KR101230542B1 - 액체소듐의 순도유지가 가능하도록 고안된 소듐―ｃｏ2 표면반응 가시화 실험장치 및 실험방법 - Google Patents

액체소듐의 순도유지가 가능하도록 고안된 소듐―ｃｏ2 표면반응 가시화 실험장치 및 실험방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치는, 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되어 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화하며, 구체적으로 이산화탄소가스와 액체소듐을 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 공급되는 상기 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되는 반응채널; 및 상기 반응채널을 통해 배출된 가스를 분석하는 분석부;를 포함하여, 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 화학반응으로 인한 반응생성물의 변화를 분석한다.

Description

액체소듐의 순도유지가 가능하도록 고안된 소듐―ＣＯ2 표면반응 가시화 실험장치 및 실험방법 {Apparatus and Methods for Sodium―ＣＯ2 surface interaction test with High-purity Liquid sodium and its visualization}
본 발명은 표면반응 실험장치 및 실험방법으로서, 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되어 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치 및 실험방법에 관한 것이다.
도 1은 화학반응 동반 확산지배 현상(Combined diffusion-reaction process)의 계면 주변농도 분포도이고, 도 2는 반응온도별 화학반응률 변화 경향을 나타낸 그래프이다.
종래 기술의 소듐냉각 고속로(Sodium-cooled Fast Reactor; SFR)는 경험적으로 검증된 Rankine cycle 동력변환계통을 이용하여 전기를 생산하는 개념을 채택하고 있다.
하지만 이와 같은 종래 기술의 동력변환계통은 주 냉각재로 사용되는 액체 소듐의 활발한 화학적 반응 특성으로 인해 중간열전달계통(Intermediate Heat Transport System; IHTS)을 거쳐 증기발생기(Steam Generator; SG)로 열을 전달하는 SFR 고유의 열수송계통 설계개념을 도입하고 있다.
이와 같은 SFR 고유 설계개념은 경제성 측면에서 기존 경수로 대비 경쟁력을 약화시키는 요인으로 작용할 뿐만 아니라, 증기발생기 압력경계 파손시 소듐-물 반응(Sodium-Water Reaction; SWR)에 의한 심각한 계통 압력과도 (Pressure transient)를 유발할 수 있으므로 심각한 안전성 저해요인이 되고 있다.
이러한 SFR 고유의 위험성을 근본적으로 해결하기 위한 방안의 하나로, 최근에는 물/증기를 사용하는 Rankine cycle을 대체하여 초임계 CO2 Brayton cycle을 이용한 에너지 변환계통에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 경우에는 초임계 CO2의 고유 특성을 적절히 활용하여 터빈(Turbine)이나 압축기(Compressor) 등 기기 크기의 획기적인 감소가 가능하며, 궁극적으로 중간열전달계통(Intermediate Heat Transport System; IHTS)을 제거하여 기존 경수로 대비 SFR의 경쟁력 강화에 기여할 수 있다.
하지만, 이와 같은 장점에도 불구하고 소듐-CO2 열교환기의 전열관을 중심으로 고압의 CO2 기체와 대기압의 액체소듐 사이에 여전히 200기압에 이르는 큰 압력경계가 존재하므로, 압력경계 파손시 발생할 수 있는 CO2 가스와 액체 소듐 사이의 화학반응에 관한 평가가 필수적이다.
일반적으로, 소듐-CO2 사이의 화학반응은 소듐과 물의 화학반응에 비하여 상대적으로 덜 심각한 영향을 주는 것으로 보고되고 있지만, 계통의 안전성 확보를 위해 소듐-CO2 반응사고에 대한 정량적 평가가 필요하다. 이에 본 발명에서는 기체-액체간 화학반응의 기본 특성을 파악하고 관련된 선행연구에 대한 면밀한 조사/검토 결과를 토대로, 소듐-CO2 화학반응 특성을 관찰하고 이를 정량화하기 위한 실험장치 및 실험방법을 개발하였다.
소듐-CO2 화학반응 열유동 실험은 실제 초임계 CO2 Brayton cycle을 적용하는 소듐 냉각 고속로의 열교환기에서 고압의 CO2 기체가 저압의 소듐 상으로 누출(leak)되는 경우를 모사하기 위한 것이다. 하지만 이와 같은 현상은 고압의 임계유동(critical flow) 조건에 해당하므로, CO2 기체의 임계유동 현상과 관련된 복잡한 기포 유동특성 및 이에 동반하는 화학반응특성, 그리고 기하형상 등에서 오는 물리적 특성 모사에 있어서의 복잡성 등으로 인해 반응현상의 정량화가 매우 어렵다.
이는 기 수행연구인　소듐-CO2 capsule test에서 1차적으로 확인된 바 있으며,　특히 반응생성물의 대부분을 차지하는 고체 반응생성물로 인한 실험상의 어려움이 존재할 뿐만 아니라 반응에 가장 지배적인 영향을 미칠 것으로 예상되는 반응계면의 면적(As)이 수시로 변할 수 있다는 점에서 직접주입 실험(injection test)에 의한 반응현상의 정량화 (Quantification)는 현재로서는 매우 어렵다고 할 수 있다.
