KR102594757B1 - 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템 - Google Patents

선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 핵연료, 상기 핵연료를 밀봉하는 피복재, 상기 피복재를 나선형으로 감싸는 와이어랩 및 열 중성자를 흡수하는 가돌리늄(Gd)을 포함하는 핵연료봉을 포함하고, 초임계 이산화탄소를 냉각재로 사용하는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로 의 저온 정지 시스템에 관한 것이다.

Description

선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템 {Cold shutdown system for SCO2-cooled ship-propulsion fast reactor}
본 발명은 선박의 열 공급로로 사용되는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템에 관한 것으로 구체적으로는 해수 침수로 인한 사고 발생 시 정지 가능한 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템에 관한 것이다.
원자력은 단위 연료 부피 당 생산 출력이 매우 높고 동시에 탄소 배출이 적은 고효율 친환경 에너지로 전기 및 동력 생산, 고온 가스 공급, 해수 담수화 등 산업적으로 중요한 역할을 담당하고 있다. 원자력은 높은 효율을 바탕으로 고출력, 장주기 운전, 소형화, 안정적인 에너지 수급 등의 여러 장점들이 있어 에너지를 많이 필요로 하는 대형 선박에서도 많이 활용되고 있다.
선박에서 주로 사용되는 디젤 엔진의 경우 기술의 문턱이 낮고, 많은 연료를 저렴한 가격으로 수월하게 구할 수 있으며, 출력 변동이 자유롭다는 특징이 있다. 하지만 원자력 추진 엔진과 비교 했을 때 디젤 엔진의 경우 에너지 밀도가 낮으므로 동급 열 출력을 생산하기 위해서 엔진의 크기가 커야 하고 많은 연료를 사용해야 하므로 연료 탱크도 큰 부피를 차지할 수밖에 없다. 또한 디젤 엔진 추진 선박은 상대적으로 이동 속도가 느리고, 연료 공급이 잦고, 심각한 소음과 대기 오염을 초래할 수 있다는 문제점들이 있어서 고성능을 요구하는 대형 선박에서는 원자력 에너지가 큰 매력으로 작용한다.
최근에는 차세대 원전 기술이 발달하여 대형 화물선, 잠수정, 군함 등에 첨단 원자로를 사용하려는 관심이 높다. 이러한 차세대 원전 중 고속 중성자 스펙트럼 추진 원자력 엔진(이하 고속로)은 상업적으로 널리 사용되고 있는 열중성자로와 핵분열 연쇄 반응에 지배적으로 사용되는 중성자의 에너지가 상이하다. 구체적으로, 원자력 발전소에서는 중성자가 핵연료 물질과 반응을 하면 물질이 쪼개지면 열에너지와 더불어 핵연료생성물과 평균 2개 이상의 중성자가 생성된다. 여기서 생성된 중성자가 다시 다른 핵연료 물질과 반응을 하면서 연쇄 작용이 이루어져 꾸준하게 에너지를 생산할 수 있는데 이 때 연쇄 작용을 일으키는 중성자의 에너지가 서로 상이한 것이다.
핵분열 이후에 생성된 중성자는 높은 에너지를 가지고 있기 때문에 고속 중성자 혹은 속중성자(fast neutron)라고 부르고 중성자들이 주변 물질과의 산란 작용으로 점차 에너지를 잃게 되는데 에너지가 낮아진 중성자를 열중성자(thermal neutron)라고 부른다. 즉, 열중성자로는 열중성자들을 지배적으로 사용하는 원자로이고, 고속로는 고속 중성자들을 지배적으로 사용하는 원자로를 의미한다.
도 1은 열중성자로 및 고속로에서의 중성자 스펙트럼을 보여준다. 고속로의 경우 1 MeV을 중심으로 많은 중성자들이 분포해있고, 에너지가 낮은 영역 (<1 keV)에서는 중성자가 거의 없는 것을 볼 수 있다. 반면 열중성자로에서는 높은 에너지 영역뿐만 아니라 에너지가 낮은 영역에서도 중성자가 많은 것을 볼 수 있다. 이는 열중성자로에서 핵분열을 통해서 고속 중성자가 생성이 되지만 주변 물질과의 상호작용을 통해 점차 에너지를 잃게 되고 0.1 eV 이하까지 에너지가 낮아지기 때문이다.
