KR101668088B1 - 원자로 - Google Patents

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KR101668088B1
KR101668088B1 KR1020150066814A KR20150066814A KR101668088B1 KR 101668088 B1 KR101668088 B1 KR 101668088B1 KR 1020150066814 A KR1020150066814 A KR 1020150066814A KR 20150066814 A KR20150066814 A KR 20150066814A KR 101668088 B1 KR101668088 B1 KR 101668088B1
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윤성환
김상지
유재운
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한국원자력연구원
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Abstract

원자로의 노심 상부에서 상기 노심 내부로 삽입되어 임계도를 제어하는 제어봉에 있어서, 상기 제어봉의 길이방향을 따라 형성되며, 중성자 흡수성능이 높은 제1중성자 흡수부; 및 상기 제어봉의 길이방향을 따라 상기 제1중성자 흡수부 하부에 형성되며, 중성자 흡수성능이 상기 제1중성자 흡수부보다 상대적으로 낮은 제2중성자 흡수부로 구성되고, 원자로 정지 시 상기 제1중성자 흡수부가 노심부에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 원자로 운전 시 상기 제2중성자 흡수부가 상기 노심부에 위치하여 미분제어봉가를 감소시키는 것을 특징으로 하는 제어봉이 개시된다.

Description

원자로{NUCLEAR REACTOR}
본 발명은 제어봉, 제어봉 집합체 및 이를 구비한 원자로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로 용기의 온도 증가로 인해 제어봉이 노심에서 인출되는 현상을 완화시키는 제어봉 및 이를 구비한 원자로에 관한 것이다.
고속 중성자로(fast-neutron reactor, FNR) 혹은 고속로는 고속 중성자를 이용하는 열 원자로의 종류이다. 고속로에는 감속재가 필요 없으나, 열 중성자에 비해 분열 효율이 낮기에 다른 열 원자로에 비해 우라늄 농축 정도가 더 높다.
프랑스, 인도 및 러시아 등에서 연구되고 있는 고속로(Fast Reactor)는 크게 루프 형태(loop type)과 풀 형태(pool type)으로 나눌 수 있다. 그 중 풀 형태의 고속로는 냉각재상실사고(LOCA)를 근원적으로 차단할 수 있어, 안전성의 측면에서 각광을 받고 있다.
액체 금속을 냉각재로 사용하는 고속로에서는, 경수로와 달리 붕산을 냉각재에 용해시켜 임계도를 조절할 수 없으므로, 노심 내에 제어봉을 삽입하여 고속로 운전 중의 임계도를 제어한다.
노심 내에 제어봉을 삽입하는 방법은, 노심 하부에서 제어봉을 삽입하는 방법과, 노심 상부에서 제어봉을 삽입하는 방법이 있다. 노심 하부에서 제어봉을 삽입하는 방법은 사고 시, 자연적인 제어봉 낙하가 일어나지 않는다는 단점이 있어, 현대의 고속로는 노심 상부에서 제어봉을 삽입하는 방법을 주로 사용한다.
그러나, 노심 상부에서 제어봉을 삽입하는 방법을 사용하게 되면, 다음과 같은 문제점이 있다.
도 1a는 풀 형태의 고속로의 정상 운전 시 제어봉이 노심 내부에 삽입된 모습을 보여주는 개략도이고, 도 1b는 고속로의 비보호열제거원상실(ULOHS;Unprotected Loss of Heat Sink) 사고 시 제어봉이 인출되는 모습을 보여주는 개략도이다.
도 1a에 도시된 제어봉(3)은 제어봉 구동라인(4)control rod drive line)에 의해 구동되고, 제어봉(3) 및 제어봉 구동라인(4)은 원자로 용기(1) 상부에 고정되게 설치된 원자로 헤드(5) 및 헤드 상부 구조물에 의해 지지된다. 반면에, 원자로 노심(2)은 원자로 용기(1)에 의해 지지된다.
이로 인해, 풀 형태의 고속로는 비보호 사고 중 하나인 비보호열제거원상실 사고 시, 예를 들어 원자로냉각재계통의 열교환기 등이 작동 정지된 경우에 도 1b에 도시한 바와 같이 원자로용기(1)의 온도가 급속히 증가하게 되면 열팽창으로 인해 원자로 용기(1)가 아래쪽으로 팽창하고, 그에 연결된 원자로 노심(2)도 같이 아래쪽으로 내려간다. 반면에, 제어봉 구동라인(4)에 연결된 제어봉(3)은 원자로 헤드(5)에 고정되어 그 위치의 변화가 없으므로, 노심(2)에서 제어봉(3)이 인출되는 현상을 초래할 수 있다. ULOHS 사고 시 노심(2)에서 제어봉(3)이 인출되면, 노심(2)에서 핵연료의 핵분열에 의해 생성되는 중성자의 생산량이 중성자의 소멸량보다 늘어나므로, 즉 임계도가 커지므로, 핵분열로 인해 원자로 용기(1)의 내부 온도가 급격히 상승하여 원자로 용기(1)가 손상되는 등의 문제점이 발생한다.
상기 ULOHS 사고 시 제어봉 인출 현상을 방지하기 위해, 원자로 용기 외벽냉각(ERVC; External Reactor Vessel Cooling) 시스템이 도입된 바 있다.
그러나, 원자로 용기 외벽냉각 시스템은 공랭식으로 원자로 용기를 냉각할 경우 냉각이 가능한 열량이 작아 대용량 원자로에 적용하기가 부적합하고, 수랭식으로 원자로 용기를 냉각할 경우 시스템 설치비용이 고가인 단점이 있다.
또한, ULOHS 사고 시 제어봉 인출 현상은, 제어봉이 임계 위치에서 인출되는 현상이므로, 제어봉 인출 현상을 완화시키기 위해서는 제어봉 인출 시 양의 반응도가 삽입되도록 하는 미분제어봉가(Differential Control rod worth,$/㎝)를 최소화시킬 필요가 있다. 반면에, 원자로 정지를 위해서는 전제어봉가(Total Control rod Worth)가 요구되므로, 전제어봉가를 줄여서는 않된다.
도 2는 미분제어봉가를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 노심 상부에서 노심 내부로 삽입되는 제어봉의 삽입깊이 변화량(Δx)에 따른 반응도가의 변화량(Δρ)을 보여준다.
