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202204.27

더 뜨거워 지기위해 더 차가워져야 한다!

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/kstar/1374

KSTAR, 냉각수 시스템 업그레이드 진행 중



2022년, KSTAR는 초고온의 플라즈마를 더욱 뜨겁게, 더욱 오래 지속하기 위해 새로운 도전에 나섭니다. 바로 플라즈마 대향장치*(Plasma Facing Component, PFC)의 일부로 플라즈마 연소로 생긴 불순물을 제거해주는 ‘디버터’ 장치를 텅스텐 소재로 교체하는 프로젝트입니다. 하지만 더욱 뜨거워지기 위해 바꿔야 할 것은 디버터만이 아닙니다. 높이뛰기 선수가 더 높이 도약하기 위해 땅을 더욱 힘차게 구르듯, KSTAR는 더 뜨거워지기 위해 더욱 빠르게, 효과적으로 차가워질 준비에 착수했는데요. KSTAR 냉각수 시스템 업그레이드에 대하여 KSTAR연구본부 통합설비기술팀 정남용 선임기술원과 함께 자세히 알아보았습니다.


*플라즈마 대향장치(Plasma Facing Component, PFC): 토카막 진공용기에 내벽에 부착돼, 고온의 플라즈마로부터 진공용기, 진공용기 내 보조 가열장치 및 진단 장치들을 보호한다. 현재 KSTAR의 PFC는 카본 재질의 타일 형태이지만, 2022년 캠페인이 종료되면 디버터 부분을 텅스텐 타일로 교체한다.


☞디버터에 대해 더 자세히 알고 싶다면?

인공태양에서 가장 뜨거운 온도를 견디는 곳, 핵융합 장치의 핵심 ‘디버터’

https://blog.naver.com/nfripr/221394114855



KSTAR가 뜨거워지는 만큼 식히는 기술도 필수


토카막 속 플라즈마는 1억℃에 달하는 초고온 상태입니다. 초전도자석의 강력한 자기장으로 공중부양하듯 플라즈마를 내벽으로부터 띄워서 가두고 있기 때문에 플라즈마가 진공용기 내벽을 감싸는 PFC에 직접 닿지는 않지만, PFC에 전해지는 온도는 무려 1000℃에 달합니다. 이때 필요한 것이 바로 냉각수입니다.


PFC의 안쪽에는 초고온 플라즈마의 장시간 운전으로 과열된 열을 식힐 수 있도록 냉각수가 흘러가는 유로가 있습니다. 이 유로를 통해 전해지는 냉각수 덕분에 초고온 플라즈마 운전 동안에도 각종 기계 성능을 유지하고, 안정적인 플라즈마 실험환경을 유지할 수 있는 것입니다.


본격적으로 냉각수 시스템을 소개하기 전 먼저 KSTAR의 구조에 대해 좀 더 알아볼까요? 우리가 그동안 익숙하게 보아왔던 KSTAR의 모습은 빙산의 일각입니다. 플라즈마가 발생하는 도넛 모양의 토카막 부분을 기준으로 몇 가지 주요 장치들만을 주로 볼 수 있었는데요. 하지만 KSTAR를 운전하기 위해서는 우리가 쉽게 볼 순 없지만 각종 설비들이 매우 복잡하게 연결되어 각자의 임무를 완벽하게 수행해내고 있습니다. 냉각수 시스템도 그 중 한 가지입니다. 냉각수 시스템은 KSTAR가 위치해 있는 주 장치실의 지하 1,2층에 자리잡고 있습니다.



냉각수 시스템을 좀 더 살펴보면 냉각수 저장탱크와 냉각수를 순환시키는 순환펌프, 열교환기, 자동 및 수동밸브, 자동제어시스템, 전력 설비 등으로 구성됩니다. KSTAR의 냉각수로 사용되는 물은 일반 물이 아니라 공정을 거쳐 정제한 ‘초순수’를 사용해야 하기 때문에 순도유지시스템과 UV 살균장치도 필요합니다.




하지만 위 그림에서 보듯이 냉각수 시스템에는 KSTAR 운전의 첫 단계인 진공용기 내부의 불순물을 제거하는 베이킹 시스템, 그리고 실험이 끝난 뒤 장치 내 물을 완벽하기 말리기 위한 드라잉(수분제거)시스템도 모두 연결되어 있습니다.


따라서 이번에 진행되는 냉각수 시스템 업그레이드 작업에는 이 모든 시스템이 종합적으로 개선되는 것을 포함합니다. 이들을 연결하는 배관의 길이만도 장장 1.3km에 달하는 어마어마한 작업입니다.


KSTAR 냉각수 시스템 제어실에서 설명하는 정남용 선임기술원. 모니터를 통해 KSTAR와 연결된 모든 냉각수 시스템의 상태를 실시간으로 확인할 수 있다. 



초고온 장시간 운전 목표, 냉각수 시스템이 있어야 가능


KSTAR는 2026년 1억도 플라즈마 300초 연속운전이라는 혁신적인 도전에 나섰습니다. 이를 위해 고온의 플라즈마를 더욱 장시간 동안 견딜 수 있는 PFC 업그레이드가 필수 과제로 떠올랐는데요. KSTAR가 선택한 PFC의 소재는 텅스텐. 핵융합로의 내벽 소재로 가장 주목받는 소재이자, 국제핵융합실험로(ITER)의 내벽 재료로도 사용되는 소재입니다.


