KR101756952B1 - 중수로 코발트 동위원소 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 중수로 핵연료 채널의 일부를 코발트봉 다발로 대체하여 코발트 동위원소를 생산하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법에 있어서, 일부 노후화가 심한 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계; 상기 선정된 핵연료채널에 상기 코발트봉 다발을 장입하는 단계; 및 상기 장전된 코발트봉 다발을 일정기간 조사하여 코발트 동위원소를 생산한 후 인출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

중수로 코발트 동위원소 생산방법 {ISOTROPES OF COBALT PRODUCTION METHOD IN HEAVY WATER REACTOR}

본 발명은 중수로 코발트 동위원소 생산방법에 관한 것으로써, 구체적으로는 중수로 핵연료 채널의 일부를 코발트봉 다발로 대체하여 코발트 동위원소를 생산하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법에 관한 것이다.

원자력발전소의 원자로는 원자로 내의 핵연료가 핵분열하면서 발생하는 열에너지를 동력으로 사용하도록 하는 장치이다.

원자로 내부에서 우라늄이 쪼개지면서 방출되는 중성자는 속도가 빨라 다른 우라늄 원자핵과 부딪히기 전에 달아나므로, 원자로 안에서 핵분열의 연쇄반응을 지속시키려면 중성자의 속도를 감소시켜야 한다. 이와 같이 중성자의 속도를 줄여서 핵분열 연쇄반응을 지속시키게 하는 물질을 감속재라 하는데, 물이 열을 전달하는 냉각재와 중성자의 속도를 줄이는 감속재의 역할을 한다.

냉각재와 감속재로 어떠한 물을 쓰느냐에 따라 원자로는 경수로와 중수로로 나눌 수 있는데, 원자로 내에 핵연료다발을 수직으로 한꺼번에 장입하는 경수로와는 달리, 중수로는 380개의 핵연료채널이 노심을 구성하고 있고, 각 핵연료채널에 12개의 핵연료다발을 장입하게 된다.

원자로 가동 중에 핵연료채널의 수평 양방향 끝단에 핵연료재장전 시스템을 설치하여 신핵연료와 사용후 핵연료를 교체하고 있다.

최근 세계적으로 코발트 동위원소 수요가 급증하고 있으나, 동위원소 생산시설이 부족하여 코발트 수요를 충족시키지 못하고 있는 실정에 있다. 따라서 전기 생산용 목적으로만 가동되고 있는 중수로 원전을 이용하여 전기생산 뿐 아니라 대량의 코발트 생산도 가능하게 한다면 경제적으로 큰 이득을 취할 수 있을 것이다.

종래에는 중수로 노심 상부에 기 설치된 조절봉 일부를 코발트 동위원소 생산용 코발트봉으로 대체하여 노심에 일정 기간 장착한 후 인출하여 코발트 동위원소를 생산한 바 있다. 이러한 코발트 생산 방안을 위해서는 코발트봉을 장입 및 인출하고, 외부로 이송하기 위하여 노심 상부 구조물의 일부 설계를 변경하여야 하고, 다량의 코발트 생산이 어려운 단점이 있다.

또한, 원자로 가동이 정지되는 정비 기간에 코발트를 장입 및 인출하게 되어 원자로 정비기간이 길어지게 됨에 따른 경제적 손실을 감수하여야 하는 문제점이 있다. 이러한 경제적 손실을 최대로 줄이면서, 코발트 생산량을 최대로 늘려 중수로를 전기 생산 뿐 아니라 다량의 코발트 동위원소도 생산하여 경제성을 대폭 향상시킨다면 중수로의 가치는 재창조될 것으로 생각된다.

특히 오랫동안 가동한 중수로는 핵연료채널(혹은 압력관 : PT, pressure tube)의 노후화로 그 직경이 증가하게 되고, 이로 인하여 노심의 열적여유도가 감소하게 된다. 이에 따라 원자로 ROP(reginal overpower protection system : 국부 출력 보호 계통) 트립 설정치(trip set point) 저하에 영향을 주게 되는데, ROP 트립 설정치 저하에 큰 영향을 주는 핵연료채널에 기존 12개의 핵연료다발을 대체하여 코발트봉 다발을 장입한다면 핵연료채널 노후화로 인한 원자로 출력 감발을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 코발트 동위원소도 대량으로 생산할 수 있어 경제적으로 큰 이점을 얻을 수 있을 것이다.

