KR101176438B1 - 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 삼중수소를 효율적으로 저장하고 공급할 수 있는 건전성이 향상된 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기는 외부용기와, 상기 외부용기의 내부에 위치되는 내부용기와, 상기 내부용기 내에 위치되는 제 1원통관 및 상기 제 1원통관 내에 위치되는 제 2원통관을 포함하며 수직방향으로 장축이 위치되는 수직 환형 원통관과, 상기 제 1원통관과 제 2원통관 사이에 형성된 수직 환형 공간에 구비되는 분말형태의 수소저장금속과, 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되는 히터선과, 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 외부의 삼중수소를 상기 수직 환형 공간으로 유입시키는 삼중수소 유입관과, 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 공간 내의 삼중수소를 공급처로 배출시키는 삼중수소 배출관과, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 형성되어 열을 차단하고 상기 삼중수소의 누출을 방지하는 열차폐판 및 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되고 상기 수직 환형 공간 내의 삼중수소를 계량하기 위해 헬륨기체가 내부로 유출입되며 순환되는 헬륨루프관을 포함하되, 상기 삼중수소는 상기 삼중수소 유입관을 통해 상기 수직 환형 공간으로 이동한 후 수직 환형 공간 내의 수소저장금속에 흡장되어 삼중수소화금속에 저장되고, 상기 헬륨기체에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 계량되며, 상기 히터선을 이용한 가열에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 탈장되어 상기 삼중수소 배출관을 통해 공급처로 급속이송되는 것을 특징으로 한다.

Description

핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기{VERTICAL TYPE TRITIUM STORAGE VESSEL FOR NUCLEAR FUSION FACILITIES}

본 발명은 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기에 관한 것으로서 핵융합반응로에 공급하는 삼중수소를 효율적으로 저장하고 공급하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기에 관한 것이다.

최근 미래 에너지원으로 각광받고 있는 핵융합에너지는 수소동위원소인 삼중수소와 중수소의 핵융합반응으로 생산될 수 있다.

핵융합반응의 원료인 삼중수소는 방사성 수소동위원소로서, 그 취급에 있어서 고도의 안전기술이 요구된다. 또한, 삼중수소는 국가 간 수출입통제를 받는 민감한 방사성물질이므로, 이를 효율적으로 사용하기 위하여 안전하게 저장하고, 정확한 재고를 측정하여 공급하는 기술이 중요하다.

한편, 삼중수소 관련 기술은 국가 간 수출입이 통제되는 민감한 기술이기 때문에, 선진국으로부터의 기술이전에 제약이 많으며, 설사 해외에서 기술이 도입되어도, 타 분야 활용 또는 제 3국에의 기술 수출시 기술 공급국의 승인을 받아야하는 민감한 기술에 해당한다.

토카막 등의 핵융합반응로에서 발생한 헬륨 등의 핵융합반응 생성물과 미반응 수소동위원소는 토카막배기체처리공정의 팔라듐-은 합금 금속막 장치에서 헬륨과 순수 수소동위원소로 분리된다.

상기 분리된 순수 수소동위원소는 초저온 증류탑에서 경수소, 중수소 및 삼중수소로 분리되며, 이 중, 삼중수소는 저장공정과 연료주입계통을 통하여 다시 토카막으로 순환된다. 이때, 삼중수소저장공정에는 삼중수소 용기가 설치된다.

종래 삼중수소 용기는 수소저장금속을 사용하여 삼중수소화금속 형태인 고체상으로 삼중수소를 고정화한 후, 이를 용기에 담고 이 용기에 가열선을 설치하는 구조로 제작되었다.

이 경우 삼중수소의 고정화 저장은 가능하나, 삼중수소를 빠른 속도로 흡장 저장하거나, 빠른 속도로 탈장 공급할 수 없기 때문에, 다수의 삼중수소 용기를 채용함에 따라 삼중수소 재고 증가가 불가피해져 경제성 및 안전성에 문제점이 발생하였다. 또한 비교적 빠른 흡탈장이 가능한 종래 삼중수소 용기도 내부 구조가 복잡해 안전성과 경제성이 저감되는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 특허출원번호 제2010-0008562호의 삼중수소 용기를 출원한 바 있다. 그러나, 상기 특허출원에서 제안된 방식은 수평형으로 금속수소화물이 수소동위원소를 흡장 및 탈장을 반복하면서 팽창 및 수축이 반복되어 저장용기 벽면에 다방향으로 압력을 가하게 되어 금속수소화물과 저장용기 재료 간의 상호 간섭으로 인한 금속수소화물의 분쇄 및 심한 경우 이질적 두 재료간의 화학반응의 문제가 발생하여 저장용기의 건전성이 훼손될 우려가 있다.

