KR101457266B1 - 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치 - Google Patents

사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중에 위치되는 원통형 형상의 용기 본체와, 수중 밖에 위치되며, 용기 본체 내부의 온도, 습도, 압력 등의 건식환경 조건들을 계측하고 제어하는 계측제어부로 구성되며, 용기 본체에는 중앙에 형성되는 계측용 모의 핵연료 봉과, 본체 내부에 장입되어 계측용 모의 핵연료 봉의 주위에 배치되는 복수 개의 사용 후 핵연료 봉 및 복수 개의 사용 후 핵연료 봉 주위에 배치되거나 복수 개의 사용 후 핵연료 봉 각각의 둘레에 접하도록 형성되어, 상기 복수 개의 사용 후 핵연료 봉에 열을 제공하는 히터가 형성되며, 수중환경에서 운용되는 것을 특징으로 하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치에 관한 것이다. 본 발명의 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치는 고방사선원의 취급안전성을 확보하기 위해 원자력발전소에서 사용된 다수의 고방사선 사용후 핵연료봉을 용기 본체에 장입하여 수중환경에 설치하고, 수중 밖의 계측제어기를 통해 운용되며, 전체 사용 후 핵연료 봉 중 일부를 이용하여 사용 후 핵연료 봉의 건식 열화조건에서의 건전성 평가를 효과적으로 수행할 수 있다.

Description

사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치{Spent Fuel Integrity Test Facility under Accelerator Condition}
본 발명은 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치에 관한 것이다.
사용후 핵연료 저장은 냉각 방식에 따라 습식과 건식으로 나뉘며, 물로 냉각하는 것이 습식저장 방식이고, 저수조에 사용 후 핵연료를 담아 저장하는 방식이다.
한편, 본 발명이 적용되는 건식저장 방식은 물 대신 불활성 기체나 공기를 냉각재로 활용하며 방사선과 물리적 손상을 막기 위해 콘크리트나 금속을 이용해 가둬둔다.
사용 후 핵연료의 장기건식 저장기술이 대두되고 있는 시점에서 사용 후 핵연료의 핵적, 물리적, 화학적 그리고 재료적 특성평가가 필수적으로 필요하다.
사용 후 핵연료의 특성평가 자료를 생산하기 위해서는 가혹한 가속조건에서의 시험이 필요하고, 이를 위한 가속시험장치는 특정구역, 시험조건 및 안전 등 다양한 제한적 조건들이 반영되어야 한다.
종래에는 특정시험 목적에 따른 유사한 시험장치가 있었으나 사용 후 핵연료를 시험재료로 사용하는 경우 사용 후 핵연료를 가속조건에서 대략 수년간 시험을 수행해야 함으로 고온, 차폐 및 열수력을 포함하는 구조적 특성이 반영되어야 하는 문제가 발생된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 사용 후 핵연료를 시험재료로 사용하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 원통형 형상의 용기 본체와, 상기 용기 본체의 상태를 계측하고 제어하는 계측제어부로 구성되며, 상기 용기 본체에는 중앙에 형성되는 계측용 모의 핵연료 봉과, 상기 계측용 모의 핵연료 봉의 주위에 형성되는 복수개의 사용 후 핵연료 봉 및 상기 복수개의 사용 후 핵연료 봉에 열을 제공하는 히터가 형성되는 것을 특징으로 하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치를 제공한다.
상기 히터는 상기 복수개의 사용 후 핵연료 봉(220) 주위에 형성되거나 상기 복수개의 사용 후 핵연료 봉(220-1) 각각의 둘레에 접하도록 형성된다.
상기 용기 본체에는 상기 히터(230)로 형성된 부분의 외측에 형성된 내측 단열 블록(240)과, 상기 내측 단열 블록(240)의 외측에 형성된 내측 용기(250) 및 상기 내측 용기(250)의 외측에 형성된 외측 단열 블록(260)이 더 구비된다.
상기 용기 본체에는 상기 히터(230-1)로 형성된 부분의 외측에 형성된 내측 용기(250-1)와, 상기 내측 용기(250-1)의 외측에 형성된 내측 단열 블록(240-1) 및 상기 내측 단열 블록(240-1)의 외측에 형성된 외측 단열 블록(260-1)이 더 구비된다.
상기 용기 본체에는 상기 외측 단열 블록의 외측에 형성된 외측 용기가 더 구비된다.