따라서 표면반응 실험을 통한 정량화를 토대로 해석모형을 일차적으로 개발하고, 이를 활용하여 일반적인 2상류(Two-phase flow)에 대한 분석결과를 활용하여 주입 기포의 형상 변화 및 계면적 변화 등에 대한 상세한 특성을 분석하는 편이 더 적절하다.
이에 따라 복잡한 물리-화학적 현상을 직접 모사하기보다는 1차적으로 가장 기본적인 화학반응 특성의 정량화에 연구 초점을 맞추고자 소듐-이산화탄소(CO2) 표면반응 실험장치 및 실험 방법을 발명하였다.
하기 반응식에서 보는 바와 같이 일반적으로 Alkali 금속은 물과 격렬하게 반응하여 수산화물과 수소 기체를 생성하지만, CO2 등과도 반응온도에 따라 활발한 반응특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 소듐-CO2 화학반응에 의하여 산화나트륨(Na2O)과 탄산나트륨(Na2CO3) 및 탄소(C)가 생성되며, 미량의 일산화탄소(CO)도 생성됨을 알 수 있다.
4Na(s) + 2H2O(g) → 2Na2O(s) + 2H2(g), 82.40 kcal (at a standard condition)
4Na(s) + 4H2O(g) → 4NaOH + 2H2(g), 175.72 kcal
4Na(s) + CO2(g) → 2Na2O(s) + C(s), 103.95 kcal
4Na(s) + CO2(g) → 2Na2CO3(s) + C(s), 258.32 kcal
소듐-CO2 화학반응의 kinetics에 대한 정보는 국내외를 막론하고 사실상 거의 없는 것이 사실이다. 소듐-CO2 화학반응은 소듐-H2O(steam) 화학반응과는 달리 완전반응이 일어나지 않을 수도 있다.
또한 전체 반응속도는 소듐-CO2의 혼합 정도에 따라 달라질 수 있으며, 특히 반응이 일어나는 계면에서 더욱 그렇다.
아울러, 반응생성물은 화학반응의 정도에 따라 반응부위에서의 온도 및 압력 조건에 따라 달라질 수 있다. 따라서 관심 대상이 되는 상황에 맞는 실험조건에서 실험을 수행하는 것이 실험 목적에 접근하는 척도가 될 수 있다.
표면반응에 대한 지배방정식을 주어진 경계조건에 대하여 풀면, 화학반응률()는 식 (1)과 같이 계산된다.
이 식에서는 Da Ⅱ Damkoheler Number로서, 화학반응시 질량확산의 영향과 화학반응 속도의 비(ratio)를 나타내며, 식 (2)와 같이 정의된다.
Figure 112010081599850-pat00001
(1)
Figure 112010081599850-pat00002
(2)
만일 Da Ⅱ수가 매우 작다면, 확산계수(Dm)가 반응속도상수(k")에 비해서 매우 큰 경우이므로 반응계면으로 기체 CO2(g) 분자의 공급이 충분히 이루어지고 있음을 의미한다.
따라서 전체적인 화학반응률(reaction rate)은 반응속도상수(k")에 의한 Rate-controlled 현상에 의해 결정되므로, 이와 같은 영역을 화학반응률 지배영역(Rate-controlled regime)이라고 정의한다.
반면에 Da Ⅱ수가 매우 큰 경우에는 Dm에 비해서 k"의 값이 급격히 증가하는 경우라고 볼 수 있으므로, 확산에 의해 공급되는 기체 CO2(g) 분자의 양보다 화학반응에 참여하는 양이 더 많음을 의미한다.
따라서 이 조건에서의 전체적인 화학반응률은 확산률의 저항에 의해 결정되므로, 해당 조건을 확산지배 영역(Diffusion-controlled regime)이라고 정의한다. 이와 같은 물리적 특성은 식 (3)과 같이 요약되며, 반응영역의 조건에 따른 화학반응 regime 특성은 도 1과 같이 설명된다.
Figure 112010081599850-pat00003
(3)
도 1과 같이 반응계면 근처의 film thickness(δ) 내의 농도분포는 rate-controlled regime에서는 거의 일정하게 유지되는 반면, diffusion-controlled regime에서는 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다.
이는 확산에 의해 공급되는 양이 충분한 rate-controlled regime에서는 화학반응속도, k"에 의해서 기체 반응물의 농도가 영향을 받게 되므로 기체 반응물의 bulk concentration의 변화에 의해 전체 반응률이 결정되기 때문이다.
반면에 화학반응속도(k")가 매우 큰 즉발반응(Instantaneous Reaction)의 성격이 강한 Diffusion-controlled regime에서는 반응계면으로 공급된 기체 반응물 분자는 모두 즉발적으로 반응하여 소멸되므로 반응면 근처의 film thickness, δ내부에서의 농도 분포가 급격히 감소하게 된다.
이와 같은 현상들은 식 (3)의 경향과도 잘 일치한다. (수학적으로 증명)
일반적으로 반응온도가 낮아질수록 화학반응률(reaction rate)은 화학반응속도(k")에 의해 지배적인 영향을 받게 되며, 온도가 증가할수록 k"가 증가하면서 대류확산(convective diffusion)저항에 의해서 전체적인 화학반응률이 지배적인 영향을 미치게 된다. 따라서 복잡한 화학반응률의 결정에 가장 지배적인 영향을 미칠 것으로 예상되는 인자는 반응온도(T)와 확산에 의한 질량확산계수(Km)이 된다.