이에, 본 발명자들은 공지 기술의 문제점인 저속의 삼중수소 저장속도 및 공급속도를 개선하고, 삼중수소의 계량관리가 가능한 동시에, 용기의 내구성과, 신뢰성 및 건전성을 유지하면서, 삼중수소를 안전하고 경제적으로 취급할 수 있는 삼중수소 용기를 연구한 결과 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 삼중수소를 효율적으로 저장하고 공급할 수 있는 건전성이 향상된 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기는 외부용기와, 상기 외부용기의 내부에 위치되는 내부용기와, 상기 내부용기 내에 위치되는 제 1원통관 및 상기 제 1원통관 내에 위치되는 제 2원통관을 포함하며 수직방향으로 장축이 위치되는 수직 환형 원통관과, 상기 제 1원통관과 제 2원통관 사이에 형성된 수직 환형 공간에 구비되는 분말형태의 수소저장금속과, 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되는 히터선과, 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 외부의 삼중수소를 상기 수직 환형 공간으로 유입시키는 삼중수소 유입관과, 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 공간 내의 삼중수소를 공급처로 배출시키는 삼중수소 배출관과, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 형성되어 열을 차단하고 상기 삼중수소의 누출을 방지하는 열차폐판 및 상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되고 상기 수직 환형 공간 내의 삼중수소를 계량하기 위해 헬륨기체가 내부로 유출입되며 순환되는 헬륨루프관을 포함하되, 상기 삼중수소는 상기 삼중수소 유입관을 통해 상기 수직 환형 공간으로 이동한 후 수직 환형 공간 내의 수소저장금속에 흡장되어 삼중수소화금속에 저장되고, 상기 헬륨기체에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 계량되며, 상기 히터선을 이용한 가열에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 탈장되어 상기 삼중수소 배출관을 통해 공급처로 급속이송되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직 환형 공간은 상부와 하부에 상기 수소저장금속의 유출을 방지하는 수평 환형 유출방지필터가 각각 구비될 수 있다.

또한, 상기 수평 환형 유출방지필터는 소결 금속필터일 수 있다.

또한, 상기 수평 환형 유출방지필터는 상기 수직 환형 공간 내에 수평으로 복수로 설치될 수 있다.

또한, 상기 수직 환형 공간은 상부와 하부에 상기 수소저장금속의 유출을 방지하는 원통형 유출방지필터가 구비되되, 상기 원통형 유출방지필터는 원통형 소결 금속필터일 수 있다.

또한, 상기 제 1원통관 또는 제 2원통관은 상기 수직 환형 공간 내의 열전달을 촉진시키는 열전달촉진핀이 설치될 수 있다.

또한, 상기 히터선은 상기 제 1원통관과 제 2원통관에 각각 별도로 구비될 수 있다.

또한, 상기 헬륨루프관은 상기 제 1원통관과 제 2원통관에 각각 별도로 구비될 수 있다.

또한, 상기 헬륨루프관은 하나의 유입구가 유입 매니폴드에 의해 복수의 분기관과 연결되고, 상기 복수의 분기관이 배출 매니폴드에 의해 하나의 배출구와 연결될 수 있다.

또한, 상기 헬륨루프관은 복수의 다른 수직형 삼중수소 용기의 외부용기와 내부용기를 관통하는 헬륨루프관과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.

또한, 상기 수소저장금속은 ZrCo, 감손우라늄, 우라늄, 티타늄, 팔라듐, ZrNi, ZiNi_xCo_y(x=0.01~0.99,y=1-x), ZrNi_xCo_yFe_z(x=0.01~0.99, y=0.01~0.99, z=0.01~0.99, x+y+z=1) 및 Zi_xHf_yCo(x=0.01~0.99, y=1-x)로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.

또한, 상기 수소저장금속은 ZrNi_{0 .3}Co_{0 .7}, ZrNi_{0 .2}Co_{0 .7}Fe_{0 .1}, ZrNi_{0 .3}Co_{0 .5}Fe_{0 .2}, Zr_0.5Hf_0.5Co 및 Zr_{0 .7}Hf_{0 .3}Co로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.

또한, 상기 열차폐판은 그 표면이 은으로 도금될 수 있다.

또한, 상기 내부용기, 수직 환형 원통관 또는 헬륨루프관에 연결되어 각 부위의 온도를 계측하는 열전대가 포함될 수 있다.

또한, 상기 헬륨루프관에 설치되어 상기 헬륨기체의 유량을 계측 및 기록하고, 과부하시 경보를 울리는 헬륨기체 유량계측기가 포함될 수 있다.

또한, 상기 헬륨루프관에 설치되어 상기 헬륨기체를 설정된 온도로 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도로 유입시키는 항온기가 포함될 수 있다.

또한, 상기 삼중수소 배출관에 설치되어 상기 삼중수소가 과압일 경우 상기 외부용기 및 내부용기를 보호하는 럽츄어 디스크(rupture disk)가 포함될 수 있다.

또한, 상기 럽츄어 디스크(rupture disk)에 설치되어 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 압력을 계측 및 기록하며, 설정온도에서 경보를 울리는 삼중수소 압력계측기가 포함될 수 있다.

