KR102663241B1 - Hybrid type neutron absorber - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 중성자 흡수체의 반경방향 팽창을 저감시키고, 중성자 흡수체에서 발생되는 기체를 제어봉 내 상부 플레넘 영역으로 용이하게 이동되도록 안내함으로써 제어봉의 구조적 변형을 저감시켜 제어봉 사용수명을 증가시키고 노심 안전성을 강화할 수 있는 하이브리드형 중성자 흡수체를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체는 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브 내의 상부에 플레넘(plenum)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 피복재 튜브 내에 장입되는 복수의 중성자 흡수체를 포함하며, 중성자 흡수체는 길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되는 본체, 본체의 외주면을 따라 미리 설정된 간격을 갖고 돌출 형성되어 본체의 반경방향 팽창을 저감시키는 복수의 돌기부, 그리고 복수의 돌기부 사이에 구비되어 본체의 외주면을 따라 기체의 상향 흐름을 안내하는 기체 유로를 포함한다.One embodiment of the present invention reduces the radial expansion of the neutron absorber and guides the gas generated from the neutron absorber to easily move to the upper plenum area within the control rod, thereby reducing structural deformation of the control rod and increasing the service life of the control rod. The purpose is to provide a hybrid-type neutron absorber that can enhance core safety. The hybrid type neutron absorber according to an embodiment of the present invention includes a plurality of neutron absorbers charged into the covering material tube at a control rod formed to be provided with a plenum at the upper part of the covering material tube formed long along the longitudinal direction, The neutron absorber includes a main body formed in a long, cylindrical shape in the longitudinal direction, a plurality of protrusions that protrude at preset intervals along the outer circumferential surface of the main body to reduce radial expansion of the main body, and a plurality of protrusions provided between the plurality of protrusions on the outer circumferential surface of the main body. It includes a gas flow path that guides the upward flow of gas.
Description
본 발명은 하이브리드형 중성자 흡수체에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid neutron absorber.
일반적으로, 원자로에 사용되는 제어봉(Control rod)은 원자로의 핵분열 반응 속도 및 출력을 조절하는 중성자 흡수체(Neutron absorber) 기능을 한다. 제어봉은 중성자 흡수능이 높은 물질(붕소(B), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 은(Ag) 등)을 주로 사용하여 핵분열을 일으키는 중성자량을 조절한다. 제어봉을 원자로에 삽입하면 핵분열 과정에서 생성되는 중성자량이 감소하여 원자로의 출력이 낮아지며, 제어봉을 원자로에서 인출하면 중성자량이 증가하면서 원자로의 출력이 높아진다.Generally, the control rod used in a nuclear reactor functions as a neutron absorber that controls the nuclear fission reaction rate and output of the nuclear reactor. Control rods mainly use materials with high neutron absorption capacity (boron (B), cadmium (Cd), indium (In), silver (Ag), etc.) to control the amount of neutrons that cause nuclear fission. When the control rod is inserted into the reactor, the amount of neutrons generated during nuclear fission decreases, lowering the reactor's output. When the control rod is taken out of the reactor, the amount of neutrons increases and the reactor's output increases.
제어봉은 다수의 원통형 중성자 흡수체(B4C 소결체 또는 Ag-In-Cd 합금)를 금속 재질의 피복재 튜브에 장입하는 형태로 구성된다. 그리고 다수의 제어봉을 스파이더(spider)로 연결하여 제어봉 집합체(Control rod assembly)를 구성하여 사용한다. 제어봉의 피복재 튜브 내에 장입된 중성자 흡수체는 제어봉이 원자로 노심에 삽입되었을 때 중성자를 흡수하는 기능을 한다. 하지만 이러한 중성자 반응에 의하여 제어봉 내에서 중성자 흡수체의 격자구조(Crystal structure) 변형 및 팽창, 기체상 반응물(He 등)에 의한 중성자 흡수체 팽윤 및 피복재 튜브 팽창 등 구조적 변형이 발생한다. 이러한 구조적 변형은 제어봉 안전성에 영향을 미치는 가장 큰 인자이며, 안전 마진을 확보하기 위하여 제어봉 수명(life-time)을 크게 제한하여 사용하고 있다. 따라서, 제어봉의 안전성에 영향을 미치는 구조적 변형에 대응할 수 있는 중성자 흡수체의 개발이 요구되고 있다.The control rod is constructed by inserting a number of cylindrical neutron absorbers (B 4 C sintered body or Ag-In-Cd alloy) into a metal cladding tube. Additionally, multiple control rods are connected with a spider to form a control rod assembly. The neutron absorber charged within the covering material tube of the control rod functions to absorb neutrons when the control rod is inserted into the reactor core. However, due to this neutron reaction, structural deformation occurs within the control rod, such as deformation and expansion of the lattice structure of the neutron absorber, swelling of the neutron absorber by gas phase reactants (He, etc.), and expansion of the covering material tube. This structural deformation is the biggest factor affecting the safety of the control rod, and the life-time of the control rod is greatly limited to ensure a safety margin. Therefore, there is a need to develop a neutron absorber that can respond to structural deformation that affects the safety of the control rod.
