KR102032470B1

KR102032470B1 - 핵융합 반응기

Info

Publication number: KR102032470B1
Application number: KR1020197011740A
Authority: KR
Inventors: 블라디미르 유리에비치 콜가노브; 이반 이고레비치 포두브니이
Original assignee: 스테이트 에토믹 에너지 코퍼레이션 “로사톰”온 비핼프 오브 더 러시안 페더레이션
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-10-15
Also published as: RU2640407C1; CN110024045A; US20190272926A1; WO2018093294A1; JP2020501128A; JP6661840B2; CN110024045B; ES2896775T3; KR20190069447A; EP3544021A1; EP3544021A4; US10818399B2; EP3544021B1

Abstract

본 발명은 열핵 공학과 관련된 것으로, 토카막(tokamak) 핵융합 발전소들의 제조에 사용된다. 핵 반응기는, 진공 케이싱, 및 플렉시블 지지체들에 의해 상기 진공 케이싱에 연결된 블랭킷 모듈들을 포함한다. 상기 플렉시블 지지체들은 전기 커넥터들의 기능을 더 수행한다; 또한, 상기 플렉시블 지지체들은 높은 전기 전도도를 갖는 물질로 제조된다. 각 플렉시블 지지체의 일단은 상기 진공 케이싱에 고정되고, 타단은 상기 블랭킷 모듈에 고정되며; 각 플렉시블 지지체의 두 개의 고정된 단부들은 상기 블랭킷 모듈과 마주하며, 실제 플렉시블 지지체 자체는 하나가 다른 하나의 내부에 위치하는 두 개의 중공 원통형 부재들로 형성되고, 부품이 장착되지 않은 부분 내에 길이 방향 슬롯들이 천공되어 있으며, 상기 고정된 단부들의 반대편에 있는 상기 중공 원통형 부재들의 단부들은 전기적으로 및 기계적으로 연결되어 있다. 본 발명의 기술적 결과는 핵융합 반응기의 블랭킷 모듈로부터 와류 전류를 우회시킴과 동시에, 블랭킷의 구성에서 커넥터들을 배제하고, 진공 케이싱과 마주하는 블랭킷 모듈의 면의 번칭을 감소시키는 것으로 구성된다.

Description

핵융합 반응기

본 발명은 열핵(thermonuclear) 공학과 관련된 것으로 토카막(tokamak) 핵융합 발전소들의 제조에 사용된다.

핵융합 반응기는 종래 기술로 공지되어 있는데, 이는 진공 용기, 및 패스너들(fasteners)을 갖는 플렉시블 지지체들(supports) 및 전기 커넥터들에 의해 거기에 연결되는 보호 블랭킷 모듈들을 포함한다(A. Rene Raffray, Mario Merola. Overview of the design and R&D of the ITER blanket system. Fusion Engineering and Design, 87 (2012), pp. 769-776). 상기 패스너들을 갖는 지지체들은 기계적 연결을 제공하고, 전기 커넥터들은 전기적 연결을 제공한다.

