KR101524798B1 - 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체에 관한 것으로, 최 외곽 열에 고정형 핵연료 통을 정사각형 구조로 20개를 배열하고, 중간 열에는 상기 이동형 핵연료 통을 정사각형 구조로 12개를 배열하며, 내부 열에는 상기 고정형 핵연료 통을 정사각형 구조로 4개를 배열하되 상기 고정형 핵연료 통은 직경 약 31 ~ 34mm의 외부 피복관 내부에 6개의 내부피복격자막을 구비하고 그 안에 직경 약 9 ~ 10mm의 UO₂ 소결체 더미를 정6각형 구조로 배열하며, 상기 이동형 핵연료 통은 직경 약 31 ~ 34mm의 외부 피복관 내부를 길이 방향으로 크게 상, 하부 영역으로 나누고, 하부 영역에는 고정형과 마찬가지로 외부 피복관 내부에 6개의 내부피복격자막을 구비하고 그 안에 직경 약 9 ~ 10mm의 UO₂ 소결체 더미를 정6각형 구조로 배열하며, 상부 영역에는 5개의 내부피복격자막을 구비하고 그 안에 직경 약 9 ~ 10mm의 UO₂ 소결체 더미를 정오각형 구조로 배열하는데, 이 정오각형 구조의 UO₂ 소결체 더미는 내부 피복 격자막과의 간격이 약 2mm로 여유가 있어서 핵연료통의 길이 방향으로 이동이 가능한 구조로 되어 있다.

Description

고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체 {Fuel Assembly of PWR with Stationary Fuel Can and Movable Fuel Can}

본 발명은 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가압 경수형 원전의 제반 노심 특성, 안전성, 경제성 및 원전 이용도를 획기적으로 높일 수 있는 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 핵연료 집합체에 관한 것이다.

가압 경수형 원전은 1960년대에 미국에서 개발되어 지금은 전 세계적으로 가장 보편화된 원전으로, 전 세계에서 230개 정도의 가압 경수형 원전이 가동되고 있으며, 우리나라에는 1978년에 고리 1호기가 상업운전을 시작한 이후 지금은 14개의 가압 경수형 원전이 가동 중이다.

가압 경수형 원자로는 압력을 가한 물을 냉각재와 중성자 감속재로 쓰는 원자로이다. 이 원자로의 이름은 내부 냉각수 순환 계통에서는 물에 압력을 가해서 물이 끓지 않도록 만든 데에서 비롯되었다.

가압 경수로에서 쓰이는 연료는 통상 U-235가 3 ~ 5% 정도 농축된 이산화 우라늄(U0₂) 분말을 소결시켜 직경 약 8 ~ 9mm, 길이 약 10mm의 원통형으로 소결체를 만든다.

이 소결체를 직경 약 9.5 ~ 10.2mm의 피복관에 길이가 약 3600 ~ 3800mm 높이로 쌓아 소결체 더미를 만들고, 그 위에 핵분열 생성기체를 포집할 길이 약 200 ~ 300mm의 플래넘을 만들고 열전달을 돕기 위하여 봉 내부에 헬륨을 주입한 상태에서 봉 양단을 마개로 막고 용접 밀봉한다.

완성된 핵연료봉은 상단 고정체, 하단 고정체, 안내관, 계측관, 지지 격자, 등이 구비된 핵연료 골격체에 장입이 되어 핵연료 집합체로 완성이 되는데, 이것을 원자로의 노심에 장전하게 된다.

전형적인 가압 경수형 원전의 핵연료집합체는 핵연료봉 배열이 14 X 14, 16 X 16 또는 17 X 17의 정사각형 단면을 유지하며, 폭은 약 200 ~ 210mm이고, 길이는 약 4000 ~ 4500mm이다.

이 핵연료봉에 사용되는 피복관은 개발 초기인 1960년 대에는 스테인리스강을 사용하였으나 중성자 흡수량이 큰 단점이 있어서, 그 이후에 중성자 흡수 단면적이 적어 원자로 노심의 핵적 성능이 좋아지는 지르칼로이 소재의 피복관이 개발이 되어 지금까지 대부분의 핵연료봉에 사용되고 있다.

그러나 2011년 3월 11일 일본에서 발생한 후쿠시마 원전의 대재앙이 인근 해역에서 발생한 지진으로 인한 대형 쓰나미가 발전소를 덮치고, 이 여파로 가동 중이던 원전이 폭발을 함으로 인하여 발생이 되었는데, 이러한 근본적인 원인을 살펴본 결과, 상기 후쿠시마 원자력 발전소의 핵연료에서 사용하는 지르칼로이 소재의 피복관이 사고의 여파로 생긴 고온의 물과 반응하여 수소가 다량 방출이 되고, 결국에는 이 수소가 폭발하여 일어난 것으로 밝혀지면서 지르칼로이 피복관을 고온의 물과 반응하지 않는 다른 소재의 피복관으로 바꾸는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

한편, 가압 경수로에서는 핵연료가 원자로에 한번 장전이 되면, 모든 핵연료가 운전주기 말까지 정 위치에 고정이 되어 연소가 된다. 원자로의 운전주기는 약 12개월이 소요되며, 장전된 핵연료가 모두 연소되는 주기 말에는 추가 연소 능력이 상실된 핵연료는 원자로 밖으로 꺼내고, 대신 새로운 핵연료로 교체하여 장전한다.

