원자력 발전이 중요한 에너지 공급역할을 담당하기 위해서는 안전성을 확보하고, 사용 후 핵연료 문제를 해결하여야 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로 소듐이나 납비스무스 공융합금 등과 같은 액체금속을 냉각재로 이용하는 방안이 연구되고 있다. 본 논문에서는 액체금속 유동모사 실증 설비 개발을 위한 설계변수 검토, 설계 해석, 구조재의 선정 및 설비 개발 결과를 서술하였다. 설비의 개발은 열수력 해석코드의 해석을 통해 수행되었고 충분한 자연순환 유량을 갖는 설비제작 기술을 확보하였다.
원자력 발전이 중요한 에너지 공급역할을 담당하기 위해서는 안전성을 확보하고, 사용 후 핵연료 문제를 해결하여야 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로 소듐이나 납비스무스 공융합금 등과 같은 액체금속을 냉각재로 이용하는 방안이 연구되고 있다. 본 논문에서는 액체금속 유동모사 실증 설비 개발을 위한 설계변수 검토, 설계 해석, 구조재의 선정 및 설비 개발 결과를 서술하였다. 설비의 개발은 열수력 해석코드의 해석을 통해 수행되었고 충분한 자연순환 유량을 갖는 설비제작 기술을 확보하였다.
To maintain sustainability of nuclear energy as an important energy source, both safety problem and Spent Nuclear Fuels(SNFs) problem should be solved. In case of Gen-IV reactors such as fast reactor, SNFs can be used as fuels by using fast neutrons. It can be a suitable treatment method of high-lev...
To maintain sustainability of nuclear energy as an important energy source, both safety problem and Spent Nuclear Fuels(SNFs) problem should be solved. In case of Gen-IV reactors such as fast reactor, SNFs can be used as fuels by using fast neutrons. It can be a suitable treatment method of high-level waste in near future. Liquid metals such as Sodium or Lead-Bismuth Eutectic (LBE) can be possibly used as a coolant to use fast neutrons. In this paper, it was described that natural circulation parameter studies, design analyses, material selections and a completion of facilities. To develop a natural circulation facility, thermal hydraulic analyses were performed. Installation technique of liquid metal natural circulation were secured.
To maintain sustainability of nuclear energy as an important energy source, both safety problem and Spent Nuclear Fuels(SNFs) problem should be solved. In case of Gen-IV reactors such as fast reactor, SNFs can be used as fuels by using fast neutrons. It can be a suitable treatment method of high-level waste in near future. Liquid metals such as Sodium or Lead-Bismuth Eutectic (LBE) can be possibly used as a coolant to use fast neutrons. In this paper, it was described that natural circulation parameter studies, design analyses, material selections and a completion of facilities. To develop a natural circulation facility, thermal hydraulic analyses were performed. Installation technique of liquid metal natural circulation were secured.
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문제 정의
본 논문에서는 액체금속냉각재의 순환 특성을 파악하기 위하여 LBE의 2kg/s이상 자연순환 유량을 갖는 액체금속 유동모사 실증설비(KIMM Liquid Metal flow Simulation system, KIMM-LIMSI system) 개발 결과를 서술하였다. 개발된 장치는 316L 구조재로 되어있으며 열수력 해석코드(Multidimensional Analysis of Reactor Safety, MARS-LBE)를(2) 이용하여 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 자연순환 유량 2kg/s 이상을 갖는 액체금속 유동 모사 실증설비 제작 결과를 서술하였다. 자연순환 유량에 미치는 인자에 대해 영향평가를 수행하여 기본 설계를 하였고, 이에 대해 열수력 해석을 수행하여 액체금속 냉각재의 자연순환 유량과 운전온도에 영향을 주는 압력강하요소, core power, 열교환기에 대한 해석을 수행하였다.
제안 방법
개발된 장치는 316L 구조재로 되어있으며 열수력 해석코드(Multidimensional Analysis of Reactor Safety, MARS-LBE)를(2) 이용하여 해석을 수행하였다. MARS-LBE 해석을 기초하여 장치의 자연순환 유동 성능 및 압력손실계수를 설정하여 KIMM-LIMSI system을 제작하였다.
각각의 변수는 서로 연관되어지며 변수 분석을 통해 다음과 같이 액체금속 유동모사 실증설비의 기본 사양을 결정하였다.
1에 제시되었다. 배관의 직경, 루프 높이, 코어의 power, 하단에서의 코어 높이, 루프의 넓이는 각각 0.05m, 1m, 0.2kWth, 0.1m, 1m를 기준으로 정규화 하였으며 정규화에 사용된 표준 유량은 2.994kg/s이다.
