KR101515116B1 - 원자로(대용물), 원자로(대용물)를 위한 드라이버-브리딩 모듈들로 구성된 연료 집합체 및 연료 집합체용 연료 요소 - Google Patents

원자로(대용물), 원자로(대용물)를 위한 드라이버-브리딩 모듈들로 구성된 연료 집합체 및 연료 집합체용 연료 요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토륨이 연료로서 사용되는 경수로의 디자인에 관한 것이며, 특히 가압 경수로(PWR)들, 예컨대 VVER-1000의 코어들을 구성하는, 재킷없는 연료 집합체들의 디자인에 관한 것이다. 연료 집합체들을 구성하는 시드 및 블랭킷 서브집합체들을 포함하는 원자로 코어들은 비확산적 농축 우라늄과 무기급 및 원자로급 플루토늄을 포함하는 종래의 원자로 연료와 함께 토륨 원료를 연소시키는 데 사용된다. 제 1 실시예에서, 원자로 연료나 발생되는 폐기물 모두가 핵무기를 생산하는데 사용될 수 없기 때문에 원자로 코어는 완전히 "비확산적"이다. 본 발명의 제 2 실시예에서, 원자로 코어는 토륨과 함께 많은 양의 무기급 플루토늄을 연소시키는데 이용되며 무기급 플루토늄의 비축량을 제거하고 방출되는 에너지를 전력으로 전환시키기에 적합한 수단을 제공한다. 본 발명의 두 실시예 모두에서의 코어들은 환형 블랭킷 영역들에 의하여 둘러싸인 중앙 시드 영역들을 갖는, 시드-블랭킷 집합체들의 세트로 구성된다. 시드 영역들은 우라늄 또는 플루토늄 연료봉들을 포함하는 한편, 블랭킷 영역들은 토륨 연료봉들을 포함한다. 감속제와 연료의 볼륨 비 및 시드 영역과 블랭킷 영역의 상대적인 크기는 본 발명의 실시예들 중 어느 것도 핵무기 생산에 이용될 수 있는 폐기물을 발생시키지 않도록 최적화되었다. 또한, 시드 연료의 재생을 극대화하기 위하여 본 발명의 제 1 실시예를 위해 새로운 연료보급(refueling) 시스템이 이용되며, 상기 시스템은 또한 사용된 핵 연료가 핵무기를 생산하는 데 사용될 수 없도록 보장한다.

Description

원자로(대용물), 원자로(대용물)를 위한 드라이버-브리딩 모듈들로 구성된 연료 집합체 및 연료 집합체용 연료 요소{NUCLEAR REACTOR(VARIANTS), FUEL ASSEMBLY CONSISTING OF DRIVER-BREEDING MODULES FOR A NUCLEAR REACTOR(VARIANTS) AND A FUEL CELL FOR A FUEL ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로는 토륨이 연료로서 사용되는 경수로의 디자인에 관한 것이며, 특히 가압 경수로(PWR)들, 예컨대 VVER-1000의 코어들을 구성하는, 재킷없는 연료 집합체들(jacketless fuel assemblies)의 디자인에 관한 것이다.
원자력은 세계 도처에서 중요한 에너지 자원으로 남아 있다. 적절한 화석 연료 자원들이 부족한 많은 국가들에서는 전기를 생산하기 위해 주로 원자력에 의존하고 있다. 여러 다른 국가들에서는, 또한 사용되는 에너지 타입의 다양성을 증대시키기 위해 전기의 경쟁력 있는 소스로서 원자력이 이용된다. 또한, 원자력은 화석 연료로 인한 오염(예컨대 산성비 및 지구 온난화)을 제어하고 미래의 세대를 위해 화석 연료를 보존하려는 목적의 달성에 있어 매우 중요한 기여를 한다.
분명, 원자로의 디자인 및 작동에 있어서 안전이 중요한 문제이기는 하나, 또 다른 핵심적인 문제는 핵무기에 사용될 수 있는 물질의 확산(proliferation)의 위험이다. 특히, 이러한 위험은 핵무기를 소유하여 세계의 안전에 상당한 위협을 가할 수 불안정한 정부를 갖는 국가들과 관련되어 있다. 그러므로, 원자력은 핵무기의 확산 및 그들을 사용함으로써 초래되는 위험을 야기하지 않는 방식으로 구성되고 사용되어야 한다.
현재의 모든 원자로들은 통상적으로 원자로급(reactor-grade) 플루토늄으로 지칭되는 많은 양의 물질을 생성한다. 예를 들어, 통상적인 1000 MW 원자로들은 핵무기 제조에 적합할 수 있는 원자로급 플루토늄을 1 년에 대략 200 내지 300 kg 생성한다. 따라서, 통상적인 원자로의 코어들로부터 방출되는 연료는 매우 높은 확산성의(proliferative) 물질들이며, 방출된 연료가 권한이 없는 개인들의 수중으로 넘어가는 것을 방지할 필요가 있다. 핵무기의 폐기 프로세스에서 미국과 이전에 소련에 속했던 국가들에서 생성된 무기급 플루토늄의 엄청난 양의 비축량들에 있어서 유사한 안전 문제가 존재한다.
긴-수명의 방사선 폐기물의 처리 및 천연 우라늄 원료의 전 세계적인 공급으로 인한 급속한 고갈에 대한 지속적 요구와 연관된 통상적인 원자로들의 작동에 있어서의 다른 문제들이 존재한다.
이러한 문제들을 해소하기 위하여, 상대적으로 소량의 비확산성 농축 우라늄(nonproliferative enriched uranium)(농축 우라늄이 20 % 이하의 U-235의 함량을 가짐)을 사용하며 많은 양의 확산성 물질, 예컨대 플루토늄을 생성하지 않는 원자로를 개발하기 위한 시도들이 있어 왔다. 이러한 원자로의 예들이 국제 출원 WO 85/01826 및 WO 93/16477에 개시되어 있으며, 이들은 토륨 연료를 이용하여 블랭킷 구역으로부터 실질적인 비율의 자체 전력을 획득하는 시드-블랭킷 원자로(seed-blanket reactor)들에 대해 개시하고 있다. 블랭킷 구역들은 비확산성 농축 우라늄의 연료봉들을 포함하는 시드 구역을 둘러싸고 있다. 시드 연료봉들 내의 우라늄은 블랭킷 구역들 내의 토륨에 의하여 캡쳐되는(captured) 중성자들을 방출하여, 제 위치에서 연소되고 원자력 발전소를 위한 열을 방출하는 핵분열가능 U-233을 생성시킨다.
