KR100279916B1 - 타원형 금속 연료/피복 장벽 및 이와 관련한 열전달 증진방법 - Google Patents

Abstract

비원형 횡단면의 장벽 튜브(18)이 액체 금속 원자로의 스테인레스강 피복(14)와 금속 연료 슬러그(12)들사이의 공간(16)에 배치된다. 이러한 장벽 설계의 비원형 형태는 피복/장벽 계면 지역 및 장벽/연료 계면 지역 모두의 열접착을 증진시킨다. 비원형 장벽은 장벽없는 금속 연료 핀의 경우의 각도에 접근하는 각도를 갖는 액체 금속 열접착 틈새들을 갖는 세개의 지역들을 야기시킨다. 따라서, 원주 방향 비접착의 각도가 방사중에 국부화된 연료 용융을 야기시키는 비접착 각도보다 더 작게 된다.

Description

타원형 금속 연료/피복 장벽 및 이와 관련한 열전달 증진방법

제1도는 타원형 횡단면의 연료/피복 장벽을 갖는 핵 연료 요소의 (일정한 비율로 축척되지 않은) 횡단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 연료 요소 또는 핀 12 : 연료 본체

14 : 튜브형 금속 용기 또는 연료 피복

16 : 중간 공간 18 : 타원형 장벽

본 발명은 일반적으로 원자로에서 사용하기 위한 핵분열 연료 재료를 내장하는 연료 요소에 관한 것이다. 상세히는, 본 발명은 스테인레스강 용기 내에 내장된 금속 및 금속 합금 형태의 핵분열 연료를 내장하는 원자로 연료 요소의 개선에 관한 것이다.

통상의 금속 형태의 핵분열 핵연료는 단독 또는 합금으로 사용될 수 있는 우라늄, 플루토늄 및 토륨으로 이루어진다. 현재 이용되는 연료는 주로 우라늄 금속으로 이루어져 있다. 양호한 연료는 다량의 우라늄과 합금화된 소량의 플루토늄의 화합물, 예컨대, 우라늄 금속 60 내지 98 중량%와 플루토늄 금속 2 내지 40 중량%의 화합물로 이루어진다.

금속 형태의 핵분열 연료 재료는 원자로 분야에서 오랜 역사를 갖고 있지만, 중요한 단점들로 인해, 액체 금속 냉각제를 이용하는 소위, 증식(breeder)형 원자로에서 주로 사용되어 왔다. 금속 핵분열 재료를 연료로 사용할 때의 중요한 결점은 그러한 재료의 비교적 낮은 용융 온도 및 그로 인한 적당히 낮은 온도에서의 인장 강도와 같은 구조적 특성의 손실, 그리고 부식에 대한 민감성을 포함한 다른 요소와의 높은 정도의 반응성이다. 금속 형태의 우라늄(가장 많이 보급된 핵분열 연료 재료)은 단지 1132℃(2070 ℉)에서 용융되고, 우라늄과 플루토늄을 함유하는 합금화된 금속 연료는 본래 훨씬 더 낮은 용융 온도를 갖는다. 예컨대, U 88 중량%--Pu 12 중량% 합금은 약 610℃(1130 ℉)의 용융 온도를 갖는다.

한편, 금속 형태의 핵분열 연료는 아주 효율적인 열전달을 위한 우수한 열전도성과 단위체적당 최대 농도의 핵분열 원자들을 제공한다. 따라서, 금속 연료에 의해 단위 체적당 더 많은 동력이 생산될 수 있고, 액체 냉각제에 열이 보다 효율적으로 전달될 수 있다.

