KR101082059B1 - 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉 - Google Patents

내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉은 외측으로 냉각수가 흐르는 외부 피복관의 내부에 내측으로 냉각수가 흐르는 내부 피복관이 구비되고, 내부 피복관과 외부 피복관 사이에 환형의 소결체가 구비되며, 내부 및 외부 피복관의 양끝을 밀봉하는 환형 봉단마개를 포함하여 구성되며, 환형 소결체는 그 밀도가 94% TD 이상 100% TD 이하로 이루어지며, 환형 소결체의 밀도가 94% TD 내지 97% TD 인 경우 3 내지 6%의 부피비율로 환형 소결체 내부에 기공이 존재하고, 상기 기공이 차지하는 부피 중 3% 미만은 크기가 10㎛ 미만의 기공으로 이루어지며, 상기 내부 피복관과 상기 환형 소결체 사이의 내부 간극은 상기 외부 피복관과 상기 환형 소결체 사이의 외부 간극보다 상대적으로 크거나 동일한 간극으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 연소 중에 내측 냉각수 방향의 열저항을 외측 냉각수 방향의 열저항에 비하여 상대적으로 향상시켜 내측 냉각수 방향의 과도한 열전달을 억제할 수 있고, 내부 피복관의 열속 상승으로 인한 핵연료의 파손을 방지할 수 있으며, 경수로의 안전성을 확보될 수 있다.
원자로, 핵연료봉, 냉각수, 열저항, 열속, 간극, 고밀화, 스웰링

Description

내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉{A DUAL-COOLED NUCLEAR FUEL ROD WITH HIGHER THERMAL RESISTANCE TO INNER COOLING WATER THAN TO OUTER COOLING WATER}
본 발명은 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉에 관한 것이다.
최근, 경수로(LWR: Light Water Reactor)의 안전성을 향상하고 동시에 출력증강이 가능하도록 기존 원통형(cylinder type) 핵연료봉과는 다른 설계개념을 갖는 환형(annular) 핵연료봉 개발이 진행되고 있다. 환형 핵연료봉은 형상이 환형이고 또한 온도를 낮추기 위하여 하나의 핵연료봉을 내측과 외측에서 동시에 냉각하는 개념으로 이중냉각이 이루어지는 구조이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 이중냉각 핵연료봉(10)은 내부 피복관(11), 외부 피복관(12), 환형 소결체(20) 및 환형 봉단마개(13)가 필수적으로 구비된다. 그리고, 외부 피복관(12)의 내부에 내부 피복관(11)이 동심축을 이루도록 삽입되고, 상기 내부 및 외부 피복관(11,12) 사이의 공간에는 복수의 환형 소결체(20)가 직렬로 배열되도록 삽입된다.
그리고, 상기 환형 소결체(20)의 일 단부에는 스프링(14)이 배치되고, 상기 스프링(14)이 환형 소결체(20)의 일 단부를 지지하는 상태로 유지되도록 내부 및 외부 피복관(11,12)의 양단에는 환형 봉단마개(13)가 결합되어 상기 환형 소결체(20)가 내부 및 외부 피복관(11,12) 내에 밀봉되도록 구성된다.
한편, 이중냉각 핵연료봉(10)에서 환형 소결체(20)가 장입된 공간은 통상적으로 헬륨기체가 채워지고 헬륨기체는 수십 기압으로 가압된다. 그리고, 환형 소결체(20)에서 발생한 열을 내부 피복관(11)의 안쪽의 내측 냉각수(A)와 외부 피복관(12) 바깥 쪽에 위치되는 외측 냉각수(B)로 동시에 냉각하게 된다.
도 2에 도시된 것과 같이, 이중냉각 핵연료봉(10)은 통상적으로 가로 n개 및 세로 n개로 배열되어 하나의 단위로 묶인 집합체로 조립한 후 원자로 내부에 장전된다. 통상적으로 이중냉각 핵연료봉(10)은 가로와 세로가 11 내지 15개의 일정한 일정한 간격으로 배열된다. 그리고, 각 이중냉각 핵연료봉(10)은 통상적으로 외부 피복관 직경이 12 내지 18mm 정도이고 길이는 3.5 내지 4.5m 정도로 이루어진다.