원자로 연료로서 토륨의 이용은 전 세계의 토륨의 보존량이 우라늄의 보존량보다 상당히 많기 때문에 매력적이다. 또한, 상술된 원자로 둘 모두는 장전되는 초기 연료나 각각의 연료 사이클의 종료시에 방출되는 연료가 핵무기의 제조에는 적합하지 않다는 점에서 "비확산적(nonproliferative)"이다. 이러한 결과는 비확산성 농축 우라늄만을 시드 연료로서 이용하는 것, 플루토늄 생산을 최소화하는 중성자 감속제(moderator)/연료 볼륨의 비를 선택하는 것, 및 블랭킷 구역에 소량의 비확산성 농축 우라늄을 부가하는 것에 의해 달성되며, 여기서 U-238 성분은 블랭킷 사이클의 종료시에 잔류 U-233와 균등하게 혼합되고 U-233을 "변성시키며"(U-233의 자연적 특성들을 변화시키며), 그 결과로 핵무기의 제조에 부적합해진다.
불행히도, 상술된 원자로들의 디자인들 중 어느 것도 진정으로 "비확산적인" 것은 없다. 특히, 상기 디자인들 모두는 최소 가능 레벨보다 높은, 시드 구역에서의 확산성 플루토늄의 생성 레벨을 유도하는 것으로 판명되었다. 내측 또는 중앙의 블랭킷 구역과, 그를 둘러싸는 외측의 블랭킷 구역을 갖는 원형 시드 구역의 이용은 원자로 작업을 "비확산적" 원자로 작업으로서 제공할 수 없는데, 이는 얇고 환형의 시드 구역이 그에 대응하여 작은 "광학적 두께"를 가지며, 이는 내측 및 블랭킷 구역들의 상당히 더 하드(harder) 한 스펙트럼을 지배하는 시드(중성자) 스펙트럼을 초래하기 때문이다. 이는 시드 구역에서의 고온열 중성자의 보다 높은 비율과 최소량의 확산성 플루토늄보다 많은 확산성 플루토늄의 생성을 유도한다.
또한, 이전의 원자로 디자인들 중 어느 것도 작업 파라미터들의 관점에서 최적화된 것은 없다. 예를 들어, 시드 연료봉들에 의하여 적절한 열이 방출되고 블랭킷 구역에서 토륨에서 U-233으로의 최적의 전환이 보장될 수 있도록 하기 위해서는, 시드 구역의 플루토늄의 양을 최소화하는데 있어 시드 구역 및 블랭킷 구역들에서의 감속제/연료 볼륨의 비가 특히 중요하다. 연구는 국제 출원들에서 개시된 바람직한 감속제/연료 비들은 시드 구역들에서는 너무 높고 블랭킷 구역들에서는 너무 낮음을 나타낸다.
또한, 이전의 원자로 코어 디자인들은 시드 연료 요소들 내의 비확산성 농축 우라늄의 소모에 있어 특히 효과적이지 못하다. 결과적으로, 각각의 시드 연료 사이클의 종료시에 방출되는 연료봉들은 또 다른 원자로 코어에서 재사용하기 위해 재처리되어야 하는 너무 많은 잔류 우라늄을 포함한다.
또한, 출원 WO 93/16477에 개시된 원자로는 복잡한 기계적 원자로 제어시스템을 필요로 하며, 상기 제어시스템은 종래의 원자로 코어의 개장(refit)을 부적합하게 만든다. 이와 유사하게, 출원 WO 85/01826에 개시된 원자로 코어는 그것의 디자인 파라미터들이 종래의 코어 파라미터들과 병용될 수 없기 때문에 종래의 코어로 쉽게 전환될 수 없다.
마지막으로, 이전의 원자로 디자인들 모두는 특히 토륨을 갖는 비확산성 농축 우라늄을 연소시키도록 디자인되었으며, 많은 양의 플루토늄을 소모하기에는 적합하지 않다. 따라서, 디자인 중 어느 것도 비축된 플루토늄의 문제에 대한 해법을 제공하지 못한다.
시드-블랭킷 집합체들 - 이들 각각은 우라늄-235 및 우라늄-238을 포함하고 핵분열할 수 있는 물질로 만들어지는 시드 연료 요소들을 포함하는 중앙 시드 영역, 상기 시드 영역을 둘러싸며 주로 토륨과 볼륨으로 10 % 이하의 농축 우라늄을 포함하는 블랭킷 연료 요소들을 둘러싸는 환형 블랭킷, 2.5 내지 5.0 범위 내의 감속제 대 연료의 볼륨 비를 갖는 상기 시드 영역 내의 감속제, 및 1.5 내지 2.0 범위 내의 감속제 대 연료의 비를 갖는 블랭킷 영역 내의 감속제를 포함함 - 의 세트를 포함하는 코어를 갖는 원자로는 특허 RU 2176826에 따라 알려져 있다. 시드 연료 요소들 각각은 우라늄-지르코늄 합금으로 만들어지며, 시드 구역은 각각의 시드-블랭킷 모듈의 전체 볼륨의 최대 25 내지 40 %를 구성한다.
알려진 원자로는 경제적 관점에서 최적의 작동을 제공하며, "확산적"이지 않다. 이 원자로는 확산성 폐기물을 발생시키지 않고 토륨을 이용하여 플루토늄의 많은 양을 소모하는 데 사용될 수 있다. 상기 원자로는 실질적으로 소량의 고온의 폐기물을 발생시키며, 이는 장-기간의 폐기물 저장 부지에 대한 필요성을 현저하게 저감시킨다.
하지만, 원자로에서 이용되는 시드-블랭킷 집합체들은 VVER-1000과 같은 기존 경수로에서 사용하기에는 부적합하다.
시드-블랭킷 모듈들로부터의 연료 집합체들을 종래의 경수로 내에 설치할 수 있게 하는, 특히 육각형 단면 형태를 갖는 상술된 원자로와 유사한 경수로를 위한 연료 집합체가 특허 RU 2222837에 대한 설명으로부터 알려져 있다.
하지만, 상술된 특허에 대한 설명은 상기 연료 집합체의 단면 형태에 대한 제시 외에는, 원자로 디자인의 변경 없이 VVER-1000과 같은 기존 경수로 내에 상기 연료 집합체를 설치할 수 있도록 하는 상기 집합체의 구조와 관련된 어떠한 정보도 포함하지 않고 있다.
테일피스(tailpiece), 헤드 및 스페이서 격자(spacer grid) 내의 연료 요소들과 가이드 채널들의 번들(bundle)을 포함하는 경수로를 위한 연료 집합체 - 상기 스페이서 격자는 서로 연결되고 상기 연료 집합체의 길이를 따라 배치되는 요소들에 의하여 상기 테일피스에 연결되며, 상기 헤드는 상부 및 하부 타이플레이트(tieplate)들, 상기 플레이트들 사이에 위치되는 클래딩(cladding), 및 스프링 유닛으로 구성되며, 상기 헤드 쉘 상의 외측 리브들은 상기 림의 돌출부들을 따라 그리고 천공된 플레이트들에 의하여 하부 부분들을 따라 서로 연결됨 - 가 특허 RU 2294570에 따라 알려져 있다.
