The demand for renewable energy is rapidly increasing worldwide to reach the carbon net-zero goal. However, the intermittency of renewable energy requires a base power source that can replace fossil fuels and provide fast load-following operation. Small modular nuclear power plants using supercritical carbon dioxide (sCO2) power cycles satisfy these requirements. However, the sCO2 power cycle has a significant property change near the critical point, and the pre-cooler outlet operating near the critical point significantly impacts the compressor inlet property. The accurate analysis of the pre-cooler under the transient conditions is imperative for maintaining off-design performance and operating with the sufficient stability margin of the compressor. Therefore, performing an accurate transient analysis of the pre-cooler is important. The 1-D heat exchanger model for a system transient analysis code with only the heat exchanger design information is accurate in a steady state. However, based on the literature review and from the author's experience, the difference between the actual conditions and model predicted conditions occurs under a transient. Therefore, in this thesis, the author uses an experimental approach to develop a transient 1-D heat exchanger modeling procedure that can reduce the difference between the real conditions and the model predicted conditions. To develop the transient 1-D heat exchanger modeling procedure, the transient 1-D heat exchanger model analysis and literature review were carried out to determine the variables with high uncertainty, such as effective wall thermal inertia and transient heat transfer coefficient, and set up an experimental scenario to evaluate these selected variables. By performing a sensitivity analysis on highly uncertain variables, a method is proposed to calculate the optimal effective wall thermal inertia and transient heat transfer coefficients that can reduce the difference between the real and model conditions. The proposed procedure is applied to a PCHE-type pre-cooler of the ABC test loop, and eight mass flow rate alternating experiments on the CO2 and water sides, respectively, were performed for the regions where the real gas effect is either strong or weak. The sensitivity analysis results showed that the difference between the real and model conditions can be reduced by calculating the optimal values within the physical range of the variables with high uncertainty of the PCHE-type heat exchanger. To evaluate the scalability of the transient 1-D heat exchanger modeling procedure, the conceptual design of the pre-cooler for 100 kWth, 1 MWth, 10 MWth, and 30 MWth systems was performed to evaluate the feasibility of the modeling procedure. As a result, the 1-D heat exchanger modeling procedure proposed in this thesis can reduce the difference between the real heat exchanger conditions and the model predicted conditions in the pre-cooler of a nuclear reactor system.
탄소중립 사회로 가기 위하여 신재생 에너지의 수요는 급등하고 있지만 신재생에너지의 간헐성 문제로 인해 화석연료를 대체할 수 있으면서 빠른 부하추종 운전이 가능한 기저 전원이 필요하다. 구성기기 부피가 작고, 높은 열효율, 운영 유연성을 갖는 초임계 이산화탄소 발전사이클을 사용하는 소형 모듈 원전은 이러한 요구조건을 만족한다. 하지만 초임계 이산화탄소 발전사이클은 임계점 근처에서 급격한 물성치 변화가 발생하며, 임계점 근처에서 작동하는 예냉각기 출구는 압축기 입구 물성치에 큰 영향을 미치기 때문에 천이상황에서 예냉각기의 정확한 해석은 압축기의 탈설계점 성능과 안정적인 압축기 작동 영역에 큰 영향을 미친다. 따라서 예냉각기의 정확한 천이해석을 수행하는 것은 매우 중요하다. 하지만 시스템 천이해석 코드에서 열교환기 설계 정보만으로 작성한 1-D 모델은 정상상태에서는 매우 정확도가 높으나 참고문헌 조사와 저자의 경험에 의하면 천이상황에서는 실제와 모델의 차이가 발생한다. 따라서 이번 논문에서는 이를 실험적으로 접근하여 실제와 모델의 차이를 줄일 수 있는 천이 1-D 열교환기 모델링 절차를 개발하였다. 모델링 절차에서 천이 1-D 열교환기 모델 분석과 참고문헌 조사를 수행하여 불확실도가 높은 변수들을 유효 열관성과 천이 열전달 계수로 설정하고, 이들을 평가하기 위한 실험 시나리오를 설정하였다. 그리고 불확실도가 높은 변수에 대한 민감도 분석을 수행하여 실제와 모델의 차이를 줄일 수 있는 유효 열관성과 천이 열전달 계수를 제안하였다. 제안한 절차를 초임계 이산화탄소 종합시험장치 ABC test loop의 PCHE-type 예냉각기에 적용하였고, 8가지 CO2측, 물 측 질량유량 변화 실험을 실제 기체 효과가 강하고 약한 영역에 대해 수행하였다. 민감도 분석 결과, 천이상황에서 PCHE-type 열교환기의 불확실도가 높은 변수의 물리적 범위 내의 최적 값을 계산하여 실제와 모델의 차이를 줄일 수 있음을 확인하였다. 또한, 이번 논문에서 제안한 천이 1-D 열교환기 모델링 절차의 확장성을 평가하기 위해 100kWth, 1MWth, 10MWth, 30MWth 급 시스템의 예냉각기의 개념설계를 수행하고 모델링 절차의 가능성을 평가해 보았다. 그 결과, 이번 논문에서 제안한 1-D 열교환기 모델링 절차는 초소형 원자로 급 시스템의 예냉각기에서 실제 열교환기의 거동과 모델이 예측하는 거동의 차이를 줄일 수 있는 가능성을 보여주었다.
