KR102601430B1 - 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로 - Google Patents
가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102601430B1 KR102601430B1 KR1020230007655A KR20230007655A KR102601430B1 KR 102601430 B1 KR102601430 B1 KR 102601430B1 KR 1020230007655 A KR1020230007655 A KR 1020230007655A KR 20230007655 A KR20230007655 A KR 20230007655A KR 102601430 B1 KR102601430 B1 KR 102601430B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- molten salt
- combustible
- thermal neutron
- absorber
- moderator
- Prior art date
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 title claims abstract description 130
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 title claims abstract description 125
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 claims abstract description 32
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 13
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 13
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 6
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 6
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 30
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 17
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 10
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 10
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000012958 reprocessing Methods 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001199 N alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000270295 Serpentes Species 0.000 description 1
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- -1 moderator Substances 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C7/00—Control of nuclear reaction
- G21C7/06—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
- G21C7/24—Selection of substances for use as neutron-absorbing material
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
- G21C3/44—Fluid or fluent reactor fuel
- G21C3/54—Fused salt, oxide or hydroxide compositions
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
본 발명은 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로에 관한 것으로, 구체적으로는 핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염, 및 중성자 감속재 물질로서 용융 감속재염을 포함하는 원통형 활성 노심을 포함하고, 상기 활성 노심은 복수의 연료관을 포함하고, 상기 연료관 내부에는 상기 핵연료 용융염이 배치되고, 상기 연료관 외부에는 상기 용융 감속재염이 배치된 형태의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)로서, 상기 활성 노심은 원통형의 중심축으로부터 소정의 거리까지의 제1 영역; 및 상기 소정의 거리로부터 내주면까지의 제2 영역;을 포함하고, 상기 제1 영역 및 제2 영역에서 복수의 연료관 사이에 배치되는 가연성 흡수체;를 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로에 관한 것이다.
Description
본 발명은 핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염 및 중성자 감속을 위한 감속재 물질로서 용융 감속재 염을 포함하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)로서, 가연성 흡수체(Burnable Absorber, BA)를 구비하여 경제성 및 안정성을 향상시킨 열 중성자 기반 소형 용융염 원자로에 관한 것이다.
중대사고 및 수소폭발 위험 배제가 가능하다는 장점이 있는 용융염 원자로 (MSR, Molten Salt Reactor)는 4세대 원자로 개념 중 하나로, 현재 많은 관심을 받으며 연구소 및 스타트업에서 다양한 개념설계가 진행되고 있다. 통상적인 MSR은 염으로 치환된 연료를 고온에서 용융된 염에 용해하여 핵연료 및 냉각재로 사용하는 원자로를 지칭하며, 비상상황 시 잔열 제거가 용이하다는 장점 및 열팽창으로 인한 강한 음의 궤환 효과를 특징으로 가진다.
대표적인 선행연구로는 오크리지 국립 연구소 (ORNL, OakRidge National Laboratory)에서 수행된 MSRE (Molten Salt Reactor Experiment) 프로그램의 열중성자 스펙트럼 MSR이 있다. 그러나 상기의 용융염 원자로는 다량의 삼중수소 발생, 용융염 연료 실시간 재처리로 인한 낮은 핵확산 저항성, 흑연 감속재 사용에 의한 폐기물 생성 등의 기술적 문제가 있다. 이를 극복하고자 활성 노심에 감속재를 요구하지 않으며 높은 전환비 (Conversion Ratio)를 가지는 고속 중성자 스펙트럼에 기반한 용융염 원자로 (MSFR, Molten Salt Fast Reactor) 개념이 각광을 받고 있다. 그러나 열중성자 스펙트럼을 활용하더라도 상기의 문제점들을 극복할 수 있는 새로운 개념의 열중성자 MSR 개념설계 역시 이루어지고 있다.
최근 덴마크의 시보그 (Seaborg) 사는 CMSR (Compact Molten Salt Reactor) 이라 일컬어지는 새로운 형태의 열중성자 MSR 개념을 제안 및 상세한 설계를 진행하고 있다. CMSR의 주요 특징은 고체상태의 흑연 감속재가 아닌 액체 상태의 수산화나트륨 (NaOH)을 감속재로 활용한다는 것이다. 핵연료를 포함한 용융염으로는 불소 기반의 용융염인 NaF-KF-UF4를 사용하며, 다량의 원통형 관에 담겨 감속재와 더불어 활성 노심을 구성한다. 이때 핵연료 용융염을 담고 있는 활성 노심 내 관들은 노심의 상/하부에서 하나의 유로로 합쳐져 비활성 노심 영역과 연결되는데, 이를 통하여 활성 노심과 비활성 노심 사이에서 용융염이 순환하는 통상의 MSR 구조를 가진다. 비활성 노심 영역은 열 교환기와 연결되어 있으며, 용융염 연료가 활성 노심과 열 교환기를 오가며 핵분열에 의해 생성된 열이 제거된다(비특허문헌 1 참조).
