KR101112457B1 - 플루토늄없이 농축된 우라늄을 함유하는 가압수형 원자로용핵연료 집합체 - Google Patents
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Abstract
가압수형 원자로를 위한 본 발명의 핵연료 집합체는 다각형 외관(outer contour)을 갖는 실질적으로 규칙적인 망(network)의 노드(node)들에 배치되는 연료봉들을 포함하며, 연료봉들은 동위원소 235가 농축된 우라늄을 함유하고 집합체가 반응로에서 사용되기 전에는 플루토늄을 포함하지 않는다.
연료봉들은 적어도 제 1 레벨의 핵 반응성을 갖는 연료봉들로 구성된 제 1 중심 그룹, 및 제 1 레벨의 핵 반응성보다 훨씬 작은 핵 반응성 레벨을 갖는 외측 주변층(13)의 연료봉들로 분포된다.
핵연료, 우라늄, 플루토늄, 가압수로, 다각형
Description
본 발명은 다각형 외형을 갖는 실질적으로 규칙적인 망의 노드들에 배치되는 연료봉들을 포함하는 타입의 가압수형 원자로용 연료 집합체에 대한 것이고, 연료봉들은 동위원소 235가 농축된 우라늄을 함유하고 집합체가 반응로에서 사용되기 전에는 플루토늄을 포함하지 않는다.
그러므로, 본 발명은 비등수형 원자로(BWR: boiling water reactor)와는 대조적으로 가압수형 원자로(PWR)에 사용하는 집합체들에 사용되고, 그 핵연료는 동위원소 235가 농축된 우라늄이다.
이들 집합체는 일반적으로 그 연료 성질을 고려하여 UO2 집합체로 불린다.
이 용어 UO2는 일반적으로 MOx 집합체로 불리는 우라늄과 플루토늄 산화물이 혼합된 연료를 갖는 집합체들에 대비하여 사용된다.
이러한 타입의 MOx 집합체들은 UO2 집합체들을 재처리하여 얻어지는 플루토늄이 재사용될 수 있게 한다. 프랑스 특허 제 FR-2 693 023호는 이러한 타입의 MOx 집합체를 설명한다. UO2 집합체와 MOx 집합체는 상이한 중성자 거동을 갖는다. 그럼에도 불구하고, UO2 집합체와 MOx 집합체를 같은 원자로에 동시에 적재하기 위해, 상기 문헌은 상이한 플루토늄 함량을 갖는 연료봉들을 MOx 집합체들에 사용하는 것을 제안하였다. 그러므로,"영역이 설정된(zoned)" MOx 집합체들로 불리는데 왜냐하면 이들 집합체가 연료봉들이 상이한 플루토늄 함량을 갖는 영역들을 포함하기 때문이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 MOx 집합체에 관련한 것이 아니고, 대신에 이러한 타입의 영역이 설정된 배치를 갖지 않는 UO2 집합체들에 적용되며, 동위원소 235의 농도는 이 경우에 균일하다. 예를 들어, EP-799 484호는 몇 개의 격리된 연료봉이 가돌리늄으로 오염되고 인접한 연료봉들보다 작은 우라늄 235 농축도를 갖는 UO2 집합체를 공개한다. 그러나, 이들은 엄격한 의미에서 영역이 설정된 집합체들은 아니다.
종래에는, UO2 집합체는 일반적으로 정사각형 베이스(base)를 갖는 규칙적인 망의 노드들에 연료봉들을 유지하기 위한 골격체(skeleton)를 포함한다. 골격체는 하단부, 상단부, 안내 튜브들을 포함하고, 안내 튜브는 연료봉들을 유지하기 위한 그리드들과 두 단부들을 연결한다.
가압수형 원자로의 코어 내에는, UO2 집합체들이 2mm 정도의 적은 측방향 간 격을 갖고 서로 나란히 배치된다. 이 간격은 특히 집합체들이 코어를 적재(loading) 및 하역(unloading)하는 작업 중에 상승 및 하강될 수 있게 한다.
