KR101930615B1 - 열 팽창 현상에 의한 반사체의 열 변형을 이용한 부하 추종형 소형 원자력 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 부하 추종형으로 제어가 용이하고, 게다가 안전하여, 제조 비용, 보수 관리를 위한 비용의 저감을 가능하게 하는 소형 원자력 발전 시스템을 제공한다. 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 의 어느 일방 또는 쌍방을 함유하는 금속성 연료를 사용한 연료 집합체 노심 (4) 과, 이 연료 집합체 노심 (4) 을 수납한 원자로 용기 (1) 와, 원자로 용기 (1) 내에 충전되고, 연료 집합체 노심 (4) 에 의해 가열되는 금속 나트륨과, 연료 집합체 노심 (4) 으로부터 방사되는 중성자의 실효 배증 계수를 약 1 이상으로 유지하여 노심을 임계 상태로 하기 위해서 중성자 반사체 (2) 를 구비하고, 이 중성자 반사체에 스프링상 또는 스파이럴상 금속 부재를 접속하고, 냉각재 금속 나트륨의 온도에 의한 금속 부재의 열 변형을 이용하여 중성자 반사체의 고속 중성자 반사 효율을 제어함으로써, 중성자 실효 배증 계수를 제어 가능하게 하는 부하 추종형 제어 방식의 소형 원자로를 구비한 소형 원자력 발전 시스템.

Description

열 팽창 현상에 의한 반사체의 열 변형을 이용한 부하 추종형 소형 원자력 발전 시스템{SMALL LOAD-FOLLOWING NUCLEAR POWER GENERATION SYSTEM USING HEAT DEFORMATION OF REFLECTOR CAUSED BY THERMAL EXPANSION PHENOMENON}
(참조에 의한 도입)
본 출원은, 2015년 4월 2일에 출원된 일본 특허 출원 제2015-75942호의 우선권을 주장하고, 그 내용을 참조함으로써 본 출원에 받아들인다.
본 발명은, 소형 원자력 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 소형 원자로 내에 있어서 핵 반응이 자연스럽게 제어되는 것에 의한 부하 추종형 제어 시스템을 장착한, 냉각계가 적어도 1 차계와 2 차계로 나뉘어져 있는 소형의 원자력 발전 시스템에 관한 것이다.
종래, 원자력 발전 시스템에 사용되는 원자로로서, 방사선에 의해 오염되어 있지 않은 수증기로 터빈을 회전시켜 발전을 실시하는 간접 사이클형의 원자로가 알려져 있다. 이 종류의 원자로는, 1 차 냉각계와 2 차 냉각계 사이에 증기 발생기나 열 교환기를 구비하고 있다.
그런데, 대형의 발전 시스템의 구축을 목적으로 한 루프형의 고속로에서는, 노심 (爐心) 을 냉각시켜 가열된 1 차 나트륨계 (1 차 냉각계) 의 열을 중간 열 교환기에 의해 2 차 나트륨계 (2 차 냉각계) 에 전달하고, 다시 2 차 나트륨계의 열을 증발기 및 과열기에 의해 물·증기계에 전달하고 있다. 또, 원자로 용기를 크게 하여, 1 차 나트륨계의 펌프와 중간 열 교환기를 원자로 용기 내에 수납한 탱크형의 고속 증식로에서도 마찬가지로, 1 차 나트륨계의 열을 중간 열 교환기에 의해 2 차 나트륨계에 전달하고, 다시 2 차 나트륨계의 열을 증기 발생기에 의해 물·증기계에 전달하고 있다.
이 종류의 대형의 발전 시스템에 사용되는 원자로는, 저전열 특성의 우라늄 235 또는 플루토늄 239 를 함유하는 금속 산화물을 펠릿상으로 성형한 연료를, 피복관에 수납한 다수의 연료봉을 집합시킨 노심을 구비한다. 대형의 원자로에 사용되는 노심은, 수십 개 정도의 연료봉을 묶은 연료봉의 다발을 200 만큼 집합시켜, 이들 연료봉의 집합체 사이에, 연료의 반응 속도를 제어하기 위한 제어봉을 배치하고 있다. 이와 같은 제어봉을 사용한 대형의 원자로에 있어서는, 제어봉의 위치를 제어하는 기구가 고장나거나 하여, 제어봉이 기능하지 않게 되면, 노심의 핵 반응이 폭주할 위험이 있다.
또한, 고속 증식로 이외의 원자로, 예를 들어 가압수형 경수로는, 노심을 냉각시켜 가열된 1 차 냉각수의 열을 증기 발생기에 의해 물·증기계에 전달하고 있다. 이 종류의 원자로에 있어서도, 노 내에 수납된 연료의 집합체 사이에 제어봉을 배치하여, 노심의 반응 속도를 제어하도록 하고 있다.
국제 공개공보 제03/007310호
니시야마 타카아키 「원자력 전기 추진 시스템에 있어서의 우주용 원자로의 제안」큐슈 대학 공학부 에너지 과학과 졸업 논문, 2009년 2월 W.F.Murphy, W.N.Beck, F.L.Brown, B.J.Koprowski, and L.A.Neimark, "POSTIRRADIATION EXAMINATION OF U-Pu-Zr FUEL ELEMENTSIRRADIATED IN EBR-I1 TO 4.5 ATOMIC PERCENT BURNUP", ANL-7602, November 1969
상기 서술한 대형의 발전 시스템의 구축을 목적으로 한 루프형의 고속 증식로나 가압수형 경수로 등의 간접 사이클을 채용한 원자로에서는, 각 냉각계 사이의 열 전달이 서로 독립되거나, 혹은 각각의 방에 수납되어 배관으로 연결된 증기 발생기나 열 교환기에 의해 실시되므로, 냉각계 전체가 복잡하고 큰 것이 되어 버린다. 특히, 발전을 목적으로 한 고속 증식로 등에서는, 냉각재로서 금속 나트륨을 이용한 1 차 냉각계가 다수의 루프로 구성되어 있고, 다시 루프의 하나 하나에 2 차 냉각계의 루프가 복수 접속되어 있는 점에서, 배관류, 펌프류, 열 교환기나 증기 발생기 등의 수가 많아져, 냉각계의 복잡화나 대형화가 현저해진다는 문제가 있었다.
또한 대형의 발전 시스템을 구축하는 대형의 원자로에 있어서는, 연료 집합체 사이에 배치한 제어봉에 의해 노심의 핵 반응 속도를 제어하도록 되어 있으므로 제어봉의 감시 시스템이 필요해지는 등, 노 자체의 구조가 복잡해져 버린다. 그 때문에, 원자로의 제조 비용이 막대한 것이 될뿐만 아니라, 그 보수 관리에도 많은 인원과 감시 설비가 필요하다는 문제도 있다.
한편, 루프형의 고속로에 비해 소형화로 하고, 부하 추종형 제어 방식의 실현을 도모하기 위해, 탱크형의 고속 증식로가 제안되어 있다. 이 종류의 고속로에 있어서도, 노심을 냉각시키기 위해서 사용하는 금속 나트륨의 위험성을 회피하기 위해, 중간 열 교환기나 증기 발생기가 여전히 필요하여, 냉각계의 간소화나 소형화는 충분하다고는 할 수 없다. 나아가서는, 제어봉, 긴급 노심 냉각계 등의 그 밖의 공학적 안전계가 장착되어 있다. 이와 같은 복잡한 안전계를 장착함으로써 원자력 발전 시스템은 고가가 되는 문제점이 있었다.
