본 연구에서는 ITER의 수소동위원소 분리 시스템에 포함되어 있는 심냉 증류공정과 평형 반응기 및 헬륨 냉매를 이용한 냉동 사이클에 대해 추적조사를 실시하였다. 또한 Aspen Plus나 PRO/II with PROVISION과 같은 정상 상태 화학공정 모사기에 내장되어 있지 않은 $H_2$, HD, $D_2$, HT, DT와 $T_2$ 성분에 대한 열역학 및 전달물성을 수집하였다. 문헌치로부터 구한 물성 데이터와 전산모사를 통해서 추산한 물성결과 사이의 비교 및 검증작업을 수행하였다. 6개의 수소동위원소 성분을 포함한 동위원소 분리를 위해서 4기의 심냉 증류탑과 2기의 평형 반응기를 사용해서 $T_2$로부터 $D_2$ 및 DT를 분리해 내기 위한 전산모사를 수행하였다.
본 연구에서는 ITER의 수소동위원소 분리 시스템에 포함되어 있는 심냉 증류공정과 평형 반응기 및 헬륨 냉매를 이용한 냉동 사이클에 대해 추적조사를 실시하였다. 또한 Aspen Plus나 PRO/II with PROVISION과 같은 정상 상태 화학공정 모사기에 내장되어 있지 않은 $H_2$, HD, $D_2$, HT, DT와 $T_2$ 성분에 대한 열역학 및 전달물성을 수집하였다. 문헌치로부터 구한 물성 데이터와 전산모사를 통해서 추산한 물성결과 사이의 비교 및 검증작업을 수행하였다. 6개의 수소동위원소 성분을 포함한 동위원소 분리를 위해서 4기의 심냉 증류탑과 2기의 평형 반응기를 사용해서 $T_2$로부터 $D_2$ 및 DT를 분리해 내기 위한 전산모사를 수행하였다.
In this study, we have surveyed the new technologies in the cryogenic distillation of ITER, equilibrium reactors and helium refrigeration cycle contained in the isotope separation system (ISS). We also have collected thermodynamic and transport properties for $H_2$, HD, $D_2$, ...
In this study, we have surveyed the new technologies in the cryogenic distillation of ITER, equilibrium reactors and helium refrigeration cycle contained in the isotope separation system (ISS). We also have collected thermodynamic and transport properties for $H_2$, HD, $D_2$, HT, DT and $T_2$ components of which properties are not built in a general purpose chemical process simulators such as Aspen Plus and PRO/II with PROVISION. Verification works have been performed to compare between literature data and simulation results. For the simulation of ISS involving six hydrogen isotope components, four distillation columns and two equilibrium reactors are used for the separation of $D_2$ and DT from $T_2$.
In this study, we have surveyed the new technologies in the cryogenic distillation of ITER, equilibrium reactors and helium refrigeration cycle contained in the isotope separation system (ISS). We also have collected thermodynamic and transport properties for $H_2$, HD, $D_2$, HT, DT and $T_2$ components of which properties are not built in a general purpose chemical process simulators such as Aspen Plus and PRO/II with PROVISION. Verification works have been performed to compare between literature data and simulation results. For the simulation of ISS involving six hydrogen isotope components, four distillation columns and two equilibrium reactors are used for the separation of $D_2$ and DT from $T_2$.
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제안 방법
2) D2, DT, T2를 원하는 순도(D2 99.00 mol%, DT 98.00 mol%, T2 94.00 mol%) 이상으로 정제하기 위해 총 4개의 증류탑과 2개의 평형반응기를 사용한 ISS 공정을 모사하였다. 그 결과 네 번째 증류탑(C4)을 통해 T2는 94.
3) 본 연구팀은 수소동위원소들에대한 열역학 물성확보와 ISS 공정모사를 통해 simulation model을 확보하게 되었다. 추후 이를 기반으로 ITER ISS에 대해 최적화된 simulation model을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
2682 kW이며 이 열량은 30 K의 헬륨기체로부터 공급되어 진다. 결국 Fig. 4에서 재비기에 해당하는 열교환기(Fig. 4에서 reboilers)의 heat duty가 3.2682 kW 되도록 하고, 냉각기와 응축기에 해당하는 열교환기(Fig. 4에서 Condensers + Coolers)의 heat duty가 -3.7493 kW 되도록 하는 공정을 모델링 하였다. 이러한 결과를 통해 상기 모델링을 한 초저온증류공정의 헬륨냉동사이클에 필요한 헬륨 냉매의 유량은 598.
