KR102124517B1 - Metal fuel based thorium epithermal neutron reactor core and nuclear reactor having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체; 상기 핵연료 집합체의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 및 상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며, 상기 핵연료체는 토륨 및 우라늄 금속, 지르코늄 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성되고, 상기 토륨은 Th-232이며, 상기 우라늄은 상기 토륨 주기의 비증식 저항성을 보장하기 위해 U-233으로 마련될 수 있다.The core of a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention includes: a nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for a nuclear fission chain reaction to occur; A coolant disposed between the nuclear fuel assemblies to absorb energy released by the nuclear fission chain reaction; And a reflector disposed to surround the fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the fuel assembly, wherein the fuel body includes a thorium and uranium metal, a zirconium alloy, and a neutron energy region transition additive. It is formed of, the thorium is Th-232, the uranium may be provided as U-233 to ensure the non-proliferation resistance of the thorium cycle.

Description

금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로{Metal fuel based thorium epithermal neutron reactor core and nuclear reactor having the same}Metal fuel-based thorium thermal outer neutron reactor core and nuclear reactor having the same {Metal fuel based thorium epithermal neutron reactor core and nuclear reactor having the same}

본 발명은 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토륨의 우라늄(U)-233화를 가속화할 수 있는 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로에 관한 것이다.The present invention relates to a core of a nuclear fuel-based thorium thermal neutron and a nuclear reactor having the same, and more specifically, to a metal fuel-based thorium thermal neutron capable of accelerating the uranium (U)-233 of thorium, the core and the core It is about a nuclear reactor.

원자로(Nuclear Reactor)는 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열 반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄 생산 등 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 의미한다.A nuclear reactor (Nuclear Reactor) refers to a device made to be used for a variety of purposes, such as generating radioactive isotopes and plutonium production by artificially controlling the nuclear fission reaction of the fissile material.

일반적으로 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위해서 농축 우라늄을 원통형 펠릿(pellet)으로 만드는 성형 가공을 한 후, 이 펠릿들을 다발 형태로 묶어 일련의 과정을 거쳐 연료봉을 제조한다. 상기 연료봉은 핵연료 집합체를 구성하며, 원자로 내에서 핵반응을 통해 연소하게 된다.In general, in order to process nuclear fuel used in a nuclear reactor, after forming the uranium into a cylindrical pellet, the pellets are bundled into a bundle to produce a fuel rod through a series of processes. The fuel rod constitutes a nuclear fuel assembly and burns through a nuclear reaction in a nuclear reactor.

상기 핵연료 집합체는 상기 연료봉을 다양한 형태의 격자상으로 조립하여 제조할 수 있으며, 봉형 핵연료 외에 판형 핵연료 등 다양한 형상의 핵연료로 제조될 수 있다.The fuel assembly may be manufactured by assembling the fuel rods in various types of grids, and may be made of nuclear fuels of various shapes, such as plate fuels, in addition to rod fuels.

최근 들어, 우라늄 원자로의 단점이 부각되면서 원자력 발전의 안정성에 대한 관심이 높아지고 있으며, 기존의 우라늄 원전의 대안으로서 토륨 원자로가 주목을 받고 있다.Recently, as the shortcomings of the uranium reactor have emerged, interest in the stability of nuclear power generation has increased, and the thorium reactor has attracted attention as an alternative to the existing uranium nuclear power plant.

토륨 원자로는 핵연료로 우라늄 대신 토륨을 사용하는데, 토륨은 지구상에서 납 보다 흔한 금속이며 매장량이 풍부하고 우라늄처럼 복합한 가공처리 과정을 거칠 필요가 없어 차세대 원자력 시스템의 주요 연료 원천물질로 관심을 받고 있다.Thorium reactors use thorium instead of uranium as nuclear fuel. Thorium is attracting attention as a major fuel source for next-generation nuclear power systems because it is a more common metal than lead on earth and does not need to undergo a complex processing process like uranium. .

특히, 토륨은 분열 과정에서 발생하는 중성자 수가 부족하여 외부에서 중성자를 공급해 주어야 핵분열이 일어나며, 중성자 공급을 중단하면 핵분열도 멈추기 때문에 안전성이 보장되는 장점이 있다.In particular, thorium has an advantage in that the number of neutrons generated during the fission process is insufficient, so that neutrons must be supplied from the outside to generate nuclear fission.

