KR20240054689A - 고속스펙트럼 용융염 원자로 - Google Patents
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Abstract
고속스펙트럼 용융염 원자로 환경에 적용가능한 가연성 흡수체 개념을 개시한다. 고속스펙트럼 용융염 원자로는 핵연료 영역; 및 핵연료 영역을 둘러싸는 반사체 영역; 을 포함한다. 가연성 흡수체 개념의 적용을 위하여 감속재가 반사체 내부에 추가로 비치되며, 가연성 흡수체는 감속재 부근 혹은 내부에 위치한다. 위 구조를 통하여 통상의 고속스펙트럼 용융염 원자로 환경에서 장수명 운전동안 잉여반응도를 조절할 수 있다.
Description
본 개시의 일 실시 예들에 따라, 고속스펙트럼 용융염 원자로 환경에서 가연성 흡수체 개념에 관련될 수 있다.
용융염 원자로(MSR, Molten Salt Reactor)는 4세대 원자로 중 하나이며, MSR은 염으로 치환된 연료를 고온에서 용융된 염에 용해하여 핵연료 및 냉각재로 사용하는 원자로를 지칭한다. MSR은 통상 액체 핵연료가 핵분열이 일어나는 활성노심 영역과 열교환기가 존재하는 비활성노심 영역을 순환하는 구조를 가지며, 중대사고 및 수소폭발 위험 배제 가능, 비상시의 잔열 제거의 용이, 열팽창으로 인한 강한 음의 궤환효과 등의 특성을 바탕으로 안전성을 제고할 수 있다. 가장 많이 알려진 용융염 원자로 연구로는 1960년대 미국의 OakRidge 국립연구소 (ORNL)에서 토륨 기반의 핵연료 염을 활용하는 열중성자 스펙트럼 MSR이 있다.
기존의 열중성자형 MSR의 단점을 극복하기 위해서 고속로형 용융염 원자로 개념인 MSFR(MSFR, Molten Salt Fast Reactor)이 제시되었다. MSFR은 액체 연료로 채워진 활성노심 바깥에 반사체를 둘러싸는 구조로 중성자 경제성을 제고할 수 있다. 반사체 외부에는 활성노심과 연결된 열교환기가 배치되고, 용융염 연료가 활성노심과 열교환기를 오가며 순환하는 구조이다.
일부 MSFR 설계의 경우 연료 전환비(conversion ratio)를 높이기 위해 활성노심 내부에 반경방향 블랭킷(blanket)을 설치하는데, 이 경우 블랭킷에서 생성되는 핵분열성(fissile) 핵연료를 사용하려면 실시간 연료 재처리 과정이 요구된다. 더욱이, 이는 핵확산 저항성 관련 우려를 초래할 수 있다. 실시간 연료 재처리 과정이 배제된 MSFR의 경우, 피동적인 연료 재공급 방안을 포함하지 않는 한, 장수명 운전을 달성하기 위해서 높은 초기 잉여반응도가 요구된다. 하지만, MSFR에서 반응도 제어의 한계를 고려한다면, 초기 잉여반응도를 특정 수준 이상으로 증대하기 어렵다는 근본적인 문제가 있다.
이에 상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 일 실시 예들에 따른, 고속스펙트럼 용융염 원자로(MSFR, Molten Salt Fast Reactor)는 MSFR 환경에 적용가능한 가연성 흡수체 개념에 관련되며, 이는 MSFR환경에 가연성 흡수체의 도입(예: 활성노심에 직접적으로 구조물로 도입)이 가능하고, 가연성 흡수체에 의한 반응도 제어가 가능하며, 연료 재처리 및 재공급을 배제하여도 장수명 운전을 구현할 수 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또한 본 발명이 적용 가능한 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시 예에 따라, 고속스펙트럼 용융염 원자로는 핵연료 영역; 및 핵연료 영역을 둘러싸는 반사체 영역; 을 포함하고, 상기 반사체 영역은, 내부에 가연성 흡수체를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 핵연료 영역은 원자로 용기를 포함하고, 상기 원자로 용기 내에 액체 핵연료를 포함하고, 상기 액체 핵연료는 용융염을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 원자로 용기는 내벽 및 외벽을 포함하고, 상기 내벽은 특수강을 포함하고, 상기 외벽은 스테인리스 강을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 용융염은 UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F, UCI2F2, AcCl3, NpCl4, AmCl3 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 핵분열성 염; 및 NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, LaCl3, CeCl3, PrCl3, NdCl3 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 비핵분열성 염; 을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 용융염은 초우라늄 원소를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 2성분계 혼합물에서 비핵분열성 염 대 핵분열성 염의 몰비는 0.8X 내지 1.2X : 0.8Y 내지 1.2Y(여기서 X는 45 내지 65이고, Y는 55 내지 35 이다.)일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 3성분계 혼합물에서 제1 비핵분열성 염 : 제2 비핵분열성 염 : 핵분열성 염의 몰비는 0.8X 내지 1.2X : 0.8Y 내지 1.2Y : 0.8Z 내지 1.2Z(여기서 X는 45 내지 60, Y는 15 내지 22 및 Z는 20 내지 33이다.)