KR102424294B1 - 열유로 구조를 구비하는 핵연료 - Google Patents

Abstract

열유로 구조를 구비하는 핵연료가 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열유로 구조를 구비하는 핵연료는 원통 형상으로 형성되며 핵연료 물질을 포함하는 핵연료 소결체 및 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고, 열유로 구조는, 핵연료 소결체의 중심부 내 어느 한점으로부터 핵연료 소결체의 외주면 상의 어느 한점까지 연장되며, 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 열전도 부재를 구비하고, 핵연료 소결체부터 발생된 열은 열유로 구조 측으로 전도되어 열유로 구조를 따라 외주면 측으로 이동됨으로써 핵연료 소결체의 온도가 저감된다.

Description

열유로 구조를 구비하는 핵연료{NUCLEAR FUEL WITH HEAT-PATH STRUCTURE}

본 발명은 원자력 발전에 이용되는 핵연료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열유로 구조를 구비하는 핵연료에 관한 것이다.

경수로 핵연료 소결체 재료인 이산화우라늄(UO2, Uranium dioxide)은, 경수로 냉각재로써 사용되는 물과의 양립성이 우수하고, 약 2850℃의 높은 융점을 가지며, 고온에서도 상변태가 일어나지 않는 등의 우수한 노내 안정성을 갖고 있다. 이러한 노내 안정성으로 인하여, 다른 우라늄 화합물(Uranium carbide, Uranium nitride, Uranium silicide 등)에 비하여 열전도도 및 우라늄 밀도 등이 상대적으로 낮다는 단점에도 불구하고, 경수로 핵연료 소결체 소재로써 지속적으로 사용되고 있다.

이산화우라늄의 낮은 열전도 특성은 핵연료 중심온도(정상운전 시 약 1000~1200 ℃)를 높이는 것은 물론이고, 핵연료 소결체 내부(반경 약 4.1 mm)에 매우 가파른 온도 구배(temperature gradient, 정상운전 시 약 500~700 ℃)를 형성하며, 이로 인하여 다양한 열적/기계적 문제를 야기시켜 핵연료 성능 및 안전성에 큰 영향을 미치게 된다.

따라서 이산화우라늄 핵연료 소결체의 열전달 효과를 향상시킴으로써 핵연료 온도를 저감하는 기술은 핵연료 성능 및 안전성 측면에서 가장 중요한 요소로 강조되고 있다. 즉, 핵연료 온도 저감 기술은 정상운전 시 운전여유도(operational margin) 확보는 물론, 과도상태 및 사고조건에서 핵연료 온도 상승을 억제하여 안전여유도(safety margin) 향상에 기여할 수 있으므로, 원전 안전성 강화에 가장 중요한 기술이라고 할 수 있다.

관련하여, 핵연료 온도 저감을 위하여 냉각재 특성을 조절하는 방법도 있을 수 있으나, 이는 핵연료에 국한되는 것이 아닌 원자로 시스템 전체의 특성에 영향을 미치는 매우 어려운 문제이다. 따라서 핵연료 자체의 소재 및 설계 개선을 통한 온도 저감이 더욱 효율적이라고 할 수 있다.

이와 같이 핵연료 자체의 소재 개선을 통해 핵연료의 온도를 저감하는 종래 기술로서, 이산화우라늄 기지(matrix) 내에 UO2 대비 높은 열전도성을 갖는 이종 물질을 첨가하여 핵연료의 열전달 능력을 향상하는 방법이 제안된 바가 있다. 그러나, 상기 종래 기술은 핵연료 소결체 내에 이종 물질이 균질하게 분산되기 때문에, 이종 물질의 첨가량에 비해서 온도 저감 효과가 크지 않다는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제 10-1638351호

본 발명의 일 실시예는 핵연료 소결체 내 온도를 효과적으로 저감시킬 수 있는 핵연료를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 핵연료 소결체 내 온도 구배를 안정화시키면서도 제작이 용이한 핵연료를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 원통 형상으로 형성되며 핵연료 물질을 포함하는 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 상기 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고, 상기 열유로 구조는, 상기 핵연료 소결체의 중심부 내 어느 한점으로부터 상기 핵연료 소결체의 외주면 상의 어느 한점까지 연장되며, 상기 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 열전도 부재를 구비하고, 상기 핵연료 소결체부터 발생된 열은 상기 열유로 구조 측으로 전도되어 상기 열유로 구조를 따라 상기 외주면 측으로 이동됨으로써 상기 핵연료 소결체의 온도가 저감되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료가 제공된다.