핵 연료성 물질(fertile)인 토륨(Th)-232는 중성자를 흡수하여 핵 분열성 물질(fissile)인 우라늄(U)-233으로 변환되고, 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 플루토늄의 생성유무 등 다양한 장점으로 인하여 차세대 원자력시스템의 주요 연료 원천물질로 관심을 받고 있다. Thorium (Th)-232, a nuclear fuel material (fertile), absorbs neutrons and is converted to fissile uranium (U)-233, and has various advantages such as abundant reserves, low price, and presence or absence of plutonium production. As a result, it is receiving attention as the main fuel source material for the next-generation nuclear power system.

한편, 원자로는 이용하는 중성자의 에너지 영역에 따라 약 100 KeV 이상의 고속중성자를 이용하는 고속로(fast reactor)형 원자로와 약 1 eV 이하의 열중성자를 주로 이용하는 열중성자로(thermal reactor)형 원자로로 분류될 수 있다. 대부분의 토륨 핵연료를 사용하는 원자로의 경우, 대단위 규모의 나트륨 냉각재를 사용한 고속 원자로 개념을 활용하여 설계되어 왔다. On the other hand, nuclear reactors are classified into fast reactor type reactors using high-speed neutrons of about 100 KeV or more and thermal reactor type reactors mainly using heat neutrons of about 1 eV or less, depending on the energy region of the neutron used. Can be. Reactors using most thorium fuels have been designed using the concept of high-speed reactors using large-scale sodium coolants.

그러나, 고속 원자로의 경우, 규모 및 경비 면에서 쉽게 접근하기 힘들며 사고가 발생하였을 때 냉각재인 나트륨에 인한 2차 사고가 발생할 수 있다는 문제가 있다.However, in the case of a high-speed reactor, it is difficult to easily access in terms of scale and cost, and there is a problem that a secondary accident due to sodium as a coolant may occur when an accident occurs.

본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명을 제안하게 되었다.In order to solve the above problems, the applicant has proposed the present invention.

한국등록특허공보 제10-1221569호(2013.01.14.)Korean Registered Patent Publication No. 10-1221569 (2013.01.14.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래의 토륨 고속로 개념을 소형화 및 안전성이 확보될 수 있도록 금속핵연료 기반 토륨 육각핵연료집합체에 적용하는 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로를 제공한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, the metal thorium-based thorium thermal neutron applied to the metal-fuel-based thorium hexagonal fuel assembly so that miniaturization and safety of the conventional thorium reactor can be secured. Provide a nuclear reactor equipped.

상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체; 상기 핵연료 집합체의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 및 상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며, 상기 핵연료체는 토륨 및 우라늄 금속, 지르코늄 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성되고, 상기 토륨은 Th-232이며, 상기 우라늄은 상기 토륨 주기의 비증식 저항성을 보장하기 위해 U-233으로 마련될 수 있다.A metal fuel-based thorium thermal neutron reactor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for nuclear fission chain reaction to occur; A coolant disposed between the nuclear fuel assemblies to absorb energy released by the nuclear fission chain reaction; And a reflector disposed to surround the fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the fuel assembly, wherein the fuel body includes a thorium and uranium metal, a zirconium alloy, and a neutron energy region transition additive. It is formed of, the thorium is Th-232, the uranium may be provided as U-233 to ensure the non-proliferation resistance of the thorium cycle.

상기 핵연료체는, 90 중량%의 토륨 및 우라늄 금속과 10 중량%의 지르코늄 합금을 포함할 수 있다.The nuclear fuel body may include 90% by weight of thorium and uranium metal and 10% by weight of zirconium alloy.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는, 중성자의 에너지 영역이 열중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동되게 할 수 있다. The neutron energy region transition additive may cause the energy region of the neutron to move from the thermal neutron energy region to the extraneous neutron energy region.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 0.1중량% 내지 0.7중량%의 수소로 마련될 수 있다.The neutron energy region transition additive may be provided with 0.1% by weight to 0.7% by weight of hydrogen.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 첨가됨에 따라 유효증배계수(Keff)는 1.2 내지 1.6의 값을 가질 수 있다.As the neutron energy region transition additive is added, the effective multiplication factor (Keff) may have a value of 1.2 to 1.6.

