KR20240028787A - 사용후핵연료 저장 모듈 및 이를 포함하는 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용후핵연료를 안전하게 저장할 수 있는 저장장치에 관한 것으로써, 사용후핵연료의 붕괴열이 높은 동안은 사용후핵연료에서 발생하는 붕괴열을 이용하여 안전하게 전기를 생산하며 사용후핵연료를 안전하게 저장할 수 있다.

Description

사용후핵연료 저장 모듈 및 이를 포함하는 저장 시스템 {Reactor spent nuclear fuel storage module and storage system comprising same}

본 발명은 사용후핵연료를 안전하게 저장할 수 있는 저장장치에 관한 것이다.

원자로는 대량의 사용후핵연료를 발생시킨다. 사용후핵연료의 처리 방안으로 지하에 심층 저장하는 기술, 핵연료를 재처리하여 새로운 원전에서 활용하는 기술 등이 제안되고 있다.

사용후핵연료를 심층에 저장하는 기술만이 최근 일부 국가에서 활용되고 있다. 사용후핵연료의 처리 방안은 세계적으로도 아직 해결되지 않은 문제이다.

원자로를 이용한 사용후핵연료 처리 방안을 포함하여 종래의 처리 기술들은 사용후핵연료의 처리 과정에서 필수적으로 방사성 물질의 방출 문제를 수반한다. 또한 사용후핵연료의 재처리를 통한 핵물질 확산 등의 기술적, 정치적, 안전성 확보 등의 문제가 있다.

사용후핵연료를 심층에 저장하는 기술은 장기간 보관의 필요성에 수반하여 안전에 대한 불확실성을 내포하고 있는 문제가 있다.

따라서 사용후핵연료를 방사성 물질의 유출 위험이 없이 안전하게 장기간 보관할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-2015-0128922호 (2015.11.18.)

본 발명의 목적은 사용후핵연료에서 방사성 물질의 유출 없이 장기간 안전하게 보관할 수 있는 사용후핵연료 저장 모듈 및 이를 포함하는 저장 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 사용후핵연료를 저장하는 사용후핵연료 저장 모듈에 있어서, 내부에 수용공간을 형성하되 상기 수용공간의 일부를 용융염으로 채우고, 상기 용융염에 상기 사용후핵연료를 저장하는 저장조; 상기 저장용기의 측면에 설치하는 적어도 하나의 열전 디바이스; 및 상기 저장용기의 측면에 설치하는 적어도 하나의 냉각채널; 을 포함하는, 사용후핵연료 저장 모듈이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 사용후핵연료 저장 시스템은 사용후핵연료의 붕괴열이 높은 동안은 사용후핵연료에서 발생하는 붕괴열을 이용하여 안전하게 전기를 생산하며 사용후핵연료를 안전하게 저장할 수 있는 효과가 있다.

또한, 장기간 저장으로 사용후핵연료의 붕괴율이 현저히 낮아져 외부로의 열손실을 감당할 수 없을 경우에는 용융염이 고화되어 사용후핵연료가 안정하게 고정되어 저장될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈의 내부를 포함하여 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈에 열전디바이스가 설치된 것을 보여주는 개념도이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈에 냉각채널이 설치된 것을 보여주는 개념도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현할 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략한다.

이하에서 도 1, 도 2 와 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈을 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈은 사용후핵연료(20)를 저장하여 보관하는 저장조(100), 저장조(100)의 측면에 설치하는 적어도 하나의 열전 디바이스(400), 저장조(100)의 측면에 설치하는 적어도 하나의 냉각채널(500)을 포함하여 구성한다.

저장조(100)는 내부에 수용공간(101)을 형성한다. 저장조(100)는 수용공간(101) 일부를 용융염(10)으로 채운다. 용융염(10)은 수용공간(101)를 가득 채우지는 않고, 수용공간(101)의 하부를 채울 수 있다. 즉, 용융염(10)은 사용후핵연료(20)가 완전히 잠길 정도의 깊이를 가지도록 수용공간(101)을 채우는 것이다.

