The Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) with a traditional steam Rankine cycle was operated successfully in the past. However, the potential hazard from sodium-water reaction (SWR) has posed a design challenge for a SFR. For this reason, the supercritical CO2 (S-CO2) Brayton cycle was suggested as an alternative power conversion system. The studies on the S-CO2 Brayton cycle revealed that several advantages (i.e. relatively high thermal efficiency, compactness of turbomachinery and heat exchangers, and elimination of SWR) can be found for this design option. Despite these competitive features, a reactive process of liquid sodium and CO2 will follow when the pressure boundary of sodium-CO2 heat exchanger fails.
It is important to investigate possible issues in sodium-CO2 HX because the pressure boundary is an interface standing a large pressure difference. Furthermore, sodium-CO2 interaction is complex and highly affected by the sodium temperature. So far, there have been active studies on thermodynamic and kinetic features of sodium-CO2 interaction. It is important to investigate sodium-CO2 interaction with phenomenological approach. However, in order to evaluate and improve the safety and economics of the whole system, the study on the consequences of sodium-CO2 interaction through a systematical approach is also essential.
This research was implemented to evaluate essential safety issues expected in sodium-CO2 heat exchanger prior to applying the S-CO2 Brayton cycle for a SFR. The experiment was conducted to measure the exact sodium ignition point to understand the safety margin of the SFR operating conditions. Based on the experimental results, the safety issue concerned with the sodium ignition was systematically discussed in comparison with the EBR-II data. To realistically simulate the transient response of Na-CO2 heat exchanger during the CO2 leak process, two simplified numerical flow models (i.e. isentropic and Fanno flow model) were developed from several assumptions. If these models can reasonably simulate the CO2 leak scenario, it will be significantly useful to predict the variation of CO2 mass flow rate and the consequent system dynamics (i.e. system pressure variation, temperature increase due to chemical reaction, quantity of reaction products, and so on). These numerical predictions can be used for base information to evaluate the probability of having sodium ignition event during the CO2 leak event. For the reduction of economic losses due to sodium-CO2 interaction, a scoping study to find a material which can clean up the solid reaction product created from the sodium-CO2 interaction, mainly Na2CO3, was performed. Since the solid reaction products can plug the flow channel or contaminate the system, it is necessary to find some methods for removing them.
At this end, it is expected that this research will play an important role in the application of S-CO2 Brayton cycle to SFRs in the future.
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.
