KR20190140077A

KR20190140077A - 소형 원자로 격납 시스템

Info

Publication number: KR20190140077A
Application number: KR1020197036035A
Authority: KR
Inventors: 야시르 아라파트; 위크 주리에 반
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2019-12-18
Also published as: EP3622537B1; EP3622537A1; JP2021502542A; CN110603604A; US10460844B2; JP7159201B2; US20180330836A1; CN110603604B; EP3622537A4; WO2018208431A1; AR111758A1; KR102573614B1

Abstract

원자로 격납 시스템은 및 원자로를 둘러싸는 컨테이너를 포함한다. 컨테이너는 활성 상태 및 비활성 상태를 각기 갖는 다수의 열 제거 시스템을 포함하고, 열 제거 시스템은 비활성 상태보다 활성 상태에서 컨테이너로부터 열을 보다 효율적으로 소산시키며, 열 제거 시스템은 컨테이너의 온도에 기초하여 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환되도록 구성된다.

Description

소형 원자로 격납 시스템

개시된 개념은 일반적으로 컨테이너에 관련되며, 보다 구체적으로는 소형 핵분열로 또는 원자력 전지를 위한 컨테이너에 관련된다.

기후 변화는 종종 세계 경제에 가장 큰 위협으로 인식된다. 그 결과, 원자력 및 재생 에너지(renewables)와 같은 청정 기술은 이전에 이러한 기술을 제공받지 못했던 시장에서 발전기로 철저히 재조사 및 재창조되고 있다. 또한 탈중앙화된 발전 시장의 출현과 성장에 따라 매우 소형(10MW 미만의 열)의 원자력 발전 장치가 신뢰할 수 있고, 지속 가능하며, 유연하며, 안전하고, 탄력 있고 저렴한 발전기로서 더욱 그럴듯해 보인다. 이러한 소형 원자로는 현장이 아닌 공장에서 건설, 조립, 테스트 및 인증된 후 설치할 장소로 수송되는 것으로 인식된다. 안전하고 확실한 수송과 이러한 원자로의 현장 배치(residence)를 위한 다목적 캐니스터(MPC: Multipurpose Canister) 내의 원자로의 포장은 그들의 실제 설치(deployment) 및 라이센스의 핵심이다.

소형 원자로 또는 원자력 전지는 일반적으로 전통적인 원자력 발전소와 같은 연료보급을 거치도록 설계되지 않는다. 대부분의 경우, 격납장치는 고객측에서 전혀 훼손되지 않으며 전통적인 연료보급은 없다. 이러한 원자로 또는 원자력 전지는 기술, 설계 및 고객 필요에 따라 5 ~ 60 년 범위의 긴 수명주기용으로 설계된다. 연료 사이클의 종료시, MPC가 분리되고 새 유닛으로 교체된다. 사용된 원자로는 부품 재활용, 연료 제거/회수, 재사용 처리 또는 직접 폐기를 포함할 수도 있는 사후 작업 활동을 위해 제작/처리/제조 공장으로 다시 수송된다. 이 원자로는 매우 높은 수준의 안전성을 가져야 하며 외부 위협을 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 하고 확산 방지 기능이 있어야 한다. 원자로의 MPC는 이러한 모든 요인에서 큰 역할을한다.

사용후 핵연료는 종종 캐스크나 캐니스터 중 하나 내의 건식 저장 컨테이너에 저장된다. 캐스크는 외부로 열을 소산하기 위한 전도성 핀(fin)을 갖는 콘크리트 라이닝을 구비하지만, 캐니스터는 주변으로 열을 소산하기 위한 핀형 채널을 갖는 금속 컨테이너이다. 때때로 캐니스터는 사용된 연료를 지면 위에 저장하는 동안 추가적인 차폐 및 보호를 위해 캐스크 내측에 배치된다. 마찬가지로, 수송중에 충격 제한기(impact limiter)를 갖도록 동일한 캐니스터를 개장할 수도 있다. 여러 기능을 가진 캐니스터를 종종 MPC라고한다. MPC는 일반적으로 경수로에서 사용한 핵연료의 저장에 대한 안전성 및 보안성을 제공할 수 있는 튼튼한 설계를 갖추고 있다. 예를 들어, 현재 사용되는 연료 MPC는, 그것을 250m 높이에서 날카로운 모서리 위로 떨어 뜨리고, 1000℃의 기름 화재(oil fire)에서 3 시간 동안 MPC를 태우고, 탄도 미사일을 MPC에 발사하는 등에 의해 엄격하게 검증된다. 이 엄격한 인증 테스트로 인해, 사용후 핵연료는, 물리적 또는 환경적인 최악의 가능한 공격에서 캐스크 또는 캐니스터 내부에 안전하고 확실하게 유지될 수 있다.

MPC는 사용된 핵연료의 격납, 저장 및 수송에 사용하기에 적합하였지만, 소형 원자로 또는 원자력 전지의 격납은 사용된 핵연료의 격납과는 다른 과제를 제시한다. 소형 전지 유형의 원자로를 위한 격납 시스템을 개발할 필요가 있다.

이 개념의 실시예에 따르면, 원자로 격납 시스템은, 원자로; 및 상기 원자로를 둘러싸고 다수의 열 제거 시스템을 구비하는 컨테이너를 포함하며, 상기 열 제거 시스템은 활성 상태 및 비활성 상태를 각기 구비하고, 상기 열 제거 시스템은 상기 비활성 상태보다 상기 활성 상태에서 상기 컨테이너로부터 열을 보다 효율적으로 소산시키며, 상기 열 제거 시스템은 컨테이너의 온도에 기초하여 상기 비활성 상태로부터 상기 활성 상태로 전환되도록 구성된다.