관련 선행문헌으로 일본등록특허 4,049,410는 "원자로 제어봉용 직사각형 중성자 흡수관"을 개시한다.As a related prior document, Japanese Patent 4,049,410 discloses “Rectangular neutron absorption tube for nuclear reactor control rod.”
본 발명의 일 실시예는 중성자 흡수체의 반경방향 팽창을 저감시키고, 중성자 흡수체에서 발생되는 기체를 제어봉 내 상부 플레넘 영역으로 용이하게 이동되도록 안내함으로써 제어봉의 구조적 변형을 저감시켜 제어봉 사용수명을 증가시키고 노심 안전성을 강화할 수 있는 하이브리드형 중성자 흡수체를 제공하기 위한 것이다.One embodiment of the present invention reduces the radial expansion of the neutron absorber and guides the gas generated from the neutron absorber to easily move to the upper plenum area within the control rod, thereby reducing structural deformation of the control rod and increasing the service life of the control rod. The purpose is to provide a hybrid-type neutron absorber that can enhance core safety.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.In addition to the above tasks, embodiments according to the present invention can be used to achieve other tasks not specifically mentioned.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체는 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브 내의 상부에 플레넘(plenum)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 피복재 튜브 내에 장입되는 복수의 중성자 흡수체를 포함하며, 중성자 흡수체는 길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되는 본체, 본체의 외주면을 따라 미리 설정된 간격을 갖고 돌출 형성되어 본체의 반경방향 팽창을 저감시키는 복수의 돌기부, 그리고 복수의 돌기부 사이에 구비되어 본체의 외주면을 따라 기체의 상향 흐름을 안내하는 기체 유로를 포함한다.The hybrid type neutron absorber according to an embodiment of the present invention includes a plurality of neutron absorbers charged into the covering material tube at a control rod formed to be provided with a plenum at the upper part of the covering material tube formed long along the longitudinal direction, The neutron absorber includes a main body formed in a long, cylindrical shape in the longitudinal direction, a plurality of protrusions that protrude at preset intervals along the outer circumferential surface of the main body to reduce radial expansion of the main body, and a plurality of protrusions provided between the plurality of protrusions on the outer circumferential surface of the main body. It includes a gas flow path that guides the upward flow of gas.
본 발명의 일 실시예는 중성자 흡수체의 반경방향 팽창을 축방향으로 분산시켜 저감시킬 수 있고, 중성자 흡수체 내에서 생성된 기체를 제어봉 내 상부 플레넘 영역으로 용이하게 이동되도록 안내할 수 있는 효과가 있다.One embodiment of the present invention has the effect of reducing the radial expansion of the neutron absorber by dispersing it in the axial direction and guiding the gas generated within the neutron absorber to be easily moved to the upper plenum area within the control rod. .
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체가 적층되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체의 팽창 전산모사를 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체의 팽창 저감 효과를 비교한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing a hybrid type neutron absorber according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a state in which hybrid-type neutron absorbers according to an embodiment of the present invention are stacked.
