KR20180012768A - 핵 반응기 - Google Patents

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KR20180012768A
KR20180012768A KR1020177034804A KR20177034804A KR20180012768A KR 20180012768 A KR20180012768 A KR 20180012768A KR 1020177034804 A KR1020177034804 A KR 1020177034804A KR 20177034804 A KR20177034804 A KR 20177034804A KR 20180012768 A KR20180012768 A KR 20180012768A
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coolant
tube
nuclear reactor
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라리온 알렉산드로비치 레베데브
발레리 알렉세이비치 레브첸코
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리서치 앤 디벨롭먼트 센터 포 이노베이션즈
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Abstract

본 발명은 핵 에너지, 더욱 구체적으로 저-전력 및 특히 저-전력 반응기의 분야에 관한 것이다. 핵 반응기는 반응기 코어를 형성하는 리플렉터를 갖는 하우징을 수용한다. 코어는 냉각제를 순환시키도록 구성된 일차 공정 튜브 및 제어 및 보호 시스템의 요소를 수용하도록 구성된 이차 공정 튜브가 내부에 배열된다. 반응기는 또한 파티션에 의해 분리되는 일차 루프의 냉각제용 배출 챔버 및 일차 루프의 냉각제용 유입 챔버를 수용한다. 일차 공정 튜브는 필드 튜브의 형태로 설계되고 이의 외부 튜브는 일차 루프의 냉각제를 위한 유입 챔버의 하부에 고정되고, 내부 튜브는 파티션 상에 고정된다. 연료 조립체는 일차 루프의 냉각제에 대한 배출 챔버의 상부 부분 상에 고정되는 서스펜션 상의 필드 튜브의 내부 튜브 상에 장착된다. 이차 공정 튜브는 일차 루프의 냉각제에 대한 유입 및 배출 챔버로부터 밀봉되고 코어의 내부 튜브 공간은 중성자가 투과하는 매질 또는 재료로 충전된다.

Description

핵 반응기
본 발명은 핵 에너지 섹터, 특히 저 전력 및 초-저 전력 반응기에 관한 것이다.
현재 IAEA(B. J. Csik Assessment of the world market for small and medium reactors. IAEA-TECDOC-999, Vienna, 1998)에 의해 승인된 분류에 따라, 저전력 핵 반응기는 300 MW를 초과하지 않은 반응기이다. 중형 핵 발전 반응기는 300-700MW 범위의 반응기이다. 700MW를 초과하는 핵 반응기는 고성능 반응기이다.
초기에는 저전력 반응기가 군용 잠수함에 사용되었다. 민간 핵 에너지 분야는 개발 기간 동안 군사 설계로부터 많은 것을 채택했다. 그러나 600 - 1000MW의 NPP에 관심이 있었다. 이러한 핵 에너지 분야의 발전은 아마도 고가의 프로젝트를 수행하기 위해 전기 네트워크, 자격을 갖춘 인력, 기술 및 에너지 흡수력을 개발 한 산업 선진국들에게는 합리적이다.
그러나 개발 도상국의 대다수는 인프라, 전기 전송 네트워크, 충분한 인구 밀도 및 대규모의 프로젝트를 위한 자원을 충분히 개발하지 못했다. 이들 국가에서 대규모 발전소를 건설하는 것은 이 단계에서 에너지 섹터를 개발하는 최선의 선택이 아니다. 이는 핵 에너지가 예를 들어 담수화 또는 가열과 같이 발전을 위해 사용되지 않는 경우 덜 효과적이다. 따라서, 전력이 25 - 40MW를 초과하지 않는 반응기를 가진 저전력 핵 발전소를 이용하는 것이 더 효과적이다.
저전력 및 초-저전력 NPP는 유기 연료의 불안정한 가격 및 가격 상승 경향으로 인해 좋은 이점을 제공합니다. 핵 에너지 사용은 더 나은 안정성을 보장합니다.
