[표지]
제출문
보고서 요약서
요약문
SUMMARY
Contents
목차
제1장 연구개발과제의 개요 34
제1절 연구 개발의 목표 34
제2절 연구개발의 필요성 34
1. 기술적 측면 34
2. 경제·산업적 측면 35
제3절 연구개발의 범위 35
제2장 국내외 기술개발 현황 39
제1절 국내 기술 개발 현황 39
제2절 국외 기술 개발 현황 40
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 45
제1절 원자로 설계개념 45
제2절 노심설계 54
1. 노심 핵설계 54
2. 노심 열유체 설계 70
3. 핵연료 성능해석 114
제3절 원자로계통 설계 122
1. 운전변수 122
2. 운전개념 및 시험요건 124
3. 기기 설계개념 150
4. 성능 및 안전해석 177
5. 계측제어 계통 설계개념 206
제4절 예비타당성조사 신청/평가 지원 252
1. 개요 252
2. 사업기획 주요 내용 253
3. 원자력수소 실증로 건설사업 추진을 위한 기초연구 291
4. 초고온가스로 인허가 시현성 예비평가 322
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 343
제5장 연구개발결과의 활용계획 349
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 353
제7장 연구개발성과의 보안등급 357
제8장 연구장비의 구축 및 활용 결과 361
제9장 연구개발과제수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 365
제10장 참고문헌 369
서지정보양식(BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET) 375
표 3.1-1. 초고온가스로 주요 제원 45
표 3.2.1-1. 350MWth 원자로 주요 제원 및 운전조건 54
표 3.2.1-2. 핵연료블록 제원[원문불량;p.54] 55
표 3.2.1-3. TRISO 입자 및 핵연료 콤팩트 제원 56
표 3.2.1-4. 최대 허용 첨두출력 인자 비교[원문불량;p.58] 59
표 3.2.1-5. 원자로 노심 주요 제원 62
표 3.2.1-6. 제1안의 주기초 첨두출력값 63
표 3.2.1-7. 제2안의 주기초 첨두출력값 65
표 3.2.1-8. 제3안의 주기초 첨두출력값 66
표 3.2.1-9. 제4안의 주기초 첨두출력값 67
표 3.2.1-10. 노심 분석 모델 68
표 3.2.1-11. 노심 분석결과 68
표 3.2.2-1. 350MWth 초고온가스로 핵연료 블록 설계 사양 75
표 3.2.2-2. 입/출구 온도에 따른 질량 유량 83
표 3.2.2-3. Option별 입/출구 온도에 따른 CORONA 분석 결과 [BOC] 88
표 3.2.2-4. Option별 입/출구 온도에 따른 CORONA 분석 결과 [EOC] 89
표 3.2.2-5. 경계조건에 따른 CORONA 계산 Case 정의 90
표 3.2.2-6. JRTR에서의 하위 인자 계산 및 불확실도 값 정리 106
표 3.2.2-7. 초고온가스로 노심열유체해석 불확실도 하위인자 정리 107
표 3.2.2-8. 입/출구 온도별에 따른 CORONA 분석결과 109
표 3.2.2-9. 운전 주기별 최대 온도 발생 지점의 온도 변화 110
표 3.2.3-1. 피복입자의 두께 및 밀도 114
표 3.2.3-2. 350 MWth 블록형 고온가스로 핵연료체 114
표 3.2.3-3. 핵분열생성물 방출 계산을 위한 피복입자 파손율과 중금속 오염도 117
표 3.2.3-4. 완전 중심합성설계 배치 119
표 3.2.3-5. 축약 중심합성설계 배치 120
표 3.2.3-6. Box-Behnken 설계 배치 120
표 3.2.3-7. 탄화규소층 원주방향응력에 대한 반응표면법 2차원 모형 121