그래서, 안전성을 높이고, 나아가 발전 시스템을 저렴하게 하기 위해서 제어계의 간소화나 소형화를 목적으로 한 원자로가 제안되어 있고, 그러한 원자로로서, 특허문헌 1 이 있다. 특허문헌 1 에 개시되어 있는 원자로는, 중간 열 교환기나 증기 발생기를 사용하지 않고, 1 차 냉각계와 2 차 냉각계를 이중 (二重) 용기 내에 수납함으로써, 1 차 냉각계와 2 차 냉각계의 배관류를 대폭 삭감하여, 원자로의 소형화를 도모하고 있다. 그러나, 특허문헌 1 은 핵 반응의 제어에 대해 기재하고 있지 않고, 따라서, 본 발명과 같은 부하 추종형 제어 방식의 원자로는 아니다.
본 발명은, 원자로 및 발전 시스템을 포함하는 시스템 전체의 추가적인 소형화를 가능하게 하는 소형 원자력 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 부하 추종형으로 제어가 용이하고, 게다가 안전한 소형 원자력 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은, 제조 비용, 보수 관리를 위한 비용의 저감을 가능하게 하는 원자력 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 원자로를 소형화로 하고, 지르코늄 (Zr), 플루토늄 (Pu), 우라늄 (U) 으로 이루어지는 금속 연료를 장하 (裝荷) 하고, 반사체에 접속된 금속 부재의 열 팽창을 이용하여 반사체를 변형·이동시킴으로써, 열 팽창을 이용한 부하 추종형 제어 방식의 소형화 원자로를 구성하고, 이로써, 제어가 용이하고 게다가 재임계 등의 사고 발생의 확률이 제로인, 안전한 소형 원자력 발전 시스템을 제공한다. 즉, 열 출력의 변화에서 기인하는 금속 부재의 열 변형을 이용하여 고속 중성자 반사 성능을 제어함으로써 부하 추종형 제어가 가능한, 소형화 원자로 및 발전 시스템을 제공한다.
먼저 부하 추종형 제어 방식에 대해 이하에 설명한다.
(부하 추종형 제어 방식)
통상적인 원자로에서 사용되는 제어봉이 아니라, 열 등의 자연 현상의 기본 인자를 이용한 부하 추종형 제어 방식에 있어서, 주된 제어 인자로는 (1) 중성자 누출 확률/양의 제어, 및 (2) 중성자 발생 효율의 제어가 있다.
(1) 중성자 누출 확률/양의 제어
연료봉에 함유된 Pu, U 등의 핵 분열성 물질로부터 생성되는 중성자속 (束) 은, 원자로 외 등의 계 외로 누출되는 중성자와, 연료봉에 재흡수되어 핵 분열에 기여하는 중성자의 2 종류로 크게 구별된다. 계 외로 누출되는 중성자의 비율은 다음의 파라미터에 의존한다.
(1-1) 반사체의 효율
노심의 중성자속 밀도는, 노심을 둘러싸는 반사체의 반사 효율에 크게 의존하고, 효율적인 반사체를 이용함으로써 중성자 배증 계수를 1 이상으로 하는 것이 가능해진다. 이 반사 효율을 노심의 열 출력에 따라 변화시킴으로써, 부하 추종형 제어 방식이 가능해진다.
(1-2) 냉각재의 특성
본 발명에 있어서는, 냉각재로서 금속 나트륨, 납, 납-비스무트를 들 수 있다. 여기서, 각각의 특성을 설명한다.
(냉각재인 금속 나트륨의 밀도)
금속 나트륨의 밀도는 온도에 의존하고 있고, 구체적으로는 열 팽창률에 의존하고 있다. 온도가 올라가면 밀도가 저하되기 때문에, 중성자 누출 확률이 커져, 결과적으로 중성자 배증 계수가 저하되어 1 에 가까워지고, 또한 온도가 올라가면 중성자 배증 계수가 1 이하가 되어, 원자로의 임계를 유지하는 것이 불가능해진다. 반대로 온도가 내려가면, 중성자 누출 확률이 저하되어 중성자 배증 계수가 1 이상이 되어, 핵 분열 연쇄 반응을 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 금속 나트륨의 비점은 880 ℃ 이므로, 통상 보이드의 형성은 문제가 되지 않지만, 연료봉에 접촉하고 있는 금속 나트륨은 고온이 되어, 비점 이하에서의 미소한 보이드가 형성될 가능성이 있다. 이 결과, 반응도의 보이드 계수가 "정 (正)" 이 되는 문제점이 남는다. 그러나, 노심 치수가 작고, 또한 고온에서, 중성자의 누출량이 크면 이 보이드 계수의 문제점이 없어지는 우위점이 있다.
(그 밖의 냉각재)
고속로의 냉각재로서, 금속 나트륨 이외에, 중성자 흡수 단면적이 작고 중성자속에 영향을 미치지 않는 납이 있지만, 융점이 325 ℃ 로 비교적 높은 것이 결점으로 있다. 그래서 융점을 낮추는 것이 가능한 납-비스무트 (45.5 ％ Pb-55.5 ％ Bi) 도 유효한 냉각재 후보가 된다. 납-비스무트의 융점은 125 ℃ 로 저하된다.
(1-3) 원자로 표면적/체적비
생성되는 중성자량은 원자로의 체적에 의존하고 있고, 또 중성자 누출량은 원자로 표면적에 의존한다. 즉, 누출되는 중성자의 비율은, 원자로 표면적/체적의 비에 의존하게 된다. 바꾸어 말하면, 노심 치수가 작아지면 누출 중성자의 비율이 커진다.
한편, 생성되는 중성자량은, 금속 연료봉에 함유되어 있는 핵 분열성 Pu, U 의 농도에 의존한다.
(2) 중성자 발생 효율의 제어
연료봉으로부터 발생하는 고속 중성자속을 제어하는 것은 중요하다. 종래, 연료봉에는, 고온에서 스웰링 등의 변화가 작은 산화물 연료가 주로 사용되어 왔다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 금속 연료봉을 채용하고, 고온에서 중성자 발생 효율이 저하되는 것이 바람직하다. 고온에서 연료봉에 스웰링, 팽창 등이 발생했을 경우, Pu, U 등의 핵 물질 농도가 저하되게 되어, 핵 반응 효율이 저하되게 된다. 실제로, 금속 연료봉은 고온에서 열 팽창되는 경향이 높고, 비특허문헌 2 에 의하면, U, Pu, Zr 삼원 합금 연료는, 600 ℃ 내지 650 ℃ 이상이 되면 팽창 계수가 3 자리 수 커지는 것이 보고되어 있다. 이 결과, 연료봉이 고온이 되면, 핵 반응 효율이 저하되고, 온도가 저하하게 되어, 부하 추종형 제어 방식을 달성할 수 있게 된다.
다음으로, 반사체의 효과에 대해 설명한다.
(반사체의 효과)
반사체의 효과로는, 우주용의 소형 원자로의 시설계에 대해 서술되어 있는 비특허문헌 1 에 구체예가 개시되어 있다. 먼저, 그라파이트로 이루어지는 구상의 노심 중에 이산화우라늄 (UO2：20 ％ 농축)) 미립자를 그라파이트 및 실리콘으로 코팅한 연료를 분산시켜, 노심의 질량을 9000 ㎏ 까지 증가시켰지만, 실효 배증 계수 (Keff) 는 임계 조건인 "1" 을 초과하지 않았다 (도 3.3). 그러나 이와 같은 노심에 있어서, 반경 20 ㎝ 의 노심 주위에 반사체를 설치한 경우, Keff 는 "1" 을 초과하는 것이 가능해졌다. 또, 반사 재질로서 베릴륨 (Be) 또는 산화베릴륨 (BeO) 을 사용한 경우, 반사체의 두께를 10 ㎝ 이상으로 하면, Keff 는 "1" 을 초과하여 임계가 되는 한편, 그라파이트를 사용한 경우 효율은 저하되지만, 두께가 30 ㎝ 를 초과하면 임계 조건이 된 것이 기재되어 있다 (도 3.5). 이와 같이, 소규모의 노심의 경우, 반사체의 효과는 현저하다는 것을 알 수 있다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위해서 제안된 본 발명에 관련된 소형 원자력 발전 시스템은, 금속성 연료를 피복관에 봉입한 복수의 연료봉으로 이루어지는 노심과, 이 노심을 수납한 원자로 용기와, 원자로 용기 내에 충전되고, 노심에 의해 가열되는 금속 나트륨으로 이루어지는 1 차 냉각재와, 노심의 주위를 둘러싸고 설치되고, 노심으로부터 방사되는 중성자의 실효 배증 계수 (Keff) 를 약 1 이상으로 유지하여 노심을 임계 상태로 하는 중성자 반사체를 구비한 원자로를 갖는다.
