KR102252714B1 - 히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용후 핵연료 다발(12)이 장진한 사용후 핵연료 처분용기이며, 사용후 핵연료 다발이 장진된 처분용기의 외부 둘레를 히터파이프(2)가 감싸도록 감겨진 히터파이프를 이용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기이다
본 발명에 따른 사용후 핵연료 처분용기는 사용후 핵연료의 붕괴열을 히트파이프(2)에 의해 별도의 동력없이 피동적으로 외부로 방출하여 처분용기의 표면온도의 증가를 최소화할 수 있으므로 경수로 핵연료 기준으로 4다발의 사용후 핵연료를 정치하는 기존의 사용후 핵연료 처분용기에 비하여 보다 맣은 사용후 핵연료의 다발을 정치할 수 있는 효과가 있으며, 상대적으로는 기존의 사용후 핵연료 처분용기에 비하여 보다 많은 사용후 핵연료의 다발을 정치할 수 있으므로 처분용기의 수 내지 처분장의 소요면적을 줄일 수 있어 산업적 내지 경제적으로 유리한 특징이 있다.

Description

히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기{Spent Fuel Disposal Canister by passive cooling with heat pipe}

본 발명은 사용후 핵연료 처분용기에 관한 것이며 구체적으로는 히트파이프를 이용하여 사용된 후의 핵연료(이하 ‘사용후 핵연료’라 정의 합니다) 처분용기를 피동적으로 냉각시키는 사용후 핵연료 처분용기에 관한 것이다.

일반적으로 원자력 발전소에서 소정기간 연소된 후 배출되는 사용후 핵연료는 원자력발전소 부지 내에서 일정기간 보관되며, 중성자 차폐 및 붕괴열을 냉각시키기 위하여 수조에 장입하여 일정기간 보관하고, 일정기간 보관하여 방사선량과 온도가 일정 이하로 감소한 핵연료는 수조 밖으로 인출하여 콘크리트 또는 금속재질 등의 건식 저장용기에 담아 수십 년간 지상시설에 저장하다가 처분시설이 심부지하 암반 내에 구축되면 영구 처분한다.

건식 저장용기는 사용후 핵연료를 안전하게 격납하여 핵분열에 의한 임계반응을 방지하고, 방사선을 차폐하며 붕괴열을 원활히 방출할 수 있어야 하며, 가능한 한 많은 양의 사용후 핵연료를 저장할 수 있도록 설계 되어야 한다. 현재 경수로 핵연료 기준으로 24다발이나 그 이상의 사용후 핵연료를 수십 년간 저장하는 건식저장용기가 사용되고 있다.

하지만, 심부지하에 사용후 핵연료를 영구 처분하기 위해서는 용량이 큰 저장용기에서 꺼내어 용량이 훨씬 작은 처분용기로 옮겨 담아야 한다. 처분용기는 수천 년 이상 내부식성과 내구성을 확보하기 위하여 수십 mm 두께의 구리 또는 구리 도금 용기로 제작한다. 기존의 처분용기는 경수로 핵연료 기준으로 4다발의 사용후 핵연료를 용기에 정치한 후 방사성핵종의 외부 유출과 지하수 유입을 방지하기 위하여 흡착제인 벤토나이트로 처분용기 주위를 되메움하고 있으나, 처분용기 표면에서의 온도는 벤토나이트의 열적 특성을 고려하여 100℃를 크게 넘길 수가 없다. 이에 따라 기존의 처분용기는 사용후 핵연료의 열발생 문제로 인하여 경수로 핵연료 기준으로 4다발 이상으로 용량을 증가시킬 수가 없다.

사용후 핵연료 처분용기의 냉각기술에 대한 선행기술은 없다. 다만 사용후 핵연료 건식 저장용기의 냉각기술과 관련하여 선행기술로 예를 들면, 특허문헌1에 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기 내에 은 또는 은 화합물을 투입하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 처장 용기를 개시하고 있으며, 특허문헌2에 사용후 핵연료를 장전하여 중간 저장하기 위한 사용후 핵연료 중간 저장 용기이되 상기 사용후 핵연료가 장전되는 장전 공간에 사용후 핵연료가 장전된 후, 장전 공간 내 공극에 충진되는 금속분말을 포함하는 사용후 핵연료 중간 저장 용기에 있어서 사용후 핵연료에서 발생하는 붕괴열이 상기 금속 분말을 통해 외부로 전달되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료 중간 저장 용기를 개시하고 있다. 이들 선행기술은 처분용기의 표면온도를 낮추는 효과는 기대할 수 없다.

