원자력/우주항공

세계 첫 화룽 1호 원자로 외부돔 공사 완료

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최근 화룽(華龍) 1호 세계 첫 원자로 시범 프로젝트인 푸칭(福清)원전 5호기 외부돔 콘크리트 타설 공사의 마무리와 함께 화룽 1호 원자로 높이가 73.98m에 달함으로써 푸칭원전 현장의 “새 랜드마크”가 되었다. 아울러 동 원전기의 열 시운전, 핵연료 장전에 기반을 마련했고 또한 후속 화룽 1호 원자로 건설에 소중한 경험을 축적했다. 2중 격납용기 구조를 보유한 화룽 1호는 중국이 완전 자체적 지식재산권을 보유한 3세대 원전기술로서 대형 항공기의 충돌에도 견딜 수 있다. 화룽1호 원자로의 외부돔 구조는 현재 건설 중인 원전 가운데 최대 규모의 격납구조이다. 또한 항공기 충돌에 견디는 기계식 이음 및 풀하중 스캐폴드 지지시스템을 채택해 2중 격납용기 간 지지 및 내장돔 지지를 제공한다. 바깥층 격납용기는 튜브구조와 돔형구조 등 2개 부분으로 나뉜다. 외부 돔형구조는 튜브구조 표준형재와 연결되는데 그 두께는 1.8m이고 전체적으로 준구형 구조이다. 뿐만 아니라 구조 경간이 크고 철근이 조밀하며 콘크리트 강도가 높다. 또한 스틸 라이너 형판 지지를 사용하지 않기에 구조템플릿은 2중 격납용기 사이에 설치된 풀스캐폴드가 지지역할을 담당하기에 시공 어려움이 크다. 외부돔 시공의 중요성 및 복잡성을 감안해 협력을 강화하는 한편 선후하여 시공 선결조건 점검, 안전·품질 특별검사 및 여러 차례 현장 종합 은폐검사를 실시했다. 검사에서 발견된 문제점에 대비해 적시로 해결방안을 제정하여 보완함으로써 시공기간이 짧고 공사규모가 크며 하중지지대 설치의 안전위험이 높으며 고온다우 날씨 등 어려움을 성공적으로 극복했다. 현재 중핵그룹이 건설 중인 중국 내외 4대 화룽 1호 원전 프로젝트 단계별 작업은 계획대로 진척되거나 또는 계획을 앞당겨 완료하였으며 공사의 품질과 안전은 양호한 통제 상태에 있다.

우한대학, 위성탑재 궤도상 지능처리 기술

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최근 우한대학과 창광(長光)위성기술유한회사 등 기관은 공동으로 위성탑재 궤도상 비상응답기술시스템을 제안했다. 동 시스템은 표적 모니터링 및 추적, 고성능 처리, 다중 임무 스케줄링 등 일련의 핵심기술을 파악함과 아울러 기본 프로토타입 및 엔지니어링 프로토타입도 개발했다. 또한 “지린(吉林) 1호” 광스펙트럼 01/02위성에서의 궤도상 테스트를 통해 산불 발화지점, 해상 선박 등 표적에 대한 자동탐지 기능을 확보했다. 위성 처리 결과는 중국 자체 항법시스템을 통한 지상 단말로의 송신이 가능해 비상정보 획득의 시효성을 대폭 향상시켰다. 우한대학이 담당한 국가중점연구개발계획 “지구관측 및 항법” 특별프로젝트의 “지역협력 원격모니터링 및 비상서비스기술시스템”은 응급상황 비상대응 시효성을 높이기 위해 개발한 프로젝트이다. 동 프로젝트는 위성획득 비디오/이미지에 대한 직접적 궤도상 지능화 처리, 분 단위 심지어 초 단위의 “센서에서 슈터”로의 응용 등을 구현하며 비상응답 작업효율을 향상시키는 핵심기술이다. 2019년 3월 21일에 수행한 산불 발화지점 자율적 식별시험에서 위성탑재 시스템은 초당 500km2의 중파 적외선 이미지를 처리하여 고온 발화점을 식별했다. 위성에서 13초 동안의 궤도상 처리를 마친 후에 지상 단말에서 관련 정보를 수신했다. 분석 결과 메콩강 유역 여러 곳에서 고온 발화점을 발견했다. 위성영상 인공 대조검증을 통해 해당 결과의 정확성을 입증했다. 2019년 6월 8일에 모 해역에서 수행한 선박 자율적 수색시험에서 궤도상 위성 처리 정보는 처리 3분 후에 지상 단말에 수신됐다. 지상 대조검증을 통해 시스템 작동은 설계기준에 부합됨이 입증됐다. 위성탑재 궤도상 지능처리 기술성과는 “지린 1호” 광스펙트럼 01/02위성에 성공적으로 이용되어 시스템의 저장 및 데이터 전송 이용률을 높임과 아울러 원격감지 비상정보 획득의 시효성을 대폭 향상시켰으며 향후 위성 원격 비상대응에 핵심 기술적 지원을 제공했다.