핵연료를 교체하고 원자로를 정비 점검하는 데는 보통 한 달이 소요되는데, 이 기간 동안에는 원전의 가동이 중지되어 더 이상 전기를 생산할 수가 없다.

최근의 추세는 핵연료의 사용 가능 연소도를 높게 하여 핵연료 교체 주기를 15 ~ 18개월로 늘리는 고연소도 장주기용 핵연료를 개발하여 사용하는데, 이러한 것은 모두 원자로의 이용률을 향상시키기 위한 노력이다.

또, 가압 경수로에서는 핵연료 교체 시에 모든 핵연료를 정 위치에 고정시켜 장전하기 때문에, 교체 노심 초기에는 다량의 보론을 냉각수에 투입하여 잉여 중성자를 흡수하게 하고, 원자로의 가동이 진행되면 원자로 노심에 위치한 핵연료의 연소 능력이 서서히 줄어들면서 원자로 노심에 잉여 중성자가 서서히 줄어들게 되고, 이것에 맞추어 냉각제의 투입한 보론 양을 줄여 가는데, 이러한 방식으로 원자로를 운용하면, 여기에 사용된 냉각수가 더 많이 오염이 되며, 이렇게 방사능에 오염이 된 냉각수가 다량 방출이 되는데, 이것을 안전하게 처리해야 하는 문제가 추가로 발생하는 단점이 있다.

이러한 문제를 완화하기 위하여 핵연료 제조 시에 소결체에 중성자를 흡수할 수 있는 독 물질을 삽입하는 독붕 소결체를 사용하기도 한다. 이러한 많은 문제는 기존의 가압 경수로에서 사용하는 핵연료가 한번 장전이 되면 정 위치에 고정되어 움직일 수 없는 핵연료를 사용하기 때문이다.

본 발명에서는 이러한 단점을 해결하기 위해서 연구한 결과, 이동형 핵연료를 일부 사용하면 상기한 많은 문제를 손쉽게 해결할 수 있음을 알아내었다.

운전 중에 일부의 핵연료가 이동하는 타입의 원자로는 우리나라에도 5기가 가동 중인 CANDU형 원자로에서 찾아 볼 수가 있는데, 이 CANDU형 원자로에서는 Calandria라는 수평으로 누워있는 긴 관에 길이 약 600mm의 핵연료 다발이 12개 장전이 되고, 이것의 일부를 대형 Refuelling Machine 2대를 사용하여 On-Power-Refuelling 방식으로 교체를 하는데, 본 발명은 이것과 전혀 다른 방식으로 핵연료를 이동시키고 있다. CANDU형 원자로의 구조와 핵연료 이동 방식은 본 발명과 전혀 다르나, 효과 면에서는 본 발명과 마찬가지로 여러 가지 장점이 있는 것이 확인이 되었다.

일본국 공개특허공보 제2010-276564호(2010.12.09. 공개) 한국등록특허공보 제10-0821373호(2008.04.03. 등록) 한국공개특허공보 제10-2005-0122742호(2005.12.29. 공개) 한국공개특허공보 제10-2006-0091584호(2006.08.21. 공개)

본 발명의 목적은 기존의 가압 경수형 원전의 모든 핵연료가 한번 장전이 되면 정 위치에 고정이 되고, 이 상태로 원자로를 운전하기 위하여서는 냉각수에 다량의 보론을 투입하거나, 소결체에 독물질을 혼합하여 제조하여야 하는데, 이러한 기존의 방식에서 벗어나 일부의 핵연료는 고정식을 유지하고, 또, 교체 노심 초기에 발생하는 여분의 잉여 반응도에 해당하는 핵연료는 원자로 운전 중에 초기에는 노심 외부 영역에 있다가, 연소가 진행되면서 매일 소요되는 양만큼만 노심으로 이동시키게 하는 Daily-Refuelling 방식을 택하면, 원자로 노심 내부에는 불필요한 잉여 반응도가 없어서 냉각수에 보론이 없어도 되는 Boron- Free- Operation을 할 수가 있다.

또, 플래넘 영역을 기존의 200 ~ 300mm에서 500 ~ 1500mm 정도로 대폭 크게 하여 이동형 핵연료에서 여분의 핵연료가 임시로 대기할 수 있는 안전 공간을 마련해주고, 또 이 공간에 핵분열 생성기체, 특히 중성자 흡수 단면적이 매우 큰 Xe-135가 그 공간에 포집되어 있어서 이것이 원자로 노심 영역에서 핵반응에 사용되는 소중한 중성자를 잡아먹을 수 없도록 하는데, 이렇게 하면 중성자 이용률이 크게 향상된다. 여기서 플래넘 영역이 500mm 이하이면 핵연료가 임시 대기 공간이 적어 그 효과가 미흡하고 또한, Xe-135를 포집할 수 있는 양이 적어 그 효과가 미흡하다. 또한, 1500mm 이상이면 너무 공간이 커 핵연료 통이 커져 비효율적이다. 바람직하게는 800 ~ 1200mm 범위에서 적절한 임시 공간 유지 및 Xe-135를 포집하는 효과가 가장 크게 된다.