사용후핵연료(20)는 재처리과정을 거치지 않은 가공하지 않은 상태로 용융염(10)에 투입하여 저장한다.

용융염(10)(Moltne Salt)은 전기적으로 음성인 할로겐족 (F, CI, Br 등)과 전기적으로 양성인 알카리족 (Li, Na, K, Be, Mg 등)의 혼합물이다. 용융염(10)은 온도가 높아지면 액체로 변하는 성질을 갖는다. 용융염(10)의 종류로는LiF, NaCI, ZrF4 등을 들 수 있다.

사용후핵연료(20)는 붕괴열을 발생시킨다. 용융염(10)은 상기 붕괴열을 받아 액체상태로 존재하는 일정 온도 범위를 지속적으로 유지할 수 있다.

사용후핵연료(20)을 저장하는 물질로 용융염(20)을 사용하되, 용융염(20)의 용융온도를 물의 비등점보다 중분히 높고 핵연료의 피복재 산화 온도보다 충분히 낮은 것을 선택하면, 사용후핵연료(20)의 손상을 방지할 수 있다. 사용후핵연료(20)에서 방사성 물질이 방출하는 것을 막을 수 있다.

저장조(100)의 수용공간(101)에서 남는 공간은 불활성 가스로 채운다. 수용공간(101)에서 용융염(10)이 채워지고 남은 상부공간을 불활성 가스로 채움으로써, 상기 피복재의 산화 반응을 억제할 수 있다. 용융염(10)의 온도가 높아져 상기 피복재의 온도가 상승하더라도 상기 피복재에서 발생하는 산화반응을 억제함으로써, 상기 피복재가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

저장조(100)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 특히 벽을 형성하는 저장조(100)의 측면은 금속 재질로 구성한다.

금속 재질은 부식 성능이 우수하고 금속의 용융온도가 용융염의 용융온도보다 충분히(섭씨200~300도 이상) 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 스테인레스 재질을 사용할 수 있다. 이러한 금속 재질은 저장조(100)의 측면에 설치하는 열전 디바이스(400)와 냉각채널(500)의 효율을 높여줄 수 있다.

저장조(100)의 형상에는 제한이 없다. 측면을 가지는 형상이면 어떤 것이든 가능하다. 다만 이하에서는 정육면체의 형상을 기본으로 하여 설명한다.

저장조(100)의 측면에는 열전 디바이스(400)를 설치한다. 열전 디바이스(400)로 열전소자(Thermoelectric Module)를 사용할 수 있다. 또는 열전발전기(Thermoelectric Generator)를 사용할 수도 있다.

열전 디바이스(400)는 열에너지를 전기에너지로 변환한다. 열전 디바이스(400)는 사용후핵연료(20)의 붕괴열에 가열되는 용융염(10)의 열에너지로 전기에너지를 생산한다. 즉， 사용후핵연료(20)에서 발생하는 붕괴열은 용융염(10)을 가열한다. 가열된 용융염(10)은 저장조(100)의 측면을 가열한다. 저장조(100)의 측면에서 발생하는 열은 열전 디바이스(400)를 통해 전기로 변환하는 것이다.

열전 디바이스(400)는 저장조(100)의 측면에 적어도 하나 이상 설치한다. 열전 디바이스(400)는 2개 이상으로 복수 개로 설치한다. 이는 복수의 열전 디바이스(400) 중 하나가 고장나도 고장나지 않은 다른 열전 디바이스(400)가 용융염(10)의 열을 제거할 수 있도록 한다. 열부하에 의해 용융염(10)의 온도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.

저장조(100)의 측면에는 냉각채널(500)을 설치한다. 냉각채널(500)은 사용후핵연료(20)의 붕괴열에 의해 용융염(10)의 온도가 과도하게 높아지는 것을 방지해준다. 냉각채널(500)은 지속적으로 발생하는 열을 식혀준다.

