KR102106796B1 - 고속 중성자로 연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵기술에 관한 것으로서 액체-금속 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로의 노심을 위한 연료 어셈블리 및 연료봉을 마련하기 위해서 사용될 수 있다. 본 발명의 기술적 결과는 연료봉의 금속량을 감소시키고 핵 연료 번업(burnup) 동안 노심 내 연료봉 케이싱에서 발생하는 접촉 응력을 감소시키는 것을 포함한다. (스틸로 마련된 얇은-벽 관형 케이싱 및 단부 요소의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 배치된 핵 연료, 및 케이싱의 외부 표면 둘레에 넓은-피치 스파이럴로 권선되고 연료봉의 단부에서 케이싱에 또는 단부 요소에 고정되는 이격 요소를 포함하는) 고속 중성자로 연료봉에서, 이격 요소는 얇은-벽 튜브의 길이를 따라서 길이방향 쓰루-슬롯을 구비하는 얇은-벽 튜브의 형태로 된다. 본 발명에 따라서, 이격 요소는 설정된 폭의 길이방향 쓰루-슬롯을 구비하는 튜브 형태로 된 중앙 부분을 구비하는 얇은 밴드 또는 얇은-벽 튜브로 마련되고, 단부 요소는 연료봉 플러그 또는 케이싱에 용접을 위하여 원통형 케이싱의 단편의 형태로 된다.

Description

고속 중성자로 연료봉

본 발명은 핵기술에 관한 것으로서, 액체-금속 쿨런트(liquid-metal coolant)를 활용하는 고속-중성자로의 노심(cores of fast-neutron reactors)을 위한 연료 어셈블리 및 연료봉을 마련하기 위해서 사용될 수 있다.

액체-금속 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로의 연료 어셈블리를 형성하기 위한 연료봉이 알려져 있다. 연료봉은 크롬 스틸(chromium steel)로 마련된 얇은-벽 관형 케이싱 및 단부 요소의 형태로 된 밀봉 컨테이너(hermetically-sealed container) 내에 배치된 핵 연료를 포함한다. 연료봉은 또한 케이싱의 외부 표면을 따라서 넓은-피치 스파이럴로 권선되고 연료봉의 단부에서 케이싱 또는 단부 요소에 고정되는 와이어 형태로 된 이격 요소를 포함한다. 이격 요소는 연료 어셈블리의 단면을 가로질러 균일하게 이격 배치된 나란한 연료봉 번들의 형태로 된 연료 어셈블리를 형성하도록 구성된다. 연료봉 및 연료 어셈블리의 이러한 구성은 BN-타입의 소듐-냉각 고속-중성자로에서 성공적으로 받아들여진다. BN-타입의 원자로에서, 연료봉 케이싱의 외경은 5.9㎜ 내지 7.5㎜ 범위에서 변화되고, 벽 두께는 약 0.3㎜이고, 연료 어셈블리의 삼각 어레이(triangular array) 내 인접한 연료봉 케이싱 사이의 최소 거리를 정의하는 이격 요소를 제조하기 위해서 사용되는 와이어의 직경은 약 1㎜이다. 그러나, 이러한 연료봉 구성은 우라늄-플루토늄 니트릴 연료(uranium-plutonium nitride fuel)를 활용하는 설계된 납-냉각 고속-중성자로(lead-cooled fast-neutron reactors)에서 연료 어셈블리를 사용할 때 단점을 갖는다. 이러한 단점은 노심의 최적 특성을 제공하기 위해서, 연료봉 케이싱 및 펠렛의 직경뿐만 아니라 인접한 연료봉 케이싱 사이의 거리가 더 높은 값을 가지기 때문에 발생한다. 예를 들어, BP-1200 유형의 개발된 원자로를 위한 케이싱의 외경은 10㎜보다 클 수 있고, 연료 어셈블리 내 인접한 연료봉 사이의 거리는 3㎜보다 클 수 있다. 이러한 경우에, BP-유형의 원자로를 위한 연료봉의 공지된 구성을 사용할 때, 직경이 약 3㎜인 스테인리스 스틸 와이어가 얇은-벽 튜브 둘레에 권선된다. 그러한 연료봉 구성은 연료 어셈블리에서 금속 소비를 상당히 증가시켜서, 노심에서 중성자 및 물리적 특성을 악화시킨다. 더욱이, 얇은-벽 케이싱의 표면을 가로질러 특정 텐션 하에서 권선된 무거운 와이어는 연료봉의 기하학적 형상을 상당히 변화시키고, 예를 들어 왜곡될 수 있다. 그러한 연료봉 구성의 다른 단점은 이격 요소가 섹션의 횡방향 단면으로 강성이 있다(rigid)는 것이다. 이는 이격 요소 변형이 연료 팽윤을 보상할 수 없고 노심 내 연료 조사 동안 연료봉 케이싱의 직경을 증가시키기 때문이다. 이는 연료봉의 얇은-벽 케이싱 내 추가적인 변형 및 텐션, 피팅 부식 과정(pitting corrosion processes)의 가속화 및 케이싱이 이격 요소에 접촉하는 영역 내 케이싱 손상의 가능성 증가를 초래한다.

