KR100817616B1

KR100817616B1 - 사용후핵연료의 완충 블록 및 이를 이용한 저장 시스템

Info

Publication number: KR100817616B1
Application number: KR1020060097179A
Authority: KR
Inventors: 최종원; 최희주; 이종열; 이양; 김건영
Original assignee: 한국원자력연구원; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-03-31

Abstract

고준위폐기물 처분시스템은 지하 수백미터에 위치한 건전한 암반에 설치되어, 다중방벽을 이용하여 고준위 폐기물을 인간이 생활하는 환경과 격리시켜 안전성을 확보하는 처분 시스템으로서, 다중방벽은 공학적 방벽과 자연방벽으로 구성된다. 공학적 방벽의 일부인 완충재는 방사성 핵종이 인간환경으로 누출되는 것을 막는 중요한 부분으로서 100 ^oC 이하에서 성능을 완전하게 유지한다. 본 고안은 사용후핵연료 또는 고준위폐기물 심지층처분시 상술한 공학적 방벽으로 사용하는 벤토나이트 완충재블록의 열전도도를 향상시킬 수 있는 첨가제가 함유된 블록층을 추가하여 성능은 유지하면서 열확산속도를 증대하여 처분밀도를 높일 수 있는 다층블록에 관한 것이다. 이와 같이 완충재 블록의 열전도도를 향상시킴으로써, 열적 제한치(완충재 블록 온도 < 100 ^oC)를 만족시키는 처분밀도를 증대시켜 처분장 면적을 감소시킬 수 있다.

사용후핵연료, 벤토나이트, 열 전달 계수

Description

사용후핵연료의 완충 블록 및 이를 이용한 저장 시스템{SPENT NUCLEAR FUEL'S BUFFER BLOCK AND STORAGE SYSTEM USING THE BLOCK}

도 1은 본 발명의 사용후핵연료 처분시스템의 정면도이다.

도 2는 도 1의 A-A’를 절단하여 도시한 단면도이다.

도 3은 사용후핵연료를 저장하는 모습을 도시한 정면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10：사용후핵연료의 저장시스템 50：사용후핵연료

100：처분용기 200：처분수납공

300：제1 완충재 350：제2 완충재

400：처분터널 500：트럭

본 발명은 사용후핵연료를 지하 심부에 처분시 공학적 방벽 구성요소인 완충 블록 및 이를 이용한 처분시스템에 관한 것으로서, 사용후핵연료 또는 고준위폐기물을 심지층 처분시 완충재 블록에 첨가재를 혼합하여 열 전달 계수를 향상시킨 완 충재 블록을 추가하여 안전하고도 열 전달이 효과적인 완충재 블록 및 이를 포함하는 처분시스템에 관한 것이다.

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

먼저, 사용후핵연료는 그 속에 포함된 핵분열생성물 때문에 원자로에서 꺼낸 이후에도 오랜 기간 동안 강력한 방사선과 열을 낸다. 따라서 발전소에서 근무하는 작업자와 인근에 거주하는 주민을 방사선으로부터 보호하고 열을 제거하기 위하여 사용후핵연료는 발전소의 연료건물 안에 있는 수영장처럼 물이 가득 차 있는 곳(사용후연료저장조)에 임시 저장하게 된다.

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

영구처분은 일반적으로 지하 500 ~ 1,000 미터의 단단한 암반층에 사용후핵연료를 저장하는 것을 의미한다. 고준위폐기물을 인간환경으로부터 격리시키는 기 한은 수만 또는 수 십만년 정도가 요구된다. 이처럼 오랜 기간 동안 사용후핵연료를 안전하게 저장하기 위해서는 사용후핵연료를 저장하는 처분 용기와 처분수납공, 그리고 완충재의 내구성이 확보되어야 할 것이다. 특히, 완충재는 외부에서 처분용기로 지하수가 침투하지 못하도록 물의 차단 능력이 뛰어나야 하며, 또한 사용후핵연료에서 빠져 나올 수 있는 방사능 물질을 효과적으로 흡착할 수 있어야 한다. 또한, 완전히 식지 않은 사용후핵연료로부터 방출되는 열을 효과적이고 신속하게 외부로 방출하기 위해 열 전달 계수가 커야 할 것이다.