로켓 엔진 핵심 부품 액체산소/등유 엔진 가스발생기시운전 완료

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최근, 싱허(星河)동력(베이징)우주과학기술유한회사(이하 싱허동력으로 약칭)가 개발한 액체산소/등유 엔진 가스발생기가 7라운드의 지상 열시운전을 완료했다. 누적 시운전 시간은 380s, 단일 라운드 최장 작동 시간은 100s에 달한다. 이는 싱허동력은 "즈선싱(智神星)" 운반로켓 연구개발에 새로운 한걸음을 내디디었음을 의미한다. 엔진을 로켓 "심장"에 비유하면 가스발생기는 "심장 페이스메이커"이다. 엔진의 핵심 부품인 가스발생기는 엔진의 약 4% 추진제를 과연소 상태로 연소시켜 고온고압가스(연기)를 분출하여 엔진 터빈펌프에 작동 매질을 제공한다. 이번에 시운전을 완료한 "다중 환류 와류 이형 가스발생기"는 다음과 같은 다섯 가지 혁신 포인트를 보유하고 있다. 1) 자체 개발한 열전달, 연소 통합화 컴퓨팅 시뮬레이션 소프트웨어로 저온 액체산소 및 상온 등유 충돌 분무화 파라미터를 최적화했으며 백여 개 세트(Sets)의 상호 충돌식 노즐 및 변두리 영역 멤브레인 냉각 설계를 통해 고효율 분무화 혼합 효과를 형성했다. 2) 자체 특허 기술을 이용하여 설계한 스포일러 링(Spoiler ring)은 발생기 내부에 많은 환류 영역을 형성할 수 있기에 혼합 및 연소 효율을 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 3) 혁신적 설계 기반 원뿔식 이형 몸체 구조는 환류 와류의 생성 및 제거를 정밀 제어할 수 있기에 출구 가스 온도 균일성을 증가시킬 수 있다. 4) 가스발생기는 광범위한 다중 작동 상황 적응성 설계를 채택하고 분사면(Jet surface)과 몸체 냉각은 새 보호조치를 이용하여 엔진 가변 추력 및 50라운드 반복 사용을 만족시킨다. 5) 점화기를 방사형 배치형식으로 설계했기에 점화 횟수를 5라운드 이상 증가시킴과 아울러 점화 신뢰성을 향상시켰다. 싱허동력은 40t급 중복 사용 가능한 액체산소/등유 엔진의 가스발생기, 터빈펌프 및 연소실 전부 설계를 완료했다. 이번 시운전을 통해 가스발생기 방안을 검증함과 아울러 제품 기술 상태를 확정했다. 시운전 제품을 후속 하프 시스템(Half system) 통합 테스트 및 엔진 전체 시스템 시운전에 직접 사용할 계획이다. 또한 해당 엔진을 "즈선싱" 운반로켓의 주동력(Main power)으로 이용할 예정이다. "즈선싱"은 중복 사용 가능한 중형(Medium) 액체 운반로켓이다.

