KR100330356B1 - 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료에 관한 것으로서, 특히 중심봉, 내환봉, 중환봉, 및 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 중심봉을 스테인레스 스틸로 이루어지도록 하고 그 중심부에 축방향으로 중공을 형성하여, 정상운전시에는 스테인레스 스틸봉이 감속재로 작용하므로 중성자의 경제성을 상승시키고 이를 저 농축 또는 순환우라늄 핵연료 다발에 적용하게 되면 중수로(CANDU) 원자로 냉각재 기포반응도가 낮아지게 되는 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1특징은 중심봉, 내환봉, 중환봉, 그리고 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 기포반응도가 감소되도록 철부재로 이루어진 감속수단이 구비된 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 제2특징은 중심봉, 내환봉, 중환봉, 그리고 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 기포반응도가 감소되도록 상기 중심봉이 스테인레스 스틸로 형성된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료에 관한 것으로서, 특히 중심봉, 내환봉, 중환봉, 및 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 중심봉을 스테인레스 스틸로 이루어지도록 하고 그 중심부에 축방향으로 중공을 형성하여, 정상운전시에는 스테인레스 스틸봉이 감속재로 작용하므로 중성자의 경제성을 상승시키고 이를저 농축 또는 순환우라늄 핵연료 다발에 적용하게 되면 중수로(CANDU) 원자로 냉각재 기포반응도가 낮아지게 되는 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료에 관한 것이다.
일반적으로, 핵연료 다발은 핵분열성 물질(우라늄 또는 플루토늄)을 원통형 소결체 형태로 가공 제작하여 지르칼로이 피복관내에 장입한 다수개의 핵연료봉으로 구성된다.
참조된 도면, 도 1은 종래기술에 의한 핵연료 다발의 단면도이다.
종래의 핵연료 다발(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 핵분열성 물질로 이루어진 다수개의 봉(1,2,3,4)이 다발 형태로 배치되어 있는 바, 중심부에는 중심봉(1)이 1개 배치되고, 상기 중심봉(1)을 중심으로 내환봉(2)이 7개가 배치되어 있으며, 상기 내환봉(2)의 외곽 주위에는 14개의 중환봉(3)이 배치되어 있고, 상기 중환봉(3)의 외곽 주위에는 외환봉(4)이 21개가 배치되어 있으며, 따라서, 핵연료봉(1,2,3,4)이 총 43개가 배치되게 된다.
그러나, 종래의 중수형 원자로에서는 양의 기포반응도가 크기 때문에 냉각재 상실 사고시 출력증가가 발생되어 이에 대한 안전장치가 필요한 실정이다. 이에 대하여 해외에서는 중수형 원자로의 기포반응도를 감소시키기 위하여 핵연료 다발에 감손 우라늄을 사용하는 것이 제안되었으나, 감손 우라늄은 핵분열할 수 있는 양이 작고 중성자의 흡수체로 작용하기 때문에 연소도 보상이 많아 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 중수형 원자로에서 그래파이트(graphite)를 사용하는 경우가 있으나, 이 또한 8개 이상의 봉을 사용하여야 하기 때문에 핵연료에 비해 무게가 가벼워 진동이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 중수형 원자로의 핵연료봉에 스테인레스 스틸로 이루어진 봉을 도입하여 냉각재의 기포반응도를 감소시켜 원자로의 안전성을 보다 더 높이기 위한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 핵연료 다발의 단면도,
도 2는 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
50 : 핵연료 다발 51 : 중심봉 51a : 중공
52 : 내환봉 53 : 중환봉 54 : 외환봉
본 발명의 제1특징은 중심봉, 내환봉, 중환봉, 그리고 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 기포반응도가 감소되도록 철부재로 이루어진 적어도 하나 이상의 감속수단이 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2특징은 중심봉, 내환봉, 중환봉, 그리고 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 기포반응도가 감소되도록 상기 중심봉이 스테인레스 스틸로 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스테인레스 스틸로 이루어진 봉은 그 축방향으로 중공이 형성된 원통형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료는 중수로용 저농축 혹은 순환우라늄 핵연료 다발의 중심봉에 스테인레스 스틸의 봉을 사용함으로써 정상운전시에는 핵연료 다발에서 스테인레스 스틸봉이 감속재로 작용하므로 중성자 경제성을 향상시키고, 냉각재가 기포화될 경우 중성자속이 가장 많이 증가하는 중심부위에 핵분열을 일으키는 핵연료 물질이 존재하지 않음에 따라 기포반응도의 증가가 억제되는 효과를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 참조된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선 참조된 도면, 도 2는 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료의 단면도이다.
본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료는 도 2에 도시된 바와 같이 핵연료 다발(50)의 중앙에 설치된 스테인레스 스틸로 이루어진 중심봉(51)과, 상기 중심봉(51)의 둘레에 설치되는 저 농축 혹은 순환 우라늄으로 이루어진 핵물질인 7개의 내환봉(52)과, 상기 내환봉(52)의 둘레에 상기 내환봉(52)과 마찬가지로 저 농축 혹은 순환 우라늄으로 이루어진 핵물질인 14개의 중환봉(14)과, 상기 중환봉(14)의 둘레에 저 농축 혹은 순환 우라늄으로 이루어진 핵물질인 21개의 외환봉(54)으로 구성된다.
여기서, 상기 핵연료 다발(50)을 이루는 각각의 봉(51,52,53.54)들은 그 상하부가 지지수단에 의해 지지되고, 각각의 봉(51,52,53.54)들 사이에는 냉각수가 흐르게 된다.
