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연구로 혹은 연구용 원자로는 핵분열 시 발생하는 중성자원을 이용하여 의료 및 공학적 응용 등을 위한 방사성 동위원소를 생산함과 동시에 기초연구를 위한 기반시설이다. 연구로는 운전 중에도 작업자가 수조상부로 접근할 수 있고 발전용 원자로와는 다르게 가압 계통이 없다는 설계적 특징을 가진다. 정상운전 시 개방수조형 연구로의 수조수는 방사선의 차폐 역할과 사용 후 핵연료의 잔열 제거를 가능하게 하며, 사고 시 수위가 떨어지더라도 충분한 냉각 용량과 시간을 확보할 수 있어 안전적 측면에서 핵심적인 역할을 한다.

개방수조형 연구로 시스템의 열손실 평가는 이 수조수 냉각 계통의 용량을 산정하는데 직접적으로 관련되어 있어 아주 중요한 절차라고 할 수 있다. 무엇보다 노심 냉각계통이 없는 자연대류 냉각방식을 이용하는 저 출력 연구로에서는 수조수를 이용하여 노심 열 출력 보정에 활용되기 때문에 이에 파생하는 불확도 저감을 위해 환경적 열손실 평가는 필수적이다.^1-4)

개방수형 원자로 시스템의 열손실 평가 사례로 Amir Zacarias Mesquita 등¹⁾의 연구에서, IPR-R1 TRIGA Mark I 원자로의 수조는 원통형 구조를 가지며 환경으로 손실되는 열은 벽체와 공기에 대한 열손실에 대하여 평가한 바 있고 결과는 원자로 열출력 보정에 활용되었다. 이와 비슷한 수조 형태를 가지는 NIRR-1 원자로를 연구한 S. A. Agbo 등^2,3)은 다양한 노심 출력조건과 수조로부터 발생하는 열손실을 계산하여 원자로의 출력 불확도를 평가하였다. TRIGA Mark II를 대상으로 한 연구⁴⁾에서 보다 정밀한 열손실 평가를 위한 실험이 진행되었고 콘크리트 수조를 통해 빠져나가는 벽체 열손실에 대한 새로운 상관식을 제시한 바 있다. 더 나아가, 수조의 열손실 평가 결과를 냉각재 상실사고 시 잔열 제거 성능 평가에 활용한 Rachamin, R. 등⁵⁾의 연구도 찾아볼 수 있다.

이처럼 최근 10년간 개방수조형 원자로의 환경적 열손실을 평가한 대표적인 해외 연구 사례들을 살펴본 결과, 평가된 열손실 데이터는 원자로 출력 보정에 응용하는 것뿐만 아니라 다양한 범위에서 응용될 수 있음을 알 수 있으나, 다양한 환경 조건 하에서 연구로 시스템의 열손실에 대한 국내 연구 사례는 찾아보기 힘들었다. 따라서 본 연구에서는 개방수조형 저 출력 연구로의 수조수 냉각용량 산정과 열 출력 보정에 활용하기 위한 환경적 열손실에 대하여 논의하며, 향후 노심 열출력 보정 및 불확도 분석에 활용 가능하고 연구로 운전 환경에 부합하는 열손실량 참고 자료를 생산하고자한다.

저 출력 연구로의 노심은 노심을 직접 냉각하는 시스템인 1차 냉각계통 없이 수조수의 자연대류 순환을 이용하여 냉각되며, 이 충수된 수조수는 Pool Cooling and Purification System(PCPS)에 의해 정화 및 냉각된다. 수조를 검사체적으로 설정하면 개방수조형 연구로의 열손실 요소는 자유표면에서의 대류 및 증발에 의한 열손실, 수조 벽체를 통한 전도열손실로 구분할 수 있다. Fig. 1은 소형 원자로 수조수의 검사체적을 보여준다. Energy balance는 다음 식 (1)과 같고, 본 연구에서는 PCPS와 노심 열량을 제외한 나머지 요소들에 대한 상관식을 활용하여 1차원적으로 접근하였다.

Fig. 1 
Schematic of an open pool type reactor

시간에 따른 평가 기준은 24시간 및 48시간 값으로 원자로 가동 후 충분히 시간이 지났을 때의 상황을 고려한다. 본 가정을 토대로 식 (1)을 열손실에 대해서만 정리하면 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.

열손실 평가를 위하여 고려된 환경온도는 Table 1과 같다. 먼저 연구로 실내 대기온도는 패널을 포함한 기기들의 과열방지 및 근로자의 편의를 위해 온도가 지속적으로 유지됨을 보장하여야 하며 보통 공조 시스템에 의하여 여름철 26℃와 겨울철 21℃를 유지하도록 설계된다. 또한 수조수의 온도는 선행 연구들^1-4)을 참조하여 평균적인 값으로 설정하였다. 마찬가지로 콘크리트 초기온도의 선정을 위해 기 실험된 데이터들^1,4,6)을 분석했을 때 슬로베니아 중부에서 최소 14℃, 브라질 중동부에서 최대 28℃로 다양하게 제시되어 있고, 본 연구에서는 우리나라 기후를 고려하여 18℃로 벽체 초기온도를 설정하여 해석하고자 한다. 수조는 7 m 수심을 가지며 수면 넓이는 4 m²를 가진다.

본 연구를 통하여 개방수조형 연구로의 열손실에 대하여 전통적으로 활용되고 있는 상관식들과 평가법을 활용하여 분석하였다. 수조를 검사체적으로 설정한 Energy balance를 토대로 벽체를 통한 전도열전달량과 수면에서의 증발 및 대류 열전달량에 대하여 1차원적으로 평가한 결과, 수조벽체를 통한 전도열손실이 가장 큰 비중을 차지하는 것을 확인할 수 있었다. 연구로가 건설되는 장소마다 기후가 다르기 때문에 향후 실제 토양 깊이 혹은 계절별 측정 데이터가 확보된다면 이와 같은 평가방법을 응용하여 노심 열 출력 보정 평가에 활용할 수 있을 것으로 보인다. 이와 마찬가지로, 대류 열전달에 대한 상관식들과 계산된 데이터들 역시 향후 운전환경 변화에 따라 유연하게 활용 가능할 것으로 전망되며, 본 논문에서 계산된 열손실 값은 향후 냉각계통 설계와 출력 불확도 예비 산정에 참고 가능하다.