핵연료로 사용되는 악티늄 계열 물질들은 중성자의 에너지가 낮으면 낮을수록 더 높은 확률로 핵분열을 일으키는 특징이 있다. 예를 들어 우라늄-235 핵종의 중성자 에너지에 따른 핵분열 단면적 (반응 확률)을 보면 중성자의 에너지가 0.1 eV 이하가 될 때 중성자의 에너지가 감소할수록 핵분열 확률이 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있다. 그래서 열중성자로에서는 중성자들의 핵반응 확률이 높아 더 많은 출력을 낼 수 있지만 연료 소모가 커서 수명이 짧아지게 된다. 한편 고속로는 핵분열 당 생성되는 중성자의 수가 더 많고 초우라늄원소의 증식비가 높으며 초우라늄원소와 반응 시 흡수 대비 핵분열 반응률이 높아 더욱 경제적인 운영이 가능하다.
이러한 측면에서 즉, 고속로는 기존 선박용 열중성자로 보다 낮은 농축도를 가진 연료를 사용함에도 불구하고 수명과 재장전 주기가 길면서 소형화가 가능한 장점을 갖는다. 또한 제논(Xe)과 같이 중성자를 흡수하는 핵분열생성물의 영향을 받지 않아 불응 시간(Dead-time)이 없어 더 효과적으로 운항할 수 있다.
이와 관련된 종래의 기술로 대한민국 등록특허 제10-2083475호에서는 선박 등에 탑재될 수 있으며, 30년 내지 35년의 구동 주기를 갖는 소형 고속로 코어로서, 구체적으로는 중앙에 위치하며, 복수의 블랭킷 핵연료 집합체들 및 복수의 컨트롤 로드들을 포함하는 제1 영역, 상기 제1 영역을 둘러싸며, 복수의 이그나이터 핵연료 집합체들을 포함하는 제2 영역, 및 상기 제2 영역을 둘러싸며, 복수의 리플렉터들을 포함하는 제3 영역을 포함하며, 상기 복수의 블랭킷 핵연료 집합체들에 포함된 제1 질화우라늄 핵연료 및 상기 복수의 이그나이터 핵연료 집합체들에 포함된 제2 질화우라늄 핵연료 각각의 U-235 농축도는 13.92% 내지 14%인 고속로 코어를 개시한 바 있다.
그러나 종래의 물이 아닌 유체를 냉각재로 사용하는 고속로의 경우 해수 침수 시 사고 가능성이 제기될 수 있다. 원자력 열 공급로에서는 생산되는 열에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 매개로 냉각재라는 유체를 사용하게 되는데 이 유체의 온도, 밀도, 조성 등과 같은 고유 특성은 원자로의 성질을 바꿔서 의도하지 않은 출력의 변화로 사고를 초래할 수 있다.
원자로는 기본적으로 온도의 변화와 출력의 변화가 반대로 작용하는 성질을 가지고 있다. 선박에 설치되는 열 공급로는 15 cm 두께의 강철 압력용기를 포함하여 3개 이상의 튼튼한 방벽으로 안전하게 보호되고 있지만 그럼에도 불구하고 아주 낮은 확률로 치명적인 사고에 의해 열공급로 내부로 차가운 해수가 유입이 된다면 온도가 낮은 해수가 냉각재로 작용하여 노심 고유 성질에 의해 출력이 급격하게 상승하는 문제가 발생할 수 있게 된다.
원자로의 출력과 반응도는 다양한 형태의 중성자 흡수 물질을 이용해서 제어할 수 있다. 그런데 기존에 설계되어 있는 반응도 제어 시스템을 사용하는 데는 많은 제약들이 따를 수 있다. 먼저 선박이라는 제한된 공간에서 엔진을 소형화하는 것이 중요한 요소인데 기존 제어 시스템들은 부피를 많이 차지할 뿐만 아니라 추가적인 배치 설계가 필요해 설계 변경이 유연하지 못하게 된다는 문제가 있다. 특히 저온 정지를 위해서는 강한 음의 반응도를 보장해야 하는데 그렇게 될 경우 반응도 정도에 비례해 시스템의 크기는 더 커질 수밖에 없다.
그 다음 사고 대비 목적으로 설계되는 반응도 제어 시스템의 중요한 인자는 피동성과 다양성이다. 피동성은 시스템 자체가 자율적으로 제어가 되도록 하는 성질이고, 다양성은 기능과 원리가 다른 기기를 2개 이상 설치하는 것을 말한다. 보편적인 반응도 제어 시스템들은 중력을 통해서 피동성을 가지게 된다. 전기 공급이 되지 않더라도 중력에 의해서 자율적으로 시스템이 노심 위에서 아래로 삽입되어 안전성을 보장한다. 하지만 해수의 영향을 받는 선박은 위치가 고정적인 것이 아니기 때문에 설령 전복될 경우 피동성을 보장하지 못하게 된다. 그렇기 때문에 중력이 아니더라도 다른 특성에 의해서 피동성을 보장할 수 있는 기기의 다양성이 필요한 것이다.