이와 같이 배열되어 원자로 내부에 장전된 이중냉각 핵연료봉(10)이 원자로 안에서 연소하는 동안 환형 소결체(20)에서 발생하는 열이 냉각수에 의해 증기 발생기(미도시)로 전달된다. 이때, 냉각수는 내부 피복관(11)의 내부를 통해 흐르는 내측 냉각수(A)와 외부 피복관(12)의 외부 영역을 흐르는 외측 냉각수(B)가 존재하고, 환형 소결체(20)에서 발생하는 열은 내측 냉각수(A)와 외측 냉각수(B)로 분배되어 전달된다.
내측 및 외측 냉각수(A,B) 중에서 어느 것을 통해서 더 많은 열이 전달되는 가 하는 것은 내측 및 외측 방향의 열저항에 의해서 결정된다. 만일, 각각의 열저항이 변하지 않는다면 열분배는 일정하지만, 이중냉각 핵연료봉(10)이 연소하는 동안 양쪽 방향의 열저항이 서로 다르게 변하기 때문에 열 분배가 심각하게 변하게 된다.
이 경우, 내측 또는 외측 어느 한쪽으로 열전달이 과도하게 많아지면, 열전달이 증가하게 되는 어느 한쪽의 피복관 열속(heat flux)이 과도하게 높아지게 되고, 핵비등이탈(DNB: Departure of Nucleate Boiling)이 발생하게 되어 핵연료봉이 파손된다. 핵연료봉의 파손은 원자로의 안전성 및 경제성을 저하시키는 문제를 일으킨다.
이 경우, 내측 냉각수 채널에 발생하는 과도한 열전달이 외측 냉각수 채널에 비하여 더 심각한 문제를 초래하게 된다.
좀더 구체적으로 말하면, 이중냉각 핵연료봉(10)들은 서로 외측 냉각수(B)를 공유하는 상태로 배치되기 때문에 어느 일 이중냉각 핵연료봉(10)의 외부 피복관(12)의 열속이 과도하게 높아진다고 하더라도, 그 주위의 외측 냉각수(B)는 다른 이중냉각 핵연료봉(10)과 인접한 영역의 외측 냉각수(B)와 혼합(즉, 열교환)이 이루어지기 때문에 열속이 과도하게 높아진 어느 일 이중냉각 핵연료봉(10) 주위의 외측 냉각수(B)의 온도를 낮추는 것이 가능하다.
그러나, 내측 냉각수(A)는 각각의 이중냉각 핵연료봉(10) 안에 각각 독립된 상태로 존재하게 되기 때문에 다른 내측 또는 외측 냉각수(A,B)와 연결되지 않는다. 따라서, 일단 과도한 열전달에 의해서 내측 냉각수(A) 온도가 상승하게 되면, 온도를 낮추는 것이 실질적으로 불가능하기 때문에 핵비등이탈이 발생하기 용이해지고, 핵비등이탈이 발생하는 경우 결국 핵연료 파손으로 이어지게 된다.
따라서, 핵비등이탈을 억제가 가능한, 즉, 핵연료의 파손의 방지가 가능하도록 연소 중 내측 냉각수로 과도한 열전달의 발생을 최대한 억제시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 이중냉각 구조를 갖는 핵연료봉에서 발생하는 요구 또는 문제들 중 적어도 어느 하나를 인식하여 이루어진 것이다.
본 발명의 일 목적은 연소 중에 내측 냉각수 방향의 열저항을 외측 냉각수 방향의 열저항보다 크게 함으로써 내측 냉각수로 과도한 열전달이 발생하지 않는 이중냉각 핵연료봉을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 연소 중에 내부 간극의 열저항이 외부 간극의 열저항보다 상대적으로 상승되도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 연소 중에 내부 간극이 외부 간극 보다 크게 유지되도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 내측 냉각수 방향으로 과도한 열전달의 발생을 억제하여 내부 피복관의 열속 상승으로 인한 핵연료가 파손되는 것을 방지하는 것이다.
상기 과제들 중 적어도 하나의 과제를 실현하기 위한 일 실시 형태와 관련된 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉은 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.
