[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. '중수청 5급' 검사엔 낮고, 경찰엔 기회?… 직급 셈법에 대전·충청 수사현장 촉각
  2. 대전 서구 다시 젊어진다… 도마·변동 정비사업 순항, 둔산·갈마도 시동
  3. 대전시 재정난 후폭풍…자치구 현안사업 줄줄이 빨간불
  4. [사설] 지방중수청 ‘개문발차’ 상황 우려된다
  5. [사설] '홈플러스 사태', 벼랑 끝에 선 근로자
  1. [중도초대석] 성보기 초대 대전회생법원장 “회생은 경제적 치유 과정… 골든타임 놓치지 않겠다"
  2. 올 여름엔 나도 ‘몸짱’
  3. [시사오디세이] 행정수도 완성, 지금이 마지막 골든타임이다
  4. K-푸드, 첨단기술과 만나다… '푸드테크 대도약' 선언
  5. "주택 복도에 엔진오일 뿌려"… 대전 다세대주택서 방화 시도한 50대 붙잡혀

헤드라인 뉴스


충청광역연합 띄운 박수현…행정통합·공공기관 이전 등 `공동 대응` 역할론 대두

충청광역연합 띄운 박수현…행정통합·공공기관 이전 등 '공동 대응' 역할론 대두

박수현 충남지사가 충청권 공동발전의 구심점으로 충청광역연합을 제시하면서, 연합의 역할과 위상도 더욱 커질 것으로 보인다. 지역 간 이해관계로 지연되고 있는 대전·충남 행정통합뿐 아니라 공공기관 이전, 첨단산업 투자 유치 등 대정부 협력 과제에서도 연합을 충청권의 공동 대응력을 높이는 핵심 플랫폼으로 활용하겠다는 구상이다. 박 지사는 7일 도청에서 진행한 기자간담회에서 "민선 8기에서 충청광역연합이라는 특별지방자치단체를 출범시킨 것은 매우 의미 있는 성과다. 이를 보물처럼 잘 써야 한다"라며 "대전·충남 행정통합 논의가 지연되거나 여..

`벼랑 끝` T1 vs `무패 가도` 한화… MSI 2026 결승 향한 ‘라스트 댄스’ 시작됐다
'벼랑 끝' T1 vs '무패 가도' 한화… MSI 2026 결승 향한 ‘라스트 댄스’ 시작됐다

한밭벌을 뜨겁게 달구고 있는 2026 미드 시즌 인비테이셔널(MSI)이 대회 막바지를 향해 가고 있는 가운데 한국 대표로 출전한 한화생명이스포츠(이하 한화생명)와 T1의 결승라운드 진출 여부에 이스포츠 팬들의 관심이 집중되고 있다. 5일 대전컨벤션센터 제2전시장에서 진행된 본선 브래킷 스테이지 승자조 경기에서 한화생명은 LEC(유럽-중동-아프리카)리그의 G2를 상대로 압도적인 경기를 펼치며 3-0 완승을 거뒀다. 한화생명은 1, 2세트 모두 10K 이상의 골드 격차를 벌렸고 고전했던 3세트마저 제압하며 결승 라운드에 한 발 더 다가..

허태정 "민선 7기 산하기관장들 저와 함께 모두 사퇴했다" 일침
허태정 "민선 7기 산하기관장들 저와 함께 모두 사퇴했다" 일침

허태정 대전시장은 7일 산하 공사와 공단 수장의 사퇴 여부와 관련, "민선 7기 저와 함께했던 기관장들은 모두 사퇴했다"고 말했다. 이날 서울에서 가진 충청권 언론사 기자간담회에서 '공사와 공단 수장 중 사퇴 의사를 밝힌 인사가 있느냐'는 중도일보의 질문에 대한 허 시장의 첫 마디다. 이장우 전 시장이 임명한 공기업 수장과 이사를 비롯해 출자·출연기관 곳곳에서 버티고 있는 인사들을 우회적으로 비판한 것이다. 실제 민선 7기 당시 허 시장이 임명했던 공사 사장들과 공단 이사장은 임기를 짧게는 3개월 길게는 1년 6개월 가까이 남기고도..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 제10대 대전시의회 전반기 의장에 선출된 조성칠 의원 제10대 대전시의회 전반기 의장에 선출된 조성칠 의원

  • 불어난 물에 사라진 유등천 돌다리 불어난 물에 사라진 유등천 돌다리

  • 방학과 휴가철 앞두고 분주한 여권창구 방학과 휴가철 앞두고 분주한 여권창구

  • 올 여름엔 나도 ‘몸짱’ 올 여름엔 나도 ‘몸짱’