시보그 사에서 제안하는 CMSR은 핵확산 저항성과 경제성을 모두 제고하기 위하여 연료의 재공급 및 실시간 재처리를 포함하지 않는 장주기 운전을 목표로 한다. 그러나 상대적으로 낮은 전환비를 가지는 열중성자로 특성상 장주기 운전 목표 달성을 위하여서는 매우 높은 초기 잉여반응도와 이를 조절할 수 있는 강력한 반응도 제어장치가 필수적으로 요구된다. 반응도 조절을 위하여 통상의 가압경수로 (PWR, Pressurized Water Reactor) 환경에서와 유사하게 강한 중성자 흡수체인 붕산을 액체 상태의 수산화나트륨에 용해하는 방안이 제안되었으나, 붕산농도 조절을 위한 추가적인 설비 및 양의 감속재 온도계수 (MTC, Moderator Temperature Coefficient)와 같은 기술적 한계가 있다.
이에 본 발명자들은 CMSR에 있어서 이러한 문제를 극복하며 장주기 운전을 달성하기 위하여, CMSR 환경에 적합한 가연성 흡수체 (BA; Burnable Absorber) 구조를 개발하고, 이를 CMSR에 적용함으로써, 중성자 경제성 및 안정성에 미치는 영향 및 이점들을 평가하여 연료 재처리 및 재공급을 배제한 장주기 운전이 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Vutheam Dos, Kyeongwon Kim, Eirik Eide Pettersen, Jacob Groth Jensen, Deokjung Lee, "Burnup Studies of Seaborg Compact Molten Salt Reactor by Serpent 2"Transactions of the Korean Nuclear Society, Virtual Meeting, December 17-18, (2021)
일 측면에서의 목적은,
가연성 흡수체를 구비하는 소형 열중성자 용융염 원자로를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
일 측면에서는,
핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염, 및 중성자 감속재 물질로서 용융 감속재염을 포함하는 원통형 활성 노심을 포함하고, 상기 활성 노심은 복수의 연료관을 포함하고, 상기 연료관 내부에는 상기 핵연료 용융염이 배치되고, 상기 연료관 외부에는 상기 용융 감속재염이 배치된 형태의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)로서,
상기 활성 노심은
원통형의 중심축으로부터 소정의 거리까지의 제1 영역; 및
상기 소정의 거리로부터 내주면까지의 제2 영역;을 포함하고,
상기 제1 영역 및 제2 영역에서 복수의 연료관 사이에 배치되는 가연성 흡수체;를 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로가 제공된다.
이때 상기 가연성 흡수체는
상기 제1 영역에 배치되는 제1 가연성 흡수체; 및
상기 제2 영역에 배치되는 제2 가연성 흡수체;를 포함하고,
동일한 면적에 배치되는 제1 가연성 흡수체의 부피가 제2 가연성 흡수체의 부피보다 크다.
상기 제1 및 제2 가연성 흡수체는
인접하는 3개의 상기 연료관 사이에 배치되는 봉(rod)형 가연성 흡수체; 및
상기 연료관 각각의 원주 방향으로 복수 개가 이격되어 배치되는 판(plate)형 가연성 흡수체;를 포함한다.
또한, 상기 판(plate)형 가연성 흡수체는 상기 제1 영역 및 제2 영역 중 적어도 제1 영역에 배치된다.
또한, 상기 가연성 흡수체는 가연성 흡수물질 및 이를 둘러싸는 피복재를 포함한다.
이때, 상기 피복재는 지르코늄, 스테인레스강 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.
또한, 상기 피복재는 내외부로 천공된 복수의 미세 기공을 포함할 수 있다.
또한, 상기 핵연료 핵연료 용융염은 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 물질의 불화물을 포함한다.
또한, 상기 용융 감속재 염은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하는 금속 수산화물을 포함한다.
또한, 상기 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는,
상기 활성 노심의 부피 이상의 부피를 갖도록 상기 활성 노심의 외측에 상기 활성 노심을 둘러싸며 형성되며, 상기 활성 노심과 유로 연결되는, 비활성 노심;을 더 포함한다.
또한, 상기 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는,
상기 비활성 노심과 유로 연결되는 열 교환기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는 잉여 반응도 변화의 효과적인 제어를 통해 핵연료의 재공급 또는 재처리 없이 장주기 운전을 달성할 수 있다.
본 발명의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는 활성 노심의 반경 방향 중성자속 및 감속재 온도계수 측면들에서 안정성 문제를 야기하지 않으며, 10년, 20년 수명의 CMSR에 모두 적용이 가능한 장점을 갖는다. 이에 CMSR의 경제성 및 안정성을 모두 제고할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개념을 설명하기 위한 개략적인 평면도이고,
도 2는 일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개념을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도와, 가연성 흡수체가 배치된 상기 원자로의 활성 노심의 제1 영역 및 제2 영역을 나타낸다.
도 4는 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개략적인 평면도이고,
도 5는 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개략적인 단면도이다.
도 6은 실시 예에 따라 목표 운전기간을 10년으로 설계한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도이다.
도 7은 실시 예에 따라 목표 운전기간을 20년으로 설계한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도이다.
도 8은 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 연소 결과를 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 반경방향 중성자속 분포를 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시 예에 따라 목표 운전기간을 20년으로 설계한 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 연소 결과를 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개념을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도와, 가연성 흡수체가 배치된 상기 원자로의 활성 노심의 제1 영역 및 제2 영역을 나타낸다.
도 4는 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개략적인 평면도이고,
도 5는 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 개략적인 단면도이다.
도 6은 실시 예에 따라 목표 운전기간을 10년으로 설계한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도이다.
도 7은 실시 예에 따라 목표 운전기간을 20년으로 설계한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도이다.
