KR100764094B1 - 중수로 사용후핵연료의 저장시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중수로 사용후핵연료의 저장시스템에 관한 것으로서, 지하환경에 사용후핵연료를 저장할 수 있는 저장시스템이 개시된다. 지상으로부터 일정 깊이에 굴착 형성된 진입터널이 형성되며, 상기 진입터널의 양측면에서 연장되어 상기 사용후핵연료가 다수개 수납된 바스켓이 내부에 수납되는 저장터널이 형성된다. 상기 저장터널에는 바스켓이 다수개 배치될 수 있으며, 상기 저장터널 내부를 모니터링할 수 있는 센싱유닛이 장착될 수도 있다. 지하환경을 이용하여 원전부지 이용의 한계를 극복하고, 구조적, 환경적 안정성을 극대화하며, 우수한 온도 및 방호환경을 제공할 수 있다.

사용후 핵연료, 중수로, 저장시설, 지하

Description

중수로 사용후핵연료의 저장시스템{STORAGE SYSTEM FOR SPENT NUCLEAR FUEL OF HEAVY WATER REACTOR}

도 1은 도 1은 본 중수로의 사용후핵연료의 저장시스템을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 저장시스템을 도시한 측면도이다.

도 3은 본 발명의 저장시스템을 도시한 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 산악지형 100: 사용후핵연료의 저장시스템

110: 진입터널 120: 저장터널

130: 바스켓 131: 사용후핵연료

본 발명은 중수로 사용후핵연료의 저장시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 지하환경을 이용하여 원전부지 이용의 한계를 극복하고, 구조적, 환경적 안정성을 극대화하며, 우수한 온도 및 방호환경을 제공할 수 있는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템에 관한 것이다.

핵연료는 원자로 안에 장입(裝入)하여 핵분열을 연쇄적으로 일으켜서 이용 가능한 에너지를 얻을 수 있는 물질을 말하며, 사용후 핵연료는 핵분열을 일으킨 후에 남은 물질을 말한다. 이러한 사용후핵연료는 재처리 혹은 폐기를 위하여 저장을 하게 되는데, 이러한 저장은 저장관리, 중간저장, 영구처분 등으로 구분할 수 있다.

먼저, 저장 관리는 사용후연료는 그 속에 포함된 핵분열생성물 때문에 원자로에서 꺼낸 이후에도 오랜 기간동안 강력한 방사선과 열을 낸다. 따라서 발전소에서 근무하는 작업자와 인근에 거주하는 주민을 방사선으로부터 보호하고 열을 제거하기 위하여 사용후연료는 발전소의 연료건물안에 있는 수영장처럼 물이 가득차 있는 곳(사용후연료저장조)에 저장하는 것이다.

사용후연료는 방사성폐기물이기는 하지만, 쓰고 남은 우라늄과 플루토늄 같은 유용한 물질이 포함되어 있다. 그래서 영국, 프랑스, 벨기에, 스위스, 일본 등에서는 사용후연료로부터 우라늄과 플루토늄 같은 물질을 추출해서 다시 연료로 제작하여 원자로에 사용하고 있다. 이러한 유용물질 추출과정을 재처리라고 하며, 이를 위하여 중간저장을 하게 된다. 사용후연료는 열이 식을 때까지 충분히 원전부지내 또는 중간저장시설에 보관하다가 최종적으로 영구처분하기 위하여 저장하게 된다.

그 중에서 사용후 핵연료의 양이 많아서 특히 문제가 되는 것은 중수로 원자로이다. 중수로 원자로는 냉각수로 중수를 사용하는 원자로를 말하며, 우리나라에서 운전중인 경수로형 원전에서는 1기당 연간 19톤, 중수로형 원전에서는 1기당 연 간 95톤의 사용후 핵연료가 발생되고 있으며, 사용후 핵연료 발생량은 원전의 이용률과 연료의 연소도에 따라 달라지는데 발생량은 대체로 원자로의 열출력과 이용률에 비례해서 증가되고 연소도에 반비례한다. 국내 사용후 핵연료는 2002년 말 현재 원자력발전소 4개부지(고리, 영광, 월성, 울진)에 총 5982톤이 저장되어 있다.

