급속 냉각이 가능한 수직형 삼중수소 저장용기 설계 이지성

Applied Chemistry,

Vol. 15, No. 1, May 2011, 49-52

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급속 냉각이 가능한 수직형 삼중수소 저장용기 설계

이지성⋅구대서⋅정동유⋅정흥석 한국원자력연구원

Design of a Vertical Type Hydrogen Isotope Storage Vessel with a Rapid Cooling Performance

Jisung LeeㆍDaeseo KooㆍDongyou ChungㆍHongsuk Chung Korea Atomic Energy Research Institute

Abstract

Hydrogen isotope is a main fuel for nuclear fusion reactors like ITER (international ther- monuclear experimental reactor). Metal hydride is considered for the storage of the hy- drogen isotope. Hydrogen isotope absorption and desorption are carried out in a metal hy- dride bed. These reactions require heat removal and supply respectively. Therefore, rapid storage and delivery of tritium are enabled by rapid cooling and heating of the storage vessel. Rapid heating can be achieved with an electrical heater. However, rapid cooling is not easily achieved. A vertical type hydrogen isotope storage vessel containing 1250 g of ZrCo powder is designed to enhance the cooling performance. Two types of cooling meth- od, an external helium circulation and an internal helium circulation loop, are proposed in this study. The transient cool down time from 350℃ to lower temperatures has been estimated. Details of heat transfer analysis and parametric study at each boundary con- dition are presented in this paper.

1. 서 론

삼중수소는 미래의 핵융합 에너지의 연료이며, 이에 대한 실증적인 연구를 위한 단계에서 삼중수소를 금속파우더에 메탈 하이드라이드(metal hydride) 형태로 저장하였다가 반응로로 공급하는 방안을 고 려하고 있다[1]. 삼중수소는 금속 파우더와 화학적인 반응을 통해 수소 화합물을 형성하는데, 이때 반 응열을 수반한다[2]. 따라서 삼중수소가 메탈 파우더 내부로 흡장되는 시간을 줄이기 위해서는 용기를 급속 냉각해 주어야 하고, 반대로 삼중수소를 짧은 시간 안에 탈장하기 위해서는 용기를 급속 가열해주 어야 한다. 핵융합 반응로 내부로 신속하게 삼중수소를 공급 및 회수하기 위해서는 삼중수소가 이동하 는 관 및 필터에서의 압력강하를 최소로 하면서, 저장용기의 열전달 특성을 동시에 고려하여 설계해야 한다. 본 논문에서는 저장용기의 열전달 특성에 초점을 두었고, 그중에서도 급속 냉각 성능을 향상시키 기 위해 실린더 형태의 수직형 삼중수소 저장용기를 설계하였다.

2. 수직형 저장 용기 설계

삼중수소를 ZrCo 금속파우더에 저장하기 위하여 이중벽 구조의 실린더 용기를 설계하였다. 저장용기 의 재질은 스테인리스 스틸이고, 내경은 146 mm, 외경은 166 mm, 높이는 320 mm, 벽두께는 5 mm 로 설계하여 삼중수소가 ZrCo 파우더와 반응하였을 때 충분한 용적을 가질 수 있도록 설계하였다. 용

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Fig. 2. Configuration of internal helium circulation loop.

기의 급속 냉각을 위하여 본 논문에서는 두 가지 방안을 제안하였다. 용기의 급속 가열 및 일정 온도 유 지가 필요한 경우에 외부로 전달되는 열손실을 방지하기 위해 저장용기는 Fig. 1과 같이 진공용기 내부 에 위치한다. 급속 냉각을 위한 첫 번째 제안은 진공용기에 상온의 헬륨가스를 순환시키는 방법이다. 하 부에서 차가운 헬륨 가스를 뿜어주어 용기를 냉각하고, 뜨거워진 헬륨 가스를 상부에서 뽑아준다. 그리 고 뜨거운 헬륨 가스는 대기 온도로 냉각된 후 펌프를 통해 다시 순환하는 구조이다.

Fig. 1. Configuration of tritium storage vessel and external helium circulation cooling system.

다음으로 용기 내부의 ZrCo 파우더를 직접 냉각하도록 헬륨 루프를 Fig. 2와 같이 설계하였다. Fig.

2는 실린더 형태의 용기를 펼쳐서 전개한 모습을 나타내며, 내경 4 mm, 외경 6 mm, 길이 2 m인 구리 튜브를 설치하였다.

