KR102556952B1 - 초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 액체 금속 핵연료 및 용융염 냉각재를 포함하되, 상기 액체 금속 핵연료 상부에 상기 용융염 냉각재가 배치되어 상기 핵연료에서 발생된 열이 상기 용융염 냉각재로 전달되어 냉각되는 것을 특징으로 하는, 용융염-금속 원자로에 관한 것이다.

Description

초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로{Molten Salt and Metal Reactor for Ultramicro Miniaturization}
본 발명은 초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로에 관한 것이다.
용융염 원자로(MSR, Molten Salt Reactor)는 현재 많은 관심을 받으며 연구가 활발하게 진행되고 있는 4세대 원자로 중 하나이다. 용융염 원자로(MSR)는 염으로 치환된 연료를 용융된 염에 용해하여 핵연료 및 냉각재로 사용하는 원자로를 지칭한다. MSR은 중대사고 및 수소폭발 위험 배제 가능, 비상시의 잔열 제거 용이, 열팽창으로 인한 강한 음의 궤환효과 등으로 인해 안전성이 탁월하다는 특징이 있다.
용융염 원자로(MSR)의 대표적인 선행연구는 오크리지 국립 연구소(ORNL, OakRidge National Laboratory)에서 개발된 열중성자 스펙트럼 용융염 원자로인데, 이는 용융염 연료 실시간 재처리로 인한 핵확산 저항성 관련 우려 및 흑연 감속재 폐기물 문제, 삼중수소 다량 발생 등 기술적 현안을 안고 있다. 한편, 열중성자형 MSR의 단점을 극복할 수 있는 고속로형 용융염 원자로(MSFR, Molten Salt Fast Reactor) 연구개발이 해외에서 활발히 진행되고 있다(비특허문헌 1).
도 1은 고속로형 용융염 원자로(MSFR)(100)의 구조를 간단하게 나타낸 개념도이다. 원자로 용기(Reactor vessel)(120)의 전체적인 모양은 원기둥이며, 액체 연료(110)로 채워진 활성노심 바깥에 중성자 반사체(Neutron reflector)(140)를 둘러 중성자 경제성을 제고한다. 반사체(140) 외부에는 활성노심과 연결된 열교환기(Heat Exchanger)(130)가 자리하고 있으며, 용융염 연료(Molten Salt Fuel)가 활성노심과 열교환기를 오가며 순환하는 구조로 되어 있다. 일부 고속로형 용융염 원자로(MSFR) 설계의 경우 연료 전환비(conversion ratio)를 높이기 위해 활성노심 내부에 반경방향 블랭킷(blanket)(150)을 설치하는데, 이 경우 블랭킷(150)에서 생성되는 핵분열성(fissile) 핵연료를 사용하려면 실시간 연료 재처리 과정이 필요하며 이는 핵확산 저항성 관련 우려를 초래할 수 있다. 따라서 대부분 고속로형 용융염 원자로(MSFR) 설계는 블랭킷을 사용하지 않는 방식을 취한다.
한편, 용융염 원자로(MSR)를 개발함에 있어 기술적 혁신이 요구되는 분야 중 하나로 초소형 원자로 구현을 들 수 있다. 본 문서에서 언급되는 초소형 원자로란 컨테이너에 적재할 수 있을 정도로 작은 크기의 원자로를 의미한다. 초소형 원자로는 극히 높은 안전성을 달성하면서 운반이 매우 용이하다는 장점이 있어 여러 산업 분야에서 폭넓은 활용이 가능하고, 특히, 미국, 중국 등에서 경쟁적으로 개발하는 우주용 원자로에도 응용할 수 있다. 일반적인 컨테이너의 폭은 약 235cm, 높이는 종류에 따라 약 239cm 혹은 약 270cm로 나뉜다. 그러므로, 초소형 원자로를 구현하기 위해서는 시스템의 크기가 폭 230cm 이하, 높이 230-260cm 이하가 될 것이 요구된다.
