KR101046515B1 - 고준위폐기물 포장용기-완충재 일체화 모듈형 처분용기 및 그것을 이용한 고준위폐기물의 처분 시스템 - Google Patents

Abstract

방사성폐기물을 처분하기 위하여 일체화된 모듈로 형성된 고준위폐기물의 처분용기 및 그것을 이용한 처분시스템이 제시된다. 고준위폐기물을 지하 심지층에 저장하여 처분하는 고준위폐기물의 처분용기는, 상기 고준위폐기물을 수용하는 포장용기, 물의 침투 및 누출된 방사성물질이 외부로 빠져나가는 것을 막아주는 상기 포장용기 주위에 설치한 완충재, 및 이들을 수용하며 지하 처분환경에서의 역학적 하중에 견디고 부식을 방지하는 처분용기로 구성되며, 이들을 모듈화시켜 다각형 모양으로 형성한 것을 특징으로 한다.

이러한 구성을 방사성폐기물 처분시스템에 있어서 공학적 방벽이라고 한다. 그리고, 이들을 일체형 모듈 시스템으로 구성함으로써, 기존에 처분용기와 완충재를 설치하기 위하여 각각 별도 공정으로 수행해왔던 것을 하나의 공정으로 통합하여 공정을 단순화시키고 더불어 취급 안전성을 높일 수 있고, 처분 동굴에서의 설치 안정성과 처분 안전성 및 처분효율을 획기적으로 개선시킬 수 있다.

사용후핵연료, 고준위폐기물, 심지층 처분, 처분용기, 완충재, 공학적 방벽

Description

고준위폐기물 포장용기-완충재 일체화 모듈형 처분용기 및 그것을 이용한 고준위폐기물의 처분 시스템{MODULE SYSTEM OF THE HLW CANISTER AND BUFFER MATERIAL}

본 발명은 고준위폐기물의 처분용기, 완충재, 공학적 방벽 및 저장/ 처분시스템에 관한 것으로서, 사용후핵연료 또는 고준위폐기물을 심지층 처분에 사용되는 처분용기의 저장효율이나 보관효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 완충재 블록에 첨가재를 혼합하여 열 전달 계수를 향상시킨 완충재 블록을 추가하여 안전하고도 열 전달이 효과적인 방사성폐기물의 처분용기, 완충재로 구성된 공학적 방벽에 대한 일체화 모듈 시스템에 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 근무하 는 작업자와 인근에 거주하는 주민을 방사선으로부터 보호하고 열을 제거하기 위하여 사용후핵연료는 발전소의 연료건물 안에 있는 수영장처럼 물이 가득 차 있는 곳(사용후연료저장조)에 임시 저장 또는 중간 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 나머지는 방사능 준위에 따라 폐기물을 분류한다. 이러한 유용물질 추출과정인 재처리 후에 발생하는 고준위폐기물은 일반적으로 유리와 함께 고화하여 심지층에 영구처분하게 된다.

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

현재, 가장 전통적인 방법은 처분하기 위한 깊이에 처분터널과 처분공을 굴착하여 처분공에 완충재를 일부 설치하고 고준위폐기물을 설치하고 다시 완충재를 설치하는 공정으로 이루어져 있다.

이 방법은 완충재 물질 설치, 고준위폐기물 처분용기 설치 등 각각의 공정을 거쳐야 하므로 작업공정과 공정물질의 취급이 복잡하고, 비교적 정밀을 요하는 작업특성으로 인하여 완충재 블록을 여유간극이 없게 설치할 경우 고준위폐기물 처분용기 설치를 실패할 경우도 발생하게 된다.

또한, 기존의 처분용기는 원통형으로 구성되어 있어 처분터널에 수평 설치시에도 별도의 거치대 설치 등 추가 장비와 공정이 소요된다.

그리고 처분시스템의 효율을 높이기 위한 완충재의 열전달 계수 향상을 위한 이중 완충재 블록의 설치가 용이하지 않으며, 설치 소요시간도 길게 된다.

