KR101020780B1 - 핵연료 조사시험용 캡슐 - Google Patents

Abstract

핵연료 조사시험용 캡슐이 개시된다. 본 발명에 따른 핵연료 조사시험용 캡슐은, 본체 내부의 하단에 형성되어 냉각수 유입 통로를 제공하는 유입구, 본체 내부의 상단에 형성되어 유입구를 통해 유입되어 본체 내부를 통과한 냉각수를 배출하는 냉각수 배출 통로를 제공하는 배출구, 유입구와 배출구 사이에 위치하며 핵연료와 핵연료를 둘러싸 핵연료로부터 발생된 열을 전달하기 위한 소듐을 포함하는 핵연료봉 및 핵연료봉과 배출구 사이에 위치하며, 핵연료봉에서 소듐이 누출되면 누출된 소듐이 일정 크기 이상인 경우에는 여과를 방지하고, 일정 크기 이하인 경우에는 여과시키는 다수의 구멍을 포함하는 여과 필터를 포함한다.

원자로, 핵연료, 조사시험, 여과, 소듐

Description

핵연료 조사시험용 캡슐 {Capsule for irradiation of nuclear fuel}

본 발명은 핵연료 조사시험용 캡슐에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 핵연료봉 내에 포함되는 소듐이 누출되는 경우, 누출된 소듐이 공기와 접촉하여 발화되는 것을 방지할 수 있는 핵연료 조사시험용 캡슐에 관한 것이다.

소듐냉각고속로는 현재 가동 중인 경수로보다 우라늄 자원을 100배 이상 활용할 수 있는 미래형 원자로로, 냉각재로 금속 소듐(Na)을 사용한다. 이 소듐냉각고속로는 경수로의 열중성자보다 에너지가 높은 고속중성자를 사용하여 핵연료를 핵분열시키는 원자로이다.

한편, 새로운 원자력 재료 개발이나 주요 구성품의 설계 변경시에도 노내 성능을 확인하기 위하여 연구용 원자로에서의 조사시험은 반드시 거쳐야 할 단계이다. 이 같이 핵연료 및 원자력 재료의 조사시험을 수행하기 위한 장치로는 캡슐이 있다.

이 캡슐은 크게, 조사 중 핵연료의 특성(핵연료 온도, 핵연료봉 내압, 핵연료 변형 등)과 캡슐 내의 필요한 조사자료(중성자 조사량, 냉각수 온도, 유량 및 유속 등)를 확보하기 위해 각종 계측장치가 설치되는 계장캡슐과, 조사 중 핵연료와 캡슐 내부의 특성자료를 확보하기 위한 계측장치가 내부에 설치되지 않는 무계장캡슐로 분류된다.

소듐냉각고속로 핵연료도 역시 이 캡슐을 통해 핵연료 조사 시험을 할 수 있게 된다. 이 경우, 캡슐은 스테인레스 강 재질의 피복관에 주입된 핵연료와, 피복관과 핵연료 사이에 채워진 소듐을 포함한다. 이 소듐은 핵연료에서 발생된 열을 빠르게 전달하여 핵연료의 온도를 감소시키고, 소듐을 통해 전달된 열은 캡슐 내에 유입된 냉각재를 통해 흡수될 수 있다.

핵연료 시험은 고속로에서 수행되어야 하지만, 고속로가 없을 경우에는 열중성자 원자로를 이용해야 한다. 이 경우, 물을 냉각재로 사용할 때, 상술한 캡슐에서 피복관에 균열이 발생하여 소듐이 누출되면, 누출된 소듐은 물와 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. 이렇게 누출된 소듐은 캡슐 내에서는 큰 문제가 되지 않으나, 누출된 소듐이 냉각수와 함께 배출되어 캡슐에 연결된 원자로에 투입될 경우에는 공기에 노출되어 발화 현상을 일으킬 수 있다. 발화 현상은 원자로 내부의 손상을 야기시키는 것으로, 이를 해결하기 위한 기술이 요구된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 냉각수가 배출되는 부분에 여과 필터를 장착함으로써, 소듐이 일정 크기 이상인 경우에는 냉각수와 함께 배출되는 것을 방지하여 소듐과 냉각수 반응에 따른 발화 현상에 의해 원자로가 손상되는 것을 방지할 수 있는 핵연료 조사시험용 캡슐을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 핵연료 조사시험용 캡슐은, 본체 내부의 하단에 형성되어 냉각수가 유입되는 유입구, 상기 본체 내부의 상단에 형성되어 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 본체 내부를 통과한 냉각수를 배출하는 배출구, 상기 유입구와 배출구 사이에 위치하며, 핵연료와 상기 핵연료를 둘러싸 상기 핵연료로부터 발생된 열을 전달하는 소듐을 포함하는 핵연료봉 및, 상기 핵연료봉의 끝단과 상기 배출구 사이에 위치하며, 상기 핵연료봉에서 소듐이 누출되면 상기 누출된 소듐이 일정 크기 이상인 경우에는 여과를 방지하고, 일정 크기 이하인 경우에는 여과시키는 다수의 구멍을 포함하는 여과 필터를 포함한다.

