KSTAR 장치의 저온 component에 헬륨을 공급하기 위한 헬륨라인은 크게 두 가지로 이루어져 있다. 냉동기에서 KSTAR 저온용기 외부까지의 트랜스퍼 라인과, 저온용기 내부의 헬륨라인이다. KSTAR 장치는 3가지 종류의 헬륨을 사용하여 각 저온 component를 냉각하는데, 초전도 자석 시스템과 버스라인에는 초임계 헬륨, 전류인입장치에는 액체 헬륨, 열차폐체에는 가스 헬륨을 공급한다. 저온용기 내부의 헬륨라인은 냉동기에서 저온용기 근처까지 연결된 배관을 저온용기 내부의 각 장치에 최단거리로 열손실 없이 설치하여 각 장치가 정상 작동하도록 하는데 그 목적이 있다. 저온용기 내부의 헬륨라인은 최대 20bar로 가압되는 운전시간 동안에 헬륨누설 없이 설치되어야 한다. 그리고 상온으로 부터의 복사열을 차단하기 위하여 다층절연제로 배관을 감싸주어야 하고 고전압 부분은 프리프레그 테잎으로 절연되어야 한다. 전기절연체는 세라믹과 스테인레스 스틸 튜브를 브레이징 접합 방법으로 연결하여 만들어진 것으론 배관과 배관, 배관과 저온 component간의 절연을 위해 사용되고, 헬륨라인과 동일하게 4.5K 초임계 헬륨온도에서 누설이 없어야 한다. 따라서 모든 전기절연체는 액체질소에 침전시켜 열충격을 가하고, 내부에 30 bar를 가압하여 진공 누설시험을 한다. 그리고 초전도 자석과 배관의 절연체로 사용되므로 15kV 고전압 절연 검사를 한다. 전기절연체의 세라믹 부분은 구조적 보강을 위하여 추가적으로 표면에 절연 작업을 한다. 현재 대부분의 저온용기 내부의 헬륨 라인은 설치 완료되어 있으며, 최종 검사가 진행 중이다.
KSTAR 장치의 저온 component에 헬륨을 공급하기 위한 헬륨라인은 크게 두 가지로 이루어져 있다. 냉동기에서 KSTAR 저온용기 외부까지의 트랜스퍼 라인과, 저온용기 내부의 헬륨라인이다. KSTAR 장치는 3가지 종류의 헬륨을 사용하여 각 저온 component를 냉각하는데, 초전도 자석 시스템과 버스라인에는 초임계 헬륨, 전류인입장치에는 액체 헬륨, 열차폐체에는 가스 헬륨을 공급한다. 저온용기 내부의 헬륨라인은 냉동기에서 저온용기 근처까지 연결된 배관을 저온용기 내부의 각 장치에 최단거리로 열손실 없이 설치하여 각 장치가 정상 작동하도록 하는데 그 목적이 있다. 저온용기 내부의 헬륨라인은 최대 20bar로 가압되는 운전시간 동안에 헬륨누설 없이 설치되어야 한다. 그리고 상온으로 부터의 복사열을 차단하기 위하여 다층절연제로 배관을 감싸주어야 하고 고전압 부분은 프리프레그 테잎으로 절연되어야 한다. 전기절연체는 세라믹과 스테인레스 스틸 튜브를 브레이징 접합 방법으로 연결하여 만들어진 것으론 배관과 배관, 배관과 저온 component간의 절연을 위해 사용되고, 헬륨라인과 동일하게 4.5K 초임계 헬륨온도에서 누설이 없어야 한다. 따라서 모든 전기절연체는 액체질소에 침전시켜 열충격을 가하고, 내부에 30 bar를 가압하여 진공 누설시험을 한다. 그리고 초전도 자석과 배관의 절연체로 사용되므로 15kV 고전압 절연 검사를 한다. 전기절연체의 세라믹 부분은 구조적 보강을 위하여 추가적으로 표면에 절연 작업을 한다. 현재 대부분의 저온용기 내부의 헬륨 라인은 설치 완료되어 있으며, 최종 검사가 진행 중이다.
In-cryostat helium lines are under installation to transfer a cryogenic helium into cold components in KSTAR device. In KSTAR, three kinds of helium should be supplied into the cold components, which are supercritical helium Into superconduction(SC) magnet system, liquid helium into current lead sys...
