상업공공건물용 투광형 BIPV창호의 에너지성능·환경·경제 종합평가 연구

안형준 서울대학교 대학원 2019 국내박사

제로에너지건축물은 에너지사용량을 일정수준 이하로 최소화한 후 소비되는 에너지를 재생에너지로 대체하기에 온실가스감축의 효과적인 수단으로 많은 관심을 받고 있다. 이에, 단열, 기밀, 일사조절, 고효율설비 등의 건물에너지 절약기술과 태양광, 지열 등 건물적용이 가능한 재생에너지기술이 개발되고 건물의 용도와 지역조건에 맞게 요소기술을 조합하는 통합설계기법이 제안되고 있다. 건물일체형 태양광발전 (Building Integrated Photovoltaics: BIPV)은 건물의 외피인 지붕, 외벽, 창호를 태양광발전 모듈로 대체하며 태양광발전을 통해 재생에너지를 생산하고 건물의 미관과 건물 냉난방에너지소비에 영향을 주는 복합적 효과를 가진 기술로서 그 장점이 크다. 하지만 실제 적용과정에서 건물의 형태나 설계조건에 따라 발전성능이 저하되고 BIPV용 모듈 가격이 비싸기 때문에 초기투자비가 일반 태양광발전 기술에 비해 높다는 단점을 갖고 있다. 따라서 BIPV의 성능을 향상시키고 적합한 적용대상을 발굴하기 위한 연구가 진행되고 있고 한편으로는 BIPV의 적용효과를 태양광발전과 함께 건물에너지 소비절감 등 다양한 측면에서 분석하고 일반 태양광발전과 비교하여 환경, 경제적 평가를 수행하여 BIPV 기술의 적용타당성을 파악하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 BIPV의 에너지, 환경, 경제적 가치를 정량적으로 평가하기 위해 소규모 사무용건물에 적용된 투광형 BIPV를 대상으로 분석을 실시하였다. 투광형 BIPV창호 설치에 따른 전력생산과 함께 건물의 냉난방에너지 절감효과를 분석하여 BIPV 창호를 설치하여 얻어지는 건물에너지효과를 종합적으로 파악하고자 하였다. 또한 BIPV의 설치와 운전과정에서 투입되는 에너지 또는 비용과 태양광발전, 냉난방에너지 절약으로 인한 에너지 또는 편익을 비교하고 이를 환경, 경제적 지표로 환산하여 환경, 경제적 평가를 실시하였다. 먼저 사무용 건물의 투광형 BIPV 창호 설치로 인한 통합에너지성능을 파악하기 위해 투광형 BIPV 창호가 적용된 사무용 건물의 태양광발전량을 측정하고 연간 에너지소비, 기후조건, 설계조건을 반영하여 냉난방에너지절약효과를 파악하기 위한 건물에너지 시뮬레이션을 실시하였다. 투광형 BIPV 창호의 에너지 절약효과를 파악하기 위해 투명유리 창호를 기본모델로 선정하고 기능성 창호인 열선흡수유리 창호, Low-e 유리 창호를 대안창호로 창호모델을 구성하였다. 실제 건물의 냉난방에너지는 설계조건과 함께 운전조건에 따라 크게 달라지므로 건물 운영시간, 냉난방 설정온도, 출입에 의한 침기, 실내부하 변화에 따른 에너지 절약효과를 파악하고 BIPV 창호의 적용효과를 높일 수 있는 운전조건을 탐색하였다. 분석결과 투광형 BIPV 창호는 냉방비중이 높은 사무용건물에서 에너지 절약효과가 우수한 것으로 나타났다. 운전조건 중에서 난방부하를 증가시키는 난방설정온도 상승, 출입침기량 증가가 냉난방에너지 절약효과를 높이기 위한 주요 관리요인으로 분석되었다. 투광형 BIPV 창호의 환경, 경제적 평가를 위해 국제에너지기구(International Energy Agency: IEA)에서 2011년에 제안한 태양광발전시스템 전과정평가 지침에 따라 태양광발전시스템에 투입된 에너지를 계산하고 이를 투광형 BIPV 창호 설치에 따른 태양광발전 및 에너지 절감효과를 통해 얻어진 에너지와 비교하였다. 환경, 경제적 평가를 위한 평가지표는 총 투입에너지를 연간 생산에너지로 나누어 투입에너지 회수기간을 평가하는 에너지회수기간 (Energy Payback Time: EPBT)과 총 투입비용을 연간 편익으로 나누어 투입비용 회수기간을 평가하는 투자회수기간 (Payback Period: PBP)을 적용하고 결정질 실리콘을 이용한 일반태양광발전과 비교하였다. 그 결과 운전조건을 적절히 유지하면 투광형 BIPV 창호의 에너지회수기간이 결정질 실리콘 태양광발전시스템보다 짧은 것으로 나타나 환경적 가치가 우수하게 나타났다. 하지만 경제성을 나타내는 투자회수기간을 비교하면, 정부지원정책을 감안해도 투광형 BIPV 창호의 투자회수기간이 결정질 실리콘 태양광발전시스템보다 2배 이상 높아 경제성이 부족한 것으로 나타났다. 이상의 연구에서 투광형 BIPV 창호가 낮은 태양광발전 성능에도 불구하고 냉난방에너지 절감과 기존자재 대체를 통한 에너지투입 감소로 인해 일반 태양광발전과 비교하여 충분한 환경적 가치를 가지고 있음을 파악하였다. 하지만 현재 정부지원정책이 결정질 실리콘 태양광발전시스템을 기준으로 실시되면서 투광형 BIPV의 원활한 보급이 어려운 상황이다. 향후 제로에너지건축물 의무화로 인해 상업공공건물의 투광형 BIPV 적용이 확대될 것이므로 투광형 BIPV의 기술개발과 대량생산을 촉진할 수 있도록 적절한 지원제도가 마련되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구는 투광형 BIPV의 종합적인 에너지 성능을 파악하고 환경, 경제적 평가를 실시하기 위한 방법론을 제시하고 실제 적용사례를 정량적으로 분석하여 투광형 BIPV의 종합적인 가치를 평가하였다. 본 연구는 향후 투광형 BIPV의 기술개발 및 가치평가를 위한 선행연구로 활용될 수 있을 것이다. Energy Performance, Environmental and Economic Assessment of Transparent BIPV Window Applied to Office Buildings An, Hyung Jun Energy, Environmental and Engineering Economics Department of Energy System Engineering The Graduate School Seoul National University Zero Energy Building(ZEB) has been one of the most popular options for global warming in building sector, as ZEB minimizes energy use to a certain level and also uses renewable energy. For this purpose, building energy saving technologies such as insulation, airtightness, solar thermal control, and high-efficiency facilities are developed and renewable energy technologies that can be used in buildings such as solar energy and geothermal are integrated. Among various technologies, BIPV (Building Integrated Photovoltaics) which replaces roof, outer wall and window material of a building with PV(Photovoltaic) module has become an important issue, because it is not only producing renewable energy, but also has complex effects that affects building aesthetics and building energy consumption. However, BIPV has low power generation performance according to the building design conditions and high initial investment cost compared to general PV power generation. To overcome this situation, researches on improving the performance of BIPV and finding suitable application are continuing. On the other hand, The value of BIPV is analyzed in various aspects such as reduction of building energy consumption and power peak load reduction as well as power generation, and research is ongoing to understand the feasibility of BIPV by environmental-economic assessment compared to crystalline silicon PV system. This study was conducted to evaluate the energy, environment and economic value of BIPV applied to office buildings. First, building energy simulation was conducted using the actual application case to determine the effect of building energy saving due to installation of transparent BIPV windows. Building models were established to measure annual energy consumption and power generation of office buildings with transparent BIPV windows and to reflect climate conditions and design conditions. To understand the energy saving effects of transparent BIPV windows, clear glass windows were selected as the basic models and the heat absorption glass windows and low-e glass windows were constructed as alternative windows models. Since the heating and cooling energy of the building depends on the operating conditions of the building as well as the design conditions, the energy saving effect of the four operating conditions of the operation time, the temperature setpoint, the entrance infiltration and the internal loads was identified. As a result of the analysis, it was confirmed that installing transparent BIPV in an office building with cooling dominated condition has energy saving effect. And the energy saving effect varies greatly depending on the operating conditions. Among the operating conditions, the increase in heating temperature and the increase in the entrance air infiltration, which increase the heating load, were the main management items to increase the energy saving effect. For environmental-economic assessment, the solar PV LCA process proposed by IEA in 2011 was utilized. According to the IEA guidelines, the energy input to the BIPV system is compared to the production power and the building energy savings. Assessment indicators for environmental-economic assessment are EPBT(Energy Payback Time) which evaluates the input energy recovery period by dividing the total input energy by the annual production energy and PBP(Payback Period) which evaluates the input cost recovery period by dividing the total cost by the annual energy benefit and compared with general PV using crystalline silicon. As a result, EPBT of the transparent BIPV window was shorter than that of the crystalline silicon PV system when the operating conditions were properly maintained. However, when compared to PBP that represent economic value, PBP of transparent BIPV windows is more than twice as high as crystalline silicon PV systems even considering the government's subsidy. Previous analyses results showed that the transparent BIPV window has sufficient environmental value compared to general PV due to energy reduction through replacement of exterior materials and heating and cooling energy saving despite low solar power generation performance. However, as government support policy is being implemented in line with the price drop of crystalline silicon solar power generation system, it is difficult to promote the transparent BIPV by using the current support system. In the future, it will be necessary to provide appropriate support system to promote the technology development and mass production of the transparent BIPV because the application of the transparent BIPV in the commercial buildings will be expanded due to the zero energy building mandatory. This study presents a methodology for the energy performance, environmental and economic evaluation of the transparent BIPV and the value of the transparent BIPV was evaluated by quantitatively analyzing the actual application case. Results of this study can be used as a basis for the technology development and detailed valuation studies of the transparent BIPV.

