KR101502414B1 - 중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법에 관한 것으로서, 380개의 핵연료채널로 이루어지는 CANDU형 원자로의 일부 핵연료채널에, 천연우라늄의 핵연료팰렛 대신 Co-59(혹은 Mo-99)를 포함하는 동위원소표적을 포함하는 번들을 장입하여 중성자를 조사하도록 구성함으로써, 방사선동위원소인 Co-59를 Co-60으로 변환시켜 Co-60을 대량생산할 수 있도록 한 중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법에 관한 것이다.

Description

중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ISOTOPE USING CANDU TYPE REACTOR}

중수로 원자로에서 방사성 동위원소를 생산할 수 있도록 하는 제조방법에 관한 것이다.

원자력발전소의 원자로는 원자로내의 핵연료가 핵분열하면서 발생시키는 열을, 일반 경수로 냉각을 하느냐 중수로 냉각을 하느냐에 따라 경수로와 중수로의 두가지로 구분된다. 우리나라에는 대부분이 경수로이지만 월성 1, 2, 3, 4호기는 캐나다의 기술을 바탕으로 지어진 중수로이다. 이 중수로는 원자로내에 핵연료다발을 수직으로 한꺼번에 장입하는 경수로와는 달리, 380개의 핵연료채널이 있고 각 핵연료채널에 12개의 핵연료번들을 장입하게 되어 있다(도 1, 2). 중수로의 핵연료는 천연우라늄으로 만들어지고 팰렛이라고 하는 핵연료는 지르칼로이합금으로 만들어진 핵연료봉(Zr Fuel Sheath)에 채워진후 밀봉되고 이렇게 제작된 핵연료봉 36개를 묶어 하나의 다발로 만든 것을 핵연료번들이라고 한다(도 3). 이 핵연료번들은 핵연료채널에 12개씩 장입하는데 이 핵연료번들을 핵연료채널에 장입하고 또 사용한 핵연료번들을 꺼내는 기능을 수행하는 기계가 바로 핵연료장전기(Fueling Machine)이다. 특히, 중수로는 천연핵연료를 사용하기 때문에 핵연료를 자주 새것으로 갈아주어야 하는데 이 때마다 핵연료장전기가 핵연료채널의 양단을 열고 핵연료번들을 장입하고 인출하게 된다. 보통 하루에 2개채널에 해당되는 수(약 23~24개의 핵연료번들)의 핵연료번들을 새로장입하고 똑같은 수의 연소된 핵연료를 꺼내게 되기 때문에 380개 핵연료채널은 1년에 한번 완전히 핵연료를 교체하게 되지만, 경수로와는 달리 정상출력운전중에도 핵연료의 교체가 가능한 장점을 가지고 있다. 고준위방사성폐기물인 사용후핵연료는 핵연료장전기로부터 나와서 사용후핵연료저장조에 이르기까지 사람이 피폭되지 않도록 이송가능하게 설비가 갖추어져 있다(도 6).

중수로의 특성상 노심의 온도변화에 따라 핵연료온도계수, 냉각재온도계수, 감속재온도계수의 3가지가 합쳐져 출력계수가 결정된다. 중수로에서 일정부분 출력을 낮추어 운전을 해야하는 경우, 부(-)반응도를 주입하여 출력중 나오는 중성자의 일부를 흡수해야 하는데, 현재의 방식으로는 조절봉(Adjuster Rod)을 삽입하는 방법, 냉각재에 소량의 붕산을 첨가하는 방법, 액체영역제어기의 수위를 높이는 방법이 있다. 그러나 이 세가지 경우 모두 핵연료연소도 관점에서 본다면 출력을 줄인 만큼은 잃어버리는, 즉 손해를 보는 것이 사실이다. 본 발명에서는 이렇게 출력을 줄여야 하는 만큼 (-)반응도를 삽입하여 잉여중성자를 포획하여 버리는 기존의 방식이 아니라, 이들 잉여중성자를 방사성동위원소 표적에 조사시킴으로써 유용한 방사성동위원소를 대량 생산하는 방법을 제안하고자 한다.

