KR0156379B1 - 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자력 에너지를 이용하기 위하여 원자로에 투입하여 에너지를 발생시키는 핵연료에 관한 것으로 특히 핵연료의 사용효율을 극대화 한 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿에 관한 것으로 종래의 핵연료 펠릿은 성분이 균일하게 분포한 원통형으로 제작되어서 핵연료의 연소시에 중성자의 자기차폐(self-shielding)효과로 인하여 펠릿의 내부는 외부에 비하여 연소의 정도가 약하여 연료의 비효율적인 사용이 되므로 비경제적이며, 역으로 연료의 효율을 높이기 위하여 펠릿의 직경을 작게 하면 핵연료봉의 안정성이 낮아지며 또한 중성자 흡수물질이 원자로에 많아지고 원자로의 상부 쪽은 감지 및 냉각기능을 하는 물의 기포가 발생하여 중성자 감속기능이 급격히 낮아지는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 핵연료의 연소시 중성자의 자기 차폐 효과를 최소화하여 핵연료의 연소를 균일하게 유도함과 동시에 핵연료봉의 안정성을 갖도록 하기 위하여 펠릿의 중심부분에 중성자의 에너지를 흡수하여 중성자가 쉽게 핵분열을 할 수 있는 상태로 유도하는 감속재를 장입하며 특히 감속재가 핵연료봉 내에서 전등 및 마찰에 의해 펠릿으로부터 이탈됨을 방지하도록한 이탈방지수단을 갖도록 함을 특징으로 함.
Description
제1도는 본 발명 펠릿의 일실시예를 보인 사시도.
제2도는 본 발명의 내부구성상태를 보인 사시도.
제3도의 (a)(b)(c)는 본 발명의 이탈방지수단을 보인 종단면도.
제4도는 본 발명의 다른 실시예 사시도로서
(a)는 감속재가 나선형으로 장입된 상태
(b)는 감속재가 방사형으로 장입된 상태
(c)는 감속재가 C 형으로 장입된 상태
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 핵연료 펠릿 11 : 단턱
20 : 감속재
본 발명은 원자력 에너지를 이용하기 위하여 원자로에 투입하여 에너지를 발생시키는 핵연료에 관한 것으로 특히 핵연료의 사용효율을 극대화한 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿에 관한 것이다.
원자력 발전소에서 사용하는 핵연료는 원자로의 종류에 따라 다른 연료를 사용한다.
현재 전세계적으로 가장 널리 이용되고 있는 핵연료로는 경수로형 원자로에서 사용하는 3.2%정도로 농축된 우라늄 235이다.
또한 중수로형 원자로에서는 천연 우라늄을 사용하며, 고속 증식로에서는 약26%정도로 농축된 우라늄을 핵연료로 사용한다.
핵연료의 사용방법은 보통 핵연료의 재료 분말을 작은 원통형상으로 압축하여 소결 성형시켜서 펠릿(pellet)을 만든 다음 이와 같이 만들어진 상기 펠릿을 다수개 연료봉 안에 넣어서 핵연료봉을 만든다.
이와 같이 만들어진 핵연료봉을 여러개 모아서 핵연료 다발을 만들게 되며, 상기 핵연료 다발들을 원자로 내에 장착시킨 후 핵분열을 유도한다.
상기 핵분열과정에서 원자의 질량결손에 따른 다량의 열에너지를 얻게 되며, 이와 같은 열에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이다.
우라늄의 핵분열 연쇄반응을 살펴보면 우라늄 235 원자가 중성자에 의하여 핵분열을 일으키고, 이때 2~3개의 중성자를 다시 방출하게 된다.
상기 방출된 중성자에 의하여 다른 우라늄 235원자가 핵분열을 일으켜 핵분열이 연쇄적으로 일어나게 되는 것이다.
중성자가 핵분열로부터 발생될 때는 매우 높은 에너지의 고속 중성자도 생겨나서 중간에너지의 열의 중성자 과정을 거치고 저에너지의 열중성자로 되어서 또다시 핵분열을 유도하는 흡수과정을 거친다.
중성자는 전하를 갖지 않으므로 물질 등을 통과할 때 전리 등의 전자기적 작용에 의해서 에너지를 잃는 일이 없으며 따라서 투과력이 강하다.
중성자는 이러한 특징으로 해서 원자핵과의 척력에 의한 방해를 받지 않으므로 핵분열 반응을 유도하는데 긴요하게 사용된다.
중간에너지의 중성자는 공명 흡수에 의해서 핵분열 없이 흡수되어 버릴 확률이 높다.
중성자는 원자핵과의 충돌에 의해서 서서히 에너지를 잃는다.
한번 충동할 때마다 잃는 에너지는 표적인 원자핵의 질량이 작을수록 크다.
이와 같이 중성자가 에너지를 잃는 과정을 감속과정이라 부르며, 감속을 잘 시키는 물질을 감속재라고 한다.
즉 감속재는 고에너지의 중성자를 적당한 저에너지의 중성자로 만들기 위해 중성자를 원자핵에 충돌시키는데 쓰는 재료이다.
현재 원전에서 주로 사용되고 있는 주요 감속재로서는 흑연, 베릴륨, 경수, 중수 등이 있다.
어떤 종류의 감속재에 의해서 핵분열에 실제로 필요한 열 중성자가 만들어진다.
이와 같은 원자로에 있어서 가동시 핵 연쇄반응을 제어하는 감속재는 매우 중요한 역할을 한다.