일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 용융염에서 비핵분열성 염 및 핵분열성 염의 몰비는 선택된 액체핵연료 혼합물의 공융점 (eutectic point)을 고려하여 결정될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 원자로 용기는 내벽 및 외벽을 포함하고, 상기 내벽 대 상기 외벽의 두께비는 0.02 내지 1 : 1인 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 가연성 흡수체는, 가돌리늄(Gd), 어비움(Er), 붕소(B), 이의 동위 원소 또는 이 둘을 포함하는 Gd2O3, Er2O3 혹은 B4C와 같은 산화물 및 탄화물들을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 가연성 흡수체는, 판형; 곡면을 갖는 판형; 디스크형; 섬유형; 다각형 기둥 또는 원 기둥 형태; 다각형, 원 또는 타원형의 단면을 갖는 로드; 다각형, 원 또는 타원형의 단면을 갖는 튜브; 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 가연성 흡수체는, 판형을 포함하는 2종 이상의 형태의 가연성 흡수체를 포함하거나 상기 가연성 흡수체는 크기가 상이한 2종 이상의 가연성 흡수체를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 가연성 흡수체는 형태 또는 크기에 따라 규칙적으로 반복 배열되는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 반사체 영역은, 감속재 영역; 및 반사체 물질 영역; 을 포함하고, 상기 감속재 영역 내에 가연성 흡수체를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 가연성 흡수체 및 상기 감속재 영역은, 상기 핵연료 영역의 측면, 상단, 하단 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상에 대응하는 반사체 영역 내에 포함되는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 가연성 흡수체는 상기 핵연료 영역에 접촉하고, 감속재 영역 내에 삽입되도록 배열된 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 반사체 물질은, 스테인리스, 특수강 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 감속재 영역은 단일 또는 복수층을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 상기 감속재 영역은 튜브 또는 실린더 형태로 핵연료 영역의 적어도 일부분을 둘러싸도록 반사체 영역 내에 배치된 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 반사체 영역의 두께는, 10 cm 내지 80 cm인 것일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 상기 반사체 영역 상의 적어도 일부분에 열 교환기; 를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따른 반사체 영역 내에 감속재를 활용하여 MSFR 환경에 적용 가능한 가연성 흡수체(예: 구조체 형태인 가연성 흡수체) 개념을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따른 가연성 흡수체 개념이 적용된 고속스펙트럼 용융염 원자로는 운전 과정에서 연료 재처리 및 재공급 없이 장수명 동안 잉여반응도를 적절하게 조절할 수 있고, 이를 통하여 용융염 원자로의 장수명 운전을 구현하고, 경제성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 구성을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 2a는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것으로, 판형 가연성 흡수체의 배치를 나타낸 것이다.
도 2b는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것으로, 로드 형 가연성 흡수체의 배치를 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 실시예에서 노심 해석코드 계산을 위한 치수를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 가연성 흡수체 및 감속재 유무에 따른 잉여 반응도 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 중성자 스펙트럼을 나타낸 것으로, 전노심에서의 중성자 스펙트럼이다.
도 6은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 중성자 스펙트럼을 나타낸 것으로, 활성노심에서의 중성자 스펙트럼이다.
도 7은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것으로, 판형 및 로드 형태의 가연성 흡수체의 반복적인 배열 관계를 나타낸 것이다.
도 8은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 잉여반응도의 조절을 나타낸 것으로, 이는 실시예에 따른 판형과 로드 형태의 가연성 흡수체의 반복적 배치 방식에 따른 잉여반응도 조절을 평가한 것이다.
도 9는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 구성을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 11은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 장기 운전(약 30년 이상)에서 잉여반응도 조절을 평가한 것이다.
도 2a는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것으로, 판형 가연성 흡수체의 배치를 나타낸 것이다.
도 2b는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것으로, 로드 형 가연성 흡수체의 배치를 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 실시예에서 노심 해석코드 계산을 위한 치수를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 가연성 흡수체 및 감속재 유무에 따른 잉여 반응도 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 중성자 스펙트럼을 나타낸 것으로, 전노심에서의 중성자 스펙트럼이다.
도 6은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 중성자 스펙트럼을 나타낸 것으로, 활성노심에서의 중성자 스펙트럼이다.
도 7은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것으로, 판형 및 로드 형태의 가연성 흡수체의 반복적인 배열 관계를 나타낸 것이다.
