KR101332730B1 - 매크로구조를 갖는 플레이트 타입의 연료 요소 - Google Patents
매크로구조를 갖는 플레이트 타입의 연료 요소 Download PDFInfo
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Abstract
새로운 핵 연료 요소가 특히 고속 중성자 흐름을 가지고 운전되는 제4 세대 가스 열 교환기 원자로에 사용하기 위해 개발되었다.
복합체 플레이트 구조인, 본 발명에 따른 상기 핵 연료 플레이트(1)는 바람직하게는 허니콤 형상의 셀(8)의 네트워크(6)를 포함하는데, 상기 셀의 각각에는 핵 연료 펠릿(10)이 위치한다. 방사상 갭 및 축방향 갭이 핵 연료 플레이트(1)가 기능하는데 불가피한 핵분열 재료와 구조 재료 사이의 차동 팽창을 보상하기 위하여 각 셀(8) 내에 제공된다.
Description
본 발명은 핵원자로에 사용되는 연료 요소의 분야에 관한 것으로서, 구체적으로 제4 세대로 불리우는 새로운 설계의 원자로를 위해 개발된 연료 플레이트에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 장치는 고온 분야에서 운전되는 설비, 예를 들어 원자로 출구에서 냉각제의 온도가 800℃ 이상인 고온 원자로(HTR)용으로 설계되었다. 보다 바람직하게는, 이러한 고온 원자로는 가스에 의해 냉각되는 고속 중성자 흐름으로 운전되는 가스 열교환기 원자로, 또는 GFR(Gas Fast Reactor)이다.
본 발명은 부과된 운전조건에 적합하고 향상된 성능을 제공하는 요소 설계를 제안한다; 본 발명은 보다 구체적으로 GFR 사양을 충족하는 매크로구조를 갖는 복합 연료 "플레이트 요소"의 새로운 설계를 제한한다.
핵분열 반응으로부터 에너지를 생산하는 발전소는, 열의 형태로 전력을 방출하는 핵분열이 일어나는 연료 요소를 사용하는데, 상기 열은 연료 요소를 냉각시키는 열 전도성 유체와의 열 교환에 의해 연료 요소로부터 추출된다.
이를 위하여, 연료의 거동 및 그의 운전조건이 부과하는 스트레스를 견디는 동시에, 기초 연료 요소를 설계하는 일반 원리는 하기 기능을 충족시키는 것을 목적으로 한다:
- 중성자 운전조건 및 반응 부피의 단위 부피당 전력 밀도와 부합하는 핵분열 원자의 밀도를 갖는 것,
- 연료 재료 및 열 전도성 유체 사이에 열전달을 제공하는 것,
- 연료에 의해 방출된 고체 및 가스 핵분열 생성물을 가두는 것.
물론, 연료내의 핵분열 반응은 열에 의해 활성화되는 현상인 재료 구조의 팽창을 일으키는 고체 및 가스 핵분열 생성물을 생성하는데, 이는 또한 연료 재료 밖으로 핵분열 가스를 방출시키는 메커니즘을 야기한다. 연료 재료를 덮으면 이 요소의 일체성(integrity)의 손실 없이 이러한 변형(distortion)을 수용할 수 있다.
연료내의 핵분열 밀도는 덮개를 통해 열 교환기로 배출되는 전력 밀도와 직접적으로 관련된다. 열원과 열 교환기 사이의 열 저항은 따라서 연료의 최고 온도 및 이 열 흐름에 의해 유발된 영향, 바꾸어 말하면 재료 내 온도 변화(gradient) 및 연료와 덮개 사이의 차동 팽창(differential expansion)을 조절하기 위하여 최소이어야 한다.
반응 부피 중 핵분열 재료의 밀도는 주로 연료 요소의 형태에 의존한다: 상기 형태는 열 교환기가 허용가능한 하중 손실로 상기 요소에 의해 생성된 전력의 배출을 보장하는데 필요한 투과성을 제공할 뿐만 아니라 최대 충전 비율을 목표로 하여 주어진 부피 내에 배치되는 핵분열 재료의 용량을 결정한다.
핵 설비에 있어서, 전통적으로 세 부류의 기초 연료 요소가 사용될 수 있다: 플레이트-타입 요소(임의의 형상), 축을 따라 연장되는 실린더-타입 요소(가장 빈번하게는 원형 또는 고리형 단면의 요소), 및 가장 빈번하게는 소립자의 형태의 구-타입 요소(약 1mm의 직경을 가짐). 구형 입자는 또한 복합 연료 요소를 생성하기 위하여 비활성 매트릭스내에 포함될 수 있는데, 이는 또한 탄환(bullet), 플레이트 및 컴팩트의 전술한 세가지 형태에서도 일어날 수 있다. 각 타입의 연료 요소는 당면한 문제들에 대한 상이한 해법들을 조합한 것으로서 그 운전 분야에 따른 절충안을 나타낸다.
예를 들어, 플레이트에서, 덮개(sheath)는 높은 슬렌더링 비(slendering ratio)(껍질(shell)의 자유장(free length)과 그 두께 사이의 비)를 갖는 껍질로 작용한다. 덮개 재료는 그의 유연성(malleability)에 의해, 연료의 중앙부의 구조에 그의 구조를 순응시키는데, 이는 연료 재료에 대한 차동 변형(팽창(inflation and expansion))을 횡으로 그리고 매우 낮은 스트레스 수준로 수용하게 한다. 그러나, 이 플레이트 구조는 그의 평면에 수직한 덮개의 매우 낮은 강성 때문에 두께 방향의 변형을 수용할 능력이 거의 없고, 이 자유는 연료가 이방적으로, 보다 바람직하게는 두께 방향으로 변형되도록 한다. 이 구조는 또한 그것이 전체적으로 또는 국부적으로(예를 들어, 핫 포인트(hot point)에서) 평면으로 압축될 경우, 특히 연료의 코어가 덮개에 연결되어 있지 않거나 약하게 연결되어 있는 경우 버클링(buckling)시에 불안정하다.
이러한 단점들을 고려할 때, 플레이트 요소는 사실상 냉 연료에만, 즉 연료 재료가 가스 생성물을 방출하지 않는 온도 범위 및 중간 정도의 전력 밀도 수준에서만 사용된다. 최적화 파라미터(optimisation parameters)는 일반적으로, 목표 전력 밀도 수준에 대하여, 플레이트의 두께 및 연료/덮개 접촉 품질, 덮개의 부식 제어, 및 운전 시 연성(ductility properties)의 보존을 대상으로 한다. 사실상, 플레이트를 파괴하는 주된 모드는 덮개의 변형시 부과된 연성의 부족(조사(irradiation)시 부식 또는 경화에 의한 손상)이나, 핵분열 가스의 방출 및 덮개의 내부 가압과 함께 연료의 가열을 일으키는 연료와 열 교환기 사이의 열 저항의 증가(예를 들어, 덮개상의 저항성 부식 지역, 덮개의 국부적 버클링에 의한 갭의 형성을 갖는 연료와 덮개의 분리)와 관련되고, 이는 덮개의 변형시 불안정에 의한 파괴를 초래한다.