얇은-벽 스틸 관형 케이싱 및 단부 요소의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 배치된 핵 연료를 포함하는, 액체-금속 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로를 위해서 연료 어셈블리를 형성하는 연료봉이 알려져 있다(JPS646791). 연료봉은 또한 케이싱의 외부 표면 둘레에서 스파이럴로 권선되고 연료봉의 단부 요소에 고정되는 와이어 형태로 된 이격 요소를 포함한다. 연료봉을 따라 연장하는 이격 요소의 와이어는 직경이 변화한다 - 연료봉의 하부 및 상부에서 와이어의 직경은 1.4㎜이고 연료봉의 중앙 부분에서는 약간 작은 직경을 구비한다. 연료봉의 그러한 구성은 연료 조사 공정(fuel radiation process) 동안 집중된 조사-유도 팽윤을 받는 연료봉의 중앙 부분에서 케이싱에 대한 기계적 충격을 감소시킨다. 그러나, 이러한 구성은 납 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로의 노심 내에서 그것의 사용을 상당히 제한하는 전술된 아날로그적인 해결책과 동일한 단점을 갖는다. 게다가, 연료봉의 공지된 구성은 번아웃의 초기에 연료 어셈블리의 중앙 부분의 횡방향 강동을 감소시켜서, 연료봉이 왜곡되게 만든다.

케이싱의 외부 표면 상에 배치되고 연료봉의 단부에 고정되는 이격 요소 및 단부 요소와 함께 얇은-벽 스틸 케이싱의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 배치된 핵 연료를 포함하는, 액체-금속 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로를 위해서 연료 어셈블리를 형성하는 연료봉이 알려져 있다(GB1459562). 이격 요소는 케이싱 외부 표면 둘레에 넓은-피치 스파이럴로 권선되는 스프링의 형태로 된 스파이럴 와이어이다. 그러한 구성은 요소의 상대적 낮은 금속 소비와 함께 연료 어셈블리의 인접한 연료봉 사이의 바람직한 거리를 유지하는 데 도움이 된다. 그러나, 그러한 구성을 구비하는 연료봉 내 이격 요소는 연료봉보다 몇 배 큰 길이를 갖는 비교적 얇은 와이어로 제조된다. 이는 노심 내 액체-금속-쿨런트가 작동 온도까지 가열될 때, 와이어의 총 길이가 증가되어 스파이럴 기하학 형상의 국부적인 왜곡 및 연료봉 케이싱의 표면에 대한 스파이럴 턴의 변위(displacement of spiral turns)를 초래하기 때문이다. 이는 형성될 연료봉 케이싱 및 이동 가능한 스프링 턴(spring turns) 사이의 접촉점에서 다수의 프레팅 부식 초점(focal points of fretting corrosion)의 위험을 증가시킨다.

얇은-벽 스틸 관형 케이싱 및 단부 요소의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 배치된 핵 연료를 포함하는, 액체-금속 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로를 위해서 연료 어셈블리를 형성하는 연료봉이 알려져 있다. 이격 요소는 케이싱 표면 둘레에 넓은-피치 스파이럴로 권선되고 연료봉의 단부 요소에 고정된다(GB1450878). 이격 요소는 몇몇의(세 개 이상) 와이어로 이루어진 케이블의 형태로 마련된다. 그러한 구성에 의해서, 그것의 특성의 바람직한 조합을 제공하는 것에 의해서 몇몇의 와이어를 가로질러 이격 요소의 기능을 분산시킬 수 있다. 이격 요소의 요구되는 길이방향 강도 및 연료 어셈블리 내 연료봉 사이의 이격 거리는 와이어의 개수 및 와이어 직경을 선택하는 것에 의해서 제공된다. 연료 팽윤 동안 이격 요소의 횡방향 변형은 서로에 대해서 와이어가 변위 가능하게 하는 것에 의해서 그리고 인접한 연료봉 케이싱 사이의 접촉 영역에서 케이블의 단면 형상을 국부적으로 변화시킬 수 있는 것에 의해서 제공된다. 이러한 구성의 단점은 상대적으로 큰 금속 소비, 연료봉에 다수의 와이어 케이블을 고정하기 위한 복잡한 공정뿐만 아니라 납 쿨런트에 의한 얇은 와이어의 부식 및 파괴 위험 증가를 포함한다.

얇은-벽 스틸 관형 케이싱 및 단부 요소의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 배치된 핵 연료를 포함하는, 액체-금속 쿨런트를 활용하는 고속-중성자로를 위해서 연료 어셈블리를 형성하는 연료봉이 알려져 있다. 연료봉의 부품에 고정된 이격 요소는 케이싱의 표면 둘레에 권선된다(US3944468). 이격 요소는 두 개의 서로 결합된 부품으로 마련된다 - 얇은-벽 튜브 및 튜브 내부에 배치된 강화 와이어. 또한, 단부 요소는 오직 거기에 부착된 와이어를 포함하고, 튜브는 연료봉 제조 단계에서 케이싱의 외부 표면 및 와이어 사이에서 프레스된다. 이러한 구성은 이격 요소의 특성 및 기능이 두 개의 부품 사이에 분포되게 해서, 특성의 바람직한 복합이 제공된다. 이격 요소의 요구되는 길이방향 강도는 와이어 직경을 선택하는 것에 의해서 제공된다. 연료 어셈블리 내 연료봉 사이의 바람직한 간격은 튜브의 외부 직경을 선택하는 것에 의해서 제공된다. 이격 요소 변형 및 연료 팽윤의 방사상 보상(radial compensation)은 작은 튜브 벽 두께에 의해서 제공된다. 이러한 구성의 단점은 구성의 복잡성, 비교적 큰 금속 소비 및 튜브와 와이어 사이의 좁은 간격 내 쿨런트로부터의 활성 분술물이 축적되는 위험 증가를 포함한다. 이는 케이싱, 와이어 및 튜브 사이의 접촉점에서 납 쿨런트 내 부식 및 케이싱 내 국부적 과열의 위험을 상당히 증가시킨다.

본 발명의 목적은 연료봉 및 연료 어셈블리의 작동 신뢰성을 개선할 뿐만 아니라 고속-중성자로 노심의 중성자 및 물리적 파라미터를 개선하기 위한 것이다. 이러한 목적은 이격 요소의 적용에 의해서 연료봉 케이싱 내 기계 응력 감소의 결과로서, 사용 시에 팽윤 후에 그것의 작동성을 유지시키고 연료봉을 위한 금속 소비를 감소시키는 것을 포함하는 본 발명의 기술적 효과에 의해서 이뤄진다.

