KR101221569B1 - 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소에 사용할 수 있는 핵연료에 토륨을 이용한 증식용 핵연료에 관한 것으로, 세라믹 성질을 가진 이산화우라늄(UO₂) 또는 이산화플루토늄(PuO₂)과 금속 토륨(Th)을 혼합하여 U 또는 Pu의 핵분열로부터 생성되는 중성자에 의한 토륨의 증식과 증식된 토륨이 U-233의 새로운 핵분열물질로 변환되어 지속적인 핵분열이 가능한 것을 특징으로 하는, 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료에 관한 것이다. 이러한 혼합핵연료는 토륨의 증식을 통해 원전노심에서 장기적으로 연소될 수 있으므로, 이를 원전에서 이용하면 원전의 이용률을 증대시키고 제한된 우라늄 자원을 최대한으로 보전할 수 있다.

Description

금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료{Breeding Mixed Nuclear Fuel Using Metallic Thorium}

본 발명은 금속 토륨을 이용한 증식용 혼합핵연료에 관한 것으로, 세라믹 성질을 가진 이산화우라늄(UO₂)과 금속 토륨(Th)을 혼합하여, U-235의 핵분열에서 생성되는 중성자가 토륨을 증식하고 이 증식된 토륨이 U-233의 새로운 핵분열물질로 변환된 후 지속적인 핵분열을 일으킴으로서, 핵연료의 경제성을 향상시킬 수 있는 금속토륨을 이용한 증식용 혼합핵연료에 관한 것이다.

토륨 증식을 이용한 기존의 핵연료는 토륨과 농축우라늄과의 혼합물이며, 이를 원자로 노심에 조사하여 연소시킨다. 이 핵연료는 금속의 상태가 아닌 토륨과 우라늄을 일정비율로 혼합시킨 세라믹 성질을 가진 (Th,U)O₂이다. 이 핵연료는 블랭킷(blanket)처럼 노심의 일정부위에서 증식된 후 연소되거나, 노심에서 직접 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

이를 좀 더 상술하면, 노심 초기에는 U-235의 핵분열에서 발생하는 열원을 이용하고, 이후에는 Th-232가 U-235의 핵분열에서 나오는 열중성자를 흡수하여 형성된 U-233을 핵분열 물질로 이용하는 방법이다. 이러한 기술은 제각기 기술적 제한과 경제성에 제각각 장단점을 가지고 있다.

종래기술인 시드앤드블랭킷(seed-and-blanket) 핵연료는 서로 다른 위치에 토륨산화물과 우라늄 또는 플로토늄 산화물을 위치시키는 증식을 목적으로 사용되는 핵연료로써, 일반적으로 원자력 발전소에서는 이를 적정한 비율로 토륨산화물과 우라늄 또는 플루토늄산화물의 적정한 위치에서의 혼합물과 함께 이용하고 있다. 이러한 토륨의 이용기술은 핵비확산성 측면에서 부분적으로 좋지 않은 결과를 나타내고 있다. 또한, 높은 방사능의 Th-228에 의해 재처리가 어렵고, 제조에 따른 기술적 문제가 남아 있다.

반면, 토륨을 이용한 혼합핵연료에서 이러한 기술적 문제를 해결하면 원자력 발전소에서의 일괄적(once-through) 운용 또는 초장주기 운전이 가능하고, 고연소도에서 High Burn-up Structure의 발생을 지연시킴으로서 핵연료의 전반적인 노내 성능을 기존 핵연료보다 월등하게 향상시킬 수 있다. 그리고 원전의 운전온도 영역에서 이산화토륨의 열전도도가 5.52 W/mK, 금속토륨의 열전도도가 54 W/mK 이므로, 금속토륨의 열전도도가 이산화토륨에 비해 약 10배가량 크다. 따라서 금속토륨을 핵연료로 사용하는 경우, 핵연료에서 발생된 열이 쉽게 냉각재로 방출되어 핵연료 중심온도를 급격하게 낮추며 이에 따라 핵분열기체 방출이 작아지는 장점이 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 상기한 기술적 사항을 고려하여, 금속토륨을 이용한 증식용 혼합핵연료 기술을 제공함으로써, 토륨을 핵적으로 전환하여 에너지 자원으로 활용하는 신개념의 핵연료 원천기술을 제공하고 이를 통해 경제성을 제고시키는 것이다.

본 발명의 구체적인 목적은, 구형의 작은 입자로 제조된 세라믹계통의 이산화우라늄을 고온 성형기술을 이용하여 금속 토륨에 균질하게 분포시켜 펠릿 등의 연료로 제조한 후, 이를 피복관 또는 피복재에 장입하여 핵연료봉을 만듦으로써, U-235의 핵분열에 의해 발생하는 1차적 열원은 열전도도가 높은 금속토륨을 통해 냉각수에 신속하게 전달시키고, 또한 토륨이 U-235의 핵분열에서 생성된 열중성자를 흡수하여 형성된 U-233가 핵분열을 일으킬 때 생성되는 2차적 열원을 이용할 수 있는, 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 구형의 이산화우라늄(UO₂) 입자와 금속성 토륨(Th)을 균질하게 혼합하여, U-235의 핵분열 및 증식된 토륨이 변환되어 새롭게 생성된 U-233의 지속적인 핵분열을 이용하는 혼합핵연료이다.