본 발명은 기본적으로 내측 냉각수 방향으로 과도한 열전달이 발생하지 않도록 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항보다 크게 이루어지도 록 구성되는 것을 기초로 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉은 외측으로 냉각수가 흐르는 외부 피복관; 외부 피복관 내부에 내측으로 냉각수가 흐르는 내부 피복관; 내부 피복관과 외부 피복관 사이에 구비되는 환형의 소결체; 내부 및 외부 피복관의 양끝을 밀봉하는 환형 봉단마개;를 포함하여 구성되며, 환형 소결체는 그 밀도가 94% TD 이상 100% TD 이하로 이루어질 수 있다.
한편, 환형 소결체의 밀도가 94% TD 내지 97% TD 인 경우 3 내지 6%의 부피비율로 환형 소결체 내부에 기공이 존재하고, 전체 기공의 부피비율 중 3% 미만은 크기가 10㎛ 미만의 기공으로 이루어지도록 구성될 수도 있다.
다른 한편, 내부 피복관과 환형 소결체 사이의 내부 간극은 외부 피복관과 환형 소결체 사이의 외부 간극보다 상대적으로 크거나 동일한 간극으로 이루어지도록 구성될 수도 있다.
그리고, 내부 피복관 및 외부 피복관은 지르코늄 합금으로 구성될 수도 있다. 또한, 환형 소결체는 우라늄 및 플루토늄으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 산화물로 구성될 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 연소 중에 내측 냉각수 방향의 열저항을 외측 냉각수 방향의 열저항에 비하여 상대적으로 향상시켜 내측 냉각수 방향의 과도한 열전달을 억제할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 연소 중에 내부 간극의 열저항을 외부 간극의 열저항보다 상대적으로 상승시킬 수 있다.
그리고 또한, 본 발명에 따르면, 연소 중에 내부 간극이 외부 간극 보다 크게 유지되도록 할 수 있다.
그리고 또한, 본 발명에 따르면, 내측 냉각수 방향으로 과도한 열전달의 발생을 억제하여 내부 피복관의 열속 상승으로 인한 핵연료가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
그리고 또한, 본 발명에 따르면, 내부 피복관의 열속 상승을 억제하여 핵연료의 파손을 방지 가능하도록 하므로, 안전성이 확보될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉에 대하여 상세하게 설명하도록 하겠다.
이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다.
그리고, 이하, 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
본 발명과 관련된 실시예들은 기본적으로 내측 방향으로 과도한 열전달이 발생하지 않도록 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항보다 크게 이루어지도록 구성되는 것을 기초로 한다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉(100)은 중심으로부터 내측 냉각수(A)가 흐르도록 구성되는 내부 피복관(111)이 구비되고, 상기 내부 피복관(111)이 삽입되는 외부 피복관(112)이 구비되며, 상기 외부 피복관(112)의 외측으로는 외측 냉각수(B)가 흐르도록 구성된다.
한편, 상기 내부 피복관(111)과 외부 피복관(112) 사이에는 환형 소결체(120)가 장입되게 구성된다. 이 경우, 상기 내부 피복관(111)과 환형 소결체(120) 사이에는 내부 간극(131)이 형성되고, 상기 외부 피복관(112)과 환형 소결체(120) 사이에는 외부 간극(133)이 형성된다.
이와 같은 구성을 통해, 이중냉각 핵연료봉(100)에 존재하는 외측 열저항은 환형 소결체(120)의 열저항, 내부 및 외부 간극(131,133)의 열저항, 그리고 내부 및 외부 피복관(111,112)피복관 자체의 열저항으로 구분할 수 있다.
보통, 경수로에서 이중냉각 핵연료봉의 연소기간은 3 내지 5년 또는 연소도 단위로 45 내지 65 MWD/kgU 범위에 있다. 연소기간 동안 내부 간극(131) 또는 외부 간극(133)의 크기가 변하게 되는데, 주로 환형 소결체(120)의 수축 및 팽창에 기인하는 것으로 알려져 있다. 환형 소결체(120)의 부피 및 직경 팽창은 스웰 링(swelling)에 의해서 발생하고, 이와 독립적으로 부피 및 직경 수축은 고밀화(densification)에 의해서 발생한다.