이에 본 발명자들은 기존 노심의 성능을 크게 저하시키지 않으면서 전술한 문제들을 해결하기 위한 방안으로, 중성자 스펙트럼에 따라 중성자를 효과적으로 제어할 수 있는 희토류 금속인 가돌리늄(Gd)을 연료 주위에 코팅하는 방식으로 기존 노심의 기기 배치 설계 변경이 거의 없고 수 μm의 두께로 얇게 코팅이 되기 때문에 부피 증가를 최소화할 수 있으며, 또한 중력이나 스프링이 아닌 원소의 고유 핵적 특성을 활용하는 방식이기 때문에 안전 설비 상 피동성과 다양성을 보장할 수 있어 선박의 열공급로용으로 사용할 수 있는 초임계 이산화탄소 냉각 고속로를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제10-2083475호
일 측면에서의 목적은
선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템에 관한 것으로 구체적으로는 정상 상태에서 열 공급로로서 선박의 열 공급로로서 작동하되, 해수 침수 시 핵연료봉의 가돌리늄이 해수 침수로 생성되는 열중성자를 흡수하여 고속로를 정지시키는 것을 특징으로 하는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해,
일 측면에서는,
선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로에 사용되는 핵연료봉으로서,
핵연료;
상기 핵연료를 밀봉하는 피복재;
상기 피복재를 나선형으로 감싸는 와이어랩; 및
열 중성자를 흡수하는 가돌리늄(Gd);을 포함하는 핵연료봉이 제공된다.
이때, 상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재의 내부 표면, 상기 피복재의 외부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나 이상에 형성된 코팅층, 상기 피복재와의 합금 및 상기 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 중 어느 하나 이상의 형태로 형성될 수 있다.
상기 핵연료는 핵분열성 금속, 이의 합금, 이의 질화물 및 산화물 중 1종 이상일 수 있다.
상기 핵연료가 13.5% 내지 13.8%의 농축도를 갖는 U-235일 때,
상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재의 내부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나에 형성된 코팅층 형태로 형성되고, 상기 코팅층의 두께는 65μm 내지 75μm일 수 있다.
상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재와 혼합된 합금 형태로 형성되며,
상기 합금은 가돌리늄(Gd)을 전체 중량 대비 0.01중량% 내지 1중량%로 함유할 수 있다.
상기 가돌리늄(Gd)은 상기 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 형태로 형성되며,
상기 와이어의 직경은 0.25 mm 내지 0.35 mm일 수 있다.
상기 핵연료봉의 가돌리늄은 해수 침수로 생성되는 열중성자를 흡수하여 상기 핵연료봉이 장착된 고속로를 정지시킬 수 있다.
다른 일 측면에서는
선박 열공급로로 사용되는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템으로서,
상기 핵연료봉을 포함하며 초임계 이산화탄소를 냉각재로 사용하는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템이 제공된다.
해수 침수 시 상기 핵연료봉의 가돌리늄이 해수 침수 시 생성되는 열중성자를 흡수하여 상기 고속로가 정지될 수 있다.
상기 고속로는 노심을 포함하고,
상기 노심은,
중공부를 갖는 원통형 영역으로서, 복수의 상기 핵연료봉으로 이루어진 핵연료 집합체를 복수개 포함하는 제1 영역;
상기 제1 영역의 외측 영역으로서, 일측에 중성자 흡수물질을 포함하는 회전가능한 드럼 형태(drum type)의 1차 반응도 제어 시스템을 복수개 포함하는 제2 영역; 및
상기 제1 영역의 중공부에 위치하며, 초임계 이산화탄소 냉각재를 포함하는 2차 반응도 제어 시스템을 포함하는 제3 영역;을 포함한다.
일 측면에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로는 종래의 핵연료봉에 가돌리늄(Gd)을 형성하되, 코팅층의 형태, 피복재와의 합금 형태 또는 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 형태로 형성하여 종래의 원자로 설계에서 큰 변경이 요구되지 않고 다른 개념의 노형에서도 쉽게 적용이 될 수 있으며, 큰 부피의 공간을 차지하지 않는다.
