KR102095810B1 - 경수로용 연료 집합체, 경수로 노심 설계 방법 및 경수로용 연료 집합체 설계 방법 - Google Patents
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Abstract
경수로용 연료 집합체의 설계 방법은, 연료 집합체(10)에 포함되는 연료봉(11,12)의 개수를 N, 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)의 개수를 n, 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율을 p, 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도를 e로 할 때에, 해석 또는 실험에 의해, 복수의 p·n/N과 e의 각각의 조합이 노심(爐心)으로서 성립하는지의 여부를 나타내는 노심 판정 데이터를 축적하는 노심 판정 데이터 축적 스텝과, 노심 판정 데이터에 의거하여 p·n/N과 e의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 판정식을 결정하는 노심 판정식 결정 스텝과, 판정식에 의거하여, 임시로 설정된 연료 집합체의 구성이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 노심 성부(成否) 판정 스텝을 구비한다.
Description
본 발명의 실시형태는 경수로용 연료 집합체, 경수로 노심 설계 방법 및 경수로용 연료 집합체 설계 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 경수로용 연료 집합체 및 경수로의 노심에 있어서는, 1운전 사이클의 최후(EOC : End of Cycle)에 잉여 반응도가 제로가 되도록 연료가 설계되어, 원자로가 운전된다.
비등수형 경수로(BWR)에서는, 예를 들면 산화가돌리늄(가돌리니아) 등의 가연성 독물의 중성자 흡수 능력이 EOC에서 없어지도록 농도 조정이 이루어진다. BWR의 플랜트 제 1 사이클의 노심인 초장하(初裝荷) 노심의 경우에, 일부의 소수 비율의 연료의 가연성 독물을 의도적으로 연소하다 남기고, 나머지의 연료로 잉여 반응도 부족을 보충하면서, 노심의 열적 특성을 개선하는 예도 있다.
가압수형 경수로(PWR)에서는, 케미컬 심(chemical shim) 중의 붕산 농도가 EOC에서 제로가 되도록 농도 조정이 이루어진다. 핵분열성 물질의 농축도는, 목표의 취출 연소도(여기서는 달성 연소도와 동의(同義)) 등에 따라 그 값이 조정되어, 쓸데없이 높은 농축도는 사용되지 않는다.
또한, 핵연료 리사이클을 행할 경우, 전술한 경수로용 연료 및 경수로의 노심에서 사용된 연료는, 노심에서 취출된 후에, 재처리가 행해진다. 재처리에 의해, 우라늄 동위체 및 플루토늄 동위체가 재사용을 위해 추출되어, 마이너 악티니드는 고레벨 방사성 폐기물로서 폐기된다. 마이너 악티니드(minor actinide)는 유해도가 크기 때문에, 특히 유해한 마이너 악티니드를 군분리(群分離)라고 부르는 재처리법에 의해서 분리한다. 분리한 마이너 악티니드는, MOX(Mixed Oxcide ; 혼합 산화물) 연료에 첨가해서 고속로(高速爐)에서 연소하거나, 혹은 마이너 악티니드를 타겟으로 해서 가속기로 조사함으로써, 유해도가 작은 핵종으로 변환한다. 이와 같이, 소위 분리 변환을 하는 것이 고려되고 있다.
이러한 것으로서 일본국의 공개특허공보, 특개소 62-106391호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함) 및 또한 일본국의 공개특허공보, 특개 2008-145286호 공보(이하, 특허문헌 2이라고 함)가 있다.
핵연료 리사이클을 행하지 않고 온스 스루 사이클(once-through cycle)로 할 경우에는, 사용이 끝난 연료인 채로 최종 처분이 된다. 온스 스루 사이클에서는, 전술한 분리 변환과 같은 처리를 행하지 않기 때문에, 마이너 악티니드의 유해도가 저감되지 않는다.
한편, 의도적으로 농축도가 높은 우라늄 연료를 사용함으로써, 마이너 악티니드의 생성량을 저감시킬 수 있다. 이것은, 우라늄 235 농축도가 높은 우라늄 연료를 사용함으로써, 우라늄 235에 의한 핵분열 반응의 비율이 늘어나서 우라늄 238에 의한 흡수 반응의 비율이 감소하기 때문에, 마이너 악티니드의 생성량이 저감되기 때문이다. 그러나, 우라늄 235 농축도를 높게 함으로써 잉여 반응도가 높아지고, 잉여 반응도가 제어봉 등의 반응도 제어 기기에 의한 반응도 가치를 넘어버려, 반응도 제어가 곤란해지는 것을 생각할 수 있다.
