KR101846515B1 - 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉에 관한 것으로, 상세하게는 핵연료 소결체에 있어서, 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 제공하고, 나아가 이를 포함하는 핵연료봉에 관한 것이다. 본 발명의 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉은 핵연료 소결체의 연소 중 발생하는 핵분열기체를 핵연료 소결체 중심부의 밀폐된 빈공간에 효율적으로 수용하면서 핵연료봉의 내부 압력 상승을 억제하는 효과가 있다.

Description

중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉{Nuclear fuel pellets comprising closed internal void at its center and nuclear fuel rods comprising thereof}

본 발명은 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉에 관한 것이다.

원자로에서는 열을 생산하기 위하여 일반적으로 핵연료봉이 사용된다. 핵연료봉은 1개의 합금 피복관 안에 다수의 원통형 핵연료 소결체를 직렬로 배열되도록 장입하고, 피복관의 양단을 봉단마개로 용접 밀봉한 형태이다. 핵연료봉 내부에는 핵연료 소결체가 채워져 있고, 핵연료봉 길이 방향의 상단 또는 하단 일부분은 빈공간으로 남겨둔다. 상기 연료봉 내의 빈공간을 플레넘(plenum)이라 부르며, 여기에는 스프링을 장입하여 소결체가 움직이지 않도록 한다. 상기의 플레넘은 연소 중에 발생하는 핵분열기체를 수용하는 역할을 한다. 핵연료봉 제조 중에 핵연료봉 내부는 통상적으로 헬륨기체를 충전하며 그 압력은 약 10 내지 30기압 정도이다. 따라서 핵연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 및 갭(피복관과 소결체 사이 공간)과 같은 내부 공간에는 상기 압력의 헬륨기체가 채워지게 된다. 핵연료봉 피복관 직경은 9mm 내지 14 mm 이며 길이는 통상적으로 3.5m 내지 4.5m 정도이다. 핵연료봉에 장입되는 원통형 소결체의 통상적인 크기는 직경 7mm 내지 12mm, 길이 10mm 내지 15mm 정도이다. 원통형 소결체의 길이(높이)/직경 비는 약 1.2 정도이다. 핵연료 소결체는 분말을 성형하고 소결하여 제조한 것으로서, 소결밀도는 이론밀도의 약 95%이다. 예를 들어 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 경우 핵연료 소결체 내부에는 이산화 우라늄 물질이 균일하게 분포하며, 또한 소결공정에 의해서 형성된 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 이하 크기의 기공(pore) 수십만 개가 소결체 내부에 균일하게 분산되어 있다. 일반적으로 소결체 내에 과도하게 큰 기공이 존재하면 불량으로 분류되며 원자로에서 사용되지 않는다.

원자로 안에서 핵연료봉내의 소결체에서 핵분열이 발생하면 열과 함께 제논(Xe), 크립톤(Kr)과 같은 핵분열기체가 생성된다. 발생열은 피복관을 거쳐서 핵연료봉 외측 냉각수로 전달되고 이것이 발전에 이용된다. 최근에는 핵연료의 경제성을 높이고 사용 후 핵연료의 양을 줄이기 위해 핵연료를 오랫동안 연소시키는 고연소도 핵연료를 개발하고 있으며, 연소도가 높아지면 핵연료에 의한 제논(Xe), 크립톤(Kr)과 같은 핵분열 기체의 발생량이 많아진다. 한편 생성된 핵분열 기체 중 일부가 소결체 박으로 방출되고 연료봉 내부 공간에 누적되면서 연료봉 내부기체 압력을 상승시킨다. 이러한 증가된 핵분열 기체는 결국에는 피복관에 작용하는 응력을 증가시키게 되고, 결과적으로 핵연료의 안정성을 저해시키는 요소가 된다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 핵분열에 의하여 발생되는 핵분열 기체를 가능한 한 소결체 밖으로 적게 방출하게 하여야 한다. 소결체에 존재하는 온도분포에 따른 핵분열기체 방출을 보면, 온도가 낮은 소결체 표면부위에서는 핵분열기체가 적게 방출되고, 온도가 가장 높은 중심부위에서 발생한 핵분열기체가 많이 방출 된다. 소결체에 존재하는 온도분포에 따른 핵분열기체 방출을 보면, 온도가 낮은 소결체 표면부위(피복관 측)에서는 핵분열기체가 1~2% 정도 방출되지만, 온도가 가장 높은 중앙부위에서 발생한 핵분열기체는 약 20% 정도가 소결체 밖으로 방출된다. 이것은 온도가 높은 부위에서 핵분열기체의 이동이 많기 때문이다.

