KR20210085561A - 노심 용융 사고 시 중성자 흡수물질을 이용한 연료 무교체 장주기 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 노심 용융 사고 시 중성자 흡수물질을 이용한 연료 무교체 장주기 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에 관한 것으로, 노심 용융 사고발생 시 중성자 흡수물질인 Eu2O3 또는 EuB6을 이용하여 핵연료의 변형과 이동에 따라 노심이 재임계 상태에 도달하지 않도록 차단하고 이를 통해 노심의 핵분열 반응이 일어나지 않도록 하여 그에 따른 위급한 상황 발생을 억제할 수 있도록 한 것이다.

Description

노심 용융 사고 시 중성자 흡수물질을 이용한 연료 무교체 장주기 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템{NON-REFUELING LONG-LIFE SMALL MODULAR LIQUID METAL COOLED FAST REACTOR SHUTDOWN SYSTEM USING NEUTRON ABSORBER FOR CORE MELT DOWN ACCIDENT}
본 발명은 연료 무교체 장주기 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에 관한 것으로, 특히 노심 용융 사고발생 시 핵연료의 변형과 이동에 따라 노심이 재임계 상태에 도달하지 않도록 차단하여 노심의 핵분열 반응이 일어나지 않도록 중성자 흡수물질을 이용한 연료 무교체 장주기 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에 관한 것이다.
종래 소듐, 납 및 납 비스무스 합금 등의 액체금속을 냉각재로 차용하는 원자로에 있어, 원자로 정상 및 비상 노심 정지 시 발생하는 원자로 시스템의 열을 제거하기 위한 잔열제거 계통으로, 풀(pool)형 액체 금속로 중에서 중소형 원자로는 대부분 RVACS를 통한 직접 냉각 방식을 채택하고 있으며, 대형 원자로는 추로 DRC(Decay heat removal circuit) 형태의 풀 직접냉각 방식의 잔열제거계통을 사용하고 있다.
종래기술에 따르면 냉각 고속로 정지시스템은 제어봉 삽입으로 미임계 상태에 도달하도록 설계되어 있으며, 노심 용융 사고 시 별도의 정지시스템이 마련되어 있지 않았다. 따라서, 예기치 않은 노심 용융 사고가 발생하게 되면 핵연료의 변형과 이동에 따라 노심이 재임계 상태에 도달하고 다시 핵분열 반응이 일어나면서 원자로 전체의 온도가 올라가는 위급한 상황이 발생할 수밖에 없었다.
한국공개특허공보 제2018-0019570호(208.02.26)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 노심 용융 사고발생 시 핵연료의 변형과 이동에 따라 노심이 재임계 상태에 도달하지 않도록 차단하여 노심의 핵분열 반응이 일어나지 않도록 중성자 흡수물질을 이용한 연료 무교체 장주기 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템은, 원자로 노심 하단에 설치된 코아시스(COASIS)에 금속 덮개 노즐로 봉인되고, 원자로 용기의 외측을 둘러싸는 원자로 보호용기(guard vessel)의 내측 하단에는 중성자 흡수물질이 코팅되어, 노심이 용융되어 노심용융물(Corium)이 하부로 이동하는 경우 원자로 보호용기 내측 하단에 코팅된 중성자 흡수물질과 섞이면서 재임계가 일어나지 않도록 차단하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 중성자 흡수물질은 Eu2O3 또는 EuB6인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 원자로는 금속 핵연료(U-Zr, 또는 U) 또는 질화우라늄(UN) 핵연료를 사용하는 원자로인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 원자로 보호용기의 외측을 둘러싸며 내부에 차폐수가 저장되어 있는 차폐수탱크(shielding water tank); 상기 원자로 보호용기에 설치되며, 원자로 용기에서 발생한 열에 의해 용융되어 상기 차폐수탱크의 차폐수가 원자로 보호용기 내측으로 유입되도록 하는 가융밸브(fusible valve); 상기 원자로 보호용기 및 차폐수탱크에 설치되어, 차폐수의 끓음과 기화에 의해 내부 압력이 증가하면 파열되면서 증기를 외부로 배출하는 파열디스크;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 차폐수탱크의 외측을 둘러싸도록 설치되며, 외부의 공기가 유입 및 배출되도록 구성되어, 차폐수의 자연순환을 통한 잔열제거시 열침원으로서의 역할을 하는 RVACS(Reactor Vessel Auxiliary Cooling System)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템은 노심 용융 사고 시 중성자 흡수물질인 Eu2O3 또는 EuB6을 이용하여, 노심 용융 사고발생 시 핵연료의 변형과 이동에 따라 노심이 재임계 상태에 도달하지 않도록 차단하고 이를 통해 노심의 핵분열 반응이 일어나지 않도록 하여 위급한 상황 발생을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템의 구성을 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템의 작용 및 동작을 설명하기 위한 참조도
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에서 차폐수에 의한 피동 열 제거 구조를 설명하기 위한 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에서 차폐수에 의한 피동 열 제거 구조의 작용 및 동작을 설명하기 위한 참조도
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템의 구성을 설명하기 위한 단면도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템의 작용 및 동작을 설명하기 위한 참조도이다.