표 3.3.1-1. 공정열 공급 운전시 122
표 3.3.1-2. 수소 생산 열 공급시 123
표 3.3.1-3. 보호계통 주요 운전변수 123
표 3.3.1-4. 투자보호계통 주요 운전변수 124
표 3.3.2-1. CAPP 검증을 위한 시험장치(원자로) 132
표 3.3.2-2. CAPP 검증을 위한 실험장치 133
표 3.3.2-3. 표준핵연료블록 설계조건 및 헬륨루프 실험조건(19홀) 137
표 3.3.2-4. CORONA 검증 매트릭스 138
표 3.3.2-5. GAMMA+ 기본문제 검증 현황 141
표 3.3.2-6. GAMMA+ 개별효과시험(SET) 코드검증 매트릭스 141
표 3.3.2-7. GAMMA+ 종합효과시험(IET) 코드검증 매트릭스 144
표 3.3.2-8. COPA 검증 매트릭스 149
표 3.3.3-1. 고온가스로, 초고온가스로 핵심기기 구성 152
표 3.3.3-2. 초/고온가스로 주요기기의 소재 선정 요건 157
표 3.3.3-3. 초/고온가스로 주요기기의 후보소재 158
표 3.3.3-4. 초고온가스로, 고온가스로 기술수준 비교 176
표 3.3.4-1. 정상 운전 상태 원자로 압력강하 및 RCCS 계통 운전 조건 182
표 3.3.4-2. 정상 운전 상태에서 주요 노심 및 RCCS 계통 부품의 최대 온도 182
표 3.3.4-3. LPCC 사고 진행 과정 183
표 3.3.4-4. HPCC 사고 진행 과정 183
표 3.3.4-5. 출구 온도 750°C 350 MWt 원자로의 각 입구 온도 조건... 188
표 3.3.4-6. 출구 온도 850°C 350 MWt 원자로의 각 입구 온도 조건에 따른 정... 189
표 3.3.4-7. 출구 온도 750°C 350 MWt 원자로의 정상 운전 상태에... 190
표 3.3.4-8. 출구 온도 850°C 350 MWt 원자로의 정상 운전 상태에서... 191
표 3.3.4-9. LPCC 사고 동안 주요노심 및 RCCS 계통부품의 최대온도 비교(Tex=750°C)[이미지참조] 193
표 3.3.4-10. LPCC 사고 동안 주요노심 및 RCCS 계통부품의 최대온도 비교(Tex=850°C)[이미지참조] 194
표 3.3.4-11. 출구 온도 950°C 350 MWt 원자로의 각 입구 온도 조건에 따른 정상 상... 198
표 3.3.4-12. 출구 온도 950°C 350 MWt 원자로의 정상 운전 상태에서주요 노심 및 RCCS... 199
표 3.3.4-13. LPCC 사고 동안 주요 노심 및 RCCS 계통 부품의 최대 온도 비교 (Tex=950°C)[이미지참조] 200
표 3.3.4-14. 입구 온도 470°C 및 출구 온도 910°C 시 정상 상태 운전 조건 202
표 3.3.4-15. 입구 온도 470°C 및 출구 온도 910°C 시 정상 상태 주요 노심... 203
표 3.3.4-16. LPCC 사고 동안 주요 노심 및 RCCS 계통 부품의 최대 온도 204
표 3.3.5-1. 계측제어계통의 안전/비안전등급별 규제요건 207
표 3.3.5-2. 고온가스로 보호계통의 작동 예비 설정치 222
표 3.3.5-3. 투자보호계통 관련 계측제어 규제기준 229
표 3.3.5-4. 고온가스로 투자보호계통의 작동 예비 설정치 237
표 3.3.5-5. 고온가스로제어계통의 주요 제어 측정인자 247
표 3.4.2-1. 원자력수소기술개발사업 개요 262
표 3.4.2-2. 원자력수소기술개발사업의 상위 유관 계획 272
표 3.4.2-3. 2035년 수소제조원 비율 및 수정 방안 282
표 3.4.2-4. 원자력수소기술개발사업 편익산정 283
표 3.4.2-5. 원자력산업 산업연관계수 289
표 3.4.2-6. 원자력수소기술개발사업 경제적 파급효과 290
표 3.4.4-1. 안전관련특별취급 요건의 적용 329
표 3.4.4-2. ASME 고온로 기술기준('15.12 현재) 331
