KR20160035371A

KR20160035371A - 중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법과 연료봉 저장 방법

Info

Publication number: KR20160035371A
Application number: KR1020140126866A
Authority: KR
Inventors: 김경덕
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-03-31
Also published as: KR101615447B1

Abstract

본 발명은 중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법과 연료봉 저장 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 중수로 사용후 핵연료 다발을 분해하는 방법에 있어서, 상기 핵연료 다발은, 길게 연장되어 있으며 내부에 펠렛 형태의 핵연료가 장전되어 있는 연료봉 본체와 상기 연료봉 본체의 적어도 일단과 연결되어 있는 봉단마개를 포함하는 연료봉과; 복수의 상기 봉단마개와 결합되어 있는 접합판을 포함하며, 상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하여 상기 핵연료 다발을 각각의 사용후 연료봉으로 분리하는 단계를 포함한다.

Description

중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법과 연료봉 저장 방법{Method of disassembling spent heavy water reactor fuel bundle and method of storing spent heavy water reactor fuel rod}

본 발명은 중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법과 중수로 사용후 연료봉 저장 방법에 관한 것이다.

현재 발생되는 사용후 핵연료는 원전 부지 내의 저장시설에 저장하고 있으며, 조밀저장, 공동저장, 저장시설 추가 등을 통해 저장능력을 확충하고 있다.

중수로 사용후 핵연료 다발은 콘크리트 사일로 형식의 건식저장기술(MACSTOR)를 이용해 건식 저장 중에 있으나, 2016년 이후의 저장 부지 한계에 대비한 저장 용량 증대를 위한 방안이 요구된다.

한국 등록 제0693329호(2007년 03월 09일 공개) 일본 공개 제2002-296384호(2002년 10월 09일 공개)

따라서 본 발명의 목적은 저장 용량을 향상시키는 중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법과 중수로 사용후 연료봉 저장 방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 중수로 사용후 핵연료 다발을 분해하는 방법에 있어서, 상기 핵연료 다발은, 길게 연장되어 있으며 내부에 펠렛 형태의 핵연료가 장전되어 있는 연료봉 본체와 상기 연료봉 본체의 적어도 일단과 연결되어 있는 봉단마개를 포함하는 연료봉과; 복수의 상기 봉단마개와 결합되어 있는 접합판을 포함하며, 상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하여 상기 핵연료 다발을 각각의 연료봉으로 분리하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.

상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에 상기 봉단마개보다 더 외부로 돌출되게 결합되어 있는 지지체를 포함하며, 상기 연료봉 본체로부터 상기 지지체를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에 상기 봉단마개보다 더 외부로 돌출되게 결합되어 있으며 이웃하는 상기 연료봉 본체 간의 접촉을 방지하는 간격체를 더 포함하며, 상기 연료봉 본체로부터 상기 간격체를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 봉단마개와 상기 접합판 간의 분리는 방전가공으로 수행할 수 있다.

상기 봉단마개와 상기 접합판 간의 분리는 방사능 차폐시설에서 수행될 수 있다.

상기 본 발명의 다른 목적은 중수로 사용후 연료봉을 저장하는 방법에 있어서, 복수의 상기 연료봉의 일단과 연결되어 있는 접합판을 제거하여 복수의 연료봉을 각각으로 분리하는 단계와; 분리된 연료봉을 저장바스켓에 저장하는 단계를 포함하며, 저장상태에서의 상기 연료봉간의 간격은 상기 접합판에 의해 결합된 상태에서의 간격보다 작은 것에 의해 달성될 수 있다.

상기 연료봉은 길게 연장되어 있는 연료봉 본체와, 상기 연료봉 본체의 적어도 일단에 형성되어 있으며 상기 연료봉 본체보다 직경이 큰 봉단마개를 포함하며, 상기 분리단계는 상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에서 상기 봉단마개보다 더 외부로 돌출되게 결합되어 있는 지지체를 더 포함하며, 상기 연료봉 본체에서 상기 지지체를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에서 상기 봉단마개보다 외부로 더 돌출되게 결합되어 있으며 이웃하는 상기 연료봉간의 접촉을 방지하는 간격체를 더 포함하며, 상기 연료봉 본체에서 상기 간격체를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 저장상태에서 연료봉 중심 간의 간격은 상기 봉단마개의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 분리는 방전가공으로 수행할 수 있다.