본 발명에 대한 추가의 이해는 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명을 첨부 도면과 관련하여 숙독할 때 얻어질 수도 있다.
도 1은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 원자로 격납 시스템의 사시도이다.
도 2는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 컨테이너의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 제 1 열 제거 시스템의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에 따른 제 1 열 제거 시스템의 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 제 2 열 제거 시스템의 사시도이다.
도 6은 개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에 따른 원자로 격납 시스템의 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에 따른 제 2 열 제거 시스템의 사시도이다.
도 8은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따라 지하 저장소(underground vault)로부터 제거되는 과정에서의 컨테이너의 사시도이다.
도 9는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 수송 동안 캐스크에 적재된 컨테이너의 도면이다.

도 1은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따라 설치된 컨테이너(20)를 포함하는 지하 시설(10)의 단면도이다. 도 1에 도시된 종단면도는 컨테이너(20)를 도시한다. 도 2는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 컨테이너(20)의 일부의 단면도이다. 도 2에 도시된 단면도는 컨테이너(20)의 일부의 단면의 평면도를 도시한다.

원자로(30)는 컨테이너(20) 내에 수용된다. 컨테이너(20)는 수송 및 설치된 작업 모두에서 원자로(30)에 대한 안전하고 확실한 격납을 제공한다. 컨테이너(20)는 일반적으로 원자로(30)와 히트 싱크 사이의 격납, 방사선 차폐, 보호, 모니터링 및 열 제거 인터페이스의 기능을 제공한다. 또한, 정상 운전을 용이하게 하기 위해, 컨테이너(20)는 2 개의 독립적이고 중복된 수동형(passive) 붕괴 열 제거 시스템을 포함한다. 유사하게, 컨테이너(20)는 수송 동안 물리적 보호, 방사선 차폐, 열 제거 및 조건 모니터링의 기능을 제공한다.

격납을 촉진하기 위해, 컨테이너(20)는 원자로(30)의 방사성 내용물과 환경 사이에서 장벽으로서의 역할을 하는 다층 캐니스터이다. 컨테이너(20)는 물에 대해 누설 밀봉성을 갖지만, 방사성 물질이 누설되는 것을 허용하지 않으면서도 숨 쉴 수도 있다. 도 2를 참조하면, 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 원자로(30)는 컨테이너(20)의 최내측 부분에 위치된다. 다수의 층이 원자로(30) 주위에 배치된다. 원자로(30) 주위의 최내층으로부터 시작하여 외측으로 진행하면서, 층들은 중성자 반사체(21), 스테인레스 스틸 벽(22), 중성자 흡수체(23), 다른 스테인레스 스틸 벽(24), 감마 차폐체(25) 및 컨테이너 용기 벽(26)을 포함한다. 컨테이너(20)의 최외측 부분은 열을 공기로 소산시키는 데 사용되는 핀(fin) 조립체(40)를 포함한다.

상기 다양한 층들이 격납 및 방사선 차폐를 제공한다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 감마 차폐체(25)는 납, 스테인리스 스틸 또는 다른 감마 흡수체로 구성된다. 감마 차폐체(25)는 컨테이너 용기 벽(26) 및 핀 조립체(40)의 활성화를 방지한다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 중성자 흡수체(23)는 예를 들어 탄화 붕소와 같은 붕소 흡수 재료로 구성되지만, 이에 제한되지는 않는다. 중성자 흡수체(23)는 중성자가 컨테이너(20)를 떠나지 못하게 한다. 탄화 붕소로 구성된 중성자 흡수체(23)는 또한 컨테이너(20)의 탄도 보호에 추가된다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 중성자 반사체(21)는 알루미나로 구성된다. 원자로(30)가 고속 원자로인 경우, 중성자 반사체(21)는 대부분의 중성자가 원자로(30)를 떠나지 못하도록 하기 위해 사용될 수도 있다. 중성자 반사체(21)는 개시된 개념의 범위를 벗어남이 없이 생략될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 개시된 개념의 범위를 벗어남이 없이, 다른 층이 생략될 수 있거나 층의 순서가 변경될 수 있거나 일부 층이 원자로(30)의 일부가 될 수 있음을 이해할 것이다.

개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 컨테이너 용기 벽(26) 및 그 외벽과 같은 핀 조립체(40)의 부분은 스틸로 구성될 수도 있다. 스틸은 튼튼함을 제공하여 예를 들어 자연 재해, 외부 폭발 또는 방사성 물질 회수 시도와 같은 사건으로 인한 외부 손상을 방지하는데 도움을 준다. 컨테이너(20)의 다양한 다른 구성 요소는 또한 스틸 또는 다른 튼튼한 재료로 구성될 수도 있다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 컨테이너(20)의 표면은 원자로(30)의 수명 동안 부식 또는 녹스는 것을 감소 또는 방지하기 위해 예를 들어 어닐링 또는 다른 피복 방법에 의해 처리될 수도 있다. 핀(40)의 곡면의 외부에는 절연물 또는 절연 재료가 사용될 수도 있다.