알려진 연료 집합체는 VVER-1000과 같은 가압수형 원자로(PWR)의 코어들을 구성하는 재킷없는 연료 집합체들을 위한 디자인으로서 분류되며, 증가된 강성, 단축된 헤드 길이 및 연료봉 번들과 헤드 사이의 증대된 자유 공간과 아울러 연료봉들의 길이의 증가로 인한 개선된 작업 특성들을 갖는다. 이 디자인은 보다 깊은 고갈 깊이(depletion depth)를 이용하여 연료 집합체에서의 연료 부하를 증가시키고, 이에 의하여 연료 집합체의 수명 사이클 및 원자로 코워의 파워를 증대시킬 수 있게 한다.
하지만, 이 집합체 내의 모든 연료 요소들은 VVER-1000과 같은 원자로들에서 통상적으로 사용되는 핵분열가능한 물질로 만들어지며, 많은 양의 원자로-급 플루토늄이 생산된다는 것이 이러한 집합체들을 이용하는 원자로들의 특징적인 단점이다.
본 발명의 목적은, 한편으로는 토륨을 연료로 하는(thorium-fueled) 블랭킷 영역 내에서의 그것의 파워의 실질적인 비율을 구성하고 확산성 폐기물들을 생성하지 않으며, 다른 한편으로는 실질적인 변경 없이 VVER-1000과 같은 기존 경수로 내에 설치될 수 있는 연료 집합체를 생성하는 것이다.
본 발명의 실시예들 중 하나에 따르면, 이상의 목적은 시드 서브집합체, 그를 둘러싸는 블랭킷 서브집합체, 헤드, 테일피스 및 프레임 구조체를 포함하는, 평면이 정육각형 형태를 갖는 경수로용 연료 집합체에 의하여 달성되며, 상기 시드 서브집합체는, 각각 농축 우라늄 또는 원자로급 플루토늄을 포함하는 커널(kernel) - 상기 커널은 나선형 스페이서 리브들을 형성하는 3-로브 프로파일(three-lobed profile)을 가지며 지르코늄 합금으로 만들어지는 클래딩에 의하여 둘러싸임 - 을 갖는 연료 요소들의 번들; 상기 시드 서브집합체의 연료 요소들을 유지하기 위하여 지지 격자(support grid)가 부착되는 시드 서브집합체의 테일피스; 평면이 정육각형 형태를 갖는 시드 서브집합체의 테일피스에 연결되는 채널 - 상기 채널은 연료봉 번들 주위에 배치됨 - ; 자유로운 축방향 움직임이 가능하도록 연료 요소들을 배치시키기 위하여 채널의 상부 부분에 부착되는 가이드 격자; 제어부를 수용하기 위한 가이드 채널을 형성하는 중앙 튜브, 및 흡수봉들(absorber rods) 및 제어봉들(control rods)을 삽입하기 위한 가이드 채널들을 형성하는 상기 지지 격자에 부착되며, 탄성 축방향 변위의 능력을 갖는 상기 헤드 내에 배치되는 주변 튜브(peripheral tube)들을 포함하며, 상기 블랭킷 서브집합체는 상기 시드 서브집합체의 채널을 수용하기 위하여 중앙 영역에 개구부를 갖는, 스페이서 격자가 부착된 6 개의 길이방향 각도 유닛들(angle units)로 구성된 프레임 구조체; 상기 프레임 구조체 내에 위치되는 농축 우라늄이 부가된 토륨으로 이루어진 연료 요소들의 번들; 및 상기 블랭킷 서브집합체의 연료 요소들이 부착되며 상기 경수로의 지지 튜브와 커플링될 수 있는 상기 블랭킷 서브집합체의 테일피스를 포함하며, 상기 블랭킷 서브집합체의 상기 테일피스 및 상기 시드 서브집합체의 테일피스는 록킹 기구에 의하여 부착되고 상기 연료 집합체의 테일피스를 형성한다.
헤드에는 시드 서브집합체의 채널과 접촉하는 압력 요소(pressure element)가 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 평면이 정육각형 형태를 갖는 연료 집합체는 시드 서브집합체, 그를 둘러싸는 블랭킷 서브집합체, 헤드, 경수로의 지지 튜브와 커플링될 수 있는 테일피스 및 프레임 구조체를 포함하며, 상기 시드 서브집합체는, 각각 농축 우라늄 또는 원자로급 플루토늄을 포함하는 커널 - 상기 커널은 나선형 스페이서 리브들을 형성하는 3-로브 프로파일을 가지며 지르코늄 합금으로 만들어지는 클래딩에 의하여 둘러싸임 - 을 갖는 연료 요소들의 번들; 상기 시드 서브집합체의 연료 요소들을 유지하기 위하여 지지 격자가 부착되는 시드 서브집합체의 테일피스; 평면이 정육각형 형태를 갖는 시드 서브집합체의 테일피스에 연결되는 채널 - 상기 채널은 연료봉 번들 주위에 배치됨 - ; 자유로운 축방향 움직임이 가능하도록 연료 요소들을 배치시키기 위하여 채널의 상부 부분에 부착되는 가이드 격자; 제어부를 수용하기 위한 가이드 채널을 형성하는 중앙 튜브, 및 흡수봉들 및 제어봉들을 삽입하기 위한 가이드 채널들을 형성하는, 탄성 축방향 변위의 능력을 갖는 상기 헤드 내에 배치되는 주변 튜브들을 포함하며, 상기 블랭킷 서브집합체는 상기 시드 서브집합체의 채널을 수용하기 위하여 중앙 영역에 개구부를 갖는, 스페이서 격자가 부착된 6 개의 길이방향 각도 유닛들로 구성된 프레임 구조체; 상기 프레임 구조체 내에 위치되는 농축 우라늄이 부가된 토륨으로 이루어지고 바닥 타이 플레이트(테일피스)에 부착되는 연료 요소들의 번들; 및 지지 튜브의 탄성 축방향 변위가 가능하도록 하기 위해 헤드가 구비되는, 상기 테일피스에 부착되는 수 개의 지지 튜브들을 포함한다.
정삼각형 단면 형태를 갖는 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로된 디스플래이서(displacer)는 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에서 주로 커널의 길이방향 축을 따라 위치되어 커널 볼륨 내에서의 보다 균일한 온도 분포를 증진시킨다.
