KR20070053442A - 사용후 연료 건식 저장 유니트 - Google Patents

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KR20070053442A
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Abstract

본 발명은 원자력 발전소 등에서 발생하는 사용후 연료를 저장, 보관하는 건식 저장 유니트를 개시한다. 본 발명에 따른, 사용된 후의 핵 연료(사용 후 연료)를 보관하기 위한 건식 연료 저장 유니트는 내부에 공간이 형성되며, 상단면과 하단부에 2단 구조로 이루어진 다수의 공기 배출구 및 공기 흡입구가 각각 형성되어 있는 오버 팩; 오버 팩의 내부 공간의 바닥면에 위치하는 콘크리트 패드; 및 콘크리트 패드 상에 위치하며, 오버 팩의 내주면과의 사이에 오버 팩의 공기 배출구와 공기 흡입구와 연통되는 소정의 간격이 형성되고, 내부 공간에는 사용후 연료가 수용되는 캐니스터; 및 오버 팩 상단에 장착되어 오버 팩을 밀폐시키는 커버를 포함한다. 콘크리트 구조체인 오버 팩의 상단 및 하단에 형성된 공기 배출구와 공기 흡입구 각각은 오버 팩의 단부 외곽부를 소정 폭 및 깊이로 절개하여 이루어진 제 1 절개부; 제 1 절개부의 내측부를 제 1 절개부보다 더 깊은 깊이로 절개하여 형성된 제 2 절개부로 이루어지며, 따라서 캐니스터 내부에서 누출된 방사선은 공기 배출구의 제 2 절개부와 제 1 절개부의 경계부에서 산란된다.
사용후 연료 건식 저장 유니트

Description

사용후 연료 건식 저장 유니트{Dry storage cask unit for spent nuclear fuel}
도 1은 일반적인 사용후 연료 건식 저장 용기를 도시한 사시도
도 2는 본 발명에 따른 사용후 연료 건식 저장 유니트를 도시한 사시도
도 3은 도 2에 도시된 연료 건식 저장 유니트의 일부 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 건식 저장 유니트의 구성 부재인 콘크리트 패드의 단면도.
본 발명은 사용된 후의 핵 연료를 보관, 저장하는 건식 저장 유니트에 관한 것으로서, 특히 저장 연료에 대한 우수한 냉각 효율 및 방사선 누출 억제 성능을 가지며 또한 외부로부터의 충격에 의한 영향을 최소화할 수 있는 사용후 연료 건식 저장 유니트에 관한 것이다.
원자력 발전용으로 사용된 후의 핵 연료(이하, "사용후 연료"라 칭함)는 특수 설계된 저장 용기에 수납된 상태에서 저장 장소에 보관된다.
사용후 연료의 저장 방법은 크게 습식 저장 방법과 건식 저장 방법으로 구분 된다. 1980년대 중반까지는 적용 경험이 풍부한 습식 저장 방법이 주로 이용되어 왔으나, 용량 확장과 장기 관리 측면에서 유리한 건식 저장 방법이 채택되었으며, 많은 나라에서 건식 저장 방법을 적용한 건식 저장 시설이 이용되고 있다.
사용후 연료 발생 누적량이 저장 용량을 크게 초과하고 있으며, 이에 따라 저장조의 확장 및 호기간 수송을 통하여 이러한 어려움을 일시적으로 해결하고 있다. 그러나 중장기적으로는 경수로 사용후 연료를 효율적으로 저장할 수 있는 건식 저장 시설이 요구되고 있다.
사용후 연료의 건식 저장은 세계적인 추세이며, 습식 저장 방식과 비교하여 우수한 안정성, 저렴한 운영비 및 저장 용량의 증대 및 우수한 확장성 등의 장점을 갖고 있다.
건식 저장 기술 중에서 상용되고 있는 기술의 종류와 그에 대하여 간단히 정리하면 다음과 같다.
