KR101744156B1 - 개량형 중수로용 핵연료 다발 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 개량형 중수로용 핵연료 다발은, 산화우라늄(UO2) 소결체 내의 우라늄 농축도를 변경하고, 동시에 핵연료봉의 직경을 조절함으로써 사용후핵연료의 방출량을 줄이고, 임계채널출력(critical channel power)을 증가시켜 추가적인 운전여유도를 확보할 수 있다.

Description

개량형 중수로용 핵연료 다발{Improved Nuclear fuel bundle for CANDU}
본 발명은 중수로용 핵연료 다발에 관한 것으로, 상세하게는 핵연료봉에 포함되는 우라늄 235(235U)의 농축도를 변경함과 동시에 핵연료봉의 직경을 조절함으로써 사용후핵연료의 방출량을 줄이고, 임계채널출력(critical channel power)을 증가시켜 추가적인 운전여유도를 확보할 수 있는 개량형 중수로용 핵연료 다발에 관한 것이다.
원자로는 우라늄 235(235U)와 같은 핵연료 내의 핵분열성(fissile) 원자의 핵에 의해 자유 중성자가 흡수되는 핵 연쇄반응(즉, 핵분열)으로부터 에너지를 생성한다. 해당 기술 분야에 널리 알려져 있는 바와 같이, 자유 중성자가 흡수되면, 핵분열성 원자는 쪼개져서 더 가벼운 원자로 되고, 다른 핵분열성 원자에 의해 흡수되는 더 많은 자유 중성자를 방출함으로써 핵 연쇄반응이 이루어진다. 핵 연쇄반응으로부터 방출되는 열에너지는 당업자에게 잘 알려져 있는 여러 가지 다른 공정을 통해 전기 에너지로 변환된다.
원자로는 중성자의 감속재에 따라 경수로, 흑연 감속로, 중수 감속로 및 증식로로 나눌 수 있다. 이중 중수 감속로, 즉 중수로는 천연 우라늄을 사용할 수 있어 우라늄을 농축할 필요가 없으나, 우라늄 235의 함유량이 적어 연소 기간이 짧기 때문에 경수로보다 사용후핵연료가 더 많이 발생하게 된다. 또한 중수로는 노심 내 잉여반응도가 낮아 정상운전 중 매일 연료를 교체(on-power refueling)하여야 한다. 일반적으로 중수로는 하루 평균 15.8 다발을 교체하므로 중수로 한 개 원전에서 연간 방출되는 연료다발 수는 원자로 이용율에 따라 달라지나 평균 약 5,000개로 전체 노심에 장전된 수(4,650개)보다 더 많은 연료다발이 연간 교체되어 사용후핵연료로 배출된다.
또한 사용후핵연료는 그 자체로 오랜 반감기를 가진 방사성 물질이므로 재처리 과정을 거친다 해도 외부로 유출되지 않도록 영구 처분하여야 하는 치명적인 단점이 있다. 특히 국내의 경우 사용후핵연료를 처분할 충분한 부지가 아직 확보되지 않았고, 처분에 따른 엄청난 비용이 예상되는 등 많은 난제가 산적해있다.
이를 해소하기 위해 사용후핵연료의 부피를 줄이고 그 속에 남은 자원을 활용하는 재처리 작업을 진행하기도 한다. 상기 재처리는 다시 원자력 발전에 필요한 원료를 얻을 수 있으므로 사용후핵연료의 사용 연한을 최대 수만 년까지 늘려줄 수 있는 기술이나, 핵무기용 플루토늄을 제조할 수 있는 기술이므로 국제적으로 매우 민감한 사항이며, 추출하는데 많은 비용이 소요되고, 재처리 시 발생하는 플루토늄의 처리에도 보관 장소 확보 및 많은 처리 비용이 발생하게 된다.
