KR20220037238A - 용융염 원자로 장치 - Google Patents

용융염 원자로 장치 Download PDF

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Abstract

원자로 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 원자로 장치는, 선박 또는 해양 구조물에 설치되는 용융염 원자로 장치로서, 용융염을 사용하는 원자로, 원자로의 아래에 배치되며 원자로에서 배출되는 용융염이 고체염이 되어 저장되는 저장탱크, 재가동 시에 저장탱크에 저장된 고체염을 가열하여 용융시키는 가열히터 및 저장탱크에 연결되며 다시 용융된 용융염을 원자로에 공급하는 펌프를 포함하여 재가동이 가능하다.

Description

용융염 원자로 장치{Molten Salt Reactor}
본 발명은 용융염 원자로 장치에 관한 것이다.
용융염 원자로(Molten Salt Reactor, MSR)는 용융염을 냉각재 및/또는 연료로 사용하는 원자로로서, 용융염의 낮은 증기압으로 인해 안정성이 높으며, 고열을 뽑아낼 수 있어 높은 열효율을 가지는 장점이 있다. 용융염 원자로에서 사용되는 핵연료는 고체 연료봉을 쓰거나 아님 연료를 녹여 냉각제에다가 집어넣는데, 이렇게 함으로써 연료 집합체가 없어져 원자로 구조의 간소화, 연소도의 균일화하는 장점도 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 용융염 원자로 장치를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 용융염 원자로 장치는, 원자로(10)에서 용융염을 연료(12) 또는 냉각재(14)로 사용한다. 또한 열교환 시스템(A)을 이용하여, 연료로 사용되는 용융염(12)과 냉각재로 사용되는 용융염(14)을 열교환 시키고, 냉각재가 받은 열은 발전 시스템(B) 등에 전달하여 전기 등의 에너지를 생산하는 구조가 일반적이다.
이러한 용융염 원자로(10)는, 비상 상황에서 긴급하게 가동을 정지하기 위하여, 용융염을 원자로(10)의 외부로 비상 배출하는 시스템을 가질 수 있다. 종래의 용융염 원자로(10)는, 외부로 비상 배출된 용융염을 단순히 탱크(20)로 배출하여 저장하는 방식을 이용함이 일반적이다.
그런데, 선박이나 해양 구조물은 공간이 한정되어 협소하므로, 용융염 원자로(10)가 탑재될 경우에는 비상 배출되어 탱크(20)에 저장된 용융염을 처리하기 어려운 문제가 있게 된다.
또한, 종래 기술에는 용융염이 비상 배출된 경우, 원자로(10)를 재가동 시키는 방법에 대한 제시도 부족한 상황이다.
한국등록특허 제2104091호
본 발명은, 선박 또는 해양구조물에 탑재될 수 있도록, 원자로에서 배출된 용융염의 처리 및 재가동이 가능한 용융염 원자로 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 또는 해양 구조물에 설치되는 용융염 원자로 장치로서, 용융염을 사용하는 원자로, 상기 원자로의 아래에 배치되며 상기 원자로에서 배출되는 용융염이 고체염이 되어 저장되는 저장탱크, 재가동 시에 상기 저장탱크에 저장된 고체염을 가열하여 용융시키는 가열히터 및 상기 저장탱크에 연결되며 다시 용융된 용융염을 상기 원자로에 공급하는 펌프를 포함하여 재가동이 가능한 용융염 원자로 장치가 제공된다.
이 때, 상기 저장탱크에, 용융염에서 중성자를 포획하는 핵반응 정지제를 공급하는 정지제 공급부 및 상기 저장탱크와 상기 펌프 사이의 재사용 경로에 배치되며, 다시 용융된 용융염에서 상기 핵반응 정지제를 제거하는 정지제 제거부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 정지제 공급부는 붕소를 포함하는 붕산수를 상기 저장탱크에 공급하며, 상기 정지제 제거부는 용융염에서 이온교환수지(Ion-exchange resin)를 공급하여 붕산을 흡착하고 분리하는 이온교환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 원자로와 상기 저장탱크를 연결하는 배출 경로에 배치되며 필요 시에 상기 배출 경로의 내부를 막고 있는 플러그 염이 녹아 상기 배출 경로가 열리게 하는 프리즈 플러그(freeze plug) 및 상기 저장탱크와 상기 정지제 제거부를 연결하는 경로에 배치되며 상기 원자로에서 용융염이 배출될 때에는 닫혀 있고 상기 저장탱크에서 고체염의 용융 온도가 감지되면 열리는 재사용 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비상 상황이나 유지 보수를 위하여 원자로를 가동 중지할 때에 안전하게 용융염을 고체화 하여 저장할 수 있으며, 재가동 시에는 용융염을 다시 원자로에 공급할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 용융염 원자로 장치를 예시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 원자로 장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 원자로 장치의 프리즈 플러그를 설명하는 도면.
이하, 본 발명에 따른 용융염 원자로 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 원자로 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 원자로 장치(100)는, 선박 또는 해양 구조물에 설치되는 용융염 원자로 장치(100)로서, 원자로(110), 저장탱크(120), 가열히터(130) 및 펌프(140)를 포함한다.
원자로(110)는, 핵연료 물질의 핵반응을 이용하여 열 에너지를 발생시키는 부분이다. 본 실시예의 원자로(110)는 용융염을 사용하여 용융염 원자로(110)로서, 고온으로 용융된 상태의 염인 용융염을 이용하여 연료를 공급하거나 냉각할 수 있다. 용융염은 열전달과 열 저장특성이 좋고 물과 같이 유동성이 좋기 때문에, 냉각재 또는 열저장 재료로 사용될 수 있다. 또한, 핵연료 물질을 용융염에 용해시켜 용융염을 핵연료로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 용융염 원자로(110)의 핵 연료는 액체 형태로, 핵연료 물질인 Th, U, Pu 등이 불소(F) 또는 염소(Cl)와 화학적으로 결합한 ThF4, UF4, TRUF3, UCl, PuCl 형태의 염이 냉각재 용융염 속에 용해되어 핵연료염을 형성할 수 있다.