종래의 사용후핵연료를 심지층에 처분하는 시스템은 완충재 블록의 낮은 열 전달 계수로 인하여 설계의 주요 요건인 완충재의 온도가 100도 이하로 유지하기 위해서는 처분용기를 정치시키는 처분공의 간격을 길게 하거나, 처분터널의 간격을 길게 하는 수 밖에 없어 처분을 위한 소요면적이 크게 요구되어 부지확보 등에 보다 큰 어려움이 따르게 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 사용후핵연료를 처분용기에 담아 심지층에 처분할 때, 방사능 물질의 외부 누출 및 처분용기에 지하수가 침투하는 것을 차단하기 위해 기존에 사용했던 완충재에 열 전달 계수가 높은 흑연(탄소) 또는 모래 등이 첨가된 새로운 완충재 층을 추가로 구성하여 사용후핵연료에서 발생한 열을 외부로 원활히 방출함으로써, 안전성 및 보관성을 향상시킨 다중층 완충재 블록 및 이를 포함하는 처분시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 열 전달 계수가 높은 재료를 첨가한 완충재 블록을 다중으로 구성하여, 사용후핵연료를 처분하는 처분공의 간격 또는 처분터널의 간격을 좁혀 처분밀도를 증가시킴으로써, 부지의 공간 활용도를 높일 수 있는 사용후핵연료 처분시스템의 완충재 블록 및 이를 포함하는 처분시스템을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 본 발명의 사용후핵연료 처분시스템의 다중층 완충재 블록은 상기 사용후핵연료를 내부에 저장하는 처분용기 외부에 배치되어 상기 처분용기의 외측벽을 감싸면서 형성된 제1 블록과, 상기 제1 블록의 외측을 감싸면서 형성된 제2 블록으로 형성된다. 상기 제1 블록은 물 및 방사능 물질을 흡착하는 능력이 뛰어난 벤토나이트에 흑연, 모래 등의 첨가물을 적어도 하나 이상과 일정 혼합비로 형성될 수 있다. 특히, 상기 첨가물의 혼합비는 0.1 % 내지 9 % 함량 시에 열 전달 효과가 적게는 60 %에서 많게는 100 %까지 개선된다. 상기 제1 블록에 상기 흑연을 0.1 % 이하로 함유 시에는 뚜렷한 열 전달 의 증가폭이 나타나지 않으며, 10 % 이상으로 함유 시에는 취성이 증가되어 균열이 발생하기 쉬워지며, 물 차단 또는 방사능 물질을 흡착하는 능력이 떨어지는 단점이 있다. 상기 제2 블록은 순수한 벤토나이트로 구성되어 지하수가 상기 처분용기로 침투하는 것을 차단하고, 또한 처분용기로부터 새어나올 수 있는 방사능 물질이 외부로 새어나가는 것을 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 사용후핵연료의 처분시스템은 상기 사용후핵연료를 내부에 저장하는 처분용기와, 암반층을 굴착하여 형성된 처분수납공과, 상기 처분용기와 상기 처분수납공 사이에 배치되어 상기 사용후핵연료로부터 나오는 열을 효과적으로 외부로 전달하는 제1 완충재 블록과, 상기 처분용기와 상기 처분수납공 사이에 배치되어 상기 사용후핵연료로부터 나올 수 있는 방사능 물질을 차단하고 또한 상기 처분용기로 지하수가 침투하는 것을 차단하는 제2 완충재 블록을 포함한다.

상기 처분용기는 원통형으로 형성되고 열 전달 계수가 높으며 방사능 물질이 투과되지 않는 재질을 사용한다

상기 처분수납공은 상기 처분용기의 외관의 형상에 대응하여 형성되고, 상기 처분용기보다 크게 형성되어 상기 처분용기를 수납할 수 있다. 상기 처분수납공과 상기 처분용기의 크기의 차이는 상기 처분수납공과 상기 처분용기 사이에 형성되는 상기 제1 및 제2 완충재의 두께와 연관된다. 물론 상기 제1 및 제2 완충재의 두께는 열 전달 효과, 물 차단 및 방사능 물질의 흡착 효과, 내구성 또는 경제성 등 다양한 요소들을 고려하여 결정될 것이다.