또한 가압경수로의 경우에는 염화리튬(LiCl) 등의 염폐기물의 부피를 저감하기 위해 폐기물 별로 재생 및 고화 시스템을 개발하고, 이를 활발히 적용 및 검증하고 있으나, 중수로는 원자로 대비 사용후핵연료 발생량이 경수로보다 높음에도 불구하고, 운전하는 원자력 발전소가 경수로보다 적어(월성 원자력 발전소, 총 4기) 사용후핵연료의 부피 저감에 대한 인식 및 기술 개발이 아직까지 요원한 실정이다.
PWR 사용후핵연료 부피감용 기술개발, 원자력 연구원 (2010년 04월 20일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, UO2 소결체 내의 우라늄 농축도를 변경하고, 동시에 핵연료봉의 직경을 조절함으로써 사용후핵연료의 방출량을 줄이고, 임계채널출력(critical channel power)을 증가시켜 추가적인 운전여유도를 확보할 수 있는 개량형 중수로용 핵연료 다발의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 개량형 중수로용 핵연료 다발에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태는
핵연료 다발 중심부에 배치된 중심 핵연료봉;
상기 중심 핵연료봉을 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함한 제 1 레이어;
상기 제 1 레이어를 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함한 제 2 레이어; 및
상기 제 2 레이어를 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함한 제 3 레이어;
를 포함하며,
상기 중심 핵연료봉 및 제 1 내지 3 레이어에 포함되는 핵연료봉은 전체 핵연료 조성물 100 중량% 중 우라늄235(235U)를 0.8 내지 1.2 중량% 포함하며, 하기 식 1을 만족하는 것인 중수로용 핵연료 다발에 관한 것이다.
[식 1]
0.8 ≤ d/D ≤ 0.9
(상기 식 1에서 d은 중심 핵연료봉의 직경이며, D는 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 가장 큰 핵연료봉의 직경을 뜻한다.)
또한 본 발명에서 상기 핵연료봉은 하기 식 2를 만족할 수 있다.
0.8 ≤ dx/Dx < 1.0
(상기 식 2에서 dx는 해당 레이어에서 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이며, Dx는 해당 레이어에서 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, x는 레이어의 순번이다.)
더욱 상세하게는 상기 제 1 내지 제 3 레이어는 하기 식 3 내지 5 중 하나 이상을 만족할 수 있다.
[식 3]
0.8 ≤ d1/D1 < 1.0
[식 4]
0.8 ≤ d2/D2 < 1.0
[식 5]
0.8 ≤ d3/D3 < 1.0
(상기 식 3 내지 5에서 D1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, D2는 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, D3는 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, d1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이며, d2는 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이며, d3는 제 3레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이다.)
또한 본 발명에서 상기 핵연료 다발은 중심 핵연료봉과 둘 이상의 그룹으로 구성되며, 하기 식 5를 만족할 수 있다.
[식 5]
0.8 ≤ l/L < 1.0
(상기 식 5에서 l은 그룹 내에서의 핵연료봉간 거리이며, L은 그룹과 그룹 사이의 거리이다.)
또한 상기 핵연료 다발은 하기 식 6을 만족하거나 상기 식 5 및 6을 모두 만족할 수도 있다.
[식 6]
0.8 ≤ g/G ≤ 1.0
(상기 식 6에서 g은 제 2 레이어와 제 3 레이어 간의 거리이며, G은 제 1 레이어와 제 2 레이어 간의 거리이다.)
본 발명의 다른 양태는
핵연료 다발 중심부에 배치된 중심 핵연료봉;
상기 중심 핵연료봉을 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함한 제 1 레이어;
상기 제 1 레이어를 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함한 제 2 레이어; 및
상기 제 2 레이어를 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함한 제 3 레이어;
를 포함하며, 상기 제 1 레이어는 직경 d1의 핵연료봉과 직경 D1의 핵연료봉이 교호로 배열되며, 식 3을 만족하는 것인 중수로용 핵연료 다발에 관한 것이다.
[식 3]
0.8 ≤ d1/D1 < 1.0
(상기 식 3에서 D1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, d1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이다.)
본 발명에 따른 개량형 중수로용 핵연료 다발은, UO2 소결체 내의 우라늄 농축도를 변경하고, 동시에 핵연료봉의 직경을 조절함으로써 사용후핵연료의 방출량을 줄이고, 임계채널출력(critical channel power)을 증가시켜 추가적인 운전여유도를 확보할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따른 중수로용 핵연료 다발의 단면도이다.
