[논문]방사성동위원소 열전 발전기 최적설계를 위한 차폐 및 열전달 해석

손광재; 홍진태; 양영수

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.12.1567

방사성동위원소 열전 발전기 최적설계를 위한 차폐 및 열전달 해석
Heat Transfer and Radiation Shielding Analysis for Optimal Design of Radioisotope Thermoelectric Generator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.12, 2013년, pp.1567 - 1572

손광재 (한국원자력연구원 연구로이용연구본부) , 홍진태 (한국원자력연구원 연구로이용연구본부) , 양영수 (전남대학교 기계공학과)

초록
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방사성동위원소 열전발전기는 장반감기 알파 혹은 베타 핵종에서 방출하는 하전입자를 차폐하여 방사선에너지를 열에너지로 전환하고 이때 발생하는 열전재료의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 이 기술은 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 신뢰성이 높아 우주개발, 국방 등 극한 환경에서 사용되는 장치, 센서 및 로봇 등의 에너지원으로 그 효용성이 매우 높다. 본 연구에서는 방사선 차폐해석 및 열전달 해석을 통하여 차폐체, 그리고 최대 온도구배를 가지는 열전재료의 형상과 배치를 결정하여 열전발전기 기초설계를 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To supply electric power in certain extreme environments such as a spacecraft or in military applications, a radioisotope thermoelectric generator has been highlighted as a useful energy source owing to its high energy density, long lifetime, and high reliability. A radioisotope thermoelectric generator generates electric power by using the heat energy converted from the radioactive energy of a radioisotope. In this study, FE analyses such as radiation shield analysis, heat transfer analysis, and power recovery rate analysis have been carried out to achieve an optimal design for a radioisotope thermoelectric generator using $SrTiO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내에서는 처음으로 방사성동위원소 열전발전기의 개념설계를 실시하였다. 국내외여건, 생산가능성을 고려하여 방사성동위원소 핵종을 선정하고 열원캡슐을 설계하였다.
본 연구에서는 방사성동위원소를 이용한 장수명 열전발전기 개발의 기초연구로서 MCNP 해석을 통한 방사선차폐 및 발열량 해석을 수행하였고 열전재료의 최적형상을 도출하기 위한 열전달 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 열 활용방식의 대표적인 기술인 열전재료 내부의 온도차에 의한 열기전력를 이용하여 전력을 생산하는 방사성동위원소 열전발전기(Radioisotope Thermo-electric Generator; RTG)의 최적 설계를 위한 열전달 해석에 관하여 논의하고자 한다. 이 기술의 기본원리는 다음과 같다.

가설 설정

첫째로 Pu-238 등 반감기가 매우 긴 핵종을 연료로 사용하여 그 수명이 길다는 것이다.

제안 방법

본 연구에서는 국내에서는 처음으로 방사성동위원소 열전발전기의 개념설계를 실시하였다. 국내외여건, 생산가능성을 고려하여 방사성동위원소 핵종을 선정하고 열원캡슐을 설계하였다. 또한 방사선 차폐해석을 통하여 최적의 차폐체의 재료 및 형상을 결정하였고 여기서 발생하는 발열량을 평가하였다.
그러나, Pu-238 은 IAEA 에 의해 엄격한 통제를 받는 물질로서, 동위원소의 수급 및 국제적인 생산현황 등을 고려할 때, Sr-90 핵종을 사용하는 것이 현실적으로 구현이 가능한 것으로 평가되어 본 연구에서는 Sr-90 을 연료로 선정하였다.
열전재료의 온도구배는 발전기의 효율을 결정하는 주요변수로 열전재료의 형상에 의해 큰 변화를 보인다. 따라서, 최대 온도구배를 가지도록 열전재료의 형상을 다양한 열전달 해석을 통하여 결정하였다.
국내외여건, 생산가능성을 고려하여 방사성동위원소 핵종을 선정하고 열원캡슐을 설계하였다. 또한 방사선 차폐해석을 통하여 최적의 차폐체의 재료 및 형상을 결정하였고 여기서 발생하는 발열량을 평가하였다. 열전재료의 온도구배는 발전기의 효율을 결정하는 주요변수로 열전재료의 형상에 의해 큰 변화를 보인다.
방사성동위원소 열원에 대한 발열량 계산을 위하여 선원자체, 캡슐 및 차폐체의 결과는 단위질량당 흡수에너지로 하였고, 방사선 차폐체 표면에서의 선량률 계산을 위하여 차폐체 원통형의 옆표면, 위 및 밑 표면에는 단위면적당 지나가는 입자의 수를 출력하도록 설정하였다. 또한, 차폐체 표면에서 1 m 떨어진 거리에 대한 출력은 원통형을 설정하여 옆 표면, 위 및 밑 표면에 각각 단위면적당 지나가는 입자의 수로 설정하였다.
열전달 해석은 Fig. 5 에 나타낸 바와 같이 열전 재료가 외부 공기와 접촉하는 경우 (경계조건 1)와 알루미늄 구조체와 접하는 경우 (경계조건 2)에 대한 두 가지 경계조건과 열전재료의 모듈사이즈가 각각 다른 16 개 경우에 대하여 실시하였다. 각 부품에서 발생하는 발열량은 방사선 차폐해석 결과 도출된 결론을 사용하였다.
열전모듈의 크기 (Lm)는 제작공정 등을 고려하여 한변이 13 ~ 31 mm 인 정사각형으로 설계하였다. 모듈에는 각각 두 개의 P 형, N 형 반도체가 위치하며, 높이 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm에 대해 각각 해석을 진행하였다.