액체금속을 냉각재로 이용하는 차세대 원자로의 1차측 유로를 단순화하여 액체금속의 유동특성을 모사하는 장치 개발을 위해 LBE를 자연 순환시킬 수 있는 단순한 유로를 갖는 사각형 loop의 형태로 계획하고, 자연순환 유량에 미치는 인자에 대해 영향평가를 수행하였다. 냉각재의 자연순환 능력에 관련된 인자는 loop의 높이, 넓이, 배관 직경, 하단에서의 core높이, core와 열교환기의 용량 등이다.
열교환기에 주입되는 오일의 입구 온도는 LBE의 융점을 고려하여 95℃로 고정하였고, 오일의 유량을 변수로 0.2kg/s, 0.5kg/s, 3kg/s, 7kg/s, 8.5kg/s, 10kg/s에 대하여 해석을 수행하였다. 해석결과는 Fig.
냉각재의 자연순환 능력에 관련된 인자는 loop의 높이, 넓이, 배관 직경, 하단에서의 core높이, core와 열교환기의 용량 등이다. 이들을 대상으로 하여 자연순환 유량에 대한 영향평가를 수행하였다.
이를 바탕으로 17가지 후보 구조재 재료(316L, 304L, 410, 430, T410, T91, HT-9, SCM420, Cr-Mo steel, F82H, STBA28, NF616, ODS-M, Eurofer97, STBA26, EM10, Magnet II)에 대한 물성치 분석이 수행되었다. Table 3에는 STS 316L 구조재의 LBE 적합성 확인 결과를 도시하였다.
본 논문에서는 자연순환 유량 2kg/s 이상을 갖는 액체금속 유동 모사 실증설비 제작 결과를 서술하였다. 자연순환 유량에 미치는 인자에 대해 영향평가를 수행하여 기본 설계를 하였고, 이에 대해 열수력 해석을 수행하여 액체금속 냉각재의 자연순환 유량과 운전온도에 영향을 주는 압력강하요소, core power, 열교환기에 대한 해석을 수행하였다. 해석결과를 바탕으로 하여 KIMM-LIMSI system이 제작되었이며, 향후 차세대 원전의 유로기기 연구에 본 설비를 적극 활용할 예정이다.
Core heater는 약 10초 후 100% 출력으로 작동하도록 모사되었고, 열교환기의 유량은 core heater가 완전히 작동 한 후 시동되어 시동에 약 1초가 걸리는 것으로 모사되었다. 직관 및 곡관과 유량계의 오리피스에 의한 액체금속 유동의 압력강하 손실효과는 CFD를 통해 수행하였고, 결과는 Table 1, Table 2와 같다.
평가된 해석 결과를 고려하여 KIMM-LIMSI system을 제작 하였다. Fig.
대상 데이터
평가된 해석 결과를 고려하여 KIMM-LIMSI system을 제작 하였다. Fig. 7과 같이 LBE가 관내 유동할 수 있는 316L 배관으로 제작되었으며 수평 1.4m, 수직 3m의 사각루프의 형태로 제작되었다. 하단 storage tank, 상단 expansion tank, core heater와 열교환기로 구성되었다.
4m, 수직 3m의 사각루프의 형태로 제작되었다. 하단 storage tank, 상단 expansion tank, core heater와 열교환기로 구성되었다.
데이터처리
본 논문에서는 액체금속냉각재의 순환 특성을 파악하기 위하여 LBE의 2kg/s이상 자연순환 유량을 갖는 액체금속 유동모사 실증설비(KIMM Liquid Metal flow Simulation system, KIMM-LIMSI system) 개발 결과를 서술하였다. 개발된 장치는 316L 구조재로 되어있으며 열수력 해석코드(Multidimensional Analysis of Reactor Safety, MARS-LBE)를(2) 이용하여 해석을 수행하였다. MARS-LBE 해석을 기초하여 장치의 자연순환 유동 성능 및 압력손실계수를 설정하여 KIMM-LIMSI system을 제작하였다.
이론/모형
액체금속 유동모사 실증설비 설계/제작을 위한 해석은 변수분석을 통해 결정된 설비의 사양을 모델링하여 MARS-LBE를 이용하여 수행하였다. MARS-LBE에 사용된 주요 해석 모델은 다음과 같다.
성능/효과
4에 도시하였다. Core power 증가에 따라 자연순환은 증가하며, 안정화에 소요되는 시간은 감소함을 확인하였다. Core power에 따라 hot-leg의 온도가 증가함을 확인하였다.
Core power 증가에 따라 자연순환은 증가하며, 안정화에 소요되는 시간은 감소함을 확인하였다. Core power에 따라 hot-leg의 온도가 증가함을 확인하였다. 현재 설비 사양에서는 core Power가 6kWth을 넘을 경우, hot-leg의 온도는 400℃를 초과하였다.