우라늄 농축도를 높였을 때의 잉여 반응도는, 가연성 독물을 이용하여 억제할 수 있다. 마이너 악티니드의 유해도 저감을 위해 우라늄 농축도를 높인 연료 집합체에 있어서도, 가연성 독물의 이용은 유효하다. 그러나, 가연성 독물은 농도나 개수를 결정하기 위해 복잡한 계산을 다수 실행할 필요가 있어, 지금까지 유효한 설계가 이루어지고 있지 않았다.
본 발명의 실시형태는, 전술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 경수로에 있어서, 우라늄 농축도를 높였을 때의 잉여 반응도를 저감하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태는, 경수로용 연료 집합체의 설계 방법으로서, 상기 경수로용 연료 집합체는 복수의 평행한 연료봉을 갖고, 상기 연료봉은 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 간격을 두고서 배열되고, 상기 연료봉은 피복관(被覆管)과 상기 피복관 내에 봉입되어서 적어도 일부에 농축 우라늄을 포함하는 이산화우라늄을 주성분으로 한 핵연료 물질을 갖고, 상기 핵연료 물질 중 적어도 일부는 가연성 독물을 포함하는 것이며, 당해 설계 방법은, 상기 연료 집합체에 포함되는 연료봉의 개수를 N(N은 2 이상의 정수), 상기 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 가연성 독물이 담긴 연료봉의 개수를 n(n은 1 이상이면서 N보다 작은 정수), 상기 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율(질량%)을 p, 상기 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도(질량%)를 e로 할 때에, 해석 또는 실험에 의해, 복수의 p·n/N과 e의 각각의 조합이 노심(爐心)으로서 성립하는지의 여부를 나타내는 노심 판정 데이터를 축적하는 노심 판정 데이터 축적 스텝과, 노심 판정 데이터에 의거하여, p·n/N과 e의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 판정식을 결정하는 노심 판정식 결정 스텝과, 상기 판정식에 의거하여, 임시로 설정된 상기 연료 집합체의 구성이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 노심 성부(成否) 판정 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태는, 경수로 노심의 설계 방법으로서, 상기 경수로 노심은 복수의 연료 집합체를 갖고, 상기 연료 집합체는 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 집합체 간극(間隙)을 사이에 두고서 인접하여 정방 격자 모양으로 배열되고, 상기 집합체 간극 내에는 복수의 반응도(反應度) 제어 장치가 배치되고, 상기 경수로용 연료 집합체는 복수의 평행한 연료봉을 갖고, 상기 연료봉은 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 간격을 두고서 배열되고, 상기 연료봉은 피복관과 상기 피복관 내에 봉입되어서 적어도 일부에 농축 우라늄을 포함하는 이산화우라늄을 주성분으로 한 핵연료 물질을 갖고, 상기 핵연료 물질 중 적어도 일부는 가연성 독물을 포함하는 것이며, 당해 설계 방법은, 상기 복수의 연료 집합체 중 적어도 일부의 상기 연료 집합체에 대해서, 상기 연료 집합체에 포함되는 연료봉의 개수를 N(N은 2 이상의 정수), 상기 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 가연성 독물이 담긴 연료봉의 개수를 n(n은 1 이상이면서 N보다 작은 정수), 상기 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율(질량%)을 p, 상기 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도(질량%)를 e로 할 때에, 해석 또는 실험에 의해, 복수의 p·n/N과 e의 각각의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 나타내는 노심 판정 데이터를 축적하는 노심 판정 데이터 축적 스텝과, 노심 판정 데이터에 의거하여 p·n/N과 e의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 판정식을 결정하는 노심 판정식 결정 스텝과, 상기 판정식에 의거하여, 임시로 설정된 상기 연료 집합체의 구성이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 노심 성부 판정 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태는, 길이 방향으로 서로 평행하게 연장되는 복수의 연료봉이 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 간격을 두고서 평행하게 배열되어서 결속(結束)되는 경수로용 연료 집합체로서, 상기 복수의 연료봉은 각각이, 길이 방향으로 연장되는 피복관과, 상기 피복관 내에 봉입되어서 적어도 일부에 농축 우라늄을 포함하는 이산화우라늄을 주성분으로 한 핵연료 물질을 갖는 것이고, 상기 핵연료 물질 중 적어도 일부는 가연성 독물을 포함하는 것이며, 상기 연료 집합체에 포함되는 연료봉의 개수를 N(N은 2 이상의 정수), 상기 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 연료봉의 개수를 n(n은 1 이상이면서 N보다 작은 정수), 상기 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율(질량%)을 p, 상기 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도(질량%)를 e로 할 때에, 0.57e-1.8 < p·n/N < 0.57e-0.8의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 경수로에 있어서, 우라늄 농축도를 높였을 때의 잉여 반응도를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 1개의 제어봉과 그것을 둘러싸는 4개의 연료 집합체와 그 주변을 나타내는 평단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 연료 집합체의 내부 구성의 일례를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 1의 II부의 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 연료 집합체의 내부 구성의 도 2와는 다른 일례를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 1의 II부의 모식도.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형용 연료 집합체를 구성하는 연료봉의 구조를 나타내는 평단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로용 연료 집합체에 있어서, 가연성 독물 평균 질량 비율과 우라늄 농축도의 다양한 조합에 대해서, 노심의 성립·불성립을 해석 계산에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프의 예.