원자로의 노심은, 지르코늄과 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 로 이루어지는 합금, 또는 지르코늄과 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 의 어느 일방으로 이루어지는 합금으로 이루어지는 금속 연료를, 페라이트계 스테인리스강 또는 크롬·몰리브덴강으로 이루어지는 피복관에 봉입한 연료봉의 복수의 집합체에 의해 구성되어 있다. 우라늄 연료에 함유되는 우라늄 238 은, 중성자를 흡수하여 운전과 함께 플루토늄 239 를 생성한다.
또한 이 소형화 원자력 발전 시스템은, 원자로의 외부에 주열 교환기를 구비한다. 주열 교환기에는, 원자로에 의해 가열된 1 차 냉각재가 도관 (導管) 을 통하여 공급되고, 또 이 1 차 냉각재와 열 교환하여 가열되는 2 차 냉각재가 순환되고 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 2 차 냉각재에는, 예를 들어 초임계 이산화탄소가 사용된다. 그리고, 주열 교환기에 의해 가열되고, 순환되는 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 이 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 구비한다.
또한 본 발명에서는, 원자로에 수납된 연료 집합체의 주위를 둘러싸고 설치되는 중성자 반사체는, 다음의 2 종류로 크게 구별된다. 제 1 종류의 반사체는, 연료 집합체의 높이 치수보다 작은 높이로 형성되고, 연료 집합체의 하방측으로부터 상방측, 또는 반대로 하방측으로부터 상방측을 향해 이동 가능하게 지지되어 있다. 이동 기구를 간략하기 위해서는 상방측으로부터 하방측으로 이동하는 기구가 바람직하다. 혹은, 연료 집합체의 핵 연료가 소모된 부분으로부터 소모되어 있지 않은 부분으로 이동됨으로써, 핵 연료의 반응도를 제어하면서 장기간에 걸쳐 핵 반응을 지속할 수 있다. 제 2 종류의 반사체의 높이는, 연료 집합체 전체 높이를 커버 가능하게 한다. 이 경우, 반사체를 이동시키지 않기 때문에, 전술한 반사체를 사용하는 경우와 비교하여 원자로 운전 기간이 짧아진다.
본 발명에 의한 소형 원자력 발전 시스템은, 더욱 구체적으로는 이하와 같은 구성의 소형 원자로를 구비한다.
우라늄 235, 238 및 플루토늄 239 의 어느 일방 또는 쌍방을 함유하는 금속성 연료를 피복관에 봉입한 복수의 연료봉으로 이루어지는 연료 집합체의 노심과,
상기 노심을 수납한 원자로 용기와,
상기 원자로 용기 내에 충전되고, 상기 노심에 의해 가열되는 금속 나트륨, 납 (Pb) 또는 납-비스무트 (Bi) 중 하나로 이루어지는 1 차 냉각재와,
상기 노심의 주위를 둘러싸고 배치되는 중성자 반사체를 포함하고,
그 중성자 반사체는, 상기 노심으로부터 방사되는 중성자의 실효 배증 계수를 약 1 이상으로 유지하여 상기 노심을 임계 상태로 하는 중성자 반사 효율을 갖고, 또한 상기 중성자 반사체는 반사체 자체보다 열 팽창률이 큰 금속 부재에 접속되고, 상기 원자로 용기 내의 온도에 대응한 상기 금속 부재의 열 팽창에 의한 변위를 이용하여, 상기 중성자 반사 효율을 변화시키도록 구성되고, 그것에 의해 부하 추종형 제어가 가능하게 되어 있다.
상기 노심의 주위를 둘러싸고 설치되는 상기 중성자 반사체는, 상기 노심의 높이 치수보다 작은 높이로 형성되고, 이동 기구에 의해 상기 노심의 하방측으로부터 상방측을 향하거나, 또는 상방측으로부터 하방측을 향하여 이동할 수 있도록 구성되어 있다.
혹은, 상기 연료 집합체의 전체 길이와 동등한 길이의 상기 중성자 반사체를, 상기 연료 집합체의 주위에 설치해도 된다.
혹은, 상기 연료 집합체의 주위에 추가하여, 상기 연료 집합체의 상부에도, 열 팽창에 의해 상기 중성자 반사 효율의 제어를 가능하게 하도록 구성된 스프링상 또는 스파이럴상의 상기 금속 부재를 갖는 중성자 반사체를 설치해도 된다.
상기 중성자 반사체는, 상기 노심의 중심으로부터 동심원 상에 배치되고, 동심원 상에 있어서 2 분할 이상으로 다분할된 2 종류의 반경을 갖는 복수의 중성자 반사체이고, 그 복수의 중성자 반사체를, 각각이 동일 반경을 갖는 제 1 그룹과 제 2 그룹의 2 개의 그룹으로 분류하고, 이 중의 제 1 그룹의 중성자 반사체를, 상기 노심과 동심원 상에 설치한 제 1 스파이럴상의 상기 금속 부재에 접속하고, 상기 제 1 스파이럴상 금속 부재의 열 팽창에 의해, 상기 제 1 그룹의 중성자 반사체와 상기 제 2 그룹의 중성자 반사체 사이에 슬릿이 형성되고, 그 슬릿의 간격을 상기 원자로 용기 내의 온도에 기초하여 조정한다.
상기 중성자 반사체는, 추가로 반경 방향으로 2 분할 이상으로 다분할되어 있어도 된다.
또, 상기 제 2 그룹의 반사체도, 상기 노심과 동심원 상에 배치된 제 2 스파이럴상의 상기 금속 부재에 접속되고, 또한 상기 제 1 스파이럴상 금속 부재와 상기 제 2 스파이럴상 금속 부재의 권회 방향이 역방향이어도 된다.
상기 중성자 반사체의 재료는, 베릴륨 (Be), 산화베릴륨 (BeO), 그라파이트, 카본, 스테인리스강에서 선정된다.
또, 상기 2 개의 그룹의 중성자 반사체 사이에 윤활재로서 카본을 장착해도 된다.
또, 상기 제 1 그룹과 제 2 그룹의 상기 중성자 반사체가 원주 방향으로 중첩되는 부분을 갖고, 그 중첩 부분의 폭을 조정함으로써 임계 상태가 1 이 되는 온도를 조정하도록 해도 된다.
혹은, 동심원 상에서 2 분할 이상으로 분할된 상기 중성자 반사체의 외측에, 상기 금속 부재인 조절 스프링을 고정시키기 위한 고정용 원통과, 추가로 그 외측에, 조절 스프링 지지판, 반사체 조절봉, 및 상기 조절 스프링을 포함하는, 분할된 각각의 상기 중성자 반사체에 대응한 복수의 반사체 이동용 지그를 구비하고, 상기 반사체 조절봉의 각각이 대응한 상기 중성자 반사체에 접속되어 있고, 상기 조절 스프링의 열 팽창이, 상기 조절 스프링 지지판에 고정된 상기 반사체 조절봉을 개재하여, 상기 중성자 반사체가 상기 연료 집합체로부터 멀어지도록 전달되게 구성되고, 이로써 원자로의 출력을 제어하는 부하 추종형 제어를 실시해도 된다.