또 특허문헌3에 사용후 핵연료를 저장하는 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장용기에 있어서, 외측 케이스를 이루는 캐스크, 사용후 핵연료 집합체가 저장되며 상기 캐스크 내부에 배열하여 적재되는 복수개의 바스켓, 상기 캐스크의 개방된 상단에 설치되어 캐스크를 밀봉하고 내부에 밀폐된 공간을 갖는 통 구조로 이루어진 리드, 상기 각 바스켓에 설치되고 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 제거하는 냉각부, 및 상기 리드에 설치되고 상기 냉각부와 연결되어 냉각부에서 전도된 열을 외부로 방열하는 방열부를 포함하고, 상기 냉각부는 각 바스켓 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 방열부로 전도하는 복수개의 히트파이프를 포함하며, 상기 히트파이프는 상기 리드 내부 공간과 연통되어 작동유체가 상기 리드 내부 공간으로 유통되어 열을 전도하고, 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체를 구분하는 구조인 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기를 개시하고 있으나 상기한 선행기술은 용기 길이보다 훨씬 긴 복수개의 히트파이프로 용기를 관통하는 구조여서 사용후 핵연료 내의 방사성물질의 외부 누출을 수천 년 이상의 기간 동안 방지하여야 하는 처분 요건을 만족하도록 제작하는 것이 어렵고, 실제 심부지하 400m 경암층 내 터널에 정치하여야 하는 처분용기로의 적용은 고려할 수 없다.

본 출원의 발명자는 히트파이프를 처분용기 외부 주변에 감아 처분용기를 냉각시킴으로써 제작이 간편하면서 용기 양 극단과 중앙부의 표면온도 차이를 크게 낮출 수 있어 처분용기의 최대 표면온도가 100℃를 크게 넘길 수가 없다는 처분장 설계상의 제한에 따라 경수로 핵연료 기준으로 4다발의 사용후 핵연료만 장전할 수밖에 없는 현재의 처분용기에 비해 냉각효율이 향상되고 이로 인하여 더 많은 사용후 핵연료 다발을 처분용기에 장전하여도 처분용기의 표면온도의 증가를 최소화할 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

특허문헌1: 대한민국 등록특허공보 등록번호10-0727092호 특허문헌2: 대한민국 등록특허공보 등록번호10-1754754호 특허문헌3: 대한민국 등록특허공보 등록번호10-1961458호

본 발명은 히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기의 제공에 관한 것이다.

보다 상세하게는 히트파이프를 이용하여 사용후 핵연료의 처분용기를 피동적으로 냉각시킴으로써 냉각효율이 향상되고 이로 인하여 더 많은 사용후 핵연료 다발을 처분용기에 장전하여도 처분용기의 표면온도의 증가를 최소화할 수 있어 처분용기의 소요 개수 내지 처분장의 소요면적을 줄일 수 있는 사용후 핵연료 처분용기의 제공을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 따른 과제의 해결수단으로 히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기는 기존의 원통 형상의 처분용기(1)의 외부 둘레에 히트파이프(2)가 감싸도록 감겨진 것을 포함하는 것으로 이루어지며, 히트파이프(2)를 단순히 처분용기(1)의 외부 둘레에 감는 구조이므로 제작이 간편하다.

본 발명에 따른 히터파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기의 일 실시형태는 4개의 사용후 핵연료 다발(12)이 장진되고, 사용후 핵연료 다발(12) 주변으로 내부삽입물(13)과 외곽쉘(11)이 감싸고 있고, 상, 하부로 덮개(14,15)가 형성된 원통 형상의 처분용기(1)의 외부 둘레에 히트파이프(2)가 감싸도록 감겨진 것을 포함하는 것으로 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 히트파이프(2)는 밀폐된 금속용기(21)와, 금속용기(21)의 내부에 형성된 윅(wick 22) 및 중공채널(23)과, 중공채널(23) 내부에 작동유체(24)가 진공으로 봉입되는 것으로 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 히트파이프(2)는 작동유체(24)의 연속적인 증발 및 응축의 상변화에 따르는 잠열 및 윅의 모세관 현상을 이용하여 적은 온도차에도 불구하고 높은 열량을 상당히 먼 거리까지 전송시키는 열전달 특성을 활용한 효율적인 냉각장치이다.

