KR102269863B1 - 핵연료집합체 및 이를 포함하는 가압경수로 - Google Patents

Abstract

가압경수로 내에 배치되고, 지지 격자에 의해 정렬된 복수 개의 핵연료봉을 포함하는 핵연료집합체로, 상기 가압경수로는 붕산을 포함하지 않는 냉각재를 사용하며, 상기 핵연료집합체의 수소:우라늄 원자 비율(H/U ratio)은 4.6 내지 7.0인 것을 특징으로 하는 핵연료집합체가 개시된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체는 기존의 핵연료집합체에 비하여 가압경수로의 반응도를 향상시킬 수 있고, 상온 영출력 조건에서 제어봉의 삽입만을 통하여 충분한 정지 여유도를 가져, 미임계 상태를 유지할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 전체적인 냉각재의 유속이 감소함으로써, 노심 내부에서의 압력강하를 감소시킬 수 있다.

Description

핵연료집합체 및 이를 포함하는 가압경수로{Nuclear fuel assembly and pressurized water reactor including the same}

본 발명은 핵연료집합체 및 이를 포함하는 가압경수로에 관한 것이다.

원자력 발전소는 핵반응에 의해 생성되는 원자력 에너지를 통하여 전기를 생산해내는 발전소를 일컫는다. 핵분열 연쇄 반응에 기초한 국내의 상용 원자력 발전소는 냉각재의 종류에 따라 가압경수로(PWR : Pressurized Water Reactor) 및 가압중수로(PHWR : Pressurized Heavy Water Reactor)로 분류된다. 핵분열 연쇄 반응은 우라늄 235(U-235)와 같은 핵분열성 물질이 중성자 하나를 흡수하여 두 개의 핵으로 분열되면서 약 중성자와 에너지를 방출하고, 이때 새롭게 생성된 약 2.5개의 중성자가 다른 핵분열을 야기하게 되면서 핵분열 반응이 끊임없이 연속적으로 발생되는 현상을 의미한다.

원자력 발전소의 원자로 내부에서는 핵분열에 사용되는 중성자의 수를 인위적으로 조절하여 핵분열 연쇄반응을 필요한 만큼 통제하는 방식으로 전기를 생산하며, 흡수되거나 누설되어 중성자가 손실되는 양보다 핵분열 반응에 의해 생성되는 양이 많으면 ‘초임계’, 적으면 ‘미임계’, 같으면 ‘임계’ 상태라고 정의한다. 이러한 핵분열 연쇄반응의 정도를 물리적 수치로 나타낸 것을 ‘반응도’라 하는데 반응도가 양의 값이면 ‘초임계’, 음의 값이면 ‘미임계’, 0인 경우 ‘임계’ 상태임을 나타낸다.

일반적인 경수로의 경우, 우라늄 235가 일정 수준으로 농축된 우라늄 기반의 핵분열성 물질이 핵연료 펠릿 형태로 가공되어 정사각기둥 모양을 띠는 한 다발의 핵연료집합체 형식으로 원자로 내부에 장전되며, 일정한 주기마다 원자로 내부에 잔존해있는 오래된 핵연료집합체 중 일부를 인출하여 새로운 핵연료집합체와 교환하는 방식으로 설계 수명 동안 원자로를 운용한다. 이때, 원자로 주기초에 새롭게 핵연료를 장전한 후, 아무런 반응도 조절 없이 원자로를 가동한다면 원자로는 ‘초임계’ 상태가 되며, 이때의 반응도 값을 ‘잉여반응도’라고 정의한다. ‘잉여반응도’는 통상 원자로 주기초에 가장 높고 핵연료가 연소함에 따라 점점 낮아져 주기말에는 ‘임계’ 상태에 가까워지게 된다. 실질적인 원자로 운용에서는 주기 동안 적절하게 ‘잉여반응도’를 조절하여 인위적으로 ‘임계 상태’를 유지하는 것이 요구된다. 통상의 원자로에서는 중성자를 흡수하는 물질로 이루어진 제어봉의 기계적인 삽입 및 인출과 더불어 냉각재에 강한 중성자 흡수체인 붕산수를 섞어 그 농도를 조절하는 방법으로 원자로 운용 주기 동안 ‘임계 상태’를 유지한다. 그러나 붕산수의 사용은 구조물의 부식을 야기하며, 농도 조절 및 냉각재와의 혼합을 위한 복잡한 시설을 요구하기에 원자로의 고유 안전성을 악화시키는 단점을 지닌다.

