KR20180069004A - 핵연료와 원자로의 긴급예비 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료와 원자로의 긴급예비 냉각시스템과 방법에 관한 것으로, 밀도가 가장 높고 운반하기 쉬운 형태의 액체질소와, 용기에서 액체질소가 방출될 때 생기는 찬 질소기체를 연료봉과 원자로의 긴급냉각에 사용한다.

Description

핵연료와 원자로의 긴급예비 냉각시스템{EMERGENCY AND BACK-UP COOLING OF NUCLEAR FUEL AND REACTORS}

본 발명은 핵연료와 원자로의 긴급예비 냉각시스템과 방법에 관한 것이다.

핵발전 시설에서, 원자로 노심(원자로 용기)는 핵연료봉을 갖고 있으며, 열을 생산하기 위해 핵연료봉내의 핵연쇄반응을 개시, 제어 및 유지하는 설비이다. 핵반응으로 생긴 열은 연료봉이 잠긴채 순환하는 1차 냉매에 흡수되어, 안정된 작동온도를 유지한다. 순환 냉매는 작동온도를 제한하여, 핵반응을 계속 통제하며, 통제된 핵반응에서 생긴 열을 운반하는데, 이런 핵반응은 터빈을 구동하기 위한 고압 증기를 생산하는데 이용된다. 터빈은 발전기를 구동하여 전기를 생산한다. 가장 일반적인 종류의 원자로는 1차 냉매로서 폐루프 순환 정제수를 사용하고, 이런 정제수는 비등수형 경수로(BWR; Boiling Water Reactor)에서 핵반응에 의해 터빈을 구동할 증기로 비등한 다음 다시 액체상태로 응축되는데, 이런 응축물은 바다나 강이나 호수와 같은 외부 공급원에서 공급된 별도의 순환 냉각수에 의해 냉각된다. 다른 종류의 원자로인 가압경수로(PWR; Pressured Water Reactor)는 터빈을 구동할 증기를 생산하는 고온수로부터 원자로 냉매를 분리한다.

핵연료 물질은 방사선-중화 지르코늄 합금으로 된 튜브형 봉 안에 들어있다. 이런 조립체를 연료봉이라 한다. 발전모드로 원자로가 작동하는 동안, 연료봉 피복의 표면온도는 보통 280℃ 정도를 유지한다. 연료봉들 사이에 제어봉을 끼워 연료봉의 핵반응으로 생긴 중성자드을 흡수하면 핵반응이 더 완화되고 제어된다. 지르코늄 합금은 중성자를 투과하는데, 이때문에 핵연료의 피복재료로 사용된다. 불행하게도, 550℃ 이상으로 가열된 지르코늄은 증기와 반응하여 수소를 생성하는데, 이런 수소는 산소가 있으면 고온에서 폭발성이 아주 높다. 이런 상황에서 원자로 내부와 주변에서 폭발이 일어나면 극히 위험한 방사능 물질이 주변으로 방출된다. 또, 연료피복의 붕괴로 핵연료 물질이 원자로 바닥으로 낙하하면서 핵반응의 통제력을 상실하고 계속적인 온도상승이 일어나는데, 이를 핵붕괴라 한다.

원자로가 폐쇄되고 유도 연쇄반응이 중단될 때에도, 핵연료는 자체 붕괴와 반응을 계속하고, 나머지 반응 물질이 완전히 소모될 때까지 고열에 의해 자발적으로 반응속도가 증가한다. 따라서, 핵물질의 냉각은 자발적 가속을 일으키는 임계속도 밑으로 핵반응을 통제하는데 중요하다. 임계값 이상에서는 반응과정의 자발적 가속에 의해 통제불능 상태가 되어, 방사성 부작용을 일으키는 유해 방사선이 주변으로 방출된다. 따라서, 연료봉이 원자로 안에 있든지 또는 원자로 외부 저장소에 있든지, 연료봉의 지속적인 냉각은 언제나 필요하다. 사용후 핵연료도 냉수 풀(pool)에 저장되어야 하고, 수년간 지속적으로 냉각한 다음에야 건조한 영구 저장소에 안전하게 폐기할 수 있는 것이다. 보통 연료봉이 잠겨있는 1, 2차 냉매들을 순환시키는 전기 펌프로만 이루어지는 원자로의 냉각이 사고나 오작동이나 정전이나 조작자의 실수로 이루어지지 않으면, 연료봉이 급속 가열되면서 고열의 핵반응 활동을 자체적으로 가속하게 되어, 550℃ 이상의 임계온도에 금방 도달하게 되고, 이때 아래와 같이 지르코놈 피복이 증기와 반응한다. 연료봉 주변에 수증기가 있으면, 지르코늄과 증기가 반응하여, 엄청난 양의 폭발성 고온 수소기체가 금방 생긴다. 이런 수소기체가 주변의 어떤 형태의 산소와 접촉해도, 지르코늄과 핵반응 물질이 모두 소비될 때까지 폭발이 일어나 주변을 완전히 파괴하고, 그렇지 않으려면 안전한 냉각장치를 설치해 온도를 통제해야 한다.