상기 공지의 핵융합 반응기에서, 지지체는, 블랭킷 모듈을 상기 핵융합 반응기의 진공 용기 상에 장착하여, 외부 부하로부터 압축력 성분 및 인장력 성분들을 흡수(take up)하도록 설계된다. 전기 커넥터는 전류를 블랭킷 모듈로부터 상기 반응기의 진공 용기로 우회(divert away)시키도록 설계된다. 상기 지지체를 통해 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여, 상기 지지체의 몇몇 패스너들의 다수의 표면들 상에 전기 절연 코팅이 적용된다. 상기 지지체에 절연 코팅을 하기 위해서는 상기 절연 코팅을 적용하는 공정 작업이 추가로 필요하다; 게다가, 상기 코팅 상에는 가변하는 온도장 및 고충격 부하 하에서 진공에서 완전성(integrity) 및 기능성을 유지하기 위한 조건들이 필요하며, 따라서 상기 지지체의 디자인이 복잡해지고, 상기 코팅의 완전성 및 절연성을 유지하도록 상기 제품의 라이프 사이클의 모든 시기에서 구조적 부재들이 절연 코팅된 상태로 취급될 수 있게 하기 위한 수많은 요구사항들을 준수해야 하므로, 상기 지지체 어셈블리의 신뢰도가 저하된다. 또한, 상기 코팅은 상기 블랭킷 모듈로부터 우회한 와류 전류(eddy currents)를 방지하여, 상기 핵융합 반응기의 작동 중에 플라즈마 분열 발생 시 상기 모듈에서 와류 전류가 유도된다. 이 때문에, 그러한 목적을 위해 특수 장치가 필요하게 된다: 전기 커넥터와 반응기의 진공 용기 및 블랭킷 모듈 사이에 접점을 제공하는, 상기 진공 용기와 상기 블랭킷 모듈 사이에 설치되는 전기 커넥터. 상기 지지체들뿐 아니라, 냉매 공급관 및 배출관들, 절연 커버 플레이트들, 냉매 컬렉터들, 및 진단 시스템들을 위한 케이블들 및 센서들이 상기 진공 용기에 대향하는 보호 블랭킷 모듈들의 측면 상에 구비된다; 이러한 방식으로, 상기 보호 모듈의 전체 후방부가 완전히 채워져 있다. 차세대 핵융합 반응기 모듈은, 보호 기능만을 갖는 것이 아니라(트리튬 증식, 장수명 악티니드의 재연소, 중원소 농축, 연구 및 물질 시험 모듈 등), 적절한 원격 서비스 채널들이 요구된다; 그러나, 현재의 모듈 장착 구조가 유지된다면, 그러한 채널들의 연결을 위한 공간이 남아있지 않다.

상기한 공지의 핵융합 반응기의 문제점들은 다음과 같다: 와류 전류를 블랭킷 모듈로부터 우회시키기 위한 전기 커넥터들을 설치해야할 필요가 있으며, 상기 지지체 들 내에 절연 코팅을 갖는 구조적 부재들을 도입할 필요가 있다는 것이다.

전기 커넥터의 설치 필요성은 관련된 부재들의 수를 증가시켜 반응기의 신뢰도를 떨어뜨리고, 상기 진공 용기와 마주하는 블랭킷 모듈의 대향면 상에 번칭(bunching)을 형성하게 된다.

상기 지지체에 절연 코팅을 갖는 구조적 부재들을 도입하는 것은 상기 지지체 어셈블리의 구조적 부재들의 수를 증가시켜 상기 부재들 일부의 디자인이 특수한 설계 및 취급 주의를 요하는 절연 코팅을 가져야 하므로, 상기 반응기의 신뢰도를 떨어뜨린다. 이러한 문제점은 또한 절연 코팅을 갖는 구조적 부재들을 포함하는 상기 지지체 어셈블리의 디자인이 더 많은 공간을 차지함으로 인해 상기 모듈 장착 영역에서의 번칭 정도를 증가시키고, 절연 코팅을 갖는 표면들은 상기 코팅의 마감이 가능하도록 선형(평면, 원통형, 원뿔형)이어야만 하며, 그루브(grooves), 챔퍼(chamfers), 추동면(translational surface) 등을 갖는 특수한 구조적 디자인이 필요하기 때문에 모듈의 공간 내에 절연 코팅을 갖는 부품들을 수용하는 모듈들의 설계를 복잡하게 한다.

본 발명의 목적은 보다 높은 신뢰도를 갖는 핵융합 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 결과는 핵융합 반응기의 블랭킷 모듈로부터 와류 전류를 우회시킴과 동시에, 블랭킷 모듈의 구성에서 전기 커넥터를 배제하고, 진공 용기와 마주하는 블랭킷 모듈의 면의 번칭을 감소시키는 것으로 구성된다.

