KR20200104212A - 원자로 노심 - Google Patents
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Abstract
원자로 노심은 원자력 분야에 속한다. 원자로 노심은 적어도 1개의 노심 모듈, 중성자 고체 감속제(4)와 중성자 유체 감속제를 포함한다. 노심 모듈은 적어도 1개의 전열관, 연료봉 및 단열재(5)를 포함한다. 전열관은 신관(6)가 있는 케이싱(2) 형태로 만들어져 있으며, 냉각제, 즉 높은 비점을 갖는 가용성 금속을 포함한다. 연료봉은 본체와 열 접촉하는 전열관의 증발 영역(2)에 위치되어 껍질(3) 안에 있는 핵연료(8)로 만드는 것이다. 전열관의 냉각제로 리튬, 칼슘, 납, 은과 같이 비점이 높은 저융점 금속을 사용한다. 모듈의 껍질(1)과 케이싱(1) 사이에 단열재(5)가 있다. 중성자 고체 감속제(4)에 적어도 구멍 1개가 있으며, 거기에 적어도 1개의 모듈이 있다. 중성자 고체 감속제와 모듈의 사이에 추가로 중성자 유체 감속제가 들어가 있다. 본 발명의 장점은 기술적 솔류션 및 핵시설 능률을 상승시키고 노심 사용 범위를 확대하는 것이다.
Description
본 발명은 원자력 분야에 속하고 노심의 외에 열 에너지가 전력 에너지로 직접 변환하는 데 사용될 수 있다.
전열관이 있는 노심이 알려져 있다. [발명의 출원 미국 "전열관으로 냉각되는 이동식 고속 원자로" US No. 2016/0027536 A1, 공개 22.01.2016].
본 출원에 따라 원자로 노심은 금속 박스에 있는 내철형 연료봉 및 전열관의 집합체를 포함한다. 연료봉 핵연료, 상부 및 하부 중성자 반사기 및 반사기 위와 아래에 위치한 가스 캐비티를 포함한다. 전열관은 증발되는 냉각제로 가득한 밀폐 케이싱과 신관이 있다. 전열관은 열을 노심의 범위를 넘어서 가스 터빈으(공기 or СО2)로 가스형 냉각제로 전달할 수 있도록 배치되어 있다. 터빈 입구에 유동체(공기)의 최종 온도는 대략 1100 К이다.
본 기술 솔류션의 단점은 노심의 범위에서 나가는 시점에 냉각제의 온도가 낮은 것이다. 그것의 때문에 열 에너지가 전력 에너지로 직접 변환하는 것이 불가능하다.
발표된 기술 솔류션과 기술적으로 가장 가까운 것은 SAIRS 고속 원자로이다. [M.S. El-Genk, J-M.P. Tournier, "SAIRS" - Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System// Progress in Nuclear Energy, Vol. 45, No.1, pp. 25-34, 2004].
가장 비슷한 기술 솔루션과 비교하여 제안된 원자로 노심의 장점은 노심에서 나가는 시점에서 냉각제의 온도를 1200K에서 1500K 이상으로 높이는 것인데, 이는 원자력 발전소의 효율을 증가시킨다. 또한, 이는 특히 열광전 에너지 변환이 있는 원자로의 경우 노심의 사용 범위를 확장 할 수 있습니다.
발명의 핵심은 도면에 설명되어 있다. 그림 1은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다. 2
원자로 노심 모듈의 실행 방법 중 하나의 수직 단면도이다. 그림 3은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다. 그림에 다음과 같은 표지가 명시되어 있다.
원자로 노심 모듈의 실행 방법 중 하나의 수직 단면도이다. 그림 3은 원자로 노심의 실행 방법 중 하나의 단면도이다. 그림에 다음과 같은 표지가 명시되어 있다.
노심은 전열관 및 3 개의 연료봉으로 구성된 60 개의 모듈을 포함한다. 모듈들은 밀접하여 위치되고 사각형 케이싱을 구성한다. 연료봉 껍질은 전열관에 열을 전달하는 레늄 삼면체 부싱을 통해서 전열관의 케이싱에 용접되어 있다. 각 연료봉은 일단의 가스 기공이 있다. 연료는 83.7 % 농축된 질화 우라늄 정제가 사용된다.