또한, 본 발명으로 만들어지는 핵연료 집합체는 상기에 기술한 고온의 물과 반응하여 수소를 발생시켜 폭발 위험성이 있는 기존의 지르칼로이 피복관보다 중성자를 더 많이 흡수하는 단점이 있지만 구조체로서 안정하고 견고한 스테인리스강 소재의 피복관을 사용함으로써, 후쿠시마 원전과 유사한 사고 조건에서도 원자로 안에 장전한 핵연료는 고온의 물과 아무런 반응도 하지 않아 그 안정성과 건전성이 우수한 원전용 핵연료 집합체의 구조에 관한 것이다.

본 발명에 의한 핵연료를 사용하는 원전은 설령 그 주변에서 후쿠시마 원전사고와 유사한 자연 재해가 발생한다 해도 원전이 폭발하여 대재앙으로 사고가 확대되는 것을 원천적으로 봉쇄할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 골격체 안에 6 X 6의 배열로 핵연료 통이 장입되되 고정형 핵연료 통이 24개, 이동형 핵연료 통이 12개가 사용되며, 그 배치는 최 외곽 열에 상기 고정형 핵연료 통이 20개 배치되고, 중간 열에는 상기 이동형 핵연료 통이 12개 배치되며, 내부 열에는 상기 고정형 핵연료 통이 4개 배치된 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체를 제공한다.

본 실시 예에서, 상기 고정형 핵연료 통은 스테인리스 소재의 피복관, 인코넬 소재의 6조의 내부피복격자막, 상기 내부 피복격자막에 적층 고정되는 이산화 우라늄(UO₂) 소결체 더미 및 상기 피복관의 상, 하단에 밀봉 용접되는 통 마개로 이루어지며, 상기 피복관 안에 적정량의 물과 헬륨 기체가 채워진다.

본 실시 예에서, 상기 이동형 핵연료 통은 상, 하단 통 마개로 밀봉된 스테인리스 소재의 피복관 내부가 상, 하부 2개의 영역으로 구분되며, 하부 영역에서는 핵연료가 정 위치에 고정이 되도록 인코넬 소재로 된 6조의 내부피복격자막 안에 6조의 UO₂ 소결체 더미가 장입되며, 상부 영역에서는 핵연료가 상하로 이동을 할 수 있도록 인코넬 소재로 된 5조의 내부피복격자막 안에 5조의 UO₂ 소결체 더미가 상하로 유동가능하게 설치되되 소결체 더미 고정 장치에 의해 사용 중에 상하 방향으로 이동이 가능하도록 설치되며, 상기 피복관 안에 적정량의 물과 헬륨 기체가 채워진다.

본 발명의 실시 예에 의하면 기존의 지르칼로이 피복관보다 중성자를 더 많이 잡아먹는 스테인리스강 소재의 피복관을 사용해도 되며, 그로 인하여 후쿠시마 원전과 유사한 사고 조건에서도 원자로 안에 장전한 핵연료는 고온의 물과 아무런 반응도 하지 않아 그 건전성이 유지되므로 후쿠시마 원전에서와 유사한 자연 재해가 발생한다 해도 원전이 폭발하는 것을 방지할 수 있어 최근 문제가 되고 있는 원자력 발전의 불안감을 해소할 수 있는 안정성과 건전성이 우수하면서 그 원전 발전효율이 우수한 발명이다.

본 발명의 이동형 핵연료 통의 경우 고정형의 육각형 구조 6조에서 오각형 구조의 5조로 줄여 장입함으로써 핵연료는 20% 줄어드나, 이것을 사용하면 Daily- Refuelling 을 할 수가 있어서 노심의 핵적 성능이 좋아지고, 핵연료의 연소도가 증가하여, 결과적으로는 오히려 연소주기가 기존 12개월에서 21 ~ 24개월로 늘어나 그 원전 운용효율이 증대되어 경제성이 우수한 발명이다.

Daily-Refuelling 방식을 택하면, 또 다른 장점이 있는데, 원자로 노심 내부에는 불필요한 잉여 반응도가 없어서 냉각수에 보론이 없어도 되는 Boron- Free- Operation을 할 수가 있으며, 또, 소결체에도 미리 Burnable Poison을 삽입하지 않아도 되는, Poison- free Operation이 가능하여 Neutron Economy를 크게 높일 수 있는 우수한 발명이다.

또한, 기존의 핵연료 집합체에서는 연소 중에 방출되는 핵분열생성기체들이 극히 일부만 플래넘 영역으로 이동하여 포집되는데, 노심 영역에 남아 있는 핵분열 생성기체 중에서 중성자 흡수단면적이 매우 큰 Xe-135가 다량 포함되어 있어 이것이 원자로 노심의 핵적 반응도를 감소시켜 악영향을 초래한다.

본 발명에서는 플래넘 영역이 기존 설계보다 2 ~ 3배나 커서, 이런 원인이 되는 노심 영역 내의 Xe-135의 량을 기존 노심 대비 약 20 ~ 30% 감소시켜 문제를 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라, Xe-135가 귀중한 중성자를 흡수하는 것을 줄여주므로 Neutron Economy가 더욱 향상되어, 운전주기도 장기간으로 늘어나 기존 12개월 주기를 21 ~ 24개월로 늘일 수 있는 획기적인 발명이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 핵연료 집합체에서 고정형 및 이동형 핵연료 통의 배열 상태를 도시한 평면도,
도 2는 고정형 핵연료 통의 평단면도,
도 3은 고정형 핵연료 통의 종단면도,
도 4는 이동형 핵연료 통의 상부 영역 평단면도,
도 5는 이동형 핵연료 통의 종단면도이며, 소결체 더미가 고정된 상태와 소결체 더미가 하강한 상태의 도면이다.