저장조(100)의 사용후핵연료(20)에서 발생하는 붕괴열은 열전디바이스(400)와 냉각채널(500)에 의해 제거된다.

1차적으로 열전디바이스(400)에 의해 열제거가 일어난다. 2차적으로는 냉각채널(500)에 의해 열제거가 일어난다. 반드시 순차적인 것은 아니며 열전디바이스(400)와 냉각채널(500)이 동시에 열제거를 수행할 수 있음은 당연하다.

냉각채널(500)은 열전디바이스(400)가 고장 등으로 작동하지 않아 저장조(100) 내의 용융염(10)의 온도가 붕괴열에 의해 과도하게 상승하는 것을 방지해줄 수 있다. 용융염(10)의 온도가 증가하여 용융염이 비등하면 저장조(100) 내의 압력이 상승하여 결국에는 저장조(100)가 파손될 수 있다. 냉각채널(500)은 이러한 상황을 방지하기 위한 것이다.

냉각채널(500)은 내부에 다수의 냉각수 유동로(530)를 형성한다. 냉각채널(500)은 일측에 출구를 형성하고 타측에 입구를 형성한다. 냉각채널(500)은 상기 출구에 출구 유량조절 밸브(510)을 구비하고 상기 입구에 입구 유량조절 밸브(520)을 구비한다.

상기 입구로 냉각수가 입구로 냉각수가 유입하며 상기 출구로는 용융염(10)의 열을 흡수하여 변한 수증기가 발생한다. 그리고 냉각채널(500)에 공급되는 냉각수 및 수증기를 받아서 터빈을 구동하여 전기를 생산할 수 있다.

또한 냉각채널(500)는 냉각채널(500)로 냉각수를 공급하기 위한 펌프를 더 구비할 수 있다. 상기 펌프는 외부전원을 사용하지 않고 냉각채널(500)에서 발생하는 수증기를 이용하여 생산된 전기로 구동할 수 있다.

냉각채널(500)의 상기 입구와 출구에 설치된 출구 유량조절 밸브(510) 및 입구 유량조절 밸브(520)로 냉각체널(500)로 유입하는 냉각수의 유량을 제어할 수 있다. 냉각채널(500)의 내부를 유동하는 냉각수의 양을 조절함으로써, 냉각채널(500)은 열의 흡수를 조절할 수 있다.

열전디바이스(400)가 제거하는 열이 충분한 경우에는 냉각채널(500)에 유입하는 냉각수의 양은 출구 유량조절 밸브(510) 또는 입구 유량조절 밸브(520)를 잠가 조절한다. 열전디바이스(400)가 고장나는 등 문제가 발생하면 출구 유량조절 밸브(510) 또는 입구 유량조절 밸브(520)의 개도를 높여서 열제거앙을 증가시켜서 저장조(100)의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 할 수 있다.

저장조(100)는 사용후핵연료(20)를 용융염(10) 내에서 설정된 간격으로 배치할 수 있는 격자형태의 저장부(110)를 구비한다.

사용후핵연료(20)는 집합체 형태로 저장부(110)에 투입된다. 집합체 형태의 사용후핵연료(20)는 길이방향으로 긴 형태를 가질 수 있다. 이런 사용후핵연료(200)는 저장부(110)에 중력방향으로 배치한다.

저장부(110)는 사용후핵연료(20)를 투입할 수 있도록 사용후핵연료(10)에 대응하는 설정된 간격의 폭과 너비를 가지는 격자형태로 형성된다. 사용후핵연료(20)는 이러한 저장부(110)에 중력방향인 수직으로 투입하여 저장할 수 있다.

사용후핵연료(20)는 집합체 형태로 원자로에서 꺼낸 것을 그대로 용융염(10)이 담긴 저장조(100)에 주입한다. 사용후핵연료(20)는 저장조(100) 상부에 설치된 크레인에 중력 방향으로 매달려서 원하는 위치로 이송할 수 있다. 저장조(100) 내부의 격자형태의 저장부(110)에서 원하는 격자 위치로 투입할 수 있다. 즉 사용후핵연료(20)는 저장조(100)의 용융염(10) 내부에 설치된 저장부(110)에 수직 형태로 배치된다.