또한, 나선형 스페이서 리브들의 축방향 코일링 피치(axial coiling pitch)는 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에서 연료봉 길이의 5 % 내지 20 % 범위 내에 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에서는 시드 서브집합체의 연료봉들은 2 개의 인접한 연료봉들의 3-로브 프로파일이 연료봉 번들의 적어도 하나의 단면에서 2 개의 인접한 연료 요소들의 축들을 통과하는 대칭의 공통 평면을 갖도록 하는 둘레방향의 방위를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에서 커널은 U-235 동위원소로 최대 20 %의 농축도를 가진, 볼륨으로 최대 30 %의 우라늄을 갖는 U-Zr 합금으로 구성되는 것이 바람직하며, 커널은 볼륨으로 최대 30 %의 원자로급 플루토늄을 갖는 Pu-Zr 합급으로 구성된다.
또한, 본 발명의 목적은 연료 집합체들 - 그 중 적어도 하나는 상술된 대안적인 구조들 중 하나에 따른 구조를 가짐 - 의 세트를 포함하는 경수로이다. 원자로 내에 배치되는 연료 집합체들 중 몇몇 또는 그들 모두는 상술된 대안들에 순응할 수 있다.
본 발명의 특징들 및 장점들은 첨부 도면과 함께 바람직한 실시예들의 후속하는 상세한 설명을 통해 명확히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 연료 집합체들을 포함하는 원자로 코어의 단면도;
도 2는 절취된 도들을 포함하는, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 집합체의 개략적인 측면도;
도 3은 확대된 길이방향 단면도로서, 도 2에 따른 연료 집합체의 헤드를 나타낸 도;
도 4는 확대된 길이방향 단면도로서, 도 2에 따른 연료 집합체의 테일피스를 나타낸 도;
도 5는 시드 연료봉의 단면도;
도 6은 도 2에 따른 연료 집합체의 A-A 단면도;
도 7은 절취된 도들을 포함하는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 집합체의 개략적인 측면도;
도 8은 확대된 길이방향 단면도로서 도 7에 따른 연료 집합체의 헤드를 나타낸 도;
도 9는 확대된 길이방향 단면도로서 도 7에 따른 연료 집합체의 테일피스를 나타낸 도이다.
도 1은 육각형 구조를 형성하는, 시드 영역과 블랭킷 영역을 포함하는 연료 집합체들(2)의 세트를 포함하는 원자로 코어(1)를 도시하며, 연료 집합체들 자체는 정육각형 형태의 평면을 갖는다. 상기 코어(1)는 종래의 VVER-1000 경수로 내의 코어와 동일한 기하학적 구조 및 크기를 가져, 163 개의 연료 집합체들(2)로 된 코어를 형성하기 위해 상기 경수로가 이러한 집합체들로 개장될 수 있다. 코어(1)와 VVER-1000 원자로 코어 간의 차이는 보다 상세히 후술되겠지만 연료 집합체(2)의 조성 및 구조에 있다. 본 명세서에서 제시된 코어(1) 및 연료 집합체들(2)은 종래의 VVER-1000 경수로에서 사용하기 위해 개발되었으나, 본 발명의 범위를 넘지 않는 선에서 다른 표준의 원자로나 특수하게 디자인된 원자로들에서 이용하기 위한 유사한 코어 및 연료 집합체들이 형성될 수도 있다.
코어(1)는 리플렉터 집합체들(4)의 세트로 구성되는 것이 바람직한 리플렉터(3)로 둘러싸인다. 각각의 리플렉터 집합체(4)는 코어 배스킷/고압 용기의 물과 금속의 혼합을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 단순한 리플렉터 집합체(4)는 주로 토륨 옥사이드로 구성될 수도 있다.
도 2는 연료 집합체들(2) 각각에 대한 제 1의 대안적인 구조의 개략도이다.
연료 집합체(2)는 시드 서브집합체(5), 그를 둘러싸는 블랭킷 서브집합체(6), 헤드(7), 및 원자로의 지지 튜브(도시 안됨)와 접촉하는 지지부(9)를 갖는 테일피스(8)를 포함한다. 연료 집합체는 정육각형 형태의 평면을 갖는다. 시드 서브집합체(5)는 시드 서브집합체(5)의 테일피스에 부착되는 지지 격자(11) 상에 배치된 다수의, 예컨대 108 개의 봉들을 포함하는 연료봉 번들(10)을 포함한다. 육각형 단면을 갖는 채널(12)은 시드 서브집합체(5)의 테일피스에 연결되고 연료봉 번들(10)을 둘러싼다. 자유로운 축방향 움직임이 가능하도록 연료 요소들(10)을 배치하기 위한 가이드 격자(13)는 채널(12) 상부 부분에 부착된다. 시드 연료 요소들 각각은 농축 우라늄 또는 원자로급 플루토늄을 포함하는 커널(14)을 갖는다. 커널은 주로 연료 조성에서 볼륨으로 25 % 이하의 우라늄 농도 및 19.7 %의 우라늄-235의 농축도를 갖는 U-Zr 합금으로 구성된다. 커널(14)은 지르코늄 합금으로 된 클래딩(15)에 의하여 둘러싸이며 나선형 스페이서 리브들(16)을 형성하는 3-로브 프로파일을 갖는다(도 5). 정삼각형 단면 형태를 갖는 지르코늄이나 지르코늄 합금으로 된 디스플래이서(17)는 커널의 길이방향 축을 따라 배치된다. 시드 연료봉들(10)은 조인트 가압(다이를 통한 압출)에 의해 단일 집합체 유닛으로서 제조될 수 있다. 나선형 스페이서 리브들(16)의 축방향 코일링 피치는 연료봉 단면에서 코너들을 가로지르는 폭과 같은 간격을 갖는, 인접한 연료봉들(10)의 축들의 배치 조건에 따라 선택되며 연료봉 길이의 5 % 내지 20 %이다. 연료봉들(10)의 수직방향 배치의 안정성은, 바닥에서는 - 지지 격자(11)에 의해, 최상부에서는 - 가이드 격자(13)에 의해, 코어의 높이에 대해서는 - 번들의 높이에 대하여 채널 내에서 균등하게 이격된 밴드들(도시 안됨)에 의하여 제공된다. 시드 연료 요소들(10)은 인접한 2 개의 연료봉들의 3-로브 프로파일이 연료봉 번들의 적어도 하나의 단면에서 2 개의 인접한 연료 요소들(도 5)의 축들을 통과하는 대칭의 공통 평면을 갖도록 하는 둘레방향 방위를 갖는다.
또한, 시드 서브집합체는 제어부들을 수용하기 위한 가이드 채널을 형성하는 중앙 튜브(18), 및 보론 카바이드(B4C) 및 디스프로시움 티타네이트(Dy2O3·TiO2)를 기반으로 하는 제어 흡수 요소들(도시 안됨) 및 보론 카바이드 및 가돌리늄 옥사이드(Gd2O3)를 기반으로 하는 연소시킬 수 있는 흡수봉들을 삽입하기 위한 가이드 채널들을 형성하고 탄성 축방향 변위의 능력을 갖는 헤드(7) 내에 배치되는, 지지 격자(13)에 부착된 주변 튜브들(19)을 포함한다. 가이드 채널들을 형성하는 주변 튜브들(19)은 지르코늄 합금으로 만들어진다.
