KR101895827B1 - 폐핵연료의 장기 보관 방법 - Google Patents

Abstract

원자로의 폐핵연료를 장기 보관하기 위한 방법은 먼저 원자로의 폐연료 집합체를 강 케이스 내에 배치하고, 이 케이스를 커버로 기밀하게 밀봉하기 전에, 폐연료 집합체의 연료 요소의 케이싱의 물질에 대해, 케이스의 본체의 물질에 대해, 공기에 대해, 그리고 물에 대해 화학적으로 불활성인 물질이 강 케이스 내에 배치되고, 상기 강 케이스는 가열 장치 내에 장착되고, 상기 강 케이스는 상기 강 케이스 내에 배치된 물질이 액체 상태가 될 때까지 상기 물질과 함께 가열되고, 다음에 상기 원자로로부터 추출된 상기 폐연료 집합체는, 상기 폐연료 집합체의 연료 요소의 연료 부분이 상기 강 케이스 내의 액체 물질의 액위보다 낮도록, 상기 강 케이스 내에 배치되고, 상기 폐연료 집합체 이 위치에 고정되고, 상기 케이스는 상기 커버에 의해 기밀하게 밀봉되고, 상기 기밀하게 밀봉된 강 케이스는 상기 가열 장치로부터 추출되어, 대기에 의해 냉각되는 보관 설비 내에 장착된다. 이러한 기술적 해결책에 의해 대기를 이용하여 냉각되는, 특히 자연적으로 순환되는 대기로 냉각되는 보관 설비 내에 원자로의 폐연료 집합체를 안전하게 장기 보관할 수 있고, 또한 안전 수준을 증대시키기 위한 처리를 위해 폐연료 집합체를 공장으로 수송할 수 있다.

Description

폐핵연료의 장기 보관 방법{METHOD FOR LONG-TERM STORAGE OF WASTE NUCLEAR FUEL}

본 발명은 원자핵 기술 분야, 특히 원자로의 폐핵연료의 안전한 장기 보관 방법에 관한 것이다.

폐핵연료(WNF), 특히 원자로의 폐연료 집합체(WFA)의 안전한 장기(수십년간) 보관은 복잡한 기술적 난제를 제기한다 이것은 WNF 내에 수용된 연료 물질의 핵분열 생성물의 방사능과, 또한 일차 핵연료의 중성자에 노출된 원자로(NR)의 가동 중에 형성되는 이차 핵연료(플로토늄) 및 미량의 악티니드(넵투늄, 아메리슘, 퀴륨)의 방사능과 관련된 높은 방사 전위가 존재한다는 사실에 기인된다.

부식, 열적 충격 및 기계적 충격으로 인한 연료 요소(FE)의 케이싱인 주요 안전 차단벽이 손상되면, 방사능이 누출되어, 심각한 방사생태학적 결과를 초래한다.

WNF는 애프터파워(afterpower)의 제거될 수 없는 발생원이고, 이것의 방출은 경시적으로 점차 감소되지만, 수년이 지난 후에도 조직적인 열의 제거를 필요로 하고, 이것이 실패하면 WNF의 온도 상승 및 FE 케이싱의 기밀하게 밀봉된 상태의 손상이 유발된다는 사실에 의해 문제는 더 복잡해진다.

현재, WNF의 장기 보관을 위한 관습적 방법은 WFA의 애프터파워를 제거하는 물로 충만된 냉각 폰드(cooling pond; CP) 내에 WFA를 배치하는 것이다. CP 내의 물은 방사성일 수 있으므로, 이것은 외부의 냉각수 공급원에 접속된 열교환기를 이용하여 냉각된다.

종래 기술은 냉각 폰드 내에 폐핵연료를 보관하기 위한 방법을 개시한다.

