KR101840807B1 - 사용 후 핵연료 건식 저장용기 - Google Patents

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울산과학기술원
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Abstract

사용후 핵연료에 대한 냉각 효율을 높이고 임계도 제어에 우수한, 사용후 핵연료가 저장된 바스켓, 상기 바스켓을 감싸며 설치되는 오버팩, 상기 오버팩 상단에 설치되는 커버, 및 상기 바스켓에 설치되어 바스켓을 통해 방출되는 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 외부로 전도하여 제거하는 열전도부를 포함하는 사용후 핵연료 건식 저장 용기를 제공한다.

Description

사용 후 핵연료 건식 저장용기{SPENT NUCLEAR FUEL DRY STORAGE CASK}
본 발명은 사용 후 핵연료 건식 저장용기에 관한 것이다.
예를 들어, 중수로(CANDU) 등의 원자로에서 원자력 발전용으로 사용된 후의 핵연료(이하 '사용후 핵연료'라 한다)는 최종 처분 이전에 특수 설계된 저장 용기에 수납된 상태에서 저장 장소에 보관된다.
사용후 핵연료의 저장 방법은 크게 습식 저장 방법과 건식 저장 방법으로 구분된다. 최근 들어 용량 확장과 장기 관리 측면에서 유리한 건식 저장 방법이 주로 채택되어 이용되고 있다. 사용후 핵연료의 건식 저장은 습식 저장 방식과 비교하여 우수한 안정성, 저렴한 운영비 및 저장 용량의 증대 및 우수한 확장성 등의 장점을 갖고 있다.
건식 저장 방식으로 사용되고 있는 가압중수로 사용후 핵연료용 콘크리트 저장 용기 구조의 경우, 사용후 핵연료가 적재된 다수의 바스켓을 콘크리트 용기에 저장하는 방식이다. 사용후 핵연료에서 발생한 열은 콘크리트제 용기와 탄소강재의 밀봉 바스켓 사이 내부 공간을 유동하는 공기에 의하여 냉각된다. 콘크리트 저장 용기 방식은 금속 캐스크 방식과 비교하여 운영비가 적게드는 장점이 있으나, 내열성이나 냉각성능이 떨어진다는 문제가 있다.
사용후 핵연료는 많은 양의 열중성자가 발생되며, 특히 가압중수로의 경우 다량의 플로토늄이나 삼중수소 등 부산물이 많이 발생되므로, 건식 저장 용기에 있어서 사용후 핵연료에 대해서는 보다 우수한 냉각 효율 및 임계도(criticality) 제어가 요구된다.
또한, 계속적인 전력 사용으로 사용후 핵연료의 발생량이 지속적으로 증가함에 따라 저장 공간이 포화되면서 저장 공간의 확보가 어려워지고 있다. 이에, 한정된 공간 내에 많은 양의 사용후 핵연료를 효율적으로 저장할 수 있는 건식 저장 용기의 개발이 절실한 실정이다.
이에, 사용후 핵연료에 대한 냉각 효율을 높이고 임계도 제어에 우수한 사용후 핵연료 건식 저장 용기를 제공한다.
본 구현예의 저장용기는, 사용후 핵연료가 저장된 바스켓, 상기 바스켓을 감싸며 설치되는 오버팩, 상기 오버팩 상단에 설치되는 커버, 및 상기 바스켓에 설치되어 바스켓을 통해 방출되는 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 외부로 전도하여 제거하는 열전도부를 포함할 수 있다.
상기 열전도부는 상기 커버에 연결되어 커버로 열을 전도하여 방열하는 구조일 수 있다.
상기 열전도부는 바스켓 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 커버로 전도하는 중심 히트파이프를 포함할 수 있다.
상기 중심 히트파이프 내부에 구비되어 중성자를 흡수하는 중성자 흡수체를 더 포함할 수 있다.
상기 열전도부는 바스켓과 오버팩 사이에서 바스켓의 외측면에 축방향을 따라 연장설치되며 바스켓 외주면을 따라 간격을 두고 배치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 커버로 전도하는 복수개의 주변 히트파이프를 포함할 수 있다.
