KR101777185B1 - 방사선을 이용한 전기발생장치 - Google Patents
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Abstract
국문명칭를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 방사선을 이용하여 전기를 생성하는 전기발생장치에 있어서, 상기 방사선을 발산하는 방사선물질; 상기 방사선에 노출되어 전기를 생산하는 하나 이상의 전기발생단위체; 및 상기 하나 이상의 전기발생 단위체가 상호 간격을 유지하면서 배열되도록 하는 지지체를 포함하되, 상기 전기발생단위체는, 상기 방사선을 투과시켜 섬광을 발산하는 섬광체(scintillator); 및 상기 섬광체로부터 상기 섬광을 흡수하여 전기를 생성하는 광전지(photovoltaic cell)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기발생장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 방사선을 이용하여 전기를 생성하는 전기발생장치에 있어서, 상기 방사선을 발산하는 방사선물질; 상기 방사선에 노출되어 전기를 생산하는 하나 이상의 전기발생단위체; 및 상기 하나 이상의 전기발생 단위체가 상호 간격을 유지하면서 배열되도록 하는 지지체를 포함하되, 상기 전기발생단위체는, 상기 방사선을 투과시켜 섬광을 발산하는 섬광체(scintillator); 및 상기 섬광체로부터 상기 섬광을 흡수하여 전기를 생성하는 광전지(photovoltaic cell)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기발생장치를 제공한다.
Description
본 발명의 실시예는 방사선을 이용하여 전기를 생산하는 전기발생장치, 구체적으로 사용후핵연료로부터 방출되는 방사선을 이용하여 전기를 생산하는 전기발생장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
원자력발전소는 핵연료에서 발생한 열을 이용하여 전력을 생산한다. 핵연료는 원자로 속에서 핵분열하고 핵분열과정에서 열이 발생한다. 일정시간 연소된 핵연료는 전력 생산을 위한 충분한 열을 발생하지 못하기 때문에, 일정시간이 지나면, 연소된 핵연료를 새로운 핵연료로 교체해야 한다. 연소된 후 원자로에서 인출된 핵연료를 사용후핵연료(Spent Fuel)라고 한다.
사용후핵연료는 외형상 사용전 핵연료와 차이가 없다. 하지만 사용후핵연료는 일정기간 동안 높은 열과 방사선을 방출하기 때문에, 철저한 관리 및 처리가 요구된다. 예컨대, 사용후핵연료는 차폐된 상태로 취급되어야 한다. 사용후핵연료는 건식 또는 습식 저장되고 이후 처분된다.
통상적으로 사용후핵연료로부터 발생되는 열과 방사선을 활용하지 못하고 있는 실정이다. 여기서 방사선(Radiation)은 방사성 동위원소(Radioactive Isotope)로부터 나오는 입자 또는 전자기파 형태의 에너지 선을 의미한다. 방사성(Radioactivity)은 방사선을 방출할 수 있는 능력 또는 방사성 동위원소의 세기를 의미한다.
사용후핵연료를 활용하기 위하여, 비특허문헌 1은 광전지를 이용하여 방사선 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 방식을 적용한다. 이와 같이 방사선을 이용한 전기 생산 시스템의 경우 여러 연구가 진행되어 있다. 그러난 사용후핵연료 저장시설에 적용하는 경우나 사용후핵연료 습식 저장조 내부에 적용할 수 있도록 설계하는 방법에 대한 연구는 없는 실정이다.
Karl Scharf, Photovoltaic Effect Produced in Silicon Solar Cells by X- and Gamma Rays, JOURNAL OF RESEARCH of the National Bureau of Standards - A. Physics and Chemistry, Vol.64A, No. 4, (1960).
본 실시예는, 사용후핵연료 저장소 내부에 적용되어, 사용후핵연료를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전기발생장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 방사선을 이용하여 전기를 생성하는 전기발생장치에 있어서, 방사선을 발산하는 방사선물질, 방사선에 노출되어 전기를 생산하는 하나 이상의 전기발생단위체 및 하나 이상의 전기발생 단위체가 상호 간격을 유지하면서 배열되도록 하는 지지체를 포함하되, 전기발생단위체는, 방사선을 투과시켜 섬광을 발산하는 섬광체 및 섬광체로부터 섬광을 흡수하여 전기를 생성하는 광전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기발생장치를 제공한다.