헤드(7)(도 3)는 사전압축된 스프링들(20), 상부 플레이트(21), 클래딩(22) 및 하부 플레이트(23)를 포함하는 스프링 유닛으로 구성된다. 클래딩(22)은 2 개의 텔레스코프 부분들(telescoped parts), 상부 플레이트(21)에 견고하게 연결되는 상부 부분(24), 및 하부 플레이트(23)에 견고하게 연결되는 하부 부분(25)을 포함한다. 클래딩(22)의 내측에는 스프링들(20)을 포함하는 스프링 유닛이 배치된다. 주변 튜브들(19)은 슬리브들(26) 내로 피팅되며 [예를 들어, 튜브(19)의 외측 표면 상의 단차(step)의 존재로 인해] 슬리브들의 바닥 단부들 상에서 작용할 수 있다. 슬리브들(26)은 플랜지들 - 그들에 대해 스프링 유닛(20)의 압축 스프링들이 놓임 - 을 갖는다. 스프링들(20)의 다른 단부들은 상부 플레이트(21)에 대해 놓인다. 튜브들(19)의 상부 단부들은 상부 플레이트(21) 내의 개구부들을 자유롭게 통과하며, 슬리브들(26)은 하부 플레이트(23)의 개구부를 통과한다. 튜브들(19)은 최상부 단부들에 있는 스톱(stop; 27)들을 갖는다. 중앙 튜브(18)는 슬리브의 이용 없이 하부 플레이트를 자유롭게 통과한다는 점을 제외하고 주변 튜브들(19)과 유사한 방식으로 설치된다. 중앙 튜브(18)가 통과하는 스프링(20)은 헤드(7)의 하부 플레이트(23)에 대하여 직접적으로 놓인다. 상부 단부에 있는 스톱(29)을 갖는 스테이(stay; 28)는 플레이트들(21과 23) 간의 거리를 제한하도록 하부 플레이트(23)에 부착되며; 스테이(28)는 상부 플레이트(21)의 개구부를 자유롭게 통과한다. 시드 서브집합체(5)의 채널(12)과 접촉하는 압력 요소(30)는 하부 플레이트(23)에 부착된다. 따라서, 축방향 움직임에 대해 고정되는 채널(12)을 갖는 상부 플레이트(21)에 가해지는 부하는 주변 튜브들(19)에 의하여 그리고 채널(12)을 통해 직접적인 방식으로 지지 격자(11)로 전달된다.
헤드는 슬리브(26) 없이 구성될 수도 있다. 이 경우에, 스프링 유닛의 모든 스프링들(20)은 하부 플레이트(23)에 대하여 놓이며, 주변 튜브들(19)은 [중앙 튜브(18)와 유사하게] 하부 플레이트(23)의 매칭(matching) 개구부를 자유롭게 통과한다. 움직임에 대해 고정되는 채널(12)을 갖는 상부 플레이트(21)에 가해지는 전체 부하는 채널(12)을 통해 직접적으로 지지 격자(11)로 전달된다.
시드 서브집합체(5)의 테일피스는 개구부들(33)을 갖는 원통형 벽(32), 상기 개구부들 내에 배치되는 볼들(34), 및 축방향 움직임이 가능한 환형 슬롯(36)을 갖는 록킹 요소(35)를 포함하는 케이싱에 부착되는 록킹 디바이스(locking device; 31)를 갖는다. 또한, 블랭킷 서브집합체의 테일피스(37)와 시드 서브집합체(5)의 연결을 제공하는 록킹 디바이스(31)는 여하한의 다른 형태로도 구성될 수 있는데, 단지 중요한 것은 시드 서브집합체와 블랭킷 서브집합체의 테일피스들의 탈부착가능한 연결을 제공하는 것이다.
블랭킷 서브집합체(6)는 프레임 구조체(38), 상기 프레임 구조체 내에 위치되는 연료봉들(39)의 번들, 및 테일피스(40)를 포함한다.
프레임 구조체(38)는 저항 점용접(resistance spot welding)에 의하여 스페이서 격자들이 부착되는 6 개의 길이방향 각도 유닛들(41)로 구성된다. 각각의 스페이서 격자(42)는 외측 및 내측의 육각형의 림에 부착되는 셀들(구체적으로는 228 개)의 세트를 형성하는 벌집형 격자이다. 스페이서 격자(42)는 연료봉들이 방사선 및 열로 인해 길이방향으로 팽창되는 경우 연료봉들(39)이 스페이서 격자 셀들 내에서 슬라이딩할 수 있도록 연료봉들과 접촉하는데 필요한 길이 및 연료봉들(39)의 필요한 간격, 번들 내의 내부 응력을 저감시키기 위해 연료봉들을 위한 최소 가능 슬라이딩 힘, 및 작업 동안 연료 요소들의 프레팅 부식(fretting corrosion)을 피하는 데 필요한 초기 기밀성(initial tightness)을 제공한다. 스페이서 격자(42)는 시드 서브집합체(5)의 채널(12)을 수용하기 위하여 중앙 영역에 개구부를 갖는다.
각도 유닛들은 연료봉들(39)을 유지하기 위하여 블랭킷 서브집합체의 지지 격자(43)가 부착되는 블랭킷 서브집합체(6)의 테일피스(40)에 대해 하부 부분에서 견고하게 연결된다. 블랭킷 서브집합체(6)의 지지 격자(43)는 정상 작동 조건들을 갖는 모드들, 정상 작동 조건들의 바이얼레이션(violation)들을 갖는 모드들, 및 디자인의 우연적특성(design accident)들에서의 부하 하의 기계적 강도를 제공하며, 또한 계산들에 따라 필요한 수압 저항성(hydraulic resistance)을 제공한다.
블랭킷 서브집합체의 연료봉 번들(39)은 볼륨으로 12 %의 UO2 및 19.7 %의 U-235 농축도를 갖는 볼륨으로 88 %의 ThO2를 포함하는 조성으로 만들어지는 연료 요소들(구체적으로 228 개의 요소들)의 세트를 포함한다.
시드 서브집합체(Vseed)의 모든 연료 요소들의 볼륨과 블랭킷 서브집합체(Vblank)의 모든 연료 요소들의 볼륨의 비는 대략 0.72이다.