상기 주변 히트파이프 내부에 구비되어 중성자를 흡수하는 중성자 흡수체를 더 포함할 수 있다.
상기 커버는 내부에 밀폐된 공간을 갖는 통 구조로 이루어지고, 상기 중심 히트파이프 또는/및 상기 주변 히트파이프는 상기 커버 내부 공간과 연통되어 작동 유체가 상기 커버 내부 공간으로 유통되는 구조일 수 있다.
상기 중심 히트파이프 또는/및 상기 주변 히트파이프는 내주면에 이격되고 표면에 홀이 형성된 베플이 설치되어, 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체를 구분하는 구조일 수 있다.
본 구현예의 따르면, 중성자 흡수체 및 냉각재를 통해 건식 저장 용기 내에 적재된 사용후 핵연료의 냉각 성능 및 임계도 제어 효과를 높일 수 있게 된다.
이에, 사용후 핵연료에서 발생된 잔열을 외부 전력 공급없이 효율적으로 제거하여, 20년 이상 장시간 저장하는 동안 저장용기의 고연 열화, 부식 현상 등을 저감시켜 장기 건전성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 중성자 흡수체를 통한 임계도 제어에 의해 사용후 핵연료 저장 기간 중 발생 가능한 재임계 사고를 방지할 수 있으며, 건식 저장 용기의 안전성을 향상시키고 방사성 물질 및 방사선 누출의 위험을 저감할 수 있게 된다.
또한, 냉각 성능 향상과 임계도 제어가 효과적으로 이루어져, 보다 많은 양의 사용후 핵연료를 저장용기 내의 좁은 공간에 효율적으로 저장할 수 있어, 추가 시설의 구축없이 안전하고 신속한 용량 확장 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 사용 후 핵연료 건식 저장용기의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 사용 후 핵연료 건식 저장용기의 일부 구성을 보다 상세하게 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 사용 후 핵연료 건식 저장용기를 도시하고 있으며, 도 2는 상기 저장용기의 열전도 구조를 상세하게 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 저장용기(100)는, 사용후 핵연료가 저장된 바스켓(10), 상기 바스켓(10)을 감싸며 설치되는 오버팩(20), 상기 오버팩(20) 상단에 설치되는 커버(30), 상기 바스켓(10)에 설치되어 바스켓(10)을 통해 방출되는 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 외부로 전도하여 제거하는 열전도부를 포함한다.
본 실시예에서, 상기 열전도부는 상기 커버(30)에 연결되어 바스켓(10)에서 흡수한 열을 커버(30)로 전도하여, 외기와 접하고 있는 커버(30)를 통해 외부로 방열하는 구조로 되어 있다.
이에, 바스켓(10) 내부의 사용후 핵연료 잔열이 열전도부를 통해 신속하게 커버(30)로 전달되어 대면적의 커버를 통해 외부로 방열처리됨으로써, 잔열 제거 효율을 높이고 저장용기(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
이하 각 구성부를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 바스켓(10)은 내부에 사용후 핵연료 집합체(12)가 저장되며, 오버팩(20) 내부 공간에 복수개가 적층되어 배치된다. 예를 들어 중수로에서 사용되고 폐기된 사용후 핵연료의 집합체(12)는 바스켓(10) 내부에 일정한 배열로 배치되고, 바스켓(10)에 의해 밀봉되어 보관된다. 상기 바스켓(10)은 원통형태로 이루어질 수 있으며, 그 형태는 다양하게 변형가능하다.
상기 바스켓(10)의 중심부에는 가열부의 중심 히트파이프(40)가 축방향으로 관통하여 설치될 수 있도록 공간이 형성된다. 상기 바스켓(10)의 상면과 하면은 각각 중심부 공간을 통해 관통된 히트파이프의 외면과 용접되어 외부와의 차단 상태를 유지할 수 있다.
상기 오버팩(20)은 바스켓(10)을 감싸며 설치되어 저장용기(100)의 외형을 이룬다. 상기 오버팩(20)은 바스켓(10)과 대응되는 원통형태로 이루어질 수 있으며, 그 형태는 다양하게 변형가능하다.
