Development of design and operation analysis models on S-CO2 Brayton cycle for small modular reactor

Abstract

The supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle has a low compression work due to S-CO2 properties being near the critical point and high thermal efficiency. S-CO2 has a high density and high thermal conductivity near its critical point. Based on these characteristics, S-CO2 Brayton cycle achieve high thermal efficiency, simple cycle layout and compactness of components. In this thesis, to study S-CO2 Brayton cycle design, cycle optimization and transient analysis were performed. A thermodynamic model was developed for cycle analysis, then used in the optimization. To develop a cycle control strategy, Multi-dimensional Analysis of Reactor Safety (MARS) code was chosen as the analysis tool. The capability of MARS was validated using the MARS input model of Supercritical CO2 Integral Experiment Loop (SCIEL) facility with experimental data of SCIEL. Transient analysis of three cases were simulated.

초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 높은 열효율, 간단한 레이아웃 그리고 기기 소형화의 장점을 갖는다. 또한 넓은 운전범위를 갖기 때문에 원자력, 화력, 태양열 그리고 지열 등 다양한 열원으로의 활용이 가능하다. 따라서 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 차세대 동력변환 계통으로 주목 받고 있다. 해당 싸이클이 갖는 장점은 임계점 부근에서 나타나는 초임계 이산화탄소의 물성치 특성에서 기인한다. 이산화탄소는 임계점 부근에서 높은 밀도와 높은 열전도를 갖는다. 따라서 기존 브레이튼 싸이클과 달리 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 압축일이 줄어 높은 열효율을 얻게 된다. 이러한 장점이 있는 반면 초임계 이산화탄소는 임계점 부근에서 열역학적 조건의 변화에 따라 물성치가 급격하게 변화한다. 따라서 발전시스템의 동력변환계통으로의 활용을 위해서는 안정적인 운전에 대한 방안을 마련하는 것이 중요하다. 현재 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 개발 단계의 기술로써 싸이클의 최적화 설계와 운전기술의 개발이 모두 필요하다. 따라서 본 연구는 소형 모듈화 원전의 동력변환계통으로 초임계 이산화탄소를 적용하기 위한 연구로써, 싸이클 최적화 설계에 관한 연구와 싸이클의 운전해석을 위해 SCIEL 실험 데이터에 기반한 코드의 검증을 수행하였다. 싸이클 최적화를 위한 레이아웃으로 재압축 싸이클을 선정하였다. 재압축 싸이클은 기존 문헌들에서 가장 열효율이 높다고 제시되어 있다. 해당 레이아웃의 최적화 설계를 위해 포트란을 기반으로 열역학적 싸이클 해석 모델을 개발하였다. 이 모델을 바탕으로 싸이클의 압력비와 유체의 재압축을 위한 분지율에 대한 연구를 진행하였다. 타겟 열원의 출력은 300 MWth로 터빈 입구 조건을 3가지로 나누어 선정하였다. 첫 번째 케이스는 583.15 K의 터빈 입구조건으로 가압경수로를 타겟으로 선정하였다. 두 번째와 세 번째 케이스는 직접냉각방식의 기체냉각로를 타겟으로 각각의 터빈 입구 온도를 823.15 K, 923.15 K로 선정하였다. 각 싸이클의 최적화 조건으로는 압력비는 세가지 케이스 모두 2.6, 재압축을 위한 유체 분지율은 각 케이스별로 41 %, 42 % 그리고 41 % 로 계산되었다. 그리고 이때 각각의 열효율은 30.6 %, 46.38 % 그리고 51.44 % 이다. 이러한 최적화를 기반으로 각 케이스 별 기기의 예비설계를 진행하였고 이 결과를 기반으로 질량을 예측한 후 기존 문헌의 결과와 비교를 하였다. 