연료 공급의 중요한 이점 외에도 초-저전력 NPP 사용에 따른 환경적 이점은 또 다른 동기이다. 특히, 북부 지역과 아일랜드 생태계는 자생력이 약하기 때문에 중요하다.
핵 에너지의 또 다른 이점은 전기, 온수 및 스팀 생산, 담수화 등을 조합하여 저 및 초-저 전력 핵 에너지를 다목적으로 사용하는 데 있다. 상대적으로 단순한 연료 공급과 장기간의 연료 캠페인(7-15 년) 및 단일 반응기 유닛 유닛의 저전력은 이러한 유형의 에너지를 저렴하고 경제적으로 만든다.
전술된 바와 같이, 10년 내에 1회보다 덜 빈번하게 반응기의 반응기 코어의 과부하(overload)를 수행하면서 이러한 NPP에 대한 반응기는 활발히 개발되고 있다.
연료 교체 간격이 긴 저-전력 발전소에 대한 고속 중성자를 갖는 공지된 반응기가 있다(긴 연료 재주입 간격을 갖는 소형, 고속 중성자 스펙트럼 핵 발전소, 미국 특허 제8767902호, G21 C1/02, 2014). 이 반응기는 액체 나트륨이 냉각제로 사용되며 50 내지 100MW의 에너지를 생산하도록 설계되고 연료 교체 간격은 20년이다.
액체 금속을 사용하면 연료의 높은 동력 등급, 높은 전환율, 열역학 사이클의 증가된 성능을 보장하며 고압을 필요로 하지 않으므로 반응기의 안전성이 향상된다. 먼저 나트륨 냉각제를 사용하는 고속 반응기의 특정 문제는 반응기 코어를 없애거나 또는 나트륨을 보일링함으로써 응급 상황에서 안전에 부정적인 영향을 미치는 큰 양의 값의 나트륨 공극 반응 효과(sodium void reactivity effect)에 있다.
영구 운영 요원이 없고 수명이 60년인 300kW 열 공급 반응기가 있다(Y. A. Kazansky, V. A. Levchenko, E. S. Matusevich, Y. S. Yuriev, et al. Ultra-low power self-adjusting heat supplying reactor ,,MASTER IATE". ,,University news. Nuclear energy" N°3, p. 63, 2003).
이 반응기의 단점은 핵 물질의 비확산에 대한 국제적 요구 사항을 충족시키지 못한다는 것인데, 그 이유는 이의 작동에 약 40%의 농축된 핵연료가 필요하고 반응기의 낮은 전력, 연료 소비 및 반응기 코어 재료가 고비용 에너지 생산을 야기하기 때문이다. 또한, 반응기의 우수한 기술적 및 중성자-물리적 특성은 증가하는 힘에 대한 대처불가능한 배리어가 된다.
액체 금속 냉각제를 갖는 고속 중성자를 갖는 공지된 압력-튜브 반응기가 있다(특허 RU 2088981, G21 C 1/02, 1997). 탱크 반응기에서 고속 중성자를 갖는 압력-튜브 반응기의 이점은 압력-튜브 설계가 연료 채널에서 개별 냉각제 흡수를 조정하여 연료봉에 최적 온도 모드를 보장할 수 있다는 데 있다.
채널들 사이의 공간은 제어 및 보호 시스템(CPS)을 배치하는데 사용할 수 있다. 상당한 포지티브 모멘트가 반응기 냉각의 제1 루프로부터 CPS에 대해 독립적이며, 제어봉은 냉각제 흐름에 의해 반응기 코어로부터 배출될 수 없으므로 궁극적으로 CPS 및 전반적인 반응기 안전성의 신뢰성을 증가시킨다.