상기 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 합금에 대한 우라늄(U)-233의 비는 1.3 보다 크고 1.6 보다 작을 수 있다.The ratio of uranium (U)-233 to thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 alloys may be greater than 1.3 and less than 1.6.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 붕소(Boron) 또는 중수(D2O)로 마련될 수 있다.The neutron energy region transition additive may be provided with boron (Boron) or heavy water (D 2 O).

또한, 본 발명은 상술한 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심을 구비한 원자로를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a nuclear reactor having a core as the above-described metal fuel-based thorium thermal neutron.

본 발명에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 원자로 내부의 핵분열에 의해 생성되는 고속중성자가 수소 수화물에 의해서 에너지가 감속되며 이러한 감속된 에너지를 이용하여 토륨(Th)-232의 우라늄(U)-233으로의 변환을 촉진시킬 수 있다.Metal nuclear fuel-based thorium thermal neutron reactor according to the present invention, the core and the reactor having the same are high-speed neutrons generated by nuclear fission inside the reactor, energy is decelerated by hydrogen hydrate, and thorium (Th)-232 is used by using the reduced energy. Of Uranium (U)-233.

본 발명에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 나트륨 냉각재가 아닌 납-비스무트 냉각재를 사용하기 때문에 원자로의 안전성을 증진시킬 수 있다.Metal nuclear fuel-based thorium thermal neutron reactor according to the present invention can improve the safety of the reactor because it uses a lead-bismuth coolant rather than a sodium coolant.

본 발명에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 흑연 반사체를 구비하기 때문에 누설되는 중성자를 핵분열에 다시 활용할 수 있다. Metal nuclear fuel-based thorium thermal neutron according to the present invention, since the core and the reactor having the same have a graphite reflector, the leaking neutron can be used again for nuclear fission.

본 발명에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 토륨 육각 핵연료 집합체의 개수를 조정하여 노심의 임계도 조정 및 노심의 연소 주기를 연장할 수 있다.The metal fuel-based thorium thermal neutron reactor according to the present invention can adjust the criticality of the core and extend the combustion cycle of the core by adjusting the number of thorium hexagonal nuclear fuel assemblies.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 열외중성자로 노심에 마련된 핵연료 집합체를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 핵연료 집합체를 구성하는 핵연료체를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제의 유무에 따른 유효증배계수를 보여주는 실험 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 토륨 및 우라늄의 조성비에 따른 유효증배계수를 나타내는 실험 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제의 변형예에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프이다.1 is a view showing a core as a metal nuclear fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a nuclear fuel assembly provided in the core as an extraneous neutron shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a view showing a nuclear fuel body constituting the nuclear fuel assembly shown in FIG. 2.
4 and 5 are experimental graphs showing a neutron energy spectrum according to a neutron energy region transition additive in a core as a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
6 is an experimental graph showing the effective multiplication factor according to the presence or absence of a neutron energy region transition additive in a core as a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
7 is an experimental graph showing an effective multiplication factor according to a composition ratio of thorium and uranium in a core as a metal nuclear fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
8 is an experimental graph showing a neutron energy spectrum according to a modified example of a neutron energy region transition additive in a core as a nuclear fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. The same reference numerals in each drawing denote the same members.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심을 나타내는 도면, 도 2는 도 1에 도시한 열외중성자로 노심에 마련된 핵연료 집합체를 나타내는 도면, 도 3은 도 2에 도시한 핵연료 집합체를 구성하는 핵연료체를 나타내는 도면, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제의 유무에 따른 유효증배계수를 보여주는 실험 그래프, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 토륨 및 우라늄의 조성비에 따른 유효증배계수를 나타내는 실험 그래프, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제의 변형예에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프이다.1 is a view showing a core with a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a nuclear fuel assembly provided in the core with the thermal neutron shown in FIG. 1, FIG. 3 is shown in FIG. 4 and 5 are graphs showing a nuclear fuel body constituting one nuclear fuel assembly, and an experimental graph showing a neutron energy spectrum according to a neutron energy region transition additive in a core as a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention , FIG. 6 is an experimental graph showing the effective multiplication factor according to the presence or absence of a neutron energy region transition additive in a core as a metal nuclear fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is according to an embodiment of the present invention Experimental graph showing the effective multiplication factor according to the composition ratio of thorium and uranium in the core of the metal-fuel-based thorium thermal neutron, and FIG. 8 shows the transition of the neutron energy region in the core as the metal-fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention. It is an experimental graph showing the neutron energy spectrum according to the modification of the additive.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심(100)은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체(120)를 포함하는 핵연료 집합체(110); 핵연료 집합체(110)의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재(150); 및 핵연료 집합체(110)를 둘러싸도록 배치되며 핵연료 집합체(110)로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체(170)를 포함할 수 있다.1 to 3, a nuclear fuel assembly comprising a plurality of nuclear fuel bodies 120 for the nuclear fuel-based thorium thermal neutron reactor core 100 according to an embodiment of the present invention to generate a nuclear fission chain reaction (110); A coolant 150 disposed between the nuclear fuel assemblies 110 to absorb the energy emitted by the nuclear fission chain reaction; And a reflector 170 disposed to surround the nuclear fuel assembly 110 and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly 110.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심(100)은 쇄빙선(Icebreaker ship)에 적용될 수 있고, 임계 원자로 뿐만 아니라 미임계 원자로에도 적용될 수 있다.The metal fuel-based thorium thermal neutron reactor according to an embodiment of the present invention may be applied to an icebreaker ship, and may be applied to a critical reactor as well as a critical reactor.

