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한국 월성 원자력발전소는 CANDU 발전소를 기본으로 한 가압중수로(PHWR)로 중수를 냉각재(Coolant)와 중성자 감속재(Neutron Moderator)로 사용한다. 월성 원자력발전소에서는 중수와 중성자의 반응으로 수소 동위원소인 ...

한국 월성 원자력발전소는 CANDU 발전소를 기본으로 한 가압중수로(PHWR)로 중수를 냉각재(Coolant)와 중성자 감속재(Neutron Moderator)로 사용한다. 월성 원자력발전소에서는 중수와 중성자의 반응으로 수소 동위원소인 삼중수소가 생성된다. 이 삼중수소는 방사성 물질로 대기 중으로 자연방출이 불가능하며 전략물자로 분류되므로 엄격한 관리가 필요하다.
월성 원자력발전소는 삼중수소 제거 설비(TRF)를 가동하여 생성되는 삼중수소를 분리하여 보관하고 있다. 이 삼중수소는 제한적인 발생량을 가지고 있고 특수한 물품 제작이나 실험에 사용되므로 상당히 높은 가치를 지니고 있다. 특히 삼중수소는 핵융합 공정에서 연료로 사용되므로 우리나라의 핵융합 연료 주기 분야에서 크게 이바지할 수 있음을 시사한다.
본 논문은 핵융합에너지의 기초적인 설명과 함께 국제핵융합실험로(ITER)와 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)의 토카막형 핵융합로에서 연료로 쓰이는 수소 동위원소의 저장, 공급 및 계량을 위한 시스템의 설계, 개발 및 평가를 다룬다. 이 기술은 핵융합 연료 주기에서 핵심적인 부분이며, 핵융합기술의 산업화를 위한 기초 토대로서 적용될 수 있다.
본 논문에서는 연구 중 개발한 금속 내 수소 저장 및 공급 시스템을 금속 수소화물 용기라고 명명하며, 이는 일차 용기와 이차 용기로 구성된다. 일차 용기 내부에는 수소 저장재인 금속이 들어가며 실험에 사용된 저장재로는 지르코늄 코발트와 감손우라늄이 있다. 이 중 감손우라늄이 조건별 저장 및 공급에 적합한 결과를 나타내어 최종 수소 저장재로 결정되었다. 또한, 일차 용기 내부에는 삼중수소 붕괴열 모사를 위한 카트리지 히터가 설치되어 있으며 수소 저장재와 스테인리스인 일차 용기 사이의 공융을 방지하기 위해 구리로 코팅을 하였다. 일차 용기 외벽에는 수소 탈장 시 열을 가하는 케이블 히터가 감겨있으며 일차 용기와 이차 용기 사이에는 방사열 손실을 최소화하기 위한 열차폐판이 겹겹이 설치되어 있다.
금속 내 수소 저장 및 공급시스템의 성능평가는 수소 저장재 미분화를 통한 흡장 활성도 평가와 다양한 압력, 온도 조건에서의 수소 흡장 및 탈장 성능 비교, 정적열량계를 통한 삼중수소 계량 등을 통해 진행하였다. 이를 위해 압력-조성-온도 다이어그램과 수소 흡장, 수소 탈장을 모사하는 식을 제안하고 열수력 공정해석 코드(MARS)를 활용하여 동적열량계를 이용한 삼중수소 계량에 대한 수치해석을 진행하였다.

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