고속로형 용융염 원자로(MSFR)에서 유용하다고 평가되는 후보 용융염들은 67NaCl-33UCl3, 46KCl-54UCl3 등이 있는데, 이들은 19.75% 농축된 우라늄을 사용한다고 하더라도, 노심이 직경과 높이가 같은 원기둥 형태일 때, 임계를 위한 노심의 최소 직경이 67NaCl-33UCl3를 사용할 경우 약 215cm이고, 46KCl-54UCl3를 사용할 경우 약 190cm가 되는데, 이들은 반사체나 열교환기 등 장치를 고려하지 않더라도 표준 컨테이너에 적재할 수 없는 크기이다. 또한, 기존 용융염 원자로(MSR) 설계에선 활성노심 뿐만 아니라 열교환기를 포함한 비활성 구역에도 핵연료가 존재하여, 단순히 임계를 위해서도 약 20~30톤에 달하는 매우 많은 양의 19.75% 농축도 우라늄 연료가 요구된다. 또한, 이들 노심의 핵연료 전환비가 충분히 높지 않아 원자로의 장수명 운영을 위해서는 초기 잉여반응도가 높아야 하는데, 반응도 제어의 한계로 인해 초기 잉여반응도를 높게 할 수 없는 근본적인 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위한 블랭킷 등이 추가되면 원자로 설계가 복잡해지고 새로운 문제가 발생할 수 있다. 즉, 핵연료를 용융염에 용해시켜 사용하는 기존 고속로형 용융염 원자로(MSFR)를 초소형으로 설계하는 것은 불가능에 가깝기 때문에 간단한 구조를 유지하면서 장수명 운전이 가능한 초소형 원자로를 구현하기 위해서는 완전히 새로운 접근법이 필요하다.
이에 본 발명자들은 용융염 원자로(MSR)의 장점을 갖는 동시에 초소형으로 구현 가능한 신규한 구조의 용융염-금속 원자로(MSMR, Molten Salt and Metal Reactor)를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
Brovchenko, M., Merle-Lucotte, E., Heuer, D., & Rineiski, A. (2013, June). Molten Salt Fast Reactor transient analyses with the COUPLE code. In American Nuclear Society 2013 Annual Meeting.
일 측면에서의 목적은
초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로(MSMR)를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
일 측면에서는
액체 금속 핵연료 및 용융염 냉각재를 포함하되,
상기 액체 금속 핵연료 상부에 상기 용융염 냉각재가 배치되어 상기 핵연료에서 발생된 열이 상기 용융염 냉각재로 전달되어 냉각되는 것을 특징으로 하는, 용융염-금속 원자로(MSMR)가 제공된다.
상기 액체 금속 핵연료는 우라늄-금속 합금이다.
또한, 상기 우라늄-금속 합금은 19.75%이하의 농축도를 갖는 우라늄을 포함하며, 바람직하게는 상기 우라늄을 전체의 70중량% 내지 99중량%로 함유한다.
또한, 상기 우라늄-금속 합금은 바람직하게는 Fe, Mn, Cr, Ce, Pu 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함한다.
상기 용융염 냉각재는 NaCl, MgCl2, KCl, ZnCl2, NaOH, NaF, KF, ZrF4, LiF, BeF2 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함한다.
상기 용융염-금속 원자로는
격납 용기;
상기 격납 용기 내부에 배치되며, 상기 액체 금속 핵연료를 포함하는 하부 영역 및 상기 용융염 냉각재를 포함하는 상부 영역을 포함하는 원자로 용기;
상기 원자로 용기 상부 영역에 배치되는 1차 열교환기;
상기 원자로 용기 외측을 둘러싸는 중성자 반사체; 및
상기 격납 용기 내벽 및 상기 원자로 용기 외벽 사이에 배치되는 반응도 제어장치;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는
상기 용융 염 냉각재를 순환하는 펌프 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는
상기 원자로 용기의 최상단에 배치되며 핵분열로 생성된 비활성 가스를 저장하는 가스 플래넘(gas plenum)부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는
상기 가스 플래넘(gas plenum)부와 연결되는 비활성기체 제거장치(off-gas system)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는
상기 1차 열교환기와 연결되는 2차 열 교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는
상기 제1 열교환기, 제2 열 교환기, 원자로 용기 외부표면 및 제1 열교환기를 순환하는 2차 냉각재 계통을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염 냉각재는 핵연료염을 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는 상기 원자로 용기를 복수 개 포함할 수 있다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로는 상기 원자로 용기의 하부영역에서 상부영역으로 연장 형성된 복수의 열 파이프(Heat pipe)를 더 포함하고, 상기 복수의 열 파이프는 1차 열교환기와 연결된다.
또한, 상기 용융염-금속 원자로(MSMR)는 초소형 원자로이다.
본 발명의 용융염-금속 원자로(MSMR)는 종래의 용융염 원자로(MSR) 대비 밀집된 핵연료를 사용함으로써 보다 높은 전환비를 가지며, 이를 통하여 저농축 우라늄 기반 초장수명 초소형 원자로를 구현할 수 있다.