상술했듯이 격자형태의 저장부(110)는 집합체 형태의 사용후핵연료(20)를 저장할 수 있는 형상을 가진다.

저장조(100)는 저장조(100)의 내부 압력이 높아질 경우 상기 불활성 가스의 일부를 배출하도록 배출밸브(200)를 포함한다. 배출밸브(200)는 내부에 필터(210)를 구비한다.

저장조(100)는 내부 압력이 대기압보다 낮아질 경우 상기 불활성 가스를 저장조(100) 내부로 주입할 수 있는 저장탱크(300)를 더 포함한다.

저장조(100)는 밀폐형으로 형성할 수 있으며, 기본적으로 사용후핵연료(20)를 투입하기 위한 사용후핵연료 투입구(130)와 용융염(20)을 투입할 수 있는 용융염 투입구(120)를 구비한다.

저장조(100)는 내부의 불활성 가스를 배출할 수 있는 배출밸브(200)를 구비할 수 있다. 필터(210)는 배출밸브(200) 내부에 구비한다. 필터(210)는 저장조(100) 내부의 불활성 기체가 가압되어 내부 압력이 높아져 내부의 불활성 기체 혹은 불순물 등이 외부로 배출할 경우 정화된 기체가 방출될 수 있도록 한다.

저장조(100)의 내부 압력이 대기압보다 낮아질 경우, 저장조 내부로(100)로 불활성 가스가 유입할 수 있도록 저장조(100)에는 저장탱크(300)가 구비된다.

저장탱크(300)는 저장조(100)에 구비된 흘입구로 연결되어 저장조(100) 내부로 불활성 개스가 유입할 수 있도록 한다.

이렇듯 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈은 용융염(10)의 온도가 사용후핵연료(10)의 피복재 산화 온도나 용융온도보다 아주 낮게 유지되어 사용후핵연료(20)의 손상이 발생하지 않는다. 사용후핵연료(20) 내부에 저장된 방사성 물질이 외부로 방출되지 않고 장기간 저장할 수 있다.

용융염(10)의 온도는 섭씨 500도 정도로 높지만， 용융염(10)을 담고 있는 저장조(100)의 압력은 대기압정도로 유지된다. 저장조(100)를 구성하는 측면에 가해지는 응력이 과도하지 않아 운전성과 안전성이 우수하다.

본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 시스템은 사용후핵연료의 붕괴열이 높은 동안은 사용후핵연료에서 발생하는 붕괴열을 이용하여 안전하게 전기를 생산하며 사용후핵연료를 안전하게 저장할 수 있다. 장기간 저장으로 사용후핵연료의 붕괴율이 현저히 낮아져 외부로의 열손실을 감당할 수 없을 경우에는 용융염이 고화되어 사용후핵연료가 안정하게 고정되어 저장될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈은 상기 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 모듈에서 열전 디바이스(400)와 냉각채널(500)을 적어도 2개 이상 구비할 수 있다.

열전 디바이스(400)는 저장조(100)의 측면에 적어도 2개 이상 구비할 수 있고, 동시에 냉각채널(500)도 저장조(100)의 측면에 적어도 2개 이상 구비할 수 있다.

열전 디바이스(400)와 냉각채널(500)은 저장조(100)의 측면에 같이 구성되며, 그 수는 적어도 2개 이상일 수 있다.

이는 열전 디바이스(400) 및 냉각채널(400)을 각각 복수 개로 구비함으로써 하나의 장치가 고장 나더라도 저장조(100) 내부의 열부하 변동을 최소화하여 유지보수가 용이하도록 한다.

즉 다중성과 다양성을 확보함으로써, 하나의 장치가 고장나는 등의 원인으로 작동불능 상태가 되더라도 냉각계통 전체가 작동불능상태에 빠지는 것을 방지해준다.

