KR101814561B1 - 연료봉 피복, 연료봉 및 연료 집합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵에너지의 분야에 관한 것이며, 액체 중금속 냉각재(HLMC)를 갖는 원자로용 연료봉(FR) 및 연료 집합체(FA)의 제조 및 실제 FR 성능 테스트를 위해 조사(irradiation) 디바이스에서 이용되는 FR 시뮬레이터의 제조에 이용될 수 있다. 액체 중금속 냉각 원자로를 위한 연료봉의 본 피복은 무용접 튜브형 요소의 형태이며, 이러한 튜브형 요소의 외측 표면에 나선 코일형 핀(fin)이 배치되고, 이는 GOST 5639 규격으로 7의 최소 페라이트 입경 크기를 갖는 페라이트-마르텐사이트계 크롬 실리콘 강으로 제조되며, 각각의 핀은 22° 내지 40°(바람직하게는 30° 내지 40°)의 개방 각도를 가지고 핀의 단면은 상부에 라운드형 코너를 갖고 하부에 평활 코너를 갖는 사다리꼴의 형상이다. 이러한 피복을 포함하는 연료봉과 연료 집합체 또한 개시된다. 본 발명의 기술적인 효과로서, 납 또는 납과 비스무트의 공정(eutectic) 등의 액체 중금속 냉각재의 환경 하에서 피복의 장기적인 내성의 결과로서 연료봉과 집합체의 성능 특성이 개선된다.

Description

연료봉 피복, 연료봉 및 연료 집합체{FUEL ROD CLADDING, FUEL ROD AND FUEL ASSEMBLY}

본 발명은 핵에너지의 분야에 관한 것이며, 액체 중금속 냉각재(HLMC)를 갖는 원자로용 연료봉(FR) 및 연료 집합체(FA)의 제조 및 실제 FR 성능 테스트를 위해 조사(irradiation) 디바이스에서 이용되는 FR 시뮬레이터의 제조에 이용될 수 있다.

종래 기술은 HLMC-내성 금속 또는 합금으로 만들어진 금속성 튜브형 요소로 설계되는 피복을 갖는 다양한 범위의 연료봉을 포함하며, 여기서는 적어도 하나의 리브가 나선형으로 배열되고 튜브형 요소의 표면으로부터 돌출된다(공개문헌 JPH02163694의 요약서 참조). 이러한 특허에 따른 FR은, 우라늄 산화물 및 플루토늄의 펠릿과 플러그가 단부에 설치되는 피복을 포함한다. 피복의 나선형 리브는 튜브형 요소와 통합되며, 이러한 튜브형 요소는 외측 표면 상에 튜브의 전체 길이를 따라 미리정해진 높이와 수의 권취를 갖는다. 이러한 리브는 가동 중에 FR 사이의 거리를 유지하는데 기여하며 열 방산이 개선될 수 있게 한다.

유감스럽게도 이러한 특허의 요약서는 연료봉 피복의 재료의 조성과 리브의 구성에 대해 개시하고 있지 않으며, 이 때문에 연료봉의 성능, 특히 HLMC에 대한 내성에 대한 판단이 이루어질 수 없다.

특허문헌 RU2267175는 IRT 타입 연구 원자로에서 이용되도록 알루미늄으로 만들어진 리브형 FR 피복을 개시하고 있다. 각각의 피복에는 4개의 나선형 스페이서 리브가 구비되어 있고, 각각의 리브는 직사각형 단면을 가진다.

이러한 특허문헌은 또한, 단부가 플러그로 밀봉되며 내부에 연료 노심을 갖는, 외측 표면 상에 나선형 스페이서 리브를 갖는 알루미늄 피복을 포함하는 FR 자체를 개시한다.

특허문헌은 또한, 이러한 연료봉을 갖는 케이싱과 그 내부 설치를 위한 간격설정 그리드를 포함하는 연료 집합체를 개시한다.

이러한 종래 기술의 단점은 액체 중금속 용융물에서 연료봉과 연료 집합체의 내성이 낮다는 점인데, 이는 주로 알루미늄의 용융점이 660℃로 낮기 때문이다.

나아가, 공지된 특허에 따른 직사각형 프로파일 단면은 피복과 리브의 계면에서 높은 응력 집중을 유발하게 되어, 그 결과 HLMC에서의 안정성에 손실이 생기게 된다.

제안된 해결 수단에 가장 가까운 기술적 해결책은 특허문헌 GB1459562에 개시되어 있다.

이러한 특허문헌에 따르면, 피복은 스테인리스 강으로 만들어진 튜브형 요소이며, 그 외측 상에 적어도 하나의 나선형 리브가 있다. 이러한 리브는 튜브형 요소 주위로 나선형으로 감긴 나선형 와이어(또는 트윈 와이어)이다.