또는, 이산화우라늄(UO₂) 및 이산화플루토늄(PuO₂)이 배합된 구형입자와 금속토륨(Th)을 균질하게 혼합하여, 지속적인 핵분열이 가능한 것을 특징으로 하는 혼합핵연료이다.

여기에서 제시하는 혼합핵연료는 이산화우라늄(UO₂)과 토륨(Th)의 조성비가 1:1인 것을 특징으로 한다.

또 다른 발명은, 상기 혼합핵연료로 제작된 원통형 펠릿을 피복관에 장입한 복수의 핵연료봉으로 이루어지거나, 상기 혼합핵연료로 제작된 관형 펠릿을 이중의 외곽피복관과 내곽피복관 사이에 장입한 복수의 핵연료봉으로 이루어지는 핵연료집합체이다.

상기 혼합핵연료로 단면이 다각형을 가지는 각기둥형 펠릿으로 형성되서 그라파이트 몸체의 유로홀에 장입되는 것도 가능하다. 또한, 상기의 혼합핵연료를 금속성 피복재를 입혀 얇은 판형을 갖는 형태의 핵연료로도 이용이 가능하다.

이러한 혼합핵연료를 원전에 사용하기 앞서 노심의 핵적 특성을 해석하여 이산화우라늄과 토륨의 적정배합을 최적화하며, 열수력적 해석에 의해 원전의 경제성을 확보하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 금속토륨을 이용한 증식용 혼합핵연료는 기존개념의 토륨 증식용 핵연료인 CERCER[(Th,U)O₂]보다 열전도도가 높아 핵연료의 중심온도를 크게 낮추므로 이를 이용하면 원전의 안전성과 열적 여유도를 용이하게 확보할 수 있다.

또한, Th-232가 U-233으로 우라늄으로 증식되어 연소되기 시작하는 시점이 대략 25 ~ 30 MWd/kgU이므로 노심의 초장기 운전이 가능하여 원전의 경제성을 극대화할 수 있다.

따라서, 본 발명의 핵연료를 사용하면 경제적이고 다양하게 원자로 시스템을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.

특히, 본 발명의 핵연료를 원자로에 적용할 경우, 금속 토륨의 연성이 우수하여 핵연료가 겪는 크립 저항성이 좋고 PCMI 저항이 높을 것으로 기대되며, 낮은 소결체 온도로 인해 핵분열기체의 방출이 작아 낮은 수준의 연료봉 내압을 유지함으로써 핵연료의 건전성 측면에서 우수하고 초장주기의 운전이 가능한 성능적 우수성을 유지할 수 있을 것으로 예상된다.

또, 지구상에 4 ~ 5배 풍부한 토륨자원을 이용함으로써 우라늄 고갈에 대비하고 미래의 에너지원으로 중요한 역할을 할 수 있다.

도 1은 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료의 집합셀 및 외곽셀 투시 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 이용한 경수로 원전용 혼합 핵연료 소결체의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 혼합 핵연료 소결체를 이용한 경수로 원전용 핵연료 집합체와, 혼합 핵연료 소결체가 피복관에 삽입된 상태의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 이용한 블럭형 펠릿의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 블럭형 펠릿을 설치한 증식용 원자로 노심의 개략적인 부분절개 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 경수로 원전용 이중냉각 핵연료인 관형 펠릿의 단면도 및 사시도와, 상기 관형 펠렛이 장착된 이중피복관의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합핵연료를 판형 핵연료로 예시한 단면도와 부분절개 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 판형핵연료를 설치한 연구로 및 소형원자로(SMR)용 판형핵연료 집합체로 예시한 단면도와 개략도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 주요한 특징은, 세라믹의 이산화우라늄(UO₂)을 기존의 gel-sol 방법이나 기타 제조방법을 이용하여 구형의 입자로 제조하고, 이를 고온성형을 통해 1842℃의 융점을 갖는 금속성 토륨(Th)에 균질하게 분포시켜서 기존의 소결체 형상으로 제조하는 것이며, 이렇게 제조된 핵연료를 공지기술에 따른 피복관에 삽입하여 노심에 장전하는 것이다. 또, 상기 세라믹의 이산화우라늄(UO₂)를 대신하여, 이산화우라늄(UO₂) 및 이산화플루토늄(PuO₂)이 배합된 구형입자를 사용하는 것도 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료의 내부 구성을 나타내는 대표도로써, 금속토륨(Th)(1)과 이산화우라늄(UO₂)(2)로 단위셀을 구성한다. 좀 더 상술하면, 구형 입자화된 이산화우라늄(UO₂)을 금속성 토륨(Th)에 균질하게 분포시켜 혼합된 상태이다. 이 때, 조성비는 산화우라늄(UO₂)과 토륨(Th)의 조성비가 1:1을 이룰 수 있으며, 사용목적에 따라 달리 구성되는 것도 가능하다.