이하에서는 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 5에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 핵연료 집합체 및 이 핵연료 집합체에 배치된 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통의 개략적인 구조가 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이 본 실시 예에 의한 핵연료 집합체(100)는 고정형 핵연료 통(200)과 이동형 핵연료 통(300)의 두 가지 종류로 구성되어 있는데, 먼저 핵연료 통의 구조를 살펴보면, 고정형 핵연료 통(200)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 피복관(210), 6조의 내부피복격자막(220), 상기 내부피복격자막(220)에 내장된 6조의 소결체 더미(230), 그리고 상단 및 하단 통 마개(240,250)로 이루어져 있다.

상기 피복관(210)은 초대형사고 조건에서도 안전한 스테인리스강 소재의 원형 통을 사용하며, 크기는 대략 외경이 31 ~ 34mm, 두께가 약 0.8mm이고, 길이는 약 4000mm이다.

상기 6조의 내부피복격자막(220)은 탄성이 좋아 각종 스프링에서 사용이 되는 인코넬 소재로 두께 약 0.2mm의 박판을 사용하여, 그림과 같이 매화 꽃 형상의 격자막을 만든다.

상기 6조의 소결체 더미(230)는 직경 약 9 ~ 10mm의 UO₂ 소결체를 쌓아서 만드는데, 누적 길이는 약 3000 ~ 3100mm이다. 이 소결체 더미(230)를 상기 내부피복격자막(220) 안에 장입을 하는데, 그 간격이 약 0.1mm 정도로 매우 작아서 한번 장입이 된 소결체는 사용 중에 정 위치에 고정이 된다.

이렇게 만든 통 안에 적정량의 물과 헬륨 기체를 넣고 피복관(210)의 상, 하단에 각각 상, 하단 통 마개(240,250)를 용접하여 밀봉시킨다.

이동형 핵연료 통(300)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 고정형 핵연료 통(200)과 동일한 피복관(310)을 사용하는데, 그 안의 구조는 크게 나누어 상, 하부 2개의 영역(Z1,Z2)으로 구분이 된다.

먼저, 하부 영역(Z1)에서는 핵연료가 정 위치에 고정이 되며 상기 고정형과 동일한 구조로 만드는데, 6조의 내부피복격자막 안에 6조의 소결체 더미를 장입하며, 이 영역의 전체 길이는 약 1000mm이다. (도 2 참조)

상부 영역(Z2)에서는 핵연료가 상하로 이동을 할 수가 있는데, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 5조의 내부피복격자막(320), 5조의 소결체 더미(330), 소결체 더미 고정장치(360), 그리고 상단 및 하단 통 마개(340,350)로 구성이 되는데, 피복관(310)은 고정형 핵연료 통(200)과 동일한 스테인리스강 소재의 원형 통을 사용하며, 크기는 대략 외경이 31 ~ 34mm, 두께가 약 0.8mm이고, 길이는 약 4000mm이다.

5조의 내부피복격자막(320)은 탄성이 좋아 각종 스프링에서 사용이 되는 인코넬 소재로 두께 약 0.2mm의 박판을 사용하여, 도 4에서와 같이 도화 꽃 형상의 격자막을 만든다.

5조의 소결체 더미(330)는 직경 약 9 ~ 10mm의 UO₂ 소결체를 쌓아서 만드는데, 누적 길이는 약 2000 ~ 2100mm이다. 이 소결체 더미(330)를 상기 내부피복격자막(320) 안에 장입을 하는데, 그 간격이 약 2mm 정도로 매우 커서 장입이 된 소결체는 사용 중에 상하 방향으로 이동이 가능하다.

이 이동형 소결체 더미(330)는 제조 시에는 핵연료 통(300)의 상단부에 고정 장치(360)를 이용하여 고정 배치된다.

고정 장치(360)는 직경 약 4mm의 특수강으로 만들며 전체 길이는 대략 2100 ~ 2200mm이다.

이렇게 만든 통(310) 안에 적정량의 물과 헬륨 기체를 넣고 상, 하단 통 마개(340,350)를 용접하여 밀봉시킨다.

상기 고정 장치(360)의 조작부는 상단 통 마개를 관통하게 되는데, 이 부위는 별도의 특수 밀봉장치가 되어 있어서 원자로 노심의 고온과 고압의 가동 조건에서도 밀봉이 유지된다.

본 실시 예에서 제안하는 핵연료 집합체(100)의 구조는 기존 핵연료 집합체와 비슷한 부품으로 구성이 되는데, 사용되는 핵연료 통은 도 1에 도시된 바와 같이 6 X 6의 배열로 골격체 안에 장입이 된다.

골격체는 8개의 안내관과 1개의 계측관, 그리고 다수 개의 지지 격자, 상단과 하단 고정체로 이루어지는데, 본 발명에서는 이들 부품에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

다만, 핵연료 통의 배열은 본 발명의 장점을 밝히는데 중요하므로 그 구성에 대하여는 자세히 설명한다.

