KR20060015370A

KR20060015370A - 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기

Info

Publication number: KR20060015370A
Application number: KR1020040064094A
Authority: KR
Inventors: 최종원; 최희주; 이종열; 전관식; 한필수
Original assignee: 한국원자력연구소; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2006-02-17
Also published as: KR100697698B1

Abstract

본 발명은 가압경수형 원자로에서 연소된 후의 핵연료(이하 사용후핵연료)를 중간저장 시설 등에서 냉각시킨 후 지하 암반에서 처분할 경우 주변 압력에 견딜 수 있도록 함과 아울러 주변 지하수에 의한 부식으로부터의 관통을 방지할 수 있는 용기에 사용후핵연료를 장전하여 효율적으로 안전하게 처분할 수 있도록 한 사용후핵연료 처분용기를 제공하기 위한 것으로, 그 기술적 구성은, 사용후핵연료 집합체를 장전하여 처분할 수 있는 사용후핵연료 처분용기에 있어서, 상기 처분용기는 미핵임계, 방사선차폐 측면에서 최적 배치의 사용후핵연료 장전공간을 가지면서 외압에 대해서도 충분히 견딜 수 있는 내부용기와 처분용기의 수명기간동안 부식에 의한 관통을 제어할 수 있는 외부용기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

가압경수형 원자로, 사용후핵연료 처분용기, 내부용기, 외부용기, 미핵임계, 부식 방지

Description

가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기{Disposal Canister for Pressurized Water Reactor Spent Nuclear Fuels}

도 1은 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기를 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 "A-A선" 결합단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기 내에 사용후핵연료가 장전된 상태를 도시한 사용상태도이다.

** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 처분용기 20 : 사용후핵연료

32 : 내부용기 34 : 외부용기

36 : 장전공간 40 : 내부 덮개

50 : 외부 덮개

본 발명은 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가압경수형 원자로(Pressurized Water Reactor)로부터 배출된 사용후핵연료를 중간저장 시설 등에서 냉각시킨 후 지하 암반 등에 처분할 경우 주변 압력을 견딜 수 있도록 함과 아울러 부식으로부터의 관통을 방지하여 가압경수형 원자로에서 배출된 사용후핵연료를 장전하여 심부지층에 효율적으로 안전하게 처분할 수 있도록 한 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기에 관한 것이다.

일반적으로, 원자로(Nuclear Reactor)를 구성하는 비등수형 원자로(Boiling Water Reactor) 또는 가압경수형 원자로(Pressurized Water Reactor)에서 원전이용율 75%에서 동작되는 1000메가와트급(MW) 가압경수로(PWR) 핵 반응은 우라늄 톤 당 43기가와트데이(GWD/tU)의 열량이 발생되고 연간 약 21톤의 사용후핵연료를 발생시키는데, 이는 약 6.6TWh (66억 kWh)의 전기 에너지를 생산하게 된다.

이러한 동일한 에너지 출력을 위해서는 기존의 화력발전소에서 2백만톤의 석탄을 태우는 것과 동일하여, 120,000톤의 재, 540만 톤의 이산화탄소, 50,000톤의 이산화황 발생이 초래하게 되는 것을 예상할 수 있다. 원자로의 설계된 용량 하에서 주어진 전력생산 임무를 위해 충분히 연소된 후 배출된 사용후핵연료의 96%는 우라늄이다.