본 발명의 용융염-금속 원자로(MSMR)는 임계를 위해 저농축 우라늄을 기반으로 보다 적은 양의 핵연료를 사용할 수 있어, 저렴한 연료 비용으로 인해 상용화에 유리한 장점을 갖는다.
본 발명의 용융염-금속 원자로(MSMR)는 액체 금속 핵연료 상부에 용융염 냉각재를 배치한 구조로 설계되어 연소도에 따른 반응도 변화를 최소로 유지하면서, 인위적인 핵연료 재처리 및 재주입 없이 장수명 운전을 가능한 장점을 갖는다.
본 발명의 용융염-금속 원자로(MSMR)는 컨테이너에 운반이 용이한 초소형 원자로로서 우주 산업 등의 여러 분야에 걸쳐 광범위하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 종래의 고속로형 용융염 원자로(MSFR)의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR) 구조를 나타내는 개념도이다.
도 3은 우라늄(U) 및 철(Fe)의 상평형도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)의 반응도를 평가하기 위해 몬테카를로 기반의 노심 해석 전산코드인 서펀트(Serpent)를 이용한 전산해석에 사용되는 용융염-금속 원자로 규격을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)의 연소 기간에 따른 노심 반응도 변화 그래프이다.
도 6 및 도 7은 다른 실시 예에 따른 모듈 방식의 용융염-금속 원자로(MSMR) 구조를 나타내는 개념도이다.
도 8 및 도 9는 다른 실시 예에 따른 열 파이프(Heat pipe)를 포함한 방식의 용융염-금속 원자로(MSMR) 구조를 나타내는 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 특정 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 이에 본 발명이 한정되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
일 측면에서는
액체 금속 핵연료 및 용융염 냉각재를 포함하되,
상기 액체 금속 핵연료 상부에 상기 용융염 냉각재가 배치되어 상기 핵연료에서 발생된 열이 상기 용융염 냉각재로 전달되어 냉각되는 것을 특징으로 하는, 용융염-금속 원자로(MSMR)가 제공된다.
이하, 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)를 나타내는 개념도이다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 액체 금속 핵연료(201) 및 용융염 냉각재(202)를 포함하되, 액체 상태의 금속 핵연료 (201)상부에 액액 경계면을 이루며 용융염 냉각재(202)가 배치된 구조로서 원자로 운전 시 핵연료(201)에서 발생된 열이 핵연료의 열전도, 자연순환으로 인한 대류, 방사 열전달 (radiative heat transfer) 등으로 인해 상기 용융염 냉각재(202)로 전달되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따른 액체 금속 핵연료(201)는 우라늄-금속 합금이며, 바람직하게는 높은 연료 전환비(conversion ration)를 나타내기 위해 저농축도 우라늄을 포함하는 우라늄-금속 합금일 수 있으며, 보다 바람직하게는 19.75%이하의 농축도를 갖는 우라늄을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 우라늄-금속 합금은 12% 내지 15%의 농축도를 갖는 우라늄을 포함할 수 있다.
이때 상기 농축도는 전체 우라늄(U-235 및 U-238) 중 U-235의 질량비를 의미한다.
또한, 상기 우라늄-금속 합금은 액체 상태를 유지하기 위해 공융점(eutectic point) 또는 공융점 근처의 조성비를 갖는 것이 바람직하며, 높은 연료 전환비를 달성하기 위해 상기 공융점 또는 공융점 근처의 조성비에서 우라늄을 50중량% 이상, 바람직하게는 우라늄을 70중량% 내지 99중량%로, 80중량% 내지 99중량%로, 85중량% 내지 97중량%로 또는 89% 내지 95%로 함유하거나, 60몰% 내지 90몰%, 또는 65몰% 내지 85몰%로 함유하는 것이 보다 바람직하다.
상기 우라늄-금속 합금은 우라늄을 포함하는 2종 이상의 금속을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 우라늄-금속 합금은 우라늄을 포함하는 2원계 합금일 수 있고, 또는 3원계 합금일 수 있다.
상기 우라늄-금속 합금은 바람직하게는 Fe, Mn, Cr, Ce, Pu 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Fe, Mn, Cr, Ce, Pu 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하되, 우라늄과 공융점 또는 근처의 조성비를 가질 수 있다.
일례로, 상기 우라늄-금속 합금은 우라늄(U) 및 철(Fe)의 2원계 합금일 수 있고, 우라늄(U), 세륨(Ce) 및 철(Fe)의 3원계 합금일 수 있다. 또한, 상기 우라늄-금속 합금은 플루토늄(Pu)을 포함함으로써 융점을 상대적으로 낮출 수 있다.