이 경우, 상기 여과 필터는 사각형상의 구멍을 포함하는 그물망 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 사각형상의 구멍은 0.2㎜ 내지 5㎜의 폭을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상기 여과 필터는 원형의 구멍을 포함하는 금속판 형태를 가질 수도 있다. 또한, 상기 원형의 구멍은 0.2㎜ 내지 5㎜의 직경을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 여과 필터는 금속 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 금속 물질은 철, 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속 물질이 될 수 있다.

또한, 상기 핵연료봉은 상기 핵연료와 상기 소듐을 내장하는 피복관 및 상기 피복관을 밀봉하는 튜브를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 핵연료 조사시험을 위한 캡슐의 본체에서 냉각수가 배출되는 상단 부분에 다수의 구멍을 포함하는 여과 필터를 설치함으로써, 핵연료봉에서 누출된 소듐이 냉각수와 반응하여 크기가 작아지면 여과 필터의 구멍을 통해 통과할 수 있게 된다. 따라서, 일정 크기 이상의 소듐이 냉각수와 함께 배출되는 것을 방지할 수 있게 되어 일정 크기 이상의 소듐이 공기에 노출되지 않도록 하여 원자로가 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 핵연료 조사시험용 캡슐의 구조를 나타 내는 도면이다. 핵연료 조사시험용 캡슐(100)은 본체(110), 유입구(120a), 배출구(120b), 핵연료봉(130) 및 여과 필터(140)를 포함한다.

유입구(120a)는 본체(110) 내부의 하단에 형성되며, 냉각수를 유입받는다. 이 냉각수는 유입구(120a)를 통해 유입되어 본체(110) 내부를 거치고, 유입구(120b)의 반대편에 위치한 배출구(120b)를 통해 배출된다. 이 경우, 냉각수는 유입구(120a)와 배출구(120b) 사이에 위치한 핵연료봉(130)에서 발생되는 열을 전달받는 것이다.

핵연료봉(130)은 핵연료 및 소듐을 포함한다. 여기서 소듐은 핵연료를 둘러싸는 형태로 포함되며, 핵연료의 핵분열 과정에서 발생되는 열을 흡수하여 전달한다. 이 같은 핵연료봉(130)의 구체적인 구성을 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다. 도 2a는 도 1에 도시된 핵연료 조사시험용 캡슐에서 핵연료봉의 구조를 나타내는 도면이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 핵연료봉을 A-A' 라인으로 절단한 단면을 나타낸다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 핵연료봉(130)은 핵연료(131), 소듐(133), 피복관(135), 튜브(136), 상단 마개(137) 및 하단 마개(138)를 포함한다.

핵연료(131)는 우라늄이 될 수 있다. 이 우라늄은 중성자 조사에 의해 핵분열 반응을 일으키며, 이 과정에서 열을 발생시킨다.

소듐(133)은 핵연료(131)를 둘러싸며, 핵연료의 핵분열 과정에서 발생되는 열을 핵연료봉(130) 외부로 빠르게 전달하는 냉각재로 기능한다.

피복관(135)은 핵연료(131) 및 핵연료(131)를 둘러싸는 소듐(133)을 내장하고 있는 것으로, 소듐이 누출되는 것을 1차적으로 방지한다. 피복관(135)은 스테인레스 강, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 지르코늄 합금 등과 같은 금속 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 튜브(136)는 피복관(135)의 외부에 형성되어 피복관(135)을 밀봉함으로써, 소듐이 누출되는 것을 2차적으로 방지한다. 구체적으로, 튜브(136)는 피복관(135)이 노화되거나 균열로 인해 손상되어 소듐(133)이 누출되더라도, 이 누출된 소듐이 핵연료봉(130) 외부로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 튜브(136)는 스테인레스 강, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 지르코늄 합금 등과 같은 금속 물질로 이루어질 수 있다.

상단 마개(137) 및 하단 마개(138)는 핵연료봉(130)의 상단과 하단에 각각 끼워져 핵연료봉(130)을 밀봉한다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 핵연료봉(130)의 구조를 통해 소듐의 누출을 방지할 수 있으나, 피복관(135) 및 튜브(136) 역시 노화되거나 손상되어 소듐을 누출시킬 가능성이 있다. 따라서, 소듐이 핵연료봉(130)에서 누출되면 냉각수와 반응하여 수소 기체를 발생한다. 이 같이 소듐과 냉각수의 반응에 의해 냉각수와 함께 배출되기 전까지는 점차적으로 소듐의 크기가 작아지게 된다.