보다 구체적으로 설명하면, 경수로형 원자로의 경우 사용후핵연료에 포함된 우라늄 중 약 0.90%는 우라늄-235를 포함하는 반면에 천연 우라늄에는 약 0.70%의 우라늄-235를 포함한다. 한편, 핵분열을 일으킬 수 있어 핵임계 측면에서 중요한 플루토늄은 사용후핵연료 무게의 약 1%를 차지한다. 핵분열 측면에서 중요하지 않은 마이너액티나이드 계열은 사용후핵연료 무게의 약 0.1%를 구성한다. 이러한 것들은 약 50%의 Np, 47%의 Am 및 방사성 독물인 3%의 Cm을 포함한다. 핵 분열 생성물(요오드, 테크네튬, 지르코늄, 몰리브덴, 세륨, 세슘, 루테늄, 팔라듐 등)은 사용후핵연료 무게의 약 2.9%를 구성한다. 실제적인 사용후핵연료 관리측면에 있어 저장과 처분 시 열부하에 큰 영향을 주는 두 개의 핵 분열 생성물은 Sr90 및 Cs137이다. 이 두 개의 방사성 핵종은 최소한 처음 수 십 년 동안 사용후핵연료의 붕괴열에 대해서 중요한 공헌자이다. 또한 Cs137은 사용후핵연료에 의해서 방출되는 방사능의 중요한 소스이다. 그 외에 건강 위험에 잠재적인 공헌자로서 중요하게 고려되는 두 개의 핵 분열 생성물은 Tc99 및 I129이다. 이러한 것들은 반감기가 길기 때문에 중요하게 고려되어야 한다.

이러한 사용후핵연료에 함유된 장반감기의 유독성은 Np237 , U234 , U236, Pu239 , Pu240 , Pu242 등에 의해서 결정되어 진다. 수백 가지의 동위 원소가 사용후핵연료 또는 그들로부터 유발되는 폐기물 내에 존재한다 할지라도, 그들의 장반감기 또는 관리방안에 큰 영향을 주는 열적 안정성 때문에 단지 그들 중의 소수만이 지하처분 안전성 측면에서 중요하다. 특히 Cs137, Sr90, I129, Tc99 등 네 가지의 동위원소는 경수로 사용후핵연료에서 지나친 열, 지하수의 용해도 또는 방사선 위험으로 인하여 중요하게 고려하여야 할 원소들이다. 상기와 같은 경수로 사용후핵연료의 처분은 단순한 경제적 논리보다는 장기적 안전성, 건전성 확보 측면에서 고려하여야 하고, 정부는 효율적인 과학적, 기술적 방법들을 강구하여야만 한다. 사용후핵연료는 매우 긴 반감기의 방사성 핵종을 포함하고 있기 때문에 인위적으로 안전성을 보장할 수 있는 기간이 최소한 1,000년 이상 동안 요구된다. 이와 같은 1,000년 이상 기간 동안 사용후핵연료를 현재기술로 안전하게 관리할 수 있는 방안으로 심지층처분방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 이 기술의 기본 개념은 지하 암반 속의 적절한 깊이에서 인위적인 공학적 방벽을 설치하여 환경권으로부터 물리적으로 그들을 완전히 고립시켜 적정 수준까지 방사성 핵종의 자연 감소를 기다리는 것이다.

현재까지 도출된 사용후핵연료의 최종관리방안을 살펴보면, 원자로로부터 배출된 사용후핵연료는 40년 이상의 냉각시간이 필요하나, 이 냉각시간이 지난 후에도 U235, Pu239, Pu241과 같은 핵분열성 물질, Np, Cm, Am과 같은 장반감기를 갖는 마이너액티나이드 및 각종 핵분열 생성물 등 고방사선과 붕괴열을 발생시키는 방사성 물질들이 존재하기 때문에 사용후핵연료는 저장/처분 및/또는 관리 장소로의 운반을 위해 각각의 목적에 따라 특별한 용기를 사용하여 관리하고 있다. 즉 원자로에서 배출된 사용후핵연료는 위와 같은 저장 관리 단계를 지나 장기적인 안전한 관리를 위해서는 핵분열성 물질에 의한 미핵임계 유지, 고방사선의 차폐 및 붕괴열을 외부로 원활하게 소산시킬 수 있어야 한다. 이러한 사용후핵연료를 영구적으로 처분하기 위하여 제시된 적절한 방법으로 지하 약 500m 이상에 위치한 암반에 처분동 굴 및 처분공을 건설하고 그 곳에 사용후핵연료가 장전된 처분용기를 넣고 처분공과 처분용기 사이의 공간을 완충재로 채우는 방법이 있다.