상기 계측제어부(300)는 용기 본체(200)의 상부에 연결라인(280)에 의해 연결되며, 계측부와 제어부로 나뉘다.
본 발명은 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100)를 통하여 사용 후 핵연료 건식저장 시스템의 인허가에 필요한 기초자료를 생산함으로써 건식저장 시스템의 상용화에 적극 활용하고, 향후 국내 저장시스템을 수출하기 위한 기초기반 성능자료생산 및 고유 평가방법을 확보하여 기존 외국 상용시스템과의 기술경쟁력 확보가 가능한 장기건식저장시스템을 완성할 수 있는 효과가 발생된다.
본 발명은 전체 사용 후 핵연료 봉 중 일부를 이용하여 사용된 전체 사용 후 핵연료 봉의 건전성을 평가할 수 있는 가속화 종합시험장치을 제공하는 효과가 발생된다.
도 1은 본 발명인 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치를 나타내는 외관정면도.
도 2는 본 발명의 본체 내부와 제어부를 포함하는 제 1 실시예를 나타내는 개략도.
도 3은 본 발명의 본체 내부와 제어부를 포함하는 제 2 실시예를 나타내는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 장기 건식 저장환경에서 사용 후 핵연료의 복합적인 열화 거동 평가 및 특성자료생산을 위한 건전성 평가 종합시험장치로 전체 규모(Full scale)의 사용 후 핵연료 집합체를 사용하지 않고 몇 개의 연료봉만을 이용하여 열화 가속 시험이 가능하도록 한 장치이며, 수중시험, 차폐 및 구조적 내구성 등의 제한된 시험조건을 만족하는 시험장치이다.
사용 후 핵연료를 대상으로 기본적인 열화 단위 메카니즘 시험이 진행되는데 있어 고온, 고방사선 및 불활성 기체분위기 등이 기본적으로 반영되어야 한다.
도 1은 본 발명인 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치를 나타내는 외관정면도이고, 도 2는 본 발명의 본체 내부와 제어부를 포함하는 제 1 실시예를 나타내는 개략도이다.
본 발명인 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100)의 제 1 실시예 구성은 다음과 같다.
사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100)의 구성은 크게 용기 본체(200)와, 상기 용기 본체(200)의 상태를 계측하고 제어하는 계측제어부(300)로 구분할 수 있다.
상기 용기 본체(200)는 전체적으로 원통형 형상이며, 중앙에 형성되는 계측용 모의(Dummy) 핵연료 봉(210)과, 상기 계측용 모의 핵연료 봉(210)의 주위에 방사형으로 형성되는 6개의 사용 후 핵연료 봉(220)과, 상기 6개의 사용 후 핵연료 봉(220) 주위에 형성되는 히터(Heater)(230)와, 상기 히터(230)로 형성된 부분의 외측에 원통 형상으로 형성된 내측 단열 블록(240)과, 상기 내측 단열 블록(240)의 외측에 원통 형상으로 형성된 내측 용기(Inner Vessel)(250)와, 상기 내측 용기(250)의 외측에 원통 형상으로 형성된 외측 단열 블록(260)과, 상기 외측 단열 블록(260)의 외측에 원통 형상으로 형성된 외측 용기(Outer Vessel)(270)를 포함하여 구성된다.
상기 계측용 모의 핵연료 봉(210)은 사용 후 핵연료 봉(220)에 직접 열전대(Thermocouple)나 압력계 등을 장착할 수 없어 본 발명에서 사용 후 핵연료 봉(220) 주위의 온도나 압력 등을 측정하기 위해 마련된 것이며, 따라서, 계측용 모의 핵연료 봉(210)의 길이 방향을 따라서 측정이 필요한 위치마다 열전대와 압력계 등의 각종 측정 장치를 설치한다.
상기 6개의 사용 후 핵연료 봉(220) 주위에 형성되는 히터(230)의 형상은 6개의 사용 후 핵연료 봉(220)으로 형성된 영역에서 일정 반경 이격된 원둘레에 복수개의 히터(230)가 설치되는 형태이다.
상기 복수개의 히터(230)는 사용 후 핵연료 봉(220)으로 형성된 영역에 열을 공급하는 역할을 수행한다.
상기 내측 단열 블록(240)은 히터(230)에 의해 형성된 열전대의 온도를 유지하는 역할을 하며, 외측 단열 블록(260)은 외부로 전도되는 열을 차단하는 역할을 수행한다.
