KR102592731B1 - 핵연료봉 집합체 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
핵연료봉 집합체 및 그 제작방법을 제공한다. 핵연료봉 집합체는 형의 핵연료소결체; 상기 핵연료소결체 중심부에 장입되는 가연성흡수체; 상기 핵연료소결체와 상기 가연성 흡수체 사이에 위치되는 가연성흡수체 피복관; 및 상기 핵연료소결체와 상기 가연성흡수체 피복관 사이에 충진되는 충진가스층을 포함하며, 상기 가연성흡수체는, 상기 가연성흡수체 피복관의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 외부환과, 상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 내부심을 포함한다.
Description
본 발명은 핵연료봉 집합체 및 그 제작방법에 관한 것이다.
가압경수형 원전의 경우, 잉여반응도를 제어하기 위해 원자로 냉각재에 수용성 중성자 흡수물질인 붕소를 혼합하여 사용한다. 이 방법은 불균일한 출력분포를 발생시키지 않으면서 원자로의 반응도를 제어할 수 있는 장점이 있다. 하지만 수용성 붕소의 사용은 크게 3가지 단점이 있다. 먼저 냉각재가 산성으로 만들어 1차 냉각재 계통 내부의 부식 환경을 야기하는 문제점이 있다. 또한, 냉각재 붕소 농도를 제어하기 위한 화학 및 체적제어계통(CVCS, Chemical & Volume Constrol System)을 요구한다. 이는 원자력 발전소의 건설단가 및 크기를 증가시키는 요인이 되며, 냉각재 붕소 농도 제어 시 발생하는 붕소폐액을 처리하기 위한 비용이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 수용성 붕소의 사용은 주기초 냉각재 온도 계수를 증가시켜 0에 근접하거나 작은 양의 값이 되도록 한다. 이는 냉각재 온도를 이용한 원자로 출력 제어의 장해 요소가 되는 문제점이 있다.
원자로의 반응도를 제어하기 위한 또 다른 방법으로, 고체의 중성자 흡수물질로 이루어진 제어봉과 이를 핵연료집합체 안내관에 삽입 또는 인출하기 위한 제어봉구동장치(CEDM, Control Element Drive Mechanism)를 사용하는 방법이 있다. 여기서 제어봉은 원자로 노심에 국부적으로 삽입되기 때문에 불균일한 출력분포를 발생시킨다. 따라서 원자로 정지 요구 시 노심을 미임계로 유지시키기 위한 수단으로 사용할 수 있지만, 수용성 붕소를 대체할 수 있는 정도의 제어 방법은 아니다.
아울러 가연성 흡수체 관련 기술로서 먼저 분리형은 핵연료봉과 가연성흡수물질이 따로 분리되어 원자로에 장전되는 방식이다. 가연성흡수물질인 B4C를 Al2O3와 혼합하여 환형 가연성흡수봉으로 제작하여 제어봉안내관에 장전하는 WABA(Wet Annular Burnable Absorber)와 SiO2와 B2O3가 혼합된 가연성흡수봉을 일반 핵연료봉 위치에 장전하는 Pyrex가 있다. 이러한 방식은 운전주기 동안 잉여반응도를 효과적으로 제어할 수 있는 장점이 있지만 WABA의 경우 제어봉의 수량이 제한되는 단점이 있고 Pyrex의 경우 핵연료 장전량이 감소하는 단점이 있다. 또한 핵연료집합체 내부의 출력분균형을 발생시켜 첨두출력인자를 증가시키기 때문에 선출력밀도가 제한된다.
한편, 일체형은 핵연료봉 내부에 핵연료 물질과 가연성흡수물질을 함께 장입하는 방식이다. 핵연료 소결체 표면에 ZrB2를 코팅하여 핵연료봉 피복관 내에 장입하여 사용하는 IFBA (Integrated Fuel Burnable Absorber)와 산화가돌리늄(Gd2O3)을 핵연료 물질인 UO2와 함께 균질하게 혼합하여 핵연료 소결체로 제작하는 IBA(Integral Burnable Absorber)가 있다. IFBA의 경우 B-10 연소에 따른 헬륨 생성으로 봉내압이 상승하는 단점과 빠른 연소 특성으로 잉여반응도 제어의 지속시간이 짧은 단점이 있다. IBA의 경우 핵연료 소결체의 열전도도가 감소하여 핵연료의 온도가 높아지는 단점이 있고, IFBA 보다는 비교적 천천히 연소되지만 통상적으로 연소도 15 GWD/MTU 전후로 산화가돌리늄이 연소되어 잉여반응도 제어력을 상실한다.