세계 최대 규모 로켓 분리용 에어백 개발

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최근, 중국항천과기그룹 제1연구원이 “초장 대구경 고내압 에어백 검수 테스트”를 완료했다. 이는 중국이 세계 최대 규모, 강한 내압성 로켓 분리용 에어백 개발에 성공했음을 의미한다. 분리용 에어백은 운반로켓 페어링(Fairing)을 종방향으로 분리시키는 화공품이다. 분리용 에어백은 한 가닥의 가늘고 긴 허리띠와 같이 2개 페어링 하프 커버(Half face)에 압축돼 있다. 튜브모양의 에어백에는 화공품이 충전돼 있다. 로켓 비행 과정에서 에어백은 납작한 모양이고 2개의 페어링 중간에 긴밀히 압축됐다. 페어링 분리 과정에서 내부 화공품이 폭발하여 에어백이 부풀어 오름과 동시에 2개 페어링 하프 커버의 연결 구조가 펼쳐지면서 페어링이 분리됨과 동시에 위성을 방출한다. 새로 개발한 분리용 에어백은 기존의 운반로켓용 에어백에 비하여 길이가 5배, 구경이 2배 증가되고 내압성이 3배 향상됐다. 미래 중형 운반로켓은 페어링 사이즈가 크고 무게가 무겁기에 2개 페어링 하프커버가 결합된 후 페어링 중간의 분리용 에어백은 아주 큰 압력을 제공하여 2개 거대한 페어링의 분리를 방지해야 한다. 따라서 해당 에어백은 사이즈가 커야 하며 중형 운반로켓 페어링의 “허리”를 감싸야 할 뿐만 아니라 견고하여 2개 거대한 페어링의 압력 및 화공품 폭발 충격력에 견뎌야 한다. 해당 에어백 개발 과정에서 두 가지 기술적 어려움을 극복했다. 1) 대구경 초장 에어백의 안전한 제조 기술을 파악했다. 에어백 편직 규모가 아주 크기에 가황 복합 과정에서 쉽게 결함이 발생한다. 연구팀은 유연한 재질의 스프링 튜브를 통해 편직 과정의 견인력을 분산 및 평형시킴으로써 직물의 안정성을 유지함과 아울러 초장 에어백의 무손상 복합을 최대로 보장했다. 2) 내고압 에어백 재료 선택 및 편직 기술을 파악했다. 대형 에어백은 강한 내압성을 보유해야 한다. 페어링 분리 과정에서 발생하는 가스 누출 현상을 해결하기 위해 국내외 고강도 섬유 재료 및 라이닝 재료를 심층적으로 조사연구하여 지표 요구를 만족하는 제품을 선별함과 아울러 내고압 에어백 재료 선택 및 편직 기술을 파악했다. 이로써 한 장의 A4 용지 크기의 분리용 에어백이 20대 2t 중형 자동차의 압력에 견딜 수 있다. 초장 대구경 고내압 에어백은 현재 세계 최대 규모의 에어백이다. 해당 에어백의 성공적 개발은 중국의 에어백 분리 장치 기술 수준을 대폭 향상시킴과 아울러 중형 운반로켓 대형 페어링의 높은 안전성 수평 발사 분리에 기술 보장을 제공했다.