도 8은 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 연소 결과를 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 반경방향 중성자속 분포를 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시 예에 따라 목표 운전기간을 20년으로 설계한 가연성 흡수체를 구비한 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 연소 결과를 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명할 수 있다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 할 수 있다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
일 측면에서는,
핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염, 및 중성자 감속재 물질로서 용융 감속재염을 포함하는 원통형 활성 노심을 포함하고, 상기 활성 노심은 복수의 연료관을 포함하고, 상기 연료관 내부에는 상기 핵연료 용융염이 배치되고, 상기 연료관 외부에는 상기 용융 감속재염이 배치된 형태의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)로서,
상기 활성 노심은
원통형의 중심축으로부터 소정의 거리까지의 제1 영역; 및
상기 소정의 거리로부터 내주면까지의 제2 영역;을 포함하고,
상기 제1 영역 및 제2 영역에서 복수의 연료관 사이에 배치되는 가연성 흡수체;를 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로가 제공된다.
이하, 도면을 참조하여 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로를 구성별로 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)의 개념을 설명하기 위한 개략적인 평면도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는, 핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염(111), 및 중성자 감속재 물질로서 용융 감속재염(121)을 포함하는 원통형 활성 노심(100)을 포함한다. 이때, 원통형 활성 노심(100)은 적정 두께의 Hatelloy-N과 같은 물질로 이루어진다. 일례로 상기 원통형 활성 노심(100)은 1 내지 10cm의 두께를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는 종래의 열중성자 기반 용융염 원자로로서 흑연 등의 고체 감속제를 사용하는 경우 발생되는 다량의 삼중수소 발생, 용융염 연료 실시간 재처리로 인한 낮은 핵확산 저항성, 흑연 감속재 사용에 의한 폐기물 생성 등의 기술적 문제를 해결하기 위해 개발된, 소형 용융염 원자로(CMSR)(1000)로서, 핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염, 및 중성자 감속재 물질로서 용융 감속재염(121)을 포함한다.
이때, 상기 핵연료 핵연료 용융염(111)은 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 물질의 불화물을 포함할 수 있고, 본 발명에서 "핵분열성 물질"은 핵분열 가능한 물질 및 중성자 흡수에 의해 핵분열 가능한 물질로 변환되는 물질을 포함한다.
일례로, 상기 핵연료 핵연료 용융염(111)은 공용 조건의 NaF-KF-UF4을 사용할 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 적절한 핵연료 용융염(111)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 용융 감속재염(121)은 바람직하게는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하는 금속 수산화물을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 용융 감속재염(121)로서 액체 상태의 수산화 나트륨(NaOH)이 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는 상기 핵연료 용융염(111) 및 용융 감속재염(121)으로 활성 노심(100)을 구성하되, 상기 활성 노심(100) 내에 복수의 연료관(110)을 포함하여, 상기 연료관(110) 내부에는 상기 핵연료 용융염(111)을 배치하고, 상기 연료관(110)의 외부(120)에는 상기 용융 감속재염(121)을 배치한 구조를 갖는다.
이때, 상기 핵연료 용융염(111)을 담는 연료관(110)은 지르코늄, 스테인레스강 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있고, 부식 방지를 위해 내부면 및 외부면에 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 연료관(110)은 내부면 및 외부면이 하스텔로이-N(Hastelloy-N)으로 코팅된 스테인레인 강으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 연료관(110)은 상기 활성 노심의 상부 및/또는 하부에서 하나의 유로로 합쳐서 비활성 노심과 유로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는 도 1에 도시한 바와 같이 상기 활성 노심(100)의 외측에 상기 활성 노심(100)을 둘러싸며 형성되며, 상기 활성 노심(100)의 연료관(110)과 유로 연결된 비활성 노심(200)을 더 포함할 수 있다.
이를 통하여 상기 활성 노심(100) 및 비활성 노심(200) 사이에서 핵연료 용융염(111)이 순환하는 통상의 용융염 원자로(MSR) 구조를 가질 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는 상기 비활성 노심과 유로 연결되는 열 교환기;를 더 포함할 수 있다.
이를 통하여 핵연료 용융염(111)이 활성 노심(100), 비활성 노심(200) 및 열 교환기(미도시)를 순환하며 핵분열에 의해 생성된 열이 제거될 수 있다.
일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는 중성자 흡수체로서 붕산을 상기 용융 감속재염(121)에 융해시켜 사용하는 구조가 갖는 붕산 농도 조절을 위한 추가적인 설비 및 양의 감속재 온도계수 (MTC, Moderator Temperature Coefficient)와 같은 기술적 한계를 극복하기 위한 것으로, 자기차폐효과(self-shielding)를 갖는 가연성 흡수체(BA)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 활성 노심(100)은
원통형의 중심축으로부터 소정의 거리까지의 제1 영역(101); 및
상기 소정의 거리로부터 내주면까지의 제2 영역(102);을 포함하고,
상기 제1 영역(101) 및 제2 영역(102)에서 복수의 연료관(110) 사이에 배치되는 가연성 흡수체(130);를 포함한다.
이때, 상기 제1 영역을 정의하는 "중심축으로부터 소정의 거리"는 바람직하게는 활성 노심의 직경의 약 15% 내지 35%, 바람직하게는 활성 노심의 직경의 약 20% 내지 30%까지를 의미한다.
