KR101218774B1 - 고속로용 핵연료봉 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고속로용 핵연료봉에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 핵연료봉의 길이를 종래의 길이보다 축소시켜 고속로의 노심을 컴팩트하게 설계할 수 있는 고속로용 핵연료봉을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉은 내부에 중공부가 구비된 튜브형 연료심과, 상기 튜브형 연료심의 중공부에 삽입되어 핵연료 연소에 의해 발생할 수 있는 상기 튜브형 연료심의 붕괴를 방지하는 튜브형 내관과, 상기 튜브형 연료심을 감싸는 튜브형 피복관 및 상기 튜브형 연료심과 상기 튜브형 피복관 사이의 간극에 충진되는 액체 금속을 포함하고, 상기 튜브형 내관은 내부에 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 포집 공간부가 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

고속로용 핵연료봉{NUCLEAR FUEL ROD FOR FAST REACTOR}
본 발명은 고속로용 핵연료봉에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소듐냉각고속로의 노심을 컴팩트(compact)하게 설계할 수 있는 고속로용 핵연료봉에 관한 것이다.
고속로는 경수로에서 나온 사용후핵연료를 파이로프로세싱으로 처리해 재활용하는 원자로이다.
상기 고속로, 특히 소듐냉각고속로(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)는 투입한 핵연료보다 많은 양을 원자로 내부에서 자체적으로 만들어 계속해서 핵분열을 시킬 수 있고, 사용후핵연료 중 반감기가 길고 독성이 강한 핵종을 분열시켜 안정된 핵종으로 만들거나 독성을 낮출 수 있으며, 연료의 활용을 높여 에너지를 지속적으로 공급하며 폐기물을 줄일 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 고속로용 핵연료봉의 제 1구성도이다.
일반적으로 고속로용 핵연료봉은 도 5에 도시된 바와 같이, 가늘고 긴 원통형의 연료심(10)과, 상기 연료심(10)을 둘러싸고 있는 튜브 형태의 피복관(20)으로 구성된다.
상기 고속로는 경수로나 중수로에서 냉각재로 사용되는 물 대신, 소듐(sodium;Na)이나, 납(Pb), 납-비스무스(Pb-Bi) 합금 등의 액체 금속으로 냉각되도록 설계되고 있으며, 상기 피복관(20)의 내부에도 액체 금속(30)을 주입하여 연료심(10)에서 생산된 열을 냉각시킬 수 있다.
한편, 종래의 고속로용 핵연료봉은 핵분열 기체를 포집하는 공간인 플리넘(plenum)이 연료심 상단에 위치하여 핵연료봉 전체 길이의 약 42%를 차지하고 있다.
이러한 플리넘(plenum)은 핵연료 연소에 따른 핵분열 기체의 방출에 의해 연료봉 내압에 영향을 미치는 중요한 요소로, 핵연료봉의 전체 길이를 결정할 수 있고, 나아가 원자로 노심의 높이를 결정할 수 있는데, 원자로를 보다 컴팩트(compact)하게 설계하기 위해서는 상기 플리넘(plenum)의 길이를 줄임으로써 핵연료봉의 전체 길이를 줄이는 것이 필요하다.
예를 들어, 대한민국 특허출원번호 제10-2007-0082795호(발명의 명칭: "피복관 내면에 산화물 피막층이 형성된 고속로용 핵연료봉 및 그 제조 방법")는 고속로용 핵연료봉의 피복관에 산화물 피막층을 형성시켜 금속 연료심과 피복관 사이의 화학반응(Fuelcladding Chemical Interation, FCCI)을 억제시켜 고속로 금속 핵연료의 최대 허용 연소도 및 최대 허용 온도를 증가시킴으로써 고속로의 수명을 연장시킬 수 있는 기술을 소개하고 있다.
도 6은 종래 기술에 따른 고속로용 핵연료봉의 제 2구성도이다.
구체적으로 상기 출원은 도 6에 도시된 바와 같이, 피복관 내면에 크롬 산화물(Cr2O3), 바나듐 산화물(V2O3) 및 지르코늄 산화물(ZrO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 산화물 피막층이 형성된 고속로용 핵연료봉에 대한 발명으로, 상기 산화물 피막층이 금속연료심과 피복관 사이의 화학반응을 억제시켜 고속로의 출구온도를 증가시킬 수 있음을 개시하고 있으나, 상기 출원에서는 금속연료심이 종래의 연료심과 구조적으로 동일하게 형성되어 컴팩트한 노심을 설계할 수 없는 문제점을 내포하고 있다.
