Applied Chemistry,
Vol. 15, No. 2, October 2011, 133-136
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수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 베드 제작 정량
구대서ㆍ정동유ㆍ정흥석†ㆍ이정민
한국원자력연구원
Fabrication of a Vertical-Type ZrCo Bed for Recovery/Delivery of Hydrogen Isotopes
Daeseo KooㆍDongyou ChungㆍHongsuk Chung†ㆍJungmin Lee Korea Atomic Energy Research Institute
(hschung1@kaeri.kr†)
Abstract
A vertical-type ZrCo bed was fabricated for recovery/delivery of hydrogen isotopes. The outer grooves and heater tubes was designed to have a good heat transfer. The helium loop and copper fins and the tube of helium loop inlet and the tube of helium loop outlet was prepared for a good heat transfer. To cool down the temperature of the ZrCo metal hydriding rapidly, the circulation of low temperature helium gas in helium loop and in tube in secondary vessel will be performed by using operating MBP602 and MBP302. And the test of recovery/delivery for vertical-type ZrCo bed will be performed. The temperature of primary vessel, ZrCo metal powder and the pressure of primary vessel will be meas- ured, and the rates of recovery/delivery will be analyzed.
key word: ZrCo bed, fabrication, hydrogen isotope, recovery, delivery
1. 서 론
핵융합로 연료로 사용하는 삼중수소를 저장하고 공급하는 ZrCo 메탈 합금 베드에 대한 수소 동위원 소 흡장(recovery) 및 탈장(delivery) 시험이 수행되어 왔다[1-4]. 수소동위원소 bed를 개발하기 위 하여, 수소 동위원소 흡ㆍ탈장 성능을 제고하기 위한 시험이 수행되어 왔다. 본 연구에서는 수소동위원 소 흡ㆍ 탈장 성능을 개선 할 수 있는 새로운 방안을 적용하여 열전달을 빨리 하고 급냉각 할 수 있는 수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 베드를 제작하였다. 히터 열전달을 개선하기 위하여 1차용기 외벽 홈에 히터배관과 헬륨루프와 구리핀 사이 및 헬륨루프와 배관을 설계하였다. ZrCo 메달 합금 하이드라 이드 온도를 빨리 냉각하기 위하여, 헬륨루프 구리핀을 통하여 저온 헬륨가스를 순환하고 ZrCo 베드 2 차 용기배관을 저온 헬륨가스를 순환 하도록 하였다. 히터와 열전대는 2차용기에 연결체로 고정하였다.
향후 수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 베드에 대한 흡ㆍ탈장시험을 수행하여 흡ㆍ 탈장 시간에 따른 온도, 압력 및 흡ㆍ 탈장률을 측정하여 수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 베드 성능을 논의 할 것이다.
2. 베드 제작 2.1. 1차용기
수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 메탈 합금 베드제작을 위하여 1차 용기 제작설계조건은 압력
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500kPa, 온도 600℃, 진공도 (1.0×10-5~1.0×10-6~kPa) 및 재질 STS 316로 하였다. 헬륨루프 배 관 및 구리핀 헬륨 리크검사(Varian, MR15, 0.0×10-10 mbarㆍ l/s)를 수행하여 헬륨루프배관 및 구리 핀 리크가 없음을 확인하였다. Fig. 1은 1차용기 헬륨루프 구리핀 형상을 나타낸 것이다. 헬륨루프 인 렛 2쌍은 한쌍은 원주 시계방향, 다른 쌍은 원주 반시계방향으로 진행하여 반대쪽(180o)에서 결합하여 헬륨루프 아우렛 배관으로 연결된다. 1차용기 외벽 홈(groove)을 가공하여 5kW 히터 2쌍을 설치하였 다. Fig. 2는 ZrCo 베드 1차용기 형상을 나타낸 것이며 헬륨루프, 수소필터, 케이블히터, 모사히터 및 열전대 연결체를 관찰 할 수 있다. 헬륨루프 배관과 구리핀 브레이징을 수행하여 수소 동위원소 흡장된 ZrCo 메탈 합금 하이드라이드 열이 저온 헬륨루프에 의하여 빨리 냉각되게 하였다. 또한 히터열이 1차 용기 STS 316를 통하여 ZrCo 메탈 합금 하이드라이드에 빨리 전달되어 수소동위원소 탈장을 용이하 게 하도록 하였다.
Fig. 1. 헬륨루프 구리핀. Fig. 2. 1차 용기.
Fig. 3 및 4는 수소 인렛 필터와 수소 아우렛 필터를 나타내며 수소 인렛 필터 원주하부 60° 간격으 로 φ4mm 홀 가공하여 수소 가스가 균일하게 공급하게 하였다. 1차용기와 수소필터외경 사이 10mm 공간에 헬륨루프 구리핀(2쌍), 열전대(TC3개), 수소 인렛 배관(2개), 모사히터(3개) 설치하고 ZrCo 금속합금 파우더 1241g을 균일하게 충전하였다. 수소필터 내경 124mm와 내부용기 외경 117mm 사 이 3.5mm공간을 통하여 용기바닥에서 250mm 진행한 후, 1차용기 높이 250mm~270mm영역은 내부 용기(외경 96mm/내경 87mm) 유지하여 수소 아우렛 배관 (4개)를 통하여 수소 가스를 배기하도록 하 였다.