핵연료 집합체(110) 및 핵연료 집합체(110)를 구성하는 복수개의 핵연료체(120)는 육각형 기둥 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 핵연료 집합체(110)는 19개의 핵연료체(120)를 포함할 수 있다. 즉, 19개의 핵연료체(120)를 육각형 모양으로 배치함으로써 1개의 핵연료 집합체(110)가 형성될 수 있다.The nuclear fuel assembly 110 and the plurality of nuclear fuel bodies 120 constituting the nuclear fuel assembly 110 are preferably formed in a hexagonal columnar shape. The nuclear fuel assembly 110 may include 19 nuclear fuel bodies 120. That is, by arranging 19 nuclear fuel bodies 120 in a hexagonal shape, one nuclear fuel assembly 110 may be formed.

여기서, 핵연료체(120)는, 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속, 그리고 지르코늄(Zr) 합금을 포함하는 금속핵연료(ThUZr)이다. 도 3을 참조하면, 핵연료체(120)는 원기둥 형상으로 마련되고, 핵연료체(120)를 둘러싸는 피복재(130)가 마련될 수 있다. 피복재(130)는 스테인리스 스틸 피복재(Stainless steel cladding)로 마련되는 것이 바람직하다. 피복재(130)의 외측에는 납-비스무트(Pb-Bi) 냉각재(140)가 마련될 수 있다. Here, the nuclear fuel body 120 is a metal nuclear fuel (ThUZr) including thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metals, and a zirconium (Zr) alloy. Referring to FIG. 3, the nuclear fuel body 120 is provided in a cylindrical shape, and a covering material 130 surrounding the nuclear fuel body 120 may be provided. The coating material 130 is preferably provided with a stainless steel cladding. A lead-bismuth (Pb-Bi) coolant 140 may be provided outside the coating material 130.

핵연료체(120)를 둘러싸는 냉각재(140) 뿐만 아니라 핵연료 집합체(110)의 사이에 배치되거나 핵연료 집합체(110)와 반사체(170) 사이에 마련되는 냉각재(150)도 납-비스무트 냉각재로 마련될 수 있다.The coolant 140 surrounding the nuclear fuel body 120 as well as the coolant 150 disposed between the nuclear fuel assembly 110 or between the nuclear fuel assembly 110 and the reflector 170 may be provided as a lead-bismuth coolant. Can be.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심(100)은, 냉각재(140,150)로 나트륨 또는 소듐(Sodium) 대신 납-비스무트를 사용하기 때문에 나트륨 또는 소듐이 물과 반응하여 화재가 발생하는 2차 사고를 방지할 수 있고, 결과적으로 원자로의 안전성을 증진시킬 수 있다. 액체 소듐 냉각재에 비해서 납-비스무트 냉각재가 물과 반응하지 않는 저항성이 커 원자로의 안전성을 높일 수 있다.Metal core-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention, the core 100 is sodium or sodium because it uses lead-bismuth instead of sodium or sodium as the coolant (140,150), so that sodium or sodium reacts with water to prevent fire. Secondary accidents that occur can be prevented, and consequently, the safety of the reactor can be improved. Compared to the liquid sodium coolant, the lead-bismuth coolant is resistant to water and has a large resistance, thereby improving the safety of the reactor.