즉, rate-controlled regime에 대해서는 반응온도(T)의 영향이 지배적으로 나타나며, diffusion-controlled regime에서는 대류확산(convective diffusion) 현상이 지배적인 영향을 미친다.
하지만, 1차적으로 이 두 가지 화학반응 regime을 구분하는 인자는 반응온도(T)이므로, 반응온도 변화에 따른 전체 화학반응률의 일반적인 변화 경향은 그림 2의 Arrhenius 선도를 통해 설명된다.
그림과 같이 반응영역의 온도가 상대적으로 낮은 Rate-controlled regime에서는 반응영역의 온도가 전체적인 화학반응률에만 지배적인 영향을 미치고, 기체 반응물 등의 유속 증가와 같은 유동 조건 변화에는 영향을 받지 않음을 볼 수 있다.
반면에 반응온도 증가에 의해 화학반응속도, k"가 급격히 증가하면 diffusion-controlled regime으로 점차 전환되면서 반응온도의 영향은 사라지고 기체 반응물의 유동특성이 전체적인 화학반응률에 지배적인 영향을 미치게 된다.
따라서 Na-CO2 화학반응의 정량화를 위해서는 rate-controlled regime에 대한 온도영향과 diffusion-controlled regime에 대한 유동특성을 모두 포함하는 화학반응 모형 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되어 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치 및 실험방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치는, 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되어 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화한다.
구체적으로, 본 발명은 이산화탄소가스와 액체소듐을 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 공급되는 상기 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되는 반응채널; 및 상기 반응채널을 통해 배출된 가스를 분석하는 분석부;를 포함하여, 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 화학반응으로 인한 반응생성물의 변화를 분석한다.
여기에서, 상기 반응채널은, 상기 이산화탄소가스가 유동되며, 하면에 개구부가 형성된 가스덕트; 및 상면이 상기 가스덕트의 개구부와 연통되며, 상기 액체소듐이 수용되는 소듐트레이;를 구비하며, 상기 가스덕트의 개구부를 통해 상기 소듐트레이에 인입된 상기 이산화탄소가스가 상기 액체소듐과 접촉되어 화학반응이 일어나는 것이 바람직하다.
이때, 상기 반응채널은, 상기 소듐트레이 내의 상기 액체소듐을 교반하는 회전교반기;를 더 포함하며, 상기 회전교반기는, 상기 가스덕트의 상면을 통해 상기 소듐트레이까지 하방으로 배치되며 길이방향 회전되는 회전축; 및 상기 회전축의 하단에 수직으로 형성된 회전바;를 구비하여, 상기 회전축이 회전함에 따라 상기 회전바가 회전되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응채널은, 상기 화학반응을 외측에서 관찰하기 위해, 상기 개구부 상측의 상기 가스덕트 일면에 석영유리로 이루어진 윈도우가 설치된 것이 바람직하다.
아울러, 상기 윈도우는, 테두리에 가스켓이 감싸서 덧대지고 상기 가스켓에 고정프레임이 덧대져서 상기 가스덕트의 일면에 체결되어, 상기 윈도우가 상기 가스덕트의 일면에 기밀하게 밀폐고정되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 가스켓은 흑연 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
이에 더하여, 상기 반응채널은, 공급되는 상기 이산화탄소가스의 온도 및 상기 화학반응이 일어나는 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 경계면 온도를 측정하도록, 열전대가 장착된 것이 바람직하다.
한편, 상기 액체소듐이 액체 상태를 유지하도록 온도를 높이기 위해, 상기 반응채널을 감싸는 히터;를 포함하며, 상기 히터는, 상기 반응채널을 감싸는 몰드 타입으로서, 세라믹 재질로 이루어진 단열재; 및 상기 단열재에 내장된 히팅코일;을 구비하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 단열재는, 종방향으로 나누어져 두 개로 분리가능하도록 형성되며, 두 개 중 하나에는 걸이부재가 장착되고 나머지 하나에는 상기 걸이부재가 걸리는 고리부재가 장착되어, 상기 걸이부재가 상기 고리부재가 선택적으로 걸림에 따라 착탈가능하여 조립 및 분리가 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소듐트레이의 외부에 소듐드레인탱크가 설치되며, 상기 소듐트레이는, 공급된 상기 액체소듐의 자유액면 액위가 상기 가스덕트의 바닥면보다 높으면 작동하도록, 일측에 설치된 레벨센서; 및 상기 액체소듐이 상기 소듐트레이의 높이보다 높으면 배출되도록 일측에 형성되며, 소듐드레인관을 통해 상기 소듐드레인탱크와 연결된 오버플로우 슬롯;을 구비하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 액체소듐이 고화되는 것을 차단하도록, 상기 소듐드레인관과 상기 소듐드레인관에 장착된 밸브에 밴드형 배관가열기가 설치되며, 상기 밸브는 밸로우즈 밸브가 활용된 것이 바람직하다.