혹은, 동심원 상, 및 상기 연료봉을 따른 방향에서 2 분할 이상으로 분할된 다층 링상 중성자 반사체가 배치되고, 스프링상의 상기 금속 부재가, 상기 다층 링상 중성자 반사체의 외측에 상기 중성자 반사체를 포위하도록 배치되어, 상기 분할된 상기 다층 링상 중성자 반사체의 각각이 상기 스프링상 금속 부재의 상이한 부분에 접속되고, 상기 스프링상 금속 부재의 열 팽창이 상기 분할된 링상 중성자 반사체에 전달되어, 상기 분할된 중성자 반사체의 간격이 변화됨으로써 중성자의 누출 확률을 조정하고, 원자로의 출력을 제어하는 부하 추종형 제어를 실시해도 된다.
혹은, 동심원 상에서 2 분할 이상으로 분할된 각각의 중성자 반사체가, 상기 연료봉을 따른 방향의 상기 중성자 반사체 각각의 편방의 단부 (端部) 에 형성된 지지봉을 중심으로 하여 외측으로 회전 가능하고, 그것에 의해 상기 중성자 반사체 사이가 개방 가능하도록 구성되고, 상기 각각의 중성자 반사체의 회전 중심인 지지봉에 접속된 스파이럴상의 상기 금속 부재의 열 팽창에 의해, 상기 중성자 반사체 사이의 개방의 정도를 변화시킴으로써 중성자의 누출 확률을 조정하고, 그것에 의해 원자로의 출력을 제어하는 부하 추종형 제어가 가능을 실시해도 된다.
상기 스프링상 또는 스파이럴상의 상기 금속 부재의 재료는, 스테인리스강, 니켈기 초합금, 니켈-코발트계 초합금이다.
또, 상기 스프링상 금속 부재 또는 스파이럴상 금속 부재는 바이메탈이어도 되고, 이 바이메탈의 재료는, 저팽창 재료로서 니켈 (Ni)-철 (Fe) 합금과 고팽창 재료로서 구리 (Cu), 니켈 (Ni), 구리-아연 (Zn), 니켈-구리, 니켈-망간 (Mn)-철, 니켈-크롬 (Cr)-철, 니켈-몰리브덴 (Mo)-철 중 하나와의 조합이어도 되며, 바람직하게는, 상기 고팽창 재료는 니켈-망간-철 또는 니켈-크롬-철이다.
본 발명에 의한 소형 원자력 발전 시스템은, 상기 중성자 반사체의 외측에 중성자 흡수체를 설치해도 된다.
또, 상기 중성자 흡수체로서, 악티노이드계 방사성 원소 등의, 방사성 폐기물 등의 처리에 적절한 재료를 사용해도 된다.
상기 노심은, 지르코늄 (Zr) 과 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 로 이루어지는 합금, 또는 지르코늄과 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 의 어느 일방으로 이루어지는 합금으로 이루어지는 금속성 연료를, 페라이트계 스테인리스강, 또는 크롬·몰리브덴강으로 이루어지는 피복관에 봉입한 연료봉을 복수 구비하고 있다.
상기 원자로 용기는, 5 m 이하의 직경 및 15 m 이하의 높이를 갖는 원통상으로 형성되고, 상기 원자로 용기에 수납되는 노심은, 5 ∼ 15 ㎜ 의 직경 및 3.0 m 이하의 길이로 형성된 복수의 연료봉으로 구성되어 있다.
본 발명에 의한 소형 원자력 발전 시스템은, 상기 원자로의 외부에 설치되고, 상기 원자로에 의해 가열된 상기 1 차 냉각재가 도관을 통하여 공급됨과 함께, 상기 1 차 냉각재와 열 교환되어 가열되는 초임계 이산화탄소로 이루어지는 2 차 냉각재가 순환되는 주열 교환기와, 상기 주열 교환기에 의해 가열된 상기 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 추가로 구비한다.
본 발명에 의한 다른 소형 원자력 발전 시스템은, 상기 원자로의 외부에 설치되고, 상기 원자로에 의해 가열된 상기 1 차 냉각재가 도관을 통하여 공급됨과 함께, 상기 1 차 냉각재와 열 교환되어 가열되는 경수로 이루어지는 2 차 냉각재가 순환되는 주열 교환기와, 상기 주열 교환기에 의해 가열된 상기 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 추가로 구비한다.
본 발명에 의한 또 다른 소형 원자력 발전 시스템은, 상기 원자로의 외부에 설치되고, 상기 원자로에 경수와 반응하지 않는 상기 1 차 냉각재가 충전됨과 함께, 상기 1 차 냉각재와 원자로 용기 내에서 열 교환되어 가열되는 경수로 이루어지는 2 차 냉각재가 가열된 상기 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 추가로 구비한다.
본 발명은, 원자로 용기를 직경 5 m 이하, 그 높이를 15 m 이하로 하고, 이 원자로 용기에 수납되는 노심을, 직경을 5 ∼ 15 ㎜, 그 길이를 3.0 m 이하로 한 연료봉의 집합체로서 형성하고 있으므로, 원자로의 소형화를 실현할 수 있다.
본 발명에 관련된 소형 원자력 발전 시스템을 구성하는 원자로는, 1 차 냉각재로서 금속 나트륨을 사용함으로써, 이 발전 시스템에 접속된 부하의 전력 소비량의 변동에 추종하여 발전 출력을 변동시키는 부하 추종형 운전을 할 때에, 부하의 전력 소비량의 변동에 추종하여 핵 연료의 반응도를 자동적으로 제어하는 것을 가능하게 하고, 발전 시스템의 자동 운전을 가능하게 한다.
본 발명은, 원자로 용기에 충전된 1 차 냉각재를, 펌프를 사용하여 순환하도록 하고 있으므로, 1 차 냉각재를 구성하는 금속 나트륨, 납, 또는 납-비스무트를 확실하게 순환시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에서는, 원자로에 있어서 가열된 1 차 냉각재가, 원자로의 외부에 설치된 열 교환기에 공급되고, 초임계 이산화탄소로 이루어지는 2 차 냉각재와 열 교환을 실시하도록 되어 있으므로, 열 교환기 및 터빈을 포함하는 2 차 냉각재의 순환계를 원자로의 외부에 설치할 수 있어, 발전 시스템의 보수 점검을 용이하게 실시하는 것이 가능해진다.
또, 터빈을 구동시키는 2 차 냉각재가 순환되는 순환로는, 폐 (閉) 루프로서 구성되어 있으므로, 발전 시스템의 추가적인 소형화를 실현할 수 있고, 또한 2 차 냉각재의 손실을 억제할 수 있다.
그리고, 1 차 냉각재로서 금속 나트륨을 사용하는 경우, 2 차 냉각재로서 사용하는 초임계 이산화탄소는, 물 등과 비교하여 충분히 밀도가 크기 때문에, 고능률로 터빈을 구동시킬 수 있기 때문에, 발전기를 구동시키는 터빈을 더욱 소형화할 수 있다.
또한 2 차 냉각재로서 초임계 이산화탄소를 사용함으로써, 1 차 냉각제를 구성하는 금속 나트륨과 접촉해도, 나트륨과 물이 반응하여 발생되는 폭발과 같은 사고를 방지할 수 있어, 시스템의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한 1 차 냉각재로서 납 또는 납-비스무트를 사용하는 경우에는, 물과의 반응성이 없기 때문에, 2 차 냉각재로서 물 (경수) 을 사용하는 것이 가능하다. 이 경우, 원자로 내에 1 차 냉각재를 충전해 두고, 원자로 내에서 2 차 냉각재인 물을 1 차 냉각재에 직접 접촉시켜, 열 교환에 의해 증기화할 수 있기 때문에, 원자력 발전 시스템을 보다 소형화하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명에 관련된 소형 원자력 발전 시스템에 사용되는 소형 원자로의 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2 는, 도 1 의 본 발명에 관련된 소형 원자로에 사용되는 연료 집합체의 상세를 나타내는 측면도이다.