금속 연료들의 질을 증진시키고 금속 연료의 단점을 개선하기 위해 우라늄 금속 및/또는 플루토늄 금속의 합금들이 제안되어 사용되어 왔다. 예컨데, 몰리브덴, 니오브, 티타늄, 지르코늄, 바나듐 또는 크롬과 같은 소량의 합금 금속들이 금속 연료의 상구조(phase structure) 및 상구조에 기여할 수 있는 성질들을 안정화하기 위해 사용되어 왔다. 예컨데, 아르곤네 국립 실험실(Argonne National Laboratory)의 1965년 연례 진행 보고서(annual Progress Report), ANL-7155(1965), 14 내지 25 페이지에 게재된 알.제이. 던워쓰(R.J. Dunworth) 등의 논문 “우라늄-플루토늄계 금속 합금의 성질(Properties of Uranium-Plutonium-Base Metallic Alloys)”에는 우라늄-플루토눔 연료의 용융 온도를 상승시키기 위해 금속 연료를 지르코늄 또는 티타늄과 합금화하는 것을 개시하고 있다.

또한, 지르코늄은 연료에 높은 고상선 온도를 제공하고, 액체 금속 냉각 원자로의 시설을 위해 통상적으로 연료 용기내에 사용되는 스테인레스강과의 화학적 적합성을 증진시키기 위해서도 그러한 금속 연료내에 합금 원소로서 포함될 수 있다.

상업용 시설을 위해 채택되어온 양호한 금속 연료 합금은 U 64 중량%--Pu 26 중량%--Zr 10 중량%의 합금 조성을 갖고 있다. 그러한 합금은 약 1020 ℃(약 1868 ℉)의 용융점을 갖는다.

그러나, 지르코늄 금속과 같은 비연료 요소들과 통상의 핵분열 금속 연료를 합금화하는 기술에는 부가적인 문제점이 존재한다. 분명히, 강한 방사선 및 높은 온도의 고유한 원자로 상태로 인하여, 처음에 합금 성분들의 사실상 균일한 혼합물로 이루어진 금속 합금 연료들이 화학적으로 재분포되어 불균일한 혼합물로 됨이 밝혀졌다. 이러한 금속 합금 연료의 재구성은 연료 본체 덩어리 전체에서의 성질 및 균일성에 현저한 영향을 미친다.

지르코늄과 같은 합금 성분의 재분포의 한가지 중요한 양태는 연료 본체의 내부 또는 중앙 지역으로의 지르코늄의 내향 이동이다. 이는 내부 또는 중앙 지역의 고상선 온도의 증가를 수반하며, 그에 따라 유닛의 외부 또는 외주 지역에서의 감소된 고상선 온도를 수반한다. 따라서, 연료 본체의 외주 지역에서의 잔류 합금의 용융 온도가 낮아지고, 저온 용융상 형성을 방지하기 위해 첨가된 지르코늄이 의도한 효과가 감소되거나 부정된다. 연료 본체의 표면부의 낮은 용융 온도는 인접한 재료들과의 화학적 상호작용의 가능성을 증가시킨다.

지르코늄이 이동할 때, 잔류 합금 성분들이 저용융점 합금 또는 공정(eutectic) 조성물을 형성한다. 또한, 지르코늄이 존재하지 않을 때, 플루토늄 및 핵분열을 일으키는 세륨과 같은 연료의 외주 지역에 남아있는 성분들이 저용융점 상들을 형성하게 되고, 이들 저용융점 상들은 연료 용기(이후 “피복(cladding)”이라 함)의 스테인레스강을 침식하거나 그것과 반응하게 되어, 피복의 완전성을 열화시킬 수 있다. 연료 성분들과 스테인레스강 피복사이의 상호 작용은 두께 감소, 조성 변화 또는 그로 인한 투과성으로 인해 비교적 얇은 벽 두께의 피복의 구조적인 강도를 열화시키게 된다.

1986년 9월의 턱손 회의(Tucson Conference)에서, 아르곤네 국립 실험실의 지.엘. 호프만 등에 의해 발표된 “오스테나이트 및 페라이트 스테인레스 피복과 금속 연료의 화학적 상호 작용”이란 제목의 논문은 연료 조성물의 성능을 열화시킬수 있는, U-Pu-Zr로 이루어진 금속 연료와 페라이트 스테인레스강 연료 피복 성분 사이의 상호확산 현상에 대해 논의하고 있다. 이러한 상호확산 현상은 스테인레스강내에서의 강도를 감소시키는 확산 영역의 형성, 스테인레스강 속으로의 연료 성분들의 입자간 침투, 및 작동 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 공정 영역의 형성을 포함한다.

