KR101624727B1 - 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기 - Google Patents

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강현구
장민호
백승우
안도희
윤세훈
정기정
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박종철
김연진
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Abstract

외부용기와, 외부용기의 내부에 배치되어 삼중수소를 흡장 및 탈장하는 분말 형태의 수소저장금속 및 메탈 하이드라이드 중 적어도 하나를 저장하는 내부용기와, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 배치되어 열을 차단하는 차폐판을 포함하는 핵융합반응용 삼중수소 용기가 개시된다. 본 발명에 따른 핵융합반응용 삼중수소 용기는 내부용기의 측벽 상부에 외측으로 돌출되어 상기 삼중수소가 배출되는 유로를 형성하는 돌출부, 외부용기를 관통하여 내부용기에 저장된 수소저장금속으로 인입되는 삼중수소 유입관, 외부용기를 관통하여 내부용기의 돌출부로 인입되는 삼중수소 배출관 및 내부용기의 외벽을 둘러쌓인 형상으로 설치되어 열매체가 통과하여 상기 내부용기에 열전달이 되도록 하는 열매체 통관을 포함한다.

Description

핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기{Non-maintenance type tritium storage vessel for nuclear fusion facility}
본 발명은 핵융합반응로에 공급하는 삼중수소를 효율적으로 저장, 공급 및 계량하는 삼중수소 용기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼중수소 용기 내부에서 발생된 금속분진이 외부로 유출되는 것을 방지하여 방사성 물질의 유출을 방지하고, 수소저장금속의 손실에 따른 삼중수소 용기의 기능 저하를 방지할 수 있는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기에 관한 것이다.
무한 미래 에너지원으로 기대되는 핵융합 에너지는 수소동위원소인 삼중수소와 중수소의 핵융합반응으로 생산된다. 핵융합반응의 원료인 삼중수소는 방사성 수소동위원소로서, 그 취급에 있어서 고도의 안전기술이 요구된다. 또한, 삼중수소는 민감한 방사성 물질이므로 이를 효율적으로 사용하기 위하여 안전하게 저장하고, 정확한 재고를 측정하여 공급하는 기술이 중요하다. 한편, 토카막 등의 핵융합반응로에서 발생한 헬륨 등의 핵융합반응 생성물과 미반응 수소동위원소는 토카막배기체처리공정의 팔라듐-은(Pd-Ag) 합금 금속막에서 헬륨과 순수 수소동위원소로 분리된다. 분리된 순수 수소동위원소는 초저온 증류탑에서 경수소, 중수소 및 삼중수소로 분리되며, 이 중 삼중수소는 저장공정과 연료주입계통을 통하여 다시 토카막으로 순환된다. 이 때, 삼중수소 저장공정에서 삼중수소 용기가 사용된다.
종래 삼중수소 용기는 분말 형태로 저장된 수소저장금속이 삼중수소를 흡장(hydriding)하여 고체상인 메탈 하이드라이드(metal hydride, 금속수소화물)로 변환되며, 이 때 메탈 하이드라이드로부터 삼중수소를 탈장(dehydriding)시키기 위해 용기 둘레에 히터선을 설치하는 구조로 제작되었다. 그러나, 종래 삼중수소 용기는 삼중수소를 빠른 속도로 흡장 저장하거나 빠른 속도로 탈장 공급할 수 없기 때문에 다수의 삼중수소 용기를 채용함에 따른 삼중수소 재고 증가가 불가피해져 경제성 및 안전성에 문제점이 발생하였다. 또한 흡장 및 탈장이 비교적 빠른 삼중수소 용기가 제작되기도 하는데, 이들은 복잡한 내부 구조를 가지고 있어 경제성 및 안전성을 충족시키지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 한국등록특허 제10-1150487호 및 제10-1176438호의 삼중수소 용기를 출원하여 등록받은 바 있다. 상기 등록특허에서 제안된 삼중수소 용기는 수소저장금속이 삼중수소를 흡장하여 팽창하고, 삼중수소가 탈장됨에 따라 수축하는 과정을 반복하게 된다. 이 때, 저장용기 벽면에 다방향으로 압력이 가해져서 수소저장금속과 용기 재료 간의 상호 간섭이 발생된다. 이에 따라 메탈 하이드라이드가 분쇄되거나, 심한 경우 이질적 두 재료간에 화학반응이 일어나 삼중수소 용기가 손상되는 문제점이 있었다.