일 측면에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로는 열중성자를 흡수하는 가돌리늄(Gd)을 통해 해수 침수 시 효과적으로 저온정지를 달성하여 안전성을 확보할 수 있고, 가돌리늄(Gd)을 함유하지 않는 경우 대비 성능이 유사하거나 성능 손실을 최소화할 수 있다. 이에, 간단하지만 효과적인 저온정지 구조를 통해 선박용 고속로가 가질 수 있는 약점을 보완할 수 있고, 따라서 선박용 동력원으로써 고속로의 적용 가능성과 활용성을 크게 높일 것으로 기대된다.
도 1은 열중성자로 및 고속로에서의 중성자 스펙트럼을 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 따른 핵연료봉을 나타낸다.
도 3은 종래의 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 정상 운전 상태 및 해수 유입 사고에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 중성자 포획 단면적이 높은 가돌리늄 동위원소들의 포획 단면적을 나타낸다.
도 5은 일 실시 예에 따른 고속로의 3차원 노심 모델을 나타낸다.
도 6은 상기 노심의 반경방향 단면을 나타낸다.
도 7은 상기 노심의 축방향 단면을 나타낸다.
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, "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.
핵연료봉
일 측면에서는,
선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로에 사용되는 핵연료봉으로서,
핵연료;
상기 핵연료를 밀봉하는 피복재;
상기 피복재를 나선형으로 감싸는 와이어랩; 및
열 중성자를 흡수하는 가돌리늄(Gd);을 포함하는, 핵연료봉이 제공된다.
이하, 일 측면에 따른 핵연료봉을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 핵연료봉을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 핵연료봉(100)은 핵연료(10), 피복재(20), 와이어랩(30) 및 가돌리늄(Gd)(40)을 포함한다.
일 측면에 따른 핵연료봉(100)은 핵연료(10)를 포함한다.
이때, 상기 핵연료(10)는 핵분열성 금속, 이의 합금, 이의 질화물 및 산화물 중 1종 이상이 사용될 수 있다.
이때, 상기 핵분열성 금속은 우라늄을 포함할 수 있고, 상기 합금은 지르코늄, 희토류 원소, 악티늄 계열의 원소 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 및 프라세오디늄 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 악티늄 계열 원소는 프로토악티늄, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 및 퀴륨 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 하지만 상기 핵연료가 이에 제한된 것은 아니며 고속로에 사용되는 다른 금속, 이의 합금, 이의 질화물 및 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 핵연료봉(100)은 피복재(20)를 포함한다.
이때, 상기 피복재(20)는 Fe, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Si, Mn, Ni, C, N 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 고속로에 사용되는 다른 종류의 물질을 더 포함할 수 있다. 일례로, 상기 피복재(20)는 HT9가 사용될 수 있다.
일 측면에 따른 핵연료봉(100)은 와이어랩(30)를 포함한다.
이때, 상기 와이어랩(30)는 Fe, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Si, Mn, Ni, C, N 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 고속로에 사용되는 다른 종류의 물질을 더 포함할 수 있다. 일례로, 상기 와이어랩(30)는 HT9가 사용될 수 있다.
일 측면에 따른 핵연료봉(100)은 가돌리늄(Gd)(40)을 포함한다.
일 측면에 따른 핵연료봉(100)은 선박의 열 공급로로 사용되는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로에 사용하기 위한 것으로, 상기 가돌리늄(Gd)(40)은 해수 침수로 생성되는 열중성자를 흡수하여 상기 고속로를 정지시키는 것을 특징으로 한다.
도 3은 종래의 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 정상 운전 상태 및 해수 유입 사고에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타낸다.
종래의 경우, 해수 유입 시 도 3에 도시한 바와 같이, 밀도가 높은 해수가 중성자 감속 물질로 작용하여 중성자의 에너지를 떨어트려 중성자 스펙트럼이 변화하게 되며, 이에 따라, 저 에너지의 열중성자가 생성되어 핵연료의 핵분열 확률이 현저히 높아져 출력이 급격하게 상승하게 되는 문제가 발생될 수 있다.
반면, 일 실시 예에 따른 핵연료봉을 포함하는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로는 해수 유입 시 상기 해수에 의해 생성된 저 에너지의 열중성자를 핵연료봉의 가돌리늄(Gd)이 흡수함으로써, 고속로를 정지시킬 수 있어, 안전성을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 4는 중성자 포획 단면적이 높은 가돌리늄 동위원소들의 포획 단면적을 보여준다.
