KR101183237B1 - 판상 핵연료 - Google Patents

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김한수
탁영욱
임정식
오제용
손동성
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Abstract

본 발명은 두께가 얇고 상대적으로 단면적이 큰 디스크 형태의 우라늄 산화물(UO2)을 배치한 판상 핵연료에 관한 것으로, 복수의 삽입홈이 형성된 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 삽입홈과 동일한 단면형상을 가지면서 상기 삽입홈에 삽입되는 판상의 핵연료유니트; 및 상기 삽입홈에 핵연료유니트가 삽입된 베이스 플레이트의 상면에 결합되는 커버 플레이트를 포함한다. 상기 판상 핵연료는 우라늄 산화물 연료와 연료판의 제작성이 크게 개선되어 경제성을 확보하는 동시에, 연료 모서리에서 발생하는 응력집중이 완화되어 연료 파손 확률이 줄어들어 핵연료 안전성이 향상된다.

Description

판상 핵연료{A nuclear fuel plate}
본 발명은 판상 핵연료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두께가 얇고 상대적으로 단면적이 큰 디스크 형태의 우라늄 산화물(UO2)을 배치한 판상 핵연료에 관한 것이다.
현재 발전용 상용 경수로에서는 펠렛 형태의 우라늄 산화물을 튜브에 장입한 핵연료봉이 사용되고 있다. 일반적으로 원통 모양의 핵연료봉은 지르코늄 합금 피복관에 원통형상의 우라늄 산화물(UO2) 소결체를 다수 장입하고 피복관의 양단을 봉단마개로 막고 용접하여 밀봉한 형태이다.
그러나, 연구용 원자로에서는 열전달 효율을 높게 하기 위해 판형의 핵연료를 사용하는 경우가 많다. 또한, 최대한 높은 중성자속을 생산하기 위해 핵분열 물질 우라늄을 최대한 많이 장입하기 위해 우라늄 금속 화합물을 내부에 넣고 알루미늄 합금 피복재로 우라늄 금속 화합물을 둘러싸는 샌드위치 형의 판상연료가 가장 많이 사용된다.
또는, 발전용 경수로에서 사용되는 우라늄 산화물(UO2)의 경험을 활용하고 좀 더 가혹한 조건에서 사용하기 위해 우라늄 금속 화합물 대신에 우라늄 산화물 (UO2) 연료를 사용하는 경우도 있다.
우라늄 산화물 (UO2) 연료를 사용하는 판상 핵연료(10)의 경우 주로 사용되는 기술은 다음과 같다. 먼저 우라늄 산화물 연료(18)를 얇은 사각 판재 (캐러멜) 모양으로 제조한다. 그리고 상하 두 개의 피복판 중 하판(12) 위에 얇은 격자를 스트립(14)을 이용해 형성한다.
상기 격자는 상기 우라늄 산화물 연료(18)가 삽입될 수 있는 크기를 가져야 한다. 따라서, 상기 우라늄 산화물 연료(18)는 상기 스트립(14)에 의해 서로 일정간격을 유지한 상태를 가지게 된다. 그리고, 상기 우라늄 산화물 연료(18)의 측면부를 밀봉하기 위해 상기 하판(12)의 모서리부에 측벽(16)을 설치한다. 상기 측벽(16)의 두께는 상기 우라늄 산화물연료(18) 및 상기 스트립(14)의 두께와 동일하다. 그리고, 상기 측벽(16), 상기 스트립(14) 및 상기 산화물연료(18)의 상측으로 상판(20)을 덮어 상기 우라늄 산화물연료(18)를 외부로부터 격리시킨다.
마지막으로 조립된 상기 판상 핵연료(10)를 고온 고압의 조건에서 용접(예를 들어, 확산 용접)으로 상판(20), 하판(12), 스트립(14), 측벽(16), 우라늄 산화물연료(18) 등의 구성품들이 서로 분리되지 않게 접합한다. 이러한 판상 핵연료(10)의 특징은 각각 분리된 우라늄 산화물 (UO2)로 인해 설령 한곳에서 파손이 발생하더라도 파손이 다른 곳으로 전파되는 것이 어렵다.
