KR20220097827A - 마이크로 원자로 - Google Patents

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김도균
김영인
이동혁
조영범
김진우
채훈
박수산
김진현
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Abstract

본 발명은 마이크로 원자로에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 마이크로 원자로는 입자 형태의 핵연료와 감속재로 충전되는 노심, 상기 노심에 삽입되어 핵반응에 의한 열을 외부로 이동시키는 히트파이프 및 상기 히트파이프의 응축부로부터 열을 전달받아 열에너지를 전기에너지로 변환하는 전력변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 원자로{MICRO REACTOR}
본 발명은 마이크로 원자로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 충전 없이 핵분열을 통해 최소 수년간 안정적인 전력을 공급할 수 있는 마이크로 원자로에 관한 것이다.
기존 화석 연료 기반의 연료 및 배터리 등은 화학 에너지에 기반하고 있어, 용량이 제한적이어서 짧은 시간 밖에 사용할 수 없다. 따라서 연료와 전기의 주기적인 충전이 필요하다. 이는 장시간 연료 공급이 원활하지 않는 상황(우주, 오지, 해저 등)에서 활용성에 큰 제약사항이 될 수 있다.
최근에 이에 대한 대안으로 핵연료를 교체하지 않고 최소 수년간 운영이 가능하도록 설계되어 이를 통해 여러 특수 목적(우주 탐사선, 오지 전력원, 군사용 드론, 군사용 잠수정, 해저 탐사선, 자원 탐사 등)의 전력원으로 활용될 수 있는 마이크로(초소형) 원자로의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
마이크로 원자로의 크기는 수십cm 에서 수m에 불과해 크기가 작아, 수송 중에도 안정성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
마이크로 원자로는 수송 중 안정성이 높지만, 핵분열에 의한 방사능에 노출되면 돌이킬 수 없는 피해를 입을 수 있기 때문에, 높은 온도에서도 장시간 건전성을 유지할 수 있도록 하는 것이 중요한 과제이다.
대한민국 공개특허 10-2019-0086887호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소형 입자 형태의 노심을 이용하여 온도 변화에 의한 팽창과 수축 시에 구조물에 열하중을 가하지 않아 높은 온도에서도 원자로의 안정성을 높일 수 있는 마이크로 원자로를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 입자 형태의 핵연료와 감속재로 충전되는 노심; 상기 노심에 삽입되어 핵반응에 의한 열을 외부로 이동시키는 히트파이프; 및 상기 히트파이프의 응축부로부터 열을 전달받아 열에너지를 전기에너지로 변환하는 전력변환부를 포함하는 마이크로 원자로에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 노심의 하부에 형성되어 상기 노심 내부의 핵연료와 감속재를 배출하는 배출구; 및 상기 배출구를 개폐하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 밸브는 온도가 일정 온도에 도달하면 녹는 재질로 형성되어, 상기 노심 내부의 핵연료와 감속재를 상기 배출구를 통해 외부로 배출시켜 원자로 정지(shutdown)를 시킬 수 있다.
여기서, 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 핵연료와 상기 감속재는 두 가지 이상의 다른 크기를 가진 입자로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 전력변환부는 열전소자를 이용한 열전발전기, 증기터빈발전기, 가스터빈발전기, 스털링엔진 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 노심의 주위를 둘러싸도록 배치되어 상기 노심에서 발생한 중성자를 반사시키는 반사체를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반사체 내부에 배치되어 회전하며 일측에는 중성자를 흡수하는 중성자 흡수재가 형성되어 핵반응 출력을 제어하는 회전형 제어 드럼을 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 마이크로 원자로에 따르면 소형 입자 형태의 노심을 사용하여, 블럭 형태의 핵연료에 비하여 핵연료 (재)장전이 쉽고, 제어봉을 따로 삽입할 필요 없이 밸브 개방을 통해 핵연료를 이동시켜 원자로 정지(shutdown)를 시키는 것이 가능하며 잔열(decay heat)을 효과적으로 제거할 수 있다는 장점이 있다.
