The $S-CO_2$ power cycle is a cycle in which the working fluid is $CO_2$ and the compression is performed near the critical point. Due to abrupt changes in thermodynamic properties near the critical point, the $S-CO_2$ cycle is characterized by simplicity of construction, relatively small component size, and high efficiency. Therefore, it has been actively studied in various energy related areas such as thermal power, solar heat, and waste heat recovery industries. Recently, applying the $S-CO_2$ cycle as the power system to the next generation nuclear power plant is also suggested in the nuclear energy research.
Previous studies revealed the optimum layout and the design point of the $S-CO_2$ cycle for SFR application and evaluated the off-design behavior as well. However, the design optimization was performed only through the brute force method. Furthermore, the off-design behavior evaluation showed that a better operating point could be found, but the optimum was not obtained. In this thesis, an optimal design methodology is proposed for cycle design for SFR applications, and build an optimal operation strategy for the off-design conditions.
The research is conducted through the adjoint method, which is the method to analyze sensitivity quickly and precisely by solving the dual problem. Design optimization and optimal operation strategy are established through the adjoint. As a result, it has been confirmed that both the optimum design point and the optimum operating point can be obtained quickly.
초임계 이산화탄소 파워 사이클이란 작동 유체를 이산화탄소로 하고 임계점 부근에서 압축 행정을 수행하는 사이클이다. 임계점 부근의 급격한 물성치 변화로 인해, 초임계 이산화탄소 사이클은 구성의 간단함, 비교적 작은 구성요소 크기, 높은 효율이라는 특징을 가진다. 때문에 화력, 태양열, 폐열회수 등 각계에서 활발히 연구되고 있으며, 최근 원자력 분야에서도 차세대 원자력 발전소의 동력 계통으로 초임계 이산화탄소 사이클의 도입 방안이 제시되고 있다. 이전연구에서는 소듐냉각고속로인 SFR 적용을 위해 사이클의 레이아웃과 설계점을 결정하고 탈설계 거동평가를 진행하였다. 그러나, 설계최적화는 단순대입법만을 통해 결정되었고, 탈설계 거동평가 역시 더 나은 운전점을 찾을 수 있다는 점은 밝혔으나 어느 조건이 최적인지는 파악하지 못했다. 본 연구에서는 이전의 연구에서 더 나아가 SFR 적용을 위한 사이클의 최적 설계점을 찾고, 탈설계 조건에서의 최적 운전전략을 제시하고자 한다. 연구는 원 문제의 쌍대문제를 풀이함으로써 빠르고 정확하게 민감도를 분석하는 수반법을 통해 진행된다. 수반법을 통해 설계 최적화 및 최적 운전 전략 수립이 진행되었다. 수행 결과 수반법은 최적 설계점과 최적 운전점을 모두 신속하게 구할 수 있음을 확인하였다.