상기 전기발생장치의 실시예들은 다음의 특징들을 하나 이상 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 방사선물질은 사용후핵연료 저장조에 저장되어 있는 사용후핵연료이다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 섬광체 및 광전지의 어느 한 면이 서로 접촉되어 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 지지체는 원통형의 구조를 갖고, 광전지와 연결된 전선이 원통형 지지체의 내부를 통해 외부 시스템과 연결된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 방사선을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 장치를 사용후핵연료 저장조 내부에 위치할 수 있도록 하는 구조적 설계를 제안하여, 실제 사용후핵연료 저장조에 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 사용후핵연료의 습식 저장조의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생단위체를 예시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 전기발생단위체가 저장랙 내부에서 상호 간격을 유지하면서 배열되는 경우를 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 사용후핵연료 저장조의 저장랙 내부에 위치한 경우를 예시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치를 예시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 외부 시스템과 연결되는 경우를 예시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생단위체를 예시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 전기발생단위체가 저장랙 내부에서 상호 간격을 유지하면서 배열되는 경우를 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 사용후핵연료 저장조의 저장랙 내부에 위치한 경우를 예시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치를 예시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 외부 시스템과 연결되는 경우를 예시한 것이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 사용후핵연료의 습식 저장조의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 사용후핵연료의 습식 저장조에는 사용후핵연료의 저장을 위해 붕소수가 가득 차 있고, 우측 하단의 저장랙(rack)에는 사용후핵연료가 저장되어 있다. 저장조에는 사용후핵연료의 저장용량을 최대화하기 위해 저장랙 이외에는 내부에 빈 공간이 존재하지 않는다. 따라서 사용후핵연료의 방사선을 이용하여 전기를 발생시키는 시스템이 존재하더라도 이를 실제로 적용시키기 어렵다. 본 발명의 일 실시예는, 사용후핵연료의 방사선을 이용하여 전기를 발생시키는 장치가 실제 사용후핵연료 저장조에 적용 가능하도록 하는 구조적 설계를 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생단위체를 예시한 것이다.
도 2를 참조하면, 전기발생단위체(200)는 섬광체(210) 및 광전지(220)를 포함하여 구성된다. 전기발생단위체(200)는 방사선을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 하나의 단위체를 말한다.
본 발명의 일 실시예에서, 방사선을 발산하는 방사능물질로 사용후핵연료 조장조의 저장랙에 저장되어 있는 사용후핵연료 집합체가 사용된다. 전기생산 효율을 극대화시키기 위해서, 전기발생장치가 위치한 저장랙 주변에 위치한 저장랙에는 저장기간이 짧아 상대적으로 방사능이 높은 사용후핵연료 집합체가 저장되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치의 동작은, 크게 두 가지 과정으로 구분된다. 첫 번째 과정은 방사선, 예컨대, 감마선이 섬광체(210)를 통과하면서 낮은 에너지를 갖는 가시광선으로 변환되는 과정이다. 즉, 섬광체(210)는 방사선을 투과시켜 섬광을 발산하고, 섬광체(210)가 발산하는 섬광은 낮은 에너지의 가시광선(Visible Light)이다. 두 번째 과정은 변환된 광자가 전기 에너지로 변환되는 과정이다. 광전지(220)는 섬광체(210)로부터 섬광을 흡수하여, 즉 가시광선을 흡수하여, 전기 에너지를 발생시킨다.
가시광선은 등방성(isotropic)을 띄고 있기 때문에 전기발생단위체(200) 외부로 광자가 유출될 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서, 섬광체(210)와 광전지(220)는 어느 한 면이 서로 접촉되어 있는 것이 바람직하다.