서울지역 태양광 발전 시스템의 성능평가 및 모듈온도 영향인자에 대한 실증분석

윤다은 서울대학교 대학원 2017 국내석사

높은 에너지 수입의존도와 전통에너지원의 환경문제 등으로 지속가능한 에너지원에 대한 관심이 높아지면서 신재생에너지, 특히 태양광 에너지 보급이 주목되고 있다. 타 재생에너지에 비해 적용가능성이 높아 태양광 에너지 보급이 현저히 증가하고 있고 향후에도 활발한 보급이 예상된다. 추가 설치될 태양광 발전 시스템의 발전량을 예측하고 실제 가동에 있어서 효율을 높이기 위해서는 현재 가동 중인 태양광 발전 시스템의 설치조건과 성능을 평가하고 실내 실험에서는 구현하기 어려운 실제 외부 환경이 시스템 효율에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하다. 태양광 발전 시스템의 성능평가와 관련된 다수의 국내외 연구에서는 발전량이나 태양광 발전에 영향을 미치는 요인에 대한 모니터링 결과를 보여주는 등 단편적인 분석이 주로 수행되었다. 성능평가의 지표가 되는 성능계수는 지역에 따라 차이가 존재할 수 있으나 국내, 특히 서울지역에서 계산된 사례가 드물다. 또한, 시스템 효율에 영향을 미치는 모듈온도와 태양광 발전량 간의 관계를 예측하거나 실험한 연구는 많으나 모듈온도에 영향을 주는 요인에 대한 분석으로 실측 자료를 이용한 사례는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 태양광 발전 시스템의 모니터링 실측 자료를 이용하여 해당 시스템의 성능평가를 실시하고 모듈온도에 영향을 미치는 요인을 실증 분석하였다. 해당 시스템의 일 발전량 평균은 일반적인 하루 발전량 기준을 충족하였고, 성능계수는 평이한 수준으로 산출되었다. 또한, 실제 외부 기상상황을 적용하여 모듈온도에 대한 일사량과 외기온도의 영향력을 확인하였고, 모듈온도는 일사량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하고 일사량이 존재하지 않을 때는 외기온도에 수렴하였다. 추가로 기존에 제시된 모듈온도 예측모델은 일사량 구간에 상관없이 동일한 식을 적용하였으나 실측 자료를 분석한 결과, 일사량 구간에 따라 모듈온도에 대한 일사량의 영향력이 다르게 나타났다. 서울지역 계통연계형 시스템의 성능을 평가함으로써 향후 추가 설치될 시스템 운영의 기준으로 활용될 것으로 기대된다. 또한, 본 연구 결과를 토대로 일사량 구간에 따라 적합한 모듈온도 예측모델을 적용한다면 기존의 모델을 그대로 적용하는 것보다 더 정확한 모듈온도 예측이 가능하며 나아가 태양광 발전 시스템의 발전량 예측에도 기여할 것이다.

Development of plasma equilibrium field control system for plasma shape and position control in VEST

김태경 서울대학교 대학원 2024 국내석사

핵융합은 인류를 위한 새로운 경제적 에너지원으로 주목받고 있다. 태양과 같은 별에서는 고온, 고밀도의 플라즈마가 수많은 충돌을 하고 있다. 그 중 작은 확률로 핵융합 반응이 일어난다. 별은 거대한 중력으로 고온, 고밀도의 플라즈마를 구속하여 핵융합 반응을 유지한다. 하지만, 지구에서는 중력을 이용한 이러한 상태를 지속적으로 유지하는 것은 불가능하다. 토카막은 지구에서의 상용 핵융합 반응을 위해 연구중인 장치로 중력 대신 강한 자기장을 이용하여 플라즈마를 구속한다. 토카막은 경제성 있는 핵융합 플라즈마를 만들고 유지하기 위해 높은 압력과 에너지 손실이 적은 플라즈마 운전을 목표로 한다. 이를 위해선 첫번째, 높은 플라즈마 전류가 필요하고, 두번째, 불순물의 유입이 최소화 되어야한다. 플라즈마 전류를 높이기 위해선 몇 가지 방법이 있다. 첫번째는 플라즈마의 전류 구동 능력을 강화하는 것이다. 그러나, 이 방법은 결국 더 많은 에너지를 요구하게 되며 명확한 한계가 있다. 두번째는 플라즈마의 단면적을 키우는 것이다. 플라즈마의 단면적이 커지면 저항이 감소하므로 동일한 구동능력으로도 더 많은 전류를 구동할 수 있다. 한편, 플라즈마의 불순물 증가는 플라즈마의 저항을 증가시켜 전류 구동을 방해한다. 이때의 불순물은 주로 플라즈마와 벽의 상호작용에 의해 발생한다. 따라서 플라즈마의 단면적을 키우면서 벽과 접촉을 줄이는 것은 플라즈마가 더 높은 성능을 갖는데 중요한 역할을 한다. 이러한 관점에서 이 연구는 핵융합 플라즈마 실험장치인 VEST에서 불가능했던 플라즈마의 모양과 위치를 유연하게 제어하는 능력을 갖추는 것을 목표로 하였다. 플라즈마의 모양과 위치를 조절하기 위해선 평형 자기장을 제어한다. 평형 자기장은 플라즈마의 압력과 폴로이달 자기장의 압력이 균형을 이룬 상태인 평형상태의 폴로이달 자기장을 의미한다. 따라서, 평형 자기장의 구조가 바뀌면 플라즈마의 모양도 변한다. 평형 자기장은 평형 코일이라고 불리는 코일들의 전류 세기와 비율을 조절함으로써 구조를 바꿀 수 있다. 지금까지 VEST는 평형 코일들의 전류를 유연하게 조절할 수 없어 플라즈마의 모양과 위치를 제어하는데 한계가 있었다. 이 연구에서는 VEST에서 플라즈마의 모양과 위치를 유연하게 조절하기 위한 평형 자장 제어 시스템을 개발하였다. 평형 자장 제어 시스템의 개발 과정에서는 평형 코일들의 전류를 제어하기 위한 전기회로의 개발과 회로를 제어하기 위한 제어기 개발이 이루어졌다. 평형 코일 전류를 유연하게 제어하기 위해 H-bridge라는 회로 형태가 사용되었다. H-bridge는 회로 내부 4개의 스위치를 반복적으로 스위칭하여 연결된 부하에 흐르는 전류의 방향과 세기를 제어할 수 있다. H-bridge의 스위치는 고속 스위칭이 가능하면서 전력 손실이 적은 Insulated Gate Bipolar Transistor를 사용하였다. 또한, 대전류 스위칭에는 회로와 스위치의 인덕턴스 성분에 의한 순간 고전압이 발생한다. 순간적인 고전압에도 스위치는 파손될 수 있기 때문에 이에 대한 해결책으로 H-bridge를 병렬로 사용하였다. 병렬로 연결된 H-bridge를 제어하는 신호는 고정된 H-bridge의 동작 사이클 중 각 작동 단계의 길이를 제어하도록 펄스 폭 제어 신호로 구성되었다. 제어를 위한 펄스 폭의 계산은 PID 제어 기법을 활용하였으며 복잡한 연산 과정을 빠르게 처리하도록 Field Programmable Gate Array를 사용하여 제어기를 구현하였다. 개발된 평형 자장 제어 시스템은 전기적 용량의 관점과 플라즈마 제어의 관점에서 평가되었다. H-bridge의 병렬 연결은 잘 이루어져 전류가 잘 분배되었으며 의도한 대로 순간적인 전압 또한 감소하였다. 제어 가능한 전류 영역 확인 과정에서 제어 회로는 구동을 위해 사용된 커패시터의 에너지 용량 한계로 사용 가능한 최대 전류는 확인되지 않았다. 하지만, 기존 VEST가 플라즈마 방전을 위해 사용한 전류 영역까지 제어가 되는 것을 확인하였다. VEST의 이전 실험에서는 자기장의 세기가 과도해 플라즈마가 충분히 유지되지 못하고 사라졌다. 따라서, 확인된 전류 제어 영역은 실험에 적용하기 충분한 성능으로 확인되었다. 플라즈마 제어의 관점에서 개발된 시스템의 성능 확인을 위해 플라즈마의 모양 제어 실험과 위치 제어 실험이 수행되었다. 각각의 플라즈마 제어 실험에서 플라즈마는 성공적으로 제어되었으며, 각각 플라즈마 전류 증가와 flat-top 시간의 증가가 확인되었다. 또한, 실질적인 플라즈마 성능을 나타내는 지표 중 하나인 에너지 가둠 시간의 증가가 확인되었고 유도 기전력의 관점에서 동일하거나 더 적은 에너지가 투입되었지만 플라즈마 저장 에너지는 더 높았다. 따라서, 개발된 평형 자장 제어 시스템을 이용한 플라즈마 제어가 플라즈마 시나리오에 유의미한 개선을 가져오는 것이 확인되었다. 연구의 결과로 평형 자장 제어 시스템은 잘 개발되었다. 향후 시스템을 응용하면 VEST의 플라즈마 방전 성능이 강화될 것으로 기대되며 가열 및 진단 장치 연구를 위한 안정적인 플라즈마 운전 시나리오 또한 가능할 것으로 예상된다. 한편, 이번에 개발된 대전류 제어 시스템은 대전류 제어를 필요로 하는 VEST의 플라즈마 가열 장치 개선에도 확장되어 적용할 수 있을 것으로 기대된다. Nuclear fusion is expected as a new economic energy source for humanity. In stars like the Sun, high-temperature, dense plasma collides with each other in countless ways. A small fraction of these collisions become nuclear fusion reaction. Stars use their enormous gravity to confine the hot, dense plasma and maintain the fusion reaction. On Earth, however, it is impossible to use gravity to maintain this condition continuously. The Tokamak is a device being studied for commercial fusion reactions on Earth that uses a strong magnetic field to confine the plasma. To generate and maintain an economical fusion plasma, Tokamak aims to operate at high pressure and low energy loss condition. This requires, first, a high plasma current and, second, suppression of the impurity influx. There are several ways to increase the plasma current. The first is to increase the tokamak's ability to drive current using more energy. However, this method will eventually require more energy and has clear limitations. The second is to increase the cross- sectional area of the plasma. As the cross-sectional area of the plasma increases, the resistance decreases. Eventually, more current can be driven with the same driving power. On the other hand, the increase of impurities in the plasma will increase the resistivity of the plasma, which will hinder the current drive. Therefore, increasing the cross-sectional area of the plasma while reducing wall interaction does an important role in making the higher performance plasma. From this perspective, this study aimed to achieve the flexible controllability of the plasma shape and position, which is not possible in VEST, the fusion plasma experimental device. To control the plasma shape and position, the equilibrium magnetic field should be controlled. An equilibrium magnetic field is a poloidal magnetic field in equilibrium state, where the pressure of the plasma and the pressure of the poloidal magnetic field are balanced. Therefore, if the structure of the equilibrium field changes, the plasma shape and position also change. The structure of the equilibrium magnetic field can be changed by adjusting the strength and ratio of the currents in the equilibrium field coils. Until now, VESTs have been limited in controlling the plasma shape and position because the currents in the equilibrium field coils cannot be controlled flexibly. In this study, we developed an equilibrium field control system to flexibly control the plasma shape and position in VEST. The development of the equilibrium field control system consisted of developing an electrical circuit to control the several kA and developing a controller to control the circuit. A circuit configuration called an H-bridge was used to flexibly control the equilibrium coil currents. An H-bridge can control the direction and strength of the current flowing through a connected load by repeatedly switching the circuit. The switches in the H-bridge use Insulated Gate Bipolar Transistors, which allow for high-speed switching and low power dissipation. In addition, large current switching creates a transient high voltage due to the inductance of the circuit and switches. As a solution to this problem, H-bridges were used in parallel. The control signal for the paralleled H-bridges is generated through Pulse Width Modulation, which is used to control the length of each operating phase during the fixed operating cycle of the H- bridge. The PID control method is utilized to calculate the pulse width for control, and the controller was implemented on a Field Programmable Gate Array to speed up the complex calculation process. The developed equilibrium field control system was evaluated at the point of view of electrical capacity and plasma control. The paralleling of the H-bridges worked well, resulting in a good distribution of the current and a reduction of the transient voltage as intended. During the identification of the controllable current regime, the maximum controllable current was not identified as the control circuit is limited by the energy capacity of the capacitors used for energy storage. However, it was found that the current range used by the typical VEST plasma discharge is similar with the tested regime. In previous experiments in the VEST, the magnetic field was too strong to hold the plasma stationary. Therefore, the identified current control region was found to be of sufficient performance to be applied to the plasma discharge experiments. To verify the performance of the developed system from the perspective of plasma performance, shape control experiments, and position control experiments were performed. In each plasma control experiment, the plasma was successfully controlled, and an increase in plasma current and flat-top duration were confirmed, respectively. In addition, an increase in the energy confinement time, which is one of the indicators of the fusion plasma performance, was confirmed. In addition, the plasma stored energy was higher, although the same or less energy was injected in terms of input electromotive force, loop voltage. Thus, it is confirmed that the plasma shape and position control using the developed equilibrium field control system brings significant improvements to the plasma scenario. As a result of this thesis, the equilibrium field control system is successfully developed. It is expected that future applications of the system will enhance the plasma discharge performance of the VEST and enable stationary plasma operation scenarios for heating and diagnostic device research. Furthermore, the high current control system developed in this study is expected to be extended and applied to improve the central solenoid of the VEST, which also requires high current control.

