KR101556758B1 - 피동 안전장치를 구비한 원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피동 안전장치를 구비한 액체금속을 냉각재로 사용하는 원자로에 관한 것이다. 본 발명에 따른 피동 안전장치를 구비한 원자로는 노심과, 피동 안전장치를 포함한다. 그리고 상기 피동 안전장치는, 일단은 상기 노심의 상부에 고정되며 자유단은 상기 노심을 향해서 연장되며 적어도 일부가 상기 노심을 냉각하는 냉각재에 담겨 냉각재의 온도 상승에 따라서 길이가 증가하는 고정봉과, 상기 고정봉의 자유단에 결합하며 그 내부에 중성자 흡수체가 내장된 흡수체 봉을 구비한다. 본 발명에 따른 피동 안전장치는 통상의 원자로에도 큰 설계 변화 없이 용이하게 설치되어 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한, 냉각재의 온도가 상승하면, 특별한 조작 없이, 자동적으로 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Description

피동 안전장치를 구비한 원자로{A nuclear reactor with a passive safety device}

본 발명은 원자로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피동 안전장치를 구비한 액체금속을 냉각재로 사용하는 원자로에 관한 것이다.

원자로는 기본적으로 중성자와 원자의 핵분열 반응에서 나오는 에너지를 이용하는 장치이다. 중성자는 에너지에 따라 낮은 에너지의 열중성자와 높은 에너지의 속중성자 등으로 나뉘며 이에 따라 원자로도 열중성자를 이용하는 열중성자로와 속중성자를 이용하는 고속로로 나뉜다. 일반적으로 핵분열 반응에서는 대부분 속중성자들이 튀어나온다.

열중성자로의 경우 감속재를 사용하여 속중성자를 열중성자로 감속시켜 핵분열에 사용될 수 있도록 하지만 고속로의 경우 감속 없이 속중성자를 그대로 핵분열에 사용한다. 이러한 이유로 고속로의 냉각재는 감속능력이 매우 낮은 액체금속이 고려되며 소듐(Na)이 대표적이다. 공이 무거운 물체에 충돌하면 거의 에너지가 손실되지 않은 상태로 반사되는 것과 마찬가지로 액체금속 냉각재는 감속능력이 매우 낮다. 일반적인 열중성자로에서는 감속재로 물을 사용하므로 중성자의 대부분의 에너지가 물에 전달되어, 고속중성자가 열중성자로 변한다. 속중성자는 열중성자에 비해 핵분열 단면적이 작기 때문에 고속로에서는 상대적으로 우라늄(U) 연료의 농축도를 높이거나 용도에 따라서는 플루토늄(Pu)과 같은 초우라늄 원소를 연료로 사용하는 것이 일반적이다.

이러한 액체금속 냉각 고속로들에서 일반적으로 냉각재 온도 변화에 따른 노심의 반응도 변화를 나타내는 온도계수(Coolant Temperature Coefficient, CTC)가 보통 양의 값을 가진다. 고속로에서 양의 냉각재 온도계수를 초래하는 몇 가지 원인이 있지만 주요한 원인으로 중성자의 에너지가 높은 쪽으로 이동하는 중성자 스펙트럼의 경화현상이 있다. 원래 액체금속 냉각재의 중성자 감속능력은 매우 적지만 원자로의 온도 상승에 따라 냉각재의 밀도가 감소하게 되면 감속능력이 더욱 낮아져 온도 상승 이전보다 원자로내 중성자의 에너지가 높아지게 된다. 이와 같은 스펙트럼 경화에 따라서 우라늄 및 초우라늄 원소들의 경우 중성자 포획 확률은 낮아지고 핵분열 확률은 비슷하거나 약간 증가하여 결과적으로 중성자흡수당 발생하는 핵분열중성자의 수가 증가하여 노심의 반응도 증가로 이어진다. 이와 같은 현상은 플루토늄과 같은 초우라늄 원소에서 보다 뚜렷하게 발생한다. 따라서 핵연료의 연소도가 높아져 초우라늄 원소가 축적된 경우나 장주기 소듐냉각고속로 혹은 연소용 소듐 냉각고속로와 같이 많은 초우라늄 연료가 장전된 경우 냉각재 온도계수는 더 큰 양의 값을 가지게 된다. 냉각재 온도계수에 영향을 미치는 또 다른 요인으로는 냉각재 온도 증가에 따른 밀도 감소시 나타나는 냉각재에 의한 중성자 포획의 감소가 있다. 즉, 냉각재 온도 증가로 밀도가 감소하면 냉각재에 의한 중성자의 흡수가 감소되어 노심의 반응도가 증가하게 된다.