일례로, 상기 활성 노심의 직경이 125cm일 때, 상기 제1 영역은 상기 활성 노심 중 직경이 약 20cm 내지 40cm인 영역일 수 있고, 보다 바람직하게는 22cm 내지 33cm인 영역일 수 있다.
일례로, 도 1에 도시한 바와 같이, 211개의 연료관(110)이 활성 노심(100) 내 정육각형 형태로 채워지도록 배치될 수 있고, 정육각형의 각 변에 4개씩 추가 배치되어, 총 235의 연료관(110)이 배치될 수 있고, 이때, 중심축에서 지름 방향 5개의 연료관(110)이 이루는 정육각형 형태의 영역이 제1 영역이, 상기 제1 영역으로부터 활성 노심의 내주면까지가 제2 영역이 될 수 있다.
상기 가연성 흡수체(130)는
상기 제1 영역(101)에 배치되는 제1 가연성 흡수체(131, 132); 및
상기 제2 영역(102)에 배치되는 제2 가연성 흡수체(133, 134);를 포함하고,
동일한 면적에 배치되는 1 가연성 흡수체(131, 132)의 부피가 제2 가연성 흡수체(133, 134)의 부피보다 큰 것을 특징으로 한다. 즉, 중성자속이 높은 노심 중심부인 제1 영역에서의 가연성 흡수체의 밀집도를 보다 크도록 형성함으로써 잉여반응도가 크게 변화하는 것을 억제할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)의 평면도와, 제1 가연성 흡수체(131, 132)가 배치된 상기 원자로(1000)의 활성 노심(100)의 제1 영역(101) 및 제2 가연성 흡수체(133, 134)가 배치된 상기 원자로(1000)의 활성 노심(100)의 제2 영역(102)을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 상기 가연성 흡수체(130)는 상기 제1 및 제2 가연성 흡수체는 봉(rod)형 가연성 흡수체(131, 133) 및 판(plate)형 가연성 흡수체(132, 134)를 포함할 수 있다.
이때 상기 봉(rod)형 가연성 흡수체(131, 133)는 인접하는 3개의 연료관(110) 사이에 배치될 수 있고, 바람직하게는 인접하는 3개의 연료관으로부터의 거리가 동일 또는 유사한 위치에 배치될 수 있다.
또한, 상기 판(plate)형 가연성 흡수체(132, 134)는 상기 연료관(110)으로부터 이격된 거리에 상기 연료관(110)의 원주 방향으로 복수 개가 배치될 수 있고 보다 바람직하게는 인접하는 2개의 연료관(110)으로부터의 거리가 동일 또는 유사하도록 위치될 수 있다.
이때, 동일한 면적에 배치되는 1 가연성 흡수체(131, 132)의 부피가 제2 가연성 흡수체(133, 134)의 부피보다 크도록 예를 들어, 제1 영역(101) 및 제2 영역(102)에 동일하거나 유사한 크기의 봉(rod)형 가연성 흡수체(131, 133)를 배치하고, 상기 제1 영역(101) 및 제2 영역(102)에 판(plate)형 가연성 흡수체(132, 134)를 배치하되, 제1 영역(101)에 배치되는 개별 가연성 흡수체(132)의 부피가 상기 제2 영역(102)에 배치되는 가연성 흡수체(134)의 부피보다 크도록 형성할 수 있다.
또는, 제1 영역(101) 및 제2 영역(102)에 동일하거나 유사한 크기의 봉(rod)형 가연성 흡수체(131, 133)를 배치하고, 상기 제1 영역(101)에만 판(plate)형 가연성 흡수체(132, 134)를 추가 배치할 수 있다.
또는, 제1 영역(101)에 배치되는 봉(rod)형 가연성 흡수체(131)의 부피를 제2 영역(102)에 배치되는 봉(rod)형 가연성 흡수체(133) 보다 크게 형성하고 상기 제1 영역(101) 및 제2 영역(102)에는 개별 판(plate)형 가연성 흡수체(132, 134)의 부피를 동일 또는 유사하게 배치하거나 또는 제1 영역(101)에 배치되는 개별 가연성 흡수체(132)의 부피를 상기 제2 영역(102)에 배치되는 가연성 흡수체(134)의 부피보다 작게 형성할 수도 있다.
일 실시 예에 따른 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(1000)는 상기 구조로 배치된 가연성 흡수체(130)를 포함함으로써, 상대적으로 낮은 전환비를 가지는 열중성자의 특성상 장주기를 달성하기 위해 매우 높은 초기 잉여 반응도를 사용하는 조건에서 잉여 반응도를 효과적으로 제어할 수 있어, 잉여 반응도를 약 1,000cpm 이내로 큰 변화 없이 장주기 운전이 가능한 장점을 갖는다.
또한, 상기 구조로 배치된 가연성 흡수체(130)를 포함함으로써, 운전 초기 활성 노심의 중심부 중성자속을 강하게 억제함으로써, 첨두출력(peak power)의 증가 등의 문제를 야기하지 않음으로써 안정성을 향상시킨 장점을 갖는다.
또한, 상기 구조로 배치된 가연성 흡수체(130)를 포함함으로써, 온도 증가에 따라 감속재 온도계수가 보다 음의 계수를 갖도록 함으로써, 감속재 온도 계수에 부정적인 영향을 미치지 않음으로써 안정성을 향상시킨 장점을 갖는다.
이때 상기 가연성 흡수체(130)는 가연성 흡수물질 및 이를 둘러싸는 피복재를 포함할 수 있다.