예를 들면, 종래 기술에는 상면이 천공되고, 탈염수로 충만된 케이스를 탈염수를 포함하는 폰드 내에 설치함으로써 폐핵연료를 보관하기 위한 공지된 방법이 있다. 케이스와 폰드 내의 물의 수위는 독립된 리저버로부터 케이스와 폰드에 단속적으로 탈염수를 공급함으로써 구멍의 가장자리의 하측에 유지된다. 또한, 최대값의 애프터파워에서 시험 케이스 내에서 최대 허용가능한 수위에 도달했을 때, 케이스에 물을 단속적으로 공급하는 것이 제안되었다(특허 RU 2403633, G21Cl9/06, G21F9/36, 2010).

종래 기술은 또한 a) 상부, 저부 및 용기 하우징의 내부의 물을 충만시키기 위한 공동부를 갖는 용기를 침수시키는 단계, b) 물을 충만시키기 위해 설치된 용기의 공동부 내에 방사성 물질을 설치하는 단계, c) 용기의 주요 부분이 물 리저버 수위의 하측에 유지되는 상태에서 용기의 상부가 물 리저버 수위의 상측에 배치될 때까지 침수된 용기를 상승시키는 단계, 및 d) 용기의 상부가 물 리저버 수위의 상측에 유지되고, 용기의 나머지 부분은 침수된 상태에서 용기의 공동부로부터 물을 제거하는 단계를 포함하는 방사성 물질의 보관 방법을 개시한다(미국 특허출원 US2009069621, G21F5/005, 2009).

폐핵연료 보관 설비에서, NPP에서, 그리고 폐핵연료 재처리 공장에서 사용되는 공지된 방법이 있다. 현가(suspension) 로드를 사용하는 빔 플로어(beam floor)의 하측에서 물 폰드 내에 설치되는 물로 충만되는 케이스 내에 폐핵연료를 장기 보관하기 위해, 케이스의 지지 부분은 폰드의 저면 상에 설치되고, 케이스의 상측 단부는 100+150 mm의 간극 및 폰드 저면의 평방미터 당 30+50 개의 케이스의 밀도로 빔 플로어의 하측에 설치된다(특허 RU 2407083, G21C19/22, 2010).

WNF 보관을 위한 이러한 방법을 사용하면, 부식 과정의 작용 하에서 시간이 경과함에 따라 냉각 폰드 내의 폐핵연료를 구비하는 용기 또는 케이스의 기밀이 상실되어 물이 방사능 오염된다.

이러한 현상을 방지하기 위해, 최근 WFA의 "건식" 보관이 사용되어 왔는데, 여기서 WFA는, 어느 정도의 기간(약 3년) 동안 냉각 폰드 내에 보관되어 애프터파워가 감소된 후에, 냉각 폰드로부터 제거되어, 기밀하게 밀봉된 케이스 내에 설치되고, 이 케이스는 공냉식 "건식" 보관 설비 내에 설치된다.

수냉 시스템의 전원의 고장에 기인되는 후쿠시마-1에서의 사고로 인해 냉각 폰드 내의 물의 증발, FE의 가열, 그 본체의 파괴 및 이에 따른 지르코늄-수증기의 반응 중에 형성되는 다량의 산소의 형성, 및 환경으로의 방사능의 방출이 발생한다는 사실이 알려졌다.

이러한 상황에 비추어 보면, "건식" WNF 보관으로 전환함으로써 냉각 폰드 내부의 "습식" 보관의 단계를 생략하는 것이 상당히 합리적인 것으로 보인다.

US 6802671, DE 3816195, US 5887042, US 8098790에 기재된 건식" 보관 기법을 사용하는 공지된 보관 방법이 있다.

이 종래 기술은 핵물질의 수송 및/또는 보관을 위한 방법을 설명하는데, 여기서 핵물질은 금속 프레이밍(framing) 상에 배치되는 주조 납으로 된 방사선 차폐체를 갖는 용기의 내부에 배치된다(미국 출원 US2010183110, G21F5/008, 2010).

