KR100968332B1 - 경수로 사용후핵연료의 동굴 저장 시스템 - Google Patents

경수로 사용후핵연료의 동굴 저장 시스템 Download PDF

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본 발명은 경수로 사용후핵연료의 동굴 저장 시스템에 관한 것으로서, 지상으로부터 일정 깊이에 굴착 형성되고 강제 환기를 통하여 발열량이 높은 사용후핵연료의 저장이 가능하도록 하며 내부로 들어갈수록 점차 바닥면이 높아지도록 경사지게 형성된 진입터널 및 진입터널의 양측면에서 연장되어 사용후핵연료가 다수개 수납된 저장용기가 수납되고, 내부로 들어갈수록 점차 바닥면이 높아지도록 경사지게 형성된 바닥면을 구비하는 저장동굴을 포함한다. 여기서, 상기 진입터널의 바닥면이 상기 저장동굴의 바닥면보다 낮게 형성될 수 있다. 따라서, 지하환경을 이용하여 원전부지 이용의 한계를 극복하고, 구조적 또는 환경적 안정성을 극대화하며, 우수한 온도, 침수 및 방호환경을 제공할 수 있다.
사용후핵연료, 경수로, 동굴 저장, 강제환기, 지하, 경사

Description

경수로 사용후핵연료의 동굴 저장 시스템{CAVERN STORAGE SYSTEM FOR SPENT NUCLEAR FUEL OF LIGHT WATER REACTOR}
본 발명은 경수로 사용후핵연료의 동굴 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 지하환경을 이용하여 원전부지 이용의 한계를 극복하고, 구조적 또는 환경적 안정성을 극대화하며, 우수한 온도, 침수 및 방호환경을 제공할 수 있는 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템에 관한 것이다.
핵연료는 원자로 안에 장입(裝入)하여 핵분열을 연쇄적으로 일으켜서 이용 가능한 에너지를 얻을 수 있는 물질을 말하며, 사용후핵연료는 핵분열을 일으킨 후에 남은 물질을 말한다. 이러한 사용후핵연료는 재처리 혹은 폐기를 위하여 저장을 하게 되는데, 이러한 저장은 임시저장, 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(사용후핵연료저장조)에 임시로 저장하게 된다.
사용후핵연료는 방사성폐기물이기는 하지만, 쓰고 남은 우라늄과 플루토늄 같은 유용한 물질이 포함되어 있으므로, 열이 식을 때까지 충분히 원전부지 내 또는 중간저장시설에 보관하다가 최종적으로 영구 처분하거나, 재활용을 위한 처리공정을 수행하기 위하여 중간 저장하게 된다.
현재 원자력발전소에서 전기 생산 후 발생되는 사용후핵연료는 일정기간 발전소 부지에서 저장 풀에 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, 저장 효율 및 경제성과 안전성이 높은 저장 시스템이 필요한 시점이다.
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 저장 시스템이 요구된다. 또한, 방사선적 안전성을 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.
본 발명의 다른 목적은 자연환경을 이용하여 비교적 균일한 온도를 얻을 수 있어서 저장 안정성을 높이고, 필요시 강제 환기를 통하여 저장효율을 높일 수 있는 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 지진에 대한 영향이 적고, 저장 풀에서의 저장에 따른 오염된 물의 누출위험을 제거하며, 테러 등 예상치 못한 외부 충격으로부터 안전하게 사용후핵연료를 저장할 수 있는 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우리나라 고유의 지형과 여건에 부합하며, 구조적 안정성을 높일 수 있으며 수입 대체효과가 큰 저장 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 경수로의 사용후핵연료를 보관하는 동굴 저장 시스템은 진입터널 및 저장동굴을 포함한다.
상기 진입터널은 지상으로부터 일정 깊이에 굴착 형성되고 배수 용이성을 위하여 내부로 들어갈수록 점차 바닥면이 높아지도록 경사진 바닥면이 구비될 수 있다. 그리고 상기 저장동굴은 상기 진입터널의 양측면에서 연장되어 상기 사용후핵연료가 다수개 수납된 저장용기를 내부에 수납할 수 있다. 여기서, 상기 저장동굴 역시 상기 진입터널에서 내부로 들어갈수록 점차 바닥면이 높아지도록 경사지게 형성된 바닥면을 구비할 수 있다.
상기 저장동굴은 복수개로써 상기 진입터널의 양측면에 각각 일정간격을 가지고 형성되되, 양측면에 형성된 상기 저장동굴의 출입구는 서로 마주보지 않도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 진입터널의 바닥면은 상기 저장동굴터널의 바닥면보다 낮게 형성될 수 있다. 이로써 상기 진입터널로 유입될 수 있는 수분이 상기 저장동굴로 유입되지 않아 상기 수분이 상기 저장동굴에 저장되는 사용후연료로 접근하지 못하며, 이는 상기 사용후핵연료로부터 오염물질이 외부로 유출되는 것을 차단할 수 있다.
더불어 상기 저장동굴은 출입구측으로부터 내측으로 들어갈수록 바닥면의 높이가 점점 높게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 저장동굴 터널의 테두리 영역에는 상기 저장동굴 터널 내로 침투한 지하수를 집수하여 오염여부를 감시할 수 있는 수조가 형성될 수 있다.
또한 상기 저장용기는 상기 저장동굴의 길이 방향으로 일렬 또는 복수열로 배치될 수 있으나, 그 배치 구조가 이에 한정되거나 제한되지는 않는다.