원자로 노심의 고유 안전성은 물리적 특성인 ‘궤환 효과’에 의해 결정되는 ‘반응도 계수’로 정량화 가능하다. ‘궤환 효과’는 노심의 반응도 변화가 원자로의 열출력을 변화시킬 때, 변화된 열출력 환경에서의 물리적 특성들에 의해 다시 노심의 반응도가 변화되는 효과를 일컫는다. 대표적인 ‘반응도 계수’로는 ‘핵연료 온도 계수(Fuel Temperature Coefficient, FTC)’및 ‘감속재 온도 계수(Moderator Temperature Coefficient, MTC)’가 존재하며, 핵연료 및 감속재의 온도변화에 따른 노심의 반응도 변화를 나타내는 편미분계수로 정의된다. 물리적으로는 변화된 핵연료 온도에 의해 발생하는 U-238의 흡수단면적 공명영역의 도플러효과와 변화된 감속재 온도에 의한 감속재 밀도변화에 의해 노심 반응도가 변화되는 원리이다. 노심의 ‘온도계수’가 음수일 경우, 노심 반응도가 증가하여 출력이 증가할 때, 온도의 증가로 인해 반응도가 감소하게 되는 음의 ‘궤환 효과’가 나타나며, 적절한 ‘궤환 효과’는 원자로 노심의 고유 안전성의 근간이 된다.

음의 값으로 유지가 되어야 하는 원자로 고유 안전인자의 하나인 ‘감속재 온도 계수’는 붕산의 농도가 증가함에 따라 증가한다. 이에 따라, 붕산의 농도가 가장 높은 주기초에 음의 감속재 온도 계수를 유지하기 위하여 기존의 경수로들의 핵연료집합체는 불가피하게 감속재 및 핵연료의 조성 비율을 최적의 값보다 상당히 낮게 유지하는 under-moderation 상태로 설계되었다.

무붕산 경수로에서 ‘잉여반응도’는 기본적으로 제어봉에 의해서만 조절되어야 하며, 인허가를 위하여서는 상온 영출력(CZP) 상태에서 오로지 제어봉의 삽입만을 통하여 충분한 정지 여유도(shutdown Margin)를 가지고 ‘미임계’ 상태를 유지할 수 있어야 한다. 그러나, 기존의 경수로와 같게, 무붕산 원자로 역시 주기말에서 매우 강한 음의 감속재 온도 계수를 가지기 때문에 전형적인 체커보드(checker-board) 제어봉 패턴을 사용하는 경우 상온 조건에서 정지 여유도를 달성하는 데 어려움이 있다.

또한, 제어봉의 기계적 움직임에 대한 의존도의 증가는 ‘잉여반응도’가 클수록 더 많은 제어봉의 움직임이 필요함을 의미한다. 이는 반응도 조절의 불확실도 및 사고의 위험성을 증대시키기에 노심의 ‘잉여반응도’는 가연성 흡수체를 최적으로 활용하여 극히 낮게 유지되어야 하며, 그러한 고려는 제어봉만을 이용하여 정지 여유도를 달성해야 하는 목표의 달성을 용이하게 한다. 그러나, 이처럼 ‘잉여반응도’가 매우 낮게 유지되더라도 충분한 정지 여유도의 확보를 위하여서는 기존 체커보드(checker-board) 제어봉 패턴보다 많은 수의 제어봉이 노심에 사용될 필요성이 있는데, 전자기적 제어봉 구동장치의 크기가 일반적인 핵연료집합체보다 크기에 제어봉을 추가하는 것이 매우 어렵다.

기존에는 무붕산 가압경수로의 노심설계는 최적의 가연성 흡수체를 활용한 낮은 ‘잉여반응도’ 유지, 상온에서의 정지여유도 확보, 무붕산 이외의 2차정지 시스템 고려와 같은 현실적인 제약으로 인해 지금까지는 실질적으로 구현되기 어려운 개념에 속하였다.

하지만, 최근 B-10 및 Gadolinia 등의 가연성 흡수체를 사용하여 무붕산 소형 모듈 원자로(Small modular reactor, SMR)의 실현 가능성에 관한 연구가 수행되었으며, 무붕산 SMR에서 제어봉만으로 잉여반응도를 조절하여 부하추종운전을 수행할 수 있는 가능성이 제시되었다.

예를 들어, 본 출원인은 대형 가압경수로 및 소형모듈형원자로(Small Modular Reactor, SMR)에 적용 가능한 새로운 가연성 흡수체 장전 개념인 CSBA(Centrally Shielded Burnable Absorber) 및 DiBA(Disk-type Burnable Absorber)를 개발하였으며, 이를 도입한다면 원자로 전주기 동안 ‘잉여반응도’를 매우 낮게 유지할 수 있기 때문에 기존의 가연성 흡수체를 사용하는 것 보다 무붕산 SMR을 실현할 수 있는 가능성이 높아진다. 위 연구들은 무붕산 가압경수로의 실현화를 가능케 하는 초석을 마련하였다.

