KR100836954B1 - 요철을 구비한 환형 소결체를 포함하는 환형 핵연료봉 - Google Patents

Abstract

환형 소결체의 원주표면에 요철을 구비함으로써 피복관과 소결체 사이의 간극을 유지하게 하고 핵연료봉의 연소 중에 소결체 원주표면의 온도를 높게 유지하는 것이 가능한 환형 핵연료봉이 제공된다.

본 발명에 따른 환형 핵연료봉은 외부 피복관, 상기 외부 피복관과 동심축으로 배치되며 상기 외부 피복관 보다 작은 직경을 갖는 내부 피복관, 그리고 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이에 장입되는 다수의 환형 소결체를 포함하며, 상기 환형 소결체는 내부 및 외부 피복관과 접하는 원주표면 중 적어도 어느 하나 이상의 원주표면에 축방향 또는 원주방향으로 돌기 및 홈으로 된 요철이 형성된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 환형 소결체에서 발생하는 림 구조(rim structure)의 형성을 억제하여 궁극적으로 환형 핵연료봉의 안전성을 증진하는 개선된 효과를 얻을 수 있다.

환형 소결체(annular pellet), 환형 핵연료봉(annular fuel rod), 림 구조 (rim structure), 요철 (prominence and depression)

Description

요철을 구비한 환형 소결체를 포함하는 환형 핵연료봉 {A nuclear annular fuel rod including annular pellets with prominence and depression}

도 1a는 종래의 실린더 형상의 핵연료봉의 단면도이고, 도 1b는 종래의 실린더 형상의 핵연료봉에 사용되는 소결체의 사시도를 나타낸다.

도 2a는 종래의 환형 핵연료봉의 단면도이고, 도 2b는 종래의 환형 핵연료봉에 사용되는 환형 소결체의 사시도를 나타낸다.

도 3a는 종래의 환형 소결체가 2개의 내부 환형 소결체와 외부 환형 소결체로 분리된 다른 환형 핵연료봉의 단면도이고, 도 3b는 상기 환형 핵연료봉에 사용되는 환형 소결체의 사시도를 나타낸다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 환형 핵연료봉의 단면도이고, 도4b는 요철을 구비한 환형 소결체의 사시도를 나타낸다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 환형 소결체의 요철의 형상과 배열을 나타낸다.

도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환형 소결체의 요철의 형상과 배열을 나타낸다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 환형 소결체가 적층되어 구성되는 환형 핵연료 봉을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 환형 핵연료봉 120 : 환형 소결체

121 : 내부 환형 소결체 122 : 외부 환형 소결체

111 : 내부 피복관 112 : 외부 피복관

131 : 내부 간극 132 : 중앙 간극

133 : 외부 간극 140 : 밀봉부

141 : 축방향 홈 142 : 축방향 돌기

151 : 원주방향 홈 153 : 원주방향 돌기

161 : 돌기 162 : 홈

본 발명은 내부 피복관 및 외부 피복관이 동심축을 이루고 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이에는 환형 소결체가 장입되는 환형 핵연료봉에 관한 것으로, 특히 내부 및 외부 피복관과 접하는 환형 소결체의 원주표면 중 적어도 어느 하나의 원주표면에 축방향 또는 원주방향으로 돌기 및 홈으로 된 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉에 관한 것이다.

도 1a는 상용 원자로에서 사용하고 있는 실린더 형상의 핵연료봉의 단면도이고, 도 1b는 실린더 형상의 핵연료봉에 사용되는 소결체(2)의 사시도를 나타낸다.

현재 상용 원자력 발전에 사용되고 있는 종래의 실린더 형상의 핵연료봉은 지르코늄 합금(zircaloy:약간의 크롬과 철을 혼합한 지르코늄과 주석의 합금)으로 된 피복관(1)과 원기둥 형상의 정제로 성형 소결된 다갈색의 펠릿으로 된 소결체(2)로 구성되며, 상기 피복관(1)의 반경방향으로는 1개의 소결체(2)가 존재하고 상기 피복관의 길이 방향으로는 다수의 소결체가 적층되어 장입되고 양 끝은 밀봉된다. 그리고 상기 피복관(1)과 소결체(2) 사이에는 간극(3)이 형성되어 있다. 소결체(2)는 우라늄, 플루토늄 등의 핵분열성 물질을 함유하고 있는 세라믹 재료로서, 상기 핵분열성 물질의 분말을 압축성형하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조된다. 소결체 재료는 통상적으로 이산화우라늄(UO₂)이 가장 널리 사용되고 있다.