Figure 3 is a diagram comparing the expansion computer simulation of a hybrid-type neutron absorber according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram comparing the expansion reduction effect of hybrid-type neutron absorbers according to an embodiment of the present invention.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.With reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted, and the same reference numerals are used for identical or similar components throughout the specification. Additionally, in the case of well-known and well-known technologies, detailed descriptions thereof are omitted.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
이하에서는 도면들을 참조하여 하이브리드형 중성자 흡수체를 상세하게 설명한다. Hereinafter, the hybrid type neutron absorber will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체가 적층되는 상태를 도시한 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체는 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브(10) 내의 상부에 플레넘(plenum, 빈 공간)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 피복재 튜브(10) 내에 장입되는 복수의 중성자 흡수체를 포함한다. 여기서, 중성자 흡수체는 본체(100), 돌기부(101), 기체 유로(102)를 포함하며, 돌기부(101)는 중성자 흡수체의 반경방향(횡방향) 팽창을 축방향으로 분산시켜 저감하고, 기체 유로(102)는 중성자 흡수체 내에서 생성된 기체를 제어봉 내 상부 플레넘 영역으로 이동되도록 안내할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체는 중성자 흡수체의 반경방향 팽창량을 축방향 팽창으로 분산시킴으로써 반경방향 팽창을 저감시킴과 동시에 제어봉 내 상부 플레넘으로 기체의 상향 흐름(104)을 용이하게 안내하는 기체 유로(102) 기능을 갖는 하이브리드 구조의 중성자 흡수체를 구성함으로써, 제어봉의 구조적 변형 저감 효과를 극대화할 수 있다.Figure 1 is a diagram showing a hybrid-type neutron absorber according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a diagram showing a state in which hybrid-type neutron absorbers according to an embodiment of the present invention are stacked. Referring to Figures 1 and 2, the hybrid type neutron absorber according to an embodiment of the present invention is a control rod formed so that a plenum (empty space) is provided at the upper part of a covering material tube 10 formed long along the longitudinal direction. It includes a plurality of neutron absorbers charged into the covering material tube 10. Here, the neutron absorber includes a main body 100, a protrusion 101, and a gas flow path 102, and the protrusion 101 reduces the radial (transverse) expansion of the neutron absorber by dispersing it in the axial direction and the gas flow path. (102) can guide the gas generated within the neutron absorber to be moved to the upper plenum area within the control rod. That is, the hybrid type neutron absorber according to an embodiment of the present invention reduces the radial expansion by dispersing the amount of radial expansion of the neutron absorber into axial expansion and simultaneously promotes the upward flow of gas 104 to the upper plenum in the control rod. By constructing a neutron absorber with a hybrid structure that functions as a gas flow path 102 to easily guide, the effect of reducing structural deformation of the control rod can be maximized.
본체(100)는 길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되며, 중성자 흡수체의 길이방향을 따라 축 중심을 형성하는 기둥 기능을 한다. 여기서, 본체(100)를 포함한 중성자 흡수체의 소재는 B-화합물, Ag-In-Cd 합금, Eu-화합물, Dy-화합물, Sm-화합물, Hf-화합물, Gd-화합물, Er-화합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 중성자 흡수체의 소재는 B4C, Ag-In-Cd, Eu-based oxide, Dy-based oxide, Sm-based oxide, Hf-based oxide, Gd-based oxide, Er-based oxide, HfC, HfB2, SmB6, GdB6 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The main body 100 is formed in a cylindrical shape long in the longitudinal direction and functions as a pillar that forms the center of the axis along the longitudinal direction of the neutron absorber. Here, the material of the neutron absorber including the main body 100 is one of B-compound, Ag-In-Cd alloy, Eu-compound, Dy-compound, Sm-compound, Hf-compound, Gd-compound, and Er-compound. It may include more. For example, neutron absorber materials include B 4 C, Ag-In-Cd, Eu-based oxide, Dy-based oxide, Sm-based oxide, Hf-based oxide, Gd-based oxide, Er-based oxide, HfC. , HfB 2 , SmB 6 , and GdB 6 may be included.
