핵융합
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 초전도와 저온공학 22권 2호 2020년 7월 8KSTAR 저온헬륨설비 운전 및 유지보수 결과
박동성, 주재준, 문경모, 김남원, 장호성, 곽상우 국가핵융합연구소 1. 서 론 우리나라의 미래 에너지원 연구를 위한 차 세대초전도 핵융합연구장치 KSTAR는 2007 년 건설이 완공되었다. KSTAR 핵융합연구 장치는 대용량의 전류를 안정적으로 인가하기 위해 Nb3Sn과 NbTi로 이루어진 초전도체로 구성된 30개의 초전도자석으로 제작되었으 며, 초전도자석 시스템의 안정적인 운전을 위 해 4.5K로 냉각되어야 한다. KSTAR 초전 도자석의 냉각대상물의 질량은 약 300톤에 이르며, KSTAR 초전도자석의 냉각을 위해 4.5K에서 9kW 용량을 가지는 극저온헬륨시 스템(HRS)을 제작·설치하였다.(1) 2008년부터 수행된 KSTAR 캠페인 기간 동안 HRS는 KSTAR 초전도자석을 성공리 에 냉각시켰고, 플라즈마 운전 중 KSTAR 장 치에서 발생하는 열부하를 흡수하여 KSTAR 캠페인을 안정적으로 수행하는 데 크게 이바 지하였다. 본 논문에서는 KSTAR 캠페인 기간 동안 HRS의 운전 결과와 비정상 상황에 관해 서 술하고 장치의 신뢰성에 관해 기술할 것이다. 2. KSTAR 저온헬륨설비 소개 그림 1. KSTAR 저온헬륨설비 배치도. KSTAR의 극저온 냉각대상물들의 총 질 량은 300톤에 달하는데 냉각대상물의 냉각 을 위해서는 액체헬륨(LHe) 환산 약 18,000리터가 필요하다. 대량의 극저온 헬 륨을 효율적으로 생산하고 KSTAR에 안정 적으로 공급하기 위해 설치된 HRS는 운전 에 필요한 헬륨을 저장하고 처리하기 위한 헬륨회수시스템(GMS), 상온·상압의 기체헬 륨을 상온·고압으로 압축시키는 상온압축시 스템(WCS), WCS에서 압축된 헬륨을 다단 의 단열팽창 과정을 거쳐 극저온으로 헬륨을 냉각하는 콜드박스(C/B), 그리고 C/B에서 생산된 극저온의 헬륨을 KSTAR 초전도자 석을 냉각시키기 위해 분배하는 분배박스 (D/B)로 구성되어 있다. KSTAR 극저온헬 륨장치의 배치도는 그림 1에 나타나 있다.(2) 3. KSTAR 저온헬륨설비 운전결과 2008년부터 가동된 KSTAR HRS는 KSTAR 장치의 초전도자석 냉각운전과 플 라즈마 운전중 KSTAR에서 발생하는 열부 하를 효율적으로 흡수하고 KSTAR 초전도 자석의 승온을 2019년까지 성공적으로 수행 하였다. 그림 2. KSTAR 초전도 자석 냉각운전 결과.(3)━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ KSTAR 저온헬륨설비 운전 및 유지보수 결과 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 초전도와 저온공학 22권 2호 2020년 7월 9 KSTAR 초전도 냉각은 크게 WCS의 가 동, 팽창터빈을 활용한 장치의 냉각, 액체/ 초임계 헬륨의 생산 및 저온 회전기기의 가 동 등 총 4단계로 이루어진다. 총합 300톤 에 이르는 KSTAR 냉각대상물의 냉각을 위 해평균 19일의 시간이 필요하며 냉각 시작 단계의 자석 온도에 따라 약 1일 정도의 편 차가 발생한다. KSTAR HRS를 활용한 KSTAR 장치의 냉각운전 결과는 그림 2에 나타나 있다. KSTAR 장치 냉각운전 과정 에서 가장 큰 어려운 점은 KSTAR 장치가 30개의 초전도자석이 조립된 구조물이기 때 문에 각각의 초전도자석이 냉각과정에서 온 도 차이가 크게 발생한다면 열수축에 의한 구조물의 변형과 과다한 응력 발생으로 인해 자석이 손상될 우려가 있다. 이런 이유로 냉 각운전 과정에서는 자석 사이의 온도 편차가 항상 50K 미만으로 유지되도록 주의를 기울 여야 하며 그림 2에서 보이는 것과 같이 전 체 자석의 온도 편차가 35K 미만으로 유지 되었다. KSTAR 장치의 냉각이 완료되면 KSTAR 장치는 자석에 전류를 인가하면서 플라즈마 를 발생시킨다. KSTAR 플라즈마 운전 시 KSTAR 장치로 공급된 초임계헬륨은 자석 을 지나면서 감압되고, 전류에 의해 발생하 는 열부하에 의해 초임계헬륨의 온도가 상승 한다. 