핵연료 집합체(110)를 둘러싸도록 배치되며 핵연료 집합체(110)로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체(170)는 흑연 반사체가 사용될 수 있다.A graphite reflector may be used as the reflector 170 disposed to surround the nuclear fuel assembly 110 and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly 110.

본 발명의 일 실시예에 따른 열외중성자로 노심(100)은 439개의 핵연료 집합체(110)를 포함하며, 각각의 핵연료 집합체(110)는 19개의 핵연료체(120)를 포함할 수 있다. 이와 같이 형성된 열외중성자로 노심(100)을 구비한 원자로는 100 MWt/h의 출력을 낼 수 있다.The core 100 as a heat-out neutron according to an embodiment of the present invention includes 439 nuclear fuel assemblies 110, and each nuclear fuel assembly 110 may include 19 nuclear fuel bodies 120. A reactor equipped with the core 100 as an extraneous neutron formed as described above may output 100 MWt/h.

열외중성자로 노심(100)의 직경(D)은 152~161 센티미터(cm)이고, 핵연료 집합체(110)의 크기는 1.4 센티미터(cm)인 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 요구되는 원자로의 출력 등에 따라서 노심의 직경 또는 핵연료 집합체의 크기는 달라질 수 있다.The diameter (D) of the core 100 as an extraneous neutron is 152 to 161 centimeters (cm), and the size of the nuclear fuel assembly 110 is preferably 1.4 centimeters (cm), but is not limited thereto. The diameter of the core or the size of the fuel assembly may vary depending on the required power output of the reactor.

한편, 본 발명에 따른 열외중성자로 노심(100)의 핵연료체(120)는 토륨(Th)-232 금속을 포함하기 때문에, 중성자 에너지 영역이 고속 중성자 스펙트럼에서 열외 중성자 스펙트럼 영역으로 천이되는 장점이 있다.On the other hand, since the nuclear fuel body 120 of the core 100 as a thermal neutron according to the present invention includes a thorium (Th)-232 metal, there is an advantage that the neutron energy region is shifted from the high-speed neutron spectrum to the thermal neutron spectrum region. .

상기에서 언급한 바와 같이, 핵연료체(120) 및 핵연료 집합체(110)는 모두 육각형 모양으로 형성되며, 핵연료체(120)를 형성하는 우라늄은 토륨 주기(Thorium cycle)의 비증식 저항성을 보장하기 위해 원자가 233의 우라늄(U-233)으로만 마련될 수 있다.As mentioned above, both the fuel body 120 and the fuel assembly 110 are formed in a hexagonal shape, and the uranium forming the fuel body 120 is to ensure non-proliferation resistance of the thorium cycle. It can only be prepared with uranium (U-233) with a valence of 233.

여기서, 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속은 90 중량%이고 지르코늄 합금(Zr alloy)은 10 중량%의 조성으로 마련될 수 있다.Here, the thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metals may be provided in a composition of 90% by weight and a zirconium alloy (Zr alloy) of 10% by weight.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심(100)에 사용되는 핵연료체(120)는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함할 수 있다.Meanwhile, the nuclear fuel body 120 used in the core 100 as a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention may include a neutron energy region transition additive.

상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 불순물의 일종으로서 부드러운 중성자 에너지 스펙트럼을 얻기 위해서 핵연료체(120)에 첨가될 수 있다. 핵연료체(120)에 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 첨가함으로써 열외 중성자 에너지 영역의 스펙트럼을 높일 수 있다.The neutron energy region transition additive may be added to the nuclear fuel body 120 to obtain a smooth neutron energy spectrum as a kind of impurities. By adding the neutron energy region transition additive to the nuclear fuel body 120, it is possible to increase the spectrum of the extraneous neutron energy region.

여기서, 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 0.1중량% 내지 0.7중량%의 수소가 이용되는 것이 바람직하다. 본 발명의 발명자들은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로서 첨가되는 수소의 함유량(즉, 핵연료체에 포함된 수소의 중량%)에 따른 민감도 분석(Sensitivity analysis)을 하였으며, 그 결과는 다음 [표 1]과 같다.Here, the neutron energy region transition additive is preferably used in the 0.1 to 0.7% by weight of hydrogen. The inventors of the present invention performed a sensitivity analysis according to the content of hydrogen (that is, the weight percent of hydrogen contained in the nuclear fuel body) added as a neutron energy region transition additive, and the results are shown in the following [Table 1]. .

