Applied Chemistry,
Vol. 14, No. 1, May 2010, 77-80
77
삼중수소 공급을 위한 판형 저장용기의 가열 특성
정도연⋅정동유⋅구대서⋅정흥석 한국원자력연구원
Heating-up Characteristics of a Tray-Type Hydrogen Isotope Storage Bed
Doyeon Jeong⋅Dongyou chung⋅Daeseo Koo⋅Hongsuk Chung Korea Atomic Energy Research Institute
Abstract
A tritium plant, in a nuclear fusion facility, is comprised of the Tokamak Exhaust Processing (TEP) system, the Isotope Separation Systems (ISS), the Analytical System (ANS) and the Storage and Delivery System (SDS).The main function of the SDS is to store and sup- ply hydrogen isotopes needed for Tokamak operation. The SDS bed is used for storing hydrogen isotopes as a metal hydride form. The focus is on the heating-up of the tray-type experimental SDS bed. The bed shows rapid heating-up characteristics, which is desirable for a rapid delivery of hydrogen isotopes by desorption from the metal hydride.
1. 서 론
ITER (International Thermal Experimental Reactor) SDS (Storage and Delivery System)용기에 D-T연료 가스의 저장재로 오랫동안 사용되었던 우라늄의 높은 자연 발화도와 핵물질 취급 어려움으로 인해 ITER-EDA에서 몇 년 간의 R&D를 통해 1996년경 ZrCo로 대체하여 사용하게 되었다. 연료 공급 시, SDS용기의 출구 밸브를 열지 않고 ZrCo(90T-10D)X를250℃ 로 예열한 후 온도를 350℃ 로 10분 내로 가열하면서 출구 밸브를 열어 진공 펌프로 뽑아서 공급한다[1]. 탈장 시 흡열반응으로 인해 가열 이 필요하다. SDS에서 토카막 반응로로 연료를 공급해 주어야 한다[2]. 빠른 공급 속도로 연료를 공급 하기 위해 본 실험에서 사용한 판형 수소동위원소 저장용기의 가열 특성에 대해 알아보고자 한다.
2. 실 험
판형 트레이 베드는 제작된 판형 수소동위원소 저장용기에는 상, 중, 하단 3단으로 설치가 되어있으며 각 단마다 히터가 2개씩 총 6개의 히터를 설치하였다. 또한 이를 냉각시키기 위한 용도로 헬륨루프를 설치하였다. 상단에는 히터 1과 2를 중단에는 히터 3과 4를 하단에는 히터 5와 6으로 각 단마다 히터의 번호를 정하였으며 히터 1, 3, 5를 전원공급 시 함께 온도조절을 가능하게 하였으며 이를 H1으로 명칭 하였고 히터 2, 4, 6를 전원공급 시 함께 온도조절을 가능하게 하여 이를 H2로 명명하였다. 우선 H1과 H2를 전원공급시 온도분포를 알고자 하여 100℃ 부터 조건을 잡았으며 350℃ 까지 진행을 하였다.
H1과 H2를 독립적으로 가동하여 설정온도를 올리는 조건과 동시에 가동시켜 설정온도를 올리는 조건이 있었으며 이는 두 히터 중 고장으로 인한 만약에 사태에 대비하여 한 개의 작동만으로도 충분한 실험이 될 수 있을지 라는 숙제를 해결의 답을 찾고자 하였다.
78 정도연⋅정동유⋅구대서⋅정흥석
Fig. 1. Assemble of Tray-type BED Fig. 2. Primary Vessel and Assemble of Tray-type BED
3. 결과 및 토론
Table 1의 다음과 같은 조건에서 실험이 진행이 되었다. 조건 1의 경우 개별적으로 작동한 경우이며 H1만 100℃ 설정하여 승온온도 10분내 98℃에 도달하였으며 특별한 이상이 없었다. 하지만 조건 2[Fig. 3], H2만 가열시 승온온도 8분에 약 150℃에 도달하였으며 3개의 단 마다 온도편차가 존재하 였다.