또한, 상기 삼중수소 배출관에 설치되어 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 유량을 계측 및 기록하는 삼중수소 유량계측기가 포함될 수 있다.

또한, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 대류열전달을 감소시키는 고진공(High vacuum) 상태가 형성될 수 있다.

또한, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 대류열전달을 증가시키는 헬륨(He)이 포함될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기에 의하면, 용기의 건전성을 유지하면서 삼중수소를 계량 관리하는 기능을 용기 자체가 가지면서도 삼중수소를 고속이송하기 위한 광면적 급속가열형 용기를 채용하여, 삼중수소 연료공급의 원활성을 높이고, 용기 숫자를 줄일 수 있으며, 작은 용적으로 경제성이 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기의 개략적인 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 이용한 삼중수소의 저장과 계량 및 급속이송 방법의 일 블록도.
도 3은 도 2에 도시된 삼중수소 저장단계의 일 블록도.
도 4는 도 2에 도시된 삼중수소 계량단계의 일 블록도.
도 5는 도 2에 도시된 삼중수소 계량단계의 다른 블록도.
도 6은 도 2에 도시된 삼중수소 계량단계의 또 다른 블록도.
도 7은 도 2에 도시된 삼중수소 계량단계의 또 다른 블록도.
도 8은 도 2에 도시된 삼중수소 급속이송단계의 일 블록도.
도 9는 도 8에 도시된 삼중수소 이송공정의 일 블록도.
도 10은 도 8에 도시된 삼중수소 이송공정의 다른 블록도.
도 11은 수직 환형 원통관의 가열속도를 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기의 개략적인 정면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부용기(100)와, 내부용기(200)와, 수직 환형 원통관(300)과, 삼중수소 유입관(400)과, 삼중수소 배출관(500)과, 열차폐판(700) 및 헬륨루프관(800)을 포함한다.

상기 외부용기(100)는 내부에 위치되는 내부용기(200)를 커버한다.

따라서, 상기 외부용기(100)는 상기 내부용기(200) 내에 존재하는 삼중수소의 외부 누출을 방지할 수 있다.

상기 수직 환형 원통관(300)은 중공 원통형상의 제 1원통관(310) 및 상기 제 1원통관(310) 내에 위치되는 중공 원통형상의 제 2원통관(320)을 포함하되, 수직방향으로 장축이 배치되며 상기 내부용기(200) 내에 위치된다.

구체적으로, 상기 수직 환형 원통관(300)은 상기 제 1원통관(310)의 내경이 상기 제 2원통관(320)의 외경보다 크게 형성되어 상기 제 2원통관(320)이 상기 제 1원통관(310)의 중공부에 위치됨으로써 전체적으로 환형 형상으로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기(1)는 상기 제 1원통관(310)과 제 2원통관(320) 사이에 형성된 수직 환형 공간(330)에 분말형태의 수소저장금속을 구비할 수 있다.

또한, 상기 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기(1)는 상기 외부용기(100)와 내부용기(200)를 관통하여 상기 수직 환형 원통관(300)에 브레이징(brazing)되어 구비되는 히터선(340)을 포함할 수 있다.

이때, 상기 히터선(340)은 상기 제 1원통관(310)과 제 2원통관(320)에 각각 별도로 브레이징(brazing)되어 하나의 히터선(340)이 단선될 경우, 다른 하나의 히터선(340)을 작동시켜 수소저장금속 내에 잔류하는 삼중수소를 안전하게 가열 방출하여 회수할 수 있다.

상기 수직 환형 공간(330)은 광면적 내부 공간으로 상기 삼중수소와 수소저장금속간의 반응을 유도하며, 상부와 하부에 상기 수소저장금속의 유출을 방지하는 수평 환형 유출방지필터(600)가 각각 구비될 수 있다.

이때, 상기 수평 환형 유출방지필터(600)는 소결 금속필터일 수 있고, 상기 수직 환형 공간(330) 중간에 수평으로 복수개 설치하여 상기 수소저장금속을 다단으로 배치할 수 있다. 따라서, 금속하이드라이드의 양이 많은 경우, 상기 수평 환형 유출방지필터(600)에 가해지는 하중을 최소화할 수 있고, 금속하이드라이드 내에 열전달 및 물질전달을 촉진시킬 수 있다.

상기 수직 환형 공간(330)으로 유입되는 삼중수소는 상기 수평 환형 유출방지필터(600)를 통과하여 수소저장금속에 흡장되나, 상기 삼중수소가 저장된 삼중수소화금속은 탈장 시, 상기 수평 환형 유출방지필터(600)를 통과하지 못하므로 삼중수소화 금속분말의 유출이 방지될 수 있다.

한편, 상기 수직 환형 공간(330)에는 도시되지 않았지만 상부와 하부에 원통형 소결 금속필터인 원통형 유출방지필터가 구비될 수 있는데, 이에 따라 상기 수소저장금속의 유출이 방지되고 삼중수소의 원활한 유로가 제공되며 압력강하를 극소화시킬 수 있다. 이때, 상기 제 1원통관(310) 및 제 2원통관(320)에 열전달촉진핀(미도시)을 설치함으로써 상기 수직 환형 공간(330) 내의 열전달을 촉진시킬 수 있다.