실린더형 요소는, 예를 들어, 그래파이트/가스 원자로 카트리지, 가압수형 원자로(PWR) 펜슬(pencils) 또는 고속 중성자 원자로(FNR) 니들(needles)을 포함한다. 이 경우에, 펠릿 형태의 연료와 이를 둘러싸고 있는 덮개 사이에 방사상 갭, 즉 연료 재료와 덮개 사이의 차동 변형(differential distortions)을 수용할 수 있는 갭이 있다: 이 갭은, 최소한, 요소가 크리프(creep)와 내부 공동(internal cavities)위에서의 재치밀화(re-densifying)에 의해 자체적으로 흡수할 수 없는 전력 및 연료 팽창 부분을 축적할 때 차동 팽창을 보상할 수 있다. 실제로, 연료 재료는 그 변형을 수용하기 위한 자체 메커니즘을 활성화할 수 있는 온도에서 운전되어야 한다; 그 대신에, 연료 재료는 그 핵분열 가스의 일부를 방출한다. 제2 팽창 부피는 요소 내의 압력을 제한하기 위하여 덮개내의, 연료 펠릿 스택의 단부에 마련된다. 연료 펠릿과 열 교환기 사이의 열 전달은 펠릿 및 가스로 채워진 덮개 사이의 방사상 갭과, 덮개의 두께로 구성된 열 저항을 통해 방사상으로 이루어진다. 요소의 전 수명에 걸친 이 열 저항의 제어는 연료에서 허용가능한 온도 한계에 순응하는 것을 보장할 수 있다. 이 요소 설계에는, 따라서 크기가 조절된 가스 실(calibrated gaseous seal)을 통한 열전달 및 열전달 방향과 교차하는 방향으로 배치된 팽창 챔버가 있다.
이러한 실린더형 요소에 대한 주된 최적화 파라미터는 연료와 덮개 사이의 초기 방사상 갭, 연료와 덮개 사이의 열 결합(가스 실(seal) 또는 용융 금속 실(seal))을 제공하는 유체의 타입, 덮개의 단면(방사상 갭, 공극, 중앙 홀(및/또는 펠릿 단부의 렌즈 모양의 공극)과 같은 불연속성의 존재)에서의 연료의 유효 충전 밀도, 덮개의 강성(두께), 덮개와 연료 재료의 거동법칙(팽창 및 크리프), 및 상기 요소의 기계적 특성(강도 및 연성)이다.
그러나, 연료와 덮개 사이의 갭의 존재는 운전시 가변성 열 저항(핵분열 가스의 존재로 인한 갭의 변화 및 전도성의 감소)을 제공하는데, 이는 모든 운전 상황에서 연료 재료의 융점에 도달시키지 않는 것과 관련하여 연료의 최고 온도 제어를 복잡하게 한다. 둘째로, 이 타입의 요소에 대해 "가압 챔버"로 운전하는 것은 압력하에서 (즉시의 및/또는 지연된) 치명적인 파괴(catastrophic failure)의 위험이 없도록 요소의 기계적 강도를 보장할 수 있는 재료의 사용을 포함한다; 이를 위하여, 압력에 대한 최적 저항을 갖는 원형 단면이 가장 빈번히 채택된다: 연료와 덮개 사이의 기계적 상호작용의 상황에서, 연료는 그것의 주변 수 축(circumferential traction)에 의해 상당한 보강 강성에 맞서고 연료 위의 덮개에 의해 작용된 주변 압력은 연료의 자체-재배치(self-rearrangement) 메커니즘을 활성화시킨다.
덮개용 재료의 선택은 따라서 결정적인 것으로 보이는데, 왜냐하면 덮개 재료는 목표 운전 온도에 부합하는 파괴에 대한 저항성, 가소성(plasticity) 및 열적 크리프에서의 탄력성, 및 적당한 강도(일반적으로 > 20MPa·√m)를 가져야 하기 때문이다; 이 선택(즉시의 항복점 및 크리프에서의 선택) 및 연료 재료에 대한 선택(융점)은 연료 요소에 대한 제한된 운전조건(온도 및 전력 밀도)을 결정한다. 이 타입의 요소와 관련된 나머지 파괴의 주된 모드는 사실상 덮개의 변형 능력을 초과하는 연료와 덮개 사이의 순간적인 기계적 상호작용(이전 운전 모드 보다 큰 수준이나 연료의 온도가 그 변형을 자동-수용하는 메커니즘을 활성화 하지 않는 운전 모드로 전력이 증가하는 경우)이다.
구형 요소에 관하여는, 서로 다른 주변 층들이 중앙에 위치되어야 하는 핵분열 코어상에 적층된다; 따라서 빈 공간이 공극의 형태로 핵분열 코어내 및 매우 높은 다공성을 갖는 중간 버퍼층에 생성되는데, 이는 핵분열 코어 및 덮개층 사이에 초기 연속성을 보장한다. 연료와 덮개, 달리 말하면 클래딩 층 사이의 차동 변형의 수용은 갭을 충전시킴에 의해 달성된다. 운전시, 버퍼층의 점진적인 치밀화는 핵분열 코어와 덮개층 사이의 강한 기계적 상호작용을 방지할 수 있는 방사상 갭을 방출한다. 더욱이, 덮개내의 자유 부피는 핵분열 재료에 의해 방출된 핵분열 가스를 보유한다: 덮개의 구형 형태는 따라서 축적되는 내부 압력을 견디는데 매우 적합하 다. 기본입자(elementary particles)에 대한 최적화 파라미터는 기본적으로 재료의 선택(타입, 구조, 특성, 및 중성자 흐름과 온도에서의 거동 법칙) 및 상기 여러 층들의 두께이다.
이러한 연료 요소들은 고온에서 운전되는 가스-냉각 열 흐름 원자로에만 사용된다. 나머지 파괴의 주된 방식은 밀폐 덮개(confinement sheath)의 파괴를 일으킬 수 있는 핵분열 코어와 덮개층 사이의 강한 상호작용(덮개에 의해 부과된 변형에 의해 수축됨)에 해당한다: 이러한 관점으로부터, 구형 형태의 덮개는, 기계적 상호작용에 관해서는 이상적일지라도 거의 바람직하지 않은데, 왜냐하면 이 형태는 연료가 상호 작용력(덮개의 내부 부피에 의하여 정수압(hydrostatic pressure)하에 놓임)을 완화시킬 수 있는(최대 치밀화를 넘어서) 어떠한 변형 방향도 남겨두지 않기 때문이다.
이 구형 타입의 연료 요소는 실제로는, 주로 열 교환기로의 열 전달을 보장하는 매트릭스 중에 입자들을 희석시킨 다양한 형상의 복합 요소의 일 부분으로 사용되며, 반응 부피 중에서 핵분열 재료는 낮은 부피 비율(수 %)을 갖는다.
