The supercritical $CO_2$ Brayton cycle option for energy conversion in a Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) recently received a great deal of attention due to highly reliable system design features that make it essentially free from risk of a sodium-water reaction in a traditional Rankine cycle power conversion. Although the novel approach will yield significant improvements in overall plant energy utilization, it raises the risk of a potential pressure boundary failure and consequential sodium-$CO_2$ interaction. For this reason, kinetic behaviors should be assessed to confirm its impact upon plant safety. In the present study, fundamental surface reaction tests for a sodium-$CO_2$ interaction were carried out and its kinetics was investigated. The tests were performed for sodium temperatures ranging from $200\degC$ to $600\degC$. Based on the test results, it was found out that the reaction kinetics over the sodium temperature range of $300\degC$ to $550\degC$ depends heavily on the temperature but is not sensitive to the velocity of $CO_2$ flowing over the gas-liquid reacting interface. Gaseous and non-gaseous reaction products were sampled and analyzed quantitatively. The rate of the chemical reaction was determined by measuring the gas concentration of the CO/$CO_2$ mixture. Then, a two-zone reaction model with a threshold temperature of $460\degC$ was proposed. The kinetic parameters for each reaction zone were experimentally obtained and the corresponding model parameters were identified. It was also observed that the self-ignition of sodium took place if the sodium temperature exceeds $590\degC$, regardless of any other reaction conditions like supplied $CO_2$ temperatures and flow rates.
Based on the fundamental investigation results for sodium-$CO_2$ interaction mechanism, two major design issues were investigated in regard to the $CO_2$ ingress accident into liquid sodium: i) a wastage phenomenon in regard to a structural damage adjacent to the leaking position, and ii) a potential channel plugging due to a formation of particulate reaction product. In order to understand the factors affecting the occurrence of these issues, two kinds of experiments were carried out: a wastage effect test and a self-plugging test. All experimental conditions were chosen to reasonably represent the normal operating conditions and realistic design parameters of the reference plant. The test results indicate the absence of wastage, which will not lead to additional tube ruptures and damage propagation. In the current experiments, the self-plugging of PCHE channels only took place in two limited conditions: i) the sodium temperature was over $500\degC$ and ii) the equivalent diameter of the crack opening was less than 1.5 mm with a small leakage rate of far less than 1 g/sec of $CO_2$ ingress. It was also found out that the consequences of the sodium-$CO_2$ interaction was quite different from those of a sodium-water reaction, and thus an automatic recovery of the pressure boundary rupture would be expected by self-plugging without a risk of wastage phenomenon if the crack size across the pressure boundary is sufficiently small.
우라늄 자원의 효율적 활용측면에서 주목 받고 있는 소듐냉각 고속로는 다양한 장점에도 불구하고 냉각재로 사용되는 소듐의 화학적 반응특성으로 인해 경수로에 비해 경제성 및 안전성 측면에서 경쟁력이 떨어지는 것으로 평가되고 있다. 이와 같은 경쟁력 약화의 주된 요인 중 하나인 소듐-물 반응사고를 근본적으로 배제하기 위하여 최근에는 물/증기를 사용하는 기존의 Rankin cycle을 대신하여 초임계 $CO_2$ Brayton cycle 에너지 변환계통 개념을 소듐냉각 고속로와 연계하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 혁신적인 에너지변환계통의 채택은 소듐냉각 고속로의 안전성 및 경제성 향상이라는 근본적인 개선효과를 기대할 수 있다. 하지만, 초임계 $CO_2$와 액체 소듐 사이의 열교환이 이루어지는 소듐-$CO_2$ 열교환기에서는 여전히 200기압에 이르는 높은 압력경계가 존재하므로, 발전소 수명기간 동안 압력경계 파손사고가 발생하면 고압의 $CO_2$ 가스가 액체소듐으로 유입되면서 화학반응을 일으키게 되고, 이 상호작용에 의해서 소듐냉각 고속로의 안전성에 중대한 영향을 미칠 수 있는 다양한 계통과도가 유발될 가능성이 높다. 이와 같은 이유로 설계수명 동안 발생할 수 있는 압력경계 파손사고를 대비하여 소듐과 $CO_2$ 사이의 화학반응 특성에 대한 연구가 필수적이다.
지금까지 소듐과 물 사이의 반응 특성에 대한 연구는 소듐냉각 고속로 분야에서 무수히 많이 수행되어 왔으나, 소듐과 $CO_2$ 사이의 상호작용에 관한 연구는 매우 기초적인 수준에 머물러 있고 가장 기본적인 Kinetics에 대한 정량화된 연구결과 조차도 구체적으로 보고되지 않았다. 소듐과 $CO_2$ 사이의 상호작용은 높은 반응열과 함께 소듐에 용해되지 않는 고체 반응생성물들을 생성시켜 결과적으로 계통 성능 및 안전성에 지대한 영향을 미치게 된다.