통상 원자로 사고시 반응도가 상승하면 출력 상승으로 인하여 원자로의 온도가 상승하게 된다. 이러한 사고 상황시 원자로의 안전성 관점에서 온도의 상승이 반응도의 감소로 이어지는 소위 음의 반응도 궤환효과가 바람직하므로 이를 달성하기 위하여 비균질한 노심 설계, 감속 물질을 장전을 통한 중성자 스펙트럼의 연화 혹은 중성자 누설의 증가 등과 같은 여러 가지 개념들이 제안되었지만 그러한 방법들은 노심 설계 단계부터 고려되어야 하거나, 노심설계를 매우 복잡하게 하고, 또는 중성자 경제성을 크게 해치는 단점이 있다.

또 다른 방법으로는 강력한 중성자 흡수물질을 활성노심의 위 혹은 아래에 위치시키고 활성노심과 배관으로 연결해서 노심의 온도가 높아지면 중성자 흡수 물질이 활성노심으로 주입될 수 있도록 하는 피동 안전 주입 장치가 제안되었지만 이러한 피동적인 음의 반응도 주입 장치는 핵연료집합체 및 노심설계를 매우 복잡하게 만들며 그 효과 또한 아직 확인된 바 없다.

등록특허 10-1350822

상술한 바와 같이 원자로의 고유안전성 달성을 위한 중요한 요구조건 중 하나는 음의 반응도 궤환 상수를 갖도록 하는 것이며 이는 경수로뿐만 아니라 가스냉각로 혹은 액체금속 냉각 고속로 등의 모든 원자로에 적용되는 사항이다.

본 특허는 상술한 요구에 대응하기 위한 것으로서, 통상의 고속로에도 큰 설계 변화 없이 장전되어 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있도록 하는 새로운 개념의 피동 안전장치를 구비한 원자로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 피동 안전장치를 구비한 원자로는 노심과, 피동 안전장치를 포함한다. 그리고 상기 피동 안전장치는, 일단은 상기 노심의 상부에 고정되며 자유단은 상기 노심을 향해서 연장되며 적어도 일부가 상기 노심을 냉각하는 냉각재에 담겨 냉각재의 온도 상승에 따라서 길이가 증가하는 고정봉과, 상기 고정봉의 자유단에 결합하며 그 내부에 중성자 흡수체가 내장된 흡수체 봉을 구비한다.

상술한 피동 안전장치를 구비한 원자로에 있어서, 상기 고정봉의 길이는 상기 냉각재의 온도가 정상인 상태에서 상기 흡수체 봉의 일부가 상기 노심의 활성노심 영역에 삽입되어 있고, 상기 냉각재의 온도가 상승하면, 상기 고정봉이 열 팽창하여 상기 흡수체 봉이 상기 노심의 활성노심 영역안으로 더 삽입되도록, 상기 고정봉의 길이가 설계된다. 상기 중성자 흡수체는 보론(B)을 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 피동 안전장치를 구비한 원자로에 있어서, 상기 피동 안전장치는 제어봉집합체 내부 또는 핵연료집합체 내부에 위치할 수 있다.

본 발명에 따른 피동 안전장치는 기존의 고속로에도 큰 설계 변화 없이 용이하게 설치되어 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한, 냉각재의 온도가 상승하면, 특별한 조작 없이, 자동적으로 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 피동 안전장치를 구비한 원자로의 일실시예의 일부를 대략적으로 도시한 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어봉집합체 및 피동 안전장치를 나타낸 평단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 피동 안전장치가 열팽창으로 인하여 노심으로 약간 하강한 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하는 도면에 있어서, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 피동 안전장치를 구비한 원자로의 일실시예의 일부를 대략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 원자로는 노심(10), 세 개의 피동 안전장치(20)를 포함한다. 피동 안전장치(20)의 수는 목표로 하는 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있도록 적절히 선택될 수 있다.