블랭킷 서브집합체(6)의 테일피스(40)는 지지 격자(43), 케이싱(44) 및 브래이스(brace; 45)들에 의하여 케이싱에 견고하게 연결되는 링(46)을 포함하며, 상기 링은 록킹 디바이스(31)와 상호작용한다. 블랭킷 연료 요소들(39)의 단부들은 지지 격자(43)에 부착된다. 지지 격자(43)는 정상 작동 조건들을 갖는 모드들, 정상 작동 조건들의 바이얼레이션들을 갖는 모드들, 및 디자인의 우연적특성(design accident)들에서의 부하 하의 기계적 강도를 제공하며, 또한 냉각제(물)의 유동에 대해 필요한 수압 저항성을 제공한다. 케이싱(44)은 지지 튜브(도시 안됨)와 커플링될 수 있으며 시드 서브집합체 및 블랭킷 서브집합체의 영역들로 냉각제를 전달하기 위한 가이드 디바이스로서 작용한다.
도 7 내지 9는 연료 집합체들(2) 각각의 구조에 대한 제 2 대안실시예를 도시하고 있다.
이 대안적인 디자인은 시드 서브집합체 및 블랭킷 서브집합체가 서로 견고하게 연결되지 않는다는 점에서 도 2 내지 4에 도시된 디자인과 상이하다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시드 서브집합체의 테일피스는 록킹 디바이스(31) 대신 원통형 바닥 타이 플레이트(47)를 가지며, 블랭킷 서브집합체(6)의 테일피스(40)에서의 케이싱(44)에는 도 4에 도시된 브래이스(brace; 45)들 및 링(46)이 없다. 도 3에 도시된 버전과는 대조적으로 헤드(7)의 클래딩(22)(도 8)은 하나의 피스로 구성되며, 추가적인 스프링 유닛(48)이 견고하게 부착(예를 들어, 용접)된다. 추가 스프링 유닛(48)은 대개 둘레부 주위에 균등하게 분포되고 클래딩(22)에 견고하게 연결되는 수 개(예를 들어, 6 개)의 추가 상부 플레이트들(49), 하부 플레이트(23)에 견고하게 연결되는 추가 하부 플레이트(50), 추가 플레이트들(49 및 50)에 부착되는 클래딩(51), 압축 스프링들(52) 및 지지 튜브들(53)을 포함한다. 지지 튜브들(53)은 바닥 단부들에 의하여 블랭킷 모듈(6)의 지지 격자(43)에 부착된다. 지지 튜브들(53)의 상부 부분들은 주변 튜브들(19)과 유사한 추가의 상부 및 하부 플레이트들(49 및 50) 내에 구성되고 위치된다 - 즉, 튜브들(53)은 슬리브(26) 내로 피팅되고 상방향으로 슬리브 상에 작용할 수 있다 - . 추가 스프링 유닛(48)의 압축 스프링들(52)은 일 단부에서는 슬리브(26)의 플랜지들에 대하여 그리고 다른 단부에서는 추가 상부 플레이트(21)에 대하여 놓인다. 지지 튜브들(53)의 상부 부분들은 추가 상부 플레이트들(49)의 개구부를 자유롭게 통과하며, 슬리브(26)는 추가 하부 플레이트(50)의 개구부를 통과한다. 지지 튜브들(53)은 최상부 단부들에 있는 스톱들(54)을 갖는다.
원자로 내에 연료 집합체가 배치되기 전에, 시드 서브집합체(5) 및 블랭킷 서브집합체(6)는 먼저 별도로 모아진다.
제 1 실시예에 따른 시드 서브집합체의 집합에 있어서, 연료 요소들(10)은 채널(12)에 부착되는 가이드 격자(13)에 연결되며, 중심 튜브(18) 및 주변 튜브들(19)은 가이드 격자(13)에 부착됨될 뿐만 아니라 헤드에도 연결된다. 튜브들(18 및 19)은 하부 플레이트의 개구부들 내에 위치되는 슬리브들(17), 스프링들(20) 및 상부 플레이트(21)의 개구부들을 통과한다. 그 다음, 스톱들(27)이 (예를 들어, 나사가공된 조인트 또는 베이어닛 조인트에 의하여) 튜브들의 최상부 단부들에 부착된다.
블랭킷 서브집합체의 연료 요소들(39)은 그들이 스페이서 격자들(42)을 통과하여 지지 격자(43)에 부착됨으로써 프레임 구조체(9) 내에 배치된다.
그 다음, 시드 서브집합체(5)의 채널(12)을 스페이서 격자들(42)의 중앙 부분의 개구부들을 통과시킴으로써, 모아진 시드 및 블랭킷 서브집합체들이 연결되어 하나의 연료 집합체를 형성한다. 스페이서 격자들(42) 중앙 부분의 이러한 개구부들의 구조는 채널(12)이 상기 개구부들을 자유롭게 통과할 수 있도록 채널(12)의 단면 형상과 매칭된다. 시드 서브집합체의 테일피스에서의 록킹 요소(35)는 상방향으로 시프트되어, 원통형 벽(32)의 개구부들(33) 내에 위치되는 볼들(34)이 환형 홈(36) 내에서 이동할 수 있게 함으로써 원통형 벽(32)이 링(46)을 통과할 수 있도록 한다. 시드 서브집합체의 테일피스가 링(46)의 상단부면에 대하여 정지된 후에, 록킹 요소(36)가 하방향으로 시프트된다. 볼들(34)은 힘을 받아 홈(36)을 벗어나고, 개구부들(33) 내에서 바깥쪽으로 시프트되며 벽(32)으로부터 튀어나온다. 결과적으로, 변위된 볼들과 링(46)의 바닥 단부면의 상호작용으로 인하여, 시드 서브집합체의 테일피스는 블랭킷 서브집합체의 테일피스와 관련하여 상방향으로 이동할 수 없다. 따라서, 시드 및 블랭킷 서브집합체들은 단일 연료 집합체(2)를 형성한다.
연료 집합체(2)가 원자로(1) 내에 배치되고 테일피스(8)가 경수로의 지지 튜브(도시 안됨) 내에 놓이고 난 후에, 연료 집합체(2)는 헤드(7)의 상부 플레이트(21) 클래딩의 면에 대하여 놓여짐으로써 원자로의 상부 플레이트(도시 안됨)에 의하여 아래로 유지된다. 그 다음, 그 힘이 스프링들(20)을 갖는 스프링 유닛 - 아래로부터의 냉각제의 유동시에 연료 집합체(2)가 떠오르지 않도록 디자인된 양만큼 압축됨 - 으로 전달되며, 헤드(7)의 상부 플레이트(21)는 스프링 유닛의 압축량만큼 하부 플레이트(23)와 관련하여 하향 이동된다. 헤드(7)의 하부 플레이트(23)에 대한 상부 플레이트(21)의 하향 이동의 가능성은 상부 플레이트(21)에 견고하게 연결되는 클래딩(22)의 상부 부분(24)과 하부 플레이트(23)에 견고하게 연결되는 클래딩(22)의 하부 부분(25)의 텔레스코핑(telescoping)에 의해 제공된다.