다만 현재까지 제시된 무붕산 가압경수로는 기존의 가압경수로에서 사용된 핵연료집합체 설계에 기초하고 있다. 붕산이 있는 환경에서 최적화된 기존 핵연료집합체를 무붕산 가압경수로에 사용할 경우, 무붕산 환경에서 달라진 물리적 특성 때문에 기존 핵연료집합체 설계안은 진정한 최적 설계가 될 수 없으며, 무붕산 환경에 적합한 핵연료집합체 설계가 필히 요구되는 실정이다.

이에 본 출원인은 무붕산 가압경수로의 실현화를 위하여 해결되어야 하는 문제들을 적절히 극복하고자 무붕산 가압경수로 노심에 최적화된 핵연료집합체를 제안하게 되었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0059399호 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0059267호 대한민국 등록특허공보 제10-2128532호

본 발명의 일 측면에서의 목적은 무붕산 가압경수로의 노심에 최적화된 핵연료집합체를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서

가압경수로 내에 배치되고,

지지 격자에 의해 정렬된 복수 개의 핵연료봉을 포함하는 핵연료집합체로,

상기 가압경수로는 붕산을 포함하지 않는 냉각재를 사용하며,

상기 핵연료집합체의 수소:우라늄 원자 비율(H/U ratio)은 4.6 내지 7.0인 것을 특징으로 하는 핵연료집합체가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서

상기 핵연료집합체; 및

냉각재;

를 포함하는 가압경수로가 제공된다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체는 기존의 핵연료집합체에 비하여 가압경수로의 반응도를 향상시킬 수 있고, 상온 영출력 조건에서 제어봉의 삽입만을 통하여 충분한 정지 여유도를 가져, 미임계 상태를 유지할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 전체적인 냉각재의 유속이 감소함으로써, 노심 내부에서의 압력강하를 감소시킬 수 있다.

나아가, 핵연료집합체의 크기가 증가함으로써, 적절한 제어봉 구동장치의 설계를 통해 기존의 제어봉 패턴보다 더 많은 수의 제어봉이 원자로 내부에 삽입되도록 할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 비교예 및 실시예들의 핵연료집합체의 설계를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 1b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 핵연료집합체의 설계 파라미터를 나타낸 표이고,
도 2는 냉각재의 붕산 포함 여부에 따른 핵연료집합체 내 수소 및 우라늄 원자의 조성비에 대한 반응도의 변화를 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 비교예 및 실시예의 핵연료집합체 사용 시, 체커보드 형태의 제어봉 설계의 예시를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예와 같이, 지지 격자를 포함하는 핵연료집합체의 구조를 모식적으로 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실험예에서 사용되는 DiBA 형태의 가연성 흡수체를 포함하는 핵연료집합체의 설계 도면을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실험예에서 사용하는 DiBA 형태의 가연성 흡수체를 포함하는 핵연료봉을 보다 확대하여 구체적으로 나타낸 평면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실험예에서 사용하는 1/8 ATOM 노심내 적용된 DiBA 설계안을 모식적으로 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실험예에 따라, DiBA 형태의 가연성 흡수체 존재 유무 및 연료봉 피치 변경에 따른 반응도의 변화를 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본 발명의 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본 발명의 일 측면에서

가압경수로 내에 배치되고,

지지 격자에 의해 정렬된 복수 개의 핵연료봉을 포함하는 핵연료집합체로,

상기 가압경수로는 붕산을 포함하지 않는 냉각재를 사용하며,

상기 핵연료집합체의 수소:우라늄 원자 비율(H/U ratio)은 4.6 내지 7.0인 것을 특징으로 하는 핵연료집합체가 제공된다.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체를 각 구성 별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체는 가압경수로 내에 배치된다.

상기 가압경수로는 붕산을 포함하지 않는 냉각재를 사용한다.

가압경수로에서는 경수(Light Water, H₂O)를 감속재 및 냉각재로 사용하기에, 본 발명의 명세서 전체에서 감속재 및 냉각재는 동일한 물질을 칭하는 것일 수 있다.

상기 가압경수로는 냉각재에 붕산을 포함하지 않는 무붕산 가압경수로의 구현을 위하여, B-10 및 Gd 등의 가연성 흡수체를 사용하는 가압경수로일 수 있다.

상기 가연성 흡수체는 핵연료집합체에 포함될 수 있다.

일 구체예에서 상기 가연성 흡수체는 핵연료 내부에 포함될 수 있다.

다른 일 구체예에서 상기 가연성 흡수체는 핵연료봉에 장전될 수 있다.

예를 들어, 본 출원인이 출원한 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0059399호 및 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0059267호 등에서 제시하고 있는 CSBA(Centrally Shielded Burnable Absorber)와 같은 새로운 가연성 흡수체 장전 개념을 적용할 수 있다.