Zr + 4H₂O ＠ ~550℃ = Zr(OH)₄ + 4H₂

또한, 지르코늄 합금 케이싱은 증기와 반응하는 동안 붕괴되면서, 핵연료 팰릿을 스틸 원자로 바닥으로 떨어뜨리고, 이렇게 되면 아직 제 기능을 할 수 있는 다른 모든 종래의 핵반응 제어 메커니즘을 벗어나게 된다. 이런 경우의 연료 온도는 더 급속히 계속 상승하여, 결국 연료가 용융되어 원자로 바닥에 풀(pool)을 형성하고, 이렇게 되면 원자로 벽을 태워 격납실 바닥으로 떨어져 격납실 바닥조차 용융시켜, 결국 용융된 핵연료가 외부로 노출된 상태에서 계속 반응하여 대량의 방사성 부산물이 주변으로 방출된다. 이런 현상을 핵붕괴(nuclear meltdown)라 한다.

최근의 일본 후쿠시마의 원자로 사고에서는, 전기로 작동되는 냉각시스템이 지진때문에 고장나고, 예비 발전기는 쓰나미로 인해 고장이 났다. 이때문에 6개의 원자로의 연료봉들과 사용후 연료를 저장한 냉수 풀을 냉각하지 못했다.

쓰나미가 지난 뒤, 일본정부와 TEPCO(Tokyo Electric Power Corporation) 기술자들은 휴대용 발전기와 펌프를 사용해 해수를 발전소와 원자로 안으로 펌핑하여 과열된 연료봉들을 냉각했다. 해수가 높은 부식성을 갖는 것을 걱정한 일본정부의 요청에 의해 미국 선박들이 원자로를 냉각하기 위한 대량의 정제수를 싣고 후쿠시마 현장으로 향했지만, 불행하게도 해수나 정제수에서 생긴 막대한 양의 증기가 연료봉의 (550℃ 이상으로) 과열된 지르코늄 피복과 반응하여 엄청난 양의 수소기체를 발생시켰고, 그 결과 폭발이 반복적으로 일어났다.

도 1은 비등수형(BWN; Boiled Water Nuclear) 원자로와 그 냉각시스템의 개념도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 원자로의 냉매 입출구에 액체질수(LN) 용기가 연결된 구조의 개략도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 열작동 밸브를 통해 충전된 액체질소 용기가 원자로에 연결된 구조의 개략도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 열작동 밸브를 통해 원자로나 격납실에 연결된 소형 액체질ㅅ 용기에 액체질소 저장용기를 연결한 구조의 개략도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체질소 생산설비의 개략도.

일 실시예에서, 밀도가 가장 높고 운반하기 쉬운 형태의 액체질소와, 액체질소가 용기에서 방출될 때 생기는 찬 질소기체를 연료봉과 원자로의 긴급 냉각에 사용한다. 오늘날의 핵발전소에서는 원자로의 안전성을 개선하기 위해 기존의 수냉시스템 외에도 액체질소 예비 냉각시스템을 설치한다.

질소기체는 불활성이고, 대기압에서는 비등점이 -196℃이다. 액체질소는 액체상태를 유지하기 위해 단열이 잘된 고압 용기에 보관된다. 이 용기로부터 더 따뜻하거나 압력이 낮은 환경으로 액체질소를 방출하는데 전기나 펌핑동작이 전혀 불필요하므로, 전력을 사용할 수 없을 때나 원자로와 그 연료가 이미 과열상태일 때 효과가 높고 안전하면서도 빠른 냉매를 얻을 수 있다. 핵연료에서 방출된 중성자를 흡수하여 핵반응을 더 낮추고 늦추기 위해 액체질소나 압축된 찬 질소기체에 붕소분말을 혼입할 수 있다.

액체질소는 밀도가 아주 높고 초저온이며 운반하기 쉬운 불활성 질소기체 공급원이다. 또한 대기압에서 -196℃의 비등점은 물의 빙점보다 훨씬 낮아서, 개방사이클 냉각제나 냉매를 포함해 응용범위가 아주 넓다.

