The design and fabrication of suitable waste forms with high thermal and structural stability are essential for the safe management and disposal of radioactive wastes. In particular, the thermal properties and temperature distribution of waste form containing high heat-generating nuclides such as Cs and Sr can be used to evaluate its thermal stability, but also provide useful information for the design of canisters, storage systems, and repositories. In this study, a new program code-based thermal analysis framework has been developed to facilitate the characterization, design, and optimization of the waste form. Matlab was used as a software development platform because it provides powerful mathematical computation and visualization components such as the partial differential equation (PDE) toolbox for solving heat transfer problems using finite element method, the App Designer for graphical user interface (GUI), and the MATLAB Compiler for sharing MATLAB programs as standalone applications and web applications. The thermal analysis results such as temperature distribution, heat flux, maximum/ minimum temperature, and centerline/surface temperature profile are visualized with graphs and tables. To evaluate the effectiveness of the developed program, several design and optimization studies were carried out for the SrTiO3 waste form, selected as a stable form of strontium nuclide.

The fabrication of waste forms with high thermal and structural stability is an essential technology for the safe management and disposal of radioactive wastes. In particular, the thermal characteristics of waste forms containing high heat-generating nuclides such as Cs and Sr can be used for the optimized design of the waste form to secure its thermal safety, and they also provide basic design data for the safe management of canisters, storage systems, and repositories. The Korea Atomic Energy Research Institute is actively developing processes and equipment for fabricating various types of high-level wastes into a stable glass or ceramic waste form. In previous research related to the thermal analysis of the waste form, a relatively simple analysis was performed by using the analytic solution of the one-dimensional steady-state heat conduction equation considering the decay heat properties of the waste. As a specific application study, the optimized diameter of the cylindrical glass waste form was proposed by evaluating the centerline temperature of the waste form. In this study, we extended previous research by introducing a more complicated model, and the main results are summarized as follows. First, an analytical solution was derived by applying the temperaturedependent thermal conductivity expressed in the general form of polynomial function to the onedimensional heat conduction problem previously studied. Second, the two-dimensional axisymmetric steady-state heat conduction problem with a more realistic cylinder model with finite length was modeled and solved by using the finite element method via Matlab’s PDE (partial differential equation) toolbox. Third, thermal analysis was performed on the SrTiO3 waste form, selected as a stable form of strontium nuclide, using the developed analytical and numerical methods. The differences in the temperature distribution and computation time were evaluated through a comparative study of both solutions. Although the problem considered in this study could easily be solved by using commercial CFD software such as ANSYS or SolidWorks, a code-based program was developed to facilitate parametric design study in conjunction with optimization algorithms. The analysis results could be used to evaluate the thermal stability of waste form and to optimize the shape and size of the waste form in consideration of the design constraints of storage systems or repositories.

본 연구에서는 CO2 가스 배출 저감 및 선박 폐열 회수 증대를 목적으로 선박 배기로 버려지는 폐열을 전기로 변환하는 ORC(Organic Rankine Cycle) 발전에 대해 시뮬레이션을 통한 냉매별 효율을 보여주고 있다. 상대적으로 고온인 배기가스의 폐열과 상대적으로 저온인 냉각해수를 이용하여 Aspen HYSYS 11을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 해수냉각 ORC 발전시스템의 시뮬레이션 결과, 작동유체 효율은 R717 냉매가 2.86 %로 가장 높았고, 다음 순으로 R152a, R134a, R143a, R125a로 나타났다.

IMO에서는 선박으로부터 온실가스 감축을 위해 선박의 에너지효율 증진에 관한 논의를 진행하고 있다. 현재, 선박으로부터 발생되는 폐열을 이용한 ORC 발전 시스템을 적용함으로써 선박으로부터 높은 에너지 변환 효율을 기대할 수 있다. 이 기술은 물보다 더 낮은 온도 범위에서 증발하는 프레온 또는 탄화수소 계통의 유기 매체를 작동 유체로 사용한다. 이를 통해 상대적으로 낮은 저온에서 증기 (기체)를 생성 및 동력을 발생시킬 수 있다. 본 연구에서는 유기 랭킨 사이클인 ORC 발전 시스템에서 냉매와 폐열 사이 열·유동해석 (Analysis of Heat flow)을 3D 시뮬레이션 기법을 이용하여 구조물의 내·외부에 흐르는 유체가 온도 변화, 속도 변화, 압력 변화 및 질량 변화를 통해서 구조물에 어떤 영향을 미치는지를 분석하고자 하며, 동 연구는 이 기법을 이용하여 ORC 발전 시스템에서 냉매와 선박 주기 관의 배기가스로부터 일어나는 열교환기의 열전달을 해석하였다.