그러나, 도 1에 도시된 판상 핵연료(10)에 사용되는 우라늄 산화물 연료(18)는 사각형이므로 가공하는 것이 어려워서 제작비용도 상당히 많이 소요된다. 또, 상기 스트립(14)의 배치 등의 공정이 추가되는 것으로 인하여 제작시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 따라서, 프랑스 오시리스(Osiris) 연구로는 경제성 문제로 이러한 캐러멜 형상의 판상 핵연료(10)의 사용이 중단되었다.
특히, 캐러멜 형상의 판상 핵연료(10)를 구획하기 위한 스트립(14)과 측벽(16)을 사용하는 것은 조립과정을 복잡하게 할 뿐 아니라 각각의 이음새에서 서로 맞대고 있는 면 끼리 압착하여 확산용접하는 것이 어렵고, 원자로 내에서의 성능 관점에서도 최종 조립후에 원자로에서 사용할 때 연료 모양이 사각형이기 때문에 모서리에 응력집중이 발생하여 모서리로부터 핵연료 파손으로 이어질 수도 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 다양한 형태, 바람직하게는 디스크 형상의 우라늄 산화물 연료와 이를 직접 수용할 수 있는 판상 핵연료의 틀을 개발하여 핵연료 제작과정을 단순화하는 동시에 핵연료 안전성을 높이는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수의 삽입홈이 형성된 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 삽입홈과 동일한 단면형상을 가지면서 상기 삽입홈에 삽입되는 판상의 핵연료유니트; 및 상기 삽입홈에 핵연료유니트가 삽입된 베이스 플레이트의 상면에 결합되는 커버 플레이트를 포함하는 판상핵연료이다.
상기 삽입홈은 2종류 이상의 단면적 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 삽입홈의 단면형상은 다각형, 원형, 타원형, 및 장원형(長圓形) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 베이스 플레이트는, 상기 삽입홈에 대응되는 관통홀이 형성되는 제1판과, 상기 제1판의 일면에 부착되어 상기 관통홀의 일측을 폐쇄하는 제2판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 핵연료유니트가 상기 삽입홈에 삽입될 때, 상기 핵연료의 상측면과 하측면에는 완충부재가 적층되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 핵연료유니트는 우라늄 산화물의 농도가 2종 이상인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 삽입홈의 일부에는 중성자흡수유니트가 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 디스크 형상의 우라늄 산화물(UO2) 연료를 판상 핵연료에 적용함으로써 우라늄 산화물 연료와 연료판의 제작성이 크게 개선되어 경제성을 확보하는 동시에, 연료 모서리에서 발생하는 응력집중이 완화되어 연료 파손 확률이 줄어들어 핵연료 안전성이 향상된다. 또한 우라늄 산화물의 쉽고 확실한 구획으로 인해 핵연료 손상이 발생하여도 핵분열 생성물의 방출을 최소화할 수 있으며, 핵연료 첨두출력을 감소함으로써 핵연료 안전성을 더욱 증진시킬 수 있다.
현재 제안된 판상 핵연료판은 특히 연구용 원자로에 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 연료가 금속 우라늄 화합물의 경우만 사용되고, 산화물의 장점이 있음에도 불구하고 캐러멜 사각 핵연료판은 제작의 어려움과 고비용으로 사용이 중단된 바 있다. 따라서, 본 발명을 통해 개발된 판상 핵연료는 산화우라늄(UO2)의 장점을 살리면서 기존의 판상 핵연료가 가지는 문제점을 해소하여 저비용으로 좀 더 가혹한 조건의 원자로에 사용될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 판상 핵연료의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 판상 핵연료의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예2에 따른 판상 핵연료의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예3에 따른 판상 핵연료의 분해 사시도이다.