본 발명은 얇은-벽 튜브의 길이를 따라서 연장하는 쓰루 길이방향 슬롯(through longitudinal slot)을 구비하는 얇은-벽 튜브의 형태로 마련된 이격 요소 및 연료봉 상에 이격 요소를 고정하기 위한 단부 섹션을 포함하는 고속-중성자로의 연료봉(얇은-벽 스틸 관형 케이싱 및 단부 요소의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 핵 연료가 배치되고, 이격 요소가 케이싱의 외부 표면 둘레에 넓은-피치 스파이럴로 권선되고 연료봉의 단부에서 케이싱에 및/또는 단부 요소에 고정되고, 연료봉 케이싱 내부에 연료 펠렛 홀더(fuel pellet holders) 또는 비-분열 물질, 금속 용탕 등으로 마련된 삽입물 같은 추가적인 부품이 배치될 수 있다)에 관한 것이다.

연료봉의 구체적인 실시예는 다음의 파라미터를 포함한다:

- 슬롯은 이격 요소 튜브의 길이 전체를 따라 연장한다.

- 이격 요소 튜브에서 슬롯 폭은 튜브의 외경의 0.1 내지 0.3의 범위 내이다.

- 이격 요소 튜브의 중앙 부분에서 슬롯 폭은 주변부에서 슬롯 폭보다 크다.

- 튜브의 벽 두께는 연료봉 케이싱의 두께의 0.25 내지 1 범위 내이다.

- 이격 요소는 연료봉 케이싱과 동일한 스틸로 마련된다.

- 이격 요소의 단부 섹션은 케이싱의 외부 표면 상에 및/또는 단부 요소 상에 이전-용접 팽창 기술(prior-welding expansion technique)에 의해서 마련된다.

- 이격 요소의 단부 섹션은 연료봉 케이싱에 용접된다.

- 이격 요소의 단부 섹션은 연료봉의 단부 요소에 용접된다.

- 이격 요소의 하나의 단부 섹션은 단부 요소에 용접되고, 이격 요소의 다른 단부 섹션은 연료봉의 케이싱에 용접된다.

- 이격 요소의 튜브는 노심 냉각제로 사용되는 금속 또는 합금, 예를 들어 납으로 전부 또는 부분적으로 채워진다.

본 발명에 따른 이격 요소는 이격 요소 직경과 동일한 외경을 갖는 스테인리스 스틸 얇은-벽 튜브로 마련될 수 있다. 튜브에는 길이방향 컷이 제공된 다음, 바람직한 폭의 슬롯이 형성되고 연료봉의 단부 요소 및/또는 케이싱과 용접을 위한 단부 요소가 형성된다. 이격 요소를 제조하는 방법은 다음을 특징으로 한다:

- 얇은-벽 튜브가 연료봉 케이싱의 제조 시에 사용되는 스테인리스 스틸로 마련된다.

- 용접을 위한 케이싱 요소의 주변 섹션은 단부 요소 및/또는 케이싱의 외경과 동일한 작동 직경(working diameter)을 갖는 원통형 표면의 피스 형태로 마련된다.

- 얇은-벽 튜브에 길이방향 쓰루-컷을 형성하기 전에, 튜브는 예를 들어 납 용탕을 붓는 것에 의해서 쿨런트 물질로 미리 채워진다.

본 발명에 따른 이격 요소는 또한 스테인리스 스틸의 얇은 테이프로 마련될 수 있다. 이격 요소의 제조 방법의 실시예는 다음을 특징으로 한다.

- 이격 요소의 튜브는 이격 요소 튜브의 외경과 동일한 작동 직경을 갖는 게이지 또는 롤러 또는 다이를 사용하는 공지된 방법에 의해서 테이프로부터 형성된다.

- 이격 요소의 용접을 위한 단부 요소는 다이, 롤러 또는 게이지를 구비하여 피스들의 주변 섹션을 가공하는 것에 의해서 공지된 방법으로 형성되고, 이때 작동 직경은 케이싱 및/또는 단부 요소의 외경과 동일하다.

- 이격 요소의 튜브는 튜브의 내경과 동일한 직경을 갖는 와이어 형태로 된 중앙 바를 사용하여 형성된다.

- 이격 요소의 중앙 부분은 튜브의 내경과 동일한 직경을 갖는 납 와이어의 형태로 된 중앙 바를 사용하여 형성된다.

- 튜브에서 슬롯 폭은 이격 요소의 형성 단계에서 캘리브레이션된다.

- 테이프는 연료봉 케이싱을 위해 사용되는 스틸로 제조된다.

- 테이프는 그것을 고정된 길이의 길이방향 단편으로 절단하는 것에 의해서 그리고 예를 들어 롤링 아웃과 같이 그것을 추가로 가능하는 것에 의해서 연료봉 케이싱으로부터 형성된다.

본 명세서 내에 포함됨.

본 발명은 연료봉, 이격 요소 및 방법의 실시예들이 상세히 도시된 도 1 내지 6에 도시된 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 길이방향 슬롯을 구비하는 얇은-벽 튜브 형태로 된 이격 요소를 갖는 연료봉의 단면도이다.
도 2는 길이방향 슬롯을 구비하는 얇은-벽 튜브 형태로 된 이격 요소를 갖는 연료봉의 단면도이고, 이때 튜브는 쿨런트 물질, 예를 들어 납으로 전부 또는 부분적으로 채워진다.
도 3은 케이싱에 용접된 이격 요소를 구비하는 연료봉의 단부 섹션을 도시한다.
도 4는 방법의 제2 실시예에 따른 연료봉 케이싱을 위해서 튜브로부터 이격 요소를 제조하기 위해 길이방향 단편을 절단하는 도식이다.
도 5는 방법의 제2 실시예에 따른 이격 요소를 형성하는 도식이다: a) 삽입물 없는 경우, b) 납 와이어의 형태로 된 삽입물이 있는 경우.
도 6은 이격 요소의 전체도이다.