도 2에는 전기발생단위체(200)가 사각형의 평판 형상인 것으로 도시하였지만, 이는 전기발생단위체(200)의 한 예시일 뿐 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
또한, 섬광체(210)와 광전지(220)가 평판 형상이고 어느 한 면이 서로 접촉하고 있는 경우, 전기발생단위체(200)의 개수가 많을수록 섬광체(210)와 광전지(220)가 접촉하고 있는 총 면적이 넓어지는 것이므로, 전력 생산이 더 효율적이게 된다. 따라서, 섬광체(210)와 광전지(220)의 일면이 서로 접촉하고 있는 전기발생단위체(200)가 다수 개 존재하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 섬광체(210)는 무기 섬광체(Inorganic Scintillator)일 수 있다. 무기 섬광체는 유기 섬광체에 비하여 내방사성(Radiation Resistance)이 좋고 내열성(Thermal Resistance)이 뛰어나기 때문에, 보다 다양한 곳에 적용이 가능하고 긴 시간 동안 장치를 동작시키는 것이 가능한 효과가 있다. 게다가 무기 섬광체는 유기 섬광체에 비하여 상대적으로 높은 밀도를 갖기 때문에, 감마선과 섬광체 간의 유효단면적(Effective Cross Section)이 넓다. 따라서 동일한 면적과 두께를 갖는 섬광체를 사용할 때, 무기 섬광체는 유기 섬광체에 비하여 전기 생산량이 뛰어난 효과가 있다. 예컨대, 섬광체(210)는 탈륨이 첨가된 요오드화 세슘(Thallium Activated Cesium Iodide, CsI(Tl)) 및 텅스텐산 카드뮴(Cadmium Tungsten Oxide, CdWO4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
탈륨이 첨가된 요오드화 세슘은 출력파장이 길기 때문에, 변환된 광자가 광전지에 흡수되기 용이하다. 또한 흡수된 에너지 당 변환되는 광자의 수가 많다. 예컨대, 탈륨이 첨가된 요오드화 세슘의 변환 광자 파장(Emission Photon Wavelength)은 540 나노미터(nm)이고, 광자출력(Light Yield)은 65,000 photon/MeV이고, 수 그레이(Gy)이상 조사받을 시 물질이 손상되는 정도의 내방사성(Radiation Resistance)을 갖는다.
텅스텐산 카드뮴은 내방사성 측면에서 유리하다. 예컨대, 텅스텐산 카드뮴은 변환 광자 파장은 470 nm이고, 광자출력은 15,000 photon/MeV이고, 10,000 내지 100,000 Gy에서 물질이 손상되기 시작하는 정도의 내방사성을 갖는다.
또한, 광전지(220)는 내방사선이 강하고 합리적인 가격을 갖는 아모퍼스 실리콘(Amorphous Silicon, a-Si) 타입일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 전기발생단위체가 저장랙 내부에서 상호 간격을 유지하면서 배열되는 경우를 예시한 것이다.
도 3에는 사각 기둥 형상의 저장랙(310) 내부에 평판 형상의 전기발생단위체(200)가 일정한 간격을 유지하면서 배열된 경우가 도시되어 있다. 여기서, 전기발생단위체(200)는 평판 형상이고, 섬광체(210)와 광전지(220)의 일 면이 서로 접촉되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 평판 형상의 섬광체(210)와 평판 형상의 광전지(220)가 서로 결합되어 하나의 전기발생단위체(200)를 구성하고, 전기발생장치(300)는 이러한 전기발생단위체(200)가 상호 간격을 유지하며 배열된 형태를 가진다. 섬광체(210)는 일 면이 방사선에 노출되어 있고, 다른 일 면은 광전지(220)와 접촉하고 있다. 광전지(220)는 일 면이 섬광체(210)와 접촉하고 있고, 다른 일 면은 다른 전기발생단위체(200)의 섬광체(210)와 일정 간격을 유지하며 이격되어 있다.
이러한 하나의 전기발생단위체(200)에서 방사선은 섬광체(210)로 입사되고, 섬광체(210)는 방사선을 가시광선의 형태로 방출한다. 한편, 생성된 광자는 광전지(220)에서 전기에너지로 변환된다. 섬광체(210)에서 생성된 광자는 등방성을 띄므로, 접촉되어 있는 광전지(220)에 흡수되거나, 이격되어 있는 다른 전기발생단위체(200)의 광전지(220)에 흡수되어 전기에너지로 변환된다.
섬광체(210) 내부에서 생성된 광자의 수는 섬광체(210) 물질 내부에 방사선이 하전 입자의 형태로 전달한 에너지 양(Energy Deposited By Charged Particle Inside Scintillator)과 광자 출력의 곱이다. 전기발생에 관여하는 섬광체(210)의 질량이 클수록 섬광체(210)로부터 생성되는 광자의 양이 많아진다. 따라서, 전력생산 효율성을 극대화하기 위해, 전기발생단위체(200)의 섬광체(210)는 저장랙(310) 내에서 가능한 최대의 부피를 갖는 것이 바람직하다. 도 3을 참조하면, 섬광체(210)가 일정한 두께에서 최대의 면적을 가질 수 있도록, 사각 기둥 형상인 저장랙(310)의 구조에 따라 전기발생단위체(200)는 일 면이 사각형인 것이 바람직하다.