이러한 단점을 극복하기 위한 소위 CSBA(Centrally-Shielded Burnable Absorber)라 불리는 가연성 흡수체가 있다. 이는 핵연료 소결체 중심부에 순수 가연성 흡수체를 위치시킴으로써 UO2의 자체 차폐효과(Self-Shielding Effect)를 이용하여 가연성 흡수체의 연소 속도를 효과적으로 지연시킬 수 있다. CSBA의 가연성 흡수체 재질은 높은 중성자 흡수단면적과 산화적 안정성, 그리고 높은 용융점(2420
을 갖는 산화가돌리늄이 바람직하다. 한편, CSBA를 포함하는 핵연료 소결체의 제조시설을 갖추기 위해선 별도의 생산 시설을 구축해야 하며 이는 상당한 시간과 비용이 소요된다.
농축 Gd2O3의 강력한 자체 차폐효과로 인해 CSBA의 겉 표면에서만 중성자 흡수 반응이 일어나지만, 표면의 농축 산화가돌리늄이 연소됨에 따라 자체차폐가 약해지면 내부의 농축 Gd2O3도 중성자 흡수 반응을 일으키기 시작한다. 따라서 연소가 진행됨에 따라 공간적으로 더 넓은 영역에서 농축 Gd2O3에 의한 중성자 흡수 반응이 일어나기 때문에 반응도 감소가 일어나고, 장전되었던 Gd2O3의 연소가 끝나는 시점에서 반응도가 상승한다. 다양한 Gd-155 및 Gd-157의 농축도의 조합이 가능하지만 Gd2O3의 Gd-155 및 Gd-157의 농축도가 증가함에 따라 반응도 상승 시점의 차이만 있을 뿐 반응도 변화폭은 여전히 크다. 따라서 가연성 흡수체(CSBA)의 삽입 위치, 크기, 형상 이외의 또다른 변수를 제공하여 원자로의 잉여반응도를 최적화할 수 있는 가연성 흡수체를 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다층 구조를 갖는 가연성 흡수체에서 각각의 층의 두께와, 층을 구성하는 물질 혹은 그 핵종 구성을 다르게 조절하여, 연소에 따른 잉여반응도 및 자체 차폐 정도를 제어할 수 있는 핵연료봉 집합체를 제공하는 것이다.
또한, 다층 구조의 가연성 흡수체로서 주기초부터 주기말까지 연소에 따른 잉여반응도의 변화폭을 최소화하여 무붕산 노심운전이나 저붕산 노심운전이 가능한 핵연료봉 집합체를 제공하는 것이다.
또한, 다층 구조의 가연성 흡수체로서 모든 핵연료봉에 장입되어 핵연료집합체 내부의 출력 불균형을 감소시킬 수 있는 핵연료봉 집합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 면(aspect)에 따른 핵연료봉 집합체는 핵연료봉 집합체로서, 환형의 핵연료소결체; 상기 핵연료소결체 중심부에 장입되는 가연성흡수체; 상기 핵연료소결체와 상기 가연성흡수체 사이에 위치되는 가연성흡수체 피복관; 및 상기 핵연료소결체와 상기 가연성흡수체 피복관 사이에 충진되는 충진가스층을 포함하며, 상기 가연성흡수체는, 상기 가연성흡수체 피복관의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 외부환과, 상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 내부심을 포함한다.
또한, 상기 가연성흡수체는 스웨이징 공법을 기반으로 제작된 후 상기 핵연료소결체 상에 장입될 수 있다.
