HTGR의 열대류 시스템을 활용한 지하 열 저장 시스템 설계

배병찬

인천과학예술영재학교

Design of an underground heat storage system utilizing the HTGR's thermal convection system

Byeongchan Bae

Incheon Academy of Science and Arts

본 논문은 고온가스로형 원자로(HTGR)에서 활용되는 자연대류 원리를 지열 열 저장 시스템의 효율성을 향상시키는 데 응용하는 방법을 탐구한다. HTGR은 외부 전력 없이 온도 차이를 이용해 열을 순환시키는 자연대류를 활용하여 열을 전달하는 시스템으로, 이 원리를 지열 시스템에 적용하면 에너지 소비를 최소화하고 저장된 열의 분배 효율을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 Rayleigh 수, 열 전달 효율, 저장 시스템 내 온도 분포 등을 계산하는 수학적 모델을 제시하며, 자연대류를 통한 열 순환을 최적화하는 방법을 탐구한다. 제안된 시스템은 에너지 효율과 지속 가능성을 개선하며, 장기 에너지 저장과 환경 친화적인 열 관리를 위한 유망한 접근법을 제공한다. 본 연구를 통해 HTGR 기반 자연대류 시스템이 지열 에너지 저장 솔루션의 설계와 운영에 혁신적인 변화를 일으킬 수 있는 가능성을 제시한다.

1. 서론

에너지 저장 기술은 지속 가능한 발전을 위한 핵심적인 기술 중 하나로, 특히 지하 열 저장 시스템은 큰 잠재력을 가지고 있다. 이 시스템은 지구 내부에 열을 저장하고 필요할 때 꺼내 사용할 수 있는 기술로, 다양한 산업 분야에서 응용될 수 있다. 그러나 기존 지하 열 저장 시스템은 전력 소비가 큰 냉각 및 열 전달 시스템을 사용하여 효율성에 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 고온가스로형 원자로(HTGR)에서 사용되는 자연대류 원리를 적용하면, 전력 소비 없이 효율적으로 열을 저장하고 분배하는 시스템을 설계할 수 있다.

본 논문은 HTGR의 자연대류 냉각 원리를 지하 열 저장 시스템에 응용하여 전력 소모 없이 효율적으로 열을 저장하고 분배하는 방법을 제시한다. 이를 통해 지속 가능한 에너지 시스템을 위한 혁신적인 솔루션을 제공할 수 있다. 특히, 자연대류를 이용해 열 균형을 유지하고 온도 차이를 기반으로 한 열 순환을 통해 효율적으로 열을 분배하는 방법에 대해 논의한다.[1] 이 시스템은 기존의 에너지 저장 방식에 비해 에너지 효율을 높일 수 있는 가능성이 크다.

2. 본론

1. 지하 열 저장 시스템의 기본 개념과 한계

지하 열 저장 시스템은 심층 지하에 위치하여 지구 내부의 열을 저장하고, 이를 필요할 때 꺼내 사용하는 기술이다. 이 시스템은 열 저장소, 열 교환기, 열 분배 시스템 등의 주요 요소로 구성된다. 열 저장소는 지열을 저장하는 공간으로, 지하수층이나 암석을 이용하여 열을 저장한다. 저장된 열은 일정 기간 동안 보존되며, 필요할 때 에너지로 변환된다.

그러나 기존의 지하 열 저장 시스템은 열 균형 유지와 효율적인 열 분배에서 한계를 보인다. 일반적으로 열을 저장한 후 이를 효율적으로 분배하고 균형을 맞추는 과정에서 전력 소비가 크고, 열 손실이 발생한다. 또한, 지하열 저장소의 크기와 열 교환기 시스템의 설계에 따라 열 손실과 효율성이 달라지며, 이는 시스템의 전체 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 자연대류 기반의 시스템이 필요하다.

2. HTGR의 자연대류 원리와 응용 가능성

고온가스로형 원자로(HTGR)는 핵분열을 통해 발생한 고온의 열을 헬륨 가스를 이용해 안정적으로 전달하는 시스템이다. HTGR의 중요한 특징은 바로 자연대류로, 이는 열의 차이에 의해 발생하는 유체의 흐름을 통해 열을 전달하는 방식이다. 자연대류는 전력 소비 없이 열을 순환시키는 시스템으로, 외부 전력의 도움 없이 자기 냉각을 가능하게 한다.