1. 금속 캐스크 방식
금속 캐스크 방식은 콘크리트 패드 위에 설치된 금속 캐스크에 사용후 연료를 담아 저장하는 간단한 개념의 방식으로서, 캐스크는 몸체, 핵연료 바스켓 및 커버로 구성되어 있다. 냉각 효율을 향상시키기 위하여 캐스크 몸체의 외부 표면에는 여러 종류의 냉각핀을 부착하기도 한다. 이 금속 캐스크 방식은 저장, 수송, 처분을 겸하는 방식으로 원자력 발전소 부지 내에서 사용후 연료를 일정시간 동안 저장한 후, 최종 처리 시설로 직접 운반할 수 있는 방식이다. 이 금속 캐스크 방식은 운영 비용이 다소 비싸다는 단점이 있으나, 사용후 연료를 별도 취급할 필요가 없어 작업의 안정성 및 공정의 단순화면에서는 큰 장점을 갖고 있다.
2. 콘크리트 저장 용기 방식
위에서 설명한 금속 캐스크 방식과 유사한 콘크리트 저장 용기 방식은 사용후 연료를 콘크리트 용기에 저장하는 방식이다. 사용후 연료에서 발생한 열은 콘크리트제 용기와 탄소강재의 밀봉 바스켓으로 형성된 도너트 형태의 공간을 유동하는 공기에 의하여 냉각된다. 이 콘크리트 저장 용기 방식은 금속 캐스크 방식과 비교하여운영 비용이 싸다는 장점이 있으나, 내열성, 내충격성 및 냉각성능이 떨어진다는 문제가 있다.
3. 횡형 저장 모듈 방식
사용후 연료가 장전된 차폐 캐니스터를 저장 부지에 설치된 콘크리트 저장 모듈에 수평 상태로 저장하는 방식이다. 차폐 캐니스터는 방사성 물질이 외부로 누설되지 않도록 설계되어 있으며, 운반 및 저장 중에 사용후 연료를 지지 및 보호하는 역할을 한다. 이 횡형 저장 모듈 방식은 안정성 및 경제성 측면에서 우수하고 다양한 종류의 연료에 적용할 수 있다는 장점이 있으나, 작업 공정이 불편하다는 점을 갖고 있다.
4. 볼트 저장 방식.
이 방식은 콘크리트 구조물 내에 금속 튜브를 설치하여 튜브 내에 사용후 연료를 장입, 밀봉하여 저장하는 방식으로서, 저장되는 연료의 특성에 따라 공기, 질소 또는 헬륨 가스가 튜브 내에 채워져 있다. 이 볼트 저장 방식은 연료의 저장 허용 온도에 있어서 많은 여유도를 갖도록 설계되어 있어 사용후 연료를 단기간에 저장할 수 있으며 방사선 준위를 낮게 유지할 수 있다. 그러나, 컨테이너 저장 용량이 다른 방식에 비하여 적어 건식 저장을 위해 소요되는 시간이 많이 소요되며, 독립적인 대형 콘크리트 구조물 및 각종 설비가 필요하며, 장시간의 건설 기간 및 과다한 비용 발생 측면에서 단점이 있다.
도 1은 위에서 설명한 콘크리트 저장 용기 방식의 사용후 연료 저장을 위한 사용후 저장 용기의 사시도이다. 도 1에서는 편의상 커버를 분리한 상태로 도시하였으며, 내부 구조를 도시하기 위하여 일부를 단면 처리하였다.
사용후 연료 저장 용기는 크게 외부 케이싱인 오버 팩(10; over pack; 또는 캐스크), 오버 팩(10) 내에 위치하는 캐니스터(20; canister; 또는 바스켓) 및 오버 팩(10)의 상단에 고정되는 커버(30)를 포함한다.
콘크리트 구조체인 오버 팩(10)은 내부에 저장된 사용후 연료를 밀봉하는 기능을 가지며, 따라서 사용후 연료로부터 발생된 열과 방사선은 이 오버 팩(10)에 의하여 차폐된다. 오버 팩(10) 내에 위치하는 캐니스터(20)의 내부에는 다수의 사용후 연료 다발(F; 1 다발은 일반적으로 17×17개의 사용후 연료로 구성됨)이 저장된다.
