KR102347710B1 - 내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터 - Google Patents
내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는 특정 조성의 합금이 사용되고, 캐니스터 내부에 충전되는 충전제의 조성, 상기 충전제의 형상 등이 상이한 혼합 충전제가 다층 구조로 적용될 수 있음에 따라, 사용후 핵연료의 붕괴열이 발생되는 부식이 용이한 환경 및 외부 충격이 가해질 수 있는 환경에서도 높은 내구성을 유지할 수 있는 내화학성 및 내부식성이 우수한 효과가 있다. 뿐만 아니라, 캐니스터 내부에 위치한 사용후 핵연료로부터 발생되는 붕괴열의 열배출이 용이한 효과가 있으며, 외부 충격, 부식 등에 의한 캐니스터 손상 시, 내부에 위치한 사용후 핵연료로부터 방출되는 방사선이 외부로 노출되지 않도록 자가-밀봉 기능을 가지는 효과가 있다.
Description
본 발명은 내부식성 및 기계적 물성이 우수한 사용후핵연료 캐니스터에 관한 것으로, 구체적으로, 반영구적으로 사용후 핵연료를 주변 환경으로부터 원천 차단할 수 있으며, 강한 외부 충격에 가해지거나 부식 환경에서도 내구성 및 내후성이 우수한 사용후 핵연료 캐니스터에 관한 것이다.
원자력 산업으로부터 불가피하게 발생되는 고준위 폐기물, 사용후핵연료 등의 핵폐기물은 생태계로부터 장기간 안전하게 격리되어야 한다. 이를 위한 공학적 방벽들 중의 하나인 처분용기(Canister)는 보통 단일 또는 합금 재질로 만들어 질 수 있다. 프랑스, 영국, 일본 등은 고준위 폐기물을 유리 고화체로 만들어 용기에 넣고 이 용기를 다시 다른 용기에 넣어 포장하는 방식을 고려하고 있으며, 캐나다, 독일, 핀란드, 스웨덴 등은 사용후핵연료를 직접 용기에 넣어 포장하는 방식을 고려하고 있다. 미국의 경우, 유리 고화체와 사용후핵연료 두 가지 유형에 대한 각각의 처분용기를 구상하고 있다. 우리나라의 경우는 사용후핵연료를 심지층에 처분하는 개념을 추구하고 있으며, 예를 들어 500 m 깊이의 심부 결정질 암반 내에 수직으로 처분용기를 거치하고, 그 주변을 압축 벤토나이트로 충전한다.
그러나 상기와 같이 사용후핵연료를 포함한 처분용기를 처분할 지하 500 m 이상의 암반에 건설된 처분동굴에는 지하수에 의한 50 atm 이상의 수압과 처분용기를 보호하기 위하여 채우는 완충재에 의한 팽윤압이 100 atm 이상 존재할 수 있다. 따라서 처분용기는 이와 같은 압력에 견딜 수 있는 구조적인 안정성이 확보되어야 한다. 뿐만 아니라 사용후핵연료 내에 존재하는 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 반영구적으로 억제할 수 있어야 한다.
사용후핵연료를 저장할 수 있는 용기인 캐니스터는 통 형태의 금속 캐니스터로 이루어져 있으며, 금속 캐니스터 내부에 바스켓을 마련하여 사용 후 핵연료를 저장한다. 금속 캐니스터 내부의 바스켓은 지지부재나 격납부재 등을 통해 고정되고, 캐니스터 외부에 중성자 차폐체를 마련하여 사용 후 핵연료를 저장한다.
일반적으로 캐니스터 재질은 주로 스테인리스 강이며, 바스켓의 측면을 둘러싸는 캐니스터 쉘, 바스켓의 상단을 둘러싸는 캐니스터 뚜껑판, 바스켓의 하단을 둘러싸는 캐니스터 바닥판을 포함한다. 캐니스터 뚜껑판은 바스켓에 사용 후 핵연료가 바스켓에 장입된 후, 캐니스터 쉘에 볼트-너트 결합에 의해 고정되고 용접을 통해 밀봉되는 것이 통상적이다.
그러나 이러한 용접 부위(용접 영역 및 열 영향부위) 및 볼트/너트 결합 영역은 부식균열에 취약하여 사용 후 핵연료 건식저장시스템의 건전성을 손상시키는 요소이며, 열을 수반한 용접 공정은 엄밀하게 온도가 제어되어야 하는 사용후핵연료 건식 저장 과정에서 위험 요소가 매우 높은 공정이다.
또한 통상 사용되는 스테인리스 강 등의 재질을 가지는 캐니스터는 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 억제하기 위해서는 상당히 두꺼운 두께를 가질 수밖에 없으며, 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 반영구적으로 완벽하게 차단할 수 있어야 한다. 특히 화학적으로 부식된 캐니스터는 약한 외부 충격에도 크랙, 홀 등이 형성되는 등 쉽게 손상될 수 있다. 이러한 캐니스터의 손상은 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되어 주변 환경에 생물이 살 수 없는 치명적인 문제를 야기한다. 따라서 캐니스터는 높은 구조 안정성을 가져야 하는 것은 물론, 초기 높은 구조 안정성을 반영구적으로 유지할 수 있도록 화학적 부식에도 강한 내후성을 가져야 한다.
