[사이언스칼럼] 닮은꼴 법칙

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 닮은꼴 법칙

최기용 한국원자력연구원 지능형원자력안전연구소장

  • 승인 2022-04-14 17:17
  • 신문게재 2022-04-15 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
최기용 한국원자력연구원 지능형원자력안전연구소장
최기용 한국원자력연구원 지능형원자력안전연구소장
원자력발전소 하나를 설계하기 위해서는 수많은 검증 실험을 거쳐야 한다. 이런 안전 실험은 어떻게 하는 걸까? 원전 설비를 원형 그대로 실험하기에는 너무 크고, 후쿠시마 사고 같은 비상 상황을 똑같이 연출하기에는 너무 위험하다. 그래서 과학자들은 1980년대부터 '닮은꼴' 모형을 만들어 실험하고 있다. 그리고 닮은꼴 모형은 단위에서부터 시작된다.

미터(m), 킬로그램(kg), 초(s), 암페어(A), 켈빈(K), 몰(mol), 칸델라(Cd). 이들의 공통점은 '기본 물리량 단위'라는 것이다. 자연에 존재하는 물질이나 시스템의 특성은 모두 '물리량'으로 표현할 수 있다. 그런데 우리는 앞서 7가지 단위만 사용하고 있지 않다. 가령, 길이(m)에서 나아가 넓이(㎡), 부피(㎥), 속도(m/s)를 표현해야 하는 순간도 생긴다. 이처럼 기본 물리량을 조합해 만들어낸 새로운 물리량이 '유도 물리량'이다.

물리량 단위는 다른 말로 '차원을 구체적으로 표현하는 수단'이라 풀어쓸 수 있다. 그런데 차원이 존재하지 않는 유도 물리량도 있다. 바로 '무차원수'다. 백분율(%), 백만분율(ppm), 소음을 측정하는 데시벨(dB), 산성과 염기성의 정도를 나타내는 수소이온농도 지수(pH) 등이 이에 해당한다.

다소 추상적인 개념처럼 들리는 무차원수를 알아야 하는 이유는 무엇일까? 우선, 기체나 액체의 특성을 파악할 때 유용하다. 흐르는 유체의 특성을 해석하고 앞으로의 움직임을 예측하기 위해서는 먼저 '층류'인지 '난류'인지 구분할 수 있어야 한다. 유체가 느린 속도로 흐르는 '층류' 상황에서는 상대적으로 분석이 쉽다. 그러나 속도가 빠른 '난류'에서는 그렇지 않다. 시공간적으로 무질서하고 비정상적인 패턴이 나타나기 때문이다. 이때 활용하는 것이 유체역학계 권위자 '오스본 레이놀즈(Osborne Reynolds)'의 이름에서 따온 무차원수, '레이놀즈수'다. 레이놀즈수는 유체가 흐르는 속도, 밀도, 점도 그리고 유체가 들어간 배관의 지름 등 여러 물리량을 조합해 도출한 개념이다. 쉽게 말해 관성력과 점성력의 비율을 의미한다. 이 계산에 따르면, 레이놀즈수가 2000보다 작으면 층류고 4000보다 크면 난류다. 여기서 끝이 아니다. 레이놀즈수가 일치하는 경우에는 둘 간의 유동 특성이 같다. 배관 크기, 유체 속도, 밀도, 점성에 상관없이 말이다. 따라서 레이놀즈수는 유동이 서로 얼마나 닮았는지 파악하는 잣대로 활용되고 있다.

이번에는 유체보다 다소 복잡한 시스템을 살펴보자. 앞서 예로 든 레이놀즈수와 마찬가지로, 시스템상 무차원수가 같다면 서로 닮은꼴이다. 즉, 기하학적인 크기와 무관하게 똑같은 물리현상을 관찰할 수 있는 것이다. 혹자는 원형 그대로 모의하면 가장 정확하고 편리하지 않냐고 반문할지도 모른다. 그러나 원형이 너무 작아서 다루기 힘들거나, 너무 커서 곤란한 경우가 있다. 원자력발전소는 이중 후자에 속한다.

우리나라는 2007년, 원전 사고를 미리 실험할 수 있는 대형 연구시설을 자체기술로 설계했다. 지하 3층, 지상 6층, 높이 30m에 이르며 배관들과 각종 제어 장치들로 구성된 '가압경수로 열수력 종합효과실험장치', '아틀라스(ATLAS)'다. 국내 신형 경수로 'APR1400'을 높이는 1/2, 부피는 1/288로 축소한 형태다. APR1400 외 국내 가동 중이거나 건설 중인 원전이라면 모두 모의할 수 있다. 최대 185기압, 섭씨 370도의 극한 상황을 구현해낸다. 한편, 우라늄 핵연료 대신 전기 히터를 사용해 방사선 사고 우려를 원천적으로 제거했다는 것도 큰 장점이다. 실제로 ATLAS는 국내 유일은 물론, 세계 3대 규모의 원전 안전 연구시설로 꼽힌다. 여러 차례에 걸쳐 'OECD/NEA' 국제 공동연구를 이끄는 이유다.