원자로에서 핵연료봉이 연소하는 동안, 소결체(2)에서 발생하는 열은 간극(3)을 거쳐 피복관(1)을 통해서 핵연료봉의 외부를 흐르는 냉각수로 전달된다. 상기 피복관(1)은 열전도 성능을 위하여 통상 두께 1mm 이하로 제작된다.

이러한 구성을 갖는 종래의 실린더 형상의 핵연료봉은 온도와 열유속(heat flux) 관점에서 성능에 제한을 받는다. 구체적으로, 핵분열 시 소결체(2)의 중심 온도는 약 1200℃, 표면 온도는 약 600℃이며 핵연료봉의 표면온도는 각각 약 400℃ 정도이다. 이것은 소결체(2)의 열전도도가 낮기 때문에 핵분열에 의해서 생산된 열이 냉각수까지 신속하게 전달되지 못하게 되기 때문이고, 결국, 소결체(2)가 냉각수보다 매우 높은 온도를 갖게 된다.

이러한 종래의 실린더 형상의 핵연료봉 구조가 갖는 온도 및 열유속에 관한 한계를 극복하기 위해서 미국특허 3928132호(Roko Bujas, Annular fuel element for high temperature reactor, 1975)에는 핵연료봉의 구조를 환형(annular type)으로 하여 냉각수를 연료봉 외부와 연료봉 내부로 동시에 흐르게 하는 환형 핵연료봉이 개시되어 있다.

도 2a는 상기 종래의 환형 핵연료봉의 단면도이고, 도 2b는 종래의 환형 핵연료봉에 사용되는 환형 소결체의 사시도를 나타낸다.

이러한 종래의 환형 핵연료봉은 2개의 피복관(내부 및 외부)(11, 12)과, 2개의 피복관(11, 12) 사이의 공간에 장입되는 환형 소결체(20)로 구성되어 있다. 즉, 종래의 환형 핵연료봉은 환형 소결체(20)를 내부 피복관(11)과 외부 피복관(12)이 둘러싸고 있는 구조로서, 피복관의 직경방향으로는 1개의 환형 소결체(20)가 있고, 피복관의 축방향으로 다수의 환형 소결체(20)가 장입되는 구조를 갖는다. 그리고 핵연료봉의 양 끝단은 다수의 환형 소결체(20)를 스프링으로 누른 상태에서 피복관의 양끝을 용접하여 환형 소결체(20)를 밀봉한 형태로 이루어진다.

한편, 냉각수는 내부 피복관(11)의 안쪽 공간과 외부 피복관(12) 바깥쪽 공간을 흐르게 된다. 따라서 상기 종래의 환형 핵연료봉은 종래의 실린더 형상의 핵연료봉에서 가장 온도가 높은 중심을 따라 냉각수가 추가로 흐르는 구성을 취하게 되므로 소결체(20)의 온도가 크게 감소하고, 또한 핵연료봉당 열전달 면적이 크게 증가하여 열유속(heat flux)이 감소하게 되므로 열적 여유도의 향상을 기대할 수 있었다.

그런데 종래의 환형 핵연료봉은 소결체(20)의 연소 중에 내부 피복관(11)과 외부 피복관(12)의 열유속이 크게 차이나는 문제점이 발생하였고, 이를 해결하기 위해서 환형 소결체를 내부 환형 소결체와 외부 환형 소결체로 분리하여 둘 사이에 간극을 설치하는 기술이 도입되게 되었다. 이러한 예를 도 3a와 도 3b에 보인다. 도 3a는 환형 소결체(120)가 내부 환형 소결체(121)와 외부 환형 소결체(122)로 각각 분리되고 그 사이에 중앙간극(132)이 있는 환형 핵연료봉의 단면도를 나타내고, 도 3b는 상기 환형 핵연료봉(100)에 사용되는 내부 환형 소결체(121) 및 외부 환형 소결체(122)의 사시도를 나타낸다. 도3a의 환형 핵연료봉은 직경방향으로 2개의 환형 소결체(121, 122)가 있고, 축방향으로 다수의 내부 및 외부 환형소결체가 장입되는 구성으로 되어 있다.