상기 계측제어부(300)는 용기 본체(200)의 상부에 연결라인(280)에 의해 연결되며, 계측부와 제어부로 나뉘고, 상기 계측부는 용기 본체(200)의 내부 온도 등의 환경적 조건들을 계측하고, 상기 제어부는 계측부에서 계측된 결과를 통하여 전력량, 가스압력, 습도 등 필요한 제어 명령을 한다.
대략 3년간의 시험기간을 고려하여 각각의 기능은 시험요건, 재료의 적용특성 및 인.허가 등의 제반 사항이 반영되어야 한다.
본 발명의 시험장치는 15m 저장 수조에서 설계기준으로 600℃ 내부온도를 3년간 유지해야 함으로 시험장치의 기본적인 종합성능에서 차폐, 단열 및 계측 등의 기능이 수반되어야 한다.
상기 외측 용기(270)(Outer Vessel)는 차폐와 기계적 강도의 유지 및 단열 기능을 수행하며, 상기 내측 용기(250)(Inner Vessel)는 밀폐와 열적 내구성 및 접합(Junction) 기능을 수행한다.
상기 접합은 내측 용기(250)를 관통하여 설치되는 계측기 라인, 히터(230) 라인 등이 설치될 때 누설 없이 접합되도록 형성되는 것을 말한다.
그리고 상기 히터(230)는 열분포가 균등하게 되고, 3년 이상 내구성이 유지되어야 하며, 상기 계측제어부(300)는 전력을 공급하는 파워(Power)와 방사선 모니터링 시스템(RMS: Radiation monitoring system) 및 고장 등 비상 사태 발생시 적절한 조치가 취해지도록 비상조치 방법이 구비되어야 한다.
기타로 고려해야할 사항은 본 발명의 시험장치가 15m 깊이의 수조 내 설치됨으로 설치를 위한 크레인 등의 장치가 잘 구비되어야 하고, 장비를 조작하기 위한 시설이 용이하게 구비되어야 한다.
한편, 도 3은 본 발명의 본체 내부와 제어부를 포함하는 제 2 실시예를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 제 2 실시예인 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100-1)의 구성은 크게 용기 본체(200-1)와, 상기 용기 본체(200-1)의 상태를 계측하고 제어하는 계측제어부(300-1)로 구분할 수 있다.
상기 용기 본체(200-1)는 전체적으로 원통형 형상이며, 중앙에 형성되는 계측용 모의 핵연료 봉(210-1)과, 상기 계측용 모의 핵연료 봉(210-1)의 주위에 방사형으로 형성되는 6개의 사용 후 핵연료 봉(220-1)과, 상기 6개의 사용 후 핵연료 봉(220-1) 각각의 둘레에 접하도록 형성되는 히터(230-1)와, 상기 히터(230-1)로 형성된 부분의 외측에 원통 형상으로 형성된 내측 용기(250-1)와, 상기 내측 용기(250-1)의 외측에 원통 형상으로 형성된 내측 단열 블록(240-1)과, 상기 내측 단열 블록(240-1)의 외측에 원통 형상으로 형성된 외측 단열 블록(260-1)과, 상기 외측 단열 블록(260-1)의 외측에 원통 형상으로 형성된 외측 용기(270-1)를 포함하여 구성된다.
제 2 실시예는 제 1 실시예와 달리 히터(230-1)가 핵연료 봉 각각의 둘레에 형성되며, 내측 단열 블록(240-1)이 내측 용기(250-1)의 외측에 원통 형상으로 형성된다.
한편, 본 발명인 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100, 100-1)의 제 1 실시예와 제 2 실시예 각각의 기술요건은 다음과 같다.
기본요건으로 계측용 모의(Dummy) 연료봉 1개와, 계측용 사용 후 핵연료봉 6개가 구비되며, 600℃ 내부 온도를 3년간 유지 운전하고, 대기압의 불활성 기체 분위기에서 운전이 수행되어야 한다.
그리고 열수력 요건으로 핵연료봉이 위치되는 코어 부분의 온도가 600℃를 유지하고, 외부용기의 외측 수조의 온도는 25℃를 유지해야 한다.
히터(230)(Heater)의 용량은 10kW 이하이고, 단열재는 열전도도가 0.05 W/m.K 인 내방사선 재료이어야 한다.