한편, 본 발명의 상기 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템은 상기 저장동굴 내에 장착되며, 상기 저장동굴 내부를 모니터할 수 있는 센싱유닛을 더 포함할 수 있으며, 또한 상기 저장동굴의 출입구 측에 배치되되 상기 저장동굴 내의 온도 및 습도와, 상기 저장동굴 내에 저장된 상기 사용핵연료의 수 및 저장시기를 표시하기 위한 디스플레이 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 저장동굴은 상기 진입터널의 양측면에 각각 일정간격을 가지고 형성되되, 양측면에 형성된 상기 저장동굴의 입구는 서로 마주보지 않도록 형성될 수 있다. 또는 상기 진입터널은 원형으로 형성되되, 상기 복수의 저장동굴은 상기 진입터널을 중심으로 일정간격 이격되어 형성될 수 있다.
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, 필요에 따라 강제 환기를 통하여 동굴내 저장효율을 현저하게 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 방사성 누출의 위험이 적고, 저장풀에서의 오염된 물의 누출 위험을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 사람의 접근으로부터 격리시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 지하환경은 밤낮이나 계절의 변화에 따른 온도 차에 민감하지 않으므로, 일정한 온도범위가 유지될 수 있어서 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 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 발명은 경수로를 이용하여 생성된 사용후핵연료 및 이로부터 발생된 고준위폐기물에 적용될 수 있다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예로써, 경수로 사용후핵연료의 동굴 저장 시스템을 도시한 단면도이다. 이에 도시한 바와 같이, 산악지형(10)의 지하 하부에 사용후핵연료의 저장 시스템(100)이 위치한다. 상기 저장 시스템(100)은 진입터널(110)과 저장동굴(120)로 형성된다.
우리나라와 같이, 국토의 70%가 산악지형으로 형성된 국가에서는 이러한 산악지형을 이용하여 저장 시스템(100)을 건설하는 것이 유리하다. 즉, 원전부지나 기타 핵폐기장 등을 지상에 건설하지 않고, 지하에 건설하며 특히 산악지형이 대부분인 우리나라의 경우에는 지하 저장 시스템을 건립할 가능 부지가 많다. 따라서, 일반 대중의 접근을 통제함에도 유용할 뿐만 아니라, 저장 효율을 높이고, 부지 확보의 어려움을 줄일 수 있다.
일반적으로 지하 동굴에서는 기온의 변화가 거의 없이 일정한 온도를 유지하 는 것으로 측정된다. 즉, 지상에서의 건식저장고는 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 온도 차에 민감하지 않으므로, 일정한 온도범위를 유지할 수가 있어, 사용후핵연료를 보다 안정된 온도 범위에서 저장할 수 있는 장점이 있다. 또한, 비행기의 추락이나 테러에 의한 폭탄 공격 등에도 지하 저장 시스템은 안전한 장점이 있다.
상기 저장 시스템(100)은 산악지형에 터널을 굴착하여 형성할 수 있으나, 산악지형에 한정되지 않으며 평지에 굴착하여 지하 환경을 조성하는 것도 가능하다.
도 2는 도 1에서 경수로 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 단면도, 도 3은 도1에서 경수로 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 측면도, 도 4는 도1에서 사용후핵연료를 저장한 상태를 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 저장동굴(120)로 구성된다.
상기 진입터널(110)은 로봇 등이 사용후핵연료(131)를 운반 이동할 수 있는 공간을 제공하며, 이러한 상기 진입터널(110)은 지상으로부터 지하에 형성된 저장동굴(120)까지 연결된다. 상기 진입터널(110)의 단면은 아치형일 수 있으나, 그 이외의 형상도 가능하다.
상기 진입터널(110)의 바닥면(112)은 내측으로 갈수록 높이가 상승된다. 도 시된 바와 같이, 상기 진입터널(110)의 바닥면(112)은 일정각도(α)만큼 경사지게 형성된다.
상기 진입터널(110)의 바닥면(112)이 경사지게 형성됨으로써 상기 진입터널(110)에 빗물이나 지하수 등의 수분이 침투하면, 상기 수분이 상기 진입터널(110)의 바닥면(112)을 따라 외부로 방출되어 상기 저장동굴(120)로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
여기서, 상기 저장동굴(120)의 바닥면 높이는 상기 진입터널(110)의 바닥면 높이보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.
더불어 상기 진입터널의 테두리 영역에는 일정 깊이로 파진 집수조가 형성될 수 있으며, 상기 집수조에 상기 수분을 수집하여 오염여부를 측정한 후 외부로 방출되도록 할 수 있다.
상기 저장동굴(120)은 상기 진입터널(110)에 연결되며, 사용후핵연료(131)가 수납되는 저장용기(130)가 복수 개 저장된다. 경수로의 사용후핵연료는 길이가 대략 500 cm, 한변이 대략 21 cm 정도의 사각기둥 형상일 수 있으며, 이는 지름 10 cm, 길이 50 cm 인 원형 형태로 구성된 중수로의 사용후핵연료와 외관상 구분된다.
