KR20090047186A - 핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로 - Google Patents

핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로(Proliferation- resistant Accident-tolerant Secure Capsular Autonomous Reactor, PASCAR)는 정격 열출력 1MW 이상 100MW 이하의 범위를 갖는 액체금속 냉각 소형 원자로이다. 본 발명의 원자로 냉각재는 기본적으로 납-비스무스 액체금속이고, 납 액체금속도 포함하며 냉각 방식은 능동 펌프를 사용하지 않는 자연순환 방식이며, 일차계통은 Capsule 모양의 단순한 구조를 가지고 있다. 본 발명의 원자로는 지진 발생 시 원자로에 가해지는 충격을 줄이기 위하여 2차원 또는 3차원 면진 시스템으로 지지되며 방사선 차폐, 항공기 추락에 대비한 물리적 방호를 위해 지하에 설치된다. 핵연료와 제어봉을 포함하는 일체형 노심은 초기 장전 후 20년간 가동이 가능하며, 사용후 노심은 납으로 차폐가 되는 별도의 용기에 저장된 후 재활용 시설로 수송되며, 새 노심이 삽입된다.
본 발명에 이용되는 노심(Reactor Core)은 핵연료 및 제어봉을 포함하는 일체형으로서 두 가지 모델 중 하나를 채택한다. 첫 번째 모델은 정사각형배열의 핵연료 집합체에 봉상의 금속핵연료(U-Zr)를 사용한다. 두 번째 모델은 정육각형배열의 핵연료 집합체에 봉상의 산화우라늄(UO2)를 연료로 사용한다. 본 발명의 원자로의 초기 노심에 사용되는 우라늄은 최고 20%의 U-235 농축도를 갖는다. 두 모델 모두가 고 속중성자 핵반응 특성을 이용하므로 원자로에 핵연료를 장전 후 20년 이상의 장기간 가동이 가능하므로 핵연료의 재장전에 따른 비용 및 핵 확산 위험을 혁신적으로 경감시키는 장점이 있다.
원자로 계통은 60년 이상의 설계 수명을 가지며, 재장전되는 노심은 핵비확산성 조성의 우라늄-초우라늄(U-TRU) 연료를 사용할 수 있다. 유사한 형태의 원자로가 러시아 및 일본[1,2]에서 개발하고 있으나, 이 경우 일차계통에서 펌프를 사용한다는 점에서 본 발명과 다르다. 또한 펌프를 사용하지 않는 설계를 미국[3]에서 개발하고 있으나 핵연료로서 질화물(Nitride fuel)을 사용한다는 점에서 본 발명과 차별된다.
본 발명을 통해 위에서 제시한 노심 구조의 실용성, 원자로 재료의 내부식성, 납-비스무스의 냉각재로서의 자연순환 냉각능력 등을 적용하여 아래와 같이 다양한 목적에 사용될 수 있다.
① 핵변환 검증 및 재료 조사시험 연구용 고속원자로
② 증기 발생기 및 터빈 발전기를 적용한 소형 발전용 고속원자로
③ 증기 발생기를 이용한 열의 이용으로 해수 담수화, 수소 생산 또는 지역난방용 고속원자로

Description

핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로{PASCAR : Proliferation-resistant, Accident-tolerant, Secure and Capsular Autonomous Reactor}
본 발명은 핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로(PASCAR)에 관한 것으로 핵확산 저항형 납-비스무스 냉각로 또는 납냉각로의 검증 연구로, 재료 조사시험 연구로, 소형 발전용 원자로 및 해수 담수화, 수소 생산 또는 지역난방용 원자로 등의 용도로 이용될 수 있는 다목적 소형 액체금속 냉각 원자로이다.