상기 분리는 방사능 차폐시설에서 수행될 수 있다.

상기 본 발명의 다른 목적은 중수로 사용후 연료봉을 저장하는 방법에 있어서, 핵연료 단발에서 복수의 연료봉과 결합되어 있는 접합판을 제거하여 연료봉 각각을 분리하는 단계와; 상기 연료봉을 저장바스켓에 저장하는 단계를 포함하며, 상기 저장시 사용후 연료봉 간의 간격은 상기 핵연료 다발에서의 연료봉 간격의 50%이하인 것에 의해 달성될 수 있다.

상기 연료봉은 길게 연장되어 있는 연료봉 본체와 상기 연료봉 본체에서 외부로 돌출되게 결합되어 있는 지지체와 간격체를 포함하며, 상기 연료봉 본체로부터 상기 지지체와 간격체를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 연료봉은 상기 연료봉 본체의 적어도 일단에 형성되어 있으며 상기 연료봉 본체보다 직경이 큰 봉단마개를 더 포함하며, 상기 저장 상태에서 상기 연료봉 중심 간의 간격은 상기 봉단마개의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 분리에서는 상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하며, 상기 분리는 방전가공으로 수행할 수 있다.

상기 분리는 방사능 차폐시설에서 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면 저장 용량을 향상시키는 중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법과 중수로 사용후 연료봉 저장 방법이 제공된다.

도 1은 중수로 사용후 핵연료 다발을 나타낸 것이고,
도 2는 중수로 연료봉을 나타낸 것이고,
도 3은 중수로 핵연료 접합판을 나타낸 것이고,
도 4와 도 5는 중수로 사용후 연료봉이 건식 저장되는 바스켓을 나타낸 것이고,
도 6은 기존의 핵연료 다발을 그대로 저장할 경우 연료봉 사이의 간격을 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 실시예 중 지지체와 간격체를 제거하지 않은 경우 연료봉 사이의 간격을 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 실시예 중 지지체와 간격체까지 제거한 경우의 연료봉 사이의 간격을 나타낸 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 중수로 사용후 핵연료 다발(10)을 나타낸 것이다.

핵연료 다발(10)에서 37개의 연료봉(20)은 접합판(30)의 양단에 의해 접합되어 다발을 이루고 있다. 연료봉(20)은 도 2와 같이 피복관(21), 봉단마개(22), 지지체(23) 및 간격체(24)로 이루어져 있다.

중수로 핵연료는 경수로 핵연료와 달리 천연우라늄(U-235함량 0.7%)을 원료 핵물질로 사용한다. 중수로 핵연료 다발(10)이 원전 호기당 연간 5,150개가 장전, 방출되며, 핵연료 다발(10)의 연소기간은 약 1년이다. 원자로에서 연소되고 난 사용후 핵연료는 원전 수조에서 냉각기간이 경과함에 따라 붕괴열과 방사능 양이 감소한다. 일반적으로 평균 방출연소도는 7,500 MTD/MTU이며, 방출된 사용후 핵연료의 붕괴열은 1,474 kW/MTU, 방사능은 1.2×10⁸ Ci/MTU이다.

연료봉 본체인 피복관(21, 연료봉 본체)은 길게 연장되어 있는 봉 형상으로 그 내부에는 펠렛 형태의 핵연료가 채워져 있으며, 재질은 지르코늄 합금으로 이루어져 있다. 봉단마개(22)는 피복관(21)의 양단을 막고 있고 있으며, 피복관(21)보다는 큰 직경을 가지고 있다.

지지체(23)는 피복관(21)의 길이방향으로 따라 3개가 배치되어 있으며, 봉단마개(22)보다 외부로 돌출되어 있다. 간격체(24)는 피복관(21)의 중앙부분에 형성되어 있으며 역시 봉단마개(22)보다 외부로 돌출되어 있다.

