• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.171-171
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• 2011

헬륨냉동계통은 연구용 원자로인 하나로에서 냉중성자를 생산할 수 있도록 설치된 수조내기기 내의 감속재인 수소가 정상적으로 열 사이펀을 유지하기 위한 주요 계통이다. 헬륨냉동계통은 헬륨가스를 압축하는 헬륨 압축부분과 헬륨가스를 팽창시켜 저온을 생성시키는 헬륨 팽창부분으로 나누어진다. 헬륨 압축부분은 두 개의 스크류가 맞물려 회전하면서 약 1.05 bar(a)의 헬륨가스를 최대 13 bar(a)까지 압축시키는 압축기가 있으며, 헬륨 팽창부분인 냉동박스의 팽창 터빈은 self-acting gas bearing에 의해 구동되며, 저온모드 운전 시작시 헬륨 압축부분에서 일부의 가스는 팽창 터빈 축(shaft)으로 유입되어 회전속도가 서서히 증가하면서 고속으로 회전하여 극저온의 헬륨가스(14~18 K)를 생성하는 주요 기기이다. 헬륨을 팽창하는 부분인 냉동박스 내로 헬륨 압축가스를 유입하기 전에 압축된 헬륨가스 내 불순물의 순도를 분석하여 냉동박스의 주요 부품인 팽창터빈의 운전에 영향을 미치지 않는 것이 가장 중요하다. 따라서 헬륨 저압측에 헬륨가스 내 불순물 즉, 수소($H_2$), 수분($H_2O$), 질소($N_2$), 탄화수소류(CxHy) 및 오일(Oilaerosol) 등의 함량을 분석하기위해 가스 분석기가 설치되어 있으며, 냉동박스 내로 유입되기 전에 헬륨압축에서 순환되는 가스 내 불순물인 수분, 질소, 탄화수소류 및 오일은 10 vpm 이하이어야 하며, 수소 함량은 0.1 % 이내이어야 한다. 헬륨 압축부분에서 순환되는 가스의 불순물이 요구 조건에 만족하도록 헬륨 고압측과 헬륨 저압측에 cryogenic adsorber를 설치하여 가스 내 불순물을 제거하는 가스순도제어 작업을 수행해야 한다. cryogenic adsorber를 사용하기 위해서는 장치 내의 불순 가스를 공정진공도(1.33 X $10^{-3}$ mbar) 이하로 진공배기하는 작업이 매우 중요하다. 이는 계통의 헬륨가스가 오염되지 않도록 하는 것으로 cryogenic adsorber 내에는 액체질소를 충전하여 액체질소 온도에 노출된 활성탄층을 헬륨가스가 흐르면서 수분, 질소, 탄화수소류 및 오일 등이 제거된다. 이 논문에서는 헬륨냉동계통의 가스 순도 제어 작업을 통해 헬륨가스의 순도가 요구조건 이하로 만족하며, 팽창 터빈의 운전에 영향을 미치지 않음을 기술하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.361-361
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• 2011

하나로 냉중성자원(CNS: Cold Neutron Source)은 원자로 수조내 반사체 탱크에 위치한 수직 조사공에 설치되어 하나로 노심에서 발생하는 열중성자를 감속재인 액체 수소층을 통과시켜 냉중성자를 생산한다. 생성된 냉중성자는 유도관을 통하여 냉중성자 산란장치에 공급되어 이용 연구에 활용된다. 감속재로 사용되는 수소는 헬륨냉동계통의 운전에 따라 수소가 수조내기기 집합체(IPA: In Pool Assembly) 내로 이동되어 액화되어지므로, 극저온의 헬륨가스의 흐름이 중요하다. 헬륨냉동기에 의해 만들어진 극저온인 헬륨은 IPA 내의 수소와 열교환을 하기 위해서 배관을 통해 이동되며, 열손실없이 전달하기 위하여 헬륨 배관은 진공층이 형성된 이중배관으로 설계되어 있다. 헬륨 이중배관은 공급 및 회수 배관으로 구성되어 있으며, 헬륨 배관의 외관에 진공층을 20개의 구간으로 나누어 제작 및 설치되었으며, 각각의 진공도를 유지하고 있다. 이 논문에서는 하나로 냉중성자원 헬륨 이중배관의 특성과 헬륨냉동계통의 운전 및 정지시 온도 변화에 따른 이중배관 진공도의 변화를 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.337-337
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• 2010

