KR100821373B1 - 비대칭 열유속 개선 환형 핵연료봉 - Google Patents

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Abstract

환형 핵연료봉은, 외부 피복관과, 상기 외부 피복관과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관보다 작은 직경을 갖는 내부 피복관과, 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이에 축방향을 따라 장입된 복수의 환형 소결체부를 포함한다. 상기 복수의 환형 소결체부 중 적어도 하나는 상기 내부 피복관측에 인접하도록 장입되는 내부 환형 소결체와, 상기 내부 환형 소결체에 중앙 간극을 가지며 외부 피복관측에 인접하도록 장입되는 외부 환형 소결체를 갖는다. 여기서, 상기 내부 및 외부 환형 소결체는 중성자 조사에 의한 치수 변화 특성이 상이하다. 즉, 상기 내부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도가 상기 외부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도보다 높다. 이로써, 상기 환형 핵연료봉은 열유속의 비대칭문제를 개선할 수 있다.
환형 소결체(annular pellet), 환형 핵연료봉(annular nuclear fuel rod), 열유속(heat flux), 내부 환형 소결체(inner annular pellet), 외부 환형 소결체(outer annular pellet)

Description

비대칭 열유속 개선 환형 핵연료봉{Annular nuclear fuel rod for improving the heat flux split}
도1a 및 도1b는 각각 통상적인 환형 소결체의 예를 나타내는 사시도이다.
도2a 및 도2b는 도1a에 도시된 핵연료 소결체를 채용한 핵연료봉에서 핵연료 연소에 따른 소결체 형상 변화를 나타내는 모식도이다.
도3a 및 도3b는 도1b에 도시된 핵연료 소결체를 채용한 핵연료봉에서 핵연료 연소에 따른 소결체 형상 변화를 나타내는 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 환형 핵연료봉의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도5는 도4에 환형 핵연료봉에 채용된 환형 소결체를 나타내는 사시도이다.
도6a 및 도6b는 도5에 도시된 핵연료 소결체를 채용한 핵연료봉에서 핵연료 연소에 따른 소결체 형상 변화를 나타내는 모식도이다.
도7은 소결밀도에 따른 재소결 후의 핵연료 소결체 치수변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 환형 소결체에 관한 것으로서, 특히 내부 피복관 및 외부 피복관과 내부 환형 소결체 및 외부 환형 소결체로 구성되는 환형 핵연료봉에 관한 것이다.
일반적으로, 이산화 우라늄(UO2) 소결체(pellet)는 상용 원자로의 핵연료로서 가장 널리 사용되고 있다. 주로 UO2 소결체는 실린더 형상(예, 직경: 약 9 ㎜, 길이: 약 10 ㎜)으로 사용되는데, 일정량(예, 1∼5 중량%)의 U235를 함유하며 원자로에서 사용 중에 U235가 중성자에 의해서 붕괴하면서 핵분열 에너지를 발생한다.
통상적인 이산화 우라늄 (UO2) 소결체의 제조방법의 일 예는 다음과 같다. UO2 분말과 10% 내외의 U3O8 분말, 소량의 윤활제, 기공형성제 등과 함께 혼합하고 압축 성형하여 성형체(compact)를 마련하며, 이 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600∼1800 ℃ 온도로 2∼4 시간 동안 소결한다. 이러한 환원성 기체는 수소 기체 또는 수소에 수증기, 불활성 기체, 이산화탄소 중의 하나 이상의 기체를 혼합한 기체일 수 있다. 성형체의 밀도는 이론밀도의 약 50∼70 % 이고, 소결체의 밀도는 핵연료 집합체 내의 핵물질 장전량, 핵분열 생성물의 방출 특성, 핵연료 팽윤(swelling) 등과 밀접한 관계를 가지므로 상용 경수로 핵연료의 경우 기술 시방 에서 이론밀도의 95.5±1 %으로 엄격히 관리된다.
상용 원자로에서는 상기 소결체를 소정의 길이(예, 약 4 m)를 갖는 지르코늄 합금 피복관에 장입한 봉형태를 핵연료로 사용한다. 이러한 상용 핵연료봉은 온도와 열유속(heat flux) 관점에서 성능에 제한을 받는다.