최근 핵비확산형 소동력 원자로의 다목적 이용 수요가 증가할 것으로 예상되어 열출력과 출력밀도를 높게 설계하기 위하여 액체금속을 이용한 실험용 고속로들이 세계적으로 많이 개발되고 있는데, 대표적인 액체 금속 냉각재로는 납, 납-비스무스, 나트륨이 있다. 그 중 납-비스무스는 용융점이 낮고, 화학적 안정성이 뛰어나며 열전달 능력이 좋아 차세대 액체금속로 냉각재로 연구되고 있으며, 러시아에서는 이미 실용단계에 이르렀다. 그러나 개발 원자로는 질화우라늄을 핵연료로 사용하여 장수명 방사성 폐기물인 C-14가 대량 발생하므로, 최종처분 비용이 높다. 이 문제를 해결하기 위해서 미국에서 N-15를 고순도로 농축한 질화물 핵연료를 사용하는 설계를 개발하였으나 농축비용이 매우 높아 경제성이 상대적으로 낮다. 따라서 본 발명에서 금속핵연료 또는 산화우라늄 핵연료를 채택하여 친환경성 및 경제성을 제고하였으며, 냉각재를 액체 납-비스무스 또는 납으로 채택하고 2차원 또는 3차원 면진(Seismic isolation) 베어링이 장착되어 안전성을 확보한 액체금속로를 개발하였다. 러시아에서 개발중인 산화물 핵연료를 사용하는 설계는, 펌프를 필요로 하므로 신뢰성 및 경제성이 낮다.
본 발명에 이용될 핵연료집합체내에서 핵연료봉의 배치는 두 가지 배열이 고려되고 있다. 첫 번째 모델은 금속핵연료(U-Zr)를 사용하는 봉상의 핵연료봉의 정사각형 배열이다. 지나친 중성자 누설을 억제하기 위하여 인접한 두 개의 핵연료봉 중심선 간 거리(Pitch)와 핵연료봉 직경간의 비율 (Pitch-to-diameter ratio)을 1.05 이상으로 하며, 연료 장전 밀도를 높여 임계상태를 유지한다. 금속연료는 분말 야금법으로 Electro-consolidation(한국특허출원#10-2006-0073384) 함으로써 제작된다. 이로써 핵연료 집합체를 구성할 경우 PASCAR 원자로는 최소 20년간 새로운 핵연료의 재장전 없이 가동이 가능하다. 원자로 설계에서 정격출력이 높을수록 원자로의 크기 및 초기 장전되는 핵연료의 질량이 증가한다.
두 번째 모델은 정육각형 배열의 핵연료 집합체에 산화우라늄(UO2)을 연료로 사용한다. 인접한 두 개의 핵연료봉 중심선 간 거리(Pitch)와 핵연료봉 직경간의 비율을 1.1 이상으로 하며 최초 운전시부터 20년 동안 정격 출력으로 지속 운전이 가능하 다. 원자로 설계에서 정격출력이 높을수록 원자로의 크기 및 초기 장전되는 핵연료의 질량이 증가한다.
본 발명의 냉각 시스템은 냉각재의 순환이 펌프 없이 이루어지며, 냉각재의 자연순환을 최대 100MW의 열을 노심의 바닥부터 원자로의 상부까지 이동시켜 상부 열 교환기로 하여금 발생 열을 제거한다. 우수한 구조재 사용에 따른 내부식성 증가, 최적의 열-수력 구조설계를 통한 비교적 낮은 고온부의 온도 유지로써 원자로가 한 번의 노심(최대 20% 농축 우라늄) 장전으로 20년 동안 운전이 가능하게 하였으며, 노심을 제외한 원자로 계통의 수명은 60년 이상이다. 이러한 성능 특성들은 HELIOS(Heavy Eutectic liquid metal loop for Integral test of Operability and Safety of PEACER)실험과 3차원 전산해석을 토대로 수립되었다.
