원자력 산업과 우주 임무에 도움이 되는 비등 이해

Jul 21, 2023

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우주에서 확장된 임무를 수행하기 위해 미국 항공우주국(NASA)은 원자력 공학 산업의 정보를 빌려 끓임이 어떻게 작동하는지 이해하려고 노력하고 있습니다.

NASA는 장기 임무를 계획하면서 효율적인 이륙을 위해 가능한 최소한의 극저온 연료를 포장하는 방법을 연구하고 있습니다. 한 가지 잠재적인 해결책은 낮은 지구 궤도에 위치한 연료 저장소를 사용하여 우주에서 로켓에 연료를 공급하는 것입니다. 이런 방식으로 우주선은 필요에 따라 연료를 보급하고 임무를 완료하기 위해 낮은 지구 궤도에 도달하기에 충분한 가장 가벼운 연료 부하를 운반할 수 있습니다. 그러나 우주에서 연료를 재급유하려면 극저온 연료에 대한 철저한 지식이 필요합니다.

NSE(핵공학과) 박사과정 6년차인 Florian Chavagnat는 "우리는 극저온 물질의 끓는 현상이 [우주에서 발생하는] 미세 중력 조건에서 어떻게 작용하는지 [이해해야 합니다]"라고 말합니다. 결국 우주에서 극저온 물질이 어떻게 끓는지 이해하는 것은 NASA의 연료 관리 전략에 매우 중요합니다. 비등에 관한 대부분의 연구는 고온에서 끓는 유체를 평가하는데, 이는 반드시 극저온유체에 적용되는 것은 아닙니다. Matteo Bucci와 Emilio Baglietto의 조언에 따라 Chavagnat는 NASA가 후원하는 극저온유체 연구와 우주에서의 부력 부족이 끓는 데 영향을 미치는 방식에 대해 연구하고 있습니다.

땜질하며 보낸 어린 시절

공학 및 물리적 현상에 대한 깊은 이해는 Chavagnat가 파리 교외의 Boussy-Saint-Antoine에서 국영 철도 회사인 SNCF에서 근무한 부모와 함께 성장하면서 발전한 것입니다. Chavagnat는 엔지니어인 아버지와 함께 기차와 모터의 작동에 대해 논의하고 발사나무로 다양한 모델을 만들던 일을 기억합니다. 그의 기억에 남는 프로젝트 중 하나는 전동 칫솔의 모터로 추진되는 범선이었습니다.

Chavagnat는 10대 때 금속 선반을 선물로 받았습니다. 그의 땜질은 집착이 되었다. 압축 공기 엔진은 가장 좋아하는 프로젝트였습니다. 곧 정원 가꾸기를 위한 부모님의 작은 창고가 공장이 되었다고 Chavagnat는 웃으며 회상합니다.

수학과 물리학에 대한 평생의 사랑으로 인해 노르망디 루앙에 있는 국립 응용과학연구소에서 Chavagnat는 5년 공학 프로그램의 일환으로 에너지학과 추진력을 공부했습니다. 마지막 해에 Chavagnat는 프랑스 대체 에너지 및 원자력 위원회(CEA)의 일부인 INSTN Paris-Saclay에서 원자 공학을 공부했습니다.

CEA에서 공부한 마지막 해에는 전통적으로 취업 과정을 설정하는 6개월 간의 인턴십이 필요했습니다. Chavagnat는 자신의 미래 진로가 불확실할 수 있다는 것을 알고 기회를 잡고 MIT NSE에 인턴십을 지원하기로 결정했습니다. "나는 내 인생에서 많은 위험을 감수하지는 않았지만 이번 위험은 큰 위험이었습니다"라고 Chavagnat은 말합니다. 도박은 성공을 거두었습니다. Chavagnat는 Charles Forsberg와의 인턴십을 획득하여 박사 과정 입학의 길을 열었습니다. Chavagnat는 "저는 항상 꿈의 학교였기 때문에 MIT를 선택했습니다."라고 말합니다. 그는 또한 영어 말하기 능력을 향상시키기 위해 도전한다는 생각을 즐겼습니다.

물리학과 열 전달에 대한 사랑

Chavagnat는 물리학을 좋아합니다. "물리학의 어떤 문제라도 연구할 수 있다면 기뻐할 것입니다"라고 그는 말합니다. 이로 인해 그는 열 전달, 특히 비등 열 전달에 대한 연구를 하게 되었습니다. 그의 초기 박사학위 연구는 원자로의 일시적인 비등에 초점을 맞추었으며, 그 일부는 국제 열 및 물질 전달 저널(International Journal of Heat and Mass Transfer)에 게재되었습니다.

Chavagnat의 연구는 재료 시험 원자로(MTR)라고 불리는 특정 종류의 원자로를 대상으로 합니다. 원자력 과학자들은 MTR을 사용하여 발전소 운영에 사용되는 재료가 장기간 사용 시 어떻게 작용할 수 있는지 이해합니다. 높은 출력으로 작동하는 조밀하게 포장된 핵연료는 매우 강한 중성자 플럭스를 사용하여 장기적인 효과를 시뮬레이션합니다.

고장을 방지하기 위해 작업자는 매우 차가운 물을 고속으로 흘려 반응기 온도를 제한합니다. 원자로 열량이 통제할 수 없을 정도로 증가하면 배관에 연결된 물이 끓기 시작합니다. 비등은 중성자 조절을 변경하고 연료에서 열을 추출하여 용해를 방지하는 작용을 합니다. "[불행하게도] 이는 연료 클래딩에서 특정 열유속에 도달할 때까지만 작동하며 그 이후에는 효율성이 완전히 떨어집니다."라고 Chavagnat는 말합니다. 임계 열 유속에 도달하면 수증기가 연료 요소를 덮고 절연하기 시작하여 피복재 온도가 급격히 상승하고 잠재적인 연소가 발생할 수 있습니다.