이 때, 상기 열전도 부재는 상기 외주면까지의 연장 길이가 최소가 되도록 상기 핵연료 소결체의 반경 방향으로 연장될 수 있다.

이 때, 상기 열전도 부재는 상기 중심부 내 어느 한점으로부터 각각 상기 외주면 상의 다른 점으로 연장되는 제 1 열전도부 및 제 2 열전도부를 포함하는 복수개의 열전도부를 포함하고, 상기 중심부로부터 발생된 열은 상기 복수개의 열전도부를 따라 다양한 방향으로 전달될 수 있다.

이 때, 상기 복수개의 열전도부 사이의 중심각은 모두 동일하도록 배치되되, 상기 중심각은 90도, 120도 및 180도 중 어느 하나일 수 있다.

이 때, 상기 열유로 구조는, 상기 핵연료 소결체의 중심부에 배치되며, 상기 핵연료 소결체의 높이 방향으로 연장되는 지지 부재를 구비하고, 상기 열전도 부재는 상기 지지 부재에 연결되어 지지될 수 있다.

이 때, 상기 열전도 부재는, 상기 핵연료 소결체의 다양한 높이에서 발생된 열이 상기 외주면 방향으로 전달되도록, 상기 지지 부재의 높이 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 제 1 열전도 부재 및 제 2 열전도 부재를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제 1 열전도 부재와 상기 제 2 열전도 부재는 상기 핵연료의 상측에서 보았을 때, 서로 겹쳐지지 않도록 배치되도록 엇갈린 형태로 배치될 수 있다.

이 때, 상기 열전도 부재와 상기 지지 부재는 동일한 물질을 이용하여 일체로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 핵연료 물질은 이산화우라늄 이거나, 이산화우라늄을 포함하는 물질일 수 있다.

이 때, 상기 열전도 부재를 형성하는 물질은 Mo, Cr 및 W 중 어느 하나 이거나, 상기 Mo, Cr 및 W 중 적어도 하나를 포함하는 합금 또는 화합물 일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 구 형상으로 형성되며 핵연료 물질을 포함하는 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 상기 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고, 상기 열유로 구조는, 상기 구 형상의 핵연료 소결체의 중심부 내 어느 한점으로부터 상기 핵연료 소결체의 외주면 상의 복수개의 점으로 각각 연장되는 복수개의 열전도부를 포함하되, 상기 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 열전도 부재를 구비하고, 상기 핵연료 소결체부터 발생된 열은 상기 열유로 구조 측으로 전도되어 상기 열유로 구조를 따라 상기 외주면 측으로 이동됨으로써 상기 핵연료 소결체의 온도가 저감되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 판 형상으로 형성되며 이산화우라늄을 포함하는 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 상기 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고, 상기 열유로 구조는, 상기 핵연료 소결체를 상기 핵연료 소결체의 두께 방향으로 관통하며, 상기 이산화우라늄보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 복수개의 열전도 부재를 구비하고, 상기 핵연료 소결체부터 발생된 열은 상기 열유로 구조 측으로 전도되어 상기 열유로 구조를 따라 상기 핵연료 소결체의 외주면 측으로 이동됨으로써 상기 핵연료 소결체의 온도가 저감되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열유로 구조를 구비하는 핵연료는 핵연료 소결체 내 열전달 방향을 고려한 열유로 구조를 구비함으로써, 중심부에서 발생된 열을 외주면 방향으로 용이하게 전달할 수 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 열유로 구조를 구비하는 핵연료는 중심부의 온도를 효과적으로 저감시켜, 중심부 및 외주면과 인접한 영역 사이의 온도 구배를 보다 완만하게 함으로써, 보다 안정적인 핵연료를 도입할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료는 핵연료의 높이 방향으로 연장되는 특유의 지지 부재를 포함함으로써, 핵연료 소결체의 높이 별로 이격 배치되는 복수의 열전도 부재를 효과적으로 지지함과 동시에, 중심부에서의 열전달을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료가 장입된 핵연료봉을 포함하는 핵연료집합체를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료가 장입된 핵연료봉의 일부 및 이를 둘러싼 냉각수를 함께 도시한 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료를 도시한 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 내부에서의 열전도를 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서, 열전도 부재의 다양한 구조 및 이에 따른 열전도 효과를 비교하여 나타낸 그래프를 함께 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료를 도시한 사시도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료와 통상의 핵연료들의 열전도 효과를 비교하여 나타낸 도면 및 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료가 장입된 핵연료봉을 포함하는 핵연료집합체를 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료가 장입된 핵연료봉의 일부 및 이를 둘러싼 냉각수를 함께 도시한 단면 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료를 도시한 단면 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료를 도시한 평면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 내부에서의 열전도를 설명하기 위한 설명도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서, 열전도 부재의 다양한 구조 및 이에 따른 열전도 효과를 비교하여 나타낸 그래프를 함께 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 핵연료(10)는 핵연료봉(100)에 장입된 상태로, 핵연료봉(100)을 구성하는 피복관(80)을 매개로 하여, 핵연료집합체(200) 내부의 냉각수(210)와 열교환을 할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 열유로 구조를 구비하는 핵연료(이하, '핵연료')는 핵연료(10) 내 열전달 방향을 고려한 특유의 열유로 구조(30, 40)를 구비함으로써, 핵연료 내부에서 발생된 열을 냉각수(210) 측으로 효과적으로 전달할 수 있는 핵연료이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료는 핵연료 소결체(20)와 열유로 구조(30, 40)를 포함한다.

