KR102175770B1 - 전자기 유도 퍼니스 및 금속(들)과 산화물(들)의 혼합물을 융해시키기 위한 퍼니스의 용도 - Google Patents

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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

개시된 퍼니스는 산화물 및/또는 금속을 포함하는 적어도 하나의 전도성 재료를 용해시키기 위한 전자기 유도 퍼니스(furnce)(1)(1')(1")이다. 이러한 퍼니스는 적어도 하나의 감김(turn)(41-47)을 가진 적어도 하나의 인덕터 및 상기 적어도 하나의 인덕터를 냉각시키도록 구성된 적어도 하나의 냉각 회로(5)를 구비하고; 적어도 하나의 냉각 회로(5)(5.1 내지 5.8)의 열전달 유체는 초임계 CO2이다.

Description

전자기 유도 퍼니스 및 금속(들)과 산화물(들)의 혼합물을 융해시키기 위한 퍼니스의 용도{ELECTROMAGNETIC INDUCTION FURNACE AND USE OF THE FURNACE FOR MELTING A MIXTURE OF METAL(S) AND OXIDE(S), SAID MIXTURE REPRESENTING A CORIUM}
본 발명은 적어도 일회의 감김(turn)을 가진 인덕터와 적어도 하나의 인덕터를 냉각하기 적합한 적어도 하나의 냉각 회로를 구비하는, 산화물 및/또는 금속과 같은 적어도 하나의 전기적인 도전 재료를 용해하기 위한 전자기적 유도 퍼니스에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 냉각 회로들의 적어도 어느 하나의 신규한 열전달 유체의 사용에 관한 것이다.
특히, 본 발명과 관련된 하나의 퍼니스는 냉각-도가니 퍼니스(crucible furnace) 또는 자기(self)-도가니 퍼니스에 관련된 퍼니스이다.
본 발명은 비록, 냉각 도가니로와 관련하여 설명되지만, 내화재 또는 금속재로 제조되는 도가니 즉, 콘테이너를 구획하는 물리적 벽들을 가진 도가니로 제조되든 아니면 도가니 없이 제조되든 모든 전자기적 유도 퍼니스에도 적용될 수 있다.
특히, 유용한 표적이 되는 응용은, 노심 용융물(corium)과 액체수 또는 나트륨과 같은 열 전달 유체의 상호 작용을 연구하기 위해, 금속(들) 및 노심 용융물을 대표하는 산화 우랴늄(UO2)과 같은 산화물(들)의 혼합물에 관한 것이다. 노심 용융물은, 심각한 핵 사고의 경우, 핵 연료의 조립체와 핵제어봉이 용해되는 동안 형성할 수 있는 용융물질(UO2, ZrO2, Zr, 강철)의 혼합물이다.
본 발명은 비록 노심 용융물의 용해와 관련하여 설명되지만, 냉각 회로가 필요한 모든 전기 도전 재료의 전자기적 유도 용해에도 적용될 수 있다. 본 발명은 특히, 주조 공장 또는 야금학에 사용되는 퍼니스에 관한 것이다.
주조 공장 또는 야금학 분야에서 있어서, 물질의 생산은 그 물질이 용해될 수 있고, 다양한 구성 성분 또는 온도에 대한 액체의 균질화를 얻기 위해 또는 액체 내부에서 화학 반응을 수행하기 위한 충분한 시간 동안 그들 액체 상태를 유지할 수 있어야 한다. 이것을 위해, 액체를 와류 혼합으로 젖게 하는 것이 중요하다. 따라서, 이러한 분야에서, 금속의 대량 용해를 수행하기 위한 매우 흔한 공정은 도가니 퍼니스에서의 전자기적 유도 가열이다. 그러한 공정의 주요한 장점들은 사용의 간편성, 효율성 및 열에너지원과 금속 사이의 그 어떤 접촉도 방지된다는 사실이다.
도 1에는 전기적 도전 재료의 특정의 분량 및 체적을 말하는 하전물(charge)(3)을 수용하기 위한 도가니(2)를 구비하는 유도 퍼니스(1)가 도시되어 있다. 도가니(2)는 특정의 고주파수의 교류가 공급되고, 도가니에 수용된 하전물(3)을 전자기 유도에 의해 가열하기 위한 인덕터(4)에 의해 둘러싸인다.
