Development of Dynamic Simulation Model for 10 kWe Heat Pipe Micro Fission Battery using AMESIM

Abstract

최근 세계적으로 마이크로 원자로의 수요가 증가하고 있다. 마이크로 원자로의 특징은 연료 재공급 없이 오랫동안 사용이 가능하며, 크기가 작아 전력이 필요한 곳으로의 이동이 자유롭고 음의 반응도 궤환효과로 인한 높은 안정성 등이 있다. 마이크로의 원자로 관련 선행연구들은 주로 전력변환장치 및 히트파이프 등 원자로의 구성요소에 대한 심층적인 연구들로 활발히 진행되고 있다. 하지만, 개별 구성요소들에 대한 연구에 비해 마이크로 원자로의 통합적 시스템에 대한 연구는 상대적으로 부족한 상태이며, 마이크로 원자로의 상용화를 위해서는 전체 시스템에 대한 연구가 더욱 필요하다.

따라서, 본 연구에서는 기존에 개념 설계된 10kW 수중 드론의 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리를 기반으로 아메심 소프트웨어를 사용한 동적 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 마이크로 히트파이프의 주 구성요소인 노심 및 원자로 동특성, 히트파이프, 그리고 전력변화체계인 열전소자발전기를 모델링하여 과도상태의 마이크로 원자로를 해석하였다. 이 동적 시뮬레이션 모델을 통해 마이크로 원자로에 발생할 수 있는 열침원 성능 증가 및 감소, 반응도 삽입 등 여러 시나리오에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 마이크로 원자로의 건전성 및 안전성을 확인하였다.

본 원자로 시스템은 수중 드론을 위한 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리로 3개의 주요 구성요소 (노심, 히트파이프, 에너지 변환계통)로 나타낼 수 있다. 열전소자발전기는 원자로의 열을 통해 전기에너지를 생산하고, 이 에너지는 집전 장치를 통해 외부로 보내진다. 전체 시스템은 금속케이스로 둘러 쌓여 보호되며, 사고 및 비상 시 케이스 외부를 냉각함으로써 원자로를 안전한 상태로 유지할 수 있다.

노심에서는 열해석을 위해 마이크로 원자로 노심을 단위 셀 (Unit Cell) 단위로 분리한 후 등가환형근사법을 적용하여 해석하였으며, 히트파이프는 각 노드로 특정하여 노드 간의 열전달을 계산하였다. 또한, 히트파이프의 작동한계를 고려하여 마이크로 원자로가 한계내에서 거동할 수 있도록 설계에 반영하였다. 열전발전기는 열전현상을 반영한 열전달방정식을 사용하여 설계하였다. 또한, 원자로의 과도현상을 분석하기 위해 일점방정식 및 반응도 궤도효과를 반영하여 설계하였다.

이러한 설계를 바탕으로 아메심 소프트웨어를 사용한 동적시뮬레이션 모델을 개발하였다. 아메심(Advanced Modeling Environment for Simulation, AMESIM)은 과도 계산에 특화된 1-D 시스템 시뮬레이션 프로그램으로서 시스템 성능을 가상으로 평가하고 최적화할 수 있다. 노심 모델링에는 노심의 온도분포를 더 세밀하게 확인할 수 있도록 핵연료 부분을 5등분, 축방향으로 11등분하여 모델링 하였다. 또한, 핵연료 부분의 컴포넌트에는 핵반응을 통한 열속을 반영하였으며, 모델의 끝부분이 히트파이프의 증발부와 연결 되도록 모델링 하였다. 히트파이프는 총 6개 부분으로 나누어 모델링 하였다. 증발부 및 응축부의 쉘, 윅, 그리고 챔버로 나누어 열전달 모델을 개발하였으며, 히트파이프 증발부는 노심으로부터의 열이 전달되도록 연결이 되 있으며, 응축부는 열전발전기의 고온부와 연결이 되어있다. 또한, 히트파이프 성능한계의 관련 식을 모델링하여 연동하였다. 열전발전기 모델링은 노심과 동일한 방법으로 개발하였다. 열전소자를 총 10등분하여 각 부분에는 열용량 컴포넌트를 사용하고, 저항 컴포넌트를 사용하여 연결하였으며, 각 열용량 컴포넌트에는 줄열에 의한 열속을 반영하여 개발하였다. 열전발전기의 저온단은 열침원의 냉각효과를 모사할 수 있는 컴포넌트를 사용하였다. 일점방정식과 반응도 궤도효과는 미분방정식의 해를 구하는 컴포넌트를 사용하여 모델링하였으며, 결과값으로 계산된 반응도 및 중성자수가 노심부분과 연결되어 출력과 중성자 거동이 서로 연관되어 계산되도록 설계하였다. 완성된 모델은 Engineering Equation Solver(EES)를 사용한 정상상태의 주요부분의 값과 비교하여 성공적으로 검증하였다. 개발된 모델로 마이크로 히트파이프 원자로 동적 시뮬레이션을 실시하였으며, 총 2가지의 경우(열침원 과도현상 및 반응도 삽입현상)를 고려하였다. 시뮬레이션 결과 열침원의 냉각 성능이 극한으로 변화되는 상황에서도 출력이 효율이 15% 내로 유지되고, 급작스런 반응도 변화에도 제어드럼 없이도 $0.15 ~ $0.20까지 배터리의 운용이 가능한 것을 확인하였다.