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

지종성 서울대학교 대학원 2023 국내석사

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 battery’s 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 system’s 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.

GIS를 이용한 모잠비크의 재생에너지 입지 선정 및 잠재량 분석

김채연 서울대학교 대학원 2024 국내석사

사하라 이남 아프리카에 위치한 국가 모잠비크는 아프리카에서 4번째로 긴 잠베지 강이 지나고, 높은 일사량 및 풍부한 천연가스 자원을 보유하고 있어 발전 가능성이 높다. 그러나 인당 GDP는 우리나라의 2% 수준이며, 전력 보급률은 31.5%에 불과하여 경제 성장을 저해할 뿐 아니라 빈곤을 심화시키고 있다. 또한, 인도양을 접하고 있어 기후 변화로 인한 해수면 상승 및 극한기후의 영향을 직접적으로 받고 있다. 이에 국가적으로 에너지 보급 확대를 위해 노력하고 있지만, 실질적인 제약 조건을 고려한 국가 규모의 잠재량에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 지속가능한 에너지시스템을 설계하는 데 필요한 재생에너지 입지 선정 및 잠재량 분석을 수행하여, 에너지 수요를 충족하고 기후변화에 효과적으로 대응할 수 있는 방안을 모색하였다. 특히 재생에너지 중 기술 수준이 가장 높고 널리 사용되고 있는 태양광발전, 풍력발전 및 양수발전에 초점을 맞추어 입지 선정 및 잠재량 분석을 수행하였다. 이를 위해 공간정보시스템 (Geographic Information Systems; GIS)을 활용하여 발전량의 공간적 편차가 큰 특성을 반영하고, 에너지 수요의 공간적 분포를 반영하여 중첩 분석 기법을 적용하였다. 연구는 두 단계로 이루어졌으며, 먼저 낮은 전력 보급률로 인해 전력 수요 데이터가 부족하므로, 인구 분포 데이터를 기반으로 가정용 전력 수요를 추정하였다. 다음으로 일사량, 풍속 등 발전에 영향을 주는 기상요소 및 지형요소를 분석하여 태양광발전과 풍력발전의 입지를 선정하고 발전잠재량을 계산하였다. 태양광발전과 풍력발전은 서로 다른 시간대별 출력 특성으로 인해 함께 도입했을 때 에너지 저장의 필요성이 감소하지만, 추후 산업 발전에 필요한 안정적이고 연속적인 전력 공급을 위해 에너지 저장 시스템 중 가장 성숙하고 대중화된 기술인 양수발전의 입지 선정 및 잠재량 분석을 추가로 수행하였다. 전 국가적으로 예상되는 전력 수요를 초과하는 재생에너지 발전 잠재량이 확인되었다. 전 국가적으로 예상된 전력 수요는 9,562GWh이다. 태양광발전은 국토의 18%, 풍력발전은 30,255개의 터빈을 운영할 수 있는 것으로 나타났으며, 연간 발전량은 각각 431,658GWh, 322,283GWh이다. 양수발전의 경우 55쌍의 저수지가 양수발전시설을 설치하기 적합한 것으로 드러났으며, 발전량은 42.88TWh이다. 본 연구는 모잠비크의 지형적, 기상적 특성과 인구 분포를 종합적으로 분석함으로써 재생에너지원을 활용해 전력 공급률을 제고하고 지속가능한 발전 목표를 달성할 수 있음을 시사한다. 원격지역 특성 상 데이터의 종류 및 정밀도에 한계가 있음에도 불구하고, 본 연구는 개발도상국 및 원격지역에서 재생에너지의 입지를 선정하고 잠재량을 도출하는 데 중요한 기준을 제시하였다. 또한, 본 연구의 방법론은 새로운 제한 요소가 제시될 경우 유연하게 적용이 가능하며, 다른 지역 및 국가로도 확장 적용이 가능할 것으로 기대된다. 주요어 : 태양광발전, 풍력발전, 양수발전, 공간정보시스템, 수요분석, 입지분석, 잠재량 계산 학 번 : 2022-24341 Mozambique, situated in sub-Saharan Africa, boasts considerable developmental prospects, underscored by its rich endowments of solar radiation, natural gas, and the Zambezi River, Africa's fourth-longest. Despite these assets, Mozambique's per capita GDP stands at merely 2% of South Korea's, coupled with a modest 38% electricity access rate. This scenario not only hampers economic advancement but also exacerbates poverty. Moreover, its adjacency to the Indian Ocean renders it vulnerable to the repercussions of climate change, including sea level rise and extreme weather events. In this light, the establishment of a sustainable energy system, capable of both mitigating climate impacts and elevating electricity access, is imperative. This study, therefore, embarks on an exploration of renewable energy site selection and power generation potential analysis, laying the groundwork for an energy system design. Geographic Information Systems (GIS) have been employed to encapsulate the spatially diverse development attributes of renewable energy. The research unfolds in two phases. Initially, in the absence of concrete electricity demand data, anticipated demand was inferred from the spatial distribution of the population. Subsequently, to fulfill this projected demand, solar and wind power generation sites were identified, and their potentials estimated, considering meteorological and geographical influences on power generation, such as solar irradiance and wind velocity. Solar and wind power, being the most technologically advanced and commercially viable renewable energies, exhibit distinct temporal output characteristics. Their concurrent deployment potentially reduces the necessity for energy storage, although storage remains vital for continuous industrial power supply. Site selection and potential analyses were also conducted for pumped storage power generation, the most established and prevalent among storage technologies. The country's total electricity demand was found to be 9,562GWh per year. Available areas for solar and wind power generation encompassed 18% and 17% of the national territory, respectively, yielding an annual generation of 431,658GWh and 332,282GWh. In the context of pumped storage power generation, 55 reservoir pairs were identified as feasible for such facilities, with a generation capacity of 42.88TWh. The findings indicate that renewable energy can surpass the projected demand. While the study is constrained by the limitations inherent in remote-area data utilization, it provides valuable insights for renewable energy site selection and potential assessment in developing nations and remote regions. Furthermore, given the adaptable nature of spatial information analysis, the methodology readily accommodates new limiting factors, thereby offering a scalable solution.