파괴를 일으키는 사건에 뒤이어 방출될 수 있는 핵분열 생성물의 양을 가능한 한 감소시키기 위하여, 주로 연료 요소가 파괴되는 경우 제1차 열 교환기 회로의 오염 위험을 감소시키기 위해 복합 요소가 개발되었다. 특히, 연료 입자의 정렬된 배치 및/또는 목표 용도의 부피 비율에 부합하는 입자 밀도의 추구 때문에, 매크로구조를 갖는 플레이트 형태의 요소가 하나의 해결책으로 고려될 수 있다. 어떠한 경우에도, 플레이트 전체에 걸쳐 양호하고 균일한 전도성을 얻기 위하여, 금속 재질인 연료 희석 매트릭스 및 덮개 플레이트가 목표 용도에 사용된다.
열 교환기 가스, 예를 들어 헬륨을 포함하는 GFR은 원자로의 출구에서 목표 고수율 전기 생산 용도(예를 들어 직접 사이클) 또는 수소 생산에 부합하는 충분히 높은 온도에 도달할 수 있으며, 1 보다 큰 전환율(과잉-발전)을 달성할 가능성 및/또는 폐기물(핵분열 생성물 및 부차적인 악티니드류)을 변화시키는 능력을 제공하는 고속 흐름으로 운전되어야 하는 것으로 보인다: 따라서, 이전의 발전 시스템에서 이미 달성된 요구조건에 비례하는 이러한 요구조건에, 운전시의 안전 및 신뢰 수준을 순응시키는 것이 바람직하다.
GFR 사양에 부합하는 연료 요소를 얻기 위해 해결되어야 할 문제는 네 성분을 갖는다:
1) 매트릭스 중 높은 부피 비율의 연료를 제공하는 것,
2) 연료에 의해 방출된 핵분열 가스의 내부 압력에 대항하는 각 셀의 기계적 강도를 보장하는 것,
3) 연료(연료의 팽창에 의함)와 셀 구조 사이의 강한 상호작용을 회피하는 것,
4) 플레이트 코어의 온도 및 상기 구조에서 유발된 스트레스를 제어하기 위하여 생산된 전력을 플레이트 전체에 걸쳐 양호한 전도성을 가지고 열 교환기로 배출하는 것.
특히, GFR 코어용 중성자 특성을 달성하기 위하여, 플레이트 요소의 복합체 코어에서 연료 부피 비율이 50%를 초과하여야 하고, 나머지는 비활성 매트릭스로 구성되어야 한다. 복합체 코어에서 전력 밀도가 수백 MW/m3에 이를 수 있기 때문에, 열 교환기로의 열 전달은 덮개(플레이트 요소에 의한 열 교환기와의 교환을 위한 표면)와 플레이트의 복합체 코어 사이에 높은 온도 차이를 야기한다; 고온(850℃ 이상의 열 교환기 온도)에서의 운전은 또한 덮개와 플레이트 요소의 매트릭스로서 열 전도성, 중성자에 대한 투명성, 및 기계적 강도의 부합하는 특성을 갖는 재료, 특히 금속 및 내화 합금 또는 세라믹을 사용할 것을 요구한다.
둘째로, 달성된 높은 연소율은 연료의 상당한 팽창(수 %) 및 가스 핵분열 생성물의 상당한 방출을 일으키는데, 이는 연료의 온도에 의해 더욱 악화된다. 연료 플레이트의 각 기본 셀은, 가능하면, 파괴 및 플레이트의 과도한 변형 없이 이러한 스트레스를 수용할 수 있어야 하는데, 상기 스트레스는 플레이트 요소들 사이의 열 전달을 통과시키는 단면에 영향을 줄 수 있다: 매트릭스/덮개 구조에 대하여 허용할 수 없는 스트레스를 생성하는 강한 기계적 상호작용을 회피하고, 연료 요소에 대한 모든 운전 상황(정상, 사건 발생시, 또는 심지어 사고)에서 덮개의 기계적 강도에 부합하는 핵분열 가스의 내부 압력 수준을 유지하기 위해 각 셀에서 연료와 매트릭스 사이에 제공된 팽창 부피가 보장되어야 한다.
이 문제는 운전 온도 수준이 플레이트 형태의 요소의 구조의 경우에 낮은 연성 및 강도를 갖는 재료의 사용을 수반하기 때문에 특히 해결되기 어려운데, 이는 상기 구조가 연료와 구조 사이의 상호작용(차동 팽창 및 열 팽창) 뿐만 아니라 열 팽창 변화 및 재료 내부의 팽창과 같은 부과된 하중의 변형 타입에 특히 민감하도 록 만든다.
이러한 기준을 충족하는데 이상적인 기존의 구조는 없다.
특히, 문헌 US 3 097 152는 GFR에서의 목표 운전 온도 범위를 커버할 수 없는 연료 입자를 포함하는 셀 구조(cell geometry)를 제안한다: 플레이트의 구조 재료는 목표 온도와 부합하지 않는데, 특히 매트릭스와 연료가 매트릭스 중의 연료의 고밀도 및 고 전력 밀도를 가지며, 접촉하는 곳에서 그러하다. 뿐만 아니라, 연료 입자 주변의 자유 공간의 부존재는 연료에 의해 방출된 핵분열 가스의, 구조에 의해 허용가능한 압력에서의 저장 및 플레이트의 두께 내에 결합된 차동 연료/매트릭스 변형을 동시에 수용하는 것을 불가능하게 만든다.
문헌 US 3 070 527에 개시된 플레이트 설계는 더 이상 GFR 운전 조건에 적합하지 않다: 이 경우에 플레이트는 구획된 중앙 코어로 구성되는데, 각 구획은 금속 또는 세라믹 연료를 수용하고, 양 쪽의 플레이트 덮개는 밀폐를 제공한다. 목표 목표가 수 원자로(water reactor)일 경우, 연료는 같은 품질의 금속 구조(알루미늄, 스테인레스 스틸, 지르코늄, 지르코늄 합금)이며 연료와 연결되지 않은 얇은 플레이트와 함께 냉각된다.
문헌 US 3 855 061은 구형 연료 입자의 정렬된 네트워크의 원리에 기초한 플레이트 설계를 개시하고 있는데, 그 범위는 비등수형 원자로(BWR) 및 가압수형 원자로(PWR 또는 REP)와 관련된다: 복합체 중의 연료의 분산 및 부피 비율의 제어와, 보다 높은 연소율을 달성할 능력이 탐구되었다. 따라서 구형 연료(fuel spheres)는 원형의 실린더형 홀로 관통된 금속 플레이트(각 플레이트의 두께 및 홀의 직경은 구의 직경과 동일함)에 배치되는데, 이 홀은 핵분열 가스를 수용하고 연료의 특정 기하학적 팽창을 허용하는 팽창 부피를 각 구의 주변으로 방출한다. 양 쪽의 금속 덮개 플레이트는 상기 요소가 누출되지 않게 한다. 플레이트의 중앙 매트릭스의 연료 재료의 충전 밀도는 20 내지 25%에 근접할 수 있다; 높은 전력 밀도 및 운전 온도와 함께 큰 부피 비율을 달성할 능력은 논의되지 않았다.