도 4 내지 6은 직경이 다른 두 종류의 핵연료봉이 포함된 레이어를 구비한 중수로용 핵연료 다발의 단면도이다.
도 7 내지 9는 유로가 형성된 중수로용 핵연료 다발의 단면도이다.
이하 첨부된 도면 및 구체예들을 참조하여 본 발명에 따른 중수로용 핵연료 다발에 대해 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 용어 ‘중수로’는 감속재와 냉각재로 중수(heavy water)를 사용하는 원자로로, 본 발명에서는 특별하게 언급하지 않는 한 캐나다 원자력공사(Atomic Energy of Canada Limited, AECL)에서 개발한 가압중수로인 CANDU(CANada Deuterium Uranium)를 의미한다.
본 발명에서 용어 ‘사용후핵연료’는 중수로 및 경수로 원자력발전소에서 연료로 사용되고 난 후의 핵연료를 통칭하는 것으로, 본 발명에서는 특별하게 언급하지 않는 한 CANDU 사용후핵연료를 의미한다.
본 발명에서 용어 ‘핵연료 다발’은 봉단접합판, 핵연료봉, 지지체 및 간격체 등이 결합된 형태의 사용후핵연료를 의미한다.
본 발명에서 용어 ‘봉단접합판(end plate)’은 연료봉의 일단 및 타단에 접하여 각각의 연료봉을 고정하기 위하여 구비되는 금속판을 의미한다.
본 발명에서 용어 ‘레이어’는 중심 핵연료봉을 기준으로 동일 위치에 배열되는 핵연료봉의 집합으로, 제 1 레이어는 중심 핵연료봉과 바로 인접하여 배열되는 핵연료봉들을, 제 2 레이어는 제 1 레이어의 외곽에 형성된 핵연료봉들을, 제 3 레이어는 제 2 레이어의 외곽에 형성된 핵연료봉들을 의미한다. 또한 도면에서 각각의 레이어들은 이들을 구성하는 핵연료봉들의 중심을 연결한 가상의 선을 통해 레이어의 위치를 표시할 수 있다.
본 발명에서 용어 ‘그룹(group)'은 각각 제 1 레이어에 포함되는 하나 이상의 핵연료봉, 제 2 레이어에 포함되는 하나 이상의 핵연료봉 및 제 3 레이어에 포함되는 하나 이상의 핵연료봉을 묶는 가상의 개념으로, 하술할 유로를 설명하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에서 용어 ‘유로(流路)’는 상기 그룹과 인접한 그룹에서 각각의 그룹에 속한 핵연료봉과 핵연료봉 사이에 형성되거나 레이어와 레이어 간에 형성되는 일종의 공간으로, 핵연료 다발에서 그룹과 그룹 사이의 간격을 조절하거나, 레이어와 레이어 간의 간격을 조절하여 다른 핵연료봉과 핵연료봉 사이의 공간보다 더 큰 간격을 가하는 것을 뜻한다. 상기 유로는 핵연료봉과 핵연료봉 간의 간격을 조절하거나, 레이어와 레이어 간의 간격을 조절하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 핵연료봉과 핵연료봉간 거리는 핵연료봉 단면의 중심에서 다른 핵연료봉 중심까지의 직선거리로 정의한다.