상기 가연성 흡수물질은 B4C, Gd, Gd2O3 및 이들의 조합으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 B4C 일 수 있다.
상기 피복재는 지르코늄, 스테인레스강 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, B4C를 가연성 흡수물질로 사용할 경우, 상기 피복재 내외부로 천공된 복수의 미세 구멍을 포함할 수 있다.
이는 상기 가연성 흡수체를 이루는 붕소(B-10)가 중성자를 흡수하여 생성한 헬륨을 외부로 방출시키기 위한 것이다.
이하, 실시 예 및 실험 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시 예 및 실험 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시 예 1>
도 4 및 5는 실시 예 1의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
실시 예 1의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로로서, 도 4 및 5에서와같이 235개의 연료관(110)을 활성 노심(100)에 가지는 열출력 250MWth의 CMSR 구조가 고려되었다. 상기 각 연료관은 반지름이 10cm이고, 길이가 약 200cm인 관(tube) 형태로 부식(corrosion) 저항성을 확보하기 위하여 내부와 외부에 0.1cm의 Hastelloy-N 합금으로 코팅되고, 구조 물질로는 두께 0.3cm의 스테인레스강 (SS316)이 활용되었다.
용융 감속재 염으로서 액체 상태의 NaOH 감속재를 사용하였으며, 상기 NaOH 감속재와 연료관들로 이루어진 활성 노심(100) 영역은 반지름이 125cm이고 두께가 5cm인 Hastelloy-N으로 이루어진 원자로 용기 내부에 위치시켰다. 원자로 용기 외부로는 활성 노심(100)에서 핵연료 용융염(111)이 차지하는 부피와 동일한 부피를 가지는 비활성 노심 영역이 고려되며, 상기 비활성 노심 영역 또한 5cm 두께의 Hastelloy-N 구조체로 감쌌다.
CMSR의 활성 노심을 구성하는 핵연료 용융염(111)으로는 공융(eutectic) 조건의 NaF-KF-UF4를 고려하였으며, 현실적인 원자로 가동을 위하여 약 800K의 공융점 온도를 가지는 공융 조성 중 가장 높은 UF4 비율을 가지는 몰비 45.0:22.2:32.8 조성을 선택하였다. 상기 조성의 핵연료 용융염(111)인 45.0NaF-22.2KF-32.8UF4는 808K의 공융점 온도를 갖는다. 한편, 상기 연료염은 최대 사용 가능한 우라늄 농축도인 19.75를 사용하였다.
핵연료 용융염 연료, 감속재, 연료관 코팅층 및 연료관의 물질과 상기 물질의 CMSR의 평균 운전온도인 923.15K 조건에서의 밀도를 아래의 표 1에 나타내었다.
| 구조 (Components) | 물질 (Materials) | 밀도 [g/cc] |
| 핵연료 용융염 | NaF-KF-UF4 | 4.261 |
| 감속재 | NaOH | 1.6264 |
| 연료관(내벽/외벽)코팅층 | Hastelloy-N | 8.86 |
| 연료관 | SS316 | 8.00 |
CMSR의 활성 노심에 배치되는 가연성 흡수체(BA)는 도 3에 도시된 바와 같이, 봉(rod) 및 판(plate) 형태의 천연 붕산 기반의 B4C(2.016 g/cc; 이론 밀도의 80%)가연성 흡수체로 형성하였다.
보다 구체적으로, 판 형태의 B4C 가연성 흡수체는 상기 연료관을 둘러싸도록 배치하되 이웃하는 연료관과 이격된 거리가 동일한 위치에 배치하고, 봉 형태의 B4C 가연성 흡수체는 3개의 연료관 사이에 배치하되, 상기 3개의 연료관과 이격된 거리가 동일한 위치에 배치하였다.
이때 활성 노심에서의 중성자속 분포를 고려하여 상대적으로 높은 중성자속을 가지는 노심 중심부 (inner core region)인 제1 영역에는 외곽부 (outer core region)인 제2 영역보다 상대적으로 두꺼운 판 형태의 흡수체가 배치되었으며, 모든 흡수체는 재료의 건전성 및 중성자 경제성을 저해하지 않도록 미세 구멍이 형성된 형태의 피복재로 감쌌으며, 상기 피복재는 150μm의 지르코늄 (Zr) 또는 300μm의 스테인레스강 (SS316)으로 형성하였다.
가연성 흡수체들의 상세 구조 및 크기를 아래의 표 2에 나타내었다.
| 가연성 흡수체 종류 | 규격 | 위치 |
| 봉 (Rod-in) | 반지름 = 0.260 cm | 제1 영역(Inner core) |
| 봉 (Rod-out) | 반지름 = 0.271 cm | 제2 영역(Outer core) |
| 판 (Plate-in) | 0.12 cm x 1.980 cm | 제1 영역(Inner core) |
| 판 (Plate-out) | 0.05 cm x 0.540 cm | 제2 영역(Outer core) |
- 상기 표 2에서 규격은 피복재를 제외한 천연 B4C 흡수체만을 지칭함
<실시 예 2>
실시 예 1과 동일한 방법으로, 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로를 설계하되, 약 20년 수명의 CMSR을 설계하기 위하여, 초기 잉여반응도는 활성 노심의 조건에 따라 결정되기에 동일한 값을 가지나, 증대된 비활성 노심 크기에 비례하여 핵원료물질(fertile material)의 장전량이 늘어나 수명이 증대되는 사실을 기반으로, 비활성 노심의 크기를 증대(도 7 참조)시키고, 변화된 노심환경을 반영하여 약 1000 pcm 이내로 20년 동안 잉여반응도를 유지하기 위한 가연성 흡수체들의 상세 구조 및 크기를 아래의 표 3의 조건으로 설계하는 것으로 변경한 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일한 방법으로 설계하였다.