따라서 새로운 제4 세대 원자로의 개발은 보다 바람직하게는 기존 구조의 단점을 상쇄시키는 새로운 연료 요소의 설계를 수반하여야 한다.
따라서 본 발명은 이 용도에 한정되는 것은 아니지만, GFR 원자로와 함께 운전될 수 있는 핵 연료용 구성(configuration)을 제안한다.
보다 일반적으로, 본 발명은 보다 바람직하게는 덮개 플레이트 및 적어도 하나의 핵 연료 펠릿을 포함하는 연료 요소에 관한 것으로, 상기 덮개 플레이트에는 허니콤 형태이고 유리하게는 플레이트와 일체인 서로 분리된 셀을 형성하는 벽의 네트워크가 구비되고, 상기 적어도 하나의 핵 연료 펠릿은 셀 안에 방사상 갭을 가지며 국지화(localised)되어 있다. 상기 요소의 각 연료 펠릿은 대향하는 두면 사이에서 축을 따라 예를 들어 회전 실린더의 형태로 연장된다; 유리하게는, 대향하는 두면 중 적어도 하나가 보다 바람직하게는 중심에서 굴곡되는데(curved), 달리 말하면 이는 초기 축방향 공간이 또한 펠릿과 셀 사이에 남도록 바깥쪽으로 향한 돌출부를 구비한다.
본 발명에 따른 요소는 그것의 사용을 위해, 제1 덮개 플레이트 또는 평면과 같은 벽의 네트워크가 구비된 제2 덮개 플레이트를 포함하는데, 상기 제2 덮개 플레이트는 셀이 밀폐되도록 제1 플레이트에 매치될 수 있다. 유리하게는, 납땜, 본딩 또는 용접이 밀봉된 셀을 얻을 수 있는데, 이들 셀 각각은 보다 바람직하게는 헬륨과 같은 불활성 가스 및 연료 펠릿으로 충전된다.
본 발명에 따른 플레이트 및 셀 벽은 내화 금속이나, 단일체(monolithic) 또는 동일한 성질이나 상이한 성질의 섬유들을 갖는 실리콘 카바이드와 같은 섬유 보강 세라믹으로 제조될 수 있다. 특히 세라믹 플레이트의 경우에, 금속층이 핵분열 생성물의 밀폐를 완전하게 하기 위하여 펠릿과 벽 사이에서 셀안에 삽입될 수 있다.
플레이트와 펠릿의 크기는 원자로에 따라 매치되고 최적화된다. 보다 바람직하게는, 펠릿에 의해 대표되는 핵분열 상(fissile phase)은 반응 환경(코어)의 20 부피% 이상, 즉 플레이트 요소의 복합체 코어 부피의 50% 이상을 구성하고, 펠릿과 내벽 사이의 자유 부피는 펠릿 부피의 40% 이상을 나타낸다.
본 발명의 특징 및 잇점은 예시를 위한 것으로서 한정하는 것이 아닌 하기의 설명을 읽고, 첨부된 도면을 참조함에 의해 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 요소의 일 구현예를 예시한다.
도 2a와 2b, 및 2c와 2d는 각각 본 발명에 따른 요소의 구현예를 도식적으로 보여준다.
제안된 요소의 혁신적인 특성을 가장 잘 이해하기 위하여, 다른 가능한 용도가 있을지라도 본 발명에 따른 연료 요소가 주로 설계되는 GFR 타입의 원자로에서 일어나는 현상의 사전 분석은, 고려되는 스트레스가 공제(deduced)되는 것을 가능하게 한다.
고속 흐름으로 운전되는 핵 원자로는 코어 내에서 핵분열 재료의 높은 부피 비율을 제공하는 요소를 필요로 한다. 고온의 연료로 운전하는 것은 또한 방출된 핵분열 가스를 수거할 수 있는 팽창 부피를 연료 요소 내에 갖는 것을 요구한다. 하중 손실을 합리적인 값으로 제한하는 열 교환기 유체의 통과에 필요한 공간 및 다른 코어 구조가 차지하는 부피 때문에, 구조를 위해 남아있는 부피의 부분 및 연료 요소의 팽창 부피는 작다. 따라서 본 발명의 경우 이는 연료와 이를 포함하는 밀폐 셀 사이의 팽창 부피와 함께 충분한 양의 연료를 얻기 위해 연료 요소 내의 구조 부피(덮개 및 매트릭스)를 최대로 줄이는 것과 관련된다.
특히, GFR이 만족스런 중성자 운전 조건을 달성하도록, 반응 환경(코어) 중의 연료 재료의 부피 비율은 연료 중 핵분열 재료의 밀도 및 농도에 따라 적어도 20~25%에 근접한다. 코어에서 부피 전력 밀도는 100MW/m3의 크기 수준이고, 허용가능한 하중 손실 및 T > 850℃의 목표를 충족하는 열 교환기 온도로 냉각하는데 필요한 열 교환기 가스에 의해 점유된 부피 비율은 적어도 40%에 근접하여야 한다. 핵분열 재료에서의 부피 전력은 코어에서의 흐름 프로파일(flow profile)에 따라 400 내지 500MW/m3의 평균값, 즉 600 내지 750MW/m3의 최대값을 달성한다. 구조의 조성물을 구성하며 30 내지 35%의 잔여 부피 비율(갭은 제외)을 차지하는 다른 재료는, (강도 및 스펙트럼에서의) 흐름을 열화시키지 않기 위해 중성자 투명도를 가 져야 한다.
마지막으로, 방출되기 쉬운 핵분열 생성물의 양은 연료 요소의 복합체 구조에 의하여 감소되며, 이로 인해 파괴시 열 교환기 제1차 회로의 오염 위험이 감소한다.
따라서, GFR용의 플레이트 형태의 새로운 연료 요소에 대한 설계 원리는 다음과 같다:
- 각기 양호한 수준의 신뢰성(밀폐 및 파괴 전의 안전 마진)을 제공하는 기본 셀들에서의 연료의 분산, 이는 연료의 운전 온도에서 방출되는 가스 핵분열 생성물의 밀폐, 압력하의 셀 강도, 및 셀의 과도한 변형 없이 연료와 셀 구조 사이의 차동 팽창 및 열 팽창의 수용을 내포한다.
- 코어 내의 핵분열 생성물의 부피 비율에 상응하는 기본 셀의 배치,
- 셀 사이 및 조사(irradiation) 중 연료의 운전 온도의 변동 범위를 감소시키는 열 전달에 의한 셀의 균일한 냉각,
- 운전 온도 수준, 중성자의 투명도와 비저속화, 및 배출되는 열 흐름에 부합하는 재료의 사용,
- 코어 건축에서의 일 구조물로서 제위치에 유지되는 것(진동 강도 및 연료의 비변위(non-disloaction))을 보장하는, 요소의 우수한 총 기계적 강도에 부합하는 슬렌더링비(요소의 최대 치수에 대한 두께 또는 직경의 비),
- 기계적 강도에 부합하는 유발된 스트레스 수준에서, 처해진 운전 조건(온도, 중성자 흐름)의 변화에 의해 부과된 변형을 수용하는 요소의 형태.