도 4에 도시한 바와 같이, 가돌리늄 동위원소의 포획 단면적은 우라늄-235와 비슷한 양상을 보여주는데 우라늄은 출력을 높일 수 있는 핵분열 단면적이 높은 것이지만 가돌리늄은 출력을 낮출 수 있는 포획 단면적이 높은 것이다. 따라서 가돌리늄을 핵연료 바로 부근에 배치하여 해수 유입 상황에서 출력이 증가할 수 있는 요소를 동일한 원리로 같이 상쇄시킬 수 있다.
즉, 가돌리늄(Gd)(40)은 0.1 MeV이상의 고 에너지 중성자를 미비하게 흡수하는 반면 1 KeV이하의 저 에너지 중성자인 열 중성자에 대한 흡수 확률이 현저히 높은 물질로서, 선박용 고속로의 정상 운전시 고속로의 성능을 저하시키지 않는 반면 해수 침수시, 상기 해수로 인해 생성된 저 에너지 중성자를 효과적으로 흡수함으로써 고속로를 저온 정지시킬 수 있다.
이때 상기 가돌리늄(Gd)(40)은 상기 피복재의 내부 표면, 상기 피복재의 외부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나 이상에 형성된 코팅층, 상기 피복재와의 합금 및 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 중 어느 하나 이상의 형태로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 가돌리늄(Gd)(40)은 상기 피복재의 내부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나에 형성된 코팅층 형태로 형성될 수 있다.
상기 코팅층 형태는 핵연료나 피복재에 가돌리늄을 섞는 것이 아니기 때문에 핵연료나 피복재의 구조적, 재료적 건전성에 무리가 없으며 수십 μm의 얇은 코팅을 두르는 것이기 때문에 기존 설계안에서 큰 변경 없이 사용할 수 있는 장점이 있다.
이때 상기 코팅층의 두께에 따라 고속로의 출력 성능 및 정지 성능이 달라질 수 있다. 즉, 상기 코팅층의 두께가 두꺼워질수록 해수 침수 시의 정지 성능은 향상되는 반면, 정상상태에서의 고속로의 출력 성능이 저하될 수 있다.
일례로, 이하의 실험 예로부터 확인한 바와 같이, 상기 핵연료봉(100)이 핵연료(10)로서 U-235를 사용하는 경우, 상기 가돌리늄(Gd)의 코팅층의 두께는 60μm 내지 80μm인 것이 바람직하고, 65μm 내지 75μm인 것이 보다 바람직하며, 상기 U-235의 농축도는 13.5% 내지 13.8%를 갖는 것이 보다 바람직할 수 있다.
한편, 상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재와 혼합된 합금 형태로 형성될 수 있고, 상기 합금은 가돌리늄(Gd)을 전체 중량 대비 0.01중량% 내지 1중량%로 함유할 수 있다.
한편, 상기 가돌리늄(Gd)은 상기 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 형태로 형성될 수 있고, 구체적으로는 상기 와이어랩이 연장된 방향과 평행하게 연장된 와이어 형태일 수 있으며, 상기 와이어의 직경은 0.25 mm 내지 0.35 mm일 수 있다.
초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템
다른 일 측면에서는,
선박 열공급로로 사용되는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템으로서,
상기 핵연료봉을 포함하며 초임계 이산화탄소를 냉각재로 사용하는, 고속로;를 포함하는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템이 제공된다.
