한국원자력연구원 - 중성입자 빔의 실시간 열량 측정 시스템

Author(s):
서민석 연구원 - 한국원자력연구원

Industry:
Energy/Power

Products:
SCXI, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
여러 가지 소프트웨어 툴을 사용함으로 인해 많은 시간이 소비되어 실제 최소 2~3분 간격으로 실시되는 실험에 대한 결과를 바로 바로 알려주지 못하는 문제점과 열량 계산을 위해 숙달된 인력이 상시 대기하여 실험결과를 위해 여러 가지 후처리를 감당해야 하는 실정이었다.

The Solution:
입사되는 중성입자 빔의 열량을 실시간으로 측정하기 위한 시스템을 내쇼날인스트루먼트의 하드웨어와 소프트웨어를 이용하여 성공적으로 개발하였다.

요약

한국원자력연구원에서 개발 중인 중성입자 빔 가열장치는 KSTAR 토카막에 중성입자 빔을 입사하는 장치이다. 입사되는 중성입자 빔의 열량을 실시간으로 측정하기 위한 시스템을 내쇼날인스트루먼트의 하드웨어와 소프트웨어를 이용하여 성공적으로 개발하였다.

이로 인하여 최소 수분 간격으로 실험조건을 바꾸어가며 진행하는 실험에 대한 결과를 신속 정확하게 확인하면서 진행할 수 있는 환경을 구축할 수 있었다. 또한 LabVIEW의 탁월한 기능 중 하나인 시각적인 사용자 인터페이스 구축이 가능하여 측정을 위한 전문가 없이도 쉽고 정확한 측정이 가능하게 되었다.

개발 배경

본 시스템은 KSTAR 프로젝트의 일환으로 중성입자 빔을 발생시켜 토카막에 입사하는 장치이다. 따라서 중성입자 빔의 품질과 열량을 측정하기 위한 열량 측정 시스템이 반드시 필요하게 된다. 이를 위해 기계적으로는 V자 모양의 칼로리메타(Calorimeter)가 있고 이곳에 중성입자 빔이 들어오게 되며 중성입자 빔을 받은 칼로리메타는 그 내부에 흐르는 냉각수로 식히게 되는데 이때 발생된 냉각수의 온도변화를 측정하여 열량으로 환산하게 된다. 기존의 열량 측정 시스템은 실험이 종료되면 실험데이터를 수작업으로 후처리를 실시하게 되는데 먼저 OriginLab의 Origin을 통해 냉각수의 온도변화를 적분하여 면적으로 환산하고 그 값을 마이크로소프트 엑셀을 통해 계산식에 입력하여 열량을 환산하게 된다.

이와 같이 여러 가지 소프트웨어 툴을 사용함으로 인해 많은 시간이 소비되어 실제 최소 2~3분 간격으로 실시되는 실험에 대한 결과를 바로 바로 알려주지 못하는 문제점과 열량 계산을 위해 숙달된 인력이 상시 대기하여 실험결과를 위해 여러 가지 후처리를 감당해야 하는 실정이었다.

본론

개발된 중성입자 빔의 실시간 열량측정 시스템은 입사된 중성입자 빔의 열량을 중성입자 빔 인출이 완료되고 냉각수의 온도가 실험 전 기준온도까지 내려가면 바로 Joule단위로 환산하여 실험자들에게 알려주게 된다.

그림 1과 같이 듀얼 모니터를 이용하여 여러 가지 실험에 필요한 정보를 한 번에 볼 수 있도록 배치하였다. 각 컴포넌트의 유량과 냉각수의 현재 온도와 온도 변위 및 열량을 그래프와 테이블로 볼 수 있도록 하였으며, 실험 중 발생할 수 있는 위험 상황 등을 고려하여 알람 기능 또한 추가하였다.

본 시스템의 알고리즘을 살펴보면, 먼저 각 컴포넌트의 유량정보를 확인한 후 입력하고 칼로리메타를 포함한 각 컴포넌트의 냉각수 기준 온도를 정해진 시간 동안 평균하여 기준 값으로 저장한 것을 알 수 있다. 그 후 중성입자 빔이 입사되면 냉각수의 온도변화를 적분하고 유체의 열량을 환산하는 식을 연산하여 실시간으로 디스플레이 하는 그림 2의 루틴을 수행하게 된다. 물론, 종전에 사용하던 여타의 소프트웨어의 도움 없이 수행할 수 있었다.

그림1. 중성입자 빔 실시간 열량 측정시스템의 프런트패널

그림2. 실시간 열량 측정시스템의 블록다이어그램(일부)

그림 3. 중성입자 빔 실시간 열량 측정시스템의 구성도

추가적으로 냉각수 온도 변화를 측정하기 위해 사용된 온도센서인 열전대(Thermocouple, T/C)의 특성을 살펴보면 측정하고자 하는 곳의 온도가 변화하면 열기 전력이 발생하게 되는데 예를 들어서 0℃에서 100℃까지 온도가 변화한다면 열기 전력의 변화로 0.0mV에서 4.096mV 정도만 센서 값이 변화하게 된다. 그러나 중성입자 빔의 실시간 열량측정 시스템은 그림 3과 같이 12만 볼트의 전원장치 부근에서 냉각수의 온도를 측정해야 하는 어려움이 있었다. 전원장치의 작동 등의 이유로 실제 냉각수의 온도가 변화되어 발생된 열기전력보다 수십배 이상의 노이즈가 유기되기도 하였다. 이를 위해 그림 4와 같은 Ungrounded junction type의 열전대를 사용하여 노이즈를 상당량 감소하는 효과를 얻을 수 있었다.

그림 4. Ground type별 T/C 유형

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
- 기존 시스템에서 여러 프로그램을 이용하여 계산하던 것을 LabVIEW만을 이용하여 자동으로 계산하게 되어 처리시간과 처리과정에 따른 오차를 최소화 할 수 있었다.

- 중성임자 빔의 실시간 열량 측정 시스템 개발로 인해 실험이 끝나면 1분 안에 결과 값을 알 수 있게 되어 실험 진행자들이 신속하고 유용한 정보를 얻을 수 있었고, 실험 조건 선정을 위한 바로미터 역할을 담당하면서, 보다 원활한 실험이 진행이 가능하였다.

- LabVIEW로 구현된 자동화 알고리듬을 통해 숙달된 측정요원의 상주가 필요 없이 누구나 손쉽게 열량 측정 결과를 알 수 있게 되었다.

- 향후 프로젝트에 관련된 측정이 필요한 경우 기존 코드의 재사용이 가능하다.

NI 솔루션을 선택한 이유 : 

NI 하드웨어 및 소프트웨어의 빠른 고객 지원 프로그램
단기간의 학습으로 프로젝트에 적용이 가능
생성된 코드의 공유 및 재사용이 용이
넓은 사용자층과 활성화된 커뮤니티(mylv.net)
다양한 세미나 및 교육 환경 제공

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서민석 연구원
한국원자력연구원

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