통상적으로, 전형적인 액체 금속 냉각 원자로들은 스테인레스강 피복, 양호하게는 상표명 HT9 또는 D9로 시판중인 스테인레스강 합금을 사용한다. 이들 스테인레스강 합금들의 전형적인 조성들이 표 1에 나타나 있다.

[표 1]

U-Zr 또는 U-Pu-Zr 금속 합금 연료들과 HT9 및 D9 합금들과 같은 스테인레스강 피복 사이의 계면에서 저용융점 금속 합금들이 형성된다. 이들 저용융점 합금들은 고온 원자로 과도기적인 과정중에 피복 성능을 심하게 열화시킬 수 있다.

피복 재료들은 U-Zr 또는 U-Pu-Zr 금속 합금 연료들과의 상호 작용에 대해 저항성을 갖도록 선택된다. 그럼에도 불구하고, 확산 쌍(diffusion couple) 연구 및 방사선 평가 결과, 피복 재료로의 플루토늄, 우라늄 및 핵분열 생성물들의 확산이 연료와 피복의 계면에서 바람직한 고용융점 합금 조성을 유지하기에 충분한 지르코늄의 상응하는 확산없이 발생하는 것으로 밝혀졌다.

방사선 연구 결과, HT9 피복과 U 71 중량%--Pu 19 중량%--Zr 10 중량% 금속 합금 연료사이의 접촉이 2.9 원자% 연소시에 강 합금내에 7 내지 10 ㎛ 깊이의 반응 영역을 형성하게 되고, 이러한 반응 영역에는 플루토늄 및 방사선 생성물 세슘이 풍부한 것으로 밝혀졌다. 플로토늄 및 세슘 모두는 표 2에 표시한 바와 같이 스테인레스강 합금 성분들과 저용융점 합금을 형성한다.

[표 2]

* 고용체 형성, Pu 및 U는 계내에서 최저 용융점을 가짐.

원자로 가동시의 금속 합금 연료의 불균일한 용융 상태 및 그 잠재적인 영향은 1969년 11월에 발표된 아르곤네 국립 실험실의 ANL-7602의 “실험용 증식로(EBR)내에서 11 내지 4.5 원자% 연소시에 방사된 U-Pu-Zr 연료 요소들의 사후 방사선 시험”이란 제목의 논문의 주제이다. 이 논문은 신장 변형(extensive deformation)과 같은, 핵분열중에 금속 합금 연료내에서 발생하는 신장 물리적 변화에 대해서 부가적으로 논의하고 있다. 그러한 변형은 열 효과 및 핵분열 발생 기체들의 내부 형성으로 인해 약 30 체적%까지의 팽창 또는 확장을 포함한다.

피복 파괴의 가능성이 1980년 6월에, 아르곤네 국립 실험실의 Trans. Ans. 34, 210 및 211 페이지에 게재된 비.알. 사이델(B.R. Seidel)의 “사후 방사선 가열중의 금속 연료 피복 공정 형성”이란 제목의 논문에서 논의되었다.

원자로의 금속 합금 핵분열 연료와 연료의 스테인레스강 피복사이의 상호 작용을 방지하는 방법이 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제4,971,753호에 개시되어 있다. 그 개시에 따르면, 스테인레스 강 피복내에 내장된 합금화된 우라늄 금속 연료의 본체를 갖는 연료 요소에는 금속 연료의 용융 온도를 상승시키는 폐기가능한 합금 금속 공급원이 제공된다. 특히, 지르코늄 장벽이 합금화된 우라늄 금속 연료 본체와 스테인레스강 피복사이에 위치된다. 이러한 장벽은 연료/피복 계면에 형성된 합금의 용융점을 상승시키는 지르코늄의 이용가능성을 증가시킴으로써 방사선으로 인한 저용융점 합금의 해로운 효과로부터 스테인레스강 피복을 보호한다.