본 발명의 발명자들은 상기와 같이 국내 중수로 원전의 사용후핵연료 방출량이 경수로 원전의 사용후핵연료 방출량보다 훨씬 많아 중간저장 및 영구처분 시 많은 공간과 처리 비용이 소요되는 문제점을 해결하기 위해 예의 연구를 거듭하던 중, 핵연료봉 내 소결체에 포함되는 우라늄 235의 농도를 천연우라늄보다 좀 더 높여 핵연료봉의 교체주기를 획기적으로 증가시키고, 동시에 핵연료봉의 직경을 조절함으로써 사용후핵연료의 방출량을 줄이고, 임계채널출력(critical channel power)을 증가시켜 추가적인 운전여유도를 확보할 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 중수로용 핵연료 다발은 핵연료 다발 중심부에 배치된 중심 핵연료봉(200)과 상기 중심 핵연료봉의 외곽을 둘러싸며, 직경의 종류가 하나 또는 복수인 다수의 핵연료봉을 포함한 제 1 레이어(300), 상기 제 1 레이어를 둘러싸며, 직경의 종류가 하나 또는 복수인 다수의 핵연료봉을 포함한 제 2 레이어(400) 및 상기 제 2 레이어를 둘러싸며, 직경의 종류가 하나 또는 복수인 다수의 핵연료봉을 포함한 제 3 레이어(500)를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 상기 핵연료 다발은 중심 핵연료봉을 기준으로 각각의 레이어는 다른 레이어와 이웃하여 하나의 층을 형성하며, 이렇게 형성된 핵연료봉은 첨부된 도면에 도시되지 않았지만 일단 및 타단이 각각 봉단접합판과 연결되어 하나의 다발을 형성하며, 형성된 다발은 압력관(Pressure Tube)에 삽입되어 발전에 이용된다.
또한 첨부된 도면에는 도시되지 않았지만 인접한 핵연료봉들에는 상호 대응되는 위치에 간격체(spacer)가 구비되어 핵연료봉들 상호간 접촉이 차단되도록 할 수 있다.
본 발명에서 상기 중수로용 핵연료 다발은 당업계에서 통상적으로 적용될 수 있는 것이라면 핵연료봉의 개수를 한정하지 않는다. 일예로 도 1과 같이 37개의 핵연료봉(100)으로 구성된 중수로용 핵연료 다발, 또는 도 2과 같이 43개의 핵연료봉으로 구성된 중수로용 핵연료 다발에 적용할 수 있으며, 압력관의 크기에 따라 도 3과 같이 중심 핵연료봉이 4개 구비되어 하나의 군을 이루며, 52개의 핵연료봉을 포함하는 중수로용 핵연료 다발에도 적용할 수 있다.
본 발명에서 상기 핵연료봉(100)은 일반적인 핵연료봉보다 우라늄 235(235U)가 더 농축된 소결체를 포함하는 것이 좋다. 이 경우, 평균 방출 연소도가 일반 핵연료봉에 사용되는 기존의 천연우라늄(약 0.7 중량%)에 비해 훨씬 더 증가하여 사용후핵연료의 방출량을 크게 줄일 수 있다.
본 발명에서 상기 핵연료봉에 포함되는 우라늄 235(235U)의 농축도는 전체 핵연료 조성물 100 중량% 중 우라늄235(235U)를 0.8 내지 1.2 중량%인 것이 좋으며, 더 바람직하게는 0.8 내지 0.9 중량%, 가장 바람직하게는 0.9 중량% 내외인 것이 좋다. 상기 범위에서 기존의 천연 우라늄을 사용한 핵연료봉에 비해 사용후핵연료의 방출량을 1/2 수준으로 저감할 수 있으며, 이를 통해 영구 처분 부지를 최소화하고 관련 비용을 저감할 수 있다.
특히 우라늄235(235U)의 농축도가 0.8 내지 0.9 중량%인 경우 저농축 우라늄(slightly enriched uranium) 연료 교체주기 조절에 가장 유리하며, 천연 우라늄 대비 연소도가 약 두 배이므로 연료 교체 방법에 있어서 기존의 8-다발 시프트(shift) 대신 2-다발 시프트 또는 4-다발 시프트로 전환하기 유리하다는 장점이 있다.
본 발명에서 상기 중심 핵연료봉은 다른 레이어들에 포함되는 핵연료봉보다 더 작은 직경을 가지며, 더 상세하게는 하기 식 1을 만족하는 것일 수 있다.
[식 1]
0.8 ≤ d/D ≤ 0.9
(상기 식 1에서 d은 중심 핵연료봉의 직경이며, D는 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 가장 큰 핵연료봉의 직경을 뜻한다.)