본 발명의 일 실시 예로 상기 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체에서 사용하는 핵연료 통 36개는 전체적으로 6 X 6의 배열로 골격체 안에 장입이 되는데, 거기에는 고정형 핵연료 통(200)이 24개, 이동형 핵연료 통(300)이 12개가 사용이 되며, 그 배치는 최외곽 열에 상기 고정형 핵연료 통(200)을 정사각형 구조로 20개를 배열하고, 중간 열에는 상기 이동형 핵연료 통(300)을 정사각형 구조로 12개를 배열하며, 내부 열에는 상기 고정형 핵연료 통(200)을 정사각형 구조로 4개를 배열한다.

위에서 구체적으로 예시한 고정형 핵연료 통, 이동형 핵연료 통, 핵연료 집합체 내에서의 핵연료 통의 배열은 가압 경수형 원전의 가동 및 사고 조건에서 서로 상승 보완 작용을 하여 앞에서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제에서 제시한 모든 문제가 해결이 되는 핵연료 집합체가 된다.

이러한 상승 작용을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용하는 핵연료 통은 그 안에 소결체 더미를 5 또는 6조를 장입 하는데, 이것은 기존의 핵연료에서 각각의 소결체 더미를 피복관으로 개별 포장하여 핵연료봉을 만드는 개념과는 매우 큰 차이가 있다.

기존의 핵연료 봉에서는 직경 약 8 ~ 9mm의 소결체를 직경 약 9.5 ~ 10.2mm 지르칼로이 피복관에 장입을 하는데, 피복관의 두께가 약 0.65mm 이어서 소결체와 피복관 사이의 간격이 약 0.1mm로 매우 작아 한번 장입한 소결체는 다른 위치로 이동이 거의 일어나지 않고 정 위치에서 연소가 된다.

이러한 구성은 소결체에서 발생하는 막대한 열을 핵연료봉 외부를 흐르는 냉각수로 전달하려는 목적을 잘 만족시킨다. 그러나 이러한 빈틈이 없는 설계는 소결체가 연소를 하면서 생기는 각종 변형 때문에 피복관과 상호 작용을 하면서 피복관에 심각한 손상을 일으키는 PCI(Pellet Cladding Interaction )라는 문제를 일으키고, 또 연소 중에 발생하는 핵분열 기체로 인하여 핵연료봉 내부의 기체 압력이 올라가 피복관이 국부적으로 부풀어 오르는 팽윤 현상을 일으키기도 하며, 피복관 표면이 산화하고, 물때가 피복관 표면에 달라붙어 Crud를 형성하는 등의 많은 문제가 발생한다.

본 발명에서는 직경 31 ~ 34mm, 두께 0.8mm의 커다란 스테인리스 통 안에 두께 0.2mm의 인코넬 박판으로 5 ~ 6개의 방이 들어 있는 내부피복격자막을 만들고, 그 안에 직경 약 9 ~ 10mm의 소결체 더미를 5 또는 6조 장입을 하는데, 이러한 구성은 소결체가 연소를 하면서 아무리 많은 변형을 일으켜도 1차적으로 탄성이 있는 내부피복격자막이 이들 변형을 흡수하여 모두 보호를 해주므로 외부 피복관에는 아무런 손상도 일으키지 않는다.

또, 스테인리스강은 고온의 물과도 거의 반응을 일으키지 않으니 피복관 산화나 Crud 부착 문제도 해결이 된다.

지진 등의 문제로 핵연료가 진동을 하여도 소결체는 일차적으로 내부피복격자막과 충돌을 하는데, 내부피복격자막이 탄성이 우수한 인코넬 소재로 만들어져 있어서 모든 충격을 자체에서 흡수하여 외부 피복관에는 별다른 영향을 미치지 않는다.

또, 본 발명에서는 소결체 더미의 상부에 매우 큰 플래넘 영역이 마련되어 있어서 연소 중에 발생하는 핵분열 기체 중에서 소결체 밖으로 나온 것은 대부분 플래넘 영역에 포집이 되며, 이 중에서 특히 Xe-135는 핵설계적인 관점에서 Xenon oscillation 등의 여러 가지 문제점을 일으키는데, 본 발명에서는 이러한 Xe-135가 쉽게 플래넘 영역으로 포집이 되어 노심 영역에서 중성자를 포획할 수가 없으므로 Xe 문제가 크게 완화가 된다.

한 가지 단점은 핵연료 통 내부에서 발생한 열이 기존 설계에서와 같이 인접한 피복관 표면을 통하여 직접 외부 냉각수로 전도가 되려면 핵연료 통 외부 표면적이 작아서 충분한 열전달이 이루어지지 않는다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 1차적으로는 내부피복격자막 외부에 철심(270,370)을 넣고, 또 핵연료 통 내부에 소결체 더미가 모두 잠길 정도의 물을 넣어서 피복관(210,310) 표면으로의 열전도가 좋아지게 하였으며, 또 일부의 열은 핵연료 통 내부에 넣은 물을 끓게 하여 뜨거운 증기가 플래넘 영역으로 올라오게 하여 플래넘 영역에 있는 구조물을 통하여 외부의 냉각수로 전달이 되게 하였다.

