(왼쪽부터)박용갑 국립창원대학교 교수, 서영민 한국전기연구원 박사.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교 공학융합학부(기계공학전공)는 박용갑 교수 연구팀과 한국전기연구원(KERI) 서영민 박사팀이 수행한 소형모듈원자로(SMR) 관련 자연대류 열전달 연구가 열유체 분야 국제학술지 ‘International Communications in Heat and Mass Transfer(IF: 6.4, JCR 상위 6.1%)’에 게재됐다고 5일 밝혔다. 해당 논문은 서영민 박사가 제1저자로 참여하고 박용갑 교수가 교신저자로 참여한 공동 연구로, 자연대류 기반 열전달 현상을 3차원 수치해석과 인공지능 모델을 통해 분석한 연구다.

이번에 게재된 논문은 'Three-dimensional natural convection and heat transfer between cold plates induced by cross-shaped cylinder: Effects of cylinder radius'라는 제목으로, 십자형 구조를 갖는 내부 열원 주변에서 발생하는 3차원 자연대류 유동과 열전달 특성을 수치해석적으로 분석하고, 인공지능 기반 예측 모델을 통해 자연대류 열전달 성능을 효율적으로 예측할 수 있는 연구 결과를 제시했다.

소형모듈원자로는 전력 상실과 같은 사고 상황에서도 원자로의 잔열을 안정적으로 제거할 수 있는 수동 안전 시스템이 중요한 설계 요소로 평가된다. 특히 자연대류 냉각은 펌프와 같은 능동 장치 없이 유체의 밀도 차와 중력에 의해 발생하는 부력을 이용해 열을 자연스럽게 이동시키는 방식으로, 차세대 원자로 안전 설계에서 핵심 기술로 주목받고 있다.

이번 연구에서는 두 개의 냉각판 사이에 십자형 구조의 원통이 존재하는 환경을 모델링해 자연대류 유동과 열전달 특성을 분석했다. 연구팀은 부력의 영향을 나타내는 Rayleigh 수와 구조 반경을 주요 변수로 설정해 3차원 수치해석을 수행하고 자연대류 흐름의 구조와 열전달 성능 변화를 체계적으로 규명했다.

연구 결과에 따르면 작은 반경의 구조에서는 열 플룸(plume)이 활발히 형성되면서 원통 표면의 열전달이 강화되는 반면, 중간 반경에서는 구조 간 간섭과 플룸 분기로 인해 열전달 성능이 다소 감소하는 경향이 나타났다. 반대로 반경이 큰 구조에서는 유동 영역이 제한되면서 대류 흐름이 안정화되고 냉각판 벽면에서의 열전달이 증가하는 특성이 확인됐다. 또한 Rayleigh 수가 증가할수록 3차원 와류 구조와 비정상 유동이 강화되며 자연대류 열전달이 크게 향상되는 것으로 나타났다.

연구팀은 이러한 수치해석 데이터를 기반으로 인공지능 기반 예측 모델도 개발했다. 인공신경망(ANN)을 활용한 예측 결과는 실제 수치해석 결과와 매우 높은 상관성을 보였으며, 복잡한 자연대류 열전달 성능을 빠르게 예측할 수 있는 설계 도구로 활용 가능함을 확인했다.

박용갑 국립창원대 교수는 “자연대류 기반 열전달의 3차원 유동 구조를 정밀하게 분석하고 인공지능 예측 모델을 결합한 융합 연구로, 향후 소형모듈원자로의 수동 냉각 시스템뿐 아니라 열교환기, 전자 냉각, 극저온 저장 시스템 등 다양한 열관리 기술 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 전했다.

한편 박용갑 교수 연구팀은 BK21 스마트공장 교육연구단(4단계 BK21사업), 교육부 글로컬랩(DNA+ 연구소) 및 국립창원대 RISE사업단의 지원을 받아 연구개발을 수행하고 있으며, LG전자와 함께 글로컬대학기술센터를 통한 산학교류 활동도 활발히 추진하고 있다.