또한, 방사성 분진이 수명을 다한 필터를 거쳐 외부로 누출됨에 따라 안전성에 심각한 문제를 초래하게 된다. 이로 인해, 우라늄을 수소저장금속으로 사용하는 경우 상기 문제점들이 더욱 심각해지는 경향이 있다.
더구나, 일차용기에 브레이징(brazing)된 히터는 과열 및 장시간 사용될 경우, 열선이 손상되어 용기 전체를 가열하지 못하게 될 뿐만 아니라 금속 수소화물 내 잔류 삼중수소를 완전히 제거하지 못한다. 특히, 고온 가열로 인해 내부용기 벽면을 통한 삼중수소의 투과 누출에 의한 방사능 오염 등의 심각한 문제가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1176438호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 삼중수소 용기 내부에서 발생된 분진 및 삼중수소가 외부로 유출되는 것을 방지하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 열매체 통관을 구비함으로써 히터 열선 단락 문제를 원천적으로 방지하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명에 따른 외부용기와, 상기 외부용기의 내부에 배치되어 삼중수소를 흡장 및 탈장하는 분말 형태의 수소저장금속 및 메탈 하이드라이드 중 적어도 하나를 저장하는 내부용기와, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 배치되어 열을 차단하는 차폐판을 포함하는 핵융합반응용 삼중수소 용기는, 상기 내부용기의 측벽 상부에 외측으로 돌출되어 상기 삼중수소가 배출되는 유로를 형성하는 돌출부, 상기 외부용기를 관통하여 상기 내부용기에 저장된 수소저장금속으로 인입되는 삼중수소 유입관, 상기 외부용기를 관통하여 상기 내부용기의 돌출부로 인입되는 삼중수소 배출관 및 상기 내부용기의 외벽을 둘러쌓인 형상으로 설치되어 열매체가 통과하여 상기 내부용기에 열전달이 되도록 하는 열매체 통관을 포함한다.
본 발명에 따른 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기는 삼중수소 용기 내부에서 발생된 분진 및 삼중수소가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
또한 열매체 통관을 구비함으로써 히터의 열선 단락 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.
나아가, 기체 및 고체 방사성 물질에 대한 유출을 방지하고, 수소저장금속의 손실에 따른 삼중수소 용기의 기능 저하를 방지할 수 있다. 그리고, 미세 분진의 비산에 따른 밸브 및 펌프 등의 기기 손상을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기를 설명하기 위한 수직 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 내부용기의 상부 구조를 설명하기 위한 수평 단면도이다.
도 3은 수소저장금속이 메탈 하이드라이드로 변환된 상태를 나타내는 삼중수소 용기를 설명하기 위한 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열매체의 가열을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부용기의 상부 구조를 설명하기 위한 수평 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전대를 구비한 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기를 설명하기 위한 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 벨로우즈를 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 도1, 도3, 도4, 도6에 표시된 열매체 입출구는 그림에는 이해를 돕기 위해 옆으로 입출구가 표시되어 있으나, 제작 편의를 위해 상부쪽에 설치될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 그에 대한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기를 설명하기 위한 수직 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 내부용기의 상부 구조를 설명하기 위한 수평 단면도이며, 도 3은 수소저장금속이 메탈 하이드라이드로 변환된 상태를 나타내는 삼중수소 용기를 설명하기 위한 수직 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 삼중수소 용기(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 외부용기(100), 내부용기(200), 차폐판(300), 삼중수소 유입관(500), 삼중수소 배출관(600), 수소투과막(610), 제1 필터(710), 제2 필터(720), 열매체 통관(800)을 포함하여 구성된다. 이 때, 본 실시예에서는 외부용기(100) 및 내부용기(200)가 원통형으로 도시되어 있지만, 사각 이상의 다각 기둥 형태를 가질 수 있음을 밝혀둔다.
외부용기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 내부용기(200) 및 다수의 차폐판(300)을 수용한다. 그리고, 외부용기(100)는 내부용기(200) 내의 삼중수소가 외부로 누출되는 것을 최종적으로 방지하는 역할을 한다. 한편, 삼중수소 유입관(500) 및 삼중수소 배출관(600)이 외부용기(100)를 관통하여 내부용기(200)와 연결되게 된다.