상기 소결체는 핵연료로서의 여러 장점을 가지고 있지만, 금속 또는 질화물 핵연료에 비하여 열전도도가 낮기 때문에 핵분열에 의해서 발생한 열이 냉각수까지 빨리 전달되지 못하게 되고, 소결체 온도는 냉각수보다 매우 높아지게 된다. 예를 들어, 냉각수 온도는 320∼340 ℃ 범위에 있으며, 소결체 온도는 중심이 가장 높고 표면이 가장 낮은데, 정상적으로 연소하는 핵연료봉에서 소결체 중심온도는 1000∼1500 ℃ 범위에 있다.
소결체가 높은 온도 상태에 있으면 여러 가상 원자로 사고에서 안전성에 대한 여유도를 잠식하는 결과를 낳는다. 예를 들어, 냉각수 상실사고에서는 사고 직전 핵연료의 온도가 높을수록 여유도가 작아진다.
또한, 핵연료봉의 열유속이 높아지면 핵비등 이탈(departure of nucleate boiling)이 발생할 수 있다. 핵비등 이탈이 발생하면 피복관 표면에 기포 막(film)이 형성되기 때문에 열전달이 심하게 저하되어 핵연료봉이 파손될 수 있다.
상기한 문제를 개선하고자 제안된 환형 핵연료봉(미국특허 3,928,132호, Roko Bujas, Annular fuel element for high temperature reactor, 1975)은 도 1a 및 도2a에 도시된 바와 같이 외부 피복관(11), 상기 외부 피복관(11)과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관(11)보다 작은 직경을 갖는 내부 피복관(12), 상기 외부 피복관(11)과 상기 내부 피복관(12) 사이에 장입되는 환형 소결체(15)로 구성된다.
상기 종래의 환형 핵연료봉(10)은 실린더 형상의 상용 핵연료봉에서 가장 온도가 높은 중심을 따라서 냉각수를 추가로 흘려주기 때문에 핵연료봉 평균 온도는 크게 감소하고, 또한 핵연료봉 당 열전달 면적이 크게 증가하여 열유속(heat flux)이 감소하므로 열적 여유도의 향상을 기대할 수 있을 것이다.
그러나, 상기 종래의 환형 핵연료봉의 환형 소결체에서 발생하는 열은 내부 피복관과 외부 피복관 양쪽을 통해서 냉각수로 전달되므로, 어느 한쪽으로 열이 많이 전달되면 다른 쪽은 그 만큼 전달 열이 감소한다. 발생 열이 양쪽 피복관 중에서 어느 피복관을 통해서 더 많이 전달되는가 하는 것은 양쪽의 열저항과 관련이 있는데, 열저항이 작은 쪽으로 더 많은 열이 분배되어 흐르기 때문에 한쪽 피복관의 열유속(heat flux)이 다른 피복관보다 매우 높아지는 문제가 발생한다.
환형 핵연료봉에 존재하는 열저항은 소결체 자체의 열저항과 소결체와 피복관 사이에 존재하는 간극(gap)의 열저항, 그리고 피복관 자체의 열저항으로 구분할 수 있는데, 상기 3개의 열저항 중에서 소결체 및 피복관의 열저항은 재료 자체의 열물성이므로 핵연료봉이 원자로에서 연소하는 동안 거의 변하지 않는다. 반면에, 간극의 열저항은 간극 크기에 비례하기 때문에 환형 핵연료봉이 원자로에서 연소하는 동안 핵연료 소결체의 부피 변화 및 피복관의 변형에 따라 내부 간극 크기(Di) 및 외부 간극 크기(De)가 변하므로 달라질 수 있다.
제조 후 환형 소결체(15)와 피복관(11,12) 사이의 간극은 열저항을 줄이기 위해서 제조 가능한 범위(예: 50∼100㎛ 범위) 안에서 작게 설정된다.
원자로에서 환형 핵연료봉이 연소하는 동안 환형 소결체는 로내 고밀화 및 열팽창, 팽윤에 의해서 부피 변화를 일으킬 수 있다. 열팽창에 의한 부피 혹은 직경의 팽창은 핵연료 소결체 온도가 정상 상태에 이르면 일정한 값을 가진다. 하지만 로내 고밀화 및 팽윤에 의한 부피 변화(ΔV/V 0 in %)는 핵연료 연소도에 의존하여 변화하며 다음 식(1)과 같이 표현된다.