본 발명은 종축선을 따라 정렬된 적어도 하나의 금속 프레이밍으로 이루어지고, 이 금속 프레이밍 상에 주조된 납 블록 또는 납 합금 중 하나의 블록으로 둘러싸인 적어도 하나의 수준의 방사선 차폐를 제공하고, 금속 프레이밍은 주조 납(또는 납 합금 중 하나)의 블록이 종방향으로 이동하는 것을 저지하기 위한 적어도 하나의 요소를 구비한다. 또한, 상기 금속 프레이밍은 종축선을 따르는 그 길이의 적어도 일부가, 바람직한 실시형태에서는, 블록의 전체 길이가 납(또는 납 합금 중 하나)으로 주조된 블록 내에 매립된다. 따라서, 금속 프레이밍과 납(또는 납 합금 중 하나)의 견실한 기계적 연결이 형성되고, 패키지의 자유낙하의 경우에 이들 두 요소의 서로에 대한 상대적 종방향 이동이 방지된다.

종래 기술은 또한 대류 냉각식 용기 내에 폐핵연료를 보관하는 방법을 설명하는데, 여기서 폐연료를 포함하는 백(bag)은 기밀하게 밀봉된 커버를 갖춘 금속 탱크의 내부에 배치되고, 이 탱크는 열제거 면과 단부 리브(rib)를 갖고, 이것은 간격(distancing) 요소 및 댐핑 요소로서 작용한다. 탱크는 용기의 하우징의 내부에 장착되고, 동시에 공기의 통과를 위한 간극을 형성하고, 이 탱크의 리브는 용기의 내부의 저면 및 측면과 접촉된다. 용기의 하우징은 외부 금속 케이싱 및 내부 금속 케이싱으로 형성되고, 이들 사이의 공간은 방사선 방호 물질, 예를 들면, 내열 콘크리트 및/또는 중성자 흡수 조성물로 충전된다. 이들 케이싱 사이에는 천공된 금속판의 형태로 제작된 보강용 열 제거 요소가 내부 케이싱 상에 용접되어, 이 내부 케이싱의 접선을 따라 장착된 외부 케이싱과 단단히 접촉되어 있다 하우징의 저부에는 유입 냉각 덕트가 형성되어 있고, 커버에는 유출 냉각 덕트가 형성되어 있다. 탱크의 감압의 경우에, 냉각 덕트는 블라인드 커버로 폐쇄된다(특허 RU 2231837, G21F5/008, 2004).

이러한 기술적 해결책의 단점은 폐핵연료를 포함하고 있는 백이 내부에 설치되어 있는 금속 탱크의 감압의 경우에 방사능이 환경으로 방출될 가능성이 존재하는 것이다.

청구된 발명에 가장 근접한 것은 원자력 잠수함(NS)의 원자로로부터의 WNF을 "건식" 보관하는 방법인데, 여기서 WNF를 일부로서 포함하는 노심과 함께 언로딩된 제거가능한 폐기 부분(waste removable part; WRP)은 언로딩 직후에 기밀하게 밀봉된 강 탱크 내의 사전 냉각된 보관 설비의 박스들 중 하나 내에 설치되고, 탱크 내에는 자신의 용융 온도 이상으로 사전 가열된 Pb-Bi의 액체 융체가 수용되어 있다. 탱크의 상부에는 기밀 밀봉식 캡이 장착된다. 가열 시스템의 분리, 여열(afterheat)의 감소, 및 공정(eutectic)의 응고 후, WRP를 포함한 탱크는 3-5 년 이상의 추가의 보관을 위해 장기간 냉각되는 보관 설비의 박스로 이동된다(Zrodnikov A.V, et al., Problems and approaches to handling of waste nuclear fuel of liquid-metal reactors of nuclear submarines. Higher education institutions bulletin Nuclear power industry - Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Obninsk: No 1, 2007, p. 16).