표 3.4.4-3. 수소 생산방법 별 생산단가 338
표 4-1. 연차별 연구개발 목표 및 달성도 344
그림 3.1-1. Core configuration of 350 MWth HTGR 48
그림 3.1-2. Four different designs of coolant riser channels located in... 48
그림 3.1-3. Thermal conductivity of IG-110 graphite (un-irradiated) 49
그림 3.1-4. Finite element model, boundary conditions, and loading conditions of... 50
그림 3.1-5. Temperature distribution of PSRs 51
그림 3.1-6. Temperatures on outer circumferences of PSRs 51
그림 3.1-7. Maximum principal stress distributions on PSRs 52
그림 3.1-8. Peak maximum principal stresses on PSRs 53
그림 3.2.1-1. 표준 핵연료블록[원문불량;p.54] 55
그림 3.2.1-2. RSC 핵연료블록 단면도[원문불량;p.54] 55
그림 3.2.1-3. 핵연료 콤팩트 및 TRISO 구조 57
그림 3.2.1-4. 제어봉 홀을 자진 육각형흑연 반사체[원문불량;p.54] 58
그림 3.2.1-5. 원자로 노심 61
그림 3.2.1-6. 원자로 노심 단면도[원문불량;p.60] 61
그림 3.2.1-7. 첨두출력 저감방안 제1안 63
그림 3.2.1-8. 첨두출력 저감방안 제1안의 핵연료블록 63
그림 3.2.1-9. 제1안의 첨두출력 변화 64
그림 3.2.1-10. 첨두출력 저감방안 제2안[원문불량;p.63] 64
그림 3.2.1-11. 첨두출력 저감방안 제2안의 핵연료블록[원문불량;p.64] 65
그림 3.2.1-12. 제2안의 첨두출력 변화 65
그림 3.2.1-13. 첨두출력 저감방안 제3안의 핵연료블록 66
그림 3.2.1-14. 제4안의 첨두출력 변화[원문불량;p.66] 67
그림 3.2.2-1. CORONA의 기본 단위 셀을 이용한 핵연료 블록 모델링 70
그림 3.2.2-2. 기본 단위 셀을 이용하여 생산한 CORONA 해석용 계산격자의 예 71
그림 3.2.2-3. 전체 노심 해석을 위한 CORONA 모델링 개념 71
그림 3.2.2-4. 표준핵연료 블록 단위 셀 모델링 예 72
그림 3.2.2-5. 제어 핵연료 블록 단위 셀 모델링 예 72
그림 3.2.2-6. 350MWth 초고온가스로 원자로 노심 및 주요 열유체 설계 사양 74
그림 3.2.2-7. 350MWth 초고온가스로 표준핵연료 블록[원문불량;p.73] 74
그림 3.2.2-8. 350MWth 초고온가스로의 노심 내 집합체 배열과 해석을 위한 CORONA 모델 76
그림 3.2.2-9. 1/6 노심 배열 Orientation 비교[원문불량;p.75] 76
그림 3.2.2-10. 각 집합체 블록의 측면 간극에 대한 식별 번호 정의 77
그림 3.2.2-11. 집합체 블록의 수직 배열 및 높이 78
그림 3.2.2-12. 집합체 블록 형태에 따른 단위 셀(핀) 배열 79
그림 3.2.2-13. Option 1 노심 구성 개념도 80
그림 3.2.2-14. 참조노심 및 Option 1 노심에서의 집합체 배치 80
그림 3.2.2-15. Reference, Option 1 및 Option 4 노심에서의 반경방향 출력분포 81
그림 3.2.2-16. Option 2 및 Option 3 노심 구성 개념도 82
그림 3.2.2-17. Option 2 및 Option 3 노심에서의 집합체 배치 82
그림 3.2.2-18. Option 2 및 Option 3 노심에서의 반경방향 출력분포 83