저장탱크(120)는, 원자로(110)에서 배출되는 용융염을 저장하는 부분이다. 저장탱크(120)는 원자로(110)의 아래에 배치되어, 원자로(110)에서 용융염이 배출되면 중력에 의해 저장탱크(120)로 자동적으로 이동될 수 있다. 저장탱크(120)에 이동된 용융염은 냉각되어서, 고체염이 되어 저장탱크(120)에 저장될 수 있다.
도 2를 참조하면, 저장탱크(120)는, 원자로(110)를 지지하는 구조물(105)의 아래에 배치될 수 있다. 이 때, 원자로(110)와 저장탱크(120)는 배출 경로(115)로 연결될 수 있으며, 배출 경로(115)는 수직으로 형성되어서 중력에 의해 배출된 용융염은 저장탱크(120)로 바로 떨어질 수 있다.
이 때, 저장탱크(120)는 복수 개를 구비하여, 배출된 용융염을 분산하여 저장할 수 있다. 저장탱크(120)에 저장된 용융염은 핵반응이 감소되고 자연냉각이 되어 고체화될 수 있다.
이 때, 용융염의 핵반응을 더욱 빠르게 감소시키기 위하여, 저장탱크(120)에 저장된 용융염에는 핵반응 정지제가 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 저장탱크(120)에 용융염에서 중성자를 포획하는 핵반응 정지제를 공급하는 정지제 공급부(150)가 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 정지제 공급부(150)는, 붕소(boron)를 포함하는 붕산수를 저장탱크(120)에 공급하여, 용융염에서 핵반응에 필요한 중성자를 포집할 수 있다.
또한, 배출 경로(115)에는 프리즈 플러그(freeze plug, 180)가 설치되어, 원자로(110)에서 용융염의 배출을 조절할 수 있다. 프리즈 플러그(180)는, 원자로(110)와 저장탱크(120)를 연결하는 배출 경로(115)에 배치되며, 필요 시에 배출 경로(115)의 내부를 막고 있는 플러그 염(184)이 녹아 배출 경로(115)가 열리게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 원자로 장치(100)의 프리즈 플러그(180)를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 프리즈 플러그(180)는, 배출 경로(115)의 일부를 형성하는 파이프(182), 고체화된 염으로 이루어지고 파이프(182) 내부에 채워져 배출 경로(115)를 막고 있는 플러그 염(184) 및 플러그 염(184)을 냉각시켜주는 냉각부(186)를 포함할 수 있다. 이 때, 플러그 염(184)은, 원자로(110)에서 배출된 용융염에 의한 녹을 수 있게 구성되어, 비상상황 시에 또는 유지보수의 필요 시에 원자로(110)에서 용융염이 배출되면 용융염에 의해 녹게 되므로 막고 있던 배출 경로(115)를 열리게 할 수 있다. 냉각부(186)는 평상 시(원자로(110) 정상 가동 시 등)에 플러그 염(184)이 용융염에 의해 녹지 않도록 유지시키는 역할을 하는 부분으로, 플러그 염(184)에 가해진 열을 냉각시켜서 플러그 염(184)을 고체 상태로 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각부(186)는, 냉각 관에 냉각 매체를 순환시켜서 플러그 염(184)을 냉각시킬 수 있다.
가열히터(130)는, 재가동 시에 저장탱크(120)에 저장된 고체염을 가열하는 부분이다. 가열히터(130)는, 고체염을 가열하고 다시 액화시켜서 원자로(110) 재가동에 필요한 용융염 상태로 준비시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 가열히터(130)는 저장탱크(120)의 내부에 배치되어 고체염을 직접 가열할 수 있다.
펌프(140)는, 저장탱크(120)에 연결되며, 다시 액화된 용융염을 원자로(110) 공급한다. 원자로(110)가 재가동될 때에 저장탱크(120)로 배출된 용융염이 다시 원자로(110)에서 사용될 수 있도록, 펌프(140)는 저장탱크(120)의 용융염을 원자로(110)의 연료 순환경로(142) 및/또는 냉각재 순환경로로 공급할 수 있다.
이 때, 저장탱크(120)와 펌프(140) 사이에는 용융염이 이동되는 재사용 경로(132)가 형성될 수 있으며, 재사용 경로(132)에는 다시 용융된 용융염에서 핵반응 정지제를 제거하는 정지제 제거부(160)가 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 정지제 제거부(160)는, 용융염에 공급된 붕산을 흡착하고 분리하는 이온교환기를 포함할 수 있다. 이온교환기는, 용융염에서 이온교환수지(Ion-exchange resin)를 공급하여 붕산을 제거할 수 있다.
또한, 저장탱크(120)에서 펌프(140)로의 용융염의 이동을 조절하는 재사용 밸브(170)가 더 포함될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 재사용 밸브(170)는 저장탱크(120)와 정지제 제거부(160)를 연결하는 경로(132a)에 배치될 수 있다. 재사용 밸브(170)는 원자로(110)의 상태에 따라 개폐가 조절될 수 있다. 예를 들어, 원자로(110)에서 용융염이 배출될 때에는 닫혀 있어서 저장탱크(120)에 용융염이 저장되고 고체화될 수 있으며, 원자로(110)의 재가동 시에는 저장탱크(120)에서 고체염의 용융 온도가 감지되면 재사용 밸브(170)가 열려서 재사용 경로(132b)를 통해 용융염을 펌프(140)에 공급할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 용융염 원자로 장치(100)는, 비상 상황이나 유지 보수를 위하여 원자로(110)를 가동 중지할 때에 안전하게 용융염을 고체화 하여 저장할 수 있으며, 재가동 시에는 용융염을 다시 원자로(110)에 공급할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 용융염 원자로 장치 110: 원자로
115: 배출 경로 120: 저장탱크
130: 가열히터 132: 재사용 경로
140: 펌프 150: 정지제 공급부
160: 정지제 제거부 170: 재사용 밸브
180: 프리즈 플러그