또 다른 문제는 소결체가 연소 중에 주변에 있는 물과 반응하여 표면에 있는 일부가 UO₂ 가루로 변하는데, 이 문제는 이러한 일이 일어나도 핵연료의 성능이나 안전성에는 별다른 영향이 없을 것으로 예상이 된다.

이러한 판단의 근거는 기존의 핵연료 중에서 사용 중에 여러 가지 원인으로 손상이 되어 연료봉 안으로 물이 들어간 상태에서 상당기간 추가 연소가 된 파손 핵연료를 추후에 검사를 해보면 대부분의 소결체는 그대로 남아 있고 극히 일부만이 가루가 된 것을 보면, UO₂ 소결체는 물과 그리 큰 반응을 하지 않는 것을 알 수 있다.

또, 이렇게 가루가 된 UO₂는 핵연료 통 바닥에 쌓이는데, 이 영역은 노심의 외곽이어서 핵반응이 매우 작아 핵연료의 안전성에 별다른 영향을 미치지 않는다.

상기한 작용과 특성은 고정형 핵연료 통에서는 그대로 적용이 되고, 이동형 핵연료 통에서는 조금 바뀌는 부분이 있다.

이동형 핵연료 통의 하반부는 고정형 핵연료 통과 길이만 다르고 나머지 구조가 일치하므로 상기한 작용과 특성이 그대로 적용이 된다.

이동형 핵연료 통의 상반부에 있는 핵연료는 노심 상부의 플래넘 영역에 보관되어 있는 소결체 더미를 원하는 시점에 노심 영역으로 이동하여 노심의 핵반응도를 높이는 목적으로 사용되는데, 이러한 핵연료 소결체의 원활한 이동을 위하여 소결체와 내부피복격자막 사이에 약 2mm 정도의 간격이 있어야 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해서는 내부피복격자막을 그대로 두고 소결체의 직경을 줄이거나, 아니면 내부피복격자막을 6각형 배열에서 5각형의 배열로 바꾸고 소결체 더미도 5조를 사용하는 2가지 방법이 있는데, 본 실시 예에서는 후자를 선택하여 설계하였다.

이렇게 이동형 핵연료 통을 설계하면, 이 통의 상부에서는 핵연료의 양이 약 20% 정도 줄어드나 이 핵연료는 연소에 따른 핵반응도의 감소를 보충하기 위한 용도로 사용하는 것이어서, 이곳의 핵연료의 양이 약 20% 적어지면 단순히 핵연료의 양만 따졌을 때에 해당 연소 주기도 약 20% 줄어드는데, 뒤에 설명할 원자로 노심의 특성 때문에 오히려 연소 주기가 늘어나게 된다. 즉, 핵연료의 이용도가 대폭 향상이 되어 경제적으로 큰 이점이 생긴다.

이러한 구성에서는 상기한 작용 중에서 진동에 의한 영향이 조금 더 커지는데, 이 경우에도 내부피복격자막이 그 영향을 흡수하므로 피복관에는 별다른 영향을 미치지 않고, 다른 것들도 조금은 변하는데, 전체적으로는 큰 차이가 없을 것으로 판단이 된다.

이렇게 소결체는 같은 것을 쓰고, 내부피복격자막의 구조를 바꾸는 것은 이들 핵연료를 제조할 때에 제조해야 할 소결체의 종류가 줄어들어 더욱 쉽게 만들 수 있다.

이동형 핵연료 통에서 상부의 핵연료 더미를 플래넘 영역에 고정하고 필요 시에 풀어주는 고정 장치에 대한 자세한 설명은 본 발명에서는 생략한다.

본 발명에서 실시 예로 제시한 구성과 작용, 그리고 특성을 가지고 있는 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 사용하여 PWR 원전에서 사용되는 핵연료 집합체를 구성하는 데는 몇 가지 방법이 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 핵연료 통의 기본 배열인 6 X 6에서 전체 영역을 3개의 정사각형 부분 영역으로 나누어, 가장 외곽에 있는 정사각형의 20개 위치에는 고정형 핵연료 통을 사용하고 중간에 있는 정사각형의 12개 위치에는 이동형 핵연료 통을 사용하며, 중앙 부위에 있는 정사각형의 4개 위치에는 고정형 핵연료 통을 사용하도록 배열하였다.

즉, 상기 예시의 핵연료 집합체에서는 전체 36개의 핵연료 통 중에서 2/3에 해당하는 24개는 고정형을 사용하고, 1/3에 해당하는 12개는 이동형을 배치했는데, 초기 노심 조건에서, 원자로의 전체 노심을 이러한 비율의 구성을 갖는 핵연료 집합체로 장전을 하는 경우에 냉각수에 보론의 농도가 Zero가 되고, 냉각수의 온도가 상온인 경우에도 노심의 핵반응도가 1.0 이 조금 안되게 핵연료 소결체의 U-235 농도를 4 ~ 5% 사이의 값으로 결정할 수 있다.

초기 노심에서 이러한 조건을 만족시키는 핵연료 집합체의 구성은 교체 노심에서도 그대로 사용할 수 있으며, 핵연료 교체 주기를 좀 더 장주기로 하여 원자로의 이용도를 좀 더 높게 하고 싶으면, 핵연료 소결체의 U-235 농도를 5%에 가깝게 설계하거나, 이동형 핵연료의 개수를 늘리는 방법을 고려할 수 있다.