내부용기(200)는 도 1에서와 같이 원통 형상의 밀폐형 용기로서 외부용기(100)의 내부에 배치되고, 그 내부에 분말 형태의 수소저장금속(420)이 저장된다. 이 때, 수소저장금속(420)은 삼중수소 유입관(500)을 통해 공급되는 삼중수소(T2)를 흡장(hydriding)하게 된다. 그리고, 수소저장금속(420)은 도 3에 도시된 바와 같이 메탈 하이드라이드(430)로 변환되며, 메탈 하이드라이드(430)로부터 탈장(dehydring)된 삼중수소(T2)는 삼중수소 배출관(600)을 통해 내부용기(200) 내 삼중수소를 펌핑하는 외부에 설치된 벨로우즈(미도시)를 통과하여 핵융합반응로(미도시)의 연료로 공급되는 구조를 가진다.
차폐판(300)은 도 1에서와 같이 외부용기(100)와 내부용기(200) 사이에 다수 배치되어 내부용기(200)의 복사열 손실을 차단하는 역할을 한다. 이와 같은 차폐판(300)은 표면에 은(Ag) 또는 금(Au)이 도금되어 복사열 전달을 최소화하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 외부용기(100)와 내부용기(200) 사이에 고진공(high vacuum) 상태를 형성하여 대류 열전달을 감소시키도록 구성될 수 있다. 또한, 외부용기(100)와 내부용기(200) 사이에 헬륨(He)이 주입되어 대류 열전달을 증가시키도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 내부용기(200)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원통형의 측벽 상부에 외측으로 돌출 형성된 돌출부(210)를 구비하고 있다. 이 때, 돌출부(210)는 내부용기(200)의 둘레를 따라 고리 형태로 돌출됨에 따라 내측으로 고리 형태의 삼중수소 배출유로(212)를 형성하게 된다. 이 때, 돌출부(210)는 도 1에서와 같이 사각 형태의 수직 단면을 가질 수 있다. 이와 달리, 돌출부(2l0)는 반원형 또는 반타원형의 수직 단면을 가지도록 제작되는 것도 가능하다.
삼중수소 유입관(500)은 도 1에 도시된 바와 같이 외부용기(100)를 관통하여 내부용기(200)에 저장된 수소저장금속(420)으로 인입되는 구조를 가진다. 즉, 삼중수소 유입관(500)은 수소저장금속(420)에 삼중수소(T2)를 공급하게 된다.
삼중수소 배출관(600)은 도 1 및 도 2에서와 같이 외부용기(100)를 관통하여 내부용기(200)의 돌출부(210)로 인입되는 구조를 가진다. 이 때, 삼중수소 배출관(600)은 앞서 설명한 삼중수소 배출유로(212)와 연통된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 메탈 하이드라이드(430)로부터 탈장된 삼중수소(T2)는 내부용기(200)의 상부에 위치한 삼중수소 배출유로(212) 및 삼중수소 배출관(600)을 거쳐 핵융합반응로(미도시)로 이송된다.
수소저장금속(420)은 분말 형태로 도 1에 도시된 바와 같이 내부용기(200)에 저장된다. 그리고, 수소저장금속(420)은 삼중수소 유입관(500)을 통해 공급되는 삼중수소(T2)를 흡장하여 도 3에서와 같은 메탈 하이드라이드(430, metal hydride), 즉 금속수소화물로 변환된다.
한편, 내부용기(200)에 저장되는 수소저장금속(420)의 부피는 삼중수소(T2)를 흡장하면서 급격하게 팽창하기 때문에, 이를 고려하여 수소저장금속(420)은 도 1에 도시된 바와 같이 팽창되었을 경우를 감안한 높이(h1)로 내부용기(200)에 저장되는 것이 바람직하다.