따라서, 본 발명은 기존의 공학적 방벽을 구성하는 고준위폐기물 용기와 완충재 설치를 위한 취급 및 공정을 별도로 수행함으로써 발생되는 공정의 복잡성, 취급상의 문제 및 시간적, 경제적 낭비요소를 줄이고, 처분 효율 및 안전성을 높일 수 있는 고준위폐기물 포장용기-완충재 일체화 모듈형 처분용기 및 그것을 이용한 고준위폐기물의 처분 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 기존 시스템이 갖는 문제를 해결하기 위하여 처분용기와 완충재 물질을 단면이 다각형인 형태로 일체화시킴으로써, 처분 깊이에서의 환경에 따른 구조적 안전성과 부식 저항성을 가지면서 처분공정을 단순화하고 그에 따른 취급용이성과 처분 효율 및 안전성을 획기적으로 개선시킨 고준위폐기물 포장용기-완충재 일체화 모듈형 처분용기 및 그것을 이용한 고준위폐기물의 처분 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 고준위폐기물을 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 고준위폐기물에서 발생한 열을 외부로 원활히 방출함으로써, 안전성 및 보관성을 향상시킨 방사능 폐기물의 처분용기, 처분시스템 및 저장 시스템을 제공하는데 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 고준위폐기물의 처분용기는 고준위폐기물을 지하 심지층에 저장하여 처분하는 고준위폐기물의 처분용기에 있어서, 상기 고준위폐기물을 수용하도록 내부가 중공된 포장용기, 상기 포장용기를 감싸도록 구비된 완충재, 및 상기 완충재의 외측면에 구비되고 내부식성과 고강도의 재료로 형성된 쉘을 포함한다. 그리고, 상기 포장용기와 상기 완충재 및 상기 쉘이 일체화 모듈형으로 형성되며, 상기 완충재와 상기 쉘은 다각형의 단면 형상으로 형성된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 고준위폐기물 처분하는데 있어서 기존의 처분용기와 완충재를 각각 별도 공정에서 취급했던 시스템을 처분용기와 완충재를 단면이 다각형인 형태로 일체화시켜, 처분 깊이에서의 환경에 따른 구조적 안전성과 부식 저항성을 가지면서 처분공정을 단순화하고 그에 따른 취급용이성과 처분 효율 및 안전성을 획기적으로 개선시킨 효과가 있다.

또한, 기존의 벤토나이트를 이용한 완충재에 벤토나이트에 흑연, 모래 등을 혼합하여 형성된 완충재를 추가로 구성하여 열 전달율을 높여 처분효율을 향상시키는 효과가 있으며, 2중으로 완충재층을 구성하여 지하수의 유입을 방지하여 처분안전성을 높이는데도 큰 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고준위폐기물(110)의 포장용기(120)를 도시한 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고준위폐기물(110)의 처분용기(100)를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 A-A'에 따른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고준위폐기물(110)의 처분용기(100)는, 기존의 각각 분리되어 취급하는 용기와 완충재로 구성된 공학적 방벽을 일체화하여 모듈화시킨 것으로써, 취급용이성, 안전성 및 처분 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 고준위폐기물(110)의 처분용기(100)는, 포장용기(120), 완충재(210), 및 쉘(220)로 구성될 수 있다.
포장용기(120)는 내부의 유리고화 고준위폐기물(110)이 외부로 누출되지 않도록 하는 부재이다. 일반적으로, 포장용기(120)는 내부가 중공된 원통 형상으로 형성될 수 있다.
완충재(210)는 고준위폐기물(110)이 저장된 포장용기(120)의 손상시 방사성 물질의 누출 및 이동을 지연시키고 외부로부터 지하수의 유입을 저지하는 기능을 수행하는 부재이다.
여기서, 완충재(210)는 포장용기(120)의 외측을 감싸는 구조로 포장용기(120)와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 완충재(210)는 포장용기(120)의 외측면에 밀착된 상태이다.
또한, 완충재(210)는 다각형의 단면 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 완충재(210)는 외주면에 둘레를 따라 복수개의 평면을 가지는 구조로 형성될 수 있다.
쉘(220)은 심부지하 처분환경에서의 수압 및 외부 완충재 팽윤압 등 역학적 하중에 견딜 수 있을 뿐만 아니라 부식에 장기간 동안 저항하여 고준위폐기물이 안전하게 처분될 수 있도록 내부식성과 고강도의 재질로 형성된다. 이하, 본 실시예에서는 쉘(220)이 티타늄 소재로 형성된 티타늄 쉘(220)인 것으로 설명한다.
또한, 티타늄 쉘(220)은 완충재(210)의 외측면에 일체로 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 티타늄 쉘(220)은 완충재(210)와 함께 다각형의 단면 형상을 형성할 수 있도록 완충재(210)의 외측면에 코팅될 수 있다.
상기와 같이 구성된 포장용기(120)와 완충재(210) 및 티타늄 쉘(220)은 일체화되어 하나의 모듈로 형성될 수 있으며, 처분용기(100)는 다각형의 단면을 갖는 다각형 기둥으로 형성될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 처분용기(100)가 사각형의 단면을 갖는 사각형 기둥으로 형성된 것으로 설명한다.
이 고준위폐기물(110)의 처분용기(100)는 지하 수백미터에 굴착한 처분터널의 바닥면에 원격 취급장치에 의하여 눕혀진 상태로 단순하고 간편한 공정으로 설치될 수 있으며, 복수개가 적층될 수도 있다.

이러한 공학적 방벽인 처분용기(100)의 일체화 모듈은 지하에 매설하게 되며, 지하의 예시로서, 동굴을 도시하기로 한다. 도 4는 본 발명에 따른 고준위폐기물(110)의 처분용기(100)가 저장되는 동굴의 모습을 도시한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 처분용기(100)를 이용한 고준위폐기물의 처분시스템(200)을 나타낸 개략도이다.