원자로 안에서 핵연료봉 외측 냉각수 압력은 통상적으로 약 100기압 내지 150 기압으로 유지되고 있다. 만약 연료봉 내부기체 압력이 냉각수 압력보다 높아지면, 피복관이 외측 냉각수 방향으로 과도하게 변형되기 때문에 피복관(연료봉)이 파손된다. 연료봉 파손은 방사성물질에 의한 냉각수 오염을 초래하여 원자로 운전에 악영향을 준다. 따라서 핵연료봉의 파손을 방지하기 위해서 연료봉의 내부기체 압력이 냉각수 압력을 초과하지 않도록 설계하고 이 범위 안에서 핵연료의 연소도 또는 연소기간을 제한하고 있다.

핵연료봉의 연소도가 높아지면, 핵연료의 경제성이 향상되고 또한 사용 후 핵연료 발생량이 줄어드는 장점이 있지만, 연료봉의 내부기체 압력이 증가하는 문제가 발생한다. 연료봉 내부기체 압력을 낮추는 원리는 기체의 수용공간을 늘리거나 혹은 핵분열기체가 소결체로부터 방출되는 양을 줄이는 것이다.

예를 들어, 대한민국 공개특허 10-2012-0117112(특허문헌 0001)에서는 열적 안정성이 우수한 우라늄 산화물 핵연료 소결체 및 그 제조방법을 제안하였다. 상세하게는 티타늄 화합물, 칼슘 화합물 및 우라늄 산화물을 포함하는 열적 안정성이 우수한 우라늄 산화물 핵연료 소결체를 제공하는 것에 관한 기술이다. 상기의 핵연료 소결체 제조방법을 통하여 우라늄 산화물 핵연료 소결체에 티타늄 화합물 또는 칼슘 화합물을 첨가하여 소결체 기공조직을 구형화함으로써 재소결시 밀도변화량을 최소화시켜 소결체의 열적 안정성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 노내 건전성 및 핵연료봉의 성능이 효율적으로 유지될 수 있으며, 경제성도 우수한 효과가 있다. 그러나 상기의 발명을 통해 핵연료 소결체의 낮은 열전도도는 개선되지 않아, 여전히 원통형 핵연료 소결체의 내부와 핵연료 소결체의 표면은 서로 높은 온도 구배를 나타내고, 많은 핵분열기체가 발생하여 핵연료봉 내부의 압력을 낮추는 효과는 크지 않은 단점이 있다. 도 1은 상기의 예를 비롯한 종래의 원통형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이다.

대한민국 공개특허 10-2008-0137906(특허문헌 0002)에서는 도넛 모양의 단면을 갖는 환형 핵연료 소결체 제조방법을 제안하였다. 도 2는 상기의 예를 비롯한 종래의 환형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이다. 도 2에서 예시한 바와 같이, 상기의 핵연료 소결체는 소결체의 내부를 관통하는 빈공간(201)이 존재하고, 이러한 환형 소결체를 연료봉에 장입하여 핵연료봉이 구성된다. 환형 소결체를 채용한 핵연료봉은 환형 소결체 내부공간의 부피만큼 핵연료봉의 내부공간이 증가하기 때문에 연료봉 내부기체 압력을 줄이는 효과가 있다. 환형 소결체의 내부공간은 연료봉안에 존재하는 플레넘 또는 갭과 마찬가지로 핵연료봉 제조공정에서 헬륨기체 충전에 의해서 약 20기압으로 채워지게 된다. 상기의 이유로 핵연료 소결체에서 발생하는 핵분열기체로 인해 상승하는 핵연료봉 내부압력을 억제하는 효과는 상기 헬륨기체 압력만큼 감소하는 문제점이 있다. 환형 소결체의 또 다른 문제는 원통형 소결체에 비하여 핵분열기체가 방출되는 소결체 표면을 추가로 제공한다는 점이다. 특히, 환형 소결체의 내부공간이 핵분열기체 이동이 가장 많은 중심부에 있기 때문에, 상기 추가된 소결체 표면을 통해서 핵분열기체 방출량이 원통형 소결체보다 더 늘어나는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 10-2015-0079423(특허문헌 0003)에 따른 핵연료봉은 밀봉부재의 내부에 피복관 내부의 압력이 피복관 외부의 압력보다 큰 경우, 밀봉부재의 일측으로 밀봉부재의 압력을 배출시키는 압력이완부가 배치된다. 상기의 특허문헌 0003에 따른 핵연료봉은 냉각수 상실사고와 같이 핵연료봉의 냉각이 원활하게 수행되지 않는 상황에서, 핵연료 소결체에서 발생하는 핵분열기체에 의하여 핵연료봉의 내부압력이 외부압력보다 높은 경우 내부에 배치된 파열판 또는 체적증가부재 등의 변화 또는 이동에 의하여 피복관 내부의 체적을 증가시켜 피복관 내부의 증가되는 압력을 수용할 수 있으며, 피복관 내부의 압력이 증가되는 경우 피복관 외부로 내부의 압력을 배출시켜 피복관이 부풀어오르는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 따라서 냉각수 상실사고 시에도 핵연료봉과 핵연료봉 사이에 냉각수가 유동할 수 있는 통로를 확보하게 되고, 냉각수 재공급시에 핵연료봉이 충분하게 냉각될 수 있도록 할 수 있음에 따라 핵연료봉이 과열되는 것을 방지하여 원자로 안정성을 증진하는 효과가 있다. 하지만 상기의 특허문헌 0003에 따른 핵연료봉은 종래의 핵연료봉과 비교하여 압력이완부, 추가 처리된 파열판 및 추가 처리된 피복관이 추가되는 복잡한 구성으로, 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 종래의 환형 소결체 및 원통형 소결체의 문제점을 극복하기 위해서, 원통형 소결체의 내부 중심에 헬륨기체가 충전되지 않는 밀폐된 빈공간을 형성함으로써 환형 소결체보다 핵분열기체의 수용능력을 증진하여 핵연료봉 내부기체 압력 상승을 효과적으로 억제할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