본 연구에서는 단순 폐기 되는 농업폐기물(토마토, 고추, 파프리카)을 고형연료로 재활용하기 위한 열 풍건조장치를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 500 kg/hr인 쓰레기소각장 폐열을 열원으로 사용하는 건조기를 제작하였다. 경상남도 진주시 농산물 시장에서 구입 한 남해산 시금치를 실험원료로 사용하였다. 열교환기에서 스팀 열교환에 의해 가열된 건조공기를 열풍 으로 사용하여 절단 원료 투입량(126, 250, 300 kg), 원료교반여부(수동 교반, 수동 비교반), 건조방식 (건조물 정치, 건조물 이송), 건조시간(0.25, 0.5, 0.6 hr)에 따른 건조특성을 파악하였다. 투입 원료의 함수율은 85.65%로 측정되었으며, 소각장 공급 스팀에 의해 열교환기에서 가열된 건조공기온도는 건조 기에 투입된 실험원료의 퇴적고에 따른 압력저항에 의해 다소 차이를 보였으며 약 108 내지 144℃로 측정되었다. 동일 건조방식, 투입량, 건조시간, 건조공기온도에서 상하층간 원료를 교반하는 하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 약 2배 정도의 높은 건조속도를 보였다. 각 실험에서 건조용량은 약 500 kg/hr으로 나타났다. 국내 농산물 건조기 157개의 농업실용화재단 검사성적서를 기준으로 투입 에너지에 대한 건조 소요에너지 비를 나타내는 건조효율을 비교한 결과 국내 농산물 건조기 57.76%, 개발 된 농업폐기물 건조기 33.46%로 기존 농산물 건조기에 비해 낮게 나타났다. 개발된 농업폐기물 건조기는 건조시간이 1시간 이내로 건조시간이 짧으며, 건조 중 많은 풍량이 손실되어 건조효율이 저하된 것으로 판단되었다. 소각장 폐열을 직접 건조열원으로 사용하는 경우 건조공기온도는 최저 160℃ 이상으로 예상 되는 바 건조용량이 크게 향상될 것으로 예측된다.

Three kinds of STS304-Zr alloys were fabricated by varying the Zr content, and their microstructure and fracture properties were analyzed. Moreover, we performed heat treatment to improve their properties and studied their microstructure and fracture properties. The microstructure of the STS304-Zr alloys before and after the heat treatment process consisted of α-Fe and intermetallics: Zr(Cr, Ni, Fe)2 and Zr6Fe23. The volume fraction of the intermetallics increased with an increasing Zr content. The 11Zr specimen exhibited the lowest hardness and fine dimples and cleavage facets in a fractured surface. The 15Zr specimen had high hardness and fine cleavage facets. The 19Zr specimen had the highest hardness and large cleavage facets. After the heat treatment process, the intermetallics were spheroidized and their volume fraction increased. In addition, the specimens after the heat treatment process, the Laves phase (Zr(Cr, Ni, Fe) 2) decreased, the Zr6Fe23 phase increased and the Ni concentration in the intermetallics decreased. The hardness of all the specimens after the heat treatment process decreased because of the dislocations and residual stresses in α-Fe, and the fine lamellar shaped eutectic microstructures changed into large α-Fe and spheroidized intermetallics. The cleavage facet size increased because of the decomposition of the fine lamellarshaped eutectic microstructures and the increase in spheroidized intermetallics.

쓰레기 소각장이나 산업체의 폐열을 농업에 활용한 사례는 몇몇 있었다. 그러나 온배수를 농업에 활용한 사례는 전무하였으며, 치어, 종패 등을 양식하는 수산업이 대부분이었다. 본 연구에서는 화력발전소의 온배수(폐열)를 열원으로 이용하는 120 RT 규모의 냉난방시스템을 제주특별자치도 서귀포시 안덕면 소재의 5,280m2 아열대 작물(망고) 재배 온실에 설치, 10월에서 다음해 2월까지 약 5개월 동안 난방을 실시하여 난방에너지 비용 절감 효과 등 분석하였다. 난방에너지 비용 절감효과는 면세경유에 대하여 87%이였으며, 또한 발전소의 온배수를 에너지원으로 재활용함으로 서 62%의 이산화탄소 배출 저감 효과를 얻었다. 본 연구를 계기로 2015년에 해수가 수열에너지 분야로 재생에너지에 포함되었다. 해수의 표층의 열을 히트펌프를 사용하여 변환시켜 얻은 에너지라는 수열에너지 분야의 기준과 범위를 볼 때, 이는 온배수가 재생에너지에 포함되었다고 말해도 과언이 아닐 것으로 사료된다. 그 이유는 온배수도 해수임에도 불구하고 온도가 일반 해수 보다 7~8oC 높아, 일반 해수를 히트펌프의 열원으로 이용하는 것보다 온배수를 열원으로 이용했을 때 히트펌프의 성능이 높기 때문이다. 또한 같은 해 농식품부의 폐열 재이용 시설 지원 사업이 발표되어, 발전소 온배수뿐만 아니라 산업체와 소각장의 폐열을 농업에 활용하면 지원을 받을 수 있게 되었다. 이 사업에 의하여 2015년 당진시, 하동군, 제주시, 곡성군이 선정되었으며, 2016년 태안군, 서귀포시 등이 선정되어, 2016년 말 곡성군과 제주시가 공사를 완료, 농업에 폐열을 활용하고 있으며(제주시는 발전소, 곡성군은 산업체 폐열을 이용하고 있음), 기타 지역은 추진 중이다.