그 다음, 스프링 유닛의 스프링들(20)의 바닥 단부들로부터의 힘은 바닥 단부들에 의하여 주변 튜브들(19) 상에서 작용하는 슬리브들(26)을 통해 주변 튜브들(19)로 전달된 다음 지지 격자(11)로 전달되고 시드 서브집합체의 테일피스, 록킹 디바이스(31), 링(46) 및 브래이스들(45)을 통해 블랭킷 서브집합체(6)의 테일피스(44)로 전달되어 경수로의 지지 튜브(도시 안됨)와 접촉하게 된다.
또한, 원자로 상부 플레이트로부터의 압축력의 일부는 중앙 튜브(18)를 둘러싸고 압력 요소에 견고하게 연결되는 하부 플레이트(23)에 대하여 직접적으로 놓이는 스프링(20) 힘의 압축 요소(30) 상에서의 작용에 의해 시드 서브집합체의 채널(12)로 전달된다. 헤드(7)가 슬리브(26)를 갖지 않는 경우, 전체 압축력은 채널(12)에 의하여 전달된다.
냉각제는 블랭킷 서브집합체(6)의 테일피스의 케이싱(44)을 통해 연료 집합체(2) 내로 전달되며, 냉각제의 유동은 두 부분으로 나누어진다 - 상기 유동의 두 부분 중 하나는 시드 서브집합체의 케이싱(12) 내측으로 이동하여 시드 연료 요소들(10)을 씻는(bath) 한편, 다른 하나는 케이싱(12) 밖으로 이동하여 블랭킷 서브집합체의 연료 요소들(39)을 씻는다 - .
원자로의 상부 플레이트(도시 안됨)로부터 작용하는 헤드(7)의 압축력은 특정 냉각제의 유동시에 연료 요소들이 떠오르지 않도록 한다.
집합체들의 서비스가능성의 보존을 위해 연료 집합체들의 높이에 대한 (기존의 VVER-1000 원자로들에서 이용되는) 공칭 압력 구배에서 시드 및 블랭킷 서브집합체들을 통한 (연료 집합체로부터의 공칭 파워를 추출하기 위해) 필요한 냉각제 유동의 통로는,
- 시드 서브집합체와 블랭킷 서브집합체 사이의 채널(12)의 이용에 의하여,
- 시드 연료 요소들(10)의 형상(3-로브 프로파일)에 의하여 제공되며, 그들 상호간의 둘레방향의 방위 및 나선형 스페이서 리브들(16)의 축방향 코일링 피치는 냉각제의 힘이 가해진 대류 혼합(forced convective mixing)으로 인해 시드 서브집합체의 단면에서 훨씬 더 균등한 냉각제의 온도 분포 및 잘-발전된 열-전달 표면을 갖게 한다.
연료 집합체(2)의 전체 수압적 특징(hydraulic characteristic)들은 표준의 연료 집합체의 특징들과 실제적으로 일치하며, 이는 본 발명에 따른 연료 집합체들과 VVER-1000 원자로의 코어의 저항성을 공칭 레벨로 유지시키는 것을 보장한다. 따라서, VVER-1000 내에 본 발명에 따른 연료 집합체들을 설치하는 것은 원자로의 제 1 루프에서의 냉각제 유량의 변화를 야기하지 않는다.
작업 동안 가열되는 시드 서브집합체의 연료 요소들(10)이 열적 및 방사선 팽창으로 인해 상방향으로 길어지기 시작하며, 주변 튜브들은 보장된 공차를 갖는 가이드 격자(13)의 셀들을 통과하기 때문에 연료 요소들의 번들은 주변 튜브들(19)과 독립적으로 팽창한다. 따라서, 연료 요소들(10)의 번들은 부하-베어링 주변 튜브들(19) 상에 영향을 미치지 않고 그들을 변형시키지 않으며; 따라서, 연료 집합체(2)의 형태의 기하학적 안정성은 작업 동안 보장된다.
블랭킷 서브집합체의 연료 요소들(39)은 작업 동안 길이방향으로 팽창되며 방사선 팽창으로 인해 그들의 단부들과 헤드(7) 사이의 자유 공간을 차지하기 시작한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 집합체(2)의 작동은, 블랭킷 서브집합체의 케이싱(44)이 지지 튜브들(53)을 통한 원자로 상부 플레이트로부터의 압축력 전달에 의해 원자로의 지지 튜브에 대하여 가압되며, 블랭킷 서브집합체에 부착되지 않는 시드 서브집합체가 시드 서브집합체의 지지 격자(11)로 힘을 전달하는 슬리브(26)의 플랜지들에 대한 스프링들(20)의 작용에 의해 떠오르는 것이 방지된다.
본 발명의 용법은, 고갈 프로세스(depletion process) 동안 토륨이 우라늄-233 형태로 제 2 핵 원료를 축적하며 이것의 연소가 이러한 연료 집합체들을 갖는 원자로 코어의 파워 출력에 실질적으로 기여하기 때문에, 연료 집합체의 디자인에 있어서의 토륨 부분(블랭킷 서브집합체)의 존재로 인해 천연 우라늄을 절감할 수 있게 한다. 이는, VVER-1000 원자로들을 전형적인 2차 핵 연료(핵무기를 생산하는 데 사용될 수 있는 원자로급 플루토늄)의 축적이 크게(80 % 만큼) 저감되고, 새로운 2차 핵 연료, 즉 우라늄-233(또는 보다 정확하게는 그것이 토륨 블랭킷 모듈 내의 "제 위치"에서 연소된 후에 남는 것)은 우라늄-232 동위원소 및 플루토늄의 균질한(even) 동위원소들을 갖는 오염물로 인해 핵무기들을 생산하는 데 이용할 수 없기 때문에, 비확산적 특징들의 개선을 가져오며 사용된 연료 집합체들의 취급에 있어서의 문제들을 단순화시킨다. 사용된 연료 집합체들의 취급에 있어서의 문제들은 연료의 특정 수명 사이클을 증가시키고 방출된 연료 내의 장기간의 방사선의 유독성을 갖는 동위원소들의 함량을 저감시켜 폐기물의 볼륨을 축소시킴으로써 단순화될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 집합체의 디자인은 표준 연료 집합체들의 디자인과의 기계적, 수압적 및 중성자적 병립가능성(compatibility) 모든 면에 있어 VVER-1000 원자로들 내에서 상기 연료 집합체를 사용할 수 있게 한다.
