KR101494782B1 - 핵연료집합체 및 이를 구비하는 고속원자로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 핵연료집합체는, 중공의 하우징, 상기 하우징에 구비되는 복수의 연료봉 및 상기 연료봉을 냉각시키도록 상기 하우징 내부에 액체 금속이 충진되어 형성되는 냉각부를 포함하고, 상기 하우징 내부는 제1 영역과 제2 영역으로 구획되고, 상기 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉들의 열출력이 상기 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉들의 열출력에 비해 높거나 낮게 형성된다.

Description

핵연료집합체 및 이를 구비하는 고속원자로{NUCLEAR FUEL ASSEMBLY AND FAST REACTOR}
본 발명의 실시예들은 액체 금속을 냉각재로 사용하는 핵연료집합체 및 이를 구비하는 고속원자로에 관한 것이다.
원자로란 열 발생, 방사성 동위원소 생산, 강한 방사선 발생 이외의 유용한 목적에 사용하기 위해, 핵분열이 지속적으로 발생하고 제어 가능하도록 설계된 장치이다. 이러한 원자로 내부에서 발생되는 핵분열은 중성자가 핵분열이 가능한 원자와 충돌하여 원자가 붕괴됨으로써, 2개의 서로 다른 원자를 생성함과 동시에 많은 양의 열이 발생되는 현상을 지칭한다.
상기 원자로 중 특히, 발전용 원자로의 경우, 핵분열에 사용되는 중성자의 에너지 준위에 따라서 열중성자로와 고속 중성자 즉, 고속로로 구분된다. 상기 열중성자로는 상대적으로 낮은 에너지를 가지는 중성자를 이용하여 핵분열 반응을 일으키며 고속중성자로(고속로)의 경우에는 상대적으로 높은 에너지의 중성자를 이용한다.
상기 고속로에는 다양한 개념들을 가지나, 그 중 액체 금속 냉각 고속로가 가장 활발히 연구되고 있다. 액체 금속 냉각 고속로의 일 예로, 소듐냉각고속로를 들 수 있다. 소듐냉각고속로는 핵연료봉에서 생성되는 열의 빠른 교환을 위하여 열전도도가 높은 소듐을 냉각재로 쓰는 고속로 구조이다.
액체 금속 냉각 고속로는 물을 냉각재로 사용하는 경수로와는 달리 높은 열전도도를 갖는 액체 금속을 사용할 뿐만 아니라 중성자를 감속할 필요가 없기 때문에 핵연료봉을 조밀하게 배치시킬수록 효율이 좋아지는 특징을 가지고 있다.
핵연료봉을 구성하는 핵연료 슬러그는 피복관에 의해 둘러쌓여 있는데, 이러한 피복관은 방사성 물질의 누출을 막는 첫 번째 방벽이기 때문에 노내 장전 기간동안 가능한 파손이 없도록 해야한다. 피복관은 특정 온도 이상에서 그 특성이 나빠질 수 있다. 또한, 핵연료봉을 냉각시킴으로써, 피복관의 온도를 조절할 수 있는 냉각재는 그 위치에 따라 큰 온도차이를 보이게 된다.