도 3은 우라늄(U) 및 철(Fe)의 상평형도로서, 도 3에 나타난 바와 같이, 액체 금속 핵연료(201)이 U-Fe 합금으로서 우라늄(U) 및 철(Fe)의 몰 비율이 66:34 (질량비= 89:11)일 때, 723℃에서 공융이 일어남을 확인할 수 있다. 그 외 U-Mn 및 U-Cr의 경우의 공융점 및 공융점에서의 몰 비율 및 질량 비율은 아래의 표 1과 같다.
몰 비율 질량 비율 녹는점
U-Fe 66:34 89:11 723℃
U-Mn 78.5:21.5 94:6 716℃
U-Cr 81:19 95:5 860℃
일례로, 상기 금속 핵연료(201)는 U 및 Fe의 몰비가 60:40 내지 70:30인 U-Fe 합금일 수 있고, U 및 Mn의 몰비가 70:30 내지 80:20인 U-Mn 합금일 수 있고, U 및 Cr의 몰비가 75:25 내지 85:15인 U-Cr 합금일 수 있다.
일 실시 예에 따른 용융염 냉각재(202)는 금속양이온과 음이온의 이온성 화합물을 포함할 수 있다.
이때 상기 금속양이온은 알칼리금속, 알칼리토금속, 또는 전이금속을 포함하고, 상기 음이온은 할로겐음이온, 수산화음이온, 산소음이온, 황음이온, 질산음이온, 황산음이온, 또는 인산음이온을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
일 실시 예에 따른 용융염 냉각재(202)는 NaCl, MgCl2, KCl, ZnCl2, NaOH, NaF, KF, ZrF4, LiF, BeF2 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있으며, 상기 혼합물은 액체 상태를 유지하기 위해 공융점 또는 공융점 근처의 조성비를 갖는 것이 바람직하다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는
격납 용기(210);
상기 격납 용기(210) 내부에 배치되며, 상기 액체 금속 핵연료(201)를 포함하는 하부 영역(221) 및 상기 용융염 냉각재(202)가 포함하는 상부 영역(222)을 포함하는 원자로 용기(220);
상기 원자로 용기(220) 상부 영역(222)에 배치되는 1차 열교환기(231);
상기 원자로 용기(220) 외측을 둘러싸는 중성자 반사체(240); 및
상기 격납 용기(210) 내벽 및 상기 원자로 용기(220) 외벽 사이에 배치되는 반응도 제어 장치(260);를 포함할 수 있다.
이때, 상기 격납 용기(210)는 원자로 운전시 생성되는 방사성 물질등이 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 시설로서, 스테인리스 스틸 등 종래의 원자로 격납 용기에 사용되는 다양한 재료로 구성될 수 있다.
상기 원자로 용기(220)는 실린더 형으로서 운전온도가 700℃이상인 점을 고려하여 고온에서 견디면서 액체 금속 핵연료 및 용융염과 재료적 양립성이 우수한 재료로 제작될 수 있다. 이에 바람직하게는 Ta가 사용될 수 있으나 Ta가 고가인 점을 고려하여 재료 양립성이 우수한 Hastelloy-N로 구성하되 내부 표면을 Ta로 코팅한 구조로 제작될 수 있다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 원자로 용기(220)의 하부 영역(221)에 상기 액체 금속 핵연료(201)가 배치되고, 상부 영역(222)에 상기 액체 금속 핵연료(201)와 액액 경계면을 이루며 상기 용융염 냉각재(202)가 배치된 구조를 통해, 상기 용융염 냉각재(202)의 자연 순환에 의해 상기 핵연료(201)에서 발생하는 열을 제거한다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 설계 목적에 따라 액체 금속 핵연료(201)가 배치되는 원자로 용기의 하부 영역(221)의 크기를 최적화할 수 있다.
구체적으로, 핵연료 장전량을 최소화하기 위하여, 핵연료가 배치되는 실린더 형 원자로 용기의 하부 영역(221)의 직경(D) 대 높이(H)의 비(H/D)를 0.8 내지 1.2로 설계할 수 있고 보다 바람직하게는 0.9 내지 1.1로, 보다 더 바람직하게는 1이 되도록 설계할 수 있다.
또는 열전달 면적을 극대화하기 위하여, 핵연료가 배치되는 실린더 형 원자로 용기의 하부 영역(221)의 직경(D)을 높이(H)보다 상대적으로 크게 설계할 수 있다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 용융염 냉각재(202)를 순환하는 펌프 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 펌프 장치는 용융염 냉각재(202)를 보다 빠르게 순환시킴으로써 열을 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 이에 원자로의 출력이 증가될 수 있다.
