연구성과
연구성과
2019년ITER한국사업단 증식블랑켓 삼중수소 증식재 페블베드의 열물성 DB 구축
| 세부과제명 | ITER 테스트 블랑켓 모듈(TBM) 설계 및 기술개발 | |
|---|---|---|
| 연구원 | 책임연구원 박이현(시스템기술부) | |
| 연구내용 | 레이저 플래시법을 이용한 페블베드 샘플의 열물성 측정시스템 구축 일반적으로 재료의 열전도도의 측정에는 비교적 간단한 방법이며 결과의 재현성이 뛰어난 레이저 플래시법이 널리 활용되고 있음. 그러나 레이저 플래시법은 고체의 벌크형 샘플에 대해서만 적용이 가능한 방법이므로 삼중수소 증식재 페블베드의 열전도도를 측정하기 위해서는 별도의 측정기술 개발이 요구됨. 본 연구에서는 페블베드 형태 샘플의 열확산도를 레이저 플래시법으로 측정하기 위해 특수 홀더를 설계하고 제작하였으며, 표준시험편 등을 이용하여 홀더에 대한 검증을 수행하였음. 또한, 페블홀더는 고순도의 흑연과 석영 재질로 구성되어 있으므로 상온에서뿐만 아니라 고온에서의 페블베드에 대한 열물성 측정도 가능하도록 개발되었음. 삼중수소 증식재 페블베드의 열물성 측정기술 확립 및 DB 구축 재료의 열전도도는 밀도, 비열 및 열확산도의 측정으로부터 구할 수 있으며, 각 물성의 정확한 측정이 반드시 필요하지만 페블베드 형태의 샘플에 대한 측정기준은 확립되어 있지 않음. 삼중수소 증식재 페블베드의 미세구조 관찰을 통한 기공의 크기 등을 측정한 후 이 결과를 이용하여 헬륨 피크노미터 측정값을 교정하여 정확한 기공율과 밀도를 측정할 수 있는 기술을 확립하였음. 시차주사열량계를 이용하여 재료의 비열을 측정할 때 샘플의 화학적 반응이 발생하는 온도를 명확히 판단하여 재료의 변형이 없는 영역에서의 정확한 비열을 측정하는 기준을 마련함. 자체 개발 및 검증된 페블홀더를 활용하여 레이저 플래시법을 이용해 삼중수소 증식재 페블베드의 열확산도를 상온에서부터 고온까지 측정한 후, 측정된 샘플을 분석하여 페블베드의 소결 및 크립 현상이 일어나지 않는 범위에서 정확히 측정된 700 oC 까지의 결과를 활용하여 삼중수소 증식재 페블베드의 유효열전도도 DB를 구축함. 이렇게 구축된 삼중수소 증식재 페블베드의 유효열전도도를 증식 블랑켓의 설계 및 성능해석, 안전해석 등에 필요한 파라미터로 제공함. 기존의 페블베드 열전도도 측정에 사용된 방법은 약 500 mL이상의 페블이 필요하여 비교적 고가인 삼중수소 증식재 페블베드의 물성측정에는 한계가 있음. 또한, 기존의 측정시스템은 복잡한 구조로 되어 있으며 측정 준비를 위한 단계가 복잡하여 측정결과에 대한 불확실성이 높을뿐더러 측정의 재현성을 나타내기가 어려운 방법임. 본 연구에서는 특수 개발 및 검증된 페블홀더를 활용하여 벌크재료의 열전도도 측정에 범용적으로 활용되는 레이저 플래시 장비를 활용하여 삼중수소 증식재 페블베드의 열전도도 데이터를 확보하는데 성공하였음. 특히, 본 연구에서 개발된 방법은 약 3 mL의 페블만으로도 페블베드의 열전도도를 측정할 수 있으므로 획기적으로 샘플의 양을 줄이는데 기여하였음. 본 연구를 통해 개발되고 검증된 페블베드용 샘플홀더는 국내 특허 등록이 완료된 상태이며, 미국과 유럽에서 특허 등록을 위한 공개 단계에 있음. 본 특허를 활용하면 기존에는 불가능하였던 페블베드의 열전도도를 레이저 플래시법을 활용하여 측정이 가능하므로 신뢰성 높은 측정결과를 얻을 수 있으며, 페블베드를 사용하는 시스템의 설계에 정확한 DB를 제공할 수 있게 됨. 이러한 기술적 가치를 높게 판단하여 범용 열물성 측정 장치를 개발 및 판매하는 유럽의 기업에서는 공개된 특허에 대해 높은 관심을 표명하고 있음 |