한국등록특허공보 제10-2018255호에는 외부전원법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터의 부식 방지 방법 및 시스템이 개시되어 있으며, 한국등록특허공보 제10-2014967호에는 희생양극법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터의 부식 방지 방법 및 이의 응용 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 사용후핵연료 캐니스터의 부식 방지 수단은 반영구적으로 핵연료를 보관하는 과정에서 전기 에너지가 상시 인가되어야 하므로, 에너지 효율이 현저히 낮으며, 전기 에너지가 공급될 수 없는 환경이거나 또는 전기 에너지의 공급이 중단될 경우, 부식 방지 효과가 구현될 수 없는 한계가 있다. 따라서 사용후 핵연료의 보관 과정에서 별도의 에너지 공급 없이도 반영구적으로 내부식성 및 기계적 강도가 우수한 사용후 핵연료 캐니스터가 요구된다.
한편, 원자로는 운전을 정지하여도 정지하기 전에 생성된 방사성 물질이 안정된 원소로 변환될 때까지 붕괴하기 때문에 지속적으로 열을 방출한다. 높은 온도 환경은 부식에 의한 캐니스터의 내구성 저하를 쉽게 유발하므로, 사용후 핵연료로부터 자연 발생되는 붕괴열을 캐니스터 외부로 쉽게 배출할 수 있어야 한다.
따라서 사용후 핵연료의 붕괴열이 발생되는 부식이 용이한 환경 및 장기간 외부 충격이 가해질 수 있는 환경에서도 높은 구조 안정성과 함께 이를 반영구적으로 유지할 수 있는 내부식성이 우수한 사용후 핵연료 캐니스터가 요구된다.
본 발명의 목적은 사용후 핵연료의 붕괴열이 발생되는 부식이 용이한 환경 및 외부 충격이 가해질 수 있는 환경에서도 높은 내구성을 유지할 수 있는 내화학성 및 내부식성이 우수한 사용후 핵연료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 캐니스터 내부에 위치한 사용후 핵연료로부터 발생되는 붕괴열의 열배출이 용이한 사용후 핵연료 캐니스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 충격, 부식 등에 의한 캐니스터 손상 시, 내부에 위치한 사용후 핵연료로부터 방출되는 방사선이 외부로 노출되지 않도록 자가-밀봉 기능을 가지는 사용후 핵연료 캐니스터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 이종 금속을 포함하는 구리 합금으로 형성되는 외부 캐니스터(100); 및 상기 외부 캐니스터(100)의 내부 공간에 배치되는 내부 캐니스터(200);를 포함하며, 상기 내부 캐니스터(200)는 내부에 사용후 핵연료 저장 공간(210)을 가지며, 상기 이종 금속은 지르코늄 및 베릴륨 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 구리 합금은 0.1 내지 20 원자%의 이종 금속을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 구리 합금은 Cu5Zr 초격자상과 Cu 결정상이 반복적으로 나타나는 괴상 구조의 공정 조직으로 된 3차원적 그물 구조를 갖는 Cu-Zr 2원계 합금일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 내부 캐니스터(200)는 철 및 주석 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이에 형성되며, 제1 입상 충전제가 충전되는 충전제층(300)을 더 포함할 수 있으며, 상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 제2 입상 충전제가 충전될 수 있으며, 상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료가 수용되면, 상기 제2 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)의 내면과 상기 사용후 핵연료의 외면 사이의 간극에 충전되어 상기 사용후 핵연료에서 발생하는 붕괴열을 상기 내부 캐니스터(200)로 전도할 수 있으며, 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이의 간극에 충전된 상기 제1 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)로부터 전도되는 사용후 핵연료의 붕괴열을 상기 외부 캐니스터(100)로 전도할 수 있으며, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는, 결정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 결정질 금속 충전제; 및 비정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 비정질 금속 충전제;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 혼합 중량비는 1:0.1~1일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 결정질 금속 충전제는 구형일 수 있으며, 상기 비정질 금속 충전제는 구형인 제1 비정질 금속 충전제 및 섬유상인 제2 비정질 금속 충전제를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 비정질 금속 충전제 및 상기 제2 비정질 금속 충전제의 혼합 중량비는 1:0.2~1일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2 비정질 금속 충전제의 평균 길이 및 평균 직경이 각각 3 내지 50 mm 및 0.01 내지 1,000 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는 중성자 차폐재로 이루어진 중성자 차폐 충전제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 결정질 금속 충전제, 상기 비정질 금속 충전제 및 상기 중성자 차폐 충전제의 혼합 중량비는 1:0.1~1:0.02~0.1일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경은 0.1 내지 10 mm일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경비는 1:0.1~0.8일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 중성자 차폐재는 탄화붕소, 질화붕소, 산화붕소, 붕산아연, 수산화알루미늄, 하프늄, 하프늄이붕소화물, 티타늄이붕소화물, 페로보론 및 이산화우라늄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는 상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 중성자 차폐재 0.01 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 중성자 차폐재는 500 nm 내지 300 ㎛의 평균입경을 가지는 입자로서 상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스 상에 분산된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스는 철(Fe)계, 구리(Cu)계, 알루미늄(Al)계, 마그네슘(Mg)계, 지르코늄(Zr)계, 칼슘(Ca)계, 티타늄(Ti)계, 니켈(Ni)계, 코발트(Co)계 및 하프늄(Hf)계 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 외부 캐니스터(100)의 평균 두께는 5 내지 50 mm일 수 있으며, 상기 내부 캐니스터(200)의 외면과 내면의 최소 거리는 5 mm 이상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 상기 외부 캐니스터(100)와 결합되며, 상기 사용후 핵연료가 사용후 핵연료 캐니스터의 외부로 노출되지 않도록 밀봉하는 커버(400)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는 사용후 핵연료의 붕괴열이 발생되는 부식이 용이한 환경 및 외부 충격이 가해질 수 있는 환경에서도 높은 내구성을 유지할 수 있는 내화학성 및 내부식성이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는 캐니스터 내부에 위치한 사용후 핵연료로부터 발생되는 붕괴열의 열배출이 용이한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는 외부 충격, 부식 등에 의한 캐니스터 손상 시, 내부에 위치한 사용후 핵연료로부터 방출되는 방사선이 외부로 노출되지 않도록 자가-밀봉 기능을 가지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터의 단면도로서, 도 2의 A-A’의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 사용후 핵연료 캐니스터의 내부 캐니스터의 단면을 확대한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 사용후 핵연료 캐니스터의 내부 캐니스터의 단면을 확대한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터를 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서에서 언급되는 ‘포함한다’는 ‘구비한다’, ‘함유한다’, ‘가진다’, ‘특징으로 한다’ 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서 언급되는 “층”의 용어는 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라, 본 명세서에서 “층” 또는 “막”의 용어에 의해, 2차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 언급되는 “사용후 핵연료”의 용어는 상업용 또는 연구용 원자로에서 연료로 사용된 핵연료 물질 또는 기타의 방법으로 핵분열시킨 핵연료 물질을 의미할 수 있다.