대상 데이터

열전모듈의 크기 (Lm)는 제작공정 등을 고려하여 한변이 13 ~ 31 mm 인 정사각형으로 설계하였다. 모듈에는 각각 두 개의 P 형, N 형 반도체가 위치하며, 높이 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm에 대해 각각 해석을 진행하였다. 열전재료의 너비와 높이 그리고 모듈크기에 대한 열전달 해석결과를 Table 3 에 나타내었다.
연료인 SrTiO2 의 크기는 길이 20 mm, 직경 20mm 인 원통형이며, 그 주위를 선원 캡슐인 Hastelloy 금속이 두께 1 mm 로 감싸고 있다.
방사선 차폐체는 납, 텅스텐, 열화우라늄 등이 대상이 될 수 있는데 차폐능이 우수하고 핵 통제 등 규제의 측면에서 텅스텐이 가장 적합한 재료로 판단되었다. 열 차폐체는 현재 Unifrax 사에서 시판되고 있는 단열재 중 열전도도가 낮은 미세기공단 열재 (Micro-porous Insulation Material)를 고려하였고 외부구조물은 가볍고 강도가 우수한 Al 6061 재료를 선정하였다.
열전재료는 Fig. 4 에 나타낸 바와 같이 알루미늄 산화물로 구성된 지지체와 구리전극 사이에 P 형과 N 형의 반도체로 구성되어 있다. 이 열전재료의 크기와 길이는 열전달 해석결과에 따라 최적의 값을 가지는 형상으로 제작할 예정이다.
그리고 그 주위를 방사선 차폐체인 텅스텐이 역시 원통형으로 존재한다. 텅스텐의 두께는 75 mm 로 모델링 하였다. Fig.

데이터처리

각 부품에서 발생하는 발열량은 방사선 차폐해석 결과 도출된 결론을 사용하였다. 상용코드인 ABAQUS 를 사용하였으며 3차원 열전달 해석을 실시하였다.

이론/모형

방사선 차폐와 발열량해석은 미국의 로스 알라모스 국립연구소 (LANL)에서 개발한 Mote-Carlo N-Particles (MCNP) 코드를 사용하여 수행하였다.
베타선에 의한 X-선의 선량 계산에 사용된 Flux-to-Dose Conversion Factor 로는 ICRP 60 기반의 ICRP 74 값을 사용하였다