본 발명의 실시예 중 하나에 따른 연료봉(1)(도 1, 도 2 및 도 3을 보기 바란다)은 단부 요소(3)로 밀봉된 단부들을 구비하는 얇은-벽 케이싱(2)을 포함한다. 길쭉한 슬롯(6), 단부 섹션들(end sections; 7) 및 트랜지션 섹션(transition section; 8)을 구비하는 튜브(5)를 포함하는 이격 요소(4)는 케이싱(2)의 외부 표면 둘레를 넓은-피치 스파이럴(wide-pitch spiral)로 권선된다(wound). 단부 섹션(7)의 엣지(9)는 케이싱(2)에 용접된다. 핵 연료(10), 만약 필요하다면 다른 성분 및 물질, 예를 들어 연료 홀더(fuel holder), 비-분열 물질(non-fissible material)로부터의 원소, 금속 용탕(metal melt) 등(미도시)이 케이싱(2) 내부에 배치된다. 튜브(5) 내부에는 예를 들어, 그것의 제조 동안 이격 요소의 조성물(composition) 안에 와이어의 형태로 포함되는 납과 같은 쿨런트 물질(coolant material; 11)이 포함될 수 있다.

연료봉(1) 구성은 튜브(5)의 외경의 0.1 내지 0.3의 폭을 구비하는 슬롯(6)이 제공된 튜브(5)의 변형(deformation) 및 압축성(compressibility)의 결과로서 노심(reactor core) 내 케이싱의 조사-유도 팽윤(irradiation-induced swelling)을 보상한다. 슬롯 폭 내 튜브(5)의 횡방향 변형(transversal deformation)은 케이싱(2) 내 접촉 응력의 상당한 증가를 유발하지 않아서, 높은 번아웃(burnout) 온도에서 보다 신뢰성 있는 케이싱을 만든다. 게다가, 상기 폭의 길이방향 슬롯(6)을 구비하는 연료봉(1)의 구성은 노심 쿨런트가 길이방향 및 횡방향 모두로 튜브(5) 내에 유입되고 존재하는 것을 가능하게 한다. 이는 케이싱(2) 내 과열 및 부식 중심뿐만 아니라, 쿨런트로부터 활성 불순물(active impurities)이 축적되는 국부 영역의 형성 위험을 감소시킨다. 연료봉의 높이에서 케이싱(2)의 불균일한 번아웃 및 팽윤을 포함함으로써, 슬롯(6) 폭은 동일하지 않게 될 수 있고 튜브(5)의 중앙 부분에서 주변부보다 더 높을 수 있다. 이러한 구성은 연료 어셈블리의 강성 및 기하학적 안정성을 최적화시킨다.

이격 요소(4)의 강성의 최적화된 조합을 제공하고 횡방향 변형에 의해 야기된 응력을 감소시키기 위해서, 튜브(5) 벽 및 이격 요소의 단부 섹션(7)의 두께는 연료봉의 케이싱(2)의 두께의 0.25 내지 1의 범위에서 선택된다. 이격 요소(4)의 벽의 두께 및 연료봉의 케이싱(2)과 동일한 스틸의 사용은 단부 요소(3) 및/또는 케이싱(2)과 단부 섹션(7) 사이의 강하고 신뢰성 있는 용접 이음을 획득하기 위한 가장 바람직한 조건을 형성하는 데 도움이 된다. 연료봉의 그러한 구성에 의해서, 구조 요소에 다양한 용접 이음이 획득될 수 있고, 예를 들어 단부 섹션(7)은 케이싱(2) 또는 단부 요소(3)에 용접될 수 있고, 또는 하나의 단부 섹션(7)은 단부 요소(3)에 용접되고 다른 단부 섹션은 케이싱(2)에 용접될 수 있다. 슬롯(5)의 폭은 튜브(5)의 엣지(16)를 내부로 접는 것에 의한 폭에 의해서도 정의될 수 있다. 그러한 폴딩(folding; 16)은 연료봉 제조 동안 이격 요소(4)의 형상의 안정성을 증가시킨다.

연료봉(1)은 쿨런트 물질(11), 예를 들어 납으로 전부 또는 부분적으로 채워진 튜브(5)를 구비하는 이격 요소(4)를 구비하여 마련된다. 그러한 구성은 고속 중성자로 노심(fast-neutron reactor core)의 형성 동안 연료봉으로부터 형성된 연료 어셈블리 및 연료봉의 개선된 구조적 강도 및 강성을 제공한다. 원자로(reactor)의 개시 및 노심 안으로 뜨거운 쿨런트의 공급 시에, 튜브(5) 내 납(11)이 용융되고 쿨런트 조성물(coolant composition)로 변환된다.

본 발명에 따른 연료봉을 위한 이격 요소의 구성 및 이격 요소의 제작 방법은 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된다.

도 4는 케이싱(2)의 외부 표면 둘레에 넓은 피치로 권선되고 그 위에 고정된 후에 연료봉의 이격 요소(4)를 생성하는 블랭크(12)의 개략도를 도시한다. 블랭크는 케이싱(2) 또는 단부 요소(3)와 용접을 위한 내경을 구비하는 원통형 케이싱의 단편(fragment)의 형태로 된 단부 섹션(7) 및 얇은-벽 튜브(5)의 형태로 마련된다. 튜브(5) 및 단부 섹션(7)은 케이싱(2) 또는 단부 요소(3)와 단부 섹션(7)을 용접하기 위한 커플링을 제공하는 트랜지션 섹션(13)의 형상을 통해서 서로 연결된다. 단부 섹션(7)은 연료봉 케이싱 주위에 블랭크를 권선하는 데 사용되고, 이격 요소(4)가 고정된 후에 제거되는 기술적 섹션(technological sections; 미도시)을 포함할 수 있다. 블랭크 부품의 치수 비율, 그것의 제조를 위해서 사용되는 물질의 특성은 본 발명에 따른 연료봉 구성에서 이격 요소(4)에 대하여 앞서 제시되었다.