사용후 핵연료 캐니스터는 사용후 핵연료를 만 년 이상의 반영구적으로 외부 환경으로부터 차단할 수 있는 장기 보관 안정성을 가져야 한다. 그러나 초기 기계적 물성 및 구조 안정성이 높은 캐니스터라 할지라도 사용후 핵연료에서 자연적으로 발생하는 붕괴열에 의한 높은 온도 및 부식성 환경에 장시간 노출됨에 따라 화학적 부식에 의한 기계적 강도 저하 등의 문제가 발생한다. 따라서 오랜 세월동안 부식되는 과정에서 구조 안정성이 떨어져 캐니스터에 크랙, 홀 등이 형성되는 손상이 발생할 수 있다. 이러한 캐니스터의 손상은 사용후 핵연료(10)를 외부와 차단하는 주요 역할을 수행할 수 없도록 한다.
이에, 본 발명은 후술하는 수단을 통해 캐니스터 내부에 위치한 사용후 핵연료(10)로부터 발생되는 붕괴열의 배출이 효과적이며, 특히 외부 충격, 부식 등에 의한 캐니스터 손상을 최소화할 수 있는 사용후 핵연료 캐니스터를 제공한다. 뿐만 아니라 설사 캐니스터가 손상되더라도 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 방사선이 외부로 노출되지 않도록 자가-밀봉(Self-sealing) 기능을 가지는 사용후 핵연료 캐니스터를 제공한다.
본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 이종 금속을 포함하는 구리(Cu) 합금으로 형성되는 외부 캐니스터(100); 및 상기 외부 캐니스터(100)의 내부 공간에 배치되는 내부 캐니스터(200);를 포함하며, 상기 내부 캐니스터(200)는 내부에 사용후 핵연료 저장 공간(210)을 가지며, 상기 이종 금속은 지르코늄(Zr) 및 베릴륨(Be) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다. 즉, 본 발명은 상기 외부 캐니스터(100)는 구리 및 지르코늄의 2원계 합금, 구리 및 베릴륨의 2원계 합금, 구리, 지르코늄 및 베릴륨의 3원계 합금 또는 이들에 다른 원소를 포함하는 3원계 이상의 합금의 재질로 형성됨으로써, 만 년 이상의 오랜 시간 동안 높은 기계적 물성을 유지할 수 있는 내부식성이 우수한 사용후 핵연료 캐니스터를 제공한다.
상기 구리 합금의 조성비는 높은 내부식성 및 기계적 물성을 구현할 수 있을 정도라면 크게 제한되는 것은 아니나, 좋게는 0.1 내지 20 원자%, 구체적으로 0.5 내지 15 원자%, 보다 구체적으로 1 내지 10 원자%의 이종 금속을 함유하는 조성을 가지는 것이 바람직하다. 구리와 지르코늄의 합금에 대한 실시예로서 Cu91.5Zr8.5 (원자%)의 이원계 합금을 예로 들 수 있다. 이를 만족할 경우, 비용을 최소화할 수 있으면서 특히 기계적 물성 및 내부식성이 보다 우수한 사용후 핵연료 캐니스터를 제공할 수 있으며, 후술하는 충전제 구성의 조합을 통해 더 향상된 자가 밀봉 특성을 구현할 수 있다.
상기 구리 합금이 구리와 지르코늄의 합금일 경우, 상기 합금은 Cu5Zr 초격자상과 Cu 결정상이 반복적으로 나타나는 괴상 구조의 공정 조직으로 된 3차원적 그물 구조를 갖는 Cu-Zr 2원계 합금일 수 있다. 상기 3차원적 그물 구조는 열간압연 등과 같은 열간가공(Hot working) 공정에 의해서 형성될 수 있으며, 이러한 열간가공 공정에 의해서 Cu5Zr 초격자상과 Cu 결정상이 반복적으로 나타나는 괴상 구조의 공정 조직을 갖는 3차원적 그물 구조가 형성될 수 있다. 구체적으로는, 상기 괴상 구조의 공정 조직은 Cu5Zr 초격자상이 두께 0.5내지 1.5 ㎛의 3차원적 그물 구조를 형성하고, 그 사이에 직경 1.0 내지 1.5 ㎛의 Cu 결정상이 분포되는 구조를 가질 수 있다. 상기 구리와 지르코늄의 합금은 전술한 구조를 만족할 수 있도록 하는 방법으로 제조될 수 있으며, 일 예로 상기 조성비를 가지도록 계량한 구리 및 지르코늄을 포함하는 혼합물을 아크 용해하여 잉곳을 제조하는 단계, 상기 잉곳을 몰드에 흡입 주조하는 단계 및 주조된 합금을 열간가공하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 이때 열간가공은 600 내지 700℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 또한 매회 10 내지 20 %의 압하율로 최종 두께 감소율이 70 내지 80 %가 될 때까지 수행될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 구리와 지르코늄의 합금은 매우 미세한 층상 조직으로 구성된 주조 상태의 구리-지르코늄 합금을 열간가공함으로써 합금을 구성하는 공정상을 3차원적으로 서로 연결된 그물구조로 변화시킬 수 있다.
상기 구리 합금이 구리와 베릴륨의 합금일 경우, 이는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 예컨대 특정 조성비를 가지도록 계량한 구리 및 베릴륨을 포함하는 혼합물을 용해하여 잉곳을 제조하는 단계, 상기 잉곳을 몰드에 흡입 주조하는 단계 및 주조된 합금을 열처리하여 가공하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 이때 가공은 300 내지 800℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 내부 캐니스터(200)는 구리, 철 및 주석 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 상기 내부 캐니스터(200)가 철 소재로 형성된 것일 경우, 본 발명에서와 같이 외부 캐니스터(100)가 전술한 구리 합금으로 형성된 것임에 따라, 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는 구리 소재와 비교하여 상대적으로 산화에 의한 부식 문제에 더 취약한 철 소재의 단점을 최소화할 수 있으며, 높은 기계적 물성 및 높은 내충격성에 따른 우수한 구조 안정성을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 예에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이에 형성되며, 제1 입상 충전제가 충전되는 충전제층(300)을 더 포함할 수 있으며, 상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 제2 입상 충전제가 충전될 수 있으며, 상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료가 수용되면, 상기 제2 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)의 내면과 상기 사용후 핵연료의 외면 사이의 간극에 충전되어 상기 사용후 핵연료에서 발생하는 붕괴열을 상기 내부 캐니스터(200)로 전도할 수 있으며, 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이의 간극에 충전된 상기 제1 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)로부터 전도되는 사용후 핵연료의 붕괴열을 상기 외부 캐니스터(100)로 전도할 수 있으며, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는, 결정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 결정질 금속 충전제; 및 비정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 비정질 금속 충전제;를 포함할 수 있다. 즉, 바람직한 본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 외부 캐니스터(100); 상기 외부 캐니스터(100)의 내부 공간에 배치되는 내부 캐니스터(200); 및 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이에 형성되며, 제1 입상 충전제가 충전되는 충전제층(300);을 포함하며, 상기 내부 캐니스터(200)는 내부에 사용후 핵연료 저장 공간(210)을 가지되, 상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 제2 입상 충전제가 충전되며, 상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료가 수용되면, 상기 제2 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)의 내면과 상기 사용후 핵연료의 외면 사이의 간극에 충전되어 상기 사용후 핵연료에서 발생하는 붕괴열을 상기 내부 캐니스터(200)로 전도하며, 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이의 간극에 충전된 상기 제1 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)로부터 전도되는 사용후 핵연료의 붕괴열을 상기 외부 캐니스터(100)로 전도하며, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는, 결정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 결정질 금속 충전제; 및 비정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 비정질 금속 충전제;를 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 충전제는, 즉, 제1 입상 충전제 및 제2 입상 충전제는 결정질 금속 충전제 및 비정질 금속 충전제로 구성된 혼합 충전제로서, 결정질 금속 재질의 충전제와 비정질 금속 재질의 충전제가 혼합된 충전제이다. 구체적으로, 상기 충전제로 탄성, 강성이 높은 비정질 금속 충전제와 열전도성이 높은 결정질 금속 충전제가 혼합되어 적용됨으로써, 사용후 핵연료(10)로부터 발생되는 붕괴열을 캐니스터 외부로 효과적으로 배출할 수 있다.
특히 상기 혼합 충전제가 사용됨으로써, 높은 열전도 특성과 함께 캐니스터 손상 시 자가-밀봉 특성을 통해 사용후 핵연료(10)의 방사선 누출을 방지할 수 있다. 구체적으로, 캐니스터가 다양한 이유로 손상되어 캐니스터에 크랙 또는 홀이 형성될 경우, 캐니스터의 내부에 충전된 충전제의 일부가 배출된다. 이때 상기 결정질 금속 충전제에 비해 용융점이 낮고 탄성 및 강성이 높은 상기 비정질 금속 충전제의 일부는 상기 결정질 금속 충전제의 일부와 함께 캐니스터에 형성된 크랙 또는 홀을 통해 외부로 배출된다. 또한 사용후 핵연료(10)로부터 발생되는 붕괴열에 의한 높은 열이 열전도성이 높은 결정질 금속 충전제를 통해 비정질 금속 충전제로 전도된다. 이와 같이, 사용후 핵연료(10)로부터 발생되는 붕괴열에 의한 열이 인가되는 상태에서, 강성, 탄성, 강도 또는 형상 등의 물리적 특성이 상이한 충전제들이 크랙 또는 홀을 통해 외부로 배출되며, 이 과정에서 배출-병목현상-지연-막힘을 통한 자가 밀봉이 구현된다. 또한 이후 설명되겠지만, 구형 형상인 충전제와 함께 섬유 형상인 충전제가 더 사용될 경우, 병목현상-지연-막힘을 효과적으로 형성할 수 있어 높은 자가 밀봉을 구현할 수 있다. 이와 같이, 다양한 물리적 특성을 가지는 2종 이상의 충전제가 사용됨으로써, 캐니스터가 손상되어 크랙 또는 홀이 발생할 시에 자가-밀봉 특성이 구현됨에 따라, 캐니스터의 내부에 위치한 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 방사선이 캐니스터의 외부로 누출되지 않는 효과가 있다. 이에 반해, 물리적 특성이 동일한, 즉, 단일 종의 충전제가 배출될 경우, 병목현상-지연-막힘의 발생이 어려움에 따라 자가 밀봉이 실질적으로 구현될 수 없으므로, 탄성, 강도 등의 물리적 특성이 다른, 결정질 금속 충전제와 비정질 금속 충전제로 구성된 혼합 충전제가 사용되어야 한다.
