고속로를 위한 최적 구성{OPTIMUM CONFIGURATION FOR FAST REACTORS}

본 발명은 고속로를 위한 새로운 그리고 개선된 원자로 노심 설계, 구체적으로 액체 금속 또는 용융염 냉각된 핵 원자로에 관한 것이다.

웨스팅하우스의 미국 특허 제 4,949,363호(Tupper et al.)에서 설명된 바와 같이, 다른 핵 원자로와 같은 액체 금속 냉각된 핵 원자로(liquid metal-cooled nuclear reactor; LMR)는 538℃(1,000℉)까지의 온도에서 작동하고, 핵 엘리먼트로 제조되며 원자로 용기에 적합화된 핵 원자로 노심 내에 어셈블링되는 핵 원료의 핵분열에 의해 열을 생성한다. LMR에 의해 생성된 열은 전기를 발생시키도록 사용된다.

액상 소듐은 파워 발생에 유리한 온도에서 특별한 열-전달 특성 및 낮은 증기압을 가지고, 풍부하고, 허용가능한 순도에서 상업적으로 이용가능하며, 상대적으로 저렴해서 그것을 LMR을 위한 원자로 냉각제로서 매력적인 매질로 만들지만, 그러나, 그것은 물과 격렬하게 반응해서 소듐-물 스팀 보일러의 설계에서 문제가 있다. 게다가, 고속로에서의 핵 프로세스의 제어는 경수 열 원자로와 비교할 때 본래 어렵다. 메인 냉각제 순환 라인 중 하나의 파열로 인한 냉각제 손실의 위험을 최소화하기 위해, 풀(pool) 유형 원자로가 루프 유형 시스템보다 선호된다.

도식화된 풀 유형 고속로 용기가 선행 기술 도 1 및 도 1a에서 나타나고 Hunsbedt et al.(미국 특허 제 5,043, 135호)에 의해 설명된다. 도 1은 열 전달을 위해 소듐 금속 또는 소듐/포타슘과 같은 액체 금속 냉각제(14)의 풀을 포함하는 원형 원자로 용기(12)를 포함하는 수동으로 냉각된 액체 핵 원자로(10)의 일 유형을 나타내고, 여기서 핵분열 연료를 포함하는 핵 노심(16)이 담가진다(immersed). 핵분열 작용 비율은 핵 노심(16)으로부터 또는 그것으로 이동하는, 일반적으로 (18)과 같이 나타나는 중성자 흡수 제어 봉들에 의해 지배된다. 원자로 용기(12)는 콜렉터 실린더(22) 내에 모두 이격 분리된 관계로 동심원형(concentric) 격납 용기(20) 내에 포함된다. 예를 들어 콘크리트로된 사일로(silo)(24)는 도시된 바와 같이 콜렉터 실린더(22)를 하우징한다. 도 1 및 1a에서 나타나는 바와 같이, 일련의 환형 다우너 파티션(annular downer partitions)(28)들 및 라이저(riser) 파티션(30)들이 이러한 동심원형 배열에 의해 형성되고 파티션들은 유동 회로 경로들의 사이클링을 형성한다. 볼륨(32)은 서늘한 주변 공기(34)를 포함하고, 가열함에 따라, 도 1 및 1a에서 화살표에 의해 나타나는 바와 같이, 격납 콜렉터 실린더(22)의 바닥 주위로 그리고 환형 라이저 파티션(30) 위로, 일반적으로 (36)과 같이 나타나는 아웃렛(outlet)으로 통과하는 자연 대류를 유도한다. 그러한 바와 같이, 쿨링 시스템은 전체적으로 수동이고 대류 및 열 방사에 의해 계속적으로 작동한다. 이러한 선행 기술(표준 설계)은 그라운드(33)에 위치될 수 있다.

종래의 핵 원자로는 Cachera(미국 특허 제 3,968,653호)와 같이, 원자로로부터 열을 소산시키도록 다양하고 정교한 에너지 구동 쿨링 시스템을 사용해왔다. 모듈식(modular) 유형과 같은 액체 금속 냉각된 원자로가 냉각제로서 소듐 또는 소듐-포타슘을 사용하여, 미국 특허 제 4,508,677호에 의해 개시된다.