표 3에서 나타낸 바와 같이, 실시 예 1과 달리 실시 예 2에서는 제2 영역에는 봉(rod) 형태의 흡수체만이 고려되었으며, 피복재로는 150μm의 지르코늄이 사용되었다.
| 가연성 흡수체 종류 | 규격 | 위치 |
| 봉 (Rod-in) | 반지름 = 0.530 cm | 제1 영역 (Inner Core) |
| 봉 (Rod-out) | 반지름 = 0.479 cm | 제2 영역 (Outer Core) |
| 판 (Plate-in) | 0.04 cm x 1.960 cm | 제1 영역 (Inner Core) |
- 상기 표 3에서 규격은 피복재를 제외한 천연 B4C 흡수체만을 지칭함
<실험 예 1> 연소도 평가
실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 성능 평가를 위하여 몬테카를로 기반의 노심 해석 전산코드인 서펀트(Serpent2)를 활용하였다. 가연성 흡수체가 구비되지 않은 경우(No BA), 지르코늄 피복재의 가연성 흡수체를 구비하는 경우(실시예 1, with BA, Zircaloy), 그리고 스테인레스강 피복재의 가연성 흡수체를 구비하는 경우 (실시 예 1, with BA, SS316) 의 연소 계산 결과를 도 8 및 표 4에 나타나 있다.
| 가연성 흡수체 유/무 | 연소도 [GWD/MTU] | 연소도 [EFPY; 년] |
| No BA | 52.27 | 10.43 |
| With BA (Zircaloy) | 50.36 | 10.05 |
| With BA (SS316) | 49.73 | 9.92 |
도 8에 나타난 바와 같이, 가연성 흡수체가 구비되지 않은 경우(비교 예 1, No BA)고려되지 않은 경우, 초기 14,000 pcm 이상의 매우 큰 잉여반응도를 가지게 되며, 이후 연소가 진행됨에 점진적으로 감소하여 약 10.5년의 수명을 가짐을 확인할 수 있다. 이에 반해 가연성 흡수체가 포함하는 경우(실시 예 1), 잉여반응도의 변화가 1,000 pcm 이내로 약 10년간 유지됨을 확인할 수 있다.
상기 결과를 통해, 가연성 흡수체를 구비하는 경우, 장주기 운전동안 보다 용이하게 잉여반응도를 조절할 수 있음을 확인할 수 있으며, 또한 이는 붕산이 아닌 드럼형태와 같은 기계적 반응도 제어장치만으로도 잉여반응도를 조절할 수 있음을 시사한다.
또한, 상기 표 4를 통해 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우 대비 가연성 흡수체를 구비하는 경우(실시 예 1)가 약 0.5년의 연소도 감소가 일어남을 확인할 수 있다. 이는 가연성 흡수체가 차지하는 부피만큼 감속재의 부피가 줄어듬으로부터 기인된 것으로 예상된다. 붕산 활용의 필요성을 제거함으로써 얻는 이득을 고려한다면 충분히 수용 가능한 수준이다.
<실험 예 2> 노물리적 효과 평가
실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로에서 가연성 흡수체 개념이 CMSR에 미치는 노물리적 효과를 평가하기 위하여 반경방향 중성자속 분포와 감속재 온도계수를 평가하고, 그 결과를 도 9, 표 5 및 6에 나타내었다.
도 9는 가연성 흡수체의 유/무에 따른 주기 초 (BOC; Beginning of Cycle), 주기 중 (MOC; Middle of Cycle), 주기 말 (EOC; End of Cycle)에서의 정규화된 반경방향 중성자속을 나타낸다. 이때 가연성 흡수체를 감싸는 피복재로는 150μm의 지르코늄이 고려되었다.
가연성 흡수체가 고려되지 않은 경우 (No BA), 연소도에 상관없이 매우 유사한 반경방향 중성자속 분포를 가짐을 확인할 수 있다. 이에 반해 가연성 흡수체가 고려될 경우 (With BA), 주기 초 중심부 중성자속이 매우 강하게 억제되며, 연소가 진행됨에 따라 가연성 흡수체가 고려되지 않았을 시의 분포와 유사해짐을 볼 수 있다.
상기 결과를 통해 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는 가연성 흡수체를 구비함으로써, 첨두출력(peak power)의 증가를 포함한 안정성 문제를 야기하지 않는 것을 시사한다.
또한, 가연성 흡수체가 CMSR의 감속재 온도계수에 미치는 노물리적 영향을 평가하기 위하여 감속재로 활용되는 수산화나트륨(NaOH)의 온도에 따른 밀도변화를 다음과 같이 계산하였다.