돌기부(101)는 본체(100)의 외주면을 따라 미리 설정된 간격을 갖고 돌출 형성되어 본체(100)의 반경방향 팽창을 저감시키는 기능을 한다. 돌기부(101)는 복수로 구비될 수 있다. 도 1과 도 2를 참조하면, 돌기부(101)는 본체(100)의 외주면에서 원주방향을 따라 등간격으로 4개가 구비될 수 있다. 돌기부(101)를 구비함으로써 중성자 흡수체의 반경방향 팽창량을 축방향 팽창으로 분산시킴으로써, 반경방향 팽창을 저감시킬 수 있다. The protrusions 101 are formed to protrude at preset intervals along the outer peripheral surface of the main body 100 and function to reduce radial expansion of the main body 100. The protrusion 101 may be provided in plural numbers. Referring to Figures 1 and 2, four protrusions 101 may be provided at equal intervals along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the main body 100. By providing the protrusion 101, the amount of radial expansion of the neutron absorber can be distributed to axial expansion, thereby reducing radial expansion.
기체 유로(102)는 복수의 돌기부(101) 사이에 구비되어 본체(100)의 외주면을 따라 기체의 상향 흐름(104)을 안내하는 기능을 한다. 돌기부(101)와 기체 유로(102)는 서로 인접될 수 있다. 기체 유로(102)는 본체(100)의 길이방향을 따라 복수로 구비될 수 있다. 이와 같이 중성자 흡수체의 외면에 구비되는 기체 유로(102)를 통해 제어봉 내부에서 발생되는 기체의 상향 흐름(104)을 제어봉의 상부 플레넘 공간으로 용이하게 안내할 수 있다. 예를 들어, 제어봉을 형성하는 피복재 튜브(10) 내에 다수의 중성자 흡수체를 적층 장입하였을 때, 기체 유로(102)가 연속적으로 연결되도록 할 수 있다. 즉, 하부의 기체 유로(102a)와 상부의 기체 유로(102b)가 서로 연결되어 상향으로 기체 유로(102)가 연속적으로 연결되도록 할 수 있다.The gas flow path 102 is provided between the plurality of protrusions 101 and functions to guide the upward flow of gas 104 along the outer peripheral surface of the main body 100. The protrusion 101 and the gas passage 102 may be adjacent to each other. A plurality of gas flow paths 102 may be provided along the longitudinal direction of the main body 100. In this way, the upward flow of gas 104 generated inside the control rod can be easily guided to the upper plenum space of the control rod through the gas flow path 102 provided on the outer surface of the neutron absorber. For example, when a plurality of neutron absorbers are stacked and charged into the covering material tube 10 forming the control rod, the gas flow paths 102 can be connected continuously. That is, the lower gas flow path 102a and the upper gas flow path 102b can be connected to each other so that the gas flow path 102 is continuously connected upward.
도 1과 도 2를 참조하면, 하이브리드 구조를 갖는 중성자 흡수체에서 기체 유로(102)는 본체(100)의 외주면에서 복수의 돌기부(101) 사이에서 원주방향을 따라 등간격으로 4개가 구비될 수 있다. 기체 유로(102)는 나선형으로 구비될 수 있다. 여기서, 나선형은 본체(100)의 길이방향을 따라 완만한 곡선을 갖고 하부에서 상부로 길게 형성되는 형상을 포함하며, 기체의 용이한 상향 흐름(104) 안내를 위해 상향 경사지게 형성될 수 있다. 그리고 기체 유로(102)는 오목한 반원형 홈으로 구비될 수 있다. 기체 유로(102)가 반원형 홈으로 구비됨에 따라 기체의 상향 흐름(104)을 용이하게 안내할 수 있다. 즉, 기체 유로(102)는 본체(100)의 길이방향을 따라 원주방향으로 미리 설정된 경사각도를 갖고 경사지게 형성되며, 나선형의 오목한 반원형 홈 형상으로 구비될 수 있다.Referring to Figures 1 and 2, in a neutron absorber having a hybrid structure, four gas flow paths 102 may be provided at equal intervals along the circumferential direction between a plurality of protrusions 101 on the outer peripheral surface of the main body 100. . The gas flow path 102 may be provided in a spiral shape. Here, the spiral shape has a gentle curve along the longitudinal direction of the main body 100 and includes a shape that is long from the bottom to the top, and may be formed to be inclined upward to easily guide the upward flow 104 of gas. And the gas flow path 102 may be provided as a concave semicircular groove. Since the gas flow path 102 is provided as a semicircular groove, the upward flow of gas 104 can be easily guided. That is, the gas flow path 102 is formed to be inclined at a preset inclination angle in the circumferential direction along the longitudinal direction of the main body 100, and may be provided in the shape of a spiral concave semicircular groove.
또한, 기체 유로(102)는 피복층이 형성될 수 있다. 여기서 피복층은 기체 상향 흐름(104)을 용이하게 하기 위한 소재로 피복층을 형성할 수 있다. 피복층은 기체의 상향 흐름(104)을 용이하게 안내하기 위해 필요에 따라 기체 유로(102)를 포함한 본체(100)의 소재와 다른 소재로 구비될 수 있다. 기체 유로(102)의 부피는 중성자 흡수체의 전체 부피 대비 30% 이하로 형성될 수 있다. 중성자 흡수체의 외면에 상향 경사형으로 구비되는 기체 유로(102)의 부피는 30%를 넘지 않도록 형성할 수 있다. 중성자 흡수체는 70% 충진 밀도(TD)를 적용할 수 있다. 기체 유로(102)가 차지하는 부피가 30%를 넘어서면 제어봉 내의 중성자 흡수체 물질량이 부족해질 수 있다.Additionally, the gas flow path 102 may have a coating layer formed thereon. Here, the coating layer may be formed of a material to facilitate the upward gas flow 104. The coating layer may be made of a material different from that of the main body 100 including the gas flow path 102, as needed, in order to easily guide the upward flow of gas 104. The volume of the gas flow path 102 may be 30% or less of the total volume of the neutron absorber. The volume of the gas flow path 102 provided on the outer surface of the neutron absorber in an upwardly sloping manner may not exceed 30%. The neutron absorber can be applied at 70% packing density (TD). If the volume occupied by the gas flow path 102 exceeds 30%, the amount of neutron absorber material in the control rod may become insufficient.
돌기부(101)와 기체 유로(102)는 본체(100)의 원주방향을 따라 미리 설정된 경사각도를 갖고 상향으로 경사지게 구비될 수 있다. 중성자 흡수체의 외면에서 상향 경사형으로 기체 유로(102)를 구비함으로써 반경방향 팽창 저감 효과를 가지면서 기체의 상향 흐름(104)을 용이하게 안내할 수 있다. 제어봉을 형성하는 피복재 튜브(10) 내에 다수의 중성자 흡수체를 적층 장입하였을 때, 기체 유로(102)가 연속적으로 연결되려면, 경사각도가 적어도 45도 이상으로 크게 형성되는 것이 유리하다. 중성자 흡수체의 내측면 또는 내부 중심에 유로 구조를 형성하면 반경방향 팽창 저감 효과가 거의 없다. 예를 들어, 중성자 흡수체의 축방향이나 반경방향으로 일직선(90도 또는 0도)이 되면 반경방향 팽창 저감 효과가 없다. 여기서, 경사각도는 60도 내지 80도 범위로 설정될 수 있다. 중성자 흡수체의 외면 경사형 유로 구조인 기체 유로(102)는 제어봉 상부 플레넘 공간으로의 기체 확산을 용이하게 하는 것이 중요하므로, 플레넘 방향을 향하는 경사각도는 60도 내지 80도 범위로 설정될 수 있다. 경사각도는 70°로 설정할 수 있다. 경사각도는 필요에 따라 중상자 흡수체의 강도를 저하시키지 않고 기체의 배출을 용이하게 안내할 수 있는 범위 내에서 변형 가능하다.The protrusion 101 and the gas passage 102 may be provided to be inclined upward with a preset inclination angle along the circumferential direction of the main body 100. By providing the gas flow path 102 in an upwardly inclined manner on the outer surface of the neutron absorber, the upward flow of gas 104 can be easily guided while having the effect of reducing radial expansion. When a plurality of neutron absorbers are stacked and charged into the covering material tube 10 forming the control rod, in order for the gas flow path 102 to be continuously connected, it is advantageous for the inclination angle to be formed as large as at least 45 degrees. Forming a channel structure on the inner side or inner center of the neutron absorber has little effect in reducing radial expansion. For example, if the neutron absorber is straight (90 degrees or 0 degrees) in the axial or radial direction, there is no effect of reducing radial expansion. Here, the inclination angle can be set in the range of 60 degrees to 80 degrees. Since it is important for the gas flow path 102, which is an external inclined flow path structure of the neutron absorber, to facilitate gas diffusion into the plenum space above the control rod, the inclination angle toward the plenum direction can be set in the range of 60 to 80 degrees. there is. The inclination angle can be set to 70°. The inclination angle can be modified as needed within a range that can easily guide the discharge of gas without reducing the strength of the heavy casualty absorber.