고속로의 수동 안정성은 원자로 용기를 통해 "붕괴 열(decay heat)"을 제거하는 것에 의존한다. 심지어 핵분열 원자로가 정지한 후에도 열은 노심에 의해 계속적으로 발생한다. 이 붕괴 열(원자로 잔열/핵분열 생성물 붕괴 열)이 사고 또는 고장(fault) 조건에 의해 야기된 원자로 운전정지(shutdown) 후에 항상 제거될 수 있는 것이 중요하다. 수동으로 냉각된 고속로 시스템은 주로 유동(fluids), 전도(conduction) 및 열 방사에서 자연 대류의 프로세스를 통해 계속적으로 작동한다. 이때, 붕괴 열이 주요 쿨링 회로 루프를 통해 냉각제의 자연 대류 흐름의 수단에 의해 원자로 용기까지 원자로 연료 노심을 생성하는 열로부터 전달된다. 전달된 열은 결국 원자로 용기의 벽을 통해 밖으로 그리고 원자로와 격납 용기 벽의 중간의 공간을 채우는 공기를 통해 위로 전도되고 자연적으로 대류하는 주위 공기로의 자연 대류에 의해 그리고 부분적으로 열 방사에 의해, 주위 대기(atmosphere)로 계속된다.

수동 안전성에서 중요한 파라미터는 노심(16) 비율의 볼륨에 대한 원자로 용기 외부 벽(12)의 표면 영역의 비율이다. 고속로 노심은 매우 컴팩트하기 때문에, 이 사실은 이용가능한 최대 파워를 제한해온 반면에, 1000MW(메가와트) 서멀(thermal)로 수동으로 냉각된 노심을 여전히 유지한다. Hunsbedt(미국 특허 제 5,021,211호)에 의해 설명되는 바와 같은, 일 그러한 유형 원자로는 안전 제한 아래의 온도에서 금속 냉각제의 벌크를 유지하는 것에 착수한다. 더 높은 파워 레벨은 고속로의 자본 및 작동 비용을 감소시켜야함에도, 노심을 통한 액체 금속 냉각제 흐름이 중단되면 높은 연료 노심 온도 피크가 발생하는 경향이 있다. 따라서, 연료 노심으로부터의 붕괴 열의 제거는 주로 스테인레스 스틸(총 8인치)을 포함하는 광범위한 매스(mass)를 통한 열 전도에 의한 것이고, 그것은 노심 영역 내로부터 외부 영역까지 열을 전달하도록 700℉(371℃)의 반대 표면 영역들 사이의 온도 차이를 요구할 수 있다. 이 영역에서의 다른 특허는 예를 들어, 미국 특허 명세서 제 4,859,402호(Tupper et al.); 제 5,043,136호를 포함한다.

선행 기술 도 2에 관해 이제 언급할 때, 선행 기술 원자로 구성의 일반적인, 단순화된 횡-단면은 연료 및 원자로 용기(120)를 접촉하는 액체 금속 또는 염 냉각제(114)를 갖는 센터(117)를 갖는 원자로 노심(116), 엔트리 쿨 에어(entry cool air)가 원자로 용기의 외부와 접촉하는 환형 라이저 스페이스(130)에 포함되는 공기 냉각제를 갖는 격납 용기(122)의 내부와 함께 나타난다. 노심 센터로부터 격납 콜렉터 실린더(122)의 내부까지의 반경=1.0이다. 쿨 에어 접촉(134)의 포인트가 실린더(122) 상에 나타난다.

반복해서:

1. LMR은 하이 파워 밀도(고속 스펙트럼)를 가지고 액체 금속 또는 용융염과 같은 매우 효율적인 냉각제를 필요로한다.

2. 냉각제 흐름이 LMR로 소실된다면, 문제는 수형 원자로보다 더 심각하다.

3. 그러므로, LMR은 메인(스팀 발생기)이 소실될 경우에 보조 냉각제 시스템을 요구한다.

4. 두개의 LMR 구성이 있다: PWR과 유사한 루프 및 BWR과 유사한 풀.

5. 액체 금속이 열을 노심으로부터 용기 벽까지 전도시킬 수 있기 때문에 냉각제의 흐름이 소실된다면 풀 구성은 열을 제거하기에 더 효과적이고, 그것은 방사 및 흐름 대류에 의해 실행된다.

6. 열 방출(out)의 풀 구성 전도를 위한 중요한 파라미터는 볼륨(노심) 비율에 대한 표면(내부 용기 벽)이다. 그것은 내부 용기 벽의 제곱 미터에서의 표면 영역: 원자로 노심의 세제곱 미터(m ³ )에서의 볼륨이다. 비율이 높아질수록, 열 제거는 더 효과적이다.

7. 파라미터 분석은 1000MWt가 풀 원자로에 대해 최적임을 나타낸다. 더 낮은 파워는 경제학적으로 부족하고, 더 높은 파워는 더 많은 안전 문제를 가져다준다.