이와 같은 경우, 내부에 가연성 흡수체의 성형체가 삽입된 것이고, 상기 성형체는 자체 차폐성을 가지는 것이고, 상기 성형체는 핵연료를 포함하지 않는 것이고, 상기 가연성 흡수체의 성형체의 삽입 위치, 크기 및 형태 중 1종 이상을 제어하여, 가연성 흡수체의 연소 속도, 자체 차폐 정도 또는 이 둘 모두를 조절할 수 있는, 핵연료 소결체가 사용될 수 있다.

다른 예로서, 본 출원인이 출원한 대한민국 등록특허공보 제10-2128532호에서 제시하고 있는 DiBA(Disk-type Burnable Absorber)와 같은 또 다른 가연성 흡수체 장전 개념을 적용할 수 있다.

이와 같은 경우, 적어도 하나 이상의 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체를 둘러싸는 피복관을 포함하는 핵연료 봉에 있어서, 상기 핵연료 봉은 피복관 내부에 가연성 흡수체를 포함하고, 상기 가연성 흡수체는, 가연성 흡수 물질 및 상기 가연성 흡수 물질을 둘러싸는 피복재를 포함하는 핵연료 봉이 사용될 수 있다.

다만, 현재까지 제시된 무붕산 가압경수로는 기존의 가압경수로에서 사용된 핵연료집합체 디자인을 채택하여 사용하였다. 붕산이 있는 환경에서 최적화된 기존 핵연료집합체를 무붕산 가압경수로에 사용할 경우, 무붕산 환경에서 달라진 물리적 특성 때문에 기존 핵연료집합체 설계안은 진정한 최적 설계가 될 수 없으며, 무붕산 환경에 적합한 핵연료집합체 설계가 필히 요구된다.

가압경수로 내부에서 감속재(냉각재)의 역할을 하는 물 안의 수소 원자는 핵분열 반응으로부터 생성된 고속 중성자와 충돌하여 감속을 시키는 작용 외에도 중성자를 흡수하는 특성을 보인다. 핵연료의 대부분을 차지하고 있는 U-238의 경우 흡수단면적 공명영역에 의해 높은 확률로 중성자가 흡수되기 때문에, 중성자의 감속 과정에서 중성자의 에너지가 이 공명영역에 도달할 경우 되도록 중성자가 감속재 내부에 위치하는 것이 중성자가 U-238에 의해 흡수되는 것을 피할 수 있어 경제적이다.

도 2는 핵연료집합체 내부의 핵연료 장전량을 고정시킨 채 감속재를 변화시킴으로써, H/U로 표기되는 수소와 우라늄 원자의 조성비(수소:우라늄 원자 비율, H/U ratio)에 따른 1000 ppm의 붕산수 환경과 무붕산 환경에서의 반응도를 비교한 결과이다.

핵연료집합체의 감속재 및 핵연료의 조성 비율이 증가하게 되면, 중성자가 감속재에 위치하게 되는 확률이 증가하여 U-238의 흡수단면적 공명영역을 피하면서 감속되어 반응도가 점진적으로 증가하게 되는 작용과 감속재의 양이 많아짐에 따라 감속재에 의해 중성자가 흡수되어 반응도가 점진적으로 감소하게 되는 작용이 경합하게 된다. 결과적으로 두 가지 작용에 의해 최대 반응도가 결정되며, 그러한 특성은 우라늄의 농축도와 무관하게 관측이 된다. 통상적으로 최대 반응도의 조성비를 최적의 감속재 조성비로 지칭하고 그보다 낮은 조성비 영역을 under-moderation, 높은 조성비 영역을 over-moderation으로 지칭한다.

붕산수의 농도 증가는 감속재 온도 계수를 증가시키기에, 기존의 가압경수로는 주기초 음의 감속재 온도 계수 조건을 충족하기 위하여 도 2에서 Reference H/U ratio와 같이 일정한 여유도를 확보하기 위해 반응도가 최대값보다 상대적으로 낮은 under-moderation 영역에 상응하도록 설계가 되었다. 이 경우 연료봉의 피치(pin pitch)라 일컬어지는 격자 모양의 집합체에서의 인접한 연료봉 간의 거리는 통상적으로 1.25-1.29 [cm] 이다. 무붕산 환경의 경우, 최적의 조성비가 증가함에 따라 기존의 Reference H/U ratio 보다 더 높은 값의 조성비를 설계에 적용할 수 있는 여유도가 존재한다.

이에 따라, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체의 수소:우라늄 원자 비율(H/U ratio)은 4.6 내지 8.0일 수 있으며, 바람직하게는 4.6 내지 7.0일 수 있으며, 더 바람직하게는 5.0 내지 7.0일 수 있다.

