KR102422211B1 - 원자로 노심 - Google Patents
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Abstract
원자로 노심은 원자력 분야에 속한다. 원자로 노심은 적어도 1개의 노심 모듈, 고체 중성자 감속재(4)와 액체 중성자 감속재를 포함한다. 노심 모듈은 적어도 1개의 전열관, 연료봉 및 단열재(5)를 포함한다. 전열관은 심지(6,wick)가 있는 케이싱(2) 형태로 만들어져 있으며, 냉각재, 즉 높은 비점을 갖는 가용성 금속을 포함한다. 연료봉은 본체와 열 접촉하는 전열관의 증발 영역(2)에 위치되어 용기(3) 안에 있는 핵연료(8)로 만드는 것이다. 전열관의 냉각재로 리튬, 칼슘, 납, 은과 같이 비점이 높은 저융점 금속을 사용한다. 모듈의 케이싱(1)과 연료봉 용기(2) 사이에 단열재(5)가 있다. 고체 중성자 감속재(4)에 적어도 구멍 1개가 있으며, 거기에 적어도 1개의 모듈이 있다. 고체 중성자 감속재와 모듈의 사이에 추가로 액체 중성자 감속재가 들어가 있다. 본 발명의 장점은 기술적 솔류션 및 핵시설 능률을 상승시키고 노심 사용 범위를 확대하는 것이다.
Description
본 발명은 원자력 분야에 관한 것으로, 노심의 바깥에서 열 에너지를 전력 에너지로 직접 변환하는 데 사용될 수 있다.
전열관이 있는 노심이 알려져 있다[미국 특허 출원 US No.2016/0027536 A1, "전열관으로 냉각되는 이동식 고속 원자로" , 공개 22.01.2016].
본 출원에 따라 원자로 노심은 금속 박스에 둘러싸여 있는 내철형 연료봉 및 전열관의 집합체를 포함한다. 연료봉에는 핵연료, 상부 및 하부 중성자 반사기 및 반사기 위와 아래에 위치한 가스 캐비티를 포함한다. 전열관은 증발되는 냉각재로 가득한 밀폐 케이싱과 심지(wick)가 있다. 전열관은 열을 노심의 범위를 넘어서 가스형 냉각재(가스 터빈의 작동체(공기 or CO2))에 전달할 수 있도록 배치되어 있다. 터빈 입구에 작동체(공기)의 최고 온도는 대략 1100 К이다.
상기한 기술 솔류션의 단점은 노심의 출구 시점에서의 냉각재의 온도가 낮은 것이다. 그 때문에 열 에너지를 전력 에너지로 직접 변환하는 것이 불가능하다.
발표된 기술 솔류션과 기술적으로 가장 가까운 것은 SAIRS 고속 원자로이다. [M.S. El-Genk, J-M.P. Tournier, "SAIRS" - Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System// Progress in Nuclear Energy, Vol. 45, No.1, pp. 25-34, 2004].
가장 비슷한 기술 솔루션과 비교하여 제안된 원자로 노심의 장점은 노심에서 나가는 시점에서 냉각재의 온도를 1200K에서 1500K 이상으로 높이는 것인데, 이는 원자력 발전소의 효율을 증가시킨다. 또한, 이는 특히 열광전 에너지 변환이 있는 원자로의 경우 노심의 사용 범위를 확장 할 수 있다.
발명의 핵심은 도면에 설명되어 있다.
도 1은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다.
도 2는 원자로 노심 모듈의 실행 방법 중 하나의 수직 단면도이다.
도 3은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다.
도면에 참조 번호가 명시되어 있다.
도 1은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다.
도 2는 원자로 노심 모듈의 실행 방법 중 하나의 수직 단면도이다.
도 3은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다.
도면에 참조 번호가 명시되어 있다.
노심은 전열관 및 3 개의 연료봉으로 구성된 60 개의 모듈을 포함한다. 모듈들은 밀접하여 위치되고 삼각형 케이싱을 구성한다. 연료봉의 용기(커버)는 전열관에 열을 전달하는 레늄 삼면체 인써트를 통해서 전열관의 케이싱에 용접되어 있다. 각 연료봉의 일단에는 가스 기공이 있다. 연료로는 83.7 % 농축된 질화 우라늄 정제(펠릿)가 사용된다.