또한 전술한 혼합 충전제가 도 1에 도시된 바와 같이 사용후 핵연료(10) 저장 공간(210)과 충전제층(300)에 각각 충전되어 존재함으로써, 캐니스터에 크랙 또는 홀이 형성될 시 충전제의 일부가 외부로 배출되는 과정에서 꺾인 배출 경로의 수가 증대되어 막힘을 더 효과적으로 유발하고 자가 밀봉 효과가 현저히 향상된다.
상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 혼합 중량비는 높은 열전도 특성과 함께 자가 밀봉 특성을 구현할 수 있을 정도라면 무방하나, 예컨대 결정질 금속 충전제의 중량이 비정질 금속 충전제의 중량보다 큰 것이 바람직하며, 구체적으로 1:0.1~1, 보다 구체적으로 1:0.2~0.8인 것, 일 실시예로 1:0.5인 것이 더 바람직할 수 있다. 이를 만족할 경우, 비교적 높은 열전도 특성을 만족하면서, 캐니스터에 크랙 또는 홀이 형성될 시, 충전제의 일부가 배출되는 과정에서 배출-병목현상-지연-막힘에 따른 자가 밀봉 특성이 더 우수할 수 있다.
상기 결정질 금속 충전제의 형상은 크게 제한되지 않으며, 예컨대 구형(Sphere) 형상을 가질 수 있다. 상기 결정질 금속 충전제의 형상이 구형일 경우, 그 원형도는 예를 들어 0.7 내지 1, 일 실시예로 0.99일 수 있다.
상기 비정질 금속 충전제의 형상은 구형(Sphere), 박편형, 섬유형 등의 다양한 형상을 가질 수 있으나, 바람직하게는 구형 형상을 가지는 충전제와 섬유상 형상을 가지는 충전제가 함께 사용되는 것이 좋다. 즉, 상기 비정질 금속 충전제는 구형인 제1 비정질 금속 충전제 및 섬유상인 제2 비정질 금속 충전제를 포함하는 것이 좋다. 비정질 금속 충전제가 구형의 제1 비정질 금속 충전제 및 섬유상의 제2 비정질 금속 충전제를 포함할 경우, 캐니스터에 크랙 또는 홀이 형성될 시, 충전제의 일부가 배출되는 과정에서 병목현상-지연-막힘이 효과적으로 일어나 빠른 시간 내에 자가 밀봉이 구현될 수 있다. 바람직한 일 예로, 상기 결정질 금속 충전제는 구형일 수 있으며, 상기 비정질 금속 충전제는 구형인 제1 비정질 금속 충전제 및 섬유상인 제2 비정질 금속 충전제를 포함할 수 있다.
상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경은 0.1 내지 10 mm일 수 있으며, 상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경비는 1:0.1~0.8일 수 있다. 일 실시예로, 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경은 1.5 mm일 수 있으며, 상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경비는 1:0.5일 수 있다 이를 만족할 경우, 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 붕괴열의 열전도 효과가 보다 향상되면서, 캐니스터의 손상에 따른 자가 밀봉 효과도 함께 향상될 수 있다.
상기 제1 비정질 금속 충전제의 형상은 구형(Sphere) 형상을 가지며, 그 원형도는 예를 들어 0.7 내지 1일 수 있고, 그 평균 입경은 0.1 내지 10 mm일 수 있다. 일 실시예로, 원형도가 0.99, 평균 입경이 1.5 mm일 수 있다. 상기 제2 비정질 금속 충전제는 섬유상 형상을 가지며, 예를 들어 평균 길이 및 평균 직경이 각각 3 내지 50 mm 및 0.01 내지 1,000 ㎛, 구체적으로 0.1 내지 500 ㎛인 섬유상일 수 있다. 일 실시예로, 평균 길이 및 평균 직경이 각각 10 mm 및 100 ㎛인 섬유상일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 상기 수치 값으로 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 비정질 금속 충전제가 구형인 제1 비정질 금속 충전제 및 섬유상인 제2 비정질 금속 충전제를 포함할 경우, 제1 비정질 금속 충전제 및 제2 비정질 금속 충전제의 혼합 중량비는 크게 제한되는 것은 아니지만, 예컨대 제1 비정질 금속 충전제의 중량이 제2 비정질 금속 충전제의 중량보다 큰 것이 바람직하며, 구체적으로 1:0.2~1, 보다 구체적으로 1:0.2~0.8인 것이 더 바람직할 수 있다. 일 실시예로, 1:0.5일 수 있다. 이를 만족할 경우, 캐니스터에 크랙 또는 홀이 형성될 시, 충전제의 일부가 배출되는 과정에서 배출-병목현상-지연-막힘에 따른 자가 밀봉 특성이 더 우수할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는 중성자 차폐재로 이루어진 중성자 차폐 충전제를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제로 사용되는 결정질 금속 충전제 및 비정질 금속 충전제는 금속 매트리스와, 상기 금속 매트리스 상에 분산된 중성자 차폐재를 포함하여 형성된다. 이와 함께 중성자 차폐재로 이루어진 중성자 차폐 충전제가 더 사용될 경우, 즉, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제가 결정질 금속 충전제, 비정질 금속 충전제 및 중성자 차폐재로 이루어진 중성자 차폐 충전제를 포함할 경우, 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 방사선의 차폐 효과가 더욱 향상될 수 있다.
