KR20230065327A - 원자로 수동형 반응도 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

수동형 원자로 제어 장치. 상기 수동형 원자로 제어 장치는 밀봉된 챔버를 포함하며, 상기 밀봉된 챔버는 저장소 및 상기 저장소와 유체 연통하는 튜브를 포함한다. 용융 염은 상기 밀봉된 챔버 내에 있으며, 상기 용융 염은, 1가 금속 할라이드, 및 하나 이상의 란타나이드의 플루오라이드 또는 클로라이드 및/또는 하프늄의 플루오라이드 또는 클로라이드의 공융 혼합물이다. 가스는 상기 밀봉된 챔버 내에 있으며, 상기 가스는 상기 용융 염과 반응하지 않는다.

Description

원자로 수동형 반응도 제어 시스템

본 발명은 원자로를 위한 제어 장치에 관한 것이다.

핵분열로(nuclear fission reactor)는 정상 작동 하에 정확히 1의 핵 반응도 (유효 유전상수(k effective))를 갖는 것에 의존한다. 반응도는 1보다 약간 더 높아도 핵분열로부터의 에너지 생성에서의 기하급수적 증가를 낳지만, 1 미만의 반응도는 0으로의 에너지 생성에서의 기하급수적 하락을 낳는다.

반응도의 이러한 매우 정밀한 제어는 일반적으로, 수동 또는 자동 제어를 요구하지 않는, 수동형 시스템(passive system) 및 능동형 시스템(active system)의 조합을 통해 달성된다. 가장 중요한 수동형 시스템은, 전력이 증가하는 경우 온도가 상승하고 반응도가 하락하도록 하기 위해 원자로가 반응도의 음의 온도 계수를 가져야 한다는 것이다. 또 다른 수동형 시스템은, 초기에 반응도를 억제하지만 이들이 중성자 흡수에 의해 파괴됨에 따라 반응도를 점감적으로 억제하는 "가연성" 중성자 흡수제 (독)를 원자로 노심(reactor core)에 혼입하는 것이다.

능동형 시스템은 전형적으로, 원자로 노심에 중성자 흡수 재료를 삽입하거나 또는 회수하는 기계적 제어봉이다.

임의의 기계적 시스템이 고장나거나 또는 부적절하게 사용될 수 있기 때문에, 이러한 능동형 시스템에 대한 의존은 안전성 위험의 주요 원인이다. 체르노빌 재해(Chernobyl disaster)는 궁극적으로, 제어봉 시스템의 부적절한 사용을 낳은 인적 오류에 의해 촉발되었다.

따라서, 제어봉을 대체하거나 또는 보완하기 위한 수동 작동 시스템이 수십 년 동안 원자력 산업의 목표였다. 이러한 수동형 시스템의 현재 상태에 대한 탁월한 요약은 IAEA 문헌 NR-T-1.16 "Passive Shutdown Systems for Fast neutron reactors"에 제공되어 있다.

기술된 기계적으로 가장 간단한 시스템은, 용융된 리튬 금속이 가열 시 팽창하고, 튜브를 통해 원자로 노심 내로 강제로 내려가는 경우이다. 이는 매우 높은 신뢰도의 품격 있는 시스템이며, 가역성이어서, 이것이 출력 냉각재 온도를 정의된 범위 내에서 유지하도록 원자로의 전력을 지속적으로 제어하는 데 사용될 수 있도록 한다.

불행하게도, 이러한 리튬 기반 장치는 Li-6이 중성자를 흡수할 때 이것이 삼중수소 및 헬륨 원자를 방출한다는 결점을 겪는다. 이는 시스템을 상당히 빠르게 가압하지만, 더 결정적으로는, 삼중수소는, 고도의 방사능이며 이동성이 매우 높은 가스이고, 따라서 이의 생성은 추가적인 안전성 위험을 생성한다.

현재까지의 연구 대부분은 경수로(light water reactor) 또는 용융 금속 냉각된 고속로(molten metal cooled fast reactor)의 수동형 반응도 제어 장치에 관한 것이었다. 최근 몇 년 동안, 연료 또는 냉각재 중 어느 하나가 용융 염인 용융 염 원자로에 대한 관심이 크게 증가하였다. 이 원자로는 다른 원자로보다 훨씬 탁월한데, 부분적으로는 용융 염 연료의 팽창이 비정상적으로 강한 음의 반응도 계수를 생성하여 반응도를 강하게 자체 안정화되게 하기 때문이다. 그러나, 용융 염은, 생성된 삼중수소가 용융 염에서 매우 이동성이고 사실상 금속 벽을 통해 확산되어 이의 격납을 매우 어렵게 하기 때문에, 리튬 기반 수동형 반응도 제어 시스템의 사용에 대한 문제점을 야기한다.