따라서, 핵연료봉이 집합적으로 내장되는 핵연료집합체 내부의 유량의 불균형을 해소하여 핵연료집합체 내부 온도를 균일하게 할 수 있는 방안이 고려될 수 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 등록특허공보 제10-0851870호 (2008.08.13.), 일본 특허공보 특허 제2774828호 (1998.07.09.) 및 일본 공개특허공보 특개평6-331769호 (1994.12.02.)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 목적은 내부의 온도를 평탄화시킬 수 있는 핵연료집합체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 보다 향상된 구조로 핵연료집합체 내부를 냉각시킬 수 있는 핵연료집합체를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 핵연료집합체는, 중공의 하우징, 상기 하우징에 구비되는 복수의 연료봉 및 상기 연료봉을 냉각시키도록 상기 하우징 내부에 액체 금속이 충진되어 형성되는 냉각부를 포함하고, 상기 하우징 내부는 제1 영역과 제2 영역으로 구획되고, 상기 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉들의 열출력이 상기 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉들의 열출력에 비해 높거나 낮게 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 하우징의 하부를 통해 유입되는 액체 금속이 상기 하우징의 상부를 통해 유출되도록 상기 연료봉들을 이격시키며 상기 연료봉들의 외주에 각각 형성되는 와이어부를 더 포함하고, 상기 제1 영역의 와이어부들은 상기 제2 영역의 와이어부들에 비해 보다 크거나 작은 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들은 상기 제2 연료봉들에 비해 보다 크거나 작은 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료봉들은 각각, 핵연료 모듈, 상기 핵연료 모듈의 상부에 형성되어 핵분열시 생성된 물질이 유입되는 플레넘부 및 상기 핵연료 모듈의 하부에 형성되어 고속 중성자가 조사될 때 상기 핵연료 모듈의 손상을 방지하도록 형성되는 차폐부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 모듈의 크기는 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 모듈의 크기 보다 크거나 작게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 핵연료 모듈은, 핵연료 슬러그(fuel slug), 상기 핵연료 슬러그의 외주에 형성되는 피복부 및 상기 핵연료 슬러그와 상기 피복부 사이에 형성되는 본딩부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 직경은 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 직경 보다 크거나 작게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 농축률은 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 농축률보다 높거나 낮게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 우라늄 또는 플루토늄 비율은 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 우라늄 또는 플루토늄 비율에 비해 높거나 낮게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들의 핵연료 모듈과 플레넘부 사이에 중성자 흡수체가 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 연료봉들에 구비된 차폐부들의 높이는 상기 제2 연료봉들에 구비된 차폐부들의 높이 보다 높거나 낮게 형성될 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 제1 영역과 제2 영역으로 내부가 구획되는 하우징, 상기 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉들과 상기 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉들 및 상기 하우징의 하부에 배치된 유입구를 통해 유입되고, 상기 하우징의 상부에 배치된 유출구를 통해 액체 금속이 유출됨으로써, 상기 연료봉들을 냉각시키는 냉각부를 포함하고, 상기 제1 영역을 통과한 액체 금속이 제1 온도를 가지고, 상기 제2 영역을 통과한 액체 금속이 제2 온도를 가질 때, 상기 제1 온도와 제2 온도 간의 차이를 감소시키도록 상기 제1 연료봉들에 인접하여 형성되는 유로는 상기 제2 연료봉들에 인접하여 형성되는 유로에 비해 보다 크거나 작은 면적으로 형성되는 핵연료집합체를 개시한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 복수의 핵연료집합체 중 적어도 하나의 핵연료집합체가 중공의 하우징, 상기 하우징에 구비되는 복수의 연료봉 및 상기 연료봉을 냉각시키도록 상기 하우징 내부에 액체 금속이 충진되어 형성되는 냉각부를 포함하고, 상기 하우징 내부는 제1 영역과 제2 영역으로 구획되고, 상기 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉들의 열출력이 상기 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉들의 열출력에 비해 높거나 낮게 형성되는 고속 원자로를 개시한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 핵연료집합체 및 이를 구비하는 고속원자로는 제1 영역에서 유로를 지나는 액체 금속의 온도를 낮출 수 있다. 즉, 핵연료집합체 내부에서 온도 평탄화를 이룰 수 있으며, 이로 인해 원자로의 열적 안전성을 높일 수 있다. 원자로 운전 온도를 상승시킬 수 있으므로 1차 계통에서 주증기 온도가 상승될 수 있게 되어 원자로의 운전 효율이 상승되고 경제성도 상승될 수 있다.
또한, 핵연료집합체 내부에서 온도 평탄화를 가져올 수 있으므로, 연료봉들의 손상확률이 줄어들며 평준화된다. 핵연료집합체 내부의 온도 평탄화는 핵연료집합체가 원자로에서 장전되는 기간을 연장시키므로 핵연료의 연소기간도 늘어나는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 액체금속냉각고속로의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 핵연료집합체의 개념도.
도 3은 도 2의 라인 Ⅳ - Ⅳ를 따라 절단한 상태에서의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 연료봉의 개념도.