본 발명에 따른 처분용기는 히트파이프의 적용이 간편하여 제작이 간편하고 또 히트파이프의 냉각작용에 의해 처분용기의 표면온도의 증가를 최소화할 수 있으므로 기존의 사용후 핵연료 처분용기에 비하여 사용후 핵연료의 다발을 많이 정치할 수 있는 효과가 있다.

도 1의 (a)는 기존의 사용후 핵연료 처분용기를 개략적으로 나타낸 도면
도 1의 (b)는 본 발명에 따른 히트파이프를 적용한 사용후 핵연료 처분용기를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 히트파이프를 개략적으로 나타낸 도면

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1의 (a) 및 (b)는 기존의 사용후 핵연료 처분용기를 개략적으로 나타낸 도면과 본 발명에 따른 히트파이프를 적용한 사용후 핵연료 처분용기를 개략적으로나타낸 도면으로써, 도 1 (a) 및 (b)를 참조하여 본 발명을 설명하면,

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 기존의 사용후 핵연료 처분용기(1)는 원통 형상의 외곽쉘(11)의 중심으로 사용후 핵연료 다발(12)이 장진되고, 사용후 핵연료 다발(12) 주변으로 내부삽입물(13)이 감싸고 있으며, 상, 하부로 덮개(14,15)가 형성되어 있다.

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 히트파이프를 적용한 사용후 핵연료 처분용기(A)는 기존의 사용후 핵연료 처분용기(1)를 채용하며, 기존의 처분용기(1)의 외부 둘레에 히트파이프(2)가 감싸도록 감겨진 구조로 이루어져 있으므로 간편하게 제작할 수 있다.

도면 1의 (b)를 참조하여 본 발명에 따른 히트파이프를 적용한 사용후 핵연료 처분용기(A)를 보다 구체적으로 설명하면,

상기한 원통 형상의 외곽쉘(11)의 중심으로 사용후 핵연료 다발(12)이 장진되고, 사용후 핵연료 다발(12) 주변으로 내부삽입물(13)이 감싸고 있으며, 상, 하부로 덮개(14,15)가 형성된 기존의 핵연료 처분용기(1)의 외부 둘레에 히트파이프(2)가 감싸도록 감겨진 구조로 이루어져 있다.

상기 사용후 핵연료 처분용기(1)의 외곽쉘(11) 및 상, 하부 덮개(14,15)의 재질은 구리로 이루어져 있으며, 사용후 핵연료 다발(12) 주변으로 구상흑연주철로 된 내부삽입물(13)이 감싸고 있다.

도 2는 히트파이프를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 상기 히트파이프(2)는 파이프 형상의 밀폐된 금속용기(21)와, 금속용기(21)의 내부에 형성된 윅(wick 22) 및 중공채널(23)과, 중공채널(23) 내부에 작동유체(24)가 진공으로 봉입되는 것으로 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 히트파이프(2)는 통상 알려진 히트파이프로 이루어지며 별도의 동력없이 외부에서 유입되는 열에 의해 밀폐된 중공채널에 봉입된 작동유체(24)가 연속적인 증발 및 응축의 상변화에 따르는 잠열 및 윅의 모세관 현상을 이용하여 적은 온도차에도 불구하고 높은 열량을 상당히 먼 거리까지 전송시키는 열전달 특성을 활용한 효율적인 냉각장치이다.

본 발명에 따른 상기 히트파이프(2)의 금속용기(21)의 두께는 1.5mm 내지 3mm인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 재질은 열전도성이 양호한 알루미늄, 스테인레스 또는 구리 등으로부터 선택되며, 상기 처분용기(1)의 외곽쉘(14)과 동일한 재질인 구리를 채용하는 것이 바람직하다.

상기한 작동유체(24)의 종류 및 봉입량은 냉각설계에 따라 통상 알려진 작동유체로부터 적의 선택되며, 예를 들면, 나노입자의 산화알루미늄(Al₂O₃)과 탄소나노튜브를 함유하는 증류수형 작동유체 또는 알코올형 작동유체가 선택되며, 이에 한정되는 것은 아니다.