컨테이너(20)는 덮개(50)를 추가로 포함한다. 덮개(50)는 물리적(충격 흡수체) 및 방사선 장벽으로서 작용하는 두꺼운 방사선 차폐 상부 덮개이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 컨테이너(20)는 지하 저장소(60)에 설치된다. 컨테이너(20)가 지하 저장소(60)에서의 등급 아래에 설치될 때, 덮개(50)는 지하 원자로(30)에 대한 무단 접근을 방지하는 보안 수단으로서 작용한다. 덮개(50)는 또한 지하 저장소(60)로부터 컨테이너(20)를 제거할 때 부착점으로서 사용될 수 있는 하나 이상의 제거 가능한 리프팅 러그(52)를 포함한다. 덮개(50)는 공장에서 개방되는 물리적 잠금 장치 또는 전자 보안 시스템을 사용하여 고정될 수도 있다. 덮개(50)는 또한 원자로(30)에 의해 생성된 열을 전력으로 변환시키는 시스템에 연결될 수 있게 하는 전력 변환 열 연결부(54)를 포함한다. 덮개(50)는 또한 핀 조립체(40)로부터의 가열된 공기를 배출하기 위한 출구 공기 굴뚝(56)을 포함한다.

컨테이너(20)는 지하 저장소(60)에 설치될 수도 있다. 지하 저장소(60)는 컨테이너(20)를 수납하도록 구성된 하우징(62)을 포함한다. 장벽 영역(64)은 하우징(62)의 측면 및 바닥 주위의 땅 속에 배치된다. 장벽 영역(64)은 예를 들어 콘크리트로 형성될 수도 있다. 측면 핀(66) 및 바닥 핀(68)이 하우징(64)의 측면 및 바닥으로부터 각각 장벽 영역(64) 내로 연장될 수도 있다. 측면 및 바닥 핀(66, 68)은 컨테이너(20)로부터 주변 장벽 영역(64)으로, 궁극적으로는 땅속으로 열의 소산시키는데 도움을 준다.

개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 컨테이너(20)는 컨테이너(20)의 조건 및 컨테이너에 대한 잠재적 위협을 모니터링하는 하나 이상의 센서(도시되지 않음)를 포함한다. 조건 및 잠재적 위협에는 온도, 압력, 가속, 방사선, 범람(flooding), 화재, 위치(GPS), 충격 및 부당 변경(tampering)이 포함될 수도 있다. 예를 들어, 센서는 방사선, 습기, 온도, 압력, 가속, 범람, 화재, 위치(GPS), 충격, 부당 변경, 시각적 이미징 및 기타 조건과 같은 조건을 모니터링하기 위한 센서를 포함할 수도 있다. 컨테이너(20)는 또한 정보를 송수신할 수 있는 통신 장비(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 통신 장비는 센서에 의해 수집된 정보를 안전한 방식으로 컨테이너(20) 외부의 전자 장치로 무선으로 송신 및 수신할 수도 있다. 송신 및 수신 장비는 또한 유선 방식으로 센서로부터 정보를 송신 및 수신할 수도 있다. 통신 장비는 또한 인터넷과 같은 네트워크를 통해 센서에 의해 수집된 정보를 안전한 방식으로 송신 및 수신할 수도 있다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 통신 장비는 센서에 통합될 수도 있다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 센서는 통신 장비를 통해 수신된 정보에 기초하여 측정의 감지를 시작 또는 중지할 수 있는 로직을 포함할 수도 있다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 센서가 감지된 데이터를 캡처 및 저장할 수도 있다. 또한, 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 센서 및/또는 통신 장비는 자체 구동될 수도 있다.

개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 컨테이너(20)는 컨테이너(20) 내부의 동작을 개시시키는 하나 이상의 작동 장치(도시되지 않음)를 포함한다. 예를 들어 그리고 비제한적으로, 작동 장치는 원자로(30)의 작동 모드 또는 조건에 있어서의 변화, 보안 장치 활성화, 보호 활성화, 전력 변환 시스템 활성화 또는 변경, 또는 열교환기의 에너지 흐름 활성화 또는 변경과 같은 작용을 유발하도록 작동될 수도 있다. 컨테이너(20)는 또한 작동 장치의 상태 또는 상태 변경 정보를 송수신할 수 있는 통신 장비(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 예를 들어 그리고 비제한적으로, 통신 장비는 안전한 방식으로 컨테이너(20) 외부의 전자 장치들과 무선으로 정보를 송수신할 수도 있다. 통신 장비는 또한 유선 방식으로 작동기로부터 정보를 송수신할 수도 있다. 통신 장비는 또한 인터넷을 통해 작동 장치로부터 수집된 정보를 송수신할 수도 있다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 통신 장비는 하나 이상의 작동 장치에 통합될 수도 있다. 또한, 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 작동 장치는 통신 장비를 통해 수신된 정보에 기초하여 작동을 개시 또는 중지할 수 있는 로직을 포함할 수도 있다. 또한, 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 작동 장치는 작동 데이터를 캡처 및 저장할 수도 있다. 또한, 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 작동 장치 및/또는 통신 장비는 자체 구동될 수도 있다.

개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 컨테이너(20)는 2 개의 붕괴 열 제거 시스템을 포함한다. 붕괴 열 제거 시스템은 각각 활성 상태 및 비활성 상태를 갖는다. 활성 상태에서, 열 제거 시스템은 그들이 비활성 상태에 있을 때보다 더 효율적인 방식으로 컨테이너(20)로부터 열을 제거한다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 열 제거 시스템은 원자로의 온도에 기초하여 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환된다. 원자로(30)가 정상 운전중일 때, 원자로(30)에 의해 발생된 열이 핀 조립체(40)에 의해 제거되어 공기로 소산되지 않고 전력으로 변환될 수 있도록 붕괴 열 제거 시스템을 비활성 상태로 두는 것이 바람직하다. 그러나, 원자로(30)가 셧다운되거나 과열되면, 원자로(30)로부터 열을 보다 효율적으로 제거 및 소산시킬 수 있도록 열 제거 시스템을 활성 상태로 전환하는 것이 바람직하다.