도 5는 도 4의 라인 Ⅴ - Ⅴ를 따라 절단한 상태에서의 단면도.
도 6은 핵연료집합체마다 유출구의 각 지점에서 측정된 온도 및 측정된 온도와 각 유로에서 측정된 최대값과의 차이를 표시한 도면.
도 7은 원자로 노심의 중앙 영역에 배치된 핵연료집합체의 온도분포를 도시한 도면이고, 도 8은 원자로 노심의 외곽 영역에 배치된 핵연료집합체의 온도분포를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따르는 핵연료집합체의 단면도.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 핵연료집합체의 개념도들.
도 13과 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 연료봉들의 개념도들.
도 15는 하우징의 상부로 유출되는 액체 금속의 온도에 따르는 원자로 운전 효율을 도시한 도면.
이하, 본 발명에 관련된 핵연료집합체 및 이를 구비하는 고속원자로에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 액체금속냉각고속로의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 바와 같이 고속로(1)는 축방향으로의 중성자 누출을 늘려 반응도계수를 낮추기 위해, 축방향 길이에 비해 반경방향 길이가 긴 노심(2)을 가진다. 이러한 노심(2)은 냉각재인 액체 금속(S)이 수용된 수조(3)의 내부에 잠겨짐으로써, 냉각재인 액체 금속(S)이 도 1의 화살표 도시와 같이 노심(2)의 아래에서 위로 흐른다. 또한, 상기 노심(2)의 증배계수를 조절하기 위한 제어봉(4)은 노심(2)의 상단에 위치하며, 제어봉 구동부(5)에 의해 제어봉(4)의 삽입정도가 조절된다.
한편, 일반적으로 노심(2)에 복수로 장전되는 핵연료집합체의 경우, 중성자 사용효율증대를 위해, 가압경수로에 널리 사용되는 사각 기둥형 집합체구조 대신에 육각 기둥 형태의 구조가 주로 채용될 수 있다. 이러한 육각형 구조의 핵연료집합체 내부에 실린더 형태의 핵연료봉이 장전될 수 있다.
이러한 고속로의 경우, 경수로 대비 출력밀도가 높고 각 핵연료집합체의 열출력이 상이한 액체금속냉각고속로의 특성상 핵연료집합체마다 다른 유량을 분배하여 냉각재인 액체 금속의 노심출구에서의 온도가 각 핵연료집합체마다 유사하도록 조절할 수 있다. 그리고, 핵연료집합체마다 배정된 유량을 유지시키고, 핵연료집합체간의 냉각재 이동을 방지하기 위하여 육각 기둥 형상의 중공의 하우징 내에 핵연료봉들을 삽입 및 밀봉하여 핵연료집합체 상부 및 하부에 형성된 액체 금속 유출입구로만 냉각재가 흐를 수 있도록 형성할 수 있다. 이하, 핵연료집합체에 대해 도면을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 핵연료집합체의 개념도이고, 도 3은 도 2의 라인 Ⅳ - Ⅳ를 따라 절단한 상태에서의 단면도이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 연료봉의 개념도이고, 도 5는 도 4의 라인 Ⅴ - Ⅴ를 따라 절단한 상태에서의 단면도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 핵연료집합체(100)는 중공의 하우징(103)에 복수의 연료봉(105)이 구비되어 형성된다. 하우징(103)은 연료봉(105)들이 높은 조밀도를 가지고 배치되도록 연료봉(105)을 감싸는 부분이 육각 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 연료봉(105)들 사이 또는 연료봉(105)과 하우징(103) 사이에는 액체 금속이 충진되어 있다. 즉, 하우징(103) 내부에서 연료봉(105)들을 제외한 공간에 액체 금속이 충진될 수 있으며, 이하 액체 금속이 충진된 부분을 냉각부라고 하기로 한다. 액체 금속의 일 예로 소듐(Na)이 사용될 수 있다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 연료봉(105)들 사이 또는 연료봉(105)과 하우징(103) 사이를 이격시키도록 와이어부(140)가 형성된다. 와이어부(140)는 연료봉(105)들의 외주에 형성되며, 이러한 와이어부(140)는 액체 금속이 하우징(103)의 하부에서 상부로 흐를 수 있게 유로를 형성할 수 있다.