상기한 바와 같이 제어봉의 구조적 변형을 저감하는 기술은 두 가지 방향으로 접근할 수 있다. 예를 들어, 중성자 흡수체의 소재 대비 중성자 반응에 의한 격자구조 변형 및 팽창이 안정적인 신소재로 대체할 수 있다. 그리고 중성자 흡수체와 동일 소재를 사용하되, 원통형 또는 원주형 구조를 개선함으로써 팽윤과 팽창에 따른 변형 정도가 작아지도록 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예는 중성자 흡수체 구조를 개선하여 종래기술의 문제점을 해결하고자 하였다. 좀 더 구체적으로, 본 발명의 실시예는 중성자 흡수체 구조 구성을 두 가지 측면에서 개선하고자 하였다. 첫 번째로, 중성자 흡수체의 반경방향 팽창량을 축방향 팽창으로 분산시킴으로써, 반경방향 팽창을 저감시키는 구조를 형성하였다. 제어봉 손상에는 중성자 흡수체의 반경방향 팽창이 주된 영향으로 작용하기 때문이다. 두 번째로, 중성자 흡수체 내에서 생성된 후 빠져 나간 기체상 반응물(He 등)이 제어봉의 피복재 튜브(10)에 응력을 가하는 것을 완화하고자 제어봉 내 상부 플레넘으로 이동되도록 기체 유로(102)를 중성자 흡수체의 외면에 구비하였다. 그리고 이러한 두 가지 기능적 장점을 동시에 갖는 하이브리드 구조의 중성자 흡수체를 구성함으로써, 제어봉 구조적 변형 저감 효과가 극대화 될 수 있도록 하였다.As mentioned above, technology for reducing structural deformation of the control rod can be approached in two directions. For example, compared to the neutron absorber material, it can be replaced with a new material that has stable lattice structure deformation and expansion due to neutron reaction. In addition, the same material as the neutron absorber can be used, but the degree of deformation due to swelling and expansion can be reduced by improving the cylindrical or cylindrical structure. Embodiments of the present invention sought to solve problems in the prior art by improving the neutron absorber structure. More specifically, embodiments of the present invention sought to improve the neutron absorber structural configuration in two aspects. First, a structure was formed that reduces radial expansion by dispersing the radial expansion of the neutron absorber into axial expansion. This is because the radial expansion of the neutron absorber has a major effect on control rod damage. Second, the gas flow path 102 is neutron-generated so that the gaseous reactants (He, etc.) generated in the neutron absorber and then released are moved to the upper plenum within the control rod to relieve stress on the covering material tube 10 of the control rod. It was provided on the outer surface of the absorber. And by constructing a neutron absorber with a hybrid structure that has both of these functional advantages at the same time, the effect of reducing structural deformation of the control rod was maximized.