도 8은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 잉여반응도의 조절을 나타낸 것으로, 이는 실시예에 따른 판형과 로드 형태의 가연성 흡수체의 반복적 배치 방식에 따른 잉여반응도 조절을 평가한 것이다.
도 9는 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 구성을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 단면도이며, 가연성 흡수체의 배치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 11은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로의 장기 운전(약 30년 이상)에서 잉여반응도 조절을 평가한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 개시의 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시 예들에 따른 고속스펙트럼 용융염 원자로(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 고속스펙트럼 용융염 원자로(1)는 핵연료 영역(100) 및 반사체 영역(200)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 핵연료 영역(100)은 핵분열 영역을 포함하는 활성노심을 포함하는 것으로, 핵연료 영역(100)은 원자로 용기(110) 및 원자로 용기 내에 액체 핵연료를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 원자로 용기(110)는 몰리브덴 합금, 지르코늄 합금(예: 지르칼로이)(예: zircaloy-4), 니오븀 합금, 니켈 합금(예: 하스텔로이 N 합금(Hastelloy-N 합금)의 특수강, 스테인리스 강(stainless steel)(예: SS316) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시 예에 따라, 원자로 용기(110)의 내부 표면은 필요 시 부식 및/또는 방사능 손상에 대한 내성을 제공하기 위해 하나 이상의 추가 재료로 코팅, 도금 또는 라이닝될 수도 있다.
일 실시 예에 따라, 원자로 용기(110)는 단일 또는 이중 이상의 다중벽을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 내벽(110a)과 외벽(110b)을 포함하고, 내벽(110a)은 부식 등을 방지하기 위해서 특수강을 포함하고, 외벽(110b)은 스테인리스강을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 외벽(110b)은 반사체 영역(200)의 반사체 물질과 동일한 성분(예: 스테인리스강)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 원자로 용기(110)의 벽 두께는 MSFR 환경 구현을 위해서 반사체 영역(200)의 구성(예: 가연성 흡수체(230)의 구조 또는 크기) 등을 고려하여 설계될 수 있다. 원자로 용기(110)의 벽 두께를 조절하여 원자로 노심의 성능 및 수명을 증가시킬 수 있다. 어떤 예에서 원자로 용기(110)의 벽 두께는 약 2.0 cm 내지 약 10.0 cm일 수 있다. 어떤 예에서 내벽(110a)은 외벽(110b) 보다 얇게 구성되고, 예를 들어, 내벽(110a)은 약 0.1 cm 내지 약 0.5 cm이고, 외벽(110b)은 약 0.1 cm 내지 약 5.0 cm 일 수 있다. 어떤 예에서 외벽(110b)의 두께가 1 cm 이하일 경우, 두께 5.0 cm 이상의 감속재 영역(220)을 외벽(110b) 뒤에 배치할 수 있다. 어떤 예에서, 내벽(110a) 대 외벽(110b)의 두께비는 약 0.02 내지 약 1 : 약 1; 약 0.02 내지 약 0.8 : 약 1; 약 0.02 내지 약 0.5 : 약 1; 또는 약 0.02 내지 약 0.1 : 약 1;일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 액체 핵연료는 활성노심을 구성하는 용융염을 포함하는 것일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 용융염은 할로겐 계열의 용융염을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F, UCI2F2, AcCl3, NpCl4, AmCl3 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 핵분열성 염; 및 NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, LaCl3, CeCl3, PrCl3, NdCl3 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 비핵분열성 염; 을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 어떤 예에서 용융염은 MSFR 환경 구현을 위해 공융(eutectic) 조건을 고려하여 핵분열성 염 및 비핵분열성 염을 구성할 수 있다. 어떤 예에서 1종 또는 2종 이상의 핵분열성 염; 및 1종 또는 2종 이상의 비핵분열성 염;을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2성분계, 3성분계 또는 4성분계의 용융염일 수 있다. 어떤 예에서 용융염은 KCl-UCl3의 혼합물 또는 NaCl-UCl3 혼합물일 수 있다. 어떤 예에서 용융염은 NaCl-MgCl2-UCl3 및 NaF-KF-UF4의 혼합물일 수 있다. 