냉각 오일의 유량이 증가할수록 운전온도는 낮아짐을 확인하였다. 따라서 냉각유량을 제어하여 운전온도를 낮추어 구조재의 안전성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
냉각 오일의 유량이 증가할수록 운전온도는 낮아짐을 확인하였다. 따라서 냉각유량을 제어하여 운전온도를 낮추어 구조재의 안전성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 냉각오일 유량이 8.
2에 나타냈다. 자연순환 유량은 loop 가동 시작 후 500초 정도까지 선형으로 증가하였으며 500초 이후 다시 감소하였다가 1000초 이후 안정화됨을 확인 할 수 있다. 이는 500초 이후부터 열교환기에서 발생한 차가운 LBE가 유입되며 hot-leg의 온도를 낮추는 효과가 있기 때문이다.
초기예열은 LBE의 융점 이상으로만 가해주면 자연순환 유량 및 온도에 영향이 없음을 확인하였다. 초기예열의 효과는 자연순환의 안정화에 소요되는 시간에는 영향을 주나 그 효과는 크지 않았다.
후속연구
자연순환 유량에 미치는 인자에 대해 영향평가를 수행하여 기본 설계를 하였고, 이에 대해 열수력 해석을 수행하여 액체금속 냉각재의 자연순환 유량과 운전온도에 영향을 주는 압력강하요소, core power, 열교환기에 대한 해석을 수행하였다. 해석결과를 바탕으로 하여 KIMM-LIMSI system이 제작되었이며, 향후 차세대 원전의 유로기기 연구에 본 설비를 적극 활용할 예정이다.
최근 에너지수요가 증가하게 되면서 기존의 화석 연료를 대체하며 이산화탄소 배출을 감축하기 위한 에너지 공급원으로 원자력에 대한 의존도가 점차 증가하고 있다. 향후 원자력 발전이 중요한 에너지 공급 역할을 담당하기 위해서는 안정성을 확보하고, 사용 후 핵연료(Spend Nuclear Fuels, SNFs) 문제를 해결하여야 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로 소듐(Na)이나 납 비스무스 공융합금(Lead Bismuth Eutectic, LBE)등과 같은 액체금속을 냉각재로 이용하는 방안이 연구되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액체금속 유동모사 실증설비 중 열교환기 구조재의 열화 문제를 해결하기 위하여 어떤 조치를 취해야 하는가?
구조재의 열화 문제를 해결하기 위해서는 400℃미만의 운전과 LBE의 융점인 125℃이상의 운전이 필요하다. 열교환기 2차측 주입 오일의 온도 및 유량 변화를 통해 운전온도를 적절히 떨어뜨리며 LBE 융점 이상의 온도를 유지하는 것이 중요하다.
원자력 발전의 SNFs 문제를 해결하기 위하여 액체금속을 사용하는 이유는 무엇인가?
액체금속을 냉각재로 이용할 경우 고속중성자를 이용하기 때문에 고준위폐기물을 중저준위화 할 수 있어 사용 후 핵연료 문제를 해결 할 수 있다.(1) 또한, 액체금속 냉각재의 경우 펌프와 같은 능동기기를 배제한 완전피동형설계(Full passive design)가 가능하다. 완전피동형설계는 액체금속의 밀도차를 이용한 자연순환 및 전원상실시 공기 냉각에 의한 노심 잔열제거 설계가 가능하여 후쿠시마와 같은 최악의 원전 사고(Level 7 accident)가 불가능하며, 원전사고의 주요 원인인 human error를 배제할 수 있다.
원자력 발전이 주요 에너지 공급 역할을 담당하기 위해서 해결해야 하는 문제는 무엇인가?
최근 에너지수요가 증가하게 되면서 기존의 화석 연료를 대체하며 이산화탄소 배출을 감축하기 위한 에너지 공급원으로 원자력에 대한 의존도가 점차 증가하고 있다. 향후 원자력 발전이 중요한 에너지 공급 역할을 담당하기 위해서는 안정성을 확보하고, 사용 후 핵연료(Spend Nuclear Fuels, SNFs) 문제를 해결하여야 한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로 소듐(Na)이나 납 비스무스 공융합금(Lead Bismuth Eutectic, LBE)등과 같은 액체금속을 냉각재로 이용하는 방안이 연구되고 있다.
참고문헌 (4)
Wade, D.C. and Chang, Y.I., 1988, "Integral Fast Reactor Concept: Physics Of Operation And Safety", Nuclear Science English, Volume 100, pp. 507-524
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