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문제 정의
- 본 논문에서는 주로 KSTAR HRS의 단독 시운전결과와 KSTAR 장치의 초기 냉각운전결과에 대하여 기술하였다. HRS의 사양과 KSTAR 냉각대상물의 특성은 별도의 논문에 상세히 기술되었다〔1, 3],
제안 방법
- 2007년 8월말 HRS의 설치 완료〔1〕후 각 구성시스템별 개별 성능시험을 거쳐, D/B 내부에 설치된 KSTAR 냉각대상물 simulation 회로를 활용하여 2 MA 플라즈마 전류 운전 시나리오의 냉각방식에 대응하는 단독 시운전을 수행하였다〔2〕. 2008년 4월부터 8월 초까지는 KSTAR 장치를 상온 (300 K)에서 극저온 (4.
- CL 의 경우 D/B 내부에 별도의 simulation 장치가 없기 때문에 SC BL용 초임 계 헬륨 (supercritical helium: SHe) 일부를 임시 배관을 통해 D/B 외부로 뽑아내 상온에서의 열침입과 회수가열기를 사용하여 열부하를 simulation하였다.
- 보여주었다. D/B에 내장된 각종 히터와 밸브는 KSTAR에서 발생할 수 있는 열부하와 압력강하를 simulation함으로써 HRS의 성능을 입증할 수 있었다. 특히 , 2기의 SHe 순환기가 KSTAR의 2 MA 플라즈마전류 운전 simulation에서 HRS와 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다.
- GMS의 성능을 점검하기 위해서 비순수 기체헬륨 (gaseous helium: GHe) 저장용기를 이용하여 2기의 50 m3s] 가스백 (gas bag)을 GHe으로 가득 채웠다. 가스백에 채워진, 100 ppm 이상의 N2와 压0로오염된 GHee 최대 유량 32 g/s로 회수압축기에 의해 최대 25 bar까지 압축된다.
- 이렇게 회수된 GHee별도의 헬륨전용 정제기로 이송되어 불순물 1 ppm 이하의 GHe으로 정제된다. GMS의 연속적인 성능점검을 위해 가스백의 상류측과 정제기의 하류측을 임시로 연결하는 폐회로를 형성시켜 시운전을 수행하였다.
- KSTAR HRS의 최대 냉각성능을 측정하기 위해 SC BL, TS, CL의 simulation 회로를 가동시켰다. KSTAR 초전도 자석의' 냉각에 필요한 등온 (isothermal) 냉각성능은 thermal damper(TD)의 LHe에 잠겨있는 히터 “H0"를 사용하여 simulation 하였다.
- KSTAR 장치의 최초 냉각, 초기 플라즈마 발생을 위한 안정적 냉각온도 유지, 그리고 승온까지의 KSTAR 장치에서 발생하는 열부하와 압력강하에 안정적으로 대응하면서 HRS는 장기간 성공적인 운전을 수행하였다.
- SHe 순환기 "Cl” 및 "C2"는 각각 KSTAR TF (toroidal field) 및 PF (poloidal field) 초전도 자석의 냉각회로를 통과하면서 감압된 SHe을 가압시키는 역할을 수행한다. SHe 순환기의 성능을 점검하기 위해 표 3의 TF/PF 자석의 simulation 회로를 활성화시켰다. 순환기 입구측 압력은 밸브 PV190/ PV290을 이용하여 항상 3.
- 온도차에 의한 냉각대상물의 급격한 변형을 방지하기 위하여 공급 및 회수되는 GHe의 온도차는 50 K 이하를 유지하였고, 상온에서 KSTAR 정상 운전온도 (극저온)까지의 냉각은 약 21일이 소요되었으며, 그 반대의 경우는 14일이 소요되었다. 냉각 및 승온을 위한 GHe의 공급부 온도변화는 냉각시 평균 0.6 K/hr, 승온시 0.73 K/hr로 각각 조정하였다. 냉각시 GHe의 온도는 터빈 T1 ~T6를 순서대로 가동시키면서 온도를 조절하였고, 승온시에는 승온을 위한 GHe 공급 배관에 냉각되지 않은 상온 (300K)의 GHe를 혼합하여 온도를 조절하였다.
- 73 K/hr로 각각 조정하였다. 냉각시 GHe의 온도는 터빈 T1 ~T6를 순서대로 가동시키면서 온도를 조절하였고, 승온시에는 승온을 위한 GHe 공급 배관에 냉각되지 않은 상온 (300K)의 GHe를 혼합하여 온도를 조절하였다. 다만 TS 냉각/승온시 온도의 경우 그림 2 의 흐름도에 나타나있는 것처럼 T3 가동 시 T3의 출구 온도의 영향을 받기 때문에 T3가 운전될 때에는 그림 6에 나타나있는 것처럼 공급온도가 회수온도보다 낮다.
- SHe 순환기의 성능을 점검하기 위해 표 3의 TF/PF 자석의 simulation 회로를 활성화시켰다. 순환기 입구측 압력은 밸브 PV190/ PV290을 이용하여 항상 3.2 bar 이상이 되도록 유지시켰으며 출구측 압력은 밸브 PV159/PV2594- 사용하여 입구측과의 압력차가 3.4 bar 이하가 되도록 조정하였다. KSTAR의 2 MA 플라즈마 전류 운전 [6] 시 발생할 것으로 예상되는 열부하와 압력강하는 각각 히터 H115/H2154 밸브 PDV115/PDV 215에 의해서 모사되었다.
대상 데이터
- 4 bar 이하가 되도록 조정하였다. KSTAR의 2 MA 플라즈마 전류 운전 [6] 시 발생할 것으로 예상되는 열부하와 압력강하는 각각 히터 H115/H2154 밸브 PDV115/PDV 215에 의해서 모사되었다.
성능/효과
- KSTAR HRS의 시운전은 성공적으로 수행되 었으며 , KSTAR 토카막의 운전을 확실하게 뒷받침할 수 있는 성능을 보여주었다. D/B에 내장된 각종 히터와 밸브는 KSTAR에서 발생할 수 있는 열부하와 압력강하를 simulation함으로써 HRS의 성능을 입증할 수 있었다.
- 상태를 유지하였다. KSTAR의 초기 플라즈마 발생 시 가장 열유체적 요동이 심한 냉각대상물은 PF 초전도 자석인데, 급격한 자석 CICC 내부의 헬륨의 요동 그리고 PF 순환기 입출구측 SHe의 압력의 변동에도 불구하고 그림 7에서와 같이 순환기의 입출구측 온도 및 회전속도와 SHe 처리 유량은 큰 변화 없이 장시간 안정적으로 지속되었다.
- D/B에 내장된 각종 히터와 밸브는 KSTAR에서 발생할 수 있는 열부하와 압력강하를 simulation함으로써 HRS의 성능을 입증할 수 있었다. 특히 , 2기의 SHe 순환기가 KSTAR의 2 MA 플라즈마전류 운전 simulation에서 HRS와 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- KSTAR 장치의 종합냉각 시운전은 계획된 시나리오에 의 거 성공적으로 완료되었으며 , HRS C/B의 극저온헬륨 처리 유량에는 여유가 있어 향후 냉각운전에서는 WCS의 부분부하운전을 통해 효율을 향상시키는 것도 가능할 것으로 예상된다.
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