기존의 중수로에서 Co-60을 생산하는 방식은 중수로의 반응도를 제어하기 위한 목적으로 칼란드리아내부에 설치된 21개의 조절봉(Adjuster Rod)을 사용하는 것이다(도 7참조). 이 조절봉은 스테인레스강으로 만들어져 있는데(도 10), 설치하고 인출을 하기 위해서는 도 7에 보는 바와 같이 칼란드리아볼트위에서 작업을 해야한다. 이 때 조절봉 인출과 장입을 위해서는 모든 작업을 사람이 직접 칼란드리아볼트 상부에서 게이트를 열고 조절봉을 분리한 후, 수송용기에 피폭을 피할 수 있도록 집어넣어야 하는데 이를 위해서는 무거운 수송용기를 수동크레인에 매어달아 칼란드리아볼트에 잠기게 만들어 인출한 조절봉을 칼란드리아볼트의 물속에서 집어넣는 작업을 해야한다. 이는 일단 작업자가 칼란드리아볼트위에 계속 머물러있어야 하기 때문에 과도한 피폭의 가능성이 매우 높을 뿐 아니라, 무거운 수송용기를 칼란드리아볼트위에서 매달고 작업해야하며 조절봉설치와 인출시 구동케이블을 연결했다가 다시 절단하는 작업을 해야하는 등으로 이물질이 칼란드리아볼트 내로 들어갈 가능성이 매우 높은데다, 칼란드리아볼트의 상부는 조절봉 이외에도 제1정지계통의 제어봉 등 다양한 설비들이 설치되어 있어 자칫 이들을 손상시킬 수 있는 등, 위험한 고난이도의 작업을 반복적으로 수행해야하는 어려움이 있다. 따라서, 칼란드리아볼트위로 접근이 가능한 원자로 계획예방정비기간중에만, 즉 최소한 1년이상에 한달정도의 기간에만 설치 및 인출작업이 가능하며, 이 때마다 커다란 수송용기를 격납건물내로 넣었다가 빼내야하기 때문에 기기해치(Equipment hatch)를 개폐해야하는 불편함이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 중수로에서 일정부분 출력을 낮추어 운전을 해야하는 경우, 부(-)반응도를 주입하여 출력중 나오는 중성자의 일부를 흡수해야 하는데, 현재의 방식으로는 조절봉(Adjuster Rod)을 삽입하는 방법, 냉각재에 소량의 붕산을 첨가하는 방법, 액체영역제어기의 수위를 높이는 방법이 있다. 그러나 이 세가지 경우 모두 핵연료연소도 관점에서 본다면 출력을 줄인 만큼은 잃어버리는, 즉 손해를 보는 것이 사실이다. 본 발명에서는 이렇게 출력을 줄여야 하는 만큼 (-)반응도를 삽입하여 잉여중성자를 포획하여 버리는 기존의 방식이 아니라, 이들 잉여중성자를 방사성동위원소 표적에 조사시킴으로써 유용한 방사성동위원소를 대량 생산하는 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 중수로 핵연료연료봉에 핵연료팰렛 대신에 Co-59를 포함한 방사성표적을 삽입한 표적번들을 제작하여, 일부 핵연료채널에 이 Co-59를 포함하는 동위원소표적번들을 장입하여 중수로 운전중 중성자 조사시킴으로서, Co-59가 Co-60으로 변환되도록 하고 주기적으로 이 변환된 Co-60이 포함된 동위원소표적번들을 빼냄으로서 대규모의 Co-60의 생산이 이루어지도록 한다. 이 때, Co-59를 포함하는 표적번들은 반응도조절 관점에서 본다면, 앞서 기술한 세가지 기존방법 대신 노심에 (-)반응도를 삽입하는 셈이 된다. 출력이 380개 채널에서 골고루 이루어진다고 할 때 출력감소에 해당되는 분량의 핵연료채널의 수량(Ne)은 출력 10%를 줄인다고 하면 38개의 채널이 되는 것과 같이 비례적으로 결정될 수 있으므로 Ne 갯수에 해당하는 핵연료채널에서 출력이 나오지 않도록 하거나 노심전체에서 10%에 해당하는 중성자를 흡수할 수 있도록 하면 되는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 핵연료채널 Ne개 중에서 일부(예: Ne/2)는 정상적인 핵연료를 장입하고 나머지(예: Ne/2)에는 Co-59 표적을 넣은 번들을 장입해 놓음으로써 잉여출력부분에 해당되는 Ne/2개의 채널에서 나오는 중성자를 다른 Ne/2의 채널에 흡수시켜 전체적으로 필요한 만큼의 출력을 낮추어 안전한 영역에서만 운전을 하도록 하여 안전성을 만족시키고, 잉여출력(Ne/2)의 중성자를 흡수시켜 유용한 방사성동위원소인 Co-60을 생산하도록 함으로써 경제적인 손실을 보상할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 본 발명에서 제안한 Co표적 번들은 핵연료교체시 핵연료번들의 취급과 동일한 절차와 방법을 사용하여 장입 및 인출되기 때문에 기존의 조절봉을 이용한 방법처럼 과다피폭의 문제, 다른 설비를 손상시킬 가능성, 칼란드리아볼트내로 이물질 유입 등의 문제가 발생할 가능성이 전혀 없다는 것이다. 또한, 매일 핵연료교체작업이 수행되므로 필요에 따라서 언제든지 Co 표적의 장입 및 인출이 가능하여 Co 공급이 필요한 때에 적시에 공급이 가능할 뿐 아니라, 인출된 Co표적번들을 수송용기에 적재하는 것도 손상핵연료저장수조에서 작업이 가능하기 때문에 기존의 방법처럼 계획예방정비기간까지 기다리는 등의 시간적 제약에서 벗어날 수가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 방사성동위원소는 산업계에서는 비파괴검사를 위해 많이 사용되고 있고, 의약계에서는 방사선치료, 멸균 및 소독, 진단검사 등에 다양하게 활용되고 있다. 이러한 방사성동위원소중 전체 시장에서 약 45%이상을 차지하고 있는 것이 Co-60이며, 이는 반감기가 약 5.2년으로 충분히 길고 베타붕괴하면서 안정된 Ni-60으로 변환되는데 이 때 방사화된 Ni-60에서는 에너지가 각각 1.17MeV, 1.33MeV인 감마선을 방출하게 된다.

