Preliminary safety studies of sodium-CO2 heat exchanger in SFR coupled with S-CO2 brayton cycle

Abstract

과거 소듐냉각고속로는 스팀 랭킨 싸이클이 연계되어 성공적으로 운전되었다. 하지만, 소듐-물 반응에 의한 잠재적 위험이 제기됨에 따라 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클이 대체 동력 변환 시스템으로 제안되었다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 1) 비교적 높은 열효율 달성과 2) 터보기기와 열교환기의 소형화, 3) 소듐-물 반응 제거가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클이 이러한 경쟁력 있는 특징을 가지고 있음에도 소듐-이산화탄소 열교환기의 압력 경계 파손 시 누출된 이산화탄소가 액체 소듐과 반응한다. 소듐-이산화탄소 열교환기의 압력 경계는 큰 압력 차를 견디는 접점이기 때문에 소듐-이산화탄소 열교환기에서 발생 가능한 문제들에 대한 연구는 매우 중요하다. 더욱이 소듐-이산화탄소 반응은 복잡하며 소듐 온도에 큰 영향을 받는다. 지금까지 소듐-이산화탄소 반응에 대한 열역학적, 동역학적 특성 파악을 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 소듐-이산화탄소 반응에 대한 현상학적 측면에서의 접근은 중요하다. 하지만 전체 시스템의 안전성과 경제성을 평가하고 향상시키기 위해서는 계통적인 측면에서의 접근을 통한 소듐-이산화탄소 반응 후의 결과에 대한 연구도 필수적이다. 그리하여 소듐냉각고속로에 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클을 적용하기에 앞서 소듐-이산화탄소 열교환기에서 예상되는 중요한 안전 문제를 평가하고자 본 연구를 수행하였다. 소듐냉각고속로의 운전 조건에서의 안전 여유도를 알기 위해 소듐 발화점 측정 실험을 수행하였다. 실험 결과를 바탕으로 소듐 발화점과 관련된 안전 문제를 EBR-II의 자료와 비교하여 계통적인 측면에서 평가해보았다. 이산화탄소 누출 과정 동안 소듐-이산화탄소 열교환기 내에서의 과도 반응을 현실적으로 모의하고자 몇 가지 가정 하에 등엔트로피 유동 모델과 Fanno 유동 모델을 개발하였다. 두 개의 유동 모델을 통한 이산화탄소 누출 모의 결과가 타당하다면, 이산화탄소 유량 변화와 시스템 내의 압력 변화 및 소듐-이산화탄소 반응에 의한 온도 증가 등을 예측함에 있어 본 모델들이 상당히 유용할 것이다. 이러한 수치해석적 예측은 이산화탄소가 누출되는 동안의 소듐-이산화탄소 반응에 의한 소듐 발화 가능성도 평가할 수 있는 기초 자료로 사용될 수 있다. 소듐-이산화탄소 반응으로 인한 경제적 손실을 감소시키기 위해 소듐-이산화탄소 반응으로 생성된 고체 반응생성물 중 주 반응생성물인 소듐카보네이트를 세정할 수 있는 물질을 찾기 위한 연구를 수행하였다. 고체 반응생성물은 유로를 막거나 시스템을 오염시킬 수 있기 때문에 고체 반응생성물을 제거할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다. 끝으로 본 연구는 소듐냉각고속로에 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클을 적용하기 위해 필요한 연구로 미래에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.