본 연구를 통해 핵분열 배터리의 과도현상 해석에 아메심 프로그램을 적용이 가능한 것을 확인하였다. 아메심을 사용한 모델링은 동적 시스템 성능 평가 및 과도현상 해석에 유용한 방법으로 쓰일 수 있으며, 배터리의 성능 최적화 및 개선에 또한 사용될 수 있음을 확인하였다. 또한, 마이크로 핵분열 배터리 개념 설계의 타당성을 본 연구에서 보여주었다. 본 연구의 고체 노심, 히트파이프와 열전발전기로 구성된 시스템은 수중 드론에 사용되기에 적합하며, 다양한 냉각성능 및 반응도 변화에도 정상상태의 성능을 크게 벗어나지 않고 유지하는 안정성을 보여주었다는데 큰 의의가 있다.

Recently, demand for replacing chemical energy is increasing as most contemporary industries require stable energy sources. Chemical energy only provides the energy for several hours to days at the longest without refueling even though it has advantages in high technology maturity and being used for various industries. The study begins with to overcome the weakness of the chemical energy and suggest replacing it as a micro heat pipe cooled reactor. Micro heat pipe cooled reactor is also referred to as fission battery, producing less than 20 MWe. Fission batteries have in strengths in long-refueling interval, compactness of unit design with high mobility and passive safety system by self-regulation. Various studies for the fission batterys individual components have been conducted. Muller suggested new concept design of the micro reactor, Fuel-Element Heat-pipe, FEHP (Muller, 2019) with increased 17% of fuel density. Also, Ma studies materials used for the thermoelectric generator. However, there are only few studies have conducted regarding the entire system of the micro reactor. To make a micro fission battery feasible, more studies to analyze entire system is needed. Therefore, the purpose of this study is to develop a numerical model to analyze micro reactor dynamics, and to assess the systems behavioral characteristics on possible scenarios. The reference reactor of the study is a 10 kWe micro heat pipe cooled reactor for underwater drones. The reactor consists of three main components: the core, heat pipe and thermoelectric generator (TEG) as a power conversion system. The heat is produced from the fission of the core and transferred to heat pipe. It is a very effective system to transfer the heat by its evaporation and condensation at each end of the pipe. The condensate end of the heat pipe is connected to the hot side of the TEG. It converts heat energy to electric energy by using thermoelectric effect. The produced electric energy is firstly saved in the outer battery of the reactor and rest of the energy is remained for the control drum. This reactor system ensures the safety because of its high reactivity feedback effect and outstanding cooling performance. To develop dynamic simulation model, AMESIM software is used, made by SIEMENS. It is a simulation software specialized in modeling, analyzing, and predicting the performance of mechatronics system. For modeling the core, equivalent annulus approximation method is used. It is widely used for the concept design and analysis of the reactor. The core is divided into the sections of fuel, matrix, a gap between fuel and matrix, and a gap between matrix and heat pipe. Thermal resistance concept is used to model the heat pipe. Each section of evaporation and condensation is divided into three areas: shell, wick, and chamber. Thermal transfer and resistance are calculated as the heat passes each area. Also, operating limits of heat pipe: capillary, sonic, viscous, boiling, and entrainment, are considered. Thermoelectric effect, Thomson and Seebeck, is used for modeling TEG. It converts from heat energy to electric energy by using temperature differences of each end of TEG. The governing equation for TEG includes Thomson and Seebeck effects. To analyze dynamic behavior of the reactor, reactor kinetics with feedback effect should be considered. Point kinetics equations are used, and fuel and moderator temperature coefficient are considered for feedback effect. McCARD is used for neutron physics analysis, and kinetic parameters including effective multiplication factor and temperature coefficient are calculated. Integrated model including the core, heat pipe, TEG, reactor kinetics with feedback effect verified its accuracy with less than 1% error by comparing the result with the reference data. With the integrated model, several dynamic simulations based on the scenarios of possible accidents on micro reactor are conducted. First scenario is about abnormal heat sink transient. The cooling performance of heat sink area is changed by -80% to +80% of normal condition, the sinusoid wave and random distribution. Second scenario is about unexpected reactivity transient. The reactivity of the core is abruptly increased by 0.05$, 0.10$, 0.15$ and 0.20$. Each simulation is conducted to analyze dynamic behavior of the reactor. As a result, for every case of the heat sink scenario, the reactor not only behaved within the operating limit of heat pipe and fuel temperature, but also produces stable power without significant difference from the normal condition. For abruptly increase of reactivity scenario, from 1.5$, the reactor behaved beyond the operating limit of heat pipe and fuel temperature. In conclusion, the development of dynamic simulation model for 10 kWe micro fission battery showed its stability and robustness under severe conditions. The electric power maintained within 15% for every condition, and the reactor operates without intervention of the control drums under the reactivity insertion of 1.5$. Moreover, the study proved the feasibility of the micro heat pipe fission battery system as a power source for the underwater drones.