먼저, 핵연료 소결체(20)는 발전용 원자로 내에서 중성자를 흡수해 핵분열을 일으켜 열을 발생시키는 주체로서, 핵연료 물질을 포함하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 핵연료 물질은 일례로, 경수로 핵연료 소결체 소재로 이용되는 이산화우라늄(UO2) 일 수 있다. 또한 핵연료 물질은 특히 가연성 중성자 흡수 핵연료 소결체(burnable absorber)에 적용되는 형태로서, 이산화우라늄(UO2)에 대하여 Gd2O3, Er2O3, HfO2, Dy2O3 등과 같은 중성자 흡수체를 포함한 물질일 수도 있다. 그리고 핵연료 물질은 이산화우라늄(UO2) 외에도 질화우라늄, 규화우라늄, 탄화우라늄 및 우라늄합금 등의 우라늄 기반 화합물일 수도 있다.

한편, 핵연료 소결체(20)는 분말 형태의 핵연료 물질이 후술될 열유로 구조(30, 40)를 감싸는 형태로 소결되어 형성될 수 있다.

구체적으로, 열유로 구조(30, 40)를 감싸는 핵연료 소결체(20)의 형상은 도 4에 도시된 바와 같이, 원통형 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료(10)의 경우, 이와 달리 핵연료 소결체(20)가 구형 또는 판 형상으로 형성될 수도 있는데, 이와 관련된 설명은 해당 부분을 통해 후술하기로 하고, 여기서는 원통형 구조를 가지는 핵연료 소결체(20)를 중심으로 설명한다.

본 발명의 일 실시예에서, 원통형 구조의 핵연료 소결체(20)는 중심부(21)와 중심부(21)를 제외한 부분으로 구분될 수 있다. 중심부(21)는 핵연료 소결체(20)에서 상대적으로 온도가 높은 영역으로서, 핵연료 소결체(20)의 반경 방향 중심과 인접한 부분을 의미한다. 일례로, 중심부(21)는 핵연료 소결체(20)의 중심을 기준으로, 핵연료 소결체(20)의 전체 반경의 0.2배에 해당하는 반경을 가지는 영역을 의미할 수 있으며, 또는 그 온도가 600도 이상인 영역을 의미할 수도 있다.

한편, 종래 핵연료 소결체의 내부 온도를 보다 상세히 살펴보면, 정상운전 시 반경 방향을 기준으로 원통형 구조의 핵연료 소결체의 중심은 약 1000도 내지 1200도의 고온에 이를 수 있는 반면, 핵연료 소결체의 외주면과 인접한 부분은 400도 내지 500도에 그칠 수 있다. 즉, 이산화우라늄의 낮은 열전도 특성상 중심부 및 외주면과 인접한 부분 사이에는 가파른 온도 구배가 발생되는데, 이로 인하여 다양한 문제가 야기되며, 핵연료 정상운전 및 과도 상태에서, 그리고 사고 조건 안전성 측면에서 불리한 요소로 작용하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 상기 이산화우라늄의 낮은 열전도 특성을 보완하기 위한 것으로서, 핵연료 소결체(20)의 온도 구배를 완만히 하도록 중심부(21)의 온도를 효과적으로 저감 시킬 수 있는 특유의 열유로 구조(30, 40)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 열유로 구조(30, 40)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 핵연료 소결체(20)의 내부에서 배치되며 일 방향을 향해 연장되는 뼈대와 같은 형상을 가질 수 있다.