중수로 원자로의 일예로 가압중수로형 원자로 [加壓重水路型原子爐, pressurized heavy water reactor]를 들 수 있다. 일명 캐나다 중수로(Canada Deuteriumoxide-Uranium, CANDU)라고도 불리우며, 1970년대 캐나다에서 개발되어 보급된 원자로이다. 핵분열의 속도를 줄이는 감속재로 15기압 정도로 가압된 중수(重水)를 사용한다. 값싼 천연우라늄을 연료로 사용하고 운전 중에도 연료를 교체할 수 있어 원자로를 쉬지 않고 가동할 수 있다. 그러나 농축우라늄을 연료로 사용하는 경수형 원자로에 비해 핵폐기물이 훨씬 많이 나오며, 사용되는 중수는 물에 비해 감속능력은 뛰어나나 값이 비싸고 핵분열과정을 통해 방사능 물질인 삼중수소를 방출하므로 안전성이 떨어지는 단점이 있다. 한국에서 운전 중인 원전은 총 16기이고 이중 월성 1, 2, 3, 4호기가 가압중수형 원자로를 사용하고 있다.

현재 원자력발전소에서 전기 생산후 발생되는 CANDU 사용후 핵연료는 일정기간 발전소 부지에서 저장 풀에 저장 후 콘크리트 건식 사일로(silo)에 저장하고 있다. 향후, 원자력발전소의 수명연장 및 사용후핵연료 처분정책 결정의 지연으로 인한 사용후핵연료 발생량은 계속 지속적으로 증가하게 될 것으로 예상되며, 이러한 증가에 따른 추가 저장용량이 필요하므로, 기존 월성부지의 콘크리트 사일로 저장 시스템보다 저장 효율 및 경제성 높은 저장시스템이 절대적으로 필요한 시점이 다.

아울러, 기존의 지상 건식저장고의 냉각시스템은 높은 외기 온도를 기준하여 설계 및 제작되어 사용후핵연료의 저장 및 냉각 효율이 비교적 낮으므로, 원전 부지이용 및 활용성을 극대화할 수 있는 저장시스템이 요구된다. 또한, 방사선적 안정성을 확보하여야 하며, 구조적 안정성 측면에서뿐만 아니라, 대테러에 대한 안전한 보관 등 보다 향상된 사용후핵연료의 저장 시스템에 대한 연구가 시급한 시점이라 하겠다.

따라서, 본 발명은 상술한 본 발명의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 방사성 누출의 위험이 적고, 사람의 접근으로부터 격리된 저장 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 자연환경을 이용하여 비교적 균일한 온도를얻을 수 있어서, 저장 안정성을 높이고, 저장에 따른 유지비용을 줄일 수 있는 저장시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 지진에 대한 영향이 적고, 테러 등 예상치 못한 외부 충격으로부터 안전하게 사용후핵연료를 저장할 수 있는 저장시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 우리나라 고유의 지형과 여건에 부합하며, 구조적 안정성을 높일 수 있으며 수입대체효과가 큰 저장시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 중수로 사용후핵연료의 저장시스템은 중수로의 사용후핵연료를 보관하는 저장시스템에 있어서, 지상으로부터 일정 깊이에 굴착 형성된 진입터널, 및 상기 진입터널의 양측면에서 연장되어 상기 사용후핵연료가 다수개 수납된 바스켓이 내부에 수납되는 저장터널을 포함한다.

상기 저장터널은 복수개로서, 상기 진입터널의 양측면에 각각 일정간격을 가지고 형성되되, 양측면에 형성된 저장터널의 입구는 서로 마주보지 않는 것을 특징으로 한다. 상기 진입터널의 바닥면은 상기 저장터널의 바닥면보다 낮게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 사용후핵연료는 원기둥형상이며, 상기 바스켓에 세워진 형태로 다수개 수납된 것이 좋다.

상기 바스켓은 상기 저장터널의 길이 방향으로 일렬로 배치 가능하며, 상기 바스켓은 다단 형태로 수직방향으로 쌓아 올려 상기 저장터널에 보관될 수 있다.

상기 저장터널 내에 장착되며, 상기 저장터널 내부를 모니터할 수 있는 센싱유닛을 더 포함하거나, 그 이외의 냉각시설이나 환기, 수분제거 장치 등이 더 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 중수로 사용후핵연료의 저장시스템은 중수로의 사용후핵연료와, 상기 사용후핵연료를 다수개 수납하는 바스켓과, 상기 바스켓이 저장되며, 일정깊이 지하에 형성된 복수의 저장터널, 및 상기 저장터널과 지상을 연결하는 진입터널을 포함한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 중수로의 사용후핵연료의 저장시스템을 도시한 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 산악지형(10)의 지하 하부에 사용후핵연료의 저장시스템(100)이 위치한다. 상기 저장시스템(100)은 진입터널(110)과 저장터널(120)로 형성된다.

우리나라와 같이, 국토의 70%가 산악지형으로 형성된 국가에서는 이러한 산악지형을 이용하여 저장시스템(100)을 건설한다. 즉, 원전부지나 기타 핵폐기장 등을 지상에 건설하지 않고, 지하에 건설하며 특히 산악지형이 대부분인 우리나라의 경우에는 지하 저장시스템을 건립할 가능 부지가 많다. 따라서, 일반 대중의 접근을 통제함에도 유용할 뿐만 아니라, 저장 효율을 높이고, 부지 확보의 어려움을 줄일 수 있다.