또 상기 본 발명에 따른 히트파이프(2)의 단면 형상은 원형, 반원형 또는 사각형으로 이루어질 수 있으며, 상기 원통형상의 처분용기(1)의 외부 주변을 감는 점을 감안 할 때 히트파이프(2)의 단면 형상은 반원형 또는 사각형이 바람직하다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 히트파이프를 적용한 사용후 핵연료 처분용기(A)는 히트파이프(2)에 의해 별도의 동력없이 피동적으로 붕괴열을 외부로 방출하여 처분용기의 표면온도의 증가를 최소화할 수 있다.

보다 구체적으로는 일반적으로 사용후 핵연료 처분용기를 처분장에 정치할 때 흡착제인 벤토나이트로 처분용기 주위를 되메움하며 이 때 방사성핵종의 붕괴열에 의한 지하수의 증발방지, 저장용기 주변에 염이 농축되는 현상을 방지 및 벤토나이트의 열적 특성을 고려하여 100℃ 이하로 유지되어야 하기 때문에 기존의 처분용기는 4다발의 사용후 핵연료를 정치할 수 밖에 없는 한계가 있다.

그러나 본 발명에 따른 사용후 핵연료 처분용기(A)는 상기한 바와같이 히트파이프(2)의 냉각작용에 의해 처분용기의 표면온도의 증가를 최소화할 수 있는 특징이 있으므로 기존의 사용후 핵연료 처분용기에 비하여 보다 많은 사용후 핵연료의 다발 정치할 수 있는 효과가 있다.

사용후 핵연료의 붕괴열은 원자로형, 초기 농축도, 연소도, 냉각기간 등에 따라 많은 차이를 보이지만, 원자력발전소에서 발생하는 사용후핵연료의 연소가가 높아지는 경향을 고려하면 기존의 처분용기는 경수로 핵연료 기준으로 4다발 이상을 처분하는 것이 어렵다. 이에 따라 처분용기 표면 온도를 평준화하여 최대 표면온도를 낮추는 본 발명의 효과는 처분용기에 정치할 수 있는 경수로 핵연료 다발수를 확실히 4다발 이상으로 증대시킬 수 있는 확실한 방법이며 구체적으로는 4 ~ 10발 정치할 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 특징 내지 효과는 기존의 사용후 핵연료 처분용기에 기존의 히트파이프를 감는 방식으로 제작하므로 제작이 할 뿐 아니라 상대적으로는 기존의 사용후 핵연료 처분용기에 비하여 보다 많은 사용후 핵연료의 다발을 정치할 수 있으므로 상대적으로 처분용기의 소요 개수 내지 처분장의 소요면적을 줄일 수 있어 산업적 내지 경제적으로 유리한 특징이 있다.

A: 본발명에 따른 사용후 핵연료 처분용기, 1: 기존의 사용후 핵연료 처분용기, 11: 원통 형상의 본체, 12: 사용후 핵연료 다발 2: 히트파이프, 21: 밀폐된 금속용기, 22 및 23: 윅(wick) 및 중공채널

Claims (4)

1. 사용후 핵연료 처분용기에 있어서,
   상기 사용후 핵연료 처분용기는 상, 하부로 덮개(14,15)가 형성되고, 원통 형상의 외곽쉘(11)의 중심으로 사용후 핵연료 다발(12)이 장진되며, 사용후 핵연료 다발(12) 주변으로 내부삽입물(13)이 감싸고 있는 처분용기(1)와, 처분용기(1)의 외부 둘레에 감싸도록 감겨진 히트파이프(2)를 포함하되,
   상기 히트파이프(2)는 1.5mm 내지 3mm 두께의 알루미늄, 스테인레스 또는 구리 중 하나로부터 선택되는 금속용기(21)로 구성되는 파이프 형상의 밀폐된 금속용기(21)와, 금속용기(21)의 내부에 형성된 윅(wick 22) 및 중공채널(23)과, 중공채널(23) 내부에 작동유체(24)가 진공으로 봉입되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기.
   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1항에 있어서,
   상기 히트파이프(2)의 단면 형상이 원형, 반원형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 적용한 피동형 냉각에 의한 사용후 핵연료 처분용기.

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