또한, 대한민국 특허출원번호 제10-2008-0011094호(발명의 명칭: "피복관 내벽에 질화물이 코팅된 고속로용 금속 핵연료 및 그 제조 방법")는 피복관 내벽에 천이금속의 질화물 코팅층을 안정적으로 형성하여 고속로 가동중 피복관 내에 내장되어 있는 금속 연료심과 피복관의 상호확산반응을 효율적으로 억제함으로써, 금속 연료심과 피복관 내벽 사이에 상호반응층의 생성을 방지하여 운전 제한 온도를 높일 수 있는 기술을 소개하고 있다.
도 7은 종래 기술에 따른 고속로용 핵연료봉의 제 3구성도이다.
구체적으로 상기 출원은 도 7에 도시된 바와 같이, 원통형의 금속 연료심(1)과, 상기 금속 연료심(1)을 둘러싸고 있는 중공원통형의 피복관(3)과, 상기 피복관(3)의 내벽면에 형성되는 천이금속의 질화물 코팅층(2) 및 상기 금속 연료심(1)과 상기 피복관(3) 사이에 채워지는 액체 금속(4)을 포함하는 고속로용 금속 핵연료에 대한 발명으로, 상기 질화물 코팅층(2)이 금속 연료심(1)과 피복관(3) 내벽 사이에 상호반응층의 생성을 방지하여 운전 제한 온도를 높일 수 있음을 개시하고 있으나, 상기 출원에서도 금속 연료심(1)이 종래의 연료심과 구조적으로 동일하게 형성되어 컴팩트한 노심을 설계할 수 없는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 고속로용 핵연료봉을 구조적으로 변경하여 컴팩트한 노심을 설계할 수 있는 방법을 연구하던 중 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 핵연료봉의 길이를 종래의 길이보다 축소시켜 고속로의 노심을 컴팩트하게 설계할 수 있는 고속로용 핵연료봉을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉은 내부에 중공부가 구비된 튜브형 연료심과, 상기 튜브형 연료심의 중공부에 삽입되어 핵연료 연소에 의해 발생할 수 있는 상기 튜브형 연료심의 붕괴를 방지하는 튜브형 내관과, 상기 튜브형 연료심을 감싸는 튜브형 피복관 및 상기 튜브형 연료심과 상기 튜브형 피복관 사이의 간극에 충진되는 액체 금속을 포함하고, 상기 튜브형 내관은 내부에 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 포집 공간부가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브형 연료심의 상단에 구비되어 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 플리넘(plenum)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 튜브형 연료심은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 지르코늄(Zr), 아메리슘(Am), 넵티늄(Np), 퀴륨(Cm)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
또한, 상기 튜브형 연료심이 차지하는 단면적 분율은 연료봉 전체 단면적의 50% 내지 90% 일 수 있다.
또한, 상기 튜브형 내관의 외주연과 상기 튜브형 연료심의 내주연이 서로 밀착되어 상기 튜브형 내관이 상기 튜브형 연료심을 지지할 수 있다.
또한, 상기 튜브형 내관은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니오브(Nb), 탄탈(Ta) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 튜브형 피복관은 스테인리스 강으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 액체 금속은 소듐일 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉에 의하면, 핵연료봉의 길이를 종래의 길이보다 축소시켜 고속로의 노심을 컴팩트하게 설계할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 핵연료봉의 중심온도를 감소시켜 운전 여유도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명에 따르면, 연료심 용융이 발생되는 설계기준 사고시에 안전성을 담보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉 중 튜브형 연료심의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉 중 튜브형 내관의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉 중 튜브형 피복관의 구성도.
도 5는 종래 기술에 따른 고속로용 핵연료봉의 제 1구성도.
도 6은 종래 기술에 따른 고속로용 핵연료봉의 제 2구성도.