따라서, 삼중수소 관리 문제점을 생성하지 않는, 용융 염 기반 원자로에서의 간단하고 효과적이며 신뢰할만한 수동형 반응도 제어 시스템에 대한 필요성이 남아 있다.

제1 측면에 따르면, 수동형 원자로 제어 장치가 제공된다. 수동형 원자로 제어 장치는 밀봉된 챔버를 포함하며, 상기 밀봉된 챔버는 저장소 및 상기 저장소와 유체 연통하는 튜브를 포함한다. 용융 염은 밀봉된 챔버 내에 있으며, 상기 용융 염은, 1가 금속 할라이드, 및 하나 이상의 란타나이드의 플루오라이드 또는 클로라이드 및/또는 하프늄의 플루오라이드 또는 클로라이드의 공융 혼합물이다. 가스는 밀봉된 챔버 내에 있으며, 상기 가스는 용융 염과 반응하지 않는다.

제2 측면에 따르면, 원자로 노심 및 제1 측면에 따른 수동형 원자로 제어 장치를 포함하는 원자로가 제공되며, 적어도 상기 밀봉된 챔버의 튜브는 상기 원자로 노심 내로 연장된다.

도 1은 원자로 노심의 개략도이고;
도 2는 3종의 상이한 온도에서 수동형 원자로 제어 장치의 개략도이고;
도 3은 대안적인 원자로 노심의 개략도이다.

수동형 반응도 제어 장치는, 1가 염과 혼합되어 저 융점 공융 혼합물을 형성하는 플루오라이드 또는 클로라이드 염 형태의 란탄족 또는 하프늄으로부터의 강한 중성자 흡수제를 함유하는 용융 염의 저장소를 포함한다.

란나타이드는 조사 시 상당한 삼중수소 또는 헬륨을 생성하지 않는다. 그러나, 이들은 고 융점 금속이므로, 반응도 제어 장치에서 잘 알려져 있는 리튬을 간단히 대체할 수 없다. 플루오라이드 또는 클로라이드 염으로의 전환 및 1가 금속 할라이드와의 공융 염 혼합물의 형성은 융점을 사용가능한 수준으로 감소시킨다.

상기 장치는 수은 온도계와 유사하다. 저장소 또는 온도계 벌브(bulb)는 고온 출구 냉각재 (또는 연료와 조합된 냉각재) 염에 위치하고, 좁은 튜브 또는 온도계 스템(stem)은 원자로 노심으로 연결된다. 상기 스템은, 중성자 흡수 염이 스템 아래로 팽창됨에 따라 압축되는 불활성 가스 (즉, 용융 염과 크게 반응하지 않는 가스)를 함유하고, 불활성 가스의 압력은 저장소의 냉각 시 중성자 흡수 염을 벌브로 복귀시킨다. 열 스펙트럼 반응기에 사용하기에 특히 유용한 란타나이드는 가돌리늄(Gadolinium), 유로퓸(Europium), 사마륨(Samarium)이며, 이들 각각은 수천 반(barn)의 중성자 흡광도 단면적을 갖는다. 그러나, 디스프로슘(Dysprosium), 에르븀(Erbium) 또는 하프늄과 같이 덜 강하게 흡수하는 다른 란타나이드가 또한 사용될 수 있고, 염의 중성자 흡수를 감소시켜 이것이 중성자로 "흑색"보다는 "회색"이 되도록 하는 것이 목적되는 경우 유리할 수 있는 다중 란타나이드의 혼합물이 또한 사용될 수 있다.

고속 원자로(fast reactor)의 경우, 가장 효과적인 란타나이드는 유로퓸 및 하프늄이지만, 또한, 덜 강하게 흡수하는 란타나이드의 혼합물이 유용성을 가질 수 있다.

팽창 및 수축 동안 용융 염 유체 기둥(column)의 파괴를 피하기 위한 두 가지 가능한 접근법이 있다. 제1 접근법에서, 저장소는 튜브 아래에 위치하며, 튜브는 일반적으로 위쪽으로 배향된다 (즉, 기둥이 중력에 의해 유지되며, 용융 염이 위쪽으로 팽창하도록). 제2 접근법에서, 튜브는 용융 염 유체 기둥이 반전되는 경우에 무손상 상태를 유지하기에 충분히 좁다 - 요구되는 반경은 용융 염 유체 및 튜브의 내부 표면 사이의 접촉각에 따라 달라질 것이다. 제1 경우에, 튜브는 임의의 목적하는 폭을 가질 수 있다. 제2 경우에, 튜브는 임의의 목적하는 배향을 가질 수 있다.