여기서, 미분제어봉가란 다음 식에 의해 정의된다.
Figure 112015046007973-pat00001
Δx은 노심 상부에서 노심 내부로 삽입되는 제어봉의 삽입량 변화값을 의미하고, Δρ는 반응도가의 변화값을 의미한다.
도 3은 전제어봉가를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 왼쪽 그림에서부터 오른쪽 그림으로 갈수록 노심(2) 상부에서 노심(2) 내부로 삽입되는 제어봉(3)의 삽입량이 증가하는 모습을 보여준다.
전제어봉가(ρtotal)는 다음 식에 의해 정의된다.
Figure 112015046007973-pat00002
κ1은 제어봉의 삽입량이 0(제로)일 때 임계도이고, κ3은 제어봉이 최대로 삽입될 때(x2)의 임계도이다.
한편, 본 출원인에 의해 검색된 선행기술문헌에 따르면, 아래의 D1에 기재된 감소가 팁을 가진 원자로 제어봉은 경수로의 축방향 중성자속 변화율을 감소시키기 위해 제안된 발명이다.
그러나, D1의 발명을 고속로에 적용할 경우, 감소가 팁으로 인해 제어봉 내 중성자 흡수체 총량을 감소시켜 전제어봉가를 감소시키는 문제가 발생한다. 즉, 중성자 흡수 성능이 떨어지는 물질로 제어봉을 구성하였을 때와 동일한 효과를 가지며, 이 경우 미분제어봉가는 완화시킬 수 있지만, 전제어봉가도 동시에 감소하기 때문에 고속로에 적용하기 어렵다.
또한, D2에 기재된 가압경수로형 원자로용 하부 치우침 강도 제어봉은 경수로의 부하추종운전(Load follow operation)을 용이하게 하기 위해 제안된 발명이다.
그러나, D2의 발명을 고속로에 적용할 경우, 다양한 중성자 흡수성능을 가진 중성자 흡수체가 노심부에 위치하기 때문에 최대 중성자 흡수성능을 가진 단일 흡수체 제어봉에 비해 전제어봉가를 감소시킨다. 또한, 중성자의 흡수성능이 제어봉의 하단부로 갈수록 증가하므로, 미분제어봉가가 증가하는 문제가 있다.
상기한 바와 같이, 경수로에서 제안된 제어봉 개념들은 노심에 위치하게 된 제어봉의 내부 구조물을 비균질하게 배치한 것으로 고속로에 적용할 경우 전제어봉가의 감소를 가져온다는 공통된 단점이 있다.
물론, 전제어봉가를 증가시키기 위해 전체적인 중성자 흡수체의 흡수성능을 향상시키는 고농축의 B4C를 사용하는 방법이 제안될 수 있지만, 단일 농축도 제어봉에 비해 경제적이지 못하다.
예를 들면, 단일 농축도 제어봉에서는 20 w/o B4C로 원자로 정지를 위한 전제어봉가를 달성할 수 있다면, 전술된 두 가지 제어봉에서는 30~60 w/o B4C가 요구될 수 있다. 일반적으로, 농축 과정에 소요되는 비용이 고가인 점을 감안하면, 이는 경제적인 측면에서 효율성이 떨어지므로 오히려 심각한 손해를 끼칠 수 있다.
D1: 한국공개특허공보 공개번호 특1986-0001440호(1986. 02. 26.) D2: 한국공개특허공보 공개번호 특2003-0042582호(2003. 06. 02.)
따라서, 본 발명의 일 목적은, 미분제어봉가를 최소화하되, 전제어봉가를 유지하여, 비보호열제거원상실 사고 시 제어봉의 인출현상을 완화시킬 수 있는 제어봉, 제어봉 집합체 및 이를 구비한 원자로를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 제어봉은 원자로의 노심 상부에서 상기 노심 내부로 삽입되어 임계도를 제어하는 기능을 가지며, 상기 제어봉의 길이방향을 따라 형성되며, 중성자 흡수성능이 높은 제1중성자 흡수부; 및 상기 제어봉의 길이방향을 따라 상기 제1중성자 흡수부 하부에 형성되며, 중성자 흡수성능이 상기 제1중성자 흡수부보다 상대적으로 낮은 제2중성자 흡수부로 구성되고, 이러한 구성에 따른 작용으로 원자로 정지 시 상기 제1중성자 흡수부가 노심부에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 원자로 운전 시 상기 제2중성자 흡수부가 상기 노심부에 위치하여 미분제어봉가를 감소시킨다. 이에 의해, 제어봉의 인출현상을 완화시킬 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1중성자 흡수부는 미리 정해진 제1농축도의 중성자 흡수물질로 이루어지고, 상기 제2중성자 흡수부는 상기 제1농축도보다 낮은 제2농축도의 중성자 흡수물질로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 중성자 흡수물질은 탄화붕소(B4C)이고, 상기 농축도는 상기 탄화붕소 중에서 붕소(B) 내의 동위원소인 붕소-10(10B)의 비율을 높인 정도를 의미한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1중성자 흡수부의 길이는 상기 노심의 축방향 길이와 같거나 더 길 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1중성자 흡수부와 제2중성자 흡수부는, 서로 다른 농축도를 가지는 복수의 중성자 흡수체를 포함하고, 상기 중성자 흡수체는 제어봉의 하단부로 갈수록 농축도가 낮아질 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 중성자 흡수부는 원판 형태의 중성자 흡수체를 피복관 내부에 적층시킨 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제1중성자 흡수부 및 제2중성자 흡수부는 서로 다른 밀도의 중성자 흡수물질로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 예에 따르면, 상기한 일 예에 따른 제어봉이 다수개로 집합되어 이루어지는 제어봉 집합체를 제공할 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 원자로의 노심 상부에서 상기 노심 내부로 삽입되어 임계도를 제어하는 다수개의 제어봉이 한 묶음으로 이루어진 제어봉 집합체에 있어서, 상부에 형성된 단일 농축도의 중성자 흡수체와, 하부에 형성된 중성자 흡수성능 저감부로 구성되는 제어봉을 포함하고, 상기 제어봉은, 상기 제어봉 집합체의 전체 길이영역 중 상부영역에 상기 중성자 흡수체가 배치되고, 상기 제어봉 집합체의 상부영역에서 하부영역으로 갈수록 상기 중성자 흡수성능 저감부의 비율이 점점 증가하도록 배치되는 제어봉 집합체를 제공할 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 상기 제어봉 집합체의 상부영역에 배치되는 중성자 흡수체는 노심의 축방향 길이와 같거나 더 길게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 상기 제어봉 집합체의 상부영역에 배치되는 중성자 흡수체는 원자로 정지 시 노심부에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 상기 제어봉 집합체의 하부영역에 배치되는 중성자 흡수성능 저감부는 원자로 운전 시 노심부에 위치하여 미분제어봉가를 감소시킬 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 상기 제어봉 집합체의 하부영역에 배치되는 제어봉의 중성자 흡수성능 저감부의 비율은 제어봉 집합체의 단면에서 제어봉의 위치에 따른 중성자 흡수성능 저감부의 길이변화로 결정될 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 상기 중성자 흡수성능 저감부는, 제어봉 집합체의 하단부로 갈수록 길이가 연장됨에 따라, 비율이 증가할 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 상기 중성자 흡수성능 저감부는 제어봉 집합체의 가장자리부에 배치될 수 있다.
