Nuclear Space Application Nuclear Thermal Hydraulic Lab Seoul
Nuclear Space Application Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
목 차 q 원자력 우주 응용의 필요성 q 국내의 원자력의 우주 이용의 필요성 q NPS (Nuclear Power Source)의 특징과 연구현황 q NP (Nuclear Propulsion)의 특징과 연구현황 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
1. Need of Nuclear Energy in Space q Limitation of Solar Energy → Nuclear Power Source q Limitation of Chemical Propulsion → Nuclear Propulsion Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. How to use the nuclear power in space Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3 -1. Nuclear Energy as Power Source q Nuclear Power Source (NPS) § Radioisotope Power System (RPS) § Space Reactor Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
q RPS: Radioisotope Power System § RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) § RHU (Radioisotope Heater Unit) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
q RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) § Structure / Principle ü Radioisotope Source: Pu-238 (초기) / 산화플루토늄(현재) → heat source ü Thermoelectric Converter: ΔT → ΔE § Efficiency : less than 10% § Status of Development ü USA : 44 RTG in 24 space transportation equipment since 1961 ü Russia(USSR): 2 RTG § Configulation - GPHS (General Purpose Heat Source) ü 290 W system with 18 modules Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
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q RHU (Radioisotope Heater Unit) § Heating the structure, system and equipment § When the solar energy is not available § Continuous power § Simple structure ü Height : 3. 2 cm ü Diameter : 2. 6 cm ü Total weight : 40 g § Resistance against radiation and missile § Status ü USA : used about 240 units ü Russia : 2 units Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
q Reactor as power source § Proper for energy source of more than 10 k. W § Status ü USA : SNAP-10 A ü Russia : 31 low power reactor Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
q Topaz § Use Thermionic Converter instead of Thermoelectric Converter § USSR (Topaz 1) → USA(Topaz 2) § 40 k. We 목표로 1990년부터 미국에서 연구, 1993년에 예산 문제로 취소 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion (1) q 핵추진 (NP: Nuclear Propulsion) § NEP (Nuclear Electric Propulsion) § NTP (Nuclear Thermal Propulsion) – 추진원으로써 원자력 이용 ü Fission-Based NTP ü Fusion-Based NTP Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP q NEP (Nuclear Electric Propulsion) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP q NEP의 장점 § 높은 비추력(Specific Impulse) § 현재의 원자력 기술을 바탕으로 발전 가능 q NEP의 단점 § Specific Mass(W/kg)가 낮음 § 원자력 안전궤도 상에 위치해야 함 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP – Phase 1 q NEP의 개념(Phase I) - 저출력 원자로 (1) § 120 k. We 이하의 전기를 생산하는 분열로 TPPR (Testable, Passive, Redudant Reactor) TMCT (Testable Multi-Cell In-Core Thermionic Reactor) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP – Phase 1 q NEP의 개념(Phase I) - 저출력 원자로 (2) DGCR (Direct Gas Cooled Reactor) PLMR (Pumped Liquid Metal Reactor) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP – Phase 2 q NEP의 개념(Phase II) – MMW (Multi. Mega. Watt) 원자로 Reactor Type HTGR PBR LMR MSR Coolant Pressure(Pa) 2. 758× 106 2. 