In this thesis, a concept design of supercritical $CO_2$ cooled KAIST Micro Modular Reactor (KAIST MMR) was proposed. The KAIST MMR contains a long-life core, a passive decay heat removal system, and a su-percritical $CO_2$ power cycle in one transportable module. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed to improve the design methodology of a supercritical $CO_2$ (S-$CO_2$) compressor. Accurate properties for S-$CO_2$ was implemented to the CFD code. From the observation of previously ob-tained experimental results, it was recognized that the amount of external losses in the secondary flow paths can be substantial. Understanding the external loss mechanisms, and reducing the external losses are critical to the design of a high performance S-$CO_2$ compressor. Therefore, this study first focused on the selecting an appropriate external loss model by estimating the internal loss accurately through a high fidelity CFD calcula-tion and then substituting from the total losses. By analyzing the CFD result and energy balance data ob-tained from the experiment, this study suggests the best combination of the previously developed external loss models for the $S-CO_2$ compressor design and performance prediction. This is followed by the investiga-tion of the condensation effect in the impeller by utilizing a two-phase VOF model with metastable properties. As a result, it is re-confirmed that there is a negligible amount of condensation effect. In addition, the analysis models with various number of blades are tested with the CFD, and the optimal number of blades was deter-mined. Moreover, a structural analysis for one-blade-set model was conducted to examine if thinner blade can be used. As a result, the reduced blade thickness still can endure the stress caused by the pressure load. The new findings from this study were applied to the 1D meanline turbomachinery design code, KAIST-TMD. A new S-$CO_2$ compressor for KAIST MMR was designed based on the updated design code. The new design has characteristics of reduced external losses and optimized number of blades to achieve higher efficiency and pressure ratio than those of the old design.
이 연구에서는 초임계 이산화탄소 냉각 초소형 모듈원전 (KAIST MMR)의 개념설계를 제안하였으며, 장주기 고속중성자 노심을 위한 발전 사이클을 제안하였다. 초소형 모듈원전은 노심과 발전시스템, 피동안전시스템이 하나의 모듈에 포함된 운송 가능한 원자로 시스템이다. 초소형 모듈원전에 사용되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 압축기 설계를 위한 3차원 전산유체 해석을 수행하였다. 높은 정확도의 초임계 이산화탄소 물성치가 적용되었으며, 압축기의 성능 해석결과는 원자력연구원에 있는 SCIEL 실험장치의 데이터와 비교 분석하여 외부손실 모델 세트를 제안하였다. 임펠러의 일부 구간에서 발생하는 이상유동 영역에서 응축이 일어나는지 확인하기 위해 준안정(metastable) 물성치와 이상유동 VOF 모델을 사용하여 해석을 수행하였으며, 그 결과 압축기 내부에서의 응축 효과는 무시할 만한 수준임을 확인하였다. 압축기의 블레이드 수를 변화시키면서 전산유체 해석을 수행하여 블레이드 수의 효과를 확인하였다. 또한, 구조해석을 사용하여 사용할 수 있는 두께의 한계를 확인하였다. 실험결과의 해석을 통해서 압축기의 외부 손실이 상당히 크다는 것을 발견하였다. 이 연구를 통해 얻은 새로운 설계 방법론은 터보기기 설계코드인 KAIST-TMD에 적용되었다. 설계코드를 이용하여windage 손실을 줄이는 방식을 사용하여 초소형 모듈원전을 위한 새로운 초임계 이산화탄소 압축기를 설계하였다. 이 압축기는 외부 손실이 적고 더 많은 블레이드 수를 가지며, 더 높은 효율과 압력비를 보여주었다.