기존 가압경수로의 경우, H/U 조성비 값이 4.1 수준인데, 무붕산 환경에서는 비교적 높은 H/U 값을 가짐으로써, 반응도 관점에서 보다 최적화 지점에 가까운 영역의 H/U 조성비 값을 가질 수 있다.

이에 따른 반응도의 증가는 기본적으로 동일한 핵연료를 효율적으로 활용하여 보다 많은 에너지를 생산할 수 있음을 의미한다. 또한 이는 노심의 주기 길이 및 연료의 연소도를 증가시키게 된다.

이와 같이, H/U 조성비를 증가시키게 되면 감속재 온도 계수가 증가하는 효과를 야기하게 된다. 이는 붕산수를 활용하는 기존의 원자로심의 경우 감속재 온도 계수가 양수가 될 수 있기에 안정성을 저해하게 되나, 무붕산 환경에서는 주기 동안 충분한 음의 감속재 온도 계수를 유지할 수 있다.

또한, 중성자 스펙트럼이 연화되기에(저에너지 영역으로 치중되기에) 핵연료 온도 계수를 약간 증가시키게 된다. 이러한 특성은 무붕산 가압경수로의 인허가를 위한 조건 중 하나인 제어봉만을 통한 상온 영출력(Cold Zero Power, CZP) 조건에서의 ‘미임계’ 상태 유지를 가능케 한다.

즉, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체의 경우, 무붕산 가압경수로에서 사용됨으로써, 반응도 향상을 위해 기존에 비하여 높은 값의 H/U 값을 가질 수 있는 것일 뿐만 아니라, 다른 한편으로는 증가된 H/U 값을 갖는 것이, 무붕산 가압경수로의 실제적이고 효율적인 구현을 위한 필수적인 요건일 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체의 경우, H/U 값이 4.6 이상으로써, 상온 영출력 조건에서 비교적 적은 수의 제어봉만을 통하여 미임계 상태를 유지할 수 있다.

예를 들어, 일 구체예에서, 상온 영출력 및 0 GWd/tU 조건에서, 미임계 상태를 위하여 요구되는 반응도가 4500 pcm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 4000 pcm 이하, 더욱 바람직하게는 3500 pcm 이하일 수 있다.

또한, 일 구체예에서, 상온 영출력 및 60 GWd/tU 조건에서, 미임계 상태를 위하여 요구되는 반응도가 7500 pcm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 7000 pcm 이하, 더 바람직하게는 6000 pcm 이하, 더욱 더 바람직하게는 5000 pcm 이하일 수 있다.

즉 이와 같이, 기존의 핵연료집합체에 비하여, 미임계 상태 유지를 위한 반응도가 비교적 작다는 것은, 더 적은 수의 제어봉을 이용하더라도, 미임계 상태 유지가 가능하다는 것을 의미한다.

이는 붕산수를 사용하는 기존의 가압경수로의 상온 영출력 상황에서, 미임계 상태를 유지하기 위하여 요구되는 반응도에 비해 감소된 값으로, 보다 용이하게 또는 보다 적은 수의 제어봉만으로 상온에서 정지 여유도(shutdown Margin)를 확보할 수 있게 한다.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체의 경우, H/U 값이 7 이하로써, 가압경수로에서 음의 감속재 온도계수 조건을 충족하기 위한 일정한 여유도를 확보할 수 있다.

즉, 이에 따라 가압경수로 운전 시, 상기 냉각재는 모든 출력 범위에서 음의 값의 감속재 온도계수(Moderator Temperature Coefficient, MTC)를 유지할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체는 지지 격자에 의해 정렬된 복수 개의 핵연료봉을 포함한다.

상기 핵연료봉의 피치는 1.3 cm 내지 1.5 cm 일 수 있고, 바람직하게는 1.32 cm 내지 1.45 cm일 수 있다.

가압경수로에서 각각의 핵연료봉은 지지 격자로 구분되는 각각의 셀 내에 배치되는데, 이 때 서로 인접하는 임의의 두 핵연료봉의 중심 사이의 거리를 피치라고 한다.

상기 핵연료봉의 직경은 7 mm 내지 12 mm일 수 있으며, 바람직하게는 8 mm 내지 10 mm일 수 있다.

상기 핵연료봉의 피치 및 직경을 조절함으로써, 상술한 것과 같이 기존에 비하여 증가된 H/U 값인, 4.6 내지 7.0의 H/U 값을 얻을 수 있다.

기존의 가압경수로에서 핵연료봉의 피치는 1.25 cm 내지 1.29 cm이며, 핵연료봉의 직경은 8 mm 내지 10 mm이다.