어떤 예에서 우라늄 대신 초우라늄 원소들 (TRU)이 핵분열성 염을 구성할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 비핵분열성 염 대 핵분열성 염의 몰비는 염의 공융점을 고려하여 적절히 산정될 수 있다. 어떤 예에서 비핵분열성 염 대 핵분열성 염의 몰비는 0.8X 내지 1.2X : 0.8Y 내지 1.2Y일 수 있다. 여기서 X는 45 내지 65이고, Y는 55 내지 35일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 제1 비핵분열성 염 대 제2 비핵분열성 염 대 핵분열성 염의 몰비는 0.8X 내지 1.2X : 0.8Y 내지 1.2Y : 0.8Z 내지 1.2Z일 수 있다. 여기서 X는 45 내지 60, Y는 15 내지 22 및 Z는 20 내지 33일 수 있다
일 실시 예에 따라, 액체 핵연료는 최대 19.75 또는 최소 4.0의 우라늄 농축도를 구현할 수 있다. 예를 들어, 장기간 운전을 위해서 고농축이 요구될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 액체 핵연료는 플루토늄 및 넵투늄과 같은 초우라늄 원소(Transuranium element)들이 포함된 용융염일 수 있다. 예를 들어 사용후 핵연료를 활용하여 운전을 달성할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 핵연료 영역(100)에서 액체 연료(예: 용융염)를 열 교환기(예: 도 1의 (300))로 유동시키고, 열교환기에서 열을 추출하고 액체 연료를 냉각시켜 핵연료 영역 내로 복귀시키는 순환(예: 도 1의 화살표 A 및 B)을 위한 이동관(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는 핵연료 영역(100)(예: 원자로 용기(110))의 상단, 하단 및 측면(예: 전단 및 후단) 중 적어도 둘 이상에 장착될 수 있으나, 이는 액체 연료의 원활한 순환을 위해 적절하게 선택될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 반사체 영역(200)은 핵연료 영역(100)의 적어도 일부분(예: 핵분열 영역의 적어도 일부분)을 둘러싸도록 핵연료 영역(100)(예: 원자로 용기(110))의 외부 또는 근접 영역에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 도 1을 참조하면, 반사체 영역(200)은 반사체 물질 영역(210), 감속재 영역(220) 및 가연성 흡수체(230)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 반사체 영역(200)은 핵연료 영역(100)의 원자로 용기(110)(예: 실린더 형태) 외부에 구성되고, 내부에 감속재 및 가연성 흡수체를 포함함으로써, 핵연료 영역(100) 중 활성노심의 가장자리 부근에서 중성자 스펙트럼의 국부적인(localized) 스펙트럼 연화를 일으켜 반응도를 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 반사체 물질 영역(210)은 중성자 반사, 중성자 감속 및/또는 중성자 흡수에 적합한 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 스테인리스 강, 지르코늄, 철, 흑연, 베릴륨, 실리콘 카바이드, 탄화 텅스텐, 납, 납-비스무트 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 어떤 예에서 반사체 물질 영역(210)과 원자로 용기(110)의 외벽(110b)과 동일한 성분(예: 스테인리스 강)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 반사체 물질 영역(210)의 두께는 약 10 cm 내지 약 80 cm일 수 있다. 이는 핵연료 영역(100)에서 나오는 중성자를 다시 반사시키는데 적합한 기능을 부여할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 반사체 영역(200)의 두께는 약 10 cm 내지 약 80 cm일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 감속재 영역(220) 및 가연성 흡수체(230)는, 핵연료 영역(100)의 측면(둘레), 상단, 하단 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상에 대응하는 반사체 영역(200) 내에 배치될 수 있다. 어떤 예에서 감속재 영역(220) 및 가연성 흡수체(230)는 측면(즉, 둘레)에 따라 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 감속재 영역(220)은 단일 또는 복수층을 포함하고, 감속재 영역(220)의 두께는 목표로 하는 운전수명에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 감속재 영역(220) 두께가 약 5 cm 내지 약 50 cm일 수 있다. 감속재 영역(220)의 두께를 조절하여 원자로 노심의 성능 및 수명을 증가시킬 수 있다. 어떤 예에서 감속재 영역(220)의 두께는 가연성 흡수체(230)의 잉여 반응도 조절 정도 및 MSFR의 운전수명을 고려하여 가연성 흡수체(230)의 두께에 따라 설계될 수 있다. 어떤 예에서 장기간 수명을 확보하기 위해서 감속재 영역(220)의 두께는 반사체 물질 영역(210) 보다 더 두꺼울 수 있다(예: 도 9의 감속재 영역(220) 및 반사체 물질 영역(210)).