도 1에 설명된 바와 같이, 도가니의 벽들은 예를 들어, 그래파이트와 같은 내화제로 제조된다. 이러한 도가니들의 하나의 단점은 그들의 벽들이 하전물의 온도까지 상승한다는 것이다. 따라서, 이러한 벽들을 구성하는 내화제 및 그 속에 있는 불순물들이 하전물 속으로 분산됨으로써, 특히, 도가니가 예를 들어, 티타늄 또는 실리콘 계열 합금과 같이, 반응성이 높은 물질을 수용하는 경우에, 순도가 매우 높은 제품을 제공하기 위한 처리는 많은 어려움을 겪게 된다. 또한, 이것은 노심 용융물(UO2, ZrO2, Zr, 강철)을 대표하는 금속과 산화물의 혼합물의 용해를 수행하는데 있어서 본 발명자들의 직면한 그런 분야에 특히 문제가 있다. 그러나, 내화제의 하전물 속으로의 분산되는 그러한 동일한 문제의 야기는 물론, 노심 용융물을 용해시키기 위한 온도가 3000K을 도달하여, UO2의 용해점도 이러한 정도로 되어야 하는 문제점이 있다. 토륨(Th)의 방사성의 성질 때문에, 그 제공이 거의 불가능한 산화토륨(ThO2)을 제외한 그 어떤 내화제도, 고온-금속의 존재 때문에 이러한 온도를 견딜 수 없다.
따라서, 내화제 및/또는 매우 높은 용해점을 가진 물질과 반응성 물질의 용해를 수행하기 위한 가능한 해결책은, 전자기 유도 가열의 동일한 원리를 사용하지만, 냉각 도가니 또는 그 외 냉각-벽 도가니로 명명되는 도가니의 사용이 필수적이다. 퍼니스의 내부 주변부에서 냉각 벽에 대응하여 하전물의 실제 물질의 고형층이 형성되어 도가니의 내부벽을 구성하는 것으로서 간주될 수 있기 때문에, 문헌적으로 이것은 자기-도가니 형태의 유도 퍼니스로 명명된다. 냉각-도가니 퍼니스는 일반적으로 수십 킬로의 금속 하전물을 위한 소형 도가니에서 이미 시도되었다.
그러한 냉각 도가니(1')는 도 2에 평면도로 도시되고, 도가니(2)는 서로 전기적으로 절연된 다수의 속이 빈 세로 영역들(20)로 수직으로 분리된 전기 도전 재료로 제조된 벽에 의해 형성된다. 이러한 영역들(20)은 낮은 저항율과 양호한 열교환 품질이라는 장점 가진 구리와 같은 금속으로 일반적으로 제조된다. 또한, 이러한 영역들은 통상적으로 물과 같은 냉각수(미도시)가 내부에서 유동된다. 이러한 냉각수는 하전물의 용해점 보다 훨씬 낮은 전형적으로, 300℃ 미만의 온도에서 액체 하전물과 접촉하는 영역들의 내면을 유지할 수 있다.
이러한 도가니(2)의 내부에는 영역들(20)에서 유도 전류(I)를 생성하는 교류(I)가 공급되는 인덕터(4)가 배치되고, 전류(I)는 도가니의 내벽을 통해 흘러서 클로즈 업(close up)되어 그들이 자기장을 형성한다. 따라서, 인덕터(4)를 흐르는 고-주파수 전류는 각각의 영역(20)에서 주변 전류를 생성한다. 각각의 영역(20)의 내벽에서는 그 감김의 횟수에 의해 곱해진 인덕터에 흐르는 전류와 유사한 전류(I)가 발견된다. 각각의 영역(20)의 내부 주변에서 모든 전류들은 도가니의 내부에 수용된 하전물을 가열하기에 충분한 전자기장을 생성한다. 실제로, 그러한 도가니 내부의 그 어떤 전기 도전 재료는, 인덕터(4)에 의해 생성된 자기장과의 상호작용으로, 라플라스(Laplace) 힘으로서 알려진 기전력의 출현을 유발하는 유도 전류의 시트(seat)이다. 따라서, 유도 전류는 용해가 발생하고 액체 하전물이 라플라스 힘 에 의해 혼합될 때까지 하전물의 재료를 가열시킬 수 있다.
냉각 회로 때문에, 영역들(20)의 내면의 온도는 용융된 하전물의 그것보다 훨씬 더 낮고, 용융 물질의 신속한 고형화가 도가니(2)의 영역들(20)과 접촉되어 발생되고, 플로어(floor)로 명명되는 퍼니스의 바닥은 영역들의 물질과 용융 물질 사이의 그 어떤 반응성도 방지하는 고체 확산 방지층을 형성한다. 다시 말해서, 하전물의 고형화에 의해 수 밀리미터의 얇은 껍질이 형성된다.
따라서, 냉각 도가니 퍼니스는 전술한 바와 같이, 고온에서의 사용과 같은 내화 도가니 유도 퍼니스의 모든 장점을 가지며, 도가니에 의한 오염이 없기 때문에 하전물의 높은 순도가 유지되어, 용융 액체 하전물의 조성물을 균일하게 유지하고 열전달을 향상시켜서 온도 균일성을 증가시키는 혼합을 수행한다.