Development of Dynamic Simulation Model for 20 kWe Micro Heat Pipe Fission Battery with Dual Power Conversion System

박경준 서울대학교 대학원 2024 국내석사

Development of Dynamic Simulation Model for 20 kWe Micro Heat Pipe Fission Battery with Dual Power Conversion System Kyeong Jun Park Department of Energy System Engineering The Graduate School Seoul National University Micro nuclear reactors generating less than 20 MW of thermal energy are gaining attention as innovative power sources in various fields requiring electrical energy, such as space exploration, remote power supply, and military applications. These micro nuclear reactors offer advantages such as zero carbon emissions, extended long fuel replenishment cycles, and compact designs. The modular design allows for manufacturing in factories rather than on-site construction, enabling cost savings, rapid installation, easy transportation, and flexible deployment in independent electrical grids. Numerous globally researched and developed designs and case studies reflect the growing interest and technological advancements in micro nuclear reactors. Among various micro nuclear reactors, research on micro nuclear reactors using heat pipes is particularly active. Heat pipes, as passive heat transfer devices, efficiently transmit thermal energy from the reactor core through evaporation and condensation section at both ends of the pipe, simplifying the system configuration compared to traditional nuclear power plants. Research groups worldwide have proposed various micro heat pipe reactor system concepts with output ranges from kW to MW, including power conversion systems. However, studies evaluating dynamic performance, including abnormal conditions, in various environments and conditions for these systems have been relatively scarce. To address this gap, a previous study (J.S. Chi, (2022)) presented a dynamic simulation model for an ocean-use micro heat pipe nuclear battery, analyzing the dynamic behavior of system components under both normal and abnormal conditions. The study confirmed the feasibility of a 15% efficiency micro heat pipe nuclear battery system design and verified operational stability under various abnormal conditions, contributing valuable reference material to the relevant research field. Building on the dynamic simulation model developed in the previous study (J.S. Chi, 2022), this research aimed to enhance the efficiency of the micro heat pipe nuclear battery beyond 15%, proposing a system capable of generating electricity reliably. To achieve this, a high-efficiency dynamic power conversion system, the Free-Piston Stirling Generator (FPSG), was modeled and integrated with the Thermoelectric Generator (TEG) model, forming a dual power conversion system. The non-linear analysis model was used for the engine part of FPSG to reflect the physical model of the actual FPSG, while a simplified AC generator system analysis model was applied to the generator part. All governing equations and physical models were implemented using AMESim software. The developed model successfully reached a steady state after approximately 1,000 seconds without imposing initial motion conditions. By applying the dual power conversion system, including FPSG, the system's output and efficiency increased by 86% and 92%, respectively, compared to the previous study that only applied TEG, reaching 20 kWe and 29.39% improvement. Furthermore, abnormal situations, such as cooling capacity degradation and rapid reactivity insertion, were simulated based on this model to simulate potential transient conditions for the micro heat pipe nuclear battery. Results showed that even in scenarios where FPSG and TEG cooling performance dropped to 25%, electricity production decreased but the designed system could find a steady state again and operate stably, demonstrating almost independent operation of each power conversion system in each simulation. In the case of rapid reactivity insertion, it was confirmed that the system could operate stably and find a steady state without the intervention of control drums for reactivity changes within 0.1$. This study confirmed the feasibility of the proposed dual power conversion system for the micro nuclear battery, combining the advantages of two power conversion systems: high efficiency and stability. The system, consisting of a solid core and a dual power conversion system, exhibited many advantages applicable in various fields and demonstrated stability in continuous operation, even under sudden cooling performance and reactivity changes. This research contributes to the field of micro nuclear reactor system design by proposing a novel dual power conversion system concept and simulating its performance. It stands out for conducting simulations of both normal and transient conditions for the entire system, from the core to the power conversion system, confirming thermal interactions between nuclear battery components and the associated processes of core temperature and neutron feedback. This offers a valuable reference for the development of stable and efficient systems utilizing micro nuclear reactors. Keywords Micro Heat Pipe Cooled Reactor, Thermoelectric Generator, Free-Piston Stirling Generator, Dual Power Conversion System, Dynamic Simulation for Micro Reactor, AMESIM Simulation Student Number: 2022-25595 20 MW 미만의 열 에너지를 생성하는 마이크로 원자로는 우주탐사, 격오지 전원 공급, 군사적 목적의 사용 등 전기에너지가 필요한 다양한 분야에서 탄소배출 zero, 긴 연료 재보급 주기, 집약성 등의 여러 장점으로 인해 혁신적인 전원공급원으로서 각광받고 있다. 이러한 마이크로 원자로의 생산은 모듈화된 설계 덕분에, 예정부지에서의 건설이 아닌 공장에서의 제조가 가능하고, 그 공정을 효율적으로 제어할 수 있다. 이러한 설계는 비용 절감 및 신속한 설치를 가능하게 하고, 운송과 전개를 용이하게 하며, 독립된 전기 그리드에도 융통성 있는 적용을 가능하게 한다. 이미 연구되어 개발된 여러 설계 및 디자인 사례들은 전 세계적인 마이크로 원자로에 대한 관심과 이에 따른 기술의 발전을 반영한다. 여러 마이크로 원자로 중, 히트파이프를 활용한 마이크로 원자로에 대한 연구가 특히 활발하다. 히트파이프는 수동적 방식의 열전달장치로서, 파이프 양 끝단의 증발 및 응축부를 통해 원자로 노심의 열에너지를 전력변환계통에 효율적으로 전달함으로써 전통적인 원자력 발전소에 비해 시스템 구성을 획기적으로 간소화할 수 있게 한다. 세계 각국의 연구 그룹들은 전력변환계통을 포함하여 출력 범위 kW부터 MW까지의 다양한 마이크로 히트파이프 원자로 시스템 컨셉을 제안했지만, 다양한 환경 및 조건에서 이러한 시스템의 과도상태를 포함한 동적 성능을 평가한 연구는 상대적으로 부족했다. 이 간극을 해결하기 위해, 선행연구(Chi, J.S. (2022))에서는 해양용 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리에 대한 동적 시뮬레이션 모델을 제시하여 정상 작동 상황뿐만 아니라, 비정상적인 상황에 대한 시스템 각 구성요소들의 동적 행동을 분석했다. 그 결과, 15% 효율의 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리 시스템 설계에 대한 타당성을 확인하고 다양한 비정상적인 상황에서의 운영 안정성을 검증하여 관련연구분야에 유의미한 참고 자료로서 기여하였다. 해당 연구(Chi, J.S., 2022)에서는 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리에 대한 동적 시뮬레이션 모델이 개발되었으며, 이를 해양용 프로토타입 핵분열 배터리 디자인에 적용하여 그 성능과 안정성을 분석하였다. 노심 모델은 등가환형 근사법을 사용한 열 균형 방정식을 사용하였으며, 히트파이프 모델은 열전달 한계조건을 고려한 간소화된 열 저항 개념을 사용하였다. 열전 발전기 (TEG) 모델은 Thomson 및 Seebeck 효과를 고려한 열 균형 방정식으로 특성화 하였고, 중성자 피드백 효과는 일점 운동방정식을 적용하여 모델링하였다. 그리고 모든 지배 방정식과 물리 모델은 AMESim 소프트웨어를 통해 구현하였다. 동적 시뮬레이션 이전에 정상 상태 시뮬레이션을 수행하여 모델이 설계 데이터를 정확하게 재현할 수 있는 능력을 갖추었는지 검증하였으며, 동적시뮬레이션을 위해 두 가지 비정상적 상황에 대한 시나리오가 고려되었다. 첫 번째는 최종 열침원에서 냉각 성능이 비정상적으로 변하는 상황으로, 미리 정해진 시나리오에 따라 열 전달에 급격한 변화가 적용되었다. 그 결과, 시스템이 최대 노심 온도 및 히트파이프 작동 한계 내에서 운영될 뿐만 아니라 외부 제어 없이 안정된 전기 출력을 유지하는 것이 확인되었다. 두 번째는 노심에서 반응도가 급증하는 상황을 모사하여 제어드럼 등 외부 개입 없이 시스템 운영의 안정성을 유지하기 위한 허용 가능한 Reactivity Insertion Level을 평가했다. 그 결과, 급작스런 반응도 삽입에도 불구하고 0.2$ 이내의 반응도 삽입에 대해서는 시스템이 외부 개입 없이도 그 안정성을 유지할 수 있음이 확인되었다. 위와 같은 선행연구의 모델은 매우 안정적이지만 정적 전력변환계통인 열발전기(TEG)를 사용하여 효율이 낮다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 본 연구는 선행연구의 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리 모델을 기반으로, 그 효율성을 15%로부터 더 높은 수준까지 향상시키고, 그러면서도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 시스템을 제시하고 그 강건성을 확인하고자 하였다. 이를 달성하기 위해 고효율 동적 전력 변환 시스템인 FreePiston Stirling Generator (FPSG)를 모델링하여 TEG 모델과 통합하고 이중 전력 변환 시스템을 구성하였다. FPSG의 엔진 부분은 실제 FPSG의 물리모델을 가장 잘 반영할 수 있는 ‘비선형 분석 모델’을 사용하였고, 발전기 부분에는 간소화된 교류 발전기 시스템 분석 모델을 적용하였으며, 모든 지배 방정식 및 물리적 모델은 AMESim 소프트웨어를 통해 구현하였다. 개발된 모델은 정지상태로부터 초기 운동 조건 부여 없이 약 1,000초 경과 후 정상 상태에 도달하는 데 성공했다. 고효율 전력 변환 시스템인 FPSG를 포함한 이중 전력 변환 시스템을 적용함으로써 시스템의 출력 및 효율은 정적 전력 변환 시스템인 TEG만을 적용한 이전 연구와 비교하여 각각 86% 및 92% 만큼 증가하여 각각 20 kWe, 29.39%로 개선되었다. 또한, 이 모델을 바탕으로 비정상적인 열침원 냉각성능 저하 과도상태, 급격한 반응도 삽입 과도상태를 모사하여 마이크로 히트파이프 핵분열 배터리에 발생할 수 있는 과도상황을 시뮬레이션하였다. 그 결과, FPSG와 TEG 냉각성능이 각각 25% 수준으로 급감한 상황에서도 전기 생산은 감소하지만 설계한 시스템이 다시 정상상태를 찾아 안정적으로 작동함이 확인되었으며, 각각의 시뮬레이션에서 각 전력변환계통이 다른 하나의 성능 저하에 크게 영향을 받지 않고 거의 독립적으로 작동하는 것이 확인되었다. 급격한 반응도 삽입의 경우, 0.1$ 이내의 반응도 변화에 대해서는 제어드럼의 개입 없이도 시스템이 정상상태를 찾아 안정적으로 작동함을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제시한 이중 전력변환계통을 적용한 마이크로 핵분열 배터리가 두 종류의 전력변환계통의 장점인 고효율과 안정성을 모두 갖춘 설계로서 타당성을 가짐이 확인되었다. 본 연구에서 제안한 고체 노심, 이중 전력변환계통으로 구성된 시스템은 다양한 분야에 적용할 수 있는 많은 장점을 가지고 있으며, 급작스런 냉각성능 및 반응도 변화에도 각 상황에 맞는 정상상태를 찾아 지속적으로 작동하는 안정성을 보여주었다. 본 연구는 마이크로 원자로 시스템 설계 분야에 있어, 기존과는 다른 이중 전력변환계통 개념을 제안하고 그 성능을 시뮬레이션을 통해 확인했다는 점, 노심부터 전력변환계통 전체를 아우르는 시스템의 정상상태 및 과도상태 시뮬레이션을 통해 핵분열 배터리 각 구성요소 간 열적 상호작용과 이에 따른 노심 온도 및 중성자 피드백 과정을 확인했다는 점에서 그 차별성이 있다. 이는 마이크로 원자로를 활용하여 안정적이면서도 효율이 높은 시스템을 제안했다는 점과 마이크로 원자로에 대한 시스템 차원의 정상상태 및 과도상태 연구라는 점에서 관련 연구 분야에 유의미한 참고자료로서 기여할 수 있다.

