NET 논문 소개
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● 제목 : Design and transient analysis of a compact and long-term-operable passive residual heat removal system
● 저자 : 박우성, 유용환, 강경준, 정용훈
● 원문 : NET Volume 55(12), pp. 4335-4349, 2023
- □ 높은 출력을 지니는 선박의 필요성이 높아지고 국제해사기구(IMO)가 탄소배출 규제를 도입함에 따라 원자력을 에너지원으로 이용하는 원자력 선박의 개발이 필요한 상황입니다.
- □ 원자력 선박은 바다 한 가운데에서 사고가 발생할 시 외부로부터의 도움을 기대하기 어려워 피동안전계통이 72시간이 아니라 계속해서 무기한으로 작동할 필요가 있습니다. 한편, 선박에는 가용공간이 매우 제한적이며 특히 안정성 및 시야확보의 이유로 높은 구조물을 설치할 수가 없습니다. 이러한 이유로 기존의 육상용 피동잔열제거계통(PRHRS)은 원자력 선박에 활용하기 어렵고, 장기냉각이 가능하면서도 굉장히 컴팩트한 시스템이 필요한 상황입니다.
- □ 이에 본 연구에서는 원자력 선박을 위하여 소형 사이즈로 무기한 냉각이 가능한 새로운 피동잔열제거계통의 개념을 제시하고 설계 및 사고해석을 수행하여 개념의 타당성을 평가하였습니다.
- □ 본 연구에서 제시한 피동잔열제거계통은 공기냉각과 해수냉각을 함께 이용하여 원자로 잔열을 제거하는 개념으로 그림 1은 계통의 개념도를 나타냅니다.
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□ 상부 공기냉각은 열제거가 주목적이 아닌 루프 내 자연순환을 유도하기 위함으로 자연순환을 일으키기 위한 최소한의 잔열만 제거합니다.
이는 공기냉각에 요구되는 열교환기 및 공기냉각탑의 크기를 최소화하기 위함이며, 이때 제거되지 않고 남은 대부분의 잔열은 하부 해수냉각을 통해 제거됩니다.
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□ 피동잔열제거계통의 주요 구성요소인 공기냉각 열교환기(AHX), 공기냉각탑(DCT), 해수냉각 열교환기(SWHX)를 설계하였습니다. 그림 2는 주요 구성요소의 전체적인 크기를 나타냅니다.
원자력 선박에서는 크기 측면에서 공기냉각탑이 가장 설계제약이 많은데, 본 연구에서 제시한 개념을 통해 컴팩트한 설계가 가능함을 확인할 수 있습니다.
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□ 설계된 피동잔열제거계통의 타당성을 평가하기 위하여 MARS-KS 코드를 활용하여 사고해석을 수행하였습니다.
그림 3과 같이 nodalization을 구성하였고 station black out 사고를 가정하여 원자로 정지 후 피동잔열제거계통만으로 안전성이 유지될 수 있는지를 평가하였습니다.
- □ 표 1은 피동잔열제거계통의 세부 설계결과를 나타냅니다. 공기냉각이 목표 잔열제거량의 전체가 아니라 20%만 제거함에 따라 소형의 열교환기와 공기냉각탑이 설계 가능함을 확인할 수 있습니다. 특히 기존의 피동잔열제거계통 내 공기냉각탑에는 수십 미터의 chimney(stack) 높이가 필요한데 반해, 현 설계에서는 4 m면 충분한 것으로 나타납니다.
- □ 그림 4는 원자로 정지 후 72시간 동안의 냉각재 온도와 잔열 발생량 및 제거량을 나타냅니다. 상부 공기냉각을 통해 자연순환이 계속해서 발생하는 것과 하부 해수냉각을 통해 충분한 양의 잔열 제거가 일어나는 것을 확인할 수 있습니다.
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□ 결론적으로 본 연구에서 제시한 피동잔열제거계통은 컴팩트하면서도 무기한 냉각이 가능하여 원자력 선박에 적합함을 확인하였고, 도출한 결과는 추후 설계 시 기초 자료로 활용할 수 있을 것입니다.