본 발명은 금속(U-Zr) 핵연료봉-정사각형 배열 또는 산화우라늄(UO2) 핵연료봉-정육각형 배열의 핵연료집합체, 액체 납-비스무스 또는 납 냉각재를 사용하여 1회의 핵연료 장전으로 20년간 운전이 가능한 원자로를 개발하여 세계 모든 지역에서 연구용, 소동력용, 해수담수화 또는 지역난방 등의 다양한 목적에 핵비확산적으로 적용하는데 그 목적이 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로(PASCAR)는 연구용, 소동력용, 해수담수화용, 수소생산용 또는 지역난방용으로 사용될 수 있는 소형 장수명 원자로로서, 고속중성자를 이용한 연구, 원격지역의 독립발전, 선박 및 대형 전동차량 구동 발전, 해수담수화, 수소생산 또는 지역난방에 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 원자로는 현재 상용화된 대형 경수형 원자로의 보완 기능을 갖추어 지구 온실가스 방출을 억제하며 핵비확산성 및 안전성을 갖추어 지속 가능한 에너지원을 제공하는 효과가 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기위하여 본 발명은 액체금속 냉각재의 자연순환에 의한 냉각방법을 기반으로 한다. 상기 냉각법은 노심에서 가열된 냉각재의 밀도와 열교환기(Heat Exchanger)에서 냉각된 냉각재의 밀도 차에 의한 압력 차이를 추진력으로 하여 냉각재가 능동펌프 없이 스스로 순환하며 노심에서 발생된 열을 열교환기(Heat Exchanger)로 전달시킨다. 본 발명의 구조는 Pool Type 되어 있는데, 기존의 Loop Type의 원자로에 비해 냉각 구조가 간단하여 원자로 구조가 단순하고 크기가 감소하여 제작 및 건설 시간이 단축되고 유지보수 할 부분이 줄어들어 비용절감 효과가 있다.
본 발명은 다수의 핵연료 집합체로 이루어진 노심과 노심을 지지하고 노심에서 가열된 냉각재가 상승하는 통로를 형성하는 원자로 내부원통(Barrel)과 원자로 전체 구조를 지지하고, 상부 열교환기에 의해 냉각된 냉각재가 자연순환으로 내려오는 하강유로(Downcomer)가 Barrel 외벽과 원자로 용기(Reactor Vessel)내벽 사이에 형성되고, 이 공간 상단에 설치되어 열을 제거해 주는 열교환기(Heat Exchanger)로 구성된다. 원자로 전체는 상부에 설치된 2차원 또는 3차원 면진 베어링으로 지지된다. 이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도1은 원자로의 구성도를 나타낸다. Barrel 아래쪽에 정격 출력을 낼 수 있는 노심이 있고 그 바깥을 Barrel이 감싸고 있다. Barrel과 Reactor Vessel 사이에 Downcomer가 형성된다. Barrel은 도2에서 나타내는 바와 같이 단열을 위한 이중 구조를 가지고 있다. 상부에는 원자로계통 전체를 고정하며 동시에 방사성을 차폐하 는 원자로상판이 지질 특성과 조율된 2차원 또는 3차원 면진베어링으로 지지된다. 원자로 상판위에 제어봉집합체 구동장치가 있으며, 구동장치는 전동식으로 제어봉집합체가 원자로심 상부에서 하부로 진입하는 것을 기본으로 하고 일부의 제어봉집합체는 원자로심 하부에서 상부로 진입한다. 구동전원의 상실 시에는 상부에서 하부로의 진입은 중력에 의한 자유낙하로, 하부에서 상부로의 진입은 부력에 의한 자유부상으로 자동적으로 이루어진다.
도2는 원자로의 단면도 및 납-비스무스 또는 납 액체금속 냉각재의 순환도이다. 노심에서 가열된 냉각재가 Barrel 내부를 따라 상승하여 Barrel 상부에 위치하고 있는 유로창(Weir)을 통하여 Downcomer로 흘러나온다. 유로창의 개수는 12개, 유로창은 Barrel 벽면 대비 75%의 유로면적을 형성하여 냉각재가 원활히 Downcomer로 흘러나가게 한다. Downcomer로 흘러나간 냉각재는 열교환기(Heat Exchanger)에 의해 냉각하게 되고 그에 따라 밀도가 증가한 냉각재는 Downcomer를 통해 하강하게 된다. 하강된 냉각재는 다시 노심부분으로 들어가며 거기서 다시 가열된 냉각재는 상승함으로써, 냉각재의 지속적인 자연순환이 일어나게 된다. 원자로용기의 하부 내벽을 따라 반구면 형태의 철판구조물은 가상사고인 노심 핵연료봉 용융 및 하부 이동에 대비하여 하부 포집 및 분산용 구조물을 설치하여 안정적으로 냉각시킨다.