도 6은 도 5의 가연성 독물 평균 질량 비율의 최적 범위 내에 있는 연료 집합체를 비등수형 원자로에서 연소시켰을 경우의 사이클 연소도와 잉여 반응도의 관계의 해석 결과의 일례를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계에 있어서, 우라늄 농축도를 상승시켰을 경우의 집합체 무한 증배율의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계에 있어서, 가연성 독물의 반응도 변화에 대응하는 가연성 독물이 담긴 연료봉 개수의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계 방법의 수순을 나타내는 흐름도.
도 10은 일반적인 비등수형 원자로 노심에 있어서의 컨트롤 셀에 있어서의 반응도 가치가 높은 상위 10개의 제어봉의 제어봉 반응도를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 연료 집합체의 내부 구성의 일례를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 1의 II부의 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 연료 집합체의 내부 구성의 도 2와는 다른 일례를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 1의 II부의 모식도.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형용 연료 집합체를 구성하는 연료봉의 구조를 나타내는 평단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로용 연료 집합체에 있어서, 가연성 독물 평균 질량 비율과 우라늄 농축도의 다양한 조합에 대해서, 노심의 성립·불성립을 해석 계산에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프의 예.
도 6은 도 5의 가연성 독물 평균 질량 비율의 최적 범위 내에 있는 연료 집합체를 비등수형 원자로에서 연소시켰을 경우의 사이클 연소도와 잉여 반응도의 관계의 해석 결과의 일례를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계에 있어서, 우라늄 농축도를 상승시켰을 경우의 집합체 무한 증배율의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계에 있어서, 가연성 독물의 반응도 변화에 대응하는 가연성 독물이 담긴 연료봉 개수의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계 방법의 수순을 나타내는 흐름도.
도 10은 일반적인 비등수형 원자로 노심에 있어서의 컨트롤 셀에 있어서의 반응도 가치가 높은 상위 10개의 제어봉의 제어봉 반응도를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 경수로용 연료 집합체, 경수로 노심 및 경수로용 연료 집합체 설계 방법에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 여기서는, 주로 비등수형 원자로용의 것을 예로 들어서 설명하지만, 가압수형 원자로용의 것에도 적용할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 1개의 제어봉과 그것을 둘러싸는 4개의 연료 집합체와 그 주변을 나타내는 평단면도이다. 단, 도 1에서는, 각 연료 집합체의 상세 구조의 도시는 생략되어 있다. 도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 연료 집합체의 내부 구성의 일례를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 1의 II부의 상세한 모식도이다. 도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로 노심에 있어서의 연료 집합체의 내부 구성의 도 2와는 다른 일례를 상세하게 나타내는 도면이며, 도 1의 II부의 상세한 모식도이다. 도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형용 연료 집합체를 구성하는 연료봉의 구조를 나타내는 평단면도이다.
비등수형 원자로 노심에서는, 수백 개의 연료 집합체(10)가, 수평면 내에서 정방 격자 모양으로 배열되어 있다. 우라늄의 농축도에 대해서는, 통상형 우라늄 연료 집합체에서는, 집합체 평균이며 예를 들면 3.8%이다. 예를 들면 일본국 내에서는, 종래의 통상형 우라늄 연료 집합체에 관련되는 시설은 우라늄 농축도 5.0% 미만을 전제로 해서 설계되어 있다. 이에 대하여, 본 실시형태에 있어서의 경수로용 연료 집합체(10)에 있어서는, 통상형 우라늄 연료 집합체보다 높은 값이며 예를 들면 5.0%이다. 또, 이후, 우라늄의 농축도는, 5.0%의 예를 나타내지만, 이것에 한정되지 않는다. 후술하는 바와 같이, 그 효과를 얻을 수 있는 것이면, 5.0%를 초과하는 농축도, 혹은 5.0% 미만의 농축도여도 된다.
