KR100985611B1 - 리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 구비하는 핵융합로 - Google Patents

리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 구비하는 핵융합로 Download PDF

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Abstract

리튬 나노유체를 이용한 핵융합로의 블랭킷 및 핵융합로가 개시된다. 블랭킷은 리튬 나노유체를 사용하여 상기 핵융합로의 연료를 증식하고 또한 냉각에도 적용된다. 이때, 상기 리튬 나노유체는 액체 리튬에 금속 또는 산화금속 나노입자를 분산 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 핵융합로는 플라즈마를 수용하여, 상기 플라즈마의 반응으로 인한 열에너지를 생산하는 블랭킷, 상기 블랭킷에 연결되어 상기 플라즈마 반응에 필요한 연료를 제공한 연료 공급유닛, 냉매를 공급하는 냉매 공급유닛; 및 상기 블랭킷과 상기 냉매 공급유닛을 연결하여 상기 냉매를 이송하는 냉매 이송유닛을 포함하며, 상기 연료를 증식시키고 또한 냉각시키기 위하여 리튬 나노유체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 물과의 반응을 현저하게 줄일 수 있어서 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 핵융합로의 실현가능성 및 안전사고 예방 등에 따른 경제적 효과를 향유할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 구조를 변경하지 않으면서도, 안전성을 획기적으로 개선할 수 있다.
핵융합, 리튬나노유체, 증식, 냉각, 블랭킷