본 기술 솔류션의 단점은 노심의 범위에서 나가는 시점에 냉각제의 온도(1200K)가 낮은 것이다. 그것의 때문에 에너지 변환하는 데 열전, 열전자 및 열광전지를 효과적으로 이용을 못 한다.
발명의 목적은 상기의 단점, 노심의 범위에서 나가는 시점에 온도 상승을 중단하는 데 있다.
기술적 솔류션은 핵시설 능률을 상승시키고 노심의 사용 범위를 확대하는 데 있다. 특히 열광전지 원자로에 대한 에너지 변환을 위해서이다.
셀프 유닛 모듈, 연료봉 및 전열관을 포함한 원자로 노심에 있는 상기 단점을 제거하기 위해서 다음과 같은 제안이 있다.
- 원자로 노심에 추가로 구멍이 있는 중성자 고체 감속제를 제공하기;
- 노심 모듈에 케이싱을 제공하고 중성자 고체 감속제의
구멍에 놓기;
- 전열관 및 연료봉을 모듈 케이싱에 배치하기;
- 본체와 열 접촉하는 전열관의 증발 영역에 위치되어 껍질 안에 있는 연료봉을 핵연료로 만들기;
- 연료봉 껍질과 모듈 케이싱 사이에 단열재 설치하기;
- 중성자 고체 감속제와 모듈의 사이에 추가로 중성자 유체 감속제 놓기;
특히 원자로 노심 실행의 경우 다음이 제안된다.
- 첫 번째, 모듈 케이싱에 진공도를 만들기;
- 두 뻔째, 다른 특정한 경우에, 열전도율이 낮은 중성 가스, 예를 들어 크세논으로 모듈을 채우기;
- 세 번째, 중성자 유체 감속제 대신 물을 사용하기;
- 네 번째, 다른 특정 경우에, 중성자 유체 감속제로 최대의 -40 ℃까지 올지 않는 부동액, 예를 들어 알코올 수용액을 사용하기;
- 다섯 번째, 전열관의 냉각제로 리튬, 칼슘, 납,은과 같이 비점이 높은 저 융점 금속을 사용하기;
발명의 핵심은 다음과 같다.
원자로 노심은 적어도 1개의 노심 모듈, 중성자 고체 감속제(4)와 중성자 유체 감속제를 포함한다.
노심 모듈은 적어도 1개의 전열관, 연료봉 및 단열재(5)를 포함한다.
노심 모듈은 중성자를 약하게 흡수하는 물질, 예를 들어 지르코늄 합금의 케이싱(1) 형태로 만들어진다 특정한 실행의 경우에, 진공은 노심 모듈의 케이싱(1)에서 생성된다. 다른 특정한 경우에 그것은 열전도율이 낮은 중성 가스로 체우고 있다. 예를 들어, 크세논이다.
진공이나 중성 가스는 노심 모듈 케이싱(1) 및 전열관 케이싱(2) 및 단열재(5)의 자재를 부식으로 부터 보호한다.
전열관은 신관(6)가 있는 케이싱(2) 형태로 만들어져 있으며 냉각제, 즉 높은 비점을 갖는 가용성 금속을 포함한다.
특정한 경우에 전열관의 냉각제로 리튬, 칼슘, 납,은과 같이 비점이 높은 저 융점 금속을 사용한다.
전열관의 케이싱(2) 및 신관(6)은 몰리브덴과 같은 내화 재료로 만들어진다.
전열관은 연료봉에서 발생되는 열을 원자로 노심 범위에로 제거한다.
연료봉은 본체와 열 접촉하는 전열관의 증발 영역(2)에 위치되어 껍질(3) 안에 있는 핵연료(8)로 만드는 것이다.
연료봉의 껍질(3)은 몰리브덴과 같은 내화 재료로 만들어진다.
핵연료(8)의 핵분열 물질로 핵분열 성 동위 원소 함량이 20 % 이하인 산화물, 질화물, 탄화물 형태의 우라늄 또는 플루토늄 동위 원소가 사용된다.
