KR102626866B1 - 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기 - Google Patents

열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기에 관한 것이다. 이러한 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기는, 열전소자를 포함하는 발전 모듈이 뚜껑 내부에 설치되므로 사용후핵연료로부터 발생하는 열을 이용하여 높은 효율로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

Description

열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기{A SPENT NUCLEAR FUEL DISPOSAL VESSEL THAT RECOVERS DECAY HEAT BY APPLYING THERMO ELECTRONIC MODULE}
본 발명은, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전소자를 포함하는 발전 모듈이 설치되어 사용후핵연료로부터 발생하는 열을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기에 관한 것이다.
사용후핵연료는 중수로(CANDU) 등의 원자로에서 원자력 발전용으로 사용된 후의 핵연료를 지칭하며 최종 처분 이전에 특수하게 설계된 저장 용기에 수납된 상태에서 저장 장소에 보관된다.
사용후핵연료의 저장 방법은 크게 습식 저장 방법과 건식 저장 방법으로 구분되는데, 최근 들어 용량 확장과 장기 관리 측면에서 유리한 건식 저장 방법이 많이 사용되기도 한다. 사용후핵연료의 건식 저장 방법은 습식 저장 방법에 비하여 안전성이 우수하고 운영비가 저렴하며, 저장 용량을 증대시킬 수 있는 등의 장점을 가지고 있다.
사용후핵연료를 저장하는 경우 사용후핵연료로부터 많은 양의 열이 발생되는데, 일반적으로는 사용후핵연료로부터 발생되는 열을 자연 대류 등에 의해서 방열하여 외부 대기로 방출시키지만, 사용후핵연료로부터 발생되는 열을 외부 대기로 방출시키는 대신에 이를 활용하기 위한 방안이 모색되기도 한다.
예를 들어, 한국 공개 특허 제10-2022-0166538호는 사용후핵연료를 저장하는 캐니스터의 외부 표면을 열전유닛이 둘러싸는 구조를 가지는 건식 저장 장치를 개시하고 있다.
구체적으로, 한국 공개 특허 제10-2022-0166538호에 개시된 건식 저장 장치는 열전소자를 포함하는 열전유닛을 이용하여 사용후핵연료로부터 발생되는 열로 전기 에너지를 발생시키고, 발생된 전기 에너지를 이용하여 건식 저장 장치의 성능 감시에 필요한 전원이 자체적으로 공급되도록 구성된다.
한편, 열전소자는 열전소자에 포함되는 두 종류의 금속의 온도 차이가 클수록 많은 양의 전기 에너지를 발생시키는데, 한국 공개 특허 제10-2022-0166538호에 개시된 건식 저장 장치는 열전유닛이 캐니스터의 내부보다 상대적으로 낮은 온도를 가지는 캐니스터의 외부 표면을 둘러싸도록 구성되므로, 열전유닛이 캐니스터의 내부에 배치될 때보다 열전소자에 포함되는 두 종류의 금속의 온도 차이가 작게 되어 상대적으로 적은 양의 전기 에너지를 발생시키게 된다.
그러므로, 사용후핵연료로부터 발생되는 열을 이용하여 열전소자로 보다 많은 양의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다.
본 발명의 일 과제는, 사용후핵연료로부터 발생하는 열을 이용하여 높은 효율로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제는, 사용후핵연료로부터 조사되는 중성자에 의한 열전소자의 열화를 최소화시킬 수 있는 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기를 제공하는데 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기는, 하면 및 측면을 포함하고 상부가 개방되어 내부에 공간이 형성되며, 상기 공간에 사용후핵연료를 수용 가능한 용기, 상기 용기의 상부를 덮어서 상기 공간을 밀폐 가능한 뚜껑 및 상기 뚜껑 내부에 설치되며 상기 사용후핵연료로부터 발생하는 열을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 모듈을 포함하고, 상기 발전 모듈은, N형 소자와 P형 소자를 포함하는 열전소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전 모듈은, 상기 열전소자의 일면과 대향하도록 상기 열전소자의 하부에 배치되고, 상기 사용후핵연료로부터 조사되는 중성자를 흡수하는 중성자 흡수 부재 및 상기 열전소자의 다른 일면과 대향하도록 상기 열전소자의 상부에 배치되고, 상기 열전소자와 접촉하여 상기 열전소자를 냉각시키는 방열판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 용기는 상기 하면이 원형인 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 열전소자는 상기 하면에 평행한 단면이 원형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하면의 중심을 지나며 상기 하면에 수직한 가상의 선분과 상기 측면의 외주면 간의 최단 거리가 제1 거리이고, 상기 가상의 선분과 상기 측면의 내주면 간의 최단 거리가 제2 거리가 되도록 상기 측면이 형성되며, 상기 열전소자의 상기 하면에 평행한 단면의 반지름은 길이가 상기 제1 거리 이상이고 상기 제2 거리 미만일 수 있다.