감속재의 온도변화에 따른 증배계수의 변화로부터 감속재 온도계수를 평가할 수 있으며, 피복재로 두께 150μm의 지르코늄을 사용하는 가연성 흡수체의 유/무에 따른 주기 초, 주기 말에서의 평가 결과에 대하여, 가연성 흡수체를 구비하지 않은 경우의 감속재 온도계수를 아래의 표 5에, 가연성 흡수체를 구비한 경우의 감속제 온도 계수를 아래의 표 6에 나타내었다.
| 주기 초 (BOC) | ||
| 온도범위 [K] | 감속재 온도계수 [pcm/K] | 불확실도 [pcm/K] |
| 823.15~873.15 | 1.66 | 0.05 |
| 873.15~923.15 | 1.22 | 0.05 |
| 923.15~973.15 | 0.88 | 0.05 |
| 973.15~1023.15 | 0.60 | 0.05 |
| 주기 말 (EOC) | ||
| 온도범위 [K] | 감속재 온도계수 [pcm/K] | 불확실도 [pcm/K] |
| 823.15~873.15 | 1.62 | 0.06 |
| 873.15~923.15 | 1.05 | 0.05 |
| 923.15~973.15 | 0.49 | 0.05 |
| 973.15~1023.15 | 0.16 | 0.05 |
| 주기 초 (BOC) | ||
| 온도범위 [K] | 감속재 온도계수 [pcm/K] | 불확실도 [pcm/K] |
| 823.15~873.15 | 0.99 | 0.07 |
| 873.15~923.15 | 0.54 | 0.06 |
| 923.15~973.15 | 0.42 | 0.06 |
| 973.15~1023.15 | -0.02 | 0.06 |
| 주기 말 (EOC) | ||
| 온도범위 [K] | 감속재 온도계수 [pcm/K] | 불확실도 [pcm/K] |
| 823.15~873.15 | 1.65 | 0.05 |
| 873.15~923.15 | 1.10 | 0.05 |
| 923.15~973.15 | 0.64 | 0.05 |
| 973.15~1023.15 | 0.10 | 0.05 |
상기 표 5 및 6에 나타난 바와 같이, 가연성 흡수체를 구비하거나 구비하지 않은 경우 모두에서, 온도범위가 증가함에 따라 보다 음의 온도계수를 가짐을 확인할 수 있다. 이는 밀도가 감소함에 따라 감속재를 이루는 원자들이 반응할 수 있는 유효 중성자 개수가 증가함으로부터 기인한다.
한편, 가연성 흡수체를 구비하는 경우(표 5), 주기 초 온도계수를 감소시키는데, 이는 흡수체가 대체하는 감속재의 부피만큼 중성자가 덜 연화되기 때문으로 볼 수 있다. 연소가 진행됨에 흡수체를 이루는 붕소(B-10)가 중성자를 흡수하여 헬륨(He-4)과 리튬(Li-7)으로 핵변환 하는데, 생성된 원자들이 효과적으로 중성자를 감속시킬 수 있기에 주기 말에서는 감속재의 유/무에 관계없이 온도계수가 유사해진다. 결론적으로, 가연성 흡수체를 구비함으로써 감속재 온도계수에 부정적인 영향을 끼치지 않음을 확인할 수 있다.
<실험 예 3>
일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로를 보다 긴 장주기 운전을 목표로 하는 CMSR 설계에도 적용될 수 있음을 확인하기 위하여, 비활성 노심의 크기를 증대시켜 약 20년의 수명을 가지는 CMSR를 설계(실시 예 2)하였으며, 연소계산 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타나 바와 같이, 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는 약 20년 동안 잉여반응도 변화를 약 1,000 pcm 이내로 효과적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
상기 결과로부터 일 실시 예에 따른 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로는 가연성 흡수체를 통해 자기차폐효과를 적절히 조절하여 목표하는 운전기간 동안 잉여반응도의 변화를 약 1,000 pcm 이내로 조절할 수 있어, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로의 장주기 운전을 도모할 수 있음을 확인할 수 있다.
100: 활성 노심
101: 제1 영역
102: 제2 영역
110: 연료관
111: 핵연료 용융염
120: 연료관 외부
121: 용융 감속재염
130: 가연성 흡수체
131, 132: 제1 가연성 흡수체
133, 134: 제2 가연성 흡수체
131, 133: 봉형 가연성 흡수체
132, 134: 판형 가연성 흡수체
200: 비활성 노심
1000: 열중성자 기반 소형 용융염 원자로
101: 제1 영역
102: 제2 영역
110: 연료관
111: 핵연료 용융염
120: 연료관 외부
121: 용융 감속재염
130: 가연성 흡수체
131, 132: 제1 가연성 흡수체
133, 134: 제2 가연성 흡수체
131, 133: 봉형 가연성 흡수체
132, 134: 판형 가연성 흡수체
200: 비활성 노심
1000: 열중성자 기반 소형 용융염 원자로
Claims (11)
- 핵분열성 물질을 갖는 핵연료 용융염, 및 중성자 감속재 물질로서 용융 감속재염을 포함하는 원통형 활성 노심을 포함하고, 상기 활성 노심은 복수의 연료관을 포함하고, 상기 연료관 내부에는 상기 핵연료 용융염이 배치되고, 상기 연료관 외부에는 상기 용융 감속재염이 배치된 형태의 열중성자 기반 소형 용융염 원자로(Compact Molten Salt Reactor, CMSR)로서,
상기 활성 노심은
원통형의 중심축으로부터 소정의 거리까지의 제1 영역; 및
상기 소정의 거리로부터 내주면까지의 제2 영역;을 포함하고,
상기 제1 영역 및 제2 영역에서 복수의 연료관 사이에 배치되는 복수의 가연성 흡수체;를 포함하고,
상기 가연성 흡수체는
상기 제1 영역에 배치되는 제1 가연성 흡수체; 및
상기 제2 영역에 배치되는 제2 가연성 흡수체;를 포함하고,
동일한 면적 내에 배치되는 제1 가연성 흡수체의 부피가 제2 가연성 흡수체의 부피보다 큰, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가연성 흡수체는
인접하는 3개의 상기 연료관 사이에 배치되는 봉(rod)형 가연성 흡수체; 및
상기 연료관 각각의 원주 방향으로 복수 개가 이격되어 배치되는 판(plate)형 가연성 흡수체;를 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제3항에 있어서,
상기 판(plate)형 가연성 흡수체는 상기 제1 영역 및 제2 영역 중 적어도 제1 영역에 배치되는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 가연성 흡수체는 가연성 흡수물질 및 이를 둘러싸는 피복재를 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제5항에 있어서,
상기 피복재는 지르코늄, 스테인레스강 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제5항에 있어서,