냉각 및 감속용 물이 상기 간격으로 인한 갭(gap)들에서 흐르고 이 위치에서 물층들을 형성한다.
이러한 타입의 집합체들의 높이는 크고, 3 또는 4 미터 이하일 수 있다. 제조 공차 때문에, 물층들의 실제 두께는 2mm의 공칭 두께로부터 적어도 국지적으로 상이할 수 있다.
또한, 원자로 내에 배치된 집합체들이 이론적으로 방사선으로 인해 변형되어 예를 들어, C,S 또는 W자 형상이 될 수 있다.
이러한 타입의 변형은 다양한 문제를 일으킬 수 있다. 작업 중에, 이들은 안내 튜브들에 원자로의 제어 및 정지봉 다발(cluster)을 삽입하기 더 힘들게 한다.
취급 중에, 이러한 변형들은 집합체들이 예를 들어 원자로의 코어를 적재하는 작업 중에 함께 걸리게 된다.
따라서, UO2 집합체들의 실제 거동이 적어도 기계적 관점에서 원하는 것과 상이하다.
본 발명의 목적은 집합체가 기계적 관점에서 원하는 거동과 상이하게 거동하는 위험을 감소시킬 수 있는 타입의 집합체를 제공하여 상술된 문제점을 극복하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 상술한 타입의 집합체에 대한 것이고, 연료봉들이 적어도 제 1 레벨의 핵 반응성을 갖는 연료봉들로 구성된 제 1 중심 그룹, 및 제 1 레벨의 핵 반응성보다 훨씬 작은 핵 반응성 레벨을 갖는 외측 주변층의 연료봉들로 분포되는 것을 특징으로 한다.
특정 실시예들에 따르면, 집합체들은 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 또는 이와는 분리되어 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 주변층의 연료봉들은 하기와 같이 분포된다:
- 망의 외형의 면들을 따라 연장하고 제 1 레벨의 핵 반응성보다 훨씩 작은 제 2 레벨의 핵 반응성을 갖는 제 2 그룹의 연료봉들;
- 망의 외형의 모서리들에 배치되고 제 2 레벨의 핵 반응성보다 훨씬 작은 제 3 레벨의 핵 반응성을 갖는 제 3 그룹의 연료봉들;
- 제 2 그룹은 연료봉들의 망의 외형의 각각의 면에 대해 하나의 모서리로부터 해당하는 면의 다른 모서리로 연장하고, 제 3 그룹은 연료봉들의 망의 외형의 모서리들에 배치되는 연료봉들만을 포함한다.
- 다양한 그룹의 연료봉들의 상이한 레벨의 핵 반응성은 연료봉들의 우라늄 235의 상이한 질량에 의해 얻어진다;
- 다양한 그룹의 연료봉들의 상이한 레벨의 핵 반응성은 상이한 레벨의 우라늄 235농축도를 갖는 연료봉들에 의해 얻어진다;
- 제 1 그룹의 연료봉들은 제 1 레벨의 우라늄 235 농축도(e1)를 갖는다,
- 제 2 그룹의 연료봉들은 제 1 레벨의 농축도(e1)보다 훨씬 작은 제 2 레벨의 우라늄 235 농축도(e2)를 갖는다,
- 제 3 그룹의 연료봉들은 제 2 레벨의 농축도(e2)보다 훨씬 작은 제 3 레벨의 우라늄 235 농축도를 갖는다;
- 제 2 레벨의 농축도(e2)는 e1-0.8% 내지 e1-0.2%이다;
- 제 3 레벨의 농축도(e3)는 e1-1.8% 내지 e1-0.6%이다;
- 제 1 레벨의 농축도(e1)는 3% 내지 6%이다.
또한, 본 발명은 상술한 핵연료 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 코어에 대한 것이다.
본 발명은 순수하게 예로서 주어지는 첨부한 도면들을 참조하여 하기의 설명을 읽어 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 핵반응로의 코어의 1/4을 예시하는 개략 평면도.