Figure 112007037920620-pat00001
여기서, Δρsat은 연소 중 로내 고밀화에 의한 최대 치밀화량(%TD, Theoretical Density), BU는 연소도 (MWd/tU), τ는 연소도 상수이다. 식 (1)의 첫번째 항은 로내 고밀화에 의한 부피 감소분을 의미하고, 두번째 항은 기지상의 팽윤(matrix swelling)에 의한 부피 증가분으로 팽윤 속도는 10000 MWd/tU당 1% 정도임을 나타낸다.
핵연료 연소가 일정 시간 이상 진행되면 팽윤에 의해서 환형 소결체의 외경, 내경이 점진적으로 증가된다. 따라서 환형 소결체의 치수변화는 내부 간극을 크게 하고 외부 간극을 줄이게 된다. 한편 냉각수 압력이 높기 때문에 내부 피복관과 외부 피복관은 모두 환형 소결체 방향으로 점진적으로 변형하게 되고, 이러한 피복관의 변형도 내부간극 및 외부간극을 감소시키는 요인이 될 수 있다.
도1b에 도시된 바와 같이, 상기 종래의 환형 핵연료봉(10)이 원자로에서 연소하는 동안에 외부 간극(D'e)가 내부 간극(D'i)보다 작아지며, 시간이 경과하면 외부 피복관(11)과 환형 소결체(15)가 접촉하면서 외부 간극(D'e)이 소멸하고 내부 간극(D'i)이 존재하는 상태가 유지된다. 이러한 내/외부간극 크기의 변화에 의해서 열저항은 크게 영향을 받는다. 즉, 외부 방향의 열저항이 내부 방향의 열저항보다 현격히 작아진다.
이러한 열저항 변화에 의해서 외부 피복관(11)의 열유속이 증가하고 내부 피복관(12)의 열유속은 그만큼 감소된다. 특히, 연소 중에 외부 간극(D'e)이 소멸하고 내부 간극(D'i)은 그대로 남아있을 경우에는 외부 피복관(11)의 열유속이 내부 피복관(12)보다 과도하게 높아지는 문제가 발생한다. 따라서 상기 종래의 환형 핵연료봉(10)도 종래의 실린더 형상의 핵연료봉과 동일한 문제점을 갖는다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 특허 출원 2006-24120호에서는 도3a에 도시된 바와 같이, 외부 피복관(21)과 내부 피복관(21) 사이에서 장입방향으로 도1b에 도시된 환형 소결체(25)를 필요한 수만큼 배치하고 내부 환형 소결체(25a)와 외부 환형 소결체(25b) 사이에 약 100 ㎛ 크기의 중앙 간극(Dc)을 형성하여 내/외부 환형 소결체(25a,25b) 간의 열전달을 차단하여 환형 핵연료 연료봉에서의 비대칭 열유속을 개선시키고자 하였다.
이때 통상적인 경수로 핵연료 소결체 밀도인 95.5±1 %인 동일한 소결체를 사용하므로, 도3b에 도시된 바와 같이, 내부 환형 소결체(25a)와 외부 환형 소결체(25b)는 연소 후 동일한 경향으로 핵연료 소결체 형상이 변화한다. 결과적으로 연소 중에 외부 간극(D'e)이 소멸한 후에 내부 간극(D'i)이 있는 상태가 일정 시간 존재하므로, 거의 동일한 크기로 유지되는 중앙 간극(D'c)만으로는 비대칭적인 열저항 문제를 근본적으로 해결할 수는 없다.
본 발명의 목적은 종래의 환형 핵연료봉의 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 내부 피복관과 외부 피복관 사이에서 발생할 수 있는 열유속의 비대칭 문제를 개선할 수 있는 환형 핵연료봉을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은
외부 피복관과, 상기 외부 피복관과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관보다 작은 직경을 갖는 내부 피복관과, 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이에 축방향을 따라 장입된 복수의 환형 소결체부를 포함하며, 상기 복수의 환형 소결체부 중 적어도 하나는 상기 내부 피복관측에 인접하도록 장입되는 내부 환형 소결체와, 상기 내부 환형 소결체에 중앙 간극을 가지며 외부 피복관측에 인접하도록 장 입되는 외부 환형 소결체를 갖는 이중 구조이며, 상기 내부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도가 상기 외부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도보다 높은 환형 핵연료봉을 제공한다.
