판형 ZrCo 수소동위원소 저장 Bed의 흡장 시작 온도에 따른 흡장 성능의 변화

Applied Chemistry,

Vol. 15, No. 1, May 2011, 57-60

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판형 ZrCo 수소동위원소 저장 Bed의 흡장 시작 온도에 따른 흡장 성능의 변화

정동유⋅이지성⋅구대서⋅정흥석^†

한국원자력연구원

Hydriding Characteristic Depending on Initial Hydriding Temperatures in a Tray-type ZrCo Bed

Dongyou Chung⋅Jisung Lee⋅Daeseo Koo⋅Hongsuk Chung^† Korea Atomic Energy Research Institute

Abstract

A metal hydride bed for the storage and delivery of hydrogen isotopes is one of the essential components of the tokamak fuel cycle. For the development of a metal hydride bed, rapid delivery/recovery rates according to the tokamak operation scenario and accurate and rapid measurement of tritium inventory are major concerns. To achieve these requirements, it is important to design an operation scenario for rapid cooling performance.

Therefore we should know the highest temperature of the bed without significant decrease of hydriding performance to minimize cooling time. In this study, we present the hydriding characteristics of ZrCoHx SDS bed with different initial hydriding temperatures.

1. 서 론

핵융합발전은 고준위방사성폐기물을 발생하지 않는 중요한 미래 에너지원이다. 중수로형 원전 방사 성폐기물인 삼중수소(Tritium)는 반감기 12.3년의 방사성폐기물이지만, 미래의 핵융합발전의 소중한 자원이다. 선진 각국은 21세기 중에 실용화 될 것으로 예상되는 핵융합발전 기술 개발에 많은 노력을 경주하고 있다. 한국은 미국, EU, 일본, 중국, 인도 및 러시아와 더불어 국제핵융합실험로(ITER, International thermal experimental reactor) 프로젝트에 주도국으로 참여하여 핵융합 핵심 기술을 개발 중이다. 핵융합로에서는 많은 양의 중수소와 삼중수소를 연료로 사용하며 삼중수소는 금속 수소화 베드에 저장하였다가 핵융합로로 공급된다. 한국의 조달품목 중 하나인 SDS (Storage and delivery system) 용기는 삼중수소를 저장 및 공급하는 장치로서, 핵융합로의 운전 시나리오에 의해 일정량의 삼중수소를 토카막 반응로로 공급해야 하기 때문에 SDS 용기 내에서 신속한 저장 및 공급 성능이 요구 된다[1,2]. ZrCo 베드의 경우 삼중수소의 공급을 위해 탈장 시 350℃로 가열하므로 다시 신속하게 삼 중수소의 저장이 가능하게 하기 위해서는 적정 온도까지 급속 냉각이 필요하다. 이때 냉각시간을 단축 시키기 위해서 베드의 냉각 온도가 높을수록 유리하다. 하지만 베드의 온도가 높을 경우 흡장 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 적정 냉각 온도를 찾아야 한다. 따라서 본 실험에서는 적정 냉각 온도를 설 정하기 위해 흡장 시작 온도에 따른 흡장 성능의 변화에 대해 살펴보려 한다.

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2. 실 험

2.1. 실험장치의 구성

Fig. 1은 삼중수소 저장·공급 베드의 단면 및 실험장치의 계통도이다. 삼중수소 저장·공급 실험 장 치는 수소저장 탱크, 매니폴드 및 펌프, 수소 흡탈장 모니터링 장치, 수소 흡탈장 저장용기 제어장치, 데 이터 수집 장치, ZrCo bed, He-loop 순환 장치 등으로 구성되어 있다. Bed는 삼중수소 70 g 저장이 가능하게 제작되었다. SDS bed는 1차 용기 내부에 3개의 트레이가 존재하고 각 트레이에는 ZrCo 분 말이 충전되어 있고 삼중수소 발열을 모사하기 위한 모사히터와 bed 내 잔존하는 삼중수소의 양을 측 정할 수 있는 He-loop, 트레이 가열을 위한 18 kW 용량의 cable형 히터, 1차 용기를 감싸고 있는 열 차폐체와 2차 용기 등으로 구성되어 있다. 2차 용기는 흡장 시에는 냉각을 위해 He이 채워지고, 탈장 시에는 열손실을 최소화하기 위해 진공을 유지하게 된다.

(a) (b)

Fig. 1. (a) Cross sectional view of the tray type ZrCo bed. (b) Flow diagram of experimental apparatus.

2.2. 실험 조건 및 방법

본 실험에서는 ZrCoH1.8에서 세 가지 흡장 시작 온도 조건(상온, 50℃, 100℃)에 대하여 흡장 실험 을 수행하였다. 흡장 전 2차 용기에 헬륨을 760 torr까지 충전하고 measuring tank에 정해진 양의 수 소를 충전한 다음 1차 용기 내의 트레이를 히터로 가열하여 각각의 실험 온도 조건에 도달하면 히터를 off하고 measuring tank와 베드의 1차 용기 사이의 밸브를 열어 흡장을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2와 Table 1은 흡장 시작온도에 따른 흡장 실험결과를 각각 그래프와 표로 나타냈다. ZrCoH1.8

로 흡장 시 90% recovery rate는 흡장 시작온도 상온에서 52.67 Pa⋅m³/s, 50에서 57.26 Pa⋅

m³/s, 100℃에서 49.54 Pa⋅m³/s이었다. 흡장 시작온도 변화에 따른 흡장 성능의 변화는 크지 않았 다. 모든 조건에서 90% 흡장 완료까지 5분 내외 정도가 소요되었다.

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판형 ZrCo 수소동위원소 저장 Bed의 흡장 시작 온도에 따른 흡장 성능의 변화

ZrCo hydride Initial tray temperature of recovery (℃)

90% recovery Rate

(Pa⋅m³/s)

Time (min)

ZrCoH1.8 Room Temp (approx. 20) 52.67 5.2

ZrCoH1.8 50 57.26 4.8

ZrCoH1.8 100 49.54 5.5

Fig. 2. Pressure transient during recovery at different initial recovery temperatures.

Table 1. Test results for different initial recovery temperatures

4. 결 론

본 실험에서의 수소 흡장 시작 온도 조건 범위에서는 결과에서 나타난 것처럼 흡장 성능의 변화가 미 미했다. 따라서 실험 설정 온도 범위 내에서는 흡장 시작 온도 100℃까지 냉각을 하여 흡장을 수행하는 것이 냉각 및 흡장 성능을 고려했을 때 타당한 것으로 판단된다. 차후에 100℃ 이상의 온도에서 추가실 험을 실시하여 냉각을 위한 최적의 흡장 시작 설정 온도를 결정하고 이 실험 결과를 토대로 SDS 베드 냉각 및 흡장 운전 조건에 반영해 활용할 예정이다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업의 일환으로 수행되었음.

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참고문헌

1. J. L. Hemmerich et al., Fusion Technology, 28, 1732 (1995).

2. Hongsuk Chung et al., Fusion Engineering and Design, 84, 599 (2009).