대한민국 공개특허 10-2012-0117112 대한민국 공개특허 10-2008-0137906 대한민국 공개특허 10-2015-0079423

본 발명은 종래의 원통형 소결체 및 환형 소결체와 이를 포함하는 핵연료봉에 있어서 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉을 제공한다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉은 핵연료 소결체에서 발생하는 핵분열기체를 소결체 내에 수용하고, 핵연료봉의 내부 압력이 상승하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 핵연료 소결체의 소결 밀도를 조절하고, 플레넘 길이의 조절을 통해 핵연료봉에 장전되는 소결체의 양을 조절할 수 있다. 이를 통해, 핵연료의 안전성과 경제성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 원통형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이고,
도 2는 종래의 환형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이고,
도 3은 본 발명에 따른 중심부에 원통형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료
소결체를 보여주는 모식도이고,
도 4는 본 발명에 따른 중심부에 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 보여주는 모식도이고,
도 5는 본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉의 모식도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은

중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 제공한다.

핵연료 소결체가 연소하게 되면서, 핵연료 소결체의 연소에 의한 핵연료 기체가 발생하게 되고, 이에 따라 핵연료봉 내부 압력이 상승하게 된다. 본 발명에 의한 핵연료 소결체는 소결체 중심부에 빈공간을 포함하고 있어, 핵연료 소결체의 연소 중 발생하는 핵연료 기체를 수용할 수 있는 기능을 한다. 따라서 본 발명에 의한 핵연료 소결체는 기존의 환형 또는 원통형 소결체에 비하여 헬륨 기체가 채워지지 않은 밀폐공간에서 핵분열 기체를 더 많이 수용할 수 있기 때문에 핵연료 소결체의 연소 중에 핵연료봉의 내부 압력의 상승을 크게 완화하는 효과가 있다.

또한, 상기 중심부는 소결체 제조 중에 밀폐되기 때문에 이후 연료봉 제조과정에서 헬륨기체가 충전되지 않는다. 상기 중심부 공간이 밀폐되지 않고 외부와 연결된다면, 환형 소결체의 내부공간과 기능상 차이가 없기 때문에 발명의 효과를 상실한다.

본 발명에서 제공하는 소결체의 중심부 빈 공간은 핵분열기체의 수용을 위한 최적의 장소이다. 핵연료 소결체의 내부에서 생성된 핵분열기체가 확산에 의해서 이동하여 소결체 외부로 방출된다. 실제로 온도가 낮은 소결체 표면부위(피복관 측)에서는 핵분열기체가 1 내지 2% 정도가 방출되지만, 온도가 가장 높은 중앙부위에서 발생한 핵분열기체는 약 20% 정도 발생하고, 빠른 확산속도로 인하여 빠르게 소결체 밖으로 방출된다. 따라서 소결체 중심부에 존재하는 빈 공간은 주위에 핵분열기체 이동이 가장 많기 때문에 핵분열기체를 효율적으로 포집할 수 있다. 반대로, 온도가 낮은 부위에 빈 공간이 존재한다면 핵분열기체의 이동이 적어서 상대적으로 적은 양의 핵분열기체를 포집하게 된다.