하나의 전기발생단위체(200) 내에서는 섬광체(210)와 광전지(220)가 접촉하고 있는 면적이 넓을수록, 또한, 이러한 접촉면이 많이 존재할수록 광자가 전기에너지로 변환되는 과정이 효율적으로 이루어진다. 또한, 전기발생단위체(200) 다수 개가 이격된 거리가 좁을수록 광자가 전기에너지로 변환되는 과정에서 광자의 손실이 줄어든다. 따라서, 평판 형상의 복수 개의 전기발생단위체(200)가 가능한 좁은 간격을 유지하면서 배열되도록 하면, 전기발생효율을 좋게 하면서 저장랙(310) 내부의 공간 활용을 극대화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 사용후핵연료 저장조의 저장랙 내부에 위치한 경우를 예시한 것이다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 저장랙 내부에 위치한 경우의 저장조의 사시도를, 도4b는 정면도를, 도4c는 도4b의 점선을 기준으로 한 단면도를 나타낸다.
경수로형 사용후핵연료는 길이가 가로세로 각 20 cm, 높이 약 4.5m의 사각기둥의 형상을 갖는다. 도 4a, 도4b 및 도4c에는 이러한 경수로형 핵연료를 사용후 저장할 수 있는 습식 저장조의 구조가 도시되어 있다.
도 4a 및 도4b를 참조하면, 사용후핵연료(410)는 붕산수(420)가 가득 찬 저장조(430)에 저장된다. 전기발생장치(300)는 저장조(430) 내 저장랙(310)의 어느 한 부분에 위치하여 주변의 사용후핵연료(410)를 방사선원으로 이용하여 전기를 발생시킨다.
저장랙(310)은 사용후핵연료(410)가 들어갈 수 있는 크기 및 구조를 갖는다. 경수로형 사용후핵연료를 저장하는 저장조의 경우, 저장랙(310) 또한 사각 기둥의 형상을 갖는다. 예를 들어, 국내 신고리 1, 2호기의 사용후핵연료 저장조의 저장랙은 가로세로 길이 22.49 cm이고, 높이 361 cm 인 사각 기둥의 형상이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치(300)는, 사용후핵연료 저장조의 저장랙(310) 내부에 설치하고자 하는 것으로, 저장랙(310)의 구조에 따라 다른 구조를 갖도록 설계될 수 있다. 도 4a를 참조하면, 저장랙(310)은 사각 기둥의 형상이다. 이에 따라 전기발생장치(300)는, 도 4b에 도시된 바와 같이 윗면이 사각형인 평판 구조의 전기발생단위체(200)를 포함하여 구성되고, 도 4c에 도시된 바와 같이 전기발생단위체(200) 복수 개가 일정 간격을 유지하면서 배열되도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에서 전기발생장치(300)는, 경수로형 사용후핵연료 저장조의 어느 하나의 저장랙(310) 내부에 위치한다. 도 3에서 설명한 바와 같이, 전기발생장치(300)는 평판 형상의 섬광체(210)와 평판 형상의 광전지(220)가 서로 결합되어 하나의 전기발생단위체(200)를 구성하고, 이러한 전기발생단위체(200)가 상호 간격을 유지하며 배열된 형태를 가진다.
전기발생장치(300)가 설치된 저장랙(310) 주변에 위치하는 사용후핵연료에서 방출된 방사선은 섬광체(210)로 입사되고, 섬광체(210)는 방사선을 가시광선의 형태로 방출한다. 한편, 생성된 광자는 광전지(220)에서 전기에너지로 변환된다. 광자는 등방성을 띄므로, 접촉되어 있는 광전지(220)에 흡수되거나, 이격되어 있는 다른 전기발생단위체(200)의 광전지(220)에 흡수되어 전기에너지로 변환된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치를 예시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 외부 시스템과 연결되는 경우를 예시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치(300)는, 섬광체(210)와 광전지(220)를 포함하여 구성된 전기발생단위체(200) 및 지지체(510)를 포함하여 구성된다. 전기발생단위체(200) 및 이에 포함된 섬광체(210)와 광전지(220)는 도 1 내지 도 4c를 참조하여 설명한 내용과 같다.