Fig. 3. 수소 인렛 필터. Fig. 4. 수소 아웃렛 필터.
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2.2. 2차용기 및 수직형 베드
2차용기 제작설계조건은 압력 400kPa, 온도 100℃, 진공도 (1.0×10-5~1.0×10-6~kPa) 및 재질 STS 304로 하였다. Fig. 5는 수직형베드 정면도를 나타낸 것이다. 2차용기 상부에 케이블 히터, 모사 히터, 열전대(thermocouple)를 설치하였다. Fig. 6은 수직형베드 단면도를 나타낸 것이다. 1차용기 내 부구조, 상부, 측면 및 바닥면 열 차폐체를 확인 할 수 있다.
Fig. 5. 수직형 베드 정면도. Fig. 6. 수직형 베드 단면도.
3. 향후 계획
3.1. 흡장시험 및 측정
이상기체 방정식 PV = nRT의 현재온도 T에서 수소저장 탱크 압력 P 계산하여 수소를 수소저장탱 크에 채운다. Lapview 8.2 프로그램에서 흡장파일 생성하고 데이터 수집시간(1초) 세팅 후 수소유입 밸브 열어 데이터 수집을 시작하여 300초(5분)되면 수집시간 3초로 세팅하여 수소 흡장 데이터를 수 집한다. 10분 내 수소가스는 ZrCo 메달 합금 파우더에 거의 흡장되는 경향을 나타낸다. 수소 흡장 데이 터를 수집한 후 흡장시간에 따른 ZrCo 메달 합금 하이드라이드 온도, 1차용기 압력, 온도 및 흡장률을 측정하여 수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 베드의 수소 동위원소 흡장 성능을 분석할 것이다.
3.2. 탈장시험 및 측정
Lapview 8.2 프로그램에서 탈장파일 생성하고 먼저 ISP 펌프 누설률을 측정하기 위하여 10초 간격 으로 ISP 펌프 리크 데이터를 600초(10분) 수집한다. ISP 펌프 누설률을 측정하여 ZrCo 메달 합금 하이드라이드의 수소 탈장률에 가산한다. ZrCo 메달 합금 하이드라이드 탈장조건은 10분 동안 실온에 서 270℃ 승온하고, 다시 15분 동안 270℃에서 340℃ 승온하고, 그 후 340℃에서 60분 유지하면서 ZrCo 메달 합금 디하이드라이드 수소 탈장데이터를 수집한다. 수소 탈장 데이터를 수집한 후 탈장시간 에 따른 ZrCo 메달 합금 디하이드라이드 온도, 1차용기 압력, 온도 및 탈장률을 측정하여 수직형 수소 동위원소 흡탈장 ZrCo 베드의 수소 동위원소 탈장 성능을 분석할 것이다. 따라서 향후 흡ㆍ탈장시험을 수행하여 수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 베드에 대한 수소동위원소 흡ㆍ탈장 성능을 토의할 것이다.
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4. 결 론
열전달을 빨리 하고 급냉각할 수 있는 수직형 수소동위원소 흡탈장 ZrCo 메탈 합금 베드를 제작하였 다. 히터 열전달을 개선하기 위하여 1차용기 외벽 홈에 히터배관을 설치하고 헬륨루프와 구리핀 사이 및 헬륨루프와 배관을 설치하였다. ZrCo 메달 합금 하이드라이드 온도를 빨리 냉각하기 위하여 헬륨루 프 구리핀을 통하여 저온 헬륨가스를 순환하고 또한 ZrCo 베드 2차용기 배관을 저온 헬륨가스를 순환 하도록 하였다. 수소필터는 수소 인렛 필터와 수소 아우렛 필터로 구성하였다. 향후 흡장 및 탈장시험을 수행하여 흡ㆍ 탈장 시간에 따른 온도, 압력 및 흡ㆍ 탈장률을 측정하여 수직형 베드 수소동위원소 흡탈 장 ZrCo 메달 합금 베드 성능을 분석하여 토의할 것이다.
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부와 지식경제부의 국제핵융합실험로 공동개발사업으로 수행되었습니다 (NRF 2011-0000296).
참 고 문 헌
1. M. Shim, et al., “Hydriding/dehydriding characteristics on fast heat transfer response ZrCo bed for ITER", Fusion Engineering and Design 84, 1763-1766(2009).
2. T. Nagasaki, et al., “A Zirconium-Cobalt Compound as the Material for a Reversible Tritium Getter", Fusion Technology, Vol. 9, pp. 506-509(1986).
3. 정흥석 등, “ITER 삼중수소저장ㆍ공급계통 성능측정 및 검증”, KAERI/RR-2879/2007(2008).
4. 정흥석 외, ITER 삼중수소 저장ㆍ공급용기 개발 및 시험, KAERI/CR-324/2008(2009).