노심(10)은 원자로의 심장부에 해당하는 부분으로서, 핵연료집합체(11)와 냉각재(30)를 포함한다.

핵연료집합체(11)는 복수의 핵연료봉(미도시)을 포함한다. 핵연료봉은 금속 피복관과 금속 피복관에 내장된 핵연료를 포함한다. 핵연료는 핵분열에 의해 고온의 열을 발생시킨다. 피복관은 밀봉되어 있어, 피복관 내부에 있는 핵연료 및 핵분열생성물의 외부 누출이 방지된다. 핵연료는 피복관의 중간영역인 활성노심영역(15)에 배치된다. 그리고 피복관 내부공간의 상부영역(16)은 일반적으로 비어 있으며, 이 공간을 가스플레넘(Gas Plenum)이라 한다. 플레넘은 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열기체(Fission Gas, FG)를 수용하는 역할을 한다. 그리고 피복관 내부공간의 하부영역(17)에는 하부 차폐체가 설치되어 있다.

노심(10)을 냉각하는 냉각재(30)는 핵연료집합체(11)의 하부로 유입되어 상부로 이동하면서, 핵분열에 의한 고온의 열에 의해서 가열된 노심(10)을 냉각하고, 흡수한 열에너지를 열교환기(미도시)를 통해 외부로 전달하는 역할을 한다. 고속로의 경우에는 소듐(Na) 혹은 납(Pb)과 같은 액체금속이 냉각재(30)로 사용된다.

또한, 도시하지 않았으나, 원자로는 노심(10)에서 나오는 중성자를 내부로 되돌려보내는 역할을 하는 반경방향 반사체와 노심에서 발생하는 강한 방사선을 막아주는 역할을 하며, 반사체를 감싸는 차폐체를 더 포함한다. 또한, 복수의 제어봉을 포함하는 제어봉집합체(12, 도 1과 3에는 제어봉집합체 미도시, 도 2 참조) 및 제어봉집합체(12)를 구동하는 제어봉집합체 구동장치(미도시)를 더 포함한다. 제어봉은 핵분열반응에 필요한 중성자를 흡수하여, 원자로의 반응도를 낮추는 역할을 한다. 원자로의 반응도를 낮출 필요가 있는 경우에 제어봉집합체 구동장치가 제어봉집합체(12)를 핵연료집합체(11) 사이의 제어봉집합체 삽입영역(18)에 삽입시켜, 제어봉이 중성자를 보다 많이 흡수하도록 하여 핵분열 반응이 감소하도록 한다.

피동 안전장치(20)는 핵연료집합체(11)의 다수의 핵연료봉 중에서 일부 핵연료봉을 대체하거나, 제어봉집합체(12)의 다수의 제어봉(13) 중에서 일부 제어봉(13)을 대체한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 제어봉집합체(12)의 중심부의 일부 제어봉(13)을 대체하는 것으로 도시되어 있다. 제어봉집합체(12)에서 피동 안전장치(20)로 대체되지 않은 제어봉(13)들은 제어봉집합체 구동장치(미도시)에 의해 따로 제어된다. 피동 안전장치(20)는 냉각재(30)의 온도 상승이 반응도의 감소로 이어지는 소위 음의 반응도 궤환효과를 얻을 수 있도록 하는 역할을 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 피동 안전장치(20)는 고정봉(21)과 흡수체 봉(24)을 포함한다. 고정봉(21)의 일단은 원자로 용기의 덮개 등의 원자로 구조물에 고정된다. 그리고 고정봉(21)의 하단은 노심(10)을 향해서 연장된다. 고정봉(21)은 HT9강 혹은 SS강과 같은 고속로의 일반적인 구조재로 이루어질 수 있으며, 열팽창 계수가 큰 다른 재료가 사용될 수도 있다.

흡수체 봉(24)은 흡수체 봉 피복재(22)와 흡수체 봉 피복재(22)에 내장된 중성자 흡수체(23)를 포함한다. 흡수체 봉(24)은 고정봉(21)의 노심(10)을 향해 연장된 자유단에 결합된다.

중성자 흡수체(23)로는, 예를 들어, 보론(B)과 같이 고속로에서 효과적으로 중성자를 흡수할 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 보론은 보론 카바이드(B₄C) 혹은 다른 행태로 사용될 수 있다. 흡수체 봉 피복재(22)는 고속로 핵연료봉에서 피복재로 흔히 사용되는 HT9 강으로 제작될 수 있다.