한편, 오버 팩(10)의 하단에는 4개(사시도인 도 1에는 2개만이 도시됨)의 공기 흡입구(11)가 형성되어 있으며, 그 상단에는 4개(일부 단면 처리한 도 1에는 2개만이 도시됨)의 공기 배기구(12)가 형성되어 있다.
각 공기 흡입구(11)와 공기 배출구(12)는 오버 팩(10)의 내부에 형성된 공기 유로(도시되지 않음)와 각각 연결되어 있으며, 따라서 공기 흡입구(11)를 통하여 유입된 외부의 공기는 오버 팩(10) 내의 공기 유로를 따라 유동한 후, 상단의 공기 배기구(12)를 통하여 외부로 배출된다.
이러한 유동 과정에서 외부에서 유입된 공기는 사용후 연료(F)에서 발생되어 캐니스터(20) 및 오버 팩(10)으로 전달된 열을 흡수하게 되며, 따라서 캐니스터(20)와 오버 팩(10)은 공기 유로 내부를 유동하는 공기에 의하여 냉각된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 오버 팩(10)의 상단에 형성된 각 공기 배출구(12)는 원통형의 오버 팩(10)의 상단면을 일정 폭 및 깊이로 절개함으로써 형성되며, 이러한 구조는 공기 흡입구(11)에서도 나타난다.
이러한 구조의 공기 배출구(12)에서는 오버 팩(10)의 내부 공간과 외부(대기)가 직선형의 공기 배출구(12)를 통하여 연결된다.
캐니스터(20) 내에 밀봉된 상태로 저장되어 있는 사용후 연료에서는 생성된 방사선 오염 입자의 외부 누출은 이루어지지 않을지라도, 방사선은 캐니스터(20) 외부로 방사될 수 있으며, 따라서 이러한 방사선은 직선 형상의 공기 배출구(12) 및 공기 흡입구(11)를 통하여 대기로 누출될 우려가 있다.
한편, 오버 팩(10)의 하단에 형성된 공기 흡입구(11) 역시 공기 배출구(12) 와 동일한 구조로 이루어져 있으며, 따라서 공기 배출구(12)에서 우려되는 문제점이 공기 흡입구(11)에서도 발생할 수 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 콘크리트 저장 용기는 위에서 설명한 바와 같이 저장 장소에 마련된 콘크리트 패드 상에 놓인 상태로 보관된다. 이러한 콘크리트 패드 상에 콘크리트 저장 용기를 위치시키는 과정에서 콘크리트 패드와 콘크리트 저장 용기의 충돌시 상당한 크기의 충격력이 발생하게 된다.
이 충격력은 오버 팩(10) 내에 위치한 캐니스터(20)에 직접적으로 전달됨으로써 캐니스터(20) 및 그 내부의 사용후 연료(F)의 안정성에 큰 영향을 미치게 된다.
본 발명은 사용후 연료를 저장, 보관하는 건식 저장 기술 중의 하나인 콘크리트 저장 용기 방식에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉각 기능을 유지함과 동시에 사용후 연료에서 방사되는 방사선을 산란시켜 대기로 방출되는 방사선의 양을 현저히 감소시킬 수 있는 구조를 갖는 사용후 연료 건식 저장 유니트를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또다른 목적은 외부로부터의 충격 전달을 억제하여 용기 내부에 위치한 캐니스터 및 캐니스터 내에 저장된 사용후 연료의 안정성을 확보할 수 있는 사용후 연료 건식 저장 유니트를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른, 사용된 후의 핵 연료(사용 후 연료)를 보관하기 위한 건식 저장 유니트는 내부에 공간이 형성되며, 상단면과 하단부에 2단 구조로 이루어진 다수의 공기 배출구 및 공기 흡입구가 각각 형성되어 있는 오버 팩; 오버 팩의 내부 공간의 바닥면에 위치하는 콘크리트 패드; 콘크리트 패드 상에 위치하며, 오버 팩의 내주면과의 사이에 오버 팩의 공기 배출구와 공기 흡입구와 연통되는 소정의 간격이 형성되고, 내부 공간에는 사용후 연료가 수용되는 캐니스터; 및 오버 팩 상단에 장착되어 오버 팩을 밀폐시키는 커버를 포함한다.