한국특허공개번호 10-2006-0070896

본 발명의 일 실시예에 따른 중수로 코발트 동위원소 생산방법은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.

ROP 트립설정치 저하에 큰 영향을 주는 핵연료채널에 기존 핵연료다발을 대체하여 코발트봉으로 구성된 코발트봉 다발을 장입함으로써 핵연료채널 노후화로 인한 원자로 출력 감발을 극복하여 원자로 운전성능을 개선하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법을 제공하고자 한다.

또한, 코발트 동위원소를 대량으로 생산하여, 급증하는 코발트 동위원소 수요를 충족시킬 수 있는 코발트 동위원소 생산방법을 제공하고자 한다.

또한, 종래의 코발트봉을 중수로 노심 상부에 장입 및 인출하는 데 있어서 취급이 어려운 단점을 극복하여, 경제성 손실을 감소시킨 코발트 동위원소 생산방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 중수로 핵연료 채널의 일부를 코발트봉 다발로 대체하여 코발트 동위원소를 생산하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법에 있어서, 일부 노후화가 심한 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계;

상기 선정된 핵연료채널에 상기 코발트봉 다발을 장입하는 단계; 및 상기 장전된 코발트봉 다발을 일정기간 조사하여 코발트 동위원소를 생산한 후 인출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 노후화가 심한 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계는 노물리 해석코드를 이용하여 상기 각 핵연료채널별 출력을 구한 후, 중수로용 열수력 해석코드인 NUCIRC 코드를 이용하여 각 채널의 임계출력비를 계산하여 선정할 수 있다.

또한, 상기 노후화가 심한 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계는 상기 각 핵연료채널의 크립율을 계산하여 선정할 수 있다.

또한, 상기 노후화가 심한 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계는 ROP 트립설정치를 계산하여 선정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 중수로 코발트 동위원소 생산방법은 ROP 트립설정치 저하에 큰 영향을 주는 핵연료채널에 기존 핵연료다발을 대체하여 코발트봉으로 구성된 코발트봉 다발을 장입함으로써 핵연료채널 노후화로 인한 원자로 출력 감발을 극복하여 원자로 운전성능을 개선하는 효과가 있다.

또한, 코발트 동위원소를 대량으로 생산할 수 있고, 기존 핵연료 재장전 방식을 그대로 이용하여 원자로 구조를 변경할 필요가 없이 경제성이 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중수형 원자로 구조를 나타낸 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료다발을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료채널을 나타낸 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료채널이 노후화에 의하여 팽창된 경우의 우회유량을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 380개 핵연료채널의 출력 분포를 나타낸 분포도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 380개 핵연료채널의 압력관의 크립율 분포를 나타낸 분포도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 크립율에 따른 드라이아웃 출력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 380개 핵연료채널의 임계출력비를 나타낸 분포도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

이하, 도 1 내지 도 8를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 중수로 코발트 동위원소 생산방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 중수형 600MW 원자로 노심은 380개의 핵연료채널이 수평으로 이루어져 있으며, 각각의 핵연료채널에는 12개의 핵연료다발이 수평으로 장입되어 있다.

중수로는 가동 중에 원자로의 각 부품들이 노후화되어 가며, 특히 핵연료다발이 장입된 핵연료채널(혹은 압력관, PT : pressure tube)은 높은 냉각수 온도와 압력, 높은 중성자속을 받고 있기 때문에 가동 년수가 클수록 채널 출력이 높다.

중수로 노심은 반경방향 중심에 가까울수록 채널출력 혹은 중성자속이 높은 지역으로, 이들 지역에 배치된 압력관들의 노후화가 심하다. 반면 출력 준위가 낮고 중성자속이 낮은 노심 외곽 지역의 채널들은 상대적으로 노후화가 심각하지 않다.