공중 부양(levitation) 퍼니스로 명명되는 냉각-도가니 퍼니스는, 공중 부양 원리에 따라 작동될 수 있다. 특히, 도가니의 내벽들은 바닥을 향하는 원뿔 모양으로 제공될 수 있으므로 원뿔의 단면은 꼭대기보다 바닥이 더 작다. 그러나, 원칙적으로, 자기장의 제품과 도가니의 단면이 도가니의 축에 걸쳐 실질적으로 일정하기 때문에, 이것의 결과는 도가니의 꼭대기로부터 바닥까지 자기장이 엄청나게 증가하는 것이다. 이러한 구성은, 도가니에 배치된 전기 도전 재료에서, 유도 척력 즉, 라플라스 힘 또는 로렌쯔 힘이 물질의 하부에서 매우 높고 상부 쪽을 향해 감소하기 때문에, 물질의 공중 부양을 위해 완전히 적합하다. 고체 또는 액체 형태의 전기 도전 재료는 그러한 도가니에서 안정되게 공중 부양으로 유지될 수 있다. 도가니가 차가워서 도가니 속으로 엎질러지는 액체가 고형화되기 때문에 그 어떤 전력 차단도 위험하지 않다. 인덕터의 스위치 백(switch back)은 물질을 다시 용해시키고 공중 부양을 재개할 수 있게 한다. 공중 부양 상태에서, 물질은 열화를 겪지 않기 위해 제어된 분위기에 놓여져서 접촉할 수 있다. 또한, 전자기력은 용융 액체에서 와류 혼합으로 유도된다. 고순도를 얻기 위한 용융 조건들이 얻어질 수 있고, 접촉 없이 용해가 발생되고 물질과 도가니 사이의 열교환이 복사에 의해 발생되고, 그들은 매우 제한적으로 남게 된다.
공중 부양 원리에 따라 작동하는 퍼니스들은 도가니 없이 존재한다. 도 3에는 무-도가니 공중 부양 퍼니스(1")가 도시된다. 도시된 바와 같이, 그러한 퍼니스(1")의 단일의 인덕터(유도 코일)(4)는 6개의 감김들(41)(42)(43)(44)(54)(46)로 구성된다. 인덕터 내부에 배치된 전기 도전 재료의 전자기적 공중 부양은 라플라스 힘을 통해 정확히 발생되고, 인덕터(코일)(4)는 바닥에서 좁아지는 원뿔 모양을 가져야만 하므로, 하부 감김들(41)(42)(43)의 감김 모양의 직경이 증가된다. 따라서, 코일(4)이 교류로 구동될 때, 하부 감김들(41)(42)(43)에 의해 한정되는 원뿔 형태는 도 3에서 구형으로 묘사된 바와 같이, 용해될 하전물(3)을 충분히 상방으로 밀게되는 라플라스 힘의 출현을 가능하게 한다. 이러한 라플라스 힘은 중력에 반대이다. 하전물(3)이 코일(4) 밖으로 튀어나오지 않도록 하기 위하여, 하방으로 그것을 복귀시키는 힘을 생성할 필요가 있다. 이것을 하기 위하여, 하전물(3) 위의 전류는, 도 3에 도시된 바와 같이, 루프를 형성함으로써 반전되고, 따라서 감김(44)은 다른 감김들의 감김 축의 외측으로 루프(44i)로 모양이 바뀐다. 그러면, 전류는 이 레벨에서 반대 방향으로 흘러서, 그것을 하방으로 미는 다른 라플라스 힘을 하전물에 생성한다. 따라서, 전류를 반전시키기 위한 루프(44i)와 함께 감김들(41)(42)(43)(44)(45)(46)의 정밀한 사이즈를 확보함에 의해, 상부를 향하는 힘과 하부를 향하는 힘들 사이의 평행이 수립되어, 이것이 하전물(3)에 적용되어 공중 부양을 가능하게 한다.
또한, 그러한 무-도가니 공중 부양 퍼니스(1")는 인덕터(4)의 내부를 관통하는 냉각 회로를 구비한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 물은, 열전달 액체로서, 속이 비어 있는 감김들(41-46)의 하단을 관통하여 공급 개구(50) 속으로 들어가서 출구 개구(51)를 통해 나온다. 따라서, 인덕터(4)를 통과하여 흐르는 물의 유동은 그 작동 동안 그것을 냉각시킬 수 있다.
지금까지, 물은 전술한 바와 같은 도가니 및/또는 유도 퍼니스의 인덕터를 위한 냉각수로서 사용되고 있다. 실제로, 물은 용해될 필요가 있는 전기 도전 재료의 용해 온도를 위해 충분하다.
발명자들은 전술한 바와 같은 이유들을 위해 유도 퍼니스의 냉각 회로에서, 물, 일반적으로 탈이온수를 대체할 다른 열전달 유체를 발견할 필요성에 직면하였다.