이러한 사각기둥 형태의 사용후핵연료(131)는 저장용기(130)안에 세워진 형태로 보관되며, 하나의 저장용기(130)에는 복수개의 사용후핵연료(131)가 수납된다.
일 예로, 하나의 저장용기(130)에는 9개의 사용후핵연료(131)가 수납될 수 있다. 또한, 저장효율을 증가시키기 위하여, 상기 저장용기를 다수의 열로 저장하 여 구성할 수도 있으며, 냉각 효과를 극대화하기 위하여 어느 하나의 저장용기(130)와 인접한 다른 저장용기(130)간에는 일정 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다.
상기 저장동굴(120)은 진입터널(110)의 양측면에 연장되어 형성되며, 일측에 형성된 저장동굴(120)은 서로 일정한 간격을 가지고 형성되나, 서로 마주보지는 않도록 형성되는 것이 좋다. 즉, 저장동굴(120)의 양측면에 형성된 진입터널(110)로의 입구가 서로 엇갈려서 형성되는 것이 바람직하다. 이는 사용후핵연료(131)를 수납하기 위하여 상기 저장동굴(120)로 출입하는 다수개의 로봇 등이 동시작업을 할 때, 서로간의 충돌을 방지할 수 있는 효과를 가질 수 있으며, 사용후핵연료의 열이 서로 합쳐지지 않고 효율적으로 냉각될 수 있는 효과가 있다.
상기 진입터널(110) 및 상기 저장동굴(120)에는 환기 및 냉각을 위한 환기시스템(140)이 별도로 갖추어지며, 유지보수 등이 필요시 강제환기에 의하여 내부의 온도를 일정온도 이하로 낮출 수 있다. 아울러, 감시 카메라 등 상기 저장동굴(120)의 상황을 외부에서 감시할 수 있는 센싱유닛(Sensing unit)이 상기 저장동굴 내부에 장착될 수 있다. 또한 본 발명의 상기 저장 시스템(100)은 내부의 온도 및 습도를 나타내고, 또한 상기 저장동굴(120)의 내부에 저장된 사용후핵연료의 수와 저장시기, 추가로 저장될 수 있는 수 등을 나타내는 디스플레이 모듈을 더 포함할 수 있다.
제2 실시예
도 5는 본 발명의 제2 실시예로써, 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템을 도시한 단면도, 도 6은 도 5에서 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 단면도이다. 제2 실시예를 설명함에 있어 본 실시예의 특징을 보다 명확하게 위해 제1 실시예와 중복되는 내용에 대해서는 생략하기로 한다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 저장 시스템(200)은 진입터널(210) 및 저장동굴(220)을 포함한다. 제2 실시예에서 상기 저장동굴(220)은 출입구로부터 내측으로 들어갈수록 바닥면(222)의 높이가 점점 높아지도록 형성된다. 즉, 상기 저장동굴(220)은 일정한 각도(α)를 가지고 경사지게 형성된다.
이로 인해 상기 저장동굴(220)에 지하수 등의 수분이 침투될 시, 상기 수분은 상기 저장동굴(220)에 고여있지 않고, 대신 중력에 의해 상기 저장동굴(220)의 출입구 측으로 흘러나와 집수조에 수집되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 진입터널(210)의 바닥면은 상기 저장동굴(220)의 출입구측의 바닥면보다 더 낮게 형성되어 상기 저장동굴(220)내로 수분이 들어오는 것을 보다 더 효율적으로 차단할 수 있다.
상기 저장동굴(220)에는 복수개의 저장용기(230)가 놓여지며, 상기 저장용기(230)에는 경수로용 사용후핵연료(231)가 저장된다. 여기서, 상기 저장용기(230)는 상기 저장동굴(220)에 저장시에 충격에 의해 움직이거나 쓰러지지 않도록 하기 위해 별도의 고정부재에 의해 고정될 수 있다.
또한, 상기 저장동굴(220)의 테두리 영역에는 일정 깊이로 파여진 집수조가 형성될 수 있으며, 상기 집수조의 지하수는 오염여부에 따라 적절한 처리절차를 거 치게 할 수 있다.
한편, 도 5에서는 상기 저장동굴(220)의 바닥면(222)이 일정 각도로 기울어지게 형성되나, 다른 실시예서는 계단 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 저장동굴(220)의 바닥면(222)은 내측으로 갈수록 단계적으로 높이가 높은 계단층이 형성될 수 있으며, 각각의 상기 계단층에는 사용후핵연료가 수납된 저장용기가 저장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예로써, 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템을 도시한 단면도이다.
도 2은 도1에서 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에서 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 측면도이다.
도 4는 도1에서 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예로써, 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5에서 사용후핵연료를 저장한 상태를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 산악지 100, 200: 사용후핵연료의 저장 시스템
110, 210: 진입터널 120, 220: 저장동굴
130: 저장용기 131: 사용후핵연료
140: 환기시스템