Claims (4)

  1. 선박 또는 해양 구조물에 설치되는 용융염 원자로 장치로서,
    용융염을 사용하는 원자로;
    상기 원자로의 아래에 배치되며, 상기 원자로에서 배출되는 용융염이 고체염이 되어 저장되는 저장탱크;
    재가동 시에 상기 저장탱크에 저장된 고체염을 가열하여 용융시키는 가열히터; 및
    상기 저장탱크에 연결되며, 다시 용융된 용융염을 상기 원자로에 공급하는 펌프를 포함하여 재가동이 가능한 용융염 원자로 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크에, 용융염에서 중성자를 포획하는 핵반응 정지제를 공급하는 정지제 공급부; 및
    상기 저장탱크와 상기 펌프 사이의 재사용 경로에 배치되며, 다시 용융된 용융염에서 상기 핵반응 정지제를 제거하는 정지제 제거부를 더 포함하는 용융염 원자로 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정지제 공급부는, 붕소를 포함하는 붕산수를 상기 저장탱크에 공급하며,
    상기 정지제 제거부는, 용융염에서 이온교환수지(Ion-exchange resin)를 공급하여 붕산을 흡착하고 분리하는 이온교환기를 포함하는 용융염 원자로 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 원자로와 상기 저장탱크를 연결하는 배출 경로에 배치되며, 필요 시에 상기 배출 경로의 내부를 막고 있는 플러그 염이 녹아 상기 배출 경로가 열리게 하는 프리즈 플러그(freeze plug); 및
    상기 저장탱크와 상기 정지제 제거부를 연결하는 경로에 배치되며, 상기 원자로에서 용융염이 배출될 때에는 닫혀 있고, 상기 저장탱크에서 고체염의 용융 온도가 감지되면 열리는 재사용 밸브를 더 포함하는 용융염 원자로 장치.
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