본 기술 솔류션의 단점은 노심 출구에서의 냉각재의 온도(1200K)가 비교적 낮다는 것이다. 그 때문에 에너지 변환하는 데 열전, 열전자 및 열광전지를 효과적으로 이용을 못한다는 데에 있다.
본 발명의 목적은 상기의 단점을 해소하는 것, 즉, 노심의 범위에서 나가는 시점에 온도 상승시키는 데 있다.
기술적 솔류션은 핵시설의 능률을 상승시키고 노심의 사용 범위를 확대하는 데 있다. 특히 열광전지 원자로에 대한 에너지 변환을 위해서 유용하다.
자율적 모듈, 연료봉 및 전열관을 포함한 원자로 노심에 있는 상기 단점을 제거하기 위해서 다음과 같은 구성이 제안된다.
- 원자로 노심에 추가로 구멍이 있는 고체 중성자 감속재를 제공하기;
- 노심 모듈에 케이싱을 제공하고, 고체 중성자 감속재의 구멍에 배열하기;
삭제
- 전열관 및 연료봉을 모듈 케이싱 내부에 배치하기;
- 본체와 열 접촉하는 전열관의 증발 영역에 위치되어 용기(can) 안에 있는 연료봉을 핵연료로 만들기;
- 연료봉 용기와 모듈 케이싱 사이에 단열재 설치하기;
- 고체 중성자 감속재와 모듈의 사이에 추가로 액체 중성자 감속재를 채우기;
특히 원자로 노심 실시예의 경우 다음이 제안된다.
- 첫째, 모듈 케이싱 내부를 진공으로 만들기;
- 둘째, 다른 특정한 경우에, 열전도율이 낮은 불활성 가스, 예를 들어 크세논(xenon)으로 모듈을 채우기;
- 셋째, 액체 중성자 감속재로서 물을 사용하기;
- 넷째, 다른 특정 경우에, 액체 중성자 감속재로 최대의 -40 ℃까지 얼지 않는 부동액, 예를 들어 알코올 수용액을 사용하기;
- 다섯째, 전열관의 냉각재로 리튬, 칼슘, 납, 은과 같이 비등점이 높은 저 융점 금속을 사용하기;
발명의 핵심은 다음과 같다.
원자로 노심은 적어도 1개의 노심 모듈, 고체 중성자 감속재(4)와 액체 중성자 감속재를 포함한다.
노심 모듈은 적어도 1개의 전열관, 연료봉 및 단열재(5)를 포함한다.
노심 모듈은 중성자를 약하게 흡수하는 물질(low-capture material), 예를 들어 지르코늄 합금의 케이싱(1) 형태로 만들어진다. 특정한 실시예의 경우에, 진공이 노심 모듈의 케이싱(1) 내부에서 생성된다. 다른 특정한 경우에, 그것은 열전도율이 낮은 불활성 가스, 예를 들어, 크세논으로 채우고 있다.
진공이나 불활성 가스는 노심 모듈 케이싱(1) 및 전열관 케이싱(2) 및 단열재(5)의 자재를 부식으로부터 보호한다.
전열관은 심지(6, wick:신관)가 있는 케이싱(2) 형태로 만들어져 있으며 냉각재, 즉 높은 비점을 갖는 가용성 금속을 포함한다.
특정한 경우에 전열관의 냉각재로 리튬, 칼슘, 납, 은과 같이 비점이 높은 저-융점 금속을 사용한다.
전열관의 케이싱(2) 및 심지(6,wick)는 몰리브덴과 같은 내화 재료로 만들어진다.
전열관은 원자로 노심 외부의 연료봉에서 발생되는 열을 방출하도록 설계되어 있다.
연료봉은 핵 연료(8)로 만들어지며, 전열관과 열 접촉하는 케이싱(2) 주위의 전열관 증발 영역에 배열되고 용기(3)에 둘러싸여 있다.
연료봉의 용기(3)는 몰리브덴과 같은 내화 재료로 만들어진다.
20% 이하의 핵분열성 동위원소 함량을 갖는 산화물, 질화물, 탄화물 형태의 우라늄 또는 플루토늄 동위원소가 핵연료용 핵분열성 물질로 사용된다.
연료봉의 목적은 핵연료(8)에서 발생되는 핵반응을 통해서 열을 얻는 데 있다.