이동형 핵연료는 장전 초기에 노심의 중심부에는 아무런 핵연료도 없는 Water-hole이 생기는데, 이러한 Water-hole이 너무 큰 경우에는 그 영역과 주변 영역 사이의 Moderation Ratio가 많이 차이가 나서 핵적 특성과 열수력 특성에서 불균형도가 커진다.

이러한 문제는 추후에 실제로 원자로의 안전성과 성능에 어떠한 영향을 미치는지 좀 더 깊이 있는 연구가 필요하다.

또 하나의 문제는 원자로 가동 중에 이동형 소결체 더미의 고정 장치를 풀어 주려면, 원자로 노심 상부에 있는 기존의 CRDM(제어봉 이동 장치)를 개조하여야 하는데, 이러한 장치를 사용하여 핵연료 집합체의 외곽부위에 배치된 이동형 핵연료 통의 고정장치를 풀어 주려고 하면 핵연료 상단에 배치되는 상단 고정체의 외곽 테두리와 간섭이 많은 경우에는 작업이 어려울 수가 있다. 따라서 본 발명의 예시에서는 이동형 핵연료 통을 간섭이 적은 내부에 배치하고, 중앙 부위는 고정형 핵연료 통을 배치하여 너무 큰 Water-hole이 생기지 않도록 하였다.

이러한 구성을 갖는 핵연료 집합체는 PWR 원자로의 노심에 장전되어 사용이 될 때에 구성 요소들 사이의 상승 보완 작용으로 아주 우수한 특성을 나타낸다.

이러한 특성을 좀 더 자세히 설명하려면, 본 발명에서 예시한 핵연료 집합체로 PWR 원전에서 초기 노심을 구성하였을 때에 노심의 특성이 기존의 핵연료를 장전한 노심과 어떻게 달라지는가를 살펴보고, 또 이 핵연료 집합체로 교체 노심에 장전하였을 때에는 어떠한 특성이 있는지를 살펴보면 된다.

기존의 핵연료 집합체로 가상의 원자로 노심 영역을 크게 3 영역으로 구분하여 각 영역에 사용하는 소결체의 U-235 농축도를 대충 3 ~ 5% 사이에서 서로 차이가 나게 결정하여 장전을 하는데, 이렇게 하여도 Cold- Zero Power 상태에서도 원자로 노심의 핵 반응도가 1.2 정도가 되어, 그 상태로는 원자로를 가동할 수가 없어서, 냉각수에 보론을 약 1500 ppm 정도 집어넣어 핵 반응도를 1.0 이 되게 하여야 원자로를 가동시킬 수 있다.

본 발명에서 예시한 핵연료 집합체로 동일 PWR 원전에 초기 노심을 구성할 때에는 모든 면에서 동일한 핵연료 집합체를 노심 내의 모든 위치에 장전하여도, Cold-Zero Power 상태에서도 원자로 노심의 핵 반응도가 0.95 정도가 되어, 그 상태에서 원자로의 온도를 높이면서 이동형 핵연료 통에 있는 보충용 소결체 더미를 정해진 순서에 의해 노심 영역으로 투입하면 얼마 후에 노심의 상태가 Hot- Full Power가 되고, 그 이후로는 약 2일에 1회꼴로 보충 연료를 투입하면 거의 100%의 정상 출력으로 원자로를 가동시킬 수 있다.

이러한 노심에서 만약 원자로에 장전한 모든 핵연료 집합체에 있는 이동형 핵연료를 원자로 운전 중에 정해진 순서에 의하여 투입할 수 있다면, 핵연료 교체 없이 기존 노심의 3회에 해당하는 기간 동안 원자로를 가동할 수가 있는데, 이렇게 너무 오래 원자로를 가동하면 원전 내의 다른 장비들을 정비할 수가 없으니, 기존 원전과 마찬가지로 원자로의 노심을 3개의 영역으로 나누어 운영하되, 사용하는 핵연료 집합체는 동일한 구성을 사용하는 방식을 택한다. 즉, 제 1주기에서는 노심의 1/3에 해당하는 영역에 있는 핵연료 집합체에서 이동형 핵연료 통에 있는 보충용 핵연료만 정해진 순서에 의해 투입하고, 이것이 모두 끝나면, 핵연료의 위치를 바꾸어 노심을 구성하면 다음 주기를 운전할 수 있게 된다.

이러한 원자로 노심에서는 이동형 핵연료 통에 있는 보충용 소결체 더미를 어떤 방식으로 어떻게 운용하는가를 결정하면, 노심 내에 불필요한 잉여 반응도를 미리 대량 투입할 필요가 없어서 원자로의 냉각수에 보론을 대량 투입할 필요가 없고, 또는 핵연료 소결체에 미리 Burnable Poison을 삽입하지 않아도 된다.

즉, 이러한 노심에서는 Poison-free Operation이 가능하다.

이러한 우수한 특성은 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 적절히 배열하였을 때에 서로 간에 상승 보완 효과가 생겨서 나타나는데, 이때에 이동형 핵연료 통에서 보충용 소결체를 노심 상부에 있는 플래넘 영역에 임시 보관하기 위하여 이 영역의 길이를 크게 늘려 주어야 하는데, 이러한 설계는 핵설계적인 관점에서 또 하나의 우수한 성능 특성이 생기게 한다.

