초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
1. 일체형 잔열제거계통 개념 및 기반기술 개발/검증
불확실성이 큰 자연순환 열제거 메커니즘의 개선을 통해 기존 소듐냉각고속로의 피동 안전성을 향상시킬 수 있는 일체형 잔열제거계통 열교환기(CHX) 설계개념을 개발하고 설계 타당성을 평가하였다. 혁신적이고 다소 도전적인 CHX 열교환기의 설계개념 구현을 위하여 나선형 전열관 배치에 기반한 소듐 열교환기의 일차원 설계 전산코드를 개발하고, 이를 활용하여 핵심 열유체 설계인자를 생산하였다. 본 연구단계에서는 개발된 CHX 설계개념에 대한 열유체 성능 및 기계

Ⅳ. 연구개발결과
1. 일체형 잔열제거계통 개념 및 기반기술 개발/검증
불확실성이 큰 자연순환 열제거 메커니즘의 개선을 통해 기존 소듐냉각고속로의 피동 안전성을 향상시킬 수 있는 일체형 잔열제거계통 열교환기(CHX) 설계개념을 개발하고 설계 타당성을 평가하였다. 혁신적이고 다소 도전적인 CHX 열교환기의 설계개념 구현을 위하여 나선형 전열관 배치에 기반한 소듐 열교환기의 일차원 설계 전산코드를 개발하고, 이를 활용하여 핵심 열유체 설계인자를 생산하였다. 본 연구단계에서는 개발된 CHX 설계개념에 대한 열유체 성능 및 기계구조 건전성 평가를 위하여, 상용 CFD를 이용한 다차원 복합전열과정(Conjugate heat transfer) 열유동 해석을 수행하였고, 설계 방법론의 실험적 검증을 위하여 척도해석에 기반한 CHX 압력강하 특성 실험요건을 생산하였다. 특히 복잡한 기하형상에 기인하는 기계구조적 설계 타당성 확인을 위하여 3차원 CAD 데이터에 기반한 고온 구조건전성 평가를 수행하여 기기설계의 완성도를 한 층 향상시키는 성과를 이루었다. CHX 검증실험을 위해 열수력 지배방정식의 무차원화를 통한 용융소듐 자연순환 핵심 무차원 변수를 도출하고, 총 9종류 모의 유체에 대한 열수력적 상사성을 정량적으로 도출하였다. 척도해석 결과 및 실험요건을 바탕으로 CHX 검증실험장치 설계 및 구축하였으며, CHX 수력학적 검증 실험 수행 및 실험 DB 생산에 착수하였다. 설계 전산코드 및 실험결과와의 비교 검증을 위해 CHX 열유동 특성 전산유체역학 해석방법론 도출 및 해석을 수행하였다.

2. IHX 일체형 증기발생기 개발 및 기술 검증
소듐-물 반응 가능성을 최소화하기 위한 혁신개념 증기발생기 개발을 위하여 헬리컬 방식 및 Serpentine 방식의 전열관 배치를 가지는 두 가지 일체형 증기발생기(ICSG) 설계개념을 최종 확정하였다. 본 단계에서는 개념이 확정된 서로 다른 ICSG를 대상으로 각각의 설계 및 성능해석을 위한 1차원 전산해석 코드 2종(SPINS-H 및 SPINS-S)의 개발을 완료하였다. 또한, 차기단계 수행 예정인 ICSG 성능관련 실험을 위하여 작동유체의 열유체적 특성에 대한 연구, 상세 실험요건 설정 및 실험을 위한 축소 모델 ICSG에 대한 기본 설계를 완료하였다. 해당 기술정보를 바탕으로 실험장치의 설계 및 실험 진행 단계에서 고려할 기술사항에 대한 종합적 검토를 수행하였다. 또한, 다공층 모델링을 이용하는 H-ICSG 다차원 열유동 해석 방법론과 대칭 경계조건을 이용하는 S-ICSG 다차원 열유동 해석 방법론을 도출하였다.