그림 3.2.2-19. 집합체 내에서의 핀 온도 profile 비교(RB290_850, Assembly 3) 84
그림 3.2.2-20. 집합체 내에서의 핀 온도 profile 비교(RE290_850, Assembly 3) 85
그림 3.2.2-21. 블록의 반경방향 power factor 및 최대온도 분포(RB290_850) 90
그림 3.2.2-22. 집합체 내에서의 핀 power 및 온도 profile(RB290_850, Assembly 3) 91
그림 3.2.2-23. 집합체 내에서의 핀 power 및 온도 profile(RB290_850, Assembly 7) 91
그림 3.2.2-24. 집합체 내에서의 핀 power 및 온도 profile(O1B290_850, Assembly 22) 92
그림 3.2.2-25. 집합체 내에서의 핀 power 및 온도 profile(O2B290_850, Assembly 12) 92
그림 3.2.2-26. 집합체 내에서의 핀 power 및 온도 profile(O3B290_850, Assembly 11) 92
그림 3.2.2-27. 노심의 열수력 특성에 따른 민감도 분석 결과 (Reference 노심, 노심... 93
그림 3.2.2-28. 질량유량(입구온도) 변화에 따른 해석 결과...[원문불량;p.93] 94
그림 3.2.2-29. 질량유량(입구온도) 변화에 따른 해석 결과...[원문불량;p.94] 95
그림 3.2.2-30. 질량유량(입구온도) 변화에 따른 해석 결과...[원문불량;p.95] 96
그림 3.2.2-31. 질량유량(입구온도) 변화에 따른 해석 결과 (Option 3,...[원문불량;p.96] 97
그림 3.2.2-32. Option 별 핵연료 온도 분포 돗수 비교 (입/출구온도:415/950℃) 98
그림 3.2.2-33. Option 별 핵연료 온도 분포 돗수 비교 (입/출구온도: 490/950℃) 98
그림 3.2.2-34. 준통계적 열수로 계수 평가 방법에 대한 계략도 99
그림 3.2.2-35. 개선 열설계 절차 평가 방법에 대한 계략도 103
그림 3.2.2-36. 몬테카를로 평가 방법에 대한 계략도 104
그림 3.2.2-37. 최대 온도 발생 위치 (입/출구온도:415/850℃) 109
그림 3.2.2-38. 최대온도 발생 집합체 온도 분포 (집합체 번호: 21) 111
그림 3.2.2-39. 최대온도 발생 지점 위치 변화 111
그림 3.2.3-1. 연소도 및 플루언스 115
그림 3.2.3-2. 기체압 및 기체 생성 115
그림 3.2.3-3. 탄화규소층 내면에 작용하는 원주방향응력의 변동 116
그림 3.2.3-4. SiC 부식을 고려한 SiC층 파손율 116
그림 3.2.3-5. 350 MWth 블록형 고온가스로 냉각재 방사능 (경우 1) 117
그림 3.2.3-6. 350 MWth 블록형 고온가스로 냉각재 방사능 (경우 2) 118
그림 3.2.3-7. 350 MWth 블록형 고온가스로 냉각재 방사능 (경우 3) 118
그림 3.2.3-8. COPA 및 반응표면법으로 계산한 탄화규소층의 원주방향응력 121
그림 3.3.2-1. 일본의 HENDEL 실험장치 135
그림 3.3.2-2. 헬륨루프를 이용한 핵연료블록시험장치... 136
그림 3.3.2-3. CORA FP 방출 실험 장치 (독일) 145
그림 3.3.2-4. VAMPYR-II Plate-Out 실험 장치 (AVR, 독일) 146
그림 3.3.2-5. OGL-1 Plate-Out 실험 장치 (일본) 146
그림 3.3.2-6. 가스루프에 연결된 고온 고압 금속 증착시험장치 개념도 147
그림 3.3.2-7. 가스루프에 연결된 분진이탈 시험장치 개념도 147
그림 3.3.3-1. 대표적인 고온가스로 증기발전 시스템 구성도 150
