Applied Chemistry,
Vol. 16, No. 1, May 2012, 45-48
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수소 동위원소용 감손우라늄 저장용기의 설계⋅제작
이정민⋅정동유⋅구대서⋅정흥석†
한국원자력연구원
Hydrogen Isotope Storage Bed Design Using Depleted Uranium
Jungmin Lee⋅Dongyou Chung⋅Daeseo Koo⋅Hongsuk Chung† Korea Atomic Energy Research Institute
Abstract
A nuclear fusion fuel cycle plant is composed of various subsystems such as a hydrogen isotope storage and delivery system. Metal hydride beds are used for storing hydrogen isotope. We thus present details on the bed of hydrogen isotope storage for nuclear fusion fuel plants. A small DU bed was designed, manufactured and inspected. The thermal shields for the primary vessel were manufactured to reduce heat transfer from the primary vessel to the secondary vessel, and thermal loss. Helium leak inspections on the parts of primary & secondary vessels were performed. These results proved to have no leakage on the parts of the primary & secondary vessels.
1. 서 론
핵융합반응은 미래 에너지원으로 중요성이 알려져 있다. 핵융합연료 주기에 필수적인 기술로는 삼중 수소 분리, 삼중수소 정화기술, 삼중수소 저장⋅공급 등이 있다. 우리나라에서는 한국원자력연구원과 국가핵융합연구소가 중심이 되어 삼중수소의 저장 공급에 관한 연구를 수행하여 왔다[1,2]. 삼중수소는 수소의 동위원소로 미래의 핵융합 에너지의 연료이며, 핵융합로에서는 많은 양의 삼중수소가 운전시나 리오에 따라 저장, 공급 되어야 한다[3,4]. 현재, 수소를 안정하게 저장, 수송하는데 필요한 수소 저장 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[5,6].
현재 핵융합로에서 삼중수소 저장⋅공급(storage·delivery)을 위한 재료로 제안되는 금속수소화물 은 감손우라늄(Depleted Uranium)과 지르코늄코발트(Zirconium Cobalt)이다[7,8]. 그 중 성능이 뛰 어난 감속우라늄을 사용한 삼중수소의 저장⋅공급에 대한 관심이 커지고 있다[9,10]. 따라서 본 연구 에서는 감손 우라늄을 이용한 소형 저장용기를 설계 제작하였다.
2. 실험 장치의 제작
Fig. 1과 Fig. 2는 DU 베드 기초실험용 소형 베드의 모습이다. 구조는 크게 1차용기와 2차용기로 나 눌 수 있다. Fig. 3은 1차 용기의 모습으로 수소 흡장재를 내부에 저장하며 가스가 유입/유출 되는 용기 로 내, 외부 진공 및 내부 고압을 견딜 수 있게 설계 되어있다. 1차 용기는 최고 40 bar의 내압 및 외부 진공을 견뎌야 하고, 내부 10-6 torr 이하의 진공도를 견딜 수 있게 설계하였다. 또 1차 용기는 상온에 서 300∼600 ℃의 온도 범위에서 운영 될 수 있도록 설계하였다. 1차 용기의 구성은 Primary vessel
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wall, Copper Cylinder, 수소 흡장재, 수소가스 유입, 출입 필터, Coil heater, 온도센서, 수소 가스 유 출입관, 압력 센서용 Filter 등으로 구성되어 있다. 수소 흡장재로는 DU를 사용할 예정이고, DU의 가열 온도 측정을 위해 1차 용기 외부로부터 온도 센서와 수소가스 유출입 필터가 내부에 삽입되어 있다. 수 소 유출입 필터는 가스 유입관으로 유입되는 수소 가스를 수소 흡장재 저장 공간으로 확산시키는 역할 을 수행한다. Coil heater는 1차 용기를 가열하여 수소 흡장재인 DU를 가열하도록 설계하였다. heater 의 총용량은 6 kW(3kW × 2)이며 열전달의 효율을 높이기 위해 vessel wall 외부의 grooving에 나 선형으로 감아 접합하였다. 성능 조건은 600 ℃까지의 가열이 가능하고, 800 ℃까지 견딜 수 있도록 제작하였다. 또 수소 흡장재를 300 ℃까지 빠른 속도로 가열하며 500 ℃의 온도로 장시간 유지할 수 있도록 하였다. 온도센서는 1차 용기의 내부 온도 모니터 및 히터 제어를 위해 설치하였다. 수소 가스 유출입관은 수소 유입 유출을 위한 두 개의 관으로 구성되어 있다. 수소 유입관은 1/4인치 이상의 튜브 로 1차용기의 상단을 통과하여 흡장재 저장부내의 수소가스 유입 필터로 연결된다. 수소 유출관은 1인 치 이상의 튜브로 1차 용기 상단부 Flange와 연결된다. Fig. 4는 2차 용기의 모습으로 내부에 1차 용 기를 보호하며, 비상시 수소 가스의 외부 유출을 막아주는 용기이다. 