그러나 상기와 같이 사용후핵연료를 포함한 처분용기를 처분할 지하 500m 이상의 암반에 건설된 처분동굴에는 지하수에 의한 50기압 이상의 수압과 처분용기를 보호하기 위하여 채우는 완충재에 의한 팽윤압이 100기압 이상 존재하고 있어, 처분용기는 이와 같은 압력에 견딜 수 있는 구조적인 건전성을 확보해야 할 뿐만 아니라 사용후핵연료 내에 존재하는 방사성 핵종들이 주변환경으로 누출되는 것을 최소한 1,000년 동안은 억제할 수 있어야 하나, 상시 지하수와 접촉하고 있어 부식에 의한 관통의 위험으로부터 안정성을 확보하기 어려운 문제점이 있었다.

한편, 미국 특허 제4,445,042호, 제4,447,733호, 제4,626,380호, 제4,894,550호, 제5,346,096호, 및 제5,383,594호에 개시된 바와 같이 가압경수형 원자로 사용후핵연료를 저장하기 위한 처분용기에는 통상적으로 사용후핵연료봉들이 끼워지는 시트(Seat)를 갖추고 있는 홀더 바스켓(Holder Basket)이 장착되고, 인접한 연료 요소들 사이에는 물이 그 둘레를 순환할 수 있도록 하는 공간이 있다. 이들 용기는 그것이 수용하는 핵 물질(Nuclear Mass)을 미임계 상태(Subcritical)로 유지하도록 제조된다. 또한 블럼(Blum)에게 허여된 독일 특허 제2,157,133호 및 미국 특허 제4,288,693호에는 소위 중성자 흡수체 또는 감속체를 용기에 제공하는 것이 개시되어 있다. 이러한 재료(통상적으로, 붕소 또는 물)의 기능은 상기 연료 요소에 의해 방출되는 임의의 중성자 흡수를 증가시켜 그 중성자의 수를 줄여 비교적 무해하게 만드는 것이다.

그러나 상기 미국 특허 제4,445,042호, 제4,447,733호, 제4,626,380호, 제4,894,550호, 제5,346,096호, 제5,383,594호 및 독일 특허 제2,157,133호에 개시된 사용후핵연료를 처분하기 위한 처분용기의 시스템은 심부 지하에서의 부식 저항 성능과 핵분열성 물질이 미핵임계 상태를 유지하면서 충분히 차폐하기 위한 보완 및 사용후핵연료 집합체를 방사선 차폐 및 구조적 관점에서 안정적으로 배치하기 위한 보완이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기를 구성하는 외부용기를 부식 저항 성능이 우수한 니켈 합금 또는 무산소구리와 같은 내부식성 재질로 형성하여 500m 이상의 지하 암반에서 예상되는 환원조건에서 최소한 1,000년간 부식에 의한 관통을 억제할 수 있으며, 사용후핵연료 집합체를 안정적으로 배치할 수 있는 사용후핵연료용 처분용기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 사용후핵연료 처분용기를 구성하는 내부용기를 장전된 사용후핵연료의 파손을 제어할 수 있도록 탄소강 재질로 형성하고 사용후핵연료 집합체가 장전되는 내부 사각형 공간을 최적화시킨 기하학적 배치를 새로이 고안하여 처분용기의 크기 및 무게를 줄임으로써 취급을 용이하게 하고, 지하 암반에서 예상되는 150기압의 수압과 완충재의 팽윤압에 대한 변형을 방지할 수 있는 충분한 강도를 유지하는 한편 각종 핵분열성 물질에 의한 핵 임계를 방지하며 수명 기간 이후라도 미핵임계 상태를 유지할 수 있도록 하는 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 사용후핵연료 처분용기에 의하면, 사용후핵연료를 장전하여 처분할 수 있도록 하는 사용후핵연료 집합체 장전공간이 구비되는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기에 있어서, 상기 사용후핵연료 처분용기는 핵연료 집합체를 수용하는 내부용기와, 상기 내부용기를 감싸 외체를 형성하는 외부용기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 내부용기는 구조적 건전성, 핵임계 측면을 고려하여 사용후핵연료 집합체 장전공간 배치를 방사형으로 구성함으로써, 처분용기 전체 크기 및 무게를 줄여 취급을 쉽게 하고, 탄소강 재질로 형성하여 지하 암반에서 예상되는 150기압의 수압과 완충재의 팽윤압에 의한 변형을 방지할 수 있도록 한다.

