이산요소법을 이용한 페블베드의 적층구조 및 유동저항 해석

Abstract

Nuclear fusion power generation is one of the most important for future energy, and a lot of research and development is ongoing to commercialize nuclear fusion power. Nuclear fusion power generation is a method of generating energy by thermonuclear reaction of tritium and deuterium inside a nuclear reactor. The energy released in the form of high-energy neutrons (approximately 14.1MeV) enters the lithium layer of the breeding blanket that surrounds the inner wall of the reactor. Neutrons entering the lithium layers of the blanket produce tritium through thermonuclear reaction, and the generated tritium is infected back into the fusion reactor, causing continuous nuclear fusion reaction. In addition, the thermal energy generated by the fusion reaction heats the cooling water and generates steam to operate the turbine. The lithium layer packing structure of the breeding blanket on the inner wall of the reactor is related to the energy transmission efficiency of fusion power generation. The energy generated by the fusion reaction of the lithium layer is transmitted to the cooling water and converted into steam. In this process, the denser the laminated structure of the lithium layer is, the more intimate contact between particles occurs, thereby increasing the transfer efficiency of thermal energy transmitted to the cooling water. However, if the packing fraction is too high, the flow resistance of the lithium layer increases, which interrupt the generation of helium purge gas generated by the thermonuclear reaction. Therefore, the packing and flow characteristics of the lithium layer should be properly considered together. In this study, we use the discrete element method to simulate the lithium layers of a blanket into the shape of pebble beds and analyze the packing fraction and heat transfer efficiency according to the particle packing structure. In addition, the flow analysis of the pebble beds was perfoemed to analyze the flow resistance according to the structure of the laminate and considering the correlation with heat transfer, a suitable packing model was proposed.

KEY WORDS: Nuclear fusion reactor; Binary-sized pebble beds; Lithium layer packing structure; Packing fraction; Purge gas; Pressure drop.|핵융합 발전은 미래 에너지를 대체할 가장 핵심적인 발전방식 중 하나이며, 핵융합 발전의 실용화를 위해 많은 연구와 개발이 진행되고 있다. 핵융합 발전은 삼중수소와 중수소의 핵융합 반응을 통해 에너지를 생성시키는 발전방식이다. 고에너지 중성자의 형태로 방출되는 에너지가 핵융합로 내벽을 감싸고 있는 증식재 블랭킷의 리튬층으로 들어가게 되면, 리튬과의 핵융합 반응을 통해 막대한 양의 열에너지와 삼중수소를 생성시킨다. 핵융합 반응으로 생성되는 삼중수소는 다시 핵융합로로 주입되어 연속적인 핵융합 반응을 일으키고, 동시에 발생되는 열에너지는 냉각수를 가열하여 동력을 생산한다. 핵융합로 내벽에 존재하는 블랭킷의 리튬층 적층구조는 핵융합 발전의 열에너지 전달효율과 관련되어 있다. 리튬층의 핵융합 반응으로 생성되는 많은 양의 열에너지는 냉각수로 전달되어 증기로 변환되는 과정에서, 리튬층의 적층구조가 조밀해지게 되면, 입자 간 연결성이 향상되어 열에너지의 전달효율이 높아지게 된다. 열에너지 전달효율이 높아지게 되면 전체 시스템에 대한 에너지의 절대량이 증가하지만, 조밀한 입자 적층구조로 인해 리튬층의 유동저항이 증가하여 핵융합 반응으로 생성되는 삼중수소의 유동이 방해받게 된다. 삼중수소의 유동이 방해받게 되면, 연료의 순환을 통한 연속적인 핵융합 반응이 지속되기 어렵기 때문에 리튬층의 적층구조에 따른 열전달 성능과 유동 특성을 적절히 고려하여 분석해야 한다. 본 연구에서는 이산요소법을 이용하여 블랭킷 리튬층을 페블베드의 형상으로 모사하여, 입자 적층구조에 따른 페블베드의 적층 특성과 그에 따른 열전달 성능을 분석하였다. 또한 구현된 페블베드의 유동해석을 수행하여 적층에 구조에 따른 유동저항을 분석하였고, 열전달 성능과의 상관관계를 고려하여 적합한 적층 모델을 제시하였다.

KEY WORDS: Nuclear fusion reactor 핵융합로; Binary-sized pebble beds 이진 크기 페블베드; Lithium layer packing structure 리튬층 적층구조; Packing fraction 부피 분율; Purge gas 퍼지가스; Pressure drop 압력강하.