1그램의 Co-60은 반감기에 해당하는 붕괴를 통해 44TBq (1100Ci)의 방사능을 낸다. 이 Co-60은 중수형원자로에서 생산이 가능하기 때문에 중수로가 많은 캐나다에서 세계 전체의 83%정도를 공급하고 있다. 그러나 캐나다에서는 Co-60생산의 큰 부분을 차지하던 G-2등의 원자로를 폐쇄하게 됨에 따라 향후 전세계적으로 Co-60의 공급에 심각한 차질이 유발될 것으로 예상하고 있다. 우리나라에도 중수로가 4기나 있으나 Co-60을 생산하고 있지 않아 필요로하는 Co-60은 전량 수입에 의존하고 있는 상태이다. 따라서, 본 발명은 우리나라에서도 월성의 중수로 1, 2, 3, 4호기를 이용하여 Co-60의 대량생산이 가능하며, 국내수요는 물론 해외수출 물량도 충분히 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 CANDU 원자로의 구조를 나타낸 일실시에의 내부 구조도.
도 2는 CANDU 원자로의 구조 및 핵연료채널을 나타낸 일실시예의 구조도.
도 3은 CANDU 원자로 핵연료 및 핵연료번들을 나타낸 일실시예의 사시도.
도 4는 CANDU 핵연료번들의 단면을 일실시예의 단면도.
도 5는 CANDU 원자로 핵연료교체 및 핵연료장전기를 나타낸 일실예의 도면.
도 6은 CANDU 핵연료 장전 및 인출 경로를 나타낸 일실시예의 구성도.
도 7은 CANDU 원자로구조 및 Adjuster Rod 위치를 나타낸 일실시예의 내부 사시도.
도 8은 Co-60의 붕괴 및 감마선방출, CANDU 노심내 핵분열반응 및 중성자밸런스(from CNSC Training Manual for CANDU Reactor Physics)를 나타낸 도면.
도 9는 중수로 핵연료채널 Index 및 조절봉(Adjuster Rod) 위치를 나타낸 일실시예의 도면.
도 10은 중수로의 조절봉(Adjuster Rod)을 나타낸 일실시예의 내부 사시도.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이러한 본 발명에 따른 일실시예를 살펴보면, 중수로 원자로 핵연료봉의 장착홀 중 사전설정구역에, 다수의 방사성 동위원소 표적으로 이루어지는 표적번들을 삽입장착하여 동위원소를 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표적번들은 중수로 원자로 내에 장착삽입되어, 중수로 운전중 중성자를 조사함으로써, 내부의 방사선 동위원소 Co-59가 Co-60으로 변환되며, 변화된 Co-60이 포함된 표적번들은 주기적으로 외부로 배출되어 Co-60를 생산할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중수로 원자로가 출력을 낮추어 운전을 해야 하는 경우, 출력을 낮춘만큼에 상응하는 (-)반응도를 주입하여, 출력중 나오는 잉여 중성자가 방사성 동위원소 표적에 조사될 수 있도록 함으로써, 방사성 동위원소의 생산량이 증가될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방사성 동위원소 표적은 코발트재질을 가지는 팰렛인 것을 특징으로 한다.