도 7은 종래 기술에 따른 고속로용 핵연료봉의 제 3구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
본 발명은 핵연료봉의 길이를 종래의 핵연료봉의 길이보다 축소시켜 고속로, 특히 소듐냉각고속로의 노심을 컴팩트하게 설계할 수 있는 고속로용 핵연료봉에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉의 구성도이다.
본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉은 도 1에 도시된 바와 같이, 튜브형 연료심(100)과, 튜브형 내관(200)과, 튜브형 피복관(300) 및 액체 금속(400)을 포함하며, 서로 일정한 간격을 유지한 채로 핵연료 집합체 형태로 조립되어 고속로 내에 장전될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉은 도시되지 않았으나, 상기 튜브형 연료심(100)의 상단에 구비되어 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 플리넘(plenum)을 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉 중 튜브형 연료심의 구성도이다.
상기 튜브형 연료심(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 중공부(110)가 구비될 수 있다.
일반적으로, 종래의 고속로용 핵연료봉에 구비된 연료심은 도 5에 도시된 바와 같이, 가늘고 긴 원통형으로 이루어져 내부에 중공부를 구비하지 않으나, 본 발명의 연료심(100)은 핵연료봉의 길이를 축소시키기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 연료심(100) 내부에 중공부(110)가 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 중공부(110)는 핵연료 연소에 따라 방출되는 핵분열 기체를 포집하는 공간으로, 본 발명에서와 같이, 상기 연료심(100)에 중공부(110)를 형성함으로써, 상기 중공부(110)와 동일한 작용을 하는 상기 플리넘(plenum)의 길이를 축소시킬 수 있고, 이에 따라, 전체적으로 핵연료봉의 길이를 축소시킬 수 있다.
즉, 핵분열 기체를 포집하는 공간인 상기 플리넘(plenum)의 길이를 축소시키는 대신에, 상기 연료심(100) 내부에 상기 플리넘(plenum)과 동일한 역할을 하는 공간인 중공부(110)를 추가적으로 형성함으로써, 상기 핵연료봉의 길이를 축소시킬 수 있고, 이에 따라 고속로의 노심을 컴팩트하게 설계할 수 있다.
상기 튜브형 연료심(100)은 핵반응 물질을 포함하며, 상기 액체 금속(400)과 양립성이 우수하여 반응성이 없고 열전달 특성이 우수한 용기, 즉, 상기 튜브형 피복관(300)에 의해 밀봉될 수 있다.
구체적으로, 상기 튜브형 연료심(100)은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 지르코늄(Zr), 아메리슘(Am), 넵티늄(Np), 퀴륨(Cm)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 연료심(100) 내부에 중공부(110)를 형성함으로써 종래의 연료심에 비해 핵분열 물질의 양이 감소함에 따라 고속로의 출력이 저하될 수 있으나, 이러한 고속로의 출력 저하는 상기 연료심의 직경을 증가시킴으로써 보상할 수 있다.
한편, 연료봉에서 연료심이 차지하는 단면적 분율은 핵분열시 발생하는 열을 제어할 수 있다.
따라서, 그 면적이 너무 작으면 열출력이 낮아지고, 너무 크면 핵분열 방출에 따른 연료심의 팽윤에 의해 피복관과 기계적 상호작용이 증가할 수 있으므로 상기 튜브형 연료심(100)이 차지하는 단면적 분율은 연료봉 전체 단면적의 50% 내지 90%, 바람직하게는 약 75% 일 수 있다.
상기 튜브형 내관(200)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 튜브형 연료심(100)의 중공부(110)에 삽입되어 핵연료 연소에 의해 발생할 수 있는 상기 튜브형 연료심(100)의 붕괴를 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 튜브형 내관(200)의 외주연(200a)과 상기 튜브형 연료심(100)의 내주연(100a)이 서로 밀착되어 상기 튜브형 내관(200)이 상기 튜브형 연료심(100)을 지지함으로써, 핵연료 연소에 의해 발생할 수 있는 상기 튜브형 연료심(100)의 붕괴를 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉 중 튜브형 내관의 구성도이다.
상기 튜브형 내관(200)은 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 포집 공간부(210)가 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 포집 공간부(210)는 상기 내관(200)의 내부에 형성되며, 상기 플리넘(plenum)과 동일하게 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집할 수 있다.