상기 수소저장금속은 상기 수직 환형 공간(330) 내에 얇게 펼쳐져 넓은 반응면적을 제공하므로, 상기 삼중수소 유입관(400)을 통해 유입되는 삼중수소의 빠른 흡장이 가능하다.

상기 수소저장금속으로 ZrCo, 감손우라늄, 우라늄금속, 티타늄, 팔라듐, ZrNi, ZiNi_xCo_y(x=0.01~0.99,y=1-x), ZrNi_xCo_yFe_z(x=0.01~0.99, y=0.01~0.99, z=0.01~0.99, x+y+z=1) 및 Zi_xHf_yCo(x=0.01~0.99, y=1-x)를 사용하는 것이 바람직하나, ZrNi_{0 .3}Co_{0 .7}, ZrNi_{0 .2}Co_{0 .7}Fe_{0 .1}, ZrNi_{0 .3}Co_{0 .5}Fe_{0 .2}, Zr_{0 .5}Hf_{0 .5}Co 및 Zr_{0 .7}Hf_{0 .3}Co를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 수소저장금속을 상술한 금속 및 합금으로 사용하는 이유는 상기 금속 및 합금은 활성화가 용이하고, 삼중수소의 저장능력이 크며, 삼중수소의 흡수속도 및 가열 시 삼중수소의 방출속도가 크기 때문이다.

또한, 사용온도에 적합한 반응열을 가지고 있고, 삼중수소의 흡수와 방출과정에서 평탄압력을 나타내는 Plateau 영역이 비교적 크며, 그 경사도가 작기 때문이다.

더불어, 삼중수소의 반복적인 흡수와 저장에 따라 쉽게 열화 되지 않고 쉽게 재생이 가능하고, 불순가스에 대한 내피독성이 크며, 가격은 비교적 저렴하고 미분화가 작으며 내구성이 우수하기 때문이다.

상기 히터선(340)은 도시되지 않았지만 외부의 전원과 전선 피드쓰루 (electrical feed-through)를 통해 연결되며, 상기 수직 환형 공간(330)을 형성하는 제 1원통관(310)과 제 2원통관(320)에 그루빙(grooving)되어 브레이징(brazing)으로 배치되며, 외부로의 열손실을 최소화하고 또한 삼중수소의 누출을 방지하기 위해 상기 외부용기(100) 및 내부용기(200)에 대하여 피드쓰루(feed-through)로 처리되어 설치된다.

상기 삼중수소 유입관(400)은 상기 외부용기(100)와 내부용기(200)를 관통하는 관 형상으로 이루어지며, 외부의 삼중수소를 상기 수직 환형 공간(330)으로 유입시킬 수 있다.

상기 삼중수소 배출관(500)은 상기 외부용기(100)와 내부용기(200)를 관통하는 관 형상으로 이루어지며, 상기 수직 환형 공간(330)의 탈장된 삼중수소를 공급처로 배출시킬 수 있다.

상기 열차폐판(700)은 상기 외부용기(100)와 내부용기(200) 사이에 형성되어 열을 차단하고 삼중수소의 누출을 방지하며, 표면이 은으로 도금되어 복사열 전달을 극소화시킬 수 있다.

상기 헬륨루프관(800)은 상기 외부용기(100)와 내부용기(200)를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되되, 상기 수직 환형 공간(330) 내의 삼중수소를 계량하기 위해 헬륨기체가 내부로 유출입되며 순환된다.

이때, 상기 헬륨루프관(800)은 상기 제 1원통관(310)과 제 2원통관(320)에 각각 별도로 구비될 수 있고, 도시되지 않았지만, 순환유속을 조절하기 위하여 순환펌프(미도시)와 유량조절계(미도시)가 사용될 수 있다.

한편, 상기 헬륨루프관(800)은 도시되지 않았지만, 하나의 유입구가 유입 매니폴드에 의해 복수의 분기관과 연결되고 상기 복수의 분기관이 배출 매니폴드에 의해 하나의 배출구와 연결되는 구조로 형성되어 신속한 냉각 열전달을 할 수 있고, 복수의 다른 수직형 삼중수소 용기의 외부용기와 내부용기를 관통하는 헬륨루프관과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.

한편, 상기 외부용기(100)와 내부용기(200) 사이에는 대류열전달을 감소시키기 위해 고진공(High vacuum) 상태가 형성될 수 있고, 상기 대류열전달을 증가시키기 위해 헬륨(He)이 포함될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 삼중수소는 상기 삼중수소 유입관(400)을 통해 상기 수직 환형 공간(330)으로 이동한 후 수직 환형 공간(330) 내의 수소저장금속에 흡장되어 삼중수소화금속에 저장되고, 상기 헬륨기체에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 계량되며, 상기 히터선(340)을 이용한 가열에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 탈장되어 상기 삼중수소 배출관(500)을 통해 공급처로 급속이송된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기(1)는 도시되지 않았지만, 열전대와, 헬륨기체 유량계측기와, 항온기와, 럽츄어 디스크(rupture disk)와, 삼중수소 압력계측기 및 삼중수소 유량계측기가 더 포함될 수 있다.