지지체(23)는 핵연료 다발(10) 외곽에 위치한 연료봉(20)에만 부착되는 것으로 핵연료 다발(10)과 핵연료 장전 압력관 사이에 일정한 공간이 생기게 한다. 이 공간에 의해 원자로 내에서 냉각수가 연료봉(20) 사이를 잘 흐르게 되어 연료봉(20)과 장전 압력관 간의 접촉을 방지하며 열발생으로 인한 손상을 막아준다.

간격체(24)는 피복관(21) 사이에 일정한 공간이 생기게 한다. 이 공간에 의해 원자로 내에서 냉각수가 피복관(21) 사이를 잘 흐르게 되어 피복관(21) 간의 접촉을 방지하며 열발생으로 인한 손상을 막아준다.

지지체(23)와 간격체(24)는 피복관(21)과 동일한 재질이며, 용접을 통해 부착된다.

접합판(30)은 도 3과 같이 둥근 원판 형태로 되어 있으며, 내부에 다수의 빈 공간을 가지고 있다.

접합판(30)은 핵연료 다발(10)의 양단에 위치하며 연료봉(10) 각각의 봉단마개(22)와 접합되어 있다. 접합판(30)과 봉단마개(22)의 접합은 용접을 통해 이루어진다. 접합판(30)에 의해 하나의 다발을 형성하는 연료봉(10)의 개수는 37개일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 실시 예에서 사용후 연료봉(10)은 접합판(30)에 동심원을 이루며 접합되어 있다.

도 4와 도 5는 건식 저장을 위해 연료봉(10)이 저장되는 바스켓(40)을 나타낸 것이다. 바스켓(40)에는 복수의 수용공(41)이 형성되어 있으며, 기존 방식에서는 핵연료 다발(10)이 수용공(41)에 수용되게 된다.

핵연료 다발(10)을 수용한 바스켓(40)은 실린더(도시하지 않음)에 다단으로 적재되어 저장시설에서 보관된다.

본 발명에서는 핵연료 다발(10)을 분해하여 연료봉(20)형태로 서로 분리하여 저장함으로써 저장효율을 향상시킨다.

이를 위해 핵연료 다발(10)에서 연료봉(20)과 접합판(30)을 분리한다. 이 과정은 방사능이 차폐된 공간, 예를 들어 핫셀에서 수행될 수 있으며, 분리는 기계적 방법 및/또는 전기적 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로는 워터 제트, 다이아몬드 소 커팅, 기계적 비틀림, 와이어 방전가공, 선반가공, 전기적 가열 용해방법 등이 있다.

분리는 핵연료 다발(10)에서 연료봉(20)을 접합판(30)에 용접해 놓은 것을 연료봉(20)을 하나하나 해체하거나 한꺼번에 해체하여 수행된다.

도 2와 같이 접합판(30)에서 분리된 상태의 연료봉(20)에는 봉단마개(22)보다 더 외부로 돌출되어 있는 지지체(23)와 간격체(24)가 존재한다. 저장효율을 향상시키기 위해 지지체(23)와 간격체(24)를 제거할 수 있으며, 제거방법은 접합판(30)의 제거방법과 유사할 수 있다. 다른 실시 예에서는 지지체(23)와 간격체(24) 중 어느 하나만을 제거할 수 있다.

이때 지지체(23)와 간격체(24)까지 제거하면 연료봉(20)의 최대 직경은 봉단마개(22)의 직경과 동일하게 된다.

도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 효과를 설명한다.

도 6은 기존의 핵연료 다발(10) 형태로 그대로 저장할 경우 연료봉(20) 사이의 간격을 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 실시예 중 지지체(23)와 간격체(24)를 제거하지 않은 경우 연료봉(20) 사이의 간격을 나타낸 것이고 도 8은 본 발명의 실시예 중 지지체(23)와 간격체(24)까지 제거한 경우의 연료봉(20) 사이의 간격을 나타낸 것이다.