이에, 기존 마이크로 원자로에 비하여 구성이 단순하며 더 높은 온도에서도 안정성이 높다는 장점이 있다.
또한, 소형화를 통해 이동성이 뛰어나고 수년간 별도의 추가적인 충전 없이 안정적으로 전력을 공급할 수 있기 때문에, 전력 용량이 적어 장기간 사용할 수 없는 기존의 화학 에너지 기반의 연료와 배터리를 대체할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 열전소자를 활용한 열전발전기를 전력변환계통으로 사용하는 경우, 시스템 내 구동부가 없기 때문에 신뢰성이 높고 소음이 전혀 발생하지 않고 운전 및 유지 관리가 용이하다는 장점도 있다.
또한, 우주 탐사선, 오지 전력원, 군사용 드론, 군사용 잠수정, 해저 탐사선, 자원 탐사, 우주 기지 등 다양한 특수 목적의 장비 및 기기에 에너지원으로 사용될 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 원자로의 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 마이크로 원자로의 종단면도이다.
도 3은 도 1에서 원자로 정지(shutdown) 상태를 도시한다.
도 4는 핵반응 출력을 제어하기 위한 회전형 드럼의 동작을 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 마이크로 원자로를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 원자로의 구성을 도시하는 종단면도이고, 도 2는 도 1의 마이크로 원자로의 종단면도이고, 도 3은 도 1에서 원자로 정지(shutdown) 상태를 도시하고, 도 4는 핵반응 출력을 제어하기 위한 회전형 드럼의 동작을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 원자로는 노심(110), 히트파이프(120), 및 전력변환부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
노심(110)은 마이크로 원자로의 중심에 형성되고 핵연료와 감속재(200)로 충전되어 핵분열을 일으킨다. 본 발명에서 고체 블럭 형태의 노심이 사용되는 것이 아니라, 모래와 같이 작은 입자 형태의 핵연료와 감속재가 충전되어 노심(110)을 구성한다.
기존의 블럭 형태의 핵연료를 사용하는 마이크로 원자로는 블럭의 열팽창에 따라 히트파이프를 포함하는 원자로에 기계적 응력이 가해질 수 있고, 출력 제어가 제한적이다. 따라서, 마이크로 원자로가 특수 목적의 전력원으로 사용되는 경우 정기적인 유지 및 보수가 어려워 안전성에 문제를 가질 수 있다.
입자 형태의 노심(110)은 분체(Granular Matter)로 고체와 유체의 특성을 모두 가진다. 따라서, mm 스케일의 분체로 구성되는 노심(110)은 입자의 동적(유체적) 특성을 활용하여 고체 블럭 형태의 노심(110)과는 달리 온도 변화에 의한 팽창과 수축 시에 구조물에 기계적인 열하중을 가하지 않아서, 더 높은 온도에서도 마이크로 원자로의 구조적 안정성을 높일 수 있다.
핵연료로는 이산화우라늄(UO2)를 3중으로 피복한 트리소(TRISO) 분말을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 분말의 핵연료를 사용하는 경우 1600℃ 정도의 높은 온도에서도 구조물의 손상 없이 운전이 가능하다.
이때, 핵연료와 감속재(200)는 두 가지 이상의 다른 크기를 가진 입자로 형성되는 것이 바람직하다. 핵연료와 감속재(200)를 각각 다른 크기의 입자로 형성할 수도 있고, 핵연료와 감속재(200)는 각각 균일한 크기를 가지되 핵연료의 입자 크기와 감속재의 입자 크기를 다르게 하여 노심(110) 내 충전될 수 있다. 핵연료와 감속재(200)를 두 가지 이상의 다른 크기를 가진 입자로 형성하는 경우 노심(110) 내 공극을 줄이고 밀집도를 높일 수 있어서 핵 반응에 의한 열효율을 높일 수 있다.