그리고 상기 외부용기는 니켈합금이나 순수구리와 같은 내부식성 재질로 형성하여 500m 이상의 지하 암반에서 최소한 1,000년간 부식에 의해 관통되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 "A-A선" 결합단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 가압 경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기를 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기 내에 핵연료가 저장된 상태를 도시한 사용상태도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기에 의하면, 가압경수형 원자로 사용후핵연료(20) 집합체를 장전하여 처분할 수 있도록 하는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10)에 있어서, 상기 처분용기(10)는 핵연료집합체를 장전하는 다수개의 장전공간(36)이 형성된 내부용기(32)와, 상기 내부용기(32)의 외체를 형성하는 외부용기(34)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 1에는 4개의 장전공간(36)을 구비하는 처분용기(10)를 도시하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 장전공간(36)의 단면은 형상은 다양한 형상으로 하는 것이 가능하나 사각형으로 하는 것이 바람직하다.

상기 가압경수형 원자로에서 연소된 후의 핵연료를 처분하기 위한 처분용기(10)는 지하 약 500m 이상에 위치한 암반에 처분동굴 및 처분공을 건설하고 그곳에 사용후핵연료(20)를 장전하고 있는 처분용기(10)를 넣고 처분공과 처분용기 사이의 공간을 완충재로 채우게 된다.

상기 사용후핵연료는 냉각시키기 위한 냉각기간(약 40년 이상)이 소요된 후에도 U235, Pu239, Pu241과 같은 핵분열성 물질, Np, Cm, Am과 같은 장반감기를 갖는 마이너액티나이드 및 각종 핵분열생성물 등 고방사선과 붕괴열을 발생시키는 방사성물질들을 함유하게 됨에 따라 사용후핵연료에 대한 안전한 관리, 고방사선에 대한 차폐 및 붕괴열을 외부로 원활하게 소산시킬 수 있도록 하기 위하여, 사용후 핵연료(20)를 내부용기(32)의 차폐, 구조적 건전성, 미핵임계 및 용기취급 측면에서 최적화시켜 방사상으로 배치된 핵연료 장전공간(36)에 수납하여 적재한다.

또한 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10)의 상측에는, 사용후핵연료(20)내에 존재하는 핵분열성 물질(fissile material)에 의한 핵임계 가능성을 억제하여 미핵임계 상태(Subcritical)를 유지할 수 있도록 함과 아울러 고 방사선에 대한 차폐 및 붕괴열을 외부로 원활하게 소산시킬 수 있도록 하기 위한 내부 덮개(40)로 1차 밀폐가 이루어질 수 있도록 한다. 상기 내부 덮개(40)는 지하 암반에서 수압과 완충재의 팽윤압에 의해 변형이 일어나지 않도록 탄소강 재질로 형성한다.

그리고 상기와 같이 내부 덮개(40)에 의해 1차 밀폐된 사용후핵연료 처분용기(10)는 내부 덮개(40)의 상측으로 지하수에 의한 부식을 방지할 수 있도록 외부 덮개(50)를 결합하여 2차로 밀폐시켜 완전밀폐상태를 유지할 수 있도록 한다. 상기 외부 덮개(50)는 후술할 외부용기(34)를 형성하는 내부식성 재질로 형성한다.