현재 상용 원자로에서 사용하고 있는 실린더 형상의 이산화우라늄(UO₂) 소결체는 연소도가 50,000MWD/MTU 이상에 도달하면 피복관과 접하고 있는 소결체의 원주표면에 림 구조(rim structure) 또는 고연소 구조(high burnup structure)라 불리는 비정상 조직이 형성된다. 상기 림구조(rim structure)가 형성되면 소결체의 내부에 기공이 새롭게 형성되면서 부피가 팽창하는 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다. 소결체의 부피증가량은 림영역에서 약 10% 정도에 이르고 이러한 부피팽창으로 인하여 소결체 주위의 피복관에는 과도한 응력이 발생하여 피복관의 파손 을 초래할 수 있다.

이와 같은 림구조(rim structure)는 연소도가 높아지면서 핵분열에 의한 손상이 누적된 상태에서 온도가 낮으면 손상이 회복되지 못하기 때문에 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 림구조 (rim structure)가 형성되는 영역은 연소도가 국부적으로 높고 온도가 낮은 소결체 원주표면에 집중되어 형성된다. 림구조 (rim structure)는 소결체 원주표면에서 형성되기 시작하여 내부로 진행되는데 연소도가 높아짐에 따라서 두께가 증가한다. 연소도 60,000-70,000MWD/MTU 범위에서는 두께가 약 500㎛에 이르고 연소도가 100,000MWD/MTU에 이르면 1mm 까지 두께가 증가하게 된다.

이러한 실린더 형상의 소결체에서 발생하는 림구조 (rim structure) 현상은 환형 소결체에서 더욱 심하게 일어날 것으로 예상된다. 왜냐하면 환형 소결체는 내부영역과 외부영역이 동시에 냉각되기 때문에 온도가 낮은 영역이 양쪽에 존재하게 되고 또한 소결체 내부의 온도도 낮아지기 때문이다. 따라서 환형 핵연료봉은 종래 실린더형 핵연료봉에 비해서 소결체 림 구조(rim structure)에 의한 부피팽창이 크고 이것에 의한 피복관 파손이 증가할 것으로 예상되는 문제점이 있는 것이다.

본 발명의 목적은 종래의 환형 핵연료봉의 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 내부 및 외부 피복관과 접하는 원주표면 중 적어도 어느 하나 이상의 원주표면에 축방향 또는 원주방향으로 돌기 및 홈으로 된 요철을 형성하여 소결 체 원주표면의 온도를 높게 유지하도록 하는 환형 핵연료봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 돌기 또는 홈으로 이루어진 요철 형상의 다양한 실시예를 제시하여 효율적인 열전달 제어구조를 제시하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 환형 핵연료봉은,

외부 피복관; 상기 외부 피복관의 내 측에 상기 외부 피복관과 동심축으로 배치되는 내부 피복관; 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이의 공간에 축방향으로 장입되는 환형 소결체; 를 포함하며, 상기 환형 소결체는 상기 외부 피복관 및 내부 피복관과 접하는 원주표면 중 적어도 어느 하나 이상의 원주표면에 요철이 다수 형성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 환형 소결체는 상기 핵연료봉의 반경방향으로 장입되는 단일 몸체 형상이거나 또는 상기 핵연료봉의 동심축을 중심으로 2개로 분리된 내부 환형 소결체와 외부 환형 소결체가 각각 장입되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 환형 소결체는 우라늄, 플루토늄, 또는 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 요철은 축방향 또는 원주방향으로 그루브 형상의 홈과 이에 상응하는 형상의 돌기가 반복 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

뿐만 아니라, 상기 요철은 딤플형상의 홈과 이에 상응하는 형상의 돌기가 반 복 형성되어 이루어질 수도 있다.