제 1 열 제거 시스템은 핀 조립체(40)를 포함한다. 도 3a는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 비활성 상태에서의 핀 조립체(40)의 일부의 등각도이다. 도 3b는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 활성 상태에서의 핀 조립체(40)의 등각도이다. 핀 조립체(40)는 수직 대류 냉각 채널(46)을 형성하기 위해 절연 외피(44)로 둘러싸인 핀(42)을 포함한다. 공기는 채널(46)의 하단부에 있는 입구를 통해 채널(46)로 유입되고, 채널을 통해 흘러 그들의 상단부에 있는 출구를 통해 채널을 빠져 나간다.

핀 조립체(40)는 비활성 상태와 활성 상태 사이를 변경할 수 있는 공기유동 조절 메커니즘을 포함한다. 비활성 상태에서, 공기유동 조절 메커니즘에 의해 공기유동이 채널(46) 및 출구를 통해 진행되는 것이 방지된다. 활성 상태에서, 공기유동은 채널(46) 및 출구를 통해 진행할 수 있다. 도 3a 및 3b에 도시된 개시된 개념의 일 예시적인 실시예에서. 공기유동 조절 메커니즘은 바이메탈 스트립(70)이다. 바이메탈 스트립(70)은 채널(46) 각각에 배치된다. 바이메탈 스트립(70)은 도 3a에 도시된 바와 같이 원자로(30)의 정상 운전에 대응하는 온도에서 채널(46) 내의 공기유동을 차단하도록 구부러지게 구성된다. 도 3a에 도시된 상태는 핀 조립체(40)의 비활성 상태이다. 온도가 원자로(30)의 정상 운전 온도 이상으로 상승함에 따라, 바이메탈 스트립(70)은 그것의 휴지 위치로부터 구부러져서 도 3b에 도시된 바와 같이 채널(46)을 통한 공기유동을 허용한다. 도 3b에 도시된 상태는 핀 조립체(40)의 활성 상태이다. 이러한 방식으로, 바이메탈 스트립(70)은 컨테이너(20)의 온도에 기초하여 핀 조립체(40)의 상태를 비활성 상태로부터 활성 상태로 변경할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에 따른 공기유동 조절 메커니즘을 포함하는 핀 조립체(40')를 도시한다. 도 4a 및 4b에 도시된 공기유동 조절 메커니즘은 개방 플레이트 조립체(80)이다. 개방 플레이트 조립체(80)는 각각의 채널(46) 위에 배치된 플레이트(82)를 포함한다. 비활성 상태에서, 플레이트(82)는 피봇(84) 및 가용성 링크(fusible link: 86)에 의해 채널(46) 위에 지지된다. 가용성 링크(86)는 용융 요소를 포함한다. 가용성 링크(86)의 용융 요소는 도 4a에 도시된 바와 같이 원자로(30)의 정상 운전에 대응하는 온도에서 고체로 유지되어 플레이트를 지지하도록 구성된다. 도 4a에 도시된 상태는 플레이트(82)가 채널(46)로부터의 공기유동을 차단하는 핀 조립체(40')의 비활성 상태이다. 온도가 원자로(30)의 정상 운전 온도 이상으로 상승함에 따라, 가용성 링크(86)의 용융 요소는 용융된다. 이는 가용성 링크(86)가 플레이트(82)를 지지하는 것을 멈추게 한다. 이 시점에서, 플레이트(82)는 도 4b에 도시된 바와 같이 피봇(84)을 중심으로 회전하여 채널(46) 안으로 떨어질 수도 있다. 도 4b에 도시된 상태는 플레이트(82)가 더 이상 채널(46)로부터의 공기유동을 차단하지 않는 핀 조립체(40')의 활성 상태이다. 용융 요소는 원자로(30)의 정상 운전 온도보다 높은 사전결정된 융점을 갖는 선택된 재료일 수도 있다. 가용성 링크(86)에 사용될 수 있는 재료의 예는 주석-비스무트를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 그러나, 개시된 개념의 범위를 벗어남이 없이 다른 재료가 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 재료는 원하는 활성화 온도에 기초하여 선택될 수도 있음을 이해할 것이다.

개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에서, 플레이트(82)와 유사한 플레이트는 채널 밖으로의 공기유동을 차단할 수도 있다. 그러나, 용융 요소를 갖는 가용성 링크(86)를 사용하는 대신에, 원자로(30)의 정상 운전에 대응하는 온도에서 플레이트가 공기유동을 차단하도록 플레이트 자체가 용융 재료로 구성될 수도 있다. 그러면, 온도가 원자로(30)의 정상 운전 온도 이상으로 상승할 때 플레이트는 용융되어, 공기가 채널(46) 밖으로 흐르게 한다.