정부 에너지 R&D의 효율성과 예산 포트폴리오 및 영향요인 분석

윤가혜 서울대학교 대학원 2023 국내박사

본 논문은 정부 에너지 R&D의 효율성을 분석한 연구로 3개의 에세이로 구성되어 있다. 첫 번째 에세이는 ‘정부 에너지 R&D의 효율성 평가’이다. 3-STAGE DEA(Data Envelopment Analysis) 모형을 기반으로 정부 에너지 R&D의 ‘효율성, 효과성, 생산성’을 각각 사업 수준과 과제 수준에서 평가하였다. 두 번째 에세이는 ‘정부 에너지 R&D의 예산 포트폴리오 연구’이다. DEA Slack(여유분) 분석을 활용해 정부 에너지 R&D의 효율성, 효과성, 생산성 평가 결과를 R&D 예산 포트폴리오에 환류할 수 있는 방법론을 제시하고 투입량 증가에 따라 효율성 및 생산성이 어떻게 변하는지 민감도 분석을 수행하였다. 세 번째 에세이는 ‘정부 에너지 R&D의 효율성 영향요인 분석’이다. Tobit Regression 모형을 적용해 정부 에너지 R&D의 효율성, 효과성, 생산성 지수에 영향을 미치는 요인을 분석하였다. 이상 3개 에세이의 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, R&D의 과학기술적 효율성이 반드시 경제적 생산성과 효과성을 보장하는 것은 아님을 확인하였다. 그리고 효과성과 생산성은 강한 양의 상관관계를 나타내므로 경제적 생산성의 향상을 위해서는 효과성 제고가 전제될 필요가 있다고 판단되었다. 또한 규모수익성 분석 결과, 과학기술적 효율성 관점에서는 사업규모의 유지나 축소가 적절한 것으로 나타났고 생산성 제고를 위해서는 사업규모의 확대가 필요하다는 시사점을 도출하였다. 한편, 사업 수준과 과제 수준의 분석 결과를 비교하여 효율성, 효과성, 생산성 간의 상관관계는 사업 수준과 과제 수준이 모두 동일함을 확인하였다. 그러나 규모수익성은 사업 수준과 과제 수준에서 다른 결과를 보였다. 규모의 확대가 사업의 생산성 관점에서는 적정하지만 과제 수준에서는 개별 과제의 특성에 따라 달리 적용해야 하는 것으로 나타났다. 또한, 사업의 성격에 따라 효율성, 효과성, 생산성의 경향이 분명히 구분되었다. 실증이 없는 사업은 효율성이 높고 효과성 및 생산성은 낮은 경향을 보였다. 그러나 실증 성격의 사업은 효과성과 생산성이 월등히 높은 수치를 나타내었다. 둘째, 본 연구에서는 정부 에너지 R&D의 효율성, 효과성, 생산성 평가 결과를 R&D 예산 배분으로 환류할 수 있는 방법론을 제시하고 적정 예산 포트폴리오를 도출하였다. 예를 들면, DEA에서 효율성 지수를 산출할 때 계산된 규모수익증가(Increasing Returns to Scale) 특성을 가진 사업에 대해 정부출연금을 10% 증가시켰을 때 효율성은 약 26.1% 향상되었고, 20% 증가시켰을 경우에는 약 37.5% 향상되는 결과가 나타난다. 즉, 각 사업의 규모수익성에 따라 R&D 예산을 배분할 수 있고, 이는 전체 사업들의 효율성을 향상시킬 수 있다. 셋째, 정부 에너지 R&D의 성과제고를 위한 요인은 다음과 같이 나타났다. 먼저 연구기획의 자율성을 부여하는 방식, 즉 상향식(Bottom-up) 공모 형태는 대체로 R&D의 과학기술적 효율성을 증가시킨다는 것을 확인하였다. 그러나 효과성 및 생산성 측면에서는 하향식(Top-down) 공모 유형이 유리한 것으로 분석되었다. 그런데 사업 수준 분석에서 정부출연금의 증가가 효과성, 생산성 제고에 긍정적 영향을 주는 것으로 나타났던 것과 달리, 과제 수준에서는 정부출연금의 증가가 연구과제의 효율성, 효과성, 생산성에 양(+)의 영향을 미친다는 통계적 유의성을 확인할 수 없었다. 한편, 공기업이 시장에 큰 영향을 미치는 분야에서는 민간현물, 즉 기업이 부담하는 비용이 증가하는 경우 효과성 및 생산성이 통계적으로 유의하게 향상되는 사례가 있었다. 이처럼 공기업이 시장에서 중요한 분야는 민간현물이 개발된 기술이 사업화 될 가능성 또는 기업의 사업화 의지를 표현하는 지표로 볼 수 있다고 판단되었다. 수행기관별로는 대학과 연구소의 과학기술적 효율성이 높게 나타나는 경향을 보였고, 신재생에너지 분야를 제외하면 정부 과제를 대기업이 주관기관으로 참여한다고 해서 효과성 및 생산성이 높다는 통계적 유의성은 확인할 수 없었다. 협력 유형은 단순해질수록 효율성, 효과성, 생산성이 높아지는 것으로 나타났다. 이는 협력이 R&D 성과와 연계되지 못하고 있다는 증거로 국내 R&D 수행기관 간 외부 협력을 효율화할 수 있는 시스템을 도입할 필요성이 있다고 판단되었다. 이상의 분석 결과를 토대로 다음과 같은 시사점을 도출할 수 있었다. 정부 에너지 R&D의 효과성, 생산성 제고를 위해서는 실증형 사업으로의 구조 전환, 하향식 공모 유형의 확대, 공기업의 참여 확대, 사업에 투입하는 정부출연금 규모 확대가 도움이 될 수 있으며 기관 간 협력을 원활히 할 수 있는 클러스터 관리가 중요할 것으로 생각된다. 마지막으로 본 연구의 의의는 R&D 효율성 분석을 1-STAGE가 아닌 3-STAGE 모형을 적용해 다각도의 관점으로 효율성을 분석했다는 데 있다. 본 연구에서 제시한 3-STAGE DEA 방법론은 규모수익성과 비효율성 원인에 기반해 국가 R&D 지출의 효율성, 효과성, 생산성 제고를 위한 전략 도출을 용이하게 할 수 있을 것이다. This thesis analyzes the efficiency of government energy R&D and consists of three essays. The first essay is 'evaluating the efficiency of government energy R&D'. Based on the 3-STAGE Data Envelopment Analysis (DEA) model, the efficiency, effectiveness, and productivity of government energy R&D were evaluated at the program level and project level, respectively. The second essay is ‘a budget portfolio study of government energy R&D’. Using DEA slack analysis, a methodology is proposed to translate the results of the efficiency, effectiveness, and productivity assessment of government energy R&D into R&D budget portfolios, and a sensitivity analysis is conducted to examine how efficiency and productivity change with increasing inputs. The third essay is ‘analyzing the factors affecting the efficiency of government energy R&D’. Tobit Regression model was applied to analyze the factors affecting the efficiency, effectiveness, and productivity index of government energy R&D. The research results of these three essays can be summarized as follows. First, we found that the scientific and technological efficiency of R&D does not necessarily guarantee economic productivity and effectiveness. And since effectiveness and productivity are strongly positively correlated, it was determined that improving effectiveness is a prerequisite for improving economic productivity. In addition, the results of the returns to scale analysis showed that it is appropriate to maintain or reduce the scale of the program from the perspective of scientific and technological efficiency, and that it is necessary to expand the scale of the program to improve productivity. Comparing the results of the program-level and project-level analyses, we found that the correlations between efficiency, effectiveness, and productivity were the same at both the program and project levels. However, returns to scale showed different results at the program and project levels. This suggests that increasing returns to scale is appropriate from a productivity perspective at the program level, but should be applied differently at the project level depending on the characteristics of individual projects. Second, this study provides a methodology for translating the results of the efficiency, effectiveness, and productivity assessments of government energy R&D into R&D budget allocations and derives an appropriate budget portfolio. For projects with increasing returns to scale (IRS) characteristics, a 10% increase in government expenditure improved efficiency by about 26.1%, and a 20% increase improved efficiency by about 37.5%. In terms of productivity, programs with economies of scale were found to be about 11.3% more productive with a 10% increase in government expenditure, and about 21.4% more productive with a 20% increase. A 20% increase in government expenditure was associated with a one-step increase in the productivity ranking of the program. Third, we found the following factors to improve the performance of government energy R&D. First, we found that a bottom-up competition, i.e. a method that grants autonomy in research planning, generally increases the scientific and technological efficiency of R&D. However, in terms of effectiveness and productivity, top-down funding was analyzed to be more favorable. However, unlike the program-level analysis, which found a positive effect of increased government funding on efficiency and productivity, the project-level analysis found no statistical significance that increased government funding had a positive effect on the efficiency, effectiveness, and productivity of research projects. On the other hand, in sectors where public firms have a significant impact on the market, there is a statistically significant increase in effectiveness and productivity with an increase in corporate engagement. It was concluded that corporate engagement inputs can be seen as an indicator of the likelihood or willingness of a developed technology to be commercialized by companies to participate. By type of organization, universities and research institutes were found to have higher scientific and technological efficiency. Except for the renewable energy sector, there was no statistical significance that large enterprises were more effective and productive when they were the lead organizations. The simpler the type of collaboration, the higher the efficiency, effectiveness, and productivity, and except for some programs. This is evidence that collaboration is not linked to R&D performance, and there is a need to introduce a system to streamline external collaboration among domestic R&D organizations. From the above analysis, the following implications can be drawn. In order to improve effectiveness, structural transformation to demonstration-type projects, expansion of top-down system, participation of public enterprises, and expansion of government expenditure to program may be helpful, and cluster management to facilitate inter-institutional cooperation may be important. The significance of this study is that it provides a new perspective on R&D efficiency analysis, namely 3-STAGE. The 3-STAGE DEA methodology presented in this study can be used to derive recommendations for improving the total efficiency, effectiveness, and productivity of national R&D expenditures based on returns to scale and sources of inefficiency. Unlike efficiency discussions, which usually result in expenditure reductions, the 3-STAGE DEA methodology is expected to facilitate the identification of strategic directions for improving efficiency, effectiveness, and productivity.