이 때, 본 발명에 따른 비접촉식 삼중수소 용기(10)는 도 3에서와 같이 부피 팽창에 따른 메탈 하이드라이드(430)의 최대 높이(h2)가 제2 필터(720)의 하부를 넘지 않도록 수소저장금속(420)의 양을 조절하여 내부용기(200)에 저장하는 것이 중요하다. 따라서, 이를 고려하여 도 1에 도시된 수소저장금속(420)의 저장 높이(h1)를 적절히 조절할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 수소저장금속(420)으로 사용할 수 있는 금속의 종류로는 ZrCo, 감손 우라늄, 우라늄, 티타늄, 팔라듐, ZrNi, ZiNixCoy(x=0.01 ~ 0.99, y=1-x), ZrNixCoyFez(x=0.01~0.99, y=0.01 ~ 0.99, z=0.01 ~ 0.99, x+y+z=1) 또는 ZixHfyCo(x=0.01 ~ 0.99, y=1-x)가 있다. 또한, 상기 수소저장금속(420)은 ZrNi0.3Co0.7, ZrNi0 .2Co0 .7Fe0 .1, ZrNi0 .3Co0 .5Fe0 .2, Zr0 .5Hf0 .5Co 또는 Zr0 .7Hf0 .3Co 일 수도 있다.
상술한 금속 또는 합금은 활성화가 용이할 뿐만 아니라 삼중수소의 저장능력이 크고, 삼중수소의 흡장속도 및 가열에 따른 삼중수소의 탈장속도가 빠른 성질을 가지고 있다. 또한, 상기 금속 또는 합금은 삼중수소 용기의 운용 온도에 적합한 반응열을 가지고 있고, 삼중수소의 흡장 및 탈장 과정에서 평탄압력을 나타내는 Plateau 영역이 비교적 클 뿐만 아니라 그 경사도가 작은 특징으로 가지고 있다. 아울러, 상기 금속 또는 합금은 삼중수소를 반복적으로 흡수 및 저장함에 따라 쉽게 열화되지 않으며, 쉽게 재생이 가능한 장점이 있다. 그리고, 불순가스에 대한 내피독성이 크고, 값이 비교적 저렴한 장점이 있다.
제1 필터(710) 및 제2 필터(720)는 삼중수소(T2)를 통과시킴과 동시에, 내부용기(200)에서 발생하는 수소저장금속(420) 또는 메탈 하이드라이드(430)의 분진이 삼중수소 용기(10)의 외부로 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 삼중수소 용기는 상기 분진이 제1 필터(710) 및 제2 필터(720) 와 직접 접촉하지 않는다는 의미로 "비접촉식"인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 제1 필터(710)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 삼중수소 유입관(500)의 내부에 설치된다.
그리고, 제2 필터(720)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부용기(200)의 돌출부(210) 내측에 형성된 고리 형태의 삼중수소 배출유로(212)의 유입측에 설치된다. 본 실시예에 의하면 내부용기(200)와 삼중수소 배출유로(212)를 각각 연통시키는 다수의 삼중수소 배출구멍(도 2에 의하면 4개)이 일정 간격으로 형성되고, 각 구멍마다 제2 필터(720)가 설치된다. 그리고, 삼중수소 배출관(600)이 돌출부(210)의 일측을 관통하여 삼중수소 배출유로(212)와 연통된다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 메탈 하이드라이드(430)로부터 탈장된 삼중수소는 내부용기(200)의 상부에 일정 간격으로 배치된 다수의 제2 필터(720)를 통해 삼중수소 배출유로(212)로 유입되고, 삼중수소 배출관(600)을 통해 용기 외부로 배출되는 구조를 가진다. 이 때, 상기 삼중수소 배출관(600)을 통해 배출된 물질은 삼중수소뿐만 아니라, 내부용기(200)에서 발생된 미세 분진이 다소 포함될 수 있다. 상기 미세 분진은 방사성 물질로 외부에 유출될 경우, 인체 및 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 배출관(600)의 일측에 수소투과막(610)을 연결하여 상기 미세 분진은 수소투과막(610)에 의해 걸러져 삼중수소만 배출되는 구조를 가진다. 상기 수소투과막(610)은 금속투과막, 고분자투과막 및 세라믹투과막 중 어느 하나일 수 있다.
상기 금속투과막은 팔라듐(Pd) 합금일 수 있으며, 바람직하게는 팔라듐/은(Pd/Ag), 팔라듐/구리(Pd/Cu), 팔라듐/금(Pd/Au), 팔라듐/은/금(Pd/Ag/Au), 팔라듐/은/구리(Pd/Ag/Cu) 또는 팔라듐/은/구리/금(Pd/Ag/Cu/Au)의 합금일 수 있다.