Claims (4)

  1. 경수로의 사용후핵연료를 보관하는 저장 시스템에 있어서,
    지상으로부터 일정 깊이에 굴착 형성되고, 내부로 들어갈수록 점차 높아지도록 경사지게 형성된 바닥면을 구비하는 진입터널;
    상기 진입터널의 양측면에서 연장되어 상기 사용후핵연료가 다수개 수납된 저장용기가 내부에 수납되고, 상기 진입터널에서 내부로 들어갈수록 점차 높아지도록 경사지게 형성된 바닥면을 구비하는 저장동굴; 및
    상기 저장동굴 내부의 온도를 냉각 및 유지시키고 환기시키기 위한 강제 환기시스템;
    을 포함하고, 상기 진입터널의 바닥면이 상기 저장동굴의 바닥면보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장동굴은 복수개로써 상기 진입터널의 양측면에 각각 일정간격을 가지고 형성되되, 양측면에 형성된 상기 저장동굴의 입구는 서로 마주보지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저장동굴은 바닥면이 내측으로 갈수록 높아지도록 계단 형태로 단차지게 형성된 것을 특징으로 하는 경수로 사용후핵연료의 저장 시스템.
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KR102081004B1 (ko) 2018-10-30 2020-04-23 한국원자력환경공단 사용 후 핵연료 전용용기 처분 전 매립형 장기보관시설

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