한국 원자력 에너지의 위기요인과 대응방안 : 접근성과 수용성을 중심으로

강성용 서울대학교 대학원 2023 국내석사

In 2022, the new government of the Republic of Korea(ROK) announced the abolition of the ‘Nuclear phase-out policy’ and pledged to rebuild the nuclear energy industry. Some have suggested concerns that energy policies, which should be made from a long-term perspective, are being transformed by political views, but it is true that strengths and risk factors coexist in nuclear energy. Currently, nuclear energy is on the verge of another leap forward, and it is necessary to review possible risk factors and countermeasures. This study intends to examine the risks and countermeasures in terms of ‘accessibility’ and ‘acceptability’ among the 4As concepts of energy security. ’Energy security’ usually means ‘the state in which energy source are available without interruption at and affordable price’. Over time, the need for the concept of energy security to be extended to include a variety of factors (political, environmental, and social) as well as supply and price has been raised. The concept of 4As was proposed in this context by Asia Pacific Energy Research Centre, and means availability, affordability, accessibility, and acceptability, respectively. While the availability and affordability of nuclear energy can generally be evaluated quantitatively, accessibility and acceptability risk factors are difficult to evaluate quantitatively and conflict with various value judgments, requiring further discussion. Therfore, this study focused on the accessibility and acceptability of nuclear energy. The accessibility risk of nuclear energy is based on the dual-use nature of nuclear energy and can be caused by the possibility of nuclear proliferation. The recent rise of domestic nuclear-armed public opinion can be seen as ‘political motivation’ that corresponds to the most fundamental factor of nuclear proliferation, and can cause an accessibility risk that makes it difficulty to introduce technologies such as reprocessing. Risk factors in terms of acceptability stem from distrust in the safety of nuclear facilities and appear in the form of rejection of facilities. Perception of risk, economic benefits, and trust in the government and operating institutions are discussed as factors affecting the acceptability of nuclear facilities, and countermeasures can be studied based on the cases of Finland and Sweden that succeeded in constructing spent nuclear fuel disposal sites. This study intends to proposed the following countermeasures in relation to the risk factors of nuclear energy discussed above. As a countermeasure to secure accessibility, it proposes vigilance against nuclear-armed public opinion, the government’s willingness to non-proliferation, and its role as a leading country in the international regime. As a countermeasure to secure acceptability, it proposes the formation of a ‘one nuclear community’ of the government, institutions, and local communities, the improvement of implementation process of economic benefits, the improvement of risk perception through information provision, and the guarantee of autonomy of local governments. 2022년 대한민국의 새 정부는 출범과 동시에 이전 정부의 ‘탈원전 정책’의 폐기를 선언하고, 원자력산업의 부흥을 국정과제로 제시하였다. 일각에서는 장기적인 관점에서 이루어져야 할 에너지 정책이 정치적 견해에 의해 일변하고 있다는 우려가 제시되기도 했으나, 원자력에너지에 강점과 위기요인이 공존하는 것은 사실이다. 현재 원자력에너지는 정부 주도하에 재도약을 목전에 두고 있으며, 이용간에 발생가능한 위기요인과 대응방안을 검토할 필요가 있다. 본 연구는 에너지안보의 4As 개념 중 ‘접근성’과 ‘수용성’ 측면의 위기요인 및 대응방안을 검토하고자 한다. 통상적으로 에너지안보의 개념은 ‘적정가격의 에너지원을 방해없이 충분히 공급가능한 상태’로 정의되었다. 시간이 지나며, 에너지안보의 개념이 공급과 가격뿐만 아니라 다양한 (정치, 환경, 사회적) 요인을 포함하도록 확장되어야 한다는 필요성이 제기되었다. ‘4As 개념은 이러한 맥락에서 Asia Pacific Energy Research Centre에 의해 제시되었으며, 각각 availability, affordability, accessibility, 그리고 acceptability을 의미한다. 이용가능성 (availability)은 ‘에너지원을 물리적으로 이용가능한가’에 대한 사항으로, 국가 영토내 부존자원의 유무와 같은 지질학적인 요인을 포함한다. 가격적절성(affordability)은 ‘에너지원이 구매가능할 정도로 적절한 가격인가’에 대한 사항이며, 생산 및 발전비용, 거래가격, 가격 안정성 등 경제적인 요인을 포함한다. 접근성(accessibility)은 ‘에너지원의 사용이 실제로 가능한가’에 대한 사항이며, 지정학적 및 국제정치적 요인, 국내 에너지시스템의 견고성 등이 해당된다. 수용성(acceptability)은 ‘에너지원의 생산과 사용이 사회구성원에게 수용가능한가’에 대한 사항이며, 에너지원의 환경적 지속가능 여부, 사회적 수용가능 여부 등이 포함된다. 원자력에너지의 이용가능성과 가격적절성은 대체로 정량적인 평가가 가능한 반면, 접근성과 수용성 측면에서 발생하는 위기요인은 정량적으로 평가하기 어렵고 다양한 가치 판단에 충돌하고 있어 추가적인 논의가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 원자력에너지의 접근성과 수용성 측면에 중점을 두어 연구를 진행했다. 원자력에너지의 접근성 위기는 원자력이 갖는 이중용도적 성격에 기반하며, 핵확산가능성에 의해 초래 될 수 있다. 최근 국내 핵무장 여론의 대두는 핵확산의 가장 근본적인 요인에 해당하는 ‘정치적 동기’로써 비춰질 수 있으며, 재처리 등의 기술 도입이 어려워지는 접근성 위기를 유발할 수 있다. 수용성 측면의 위기요인은 원자력시설의 안전에 대한 불신에서 비롯되며, 시설 거부의 형태로 나타난다. 원자력시설의 수용성에 영향을 주는 요인으로써 위험인식, 경제적 편익, 정부와 기관에 대한 신뢰가 논의되며, 사용후핵연료 영구처분장 유치에 성공한 핀란드와 스웨덴의 사례를 바탕으로 대응방안을 연구할 수 있다. 이상에서 살펴본 원자력에너지가 갖는 위기요인에 대해 본 연구는 다음과 같은 대응방안을 제시하고자 한다. 접근성 확보를 위한 대응방안으로써, 핵무장 여론에 대한 경계와 정부차원에서의 비확산 의지 표명, 국제 레짐에서 선도국가로서 역할수행을 제시한다. 수용성 확보를 위한 대응방안으로써, 정부ㆍ기관ㆍ지역사회의 ‘원자력 공동체’ 형성, 경제적 편익의 집행과정 개선, 정보제공을 통한 위험인식 개선, 지자체의 자율성 보장을 제시한다.