상기 기술적 결과는, 진공 케이스, 및 플렉시블 지지체들에 의해 상기 진공 케이스에 연결된 블랭킷 모듈들을 포함하고, 각 플렉시블 지지체의 일단은 진공 용기에 고정되고, 타단은 상기 블랭킷 모듈에 고정된 핵융합 반응기에 있어서, 본 발명에 따라, 상기 플렉시블 지지체들이 전기 커넥터들의 기능을 더 수행하며, 상기 지지체들은 높은 전기 전도도를 갖는 물질로 제조되고, 각 플렉시블 지지체의 두 개의 고정된 단부들은 상기 블랭킷 모듈과 마주하며(face), 상기 플렉시블 지지체 자체는 하나가 다른 하나의 내부에 위치하는 두 개의 중공(hollow) 원통형 부재들로 형성되고, 부품이 장착되지 않은 부분 내에 길이 방향 슬롯들이 천공되어 있으며, 상기 고정된 단부들의 반대편에 있는 상기 중공 원통형 부재들의 단부들은 전기적으로 및 기계적으로 연결되어 있다는 사실에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 핵융합 반응기의 부재들의 상기한 방식의 배열에 의해, 상기 지지체들의 디자인에 절연 코팅을 사용할 필요가 없고, 높은 전기 전도도 물질로 지지체를 형성함으로써 추가의 장치(전기 커넥터들) 없이 와류 전류가 핵융합 반응기의 블랭킷 모듈로부터 우회될 수 있으며, 또한 핵융합 반응기의 디자인을 단순화하는 것과 관련된 요소들인, 상기 지지체의 에너지 방출(release)을 감소시키고, 따라서 상기 지지체의 온도를 낮춤으로써, 그 결과 핵융합 반응기의 신뢰도를 높인다. 그러나, 상기 전기 커넥터의 기능들이 상기 플렉시블 지지체들로 이행될 때, 전류가 상기 반응기의 자기장과 상호작용할 때 발생하는 수평방향(transverse) 힘 역시 상기 지지체 상에 작용하기 시작한다. 상기 가로방향 힘을 상쇄(balance out)하기 위하여, 상기 플렉시블 지지체는 하나가 다른 하나의 내부에 위치하는 두 개의 천공된 원통형 부재들로서 구성되며, 이는 그들을 통과하는 전류의 역류(counterflow)를 가능하게 한다. 이에 의해, 크기는 같고 방향이 반대인 두 힘으로부터 초래되는 힘은 0이 될 것이므로, 전류가 상기 반응기의 자기장과 상호작용할 때 상기 지지체에 작용하는 가로방향 힘이 상쇄된다. 상기 지지체 내부의 가로방향 힘들을 상쇄함으로써, 상기 지지체의 응력을 감소시키고 부하 용량(load capacity) 및 신뢰도를 증가시킨다.

본 발명의 요지는 도 1에 도시되어 있는데, 핵융합 반응기의 진공 용기가 블랭킷 모듈에 연결되어 있는 핵융합 반응기 일부를 도시한다(길이방향 섹션).

핵융합 반응기는, 진공 용기(1), 및 플렉시블 지지체(3)에 의해 상기 진공 용기에 연결되는 블랭킷 모듈(2)을 포함한다. 플렉시블 지지체(3)의 일단은 블랭킷 모듈(2)에 고정되어(secured) 기계적 및 전기적 연결들을 형성한다. 플렉시블 지지체(3)의 타단은 핵융합 반응기의 진공 용기(1)에 연결된다. 플렉시블 지지체(3)의 고정된 양 단부들은 블랭킷 모듈(2)과 마주하고, 플렉시블 지지체(3) 자체는 하나가 다른 하나의 내부에 위치하는 두 개의 중공 원통형 부재들로 형성되며, 부품이 장착되지 않은 부분 내에 축방향으로 연장되는 슬롯들이 천공되어 있다. 상기 고정된 단부들의 반대편에 있는 상기 중공 원통형 부재들의 단부들은 임의의 방식(예를 들어, 납땜, 용접 또는 납땜 스레드(soldered thread))으로 전기적으로 및 기계적으로 연결되거나, 전체 지지체가 일체(solid workpiece)로 제조된다. 플렉시블 지지체(3)는 크롬-지르코늄 청동(bronze)과 같은 전기 전도도가 높은 물질로 제조되어, 전기 커넥터의 기능들도 더 수행한다.