일 실시 예에 따라, 감속재 영역(220)은 활성노심 영역에서 일어나는 핵분열 반응에 의하여 생성된 중성자들 중 상당수는 반경방향으로 누설될 수 있고, 누설된 중성자는 감속재 영역(220)에 의해 감속되고, 가연성 흡수체(230)와 반응할 수 있다. 이 과정을 통해 MSFR의 잉여반응도를 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 감속재 영역(220)은 원자로 용기(110)의 적어도 일부분을 둘러싸도록 튜브 또는 실린더 형태로 반사체 영역(200) 내에 설치 또는 조립될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 감속재 영역(220)은 산화마그네슘(MgO), 지르코늄 수소화물(zirconium hydride), 베릴륨(Be), 산화 베릴륨(BeO), 탄소(C)(예: 흑연), 탄화규소(SiC) 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나 이상의 고체 감속재를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 어떤 예에서 베릴륨(Be), 산화 및 베릴륨(BeO)에서 선택될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 가연성 흡수체(230)는 원자로 용기(110)와 감속재 영역(220) 사이에 위치할 수 있다. 어떤 예에서 가연성 흡수체(230)는 감속재 영역(220) 부근 또는 내부에 위치될 수 있다. 어떤 예에서 가연성 흡수체(230)는 원자로 용기 상(예: 외벽)에 접촉하면서 감속재 영역(220) 내로 삽입되도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 가연성 흡수체(230)는 감속재 영역(220)을 이용하여 고속스펙트럼 용융염 원자로 (MSFR)라는 특수환 환경에서 반사체 영역에 도입될 수 있다. 이는 MSR 반응도를 용이하게 제어할 수 있고, MSFR의 운전 수명을 개선시킬 수 있다.
일 실시 예에 따라, 가연성 흡수체(230)는, 붕소(B), 가돌리늄(Gd), 어비움(Er), 카드뮴(Cd), 사마리움(Sm), 유로피움(Eu), 이들의 동위 원소 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 탄화물, 산화물 등일 수 있다. 어떤 예에서 가돌리늄(Gd), 붕소(B), 이의 동위 원소 또는 이 둘을 포함하는 탄화물(B4C) 또는 산화물(Gd2O3) 등을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 천연 붕산 기반의 B4C일 수 있다. 어떤 예에서 다양한 붕산 농축도를 갖는 B4C일 수 있다.
일 실시 예에 따라 가연성 흡수체(230)의 크기를 조절하여 잉여반응도 조절 및 MSFR의 운전수명을 결정할 수 있다. 예를 들어, 가연성 흡수체(230)의 두께, 너비 또는 직경을 조절하여 잉여반응도 조절 및 MSFR의 운전수명을 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 가연성 흡수체(230)는 판형(plate); 디스크형, 섬유형; 다각형 또는 원 기둥 형태; 다각형, 원 또는 타원형의 단면을 갖는 로드(rod); 다각형, 원 또는 타원형의 단면을 갖는 튜브; 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 튜브는 상이한 물질로 구성된 코어 및 쉘로 구성될 수 있다.
예를 들어, 다각형은 삼각, 사각, 오각, 육각 등일 수 있다.
예를 들어, 판형은 원자로 용기의 형태(예: 실린더 형태)에 따라 배치 및 배열이 가능하도록 굴곡진 부분(예: 곡면을 갖는 판형)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 디스크는 복수개의 디스크 형태가 수직 방향(예: 원자로 용기의 높이 방향)으로 배열된 집합체로 적용될 수 있다.
예를 들어, 디스크는 원자로 형태에 따라 배치 및 배열이 가능하도록 굴곡진(예: (예: 곡면을 갖는 디스크) 부분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 가연성 흡수체(230)는 원자로 용기(110)의 둘레(예: 측면 둘레)에 따라 배열되고, 원자로 용기(110)의 높이(길이) 방향으로 더 배열될 수 있다. 예를 들어, 디스크는 원형, 사각, 직각 등의 다각형 등일 수 있다.
일 실시 예에 따라, 가연성 흡수체(230)는 크기, 형태 또는 이 둘이 상이한 2종 이상의 가연성 흡수체를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 반사체 영역(200) 내부의 감속재를 통한 가연성 흡수체(230)를 도입하여 고속스펙트럼 용융염 원자로(1)의 장수명 운전 달성 및 잉여반응도의 평탄화를 구현할 수 있다. 가연성 흡수체(230)는 원자로의 특성 및 감속재의 종류에 따라 구조, 배열 방식 등을 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 도 7 및 도 10을 참조하면, 가연성 흡수체는 이의 자기 차폐 효과(Self-Shielding)를 활용하여 장수명 운전 동안 원자로의 잉여반응도를 효과적으로 조절하기 위해서 다양한 형태의 가연성 흡수체를 혼합하여 배치될 수 있다. 어떤 예에서 가연성 흡수체는 2종 이상의 형태로 구성된 복수개가 반사체 영역(200) 내에 배열될 수 있다. 어떤 예에서 가연성 흡수체(230)는 판형; 및 기둥, 로드 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상; 을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 도 7을 참조하면, 2종 이상의 형태(구조)로 구성된 복수개의 가연성 흡수체는 형태에 따라 규칙적으로 또는 일정한 규칙(예: 규칙적 배열 패턴)에 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 가연성 흡수체(230)는 판형 영역 및 로드 영역이 반복적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 가연성 흡수체(230)는 형태에 따라 규칙적(예: 규칙적 패턴 방식)으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 판형 영역 내의 가연성 흡수체 및 로드 영역 내의 가연성 흡수체는 규칙적 또는 일정한 규칙에 따라 배열될 수 있다.