본 발명과 관련하여 또 다른 예에 따르면, 노심 상부에서 상기 노심 내부로 삽입되어 임계도를 제어하는 제어봉; 및 상기 제어봉을 구동시키며, 원자로 헤드 및 헤드 상부 구조물에 의해 지지되는 제어봉 구동라인을 포함하고, 상기 제어봉은, 전체 길이 영역 중 상부와 하부에 각각 중성자 흡수성능이 높은 제1중성자 흡수부 및 중성자 흡수성능이 상기 제1중성자 흡수부보다 상대적으로 낮은 제2중성자 흡수부를 구비하고, 비보호열제어원상실 사고 시 제어봉의 인출현상을 완화시키기 위해, 원자로 정지 시 상기 제1중성자 흡수부가 노심부에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 원자로 운전 시 상기 제2중성자 흡수부가 상기 노심부에 위치하여 미분제어봉가를 감소시키는 원자로를 제공할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 제어봉 하부영역에 중성자 흡수성능이 낮은 영역을 추가로 설치하여, 전제어봉가를 유지하면서 미분제어봉가를 감소시킴에 따라, 비보호열제거원상실 사고 시 제어봉이 인출되더라도 양의 반응도가를 최소화시켜, 도플러 반응도가 및 팽창반응도가 등 부의 반응도가가 양의 반응도가보다 더 크게 할 수 있다.
따라서, 사고 시 부의 반응도가가 삽입되면 원자로는 자연적으로 정지하게 되므로, 기존의 원자로용기 외벽냉각(ERVC) 시스템을 생략할 수 있어 고속로의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1a는 풀 형태의 고속로의 정상 운전 시 제어봉이 노심 내부에 삽입된 모습을 보여주는 개략도이다.
도 1b는 고속로의 비보호열제거원상실(ULOHS;Unprotected Loss of Heat Sink) 사고 시 제어봉이 인출되는 모습을 보여주는 개략도이다.
도 2는 미분제어봉가를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 전제어봉가를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 원자로의 노심에서 제어봉이 완전히 인출된 모습을 보여주는 개략도이고, 도 4b는 도 4a의 제어봉이 노심 상부에서 노심 내부로 완전히 삽입된 모습을 보여주는 개략도이고, 도 4c는 도 4a의 제어봉이 임계 위치에 있는 모습을 보여주는 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다농축도 제어봉을 보여주는 개략도이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다농축도 제어봉을 보여주는 개략도이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 펠렛 형태로 구성되는 제어봉을 보여주는 단면도이다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 형태로 구성되는 제어봉을 보여주는 단면도이다.
도 6은 기존의 제어봉, 도 5a 및 도 5b의 실시예에 따른 제어봉의 전제봉가를 비교하는 그래프이다.
도 7은 기존의 제어봉, 도 5a 및 도 5b의 실시예에 따른 제어봉의 미분제봉가를 비교하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노심 내부에 삽입된 제어봉 집합체를 보여주는 개략도이다.
도 9는 도 8의 제어봉 집합체에 각 영역별로 배치되는 중성자 흡수체 및 중성자 흡수성능 저감부의 분포상태를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명에 관련된 제어봉, 제어봉 집합체 및 이를 구비한 원자로에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 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.
본 발명은 원자로의 노심 상부에서 노심 내부로 삽입되어 임계도를 제어하는 제어봉에 관한 것이다. 또한, 제어봉이 한 묶음으로 이루어지는 제어봉 집합체 및 이를 구비한 원자로에 관한 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 원자로의 노심(120)에서 제어봉(130)이 완전히 인출된 모습을 보여주는 개략도이고, 도 4b는 도 4a의 제어봉(130)이 노심(120) 상부에서 노심(120) 내부로 완전히 삽입된 모습을 보여주는 개략도이고, 도 4c는 도 4a의 제어봉(130)이 임계 위치에 있는 모습을 보여주는 개략도이다.
본 발명의 제어봉(130)은 액체 금속을 냉각재로 사용하는 고속로에만 한정하여 적용되는 것이 아니라, 물을 냉각재 및 감속재로 사용하는 경수로에도 적용가능하다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 원자로는 고속 중성자를 이용하는 고속 중성자로 혹은 고속로이다.
고속로 내부 중앙에는 노심(120)이 위치하고, 노심(120)에 핵연료봉이 저장된다. 주로 사용되는 핵연료 중 하나인 우라늄(235U)은 핵분열(큰 원자가 두 개 이상의 다른 원자핵으로 쪼개지는 현상)로 인한 연쇄반응으로 에너지를 생성한다.
또한, 고속로 내부에는 노심(120) 상부로 플래넘(Plenum)과 상부 반사체(Upper Reflector)가 위치하고, 노심(120) 하부로 하부 반사체(121)(Lower Reflector)가 위치한다.
플래넘은 액체 금속인 소듐(Sodium)이 채워지는 소듐 플래넘과, 소듐 플래넘의 상부에 가스가 채워지는 가스 플래넘을 포함할 수 있다. 소듐은 고속로에서 냉각재로 사용될 수 있다.
노심(120)의 상부 및 하부에 각각 위치하는 반사체는 노심(120)의 상부와 하부를 둘러싸서 원자로 내에서 발생한 중성자가 바깥으로 누출되지 않도록 한다. 반사체는 노심(120)의 측면을 감쌀 수도 있다. 상기 반사체는 노심(120)에서 누출되는 중성자를 노심(120)으로 반사시켜 되돌아가게 하고, 누출되는 고속중성자를 감속시켜 노심(120)으로 되돌려 보내서 노심(120) 내의 중성자 밀도의 저하를 방지할 수 있다. 에너지가 높은 고속 중성자로 핵분열을 일으키도록 설계되어 있는 고속 중성자로에서는 감속능력이 낮은 철 등이 반사체로 사용될 수 있다.
노심(120) 내부에는 제어봉(130)이 수직방향으로 삽입될 수 있다. 제어봉(130)은 연쇄핵분열의 매개체인 중성자를 흡수해 연쇄핵분열 속도를 조절한다. 제어봉(130)은 제어봉 구동라인(150)의 하단부에 연결되어 지지되어, 제어봉 구동라인(150)에 의해 노심(120) 상부에서 노심(120) 내부로 삽입되는 제어봉(130)의 삽입 깊이 혹은 삽입량이 조절될 수 있다. 상기 노심(120) 내부에는 다수개의 제어봉(130)들로 이루어진 적어도 한 묶음 이상의 제어봉 집합체가 삽입될 수 있다. 제어봉(130) 및 제어봉 집합체는 원자로 내부에서 수직하게 배치될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다농축도 제어봉(130)을 보여주는 개략도이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다농축도 제어봉(230)을 보여주는 개략도이다.
제어봉(130)은 다농축도의 중성자 흡수부(131,132)로 구성될 수 있다.
도 5a에 도시된 제어봉(130)은 전체 길이영역 중 상부영역에 형성되는 제1중성자 흡수부(131)와, 그 하부영역에 형성되는 제2중성자 흡수부(132)로 구성될 수 있다. 제1중성자 흡수부(131)와 제2중성자 흡수부(132)는 제어봉(130)의 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
제1중성자 흡수부(131)는 중성자 흡수성능이 높고, 제2중성자 흡수부(132)는 제1중성자 흡수부(131)보다 중성자 흡수성능이 상대적으로 낮을 수 있다.
제1중성자 흡수부(131)는 미리 정해진 제1농축도의 중성자 흡수물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 중성자 흡수물질은 탄화붕소(B4C)일 수 있다. 제1중성자 흡수부(131)는 20 w/o B4C로 이루어질 수 있다. 20 w/o B4C에서 20 w/o는 농축도를 의미하고, 이는 농축 과정을 통해 B4C 중에서 붕소(B) 내의 동위원소인 붕소-10(10B)의 비율을 20 중량%로 높이고, 나머지 동위원소인 붕소-11(11B)를 80 중량%로 줄인 것을 의미한다. 다시 말해서, 제1중성자 흡수부(131)는 20 w/o의 농축도를 가진 B4C일 수 있다.
여기서, 제1중성자 흡수부(131)는 원자로의 정지 시 노심부(120)에 위치하여 원자로 정지를 위해 요구되는 전제어봉가를 유지해야 하므로, 이를 만족할 수 있을 정도의 농축도를 가지면 되며, 20 w/o로 한정되지 않는다. 또한, 제1중성자 흡수부(131)는 원자로 정지를 위해 제어봉(130)이 삽입가능한 노심(120)의 전체 유효 길이(또는 전체 유효 높이)와 같거나 더 길게 형성될 수 있다.
제2중성자 흡수부(132)는 제1농축도보다 낮은 제2농축도의 중성자 흡수물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 10 w/o B4C로 이루어질 수 있다.
여기서, 제2중성자 흡수부(132)는 원자로 운전 시 노심부(120)에 위치하여 비보호열제거원상실 사고 시 제어봉(130) 인출 현상을 완화시키기 위해 요구되는 미분제어봉가로 감소시켜야 하므로, 이를 만족할 수 있을 정도의 농축도를 가지면 되며, 10 w/o의 농축도로 한정되지 않는다.
또한, 제2중성자 흡수부(132)는 20 w/o B4C 제어봉(130) 하단부에 그 길이방향을 따라 추가로 연장된 10 w/o B4C일 수 있다.
예를 들어 도 5a에 도시된 제어봉(130)은 전체 길이 영역 중 상부영역에 위치하는 90cm 길이의 20 w/o B4C(131)와 하부영역에 위치하는 90cm 길이의 10 w/o B4C(132)로 구성되어, 총 180cm의 길이로 이루어질 수 있다. 이처럼 제어봉(130)의 길이를 증가시킬 수 있는 이유는 노심부(120) 하단에 차폐를 위한 하부 반사체(121)가 설치되어야 하지만, 제어봉(130) 또는 제어봉 집합체의 하부에는 여유 공간(133)이 있기 때문이다(도 4a 참조). 즉, 제어봉(130)은 중성자 흡수물질로 이루어져, 노심(120) 속에 장입된 핵연료봉으로부터 발생되는 중성자가 제어봉(130) 하부 또는 제어봉 집합체 하부로 이동할 경우는 매우 희박하므로, 하부 반사체(121)가 제어봉(130) 하부에 구비되지 않아도 문제가 없다. 다만, 제어봉(130)이 자연 낙하될 경우에 대비해 제어봉(130) 하단에 댐퍼가 구비될 경우에 제어봉(130) 하단부의 여유 공간(133)이 줄어들 수 있다.
도 5b에 도시된 제어봉(230)은 전체 길이 영역 중 상부영역에 위치하는 90cm 길이의 20 w/o B4C(231)와 하부영역에 위치하는 45cm 길이의 10 w/o B4C(232)로 구성되어, 총 135cm의 길이로 이루어질 수 있다.
제어봉(230)의 하부영역에 위치하는 제2중성자 흡수부(232)의 길이는 특별한 제한이 없다. 노심(120)의 하부 반사체(121)의 길이가 허락하는 한도 내에서 제어봉(230) 하부영역의 길이가 설정될 수 있다. 즉, 노심(120)의 하부 반사체(121)의 축방향 길이가 길수록 제2중성자 흡수부(232)의 길이를 상기 하부 반사체(121)의 축방향 길이까지 최대로 늘릴 수 있다.