구분division 수소의 함유량 (%)Hydrogen content (%) 유효증배계수(Keff)Effective multiplication factor (Keff) Case 1Case 1 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.1 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.1 wt%) 1.235051.23505 Case 10Case 10 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.2 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.2 wt%) 1.341551.34155 Case 11Case 11 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.3 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.3 wt%) 1.421181.42118 Case 12Case 12 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.4 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.4 wt%) 1.480581.48058 Case 13Case 13 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.5 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.5 wt%) 1.529481.52948 Case 14Case 14 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.6 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.6 wt%) 1.565591.56559 Case 15Case 15 ThU 90% and ZrH 10% (H 0.7 wt%)ThU 90% and ZrH 10% (H 0.7 wt%) 1.597241.59724

상기 [표 1]을 참조하면, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제인 수소가 0.1중량%에서 0.7중량%로 증가함에 따라 유효증배계수도 가파르게 증가함을 알 수 있다.Referring to [Table 1], it can be seen that as the neutron energy region transition additive hydrogen increases from 0.1% by weight to 0.7% by weight, the effective multiplication factor also increases steeply.

도 4는 [표 1]에 따른 핵연료체(120)의 중성자 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제인 수소가 0.1중량%에서 0.7중량%로 증가함에 따라 중성자 에너지 스펙트럼이 왼쪽으로 조금씩 이동함을 알 수 있다. 이는 열외 중성자 에너지 스펙트럼이 높아졌음을 의미한다. 다만, 중성자 에너지 스펙트럼이 너무 지나치게 왼쪽으로 이동하면 붙잡히는 중성자가 많아지기 때문에 좋지 않다.4 is a graph showing the neutron energy spectrum of the nuclear fuel body 120 according to [Table 1]. Referring to FIG. 4, it can be seen that the neutron energy spectrum slightly shifts to the left as the neutron energy region transition additive hydrogen increases from 0.1 wt% to 0.7 wt%. This means that the extraneous neutron energy spectrum has increased. However, if the neutron energy spectrum moves too far to the left, it is not good because there will be more neutrons to be caught.

[표 1]을 참조하면, 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제인 수소가 첨가됨에 따라 유효증배계수(Keff)는 1.2 내지 1.6의 값을 가질 수 있다.Referring to [Table 1], as the neutron energy region transition additive hydrogen is added, the effective multiplication factor (Keff) may have a value of 1.2 to 1.6.

도 5는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제인 수소의 첨가량이 많아짐에 따라 중성자 에너지 스펙트럼이 열중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동함을 보여 준다.5 shows that the neutron energy spectrum moves from the thermal neutron energy region to the extraneous neutron energy region as the amount of hydrogen added as a neutron energy region transition additive increases.

도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이, 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 핵연료체(120)에 추가함으로써, 원자로 내부의 핵분열 반응에 의해 생성되는 고속 중성자의 에너지가 감속되며, 이와 같이 감속된 에너지를 이용하여 토륨(Th)-232의 우라늄(U)-233으로의 변환을 촉진시킬 수 있고 중성자 에너지 스펙트럼을 열외 중성자 영역으로 이동시킬 수 있다.4 and 5, by adding a neutron energy region transition additive such as hydrogen to the nuclear fuel body 120, the energy of the high-speed neutron generated by the nuclear fission reaction inside the reactor is decelerated, and thus the decelerated energy Using can promote the conversion of thorium (Th)-232 to uranium (U)-233 and move the neutron energy spectrum to the out-of-heat neutron region.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심(100)은, 핵연료체(120)에 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가함으로써 핵연료체(120)를 장기간 동안 연소시킬 수 있고 높은 반응성을 얻을 수 있다.In addition, the core 100 of a metal-fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention is capable of burning a nuclear fuel body 120 for a long time by adding a neutron energy region transition additive such as hydrogen to the nuclear fuel body 120. Can achieve high reactivity.