이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법은 중수로원자로의 핵연료연료봉에 핵연료팰렛 대신에 Co-59를 포함한 방사성표적을 삽입한 표적번들을 제작하여, 일부 핵연료채널에 이 Co-59를 포함하는 동위원소표적번들을 장입하여 중수로 운전중 중성자 조사시킴으로서, Co-59가 Co-60으로 변환되도록 하고 주기적으로 이 변환된 Co-60이 포함된 동위원소표적번들을 빼냄으로서 대규모의 Co-60의 생산이 이루어지도록 한다.

이 때, Co-59를 포함하는 표적번들은 반응도조절 관점에서 본다면, 상기의 세가지 기존방법 대신 노심에 (-)반응도를 삽입하는 셈이 된다. 출력이 380개 채널에서 골고루 이루어진다고 할 때 출력감소에 해당되는 분량의 핵연료채널의 수량(Ne)은 출력 10%를 줄인다고 하면 38개의 채널이 되는 것과 같이 비례적으로 결정될 수 있으므로 Ne 갯수에 해당하는 핵연료채널에서 출력이 나오지 않도록 하거나 노심전체에서 10%에 해당하는 중성자를 흡수할 수 있도록 하면 되는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 핵연료채널 Ne개 중에서 일부(예: Ne/2)는 정상적인 핵연료를 장입하고 나머지(예: Ne/2)에는 Co-59 표적을 넣은 번들을 장입해 놓음으로써 잉여출력부분에 해당되는 Ne/2개의 채널에서 나오는 중성자를 다른 Ne/2의 채널에 흡수시켜 전체적으로 필요한 만큼의 출력을 낮추어 안전한 영역에서만 운전을 하도록 하여 안전성을 만족시키고, 잉여출력(Ne/2)의 중성자를 흡수시켜 유용한 방사성동위원소인 Co-60을 생산하도록 함으로써 경제적인 손실을 보상할 수 있도록 하는 것이다.

기존의 중수로에서 Co-60을 생산하는 방식은 중수로의 반응도를 제어하기 위한 목적으로 칼란드리아내부에 설치된 21개의 조절봉(Adjuster Rod)을 사용하는 것이다(그림 7참조). 이 조절봉은 스테인레스강으로 만들어져 있는데, 설치하고 인출을 하기 위해서는 도 7에 보는 바와 같이 칼란드리아볼트위에서 작업을 해야한다. 이 때 조절봉인출과 장입을 위해서는 모든 작업을 사람이 직접 칼란드리아볼트 상부에서 게이트를 열고 조절봉을 분리한 후, 수송용기에 피폭을 피할 수 있도록 집어넣어야 하는데 이를 위해서는 무거운 수송용기를 수동크레인에 매어달아 칼란드리아볼트에 잠기게 만들어 인출한 조절봉을 칼란드리아볼트의 물속에서 집어넣는 작업을 해야한다. 이는 일단 작업자가 칼란드리아볼트위에 계속 머물러있어야 하기 때문에 과도한 피폭의 가능성이 매우 높을 뿐 아니라, 무거운 수송용기를 칼란드리아볼트위에서 매달고 작업해야하며 조절봉설치와 인출시 구동케이블을 연결했다가 다시 절단하는 작업을 해야하는 등으로 이물질이 칼란드리아볼트 내로 들어갈 가능성이 매우 높은데다, 칼란드리아볼트의 상부는 조절봉이외에도 제1정지계통의 제어봉 등 다양한 설비들이 설치되어 있어 자칫 이들을 손상시킬 수 있는 등, 위험한 고 난이도의 작업을 반복적으로 수행해야하는 어려움이 있다. 따라서, 칼란드리아볼트위로 접근이 가능한 원자로 계획예방정비기간중에만, 즉 최소한 1년이상에 한달정도의 기간에만 설치 및 인출작업이 가능하며, 이 때마다 커다란 수송용기를 격납건물내로 넣었다가 빼내야하기 때문에 기기해치(Equipment hatch)를 개폐해야하는 불편함이 있다.