본 실시예에서, 상기 오버팩(20)은 콘크리트 구조체로 이루어질 수 있다. 상기 오버팩(20)은 사용후 핵연료가 수용된 바스켓(10)을 감싸 바스켓(10) 내부의 사용후 핵연료로부터 발생된 열과 방사선을 차폐한다.
상기 오버팩(20)의 하부 외주면에는 외기가 내부로 유입되는 적어도 하나 이상의 공기 흡입구(22)가 형성되며, 상부 외주면에는 내부 공기가 배출되는 적어도 하나 이상의 공기 배출구(24)가 형성될 수 있다. 상기 공기 흡입구와 공기 배출구는 오버팩(20) 내부와 연통되어, 공기 흡입구를 통해 유입된 외기는 오버팩(20)과 바스켓(10) 사이의 유로를 따라 상부로 이동하여 공기 배출구를 통해 외부로 배출된다. 이 과정에서 바스켓(10)의 열이 오버팩(20) 내부로 유입된 외기와 열교환되어 냉각된다.
상기 오버팩(20)의 상단은 내부로 바스켓(10)을 장입할 수 있도록 개방되어 있다. 오버팩(20)의 개방된 상단에 커버(30)가 설치된다.
상기 커버(30)는 오버팩(20) 상단의 개방구(26)에 위치하여 개방구(26)를 차폐한다. 상기 커버(30)는 오버팩(20)의 개방구(26)를 충분히 덮을 수 있는 정도의 크기로 형성되거나, 도 1에서와 같이, 상기 개방구(26)와의 사이에 공기가 유통될 수 있도록 개방구(26)의 직경보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 이러한 구조의 경우 오버팩(20) 내부에서 바스켓(10)과 열교환된 공기가 오버팩(20)의 공기 배출구 외에 상기 커버(30)와 개방구(26) 사이의 틈새를 통해서도 외부로 원활하게 배출되어 방열 효과를 높일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 커버(30)는 내부에 밀폐된 공간(32)을 갖는 통 구조로 이루어진다. 이에, 열전도부와의 열교환 효율을 높여 열전도부로부터 전달된 열을 보다 신속하게 외부로 방열 시킬 수 있게 된다. 상기 커버는 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 커버(30)의 작용에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.
상기 커버(30)는 바스켓(10) 상부에서 열전도부를 매개로 바스켓(10)과 연결된다. 이에, 바스켓(10)에서 발생되는 열은 열전도부를 통해 흡수되고 커버(30)로 신속하게 전달되어 커버(30)를 통해 외부로 방열처리된다.
본 실시예에서, 상기 열전도부는 바스켓(10) 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되는 중심 히트파이프(40), 바스켓(10)의 외측면에 축방향을 따라 연장설치되며 바스켓(10) 외주면을 따라 간격을 두고 배치되는 복수개의 주변 히트파이프(50)를 포함할 수 있다.
상기 중심 히트파이프(40)와 주변 히트파이프(50)는 모두 바스켓(10)의 열을 흡수하여 신속하게 커버(30)로 전달하는 히트파이프(heat pipe)로써 작용을 한다. 이에, 바스켓(10) 내부에 저장된 사용후 핵연료로부터 발산되는 잔열이 바스켓(10)에 설치된 각 히트파이프를 통해 커버(30)로 전도되어 제거된다.
상기 중심 히트파이프(40)는 바스켓(10)의 중심부에 설치되고, 상부로 연장되어 바스켓(10) 위쪽에 배치된 커버(30)의 하단 중심부에 연결된다. 상기 중심 히트파이프(40)는 바스켓(10) 중심부에 위치하여 바스켓(10)에 적재된 사용후 핵연료의 잔열을 바스켓(10) 중심부 위치에서 흡열하여 커버(30)로 전달하게 된다.