오버 팩의 상단 및 하단에 각각 형성된 공기 배출구와 공기 흡입구 각각은 오버 팩의 단부 외곽부를 소정 폭 및 깊이로 절개하여 이루어진 제 1 절개부; 제 1 절개부의 내측부를 제 1 절개부보다 더 깊은 깊이로 절개하여 형성된 제 2 절개부로 이루어지며, 따라서 캐니스터 내부로부터의 방사선은 제 2 절개부와 제 1 절개부의 경계부에서 산란된다.
본 발명에 따른 연료 건식 저장 유니트를 구성하는 콘크리트 패드는 콘크리트 지지체 및 콘크리트 지지체 상에 설치된 완충 부재로 구성되며, 여기서 콘크리트 지지체의 높이는 콘크리트 패드 전체 높이의 약 3/4, 완충 부재는 콘크리트 패드 전체 높이의 약 1/4의 높이로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 완충 부재는 콘크리트 지지체 상에 고정된 금속제 프레임 및 프레임 내부에 채워져 있는 탄성 부재로 이루어지며, 탄성 부재는 예를 들어, 폴리우레탄 폼이다.
이하, 본 발명에 따른 사용후 연료 건식 저장 유니트를 도면을 통하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 사용후 연료 건식 저장 유니트를 도시한 사시도로서, 커버를 분리한 상태를 도시하였으며, 내부 구성을 도시하기 위하여 일부 부분을 단면으로 처리하였다.
한편, 본 발명에 따른 사용후 연료 건식 저장 유니트를 구성하는 건식 저장 용기의 전체적인 구성은 건식 저장 용기와 동일하며, 따라서 동일한 부재에 대해서는 동일한 도면 부호를 도시한다.
본 발명에 따른 사용후 연료 저장 유니트의 역시 외부 케이싱인 오버 팩(100), 오버 팩(100) 내에 위치하는 캐니스터(20) 및 오버 팩(100)의 상단에 고정되는 커버(30)를 포함한다.
콘크리트 구조체인 오버 팩(100)은 내부에 저장된 사용후 연료(F)를 밀봉하는 기능을 가지며, 따라서 사용후 연료(F)로부터 발생된 열과 방사선은 이 오버 팩(100)에 의하여 차폐된다. 오버 팩(100) 내에 위치하는 캐니스터(20)의 내부에는 다수의 사용후 연료 다발(F)이 저장된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 오버 팩(100)의 상단에는 다수의 공기 배출구(102)가, 하단에는 다수의 공기 흡입구(101)가 형성된다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 건식 저장 용기의 부분 단면도로서, 오버 팩(100)과 캐니스터(20)의 관계 및 오버 팩(100)에 형성된 공기 배출구(102)와 공기 흡입구(101)의 구성을 도시하고 있다.
사용후 연료 다발(F)이 저장된 캐니스터(20)는 오버 팩(100)의 내부 공간에 위치하며, 이 때 캐니스터(20)의 외주면과 오버 팩(100)의 내주면 사이에는 소정의 간격(103)이 형성된다.
위에서 언급한 바와 같이, 오버 팩(100)의 하단부 및 상단에는 다수의 공기 흡입구(101)와 공기 배출구(102)가 형성되며, 각 공기 흡입구(101)와 공기 배출구(102)는 오버 팩(100)의 내면과 캐니스터(20)의 외면에 형성된 공간(103)과 서로 연결된 상태이다.
따라서, 오버 팩(100)의 공기 흡입구(101)를 통하여 유입된 외부의 공기는 오버 팩(100)의 내면과 캐니스터(20)의 외면에 형성된 공간(103)을 따라 유동한 후, 오버 팩(100) 상단의 공기 배기구(102)를 통하여 외부로 배출된다.