An electric steam boiler equipped with a condensate recovery system, which stores the condensate generated after using steam in steam washers, steam cookers, steam irons, and steam cleaners in a condensate tank and supplies compressed air to the condensate tank so that the condensate is recovered to the boiler by the pressure of the compressed air, was studied. In the results of this study, the heat energy balance between the quantity of the heat generated by the non-metallic surface heating element and the quantity of the heat absorbed by the water was good in a range of ±5%. In addition, the heat transfer rate increased in proportion to the electric power of the surface heating element heater, the waste heat energy was normally recovered by the recovery of the condensate of the steam boiler equipped with the high compression waste heat recovery system, and the recovery rate of the waste heat exhibited 23%.

선박에 주로 사용되는 기존 해수담수화 공정의 경우 많은 에너지가 소모 된다는 단점이 있다. 막증발법(MD)은 유입수의 삼투압으로 인한 구동력의 저하가 역삼투공정에 비해서 낮은 장점을 가지며, 비교적 낮은 온도(60 ∼ 80℃)에서 운전 가능하기 때문에 선박의 엔진 폐열, 해수열원 등을 활용하여 운전 비용을 절감할 수 있다. 본 연구에서는 실험실 규모의 진공식 막증발 장치에서 도출된 조건을 바탕으로 3 m3/일 규모의 실제 VMD 파일럿플랜트를 설계 및 제작하여 성능을 평가하였다. 운전결과, 3～5 L/㎡-hr의 플럭스와 99.99%의 염제거율을 나타냈다.

해상에서는 UN산하 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)는 선박에서 배출하는 CO₂량을 2030년까지 30 %까지 줄이는 것을 목표로 설정하고 있다. 본 연구는 이러한 상황에 대응하고 친환경기술의 개발을 목표로 선박용 내연기관에서의 폐열을 이용하는 열전발전시스템 개발에 최종목표를 두고, 본 논문에서는 선박용 열전발전시스템 개발에 앞서 기초 열해석을 실시하고 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 열전발전시스템의 효율향상에 관한 유효한 방법을 얻어 낼 수 있었다. 1) 고온측 열원과 모듈간 온도차를 줄여 모듈의 온도차를 늘리는 것으로 열전발전시스템의 효율이 8.917 %로 향상되는 것을 알 수 있었다. 2) 외부부하저항의 변화에 따른 시스템 효율은 약 6 %로 그 변화폭이 크게 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 3) 동일 계산 조건에서 방형관의 재질이 스테인레스인 경우의 시스템 효율이 8.707 %로 두랄루민(8.605 %), 동(8.607 %)보다 높을 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 현재 전량 폐기되는 정수기용 폐 카본블록 필터를 재활용하고자 폐 필터의 특성을 파악한 후 열 처리를 진행하였다. 성능 평가를 위해 실제 정수기에서 사용 후 폐기되는 카본블록 필터 (도레이 케미칼에서 제조)를 회수하여 활성탄의 흡착능을 측정하였다. 대조군으로써 새 필터도 같은 조건으로 진행하였다. 재활용을 위한 열처리의 온도는 400, 550, 및 700℃로 진행하였으며 최적 조건을 찾기 위해 새 필터에 먼저 열처리를 진행하였다. 또한 TGA, DSC, SEM 및 BET를 이용하여 폐 필터의 표면 특성을 분석하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 폐 필터 표면에 막 오염(fouling)과 정도를 확인하였으며, 폐 카본블록 필터의 재활용 및 복원기술 연구를 통한 순환 활용 기술을 확보하고자 한다.

The main objective of this work is to perform experimental analyses of a absorption refrigeration system using a new refrigerant-sorbent pair as the working pair. The active component of sorbent is sodium thiocyanate (NaSCN). Ammonia (NH3) is chosen as refrigerant. As a result of these, it is concluded that the unit exhibits good cooling performance and the average cooling capacity is approximately 28.8kW and the average coefficient of performance (COP) of absorption system is 0.56. The unit is a thermal compressor which uses low-grade waste heat to generate refrigeration (cooling or freezing).

Propellant waste was impregnated on the surface of activated carbon fiber and heat-treated at different temperature to introduce newly developed functional groups on the ACF surface. Functional groups of nitrogen and oxygen such as pyridine, pyridone, pyrrol, lacton and carboxyl were newly introduced on the surface of modified activated carbon fiber. The porosity, specific surface area, and morphology of those modified ACFs were changed as increasing the heat-treated temperature from 200 to 500℃. The optimum heat-treatment temperature was suggested to 500℃, because lower temperature given rise to the decrease of specific surface area and higher temperature resulted in the decrease of weight loss. Propellant waste can be used as an useful surface modifier to porous carbons.