Description

리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 구비하는 핵융합로{BLANKET USING LITHUM NANOFLUID AND FUSION REACTOR HAVNING THE SAME}
본 발명은 리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 구비하는 핵융합로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물과의 반응을 현저하게 줄일 수 있어서 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 핵융합로의 실현가능성 및 안전사고 예방 등에 따른 경제적 효과를 향유할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 구조를 변경하지 않으면서도, 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 구비하는 핵융합로에 관한 것이다.
기존 화석연료에 의존하던 시대에서, 원자력 에너지 등 녹색 에너지로의 전환을 위하여 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 핵융합을 이용하여 공해없고 무한한 에너지를 창출하는 연구에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다. 즉, 핵융합로에서 수소동위원소인 중수소나 삼중수소 등을 이용하여 플라즈마 반응을 일으키는 방식이 개발중이나, 해결해야 할 과제가 산적해 있는 것이 현재의 실정이다.
핵융합로에서 블랭킷은 원자로에서의 핵연료봉과 같이 에너지 전환을 이루 는 중요한 역할을 수행하는 구성요소이다. 핵융합로의 연료로는 자연적 혹은 인공적인 트리튬을 사용하게 되는데, 블랭킷은 그 양의 한계로 트리튬의 증식을 이루는 역할을 수행하게 된다. 이러한 증식을 위한 재료로서는 기본적으로 리튬 금속을 사용하며, 고체형 또는 액체형, 순수 형태 혹은 화합물 형태의 다양한 후보들이 제안되고 있다. 또한, 블랭킷을 냉각해주는 냉각재도 다양하게 제안되고 있는데, 이 가운데 물을 이용한 개념도 널리 채택되고 있다.
도 1은 다양한 설계안(design example)에 따른 구조재(structural material), 브리더(breeder), 냉각재(coolant) 등의 예를 나타낸 것이다.
하지만, 리튬은 알칼리 금속으로서, 물과의 반응성이 매우 커서 폭발의 위험성이 높은 문제점이 있다. 특히, 국제핵융합로(ITER)나 데모 플랜트 개념에서 리튬기반 증식재 및 물기반 냉각재의 사고시 반응 가능성이 높기 때문에, 이러한 리튬-물 반응의 폭발 위험성은 핵융합로의 안정성에 있어, 매우 중요한 문제 중의 하나로 제기되고 있다.
따라서, 리튬을 보다 안전하게 만드는 기술이 있다면 이러한 문제점을 해결하여 핵융합로의 안전성에 크게 기여할 수 있게 될 것이며, 이러한 문제는 시급히 해결되어야 할 과제이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 물과의 반응을 현저하게 줄일 수 있어서 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 증식 또는 냉각을 위한 리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 포함하는 핵융합로를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 핵융합로의 실현가능성 및 안전사고 예방 등에 따른 경제적 효과를 향유할 수 있는 리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 포함하는 핵융합로를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기존 구조를 변경하지 않으면서도, 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 리튬 나노유체를 이용한 블랭킷 및 이를 포함하는 핵융합로를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로의 블랭킷은 리튬 나노유체를 사용하여 상기 핵융합로의 연료를 증식하고 또한 냉각에도 적용된다. 이때, 상기 리튬 나노유체는 액체 리튬에 금속 또는 산화금속 나노입자를 분산 처리하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 핵융합로는 플라즈마를 수용하여, 상기 플라즈마의 반응으로 인한 열에너지를 생산하는 블랭킷, 상기 블랭킷에 연결되어 상기 플라즈마 반응에 필요한 연료를 제공한 연료 공급유닛, 냉매를 공급하는 냉매 공급유닛; 및 상기 블랭킷과 상기 냉매 공급유닛을 연결하여 상기 냉매를 이송하는 냉매 이송유닛을 포함하며, 상기 연료를 증식시키고 또한 냉각시키기 위하여 리튬 나노유체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 핵융합로는 핵융합 반응을 이용하여 에너지 전환을 수행하는 핵융합로에서, 상기 핵융합로의 연료를 증식시키는 리튬 나노유체를 냉각재로도 활용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 증식재 및 냉각재가 동일한 것을 배제하는 것은 아니다. 즉, 핵융합 반응을 이용하여 에너지 전환을 수행하는 핵융합로에서, 상기 핵융합로의 연료를 증식시키는 증식재를 냉각재로도 활용하는 것도 가능하다. 이러한 증식재 및 냉각재는 전술한 바와 같이 리튬 나노유체를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 리튬 나노유체는 액체 리튬에 금속 또는 산화금속 나노입자를 분산 처리한다.
상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 블랭킷 및 핵융합로는 물과의 반응을 현저하게 줄일 수 있어서 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 핵융합로의 실현가능성 및 안전사고 예방 등에 따른 경제적 효과를 향유할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존 구조를 변경하지 않으면서도, 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실 시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
여기서, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 핵융합로의 구성을 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 핵융합로를 설명하기 위한 개략적으로 도시한 단면도, 도 3은 플라즈마 노심으로부터 냉매로 열이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도시한 개략도이다.
본 실시예에 따르면, 핵융합로(10)는 핵융합을 이용하여 열에너지를 생성하기 위하여 열발생유닛(100), 냉매 이송유닛(200), 냉매 공급유닛(300)을 포함하며, 연료 순환유닛(400)과 연료 이송유닛(500)으로 이루어진 연료 공급유닛을 포함하여 구성된다.
상기 열발생유닛(100)은 플라즈마 반응이 발생하는 공간을 제공하며, 구체적으로는 반응용기(110), 플라즈마 노심(120), 플라즈마 가열부(130)를 포함하여 구성된다.
상기 반응용기(110)는 상기 플라즈마 노심(120)의 외측에 형성되는 진공 용기부(112), 열이 발생되는 블랭킷(blanket)(116)을 포함하여 구성된다.