도 2는 도 1의 코어의 핵연료 집합체들 중 하나의 연료봉들의 분포를 예시하는 개략 평면도.
도 3a 및 도 3b는 2mm의 물층 두께에 대해 각각 도 2의 집합체에서 및 종래기술에 따른 집합체의 전력 분포를 예시하는 도표.
도 4a 및 도 4b는 7mm의 물층 두께에 대한 도 3a 및 도 3b와 유사한 도면.
도 5a 및 도 5b는 12mm의 물층 두께에 대한 도 3a 및 도 3b와 유사한 도면.
도 6은 본 발명의 변형예를 예시하는 도 2와 유사한 도면.
도 1은 가압수형 원자로(PWR)의 코어(1)의 1/4을 예시한다. 그러므로, 이 원자로는 가압수에 의해 냉각 및 감속된다. 관습적으로, 코어(1)는 이중 대칭(quad symmetry)성을 갖고, 대칭축들은 점선들로 예시하였다.
코어(1)는 상호 측방향 간격을 갖고 나란히 배치되는 연료 집합체(3)를 포함한다. 집합체(3)들 사이에는, 냉각 및 감속용 물로 채워지는 갭이 결국에 만들어진다. 따라서, 집합체(3)들은 집합체(3)의 총 높이에 걸쳐 연장하는 물층(5)들에 의해 측방향으로 한정된다.
전형적으로, 이들 물층(5)의 공칭 두께는 2mm이다.
집합체(3)들은 핵연료로서 동위원소 235가 농축된 우라늄을 갖는 UO2 집합체이다. 그러므로, 집합체(3)의 연료는 코어(1)에서 사용되기 전에는 플루토늄을 포함하지 않는다.
집합체(3)의 일반적인 구조는 관습적이므로, 상세히 설명하지 않는다. 단지, 각각의 집합체(3)가 실질적으로 규칙적인 망의 노드들에서 연료봉들을 지지 및 보유하기 위한 골격체와 연료봉들을 포함한다는 것을 알면 된다.
도 2의 예에서, 규칙적인 망은 정사각형 베이스와 정사각형 외형을 갖는다.
골격체는 관습적으로 하단부, 상단부, 안내 튜브(6)들을 포함하고, 안내 튜브는 이들 두 단부를 연결하고 코어(1)의 작동을 제어하기 위한 제어봉 묶음의 봉들을 수용한다.
골격체는 규칙적인 망의 노드들에서 연료봉들을 보유하는 그리드(7; grid)들 을 추가로 포함한다. 이들 그리드(7)는 규칙적인 망의 노드들 상에 중심조정된 셀(9; cell)들을 함께 한정하는 상호연결된 판(plate)들의 세트를 관습적으로 포함한다. 각각의 셀(9)은 연료봉 또는 안내 튜브(6)를 수용하기 위한 것이며, 중앙의 셀(9) 자체는 계측 튜브(11; instrumentation tube)를 수용한다.
도 2의 예에서, 지지 그리드(7)들은 측면마다 17개의 셀(9)을 포함한다. 그러므로, 망의 외형은 17개 측면 셀들을 포함하는 정사각형이다. 다른 변형예에서, 셀(9)들의 개수는 상이할 수 있다, 예를 들어, 14 x 14 또는 15 x 15.
연료봉들은 3 그룹으로 분포된다, 즉:
- 도 2에 빈 것으로 도시된 셀(9)들을 그 연료봉들이 점유하는 제 1 중심 그룹,
- 도 2에 십자로 표시한 셀(9)들을 점유하는 측면 연료봉들의 제 2 그룹,
- 도 2에 음영(crosshatch)으로 예시한 셀(9)들을 점유하는 모서리 연료봉들의 제 3 그룹.
예시된 예에서, 제 1 그룹은 200개의 연료봉을 포함한다. 이 제 1 그룹은 연료봉들의 주변층(13)으로부터 떨어진 전체 연료봉 망을 점유한다.