본 발명에서 요구되는 중성자 조사에 의한 원하는 치수 변화특성은 열유속 비대칭이 완화되도록 내부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도가 외부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도보다 높은 조건으로 선택되며, 이는 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
일 방안으로서, 상기 내부 환형 소결체의 밀도를 상기 외부 환형 소결체의 밀도보다 낮게 설정함으로써 원하는 치수변화특성을 구현할 수 있다. 이 경우에, 상기 내부 환형 소결체의 소결 밀도는 90∼95.4 %TD이며, 상기 외부 환형 소결체의 소결 밀도는 95.5∼99.5 %TD일 수 있다.
다른 방안으로서, 상기 내부 및 외부 환형 소결체의 미세조직을 상이하게 설정함으로써 원하는 치수변화특성을 얻을 수 있다.
바람직하게 고려될 수 있는 예로서, 상기 내부 환형 소결체의 결정립 크기를 상기 외부 환형 소결체의 결정립 크기보다 작게 설정하거나, 상기 내부 환형 소결체의 평균 기공크기는 상기 외부 환형 소결체의 평균 기공크기보다 작게 설정할 수 있다.
이러한 다양한 치수특성 변경방안은 단독으로 채택될 수 있으나, 2 이상을 조합하여 채택될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에서 요구되는 치수변화특성을 만족하는 환형 소결체부는 하나의 핵연료봉에 복수개 채용될 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 내부 환형 소결체는 우라늄, 플루토늄, 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료일 수 있으며, 이와 유사하게 상기 외부 환형 소결체도 우라늄, 플루토늄, 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 핵연료 연소과정에서 외부 환형 소결체와 내부 환형 소결체 사이의 중앙간극이 보장되도록 중성자 조사에 의한 핵연료 소결체의 치수 변화 특성을 이용하는 방안을 제공한다. 즉, 본 발명자는 외부 환형 소결체와 내부 환형 핵소결체의 치수변화 특성을 외부 간극과 함께 내부간극도 감소할 수 있도록 조절함으로써 열유속 비대칭(불균형)문제를 효과적으로 완화시킬 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태를 보다 상세하게 설명 한다.
도4은 본 발명의 일 실시형태에 따른 환형 핵연료봉(50)의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 환형 핵연료봉(50)은, 외부 피복관(51)과, 상기 외부 피복관(51)과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관(51)보다 작은 직경을 갖는 내부 피복관(52)와 그 사이에 장입된 복수의 환형 소결체부(45,55)를 포함한다. 상기 복수의 환형 소결체부(45,55)는 상기 외부 피복관(51)과 상기 내부 피복관(52) 사이에 축방향을 따라 장입된다.
상기 환형 핵연료봉(50)은 본 발명에서 요구되는 환형 소결체부(55)와 함께 다른 형태의 환형 소결체(45)를 채용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 각 환형 소결체부(45,55)는 상기 내부 피복관(52)측에 인접하도록 장입되는 내부 환형 소결체(45a,55a)와, 외부 피복관측(51)에 인접하도록 장입되는 외부 환형 소결체(45a,55b)를 갖는 형태로 예시되어 있다. 상기 내부 및 외부 환형 소결체(45a와 45b, 55a와 55b)는 중앙 간극(Dc)을 가지며, 각각 외부 피복관(51)과 내부 피복관(52)에 소정의 내부간극과 외부간극을 갖도록 장입된다.
여기서, 상기 핵연료봉의 하부영역(50B)에 장입된 환형 소결체부(45)는 중성 자 조사에 의한 치수변화특성이 고려되지 않은 형태일 수 있다. 즉, 도3b에서 설명된 바와 같이 하부영역에 장입된 내부 및 외부 환형 소결체(45a,45b)는 동일한 조건으로 제조된 소결체이므로, 중성자 조사에 의한 치수변화특성이 거의 동일할 수 있다. 따라서, 핵연료 연소과정이 진행될수록 외부 간극이 감소되어 소멸되는 반면에 내부 간극이 증가되어 열유속 비대칭이 커진다.