도 1에서 바람직한 형태로 도시된 바와 같이, 적당한 구조가 매크로구조를 갖는 플레이트 형태의 복합 요소를 포함한다는 사실이 밝혀졌으며, 상기 복합 요소는 각 펠릿에 대한 각 셀을 한정한다. 매크로구조를 갖는 핵 연료 플레이트(1)는 두 개의 덮개 플레이트, 즉 플레이트(2, 4)를 갖는 샌드위치 패널을 기초로 제조되고, 여기서 코어는 플레이트(2, 4)의 면에 거의 수직하게 위치한 허니콤처럼 정렬된 셀(8)의 네트워크(6)이다.
허니콤 구조, 즉 네트워크(6)는 다음을 제공하는 네트워크이다:
- 평면에서의 셀(8)의 최대 조밀도 및 이에 따라 네트워크(6)에 핵 연료 펠릿(10)를 위치시키는 최대 자유 부피,
- 평면에 있어서 핵 연료 플레이트(1)의 기계적 거동의 양호한 등방성,
- 핵 연료 플레이트(1)의 양호한 굽힘 강성, 및
- 평면에 있어서 압축시 버클링에 대한 높은 저항성.
그러나, 상황에 따라, 규칙적이거나(예를 들어 사각형 램(square ram)) 불규칙적인(예를 들어 팔각형과 사각형의 복합 구조) 셀의 다른 네트워크를 채택하는 것이 가능하다.
유사하게는, 네트워크(6)를 형성하는 벽은 각 셀(8)에 대하여 동일한 두께이고, 이들은 구조, 즉 핵 연료 플레이트(1)의 평면에 수직한 것이 바람직하다; 그러나, 특히 제작 이유 때문에 변화가 고려될 수 있다.
벽에 의해 한정되고 핵 연료 플레이트(1)의 측면들, 즉 플레이트(2, 4)에 의해 단부들이 밀폐된 각 셀(8)은 그 안에 위치될 핵 연료 펠릿(10) 및 열 교환기에 의해 냉각되는 덮개 플레이트, 즉 플레이트(2, 4)의 측면들 사이의 열 전달을 제공하고, 핵분열 가스에 대한 팽창 부피를 제공하며, 셀 구조에서 낮은 스트레스 수준을 갖는 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 기계적 상호작용을 촉진하기 위하여, 미리 설정된 설계 원리에 따라 건설된 기본 셀을 구성한다.
하기의 축방향 갭(12)(예를 들어 수십 ㎛) 및 방사상 갭(14)을 갖는 각각의 육각 단면 셀, 즉 셀(8)은 원형 실린더의 핵 연료 펠릿(10)을 수용할 수 있고, 유리하게는 수용한다(도 2 참조):
- 축방향 갭(12)은 핵 연료 플레이트(1)의 사용 주기에 걸쳐 연료의 코어 온도를 조절하기 위한 것으로, 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 크기가 조절된 것이다. 축방향 갭(12)의 목적은 이 갭을 통하여 핵 연료 펠릿(10)으로부터의 모든 전력의 전달을 보장하는 것이다.
- 방사상 갭(14)은 셀에 필요한 팽창 부피를 생성하고 핵 연료 펠릿(10)과 셀(8) 사이의 주변의 기계적 상호작용을 방지하기 위한 것으로, 규격화된 핵 연료 펠릿(10)과 셀(8)의 벽 사이에 위치한다.
팽창 부피는 사실상 주변 갭(14), 및 셀(8)의 내부 육각 형상과 상기 육각형에 삽입된 원형 실린더, 즉 핵 연료 펠릿(10) 사이에 방출된 부피 차이로 구성된다. 방사상 갭(14)은 핵 연료 펠릿(10)과 셀(8)의 벽 사이의 열적 디커플링을 제공하기 위하여 바람직하게는 더 크다(예를 들어 수백 ㎛). 셀의 벽을 통한 방사상 열 교환은, 덮개, 즉 플레이트(2, 4)의 평균 온도와 같은 평균 온도로 네트워크(6)를 유지시키고 따라서 덮개, 즉 플레이트(2, 4)와 복합체의 중앙 구조, 즉 네트워크(6) 사이의 차동 팽창을 회피하기 위하여, 이러한 방법으로 회피되거나 적어도 최소화된다.
초기 갭을 조절하고 또한 특히 주변쪽으로의 셀(8) 중심의 점진적 접촉을 확립하는 굴곡된(curved) 단부 프로파일을 갖는 핵 연료 펠릿(10)을 사용함으로써 축 방향으로의 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 조절된 기계적 상호작용을 생성하는 것이 또한 가능하다(임의의 다른 돌기가 가능할지도 모르지만, 굴곡된 구조는 제조의 간편 뿐만 아니라 대칭 및 넓은 지역에 걸쳐 힘을 분배하는 점진적인 접촉을 얻을 수 있다). 펠릿에 의해 덮개, 즉 플레이트(2, 4)에 부과된 굴곡 변형은 한 편으로는 핵 연료 펠릿(10) 그 자체에 의해 수용되고(상기 펠릿은 방사상으로 변형됨: 하기 참조), 다른 한 편으로는 덮개에 의한 굽힘(bending)으로 수용되는데, 상기 덮개의 강성은 셀(8) 구조에 유발된 스트레스를 최소화하도록 조절된다(덮개, 즉 플레이트(2, 4)의 두께 및 셀(8)의 크기).
기계적 접촉으로 인한 축 방향으로의 변형이 그 자체로 방지된 핵 연료 펠릿(10)에 의한 수용은 보다 바람직하게는 방사상 갭(14)에서의 주변 팽창에 의해 달성된다. 핵 연료 펠릿(10)의 변형은 따라서 일 방향(핵 연료 펠릿(10)의 축(AA) 방향)이 스트레스를 받고 다른 두 방향은 자유로운(주변 팽창) 시스템에서 발생한다. 이 시스템에서, 핵 연료 펠릿(10)은 덮개, 즉 플레이트(2, 4)와의 상호작용 방향(AA)에서 최소 강성을 갖는다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 허니콤 네트워크, 즉 네트워크(6)는 특히 바람직한 방식에서 각각 원형 단면의 핵 연료 펠릿(10)을 갖는 육각형 셀(8)을 구비한다. 자유 부피, 즉 방사상 갭(14)는 핵 연료 펠릿(10)과 벽 사이에 배치되고, 이는 핵 연료 펠릿(10)과 셀(8) 사이의 방사상 상호작용의 부존재를 보장한다; 덮개, 즉 플레이트(2, 4)는 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 열 전달을 제공하는 축 방향의 갭(12)을 갖는 셀(8)의 단부들을 밀폐시킨다. 축(AA)을 따라 핵 연료 펠릿(10)과 대향하는 각 면은 셀(8)의 중심에서의 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 점진적인 접촉을 국지화할 볼록부(16)를 구비한다.