이하, 다른 일 측면에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
일 실시 예에 따른 고속로는 초임계 이산화탄소를 냉각재로 사용하며, 상기 핵연료봉에 열 중성자를 흡수하는 가돌리늄(Gd)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재의 내부 표면, 상기 피복재의 외부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나 이상에 형성된 코팅층, 상기 피복재와의 합금 및 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 중 어느 하나 이상의 형태로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 고속로의 저온 정지 시스템은 종래의 초임계 이산화탄소 냉각 고속로에서 상기 가돌리늄(Gd)을 함유하는 최소의 구조적 변화를 통해 저온의 해수 침수 시 열중성자를 효과적으로 흡수함으로써 고속로를 정지시킬 수 있어 선박용 고속로로서 크기 및 성능을 유지하되 안전성을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 5은 일 실시 예에 따른 고속로의 3차원 노심 모델을 나타낸 도면이고, 도 6은 상기 노심의 반경방향 단면을 나타낸 도면이고, 도 7은 상기 노심의 축방향 단면을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 일 실시 예에 따른 고속로는 노심(200)을 포함하고,
상기 노심(200)은,
중공부를 갖는 원통형 영역으로서, 복수의 상기 핵연료봉으로 이루어진 핵연료 집합체(211)를 복수개 포함하는 제1 영역(210);
상기 제1 영역(210)의 외측 영역으로서, 일측에 중성자 흡수물질(221)을 포함하는 회전 가능한 드럼 형태(drum type)의 1차 반응도 제어 시스템(222)을 복수개 포함하는 제2 영역(220); 및
상기 제1 영역(210)의 중공부에 위치하며, 초임계 이산화탄소 냉각재(231)를 포함하는 2차 반응도 제어 시스템(232)을 포함하는 제3 영역(230)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 고속로는 선박 열공급로로 사용되는 선박용 초임계 이산화탄소 고속로로서, 소형 고속로인 것이 바람직하며, 일례로 상기 고속로의 노심 직경은 1.5 m 내지 2.5 m일 수 있고, 높이는 1.5 m 내지 2.5 m일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
일 실시 예에 따른 고속로는 상기 제1 영역(210)에 복수의 핵연료 집합체(211)가 배치되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들어 복수의 상기 핵연료봉으로 이루어진 육각형 핵연료 집합체 19개가 격자형으로 배치될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 고속로는 상기 드럼 형태(drum type)의 1차 반응도 제어 시스템(222)의 회전을 통해 중성자 흡수도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 중성자 흡수물질(221)의 위치가 노심의 축 중심과 가까워지도록 상기 드럼 형태(drum type)의 1차 반응도 제어 시스템(222)을 회전시켜 중성자 흡수도를 높일 수 있고 상기 중성자 흡수물질(221)의 위치가 노심의 외주면과 가까워지도록 상기 드럼 형태(drum type)의 1차 반응도 제어 시스템(222)을 회전시켜 중성자 흡수도를 낮출 수 있다. 이때 상기 중성자 흡수물질은 B4C, Ag, In, Cd, Hf 중 1종 이상일 수 있다.
일 실시 예에 따른 고속로는 상기 노심을 둘러싸는 반사체(reflector)를 더 포함하고, 상기 노심 및 반사체를 차폐하는 피복관을 더 포함한다.
상기 고속로는 상기 핵연료봉의 가돌리늄(Gd) 코팅층의 두께 및 위치, 피복재와의 합금에서의 함량 및 와이어랩에 삽입된 가돌리늄(Gd) 와이어의 직경에 따라 정상 상태 및 해수 침수 시의 출력이 달라질 수 있다.
바람직하게는 이하의 실험 예로부터 확인한 바와 같이, 상기의 1차 및 2차 반응도 제어 시스템을 사용하는 상기의 노심 모델을 사용하는 경우, 상기 핵연료봉(100)이 핵연료(10)로서 U-235를 사용하고 상기 가돌리늄(Gd)을 상기 피복재의 내부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나에 형성에 형성할 경우, 상기 가돌리늄(Gd)의 코팅층의 두께가 60μm 내지 80μm, 보다 바람직하게는 65μm 내지 75μm이고 상기 U-235의 농축도를 13.5% 내지 13.8%로 하는 경우 해수 침수 시 상기 고속로가 정지 가능하되, 정상 상태에서의 출력 저하를 최소화할 수 있다.
<실시 예 1> 핵연료봉
도 2는 일 실시 예에 따른 핵연료봉을 나타내고, 표 1은 핵연료봉에서 허용한 U-235의 농축도 및 가돌리늄 코팅층의 두께를 나타낸다.
도 2 및 표 1에 도시한 바와 같이, U-235의 농축도가 약 13%인 UO2 세라믹 소결체(핵연료) 표면에 가돌리늄을 10 내지 1000μm 두께로 코팅하고, HT9 피복재로 밀봉하여 핵연료봉을 제작하였다. 또한, UO2 세라믹 소결체(핵연료)의 U-235의 농축도를 약 13.65%로 하고, 표면에 가돌리늄을 70μm 두께로 코팅한 후 HT9 피복재로 밀봉하여 핵연료봉을 제작하였다.
U-235의 농축도(%) 가돌리늄 두께(μm)
실시예 1-1 13 10
실시예 1-2 13 20
실시예 1-3 13 30
실시예 1-4 13 50
실시예 1-5 13 70
실시예 1-6 13 80
실시예 1-7 13 500
실시예 1-8 13 1000
실시예 1-9 13.65 70
<실시 예 2> 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템
도 5 내지 7은 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소(sCO2; Supercritical CO2) 냉각 고속로의 저온 정지 시스템에 포함된 고속로의 노심을 나타낸다.