개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에서, 플레이트(82)와 유사한 플레이트가 전자기 코일을 통해 유도된 전자기장에 의해 폐쇄된 상태로 유지될 수도 있다. 그러나, 용융 요소를 갖는 가용성 링크(86)를 사용하는 대신, 정상 운전 동안 전자기 코일을 사용하여 플레이트(82)를 제 위치에 유지시켜 공기유동을 차단할 수 있다. 온도가 원자로(30)의 정상 운전에 대응하는 온도를 넘어서 증가할 때, 코일의 도체에 있어서의 저항 또는 코일에 대한 저항은 전류를 감소시켜 전자기장의 세기를 감소시킬 것이다. 전자기장 세기의 감소로 인해, 플레이트(82)는 해제되어 채널(46)을 통한 공기유동을 허용할 것이다.

제 1 열 제거 시스템이 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환되는 온도는 원자로(30)가 정상적으로 운전될 때의 컨테이너(20)의 온도보다 높은 선택된 온도일 수도 있다. 원자로의 셧다운 동안, 핀 조립체(40)를 통해 열이 제거되지 않으면, 컨테이너(20) 온도가 상승할 것이다. 붕괴 열 제거의 활성화가 바람직할 때의 컨테이너(20) 온도의 예는 약 100-300℃이지만 이에 제한되지 않는다.

컨테이너(20)의 제 1 열 제거 시스템(그 예가 도 3a, 3b, 4a 및 4b와 관련하여 도시 및 설명됨)은 원자로(30)의 열을 공기로 제거하도록 구성된다. 이하에서 더욱 상세히 설명될 제 2 열 제거 시스템은 원자로(30)로부터 땅속으로 열을 제거하도록 구성된다.

도 5a 및 5b는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 제 2 열 제거 시스템의 사시도이다. 이 실시예에서 컨테이너(20)에는 챔버(90)가 있다. 챔버(90)는 열 확산기 베이스 플레이트(69)와 접촉하고, 이 베이스 플레이트는 차례로 장벽 영역(64) 내로 연장되는 바닥 플레이트(68)와 접촉한다. 챔버(90)는 내부에 열 전도성 유체(92)가 배치된 가요성 라이너를 포함한다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 열 전도성 유체(92)는 납, 주석, 비스무트, 알루미늄, 이들 재료의 합금, 또는 높은 열 전도성을 갖는 다른 유체로 구성될 수도 있다. 열 전도성 유체(92)는 가요성 컨테이너 내에 수납될 수도 있다. 챔버(90)는 챔버(90)의 측면을 따라 배치된 바이메탈 플레이트(94)를 더 포함한다. 바이메탈 플레이트(94)는 개시된 개념의 범위를 벗어남이 없이 챔버(90) 내의 다른 위치에 배치될 수도 있음을 이해할 것이다.

제 2 열 제거 시스템의 비활성 상태가 도 5a에 도시되어 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 열 전도성 유체(92)는 챔버(90)의 꼭대기에 도달하지 않으며, 챔버(90)의 꼭대기로부터 열 확산기 베이스 플레이트(69)로 열적 브릿지를 생성하지 않는다. 제 2 열 제거 시스템의 비활성 상태는 원자로(30)가 정상적으로 운전되고 있는 온도에 해당한다. 온도가 상승함에 따라, 바이메탈 플레이트(94)는 내측으로 구부러지기 시작하여 챔버(90) 내부의 부피를 감소시키고 열 전도성 유체(92)가 감소된 부피를 채워서 챔버(90)의 꼭대기와 접촉하게 한다.

제 2 열 제거 시스템의 활성 상태가 도 5b에 도시되어 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 바이메탈 플레이트(94)는 내측으로 구부러져 열 전도성 유체(92)가 챔버의 꼭대기와 접촉하게 한다. 활성 상태에서, 열 전도성 유체(92)는 챔버(90)의 꼭대기와 열 확산기 베이스 플레이트(69) 사이에 열적 브릿지를 생성해서 원자로(30)로부터의 열이 땅속으로 보다 효율적으로 소산되도록 한다. 제 2 열 제거 시스템이 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환되는 온도는 원자로(30)가 정상적으로 운전되고 있을 때의 컨테이너(20)의 온도보다 높은 선택된 온도일 수도 있다.

개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 바이메탈 플레이트(94)와 같은 열 팽창 금속을 사용하는 대신에, 열 전도성 유체(92)가 상승하여 챔버(90)의 꼭대기와 접촉해서 열적 브릿지를 형성하도록 하기 위해 다른 팽창 가스, 액체 또는 고체가 이용될 수도 있다. 제 2 열 제거 시스템의 이러한 유형의 예시적인 실시예에서, 비활성 상태로부터 활성 상태로의 전이는 가역적이다. 즉, 바이메탈 플레이트(94)(또는 다른 팽창 재료)가 냉각됨에 따라 바이메탈 플레이트(94)는 도 5a에 도시된 그들의 형상으로 되돌아갈 것이며, 챔버(90)의 꼭대기와 열 전도성 유체(92) 사이의 접촉이 차단될 것이다.

도 6은 개시된 개념의 다른 예시적인 실시예에 따른 제 2 열 제거 시스템을 포함하는 컨테이너(20')를 도시한다. 도 7a 및 도 7b는 도 6에 도시된 제 2 열 제거 시스템의 사시도이다. 본 실시예에서, 제 2 열 제거 시스템은 컨테이너(20)의 바닥에 배치된 1 차 챔버(100)를 포함한다. 컨테이너(20)의 외주 둘레로 1 차 챔버(100) 위에는 2 차 챔버(104)가 배치된다. 1 차 챔버(100) 내에는 제 1 재료(102)가 배치되고, 2 차 챔버(104) 내에는 제 2 재료(106)가 배치된다.