“저온 추진제 증발량 제어 기술”로 저온 로켓의 궤도상 비행시간 연장

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최근, 중국항천과기그룹 제1연구원은 “저온 추진제 증발량 제어 기술”을 개발하여 저온 로켓의 궤도상 비행시간을 30일로 연장시킴으로써 심우주 탐사 및 원거리 우주 수송에 실행가능성 조건을 제공했다. 저온 로켓은 액체수소, 액체산소 등 저온 화학 추진제 사용으로 무독성, 무오염, 저원가, 고효율 등 장점을 보유하고 있기에 운반로켓 및 로켓 상단부(Upper stage)에 광범위하게 응용된다. 중국의 창정(長征) 5호, 창정 7호 운반로켓 등은 모두 저온 로켓이다. 하지만 저온 로켓의 궤도상 비행시간은 대부분 수십 분에서 몇 시간 밖에 유지되지 못한다. 따라서 저온 로켓의 궤도상 비행시간 연장은 항공우주 설계의 어려움으로 되고 있다. 저온 로켓의 궤도상 비행시간을 제한하는 주요 요인은 추진제의 증발 손실이다. 상압 조건에서 액체수소는 -253℃이고 액체산소는 -183℃이다. 저온 로켓의 장시간 궤도상 비행 과정에서 아주 높은 열환경에 직면하게 된다. 따라서 저온 추진제는 열을 받아 대량으로 증발되어 연료 공급에 영향을 미치며 궤도상 임무 수행 시간을 제한한다. 이외, 로켓 비행 과정에서 일정한 시간 간격으로 외부에 가스를 배출하여 저장 탱크의 압력 한계 초과를 방지 한다. 하지만 우주의 미중력 환경 조건에서 기체 및 액체 저온 추진제는 서로 뒤엉키어 분리하기 어려우며 가스 배출 과정에서 대량의 액체 추진제가 기체에 혼합되어 저장 탱크에서 배출되기에 추진제 손실을 유발한다. 연구팀은 두 가지 종류의 첨단 재료 및 한 가지 배기 방안을 통해 상기 문제점을 해결했다. 연구팀이 개발한 “새 폴리우레탄 포말 단열재”는 전통적인 포말재료에 비하여 단열 능력이 저온 조건에서 50% 이상 향상되고 “가변 밀도 적층 단열재”는 일반 적층 단열재의 단열 능력에 비하여 18%이상 향상됐다. 중국 현역 로켓의 저온 추진제 증발량은 일일 2.5% 이상이다. 만약 해당 두 가지 종류의 새 단열재를 사용할 경우 일일 추진제 증발량을 0.5%로 감소시킬 수 있다.

“인공태양” 고성능 안정상태 운행모드 파악

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최근 중국과학원 플라스마물리학연구소 EAST초전도토카막팀은 전단계 연구를 토대로 일종의 고성능 안정상태 플라스마 운행모드를 개발함과 아울러 미래 핵융합로 일부 운행조건과의 호환성을 체계적으로 검증했다. 해당 연구성과는 “Physical Review Letters”에 온라인으로 게재되었다. 토카막 핵융합 실험장치에서 고밀폐 플라스마의 경계영역은 주기적으로 경계면 불안정 현상(Edge-Localized Mode, 이하 ELM)이라 불리는 불안정성이 발생한다. 대규모 ELM는 태양 플레어 폭발과 유사하게 플라스마 에너지 및 입자의 순간적 방출을 유발해 강력한 열펄스를 내뿜는다. 이는 장치 내벽 침식 심지어 재료 융해를 초래할 뿐더러 대량 이물질 입자를 생성해 핵융합로 노심부 플라스마를 오염시키는 등 핵융합로의 장시간 안정상태 운행을 제한한다. 미래 핵융합로는 ELM에서 비롯되는 순간 열부하를 적어도 20배 감소시켜야 하는데 이는 국제열핵융합실험로 ITER의 해결과제이다. ELM이 없거나 또는 소규모 ELM의 고밀폐 운행모드 및 물리적 메커니즘 탐구는 자기밀폐 핵융합 연구에서의 선도과제이다. Grassy ELM는 특수한 자발적 고주파수의 소규모 ELM이다. Grassy ELM에서 비롯되는 순간 열부하는 흔히 일반적인 대규모 ELM의 20분의 1 이하이다. 하지만 그 메커니즘 및 획득 조건은 밝혀지지 않았다. 아울러 국제 일부 주류 토카막에서도 해당 운행모드를 안정적으로 획득하지 못하고 있다. 미래 핵융합로에서 해당 운행모드의 안정적이고 신뢰성 있는 획득은 국제 핵융합계가 풀어야 할 과제이다. EAST팀은 미래 핵융합로와 유사한 금속벽, 저회전, 전자유도가열 등 물리 조건에서 해당 모드를 획득할 수 있는 물리 조건을 확인했다. 연구팀은 실험을 통해 최초로 Grassy ELM 형식의 내재적 동역학 메커니즘을 규명했다. 또한 매우 강한 이물질 배출능력을 보유하는 등 고성능 플라스마 장시간 안정상태 운행 구현에 특히 적합함을 발견했다. 동 운행모드는 핵융합로의 순간 열부하 병목 해소, 핵융합로 안정상태 운행 달성을 위해 일종의 잠재적인 새 방안을 제공했다. 중국은 현재 1GW 출력의 핵융합공학실험로 CFETR의 통합 공학설계를 추진하고 있는데 해당 운행모드의 플라스마 관련 정규화 파라미터가 CFETR 설계 파라미터와 근사해 미래 ITER/CFETR 고성능 안정상태 운행모드로의 응용에 물리적 기반을 마련했다.