도 5를 참조하면, 지지체(510)는 복수 개의 전기발생단위체(200)가 상호 간격을 유지하면서 배열되도록 전기발생단위체(200)를 지지하는 역할을 한다. 바람직하게는, 5개의 지지체(510)가 전기발생단위체(200)의 모서리 및 중심을 관통하는 구조를 갖도록 할 수 있다. 또한, 전기발생장치(300)는 습식 저장조 내부에 있는 저장랙에 설치하고자 하는 것으로, 전기발생장치(300)가 물 속에서 작동하게 되므로, 지지체(510)의 소재는 부식에 강한 스테인리스강을 사용할 수 있다. 또한, 지지체(510)는 원통형일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고, 전기발생단위체(200) 복수 개가 서로 간격을 유지하면서 배열되도록 지지할 수 있는 구조라면 어떤 것이든 가능하다.
도 6을 참조하면, 지지체(510)는 내부 배선 설계를 위해 외경이 1 cm이고 내경이 0.8 cm인 원통형 구조일 수 있다. 광전지(220)와 연결된 전선이 원통형 지지체의 내부를 통해 외부의 시스템과 연결될 수 있다. 전기발생단위체(20) 각각에 전선이 연결되어 생성된 전기를 외부 시스템에 전달하는 형태로 구현이 가능하다.
이러한 전기발생장치는 사용후핵연료를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있는 장치로서, 이를 통해 생산된 전력은 원자력발전소에 중대사고가 발생한 경우, 내부의 안전 시스템을 구동하는 데 도움을 주거나, 외부에 발전소 내부의 정보를 전달하는 시스템을 구동하는데 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바를 바탕으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치가 국내 신고리 저장조에 적용되는 경우를 가정하고, 저장조의 구조를 바탕으로 설계된 전기발생장치의 구조에 대해서 상세히 설명한다.
경수로형 사용후핵연료는 길이가 가로세로 각 20 cm, 높이 약 4.5m의 사각기둥의 형상을 갖는다. 국내의 다수의 원자력발전소에서는 경수로형 핵연료를 사용하고, 사용후핵연료를 저장하는 저장소를 갖추고 있다. 이 중, 경수로형 사용후핵연료가 저장되는 국내 신고리 1, 2호 저장조의 저장랙은 길이가 가로세로 각 22.49 cm, 높이 약 3.61m의 크기를 갖는다.
저장랙 내부의 공간활용을 극대화하여 전기발생단위체(200)를 배열하기 위해 전기발생단위체(200)의 두께 및 전기발생단위체(200)간의 간격의 합은 0.5 cm인 것이 바람직하다. 이 때, 섬광체의 두께는 0.1 내지 0.3 cm이고, 광전지의 두께는 0.1 내지 0.2 cm인 것이 바람직하다. 섬광체의 부피가 클수록 광자 생성량이 많으므로, 섬광체의 두께가 광전지의 두께보다 같거나 큰 것이 바람직하다. 또한, 전기발생단위체(200)간의 간격은 좁을수록 효율적이므로 전기발생단위체(200)간의 간격은 0.1 내지 0.3 cm인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기발생장치(300)가 국내 신고리 1, 2호 저장조에 적용되는 경우, 평판 형상의 전기발생단위체(200)는 일 면은 한 변이 19 내지 21 cm인 사각형일 수 있다. 이에 따라 섬광체(210)와 광전지(220) 또한 한 변이 19 내지 21 cm인 사각 평판 형상일 수 있다.
섬광체(210)의 두께 0.3 cm, 광전지의 두께 0.1 cm, 전기발생단위체간의 간격을 0.1 cm로 하여 전기발생단위체(200)의 두께 및 전기발생단위체(200)간의 간격의 합은 0.5 cm가 되도록 설계하는 경우, 전기발생단위체 720개가 일정 간격을 유지하면서 배열되도록 하면, 전체 높이 360 cm 가 된다.
사용후핵연료 저장랙(310) 내부의 공간 활용을 극대화하기 위해, 복수의 전기발생단위체(200)를 상호 간격을 유지하면서 배열되도록 할 수 있다. 예를 들어 국내 신고리 저장조에 적용되는 경우, 저장랙(310)의 높이가 361 cm이므로, 지지체(510)는 길이가 365 내지 370 cm인 것을 사용할 수 있다. 지지체(510)는 전기발생단위체(200)가 일정 간격을 유지하면서 배열되도록 한다.