조건 3의 경우 약 8분만에 160℃에 도달하였으며 상단 온도 42℃, 중단 35℃, 하단 30℃의 온도편 차가 나타났으며 He Inlet 온도 24℃, He Outlet 온도 44℃로 나타났다. 조건 4[Fig. 4]의 경우는 위 의 실험을 토대로 H1으로만 작동 시 온도 조절의 용이함으로 200℃ 가열을 진행하였으며 이때 약 19 8℃에 도달하였고 작동시키지 않은 H2는 173℃에 도달하였다. 조건 1,2,3에서와 마찬가지로 상단 4 5℃, 중단 38℃, 하단 31℃의 각 단마다 온도편차가 존재하였다. 이때 He Inlet 온도는 24℃, Outlet 온도는 44℃ 로 나타났다. 조건 5[Fig. 5]의 경우 최종온도인 350℃로 가열시 10분 동안 350℃에 가열 하였으나 이전과 마찬가지로 각 단마다 온도편차는 존재하였다. 상단 67℃, 중단 56℃, 하단 41℃, He Inlet 26℃, He Outlet 70℃로 나타났으며 고온에서 안정화 되는 경향이 있었다.
4. 결 론
상단 67℃, 중단 56℃, 하단 41℃ 각 단마다 온도편차는 존재 하였으나 최종온도인 350℃ 온도제어 에는 큰 문제가 없었으며, He Inlet 26℃, He Outlet 70℃ 로 bed 에 정상적 작동을 확인 하였다. 또한 고온으로 승온 시 안정화되는 경향을 나타났으며 다음실험인 흡/탈장 및 IN-BED Calorimetry실험을 위해 진행할 예정이다.
Table 1. Test conditions.
NO. Test conditions
1 H1 설정온도 100℃ 작동
2 H2 설정온도 100℃ 작동
3 H1과 H2 설정온도 100℃ 동시 작동
4 H1 설정온도 200℃ 작동
5 H1 설정온도 350℃ 작동
6 H1과 H2 동시에 350℃ 작동
79 삼중수소 공급을 위한 판형 저장용기의 가열 특성
Temperature of Tray Bed
0 50 100 150
0 100 200 300 400
Time(min)
Temperature(℃)
TC3 1st Tray(Left) TC4 2nd Tray(Left) TC5 ZrCo Hydride TC6 2nd Tray(Right) TC7 3rd Tray(Right) TC16 1st Tray Center(H1) TC17 3rd Tray Center(H2)
Temperature of Tray Bed
0 50 100 150 200 250
0 100 200 300 400
Time(min)
Temperature(℃)
TC3 1st Tray(Left) TC4 2nd Tray(Left) TC5 ZrCo Hydride TC6 2nd Tray(Right) TC7 3rd Tray(Right) TC8 He Loop Inlet TC9 He Loop Outlet TC16 1st Tray Center(Heater1) TC17 3rd Tray Center(Heater2)
Fig. 3. Temperature Profile of Tray BED (at 100℃,
H1 and H2) Fig. 4. Temperature Profile of Tray BED (at 200℃, H1 and H2)
Temperature of Tray Bed
0 10050 150200 250300 350 400
0 100 200 300 400 500
Time(min)
Temperature(℃)
TC3 1st Tray(Left) TC4 2nd Tray(Left) TC5 ZrCo Hydride TC6 2nd Tray(Right) TC7 3rd Tray(Right) TC8 He Loop Inlet TC9 He Loop Outlet TC16 1st Tray Center(Heater1) TC17 3rd Tray Center(Heater2)
Fig. 5. Temperature Profile of Tray BED (at 350℃, H1 and H2)
감 사
본 연구는 교육과학기술부 국제핵융합실험로(ITER) 공동개발사업의 일환으로 수행되었음.
참고문헌
1. H. Yoshida, D. Murdoch, M. Nishi, V. Tebus, S. Willms, “ITER R&D : Auxiliary systems: Tritium systems”. Fusion Engineering and Design 55 313-323 (2001)
2. NIDLD, D.AK, “Estimation of the stagnant thermal conductivity of saturated porous media”, Inter- national Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 34, no. 6, 1575-1576 (1991)
3. A. Hartmann, V. Rath, C. Clauser, “Thermal conductivity from core and well log data”, Interna- tional Journal of Rock Mechanics & Mining Scienes, 42, 1042-1055 (2005)
80 정도연⋅정동유⋅구대서⋅정흥석
4. M.H. Shim, H.S. Chung, S.Y Cho, C.S. Kim, D.H Kim, M.Y. Ahn, S.W. Paek, D.H. Ahn, M.S Lee, K.R Kim, S.P Yim, “Design of a D-T fuel supply from the ITER SDS beds”, Applied chemistry, Vol. 10. NO. 2, 713-716 (2006)