상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제가 상기 중성자 차폐 충전제를 더 포함할 경우, 이의 사용 함량은 크게 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 상기 결정질 금속 충전제의 중량보다 작은 것이 바람직할 수 있으며, 구체적으로, 상기 결정질 금속 충전제 1 중량부에 대하여 0.02 내지 0.1 중량부로 사용될 수 있다. 일 실시예로, 상기 결정질 금속 충전제, 상기 비정질 금속 충전제 및 상기 중성자 차폐 충전제의 혼합 중량비는 1:0.1~1:0.02~0.1 또는 1:0.2~0.8:0.02~0.1일 수 있다. 이를 만족할 경우, 캐니스터의 손상에 따른 자가 밀봉 효과가 우수하면서 동시에 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 방사선의 차폐 효과가 더 향상될 수 있다.
상기 중성자 차폐재의 평균 크기는 금속 매트릭스 상에 분산이 용이하면서 요구 중성자 차폐 성능을 부여할 수 있을 정도라면 무방하다. 바람직한 일 예로, 중성자 차폐재의 평균 입경은 작은 입자부터 부피를 누적할 경우 총 부피가 50 %에 해당하는 입경인 D50이 500 nm 내지 300 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 500 nm 내지 100 ㎛일 수 있으며, 더 바람직하게는 500 nm 내지 50 ㎛일 수 있다. 중성자 차폐재가 이와 같은 평균입경을 가질 경우, 탄성, 강성 등의 요구 기계적 물성에 따른 자기 밀봉 효과가 더 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 중성자 차폐재가 금속 매트릭스 상에 더 고르게 분산되어 존재할 수 있고, 금속 매트릭스 내의 혼입성이 더 향상될 수 있으며, 더 높은 중성자 차폐 효과를 구현할 수 있다. 본 발명의 일 예에 있어서, 상기 중성자 차폐재는 500 nm 내지 300 ㎛의 평균 입경을 가지는 입자로서 상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스 상에 분산된 것일 수 있다.
상기 중성자 차폐재는 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 방사선을 차폐할 수 있는 성분이라면 무방하며, 예컨대 탄화붕소, 질화붕소, 산화붕소, 붕산아연, 수산화알루미늄, 하프늄, 하프늄이붕소화물, 티타늄이붕소화물, 페로보론 및 이산화우라늄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 예에 있어서, 상기 중성자 차폐재는 붕소계 차폐재, 예컨대 탄화붕소가 사용되는 것이 좋을 수 있다. 특히 상기 금속 매트릭스가 Fe계 금속을 포함하면서 중성자 차폐재로 탄화붕소가 사용될 경우, 충분한 중성자 차폐 성능을 가지면서 높은 기계적 물성을 구현할 수 있다. 또한 상기 중성자 차폐재의 형상은 크게 제한되는 것은 아니며, 예컨대 구형, 섬유형, 박편형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 비정질 금속 충전제의 비정질 금속 매트릭스는 금속 원자가 주기적인 배열을 갖는 결정질 금속과 상이한 비결정질(Amorphous solid) 금속으로 형성되는 것으로서, 상기 비정질 금속 충전제는 예를 들어 고온으로 녹인 금속 및 중성자 차폐재를 포함하는 금속 혼합물을 고속 회전하는 롤 위에 흘러 보내어 초급랭하는 방법을 통해 제조된 것일 수 있다. 또한 상기 비정질 금속 매트릭스의 금속의 용융 온도는 예를 들어 400 내지 800 ℃일 수 있다.
상기 비정질 금속 충전제는 비정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 것으로서, 비정질 금속 매트릭스 상에 분산된 중성자 차폐재의 함량은 적절한 중성자 차폐 성능을 부여할 수 있을 정도라면 무방하며, 예를 들어 결정질 금속 매트릭스 또는 비정질 금속 매트릭스 100 중량부에 대하여 중성자 차폐재가 0.01 내지 10 중량부, 구체적으로 0.1 내지 10 중량부, 보다 구체적으로 0.1 내지 5 중량부로 사용될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 결정질 금속 충전제 또는 상기 비정질 금속 충전제의 금속 매트릭스의 금속은 철(Fe)계, 구리(Cu)계, 알루미늄(Al)계, 마그네슘(Mg)계, 지르코늄(Zr)계, 칼슘(Ca)계, 티타늄(Ti)계, 니켈(Ni)계, 코발트(Co)계 및 하프늄(Hf)계 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 금속 또는 합금일 수 있다.