상기 스웰링은 핵분열에 의해서 발생하는 생성물이 누적되면서 일어나는 현상으로, 연소도에 선형적으로 비례하여 환형 소결체(120)의 부피 및 직경이 커지게 된다. 그리고, 고밀화는 환형 소결체(120) 내부에 존재하는 기공(pore)이 소멸하면서 환형 소결체(120)의 밀도가 높아지고 부피 및 직경이 감소하는 현상이다.
통상적인 환형 소결체는 UO2 또는 PuO2 같은 핵분열성 물질을 함유하며, 상기 산화물 분말을 압축성형하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조되기 때문에 약 95%의 TD(theoretical density) 밀도를 가진다. 따라서, 통상적인 환형 소결체는 내부에 부피의 약 5% 정도의 빈 공간을 포함하고 있다. 이것을 기공(pore)이라 부르며, 기공은 작은 크기로 내부에 고르게 퍼져있다. 기공 크기는 제조방법에 따라서 변할 수 있지만, 통상적으로 기공은 구형이고 직경크기는 0.5 내지 30㎛ 범위의 크기로 존재한다.
즉, 통상적인 환형 소결체는 밀도가 95% TD(Theoretical Density) 정도로서 약 5% 부피의 기공을 지니고 있기 때문에 연소 중에는 상기 기공이 소멸하면서 부피 및 직경이 감소하게 된다. 이와 같은 고밀화 현상은 연소도가 약 10 MWD/kgU 까지 일어나고 그 이상에서는 더 이상 발생하지 않는다.
그리고, 내부 간극(131)과 외부 간극(133)의 크기는 제조 가능한 범위 안에서 작게 설계하는 것이 경제적이기 때문에, 보통 이중냉각 핵연료봉(100)에서 내부 간극(131)과 외부 간극(133)은 통상적으로 40 내지 100㎛ 범위에 있도록 설계된다.
한편, 상기 환형 소결체(120)의 열저항, 내부 및 외부 간극(131,133)의 열저항 및 내부 및 외부 피복관(111,112)의 열저항 중에서 내,외부 간극(131,133)의 열저항은 전체 열저항의 약 40 내지 50%의 열저항을 점유하며 가장 큰 역할을 하게 된다.
따라서, 핵연료봉이 원자로에서 연소하는 동안 상기 환형 소결체(120)에서 스웰링과 고밀화가 진행되는 경우, 내부 및 외부 간극(131,133)의 크기 변화로 인하여 내부 및 외부 간극(131,133)의 열저항이 변하게 된다. 다시 말해서, 환형 소결체(120) 자체의 열저항 변화와 내부 및 외부 피복관(111,112) 자체의 열저항의 변화는 매우 작지만 간극의 열저항은 간극의 크기에 비례하기 때문에 내부 및 외부 간극(131,133)의 크기 변화로 인해 간극의 열저항이 크게 변하게 된다.
즉, 상기 내부 간극(131)의 크기는 환형 소결체(120) 내측 반경과 내부 피복관(111)의 외측 반경의 차이에 의해서 결정된다. 그리고, 외부 간극(133)의 크기는 외부 피복관(112)의 내측 반경과 환형 소결체(120)의 외측 반경의 차이에 의해서 결정된다.
도 4에는 연소 중 통상적인 이중냉각 핵연료봉의 간극을 결정하는 환형 소결체의 외측 반경 및 내측 반경, 내부 피복관의 외측 반경, 그리고 외부 피복관의 내측 반경의 크기 변화에 관한 일 예의 그래프가 도시되어 있다.
도시된 그래프를 통해 통상적인 이중냉각 핵연료봉의 간극을 결정하는 환형 소결체의 외측 반경 및 내측 반경, 내부 피복관의 외측 반경, 그리고 외부 피복관 의 내측 반경의 크기 변화를 살펴보면 다음과 같다.
연소 초기의 경우, 연소 시작점에서는 내부 간극이 외부 간극 보다 크지만 연소도 10 MWD/kgU 근처에서는 내부 간극이 외부 간극 보다 작아진다.
그리고, 연소 중기 이후의 경우, 내부 간극이 외부 간극 보다 커지는 것을 알 수 있다.