튜브(5)는 연료봉을 제조하고 케이싱(2) 둘레에 블랭크(12)를 권선할 때 튜브(5)의 형상 및 크기를 고정하기 위해서, 쿨런트 물질(11), 예를 들어 납으로 전부 또는 부분적으로 채워질 수 있다.

이격 요소의 제조 방법의 제1 실시예에 따라서, 블랭크(12)는 얇은-벽 튜브로부터 형성되고 케이싱에는 미리 정해진 폭의 길이방향 슬롯(6)을 생성하는 쓰루-컷(through-cut)이 제공된다. 슬롯(6)의 폭은 튜브(5)의 엣지(16)를 내부로 접는 것에 의한 폭에 의해서도 정의될 수 있다. 그러한 폴딩(16)은 연료봉 제조 동안 이격 요소(4)의 형상의 안정성을 증가시킨다.

얇은-벽 튜브의 외경은 이격 요소의 튜브(5)의 직경과 동일하다. 그런 다음, 이격 요소(4)의 용접을 위한 단부 섹션(7)은 케이싱 및/또는 단부 요소의 외경과 동일한 직경을 구비하는 원통형 표면의 단면으로 형성된다. 얇은-벽 튜브는 연료봉 케이싱의 제조 시에 사용되는 스테인리스 스틸로 마련된다. 이격 요소(4)의 기하학적 안정성을 개선하기 위해서, 얇은-벽 튜브 내 길이방향 쓰루-컷을 형성하기 전에, 튜브에는 예를 들어 납 용탕(lead melt)을 붓는 것에 의해서, 쿨런트 물질로 미리 채워진다. 블랭크(12)의 길이는 연료봉의 케이싱(2)의 길이 및 직경에 기초하여 정의될 뿐만 아니라 연료봉의 이격 요소(4)가 형성될 때 케이싱(2) 둘레에 블랭크(12)의 미리 정의된 권선 피치에 기초하여 정의된다.

방법의 제2 실시예에 따라서, 이격 요소는 얇은 스테인리스 스틸 테이프로 형성된다. 가장 적절한 해결책은 연료봉 케이싱을 위해 사용되는 스틸의 테이프를 만드는 것이다. 이러한 스틸은 금속 쿨런트, 예를 들어 납 안에서 내식성이 매우 높다. 테이프는 연료봉 케이싱을 제조하기 위해서 사용되는 기술에 따라서 제조된 튜브로부터 획득될 수 있다. 이를 위해서, 예를 들어, 튜브(15)는 고정된 길이 및 폭의 길이방향 피스(longitudinal pieces; 14)로 절단될 수 있고, 단편은 (예를 들어, 두께를 감소시키기 위해서) 더 가공될 수 있고, 예를 들어 롤링 아웃(rolled out)될 수 있다.

튜브(15)는 연료봉 케이싱을 위한 튜브들과 동일한 것 또는 예를 들어 두께 감소를 위해서 케이싱을 위한 튜브의 추가적인 가공 후에 생산된 튜브 중 하나이다. 방법은 연료봉의 케이싱(2) 또는 단부 요소(3)와 용접하기 위한 단부 섹션(7)을 구비하는 미리-정의된 폭의 길이방항 쓰루-슬롯(6)을 갖는 튜브(5)의 형태로 결과적인 피스(resulted piece; 14)를 형성(롤링-업(rolling-up))하는 단계를 포함한다. 블랭크(12)의 길이는 연료봉의 케이싱(2)의 길이 및 직경에 기초하여 정의될 뿐만 아니라, 연료봉의 이격 요소(4)가 형성될 때 케이싱(2) 둘레에 블랭크(12)의 미리-정의된 권선 피치에 기초하여 정의된다. 만약 이격 요소(4) 형성 전에 길이방향 피스(12)가 롤링 아웃된다면(rolled out), 피스의 초기 길이 및 폭은 롤링-아웃이 종료된 후 크기의 증가에 기초하여 선택된다.

튜브(5)는 공지된 방법, 예를 들어 외부 게이지를 통해서 드로잉하여(drawing) 피스(14)를 롤링 업하는 것에 의해서 또는 포밍 롤러로 그것을 누르는 것(롤링 업)에 의해서 형성된다. 포밍 장치(forming device)의 작동 직경(working diameter)은 튜브(5)의 외경과 동일하게 선택된다. 슬롯(6)의 폭은 튜브(5)의 직경에 기초하여 피스(14)의 호 길이를 계산하는 것에 의해서 형성된다. 슬롯(6)의 폭은 슬롯(6)의 하나 또는 두 개의 엣지 상에 폴딩(16)을 형성하는 것에 의해서 정확하게 캘리브레이션될(calibrated) 수 있다. 튜브(5)의 원주의 초과 부분(excessive part)은 블랭크(12)가 형성될 때 슬롯(6)의 캘리브레이션 동안 제거될 수 있다. 용접을 위한 블랭크의 주변 섹션(peripheral sections)은 예를 들어 케이싱(2)의 외경과 동일하거나 단부 요소(3)의 기하학적 파라미터에 대응하는 작동 직경을 갖는 맨드릴(mandrel)을 사용하여 형성된다. 블랭크(12)의 요소의 크기 및 기하학적 형상을 정확하게 고정시키기 위해서, 블랭크의 관형 섹션은 튜브(5)의 내경과 동일한 직경을 구비하는 와이어(11)의 형태로 된 중앙 바(central bar)를 사용하여 형성된다. 블랭크 제조의 가능한 실시예 중 하나에 따라서, 납 와이어(11)는 튜브(5)의 내경과 동일한 직경을 구비하여 사용된다. 따라서, 블랭크(12) 형성의 완성 시에 튜브(5)로부터 와이어를 제거하고 케이싱(2) 둘레에 와이어를 권선하는 것에 의해서 이격 요소(4)를 형성하고 연료봉을 제조할 때 그러한 조성물의 형태로 된 블랭크를 사용할 필요가 없다. 그러한 기술적 해결책은 연료봉의 기하학적 형상 및 크기를 보다 안정적으로 만들고 보다 균일하게 그것들을 서로 이격시키고 연료 어셈블리 내부에 배치하게 한다.