일반적으로 100m 를 하방으로 내려가면 3도 정도씩 온도가 떨어지게 된다. 즉, 저장시스템을 지하 500m 정도 지하에 건립하면, 지상과는 약 15도 정도 온도차이가 난다. 사용후핵연료는 45도가 넘으면 열화되는 성질이 있으므로, 지하에 저장하게 되면, 열화를 방지할 수 있는 효과도 있다. 지하환경은 대략 15도 정도 내외로 유지되며, 햇빛 등 외기의 영향에 따른 온도변화가 적다. 즉, 건식저장고의 냉각시스템은 높은 외기 온도를 기준으로 제작되므로, 온도의 변화폭이 큰 지상에서보다 온도변화가 적은 지하환경에서 터널을 설계하는 것이 사용후핵연료의 안정적인 저장 측면에서 유리하다. 아울러, 지하환경은 밤낮이나 계절의 변화에 따른 온도차에 민감하지 않으므로, 일정한 온도범위가 유지될 수 있어서 냉각시설 등의 추가적인 설치가 필요하지 않으며, 일정 온도범위로 유지하기 위한 유지비용 등이 절감되게 된다.

또한, 지하의 저장 시스템은 햇빛 등 열원으로부터 차단되어 있으므로, 지하 환경의 밤낮 온도차는 지상에 비하여 크지 않다. 따라서, 사용후핵연료를 보다 안정된 온도 범위에서 저장할 수 있는 장점이 있다. 또한, 비행기의 추락이나 폭탄 공격 등에도 지하 저장시스템은 안전한 장점이 있다.

상기 저장시스템(100)은 산악지형에 터널을 굴착하여 형성할 수 있다. 또한, 산악지형에 한정되지 않으며 평지에 굴착하여 지하 환경을 조성하는 것도 가능하다. 지하에 굴착하여 형성된 저장 시스템은 테러 등 예상치 못한 돌발적인 외부 충격으로부터도 안전하게 사용후핵연료를 격리시킬 수 있어서 영구적인 안정성을 확보할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 저장시스템을 도시한 측면도이고, 도 3은 본 발명의 저장시스템을 도시한 평면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 저장 시스템(100)은 직선 형태로 굴착되어 형성된 진입터널(110)과, 상기 진입터널(110)의 양측으로 연장되어 사용후핵연료(131)가 보관되는 복수개의 저장터널(120)로 구성된다.

상기 진입터널(110)은 로봇 등이 사용후핵연료(131)를 운반 이동할 수 있는 공간을 제공하며, 진입터널(110)은 지상부터 지하에 형성된 저장터널(120)까지 연결된다. 상기 진입터널(110)의 단면은 아치형일 수 있으나, 그 이외의 형상도 가능하다.

상기 저장터널(120)은 상기 진입터널(110)보다 작은 단면을 가지며, 사용후핵연료(131)가 수납되는 바스켓(130)이 복수개 저장된다. 중수로의 사용후 핵연료는 길이가 대략 50cm, 지름이 대략 10cm 정도의 원기둥 형상일 수 있으며, 이는 대부분 직사각형 형태로 구성된 경수로의 사용후핵연료와 외관상 구분된다.

이러한 원기둥 형태의 사용후 핵연료(131)는 바스켓(130) 안에 세워진 형태로 보관되며, 하나의 바스켓(130)에는 복수개의 사용후핵연료(131)가 수납된다.

일 예로, 하나의 바스켓(130)에는 60개의 사용후핵연료(131)가 수납될 수 있다. 또한, 저장효율을 증가시키기 위하여, 상기 바스켓을 수직으로 쌓아 올려 다단으로 구성할 수도 있다.

상기 진입터널(110)의 바닥면보다 상기 저장터널(120)의 바닥면이 더 높게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 진입터널(110)의 바닥면에 형성된 빗물이나 지하수 등이 상기 저장터널(120)로 유입되지 못하게 하는 것이다.

상기 저장터널(120)은 진입터널(110)의 양측면에 연장되어 형성되며, 일측에 형성된 저장터널(120)은 서로 일정한 간격을 가지고 형성되나, 서로 마주보지는 않도록 형성되는 것이 좋다. 즉, 저장터널(120)의 양측면에 형성된 진입터널(110)로의 입구가 서로 엇갈려서 형성되는 것이 바람직하다. 이는 사용후핵연료(131)를 수납하기 위하여 저장터널(120)로 출입하는 다수개의 로봇 등이 동시작업을 할 때, 서로간의 충돌을 방지할 수 있는 효과를 가질 수 있으며, 발열하는 사용후핵연료의 열이 서로 합쳐지지 않고 효율적으로 냉각될 수 있는 효과가 있다.