단열재(5)는 노심 모듈 안에서 노심 모듈의 케이싱(1)과 연료봉 용기(3)의 사이에 배치되어 있다. 단열재(5)는 내화성 금속 포일, 예를 들어 몰리브덴으로 만들어진 다층 열 차폐물 형태로 만들어진다.
단열재(5)의 목적은 노심 모듈의 케이싱(1)에서 액체 중성자 감속재로의 열 손실을 예방하는 데 있다.
고체 중성자 감속재(4)는 예를 들어 베릴륨과 같은 중성자 감속재로 실린더 또는 구멍이 있는 다면체 형태로 만들어진다. 전체 중성자 감속재는 고체 중성자 감속재(4)의 쉘(7, shell)에 둘러싸여 있다. 노심 모듈은 고체 중성자 감속재(4)의 구멍에 배치되어 있다. 노심 모듈과 고체 중성자 감속재(4) 사이의 공간은 액체 중성자 감속재로 채워져 있다.
다른 특정한 경우에 액체 중성자 중성자 감속재로 최대 -40 ℃까지 얼지 않는 부동액, 예를 들어 알코올 수용액을 사용할 수 있다.
4 개의 중성자로 구성된 고체 중성자 감속재와 액체 중성자 감속재는 중성자의 열 스펙트럼을 얻도록 설계된다. 그 외에도 액체 중성자 감속재는 고체 중성자 감속재(4)와 모듈 케이싱(1)을 냉각하는 냉각재의 역할을 한다.
고체 중성자 감속재(4)의 쉘(7)은 액체 중성자 감속재의 영향 때문에 발생되는 부식으로부터 고체 중성자 감속재(4)를 보호한다.
원자로 노심은 다음과 같이 작동된다.
핵연료(8)의 연료봉에는 열 방출과 함께 핵분열 반응이 일어난다. 이때 발생되는 열은 전열관의 케이싱(2)을 통해서 절연관의 심지(6, wick;신관)를 채우고 있는 냉각재로 전달된다. 심지(6)에서 냉각재가 증발되어 냉각재 증기가 전열관의 케이싱(2)의 내부 공간을 채우고, 그 증기의 열은 노심 범위에서 에너지 변환기로 전달되고 거기에서 응축된 후 심지(6)를 통해 전열관의 증발 구역으로 들어간다. 증발된 냉각재에 의한 열 전달은 열원과 사용자 사이의 온도차가 거의 없이 실질적으로 발생하며, 이는 원자로 노심의 출구뿐만 아니라 에너지 변환기의 입구에서도 비교적 높은 냉각재 온도(1500-1800K)를 얻을 수 있게 한다. 그것은 핵시설 능률을 상승시키고 노심의 사용 범위를 확대한다.
고체 중성자 감속재(4)는 액체 중성자 감속재와 함께 저 농축 핵연료(8)에서 열 중성자에 핵분열 반응의 가능성을 제공한다. 액체 중성자 감속재는 고체 중성자 감속재(4)와 모듈 케이싱(1)을 냉각하는 냉각재의 역할을 함으로써 고체 중성자 감속재(4)의 성능을 보충한다.
단열재(5)의 덕분에 모듈 케이싱(1)을 통해서 열 손실이 최소화된다. 그 때문에 액체 중성자 감속재의 온도가 낮다. 그것은 액체 감속재로서 물이나 알코올을 사용할 수 있는 것을 의미한다.
원자로 노심 실시예의 구체적인 방법
고체 중성자 감속재(4)는 직경이 760mm이고, 총 높이가 약 700mm이며, 직경이 40mm인 217 개의 구멍이 있는 여러 개의 베릴륨 디스크로 구성된다. 베릴륨 디스크는 지르코늄 합금(E110)으로 제작되는 쉘(7)에 의해 둘러싸여져 있다. 고체 중성자 감속재(4)의 구멍에 노심 모듈이 도입되어 있다. 액체 중성자 감속재로서 물이 사용된다. 모듈을 구비하고 있는 고체 중성자 감속재(4)의 구멍은 동심원 형태로 배치되며, 모듈 중심 사이의 간격은 최소 42mm 이다.
원자로 노심 모듈은 관경이 약 35mm이고, 벽체 두께가 1,5mm인 실린더(1)의 형태로서 지르코늄 합금(E110)으로 제작된다. 모듈 케이싱(1) 안에 전열관이 있다.
