Applied Chemistry,
Vol. 15, No. 2, October 2011, 129-132
129
수소동위원소 저장재료 비교 실험장치의 가열성능 시험
정동유ㆍ이정민ㆍ구대서ㆍ정흥석†
한국원자력연구원
Preliminary Heating Test of Hydrogen Isotope Storage Beds
Dongyou ChungㆍJungmin LeeㆍDaeseo KooㆍHongsuk Chung† Korea Atomic Energy Research Institute
Abstract
With the development of fusion technology, it will be necessary to store a large amount of hydrogen isotopes in the reactor fuel cycle. To achieve high- density storage of hydrogen isotopes, stable metal hydrides are considered as potential candidates. Metal hydride for- mers offer a safe and convenient method for tritium storage. Different metal hydrides show various storage and delivery properties. Uranium and zirconium cobalt are considered as the most applicable hydrogen isotopes storage materials. Thus, equipment for comparative experiment of hydrogen isotope storage materials was fabricated. Heating test of beds in the equipment was performed.
1. 서 론
삼중수소는 수소의 동위원소로 미래의 핵융합 에너지의 연료이며, 핵융합로에서는 많은 양의 삼중수 소가 운전시나리오에 따라 저장ㆍ공급 되어야 한다[1]. 현재, 수소를 안정하게 저장ㆍ수송하는 데 필요 한 수소저장 방법들 중에서 금속수소화물(metal hydride)을 이용한 방법이 가장 주목 받고 있다. 이 방법은 기존의 단순 압축 및 액화를 이용한 방법에 비해 안전성, 용적당 저장량, 장시간 저장 용이성, 고순도 수소를 방출한다는 측면에서 큰 장점을 지니고 있다[2, 3]. 현재 핵융합로에서 삼중수소 저장ㆍ 공급(storageㆍdelivery)을 위한 재료로 제안되는 금속수소화물은 감손우라늄(Depleted Uranium)과 지르코늄코발트(Zirconium Cobalt)이다. 따라서 이에 대한 실증적인 연구를 위한 단계에서 위 두 금속 수소화물의 특성을 비교 평가 하기 위해서 수소동위원소 저장재료 비교 실험장치를 제작하였다. 저장재 료의 흡/탈장 실험을 위해서는 베드 온도의 정확한 제어가 매우 중요하다. 따라서 이를 위해 본격적인 비교 실험에 앞서 이 장치의 가열성능 시험을 수행하였다.
2. 실험장치 구성
Fig. 1은 수소동위원소 저장재료 비교 실험장치이다. 이 장치는 크게 진공시스템, 베드 시스템, 제어 및 DAQ 시스템으로 구성된다. 먼저 진공시스템은 베드와 연결되는 매니폴드와 고 진공 분위기를 만들 기 위한 TMP 및 로터리 펌프로 구성되어 있다. 다음으로 베드 시스템에서는 두 개의 베드가 존재하는 데 두 베드는 일차용기, 열차폐판 및 이차용기로 동일하게 구성되어 있고, 내부 수소저장재료는 한 베드
130 정동유ㆍ이정민ㆍ구대서ㆍ정흥석
에는 ZrCo가 다른 베드에는 DU가 저장되어 있다. Fig. 2에 나타나 있는 것과 같이 1차 용기 내부의 분말 유출을 막기 위해 세 개의 필터가 수소 유입부, 유출부 그리고 압력센서 등에 각각 설치되었고 가 열을 위해서 220 V/3 kW 히터 두 개가 1차 용기에 설치되어 있다. 또한 열 손실을 최소화 하기 위해 1차 용기와 2차 용기 사이에 열차폐판과 다공질 세라믹 단열재 설치 및 진공이 유지되도록 설계되었다.
2차 용기 내부, 1차 용기 벽 내부와 바닥에 열전대가 각각 설치되어 있다. 안전을 위해 2차 용기의 설계 압력은 100℃에서 400 kPa, 1차 용기의 설계압력은 500℃에서 500 kPa로 설계되었다. 마지막으로 제어 및 DAQ 시스템은 베드의 히터 원격 제어와 온도 및 압력 데이터를 수집ㆍ저장하기 위한 프로그 램 및 하드웨어, 그리고 응급 시 시스템의 수동 제어를 위한 패널로 구성되어 있다.
Fig. 1. 수소동위원소 저장재료 비교 실험 장치.
Fig. 2. 베드의 1차 용기 필터, 가공 및 히터 설치 후 모습.
3. 실험장치의 가열성능 시험
실험장치의 구성에 나타낸 바와 같이 수소동위원소 저장재료 비교 실험장치에는 ZrCo와 DU 베드가 설치되어 있는데 안전을 고려하여 우선 ZrCo 베드의 가열 성능을 테스트하였다. ZrCo 베드의 가열 성 능을 테스트 하기 위하여 먼저 Rotary Pump와 Turbo Molecular Pump를 작동시켜 1차 용기와 2차
131
수소동위원소 저장재료 비교 실험장치의 가열성능 시험
용기 내부를 진공 상태로 유지하였다. 다음으로 시간 설정은 하지 않고 온도를 100℃로 설정하여 가열 하였다. Fig. 3은 ZrCo 베드의 온도 그래프이다. 그림에 나타난 것과 같이 히터의 가열이 정상적으로 제어가 됨을 확인할 수 있었다. 다만 현재 PID(Proportional Integral Differential) 제어값 설정이 아 직 최적화 되어 있지 않기 때문에 실제 온도가 설정 온도값보다 약 10℃ 정도 높게 나왔다.
0 1 2 3 4 5
0 20 40 60 80 100 120 140
2nd Vessel Temperature, o C
Time, min 1st Vessel
Fig. 3. 수소동위원소 저장재료 비교 시험용 장치의 ZrCo 베드의 온도.
4. 결과 및 향후 진행 계획
수소동위원소 저장재료 비교 실험장치를 제작하여 먼저 ZrCo 베드에 대해 가열성능을 테스트를 통 하여 히터의 제어 및 작동이 정상적으로 이루어 짐을 확인하였다. 현재 이 베드의 가열 설정온도와 실 제 가열 온도의 편차를 허용 범위 이내로 최소화하기 위하여 PID 제어값의 최적화 과정이 진행 중이다.
동시에 DAQ 프로그램의 수정/보완 및 디버깅 작업도 동시에 수행하고 있다. 앞으로 DU 베드도 이와 동일한 절차로 진행될 예정이다. 그리고 각 베드의 수소 흡·탈장 부피 측정을 완료한 후에 재료의 흡/
탈장 특성을 평가하기 위한 본 실험에 들어갈 것이다. 이 비교 실험이 향후 보다 안정적이고 성능이 향 상된 삼중수소 저장 베드의 제작에 기여하게 될 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부와 지식경제부의 국제핵융합실험로 공동개발사업으로 수행되었습니다 (NRF 2011- 0000296).
132 정동유ㆍ이정민ㆍ구대서ㆍ정흥석
참고문헌
1. Hongsuk Chung et al., Fusion Engineering and Design, 84, 599 (2009).
2. 노순영 외, 한국수소 및 신에너지학회 논문집, 19, 90 (2008).
3. 심규성 외, 태양에너지, 18, 169 (1998).