또한, 상기 원자로 용기(220)의 상부 영역(222), 바람직하게는 상기 용융염 냉각재(202)의 상부에 1차 열교환기(231)가 배치되며, 이를 통해 상기 금속 핵연료(201)와의 액액 경계면에서 전달받은 열을 외부 또는 후술할 2차 열교환기(232)에 전달할 수 있다.
일 실시 예에 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 원자로 용기(220)의 최상단에 배치되며 핵분열로 생성된 비활성 가스를 저장하는 가스 플래넘(gas plenum)부(270)를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 플래넘(gas plenum)부(270)는 용융염 냉각재(202)와 핵연료(201)의 열팽창이 자유롭게 이루어지도록 하고, 핵분열 생성물 중 비활성기체를 해당 공간으로 모아두는 역할로서 작용할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 가스 플래넘부(270)와 연결되는 비활성기체 제거장치(off-gas system)을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 비활성기체를 원자로(200) 내에서 제거할 수 있다.
일 실시 예에 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 1차 열교환기(231)와 연결되는 구성으로서 2차 열 교환기(232)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 도 2와 같이 상기 1차 열교환기(231)와 2차 열 교환기(232)가 연결되는 구조로서 상기 1차 및 2차 열 교환기(231, 232)를 통해 원자로 용기 내외부의 열을 냉각시킬 수 있다.
구체적으로 일 실시 예에 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 제1 열교환기, 제2 열 교환기, 원자로 용기 외부표면 및 제1 열교환기를 순환하는 2차 냉각재 계통을 포함할 수 있다.
상기 2차 냉각재 계통은 냉각재가 원자로 용기(220) 내부에 있는 1차 열교환기(231)에서 격납 용기(210) 외부에 있는 2차 열교환기(232)로 이동하고 원자로 용기(220) 외부표면의 하부에서 상부로 이동하고 1차 열교환기(231)로 귀환하는 식으로 순환하는 구조로서, 1차 열교환기(231)에서 전달받은 열을 2차 열교환기(232)를 통해 제거하는 역할과 2차 열교환기(232)에서 냉각된 냉각재를 통해 원자로 용기(220) 외부 표면을 직접 냉각하는 역할을 수행할 수 있다.
이때 2차 냉각재 계통에 사용되는 냉각재로 용융염(2차 용융염 냉각재)이 사용될 수 있고, 상기 용융염(2차 용융염 냉각재)은 상기 원자로 용기(220) 상부 영역(222)에 배치되는 용융염 냉각재(1차 용융염 냉각재)(202)와 동일하거나 상이할 수 있다.
즉, 상기 2차 냉각재 계통을 순환하는 냉각재(2차 용융염 냉각재)는 NaCl, MgCl2, ZnCl2 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종일 수 있으며, 상기 혼합물은 액체 상태를 유지하기 위해 공융점 또는 공융점 근처의 조성비를 갖는 것이 바람직하다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 원자로 용기(220) 외측을 둘러싸는 중성자 반사체(240)를 포함하고, 상기 격납 용기(210) 내벽 및 상기 원자로 용기(220) 외벽 사이에 배치되는 반응도 제어 장치(260)를 포함한다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 활성노심에 제어봉을 삽입하는 반응도 제어장치 구현은 어렵기 때문에 원자로 용기와 격납 용기 사이 공간에 드럼형 (drum-type) 및 판형 (plate-type) 반응도 조절장치가 배치될 수 있다.
한편, 다른 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 상기 원자로 용기(220)의 상부 영역(222)에 핵연료염을 포함하는 용융염 냉각재가 장전될 수 있다.
즉, 원자로 용기(220)의 하부 영역(221)에는 액체 금속 핵연료(202)가 배치되고, 원자로 용기(220)의 상부 영역(222)에는 NaCl-MgCl2-UCl3와 같은 소량의 UCl3 핵연료를 포함한 기존 용융염 연료가 배치될 수 있으며, 이를 통해 원자로(200)의 전체 출력을 보다 쉽게 증가시킬 수 있고, 상부 영역(222)에서의 자연순환을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 또 다른 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 도 2의 구조에서 상기 2차 열교환기(232)을 제외하고 상기 1차 열교환기(231)와 스털링 기관(Stirling engine)이 연결되는 구조를 가질 수 있으며 이를 통해 보다 초소형의 원자로를 구현할 수 있다.
또한, 또 다른 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(300)는 상기 격납 용기 내에 원자로 용기를 모듈방식으로 복수 개 배치하여 보다 고출력의 원자로를 구현할 수 있다.