최고 5 bar의 내압 및 내부 10-6 torr 이하의 진공도를 견딜 수 있게 설계 하였으며 Outer jacket wall, CF flange, 열차폐판, 온도센서, 가스 유출입관, 압력 게이지, Manual valve 등으로 구성되어 있다. Fig. 5은 1차 용기에 열차폐판이 결 합된 모습이다. 열차폐판은 1차 용기로부터 발생하는 열의 radiation에 의한 열손실을 최소화하기 위해 1차 용기의 측면, 상단부, 바닥부에 열차폐판을 설치하였다. 두께는 1 mm 이하 그리고 열차폐판 사이 의 간격은 10 mm 이하로 하여 측면과 하단부는 원통형 및 원판형으로 구성된 열차폐판을 3겹으로 설 치하였으며 상단부는 원판형으로 구성된 열차폐판을 3겹으로 설치하였다. 열차폐판은 1차 용기로부터 의 열전도가 없도록 직접 접촉되지 않게 설계 하였으며 2차 용기의 내부 구조물에 고정 하였다. 또 2차 용기 내부의 원활한 진공 배기를 위해 열차폐판에 배기구를 가공하였고 열차폐판 표면 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 부착하였다. 온도센서는 2차 용기의 내부 온도를 측정하기 위해 설치하였다. 압력 게 이지는 1차 용기의 내부 수소 가스의 압력/진공도와 2차 용기 내부의 압력/진공도를 측정하기 위해 설 치하였다. 1차 용기의 내부 압력 및 진공도 측정을 위해 수소 유출배관에 PG, VG와 FRG를 설치하였 다. 그리고 2차 용기의 내부 압력 및 진공도를 측정하기 위해 2차 용기 상단부에 별도의 배관을 설치하 고 FRG를 설치하였다.
Fig. 1. small scale DU bed. Fig. 2. small scale DU bed schematic.
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수소 동위원소용 감손우라늄 저장용기의 설계⋅제작
Fig. 3. Primary vessel. Fig. 4. Secondary vessel. Fig. 5. Thermal shield.
3. 저장 용기 헬륨 누설 검사
DU 베드 기초실험용 소형 베드의 1차 용기 및 2차 용기 제작과 조립이 완료 되면 헬륨 유입⋅유출라 인, 수소 유입⋅유출라인, 일차유입라인, 이차유출라인의 배관 용접부와 CF flange 용접부에 대한 헬륨 누설 검사를 수행하여 수소가스 유출 및 외부 공기의 유입을 차단하도록 하였다.
Fig. 6은 조립이 완료된 DU 베드 기초실험용 소형 베드의 헬륨 누설 검사의 모습이다. 헬륨 누설 검 사는 먼저 진공 필름과 실런트 테이프를 사용하여 헬륨 누설을 방지 한 후 로타리 펌프를 이용 하여 진 공도를 0.4 Pa(10-3 mbar∼10-4 mbar)에 도달하도록 한 후 헬륨 누설률을 0.0 x 10-9 mbar⋅ℓ/s 으로 설정, 헬륨 분위기를 20분∼60분 지속한 후 10분 또는 20분 단위로 검사를 시행하였다. 먼저 용 기에 따른 부분 검사를 시작 하였다. 일차 용기와 이차 용기의 Pressure port manual valve, 일차 용 기 수소 유입 Manual valve, 이차 용기 CF flange를 검사하여 누설률이 0.1∼0.2 x 10 0-9 mbar⋅ℓ /s으로 이상이 없음을 확인하였다. 그리고 DU 베드 기초실험용 소형 베드의 1차 용기 및 2차 용기를 조립, 진공 필름을 제거한 후 검사를 실시하여 누설률이 0.0∼0.1 x 10 0-9 mbar⋅ℓ/s임을 확인하였 다. 헬륨 누설 검사를 바탕으로 일차 용기 및 이차 용기 배관에 누설이 없음을 최종 확인하였다.
Fig. 6. DU bed Helium leak test.
4. 결 론
DU 베드 기초실험용 소형 베드를 설계, 제작하고 헬륨 누설 검사를 수행하였다. DU 베드 기초실험
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용 소형 베드는 1차 및 2차 용기에 Coil heater, 온도센서, 수소 흡장재, 열차폐판 등으로 구성되어 있 다. DU 베드 수소 흡탈장 실험을 수행하기 위해 불활성 분위기(O2 ≦ 1 ppm, H2O ≦ 1 ppm )가 유지 되는 글로브박스 내부에서 DU를 1차 용기에 장입할 예정이다. 열차폐판을 1차 용기 측면, 하단부 및 상단부에 3겹으로 설치하여 이차 용기에 열전달 감소 및 열손실을 최소화하였다. 1차 및 2차 용기에 대 한 헬륨 누설 검사를 수행하여 누설이 없음을 확인하였다. 최종 확인된 DU 베드 기초실험용 소형 베드 는 수소 흡·탈장 시험에 활용 될 것이며 이를 바탕으로 향후 보다 안정적이고 성능이 향상된 삼중수소 저장 베드를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부와 지식경제부의 국제핵융합실험로 공동개발사업으로 수행되었습니다 (NRF 2012-0000226).
참고문헌
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10. Song, K. M. et al., “The development of standard operating procedures for the SDS of the ITER tri- tium plant”, Fusion Engineering and Design, 83 (2008), pp. 1380-1383.