Electric potential build-up by trapped electrons in magnetically expanding plasma

정경수 서울대학교 대학원 2020 국내박사

자기 노즐은 팽창하는 자기장 속에서 플라즈마 전자의 단열 팽창에 의하여 가속된 이온 빔을 추력에 활용하는 개념으로써, 이온 빔 중성화를 위한 음극의 추가적인 설치 없이 팽창하는 전자를 직접 중성화에 활용할 수 있다는 장점이 있어 차세대 전기 추력기로써의 가능성을 주목 받고 있다. 이온 빔 가속 에너지 관점에서 자기 노즐 장치의 효율은 폴리트로픽 방정식 (polytropic equation)을 통한 자기 단열 팽창에 의한 전자 냉각과 플라즈마 전위 구배의 관계에 의하여 결정된다. 따라서 자기노즐 장치에서 전자의 열역학적 상태에 대한 명확한 이해는 추력 효율에 직접적으로 기여한다는 중요성 아래 다양한 연구들이 수행되어 왔다. 자기 노즐 플라즈마에서의 전자 열역학적 상태에 대한 해석을 위해서는 전자 가스 계(system) 내부 에너지의 변화가 유동 주변(flexible surrounding)으로 정의된 자기장 및 전기장에 일을 수행한다는 전체 에너지 보존 법칙을 도입하여 자기적으로 팽창하는 플라즈마를 모사한다. 이 때 전자 열역학적 상태에 대한 기존 연구 그룹들의 실험 및 모델링 결과들은 플라즈마 내부에 존재하는 전위 장벽 혹은 자기 모멘트에 의한 전자 구속 여부를 기준으로 하여 시스템을 양분할 수 있게 한다. 전기적으로 구속된 전자 (trapped electrons)의 경우 전자의 단열 팽창은 전기장 구조 형성에 기여하는 반면, 탈출 전자 (escaping electrons)는 자기장 구조의 변경을 야기시키는 일을 할 수 있다. 따라서 자기 노즐 플라즈마에서의 전자의 열역학적 상태는 정전기적 구속 상태의 고려가 필수적임을 암시한다. 전자 계의 명확한 정의를 바탕으로 한 열역학적 상태 규명에 집중하여 수행된 선행연구들은 전자의 열역학적 상태와 자기 노즐의 효율간의 관계 연구에 대한 기반이 되었으며, 복잡한 플라즈마 물리 특성을 반영한 세분화된 연구를 필요로 한다. 자기 노즐 장치에서 플라즈마 생성이 전자의 에너지 및 방향 선택적 가열에 의하여 달성된다는 점에 착안하여, 전자의 열역학적 상태 변화에 의한 플라즈마 전위 구배 형성 연구가 전자의 방향성을 고려한 진단을 바탕으로 수행되어야함을 강조한다. 이를 위하여 전자 공명 가열(electron cyclotron resonance) 방식을 통한 플라즈마 생성원에서 인가 전력을 증가시켜 선택적으로 전자의 수직 방향 에너지를 변화시키면서 전자의 각 방향 성분 (자기장에 대해 수직과 수평) 의 전자 에너지 분포 함수 측정을 통하여 전자 열역학적 특성과 플라즈마 전위 구배 형성에 관한 연구를 수행한다. 흥미롭게도, 노즐 입구에서 전자의 수직 에너지 증가는 플라즈마 전위 구배 형성에 기여하지 못하였으며, 이는 전자 가열을 위하여 인가된 전력의 대부분이 탈출 전자의 수직 방향 에너지 상승에 기여했기 때문으로 해석된다. 수평 방향의 전자 에너지의 경우, 인가 전력이 증가 됨에 따라 노즐의 먼 영역에서 가열되는 특성이 관찰 되었으며, 이러한 가열은 플라즈마 전위의 절대값의 상승 효과를 일으켜 수직 방향의 구속 전자 그룹에 의하여 생성된 양극성 전기장을 감쇠하는데 영향을 주었다. 인가 전력에 따른 구속 전자의 수직 방향 성분으로부터 수평 방향 성분으로의 에너지 전달과 냉각을 포함한 변화와 플라즈마 전위 구배 변경 간의 상관관계는 구속된 전자가 단열 팽창을 통하여 전기장 형성에 기여 함을 증명 하였으며 다음과 같은 점들을 시사한다. 첫째, 전자 공명 가열을 활용한 자기 노즐 장치에서 이온 가속을 위한 전기장 형성에는 구속 전자의 가열이 직접적으로 이바지한다. 둘째, 구속 전자의 축 방향 열에너지의 변화와 전기장 변화는 폴리트로픽 지수가 5/3에 가까운 단열 팽창으로 설명된다. 셋째, 수직방향과 수평방향 간의 전자 에너지 교환은 노즐의 먼 영역에서 전기장을 약화 시킬 수 있으며, 따라서 이를 반영한 자기 노즐 연구에서의 모델링과 장치 설계가 필수적이다. 본 연구는 웨이브 가열에 의한 자기 노즐 플라즈마 생성시 전자 온도의 비등방성이 자기 노즐 효율에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 강조하는 최초의 연구이다. 공학적 관점에서 이온 에너지의 효율적인 상승을 위하여 플라즈마 전위 조절을 통한 구속 전자의 비율 증가가 우선되어야함을 강조하며, 플라즈마 생성 영역에서 수평 방향 전자 에너지 가열을 통한 플라즈마 생성 방식에 대한 추가 연구를 통하여, 노즐의 먼 영역에서 자기 팽창에 따른 수직 방향에서 수평 방향으로의 에너지 전환이 최소화 될 수 있음을 암시한다. A magnetic nozzle leads the ion beam accelerated by the adiabatic expansion of plasma electrons in the expanding magnetic field for thrust. This concept has the advantage that the expanding electrons can be directly used for the neutralization of the ion beam without additional installation of a cathode for neutralizing the ion beam. Then, it is discussed as the next generation electric thruster. The efficiency of the magnetic nozzle apparatus in terms of ion beam acceleration energy is determined by the relationship between electron cooling and plasma potential gradient via a polytropic equation that can represent the adiabatic expansion in magnetically expanding plasma. Thus, previous studies have been conducted with the importance that a clear understanding of the electron thermodynamics in the magnetic nozzle contributes to the thrust efficiency. For the analysis of the electron thermodynamic state in the magnetic nozzle plasma, it describes the magnetically expanding plasma by introducing a total energy conservation law in which changes in the internal energy of the electron gas system work on magnetic and electric fields defined as flexible surroundings. The experiment and modeling results for the electron thermodynamics indicate that the system is enable to be classified based on the electron group trapped by the electric potential barrier or constant maximum magnetic moment. In the case of electrically trapped electrons, the adiabatic expansion of the electrons contributes to the formation of the electric field structure, while escaping electrons may work to cause a change in the magnetic field structure regardless of the electric field formation. Hence, in the electron thermodynamics of the magnetic nozzle plasma, it implies that consideration of the electrostatic confinement is essential. Previous studies focused on the identification of the electron thermodynamic states based on a clear definition of the electron gas system have been the basis for studying the relationship between the electron thermodynamics and the efficiency of magnetic nozzles, and require refined study that reflect complex plasma physics. Notice that the plasma generation in the magnetic nozzle apparatus is achieved by the electron energy and directional selective heating on them, it is emphasized that the study on the plasma potential gradient formation due to the change of the thermodynamic state of the electrons should be carried out based on the diagnosis considering the directional orientation of the electrons. The electron energy distribution function (EEDF) of each directional component is measured, while increasing the applied power to the plasma source by electron cyclotron resonance (ECR), and selectively changing the perpendicular electron energy. Interestingly, the increase in the perpendicular energy of the electrons at the nozzle throat did not contribute to the formation of the plasma potential gradient, which is interpreted because most of the power applied for the electron heating contributed to the rise in the perpendicular energy of the escaping electrons. In the case of the electron energy in the parallel direction, the electron heating in the far-field region of the nozzle is observed as the applied power increased, and this heating induces the synergistic effect of the absolute value of the plasma potential, resulting in the attenuation of the ambipolar electric field generated by the trapped electron group in the perpendicular direction. The correlation between the plasma potential gradient change and the change of electron cooling and energy transfer from perpendicular to parallel component of the trapped electrons according to the applied power proves that the trapped electrons contribute to the electric field formation through the adiabatic expansion and suggests the following points. First, heating of trapped electrons directly contributes to the build-up of an electric field for ion acceleration in a magnetic nozzle utilizing ECR heating. Second, the change in the paraxial thermal energy of the trapped electrons and the change in the electric field are demonstrated by the adiabatic expansion of which the polytropic index is close to 5/3. Third, the electron energy transfer between the perpendicular and parallel directions can interrupt formation of the electric field in far-field region. Therefore, modeling and device design in the magnetic nozzle research that reflects the above perspectives are essential. This study is the first to emphasize that the anisotropy of electron temperature can directly affect the magnetic nozzle efficiency when generating magnetic nozzle plasma by wave heating. From the engineering point of view, it is important that the ratio of trapped electrons should be prioritized to abundant via plasma potential control for efficient increase of ion energy. Through the further research on the plasma generation method such as parallel electron energy heating in the plasma generation region, this suggests that energy conversion from the perpendicular to the parallel direction due to magnetic expansion in the far-field region can be minimized.