따라서, 발명자들은 노심 용융물을 용해시키는 실제적 단계를 위한 장비를 제안해야만 할 뿐만 아니라, 그 중에서도, 부가적으로 이러한 장비가 용융된 노심 용용물과 나트륨의 상호 작용의 연구를 가능하게 한다. 따라서, 퍼니스의 드레인에 의해 용융된 노심 용융물이 나트륨으로 채워진 콘테이너 속으로 추출될 수 있도록 그러한 장비가 제공된다. 그러나, 널리 알려진 바와 같이, 나트륨은 물과 격렬하게 반응한다. 따라서, 안전 기준에 관계된 규정들은 나트륨의 존재에서 물의 그 어떤 사용도 금지하기 때문에, 이것은 발명자들이 목표로 하는 장비에 적용된다.
특허, EP 1 419 675 B1은 냉각-도가니 퍼니스의 냉각 회로의 물의 양을 감소시키기 위해 냉각 요소들로서 히트 파이프들을 사용하는 해결책을 개시한다. 개시된 해결책은, 히트 파이프들 내부에 존재하는 유체가 여전히 물이기 때문에 따라서 규정에 의해 엄격히 금지되기 때문에, 본 발명자들이 목표로 하는 장비에 적용될 수 없다.
또한, 안전 규정 이유들 때문에 물을 다른 열전달 유체로 대체할 필요를 넘어서, 전술한 바와 같은 유도 퍼니스의 냉각은, 물과 함께 수행될 때, 열 균형의 관점에서 적정하지 않다. 실제로, 물의 열용량(Cp)은 낮고, 따라서, 비-감소된 차원들의, 유도 퍼니스에서, 특히 도가니 유도 퍼니스에서, 냉각은 퍼니스 및/또는 인덕터(들)의 전체 높이에 걸쳐 완전히 동등한 것과 거리가 멀다.
따라서, 전자기 유도 퍼니스들 특히, 냉각-도가니 퍼니스들에서 물 이외의 다른 열전달 유체 또는 다시 말해서, 냉각수에 대한 필요성이 존재한다.
퍼니스의 작동 동안 전자기 유도의 그 어떤 간섭도 피할 수 있는 전기 전도성이 아닌 다른 열전달 유체에 대한 필요성이 특히 있다.
이것을 위해, 일 측면에 따른 본 발명의 주제는, 산화물 및/또는 금속과 같은 적어도 하나의 전기 도전 재료를 용해시킬 의도를 가진 전자기 유도 퍼니스로서, 적어도 하나의 감김(turn)을 가진 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 인덕터를 냉각시키기 적합한 적어도 하나의 냉각 회로를 구비하고, 적어도 하나의 냉각 회로의 열전달 유체는 초임계 CO2이다.
"초임계 CO2"라는 표현은, 73 bar의 압력(Pc)과 31℃의 온도(Tc)로 특징지울 수 있는, 초임계상(supercritical phase) 즉, 임계점의 그것들 보다 더 큰 압력과 온도 상태 하의 CO2를 의미하는 것으로 이해된다.
다시 말해서, 본 발명은 유도 퍼니스에서 초임계 CO2 냉각을 사용하고, 다음과 같은 점들에 의해, 퍼니스의 안전을 우선적으로 향상시킬 수 있다.
- 증기의 폭발 방지 및 용융 액체의 비말 방지,
- 누수 감지의 향상 : 구체적으로, 선행기술에 있어서 처럼, 열전달 유체가 물일 때, 작은 사이즈의 감지가 어려운 반면 퍼니스 주위의 환기 시스템에 있는 감지기에 의한 CO2의 감지 및 그 평가가 용이하다.
또한, 더 안전한 한편, 본 발명에 따른 초임계 CO2의 유도 퍼니스에의 사용은 탈염수를 사용하는 선행기술에 따른 냉각과 비교하여 그 일반적인 냉각을 향상시킨다. 실제로, 초임계 CO2는 물의 그것보다 훨씬 높은, 80 bar의 압력과 대략 35℃의 온도에서 전형적으로, 30 내지 40 kJ/kg의 높은 열용량(Cp)을 가지는 장점을 제공한다. 이것은 유도 퍼니스의 설계 자유도를 가능하게 하고, 특히, 도가니 벽 영역들의 직경과 인덕터 감김의 그것은 선행기술에 따른 냉각-도가니 퍼니스의 그것들보다 더 작게 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따르면, 인덕터(들) 및 도가니 벽의 영역들의 감김 횟수를 증가시킬 수 있고, 냉각 회로(들)의 파이프들의 크기를 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 열전달 유체로서 초임계 CO2의 사용은 온도가 최고인 구역인 퍼니스의 도가니의 중앙(center)에서 냉각 용량을 적정화시키기 위해 유동율을 맞출 수 있게 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예들 때문에, 유도 퍼니스의 도가니의 온도는 선행기술에 따른 도가니 보다 더 균일하다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 초임계 CO2를 가진 유도 퍼니스의 냉각은 클린하고, 신속하고 용이하게 제어 가능하고 선행기술에서 물을 이용하는 냉각과 달리 매우 작은 양의 원료 물질(적은 체적의 초임계 CO2)을 사용하기 때문에 산업적 규모로 수행될 수 있는 기본적인 장점을 가진다. 또한, 초임계 CO2는 용이하게 재활용 가능하다는 장점을 가진다.