도시된 바와 같이, 원자로 노심(1A) 하단에 설치된 코아시스(COASIS)에 금속 덮개 노즐로 봉인되고, 원자로 용기(1)의 외측을 둘러싸는 원자로 보호용기(10)(guard vessel)의 내측 하단에는 중성자 흡수 물질인 Eu2O3 또는 EuB6(10A)이 코팅된다. 상기 Eu2O3 또는 EuB6(10A)은 금속 원소로 LBE에 잘 섞이며, 고속로 중성자 스펙트럼(도 3의 그래프에서 1E5 eV 에너지 부근)에서 높은 중성자 흡수 단면적을 가지는 장점이 있다.
여기서 원자로 보호용기(10)의 재료는 690TT 또는 316Ti 이며, 용융점은 섭씨 1300도이다. 이는 Eu2O3 또는 EuB6(10A)보다는 용융점이 높고 노심용융물 보다는 낮은 용융점을 가짐을 의미한다. 한편 금속 덮개 노즐의 재료는 노심용융물보다 낮은 용융점을 가지며, LBE와의 반응에서 부식이 적은 금속 물질이 적합하다. 상기 Eu2O3 또는 EuB6(10A) 도금 두께와 범위는 핵연료의 양에 따라 달라질 수 있으며, 금속 덮개 노즐의 경우도 마찬가지이다.
이같은 구성에 따르면 정상상태에서 노심 지지대(Catcher) 하부에 중성자 흡수 물질인 Eu2O3 또는 EuB6(10A)이 코팅되어 있고 노심 지지대에 금속 덮개 노즐(Metal sealed nozzle)이 있는 형태이다. 금속 덮개 노즐의 용융점은 사고 발생 시 노심(1A) 온도보다는 낮은 재료를 사용하여, 노심용융물이 고이지 않고 이동하게 된다. 이때 용융점이 노심(1A) 온도보다 낮은 금속 덮개 노즐이 노심(1A)과 함께 액화되어 노심 지지대 하부에 코팅된 Eu2O3 또는 EuB6(10A)과 섞인 혼합물(10B)이 된다. 이처럼 중성자 흡수 물질인 Eu2O3 또는 EuB6(10A)이 노심용융물과 섞이게 되면 노심(1A)의 재임계가 일어나지 않도록 효과적으로 차단할 수 있게 된다. 본 발명은 금속 핵연료(U-Zr, 또는 U) 또는 질화우라늄(UN) 핵연료를 사용하는 원자로에 적용하는 것이 좋다. 이는 두 물질이 냉각재 LBE보다 밀도가 높기 때문에 노심용융물이 원자로 보호용기(10) 하단으로 이동할 가능성이 높기 때문이다.
이처럼 본 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템은 고속 에너지 영역에서 중성자 흡수 단면적이 크며 냉각재인 LBE 액체 금속과 잘 섞이는 Eu2O3 또는 EuB6(10A)을 사용한 간단한 구성만으로 노심용융물이 재임계 상태에 도달하지 못하도록 효과적으로 차단할 수 있게 된다.
계속해서 도 4 내지 도 5를 참조하여 발명의 실시예에 의한 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템에서 차폐수에 의한 피동 열 제거 구조를 살펴보면, 원자로 용기(reactor vessel)(1)의 외측을 둘러싸도록 설치되는 원자로 보호용기(guard vessel)(10); 상기 원자로 보호용기(10)의 외측을 둘러싸며 내부에 일정량의 차폐수가 저장되어 있는 차폐수탱크(shielding water tank)(20); 상기 원자로 보호용기(10)에 설치되며, 원자로 용기(1)에서 발생한 열에 의해 용융되어 상기 차폐수탱크(20)의 차폐수가 원자로 보호용기(10) 내측으로 유입되도록 하는 가융밸브(fusible valve)(30); 상기 원자로 보호용기(10) 및 차폐수탱크(20)에 설치되어, 차폐수의 끓음과 기화에 의해 내부 압력이 증가하면 파열되면서 증기를 외부로 배출하는 파열디스크(51, 52); 상기 차폐수탱크(20)의 외측을 둘러싸도록 설치되며, 외부의 공기가 유입 및 배출되도록 구성되어, 차폐수의 자연순환을 통한 잔열제거시 열침원(heat sink)으로서의 역할을 하는 RVACS(Reactor Vessel Auxiliary Cooling System)(40)를 포함한다.