Solid-Moderated Core Design Using Low-Enriched Uranium Modeling Fuel for Kyoto University Critical Assembly

송교성 서울대학교 대학원 2020 국내석사

최근 교토대 임계집합체에서는 고농축우라늄 핵연료 대신 저농축우라늄 핵연료를 이용한 전환 노심 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 교토대 임계집합체 고체 감속 노심에 대하여 저농축우라늄 핵연료 전환 노심의 실현가능성을 알아보기 위해 고농축 및 천연 우라늄 판으로 이루어진 저농축 모의 핵연료를 이용하여 열중성자 에너지스펙트럼 노심과 고속-열중성자 에너지스펙트럼 혼합 노심을 설계하였다. 노심 설계에 사용되는 고농축 우라늄 판의 수를 5,000장 미만으로 설정하였다. 본 연구에서는 몬테칼로 입자수송해석 코드인 McCARD를 이용하여 노심을 설계하였다. 노심의 임계도 및 중성자 에너지스펙트럼을 해석하기 위해 McCARD 계산이 수행되었으며, 설계 노심의 교토대 임계집합체 설계 제한조건 만족 여부를 파악하였다. 저농축 모의 핵연료를 이용한 열중성자 에너지스펙트럼 노심을 설계하였다. 열중성자 에너지스펙트럼을 갖도록 저농축 모의 핵연료 기본단위 셀의 수소와 우라늄-235 비를 200 이상으로 설정하였다. 해당 저농축 모의 핵연료 기본단위 셀은 4장의 고농축우라늄, 1장의 천연우라늄 그리고 9장의 폴리에틸렌 판으로 이루어져 있다. 열중성자 에너지스펙트럼 노심은 31개의 저농축 모의 핵연료로 이루어져 있다. 해당 노심에 사용된 고농축핵연료 판은 총 1,720장이다. 교토대 임계집합체의 대표 고체 감속 노심인 EE1과 비교하였을 때, 해당 노심이 더 연화된 중성자 에너지스펙트럼을 보였다. 해당 노심의 잉여반응도, 제어봉가, 추가 정지반응도, 미분 반응도(제어봉이 임계 지점을 지날 때 초당 삽입되는 미분제어봉가) 및 등온온도계수를 구하기 위해 McCARD 계산을 수행하였다. 열중성자 에너지스펙트럼 노심은 설계 제한조건들을 모두 만족하였으나 등온온도계수는 설계제한조건치 20 pcm/K에 근접하였다. 등온온도계수를 줄이기 위해 반사체 물질로 폴리에틸렌 대신 흑연 사용을 제안하였다. 반사체 물질로 폴리에틸렌 대신 흑연을 사용할 때, 등온온도계수는 19.6 pcm/K에서 13.5 pcm/K로 감소하였다. 또한 흑연 반사체를 사용한 열중성자 에너지스펙트럼 노심은 모든 설계 제한조건을 만족하였다. 본 연구는 저농축 모의 핵연료를 이용한 교토대 임계집합체 열중성자 에너지스펙트럼 노심의 실현가능성을 확인하였다. 고속-열중성자 에너지스펙트럼 혼합 노심에 사용된 저농축 모의 핵연료 집합체는 고속중성자 에너지스펙트럼을 갖도록 감속재가 없이 설계되었다. 저농축 모의 핵연료 집합체만으로 이루어진 노심은 임계에 도달하기 어렵다. 따라서, 고속-열중성자 에너지스펙트럼 혼합 노심은 두 영역으로 나뉜다. 하나는 저농축 모의 핵연료가 사용되는 시험 영역이다. 다른 하나는 노심이 임계에 도달할 수 있도록, 교토대 임계집합체의 대표 노심에 사용되는 고농축핵연료집합체로 이루어진 운전 영역이다. 해당 노심에 사용되는 고농축우라늄 판의 수는 총 4,608장이다. 열중성자 에너지스펙트럼 노심과 비교하였을 때, 설계 노심의 시험 영역이 더 경화된 중성자 에너지스펙트럼을 보였다. 해당 노심은 모든 설계 제한조건을 만족하였으나 등온온도계수의 경우 95% 신뢰구간에서 설계제한조건을 만족하였다. 등온온도계수를 줄이기 위해 노심에 사용되는 반사체 물질을 폴리에틸렌에서 흑연으로 교체하였다. 반사체 물질로 폴리에틸렌 대신 흑연을 사용할 때, 등온온도계수는 19.8 pcm/K에서 3.6 pcm/K로 감소하였다. 또한, 흑연 반사체를 이용한 고속-열중성자 에너지스펙트럼 혼합 노심은 등온온도계수를 포함한 설계 제한조건들을 모두 만족하였다. 고속중성자 에너지스펙트럼 노심의 경우 감속재가 없는 저농축 모의 핵연료만으로 임계 도달하기 어려우나, 교토대 임계집합체 고속-열중성자 에너지스펙트럼 노심의 실현가능성을 확인하였다. 시스템 온도에 따른 등온온도계수 민감도를 분석하기 위해, 서로 다른 온도에 대하여 고속-열중성자 에너지스펙트럼 혼합 노심의 몬테칼로 k-고유치 계산을 수행하였다. 열중성자의 평균에너지 증가 효과 때문에 추정된 등온온도계수가 설계 제한조건 20 pcm/K을 넘는 것을 확인하였다. 등온온도계수 감소를 위해 영역별로 폴리에틸렌에서 흑연 반사체로 바꾼 네 가지 노심을 선정하여 분석하였다. 노심 분석 결과를 통해, 등온온도계수를 낮추기 위한 방법으로 폴리에틸렌보다 흑연이 반사체 물질로 적합하다는 사실을 도출하였다. For the Kyoto University Critical Assembly (KUCA), feasibility studies on its conversion from highly-enriched uranium (HEU) fuel to low-enriched uranium (LEU) one have been numerically conducted, recently. The main objective of this research is to design two cores using the LEU modeling fuels, which are composed of the current HEU and natural uranium (NU) fuels – the thermal spectrum core and fast-thermal hybrid spectrum core, as a feasibility study for the LEU conversion for the solid-moderated core of KUCA. And, the number of HEU plates used in the designed cores is set to less than 5,000 plates. In this research, the cores with the LEU modeling fuel are designed by a Monte Carlo (MC) neutron transport analysis code, McCARD. McCARD calculations are conducted to analyze criticality and neutron spectra of the cores. And, they are evaluated whether the designed cores can meet the safety regulations for implementation at the KUCA. The thermal spectrum core with the LEU modeling fuel is designed. The ratio of 1H to 235U in the LEU modeling unit cell is set to 200 or higher to make a thermal spectrum. The LEU modeling cell used in the LEU modeling fuel assembly consists of four HEU plates, one NU plate and nine PE plates. The thermal spectrum core is composed of 31 LEU modeling fuel assemblies. The total number of HEU plates used in the core is 1,720 plates. Compared to the spectrum of a typical polyethylene-moderated configuration of the EE1 core at KUCA, a softened spectrum can be achieved in the thermal spectrum core. McCARD calculations are conducted to estimate the excess reactivity (ρ_ex), control rod worth, secondary shutdown reactivity (ρ_SD2), differential reactivity, which is an inserted reactivity per second when a control rod is withdrawn from the critical position, and the isothermal temperature coefficient (ITC). The thermal spectrum core satisfies all the regulatory requirements but the positive ITC is closed to the regulatory requirement of ITC. To reduce ITC, the reflector element used in the core is changed from polyethylene (PE) to graphite (Gr). By varying the reflector element from PE to Gr, the ITC decreases 19.6 pcm/K to 13.5 pcm/K. Also, the thermal spectrum core with the Gr reflector satisfies all the regulatory requirements. From the design analyses, the thermal spectrum core is found feasible with the use of the LEU modeling fuel at KUCA. The LEU modeling fuel assembly used in the fast-thermal hybrid spectrum core is designed without the moderator to make a fast spectrum. The core with the only LEU modeling fuel assemblies is hard to reach criticality. Therefore, the designed fast-thermal hybrid spectrum core has two different regions – a driver region and a test region. The test region is composed of the LEU modeling fuel assemblies. And, the driver region consists of the typical HEU fuel assemblies in the KUCA core, which is composed of HEU plates and polyethylene plates, to have the core achieve criticality. The total number of HEU plates used in the core is 4,608 plates. Compared to the spectrum of the thermal spectrum core, a hardened spectrum is achieved in the test region of the hybrid spectrum core. The fast-thermal hybrid spectrum core satisfies all the regulatory requirements except ITC considering its 95% confidence intervals. To reduce ITC, the Gr-reflected fast-thermal hybrid spectrum core is designed. By varying the reflector element from PE to Gr, the ITC decreases from 19.8 pcm/K to 3.6 pcm/K. Also, the fast-thermal hybrid spectrum core with Gr reflectors satisfies all the regulatory requirements. From the design analyses, the LEU modeling fuel assembly without the moderator present difficulty in achieving criticality in the fast spectrum core but the fast-thermal hybrid spectrum core is found feasible with the use of the LEU modeling fuel at KUCA. To analyze the sensitivity for ITC of the system temperature, the MC k-eigenvalue calculations are conducted for the hybrid spectrum core at different system temperatures. The estimated ITCs exceed 20 pcm/K, which is a regulatory requirement of solid-moderated core in KUCA, due to the effect of the spectral shift of thermal neutrons. To reduce ITC, four cores with the regional Gr reflector rods are analyzed. With these results, it can be concluded that the reflector element surrounding the core can be suggested to change from PE to Gr reflector to reduce ITC.