먼저, 열유로 구조(30, 40)는 핵연료 소결체의 중심부(21) 내 어느 한점으로부터 핵연료 소결체의 외주면(22) 상의 어느 한점까지 연장되는 열전도 부재(30)를 포함할 수 있다. 여기서 핵연료 소결체의 중심부(21)란, 핵연료 소결체(20) 중에서 상대적으로 고온을 가지는 심부 영역을 의미하며, 외주면(22)이란, 핵연료 소결체 중에서 핵연료봉(100)의 피복관(80)과 접하는 곡면을 이미 살펴본 바와 같다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)에서 열전도 부재(30)의 연장 방향을 중심부(21)로부터 외주면(22) 방향으로 설정하는 것은, 핵연료 소결체(20) 내 열전달 방향, 즉 고온의 중심부(21)로부터, 상대적으로 저온을 형성하는 외주면(22)을 향하는 열전달 방향을 고려한 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 열전도 부재(30)는 핵연료 소결체(20)를 구성하는 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 또한 열전도 부재(30)는 핵연료 소결 공정 시의 고온에도 용융되지 않는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.

보다 상세히, 열전도 부재(30)는 일례로 Mo, Cr 및 W 등의 높은 열전도성 물질 및 상기 Mo, Cr 및 W 중 적어도 하나를 포함하는 합금 또는 화합물로 형성될 수 있다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이 핵연료 소결체(20)로부터 발생된 열은, 열전도성이 낮은 핵연료 소결체(20)를 따라 이동되기 보다는, 열전도성이 높은 열전도 부재(30) 측으로 전도된 후, 열전도 부재(30)를 따라 상대적으로 온도가 낮은 외주면(22) 측으로 이동될 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 핵연료 내부의 열전달을 극대화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 열전도 부재(30)는 외주면(22)까지의 연장 길이를 최소화시키도록 핵연료 소결체(20)의 반경 방향으로 연장될 수 있다. 여기서, 반경 방향이란 원통형 구조의 핵연료 소결체(20)의 높이 방향에 수직하는 방향을 의미한다. 이는 열전도 부재(30)를 통한 열전달 경로를 최단거리로 형성함으로써, 열전달 효율을 극대화하는 한편, 핵연료 내 열전도 부재(30)가 차지하는 부피를 최소화하여 핵연료 소결체(20) 자체의 부피를 최대화하기 위함이다. 핵연료 소결체(20) 자체의 부피가 크게 감소할 경우, 핵분열을 통해 열을 발생시키는 핵연료(10) 자체의 기능이 저하될 수 있기 때문이다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에서, 열전도 부재(30)의 연장 방향이 반경 방향에 한정되는 것은 아님을 밝혀 둔다. 즉, 열전도 부재(30)는 중심부(21)로부터 외주면(22)을 향하는, 다양한 방향을 따라 연장될 수 있다. 일례로, 핵연료 소결체(20)의 높이 방향에 정확히 수직하는 방향(반경 방향) 뿐만 아니라, 반경 방향에 대하여 소정 경사각을 가지며 연장될 수도 있음을 밝혀 둔다. 이 경우, 열전달 경로는 다소 연장될 수 있지만, 경사각을 가지며 연장되는 열전도 부재(30)가 다양한 높이의 핵연료 소결체(20)를 통과함으로써, 보다 다양한 영역의 열을 흡수하여 외주면(22) 측으로 전달할 수 있을 것이다.

한편, 열전도 부재(30)는 중심부(21) 내 어느 한점으로부터 각각 외주면 상의 다른 점으로 연장되는 복수개의 열전도부(31a.31b,31c,32a.32b,32c, 33a.33b,33c)를 포함할 수 있다.

구체적인 일례로서, 도 5에 도시된 바와 같이 열전도 부재(30)는 핵연료 소결체(20)의 원주 방향을 따라, 제 1 열전도부(31a), 제 2 열전도부(31b) 및 제 3 열전도부(31c) 등 3개의 열전도부를 포함하여 형성될 수 있다. 이 때, 3개의 열전도부(31a.31b,31c)는 핵연료 소결체(20)를 상측에서 내려 보았을 때, 120도의 중심각을 가지도록 원주 방향을 따라 서로 이격 배치될 수 있다. 여기서 중심각(α)이란, 열전도 부재(30)를 상측에서 내려 보았을 때, 인접하는 열전도부(31a.31b,31c) 사이에 형성되는 각도를 의미할 수 있다.