그리고, 상기 중심봉(51)은 그 축방향으로 중앙에 중공(51a)이 형성되어 있는 바, 상기 중공(51a)을 형성하지 않아도 되지만 상기 중심봉(51)에 중공(51a)을형성함으로써 스테인레스 스틸의 양을 임의로 조절하여 방출연소도는 크고 기포반응도는 극소화시킬 수 있는 핵연료를 조성할 수 있다.
또한, 상기 핵연료 다발(50)에서 각각의 봉(51,52,53.54) 중에서 어느 하나 혹은 다수의 봉을 스테인레스 스틸봉으로 대체할 수 있으나, 상기 중심봉(51)을 스테인레스 스틸봉으로 대체하게 되면 냉각재가 기포화될 경우 중성자속이 가장 많이 증가하는 중심부위에 핵분열을 일으키는 핵물질 대신 스테인레스 스틸봉이 존재하게 되므로 기포반응도가 억제되는 효과를 극대화시킬 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 핵연료를 사용하여 계산한 결과인 다양한 핵연료 모델의 중간 연소도에서의 격자특성은 아래의 표 1에 도시되어 있다.
| 냉각재 기포반응도(mk) | 연료온도상수(mk/℃) | 냉각재온도상수(mk/℃) | 중성자감속재온도상수(mk/℃) | 방출연료소비도(MWD/MTU) | 상대적출력상수(mk/%FP) | MLHR(kW/m) | |
| 37-elm.(NU) | 14.41494 | -0.00130 | 0.05250 | 0.02933 | 7055 | 0.0 | 57.912" |
| CANFLEX-NU(NU43) | 15.49894 | -0.00152 | 0.05614 | 0.03011 | 6997 | 0.00137 | 49.015 |
| CANFLEX-RU(RU43) | 15.91076 | -0.00106 | 0.05948 | 0.03921 | 13034 | 0.00369 | 49.528 |
| CANFLEX-STⅠ(ST 1+RU 42) | 13.33790 | -0.00208 | 0.05168 | 0.01947 | 10492 | -0.00155 | 50.845 |
| CANFLEX-ST Ⅱ(ST 1+RU 42) | 13.56584 | -0.00189 | 0.05232 | 0.02164 | 10687 | -0.00073 | 50.887 |
| CANFLEX-ST Ⅲ(ST 1+RU 42) | 13.75805 | -0.00175 | 0.05299 | 0.02351 | 10907 | -0.00009 | 50.935 |
| CANFLEX-ST Ⅳ(ST 1+RU 42) | 13.96273 | -0.00119 | 0.05409 | 0.02541 | 11133 | -0.00002 | 50.974 |
| CANFLEX-C1(ST 1+RU 42) | 15.43466 | -0.00117 | 0.05081 | 0.03925 | 12993 | 0.00037 | 51.473 |
| CANFLEX-C8(ST 1+RU 42) | 12.69027 | -0.00149 | 0.05796 | 0.04228 | 12368 | 0.00081 | 57.198" |
상기 표 1에서, MLHR의 값 중에서 "가 표시된 것은 외환봉에 의한 값이고, 표시가 없는 값들은 내환봉에 의한 값을 나타낸다.
그리고, NU는 천연 우라늄(Natural Uranium)을,
RU는 회수 우라늄(Recovered Uranium)을,
CANFLEX-ST Ⅰ은 스테인레스 스틸봉을,
CANFLEX-ST Ⅱ는 10%의 환봉(annular rod)을,
CANFLEX-ST Ⅲ는 20%의 환봉을,
CANFLEX-ST Ⅳ는 30%의 환봉을 나타내고, 이때 %는 스테인레스 스틸봉의 부피 대비 중공의 부피를 의미하고,
CANFLEX-C1은 중심봉이 흑연(graphite)인 봉을,
CANFLEX-C8은 중심봉과 내환봉이 흑연(graphite)인 봉을 각각 나타낸다.
상기 표 1에 도시된 바와 같이 여러 상태의 핵연료를 비교하면, 기존 핵연료의 냉각재 기포반응도는 14.41mk인 것에 대하여, 본 발명에 의한 0.9% 저 농축 혹은 순환우라늄 핵연료 다발(50)의 중심봉(51)으로 스테인레스 스틸봉을 사용하게 되면, 냉각재 기포반응도가 1.08mk 낮아지게 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료는 중심봉(51), 내환봉(52), 중환봉(53), 외환봉(54)으로 이루어진 핵연료 다발(50)의 중심봉(51)으로 스테인레스 스틸봉을 사용함으로써 상기 스테인레스 스틸봉(51)이 정상운전시에는 감속재로 사용되게 되므로 중성자 경제성이 향상되는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료는 중간 연소도에서 중심봉으로 스테인레스 스틸봉을 사용하게 되므로 기포반응도가 감소되는 효과를 제공한다.
더불어, 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료는 상기 중심봉에 중공이 형성되어 있기 때문에 스테인레스 스틸의 양을 임의로 조절하여 방출연소도는 크고 기포반응도는 극소화시킬 수 있는 핵연료를 조성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료는 기포반응도가 감소되므로 원자로의 안정도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
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- 중심봉, 내환봉, 중환봉, 그리고 외환봉으로 이루어진 핵연료에서 기포반응도가 감소되도록 상기 중심봉이 스테인레스 스틸로 형성된 것을 특징으로 하는 저기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료.
- 제5항에 있어서,상기 스테인레스 스틸로 이루어진 중심봉은 그 축방향으로 중공이 형성된 것을 특징으로 하는 저 기포반응도용 저 농축우라늄 핵연료.
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