한편, 상기 돌기와 홈은 환형 소결체의 축방향으로 연이어 각각 형성되고 동시에 원주방향으로는 교대로 형성되거나 또는 환형 소결체의 원주방향으로 연이어 각각 형성되고 동시에 축방향으로는 교대로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 환형 소결체는 축방향으로 다수개가 적층 장입되는 것을 특징으로 하며, 일부 영역에 요철이 없는 복수의 환형 소결체가 더 장입될 수 있고, 이때 상기 일부 영역은 상기 환형 핵연료봉의 양끝 밀봉영역인 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부 도면을 참조하여 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 환형 핵연료봉(100)의 단면도이고, 도 4b는 상기 환형 핵연료봉에 장입되어 사용되는 환형 소결체(120)의 사시도를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 환형 핵연료봉은 핵연료물질이 되는 환형 소결체(120), 상기 환형 소결체(120)가 다수 장입되는 피복관을 포함한다. 더 상세하게는, 상기 환형 소결체(120)는 내부 피복관(111) 및 외부 피복관(112)과 접하게 되는 2개의 원주표면 중 적어도 어느 하나 이상의 원주표면에 요철이 형성되어 있다. 상기 요철은 돌기(142)와 홈(141)으로 이루어지고, 상기 돌기(142)와 홈(141)은 다양한 형상을 가지며 여러 가지 배열이 가능하다. 환형 핵연료봉의 길이는 이것이 사용되는 원자로에 따라서 다르며, 통상 수십 cm부터 약 4m 범위에 있다.

또한, 상기 내부 및 외부 피복관(111, 112)의 양단은 용접에 의하여 내부 및 외부 환형 소결체를 밀봉한 구조를 가지며, 냉각수는 환형 핵연료봉(100)의 내부 피복관(111)의 안쪽과 외부 피복관(112)의 바깥쪽으로 흐르면서 상기 핵연료봉을 냉각하게 된다.

상기 내부 및 외부 피복관(111, 112)은 종래의 환형 핵연료봉과 실질적으로 동일한 구조이며, 일반적으로 지르코늄 합금 피복관이 사용된다.

상기 환형 소결체(120)는 우라늄, 플루토늄, 토륨과 같은 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료를 포함하며, 상기 핵분열성 물질의 분말을 압축 성형하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조된다.

이하, 환형 소결체(120)의 요철의 기능을 소결체 내부의 냉각수, 내부 피복관(111), 내부 간극(131), 환형 소결체(120), 외부 간극(133) 및 외부 피복관(112)을 참조하여 설명하기로 한다.

환형 핵연료봉이 원자로에서 연소하는 동안 냉각수의 압력이 핵연료봉 내부의 압력보다 매우 높기 때문에 내부 및 외부 피복관(111, 112)은 모두 환형 소결체 방향으로 변형하게 된다. 따라서 연소도가 진행되면서 내부 및 외부간극(131, 133) 모두 크기가 감소하게 되고 통상적으로 연소도 20,000-30,000 MWD/MTU에 이르면 상 기 소결체와 피복관이 밀착하면서 간극이 없어지게 된다.

열전달 관점에서 보면, 소결체에서 발생하는 열은 간극과 피복관을 통하여 냉각수에 전달된다. 간극은 열저항이 크기 때문에 연소 초기에는 소결체 원주표면의 온도가 높고 간극이 없어지면 열저항이 작아져 열의 전도가 활발해지므로 소결체 원주표면의 온도가 낮아진다. 통상적인 핵연료봉 열출력에서는 간극의 온도상승으로 인한 소결체 원주표면의 온도상승은 약 50~100℃ 정도이다.

소결체 원주표면에 요철이 없는 종래 환형 핵연료봉에서는 연소도가 높아져서, 예를 들어, 30,000MWD/MTU에 도달해서 간극이 없어지면 소결체 원주표면의 온도가 약 50~100℃ 정도 낮아지게 된다.

본 발명이 제공하는 환형 핵연료봉은 피복관과 소결체가 밀착되더라도 접촉영역인 돌기 부위의 간극만 없어지고 홈 부위의 간극은 여전히 남아있기 때문에 소결체 원주표면의 온도를 상대적으로 높게 유지할 수 있게 된다. 이 경우 림 구조(rim structure)의 발생이 억제되는 장점이 있다. 또한 본 발명이 제공하는 환형 소결체는 상기 돌기가 차지하는 면적과 상기 홈의 깊이를 조절함으로써 원주표면의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 돌기 면적이 작을수록, 또는 홈 깊이가 클수록 열저항의 영향에 의하여 소결체 표면온도가 높아지게 된다.

본 발명에서 제공하는 환형 소결체의 요철은 돌기와 홈으로 구성되며, 상기 돌기와 홈은 그 형상과 배열을 다양하게 조절하는 것이 가능하다. 상기 요철의 홈이 그루브(groove) 형상을 갖는 경우의 다양한 실시예가 도 4b, 및 도 5a 내지 도 5f 에 도시되어 있다.