기존의 가압경수로에 비하여 H/U 값을 증가시키기 위하여는 기존의 핵연료집합체의 경우에 비하여, 핵연료봉의 피치를 증가시키거나, 핵연료봉의 직경을 감소시키는 방법을 채택할 수 있다. 또는 피치 및 직경을 모두 조정할 수 있다.

다만, 핵연료봉의 피치를 증가시키는 것이 보다 바람직할 수 있다. 핵연료봉의 피치를 증가시켜 상술한 H/U 값을 달성하는 경우, 노심의 크기가 증가하는 효과가 있으며, 단일 핵연료집합체를 기준으로 피치가 기존의 설계와 비교하여 약 2 cm 내지 3 cm 커지게 된다. 그러한 공간적 여유는 기존의 체커보드(checker-board) 패턴보다 많은 수의 구동장치를 장착할 수 있는 여지를 제공하며 결과적으로 무붕산 노심의 설계를 용이하게 한다.

반면, 핵연료봉의 직경을 줄여 상술한 H/U 값을 달성하는 경우, 핵연료집합체 자체의 크기는 변화가 없기에 상술한 이점을 얻을 수 없다. 또한, 비교적 연료 장전량이 감소하며, 이는 연료 온도의 상승을 야기할 수 있고 주기길이를 단축시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체에서 상술한 바와 같이 핵연료봉의 피치 또는 직경을 변경시켜, H/U 값을 증가시키는 경우, 결과적으로 냉각재(감속재)의 유로가 증가한다. 이에 따라, 냉각재의 유속의 감속을 유발하며, 노심 내 압력강하를 감소시키는 효과를 가져온다.

이러한 특성은 냉각재 펌프에 소모되는 에너지를 획기적으로 감소시킬 수 있음을 의미하며, 자연순환 원자로의 경우 유량을 증가시킬 수 있기에 출력을 향상시킬 수 있다

일 구체예에서, 핵연료봉의 피치를 기존의 핵연료집합체에 비하여 1.4 mm 가량 증가시키는 경우, 기존 노심 설계와 비교하여 노심 안에서의 감속재의 유속은 30%가량 줄어들며, 이는 노심 안에서의 압력강하를 절반으로 감소시킨다.

다만, 입구-출구 온도가 일정한 상황에서의 유속의 감소는 임계 열속(Critical Heat Flux)을 약간 감소시킬 수 있다는 단점이 있다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체는 이러한 단점을 극복하기 위하여, 도 4에 나타낸 바와 같이 지지 격자(Spacer Grid)를 추가적으로 구비할 수 있다.

지지 격자를 추가적으로 구비하는 경우, 냉각재가 더 잘 섞이게 하며 난류를 유도하기에 핵연료 표면으로부터 열을 보다 효과적으로 제거할 수 있게 해 주며, 이를 통하여 임계 열속의 감소를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체가 배치되는 가압경수로는 가압경수로 내부로 삽입되는 제어봉을 포함할 수 있다.

상기 제어봉은 별도의 구동장치에 의하여 원자로 내부로 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 핵연료집합체의 피치가 증가하는 경우, 제어봉 구동장치를 배치할 수 있는 공간적 여유가 생기며, 이에 따라 기존 노심에 비하여 더 많은 수의 제어봉을 배치할 수도 있다.

일 구체예에서, 상기 제어봉은 상기 가압경수로에 체커보드(checker-board) 형태로 배열될 수 있다. 체커보드 형태의 제어봉의 배열은 도 3을 참고하여 이해할 수 있다. 도 3에서 CR은 제어봉(Control Rod)을 의미한다.

상기 가압경수로는 제어봉을 포함함으로써, 상술한 바와 같이 상기 가압경수로는 상온 영출력 조건에서, 제어봉의 사용만으로 미임계 상태를 유지할 수 있다. 즉, 제어봉의 삽입만을 통하여 충분한 정지 여유도를 가지며, 미임계 상태가 유지될 수 있다. 이에 따라, 가압경수로의 인허가를 위한 안정성을 확보할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서

상기 핵연료집합체; 및

냉각재;

를 포함하는 가압경수로가 제공된다.

핵연료집합체에 대하여 상술한 내용들은 모두 적용될 수 있으며, 이에 대하여는 중복하여 설명하지 않는다.

상기 냉각재는 상술한 바와 같이 붕산을 포함하지 않는다.

상기 가압경수로는 가압경수로 내부에 삽입될 수 있는 제어봉을 더 포함할 수 있다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<비교예 1>

기존에 사용되는 경수로로, 도 1a 및 도 1b의 좌측의 파라미터와 같은 노심 설계를 가지며, 5 w/o의 농축도를 가지는 무붕산 SMR인 ATOM에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다.