구체적으로 도 5는 일 실시 예에 따른 고속로의 3차원 노심 모델을 나타낸 도면이고, 도 6은 상기 노심의 반경방향 단면을 나타낸 도면이고, 도 7은 상기 노심의 축방향 단면을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 노심의 전체 크기는 직경 215 cm, 높이 200 cm로 하고, 상기 실시 예 1의 핵연료봉 271개로 구성된 연료 집합체를 18개와 핵연료봉 91개로 구성된 중심 연료 집합체 하나를 배치하였다.
또한, 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 원자로의 출력을 제어하기 위해 노심 외곽에 B4C를 중성자 흡수재로 포함하는 12개의 드럼 타입의 1차 반응도 제어 시스템을 배치하고 노심의 중심 상부에 초임계 이산화탄소를 냉각재로 포함하는 2차 반응도 제어 시스템을 배치하였다. 노심의 효율성 및 중성자 경제성을 높이기 위해서 축 방향으로는 감손 우라늄(101)을, 외측으로는 PbO(213)를 반사체로 두었다. PbO 반사체(213)에게 가해질 수 있는 충격을 보호하고 반사체 물질이 제 1 영역(210) 내부로 들어오는 것을 방지하기 위해 제1 영역(210)과 PbO 반사체(213) 사이에 HT9으로 된 덕트(212)를 배치하였다. 마지막으로 노심 바깥 영역으로 빠져나가는 중성자 차폐를 위해서 상기 노심 및 PbO 반사체(213)를 B4C 피복관(300)으로 차폐시켰다.
제작된 고속로의 유효 전출력 운전일은 6.2년, 무게는 약 52톤이다. 핵연료 온도 반응도 계수는 -0.82 pcm/K, 냉각재 온도 반응도 계수는 -0.4 pcm/K이다.
<비교 예 1>
상기 실시 예 1에서, 핵연료 표면에 가돌리늄 코팅층을 형성하지 않는 것으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 핵연료봉을 제작하였다.
<비교 예 2>
상기 실시 예 2에서, 핵연료봉을 비교 예 1의 핵연료봉을 사용하는 것으로 달리하는 것을 제외하고 실시 예 2와 동일한 방법을 수행하여 초임계 이산화탄소 냉각 고속로를 제작하였다.
<실험 예 1> 고속로의 해수 침수에 따른 저온 정지 성능 평가(1)
해수 침수에 따른 저온 정지 성능을 평가하기 위하여, 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 정지 시스템에서 핵연료봉의 가돌리늄 코팅층의 두께에 따른 정상 운전 상태 및 해수 유입 시의 증배계수를 측정하고 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
여기서 증배계수는 출력의 증감율을 나타내는 인자이다. 증배계수가 1보다 크면 출력이 증가하고 1이면 출력이 유지되고 1보다 작으면 출력이 감소된다. 1보다 많이 크면 출력이 빠르게 증가하고 1보다 조금 크면 출력이 상대적으로 천천히 증가함을 의미한다.
선박용 열공급로로서 사용하되 해수 침수시 출력이 급격하게 상승하는 문제를 방지하기 위해서는, 정상 운전 상태에서는 출력이 유지되어야 하고 해수가 유입되는 사고 상황에서는 출력이 감소해야 하므로 sCO2 냉각재를 사용하는 경우가 해수를 사용하는 경우보다 증배계수가 높아야 한다.
U-235의 농축도(%) 가돌리늄 두께(μm) 정상운전
(sCO2)		 해수유입
(해수)		 해수-정상
비교예 1 13 0 1.00334 1.17116 16782
실시예 1-1 13 10 1.00108 1.07219 7111
실시예 1-2 13 20 0.99618 1.04262 4644
실시예 1-3 13 30 0.99408 1.02310 2902
실시예 1-4 13 50 0.98513 0.99458 944.5
실시예 1-5 13 70 0.97809 0.97147 -662
실시예 1-6 13 80 0.97544 0.96182 -1362.5
실시예 1-7 13 500 0.84430 0.73388 -11042
실시예 1-8 13 1000 0.71536 0.58317 -13219
실시예 1-9 13.65 70 1.00400 0.99204 -0.01196
상기 표 2에 따르면, U-235의 농축도를 13%로 동일하게 한 경우, 가돌리늄 코팅층의 두께가 50 μm 이하에서는 해수 유입 시 증배 계수가 증가하는 반면, 가돌리늄 코팅층의 두께가 70 μm 이상에서는 해수 유입 시 증배 계수가 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉, 실시 예 1에 따른 고속로에서는 가돌리늄 코팅층의 두께를 70 μm 이상으로 형성할 경우 해수 유입 시 출력을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
한편 상기 가돌리늄 코팅층의 두께가 두꺼울수록 해수 유입 시 출력 감소 효과가 큰 반면, 정상 운전 상태에서의 증배계수도 감소되기 때문에 정상 운전 시 성능 손실이 커지는 것을 알 수 있다.