냉각제로 충전된 반응기 쉘이 없는 경우 특히 납-비스무트 냉각제를 사용할 때 내진 안정성의 관점에서 압력-튜브 반응기에 중요한 이점이 제공된다. 반응기 쉘에 손상이 있는 경우, 반응기 코어의 보이딩(voiding) 또는 나트륨 연소로 인한 결과는 단일 채널의 손상으로 인한 것보다 더 심각하다. 쉘 수명은 이의 방사선 및 열 안정성으로 인해 제한된다. 반응기에서 쉘을 교체하는 것은 거의 불가능하며 채널 커버는 주기적으로 새로운 커버로 교체될 수 있고 필요에 따라 반응기의 수명이 상당히 연장될 수 있다.
채널 설계는 제1 루프에서 냉각제 순환의 정지 시에 잔류 열을 전환시키는 문제점을 완화시키며, 또한 이차 임계 질량의 형성을 방지하기 위해 반응기 코어 붕괴의 경우 코리움 분산의 문제 해결을 상당히 단순화시킨다.
제안된 발명은 중간 및 패스트 에너지(fast energy)의 공간으로 중성자 스펙트럼이 이동하는, 저전력 및 초-저 전력 압력-튜브 반응기 설계의 추가 개발 및 개선에 관한 것이다.
본 발명의 기술적인 결과는 통상적으로 30MW 정도의 열용량을 갖는 핵 반응기를 설계하고 핵 반응기의 기술적 리소스의 옵션을 확대하고, 반응기의 질량-치수 파라미터를 향상시키는 것이다.
또한, 제안된 반응기 설계는 냉각제 속도를 증가시키지 않고 핵 반응기의 반응기 코어의 정격 전력에 의한 열 제거의 균일성 및 효율성의 증가로 인해 개선된 열교환 공정을 보장한다.
전술된 기술적 결과는 반응기 코어를 형성하는 리플렉터를 갖는 쉘, 냉각제 순환을 위해 설계된 반응기 코어 내에 배열된 제1 공정 채널, CPS 구성요소의 배치를 위해 설계된 반응기 코어 내에 배치된 제2 공정 채널, 및 연료봉 어레이로 구성된 핵 반응기에 의해 구현되며, 반응기는 또한 파티션에 의해 분할된 제1 루프의 냉각제의 제1 루프 및 배출 챔버로부터 냉각제 공급 챔버를 포함한다.
제1 공정 채널은 필드 튜브로 설계되고, 상기 필드 튜브의 외부 튜브는 제1 루프 냉각제 공급 채널의 하부에 부착되고, 내부 튜브는 파티션에 부착된다. 연료봉 어레이는 제1 루프 냉각제 공급 챔버의 상부 부분(리드)에 부착된 서스펜더 상에서 필드 튜브(Field tube)의 내부 튜브 내에 설치된다. 제2 공정 채널은 제1 루프 냉각제 공급 및 배출 챔버로부터 분리된다. 반응기 코어의 쉘 측면은 중성자가 투과되는 매질 또는 재료로 충전된다.
본 발명의 실시예에서, 리플렉터(reflector)는 예를 들어, 링의 팩으로 구성된 측면 리플렉터 및 상부 및 하부 리플렉터로 구성된다.
본 발명의 실시예에서, 지르코늄 합금이 소형 중성자 흡수 단면을 갖는 쉘 측면 재료로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, CPS 제어부가 제1 루프의 열 전달 배출 챔버의 상부 부분(리드) 상에 배열될 수 있다.
또한, 응급 보호 흡수체봉뿐만 아니라 보상 및 제어봉이 제2 공정 채널 내에 배치된 CPS 구성요소로서 사용될 수 있다.
이와는 달리, 바람직하게는, 본 발명의 설계는 심 봉(shim rod) 내의 흡수체로서 사용되는 80%의 10B로 농축된 B4C를 이용한다.
바람직하게는, 제어봉 내의 흡수체로서 사용되는 20%의 10B로 농축된 B4C를 이용한다.
본 발명의 실시예에서, 연료봉 어레이의 부분이 Gd2O3 가연성 흡수체로 설계될 수 있다.