핵연료집합체(100)의 상부와 하부에 각각 액체 금속이 유입되는 유입구(101)와 액체 금속이 유입되는 유출구(102)가 형성될 수 있다. 액체 금속이 유입구(101)를 통해 유입되고 유출구(102)를 통해서 유출됨으로써, 하우징(103) 내부를 냉각시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르는 액체 금속 냉각 고속로는 경수나 중수를 냉각재로 사용하는 경수로 또는 중수로와 달리 높은 열전도도를 갖는 액체 금속을 사용할 뿐만 아니라 중성자를 감속할 필요가 없기 때문에 핵연료봉(105)을 조밀하게 배치시켜 발전효율을 높일 수 있다.
도 2와 도 4를 참조하면, 연료봉(105)은 핵연료 모듈(110), 플레넘부(120) 및 차폐부(130)를 포함할 수 있다. 플레넘부(120)는 핵연료 모듈(110)의 상부에 위치하며, 기체 형태의 핵분열 생성물이 보관될 수 있다. 차폐부(130)는 고속 중성자의 조사로 인해 핵연료 모듈(110)이 손상되는 것을 방지하고자 핵연료 모듈(110)의 하부를 차폐가능하게 형성된다.
도 5를 참조하면, 핵연료 모듈(110)은 핵연료 슬러그(fuel slug, 111), 피복부(113) 및 본딩부(112)를 포함할 수 있다. 핵연료 슬러그(111)는 고농축의 산화물 연료 또는 고농축의 금속 연료가 사용될 수 있다. 피복부(113)는 스테인레스 스틸 계열의 합금이 사용될 수 있다. 그리고, 본딩부(112)는 핵연료 슬러그(111)와 피복부(113) 사이을 채우도록 형성된다. 열전도도 향상을 위해 소듐과 같은 녹는점이 낮은 금속 물질을 이용하여 핵연료 슬러그(111)와 피복부(113)가 본딩될 수 있다.
도 6은 핵연료집합체(100)마다 유출구의 각 지점에서 측정된 온도 및 측정된 온도와 각 유로에서 측정된 최대값과의 차이를 표시한 도면이고, 도 7은 원자로 노심의 중앙 영역에 배치된 핵연료집합체(100)의 온도분포를 도시한 도면이고, 도 8은 원자로 노심의 외곽 영역에 배치된 핵연료집합체(100)의 온도분포를 도시한 도면이다.
핵연료집합체(100) 내부에 형성된 각 유로를 따라 흐르는 냉각재의 온도 차이는 각 유로의 유량차이에 의해서 발생한다. 각 핵연료봉(105)은 와이어부(140)에 의해서 감겨져 있으며 삼각격자 형태로 와이어부(140)의 직경 간격만큼 조밀하게 밀착되어 있으며, 최외곽 핵연료봉(105)은 육각 기둥 형상의 하우징(103)의 벽면과 접하고 있다. 따라서 유로는 삼각 격자 형태로 배열된 연료봉(105)들에 의해 한정되는 제1 유로(109a), 연료봉(105)들과 하우징(103)의 내면에 의해 한정되는 제2 유로(109b)로 구분될 수 있다.
이로 인해, 제2 유로의 면적이 제1 유로에 비해 크다. 유로의 저항은 유속의 제곱에 비례하고 유로의 면적에 반비례하므로 동일한 핵연료집합체(100)의 입출구 압력조건에서 큰 유로면적을 가지는 제2 유로가 제1 유로보다 높은 유량을 가지게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 핵연료집합체(100)의 유출구에서 측정된 액체 금속의 온도는 대략 560℃에서 570℃의 온도로 측정되지만, 핵연료집합체(100) 내부의 각 유로에서 측정된 최대 온도와 평균 온도와의 차이는 22.1℃에서 36.8℃의 값을 보임을 알 수 있다.