보다 바람직하게는, 핵 연료 플레이트(1)의 전체적인 구조, 즉 네트워크(6) 및 각각의 덮개 플레이트, 즉 플레이트(2, 4)는 동일한 내화 재료로 단일 방식(unitary manner)으로 제조될 수 있는데, 상기 재료는 금속 또는 세라믹일 수 있고, 상기 세라믹은 단일체이거나 그 자체가 세라믹인 섬유를 포함할 수 있다.
특히, 도 2c에 도시된 바와 같이 벽이 세라믹인 경우, 각 셀(8)의 벽에 도금된, 금속층 또는 금속층 또는 시트(18)를 부가하는 것이 가능하다. 보다 바람직하게는, 금속층 또는 시트(18)는 원자로가 운전되는 동안 생성된 생성물의 밀폐를 이러한 방식으로 증가시키기 위하여 핵 연료 펠릿(10)과 그의 팽창 부피, 즉 갭(12, 14)를 감싼다.
어셈블리에 관하여, 도 1에서 명백한 것처럼, 핵 연료 플레이트(1)는 중간 두께 평면(mid-thickness plane), 달리 말하면 벽의 중간 높이에서 조립된 두 개의 반 요소(half-elements)로 이루어질 수 있다. 두 개의 반 요소(2, 6' 및 4, 6)는 실제로 동일할 수 있고, 각각은 덮개 플레이트, 즉 플레이트(2, 4)의 일 면 상에 "본(impression)"으로서 육각형 셀의 네트워크(6, 6')를 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 이는 일면 상에 본으로서 셀(8)의 완전한 네트워크(6)를 포함하고 다른 평면상에 셀(8)을 밀폐시키는 매끄러운 덮개 플레이트를 갖는 제1 플레이트(4)의 어셈블리일 수 있다. 허니콤 구조로 중앙 그리드, 즉 네트워크(6)를 개별적으로 제조하고, 이어서 상기 그리드를 별도로 제조된 두 개의 플레이트(2, 4)와 조립하는 것이 또한 가능하다.
핵 연료 플레이트(1)의 구조(덮개, 즉 플레이트(2, 4) 및 그리드, 즉 네트워크(6))가 금속 재료의 선택을 허용하는 경우에, 이전의 세 가지 구현예들이 가능하다: 구조들(2, 4, 6) 간의 연결 평면의 위치는 제작의 용이성을 고려하여 결정된다. 그러나, "전부 세라믹"인 요소의 구현예의 경우에, 두 하부 구조 사이에 하나의 연결 평면만을 사용하고, 상기 연결 평면을 핵 연료 플레이트(1)의 중앙 평면, 즉 운전시 스트레스가 최소인 장소에 위치시키는 것이 바람직할 수 있다(도 1에 도시된 바와 같음); 이 선택은 사용되는 세라믹-세라믹 결합 방법(납땜, 확산에 의한 용접, 세라믹 전구체에 의한 본딩 등)의 선택을 확대시킨다.
GFR에서 고속 흐름 운전 조건, 높은 열 교환기 온도 및 높은 전력 밀도를 충족시키는 특히 유리한 일 구현예에 따르면, 핵 연료 펠릿(10)은 단부에 굴곡된 형태, 즉 볼록부(16)(중앙의 화살표가 적어도 30㎛)를 포함하는, 직경이 11.18mm이고 높이가 4.9mm인 원형 실린더형이다; 이러한 펠릿은 15%의 다공도를 갖는 표준 방법에 따라 (U, Pu)C로 제조된다.
주어진 수치는 순수하게 정보용이고 어떠한 경우에도 통상의 오차 마진과 함께 해석되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
핵 연료 플레이트(1)는 이어서 7mm의 총 두께를 갖는, 단일체 세라믹(예를 들어 SiC) 또는 섬유 복합체(예를 들어 SiC-SiCf)로 제조된 플레이트(2, 4)로 설계된다. 상기 핵 연료 플레이트(1)는 두 개의 동일한 반 요소를 조립함으로써 제조되는데, 상기 각각의 반 요소는 1mm 두께의 평판 베이스, 즉 플레이트(2, 4) 및 14mm 간격의 셀(8) 및 1.3mm의 균일한 두께를 갖는 벽을 갖는 허니콤 그리드를 한정하는 2.5mm 높이의 네트워크(6) 및 돌출 네트워크(6')를 포함한다. 두 개의 반-요소의 어셈블리는 납땜(세라믹에 적합한 방법 및 온도 범위), 순수 확산에 의한 용접, 또는 본딩에 의해 실행된다.
상기 셀은 대기압에서 헬륨 가스로 충전된다. 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 축방향 갭(12)은 100㎛이고, 방사상 갭(육각형의 평면들 사이)은 760㎛이다: 핵 연료 펠릿(10)과 플레이트(2, 4)사이의 초기 자유 부피(연료의 공극 부피를 포함시키지 않음)는 연료 펠릿 부피의 47%를 차지한다.
금속 금속층 또는 시트(18)를 설치하는 경우에, 25㎛ 내지 100㎛(경계 포함) 사이의 이의 두께는 셀(8)의 벽 및 덮개, 즉 플레이트(2, 4)의 두께에 포함된다: 예를 들어, 벽의 두께는 100㎛의 시트 두께에 대하여 1.3mm 내지 1.1mm로 조절된다. 시트는 예를 들어 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀 등에 기초한 반 내화 금속 합금(semi-refractory metal alloy)으로 구성될 수 있다.
더욱이, 티타늄 또는 지르코늄 카바이드가 실리콘 카바이드를 대체할 수 있다; 3원 카바이드가 또한 고려될 수 있거나, 혹은 특히 질화물 연료, 예를 들어 UPuN에 대하여 티타늄 또는 지르코늄 질화물이 고려될 수 있다.
이 구성에 있어서, 플레이트의 복합체 중앙 코어 내의 연료의 부피 비율은 56%이다.
플레이트(2, 4)는 직사각형이고 대략 120×250mm의 크기를 갖는다. 원자로의 코어에서 이러한 핵 연료 플레이트(1)의 배치는 GFR 코어의 운전에 필요한 반응 환경에서 핵분열 상(fissile phase)에 대하여 22.4%의 부피 비율을 제공한다.
이 핵 연료 플레이트(1)의 거동을, 100MW/m3의 코어에서의 균일한 부피 전력 밀도, 850℃의 열 교환기의 출구 온도, 및 적어도 10원자%의 연료 연소율을 갖는 2400MW GFR의 운전조건에서 분석하였다. 기본 셀의 열역학적 거동을, 수치화(dimensioning)를 허용하는 모든 운전 상황에서 CAST3M 유한 요소 소프트웨어(finite elements software)로 분석하였다: 정상 운전과 운전 정지(shutdown) 상황(열 교환기에서의 압력 없이 등온 냉각 상태로 복귀), 고속 하중 변동을 갖는 사건(10%의 전력 증가), 및 열 교환기 가스의 저속 또는 고속 감압을 갖는 사고 상황.
