KR101020784B1 - 초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에 사용되는 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에 사용되는 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수에 관한 것으로, 본 발명에 사용되는 미세 입자의 중성자 흡수 물질은 초임계압수냉각원자로의 냉각수에 오랜 시간 균일하게 분산되어 물이 초임계압 상태에서 극성이 변화하더라도 유동성이 저하되지 않으므로 원자로 노심에서 핵분열로부터 생성되는 여분의 중성자를 흡수할 수 있어 초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치에서 중성자 제어와 원자로를 정지할 수 있는 수단으로 사용될 수 있다.
초임계압수, 원자로, 중성자 흡수, 미세입자, 원자로 정지

Description

초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에 사용되는 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수{Supercritical water dispersed the neutron poison micro-particles used SCWR emergency core cooling system}
본 발명은 초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에 사용되는 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 발전은 토륨, 우라늄, 플루토늄 등과 같은 핵분열 물질을 연쇄적으로 분열시켜 열에너지를 얻고, 그 열에너지로부터 발전에 필요한 동력을 얻는다. 이때, 핵분열 물질은 소결체 형상으로 제조되어 핵연료봉 내에 수용되고, 핵연료봉은 일정한 배열로 묶여 하나의 핵연료집합체를 형성하며, 원자로 내에서는 핵분열 물질의 연쇄반응(반응도: > 1)을 방지하기 위해서 일반적으로 제어봉 및 감속재를 사용하고 있다. 제어봉 및 감속재/냉각재 등을 통해 여분의 중성자 숫자와 속도를 적절히 제어할 수 있으며, 이를 통하여 핵분열반응 에너지를 발전에 사용하 고 있다. 일반적으로 감속재로는 중수(D2O), 경수(H2O), 흑연, 베릴륨 등이 있으며, 상기 감속재/냉각재에 따라 원자로를 경수형 원자로(LWR : PWR, BWR), 중수형 원자로(HWR), 고온 기체 냉각 원자로(HTGR) 등으로 분류할 수 있다.
일례로, 경수로는 원자로의 감속재 및 냉각재로 보통의 물(light water)을 사용하며, 원자로의 핵반응을 이용해서 물을 데워 증기를 발생시키고, 증기를 이용하여 발전에 사용하는 것을 기본 작동 원리로 하고 있다. 따라서, 상기 경수로에서는 원자력발전계통에서 원자로, 증기발생기, 재순환 펌프, 터어빈 및 복수기 등을 필요로 한다.
그러나, 지금까지 원자력은 원자력의 편리함과 함께 방사능사고의 위험 및 방사성폐기물 처리라는 문제점을 안고 있어 이런 단점을 보완하는 4세대 원자력에 대한 요구가 높아지고 있다. 이와 관련하여, 초임계압수냉각원자로(SCWR)에 대한 이론에 대한 관심이 증가하고 있다.
초임계압수냉각원자로(Supercritical water-cooled reactor; SCWR)는 노심 냉각수를 물의 임계 압력 이상으로 가압하고, 노심에서 가열하는 것으로 고온수(350~500 ℃)를 발생시키는 시스템이다. 상기 초임계압수냉각원자로는 원자로 내에 임계압 22.1 MPa 이상의 압력을 형성하고, 약 375 ℃ 이상의 고온에서 유체인 초임계압수를 발생시키기 때문에 종래 경수로에서 사용되던 증기발생기 및 재순환 펌프 등이 불필요하므로 발전계통을 단순하게 제작할 수 있으며, 냉각수가 고온이 므로 발전 효율을 약 44%까지 높일 수 있어, 개량된 화석발전소보다 개선된 특징을 가질 수 있다.
초임계압수냉각원자로에서 냉각재의 운전 온도 범위는 일반적으로 약 280~550 ℃정도이며, 이때 압력은 물의 임계압인 22.1 MPa 보다 높다. 이러한 원자로심의 조건 하에서는, 정상 조건이더라도 물의 밀도가 약 0.1~0.7g/cc 또는 그 이하의 범위에서 심하게 변화하며, 이는 기존의 가압형 경수로나 비등형 경수로보다 훨씬 낮은 값을 갖는다. 이렇게 초임계압 상태에서 물의 밀도가 낮아지는 것은 물분자가 형성하고 있는 수소결합이 떨어지기 때문이다. 이때 물의 기본적인 화학특성은 극성에서 기름과 같은 비극성 성질로 변화한다.
이러한 초임계압수 상태는 크게 두 가지 문제가 발생시키는데, 첫 번째는 속중성자를 열중성자로 변화시키는 물의 밀도저하로 인한 중성자의 감속(moderation)이고, 두 번째는 중성자 흡수물질로 사용하는 붕산의 용해도가 낮아지는 것에 있다. 중성자 감속 문제는 노심에 미임계압 상태의 물봉(water rod)을 추가로 설치하거나 지르코늄 하이드라이드(zirconium hydride)와 같은 고체 감속제를 사용함으로써 해결할 수 있다. 그러나 용해성 중성자 흡수물질을 대체할 방법에 대해서는 적절한 기술이 개발되어 있지 않은 상태이다.