상기 플라즈마 노심(120)은 본 발명의 핵융합로(10)의 심장과 같은 부분으로써, 상기 연료 순환유닛(400) 및 연료 냉매 이송유닛(600)으로부터 D-T 연료(중수소(D)와 삼중수소(T))가 공급되고, 상기 플라즈마 가열부(130)에 의해 플라즈마가 생성된다. 그리고, 상기 플라즈마 노심(120)에서는 생성된 플라즈마가 가열 및 밀폐되어 자기 점화상태에 도달하면 지속적인 핵융합반응에 의해 막대한 에너지가 발생된다.
상기 플라즈마 노심(120)에서 플라즈마 반응에 의해 생성되는 에너지는 플라즈마 반응 생성물질인 알파입자 및 중성자의 운동에너지와, 전자기파 형태로 방출된다. 이중에서 전하를 띄는 알파입자는 플라즈마가 자장에 의해서 밀폐되는 것과 같이, 상기 플라즈마 노심(120) 내에 잔류하여 플라즈마를 초고온 상태로 계속 유지시켜 주거나, 다이버터라 불리는 배출구 설치 한 후 이를 통해 사용 후 배출 되게 할 수 도 있다. 특히, 이 다이버터 부에서 최대 열부하가 발생할 수 있다. 그리고, 상기 전자기파와 중성자는 상기 플라즈마 노심(120)을 자유롭게 빠져나가 상기 블랭킷(114)에 흡수된다.
한편, 상기 블랭킷(114)에는 상기 중성자의 운동에너지로부터 변환된 열에너지를 제거하는 냉매가 유동한다. 그리고, 상기 블랭킷(114)은 리튬(Li)이 함유되어 형성되는데, 상기 리튬과 상기 중성자와의 핵반응을 통해 삼중수소를 생산할 수 있다. 상기 블랭킷(114)은 상기 생산된 삼중수소를 상기 연료 공급유닛(미도시)으로 공급한다.
상기 블랭킷(114)은 플라즈마 반응에 의해서 온도가 매우 높은 상태가 되는데, 본 발명의 상기 핵융합로(10)를 통해 안정적이고 지속적인 플라즈마 반응이 이루어지도록 하기 위해서는 상기 블랭킷(114)을 지속적으로 냉각시켜주어야 한다. 이때, 냉각은 냉각재를 이용하여 수행된다.
상기 냉매 공급유닛(300)은 냉매 또는 냉각재를 상기 블랭킷(114)으로 공 급한다.
상기 냉매 이송유닛(200)은 상기 열발생유닛(100)과 상기 냉매 공급유닛(300) 사이에 구비되어, 상기 플라즈마 노심(120)에서 일어나는 플라즈마 반응에 의해서 생성되는 열을 흡수하여 외부로 전달함으로써 상기 플라즈마 노심(120)을 냉각시킨다.
상세하게는, 상기 냉매 이송유닛(200)은 제1 이송부(210), 열전달부(220) 및 제2 이송부(230)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 이송부(210)는 상기 냉매 공급유닛(300)과 상기 열전달부(220)을 연결하며, 낮은 온도의 냉매를 상기 열전달부(220)으로 이송한다.
상기 열전달부(220)는 상기 플라즈마 노심(120)에 대면하는 계통으로서, 상기 블랭킷(114)과 접촉하여 냉매와 상기 블랭킷(114) 사이에서 열(Q)이 교환된다. 상기 열전달부(220)는 높은 열전달 효과를 얻기 위해서 상기 블랭킷(114)과 접촉하는 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 열전달부(220)에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.
상기 제2 이송부(230)는 상기 열전달부(220)와 상기 냉매 공급유닛(300) 사이에 구비되어, 상기 블랭킷(114)으로부터 상기 열전달부(220)의 냉매로 전달된 상기 열(Q)을 상기 냉매 공급유닛(300)으로 이송한다.
상기 핵융합로(10)는 상기 냉매 이송유닛(200)의 내부에서 유동하는 냉매를 가압하기 위한 가압유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가압유닛은 냉매 이송유닛(200)의 경로상에 구비되어 상기 열전달부(220)로 유입되는 냉매를 가압한다.
본 실시예에서는 액체 리튬금속에 열전도도 및 반응도를 저하시키기 위하여 나노 입자를 분산시킨 나노유체를 사용하여, 물과의 반응을 현저히 줄일 수 있다. 즉, 온도가 상승할수록, 더 큰 반응성을 일으키는 경우에 더 좋은 열전도도를 갖는 나노입자를 통한 효과적인 열제거로 반응성을 추가로 줄일 수 있게 된다. 즉, 기존에 증식을 위해 사용하는 리튬을 나노유체 형태로 하여 냉각재로도 사용하는 것이다.
보다 자세한 설명을 위하여 도 4를 제시한다.
도 4는 리튬과 물과의 혼합반응에 대한 시간대별 온도차를 도시한 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 나노입자가 함유되지 않아서 반응성이 제어되지 않는 경우에는 반응기 벽의 온도를 측정한 결과 대략 40도 이상의 온도차가 발생한다는 것을 알 수 있다.
이러한 반응은 다음 화학식에 따라 발생한다.
2Li + 2H2O -> 2LiOH + H2 ↑
하지만, 나노입자가 리튬에 함유된 경우에는 20~30도에서 온도가 발생하는 것을 알 수 있다.
즉, 시간이 경과함에 따라, 더 큰 반응성을 일으키는 경우에 더 좋은 열전도도를 갖는 나노입자를 통한 효과적인 열제거로 반응성을 추가로 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, 나노 입자를 분산시킨 나노유체를 사용하여, 냉각재로 사용되는 물과의 반응을 현저히 줄일 수 있음을 실험을 통하여 확인할 수 있다.
우리나라의 핵융합 기술은 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트에 참여하면서, 세계 수준에 더욱 가까워지고 있다. ITER는 2015년 열출력이 한국형 표준원전의 6분의 1인 50만 kW와, 투입대비 출력에너지 비율(Q) 10을 목표로 하고 있다. 미국과 구소련이 먼저 시작했고, 이어 EU, 일본, 한국, 중국, 인도 등 7개국이 참여하고 있다. 이러한 ITER은 모든 핵융합기술에 있어서 공동으로 권리를 보유하는 것이 아니라, 부가가치를 창출할 수 있는 부분에서는 각국의 경쟁을 유도하고 있다. 따라서, 이러한 부가가치 창출할 수 있는 기술 중의 하나인 삼중수소 증식 블랭킷의 설계 부분에서 우리만의 기술을 확보한다면, 데모 플랜트(Demo plant)로 들어서는 단계에서는 다른 국가를 제치고 막대한 경제적 이득을 획득할 수 있다. 본 나노입자를 분산시킨 나노유체를 활용하여 리튬과 물이 접촉시 발생할 수 있는 사고의 가능성을 획기적으로 줄일 수 있어서 국가 산업 및 경제에 이바지할 수 있게 된다.
본 발명은 리튬 나노유체를 예를 들어 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 증식과 감속을 동일한 원소를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범 주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
도 1은 도 1은 다양한 설계안(design example)에 따른 구조재(structural material), 브리더(breeder), 냉각재(coolant) 등의 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 핵융합로를 설명하기 위한 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 플라즈마 노심으로부터 냉매로 열이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도시한 개략도이다.
도 4는 리튬과 물과의 혼합반응에 대한 시간대별 온도차를 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
10: 핵융합로 100: 열발생유닛
110: 반응용기 112: 진공 용기부
114: 블랭킷 116: 차폐 용기부
120: 플라즈마 노심 130: 플라즈마 가열부
200: 이송유닛 210: 제1 이송부
220: 열전달부 300: 냉매 공급유닛
400: 연료 순환유닛 500: 연료 이송유닛