그에 따라, 이러한 특허문헌은 또한 피복 및 우라늄 탄화물 형태의 핵연료를 포함하는 연료봉과, 이러한 요소를 포함하는 집합체를 개시한다.

방법에 대한 설명에 따르면, 코일형 스프링 와이어의 형태로 리브가 형성됨으로써, 리브를 연속적인 선으로서가 아니라 단지 특정 체결 포인트들에서만 나선형 와이어로서 부착할 수 있다. 이로써 리브 및 튜브형 요소의 계면에서 냉각재 정체를 방지할 수 있고, 이는 FR을 따라 냉각재 이동이 보다 효율적으로 이루어지게 한다. 이와 동시에, 발명자들에 따르면, 리브의 설계는 리브가 간격설정 기능을 수행하도록 하는 수용가능한 강성을 가지게 될 것이다.

유감스럽게도 공지된 특허문헌은 리브가 어떻게 부착되는지를 특정하지 못하는데, 이러한 부착은 스폿 용접에 의해 수행될 수 있다.

그러나, 스테인리스 강은 제한된 용접가능성을 가진다. 저항 스폿 용접 동안에, 수축 홀과 고온 균열이 용접 스폿 금속에 생길 수 있고, 이는 피복재에서 전파될 수 있다. 저항 용접에 의해 피복에 와이어를 부착하는 것은 피복에 결함을 유발하게 된다.

부가적으로, 특정 포인트들에 고정된 스프링 코일형 와이어는 냉각재 흐름에서 연료봉 높이를 따라 시프트되어 스폿 용접 시에 피복으로부터 분리될 것이다.

본 발명의 목적은, 납 또는 납과 비스무트의 공정(eutectic) 등의 액체 중금속 냉각재의 환경에서 피복의 장기적인 내성의 결과로서 연료봉과 집합체의 성능 특성을 개선하고자 하는 것이다.

본 발명의 기술적인 효과로서, 납 또는 납과 비스무트의 공정 등의 액체 중금속 냉각재의 환경에서 피복의 장기적인 내성의 결과로서 연료봉과 집합체의 성능 특성이 개선된다. 부가적인 기술적 효과로서, 연료봉 피복의 제조가능성이 향상되고, 리브를 따라 HLMC의 흐름이 보다 용이해져 노심의 수력학적 저항이 감소하며 열 교환 프로세스가 강화된다. 부가적인 기술적 효과로서, 응력 집중이 줄어들게 되고 FR의 생산 및 이후 가동의 모드로 인해 리브 베이스에 결함이 발생할 위험이 줄어들어, FR 부식 손상을 없앤다.

다음의 필수적인 특징은 앞서 언급한 기술적인 효과의 달성에 영향을 미친다.

액체 중금속 냉각제를 갖는 원자로용 FR 피복은 일체 압연 튜브형 요소이며, 상기 튜브형 요소의 외측 표면에 위치하는 나선형 리브는 GOST 5639 하에서 7 이상의 페라이트 입경 크기를 갖는 페라이트-마르텐사이트 등급의 크롬 실리콘 강으로 만들어지고, 리브의 단면 형상은 개방 각도가 22° 내지 40°인 사다리꼴 형상이고, 리브의 단면 형상은 상부에 라운드형 코너를 갖고 하부에 평활 코너(필렛)를 갖는 사다리꼴 형상이다.

본 발명의 특정 실시예로서, 피복은 10 중량 % 내지 12 중량 %의 크롬 함유량과 1.0 중량 % 내지 1.3 중량 %의 실리콘 함유량을 갖는 강으로 만들어진다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 피복은 동일한 간격으로 이격된 4개의 나선형 리브를 구비할 수 있다.

이러한 경우, 각각의 리브는 적어도 0.75 mm의 높이, 최대 0.6 mm의 벽 두께, 및 30° 내지 40°의 리브 개방 각도를 갖는다.

다른 실시예로서, 리브의 단면 형상은, 상부의 라운드형 코너의 곡률 반경이 0.2 내지 0.35 mm인 사다리꼴 형상이다.

리브의 단면 형상은, 하부의 평활 코너의 필렛 반경이 0.55 내지 0.9 mm인 사다리꼴 형상일 수 있다.

설정된 문제는 또한, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료봉에 의해 해소되는데, 이는 앞서 언급한 피복으로서 단부가 플러그로 밀봉되는 피복과 피복 내부의 핵연료를 포함한다.

설정된 문제는 또한, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 집합체에 의해 해소되는데, 이는 기본 프레임 구조체 및 기본 프레임 구조체 상에 설치된 적어도 하나의 리텐션 그리드를 포함하고, 앞서 언급한 필수 특징을 이용하여 제조되며 리텐션 그리드에 고정되는 연료봉을 구비한다.