원자력발전소는 언제나 경제성보다는 안전성을 중요시하므로 발전소 설계에서부터 건설·운전·해체까지 모든 단계에서 안전과 관련된 엄격한 규제를 받고 있다. 원자로는 그 자체가 자연법칙에 의한 고유의 안전성을 갖고 있으며, 연동시스 템을 설치하여 원자로가 항상 일정한 안전범위를 벗어나지 않도록 자동적으로 제어한다. 만약 그 범위를 벗어날 경우에는 원자로가 긴급 정지되도록 설계되어 있다.
일반적으로 원자로를 정지시키려면, 중성자를 잘 흡수하는 물질로 이루어진 제어봉을 노심에 삽입한다. 그러나 제어봉이 작동하지 않을 경우를 대비하여 원자로에는 비상노심냉각장치(emergency core cooling system)을 구비하며, 상기 비상노심냉각장치는 원자로를 정지시키고 원자로의 온도상승을 억제하는 역할을 한다.
구체적으로, 상기 비상노심냉각장치는 도 1에 나타낸 바와 같으며, 1) 일정 압력이하로 떨어지면 자동으로 중성자 흡수 물질이 함유된 냉각수가 원자로에 주입되는 어큐물레이션 탱크(3); 2) 중성자 흡수 물질이 함유된 핵연료재장전수 저장 탱크(1); 및 3) 상기 핵연료재장전수 및 원자로건물 바닥 배수조에 모아진 냉각수를 원자로에 다시 주입하는 고압주입펌프(7)를 포함한다. 상기 비상노심냉각장치를 통하여 냉각수에 함유된 중성자 흡수물질이 원자로에 들어가 핵분열을 정지시키게 된다.
이때, 일반적인 경수형이나 비등형 원자로에서는 중성자를 잘 흡수하는 물질이 함유된 냉각수로 붕산수용액을 사용해왔다.
일반적으로 원자로에서 사용되는 용해성 중성자흡수제인 붕산은 극성매질에 잘 용해한다. 따라서 374 ℃ 이하의 미임계압 상태의 물에서는 잘 용해하나 그 이상의 온도인 초임계압 상태에서는 쉽게 용해되지 않는다. 따라서 붕산수용액을 초임계압수냉각원자로에 사용한다면, 상기 붕산수용액이 초임계압 상태로 변화될 때 용해된 붕산은 용해도 차에 의해서 석출될 수 있다. 이러한 현상은 소금과 같은 염 용액에서 널리 알려진 사실이다. 물이 초임계압 상태로 변화할 때 용해된 중성자 흡수제인 붕산이 석출된다면, 냉각수를 이용하여 원자로 제어 및 정지에 대한 기능이 제한되는 문제가 발생한다. 따라서, 초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치에 사용될 수 있는 새로운 냉각수가 필요하다.
이에, 본 발명자들은 물의 극성이 변하더라도 중성자 흡수물질이 냉각수 내에 균일하게 존재할 수 있는 방법을 연구하던 중, 미세입자 형태의 중성자 흡수 물질을 이용하여 냉각수 내에 균일하게 분산시킨 초임계압수냉각원자로용 냉각수를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 물의 극성에 관계없이 입자상태로 유동될 수 있는, 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중성자 흡수 물질이 평균 직경 7 ㎛ 이하의 크기로 균일하게 분산된, 초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치에 사용되는 냉각수를 제공한다.
본 발명에 사용되는 미세 입자의 중성자 흡수 물질은 초임계압수냉각원자로의 냉각수에 오랜 시간 균일하게 분산되어 물이 초임계압 상태에서 극성이 변화하더라도 유동성이 저하되지 않으므로 원자로 노심에서 핵분열로부터 생성되는 여분의 중성자를 흡수할 수 있어 초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에서 중성자 제어와 원자로를 정지할 수 있는 수단으로 적절하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은
초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에서 사용되는 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 원자로 노심에서 핵분열로부터 생성되는 여분의 중성자를 흡수하는 역할을 한다.
상기 중성자 흡수 물질은 붕소(B), 가돌리늄(Gd), 은(Ag) 및 카드뮴(Cd)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 물질을 사용할 수 있다.
바람직하게는 붕소 또는 가돌리늄의 탄화물, 붕소 또는 가돌리늄의 산화물, 붕소 또는 가돌리늄의 질화물, 또는 붕화금속을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 B4C, B2O3, BN, Gd2O3, GdC2. GdN, TiB2 등을 사용할 수 있다.
이때, 상기 중성자 흡수 물질의 크기는 평균 직경이 7 ㎛ 이하인 것이 바람직하며, 평균 직경이 10 nm~1 ㎛인 것이 더 바람직하다. 상기 범위의 크기일 때 중성자 흡수 물질은 물에 균일하게 분산될 수 있고, 15시간 이후에도 안정하게 분산되며, B 농도 기준으로 상온에서 최대 3,500 ppm까지 분산될 수 있다(도 2 참조).