도 3A 는, 본 발명에 관련된 소형 원자로에 사용되는 반사체의 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 3B 는, 본 발명에 관련된 소형 원자로에 사용되는 반사체의 실시형태를 나타내는 투시도이다.
도 4 는, 본 발명에 관련된 소형 원자로에 사용되는 반사체의 다른 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 5 는, 도 4 의 반사체의 스프링의 권회수와 선열 팽창량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6 은, 중성자 실효 배증 계수 (Keff) 와 스프링의 열 팽창에 의해 변화되는 반사체의 슬릿 폭의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 7 은, 본 발명에 관련된 소형 원자로에 사용되는, 중첩 부분을 형성한, 반사체의 또 다른 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 8 은, 반사체의 중첩 부분을 형성한 경우의, Keff 와 열 팽창에 의해 변화되는 슬릿 폭의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 9 는, 본 발명에 관련된 소형 원자로에 사용되는 반사체의 다른 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 10 은, 도 9 에 나타낸 실시예의 Keff 와 반사체의 이동 거리의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11 은, 본 발명에 의한 반사체의 또 다른 실시예에 있어서, 반사체가 닫힌 상태를 나타내는 사시도이다.
도 12 는, 도 11 에 나타낸 반사체의 실시예에 있어서, 반사체가 열린 상태를 나타내는 측면도이다.
도 13 은, 본 발명에 의한 반사체의 또 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 14 는, 본 발명에 의한 누출 고속 중성자용의 반사체의 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 15 는, 도 14 에 나타낸 반사체의 상세를 나타내는 사시도이다.
도 16 은, 본 발명에 의한 부하 추종형 제어 방식의 노심을 장착한 소형 발전 시스템의 실시예를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 17 은, 본 발명에 의한 부하 추종형 제어 방식의 노심을 장착한 소형 발전 시스템의 다른 실시예를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 18 은, 본 발명에 의한 부하 추종형 제어 방식의 노심을 장착한 소형 발전 시스템의 또 다른 실시예를 나타내는 모식적 단면도이다.
본 발명의 실시예는, 범용 핵 계산 코드 SRAC (Standard Reactor Analysis Code) 를 사용하여 얻은 결과에 기초한 것이다. SRAC 는 여러가지 타입의 원자로의 노심 해석에 적용할 수 있는 핵 계산 코드 시스템이다. 6 종류의 데이터 라이브러리 (ENDF/B-IV, -V, -VI, JENDLE-2, -3.1, -3.2), 통합된 5 개의 모듈러 코드；16 종류의 격자 형상에 적용할 수 있는 충돌 확률 계산 모듈 (PIJ), Sn 수송 계산 모듈, ANIS 및 TWOTRAN, 확산 계산 모듈 (TUD (1 차원) 및 CITATION (다차원)), 및 연료 집합체와 노심 연소 계산을 위한 2 개의 옵션 코드 (ASMBURN, 개량 COREBURN) 에 의해 구성되어 있다. 본 발명에서는, 충돌 확률 계산 모듈 (PIJ), Sn 수송 계산 모듈, ANIS 및 TWOTRAN 을 사용하여 임계 계산을 실시하였다. 그 결과에 기초한 실시예에 대해, 도면을 참조하면서 이하에 설명한다.
먼저, 하기에 나타내는 소형 원자로 노심의 기본 사양에 기초하여, 핵 반응을 확인하였다.
(기본 사양)
노심 직경：85 ㎝,
노심 높이：200 ㎝
연료 집합체：60 체 (體)
연료 핀 직경：1 ㎝
본 발명의 소형 원자로의 임계 계산에 사용한 소형 원자로의 개략 단면 구조를 도 1 에 나타낸다. 저합금망 등으로 이루어지는 원자로 용기 (1) 중에 연료 집합체 (4) 를 장하하고, 연료 집합체의 주위에 그라파이트로 이루어지는 중성자 반사체 (2) 를 설치한다. 이 반사체는 하부로부터 상부로 이동 또는 상부로부터 하부로 이동이 가능하다. 이 반사체를 이동시키기 위해서 반사체 지지 기구 (5) 가 장착되어 있다. 이 지지 기구는 원자로 상부에 설치한 구동 기구 (비표시) 에 접속되어 있다. 그러나 이것에 한정되는 경우는 없고, 연료 집합체의 전체 길이와 동등한 길이의 반사체를 연료 집합체의 주위에 설치해도 된다.
원자로 용기 (1) 의 하부에는, 1 차 냉각재인 액체 금속 나트륨을 도입하는 냉각재 입구 배관 (6) 이 장착되고, 또한 핵 가열된 냉각재를 취출하는 냉각재 출구 배관 (7) 이 장착되어 있다.
연료 집합체 (4) 의 상세를 도 2 에 나타낸다. 페라이트 직경 스테인리스강 (페라이트계 철강 재료의 참조강의 하나인 HT-9 강 (Fe-12 CHMo-V, W) 의 피복관 중에, Pu-U-Zr 합금강으로 이루어지는 직경 10 ㎜Φ, 길이 200 ㎜ 의 연료 핀을 삽입하여 제작한 1 개의 연료봉 (41) 을, 스페이서 (42) 를 사용하여 24 개 묶어 연료 집합체 (4) 로 하였다. 원자로 용기에는 연료 집합체 (4) 를 60 체 장하하였다.
실시예 1
다음으로, 본 발명에 있어서의 부하 추종형 제어에 있어서 가장 중요시되는 반사체에 관해서, 도 3A, 3B 와 도 4 를 참조하여 설명한다. 도 3A 에 나타내는 바와 같이, 반사체는 그라파이트로 이루어지는 각각의 두께가 10 ㎝ 인 이중 구조이고, 원주 방향으로 8 분할되고, 1 개 간격으로 반경이 상이한 2 종류의 반사체 (A21), 반사체 (B22) 를 배치하고, 원주 방향으로 어긋나게 하면, 서로가 내부에 수용 가능한 이중 구조로 되어 있다. 도 3B 에 나타내는 바와 같이 반사체 (A21), 반사체 (B22) 의 이중 구조는, 반사체 지지판 (20) 에 의해 고정되어 있다. 반사체 (B22) 의 내경은 52 ㎝ 로 하고, 높이는 50 ㎝ 로 하였다. 이와 같은 2 종류의 이중 구조 반사체를 서로 어긋나게 함으로써, 반사체 (A21) 와 반사체 (B22) 사이에 간극 (슬릿) 을 형성하고, 이로써 반사 효율을 저하시킨다. 반사체 (A21) 와 반사체 (B22) 사이에는 윤활재로서 카본 (예를 들어, 그라파이트 카본 미립자) 을 장착해도 된다. 또한, 본 실시예에서는 반사체가 이중 구조인 예를 나타내고 있지만, 반사체는 일중 (一重) 구조여도, 2 보다 큰 다중 구조여도 되는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 이들 반사체의 외측에, 누출 중성자를 유효 이용하기 위해서, 악티노이드계 방사성 원소 등의 방사성 폐기물 등의 처리에 적합한 중성자 흡수체를 설치해도 된다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 반사체 (2) 의 상하에 오스테나이트계 스테인리스강제의 내열성 스파이럴상 금속 부재를 추가로 접속한다. 반사체 (A21) 에는 스파이럴상 금속 부재 (31) 를 접속하고, 반사체 (B22) 에는 스파이럴상 금속 부재 (32) 를 접속한다. 스파이럴의 권회 방향은 서로 역방향으로 설정한다. 이와 같이 상하의 스파이럴의 권회 방향을 역방향으로 설정함으로써, 열 팽창에 의한 반사체 사이의 슬릿의 폭이 보다 커진다.