또한, 상기 중성자 흡수 부재는 상기 열전소자의 일면 전부와 대향하도록 형성되고, 상기 방열판은 상기 열전소자의 다른 일면 전부와 대향하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 중성자 흡수 부재는 붕소를 포함하고, 상기 방열판은 구리를 포함할 수 있다.
또한, 상기 뚜껑은 주철로 형성될 수 있다.
과제를 해결하기 위한 기타 실시예들의 구체적인 사항들은 발명의 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
전술한 본 발명의 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명에 따른 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기는, 열전소자를 포함하는 발전 모듈이 뚜껑 내부에 설치되어 열전소자에 포함되는 두 종류의 금속 중 어느 하나의 금속의 온도가 효과적으로 높아지므로, 열전소자에 포함되는 두 종류의 금속 간의 온도 차이가 커져서 높은 효율로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 발전 모듈이 열전소자의 하부에 설치되며 중성자를 흡수하는 중성자 흡수 부재를 포함하므로, 사용후핵연료로부터 조사되는 중성자에 의한 열전소자의 열화를 최소화시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기를 도시한 도면이다.
도 2는 용기를 도시한 도면이다.
도 3은 뚜껑을 도시한 도면이다.
도 4는 발전 모듈을 도시한 도면이다.
도 5는 열전소자를 도시한 도면이다.
도 6은 용기의 공간에 사용후핵연료가 수용된 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기의 구성에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기(1)는 용기(100) 및 뚜껑(200)을 포함한다.
먼저, 용기(100)에 관하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 용기(100)는 하면(110) 및 측면(120)을 포함하고, 상부가 개방되어 내부에 공간(130)이 형성된다.
하면(110)은 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 원형으로 형성될 수도 있다. 하면(110)이 원형으로 형성되는 경우, 용기(100)는 하면(110)이 원형인 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
측면(120)은 하면(110)으로부터 상부로 연장되어 형성될 수 있으며, 용기(100)가 원기둥 형상으로 형성되는 경우에는 하면(110)에 평행한 단면이 환형이 되도록 형성될 수 있다.
도 2는 용기를 도시한 도면이다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 용기(100)가 원기둥 형상으로 형성되는 경우 측면(120)은 하면(110)의 중심(C)을 지나며 하면(110)에 수직한 가상의 선분(L)과 측면(120)의 외주면 간의 최단 거리가 제1 거리(d1)가 되고, 가상의 선분(L)과 측면(120)의 내주면 간의 최단 거리가 제2 거리(d2)가 되도록 형성될 수 있다.
한편, 용기(100)에 형성된 공간(130)에는 사용후핵연료(300)가 수용될 수 있다.
이어서, 뚜껑(200)에 관하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 뚜껑(200)은 용기(100)의 개방된 상부를 덮어서 공간(130)을 밀폐 가능하도록 형성될 수 있으며, 주철 등의 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 뚜껑(200)은 용기(100)의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 용기(100)가 원기둥 형상으로 형성되는 경우에 뚜껑(200)은 용기(100)의 하면(110)에 평행한 단면이 원형이 되는 형상으로 형성될 수 있다.