가열된 초임계헬륨은 HRS로 회수된 후 그림 3에 나타나 있는 초전도자석 냉각 회로도의 열부하 완화시스템에 의해 재가압/ 재냉각되어 다시 KSTAR 초전도자석에 공 급되어 냉각한다.(3) 그림 3. KSTAR 초전도자석 냉각회로. 항 목 4.5K 환산 열부하 설계 ‘09 ‘10 ‘11 ’12-’19 열차폐체 1.5 ~1.0 ~1.0 ~1.0 ~1.0 초전도자석/SCBL 5.7 ~1.4 ~2.6 ~3.0 ~3.2 헬륨순환기 ~1.8 ~1.8 ~1.8 ~1.8 Current Lead 1.8 ~0.6 ~1.0 ~1.0 ~1.0 합계 9.0 ~4.8 ~6.4 ~6.8 ~7.0 표 1. KSTAR 장치 운전 중 발생 열부하. KSTAR 운전 중 초전도자석의 열부하, 초임계헬륨 순환기에서 발생하는 단열압축 열부하 및 열차폐체 등에서 발생하는 열부하 는 표 1에 정리되어 있다. 표 1을 살펴보면 KSTAR의 플라즈마가 고도화됨에 따라 발 생하는 열부하도 증가했지만, KSTAR 장치 의 운전시나리오를 최적화하여 발생하는 열 부하를 7kW@4.5K에 정도로 안정시킬 수 있었다. KSTAR HRS는 9kW@4.5K의 냉 각성능을 발휘하므로 22% 이상의 냉각용량 에 여유를 가지고 있다. KSTAR HRS 운영을 위해서는 전력, 냉 각수 및 압축공기 등의 유틸리티가 표 2와 같이 필요하다.(4) KSTAR HRS의 부속장 치 고장이나 오작동은 전체 시스템의 운전에 영향을 끼친다. 표 4는 2008년부터 2018 년까지 KSTAR 캠페인을 수행하면서 발생 한 부속장치의 고장, 유틸리티 상실 등을 기 록한 결과이며, 가장 빈번한 장치의 고장은 오일펌프에서 발생했다. 그리고, 여름철 태 풍 등으로 인한 정전은 전체 시스템의 비상 정지를 발생시켰다. 유틸리티 항목 소요량 비 고 6.6 kV 전원 3,600 kW 소비전력 380V 일반전원 100 kW 380V-UPS전원 60 kW 설치 전력 냉각수 520 m3/h 32℃/37℃ 냉수 25 m3/h 22℃/27℃ 압축공기 44 Nm3/h 기체질소 650 Nm3/h 압축공기 백업 표 2. KSTAR HRS 운전을 위한 유틸리티.
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━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 초전도와 저온공학 22권 2호 2020년 7월 10 항 목 발생횟수 파급 효과 오일펌프 23 시스템 비상 정지 유틸리티 상실 7 시스템 비상 정지 팽창터빈 5 냉각지연 계장류 3 Valves fault 저온압축기 2 초임계헬륨 온도 상승 헬륨순환기 5 초임계헬륨 유량 감소 진공시스템 3 압축기 모터고장 1 냉각 중지 합 계 49 표 3. KSTAR HRS 장치고장 이력.그림 4. Availability of the KSTAR HRS. KSTAR 장치의 극저온냉각상태 유지를 위해 HRS 항상 가동되어야 하므로 HRS의 정지는 전체 KSTAR 장치의 운전에 큰 영 향을 끼친다. 하지만, HRS 운전인력의 장 치 정상 운전을 위한 노력에도 불구하고 표 3과 같은 다양한 장치에서의 고장이 발생하 여 각 년도별 장치의 신뢰성을 그림 4에 나 타내었다. 2008년부터 2018년까지의 HRS 신뢰성을 종합해 보면 장치의 정지 시간에도 불구하고 95%의 신뢰성을 달성했다.(3) 4. KSTAR 저온헬륨설비 유지보수 KSTAR HRS는 압축기, 오일펌프, 팽창 터빈 및 극저온회전기기, 밸브 및 다양한 센 서 등으로 이루어진 복잡한 시스템이기 때문 에 정기적으로 회전부품을 보수하고, 밸브의 정확한 작동을 점검하고, 센서의 정밀도를 점검해야 한다. 이런 유지보수 작업은 KSTAR 캠페인 종료 후 KSTAR 장치를 완 전히 승온시킨 이후에 정기유지보수 작업을 수행한다. 압축기, 모터 등의 회전기기들은 표 4의 제작사에서 추천한 평균 유지보수 주 기(MTBM)에 따라 유지보수를 수행한다. 회 전기기는 유지보수에 특수한 기술과 공구류들 이 필요하고 제작사의 보증과 관계가 있으므 로 제작사의 유지보수 면허를 보유한 업체에 서 인증된 유지보수 절차에 따라 진행한다. 