초임계 CO2는 자동차 공조 시스템의 냉각수로서 수소화불화탄소(HFCs)를 대체할 수 있는 것으로 광범위하게 구상중에 있다. 또한, 특허 출원 EP 1762 809에서 나타난 바와 같이, 열교환기의 냉각수로서 이미 구상되고 있다. 결국, 그것은 공업 화학의 용제[인용문헌 1 참조]로서 사용이 증가되고 있다. 놀랍게도, 퍼니스에서, 더 한층 강력한 이유로, 유도 퍼니스에서, 초임계 CO2의 사용은 결코 구상되어 본 적이 없다. 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 퍼니스는 적어도 2개의 연속적인 감김들을 가진 적어도 하나의 인덕터를 구비하고, 공중 부양을 형성하기 위하여, 그 와인딩 방향은 그들을 통과하는 전류의 방향을 반전시키기 위해 루프의 형성에 의해 반전된다.
바람직한 실시예에 따르면, 퍼니스는 용해될 물질을 수용하기 위한 도가니를 구비한다.
이러한 실시예에 따르고, 바람직한 변형예에 따르면, 퍼니스는 도가니의 벽들을 냉각시키기 적합한 냉각 회로를 구비한다.
도가니의 벽들은 냉각-도가니 퍼니스를 형성하기 위하여, 전기 도전 재료로 제조되고, 바람직하게 구리로 제조된다.
도가니 또는 자기-도가니의 벽들은 플로어로 명명되는 바닥을 구비한다. 플로어는 제거될 수 있거나 적어도 용융된 물질을 배출시키기 위한 하나 또는 그 이상의 관통-오리피스를 구비한다.
플로어는 전기 도전 재료로 제조되고, 바라직하게 구리로 제조된다.
바람직한 변형 실시예에 따르면, 퍼니스는 적어도 2개의 다른 주파수들에서 동시에 작동하는 인덕터를 구비한다.
대안적으로, 다른 바람직한 변형예에 따르면, 퍼니스는 다른 주파수들에서 동시에 작동하는 적어도 2개의 분리된 인덕터들을 구비한다.
바람직하게, 하나의 작동 주파수는 하나 또는 그 이상의 금속의 용해에 적합하고 다른 작동 주파수는 하나 또는 그 이상의 산화물에 적합하다.
적어도 하나의 인덕터의 작동 주파수 또는 작동 주파수들은 바람직하게, 10 내지 500kHz 범위이다.
다른 측면에 따른 본 발명의 다른 주제는, 전술한 퍼니스의 작동 방법으로서, 초임계 CO2의 비열 용량(Cp)이 적어도 4 kJ/kg을 가지도록, 초임계 CO2는 73 bar 내지 100 bar의 임계 압력(Pc)과 31℃ 내지 50℃의 임계 온도(Tc)로 적어도 하나의 냉각 회로의 입구와 적어도 하나의 냉각 회로의 출구에서 순환된다.
다른 측면에 따른 본 발명의 다른 주제는 전술한 바와 같은 퍼니스의 작동 방법으로서, 교류가 적어도 2개의 다른 주파수들에서 동시에 적어도 하나의 인덕터에서 순환된다.
본 발명의 최종 주제는 적어도 하나의 금속과 하나 또는 그 이상의 산화물의 혼합물의 용해를 위해 전술한 퍼니스의 사용이다.
혼합물은 금속(강철, 지르코늄, 등)과 산화물(우라늄 UO2, 지르코니아, 등)의 혼합물 및 콘크리트의 성분일 수 있고, 혼합물은 노심 용융물을 대표한다.
다른 장점들과 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여, 예시적이고 비-제한적인 방식으로 주어진, 상세한 설명을 읽을 때 더 명백하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 회로를 사용할 수 있는 전자기 유도 가열을 가진 도가니 퍼니스의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 회로를 사용할 수 있는 냉각-도가니 퍼니스 형태를 하는 전자기 유도 가열을 가진 도가니 퍼니스의 개략적 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 회로를 사용할 수 있는 공중 부양 퍼니스를 형성하는 무-도가니 퍼니스의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각 회로를 구비하는 냉각-도가니 퍼니스의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유도 퍼니스 주위에 내부에서 어느 하나가 다른 하나의 내부에 동심으로 배치될 수 있는 나선 감김들을 가진 2개의 동일한 인덕터들을 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 유도 퍼니스에서 냉각수로서 사용된 초임계 CO2의 열용량(Cp)의 변화 곡선을 도시한다.