일반적으로 CANDU-PHWR(Canadian Deuterium Uranium Reactor-Pressurized Heavy Water Reactor)형 원자로의 경우 원자로 노심 특성 상, 핵분열에 의해 생성되는 대부분의 속중성자(fast neutrons)는 핵연료 압력관의 바깥에 위치하는 감속재에서 감속되어 열중성자(thermal neutrons)가 되고, 핵분열을 일으키는 이 열중성자는 핵연료다발의 제 3 레이어쪽에서 중심 핵연료봉 방향으로 들어옴으로써 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉의 출력이 높아지는 경향이 있다.
또한 핵연료봉이 높은 선출력으로 장기간 고연소될 경우, 핵분열에 따른 생성기체의 방출이 가속화되어 핵연료봉 내의 압력이 증가하게 되고, 원자로의 안정성이 저하되며, 원자로에 유입된 냉각재의 온도가 상승하여 기포를 발생시키게 된다.
특히 원자로 내의 출력을 높이면 냉각재의 기포가 증가하게 되고, 핵연료봉의 표면이 액체 상태의 냉각재가 아닌 기체 상태의 기포와 접촉하게 된다. 기체의 열전달율은 액체에 비해 현저히 낮으므로, 기체와 접촉하는 부분에서는 핵연료봉에서 냉각재로의 열전달율이 급격히 감소하여 핵연료봉의 온도가 급격히 상승하게 된다. 이를 드라이 아웃(dry out)이라 하며 핵연료봉의 피복관을 손상시키는 원인이 될 수 있다. 상기 드라이 아웃은 냉각재의 온도가 급격히 상승하고, 또한 온도의 저하 속도가 더딜 때 발생하는 것이므로, 주변에 열원인 핵연료봉이 많으며, 냉각재의 유량이 적어지는 중심 핵연료봉으로 갈수록 증가하게 된다.
따라서 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 중심 핵연료봉의 직경을 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉의 직경보다 작게 설계함으로써, 중심 핵연료봉과 냉각재의 접촉량을 높이고, 이를 통해 임계출력(dryout power)을 높여 원자로의 운전 효율을 높일 수 있다.
본 발명에서 상기 중심 핵연료봉은 하기 식 1을 만족하는 것이 좋다.
[식 1]
0.8 ≤ d/D ≤ 0.9
(상기 식 1에서 d은 중심 핵연료봉의 직경이며, D는 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 가장 큰 핵연료봉의 직경을 뜻한다.)
상기 식 1에서 d/D가 0.8 미만인 경우 임계출력의 향상 효과가 미비하여 추가적인 운전여유도를 확보하기 어려우며, d/D가 0.9 초과인 경우 중심 핵연료봉과 냉각재의 접촉량이 줄어들어 드라이 아웃 현상이 심화될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 핵연료봉, 더 상세하게는 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉은 상기 중심 핵연료봉과 별개로 직경의 종류가 동일 또는 상이할 수 있으며, 가장 상세하게는 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
0.8 ≤ dx/Dx < 1.0
(상기 식 2에서 dx는 해당 레이어에서 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이며, Dx는 해당 레이어에서 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, x는 레이어의 순번이다.)
상기와 같이 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 일부 핵연료봉의 직경을 상이하게 조절함으로써 핵연료 다발에 접촉되는 냉각재의 유량을 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 임계출력(dryout power)을 높여 원자로의 운전 효율을 증가시킬 수 있다.
더욱 상세하게 본 발명에 따른 중수로용 핵연료 다발은 상기 제 1 내지 제 3 레이어가 하기 식 3 내지 5 중 하나 이상을 만족하는 것일 수 있다.
[식 3]
0.8 ≤ d1/D1 < 1.0
[식 4]
0.8 ≤ d2/D2 < 1.0
[식 5]
0.8 ≤ d3/D3 < 1.0
(상기 식 3 내지 5에서 D1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, D2는 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, D3는 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이며, d1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이며, d2는 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이며, d3는 제 3레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 작은 핵연료봉의 직경이다. 또한 식 3 내지 5에서 D1, D2, D3는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, d1, d2, d3 또한 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있다.)