그러므로, 이 제 1 그룹은 안내 튜브(6)들과 계측 튜브(11)에 의해 점유되는 25개의 셀(9)을 포함하는 15개 측면 셀들을 갖는 정사각형에 대응한다.
이 제 1 그룹의 연료봉들은 핵연료로서 제 1 레벨의 농축도(e1)를 갖는 동위원소 235로 농축된 우라늄을 포함한다. 이 제 1 레벨의 농축도(e1)는 약 4.11%이다. 이 농축도는 이들 연료봉의 핵연료에 존재하는 우라늄의 총량과 동위원소 U235의 질량비로서 정의된다.
제 2 그룹의 연료봉은 주변층(13)의 4개 면(15)들에 걸쳐 분포된 60개의 연료봉들을 포함한다.
보다 정확하게는, 연료봉 망의 각각의 외면(15)에 대해, 해당 면(15)의 두 개의 모서리 연료봉들 사이에 위치하는 15개의 봉이 제 2 그룹에 속한다.
제 2 그룹의 연료봉들은 제 2 레벨의 농축도(e2)를 갖는 동위원소 235로 농축된 우라늄을 핵연료로서 함유한다. 이 제 2 레벨의 우라늄 235의 농축도(e2)는 약 3.7%이다.
제 3 그룹은 연료봉 망의 외측 모서리들, 즉 주변층(13)의 모서리들을 점유하는 4개의 연료봉을 포함한다. 제 3 그룹의 연료봉들의 핵연료는 약 2.8%의 제 3 레벨의 우라늄 235의 농축도(e3)를 갖는다.
그러므로, 주변층(13)의 각각의 면(15)은 그 두 단부에서, 제 3 그룹의 2개의 연료봉을 포함하고, 나머지에 대해, 제 2 그룹의 연료봉들을 포함한다. 망의 나머지는 제 1 그룹의 연료봉들로 점유된다. 그러므로, 집합체(3)의 주변에 걸쳐 연속적으로 연장하는 주변층(13)의 연료봉들은 집합체의 중심의 연료봉들보다 낮은 레벨의 농축도를 갖는다.
그러므로, 유사한 형상을 갖지만 상이한 레벨의 동위원소 235 농축도를 갖는 제 1, 제 2, 및 제 3 그룹의 연료봉들은 상이한 질량의 동위원소 235를 함유한다.
따라서, 집합체(3)는 모서리 연료봉들이 낮은 레벨의 핵 반응성을 갖고 모서리들 사이의 외면(15)들을 따라 배치되는 연료봉들이 중간 레벨의 핵 반응성을 갖 고, 망의 중심에 배치되는 다른 봉들은 높은 레벨의 핵 반응성을 갖는, 사용전에 "영역이 설정된" 구성을 갖는다.
이제 설명하는 바와 같이, 이러한 타입의 영역이 설정된 배치는 집합체(3)의 실제 기하학적 형상이 공칭 기하학적 형상과 다를 때에도 집합체(3)의 만족스러운 개개의 중성자 거동이 가능하게 한다.
따라서, 도 3a는 종래 기술에 따라 동위원소 235가 농축된 우라늄을 갖는 즉, 모든 연료봉이 균일한 농축도를 갖는 연료 집합체의 선형 출력(linear power) 분포를 예시한다. 해당하는 집합체를 둘러싸는 물층(5)들의 두께는 균질하고 2mm, 즉 공칭 값으로 가정한다. Y축 상의 출력값들은 집합체의 평균 출력값에 대해 표준화되어 있다. 이 출력 분포는 "크세논 평형 기간(Xenon equilibrium period)의 시작"으로 불리는 집합체의 작동 사이클들의 기간에 상응하는 150MWj/t의 소모에 대해 계산되었다. 이는 전력 분포가 가장 불균일한 것으로 추측되는 때이다.