도 6 및 도 7은 또 다른 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(300)를 개략적으로 나타낸 단면도로, 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈방식 용융염-금속 원자로는 예를 들어, 격납 용기(310) 내부에 삼각형 형태로 3개의 원자로 용기(320)를 배치하거나 하나의 원자로 용기(320)를 6개의 원자로 용기(320)가 둘러싸는 형태로 7개의 원자로 용기(320)를 배치할 수 있다. 또한, 이러한 모듈방식 용융염-금속 원자로는 원자로 용기 사이 공간에 드럼형 (drum-type) 반응도 조절장치 구현이 어렵기 때문에 판형 (plate-type) 혹은 원기둥형 (cylinder-type) 반응도 조절장치가 배치될 수 있다.
또한, 또 다른 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(400)는 도 2의 구조에서 상기 2차 열교환기를 제외하고 상기 원자로 용기내에 1차 열교환기와 연결되는 복수의 열 파이프(Heat pipe)들을 포함하는 구조를 가질 수 있다.
도 8 및 도 9는 또 다른 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(400)를 개략적으로 나타낸 단면도로, 도 8 및 도 9에 표시된 바와 같이, 상기 용융염-금속 원자로(400)는 상기 원자로 용기(420)의 하부영역(421)에서 상부영역(422)으로 연장 형성된 복수의 열 파이프(Heat pipe)(433)를 포함하고, 상기 복수의 열 파이프(433)는 1차 열교환기(431)와 연결되는 구조를 가질 수 있다.
이때 상기 1차 열교환기(431)와 연결되어 있는 복수의 열 파이프들(433)이 가령 삼각형의 균일한 형태로 원자로 용기(420) 내부에 배치될 수 있다. 또한, 파이프(433) 내부에는 소듐(sodium)과 같이 녹는점이 낮은 금속을 배치하여, 금속 연료가 배치된 원자로 용기(420)의 하부 영역(421)에서는 비등이, 상부 열교환기(431)에서 응축이 일어나게 하여, 금속 연료에서 발생하는 열을 1차 열교환기(431)로 제거하는 기능을 하게 할 수 있다.
또한, 상기 1차 열교환기(431)로 전달된 열은 외부로 전달될 수 있고, 일례로, 도 8에 도시한 바와 같이 스털링엔진 (Stirling Engine)과 연결될 수 있다.
상기 용융염-금속 원자로(MSMR)(400)는 상기 열 파이프를 통해 냉각되는 구조로서, 보다 단순한 구조의 원자로를 구현할 수 있어 우주에서와 같이 자연순환을 이용하기 어려운 조건에서도 사용될 수 있는 장점을 갖는다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)(200)는 전술한 구조를 통해 높은 전환비를 갖는 저농축 우라늄 기반 초장수명 초소형 원자로를 구현할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)를 활용함으로써 이하의 안전상의 이점을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)의 금속 핵연료에서 생성되는 핵분열 생성물 중 방사능 위해도가 높고 휘발성이 높은 Cs, I 등은 원자로 용기(220)의 상부 영역에 배치되는 용융염 냉각재(202)에 대한 용해도가 높아 금속에서 용융염으로 이동하는데, 용융염 냉각재(202)가 이러한 Cs, I 등의 방사성 물질들을 잡아두어 설령 핵연료가 누출된다고 하더라도 방사성 물질이 대기 중으로 방출되는 것을 크게 억제할 수 있다는 기존 용융염 원자로(MSR)의 장점이 그대로 유지된다. 또한, 설령 핵연료가 외부에 누설되더라도 핵연료의 높은 융점으로 인해 외부로 누설된 핵연료는 빠르게 고화되어 방사성 물질의 방출을 막을 수 있다.
또한, 핵분열 생성물 중 비활성기체는 핵연료 영역인 원자로 용기 하부 영역에서 용융염 냉각재 영역인 원자로 용기 상부 영역으로 이동하므로 가스 플래넘(Gas plenum)과 비활성기체 제거장치(off-gas system)를 통하여 관리할 수 있고, 지르코늄을 구조재로 사용하지 않으므로, 수소와 같은 폭발성 기체가 발생하지 않는다.
또한, 핵분열 생성물 중 비활성기체와 노블 메탈(noble metal)을 제외한 물질, 약 1/2 정도가 상기 용융염 냉각재(202)에 대한 용해도가 높아 핵분열 생성물이 원자로 하부 영역에 집중되어 있지 않고, 상부 영역에 균일하게 분포될 수 있으며, 이를 통해 붕괴열을 효과적으로 제거할 수 있다.