본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 시스템은 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 사용후핵연료 저장 모듈을 복수 개로 구성할 수 있다. 복수 개의 사용후핵연료 저장 모듈은 행렬형태로 배치할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 저장 시스템은 사용후핵연료 저장 모듈을 하나의 유닛으로 하여 복수 개로 구성할 수 있다. 그리고 이를 사용후핵연료 저장 모듈을 행렬형태로 배치할 수 있다.

사용후핵연료의 양이 증가하거나 붕괴열의 시간에 따른 감소 등에 적절히 대처할 수 있다. 사용후핵연료의 양이 증가하는 경우는 개별 유닛인 사용후핵연료 저장 모듈을 추가하면 되고, 붕괴열이 감소하여 용융염이 굳으면 해당 사용후핵연료 저장 모듈을 영구보관장소 등 다른 장소로 이동시킬 수도 있다.

또한 이러한 사용후핵연료 저장 모듈은 모듈 형태로 제작하여 사용후핵연료(20)의 양이 증가할 경우 개별 모듈의 크기를 늘리기 보다 개별 모듈을 추가하는 방식으로 대응할 수 있다.

예를 들면 1GW 원자로에서 나오는 집합체 형태의 사용후핵연료는 약200 여개이며 붕괴열은 약30 MW 정도이다. 따라서 상황에 따라 사용후핵연료 저장 모듈의 수를 최적 설계할 수 있다.

저장조(100)는 금속 구조물로 저압에서 운전되는 시설이므로 그 수명이 길어 장기간의 저장기간을 확보할 수 있다.

사용후핵연료 저장 모듈의 전체적인 구조가 복잡하지 않기 때문에 사용후핵연료 저장 기간 중 장기간의 유지 보수가 용이하다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.

10: 용융염
20: 사용후핵연료
100: 저장조
101: 수용공간
110: 저장부
120: 용융염 투입구
130: 사용후핵연료 투입구
200: 배출밸브
210: 필터
300: 저장탱크
400: 열전디바이스
500: 냉각채널
510: 출구 유량조절 밸브
520: 입구 유량조절 밸브
530: 냉각수 유동로

Claims (12)

1. 사용후핵연료를 저장하는 사용후핵연료 저장 모듈에 있어서,
   내부에 수용공간을 형성하되 상기 수용공간의 일부를 용융염으로 채우고, 상기 용융염에 상기 사용후핵연료를 저장하는 저장조;
   상기 저장용기의 측면에 설치하는 적어도 하나의 열전 디바이스; 및
   상기 저장용기의 측면에 설치하는 적어도 하나의 냉각채널; 을 포함하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 열전 디바이스는 상기 사용후핵연료의 붕괴열에 의해 가열되는 상기 용융염의 열에너지로 전기에너지를 생산하는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 열전 디바이스는 적어도 2개 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 저장조는 상기 사용후핵연료를 상기 용융염 내에서 설정된 간격으로 배치할 수 있는 격자형태의 저장부를 구비하는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 사용후핵연료는 상기 저장부에서 중력방향으로 배치하는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 저장조는 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 저장조는 상기 수용공간의 나머지를 불활성 가스로 채운 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 저장조는 내부 압력이 높아질 경우 상기 불활성 가스의 일부를 배출하도록 배출밸브를 포함하되, 상기 배출밸브는 내부에 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 저장조는 내부 압력이 대기압보다 낮아질 경우 상기 불활성 가스를 상기 저장조 내부로 주입할 수 있는 저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   사용후핵연료 저장 모듈.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각채널은 적어도 2개 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    사용후핵연료 저장 모듈.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 사용후핵연료는 재처리과정을 거치지 않은 가공하지 않은 상태인 것을 특징으로 하는,
    사용후핵연료 저장 모듈.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 사용후핵연료 저장 모듈을 복수 개로 구성하고, 상기 복수 개의 사용후핵연료 저장 모듈을 행렬형태로 배치한 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 저장 시스템.