도 1a의 우측 도면에서 1로 표시된 길이는 핵연료봉의 중심으로부터 UO₂로 채워진 부분까지의 거리로 0.40958 cm이고, 2로 표시된 길이는 핵연료봉의 중심으로부터 헬륨으로 채워진 부분까지의 거리로 0.41873 cm이고, 3으로 표시된 길이는 핵연료봉의 중심으로부터 Zir-4로 채워진 부분까지의 거리로 0.47600 cm이고, 4로 표시된 길이는 핵연료봉의 중심으로부터 Zir-4 피복재 외부 표면까지의 거리로 0.47900 cm이다.

도 1b에서 확인할 수 있듯이, 핵연료봉의 피치는 1.26 cm으로 설정되었으며, 이 때의 H/U 값은 4.15이다.

기타 파라미터들은 도 1b 좌측 및 아래의 표 1에 나타난 바와 같다.

<실시예 1>

비교예 1에서, 핵연료봉의 피치를 1.35 cm로 변경하였으며, 이 때의 H/U 값은 5.2이다.

기타 파라미터들은 아래의 표 1에 나타난 바와 같다.

<실시예 2>

비교예 1에서, 핵연료봉의 피치를 1.40 cm로 변경하였으며, 이 때의 H/U 값은 5.7이다.

기타 파라미터들은 도 1b의 우측 및 아래의 표 1에 나타난 바와 같다.

Case	노심의 직경	냉각재의 유속
비교예 1 P = 1.26 cm (H/U = 4.15)	202.5 cm	1.84 m/s
실시예 1 P = 1.35 cm (H/U = 5.2)	216.5 cm	1.45 m/s
실시예 2 P = 1.40 cm (H/U = 5.7)	224.4 cm	1.29 m/s

<실험예 1>

비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 대하여, 반응도, 감속재 및 핵연료의 온도계수 변화, 제어봉가 등을 계산하였다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 비교예 1의 경우, 기존의 가압경수로에 해당하는 것으로, H/U 조성비 값이 4.15이다.

실시예 1 또는 실시예 2인 경우, 기존의 가압경수로와 비교하여 반응도 관점에서 최적화 지점에 보다 가까운 영역에 노심이 상응하도록 한다. 즉, 실시예 1 및 실시예 2의 경우 비교예에 비하여 반응도가 향상되게 된다.

반응도의 증가는 기본적으로 동일한 핵연료를 효율적으로 활용하여 보다 많은 에너지를 생산할 수 있음을 의미하며 노심의 주기 길이 및 연료의 연소도가 증가하는 이점을 가져온다.

H/U 조성비를 증가시키게 되면 감속재 온도 계수가 증가하는 효과를 야기하게 된다. 이는 붕산수를 활용하는 기존의 원자로심의 경우 감속재 온도 계수가 양수가 될 수 있기에 안정성을 저해하게 되나, 무붕산 환경에서는 주기 동안 충분한 음의 감속재 온도 계수를 유지할 수 있다. 또한, 중성자 스펙트럼이 연화되기에(저에너지 영역으로 치중되기에) 핵연료 온도 계수를 증가시키게 된다. 이러한 특성은 무붕산 가압경수로의 인허가를 위한 조건 중 하나인 제어봉만을 통한 상온 영출력(CZP)에서의 ‘미임계’ 상태 유지를 가능케 한다.

표 2는 무붕산 원자로인 ATOM에서 연료봉의 피치만을 조정하여 실시예 2와 같이 H/U를 5.7로 하였을 시, 기존의 가압경수로 설계와 비교하여 감속재 온도 계수(MTC)와 핵연료 온도 계수(FTC)의 차이를 나타내며, 표 3은 각 경우에 대하여 CZP에서 ‘미임계’ 상태를 유지하는 데 필요한 반응도의 값을 열거한다.

냉각재 부피 증가는 결과적으로 상온조건에서 정지 여유도(shutdown Margin)를 확보하는 데 필요한 제어봉의 수를 감소시킬 수 있으며 이는 무붕산 노심 설계의 실제 구현성을 크게 향상시킨다.

Case	MTC		FTC
	0 GWd/tU	60 GWd/tU	0 GWd/tU	60 GWd/tU
비교예 1	-33.4 pcm/K	-61.7 pcm/K	-2.97 pcm/K	-3.87 pcm/K
실시예 2	-23.9 pcm/K	-36.9 pcm/K	-2.38 pcm/K	-3.12 pcm/K

Case	0 GWd/tU	60 GWd/tU
비교예 1	4,941 pcm	7.943 pcm
실시예 2	3,359 pcm	4,484 pcm

또한, 도 1b에 나타나 있듯 연료봉 피치 길이의 증가는 각 집합체의 크기를 증가시키는데, 이는 삽입되는 제어봉의 직경을 늘려 제어봉가를 증대할 수 있는 여유 공간을 제공한다. 표 4는 비교예 1 및 실시예 2를 기준으로 계산된 제어봉가를 열거하고 있으며, H/U 값을 유지하더라도, 제어봉의 반지름을 기존 가압경수로의 값인 0.43307 [cm] 에서 0.50192 [cm]로 증가시키는 경우, 제어봉가가 크게 증대되는 것을 확인할 수 있다.