In-cryostat helium lines are under installation to transfer a cryogenic helium into cold components in KSTAR device. In KSTAR, three kinds of helium should be supplied into the cold components, which are supercritical helium Into superconduction(SC) magnet system, liquid helium into current lead system, and gas helium into thermal shields. Cryogenic helium lines consist of transfer lines outside the cryostat, in-cryostat helium lines, and electrical breaks. In-cryostat helium lines should be guaranteed of leak tightness for tong time operation at high internal helium pressure of 20 bar. We wrapped the helium line with multi-layer insulator(MLI) to reduce radiation heat and insulated the surface of the high potential part with prepreg tape. The electrical break was fabricated by brazing ceramic tube with stainless steel tube. To ensure the operation reliability at operation temperature, all the electrical break have been examined by the thermal cycle test at liquid nitrogen and by the hydraulic test at 30 bar. And additional surface insulation was prepared with prepreg tape to give structural safety. At present most of the in-cryostat helium lines have been installed and the final inspection test is progressing.
In-cryostat helium lines are under installation to transfer a cryogenic helium into cold components in KSTAR device. In KSTAR, three kinds of helium should be supplied into the cold components, which are supercritical helium Into superconduction(SC) magnet system, liquid helium into current lead system, and gas helium into thermal shields. Cryogenic helium lines consist of transfer lines outside the cryostat, in-cryostat helium lines, and electrical breaks. In-cryostat helium lines should be guaranteed of leak tightness for tong time operation at high internal helium pressure of 20 bar. We wrapped the helium line with multi-layer insulator(MLI) to reduce radiation heat and insulated the surface of the high potential part with prepreg tape. The electrical break was fabricated by brazing ceramic tube with stainless steel tube. To ensure the operation reliability at operation temperature, all the electrical break have been examined by the thermal cycle test at liquid nitrogen and by the hydraulic test at 30 bar. And additional surface insulation was prepared with prepreg tape to give structural safety. At present most of the in-cryostat helium lines have been installed and the final inspection test is progressing.
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문제 정의
이 연구는 과학기술부 지원으로 수행하는 차세대 초전도 핵융합 연구장치 개발ㆍ운영 사업으로 진행하였다.
제안 방법
설치된 저온용기 내부의 헬륨라인의 총길이는 약 lkm 정도이고, 용접부는 4천 개소 정도이다. 모든 헬륨라인은 설치 단계마다 용접 후 가압 및 진공 누설시험을 실시하였을 뿐만 아니라 헬륨라인이 설치 완료된 이후에 최종 검사를 실시하여 진공누설 여부가 검증 되었다. 각각의 자석, 자석구조물, 단열차폐체와 버스라인에 연결되는 헬륨라인은 4.
자석의 경우 진공누설검사를 실시 할 수 없기 때문에 자석내부에 헬륨을 10 bar 이상 가압한 후 sniffer 측정기를 통하여 용접부의 누설율을 검사한다. 따라서 저온용기 내부의 모든 저온 구조물에 대한 헬륨라인을 설치한 이후 10 bar 가압(열차폐체의 경우, 30 bar)과 sniffer probe 누설검사, 진공누설시험등의 최종검사를 실시하였다. 초전도 자석과 버스라인의 헬륨라인에 헬륨 가스로 10 bar 가압하여 용접부에 대한 bubble 검사를 실시하고, sniffer probe 누설검사를 실시하였다.
따라서 저온용기 내부의 모든 저온 구조물에 대한 헬륨라인을 설치한 이후 10 bar 가압(열차폐체의 경우, 30 bar)과 sniffer probe 누설검사, 진공누설시험등의 최종검사를 실시하였다. 초전도 자석과 버스라인의 헬륨라인에 헬륨 가스로 10 bar 가압하여 용접부에 대한 bubble 검사를 실시하고, sniffer probe 누설검사를 실시하였다. Sniffer probe 누설검사에서는 모든 용접부에서 헬륨 함유량이 5 ppm 이하로 나타났다.
Sniffer probe 누설검사는 배관의 내부에 헬륨을 가압하고, 외부에서 헬륨의 누설량을 검사하는 것으로, 대기의 헬륨 함유량이 5PPm 이므로, 각 용접부에서 헬륨함유량이 5 ppm이하이면 누설이 없는 것으로 판단하게 된다. 자석구조물과 단열차폐체의 헬륨라인에는 냉각 시 수반되는 저온 구조물의 수축에의한 물리적 충격 여부 검사를 위해 상온에서 10 bar(단열차폐체의 경우, 30bar)의 압력으로 10분씩 3회 아르곤 가압을 실시하였고, 마지막 가압 시에 모든 용접부에 대한 누설검사를 실시하였다. 이후, 각 배관에 대해 정밀 헬륨누설 시험기(calibration 후)를 이용하여 헬륨 누설 여부를 검사하였다.
