Applied Chemistry,
Vol. 17, No. 1, May 2013, 25-28
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수직형 Bed 냉각장치 및 방식
이정민ㆍ박종철ㆍ구대서ㆍ정동유*ㆍ정흥석†
한국원자력연구원, *국가핵융합연구소
Cooling Characteristics of a Hydrogen Storage Bed
Jungmin LeeㆍJongchul ParkㆍDaeseo KooㆍDongyou Chung*ㆍHongsuk Chung† Korea Atomic Energy Research Institute, *National Fusion Research Institute
(hschung1@kaeri.kr†)
Abstracts
With an increasing demand for energy, the importance of nuclear fusion energy is increasing.
Hydrogen isotopes are a main fuel for nuclear fusion reactors. Metal hydride former offers a safe and convenient method for hydrogen isotope storage. The storage of hydrogen isotopes is carried out by absorption and desorption in a metal hydride bed. These reactions require heat removal and supply respectively. Accordingly, the rapid storage and delivery of hydrogen isotopes are enabled by rapid cooling and heating of the metal hydride bed. In this study, a vertical-type hydrogen isotope storage bed is manufactured to enhance the cooling performance.
We present the experimental details of the cooling of the bed.
1. 서 론
고효율 에너지 자원의 중요성이 증가함에 따라 핵융합에너지는 많은 관심을 받고 있다. 핵융합에너지의 연료는 수소의 동위원소인 삼중수소이다. 핵융합로의 운전을 위해서는 삼중수소를 안전하게 저장하고 공급해야 하는 시스템이 필요하다[1-3]. 현재, 수소를 안전하게 저장 및 공급하는 방법으로 금속수소 화물(metal hydride)을 이용하여 수소화합물의 형태로 저장하는 방법이 주목되고 있다. 현재 대량의 삼중수소를 저장 및 공급하기 위한 금속으로는 감손우라늄(Depleted Uranium) 또는 지르코늄코발트 (Zrconium Cobalt)가 제안되고 있는 상황이다. 이 저장방법은 기존의 방식과 비교하여 안전성, 저장량, 장시간 저장 용이성 등의 장점을 지니고 있다. 하지만 수소화합물이 형성 되는 과정에서 반응열이 발생 하기 때문에 핵융합연료의 운전 시나리오에 맞추어 빠른 시간에 저장 및 공급을 위해서는 저장용기의 급속 냉각 및 급속 가열의 시스템이 필요한 상황이다[4-6]. 따라서 본 연구에서는 수소 동위원소 저장용 베드의 운전 시나리오에 맞추어 급속 냉각이 가능하도록 설계한 수직형 ZrCo 베드의 냉각성능 평가에 앞서 저장 용기의 냉각장치 및 냉각방식에 대하여 알아보고자 한다.
2. 수직형 배드의 냉각 장치 2.1. 수직형 수소 흡탈장 1:1 베드
수직형 ZrCo 베드는 수소 동위원소의 저장 및 공급을 위하여 설계 되었다. Fig. 1은 수직형 ZrCo 베 드의 모습이다. 구조는 크게 1차 용기와 2차 용기로 나눌 수 있다. 1차 용기는 수소 흡장재를 내부에 저장하며 가스가 유입/유출 되는 용기로 내, 외부 진공 및 내부 고압을 견딜 수 있게 설계되었다. 1차 용기는 SUS 316 5T 재질로 하여 최고 500 kPa의 내압 및 외부 진공을 견뎌야 하고, 내부 10-6 kPa
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이하의 진공도를 견딜 수 있게 설계하였다. 또 1차 용기는 상온에서 600 ℃의 온도 범위에서 운영될 수 있도록 설계하였다. 1차 용기는 수소 라인, 헬륨 라인, 진공라인, 필터, heater, primary vessel, 온도 측정계 및 압력 측정 장치로 구성되어 있다. 수소 흡장재로는 ZrCo를 사용하였으며, primary vessel는 삼중수소 저장⋅공급 베드 1차 용기 내에 설치되는 원통 vessel로서 재질 SUS 316이며 두께는 3T이다.