따라서 해수 유입 시 증배계수가 감소하되, 성능 손실을 최소화하기 위해서는 가돌리늄 코팅층의 두께를 적절히 조절해야함을 알 수 있다.
이에 U-235의 농축도를 13%로 동일하게 한 경우, 가돌리늄 코팅층은 70 μm 내지 80μm의 두께가 적절하며, 70μm의 두께가 보다 더 바람직함을 알 수 있다.
또한, 정상 상태에서의 성능 손실을 보다 낮추기 위해 U-235의 농축도를 13.65%로 조절한 결과(실시예 1-9), 실시 예 1의 조건에서 U-235의 농축도를 13.65%로 하고, 70μm두께의 가돌리늄 코팅층을 형성함으로써, 정상 상태에서의 성능 손실 없이 운전 가능하고, 해수 유입 시 정지 가능한 고속로를 형성할 수 있음을 확인하였다.
10: 핵연료
20: 피복재
30: 와이어랩
40: 가돌리늄
100: 핵연료봉
101: 감손 우라늄 반사체
200: 노심
210: 제1 영역
211: 핵연료 집합체
212: 덕트
213: PbO 반사체
220: 제2 영역
221: 1차 중성자 흡수물질
222: 드럼 형태의 1차 반응도 제어 시스템
230: 제 3 영역
231: 초임계 이산화탄소 냉각재
232: 2차 반응도 제어 시스템
300: B4C 피복관

Claims (10)

  1. 선박 열공급로로 사용되는 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템으로서,
    노심을 포함하고 초임계 이산화탄소를 냉각재로 사용하는, 고속로;를 포함하고,
    상기 노심은,
    중공부를 갖는 원통형 영역으로서, 복수의 핵연료봉으로 이루어진 핵연료 집합체를 복수개 포함하는 제1 영역;
    상기 제1 영역의 외측 영역으로서, 일측에 중성자 흡수물질을 포함하는 회전 가능한 드럼 형태(drum type)의 1차 반응도 제어 시스템을 복수개 포함하는 제2 영역; 및
    상기 제1 영역의 중공부에 위치하며, 초임계 이산화탄소 냉각재를 포함하는 2차 반응도 제어 시스템을 포함하는 제3 영역;을 포함하고,
    상기 핵연료봉은
    핵연료;
    상기 핵연료를 밀봉하는 피복재;
    상기 피복재를 나선형으로 감싸는 와이어랩; 및
    열 중성자를 흡수하는 가돌리늄(Gd);을 포함하는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가돌리늄(Gd)은
    상기 피복재의 내부 표면, 상기 피복재의 외부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나 이상에 형성된 코팅층 형태로 형성되거나,
    상기 피복재를 이루는 물질과 혼합된 합금 형태로 피복재에 포함되거나, 또는
    와이어랩의 내부에 삽입된 와이어 형태로 형성된 것을 특징으로 하는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료는 핵분열성 금속, 이의 합금, 이의 질화물 및 산화물 중 1종 이상인, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료는 13.5% 내지 13.8%의 농축도를 갖는 U-235일 때,
    상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재의 내부 표면 및 상기 핵연료의 외주면 중 어느 하나에 형성된 코팅층 형태로 형성되고,
    상기 코팅층의 두께는 65μm 내지 75μm인, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가돌리늄(Gd)은 상기 피복재와 혼합된 합금 형태로 형성되며,
    상기 합금은 가돌리늄(Gd)을 전체 중량 대비 0.01중량% 내지 1중량%로 함유하는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가돌리늄(Gd)은 상기 와이어랩 내부에 삽입된 와이어 형태로 형성되며,
    상기 와이어의 직경은 0.25 mm 내지 0.35 mm인, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료봉의 가돌리늄은 해수 침수로 생성되는 열중성자를 흡수하여 상기 핵연료봉이 장착된 고속로를 정지시키는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    해수 침수 시, 상기 핵연료봉의 가돌리늄이 해수 침수로 생성되는 열중성자를 흡수하여 상기 고속로가 정지되는, 선박용 초임계 이산화탄소 냉각 고속로의 저온 정지 시스템.
  10. 삭제
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