정상적인 노심 상태에서 고정봉(21)의 대부분과 흡수체 봉(24)은 노심(10)을 통과하여 가열된 냉각재(30)에 담긴다.

이하에서는, 상술한 피동 안전장치(20)의 작용에 대해서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 냉각재(30)의 온도가 기준 값을 갖는 상태에서 원자로가 가동되는 경우에는 고정봉(21)의 길이가 L1이 되고, 흡수체 봉(24)의 끝단이 노심(10)의 제어봉집합체 삽입영역(18)의 활성노심영역(15)의 상부에 적절히 약간 삽입된다. 따라서 흡수체 봉(24)의 일부는 활성노심영역(15) 내부에 배치되고, 일부는 활성노심영역(15) 외부에 배치된다. 흡수체 봉(24)의 활성노심 삽입정도는 목표로 하는 음의 궤환효과 및 흡수체 삽입에 따른 반응도 감소효과를 적절히 평가하여 결정될 수 있다.

그러나 다양한 원인에 의해서 냉각재(30)의 온도가 상승하면, 고정봉(21)이 열 팽창하여 길이가 L2가 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고정봉(21)이 열 팽창하면, 고정봉(21)의 자유단에 결합된 흡수체 봉(24)의 끝단이 노심(10)의 활성노심영역(15) 내부로 추가적으로 삽입된다. 즉, 정상상태에서 어떤 연유로 냉각재(30)의 온도가 증가하면 흡수체 봉(24)이 노심(10) 안으로 더욱 깊이 들어간다. 그리고 흡수체 봉(24)의 중성자 흡수체(23)가 핵분열에 의해서 발생한 중성자를 더 많이 흡수하여, 노심의 반응도를 감소시키는 음의 궤환효과를 유발한다.

한편, 정상상태에서 만약 냉각재(30)의 온도가 낮아지면, 고정봉(21)이 수축하고, 결과적으로 흡수체 봉(22)이 노심에서 약간 인출되는 효과를 초래하여 노심의 반응도를 증가시키게 된다. 이러한 방식으로 냉각재(30)의 온도 변화에 따라서 흡수체 봉(24)이 하강하거나 상승하면서 자동적으로 냉각재(30)의 온도가 계속 상승하거나 감소하는 것을 방지하는 음의 냉각재 온도 궤환효과를 유발한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형을 할 수 있는 것은 명백하다.

10: 노심 11: 핵연료집합체
12: 제어봉집합체 13: 제어봉
15: 활성노심영역 18: 제어봉집합체 삽입영역
20: 피동 안전장치 21: 고정봉
24: 흡수체 봉 30: 냉각재

Claims (5)

1. 복수의 핵연료봉을 구비한 핵연료봉집합체와 복수의 제어봉을 구비한 제어봉집합체를 포함하는 노심과, 상기 노심을 둘러싼 원자로 용기 및 피동 안전장치를 포함하는 원자로에 있어서,
   상기 피동 안전장치는,
   상기 핵연료봉 및 제어봉 중 적어도 하나를 대체하며,
   일단은 상기 노심의 상부의 원자로 용기에 고정되고, 자유단은 대체되는 핵연료봉 또는 제어봉이 제거된 공간을 향해서 연장되며, 적어도 일부가 상기 노심을 냉각하는 냉각재에 담겨 냉각재의 온도 상승에 따라서 길이가 증가하는 고정봉과,
   상기 고정봉의 자유단에 결합하며 그 내부에 중성자 흡수체가 내장된 흡수체 봉을 구비하는 것을 특징으로 하는 피동 안전장치를 구비한 원자로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각재의 온도가 정상인 상태에서 상기 흡수체 봉의 일부가 상기 노심의 활성노심 영역에 삽입되어 있고, 상기 냉각재의 온도가 상승하면, 상기 고정봉이 열 팽창하여 상기 흡수체 봉이 상기 노심의 활성노심 영역안으로 더 삽입되도록, 상기 고정봉의 길이가 설계된 것을 특징으로 하는 피동 안전장치를 구비한 원자로.
3. 제1항에 있어서,
   상기 중성자 흡수체는 보론(B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동 안전장치를 구비한 원자로.
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5. 삭제

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