이에, 바스켓(10) 내부 중심에서 외부로 용이하게 빠져나가지 못하는 잔열을 중심 히트파이프(40)를 통해 바로 제거할 수 있어 냉각 효율을 보다 증대시킬 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 중심 히트파이프(40)는 내부에 중성자 흡수체(60)가 구비된다. 상기 중성자 흡수체(60)는 중성자 흡수 반응 단면적 큰 물질로, 예를 들어, 상기 중성자 흡수체(60)는 보론화합물일 수 있다. 상기 중성자 흡수체(60)는 바스켓(10) 내에 저장된 사용후 핵연료로부터 빠른 속도로 발산되는 중성자를 흡수하여 임계도를 낮출 수 있게 된다. 이와 같이, 중심 히트 파이프 내에 중성자 흡수체(60)를 내장함에 따라 바스켓(10)의 잔열 제거와 더불어 임계도를 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
상기 주변 히트파이프(50)는 바스켓(10)의 외주면에 설치되고, 상부로 연장되어 바스켓(10) 위쪽에 배치된 커버(30)의 외주면에 연결된다. 상기 커버(30)가 오버팩(20)의 상단 개방구(26)를 덮는 정도의 크기로 형성된 경우, 상기 주변 히트파이프(50)는 중심 히트파이프(40)와 같이 커버(30) 하단으로 연결될 수 있다. 상기 주변 히트파이프(50)는 바스켓(10) 외주면에 위치하여 사용후 핵연료의 잔열을 바스켓(10) 외주면에서 흡열하여 커버(30)로 전달하게 된다.
상기 주변 히트파이프(50)의 설치 위치나 설치 개수 등은 저장용기(100)의 크기나 커버(30)의 구조 등에 따라 다양하게 변형가능하며, 특별히 한정되지 않는다.
본 실시예에서, 상기 주변 히트파이프(50) 또한 내부에 중성자 흡수체(60)가 구비된다. 이에, 중심 히트파이프(40)와 마찬가지로, 주변 히트파이프(50) 내에 내장된 중성자 흡수체(60)가 중성자를 흡수하여 임계도를 낮출 수 있게 된다.
상기 중심 히트파이프(40)와 주변 히트파이프(50)는 그 설치 위치만 상이할 뿐 동일한 구조로 이루어진다. 이에, 이하 설명에서 중심 히트파이프(40)의 구조에 대해 설명하며 주변 히트파이프(50)는 이에 갈음한다.
상기 중심 히트파이프(40)는 내부에 프레온, 물, 나트륨 금속 등의 작동유체가 수용된 관 구조물로, 작동유체가 액체와 증기로 상변화되면서 빠른 속도로 열을 전달하는 구조로 되어 있다. 히트파이프(heat pipe)의 구조와 기능에 대해서는 이미 많은 기술이 개시되어 있으므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
이에, 중심 히트파이프(40) 내에 수용된 작동유체는 바스켓(10) 내부에 수용된 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하면서 가열되고, 가열된 작동유체는 증기 상태로 상변화되어 상부로 빠른 속도로 이동하여 커버(30)로 열을 전달하게 된다. 중심 히트파이프(40) 상부로 이동된 증기 상태의 작동유체는 방열되면서 응축되고, 응축된 액체는 다시 중력에 의해 관로를 따라 하강되어 잔열이 발생되는 바스켓(10)으로 이동된다. 중심 히트파이프(40)는 이러한 싸이클을 반복하면서, 바스켓(10)에서 발생되는 잔열을 흡수하여 냉각시키게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 상기 커버(30)는 내부가 빈 밀폐된 공간(32)을 구비한 구조로 상기 중심 히트파이프(40)는 커버(30)의 내부 공간(32)과 연통된다. 상기 커버(30)의 내부 공간(32)은 예를 들어, 진공 상태로 중심 히트파이프(40)와 연통 설치될 수 있다.
이에, 중심 히트파이프(40)의 흡열에 의해 상부로 이동된 증기 상태의 작동유체는 중심 히트파이프(40) 상단을 통해 연통되어 있는 커버(30) 내부 공간(32)으로 유입된다. 따라서, 증기 상태의 작동유체는 커버(30)의 내부 공간(32)에서 커버(30) 전체 면과 접하여 열교환이 이루어지게 된다.