기존 문헌에서 제시된 소형모듈원전을 위한 증기 랭킨 싸이클의 열교환기 및 터보기기의 설계 값과 비교한 결과 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클의 기기들이 매우 작은 질량과 부피를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클을 소형 모듈화 원전의 동력변환계통으로 적용 시 싸이클의 높은 열효율과 더불어 소형화로 인한 부지선정의 자유로움, 건설 비용의 절감 등의 이점을 얻을 수 있다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클의 운전전략 수립을 위해, 과도해석과 관련된 연구는 각 기관에서 다양한 코드를 이용하여 진행되고 있다. 본 연구에서는 해석 코드로 RELAP5와 COBRA를 기반으로 KAERI에서 개발한 MARS를 이용하였다. MARS의 경우 경수로 해석을 위한 코드로서 초임계 이산화탄소 시스템의 해석을 위한 도구로 사용하기 위해 실제 실험 결과를 이용한 검증이 필요하다. 따라서 SCIEL 실험장치와 연계한 MARS code의 검증을 수행하였다. 검증은 개별 기기와 루프의 과도해석 결과에 대해 각각 진행하였다. 먼저, 기기의 경우 압축기와 예비 냉각기의 검증을 SCIEL의 압축기 성능 측정 실험 결과를 기반으로 수행하였다. 이때 두 가지 케이스가 사용되었는데, 첫 번째는 압축기 입구 조건이 36 ℃, 7.68 MPa, 두 번째는 압축기 입구 조건이 40.7 ℃, 7.85 MPa 일 때의 실험결과를 이용하였다. 이때 계산결과가 압축기의 출구 압력은 잘 맞았으나 출구 온도가 약간의 차이를 보였다. 첫 번째 케이스의 경우 1.75 ℃ 차이를 보였고 두 번째 케이스의 경우 0.74 ℃ 차이를 보였다. 이러한 오차는 세 가지 원인에 의해 발생하였다고 판단된다. 첫 번째는 MARS input model에 사용된 압축기 homologous curve의 불완전성에 기인한다고 본다. Homologous curve는 실제 실험데이터를 기반으로 작성되었으나, 실제 실험이 일부의 영역에서만 제한적으로 수행되어 실험으로 얻지 못한 나머지 영역은 다른 기기의 homologous curve를 바탕으로 외삽법을 적용, 작성하여 향후 homologous curve의 개선이 필요하다고 판단된다. 두 번째는 MARS에 사용된 물성치의 업데이트가 필요하다고 판단되었다. MARS의 이산화탄소 물성치 개발 당시 NIST의 REFPROP 버전 5.0을 이용하였으므로 최신 버전을 이용한 업데이트가 필요하다고 판단된다. 세 번째는 실험 측정의 불확실성이 존재한다고 판단된다. 이러한 세가지 이유가 복합적으로 영향을 주었으리라 판단된다. 출구 온도가 약간의 차이를 나타내었으나, MARS의 해석 결과가 실험결과와 비교 시 합리적으로 계산되었다고 본다. 예비 냉각기 모델의 검증도 압축기 모델 검증에 사용하였던 압축기 성능 실험 데이터를 바탕으로 진행하였고 합리적인 검증결과를 얻었다. SCIEL루프의 과도해석에 대한 검증을 수행하기 위해, 앞서 압축기 모델 검증에 이용되었던 두 가지 케이스 중 두 번째 케이스의 실험결과를 바탕으로 검증을 수행하였다. 첫 번째 케이스보다 두 번째 케이스가 임계점에서 더 멀고 압축기 모델 검증시 오차가 더 적게 나타났으므로 두 번째 케이스를 검증을 위한 실험 결과로 선정하였다. 검증에 이용된 실험 결과는 압축기 성능 측정을 위한 실험의 결과로서 벨브의 개폐율을 90%에서 60%로 순차적으로 조정하면서 진행되었다. 검증 결과 초기 조건은 실험결과와 잘 맞았으나, 벨브의 개폐율이 70%에 이르자 코드 해석결과와 실험결과의 오차가 발생했다. 이러한 현상은 벨브의 개폐율이 감소할수록 차이가 더 발생하였다. 이러한 결과는 압축기 homologous curve의 불완전성에서 기인하였다고 판단된다. 이러한 차이는 향후의 추가 실험을 바탕으로 homologous curve를 개선하면 오차가 줄어들 것이라 판단된다. 결과적으로 해석 결과와 실험결과가 약간의 차이를 보였으나 초임계 이산화탄소 시스템의 해석의 도구로써 MARS를 충분히 사용 가능하다고 판단된다. 또한, SCIEL의 터빈 전력생산 실험 결과를 바탕으로 정상상태 모델을 계산 후, 이를 바탕으로 세 가지 과도해석을 진행하였다. 세 가지 과도해석으로는 bypass valve control, load following test, cooling source reduction condition에 대해 진행하였다. 본 연구를 통해 소형 모듈화 원전에 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클을 적용하기 위한 최적화 조건을 얻었다. 또한, 향후 운전 기술 개발을 위한 기초로써 MARS 코드의 검증을 수행하였다. 이를 바탕으로 MARS가 초임계 이산화탄소 시스템 해석의 도구로서 적합하다는 것을 증명했다.