본 발명의 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심(100)에 대해서 MCNP6.1 코드를 사용하여 임계 계산 및 연소 실험을 하였다. 노심(100)의 유효증배계수(Keff)를 결정하기 위해서 MCNP6.1 코드의 KCODE 카드를 사용하고, 계산을 위해 50회의 비활성 주기(cycle)를 포함하여 총 250회의 활성 주기 동안 10,000개의 중성자를 사용하였다. 또한, 연소 계산을 위해서 MCNP6.1 코드의 BURN 카드를 사용했다. The inventors of the present invention performed critical calculation and combustion experiments using the MCNP6.1 code for the core 100 as a metal fuel-based thorium thermal neutron according to an embodiment of the present invention. To determine the effective multiplication factor (Keff) of the core (100), a KCODE card of MCNP6.1 code is used, and for the calculation, 10,000 neutrons are used for a total of 250 active cycles, including 50 inactive cycles. Did. In addition, a BURN card with MCNP6.1 code was used for combustion calculation.

도 6에는 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가한 핵연료체(ThUZrH0.1)와 추가하지 않은 핵연료체(ThUZr)에 대한 유효증배계수(Keff)가 나타나 있다. FIG. 6 shows the effective multiplication factor (Keff) for a nuclear fuel body (ThUZrH0.1) to which a neutron energy region transition additive such as hydrogen is added and a nuclear fuel body (ThUZr) not to be added.

도 6을 참조하면, 수소와 같은 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가한 핵연료체(ThUZrH0.1)는 수소의 사용으로 인해서, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가하지 않은 핵연료체(ThUZr) 보다 긴 수명과 높은 유효증배계수를 가진다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, a nuclear fuel body (ThUZrH0.1) to which a neutron energy region transition additive such as hydrogen is added has a longer life and higher life than a nuclear fuel body (ThUZr) to which a neutron energy region transition additive is not added due to the use of hydrogen. It can be seen that it has an effective multiplication factor.

도 7은, 핵연료체(120)에 있어서 토륨(Th)-232와 우라늄(U)-233의 최적 조성비를 찾기 위한 실험 결과의 그래프이다. 즉, 도 7은 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 합금에 대한 우라늄(U)-233의 비에 대한 유효증배계수(Keff) 값을 보여 준다. 도 7에 의하면, 열외중성자로 노심(100)을 구비한 원자로가 임계 상태에 있기 위해서는 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 합금에 대한 우라늄(U)-233의 비가 1.3 보다 크고 1.6 보다 작은 것이 바람직함을 알 수 있다.7 is a graph of experimental results for finding the optimum composition ratio of thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 in the nuclear fuel body 120. That is, FIG. 7 shows the effective multiplication factor (Keff) value for the ratio of uranium (U)-233 to thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 alloys. According to FIG. 7, the ratio of uranium (U)-233 to thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 alloys is greater than 1.3 and 1.6 in order for a nuclear reactor having a core 100 as an extraneous neutron to be in a critical state. It can be seen that smaller is preferable.

한편, 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 수소 외에 다른 불순물이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 수소 수화물 뿐만 아니라 붕소(Boron) 또는 중수(D2O) 등이 이용될 수 있다. Meanwhile, in the neutron energy region transition additive, impurities other than hydrogen may be used. For example, as the neutron energy region transition additive, boron (Boron) or heavy water (D 2 O) as well as hydrogen hydrate may be used.

도 8은, 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 붕소(Boron)인 경우에 붕소의 첨가량에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 붕소가 첨가됨에 따라 중성자의 에너지가 감소됨을 알 수 있다.8 is a graph showing a neutron energy spectrum according to the amount of boron added when the neutron energy region transition additive is boron. Referring to FIG. 8, it can be seen that the energy of the neutron decreases as boron is added.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는, 핵연료 집합체의 개수를 조정함으로써 노심의 임계도를 조정할 수 있고 노심의 연소 주기도 연장할 수 있다. 또한, 수소 수화물 등을 첨가함으로써 보다 큰 반응성, 긴 수명과 함께 고속 중성자의 에너지 감소로 인해 열외중성자 에너지 영역에 도달하여 토륨(Th)-232의 우라늄(U)-233화를 가속화시킬 수 있다.The metal fuel-based thorium thermal neutron according to the present invention as described above, the core and the reactor having the same, by adjusting the number of the fuel assembly can adjust the criticality of the core and extend the combustion cycle of the core. In addition, by adding hydrogen hydrate or the like, the uranium (U)-233 of thorium (Th)-232 can be accelerated by reaching the thermal neutron energy region due to the reduction of the energy of the high-speed neutron with greater reactivity and longer life.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, in one embodiment of the present invention, it has been described by specific matters such as specific components and the like, and limited embodiments and drawings, which are provided only to help the overall understanding of the present invention, and the present invention It is not limited, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from these descriptions. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should not be determined, and all claims that are equivalent to or equivalent to the claims, as well as the claims described below, will fall within the scope of the spirit of the present invention.