그리고, 상기 공급부는, 상기 가스덕트에 이산화탄소가스를 공급하도록 상기 가스덕트와 이산화탄소이송관을 통해 연결된 이산화탄소가스탱크; 및 상기 소듐트레이에 액체소듐을 공급하도록 상기 소듐트레이와 소듐이송관을 통해 연결된 소듐용융탱크;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 공급부는, 실험조건에 따른 상기 이산화탄소가스의 온도를 유지하기 위해, 상기 이산화탄소이송관에 설치된 가스예열기;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 액체소듐이 고화되는 것을 차단하도록, 상기 소듐이송관과 상기 소듐이송관에 장착된 밸브에 밴드형 배관가열기가 설치되며, 상기 밸브는 밸로우즈 밸브가 활용된 것이 바람직하다.
이에 더하여, 상기 공급부는, 상기 가스덕트에 아르곤가스를 공급하도록, 상기 가스덕트와 아르곤이송관을 통해 연결된 아르곤가스탱크;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이산화탄소이송관과 아르곤이송관은 상기 가스덕트에 연결되기 전에, 3웨이 가스밸브를 통해 합관이 되며, 상기 3웨이 가스밸브의 제어에 의해, 상기 이산화탄소가스와 아르곤가스 중 하나가 선택적으로 상기 가스덕트에 유입되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 분석부는, 실시간 가스농도를 분석하는 가스분석기(Non-dispersive infrared absorption:NDIR); 및 실시간 가스성분을 분석하는 가스크로마토그래피(Gas Chromatography:GC);를 구비하며, 상기 가스분석기와 가스크로마토그래피는 상기 반응채널로부터 연장되는 배출관에 설치된 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 분석부는, 상기 반응채널로부터 연장되는 배출관에 베이포트랩(vapor trap)과 헤파필터(HEPA filter)가 장착된 것이 바람직하다.
이때, 상기 분석부는, 상기 반응채널로부터 연장되는 배출관에 냉각기가 장착된 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 소듐-이산화탄소 표면반응 실험방법은, 이산화탄소가스와 액체소듐을 반응채널에 공급하는 공급단계; 상기 반응채널에서 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되어 가스-액체 경계면에서 화학반응이 일어나는 화학반응단계; 및 상기 반응채널로부터 배출되는 반응생성물을 분석하는 분석단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치 및 실험방법은, 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되어 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화한다.
즉, 이산화탄소가스와 액체소듐이 직접 만나 가스-액체 경계면에서 화학적으로 반응하는 현상을 모사하기 위한 장치로서, 화학반응률 지배영역 및 확산지배영역에서의 반응특성을 정량화할 수 있도록 한다.
이에 따라, 이산화탄소가스와 액체소듐이 공존하는 밀폐된 2성분계를 구성하며, 화학반응이 일어나는 액체소듐 자유액면의 표면적을 일정하게 유지함으로써, 정량화 과정에 영향을 미치는 미지수의 개수를 줄일 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 화학반응 동반 확산지배 현상의 계면 주변농도 분포도이다.
도 2는 반응온도별 화학반응률 변화 경향을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 3의 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치에서 반응채널 및 상기 반응채널을 감싸는 히터를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 반응채널 및 히터를 나타낸 분해사시도이다.
도 6은 도 4의 반응채널을 나타낸 정면투사도이다.
도 7은 도 4의 반응채널 및 히터를 나타낸 측면투사도이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 도 4의 반응채널의 내부구조를 나타낸 평면도 및 종단면도이다.
도 9는 소듐용융탱크를 나타낸 종단면도이다.
도 10은 밴드형 배관가열기를 나타낸 도이다.
본 발명은 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되어 상기 이산화탄소가스와 액체소듐의 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화하는 것을 특징으로 한다.
즉, 구체적으로 본 발명은, 이산화탄소가스와 액체소듐이 직접 만나 가스-액체 경계면에서 화학적으로 반응하는 현상을 모사하기 위한 장치로서, 화학반응률 지배영역(Rate-controlled regime) 및 확산지배영역(Diffusion-controlled regime)에서의 반응특성을 정량화할 수 있도록 한다.
이에 따라 본 발명은, 이산화탄소가스와 액체소듐이 공존하는 밀폐된 2성분계를 구성하며, 화학반응이 일어나는 액체소듐 자유액면의 표면적을 일정하게 유지함으로써, 정량화 과정에 영향을 미치는 미지수의 개수를 줄일 수 있도록 구성된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치를 나타낸 개략도이며, 도 4는 도 3의 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치에서 반응채널 및 상기 반응채널을 감싸는 히터를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 반응채널 및 히터를 나타낸 분해사시도이다.
그리고, 도 6은 도 4의 반응채널을 나타낸 정면투사도이고, 도 7은 도 4의 반응채널 및 히터를 나타낸 측면투사도이며, 도 8(a) 및 도 8(b)는 도 4의 반응채널의 내부구조를 나타낸 평면도 및 종단면도이다.
도 9는 소듐용융탱크를 나타낸 종단면도이고, 도 10은 밴드형 배관가열기를 나타낸 도이다.
도면을 참조하면, 본 발명은 이산화탄소가스와 액체소듐을 공급하는 공급부, 상기 공급부로부터 공급되는 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되는 반응채널(40), 상기 반응채널(40)에서 배출된 가스를 분석하는 분석부를 포함한다.