미합중국 특허 제4,971,753호는 지르코늄 장벽이 연료 본체의 외주면상에 또는 피복의 내주면상에 형성된 지르코늄 층의 형태로, 또는 연료 본체와 피복 중간의 공간내에 삽입된 지르코늄의 중공 원형 원통 형태, 예컨대, 권취된 지르코늄 금속 박판 또는 강성 관형 단면부 형태로 연료 요소내에 설치될 수 있음을 기술하고 있다.

연료 핀의 금속 연료 슬러그들과 스테인레스강 피복 사이에 원형 횡단면의 장벽 재료를 사용하는 것은 연료와 피복 사이의 틈새를 두개의 더 작은 틈새, 즉 장벽과 연료 사이에 하나의 틈새 그리고 장벽과 피복 사이에 다른 하나의 틈새로 분할한다. 따라서, 장벽 삽입의 하나의 결과는 피복 내측의 연료와 피복 외측의 원자로 냉각제 사이에 제2 틈새가 형성된다는 것이다. 또 다른 결과는 여러 핀 부품들 사이의 직경 방향 틈새들이 감소된다는 것이다. 이들 틈새들은 액체 나트륨(또는 다른 적절한 액체 금속)으로 채워져야 한다. 즉, 핀 부품들은, 연료와 원자로 냉각제사이에 허용가능한 열전달 경로를 제공함으로써 가동중에 허용불가능한 온도를 방지하도록, 나트륨 열 접착되어야 한다.

통상적으로, 연료와 피복사이의 공간의 상부는 헬륨 기체로 채워진다. 만일 핀 부품들의 각각의 대향면들이 너무 작은 틈새를 형성하여 대향면들이 액체 나트륨에 의해 젖지 않고 틈새가 기포들로 채워진다면, 나트륨 열 접착부가 공극을 갖게 된다. 나트륨 열 접착부에서의 과도한 공극은 연료와 피복 사이에 복사중에 국부적인 연료 용융을 일으키는 500 내지 600℃의 온도차를 야기시킬 수 있다. 따라서, 연료 핀 제작중에 나트륨 열접착부의 질을 검증하는 것이 필요해진다.

1989년에 발간된 Trans. Am. Nucl. Soc., Vol 59의 144 내지 145 페이지에 게재된 “FFTF 금속 연료 핀 나트륨 접착 품질”이란 제목의 에이. 엘. 피트너(A. L. Pitner) 및 제이. 오. 디트머(J. O. Dittmer)의 논문에, 장벽이 없는 금속 연료 핀들의 나트륨 접착 품질 검사의 결과가 보고되어 있다. 이 논문의 내용들은 본 명세서에 참조로 반영된다.

이 논문에서, 필자들은 연료 핀의 하부 지역에서 발생하는 나트륨 접착부내의 작은 공극들은 중심을 벗어난 연료 슬러그가 피복과 접촉한 쪽에 일정하게 위치하게 되는 것으로 결론을 내리고 있다. 액체 나트륨의 큰 표면 장력은 작은 틈새 지역들이 젖는 것을 방해했다. 이러한 금속 연료 핀의 설계를 열분석한 결과, 비접착 지역 즉, 소위 “원주 방향 비접착 각도(degree of circumferential unbonding)”가 피복 원주 주위에 90도의 각도에 접근할 때까지 심한 연료 온도 증가가 관찰되지 않았다.

이러한 개시는 장벽들을 갖고 있는 연료 핀들에 적용될 수 있다. 연료 슬러그의 중심을 벗어난 위치는 슬러그 선형성으로부터 중력 및 이탈의 조합으로부터 발생한다. 금속 연료와 피복사이에 원형 박벽 장벽 튜브를 사용하는 것은 중심을 벗어난 연료 슬러그와 장벽이 핀의 한 쪽에 위치하고 연료 슬러그와 피복사이에 장벽이 샌드위치되는 연료 핀 횡단면을 발생시키게 된다. 장벽 튜브의 부가는 나트륨 접착을 위해 더 작은 직경방향 면적을 제공하는 더 작은 틈새들을 연료핀 부품들 사이에 야기시키게 된다. 그 결과, 장벽 연료 핀내의 비접착 지역의 가능성이 증가한다.