상기와 같이 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉의 직경을 조절하여 핵연료 다발에 공급되는 냉각재의 유량을 증가시킬 수 있다. 이를 통해 핵연료 다발의 제 3 레이어에서 중심 핵연료봉으로 갈수록 증가하는 온도를 손쉽게 조절할 수 있으며, 이를 통해 임계출력을 더욱 높일 수 있다.
도면을 통해 이를 더욱 상세히 설명하면 도 4 내지 6은 여러 형태의 예시 중 직경 크기가 두 종류인 중수로용 핵연료 다발의 단면을 도시한 것이다. 이중 도 4는 제 1 레이어에서 직경의 크기가 상대적으로 큰 핵연료봉(D1)과 상대적으로 작은 핵연료봉(d1)이 교호로 배열된 형태를 도시한 것이다.
특히 상기와 같이 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉의 일부를 직경이 작은 핵연료봉으로 교체하여 배열하는 경우, 핵연료 다발 중심을 통과하는 냉각재의 유량이 증가하게 되므로 다른 레이어의 핵연료봉 직경을 조절하는 경우보다 더욱 우수한 임계출력 상승효과를 가질 수 있다.
도 5는 제 2 레이어에서 직경의 크기가 상대적으로 큰 핵연료봉(D2)과 상대적으로 작은 핵연료봉(d2)이 교호로 배열된 형태를 도시한 것이다. 상기와 같이 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉의 일부를 직경이 작은 핵연료봉으로 교체하여 배열하는 경우 핵연료 다발의 임계출력은 저하되지 않으면서도, 제 2 레이어의 핵연료봉의 선출력을 낮추어 안정성 및 제반 성능을 상승시키는 구조적인 효과가 있다.
도 6은 도 4 및 도 5와는 상이한 경우로, 중심 핵연료봉과 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉은 직경이 서로 같을 수도 있으며, 또는 상이할 수도 있다. 즉, 도 6의 핵연료 다발은 상기 식 1을 만족하지 않을 수도 있다. 그러나 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉은 직경의 크기가 상대적으로 큰 핵연료봉(D1)과 상대적으로 작은 핵연료봉(d1)이 교호로 배열되며, 식 3을 만족할 수 있다.
[식 3]
0.8 ≤ d1/D1 < 1.0
(상기 식 3 내지 5에서 D1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 직경이 가장 큰 핵연료봉의 직경이다.)
핵연료 다발이 상기와 같은 구조를 갖는 경우, 중심 핵연료봉의 직경을 다른 핵연료봉과 동일하게 구성하여 중심 핵연료봉의 표면적을 좀 더 높일 수 있으며, 제 1 레이어의 일부 핵연료봉의 직경을 축소시켜 중심 핵연료봉 주변을 흐르는 냉각재의 유량을 증가시킬 수 있다. 따라서 중심 핵연료봉으로 갈수록 증가하는 온도를 손쉽게 조절할 수 있으며, 이를 통해 임계출력을 더욱 높일 수 있다.
다만 도 4 내지 6에서는 각 레이어별로 직경이 서로 다른 두 종류의 핵연료봉을 포함하고 있으나, 직경의 종류가 세 가지 이상인 핵연료봉을 적용하여도 무방하다. 또한 각 레이어별로 두 종류의 핵연료봉이 교호로 배열된 형태만을 언급하고 있으나, 핵연료 다발의 임계출력 및 안정성이 허락하는 한도에서 이들의 배열 형태를 도 4 내지 6과 다르게 할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 중수로용 핵연료 다발은 핵연료봉에 접촉하는 냉각재의 유량을 증가시키기 위해 상기와 같이 서로 다른 직경을 가지는 핵연료봉을 배열할 수도 있으나, 핵연료봉간 또는 레이어와 레이어간의 거리를 조절함으로써 핵연료봉과 냉각재 간의 접촉량을 증가시킬 수 있다.
핵연료 다발은 핵반응 시 많은 양의 열이 발생하며 핵연료봉이 직접 맞닿은 형태는 아니나 인접 배치되어 있으므로, 열원이 핵연료 다발의 중심부에 집중되어 있어 핵연료 다발의 외곽에 비해 국부적으로 온도가 높아지게 된다.