이러한 핵연료채널의 노후화, 높은 냉각수 온도로 인한 열적인 크립(creep) 현상 및 오랜기간의 강한 방사선 조사로 인한 크립 현상에 의해 압력관의 직경이 점점 커지게 되는 현상이 일어난다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료채널이 노후화에 의하여 팽창된 경우의 우회유량을 나타낸 개념도이다.

도 4를 참조하면, 이와 같이 핵연료채널의 직경이 커짐에 따라 유체가 유동 저항이 큰 핵연료다발 지역으로 유입되지 못하고, 유동 저항이 적은 상부의 핵연료다발이 없는 지역으로 흐르게 되는 현상이 나타난다.

결국 핵연료채널 내 핵연료다발과의 열전달이 점점 감소되어, 임계열유속 저하를 일으켜 원자로의 열적 여유도 혹은 안전성이 저하된다. 이 경우 원자로의 안전한 운영을 위하여 적정한 열적 여유도 유지를 해야 하므로 출력을 감소시키게 된다.

열적 여유도를 회복할 수 있는 방안으로는 개량핵연료 장입 또는 노후화가 심한 핵연료채널의 압력관을 변형되지 않은 압력관으로 교체하는 방안이 있으나, 새로운 압력관 교체를 위해서는 많은 시간과 경비를 소요하게 되므로 원자로 수명이 다한 시점에 압력관 전량을 교체하게 된다. 특히 압력관의 크립에 의한 직경 증가가 큰 핵연료채널일수록 열적 여유도의 감소가 커지는데, 직경 증가가 큰 핵연료 채널에 핵연료를 장입하지 않은 경우에는 그 핵연료채널 노후화에 의한 열적 여유도 감소는 발생하지 않게 된다.

도 5를 참조하면, 중수형 원자로의 전형적인 핵연료채널 출력 분포를 알 수 있으며, 원자로 중심에 가까운 채널들의 출력이 높고 외곽에 위치한 채널일수록 채널 출력이 낮다. 중심에 위치한 채널들은 높은 중성자속으로 인해 가동 년수에 따라 압력관 직경 팽창이 크고, 외곽 채널들은 출력이 낮아 직경 팽창이 적게 된다.

도 6을 참조하면, 각 핵연료채널의 압력관 크립율의 정도는 원자로 중심에 가까운 채널일수록 크립이 심하며, 외곽 채널일수록 크립이 적게 발생한 것으로 알 수 있다.

도 7에서와 같이 중수형 원자로의 경우 일반적으로 15년 운전한 경우 압력관의 평균 크립율은 3.3%, 수명 말기인 30년 가동한 경우의 압력관 평균 크립율은 5.1%로 알려져 있다. 압력관 크립이 3.3% 정도 발생한 경우에는 드라이아웃 출력(dryout power, 비등출력)이 약 15% 감소하게 되고, 압력관 크립이 5.1% 정도 발생한 경우에는 25% 정도 드라이아웃 출력이 감소하게 된다.

전술한 바와 같이 압력관 크립이 많이 발생한 핵연료채널에 핵연료를 장입하지 않게 되면, 그 채널로 인한 열적여유도 감소가 발생하지 않게 되나, 그 채널에서 생산되던 중성자량이 줄어들게 되므로 원자로 전출력이 감소하게 된다. 이러한 출력 감소는 수직으로 설치된 중성자 생성을 조정하는 조정봉 위치를 바꿈으로써 출력을 회복할 수 있으므로 크게 문제가 되지 않으나, 다른 채널에 위치한 핵연료채널들의 연소도는 상대적으로 줄어들게 되는 단점이 있다.