이처럼 열전도 부재(30)가 원주 방향을 따라 복수개의 열전도부(31a.31b,31c)를 포함함으로써, 열전도 부재(30)는 핵연료 소결체(20)의 원주 방향을 따라 다양한 방향으로 열을 전달시킬 수 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에서, 복수개의 열전도부(31a.31b,31c) 사이의 중심각(α)은 상술한 예와 같이 120도에 한정되지 않으며, 다양하게 설계될 수 있음을 밝혀 둔다.

상세하게, 원주 방향을 따라 2개의 열전도부가 배치되는 경우 중심각(α)은 180도 일 수 있으며(도 7(a)), 4개의 열전도부가 배치되는 경우 중심각(α)은 90도 일 수 있다. (도 7(c))

본 발명의 발명자는 각 중심각(α) 별 온도저감 효과를 확인하기 위해서, 동일한 규격의 핵연료에 대하여, 열전도 부재의 함량을 동일하게 유지하되 중심각(α) 만을 달리하여 비교 실험을 수행하였다. 비교 실험 결과를 살펴보면, 도 7에 도시된 바와 같이 중심각이 180도에서 90도로 작아질수록 중심부의 온도 저감 효과가 향상되는 것을 알 수 있다.

그러나, 중심각(α)이 작아질수록 보다 많은 수의 열전도부를 포함하게 되므로 열전도 부재(30)의 제조 용이성이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 온도 저감 효과와 제조 용이성 등을 복합적으로 고려하여 열전도 부재(30)의 중심각(α)을 다양하게 설계할 수 있을 것이다. 다만, 위 비교 실험 결과를 기준으로 판단하였을 때, 중심각(α)을 90도 보다 감소시키더라도 온도 저감 효과가 매우 크게 향상되지는 않을 것으로 예상되므로, 온도 저감 효과와 제조 용이성을 모두 만족하는 중심각은 90도, 120도 내지 180도 중 어느 하나 일 수 있다.

한편, 위에서는 복수의 열전도부(31a.31b,31c) 사이의 중심각(α)이 서로 동일한 것을 기준으로 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 열전도부(31a.31b,31c) 사이의 중심각(α)을 서로 다르게 설계할 수도 있음을 밝혀 둔다. 즉, 원주 방향으로 균일한 온도 저감 효과를 얻기 위해서는 동일한 중심각을 형성하는 것이 바람직할 것이나, 이와 달리 특정 영역의 온도 저감 효과를 보다 강화하기 위해서는 중심각을 서로 다르게 배치할 수도 있음을 밝혀 둔다.

그리고, 도 4 내지 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)의 열전도 부재(30)는 후술될 지지 부재(40)의 높이 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 제 1 열전도 부재(31)와 제 2 열전도 부재(32)를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 지지 부재(40)에 대한 설명과 관련된 부분을 통해 자세히 기술하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)의 열유로 구조(30, 40)는 열전도 부재(30) 외 지지 부재(40)를 더 포함할 수 있다.

보다 상세하게, 원통형 구조의 핵연료(10)를 기준으로 하였을 때, 지지 부재(40)는 핵연료 소결체(20)의 중심부(21)에 배치되며, 핵연료 소결체(20)의 높이 방향으로 연장되는 막대와 같은 형상으로 형성될 수 있다.

이 때, 도 4 내지 6에 도시된 바와 같이 지지 부재(40)의 일측에는 열전도 부재(30)가 연결될 수 있다. 즉, 열전도 부재(30)는 일단부가 지지 부재(40)에 연결된 상태로, 타단부가 핵연료 소결체(20)의 외주면(22)을 향하여 연장되어 핵연료봉(100)의 피복관(80)과 접할 수 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)의 제조와 관련한, 핵연료 소결체(20)의 소결 과정시, 열전도 부재(30)는 지지 부재(40)에 의해 효과적으로 지지됨으로써, 핵연료 소결체(20)의 내부에서 안정적으로 고정된 위치를 유지할 수 있다.