상기 세라믹 투과막은 비다공성 다성분계 세라믹막으로, 바람직하게는 SrCeO3-5 또는 BaSrCeO3 -5일 수 있다.
이와 다르게, 제2 필터(720)는 상기 고리 형태의 삼중수소 배출유로(212)와 대응되도록 일체형의 고리 형태로 제작하여 삼중수소 배출유로(212)의 유입측에 설치하는 것도 가능하다.
한편, 상술한 제 1및 제2 필터(710)는 내구성이 우수한 소결 금속필터를 적용하는 것이 바람직하다.
열매체 통관(800)은 내부용기(200)의 외벽을 둘러쌓인 형상으로 설치되어 열매체가 통과하여 내부용기(200)에 열전달이 되도록 설치된다. 열매체 통관(800)은 열매체를 순환시켜 내부용기(200) 내에 열을 공급하여, 메탈 하이브리드(430)로부터 탈장하는 역할한다. 여기서, 상기 열매체는 헬륨(He)과 같은 불활성 기체, 열전도성이 좋은 FLiBe 같은 용융염 등일 수 있다.
특히, 열매체 통관(800)은 외부로부터 열매체가 유입되는 열매체 유입관(810) 및 열전달이 완료된 열매체가 외부로 배출되는 열매체 배출관(820)을 포함한다.
여기서, 히터 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 외부용기(100) 외부에 설치되어 열매체를 가열한다. 히터 시스템은 순환유속 및 온도를 유지하기 위해, 냉각기(830), 펌프(840), 가열기(850)를 포함하며, 설치 환경에 따라 유량 조절계(미도시) 및 항온 유지장치(미도시)를 더 설치할 수 있다.
열매체 배출관(820)으로부터 배출된 열매체는 유입되는 온도보다 낮아지지만 온도가 고온일 수 있기 때문에 열매체를 열매체 유입관(810)으로 이동시켜주는 펌프(840)의 내구성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 히터 시스템은 열매체의 온도를 낮춰주는 냉각기(830)를 펌프(840)를 수행하기 전에 설치할 수 있다. 히터 시스템은 펌프(840)에서 펌핑된 열매체를 가열기(850)를 통하여 열매체를 가열한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부용기(200)의 상부 구조를 설명하기 위한 수평 단면도이다. 도 5에 도시된 다른 실시예에 의하면, 내부용기(200)의 측벽 상부의 한 곳이 돌출 형성되어 돌출부(210")를 형성하는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 도 5에서와 같이 삼중수소 배출유로(212")가 직육면체 또는 원기둥 형태를 가지도록 돌출부(210")가 형성될 수 있다. 그리고, 삼중수소 배출유로(212")의 유입측에 제2 필터(720)가 설치된다.
즉, 본 실시예에 의하면 제2 필터(720)가 1개만 필요하고, 돌출부(210") 및 삼중수소 배출유로(212")의 크기 및 구조가 앞선 실시예에 비해 단순화되는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전대를 구비한 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기를 설명하기 위한 수직 단면도이다. 도 6(a)는 열전대가 외부용기의 내부까지 설치된 실시예를 도시한 도면이고, 도 6(b)는 열전대가 내부용기의 내부까지 설치된 실시예를 도시한 도면이다.
도 6에 의하면, 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기(10)는 열전대, 헬륨기체 유량계측기, 항온기, 럽츄어 디스크(rupture disk), 삼중수소 압력계측기 및 삼중수소 유량계측기가 더 포함될 수 있다.
열전대(900)는 외부로의 열 손실을 최소화하고 삼중수소의 누출을 방지하기 위해 상기 차폐판(300), 외부용기(100) 및 내부용기(200)에 피드쓰루(feed-through)로 체결된다. 그리고, 내부용기(200), 외부용기(100) 또는 삼중수소의 계량을 위한 헬륨 루프관(미도시)에 연결되어 각 부위의 온도를 계측할 수 있다.
열전대(900)는 열전대 튜브(910, 920)에 삽입되어 각 부위의 온도를 계측할 수 있다. 특히, 열전대 튜브(910, 920)는 각각 외부용기(100), 내부용기(200)와 용접되는 부분을 보다 두껍게 형성하여 용접이 용이하도록 한다. 즉, 열전대 튜브(910, 920)는 각 용기와 용접되는 부분이 요철 형상을 이루어지도록 형성될 수 있다.