그림 3.3.3-2. 전기생산용 초고온가스로(Gen IV) 계통 개요 151
그림 3.3.3-3. 수소생산용 초고온가스로 계통 개요 151
그림 3.3.3-4. 초고온가스로를 이용한 수소생산, 전기생산, 공정열이용 시스템개념(안) 152
그림 3.3.3-5. 흑연노심부품의 설계파괴학률 한도 154
그림 3.3.3-6. SRC-1등급 흑연노심부품 설계한도 결정 순서도 154
그림 3.3.3-7. 압력용기 시스템의 개략도 161
그림 3.3.3-8. 원자로 노심과 내부구조물 163
그림 3.3.3-9. 증기발생기 서브시스템 부품 위치 165
그림 3.3.3-10. THTR 및 HTTR 나선형 중간열교환기 167
그림 3.3.3-11. 인쇄형 중간열교환기 시제품 및 단면형상 167
그림 3.3.3-12. 헬륨순환기 부품의 구성 169
그림 3.3.3-13. RSS가 있는 경우와 없는 경우의 제어봉구동장치 171
그림 3.3.3-14. 핵연료재장전계통 173
그림 3.3.3-15. 핵연료 취급 및 재장전 흐름도[3.3.3-7] 173
그림 3.3.3-16. 고온가스덕트 구조 175
그림 3.3.4-1. 350 MWt 초고온가스로 노심 178
그림 3.3.4-2. 고체 구조물 계통에 대한 GAMMA+ 코드 계산 모델 180
그림 3.3.4-3. 유체 계통에 대한 GAMMA+ 코드 계산 모델[원문불량;p.179] 180
그림 3.3.4-4. 노심 출력 분포 181
그림 3.3.4-5. LPCC 사고 동안 노심 주요 부품 온도 거동 184
그림 3.3.4-6. HPCC 사고 동안 노심 주요 부품 온도 거동 185
그림 3.3.4-7. 기존 노심 출력 분포와 Option-4(EOC) 출력 분포 비교 196
그림 3.3.4-8. LPCC 사고 동안 노심 주요 부품 온도 거동 (Tin=470°C, Tex=910°C)[이미지참조] 205
그림 3.3.5-1. 발전소 설계기준에 따른 계측제어계통 분류 [3.3.5-3] 206
그림 3.3.5-2. 미국 원자력 법 및 규제체계 208
그림 3.3.5-3. 고온가스로 계측제어계통 개념도 210
그림 3.3.5-4. 외곽제어봉의 원자로 정지 부계통의 기능 구조도 214
그림 3.3.5-5. 예비 원자로 정지제어봉 부계통의 기능 구조도 215
그림 3.3.5-6. 주 냉각회로 정지 계통의 기능 구조도 216
그림 3.3.5-7. 원자로 보호계통 구성 특성 217
그림 3.3.5-8. 외곽제어봉에 의한 원자로 정지의 간단한 블록도 219
그림 3.3.5-9. 내부제어봉을 이용하는 원자로정지 기능 구조도 232
그림 3.3.5-10. 정지냉각 계통의 기능 구조도 233
그림 3.3.5-11. 증기발생기와 증기계통과의 격리 기능 구조도 234
그림 3.3.5-12. 주 냉각재 압력 감소 기능의 구조도 235
그림 3.3.5-13. 원자로 투자보호계통 구성 특성 236
그림 3.3.5-14. 고온가스로 제어계통 개념도 243
그림 3.3.5-15. 방사선 감시계통 블록도 248
그림 3.4.1-1. 미래 원자력시스템 장기 추진계획 252
그림 3.4.2-1. 2030년 국내 온실가스 감축 목표 254
그림 3.4.2-2. 대내외 환경분석 시사점 및 추진방향 259
그림 3.4.2-3. 원자력수소기술개발사업 범위 260
그림 3.4.2-4. 원자력수소기술개발사업 추진체계 267
그림 3.4.2-5. 원자력수소기술개발사업 추진일정 268
그림 3.4.2-6. 원자력수소기술개발사업 소요예산 및 인력 268
그림 3.4.4-1. 초고온가스로 설계 특성과 특징 322
그림 3.4.4-2. 삼중피복핵연료입자(TRISO) 구조 323
그림 3.4.4-3. RCCS 배치도와 개념도 324
그림 3.4.4-4. NGNP 인허가 과정 333
그림 3.4.4-5. NGNP 백서들의 계층 구조 334
그림 3.4.4-6. 초고온가스로의 고온열 이용 분야 337