또한, 상기 도 5a 및 도 5b에 도시된 제어봉(130,230)은 각각 상부영역 및 하부영역 두 개의 영역으로 구비되어 있지만, 항상 축 방향으로 두 영역을 가지는 제어봉(130,230)이 사용될 필요는 없다. 농축도가 서로 다른 복수의 중성자 흡수체를 포함할 수 있다. 다만, 상기 중성자 흡수체의 농축도 분포는 제어봉(130)의 상단부에서 하단부로 갈수록 낮은 농축도로 구성된다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 펠렛(332) 형태로 구성되는 제어봉(330)을 보여주는 단면도이다.
또한, 상이한 농축도의 중성자 흡수체 또는 중성자 흡수부는 제어봉(130) 내에 펠렛(332)(pellet) 형태로 각기 구성될 수 있다. 여기서, 펠렛(332) 형태의 중성자 흡수부라 함은 원판 형태의 중성자 흡수체를 금속재질의 피복관(331) 내부에 적층시킨 구조로 이루어지는 것을 의미한다.
또한, 상이한 중성자 흡수성능을 갖는 중성자 흡수체는 다농축도 및/또는 다밀도로 구현될 수 있다.
여기서, 다밀도는 중성자 흡수물질의 양이 다름을 의미한다.
예를 들어, 다밀도의 제어봉(330)의 일실시예로, 20 w/o B4C의 중성자 흡수체가 제어봉(330)의 상부영역에 펠렛(332) 형태로 더 많이 적층되고, 그 하부영역에 상대적으로 적게 적층될 수 있다. 이 경우 제어봉(330)의 상부영역에는 두께가 동일한 펠렛(332) 형태의 중성자 흡수체가 제어봉(330)의 상부영역에 좁은 간격으로 적층되고, 상기 중성자 흡수체가 그 하부영역에는 더 넓은 간격으로 이격되게 적층될 수 있다. 이때, 중성자 흡수체 사이에 중성자 흡수성능이 현저하게 낮은 금속재질, 예를 들면 스테인리스 재질의 펠렛이 삽입 배치될 수 있다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 형태로 구성되는 제어봉(430)을 보여주는 단면도이다.
또한, 다밀도 제어봉(430)의 다른 실시예로, 20 w/o B4C의 중성자 흡수체가 분말 형태로 이루어지고, 제어봉(430)의 상부영역에 중성자 흡수체 분말(431)이 빽빽하게 분포될 수 있고, 그 하부영역에 중성자 흡수체 분말(431)이 듬성듬성 분포될 수 있다.
예를 들어, 제어봉(130) 내부에 단일 농축도의 중성자 흡수체 분말(431)과 스테인리스 스틸 분말(432)이 혼합되어 있고, 제어봉(130)의 상부영역에서 제어봉(130)의 하부영역으로 갈수록 중성자 흡수체 분말(431)의 양이 상대적으로 감소되고 스테인리스 스틸 분말(432)의 양이 증가되어, 중성자 흡수성능이 제어봉(130) 하부로 갈수록 감소될 수 있다. 도 5d의 분말 크기는 중성자 흡수체 분말(431)과 스테인리스 스틸 분말(432)을 구분하기 위해 다르게 표시한 것이며, 실제 중성자 흡수체 분말(431)은 스테인리스 스틸 분말(432)에 비해 클 수 있다. 혹은 중성자 흡수체 분말(431)이 스테인리스 스틸 분말(432)보다 작거나 같을 수 있다.
상기와 같이 구성된 제어봉(130)의 작용원리 및 제어봉(130)의 제어방법을 설명하기로 한다.
제어봉(130)은 노심(120) 상부에서 노심(120) 내부로 삽입되는 정도에 따라 임계도를 제어할 수 있다. 임계도는 중성자의 생성량과 중성자의 소멸량의 비율을 나타낸다. 임계도가 증가할수록 중성자의 생성량이 증가하고, 중성자의 소멸량은 감소한다. 임계도가 감소하는 경우에는 그 반대이다.
또한, 제어봉(130)은 중성자 흡수물질로 이루어지므로, 제어봉(130)이 노심(120) 내부로 삽입됨에 따라, 노심(120)에서 발생한 중성자를 흡수할 수 있다. 제어봉(130)이 노심(120) 내부로 삽입되는 깊이(삽입량)가 증가할수록 노심(120) 내부에 위치하는 제어봉(130)의 면적이 증가하므로 중성자를 더 많이 흡수할 수 있다. 이는, 노심(120) 상부에서 노심(120) 내부로 삽입되는 제어봉(130)의 깊이가 깊을수록 노심(120) 내부에서의 중성자 생성량이 줄어들며, 결국 임계도가 감소한다.
반대로, 제어봉(130)이 노심(120) 내부에서 노심(120) 상부로 인출됨에 따라, 노심(120) 내부에 삽입된 제어봉(130)의 깊이가 줄어들며, 노심(120) 내부에 위치하는 제어봉(130)의 면적이 감소하므로 중성자 흡수량이 줄어든다. 이는, 제어봉(130)이 노심(120) 내부에서 노심(120) 상부로 인출되는 양이 커질수록 노심(120) 내부에서의 중성자 생성량이 늘어나며, 결구 임계도가 증가한다.
상기와 같은 제어봉(130)의 작용원리에 따라 임계도가 제어되는 것이다. 또한, 원자로에서 에너지를 안정적으로 생산하기 위해 임계도를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 또한, 액체 금속을 냉각재로 사용하는 고속로에서는, 경수로와 달리 붕산을 냉각재에 용해시켜 임계도를 조절하는 것이 불가능하므로, 제어봉(130)에 의해 임계도를 조절할 수밖에 없다.
그러나, 제어봉 구동라인(150)의 고장 등으로 인해 제어봉(130)의 삽입량을 조절하는 것이 불가능한 경우, 그리고 안전계통의 고장 등 비보호 사고 시, 특히 비보호열제거원상실 사고 시 원자로 용기의 열팽창에 따라 제어봉(130)이 노심(120)에서 인출되면, 임계도의 증가로 원자로에 심각한 손상을 줄 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 원자로 정지를 위해 요구되는 전제어봉가를 유지하고, 임계도를 최소화시키기 위해 미분제어봉가를 감소시킬 필요가 있다.
본 발명의 제어봉(130)에 따르면, 원자로 정지시 제어봉(130)의 상부영역이 노심부(120)에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 원자로 운전시 제어봉(130)의 하부영역이 노심부(120)에 위치하여 미분제어봉가를 감소시킨다.
제1실시예에 따른 다농축도 제어봉(130)에 의하면, 도 4b에 도시한 바와 같이 제어봉(130)의 상부영역에 형성된 제1중성자 흡수부(131)(20 w/o B4C)가 노심(120)에 위치하여 원자로를 정지시킬 수 있다. 이 경우 제1중성자 흡수부(131)는 20 w/o의 농축도를 가진 중성자 흡수물질 B4C을 내장하며, B4C 중에서 B 내의 동위원소인 B-10의 비율을 20 중량%로 높인 20 w/o B4C는 원자로 정지를 위해 요구되는 전제어봉가를 갖는다. 이때, 제1중성자 흡수부(131)는 노심(120)의 축방향 길이 전체에 걸쳐 있고, 제어봉(130)의 하부영역에 형성된 제2중성자 흡수부(132)는 노심(120) 하부의 여유공간에 삽입된다.
또한, 도 4c에 도시한 바와 같이 다농축도 제어봉(130)이 임계 위치에서 인출될 경우에, 제어봉(130)의 하부영역에 형성된 제2중성자 흡수부(132)(10 w/o B4C)가 노심(120)에 위치하여 미분제어봉가를 감소시킬 수 있다. 이 경우 제2중성자 흡수부(132)는 10 w/o의 농축도를 가진 중성자 흡수물질 B4C을 내장하며, B4C 중에서 B 내의 동위원소인 B-10의 비율을 10 중량%로 높인 10 w/o B4C는 제1중성자 흡수부(131)에 비해 상대적으로 중성자 흡수성능이 낮다. 이에 의해 미분제어봉가가 감소된다.
미분제어봉가는 전술한 바와 같이 제어봉(130)의 삽입량에 따른 반응도가 변화량을 의미하므로, 10 w/o B4C의 미분제어봉가가 기존의 20 w/o B4C에 비해 더 낮다.
여기서, 반응도가는 다음 식에 의해 정의된다.
Figure 112015046007973-pat00003
κ1은 노심(120) 내부에서 제어봉(130)의 위치에 따른 처음 임계도이고, κ2는 노심(120) 내부에서 제어봉(130)의 위치에 따른 나중 임계도이다.
상기 식에 의하면, 제어봉(130)의 삽입량이 증가할 경우(κ1 >κ2 ) 반응도가는 증가하지만, 임계도는 감소한다. 반대로, 제어봉(130)의 삽입량이 줄어들 경우, 즉 제어봉(130)이 인출될 경우 반응도가는 감소하지만, 임계도는 증가한다.
미분제어봉가를 감소시키기 위해서는 중성자 흡수성능이 높은 제1중성자 흡수부(131)보다 중성자 흡수성능이 낮은 제2중성자 흡수부(132)가 노심(120) 내부에 위치하는 것이 더 바람직하다.
왜냐하면, 제1중성자 흡수부(131)와 제2중성자 흡수부(132)가 노심(120) 내부에서 인출되는 양이 같다고 가정하면 중성자 흡수성능이 높은 경우의 제1중성자 흡수부(131)보다 중성자 흡수성능이 낮은 제2중성자 흡수부(132)의 반응도가 변화량이 더 작아지므로, 미분제어봉가를 감소시킬 수 있다.
즉, 제어봉(130)이 동일한 크기로 인출될 때 중성자 흡수성능이 높으면 반응도 변화량이 커지고, 중성자 흡수성능이 낮으면 반응도 변화량이 그만큼 낮아지기 때문이다. 이는 중성자 흡수성능이 낮은 경우에 제어봉(130)의 인출 시 중성자 흡수량의 변화가 줄어든다.
이에 의해, 제2중성자 흡수부(132)가 노심(120)의 임계위치에서 인출될 때 미분제어봉가가 감소됨에 따라 중성자 생성량의 증가가 줄어들며, 임계도가 최소화되는 것이다.
도 6은 기존의 제어봉, 도 5a 및 도 5b의 실시예에 따른 제어봉(130)의 전제봉가를 비교하는 그래프이고, 도 7은 기존의 제어봉, 도 5a 및 도 5b의 실시예에 따른 제어봉(130)의 미분제봉가를 비교하기 위한 그래프이다.
기존의 제어봉은 90cm 길이의 20 w/o B4C로 구성되고, 도 5a에 도시된 제어봉(130)은 90cm 길이의 20 w/o B4C(131)와 90cm 길이의 10 w/o B4C(132)로 구성되고, 도 5b에 도시된 제어봉(230)은 90cm 길이의 20 w/o B4C(231)와 50cm 길이의 10 w/o B4C(232)로 구성된다.
이때, 상기 전제어봉가 및 미분제어봉가의 계산은 MCNP6[3] 전산코드를 사용하여 수행되었다.
도 6을 참조하여 각 제어봉(130)의 전제어봉가를 비교하면, 기존의 제어봉(TYPICAL), 도 5a 및 도 5b의 실시예에 따른 제어봉(130,230) 모두가 거의 유사한 크기의 전제어봉가를 나타냄을 확인할 수 있었다. 오히려 본 발명의 제어봉(130) 하부에 더 형성된 10 w/o B4C(132,232)의 영향으로 도 5a 및 도 5b에 도시된 제어봉(130,230)의 전제어봉가가 기존의 제어봉보다 조금 더 크게 나타났다.
도 7을 참조하여 각 제어봉(130)의 미분제어봉가를 비교하면, 도 5b에 도시된 제어봉(130)의 미분제어봉가 최대값이 기존의 제어봉에 비해 67%로 크게 감소하였다.
따라서, 본 발명에 의하면 전제어봉가를 유지하면서 미분제어봉가를 감소시켜, 비보호열제거원상실 사고시 임계도를 최소화함에 따라 제어봉(130)의 인출현상을 완화시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노심(520) 내부에 삽입된 제어봉 집합체(530)를 보여주는 개략도이고, 도 9는 도 8의 제어봉 집합체(530)에 각 영역별로 배치되는 중성자 흡수체(531) 및 중성자 흡수성능 저감부(532)의 분포상태를 보여주는 단면도이다.
도 8에 도시된 제어봉 집합체(530)는 노심(520) 내부에 적어도 하나 이상 수직하게 배치될 수 있다. 제어봉 집합체(530)는 동일한 길이의 제어봉이 다수개로 수직하게 집합되어 한 묶음을 이룰 수 있다.
상기 제어봉 집합체(530)를 구성하는 제어봉은 단일 농축도의 중성자 흡수체(531)를 포함한다. 이때 중성자 흡수체(531)는 봉(rod) 형태로 이루어진다. 예를 들면, 중성자 흡수체(531)는 20 w/o B4C로 이루어질 수 있다.
제어봉은 제어봉 집합체(530)의 전체 길이영역 중 각 영역별로 중성자 흡수성능이 서로 다를 수 있다.
제어봉은 단일 농축도의 중성자 흡수체(531)와 중성자 흡수성능 저감부(532)로 구성될 수 있다. 제어봉의 중성자 흡수체(531)는 제어봉 집합체(530)의 상부영역에 배치되고, 제어봉의 중성자 흡수성능 저감부(532)는 제어봉 집합체(530)의 하부영역에 배치될 수 있다.
예를 들어, 중성자 흡수성능 저감부(532)는 스테인리스 스틸 재질의 봉 일 수 있다. 스테인리스 스틸은 중성자를 흡수하는 기능이 있으나, 중성자 흡수체(531)에 비해 중성자 흡수성능이 매우 미약하다. 중성자 흡수체(531)의 중성자 흡수성능이 100이라고 한다면, 스테인리스 스틸(532)의 중성자 흡수성능은 1이하이다.
제어봉은 제어봉 집합체(530)의 상부영역에서 하부영역으로 갈수록 중성자 흡수성능 저감부(532)의 비율이 점점 증가하도록 배치될 수 있다.
상기 중성자 흡수성능 저감부(532)의 비율은 제어봉 집합체(530)의 단면에서 제어봉의 위치에 따른 중성자 흡수성능 저감부(532)의 길이변화로 결정될 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 제어봉 집합체(530)는 수평방향으로 절단될 경우에 육각형 단면 모양을 형성할 수 있다. 도 9에 도시된 6개의 영역은 제어봉 집합체(530)의 단면에서 중성자 흡수성능 저감부(532)의 분포 정도를 보여준다. 제1영역은 제어봉 집합체(530)의 전체 길이영역 중 상부영역에 속하는 제어봉 집합체(530)의 단면을 보여준다. 제2영역 내지 제6영역은 제어봉 집합체(530)의 하부영역에 속하는 제어봉 집합체(530)의 단면을 보여준다. 다만, 제2영역 내지 제6영역은 제어봉 집합체(530)의 하부영역에서 위로부터 아래 순서대로 각각 제어봉 집합체(530)의 단면을 보여준다. 도 9의 각 영역별로 제어봉의 중성자 흡수체(531) 및 중성자 흡수성능 저감부(532)의 비율을 살펴보면, 제2영역에서 제6영역으로 갈수록 제어봉 집합체(530)의 단면에 배치되는 중성자 흡수성능 저감부(532)의 비율이 증가되는 모습을 보여준다. 이때, 중성자 흡수성능 저감부(532)는 제어봉 집합체(530)의 하단부로 갈수록 길이가 연장될 수 있고, 제어봉 집합체(530)의 하단부로 갈수록 길이가 긴 중성자 흡수성능 저감부(532)의 갯수가 늘어난다. 또한, 중성자 흡수성능 저감부(532)는 중성자 흡수체(531)에 비해 부피비가 작으므로, 제어봉 집합체(530)의 가장자리부에 배치될 수 있다. 하지만, 제어봉 집합체(530)의 중앙부에 중성자 흡수성능 저감부(532)가 위치할 수도 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 중성자 흡수성능 저감부(532)는 중성자 흡수체(531)에 비해 상대적으로 중성자 흡수성능이 거의 없으므로, 제어봉 집합체(530)의 하단부로 갈수록 중성자 흡수성능이 감소된다.
도 8에 도시된 제어봉 집합체(530)의 상부영역에 배치되는 중성자 흡수체(531)는 노심(520)의 축방향 길이(노심(520) 하단에서 상단까지의 높이)와 동일하거나 더 길게 형성될 수 있다. 이에 의해, 원자로 정지 시 노심(520)부에 위치하여 전제어봉가를 유지할 수 있다.
도 8에 도시된 제어봉 집합체(530)의 하부영역에 배치되는 중성자 흡수성능 저감부(532)는 원자로 운전 시 노심(520)부에 위치하여 미분제어봉가를 감소시킬 수 있다.
도 9에 도시된 제2영역 내지 제6영역은 제어봉 집합체(530)의 하부영역에 속하며, 제어봉 집합체(530)의 하부영역은 노심(520) 하부의 하부 반사체(521)의 길이가 허락되는 한도 내에서 길이의 특별한 제한이 없다.
이상에서 설명된 제어봉(130,230), 제어봉 집합체(530) 및 이를 구비한 원자로는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
120,520 : 노심부
121,521 : 하부 반사체
130,230,330,430 : 제어봉
530 : 제어봉 집합체
131,231 : 제1중성자 흡수부
132,232 : 제2중성자 흡수부
531 : 중성자 흡수체
532 : 중성자 흡수성능 저감부
331 : 피복관
332 : 펠렛
431 : 중성자 흡수체 분말
432 : 스테인리스 스틸 분말
150 : 제어봉 구동라인

Claims (15)

  1. 원자로 헤드, 내부에 수용되는 노심, 상기 노심에서 누출될 중성자를 상기 노심으로 반사시키는 하부 반사체를 구비하는 원자로용기;
    상기 노심 내부에 삽입되어 중성자의 임계도를 제어하는 제어봉;
    상기 원자로용기 상부의 원자로 헤드에 설치되고, 상기 제어봉을 하방향으로 노심 내부에 삽입하거나 상기 노심에서 상방향으로 인출하는 제어봉 구동라인;
    을 포함하고,
    상기 제어봉은,
    상기 제어봉의 길이방향을 따라 형성되며, 중성자 흡수성능이 높고 제1농축도의 중성자 흡수물질을 포함하는 제1중성자 흡수부; 및
    상기 제1중성자 흡수부의 하단에서 하방향으로 연장되며, 중성자 흡수성능이 상기 제1중성자 흡수부보다 상대적으로 낮고, 농축도가 상기 제1농축도보다 낮은 제2농축도의 중성자 흡수물질을 포함하는 제2중성자 흡수부로 구성되고,
    상기 하부 반사체의 내부에 상기 제어봉의 하부로 여유공간이 형성되어, 상기 제어봉의 제2중성자 흡수부가 상기 여유공간으로 삽입 가능하고,
    원자로 정지 시 상기 제1중성자 흡수부는 노심 내에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 상기 제2중성자 흡수부는 상기 하부 반사체의 여유 공간 내에 위치하며,
    비보호 열제거원상실 사고 시 상기 원자로용기가 상기 원자로 헤드에 대하여 하방향으로 팽창함에 따라 상기 제어봉이 상기 노심에서 인출될 때, 상기 제2중성자 흡수부는 상기 여유 공간에서 상기 노심 내부로 상승하여 미분제어봉가를 감소시키는 것을 특징으로 하는 원자로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중성자 흡수물질은 탄화붕소(B4C)인 것을 특징으로 하는 원자로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1중성자 흡수부의 길이는 상기 노심의 축방향 길이와 같거나 더 긴 것을 특징으로 하는 원자로.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중성자 흡수부는 원판 형태의 중성자 흡수체를 피복관 내부에 적층시킨 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
  7. 삭제
  8. 원자로 헤드, 내부에 수용되는 노심, 상기 노심에서 누출될 중성자를 상기 노심으로 반사시키는 하부 반사체를 구비하는 원자로용기;
    상기 노심 내부에 삽입되어 중성자의 임계도를 제어하고, 복수개의 제어봉이 한 묶음으로 이루어진 제어봉 집합체;
    상기 원자로용기 상부의 원자로 헤드에 설치되고, 상기 복수개의 제어봉을 하방향으로 노심 내부에 삽입하거나 상기 노심에서 상방향으로 인출하는 제어봉 구동라인;
    을 포함하고,
    상기 복수개의 제어봉 중 일부의 제어봉은 단일 농축도의 중성자 흡수체로 이루어지고, 다른 일부의 제어봉은 단일 농축도의 중성자 흡수체와 상기 중성자 흡수체의 하단에서 하방향으로 연장되는 중성자 흡수성능 저감부를 조합하여 이루어지고,
    상기 복수개의 제어봉 중 다른 일부의 제어봉은, 상기 제어봉 집합체의 전체 길이영역 중 상부영역에서 하부영역으로 갈수록 상기 중성자 흡수성능 저감부의 비율이 증가하고,
    상기 하부 반사체의 내부에 상기 제어봉의 하부로 여유공간이 형성되어, 상기 제어봉 집합체의 하부영역은 상기 여유공간으로 삽입 가능하고,
    원자로 정지시 상기 제어봉 집합체의 상부영역은 노심 내에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 상기 제어봉 집합체의 하부영역은 상기 하부 반사체의 여유 공간 내에 위치하며,
    비보호 열제거원상실 사고 시 상기 원자로용기가 상기 원자로 헤드에 대하여 하방향으로 팽창함에 따라 상기 제어봉이 상기 노심에서 인출될 때, 상기 제어봉 집합체의 하부영역은 상기 여유 공간에서 상기 노심 내부로 상승하여 미분제어봉가를 감소시키는 것을 특징으로 하는 원자로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어봉 집합체의 상부영역에 배치되는 중성자 흡수체는 노심의 축방향 길이와 같거나 더 긴 것을 특징으로 하는 원자로.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어봉 집합체의 상부영역에 배치되는 중성자 흡수체는 원자로 정지 시 노심부에 위치하여 전제어봉가를 유지하고,
    상기 제어봉 집합체의 하부영역에 중성자 흡수성능 저감부가 배치되어 원자로 운전 시 노심부에 위치하여 미분제어봉가를 감소시키는 것을 특징으로 하는 원자로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어봉 집합체의 하부영역에 배치되는 제어봉의 중성자 흡수성능 저감부의 비율은 제어봉 집합체의 단면에서 제어봉의 위치에 따른 중성자 흡수성능 저감부의 길이변화로 결정되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중성자 흡수성능 저감부는, 제어봉 집합체의 하단부로 갈수록 길이가 연장됨에 따라, 비율이 증가하는 것을 특징으로 하는 원자로.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 중성자 흡수성능 저감부는 제어봉 집합체의 가장자리부에 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  14. 삭제
  15. 원자로 헤드, 내부에 수용되는 노심, 상기 노심에서 누출될 중성자를 상기 노심으로 반사시키는 하부 반사체를 구비하는 원자로용기;
    상기 노심 내부에 삽입되어 중성자의 임계도를 제어하는 제어봉;
    상기 원자로용기 상부의 원자로 헤드에 설치되고, 상기 제어봉을 하방향으로 노심 내부에 삽입하거나 상기 노심에서 상방향으로 인출하는 제어봉 구동라인;
    을 포함하고,
    상기 제어봉은, 단일 농축도의 중성자 흡수체를 포함하고, 상기 제어봉의 전체 길이 영역 중 상부영역은 상기 중성자 흡수체의 분포비율이 크고, 상기 상부영역의 하부에 배치되는 제어봉의 하부영역은 상기 중성자 흡수체의 분포비율이 상기 제어봉의 상부영역보다 작으며,
    상기 하부 반사체의 내부에 상기 제어봉의 하부로 여유공간이 형성되어, 상기 제어봉의 하부영역은 상기 여유공간으로 삽입 가능하고,
    원자로 정지시 상기 제어봉의 상부영역은 노심 내에 위치하여 전제어봉가를 유지하고, 상기 제어봉의 하부영역은 상기 하부 반사체의 여유 공간 내에 위치하며,
    비보호 열제거원상실 사고 시 상기 원자로용기가 상기 원자로 헤드에 대하여 하방향으로 팽창함에 따라 상기 제어봉이 상기 노심에서 인출될 때, 상기 제어봉의 하부영역은 상기 여유 공간에서 상기 노심 내부로 상승하여 미분제어봉가를 감소시키는 것을 특징으로 하는 원자로.
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