도 3은 뚜껑을 도시한 도면이다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 뚜껑(200)은 내부에 발전 모듈(210)이 설치될 수 있다. 발전 모듈(210)은 열전소자(212)를 포함함으로써 용기(100)에 수용된 사용후핵연료로부터 발생하는 열을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
도 4는 발전 모듈을 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 4를 참조하여 설명하면, 발전 모듈(210)은 열전소자(212), 중성자 흡수 부재(214) 및 방열판(216)을 포함할 수 있다.
열전소자(212)는 제베크 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시키며 N형 소자와 P형 소자를 포함하는 종래의 열전소자로 구성될 수 있으며, 일면이 용기(100)의 하면(110)과 대향하고 다른 일면이 뚜껑(200)의 상면과 대향하도록 뚜껑(200) 내부에 설치될 수 있다.
도 5는 열전소자를 도시한 도면이다.
한편, 용기(100)가 원기둥 형상으로 형성되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 열전소자(212)는 하면(110)에 평행한 단면이 원형으로 형성될 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이 가상의 선분(L)과 측면(120)의 외주면 간의 최단 거리가 제1 거리(d1)가 되고, 가상의 선분(L)과 측면(120)의 내주면 간의 최단 거리가 제2 거리(d2)가 될 때, 열전소자(212)의 하면(110)에 평행한 단면의 반지름(r)은 길이가 제1 거리(d1) 이상이고 제2 거리(d2) 미만일 수 있다.
도 6은 용기의 공간에 사용후핵연료가 수용된 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기를 도시한 도면이다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 사용후핵연료(300)가 수용된 용기(100)를 뚜껑(200)이 덮는 경우에 공간(130)으로부터 열전소자(212)로 열이 최대한 효과적으로 전달될 수 있도록, 공간(130)과 대향하는 열전소자(212)의 일면이 최대한 넓은 면적이 되게 열전소자(212)가 형성될 수 있다.
중성자 흡수 부재(214)는 열전소자(212)의 일면과 대향하도록 열전소자(212)의 하부에 배치될 수 있으며, 중성자를 흡수할 수 있는 종래의 부재로 형성되어 사용후핵연료(300)로부터 열전소자(212)로 조사되는 중성자를 흡수할 수 있다. 이러한 중성자 흡수 부재(214)는 붕소 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 용기(100)에 수용된 사용후핵연료(300)로부터 열전소자(212)로 조사되는 중성자를 최대한 효과적으로 흡수할 수 있도록, 중성자 흡수 부재(214)는 열전소자(212)의 일면 전부와 대향하도록 형성될 수 있다.
방열판(216)은 열전소자(212)의 다른 일면과 대향하도록 열전소자(212)의 상부에 배치될 수 있으며, 소정의 대상과 접촉하여 소정의 대상을 냉각시킬 수 있는 종래의 방열 부재 등으로 형성될 수 있다.
이러한 방열판(216)은 열전소자(212)와 접촉하여 열전소자(212)를 냉각시킬 수 있으며, 예를 들어 설명하면, 구리로 형성된 냉각핀 등을 포함하여 구성됨으로써 열전소자(212)의 다른 일면을 냉각시킬 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 열전소자(212)의 다른 일면을 최대한 효과적으로 냉각시킬 수 있도록, 방열판(216)은 열전소자(212)의 다른 일면 전부와 대향하도록 형성될 수 있다.
이처럼, 열전소자(212)의 다른 일면은 방열판(216)에 의해서 냉각되고 열전소자(212)의 일면은 사용후핵연료(300)로부터 발생하는 열에 의해서 효과적으로 가열되므로, 열전소자(212)의 일면과 다른 일면 간에 온도 차이가 커져서 열전소자(212)가 높은 효율로 전기 에너지를 발생시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기의 작용 및 효과에 관하여 설명한다.