성능/효과

(2) 이때 법적요건을 만족하는 차폐체는 텅스텐 기준으로 75 mm 의 차폐두께가 필요함을 확인하였다.
(3) 각 부품별 발열량은 선원에서 6.73 W, 선원 캡슐에서 0.254 W 그리고 텅스텐에서 0.117 W 가 생성된다.
(4) 열전달 해석결과 최적의 전력을 회수하는 열전재료의 크기는 모듈이 13 mm, 폭과 높이가 10 mm 일 때로 평가되었다.
첫째로 Pu-238 등 반감기가 매우 긴 핵종을 연료로 사용하여 그 수명이 길다는 것이다. 둘째, 극저온이나 고온 또는 방사선이 많은 환경에서도 안정적으로 작동이 된다. 셋째, 위성이나 우주구조물의 위치, 방향 등과 무관하게 지속적으로 전력을 공급할 수 있다.
펠릿으로 고온에서 안정성이 우수한 화합물을 선택하였고 열원캡슐은 Hastelloy 합금으로 설계하였는데 동위원소 연료와 반응성이 낮고 고온강도가 우수하기 때문이다. 방사선 차폐체는 납, 텅스텐, 열화우라늄 등이 대상이 될 수 있는데 차폐능이 우수하고 핵 통제 등 규제의 측면에서 텅스텐이 가장 적합한 재료로 판단되었다. 열 차폐체는 현재 Unifrax 사에서 시판되고 있는 단열재 중 열전도도가 낮은 미세기공단 열재 (Micro-porous Insulation Material)를 고려하였고 외부구조물은 가볍고 강도가 우수한 Al 6061 재료를 선정하였다.
셋째, 위성이나 우주구조물의 위치, 방향 등과 무관하게 지속적으로 전력을 공급할 수 있다.
즉, 2000 Ci 의 SrTiO2 를 이용한 방사성 동위원소전지에서 외경 150 mm, 두께 65 mm 인 텅스텐 차폐체를 사용할 경우, 법적 안전성요건을 만족함을 확인하였다.
표면에서 최대 선량률은 0.784 mSv/h (상대오차 = 6.36%)이고, 1 m 거리에서의 선량률은 3.6x10-3 mSv/h (상대오차 = 2.47%)로 선량 제한치를 모두 만족하였고, 상대오차는 모두 10% 미만으로 나타났다.
해석 결과, 베타선 및 X-선에 의한 각각의 발열량은 동위원소 선원 자체의 발열량은 6.73 W, 선원 캡슐인 Hastelloy 발열량은 0.254 W 그리고 방사선 차폐체인 텅스텐 발열량은 0.117 W 로 계산되었으며, 94.83%의 발열은 선원자체에서 발생 되었다 (Table 2). 방사선 차폐체 표면에서의 선량 제한치는 2 mSv/h 이고 1 m 거리에서의 선량 제한치는 0.

후속연구

4 에 나타낸 바와 같이 알루미늄 산화물로 구성된 지지체와 구리전극 사이에 P 형과 N 형의 반도체로 구성되어 있다. 이 열전재료의 크기와 길이는 열전달 해석결과에 따라 최적의 값을 가지는 형상으로 제작할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사성동위원소 열전발전기란 무엇입니까?	방사성동위원소 열전발전기는 장반감기 알파 혹은 베타 핵종에서 방출하는 하전입자를 차폐하여 방사선에너지를 열에너지로 전환하고 이때 발생하는 열전재료의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 이 기술은 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 신뢰성이 높아 우주개발, 국방 등 극한 환경에서 사용되는 장치, 센서 및 로봇 등의 에너지원으로 그 효용성이 매우 높다.
	열전현상은 무엇이며 누구에 의해서 발견되었습니까?	열전현상은 두 개의 서로 다른 금속의 접합에 온도차가 있을 때 폐회로에 전류가 흐르는 현상으로 1821 년 독일 과학자인 Thomas Johann Seebeck에 의해 발견되었다. 이 접합이 열전쌍 혹은 열전대 (Thermocouples)이라고 불린다.
	방사성동위원소 열전발전기의 장점은 무엇이며 어떠한 분야에서 효용성이 높습니까?	방사성동위원소 열전발전기는 장반감기 알파 혹은 베타 핵종에서 방출하는 하전입자를 차폐하여 방사선에너지를 열에너지로 전환하고 이때 발생하는 열전재료의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 이 기술은 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 신뢰성이 높아 우주개발, 국방 등 극한 환경에서 사용되는 장치, 센서 및 로봇 등의 에너지원으로 그 효용성이 매우 높다. 본 연구에서는 방사선 차폐해석 및 열전달 해석을 통하여 차폐체, 그리고 최대 온도구배를 가지는 열전재료의 형상과 배치를 결정하여 열전발전기 기초설계를 도출하였다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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