도3은 금속핵연료(U-Zr)-핵연료봉 정사각형 배열 원자로심의 각 집합체별 번호 및 배치도이며 정격열출력이 1MW인 노심의 경우 직경은 86.5cm, 높이는 100cm이다. 정 격열출력이 증가하면서 최고 100MW인 노심의 경우 직경은 2배까지 증가하나 높이는 100cm로 유지된다. 노심 가운데 중앙시험공간(FTL; Flexible Test Loop)을 두어 노심 내 각종 시험을 할 수 있으며, 연구용 이외의 경우, 핵연료를 장전한다. 원자로 원통(barrel)에 근접한 노심외곽의 핵연료 및 반사체는 구조 및 배치를 조절하여 노심 단면이 원형에 가깝게 만들 수 있다.
연구개발에 사용할 경우, 노심의 중앙시험공간에 별도의 조사용 수직관이 설치되며 상부에 차폐 및 냉각을 위한 장치가 설치된다. 조사용 수직관 내부에는 외곽에 중성자 스펙트럼 조절용 소재가 충전되며 중앙부에 조시 시료를 설치한다. 시료에서 발생되는 열을 불활성 기체, 물 또는 액체금속을 이용하여 제거함으로써 시료의 온도를 제어한다.
원자로의 출력제어를 위하여 총 8개의 반응도제어집합체(Control Assembly)를 갖는다. Pitch와 Fuel Rod Diameter 비율은 1.05 이상의 밀집된 구조를 갖는다. 도4와 같이 구성했을 경우 운전 시작 이후 20년 동안 정격 출력으로 운전 가능하고, 원자로의 크기 및 장전 핵연료의 질량은 정격열출력 범위 1~100MW에 따라 결정된다.
도4는 산화우라늄(UO2)-핵연료봉 정육각형 배열 원자로심의 각 집합체별 번호 및 배치도이며, 정격열출력이 1MW인 노심의 직경은 112.6 cm, 높이는 100 cm이다. 이 구조는 노심 중심에 1개의 FTL Assembly, 6개의 Control Assembly를 갖는다. Pitch와 Fuel Rod Diameter 비율은 1.1 이상이며, 이와 같이 구성 시 정격출력으로 20년 동안 지속 운전이 가능하다.
정격출력시 원자로심 입구 및 출구 온도는 액체 납-비스무스 냉각재를 사용할 경우 각각 300℃ 및 400℃ 내외다. 냉각재로 납을 사용할 경우, 이 온도는 각각 400℃ 및 500℃ 내외다. 그러나 용도와 적합성 및 열효율의 증진을 고려하여 상기온도는 변경이 가능하다. 외부 전력 수요의 감소가 발생할 경우, 이를 자동 감지하여 제어봉을 구동하여 출력을 제어한다.
도5는 사용후핵연료를 재처리 또는 폐기장으로 수송하기 전 임시로 저장하는 장치이며, 방사능 차폐를 위하여 내부 용기 내에 납을 채웠다. 내외부 용기는 모두 내부식성이 좋은 재료가 사용되며, 다른 곳으로 이동되기 전까지 땅 속에 저장된다.