본 발명에 따른 고준위폐기물의 처분시스템(200)은, 원기둥 형상으로 형성되고 고준위폐기물(110)을 저장하는 포장용기(120), 다각형 형상으로 형성되고 포장용기(120)의 주위에 배치된 열전도도가 높은 벤토나이트와 모래 또는 탄소 혼합물 재질로 형성된 제1 완충재(210), 포장용기(120)와 제1 완충재(210)를 내부에 수용하도록 형성된 티타늄 쉘(220)로 구성된 일체화 모듈의 처분용기(100)를 포함한다. 여기서, 제1 완충재(210)는 도 2와 도 3에 개시된 완충재(210)와 동일한 구성이다.
이와 같은 처분용기(100)는 암반층(300)을 굴착하여 형성된 수납 터널(500)에 설치될 수 있다.
그리고, 일체화 모듈의 처분용기(100) 주변에는 흡착성이 높은 순수 벤토나이트 블록 재질로 형성된 제2 완충재(230)가 일정한 두께로 설치될 수 있다.
또한, 수납터널(500)의 나머지 공간은 터널 굴착시에 생성된 파쇄암과 벤토나이트를 일정 비율로 혼합한 뒷채움재(Backfill)(240)가 설치될 수 있다.
이와 같은 수납터널(500)은 저장동굴(510), 저장동굴(510)에서 지표까지 연결된 진입터널(520)을 포함한다. 진입터널(520)은 저장동굴(510) 방향으로 기울어져 내려오도록 경사지게 형성될 수 있다.

상기 저장동굴(510)에는 복수개의 처분용기(100)가 놓여지며, 상기 처분용기(100)의 내부에는 유리고화 고준위폐기물(110)이 저장된다. 여기서, 처분용기(100)는 다각형의 단면 형상으로 형성되므로, 다각형의 외측면 중 어느 하나가 저장동굴(510)의 바닥면에 안정적으로 안착될 수 있다. 즉, 처분용기(100)는 저장동굴(510)의 바닥면에 수평 방향으로 눕혀지게 설치할 경우, 충격이나 자중에 의해 임의로 움직이거나 쓰러질 위험성이 획기적으로 감소될 수 있다.

또한, 상기 저장동굴(510)의 테두리 영역에는 일정 깊이로 파여진 집수조(250)가 형성될 수 있으며, 상기 집수조의 지하수는 오염여부에 따라 적절한 처리절차를 거치게 할 수 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.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

도 1은 본 발명의 고준위폐기물의 포장용기를 도시한 정면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 고준위폐기물의 처분용기를 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 A-A'에 따른 단면을 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 고준위폐기물의 처분용기가 저장되는 동굴의 모습을 도시한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 처분용기를 이용한 고준위폐기물의 처분시스템을 나타낸 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110：유리고화 고준위폐기물 120：포장용기

100：고준위폐기물의 처리용기 200：고준위폐기물의 처리 시스템

210：완충재, 제1 완충재 220 : 티타늄 쉘

230：제2 완충재 240 : 뒷채움재

Claims (4)

1. 고준위폐기물을 지하 심지층 암반에 저장하여 처분하는 고준위폐기물의 처분용기에 있어서,

   상기 고준위폐기물을 수용하도록 내부가 중공된 포장용기;

   상기 포장용기를 감싸도록 구비된 완충재; 및

   상기 완충재의 외측면에 구비되고, 내부식성과 고강도의 재료로 형성된 쉘을 포함하고,

   상기 포장용기와 상기 완충재 및 상기 쉘이 일체화 모듈로 형성되며, 상기 완충재와 상기 쉘은 다각형의 단면 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 고준위폐기물의 처분용기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 완충재는 벤토나이트로 형성되되, 흑연 또는 모래를 일정 혼합비로 첨가하여 혼합 형성된 것을 특징으로 하는 고준위폐기물의 처분용기.
3. 제1항에 있어서

   상기 쉘은 티타늄 소재로 형성된 티타늄 쉘인 것을 특징으로 하는 고준위폐기물 처분용기.
4. 고준위폐기물을 심지층에 저장하여 처분하는 고준위폐기물의 처분시스템에 있어서,

   고준위폐기물을 수용하는 포장용기, 상기 포장용기의 외측에 일체로 형성되고 다각형의 단면 형상으로 형성된 제1 완충재, 및 상기 제1 완충재와 함께 다각형의 단면 형상을 형성하도록 상기 제1 완충재의 외측에 일체로 형성되고 내부식성과 고강도의 재질로 형성된 쉘을 포함하는 처분용기;

   암반층을 굴착하여 형성되고, 상기 처분용기의 다각형 측면이 바닥면에 안착되도록 상기 처분용기가 수납되는 수납터널;

   상기 처분용기와 상기 수납터널 사이에 형성되며, 순수 벤토나이트로 형성된 제 2 완충재: 및

   상기 처분용기 및 상기 제 2 완충재와 상기 수납터널 사이에 형성된 빈 공간에 채우게 되는 뒷채움재;

   로 구성되는 것을 특징으로하는 고준위폐기물의 처분시스템.

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