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초임계 CO2 발전시스템 소개 및 개발동향
Introduction to supercritical CO2 power conversion system and its development status 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.6, 2014년, pp.95 - 103  

이정익 (한국과학기술원, 원자력 및 양자공학과) ,  안윤한 (한국과학기술원, 원자력 및 양자공학과) ,  차재은 (한국원자력연구원, 고속로 설계부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

During the international effort to develop the next generation nuclear reactor technologies, many new power cycle concepts were derived to improve efficiency and reduce the capital cost. Among many innovative power cycles, it was identified that the supercritical $CO_2$ (S-$CO_2$

주제어

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문제 정의

  • 다시 말하면, 1kWh의 전력을 생산할 시 발전효율이 낮기 때문에 원자력 발전소가 소모하는 냉각수의 양이 다른 발전소에 비해서 많으며, 이는 경제성뿐만 아니라 환경적인 측면에서도 많은 지적을 받고 있는 문제이다. 제4세대원전에서는 이 문제를 노심출구 온도 상승에 기인한 발전효율 향상을 통해 해결하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제4세대원전의 노심출구 온도가 기존의 경수로 기반의 상업용 원자로에 비해서 상승하게 된 이유는 무엇인가? 이와 같이 제4세대원전의 노심출구 온도가 기존의 경수로 기반의 상업용 원자로에 비해서 상승하게 된 주요 원인으로는 현재의 원자력 발전소 발전효율이 타 발전소에 비해서 낮기 때문이다. 노심출구 온도의 상승은 발전시스템의 터빈입구 온도의 상승으로 이어지며, 이는 열역학 제2법칙에 의해서 발전시스템 효율 상승으로 이어진다.
원자로의 노심출구 온도의 상승은 어떠한 효과를 만들어내는가? 이와 같이 제4세대원전의 노심출구 온도가 기존의 경수로 기반의 상업용 원자로에 비해서 상승하게 된 주요 원인으로는 현재의 원자력 발전소 발전효율이 타 발전소에 비해서 낮기 때문이다. 노심출구 온도의 상승은 발전시스템의 터빈입구 온도의 상승으로 이어지며, 이는 열역학 제2법칙에 의해서 발전시스템 효율 상승으로 이어진다. 따라서 제4세대 원전은 기존 상업용 발전소보다 발전효율이 노심출구 온도의 상승으로 인해 향상된다.
제 4세대원전개발과 관련된 국제협력에서 선정한 원자로형은 무엇인가? 2000년대 초반에 들어와서 세계적으로 여러 나라들이 제 4세대원전개발과 관련하여 국제협력을 하게 되었다. 당시에 6개의 원자로형(소듐냉각고속로, 납냉각고속로, 가스냉각고 속로, 초임계수원자로, 초고온가스로, 용융염 원자로)이 선정되었는데, 이 6개의 원자로형은 중성자 에너지 분포나 냉각재 등이 모두 다른 원자로들이다. 하지만 이 6개의 선정된 제4세대 원자로들은 모두 기존에 전 세계적으로 널리 쓰이던 가압경수로 또는 비등경수로의 노심출구 온도인 300 oC보다적게는 200 oC 내외(500 oC)에서 많게는 600 oC 이상(900 oC)의 고온을 목표로 하는 공통점을 가지고 있다.
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참고문헌 (23)

  1. E. G. Feher, The supercritical thermodynamic power cycle, the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1967. 

  2. V. Dostal, M. J. Driscoll, P. Hejzlar, A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors, MIT-ANP-TR-100, 2004. 

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  4. N. Kisohara, S. Kotate, T. Sakamoto, Studies of Supercritical $CO_{2}$ Gas Turbine Power Generation Fast Reactor, JAEA-Research 2008-040, 2008. 

  5. A. Moisseytsev, J. J. Scienicki, Performance Improvement Options for Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle, ANL-GenIV-103, 2007. 

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  8. J. Lee, J. I. Lee, H. J. Yoon, J. E. Cha, Supercritical Carbon Dioxide Turbomachinery Design for Water- Cooled Small Modular Reactor Application, Nuclear Engineering and Design, 2014. 

  9. S. Wright, T. M. Conboy, E. J. Parma, T. G. Lewis, G. A. Rochau, A. J. Suo-Anttila, Summary of the Sandia Supercritical $CO_{2}$ Development Program, Supercritical $CO_{2}$ Power Cycle Symposium, 2011. 

  10. S. Ishiyama, Y. Muto, Y. Kato, S. Nishio, T. Hayashi, Y. Nomoto, Study of steam, helium and supercritical $CO_{2}$ turbine power generations in prototype fusion power reactor, Progress in Nuclear Energy, 2008. 

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  12. Y. L. Moullec, Conceptual study of a high efficiency coal-fired power plant with $CO_{2}$ capture using a supercritical $CO_{2}$ Brayton cycle, Energy, 2013. 

  13. T. J. Held, S. Hostler, J. D. Miller, B. F. Hume, Heat engine and heat to elctricity systems and methods, US Patent US8096128, 2012. 

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  15. Z. Ma, C. S. Turchi, Advanced Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle Configurations for Use in Concentrating Solar Power Systems, Supercritical $CO_{2}$ Power Cycle Symposium, 2011. 

  16. S. J. Bae, J. I. Lee, Y. Ahn, J. Lee, Various Supercritical Carbon Dioxide Cycle Layouts for Molten Carbonate Fuel Cell Application, Journal of Power Sources, 2014. 

  17. A. S. Sabau, H. Yin, L. A. Qualls, J. McFarlane, Investigation of supercritical $CO_{2}$ Rankine Cycles for geothermal power plants, Supercritical $CO_{2}$ Power Cycle Symposium, 2011. 

  18. S. A. Wright, R. F. Radel, M. E. Vernon, G. E. Rochau, P. S. Pickard, Operation and Analysis of a Supercritical $CO_{2}$ Brayton Cycle, SANDIA2010-8840, 2010. 

  19. E. M. Climentoni, L. C. Timothy, C. P. Sprague, Start and Operation of a Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle, ASME Turbo Expo, 2013. 

  20. M. Utamura, H. Hasuike, K. Ogawa, T. Yamamoto, T. Fukushima, T. Watanabe, T. Himeno, Demonstration of Supercritical $CO_{2}$ Closed Regenerative Brayton Cycle in a Bench Scale Experiment, ASME Turbo Expo, 2012. 

  21. S. G. Kim, J. Lee, Y. Ahn, J. I. Lee, Y. Addad, B. Ko, CFD Investigation of a Centrifugal Compressor Derived from Pump Technology for Supercritical Carbon Dioxide as a Working Fluid, Supercritical Fluids, 2014 

  22. J. E. Cha, Y. Ahn, J. Lee, J. I. Lee, H. L. Choi, Installation of the Supercritical $CO_{2}$ Compressor Performance Test Loop as a First Phase of the SCIEL facility, Supercritical $CO_{2}$ Power Cycle Symposium, 2014. 

  23. Y. J. Baik, J. Cho, M. Kim, Current R&D Status of the Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle in KIER, 13th International Conference on Sustainable Energy Technologies, 2014. 

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