Claims (8)

  1. 핵융합로에서 에너지 전환을 수행하는 블랭킷에서,
    리튬 나노유체를 사용하여 상기 핵융합로의 연료를 증식하고 또한 냉각에도 적용하는 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로의 블랭킷.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 나노유체는 액체 리튬에 금속 또는 산화금속 나노입자를 분산 처리한 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로의 블랭킷.
  3. 플라즈마를 수용하여, 상기 플라즈마의 반응으로 인한 열에너지를 생산하는 블랭킷;
    상기 블랭킷에 연결되어 상기 플라즈마 반응에 필요한 연료를 제공한 연료 공급유닛;
    냉매를 공급하는 냉매 공급유닛; 및
    상기 블랭킷과 상기 냉매 공급유닛을 연결하여 상기 냉매를 이송하는 냉매 이송유닛;
    을 포함하며, 상기 연료를 증식시키고 또한 냉각시키기 위하여 리튬 나노유체를 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리튬 나노유체는 액체 리튬에 금속 또는 산화금속 나노입자를 분산 처리하여, 상기 블랭킷의 냉각에 사용되는 물과의 반응성을 감소시키는 것을 한 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로.
  5. 핵융합 반응을 이용하여 에너지 전환을 수행하는 핵융합로에서,
    상기 핵융합로의 연료를 증식시키는 리튬 나노유체를 냉각재로도 활용하는 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로.
  6. 핵융합 반응을 이용하여 에너지 전환을 수행하는 핵융합로에서,
    상기 핵융합로의 연료를 증식시키는 증식재를 냉각재로도 활용하며,
    상기 증식재 및 냉각재는 리튬 나노유체인 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 리튬 나노유체는 액체 리튬에 금속 또는 산화금속 나노입자를 분산 처리한 것을 특징으로 하는 리튬 나노유체를 이용한 핵융합로.
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