도 6는 본 발명의 실시예4에 따른 판상 핵연료의 분해 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예5에 따른 판상 핵연료의 조립순서를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예6에 따른 판상 핵연료의 분해 사시도이다.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 첨부 도면을 참조하여 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 판상핵연료(100)의 분해사시도고, 도 3은 도 2의 단면도이다. 상기 판상핵연료(100)는 복수의 삽입홈(132)이 형성된 베이스 플레이트(130)와, 상기 베이스 플레이트(130)의 삽입홈(132)과 동일한 단면형상을 가지면서 상기 삽입홈(132)에 삽입되는 판상의 핵연료유니트(120)와, 상기 삽입홈(132)에 핵연료유니트(120)가 삽입된 베이스 플레이트(130)의 상면에 결합되는 커버 플레이트(110)를 포함한다.
상기 삽입홈(132)은 도 2에 도시된 바와 같이 단면의 형상이 원형 뿐 아니라, 다각형, 타원형, 및 장원형(長圓形) 등과 같이 다양한 형태로 형성되는 것이 가능하다. 다만, 상기 핵연료유니트(120)의 생산효율을 높이기 위해서는 원형 또는 직사각형이 용이하며, 특히 원형은 응력이 집중되는 부분이 없어서 더욱 바람직하다.
상기 핵연료유니트(120)는 우라늄 산화물 소결체로써, 상기 삽입홈(132)과 동일한 형상 및 크기를 가진다. 따라서, 상기 삽입홈(132) 내에 상기 핵연료유니트(120)가 삽입되면, 상기 베이스 플레이트(130)의 평면과 상기 핵연료유니트(120)의 평면이 동일평면을 이루게 된다. 그리고, 상기 핵연료유니트(120)는 동전 모양의 우라늄 산화물(UO2) 연료를 건식 혹은 습식 방법을 사용하여 제작한다. 운전조건에 따라서, 농축도에 따라 상기 핵연료유니트(120)의 직경을 다르게 제작할 수 있다.
상기 베이스 플레이트(130)는 지르코늄 합금 혹은 알루미늄 합금을 이용할 수 있으며, 상기 삽입홈(132)은 절삭가공 또는 성형가공 등의 방법을 이용하여 일체로 형성시킨다. 상기 삽입홈(132) 이외에 첨두 출력을 줄이기 위한 중성자 흡수물질을 장입할 수 있는 공간을 별도의 크기로 제작할 수 있다.
상기 커버플레이트(110)는 상기 베이스 플레이트(130)와 마찬가지로 지르코늄 혹은 알루미늄 합금으로 제작될 수 있다. 상기 커버플레이트(110)는 저면이 평면이며, 상기 삽입홈(132)에 상기 핵연료유니트(120)가 삽입된 상기 베이스 플레이트(130)의 상부를 덮게 된다.
이후, 상기 커버플레이트(110)와 상기 베이스 플레이트(130)의 접촉면은 용접(예를 들어, 확산용접)에 의해 접합돼서, 상기 핵연료유니트(120)는 최종적으로 밀봉된다. 또한, 전자빔 용접 혹은 레이저 용접 등을 통해 상기 핵연료유니트(120)를 각각 분리 구획하여 용접하는 것이 가능하다. 이렇게 제작된 상기 판상 핵연료(100)는 대개 폭이 60?100㎜. 두께가 2?5㎜, 연료 유효길이가 600?1000㎜이다. 상기 핵연료유니트(120)는 직경을 다양하게 설계할 수 있으며, 대개 15?30㎜이며, 두께는 1.5?3㎜ 정도이다.
상기 판상 핵연료(100)는 커버플레이트(110)와 베이스 플레이트(130)의 표면이 서로 맞닿아서, 응력이 전달되기 때문에, 상기 핵연료유니트(120)에 직접 가해지는 응력이 작을 뿐 아니라, 응력분포가 균일하여 상기 핵연료유니트(120)가 파손될 위험이 적다. 특히, 상기 핵연료유니트(120)가 단면이 원형인 경우 응력 집중이 발생할 여지가 종래기술에 따른 캐러멜 연료보다 훨씬 적게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예2에 따른 판상 핵연료(200)를 설명한다. 상기 판상 핵연료(200)는 기본적으로 상기 실시예1의 판상 핵연료(200)와 구조상으로 동일하나, 2종의 핵연료유니트(220,222)를 포함하고 있다는 차이가 있다. 따라서, 이에 대응되어 베이스 플레이트(230)에도 2종의 삽입홈(232,234)이 형성된다.
상기 판상 핵연료(200)는 외측에 직경이 큰 핵연료유니트(220)가 배치되고, 내측에 상대적으로 직경이 작은 핵연료유니트(222)가 배치된다.
원자로에서 판상 핵연료의 길이는 대개 최소 600㎜ 이상으로 축방향으로 출력 첨두(peaking)가 발생한다. 이러한 출력을 줄이기 위해서는 출력 첨두가 발생하는 가운데 부분에 우라늄을 적게 분포시킬 수 있다. 따라서, 도 4에서와 같이 가운데 부분에서는 우라늄 양을 적게 넣을 수 있게 직경이 작은 핵연료유니트(222)를 장입하면 된다. 물론, 실시예1의 판상 핵연료(100)에서 중심측의 핵연료유니트(120) 우라늄 농축도를 상대적으로 낮게 하는 것으로도 동일한 효과를 낼 수 있다.
실시예2의 판상 핵연료(200)와는 반대로, 본 발명의 실시예3에 따른 판상 핵연료(300)는 도 5에 도시된 바와 같이, 내측에 직경이 큰 핵연료유니트(322)가 배치되고, 외측에 상대적으로 직경이 작은 중성자흡수유니트(320)가 배치된다. 판상 핵연료의 양 끝단에서는 이용 가능한 중성자가 많아 양 끝단 효과가 있다. 이러한, 양끝단 효과를 줄이기 위해 중성자를 흡수할 수 있는 물질을 배치할 필요가 있다. 이를 위해 베이스 플레이트(330)의 양단에 작은 직경의 삽입홈(332)을 파서 여기에 제작된 중성자흡수유니트(320)를 장전하면 된다.
따라서, 핵연료유니트의 종류 및 그 배치는 다양하게 변형시킬 수 있으며, 실시예1 내지 실시예3의 판상 핵연료(100,200,300)에 한정되지 않는다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예 4에 따른 판상 핵연료(400)를 설명한다. 상기 판상 핵연료(400)는 베이스 플레이트(430)를 실시예 1 내지 3과 달리 2개의 구성요소로 구성시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 베이스 플레이트(430)는 삽입홈에 대응되는 관통홀(434)이 형성되는 제1판(432)과, 상기 제1판(432)의 일면에 부착되어 상기 관통홀(434)의 일측을 폐쇄하는 제2판(440)을 포함한다.
상기 제1판과 제2판의 부착은 용접 또는 확산접합을 이용할 수 있다. 판재에 홈을 형성시키는 절삭가공보다, 실시예 4와 같이 관통홀(434)이 형성되는 제1판(432)을 이용하면 펀칭 또는 홀커팅으로 가공할 수 있기 때문에 훨씬 유리하다. 따라서, 생산량을 늘리고 제작단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
그리고, 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예 5에 따른 판상 핵연료(500)를 설명한다. 상기 판상 핵연료(400)는 취성이 커서 외력, 특히 충격적인 외란에 의해 파손되기 쉽다. 따라서, 상기 판상 핵연료(500)는 이러한 단점을 보완하기 위해서 도 7에 도시된 바와 같이, 변형에너지로써 충격에너지를 흡수할 수 있는 완충부재(522,524)가 핵연료유니트(520)의 상하에 각각 배치시키는 방법과 핵연료유니트(500)의 표면에 흑연코팅을 하는 방법을 적용한다.