어느 경우든, 용융 염 유체 기둥이 팽창 및 수축 동안 무손상 상태를 유지하지 위해서는, 이를 함유하는 스템의 표면이 용융 염 유체와 큰 접촉각을 갖는 것이 바람직하며, 특히 표면이 유체에 의해 습윤되지 않는 것이 바람직하다. 금속 표면의 습윤이 문제점인 경우, 이는 용융 염과 높은 접촉각을 갖는 재료의 습윤 표면 상에 코팅을 침착함으로써 개선될 수 있다. 열분해 탄소는 이러한 하나의 적합한 코팅이다.

실시예 1

원자로 노심은 우라늄 플루오라이드 및 소듐 플루오라이드의 혼합물을 함유하는 일련의 몰리브덴 튜브로 형성된다. 우라늄은 U235 동위원소가 풍부하다. 튜브는 흑연 블록 내의 채널에 위치하고, 냉각재 액체는 흑연 및 튜브 사이의 채널을 통해 위쪽으로 통과한다.

도 1은 흑연 감속 액체 용융 염 연료 원자로 노심 내의 수동형 반응도 장치(100)의 어레이를 도시한다.

수동형 반응도 장치의 저장소(101)는 도 1에 도시된 바와 같이 튜브 내의 연료 염(110)의 높이 위에 위치한다. 상기 수동형 반응도 장치의 스템(102)은 흑연(120) 및 튜브 사이의 환형부를 통해 아래로 돌출하고, 연료 튜브의 바닥에서 종결된다. 도 2는 상이한 냉각재 출력 온도 T1<T2<T3에서 벌브(101) 및 스템(102) 내의 중성자 흡수 유체(103)의 위치를 도시한다. 각각의 수동형 반응도 장치의 나머지는, 중성자 흡수 유체와 반응하지 않는 가스(104)를 함유한다. 좌측 상에는 정상 반응기 작동 온도 미만의 온도에서의 장치가 있고, 중앙에는 정상 작동 온도에서의 장치가 있으며, 우측 상에는 정상 작동 온도 초과의 장치가 있다.

실시예 2

원자로 노심은 우라늄 플루오라이드 및 소듐 플루오라이드의 혼합물을 함유하는 일련의 몰리브덴 튜브로 형성된다. 우라늄은 U235 동위원소가 풍부하다. 튜브는 흑연 블록 내의 채널에 위치하고, 냉각재 액체는 흑연 및 튜브 사이의 채널을 통해 아래로 통과한다.

도 3은, 수동형 원자로 제어 장치의 벌브(301)가 연료 튜브 아래에, 즉 연료 염(310) 아래에 위치되어 있고, 스템(302)이 흑연 감속재(320) 및 연료 염(310) 사이에서 위로 연장되는 배열을 도시한다.

Claims (7)

1. 수동형 원자로 제어 장치(passive nuclear reactor control device)로서, 상기 수동형 원자로 제어 장치는
   밀봉된 챔버로서,
   저장소;
   상기 저장소와 유체 연통하는 튜브
   를 포함하는, 밀봉된 챔버;
   상기 밀봉된 챔버 내의 용융 염으로서, 상기 용융 염은
   1가 금속 할라이드, 및
   하나 이상의 란타나이드의 플루오라이드 또는 클로라이드 및/또는 하프늄의 플루오라이드 또는 클로라이드
   의 공융 혼합물인, 상기 밀봉된 챔버 내의 용융 염;
   상기 용융 염과 반응하지 않는, 상기 밀봉된 챔버 내의 가스
   를 포함하는, 수동형 원자로 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉된 챔버의 내부 표면이 상기 용융 염에 의해 습윤가능하지 않는, 수동형 원자로 제어 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 밀봉된 챔버의 상기 내부 표면이 열분해 탄소로 코팅된, 수동형 원자로 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융 염이 가돌리늄(gadolinium), 유로퓸(europium), 사마륨(samarium) 또는 하프늄(hafnium) 중 임의의 하나 이상의 플루오라이드 또는 클로라이드를 포함하는, 수동형 원자로 제어 장치.
5. 원자로로서, 원자로 노심(reactor core) 및 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 수동형 원자로 제어 장치를 포함하며, 적어도 상기 밀봉된 챔버의 상기 튜브는 상기 원자로 노심 내로 연장되는, 원자로.
6. 제5항에 있어서, 상기 밀봉된 챔버의 상기 저장소가, 냉각재가 상기 원자로 노심으로부터 상기 밀봉된 챔버의 상기 저장소로 유동하도록 위치된, 원자로.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 원자로 노심이 하나 이상의 흑연 블록 및 상기 하나 이상의 흑연 블록 내의 복수의 채널을 포함하며, 상기 각각의 채널은 핵분열성 재료를 함유하는 연료 튜브를 포함하고, 적어도 상기 채널의 하위세트는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 수동형 원자로 제어 장치의 튜브를 포함하는, 원자로.

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