이와 같이 각 유로별로 온도차이가 나는 이유는 도 7 및 도 8에 도시된 핵연료집합체(100) 내부의 온도분포를 비교함으로써 확인할 수 있다. 도 7은 노심 중심에서의 핵연료집합체(100) 내부의 피복부(113) 및 유로에서 온도분포를 나타내는 것으로서, 코사인 형태의 중성자속 구배를 갖는 노심 중심의 특성상 핵연료집합체(100) 중심에서 상대적으로 높은 온도 분포를 가짐을 확인할 수 있다. 도 8은 노심 외곽에서 핵연료집합체(100) 내부의 온도분포를 도시한 것으로서, 도 7과 달리 노심 중심에서 온도분포가 다름을 확인할 수 있다.
그 이유는 다른 핵연료집합체(100)와 붙어있는 왼쪽 부분은 타 핵연료집합체(100)로부터의 중성자 공급을 받아 출력이 높으며, 노심 최외곽부분인 오른쪽은 핵연료집합체(100)가 없어 중성자의 공급을 받지 못할 뿐만 아니라 중성자가 노심 외부로 누설되기 때문이다. 따라서, 열출력은 왼쪽으로 치우쳐 온도분포 역시 이를 따라 급격한 구배를 갖게 되며, 이로 인하여 핵연료집합체(100) 내부의 각 유로에서 측정된 최대 온도와 평균 온도와의 차이가 노심 중앙의 핵연료집합체(100)보다 커지게 된다.
핵연료 슬러그(111)를 둘러싼 피복부(113)는 방사성 물질의 누출을 막는 첫 번째 방벽이기 때문에 원자로내 핵연료집합체(100)가 장전되는 기간 동안 가능한 파손이 없도록 해야한다. 하지만, 액체 금속 냉각 고속로에서 사용되는 피복부(113)는 주로 스테인레스 스틸 계열 합금이며, 고속중성자 조사라는 열악한 조건하에서 피복부(113)의 건전성은 특정 온도 이상에서 급격히 나빠지게 되는 특성을 갖고 있다.
핵연료집합체(100) 마다 유량분배를 통하여 냉각재 노심출구온도를 평탄하게 유지하였음에도 불구하고, 핵연료집합체(100) 내부의 유로마다 온도차이가 20℃이상으로 크게 발생하는 문제는 핵연료집합체(100) 특정위치에서 피복부(113)의 파손을 방지하기 위하여 추가적인 유량을 배정해야만 하기 때문에 유량에 대한 원자로의 운전에 있어서 열수력적 여유도를 감소시킬 수 있다.
또한, 상대적으로 낮은 온도를 가짐으로 인해 충분한 건전성을 확보하고 있는 피복부(113)들도 핵연료집합체(100)의 특정위치에 해당하는 피복부(113)의 파손을 방지하기 위해 동시에 교체해야 하는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같이, 핵연료집합체(100) 내부의 유로별 큰 온도차이는 핵연료집합체(100)가 원자로내 장전되는 기간이 짧아지게 되는 문제를 야기한다.
이와 같은, 문제를 해결하기 위해 본 발명은 핵연료집합체(100) 내부의 특정 유로에서 측정된 온도가 다른 핵연료집합체(100) 내부의 평균 온도보다 현저히 높은 유로와 관계되는 핵연료봉의 위치들을 제1 영역으로 설정하고 나머지 핵연료봉의 위치들을 제2 영역으로 설정한 뒤, 제1 영역에 배치된 연료봉(205a, 도 9 참조)들에 의한 열출력을 제2 영역에 배치된 연료봉(205b)들 보다 낮게 형성할 수 있다.
또한, 제1 연료봉(205a)들에 인접하여 형성되는 유로(208a)는 제2 연료봉(205b)들에 인접하여 형성되는 유로(208b)에 비해 보다 큰 면적으로 형성하여 상기와 같은 문제들을 해결할 수 있다.
