-TER SDS BED 재질에 따른 열전달 특성

때．11

ApP]ledChemistry,

Vo113,NoZ,october2009,233-236

-TER SDS BED 재질에 따른 열전달 특성

와재쵸’·김용규’·구대저’·정흥석”

’한국원자력연구소

Hcat Tmnsfer Cllalacteristics acco枕ling to thc Nlaterial of fIER SDS bed

1쁘工브뜨k르＊·Yong.Kyu KI’m"·Dae-SeoKoo*·Hong-SukChung*

’Korea Atomic Enel겪yResearch Institute

Abstract

The rol略of tl犯zrCo hydridebed intlleITER storageand deliverysy'st이n(SDS) is to storeand 馱IPplyD- T fuelduringDT I)lasma OI)eration.The hydridebed reqtlires tl犯perforlnanceoffastrecoveryallddeliveryofD- T. For thehydriding/dehydriding process, itjs iTTll)ortant to improve the dehydriding rate based on heaL transfer e1'fici아Icy.ㄲ玘refore,thepurposeofthisstudy15toimprovetheheatingperformance inthe 1),ER ZrCo bed, This pal玘rshows a siml기eZrC0 bed model. Tㅇevaluate the heat transfercharaCteristics,itwas cmnpared with the change of temperature in 다le bed fortime as the material ofthe bed was changed using FE- simulatjon.

1.서 론

중수로형 원전 방사성폐기물인 삼중수소 （Tritium）는 반감기 12.3년의방사성폐기물이지만，미래 의 핵융합발전의 소중한 자원이다． 한국의 조달품목 중 하나인 ITER (IntemationaltherTTlal

exPerimental reactor） 용 SDS (Storage and delivery system) 용기는 삼중수소를 저장 및 공급하는

SDS 용기 내의 ZrCo가파우더화 （Powdehzation）되었을 때，삼중수소는 수소저장탱크로부터 SDS 용기로 유입라인의 밸브를 오픈 시 거의 l0분내에 99% 흡장 （Hydriding）이 된다．그러나 탈 장（Dehydriding）의 경우 충분한 화학반응을 일으키기 위해 열을 공급해야 하므로，99% 탈장 시 25분내외의 시간이 소요되었다 【2].즉，현재 삼중수소의 탈장은 흡장에 비해 많은 시간을 필요로 하고 있다．따라서 SDS 용기의 흡탈장에서 탈장속도를 흡장속도만큼 향상시키기 위해서 열전달이 충분히 이루어져야 한다．

따라서， 본 연구에서는 SDS 용기의 탈장속도를 개선하기 위해 Fig. 1 등과 같은 베드를 위해，

히터，헬륨루프 관의 재질에 대한 열전달 평가 목적으로 유한요소해석을 수행하여 적절한 소재를 선정하고자 한다．

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Fig.1 SDS Bed tl〕

2. 소재의 물성

삼중수소의 흡탈장에서 탈장속도를 항상시키기 위해서는 히터와 ZrCO 사이의 열전달이 빨리 이

루이져야 하므로 히터， 헬륨루프 관의 소재는 Stainl驪5 Steel과 C叩Per로 고려하였다． 각 소재에

대한 열전달 물성은 Table l과같다．

TabIe l.C。mpariso『IOf Thermal propertiesf。reach matieralat300K

痲쓴

Diffusivity (mZ/ s) 316Copper(Pure)Stainless 7770⁸⁹³³ 460³⁸⁵ 4帆25 O.699X11.7XIO-5IO-5

두 소재에 대한 물성을 비교해보면， 비열은 스테인리스가 높지만， 밀도， 열전도율， 열확산도의

3.열전달 헤석

SDS 용기의 홉탈장 속도향상을 위한 기본조건으로 ZrCO로의열이 빠르게 전달되어야 하며，균 일하게 전달되어야 한다．그리고 열에 의한 변형이 적어야 하며，제작성이 용이해야 한다．따라서 공정변수로는 베드의 두께와 재질로 설정하였다．SDS 용기의 무게를 고려하여 베드의 두께는 6t, 8t로고려하였고，히터와 헬륨루프 관의 재질은 Stainless로고정하였다．

