Development of Real Time Calorimetry System for Neutral Beam

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중성입자 빔의 실시간 열량 측정시스템 개발

서민석, 윤병주, 오병훈 한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터

Development of Real Time Calorimetry System for Neutral Beam

Min-Seok Seo,

Byeong-Joo Yoon,

Abstract - KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)의 보조 가열장치 중에 하나인 중성입자 빔 가열장치의 열량 을 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 실시간으로 열량을 측정하기위해 중성입자 빔 발생장치의 말단에 위치한 열량계 (Calorimeter)의 냉각수 입․출구 온도를 온도센서 중의 하나인 열전대 를 이용하여 측정하고 이를 열량 측정을 위해 개발한 알고리듬을 이용 하여 실시간으로 중성입자 빔의 열량으로 연산한다. 연산된 열량은 사용 자 인터페이스 화면에 출력하여 매 실험마다 열량계에 입사된 열량을 실시간으로 확인이 가능하도록 하였다.

1. 서 론

KSTAR는 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 KSTAR 토카막 (Tokamak)에서 일으키고 이를 핵융합 발전에 응용하기 위한 실험 장치 이다. KSTAR 토카막 내에서 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 토카막 에 1억도 이상의 플라즈마를 생성하여야 하는데 이때 필요한 것이 보조 가열장치이다. 그 중 가장 많은 열량을 KSTAR 토카막에 입사할 수 있 는 보조 가열장치가 중성입자 빔 가열장치이다. 이를 위해 현재 한국원 자력연구원에서는 NBTS(Neutral Beam Test-Stand)를 제작하여 실험 하고 있다. 이와 더불어 입사되는 중성입자 빔의 양을 측정하기 위한 열 량 측정 시스템이 필요하게 된다. 중성입자 빔의 실시간 열량 측정시스 템은 KSTAR 과제의 가열장치 중에 하나인 중성입자 빔 가열장치의 열 량을 실시간으로 측정하는 시스템을 지칭한다.

이와 같이 KSTAR 토카막에 초고온의 플라즈마를 생성하기 위해서는 높은 에너지를 가지는 입자들이 입사하여야 한다. 그러나 전기적 성질을 띤 입자들은 토카막의 강한 자장에 의해 차단되게 된다. 따라서 중성입 자만을 토카막에 입사하여야 하는데, 이를 위해 중성입자 빔 가열장치에 서는 중성입자 빔만을 토카막에 입사하게 된다. 따라서 입사될 중성입자 빔의 열량을 측정하기 위해서 열량계(Calorimeter)가 필요하게 된다. 중 성입자 빔 가열장치의 열량계는 중성입자 빔을 받기위해 V자 형태의 모양을 가지고 있으며, 중성입자 빔을 직접 받아서 열량계 내부를 돌고 있는 냉각수를 통해 식히게 되는데, 이때 냉각수 온도의 변화를 측정하 여 토카막에 입사될 중성입자 빔의 양을 열량으로 환산하여 측정하고, 이를 기초로 입사된 열량에 따른 반응 등을 확인할 수 있는 바로미터로 사용된다. 그림 1에 보이는 것이 NBTS의 전경이다. 왼쪽에 보이는 금 속상자 모양의 것이 빔 라인 진공함이고, 중간에 위치한 것이 이온들을 만들어내고 가속시키는 이온원 그리고 오른쪽에 있는 것이 시스템에 전 력을 공급해주는 전원장치이다.

<그림 1> Neutral Beam Test-Stand(NBTS) 전경

2. 본 론

2.1 하드웨어 시스템

실시간 열량 측정시스템에 사용된 하드웨어의 구성을 살펴보면 그림 2와 같이 Desktop PC를 중심으로 여러 가지 하드웨어가 있는데 먼저 냉각수의 유량을 측정하기 위한 유량계 입력부, 냉각수의 온도변화를 감 지하기 위한 센서인 열전대의 출력 값을 읽어오기 위한 NI(National Instruments)사의 DAQ(Data Acquisition)장비들이 있다.

<그림 2> 실시간 열량측정시스템의 구성도

2.1.1 열전대(Thermocouple, T/C) 센서와 측정

열전대는 측정하고자 하는 지점의 온도를 열기전력에 의한 전압변화 로 알려주는 온도센서이다. 그러나 실제로 온도변화에 따른 출력전압의 변화가 미소하여 전기적인 잡음에 민감하여 측정에 어려움이 있었다.

중성입자 빔 가열장치의 경우 최대 120kV의 직류 고전압을 사용하는 장비로 전기적인 잡음과 절연 등에 대한 대책이 중요하다. 초기에는 실 제 열량계의 냉각수 온도 변화치 보다 수～수십 배의 전기 잡음으로 인 하여 측정에 어려움을 경험하기도 하였으나, 그림 3에서 보는 것과 같이 열전대의 Junction Type을 Grounded Junction Type에서 Ungrounded Junction Type으로 변경 하여 측정체인 냉각수와 전기적인 절연을 실시 한 결과 전기적 잡음에 대한 문제가 해결되었다.