액체질소와 질소기체 모두 화학적으로 불활성이고 다른 물질과 반응하지 않는다. 액체질소가 고온 물체와 접촉하면서 증발하여 생긴 대량의 질소기체는 수소나 산소와 같은 다른 기체들을 희석시키고 대체하면서, 질식 기체를 형성하여, 화재를 진압할 수 있으며, 산소농도를 희석시켜 호흡을 곤란하게 한다.

액체질소는 용기 안에서 자가압축되고, 용기에서 방출될 때 힘을 생성한다. 용기의 압력이 높을 수록 방출되는 힘과 거리가 늘어난다.

원자로와 연료봉의 전력손실과 과열을 일으키는 사고가 의심될 때의 긴급냉각을 위해, 원자로 외부에 분무를 하면 대류에 의해 원자로내의 온도를 낮추는데 도움이 된다. 그와 동시에, 원자로 내부에 액체질소를 주입할 준비를 해야만 하고, 원자로 내부의 연료봉에 닿도록 직접 액체질소를 주입하는 것이 가능한한 신속하게 이루어져야만 한다. 이런 모든 조치에 펌핑동작과 전기가 모두 불필요하다. 고압 액체질소로 채워진 적당히 큰 용기의 출구에 유연한 단열 호스를 연결하고, 이 호스가 분무를 하도록 한 다음 원자로의 물/냉매 입구를 향하도록 하고, 액체질소 용기의 출구 밸브를 개방한다. 원자로의 냉매입구의 입구밸브가 아직 닫혀있으면, 이를 열어야 한다. 핵 사고가 일어난 구역에 이미 방사능이 있으면, 이런 조치는 로봇에 의해 또는 적절한 보호복을 착용한 훈련된 작업자에 의해 이루어져야 한다.

출구밸브가 열리면, 용기내의 고압 액체질소가 자동적으로 호스가 연결된 원자로로 방출된다. 전술한 바와 같이, 이런 방출에는 펌핑동작과 전기가 필요 없다. 용기에서 액체질소를 방출할 때 생기는 찬 질소기체가 원자로를 둘러싼 격납실을 채운다. 한편, 이런 목적으로 고압 질소기체 탱크를 사용할 수도 있다. 액체질소는 구하기가 쉽고, 일정 용량의 용기안에 같은 양의 질소기체보다 훨씬 더 많은 액체질소를 담을 수 있어; 압축된 질소기체보다 운반하기가 훨씬 더 쉽다. 산소와 수소가 있는 주변에 질소를 주입하면 산소화 수소의 밀도가 크게 희석되므로, 수소와 산소의 화학적 반응에 의한 폭발이 방지된다.

원자로에 주입된 고압 액체질소와, 이 액체질소에서 나온 극히 찬 질소기체가 연료봉을 냉각하고, 증기를 웅축하며, 원자로내의 나머지 물을 냉동시킨다. 이런 냉각법에 의해 액체질소의 주입 전에 원자로에 모여있던 수소가 폭발할 위험이 거의 제로로 감소되고, 더이상의 수소의 발생도 방지된다. 이런 연료봉과 원자로의 냉각과정중에 액상 질소에서 생긴 질소기체도 아주 차고, 원자로 외부의 대기로 방출된 질소기체는 대기중의 산소를 희석하고 대체하여, 모든 현존 수소의 폭발 위험을 크게 낮춘다.

또, 붕소분말이나 기타 중성자 흡수 물질이나 화합물을 액체질소보다 먼저 액체질소 용기 안에 넣을 수 있다. 액체질소의 방출력을 이용해, 붕소분말이 액체질소와 혼합되고 원자로 안으로 주입된다. 붕소는 핵연료의 반응과 자연붕괴로 생긴 중성자를 흡수하여 핵반응을 늦추거나 중단한다.