이하 도 9 내지 도 14를 참조하여 상기한 해결방안에 따르는 핵연료집합체를 살펴보기로 한다. 이하의 실시예들에서 하우징의 내부는 복수의 영역으로 구획될 수 있으며, 복수의 영역은 적어도 제1 및 제2 영역을 포함할 수 있다. 제1 영역과 제2 영역은 열출력의 높거나 낮음에 의해 구분되는 것만을 예시하였으나, 다른 기준에 의해 제1 영역과 제2 영역이 구획될 수 있다. 이하의 실시예들에서 연료봉들이나 와이어부들, 핵연료 슬러그 등의 크기나 형상, 비율 등은 본 발명의 비균질한 핵연료집합체의 예시를 든 것으로서 이하의 실시예들만으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
9는 본 발명의 일 실시예에 따르는 핵연료집합체(200)의 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 핵연료집합체(200) 내부의 특정 유로에서 측정된 온도가 다른 핵연료집합체(200) 내부의 평균 온도보다 현저히 높은 유로와 관계되는 핵연료봉이 배치된 위치들을 제1 영역으로 설정하고, 나머지 위치들을 제2 영역으로 설정할 수 있다. 도 9는 핵연료집합체(200)의 중앙 영역에 제1 영역이 형성되는 것을 예시하였다.
도시된 바와 같이, 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉(205a)들의 열출력이 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉(205b)들의 열출력에 비해 낮게 형성하기 위하여, 제1 연료봉(205a)들의 외주에 형성되는 제1 와이어부(240)의 직경을 제2 연료봉(205b)들의 외주에 형성되는 제2 와이어부(240)의 직경에 비해 보다 크도록 형성할 수 있다. 이로 인해, 제1 연료봉(205a)들 외주에 형성된 유로들은 제2 연료봉(205b)들 외주에 형성된 유로들에 비해 보다 큰 면적을 갖게 되므로, 제1 연료봉(205a)들 외주에 형성된 유로에서 측정된 온도가 일정 범위 이내가 되도록 제어할 수 있다. 즉, 제1 영역 내의 유로에서 측정된 액체 금속의 온도와 핵연료집합체(200)의 평균온도 간의 차이를 줄일 수 있다.
또한, 제1 연료봉(205a)들의 직경을 제2 연료봉(205b)들의 직경보다 작게 형성하여, 제1 연료봉(205a)들 외주에 형성된 유로들(208a)의 면적을 보다 크게 형성할 수 있다. 이 때, 제1 연료봉(205a)들에 내장되는 핵연료 슬러그(211)의 양은 제2 연료봉(205b)들에 내장되는 핵연료 슬러그(211)의 양과 동일하거나 보다 작을 수 있다. 보다 작게 내장되는 경우 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉(205a)들의 열출력이 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉(205b)들의 열출력에 비해 낮게 형성될 수 있다.
도 10은 제1 영역에 배치되는 핵연료봉(305a)에서 핵연료 모듈(310a)의 크기를 제2 영역에 배치되는 핵연료 모듈(310b)의 크기보다 작게 형성하는 예를 도시하고 있다.
핵연료 모듈(310a)의 크기를 작게 하기 위하여, 핵연료 모듈(310a)의 높이를 조절할 수 있다. 즉, 제1 연료봉(305a)의 핵연료모듈의 높이를 제2 연료봉(305b)의 핵연료모듈의 높이보다 낮게 형성시킬 수 있다. 또한, 제1 연료봉(305a)의 핵연료모듈의 높이와 제2 연료봉(305b)의 핵연료모듈의 높이를 동일하게 유지한 채, 핵연료 슬러그의 높이나 너비를 조절하거나, 핵연료 슬러그의 양을 조절할 수 있다.
이로 인해, 제1 핵연료봉(305)들에 보다 적은 양의 핵연료 슬러그를 내장시킴으로써, 제1 영역에서 핵분열시 제1 연료봉(305a)들에 의한 열출력을 감소시킬 수 있다. 즉, 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉(305a)들의 열출력이 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉(305b)들의 열출력에 비해 낮게 형성될 수 있다.