각 연료 집합체(10) 내에서는, 연직 방향으로 서로 평행하게 연장되는 연료봉(11, 12)이, 수평면 내에 있어서 정방 격자 모양(도 2 및 도 3에 나타내는 예에서는 종횡 9×9의 배열)으로 배열되어 있다. 연료 집합체(10)의 연직된 외주(外周)는, 연직 방향으로 연장되는 거의 사각통(四角筒) 모양의 채널 박스(13)에 의해 둘러싸여져 있다. 연료 집합체(10)의 중앙부에 2개의 워터 로드(14)(도 2 및 도 3 내에「W」로 표시함)가 배치되어 있다. 워터 로드(14)는, 내부에 물이 흐르는 통 모양의 구조이다. 도 2 및 도 3에 나타내는 예에서는, 워터 로드(14)는, 2개의 원관(圓管)이지만, 1개 또는 3개 이상이어도 되며, 또한 각통(角筒) 모양 등이어도 된다.
연료봉(11, 12)은 각각, 연직 방향으로 연장되는 원관 모양의 피복관(20)과, 피복관(20) 내에 봉입된 핵연료 물질(21)을 포함한다. 핵연료 물질(21)은, 농축 우라늄을 포함하는 산화우라늄을 포함하고, 통상, 원기둥형의 펠렛으로 성형되어, 피복관(20) 내에서, 복수개의 펠렛이 축 방향으로 적층된다. 연료봉(12)은 가연성 독물이 담긴 연료봉(도 2 및 도 3 내에「G」로 표시함)이며, 연료봉(12) 내의 핵연료 물질(21)은 가연성 독물(예를 들면 가돌리니아)을 포함한다. 연료봉(11)은 가연성 독물을 포함하지 않는 연료봉(도 2 및 도 3 내에「R」로 표시함)이며, 연료봉(11) 내의 핵연료 물질(21)은 가연성 독물을 포함하지 않는다.
BWR의 반응도 제어에는 컨트롤 셀 노심을 이용한 제어가 고려되고 있다. 이것은, 통상 운전 시의 제어봉을 삽입하는 단위 격자를 소수(少數)로 한 노심 설계이다. 통상 운전 시에 출력 제어에 사용되는 제어봉을 4개의 연료 집합체로 둘러싸서 컨트롤 셀로 한다. 구체적으로는, 컨트롤 셀 내에서는, 서로 인접하는 2×2 배열의 연료 집합체(10)의 중앙에, 평단면 형상이 십자(十字) 모양이며, 상하로 연장되는 제어봉(반응도 제어 장치)(30)이 배치되어 있다. 원자로의 통상 운전 시에는 채널 박스(13)의 외측은 경수(輕水)에 의해서 채워져 있다. 제어봉(30)은, 채널 박스(13)의 외측의 수중(水中)을 상하 방향으로 삽입·인발되어서, 원자로 출력을 제어 가능하게 구성되어 있다.
채널 박스(13)의 외측이며, 제어봉(30)의 중심으로부터 대각(對角) 위치에, 핵계장 장치인 국부 출력 영역 모니터(LPRM)(31)가 배치되어 있다.