회전기기의 오버홀을 제외한 계장류, 밸브 및 전기부품류의 유지보수는 KSTAR HRS 운전인력에 의해 자체적으로 수행하고 있으 며, 특별한 이상이 없는 경우 2년마다 캠페 인 종료 후 점검해서 상태를 파악하고 필요 한 경우 해당 부품을 교체하고 있다. 장 치 MTBM 비 고 스크루압축기 오버홀 20,000 hr Mechnical seal 교체 8,000 hr 모터 오버홀 15,000 hr TF 헬륨순환기 오버홀 10,000 hr Foil 베어링 PF 헬륨순환기 오버홀 5,000 hr Foil 베어링 저온압축기 오버홀 10,000 hr 볼 베어링 표 4. KSTAR HRS 평균 유지보수 주기. (a) 압축기 오버홀 (b) 모터 오버홀 (c) 저온밸브 유지보수 (d) 온도센서 수리 (e) 활성탄 교체 (f) 헬륨순환기 오버홀 그림 5. KSTAR HRS 유지보수 작업.
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ KSTAR 저온헬륨설비 운전 및 유지보수 결과 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 초전도와 저온공학 22권 2호 2020년 7월 11 5. 요약 및 결론 2008년 KSTAR HRS가 설치된 이래로 12년간의 KSTAR 캠페인 기간 동안 약 40,000시간 운전되면서 KSTAR 장치의 냉 각과 플라즈마 운전에 기여했다. KSTAR 플라즈마 운전이 고도화됨에 따 라 열부하가 증가하였지만, HRS의 냉각능 력은 KSTAR 열부하보다 22% 이상의 여유 를 보여주었다. KSTAR HRS 운전인력의 안정적인 운영 을 위한 노력에도 불구하고 부속 장치의 고 장, 정전 등에 의해 장치의 가동정지가 발생 하였지만, 신속한 복구작업과 계획적인 예방 정비를 통해 현재까지 95%의 신뢰성을 보 여주고 있다. 특수한 경우를 제외하고 유지보수 및 수리 작업 대부분을 당 연구소 내부의 KSTAR HRS 운전인력이 수행하도록 큰 노력을 기 울였으며 이는 장치의 신뢰성 향상에 많은 도움이 되었다. 지난 12년간의 장치운영 경험을 바탕으로 판단해보면 KSTAR HRS는 KSTAR 장치 의 운전이 종료되는 시점까지 성공적인 운영 에 이바지할 수 있을 것으로 예상된다. 참고문헌
[1] E. Fauve et al. “Design, construction and performances of the KSTAR helium refrigeration system”, Proceed. of ICEC22-ICMC2008, pp.637-642 (2008)
[2] D.-S. Park et al. “Commissioning result of the KSTAR helium refrigeration system”, Nuclear Engineering and Technology, vol.40, no.6, pp.467-476, (2008)
[3] D.-S. Park, “Summary of 10-year-operation experience”, KSTAR conference, (2019)
[4] D.-S. Park et al. “Key features of the KSTAR helium refrigeration system”, Cryogenics, vol. 52, issue 12 (2012)
저자이력 박동성(朴東成) 1991-1995 충남대학교 기계설 계공학과, 1995-1997 충남대 학교 기계설계공학과, 1998-2006 충남대학교 기계설계공학 과, 2005-현재 국가핵융합연구 소 진공극저온연구팀 책임기술원 주재준(周在俊) 1999-2002 한밭대학교 소재 생산가공공학과, 2013-2015 한남대학교 기술경영과정, 2003 –현재 국가핵융합연구소 진공 극저온연구팀 선임기술원 문경모(文卿募) 2000-2007, 한밭대학교 제어 계측공학과, 2013-2015 한남 대학교 기술경영과정, 2011-현 재 국가핵융합연구소 진공극저 온연구팀 선임기술원 김남원(金南沅) 2016 한밭대학교 신소재공학 졸업, 2012-현재 국가핵융합 연구소 진공극저온연구팀 기술원 장호성(張鎬盛) 2011-2017 고려대학교 기계 공학부, 2019-현재 국가핵융합 연구소 진공극저온연구팀 기술원 곽상우(郭相佑) 2013-2015 한남대학교 기술 경영과정, 2002-현재 국가핵융 합연구소 진공극저온연구팀 책임기술원(팀장)