이격 요소의 제조 방법의 제1 및 제2 실시예에 따라서, 드로잉 다이 또는 맨드릴을 사용하여 블랭크(12)를 형성하는 동안 튜브(5) 내 슬롯(6)의 폭이 캘리브레이션될 필요가 있다. 방법의 실시예 중 하나에 따라서, 그러한 캘리브레이션은 연료봉의 높이에서 불균일한 조사-유도 팽윤를 고려하기 위해서 블랭크(12)의 중앙 부분에서 슬롯(6)의 증가된 폭을 형성하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 연료봉을 위한 이격 요소의 제조 예시가 추가적으로 설명된다.

예시 1. 본 발명의 제1 실시예에 따라서, 외경이 12㎜이고 두께가 0.5㎜인 케이싱을 구비하는 연료봉에 대하여 4㎜와 동일하게 튜브(5)의 외경을 구비하도록 이격 요소(4)가 제조된다. 케이싱(2)은 납 쿨런트(lead coolant) 환경에서 내식성이 높은 스틸로 마련된다. 블랭크(12)를 제조하기 위해서 외경이 4㎜이고 벽 두께가 0.3㎜(즉, 연료봉 케이싱의 두께의 0.6과 동일함)인 스테인리스 스틸의 얇은-벽 튜브가 공지된 방법에 의해서 형성된다. 얇은-벽 튜브의 길이는 연료봉의 케이싱(2)의 길이 및 직경에 기초하여 정의될 뿐만 아니라, 연료봉(1)의 케이싱 둘레에 이격 요소(4)의 미리-정의된 권선 피치에 기초하여 정의된다. 1㎜의 폭을 구비하는 길이방향 쓰루-컷은 얇은-벽 튜브의 전체를 따라서 마련되고 이격 요소(4)의 슬롯(6)을 구비하는 관형 부분(tubular part; 5)이 형성된다. 그런 다음, 단부 섹션(7)이 케이싱(2)의 반경, 즉 12㎜와 동일한 반경을 갖는 원통형 표면의 단편의 형태로 된 연료봉의 단부 요소(3) 또는 케이싱(2)과 용접을 위해서 얇은-벽 튜브를 소비하는 것에 의해서 생성된다.

예시 2. 연료봉을 위한 이격 요소(4)는 예시 1에 도시된 크기를 구비하여 제조된다. 블랭크(12)를 제조하기 위해서, (연료봉 케이싱의 두께의 0.6과 동일한) 0.3㎜의 벽 두께 및 4㎜의 외경을 구비하여 예시 1에 도시된 크기를 갖는 스테인리스 스틸의 얇은-벽 튜브가 형성된다. 0.4㎜의 폭을 갖는 길이방향 쓰루-컷은 얇은-벽 튜브 전체를 따라서 마련된다. 그런 다음, 캘리브레이션에 의해서, 1.2㎜인 슬롯(6)의 최종 폭이 형성되고, 이는 얇은-벽 튜브의 외경의 0.3이다. 캘리브레이션 동안, 슬롯의 길이방향 엣지 중 하나 또는 모두는 전체 높이가 0.7㎜(1.2-0.4)인 폴드(folds; 16)를 형성하기 위해서 튜브(5) 안으로 접힌다. 그런 다음, 케이싱(2)의 반경, 즉 12㎜와 동일한 반경을 구비하는 원통형 표면의 단편의 형태로 된 연료봉의 단부 요소(3) 또는 케이싱(2)과 용접을 위해 얇은-벽 튜브를 소비하는 것에 의해서 생성된다.

예시 3. 연료봉 요소는 12㎜의 외경이 12㎜이고 두께가 0.5㎜인 케이싱을 구비하여 마련되고, 이때 튜브(5)의 외경은 4㎜와 동일하다. 케이싱은 납 쿨런트 환경에서 내식성이 강한 스틸로 마련된다. 요소를 제조하기 위해서, 튜브(15)는 연료 케이싱을 제조하기 위해서 사용되는 튜브와 동일한 물질, 직경, 벽 두께가 사용되고, 즉 외부 케이싱의 직경은 12㎜이고 두께는 0.5㎜이다. 단편(14) 및 블랭크(15)를 위한 튜브(15)의 길이는 연료봉의 케이싱(2)의 직경 및 길이에 기초하여 정의될 뿐만 아니라, 연료봉(1)의 케이싱 둘레에서 이격 요소(4)의 미리-정의된 권선 피치에 기초하여 정의된다.