도 4b의 환형 소결체는 외측 원주 표면에 축방향으로 소정 깊이를 갖는 홈(141)이 연속적인 그루브(groove) 형상으로 형성되고 상기 홈(141)은 소결체의 외측 원주방향으로 일정 간격을 두고 돌기(142)와 함께 교대로 형성되는 구조를 갖는다.

도 5a 및 도 5b의 환형 소결체는 외측 또는 내측 원주 표면에 원주방향으로 소정 깊이를 갖는 홈(151)이 연속적인 그루브(groove) 형상으로 형성되고 상기 홈(151)은 소결체의 축방향으로 일정 간격을 두고 돌기(152)와 함께 교대로 형성되는 구조를 갖는다.

도 5c의 환형 소결체는 내측 원주 표면에 축방향으로 소정 깊이를 갖는 홈(141)이 연속적인 그루브(groove) 형상으로 형성되고 상기 홈(141)은 소결체의 내측 원주방향으로 일정 간격을 두고 돌기(142)와 함께 교대로 형성되는 구조를 가질 수도 있다.

도 5d 내지 도 5f는 환형 소결체의 외측 원주 표면과 내측 원주 표면 모두에 요철이 형성된 구조를 나타내며, 이 때 외측과 내측의 원주 표면에 형성되는 요철의 돌기와 홈의 형성방향은 축방향 또는 원주방향의 적절한 조합으로 구성될 수도 있음은 물론이다.

본 발명에서 제공하는 환형 소결체의 요철의 또 다른 측면으로 상기 홈은 엠보싱(embossing) 형상을 가질 수도 있으며 이때 돌기의 형상은 상기 엠보싱 형상을 갖는 홈에 상응하는 크기의 돌출구조를 갖는다.

도 6a의 환형 소결체(120)는 외측 원주 표면에 축방향으로 돌출구조를 갖는 돌기(161)가 다수 배열된 구조를 보여주고 있으며, 상기 돌기 대신 엠보싱 형상의 홈이 다수개 형성되는 구조(미도시)를 가질 수도 있음은 물론이다.

도 6b의 환형 소결체(120)는 외측 원주 표면에 축방향으로 홈(162)과 돌기(161)가 연이어 형성되되 원주방향을 따라 교대로 반복 형성되면서 원주 표면 전체에 걸쳐 모자이크 배열 구조를 갖는다.

도 6c의 환형 소결체(120)는 외측 원주 표면에 원주방향으로 홈(162)과 돌기(161)가 연이어 형성되되 축방향을 따라 교대로 반복 형성되면서 원주 표면 전체에 걸쳐 모자이크 배열 구조를 갖는 또 다른 구성을 보여준다.

도 6d의 환형 소결체(120)는 외측 원주 표면에 원주방향 또는 축방향으로 홈(162)과 돌기(161)가 서로 교차하며 연이어 반복 형성되면서 원주 표면 전체에 걸쳐 모자이크 배열 구조를 갖는 또 다른 구성을 보여준다.

상기 환형 소결체 원주표면에 형성되는 요철(돌기와 홈)은 제조방법의 난이도와 소결체의 성능에 의해서 결정된다.

본 발명이 제공하는 요철을 구비한 환형 소결체는 단일몸체 형상으로서 핵연료봉의 반경방향으로 단 하나만이 장입될 수도 있고, 또는 핵연료봉의 동심축을 중심으로 2개로 분리되어 내부 및 외부에 각각 장입될 수도 있다. 경우에 따라서는 3개 이상의 환형 소결체가 핵연료봉의 반경방향으로 순차적으로 장입될 수도 있다.

본 발명에 따른 핵연료봉의 환형 소결체에 형성되는 요철은 내부 및 외부 피복관과 인접한 2개의 원주표면에 모두 형성될 수도 있으며 이 경우 양 표면에서 소결체의 온도를 높게 유지하는 것이 가능하다. 그러나 환형 소결체에 요철이 형성되면 그렇지 않은 환형 소결체에 비하여 피복관에 장입할 수 있는 소결체의 양이 감소하므로 경제성 면에서 불리할 수 있다. 본 발명에 따른 핵연료봉은 이와 같은 소결체의 양과 이에 따른 경제성 및 열전달 성능의 양 측면을 모두 고려하여 요철이 형성되는 원주 표면의 선택 및 요철 자체의 구조를 적절히 조절할 수 있다.