핵발전소에서 사용할 액체질소 용기의 양단부에 밸브와 입출구를 설치하는 것도 한가지 방법이다. 이 경우, 액체질소를 채우기 전의 빈 액체질소 용기에 붕소분말을 넣는다. 한쪽 입출구를 대형 액체질소 공급원에 연결하고, 다른쪽 입출구를 표적 원자로에 연결한다. 액체질소 용기 출구의 밸브를 먼저 열고, 원자로에 연결된 입구의 밸브를 연다. 다음, 액체질소 용기의 입구를 열어, 붕소분말로 채워진 소형 액체질소 용기에 대형 액체질소 공급원의 액체질소가 흘러들어가게 한다. 대형 액체질소 공급원으로부터 액체질소 용기내의 붕소를 통해 원자로 안으로 액체질소가 고압 분출되면 붕소분말이 원자로 안으로 분무되면서 원자로 내부의 물체들을 덮는다. 한편, 액체질소보다 먼저 액체질소 용기에 붕소분말을 일부 채운다음, 이 용기를 회전시켜 붕소분말의 중력과 액체질소의 분출력을 결합해, 분출되는 액체질소와 붕소분말을 동시에 원자로 안으로 주입하면서 연료봉들을 덮도록 할 수도 있다. 빈 액체질소/붕소 용기를 충전된 용기로 교체하고 필요한만큼 붕소와 질소를 동시에 방출하여 이 과정을 반복하되, 연료봉이 충분한 온도로 냉각되고 핵반응이 충분히 낮아질 때까지 반복할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 원자로에 자동 액체질소 예비 냉각시스템을 설치하는 것인데, 이때 액체질소 용기에 소정의 임계온도나 임계압력에서 열리는 온도 및/또는 압력 작동 밸브를 내장하거나 연결하여 원자로에 액체질소를 주입하도록 한다. 이런 목적으로 구축된 액체질소 용기도 2개 포트를 가질 수 있다. 한쪽 포트는 원자로나 격납실에 연결하고, 임계 온도나 압력을 사전설정한 온도 및/또는 압력 작동 밸브를 이 포트에 설치한다. 두번째 포트는 현장의 대형 액체질소 리필 저장탱크에 연결할 수 있다. 이 포트는 대형 리필 저장탱크에 연결되거나 압력작동 밸브를 갖추고 있으며, 원자로나 격납실에 액체질소를 주입하라고 표시된 압력까지 소형 액체질소 용기의 내부압력이 강하되었을 때 이 밸브가 열린다.

원자로의 벽을 질화붕소와 같은 세라믹 단열재로 코팅하여 원자로 안으로 주입된 질소를 외부온도와 격리하면, 질소의 온도를 낮게 유지하는데 도움이 된다.

다른 실시예로서, 사전 설치된 액체질소 단열 용기(Dewar)에 필요한 양의 붕소분말을 미리 충전할 수도 있다.

또는 원자로에 직접 연결된 액체질소 용기의 액체질소가 원자로에 공급되는 것에 맞춰, 현장의 다른 대형 액체질소 저장탱크로부터 액체질소 용기에 액체질소를 자동으로 공급할 수도 있다.

본 발명에서 충전된 액체질소 용기를 온도계를 통해 격납실에 연결할 수도 있다. 격납실에 연결된 액체질소 용기에 현장의 대형 액체질소 저장탱크를 추가로 연결하고, 액체질소가 격납실로 들어가면서 비워지는 만큼 액체질소 용기에 자동으로 액체질소를 공급하도록 할 수 있다.

또는, 현장의 대형 액체질소 저장탱크를 통해 원자로와 격납실에 연결된 액체질소 용기에 압력을 자동으로 공급할 수도 있다.

사용후 연료봉들이 들어있는 풀(pool) 벽면을 단열재로 코팅하고 단열커버를 설치할 수 있다. 급속 코팅이 필요하면 액체질소나 붕소가 섞인 액체질소를 풀에 주입하여 연료전지를 냉각할 수 있다. 풀 벽면과 커버를 단열재로 코팅하지 않고, 온도작동 예비 액체질소 냉각장비를 설치할 수도 있다.

또는, 대형 액체질소 저장탱크와 소형 액체질소 용기에 액체질소를 자동으로 충전하는 액체질소 생산설비를 설치하고, 소형 액체질소 용기를 원자로와 격납실과 사용후 연료 풀(pool)에 직접 연결할 수도 있다. 정전이 일어나면, 상위계층에 있는 예비 발전기와 배터리를 이용해 액체질소 생산공장에 전기를 공급할 수 있다. 이는 후쿠시마처럼 원자로가 여러개일 때 특히 적합하다.

수냉식을 포함해 어떤 냉각법을 사용하든 대량의 기체 방출은 피할 수 없다. 후쿠시마의 폭발은 원자로에서 방출된 고온 수소기체가 주변의 산소와 반응한데서 기인한다. 배출용 감압출구에서 수소와 같은 위험한 기체와 방사능 성분들을 제거하는 "스크러버"를 이용할 수도 있다. 스크러버는 반도체산업에서 배출물을 세척하는데 사용되는 것으로, 주변으로 위험한 배출기체가 방출되는 것을 제거하거나 제한하는데 아주 효과적이다.