도 7은 주어진 치수의 채널에서 주어진 유동율에서 초임계 CO2의 온도의 변화 곡선과, 균등한 채널 치수와 유동율 상태에서 묾의 변화 곡선을 나타낸다.
본 출원을 통하여, "수직", "하부", "상부", "바닥", "꼭대기", "아래", 및 "위"라는 용어는 수직 작동 구성에 배치된 유도 퍼니스에 대한 기준으로서 이해되어야 한다. 따라서, 작동 구성에서, 퍼니스는 용융 물질이 하방으로 배출되는 바닥에 대해 수직으로 배열된다.
도 1 내지 도 3은 전제부에서 이미 논의되었다. 그러므로, 그것은 여기서는 상세히 설명되지 않는다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따라, 적어도 하나의 냉각 회로(5)를 구비하는 냉각-도가니 퍼니스(1')가 도시되고, 열전달 유체는 초임계 CO2이다. 이러한 퍼니스(1')는 노심 용융물을 대표하는 산화 우라늄 UO2과 같은 금속(들)과 산화물(들)의 혼합물로 구성된 하전물의 용해를 수행하도록 의도되는 것이 바람직하다.
그러한 퍼니스(1')는 인덕터 즉, 적어도 1회의 감김를 가진 전자기 유도 코일(4)로 둘러싸인 구리 도가니(2)를 구비한다. 도시된 예에서, 인덕터(4)는 동일하고 서로 등거리인 7개의 연속된 감김들(41-47)을 구비한다.
비록 도시되지는 않았지만, 도가니(2)의 측벽은 특정 수의 동일한 영역들(20)로 구분된다. 이 수는 도 4의 예에서 8이다.
도가니(2)는 미도시된 플로어로서 명명되는 바닥을 구비한다. 바닥은 제거될 수 있고, 용해를 통해 이러한 물질이 액체 상태일 때 물질 또는 물질의 혼합물을 배출하기 위한 하나 또는 그 이상의 관통 개구가 뚫릴 수 있다.
도가니(2)의 측벽을 영역들(20)로 구분함으로써, 교류가 인덕터(4)의 감김(들)을 통과할 때, 유도 전류는 도가니 주변에서 국부적으로 남아 있지 않지만, 도 2와 관련하여 전제부에서 이미 설명된 바와 같이, 각각의 영역(20) 주위로 간다. 따라서, 인덕터(코일)(4)를 통과하는 전류(I)는 도가니(2)에서 전류를 유도하고 결과적으로 도가니 내부에 수용된 적어도 하나의 전기적 도전 물질을 함유하는 하전물 내부에서 전류를 유도한다. 그러면, 주울(Joule) 효과를 통해 하전물이 용해된다. 용융된 하전물이 액체로 되면, 그것을 냉각시키는 냉각 회로(5)에 의해 냉각되는 도가니(2)의 측과 접촉하게 되므로, 자기-도가니 즉, 도가(2) 속으로 초기에 도입된 하전물의 물질(들)로부터 만들어진 고체층을 형성한다.
그러한 냉각-도가니 퍼니스(1")의 사용은 노심 용융물을 대표하는 우라늄과 금속의 혼합물로 구성된 하전물의 용해를 위해 유용하다.
실제로, 산화 우라늄의 용해점은 2865℃이고, 특히 스테인리스 스틸과 같은 금속의 용해점보다 훨씬 높다. 이러한 온도에서 금속은 사실상 제로(0)의 점성 즉, 도가니의 가장 작은 균열 속을 침투할 수 있는 특성을 가진다. 위에서 설명한 바와 같이, 자기-도가니의 형성에 의해, 한편으로는, 용해될 하전물에 존재하는 금속이 어떤 경우에도 도가니의 벽들의 금속 성분을 공격하지 않는 것을 보장하고, 다른 한편으로는, 물질의 혼합물이 초기 순도로 남아 있음을 보장한다.