일반적으로 가돌리니아 등의 가연성 독물의 열전도율은 산화우라늄의 열전도율보다 낮다. 그 때문에, 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)에 있어서의 핵연료 물질(21) 중의 우라늄 235의 농축도는, 연료 집합체(10)에 포함되는 핵연료 물질(21) 중의 우라늄 235의 농축도의 최고값보다 낮게 한다. 이 구성에 의해, 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)의 열출력이 다른 연료봉의 열출력보다 커지는 것을 피하고, 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)의 과열을 막을 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 연료 집합체(10) 내에 있어서, 제어봉(30)에 인접하는 장소에 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)을 배치하지 않는 설계로 해도 된다. 이 구성에 의해, 핵분열 반응에 기여하기 쉬운 열중성자가 제어봉(30)에 흡수되는 비율이 저하하지 않기 때문에, 제어봉(30)의 반응도 가치를 저하시키지 않고 노심 구성을 실현할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 연료 집합체(10)에 있어서, 핵계장 장치(31)와 인접하는 장소에 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)을 배치하지 않는 설계로 하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 핵계장 장치(31)의 정밀도를 저하시키는 일 없이 노심 구성을 실현할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 연료 집합체(10)에 있어서, 적어도 1개의 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)에 대해서, 그 연료봉(12)이 정방 격자 모양의 연료봉 배열의 배열 방향에 대응하는 4면 중 적어도 1면이, 다른 연료봉(11, 12)과 인접하지 않는 것 같은 배치로 해도 된다. 즉, 적어도 1개의 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)을, 예를 들면 워터 로드(14)에 인접하는 위치나 집합체 최외주부(最外周部)의 채널 박스(13)에 인접하는 위치에 배치한다. 이 구성에 의해, 가연성 독물이 흡수 반응을 일으키기 쉬운 열중성자가 가연성 독물과 많이 충돌하여, 중성자가 가연성 독물에 흡수되는 비율이 늘어난다. 그 때문에 가연성 독물의 반응도 가치가 높아져, 잉여 반응도를 대폭 억제하는 효과가 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 연료 집합체(10)에 있어서, 적어도 일부의 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)이, 서로 인접하는 배치로 해도 된다. 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)끼리가 서로 인접함으로써, 인접면의 가연성 독물이 열중성자와 충돌하는 수가 감소한다. 그 때문에, 가연성 독물이 연소하는 속도가 느려져, 가연성 독물의 반응도가, 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)이 서로 인접하지 않을 경우보다 지속되는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 비등수형 원자로용 연료 집합체에 있어서, 가연성 독물 평균 질량 비율과 우라늄 농축도의 다양한 조합에 대해서, 노심의 성립·불성립을 해석 계산에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프의 예이다. 여기서, 가연성 독물 평균 질량 비율은, 가연성 독물 농도 p×가연성 독물이 담긴 연료봉 개수 비율로 나타내진다. 또한, 가연성 독물이 담긴 연료봉 개수 비율은, 가연성 독물이 담긴 연료봉 개수 n/연료 집합체의 연료봉의 총수 N으로 나타내진다. 따라서, 가연성 독물 평균 질량 비율은, p·n/N으로 나타내진다.
도 5의 핵 특성 평가 해석에서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 연료 집합체와 마찬가지의 구성을 가정한다. 여기서, 균질의 연료 집합체가 수평 방향에 종횡으로 무한히 배열되어 있는 것으로 가정함으로써, 노심의 성립·불성립을 판단할 수 있다. 가연성 독물은 가돌리늄인 것으로 했다.
도 5의 핵 특성 평가 해석에서는, 연료 집합체 내의 연료봉 배열을 9×9로 했다. 그러나, 연료 집합체의 핵 특성(중성자 스펙트럼)의 노심 특성에의 영향이 크기 때문에, 연료 집합체의 수소-우라늄비가 동일하면, 연료 집합체 내의 연료봉의 수에 관계 없이, 실질적으로 도 5와 마찬가지의 결과가 된다. 예를 들면, 10×10 배열, 또는 11×11 배열이어도, 실질적으로 도 5와 마찬가지의 결과가 된다.
도 2의 예에서는, 가연성 독물이 담긴 연료봉(12)의 개수 n=24, 연료 집합체의 연료봉의 총수 N=74이며, 도 3의 예에서는, n=36, N=74이다.
우라늄 농축도를 e라고 한다. 이 때, 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 다양한 조합에 대해서, 노심이 성립하는지의 여부를 해석에 의해 구했다. 그 결과, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 노심이 성립하는지의 여부의 경계 조건으로서, 2개의 직선을 얻을 수 있었다. 즉, 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)이, (0.57e-1.8)보다 크고 (0.57e-0.8)보다 작은 범위가 가연성 독물 첨가의 최적 비율이다. 즉, 이 경우의 노심 성립 요건을 표현하는 판정식 (1)은,
0.57e-1.8 < p·n/N < 0.57e-0.8···(1)
로 나타내진다.
따라서, 판정식 (1)을 사용하여 실제의 연료 집합체의 설계를 행할 수 있다.
또한, 다양한 조건의 서로 다른 연료 집합체의 설계를 위해서는, 그 조건에 맞는 해석 또는 실험에 의해, 충분한 수의 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 다양한 조합에 대해서, 노심이 성립하는지의 여부를 해석에 의해 구함으로써 데이터를 축적하고, 그 조건에서의 도 5에 상당하는 그래프를 얻을 수 있다. 그 그래프에 의거하여, 그 조건에 있어서의 판정식 (1)에 상당하는 다른 판정식을 얻을 수 있다.
판정식은, 일반적으로는 다음의 판정식 (2)의 형식이 적당하다고 생각된다.
a1·e-b < p·n/N < a2·e-c ···(2)
단, a1, a2, b 및 c는 양수이며, a1≥a2이다.