이 가장 근접한 발명의 단점은 극히 제한된 사용 분야, 즉 언로딩 시에 극히 낮은 애프터파워 수준을 갖는 NS의 원자로의 WRP의 일부로서 전체가 언로딩된 노심에만 사용되는 것이다. 이것은 다음의 두 가지 요인을 원인으로 한다. 1) NS의 원자로는 주로 낮은 동력 수준으로 가동되고, 2) 연료교환의 시간은 NS의 야드(yard) 수리 시로 제한되고, 이것은 언로딩이 원자로의 가동정지 후 충분히 긴 기간 후에 수행되어야 하는 이유이다.

민간용 원자력 발전소의 원자로의 경우, 주로 공칭 동력 수준의 원자로의 가동에 기인되는 높은 수준의 애프터파워 및 WNF의 언로딩 전의 짧은 냉각 기간으로 인해 이러한 WNF의 언로딩 및 보관 방법이 적용될 수 없다. 동일한 이유로, 열전달 매체로서 낮은 용융 온도(123.5 ℃)를 갖는 공정형 Pb-Bi 합금은 장시간 동안 액체 상태이고, 추가의 안전 차단벽으로서 기능하지 못하므로 사용할 수 없다.

더욱이, 적용가능한 규정 문서에 따라 이러한 보관 방법은 재처리 공장으로 WNF의 수송이 허용되지 않는다. 원자력 및 방사선 위험의 원인이 되는 노동을 요하는 노심 분해작업이 필요하다.

본 발명의 목적은 대기를 이용한 냉각, 바람직하게 대기의 자연 순환을 이용한 냉각 상태의 보관 설비 내에 원자로의 폐연료 집합체를 보관하는 경우에 폐핵연료의 장기 보관의 안전을 증대시키는 것이다.

이 목적은 환경으로의 방사능의 방출 경로 상에 다중-차단벽 보호체를 형성함으로써 달성된다. 이 다중-차단벽 보호체는 WFA의 FE의 케이싱의 물질에 대해, 케이스의 본체의 물질에 대해, 공기에 대해, 그리고 물에 대해 화학적으로 불활성이고, 충분히 높은 용융 온도를 갖는 물질이 충만된 WFA용 강 케이스를 상기 물질이 용융될 때까지 가열하고, 상기 물질이 액체 상태로 수용된 기밀하게 밀봉된 가열된 강 케이스의 내부에 WFA를 설치함으로써 형성된다. 가열 장치로부터 케이스를 제거한 후, 이 케이스는 공냉되는 "건식" WNF 보관 설비의 내부에 설치된다. WFA의 FE의 케이싱의 물질에 대해, 케이스의 본체의 물질에 대해, 공기에 대해, 그리고 물에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 응고시킨 후, 환경으로의 방사능의 방출 경로 상에 다중-차단벽 보호체가 강 케이스 내부에 형성되어 WFA의 장기간의 신뢰할 수 있는 안전한 보관이 보장된다. 이 케이스는 자연적으로 순환되는 대기로 냉각되는 "건식" 보관 설비의 박스 내에, 또는 예를 들면 가장 유사한 특허 RU 223183 7에 따라 제조된 대류 냉각식 용기 내에 추가로 배치될 수 있고, 그 내부에서 WFA는 재처리 공장으로 수송될 수 있다.

충분히 높은 열 전도율을 갖는 케이스 충전용 물질을 선택함으로써, 자연 순환되는 대기로도 WFA의 EL의 케이싱의 허용가능한 온도가 초과되지 않고, 이것에 의해 무기한의 시간 동안 수동적 열제거가 보장된다.

WNF의 안전한 장기 보관 방법은 다음과 같이 구성된다.

원자로로부터 WFA를 언로딩하기 전에, FE의 케이싱의 물질에 대해, 케이스의 본체의 물질에 대해, 공기에 대해, 그리고 물에 대해 화학적으로 불활성이고, 허용가능한 용융 온도 및 열 전도율을 갖는 필요한 양의 물질(예를 들면, 납)이 사전에 충만된, 리브(rib)를 갖는 강 케이스가 가열 장치 내에 장착된다.