상기 공급부는 이산화탄소가스가 수용된 이산화탄소가스탱크(22)와, 소듐이 용융된 소듐액체가 수용된 소듐용융탱크(27)를 구비한다.
이때, 상기 이산화탄소가스탱크(22)는 반응채널(40)이 구비하는 가스덕트(42)에 이산화탄소이송관(23)으로 연결되어, 내부에 수용된 이산화탄소가스를 상기 이산화탄소이송관(23)을 통해 반응채널(40)의 가스덕트(42)로 공급한다.
여기에서, 상기 이산화탄소이송관(23)에서 가스예열기(29)가 설치되며, 상기 가스예열기(29)는 실험조건에 따른 이산화탄소가스의 온도를 유지하기 위해 이산화탄소가스를 선택적으로 가열할 수 있고, 이러한 가스예열기(29)는 종래의 어떠한 가스예열기(29)도 활용될 수 있다.
또한, 상기 소듐용융탱크(27)는 반응채널(40)이 구비하는 소듐트레이(48)에 소듐이송관(28)을 통해 연결되어, 내부에 수용된 액체소듐을 상기 소듐이송관(28)을 통해 반응채널(40)의 소듐트레이(48)로 공급한다.
이때, 소듐용융탱크(27)는 고체소듐 잉곳(ingot)을 녹인 후 액체소듐이 공기와의 접촉 없이 소듐트레이(48)의 하부를 통해 직접 주입되게 함으로써, 소듐의 순도를 유지할 수 있도록 한다.
아울러, 소듐용융탱크(27) 내부의 소듐은 용융시 비중에 의해 불순물이 대부분 자유표면으로 떠오르기 때문에, 소듐이송관(28)을 소듐용융탱크(27)의 바닥에서 약 10mm 상부에 설치함으로써, 불순물의 영향 없이 순수한 액체소듐을 소듐이송관(28)으로 이송되도록 한다.
이에 더하여, 소듐이송관(28)과 이에 장착된 밸브에는, 도 10에 도시된 바와 같이 밴드형 배관가열기(70)가 설치되어, 배관의 온도가 최소 200℃이상으로 유지되도록 함으로써 액체소듐이 고화되는 것을 차단할 수 있다.(참고: 소듐 용융점 = 98℃)
아울러, 소듐이송관(28)에 장착된 적어도 하나의 밸브는, 700℃이상의 초고온에서 사용가능한 금속계열 스탬으로 제작된 밸로우즈 밸브가 활용되는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명에서 사용되는 모든 밸브들은 일반물 실험장치와 차별화되어 500℃이상의 고온환경에서 사용가능한 밸브제품들로 구성된다.
그리고, 상기 공급부는 가스덕트(42)에 아르곤가스를 공급하도록 아르곤가스탱크(24)가 구성될 수 있는데, 이때 상기 아르곤가스탱크(24)는 아르곤이송관(25)을 통해 반응채널(40)의 가스덕트(42)와 연결되어, 내부에 수용된 아르곤가스를 상기 아르곤이송관(25)을 통해 가스덕트(42)로 공급한다.
구체적으로, 상술된 이산화탄소이송관(23)과 아르곤이송관(25)은 가스덕트(42)에 연결되기 전에, 3웨이 가스밸브(26a)를 통해 합관(가스이송관, 26)이 된다.
이에 따라, 상기 3웨이 가스밸브(26a)의 제어에 의해, 이산화탄소가스와 아르곤가스 중 하나가 선택적으로 가스덕트(42)에 유입될 수 있다.
여기에서, 상기 아르곤가스는 실험부인 반응채널(40)에서 공급되는 이산화탄소가스 및 액체소듐의 온도가 실험조건에 도달하기 전까지, 반응채널(40) 내의 액체소듐 표면의 오염방지를 위해 지속적으로 공급되어 주입된다.
실험의 초기조건이 만족되면 3웨이 가스밸브(26a)를 제어하여, 반응채널(40)에 공급되는 가스를 아르곤가스에서 이산화탄소가스로 전환시켜 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉반응되도록 한다.
나아가, 상술된 이산화탄소가스와 아르곤가스는, 수분함량이 5vppm미만으로 보장되는 순도 99.999%이상의 초고순도의 가스인 것이 바람직하다.
아울러, 이산화탄소이송관(23)과 아르곤이송관(25)에는 고정밀 질량유량계가 장착되어 원하는 실험조건의 가스유량이 반응채널(40) 내에 공급되도록 한다.
한편, 상기 반응채널(40)은 공급부로부터 공급되는 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되는데, 상기 이산화탄소가스가 유동하는 가스덕트(42)와 상기 액체소듐이 수용되는 소듐트레이(48)를 구비한다.
상기 가스덕트(42)는 이산화탄소가스탱크(22)로부터 공급되는 이산화탄소가스가 이산화탄소이송관(23)을 통해 인입되어 유동한다.
이때, 가스덕트(42)는 하면에 개구부가 형성되며, 상기 개구부를 통해 소듐트레이(48)와 연결된다.
또한, 상기 소듐트레이(48)는 소듐용융탱크(27)로부터 공급되는 액체소듐이 소듐이송관(28)을 통해 인입되어 수용된다. 이때, 소듐트레이(48)는 상면이 가스덕트(42)의 개구부와 연통된다.