본 발명은 스테인레스강 피복과 금속 연료 슬러그들사이에 비원형 횡단면의 장벽을 제공함으로써 미합중국 특허 제4,971,753호의 가르침을 개선한 것이다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 장벽은 타원형 횡단면의 튜브로서 형성된다. 반면에, 연료 슬러그와 피복은 모두 횡단면이 원형이다. 이러한 장벽 설계의 타원형 특징은 피복/장벽 지역 및 장벽/연료 계면 지역 모두에서의 액체 금속 열 접착을 증진시킨다.

타원형 장벽으로 원형 장벽을 대체하는 것은 장벽없는 금속 연료 핀의 각도에 접근하는 각도를 갖는 열접착 틈새를 갖는 세개의 지역을 야기시키게 된다. 따라서, 원주 방향 비접착의 각도가 방사중에 국부적인 연료 용융을 야기시키는 비접착 각도 보다 작게 된다. 또한, 연료의 표면과 접촉하는 액체 금속 접착 재료의 양이 원형 장벽의 경우보다 타원형 장벽의 경우에 더 크기때문에 연료에 의해 발생되는 열이 냉각제에 보다 효율적으로 전달된다.

타원형 장벽은 가장 손쉽게 최소 비용으로 만들 수 있기 때문에 바람직하다. 그러나, 다른 비원형 형태, 예컨데, 둥근 꼭지점들을 갖는 직사각형이나 둥근 꼭지점들을 갖는 어떤 정(regular) 다각형 형태들을 사용할 수 있다. 본 발명은 그 범주가 타원형 장벽에 제한되지 않는다.

본 발명은 금속 합금 핵분열 연료의 길다란 본체를 갖고 연료 본체를 내장하는 길다란 피복을 갖는 연료 요소의 열전달을 증진시키는 방법도 포함한다. 연료 본체는 피복의 내부 공간의 횡단면보다 작은 횡단면적을 가짐으로써, 연료 본체와 피복사이에 중간 공간을 제공한다. 본 방법은 비원형 횡단면을 갖는 원통형 장벽을 형성하는 단계와; 연료 본체를 원주 방향으로 에워싸도록 중간 공간에 비원형장벽을 설치하는 단계와; 피복 내측에 고체 형태의 금속 접착 재료를 삽입하는 단계와; 중간 공간을 밀봉하기 위해 연료 요소를 폐쇄하는 단계와; 중간 공간의 적어도 일부를 채우도록 금속 접착 재료를 용융하는 단계를 구비하여, 연료와 원자로 냉각제사이의 열 전도성을 증진시킨다.

이제, 본 발명의 양호한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도를 참조하면, 연료 요소 또는 핀(10)은 금속 또는 금속 합금 형태의 핵분열 재료를 내장하는, 종종 슬러그라 칭하는 로드와 같은 길다란 연료 본체(12)를 구비한다. 연료 본체(또는 여러개의 정렬된 연료 본체들)(12)는 종종 “연료 피복(fuel cladding)”이라 칭하는 밀봉된 튜브형 금속 용기(14)내에 내장된다. 피복(14)은 연료 요소(10)의 외부면 상으로 유동하여 그로부터 열을 방출하는 냉각제로부터 연료 본체(12)를 격리시킴으로써, 연료가 냉각제와 반응하거나 냉각제로부터 오염되는 것을 방지한다. 또한, 피복은 핵분열 생성물내에 밀봉되며, 그들이 냉각제속으로 탈출하지 못하게 한다.

연료 본체(12)는 주로 내부에 발생되는 핵분열 생성 기체들로 인한 약 25 내지 30 체적 %의 반경 방향 팽창을 위한 형태학적 치수로 설계된다. 따라서, 처음에 형성되는 금속 연료 유닛들은 연료 피복(14) 내의 내부 횡단면적보다 사실상 더 작은 횡단면적을 갖는다. 결과적으로, 중간 공간(16)이 연료 본체(12)의 외부면과 연료 피복(14)의 내부면 사이에 형성된다. 이러한 초기 중간 공간(16)은 가동중에 생성되는 기체로 인한 연료 본체(12)의 팽창을 수용하고, 팽창하는 연료의 한정된 본체의 내부 압력으로 인해 발생되는 물리적 응력 및 가능한 파괴로부터 연료 피복을 보호하도록 설계된다.