또한, 소듐과 냉각수의 반응시 발생되는 수소 기체가 캡슐(100)이나 원자로 에 큰 영향을 미치지 않도록 핵연료봉(130) 내의 소듐(133)은 적은 양이 포함될 수 있다. 예를 들어, 0.5~2.0g의 양이 포함될 수 있다.

한편, 소듐은 일정 크기 이상(또는 일정 양 이상)을 가지고, 공기와 접촉하게 되면 발화 현상을 일으킨다. 캡슐(100)의 본체(110) 내부는 공기가 차단되기 때문에 소듐의 크기에 관계없이 발화 현상이 일어나지 않지만, 캡슐(100)에서 배출되어 공기에 노출되는 원자로(예를 들어, 풀형)의 표면으로 떠오를 경우에는 소듐 크기에 따라 발화 현상이 일어날 수 있다. 이러한 발화 현상은 원자로 내부에 손상을 발생시키므로, 이를 해결하기 위한 목적으로, 캡슐(100)에서 소듐이 배출되기 전에 소듐의 크기를 감소시키는 여과 필터(140)의 구성이 포함된다.

여과 필터(140)는 핵연료봉(130)의 끝단과 배출구(120b) 사이에 위치하며, 핵연료봉(130)에서 소듐이 누출되면 누출된 소듐이 일정 크기 이상인 경우에는 여과를 방지하고, 일정 크기 이하인 경우에는 여과시키는 다수의 구멍을 포함한다. 본 설명에서는 여과 필터(140)의 기능을 중점적으로 설명하고, 여과 필터(140)의 형태는 도 3a 및 도 3b를 통해 자세하게 설명한다.

핵연료봉(130)에서 소듐이 누출되면, 누출 경로(틈)의 크기에 따라 작은 덩어리 형태로 존재하는 소듐의 크기 역시 달라진다. 따라서, 누출된 다수의 소듐은 각각 크기가 달라 어떤 소듐은 여과 필터(140)에 포함된 다수의 구멍에 의해 여과 가 방지되거나, 또 어떤 소듐은 다수의 구멍에 의해 통과될 수 있다.

한편, 여과 필터(140)를 통해 통과되지 못한 일정 크기 이상의 소듐은 여과 필터(140) 내부에서 냉각수와 반응하게 된다. 이러한 반응에 의해 소듐의 크기가 점차적으로 작아지게 되며, 이에 의해 소듐의 크기가 구멍을 통과할 수 있을 정도가 되면 구멍을 통과하여 냉각수와 함께 캡슐(100) 외부로 배출된다. 즉, 여과 필터(140)는 일정 크기 이상의 소듐이 냉각수와 반응하여 일정 크기 이하로 작아질 때까지, 소듐을 가둬두는 기능을 한다.

여과 필터(140)에서 소듐의 통과 여부를 결정하는 일정 크기란, 소듐이 공기와 접촉하더라도 발화 현상을 일으키지 않을 정도의 크기로, 0.2㎜ 내지 5㎜ 범위의 직경 또는 폭을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 여과 필터(140)에 포함된 다수의 구멍 역시 그 직경 또는 폭이 0.2㎜ 내지 5㎜ 범위를 가져야한다. 이 같은 여과 필터(140)를 이용함으로써, 소듐의 누출에 따른 원자로 손상을 방지할 수 있게 된다.

한편, 도 1에서는 캡슐 내의 필요한 조사자료(중성자 조사량, 냉각수 온도, 유량 및 유속 등)를 확보하기 위한 계측장치가 설치되지 않은 무계장 캡슐을 도시 및 설명하였으나, 계측장치가 설치되는 계장캡슐에도 본 발명의 핵연료 조사시험용 캡슐(100)을 적용할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 핵연료 조사시험용 캡슐(100)은 연구용 원자로 및 발전용 원자로에 모두 이용 가능하다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 여과 필터의 형태를 나타내는 도면이다. 도 3a는 다수의 원형 구멍을 포함하는 금속판 형태의 여과 필터를 나타내며, 도 3b는 다수의 사각형 구멍을 포함하는 그물망 형태의 여과 필터를 나타낸다.

도 3a를 참조하면, 여과 필터(140)는 다수의 원형 구멍(A)을 포함하는 금속판 형태를 갖는다. 이 경우, 금속판(140)은 철, 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속 물질을 포함할 수 있다.