상기 스파이럴의 권회수와 선열 팽창량의 관계를 도 5 에 나타낸다. 스파이럴의 최내경과 최외경을 고정시켜, 스파이럴의 두께를 10 ㎜ 로부터 30 ㎜ 로 변화시킴으로써 권회수를 변화시켰다.
이 구조의 반사체의 열 팽창량과 핵 특성의 관계를, 계산 코드 CITAION 를 이용하여 계산하였다. 도 6 에 중성자 실효 배증 계수 (Keff) 와 스프링의 열 팽창에 의한 반사체의 슬릿 폭의 온도 의존성을 나타낸다. 도면으로부터 분명한 바와 같이, 온도의 상승과 함께 Keff 는 1 이하가 되어 미임계 상태가 되는 것을 알 수 있다. 온도가 상승하면 중성자 경제가 악화되어, 핵 반응 효율이 저하된다. 반대로 온도가 저하되면, 반사체의 효율이 향상되어 핵 반응 효율이 향상된다. 이 결과, 원자로의 출력에 따라 핵 분열 반응을 자동적으로 제어하는 것이 가능해진다.
실시예 2
다음으로, Keff 가 "1" 이 되는 임계점의 온도를 상승시키는 방법을 설명한다. 도 7 에 나타내는 바와 같이 4 분할의 반사체 (A21) 와 반사체 (B22) 에 추가하여, 그것들과 중첩 부분 (23) 을 형성한다. 이로써 반사체의 열 팽창에 의한 슬릿의 폭을 조정한다. 반사체의 중첩 부분을 형성한 경우의 Keff 와 열 팽창에 의한 슬릿 폭에 관한 계산 결과를 도 8 에 나타낸다. 이 도면으로부터 분명한 바와 같이, Keff = 1 이 되는 온도가 약 500 ℃ 로 상승하였다. 이와 같이, 분할형 반사체에 있어서, 중첩 부분의 길이를 조정함으로써 Keff = 1 이 되는 온도를 조정하는 것이 가능해진다.
실시예 3
도 9 에, 본 발명에 의한 반사체 구조의 다른 실시예를 나타낸다. 실시예 1 과 2 에서는, 분할 반사체를 원주 방향으로 어긋나게 하여 반사체 사이에 슬릿을 넣음으로써 Keff 를 제어하였다. 이 실시예에서는, 반경 방향으로 반사체를 이동시킴으로써 Keff 를 제어한다. 도 9 에 있어서 그 기구를 설명한다. 8 분할된 이중 반사체 (21, 22) 를 온도 상승과 함께 연료 집합체로부터 멀어지도록 하기 위해서, 조절 스프링 (26) 의 열 팽창을 이용한다. 먼저, 8 분할 이중 반사체 (21, 22) 의 외측에 조절 스프링 (26) 을 고정시키는 고정용 원통 (24) 을 설치하고, 추가로 그 외측에, 조절 스프링 지지판 (27), 반사체 조절봉 (28), 및 조절 스프링 (26) 과 조합하여 구성한 스프링 구동 반사체 이동용 지그를 분할 반사체에 대응시켜 8 개 설치한다. 조절 스프링 (26) 의 열 팽창을 지지판 (27) 에서 받아내고, 열 팽창을, 지지판 (27) 에 고정된 반사체 조절봉 (28) 의 외측 방향으로의 이동으로 변환하고, 그것에 의해, 반사체 조절봉 (28) 에 고정된 반사체 (21, 22) 가 외측으로 이동한다.
도 10 에, 도 9 에 나타낸 실시예의 Keff 와 반사체 조절봉 (28) 의 이동 거리 (또는 반사체 (21, 22) 의 이동 거리) 의 관계를 나타낸다. 노심과 반사체의 간격이 넓어지면 반응도가 저하된다. 이 예에서는 이동 거리가 약 7 ㎝ 일 때에 Keff = 1 이 되는 것을 알 수 있다. 이로써 부하 추종형 제어가 가능해진다.
실시예 4
도 11 에, 본 발명에 의한 반사체 구조의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예는, 열 팽창에 의해 반사체를 개폐시키는 구조를 채용하고 있다. 12 분할된 이중 반사체 (21, 22) 를, 상부 스파이럴상 금속 부재 (291) 와 하부 스파이럴상 금속 부재 (292) 의 열 팽창에 의해, 스파이럴상 금속 부재의 지지봉 (25) 을 중심축으로 하여 외측으로 회전 이동시킨다. 온도가 상승하여 반사체가 열린 상태를 도 12 에 나타낸다. 상기 스파이럴상 금속 부재의 재료로는 스테인리스강, 니켈기 초합금, 니켈-코발트 (Co) 계 초합금이 바람직하다. 게다가 상부 스파이럴상 금속 부재 (291) 및 하부 스파이럴상 금속 부재 (292) 에 바이메탈을 사용한 스파이럴상 금속 부재를 사용함으로써, 보다 효율적으로 반사체를 회전시키는 것도 가능하다. 바이메탈의 구성 재료로서, 저팽창 재료로서 니켈 (Ni)-철 (Fe) 합금과 고팽창 재료로서 구리 (Cu), 니켈, 구리-아연 (Zn), 니켈-구리, 니켈-망간 (Mn)-철, 니켈-크롬 (Cr)-철, 니켈-몰리브덴 (Mo)-철 중의 하나의 조합이 사용 가능하다. 원자로에 있어서의 고온 조건을 고려하면, 저팽창 재료로서 니켈-철 합금과 고팽창 재료로서 니켈-크롬-철 또는 니켈-망간-철의 조합이 적합하다. 이와 같은 바이메탈 금속 스파이럴을 장착한 중성자 반사체가 열림으로써 반사체의 밖으로 누출되는 중성자가 많아지고, 그 결과 Keff 가 저하되어, 핵 분열 반응율이 저하된다. 따라서 부하 추종형 제어가 가능해진다.
실시예 5
도 13 에, 본 발명에 의한 반사체 구조의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예는, 복수 다층 링상의 반사체 (211) 의 주위에, 그것들을 포위하도록 스파이럴상 금속 부재 (311) 를 배치한 반사체 구조를 채용하고 있다. 다층 링상 반사체 (211) 와 금속 부재 (311) 는 지지체 (281) 에 접속되어 있다. 스프링상 금속 부재 (311) 의 열 팽창에 의한 변형에 의해, 다층 반사체 사이에 슬릿이 형성된다. 이 슬릿의 형성에 의해, 고속 중성자 반사 효율이 저하된다. 따라서, 온도가 상승하면 핵 분열 효율이 저하되고, 반대로 온도가 저하되면 반사 효율이 복구되어 핵 분열 효율이 상승한다. 따라서 부하 추종형 제어가 가능해진다. 상기 스프링상 금속 부재의 재료로는 스테인리스강, 니켈기 초합금, 니켈-코발트계 초합금이 바람직하다.
실시예 6
전술한 바와 같이, 소형 원자로의 중성자 배증 계수 (Keff) 를 1 이상으로 하기 위해서는, 누출 고속 중성자의 누출률을 저감시키는 것이 필요한 경우가 있다. 이 경우에는 연료 집합체의 주위 이외에 반사체를 형성하는 것이 바람직하다. 도 14 에 그 실시예를 나타낸다. 원자로 용기 (1) 중에서, 연료 집합체 (4) 의 상부에 추가의 다층형 반사체 (91) 를 형성한다. 이 다층형 반사체 사이의 슬릿을 고온에서 넓히기 위해서, 다층형 반사체 스프링 (92) 이 추가로 형성되어 있다. 이 다층형 반사체의 상세한 것을 도 15 에 나타낸다. 다층형 반사체 (91) 의 중심부에는 원통상의 공간이 있고, 연료 집합체, 및 이동형 반사체 (2) 가 통과 가능하다. 상부 다층형 반사체 (91) 와 상부 스프링 (92) 이 다층형 반사체 지지판 (93) 에 접속되어 있다. 이와 같은 구조를 채용함으로써, 누출 고속 중성자의 누출률을 저감시키는 것이 가능해지고, 또한 그 누출률을 조정하는 것도 가능해진다.