이때, 상기 핵연료 소결체의 형태는 원통형인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기한 바와 같이, 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 소결체를 제조하기에는 소결체의 형상은 원통형인 것이 제조의 편의성과 핵연료봉 내부압력 억제를 위한 기능성을 고려할 때 바람직하다. 현재 사용되는 핵연료 소결체의 형상은 원통형, 판형 및 환영 등의 형상을 하고 있다. 만약 중심부에 밀폐된 공간을 포함하는 소결체의 모양이 판형이라면, 본 발명에 의한 소결체 내부에 빈공간을 형성하기가 어렵고, 밀폐된 빈공간을 형성하기에 매우 제한적이라 본 발명의 목적인 핵분열 기체를 수용하는데 적절치 못하다. 만약 소결체의 모양이 환형이라면, 소결체 중심부가 관통되어 있기 때문에, 빈공간 형성이 불가능 하다. 상기의 이유로 본발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체의 형상은 원통형인 것이 바람직하다.

또한, 상기 원통형 소결체의 직경은 7mm 내지 12mm이고, 높이는 9mm 내지 14 mm인 것일 수 있다.

이때, 상기 핵연료 소결체는 이산화우라늄(UO₂), 이산화플루토늄(PuO₂) 및 이산화토륨(ThO₂)의 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 이산화우라늄을 사용할 수 있다.

이때, 상기 밀폐된 빈공간의 형상은 원통형 또는 구형인 것이 바람직하나, 그 형상이 원통형 또는 구형에 한정되는 것은 아니며, 빈공간을 형성하는 방법에 따라 또 다른 형상으로 빈공간이 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 중심부에 원통형 밀폐된 빈공간(301)을 포함하는 핵연료 소결체의 일 실시예는 도 3을 통해 예시하였고, 본 발명에 따른 중심부에 구형 밀폐된 빈공간(401)을 포함하는 핵연료 소결체의 다른 실시예는 도 4의 모식도를 통해 나타내었다. 소결체 중심부 빈공간의 형상은 핵분열기체의 수용능력과 관련이 없기 때문에 형상에 제한은 없다. 하지만 상기 중심부 빈공간의 형상은 소결체 제조공정에 영향을 받기 때문에 제조에 적합한 형상이 기술적으로 바람직하다. 핵연료 분말의 성형 측면에서 중심부 빈공간은 원통형 또는 구형인 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 소결체의 중심부 밀폐공간은 전체 공간부피가 변하지 않는다면 1개 공간 혹은 복수의 작은 공간으로 구성하는 것에 기술적인 차이가 없다. 예를 들어, 중심부 공간이 소결체 부피의 5%라고 하면, 1개의 공간으로 구성하거나 또는 2% 공간 1개 및 3% 공간 1개로 구성할 수 있고, 또 다른 여러 가지 공간의 구성이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위 안에서 소결체의 중심부 공간은 1개 공간 혹은 복수의 작은 공간으로 구성 될 수 있다.

또한, 상기 원통형인 밀폐된 빈공간의 직경은 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 이고, 높이는 소결체 높이의 1/5 내지 1/2 인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 원통형 밀폐된 빈공간의 직경, 높이가 소결체 직경, 높이의 1/2을 초과하면 소결체가 구조적으로 취약해지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 중심부 빈공간의 최소크기에 대해서 기술적인 제한은 없으나, 소결체 제조의 관점에서는 원통형 빈공간은 소결체 직경 및 높이의 각각의 1/5이 바람직하고, 또한 상기 원통형 밀폐된 빈공간의 직경, 높이가 소결체 직경, 높이의 1/5 미만이라면 핵분열기체의 수용능력이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 상기 구형인 밀폐된 빈공간의 직경은 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 구형 밀폐된 빈공간의 직경이 소결체 직경의 1/2을 초과하면 소결체가 구조적으로 취약해지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 중심부 빈공간의 최소크기에 대해서 기술적인 제한은 없으나, 소결체 제조의 관점에서는 구형 빈공간은 소결체 직경 및 높이의 각각의 1/5이 바람직하고, 또한 상기 구형 밀폐된 빈공간의 직경이 소결체 직경의 1/5 미만이라면 핵분열기체의 수용능력이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간의 압력은 소결체 제조 중에 소결 기체의 압력에 의해서 결정되며 대기압인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 핵연료봉의 제조를 위해서 피복관 안에 핵연료 소결체를 장입한 후 핵연료봉 내부는 통상적으로 헬륨기체를 약 20기압으로 충전하고 봉단마개를 피복관에 용접한다. 따라서 핵연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 및 피복관과 소결체 사이 공간과 같은 내부공간에는 상기 압력의 헬륨기체가 채워지게 된다. 상기 소결체는 종래의 일반적인 소결체의 제조방법에 의해 형성되고, 제조 공정 중 소결 기체 압력의 공정조건은 대기압에서 실시된다. 그에 따라 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체의 중심부 밀폐된 빈공간은 대기압을 갖게 된다. 따라서 중심 공간의 핵분열기체 압력이 점점 높아져서 연료봉 내부기체 압력과 같아질 때까지 상기 중심 공간은 우선적으로 핵분열기체를 수용하게 된다. 따라서 연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 또는 갭 공간과 비교하여 동일한 부피에서도 훨씬 더 많은 핵분열기체를 수용하는 장점이 있다.