한편, 상기 환형 소결체의 축방향 길이는 열전달 성능에 영향을 주지 않기 때문에 설계상 제한이 없다. 제조방법에 따라서 수 mm에서 수십 cm 길이로 구성하는 것도 가능하다.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 환형 핵연료봉(100A)에 대해 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명하기로 한다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 환형 핵연료봉의 개략도를 나타낸다.

상기 환형 핵연료봉(100A)은 장입되는 환형 소결체로서 2종류의 서로 다른 형태의 환형 소결체를 사용한다는 점을 제외하고는 상기 일 실시예에 따른 환형 핵연료봉의 구성과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대한 설명을 생략하기로 한다.

구체적으로, 상기 환형 핵연료봉은 축방향으로 수십 내지 수백 개의 환형 소 결체를 포함하는데 주로 요철이 형성된 환형 소결체(120)가 장입되고 일부 영역에는 부분적으로 요철이 없는 환형 소결체(130)가 장입되어 하나의 환형 핵연료봉 안에 상기 2종류의 소결체(120, 130)를 장입되는 구조를 취할 수도 있다. 그리고 상기 요철이 없는 환형 소결체(130)가 장입되는 일부 영역은 핵연료봉 양끝 부위인 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 요철을 구비한 환형 소결체는 요철이 없는 환형 소결체보다 제조비가 상승하고 핵연료봉 안에 장입되는 핵물질 양이 감소하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 줄이기 위해서는 가능한 범위 안에서 요철을 구비한 환형 소결체를 핵연료봉 안에 적게 장입하는 것이 바람직하다. 핵연료봉의 연소도는 축방향으로 차이가 있는데 일반적으로 핵연료봉 길이의 양끝 부위는 연소도가 상대적으로 낮으므로 소결체에 림구조 (rim structure)가 발생할 가능성이 적다. 따라서 핵연료봉의 양끝 부위에 종래의 환형 소결체를 장입하고 나머지 부위에 요철을 구비한 환형 소결체를 장입하는 것이 바람직한 것이다.

이상과 같은 본 발명의 환형 핵연료봉은 환형 소결체의 원주표면에 요철을 형성하여 종래의 환형 핵연료봉보다 소결체 원주표면의 온도를 높게 유지함으로써 림 구조(rim structure) 형성을 억제할 수 있다. 따라서 환형 핵연료봉의 안전성을 크게 증진하는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 외부 피복관(112);

   상기 외부 피복관(112)의 내측에 상기 외부 피복관(112)과 동심축으로 배치되는 내부 피복관(111);

   상기 외부 피복관(112)과 내부 피복관(111) 사이의 공간에 축방향으로 장입되는 환형 소결체(120);

   를 포함하며,

   상기 환형 소결체(120)는 상기 외부 피복관(112) 및 내부 피복관(111)과 접하는 원주표면 중 적어도 어느 하나 이상의 원주표면에 요철이 다수 형성된 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 환형 소결체(120)는 단일몸체 형상인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 환형 소결체(120)는 상기 핵연료봉의 동심축을 중심으로 2개로 분리된 내부 환형 소결체(121)와 외부 환형 소결체(122)가 각각 장입되는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 환형 소결체(120)는 우라늄, 플루토늄, 또는 토륨으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 요철은 축방향 또는 원주방향으로 그루브 형상의 홈(141, 151)과 이에 상응하는 형상의 돌기(142, 152)가 반복 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 요철은 딤플형상의 홈(162)과 이에 상응하는 형상의 돌기(161)가 반복 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 돌기(161)와 홈(162)은 환형 소결체(120)의 축방향으로 연이어 각각 형성되고 동시에 원주방향으로는 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 돌기(161)와 홈(162)은 환형 소결체(120)의 원주방향으로 연이어 각각 형성되고 동시에 축방향으로는 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 환형 소결체(120)는 축방향으로 다수개가 적층 장입되는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 환형 핵연료봉은 일부 영역에 요철이 없는 복수의 환형 소결체(130)가 더 장입될 수 있는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 일부 영역은 상기 환형 핵연료봉의 양끝 밀봉영역인 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.

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