도 6의 기존 방법에서는 연료봉(20)이 접합판(30)에 의해 고정되어 있어 연료봉(20) 사이의 간격(d1)이 매우 크다.

도 7에서는 연료봉(20)이 서로 분리되어 있어 간격(d2)을 작게 할 수 있는데, 기존 방법의 간격(d1)의 50%이하일 수 있다. 다만, 봉단마개(22)보다 돌출되어 있는 지지체(23)와 간격체(24)에 의해 연료봉(20)의 밀착이 제한된다.

도 8에서는 돌출되어 있는 지지체(23)와 간격체(24)가 없어 봉단마개(22)가 서로 접촉하도록 연료봉(20)을 접근시킬 수 있다. 이 경우 연료봉(20)의 중심간 간격은 봉단마개(22)의 직경과 실질적으로 동일하게 된다.

이하 실제 연구결과를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

MACSTOR 7 모듈은 2,800개의 바스켓으로 구성되며, 1개의 바스켓에는 60다발의 핵연료 다발을 저장할 수 있다. 따라서 1개의 MACSTOR에 저장 가능한 핵연료 다발은 168,000 다발이다. 그러나 핵연료 다발을 해체하여 연료봉 형태로 저장한다고 가정하면,

(간격체 미분리 경우) 연료봉 간 이격 거리가 최대인 경우(간격체 1.95 mm + 연료봉 본체 직경 13.08 mm)는 연료봉 3,367개 즉, 핵연료 다발 91 다발(1다발 = 37개 연료봉)을 수용 가능하게 되어, 기존 방법 대비 50%정도 저장 능력이 향상된다.

(간격체 분리의 경우) 연료봉 간 이격 거리가 최소인 경우(봉단마개 직경 13.12 mm)는 연료봉 4,447개 즉, 핵연료 다발 120 다발(1다발 = 37개 연료봉)을 수용 가능하게 되어, 기존 방법 대비 약 100% 저장 능력이 향상된다.

MACSTOR 7모듈은 2,800개의 바스켓으로 구성되므로,

- 간격체를 분리하지 않는 최소 저장으로 가정하여 분석하면

91 다발/바스켓 × 2,800 바스켓/MACSTOR = 254,800 다발/MACSTOR

- 간격체를 분리하는 최대 저장으로 가정하여 계산하면

120 다발/바스켓 × 2,800 바스켓/MACSTOR = 336,000 다발/MACSTOR이 된다.

한편, 사용후 중수로 핵연료에 대해 연료봉 형태로 저장하였을 경우의 문제를 시뮬레이션한 결과 문제가 없는 것으로 분석된다. 임계문제에 대해서는 중수로는 천연우라늄을 사용하므로 경수로의 경우와 달리 임계문제가 없으며, 또한 열문제에 대해서는 WASH-1400에서의 보고에서와 같이 원자로 인출 후 잠열이 급속히 감소하므로 열에 의한 문제발생 가능성도 매우 낮다. 따라서 본 발명과 같이 연료봉을 밀집해서 저장해도 문제가 발생하지 않는다.

이상의 본 발명에 따르면 누적되고 있는 중수로 사용후 핵연료의 원전 부지 내 MACSTOR를 이용한 건식 저장에서 저장용량 극대화를 위한 용량 증대 방안 중 하나로 핵연료 다발 형태의 저장방식 대신에 연료봉 형태 저장 방식으로 개선한다면 현재의 저장 능력을 적게는 1.5배, 많게는 2배 정도 증대시킬 수 있을 것으로 분석되며 핵적인 측면, 원격 가공 기술적 측면, 그리고 핵물질 계량관리 측면에서도 크게 어려움은 없을 것으로 분석된다.