본 연구에서는 소듐과 $CO_2$ 사이의 기본적인 화학반응 특성을 적절히 예측할 수 있는 물리적 모형을 제안하고, 표면반응 실험을 수행하여 모형계수를 실험적으로 결정하기 위한 연구를 수행하였다. 주 실험인자로는 소듐의 온도와 반응계면으로 공급되는 $CO_2$ 가스유량, 그리고 반응계면적을 설정하였으며, 화학반응시 가장 지배적인 영향을 미칠 것으로 예상되는 소듐온도를 $200\degC$에서 $600\degC$까지 변화시키면서 온도에 따는 다양한 반응특성을 관찰하였다. 실험결과로부터 소듐- $CO_2$ 화학반응의 강한 온도 의존성을 확인하였으며, 질량확산과 관련되는 반응계면에서의 $CO_2$ 속도 변화는 전반적인 반응특성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
각 온도 영역별로 고체 및 기체 반응생성물을 정량적으로 분석하여 온도에 따른 주 반응생성물의 종류 및 생성량 등의 차이에 대한 정량적 평가를 수행하였으며, 특히 $460\degC$를 전후로 뚜렷이 구분되는 반응특성이 나타남을 관찰하여 소듐-$CO_2$ 반응에서의 문턱온도 (threshold temperature)의 존재를 규명하였다. 또한, 소듐냉각 고속로의 운전온도인 $300\degC$ ~ $550\degC$의 소듐 온도영역에 대하여 소듐-$CO_2$ 화학반응시의 기체 반응생성물인 CO/$CO_2$ 혼합기체의 성분분석을 수행하여 화학반응률을 정량적으로 결정하였으며, 이를 토대로 2영역 반응모형(Two-zone reaction model)을 제안하고 모형계수를 실험적으로 결정하였다. 특히, 소듐 온도가 $590\degC$를 넘으면 공급되는 $CO_2$의 온도 및 유량 조건에 관계 없이 소듐의 자발화(self-ignition) 현상이 발생하여 실험부의 소듐이 모두 소진될 때까지 연소현상이 지속됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 소듐-$CO_2$ 화학반응의 온도의존성 및 문턱온도(Threshold temperature)의 존재는 기존의 소듐-믈 반응현상과 구분되는 고유 특성으로서 소듐-$CO_2$ 열교환기에서의 압력경계 파손 위치가 화학반응 특성 및 계통과도를 결정 짓는 중요한 인자임을 규명하였다.
소듐-$CO_2$ 표면반응실험 결과를 토대로, 소듐-$CO_2$ 열교환기의 압력경계파손 및 이로 인한 $CO_2$ 유입 사고와 관련된 두 가지 주요 설계현안인 i) Wastage 현상 및 ii) 유로 막힘(channel plugging) 현상에 대한 특성실험을 수행하였다. Wastage 현상은 소듐-물 반응현상의 주된 사고확대 기구로서 소듐-$CO_2$ 반응시 본 현상이 사고의 진행 및 확대에 미치는 영향을 파악하고자 하였으며, 고체 반응생성물 형성으로 인한 유로 막힘(channel plugging) 현상에 대해서는 고압 누출조건 및 미세유량 누출 조건의 화학반응 특성을 규명함에 실험의 주안점을 두었다. 모든 실험조건은 대상 발전소의 실제 계통 운전조건을 최대한 반영할 수 있도록 설정하였다.
실제 설계현안에 대한 실험결과, Wastage 현상은 모든 실험조건에서 거의 나타나지 않았으며, 따라서 Wastage로 인한 추가적인 압력경계 구조재 손상 및 인접 구조재로의 손상전파(damage propagation)는 발생하지 않음을 확인하였다. 또한, 고체 반응생성물로 인한 PCHE 형태 소듐-$CO_2$ 열교환기 미세유로의 막힘(self-plugging) 현상은 소듐온도가 500$\degC$ 이상인 경우와 $CO_2$ 누출 유량이 1g/sec 이하인 경우, 그리고 미세 누출시의 파손부 등가직경이 1.5mm 이하인 경우 등과 같이 매우 제한된 조건에 대해서만 한정적으로 발생함을 실험적으로 확인하였다. 특히 압력경계를 이루는 구조재에 발생하는 미세 균열에 의해 미량의 $CO_2$가 누출되는 경우에는 고체반응 생성물에 의한 자체막힘(self-plugging)으로 인해 손상된 압력경계가 스스로 복구됨으로써 사고가 자발적으로 종료되는 현상도 나타날 수 있음을 확인하였다.
이와 같은 반응특성은 소듐-$CO_2$ 화학반응이 소듐-물 반응현상의 경우와는 매우 상이함을 보여주는 결과로서, 향후 계통설계 또는 안전해석을 수행하는데 있어서 참고자료로 활용할 수 있는 기술적 근거가 된다. 특히, 본 연구를 통해 규명된 소듐-$CO_2$ 화학반응시의 다양한 현상들은 향후 초임계 $CO_2$ Brayton cycle을 소듐냉각 고속로의 동력변환계통으로 채택하기 위한 공학적 결정 단계에서 필요한 주요 정보를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.