헬륨기체 유량계측기(미도시)는 열매체 통관(800)을 통하여 헬륨 루프에 설치되어 헬륨기체의 유량을 계측 및 기록하고, 과부하 시 경보를 울릴 수 있다.
항온기(미도시)는 삼중수소의 계량을 위한 헬륨 루프관(미도시)에 설치되어 헬륨 기체를 설정된 온도로 가열 또는 냉각시켜 일정한 온도로 유입시킬 수 있다. 예를 들어, 헬륨 기체는 항온기에 의해 외부용기(100)의 설치환경 온도보다 다소 높은 35℃ 정도로 설정될 수 있다.
럽츄어 디스크(rupture disk, 미도시)는 삼중수소 배출관(600)에 설치되어 삼중수소가 과압일 경우 외부용기(100) 및 내부용기(200)를 보호할 수 있다.
삼중수소 압력계측기(미도시)는 상기 럽츄어 디스크(rupture disk)에 설치되어 외부로 배출되는 삼중수소의 압력을 계측 및 기록하며, 설정온도에서 경보를 울리도록 할 수 있다.
삼중수소 유량계측기(미도시)는 삼중수소 배출관(600)에 설치되어 외부로 이송되는 삼중수소의 유량을 계측 및 기록할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 벨로우즈를 설명하기 위한 예시도이다. 도 7에 의하면, 벨로우즈는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기(10)의 외부에 설치가 된다. 상세하게는, 벨로우즈는 삼중수소 배출관(600)과 연결되어 설치된다.
삼중수소는 체크밸브와 연결되어 벨로우즈에 의해 배출이 제어된다. 즉, 내부용기(200) 내 삼중수소를 펌핑하는 벨로우즈는 팽창 상태의 경우, 빈 공간을 제공함으로 해서 메탈 하이드라이드(430)의 가열 온도를 더 낮은 온도로 유지하게 할 수 있다. 즉, 낮은 온도의 탈장은 내부용기(200)의 벽체를 통한 삼중수소의 투과 유출을 최소화해서 삼중수소에 대한 오염을 방지한다.
이하, 상술한 바와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기의 작용 및 효과에 대해 도 1 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 이 때, 삼중수소 용기(10)에서 삼중수소가 유입, 흡장, 탈장, 계량 및 배출되는 순서를 기준으로 설명한다.
(삼중수소의 유입)
핵융합반응로(미도시)에서 생성된 생성물과 미반응 수소동위원소는 헬륨과 순수 수소동위원소를 분리되는 공정을 거치게 되고, 분리된 수소동위원소는 증류탑에서 경수소, 중수소 및 삼중수소로 분리된다. 이 때, 분리된 삼중수소(T2)가 본 발명에 따른 삼중수소 용기(10)에 유입되어 삼중수소 저장공정이 이루어지게 된다.
삼중수소(T2)는 삼중수소 유입관(500)을 통해 유입되고, 제1 필터(710)를 거쳐 내부용기(200)에 저장된 분말 형태의 수소저장금속(420)에 흡장된다.
(삼중수소의 흡장 )
삼중수소(T2)는 하기의 <반응식 1>과 같은 흡장 화학반응에 의하여 수소저장금속(420)에 흡장되어 저장된다.
<반응식 1>
M + Tn → Tn
(여기서, M은 수소저장금속, Tn은 삼중수소, MTn은 메탈 하이드라이드(금속수소화물))
이 때, 흡장 화학반응은 자발적 발열 반응이기 때문에 내부용기(200)의 온도가 낮을수록 흡장 속도가 빨라지게 된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 흡장 반응이 진행됨에 따라 수소저장금속(420)이 메탈 하이드라이드(430)로 변환되면서 부피가 급격하게 팽창하게 된다. 이 때, 수소저장금속(420) 또는 메탈 하이드라이드(430)로부터 분진이 발생하게 되는데, 상기 분진 중 매우 작은 크기의 분진은 제2 필터(720)를 통과할 수 있으나, 수소투과막(610)에 의해 외부로 배출되지 않는다. 특히, 제2 필터(720)의 경우 내부용기(200)의 상부에 형성된 돌출부(210) 안쪽에 배치되기 때문에 수소저장금속(420)의 분진과의 직접적인 접촉이 이루어지지 않게 되고, 이로 인해 필터 수명이 더욱 연장되는 효과가 있다.