이하 본 발명을 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실험 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실험 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험 예>
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)의 반응도 및 장주기 운전 가능성을 평가하기 위해 몬테카를로 기반의 노심 해석 전산코드인 서펀트(Serpent 2)를 이용한 전산계산을 수행하였다. 계산에 사용되는 용융염-금속 원자로의 규격은 도 4와 같으며 주요 설계 인자들은 아래의 표 2에 제시되었다. 간단한 분석을 위해 노심 구조를 단순화했고, 노심 분석에 큰 영향을 주지 않는 열교환기 및 2차 계통 등은 생략하였으며, 분석 결과를 도 5 및 아래의 표 3에 나타내었다.
액체 금속 핵연료 U-Fe(질량비89:11) 용융염 NaCl-MgCl2
우라늄 농축도 12% 우라늄 질량 2,267kg
핵연료 온도 1,000℃ 용융염 온도 700℃
출력 10MWth 연소 기간 30년
일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)는 12% 농축도 우라늄을 활용하면, 임계 달성을 위해 요구되는 활성노심영역 즉, 액체 금속 핵연료가 배치되는 원자로 용기의 하부 영역의 직경 및 높이가 약 60cm로 평가된다.
이는 종래의 보다 높은 농축도 19.75% 우라늄을 사용하면서 NaCl-UCl3, KCl-UCl3를 기반한 용융염 원자로(MSR)와 비교했을 때 매우 작은 크기이며, 반사체 등의 장치를 고려해도 폭 230cm 이하, 높이 230-260cm 이하를 갖는 일반적인 컨테이너에 적재될 수 있는 충분히 작은 크기를 갖는다.
또한, 일 실시 예에 따른 용융염-금속 원자로(MSMR)는 액체 금속 핵연료에서 우라늄 비중이 89% 정도로 높고 U-235의 농축도가 낮아 U-238의 농도가 높기 때문에 그만큼 높은 전환비를 보장할 수 있다.
이에 연료 전환비를 높이기 위해 사용되는 블랭킷을 구비하지 않아도 증식된 핵연료를 바로 이용할 수 있어 시간에 따른 잉여반응도를 매우 평탄하게 유지하면서 장수명 운용이 가능한 장점을 갖는다.
또한, 원자로의 임계를 위해서 약 12% 농축도 우라늄을 사용하면서 임계를 위해 요구되는 핵연료 양은 단지 약 2.3톤으로서, 종래의 19.75% 농축도를 사용하면서 임계를 위해 요구되는 핵연료의 양이 20~30톤인 표준 용융염원자로에 비하여 1/10 이하로 대폭 감소하여 핵연료 관련 비용도 현저히 감소시킬 수 있다.
만약 보다 높은 농축도의 우라늄을 사용할 경우, 임계를 위한 원자로 크기를 보다 줄일 수 있고, 원자로에 필요한 연료의 질량도 더욱 감소하므로 핵연료 관련 비용을 더욱 줄일 수 있다. 하지만, 중성자 누설이 높아지거나 전환비가 낮아져 같은 출력을 사용했을 때 원자로 수명이 줄어 수 있기 때문에, 용도에 맞게 우라늄의 농축도를 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.
도 5는 도 4의 구조를 가진 용융염-금속 원자로(MSMR)를 10MW의 열출력으로 30년 동안 연소시켰을 때의 노심 반응도 변화를 나타낸 그래프이고, 상기 표 3은 해당 핵연료 연소도와 노심 전환비를 나타낸 표이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 초기 잉여반응도는 약 50 pcm이나, 액체 금속 핵연료로부터 충분한 핵연료 증식이 일어나 10년 동안 반응도가 증가하여 최대 잉여반응도가 150 pcm에 달하게 된다. 그 이후엔 전환성 연료인 U-238의 농도가 감소하고 중성자를 흡수하는 핵분열 생성물이 축적됨으로 인해 반응도가 감소하여 약 23년 이후부터 원자로는 미임계가 된다. 도 5에서 보듯이 원자로의 전 수명기간 최대 반응도는 약 300 pcm으로, 결과적으로 반응도 변화를 매우 작게 하면서 대략 20년 동안의 장주기 운전이 가능함을 확인할 수 있다. 상기 결과를 통해 인위적인 핵연료 재처리 및 재주입 없이 장수명 운전이 가능함을 알 수 있다.