아울러 상기 내부용기(32)는 지하 암반에서 예상되는 150기압의 수압과 완충재의 팽윤압에 의한 변형을 방지하여 장전된 사용후핵연료의 파손을 억제할 수 있도록 탄소강 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 내부용기(32)가 사용후핵연료 처분용기(10)의 구조적 건전성을 유지할 수 있도록 하여 지하 암반에서 예상되는 150기압의 수압과 완충재의 팽윤압에 의한 변형을 방지하여 내부에 장전된 사용후핵연료 집합체를 보호할 수 있도록 한 것이다.

또한 상기 내부용기(32)와 외부용기(34)는 가압경수형 사용후핵연료에 포함되어 있는 방사성 핵종들로부터 나오는 방사선에 의한 지하수의 분해를 억제할 수 있도록 방사선 차폐설계를 하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 내부용기(32)의 내부에 형성된 핵연료 장전공간(36)은 최적의 간격과 배치를 통하여 핵임계 측면에서 가압경수형 원자로에서 발생하는 모든 연소도 범위의 사용후핵연료를 영구 처분할 경우에 지하 암반 내의 처분공에서 발생 가능한 모든 종류의 경우에 대해서도 미핵임계 상태를 유지하면서 처분용기의 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한 것이다. 상기 최적의 배치는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 내부용기(32)에 형성되는 다수개 장전공간(36)은 그 단면이 사각형을 이루도록 구성하며 또한 장전공간(36)의 사각형 꼭지점이 서로 마주보며 방사상으로 배치되도록 형성되는 것을 의미한다.

아울러 상기 외부용기(34)는 내부식성 재질(1,000년간 부식 두께 : 구리합금-2.6mm, 티타늄합금-1.3mm, 스텐레스강-5mm 및 니켈합금-0.3mm), 즉 니켈합금 또는 순수 구리로 형성하여 500m 이상의 지하 암반에서 최소한 1,000년간 부식에 의해 관통되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

따라서 상기와 같이 가압경수형 사용후핵연료를 처분할 수 있도록 하는 처분용기(10)는 내부용기(32)와 외부용기(34)로 이루어진 2중 용기 구조를 이루게 되어 저렴한 비용으로 핵연료의 영구처분 시 지하 500m 깊이 이상의 환경에서 예상되는 부식에 의한 안전성과 구조적 건전성을 유지할 수 있게 되는 것이다. 상기 사용후핵연료의 처분용기(10)는 2 중 구조로 되어 있으나, 처분용기(10)에서 요구되는 최대 온도가 100℃ 미만을 유지할 수 있도록 탄소강 재질로 형성된 내부용기(32)와 내부식성 재질로 형성된 외부용기(34)를 구성하여 사용후핵연료에서 발생되는 붕괴 열을 원활하게 소산시킬 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기에 의하면, 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기를 구성하는 외부용기를 부식 저항 성능이 우수한 재질로 형성하여 500m 이상의 지하 암반에서 예상되는 환원조건에서 최소한 1,000년간 부식에 의한 관통을 억제할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 효과는, 처분용기를 구성하는 내부용기를 탄소강 재질로 형성하여 지하 암반에서 예상되는 150기압의 수압과 완충재의 팽윤압에 대한 변형을 방지할 수 있도록 하는 한편, U235, Pu239, Pu241 등과 같은 핵분열성 물질에 대해 미핵임계 상태를 유지하고 차폐성능을 가질 수 있는 것이다.

Claims

가압경수형 원자로 사용후핵연료(20) 집합체를 장전하여 처분할 수 있도록 하는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10)에 있어서,

상기 처분용기(10)는 핵연료집합체를 장전하는 다수개의 장전공간(36)이 형성된 내부용기(32)와, 상기 내부용기(32)의 외체를 형성하는 외부용기(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10).
제 1항에 있어서,

상기 내부용기(32)는 장전된 사용후핵연료의 파손을 억제하기 위하여 탄소강 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10).
제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내부용기(32)에 형성되는 다수개의 장전공간(36)은 그 단면이 사각형이며, 장전공간(36)은 사각형 꼭지점이 서로 마주보도록 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10).
제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외부용기(34)는 니켈합금 또는 순수 구리로 형성되는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로 사용후핵연료 처분용기(10).