3. 신개념 N2 Brayton cycle 동력변환계통 기반기술 개발 및 검증
소듐냉각고속로의 미래형 동력변환계통 개념 개발의 일환으로, 질소를 작동유체로 사용하는 N₂ Brayton cycle의 기본 설계인자 결정을 위한 전산코드를 개발하고 예비 검증을 수행하였다. 본 단계를 통해 개발된 핵심 전산코드를 이용하여 N₂ Brayton cycle을 이용하는 동력변환계통의 구성, 작동유체별 효율 평가 및 주요 설계인자에 대한 최적화를 수행하여 계통 적용성 평가를 위한 기반을 확립하였다. 또한, 대상원자로 별 동력변환계통을 구성하는 N₂ Brayton cycle의 주요기기에 대한 핵심 설계인자를 설정하고, 이를 기반으로 소듐-가스의 열적 크기 산정을 위한 설계 전산코드 개발, 제반 열유체 설계인자 도출, 그리고 계통 구성에 대한 기술적 예비 타당성 평가를 완료하여 차기단계 연구를 위한 기본 정보를 생산하였다. 또한, 가스-가스 확산접합 열교환기의 구조 설계방법론을 제시하고, 설계 전산코드를 개발하였다. 이를 바탕으로 가스-가스열교환기의 성능시험을 위해 프로토타입 열교환기를 제작하였으며, 실험루프를 구축하였다. 프로토타입 예비설계에 대한 성능 검증을 위해 다차원 열유동 해석을 수행하여 가스-가스 열교환기 설계코드의 신뢰성을 확보하였다. 터보기기인 터빈과 압축기에 대해서는 1차원 설계 전산코드를 개발하였다. 이를 바탕으로 N₂ Brayton cycle의 최적계통 구성에 대한 예비설계를 도출하였다.

4. SFR 전문인력 양성 교육 및 안전 현안 기술정책 지원
SFR 전문연구·기술인력 양성을 위해 총 7회의 교육 및 세미나를 개최하였다. ‘SFR 기초 교육세미나’, ‘전문가 초청 세미나’, ‘대학원생 연구인력 양성 기초교육’, ‘실험수행 기본소양 교육’, ‘상용 소프트웨어 활용 교육’, ‘압력용기 설계 기초교육’의 주제로 교육을 실시하여 SFR 전문인력 뿐만 아니라 다양한 공학 분야의 인력 양성에도 기여를 하였다. SFR 기술정책 지원을 위하여 매년 이슈페이퍼 1건를 제출하였으며, 2차년도 이슈페이퍼는 2018년 연말에 제출 예정이다.

(출처 : 요약문 7p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results of the Research and Development
1. Concept Development and Technology Validation of the Combined Sodium Heat Exchangers
A reliable decay heat removal (DHR) is one of the most important requirements to be met in successful SFR design. Most conventional DHR concepts are using the ambi

Ⅳ. Results of the Research and Development
1. Concept Development and Technology Validation of the Combined Sodium Heat Exchangers
A reliable decay heat removal (DHR) is one of the most important requirements to be met in successful SFR design. Most conventional DHR concepts are using the ambiguous cooling paths from the hot- to cold-pool passing the shell paths of the intermediate heat exchanger (IHX) and decay heat exchanger (DHX). To this end, the configuration of both heat exchangers in the reactor vessel plays an important role in determining DHR capability. In the current SFR design, however, the internal flow path from the hot- to cold-pool is somewhat ambiguous owing to the split flow ratio formed in a parallel path between the IHXs and DHXs, which results in a large uncertainty in the DHX shell-side flow rate and corresponding heat transfer rate to the DRACS sodium loop. To improve the heat transfer performance of the DHX unit, a new design concept with a combined INX-DHX (CHX) unit inside the sodium pool has been proposed by using an unified flow path passing both heat exchangers serially. Throughout the research project, the noble design concept of the CHX unit have been developed and synthetically evaluated by using multi-dimensional CFD analysis to investigate its thermal-hydraulic and heat transfer characteristics. High-temperature structural design analysis for thermal stress and creep-fatigue damage has been also made to confirm its design feasibility for potential application. For the CHX verification experiment, the key non-dimensional parameters of molten sodium natural circulation through the non-dimensionality of the thermal-hydrodynamic governing equations were deduced and the thermal hydrodynamic similarities for total nine simulated fluids were quantitatively derived. Based on the results of the scale analysis and the requirements of the experiment, the CHX verification test facility was designed and constructed. Then, the hydraulic verification test of CHX was conducted and the experimental DB establishment is ongoing. The analysis methodology for CHX heat flow characteristics using computational fluid dynamics (CFD) was derived and the CFD analysis was performed for comparison with the results of computational design code and the experimental results.