상기 열전대(미도시)는 외부로의 열손실을 최소화하고 또한 삼중수소의 누출을 방지하기 위해 상기 열차폐판(700)과 외부용기(100) 및 내부용기(200)에 피드쓰루(feed-through)로 체결되며, 상기 내부용기(200), 수직 환형 원통관(300) 또는 헬륨루프관(800)에 연결되어 각 부위의 온도를 계측할 수 있다.

상기 헬륨기체 유량계측기(미도시)는 상기 헬륨루프관(800)에 설치되어 상기 헬륨기체의 유량을 계측 및 기록하고, 과부하시 경보를 울릴 수 있다.

상기 항온기(미도시)는 상기 헬륨루프관(800)에 설치되어 상기 헬륨기체를 설정된 온도로 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도로 유입시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 헬륨기체는 상기 항온기에 의해 상기 외부용기(100)의 설치환경 온도보다 다소 높은 35 ℃ 정도로 설정될 수 있다.

상기 럽츄어 디스크(rupture disk,미도시)는 상기 삼중수소 배출관(500)에 설치되어 상기 삼중수소가 과압일 경우 상기 외부용기(100) 및 내부용기(200)를 보호할 수 있다.

상기 삼중수소 압력계측기(미도시)는 상기 럽츄어 디스크(rupture disk)에 설치되어 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 압력을 계측 및 기록하며, 설정온도에서 경보를 울릴 수 있다.

상기 삼중수소 유량계측기(미도시)는 상기 삼중수소 배출관(500)에 설치되어 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 유량을 계측 및 기록할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 이용한 삼중수소의 저장과 계량 및 급속이송 방법을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 이용한 삼중수소의 저장과 계량 및 급속이송 방법의 일 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 삼중수소 저장단계의 일 블록도이다.

본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 이용한 삼중수소의 저장과 계량 및 급속이송 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 삼중수소 저장단계(S100)와, 삼중수소 계량단계(S200) 및 삼중수소 급속이송단계(S300)를 포함한다.

상기 삼중수소 저장단계(S100)는 분말형태의 수소저장금속에 삼중수소를 저장하여 삼중수소화금속을 형성하는 단계이다.

상기 삼중수소 저장단계(S100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 삼중수소 공급공정(S110) 및 삼중수소 흡장공정(S120)을 포함한다.

상기 삼중수소 공급공정(SS110)은 외부로부터 상기 삼중수소를 유입하여 상기 수소저장금속으로 공급하는 공정이다.

상기 삼중수소는 도 1에 도시된 바와 같이, 삼중수소 유입관(400)을 통해 상기 수소저장금속이 구비된 수직 환형 공간(330)으로 공급될 수 있다.

상기 삼중수소 흡장공정(S120)은 상기 공급된 삼중수소를 상기 수소저장금속에 흡장시켜 저장하는 단계이다.

상기 수소저장금속은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기(1)에서 사용된 수소저장금속과 동일할 수 있다.

즉, 상기 수소저장금속으로 ZrCo, 감손우라늄, 우라늄, 티타늄, 팔라듐, ZrNi, ZiNi_xCo_y(x=0.01~0.99,y=1-x), ZrNi_xCo_yFe_z(x=0.01~0.99, y=0.01~0.99, z=0.01~0.99, x+y+z=1) 및 Zi_xHf_yCo(x=0.01~0.99, y=1-x)를 사용하거나, ZrNi_0.3Co_0.7, ZrNi_{0 .2}Co_{0 .7}Fe_{0 .1}, ZrNi_{0 .3}Co_{0 .5}Fe_{0 .2}, Zr_{0 .5}Hf_{0 .5}Co 및 Zr_{0 .7}Hf_{0 .3}Co를 사용할 수 있다.

상기 삼중수소는 하기의 <반응식 1>과 같은 흡장 화학반응에 의하여 수소저장금속에 흡장되어 저장된다.

<반응식 1>

(여기서, M은 수소저장금속, T_n은 삼중수소, MT_n은 삼중수소화금속)

상기 흡장 화학반응은 자발적 발열 반응이며, 광면적의 수직 환형 공간(330) 내에 분말 형태로 얇게 펼쳐진 수소저장금속은 넓은 반응면적을 제공하므로 삼중수소의 빠른 흡장이 가능하다. 따라서 삼중수소의 신속한 회수 및 안전 저장이 가능하다.

도 4 내지 도 7은 도 2에 도시된 삼중수소 계량단계의 블록도이다.

상기 삼중수소 계량단계(S200)는 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소의 붕괴열을 측정하여 삼중수소의 양을 측정하는 단계이다.