도 11은 제1 영역에 배치되는 연료봉(405a)에서 차폐부(430a)의 높이를 제2 영역에 배치되는 차폐부(430b)의 높이보다 낮게 형성하는 예를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 제1 영역에 형성되는 차폐부(430a)들은 제2 영역에 형성되는 차폐부(430b)들보다 높이가 낮게 형성될 수 있다. 이로 인해, 제1 영역에서 유효 노심은 제2 영역의 노심보다 낮은 부분에 위치하게 되어 제1 영역의 액체 금속이 먼저 가열될 수 있다. 가열된 제1 영역의 액체 금속은 핵연료집합체(400) 상부로 이동하면서 와이어부(440)에 의해 제2 영역의 액체 금속과 혼합되어 온도의 평탄화가 이루어질 수 있다. 그리고, 제1 연료봉(405a)들의 상부에 열원이 존재하지 않는 반면에 제2 연료봉(405b)들의 상부에 열원이 존재하게 된다. 이로 인해, 유출구에서 액체 금속의 온도의 평준화가 이루어질 수 있다.
도 12는 제1 영역에 배치되는 연료봉(505a)의 상부에 중성자 흡수체(550)가 형성되는 것을 도시하고 있다. 중성자 흡수체는 핵연료 모듈(510a)과 플레넘부(520) 사이에 배치될 수 있다. 중성자 흡수체는 탄화붕소(B4C) 및 산화에르븀(Er2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 이로 인해 제1 영역에서 열출력이 보다 낮아질 수 있다.
도 13과 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 핵연료 모듈들의 개념도들이다.
제1 연료봉의 핵연료 모듈을 제2 연료봉의 핵연료 모듈과 다르게 형성함으로써, 제1 연료봉의 열출력을 제2 연료봉에 비해 낮출 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시한 바와 같이, 핵연로 슬러그(611)의 직경을 감소시킬 수 있다. 이와 달리 도 14에 도시한 바와 같이, 본딩부(712)의 재질을 다르게 형성할 수 있다.
핵연료 슬러그는 중성자 조사시 팽윤에 대비하여 팽창에 필요한 공간을 둘 수 있으며, 이러한 공간을 스미어 볼륨(Smear Volume)이라고 한다. 이러한 스미어 볼륨의 크기를 크게하여 제1 연료봉의 열출력을 감소시킬 수 있다.
본딩부는 소듐본드로 충진될 수 있으며, 펠트 메탈(Felt metal)로 충진될 수 있다. 펠트 메탈은 금속에 많은 기공을 포함하고 있으므로, 핵연료 슬러그의 직경 증가에 따른 영향을 최소화할 수 있다. 따라서, 제1 연료봉이나 제2 연료봉 중 어느 하나는 소듐본드로 충진시키고, 다른 하나는 펠트 메탈로 충진하여 제1 연료봉들의 열출력을 감소시킬 수 있다.
또한, 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 농축률을 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 농축률 보다 낮게 형성함으로써, 제1 연료봉들의 열출력을 감소시킬 수 있다.
한편, 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 우라늄 또는 플루토늄 비율을 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 우라늄 또는 플루토늄 비율에 비해 낮게 형성함으로써, 제1 연료봉들의 열출력을 감소시킬 수 있다. 또한, 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그에서 Zr과 같은 핵종의 비중을 늘이는 방법이 사용될 수 있다. 일 예로, 제2 연료봉들의 핵연료 슬러그는 U-10Zr을 사용하고, 제1 연료봉들의 핵연료 슬러그는 U-30Zr을 사용할 수 있다.
도 15는 하우징(103)의 상부로 유출되는 액체 금속의 온도에 따르는 원자로 운전 효율을 도시한 도면이다.
이상과 같은 실시예들에 의해, 제1 영역에서 유로를 지나는 액체 금속의 온도를 낮출 수 있다. 즉, 핵연료집합체(100) 내부에서 온도 평탄화를 이룰 수 있으며, 이로 인해 원자로의 열적 안전성을 높일 수 있다.
결국, 원자로 운전 온도를 상승시킬 수 있으므로 1차 계통에서 주증기온도가 상승될 수 있게 되어 도 15에 도시된 바와 같이, 원자로의 운전 효율이 상승되고 경제성도 상승될 수 있다.