이에 따라, 가스덕트(42)를 유동하는 이산화탄소가스가 가스덕트(42)의 개구부를 통해 소듐트레이(48)의 액체소듐과 접촉되어 화학반응이 일어난다.
이때, 액체소듐의 자유액면 위로 이산화탄소가스가 유동하므로, 액체소듐과 이산화탄소가스의 반응 계면적은 고정 값으로 정해진다. 아울러, 이산화탄소가스 유동의 입구효과를 고려하여 액체소듐의 자유액면 상부의 화학반응 영역으로 유입되기 전에 충분히 긴 이동거리가 필요하므로, 상기 이산화탄소이송관(23)과 가스덕트(42)는 이에 상응하도록 설계된다.
여기에서, 상기 반응채널(40)은 회전교반기(49)를 더 포함하여, 소듐트레이(48) 내의 액체소듐을 교반할 수 있다.
구체적으로, 상기 회전교반기(49)는 가스덕트(42)의 상면을 통해 소듐트레이(48)까지 하방으로 배치되며 길이방향 회전되는 회전축(49a)과, 상기 회전축(49a)의 하단에 수직으로 형성된 회전바(49b)를 구비하며, 회전축(49a)이 회전함에 따라 회전바(49b)가 회전되어 액체소듐을 교반함에 따라, 액체소듐 표면의 재생(surface renewal)이 가능하다.
그리고, 상기 반응채널(40)은 화학반응을 외측에서 관찰하기 위해, 개구부 상측의 가스덕트(42) 일면에 석영유리로 이루어진 윈도우(43)가 설치된다.
상기 윈도우(43)는 테두리에 가스켓(44)이 감싸서 덧대지고 상기 가스켓(44)에 고정프레임(45)이 덧대져서 상기 가스덕트(42)의 일면에 체결된다.
이와 같이 구성되는 윈도우(43)는 가스덕트(42)의 일면에 기밀하게 밀폐고정된다.
이때, 사용되는 가스켓(44)은 800℃ 이상으로 유지되는 고온 환경 하에서 많은 힘을 받지 않으면서도 밀폐성이 좋은 재료과 활용되는 것이 바람직하며, 이에 의해 일반적으로 고온 환경에서는 메탈 가스켓(44)이 주로 사용되지만, 규모가 작은 본 실험장치에서는 메탈 가스켓(44) 사용시 충분한 힘을 가해서 고정하지 못하기 때문에, 흑연재질로 이루어진 것이 활용된다.
흑연 가스켓(44)은 소듐과 반응성이 없고, 소듐과 접촉시에도 그 결합구조나 강도가 변하지 않기 때문에 본 실험과 같은 소규모 소듐 실험장치에 있어서 적합하다.
아울러, 상기 반응채널(40)은 공급되는 이산화탄소가스의 온도 및 화학반응이 일어나는 이산화탄소가스와 액체소듐의 경계면 온도를 측정하도록, 열전대(46)가 장착된다.
이러한 열전대(46)는 바람직하게 적어도 세 개가 반응채널(40) 내로 배치되어, 반응채널(40)로 공급되는 가스온도 및 소듐트레이(48) 내부의 액체소듐의 중간부분(bulk) 및 표면 온도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 액체소듐이 액체 상태를 유지하도록 온도를 높이기 위해, 반응채널(40)에 직접 전류를 통과시킬 수는 없음으로, 반응채널(40)을 감싸는 별도의 히터(50)를 포함한다.
상기 히터(50)는 반응채널(40)을 감싸는 몰드 타입으로서 세라믹 재질로 이루어진 단열재(52)와, 상기 단열재(52)에 내장된 히팅코일(56)을 구비한다.
이에 의해, 히터(50)는 히팅코일(56)에서 고열을 발생하여 소듐트레이(48)를 외부에서 900℃이상의 온도로 복사가열함으로써, 액체소듐의 온도를 600℃이상 올린다.
여기에서, 단열재(52)의 구조를 살펴보면, 종방향으로 나누어져 두 개로 분리가능하도록 형성되며, 두 개 중 하나에는 걸이부재(53)가 장착되고 나머지 하나에는 상기 걸이부재(53)가 걸리는 고리부재(54)가 장착된다.
이로 인하여, 상기 단열재(52)는 걸이부재(53)가 고리부재(54)가 선택적으로 걸림에 따라, 착탈가능하여 조립 및 분리가 될 수 있다.
한편, 상기 소듐트레이(48) 내부의 액체소듐의 액위는 소듐이송관(28)에 설치된 밸브를 이용하여 조절하며, 오버플로우(overflow)를 대비하여 레벨센서(미도시)와 오버플로우 슬롯(48a)을 구비한다.
즉, 상기 소듐트레이(48)의 외부에 소듐드레인탱크(60)가 설치되며, 상기 소듐트레이(48)는 일측에 설치된 레벨센서와, 소듐드레인관(62)을 통해 소듐드레인탱크(60)와 연결되도록 형성된 오버플로우 슬롯(48a)을 구비한다.
이때, 상기 레벨센서는 공급된 액체소듐의 자유액면 액위가 가스덕트(42)의 바닥면보다 높으면 작동하며, 오버플로우 슬롯(48a)은 액체소듐이 소듐트레이(48)의 높이보다 높으면 배출되도록 일측에 형성된다.