즉, 중심 히트파이프(40)와 비교하여 상대적으로 대면적을 갖는 커버(30)와 작동유체 사이의 열교환을 통해 중심 히트파이프(40)의 상부로 전도된 열이 급격하게 커버(30)로 전도된다. 커버(30)로 전달된 열은 외기와 접하고 있는 커버(30) 전면을 통해 외부로 방열된다. 커버(30)와 열교환되면서 응축된 작동유체는 중심 히트파이프(40)를 통해 다시 아래로 내려가 바스켓(10)의 잔열을 흡수하게 된다.
이와 같이, 내부 공간(32)을 갖는 커버(30)와 중심 히트파이프(40)를 연통하여 커버(30)와 히트파이프의 작동유체 간의 열교환을 수행함으로써, 바스켓(10) 잔열의 제거 효율을 극대화할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 열전도부는 상기 중심 히트파이프(40) 내부에 설치되는 베플(42)을 더 포함할 수 있다. 상기 베플(42)은 중심 히트파이프(40) 내주면에 이격되고 표면에는 홀(44)이 형성된 관 구조물로, 중심 히트파이프(40) 내부에서 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체 사이의 유로를 구분시키는 구조로 되어 있다. 상기 베플(42)은 중심 히트파이프(40) 중심에서 커버(30) 내부 공간(32) 상으로 돌출 형성된다. 베플(42)에 형성된 홀(44)을 통해 증기 상태의 작동유체가 배출되어 커버(30) 내부 공간(32)으로 유입된다.
이와 같이, 베플(42)에 의해 중심 히트파이프(40) 내에서 상변화된 작동유체의 유로가 구분되어 상하 이동이 보다 원활해짐으로써, 열전달 효과를 보다 높일 수 있게 된다. 또한, 상기 베플(42)을 구비함으로써, 중심 히트파이프(40)의 직경을 크게 형성하더라도 중심 히트파이프(40) 내에서 상변화된 작동유에의 유로 구분이 명확하게 이루어질 수 있다. 따라서, 중심 히트파이프(40)를 보다 크게 형성하여 열전달 면적을 증대시키고 잔열 제거 효율을 높일 수 있게 된다 .
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 바스켓 20 : 오버팩
30 : 커버 32 : 공간
40 : 중심 히트파이프 42 : 베플
44 : 홀 50 : 주변 히트파이프
60 : 중성자 흡수체

Claims (8)

  1. 사용후 핵연료가 저장된 바스켓, 상기 바스켓을 감싸며 설치되는 오버팩, 상기 오버팩 상단에 설치되는 커버, 및 상기 바스켓에 설치되어 바스켓을 통해 방출되는 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 외부로 전도하여 제거하는 열전도부를 포함하고,
    상기 열전도부는 상기 커버에 연결되어 커버로 열을 전도하여, 외기와 접하는 커버를 통해 사용후 핵연료의 잔열을 외부로 방열하는 구조이고,
    상기 열전도부는 바스켓 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 커버로 전도하는 중심 히트파이프를 포함하고,
    상기 커버는 내부에 밀폐된 공간을 갖는 통 구조로 이루어지고,
    상기 중심 히트파이프는 상기 커버 내부 공간과 연통되어 작동 유체가 상기 커버 내부 공간으로 유통되어 커버와 열교환되는 구조의 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 히트파이프 내부에 구비되어 중성자를 흡수하는 중성자 흡수체를 더 포함하는 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도부는 바스켓과 오버팩 사이에서 바스켓의 외측면에 축방향을 따라 연장 설치되며 바스켓 외주면을 따라 간격을 두고 배치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 커버로 전도하는 복수개의 주변 히트파이프를 포함하는 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 주변 히트파이프 내부에 구비되어 중성자를 흡수하는 중성자 흡수체를 더 포함하는 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 주변 히트파이프는 상기 커버 내부 공간과 연통되어 작동 유체가 상기 커버 내부 공간으로 유통되어 커버와 열교환되는 구조의 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 중심 히트파이프 또는/및 상기 주변 히트파이프는 내주면에 이격되고 표면에 홀이 형성된 베플이 설치되어, 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체를 구분하는 구조의 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102139163B1 (ko) * 2019-10-15 2020-07-29 한국원자력환경공단 열전달 부재를 이용한 열배출이 용이한 사용후핵연료 처분용기

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