상기 완충부재(522,524)로는 고밀도의 흑연 또는 열변형이 적으면서도 탄성계수가 핵연료유니트(520)에 비해 상대적으로 작고 다소 기공이 많은 Be이나 Mo를 사용할 수 있다. 좀 더 상술하면, 흑연은 윤활성이 좋고 충격흡수를 잘하며, 열전도도와 고온 안정성이 뛰어나고 핵적 특성이 좋기 때문에 핵연료 표면에 코팅을 하거나 얇은 판상디스크를 연료 상하에 배치하여 완충부재로 사용한다. Be와 Mo는 각각 열전달 특성이 좋고, Be의 경우 추가로 중성자를 낼 수 있는 물질이여서 중성자 밀도를 증가시킬 수 있고, Mo는 원자로 내에서 중성자에 대한 안정성이 뛰어난 물질이며, 또한 Be와 Mo는 소결 등의 제조방법에 의해 판상의 형태로 제작하기에도 용이하다.
상기 완충부재(522,524)의 두께는, 상기 핵연료유니트(520)의 위아래로 상기 완충부재(522,524)를 적층했을 때 삽입홈(532)의 깊이와 같아야 한다. 즉, 커버플레이트(510)를 베이스플레이트(530)에 접합할 때, 상기 완충부재(522,524)가 삽입홈(532)보다 돌출되면 완충부재(522,534)에 압력이 가해지면서 상기 핵연료유니트(520)에 불필요한 초기응력이 작용하는 문제점이 발생할 수 있다.
도 8에 도시된 실시예6에 따른 판상 핵연료(600)는 기본적으로 실시예1의 판상 핵연료(100)와 동일하나, 핵연료유니트(620)의 배치가 더욱 조밀해지도록 한 것이다. 다시 말해, 실시예1의 판상 핵연료(100)에서는 핵연료유니트(120)의 중심을 서로 연결하면 정사각형이지만, 실시예6의 판상 핵연료(600)에서는 핵연료유니트(620)의 중심을 서로 연결하면 마름모꼴이 된다.
이러한 배열은 주어진 판상 핵연료(600) 내에 가능한 한 많은 연료물질을 장입할 수 있고 커버플레이트(610)와 베이스 플레이트(640) 사이에 접합면적이 줄어들기 때문에 확산용접에도 용이하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10,100,200,300,400,500,600: 판상 핵연료
12: 하판 14: 스트립
16: 측벽 18: 우라늄 산화물연료
20: 상판
110,210,310,410,510,610: 커버플레이트
120,220,222,322,420,520,620: 핵연료유니트
130,230,330,430,530,630: 베이스 플레이트
132,232,234,332,334,532,632: 삽입홈
320: 중성자흡수유니트 432: 제1판
434: 관통홀 440: 제2판
522,524: 완충부재

Claims (7)

  1. 복수의 삽입홈이 형성된 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트의 삽입홈과 동일한 단면형상을 가지면서 상기 삽입홈에 삽입되는 판상의 핵연료유니트; 및
    상기 삽입홈에 핵연료유니트가 삽입된 베이스 플레이트의 상면에 결합되는 커버 플레이트를 포함하고,
    상기 삽입홈은 2종류 이상의 단면적 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 판상핵연료.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 삽입홈의 단면형상은 다각형, 원형, 타원형, 및 장원형(長圓形) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 판상핵연료.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는, 상기 삽입홈에 대응되는 관통홀이 형성되는 제1판과, 상기 제1판의 일면에 부착되어 상기 관통홀의 일측을 폐쇄하는 제2판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 판상핵연료.
  5. 제1항에 있어서, 상기 핵연료유니트가 상기 삽입홈에 삽입될 때, 상기 핵연료의 상측면과 하측면에는 완충부재가 적층되는 것을 특징으로 하는 판상핵연료.
  6. 제1항에 있어서, 상기 핵연료유니트는 우라늄 산화물의 농도가 2종 이상인 것을 특징으로 하는 판상핵연료.
  7. 제1항에 있어서, 상기 삽입홈의 일부에는 중성자흡수유니트가 배치되는 것을 특징으로 하는 판상핵연료.
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JP2009505047A (ja) 2005-08-10 2009-02-05 コミツサリア タ レネルジー アトミーク マクロ構造を有する燃料ペレット要素

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