한편, 도 3a에 도시된 각 여과 필터(140)에서 다수의 원형 구멍(A)들은, 공기와 접촉하더라도 발화 현상을 일으키지 않을 정도의 크기를 갖는 소듐을 통과시키면서, 핵연료 조사시험용 캡슐(100)의 본체(110) 내부에 유입된 냉각수가 잘 배출될 수 있을 정도의 크기를 가져야 한다. 즉, 다수의 원형 구멍(A)들이 너무 작으면 아주 작은 크기의 소듐을 통과시킬 수 있게 되어, 핵연료 조사시험용 캡슐(100)로부터 배출된 소듐이 공기 중에서 발화될 가능성이 매우 적다. 그러나, 다수의 원형 구멍(A)들이 너무 작으면 냉각수의 배출이 원활하지 않다는 문제가 있다.

또한, 다수의 원형 구멍(A)이 너무 크면, 냉각수의 배출은 원활하지만 비교적 큰 크기의 소듐이 공기와 접촉하여 발화될 수 있게 된다. 따라서, 발화 가능한 소듐의 크기와 냉각수 배출을 고려하여 구멍(A)의 크기를 결정할 수 있다.

이를 고려할 때, 다수의 원형 구멍(A)들은 0.2㎜ 내지 5㎜의 직경(D1)을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 다수의 원형 구멍(A)들은 모두 동일한 직경을 가질 수 있으며, 0.2㎜ 내지 5㎜ 범위 내에서 서로 다른 직경을 가질 수도 있다.

다수의 원형 구멍(A)들은 일정 크기(예를 들어, 0.2㎜ 내지 5㎜ 범위의 직경) 이상의 소듐이 캡슐(100)로부터 배출되는 것을 방지하기 위한 것으로, 일정 크기 이상의 소듐을 본체(110) 내에 가둬둔다. 따라서, 소듐이 본체(110) 내에서 냉각수와 반응하여 0.2㎜ 내지 5㎜ 범위의 직경 이하를 가지게 되면, 다수의 원형 구멍(A)을 통과할 수 있게 된다.

도 3b를 참조하면, 여과 필터(240)는 금속 와이어(241, 242)가 직교하여 연결된 그물망 형태를 갖는 것으로, 금속 와이어(241, 242) 간격에 의해 형성된 다수의 사각형상 구멍(B)을 포함한다. 이 경우, 금속 와이어(241, 242)는 철, 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속 물질을 포함한다.

사각형상 구멍(B)들은 적어도 한 변(L1 또는 L2)이 0.2㎜ 내지 5㎜의 폭을 갖는 것으로, 사각형상 구멍(B)들은 모두 동일한 크기를 가질 수 있으며, 0.2㎜ 내지 5㎜의 폭 내에서 서로 다른 크기를 가질 수도 있다.

이 같은 사각형상 구멍(B)들을 통해 일정 크기 이상의 소듐을 본체(110) 내에 가둬둠으로써, 일정 크기 이상의 소듐이 캡슐(100)로부터 배출되어 발화하는 것 을 방지할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 핵연료 조사시험용 캡슐의 구조를 나타내는 도면,

도 2는 도 1에 도시된 핵연료 조사시험용 캡슐에서 핵연료봉의 구조를 나타내는 도면, 그리고,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 여과 필터의 형태를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 핵연료 조사시험용 캡슐 110 : 본체

120a : 유입구 120b : 배출구

130 : 핵연료봉 140, 240 : 여과 필터

Claims (8)

1. 본체 내부의 하단에 형성되어 냉각수가 유입되는 유입구;

   상기 본체 내부의 상단에 형성되어 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 본체 내부를 통과한 냉각수를 배출하는 배출구;

   상기 유입구와 배출구 사이에 위치하며, 핵연료와 상기 핵연료를 둘러싸 상기 핵연료로부터 발생된 열을 전달하는 소듐을 포함하는 핵연료봉; 및,

   상기 핵연료봉의 끝단과 상기 배출구 사이에 위치하며, 상기 핵연료봉에서 소듐이 누출되면 상기 누출된 소듐이 일정 크기 이상인 경우에는 여과를 방지하고, 일정 크기 이하인 경우에는 여과시키는 다수의 구멍을 포함하는 여과 필터;를 포함하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 여과 필터는 사각형상의 구멍을 포함하는 그물망 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
3. 제2항에 있어서,

   상기 사각형상의 구멍은 0.2㎜ 내지 5㎜ 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
4. 제1항에 있어서,

   상기 여과 필터는 원형의 구멍을 포함하는 금속판 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
5. 제4항에 있어서,

   상기 원형의 구멍은 0.2㎜ 내지 5㎜의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 여과 필터는 금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
7. 제6항에 있어서,

   상기 금속 물질은,

   철, 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속 물질인 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.
8. 제1항에 있어서,

   상기 핵연료봉은,

   상기 핵연료와 상기 소듐을 내장하는 피복관; 및,

   상기 피복관을 밀봉하는 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 캡슐.

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