8. 모든 설계는 노심 바깥으로부터 동심원형 볼륨을 교시한다.

따라서, 열 제거 효율성을 극대화하고 비용 효과적이며 상업적인 새로운, 더 단순한 그리고 혁신적인 LMR 설계에 대한 요구가 있다. LMR을 위한 새롭고 혁신적이며 더 단순한 노심 설계를 제공하는 것이 주요 목적이다.

가장 넓은 실시예에서, 각각의 로브가 다른 로브에 상호 연결되고 각각의 로브가 고속로 노심을 포함하는 적어도 두개의 로브를 갖는 멀티-로브된 원자로 용기를 갖는 일반적으로 실린더 격납 용기를 포함하는 액체 금속 또는 용융염 냉각된 핵 원자로를 제공하는 것에 의해 위의 필요가 충족되고 위의 목적이 수행된다. 세개 내지 아홉개의 로브, 바람직하게 세개 내지 여섯개의 로브, 가장 바람직하게 네개 또는 다섯개의 로브가 있을 수 있다. 이것은 혁신적인 설계이고 핵 개념에서 전례가 없는 것으로 간주되고 시도한 적조차 없는 것이 명백하다.

본 발명은 또한 액체 금속 또는 용융염 냉각제의 풀을 홀딩하기 위해 실린더 벽을 갖는 클로징된 바닥 격납 용기에 멀티-로브된 원자로 용기; 각각의 로브가 다른 로브와 상호연결되고 각각의 로브가 고속로 노심을 포함하는 적어도 두개의 로브를 갖는 멀티-로브된 원자로 용기를 포함하는 액체 금속 또는 용융염 냉각된 핵 원자로에 속한다. 이들 노심은 단일 유닛으로서 작동될 수 있다(즉, 모두 함께 또는 독립적으로). 이러한 접근은 원자로 노심의 볼륨에 대한 원자로 용기 외부의 내부 벽의 표면 영역의 비율을 효과적으로 증가시키고, 주어진 격납 볼륨 내에 상당히 더 높은 열 파워를 허용하며, 그에 의해 자본비(capital cost)를 감소시킨다. 클로징된 바닥 컨테이너는 라이저 부분/공기에 의해 냉각된 파티션에 의해 둘러싸인 동심원형 격납 용기에 더 포함될 수 있다. 일반적으로, 격납 용기는 실린더 벽을 가질 것이다. 액상 소듐이 바람직하지만, 소듐에 대한 대안은 납/비스무트 합금과 같은 소듐 및 포타슘 액체 용융 금속, NaF, KF와 같은 용융염 및 다른 용융염을 포함하나 그것에 한정되지 않는다.

동심원형 설계 외에 어느 것도 시도하는 선행 기술 제안이 없는 것으로 보인다. 선행 기술은 본 발명의 극적으로 다른 로브 설계로부터 벗어나 교시하는 것으로 나타날 수 있다. 로브는 설계 기능이 아니나 원자로의 효율성에 극적인 방법으로 기여한다.

본 발명은 열 제거 효율성을 극대화하고 비용 효과적이며 상업적인 새로운, 더 단순한 그리고 혁신적인 LMR 설계를 제공한다.

본 발명은 첨부된 도면에 대한 참조에 의해 더 완전하게 이해될 것이고, 여기서:
도 1은 황단면에서의 액체 금속 또는 염 냉각된 핵 원자로의 바닥 부분의 도식화된 도시이고;
도 1a는 용융 금속 또는 염 냉각제와 관련된 환형 쿨링 라이저 파티션을 나타내는 도 1의 부분의 도식화된 도시이며;
도 2는 노심 센터와 관련해서 외부 원자로 벽의 반경을 나타내는 선행 기술 구성의 일반적이고 단순화되며 도식화된 횡단면이고;
도 3은 본 발명을 가장 잘 나타내고, 세개-로브 고속로 구성의 일반적이고 단순화되며 도식화된 횡단면이며; 그리고
도 4는 네개-로브 고속로 구성의 일반적이고 단순화되며 도식화된 횡단면이다.