도 3a의 경우에, 출력 분포는 균일하고 집합체 내의 평균 선형 출력에 대한 집합체의 최대 선형 출력의 비에 대응하는 형상 인자(form factor)는 약 1.053이다. 약 1인 형상 인자값은 출력 분포가 균질하고 만족스러움을 확인한다.
도 3b는 도 2의 집합체에 대해 유사한 도표이다. 이 도면에서 볼 수 있듯이, 제 3 그룹, 즉 집합체의 모서리들에서의 연료봉들의 선형 출력은 제 3 그룹의 연료봉들의 낮은 핵 반응성 레벨 때문에 제 1 그룹의 중심의 연료봉들보다 훨씬 낮다. 유사한 방식으로, 집합체(3)의 외면(15)들을 따라 배치되는 제 2 그룹의 연료봉들에 의해 제공되는 선형 출력은 제 1 그룹의, 즉 집합체(3)의 중심에서의 연료봉들 에 의해 제공되는 것과 제 3 그룹의 모서리의 연료봉들에 의해 제공되는 것의 사이에 있다.
그러므로, 형상 인자는 약 1.068이다. 따라서, 이는 종래기술에서보다 약간 높다. 그러나, 출력 인자의 값은 허용가능한 상태로 유지되고 도 2의 집합체(3)는 원자로에 사용하기에 완전히 적합하다.
도 4a와 도 4b는 도 3a와 도 3b에 대응하지만, 7mm의 균질한 두께를 갖는 물층(5)들을 갖는다.
볼 수 있듯이, 형상 인자는 1.186의 값에 도달하도록 종래 기술에 따른 집합체의 경우(도 4a)에서 크게 증가한다. 그러므로, 출력 분포는 매우 불균일하고, 이는 원자로 코어에서 방지되어야 한다.
이 사실은 층(5)들의 영역의 물의 두께가 클수록 중성자들이 더 지연되어 측면들에 위치하는 연료봉들, 심지어는 모서리에 위치하는 연료봉들도 핵분열을 일으킬 수 있는 열 중성자(thermal neutron)들에 더 노출되어 전력을 생성한다는 사실에 의해 귀납적으로 설명될 수 있다.
도 4b에서 볼 수 있듯이, 도 2의 집합체(3)의 영역 배치는 훨씬 더 균질한 분포를 달성하기 위해 외면(15)들을 따라 그리고 집합체(3)의 모서리들에서 선형 출력이 감소될 수 있게 한다. 따라서, 형상 인자는 전적으로 만족스러운 1.078의 값이 된다.
동일한 현상을 도 5a 및 도 5b에 예시된 바와 같이 훨씬 더 큰 균질한 두께의 물층(5), 예를 들어 12mm에 대해서도 볼 수 있다. 종래기술에 따른 집합체의 경 우에, 따라서 형상 인자가 약 1.342인 반면, 도 2의 집합체(3)에서는 약 1.181이다.
그러므로, 도 2의 집합체(3)의 구조를 적용하면 물층(5)들의 두께가 공칭값에 상응한다면 이 분포를 크게 훼손하지 하지 않고 국지적이라도 그 공칭값으로부터 벗어난 값을 물층(5)들이 갖더라도 전력 분포가 균일함을 보장할 수 있게 한다.
그러므로, 도 2의 집합체(3)는 중성자들에 관해 결과적으로 집합체들의 기계적 변형 또는 그 제조 공차가 감소될 수 있게 한다.
몇몇 경우에, 집합체(3)는 특히 제 1 그룹에 가돌리늄과 같은 중성자 불순물을 함유하는 연료봉들을 포함할 수도 있다. 그 다음에, 관련한 연료봉들은 이들이 속하는 그룹보다 적은 동위원소 235의 농축도를 가질 수 있다.
도 6에 예시된 변형예에서, 제 3 그룹은 4개의 모서리 연료봉에 부가하여 주변층(13)에 바로 인접한 8개의 연료봉을 포함한다. 그러므로, 제 3 그룹의 연료봉들은 12개의 연료봉을 포함한다.