한편 압력관 노후화에 의한 노심 전출력 감소는 각각의 핵연료 채널의 임계출력비에 의하여 결정되며, 이 380개 핵연료채널의 임계출력비는 노심 해석코드들과 열수력 해석코드를 이용하여 산출하게 된다. 일반적으로 핵연료채널의 임계출력비는 각 채널의 유동조건, 즉 채널출력, 유량, 건도, 압력관 노후화 정도 등에 따라 달라지므로 간단한 계산으로 얻어질 수는 없고, 노물리 해석코드(WIMS, DRAGON, RFSP 등을 이용)를 이용하여 각 채널별 출력을 구하고, 다음으로 중수로용 열수력 해석코드인 NUCIRC 코드(NUClear Heat Transport CIRcuit Thermohydraulics Analysis Code)를 이용하여 회로해석을 통해 일차계통의 유동 경계조건을 산출한 다음 이를 이용하여 각 채널의 임계출력비를 계산한다. 도 8은 380개 핵연료채널의 전형적인 임계출력비를 나타낸 분포도이다. 도 8에서와 같이 최소 임계출력비를 갖는 채널이 대부분 노후화가 가장 심한 채널이 되지만 이들이 반드시 일치하지 않는 경우도 있다.

원자로 가동시 순간 순간마다 노심 출력분포가 조금씩 변하고 각 핵연료채널들의 유량도 변동이 발생하게 된다. 이러한 각 순간 순간의 노심 변동과 경미한 운전 천이시 발생하는 출력변동 및 노심 운전조건 변동 등을 고려하여 원자로 ROP 트립 설정치(reginal overpower protection trip set point)를 정하게 된다. 이는 얻어진 임계출력비와 출력변동 조건들을 입력으로 하여 MonterCarlo 방법으로 ROP 트립 설정치를 계산한다. 이와 같이 하여, 어느 노후화 채널이 ROP 트립 설정치를 가장 크게 감소시키는지를 찾을 수 있다.

이와 같이 얻어지는 노후화가 심하거나 ROP 트립 설정치 감소에 가장 큰 영향을 미치는 핵연료채널에 기존 핵연료다발 대신 코발트 동위원소 생산용 핵연료다발을 장입하게 되면, 노후채널에 의한 열적여유도 감소를 극복할 뿐만 아니라 코발트 동위원소도 생산하게 되어 중수로의 원전 가치가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 중수로 핵연료 채널의 일부를 코발트봉 다발로 대체하여 코발트 동위원소를 생산하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법에 있어서, 일부 노후화가 큰 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계; 상기 선정된 핵연료채널에 상기 코발트봉 다발을 장입하는 단계; 및 상기 장전된 코발트봉 다발을 일정기간 조사하여 코발트 동위원소를 생산한 후 인출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 노후화가 큰 핵연료채널을 분석하고 선정하는 단계는 전술한 바와 같이, 노심 해석코드들과 열수력 해석코드를 이용한 각 핵연료채널의 임계출력비, 각 핵연료채널의 압력관의 크립율 및 ROP 트립설정치를 계산하여 선정할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 다수의 핵연료 채널 중 적어도 하나에 코발트봉 다발을 장입하여 코발트 동위원소를 생산하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법으로서,
   상기 다수의 핵연료채널을 분석하여 상기 다수의 핵연료 채널 중 압력관의 직경이 증가된 핵연료 채널을 선정하는 단계;
   원자로 가동 중 상기 선정된 핵연료채널에 핵연료봉 다발 대신 상기 코발트봉 다발을 장입하는 단계; 및
   상기 장입된 코발트봉 다발에 일정기간 중성자를 조사하여 상기 코발트 동위원소를 생산한 후 인출하는 단계;
   를 포함하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 압력관의 직경이 증가된 핵연료채널을 선정하는 단계는
   노물리 해석코드를 이용하여 상기 각 핵연료채널별 출력을 구한 후, 중수로용 열수력 해석코드인 NUCIRC 코드를 이용하여 각 채널의 임계출력비를 계산하여 선정하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 압력관의 직경이 증가된 핵연료채널을 선정하는 단계는
   상기 각 핵연료채널의 크립율을 계산하여 선정하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 압력관의 직경이 증가된 핵연료채널을 선정하는 단계는
   ROP 트립설정치를 계산하여 선정하는 중수로 코발트 동위원소 생산방법.
   

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