상기 판정식 (1), (2)는 1차식이지만, 1차식 이외에도, 2차식이나 다른 다양한 식이 있을 수 있다.
도 6은, 도 5의 가연성 독물 평균 질량 비율의 최적 범위 내에 있는 연료 집합체를 비등수형 원자로에서 연소시켰을 경우의 사이클 연소도와 잉여 반응도의 관계의 해석 결과의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 7은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계에 있어서, 우라늄 농축도를 상승시켰을 경우의 집합체 무한 증배율의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 도 8은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계에 있어서, 가연성 독물의 반응도 변화에 대응하는 가연성 독물이 담긴 연료봉 개수의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 또, 도 7 및 도 8에서는, 함께, 직선이 나타나 있지만, 이들은 모식적으로 나타내진 것이며, 반드시 직선이라고는 할 수 없다.
여기서, 도 10은, 현재의 전형적인 BWR의 컨트롤 셀 노심에 있어서의 반응도 가치가 높은 상위 10개의 제어봉의 제어봉 반응도의 값을 나타내는 도면이다. 이 컨트롤 셀의 제어봉 반응도 가치는, 도 10에 나타나 있는 바와 같이 최대로 0.1% Δk를 약간 상회하는 정도이다. 컨트롤 셀은 개량형 비등수형 경수로(ABWR)의 경우, 최대로 29개이기 때문에, 컨트롤 셀에서 제어 가능한 잉여 반응도는 최대로 3% Δk 이하이다.
연료 집합체(10)의 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 조합을, 판정식 (1) 또는 (2)를 충족시키는 범위가 되도록 설계함으로써, 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 원자로 운전 사이클 기간 중의 잉여 반응도를 제어봉에 의해서 반응도 제어 가능한 0∼3.0% Δk가 되도록 설계할 수 있다. 이것은, 도 7에 나타내는 우라늄 농축도 e를 (e+Δe)로 변화시켰을 때의 반응도 변화량(ΔS(Δe))이, 도 8에 나타내는 가연성 독물이 담긴 연료봉의 집합체 내의 개수 n과 평균 첨가 질량 비율로 변화되는 흡수재로서의 반응도 변화량(ΔS(ΔGd))과 일치하는 것에 의한 것이다. 즉, 가연성 독물의 총량을 ΔGd만큼 변화시킴으로써, 우라늄 농축도 e의 변화 Δe를 보상할 수 있다.
다음으로, 이상 설명한 검토 결과를 이용해서 경수로용 연료 집합체를 설계하는 방법에 대해서, 도 9에 따라서 설명한다. 도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 집합체의 설계 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
먼저, 경수로용 연료 집합체의 구성을 소정의 범위에서 가정하고, 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 다양한 조합에 대해서, 노심의 성립·불성립을 해석 계산 또는 실험에 의해 구하여, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 노심 성부 판정 데이터를 축적한다(스텝 S10).
다음으로, 스텝 S10에서 얻어진 노심 성부 판정 데이터에 의거하여, 판정식 (1)이나 (2)와 같이 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 다양한 조합에 대한 노심 성부 판정식을 결정한다(스텝 S11).
다음으로, 경수로용 연료 집합체의 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 조합을 구체적으로 가정하고(스텝 S12), 그 조합에 대해서, 스텝 S11에서 얻어진 노심 성부 판정식에 의거하여 노심 성부를 판정한다(스텝 S13).
스텝 S13의 결과가 노심 불성립(No)이었을 경우에는, 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 조합을 변경하고, 다시 스텝 S12, S13을 행한다. 스텝 S13의 결과가 노심 성립(Yes)이었을 경우에는, 그 때의 가연성 독물 평균 질량 비율(p·n/N)과 우라늄 농축도 e의 조합에 의해, 연료 집합체의 설계로서 결정한다(스텝 S14).
이상 설명한 설계 방법에 의하면, 경수로에 있어서, 우라늄 농축도를 높였을 때의 잉여 반응도를 저감할 수 있다. 또한, 미리 노심 성부 판정식을 결정해 둠으로써, 구체적인 연료 집합체의 설계에 있어서, 다양한 파라미터를 변경했을 경우에 대해서, 노심의 성부를 간단하게 확인할 수 있고, 설계 작업의 신속화 및 생력화(省力化)를 도모할 수 있다.
이 실시형태에서, 핵연료 물질에 첨가되는 가연성 독물로서는, 가돌리늄을 포함하는 화합물, 또는 에르븀을 포함하는 화합물, 또는 붕소를 포함하는 화합물인 것이 바람직하다.