J1926-0652 펄서가 이미 발견된 펄서의 거의 모든 방사 현상을 포함

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최근, 구이저우성(貴州省)전파천문데이터처리중점실험실이 참여한 국제 공동 연구팀은 번호가 J1926-0652인 펄서에 대한 체계적 분석을 통해 최초로 해당 펄서가 이미 관측된 펄서의 거의 모든 방사 현상을 포함함을 발견했다. 해당 발견은 펄서의 방사 메커니즘 및 방사 과정을 심층적으로 연구하여 방사 모델 및 방사 이론 연구를 추진하는데 도움이 된다. 해당 연구성과는 “Astrophysical Journal”에 게재됐다. 이는 FAST(직경 500미터 구면 전파망원경) 데이터를 기반으로 국제학술지에 발표한 첫 논문이다. J1926-0652 펄서는 2017년 10월에 FAST 과학 연구팀에 의해 발견된 후 호주 파크스천문대(Parkes Observatory)의 64m 전파망원경에 의하여 입증됐다. 연구팀은 FAST의 고민감도를 이용해 해당 펄서에 대한 세밀한 단일 펄스 관측 연구를 수행했다. 270~800MHz 범위에서 FAST로 추적하여 1,921개의 연속적 단일 펄스 및 그에 따른 6라운드 펄스 방사 상태의 단일 펄스와 평균 펄스 윤곽을 관측하고 기록했다. 체계적인 분석을 통해 연구팀은 해당 펄서는 복잡한 방사 현상을 보유하고 있으며 특히 제로소거(Zero elimination) 전 맨 마지막 1개 펄스의 거동 시스템이 평균 윤곽에서 편향됐음을 발견했다. 1개 또는 여러 개 방사 현상을 보유하고 있는 이미 발견된 펄서와는 달리 J1926-0652 펄서는 기존 펄서의 거의 모든 방사 현상을 포함한다. “회전목마” 등 고전적 방사 모델로 해당 현상을 해석할 수 없다. 동 연구는 중국과학원 국가천문대, 영국 맨체스터대학(The University of Manchester), 미국 캘리포니아대학(University of California), 구이저우성전파천문데이터처리중점실험실 및 구이저우사범대학 등이 공동으로 수행했다.