도 1은 비등수형(BWN; Boiled Water Nuclear) 원자로와 그 냉각시스템의 개념도이다. 번호 1부터 18까지는 기존의 BWN 원자로의 일반 요소들을 나타낸다. 환기구(19)와 밸브제어 냉매 입출구(20,21)는 기존의 BWN 원자로에 있을 수도, 없을 수도 있다. 있다면, 액체질소와 이로부터 나온 찬 질소기체를 원자로 안으로 주입하여 원자로와 그 안의 연료봉을 냉각하는데 이런 입출구(20,21)를 이용한다. 19, 20, 21이 없으면, 터빈과의 증기출구(6) 연결을 끊고 이 증기출구를 비상용 감압출구로 사용하며, 냉각수 입구(7)를 통해 액체질소와 찬 질소기체를 원자로에 주입한다. 같은 원리를 다른 모든 종류의 원자로에도 이용할 수 있다.

기존의 핵발전소에서는, 일반 전원이 차단되었을 때 일반 냉각시스템에 연결된 긴급전원을 이용해 긴급냉각을 시작한다.

도 2는 긴급냉각 도중에, 액체질소 용기(22)를 현장에 끌고와 원자로의 냉매 입출구(20)에 연결한 구조의 개략도이다. 가능하다면, 입출구(21)에 두번째 액체질소 용기(23)를 연결할 수 있다. 또는, 입출구에 진공용기를 연결해 원자로의 과압 질소기체를 수용하는데 사용할 수도 있다.

도 3은 사전에 설치된 예비 액체질소 냉각시스템에서 적어도 하나의 충전된 액체질소 용기(24)를 열작동 밸브(25)를 통해 원자로에 연결한 구조의 개략도이다. 원자로 주변온도가 임계치까지 상승하면, 용기내의 액체질소가 원자로 안으로 방출되어 원자로와 연료봉의 온도를 급속히 낮춘다. 핵연쇄반응을 늦추는데 도움을 주기위해 액체질소 용기에 붕소 분말을 일부 사전에 채울 수도 있다.

도 4는 열작동 밸브(25)를 통해 원자로나 격납실에 연결된 적어도 하나의 소형 액체질소 용기에 대형 액체질소 저장용기(41)를 연결한 구조의 개략도이다. 원자로나 격납실에 연결된 소형 액체질소 용기(40)의 액체질소가 원자로나 격납실로 방출되는만큼 대형 저장용기(41)에서 용기(40)에 자동으로 액체질소가 충전된다.

도 5는 열작동 밸브(25)를 통해 원자로나 격납실에 연결된 적어도 하나의 액체질소 용기(52)에 연결된 대형 액체질소 저장용기(51)에 채울 액체질소를 현장에서 생산하는 액체질소 생산설비(50)를 보여주는 개략도이다. 이 생산설비는 대형 저장용기에 액체질소를 자동으로 충전하고, 원자로나 격납실에 연결된 소형 액체질소 용기의 액체질소가 원자로나 격납실로 방출되는만큼 대형 저장용기에서 이들 용기로 액체질소가 자동으로 충전된다.

이상의 설명은 어디까지나 예를 든 것일 뿐이고 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위와 이로부터 예상되는 다양한 변형례까지 확장되어야 한다.

1. 원자로 또는 원자로 압력용기(RPV; Reactor Pressure Vessel)
2. 핵 연료봉, 3. 제어봉
4. 순환 펌프 5. 제어봉 모터
6. 증기 7; 냉각수 입구
8. 고압터빈(HPT; High Pressure Turbine)
9. 저압터빈 10; 발전기
11. 여자기 12; 컨덴서
13. 냉매 14. 프리히터
15. 공급수 펌프 16. 냉수펌프
17. 격납실 18. 전기 그리드 연결부
19. 환기구 20,21. 밸브제어 냉매 냉매 입출구

Claims (5)

1. 입구부를 갖는 원자로; 및
   액체질소가 들어있는 적어도 하나의 용기;를 포함하고,
   상기 용기가 상기 입구부에 연결되는 출구부를 가져, 이 용기로부터 액체질소가 원자로 안으로 흘러들어가는 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용기에 붕소가 더 들어있는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 입구부와 연결되고 원자로에 들어가는 액체질소 유량을 제어하는 열작동 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용기가 제1 체적을 갖고; 액체질소가 들어있는 대형 용기를 더 포함하는데, 대형 용기는 제1 체적보다 큰 제2 체적을 가지며 상기 적어도 하나의 용기에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제1항에 있어서, 액체질소를 생산하는 장치를 더 포함하고, 이 장치가 상기 적어도 하나의 용기에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.

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