CASE	CR radius	0 GWd/tU	60 GWd/tU
비교예 1	0.43307 [cm]	-38,332 pcm	-51,919 pcm
실시예 2	0.43307 [cm]	-31,448 pcm	-51,371 pcm
실시예 2	0.50192 [cm]	-37,318 pcm	-60,521 pcm

이러한 노심은 무붕산 환경에서 도 3에서와 같이 체커보드(checker-board) 형태의 제어봉 패턴만을 통하여 상온에서 정지 여유도를 획득할 수 있다.

<실험예 2>

도 5와 같은 형태로 설계된 디스크형 가연성 흡수체(Disk-type Burnable Absorber, DiBA)를 포함한 핵연료봉을 준비하였다.

도 5에서 확인할 수 있듯이, 모든 핵연료 소결체 사이에 디스크형 가연성 흡수체를 장전하였다.

디스크형 가연성 흡수체가 장전된 보다 구체적인 도면은 도 6을 통하여 확인할 수 있다. 이 때, 가연성 흡수체(13)에서 가연성 흡수 물질(13a)의 반경은 a로 나타낼 수 있으며, 가연성 흡수 물질의 두께는 b로 나타낼 수 있다. 또한, 가연성 흡수체의 두께는 c로 나타낼 수 있다. 피복재 두께인 d는 0.004 cm로 설정되었으며, 가연성흡수체와 핵연료 소결체 사이에는 소정의 공간이 형성될 수 있어서, 상기 소정의 공간 또는 틈의 두께는 e로 표시될 수 있고, 상기 e는 0.005 cm로 설정되었다. 또한, 상기 가연성흡수체의 반경은 f로 표시될 수 있다.

또한, 도 7에서와 같이 DiBA의 자기 차폐 효과를 달리하기 위해 ATOM 노심을 세 구간으로 분류하고, 각기 다른 부피와 D(직경)/H(높이)를 갖는 DiBA를 삽입하였다. 핵연료집합체의 H/U를 달리한 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2의 설계의 경우, DiBA 디자인은 고정 변수로 설정하였다.

가연성 흡수체를 사용하지 않은 경우 및 DiBA 형태로 가연성 흡수체를 사용한 경우에 대하여, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2의 설계를 적용하여 이에 따른 잉여반응도의 변화를 계산하였으며, 이를 도 8에 나타내었다.

우선, DiBA 형태의 가연성 흡수체를 사용하는 경우, 가연성 흡수체를 사용하지 않는 경우에 비하여, 원자로 주기 동안 ‘잉여반응도’가 평탄하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

또한, DiBA 형태의 가연성 흡수체를 사용함과 동시에 피치를 변경시키는 경우 H/U 값이 변한다는 것을 확인할 수 있으며, 피치를 증가시키는 경우 H/U 값 또한 증가하여 잉여반응도의 크기는 향상되지만, 원자로 주기 동안 ‘잉여반응도’가 평탄하게 유지되는 특성은 변함없는 것으로 확인된다.

10 : 핵연료봉
11 : 핵연료 소결체
11a : 홈
12 : 피복관
13 : 가연성 흡수체
13a : 가연성 흡수 물질
13b : 피복재
20 : 지지 격자
100 : 핵연료집합체
200 : 안내관
300 : 계측관

Claims (8)

1. 지지 격자에 의해 정렬된 복수 개의 핵연료봉을 포함하는 복수의 핵연료집합체;
   냉각재; 및
   제어봉;
   을 포함하는 가압경수로로,
   상기 냉각재는 붕산을 포함하지 않으며,
   상기 가압경수로 내 상기 복수의 핵연료집합체가 위치한 영역은 모두 수소:우라늄 원자 비율(H/U ratio)이 5.0 내지 5.7이고,
   상기 가압경수로 운전 시, 상기 냉각재는 모든 출력 범위에서 음의 값의 감속재 온도계수(Moderator Temperature Coefficient, MTC)를 유지하며,
   상기 가압 경수로는 상온 영출력 조건에서 제어봉을 사용하여 미임계 상태를 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 가압경수로.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 핵연료봉의 피치는 1.3 cm 내지 1.5 cm 이고,
   상기 핵연료봉의 직경은 7 mm 내지 12 mm인 것을 특징으로 하는 가압경수로.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 핵연료집합체는 가연성 흡수체를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압경수로.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어봉은 상기 가압경수로에 체커보드(checker-board) 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 가압경수로.
   
7. 삭제
8. 삭제

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