본 발명에 사용되는 상기 중성자 흡수 물질은 붕소를 함유할 경우, 붕소 중 B-10의 동위원소 함량이 19.9% 이상인 것이 바람직하고, 가돌리늄을 함유할 경우에는 상기 가돌리늄 중 Gd-157의 동위원소 함량은 16.65% 이상인 것이 바람직하다. 상기 농도는 대부분의 원자로를 정지시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 중성자 흡수 물질은 물의 극성에 관계없이 입자상태로 유동될 수 있어, 물이 초임계압 상태에서 극성이 변화하더라도 유동성이 저하되지 않으므로 원자로 노심에서 핵분열로부터 생성되는 여분의 중성자를 흡수할 수 있어 초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치에서 중성자 제어와 원자로를 정지할 수 있는 수단으로 적절하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 보다 자세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치를 도 1과 같이 설치하고, 냉각수 저장용기에 1 ㎛ 이하의 B4C 입자를 붕소기준 3,500 ppm의 농도를 분산시킨 냉각수를 넣은 후, 상기 B4C 입자가 분산된 냉각수를 비상노심냉각장치 내에서 순환시켰다.
< 실험예 > 중성자 흡수물질의 분산실험
초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치에 사용할 수 있는 중성자 흡수물질 이 균일하게 분산된 냉각수를 개발하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
평균 직경이 7 ㎛ 이하, 8~10 ㎛, 20~60 ㎛인 세 종류의 B4C 입자를 증류수에 분산시킨 후, 균일한 분산을 알아보기 위하여 헬륨:네온 레이져를 이용하여 틴틀현상을 관찰하였다. 이후, 용기 바닥에 침전하지 않고 안정하게 분산된 입자만을 마이크로 필터를 이용하여 분리하고, 이 분리된 입자들의 무게 측정을 통하여 최대 분산량을 측정하였다(B 농도 기준).
측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
B4C 입자의 평균 직경(㎛) 틴틀현상 최대분산량(ppm. B)
7 이하 활성 3,500
8~10 불활성 10 이하
20~60 불활성 -
표 1에 나타낸 바와 같이, B4C 입자의 평균 직경이 7 ㎛ 이하일 때 최대 3,500 ppm까지 균일하게 분산될 수 있다.
다음으로, B4C 입자가 안정하게 분산되는지를 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
평균 직경이 7 ㎛ 이하인 다양한 입자크기를 함유한 B4C 입자 분산 용액을 5개를 마련하였다. 이후, 1, 2, 5, 14 및 25시간 후에서 용기 바닥에 침전하지 않고 안정하게 분산된 입자만을 마이크로 필터를 이용하여 분리하고, 이 분리된 입자들의 무게 측정을 통하여 분산율을 측정하여 시간의 함수로 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 15시간 까지는 큰 입자들이 계속 침전되나 15시간 이후에는 B4C 입자의 분산율이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
상기 15시간 이후에 안정하게 분산된 입자를 전자현미경으로 입자의 크기를 관찰하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 수용액에서 안정하게 분산된 입자의 평균 직경은 1 ㎛ 이하인 것으로 관찰되었다.
따라서, 직경이 1 ㎛ 이하인 B4C 입자를 붕소기준 3,500 ppm 농도까지 분산시키는 경우, 외부의 유동에너지가 없더라도 입자의 분산상태가 안정하게 유지된다는 것을 알 수 있으며, 이를 초임계압수냉각원자로 비상노심냉각장치용 냉각수로 사용할 경우 물이 초임계압 상태에서 극성이 변화하더라도 유동성이 저하되지 않으므로 중성자 제어와 원자로를 정지할 수 있는 수단으로 적절하게 사용될 수 있다.
도 1은 원자로의 비상노심냉각장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 증류수에서 시간에 따라 분산된 B4C의 분율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 증류수에서 안정하게 분산된 B4C 입자의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 증류수에서 안정하게 분산된 B4C 입자의 전자현미경(SEM) 사진의 확대도이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
1 : 핵연료재장전수 저장 탱크
2 : 원자로
3 : 어큐물레이션 탱크
4 : 분사 시스템
5 : 원자로 격납 용기
6 : 제어봉
7 : 고압주입시스템
Figure 112009016666312-pat00001
: 냉각수의 흐름

Claims (12)

  1. 초임계압수냉각원자로의 비상노심냉각장치에 사용되는, 평균 직경 7 ㎛ 이하 크기의 중성자 흡수 물질이 균일하게 분산된 냉각수.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 붕소(B), 가돌리늄(Gd), 은(Ag) 및 카드뮴(Cd)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 붕소 또는 가돌리늄의 탄화물인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 붕소 또는 가돌리늄의 산화물인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 붕소 또는 가돌리늄의 질화물인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 붕화금속인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 B4C, B2O3, BN, Gd2O3, GdC2. GdN 및 TiB2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 냉각수.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 붕소 중 B-10의 동위원소 함량은 19.9% 이상인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  9. 제2항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가돌리늄 중 Gd-157의 동위원소 함량은 16.65% 이상인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 평균 직경 10 nm~1 ㎛인 것을 특징으로 하는 냉각수.
  12. 제1항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 물의 극성에 관계없이 입자상태로 유동되는 것을 특징으로 하는 냉각수.
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