Enhancement and Optimization on Cooling Performance of Gas-based Fusion Reactor Blanket using Binary

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공과대학 원자핵공학과
Issue Date
서울대학교 대학원
Gas-based fusion reactorFusion blanket coolantGas mixturesFigure-of-Merit (FOM)Scaling correlationCFDITER HCML TBM
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 원자핵공학과, 2013. 8. 조형규.
핵융합로 블랭킷 냉각재로써 헬륨은 안전성이 뛰어나다는 장점이 있지만 냉각능력이 떨어지는 문제점이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구는 헬륨의 안전성을 유지하며 냉각능력을 향상시키는 방법으로 혼합기체를 이용한 핵융합로 블랭킷 냉각 개념에 대한 내용을 다루었다. 본 연구에서는 동일한 열 제거 성능을 가지기 위한 냉각재의 상대적 속도와 펌핑파워를 예측하는 상관식을 개발하였다. 상관식은 네 개의 냉각재의 물성치와 두 개의 구조적 변수를 이용하여 계산할 수 있도록 개발하였다. 상관식 개발을 위하여 열전달계수와 마찰 계수로써 Dittus-Boelter 상관식과 Blasius 상관식을 사용하였다. 개발한 상관식은 핵융합로 블랭킷 상세설계 이전에 여러 기체 및 혼합기체의 냉각능력을 비교하는 데 사용할 수 있도록 개발되었다. 핵융합로 블랭킷 냉각재로서 혼합기체의 냉각능력 평가는 개발한 상관식을 기반으로 수행되었다. 냉각능력 평가를 위하여 헬륨과의 혼합기체로 이산화탄소, 알곤, 네온, 크립톤, 제논, 질소를 선정하였다. 평과 결과를 통하여 혼합기체 이용 시 냉각능력의 증진을 확인하였다. 또한, 혼합기체를 이용하여 냉각능력을 향상시키는 동시에 운전 압력을 낮춤으로써 안전성을 높이는 방안을 제안하였다. 그러나 세 가지 가스를 혼합기체로 이용할 경우 냉각 능력 증진 측면에서 이점이 없는 것을 확인하였다. 개발한 상관식은 전산유체역학 코드를 이용하여 검증을 수행하였다. 검증 모델로 ITER HCML TBM을 사용하였으며 헬륨과 이산화탄소의 혼합기체를 이용하여 검증을 수행하였다. 전산유체역학 코드를 이용한 검증 결과와 비교해 보았을 때 헬륨 기반의 혼합기체 영역에서 상관식이 잘 일치 하는 것을 확인하였다. 추가로 개발한 상관식의 예측능력 향상을 위하여 레이놀즈 수와 프란틀 수를 확인하였으며 개발한 상관식에 Kays and Crawfold 열전달 상관식을 적용해 보았다. 또한 열전달 상관식의 오차에 의한 상대적 속도 및 펌핑파워에 대한 상관식의 오차를 계산하였다.
Several coolants are considered as candidates of the fusion blanket coolant, and among those, helium is considered as the most viable option. As a coolant, helium does have drawbacks on the cooling performance, but at the same time it has certain advantages in the safety aspects when compared to other coolants which are considered for the cooling of fusion blanket. The gas mixture concept based on helium gas, in order to retain the benefits in safety aspects of helium and also to improve the heat transfer performance, is proposed in this study. The correlation is developed for scaled velocity and pumping power with maintaining the same thermal performance. To be specific, scaled velocity and pumping power were composed of four fluid properties and two overall geometrical parameters. And the Dittus-Boelter correlation for heat transfer coefficient and Blasius correlation for friction factor are used for developing the correlation. The developed correlation has the form of Figure-of-merit (FOM) that is a quantity used to characterize the performance simply. Consequently, the purpose of the developed correlation is to compare the heat transfer performance of various gases before conducting the detailed analysis for nuclear fusion blanket. Evaluation on heat transfer performance has been conducted for binary and ternary gas mixtures. For evaluation, we select carbon dioxide, argon, neon, krypton, xenon, and nitrogen as gases that are to be mixed with helium. Cooling capacity of binary gas mixtures are compared to that of ternary gas mixtures. The results show that the mixture gas improves cooling capability compared to pure gas. Based on the evaluation, the gas mixture concept which has better heat transfer capacity and also safety due to low operating pressure is proposed. It was noted, evaluation results show that ternary mixture gases show no further improvement compared to binary mixture in heat transfer performance. The correlation developed in this study was validated through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. Validation model used TER HCML TBM Blanket (International Thermonuclear Experimental Reactor Helium Cooled Molten Lithium Test Blanket Module) which utilizes helium coolant (300 ℃ and 8 MPa). Helium and carbon dioxide mixture is used for validation case, and the validation results demonstrate that the calculation results of the developed correlation are in good agreement with the calculation data obtained using CFD code. Furthermore, the Reynolds number and Prandtl number are considered for improving the developed correlation based on validation results. The correlation is modified using the Kays and Crawfold correlation. Moreover, the error analysis for scaled pumping power is conducted based on the error of a heat transfer coefficient.
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