가열 장치에 의해 방출되는 열의 영향 하에서, 납은 액체 상태로 전환된다(용융 온도는 327℃).

적절한 부속품을 사용하여 WFA가 원자로로부터 제거되고, FE의 연료 부분이 케이스 내의 액체 납의 액위의 하측에 유지되도록, 그리고 상기 케이스 내에 그리고/또는 상기 WFA의 그릴(grill) 내에 설치되는 기계적 장치에 의해 이 위치에 고정되도록, 상기 케이스의 내부에 설치된다. 다음에, 이 케이스는 커버로 기밀하게 밀봉된다.

이 기밀하게 밀봉된 케이스는 가열 장치로부터 추출되고, 자연적으로 순환되는 대기를 사용하여 냉각되는 적절한 "건식" 보관 박스 내에 장착된다. WFA와 함께 충만되는 물질은 응고되어 다중-차단벽 보호체를 생성하고, WFA의 각각의 FE는 납 층으로 개별적으로 둘러싸이고, 전체 WFA도 그 주위의 전체가 WFA와 강 케이스 하우징의 내벽 사이에 배치되는 납 층에 의해 둘러싸인다.

다음에, 프로텍터 플러그(protector plug)가 보관 설비의 박스의 구멍 내에 장착되고, 곧바로 전술한 사이클이 반복된다.

Claims (3)

1. 원자로의 폐핵연료를 장기 보관하기 위한 방법으로서,
   강 케이스를 제공하는 단계;
   폐연료 집합체의 연료 요소의 케이싱, 상기 강 케이스, 공기 및 물에 대해 화학적으로 불활성인 물질의 블록을 제공하는 단계로서, 상기 화학적으로 불활성인 블록은 납(lead)인, 단계
   상기 화학적으로 불활성인 물질의 블록을 상기 강 케이스 내에 배치하는 단계;
   상기 강 케이스를 가열 장치에 장착하는 단계;
   상기 화학적으로 불활성인 물질의 블록이 액화될 때까지, 상기 강 케이스를 그 강 케이스 내에 배치된 상기 화학적으로 불활성인 물질의 블록과 함께 가열하는 단계;
   원자로로부터 폐핵연료 집합체를 추출하는 단계;
   상기 강 케이스 내에 상기 폐핵연료 집합체를 위치시키는 단계 ― 여기서, 상기 액화된 화학적으로 불활성인 물질이 상기 폐핵연료 집합체를 감싸고, 상기 폐연료 집합체는, 상기 폐연료 집합체의 연료 요소의 연료 부분이 상기 강 케이스 내의 액화된 상기 화학적으로 불활성인 물질의 액위보다 낮도록, 상기 강 케이스 내에 배치되고, 그 위치에서 상기 폐연료 집합체가 고정됨 ―;
   상기 강 케이스를 커버로 기밀하게 밀봉하는 단계;
   상기 가열 장치로부터 기밀하게 밀봉된 상기 강 케이스를 추출하는 단계; 및
   대기에 의해 냉각되는 보관 설비 내에 기밀하게 밀봉된 상기 강 케이스를 장착하는 단계
   를 포함하는, 원자로의 폐핵연료의 장기 보관 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   대기를 사용하여 냉각되는 상기 보관 설비는 폐연료 집합체를 포함하는 강 케이스용 박스, 및 각각의 박스 상의 프로텍터 플러그(protector plug)를 포함하고, 상기 보관 설비는 보관 설비가 충만된 후에 폐쇄되고, 상기 보관 설비 내의 강 케이스의 냉각은 자연적으로 순환되는 대기를 이용하여 실시되는, 원자로의 폐핵연료의 장기 보관 방법.
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