그리고, 이미 전술한 바와 같이, 지지 부재(40)는 지지 부재(40)의 높이 방향을 따라 복수개의 열전도 부재(30)와 연결될 수 있다. 일례로, 도 4 및 6을 참조하면, 열전도 부재(30)는 지지 부재(40)의 높이 방향을 기준으로, 지지 부재(40)와 가장 상측에서 연결되는 제 1 열전도 부재(31)와, 제 1 열전도 부재(31)의 하측에서 지지 부재(40)와 연결되는 제 2 열전도 부재(32)를 포함할 수 있다. 그리고 핵연료의 설계 조건에 따라, 제 2 열전도 부재(32)의 하측에 제 3 열전도 부재(33)를 포함하는 다수의 열전도 부재(30)를 추가로 배치할 수도 있음은 물론이다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 핵연료 소결체(20)의 다양한 높이에서 발생된 열이 핵연료 소결체(20)의 외주면(22) 방향으로 이동되도록 가이드할 수 있다.

이 때, 제 1 열전도 부재(31)와 제 2 열전도 부재(32)는 서로 엇갈린 형태로 배치될 수 있다. 즉, 상측에서 핵연료(10)를 내려 보았을 때, 제 1 열전도 부재(31)와 제 2 열전도 부재(32)가 서로 겹쳐지지 않도록 배치될 수 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 단일한 어느 하나의 방향에 한정하여 열전도 부재(30)가 연장되는 것이 아니라, 각 높이마다 열전도 부재(30)가 커버하는 영역을 달리하여 보다 다양한 열전도 경로를 형성할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 지지 부재(40)도 이산화우라늄 보다 열전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있으며, 특히, 열전도 부재(30)와 동일한 물질를 이용하여 일체로 형성될 수 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 중심부(21)에서 발생된 열을 핵연료(10)의 외측으로 전달함에 있어서, 열전도 부재(30) 뿐만 아니라, 지지 부재(40)를 따라서도 효과적으로 열을 전달할 수 있다. 이 때, 지지 부재(40)에 의한 열 전도는 지지 부재(40)의 연장 방향과 같이 핵연료(10)의 상하 방향을 따라 이루어질 수 있다. 이와 같이 상하 방향으로 전달된 열은 다른 높이에 배치되는 열전도 부재(30)를 따라 수평 방향으로 이동되거나, 또는 상하 방향으로 이동을 계속하여 핵연료()의 최상부 또는 최하부를 통해 핵연료(10)의 외측으로 전달될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 열유로 구조(30, 40)를 일체로 형성하는 일례로서, 지지 부재(40)와 열전도 부재(30)를 포함하는 열유로 구조(30, 40)는 용해된 물질을 주형에 주입시키는 사출성형을 통해 형성될 수 있다. 이와 달리 열유로 구조(30, 40)는 전체적으로 동일한 물질을 이용하되, 다소 복잡한 구조의 열유로 구조(30, 40)를 용이하게 형성하기 위하여, 3D 프린팅 방법(구체적인 예시로서, Fused Deposition Modeling, Digital Light Processing 및 Binder Jetting 등)을 이용하여 적층되는 형태로 형성될 수도 있다.

이처럼 열유로 구조(30, 40) 전체가 동일한 물질을 이용하여 일체로 형성됨으로써, 열유로 구조(30, 40)의 제조 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 열유로 구조(30, 40) 전체가 열전도 특성 면에서 차이가 없이 균일하도록 하여, 설계 측면에서 열전도 경로를 용이하게 예측할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서, 열유로 구조(30, 40)의 전체 부피는 전체 핵연료(10)의 부피를 기준으로 하였을 때, 최대 10 vol% 이하인 것이 바람직하다. 이는 핵연료(10)에서 열유로 구조(30, 40)가 차지하는 부피가 커질수록 열전달 효과는 극대화될 것이나, 상대적으로 핵연료 소결체(20) 내 핵연료 물질의 부피가 감소되게 되므로, 당초 목표했던 열량을 획득할 수 없기 때문이다.

한편, 본 발명의 일 실시예와 관련하여, 도면에서는 지지 부재(40)와 열전도 부재(30)가 모두 도시되어 있으나, 열전도 부재(30)는 지지 부재(40)의 지지 없이도 독립적으로 배치될 수 있음을 밝혀 둔다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)의 열유로 구조(30, 40)는 일례로, 열전도 부재(30)가 지지 부재 없이도 용이하게 위치를 유지할 수 있는 경우 등의 설계 조건에 따라 열전도 부재(30) 외 별도의 지지 부재(40)를 포함하지 않을 수 있다.