따라서, 상술한 바와 같이 UO₂와 Th의 핵적 특성을 반영하여 이 두 물질을 적정한 비율로 혼합하면 원자로 노심에서 U-235의 핵분열에 의해 생성된 중성자를 Th-232이 흡수하여 형성된 Th-233이 감마 붕괴와 베타 붕괴에 의해 U-233의 핵연료물질로 전환되는 증식과정이 일어난다. 그 결과, 세라믹물성의 UO₂와 금속물성의 Th이 혼합된 혼합핵연료는 원전노심에서 장기적으로 연소될 수 있으므로, 이에 따라 원전의 이용률이 증대되고 제한된 우라늄 자원을 최대한 보전할 수 있다.

그리고, 이러한 금속토륨(1)과 이산화우라늄(2)의 단위셀이 집합되어 도 2에 도시된 바와 같이 집합셀 또는 외곽셀을 이루게 된다.

도 3은 상술한 바와 같이 금속토륨(1)과 이산화우라늄(2)을 일정한 조성비로 배합하여 제조한 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 경수로 원전용 핵연료로 소결형성한 원전용 핵연료 소결체인 원통형 펠릿(31)의 입체투시도이다.

그리고, 도 4는 경수로 원전용 핵연료집합체(33)의 피복관(32)에 상기 원통형 펠릿(31)을 장입한 실시예의 투시도 및 입체도이다.

도 5는 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 이용한 또 다른 실시예의 소결체로써, 육각형의 단면을 가지는 각기둥형 펠릿(41)의 사시도이다. 도 6은 그라파이트 몸체(43)의 유로홀(42)에 상기 각기둥형 펠릿(41)을 장입한 예시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 금속토륨을 이용한 증식용 혼합 핵연료를 이용한 또 다른 실시예의 소결체로써, 관형 펠릿(51)의 단면도 및 사시도이며, 이중의 외곽피복(52)과 내곽피복관(53)에 상기 중공형 펠릿(51)을 장입한 개략적인 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 금속토륨의 증식용 혼합핵연료를 이용한 또 다른 실시 예로서, 판형의 단면을 가진 핵연료 피복재(61)와 그 속에 장입한 혼합핵연료 물질(62)의 단면도와 사시도이다. 도 9는 판형핵연료 집합체(63)와 집합체의 핵연료 단면(64)을 도시한 개략도이다.

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.

1: 금속토륨 2: 이산화우라늄
31: 원통형 펠릿 32: 피복관
33: 경수로 원전용 핵연료 집합체 41: 각기둥형 펠릿
42: 유로홀 43: 그라파이트 몸체
51: 관형 펠릿 52: 외곽피복관
53: 내곽피복관 61: 판형핵연료 피복재
62: 판형 혼합핵연료 63: 판형 핵연료집합체

Claims (7)

1. 혼합핵연료에 있어서,
   구형 입자화된 이산화우라늄(UO₂)을 금속성 토륨(Th)과 균질하게 혼합하여, U-235의 핵분열로부터 생성되는 중성자에 의한 토륨의 증식과 증식된 토륨이 U-233의 새로운 핵분열물질로 변환되어 지속적인 핵분열이 가능한 것을 특징으로 하는 혼합핵연료.
   
2. 혼합핵연료에 있어서,
   이산화우라늄(UO₂)과 이산화플루토늄(PuO₂)이 배합된 구형입자와 금속토륨(Th)을 균질하게 배합하여, 지속적인 핵분열이 가능한 것을 특징으로 하는 혼합핵연료.
   
3. 제1항에 있어서, 이산화우라늄(UO₂)과 토륨(Th)의 일정의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 혼합핵연료.
   
4. 제1항 또는 제2항의 혼합핵연료로 제작된 원통형 펠릿을 피복관에 장입한 복수의 핵연료봉으로 이루어지는 핵연료집합체.
   
5. 제1항 또는 제2항의 혼합핵연료로 제작된 관형 펠릿을 이중의 외곽피복관과 내곽피복관 사이에 장입한 복수의 핵연료봉으로 이루어지는 핵연료집합체.
   
6. 제1항 또는 제2항의 혼합핵연료로 단면이 다각형을 가지는 각기둥형 펠릿을 제조하여 그라파이트 몸체의 유로홀에 장입되는 것을 특징으로 하는 원전용 핵연료 소결체.
   
7. 제1항 또는 제2항의 혼합핵연료로 판형을 가지는 피복재에 혼합핵연료 물질이 장입된 복수의 판형핵연료로 제조하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원자로용 판형핵연료집합체.

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