이와 같이 구성하여, 심지층에 저장된 사용후핵연료로부터 발생하는 열의 방출이 용이하고, 열 전달 계수가 높은 재료를 완충재로 사용하여 처분 수납공 및 처분터널의 간격을 축소할 수 있어 부지의 공간 활용도가 증가되며, 다중층의 완충재로 인해 물 또는 방사능 물질의 침투 및 누출을 차단하는 효과가 상승된다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 수직처분 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 수평처분 등 다양하게 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 사용후핵연료의 처분시스템의 정면도이고, 도 2는 도 1의 A-A’를 절단하여 도시한 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 사용후핵연료 처분시스템(10)은 처분용기(100)와, 처분수납공(200)과, 제1 완충재(300) 및 제2 완충재(350)를 포함한다.

상기 처분용기(100)는 원통형으로 형성되어 내부에 사용후핵연료(50)를 저장할 수 있다. 사용후핵연료(50)는 상기 처분용기(100)에 저장된 상태에서도 지속적으로 발열한다. 상기 처분수납공(200)은 상기 처분용기(100)를 수납하는 공간을 제공하고, 지하의 암반을 굴착하여 형성한다. 상기 처분수납공(200)은 상기 처분용기(100)보다 큰 지름으로 형성되는데, 상기 처분용기(100)와의 크기 차이는 상기 처분용기(100)와 상기 처분수납공(200) 사이에 배치되는 상기 제1 완충재(300) 및 제2 완충재(350)의 두께와 연관된다.

상기 제1 완충재(300)는 상기 처분용기(100)의 외측면을 감싸면서 형성된다. 즉, 상기 처분용기(100)의 상하측면의 모든 부분이 상기 제1 완충재(300)에 의해 둘러 쌓인다. 상기 제1 완충재(300)는 벤토나이트가 주재료로 사용한다. 상기 벤토나이트는 고온에서 물성치가 악화되는 재질로서, 100도 이상으로 올라갈 경우에는 상기 물 차단 또는 방사능 물질을 흡착하는 성능이 떨어지게 된다. 이런 이유로 상기 사용후핵연료(50)로부터 발생하는 열을 신속하게 외부로 방출하는 것이 필요하다. 이러한 상기 제1 완충재(300)는 상기 벤토나이트에 열 전달 계수가 높은 물질인 흑연, 모래 중에서 적어도 하나 이상 혼합할 수 있다.

흑연을 일예로 들면, 상기 흑연을 사용할 경우에는 상기 제1 완충재(300)의 전체 함량 중 0.1 % ~ 9 % 정도로 함유하는 것이 좋다. 이때, 5 % 정도의 함유시에도 열 전달율은 적게는40 %부터 많게는100 %까지 증가하는 것을 실험을 통해 알 수 있다. 상기 흑연을 0.1% 이하로 사용할 경우에는 기존과 비교해서 열 전달율의 증가가 미미하다. 또한, 상기 흑연을 10% 이상으로 할 경우에는 열 전달율은 크게 증가되나 취성이 증가하여 균열이 발생하기 쉽고, 물 또는 방사능 흡착성이 떨어져 안전성에 문제가 발생하게 된다.

상기 제1 완충재(300)는 열전도도가 2.0 W/mK이상되도록 첨가제를 혼합하는 것이 바람직하며, 벤토나이트 및 상기 첨가제 이외에 열전도도 조건을 만족하는 다양한 재질이 사용될 수 있다

상기 제2 완충재(350)는 상기 제1 완충재(300)의 외측면을 감싸면서 형성된다. 즉, 상기 제1 완충재(300)의 상하측면의 모든 부분이 상기 제2 완충재(350)에 의해 둘러 쌓인다. 상기 제2 완충재(350)는 순수 벤토나이트로 구성된다. 상기 벤토나이트는 점토물질로서, 물 차단 또는 방사능 물질을 흡착시키는 능력이 매우 뛰어난 재료이다. 특히, 심지층에서는 지하수가 상기 처분수납공(200)으로 유입이 될 수 있는데, 상기 지하수가 유입되면 자칫 상기 처분용기(100)까지 침투하여 방사능 물질이 외부로 누출될 수 있다. 상기 벤토나이트는 외부에서 침투하는 지하수와 같은 수분을 흡수하여 상기 처분용기(100)로 물이 침투하는 것을 차단한다. 또한, 상기 벤토나이트는 상기 처분용기(100)가 외부의 힘에 의해 표면에 균열이 발생하거나, 오랜 기간이 지나면서 부식이 발생하여 새어나가는 방사능 물질을 흡수하여 외부로 누출되지 않도록 할 수 있다.