또한, 연료봉 어레이의 부분이 Er 가연성 흡수체로 설계될 수 있다.
전술된 것은 본 발명의 요약이며, 따라서 세부 사항의 단순화, 일반화, 포함 및/또는 제외를 포함할 수 있고, 따라서 당업자는 본 발명의 요약이 단지 예시일 뿐이며 어떠한 제한도 의미하지 않는다는 것을 고려해야 한다.
제안된 기술적 해결 방법의 아이디어를 더 잘 이해하기 위해, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 핵 반응기의 실제 구현의 비제한적인 예가 아닌 본 발명의 정확한 예에 대한 설명이 아래에 주어지며, 다음과 같이 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 반응기의 일반적인 레이아웃의 부등각 투영도.
도 2는 제1 공정 채널의 위치와 제1 루프의 냉각제 공급 및 배출 챔버 설계를 도시하는 도면.
도 3은 연료 로드 어레이 및 제2 공정 채널의 서스펜더의 설계를 도시하는 도면.
도 4는 연료 로드 어레이를 갖는 제1 공정 채널의 설계를 도시하는 도면.
도 5는 반응기의 반응기 코어의 단면을 도시하는 도면.
도 6은 도 5의 A를 도시하는 도면.
도 7은 도 5의 B를 도시하는 도면.
반응기의 주요 구조적 특징이 도 1에 도시된다. 반응기는 금속 쉘(1)로 구성되고, 상기 금속 쉘 내에 리플렉터(reflector, 3)에 의해 형성되는 반응기의 반응기 코어(2)가 배치된다. 제1 루프 냉각제 회로에 대해 지정된 제1 공정 채널(4) 및 CPS 구성요소의 배치를 위해 설계된 제2 공정 채널(5)이 반응기 코어 내에 배치된다.
파티션(8)에 의해 분리된 제1 루프 냉각제 공급 챔버(6) 및 배출 챔버(7)가 반응기 코어(2) 위에 배열된다. CPS 제어부(9)는 제1 루프 냉각제 배출 채널(7) 위에 배치된다.
리플렉터(3)는 개별 링(10), 하부 리플렉터(11) 및 상부 리플렉터(12)의 팩으로 설계된 측면 리플렉터로 구성된다. A1-Be 합금은 리플렉터(3)에 대한 재료로 사용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 루프 냉각제 공급 챔버(6)는 반응기의 쉘(1)의 리드(lid, 13), 측면 벽(쉘)(14) 및 파티션(8)으로 구성된다. 덕트(15)(도 3)가 순환 펌프에 의해 공급 챔버(6)에 제1 루프 헷 캐리어(loop het carrier)를 공급하는 측면 벽(14) 상에 배열된다. 물(H2O)이 제1 루프 냉각제로서 사용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 루프 냉각제 배출 챔버(7)는 파티션(8), 측면 벽(16) 및 상부 리드(17)에 의해 형성된다. 스팀 생성기로서 설계될 수 있는 열 교환기로 챔버(7)로부터 제1 루프 냉각제를 이송하기 위해 사용되는 덕트(18)가 측면 벽(16) 상에 배열된다.
제1 (연료) 공정 채널(4)(도 2)은 각각 외부 튜브(19) 및 내부 튜브(20)를 수용하는 필드 튜브로 설계된다. 외부 튜브(19)는 삼각형 그리드를 따라 배치된 홀을 갖는 튜브 플레이트로 설계된 반응기 쉘(1)의 리드(13) 내로 용접된다. 내부 튜브(20)는 제1 루프 냉각제의 배출 채널(7)과 공급 채널(6) 사이의 파티션(8) 내로 용접되고 상기 파티션은 또한 리드(13)의 홀에 대응하는 홀을 갖는 튜브 플레이트로 설계된다.