또한, 상기 튜브형 내관(200)은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니오브(Nb), 탄탈(Ta) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 튜브형 피복관(300)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 튜브형 연료심(100)을 외부에서 커버할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속로용 핵연료봉 중 튜브형 피복관의 구성도이다.
상기 튜브형 피복관(300)은 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 홀(hole)을 구비하는 튜브형으로 형성되어, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 튜브형 연료심(100)을 상기 튜브형 피복관(300)의 홀에 위치시킴으로써 상기 튜브형 연료심(100)을 외부에서 커버할 수 있다.
또한, 상기 튜브형 피복관(300)은 스테인리스 강으로 이루어져, 핵반응 물질과 상기 핵연료봉 외부에 위치된 냉각재 사이의 직접적인 접촉을 막아 화학적 상호반응이 일어나지 않도록 하면서 핵분열 생성물의 누출을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 튜브형 피복관(300)은 크롬 함량이 8 내지 12 중량%인 고크롬 스테인리스 강이 사용될 수 있고, 상기 튜브형 피복관(300)은 철, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐 또는 니오븀 등의 원소로 구성될 수 있다.
상기 액체 금속(400)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 튜브형 연료심(100)과 상기 튜브형 피복관(300) 사이의 간극에 충진될 수 있고, 여기서, 상기 액체 금속은 소듐일 수 있다.
구체적으로, 상기 튜브형 연료심(100)과 상기 튜브형 피복관(300) 사이에는 연소시 튜브형 연료심(100)의 열팽창을 수용할 수 있는 간극이 형성될 수 있는데, 상기 튜브형 연료심(100)과 상기 튜브형 피복관(300) 사이의 간극에 열전도도가 좋은 액체 소듐을 충진시킴으로써 상기 튜브형 연료심(100)과 상기 튜브형 피복관(300) 사이의 열전도 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 핵연료 연소시 상기 튜브형 연료심(100)의 핵반응에 의해 발생하는 열을 상기 액체 금속(400)을 이용하여 상기 튜브형 피복관(300)의 외부로 효과적으로 방출시킴으로써 상기 튜브형 연료심(100)의 중심 온도를 낮출 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉에 의하면, 핵연료봉의 길이를 종래의 길이보다 축소시켜 고속로의 노심을 컴팩트하게 설계할 수 있고, 핵연료봉의 중심온도를 감소시켜 운전 여유도를 증가시킬 수 있으며, 연료심 용융이 발생되는 설계기준 사고시에 안전성을 담보할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 고속로용 핵연료봉을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100:튜브형 연료심 100a:튜브형 연료심의 내주연
110:중공부 200:튜브형 내관
200a:튜브형 내관의 외주연 210:포집 공간부
300:튜브형 피복관 400:액체 금속
10:연료심 20:피복관
30:액체 금속
1:금속 연료심 2:질화물 코팅층
3:피복관 4:액체 금속

Claims (8)

  1. 내부에 중공부가 구비된 튜브형 연료심;
    상기 튜브형 연료심의 중공부에 삽입되어 핵연료 연소에 의해 발생할 수 있는 상기 튜브형 연료심의 붕괴를 방지하는 튜브형 내관;
    상기 튜브형 연료심을 감싸는 튜브형 피복관; 및
    상기 튜브형 연료심과 상기 튜브형 피복관 사이의 간극에 충진되는 액체 금속을 포함하고,
    상기 튜브형 내관은 내부에 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 포집 공간부가 구비된 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브형 연료심의 상단에 구비되어 핵연료 연소에 의해 발생하는 핵분열 기체를 포집하는 플리넘(plenum)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브형 연료심은 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 지르코늄(Zr), 아메리슘(Am), 넵티늄(Np), 퀴륨(Cm)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브형 연료심이 차지하는 단면적 분율은 연료봉 전체 단면적의 50% 내지 90% 인 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브형 내관의 외주연과 상기 튜브형 연료심의 내주연이 서로 밀착되어 상기 튜브형 내관이 상기 튜브형 연료심을 지지하는 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브형 내관은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니오브(Nb), 탄탈(Ta) 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 튜브형 피복관은 스테인리스 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 금속은 소듐인 것을 특징으로 하는 고속로용 핵연료봉.
KR1020110141175A 2011-12-23 2011-12-23 고속로용 핵연료봉 KR101218774B1 (ko)

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