이에 반해, 상기 핵연료봉의 상부영역(50A)에 장입된 환형 소결체부(55)는 본 발명에서 제시한 중성자 조사에 의한 치수변화특성의 조건에 따라 설계된다.
도5에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 채용되는 환형 소결체(55)는, 내부 환형 소결체(55a)와, 상기 내부 환형 소결체(55a)에 중앙 간극(Dc)을 갖는 외부 환형 소결체(55b)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 내부 환형 소결체(55a)와 상기 외부 환형 소결체(55b)는 내부 환형 소결체(55a)가 상기 외부환형 소결체보다 높은 로내 고밀화 정도를 갖도록 중성자 조사에 의한 치수 변화 특성이 서로 상이하다. 이러한 치수변화특성에 의해 열유속 비대칭 문제를 완화시킬 수 있다.
본 실시형태에서, 본 발명에서 요구되는 치수변화특성은 상기 내부 환형 소결체(55a)의 소결밀도를 상기 외부 환형 소결체(55b)의 소결밀도보다 낮게 설정함으로써 실현될 수 있다. 소결밀도 차이에 의한 치수변화특성조건은 내부 및 외부 환형 소결체(55a,55b)의 물질이 서로 동일하더라도 적절히 구현될 수 있으며, 물론 상기 내부 및 외부 환형 소결체(55a,55b)의 물질은 동일한 경우로 한정되는 것은 아니다.
도6a 및 도6b는 각각 도4에 도시된 핵연료봉 중 핵연료 소결체의 치수변화특성을 설명하기 위한 모식도이다.
도6a를 참조하면, 핵연료 연소 전에 장입된 상태에서, 상기 내부 및 외부 환형 소결체(55a,55b)는 서로 중앙간극(Dc)을 갖도록 배치되며, 상기 내부 환형 소결체(55a)와 내부 피복관(52) 사이에 내부간극(Di)이 존재하며, 상기 외부 환형 소결체(55b)와 외부 피복관(51)사이에는 외부간극(De)이 존재한다.
핵연료 연소가 시작되면, 내부 및 외부 핵연료 소결체(55a,55b)는 중성자 조사에 의해 치수변화가 상이한 거동을 갖는다.
예를 들어, 내부 핵연료 소결체(55a)가 소결밀도 약 95%TD 인 상용 경수로 핵연료 소결체의 경우에, 약 10000 MWd/tU 정도까지는 로내 고밀화에 의하여 약 1∼1.5%TD 정도 밀도가 증가하고 그 후에는 팽윤에 의하여 밀도가 감소한다. 즉, 핵연료 소결체 외경은 약 10000 MWd/tU 정도까지는 로내 고밀화에 의하여 0.3∼0.5% 감소하고 그 후에는 팽윤에 의하여 증가한다.
이와 달리, 외부 환형 소결체(55b)와 같이 소결밀도가 상대적으로 높은 경우 에는 로내 고밀화가 거이 일어나지 않고 바로 팽윤이 일어나 밀도가 감소하고 외경이 늘어날 것이다.
따라서, 내부 환형 소결체(55a)는 상대적으로 낮은 밀도를 가져 로내 고밀화가 많이 일어나는데 반해, 외부 환형 소결체(55b)는 상대적으로 높은 밀도를 가져 로내 고밀화 없이 팽윤이 바로 일어날 수 있다.
그 결과, 도6b에 도시된 바와 같이, 연소 초기에는 외부 간극(D'e)과 함께 내부 간극(D'i)도 감소되거나 거의 소멸될 수 있다. 한편, 중앙 간극(D'c)은 설계 값보다 증가한다. 물론, 연소도가 증가하여 일정 시간이 경과하면 내부 환형 소결체(55a)의 로내 고밀화가 포화되고 내부 환형소결체(55a) 역시 팽윤에 의하여 부피와 외경이 늘어나지만, 내부 피복관(52)이 내부 환형 소결체(55a) 쪽으로 변형되므로 그 팽윤시점이 다소 다르더라도 내부 간극(D'i)이 외부 간극(D'e)과 유사하게 거의 소멸할 수 있다. 설령 내부 간극(D'i)이 존재하더라도 종래의 환형 핵연료봉의 내부 간극(도3b 참조)보다 로내 고밀화에 의한 내경 감소분에 해당하는 만큼 작은 내부간극(D'i)을 가질 수 있다.