일부 예시적인 실시예에서, 제 1 재료(102)는 금속 또는 세라믹과 같은 고체 다공성 재료(예를 들어, 30-80% 다공성)이다. 일부 예시적인 실시예에서, 제 2 재료(106)는 작은 칩, 구체 또는 분말로 형성된 금속 또는 합금이다. 제 2 재료(106)는 제 1 재료(102)보다 낮은 융점을 갖는다. 1 차 챔버(100) 및 2 차 챔버(104)는 메쉬 또는 스크린에 의해 분리되며, 그에 따라 제 2 재료(106)가 용융될 때 제 2 재료는 1 차 챔버(100) 내로 유동한다. 일단 1 차 챔버(100) 내에서 제 2 재료(104)가 제 1 재료(102) 내로 유동하면, 결과적인 복합 재료(108)는 제 1 재료(102) 단독보다 높은 열 전도성을 가져서 컨테이너(20)와 열 확산기 베이스 플레이트(69) 사이에 열적 브릿지를 생성한다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 제 2 열 제거 시스템은 비활성 상태에 있다. 비활성 상태에서, 제 2 재료(106)는 아직 용융되지 않았으며 2 차 챔버(104) 내에 배치된다. 도 7b는 활성 상태에서의 제 2 열 제거 시스템을 도시한다. 활성 상태에서, 제 2 재료(106)는 용융되어 1 차 챔버(100) 내로 유동하며, 그 결과 제 1 및 제 2 재료(102, 106)로 형성된 복합 재료(108)가 1 차 챔버(100) 내에 배치된다. 제 2 열 제거 시스템이 비활성 상태로부터 활성 상태로 전환되는 온도(예를 들어, 제 2 재료(106)가 용융되는 온도)는 원자로(30)가 정상적으로 운전되고 있을 때의 컨테이너(20)의 온도보다 높은 선택된 온도일 수도 있다. 도 7a 및 7b에 도시된 제 2 열 제거 시스템은 제 2 재료(106)가 용융된 후에는 비활성 상태로 다시 되돌릴 수 없다.

도 8은 지하 저장소(60)로부터 컨테이너(20')를 제거하기 위한 공정의 도면이다. 먼저, 원자로 셧다운 시스템은 보안 셧다운 모드로 전환되어, 이동 또는 충격이 원자로(30)를 활성화시킬 수 없게 한다. 또한 전력 변환 시스템 및 다른 열 제거 시스템을 사용하여 원자로(30)의 냉각 공정 속도를 높일 수도 있다. 그런 다음 전력 변환 공정을 위해 케이블링 및 배관이 분리된다. 케이블링 및 배관이 분리되면 지하 저장소(60)를 덮는 보안 덮개가 열릴 수도 있다. 차폐부가 컨테이너(20')의 꼭대기에 통합되어 외부로의 방사선 방사를 최소화한다.

컨테이너(20')를 제거하고 그것을 수송할 준비를 하기 위해, 캐스크(110)가 지하 저장소(60) 위에 배치된다. 리프팅 크레인(112) 및 관련 리프팅 케이블(114)을 사용하여, 컨테이너(20')를 지하 저장소(60)로부터 캐스크(110) 내로 상승시킬 수도 있다. 캐스크(110)는 또한 캐스크(110) 내에 있는 동안 컨테이너(20')에 대한 충격량을 제한하기 위해 그의 꼭대기 부분에 형성되는, 통합된 꼭대기 충격 제한기(116)를 포함할 수도 있다. 컨테이너(20')가 캐스크(110) 내로 상승되면, 통합된 충격 제한기를 갖는 바닥 덮개(118)가 캐스크(110) 아래로 슬라이딩된다. 바닥 덮개(118)는 캐스크(110)의 바닥에 부착되어 컨테이너(20')를 캐스크(110) 내부에 봉입한다. 바닥 덮개(118)는 지하 저장소(60) 내부로부터의 잔류 방사선으로부터 차폐를 제공하고 또한 작업자를 위한 플랫폼을 제공하는 차폐 플레이트 상에 놓일 수도 있다.

컨테이너(20')는 도 9에 도시된 바와 같이 캐스크(110)의 꼭대기 부분 및 바닥 부분에서 충격 제한기들 사이에 걸쳐 있는 충격 제한기 하니스(120)를 사용하여 캐스크(110)에 고정될 수도 있다. 컨테이너(20')를 캐스크(110) 내에 고정시키기 위해 베이스 지지체(122)가 사용될 수도 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 캐스크(110)의 내부는 탄도 및/또는 방사선 차폐 재료(124)를 포함할 수도 있다. 컨테이너(20')가 캐스크(110) 내에 고정되면, 캐스크(110)는 도 9에 도시된 바와 같이 트럭 또는 다른 수송 장치에 수평으로 적재될 수도 있다. 그런 다음 컨테이너(20')를 포함하는 캐스크(110)가 예를 들어 부품을 재활용하고, 사용된 연료를 추출하고, 활성화/오염된 부품을 폐기하기 위해 공장으로 수송될 수도 있다.