또한, 상기 핵연료소결체는 상방과 하방으로 상호 구획된 다층구조로 이루어지며, 상기 가연성흡수체 피복관은 상호 구획된 상기 핵연료소결체들을 상하로 관통하며, 제1가연성흡수체 외부환은 상호 구획된 상기 핵연료소결체들을 상하로 관통하며, 제1가연성흡수체 내부심은 상호 구획된 상기 핵연료소결체들을 상하로 관통하며, 상기 충진가스층은 상기 핵연료소결체들 상에 상기 가연성흡수체 피복관, 상기 제1가연성흡수체 외부환 및 상기 제1가연성흡수체 내부심이 장입된 이후에, 가스가 상호 구획된 상기 핵연료소결체들의 상하로 형성된다.
또한, 상기 가연성흡수체는, 상기 제1가연성흡수체 외부환이 내부에 위치되는 제2가연성흡수체 외부환과, 상기 제2가연성흡수체 외부환이 내부에 위치되는 제3가연성흡수체 외부환을 더 포함하며, 상기 가연성흡수체 피복관은 상기 제3가연성흡수체 외부환과 상기 핵연료소결체 사이에 위치된다.
또한, 상기 제1가연성흡수체 내부심, 상기 제1가연성흡수체 외부환, 상기 제2가연성흡수체 외부환 및 상기 제3가연성흡수체 외부환은 산화가돌리늄(Gd2O3)을 포함한다.
또한, 상기 제3가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 제1수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소(Gd-155,Gd-157)를 포함하며, 기 제2가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 상기 제1수밀도값보다 큰 제2수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함하며, 상기 제1가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 상기 제2수밀도값보다 큰 제3수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함하며, 상기 제1가연성흡수체 내부심의 산화가돌리늄은 상기 제3수밀도값보다 큰 제4수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 면(aspect)에 따른 핵연료봉 집합체 제작방법으로서, 환형의 핵연료소결체가 준비되는 단계; 가연성흡수체와 가연성흡수체 피복관이 상기 핵연료소결체에 장입되는 단계; 및 충진가스가 상기 핵연료소결체와 상기 가연성흡수체 피복관 사이에 충진되는 단계를 포함하며, 상기 가연성흡수체는, 상기 가연성흡수체 피복관의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 외부환과, 상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 내부심을 포함한다.
또한, 상기 가연성흡수체와 가연성흡수체 피복관은 스웨이징공법을 기반으로 제작된다.
상기와 같은 본 발명의 핵연료봉 집합체에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
본 발명은 과제는 다층 구조를 갖는 가연성 흡수체에서 각각의 층의 두께와, 층을 구성하는 물질 혹은 그 핵종 구성을 다르게 조절하여, 연소에 따른 잉여반응도 및 자체 차폐 정도를 제어할 수 있는 핵연료봉 집합체를 제공할 수 있다.
또한, 다층 구조의 가연성 흡수체로서 주기초부터 주기말까지 연소에 따른 잉여반응도의 변화폭을 최소화하여 무붕산 노심운전이나 저붕산 노심운전이 가능한 핵연료봉 집합체를 제공할 수 있다.
또한, 다층 구조의 가연성 흡수체로서 모든 핵연료봉에 장입되어 핵연료집합체 내부의 출력 불균형을 감소시킬 수 있는 핵연료봉 집합체를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 집합체가 설치된 상태를 도시한 평면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 따른 핵연료봉 집합체의 구성들을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 5는 도 1에 따른 핵연료봉 집합체의 구성들의 변형예를 도시한 도면들이다.
도 6은 핵연료집합체에 대한 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 다층 구조의 가연성 흡수체가 장입된 핵연료집합체의 연소도에 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 따른 핵연료봉 집합체의 구성들을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 5는 도 1에 따른 핵연료봉 집합체의 구성들의 변형예를 도시한 도면들이다.
도 6은 핵연료집합체에 대한 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 다층 구조의 가연성 흡수체가 장입된 핵연료집합체의 연소도에 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 집합체(100)는 핵연료소결체(110), 가연성흡수체(120), 가연성흡수체 피복관(130) 및 충진가스층(140)을 포함한다.
여기서 상기 가연성흡수체(120)는 제1가연성흡수체 외부환(121), 제1가연성흡수체 내부심(122)을 포함한다. 상기 핵연료소결체(110)는 환형의 구조를 가진다. 상기 핵연료봉 집합체(100)는 가연성 흡수체가 장입된 상태로 안내관 등과 함께 원자로에 설치된다.