즉, 지지 부재(40)가 차지하는 만큼 핵연료 소결체(20)의 부피도 감소되게 되며, 이에 따라 핵연료 자체의 성능이 저하될 수 있음을 고려하여, 필요에 따라서는 원통형 구조의 핵연료(10)라고 할지라도, 지지 부재(40)를 포함하지 않은 채 열전도 부재(30) 만을 구비함으로써, 온도 저감 효과를 가져올 수 있을 것이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료를 도시한 사시도이다.

앞선 설명에서는 원통형 구조로 형성된 핵연료에 대하여 설명하였으나, 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예와 같이, 본 발명의 열유로 구조(30, 40)는 다른 형상의 핵연료에도 적용될 수 있다.

먼저, 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 핵연료 소결체(20)가 구 형상으로 형성될 경우, 열유로 구조(30, 40)는 구 형상의 핵연료 소결체(20)의 중심부 내 어느 한점(바람직하게는 구의 중심)으로부터 핵연료 소결체(20)의 외주면 상의 복수개의 점으로 각각 연장되는 복수개의 열전도부를 포함하는 열전도 부재(30)를 구비할 수 있다.

즉, 구 형상의 핵연료(10)는 열 방사형 구조의 열전도 부재(30)를 구비할 수 있다. 이 때, 열유로 구조(30, 40)는 도시된 바와 같이 열전도 부재(30)만을 포함할 뿐, 별도의 지지 부재(40)를 포함하지 않을 수 있다.

그리고, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 핵연료 소결체(20)가 소정 두께를 가지는 다면체 구조의 판 형상으로 형성될 경우, 열유로 구조(30, 40)는 핵연료 소결체(20)의 두께 방향으로 관통하는 복수개의 열전도 부재(30)를 구비할 수 있다.

이 때, 복수개의 열전도 부재(30)는 서로 이격되도록 배치되되, 도면과 같이 서로 평행하도록 배치될 수 있다. 이는 판 형상의 핵연료 소결체(20)의 일면이 냉각수와 인접하게 배치되는 것을 고려한 것이며, 복수개의 열전도 부재(30)는 핵연료(10) 내의 열전달 방향을 고려하여 다르게 배치될 수도 있을 것이다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료와 통상의 핵연료들의 열전도 효과를 비교하여 나타낸 도면 및 그래프이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 발명자는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10) 내 온도 저감 효과를 검증하기 위해서 또다른 비교 실험을 수행하였다.

구체적으로 본 발명의 발명자는 전산 해석을 통해, 이산화우라늄 외 별도의 열전달물질이 포함되지 않는 경우(도 9(a)), 핵연료 소결체에 열전달물질이 포함되나, 핵연료 소결체 전체 영역에 대하여 균질하게 분산 배치되는 경우(도 9(b)) 및 본 발명의 일 실시예와 같이, 열유로 구조를 포함하는 핵연료에 의한 경우(도 9(c))의 온도 분포를 비교하였다.

이 때, 도 9(b)와 도 9(c)의 전체 열전달물질(본 발명의 경우, 열유로 구조를 구성하는 물질)은 Mo로 통일하였으며, 첨가량 역시 3 vol%로 동일하게 하였다.

도 9의 시각적 해석 결과를 통해 명확히 드러나는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열유로 구조를 구비할 경우, 다른 비교예와 대비하여 핵연료 소결체(20)의 중심부(21) 온도가 현저하게 저감되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)의 온도 저감 효과는 도 10의 그래프를 참조할 경우, 더욱 명확하다. 중심부의 온도가 약 800도에서 600도로 현저하게 낮아짐에 따라 중심부(21)와 외주면(22) 사이의 온도 구배 역시 완만해진 것을 알 수 있다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 핵연료 소결체(20) 내 열전달 방향을 고려한 열유로 구조를 구비함으로써, 중심부(21)에서 발생된 열을 외주면(22) 방향으로 용이하게 전달할 수 있다.