상기 저장터널(120)에는 환기 및 냉각 시설이 별도로 갖추어 질 수 있다. 아울러, 감시 카메라 등 상기 저장터널(120)의 상황을 외부에서 감시할 수 있는 센싱유닛(sensing unit)이 상기 저장터널 내부에 장착될 수 있다.

상기 바스켓(130)은 상기 저장터널(120)의 길이 방향으로 일렬로 수납되며, 전술한 바와 같이 높이 방향으로 서로 단을 이루어 쌓을 수도 있다. 또한, 바스켓(130)은 일렬로 배열되지 않고 다열로 배열하여 저장효율을 높이는 것도 가능하다. 바스켓(130)과 바스켓(130) 간에는 일정 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다. 이는 냉각효과를 극대화하기 위함이다.

사용후핵연료(131)는 중수로를 이용하여 생성된 핵연료로 한정된다. 중수로에 사용되는 사용후핵연료(131)는 같은 양을 사용하였을 경우에 발생되는 사용후핵연료의 양이 경수로형 원전보다 많아서 저장으로 인한 공간이 더욱 많이 필요하고, 또한 중수로를 이용하여 발생한 사용후핵연료가 지하에 저장되는 것이 그 형상으로 인하여 바스켓에 수납되는 저장효율이 더욱 우수하다.

따라서, 본 발명에 따르면 산악지형 등의 지하환경에 사용후핵연료를 저장하여 우리나라 지형에 적합하며, 원전부지의 제한된 저장능력을 극복할 수 있는 효과가 있다.

또한, 지진에 대한 영향이 적고, 테러 등 예상치 못한 외부 충격으로부터 안전하게 사용후핵연료를 저장할 수 있는 효과가 있다.

또한, 자연환경을 이용하여 비교적 균일한 온도를 얻을 수 있어서, 저장 안정성을 높이고, 저장에 따른 유지비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 방사성 누출의 위험이 적고, 사람의 접근으로부터 격리시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 지하환경은 밤낮이나 계절의 변화에 따른 온도차에 민감하지 않으므로, 일정한 온도범위가 유지될 수 있어서 냉각시설 등의 추가적인 설치가 필요하지 않으며, 일정 온도범위로 유지하기 위한 유지비용 등이 절감되는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

1. 중수로의 사용후핵연료를 보관하는 저장시스템에 있어서,

   지상으로부터 일정 깊이에 굴착 형성된 진입터널; 및

   상기 진입터널의 양측면에서 연장되어 상기 사용후핵연료가 다수개 수납된 바스켓이 내부에 수납되는 저장터널;

   을 포함하고, 상기 진입터널의 바닥면은 상기 저장터널의 바닥면보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저장터널은 복수개로서, 상기 진입터널의 양측면에 각각 일정간격을 가지고 형성되되, 양측면에 형성된 저장터널의 입구는 서로 마주보지 않는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 사용후핵연료는 원기둥형상이며, 상기 바스켓에 세워진 형태로 다수개 수납된 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 바스켓은 상기 저장터널의 길이 방향으로 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 바스켓은 다단 형태로 수직방향으로 쌓아 올려 상기 저장터널에 보관되는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 저장터널 내에 장착되며, 상기 저장터널 내부를 모니터할 수 있는 센싱유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
8. 중수로의 사용후핵연료;

   상기 사용후핵연료를 다수개 수납하는 바스켓;

   상기 바스켓이 저장되며, 일정깊이 지하에 형성된 복수의 저장터널; 및

   상기 저장터널과 지상을 연결하는 진입터널;

   을 포함하고, 상기 진입터널의 바닥면은 상기 저장터널의 바닥면보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 저장터널은 상기 진입터널의 양측면에 각각 일정간격을 가지고 형성되되, 양측면에 형성된 저장터널의 입구는 서로 마주보지 않는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
10. 삭제
11. 제 8항에 있어서,

    상기 사용후핵연료는 원기둥형상이며, 상기 바스켓에 세워진 형태로 다수개 수납된 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
12. 제 8항에 있어서,

    상기 바스켓은 상기 저장터널의 길이 방향으로 일렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
13. 제 8항에 있어서,

    상기 바스켓은 다단 형태로 수직방향으로 쌓아 올려 상기 저장터널에 보관되는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.
14. 제 8항에 있어서,

    상기 저장터널 내에 장착되며, 상기 저장터널 내부를 모니터할 수 있는 센싱유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 사용후핵연료의 저장시스템.

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