노심(110)의 상부에는 노심(110) 내부로 핵연료와 감속재(200)를 충전하는 유입구(112)가 형성되며, 상기 유입구(112)에는 유입구(112)를 개폐하는 밸브(113)가 형성될 수 있다. 따라서, 밸브(113)를 열고 입자 형태의 핵연료 및 감속재(200)를 주입시켜 쉽게 노심(110)을 (재)장전시킬 수 있다.
또한, 노심(110)의 하부에는 노심(110) 바깥으로 핵연료 및 감속재(200)를 배출하는 배출구(114)가 형성되며, 상기 배출구(114)에는 배출구(114)를 개폐하는 밸브(115)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 밸브(115)는 온도가 일정 온도에 도달하면 녹는 재질로 형성될 수가 있는데, 핵분열에 의해 노심(110) 내부가 정상을 벗어난 고온으로 가열되는 경우 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 밸브(115)가 녹아 노심(110) 내부의 핵연료와 감속재(200)를 중력에 의해 노심(110) 외부로 쉽게 배출시킬 수 있다. 따라서, 사고 발생 시 노심(110) 하부의 배출구(114)를 통해 핵연료와 감속재(200)를 노심(110) 외부로 배출시킴으로써 원자로 정지(shutdown)와 냉각을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 상기 밸브(115)는 제어부(미도시)에 의한 제어 동작으로 개폐되는 밸브(115)로 구성될 수도 있다. 이 경우, 원자로 정지와 냉각을 위해 제어부의 인위적인 제어 명령으로 밸브(115)를 개방하여 노심(110) 외부로 핵연료와 감속재(200)를 배출시킬 수 있다.
노심(110) 주위를 둘러싸도록 노심(110)에서 발생한 중성자를 반사시키는 반사체(130)가 형성될 수 있다. 반사체(130)는 핵분열에 의해 노심(110)에서 발생하는 중성자를 반사시켜 중성자가 원자로 바깥으로 누출하는 것을 막는다.
반사체(130) 내부에는 핵분열에 의한 출력을 제어하는 회전형 제어 드럼(140)이 형성될 수 있다. 회전형 제어 드럼(140)은 노심(110) 주위에 원주 방향으로 복수 개 배치될 수 있다. 회전형 제어 드럼(140)은 중성자를 반사시키는 반사체로 구성될 수 있는데, 회전형 제어 드럼(140)의 일측에는 중성자를 흡수하는 중성자 흡수재(142)가 형성될 수 있다. 따라서, 회전형 제어 드럼(140)의 회전 위치에 따라서 중성자 흡수재(142)의 위치가 달라져 반사되는 중성자의 양을 다르게 제어하여 핵분열에 의한 출력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 회전형 제어 드럼(140)의 회전에 의해 중성자 흡수재(142)가 노심(110)과 반대 방향으로 배치되는 경우 중성자 흡수재(142)에 의해 흡수되는 중성자의 양을 최소화하고 반사되는 중성자의 양을 극대화하여 출력을 높일 수 있다.
노심(110)을 구성하는 원자로 상단과 하단에는 중성자가 외부로 방출되는 것을 차폐시키는 쉴드부(150)가 형성될 수 있다.
히트파이프(120)는 노심(110)에 삽입되어 핵반응에 의한 열을 원자로 바깥으로 이동시킨다.
히트파이프(120)는 금속관 내에 작동 유체의 상변화 현상을 활용하여 효율적으로 열전달을 수행하는 장치이다. 노심(110)에 삽입되는 증발부에서 작동 유체가 열을 전달받아 증발하여 상부인 응축부로 이동하여 응축으로 열을 방출한다. 응축된 작동 유체는 다시 증발부로 이동하게 되는데, 응축부에서 증발부로 가는 경로는 다공성 구조물(Wick)로 구성되어 모세관력을 통해 유체가 아래로 이동하게 된다. 따라서, 히트파이프(120)는 중력 방향에 제약 없이 온도차가 존재할 경우 피동적으로 열전달이 가능하다. 또한, 상변화 현상을 활용하는 방법의 특성상 부피 대비 열전달 효율이 좋기 때문에 본 발명과 같은 소형 전력원에서 열전달 매개체로 최적 사용될 수 있다.