2. Development of the Integrated Rankine-cycle Steam Generator (ICSG) Concept and Technology Verification
The innovative concepts to minimize consequences of a potential sodium-water reaction (SWR) were proposed in the research period, and some two different types of an IHX-combined steam generator (ICSG) have been proposed, which are the helical tube-type unit (H-ICSG) and the serpentine tube-type unit (S-ICSG). Basically the new SG concepts incorporate a double tube bundle configuration, and the peculiar feature practically removes potential SWR event due to a sort of multi-layered wall installation with an intermediate heat transfer fluid between sodium and water/steam. Since the intermediate fluid should be unreactive with both water and liquid sodium, a lead-bismuth alloy was preliminarily selected to be a candidate of new heat transfer medium. To make thermal-sizing and get the thermal-hydraulic design parameters of those ICSG concepts, two kinds of computational codes for a thermal-hydraulic design and analysis of the two ICSG concepts were successfully developed. Their design feasibility were synthetically evaluated in the aspect of manufacturing, practical system design application, performance, etc. To validate the developed computational codes for the ICSG design, several kinds of thermal-hydraulic experiments are scheduled to be performed in the next phase. In addition, the multi-dimensional thermal-hydraulic analysis methodologies for H-ICSG using a porous media modeling and for S-ICSG musing symmetric boundary conditions are derived.

3. Technology Development and Verification of a Nitrogen Brayton Cycle Power Conversion Option for an SFR
Throughout the research project, an innovative N2 Brayton cycle power conversion option for SFR application was proposed and the computational code (REGACY) to obtain the design parameters of the power conversion system (PCS) was successfully developed. The configuration of N₂ Brayton cycle PCS was preliminarily set up, and the variations of cycle efficiencies in terms of working fluids were investigated. The optimization processes for major design parameters were also carried out by using the developed REGACY code. The basic concept of the helical-tube type sodium-to-gas heat exchanger (SGHX), that is one of the key component configuring the N₂-PCS, was proposed and the computational code (SPAGAS) for its thermal sizing and hydraulic design was developed as well. All the preliminary design parameters of SGHX were obtained, and the design information is scheduled to be used to make configuration and optimization of the N₂-PCS for the reference plant design in the next research phase. The structural design methodology of gas-to-gas diffusion bonding heat exchanger was presented and computational design code was developed. Based on this, a prototype heat exchanger was manufactured to conduct the performance test of the gas-to-gas heat exchanger and the experimental loop was constructed. In order to verify the performance of the prototype preliminary design, multi-dimensional thermal-hydraulic analysis was performed to assess the reliability of the gas-to-gas heat exchanger design code. One-dimensional computational design codes for turbine and compressor were developed each other. Based on this, a preliminary design for the optimal layout of the N₂ Brayton cycle was derived.

4. Specialist Training and Safety Issues Technical Policy Support for SFR
We held seven seminars and training sessions to train a research specialist and a technical personnel for SFR. Educations were given on the subjects of ‘SFR Educational Seminar’, ‘Expert Invitation Seminar’, ‘Basic Education for graduate student’, ‘Training Basic Knowledge for Experiment’, ‘Commercial Software Education for Use’, and ‘Basic Education for Pressure Vessel Design’and contributed to fostering manpower in various engineering fields as well as SFR professionals. We have submitted one issue paper each year to support SFR technology policy, and the second issue paper will be submitted at the end of 2018.

(source: SUMMARY 11p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 15
• 목차 ... 17
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 21
• 제1절 연구개발의 필요성 및 목적 ... 21
• 제2절 연구개발의 범위 ... 26
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 28
• 제1절 국내 기술개발 현황 ... 28
• 1. 기술 현황 ... 28
• 2. 시장 현황 ... 29
• 3. 지식재산권 현황 ... 29
• 4. 기타현황 ... 30
• 제2절 국외 기술개발 현황 ... 31
• 1. 기술 현황 ... 31
• 2. 시장 현황 ... 35
• 3. 지식재산권 현황 ... 36
• 4. 기타 현황 ... 36
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 37
• 제1절 연구개발목표 ... 37
• 1. 최종 연구개발목표 ... 37
• 2. 연도별 연구개발목표 및 평가착안점 ... 38
• 제2절 연구개발내용 ... 43
• 1. 일체형 잔열제거계통 (CHX) 개념 및 기반기술 개발/검증 ... 43
• 2. IHX 일체형 증기발생기 개발 및 기술 검증 ... 165
• 3. 신개념 N2 Brayton cycle 동력변환계통 기반기술 개발 및 검증 ... 199
• 4. SFR 전문인력 양성 교육 및 안전 현안 기술정책 지원 ... 289
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 297
• 제1절 연도별 목표 대비 달성도 ... 297
• 제2절 연구결과의 관련분야 기여도 ... 301
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 304
• 제1절 추가연구의 필요성 ... 304
• 제2절 타연구에의 응용 ... 305
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 306
• 제7장 연구장비의 구축 및 활용 결과 ... 312
• 제8장 참고문헌 ... 313
• 끝페이지 ... 320