이때, 상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간은 핵분열기체(Nuclear Fission Gas)를 수용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 소결체 연소 중 내부에서 생성된 핵분열기체가 확산에 의해서 이동하여 소결체 외부로 방출된다. 확산은 온도의 지수 함수에 비례하고, 연소 중 소결체의 중심부 온도는 매우 큰 반면, 소결체의 표면은 직접 맞닿는 헬륨기체에 열전달이 이루어져 상대적으로 낮은 온도를 나타낸다. 이러한 이유로 핵분열기체의 이동은 주로 소결체 중심부에서 발생하고, 소결체 중심부에 존재하며 대기압 환경인 빈공간은 발생한 핵분열 기체를 효율적으로 수용할 수 있다.

더욱 나아가, 본 발명은

중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉을 제공한다.

본 발명에 따른 중심부에 원통형 및 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉은 도 5의 모식도를 통해 나타내었다. 상기의 핵연료봉은 피복관(501)과 피복관 내에 장입되는 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체(503), 핵연료가 장입되지 않은 빈공간인 플레넘(504), 피복관 상단, 하단을 외부와 차단하는 봉단마개(502)로 구성된다. 핵연료봉 내부의 빈공간은 통상적으로 20기압의 헬륨 기체로 채워진다.

본 발명에 따른 중심부에 원통형 및 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉에 있어서, 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료의 도입으로 핵연료봉 내에 핵분열기체를 수용할 수 있는 추가적인 공간이 발생하고, 이것으로 핵연료봉의 내부압력 상승을 억제할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서 제공하는 핵연료봉은 내부기체 압력이 약 20기압 상태에 있으나, 이에 포함되는 소결체의 중심부 공간은 대기압 또는 그 이하의 기압 상태이다. 이는 상기 소결체가 밀폐되어, 중심부 공간이 헬륨기체로 채워지지 않았기 때문이다. 따라서 중심 공간의 핵분열기체 압력이 점점 높아져서 연료봉 내부기체 압력과 같아질 때까지 상기 중심 공간은 우선적으로 핵분열기체를 수용하게 된다. 따라서 연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 또는 갭 공간과 비교하여 동일한 부피에서도 훨씬 더 많은 핵분열기체를 수용하는 장점이 있다.

100: 원통형 핵연료 소결체
200: 환형 핵연료 소결체
201: 중심 관통부
300: 중심부에 원통형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체
301: 원통형 밀폐된 빈공간
400: 중심부에 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체
401: 구형 밀폐된 빈공간
500: 핵연료봉
501: 핵연료봉 피복관
502: 핵연료봉 봉단마개
503: 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체
504: 핵연료봉 플레넘

Claims (10)

1. 중심부에 핵연료 소결체 연소시 발생하는 핵분열 기체를 우선적으로 수용하는 밀폐된 빈공간을 포함하되,
   상기 핵연료 소결체가 10 내지 30 기압의 헬륨 기체로 충전된 핵연료봉에 장입되었을 때, 상기 밀폐된 빈공간의 압력은 대기압이하로서, 소결체 밖 공간보다 동일 부피에서 더 많은 핵분열 기체를 수용하고,
   상기 밀폐된 빈공간은 직경이 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 이고, 높이는 소결체 높이의 1/5 내지 1/2 인 원통형 또는 직경이 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 인 구형인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 핵연료 소결체의 형태는 원통형인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 원통형 소결체의 직경은 7mm 내지 12mm이고, 높이는 9mm 내지 14 mm 인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 핵연료 소결체는 이산화우라늄(UO₂), 이산화플루토늄(PuO₂) 및 이산화토륨(ThO₂)의 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
   
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9. 제 1항에 있어서,
   상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간은 핵분열기체(Nuclear Fission Gas)를 수용하는 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
   
10. 제 1항에 따른 핵연료 소결체를 포함하고,
    상기 핵연료 소결체의 밀폐된 빈공간의 압력은 핵연료봉 내부 압력보다 낮은 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
    
    

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