A Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) is one of the strongest candidates for the next generation nuclear reactor. However, the conventional design of a SFR concept with an indirect Rankine cycle is inevitably subjected to a sodium-water reaction. To prevent hazardous situation caused by sodium-water reaction, the SFR with Brayton cycle using Supercritical Carbon dioxide ($S-CO_2$ cycle) as a working fluid can be an alternative approach.
The $S-CO_2$ Brayton cycle is more sensitive to the critical point of working fluids than other Brayton cycles. This is because compressor work significantly decreases at slightly above the critical point due to high density near the boundary between the supercritical state and the subcritical state. For this reason, the minimum temperature and pressure of cycle are just above the $CO_2$ critical point. The critical point acts as a limitation of the lowest operating condition of the cycle. In general, lowering the rejection temperature of a thermodynamic cycle increases the efficiency and thus, changing the critical point of $CO_2$ can result in an improvement of the total cycle efficiency with the same cycle layout.
Modifying the critical point of the working fluid can be done by adding other gases to $CO_2$. The direction and range of the $CO_2$ critical point variation depends on the mixed component and its amount. In particular, chemical reactivity of the gas mixture itself and the gas mixture with sodium at high temperatures are of interest. To modify the critical point of the working fluid, several gases were chosen as candidates by which chemical stability with sodium within the interested range of cycle operating condition was assured; $CO_2$ was mixed with $N_2$, $O_2$, He, Ar and Xe.
To evaluate the effect of shifting the critical point and changes in the properties of the $S-CO_2$ Brayton cycle, a supercritical Brayton cycle analysis code connected with the REFPROP program from the NIST was developed. The developed code is for evaluating simple recuperated layout and recompression layout Brayton cycles. For verification, existing design values of GTHTR 300, based on helium Brayton cycle, were used. Main input parameters were referred to Dostal’s work as a reference cycle.
The cycle performance evaluations were conducted for $CO_2$-He, $CO_2$-Ar, $CO_2$-$N_2$ and $CO_2$-$O_2$ binary mixtures by the developed cycle code. $CO_2$-Xe mixture cycle was excluded in the pre-analysis since there is no mixture data. The mixed ratio of adding component was adjusted to specify the same critical temperature to be unbiased. The difference of binary gas mixture cycles compared to $S-CO_2$ cycle was decrease in minimum cycle temperature and changes in minimum pressure and working fluids.
Through the simulation, the $CO_2$-He binary mixture was found out to be the highest increase of cycle efficiency: 1.73 % when the critical temperature was at 292 K for recompression cycle layout. Unlike the $CO_2$-He binary mixture, the cycle efficiencies of $CO_2$-Ar, $CO_2$-$N_2$, and $CO_2$-$O_2$ binary mixtures decreased compared to the pure $S-CO_2$ cycle: -0.71 %, -1.35 % and -1.16 %, respectively. It was found that the increment of critical pressure led to a decrease in cycle operating pressure ratio which resulted in a negative effect on total cycle efficiency.
The validation for the simulation was conducted by measuring the critical point of $CO_2$-He mixture. The result clearly showed that the both critical temperature and critical pressure increase while the amount of added helium increases. The prediction of the property program indicates the opposite result and it means that the simulated $CO_2$-He cycle is not a supercritical Brayton cycle. For the option of $CO_2$-Xe mixture, the properties can be calculated based on ideal mixing rule and also can be modified with experimental data. With the proposed method, the efficiency of $CO_2$-Xe mixture cycle is expected to increase by 1.28 %
차세대 원자로의 하나로서 소듐 냉각 고속로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 소듐 냉각 고속로의 경우, 기존의 발전소와 마찬가지로 랭킨 사이클을 채택하고 있어 소듐-물 반응에 따른 위험성을 배제할 수 없다. 따라서 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하는 브레이튼 사이클이 대안으로 제시되고 있다.
초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클에 있어서 작동유체의 임계점은 다른 일반적인 브레이튼 사이클과는 달리 중요한 의미를 가진다. 이것은 압축기가 임계점 바로 부근에서 작동함에 따라 높은 밀도로 인해 마치 펌프와 같이 작동하여 압축기 소모일이 상당히 줄어들기 때문이다. 이런 이유로 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클의 최저온도와 최저압력은 이산화탄소의 임계점 바로 위에 위치하여야 하며, 이는 곧 임계점이 사이클의 최저온도 및 압력 조건의 제약사항이 된다는 것을 뜻한다. 일반적으로 열역학 사이클에서 최저온도가 감소할수록 효율이 증대되므로 초임계 브레이튼 사이클에서 임계온도를 낮춤으로써 효율 증대를 기대할 수 있다.