또한, 핵연료 물질에 첨가되는 가연성 독물이 가돌리니아일 경우에, 그 최고 질량 비율이 20 질량% 미만인 것이 바람직하다. 그것은, 가돌리니아의 최고 질량 비율이 20 질량% 이상이면, 가돌리니아와 산화우라늄의 혼합물이 고용체를 생성하기 어려워지기 때문이다.
여기서 설명하는 실시형태에 있어서의 가연성 독물로서, 홀수 질량수(예를 들면 155 또는 157)의 가돌리늄의 농축을 행한 가돌리늄을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 가돌리늄이 가지는 흡수 단면적이 커지기 때문에, 가연성 독물의 첨가량을 적어지게 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 컨트롤 셀을 포함하는 경수로 노심에 연료 집합체를 장하(裝荷)함으로써, 제어봉의 동작에 의한 반응도 변화 범위를 작게 억제할 수 있어, 경수로 노심에 있어서의 연료 집합체의 열적 건전성을 만족시키기 쉽게 하는 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시형태는, 그 밖의 여러가지 형태에서 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러가지 생략, 치환, 변경, 조합을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.
10…연료 집합체, 11, 12…연료봉, 13…채널 박스, 14…워터 로드, 20…피복관, 21…핵연료 물질, 30…제어봉(반응도 제어 장치), 31…핵계장 장치(국부 출력 영역 모니터, LPRM)
Claims (16)
- 경수로용 연료 집합체의 설계 방법으로서,
상기 경수로용 연료 집합체는 복수의 평행한 연료봉을 갖고,
상기 연료봉은 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 간격을 두고서 배열되고,
상기 연료봉은 피복관(被覆管)과 상기 피복관 내에 봉입되어서 적어도 일부에 농축 우라늄을 포함하는 이산화우라늄을 주성분으로 한 핵연료 물질을 갖고,
상기 핵연료 물질 중 적어도 일부는 가연성 독물을 포함하는 것이며,
당해 설계 방법은,
상기 연료 집합체에 포함되는 연료봉의 개수를 N(N은 2 이상의 정수), 상기 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 가연성 독물이 담긴 연료봉의 개수를 n(n은 1 이상이면서 N보다 작은 정수), 상기 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율(질량%)을 p, 상기 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도(질량%)를 e로 할 때에, 해석 또는 실험에 의해,
복수의 p·n/N과 e의 각각의 조합이 노심(爐心)으로서 성립하는지의 여부를 나타내는 노심 판정 데이터를 축적하는 노심 판정 데이터 축적 스텝과,
노심 판정 데이터에 의거하여, p·n/N과 e의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 판정식을 결정하는 노심 판정식 결정 스텝과,
상기 판정식에 의거하여, 임시로 설정된 상기 연료 집합체의 구성이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 노심 성부(成否) 판정 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 e가 5% 이상인 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 판정식은, 양수 a1, a2, b 및 c(단, a1≥a2)를 사용하고, 노심 성립의 조건을,
a1·e-b < p·n/N < a2·e-c로 하는 것임을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 판정식은, 양수 a1, a2, b 및 c(단, a1≥a2)를 사용하고, 노심 성립의 조건을,
a1·e-b < p·n/N < a2·e-c로 하는 것임을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 양수 a1 및 a2를 0.57로 하고, 상기 양수 b를 1.8로 하고, 상기 양수 c를 0.8로 하는 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질 중의 우라늄 235 농축도는, 상기 연료 집합체에 포함되는 핵연료 물질의 우라늄 235 농축도의 최고값보다 낮은 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 연료 집합체 내에서는, 상기 연료봉이 정방 격자 모양으로 배열되어 있고,
적어도 1개의 상기 가연성 독물이 담긴 연료봉이, 상기 정방 격자 모양의 배열 방향에 대응하는 4면 중 적어도 1면에서 다른 연료봉과 인접하지 않는 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 연료 집합체 내에서는, 상기 연료봉이 정방 격자 모양으로 배열되어 있고,