본 발명은 이를 해소하기 위해 핵연료 다발의 중심부, 즉 중심 핵연료봉이 구비된 부분에 유로를 형성함으로써 핵연료 다발의 외곽에서 중심으로 또는 중심에서 외곽으로 흐르는 냉각재의 유량을 증가시키거나, 레이어 간에 유로를 형성하여 핵연료 다발의 중심부를 거치는 냉각재의 유량을 증가시켜 냉각재의 기포화를 억제하고 핵연료봉의 안정성 및 제반 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 7 내지 9를 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 먼저 도 7은 핵연료봉 간의 거리를 조절함으로써 유로를 형성한 것의 일예를 나타낸 것으로, 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 하나와, 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 두 개 및 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 세 개를 포함하여 하나의 그룹(110)을 형성할 수 있으며, 그룹과 그룹 사이에 유로가 형성될 수 있다. 이때 도 7과 같이 하나의 그룹과 상기 그룹과 인접한 그룹과의 거리(L), 즉 인접 그룹에서 동일 레이어에 포함된 핵연료봉간 거리는 유로가 형성되지 않은 핵연료봉간의 거리(l), 즉 그룹 내에서 동일 레이어에 포함된 핵연료봉간 거리보다 길다. 따라서 상기와 같이 형성된 유로를 통해 냉각재가 핵연료 다발의 외곽에서 중심 쪽으로 더욱 쉽게 흐를 수 있어 열교환이 보다 원활히 진행될 수 있으며, 냉각재의 기포화를 최대한 억제할 수 있다.
상기와 같이 핵연료봉 간에 형성되는 유로는 하기 식 5를 만족할 수 있다.
[식 5]
0.8 ≤ l/L < 1.0
(상기 식 5에서 l은 그룹 내에서의 핵연료봉간 거리이며, L은 그룹과 그룹 사이의 거리이다.)
상기 식 5에서 l/L이 0.8 미만인 경우 유로의 거리가 핵연료 다발의 직경에 비해 지나치게 커지게 되어 유로가 아닌 부분의 핵연료봉간 거리가 좁아지게 될 수 있으며, 핵연료 다발의 임계출력 및 안정성이 저하될 수 있다. 또한 l/L이 1.0 초과인 경우 그룹 형성이 제대로 이루어지지 않아 냉각재의 기포화 억제 효과가 떨어질 수 있다.
다만 도 7에서는 유로가 중심 핵연료봉을 기준으로 각각 60°이격되어 구비되었으나, 핵연료 다발의 크기, 핵연료봉의 직경, 핵연료봉의 위치, 핵연료 다발의 임계출력 및 안정성이 허락하는 한도에서 유로의 개수, 형태, 위치 등을 도 5와 다르게 구비할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 8은 제 1 레이어와 제 2 레이어 간의 간격(gap)을 조절함으로써 유로를 형성한 것으로, 핵연료 다발의 중심 핵연료봉과 가까운 위치에 유로를 형성함으로써 핵연료봉의 일단에서 타단 방향으로 흐르는 냉각재의 유량을 증가시켜 핵연료 다발 중심부에 냉각재를 좀 더 원활히 공급하여 제 1 레이어와 제 2 레이어의 열전도율을 높일 수 있다.
도 8과 같이 유로를 형성하는 경우 하기 식 6을 만족할 수 있다.
[식 6]
0.8 ≤ g/G < 1.0
(상기 식 6에서 g은 제 2 레이어와 제 3 레이어 간의 거리이며, G은 제 1 레이어와 제 2 레이어 간의 거리이다.)