구체적인 일 예로, 상기 비정질 금속 충전제의 금속 매트릭스의 금속은 예를 들어 Fe계 비정질 합금(일 예로, Fe-Si-B-Nb-Cu 알로이, Fe-Co-Cr-Mo-C-B-Y 알로이, Fe-Si-B-P 알로이, Fe-Y-B 알로이 등), Ni계 비정질 합금(일 예로, Ni-Nb-Ta 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이, Ni-Zr-Ti-Sn 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이 등), Cu계 비정질 합금(일 예로, Cu-Zr 알로이, Cu-Ti-Zr-Ni 알로이, Cu-Hf-Al 알로이, Cu-Zr-Al 알로이, Cu-Zr-Al-(Y, Ag, Be) 알로이 등), Al계 비정질 합금(일 예로, Al-La-Y-Ni 알로이 등), Mg계 비정질 합금(Mg-Ni-Nd 알로이 등), Zr계 비정질 합금(Zr-Al-Ni 알로이, Zr-Al-Cu-Ni 알로이, Zr-Be-Cu-Ni-Ti 알로이, Zr-Al-Co 알로이, Zr-Cu-Al-Ge-Be 알로이 등) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 이 외에도 다양한 조성의 비정질 금속이 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 비정질 금속 충전제의 구체적인 일 실시예로서, 급냉응고법(melt spinning)에 의해 제조된 Fe73-Si14-B9-Nb3-Cu1(at%) 조성의 비정질 합금 리본과 위 합금 조성에 1 at% 질화붕소 입자(평균입경 : 800 nm)를 첨가한 후 제조한 리본을, 400 내지 500 ℃에서 0.5 내지 3 시간 동안 예비 열처리한 후, 볼밀링(ball milling)하여 평균 입도가 1.5 mm인 비정질 합금 분말인 구형의 비정질 금속 충전제를 제조할 수 있다. 또한 상기 열처리하여 얻은 리본을 용융방사법, 다이스 압출법, 선상 결정 성장법 등 다양한 기술을 이용하여 섬유상의 비정질 금속 충전제를 제조할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 외부 캐니스터(100)와 상기 내부 캐니스터(200)의 평균 두께는 상기 내부 캐니스터(200)의 내부에 위치하는 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 방사선을 충분히 차폐할 수 있을 정도라면 크게 제한되지 않으며, 구체적인 일 예로, 상기 외부 캐니스터(100)의 평균 두께는 5 내지 50 mm일 수 있으며, 상기 내부 캐니스터(200)의 외면과 내면의 최소 거리는 5 mm 이상일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 결정질 금속 충전제 및 비정질 금속 충전제는 충전제층(300)에 충전되어 존재하며, 충전제층(300)의 평균 두께는 크게 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 0.5 내지 200 mm, 구체적으로 1 내지 100 mm, 일 실시예로 50 mm일 수 있다. 이를 만족할 경우, 사용후 핵연료(10)로부터 방출되는 붕괴열의 열전도 효율이 우수하면서 자가 밀봉 특성에 따른 방사선 차폐 효과가 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는, 상기 외부 캐니스터(100)와 결합되며, 상기 사용후 핵연료(10)가 사용후 핵연료 캐니스터의 외부로 노출되지 않도록 밀봉하는 커버(400)를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 커버(400)와 상기 외부 캐니스터(100)의 결합 수단은 공지된 체결 수단이면 무방하며, 예를 들어 볼트-너트 결합과 같은 외부 고정 부재에 의한 수단, 용접 등에 의한 수단 등 다양한 결합 수단이 사용될 수 있다. 사용후핵연료가 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 장입되고 커버(400)가 외부 캐니스터(100) 및 내부 캐니스터(200)에 결합되어 완전 밀폐될 수 있다. 이와 같이 밀폐된 캐니스터는 지하 또는 동굴 등의 장소에 매설되어 사용후핵연료가 생태계로부터 실질적으로 차단된다. 또한 상기 커버(400)의 재질은 부식 및 충격에 견딜 수 있는 내후성 및 내구성이 높은 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어 구리, 철 및 주석 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 사용후 핵연료 캐니스터는 생태계로부터 격리될 수 있는 다양한 장소에 보관될 수 있으며, 예를 들어 해저 터널, 지하, 동굴 등의 생태계로부터 차단이 용이한 장소에 위치(매설)될 수 있다. 이 외에도 지상 등의 다양한 장소에 보관될 수 있음은 물론이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 캐니스터는 사용후 핵연료(10)를 자연으로부터 반영구적으로 차단하기 위한 사용후 핵연료(10)의 보관용 캐니스터로서, 본 발명은 사용후 핵연료(10)의 처리 방법도 제공한다. 본 발명에 따른 사용후 핵연료(10)의 처리 방법은, 외부 캐니스터(100); 상기 외부 캐니스터(100)의 내부 공간에 배치되며, 사용후 핵연료(10) 저장 공간(210)을 내부에 가지는 내부 캐니스터(200); 및 상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이에 형성되며, 제1 입상 충전제가 충전되는 충전제층(300);을 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터를 준비하는 제1 단계; 상기 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료(10)를 수용하는 제2 단계; 상기 핵연료 저장 공간(210)에 제2 입상 충전제를 충진하되, 상기 사용후 핵연료(10)에서 발생하는 붕괴열이 상기 내부 캐니스터(200)로 전도되도록 상기 내부 캐니스터(200)의 내면과 상기 사용후 핵연료(10)의 외면 사이의 간극에 충전하는 제3 단계; 및 상기 사용후 핵연료(10)가 사용후 핵연료 캐니스터의 외부로 노출되지 않도록 커버(400)를 상기 외부 캐니스터(100)에 결합하여 밀봉하는 제4 단계;를 포함하며, 상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는, 결정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 결정질 금속 충전제; 및 비정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 비정질 금속 충전제;를 포함한다.
상기 제1 단계는 도 1에 도시된 바와 같은 사용후 핵연료 캐니스터를 준비하는 단계이며, 상기 제2 단계는 상기 내부 캐니스터(200)의 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료(10)를 수용하는 단계이다. 상기 제2 단계에서 상기 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료(10)를 수용하면, 내부 캐니스터(200)의 내면과 사용후 핵연료(10)의 외면 사이의 간극이 형성되며, 상기 간극으로 인해 사용후 핵연료(10)가 제대로 고정되지 않으므로, 상기 제3 단계에서 제2 입상 충전제를 상기 간극에 충전한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 캐니스터(200)의 내면과 사용후 핵연료(10)의 외면 사이의 간극에 제2 입상 충전제를 충전한 후, 상기 제4 단계에서 상기 사용후 핵연료(10)가 사용후 핵연료 캐니스터의 외부로 노출되지 않도록 커버(400)를 상기 외부 캐니스터(100)에 결합하여 밀봉함으로써 사용후 핵연료(10)를 주변 환경으로부터 반영구적으로 차단할 수 있다.