실시 예에 따라, 가연성 흡수체(230)는 상이한 크기를 갖는 2종 이상의 가연성 흡수체를 포함할 수 있고, 이들은 규칙적으로 또는 일정한 규칙(예: 규칙적 배열 패턴)에 따라 배열될 수 있다. 어떤 예에서 가연성 흡수체는 핵연료 영역(100)(예: 활성노심 영역)의 반응속도 등을 고려하여 크기에 따라 배열 방식을 설계하여 잉여반응도를 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 반사체 영역(200) 상의 적어도 일부분에 열 교환기(300)를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 고속스펙트럼 용융염 원자로(1)는 원기둥 또는 다각 기둥 형태 일 수 있다. 고속스펙트럼 용융염 원자로(1)의 작동, 조립, 고정, 순환(예: 출구, 입구) 등을 위한 외부 케이스, 부품 등의 추가 구성은 본 개시의 목적 및 효과를 벗어나지 않는다면 기술 분야에서 알려진 것을 더 선택할 수 있다. 또한, 본 문서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
일 실시 예에 따라, 몬테카를로 기반의 노심 해석 전산코드인 서펀트(Serpent 2)를 이용하여 고속스펙트럼 용융염 원자로(예: 도 1, 도 3 및 도 9)의 원자로 반응도 및 장수명 운전 가능성을 평가하였다.
도 3은, 일 실시 예에 따라, 원자로 반응도 및 장수명 운전 가능성 평가에 이용된 고속스펙트럼 용융염 원자로(MSFR)의 구성의 개략도이다.
도 3에서 KCl-UCl3 기반 (예: 우라늄 농축도 약 19.75 w/o)의 활성노심 직경과 높이가 각각 206 cm로 동일한 구조를 가지는 MSFR이고, 부식 저항성을 제고하기 위하여 원자로 용기 내부는 0.1 cm의 Hastelloy-N 합금을 안쪽에 두른 두께 2.5 cm의 스테인레스강으로 구성된다. 감속재로는 두께 10cm의 베릴륨을 활용하였으며, 이는 두께 42.5 cm의 스테인레스강 기반의 반사체 내부에 위치한다. 열교환기를 포함한 비활성 노심의 부피는 활성노심의 부피와 동일하며, 입구와 출구 용융염의 온도는 각각 600 ℃ 와 700 ℃를 상정하여 노심해석을 수행하였다. 가연성 흡수체로는 천연 붕산 기반의 B4C가 고려되고, 이는 도 1과 같이 스테인레스강 기반 원자로 용기와 감속재 사이에 위치한다.
도 2a과 도 2b와 같이 판(plate) 형태와 로드(rod) 형태의 가연성 흡수체를 고려하였으며, 약 1,000 pcm의 초기 잉여반응도 달성을 위하여 두께 0.17 mm의 판 형태 흡수체와 직경 0.8 cm의 봉 형태 흡수체 360개를 각각 상정하였다.
도 4는 일 실시 예에 따라, 가연성 흡수체 및 감속재 유/무에 따른 잉여반응도 변화를 나타낸 그래프이다.
도4는 각 형태의 가연성 흡수체 구조를 활용하여 MSFR을 300 MW의 열출력으로 20년 동안 운전할 시의 반응도 변화에서 가연성 흡수체 및 베릴륨 기반 감속재의 효과를 평가하기 위해서 감속재만을 포함하는 경우 및 아무것도 고려되지 않은 통상의 MSFR 구조(도 4에서Case Null로 지칭)에서의 잉여반응도 변화를 대조군으로 적용하였다. 표면에서부터 침투하는 중성자가 가연성 흡수체와 차차 반응하면서 가연성 흡수체 내부로 들어갈수록 중성자의 수가 감소하는 자기 차폐 효과를 고려할 시, 판 형태의 구조 대비 봉 형태의 가연성 흡수체 구조에서 잉여반응도가 상대적으로 느리게 변화함을 기대할 수 있다. 이는 반사체 영역 내부의 감속재에 의한 중성자 스펙트럼의 연화는 연료 전환비의 감소를 초래하므로, 감속재만을 포함한 경우의 잉여반응도는 통상의 MSFR 구조(Case Null) 대비 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따라, 전노심에서 중성자 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 6은 일 실시 예에 따라, 활성 노심에서의 중성자 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6은 도 3의 구조를 활용하였다.