연료봉 목적은 핵연료(8)에 발생되는 핵반응을 통해서 열을 얻는 데 있다.
단열재(5)는 노심 모듈 안에 본체의 케이싱(1)과 연료봉 껍질(3)의 사이에 있다. 단열재(5)는 내화성 금속 포일, 예를 들어 몰리브덴으로 만들어진 다층 열 차폐물 형태로 만들어진다.
단열재(5) 이용도는 노심 모듈 케이싱(1)을 통해서 중성자 유체 감속제로 열 손실을 예방하는 데 있다.
중성자 고체 감속제(4)는 중성자를 감소시키는 예를 들어서 실린더 형태나 구멍이 있는 다면체 형태로 된 베릴륨과 같은 재료로 만들어져 있다. 중성자를 감속시키는 모든 재료는 고체 감속제의 껍질(7)에 포함되어 있다. 고체 감속제(4)의 구멍에 노심 모듈이 도입되어 있다. 중성자 고체 감속제와 모듈의 사이에 추가로 중성자 유체 감속제가 들어가 있다.
다른 특정한 경우에 중성자 유체 감속제로 최대의 -40 ℃까지 올지 않는 부동액, 예를 들어 알코올 수용액을 사용한다.
4 개의 중성자로 구성된 고체 감속제와 유체 감속제는 중성자의 열 스펙트럼을 얻도록 설계된다. 그 외에도 중성자 유체 감속제는 중성자 고체 감속제(4)와 모듈 케이싱(1)을 냉각하는 냉각제의 역할을 한다.
고체 감속제 껍질(7)은 중성자 고체 감속제(4)를 중성자 유체 감속제 영향의 때문에 발생되는 부식으로 부터 보호를 한다.
원자로 노심은 다음과 같이 작동된다.
핵연료(8)에 연료봉에는 열 방출과 함께 핵분열 반응이 있다 발생되는 열은 전열관 케이싱(2)을 통해서 절연관의 신관을 채우는 냉각제로 전달된다. 신관(6)에서 냉각제가 증발되고 냉각제 증기가 전열관 케이싱(2)의 내부 공간을 채우고 증기의 열을 노심 범위에서 에너지 변환기로 전달하고 거기에서 결로로 변환되고 전열관 증발 구역의 신관(6)로 들어간다. 증발된 냉각제에 의한 열 전달은 열원과 사용자 사이의 온도차 없이 실질적으로 발생하며, 이는 원자로 노심의 출구뿐만 아니라 에너지 변환기의 입구에서도 비교적 높은 (1500-1800K) 냉각제 온도를 얻을 수 있게 한다. 그것은 핵시설 능률을 상승시키고 노심의 사용 범위를 확대한다.
중성자 고체 감속제(4)는 중성자 유체 감속제와 함께 저 농축 핵연료(8)에서 열 중성자에 핵분열 반응의 가능성을 제공한다. 중성자 유체 감속제는 중성자 고체 감속제(4)와 모듈 케이싱(1)을 냉각하는 냉각제의 역할을 하고 중성자 고체 감속제의 성능을 보충한다.
단열재(5)의 덕분에 모듈 케이싱(1)을 통해서 열 손실이 최소화된다. 그래서 중성자 유체 감속제의 온도가 낮다. 그것은 유체 감속제의 대신 물이나 알코올을 사용할 수 있는것을 의미한다.
원자로 노심 실행의 구체적인 방법
중성자의 고체 감속제(4)는 직경이 760mm이고 총 높이가 약 700mm이고 직경이 40mm인 217 개의 구멍이있는 약 760mm의 여러 베릴륨 디스크로 구성된다. 베릴륨 디스크는 껍질(7)이 있으며 지르코늄 합금 (E110)으로 제작된다. 고체 감속제(4)의 구멍에 노심 모듈이 도입되어 있다. 중성자 유체 감속제 대신 물이 사용된다. 모듈이 있는 중성자 고체 감속제(4)의 구멍은 모듈 중심 사이의 간격이 최소 42mm 인 동심원에 있다.
원자로 노심 모듈은 관경이 35mm이고 벽체 두께가 1,5mm인 실린더(1)의 형태로 지르코늄 합금 (E110)으로 제작된다. 모듈 케이싱(1) 안에 전열관이 있다.