Fig. 1. Cross-section of the vertical-type ZrCo bed. Fig. 2. Diagram of the in-bed calorimetry.
2.2. In-bed Calorimetry System
Fig. 2는 수직형 베드 In-bed calorimetry 측정 장치의 모습으로 수소 동위원소를 흡장, 저장, 탈장, 공급하는 특수한 목적의 저장 용기 내부의 구리재질의 순환 Helium loop와 연결되어 He gas를 일정한 양과 일정한 온도로 넣어 순환시키는 장비이다. In-bed calorimetry 측정 장치의 장비의 주요 구성은 고온의 He gas가 1차 heat exchanger에서 급속 냉각 및 저장이 되어 metal bellows 602 pump를 거쳐 2차 heat exchanger를 통과하면서 다시 냉각되어 항온조를 거쳐 각 실험별 설정온도 및 유량으로 일정 하게 베드 내 loop로 공급하여 순환시키는 방식으로 구성되어 있다. In-bed calorimetry system은 수소동위원소인 삼중수소를 저장용기 밖으로 꺼내지 않고 헬륨의 흐름을 통해 붕괴열을 측정하여 삼중 수소의 재고량을 알아내는 측정 장비이다. 하지만 He-loop의 흐르는 He의 유량으로 인한 냉각효과가 분명히 있을 것이라고 판단하여 냉각 방식에 추가하였다. In-bed calorimetry system에는 이외에도 수직형 베드의 급속 냉각이 가능하도록 하기 위해 metal bellows 302 pump를 이용하여 2차 용기의 He이 순환이 가능하도록 설계하였다.
3. 수직형 베드의 냉각 방식
3.1. Outer Jacket Helium Cooling Method
수직형 베드를 설계하면서 계획한 냉각방식 중 2차 용기에 He을 채우는 방식은 수소 동위원소 저장 용기를 냉각시키는 방법 중 가장 보편화되어 있는 방법이다. 빈 공간인 2차 용기에 냉각을 위하여 비활성 기체인 He을 채워줘서 자연 대류로 인한 열 손실을 유도하는 방식이다. 수직형 베드에서는 2차 용기에 채워져 있는 He의 양에 따라서 어떠한 냉각의 경향성을 나타내는지 알아보고자 380 torr와 760 torr 두 가지 변수를 주어 냉각을 진행하였다. Fig. 3은 2차 용기의 He이 순환하는 모습이다. 기존의 2차 용기에 He을 채워서 냉각시키는 방법을 한 단계 발전시켜서 In-bed calorimetry system의 metal bellows 302 pump와 chiler, heat exchanger를 이용하여 He이 2차 용기를 순환하며 지속적으로 냉각이 되도록 하였다.
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Fig. 3. Configuration of outer jacket helium circulation cooling system.
Fig. 4. Schematic diagram of Helium loop.
3.2. Helium-loop Circulation Method
Fig. 4는 He-loop의 모습이다. 기존의 He loop는 In-bed calorimetry system과 함께 삼중수소의 재고량을 확인하는 과정에 사용되었지만 He-loop를 흐르는 He의 유량으로도 충분히 1차 용기의 냉각이 가능하다고 생각이 되었다. 수소 저장 용기를 급속 냉각 할 때 주로 용기를 냉각하지만 실제 용기 내부에 있는 금속 파우더의 열전달 특성이 좋지 않아 금속 파우더를 균일한 온도로 냉각하는데 어려움이 있다.
수직형 베드의 He-loop에서는 금속 파우더 내부까지 열전달을 촉진시켜 냉각 성능을 높임으로써 수소의 흡, 탈장 성능을 개선하고자 금속 파우더 내에 위치한 헬륨 루프에 핀을 설치하였다.
3.3. Combination Cooling
수직형 베드를 제작하는 단계에서 급속 냉각을 위하여 2차용기의 He 순환, He-loop의 He 유량을 변수로 하여 급속 냉각 방식을 설계하였다. 이러한 변수들이 동시에 진행이 된다면 급속 냉각 성능은 더욱 좋아질 것이라고 예상이 된다. 따라서 2차 용기의 He이 채워져 있을 때 He-loop의 유량에 따른 냉각성능과 2차 용기의 He이 순환하고 있을 때 He-loop의 유량에 따른 냉각 성능을 비교하고자 한다.