지하 저장소(60) 내에 새로운 컨테이너(20')를 설치하는 것은 기본적으로 지하 저장소에서 컨테이너(20')를 제거하는 공정의 반대이다. 트럭 상의 캐스크(110)에 고정된 컨테이너(20')가 현장(site)에 도착한다. 캐스크(110)가 지하 저장소(60) 위에 배치되고 컨테이너(20')가 리프팅 케이블(114)에 부착된다. 캐스크(110) 내에 컨테이너(20')를 고정하기 위한 메커니즘이 제거되고 바닥 덮개(118)가 컨테이너로부터 분리되어 지하 저장소(60)의 상부 개구로부터 멀리 슬라이딩된다. 이어서 컨테이너(20')가 저장소(60) 내로 하강될 수도 있다. 컨테이너(20')가 전력 변환 시스템에 연결될 수도 있고 저장소(60)의 고정된 덮개가 닫힐 수도 있다. 사용한 컨테이너(20')를 새로운 컨테이너(20')와 교환하는 것은 빠른 작업이며 24 시간 이내에 달성될 수 있다.

수송시, 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이, 캐스크(110) 및 컨테이너(20')는 물리적 보호, 방사선 차폐, 붕괴 열 제거 및 조건 모니터링을 제공한다. 물리적 보호를 위해 캐스크(110)는 추가적인 보호를 제공한다. 캐스크(110)는 콘크리트로 구성될 수도 있으며 충격 제한기 또는 충격 흡수체를 포함할 수도 있다. 캐스크(110)의 내부는 제한없이 알루미나 또는 탄화 붕소와 같은 탄도 및/또는 방사선 차폐재(124)로 구성될 수도 있다. 목재 칩 또는 엔지니어링 제품(engineering product)과 같은 충격 흡수재로 채워진 충격 제한기가 캐스크(110)에 통합될 수도 있다.

개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 캐스크(110)는 감마 차폐를 제공하는 콘크리트로 만들어진다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 탄도 및/또는 방사선 차폐재(124)는 탄화 붕소이며, 이는 중성자를 위한 추가적인 차폐를 제공한다. 개시된 개념의 실시예에서, 캐스크(110)는 컨테이너(20')로부터 열을 멀리 전도시키는 구성이 되도록 통합된 핀들을 포함한다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예에서, 캐스크(110)에 공기 통로가 형성되어 캐스크(110) 내부의 수동 또는 능동 환기를 허용함으로써 열을 제거한다. 캐스크(110)는 또한 조건 모니터링 및 추적 장비를 포함할 수도 있다. 조건 모니터링 및 추적 장비는 예를 들어 방사선, 습기, 온도, 압력, 가속 및/또는 시각적 이미징 감지 장비를 포함할 수도 있다. 캐스크(110)는 또한 감지된 데이터를 저장, 전송 및 보호하기 위한 장비를 포함할 수도 있다.

본 발명의 특정 실시예가 상세히 설명되었지만, 당업자는 이러한 세부 사항에 대한 다양한 수정 및 대안이 본 개시의 전체 교시에 비추어 개발될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 단지 예시적인 것이며 첨부된 청구 범위의 전체 폭 및 이의 임의의 모든 등가물이 제공될 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것으로 의도된다.