여기서 상기 가연성흡수체(120)는 상기 핵연료소결체(110) 중심부에 장입된다. 상기 가연성흡수체 피복관(130)은 상기 핵연료소결체(110)와 상기 가연성흡수체(120) 사이에 위치된다.
아울러 상기 충진가스층(140)은 상기 핵연료소결체(110)와 상기 가연성흡수체 피복관(130) 사이에 충진된다. 상기 가연성흡수체(120)의 상기 제1가연성흡수체 외부환(121)은 상기 가연성흡수체 피복관(130)의 중심부에 위치된다.
상기 가연성흡수체(120)의 상기 제1가연성흡수체 내부심(122)은 상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치된다. 이러한 상기 가연성흡수체(120)는 스웨이징 공법을 기반으로 제작된 후 상기 핵연료소결체(110) 상에 장입된다.
여기서 상기 핵연료소결체(110)는 상방과 하방으로 상호 구획된 다층구조로 이루어진다. 상기 가연성흡수체 피복관(130)은 상호 구획된 상기 핵연료소결체(110)들을 상하로 관통한다.
제1가연성흡수체 외부환(121)은 상호 구획된 상기 핵연료소결체(110)들을 상하로 관통한다. 제1가연성흡수체 내부심(122)은 상호 구획된 상기 핵연료소결체(110)들을 상하로 관통한다.
한편 상기 충진가스층(140)는 상기 핵연료소결체(110)들 상에 상기 가연성흡수체 피복관(130), 상기 제1가연성흡수체 외부환(121) 및 상기 제1가연성흡수체 내부심(122)이 장입된 이후에, 상호 구획된 상기 핵연료소결체(110)들의 상하로 형성된다.
본 발명의 가연성흡수체(120)의 산화가돌리늄, Gd2O3의 각 층별로 홀수 가돌리늄 동위원소(Gd-155, Gd-157)의 수밀도(Number Density)가 다르게 조절되어 각각의 자체 차폐 정도가 제어되도록 할 수 있다.
도 5를 참조하면 본 발명의 변형예에 따른 핵연봉 집합체(100)는 상기 가연성흡수체(120)가 제2가연성흡수체 외부환(123) 및 제3가연성흡수체 외부환(124)을 더 포함한다.
상기 가연성흡수체(120)의 상기 제2가연성흡수체 외부환(123)은 상기 제1가연성흡수체 외부환(121)이 내부에 위치된다. 상기 가연성흡수체(120)의 상기 제3가연성흡수체 외부환(124)는 상기 제2가연성흡수체 외부환(123)이 내부에 위치된다.
여기서 상기 가연성흡수체 피복관(130)은 상기 제3가연성흡수체 외부환(124)과 상기 핵연료소결체(110) 사이에 위치된다. 상기 제1가연성흡수체 내부심(122), 상기 제1가연성흡수체 외부환(121), 상기 제2가연성흡수체 외부환(123) 및 상기 제3가연성흡수체 외부환(124)은 산화가돌리늄(Gd2O3)을 포함한다.
상기 제3가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 제1수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소(Gd-155,Gd-157)를 포함하며, 상기 제2가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 상기 제1수밀도값보다 큰 제2수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함한다.
아울러 상기 제1가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 상기 제2수밀도값보다 큰 제3수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함하며, 상기 제1가연성흡수체 내부심의 산화가돌리늄은 상기 제3수밀도값보다 큰 제4수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함한다.
상기 가연성 흡수체(120)는 다층 구조로서 각 층별로 산화가돌리늄을 포함하되, Gd의 동위원소 중 질량수가 홀수인 Gd-155 또는 Gd-157의 수밀도를 각 층별로 다르게 조절하여, 연소에 따른 잉여반응도 및 자체 차폐 정도를 제어되도록 한다.
다층구조의 가연성흡수체는 내부심에서 최외각층으로 갈수록 홀수 가돌리늄 동위원소(Gd-155 혹은 Gd-157)의 수밀도가 낮아지도록 조절하면 평탄한 잉여반응도를 얻을 수 있다.