(삼중수소의 계량)
본 발명에 따른 삼중수소 용기(10)는 비활성 기체인 헬륨(He) 기체를 헬륨 루프를 통해 순환시킴으로써 메탈 하이드라이드(430)내 삼중수소의 양을 측정하게 된다. 이 때, 메탈 하이드라이드(430) 내의 삼중수소 붕괴열을 측정함으로써 삼중수소의 양을 계량할 수 있다.
삼중수소의 계량에 관한 기술은 본 발명의 범위를 넘으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
(삼중수소의 탈장)
본 발명에 따른 삼중수소 용기(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 고온의 열매체가 메탈 하이드라이드(430)를 가열함으로써 삼중수소가 탈장된다.
열매체는 헬륨 같은 불활성 기체, 열전도성이 좋은 FLiBe 같은 용융염 등이 가능하다. 열매체가 내부용기(200) 외벽을 가열하면, 벽을 통해 열은 용기 내에 설치 가능한 열전달 촉진물체를 통해 메탈 하이드라이드(430)에 신속하게 전열된다.
여기서, 열전달 촉진물체는 금속 핀, 금속 폼 및 금혹 라쉬링 중 적어도 하나를 포함한다.
이 때, 열매체의 온도가 높일수록 탈장 반응이 빨라지게 된다.
한편, 삼중수소가 탈장됨에 따라 메탈 하이드라이드(430)의 부피가 수축하면서 발생되는 분진은 수소투과막(610)에 의해 외부로의 배출을 방지한다.
(삼중수소의 배출)
상술한 바와 같이 탈장된 삼중수소는 내부용기(200)의 상부에 위치한 제2 필터(720), 삼중수소 배출유로(212), 삼중수소 배출관(600) 및 수소투과막(610)을 거쳐 외부의 공급처로 이송된다.
이 때, 삼중수소 배출관(600)에 설치된 유량계측기(미도시) 또는 압력계측기(미도시)를 이용하여 삼중수소의 유량 및 압력을 측정할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 내부용기(200) 내 삼중수소를 펌핑하는 벨로우즈는 팽창 상태의 경우, 빈 공간을 제공함으로 해서 메탈 하이드라이드(430)의 가열 온도를 더 낮은 온도로 유지하게 할 수 있다. 즉, 낮은 온도의 탈장은 내부용기(200)의 벽체를 통한 삼중수소의 투과 유출을 최소화해서 삼중수소에 대한 오염을 방지한다.
내부용기(200)의 외벽 면에는 Er2O3 같은 삼중수소 투과 억제용 코팅막이 표면 처리되어 삼중수소의 투과 오염을 더욱 감소시킬 수 있고, 내부용기(200)의 내벽 면에는 Cu-Zr-Cr 또는 Cu-Ti-Cr 같은 메탈 하이드라이드(430) 보호막을 표면처리를 한다.
내부용기(200)를 관통하는 열전대(900) 등을 보호하는 열전대 튜브(910, 920)은 요철 형상으로 가공 후, 용접하여 열전대 튜브(910, 920)의 아르곤 용접 시, 관의 파손을 방지한다.