또한, 아래의 표 3에 나타난 바와 같이, 연소도 및 연료 전환비 평가 결과 전환비가 0.7 내외로 평가됨을 확인할 수 있는데 이는 U-235 하나가 소비될 때마다, 약 0.7개의 Pu-239 혹은 Pu-241이 생성된다는 의미이며, 작은 노심 크기에도 불구하고 높은 핵연료 밀도로 인해 핵연료 전환이 효율적으로 이루어짐을 보여준다. 한편 이와 같이 운전중 Pu의 생성은 하부 액체 금속의 융점을 지속적으로 저감하는 효과도 있다.
연소 기간 [년] 연소도 [MWD/kgU] 전환비
0 0.00 0.677
5 8.06 0.686
10 16.11 0.694
15 24.17 0.703
20 32.23 0.712
25 40.29 0.721
30 48.34 0.729
상기 결과를 통해 일 실시 예에 용융염-금속 원자로(MSMR)는 재처리 및 재주입없이 장주시 운전이 가능한 동시에 컨테이너에 적재 가능하고 운반이 용이한 초소형 원자로로서, 높은 연소도 및 연료 전환비를 나타내는 바, 우주용 원자로를 비롯한 여러 산업 분야에서 폭넓게 활용 가능할 것으로 기대된다.
100: 용융염 원자로(MSR)
110: 액체 연료
120: 원자로 용기
130: 열교환기
140: 중성자 반사체
150: 블랭킷
200,300,400: 용융염-금속 원자로(MSMR)
201: 액체 금속 핵연료
202: 용융염 냉각재
210, 310, 410: 격납 용기
220, 320, 420: 원자로 용기
221, 321, 421: 원자로 용기의 하부 영역
222, 322, 422: 원자로 용기의 상부 영역
231, 431: 1차 열교환기
232: 2차 열교환기
240 440: 중성자 반사체
260, 460: 반응도 제어 장치
270, 470: 가스 플래넘
311: 원자로 용기 사이 공간
433: 열 파이프
480: 스털링 엔진
481: 히트 소스
482: 히트 싱크

Claims (16)

  1. 액체 금속 핵연료를 포함하는 하부 영역 및 용융염 냉각재를 포함하는 상부영역을 포함하는 원자로 용기;를 포함하되,
    상기 원자로 용기 내에서 상기 액체 금속 핵연료 및 상기 용융염 냉각재는 액액 경계면을 이루며 배치되어 상기 핵연료에서 발생된 열이 상기 용융염 냉각재로 전달되어 냉각되는 것을 특징으로 하는, 용융염-금속 원자로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 금속 핵연료는 우라늄-금속 합금인, 용융염-금속 원자로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 우라늄-금속 합금은 19.75%이하의 농축도를 갖는 우라늄을 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 우라늄-금속 합금은 우라늄을 전체의 70중량% 내지 99중량%로 함유하는 용융염-금속 원자로.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 우라늄-금속 합금은 Fe, Mn, Cr, Ce, Pu 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용융염 냉각재는 NaCl, MgCl2, KCl, ZnCl2, NaOH, NaF, KF, ZrF4, LiF, BeF2 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    격납 용기;
    상기 격납 용기 내부에 배치되는 상기 원자로 용기;
    상기 원자로 용기 상부 영역에 배치되는 1차 열교환기;
    상기 원자로 용기 외측을 둘러싸는 중성자 반사체; 및
    상기 격납 용기 내벽 및 상기 원자로 용기 외벽 사이에 배치되는 반응도 제어장치;를 포함하는 용융염-금속 원자로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    상기 원자로 용기의 최상단에 배치되며 핵분열로 생성된 비활성 가스를 저장하는 가스 플래넘(gas plenum)부를 더 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가스 플래넘(gas plenum)부와 연결되는 비활성기체 제거장치(off-gas system)를 더 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    상기 용융 염 냉각재를 순환하는 펌프 장치를 더 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    상기 1차 열교환기와 연결되는 2차 열 교환기를 더 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    상기 1차 열교환기, 2차 열 교환기, 원자로 용기 외부표면 및 1차 열교환기를 순환하는 2차 냉각재 계통을 더 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 용융염 냉각재는 핵연료염을 포함하는 용융염인, 용융염-금속 원자로.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    상기 원자로 용기를 복수 개 포함하는, 용융염-금속 원자로.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 용융염-금속 원자로는
    상기 원자로 용기의 하부영역에서 상부영역으로 연장 형성된 복수의 열 파이프(Heat pipe)를 더 포함하고,
    상기 복수의 열 파이프는 상기 1차 열교환기와 연결되는, 용융염-금속 원자로.
  16. 삭제
KR1020220040858A 2022-03-18 2022-04-01 초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로 KR102556952B1 (ko)

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