|
| 주요성과 | 사회적 가치 삼중수소 증식재 페블베드의 열물성은 증식블랑켓의 설계 및 안전해석에 반드시 반영되어야 하는 파라미터이지만, 이 분야의 연구가 활발히 이루어지고 있지는 않아서 곤란한 실정이었음. 또한 기존의 방법으로 페블베드의 열전도도를 측정하는 다른 국가에서는 측정에 필요한 시스템을 직접 설계하고 구축하여 실험을 진행하지만 구축된 시스템과 측정된 결과를 검증할 수 있는 방법이 없었음. 본 연구를 통해 개발된 페블베드의 열전도도 측정기술은 범용으로 사용되는 레이저 플래시법을 적용하였으므로 신뢰성 높은 측정 결과를 얻을 수 있었으며, 이는 관련 연구를 수행하는 많은 국가로부터 큰 관심을 받게 되어 국가경쟁력 향상에 기여하였음. 실제로 IEA 국제협력 프로그램에서 페블베드 열전도도 측정과 관련된 Working Group의 리더 역할을 한국이 수행하게 되었으며, 유럽 연구기관으로부터 유럽의 삼중수소 증식재 페블베드에 대한 열전도도 측정을 요청받아 수행한 실적이 있음. 또한, 본 연구를 통해 구축된 페블베드의 열물성 측정시스템은 다른 국가로부터 벤치마킹 대상이 되고 있으며, 실제로 인도의 연구그룹에서는 동일한 시스템을 구축하고 있는 것으로 확인되었음. 인프라 가치 본 연구를 통해 증식블랑켓 설계 및 안전해석에 필요한 삼중수소 페블베드의 열물성을 간단하며 신뢰성 높은 방법으로 측정할 수 있는 기술개발 및 시스템 구축을 완료하였음. 구축된 시스템을 활용하여 국내 증식블랑켓의 삼중수소 증식재 페블베드 열물성 DB 구축에 크게 기여하였으며, 이는 페블베드 형상을 사용하는 핵융합 이외의 다른 시스템을 위해서도 충분히 활용 가능함. |
|
| 기대효과 | 기술적 측면 핵융합로 증식블랑켓의 설계 및 안전해석을 위해 반드시 요구되는 삼중수소 증식재 페블베드의 열물성 DB를 성공적으로 구축함으로써 증식블랑켓의 성능 및 안전성 향상에 크게 기여할 것으로 기대됨. 본 연구를 통해서 구축된 삼중수소 증식재 페블베드의 열물성 DB는 과거 문헌으로부터 도출하여 사용하는 열물성에 비해 현재 제조되고 있는 페블베드를 이용하여 신뢰성 높은 기술로 측정되어 도출된 데이터이므로 국내 증식블랑켓 연구뿐만 아니라 전 세계적으로 활용가치가 높을 것으로 기대됨. 경제적 및 사회적 측면 기존의 불확실성이 높은 측정법에 비해 간단하며 신뢰성 높은 페블베드의 열물성 측정 기술을 확립하고 이를 활용하여 삼중수소 증식재 페블베드의 열물성 DB를 구축하는데 성공함으로써, 다른 국가들과 관련분야의 협력연구를 주도적으로 추진할 수 있을 것으로 기대되며, 나아가 국가경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대됨. |
|
| 관련이미지 |  삼중수소 증식재 페블베드의 열확산도 측정을 위한 레이저 플래시 시스템 |
 페블베드의 열확산도 측정을 위해 개발된 샘플홀더의 개념도 및 사진 |
 레이저 플래시법을 활용하여 도출된 삼중수소 증식재 페블베드의 유효열전도도 |
||
담당부서
연구관리팀
보안문자를 입력 후 확인 버튼을 누르세요.