제2 (제어) 공정 채널(5)(도 3)은 냉각제로부터 제2 공정 채널을 분리하고 제1 루프 냉각제의 배출 챔버(7)와 공급 챔버(6)를 통과하는 튜브(22), 및 반응기 코어(2) 내에 배열된 튜브(21)를 각각 수용한다. 반응기 코어(2) 내의 공정 채널들 사이의 공간(23)(도 4)은 작은 중성자 흡수 단면을 갖는 지르코늄 합금 E-110이 충전된다.
반응기 코어(2) 내에서 제1 및 제2 공정 채널의 위치는 도 5에 도시된다.
연료봉 어레이(24)의 서스펜더(suspender)가 제1 루프 냉각제 배출 챔버(7)의 상부 리드(17)(도 3) 상에 장착된다. 연료봉 어레이(24)는 중앙 봉(25)로 구성되고, 이의 하부 단부에 연료봉(26)의 번들이 부착된다. 특수 플랜지(27)가 반응기 코어(2)로부터 연료봉을 설치 및 제거하는 동안에 연료봉을 그립하고 상부 리드(17) 상에 연료봉 어레이(24)의 서스펜더를 체결하기 위해 중앙 봉(25)의 상부 단부에 배치된다.
덕트(15)를 통하여 순환 펌프로부터의 냉각제는 제1 공정 채널에 대해 냉각제의 공급 챔버(6) 내로 공급된다. 그 뒤에, 도 2에 도시된 바와 같이, 필드 튜브의 내부 튜브(20)와 외부 튜브(19) 사이의 공간을 따라 반응기 코어(2)가 사전가열된다. 게다가, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각제는 연료봉 어레이(24)가 배열되는 내부 튜브(20)로 이동한다. 연료봉 어레이를 통해 이동하는 냉각제는 요구된 온도로 완벽히 가열되고 냉각제 배출 챔버(7)로 복귀되고 그 뒤에 덕트(18)를 통하여 열 교환기에 공급된다.
연료 채널의 이러한 설계는 반응기 코어의 선형 치수, 이 경우에 높이를 절반으로 줄일 수 있다. 게다가, 외부 튜브(19)에 대한 입구에서의 냉각제로 내부 튜브(20)로부터 배출된 냉각제의 부분적인 열 손실로 인해 열 제거의 균등성 및 효율성이 구현된다. 또한, 연료봉의 길이를 따른 연료봉 열 부하 분포가 향상된다.
반응기 설계가 간단하여 온도 변형을 완벽하게 보정할 수 있다. 이 모든 것이 반응기 코어를 통한 냉각제의 대량 소비를 보장하여 정격 전력을 증가시키고 소형 크기에서 20 MW의 열 동력(heat power capability)을 제공한다.
기술된 반응기의 연료봉은 농축된 이산화 우라늄이다. 이점은 수천의 반응기 사용 년에 의해 확인된 이 유형의 연료의 최적 처리를 포함한다. 핵연료 생산을 위한 우라늄 농축은 핵무기 확산을 방지하기 위한 IAEA의 요구 사항에 따라 20%로 제한된다. 선택된 농축은 19%의 우라늄-235 함량이다(농축, BN-800 반응기의 생산 연료와 유사). 농축의 허용 최대 값을 선택하면 반응기 코어의 크기가 감소될 수 있고, 이에 따라 필요한 반응 여유도(reactivity margin) 및 높은 연소 깊이에 도달될 수 있다.
과부하가 없는 반응기의 긴 작동 수명을 보장하기 위해, 큰 반응 마진(reactivity margin)(약 22%)이 필요하다.
가연성 흡수체(burnable absorber)가 있는 연료를 사용함으로써 반응기 코어의 최소 흡수 봉에서의 마진의 보상 및 내부 자기 방어를 보장이 구현된다. 에르븀(Er) 및 가돌리늄(GdC)이 가연성 흡수체로 사용된다.
연료봉 어레이(24)의 연료봉의 위치 및 내용물이 도 7에 도시된다. 연료봉 어레이는 3개의 Er 연료봉(28), 3개의 Gd2O3 연료봉, 및 가연성 흡수체를 함유하지 않는 12개의 봉(30)을 포함한다.