이 원리는 고온의 헬륨을 이용하여 핵반응에서 발생한 열을 냉각 없이 자동으로 순환시킬 수 있다. 지하 열 저장 시스템에 이 원리를 적용하면, 저장된 열이 자연스럽게 순환되며 온도 차이에 의한 열 이동을 통해 열 균형을 유지하고, 에너지 소비 없이 효율적인 열 분배가 이루어진다. 이를 통해 전력 소모를 최소화하고, 에너지 효율성을 극대화할 수 있다.[2]

3. 자연대류 기반 열 저장 및 분배 시스템 설계

3.1 이론적 모델링

HTGR의 자연대류 원리를 지하 열 저장 시스템에 적용하는 방식은 다음과 같다.

시스템 구성 요소:

열 저장소: 지하 깊은 곳에 위치하여 지구 내부의 열을 저장하는 공간이다. 지하수층 또는 암석을 활용하여 지열을 저장한다.

자연대류 채널: 저장소 내에서 열을 자연스럽게 순환시키는 경로이다. 온도 차이를 기반으로 자연스럽게 열이 순환되며, 에너지 소비 없이 열이 이동한다.

열 교환기: 외부로 열을 전달하는 장치이다. 열 교환기는 자연대류 채널을 통해 전달된 고온의 열을 외부 시스템에 적절하게 공급하는 역할을 한다.

온도 균형 시스템: 자연대류 원리를 통해 저장된 열의 균형을 맞추는 시스템이다. 이 시스템은 온도 차이에 의해 발생하는 자연적인 열 순환을 통해 열이 균일하게 분배되도록 한다.

열 순환 계산:

자연대류에서 열 이동은 Rayleigh 수(Ra)를 이용해 평가할 수 있다. Rayleigh 수는 자연대류의 강도를 평가하는 지표로, 다음과 같은 수식을 따른다

[eqn: Ra`=` {g BULLET beta BULLET TRIANGLE T BULLET L ^{3}} over {mu BULLET k}]

- Rayleigh 수

이 방정식을 통해 자연대류에 의한 열 순환의 강도를 평가하고, 효율적인 열 순환을 유도할 수 있다.

Table. 1. Rayleigh 수의 파라미터

[eqn: g(9.81m/s ^{2} )]	[eqn: beta (3.67 TIMES 10 ^{-5} `K ^{-1} )]	[eqn: TRIANGLE T(K)]	[eqn: L(m)]	[eqn: mu (Pa BULLET s)]	[eqn: k(W/m BULLET K)]
중력 가속도	열팽창계수	온도 차이	자연대류 채널의 길이	점도	열전도율

Fig. 1. Rayleigh 수 (Ra)와 열 순환 강도 간의 관계

3.2 온도 균형 계산

지하 열 저장소 내에서 온도 균형은 지하수층의 열 전달 특성과 저장된 열의 온도 분포에 의해 결정된다. 자연대류 채널 내에서 효율적인 열 분배가 이루어지도록 설계함으로써, 온도 균형을 유지하며, 에너지 효율성을 극대화할 수 있다. 이 과정에서 고온 지역과 저온 지역 간의 온도 차이를 이용하여 열을 자동적으로 순환시킬 수 있다.

3. 결론

HTGR의 자연대류 원리는 지하 열 저장 시스템에 매우 유용하게 응용될 수 있다. 본 논문에서는 자연대류를 활용한 열 순환 시스템을 설계하고, 수학적 계산을 통해 효율적인 열 분배 방법을 제시하였다. 지하 열 저장 시스템에서 발생할 수 있는 열 손실과 효율성 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 이를 통해 전력 소비 없이 효율적으로 열을 관리할 수 있다.

자연대류 원리를 적용한 시스템은 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하는 데 중요한 기술적 진전을 이룰 수 있으며, 향후 경제성과 환경적 영향을 고려한 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 이 시스템은 에너지 효율성과 비용 절감을 동시에 달성할 수 있는 가능성이 높아, 산업적 응용과 대규모 시스템 적용에 큰 도움이 될 것이다.

HTGR의 자연대류 기술은 지속 가능한 에너지 활용을 위한 중요한 기술적 진전을 나타내며, 향후 지하 열 저장 시스템과 다양한 산업 분야에 응용될 가능성이 크다.

■ 참고문헌

[1]KENTECH. (2025). 고온가스로형 원자로 기반 수소 생산 메커니즘과 실용화 전망. KENTECH Research Material, Vol. 5, 182-199.

[2]Zhang, P., Xu, J., Shi, L., & Zhang, Z. (2019). Nuclear Hydrogen Production Based on High Temperature Gas Cooled Reactor in China. Strategic Study of CAE, 21(1), 20–28.