NET 논문 소개
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● 제목 : Temperature analysis of extra vessel electromagnetic pump cooling for a Micro nuclear reactor with an electric power of 20 MW
● 저자 : 강태욱, 김희령
● 원문 : NET Volume 56(1), pp. 275-282, 2024
- □ Micro ubiquitous, rugged, accident-forgiving, non-proliferating, and ultra-lasting sustainer (MicroURANUS)는 40년 무교체, 20 MWe 전기 출력을 가지는 액체금속 냉각 소형모듈원자로입니다.
- □ 냉각재로써 액체 lead–bismuth eutectic (LBE)를 사용하며 이를 순환하기 위하여 원자로 용기 외벽 부착 전자펌프 (EVEMP; Extra Vessel ElectroMagnetic Pump)를 사용합니다. 원자로 용기 외벽 부착 전자펌프는 회전부분이 없이 냉각재와 비접촉으로 밀폐 구동하기 때문에 기계식 펌프에 비하여 크기가 작고, 결과적으로 원자로 시스템의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 냉각재 순환 펌프입니다.
- □ 그러나 MicroURANUS에서 액체 LBE의 순환에 사용되는 전자펌프는 노심으로부터 전달되는 열과 전자펌프 코일 및 코아로부터 발생되는 열 환경에 놓이게 됩니다. 고온에서 성능 저하 또는 전자펌프 구성요소의 변형 손상 등이 발생하지 않도록 전자펌프는 최대 허용 온도 (575 K) 미만에서 운전되어야 합니다.
- □ 이를 위해 MicroURANUS 원자로 용기 외벽 부착 전자펌프를 운전 조건인 4196 kg/s의 유량률과 73 kPa의 구동압력으로 가동하였을 때 공냉 및 수냉 방식 냉각 환경에서의 전자펌프 온도 분포를 평가하였습니다.
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□ MicroURANUS에서 액체 LBE 냉각재를 순환하기 위한 원자로 용기 외벽 부착 전자펌프를 그림 1에 나타내었습니다. 축 대칭 구조를 가지는 외벽 부착 전자펌프는 외부 코아 및 내부코아,
코일, 액체 LBE 냉각재 유로 형성 덕트 등으로 구성되며, 전기전도성 LBE내에 전자기력 (Lorentz 힘)을 발생시켜 LBE 냉각재를 이송합니다. 이때 코일, 코아, 냉각재와 덕트에서 발생되는 열 때문에 전자펌프의 온도는 올라가게 됩니다.
- □ 그림 2는 공냉 방식을 이용하여 전자펌프를 냉각시켰을 때의 온도 분포를 나타냅니다. 코일과 코어에서 온도가 높게 나타나고 전자펌프 케이스의 여러 부분이 공기와 접촉하여 차폐 케이스 부분의 온도가 상대적으로 낮게 나타나고 있습니다. 공냉 방식으로 냉각하였을 때 전자펌프의 최고 온도와 최저 온도는 각각 640 K와 620 K로 허용 온도보다 높게 나타나고 있어 추가적인 냉각이 필요합니다.
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□ 수냉 방식으로 냉각하였을 때 전자펌프의 온도 분포를 그림 3에 나타내었습니다. 전자펌프는 300 K의 물속에서 냉각이 되며, 물과 직접 접촉하는 외부 코어 부분의 온도는 상대적으로 낮고
그렇지 않은 부분의 온도는 상대적으로 높게 나타납니다. 최고 온도는 370 K 수준으로 최대 허용 온도인 575 K보다 약 205도 낮게 나타납니다.
- □ 공냉 방식으로 냉각을 하였을 때 발생되는 최고 640 K의 고온으로 인한 전자펌프 코일 손상을 막기 위하여 수냉 방식으로 전자펌프를 냉각하는 것이 적합함을 알 수 있습니다. 이 때 전자펌프 코일과 코어의 최고 온도는 입력전류 1250 A, 입력주파수 5 Hz, 코일 권선수 20회 기준으로 372 K임을 확인하였습니다. 물과 직접 접촉하는 부분의 온도 또한 전자펌프 내부의 온도보다 낮고 최고 온도가 물의 끓는점보다 낮게 나타나 추가적인 가압이 필요하지 않음을 알 수 있습니다.
- □ 결론적으로, 수냉 방식을 채택하는 MicroURANUS 원자로 용기 외벽 부착 전자펌프는 열 발생에 따른 성능 저하나 기능 상실 없이 액체 LBE 냉각재의 순환에 적합하게 사용될 수 있을 것임을 알 수 있습니다.