이에 더하여, 본 발명은 상기 화학반응의 실험 후 고체의 반응생성물 채집을 위해, 반응채널을 글로브박스(glove box)(미도시) 내부로 옮겨서, 불활성(inert) 환경하에 상기 액체소듐의 반응표면 접근이 가능한 상태에서 샘플링을 수행한다.
이를 위해, 반응실험 후 반응채널(40)로 연결된 모든 배관의 밸브를 닫고, 몰드타입 히터(50)를 분리한 후, 반응채널(40) 전체를 분리하여 글로브박스 내부로 이송하며, 글로브박스 내부의 불활성 환경 하에서 밸브와 반응채널(40) 상부를 열고 액체소듐 반응표면 접근이 가능한 상태에서 샘플링한다.
한편, 본 발명은 상기 반응채널(40)을 통해 배출된 가스를 분석하는 분석부를 포함하여, 이산화탄소가스와 액체소듐의 화학반응으로 인한 반응생성물의 변화를 분석할 수 있다.
상기 분석부는 실시간 가스농도를 분석하는 가스분석기(Non-dispersive infrared absorption:NDIR)(82)와, 고정밀 가스성분을 분석하는 가스크로마토그래피(Gas Chromatography:GC)(84)를 구비한다.
이러한 가스분석기(82)와 가스크로마토그래피(84)는 반응채널(40)로부터 연장되는 배출관(86)에 설치되며, 상기 배출관(86)에는 베이포트랩(87)(vapor trap)과 헤파필터(HEPA filter)가 장착될 수 있다.
아울러, 상기 반응채널(40)로부터 연장되는 배출관(86)에 냉각기(88)가 장착된 것이 바람직하다.
이에 따라, 반응채널(40)로부터 배출되는 이산화탄소가스와 가스 내의 반응생성물은 배출관(86)을 따라 이동하면서 냉각기(88)를 거쳐 냉각되며, 베이포트랩(87)과 헤파필터를 경유하여 소듐 성분과 에어로졸 등을 걸러낸다. 이후, 실시간 가스농도 분석이 가능한 가스분석기(gas analyzer)(82)와 상세성분 분석이 가능한 가스크로마토그래피(Gas Chromatography:GC)(84)를 통해 가스 샘플링되어 분석결과가 기록된다.
가스분석기(82)는 가스상의 주 반응생성물인 CO/CO2 mixture gas를 포집하여 2성분 기체 중 일산화탄소 농도를 농도 영역별로 저농도 영역에서 고농도 영역까지(10vppm~18vol%) 분석하여 실시간으로 기록함으로써, 이산화탄소가스와 액체소듐 간의 화학반응으로 인한 반응생성물의 변화분석이 가능하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치에 의한 실험방법을 살펴보면, 이산화탄소가스와 액체소듐을 반응채널(40)에 공급하는 공급단계, 상기 반응채널(40)에서 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되어 가스-액체 경계면에서 화학반응이 일어나는 화학반응단계, 및 상기 반응채널(40)로부터 배출되는 반응생성물을 분석하는 분석단계를 포함하여 순차적으로 수행됨을 알 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 상기 화학반응의 실험 후 고체의 반응생성물 채집을 위해, 반응채널을 글로브박스(glove box)(미도시) 내부로 옮기는 단계와, 불활성(inert) 환경하에 상기 액체소듐의 반응표면 접근이 가능한 상태에서 샘플링을 수행하는 단계를 더 포함하여 순차적으로 진행된다.
이를 위해, 반응실험 후 반응채널(40)로 연결된 모든 배관의 밸브를 닫고, 몰드 타입 히터(50)를 분리한 후, 반응채널(40) 전체를 분리하여 글로브박스 내부로 이송하며, 글로브박스 내부의 불활성 환경 하에서 밸브와 반응채널(40) 상부를 열고 액체소듐 반응표면 접근이 가능한 상태에서 샘플링한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
22 : 이산화탄소가스탱크 23 : 이산화탄소이송관
24 : 아르곤가스탱크 25 : 아르곤이송관
26a : 3웨이 가스밸브 26 : 가스이송관
27 : 소듐용융탱크 28 : 소듐이송관
29 : 가스예열기 40 : 반응채널
42 : 가스덕트 43 : 윈도우
44 : 가스켓 45 : 고정프레임
46 : 열전대 48 : 소듐트레이
48a : 오버플로우 슬롯 49 : 회전교반기
49a : 회전축 49b : 회전바
50 : 히터 52 : 단열재
53 : 걸이부재 54 : 고리부재
56 : 히팅코일 60 : 소듐드레인탱크
62 : 소듐드레인관 70 : 배관가열기
82 : 가스분석기 84 : 가스크로마토그래피
86 : 배출관 87 : 베이포트랩
88 : 냉각기

Claims (17)

  1. 이산화탄소가스와 액체소듐을 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 공급되는 상기 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되도록 구성되는 반응채널; 및
    상기 반응채널을 통해 배출된 가스를 분석하는 분석부를 포함하여 구성되고,
    상기 반응채널은,
    상기 이산화탄소가스가 유동되며, 하면에 개구부가 형성된 가스덕트; 및
    상면이 상기 가스덕트의 개구부와 연통되며, 상기 액체소듐이 수용되는 소듐트레이를 구비하며,
    상기 가스덕트의 개구부를 통해 상기 소듐트레이에 인입된 상기 이산화탄소가스가 상기 액체소듐과 접촉되어 화학반응이 일어남으로써, 가스-액체 경계면에서의 화학반응을 정량화하는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반응채널은,