상기 삼중수소 계량단계(S200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 순환기체 공급공정(S220)과, 순환기체 순환공정(S230)과, 삼중수소 붕괴열 계산공정(S250) 및 삼중수소 계량공정(S260)을 포함한다.

상기 삼중수소 계량단계(S200)에서 도 1에 도시된 헬륨루프관(800)을 순환하는 순환기체로 비활성 기체인 헬륨(He)을 사용하는 것이 바람직하며, 이때, 헬륨(He)의 순환펌프(미도시)로는 메탈벨로우즈 펌프를 사용할 수 있다.

상기 순환기체 공급공정(S220)은 외부로부터 순환기체를 유입하여 상기 순환기체를 상기 삼중수소화금속으로 공급하는 공정이다.

상기 순환기체는 외부로부터 상기 헬륨루프관(800)의 입구로 유입되어 상기 삼중수소화금속으로 공급될 수 있다.

상기 순환기체 순환공정(S230)은 상기 공급된 순환기체를 상기 삼중수소화금속을 거쳐 외부로 배출시키는 공정이다.

상기 순환기체는 상기 헬륨루프관(800)의 입구로부터 상기 수직 환형 공간(330)에 포함된 삼중수소화금속을 거쳐 상기 헬륨루프관(800)의 출구를 통해 외부로 배출된다.

상기 삼중수소 붕괴열 계산공정(S240)은 상기 삼중수소의 붕괴열을 계산하는 공정이다.

상기 삼중수소는 베타붕괴과정을 거치면서 0.324 watt/gram의 붕괴열을 발생시킨다. 상기 붕괴열을 측정하여 역으로 상기 수직 환형 공간(330) 내의 삼중수소의 양을 측정하는 계량이 가능하다.

상기 수직 환형 공간(330) 내의 삼중수소 붕괴열은 상기 내부용기(200)에 설치된 상기 헬륨루프관(800)의 순환기체 입출구의 온도차와, 상기 순환기체의 유량 및 상기 순환기체의 비열로부터 하기의 [수학식 1]에 의해 계산될 수 있다.

(여기서, Q는 삼중수소 붕괴열, m은 순환기체의 유량, C_P는 순환기체의 비열, △T는 순환기체의 입출구의 온도차)

상기 삼중수소 계량공정(S260)은 상기 측정된 삼중수소의 붕괴열로부터 삼중수소의 양을 측정하는 공정이다.

상기 수직 환형 공간(330) 내의 삼중수소의 양은 상술한 바와 같이, 삼중수소의 붕괴열을 측정하여 그 삼중수소량을 역으로 계량할 수 있다.

한편, 상기 삼중수소 계량단계(S200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 순환기체 공급공정(S220) 이전에 순환기체 항온공정(S210)을 더 포함할 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 순환기체 순환공정(S230) 이후에 순환기체 유속조절공정(S240)을 더 포함할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 순환기체 공급공정(S220) 이전에 상기 순환기체 항온공정(S210) 및 상기 순환기체 순환공정(S230) 이후에 상기 순환기체 유속조절공정(S240)을 모두 포함할 수 있다.

상기 순환기체 항온공정(S210)은 상기 순환기체를 일정 온도로 가열 또는 냉각시키는 공정이다.

즉, 상기 순환기체 항온공정(S210)은 상기 순환기체가 수직 환형 공간(330)에 주입되기 이전에 항온기(미도시)에서 상기 순환기체를 설정온도로 정밀하게 가열 또는 냉각시켜 일정 온도로 유입시키는 공정이다.

상기 순환기체 유속조절공정(S240)은 상기 순환기체의 유속을 조절하는 공정이다.

즉, 상기 헬륨루프관(800)에 설치된 헬륨기체 유량계측기(미도시)에서 상기 순환기체의 유량을 기록하여 조절하고 과부하시 경보를 울리는 공정이다.

도 8은 도 2에 도시된 삼중수소 급속이송단계의 일 블록도이고, 도 9 및 도 10은 도 8에 도시된 삼중수소 이송공정의 블록도이다.

상기 삼중수소 급속이송단계(S300)는 상기 삼중수소화금속으로부터 삼중수소를 탈장시켜 상기 탈장된 삼중수소를 공급처로 급속이송시키는 단계이다.

상기 삼중수소 급속이송단계는 도 8에 도시된 바와 같이, 삼중수소 탈장공정(S310) 및 삼중수소 이송공정(S320)을 포함한다.

상기 삼중수소 탈장공정(S310)은 상기 삼중수소화금속을 가열하여 상기 삼중수소화금속으로부터 삼중수소를 탈장시키는 공정이다.