먼저, 내부에 공간(130)이 형성된 용기(100)에 사용후핵연료(130)를 수용한다. 용기(100)는 하면(110)과 측면(120)을 포함하며, 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
다음으로, 뚜껑(200)으로 용기(100)의 개방된 상부를 덮어서 사용후핵연료(130)가 수용된 공간(130)을 밀폐시킨다. 이 때, 뚜껑(200) 내부에는 열전소자(212)를 포함하는 발전 모듈(210)이 설치되어 사용후핵연료(130)로부터 발생하는 열을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
이 때, 발전 모듈(210)은 열전소자(212)의 사용후핵연료(300)로부터 열을 전달받는 일면과 방열되는 다른 일면 간의 온도 차이가 최대한 커지도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 사용후핵연료(300)를 수용하는 공간(130)과 대향하는 열전소자(212)의 일면이 최대한 넓은 면적이 되게 열전소자(212)가 형성될 수 있으며, 열전소자(212)의 상부에 배치되어 열전소자(212)를 냉각시키는 방열판(216)이 열전소자(212)의 다른 일면 전부와 대향하도록 형성될 수 있다.
한편, 발전 모듈(210)은 사용후핵연료(300)로부터 조사되는 중성자에 의한 열전소자(212)의 열화를 방지하기 위하여, 열전소자(212)의 일면과 대향하도록 열전소자(212)의 하부에 배치되는 중성자 흡수 부재(214)를 포함할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기는, 열전소자를 포함하는 발전 모듈이 뚜껑 내부에 설치되어 열전소자에 포함되는 두 종류의 금속 중 어느 하나의 금속의 온도가 효과적으로 높아지므로, 열전소자에 포함되는 두 종류의 금속 간의 온도 차이가 커져서 높은 효율로 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 발전 모듈이 열전소자의 하부에 설치되며 중성자를 흡수하는 중성자 흡수 부재를 포함하므로, 사용후핵연료로부터 조사되는 중성자에 의한 열전소자의 열화를 최소화시킬 수 있는 효과를 제공한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기
100 : 용기
110 : 하면
120 : 측면
130 : 공간
200 : 뚜껑
210 : 발전 모듈
212 : 열전소자
214 : 중성자 흡수 부재
216 : 방열판
300 : 사용후핵연료

Claims (7)

  1. 하면 및 측면을 포함하고 상부가 개방되어 내부에 공간이 형성되며, 상기 공간에 사용후핵연료를 수용 가능한 용기;
    상기 용기의 상부를 덮어서 상기 공간을 밀폐 가능한 뚜껑; 및
    상기 뚜껑 내부에 설치되며 상기 사용후핵연료로부터 발생하는 열을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 모듈을 포함하고,
    상기 발전 모듈은,
    N형 소자와 P형 소자를 포함하는 열전소자;
    상기 열전소자의 일면과 대향하도록 상기 열전소자의 하부에 배치되고, 상기 사용후핵연료로부터 조사되는 중성자를 흡수하는 중성자 흡수 부재; 및
    상기 열전소자의 다른 일면과 대향하도록 상기 열전소자의 상부에 배치되고, 상기 열전소자와 접촉하여 상기 열전소자를 냉각시키는 방열판을 포함하는, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용기는 상기 하면이 원형인 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 열전소자는 상기 하면에 평행한 단면이 원형으로 형성되는, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하면의 중심을 지나며 상기 하면에 수직한 가상의 선분과 상기 측면의 외주면 간의 최단 거리가 제1 거리이고, 상기 가상의 선분과 상기 측면의 내주면 간의 최단 거리가 제2 거리가 되도록 상기 측면이 형성되며,
    상기 열전소자의 상기 하면에 평행한 단면의 반지름은 길이가 상기 제1 거리 이상이고 상기 제2 거리 미만인, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 부재는 상기 열전소자의 일면 전부와 대향하도록 형성되고,
    상기 방열판은 상기 열전소자의 다른 일면 전부와 대향하도록 형성되는, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중성자 흡수 부재는 붕소를 포함하고, 상기 방열판은 구리를 포함하는, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 뚜껑은 주철로 형성되는, 열전소자를 적용하여 붕괴열을 회수하는 사용후핵연료 처분 용기.
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JP2003315488A (ja) * 2002-04-26 2003-11-06 Hitachi Ltd 使用済核燃料収納容器
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JP2018072167A (ja) * 2016-10-31 2018-05-10 日立造船株式会社 コンクリートキャスクおよびコンクリートキャスクの熱回収方法ならびにコンクリートキャスクの温度制御方法

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