원주가 37.68㎜인 튜브(15)는 12.56㎜(37.68:3)인 호 길이 마이너스 커팅 휠(cutting wheel)의 두께를 구비하는 세 개의 동일한 길이방향 단편으로 절단되고, 우리는 호 길이가 12㎜인 세 개의 단편(14)을 획득한다. 이러한 단편(14)은 1㎜인 튜브(5)의 외경의 0.25와 동일한 슬롯(5)의 폭 및 4㎜와 동일한 튜브(5)의 외경을 갖는 블랭크(12)를 형성하기 위해서 사용된다. 이 경우에 0.44㎜인 튜브(5)의 원주의 초과 부분은 슬롯(6)의 엣지 중 하나 또는 두 개 안으로 향하는 폴드(16)를 형성하는 것에 의해서 보상될 수 있다(compensated). 튜브(5)의 원주의 초과 부분은 12.56㎜인 튜브(5)의 원주, 1㎜인 슬롯(6)의 폭 및 12㎜인 단편(14)의 호 길이의 합계 사이의 차이로서 정의된다(즉, 12 + 1 - 12.56 = 0.44).

추가적인 실시예에 따라서, 튜브(5)의 원주의 초과 부분은 블랭크(12)가 형성될 때 슬롯(6)의 캘리브레이션 동안 제거될 수 있다. 단부 섹션(7)은 케이싱(2)의 반경, 즉 12㎜와 동일한 반경을 구비하는 원통형 표면의 단편의 형태로 된 케이싱(2)과 용접을 위해서 형성된다.

예시 4. 예시 1에서 설명된 크기(케이싱 외경이 12㎜이고, 두께가 0.5㎜이고, 이때 튜브(5)의 외경은 4㎜와 동일하다)를 가진 연료봉을 위한 요소(12)가 마련된다. 블랭크(12)를 제조하기 위해서, 연료 케이싱을 제조하기 위해서 사용되는 튜브와 동일한 물질, 벽 두께 및 직경이 튜브에 사용된다. 예시 1에서돠 같이, 12㎜인 호 길이를 갖는 세 개의 단편(14)이 마련된다. 세 개의 단편(14)은 1㎜인 튜브(5)의 외경의 0.25와 동일한 슬롯(6)의 폭 및 4㎜와 동일한 튜브(5)의 외경을 갖는 블랭크(12)를 형성하기 위해서 사용된다. 튜브(5)는 3㎜인 직경을 구비하는 납 와이어(11)를 사용하여 형성되고, 그것은 튜브(5)의 길이를 따라서 블랭크(12)의 중앙에 미리 위치된다.

예시 5. 예시 1에서 설명된 크기(케이싱 외경이 12㎜이고, 두께가 0.5㎜이고, 이때 튜브(5)의 외경은 4㎜와 동일하다)를 가진 연료봉을 위한 요소(12)가 마련된다. 블랭크(12)를 제조하기 위해서, 튜브(15)는 연료봉 케이싱의 두께, 즉 0.3㎜의 0.6인 벽 두께를 구비하여 사용된다. 튜브(15)는 연료봉 케이싱을 제조하기 위해서 사용되는 튜브의 추가적인 열적 및 기계적 처리의 결과로서 마련된다. 단편(14) 및 블랭크(12)를 위한 튜브(15)의 길이는 연료봉의 케이싱(2)의 직경 및 길이에 기초하여 정의될 뿐만 아니라, 연료봉(1)의 케이싱 둘레에서 이격 요소(4)의 미리-정의된 권선 피치에 기초하여 정의된다.

튜브(15)는 12㎜인 호 길이를 구비하는 길이방향 단편(14)으로 절단된다. 이러한 단편(14)은 튜브(5)의 외경의 0.25와 동일한 슬롯(6)의 폭 및 4㎜와 동일한 튜브(5)의 외경을 갖는 블랭크(12)를 형성하기 위해서 사용된다. 블랭크(12)는 예시 1에서와 같이 형성된다. 만약 블랭크(12)가 예시에서와 같이 형성된다면, 납 와이어(11)의 직경은 3.4㎜이다.

예시 6. 방법의 제2 실시예에 따라서, 블랭크(12)는 예시 1에서 설명된 크기(케이싱 외경이 12㎜이고, 두께가 0.5㎜이고, 이때 튜브(5)의 외경은 4㎜와 동일하다)를 가진 연료봉의 이격 요소(4)을 위해서 마련된다. 요소(12)를 제조하기 위해서, 외경이 4㎜이고 벽 두께가 (연료봉 케이싱의 두께의 0.6과 동일한) 0.3㎜인 스테인리스 스틸의 얇은-벽 튜브가 공지된 방법에 의해서 형성된다. 폭이 1㎜인 길이방향 쓰루-컷이 얇은-벽 튜브 전체를 따라 마련되고 이격 요소(4)의 슬롯(6)을 갖는 관형 부분(5)이 형성된다. 그런 다음, 단부 섹션(7)이 케이싱(2)의 반경, 즉 12㎜와 동일한 반경을 구비하는 원통형 표면의 단편의 형태로 된 연료봉의 단부 요소(3) 또는 케이싱(2)과 용접을 위해서 얇은-벽 튜브를 소비하는 것에 의해서 생성된다.

예시 7. 연료봉 요소(12)는 케이싱 외경이 12㎜이고, 케이싱의 두께가 0.5㎜이고, 이때 튜브(5)의 외경은 4㎜와 동일하다. 케이싱은 납 쿨런트 환경에서 내식성이 우수한 스틸로 마련된다. 요소(12)를 제조하기 위해서, 연료봉 케이싱을 위한 물질로 테이프가 사용된다. 테이프의 폭은 12㎜이고, 두께는 (케이싱 두께의 0.3인) 0.15㎜이다. 그런 다음, 요소(12)는 예시 3에 설명된 모드에 따라서 형성된다.