VVER-1000 원자로용 표준 연료 집합체와의 기계적 병립가능성은:
- 장-기간의 작업 및 높은 연료 고갈 레벨들 동안 변형에 대한 저항성을 제공하는 프레임 구조체의 존재;
- 동일한 연결 크기들;
- 코너의 표준 연료 집합체들의 대응되는 부분들과 병립가능한 테일피스, 헤드 및 프레임 구조체의 디자인들의 사용;
- 표준 제어 기구들 및 부하-핸들링 디바이스(load-handling device)들과 시드 서브집합체 디자인의 병립가능성에 의하여 보장된다.
본 발명에 따른 연료 집합체의 전체적인 수압적 특징들은 시드 서브집합체 및 블랭킷 서브집합체들에 의하여 형성되며 공통의 분배(이송) 및 수집 헤더들에 의하여 결합되는 2 개의 평행한 채널들로 된 시스템의 존재로 인하여 표준 연료 집합체의 특징들과 실제적으로 일치한다. 시드 서브집합체 및 블랭킷 서브집합체들은 유입 및 유출 세그먼트들에서 수압적으로 연결된다. 이 연료 집합체 구조는 본 발명에 따른 연료 집합체들과 VVER-1000 원자로의 코어의 저항성이 공칭 레벨로 유지되도록 보장한다. 따라서, VVER-1000 원자로 내에 본 발명에 따른 연료 집합체들을 설치하는 것은 원자로의 제 1 루프에서의 냉각제의 유량의 변화를 야기하지 않는다. 본 발명에 따른 연료 집합체들에서 집합체로의 유입부, 블랭킷 서브집합체의 작동부 및 상기 집합체로부터의 유출부와 표준 집합체들 간의 수압적 저항성의 비는 유사하며, 이는 본 발명에 따른 연료 집합체들과 표준 집합체들의 수압적 병립가능성을 보장하며 그들 사이에서 냉각제의 오버플로우(overflow)가 없게 한다. 이는 원자로에 원자로용 표준 연료 집합체들과 본 발명에 따른 몇몇 연료 집합체들을 동시에 사용할 수 있게 한다.
표준 연료 집합체와의 중성자적 병립가능성은,
- 특정 연소 레벨(specified burn-up level)은 연료 조성물들 및 연소가능한 흡수제들을 갖는 조성물들을 활용함으로써 달성되고,
- 연료 집합체의 표준 파워 출력은 시드 및 블랭킷 연료 조성물들의 연료 장전의 특정한 부분들을 활용함으로써 달성되고,
- 파워 출력의 불균일한 프로파일에 대한 요건들의 충족은 시드 봉들의 다양한 열(row)에서의 연료 장전의 특정한 부분들 및 블랭킷 내의 연료 장전의 조성물을 활용함으로써 달성되고,
- 표준 연료 집합체들에 대해 통상적인 범위 내의 반작용 효과(reactivity effect)들의 보존은 연료 조성물들의 특수한 특징들을 활용함으로써 달성되며,
- 출력의 레벨을 조절하고 표준 제어 시스템들을 이용해 출력을 줄이기 위한 능력은 서브집합체와 병용할 수 있는 시드 서브집합체의 주변 튜브들 내에서 제어봉들을 가이드하기 위한 표준 기술의 채널들을 활용함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 발명에 따른 시드-블랭킷 연료 집합체가 구획되어 있다(sectional)는 점이며, 이는 시드 서브집합체를 독립적으로 변화시킬 수 있게 한다. 시드 서브집합체의 변경은 연료 집합체의 블랭킷 서브집합체 내에 배치되는 토륨에 대해 [중성자 균형(neutron balance) 및 조사 시간에 대하여] 보다 바람직한 조건들을 형성한다.

Claims (13)

  1. 원자로의 연료 집합체에서 사용하기 위한 연료 요소에 있어서, 상기 연료 요소는,
    핵분열가능한 물질을 포함하는 나선형 리브들을 형성하는 멀티-로브 프로파일(multi-lobed profile)을 구비하는 커널;
    상기 커널의 길이방향 축을 따라 연장되는 중앙 금속 디스플래이서; 및
    상기 커널을 둘러싸는 금속 클래딩
    을 포함하고,
    상기 연료 요소는 다이를 통해 상기 디스플래이서, 커널 및 클래딩의 조인트 압출(joint extrusion)에 의해 제조되고(fabricate),
    상기 나선형 리브들은 상기 연료 요소의 길이의 5% 및 20% 사이의 축방향 코일링 피치를 가지는 연료 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커널은 볼륨으로 0% 보다 크고 볼륨으로 30% 이하인 우라늄 부분을 가지고, 상기 우라늄은 우라늄 동위원소 U-235의 무게로 0% 보다 크도록 농축되고 우라늄 동위원소 U-235의 무게로 20% 이하로 농축되는 연료 요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커널은 상기 커널의 볼륨으로 30% 이하이고 상기 커널의 볼륨으로 0% 보다 큰 원자로급 플루토늄 부분을 포함하는 연료 요소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 클래딩은 지르코늄을 포함하는 연료 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플래이서는 지르코늄을 포함하는 연료 요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로파일은 3 개의 로브를 포함하는 연료 요소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 요소는 지상에 설치되는(land-based) 원자로 내에 배치되는 연료 요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 요소는, 상기 연료 요소의 복수 개들 및 상기 연료 요소의 복수 개들을 지지하는 프레임을 포함하는 연료 집합체를 구성하도록 사용되는 연료 요소.
  9. 원자로에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서,
    상기 연료 집합체는,
    원자로 내에 제거가능하게 배치되도록 구성되는 프레임; 및
    상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 연료 요소들
    을 포함하고,
    상기 복수의 연료 요소들의 적어도 일부는,
    핵분열가능한 물질을 포함하는 나선형 리브들을 형성하는 멀티-로브 프로파일을 구비하는 커널;
    상기 커널의 길이방향 축을 따라 연장되는 중앙 금속 디스플래이서; 및
    상기 커널을 둘러싸는 금속 클래딩
    을 각각 포함하고,
    상기 복수의 연료 요소들의 적어도 일부는 다이를 통해 상기 디스플래이서, 커널 및 클래딩의 조인트 압출에 의해 제조되는 연료 집합체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 집합체는 지상에 설치되는 원자로 내에 배치되는 연료 집합체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 요소들의 적어도 일부의 금속 클래딩은 지르코늄을 포함하는 연료 집합체.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 요소들의 적어도 일부의 커널은 U-Zr 금속을 포함하는 연료 집합체.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 커널의 핵분열가능한 물질은 상기 커널의 0% 보다 크고 상기 커널의 30% 이하인 볼륨 부분(volume fraction) 및 우라늄 동위원소 U-235로 0% 보다 크고 우라늄 동위원소 U-235로 20% 이하의 농축을 갖는 우라늄을 포함하는 연료 집합체.
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