헬륨 블랑켓 제거용 펌프(미도시)는 내부용기(200) 내 기체를 순환하여 삼중수소의 붕괴에 따른 헬륨의 블랑켓을 제거한다. 즉, 헬륨 블랑켓 제거용 펌프는 삼중수소가 방사능 붕괴가 되어 불활성 기체인 헬륨-3을 생성하게되면 헬륨-3이 우라늄 금속 표면을 담요처럼 감싸게 하는 현상을 미연에 방지시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10: 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기
100 : 외부용기
200 : 내부용기
210, 210" : 돌출부
212, 212" : 삼중수소 배출유로
300 : 차폐판
420 : 수소저장금속
430 : 메탈 하이드라이드
500 : 삼중수소 유입관
600 : 삼중수소 배출관
610 : 수소투과막
710 : 제1 필터
720 : 제2 필터
800 : 열매체 통관
810 : 열매체 유입관
820 : 열매체 배출관
830 : 냉각기
830 : 펌프
840 : 가열기
900 : 열전대
910, 920 : 열전대 튜브

Claims (20)

  1. 외부용기와, 상기 외부용기의 내부에 배치되어 삼중수소를 흡장 및 탈장하는 분말 형태의 수소저장금속 및 메탈 하이드라이드 중 적어도 하나를 저장하는 내부용기와, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 배치되어 열을 차단하는 차폐판을 포함하는 핵융합반응용 삼중수소 용기에 있어서,
    상기 내부용기의 측벽 상부에 외측으로 돌출되어 상기 삼중수소가 배출되는 유로를 형성하는 돌출부;
    상기 외부용기를 관통하여 상기 내부용기에 저장된 수소저장금속으로 인입되는 삼중수소 유입관;
    상기 외부용기를 관통하여 상기 내부용기의 돌출부로 인입되는 삼중수소 배출관; 및
    상기 내부용기의 외벽을 둘러쌓인 형상으로 설치되어 열매체가 통과하여 상기 내부용기에 열전달이 되도록 하는 열매체 통관;을 포함하고,
    상기 열매체 통관은 열매체가 유입되는 열매체 유입관; 및 열매체가 배출되는 열매체 배출관을 포함하며, 히터 시스템과 연결되어 상기 열매체 배출관에서 배출되는 열매체를 재가열하여 상기 열매체 유입관으로 유입시켜 상기 내부용기를 가열해 탈장시키는 것을 특징으로 하 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 삼중수소 유입관에 배치되는 제1 필터;
    상기 돌출부의 삼중수소 배출유로의 유입측에 배치되는 제2 필터; 및
    상기 배출관의 일단에 연결되어 삼중수소의 선택적 배출이 가능한 수소투과막;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 필터는 소결 금속필터인 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 수소투과막은,
    금속투과막으로, 팔라듐/은(Pd/Ag), 팔라듐/구리(Pd/Cu), 팔라듐/금(Pd/Au), 팔라듐/은/금(Pd/Ag/Au), 팔라듐/은/구리(Pd/Ag/Cu) 및 팔라듐/은/구리/금(Pd/Ag/Cu/Au) 로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 수소투과막은,
    세라믹투과막으로, SrCeO3-5 및 BaSrCeO3-5로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수소저장금속은 ZrCo, 감손 우라늄, 우라늄, 티타늄, 팔라듐, ZrNi, ZiNixCoy(x=0.01~0.99,y=1-x), ZrNixCoyFez(x=0.01~0.99, y=0.01~0.99, z=0.01~0.99, x+y+z=1) 및 ZixHfyCo(x=0.01~0.99, y=1-x)로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수소저장금속은 ZrNi0.3Co0.7, ZrNi0.2Co0.7Fe0.1, ZrNi0.3Co0.5Fe0.2, Zr0.5Hf0.5Co 및 Zr0 .7Hf0 .3Co로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 내부용기의 측벽 둘레를 따라 돌출 형성되어 상기 삼중수소 배출유로가 고리 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2 필터는 복수로 구비되어 상기 삼중수소 배출유로를 따라 일정 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 삼중수소 배출유로가 직육면체 또는 원기둥 형상을 가지도록 상기 내부용기의 측벽 한 곳이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 외부용기와 내부용기 사이에 고진공(High vacuum) 상태가 형성되어 대류 열전달을 감소시키는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 외부용기와 내부용기 사이에 헬륨(He)이 주입되어 대류 열전달을 증가시키는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기 내에 구비되어 열전달을 촉진하는 금속 핀, 금속 폼 및 금속 라쉬링 중 적어도 하나를 포함하는 열전달 촉진 물질를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기 내 삼중수소를 펌핑하는 벨로우즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기의 외벽 면에 삼중수소의 투과를 억제하는 코팅막을 표면처리하는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기의 내벽 면에 메탈 하이드라이드의 보호막을 표면처리하는 것을 특징으로하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기 및 상기 외부용기 중 적어도 하나를 관통하여 각 부위의 온도를 계측하는 열전대; 및
    상기 내부용기 및 상기 외부용기와 접촉되어 용접되는 부분이 요철형상으로 형성되고, 상기 열전대가 내부로 삽입되는 열전대 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 내부용기 내 기체를 순환하여 상기 삼중수소의 붕괴에 따른 헬륨의 블랑켓을 제거하는 헬륨 블랑켓 제거용 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵융합반응용 무보수형 삼중수소 용기.

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