하나로 반사체의 수직공 안에 설치된 냉중성자원 시설계통의 수조내기기는 원자로에서 생성되는 열중성자를 약 22K의 감속재로 감속시켜 0.1~10 meV 범위에서 높은 선속을 갖는 냉중성자를 생산한다. 냉중성자를 생산하기 위한 냉중성자원 시설계통의 구성은 감속재인 수소를 포함하고 있는 수소계통, 수소의 외부누출을 방지하기 위한 가스블랭킷계통, 극저온의 액체수소를 생산하기 위한 헬륨냉동계통, 극저온인 액체수소 층을 감속재용기 내에 유지하기 위한 진공계통 등으로 되어있다. 이들 계통 중 진공계통은 냉중성자원 시설계통의 정상운전 시 액체수소 열사이펀, 감속재용기 등의 냉중성자원 극저온 부품의 단열을 위하여 진공용기의 내부 진공도를 공정진공도 이하로 유지하기 위한 계통이다. 정상운전 시 진공계통으로부터 발생되는 배기 가스는 배기 수집탱크에 포집된다. 냉중성자원 시설계통으로부터 발생되는 배기가스는 배기수 집탱크를 통하여 수소의 누출여부를 확인한 후 원자로홀로 배기되도록 되어 있으며, 만일의 경우 탱크내부의 배기가스 수소 농도가 기준치인 3.5%이상일 때는 유입 원을 자동으로 차단하고, 희석용 가스인 고압의 질소를 주입하여 수소의 농도를 기준치 이하로 낮춘 후 원자로 홀로 자동 배출하도록 되어 있다. 본 논문에서는 냉중성자가 생산되는 냉중성자원 시설계통의 운전과정에서 진공계통으로부터 배출되는 배기가스를 배기수집탱크로 포집하고, 이 가스에 대해 수소가스의 농도를 분석하여 원자로 홀로 안전하게 배기할 수 있도록 수행된 수소가스 분석에 대해 기술하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.36-36
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• 2000

KSTAR 토카막은 보조가열 장치로 2005년까지 1대(최종적으로는 2대)의 중성입자빔 입사장치(NBI)를 설치하여 장치의 기본 설계값에 도달할 예정이다. KSTAR NBI는 3개의 이온원을 가지고 있으며 총 수소 유입량은 70 Torr.L/s인 반면 고속 중성 입자빔량은 모두 11 Torr.L/s로 기체 배기량은 59 Torr.L/s에 달하고 압력은 장소에 따라 10-5~10-6 Torr로 유지되며 총배기속도가 1~2$\times$106 L인 펌프가 필요하다. 이때 크라이오 펌프(cryopump) 방식이 거의 유일한 해결책이라고 할 수 있다. 크라이오 펌프는 고속 입자빔 수송로의 양편에 각각 설치되는데 총면적 30m2 내외의 극저온 냉각판(cryo-pnael)들과 이를 상온 열복사로부터 보호하기 위한 열차폐(thermal shield) 및 흡기구 배플(baffle), 그리고 적절한 냉각장치로 구성된다. 시운전 단계에서는 15K GM 냉동기와 활성탄이 부착된 냉각판을 사용하는 방식과 4K GM 냉동기로 냉각하는 방식이, 최종 운전단계에서는 3.7K 액체 헬륨을 사용하는 방식이 고려되고 있다. 크라이오 펌프의 구조설계에 앞서 우선 배기속도, 흡？량, 작동압력, 냉각판 온도, 열손실량 등 설계사양을 확정하고 정리하는 일이 진행되고 있다. 또 냉각방식과 상관없이 동일한 개념으로 만들어지는 배플과 열차폐의 최적설계를 위한 몬테카를로 계산과 열전도 계산을 병행하고 있다. 이 곳에서는 KSTAR NBI 장치의 주배기계로서 사용될 크라이오 펌프의 설계방향과 전반적인 구조 및 예상성능 등에 대해 발표하려고 한다.