중수로에서는 날마다 약 2개채널(약 23~24개의 핵연료번들)에 대해서 핵연료장전기(Refueling Machine)을 사용하여 핵연료를 교체하고 있는데, 핵연료장전기를 사용하게 되면 핵연료번들의 장입 및 인출은 사람이 직접 손을 대지 않기 때문에 피폭의 가능성이 거의 없는 것은 물론, 방사능준위가 매우 높은 인출된 사용후 핵연료도 핵연료장전기의 내부 매거진에 들어있는 채로 이동시킬 수 있어 취급이 매우 간편해진다. 핵연료장전기의 매거진에 들어있는 사용후핵연료는 도 6에서 보는 것처럼 사용후핵연료 방출수조에서 물속에 잠긴채로 안전하게 방출되고 물속의 이송루트를 따라 최종적으로 격납건물 밖에 위치한 사용후핵연료저장조까지 이송하게 된다. 특히, 인출된 핵연료중에서 문제가 있는 손상된 핵연료는 사용후 핵연료 방출수조에서 깡통에 넣어 밀봉한 후 격납건물 밖의 사용후핵연료저장조 옆에 있는 손상핵연료저장조까지 안전하게 이송시킬 수 있다. 이러한 작업은 핵연료교체시에 항상 하는 작업이고 모든 공정이 자동설비 그리고 물속에서 이루어져 작업자가 피폭될 가능성이 거의 없으며 다른 작업에 방해가 될 일도 거의 없다.

본 발명에서 제안한 Co표적 번들은 이러한 핵연료번들의 취급과 동일한 절차와 방법을 사용하여 장입 및 인출되기 때문에 기존의 조절봉을 이용한 방법처럼 과다피폭의 문제, 다른 설비를 손상시킬 가능성, 칼란드리아볼트내로 이물질 유입 등의 문제가 발생할 가능성이 전혀 없다는 것이다. 또한, 매일 핵연료교체작업이 수행되므로 필요에 따라서 언제든지 Co 표적의 장입 및 인출이 가능하여 Co 공급이 필요한 때에 적시에 공급이 가능할 뿐 아니라, 인출된 Co표적번들을 수송용기에 적재하는 것도 손상핵연료저장수조에서 작업이 가능하기 때문에 기존의 방법처럼 계획예방정비기간까지 기다리는 등의 시간적 제약에서 벗어날 수가 있다.

이론적인 Co-60의 생산성(1g Co-59를 의 중성자속에 조사할 경우)

(from PRODUCTION OF COBALT-60 IN PARR-1/KANUPP (CANDU), Mushtaq Ahmad

Isotope Production Division, PINSTECH, Islamabad)

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

1. 중수형 원자로 핵연료번들과 동일한 절차 및 방법으로 교체하면서도 방사선동위원소의 대량생산이 가능하도록 하기 위하여,
   중수형원자로 핵연료번들이 장착되는 핵연료채널중 일부에, 핵연료번들을 구성하는 핵연료봉내의 핵연료팰렛을 생산하고자하는 방사선표적으로 대체한 핵연료번들을 장착하여, 중수형 원자로내에서 중성자조사시켜 동위원소를 제조하고,
   상기 방사선표적이 들어있는 핵연료번들은 중수로 원자로 내에 장착삽입되어, 중수로 운전중 중성자를 조사함으로써, 내부의 방사선 동위원소 Co-59가 Co-60으로 변환되며, 변환된 Co-60이 포함된 핵연료번들은 주기적으로 외부로 배출되어 Co-60을 생산할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로를 이용한 동위원소 제조방법.
   
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