우주용 초소형 원자로 발전을 위한 스털링 컨버터 기술을 개발한다. 이를 위하여 고효율/고내구 프리피스톤 스털링 컨버터 프로토타입을 개발하고, 원자로 핵반응 모사 열원을 개발하여 원자로-스털링발전 개념을 실험 검증하며, 집합엔진 형태로 구현하여 실제 적용시 시스템 확장성과 작동 신뢰성을 검증한다. 이를 통하여 우주용 스털링 컨버터 요소기술과 원자로 연계 집합...

- 본 연구의 우주용 원자로-스털링 발전시스템은 집합엔진 형태로 스털링컨버터, 원자로 열원 시뮬레이터의 핵심장치와 엔진 구동을 위한 냉각장치, 전력변환제어기, 로드뱅크 등의 부가장치로 구성된다. 스털링 컨버터는 고온부 원자로 시뮬레이터 열원과 저온부 냉각장치를 통해 가열/냉각하여 스털링엔진이 동력을 발생시키고 선형 발전기는 전력을 생산한다. 전력변환제어기는 엔진 시동을 위한 전력공급 모터링, 발전을 위한 전기부하(로드뱅크) 스위칭을 제어하고 전기부하 조절을 통하여 피스톤 진폭을 제어한다. 스털링 핵심요소기술 개발은 엔진 내외부 열교환을 위한 열교환/재생기, 선형 피스톤 운동의 전력변환을 위한 리니어발전기, 피스톤 공진 구동을 위한 플렉셔스프링, 미세 피스톤간극 마찰 감소를 위한 가스베어링을 포함한다. - 원자로 열원 시뮬레이터는 원자로 핵분열 반응을 열적으로 모사한다. 일반 발전용 원자로는 노심 온도 상승시 핵분열 반응도가 감소하고 온도 하강시 반응도가 증가하여 열생산이 스스로 안정화 된다(자기안정화, Self-regulating) . 스털링엔진 출력은 원자로를 냉각하므로, 원자로 시뮬레이터의 열생성과 스털링엔진의 출력은 자기안정화를 통하여 열평형을 이룬다. 원자로 시뮬레이터는 히터블록, 카트리지히터, 전력제어기로 구성되어 노심을 모사하는 히터블록의 온도에 따라 핵반응 방정식에 기반한 제어알고리즘을 통하여 히터 입력전력 및 열생성량을 제어한다. - 집합엔진 시스템은 엔진 진동 상쇄를 위한 대칭구조를 이루며, 원자로 시뮬레이터가 중앙에 위치하여 균일하게 열공급한다. 엔진의 중복 제작을 피하기 위하여, 스털링 열적 시뮬레이터는 냉각수 순환장치로 구현되어 스털링 엔진의 원자로에 대한 열적 기능만을 모사한다(엔진 제작비 절감 및 개발기간 단축). 실험장치 구성은 엔진 성능시험장치 구성과 동일하다.

본 과제는 스털링 사이클 기반 열기관인 스털링 엔진에 초임계 이산화탄소를 적용해 마찰손실을 줄인 구조의 한계를 열손실 관점에서 개선하는 연구임. 연구 목표는 해석모델 기반으로 초임계 이산화탄소 스털링 엔진을 설계·구현하고 기술 타당성을 검증함. 핵심 연구 내용은 열역학 유동유체 에너지방정식 기반 준정상유동 해석모델과 피스톤 운동방정식 가진력 연계 비선형 동역학 해석모델 개발, 헤드부 고항복응력 재료·두께 최소화 설계, 열교환부 열전달량/압력강하 예측 및 실험계획법 최적설계, 발전부 전자기 해석 최적화, 공기·헬륨 구동안정화 후 초임계 상태제어 알고리즘 확보와 선형발전기 발전/모터모드 성능·환경변화 시험으로 모델 검증 수행임. 기대효과는 학술적 신규성, 효율 향상 검증을 통한 기술 혁신, 친환경 재생에너지 전력화 및 극저온 냉동기 등 산업 파급 확대 기대함.

본 과제는 밀폐 공간에서 가열/냉각으로 작동하는 스털링 사이클 기반 열기관에 초임계 이산화탄소를 적용해 열손실을 줄이고 출력밀도를 높이려는 연구임. 연구목표는 해석모델 기반 설계와 실제 구현을 통해 초임계 이산화탄소 스털링 엔진의 기술 타당성을 검증하는 데 있음. 핵심 연구내용은 유동유체 에너지방정식 기반 준정상유동 열역학 해석모델과 피스톤 운동방정식 연계 비선형 동역학 해석모델 개발, 헤드부 내압·열교환부 열전달량/압력강하 최적화·발전부 전자기 최적설계를 반영한 실험엔진 제작, 구동안정화 후 일반기체 대비 성능 및 온도·압력·부하 환경 변화 시험으로 검증하는 과정으로 구성됨. 기대효과는 학술적 신규 연구영역 창출, 효율향상으로 국내외 스털링 엔진 기술 혁신, 재생에너지 전력화 및 극저온 냉동기 시장 확장에 따른 산업적 파급효과 창출임.