이때, 히트파이프(120)의 개수, 길이, 형상, 작동 유체 등은 운전 조건(노심(110) 크기, 출력 등)에 따라서 설계 변형될 수 있다.
전력변환부(160)는 노심(110) 바깥으로 연장되는 히트파이프(120)의 응축부로부터 열을 전달받아 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 응축에 의해 액화된 작동 유체는 모세관력으로 다시 노심(110) 내부의 증발부로 이동하여 히트파이프(120) 내부를 순환하며, 노심(110) 내부의 열을 노심(110) 바깥으로 전달하게 된다.
전력변환부(160)는 본 발명의 마이크로 원자로가 사용되는 환경 또는 용도에 따라서 열전발전기, 증기터빈발전기, 가스터빈발전기, 스털링엔진 등의 장치가 적용될 수 있다.
이때, 열전발전기의 경우 열전소자를 이용한 발전기로서, 제벡효과를 통해 온도차에 의한 기전력을 발생시키는 형태로 작동한다. 열전발전기는 스털링엔진이나 가스터빈 등의 다른 전력변환 장치와 달리 기계적 구동부가 없어서 신뢰성이 높아 장기간 사용하는 것이 가능하며 소음이 발생하지 않고, 움직임이 있는 운송체의 이동에 영향을 주지 않는다. 또한, 운전 및 유지 관리가 용이하다는 장점도 있다. 열전발전기의 경우 소음이 발생하지 않으므로, 소음 발생을 최소화해야 하는 잠수정이나 탐사 장비에 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전력변환부(160)의 바람직한 실시예로 열전발전기를 적용하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 노심
112: 유입구
113: 밸브
114: 배출구
115: 밸브
120: 히트파이프
130: 반사체
140: 회전형 제어 드럼
142: 중성자 흡수재
150: 쉴드부
160: 전력변환부
200: 핵연료와 감속재

Claims (8)

  1. 입자 형태의 핵연료와 감속재로 충전되는 노심;
    상기 노심에 삽입되어 핵반응에 의한 열을 외부로 이동시키는 히트파이프; 및
    상기 히트파이프의 응축부로부터 열을 전달받아 열에너지를 전기에너지로 변환하는 전력변환부를 포함하는 마이크로 원자로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노심의 하부에 형성되어 상기 노심 내부의 핵연료와 감속재를 배출하는 배출구; 및
    상기 배출구를 개폐하는 밸브를 더 포함하는 마이크로 원자로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브는 온도가 일정 온도에 도달하면 녹는 재질로 형성되어,
    상기 노심 내부의 핵연료와 감속재를 상기 배출구를 통해 외부로 배출시켜 원자로 정지(shutdown)를 시키는 마이크로 원자로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 마이크로 원자로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 핵연료와 상기 감속재는 두 가지 이상의 다른 크기를 가진 입자로 형성되는 마이크로 원자로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력변환부는 열전소자를 이용한 열전발전기, 증기터빈발전기, 가스터빈발전기, 스털링엔진 중 어느 하나로 구성되는 마이크로 원자로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노심의 주위를 둘러싸도록 배치되어 상기 노심에서 발생한 중성자를 반사시키는 반사체를 더 포함하는 마이크로 원자로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사체 내부에 배치되어 회전하며 일측에는 중성자를 흡수하는 중성자 흡수재가 형성되어 핵반응 출력을 제어하는 회전형 제어 드럼을 더 포함하는 마이크로 원자로.
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