본 연구는 다음 조건으로 실시하였다:
1) 코어에서(코어 중앙의 최대 흐름을 갖는 평면에서)의 최대 전력 밀도 값, 즉 670MW/m3의 값 및 872℃의 플레이트 면의 외부 온도를 갖는 셀에 대해,
2) 코어의 중앙에서 축방향 프로파일을 따라 상이한 운전조건(최대 흐름의 평면을 통과하는 동안 코어의 입구에서 출구까지 변화하는 조건)을 갖는 셀에 대하여.
결과는 연료 (U-Pu)C의 10%의 핵분열 가스 방출 비율을 가정할 때, 10원자%이하의 정상 운전에 대하여 하기를 나타내었다:
i. 최대로 적재된 셀(8)의 수명 말기에서의 내부 압력(6.2MPa)은 열 교환기의 외부 압력 값(7MPa)에 거의 근접한다. 셀(8)의 유닛, 즉 핵 연료 플레이트(1)은 따라서 외부 압력 보다 낮은 내부 압력으로 그 수명에 걸쳐 운전되고, 이는 플레이트와 펠릿 사이의 유사 접촉(quasi-contact)을 촉진한다(이의 유리한 효과는 아래에 설명됨).
ii. 수명 동안에 축방향 갭(12)은 다음을 야기하는 핵 연료 펠릿(10)과 덮개, 즉 플레이트(2, 4) 사이의 상호작용으로 회복된다:
○ 조사(irradiation) 중 핵 연료 플레이트(1) 온도의 조절(부피 전력이 일정한 것으로 추정되는 경우에, 연료의 최고 온도는 50℃의 범위 위에서 변화하고 1300℃이하로 유지된다); 축방향 갭(12)의 점진적인 밀폐는 핵분열 가스가 방출될 때 가스의 전도성 손실을 보상한다,
○ 매우 낮게 유지되는 셀(8)의 축방향 변형 수준(44㎛의 플레이트 두께의 셀 환경에서의 최대 변형)을 갖는 핵 연료 펠릿(10)의 직경 팽창(팽창의 이방성 및 크리프에 의함),
○ 구조물에서 유발된 낮은 수준의 스트레스, 즉 10MPa이하로 유지되는 덮개, 즉 플레이트(2, 4)의 굽힘 스트레스(bending stress) 또는 결합 평면의 인장 스트레스.
iii. 방사상 갭(14), 수명 말기에서의 잔여 갭, 및 핵 연료 펠릿(10)으로부터 셀(8) 격벽을 열적으로 분리할 수 있는 핵분열 가스에 의한 전도성의 점진적 열화의 회복은 없다. 이러한 벽의 평균 온도는 덮개, 즉 플레이트(2, 4)의 평균 온도와 같고, 따라서 허니콤, 즉 네트워크(6)과 두 플레이트(2, 4)사이의 차동 변형(팽창에 의한 것)은 없다.
핵 연료 펠릿(10)이 덮개, 즉 플레이트(2, 4)와 상호작용할지라도, 10%만큼의 급격한 부피 전력의 증가 시뮬레이션은, 덮개의 낮은 굽힘 강성이 심각한 추가 스트레스 없이 핵 연료 펠릿(10)에 의해 셀(8)에 부과된 순간 변형을 수용할 수 있다는 사실을 보여준다.
유사하게, 문제의 운전 정지 상황 및 감압 사고에서, 핵 연료 플레이트(1)의 셀(8)을 내부 과압력(overpressure)으로 이끄는 외부 압력의 손실은, 셀 구조물(2, 4, 6)의 허용가능한 스트레스를 야기한다: 덮개의 적당한 굽힘, 및 급속 감압 사고시 24MPa의 최대값으로 결합 평면을 장력하에 둠.
이 연구는 운전시 셀(8) 구조물(2, 4, 6)에서의 스트레스의 상당 부분이 두께방향에서 국지적으로, 세로방향으로 또는 하부 구조물 사이에서, 열 팽창 및 팽창에 의해 부과된 변형 하중에 의해 유발된다는 사실을 밝혀 준다. 이러한 스트레스는 조사(irradiation) 동안에 크리프(조사 크리프 및 열 크리프)에 의하여 완화될 수 있다. 이러한 스트레스의 수준은 또한 사용된 재료의 물리적 특성 및 기계적 특성에 직접적으로 의존한다.
모듈러스 M= E×α/(λ×(1-υ))는 M의 낮는 값에 의해 이러한 하중을 최소화하는 재료를 선택하기 위하여 사용된다.
상기 식에서, E는 영(Young) 모듈러스이고, α는 열 팽창 계수이고, λ는 열 전도도이고, υ는 푸아송비(Poisson's ratio)이다. 예를 들어, 하기 표는 Nb-1Zr-C 금속 덮개 및 복합 세라믹 SiC-SiCf에 대한 1000℃에서의 M 값을 제공한다.
| 1000℃에서의 물성 | Nb-1Zr-C | SiC-SiCf |
| E (GPa) | 84 | 192 |
| α (10-6/K) | 7.185 | 4 |
| λ (W/m·K) | 61.16 | 10 |
| υ | 0.4 | 0.18 |
| M | 16.645 | 93.66 |
본 발명에 따른 연료 요소는, GFR에 의해 부과된 사양을 충족하면서, 임의의 네트워크에 대하여, 기존의 요소 보다 넓은 운전 조건의 범위 및 성능을 커버할 능력을 이러한 방식으로 보여준다:
- 복합체 플레이트 구조의 결과로서 복합체, 즉 핵 연료 플레이트(1) 중 50%를 초과하는 핵 연료 펠릿(10)의 충전 밀도(US 3 855 061은 불과 25%를 허용함)에 근접할 수 있음,
- 핵분열 가스의 밀폐를 제공하며(기존의 요소인 기존의 FNR 및 HTR 구체(sphere)도 마찬가지임), 블로킹으로 인한 파괴가 없고 낮은 강성으로 핵 연료 펠릿(10)과 플레이트(2, 4) 사이의 상호작용을 단일의 변형 방향(AA)으로 수용할 능력(연료의 두 개의 변형 방향을 블로킹하는 FNR 요소 보다 우수하고, 세 방향을 블로킹하는 HTR 보다도 양호함),
- 연료 코어에서의 최고 온도를 조절함으로써 열 교환기에 열 교환을 제공하는 능력,
- 낮은 스트레스 수준으로 부과된 변형 하중을 수용하면서, 내화 세라믹 타입(단일체 또는 섬유 복합체) 또는 내화 금속 타입의 구조 재료로 고성능 방식(높은 온도, 연소율 및 전력 밀도)으로 운전하는 능력.
이 타입의 플레이트 요소는 다른 네트워크(특히, 실험로, 열 원자로, 고속 원자로 및 고온 열 원자로)에서의 사용에 순응될 수 있다. 이러한 용도에 통상적으로 사용되는 덮개/연료 재료 쌍은 실제로 본 발명에 따른 매크로구조를 갖는 플레이트 요소의 설계에 직접적으로 치환될 수 있다: 허니콤 구조가 통상적인 덮개와 동일한 열적, 화학적, 및 기계적 스트레스 조건하에서 기능하기 때문에, 동일한 재료가 따라서 내재적으로(implicitly) 적격이다.