Table 1은 수직형 베드의 종합적인 냉각 특성을 평가하고자 계획한 냉각 실험 계획이다. Figs. 5와 6은 Table 1을 바탕으로 하여 Helium-loop circulation의 Flow rate 10과 20의 냉각 실험 결과이다.
Table 1. Rapid Cooling Experimental Condition
Mode Description Temperature
Single mode
500℃
Isolation 1st/2nd vessel : Continuous vacuum Natural convection 1st vessel : Continuous vacuum
2nd vessel : Helium
Outer jacket circulation 1st vessel : Continuous vacuum 2nd vessel : Helium circulation He-Loop circulation 1st, 2nd vessel : Continuous vacuum
He-Loop : He circulation
Flow rate (SLPM) : 10, 20, 40, 60, 80, 100 Combination mode
Natural convection He-Loop circulation+
1st vessel : Continuous vacuum 2nd vessel : Helium
He-Loop : He circulation Outer jacket circulation
He-Loop circulation+
1st vessel : Continuous vacuum 2nd vessel : Helium circulation He-Loop : He circulation
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Fig. 5. Cooling result of helium-loop circulation flow rate 10.
Fig. 6. Cooling result of helium-loop circulation flow rate 20.
4. 결 론
수직형 ZrCo 베드를 설계, 제작하고 이에 따른 냉각 실험을 정리하였다. 본 연구에서 사용된 수직형 ZrCo 베드 냉각 장치는 크게 수직형 수소 흡탈장 베드와 수직형 베드 인베드 열량 측정 장치로 나눌 수 있다. 수직형 수소 흡탈장 베드는 1차 용기와 2차 용기로 구성되어 있는 구조이며 ZrCo의 수소 동위 원소의 흡, 탈장 및 저장, 공급을 수행하는 공간이다. In-bed calorimetry system은 수직형 수소 흡탈장 베드에 He gas를 일정한 양과 일정한 온도로 넣어 순환시키는 장비이며 삼중수소 열량 측정 실험 및 베드의 냉각을 수행하는 장비이다. 급속 냉각이 가능하도록 설계된 수직형 베드의 성능을 평가하고자 냉각 실험을 계획하였다. 2차 용기의 He의 양과 순환, He-loop의 He 유량을 변수로 둔 single mode와 이 결과를 바탕으로 냉각 변수들이 동시에 작용하는 combination mode까지 실험이 진행된다면 수직형 베드 냉각 성능에 대한 종합적이며 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이며 이를 바탕으로 수소 흡, 탈장을 위한 준비 시간은 단축될 것이다. 나아가 핵융합로의 안전한 운전 시나리오 확보의 많은 도움이 될 것이다.
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부의 국제핵융합실험로 공동개발사업(NRF 2013-000137) 및 국가핵융합 연구소의 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
1. M. Shim et al., “Hydriding/dehydriding characteristics on fast heat transfer response ZrCo bed for ITER”, Fusion Engineering and Design, 84, 1763 (2009).
2. Hyun-Goo Kang et al., “Fabrication and test of thin double-layered annulus metal hydride bed”, Fusion Engineering and Design, 86, 2196-2199 (2011).
3. Dongyou Chung et al., “Preliminary heating test of hydrogen isotope storage beds”, Applied Chemistry, 15(2), 129-132 (October 2011).
4. Hongsuk Chung et al., “Storage and delivery of hydrogen isotopes”, Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, 22(3), 372-379 (2011. 6).
5. Hyun-Goo Kang et al., “Thermo-hydraulic analysis on in-bed calorimetry in a thin double-layered annulus metal hydride bed”, Fusion Engineering and Design, 84, 989-992 (2009).
6. M. Shim et al., “Disproportionation characteristics of a zirconium-cobalt hydride bed under ITER operating conditions”, Fusion Science and Technology, 53, 830-840 (2008).