핵연료집합체(100) 내부에서 온도 평탄화를 가져올 수 있으므로, 연료봉(105)들의 손상확률이 줄어들며 평준화된다. 일반적으로 원자로 운전, 인허가 및 설계의 관점에서 핵연료집합체(100)의 교체 시기는 핵연료집합체(100) 내부에서 최대 손상 확률을 가지는 연료봉(105)을 기준으로 하게 된다. 따라서, 핵연료집합체(100) 내부의 온도 평탄화는 핵연료집합체(100)가 원자로에서 장전되는 기간을 연장시키므로 핵연료의 연소기간도 늘어나는 효과를 가져온다.
상기와 같이 설명된 핵연료집합체 및 이를 구비하는 고속원자로는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 중공의 하우징;
    상기 하우징에 구비되는 복수의 연료봉;
    상기 연료봉을 냉각시키도록 상기 하우징 내부에 액체 금속이 충진되어 형성되는 냉각부; 및
    상기 하우징의 하부를 통해 유입되는 액체 금속이 상기 하우징의 상부를 통해 유출되도록 상기 연료봉들을 이격시키며 상기 연료봉들의 외주에 각각 형성되는 와이어부를 포함하고,
    상기 하우징 내부는 제1 영역과 제2 영역을 포함하는 복수의 영역으로 구획되고,
    상기 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉들의 열출력이 상기 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉들의 열출력에 비해 높거나 낮게 형성되며,
    상기 제1 영역의 와이어부들은 상기 제2 영역의 와이어부들에 비해 보다 크거나 작은 직경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들은 상기 제2 연료봉들에 비해 보다 크거나 작은 직경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료봉들은 각각,
    핵연료 모듈;
    상기 핵연료 모듈의 상부에 형성되어 핵분열시 생성된 물질이 유입되는 플레넘부; 및
    상기 핵연료 모듈의 하부에 형성되어 고속 중성자가 조사될 때 상기 핵연료 모듈의 손상을 방지하도록 형성되는 차폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 모듈의 크기는 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 모듈의 크기에 비해 보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 핵연료 모듈은,
    핵연료 슬러그(fuel slug);
    상기 핵연료 슬러그의 외주에 형성되는 피복부; 및
    상기 핵연료 슬러그와 상기 피복부 사이에 형성되는 본딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 직경은 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 직경에 비해 보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 농축률은 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 농축률보다 높거나 낮은 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 우라늄 또는 플루토늄 비율은 상기 제2 연료봉들에 구비된 핵연료 슬러그의 우라늄 또는 플루토늄 비율에 비해 높거나 낮은 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들의 핵연료 모듈과 플레넘부 사이에 중성자 흡수체가 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제1 연료봉들에 구비된 차폐부들의 높이는 상기 제2 연료봉들에 구비된 차폐부들의 높이 보다 높거나 낮은 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  12. 제1 영역과 제2 영역으로 내부가 구획되는 하우징;
    상기 제1 영역에 배치되는 제1 연료봉들과 상기 제2 영역에 배치되는 제2 연료봉들;
    상기 하우징의 하부에 배치된 유입구를 통해 유입되고, 상기 하우징의 상부에 배치된 유출구를 통해 액체 금속이 유출됨으로써, 상기 연료봉들을 냉각시키는 냉각부; 및
    상기 유입구를 통해 유입되는 액체 금속이 상기 유출구를 통해 유출되도록 상기 연료봉들을 이격시키며 상기 제1 및 제2 연료봉들의 외주에 각각 형성되는 제1 와이어부와 제2 와이어부를 포함하고,
    상기 제1 영역을 통과한 액체 금속이 제1 온도를 가지고, 상기 제2 영역을 통과한 액체 금속이 제2 온도를 가질 때,
    상기 제1 연료봉들에 인접하여 형성되는 유로가 상기 제2 연료봉들에 인접하여 형성되는 유로에 비해 보다 큰 면적으로 형성되어 상기 제1 온도와 제2 온도 간의 차이를 감소시키도록, 상기 제1 와이어부는 상기 제2 와이어부에 비해 보다 큰 직경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체.
  13. 삭제
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KR100851870B1 (ko) * 2006-10-16 2008-08-13 한국원자력연구원 노심 영역별 서로 다른 두께의 피복재의 핵연료봉을포함하는 액체금속 냉각 고속로의 노심

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