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핵융합 배가스 중 CQ4와 Q2O 처리공정 제안 및 HAZOP 분석
Process Suggestion and HAZOP Analysis for CQ4 and Q2O in Nuclear Fusion Exhaust Gas 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.169 - 175  

정우찬 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ,  정필갑 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ,  김정원 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ,  문흥만 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ,  장민호 (국가핵융합연구소) ,  윤세훈 (국가핵융합연구소) ,  우인성 (인천대학교 안전공학과)

초록
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본 연구는 핵융합 배가스 중 삼중수소가 포함된 화합물인 메탄($CQ_4$) 및 물($Q_2O$)로부터 수소동위원소를 회수하기 위한 공정에 관한 것이다(Q는 수소, 중수소, 삼중수소). 수증기-메탄 개질반응수성가스 전환반응을 이용하여 $CQ_4$$Q_2O$$Q_2$로 변환시키고, 후속하는 팔라듐 분리막으로 생성된 $Q_2$를 회수한다. 본 연구에서는 $CQ_4$$Q_2O$ 중 하나의 물질인 $CH_4$$H_2O$로부터 수소 회수를 위해 촉매반응기, 팔라듐 분리막, 순환펌프로 구성된 순환루프를 적용하였다. 촉매반응온도 및 순환유량을 변화시켜가며 $CH_4$$H_2O$의 전환율을 측정하였다. $CH_4$ 중 수소 회수는 촉매반응온도 $650^{\circ}C$, 순환유량 2.0 L/min 조건에서 99% 이상의 $CH_4$ 전환율을확인하였고, $H_2O$ 중수소 회수는촉매반응온도 $375^{\circ}C$, 순환유량 1.8 L/min 조건에서 96% 이상의 $H_2O$ 전환율을 확인하였다. 이와 더불어, 향후 핵융합 실증로(K-DEMO)에서의 $CQ_4$ 발생량을 예측하고, 이에 대한 처리공정을 제안하였으며, HAZOP (Hazard and Operability) 분석을 실시하여 공정의 위험요소와 운전상의 문제점을 도출하고 해결방안을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study deals with a process for the recovery of hydrogen isotopes from methane ($CQ_4$) and water ($Q_2O$) containing tritium in the nuclear fusion exhaust gas (Q is Hydrogen, Deuterium, Tritium). Steam Methane Reforming and Water Gas Shift reactions are used to convert

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 연료 주입량 대비 소모량 비율을 약 3% 이상으로 기대하고 있다[6]. K-DEMO의 배가스 발생 유량 예측은 K-DEMO 설계가 구체화되어야만 정확한 값을 얻을 수 있지만, 대략적인 예측을 통해 값을 도출하여 CQ4 처리공정을 제시해 보고자 하였다. ITER 공정을 참고로, K-DEMO의 CQ4 포함 배가스 유량을 52 Pa·m3/s 수준으로 가정하였다.
  • 가 포함된 가스의 발생유량을 예측하고, 이에 대해 상기 실험결과 수준인 99% 이상을 처리하는 공정을 제안하고자 하였다. 배가스 발생유량 예측은 ITER 자료를 기반으로 K-DEMO size를 예측하여 산출하고자 하였다. 핵융합 반응 규모면에서, 먼저 열출력을 비교해 보면 ITER의 목표치인 500 MW[4] 대비 K-DEMO는 2200~3000 MW[5] 수준으로 약 4~6배 수준이다.
  • 본 연구에 앞서 CH4와 H2O를 사용하여 H2로 전환시키는 촉매반응 특성연구를 진행하였다[3]. CH4 및 H2O의 H2 전환반응 적정온도 및 유량조건에 대해 실험하였다.
  • CH4 및 H2O의 H2 전환반응 적정온도 및 유량조건에 대해 실험하였다. 본 연구에서는 촉매반응 후 발생된 H2를 회수하기 위해 반응기 후단에 팔라듐 분리막을 설치하였고, 이와 더불어 CH4 및 H2O 전환율을 증가시키기 위해 순환 공정을 구성하여 반응온도, 순환유량 변화에 따른 전환율 변화를 관찰하고자 하였다.

가설 설정

  • ITER 공정을 참고로, K-DEMO의 CQ4 포함 배가스 유량을 52 Pa·m3/s 수준으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
핵융합 반응의 연료로 공급되는 것은 무엇인가? 핵융합 발전은 중수소 및 삼중수소의 원자핵이 융합될 때 발생되는막대한 에너지를 이용하여 전기를 생산한다. 중수소 및 삼중수소는 핵융합 반응의 연료로 공급되고, 반응 후 배가스 중 이들 성분들은 회수하여 재사용한다. 핵융합 배가스의 주성분은 T2, D2, H2, DT, HT, HD 등의 수소동위원소(Q2, 여기서 Q는 수소, 중수소, 삼중수소)이며, 메탄(CQ4), 물(Q2O), 암모니아(NQ3)와 같은 삼중수소가 포함된 화합물과 CO, CO2, O2, N2, Ar, He, Ne 등의 성분들이 포함되어 있다[1,2].
핵융합 발전의 에너지원은 무엇인가? 핵융합 발전은 중수소 및 삼중수소의 원자핵이 융합될 때 발생되는막대한 에너지를 이용하여 전기를 생산한다. 중수소 및 삼중수소는 핵융합 반응의 연료로 공급되고, 반응 후 배가스 중 이들 성분들은 회수하여 재사용한다.
반응 후 배가스 중 이들 성분들은 회수하여 재사용하는데, 핵융합 배가스의 주성분은 어떤 성분들이 포함되어 있는가? 중수소 및 삼중수소는 핵융합 반응의 연료로 공급되고, 반응 후 배가스 중 이들 성분들은 회수하여 재사용한다. 핵융합 배가스의 주성분은 T2, D2, H2, DT, HT, HD 등의 수소동위원소(Q2, 여기서 Q는 수소, 중수소, 삼중수소)이며, 메탄(CQ4), 물(Q2O), 암모니아(NQ3)와 같은 삼중수소가 포함된 화합물과 CO, CO2, O2, N2, Ar, He, Ne 등의 성분들이 포함되어 있다[1,2].
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참고문헌 (7)

  1. Yun, S. H., Cho, S. Y., Lee, H. G. and Jung, K. J., "ITER project - Introduction of Tritium Fuel Cycle Technology," News & Information for Chemical Engineers, 33(1), 28-33(2015). 

  2. Jung, W. C., Jung, P. K., Kim, J. W. and Moon, H. M., "Hydrogen Isotopes Recovery Technology from Nuclear Fusion Exhaust Gas," News & Information for Chemical Engineers, 33(1), 43- 49(2015). 

  3. Jung, W. C., Jung, P. K., Kim, J. W. and Moon, H. M., "Study on the Characteristics of Catalyst Reaction for Hydrogen Recovery from Nuclear Fusion Exhaust gas," Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, 26(5), 402-408(2015). 

  4. http://www.iterkorea.org/030101. 

  5. Kim, K., Im, K., Kim, H. C. and Oh, S., "Design Concept of KDEMO for Near-term Implementation," Nucl. Fusion, 55(2015). 

  6. Scott Willms, "Tritium Technology for ITER," IAEA DEMO Workshop, Nov, Karlsruhe (2016). 

  7. Lee, N. W., Kim, J. H. and Baek, J. B., Safety Assessment for Industrial Safety Technicians, Dongwha Technology Publishing, Paju(2009). 

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