이러한 공기의 흐름 과정에서 외부에서 유입된 공기는 캐니스터(20)의 전체 외주면과 접촉하게 되며, 따라서 비교적 저온의 공기는 사용후 연료(F)에서 발생되어 캐니스터(20)로 전달된 열을 흡수하게 된다.
한편, 공기 흡입구(101)과 공기 배출구(102) 사이의 공기 대류 현상에 의하여 오버 팩(100)의 내면과 캐니스터(20)의 외면에 형성된 공간(103)에는 새로운 외부 공기가 지속적으로 유입되며, 따라서 캐니스터(20)의 열을 흡수한 고온의 공기는 공기 배출구(102)를 통하여 외부로 배출된다.
이하, 공기 배출구(102)와 공기 흡입구(101)의 구체적인 구성을 설명한다. 한편, 공기 흡입구(101)와 공기 배출구(102)의 구성은 동일하며, 이하에서는 공기 배출구(102)의 구성만을 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 오버 팩(100)의 상단면의 외곽부를 소정 폭 및 깊이로 절개하여 제 1 절개부(102-1)를 형성한다. 이후, 제 1 절개부(102-1) 의 내측부를 제 1 절개부(102-1)보다 더 깊은 깊이로 절개하여 제 2 절개부(102-2)를 형성한다. 서로 연결된 제 1 절개부(102-1)와 제 2 절개부(102-2)에 의하여 하나의 공기 배출구(102)가 이루어진다.
이러한 구조를 갖는 공기 배출구(102)를 오버 팩(100)의 내부에서 보면 제 1 절개부(102-1)와 제 2 절개부(102-2)를 구분하는 경계벽이 관찰될 뿐 제 1 절개부(102-1)를 통하여 외부는 보이지 않게 된다. 즉, 오버 팩(100)의 내부 공간과 외부(대기)는 선(직선)형으로 연결되지 않는다.
캐니스터(20) 내에 밀봉된 상태로 저장되어 있는 사용후 연료에 방사된 방사선은 캐니스터(20) 외부로 방사될 수 있으나, 이 방사선은 그 진행 과정에서 제 1 절개부(102-1)와 제 2 절개부(102-2)의 2단 구조로 이루어진 공기 배출구(102)에 의하여 산란된다.
이와 함께, 제 2 절개부(102-2)를 형성함으로서 존재하는 제 2 절개부 표면(102-2)과 커버(30) 사이에 형성된, 비교적 넓은 공간에서 방사선의 산란 현상이 크게 발생되기 때문에 방사선의 외부 누출은 크게 감소되며, 그로 인하여 작업자의 방사선 피폭 우려는 현저하게 감소된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 오버 팩(100)의 상단 및 하단에는 균일한 간격으로 8개씩의 공기 배출구(102)와 공기 흡입구(101)가 각각 형성되어 있다(일부 단면 처리한 사시도에서는 4개의 공기 흡입구 및 공기 배출구가 도시됨).
이와 같이 다수의 공기 흡입구(101)과 공기 배출구(102)가 오버 팩(100)의 원주를 따라서 형성되어 있기 때문에 열을 균일하게 흡수, 방출할 수 있으며, 특히 캐니스터(20)에서의 국부적인 온도 증가에 효과적으로 대응할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 건식 저장 유니트의 구성 부재인 콘크리트 패드(400)의 단면도로서, 본 발명에 따른, 캐니스터(20)가 재치되는 콘크리트 패드(400)는 콘크리트 지지체(401) 및 콘크리트 지지체(401) 상에 설치된 완충 부재(402)로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 콘크리트 패드(400)는 오버 팩(100)의 내부 바닥멱에 위치하며, 캐니스터(20)는 이 콘크리트 패드(400) 상에 위치한다.
콘크리트 지지체(401)의 높이는, 예를 들어 콘크리트 패드(400) 전체 높이의 약 3/4 정도이며, 완충 부재(402)는 콘크리트 패드(400) 전체 높이의 약 1/4의 높이를 갖는다.