이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 중심부의 온도를 효과적으로 저감할 수 있으며, 중심부(21)와 외주면(22)과 인접한 영역 사이의 온도 구배를 완만히 하여 보다 안정적인 핵연료(10)를 도입할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(10)는 핵연료(10)의 높이 방향으로 연장되는 특유의 지지 부재(40)를 포함하여, 핵연료 소결체(20)의 높이 별로 이격 배치되는 복수의 열전도 부재(30)를 효과적으로 지지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 핵연료 20 핵연료 소결체
21 핵연료 소결체의 중심부 22 핵연료 소결체의 외주면
30 열전도 부재 31 제 1 열전도 부재
32 제 2 열전도 부재 33 제 3 열전도 부재
40 지지 부재 80 피복관
100 핵연료봉 200 핵연료집합체
210 냉각수 α 중심각

Claims (12)

1. 원통 형상으로 형성되며 핵연료 물질을 포함하는 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 상기 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고,
   상기 열유로 구조는,
   상기 핵연료 소결체의 중심부 내 어느 한점으로부터 상기 핵연료 소결체의 외주면 상의 어느 한점까지 연장되며, 상기 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 열전도 부재를 구비하고,
   상기 핵연료 소결체부터 발생된 열은 상기 열유로 구조 측으로 전도되어 상기 열유로 구조를 따라 상기 외주면 측으로 이동됨으로써 상기 핵연료 소결체의 온도가 저감되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 열전도 부재는 상기 외주면까지의 연장 길이가 최소가 되도록 상기 핵연료 소결체의 반경 방향으로 연장되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 열전도 부재는 상기 중심부 내 어느 한점으로부터 각각 상기 외주면 상의 다른 점으로 연장되는 제 1 열전도부 및 제 2 열전도부를 포함하는 복수개의 열전도부를 포함하고,
   상기 중심부로부터 발생된 열은 상기 복수개의 열전도부를 따라 다양한 방향으로 전달되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수개의 열전도부 사이의 중심각은 모두 동일하도록 배치되되, 상기 중심각은 90도, 120도 및 180도 중 어느 하나인, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열유로 구조는,
   상기 핵연료 소결체의 중심부에 배치되며, 상기 핵연료 소결체의 높이 방향으로 연장되는 지지 부재를 구비하고,
   상기 열전도 부재는 상기 지지 부재에 연결되어 지지되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 열전도 부재는,
   상기 핵연료 소결체의 다양한 높이에서 발생된 열이 상기 외주면 방향으로 전달되도록, 상기 지지 부재의 높이 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되는 제 1 열전도 부재 및 제 2 열전도 부재를 포함하는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 1 열전도 부재와 상기 제 2 열전도 부재는 상기 핵연료의 상측에서 보았을 때, 서로 겹쳐지지 않도록 배치되도록 엇갈린 형태로 배치되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 열전도 부재와 상기 지지 부재는 동일한 물질을 이용하여 일체로 형성되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 핵연료 물질은 이산화우라늄 이거나, 이산화우라늄을 포함하는 물질인, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도 부재를 형성하는 물질은 Mo, Cr 및 W 중 어느 하나 이거나, 상기 Mo, Cr 및 W 중 적어도 하나를 포함하는 합금 또는 화합물인, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
11. 구 형상으로 형성되며 핵연료 물질을 포함하는 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 상기 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고,
    상기 열유로 구조는,
    상기 구 형상의 핵연료 소결체의 중심부 내 어느 한점으로부터 상기 핵연료 소결체의 외주면 상의 복수개의 점으로 각각 연장되는 복수개의 열전도부를 포함하되, 상기 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 열전도 부재를 구비하고,
    상기 핵연료 소결체부터 발생된 열은 상기 열유로 구조 측으로 전도되어 상기 열유로 구조를 따라 상기 외주면 측으로 이동됨으로써 상기 핵연료 소결체의 온도가 저감되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.
12. 판 형상으로 형성되며 핵연료 물질을 포함하는 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체의 내부에 배치되어 상기 핵연료 소결체의 온도를 저감하기 위한 열유로 구조를 포함하고,
    상기 열유로 구조는,
    상기 핵연료 소결체를 상기 핵연료 소결체의 두께 방향으로 관통하며, 상기 핵연료 물질 보다 높은 열전도성을 가지는 물질로 형성되는 복수개의 열전도 부재를 구비하고,
    상기 핵연료 소결체부터 발생된 열은 상기 열유로 구조 측으로 전도되어 상기 열유로 구조를 따라 상기 핵연료 소결체의 외주면 측으로 이동됨으로써 상기 핵연료 소결체의 온도가 저감되는, 열유로 구조를 구비하는 핵연료.

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