10 : 사용후 핵연료
100 : 외부 캐니스터
200 : 내부 캐니스터
210 : 사용후 핵연료 저장 공간
300 : 충전제층
400 : 커버
100 : 외부 캐니스터
200 : 내부 캐니스터
210 : 사용후 핵연료 저장 공간
300 : 충전제층
400 : 커버
Claims (19)
- 이종 금속을 포함하는 구리 합금으로 형성되는 외부 캐니스터(100); 및
상기 외부 캐니스터(100)의 내부 공간에 배치되는 내부 캐니스터(200);를 포함하며,
상기 내부 캐니스터(200)는 내부에 사용후 핵연료 저장 공간(210)을 가지며,
상기 이종 금속은 지르코늄 및 베릴륨 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터이되,
상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이에 형성되며, 제1 입상 충전제가 충전되는 충전제층(300)을 더 포함하며,
상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 제2 입상 충전제가 충전되며,
상기 사용후 핵연료 저장 공간(210)에 사용후 핵연료가 수용되면,
상기 제2 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)의 내면과 상기 사용후 핵연료의 외면 사이의 간극에 충전되어 상기 사용후 핵연료에서 발생하는 붕괴열을 상기 내부 캐니스터(200)로 전도하며,
상기 외부 캐니스터(100)의 내면과 상기 내부 캐니스터(200)의 외면 사이의 간극에 충전된 상기 제1 입상 충전제가 상기 내부 캐니스터(200)로부터 전도되는 사용후 핵연료의 붕괴열을 상기 외부 캐니스터(100)로 전도하며,
상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는,
결정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 결정질 금속 충전제; 및
비정질 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 비정질 금속 충전제;를 포함하고,
상기 결정질 금속 충전제는 구형이며,
상기 비정질 금속 충전제는, 구형인 제1 비정질 금속 충전제 및 섬유상인 제2 비정질 금속 충전제를 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 구리 합금은 0.1 내지 20 원자%의 이종 금속을 함유하는 사용후 핵연료 캐니스터. - 제2항에 있어서,
상기 구리 합금은 Cu5Zr 초격자상과 Cu 결정상이 반복적으로 나타나는 괴상 구조의 공정 조직으로 된 3차원적 그물 구조를 갖는 Cu-Zr 2원계 합금인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 내부 캐니스터(200)는 철 및 주석 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 또는 합금으로 형성되는 사용후 핵연료 캐니스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 혼합 중량비는 1:0.1~1인 사용후 핵연료 캐니스터.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 비정질 금속 충전제 및 상기 제2 비정질 금속 충전제의 혼합 중량비는 1:0.2~1인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 제2 비정질 금속 충전제의 평균 길이 및 평균 직경이 각각 3 내지 50 mm 및 0.01 내지 1,000 ㎛인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는 중성자 차폐재로 이루어진 중성자 차폐 충전제를 더 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터. - 제10항에 있어서,
상기 결정질 금속 충전제, 상기 비정질 금속 충전제 및 상기 중성자 차폐 충전제의 혼합 중량비는 1:0.1~1:0.02~0.1인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경은 0.1 내지 10 mm인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제12항에 있어서,
상기 결정질 금속 충전제 및 상기 비정질 금속 충전제의 평균 입경비는 1:0.1~0.8인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 중성자 차폐재는 탄화붕소, 질화붕소, 산화붕소, 붕산아연, 수산화알루미늄, 하프늄, 하프늄이붕소화물, 티타늄이붕소화물, 페로보론 및 이산화우라늄 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 제1 입상 충전제 및 상기 제2 입상 충전제는 상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 중성자 차폐재 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 중성자 차폐재는 500 nm 내지 300 ㎛의 평균입경을 가지는 입자로서 상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스 상에 분산된 것인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 결정질 금속 매트릭스 또는 상기 비정질 금속 매트릭스는 Fe계, Cu계, Al계, Mg계, Zr계, Ca계, Ti계, Ni계, Co계 및 Hf계 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 사용후핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
상기 외부 캐니스터(100)의 평균 두께는 5 내지 50 mm이며,
상기 내부 캐니스터(200)의 외면과 내면의 최소 거리는 5 mm 이상인 사용후 핵연료 캐니스터. - 제1항에 있어서,
사용후 핵연료 캐니스터는,
상기 외부 캐니스터(100)와 결합되며, 상기 사용후 핵연료가 사용후 핵연료 캐니스터의 외부로 노출되지 않도록 밀봉하는 커버(400)를 더 포함하는 사용후 핵연료 캐니스터.
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| WO2022231195A1 (ko) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | 한국원자력환경공단 | 내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터 |
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| KR101627067B1 (ko) * | 2015-03-06 | 2016-06-02 | 박상준 | 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 합금 및 그 제조 방법 |
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| KR102014967B1 (ko) | 2018-10-30 | 2019-08-27 | 한국원자력환경공단 | 희생양극법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터의 부식 방지 방법 및 이의 응용 방법 |
| KR102018255B1 (ko) | 2018-10-30 | 2019-09-04 | 한국원자력환경공단 | 외부전원법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터의 부식 방지 방법 및 시스템 |
| KR102174554B1 (ko) * | 2020-04-23 | 2020-11-05 | 한국원자력환경공단 | 3d 프린팅 기법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102347710B1 (ko) * | 2021-04-30 | 2022-01-06 | 한국원자력환경공단 | 내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터 |
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- 2021-04-30 KR KR1020210056352A patent/KR102347710B1/ko active IP Right Grant
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Patent Citations (7)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022231195A1 (ko) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | 한국원자력환경공단 | 내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터 |
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|---|---|
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| WO2022231195A1 (ko) | 2022-11-03 |
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