이와 같이 완충 부재(402)의 높이를 콘크리트 패드(400) 전체 높이의 약 1/4 정도로 설정하여도 완충 부재(402)는 사용후 연료가 저장된 캐니스터(20)와의 충돌시에도 충격력을 발생하지 않는다.
콘크리트 지지체(401) 상에 금속 재료(예를 들어, 12mm 두께의 탄소강)로 이루어진 프레임을 고정시키고 그 내부에 탄성 부재, 예를 들어 폴리우레탄 폼을 채워 완충 부재(402)를 형성함으로써 콘크리트 패드(400)가 구성되다.
이와 같은 구조로 이루어진 콘크리트 패드(400) 상에 도 2에 도시된 캐니스터(20)를 위치시키는 과정에서 콘크리트 패드(400)와 캐니스터(20)의 충돌시 캐니스터(20)에 직접적으로 영향을 미칠 만큼의 큰 충격력을 발생하지 않으며, 따라서 캐니스터(20) 및 그 내부의 사용후 연료(F)의 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 콘크리트 패드(400)를 구성하는 완충 부재(402)는 그 형상이 제한되지 않으며, 예를 들어, 원통형, 육면체형 등 다양한 형태로 구성할 수 있음은 물론이다.
이상과 같은 본 발명에 따른 사용후 연료 건식 저장 유니트에서는 건식 저장 용기 내부로부터 방출될 수 있는 방사선을 그 내부 공간에서 산란시킴으로써 외부로 방사선이 누출되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 캐니스터의 냉각 효율을 향상시킬 수 있음은 물론, 패드 상에 위치시킬 때 저장 용기에 가해질 수 있는 충격력을 최소화시킬 수 있어 용기 자체는 물론 사용후 연료의 안정성을 확보할 수 있다.
위에서 설명한 본 발명은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이다. 따라서, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 사용된 후의 핵 연료(사용 후 연료)를 보관하기 위한 건식 저장 유니트에 있어서,
    내부에 공간이 형성되며, 상단면과 하단부에 2단 구조로 이루어진 다수의 공기 배출구 및 공기 흡입구가 각각 형성되어 있는 오버 팩;
    오버 팩의 내부 공간의 바닥면에 위치하는 콘크리트 패드
    콘크리트 패드 상에 위치하며, 오버 팩의 내주면과의 사이에 오버 팩의 공기 배출구와 공기 흡입구와 연통되는 소정의 간격이 형성되고, 내부 공간에는 사용후 연료가 수용되는 캐니스터; 및
    오버 팩 상단에 장착되어 오버 팩을 밀폐시키는 커버를 포함하는 사용후 연료 건식 저장 유니트.
  2. 제 1 항에 있어서, 공기 배출구와 공기 흡입구 각각은,
    오버 팩의 단부 외곽부를 소정 폭 및 깊이로 절개하여 이루어진 제 1 절개부;
    제 1 절개부의 내측부를 제 1 절개부보다 더 깊은 깊이로 절개하여 형성된 제 2 절개부로 이루어져 캐니스터 내부에서 누출된 방사선은 제 2 절개부와 제 1 절개부의 경계부에서 산란되는 것을 특징으로 하는 사용후 연료 건식 저장 유니트.
  3. 제 1 항에 있어서, 콘크리트 패드는 콘크리트 지지체 및 콘크리트 지지체 상에 설치된 완충 부재로 구성된 것을 특징으로 하는 사용후 연료 건식 저장 유니트.
  4. 제 3 항에 있어서, 콘크리트 지지체의 높이는 콘크리트 패드 전체 높이의 약 3/4이며, 완충 부재는 콘크리트 패드 전체 높이의 약 1/4의 높이로 이루어진 사용후 연료 건식 저장 유니트
  5. 제 3 항에 있어서, 완충 부재는 콘크리트 지지체 상에 고정된 금속제 프레임 및 프레임 내부에 채워져 있는 탄성 부재로 이루어진 사용후 연료 건식 저장 유니트.
  6. 제 4 항에 있어서, 탄성 부재는 폴리우레탄 폼인 사용후 연료 건식 저장 유니트.
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