상기 피복재는 내외부로 천공된 복수의 미세 기공을 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 핵연료 용융염은 알칼리 금속의 불화물 및 핵분열성 물질의 불화물을 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 용융 감속재 염은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하는 금속 수산화물을 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 활성 노심의 부피 이상의 부피를 갖도록 상기 활성 노심의 외측에 상기 활성 노심을 둘러싸며 형성되며, 상기 활성 노심과 유로 연결되는, 비활성 노심;을 더 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
- 제10항에 있어서,
상기 비활성 노심과 유로 연결되는 열 교환기;를 더 포함하는, 열중성자 기반 소형 용융염 원자로.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230007655A KR102601430B1 (ko) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230007655A KR102601430B1 (ko) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102601430B1 true KR102601430B1 (ko) | 2023-11-14 |
Family
ID=88744939
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230007655A KR102601430B1 (ko) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102601430B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101776860B1 (ko) * | 2016-04-20 | 2017-09-11 | 한국전력 국제원자력대학원대학교 산학협력단 | 원자로 노심의 잉여반응도를 평탄화시키기 위한 가연성 흡수봉 |
| KR20200018666A (ko) * | 2017-06-16 | 2020-02-19 | 시보그 에이피에스 | 용융 염 원자로 |
-
2023
- 2023-01-18 KR KR1020230007655A patent/KR102601430B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101776860B1 (ko) * | 2016-04-20 | 2017-09-11 | 한국전력 국제원자력대학원대학교 산학협력단 | 원자로 노심의 잉여반응도를 평탄화시키기 위한 가연성 흡수봉 |
| KR20200018666A (ko) * | 2017-06-16 | 2020-02-19 | 시보그 에이피에스 | 용융 염 원자로 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Vutheam Dos, Kyeongwon Kim, Eirik Eide Pettersen, Jacob Groth Jensen, Deokjung Lee, "Burnup Studies of Seaborg Compact Molten Salt Reactor by Serpent 2"Transactions of the Korean Nuclear Society, Virtual Meeting, December 17-18, (2021) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Roberts | Structural materials in nuclear power systems | |
| Peakman et al. | Advanced micro-reactor concepts | |
| Sinha | Advanced nuclear reactor systems–an Indian perspective | |
| JP4138763B2 (ja) | 加圧水型原子炉の燃料集合体及び燃料集合体の設計方法 | |
| CN103236276A (zh) | 一种用于液态重金属冷却反应堆的控制棒 | |
| Awan et al. | Neutronic design study of a small modular IPWR loaded with accident tolerant-fully ceramic micro-encapsulated (AT-FCM) fuel | |
| Kim et al. | Thorium fuel performance in a tight-pitch light water reactor lattice | |
| Hartanto et al. | Neutronics assessment of accident-tolerant fuel in advanced power reactor 1400 (APR1400) | |
| CA2955978C (en) | Doppler reactivity augmentation device | |
| Anglart | Applied reactor technology | |
| US3127325A (en) | Reactor with prompt negative temperature | |
| KR102601430B1 (ko) | 가연성 흡수체를 구비하는 열중성자 기반 소형 용융염 원자로 | |
| KR101776860B1 (ko) | 원자로 노심의 잉여반응도를 평탄화시키기 위한 가연성 흡수봉 | |
| JPS58135989A (ja) | 沸騰水型原子炉燃料集合体 | |
| Poullikkas | An overview of future sustainable nuclear power reactors. | |
| Sciora et al. | Importance of the Doppler Constant and of the fuel temperature evaluation for the design of a'CADOR'core | |
| Oka et al. | Light water reactor design | |
| Vezzoni et al. | Optimization of safety parameters and accident mitigation measures for innovative fast reactor concepts | |
| JPH11352272A (ja) | 原子炉の炉心及びその炉心に用いられる燃料集合体並びに燃料要素 | |
| RU2236712C2 (ru) | Регулирующая тепловыделяющая сборка водо-водяного энергетического реактора | |
| Asif et al. | Advancement of Integral Fast Reactor | |
| Takahashi et al. | Design concepts of LFRs and related studies in CRINES of Tokyo Tech | |
| Mohamed | Study of using zirconium as a reflector for light water reactors | |
| Tong et al. | Role of materials to advanced nuclear energy | |
| Karahan | Possible design improvements and a high power density fuel design for integral type small modular pressurized water reactors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |