[특별기획(Ⅵ)] ITER ADS 공정 기술 동향

에서 사용된 헬륨압축기의 소요 동력은 효율 70.0%

기준으로 약 198.68 kW가 소요되며 팽창터빈 (expansion turbine)기에서는 약 6.34 kW가 소요되 는 것으로 계산되었다.

4. 결론 및 전망

국내에서는 아직 ITER ISS를 위한 초저온 증류공 정모사를 수행한 기관은 없다. 가장 큰 이유 중에 하 나는 수소동위원소들에 대한 물성데이터들의 부족을 들 수 있을 것이다. ITER ISS 공정에 대한 물성 데이 터베이스를 확보하고 선정된 열역학 모델식과 매개변 수에 대한 정확성이 검증된다면 정상상태 모사뿐만 아니라 동적모사(dynamic simulation)도 가능하다.

특히 ITER ISS 공정은 공정 내에 삼중수소 체류량의 최소화나 이를 위한 평형반응기 위치 최적화 그리고 주변 공정으로부터 유입되는 원료 조건 변화를 고려 하기 위해서는 동적모사를 기반으로 한 case study가 필수적이다. 그리고 이러한 시뮬레이션 모델이 확보되 어야만 ISS 설계요건 변경에 대한 능동적 대처가 가 능하다. 또한 ITER ISS에 대한 공정 해석 및 전산모 사와 관련해서 독일, 일본, 미국 등 핵융합연료주기 선 진국 대비 우리나라의 기술 수준을 대등한 수준으로 만들 수 있는 기반이 된다. 공주대학교에서는 ITER ISS 공정에 대한 동적모사에 필요한 물성확보와 주요

장치들의 사이징을 수행한 바 있으며, 동적모사기 프 로그램이 50 K이하에서 계산되지 않는 코드문제를 해 결하였다. 그리고 2015년까지 ITER ISS 공정에 대해 서 동적모사를 통한 최적화를 목표로 하고 있다.

참고문헌

[1] M. Glugla, A. Antipenkov, S. Beloglazov, C.

Caldwell- Nichols, I.R. Cristescu, I. Cristescu, C. Day, L. Doerr, J.-P. Girard, and E. Tada, “The ITER Tritium System,”Fusion Engineering and Design, Vol. 82, 2007, pp. 472-487.

[2] H. Yoshida, O. Kveton, J. Koonce, D. Holland, and R.

Haange, “Status of the ITER Plant Design” , Fusion Engineering and Design, Vol. 39-40, 1998, pp. 875- 882.

[3] Ahn, D. H., Paek, S. W., Kim, K. R., Jeong, H. S., Choi, H. J., Kim, J. K., Kang, H. S., Lee, H. S., Kim, W. S. and Song, K. M., “Design of the Liquid Phase Catalytic Exchange Column for the Wolsong Tritium Removal Facility,” Proceedings of the Korean Nuclear Society Spring Meeting, May 27-28 (2001).

[4] D. Y. Peng, and D. B. Robinson, “A New Two- constant Equation of State for Fluids and Fluid Mixtures” , Ind. Eng. Chem. Fundam, 15, 8 (1976).

[5] G. Soave, “Equilibrium Constants from a Modified Redlich-Kwong Equation of State,”Chem. Eng. Sci., 27(6), 1197-1203 (1972).

ITER ADS 공정 기술 동향

박회경, 김동선*

공주대학교 [email protected]

1. 서론

ITER 연료주기 내 삼중수소(Tritium; T2), 중수 소(Deuterium; D2) 및 가스 연료 상의 흐름에서 삼

중수소 및 중수소는 토카막플랜트를 거쳐 플라즈마 상태에서 핵융합반응에 참여하고, 미반응 가스를 비 롯하여 삼중수소와 중수소 등의 복합 생성가스 등은

삼중수소플랜트로 이송되게 된다. 여러 단계의 수소 동위원소 정제공정을 거치면서 분리된 수소동위원소 는 저장, 공급시스템과 연료공급시스템으로 다시 순 환 된다. 이러한 순환 과정을 거치면서 오염되거나 삼 중수소화 된 폐가스와 폐수 등은 탈삼중수소 공정 (ADS;Atmosphere Detritiation Systems)으로 이송 된다. 즉, ITER ADS 공정은 삼중수소플랜트에서 발 생하는 다양한 배출가스를 처리하는 공정이다. 삼중 수소 연료주기 시스템은 방사성 물질로서 삼중수소의 방출 가능성이 환경과 밀접한 관련이 있기 때문에 삼 중수소 플랜트 공정에 대한 효율적인 종합설계와 기 술 개발을 통하여 작업자 및 주민 보호를 위한 여러 가지 규제 및 제한요건을 만족시켜야하기 때문에 대 기 삼중수소 공정은 삼중수소 대기 노출 비상시에 안 전성확보를 위한 주요한 공정이다.

ICRP-60 및 원자력법에서 삼중수소 형태에 따른 허용한도를 제시하고 있는 배출기체 중 삼중수소 농 도는 원소형태의 경우 7×10⁷Bq/m³, 수분형태(HTO 등)의 경우 5×10³Bq/m³으로 제한하고 있으며, 취급 시설이 있는 방의 경우 원소형 삼중수소 농도는 1×

10¹⁰ Bq/m³, 수분형태의 경우 8×10⁵ Bq/m³으로 제 한하며 규정에 따라 삼중수소 취급설비의 설계요건이 결정된다.

탈삼중수소 공정에는 재발기(Recombiners) 공정 과 습식스크러버(Wet Scrubbing) 공정이 있으며, 공 정원리는 모두 유사하다. 미량의 삼중수소는 재발기 (Recombiner)를 이용하여 제거가 용이한 산화물의 형태로 만들고 (1) 흡작제를 이용하여 회수하는 재발 기 공정에 대한 연구가 많이 진행되었으나, 최근 (2) 다양한 구조적 충전 물질을 사용하는 습식 스크러버 (Wet Scrubbing) 공정으로 대체하려는 방향으로 연 구가 진행되고 있다.

우리나라의 경우 탈삼중수소 공정에 대한 기술 확 보가 필요하며, 대기 탈삼중수소 시스템에 대한 CFD Code 개발을 통해 ITER 토카막시설과 Hot Cell 시설 에서 삼중수소 비상 노출 시에 안정성을 확보하는

CFD Code 및 simulation model 확보가 요구되고 있다.

2.1. 재발기(Recombiners) 공정

재발기 공정에 관한 연구는 일본에 Akita University 에서 많은 연구가 진행되었다. 재발기의 촉매를 개발 하기 위한 설명도는 그림 1과 같이 미량의 삼중 수소 제거가 용이한 산화물 형태로 만들고 흡착을 이용하 여 회수하는 공정이다.

흡작제로는 molecular sieve 5A와 같은 상용 합성 제올라이트 촉매 뿐 아니라 Pt/alumina, Pt/cordierite, Pt/metal, Pt/NA 등의 조성으로 이루어진 honeycomb- type과 pellet-type 형상을 갖는 촉매들이 연구에 사 용되었다. 연구결과 그림 2와 같은 Pt/NA-honeycomb- type의 촉매에서 압력손실이 가장 적어 hydrogen 및 deuterium의 산화에 우수한 것으로 나타났다.

실험결과 Pt/NA-honeycomb 촉매의 수소 동위원 소간의 식(1)과 같은 활성화 에너지와 그림 3과 같은 물질 전달 계수 그래프를 얻었다[1].

(Pt/NA-honeycomb) KF,H2,RD: KF,D2,RD:

KF,T2,RD 1 : 0.5 : 0.2 (1)

뿐만 아니라 Chemical engineering design을 위해 요구되는 database를 얻기 위해 adsorption potential,

그림 1. 재발기의 촉매 원리 개념도.

그림 2. Pt/NA-honeycomb catalysts[1].

oxidation rate 등에 관한 연구도 수행되었다[2-3].

이처럼 일본에서는 재발기 공정을 위한 촉매 개발 뿐 아니라 database를 얻기 위한 지속적인 연구가 진행되 고 있다. 그러나 재발기 공정을 사용할 경우 낮은 농도 의 삼중수소를 처리 시 DF(Decontamination Factor) 가 DHF(Dehumidification Factor)보다 커서 아무런 문제가 없었으나, 고 농도의 삼중수소를 처리 할 경우 분자체 건조기의 불완전한 재생과 수소가 포함된 성 분들이 분자체의 흡착제에 강력하게 흡착되어 DF가 DHF보다 점차로 작아져 분자체 건조기의 효율을 떨 어뜨리게 되는 문제점을 안고 있다.

2.2. WSCDS(Wet Scrubbing Column Detritiation System) 공정

습식스크러버공정에관한연구는러시아에Mendeleev

University에서 많은 연구가 진행되었다. 습식 스크러 버 공정은 그림 4와 같이 다양한 구조적 충전 물질이 충전되어 있는 충전층에서 식 (2)와 같은 가역반응에 의해 진행된다.

HTOV+ H2OL → H2OV+ HTOL (2) Perevezentsev 등은 SULZER Chemtech의 상용 CY-type에 Stainless Steel과 Copper Alloy 재질의 packing에 따른 chemical engineering design 시 요구 되는 height equivalent to theoretical plate(HETP), height of mass transfer unit(HTU), 물질전달 계수 (KG) 등을 습식 스크러버의 운전 온도 변화를 고려하 여 표 1, 2와 같이 비교적 자세히 나타내었다[4].

또한 이전 연구결과를 바탕으로 PIE(Phase Isotope Exchange) Column을 통한 실험결과 습식 스크러버 공정은 주기적인 재생이 요구되던 기존의 방법과는 달리 연속적인 운전이 가능하였다. 또한 장비가 단순 할 뿐 아니라 이차 핵폐기물의 양과 에너지 소비 면에 서도 투자비용을 절감할 수 있어 많은 이점을 가지고 있는 공정임을 규명하였다[5].

따라서 최근 다양한 구조적 충전 물질에 따른 습식 스크러버와 같은 충전층 습식 스크러버 공정으로 대 체하려는 방향으로 전환되고 있으며, 최근 일본에서 Pilot 규모로 성공적으로 테스트를 완료하여 ITER DEMO급에는 WSCDS 방식을 사용할 계획에 있는 것으로 알려져 있다.

3. CFD 프로그램 전산모사

삼중수소 연료주기 시스템은 방사성 물질로서 삼중 수소의 방출 가능성이 환경과 밀접한 관련이 있기 때 문에 삼중수소 플랜트 공정에 대한 효율적인 종합설 계와 기술 개발을 통하여 작업자 및 주민 보호를 위한 여러 가지 규제 및 제한요건을 만족시킬 수 있어야 한 다. 그러나 현재까지 ITER 참여국 어느 나라도 Computer Simulation, 특히 CFD를 이용한 코드화

그림 3. Pt/NA-honeycomb 촉매의 삼중수소 산화에 대한

물질 전달 계수[1].

그림 4. 습식 스크러버를 통한 삼중 수소 제거 프로세스

개념도.

작업을 공개한 바가 없기 때문에 본 개발을 출발 시점 으로 삼고자 한다. 그림 5는 대기 탈삼중수소 제거시 스템에 대해 본 연구에서 적용한 전산모사를 위한 개 념도를 보여주고 있다.

본 연구에서는 CFD program의 하나인 COMSOL Multiphysics를 사용하여 ITER ADS 공정을 전산모 사 하고자 한다. 전산모사 시 요구되는 설계인자는 삼 중수소를 이용한 실험에는 많은 어려움이 있으므로 수행하지는 않았으며, 일본에 Akita University와 러 시아에 Mendeleev University에서 발표한 문헌을 참 조하였다. 전산모사는 COMSOL을 이용하여 재발기

공정과 습식 스크러버 공정을 각각 모사한 후, 최적화 된 프로그램을 그림 5와 같이 결합하여 완성하고자 한다.

아직은 연구 초기 단계이기 때문에 재발기 공정만 모사하였으며, 재발기 공정에 반응식은 식 (3)과 같다.

촉매는 우수성이 높게 평가된 Pt/NA-honeycomb에 물성을 사용하였으며, COMSOL을 이용한 재발기 공 정에 구조체는 그림 6과 같다.

H2+T2+O2→ 2HTOvap (3) 전산모사는 Chemical Reaction Engineering 표 1. Stainless steel packing 실험 결과[4]

Test Number T(K) W(m/s) G

(mol/h) L(mol/h) L

(mol/h) λ HETP(m) HTU(m) KG(mol/m

-s)

1 313 1.10 39.4 69.4 46.7 0.57 0.42 0.31 12.5

2 313 1.10 39.4 62.2 35.0 0.63 0.48 0.40 9.8

3 317 0.55 28.3 51.7 29.4 0.55 0.33 0.24 11.7

4 303 1.10 23.1 74.2 66.7 0.31 1.24 0.70 3.2

5 303 2.0 38.1 86.7 75.0 0.44 1.27 0.78 4.8

6 303 0.55 12.6 62.8 58.3 0.20 1.33 0.71 1.8

7 313 0.55 20.8 43.9 31.1 0.47 0.40 0.28 7.4

8 313 0.55 20.8 78.1 65.6 0.27 0.46 0.25 8.2

9 313 1.90 63.9 92.2 49.4 0.69 0.60 0.48 13.0

10 333 0.55 64.4 97.2 39.4 0.66 0.32 0.26 24.6

11 332 1.10 115.6 136.7 35.0 0.85 0.44 0.39 28.9

※ W is superficial air velocity in packed bed at operation temperature; Gv is flow of water vapor in air entering scrubber column; L is water flow rate along the scrubber column; LFEED is feedwater flow rate; λ= Gv/L

표 2. Copper Alloy packing 실험 결과[4]

Test Number T(K) W(m/s) G

(mol/h) L(mol/h) L

(mol/h) λ HETP(m) HTU(m) KG(mol/m

-s)