Claims

원자로 격납 시스템으로서,
원자로(30); 및
상기 원자로를 둘러싸고 다수의 열 제거 시스템을 구비하는 컨테이너(20)를 포함하며,
상기 열 제거 시스템은 활성 상태 및 비활성 상태를 각기 구비하고, 상기 열 제거 시스템은 상기 비활성 상태보다 상기 활성 상태에서 상기 컨테이너로부터 열을 보다 효율적으로 소산시키며, 상기 열 제거 시스템은 컨테이너의 온도에 기초하여 상기 비활성 상태로부터 상기 활성 상태로 전환되도록 구성되는
원자로 격납 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열 제거 시스템은 상기 원자로의 정상 운전에 대응하는 컨테이너의 온도보다 높은 컨테이너의 하나 이상의 사전결정된 온도에서 상기 비활성 상태로부터 상기 활성 상태로 전환되도록 구성되는
원자로 격납 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 다수의 열 제거 시스템은 제 1 열 제거 시스템을 포함하고,
상기 제 1 열 제거 시스템은,
상기 컨테이너의 외부에 배치되고 복수의 냉각 채널(46)을 형성하는 핀(42)과;
상기 제 1 열 제거 시스템이 비활성 상태에 있을 때 냉각 채널을 통한 공기의 유동을 차단하고 제 1 열 제거 시스템이 활성 상태에 있을 때 냉각 채널을 통한 공기의 유동을 허용하도록 구성된 복수의 공기 조절 메커니즘(70; 80)을 포함하는
원자로 격납 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 공기 조절 메커니즘 중 적어도 하나는 냉각 채널 중 하나에 배치된 바이메탈 스트립(70)을 포함하고,
상기 바이메탈 스트립은 온도에 기초하여 구부러지도록 구성되며,
상기 바이메탈 스트립은 제 1 열 제거 시스템이 비활성 상태에 있을 때 냉각 채널에서 공기유동을 차단하는 방향으로 구부러지고, 제 1 열 제거 시스템이 활성 상태에 있을 때 냉각 채널을 통한 공기유동을 허용하는 방향으로 구부러지도록 구성되는
원자로 격납 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 공기 조절 메커니즘 중 적어도 하나는:
상기 냉각 채널을 통한 공기유동을 차단하기 위해 상기 냉각 채널 중 하나 위에 배치되도록 구성된 플레이트(82)와;
플레이트의 제 1 측부를 지지하도록 구성된 피봇(84)과;
상기 플레이트의 제 2 측부를 지지하도록 구성되고 사전결정된 온도에서 용융되도록 구성되는 가용성 요소(86)를 포함하고,
상기 제 1 열 제거 시스템이 비활성 상태에 있을 때, 상기 가용성 요소는 상기 플레이트의 제 2 측부를 지지하고, 상기 플레이트는 냉각 채널을 통한 공기유동을 차단하며,
상기 제 1 열 제거 시스템이 활성 상태에 있을 때, 상기 가용성 요소는 용융되고 상기 플레이트의 제 2 측부는 냉각 채널로 떨어져서 냉각 채널을 통한 공기유동을 허용하는
원자로 격납 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 공기 조절 메커니즘 중 적어도 하나는:
상기 냉각 채널을 통한 공기유동을 차단하기 위해 상기 냉각 채널 중 하나 위에 배치되도록 구성된 플레이트(82)와;
플레이트의 제 1 측부를 지지하도록 구성된 피봇(84)과;
전자기력을 통해 상기 플레이트의 제 2 측부를 지지하도록 구성된 전자기 요소―상기 전자기 요소는 그 능력으로 사전결정된 온도에서 상기 전자기력을 통해 상기 플레이트의 제 2 측부를 지지하도록 구성됨―를 포함하며,
상기 제 1 열 제거 시스템이 비활성 상태에 있을 때, 상기 전자기 요소는 상기 플레이트의 제 2 측부를 지지하고, 상기 플레이트는 냉각 채널을 통한 공기유동을 차단하며,
상기 제 1 열 제거 시스템이 활성 상태에 있을 때, 상기 전자기 요소는 용융되고 상기 플레이트의 제 2 측부는 냉각 채널로 떨어져서 냉각 채널을 통한 공기유동을 허용하는
원자로 격납 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 공기 조절 메커니즘 중 적어도 하나는 상기 냉각 채널을 통한 공기유동을 차단하기 위해 상기 냉각 채널 중 하나 위에 배치되도록 구성된 플레이트(82)를 포함하고;
상기 플레이트는 용융 재료로 구성되고,
상기 제 1 열 제거 시스템이 비활성 상태에 있을 때, 상기 플레이트는 상기 냉각 채널을 통한 공기유동을 차단하고,
상기 제 1 열 제거 시스템이 활성 상태에 있을 때, 상기 플레이트는 용융되어 상기 냉각 채널을 통한 공기유동을 허용하도록 구성되는
원자로 격납 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 다수의 열 제거 시스템은 열을 땅속으로 소산시키도록 구성된 제 2 열 제거 시스템을 포함하는
원자로 격납 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 열 제거 시스템은,
상기 컨테이너의 바닥에 배치되며, 꼭대기면, 바닥면 및 측벽을 갖는 챔버(90)와;
상기 챔버 내에 배치되고, 열 전도성 유체(92)를 수납하는 가요성 라이너와;
상기 챔버의 측벽들 상에 배치된 열 팽창 요소들(94)―상기 열 팽창 요소들은 온도가 상승함에 따라 내측으로 팽창해서 상기 챔버의 내부 부피를 감소시키도록 구성됨―를 포함하며,
상기 제 2 열 제거 시스템이 상기 비활성 상태에 있을 때, 상기 챔버의 내부 부피는 가요성 라이너 및 열 전도성 유체가 상기 챔버의 꼭대기와 접촉하지 않을 정도로 충분히 크고,
상기 제 2 열 제거 시스템이 상기 활성 상태에 있을 때, 열 팽창 요소는 팽창해서 내부 체적을 감소시키고, 그에 따라 가요성 라이너 및 열 전도성 유체가 상방으로 가압되어 상기 챔버의 꼭대기와 접촉하는
원자로 격납 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 열 제거 시스템은,
상기 컨테이너의 바닥 부분에 배치되고, 제 1 재료(102)를 수납하는 1 차 챔버(100)와;
상기 1 차 챔버 위에 그리고 상기 컨테이너의 주변부 둘레에 배치되고 제 2 재료를 수납하는 2 차 챔버(106)를 포함하고,
상기 제 1 재료는 상기 제 2 재료보다 높은 융점을 갖는 다공성 재료이고,
상기 제 2 열 제거 시스템이 비활성 상태에 있을 때, 제 2 재료는 용융되지 않으며,
상기 제 2 열 제거 시스템이 활성 상태에 있을 때, 제 2 재료는 용융되어 1차 챔버 내로 유동하는
원자로 격납 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 재료는 약 30-80% 범위의 다공성을 갖는
원자로 격납 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 제 2 재료는 고체 상태의 칩, 구체 또는 분말 중 하나 이상인
원자로 격납 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 컨테이너의 바닥면과 접촉하는 열 확산기 베이스 플레이트(69);
상기 컨테이너의 아래에 배치된 베이스 영역(64); 및
상기 열 확산기 베이스 플레이트로부터 상기 베이스 영역으로 연장되는 다수의 열 전도성 플레이트(68)를 더 포함하는
원자로 격납 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 다수의 열 제거 시스템은 열을 공기로 소산시키도록 구성된 제 1 열 제거 시스템과, 열을 땅속으로 소산시키도록 구성된 제 2 열 제거 시스템을 포함하는
원자로 격납 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 컨테이너는 실질적으로 원통형 형상을 갖고 복수의 층으로 구성되며,
상기 복수의 층은,
중성자 흡수체 층(23)과;
감마 차폐 층(25)과;
컨테이너 용기 벽(26)을 구비하는
원자로 격납 시스템.