896× 106 1. 137× 106 <10 Qvol(MW/m 3) 57. 7 40. 5 75. 9 6. 6~2500 Tcore-out(K) 1367 1600 1550 1000~130 0 Typical Fuel UO 2 Refractory Clad UC particles UNW/25 Re Li. F-Be. F 2 THF 4 -UF 4 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP 연구동향(2) q Phase I 저출력 분열로 연구 § SAFE-400 원자로 디자인과 분석 (LANL) § SAFE 원자로의 열교환기 연구 (LANL) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP 연구동향(2) q Phase I 저출력 분열로 연구 § SAFE-300 -TEG NPP 개념 개발 (MSFC, LANL, INSPI) ü 전기출력 ~10 k. We를 갖는 VASIMR형 플라스마 로켓 엔진의 데모 테스트 를 위한 파워공급 ü VASIMR(Variable Specific Impulse Magnetoplasm Rocket) : 열린 자기 장을 갖는 RF구동 플라스마 추력기로 비추력이 변함. Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NEP 연구동향(2) q Phase I 저출력 분열로 연구 § HOMER-15 연구(JPL/DOE) ü 화성표면에서 파워를 생산하기 위해 개발 ü SAFE reactor의 small version ü 15 KWt / 3 KWe § ERATO 프로그램 (프랑스) ü 3개의 20 k. We Turboelectric Power System으로 구성 ü 첫번째 시스템: 670℃에서 작동하는 sodium-cooled UO 2 -fuelled fast reactor ü 두 번 째 시 스 템 : 840 ℃에 서 작 동 하 는 high-temperature gas-cooled reactor ü 세번째 시스템: 1150 ℃에서 작동하는 lithum-cooled UN-fulled fast reactor Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP q 원자력의 열추진 (NTP: Nuclear Thermal Propulsion) § Fission-Based NTP § Fusion-Based NTP q 열추진 원리 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (fission) q Fission-Based NTP § Solid-Core NTP 개념 ü 지상의 분열원자로와 비슷 ü Material constraint (온도제한) → T/W: 1~20, 비추력: 800 sec ü NERVA(미국), 68 k. N NRE(러시아 ) 에서 많은 경험 § Particle-Core NTP 개념 ü Rotating bed의 핵연료 ü 원자로 노심이 회전 ü Material constraint 줄어듬(고온) → T/W >1 , 비추력: 1000 sec ü 붕괴열 제거의 필요 없음 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (fission) q Fission-Based NTP § Liquid-Core NTP 개념 ü 고체 입자 대신 액체 분열 물질 사용 ü Material Constraint 더 적음 → T/W>1 , 비추력: 1300~1500초 ü 연료상실의 위험(Entrainment, 증 발) § Fission Fragment NTP 개념 ü 분열파편을 바로 배출 → 비추력: 106 초 ü 자기장에 의 한 추력 생산(이온화) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (fission) q Fission-Based NTP § Gas-Core NTP 개념 ü Material Constraint 가장 적음 (가장 높은 노심 온도) 1. Open-Cycle Gas-Core 방사성 연료 손실 가능성 엔진벽 냉각 필요 비추력: 7000초 2. Closed-Cycle Gas-Core 석영캡슐로 핵플라스마 담음 • 비추력: 2080초(큰엔진) 1550초(작은엔진) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (Fusion) q Fusion-Based NTP의 특징 § 높은 추력(thrust), 비추력(specific impulse) § 환경적(radiation) 문제 – 無 q Fusion-Based NTP의 현실적 한계 § 우선 지속적이고, 제어가능하고, 고밀도인 융합반응이 가능해야 함 q Fusion-Based NTP 개념의 종류 § ICF NTP § MCF NTP Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (Fusion) q Fusion-Based NTP § ICF NTP 개념 ü 고출력 레이저 혹은 입자빔 이용 § MCF NTP 개념 ü 자기장을 사용하여 플라스마 가둠 ü Tandem Mirror Configuration Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (Fusion) q Fusion-Based NTP 의 연구동향 1 – ICF NTP § VISTA (Vehicle for Interplanetary Space Transport Application) ü 미국에서 개발된 개념 ü 비추력: 17000초 ü 출력: 30000 MW at 30 Hz ü 2020년 이후나 가능 § Daedalus ü British Interplanetary Society의 개념 ü 비추력: 1000000초 ü 추력: 7. 5 e 6~6. 6 e 5 N ü 질량: 53500톤 Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
3. 2 Nuclear Propulsion – NTP (Fusion) q Fusion-Based NTP 의 연구동향 2 § IEC 기반 D-3 He 융합 연구 (Univ. of Illinois) ü 500 톤 규모의 고성능 100 MWe급 유인 우주선을 위한 예비 설계 진행중 § MFC 기반 DPF Bread Model 연구(Univ. of Illinois) Nuclear Thermal Hydraulic Lab. Seoul National University
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