이와 동시에, 연료봉의 간격설정은 리브-대-리브 기반으로 수행된다.

집합체는 프레임의 상부와 하부에 위치하는 2개의 리텐션 그리드를 포함할 수 있다.

프레임은 튜브형으로 설계될 수 있다.

본 발명은 도면에 예시되어 있으며,
도 1은 피복 외관을 나타내고,
도 2는 피복 단면을 나타내며,
도 3은 리브 단면을 나타낸다.

다음의 항목에 관해 기술한다:

1. FR 피복.

2. 간격설정 나선형 리브.

3. 리브 상부의 라운드형 코너.

4. 리브 하부의 평활 코너.

피복(1)(도 1 내지 2 참조)은 피복(1)의 외측 표면 상에 간격설정 나선형 리브(2)를 갖는 일체 압연 튜브형 요소이다.

피복(1)은 GOST 5639 하에서 7 이상의 페라이트 입경 크기를 갖는 페라이트-마르텐사이트 등급의 크롬 실리콘 강으로 만들어지고, 9.8 mm 내지 13.5 mm의 외측 능간 직경(crest diameter)을 가지며, 피복의 두께는 0.38 mm 내지 0.55 mm이고, 피복 내경은 7.2 mm 내지 11.2 mm이고, 내측 및 외측 표면 조도는 GOST 2789 하에서 Ra=1.2 μm를 초과하지 않는다.

바람직한 실시예로서, 상기 페라이트-마르텐사이트 등급의 크롬 실리콘 강은 중량 %로 탄소 0.14-0.18, 실리콘 1.0-1.3, 망간 0.5-0.8, 크롬 10.0-12.0, 니켈 0.5-0.8, 바나듐 0.2-0.4, 몰리브덴 0.6-0.9, 텅스텐 0.5-0.8, 니오븀 0.2-0.4, 붕소 ≤ 0.006 (계산에 따라), 세륨 < 0.1, 그리고 나머지는 철을 포함한다.

상기 조성을 갖는 강은 서비스 특성(공극 팽창에 대한 높은 내성, 방사선 크립의 낮은 레이트, 납-비즈무스에서의 높은 내부식성)의 측면에서 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로의 FR 피복 용도로 가장 적합한 재료이다.

리브의 수는 변할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 피복은 4개의 리브를 포함한다.

각각의 리브(2)(도 3 참조)는 피복 위로 돌출하며, 단면이 사다리꼴 형상으로 라운드형 피크와 하부의 라운드형 코너(필렛)를 갖는다. 리브의 개방 각도는 22° 내지 40°이고, 가장 바람직한 실시예로서 30° 내지 40°이다.

이러한 리브 구성은 FR 피복의 제조가능성을 보장하며, 리브를 따라 HLMC의 흐름이 보다 용이해져 노심의 수력학적 저항을 줄일 수 있고 열 교환 프로세스를 강화할 수 있다. 부가적으로, 피복과의 계면에 라운드형 피크와 필렛을 가진 리브의 설계에 의해, 응력 집중이 줄어들게 되고 FR의 생산 및 이후 가동의 모드로 인해 리브 베이스에 결함이 발생할 위험이 줄어들어, FR 부식 손상을 없앤다.

바람직한 피복 파라미터는 다음과 같다:

- 피복의 벽 두께는 최대 0.6 mm, 바람직하게는 0.4 mm;

- 리브 높이는 0.55 mm 내지 0.85 mm, 바람직하게는 0.75 mm;

- 개방 각도는 22° 내지 40°, 바람직하게는 30°;

- 상부의 코너(3) 곡률 반경은 0.2 mm 내지 0.35 mm, 바람직하게는 0.2 mm;

- 하부의 필렛(4) 반경은 0.55 mm 내지 0.9 mm, 바람직하게는 0.7 mm.

리브(2)는 동일한 간격으로 이격되며, 각각의 리브는 피치가 450 mm 내지 1000 mm, 바람직하게는 750 mm인 나선형을 이룬다. 피복(1)은 리브의 권취가 레프트 핸드 방향으로 만들어진다.

이하는 실시예의 예시이다.

4개의 나선형 리브를 갖는 튜브가 연료 피복의 제조용 강으로 만들어진 빌릿의 냉간 압연에 의해 제조된다. 바람직하게는, 상기 강은 상기 페라이트-마르텐사이트 등급의 크롬 실리콘 강으로서, 중량 %로 탄소 0.14-0.18, 실리콘 1.0-1.3, 망간 0.5-0.8, 크롬 10.0-12.0, 니켈 0.5-0.8, 바나듐 0.2-0.4, 몰리브덴 0.6-0.9, 텅스텐 0.5-0.8, 니오븀 0.2-0.4, 붕소 ≤ 0.006 (계산에 따라), 세륨 < 0.1, 그리고 나머지는 철을 포함한다.