이것은 연소 중에 생기는 핵분열 생성 기체들이 소결체 외부로 방출이 되는 경우에 모두 손쉽게 플래넘 영역으로 이동하여 포집이 되는데, 이 중에서 중성자 흡수 단면적이 매우 큰 Xe -135가 다량 포함되어 있어서, 이것이 원자로 노심의 핵적 반응도에 미치는 악영향을 많이 감소시킨다.

이러한 악영향 중에는 Xe-135 국부적으로 build-up하여 생기는 Xenon oscillation 문제라든가, 원자로가 일시 정지하였을 때에도 소결체 내부에 Xe-135가 전체적으로 build-up되어 일정 기간 동안 재가동 불능 상태에 빠지는 등의 문제가 발생하는데, 본 발명에 따른 핵연료를 사용하는 개량 노심에서는 이러한 원인을 제공하는 Xe-135의 량이 기존 노심에 비하여 20 ~ 30% 정도 감소가 되므로, Xenon 문제를 완화하는데 크게 도움이 되고, 또 이러한 Xe-135가 귀중한 중성자를 덜 잡아먹으므로, Neutron Economy가 더욱 좋아진다.

이러한 우수한 핵적 특성으로 인하여 개량 노심에서는 중성자 이용 면에서 여유가 생기는데, 이것 중에 일부는 중성자 흡수 단면적이 기존의 지르칼로이 피복관보다 조금 더 높은 스테인리스강 피복관을 사용할 수가 있으며, 또 일부는 핵연료 통 구조로 인하여 발생하는 Neutron Leakage를 보완하는데 사용하며, 그러고도 남는 여유분은 U-238에 포획이 되어 Pu-239로 Breeding이 되어, U-235와 마찬가지로 핵반응을 일으킬 수 있는 핵종으로 변환이 된다.

개량 노심에서는 이렇게 우수한 핵적 특성이 부수적으로 발생하므로, Neutron Economy가 더욱 좋아져서, 동일 농축도의 UO₂ 소결체를 사용하여도 핵연료의 연소도가 높아져서, 운전 주기의 길이도 늘어나게 된다.

기존의 노심에서는 노심 설계를 잘하여 다양한 종류의 핵연료를 사용하여 운전 주기를 장주기로 운용하였을 때에는 기존의 12개월 주기를 18개월 주기로 늘릴 수 있는데, 개량 노심에서는 한 종류의 핵연료 집합체를 사용하여도 우수한 핵적 특성 때문에 운전 주기가 늘어나서 21 ~ 24개월의 장주기 운전이 가능하다.

100 : 핵연료 집합체
200 : 고정형 핵연료 통
210 : 피복관
220 : 내부피복격자막
230 : 소결체 더미
240 : 상단 통 마개
250 : 하단 통 마개
270 : 철심
300 : 이동형 핵연료 통
310 : 피복관
320 : 내부피복격자막
330 : 소결체 더미
340 : 상단 통 마개
350 : 하단 통 마개
360 : 고정 장치
370 : 철심
Z1 : 하부 영역
Z2 : 상부 영역

Claims (5)

1. 가압 경수형 원전용 핵연료 집합체로;
   상기 핵연료 집합체는 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통의 조합으로 이루어지되 상기 이동형 핵연료 통은 상, 하단 통 마개로 밀봉된 스테인리스강 소재의 피복관 내부가 상, 하부 2개의 영역으로 구분되며, 하부 영역에서는 핵연료가 정 위치에 고정이 되도록 인코넬 소재로 된 6조의 내부피복격자막 안에 6조의 UO₂ 소결체 더미가 장입되며, 상부 영역에서는 핵연료가 상하로 이동을 할 수 있도록 인코넬 소재로 된 5조의 내부피복격자막 안에 5조의 UO₂ 소결체 더미가 상하로 유동가능하게 설치되되 소결체 더미 고정 장치에 의해 사용 중에 상하 방향으로 이동할 수 있도록 설치되며, 상기 피복관 안에 적정량의 물과 헬륨 기체가 채워진 것을 특징으로 하는 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 핵연료 집합체는 8개의 안내관과 1개의 계측관, 다수 개의 지지 격자, 상단과 하단 고정체로 이루어진 골격체 안에 6 X 6의 배열로 핵연료 통이 장입되되 고정형 핵연료 통이 24개, 이동형 핵연료 통이 12개가 사용되며, 그 배치는 최외곽 열에 상기 고정형 핵연료 통이 20개 배치되고, 중간 열에는 상기 이동형 핵연료 통이 12개 배치되며, 내부 열에는 상기 고정형 핵연료 통이 4개 배치된 것을 특징으로 하는 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정형 핵연료 통은 스테인리스강 소재의 피복관, 인코넬 소재의 6조의 내부피복격자막, 상기 내부 피복격자막에 적층 고정되는 UO₂ 소결체 더미 및 상기 피복관의 상, 하단에 밀봉 용접되는 통 마개로 이루어지며, 상기 피복관 안에 적정량의 물과 헬륨 기체가 채워지는 것을 특징으로 하는 고정형 핵연료 통과 이동형 핵연료 통을 구비한 가압 경수형 원전의 핵연료 집합체.
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