다시 말하면, 통상적인 이중냉각 핵연료봉의 외측과 내측 열저항은 연소시점에 따라서 변하게 되는 것을 알 수 있다. 특히, 연소도 10 MWD/kgU 근처에서는 내부 간극이 외부 간극보다 크기가 작기 때문에 열저항은 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항에 비하여 상대적으로 작게 된다. 따라서 내측 냉각수 방향으로 과도한 열전달이 발생하고, 내부 피복관의 열속이 높아지게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 통상적인 이중냉각 핵연료봉의 경우, 내측 냉각수 방향으로 과도한 열전달이 발생하는 것은 외측 냉각수 방향으로 과도한 열전달이 발생하는 것보다 매우 심각한 문제를 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉(100)에서는 외측 냉각수(B)와 내측 냉각수(A) 중에서 내측 냉각수(A)로 과도한 열전달이 발생하는 것을 방지하도록 구성된다. 다시 말해서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 간극(131)이 외부 간극(133) 간에 차이가 발생하는 것을 최대한 억제 또는 방지하기 위하여 연소 중에 환형 소결체(120)의 수축을 최대한 억제 또는 방지 가능하도록 환형 소결체(120)의 고밀화가 최소화 또는 발생하지 않도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉(100)의 환형 소결체(120)는 그 밀도가 94% TD 이상 100% TD 이하로 이루어지도록 구성될 수 있다.
이 경우, 환형 소결체의 밀도를 100% TD로 하여 기공의 부피비를 0%로 하는 경우, 고밀화가 발생하지 않고 스웰링만 발생하게 된다. 따라서, 환형 소결체(120)는 연소 초기부터 직경이 팽창하게 된다. 이때, 내부 간극(131)은 연소 초기부터 외부 간극(133) 보다 상대적으로 커지게 되므로, 열저항이 증가하게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 내부 피복관(111) 방향의 열전달을 억제할 수 있게 되어 이중냉각 핵연료봉(100)의 파손을 방지할 수 있게 된다.
한편, 환형 소결체(120)의 밀도를 약 97% TD로 구성하고 내부에 존재하는 기공의 부피비를 약 3%로 하는 경우, 스웰링에 의한 직경증가와 고밀화에 의한 직경감소가 거의 같은 크기로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 기공은 그 크기에 대한 제약을 받지 않을 수 있다.
다른 한편, 환형 소결체(120)의 밀도를 94 내지 97% TD 범위로 하는 경우, 환형 소결체(120) 내부에 존재하는 기공의 부피는 3 내지 6% 범위로 존재하게 된다. 이 경우, 기공의 소멸은 기공크기에 영향을 받기 때문에 연소 중에 10㎛ 미만의 작은 기공은 소멸하고 10㎛ 이상의 기공은 소멸하지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서, 10㎛ 미만의 작은 기공이 차지하는 부피를 가능한 작게 하면 고밀화를 최소화 할 수 있다.
상기와 같이, 환형 소결체(120)의 밀도를 94 내지 97% TD 범위로 하는 경우, 10㎛ 미만의 작은 기공이 차지하는 부피비율을 전체 기공이 차지하는 부피비에 대하여 약 3%의 부피비율로 존재하도록 상기 환형 소결체(120)를 구성할 수도 있다.
이와 같은 구성에 의해, 연소 중 환형 소결체(120) 자체의 크기 변화가 억제되는 경우, 내부 및 외부 간극(131,133)의 크기 변화도 억제되므로 상대적으로 내부 간극(131)에 열전달이 증가하는 것을 억제할 수 있다.
다른 한편, 이중냉각 핵연료봉(100)의 내측 방향에 대한 열저항을 증가시키기 위하여 내부 간극(131)의 열저항이 외부 간극(133)의 열저항보다 상대적으로 크게 유지될 수 있도록 상기 환형 소결체(120)를 구성할 수도 있다. 즉, 상기 환형 소결체(120)의 내경 또는 외경 중 어느 하나 또는 내경 및 외경을 모두 증가시켜 내부 간극(131)의 크기를 외부 간극(133)의 크기 보다 크게 형성되도록 구성할 수도 있다.
이 경우, 환형 소결체(120)가 연소중 어느 정도의 수축이 발생한다고 하더라도, 연소 초기의 내부 간극(131) 및 외부 간극(133)의 상대적인 차이에 의해 내부 간극(131)의 열저항이 상대적으로 큰 상태를 유지할 수 있다.