반응기 제어는 13개의 조절 CPS 제어부(도 2)에 의해 수행되고, 각각은 7개의 흡수봉(32)(도 6)의 팩으로 설계된다. CPS 흡수 봉의 모든 팩은 목적에 따라 다음과 같은 그룹으로 분할된다:
-연료 연소의 결과로서 반응성의 상실로 인해 생성된 반응기의 반응 마진의 보상을 보장하는 보상봉의 4개의 팩(33);
-작동 중에 반응기 전력을 지원하고 제어를 보장하는 제어봉의 2개의 팩(34);
-정상 작동 실패 및 응급 상황이 있을 때 반응기를 하위-임계 모드로 전환하고 전력의 신속한 감소를 보장하는 응급 보호봉의 7개의 팩(35).
도 5에 도시된 바와 같이, 흡수봉의 12개의 팩은 6각형 주연부를 따라 배치되고 하나의 팩(응급 보호)이 반응기 코어의 중심에 배치된다. 제어봉의 팩(34)은 반응기 코어 중심에 대해 서로 대칭을 이룬다.
80%의 10B로 농축된 B4C는 보상 및 응급 보호봉이고, 20%의 10B로 농축된 B4C는 흡수 및 제어봉이다.
제안된 발명은 이의 실제 구현의 전술된 옵션에 제한되지 않는다. 따라서 예를 들어, 내부 설계를 사용하면 구성요소의 형상, 양, 및 위치가 위에서 전술된 것과 상이한 것을 가정할 수 있다.

Claims (9)

  1. 반응기 코어를 형성하는 리플렉터를 갖는 쉘, 냉각제 순환을 위해 설계된 반응기 코어 내에 배열된 제1 공정 채널, CPS 구성요소의 배치를 위해 설계된 반응기 코어 내에 배치된 제2 공정 채널, 및 연료봉 어레이로 구성된 핵 반응기로서,
    파티션에 의해 분리되는 제1 루프 냉각제 공급 및 배출 챔버를 포함하고, 제1 공정 채널은 필드 튜브로 설계되고, 상기 필드 튜브의 외부 튜브는 제1 루프 냉각제 공급 채널의 하부에 부착되고, 내부 튜브는 파티션에 부착되고, 연료봉 어레이는 제1 루프 냉각제 공급 챔버의 상부 부분에 부착된 서스펜더 상에서 필드 튜브의 내부 튜브 내에 설치되고, 제2 공정 채널은 제1 루프 냉각제 공급 및 배출 챔버로부터 분리되고, 반응기 코어의 쉘 측면은 중성자가 투과되는 매질 또는 재료로 충전되는 핵 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 링의 팩으로 설계된 측면 리플렉터, 상부 및 하부 리플렉터로 구성된 리플렉터를 갖는 핵 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 쉘 측면에 대한 재료로서 지르코늄 합금을 갖는 핵 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 제1 루프 냉각제 배출 챔버의 상부 부분에 배열된 CPS 제어부를 갖는 핵 반응기.
  5. 제1항에 있어서, 응급 보호의 흡수봉, CPS 구성요소로서 사용되는 보상 및 제어봉을 갖는 핵 반응기.
  6. 제4항에 있어서, 보상 및 응급 보호봉 내의 흡수체로서 사용되는 80%의 10B로 농축된 B4C를 갖는 핵 반응기.
  7. 제5항에 있어서, 제어봉 내의 흡수체로서 사용되는 20%의 10B로 농축된 B4C를 갖는 핵 반응기.
  8. 제1항에 있어서, Gd2O3 가연성 흡수체로 설계된 연료봉 어레이 내의 연료봉의 일부를 갖는 핵 반응기.
  9. 제1항에 있어서, Er 가연성 흡수체로 설계된 연료봉 어레이 내의 연료봉의 일부를 갖는 핵 반응기.
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