PFC의 소재가 기존의 탄소에서 텅스텐으로 교체되면 텅스텐 소재의 PFC의 걸맞게 온도 상승을 지연하고 안전성을 확보하기 위한 냉각수 시스템의 개선도 필수인 것이죠. 현재 냉각수 시스템은 PFC에 가해지는 26.0MW의 열부하를 제거하기 위하여 초당 약 207.33ℓ의 냉각수가 약 16bar의 압력으로 냉각수 배관을 순환하도록 설계됐습니다. 하지만 텅스텐 환경에서 300초 운전 시간만큼 더 뜨거워질 장치를 식히려면 냉각수 유량과 차압에서 큰 변화가 요구됩니다. 새로운 냉각수 시스템의 열부하는 24.0MW, 초당 약 520ℓ의 냉각수가 약 30bar의 압력으로 PFC를 순환하도록 설계 됐습니다.

*열부하(heat load): 특정 온습도로 유지하기 위하여 제거되거나 공급하는 열량을 의미함


즉, 기존 냉각수시스템의 냉각수 펌프에서 나오는 물줄기는 약 160m 높이까지 뿜어져 올라가는 성능(16bar)이었다면, 새롭게 개선하는 냉각수 펌프의 물줄기는 그보다 두 배에 가까운 약 300m(30bar)를 뿜어져 올라가는 엄청난 성능 개선이 이루어지는 것입니다.


또한, 현재 냉각수 시스템은 기존 설계에 따라 최대 90톤의 냉각수를 저장하는 탱크를 사용하였지만, 텅스텐 디버터의 향상된 성능 고려 및 300초 간 초고온 플라즈마의 열기를 식히기 위해서는 150톤 규모의 탱크가 필요합니다. 냉각수가 더욱 세진 압력으로 배관을 흘러가기 때문에 더 커진 압력을 견딜 수 있도록 전체 배관도 새로 설치해야 합니다.

 

각종 부품들이 이미 납품을 마치고 작업이 시작되길 기다리고 있다.



완벽한 작업, 그리고 적기 완료 두 마리 토끼를 잡는다! 


새로운 냉각수 시스템을 도입하기 위한 준비는 이미 2020년부터 시작되었습니다. 올해 8월 2022년 KSTAR 캠페인 종료 후 본격적으로 시작되는 PFC 업그레이드 작업에 부여된 시간은 약 1년. 대대적인 업그레이드를 위한 시간으론 결코 넉넉하지 않기 때문에 완벽한 작업과 일정 준수라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 준비가 오래전부터 진행된 것입니다. 특히 냉각수 시스템의 업그레이드는 텅스텐 디버터 설치가 모두 완료가 되어야 진행할 수 있는 작업들도 있기 때문에 다른 작업 일정들을 세심하게 체크하며 작업을 진행해야 합니다.


2022년 4월 현재 냉각수시스템 성능향상 공정의 38%가 진행되었으며, KSTAR 주장치실 지하1,2층에는 이미 새로운 냉각수시스템을 구성하는 펌프와 물탱크, 열교환기, 순수유지시스템 등이 납품을 마치고 8월 이후 본격적인 교체 작업이 시작되길 기다리고 있습니다.


일정 관리 외에도 다양한 기술적 고려사항들로 인해 긴장을 늦출 수 없는데요. KSTAR는 워낙 정교한 기계장치이기에 새로운 냉각수 시스템 설계 단계부터 고려할 사항이 많았습니다. 냉각수가 흐르는 메인 배관은 지름이 50㎝에 달합니다. 또 스테인리스로 제작하기 때문에 자체 무게도 상당하죠. 여기에 물이 채워지면 압력과 무게가 상상을 초월합니다. 뿐만 아닙니다. 배관은 35℃ 냉각수와 함께 베이킹에 사용되는 250℃의 고온가스가 함께 이동하기에 큰 온도차를 견딜 수 있어야 합니다.


하지만 더 큰 어려움이 있다는데요. 정남용 선임기술원의 설명에 따르면 협소한 작업 공간은 이번 시스템 교체 작업의 최대 장애물입니다. KSTAR는 2007년 완공 후에도 성능향상을 위해 다양한 장치들이 추가되었기 때문에, 현재 주장치실은 물론 지하실도 공간이 굉장히 협소합니다. 더욱이 기존 냉각수 시스템을 유지하면서 추가로 신규시스템을 도입하기 때문에 신규 시스템은 기존 설비와 간섭이 없어야 하고, 설치 시 안전성을 최우선으로 진행해야 합니다.


하지만 기대감도 못지 않습니다. 이번 업그레이드 작업을 통해 KSTAR는 1억도 초고온 플라즈마를 300초 이상 유지할 수 있는 냉각수 및 베이킹 시스템 기술을 확보하고, 그에 따른 운전 기술도 확보할 수 있기 때문입니다. 또한 이 기술력은 향후 우리나라가 건설하게 될 핵융합 실증로까지 이어질 수 있습니다. 핵융합 실증로급 텅스텐 PFC의 냉각수시스템과 베이킹 시스템 제작 기술을 국산화하겠다는 목표가 있기에 노력은 계속될 수 있습니다.


한국의 인공태양 KSTAR가 플라즈마의 불꽃을 만들어 내는 일. 이제는 1억도를 수십초간 유지하는 것이 당연하게 느껴지는 때가 되었지만 그 시간을 만들어내기 위해, 그리고 그보다 훨씬 어려울 300초 연속운전이라는 원대한 목표를 향해 여전히 수많은 사람들이 값진 땀방울을 흘리고 있습니다. 그 땀방울이 모여 만들어 낼 KSTAR의 내일이 더욱 기대됩니다.


KSTAR의 진공용기 내부. 2022년 하반기부터 진공용기의 하단부에 위치한 디버터 장치의 업그레이드 작업이 진행 예정이다.

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