도 5 및 도 6에서 연화 효과는 활성 노심 밖의 영역에 치중된 것을 확인할 수 있고, 이를 토대로 열중성자와의 반응 단면적이 높은 가연성 흡수체를 도 1과 같이 원자로 용기 외부에 배치하여 잉여반응도를 조절할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따라, 판 형태와 봉 형태의 가연성 흡수체의 배열을 예시적으로 나타낸 것이다. 즉, 도 7에서 판 형태의 가연성 흡수체의 두께는 약 0.17 cm이고, 봉 형태의 가연성 흡수체의 직경은 약 0.7 cm/개수 180 개이다.
도 8은 도 7의 가연성 흡수체의 배열이 적용된 MSFR노심의 잉여반응도 변화를 평가한 것이다.
도 7 및 도 8에서 MSFR노심의 경우 판 형태와 봉 형태의 가연성 흡수체를 반복적으로 배치하였으며, 이 경우 약 12년의 운전기간 동안 1,000 pcm 미만의 잉여반응도 변화를 얻을 수 있다. 이는 장수명 운전동안 잉여반응도의 조절을 용이하게 하며 용융염 원자로의 경쟁력을 제고할 수 있음을 시사한다. 이때, 운전수명을 포함한 다양한 설계요건에 따라 보다 단순한 혹은 복잡한 형태의 가연성 흡수체 구조의 조합을 적절히 상정할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른MSFR 원자로의 구성을 나타낸 개념도이다. 도 9는 도 3과 동일한 활성노심 구조를 도입하고, 30년 이상의 장수명 운전을 달성하기 위하여 BeO 기반 감속재의 부피를 증가시키고 원자로 용기의 두께를 감소시킨 MSFR 원자로이다.
도 10은 일 실시 예에 따라, 도 9의 MSFR 원자로의 배열된 가연성 흡수체의 구조를 나타낸 것이다. 도 10에서 자기차폐효과를 최적화하기 위하여 다양한 형태 및 두께를 가지는 가연성 흡수체의 규칙적으로 반복하여 배열하였다. 도 10에서 적용된 가연성 흡수체의 구조 및 배열된 개수는 표 1에 나타내었다. 도 11은, 일 실시 예에 따라, MSFR 원자로의 잉여반응도를 나타낸 것이다. 도 11은 도 9및 도 10의 구성을 적용하여 잉여반응도를 평가하였다.
표 1 및 도 10에서 가장 두꺼운 봉 형태의 가연성 흡수체(Type A)는 고연소도 부근에서 반응도 스윙을 억제하는 역할을 하며 두께가 얇을수록(Type A - Type B - Type C - Type D순) 운전 초기의 반응도 스윙 조절에 기여할 수 있다(표1 참조). 이때, 부식을 고려하여 활성노심과 감속재 사이에 각각 두께 약 0.1 cm와 약 0.3 cm의 Hastelloy-N과 스테인레스강을 배치하였다.
표 1은 다양한 형태의 가연성 흡수체 구조의 치수 및 개수를 나타낸 것이다.
도 11은 동일한 300 MW의 열출력을 상정하여 수행된 연소계산 결과를 나타낸 것이다. 먼저 BeO 감속재를 도 9에서와 같이 도입함으로써 노심의 수명이 기존 약 14년에서 거의 28년 정도(악 두 배 정도)로 대폭 확장되었다. 이는 원자로 노심의 성능이 크게 개선된 것이다. 또한 반사체 영역 내에 감속재 및 이를 활용한 가연성 흡수체를 도입하여 잉여반응도를 크게 증가시킬 수 있고, 표 1에 제안된 가연성 흡수체를 이용하여 전 수명기간에 1,000 pcm 이하로 매우 성공적으로 제어할 수 있다.
일 실시 예들에 따라, 본 개시는 반사체 영역 내에 감속재를 활용하여 가연성 흡수체를 도입한 고속스펙트럼 용융염 원자로 (MSFR)를 제공할 수 있다. 가연성 흡수체의 구조(형태, 크기 또는 이 둘 모두의 조절) 및 구성 방식(예: 규칙적 반복 배열)에 의해서 자기 차폐 효과를 조절하여 목표하는 잉여반응도 변화(예: 장수명 운전기간 동안 1,000 pcm 이내)를 획득하고, 장기 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 반사체 영역에 감속재를 도입하여 노심의 수명 및 연료 이용율을 약 두 배 이상으로 개선시킬 수 있다.
본 발명은 동그라미재단에 따른 산업체연구개발사업((G01210715), 2020 혁신과학기술 센터 및 프로그램(신형원자로연구센터)(2021 년도), 2021-12-02 ~ 2022-12-01)에 관련된 것이다.