광면적의 수직 환형 공간(330) 내에 얇게 펼쳐진 분말 형태의 삼중수소화금속은 넓은 반응면적을 제공하므로 삼중수소의 빠른 탈장이 가능하며, 이때, 탈장 반응은 상기 [반응식 1]의 역반응으로 진행된다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 수직 환형 공간(330)을 형성하는 수직 환형 원통관(300)에 브레이징(brazing) 처리된 히터선(340)으로 전기를 공급하여 상기 수직 환형 공간(330) 내에 구비된 상기 삼중수소화금속을 가열함으로써 상기 삼중수소를 신속히 탈장시킬 수 있다. 이때, 상기 삼중수소화금속을 더욱 넓게 펼쳐 배치하고, 히터 용량을 크게 할수록 삼중수소의 급속이송이 현저해질 수 있다.

상기 삼중수소 이송공정(S320)은 상기 탈장된 삼중수소를 상기 공급처로 급속이송시키는 공정이다.

상기 삼중수소 이송공정(S320)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 삼중수소 유량계측과정(S321,S324)을 포함할 수 있다.

상기 삼중수소 유량계측과정(S321,S324)은 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 유량을 측정하고 기록하는 과정이다.

상기 삼중수소 유량계측과정(S321,S324)은 도 1에 도시된 바와 같이, 삼중수소 배출관(500)에 설치된 삼중수소 유량계측기(미도시)에 의해 이루어질 수 있다.

한편, 상기 삼중수소 이송공정(S320)은 상기 삼중수소 유량계측과정(S321,S324) 이전 또는 이후에, 삼중수소 압력계측과정(S322,S323)을 포함할 수 있다.

상기 삼중수소 압력계측과정(S322,S323)은 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 압력을 측정하고 기록하는 과정이다.

상기 삼중수소 압력계측과정(S322,S323)은 삼중수소 배출관(500)에 설치된 삼중수소 압력계측기(미도시)에 의해 이루어질 수 있다.

도 11은 수직 환형 원통관의 가열속도를 나타내는 그래프이다.

이하, 수직 환형 원통관과 히터의 사양에 따른 수직 환형 원통관의 가열속도 실험예를 상세히 설명한다.

<실험예 1>

하기 [표 1]과 같은 사양으로 수직 환형 원통관(300)을 제작하고, 이에 하기 사양의 히터로 열을 가하여 상기 수직 환형 원통관(300)이 가열되는 속도를 관찰하였다.

수직 환형 원통관 사양 (길이 330mm)	제 1원통관:(외경)139.8mm ×(두께) 12.7mm 제 2원통관:(외경)101.6mm ×(두께) 8.1mm 브레이징 가공 원통:(외경)85.4mm ×(두께) 8mm
수직 환형 원통관 재질	STS316
히터	케이블 히터 외경 5mm 재질 STS316
히터 용량	18kw

상기와 같은 수직 환형 원통관(300)에서의 고속 가열 결과는 도 11에 도시된 바와 같이, 18kw를 공급할 때, 6.6분간 달성된 온도를 나타낸다.

즉, 수직 환형 원통관(300)은 약 4.2 이내에 350 ℃에 도달하고, 또한 약 5.9분 만에 온도가 약 500 ℃에 도달하여 고속 가열이 달성됨을 확인하였다.

토카막에의 원활한 삼중수소 공급을 위해 삼중수소화금속과 접촉하는 수직 환형 원통관(300)은 바람직하게는 10분 이내에 원하는 온도에 도달해야 한다.

상기 <실험예 1>을 통하여, 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기(1)는 상기 수직 환형 원통관(300)이 수분 이내에 350 ℃ ~ 500 ℃에 도달하므로 삼중수소 저장공급용기로 적합함을 알 수 있다.

상기에서 목표 온도를 500 ℃로 한 것은 수소저장금속이 감손우라늄일 경우 약 400에서, ZrCo일 경우 약 350 ℃에서 삼중수소가 탈장되는 사실에 기초한 것이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1:수직형 삼중수소 용기
100:외부용기 200:내부용기
300:수직 환형 원통관 310:제 1원통관
320:제 2원통관 330:수직 환형 공간
340:히터선 400:삼중수소 유입관
500:삼중수소 배출관 600:수평 환형 유출방지필터
700:열차폐판 800:헬륨루프관
S100:삼중수소 저장단계 S110:삼중수소 공급공정
S120:삼중수소 흡장공정 S200:삼중수소 계량단계
S210:순환기체 항온공정 S220:순환기체 공급공정
S230:순환기체 순환공정 S240:순환기체 유속조절공정
S250:삼중수소 붕괴열 계산공정 S260:삼중수소 계량공정
S300:삼중수소 급속이송단계 S310:삼중수소 탈장공정
S320:삼중수소 이송공정 S321,S324:삼중수소 유량계측과정
S322,S323:삼중수소 압력계측과정

Claims (21)

