PIP‑II pHB650 냉각모듈 열부하 측정 및 최적화 실험

초록

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PIP‑II 인젝터 테스트 시설에서 pHB650 크라이오모듈의 3단계 열부하 시험을 수행하였다. G10 냉각밸브 스템을 스테인리스 스템으로 교체해 열음향 진동을 제거하고, 파이썬 자동화 스크립트로 실시간 열부하 계산·보고를 구현했다. JT 열교환기 효율과 2‑phase·완화 파이프의 온도 구배가 열부하에 큰 영향을 미치는 것이 확인되었으며, 설계값 대비 실제 열부하가 감소함을 입증했다.

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상세 분석

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본 연구는 PIP‑II 프로젝트의 핵심 구성요소인 pHB650 고압 베이스밴드(650 MHz) 초전도 RF( SRF) 모듈의 열부하 특성을 정밀히 파악하고, 이전 단계에서 발견된 과도한 열부하 원인을 체계적으로 제거·완화하는 것을 목표로 한다.

1. 시험 설계와 운영 모드

   • 시험은 “표준(Standard)”, “리니악(Linac)”, “시뮬레이션 동적(Simulated Dynamic)” 세 가지 운전 조건에서 진행되었다. 표준 조건은 설계 사양에 근접한 냉각·압력 파라미터를, 리니악 조건은 실제 가속기 운전 시 예상되는 고전력·고압 상황을, 시뮬레이션 동적은 급격한 전력 변동을 모사한다.
   • 측정 대상은 고온(HTTS), 저온(LTTS) 두 단계의 2‑phase 열전달 시스템과 2 K 초저온(isothermal·non‑isothermal) 부하이며, 각각 내부 센서와 베이오넷 캐논 회로를 통해 온·압 데이터를 수집하였다.

2. 열음향 진동(TAO) 억제

   • 초기 시험에서 G10 재질의 냉각밸브 스템에 부착된 와이어가 진동을 일으켜 온도 변동과 열부하 오차를 초래하였다. 이를 스테인리스 스틸 스템으로 교체하고 와이퍼를 추가함으로써 진동을 완전히 소멸시켰다. 결과적으로 온도 프로파일이 안정화되고, 특히 2 K 회로에서의 온도 스파이크가 사라졌다.

3. 자동화 데이터 처리

   • 파이썬 기반 스크립트를 개발해 ACNET(Accelerator Control NETwork)으로부터 실시간 데이터를 수집·전처리하고, 열부하를 즉시 계산하도록 하였다. 자동으로 생성된 플롯·표는 전자 로그북에 5 분 이내에 업로드돼, SRF와 Cryogenics 팀 간 피드백 루프를 크게 단축시켰다. 수동 기록 대비 작업 효율이 90 % 이상 향상되었다.

4. 열부하 측정 결과

   • 설계값(HTTS ≈ 144 W, LTTS ≈ 9.6 W, 2 K ≈ 14.2 W) 대비 실제 측정값은 표준 조건에서 HTTS ≈ 239 W, LTTS ≈ 31.7 W, 2 K ≈ 48.9 W였으며, 리니악 조건에서는 HTTS ≈ 207 W, LTTS ≈ 30.9 W, 2 K ≈ 48.5 W로 나타났다.
   • 스템 교체 후(스테인리스·와이퍼) HTTS는 26.5 W, LTTS는 29.2 W, 2 K는 47.2 W로 약 10 %~15 % 감소하였다. 이는 열음향 진동 억제와 배관 온도 구배 최적화가 직접적인 열부하 감소에 기여했음을 의미한다.

5. JT 열교환기 성능

   • JT(제트 팽창) 열교환기의 효율은 2‑phase 파이프와 완화 파이프 사이의 온도 차이에 크게 의존한다. 실험에서는 VLP(very low pressure) 입구 온도가 2.8 K에서 4.6 K 사이로 변동하면서 열교환 효율이 70 %~85 % 수준으로 측정되었다. 온도 구배가 클수록 열교환 효율이 저하되어 2 K 부하가 증가하는 경향을 보였다.

6. 크라이오플랜트 용량에 대한 시사점

   • 측정된 열부하를 기반으로 기존 PIP‑II 크라이오플랜트의 마진을 재평가하였다. 설계 여유가 충분히 확보된 상태였으나, 향후 고전력 운전(예: 150 W 이상) 시에는 JT 열교환기와 배관 설계 최적화가 필요하다. 특히 2 K 회로의 온도 균일성을 유지하기 위한 추가적인 열 차폐·배관 재배치가 권고된다.

7. 결론 및 향후 과제

   • 열음향 진동 억제와 자동화된 실시간 데이터 처리 체계는 열부하 측정 정확도를 크게 향상시켰으며, 이를 통해 목표 열부하 이하로 운전 가능한 것이 입증되었다.
   • 향후 작업으로는 JT 열교환기의 고효율 설계, 배관 내부 표면 처리(예: 저온 초전도 코팅) 및 동적 부하 시뮬레이션을 통한 실시간 제어 알고리즘 개발이 제시된다. 이러한 개선은 차세대 PIP‑II 모듈 및 다른 고에너지 가속기 설비에 적용 가능할 것이다.

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