한편, 기계적 요건은 다음과 같다.
사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100, 100-1)의 제한무게는 5 ton 미만이며, 5톤 이상인 경우에는 수조 내에서 무게 하중에 의해 지진 발생시 문제가 발생될 우려가 있다.
사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100, 100-1)의 내진은 축방향 0.2g, 횡방향 0.3g이며, 가스기밀 및 냉각수의 방수가 요구되고, 조작 및 설치구조의 편이성이 요구된다.
한편, 차폐 요건은 다음과 같다.
본 발명인 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100, 100-1)는 수조 속에 설치되기 때문에 수중에서 차폐가 요구되는 최소 조건이 반영되어야 하고, 비상작업을 고려하여 공기 중 1시간 작업이 가능하도록 연납을 설치한다.
상기 연납은 시험장치의 상부 1.5m 정도를 둘러싸도록 형성되며, 비상작업을 할 경우에 허용 방사선 내에서 1시간 작업이 가능하도록 기능을 한다.
시스템 조정부 요건은 다음과 같다.
계측제어부(300, 300-1)가 마련된 시스템 조정부에는 가스공급 조절부(MFC: Mass flow controller), 배수조절부(Drain pump), 출력 조절부(PID: Proportional-Integral-Derivative), 원격제어시스템 등이 구비된다.
50여 개의 열전대, 압력, 고온습도 및 방사선 등을 조절하는 계장 조절부와 비상안전 시스템이 구비된다.
상기와 같은 조건이 구비된 본 발명을 이용하여 3년간 사용 후 핵연료 봉(220, 220-1)의 건식저장 시험이 진행된다.
본 발명은 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치(100)를 통하여 사용 후 핵연료 건식저장 시스템의 인허가에 필요한 기초자료를 생산함으로써 건식저장 시스템의 상용화에 적극 활용하고, 향후 국내 저장시스템을 수출하기 위한 기초기반 성능자료생산 및 고유 평가방법을 확보하여 기존 외국 상용시스템과의 기술경쟁력 확보가 가능한 장기건식저장시스템을 완성할 수 있는 효과가 발생된다.
상기와 같이 본 발명은 전체 사용 후 핵연료 봉 중 일부를 이용하여 사용된 전체 사용 후 핵연료 봉의 건전성을 평가할 수 있는 가속화 종합시험장치을 제공하는 효과가 발생된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치
200: 용기 본체 210: 계측용 모의 핵연료 봉
220: 사용 후 핵연료 봉 230: 히터
240: 내측 단열 블록 250: 내측 용기
260: 외측 단열 블록 300: 계측제어부

Claims (6)

  1. 수중에 위치되는 원통형 형상의 용기 본체와,
    수중 밖에 위치되며, 상기 용기 본체 내부의 온도, 습도, 압력 등의 건식환경 조건들을 계측하고 제어하는 계측제어부로 구성되며,
    상기 용기 본체에는
    중앙에 형성되는 계측용 모의 핵연료 봉과,
    상기 본체 내부에 장입되어 상기 계측용 모의 핵연료 봉의 주위에 배치되는 복수 개의 사용 후 핵연료 봉 및
    상기 복수 개의 사용 후 핵연료 봉(220) 주위에 배치되거나 상기 복수 개의 사용 후 핵연료 봉(220-1) 각각의 둘레에 접하도록 형성되어, 상기 복수 개의 사용 후 핵연료 봉에 열을 제공하는 히터가 형성되며, 수중환경에서 운용되는 것을 특징으로 하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기 본체에는
    상기 히터(230)로 형성된 부분의 외측에 형성된 내측 단열 블록(240)과,
    상기 내측 단열 블록(240)의 외측에 형성된 내측 용기(250) 및
    상기 내측 용기(250)의 외측에 형성된 외측 단열 블록(260)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기 본체에는
    상기 히터(230-1)로 형성된 부분의 외측에 형성된 내측 용기(250-1)와,
    상기 내측 용기(250-1)의 외측에 형성된 내측 단열 블록(240-1) 및
    상기 내측 단열 블록(240-1)의 외측에 형성된 외측 단열 블록(260-1)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 용기 본체에는
    상기 외측 단열 블록의 외측에 형성된 외측 용기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 사용 후 핵연료 건전성 평가 종합시험장치.
  6. 삭제
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