상기 환형 소결체(120)는 우라늄, 플루토늄, 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 산화물로 구성될 수도 있다. 그리고, 상기 환형 소결체(120)는 상기 핵분열성 물질의 분말을 압축성형하고 고온에서 소결하는 방법으로 제조될 수 있다.
한편, 내부 및 외부 피복관(111,112)은 지르코늄 합금으로 제조될 수도 있다.
도 5에는 상기 설명된 실시예들 중 환형 소결체(120)의 밀도가 약 97% TD로 이루어진 경우, 연소 중 내부 간극(131)과 외부 간극(133)을 결정하는 환형 소결 체(120)의 외측 반경 및 내측 반경, 내부 피복관(111)의 외측 반경, 그리고 외부 피복관(112)의 내측 반경의 크기 변화에 관한 일 예의 그래프가 도시되어 있다.
도시된 그래프를 통해 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉(100)은 환형 소결체(120)의 직경이 수축되지 않는 것을 알 수 있고, 따라서, 내부 간극(131)은 외부 간극(133) 보다 전체 연소기간에 걸쳐서 항상 크게 유지되는 것을 알 수 있다.
따라서, 내부 냉각수(A) 방향의 열저항은 외부 냉각수(B) 방향의 열저항 보다 상대적으로 항상 커지기 때문에 내부 냉각수(A)로 과도한 열전달이 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 이중냉각 핵연료봉(100)은 연소 중에도 내부 간극(131)이 외부 간극(133) 보다 상대적으로 크게 유지될 수 있게 되어 내측 냉각수(A) 방향의 열저항이 외측 냉각수(B) 방향의 열저항 보다 커지게 된다. 결과적으로, 내측 냉각수(A)에 대한 과도한 열전달을 방지할 수 있고, 종래의 이중냉각 핵연료봉이 갖고 있는 내부 피복관의 열속이 과도하게 높아지는 문제를 해결할 수 있기 때문에 이중냉각 핵연료봉의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉은 상기와 같이 설명된 내측 냉각수의 열저항이 외측 냉각수 보다 큰 이중냉각 핵연료봉의 실시예들에 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 이루어질 수도 있다.
도 1은 종래의 이중냉각 핵연료봉의 내부구조를 나타나기 위한 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이중냉각 핵연료봉이 원자로에 장전된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉의 내부구조를 나타내는 평단면도이다.
도 4는 연소 중 이중냉각 핵연료봉의 간극의 크기를 결정하는 환형 소결체의 외측 반경 및 내측 반경, 내부 피복관의 외측 반경, 그리고 외부 피복관의 내측 반경의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉의 연소도에 따른 환형 소결체의 외측 반경 및 내측 반경, 내부 피복관의 외측 반경, 그리고 외부 피복관의 내측 반경의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
100 ... 이중냉각 핵연료봉 111 ... 내부 피복관
112 ... 외부 피복관 120 ... 환형 소결체
131 ... 내부 간극 133 ... 외부 간극

Claims (3)

  1. 외측으로 냉각수가 흐르는 외부 피복관의 내부에 내측으로 냉각수가 흐르는 내부 피복관이 구비되고, 상기 내부 피복관과 외부 피복관 사이에 환형 소결체가 구비되며, 상기 내부 및 외부 피복관의 양끝을 밀봉하는 환형 봉단마개를 포함하여 구성되는 경수로에 사용되는 이중냉각 핵연료봉에 있어서,
    상기 환형 소결체는 그 밀도가 94% TD 이상 100% TD 이하로 이루어지며,
    상기 환형 소결체의 밀도가 94% TD 내지 97% TD 인 경우 3 내지 6%의 부피비율로 환형 소결체 내부에 기공이 존재하고,
    상기 기공이 차지하는 부피 중 3% 미만은 크기가 10㎛ 미만의 기공으로 이루어지며,
    상기 내부 피복관과 상기 환형 소결체 사이의 내부 간극은 상기 외부 피복관과 상기 환형 소결체 사이의 외부 간극보다 상대적으로 크거나 동일한 간극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 피복관 및 외부 피복관은 지르코늄 합금으로 구성되고, 상기 환형 소결체는 우라늄 및 플루토늄으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 산화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 내측 냉각수 방향의 열저항이 외측 냉각수 방향의 열저항 보다 큰 이중냉각 핵연료봉.
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