The objective of this study is to develop a comprehensive tool to support the development of operating strategies needed to minimize the total generation cost of a small nuclear reactor (SMART-100) in the region. To achieve this, uniform generation costs according to carbon tax, interest rates, and generation efficiency were defined for each type of power generation. Seasonal renewable energy generation and electricity demand for different regions were predicted using LSTM (Long Short-Term Memory) models. It was assumed that a small nuclear reactor was installed in the region, and the electricity production over time was determined based on a genetic algorithm. The objective function of the genetic algorithm is to minimize the generation cost. It was found that installing a small nuclear reactor results in more economical outcomes compared to not installing one. However, since the generation cost increases significantly as the generation efficiency of the small nuclear reactor decreases, it is generally more viable to perform base load operation. Depending on the case, it may be necessary to use energy storage systems or reduce the real-time electricity production of energy sources that can control the generation capacity to handle the rapid increase in renewable energy production during off-peak hours. Maintaining a high generation efficiency of the small nuclear reactor while performing load-following operation is important. Additionally, based on literature reviews and our own research, it was concluded that actively using energy storage systems is not economically viable at the moment, so load-following operation of energy sources that can control generation capacity is a more feasible option. However, due to excess reactivity caused by the consumption of fuel and the distorted axial power distribution in the reactor, there are significant constraints on load-following operation of small nuclear reactors. Therefore, further analysis is needed for load-following operation of small nuclear reactors. For this purpose, mathematical models of the primary system, steam generator, and secondary system of SMART-100 were developed using Python and MATLAB. The core reactivity and axial power distribution required for load-following operation were controlled using two banks of control rods located in the upper and lower parts, and a multi-purpose sliding mode control technique was applied. As a result, it was concluded that when there are small nuclear reactors with different fuel consumption rates in the power grid, load-following operation can be performed without issues in excess reactivity and axial power distribution only when the nuclear fuel consumption rate exceeds 99.5%.
본 연구의 목표는 소형원자로(SMART-100)가 지역의 총 발전 비용을 최소화하기 위해 필요한 운전 전략 개발을 지원하기 위한 포괄적 도구를 개발하는 것이다. 이를 위하여 탄소세, 이자율, 발전 이용률에 따르는 발전원별 균등화발전원가를 정의하였으며, 지역별, 계절별 재생에너지 발전량과 전기 에너지 요구량을 LSTM을 활용하여 예측하였다. 지역에 소형원자로를 설치했다고 가정하고 시간에 따르는 전기 에너지 생산량을 유전적 알고리즘에 기반하여 도출했다. 유전적 알고리즘의 목적함수는 발전 비용의 최소화이다. 소형원자로를 설치하지 않은 경우와 비교했을 때보다 설치한 경우에 보다 더 경제적인 결과를 얻을 수 있었다. 특히 소형원자로는 발전 이용률이 낮아질수록 균등화발전원가가 급격하게 커지므로 경제적 경쟁력을 잃기 때문에, 보편적으로는 기저부하 운전을 수행하는 것이 타당하다는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나, 재생 에너지 생산량은 낮 시간에 급격하게 커지는 경향이 있으므로 경우에 따라서는 에너지 저장 시스템을 활용하거나 발전량을 제어할 수 있는 에너지원들의 실시간 전기 에너지 생산량을 낮춰야 한다. 소형원자로의 발전 이용률을 크게 유지하면서 부하추종 운전을 수행하는 것이 중요하다는 결과를 얻었다. 또한, 문헌 조사와 자체적으로 연구를 수행해본 결과, 아직까지 에너지 저장 시스템을 적극적으로 활용하기에 경제성이 부족하므로 발전량 제어가 가능한 에너지원들의 부하추종 운전이 타당하다는 결론을 얻었다. 하지만 원자로는 연료가 소비된 정도 때문에 발생하는 잉여 반응도, 왜곡된 축방향 발전 분포도 문제로 인하여 부하추종 운전에 큰 제약이 따르므로, 소형원전의 부하추종 운전을 위한 추가적이 분석이 필요하다. 이를 위하여 국내에서 개발이 진행 중인 SMART-100 노형을 대상으로 일차 계통, 증기 발생기, 이차 계통의 수학적 모델을 python, matlab 언어를 통해 구축했다. 이 때 부하추종 운전을 위해 필요한 노심 반응도와 축방향 발전량 분포는 상∙하부에 위치한 2 bank 제어봉으로 제어하였으며, 다목적 슬라이딩 모드 제어 기법을 적용하였다. 결과적으로 전력망 내에 서로 다른 연료 소비율을 가진 소형원자로들이 있을 때 핵연료 소비율이 99.5% 이상 소비된 경우에 한하여 기저부하 운전을 수행해야 잉여 반응도와 축방향 발전량 분포 문제 없이 운전할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