100: 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심
110: 핵연료 집합체
120: 핵연료체
130: 피복재
140,150: 냉각재
170: 반사체100: Metal fuel-based thorium thermal outer neutron core
110: nuclear fuel assembly
120: nuclear fuel body
130: covering material
140,150: coolant
170: reflector

Claims (8)

금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심에 있어서,
핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체;
상기 핵연료 집합체의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 및
상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며,
상기 핵연료체는 토륨 및 우라늄 금속, 지르코늄 합금 및 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하는 육각형 기둥으로 형성되고,
상기 토륨은 Th-232이며, 상기 우라늄은 상기 토륨 주기의 비증식 저항성을 보장하기 위해 원자가 233의 U-233만으로 마련되며,
상기 핵연료체는 90 중량%의 상기 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속과 10 중량%의 상기 지르코늄 합금을 포함하고,
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 상기 핵연료체의 0.1중량% 내지 0.7중량%의 수소로 마련되며, 상기 핵연료체에 추가되는 상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제인 수소가 0.1중량%에서 0.7중량%로 증가함에 따라 유효증배계수(Keff)가 1.23505에서부터 1.59724까지 증가하고 중성자 에너지 스펙트럼이 열중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동하며,
열외중성자로 노심을 구비한 원자로가 임계 상태에 있도록 상기 토륨(Th)-232 및 우라늄(U)-233 금속에 대한 상기 우라늄(U)-233의 비는 1.4 보다 크고 1.6 보다 작은 것을 특징으로 하는 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심.
Metal fuel-based thorium thermal neutron, in the core,
A nuclear fuel assembly comprising a plurality of nuclear fuel bodies for a nuclear fission chain reaction to occur;
A coolant disposed between the nuclear fuel assemblies to absorb energy released by the nuclear fission chain reaction; And
Includes; is disposed to surround the fuel assembly and reducing the external leakage of neutrons generated from the fuel assembly; includes,
The nuclear fuel body is formed of a hexagonal column containing thorium and uranium metal, zirconium alloy and a neutron energy region transition additive,
The thorium is Th-232, and the uranium is provided with only U-233 having a valence of 233 to ensure the non-proliferation resistance of the thorium cycle,
The nuclear fuel body includes 90% by weight of the thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metals and 10% by weight of the zirconium alloy,
The neutron energy region transition additive is provided with 0.1% by weight to 0.7% by weight of hydrogen in the nuclear fuel body, and as the neutron energy region transition additive hydrogen added to the nuclear fuel body increases from 0.1% by weight to 0.7% by weight, The effective multiplication factor (Keff) increases from 1.23505 to 1.59724, and the neutron energy spectrum moves from the thermal neutron energy region to the extra-thermal neutron energy region,
The ratio of the uranium (U)-233 to the thorium (Th)-232 and uranium (U)-233 metals is greater than 1.4 and less than 1.6 so that the reactor with the core as an extraneous neutron is in a critical state. Metal-fuel-based thorium thermal core.
제1항에 있어서,
상기 핵연료체에 수소가 추가됨에 따라 핵분열 반응에 의해 생성되는 고속 중성자의 에너지가 감속되고, 감속된 에너지를 이용하여 상기 토륨(Th)-232의 상기 우라늄(U)-233으로의 변환이 촉진되는 것을 특징으로 하는 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심.
According to claim 1,
As hydrogen is added to the nuclear fuel body, the energy of the high-speed neutron generated by the nuclear fission reaction is decelerated, and the conversion of the thorium (Th)-232 to the uranium (U)-233 is accelerated by using the decelerated energy. Metal nuclear fuel-based thorium outer core neutron core.
제2항에 있어서,
상기 냉각재는 납-비스무트로 마련되고, 상기 반사체는 흑연 반사체로 마련되는 것을 특징으로 하는 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심.
According to claim 2,
The coolant is made of lead-bismuth, and the reflector is made of a graphite reflector.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 금속핵연료 기반 토륨 열외중성자로 노심을 구비한 원자로.A nuclear reactor based on a metal fuel according to any one of claims 1 to 3, having a core as a thorium thermal neutron.
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