바람직하게, 전기 절연 물질로 제조된 미도시된 요소는 2개의 연속되는(인접하는) 영역들(20) 사이에 배치된다. 그러한 절연 요소는 누수를 방지하여 열손실을 감소시킴은 물론 퍼니스의 작동 동안 구리 영역들(20) 사이의 전기 아크의 형성을 최소화시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 초임계 CO2를 가진 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 냉각 회로(5)는 도가니(2)의 영역들(20)의 주변에 배치된 다수의 냉각 영역들로 구분된다. 도시된 예에 있어서, 냉각 영역들(5.1-5.8)의 수는 구리 영역들(20)의 그것 즉, 8개의 영역들과 동일하다. 보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 영역(5.1-5.8)은 도가니(2)의 측벽의 영역(20)의 외부에 결합되고 공통 컬렉터에 개구되는 3개의 튜브들을 구비한다. 튜브들은 전기 도전 재료, 바람직하게 구리로 제조된다. 도가니(2)의 벽들에 튜브들을 부착하는 방법과 관련하여, 그 어떤 알려진 수단을 생각해 볼 수 있다. 예시적인 방식으로, 고온에 견디는 열절연 물질로 제조된 플레이트들의 도움으로 부착하는 것을 고려할 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 퍼니스의 작동 동안, 초임계 CO2는 냉각 영역들(5.1-5.8)의 각각의 튜브 내부에서 순환된다.
또한, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 인덕터 내부의 부가적인 냉각 회로를 통하여 인덕터(4)의 감김들(41-48)을 냉각시킬 수도 있다. 다시 말해서, 초임계 CO2를 이용하는 인덕터(4)의 감김(41-48) 내부의 순환을 생각할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 용융될 하전물이 적어도 하나의 금속과 산화물의 혼합물 즉, 노심 용융물을 대표하는 그러한 혼합물로 구성될 때, 적어도 2개의 다른 주파수들에서 동시에 작동하는 교류는 인덕터(4) 안에서 유동을 만들게 된다. 실제로, 일반적으로 1300℃에 근접하는 강철과 같은 금속의 온도는 2865℃에 근접하는 우라늄 산화물과 같은 산화물의 그것들보다 실질적으로 낮다.
따라서, 어느 하나는 금속(들)의 유도 용해에 적합하고 다른 하나는 산화물들의 유도 용해에 적합한 2개의 다른 주파수들의 전류를 공급함으로써, 혼합물의 구성성분의 동시적 용해가 보장되는 한편 균일한 혼합물의 혼합이 보장되고, 부가적으로, 용해 과정을 통하여, 금속 또는 금속들이 도가니의 벽들에 직접 접촉되지 않는 것을 보장한다. 실제로, 한편으로는 동일한 물질의 경우에 유도 주파수가 더 낮을 수록 더 많은 전자기파가 동일한 물질을 통과하여 덩어리에서 줄(Joule) 효과 가열을 생성하게 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 다른 용해점 때문에, 산화물들은 더 높은 유도 주파수를 필요로 하고, 금속(들)은 더 낮은 주파수를 필요로 한다. 결국, 퍼니스에서 용해 공정이 시작되면, 산화물이 녹기 시작할 때 금속(들)은 사실상 제로의 점성을 가진다. 따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 퍼니스의 동작을 위해 단일 유도 주파수를 사용함으로써, 도가니의 벽들에 존재하는 가장 작은 균열 속으로 용융 금속(들)이 침투할 위험이 남아 있고, 이것은 전자기파에 대한 스크린의 생성 및 선택적으로 인덕터의 퇴화라는 유해한 효과를 유발시킬 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따라 2개의 다른 주파수들에서 퍼니스의 작동은, 용해 공정을 통하여, 금속(들)이 도가니의 내측을 향해 다시 밀려나는 것과 같은 위험을 감소시키게 한다. 따라서, 용융 성분들의 평행 시스템에서 균질의 혼합물이 얻어진다.
그러므로, 바람직하게, 인덕터(4)의 작동 주파수들은 10 내지 500 kHz 사이이다. 유효 작동 주파수는 100 kHz 부근이다.
변형예로서, 2개의 분리된 인덕터들의 사용을 고려할 수 있는데, 하나는 금속(들)의 유도 용해에 적합한 주파수로 작동되고, 다른 하나는 산화물의 유도 용해에 적합한 주파수로 작동된다. 이러한 변형예는 더 큰 유효성 때문에 감김들의 직경의 2배의 감소를 예상할 수 있는 초임계 CO2의 사용에 의해 가능하게 된다. 도 5에는 각각 6개의 나선형 감김들(41-46)을 가진 2개의 동일한 인덕터들(4A)(4B)이 도시되고, 인덕터들(4A)(4B)은 단일 인덕터(4) 대신에, 전술한 도가니(2) 주위에서 어느 하나가 나른 하나의 내부에 동심으로 배치될 수 있다.