따라서, 원자로 정상 정지 시 또는 원자로 사고 발생 시 원자로 용기(1)의 일정 온도 이상으로 상승하게 되면, 가융밸브(30)가 용융되어 차폐수탱크(20) 내의 차폐수가 원자로 보호용기(10) 내로 유입되면서 자연순환을 통해 냉각 작용을 하여 잔열을 제거한다.
이와 같이 차폐수에 의한 잔열제거가 진행되면서 차폐수가 끓으면서 기화되어 원자로 보호용기(10) 및 차폐수탱크(20) 내부 공간에 증기가 채워지면서 압력이 상승하게 된다. 원자로 보호용기(10) 및 차폐수탱크(20) 내부의 압력이 일정 압력 이상으로 상승하게 되면, 파열디스크(51, 52)가 파열되면서 증기가 외부로 배출되어 압력을 조절하여 폭발을 방지할 수 있다.
그리고 차폐수탱크(20)의 수위가 낮아짐과 동시에 시스템의 잔열로 인해 발생하는 차폐수의 밀도차에 의해 RVACS(40)가 열침원으로 작용하여 차폐수의 자연순환을 통해 잔열을 제거하게 된다.
이와 같이 본 발명은 정지 이후로 일정 시간동안 잔열로 인한 차폐수의 끓음/기화 현상을 통해 잔열제거가 가능하며, 이 때 발생한 증기에 의해 차폐수탱크 내 상승하는 압력은 차폐수탱크(20) 상단에 위치한 파열디스크(51, 52)를 통해 조절 가능하다. 끓음/기화 현상으로 인해 차폐수탱크(20) 내의 차폐수의 수위가 낮아지면 RVACS(40)와 함께 차폐수탱크(20) 내부 공기 순환을 통해 장기적인 원자로 피동 잔열제거 기능을 하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
1 : 원자로 용기(reactor vessel)
1B: 금속 덮개 노즐(Metal sealed nozzle)
10 : 원자로 보호용기(guard vessel)
10A : 중성자 흡수물질
20 : 차폐수탱크(shielding water tank)
30 : 가융밸브(fusible valve)
40 : RVACS(Reactor Vessel Auxiliary Cooling System)
51, 52 : 파열디스크

Claims (6)

  1. 원자로 노심 하단에 설치된 코아시스(COASIS)에 금속 덮개 노즐로 봉인되고,
    원자로 용기의 외측을 둘러싸는 원자로 보호용기(guard vessel)의 내측 하단에는 중성자 흡수물질이 코팅되어,
    노심이 용융되어 노심용융물(Corium)이 하부로 이동하는 경우 원자로 보호용기 내측 하단에 코팅된 중성자 흡수물질과 섞이면서 재임계가 일어나지 않도록 차단하는 것을 특징으로 하는 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중성자 흡수물질은 Eu2O3 또는 EuB6인 것을 특징으로 하는 형 액체금속 냉각고속로 정지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 원자로는 금속 핵연료(U-Zr, 또는 U) 또는 질화우라늄(UN) 핵연료를 사용하는 것을 특징으로 하는 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속 덮개 노즐의 소재는 노심용융물보다 낮은 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원자로 보호용기의 외측을 둘러싸며 내부에 차폐수가 저장되어 있는 차폐수탱크(shielding water tank);
    상기 원자로 보호용기에 설치되며, 원자로 용기에서 발생한 열에 의해 용융되어 상기 차폐수탱크의 차폐수가 원자로 보호용기 내측으로 유입되도록 하는 가융밸브(fusible valve);
    상기 원자로 보호용기 및 차폐수탱크에 설치되어, 차폐수의 끓음과 기화에 의해 내부 압력이 증가하면 파열되면서 증기를 외부로 배출하는 파열디스크;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 차폐수탱크의 외측을 둘러싸도록 설치되며, 외부의 공기가 유입 및 배출되도록 구성되어, 차폐수의 자연순환을 통한 잔열제거시 열침원으로서의 역할을 하는 RVACS(Reactor Vessel Auxiliary Cooling System)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 액체금속 냉각고속로 정지시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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