Since the supercritical $CO_2 (S-CO_2)$ Brayton cycle has advantages in economics due to high efficiency and compactness, various industries have been trying to develop baseline technology on the design and analysis of the $S-CO_2$ Brayton. As an application of $S-CO_2$ Brayton cycle to nuclear power system, the $S-CO_2$ Brayton cycle was coupled to a Sodium cooled Fast Reactor (SFR), which is one of the next generation nuclear reactors, to en-hance safety and economy.
However, one of the challenging issues in the $S-CO_2$ Brayton cycle development is designing a compressor operating near the critical point of $CO_2$. Since thermodynamic property variation of $S-CO_2$ near the critical point shows non-ideal gas behavior, $S-CO_2$ compressor design and analysis methodology should be re-constructed to reflect the real gas effect properly. To overcome limitations on conventional ideal gas based design methodolo-gies real gas compressor design tool, KAIST_TMD, is constructed in this work. The KAIST_TMD is based on 1D mean stream line analysis and models for design and performance prediction are selected from open litera-tures. To reflect real gas effect in the KAIST_TMD, an enthalpy based calculation procedure is established and REFPROP thermodynamic property database is coupled to the code directly. The models in the $S-CO_2$ compressor design methodology are tested through KAIST_TMD and models were carefully selected through the comparison with experiment data. The KAIST_TMD is also utilized for non-dimensional design map generation to confirm the validity of the traditional design map used for the conceptual design phase. Due to flexibility of the design map generation method developed in this work, a realistic conceptual design and performance prediction can be supported for the future cycle design process. Lastly, a design study of $S-CO_2$ compressor for the SFR application is conducted with two different design options and design and performance prediction were successfully performed.
초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 높은 경제성으로 인하여 다양한 분야, 다양한 기관에서 연구가 수행되고 있다. 원자력 발전 시스템에 적용하기 위한 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클 연구 중 하나로 차세대 원자로인 소듐냉각고속로와 연계하여 안전성과 경제성을 높이는 연구가 진행되었다.
특히 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클 개발에 있어서 임계점 근처에서 작동하는 압축기 설계가 기술적으로 도전적이다. 본 연구에서는 이런 기술적 한계를 극복하고자 초임계 이산화탄소의 실제가스거동을 반영하기 위해 작성된 압축기 설계 및 해석 도구를 개발하였다. 개발된 설계 및 해석 도구는 1차원 평균유선에 기반한 해석방법론을 활용하였고 문헌에 의해 공개되어 있는 모델들을 수집하여 실험적 검증을 통해 선별적으로 적용하였다. 또한 실제가스에 대한 해석을 하기 위하여 엔탈피 기반의 계산과정으로 계산식이 재정비 되었고 물성치 데이터베이스와 연동하였다. 작성된 설계 도구를 활용하여 개념설계에 활용될 수 있는 무차원수 지도를 다시 작성하여 기존 방법론의 적용성을 검토하였으며 설계 조건에 따라서 유동적인 개념설계 방법론을 정립하였다. 최종적으로는 본 연구에서 제안한 설계 방법론을 토대로 혁신개념 소듐냉각고속로 적용을 위한 초임계 이산화탄소 압축기를 설계하여 성능을 예측하였다.