이처럼 무차원수를 이용한 닮은꼴 법칙은 원자력 사고에 대한 국민들의 불안을 해소하는 데도 적격이다. 실험의 비용을 줄이거나 불가능한 실험을 가능하게 해주는, 이 신통방통한 과학 도구는 지금도 수많은 공학 분야에서 널리 사용되고 있다. 최기용 한국원자력연구원 지능형원자력안전연구소장

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. [르포] 트램 공사에 시민 불편 가중…경적·호루라기 뒤엉키고 민원 잇따라
  2. 대전시 문화예술 기관장 인사 '설왕설래'
  3. [편집국에서] 이러다간 둔산광역시 되겄슈
  4. [논산다문화] 논산시, 탑정호의 밤, 빛과 음악으로 물들다
  5. 대전시 李정부 첨단산업 정책 잇단 배제 위기감 고조
  1. "횡단보도 하나 두고 탄방"… 둔산 14구역 '둔산동 편입' 움직임
  2. 대전 갑천생태호수공원에 대형 꿈돌이·꿈순이 등장
  3. 괴산고추축제에 32만2천명 찾아···건고추 완판 12억 원 판매
  4. 대전시의회, 민인홍 인사청문회… '직무능력·전문성' 검증
  5. 대전 공공어린이재활병원 국비 또 험로…환아 느는데 정부 지원 '반토막'

헤드라인 뉴스


조상호 세종시장 "부처·기관 이전 시 종사자 특공 부활해야"

조상호 세종시장 "부처·기관 이전 시 종사자 특공 부활해야"

조상호 세종시장이 법무부와 성평등가족부 등 부처·기관 이전과 대비해 이전 기관 종사자를 대상으로 한 특별공급의 부활을 예고했다. 세종시에선 과거 중앙행정기관이 대거 이전할 당시 아파트 분양 물량의 최대 70%까지 공무원과 기관 종사자에게 우선 공급하는 제도를 운영했지만, 특혜 논란 끝에 2021년 폐지된 바 있다. 시는 제도 보완을 전제로 대규모 부처·기관 이전이 이뤄질 경우 특별공급 부활이 불가피하다는 판단이다. 이미 정부와 관계기관에 의견을 제안해 협의를 본격화하도록 대응하고 있다. 조상호 시장은 7일 세종시청 브리핑룸에서 기자..

7월 휴가 시즌에도 지갑 닫은 충청지역민... 대형마트 판매액 감소세 여전
7월 휴가 시즌에도 지갑 닫은 충청지역민... 대형마트 판매액 감소세 여전

어려운 경기 상황과 내수 부진으로 충청 지역민들의 지갑이 굳게 닫히고 있다. 가계 사정이 좋지 않을 때 가장 먼저 줄이는 게 먹거리인데, 휴가시즌이 시작된 7월에도 대형마트 소비액 마이너스 기조가 계속되면서 불황을 고스란히 드러내고 있다. 7일 한국은행 대전세종충남본부가 발표한 '최근 대전·세종·충남지역 실물경제 동향' 보고서에 따르면 7월 지역 대형마트 판매액 지수(매장면적 3000㎡ 이상)는 일제히 마이너스로 마감됐다. 지역별로 보면, 대전의 대형마트 판매액 지수는 1년 전보다 7.2% 하락했다. 6월 -14.6%를 기록하며 마..

사정교~한밭대교 도로개설사업 본격 추진... 남북축 연결 기대
사정교~한밭대교 도로개설사업 본격 추진... 남북축 연결 기대

대전 유등천변을 따라 남북축을 연결하는 간선도로망인 사정교~한밭대교 도로개설사업이 본격적으로 추진된다. 민선9기 출범 후 재정여건을 고려해 보류됐었지만, 사업의 필요성이 제기되면서 속도를 내게 됐다. 대전시는 7일 시청 중회의실에서 허태정 시장과 박용갑 국회의원, 시구 관계자 등 20여 명이 참석한 가운데 '사정교~한밭대교 도로개설사업 기본설계용역 착수보고회'를 열었다. '사정교~한밭대교 도로개설사업'은 중구 사정동 사정교에서 대덕구 오정동 한밭대교까지 연장 7.61km 구간에 왕복 4차로, 폭 20m 규모의 도로를 개설하는 사업으..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 가을 문턱…탐스럽게 익어가는 도깨비 박 가을 문턱…탐스럽게 익어가는 도깨비 박

  • ‘호르무즈 해협 한국군 파병 반대’ ‘호르무즈 해협 한국군 파병 반대’

  • 대전 갑천생태호수공원에 대형 꿈돌이·꿈순이 등장 대전 갑천생태호수공원에 대형 꿈돌이·꿈순이 등장

  • ‘운동하기 딱 좋은 날씨네’ ‘운동하기 딱 좋은 날씨네’