상기 제1 완충재(300) 및 제2 완충제(350)의 두께는 상기 사용후핵연료(50)의 저장시시 지하수 및 방사능 물질로부터의 안정성, 요망되는 열 전달율, 작업의 신속성 및 경제성 등을 고려하여 결정할 수 있다.

도 3은 사용후핵연료를 처분수납공에 저장하는 것을 개념적으로 도시한 정면도이다. 이에 도시한 바와 같이, 처분수납공(200)에 먼저 제1 완충재(300)를 투입시키고, 이후 제2 완충재(350)를 투입한다. 이때 상기 처분수납공(200)의 상부는 개방되고, 상기 처분용기(100)를 수납하기 위한 공간을 중앙에 제공한다. 트럭(500)을 이용하여 사용후핵연료가 저장된 상기 처분용기(100)를 처분터널(400)로 이송한다. 상기 트럭(500)에 적재된 상기 처분용기(100)를 상기 처분수납공(200)에 삽입하기 위해 상기 트럭(500)을 적당한 위치에 정차시킨다. 상기 처분용기(100)를 상기 처분수납공(200)에 삽입한다. 상기 제1 완충재(300)를 상기 처분용기(100)의 상측면을 덮어 밀폐시킨다. 이후 상기 제2 완충재(350)를 상기 제1 완충재(300)의 상측면을 덮어 밀폐시킨다.

따라서, 제1 완충재 및 제2 완충재의 다층구조로 인해 열 전달율이 크게 개선되고, 지하수의 침투 및 방사능 물질의 누출을 효과적으로 차단할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 벤토나이트를 이용한 완충재에 벤토나이트에 흑연, 모래 등을 혼합하여 형성된 완충재를 추가로 구성하여 열 전달율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 열 전달 계수가 높은 재료를 사용하여 사용후핵연료를 처분하기 위한 부지면적을 축소하는 것이 가능하고, 부지의 공간 활용도를 증가시키는 효과가 있다.

또한, 다중층의 완충재를 구성하여 외부로부터 유입되는 지하수의 침투를 방지하고, 처분용기로부터 새어나올 수 있는 방사능 물질을 흡착하여 외부로 누출되는 위험을 차단할 수 있는 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

사용후핵연료를 지하 심지층에 저장하여 처분하는 사용후핵연료의 완충 블록에 있어서,

상기 사용후핵연료가 내장된 처분용기의 외부에 형성되어 상기 처분용기의 외측벽과 접하는 제1 블록; 및

상기 제1 블록과 다른 재질로 구성되어 상기 제1 블록의 외측벽과 접하여 형성된 제2 블록;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 완충 블록.
제1항에 있어서,

상기 제1 블록은 벤토나이트로 형성되되, 흑연 또는 모래를 일정 혼합비로 첨가하여 혼합 형성된 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 완충 블록.
제1항에 있어서

상기 제2 블록은 벤토나이트를 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 완충 블록.
사용후핵연료를 심지층에 저장하여 처분하는 사용후핵연료의 저장시스템에 있어서,

사용후 핵연료를 저장하는 처분용기;

암반층을 굴착하여 형성되고, 상기 처분용기를 수납하는 처분 수납공;

상기 처분 용기와 상기 처분 수납공 사이에 형성되며, 열전도도가 높은 벤토나이트와 모래 또는 탄소 혼합물 재질로 형성된 제1 완충재; 및

상기 처분 용기와 상기 처분 수납공 사이에 형성되며, 흡착성이 높은 순수 벤토나이트 블록 재질로 형성된 제2 완충재;

를 포함하는 사용후핵연료의 저장시스템.