실시예 7
본 발명의 부하 추종형 제어 방식의 노심을 장착한 발전 시스템의 실시예를 도 16 에 나타낸다. 먼저 원자로 용기 (1) 중에 연료 집합체 (4) 와 그 주위에 중성자 반사체 (2) 를 배치한다. 이 실시예에서는, 1 차 냉각재로서 금속 나트륨을 사용한다. 안전성을 고려하여 2 차 냉각재로서 이산화탄소 가스를 사용한다. 발전 효율을 높이기 위해서는 초임계 이산화탄소 가스 터빈 (521) 을 사용하는 것이 바람직하다. 주열 교환기 (50) 에 있어서, 금속 나트륨과 초임계 이산화탄소 사이에서 열 교환한다. 금속 나트륨은 원자로 용기 (1) 의 입구 (51) 로부터 공급되고, 출구 (52) 로부터 순환 펌프 (555) 를 사용하여 주열 교환기 (50) 에 보내진다.
주열 교환기 (50) 로부터 이산화탄소 가스가, 초임계 이산화탄소 가스 터빈 (521) 에 공급된다. 초임계 이산화탄소 가스는 재열 교환기 (524) 및 냉각기 (523) 를 경유하여 압축기 (522) 에 의해 압축된 후, 재생 열 교환기 (524) 에서 가열되어, 초임계 탄소 가스 순환 공급 펌프 (550) 에 의해 주열 교환기 (50) 에 공급된다.
실시예 8
본 발명의 부하 추종형 제어 방식의 노심을 장착한 발전 시스템의 다른 실시예를 도 17 에 나타낸다. 이 실시예에서는, 1 차 냉각재로서, 납-비스무트를 사용한다. 전술한 바와 같이, 이 실시예에서는 2 차 냉각재로서, 물 (경수) 을 사용하고, 또한 발전에는 증기 터빈을 사용한다. 도 17 에 나타내는 바와 같이, 원자로 용기 (1) 중에 연료 집합체 (4) 와 그 주위에 중성자 반사체 (2) 를 장하한다. 이 원자로 용기 (1) 내에는 1 차 냉각재로서 납-비스무트를 충전한다. 1 차 냉각재는 순환 펌프 (555) 를 사용하여 입구 (51) 로부터 들어가고, 출구 (52) 로부터 주열 교환기 (50) 에 공급된다. 주열 교환기 (50) 에서 납-비스무트로부터 물로 열이 이동하여 증기가 발생한다. 이 증기를 이용하여 증기 터빈 (501) 과 복수기 (502) 가 가동하여 전기가 발생한다. 복수기 (502) 에 의해 증기가 물로 되돌아와, 제 1 가열기 (503) 및 제 2 가열기 (504) 에서 가열된 후, 순환 공급 펌프 (550) 를 사용하여 주열 교환기 (50) 에 공급된다.
실시예 9
1 차 냉각재로서 납 또는 납-비스무트를 이용하는 경우, 1 차 냉각재와 물 사이의 반응성이 없는 것을 고려하면, 원자로 용기 (1) 중에서 열 교환하는 것도 가능해진다. 도 18 에 그 실시예를 나타낸다. 원자로 용기 (1) 내에 연료 집합체 (4) 와 반사체 (2) 를 장하하고, 1 차 냉각재로서 납-비스무트를 충전한다. 2 차 냉각재로는 물을 사용하고, 순환 펌프 (555) 를 사용하여 원자로 용기 (1) 내의 하부 또는 측면으로부터 공급한다. 원자로 용기 (1) 중에서 생성된 증기는 증기 터빈 (580) 과 복수기 (581) 를 구동시켜 전기를 생성한다. 물은 제 1 가열기 (582) 및 제 2 가열기 (583) 에서 가열된 후, 순환 펌프 (555) 에 의해 원자로 용기 (1) 에 재차 공급된다.
상기 기재는 실시예에 대해 이루어졌지만, 본 발명은 그것에 한정되지 않고, 본 발명의 정신과 첨부한 청구의 범위의 범위 내에서 여러 가지 변경, 및 수정을 할 수 있는 것은 당업자에게 분명하다.
1 : 원자로 용기
2 : 중성자 반사체
4 : 연료 집합체
5 : 반사체 지지체
6 : 1 차 냉각재 입구 배관
7 : 1 차 냉각재 출구 배관
20 : 반사체 지지판
21 : 반사체 A
22 : 반사체 B
23 : 반사체 중첩 부분
24 : 조절 스프링 고정용 원통
25 : 지지봉
26 : 조절 스프링
27 : 조절 스프링 지지판
28 : 반사체 조절봉
31 : 상부 스파이럴상 금속 부재
32 : 하부 스파이럴상 금속 부재
41 : 연료봉
42 : 연료 집합체 지지판
51 : 원자로 용기 입구
52 : 원자로 용기 출구
60 : 주열 교환기
91 : 상부 다층 반사체
92 : 상부 다층 반사체 스프링
93 : 상부 다층 반사체 지지판
211 : 링상 다층 반사체
311 : 스프링상 금속 부재
281 : 다층 반사체 지지판
291 : 상부 각도 조정 스파이럴상 금속 부재
292 : 하부 각도 조정 스파이럴상 금속 부재
501, 580 : 증기 터빈
502, 581 : 복수기
503, 582 : 제 1 가열기
504, 583 : 제 2 가열기
521 : 초임계 이산화탄소 가스 터빈
522 : 초임계 이산화탄소 가스 압축기
523 : 냉각기
524 : 재생 열 교환기
525 : 탄산 가스 순환 펌프
550 : 순환 공급 펌프
555 : 순환 펌프
560 : 격리 밸브
1001 : 납-비스무트 표면

Claims (24)

  1. 우라늄 (U) 235, 238 및 플루토늄 (Pu) 239 의 어느 일방 또는 쌍방을 함유하는 금속성 연료를 피복관에 봉입한 복수의 연료봉으로 이루어지는 연료 집합체의 노심과,
    상기 노심을 수납한 원자로 용기와,
    상기 원자로 용기 내에 충전되고, 상기 노심에 의해 가열되는 금속 나트륨, 납 (Pb) 또는 납-비스무트 (Bi) 중 하나로 이루어지는 1 차 냉각재와,
    상기 노심의 주위를 둘러싸고 배치되는 중성자 반사체를 포함하고,
    그 중성자 반사체는, 상기 노심으로부터 방사되는 중성자의 실효 배증 계수를 약 1 이상으로 유지하여 상기 노심을 임계 상태로 하는 중성자 반사 효율을 갖고, 또한 상기 중성자 반사체는 반사체 자체보다 열 팽창률이 큰 금속 부재에 접속되고, 상기 원자로 용기 내의 온도에 대응한 상기 금속 부재의 열 팽창에 의한 변위를 이용하여, 상기 중성자 반사 효율을 변화시키도록 구성되고, 그것에 의해 부하 추종형 제어가 가능하게 되어 있는 소형 원자로를 구비한 소형 원자력 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노심의 주위를 둘러싸고 설치되는 상기 중성자 반사체는, 상기 노심의 높이 치수보다 작은 높이로 형성되고, 이동 기구에 의해 상기 노심의 하방측으로부터 상방측을 향하거나, 또는 상방측으로부터 하방측을 향하여 이동할 수 있도록 구성되어 있는 소형 원자력 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 집합체의 전체 길이와 동등한 길이의 상기 중성자 반사체를, 상기 연료 집합체의 주위에 설치한 소형 원자력 발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 집합체의 주위에 추가하여, 상기 연료 집합체의 상부에도, 열 팽창에 의해 상기 중성자 반사 효율의 제어를 가능하게 하도록 구성된 스프링상 또는 스파이럴상의 상기 금속 부재를 갖는 중성자 반사체를 설치한 소형 원자력 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 반사체는, 상기 노심의 중심으로부터 동심원 상에 배치되고, 동심원 상에 있어서 2 분할 이상으로 다분할된 2 종류의 반경을 갖는 복수의 중성자 반사체이고, 그 복수의 중성자 반사체를, 각각이 동일한 반경을 갖는 제 1 그룹과 제 2 그룹의 2 개의 그룹으로 분류하고, 이 중의 제 1 그룹의 중성자 반사체를, 상기 노심과 동심원 상에 설치한 제 1 스파이럴상의 상기 금속 부재에 접속하고, 상기 제 1 스파이럴상 금속 부재의 열 팽창에 의해, 상기 제 1 그룹의 중성자 반사체와 상기 제 2 그룹의 중성자 반사체 사이에 슬릿이 형성되고, 그 슬릿의 간격을 상기 원자로 용기 내의 온도에 기초하여 조정하는 소형 원자력 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 