본 발명에 따라 설계된 복합체 플레이트 연료 요소는 따라서 하기가 가능하다:
- 고속 흐름을 얻는 것에 부합하는 높은 코어 밀도를 가질 수 있으며, 육각 형 메쉬(mesh) 허니콤 구조는 50%를 초과하는 연료 충전에서의 부피 비율을 허용한다,
- 표준 방법을 사용하여 제조된 UO2, UO2-PuO2, UC, (U,Pu)C, UN, (U,Pu)N 등과 같은 연료 펠릿으로 셀을 재충전하기 위해 사용될 수 있다,
- 펠릿과 매트릭스 사이의 갭에 의해 한정된 팽창 부피에 의하여 셀에서 연료에 의해 방출된 핵분열 가스의 내부 압력을 제한할 수 있으며, 이 팽창 부피는 연료 펠릿 부피의 약 0.5배를 차지하며, 이는 고성능 핵 연소("번업(burnups)")를 가능하게 한다,
- 셀에서의 누출의 경우에 열 교환기에서 염석(salted out)될 수 있는 핵분열 생성물의 재고를 줄일 수 있으며, 각 셀은 밀폐 셀(sealed cell)을 구성하는 덮개에 의해 그 단부들이 밀폐되어 있다.
- 요소들 사이의 냉각 흐름의 분배를 손상(prejudicing)시키지 않는 플레이트 요소의 매우 낮은 변형과 함께 연료와 셀 구조 사이의 차동 변형(열 팽창 및 팽창)을 수용할 수 있다,
하기를 위하여 센티미터 크기의 셀, 및 밀리미터 크기의 벽과 덮개 두께를 갖는 셀(육각형 네트워크가 아님)의 크기를 최적화할 수 있다:
○ 열 교환기에, 보다 바람직하게는 펠릿의 단부들을 통해 열 전달을 제공,
○ 구조 재료에서의 평균 온도의 균일성을 얻음,
○ 셀을 밀폐시키는 덮개의 굽힘 강성을 조절,
○ 셀 구조에 유발된 스트레스를 최소화(이 수준에서, 열 팽창 및 팽창에 의해 부과된 변형 타입의 하중을 최소화하기 위한 재료의 선택은 또한, 선택의 판단 기준으로서, 셀의 거동을 최적화하는 최소 모듈러스 M= E×α/(λ×(1-υ))의 추구(search)에도 역할을 한다),
- 열 전달을 제공하는 펠릿과 덮개 사이의 점진적인 접촉을 조정함으로써 전 수명에 걸쳐 연료의 최고 온도를 조절할 수 있다,
- 운전 온도, 열 전달의 성질, 및 연료에 적합하게 된 플레이트용 구조 재료(금속)와 함께 수백 MW/m3에 달할 수 있는 연료에서의 전력 밀도 수준으로 모든 타입의 고속 원자로 또는 열 원자로에서 운전될 수 있다,
- 순전히 단일체 또는 섬유 보강 세라믹으로 제조된 요소로 고속 고온 또는 열 원자로에서 운전될 수 있다,
- 고온 원자로용 연료의 경우에 기밀(sealing)을 보장하는 박막 시트 또는 적층(deposit)의 형태로 내화 금속 성분을 부가할 수 있으며, 따라서 불충분한 세라믹의 밀폐 품질을 회피할 수 있다.
Claims (17)
- 제1 플레이트(4), 분리된 셀들(8)을 형성하기 위해 상기 제1 플레이트(4)에 조립된 복수개의 벽을 가진 네트워크(6), 적어도 하나의 핵 연료 펠릿(10), 및 상기 셀(8)을 밀폐시키기 위하여 상기 네트워크(6)에 조립된 제2 플레이트(2)를 포함하는 핵 연료 플레이트(1)로서,상기 제2 플레이트(2)는 상기 제1 플레이트(4)에 평행하고 이와 대향하며,상기 적어도 하나의 핵 연료 펠릿(10)은 회전하는 동안, 대향하는 두면 사이의 축 (AA)를 따라 연장되고,상기 핵 연료 펠릿(10)은 셀(8)에 위치하고, 상기 셀(8)은 그의 벽과 상기 핵 연료 펠릿(10) 사이에 방사상 갭(14)을 가지며, 상기 핵 연료 펠릿(10)의 축(AA)은 상기 셀(8)의 벽과 평행한 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항에 있어서, 상기 네트워크(6)의 벽은 상기 제1 플레이트(4)에 평행한 방향에서 측정될 경우 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 네트워크(6)는 상기 제1 플레이트(4)와 함께 단일 방식(unitary manner)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 플레이트(2)는 상기 제1 플레이트(4)의 네트워크(6)에 상보적이고 상기 제1 플레이트(4)의 네트워크(6)에 조립되는 네트워크(6')를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항에 있어서, 상기 각 셀(8)에서 방사상 갭(14)을 가지고 위치하는 대향하는 두면 사이의 축(AA)을 따라 연장되는 단일의 핵 연료 펠릿(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제6항에 있어서, 상기 각 셀(8)은 헬륨으로 충전된 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제7항에 있어서, 상기 핵 연료 펠릿(10)의 핵분열 상(fissile phase)이 상기 핵 연료 플레이트(1) 부피의 20% 이상 100% 미만을 차지하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제8항에 있어서, 상기 각 셀(8)에서 상기 방사상 갭(14)에 의해 생성된 잔여 부피는 상기 셀(8) 내에 위치하는 상기 핵 연료 펠릿(10) 부피의 적어도 40% 내지 100% 미만을 차지하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 핵 연료 펠릿(10)은 추가로 축방향 갭(12)을 갖는 상기 셀(8)에 위치하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제10항에 있어서, 상기 핵 연료 펠릿(10)과 대향하는 면들 중 적어도 하나는, 상기 축방향 갭(12)의 조절 후 대향하는 제1 플레이트(4) 및 제2 플레이트(2)에서의 상대적인 스트레스 수준을 최소화하기 위하여 바깥쪽으로 굴곡된(curved) 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 네트워크(6)는 상기 셀(8)의 허니콤 구조이고, 상기 셀(8)은 육각형 셀인 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항에 있어서, 상기 제1 플레이트(4), 상기 제2 플레이트(2) 및 상기 네트워크(6)는 금속 또는 세라믹의 동일한 내화 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제13항에 있어서, 상기 제1 플레이트(4), 상기 제2 플레이트(2) 및 상기 네트워크(6)는 세라믹으로 제조된 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제14항에 있어서, 상기 각 셀(8)의 벽위에 도금된 금속층 또는 시트(18)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 핵 연료 펠릿(10)은 그 축(AA) 주변을 회전하는 단일의 실린더 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
- 제14항에 있어서, 상기 제1 플레이트(4), 상기 제2 플레이트(2) 및 상기 네트워크(6)는 SiC 또는 섬유로 제조된 것을 특징으로 하는 핵 연료 플레이트(1).
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