본 연구에서는 상태방정식을 사용하여 ISS 공정을 모사 할 수 있도록 필요한 H2, HD, HT, D2, DT, T2성분들의 물성을 확보하였다. 그리고 Aspen Tech사의 Aspen Plus내에 DB(data base)로 내장하고, D2 99.00 mol% 이상, DT 98.00 mol%이상, T2 94.00 mol% 이상의 순도로 정제하기 위한 초저온증류탑과 평형반응기 그리고 헬륨냉동사이클을 모사하였다.
등 3개의 수소동위원소들의 물성데이터를 상용성 화학공정 모사기에 내장하였다. 따라서 ISS 공정에서 취급하는 6개의 수소동위원소인 H2, HD, HT, D2, DT 및 T2 성분들에 대한 열역학 물성들을 SRK와 같은 상태방정식을 사용하여 예측 가능하도록 하였다.
하지만 Aspen Tech사의 Aspen Plus나 Invensys사의 PRO/II with PROVISION 등과 같은 상용성 화학공정 모사기에는 H2, HD 및 D2에 대한 물성치만 일부 내장되어 있고 HT, DT 및 T2 성분들에 대한 물성치는 내장되어 있는 않다. 따라서 본 연구에서는 분리 공정에 필요한 H2, HD, D2, HT, DT 및 T2등의 열역학적인 물성(thermodynamic properties)을 추산할 수 있도록 관련된 실험 데이터를 수집하고 수집된 실험 데이터들을 회귀분석하여 열역학적인 물성치 추산에 필요한 모델식의 매개 변수를 도출하였다.
또 하나는 초저온증류 공정모사를 수행할 수 있는 기술력과 물성데이터 부족을 들 수 있다. 본 연구에서는 상태방정식을 사용하여 ISS 공정을 모사 할 수 있도록 필요한 H2, HD, HT, D2, DT, T2성분들의 물성을 확보하였다. 그리고 Aspen Tech사의 Aspen Plus내에 DB(data base)로 내장하고, D2 99.
Table 8에는 각 증류탑에서 분리에 필요한 이론단수와 환류유량 그리고 원료 주입단 등을 나타내었다. 이러한 공정조건을 적용하여 초저온증류탑과 평형반응기를 모사 하였다. Table 9에는 ISS 공정 주요 스트림(stream)에 대한 열 및 물질수지 계산결과를 나타내었다.
대상 데이터
1) 본 연구에서는 기존에 내장되어 있는 않은 HT, DT, 및 T2등 3개의 수소동위원소들의 물성데이터를 상용성 화학공정 모사기에 내장하였다. 따라서 ISS 공정에서 취급하는 6개의 수소동위원소인 H2, HD, HT, D2, DT 및 T2 성분들에 대한 열역학 물성들을 SRK와 같은 상태방정식을 사용하여 예측 가능하도록 하였다.
한편 첫 번째 증류탑에서 하부로 분리된 DT와 T2 성분들은 네 번째 증류탑(C4)으로 유입되어 하부로 T2를 대부분 회수하고 DT는 상부로 회수하여 세 번째 증류탑 하부 스트림과 만나 DT를 생산하게 된다. 본 연구에서는 앞서 수집한 수소동위원소들의 물성치들을 Aspen Plus내에 DB로 내장하고, D2 99.00 mol%이상, DT 98.00 mol% 이상, T2 94.00 mol% 이상의 순도로 정제하기 위한 공정조건을 결정하였다. Table 8에는 각 증류탑에서 분리에 필요한 이론단수와 환류유량 그리고 원료 주입단 등을 나타내었다.
이론/모형
그 이유는 상대휘발도를 결정짓는 변수가 증기압이기 때문이다. 통상적으로 온도에 따른 순수성분의 증기압은 Antoine 증기압 추산식에 의해서 아래의 식 (1)와 같은 형태를 사용한다.