그러나, 이 변형예는 이점이 적은 것으로 밝혀졌는데 왜냐하면 물층들의 두께가 공칭 두께와 같으면 전력 분포가 훨씬 더 손상되기 때문이다.
바람직한 변형예들에서, 제 2 레벨의 농축도(e2)는 e1-0.8% 내지 e1-0.2%일 수 있고 제 3 레벨의 농축도(e3)는 e1-1.8% 내지 e1-0.6%일 수 있다.
제 1 레벨의 농축도(e1)는 바람직하게는 3% 내지 6%이다.
일 변형예에서, 제 2 및 제 3 그룹이 같은 레벨의 동위원소 235의 농축도를 갖는 연료봉들로 구성될 수도 있다. 즉, e2와 e3는 갖다. 그 다음에, 낮은 레벨의 반응성을 갖는 연료봉들이 모든 주변층(13)을 점유하고 집합체(3)의 주변에서 연속적으로 연장하는 그룹을 형성한다.
또 다른 변형예에서, 다양한 그룹의 연료봉들 내의 다양한 레벨의 핵 반응성이 상이한 레벨의 동위원소 235 농축도 대신에, 연료봉들에 대해 상이한 직경을 갖게 하여 이루어질 수 있고, 이는 또한 상이한 질량의 동위원소 235가 상이한 그룹의 연료봉들에서 이루어질 수 있게 한다.
따라서, 제 1 그룹의 연료봉들은 제 1 직경을 갖고, 제 2 그룹의 연료봉들은 제 1 직경보다 훨씬 적은 제 2 직경을 갖고, 제 3 그룹의 연료봉들은 제 2 직경보다 작거나 같은 제 3 직경을 갖는다. 제 1, 제 2, 및 제 3 그룹의 연료봉들에 함유된 동위원소 235의 질량들은 그러므로 그 핵 반응성 레벨에 따라 작다.
보다 일반적으로, 연료봉들은 정사각형 이외의 다각형 외형을 갖는 망을 형성하기 위해 집합체 내에 배치될 수 있다.
Claims (11)
- 가압수형 원자로용 핵연료 집합체(3)로서, 상기 핵연료 집합체는 다각형 외형을 갖는 규칙적인 격자의 노드들에 배치되는 연료봉들을 포함하고, 상기 연료봉들은 동위원소 235가 농축된 우라늄을 함유하고 집합체가 원자로에서 사용되기 전에는 플루토늄을 함유하지 않는, 상기 핵연료 집합체에 있어서,상기 연료봉들은 적어도,우라늄 235의 제 1 레벨의 농축도 e1을 갖는 연료봉들을 구비한 제 1 중심 그룹, 및연료봉들의 외측 주변층(13)으로 분포되고, 상기 연료봉들의 외측 주변층(13)은,상기 격자의 외형의 면들(15)을 따라 연장하고 상기 제 1 레벨의 농축도 e1보다 적은 우라늄 235의 제 2 레벨의 농축도 e2를 갖는 제 2 그룹의 연료봉들, 및상기 격자의 외형의 모서리들에 배치되고 상기 제 2 레벨의 농축도 e2보다 적은 우라늄 235의 제 3 레벨의 농축도 e3을 갖는 제 3 그룹의 연료봉들로 분포되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 중심 그룹의 연료봉들은 중성자 독성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 2 그룹은 연료봉들의 격자 외형의 각각의 면(15)에 대해 하나의 모서리로부터 해당 면의 다른 모서리로 연장하고, 상기 제 3 그룹은 연료봉들의 격자 외형의 모서리들에 배치된 연료봉들만을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 2 레벨의 농축도 e2는 e1-0.8wt% 내지 e1-0.2wt% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 3 레벨의 농축도 e3은 e1-1.8wt% 내지 e1-0.6wt% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 레벨의 농축도 e1은 3wt% 내지 6wt% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 연료봉 격자(3)는 정사각형 외형을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 핵연료 집합체(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵반응로 코어.
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