첫 해양관측업무위성 운영 개시

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2019년 6월 28일, 하이양(海洋) 1호 C 위성 및 하이양 2호 B 위성이 업무화 운영에 돌입했다. 해당 위성은 중국 민간우주인프라계획의 허가를 받은 첫 번째 해양관측업무위성으로서 현단계 중국 민간원격해양관측위성의 최고 수준을 대표한다. 하이양 1호 C 위성은 2018년 9월 7일에 발사되었고 수명은 5년이다. 동 위성은 글로벌 24시간 수색(water color)/수온 정보, 전세계 해안대 및 내륙 수체(water body) 50m 해상도 고정밀 멀티스펙트럼 정보, 글로벌 대양 선박 식별 정보를 수집할 수 있다. 또한 향후 발사될 하이양 1호 D 위성과 네트워크를 형성해 글로벌 2회/일 모니터링 능력을 확보할 예정으로 관할해역, 해안대 등에 대한 다중 요소의 고시효성 모니터링 능력을 대폭 향상시키고 전세계 대양, 극지 연구에 과학데이터를 제공해 환경보호, 주택건설, 교통, 농업, 응급관리 등 분야의 수요를 만족시킬 전망이다. 2018년 10월 25일에 발사된 하이양 2호 B위성은 중국 첫 해양동적환경업무위성으로서 향후 발사될 하이양 2호 C, D 위성과 네트워크를 형성할 예정이다. 설계수명이 5년인 동 위성은 글로벌 해수면 풍장, 파고, 해수면 고도, 해수면 온도 등 다양한 해양동적환경 파라미터를 전천후 풀타임으로 연속 획득할 수 있다. 따라서 재해성 해양상황 조기경보를 위해 실측 데이터를 직접적으로 제공할 수 있고 기상, 농업·농촌 및 응급관리 등 분야에 광범위하게 응용될 수 있다. 6개월 동안의 궤도 테스트에서 위성플랫폼 및 하중시스템, 위성-지구 통합시스템, 지상시스템 등의 각종 기능은 정상적이었을 뿐만 아니라 성능 면에서 총체적 설계요구 및 사용요구에 규정된 각항 기술지표에 도달했다. 아울러 관련 데이터 제품은 업계의 응용요구 사항을 충족시킨다.

46번째 베이더우항법 위성 발사 성공

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2019년 6월 25일 02시 09분, 중국은 시창위성발사센터에서 창정 3호 을(乙) 운반로켓으로 46번째 베이더우항법 위성을 성공적으로 발사했다. 이는 베이더우 3호 시스템의 21번째 네트워크 위성이자 2번째 경사지구동기궤도 위성이기도 하다. 동 위성은 향후 일련의 궤도상 테스트를 거친 후 앞서 발사한 20개 베이더우 3호 위성과 네트워크를 형성하여 베이더우 시스템의 커버리지 능력 및 서비스 성능을 더한층 향상시킬 전망이다. 이번에 발사한 베이더우 3호 위성과 운반로켓은 중국항천과기그룹유한회사 산하 중국공간기술연구원과 중국운반로켓기술연구원이 각각 개발을 담당했다. 이번 발사는 창정계열 운반로켓의 307번째 비행이다.

차세대 "인공태양" 장치의 총체적 설치가 본격 가동

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2019년 6월 5일, 메인엔진 코일 시스템(Coil system)의 조립과 함께 중국 서큘레이터 2호M(HL-2M)의 총체적 설치가 중국핵공업집단 시난(西南)물리연구원에서 본격 가동했다. 중국 차세대 "인공태양" 장치인 HL-2M의 이온 전류는 3MA에 달하고 플라즈마 온도는 2억 ℃를 초과한다. HL-2M는 향후 핵융합로 관련 핵심 물리 및 공학 기술 연구에 이용됨과 아울러 국제핵융합실험로(ITER)에 지원을 제공할 전망이다. "인공태양"이라고도 불리는 HL-2M는 중국 대형 일반적인 자성체 토카막 핵융합 연구 장치로서 제어 가능한 열핵융합 연구를 통하여 인류에게 무궁무진한 청정에너지를 제공할 전망이다. 이번에 조립 완료된 메인 엔진 코일 시스템은 HL-2M 장치 메인 엔진의 핵심 부품이며 총 무게는 약 90t이고 고충격 하중 조건에서 운행 수명 요구가 10만 라운드를 초과한다. HL-2M 장치는 2019년 말에 구축 완료될 예정이다.