<그림 3> Ground Type별 열전대 유형

2.1.2 시스템 절연과 전위

그림 2을 보면 제어실과 냉각수 온도를 측정하는 DAQ Part는 전기적 인 전연이 되어있는데 이는 앞에서 기술한바와 같이 NBTS에서 실제 사용되는 전압이 일반적인 장비의 절연 전압보다 높아서 각종 장비에 문제가 발생하게 되며, 물론 DAQ 장비에도 손상을 주게 된다. 따라서 실제 측정하는 장비는 고전압단과 같은 전위에 두고 측정된 데이터는 광케이블을 통해 전송하는 방법으로 시스템의 절연을 실시하여 측정 데 이터를 얻는 방법을 채택하였다. 이로 인해 DAQ 장비의 손상을 방지하 고 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있었다.

2007년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2007. 7. 18 - 20

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2.2 소프트웨어 시스템

본 시스템에 사용된 소프트웨어는 NI사의 LabVIEW가 사용되었다.

각 DAQ 하드웨어를 통해 들어온 센서의 정보를 저장하고 분석, 연산하 고 Display까지 담당하게 된다.

2.2.1 사용자 인터페이스(User Interface, UI)

그림 4-1과 그림4-2는 본 시스템의 사용자 인터페이스 부분이다. 사 용자 인터페이스를 설계하면서의 주안점은 실험 관계자들이 직관적으로 모니터링 및 조작이 가능하고 손쉽게 빔의 열량을 측정하는 것으로 삼 았다. 이를 위해 두개의 모니터를 병렬로 사용하게 하여 사용자로 하여 금 필요한 정보를 겹쳐서 못 보는 상황이 없도록 배치하였다.

그림 4-1이 왼쪽에, 그림 4-2가 오른쪽에 배치되어 구성되었다. 먼저 그림 4-1은 장비의 현재 온도 및 유량 상태 등을 바로 알 수 있는 상태 모니터의 역할과 장비의 각종 센서의 위치를 알려주는 정보창의 역할을 감당하게 된다. 또한 냉각수와 열전대의 이상 등을 알려주는 알람 역할 도 담당한다. 다음으로 오른쪽 위치한 그림 4-2 화면은 실험 시 급변하 는 온도 등의 그래프와 실시간으로 연산된 열량을 실험자들에게 알려주 는 정보창이 된다.

<그림 4-1> 중성입자 빔 실시간 열량측정시스템의 UI(왼쪽)

<그림 4-2> 중성입자 빔 실시간 열량측정시스템의 UI(오른쪽)

2.2.2 열량 측정 알고리듬 블록 다이어그램

그림 5는 본 시스템에서 열량을 실시간으로 측정하기 위한 알고리듬 이다. 먼저 유량 정보를 유량 센서로부터 입력 받고, 실험이 시작되기 직전의 온도를 수 초간 평균하여 그 때의 온도를 기준점으로 삼는다.

실험이 시작되면 열량계의 냉각수 출구 온도를 온도 기준점과 비교하 여 그 차이를 적분하고 계산식에 입력하여 열량으로 환산된 정보가 화 면에 냉각수 온도변화 그래프와 함께 디스플레이 되게 된다. 물론 실시 간으로 온도 데이터가 저장 장치에 저장되어서 언제든 다시 열량을 확 인할 수도 있다.

2.3 WFC(Water Flow Calorimetry)

WFC는 빔 에너지를 측정하는 일반적인 방법이다. 앞에서 기술한바와 같이 열량계에 들어온 열량은 열량계 내부에 흐르는 냉각수에게 열량을 빼앗기는데, 이를 통해 냉각수의 온도가 변화되고 기준온도에서 변화된

온도를 적분하는 방법을 통해 열량으로 환산할 수 있게 된다. 이것을 수 식으로 나타낸 것이 식 (1)이다. 식 (1)에서 Q는 입사된 에너지의 양을 나타내고, m은 단위 시간당 흐른 물의 양을 나타내며, c

는 물의 비열을 말한다. 마지막으로 Δ T는 냉각수의 온도 변화분을 의미한다[1].

  



∞

 _   (1)

이러한 방법을 통해 NBTS의 중성입자 빔에 대한 열량을 계산하였다[2].

<그림 5> 실시간 열량측정시스템의 알고리듬(일부) 3. 결 론

기존의 중성입자 빔 열량 측정 시스템은 한 번의 실험을 하면 저장된 온도 데이터를 여러 계산 프로그램 등을 거쳐 계산을 하여 열량을 산출 하고 그것을 실험자들에게 알려주는 방식이었다. 이러한 방식은 숙달된 데이터 후처리 담당자라해도 최소 수분간격으로 실험하는 실험자들에게 열량에 대한 정보를 즉각적으로 제공할 수 없었다. 그러나 중성입자 빔 실시간 열량 측정 시스템의 개발로 인해, 실제 실험이 끝나고 열량계의 냉각수 온도가 초기 기준온도까지 하강하면 즉시 열량계로 입사된 열량 을 실시간으로 확인할 수 있었다. 이를 통해 중성입자 빔 가열장치의 실 험조건을 결정하는데 중요한 정보를 신속히 제공함으로 인해 인력 및 시간을 절감하는 효과를 가져왔다.

[참 고 문 헌]

[1] A. Encheva, “Design and Performance of Inter-Pulse Cooled Calorimeter for Low Power Measurements”, IPP 4, pp.283, 2004 [2] Doo-Hee Chang, “Measurement of the Beam Power Transmission

in the KSTAR Neutral Beam Test-Stand System”, J. Korean

Phys. Soc, Vol. 50, No. 1, pp. 93～96, 2007.