전술한 내용에 근거하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 집합체 제작방법(S100)은 환형의 핵연료소결체(110)가 준비되는 단계(S100), 가연성흡수체(120)와 가연성흡수체 피복관(130)이 상기 핵연료소결체(110)에 장입되는 단계(S120) 및 충진가스가 상기 핵연료소결체(110)와 상기 가연성흡수체 피복관(130) 사이에 충진되는 단계(S130)를 포함한다.
상기 가연성흡수체(120)는 제1가연성흡수체 외부환(121), 제1가연성흡수체 내부심(122)을 포함한다. 상기 핵연료소결체(110)는 환형의 구조를 가진다.
상기 가연성흡수체(120)는 상기 핵연료소결체(110) 중심부에 장입된다. 상기 가연성흡수체 피복관(130)은 상기 핵연료소결체(110)와 상기 가연성흡수체 사이에 위치된다.
상기 충진가스층(140)은 상기 핵연료소결체(110)와 상기 가연성흡수체 피복관(130) 사이에 충진된다. 상기 가연성흡수체(120)의 상기 제1가연성흡수체 외부환(121)은 상기 가연성흡수체 피복관(130)의 중심부에 위치된다.
상기 가연성흡수체(120)의 상기 제1가연성흡수체 내부심(122)은 상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치된다. 이러한 상기 가연성흡수체(120)는 스웨이징 공법을 기반으로 제작된 후 상기 핵연료소결체(110) 상에 장입된다.
한편, 상기 가연성흡수체 피복관은 나이오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 가연성흡수체 피복관은 나이오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
도 6의 실린더 형상 가연성 흡수체가 장입된 핵연료집합체의 연소도에 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과이다. 이러한 도 6은 상기 가연성흡수체(120)가 내부에서 외부를 향하여 다층이 아닌 단일층으로 이루어지는 경우의 결과값을 보여준다. 여기서 Y축은 잉여반응도 k-infinity를 나타내며 X축은 연소도 BU[GWD/MTU]를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 다층 구조의 가연성 흡수체(120)가 장입된 핵연료집합체의 연소도에 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과이다. 도 7에 도시 바와 같이 본 발명에 따른 다층 구조의 가연성 흡수체(120)가 장입된 핵연료집합체의 연소도에 따른 무한증배계수(반응도) 평가 결과가 도 6의 결과와 대비하여 잉여반응도 제어를 위한 제어값(O)이 보다 완만한게 최적화됨을 알 수 있다. 도 7 상에서도 아울러 상기 제어값(O)이 다른 조건의 값들보다 더 최적화됨을 알 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 핵연료소결체
120: 가연성흡수체
121: 제1가연성흡수체 외부환
122: 제1가연성흡수체 내부심
123: 제2가연성흡수체 외부환
124: 제3가연성흡수체 외부환
130: 가연성흡수체 피복관
140: 충진가스층
120: 가연성흡수체
121: 제1가연성흡수체 외부환
122: 제1가연성흡수체 내부심
123: 제2가연성흡수체 외부환
124: 제3가연성흡수체 외부환
130: 가연성흡수체 피복관
140: 충진가스층
Claims (9)
- 핵연료봉 집합체로서,
환형의 핵연료소결체;
상기 핵연료소결체 중심부에 장입되는 가연성흡수체;
상기 핵연료소결체와 상기 가연성 흡수체 사이에 위치되는 가연성흡수체 피복관; 및
상기 핵연료소결체와 상기 가연성흡수체 피복관 사이에 충진되는 충진가스층을 포함하며,
상기 가연성흡수체는,
상기 가연성흡수체 피복관의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 외부환과,
상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 내부심과,
상기 제1가연성흡수체 외부환이 내부에 위치되는 제2가연성흡수체 외부환과,
상기 제2가연성흡수체 외부환이 내부에 위치되는 제3가연성흡수체 외부환을 포함하며,
상기 가연성흡수체 피복관은 상기 제3가연성흡수체 외부환과 상기 핵연료소결체 사이에 위치되는, 연료봉 집합체. - 제1항에 있어서,
상기 가연성흡수체는 스웨이징 공법을 기반으로 제작된 후 상기 핵연료소결체 상에 장입되는, 핵연료봉 집합체. - 제2항에 있어서,
상기 핵연료소결체는 상방과 하방으로 상호 구획된 다층구조로 이루어지며,