도 6은 비열 용량(Cp)(열용량) 때문에 유도 퍼니스를 위한 냉각수로서 물 대신에 초임계 CO2의 사용의 실질적인 장점을 명백히 도시한다. 따라서, 도 6에 도시된 곡선으로부터 알 수 있는 사실은 열 용량(Cp)이 30℃와 40℃ 사이에서 엄청나게 증가하여 35kJ/kg에 근사한 값 즉, 물의 그것보다 10배 이상에 도달하는 값을 달성한다는 것이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 도가니 벽들의 영역들(20)의 직경 및/또는 인덕터(4)의 감김들의 직경에서 현존하는 냉각-도가니 퍼니스들의 직경들에 대해 2배까지 매우 실질적인 감소를 예상할 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 초임계 CO2를 사용하는 경우와 선행기술에 따른 물을 사용하는 경우, 주어진 유동율에서 주어진 치수의 채널에서 유체의 온도의 변화에 대한 대조를 나타내는 그래프이다. 물의 온도의 변화는 직선인 반면 초임계 CO2의 그것은 초임계 CO2의 열용량이 온도에 따라 증가하기 때문에 급격이 증가되는 것을 보여준다. 이것으로부터, 초임계 CO2의 사용은 유도 퍼니스의 도가니(2)의 중심에서 즉, 온도가 최대인 위치에서 냉각 용량을 적정화시키기 위하여 유동율을 변화시킬 수 있다는 것을 추론할 수 있다. 따라서, 도가니 유도 퍼니스를 위한 냉각수로서 초임계 CO2의 사용에 부수하는 장점은 상기 도가니의 온도를 보다 균일하게 할 수 있다는 것이다.
본 발명은 설명된 예들에 한정되는 것은 아니다. 특히, 예시된 실시예들의 특징은 설명되지 않는 다른 변혀예와 결합될 수 있다.
인용문헌 [1] : 대체 용제로서 초임계 CO2의 사용, Guy LUMIA, Techniques de l'IngenieurIn5.
1...퍼니스
2...도가니
3...하전물
4...인덕터
5...냉각 회로

Claims (17)

  1. 산화물 및/또는 금속을 포함하는 적어도 하나의 전도성 재료를 용해시키기 위한 전자기 유도 퍼니스(furnce)(1)(1')(1")에 있어서,
    적어도 하나의 감김(turn)(41-47)을 가진 적어도 하나의 인덕터 및 상기 적어도 하나의 인덕터를 냉각시키도록 구성된 적어도 하나의 냉각 회로(5)를 구비하고;
    적어도 하나의 냉각 회로(5)(5.1 내지 5.8)의 열전달 유체는 초임계 CO2인 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 2개의 연속되는 감김들을 가진 적어도 하나의 인덕터를 구비하고,
    공중 부양 퍼니스를 형성하기 위하여, 그들을 지나가는 전류의 방향을 반전시키기 위하여 루프(44i)의 형성에 의해 감겨지는 방향이 반전되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    용해될 물질을 수용하는 도가니를 구비하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 도가니의 벽들을 냉각시키도록 구성된 냉각 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  5. 청구항 4에 있어서,
    냉각 도가니 퍼니스를 형성하기 위하여, 상기 도가니의 벽들(20)은 전기 도전 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 도가니 또는 자기(self)-도가니의 벽들은 바닥을 구비하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 바닥은 제거 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  8. 청구항 6에 있어서,
    용융 물질을 배출시키기 위하여 상기 바닥은 하나 또는 그 이상의 관통-오리피스를 구비하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 바닥은 전지 도전 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  10. 청구항 9에 있어서,
    적어도 2개의 다른 주파수들에서 동시에 작동하는 인덕터를 구비하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    다른 주파수들에서 동시에 작동하는 적어도 2개의 분리된 인덕터(4A)(4B)를 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  12. 청구항 10에 있어서,
    작동 주파수들의 어느 하나는 하나 또는 그 이상의 금속(들)을 용해시키도록 구성되고,
    작동 주파수들의 다른 하나는 하나 또는 그 이상의 산화물(들)을 용해시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  13. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 인덕터의 작동 주파수는 10 내지 500kHz를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  14. 청구항 1의 퍼니스의 작동 방법에 있어서,
    상기 초임계 CO2의 비열 용량이 4 kJ/kg과 적어도 동일해지도록 초임계 CO2는 73 bar 내지 100 bar의 임계 압력(Pc)과 31℃ 내지 50℃의 임계 온도(Tc)에서 적어도 하나의 냉각 회로의 입구와 적어도 하나의 냉각 회로의 출구 사이에서 순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 1의 퍼니스의 작동 방법에 있어서,
    적어도 2개의 다른 주파수들에서, 적어도 하나의 인덕터에서 교류가 순환되는 것을 특징으로 하는 퍼니스의 작동 방법.
  16. 청구항 1의 퍼니스의 작동 방법에 있어서,
    적어도 하나 이상의 금속들과 하나 이상의 산화물의 혼합물이 퍼니스 내에서 용해되는 것을 특징으로 하는 퍼니스의 작동 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 혼합물은 금속들, 산화물들, 및 콘크리트의 구성성분의 혼합물로 되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼니스의 작동 방법.
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