1. 외부용기;
   상기 외부용기의 내부에 위치되는 내부용기;
   상기 내부용기 내에 위치되는 제 1원통관 및 상기 제 1원통관 내에 위치되는 제 2원통관을 포함하며 수직방향으로 장축이 위치되는 수직 환형 원통관;
   상기 제 1원통관과 제 2원통관 사이에 형성된 수직 환형 공간에 구비되는 분말형태의 수소저장금속;
   상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되는 히터선;
   상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 외부의 삼중수소를 상기 수직 환형 공간으로 유입시키는 삼중수소 유입관;
   상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 공간 내의 삼중수소를 공급처로 배출시키는 삼중수소 배출관;
   상기 외부용기와 내부용기 사이에 형성되어 열을 차단하고 상기 삼중수소의 누출을 방지하는 열차폐판; 및
   상기 외부용기와 내부용기를 관통하여 상기 수직 환형 원통관에 브레이징(brazing)되어 구비되고, 상기 수직 환형 공간 내의 삼중수소를 계량하기 위해 헬륨기체가 내부로 유출입되며 순환되는 헬륨루프관을 포함하되,
   상기 수직 환형 공간은 상부와 하부에 상기 수소저장금속의 유출을 방지하는 수평 환형 유출방지필터가 각각 구비되고,
   상기 삼중수소는 상기 삼중수소 유입관을 통해 상기 수직 환형 공간으로 이동한 후 수직 환형 공간 내의 수소저장금속에 흡장되어 삼중수소화금속에 저장되고, 상기 헬륨기체에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 계량되며, 상기 히터선을 이용한 가열에 의해 상기 삼중수소화금속 내의 삼중수소가 탈장되어 상기 삼중수소 배출관을 통해 공급처로 급속이송되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 수평 환형 유출방지필터는 소결 금속필터인 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 수평 환형 유출방지필터는 상기 수직 환형 공간 내에 수평으로 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 수직 환형 공간은 상부와 하부에 상기 수소저장금속의 유출을 방지하는 원통형 유출방지필터가 구비되되,
   상기 원통형 유출방지필터는 원통형 소결 금속필터인 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1원통관 또는 제 2원통관은 상기 수직 환형 공간 내의 열전달을 촉진시키는 열전달촉진핀이 설치되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 히터선은 상기 제 1원통관과 제 2원통관에 각각 별도로 구비되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 헬륨루프관은 상기 제 1원통관과 제 2원통관에 각각 별도로 구비되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 헬륨루프관은 하나의 유입구가 유입 매니폴드에 의해 복수의 분기관과 연결되고, 상기 복수의 분기관이 배출 매니폴드에 의해 하나의 배출구와 연결되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 헬륨루프관은 복수의 다른 수직형 삼중수소 용기의 외부용기와 내부용기를 관통하는 헬륨루프관과 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
11. 제 1항에 있어서,
    상기 수소저장금속은 ZrCo, 감손우라늄, 우라늄, 티타늄, 팔라듐, ZrNi, ZiNi_xCo_y(x=0.01~0.99,y=1-x), ZrNi_xCo_yFe_z(x=0.01~0.99, y=0.01~0.99, z=0.01~0.99, x+y+z=1) 및 Zi_xHf_yCo(x=0.01~0.99, y=1-x)로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
12. 제 1항에 있어서,
    상기 수소저장금속은 ZrNi_{0 .3}Co_{0 .7}, ZrNi_{0 .2}Co_{0 .7}Fe_{0 .1}, ZrNi_{0 .3}Co_{0 .5}Fe_{0 .2}, Zr_0.5Hf_0.5Co 및 Zr_{0 .7}Hf_{0 .3}Co로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
13. 제 1항에 있어서,
    상기 열차폐판은 그 표면이 은으로 도금된 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
14. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기, 수직 환형 원통관 또는 헬륨루프관에 연결되어 각 부위의 온도를 계측하는 열전대가 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
15. 제 1항에 있어서,
    상기 헬륨루프관에 설치되어 상기 헬륨기체의 유량을 계측 및 기록하고, 과부하시 경보를 울리는 헬륨기체 유량계측기가 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
16. 제 1항에 있어서,
    상기 헬륨루프관에 설치되어 상기 헬륨기체를 설정된 온도로 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도로 유입시키는 항온기가 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
17. 제 1항에 있어서,
    상기 삼중수소 배출관에 설치되어 상기 삼중수소가 과압일 경우 상기 외부용기 및 내부용기를 보호하는 럽츄어 디스크(rupture disk)가 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
18. 제 17항에 있어서,
    상기 럽츄어 디스크(rupture disk)에 설치되어 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 압력을 계측 및 기록하며, 설정온도에서 경보를 울리는 삼중수소 압력계측기가 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
19. 제 1항에 있어서,
    상기 삼중수소 배출관에 설치되어 상기 공급처로 급속이송되는 삼중수소의 유량을 계측 및 기록하는 삼중수소 유량계측기가 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
20. 제 1항에 있어서,
    상기 외부용기와 내부용기 사이에 대류열전달을 감소시키는 고진공(High vacuum) 상태가 형성되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    
21. 제 1항에 있어서,
    상기 외부용기와 내부용기 사이에 대류열전달을 증가시키는 헬륨(He)이 포함되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 수직형 삼중수소 용기.
    

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