3. 열전달 해석 및 냉각성능 3.1. 외부 헬륨 순환 냉각

상온의 차가운 헬륨이 진공용기 내부로 연속적으로 공급되기 때문에 수직형 평판에서의 자연대류 열 전달로 가정하여 열전달 계수를 예측하였다. 차가운 헬륨은 308 K으로 공급되고, 벽면의 온도에 따른 열전달 계수의 민감도를 살펴보기 위하여 벽면 온도가 600 K, 500 K, 400 K, 323 K으로 변할 때 아

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급속 냉각이 가능한 수직형 삼중수소 저장용기 설계

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식(5)

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래 식(1)-식(3)[3]을 이용하여 열전달 계수를 계산하였다. 각각의 경우에 대해 계산된 자연대류 열전 달 계수는 13.2 W/m²K, 12.4 W/m²K, 10.8 W/m²K, 7.1 W/m²K이며, 평균값은 10.9 W/m²K이다.

3.2. 내부 헬륨 순환 냉각

헬륨 가스의 유동을 난류영역으로 설계할 경우 열전달 계수가 높아지므로 Reynolds 수가 4000이 되 도록 유량을 120 SLPM (standard liters per minute)으로 설계하였다. 헬륨 가스가 튜브를 지나는 동안 튜브 벽면의 온도는 일정하다는 가정으로 아래 식(4)-식(7)[3]에 의해 대류열전달 계수와 헬륨 루프의 출구 온도를 예측하였다.

헬륨 가스의 입구 온도는 308 K이고, 튜브 벽면의 온도가 600 K, 500 K, 400 K, 323 K으로 변할 때 계산된 Nusselt 값의 차는 0.1 이내로 작았다. 평균 Nusselt 값인 13.3을 적용한 결과 구리 튜브의 길이가 2 m일 경우, 출구에서 헬륨 가스의 온도는 622.9 K으로 튜브의 벽면 온도 즉, 용기와 근사한 온도까지 충분히 상승함을 확인하였다.

3.3. 냉각시간

외부 헬륨 순환과 내부 헬륨 순환 루프에 따른 냉각효과를 예측하였다. 용기 전체의 온도는 공간적으 로 균일하게 냉각된다는 가정 하에 에너지 보존 방정식을 적용하면 식(8)-식(9)와 같이 시간에 따른 용기의 온도를 예측할 수 있다.

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내부 헬륨 순환 루프가 두 조로 이뤄져 있기 때문에 총 유량은 240 SLPM이고, 용기와 ZrCo 파우더 의 무게는 18.6 kg이며, ZrCo 파우더의 비열은 610 J/kgK[4]으로 가정하였다. 헬륨 가스의 입구 온 도가 308 K, 용기의 초기 온도가 623 K일 때 헬륨 순환에 의한 냉각시간을 계산하였다. 3.2절에서 계 산된 자연대류 열전달 계수 값을 적용하고, 내부 헬륨 순환 루프의 출구 온도는 용기온도와 동일하다는 가정으로 계산한 결과 용기의 초기온도 623 K에서 323 K 까지 냉각되는데 소요되는 시간은 72분으로 예측되었다.

4. 결 론

미래 핵융합 에너지의 연료로 사용될 삼중수소를 반응로에 신속하게 공급 및 회수하기 위한 삼중수소 저장용기를 설계하였다. 본 논문에서는 저장용기의 열적 특성을 고려하여 급속 냉각이 가능한 실린더 형태의 수직형 저장용기를 설계하였고, 냉각 효과를 증진시키기 위해 진공용기 내부에 헬륨 가스를 순 환시키는 방안과 수소가 흡장되는 금속 파우더 내부로 헬륨 가스를 직접 순환시키는 방안 두 가지를 제 안하였다. 열전달 해석을 통해 저장용기의 주요 설계변수를 결정하였고, ZrCo 파우더와 용기자체의 온 도 구배가 없다는 가정 하에 냉각시간을 예측하였다. 용기 전체가 공간적으로 균일하게 냉각된다는 가 정은 용기의 급속 냉각에 매우 중요한 요소이다. 따라서 열전도도가 낮은 ZrCo 파우더 내부에 핀(fin) 을 설치하는 것이 바람직하며, 보다 정확한 냉각시간을 예측하기 위해서는 핀 구조를 포함한 열전달 해 석이 필요하다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부와 지식경제부의 국제핵융합실험로 공동개발사업으로 수행되었습니다(NRF 2011-0000296).

참고문헌

1. Hongsuk Chung et al., “Korea’s progress on the ITER tritium systems”, Fusion Engineering and Design, 84, 2009, pp.599-603.

2. Dongyou Chung et al., “Fusion fuel gas recovery and delivery characteristics on a tray-type ZrCo bed”, Fusion Engineering and Design, 2011 (In press) doi: 10.1016/j. fusengdes. 2010.11.026.

3. Frank P. Incropera, Introduction to heat transfer, 4th ed., John Wiley & Sons, 2002.

4. M. Shim et al., “Heat analysis on the initial reference design of ZrCo hydride beds for ITER”, Fusion Engineering and Design, 83, 2008, pp.1433-1437.