In the case of islands or remote regions, which can be considered as micro-grid, fuel transportation cost increases substantially compared to other regions, and the energy sources requiring refueling have a disadvantage due to high cost. Considering these characteristics, a small modular nuclear reactor is suitable for the base energy source. However, a small modular reactor with a steam generation system becomes bulky and is disadvantageous in terms of transportation because it cannot fully modularize the core and the power conversion system. Therefore, to solve this problem, the KAIST research team developed a KAIST MMR (Micro Modular Reactor) by combining a s$CO_2$ power cycle with a small component unit and a small modular reactor. MMR combines the power system and the core system into a single module and has the advantage of being transportable via a vehicle such as a trailer or a ship. MMR is designed to meet the electricity demand of isolated regions alone. However, if MMR can be combined with other renewable energy sources to meet larger electricity demand, it can solve the intermittency problem of renewable energy while maintaining the high capacity factor of MMR. Renewable energy for combining with MMR was selected as the CSP (concentrated solar power) that can operate in the temperature range of MMR and can use TES (thermal energy storage system) at the same time. Therefore, this study designed a nuclear-solar hybrid system conceptually that combines MMR, CSP, and TES altogether.
First, the installation area was selected for the conceptual design of the hybrid system. Based on the micro-grid of islands of several kW-MW, the electricity demand and DNI of the region where the hybrid system will be installed are determined. In addition, considering the temperature range of MMR and the characteristics of the installation area, thermal energy storage type, thermal energy storage medium, and concentrated solar power receiver technology were decided as well. Next, at the design point, several cycle layouts were optimized and selected between the power cycle with the highest efficiency.
However, hybrid systems often operate at a lower load than design points, so it is necessary to consider the off-design performance of the hybrid system. Therefore, the quasi-steady state of the hybrid system was analyzed at part-load and core bypass, inventory control was used to achieve higher off-design efficiency.
Finally, the performance of the hybrid system was evaluated using the quasi-steady state results of the hybrid system. For the evaluation of the system, the capacity factor and the electricity fulfillment rate were calculated using the installed area's electric demand and DNI, and the performance was compared with the constructed CSP plant. As a result, it was confirmed that the nuclear-solar hybrid system can solve the problems of intermittency and large solar field area of the CSP and reduce the volume of the TES while maintaining the high capacity of MMR.
도서 지역 혹은 오지 지역의 마이크로 그리드의 경우 연료 운송비가 다른 지역에 비해 증가하기 때문에 연료 재충전이 필요한 기저 에너지원은 발전단가가 비싸지는 단점이 있다. 이러한 특성을 고려한다면 소형 모듈 원전이 기저 에너지원으로서 적합하다. 하지만 구성 기기의 부피가 큰 증기 발전 계통을 이용하는 소형모듈 원전은 노심 계통과 동력 계통을 하나의 모듈화를 하지 못해 운송 면에서 불리하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 KAIST 연구팀에서는 작은 구성 기기의 부피를 갖는 초임계 이산화탄소 발전 계통과 소형 원전 개념을 결합하여 KAIST MMR (Micro Modular Reactor)를 개발하였다. MMR은 동력 계통과 노심 계통을 하나의 모듈로 구성하여 트레일러나 배와 같은 운송수단으로 옮길 수 있는 장점이 있다. MMR은 고립된 지역의 전기 수요를 단독으로 충족할 수 있도록 설계되었으나 MMR만으로 전기 수요를 충족하기보다는 다른 신재생 에너지와의 결합을 통해 전기 수요를 충족한다면 MMR의 높은 순용량계수를 유지하면서 신재생 에너지의 간헐성 문제를 해결할 수 있다. MMR과 결합하는 신재생에너지로는 MMR의 온도범위에서 작동 가능하며 열 에너지 저장 시스템이 사용 가능한 집광형 태양열 발전으로 선정하였다. 따라서 이번 연구에서는 MMR, 집광형 태양열 발전과 열에너지 저장 시스템을 결합한 원자력-태양열 하이브리드 시스템을 개념설계 해보았다.
먼저 하이브리드 시스템의 개념 설계를 위해 설치 지역을 선정하였다. 수kW-MW의 도서지역의 마이크로 그리드를 참조하여 하이브리드 시스템이 설치될 지역의 전기수요와 DNI를 선정하였다. 그 외에도 MMR의 온도 범위와 설치 지역의 특성을 고려하여 열에너지 저장 방식, 열에너지 저장매체 및 집광형 태양열 발전 방식에 대해 선정하였고, 설계점에서 최고의 효율을 가지는 발전 사이클을 선정해보았다.
하지만 하이브리드 시스템은 주로 설계점보다 낮은 출력에서 작동하므로, 하이브리드 시스템의 탈설계점 성능을 고려할 필요가 있다. 따라서 출력이 점점 낮아지는 상황에서 하이브리드 시스템의 준-정상상태 분석해보았고 더 높은 탈설계점에서의 효율을 얻기 위해 노심 우회, 재고량 조절 제어를 이용하였다.
마지막으로 앞서 구한 하이브리드 시스템의 준-정상상태 결과를 이용하여 하이브리드 시스템의 성능을 평가해보았다. 시스템 평가를 위해 설치 지역의 전기 수요 및 DNI를 이용하여 순용량계수, 전기 수요 충족률을 계산하고, 실제로 건설된 집광형 태양열 발전소와 성능을 비교해보았다. 그 결과 원자력-태양열 하이브리드 시스템은 MMR의 높은 순용량계수를 유지하면서 집광형 태양발전소의 간헐성 및 넓은 발전 부지 면적의 문제를 해결하고, 열에너지 저장 장치의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있음을 확인하였다.