그런데 종래의 핵연료 펠릿은 성분이 균일하게 분포한 원통형으로 제작되어서 핵연료의 연소시에 중성자의 자기차폐(self-shielding)효과로 인하여 펠릿의 내부는 외부에 비하여 연소의 정도가 약하였다.
펠릿의 직경이 크면 클수록 중성자의 자기 차폐 효과가 심해지므로 펠릿 내부의 연소가 잘 이루어지지 않는다.
이와 같이 균일하지 못한 연소작용은 원자로의 운전에 있어서 연료의 비효율적인 사용이 되므로 비경제적인 문제점이 있었다.
역으로 연료의 효율을 높이기 위하여 펠릿의 직경을 작게 하면 핵연료봉의 안정성이 낮아지며 또한 중성자 흡수물질이 원자로에 많아지게 되는 문제점이 있다.
그리고 원자로의 상부 쪽은 감지 및 냉각기능을 하는 물의 기포가 발생하여 중성자 감속기능이 급격히 낮아지는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명에서는 핵연료의 연소시 중성자의 자기 차폐 효과를 최소화하여 핵연료의 연소를 균일하게 유도함과 동시에 핵연료봉의 안정성을 갖도록 한 중성자 감속제가 내장된 핵연료 펠릿을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 연료봉을 이루는 펠릿의 중심부분에 중성자의 에너지를 흡수하여 중성자가 쉽게 핵분열을 할 수 있는 상태로 유도하는 감속재를 장입하여 이루어짐을 특징으로 하는 것이다.
특히 핵연료 펠릿의 중심부분에 장입되는 감속재가 핵연료봉 내에서 전등 및 마찰에 의해 펠릿으로부터 이탈이 방지되도록 이탈방지수단을 갖도록 함을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명의 일실시예를 보인 핵연료 펠릿(10)의 사시도이고, 제2도는 내부구성상태를 보인 사시도이다.
상기 핵연료 펠릿(10)은 핵연료봉을 구성하는 구성단위로서 통상의 원통형으로 핵연료의 재료분말을 압축 소결성형하여 형성한다.
본 발명의 특징은 상기 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 중성자의 에너지를 흡수하여 중성자가 쉽게 핵분열을 할 수 있는 상태로 유도하는 감속재(20)를 장입하여 이루어진다.
상기 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)는 흑연이다.
상기 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)는 핵연료봉 내에서 진동 및 마찰에 의해 펠릿(10)으로부터 이탈이 방지되도록 이탈방지수단을 구비하였다.
상기 감속재(20)가 이탈되지 않도록 하는 이탈방지수단으로서는 제3도의 (a)에 도시된 바와 같이 펠릿(10)의 내부의 하측부에 걸림턱(11)을 형성하여 구성한다.
또는 본 발명의 다른 실시예로서 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)가 이탈되지 않도록 하는 이탈방지수단은 제3도의 (b).(c)에 도시된 바와 같이 감속재(20)의 하측 반경이 상측 반경보다 좁게 형성하여도 된다.
본 발명의 다른 실시예로서 제4도의 (a),(b),(c)에 도시된 바와 같이 이탈방지수단은 내측의 감속재(20)의 단면형상을 나선형, 방사형, C 형으로 형성함으로서 펠릿(10)과 감속재(20)간의 결합력이 향상되도록 구성한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 살펴본다.
본 발명에 의한 핵연료 펠릿(10)은 중성자의 자기 차폐 효과를 최소화하여 핵연료의 연소를 균일하게 유도한다.
또한 펠릿(10)의 직경을 크게 할 수 있으므로 핵연료봉의 기계적 안전성을 높임과 함께 원자로 내에 중성자 흡수물질을 최소화 할 수 있다.
또한 원자로 상부에서 발생하는 기포에 의한 중성자 감속 방해현상을 감소시킬 수 있으므로 중성자 경제성을 제고할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 핵연료 펠릿의 내부에 중성자의 에너지를 흡수하여 중성자가 쉽게 핵분열을 할 수 있는 상태로 유도하여 줌으로서 연료의 균일한 완전연소를 통한 에너지 효율을 향상시키며, 따라서 연료비를 절감하도록 하여 경제적인 이익을 수반하며, 특히 고준위 방사성폐기물의 생성량을 저감시키므로 환경오염 문제를 해소할 수 있으며, 이에 따른 업무의 효율을 향상시키는 매우 유용한 기술인 것이다.
Claims (8)
- 핵연료봉을 구성하는 구성단위로서 통상 원통형으로 핵연료의 재료분말을 압축 소결성형하여 형성하는 핵연료 펠릿에 있어서, 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 중성자의 에너지를 흡수하여 중성자가 쉽게 핵분열을 할 수 있는 상태로 유도하는 감속재(20)를 장입하여 이루어짐을 특징으로 하는 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿.
- 제1항에 있어서, 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)는 흑연임을 특징으로 하는 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)는 핵연료봉 내에서 진동 및 마찰에 의해 펠릿(10)으로부터 이탈이 방지되도록 이탈방지수단을 구비함을 특징으로 하는 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿.
- 제3항에 있어서, 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)가 이탈되지 않도록 하는 이탈방지수단은 펠릿(10)의 내부의 하측부에 걸림턱(11)을 형성하여 구성함을 특징으로 하는 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿.
- 제3항에 있어서, 핵연료 펠릿(10)의 중심부분에 장입되는 감속재(20)가 이탈되지 않도록 하는 이탈방지수단은 감속재(20)의 하측 반경이 상측 반경보다 좁게 형성함을 특징으로 하는 중성자 감속재가 내장된 핵연료 펠릿.
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20070718 Year of fee payment: 10 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |