KR101730058B1 - 핵연료봉 및 이러한 연료봉에 대한 펠렛을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 새로운 핵연료봉에 대한 것이다. 본 발명에 따르면, 봉(1)의 클래딩(2)은 그 길이방향의 단면에서 타원 형상을 가지며, 각각의 핵연료 펠렛(6)은 클래딩의 장축을 따라 절두형 타원 형상을 가진다. 펠렛의 단축은 인접한 조립체 간격(j)에서 클래딩 단축에 동일한 길이로 되며, 클래딩 축 및 페렛의 길이가 짧아진 장축 사이의 길이 차이는 조립체 간격(j)보다 훨씬 크다. 본 발명은 핵연료봉을 형성하기 위하여 클래딩 내에서 펠렛의 핵연료봉을 제조하고 적층하는 방법에 대한 것이다.

Description

핵연료봉 및 이러한 연료봉에 대한 펠렛을 제조하는 방법{Nuclear fuel rod and method for manufacturing pellets for such a fuel rod}

본 발명은 새로운 타입의 핵연료봉에 대한 것이다.

이러한 새로운 타입의 핵연료봉에 대하여 목적하는 장치는 핵가압수 반응기(PWR: Pressurized Water Reactor)와 4세대 반응기로 불리는 기체-냉각 급속반응기(GCFR: Gas-Cooled Fast Reactor)를 포함한다.

이러한 전체 장치의 목적을 위하여, "핵반응기"는 현재에 이 용어에 대한 일반적인 의미를 가리키는데, 소위 연료 요소를 사용하는 핵분열 반응기에 기초하여 에너지를 발생시키는 파워스테이션을 가리키며, 여기서 분열 반응은 열 형태로 전력을 방출하게 되며, 이러한 전력은 상기 연료 요소를 냉각시키는 냉각재와의 열교환에 의해 연료 요소로부터 추출된다.

이러한 전체 장치의 목적에 있어서, "핵연료봉"은 예를 핵과학 및 기술 사전에서 정의된 공식적인 의미를 가리키는 것으로서, 양 단부가 폐쇄된 작은 직경의 폭이 좁은 튜브로서, 핵반응기의 코어를 형성하고 분열 재료를 담게 된다. 이러한 것은 "핵연료핀"을 형성하는데, 본 발명의 설명에서 사용되는 이러한 용어는 핵연료봉이다.

따라서 본 발명은 연료 펠렛과 클래딩 사이의 기계적인 작용시에 열적 기계 거동이 향상된 핵연료봉에 대한 새로운 설계를 개시한다.

작동 조건 및 반응기 성능에 따라 연료 요소에는 서로 다른 여러가지 타입이 존재한다. 소위 3세대 파워스테이션 및 특히 PWR 반응기는 원형 단면을 가진 봉 타입의 연료 요소를 사용한다.

본 발명자는 연료 요소의 개념을 향상시켰다.

본 발명자는 설계 원리를 이해하고 공지의 연료 요소의 기능적 한계를 인식함으로써 시작하였다.

연료 요소가 거동해야 하는 주기능은,

- 분열 원자의 밀도는 중성자(neutron) 기능 조건 및 반응 부피의 단위 부피당 전력 밀도에 대응해야 한다는 것,

- 연료 요소와 열전달 유체 사이에 열을 전달해야 한다는 것,

- 반응기의 작동시에 연료에 의해 방출되는 고체 및 기체 분열 산물을 한정해야 한다는 것이다. 연료 내부에서의 분열 반응은 재료의 구조의 잠재적으로 현저한 증가를 일으키는 고체 및 기체 분열 산물을 생성하게 된다. 특히 기체 상태에서의 이러한 증가 현상은 분열 기체가 연료 재료의 외측에서 방출되는 메커니즘을 유도하는 열에 의해 활성화된다. 따라서, 연료 요소의 클래딩은 이러한 변형을 수용할 수 있어야 할 필요가 있고 전체성을 상실하지 않으면서도 연료로부터의 기체상 방출을 수용할 수 있어야 할 필요가 있다.

상기 연료 내에서의 분열 반응의 밀도는 상기 클래딩을 통하여 냉각재로 진공처리되어지는 단위 부피당 전력에 직접 관련된다.

따라서, 이러한 열플럭스에 의해 유도되는 최대 연료 온도와 영향을 제한하기 위하여, 상기 열원 및 냉각재 사이에서 열저항과 상기 연료와 클래딩 사이의 차등 팽장 및 재료에서의 구배를 최소화하는 것이 필수적이다.

반응 부피에서 분열 재료의 밀도는 허용가능한 압력 손실로써 상기 요소에 의해 발생되는 전력을 비우도록 냉각재에 대하여 필수적인 투과성을 유지하면서도 최대 충진비에서 목적함으로써 주어진 부피에서 나타나는 성능을 제한하는 상기 요소의 형상에 원칙적으로 영향을 받게 된다.

핵 설비에 일반적으로 장착되는 기본적인 연료 요소는 3가지 타입으로 분류되는데, 구체적으로 플레이트 타입 요소(모든 형상), 봉의 형상으로 된 요소를 형성하는 축방향으로 따라 원통형 타입의 길다란 요소 (일반적으로 원형 또는 환형 단면), 그리고 작은 직경 입자(약 밀리미터 수준)의 형태인 구형 타입 요소로 분류된다.

또한, 불활성 매트릭스에 케이싱된 구형 입자로부터 생성된 복합 연료 요소는 고온 반응기(HTR)에서 전술한 3가지 기하학적 형태인, 소위 볼, 플레이트 및 컴팩트 형상으로 존재하게 된다.

연료 요소의 이러한 각각의 3가지 타입은 발생되는 문제점에 대하여 서로 다른 해결책을 조합하며, 작동 영역에 대하여 설계 선택들 간에 타협이 이루어져야 한다. 각각의 연료 요소의 작동 영역은 선택된 설계의 성능에 의해 실제로 제한받게 된다.

따라서, 플레이트는 매우 높은 세장비(외장의 자유 길이와 두께간의 비율)를 가진 조개껍질과 같이 거동하는 클래딩을 포함한다.

자체의 연성으로 인하여, 클래딩 재료의 기하학적 형상은 매우 낮은 응력 수준에서 클래딩 및 연료 재료에서의 서로 다른 횡방향 변형(팽창 및 확장)이 수용되는 것을 의미하는 연료의 중심부의 기하학적 형상에 대응하게 된다. 그러나, 이러한 플레이트 구조는 평면에 횡방향인 클래딩의 매우 낮은 경직도(stiffness)에 기인하여 두께의 방향으로 연료에 의해 중첩된 변형을 한정하는 열악한 성능을 가진다. 이러한 자유도로 인하여 연료는 이방성으로 그리고 우선적으로 이러한 방향으로 변형되게 된다. 이러한 구조는 압축력이 구조체의 평면에 가해지는 경우에, 전체적으로나 국부적으로(예를 들어 핫포인트에서), 특히 연료 코어가 클래딩에 연결되지 않거나 그것에 매우 약하게 연결된 경우 좌굴에 대하여 매우 불안정하게 된다.

상기 연료와 클래딩 사이의 양호한 열적 접촉은 충분히 저온의 범위에서 연료가 유지되는데 필요하게 되어, 임의의 작동 환경하에서 기체 분열산물을 방출하지 않게 된다.

따라서, 플레이트 요소는 냉간 연료에 대해서만 사용되는데, 환언하면 연료 재료가 그 기체를 방출되지 않는 온도 범위 내에서 그리고 단위 부피당 전력의 일반적인 수준에서만 사용된다.

단위 부피당 목표한 전력에 대한 플레이트 최적화 파라미터는 플레이트의 두께 및 연료/클래딩 접촉부의 품질, 클래딩의 부식의 제어 및 작업시에 연성의 비저하정도에 적용된다.

이러한 요소들의 메인 파손 모드들은 가해진 변형하에서 클래딩의 연성 부족, 연료 온도의 증가 및 분열 기체의 방출을 일으키는 연료와 냉각재 사이의 열적 저항(예를 들어 클래딩 상의 내부식 구간, 클래딩의 국부적 좌굴에 의해 형성된 간극을 가진 클래딩과 연료 사이의 분열)의 증가, 및 클래딩의 불안정한 변형에 의해 파손을 일으키는 클래딩 생성에서 내부 압력에 관련된다.

상기 원통형 요소들은 예를 들어 급속 반응기(FR)에서의 핀 또는 가압수 반응기(PWR)에서 사용되는 봉, 그라파이트/기체 반응기에서 사용되는 카트릿지를 구비한다.

펠렛 형태의 연료와 내부에 펠렛이 적층되는 클래딩 사이에 이러한 원통형 요소들의 구조체에 내재한 반경방향 간극이 있으며, 이로 인하여 연료 재료와 클래딩 사이에는 차별적 변형이 수용되며; 이러한 간극은 상기 요소들의 제 1 전력 축적시에 차등적 팽창 및 내부 캐비티 상의 재치밀화(redensification)와 크리프에 의해 그 자체로 다시 흡수될 수 없는 연료의 팽창 비율을 보상하게 되는데, 환언하면, 캐비티들은 중심 홀 및 그 구멍으로 구성된다. 상기 연료 재료는 변형의 수용을 위하여 이러한 메커니즘을 작동시킬 수 있는 온도에서 작동되어야 한다.

한편, 그것은 일부의 분열 기체를 방출한다.

제 2 팽창 부피는 상기 요소에서 내부 압력을 제한하기 위하여 연료 펠렛의 적층부의 단부에서 클래딩에 형성된다.

이러한 원통형 요소들의 메인 최적화 파라미터는 연료와 클래딩 사이의 내부 반경방향 간격인데, 환언하면, 조립체에서 반경방향 간격, 연료와 클래딩 사이의 열적 연결(기체 밀봉 또는 용융 금속 밀봉)을 형성하는 유체의 품질, 반경방향 간격에 의해 형성되는 클래딩의 부분에서의 연료의 효과적인 충진 밀도, 포어, 중앙 홀과 같은 공극 및/또는 펠렛의 길이방향 단부에서의 렌즈 모양의 디싱(dishing), 클래딩의 경직도(두께), 및 기계적 성질(최대 강도 및 연성) 및 클래딩 및 연료 재료의 거동 법칙(팽창 및 크리핑)이 된다.

가스로 가득찬 클래딩 및 펠렛 사이의 반경방향 간격과 클레딩의 두께는 냉각제와 연료 펠렛 사이의 열전달을 제어하는 반경방향 열저항을 형성한다.

이러한 열저항은 작동시에 가변적인데, 그 이유는 분열 기체의 방출에 기인한 전도성의 저하 및 반경방향 간격의 변화가 존재하기 때문이다. 열적 저항에서의 변화는 최대 연료 온도에서의 제어를 복잡하게 하는데, 최대 연료 온도는 연료 재료가 작동 상태에서 용융점에 도달하지 않아야 하는 사실에 의해 제어된다. 또한, "압력 용기"에서 이러한 타입의 요소를 사용하는 것은 압력이 작용하는 조건하에서 갑작스런 파손(순간적 및/또는 지연된 파손)의 위험 없이 일정 위치에 기계적으로 상기 요소들을 지지할 수 있는 재료를 사용하는 것을 의미한다. 이를 위하여, 원형 구간이 일반적으로 채용되는데, 그 이유는 그것이 압력에 대한 최적의 저항성을 가지고 있기 때문이며; 따라서 상기 연료와 클래딩 사이의 기계적 상호 작용의 경우에서, 클래딩은 후프 인장력(hoop tension)에 있게 함으로써 높은 후프 경직도(hoop stiffness)에 대항하게 되며, 그 다음에 연료는 2개의 반경방향에서 차단되며, 단지 축방향으로만 부분적으로 자유롭게 되며, 이러한 부분적인 자유는 펠렛과 클래딩 사이의 접착부에 의존하게 된다.

연료 상의 클래딩에 의해 가해지는 이러한 원주방향 압력은 그 자체에 대하여 재배열 메커니즘을 작동시키는데 환언하면 그 자체에 대하여 재치밀화를 작용시킨다.

따라서, 상기 클래딩 재료의 선택은 매우 중요한데, 그 이유는 목표한 작동 온도 범위, 특히 연료 요소가 작동하는 전체 구간에 대응하는 온도 범위 내에서 20 MPa.

를 초과하여 가소성의 연성 및 열적 크리프 및 충분한 강성과 같은 충분한 극강성을 제공해야 하기 때문이다. 따라서, 이러한 요소들의 작동 조건(단위 부피당 온도 및 전력)을 제한하는 것은 클래딩(온도의 함수와 같은 크리프 강도와 순간 극강성) 및 연료 재료(용융점 온도)의 선택에 의해 고정된다.

이러한 타입의 요소와 관련된 메인 잔류 파손 모드는 예를 들어 연료 온도가 그들을 약간 작동시키기만 하거나 그 변형을 자동 수용하는 메커니즘을 작동시키지 않는 작동 수준 또는 이전의 작동 수준보다 높은 수준으로 반응기 전력이 상승하는 상황인 클래딩의 변형 성능을 넘어서는 클래딩과 연료 간의 기계적인 순간 상호작용하다.

마지막으로, 고온 반응기(HTR)에서 사용되는 입자들을 포함하는 요소들과 같은 구형 요소에서, 서로 다른 코팅층은 중심이 맞추어져야 하는 분열 코어 상에 연속적으로 증착된다. 이러한 것은 매우 높은 다공성을 가진 소위 "버퍼"라 불리는 중간층과 분열 코어 내의 기공의 형태로 공동을 형성함으로써 달성되는데, 이들은 분열 코어와 클래딩층 사이의 초기 연속성을 유지하게 된다.

연료 및 클래딩 간의 서로 다른 변형, 즉 코팅층은 작업시에 공동에서 충진됨으로써 수용되며, 중성자 플럭스 하에서 상기 버퍼의 점진적인 치밀화는 반경방향 간격을 해제하여 분열 코어와 클래딩층 사이에 매우 강한 기계적 상호 작용을 방지한다. 또한, 상기 클래딩 내부의 자유 내부 부피는 분열 재료로부터 방출된 기체를 담게 되며, 클래딩의 구형 형상은 발생된 내부 압력에 잘 저항하게 된다.

기본적인 입자 최적화 파라미터는 재료(성질, 구조, 특성 및 중성자 플럭스 및 온도 하에서의 거동 법칙) 및 다른 레이어의 두께의 선택이 핵심적이다.

이러한 구형의 연료 요소들은 고온 열 플럭스 및 기체 냉각 반응기(HTR)에서만 사용된다.

그들의 메인 잔류 파손 모드는 밀폐 클래딩의 파손을 야기할 수 있는 클래딩 레이어(클래딩의 부가된 변형에서의 장력 발생) 및 분열 코어 사이의 강한 상호작용에 대응하는데, 이러한 관점에서, 상기 클래딩의 최악의 형상은 구형인데, 왜냐하면 상호작용력(클래딩의 내측 공간에 정수압의 발생을 완화시키도록 연료 재료(그 최대 치밀화를 넘어서)의 변형에 대한 어떠한 방향도 남기지 않기 때문이다.

이러한 타입의 구형 연료 요소는 열이 냉각재에 전달되는 매트릭스에서 수 %의 크기로 되는 단위 부피당 반응기의 반응 부피에서 분열 재료의 매우 작은 함량의 입자를 희석화하는 다양한 복합 형상에 사용된다. 또한, 이러한 설계에서, 핵 연소(또는 연료소비)의 높은 수치에서의 클래딩의 파손의 위험성이 감소하게 된다.

따라서, 이러한 점을 고려한다면, 본 발명자는 연료 요소의 이러한 각각의 3가지 타입은 다음과 같이 요약될 수 있는 자체의 장점을 가진다.

- 플레이트는 연료 펠렛과 클래딩 사이에 기계적인 상호작용이 존재할 때 양호한 열전달과 수용 성능을 가진다.

- 실린더 요소(봉) 및 구형 요소는 기체 분열 산물로부터 압력에 대한 양호한 저항성을 가진다.

한편, 전술한 바를 고려한다면, 최근에 사용되는 원통형 타입의 요소(봉)는 연료 펠렛과 클래딩 사이에 기계적인 상호작용이 존재할 때의 열기계적 거동이 제어할 수 없게 되는 큰 단점을 가진다.

따라서, 본 발명자는 근래에 사용되고 있는 2세대 및 3세대 발전 반응기에서 클래딩 및 연료 펠렛 사이의 기계적인 상호 작용이 존재하는 봉 타입의 연료 요소의 열기계적 거동을 향상시키는 것을 주된 목적으로 설정하였다.

이러한 새로운 요소는 4세대 기체 급속 반응기에 사용될 수도 있다.

본 발명의 보다 일반적인 목적은 전술한 바와 같은 연료 요소가 존재하는 다른 타입에 특유한 장점을 조합하고 다음과 같은 사항을 만족시킬 수 있는 봉 타입의 연료 요소를 제안하는 것이다.

1/ 단위 부피당 연료 분율이 원형 구간을 구비한 기존의 봉에 사용되는 연료 분율와 동등하게 되는 것,

2/ 수명을 통하여 연료 펠렛으로부터 냉각재에 최적의 열전달을 달성하고, 플레이트로써 열전달에 비견할만한 수치를 달성하는 것(2개의 대향면 상에서의 교환),

3/ 연료 펠렛과 클래딩 사이의 기계적인 상호작용을 제어함으로써 클래딩의 파손의 위험을 피할 수 있는 것.

본 발명의 다른 목적은 원형 구간을 구비한 근래의 봉 타입의 연료 요소를 제조하도록 건설된 산업 시설에 완전히 이질적이지 않은 제조 과정을 위한 봉 타입의 연료 요소를 제안하는 것이다.

이를 위하여, 본 발명의 목적은 서로 적층된 다수의 연료 펠렛과, 적층된 상테 펠렛을 둘러싸는 중성자에 투명한 재료로 된 클래딩을 포함하여 길이 방향을 따라 연장된 핵연료 봉을 제공하는 것이며, 길이방향에 대하여 횡방향으로는,

- 상기 클래딩은 타원형이며 내측 표면은 2*a 의 길이를 가진 장축과 2*b의 길이를 가진 단축을 가지며,

-- 각각의 핵 연료 펠렛은 클래딩의 장축의 단부에서 절두된 형상이 되는 일반적인 타원 형상이며, 각각의 펠렛의 단축은 클래딩의 펠렛의 조립체 간격(j)을 제외하고는 클래딩의 내측 표면의 단축의 2*b 의 길이에 동등한 2*b'의 길이로 되며, 상기 펠렛의 절두형 장축의 절반부 및 상기 클래딩(c-a)의 장축의 절반부 사이의 길이의 차이는 조립체 간격보다는 훨씬 크다.

본 발명의 이러한 목적을 위하여, 상기 조립체 간격보다 "매우" 크다는 것은 아래에서 설명되는 바와 같이 클래딩과의 원주방향 상호작용 없이 연료가 팽창하게 되도록 배치될 수 있는 공극 부피가 되도록 조립체의 간격보다 큰 수치를 의미한다.

본 발명에 따른 이러한 해결책을 달성하기 위하여, 본 발명자는 제어되지 않은 펠렛/클래딩의 기계적 상호작용의 경우, 즉 클래딩의 변형 성능을 넘어서서 순간적인 기계적 상호 작용의 경우 발생할 수 있는 기계적인 현상을 확인하는 시도를 하였다.

이러한 상황은 예를 들어 이전의 작동 전력보다 큰 수준에서 반응기의 전력이 생성될 때 또는 연료 온도가 그 자체에 재배열 메커니즘을 작동시키지 않는, 즉 그 자체의 변형의 자동 수용 또는 그들을 약간 작동시키는 조건에서 발생된다.

이러한 상황에서, 원형 단면을 가진 기존의 연료봉은 펠렛과 클래딩 사이에 매우 강한 기계적인 상호작용을 하게 된다. 이러한 상황에서, 그 고체 원형 펠렛은 그 주변부를 향하여 그 중심으로부터 감소하는 열구배를 가지는데, 상기 펠렛의 차가운 주변부는 일종의 후프 형상 결합 경직성을 형성하는 반경방향 경직성을 부가하게 된다. 또한, 상기 펠렛은 그 자체로 매우 약간 수용적이기 때문에, 반경방향으로는 유연성이 없다. 따라서, 이러한 상황에서, 상기 클래딩은 연료 펠렛의 반경방향 변형의 큰 부분에 의해 부가된 멤브레인 경직성이라 불리는 후프 결합 경직성을 가진다. 환언하면, 후프 결합은 반경방향 상호작용 방향에서 발생한다. 상기 펠렛 만이 각각의 펠렛의 단부에서 이러한 목적을 위하여 형성된 디싱(dhsing)을 향하여 국부적으로 크리프될 수 있게 되는, 소위 축방향 또는 반경 방향과 같은 하나의 가능한 완화 방향을 가진다.

본 발명자는 연료봉의 열기계적 거동이 매우 강한 펠렛/클래딩 기계적 상호작용을 가지는 상황에서 향상되게 된다면 다음과 같은 해결책이 실행되어야 한다는 결론에 도달하였다.

- 원형 단면의 경우에 클래딩의 타원에서 후프 결합 방법을 변화시킴으로써 클래딩의 경직성을 감소시키는 것. 기계적인 반경방향 펠렛/클래딩 상호작용은 비대칭적으로 행해져야 한다. 따라서, 초기 타원 단면은 작은 단지 직경의 방향에서 펠렛과 클래딩 사이의 가능한 기계적인 접촉으로써 형성되어야 하며, 공간은 장경(major length)의 방향에서 클래딩과 펠렛이 사이에서, 연료의 팽창과 같은 움직임을 허용하도록 형성되어야 하며,

- 대응하여, 타원 모드에서 펠렛을 강조함으로써 그들이 단경에 수직하게 되도록 상호작용 표면이 국부적으로 되는 것을 의미하는 형상으로 그것을 타원 형상으로 형성함으로써 펠렛의 차가운 주변부의 경직성을 감소시키며,

- 2개의 표면에서 냉각된 플레이트의 것과 같이 열구배를 가지게 함으로써 펠렛의 열구배를 비대칭적으로 형성한다. 연료의 비대칭 열구배는 타원 펠렛의 장축의 단부에서 더 뜨거운 부분을 생성함으로써 원형 단부를 가진 펠렛에 근래에 사용되는 차가운 주변부의 후프 경직성을 감소시킬 수 있게 된다. 이러한 열적 효과는 펠렛이 그 단축을 따라 가지게 되는 타원 경직성에서의 감소에 기여하게 된다.

- 다른 응력 또는 펠렛/클래딩 상호작용을 발생시키지 않고서 그 자체의 단면에서 크리프에 의해 연료의 팽창 및 확장이 재배열될 수 있도록 단면에 큰 크기의 공극을 형성한다. 이러한 크리프에 의한 재배열은 펠렛/클래딩 상호작용시에 펠렛에 가해지는 작용력 및 펠렛의 최고열점(hottest point)에 인접한 이러한 공급이 이러한 최고열점 상에서 작용할 때에만 가능하다.

- 외부 냉각재 압력이 가해지는 봉의 단면의 기계적 평형 상태를 유지한다. 매우 강한 펠렛/클래딩 기계적 상호작용 조건하에서, 결과적으로 나타나는 타원 경직성 안정적인 평형상태의 형상을 유지하기에 충분하여야 한다.

본 발명자는 연료 펠렛과 클래딩 사이의 기계적 상호작용의 상황에서의 열기계적 거동을 향상시키도록 연료봉을 타원의 단면으로 형성하는 것을 우선 제안하였다.

본 발명자는 그 다음으로 그들이 사용되는 반응기의 일반적인 작동시에 핵 연료 요소에서 일어나는 다른 현상을 극복할 수 있도록 시도하였다.

가압수 반응기와 같은 기존의 반응기에서, 봉 타입의 연료 요소는 서로 개별적으로 적층된 원형의 원통형 형상 연료 펠렛으로 구성되며, 칼럼의 단부에서 분열 가스가 방출되는 효과하에서 연료 요소의 적층부에서의 압력의 점진적인 증가를 제한하는데 필요한 확장 부피를 남겨두기 위하여, 적층부보다는 길이가 긴 튜브에서 클래딩의 내부에 배치된다.

연료 펠렛 및 냉각재 사이의 열전달은 수명의 초기에 기체로 충진된 조립체에서 펠렛과 클래딩 사이의 반경방향 간격과 클래딩의 두께로 구성되는 열 저항부를 통하여 반경방향으로 발생한다.

상기 요소의 수명을 통하여 열적 저항을 제어하는 것은 허용가능한 연료 온도 한계가 존중될 수 있다는 것을 보증한다. 본 발명자는 새로운 연료봉의 설계를 채용한 다음과 같은 사항을 고려하였다.

- 수명의 초기에 보정된 반경방향 기체 시일부를 통한 열전달.

- 열전달의 방향에 횡방향으로 형성되는 자유 공간.

일반적인 플레이트 타입의 연료 요소는 클래딩에서의 매우 낮은 응력을 가진 그 클래딩의 "연성"을 통하여 연료에 의해 부가된 변형을 수용하면서, 변형의 방향으로의 열 전달도 유지한다. 본 발명자는 연료 요소가 매우 길다랗게 형성되어야 한다고 믿었다. 즉 연료 요소들은 두께데 폭의 비율이 매우 높아서 클래딩에서의 매우 낮은 응력에서 두께의 방향으로 연료에 의해 부가되는 변형을 수용할 수 있어야 한다.

결과적으로, 본 발명자는 본 발명에 따른 타원 단면을 가진 연료봉은 전술한 3가지 해결책을 이용하는 것이 바람직하다는 결론에 도달하였는데, 환언하면, 연료 요소는,

- 2*a의 길이를 가진 장축과 2*b의 길이를 가진 단축을 가지며, a/b 와 같은 단면의 세장비를 가진 타원의 단면,

- 펠렛의 형상은 원형 단면을 가진 표준 봉에 이미 존재하는 것에 비교될 수 있는 보정된 클래딩 및 펠렛 사이의 조립체의 반경방향 간격을 형성하는 타원이어야 한다는 점,

- 장축의 길이를 줄임으로써 얻어지는 펠렛의 장축의 단부에서의 자유 공간의 존재이다.

본 발명자는 본 발명에서 설명되는 해결책에 도달하였는데, 이를테면 장축을 따라 길이가 줄여진 타원 단면을 가진 펠렛은 절두형 단부에서 분열 기체 팽창 챔버 및 펠렛의 절두형상부를 따라 조립시에 형성된 반경방향 간격을 가진 타원 형상 클래딩에서 서로 각각 개별적으로 적층된다.

그 결과 얻어지는 이러한 새로운 봉의 단면은 펠렛 및 클래딩 사이의 매우 강한 기계적 상호작용 하에서 열기계적인 거동에서 목표한 향상을 나타내는데, 그 이유는,

- 이러한 상호 작용은 난형도(ovality)를 감소시킴으로써 펠렛에 의해 부가된 변형을 클래딩이 수용하도록 하는 단면의 단축에 수직한 펠렛/클래딩 기계적 접촉부의 일부분에 한정되어, 따라서, 장축(2*a)을 따라 그 단부에 배치된 클래딩의 두께 내에서 굽힘 응력을 발생시키게 되며,

- 상호 작용시에 펠렛의 더 유연한 기계적 거동을 촉진시키는 펠렛의 온도 구배,

- 그 장축에서 큰 기체 시일부의 존재 및 펠렛의 일반적인 타원 형상의 결합이 클래딩과 접촉하는 부분에 한정되는 차가운 주변부와 장축을 따라 연장되는 펠렛의 뜨거운 코어를 구비한 단축의 방향을 따라 바람직하게 배향되는 열 교환을 형성한다. 단축의 방향으로의 상호 작용시에 펠렛이 형성하는 기계적 경직성은 펠렛의 차가운 주변부에 의해 형성되는 아치 효과의 거의 완벽한 부재에 의해 상당히 감소될 것이다.

- 펠렛의 절두형 단부에서 클래딩과 펠렛 사이의 열교환에 대한 국부적인 저항은, 환언하면 장축을 따라, 이러한 구간의 펠렛의 표면 부분의 온도를 증가시킨다. 따라서, 클래딩과의 기계적인 상호작용에서, 상기 연료 펠렛은 작은 직경을 따라 압축력을 받게 되며, 장축의 단부에서 그 표면 만큼 멀리 뜨거운 구간이 존재한다는 것은 이러한 축을 따라 크리프에 의해 변형이 일어난다는 것을 의미한다. 횡방향 단부 공극을 향하여 크리프에 의해 압출시의 자유도는 펠렛이 그 단축을 따라 클래딩과 기계적 상호 작용에 의해 부가되는 변형을 대응하여 최소화하는 방향을 따라 크리프의 변형에 의해 펠렛이 그 공간을 수용하게 하여 증가한다.

통상의 기술자는 본 발명에 따른 봉이 단면의 평평부에 대향하는 연료 펠렛에 의해 가해진 경직도 파라미터를 조절함으로써 사용되는 반응기의 일반적인 작동시에 가해지는 냉각재에 외부의 가압력의 작용하에 봉의 타원 단면의 기하학적 안정성을 달성하는 시도를 할 수 있다.

이러한 파라미터는 아래와 같이 정의된다.

- 단면의 세장비(장축과 단축 사이의 비율)는 펠렛의 열적 특성을 제어하고 이에 따라 단축을 따라 가압력에 대한 경직성을 제어한다.

- 펠렛의 길이가 짧아진 장축(c)을 따라 횡방향 단부 캐비티의 크기는 이러한 방향을 따라 펠렛의 온도와 크리프 변형율을 제어하게 된다(캐비티를 향한 압출시의 경직도는 그 단축을 따라 압축력에 대하여 펠렛의 경직도를 부분적으로 결정한다).

따라서, 본 발명에 의해 제안된 새로운 봉은 일반적인 작업시에 펠렛의 열교환 및 구배에 대한 제어를 보장하는 단면의 기하학적 안정성을 제공하며, 펠렛의 절두형 설계 및 단면의 세장비를 조절함으로써 기계적 상호작용의 상황 하에서 클래딩 상에 펠렛에 의해 가해진 변형의 수용이 가능하게 되며, 따라서, 펠렛 및 클래딩 사이에 가해진 변형의 분포 및 에 타원형화함으로써 클래딩이 구부러져서 응력을 받게 되는 방식에 기인하여 클래딩에서의 응력을 최소화하는 단부에서의 디싱을 제공하게 된다.

바람직하게는, 길이가 짧아진 장축(c)의 길이에서의 클래딩의 펠렛의 조립 간격(j)은 클래딩의 장축의 길이(2*a)의 10% 이하이다.

본 발명에 따른 봉은 가압수 반응기를 위하여 설계될 때, 클래딩은 지르코늄 합금 또는 M5 합금(ZrNbO)으로 형성되는 것이 바람직하며, 연료 펠렛은 산화 우라늄 및 재처리된 산화플루토늄에 기초한 혼합물 또는 UO₂, (U, Pu)O₂ 와 같은 세라믹 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 봉이 기체 냉각 고속 반응기(GCFR)에서 사용되는 것이라면, 상기 클래딩은 예를 들어 바나듐계 합금 또는 예를 들어 Ti₃SiC₂ 타입의 MAX 상의 연성 세라믹과 같은 내화 재료 또는 반-내화 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 연료 펠렛은 (U, Pu) C, (U, Pu)O₂ 와 같은 세라믹 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 격자상으로 서로 배치되고 전술한 바와 같은 다수의 연료봉을 포함하는 핵연료 조립체에 관한 것이다.

본 발명은 길이방향으로 연장되는 중성자에 투명하며 길이 방향에 횡방향으로 타원 형상의 단면을 가지는 재료로 형성되는 클래딩에 대한 것이다.

본 발명은 길이방향을 따라 연장되며 길이 방향에 대하여 횡방향의 단면에서 길이가 짧아진 장축을 가진 실질적으로 절두형 타원 형상을 가지는 핵연료 펠렛에 대한 것이다.

본 발명은 길이 방향을 따라 H 의 높이를 가지며 2*c 의 길이를 가진 길이가 짧아진 장축과 길이 방향에 횡방향의 단면에서 2*b' 의 길이를 가진 단축의 일반적으로 절두형 타원 형상을 가진 연료 펠렛을 제조하는 방법에 대한 것으로서, 이러한 방법은 아래의 단계로 수행된다.

- 소위 펠레팅 단계에서 연료 파우더를 준비하고,

- H 의 높이와 2*c 의 장변 및 2*b' 의 단변을 가진 절두형 타원 단면을 가진 다이 세트에서 가공되지 않은 펠렛의 모서리상에서 연료 파우더를 압축하며,

- 압축된 연료 펠렛을 신터링한다.

"가공되지 않은 펠렛"의 용어는 신터링되지 않은 펠렛을 의미한다.

바람직하게는, 높이 H 와 장변 2*c 간의 비율 H/(2*c)은 적어도 1.2 이다.

따라서, 본 발명에 따른 개시된 새로운 연료봉 형상은 연료봉을 제조하는 것과 관련하여 잠재적인 발전을 달성한다. 연료 펠렛의 단면의 절두형 타원 형상은 전술한 바와 같은 제조 방법에서의 2가지 향상점이 아래의 서로 다른 형성과정으로서 예상된다.

- 펠렛 압축 방법에 대하여: 새로운 펠렛의 형상은 가압축이 타원 단면의 단축의 방향으로 따르게 됨을 의미한다(원형 단면을 가진 공지의 펠렛의 경우처럼 원통의 축을 따른 가압축 대신에). 이러한 새로운 가압 방법은 가압 밀도의 균일성에 있어서 보다 향상된 제어 성능을 제공하며 따라서 신터링된 펠렛의 형상에도 향상된 제어 성능을 제공한다.

- 봉 단면의 새로운 타원 형상은 냉각재 온도가 반응기에서 상승하는 제 1 시간에서 외부 압력의 영향에 기인하여 펠렛의 표면상에서 클래딩이 강제로 접촉하게 된다는 것을 의미한다. 따라서, 펠렛의 열적 성질은 펠렛 및 클래딩 사이의 초기 조립 간격에 민감하지 않다. 따라서 종래의 경우와 다르게, 펠렛의 크기를 조정해줄 필요가 없는데 그 이유는 신터링에 의해 얻어진 형상 오차는 수용할 만하기 때문이다(특히 앞서 예상된 가압 방법에서의 향상점에서).

본 발명은 핵연료봉을 형성하기 위하여 중성자에 대하여 투명한 재료로 된 클래딩에서 연료 펠렛을 적층하는 방법에 대한 것으로서, 전술한 제조 방법을 직접 사용하여 만들어진 신터링된 연료 펠렛은 실질적으로 타원 형상 클래딩 내부에 적층되는데, 클래딩에서 내부 표면의 단축이 길이는 2*b 이며 조립 간격을 제외하고는 펠렛의 단축의 길이 2*b' 와 동일한데, 펠렛의 길이가 짧아진 장축의 절반과 클래딩(c-a)의 장축의 절반 사이의 길이 차이는 조립체 간격(j)보다 훨씬 크다.