예시 8. 방법의 제1 실시예에 따라서, 이격 요소(4)는 케이싱의 외경이 12㎜이고 두께가 0.5㎜인 연료봉을 위해서 4㎜와 동일한 튜브(5)의 외경을 구비하여 제조된다. 케이싱(2)은 납 쿨런트 환경에서 내식성이 우수한 스킬로 마련된다. 블랭크(12)를 제조하기 위해서, 외경이 4㎜이고 벽 두께가 (연료봉 케이싱의 두께의 0.6과 동일한) 0.3㎜인 스테인리스 스틸의 얇은-벽 튜브가 공지된 방법에 의해서 형성된다. 얇은-벽 튜브의 길이는 연료봉의 케이싱(2)의 길이 및 직경에 기초하여 정의될 뿐만 아니라, 연료봉(1)의 케이싱 둘레에서 이격 요소(4)의 미리-정의된 권선 피치에 기초하여 정의된다. 얇은-벽 튜브에는 중성자 노심으로부터 용융된 쿨런트, 예를 들어 납 용탕으로 채워진다. 튜브를 냉각시킨 후에, 폭이 (얇은-벽 튜브의 외경의 0.25인) 1㎜인 길이방향 쓰루-컷이 튜브 전체를 따라서 마련되고, 이격 요소(4)의 슬롯(6)을 갖는 관형 부분(5)이 형성된다. 그런 다음, 단부 섹션(7)이 케이싱(2)의 반경, 12㎜와 동일한 반경을 갖는 원통형 표면의 단편의 형태로 된 연료봉의 단부 요소(3) 또는 케이싱(2)과 용접을 위해서 얇은-벽 튜브를 소비하는 것에 의해서 생성된다.

본 발명은 얇은-벽 튜브의 형태로 마련된 이격 요소에 의해서 연료봉의 상당한 금속 소비 감소를 가능하게 한다. 튜브의 이격 요소 내 마련된 길이방향 쓰루-슬롯은 노심 내 연료가 번 아웃될 때 연료봉 케이싱 내에서 발생하는 국부 응력을 감소시키고 횡방향 변형을 개선한다. 상기 기술적 결과는 연료봉 및 연료 어셈블리의 작동 신뢰성을 개선할 뿐만 아니라, 고속-중성자 노심의 중성자 및 물리적 파라미터를 개선하는 데 도움이 된다. 기술적인 해결책은 이격 요소의 길이방향 강성을 감소시킨다. 이는 연료봉의 상당한 기하학적 변형 없이 얇은-벽 케이싱의 표면 둘레에서 바람직한 텐션(tension)에서 이격 요소의 블랭크를 권선할 수 있게 한다. 또한, 본 발명은 용접된 단편의 기하학적 형상, 구조 및 균일한 조성에 의해서 획득되는 케이싱 및 이격 요소 사이의 매우 신뢰성 있는 용접 이음을 제공한다. 상기 기술적 해결책의 특징은 예를 들어 납 쿨런트를 구비하여, 고속-중성자로를 위한 연료봉 및 연료 어셈블리의 제조 시에 실질적인 적용 가능성을 추정할 수 있게 한다.

1: 연료봉
2: 얇은-벽 케이싱
3: 단부 요소
4: 이격 요소
5: 튜브
7: 단부 섹션
8: 트랜지션 섹션
9: 엣지
10: 핵 연료
11: 쿨런트 물질
12: 블랭크

Claims (14)

1. 고속 중성자로의 연료봉에 있어서,
   단부 요소 및 얇은-벽 관형 케이싱의 형태로 된 밀봉 컨테이너 내에 배치된 핵 연료 및 상기 케이싱의 외부 표면 둘레에 넓은-피치 스파이럴(wide-pitch spiral)로 권선되고 상기 케이싱의 단부 또는 상기 단부 요소(end component)에 고정되는 이격 요소(spacing element)를 포함하고,
   상기 이격 요소는 상기 연료봉 상에 상기 이격 요소를 고정하기 위해서 단부 요소 및 길이를 따라서 길이방향 쓰루-슬롯(longitudinal through-slot)을 구비하는 얇은-벽 튜브의 형태로 마련되고,
   슬롯은 상기 튜브의 길이방향 엣지를 안으로 접는 것에 의해서 형성되는,
   고속 중성자로의 연료봉.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 이격 요소에서 슬롯 폭은 상기 튜브의 외경의 0.1 내지 0.3의 범위 내인 고속 중성자로의 연료봉.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 튜브의 중앙 부분에서 슬롯 폭은 주변부에서 슬롯 폭보다 큰 고속 중성자로의 연료봉.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 튜브의 벽 두께는 연료봉 케이싱의 두께의 0.25 내지 1 범위 내인 고속 중성자로의 연료봉.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 이격 요소는 연료봉 케이싱과 동일한 스틸로 마련되는 고속 중성자로의 연료봉.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 이격 요소의 단부 섹션(section)은 상기 연료봉의 단부 요소 및/또는 상기 케이싱에 고정될 원통형 케이싱의 단편(fragment)의 형태로 마련되는 고속 중성자로의 연료봉.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 이격 요소의 단부 섹션은 상기 연료봉의 케이싱에 용접되는 고속 중성자로의 연료봉.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 이격 요소의 단부 섹션은 상기 연료봉의 단부 요소에 용접되는 고속 중성자로의 연료봉.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 이격 요소의 하나의 단부 섹션은 상기 단부 요소에 용접되고, 상기 이격 요소의 다른 단부 섹션은 상기 연료봉의 케이싱에 용접되는 고속 중성자로의 연료봉.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 이격 요소는 연료봉 케이싱의 제조를 위한 튜브로부터 절단된 길이방향 단편으로 마련되는 고속 중성자로의 연료봉.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 이격 요소는 연료봉 케이싱의 제조를 위해 사용되는 스테인리스 스틸로 된 얇은 테이프로 마련되는 고속 중성자로의 연료봉.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 이격 요소의 튜브는 쿨런트 물질로 채워지는 고속 중성자로의 연료봉.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 쿨런트 물질은 납인, 고속 중성자로의 연료봉.
    
14. 삭제

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