성능/효과
00 mol%) 이상으로 정제하기 위해 총 4개의 증류탑과 2개의 평형반응기를 사용한 ISS 공정을 모사하였다. 그 결과 네 번째 증류탑(C4)을 통해 T2는 94.26%의 순도를 얻을 수 있었으며, 세 번째 증류탑(C3)을 통해 D2와 DT를 각각 99.13 mol%와 98.74 mol%로 정제할 수 있었다.
7493 kW 되도록 하는 공정을 모델링 하였다. 이러한 결과를 통해 상기 모델링을 한 초저온증류공정의 헬륨냉동사이클에 필요한 헬륨 냉매의 유량은 598.9 kg/h 이며, 재비기로 유입되는 헬륨유량은 533.7 kg/h로 계산되었다. 이러한 결과를 Table 12에 나타내었다.
후속연구
3) 본 연구팀은 수소동위원소들에대한 열역학 물성확보와 ISS 공정모사를 통해 simulation model을 확보하게 되었다. 추후 이를 기반으로 ITER ISS에 대해 최적화된 simulation model을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 ITER ISS에 대한 공정 해석 및 computer simulation 관련하여 독일, 일본, 미국등 핵융합연료주기 선진국 대비 우리나라의 기술 수준은 대등한 수준이 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토러스에서 배출된 혼합기체가 분리되는 공정은 어떠한 공정이 있는가?
토러스로 유입된 삼중수소는 핵융합 반응과 증식과정에서 수소동위원소를 포함한 다른 기체와 화학적으로 결합하여 방출된다. 토러스에서 배출된 혼합기체는 토카막배출처리공정(TEP; tokamak exhaust processing)에서는 수소동위원소와 기타 불순물가스가 분리되고, 동위원소분리공정(ISS; isotope separation system)에서는 초저온증류를 통해 삼중수소와 중수소가 분리된다. 그리고 ISS를 통해 분리된 수소동위원소는 저장 및 공급시스템 (SDS; storage and delivery system)로 공급된다.
토카막이란 무엇인가?
토카막(tokamak)플랜트의 토러스 (torus)로 삼중수소를 포함한 연료와 여러 가지 다른 목적의 기체들이 공급되고, 혼합되어 방출되는 기체를 다시 성분별로 분리/정제/회수하는 시스템으로 구성되어 있다. 토카막은 도넛 방향으로 강한 자기장을 걸어주고, 자기장방향으로 플라스마 전류를 흘려 안정적으로 플라스마를 가두는 방식을 의미한다. 이러한 토카막 장치는 도넛 모양의 토러스를 가운데에 두고 자기장 코일과 변압기 등으로 둘러싸고 있다.
토카막 장치에서 플라즈마가 형성되는 원리는?
이러한 토카막 장치는 도넛 모양의 토러스를 가운데에 두고 자기장 코일과 변압기 등으로 둘러싸고 있다. 핵융합을 일으킬 기체들은 내부가 진공인 토러스 안에 주입되는데, 이 기체들은 토러스 내부에 형성된 강력한 전류에 의해 가열되어 초고온의 플라즈마를 형성한다. 토러스로 유입된 삼중수소는 핵융합 반응과 증식과정에서 수소동위원소를 포함한 다른 기체와 화학적으로 결합하여 방출된다.
참고문헌 (10)
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M. Glugla, D. Babineau, L. Bo, S. Maruyama, R. Pearce, G. Piazza, B. Rogers, S. Willms, T. Yamanishi, and S.-H. Yun, "Review of the ITER D-T Fuel Cycle Systems and Recent Progress," Tritium 2010, Nara, Japan, 2010.
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M. Glugla, A. Antipenkov, S. Beloglazov, C. Caldwell-Nichols, I.R. Cristescu, I. Cristescu, C. Day, L. Doerr, J.-P. Girard, and E. Tada, "The ITER Tritium System," Fusion Engineering and Design, Vol. 82, 2007, pp. 472-487. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2007.02.025
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Ahn, D. H., Paek, S. W., Kim, K. R., Jeong, H. S., Choi, H. J., Kim, J. K., Kang, H. S., Lee, H. S., Kim, W. S. and Song, K. M., "Design of the Liquid Phase Catalytic Exchange Column for the Wolsong Tritium Removal Facility," Proceedings of the Korean Nuclear Society Spring Meeting, May 27-28 (2001).
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