전술한 실시 예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

중수로 사용후 핵연료 다발을 분해하는 방법에 있어서,
상기 핵연료 다발은,
길게 연장되어 있으며 내부에 펠렛 형태의 핵연료가 장전되어 있는 연료봉 본체와 상기 연료봉 본체의 적어도 일단과 연결되어 있는 봉단마개를 포함하는 연료봉과;
복수의 상기 봉단마개와 결합되어 있는 접합판을 포함하며,
상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하여 상기 핵연료 다발을 각각의 연료봉으로 분리하는 단계를 포함하는 중수로 사용후 핵연료 다발 분해방법.
제1항에서,
상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에 상기 봉단마개보다 더 외부로 돌출되게 결합되어 있는 지지체를 포함하며,
상기 연료봉 본체로부터 상기 지지체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 다발 분해방법.
제1항에서,
상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에 상기 봉단마개보다 더 외부로 돌출되게 결합되어 있으며 이웃하는 상기 연료봉 본체 간의 접촉을 방지하는 간격체를 더 포함하며,
상기 연료봉 본체로부터 상기 간격체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 다발 분해방법.
제1항에서,
상기 봉단마개와 상기 접합판 간의 분리는 방전가공으로 수행하는 것을 특징으로 하는 핵연료 다발 분해방법.
제1항에서,
상기 봉단마개와 상기 접합판 간의 분리는 방사능 차폐시설에서 수행되는 것을 특징으로 하는 핵연료 다발 분해방법.
중수로 사용후 연료봉을 저장하는 방법에 있어서,
복수의 상기 연료봉의 일단과 연결되어 있는 접합판을 제거하여 복수의 연료봉을 각각으로 분리하는 단계와;
분리된 연료봉을 저장바스켓에 저장하는 단계를 포함하며,
저장상태에서의 상기 연료봉간의 간격은 상기 접합판에 의해 결합된 상태에서의 간격보다 작은 연료봉 저장 방법.
제6항에서,
상기 연료봉은 길게 연장되어 있는 연료봉 본체와, 상기 연료봉 본체의 적어도 일단에 형성되어 있으며 상기 연료봉 본체보다 직경이 큰 봉단마개를 포함하며,
상기 분리단계는 상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하는 단계를 포함하는 연료봉 저장 방법.
제7항에서,
상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에서 상기 봉단마개보다 더 외부로 돌출되게 결합되어 있는 지지체를 더 포함하며,
상기 연료봉 본체에서 상기 지지체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장 방법.
제7항에서,
상기 연료봉은 상기 연료봉 본체에서 상기 봉단마개보다 외부로 더 돌출되게 결합되어 있으며 이웃하는 상기 연료봉간의 접촉을 방지하는 간격체를 더 포함하며,
상기 연료봉 본체에서 상기 간격체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장 방법.
제7항에서,
상기 저장상태에서 연료봉 중심 간의 간격은 상기 봉단마개의 직경과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.
제7항에서,
상기 분리는 방전가공으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.
제7항에서,
상기 분리는 방사능 차폐시설에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.
중수로 사용후 연료봉을 저장하는 방법에 있어서,
핵연료 단발에서 복수의 연료봉과 결합되어 있는 접합판을 제거하여 연료봉 각각을 분리하는 단계와;
상기 연료봉을 저장바스켓에 저장하는 단계를 포함하며,
상기 저장시 사용후 연료봉 간의 간격은 상기 핵연료 다발에서의 연료봉 간격의 50%이하인 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.
제13항에서,
상기 연료봉은 길게 연장되어 있는 연료봉 본체와 상기 연료봉 본체에서 외부로 돌출되게 결합되어 있는 지지체와 간격체를 포함하며,
상기 연료봉 본체로부터 상기 지지체와 간격체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장 방법.
제14항에서,
상기 연료봉은 상기 연료봉 본체의 적어도 일단에 형성되어 있으며 상기 연료봉 본체보다 직경이 큰 봉단마개를 더 포함하며,
상기 저장 상태에서 상기 연료봉 중심 간의 간격은 상기 봉단마개의 직경과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.
제15항에서,
상기 분리에서는 상기 접합판과 상기 봉단마개를 분리하며,
상기 분리는 방전가공으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.
제16항에서,
상기 분리는 방사능 차폐시설에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료봉 저장방법.