연료 요소(10)의 중간 공간(16)은, 정상 원자로 작동 온도에서 용융되고 팽창함에 따라 연료에 의해 이동되는 고체 형태의 나트륨(양호함), 칼륨, 리튬 또는 그들의 합금들과 같은 액체 금속 접착 재료로 연료 제작 공정중에 우선 채워진다.

접착 재료는 연료가 팽창하여 중간 공간을 채우는 동안 연료 외측으로부터 피복으로의 열 전달을 증진시킨다.

액체 금속 냉각식 원자로에서 사용하기 위한 전형적인 연료 요소의 연료 유닛들은 대략 4.826 mm (0.19 인치)의 직경을 갖는 원통형 본체들이다. 그러한 연료 유닛을 에워싸는 스테인레스강 피복은 약 20 mil의 벽두께와 약 6.604 mm (0.26 인치)의 외경을 갖는다.

본 발명의 양호한 실시예에 따른 장벽은 연료 유닛과 연료 피복사이에 위치한 폐기가능한 합금 금속의 강성 타원형 튜브형 본체(18)이다. 결과적으로, 금속 합금 연료는 피복의 스테인레스강이 아니라 장벽 재료와 상호작용한다. 장벽은 지르코늄, 티타늄, 니오브, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 등과 같은 금속 연료의 용융 온도를 증가시키는 성질을 갖는 임의의 합금 금속으로 이루어질 수 있다. 지르코늄은 본 발명의 실시를 위해 양호한 합금 금속이다.

타원형 장벽의 두께는 균일한 것이 바람직하다. 계면 합금 온도를 허용가능한 수준으로 상승시키는 데 필요한 금속 연료와 스테인레스 강 사이의 장벽 재료의 양은 0.0508 내지 0.1016 mm (0.002 내지 0.004 인치)의 범위에 있다.

타원형 장벽(18)의 삽입은 장벽없는 금속 연료 핀의 경우의 열 접착 틈새들의 크기에 근접하는 열 접착 틈새들을 갖는 세개의 지역들은 야기시킨다. 특히, 원형장벽의 경우와 마찬가지로, 연료 슬러그와 장벽이 중심을 벗어나 위치할 때 장벽이 연료 슬러그와 피복사이에 샌드위치되지 않는다. 그대신, 타원형 장벽은 두개의 별개의 지역에서 피복과 접촉하고, 두 장벽/피복 접촉 지역의 중간에 위치한 지역에서 연료 슬러그와 접촉한다. 각각의 접촉 지역에서, 부품들사이의 틈새가 좁아지는 것은 장벽의 양쪽에서 동시에 발생하는 것이 아니라 한쪽에서만 발생한다.

특히, 장벽과 연료 슬러그 사이의 접촉 지역에서 타원형 장벽과 원형 피복사이에 틈새가 존재한다. 따라서, 원주방향 비접착의 각도는 방사중에 국부적인 연료 용융을 야기시키는 비접착 각도보다 더 작게 된다.

또한, 타원형 장벽의 곡률 반경이 연료 슬러그와의 접촉 지역에서의 원형 장벽의 곡률 반경보다 더 크기 때문에, 더 많은 액체 금속 접착 재료가 연료/접촉 지역의 양쪽의 틈새들 속으로 들어간다. 그러므로, 연료의 표면과 접촉하는 접착 재료의 양이 타원형 장벽에 의해 더 커진다. 연료와 접착 재료의 증가된 계면은 연료에 의해 발생되는 열이 냉각제로 보다 효율적으로 전달될 수 있게 한다.