피복의 능간 직경은 13.5 mm, 피복의 벽 두께는 0.4 mm, 피복의 내측 직경은 11.2 mm이다. 리브는 0.75 mm의 높이를 가지고, 리브의 1/2 높이 폭은 0.75 mm, 리브의 높이-두께 비율은 1.85 mm이다. 리브의 단면은 사다리꼴 형상이며, 상부에 0.2 mm의 곡률 반경을 갖는 라운드형 코너를 갖고, 필렛 반경은 0.7 mm이다. 리브의 개방 각도는 30°이다. 리브는 750 mm의 피치로 나선형 구조를 이룬다(권취는 레프트 핸드 방향).

제조된 피복 내에 우라늄 이산화물에 기초한 핵연료가 배치되며, 제조된 FR은 상부 및 하부의 테일 피스(플러그)로 밀봉된다.

연료 집합체를 완성하기 위해, 조립된 FR은 리브-대-리브 기반으로 간격을 갖고 프레임 구조에 설치되며, 프레임 구조 상에 장착된 상부, 중간 및 하부 그리드에 부착된다. 결과물인 집합체가 원자로에 설치된다.

본 발명에 의해 단일 유닛으로서 리브를 구비한 피복을 제조할 수 있게 되고, 응력 집중 스폿에서 결함의 가능성을 줄일 수 있게 되어, 가동 온도에서 HLMC와 접촉 시에 안정된 열 및 부식 내성을 보장한다.

본 발명에 의해, FA의 (FR을 위한) 상부와 하부 지지 스페이서 그리드들 사이에서 인접한 연료봉들의 간격설정(리브-대-리브), 및 반사체와 FA 지지 요소와의 간격설정이 구현될 수 있고(FA 설계를 단순화할 수 있음), FR 피복을 위한 적절한 HLMC 프로세스(약 75,000 시간), 온도 및 선량 제한 하에서 HLMC 매질(납, 납과 비즈무스의 공정 합금)에서 장기적인 안정성이 보장될 수 있다.

Claims (11)

1. 일체 압연(solid-rolled) 튜브형 요소로 설계되는 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 요소 피복으로서,
   상기 튜브형 요소의 외측 표면에 위치하는 나선형 리브는 GOST 5639 하에서 7 이상의 페라이트 입경 크기를 갖고, 10 중량 % 내지 12 중량 %의 크롬 함유량과 1.0 중량 % 내지 1.3 중량 %의 실리콘 함유량을 갖는 페라이트-마르텐사이트 등급의 크롬 실리콘 강으로 만들어지고, 각각의 리브의 개방 각도는 22° 내지 40°이며, 리브의 단면 형상은 상부에 라운드형 코너를 갖고 하부에 평활 코너를 갖는 사다리꼴 형상인, 원자로용 연료 요소 피복.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피복은 동일한 간격으로 이격된 4개의 나선형 리브를 구비하는, 원자로용 연료 요소 피복.
3. 제2항에 있어서,
   각각의 리브는 적어도 0.75 mm의 높이, 최대 0.6 mm의 벽 두께, 및 30° 내지 40°의 개방 각도를 갖는, 원자로용 연료 요소 피복.
4. 제1항에 있어서,
   상기 리브의 단면 형상은, 상부의 라운드형 코너의 곡률 반경이 0.2 내지 0.35 mm인 사다리꼴 형상인, 원자로용 연료 요소 피복.
5. 제1항에 있어서,
   상기 리브의 단면 형상은, 하부의 평활 코너의 필렛(fillet) 반경이 0.55 내지 0.9 mm인 사다리꼴 형상인, 원자로용 연료 요소 피복.
6. 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료봉으로서,
   제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 피복을 포함하고, 상기 피복은 단부가 플러그로 밀봉되며 상기 피복 내부에 핵연료가 배치되는, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료봉.
7. 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 집합체로서,
   기본 프레임 구조체;
   상기 기본 프레임 구조체 상에 설치된 적어도 하나의 리텐션 그리드; 및
   상기 리텐션 그리드에 고정되는 제6항에 따른 연료봉
   을 포함하는, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 집합체.
8. 제7항에 있어서,
   연료봉의 간격설정은 리브-대-리브 기반으로 수행되는, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 집합체.
9. 제7항에 있어서,
   프레임의 상부와 하부에 위치하는 2개의 리텐션 그리드를 포함하는, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 집합체.
10. 제7항에 있어서,
    상기 기본 프레임 구조체는 튜브형으로 설계되는, 액체 중금속 냉각재를 갖는 원자로용 연료 집합체.
11. 삭제

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