상기 가연성흡수체 피복관은 상호 구획된 상기 핵연료소결체들을 상하로 관통하며,
제1가연성흡수체 외부환은 상호 구획된 상기 핵연료소결체들을 상하로 관통하며,
제1가연성흡수체 내부심은 상호 구획된 상기 핵연료소결체들을 상하로 관통하며,
상기 충진가스층은,
상기 핵연료소결체들 상에 상기 가연성흡수체 피복관, 상기 제1가연성흡수체 외부환 및 상기 제1가연성흡수체 내부심이 장입된 이후에, 상호 구획된 상기 핵연료소결체들의 상하로 형성되는, 핵연료봉 집합체. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1가연성흡수체 내부심, 상기 제1가연성흡수체 외부환, 상기 제2가연성흡수체 외부환 및 상기 제3가연성흡수체 외부환은 산화가돌리늄(Gd2O3)을 포함하는, 핵연료봉 집합체. - 제5항에 있어서,
상기 제3가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 제1수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소(Gd-155,Gd-157)를 포함하며,
상기 제2가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 상기 제1수밀도값보다 큰 제2수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함하며,
상기 제1가연성흡수체 외부환의 산화가돌리늄은 상기 제2수밀도값보다 큰 제3수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함하며,
상기 제1가연성흡수체 내부심의 산화가돌리늄은 상기 제3수밀도값보다 큰 제4수밀도값의 홀수 가돌리늄 동위원소를 포함하는, 핵연료봉 집합체 - 핵연료봉 집합체 제작방법으로서,
환형의 핵연료소결체가 준비되는 단계;
가연성흡수체와 가연성흡수체 피복관이 상기 핵연료소결체에 장입되는 단계; 및
충진가스가 상기 핵연료소결체와 상기 가연성흡수체 피복관 사이에 충진되는 단계를 포함하며,
상기 가연성흡수체는,
상기 가연성흡수체 피복관의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 외부환과,
상기 가연성흡수제 외부환의 중심부에 위치되는 제1가연성흡수체 내부심과,
상기 제1가연성흡수체 외부환이 내부에 위치되는 제2가연성흡수체 외부환과,
상기 제2가연성흡수체 외부환이 내부에 위치되는 제3가연성흡수체 외부환을 포함하며
상기 가연성흡수체 피복관은 상기 제3가연성흡수체 외부환과 상기 핵연료소결체 사이에 위치되는, 핵연료봉 집합체 제작방법. - 제7항에 있어서,
상기 가연성흡수체와 가연성흡수체 피복관은 스웨이징공법을 기반으로 제작되는, 핵연료봉 집합체 제작방법. - 제7항에 있어서,
상기 가연성흡수체 피복관은 나이오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo) 텅스텐(W), 및 탄탈럼(Ta) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어지는, 핵연료봉 집합체 제작방법.
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| KR101776860B1 (ko) * | 2016-04-20 | 2017-09-11 | 한국전력 국제원자력대학원대학교 산학협력단 | 원자로 노심의 잉여반응도를 평탄화시키기 위한 가연성 흡수봉 |
| US20180330832A1 (en) * | 2017-05-09 | 2018-11-15 | Westinghouse Electric Company Llc | Annular nuclear fuel pellets with discrete burnable absorber pins |
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|---|---|---|---|---|
| JP2016502115A (ja) * | 2012-12-28 | 2016-01-21 | テラパワー， エルエルシー | 核燃料要素 |
| KR101776860B1 (ko) * | 2016-04-20 | 2017-09-11 | 한국전력 국제원자력대학원대학교 산학협력단 | 원자로 노심의 잉여반응도를 평탄화시키기 위한 가연성 흡수봉 |
| US20180330832A1 (en) * | 2017-05-09 | 2018-11-15 | Westinghouse Electric Company Llc | Annular nuclear fuel pellets with discrete burnable absorber pins |
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