본 발명은 한국연구재단에 따른 한국원자력연구원연구운영비지원(주요사업비)(액체연료 구동 핵열공급모듈 요소기술 개발 (2022 년도), 과제고유번호 : 1711173760, 2022-01-01~2022-12-31)에 관련된 것이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (18)
- 핵연료 영역; 및
핵연료 영역을 둘러싸는 반사체 영역;
을 포함하고,
상기 반사체 영역은, 내부에 중성자 연화작용을 위한 감속재 및 잉여반응도 조절을 위한 가연성 흡수체 개념이 적용된,
고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 핵연료 영역은 원자로 용기를 포함하고,
상기 원자로 용기 내에 액체 핵연료를 포함하고,
상기 액체 핵연료는 용융염을 포함하는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제2항에 있어서,
상기 원자로 용기는 내벽 및 외벽을 포함하고,
상기 내벽은 특수강을 포함하고,
상기 외벽은 스테인리스 강을 포함하는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 용융염은
UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F, UCI2F2, AcCl3, NpCl4, AmCl3 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 핵분열성 염; 및
NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, LaCl3, CeCl3, PrCl3, NdCl3 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 비핵분열성 염;
을 포함하는 것인,
고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제3항에 있어서,
상기 용융염은 초우라늄 원소를 더 포함하는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제3항에 있어서,
상기 용융염은 2성분계 혼합물 또는 3성분계 혼합물이고,
상기 2성분계 혼합물에서 비핵분열성 염 대 핵분열성 염의 몰비는 0.8X 내지 1.2X : 0.8Y 내지 1.2Y(여기서 X는 45 내지 65이고, Y는 55 내지 35 이다.)이고,
상기 3성분계 혼합물에서 제1 비핵분열성 염 : 제2 비핵분열성 염 : 핵분열성 염의 몰비는 0.8X 내지 1.2X : 0.8Y 내지 1.2Y : 0.8Z 내지 1.2Z(여기서, X는 45 내지 60, Y는 15 내지 22 및 Z는 20 내지 33이다.)인 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제2항에 있어서,
상기 원자로 용기는 내벽 및 외벽을 포함하고,
상기 내벽 대 상기 외벽의 두께비는 0.02 내지 1 : 1인 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 가연성 흡수체는, 가돌리늄(Gd), 어비움(Er), 붕소(B), 이의 동위 원소 또는 이 둘을 포함하는 탄화물 또는 산화물을 포함하는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 가연성 흡수체는,
판형; 곡면을 갖는 판형; 디스크형; 섬유형; 다각형 또는 원 기둥 형태; 다각형, 원 또는 타원형의 단면을 갖는 로드; 다각형, 원 또는 타원형의 단면을 갖는 튜브; 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것인,
고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 가연성 흡수체는 판형을 포함하는 2종 이상의 형태의 가연성 흡수체를 포함하거나
상기 가연성 흡수체는 크기가 상이한 2종 이상의 가연성 흡수체를 포함하는 것인,
고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 가연성 흡수체는 형태 또는 크기에 따라 규칙적으로 배열되는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 반사체 영역은,
감속재 영역; 및
반사체 물질 영역; 을 포함하고,
상기 감속재 영역 내에 가연성 흡수체를 포함하는 것인,
고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제12항에 있어서,
상기 가연성 흡수체 및 상기 감속재 영역은,
상기 핵연료 영역의 측면, 상단, 하단 및 이들의 조합 중 적어도 하나 이상에 대응하는 반사체 영역 내에 포함되는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제12항에 있어서,
상기 가연성 흡수체는
상기 핵연료 영역에 접촉하고, 감속재 영역 내에 삽입되도록 배열된 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제12항에 있어서,
상기 반사체 물질은,
스테인리스, 특수강 또는 이 둘을 포함하는 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제12항에 있어서,
상기 감속재 영역은 단일 또는 복수층을 포함하고,
상기 감속재 영역은 튜브 또는 실린더 형태로 핵연료 영역의 적어도 일부분을 둘러싸도록 반사체 영역 내에 배치된 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 반사체 영역의 두께는, 10 cm 내지 80 cm인 것인, 고속스펙트럼 용융염 원자로.
- 제1항에 있어서,
상기 반사체 영역 상의 적어도 일부분에 열 교환기;
을 더 포함하는 것인,
고속스펙트럼 용융염 원자로.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220134942A KR20240054689A (ko) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | 고속스펙트럼 용융염 원자로 |
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| KR1020220134942A KR20240054689A (ko) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | 고속스펙트럼 용융염 원자로 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR20240054689A true KR20240054689A (ko) | 2024-04-26 |
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ID=90883169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220134942A KR20240054689A (ko) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | 고속스펙트럼 용융염 원자로 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240054689A (ko) |
-
2022
- 2022-10-19 KR KR1020220134942A patent/KR20240054689A/ko unknown
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