전열관의 케이싱(2)은 외부 관경이 약 14mm이며, 몰리브덴으로 만들어진다. 전열관의 케이싱(2) 내면에 약 40미크론의 정사각형 메쉬 크기를 갖는 2개 층의 몰리브덴 그리드로 제조된 전열관의 심지(6, 신관)가 설치되어 있다. 전열관 심지(6)는 액체 리튬으로 채우져 있다. 전열관과 핵연료(8)의 증발 구역은 연료봉의 용기(3)에 둘러싸여 있다. 연료봉의 용기(3)와 모듈 케이싱(1)의 사이에 단열재가 있다. 단열재(5)는 다층 열 차폐물 형태로서 4층의 몰리브덴과 지르코늄 5층의 호일로 만들어진 것이다. 잔류 가스 압력이 10-1Pa 이하로 모듈 케이싱(1)에 진공이 생성된다.
외경이 20 mm이고 벽 두께가 1 mm인 연료봉의 외부를 감싼 용기(3)는 몰리브덴으로 만들어지며, 19.75 %의 농축을 갖는 이산화 우라늄의 핵연료(8)로 채워진다. 연료 기둥의 높이는 약 500mm이다. 연료 펠릿과 연료봉의 용기(3) 사이에 환형 갭 (도면에 없음)이 생성되어 가스 핵분열 생성물을 핵연료(8) 위에 위치한 공동으로 배출시킨다. 노심의 연료봉 수는 모듈 수와 같다. 활성 구역(노심)의 열 출력이 1200 kW 인 경우, 하나의 연료봉의 평균 전력은 약 5.7 kW이다. 연료봉의 외부 용기(3)의 설계 온도는 1525 K이다. LI7은 전열관의 냉각재로 사용되며, 대기압의 물은 액체 감속재로서 사용된다.
1 - 모듈 케이싱;
2 - 전열관 케이싱;
3 - 연료봉 용기;
4 - 고체 중성자 감속재;
5 - 단열재;
6 - 전열관 심지(신관);
7 - 고체 중성자 감속재의 쉘;
8 - 핵연료.
+ 물(그림에 번호가 없음)
+ 액체 냉각재
+ 냉각재 증기
+ 액체 중성자 감속재
노심=고체 중성자 감속재+노심 모듈+액체 중성자 감속재
노심 모듈=모듈 케이싱+전열관+연료봉+단열재
전열관=전열관 케이싱+심지(신관)+전열관+냉각재
연료봉=연료+용기
2 - 전열관 케이싱;
3 - 연료봉 용기;
4 - 고체 중성자 감속재;
5 - 단열재;
6 - 전열관 심지(신관);
7 - 고체 중성자 감속재의 쉘;
8 - 핵연료.
+ 물(그림에 번호가 없음)
+ 액체 냉각재
+ 냉각재 증기
+ 액체 중성자 감속재
노심=고체 중성자 감속재+노심 모듈+액체 중성자 감속재
노심 모듈=모듈 케이싱+전열관+연료봉+단열재
전열관=전열관 케이싱+심지(신관)+전열관+냉각재
연료봉=연료+용기
Claims (6)
- 원자로 노심은 적어도 1개의 모듈; 케이싱과 심지(wick) 및 냉각재를 포함한 1개의 전열관; 그리고 적어도 핵연료 및 용기로 구성된 1개의 연료봉;을 포함하며, 상기 노심은 내부에 상기 적어도 1개의 모듈이 배치되기 위한 적어도 하나의 구멍을 가지는 고체 중성자 감속재를 노심의 케이싱 내에 배치하여 이루어지며, 상기 전열관이 모듈 케이싱 내에 배치되어 연료봉이 전열관의 증발 영역에 있는 핵연료로 구성되어 있고, 용기와 모듈 케이싱 사이에 단열재가 있으며, 모듈 케이싱과 고체 중성자 감속재의 사이는 액체 중성자 감속재로 채우고 있는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 모듈 케이싱에 진공이 생성되는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 모듈 케이싱이 불활성 가스인 크세논으로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 전열관의 냉각재로서 리튬, 칼슘, 납, 은 중 어느 하나의 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 액체 중성자 감속재로 물을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 액체 중성자 감속재로 최대 -40 ℃까지 얼지 않는 부동액인 알코올 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
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