이산화탄소의 임계점을 변화시키기 위해서는 다른 종류의 가스를 혼합시킴으로써 가능하다. 이때 임계점의 변화 방향과 그 정도는 섞이는 물질의 종류와 양에 따라 다르다. 본 연구에서는 소듐 냉각 고속로에 쓰이기 위한 전력 변환 시스템이므로 고온에서도 혼합가스가 화학적 안전성을 지녀야 하며, 중간 열교환기 파단사고시 1차측의 냉매인 소듐과 반응시에도 치명적인 폭발성 물질의 생성이 없어야 한다. 이런 화학적 반응성에 대한 고려를 바탕으로 이산화탄소에 질소, 산소, 헬륨, 아르곤, 제논이 섞이는 이성분계 혼합가스들을 후보군으로 선정하였다.
혼합가스에 따른 임계점 이동과 물성치 변화가 초임계 브레이튼 사이클에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미국립 표준연구소에서 개발된 REFPROP라는 물성치 프로그램과 연결하여 초임계 브레이튼 사이클 해석 코드를 만들었다. 사이클 코드는 열재생기가 하나 있는 단순 레이아웃과 재가압 레이아웃 사이클에 대해 해석이 가능하다. 개발된 사이클 코드의 검증을 위해 헬륨 브레이튼 사이클을 기반으로 하는 GTHTR300 원자로의 설계값을 사용하였다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클의 기준값으로는 Dostal 박사의 연구를 참조하였다.
이산화탄소-제논 혼합가스의 경우, 혼합가스에 대한 데이터가 부족하여 물성치 프로그램의 계산결과를 신뢰하기 어려우므로 제외하였다. 이산화탄소-헬륨, 이산화탄소-아르곤, 이산화탄소-질소, 이산화탄소-산소 혼합가스 사이클들에 대해 성능 평가를 진행하였다. 각 혼합가스의 혼합비는 같은 임계온도를 가지도록 조절하여 혼합가스 사이클 간의 비교 평가가 가능하도록 하였다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클과 혼합가스 브레이튼 사이클 간의 차이는 단순히 작동유체의 차이와 그에 따라 변화된 사이클의 최저온도 및 최저압력 조건이다.
사이클 코드를 통한 시뮬레이션 결과, 이산화탄소-헬륨 혼합가스 사이클이 임계점이 292 K까지 낮아진 경우에 가장 높은 1.73 %의 효율 증대를 보였다. 이와 달리, 이산화탄소-아르곤, 이산화탄소-질소, 이산화탄소-산소 혼합가스 사이클은 오히려 효율이 줄어들었다. 이것은 혼합에 따라 임계온도는 모두 감소되지만, 임계압력의 변화방향은 다르기 때문이다. 임계압력이 증가되는 경우, 사이클의 압력비가 감소되게 되고 이에 따라 사이클 효율이 감소하였다.
시뮬레이션 결과를 검증하고자 실제 이산화탄소-헬륨 혼합가스의 임계점이 물성치 프로그램에서 예측되는 대로 이동되는지 실험을 통해 확인하였다. 그 결과, 실제 임계점의 이동방향과 예측치는 정반대의 경향을 보였다. 이것은 곧 시뮬레이션에 따른 이산화탄소-헬륨 사이클 효율 증대는 가상의 결과일 뿐 믿을 수 없다는 것을 뜻한다. 마지막으로 실제 임계온도와 임계압력이 모두 감소되는 실험결과가 있는 이산화탄소-제논 혼합가스 사이클에 대해 성능 평가를 진행하였다. 해석을 위해 가장 이상적인 혼합모델과 임계점에 대한 실험데이터를 바탕으로 물성치를 계산하도록 수정을 가하고 이를 이용해 효율을 계산하였다. 이산화탄소-제논 혼합가스 사이클의 경우는 1.28 %의 효율 증대가 예측되었다.