본 연구에서 SDS 용기 내 히터와 베드의 열전달 특성을 비교해보기 위해 유한요소해석을 이용 하였다．실제와 유사하게 하기 위해 히터，혤륨루프 관을 모두 고려하였고，해석모델은 Fig.2와 같은 실험 장치에서의 향후 실험 검증을 염두에 두고 설정하였다．

응용화학．제13권제2 호，2009

매．1·esl

ITER SDS BED 재질에따른열전달특성 ²³⁵

삼중수소의 흡탈장 실험은 고진공상태에서 실험된다．따라서 외부로의 대류 열전달은 없다고 가 정하였다．열전달 조건으로 전쳬적으로 상온으로 설정하였고，케이블 히터에 4000W의전압만 설 정하였으며，베드의 표면온도가 수백℃ 에 도달하는데 걸리는 시간을 기준으로 해석을 수행하였다．

Fig.2 Tet rigforthemodel veritication[1〕

4. 헤석 결과

열전달 해석을 통해 베드의 표면온도가 수백℃ 에 도달하는 데 걸리는 시간과 이때의 최대 변형 량을 TableZ에나타내었다．가열시간은 열전도율이 낮은 스테인리스에 비해 열전도율이 높은 구 리일 때 상대적으로 빠르나 거의 같은 시간에 수백℃ 까지 도달하였으며，시간적인 차이는 크게 발 생하지 않았다．그리고 베드의 두께가 증가할수록 가열시간이 수십 초 내외로 늘어남을 알 수 있 었다．베드의 변형은 가열시 굽힘 또는 비틀림 등에 의해 발생한다．동일한 두께에서 베드의 재질 이 구리에 비해 스테인리스일 때 변형량이 적게 발생하였다．

본 연구에서 고려한 스테인리스와 구리를 열전달 특성을 비교해보면 열전도율은 구리가 좋지

만， 베드 전쳬를 가열한다고 했을 때 온도편차가 크기 때문에 굽힘이나 비틀림 등의 문제가 발생

따라서 무게도 가볍고，재료의 강도나 수명의 측면에서 보면 스테인리스로 설계를 하는 것이 나을 것으로 판단된다．

AppliedChenllstry,Vol.13,NO,2,2009

236 이재은·김용규·구대서·정훙석

Table 2.Comparison ofThermal propertiesforeach materialat3OOK

Variable DisPlacement

(mm) Material ThickneSS

Stainless

6t 1.78

8t 1.45

Copper

6t 2.00

8t 1.68

5. 켤 론

ITER SDS 용기의 삼중수소 홉탈장 성능 향상을 위해 베드의 두께 및 재질에 따른 열전달 특성 을 유한요소해석을 통해 알아보았다．열물성을 비교하였을 때，스테인리스에 비해 구리가 열전달 이 더 우수하다．그러나 본 연구에서 설계한 SDS 용기에 적용하였을 시，실질적인 열전달 성능은 크게 차이가 나지 않았다．베드 표면온도를 비교해보면 스테인리스로 설계 시 구리에 비해 보다 균일한 열전달이 가능할 것으로 판단된다．또한，열변형량을 비교해보면 베드의 두께가 증가할수 록 작게 발생하며，구리에 비해 스테인리스로 설계 시 적게 발생하였다．

따라서 SDS 용기의 설계 시 히터，혤륭루프 관의 재질을 모두 스테인리스로 설계하더라도 베드 표면의 열전달이 잘 이루어지며，구조적으로 안정할 것으로 판단된다．

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부 국제핵융합실험로（lTER) 공동개발사업의 일환으로 수행되었음．

참 고 문 헌

1.H.Chung,etal.,Korea’s Progresson theITER tritiumsystems,FusionEngineeringandDesign 84,59또603(2009)

2.M. Shim etal.,"Hydriding/dehydridingcharacteristicson fastheat transferresponse ZrCo bed forITERllFusionEngineeringand Design84, 1763- 1766 (2009)

응용화학，제13권제2호，2009