1 294 0.55 6.5 7.4 7.4 0.88 0.049 0.048 13.3

2 294 1.10 12.9 12.6 12.6 1.03 0.081 0.078 16.3

3 293 1.10 12.1 13.0 13.0 0.93 0.085 0.078 15.2

4 293 1.10 12.1 18.6 18.6 0.61 0.093 0.070 17.0

5 304 0.55 12.3 14.6 4.2 0.84 0.070 0.061 19.8

6 303 1.10 22.3 25.0 7.6 0.90 0.076 0.069 31.8

7 313 0.55 20.8 23.3 6.9 0.89 0.045 0.041 49.8

8 313 1.80 62.2 82.8 30.6 0.75 0.087 0.073 83.8

9 323 0.55 36.8 35.8 8.3 1.03 0.088 0.080 45.2

10 324 1.10 74.4 82.8 16.9 0.90 0.083 0.076 96.3

11 323 1.10 70.3 77.2 23.6 0.91 0.071 0.066 105.0

12 323 1.80 108.1 112.8 23.9 0.96 0.116 0.110 96.7

Module을 사용하였으며, 식 (4)에서 식(9)를 통해 모 사하였다.

그림 7에 전산모사 결과를 나타내었다. HTOvap의 Concentration profile에 따른 전산모사 결과, 반응은 반응기 앞쪽 부분 보다는 반응기 중간지점 부분부터 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.

완성된 재발기 공정은 case study를 통해 최적화를 진행할 것이며 습식 스크러버 공정의 전산모사 및 최 적화 과정을 진행 한 후, 그림 6과 같이 완성된 재발 기 공정과 습식 스크러버 공정을 결합하여 ADS 공정 모사를 완성하고자 한다.

4. 맺음말

대기 탈삼중수소 시스템(ADS)에 대한 ITER 토카 막시설과 Hot Cell 시설에서 삼중수소 비상 노출 시에 안정성을 확보하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다.

일본의 경우 재발기(Recombiners) 공정에 관한 촉매 개발 및 특성평가와 관련된 연구가 활발히 진행되었 으며, 러시아의 경우 습식 스크러버(Wet Scrubbing) 공정의 packing 재질에 따른 열역학적인 database를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 삼중수소의 경우 방사성 물질로서 실험을 통한 연구가 매우 어려운 실 정이며, 우리나라의 경우 ITER ADS 공정과 관련된 연구가 필요함에도 불구하고 연구가 미미한 실정이다.

그림 5. CFD 프로그램을 이용한 ADS 공정 개념도.

그림 6. 재발기 공정 구조체.

(4) (5) (6) (7) (8)

(9)

그림 7. 재발기 공정 전산모사 결과.

1. 서론

삼중수소와 중수소를 취급하는 수소동위원소 공정 은 안전하게 설계되고 운전되어야 할 것이다. 수소의 잠재적 폭발성을 비롯하여 삼중수소의 자체 방사능을 고려한 공정설계에도 불구하고, 화학가스 플랜트처럼 연결되는 수많은 세부라인과 처리공정 취급에 관한 여하의 기준에서도 그 안전성이 확보되어야 하는 것 이다.

본고에서는 삼중수소 취급과 안전설계를 위한 기준 선을 제시하고자 하며 만약의 사고에 대비할 수 있는 절차의 강구 또는 안전규제의 설정에 대해 조망하고

자 하며, 월성원전 삼중수소 제거설비와 같은 현존의 시설들에서도 준수되고 있는 다양한 규제와 취급 방 법들에 대해 설명하고자 한다. 아울러 앞서의 자료에 서 제공하지 못한 ITER 연료주기를 구성하는 기타 핵심기술들에 대해 설명함으로써, 삼중수소 취급에 필요한 대부분의 기초기술의 분야와 여기에 해당하는 요소기술들의 방향을 함축적으로 제시하고자 한다.

2. 삼중수소 취급 및 안전설계 2.1. 삼중수소 최급설비

삼중수소는 양성자 1 개에 중성자 2 개로 구성된 수 따라서 삼중수소의 비상 노출 시 안정성을 확보하기 위

해 CFD 프로그램 중 하나인 COMSOL Multiphysics 를 이용한 재발기 공정과 습식 스크러버 공정을 결 합한 ADS 공정모사에 대한 연구가 진행 중에 있으 며, 앞으로 연구가 활발히 진행되어야 할 것으로 여 겨진다.

참고문헌

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[4] Perevezentseva A. N. and Bell A. C., Wet scrubber column for air detritiation, Fusion Science and Technol. 56, 1455-1461 (2009).

[5] Perevezentseva A. N., Rozenkevich M. B., Park Y.S., Marunich S.A. and Bukin A. N., Phase isotope exchange of water as a gas detritiation method, Theoretical Foundations of chemical Engineering 47(1), 47-54 (2013).

삼중수소 취급 및 안전설계와 ITER 연료주기의 기타 핵심기술들

송규민*, 장민호, 강현구, 윤세훈

*한국수력원자력(주) 중앙연구원, 국가핵융합연구소 [email protected], [email protected]