이와 같이, 내부 간극((D'i))의 증가가 억제되어 외부 간극(D'e)과 유사하게 감소되거나 소멸됨으로써, 내부 피복관(52)과 외부 피복관(51) 사이에서 발생할 수 있는 열유속의 비대칭, 불균형 문제를 개선할 수 있다. 또한, 그 결과, 중앙 간극(D'c)이 초기 설계값(Dc)보다 증가하여 중앙 간극(D'c)에 의한 열전달 효과가 증배될 수 있을 것이다.
바람직하게, 내부 환형 소결체(55a)의 저밀도조건과 외부 환형 소결체(55b)의 고밀도 조건을 적절히 조합함으로써 핵물질 장전량에 영향을 주지 않고 열유속의 비대칭, 불균형 문제를 해결할 수 있다. 이러한 효과를 위해서, 내부 환형 소결체(55a)는 상용 경수로 핵연료 밀도인 95.5 %TD 보다 밀도가 낮아 로내 고밀화가 많이 일어날 수 있는 밀도 90∼95.4 %TD 소결체를 이용하고, 외부 환형 소결체(55b)로는 상용 경수로 핵연료 밀도인 95.5 %TD 보다 밀도가 높아서 로내 고밀화보다 팽윤이 우세하게 일어나는 밀도 95.5∼99.5 %TD 소결체를 각각 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 도4에 도시된 핵연료봉과 같이 열유속 비대칭 개선을 위한 핵연료 소결체부의 장입개수나 위치에 의해 한정되지는 않는다. 즉, 본 발명에 따른 핵연료 소결체부는 필요한 위치에 1개 이상이 배치될 수 있으며, 나아가, 필요에 따라 전체 핵연료 소결체부를 본 발명의 핵연료 소결체부로 대체할 수도 있다.
다만, 일반적으로 환형 핵연료봉에서 열유속이 문제가 되는 영역은 냉각수 온도가 상대적으로 높은 핵연료봉의 상부이므로, 본 발명의 핵연료 소결체부를 상부에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 그핵연료봉의 구조에 따라 열유속개선을 위한 필요한 적정수로 배치될 수 있다.
본 실시형태에서 하부영역에 장입된 통상의 핵연료 소결체부(45)는, 내부 환형 소결체(45a)와 외부 환형 소결체(45b)의 조합으로 형성된 복수의 이중구조 환형 소결체로서 예시되어 있으나, 종래의 다른 형태인 일체형 환형 소결체(도 1a 참조)를 사용할 수도 있다. 이와 같이, 부분적으로 일체형 환형 소결체(45)를 사용하는 경우에, 중앙간극의 부피만큼 하나의 소결체부 당 발생열이 증가시킬 수 있으며 제조가 용이하므로, 경제성 측면에서 유리하다.
본 실시형태에서는, 내부 피복관과 외부 피복관 사이에서 발생할 수 있는 열유속의 비대칭, 불균형 문제를 개선하기 위해서, 서로 다른 소결밀도를 갖는 내부/외부 환형 소결체(55a,55b)를 채용한 환형 핵연료봉(50)을 예시하여 설명하였으나, 본 발명에서 제시하는 치수변화특성의 조건을 만족하는 다른 방안이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 및 외부 환형 소결체의 미세조직을 상이하게 설정함으로써 소결밀도를 이용한 경우와 유사하게 로내 고밀화조건을 만족하는 조건을 얻을 수 있다.
일반적으로, 소결체의 결정립크기가 작은 경우에는 기공의 크기가 작고, 물질이동 구동력이 큰 상태이므로, 로내 고밀화가 쉽게 일어날 수 있다. 다른 한편, 동일한 결정립 크기일 경우에는 평균 기공크기가 작은 소결체에서 로내 고밀화가 쉽게 일어날 수 있다.
따라서, 바람직한 예로는, 상기 내부 환형 소결체의 결정립 크기를 상기 외부 환형 소결체의 결정립 크기보다 작게 설정하거나, 상기 내부 환형 소결체의 평균 기공크기는 상기 외부 환형 소결체의 평균 기공크기보다 작게 설정할 수 있다.