현재 서비스되고 있는 가압수 반응기(PWR)에서의 사용례에서, 지르코늄 합금 클래딩(2) 및 UO₂ 연료 펠렛과 같은 표준 재료 또는 MOx 로 불리는 열화된 산화 우라늄 및 열화된 산화 플루토늄에 기초한 혼합물을 사용하는 것이 가능하다. 봉의 성능은 본 발명에 따른 타원 단면을 가진 봉에서의 연료 및 클래딩 재료의 크리프 거동을 제어함으로써 최적화될 수 있다.

본 발명의 다른 장점 및 특징은 도면을 참조하여 본 발명에 따른 핵연료봉의 상세한 설명을 읽은 후에 드러나게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 핵연료봉의 길이방향의 부분 단면도이다.
도 1a는 도 1에 도시된 핵연료봉의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉의 사시도이다.
도 3은 도 2에 따른 펠렛의 적층부가 배치된 본 발명에 부합하는 클래딩의 사시도이다.

명확하게 하기 위하여, 펠렛(6) 및 클래딩(2)과 이러한 요소들로 구성된 봉(2)이 연장되는 길이 방향 축은 모두 XX' 를 기준으로 한다.

- 치수 a 및 b는 타원형 클래딩(2)의 내부 치수이며,

- 치수 A 및 B는 타원형 클래딩(2)의 외부 치수이며,

- 치수 a' 및 b' 는 비-절두형 펠렛(6)에 적용가능하며,

- 치수 2*c는 본 발명에 따른 절두형 연료 펠렛(6)의 장변이다.

도 1은 핵 반응기에 사용되기 위하여 준비되는 것으로 표시된 본 발명에 따른 핵 연료봉(1)을 도시하는데, 환언하면, 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이 저부에 인접한 펠렛(6)을 구비한 수직 위치에서 나타내어진 핵 연료봉을 도시한다.

봉(1)은 상부 플러그(3) 및 하부 플러그(4)에 의해 그 단부 각각에서 폐쇄된 지르코늄 합금으로 된 클래딩(2)으로 구성된다.

상기 클래딩의 내부는 2개의 구획으로 구분되는데, 그 중 하나(5)는 기체 확장 챔버를 형성하는 상부이며, 나머지(6)는 핵연료 펠렛(6)의 적층에 의해 형성되는 분열 칼럼을 하우징하며, 이들 각각은 봉(1)의 길이방향(XX')을 따라 연장된다.

도시된 적층 상태에서, 각각의 펠렛(6)은 거의 동일한 높이(H)를 가진다.

헬리컬 가압 스프링(7)은 확장 챔버(5) 에 배치되는데, 확장 챔버의 하단부에는 펠렛(6)의 적층부가 배치되며 다른 단부에는 상부 플러그(3)가 배치된다.

이러한 스프링(7)은 길이 방향 축(XX')을 따라 일정 위치에서 펠렛(6)의 적층체를 지지하며, 소정의 시간 동안에 펠렛(6)의 길이방향 팽창을 "흡수"하며, 그 타원 모드에서 클래딩 구간이 좌굴되는 것을 방지한다.

환언하면, 그것은 클래딩 구간이 극단적으로 타원형화되는 것을 방지한다.

도 1a는 도 1의 봉(1)의 직선 단면을 도시한다.

본 발명에 따른 클래딩(2)은 그 전체 주변부에서 일정한 두께를 가지며, 실질적으로 타원형의 형상을 가진다. 더욱 자세하게는, 타원 형상의 클래딩(2)의 내측 표면(200)은 2*a 의 길이인 장축과 2*b 의 길이의 단축을 가진다.

연료 펠렛(6)은 클래딩의 장축의 각 단부에서 절두형 타원 형상을 가진다. 환언하면, 상기 펠렛(6)은 2*c 의 길이로된 길이가 작아진 장축과 2*b' 의 길이의 단축을 가진다.

치수 c는 그 중심에서 펠렛(6)의 절두형 평면의 거리를 나타낸다.

상기 펠렛(6) 및 클래딩(2) 사이의 균일한 반경방향 조립체 간격(j)은 상기 펠렛의 타원형 측면상에서 형성되는데, 환언하면, 펠렛의 전체 길이(2*c)에서 형성된다. 즉, 일단 제조되어 핵 반응기에서의 분열 재료로서 사용되기 전에 각각의 연료 펠렛(6)은 절두형 타원 단면을 가지는데, 여기서 단축의 절반 길이(b')는 조립체 간격(j)을 제외하고는 클래딩(2)의 내측 표면(200)의 단축의 절반 길이(b)에 거의 동일하다.

따라서 자유 부피 또는 확장 공극(60)은 펠렛(6)의 길이가 짧아진 장축의 양단부에 배치되는데, 환언하면, 펠렛(6)의 절두형 모서리(61) 및 클래딩(2)의 내측 표면(200) 사이에 배치된다.

따라서, 상기 연료 봉(1)의 단면에 대한 파라미터 설정은 아래와 같이 펠렛(6)의 특징에 기초하여 표현된다.

- 타원 인자 또는 세장비(a'/b') 로서, 여기서 a' = a-j 이며,

- 절두비(truncation ratio) (c/a').

본 발명자는 WO2007/017503호에 설명된 바와 같은 플레이트에 대한 수치와 같은 만족할만한 열적 거동을 달성하기 위하여, 세장비(a'/b')가 적어도 1.5가 되어야 한다고 인식한다.

본 발명에 따른 타원 단면을 가진 봉(1)을 연료 요소보다는 고압 하에서 유지되는 코어 냉각재를 이용하여 기능하는 핵반응기의 두가지 카테고리에 사용하는 것이 가능하다.

우선 목적한 사용례는 가압수 반응기(PWR)에서 작동 조건에 특유하게 사용하는 것이다.

상기 봉은 현재에 알려진 것과 같은 원형 단면을 가진 봉과 같은 기존의 표준 연료 요소의 설계에 사용되는 것과 동일한 성분 재료(클래딩에 대하여 지르코늄 합금 또는 M5 합금(ZrNbO) 및 연료 펠렛에 대하여 UO₂ 세라믹 또는 산화 우라늄 계열의혼합물 및 재처리된 산화 플루토늄)로부터 선험적으로 형성된다.

목적한 두번째 사용례는 클래딩 온도가 300℃ 내지 900℃ 범위에서 높으며 급속 중성자 영향은 높은 조건하에서 기체-냉각 급속 반응기(GCFR)에 특유하게 사용된다. 상기 봉을 형성하는데 사용되는 성분 재료는 클래딩에 대해서는 Ti₃SiC₂의 최대상이고 연료 펠렛에 대하여는 세라믹 (U, Pu)C 또는 (U, Pu)O₂ 와 같은 연성 세라믹 또는 바나듐계열 합금과 같은 내화성 금속 또는 반-내화성 금속일 수 있다.

본 발명에 다른 타원 단면을 가진 봉의 일실시예가 아래에 설명된다. 이러한 실시예에서, 상기 봉(1)은 표준 가압수 반응기(PWR)의 작동 조건을 만족시키도록 설계된다.