본 발명에서 청구된 핵융합 반응기는 다음과 같이 작동한다:

상기 핵융합 반응기가 작동하는 동안, 플라즈마 분열에 의한 전류 및 동적 부하가 블랭킷 모듈(2)에 작용한다. 상기 모듈(2)은 외부 부하의 압축력 성분 및 인장력 성분들을 상쇄할 수 있도록 핵융합 반응기의 진공 용기(1) 상에 확실하게 고정되어야 한다. 또한, 와류 전류를 상기 모듈(2)로부터 진공 용기(1)로 우회시키기 위하여, 상기 모듈(2)과 반응기 용기(1) 사이는 확실한 전기적 접점(reliable electrical contact)이 요구된다. 플렉시블 지지체(3)는 진공 용기(1) 상에 블랭킷 모듈(2)을 장착하는 기능을 수행하고, 블랭킷 모듈(2)로부터의 외부 부하의 압축력 성분 및 인장력 성분들은 플렉시블 지지체(3)로의 연결을 통해 전달되어, 상기 지지체로부터, 종래 기술에 의해 알려진 바와 같은 방식으로, 제2 연결을 통해, 진공 용기(1)로 전달된다. 플렉시블 지지체(3)는 높은 전기 전도도를 갖는 물질로 제조되므로, 상기 힘의 압축력 성분 및 인장력 성분들을 전달함과 동시에, 블랭킷 모듈(2)로부터 진공 용기(1)로 전류를 우회시킨다. 전류는 블랭킷 모듈(2)로부터 거기에 연결된 플렉시블 지지체(3)의 천공된 원통형 부재(4) 내로 흐른다. 이후 전류는 상기 천공된 부재(4)로부터 천공된 부재들의 연결 지점을 통해 다른 천공된 부재(5)로 흐른다. 다시 전류는 상기 제2의 천공된 부재(5)로부터 상기 플렉시블 지지체가 연결된 지점을 통해 진공 용기(1)로 흐른다. 한편, 크기는 같고 방향이 반대인 두 힘으로부터 초래된 힘은 0이 될 것이므로, 전류는 반대 방향으로 근접하게 이격된 천공된 부재들(4, 5)을 통해 흘러, 상기 전류와 상기 반응기의 자기장 사이의 상호작용에 의해 발생하여 상기 지지체 전체에 작용하는 수평방향 힘을 상쇄한다. 상기 압축 및 인장 부하는, 상기 천공된 부재들의 천공이 부하 성분의 작용 방향(축방향)으로 연장된 슬롯들에 의해 구현되므로, 플렉시블 지지체(3)의 상기 천공된 부재들에 의해 흡수된다. 상기 지지체의, 부품이 장착되지 않은 부분 내에서, 천공된 부재들은 구부러질 수 있는 한 세트의 로드(rod)들이므로, 상기 지지체(3)는 축방향을 가로지르는 방향에 있어서 유연하다(플렉시블하다).

Claims

진공 용기, 및 플렉시블 지지체들에 의해 상기 진공 용기에 연결된 블랭킷 모듈들을 포함하고, 각 플렉시블 지지체의 일단은 상기 진공 용기에 고정되고 타단은 상기 블랭킷 모듈에 고정된 핵융합 반응기로서,
상기 플렉시블 지지체들은 전기 커넥터들의 기능들을 더 수행하고, 상기 플렉시블 지지체들은 전기전도성 물질로 제조되고, 각 플렉시블 지지체의 두 개의 고정된 단부들은 상기 블랭킷 모듈과 마주하며, 플렉시블 지지체 자체는 하나가 다른 하나의 내부에 위치하는 두 개의 중공 원통형 부재들로 형성되고 부품이 장착되지 않은 부분 내에 길이 방향 슬롯들이 천공되어 있으며, 상기 고정된 단부들의 반대편에 있는 상기 중공 원통형 부재들의 단부들은 전기적으로 및 기계적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 핵융합 반응기.