또한, 상기 내부 환형 소결체와 상기 외부 환형 소결체는 상이한 기공분포를 갖도록 설정함으로써 원하는 치수변화특성을 실현할 수 있다. 보다 구체적으로, 기공크기 분포가 정상분포가 아니어서 평균 기공크기를 구할 수 없는 이중모드(bimodal) 분포를 하는 경우에는, 내부 환형 소결체에는 작은 기공크기 모드가 높은 환형 소결체를 사용하고, 외부 환형 소결체에는 큰 기공크기 모드가 높은 환형 소결체를 사용함으로써 실현할 수 있다.
이러한 다양한 치수특성 변경방안은 단독으로 채택될 수 있으나, 2 이상을 조합하여 채택될 수 있다.
본 발명의 치수변화특성조건으로 언급되는 로내 고밀화는 여러 방법을 통해 추정/평가될 수 있다. 일반적인 추정/평가방법으로는, 미세조직학적 정량분석 결과 를 바탕으로한 이론적인 모델 계산에 의한 방법과, 재소결 시험에 의한 밀도 변화와 중성자 조사에 의한 밀도 변화 간의 상관관계를 이용하여 실험적으로 모사하는 방법이 있다.
재소결 시험에 의한 방법이 비교적 간단하기 때문에 통상적인 핵연료 소결체 생산 공정에서는 재소결 시험 방법으로 로내 고밀화 정도를 예상한다. 일반적인 상용 소결체의 경우, 수소 분위기, 1700℃, 24시간 재소결하는 조건은, 연소도 3500 MWd/tU 시의 로내 고밀화에 의한 밀도 변화를 모사하고, 1700℃, 100시간 재소결하는 조건은 8500 MWd/tU 정도의 연소도를 모사하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 소결밀도가 다른 여러 종류의 환형 소결체를 제조한 후 수소 분위기, 1700℃, 24시간 재소결하여 밀도, 외경, 내경, 길이 변화를 측정하여 원자로 내에서의 중성자 조사에 의한 치수 변화를 모사하였다.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항을 본 발명의 실시예를 이용하여 설명한다.
(실시예)
ADU-UO2 분말을 40 MPa의 압력으로 예비 성형하여 덩어리를 만들고 상기 덩어리를 파쇄하여 과립을 제조하였다. 과립에 윤활제로서 스테아르산 아연(zinc stearate)를 혼합한 후, 외경 17.55 ㎜, 내경 12.35 ㎜의 환형 성형 몰드에 분말을 장입하여 3 ton/㎠의 압력으로 환형 성형체를 성형하였다.
상기 성형체를 수소 기체 분위기에서 300 K/h의 가열 속도로 소결 온도까지 가열한 후에 일정 시간동안 유지하여 여러 소결 밀도를 가지는 환형 소결체들을 제조하였다. 원하는 소결밀도를 얻기 위해서, 1450 ℃에서 1730 ℃ 사이의 온도에서 소결 온도와 소결 시간을 선택하였다. 즉, 표1에 나타난 소결 온도 및 시간을 선택하여 원하는 소결 밀도를 갖는 소결체(A,B,C,D,E)를 얻었다.
구분 A B C D E
소결조건 온도(℃) 1450 1500 1700 1730 1730
시간 15분 15분 15분 4시간 12시간
소결밀도(%TD) 91.85 92.66 95.31 97.02 97.60
상기 방법으로 제조한 환형소결체의 외경, 내경, 길이를 마이크로미터를 이용하여 측정하였고, 소결 밀도는 부력법으로 측정하였다.
재소결 시험은 상기 환형 소결체를 수소 분위기, 1700 ℃, 24시간(연소도 3500 MWd/tU 시에 상응조건) 가열하여 시험하였다. 상기 방법으로 시험한 재소결 환형 소결체의 외경, 내경, 길이를 마이크로미터를 이용하여 측정하였고, 재소결 밀도는 부력법으로 측정하였다.
상기 환형 소결체 제조 조건 및 재소결 시험 전, 후의 환형 소결체 치수, 밀도 데이터를 아래 표2에 나타내었다. 도7은 소결 밀도에 따른 재소결 후 환형 소결체의 치수 변화를 나타낸다.
