세계 각국의 에너지원 확보 경쟁이 치열한 가운데 중동 국가들을 중심으로 떠오르고 있는 중소형 원전의 수요에 대응하고 국내 고유의 중소형 원전 모델을 개발하기 위한 원천기술 확보가 시급한 과제로 부상하고 있다. 국제적인 에너지 자립경쟁의 시대에서 국민들이 믿고 안심할 수 있는 안전한 원자력 에너지 기술개발이 절실히 요구되고 있는 가운데 김무환 교수가 이끄는 포스텍  Two phase Flow Lab이 선진 연구수행과 인력양성에 앞장서고 있다. 연구실을 찾아 현재 진행 중인 중점 연구 분야와 그동안의 성과를 집중 취재했다.

국내 고유의 중소형 원전 개발 위한 원천기술 확보에 최선

올해로 25년째를 맞은 이 연구실은 그간 28명의 박사와 45명의 석사를 배출했으며, 현재 국제저널 105편, 국내저널 56편, 해외 학술대회 발표 169회, 국내 학술대회 발표 173회의 연구실적을 이어가고 있다. 이 연구실에는 1명의 연구교수를 비롯해, 1명의 박사후 연구원, 10명의 박사과정, 10명의 석사과정 학생들이 연구에 전념하고 있다.
이 연구실의 주 연구테마는 상변화 열전달 분야의 실험적 연구와 시뮬레이션 연구다. 상변화 열전달이란 쉽게 말해 물이 끓을 때처럼 액체 상태에서 기체 상태로 변화할 때 열(에너지)의 전달양상을 의미하는 것으로, 기체나 액체상태 단독으로 에너지를 전달할 때보다 수십, 수백 배의 에너지를 전달할 수 있기 때문에 에너지 관련 분야에서 고효율화에 활발히 적용되어 왔다. 이 분야는 원자력 발전소 안전의 큰 부분을 책임지는 열 수력 안전 분야와 지표수가 모자란 나라들의 식수를 제공해주는 담수화 설비의 핵심 연구 분야라는 것이 김무환 교수의 설명이다.

김 교수는 “우리 연구실에서는 작게는 냉장고, 보일러 등 실생활에 가까운 상변화 적용기기들의 효율 향상 연구부터 화력 및 원자력 발전소 및 해수 담수화 설비 등 응용에 대한 다양한 연구를 해왔다”며 “최근에는 칩 쿨링과 같은 마이크로 스케일의 첨단 분야와 연료전지와 같은 차세대 에너지 분야까지 연구의 폭을 넓히고 있다”고 소개했다.
이 연구실은 오랫동안 수많은 프로젝트를 수행해 왔기 때문에 많은 경험과 실험 노하우가 연구실의 강점이다. 또 다양한 실험 및 측정을 위한 실험장비들이 많이 갖춰져 있어 보다 폭넓은 연구를 하기에 부족함이 없는 환경을 갖추고 있는 이 연구실은 현재 원자력 안전에 관한 연구를 중점적으로 하고 있다.
최근 국내 원자력 전문 연구 인력의 배출을 위해 원자력 대학원 과정인 포스텍 첨단원자력공학부가 설립됨에 따라 국내 중소형 상용 원자로 모델(SMART), 한국형 연구용 원자로, 그리고 차세대 원전 모델중의 하나인 액체 소듐 고속로(SFR)의 안전에 관한 대형 연구들을 수행하고 있다.

김 교수는 “현재 세계 각국의 에너지원 확보 경쟁에 있어서 중동국가들을 중심으로 떠오르고 있는 중소형 원전의 수요에 대응하고, 국내 고유의 중소형 원전 모델을 개발하기 위한 원천기술 확보가 중요한 시점”이라며 “우리 연구실에서 수행하고 있는 국내 중소형 상용 원자로 모델에 대한 증기발생기 및 응축 열교환기에 대한 열전달 특성연구는 원자로의 전체적인 성능 및 안전성 확보에서 핵심적인 부분”이라고 강조했다. 김 교수는 또 한국형 연구용 원자로 안전의 한 부분을 담당할 수 있는 사이펀 브레이커 실험연구도 소개했다. 원자로의 외부 배관이 파단되는 사고가 발생할 경우 원자로 내의 물이 빠져나가 핵연료봉이 공기 중에 노출되고 연쇄적으로 핵연료가 녹아내리는 심각한 사고(meltdown)로 연계되는 것을 막기 위한 연구가 그것이다.

액체 소듐 고속로, 미래의 에너지 생산으로 주목받아

최근 원자력 분야에서는 안전성을 획기적으로 높이고 폐기물 발생을 최대한 억제하며, 효율이 혁신적으로 향상된 차세대 원자력 발전소 모델을 위한 국제적 연구가 한국을 비롯한 원자력 주요 선진국을 중심으로 이뤄지고 있다. 한국 역시 차세대 원자력 발전소 모델을 개발하고 있는데 그 중의 하나가 액체 소듐 고속로이다.
김 교수는 “액체 소듐 고속로는 원자력 연료사용 효율을 극대화할 수 있고, 기존의 경수로 발전소의 폐기물을 원료로 사용할 수 있다는 점에서 미래의 에너지 생산 및 폐기물 처리시스템으로 주목받고 있다”며 “우리 연구실에서는 소듐과 물의 반응에 의한 위험성을 낮춰 안전성을 확보할 수 있는 해법은 물론 물에 대한 반응성이 억제된 신개념의 소듐 냉각제를 개발하고 있다”고 말했다.

이 연구소가 또 하나 중점적으로 연구하는 분야가 핵연료봉의 안전성 증진을 위한 나노/마이크로 구조 표면 분야이다. 김 교수는 “나노/마이크로 스케일의 표면 개질분야의 국제적인 선두그룹으로서 안전 성능 향상과 메커니즘 규명에 노력해 왔으며, 최근 실제 한국형 핵연료봉의 표면에 적용해 그 성능을 입증, 실용화에 한발 더 나가게 됐다”고 말했다. 이 연구실은 또 중성자 가시화 기법을 사용한 연료전지 효율 향상을 위한 연료전지 내부 물 거동 측정기법 개발에도 역점을 두고 있다.
이 연구실에서는 연구용 원자로인 ‘하나로’에서 중성자를 사용한 가시화 기술을 오랜 기간 축적해왔으며 이 분야의 선두적 연구를 수행하고 있다. 이처럼 거대 에너지 기술의 집합체인 원자력 안전 분야에서도 많은 연구를 수행해 명실상부하게 원자력 안전 분야에서 앞선 연구를 수행하는 연구실로 자리매김한 포스텍 Two phase Flow Lab은 국민들이 믿고 안심할 수 있는 안전한 원자력 에너지 기술을 위한 선진 연구 수행과 인력양성에 앞장서고 있다.

한편 김무환 교수는 서울대 원자핵공학과 학사와 석사를 거쳐 미국 위스콘신 메디슨 대학교에서 박사학위를 취득했다. 1987년부터 포항공과대학 기계공학과 교수로 부임한 뒤 한국과학기술평가원과 한국과학재단 원자력 전문위원 등을 역임했으며, 현재 교육과학기술부 정책자문위원회(원자력분과)와 지식경제부 에너지위원회, 기획재정부 재정정책자문회의, 원자력 안전전문위원회 등의 위원으로 활동하고 있다.