    상기 소듐트레이 내의 상기 액체소듐을 교반하는 회전교반기;를 더 포함하며,
    상기 회전교반기는,
    상기 가스덕트의 상면을 통해 상기 소듐트레이까지 하방으로 배치되며 길이방향 회전되는 회전축; 및
    상기 회전축의 하단에 수직으로 형성된 회전바를 구비하며,
    상기 회전축이 회전함에 따라 상기 회전바가 회전되는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반응채널은,
    상기 화학반응을 외측에서 관찰하기 위해, 상기 개구부 상측의 상기 가스덕트 일면에 석영유리로 이루어진 윈도우가 설치된 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 윈도우는,
    테두리에 가스켓이 감싸서 덧대지고 상기 가스켓에 고정프레임이 덧대져서 상기 가스덕트의 일면에 체결되어, 상기 윈도우가 상기 가스덕트의 일면에 기밀하게 밀폐고정되며,
    상기 가스켓은 흑연 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반응채널은,
    공급되는 상기 이산화탄소가스의 온도 및 상기 화학반응이 일어나는 상기 이산화탄소가스와 상기 액체소듐의 경계면 온도를 측정하도록 열전대가 장착된 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전대는,
    화학반응시의 반응영역 주변의 상세한 온도 변화 측정을 위해, 상기 액체소듐 상부 가스온도와, 상기 액체소듐의 중간부분(bulk), 및 표면, 세 곳에 각각 장착된 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 액체소듐이 액체 상태를 유지하도록 온도를 높이기 위해, 상기 반응채널을 감싸는 히터를 포함하며,
    상기 히터는,
    상기 반응채널을 감싸는 몰드 타입으로서, 세라믹 재질로 이루어진 단열재; 및
    상기 단열재에 내장된 히팅코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단열재는,
    종방향으로 나누어져 두 개로 분리가능하도록 형성되며,
    두 개 중 하나에는 걸이부재가 장착되고 나머지 하나에는 상기 걸이부재가 걸리는 고리부재가 장착되어, 상기 걸이부재가 상기 고리부재가 선택적으로 걸림에 따라 착탈가능하여 조립 및 분리가 되는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 소듐트레이의 외부에 소듐드레인탱크가 설치되며,
    상기 소듐트레이는,
    공급된 상기 액체소듐의 자유액면 액위가 상기 가스덕트의 바닥면보다 높으면 작동하도록, 일측에 설치된 레벨센서; 및
    상기 액체소듐이 상기 소듐트레이의 높이보다 높으면 배출되도록 일측에 형성되며, 소듐드레인관을 통해 상기 소듐드레인탱크와 연결된 오버플로우 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액체소듐이 고화되는 것을 차단하도록, 상기 소듐드레인관과 상기 소듐드레인관에 장착된 밸브에 밴드형 배관가열기가 설치되며,
    상기 밸브는 밸로우즈 밸브가 활용된 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 소듐트레이에 공기접촉을 차단하면서 액체소듐을 직접 공급하도록 상기 소듐트레이와 소듐이송관을 통해 연결된 소듐용융탱크를 포함하며,
    상기 액체소듐이 고화되는 것을 차단하도록, 상기 소듐이송관과 상기 소듐이송관에 장착된 밸브에 밴드형 배관가열기가 설치된 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 가스덕트에 이산화탄소가스를 공급하도록 상기 가스덕트와 이산화탄소이송관을 통해 연결된 이산화탄소가스탱크; 및
    상기 가스덕트에 아르곤가스를 공급하도록, 상기 가스덕트와 아르곤이송관을 통해 연결된 아르곤가스탱크;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이산화탄소이송관과 아르곤이송관은 상기 가스덕트에 연결되기 전에, 3웨이 가스밸브를 통해 합관이 되며,
    상기 3웨이 가스밸브의 제어에 의해, 상기 이산화탄소가스와 아르곤가스 중 하나가 선택적으로 상기 가스덕트에 유입되는 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험장치.
  16. 이산화탄소가스와 액체소듐을 반응채널에 공급하는 공급단계;
    상기 반응채널에서 이산화탄소가스와 액체소듐이 접촉되어 가스-액체 경계면에서 화학반응이 일어나는 화학반응단계;
    상기 반응채널로부터 배출되는 반응생성물을 분석하는 분석단계;
    상기 화학반응의 실험 후 고체의 반응생성물 채집을 위해 상기 반응채널로 연결된 모든 배관의 밸브를 닫고 상기 반응채널을 분리하여 글로브박스(glove box) 내부로 옮기는 단계; 및
    불활성(inert) 환경 하에서 상기 반응채널의 액체소듐 반응표면 접근이 가능한 상태에서 샘플링을 수행하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 소듐-이산화탄소 표면반응 실험방법.
  17. 삭제
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논문1: NUCLEAR ENGINEERING AND TECHNOLOGY *
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