적어도 1개의 상기 가연성 독물이 담긴 연료봉이, 상기 정방 격자 모양의 연료봉 배열의 배열 방향에 대응하는 4면 중 적어도 1면에서 다른 상기 가연성 독물이 담긴 연료봉과 인접하는 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 핵연료 물질에 첨가되는 가연성 독물이, 가돌리늄(gadolinium)을 포함하는 화합물 또는 에르븀(erbium)을 포함하는 화합물 또는 붕소를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 핵연료 물질에 첨가되는 가연성 독물이 가돌리니아(gadolinia)이며, 그 최고 질량 비율이 20 질량% 미만인 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 핵연료 물질에 첨가되는 가연성 독물이 가돌리늄을 포함하는 화합물이며, 홀수 질량수의 가돌리늄이 천연 가돌리늄보다 농축되어 있는 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체 설계 방법. - 경수로 노심의 설계 방법으로서,
상기 경수로 노심은 복수의 연료 집합체를 갖고,
상기 연료 집합체는 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 집합체 간극(間隙)을 사이에 두고서 인접하여 정방 격자 모양으로 배열되고,
상기 집합체 간극 내에는 복수의 반응도(反應度) 제어 장치가 배치되고,
상기 경수로용 연료 집합체는 복수의 평행한 연료봉을 갖고,
상기 연료봉은 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 간격을 두고서 배열되고,
상기 연료봉은 피복관과 상기 피복관 내에 봉입되어서 적어도 일부에 농축 우라늄을 포함하는 이산화우라늄을 주성분으로 한 핵연료 물질을 갖고,
상기 핵연료 물질 중 적어도 일부는 가연성 독물을 포함하는 것이며,
당해 설계 방법은, 상기 복수의 연료 집합체 중 적어도 일부의 상기 연료 집합체에 대해서, 상기 연료 집합체에 포함되는 연료봉의 개수를 N(N은 2 이상의 정수), 상기 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 가연성 독물이 담긴 연료봉의 개수를 n(n은 1 이상이면서 N보다 작은 정수), 상기 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율(질량%)을 p, 상기 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도(질량%)를 e로 할 때에, 해석 또는 실험에 의해, 복수의 p·n/N과 e의 각각의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 나타내는 노심 판정 데이터를 축적하는 노심 판정 데이터 축적 스텝과,
노심 판정 데이터에 의거하여, p·n/N과 e의 조합이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 판정식을 결정하는 노심 판정식 결정 스텝과,
상기 판정식에 의거하여, 임시로 설정된 상기 연료 집합체의 구성이 노심으로서 성립하는지의 여부를 판정하는 노심 성부 판정 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 경수로 노심 설계 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 가연성 독물이 담긴 연료봉이, 상기 연료 집합체 중에서 상기 반응도 제어 장치와 인접하지 않는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 경수로 노심 설계 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 경수로 노심은, 핵계장(核計裝) 장치를 더 구비하고, 상기 핵계장 장치는 상기 반응도 제어 장치가 배치되는 상기 집합체 간극과는 다른 상기 집합체 간극 내에 배치되며, 상기 가연성 독물이 담긴 연료봉은 상기 핵계장 장치와 인접하지 않는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 경수로 노심 설계 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 복수의 연료 집합체의 일부의 연료 집합체는, 상기 반응도 제어 장치에 인접해서 당해 반응도 제어 장치를 둘러싸는 컨트롤 셀(control cell)을 구성하고,
상기 노심 성부 판정 스텝은, 상기 컨트롤 셀을 구성하는 상기 연료 집합체에서, 임시로 설정된 상기 연료 집합체의 구성에 대해서, 상기 노심 판정식 결정 스텝에서 결정된 판정식에 의거하여, 노심의 성부를 판정하는 것을 특징으로 하는 경수로 노심 설계 방법. - 길이 방향으로 서로 평행하게 연장되는 복수의 연료봉이 길이 방향에 수직한 방향으로 서로 간격을 두고서 평행하게 배열되어서 결속(結束)되는 경수로용 연료 집합체로서,
상기 복수의 연료봉은 각각이,
길이 방향으로 연장되는 피복관과,
상기 피복관 내에 봉입되어서 적어도 일부에 농축 우라늄을 포함하는 이산화우라늄을 주성분으로 한 핵연료 물질을 갖는 것이고,
상기 핵연료 물질 중 적어도 일부는 가연성 독물을 포함하는 것이며,
상기 연료 집합체에 포함되는 연료봉의 개수를 N(N은 2 이상의 정수), 상기 연료봉 중 가연성 독물을 포함하는 핵연료 물질을 봉입한 연료봉의 개수를 n(n은 1 이상이면서 N보다 작은 정수), 상기 핵연료 물질 중 가연성 독물의 평균 질량 비율(질량%)을 p, 상기 연료 집합체의 전체 개수에 걸친 평균 우라늄 235의 농축도(질량%)를 e로 할 때에,
0.57e-1.8 < p·n/N < 0.57e-0.8
의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 경수로용 연료 집합체.
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