In this study, a 10MW hybrid MMR (H-MMR) was designed to converge with renewable energy and energy storage system (ESS). A 12.1% enrichment hexagonal annular shaped UN nuclear fuel & solid core was designed with 990 heat pipes cooled. The heat pipe was designed with an annular wick structure with an outer diameter of 22 mm, an operating limit of 31.6 kW and a working fluid potassium that removes 20.4 kW of heat for 56 years without refueling. By designing a pool type sodium intermediate heat exchange system that circulates at an operating temperature of 550~650 oC and 150kg/s, heat from the heat pipe was transferred to the supercritical CO2 cycle through PCHE. The U-shaped reactor vessel auxiliary cooling system (RVACS) with a height of 5m is optimally designed to remove about 230 kW of heat through natural circulation of outside air in the event of an accident. By nodalization of the heat pipe system and reactor core, heat transfer and safety analysis tools for steady state and transient states was developed.
Although H-MMR's heat pipe was designed through the existing performance correlation, there was no performance experiment and analysis of circular and D shaped heat pipe under supercooled frozen startup conditions. Therefore, sodium heat pipe and wick structure and experimental apparatus were manufactured, and frozen startup limit experiment was performed according to the shape and angle of the heat pipe. As the input power was increased, the sonic limitation due to chocking occurred, and dryout of the evaporator occurred and the temperature increased rapidly due to the capillary limit. "Transient limitation model at frozen startup" was proposed, and the capillary limit was predicted by numerically analyzing the pressure drop and effective heat transfer length and property of sodium vapor. At each horizontal, 45 o, and vertical angle of the circular heat pipe, the temperature surge was observed at the capillary limit of about 500 W, 1500 W, and 2000 W, and analysis was verified through experiments. As a result, capillary limitation may occur prematurely under conditions of overcooling and excessive power rise in frozen startup situations.
본 연구에서 신재생에너지, 에너지저장시스템(ESS)와 융합 가능한 10MW 급의 하이브리드 소형모듈원전 (H-MMR)을 설계했다. 환형 육각 형태의 12.1% UN 핵연료 990개를 고온 히트파이프로 냉각하는 높이 1m의 고체 노심을 설계했다. 히트파이프는 연료 재장전 없이 56년동안 20.4kW의 열을 제거하는 외경 22mm, 작동 한계 31.6 kW, 작동유체 칼륨의 환형 윅 구조로 설계되었다. 작동온도 550~650oC, 150kg/s로 순환하는 풀타입 소듐 중간열교환계통을 설계하여, 히트파이프의 열이 인쇄회로기판형 열교환기를 통해 초임계이산화탄소사이클로 전달된다. 사고시 외부 공기의 자연 순환을 통해 약 230 kW의 열제거가 가능한 높이 5m의 U형 원자로외벽냉각시스템(RVACS)을 최적 설계했다. 히트파이프 시스템 및 원자로 노심을 노드화하여 정상상태 및 과도상태의 열전달 및 안전해석 툴을 개발했다.
H-MMR의 히트파이프는 기존 성능 상관식을 통해 설계했지만, 과냉각된 frozen startup 조건에서 원형 및 반원 히트파이프 한계 성능 실험 및 해석이 없었다. 이에 소듐 히트파이프와 윅 구조물을 제작하고, 실험장치를 제작하여 히트파이프 형상, 각도에 따라 frozen startup 한계 실험을 수행했다. 출력을 높임에 따라 chocking으로 인한 음속 한계가 발생했고, 이후 모세관 한계으로 인해 증발부의 dryout이 발생하여 증발부의 온도가 급상승했다. 이를 모사하기 위해 Frozen startup에서 과도 성능 모델을 제안하였고, 히트파이프 소듐 증기의 압력 강하와 유효 열전달 길이와 물성치를 수치해석하여 모세관 한계를 예측했다. 원형 히트파이프의 수평, 45도, 수직 각도 별로 약 500W, 1500W, 2000W의 모세관 한계에서 온도 급상승이 나타났으며, 실험과 해석을 통해 검증했다. 결과적으로, Frozen startup 상황에서 과냉각 및 과도한 출력 상승 조건에서 모세관 한계가 조기에 발생할 수 있다.
