The Northern Sea Route is a new way to connect Asia and Europe and it is estimated to have plenty of resources. In order to utilize this sea route merchant ships is required to have icebreaking capability. Since conventional fossil fuel powered engines has limitations to be used in an icebreaking merchant ship propulsion, nuclear power having long refueling period for icebreaking merchant ship is proposed in this thesis. To evaluate technical feasibility of the nuclear power for icebreaking ship’s engine 330M$W_{th}$ SMART reactor is selected for the reference reactor core, which is proven to achieve high degree of safety. However, in this thesis, the power conversion system for the SMART reactor core is substituted with the trans-critical CO2 recompression cycle that has advantageous in low temperature heat sink as in Northern Sea Route and low temperature heat source as in Pressurized Water Reactor conditions instead of the conventional steam Rankine cycle. The major components in the cycle are designed, and passive residual heat removal system, which is driven by CO2 natural circulation is designed in this work. To perform transient analyses of a trans-critical CO2 cycle where CO2 phase change occurs in the condenser, the Homogeneous Equilibrium Model is newly updated to model CO2 two-phase flow in GAMMA+ code which has been originally developed to model single phase gas only. The transient analyses are performed for the normal operation and hypothetical transient conditions As a result, the proposed SMART integrated with the transcritical CO2 power conversion system is proven to be technically suitable for the Nothern Sea Route icebreaker application.
유럽과 아시아를 이으면서 매장자원도 많은 북극항로를 경제적으로 이용하기 위해서는 운행선박의 쇄빙능력을 갖추는 것이 필수적이다. 이러한 쇄빙상선의 엔진으로 기존의 화석연료에 기반한 엔진은 많은 한계를 갖고 있기 때문에 재장전 주기가 긴 원자력추진 시스템을 쇄빙상선의 엔진에 적용하는 것을 이 논문에서 제안 한다. 이를 기술적으로 평가하기 위해서 대형 상선에 원자력 추진 엔진을 적용해야하므로 높은 안전성을 가지는 $330MW_{th}$ 출력의 SMART 원전을 참조 원자로로 선정하였다. 이 열원에 대한 동력변환계통으로는 북극항로와 같이 저온열침원과 경수로의 저온열원에 적합한 초월임계 이산화탄소 재압축사이클을 선정하여 주요 구성기기들을 설계하였다. 원자로 잔열을 피동적으로 제거하기 위해 안전계통으로 이산화탄소로 구동하는 자연순환루프를 설계하였다. 상변화가 일어나는 초월임계 이산화탄소 사이클의 천이해석을 수행하기 위해 단상의 GAMMA+ 코드에 균일평형모델을 적용하여 이산화탄소 이상유동을 해석할 수 있게 하였다. 그 후 설계된 시스템의 정상운전과 가상의 사고조건을 선정하여 천이해석을 수행하였다. 그 결과 SMART와 초월임계 이산화탄소 발전시스템은 북극항로의 쇄빙능력을 가지는 상선에 적합한 열원임을 기술적인 측면에서 보였다.