도1은 PASCAR의 구성도
도2는 PASCAR의 단면도 및 납-비스무스 액체금속 냉각재의 순환도
도3은 금속핵연료(U-Zr)-정사각형 구조의 핵연료 집합체 구성도
도4는 산화우라늄(UO2)-정육각형 구조의 핵연료 집합체 구성도
도5은 사용후핵연료의 임시저장장치 구성도
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) 1차 격납 돔 (2) 응축기(Separator)
(3) 물 저장탱크 (4) 열교환기
(5) 제어봉 집합체 (6) 원자로심 원통(Barrel)
(7) 원자로용기(Reactor Vessel) (8) 원자로(Reactor)
(9) 부력에 의해 부상 가능한 제어봉 집합체
(10) 원자로 하부 간극 냉각장치 (11) 2차 격납 돔
(12) 고압 터빈 (13) 저압 터빈
(14) 습분 분리기(Moisture Separator)
(15) 복수기(Condenser) (16) 습분 가열기(Feed water heater)
(17) 펌프 (18) 펌프
(19) 용융금속 받침대
(20) 원자로용기 공냉장치(Reactor Vessel Air Cooling System, RVACS)
(21) 2차원 또는 3차원 면진 베어링(Seismic isolation bearing)
(22) 지하 사용후핵연료 저장장치
(23) 금속 저장용기 (24) 내부 저장용기
(25) 사용후핵연료 (26) 방사능 차폐용 납

Claims (13)

  1. 원자로에 장전되는 일체형 노심에 핵연료 집합체로 정사각형 배열을 갖는 핵연료로서 금속 핵연료(U-Zr)봉을 사용하며, 액체 납-비스무스의 자연 순환으로 펌프 없이 노심의 열을 열교환기로 전달하여 1회의 노심 장전으로 20년간 가동이 가능하며, 설계 수명이 60년 이상인 핵비확산적 안전ㆍ보안식 자동제어 캡슐형 원자로(PASCAR)
  2. 제 1항의 노심에 삽입되는 핵연료 집합체로서 정육각형 배열을 갖는 산화우라늄(UO2) 핵연료봉을 사용하는 원자로
  3. 상기 제 1항 및 2항에서 냉각재로 액체 납-비스무스 대신 액체 납을 사용하는 원자로
  4. 상기 항에서 원자로를 포함한 내부 구조물 및 노심이 원자로 용기 상판에 지지되고, 다시 2차원 또는 3차원 면진(Seismic isolation) 베어링을 통하여 콘크리트 구조물에 지지된 원자로
  5. 상기항에서 원자로의 크기 및 노심의 핵연료 장전량을 변경하여, 정격 열출력을 최 소 1MW, 최대 100MW의 범위를 갖는 원자로
  6. 상기 항에서 열교환기에서 증기를 발생시키고 터빈발전기와 연결하여 전력을 생산하는 원자로
  7. 상기 항에서 열교환기의 생산되는 열의 일부를 이용하여 수소, 담수 등의 생산공정, 난방 또는 연구개발에 응용하는 원자로.
  8. 상기 항에서 원자로 상판위에 위치하여 별도의 동력으로 제어봉 집합체를 상부에서 하부로 진입시키는 제어봉집합체 구동장치와 구동전원의 상실 시에는 상부에서 하부로의 진입은 중력에 의한 자유낙하로, 하부에서 상부로의 진입은 부력에 의한 자유부상으로 자동적으로 제어봉 삽입이 이루어지는 제어봉 구동 시스템을 장착한 원자로
  9. 상기 항에서 비상시 핵연료봉이 용융되어 원자로 하부로 이동하는 경우에 대비한 원자로 하부에 분산 및 냉각 기능을 겸비한 피동 보호 장치를 장착한 원자로
  10. 상기 항에서 사고시 열교환기를 통과한 액체금속의 온도가 안전 한계치를 초과한 경우, 용융금속 받침대가 자동적으로 녹아내리면서 기통 방지 판이 열리게 되어 공 기의 자연대류에 의해 원자로가 냉각되는 원자로
  11. 상기 항에서 사고시 휘발성 방사성 물질의 유출을 막기 위하여 2중 격납 용기를 설치한 원자로
  12. 상기 항에서 증기 배관 또는 열교환기 튜브의 파단 사고 후 압력증가치나 격납용기 설계치를 초과할 경우, 파단판(Rupture diaphragm)의 작동으로 증기를 옥외의 냉각수원으로 방출하는 장치
  13. 상기 항에서 사용된 일체형 노심을 최종 폐기장까지 가기 전까지 보관 및 이동에 사용할 수 있는 저장장치
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