지금까지, 본 발명의 양호한 실시예를 단지 설명을 위해 기술하였다. 다양한 다른 비원형 형태들을 갖는 장벽들이 첨부한 청구 범위에 한정된 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 사용될 수 있음을 숙련된 원자로 기술자는 곧 알 수 있다. 예컨대, 본 발명의 장벽은 둥근 꼭지점들을 갖는 직사각형 횡단면 또는 둥근 꼭지점들을 갖는 정다각형(등변 삼각형, 정사각형 등) 형태의 횡단면을 갖는 튜브로서 제작될 수 있다. 그러나, 원이 무한개의 변을 갖는 정다각형으로 특징지어질 수 있음을 인정한다면, 본 발명의 범주내의 정다각형의 변의 수는 다각형 형태가 원형 장벽에 의해 발생되는 것과 동일한 원주 방향 비접착 각도를 야기시키게 되는 변의 수보다 적어야 한다.

간단히 말하면, 중심을 벗어난 원형 연료 슬러그와 원형 피복 사이에 삽입될 때 장벽의 기하학적 형태가 연료와 장벽사이의 접촉 지역 및 장벽과 피복사이의 접촉 지역이, 원형 장벽이 사용될 때 가능한 것과 같이, 장벽의 원주를 따라 동일 지점에 위치되지 않도록 한다면, 어떠한 비원형 장벽도 본 발명에 따라 사용될 수 있다.

Claims (10)

1. 횡단면이 원형인 내부 공간을 갖는 밀폐형의 길다란 피복(14) 내에 내장된 원형 횡단면의 금속 합금 핵분열 연료의 길다란 본체(12)-상기 연료 본체는 상기 피복의 내부 공간의 횡단면보다 작은 횡단면적을 가짐으로써 상기 연료 본체와 상기 피복 사이에 중간 공간(16)을 제공함-와, 상기 연료 본체를 원주방향으로 에워싸도록 상기 중간 공간 내에 배치된 재료의 장벽(18)을 구비하는 원자로용 연료 요소에 있어서, 상기 장벽은 비원형 횡단면을 갖는 강성 원통형 튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
2. 제1항에 있어서, 상기 비원형 횡단면은 사실상 타원형인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
3. 제1항에 있어서, 상기 비원형 횡단면은 둥근 꼭지점들을 갖는 사실상 직사각형인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
4. 제1항에 있어서, 상기 비원형 횡단면은 둥근 꼭지점들을 갖는 사실상 정다각형인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
5. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
6. 제5항에 있어서, 상기 금속은 지르코늄, 티타늄, 니오브, 바나듐, 크롬 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
7. 제5항에 있어서, 상기 연료는 금속 우라늄 및 플루토늄, 그리고 이들과 지르코늄, 티타늄, 니오브, 바나듐, 크롬 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 취해진 원소들과의 합금으로 이루어지고, 상기 피복은 스테인레스강으로 이루어지고, 상기 금속은 지르코늄, 티타늄, 니오브, 바나듐, 크롬 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
8. 제1항에 있어서, 상기 비원형 횡단면은, 상기 연료 본체가 중심을 벗어난 위치들중의 어느 위치를 점유할 때 상기 장벽의 외주면상의 제1 및 제2 지역들이 상기 피복과 접촉하고 상기 장벽의 내주면상의 제3 지역이 상기 연료 본체와 접촉하고 상기 제1, 제2 및 제3 접촉 지역들은 상기 제1 및 제2 지역들이 상기 장벽의 외주를 따라 상기 제3 접촉 지역과 중첩되지 않게 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 요소.
9. 제1항의 연료 요소의 열전달을 증진시키는 방법에 있어서, 비원형 횡단면을 갖는 원통형 장벽을 형성하는 단계와; 상기 연료 본체를 원주 방향으로 에워싸도록 상기 중간 공간에 상기 비원형 장벽을 설치하는 단계와; 상기 피복 내측에 중실 형태의 금속 접착 재료를 삽입하는 단계와; 상기 중간 공간을 밀봉하기 위해 상기 연료 요소를 폐쇄하는 단계와; 상기 금속 접착 재료를 용융하여 상기 중간 공간의 적어도 일부를 상기 액체 금속 접착 재료로 채우는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 연소의 열전달 증진 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 금속 접착 재료는 나트륨, 칼륨, 리튬 또는 이들의 합금들인 것을 특징으로 하는 연료 요소의 열전달 증진 방법.