위와 같이 설계된 전기발생장치(300)는 가로세로 각 22.49 cm, 높이 약 3.61m의 크기의 국내 신고리 저장조의 저장랙 내부에 위치할 수 있게 된다. 실제 사용후핵연료 저장조에 설치되어 사용후핵연료를 이용한 전기 생산이 가능하다.
발명자는 본 실시예에 따른 방사선을 이용한 전기발생장치(300)의 전기 생산량을 확인하기 위하여, 전산 모델을 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 전산 모델에서, 섬광체 내부에서 생성된 광자의 수는 섬광체 물질 내부에 방사선이 하전 입자의 형태로 전달한 에너지 양(Energy Deposited By Charged Particle Inside Scintillator)과 광자 출력의 곱으로 나타내었다. 시스템의 구조 내부에서 발생하는 감마선과 섬광체 간의 상호 작용은 MCNPX(Monte Carlo N-Particle eXtended) 코드(Code)를 이용하여 분석하였다. 이를 이용하면 단위 방사선 1 퀴리(Ci) 당 각 섬광체에서 변환되어 생성된 가시광선 광자의 수를 알 수 있다. 사용후핵연료의 저장기간이 길어질수록 섬광체에서 생성되는 광자의 수는 감소한다. 사용후핵연료 집합체에서 방출되는 감마선 및 중성자의 방사능의 차이가 10^10베크렐(Bq) 정도이기 때문에, 중성자로 인하여 생산되는 전기에너지는 무시하고 시뮬레이션 하였다.
전산 모델에 사용된 전기발생장치(100)의 모형은 다음과 같다.
방사능은 저장기간에 따라 3.6421E+20 내지 7.6264E+20 Bq이고, 섬광체로는 CdWO4를 사용하고, 전기발생단위체 하나에서 사용되는 섬광체의 무게는 1.003kg이고, 광전지는 a-Si 타입의 광전지를 사용한다.
CdWO4의 단위 질량 섬광체 당 전달된 에너지는 방사능에 따라 다른 값을 갖으며, 1.4786E-07 내지 2.7675E-07MeV/ph/g이고, 매 초 섬광체에 전달되는 에너지는 2.1171E+17 내지 5.4018E+16 MeV/sec이고, 생성되는 광자의 수는 2.7522E+21 내지 7.0223E+20 ph/sec 이다.
생산된 가시광선은 섬광체 물질의 출력 파장분포를 따르고, 이는 물질 고유의 특성으로, 본 시뮬레이션에서는 실험을 통하여 선행연구에서 측정된 결과를 사용하였다.
섬광체에서 생성된 광자는 광전지에 의해 전기에너지로 변환된다.
광전지(140)에서 생산되는 전류는 수학식 1과 같이 표현되고, 전압은 수학식 5와 같이 표현된다. 수학식 2 내지 수학식 4는 수학식 1 및 수학식 5를 구하는 과정에서 필요한 수학식이다.
수학식 1에서 J는 광전지(140)에서 생산되는 전류이고, JD는 다이오드 전류이고, Jph는 광전자효과로 생성된 전류이고, q는 전하(Electron Charge)이고, Va는 인가전압(Applied Voltage)이고, k는 볼츠만 상수(Boltzmann Constant)이고, T는 온도(Temperature)이다.
수학식 2에서 JD는 다이오드 전류이고, q는 전하이고, ni는 고유 캐리어 농도(Intrinsic Carrier Concentration)이다. Dn 및 Dp는 n 및 p영역의 확산계수(Diffusion Coefficient for n, p Region)이고, Na 및 Nd는 n 및 p 영역의 도핑농도(Doping Concentration for n, p Region)이고, Ln 및 Lp는 n 및 p영역의 확산거리(Diffusion Length for n, p Region)이다.
수학식 3에서 Jph는 광전자효과로 생성된 전류이고, q는 전하이고 W는 공간 전하 영역 거리(Space Charge Region Length)이다.
수학식 4에서 a는 흡수율(Absorption Coefficient)이고, I는 광자 강도(Photon Intensity)이고, R은 반사율(Reflectivity)이고, d는 전지 깊이(Cell Depth)이다.
수학식 5에서 V는 광전지(140)에서 생산되는 전압이고, k는 볼츠만 상수이고, T는 온도이고, q는 전하이고, JD는 다이오드 전류이고, Jph는 광전자효과로 생성된 전류이다.
전체 사용후핵연료 습식 저장조는 14개의 전기발생장치를 포함하고 있고, 하나의 전기발생장치는 720개의 전기발생단위체로 구성된다. 전체시스템이 병렬로 하나로 연결되어 있다고 가정하고, 수학식 1 내지 수학식 5로부터 계산된, 생성된 전류, 전압 및 전력은 다음과 같다.
생성된 전류는 4.3619 내지 16.628 mA이고, 생성된 전압은 59.127 내지 79,494 kV이고, 생성된 전력은 0.25791 내지 1.3219 kW이다.
전기발생장치로부터 생성된 전류는 방사선원의 방사선에 비례하기 때문에, 방사선원의 방사선 세기가 클수록, 즉 저장기간이 짧은 사용후핵연료를 방사능물질로 사용하는 경우, 더 많은 양의 전류와 전압을 생성할 수 있다. 이러한 전기발생장치는 사용후핵연료를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있는 장치로서, 이를 통해 생산된 전력은 원자력발전소에 중대사고가 발생한 경우, 내부의 안전 시스템을 구동하는 데 도움을 주거나, 외부에 발전소 내부의 정보를 전달하는 시스템을 구동하는데 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 전기발생단위체 210: 섬광체
220: 광전지
300: 전기발생장치 310: 저장랙
410: 사용후핵연료 420: 붕소수
430: 사용후핵연료 저장조
510: 지지체
220: 광전지
300: 전기발생장치 310: 저장랙
410: 사용후핵연료 420: 붕소수
430: 사용후핵연료 저장조
510: 지지체
Claims (7)
- 방사선을 이용하여 전기를 생성하는 전기발생장치에 있어서,
상기 방사선을 발산하는 방사선물질;
상기 방사선에 노출되어 전기를 생산하는 하나 이상의 전기발생단위체; 및
상기 하나 이상의 전기발생 단위체가 상호 간격을 유지하면서 배열되도록 하는 지지체를 포함하되,
상기 전기발생단위체는,
상기 방사선을 투과시켜 섬광을 발산하는 섬광체(scintillator); 및
상기 섬광체로부터 상기 섬광을 흡수하여 전기를 생성하는 광전지(photovoltaic cell)를 포함하며,
상기 지지체는,
원통형의 구조를 갖고, 상기 광전지와 연결된 전선이 상기 원통형 지지체의 내부를 통해 외부 시스템과 연결되는 것을 특징으로 하는 전기발생장치. - 제 1항에 있어서,
상기 방사선물질은 사용후핵연료 저장조에 저장되어 있는 사용후핵연료인 것을 특징으로 하는 전기발생장치. - 제 1항에 있어서,
상기 섬광체 및 상기 광전지의 어느 한 면이 서로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전기발생장치. - 제 1항에 있어서,
상기 섬광체 및 상기 광전지는 평판 형상이고,
상기 섬광체의 두께가 상기 광전지의 두께 이상인 것을 특징으로 하는 전기발생장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 섬광체는 무기 섬광체(Inorganic Scintillator)인 것을 특징으로 하는 전기발생장치. - 제 1항에 있어서,
상기 섬광체는 탈륨이 첨가된 요오드화 세슘(Thallium Activated Cesium Iodide, CsI(Tl)) 및 텅스텐산 카드뮴(Cadmium Tungsten Oxide, CdWO4) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기발생장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020160067757A KR101777185B1 (ko) | 2016-05-31 | 2016-05-31 | 방사선을 이용한 전기발생장치 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107785092A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-03-09 | 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 | 可持久使用的充电宝 |
| KR20190064869A (ko) * | 2017-12-01 | 2019-06-11 | 한국과학기술원 | 섬광체 기반 실시간 사용후핵연료 집합체 부분결손 계측 장치 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2000039499A (ja) * | 1998-07-22 | 2000-02-08 | Naohisa Suzuki | 放射性核燃料廃棄物によるエネルギー発生法 |
| US20110100439A1 (en) * | 2009-10-29 | 2011-05-05 | General Electric Company | Radioisotope power source |
-
2016
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| KR102096289B1 (ko) * | 2017-12-01 | 2020-04-02 | 한국과학기술원 | 섬광체 기반 실시간 사용후핵연료 집합체 부분결손 계측 장치 |
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