전열관 케이싱(2)은 외부 관경이 14mm이며 몰리브덴으로 만들어진 것이다. 전열관 케이싱(2) 내면에 약 40mc의 정사각형 메쉬 크기를 갖는 2 층의 몰리브덴 메쉬로 제조된 전열관 신관(6)이 설치되어 있다. 전열관 신관(6)은 유체 리튬으로 채우고 있다. 전열관과 핵연료(8)의 증발 구역은 연료봉의 외부 쉘(3)에 포함된다. 연료봉 껍질(3)과 모듈 케이싱(1)의 사이에 단열재가 있다. 단열재(5)는 다층 열 차폐물 형태로 4층의 몰리브덴과 지르코늄 5층의 만들어진 것이다. 잔류 가스 압력이 10-1Pa 이하인 모듈 케이싱(1)에 진공이 생성된다.
외경이 20 mm이고 벽 두께가 1 mm인 연료봉의 외부 껍질 (3)은 몰리브덴으로 구성되며, 19.75 %의 농축을 갖는 이산화 우라늄의 핵연료(8)로 채워진다. 연료 기둥의 높이는 약 500mm이다. 연료 펠릿과 연료봉의 껍질(3) 사이에 환형 갭 (그림에 없음)이 생성되어 가스 핵분열 생성물을 핵연료 (8) 위에 위치한 공동으로 전환시킨다. 노심의 연료봉 수는 모듈 수와 같다. 활성 구역의 열 전력이 1200 kW 인 경우, 하나의 연료봉의 평균 전력은 약 5.7 kW이다. 연료봉의 외부 껍질(3)의 계산된 온도는 1525 K이다. LI7은 전열관의 냉각제로 사용되며, 대기압의 물은 액체 중재자로 사용된다.
1 - 모듈 케이싱;
2 - 전열관 케이싱;
3 - 연료봉 껍질;
4 - 중성자 고체 감속제;
5 - 단열재;
6 - 전열과 신관;
7 - 고체 감속제 껍질;
8 - 핵연료.
+ 물(그림에 번호가 없음)
+ 유체 냉각제
+ 냉각제 증기
+ 중성자 유체 감속제
노심=중성자 고체 감속제+노심 모듈+중성자 유체 감속제
노심 모듈=모듈 케이싱+전열관+연료봉+단열재
전열관=전열관 케이싱+신관+전열관+냉각제
연료봉=연료+케이싱
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4 - 중성자 고체 감속제;
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8 - 핵연료.
+ 물(그림에 번호가 없음)
+ 유체 냉각제
+ 냉각제 증기
+ 중성자 유체 감속제
노심=중성자 고체 감속제+노심 모듈+중성자 유체 감속제
노심 모듈=모듈 케이싱+전열관+연료봉+단열재
전열관=전열관 케이싱+신관+전열관+냉각제
연료봉=연료+케이싱
Claims (6)
- 원자로 노심은 적어도 1개의 모듈, 구조, 신관 및 냉각제를 포함한 전열관 1개, 그리고 적어도 핵연료 및 껍질로 구성된 연료봉 1개를 포함하며, 상기 노심이 추가로 적어도 1개의 구멍이 있는 중성자 고체 감속제로 제공되어 노심 안에 적어도 1개의 케이싱이 있는 모듈을 구비하고 있고, 전열관은 모듈 케이싱 안에 있으며, 연료봉이 전열관 증기 영역에 있는 핵연료로 구성되어 있고, 껍질과 모듈 케이싱 사이에 단열재가 있으며, 모듈 케이싱과 중성자 고체 고속제의 사이는 유체 감속제로 채우고 있는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 모듈 케이싱은 진공으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 모듈 케이싱이 낮은 열 전달성의 중성 가스, 예를 들어서 크세논으로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 전열관의 냉각제로 리튬, 칼슘, 납, 은과 같이 비점이 높은 저융점 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 중성자 유체 감속제로 물을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
- 제1항에 있어서, 중성자 유체 감속제로 최대의 -40 ℃까지 얼지 않는 부동액, 예를 들어 알코올 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 노심.
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