평가 항목 A B C D E
밀도(%TD) 재소결전 91.85 92.66 95.31 97.02 97.60
재소결후 98.12 97.69 97.42 97.81 97.70
외경(㎜) 재소결전 13.776 13.687 13.478 13.538 13.421
재소결후 13.471 13.424 13.358 13.471 13.437
내경(㎜) 재소결전 10.344 10.315 10.216 10.247 10.216
재소결후 10.236 10.195 10.150 10.229 10.215
길이(㎜) 재소결전 10.134 10.175 10.240 9.929 9.929
재소결후 9.885 9.965 10.183 9.910 9.931
이와 같이, 환형 핵연료봉에 내부/외부 환형 소결체를 서로 다른 밀도를 가져 중성자 조사에 따른 치수 변화 특성이 다른 내부/외부 환형 소결체를 장입하면 내부 피복관과 외부 피복관 사이에서 발생할 수 있는 열유속의 비대칭, 불균형 문제를 개선할 수 있다.
예를 들면, 내부 환형 소결체는 A 내지 C와 같이, 상용 경수로 핵연료 밀도인 95.5%TD 보다 밀도가 낮아 로내 고밀화가 많이 일어날 수 있는 밀도 90∼95.4 %TD 소결체를 이용하고, 외부 환형 소결체로는 D 및 E와 같이, 상용 경수로 핵연료 밀도인 95.5 %TD 보다 밀도가 높아서 로내 고밀화보다 팽윤이 우세하게 일어나는 밀도 95.5∼99.5 %TD 소결체를 각각 사용하면 연소 초기에 외부 간극과 내부 간극을 각각 감소시키거나 소멸시킬 수 있고 중앙 간극은 설계 값보다 증가한다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 고밀도와 저밀도 소결체의 조합은 핵물질 장전량에 영향을 주지 않고 열유속의 비대칭, 불균형 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상술한 실시예와 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 아래의 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 아래의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
예를 들면, UO2와 동일한 격자 구조를 갖는 핵물질인 이산화 플루토늄 (PuO2), 이산화 토륨(ThO2) 등이 UO2와 일부 및 전부가 치환된 핵연료 소결체도 밀도에 따라 중성자 조사에 의한 로내 고밀화 거동과 팽윤 거동이 유사하므로 상기 핵연료에도 본 발명은 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 환형 핵연료봉이 가지는 열유속의 불균형 문제를 해결할 수 있으며, 또한 외부 환형 소결체 및 내부 환형 소결체의 밀도 또는 핵분열성 물질을 조절함으로써 내부 피복관 및 외부 피복관의 열유속을 조절할 수 있으므로, 궁극적으로 환형 핵연료봉의 안전성을 증진하는 개선된 효과를 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 외부 피복관;
    상기 외부 피복관과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관보다 작은 직경을 갖는 내부 피복관; 및
    상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이에 축방향을 따라 장입된 복수의 환형 소결체부를 포함하며,
    상기 복수의 환형 소결체부 중 적어도 하나는 상기 내부 피복관측에 인접하도록 장입되는 내부 환형 소결체와, 상기 내부 환형 소결체에 중앙 간극을 가지며 외부 피복관측에 인접하도록 장입되는 외부 환형 소결체를 갖는 이중 구조이며,
    상기 내부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도가 상기 외부 환형 소결체의 로내 고밀화 정도보다 높은 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 환형 소결체의 밀도는 상기 외부 환형 소결체의 밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내부 환형 소결체의 소결 밀도는 90∼95.4 %TD이며, 상기 외부 환형 소결체의 소결 밀도는 95.5∼99.5 %TD인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 환형 소결체의 결정립 크기는 상기 외부 환형 소결체의 결정립 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 환형 소결체의 평균 기공크기는 상기 외부 환형 소결체의 평균 기공크기보다 작은 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내부 환형 소결체와 상기 외부 환형 소결체는 상이한 기공분포를 갖는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이중 구조를 갖는 환형 소결체부는 복수개인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내부 환형 소결체는 우라늄, 플루토늄, 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 환형 핵연 료봉.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외부 환형 소결체는 우라늄, 플루토늄, 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
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