중성자 반사체가, 추가로 반경 방향으로 2 분할 이상으로 다분할된 소형 원자력 발전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 반사체도, 상기 노심과 동심원 상에 배치된 제 2 스파이럴상의 상기 금속 부재에 접속되고, 또한 상기 제 1 스파이럴상 금속 부재와 상기 제 2 스파이럴상 금속 부재의 권회 방향이 역방향인 소형 원자력 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 반사체의 재료가, 베릴륨 (Be), 산화베릴륨 (BeO), 그라파이트, 카본, 스테인리스강에서 선정되는 소형 원자력 발전 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 그룹과 제 2 그룹의 상기 중성자 반사체 사이에 윤활재로서 카본을 장착한 소형 원자력 발전 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 그룹과 제 2 그룹의 상기 중성자 반사체가 원주 방향과 중첩 부분을 갖고, 그 중첩 부분의 폭을 조정함으로써 임계 상태가 1 이 되는 온도를 조정하는 소형 원자력 발전 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    동심원 상에서 2 분할 이상으로 분할된 중성자 반사체의 외측에, 상기 금속 부재인 조절 스프링을 고정시키기 위한 고정용 원통과, 추가로 그 외측에, 조절 스프링 지지판, 반사체 조절봉, 및 상기 조절 스프링을 포함하는, 분할된 각각의 상기 중성자 반사체에 대응한 복수의 반사체 이동용 지그를 구비하고, 상기 반사체 조절봉의 각각이 대응한 상기 중성자 반사체에 접속되어 있고, 상기 조절 스프링의 열 팽창이, 상기 조절 스프링 지지판에 고정된 상기 반사체 조절봉을 개재하여, 상기 중성자 반사체가 상기 연료 집합체로부터 멀어지도록 전달되게 구성되고, 이로써 원자로의 출력을 제어하는 부하 추종형 제어가 가능하게 되어 있는 소형 원자력 발전 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    동심원 상, 및 상기 연료봉을 따른 방향에서 2 분할 이상으로 분할된 다층 링상 중성자 반사체가 배치되고, 스프링상의 상기 금속 부재가, 상기 다층 링상 중성자 반사체의 외측에 상기 중성자 반사체를 포위하도록 배치되고, 상기 분할된 상기 다층 링상 중성자 반사체의 각각이 상기 스프링상 금속 부재의 상이한 부분에 접속되고, 상기 스프링상 금속 부재의 열 팽창이 상기 분할된 다층 링상 중성자 반사체에 전달되어, 상기 분할된 중성자 반사체의 간격이 변화됨으로써 중성자의 누출 확률을 조정하고, 원자로의 출력을 제어하는 부하 추종형 제어가 가능하게 되어 있는 소형 원자력 발전 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    동심원 상에서 2 분할 이상으로 분할된 각각의 중성자 반사체가, 상기 연료봉을 따른 방향의 상기 중성자 반사체 각각의 편방의 단부에 형성된 지지봉을 중심으로 하여 외측으로 회전 가능하고, 그것에 의해 상기 중성자 반사체 사이가 개방 가능하도록 구성되고, 상기 각각의 중성자 반사체의 회전 중심인 지지봉에 접속된 스파이럴상의 상기 금속 부재의 열 팽창에 의해, 상기 중성자 반사체 사이의 개방 정도를 변화시킴으로써 중성자의 누출 확률을 조정하고, 그것에 의해 원자로의 출력을 제어하는 부하 추종형 제어가 가능하게 되어 있는 소형 원자력 발전 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 부재의 재료가, 스테인리스강, 니켈기 초합금, 니켈-코발트계 초합금인 소형 원자력 발전 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 부재가 바이메탈로 이루어지는 소형 원자력 발전 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 바이메탈의 재료가, 저팽창 재료로서 니켈 (Ni)-철 (Fe) 합금과 고팽창 재료로서 구리 (Cu), 니켈 (Ni), 구리-아연 (Zn), 니켈-구리, 니켈-망간 (Mn)-철, 니켈-크롬 (Cr)-철, 니켈-몰리브덴 (Mo)-철 중 하나와의 조합인 소형 원자력 발전 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 고팽창 재료가 니켈-망간-철 또는 니켈-크롬-철인 소형 원자력 발전 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중성자 반사체의 외측에 중성자 흡수체를 설치한 소형 원자력 발전 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수체로서, 방사성 폐기물의 처리에 적합한 재료인 악티노이드계 방사성 원소를 사용한 소형 원자력 발전 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노심은, 지르코늄 (Zr) 과 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 로 이루어지는 합금, 또는 지르코늄과 우라늄 (235, 238) 및 플루토늄 239 의 어느 일방으로 이루어지는 합금으로 이루어지는 금속성 연료를, 페라이트계 스테인리스강, 또는 크롬·몰리브덴강으로 이루어지는 피복관에 봉입한 연료봉을 복수 구비한 소형 원자력 발전 시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자로 용기는, 5 m 이하의 직경 및 15 m 이하의 높이를 갖는 원통상으로 형성되고, 상기 원자로 용기에 수납되는 노심은, 5 ∼ 15 ㎜ 의 직경 및 3.0 m 이하의 길이로 형성된 복수의 연료봉으로 이루어지는 소형 원자력 발전 시스템.
  22. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자로의 외부에 설치되고, 상기 원자로에 의해 가열된 상기 1 차 냉각재가 도관을 통하여 공급됨과 함께, 상기 1 차 냉각재와 열 교환되어 가열되는 초임계 이산화탄소로 이루어지는 2 차 냉각재가 순환되는 주열 교환기와, 상기 주열 교환기에 의해 가열된 상기 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 원자력 발전 시스템.
  23. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자로의 외부에 설치되고, 상기 원자로에 의해 가열된 상기 1 차 냉각재가 도관을 통하여 공급됨과 함께, 상기 1 차 냉각재와 열 교환되어 가열되는 경수로 이루어지는 2 차 냉각재가 순환되는 주열 교환기와, 상기 주열 교환기에 의해 가열된 상기 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 원자력 발전 시스템.
  24. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자로의 외부에 설치되고, 상기 원자로에 경수와 반응하지 않는 상기 1 차 냉각재가 충전됨과 함께, 상기 1 차 냉각재와 원자로 용기 내에서 열 교환되어 가열되는 상기 경수로 이루어지는 2 차 냉각재가 가열된 상기 2 차 냉각재에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈의 구동에 의해 동작하는 발전기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 원자력 발전 시스템.
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