참고적 목적으로 사용되는 표준 PWR 반응기의 기하 구조, 재료 및 작동 조건은 아래와 같다.

- 공지의 원형 단면을 가진 봉의 치수:

클래딩: 외경 (Dext) = 9.5mm

내경 (Dint) = 8.36mm

연료 펠렛: 직경 = 8.2mm

- 재료:

클래딩은 M5 합금으로 만들어지고,

연료 펠렛은 UO₂

- 작동 조건:

클래딩의 외측 표면에서의 온도, T = 342℃, 냉각재 압력 P = 155 바아, 연료의 단위 부피당 전력 = 320 W/㎤,

- 연소 속도 = 60 000 MWd/t.

공지의 원형 단면을 가진 봉에 대한 이러한 기준 정보에 기초하여 본 발명자는 본 발명에 따른 새로운 타원 봉에 대한 다음과 같은 치수를 제안한다.

- 표준 원형 단면을 가진 펠렛과 동일한 펠렛의 단면;

- 난형도 인자 (a'/b') = 1.8;

- c/a' 에 동일한 절두비율 = 0.9, 여기서 봉(1)에 대하여 도시된 치수 a', b', c' 는

a' = 5.61mm;

b' = 3.115mm;

c = 5.05mm.

- 표준 단면 클래딩의 두께에 동일한 클래딩의 두께 0.57mm;

- 표준 원형 단면을 가진 봉에서 펠렛과 클래딩 사이의 반경방향 조립 간격과 동일한 반경방향 조립체 간격으로서, 여기서 j ≒ 0.08mm 인데, 본 발명에 따른 봉의 펠렛(6) 및 클래딩(2) 사이의 이러한 조립체 간격(j)은 타원의 단축(b)을 다라 측정되며, 여기서 클래딩의 타원 단면의 치수는 다음과 같다.

큰 내경 (2*a) = 5.69mm;

작은 내경 (2*b) = 3.195mm;

큰 외경 (2*A) = 6.26mm;

작은 외경 (2*B) = 3.765 mm.

가압수 반응기(PWR)에 대한 표준 원형 단면을 가진 봉의 기준 형상과 비교하여, 본 발명에 따른 타원 단면을 가진 봉(1)의 전체 단면은 4.4%의 크기로 증가하며 연료의 면적은 클래딩의 약 92.5%를 차지한다.

따라서, 펠렛(6) 및 클래딩(2) 사이의 초기 반경방향 조립체 간격(j)과 펠렛(6)의 단부의 절두부(61)을 포함하는 전체 공극(j, 60)은

에 동등한 클래딩의 내부 단면의 약 7.47%를 나타낸다(여기서,클래딩(20)의 내측 표면 및 절두된 형상의 모서리(61) 사이의 공극 공간(60)이다).

타원형 단면을 가진 클래딩(2)을 만드는데 있어서 특별한 문제점은 없다.

서로 다른 가압 작업은 펠렛(6)을 만드는데 암시될 수 있다. 전술한 치수를 가진 1.8 에 동등한 본 발명에서 고려된 세장비(a'/b')는 각각의 펠렛에 수직하게 가압하는 것을 예상할 수 있게 되는 것을 의미하는데, 원형 단면을 가진 봉의 모멘트에서 행해지는 것과 같이 그 원통형 축(XX')을 따른 방향 대신에 환언하면 타원 단면의 단축(a')의 방향을 따른 방향 또는 높이(H)에 의해 한정된 모서리 상에서 가압하는 것을 예상할 수 있게 되는 것을 의미한다.

클래딩의 타원 형상은 신터링된 펠렛(as-sinterred pellets)이 클래딩에 놓일 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명자는 모서리(H)를 따라 연료 펠렛의 가압이 펠렛 내에서 가압 밀도의 양호한 불균일에 기인하여 신터링된 펠렛의 두께가 더 소산되도록 하는 결과를 도출해야 하는 것으로 믿는다.

전술한 바와 같이, PWR 반응기의 작동시에, (단부 공극(60)을 제외하고) 클래딩의 타원형상은 클래딩 및 펠렛의 표면들 사이에서 접촉이 행해지는 것을 의미하는데, 환언하면, 냉각재가 가압되자 마자 전체 길이(2*c)에서 접촉이 행해지는 것을 의미한다.

전체 수명의 초기에서 조차도, 펠렛(6)의 열적 성질은 더 이상 펠렛(6) 및 클래딩(2) 사이의 초기 조립 간격에 의존하지 않는다.

PWR 기준 작동 조건하에서 본 발명에 따른 타원 단면을 구비한 봉(1)의 열기계적 거동 및 열적 거동의 분석은 CAST3M 유한 요소 프로그램을 사용하여 디지털 시뮬레이션에 의해 이루어졌다.

이러한 시뮬레이션은 수명에 있어서 연료 전력이 일정하며, 온도에 대한 함수로서 M5 클래딩 재료와 UO₂ 의 물리적 성질이 가변적이며, 6%의 수치의 연료에 의해 형성되는 분열 기체의 방출 속도와 방사하에서의 재료의 팽창이 이루어지는 클래딩 재료와 연료의 점탄성적 거동(열 및 방사 크리프)(그 수치는 60000 MWd/t의 연소시에 원형 단면을 가진 봉에 대하여 일반적인 수치이다)의 가정하에 기초한 것이다.

6000MWd/t 의 연소 속도의 작동의 결과는 아래와 같다.

- 수명을 통하여 연료 온도의 양호한 제어; 전력이 우선 생성되자 마자, 펠렛(6) 및 클래딩(2) 사이의 반경방향의 간격(j)은 닫혀지게 되며, 최대 연료 온도 변화는 683℃의 온도의 수명 시작으로부터 904℃의 수명 종료까지이다.

이러한 변화는 방사에 의한 연료의 전도성의 저하와 펠렛(6) 및 클래딩(2) 사이의 열전달 계수를 저하시키는 연료에 의해 방출되는 분열 가스의 존재에 기인한다.

타원 단면 형상에 의하여, 열교환의 방향을 따른 펠렛의 크기(그 작은 직경)는 동일한 표면적을 가진 원형 펠렛의 직경보다 작기 때문에, 상기 연료 내부의 최대 온도는 표준 원형 단면을 가진 봉의 경우보다 낮다.

- 연료 펠렛의 단면상에서의 양호한 전체 열기계적 거동. 이것은 단면의 변형에 있어서 제어를 제공하는데, 연료 펠렛의 타원 단면의 크리프는 펠렛의 절두형 단부(61)에서 생성되는 공극(60)에 의해 형성되는 열저항에 기인하여 얻어지는 표면 온도에 의해 제어되기 때문이다.

수명의 초기에, 국부적 온도 증가는 클래딩과 접촉하는 교환 표면(부분(623))의 온도보다 136℃ 높다.

수명의 후반에, (절두형 모서리(61) 및 부분(62) 사이에서) 국부적 온도 증가는 220℃이다.

단면의 기계적 안정성을 제어하는 열적 평형은 난형도 인자 (a/b) 및 그 절두비(c/a)와 같은 단면의 기하학적 파라미터를 최적화함으로써 달성된다. 이러한 파라미터는 각각의 사용례에 의존하게 되며, 그 최적화는 각각의 연료 펠렛의 작동 조건과 요소 재료의 기계적 성질에 의존하게 되며 특히 열적 크리프 및 방사 거동 법칙에 의존하게 된다.

양호한 열기계적 거동으로 인하여 연료에 의해 방출되는 분열 기체에 의해 형성되는 봉에서의 내부 압력에 대한 양호한 제어가 도출된다.

상기 펠렛의 절두형 단부(61)에 존재하는 공극(60)은 표준 원형 단면을 가진 봉에서는 존재하지 않는 추가적인 확장 챔버를 형성한다.

최종적으로, 양호한 열기계적 거동은 클래딩을 만곡시키는 클래딩(2) 및 펠렛(6) 사이의 기계적 상호작용을 형성한다.

도출된 만곡 응력은 연료 펠렛의 절두부(61)를 향하는 클래딩의 단부 구간(200)에 위치한다.

클래딩(2)의 크리프는 작동시에 100MPa 미만의 이러한 응력을 제한한다.

따라서, 상기 클래딩은 타원 모드에서 만곡시에 실제로 응력을 받기만 하며; 표준 원형 단면을 가진 봉 클래딩에서 발생되는 경우와 같은 후프 결합 모드에 적용되지는 않는다.

연료 펠렛(6)의 단면에서의 변형은 팽창 및 확장 변형에 반대되는 펠렛의 절두형 타원 단면의 타원 경직성의 작용하에 단부 공극(60)을 향하여 크리프 압축에 의해서 주로 적응된다.

다른 개선 사항 및 수정 사항은 본 발명의 프레임워크를 벗어나지 않는 한 예상된다.

- 현재 서비스되고 있는 가압수 반응기(PWR)에서의 사용례에서, 지르코늄 합금 클래딩(2) 및 UO₂ 연료 펠렛과 같은 표준 재료 또는 MOx 로 불리는 열화된 산화 우라늄 및 열화된 산화 플루토늄에 기초한 혼합물을 사용하는 것이 가능하다. 봉의 성능은 본 발명에 따른 타원 단면을 가진 봉에서의 연료 및 클래딩 재료의 크리프 거동을 제어함으로써 최적화될 수 있다.

- 기체-냉각 급속 반응기(GCFR)의 사용례에서, 연성 클래딩을 사용하는 것은 전술한 바와 같은 연성 금속 및 세라믹 재료의 범위 내에서 바람직하다.

2: 클래딩 6: 펠렛
3: 상부 플러그 4: 하부 플러그
1: 봉 7: 스프링

Claims (13)

1. 서로 적층된 다수의 연료 펠렛(6)과 적층된 펠렛을 둘러싸는 중성자에 대하여 투명한 재료로 된 클래딩(2)을 포함하는 길이방향(XX')을 따라 연장되는 핵연료봉(1)으로서, 상기 길이 방향(XX')에 대하여 횡방향에서,
   - 상기 클래딩은 실질적으로 타원형상으로 되며, 내측 표면(200)은 2*a 길이의 장축과 2*b 길이의 단축을 가지며,
   - 각각의 핵 연료 펠렛(6)은 상기 클래딩의 장축의 단부에서 절두형 타원 형상이어서, 상기 길이 방향(XX')으로 평평부가 형성되며,
   각각의 펠렛의 단축은 클래딩에서 펠렛의 조립체 간격(j)을 제외하고 클래딩의 내측 표면의 단축의 2*b 길이와 동일한 2*b' 길이를 가지며, 상기 펠렛의 길이가 짧아진 장축의 절반과 상기 클래딩(c-a)의 장축의 절반 사이의 길이의 차이는 조립체 간격(j) 보다 큰 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
2. 제 1 항에 있어서,
   2*c 인 길이가 짧아진 장축의 길이에 있어서 클래딩의 펠렛의 조립체 간격(j)은 클래딩의 2*a 인 장축의 길이의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   가압수 반응기(PWR)에 대하여, 상기 클래딩은 지르코늄 합금 또는 M5 합금(ZrNbO)로 형성되고, 상기 연료 펠렛은 UO₂, (U, Pu)O₂ 와 같은 세라믹 재료 또는 산화 우라늄 및 재처리된 산화 플루토늄계 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   기체-냉각 급속 반응기(GCFR)에 대하여, 상기 클래딩은 내화 금속 또는 반-내화 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 다수의 핵 연료봉을 포함하는 핵연료 조립체에 있어서,
   상기 핵연료봉들은 격자로 서로 배치된 것을 특징으로 하는 핵연료 조립체.
6. 길이 방향(XX')을 따라 연장되며 상기 길이 방향(XX')에 횡방향인 단면에서 단부의 길이가 짧아진 장축을 가진 실질적으로 절두형 타원 형상을 가지되, 상기 길이 방향(XX')으로 평평부가 형성된 핵연료 펠렛(6).
7. 길이 방향(XX')을 따라 H 의 높이를 가지며 상기 길이 방향(XX')에 횡방향의 단면에서 2*c 길이로 길이가 짧아져서 길이 방향(XX')으로 평평부가 형성된 장축과 2*b' 길이의 단축을 가진 절두형상으로 된 핵연료 펠렛(6)을 제조하는 방법에 있어서,
   - 소위 펠레팅 단계에서 연료 파우더를 준비하는 단계,
   - H 의 높이와 2*c 의 길이의 장변과 2*b' 의 길이의 단변을 가진 절두형 타원의 단면을 가진 다이 세트에서 가공되지 않은 펠렛의 모서리상에서 상기 연료 파우더를 가압하는 단계,
   - 가압된 상기 연료 펠렛을 신터링하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 핵연료 펠렛을 제조하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   H 의 높이와 2*c 의 길이의 장변 사이의 H/(2*c) 비율은 적어도 1.2 인 것을 특징으로 하는 핵연료 펠렛을 제조하는 방법.
9. 핵연료 봉을 제조하기 위하여 중성자에 투명한 재료로된 클래딩(2)에 연료 펠렛(6)을 적층하는 방법에 있어서, 제 7 항 또는 제 8 항의 핵연료 펠렛을 제조하는 방법을 사용하여 직접 제조된 신터링된(as-sintered) 연료 펠렛은 실질적으로 타원형 형상의 클래딩 내부에 적층되며, 클래딩에서 내부 표면의 2*b 인 단축 길이는 조립체 간격(j)을 제외하고 펠렛의 단축의 2*b' 인 길이와 동일하며, 상기 펠렛의 길이가 짧어진 장축의 절반과 상기 클래딩(c-a)의 장축의 절반 사이의 길이 차이는 조립체 간격(j) 보다 큰 것을 특징으로 하는 클래딩(2)에 연료 펠렛(6)을 적층하는 방법.
10. 제 4 항에 있어서,
    상기 클래딩은 바나듐계 합금 또는 연성 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 클래딩은 MAX-상(phase)의 Ti₃SiC₂ 인 연성 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 펠렛은 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 펠렛은 (U, Pu)C 또는 (U, Pu)O₂ 를 포함하는 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.

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