The closed Brayton cycle systems have been considered as a promising candidate to replace the steam Rankine cycle for a Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) application while the competitive performance can be achieved while vigorous sodium reaction can be inherently substituted. This thesis investigates the perfor-mance and size comparison of the supercritical carbon dioxide ( $S-CO_2$ ), helium and nitrogen cycles for the 150MWe SFR system. By the virtue of high efficiency and compactness, the $S-CO_2$ cycle is selected and the recompression layout is confirmed to be the most efficient among numerous candidates which includes several recuperation, inter-cooling and re-heating processes with optional flow split cases. A comparison of single shaft and triple shaft turbomachinery configurations is further conducted under the part load operating conditions. The thermal efficiencies of single shaft and triple shaft $S-CO_2$ cycles are 43.0% and 43.6% respectively, which is slightly higher than the steam Rankine cycle performance.
Based on the previous works on the $S-CO_2$ test facilities from various research institutions, Supercritical $CO_2$ Integral Experiment Loop (SCIEL) is designed to achieve higher efficiency with higher pressure ratio with $S-CO_2$ power cycle compared to other pre-existing facilities. The underlying design principles of the integral experiment facility is discussed and the preliminary compressor experiment data are compared to the system analysis code results.
To assess the part load performance with respect to inventory, bypass valve and turbine throttle valve control schemes, a quasi-steady analysis is conducted. Based on the preliminary heat exchanger and turbomachinery design, the off-design performance can be estimated. A system analysis code, GAMMA+ code, is utilized to verify the quasi-steady state result with the inventory control scheme. While the inventory is controlled in the $S-CO_2$ cycle, the main compressor condition must be carefully checked as the thermody-namic properties change rapidly.
소듐냉각 고속로에 적용하기 위한 브레이튼 사이클 개발은 기존 증기 랭킨 사이클을 대체할 수 있게 경쟁력 있는 성능을 유지하면서 격렬한 소듐-물 반응을 근원적으로 제거할 수 있는 유력한 대안으로 고려되고 있다. 본 논문에서는 150MWe급 소듐냉각 고속로에 이용할 수 있는 초임계 이산화탄소, 헬륨, 질소 사이클의 성능과 사이즈 비교에 대하여 연구를 하였다. 높은 효율과 작은 부피 덕분에, 초임계 이산화탄소 사이클이 대안으로 선정되었고 여러 복열, 냉각, 재가열 과정을 혼합한 레이아웃을 비교한 결과 재압축 레이아웃이 가장 효율적인 사이클로 재확인되었다. 모든 터보기기가 발전 시스템과 하나의 축으로 연결된 단일축 형상과 발전 터빈 및 압축기 구동 터빈이 기계적으로 분리된 세 개의 축으로 이루어진 삼단축 형상에 대해 보다 집중적으로 연구되었고 부분 부하 조건에서의 성능이 평가되었다. 단일축 형상과 삼단축 형상의 열효율은 각각 43%, 43.6%이며 이는 기존 증기 랭킨 사이클 성능보다 약간 우수하다.
여러 연구 기관에서 초임계 이산화탄소 사이클 실험 장치에 대한 이전 연구를 참고하여 초임계 이산화탄소 종합 실험 루프 (SCIEL)는 기존 실험장치에 비해 높은 압력비를 통해 높은 효율을 달성할 수 있도록 설계가 되었다. 종합 실험장치의 설계 기반에 대해 논의하였으며 현재 실험장치의 상태와 예비 압축 실험결과에 대해 분석하였다. 또한 예비 실험결과를 GAMMA+ 코드로 모사하여 코드를 부분적으로 검증하였다.
초임계 이산화탄소 사이클의 재고량 제어, 우회 밸브 제어, 터빈 스로틀 밸브 제어 등의 부분 부하 성능을 평가하기 위하여 준정상상태 해석을 수행하였다. 내부적으로 개발된 준정상상태 해석 코드는 열교환기 및 터보기기 성능 변수를 바탕으로 탈설계 성능을 예측할 수 있다. GAMMA+ 코드를 이용하여 재고량 제어를 통한 준정상상태 코드 해석 결과를 추가로 검증하였다. 초임계 이산화탄소 사이클을 재고량을 통해 제어할 때 임계점 근처에서 열역학적 물성치가 급격하기 변하기 때문에 주 압축기 입구 조건은 특별한 과정을 통해서 조절하여야 함을 본 연구에서 새롭게 발견하였다.