즉각적으로 본 발명과 관련해서, 도 3은 도 2와 유사한 번호를 갖는 세개-로브 고속로 구성을 나타내고, 예를 들어, 134'는 134와 같다. 도 3에서, 공통 노심 센터(117')로부터 격납 실린더(122')의 내부까지의 반경=2.15이다. 이 설계는 각각의 노심의 로브(121)들을 포함하는 연료를 접촉하는 액체 금속 또는 염 냉각제를 갖는 세개의 노심(116', 116", 116"')을 가진다. 원자로 용기는 (120')로 나타나고 공기 냉각제는 포인트(134')에서 격납 실린더(122')를 접촉하는 엔트리 쿨 에어를 갖는 공통 라이저 스페이스(130')에 포함된다. 정상 환경 하에서, 각각의 노심에 의해 발생된 잔열은 그 자체의 독립적인 쿨링 디바이스에 의해 제거될 것이다. 노심이 그것의 쿨링 디바이스를 소실하는 경우에, 노심들의 상호연결은 다른 상호연결된 노심들의 독립적인 쿨링 디바이스에 대한 접근을 제공하고, 보여질 수 있는 바와 같이 라이저 스페이스(130')에서의 공기는 원자로 용기의 쿨링을 위해 더 큰 표면 영역을 제공하는 모든 세개의 노심 영역에서 접촉한다. 도 3에서, 별표(*)는 곱셈을 의미한다. 도 4는 네개의 로브 또는 원자로(116') 내지 (116"")를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예들 중 하나이다. 다른 바람직한 실시예는 다섯개의 로브 또는 원자로를 포함한다.

제안된 새로운 원자로 지오메트리에서 상호연결된 원자로 풀이 사용되고, 각각은 그룹으로서 또는 독립적으로 작동될 수 있는 그 자체의 노심을 가지며, 모두는 단일 격납 빌딩 내에 위치된다. 본 접근은 원자로의 볼륨 비율에 대한 표면 영역을 효과적으로 증가시키고, 주어진 격납 볼륨 내에 상당히 더 높은 열 파워를 허용하며, 그러므로 자본비를 감소시킨다. 본 개념은 도 3 및 도 4에서 그리고 이하에서 계산에 의해 도시되며, 여기서 세개 및 네개-로브 원형 지오메트리의 상대적 비용 이득이 분석되고: R=원자로의 반경; H=원자로의 높이, *=곱셈이다.

실시예:

X 로브된 (X 원자로) 지오메트리의 분석:

격납의 볼륨(단일 로브)=3.14*H*(R) ²

격납의 볼륨(X 로브들)=3.14*H*(1/cosine(90-180/X)+1) ²

용기 및 구조의 비용을 스케일링하기 위해 일반적으로 사용되는 0.7의 스케일 팩터를 사용하여:

비용 비율 X/1 로브=[(1/cosine(90-180/X)+1) ² ] ^0.7 =(1/cosine(90-180/X)+1) ^1.4

파워 비율 X 로브들/1 로브=X/1=X

파워/비용 비율 X 로브들/1 로브=(X/(1/cosine(90-180/X)+1) ^1.4 .

본 분석의 결과가 아래 표에 나타난다. 적어도 세개의 로브 그리고 아홉개까지의 로브에 대해 파워/비용 비율이 단일 원자로에 대한 것보다 더 높다는 것에 유의한다. 로브의 수를 증가시키는 것 역시 원자로 용기를 제조하는 복잡성을 증가시키고 혜택의 다수는 여섯개의 로브된 용기가 사용될 때까지 획득되기 때문에 따라서, 구조의 복잡성에 따라서, 세개 내지 여섯개의 로브들이 가장 유용하다.

여기서 제시된 계산은 본 특허에서 다루어진 개념의 비용 이득의 도시이다. 멀티로브 시스템의 사용은 또한 격납 자본비에서의 개선 외에 단일 원자로 시스템과 비교할 때 추가적인 특징을 제공한다.

이것은 다음을 포함한다:

1. 터빈, 제너레이터, 트랜스포머, 제어 시스템, 컨덴서, 안전 시스템 및 라이센싱과 같은 그러한 것들에 대한 플랜트 비용의 밸런스에서의 규모의 경제.

2. 원자로 용기 외부가 아닌 격납 내의 공간은 사고 조건 동안 열 싱크로서 역할할 수 있다. 이들 영역은 또한 더 큰 격납으로 열을 전달하도록 역할할 수 있다. 그러한 물질들의 예들은 비-소듐 냉각된 원자로를 위한 물(또는 얼음) 또는 소듐 냉각된 원자로를 위한 소듐 설페이트 데카하이드레이트와 같은 물질을 포함할 수 있다.

3. 영향받는 원자로에 대한 백업 안전 시스템과 같은 설계 기반 이벤트 동안 영향받지않는 원자로의 안전 시스템을 사용하는 능력.

본 발명의 완전하고 완성된 설명이 특허 법령(patent statues)의 명령에 부합해서 제시되는 반면에, 변형들이 그것의 사상 또는 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어남 없이 그것에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.