자석구조물과 단열차폐체의 헬륨라인에는 냉각 시 수반되는 저온 구조물의 수축에의한 물리적 충격 여부 검사를 위해 상온에서 10 bar(단열차폐체의 경우, 30bar)의 압력으로 10분씩 3회 아르곤 가압을 실시하였고, 마지막 가압 시에 모든 용접부에 대한 누설검사를 실시하였다. 이후, 각 배관에 대해 정밀 헬륨누설 시험기(calibration 후)를 이용하여 헬륨 누설 여부를 검사하였다. 모든 용접부에서의 헬륨누설율은 1.
종방향 전기 절연체는 제작 완료 후 모든 제품에 대하여 가압 및 진공 누설검사, 전기저항 측정, "AC hipot." 검사를 실시하였다. 종방향 전기 절연체는 자석 및 자석구조물 등과 헬륨라인간의 절연을 위하여 설치되므로 자석의 절연기준과 동일한 조건을 만족해야 하며, 헬륨라인의 가압 및 진공누설 기준도 만족해야 한다.
액체헬륨이 공급될 때의 thermal shock을 가하는 것이다. 그리고 종방향 전기절연체를 액체질소에 침전된 상태에서 내부에 헬륨을 30 bar 가압하여 누설여부를 관찰한다. 위 검사에서 문제가 없다면 종방향 전기절연체를 진공 챔버에 장착한 뒤 내부에 헬륨을 30 bar 가압하여 진공헬륨누설율을 측정한다.
0×10-9 mbarㆍ1/s 이하여야 한다. 마지막으로 AC 15kV를 1분간 인가하여 누설전류 발생 여부를 검사한다(그림 6).
모든 검사 요구조건을 만족하였다. 종방향 전기 절연체는 헬륨라인에 본 설치되고, 세라믹의 구조적 보강과 횡방향 전기절연을 위하여 S2-glass를 이용하여 표면을 2차 절연하였다[4].
설치 작업을 완료하였다. 헬륨배관 제작 설치시 모든 용접부에 대한 누설시험을 진행하였다. 초전도 자석과 자석구조물, 버스라인, 단열차폐체의 헬륨라인에 종방향 전기절연체가 설치 완료 되었고 이에 대한 최종 검사가 실시되었다.
대상 데이터
그림 3은 저온용기 내부의 헬륨라인 3D 모델링 및 설치 완료된 상태를 보여주고 있다. TF 자석과 자석구조물의 헬륨라인은 PF6U 자석구조물 16개에 지지대를 부착하여 원형 모양으로 설치되었다. CS 자석과 자석구조물의 헬륨라인은 CS 자석구조물의 상하부에 유사한 방식으로 설치되었으며, PF 자석 헬륨라인은 각 해당 자석구조물의 윗면과 옆면에 지지대를 부착하여 설치되었다.
성능/효과
헬륨배관 제작 설치시 모든 용접부에 대한 누설시험을 진행하였다. 초전도 자석과 자석구조물, 버스라인, 단열차폐체의 헬륨라인에 종방향 전기절연체가 설치 완료 되었고 이에 대한 최종 검사가 실시되었다. 자석과 버스라인에 대한 가압과 누설검사에서 각 용접부에서의 헬륨누설량은 기준치인 5ppm 이하였고, 자석구조물과 단열차폐체의 헬륨라인에 대한 가압과 진공 누설검사 결과 용접부에서의 헬륨 누설율은 1.
초전도 자석과 자석구조물, 버스라인, 단열차폐체의 헬륨라인에 종방향 전기절연체가 설치 완료 되었고 이에 대한 최종 검사가 실시되었다. 자석과 버스라인에 대한 가압과 누설검사에서 각 용접부에서의 헬륨누설량은 기준치인 5ppm 이하였고, 자석구조물과 단열차폐체의 헬륨라인에 대한 가압과 진공 누설검사 결과 용접부에서의 헬륨 누설율은 1.0×10-9 mbarㆍ1/s 이하로 나타났다. 헬륨라인의 모든 용접부는 최종 검사요구 조건을 모두 만족하였다.
0×10-9 mbarㆍ1/s 이하로 나타났다. 헬륨라인의 모든 용접부는 최종 검사요구 조건을 모두 만족하였다.
참고문헌 (4)
Eun Nam Bang, ' Cryogenic Helium Line Routing for In-1ryostat Components of the KSTAR', 2006 Korean Nuclear Society (2006)
Eun Nam Bang, 'Electrical Breaks for KSTAR In-Cryostat Helium Line' JKPS 49, S232- S235, (2006)
Y. K. Oh, 'Status of the KSTAR Tokamak construction and Assembly', JKPS 49, S1-S6, (2006)
W. Chung, 'Electrical Insulation of KSTAR Magnet Lead'. JKPS 49, S228-S231, (2006)
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