상기 식 6에서 g/G가 0.2 미만인 경우 식 5와 마찬가지로 유로의 거리가 핵연료 다발의 직경에 비해 지나치게 커지게 되어 유로가 아닌 부분의 핵연료봉간 거리가 좁아지게 될 수 있으며, 핵연료 다발의 임계출력 및 안정성이 저하될 수 있다. 또한 g/G가 1.0 초과인 경우 간격 조절이 제대로 이루어지지 않아 냉각재의 기포화 억제 효과가 떨어질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 핵연료 다발은 도 9와 같이 제 1 레이어와 제 2 레이어 사이에 형성되며, 동시에 하나 이상의 방사형 유로가 더 구비된 형태를 가질 수 있다. 상기와 같이 구비되는 경우 제 3 레이어에서 중심 핵연료봉 방향으로 냉각재가 흐를 수 있으며, 동시에 제 1 레이어와 제 2 레이어 사이에 형성된 유로가 핵연료봉 간에 형성된 유로와 쉽게 합류하여 냉각재의 열교환 효과가 더욱 상승할 수 있다. 이를 통해 냉각재의 기포화 억제를 억제할 수 있어 핵연료 다발의 임계출력 및 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 도 7 내지 9를 통해 핵연료 다발에 형성될 수 있는 그룹의 일예들을 도시하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 청구 범위 내에서 그룹의 개수, 형태, 위치 등을 자유롭게 변경할 수 있다. 일예로 반원 형태를 가지는 그룹이 두 개 구비되어도 무방하며, 그룹의 형태 또한 부채꼴형, 직사각형, 정사각형 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 이러한 변경이 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
100 : 핵연료봉
110 : 그룹
200 : 중심 핵연료봉
300 : 제 1 레이어
400 : 제 2 레이어
500 : 제 3 레이어

Claims (7)

  1. 핵연료 다발 중심부에 배치된 중심 핵연료봉;
    상기 중심 핵연료봉을 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함하되, 직경 d1의 핵연료봉과 직경 D1의 핵연료봉이 교호로 배열되는 제 1 레이어;
    상기 제 1 레이어를 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함하되, 직경 d2의 핵연료봉과 직경 D2의 핵연료봉이 교호로 배열되는 제 2 레이어; 및
    상기 제 2 레이어를 둘러싸며, 상기 중심 핵연료봉과 일정 거리 이격되어 배치되는 다수의 핵연료봉을 포함하되, 직경 d3의 핵연료봉과 직경 D3의 핵연료봉이 교호로 배열되는 제 3 레이어;
    를 포함하며,
    상기 중심 핵연료봉 및 제 1 내지 3 레이어에 포함되는 핵연료봉은 전체 핵연료 조성물 100 중량% 중 우라늄235(235U)를 0.8 내지 1.2 중량% 포함하며, 하기 식 1 및 3 내지 7을 모두 만족하는 것인 중수로용 핵연료 다발.
    [식 1]
    0.8 ≤ d/D ≤ 0.9
    [식 3]
    0.8 ≤ d1/D1 < 1.0
    [식 4]
    0.8 ≤ d2/D2 < 1.0
    [식 5]
    0.8 ≤ d3/D3 < 1.0
    [식 6]
    0.8 ≤ l/L < 1.0
    [식 7]
    0.8 ≤ g/G ≤ 1.0
    (상기 식 1에서 d은 중심 핵연료봉의 직경이며, D는 제 1 내지 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 가장 큰 핵연료봉의 직경을 뜻하며;
    상기 식 3 내지 5에서 D1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 상대적으로 직경이 큰 핵연료봉의 직경이며, D2는 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 상대적으로 직경이 큰 핵연료봉의 직경이며, D3는 제 3 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 상대적으로 직경이 큰 핵연료봉의 직경이며, d1는 제 1 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 상대적으로 직경이 작은 핵연료봉의 직경이며, d2는 제 2 레이어에 포함되는 핵연료봉 중 상대적으로 직경이 작은 핵연료봉의 직경이며, d3는 제 3레이어에 포함되는 핵연료봉 중 상대적으로 직경이 작은 핵연료봉의 직경이며;
    상기 식 6에서 l은 그룹 내에서의 핵연료봉간 거리이며, L은 그룹과 그룹 사이의 거리이며;
    상기 식 7에서 g은 제 2 레이어와 제 3 레이어 간의 거리이며, G은 제 1 레이어와 제 2 레이어 간의 거리이다.)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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