특수 폐액 처리 설비 없이 실험실에서 상시 사용할 수 있습니다.
설계값을 계산할 수 있습니다
부피분율 0.84에서 굴절률 1.546, 점도 약 7.5 cP. 조성과 온도에 따른 변화가 모두 상관식으로 정리되어 있어 실험 조건에 맞춰 미리 계산할 수 있습니다.
다음 단계
실제 PIV 시스템과 PLIF 입자를 이용한 검증, 그리고 굴절률 차이에 따른 측정 오차의 정량 평가를 진행합니다.
출처
Sangoh Shin, Min Seop Song, “Experimental Validation of a Novel Refractive Index Matching Technique Using SLA 3D-Printed Models for Optical Flow Measurements in Nuclear Thermal-hydraulic Experiments,” American Nuclear Society, 2026.
본 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)과 기후에너지환경부의 지원 (No. RS-2024-00398867), 그리고 혁신형 SMR 기술개발사업단의 지원 (No. RS-2024-00404240)으로 수행되었습니다.