본 발명의 실시예를 통하여, 제어봉의 중성자 흡수체 기술의 중요 고려 사항인 제어봉 및 중성자 흡수체의 구조적 변형 저감을 해결할 수 있다. 제어봉 및 중성자 흡수체 구조적 변형 저감 기술의 핵심은 제어봉 중성자 흡수체의 반경방향(횡방향) 팽창을 축방향으로 분산시켜 저감하고, 중성자 흡수체 내에서 생성된 기체가 제어봉 내 상부 플레넘 영역으로 쉽게 확산 이동하도록 하는 것이다. 본 발명의 실시예는 이러한 기능적 장점을 동시에 가질 수 있는 하이브리드형 중성자 흡수체에 관한 것이다.Through embodiments of the present invention, it is possible to solve the structural deformation reduction of the control rod and the neutron absorber, which is an important consideration in the neutron absorber technology of the control rod. The core of the control rod and neutron absorber structural deformation reduction technology is to reduce the radial (transverse) expansion of the control rod neutron absorber by dispersing it in the axial direction, and to allow the gas generated within the neutron absorber to easily diffuse and move to the upper plenum area within the control rod. It is done. Embodiments of the present invention relate to a hybrid neutron absorber that can simultaneously have these functional advantages.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체의 팽창 전산모사를 비교한 도면이다. 도 3을 참조하면, 제어봉의 구조적 변형 저감을 위한 하이브리드 구조가 적용된 중성자 흡수체의 개념도 및 팽창 전산모사 계산 결과를 알 수 있다. 도 3의 실시예와 기존 구조의 비교예 1을 대비해보면, 실시예는 직경방향 팽창이 크게 저감되는 것을 확인할 수 있다. 제어봉은 다수의 원통형 중성자 흡수체(B4C 소결체 또는 Ag-In-Cd 합금)를 금속 재질(SUS 또는 inconel)의 피복재 튜브(10)에 장입하는 형태로 구성될 수 있다. 제어봉의 피복재 튜브(10) 내에 장입된 중성자 흡수체는 제어봉이 원자로 노심에 삽입되었을 때 중성자를 흡수하는 기능을 한다. 하지만 이러한 중성자 반응에 의하여 제어봉 내에서 중성자 흡수체 외측방향으로의 팽창 및 팽윤 등 구조적 변형이 발생할 수 있다(비교예 1).Figure 3 is a diagram comparing the expansion computational simulation of a hybrid-type neutron absorber according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 3, a conceptual diagram and expansion computer simulation calculation results of a neutron absorber with a hybrid structure applied to reduce structural deformation of the control rod can be seen. Comparing the example of FIG. 3 with Comparative Example 1 of the existing structure, it can be seen that the diametric expansion in the example is significantly reduced. The control rod may be configured by inserting a plurality of cylindrical neutron absorbers (B 4 C sintered body or Ag-In-Cd alloy) into a covering material tube 10 made of metal (SUS or inconel). The neutron absorber charged within the covering material tube 10 of the control rod functions to absorb neutrons when the control rod is inserted into the reactor core. However, due to this neutron reaction, structural deformation such as expansion and swelling toward the outside of the neutron absorber may occur within the control rod (Comparative Example 1).
중성자 흡수체 외측 방향으로의 구조적 변형을 저감시키는 방법으로써, 중성자 흡수체 내부에 팽창 및 팽윤을 완화할 수 있는 공간(free space)을 두는 방법을 고려할 수 있다(비교예 2). 중성자 흡수체 내에 30% 부피 비의 플레넘을 둔 경우를 가정하여 팽창 정도를 전산모사 계산한 결과를 참고하면, 거의 저감 효과가 없는 것을 확인할 수 있다.As a method of reducing structural deformation toward the outside of the neutron absorber, a method of leaving a free space inside the neutron absorber to alleviate expansion and swelling can be considered (Comparative Example 2). Referring to the results of a computer simulation calculation of the degree of expansion assuming a plenum with a 30% volume ratio within the neutron absorber, it can be seen that there is almost no reduction effect.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수체의 외면에 형성된 기체 유로(102)는 제어봉 내 상단의 플레넘까지 연결되어, 중성자 흡수체에서 방출된 기체가 제어봉의 피복재 튜브(10)에 응력을 가하지 않고 상부의 플레넘으로 확산 이동하는 것을 용이하게 안내할 수 있다.Meanwhile, the gas flow path 102 formed on the outer surface of the neutron absorber according to the embodiment of the present invention is connected to the plenum at the top of the control rod, so that the gas released from the neutron absorber does not apply stress to the covering material tube 10 of the control rod. Diffusion movement to the upper plenum can be easily guided.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체의 팽창 저감 효과를 비교한 도면이다. 도 4는 기존 중성자 흡수체 대비 하이브리드 구조 중성자 흡수체의 팽창 저감 효과를 전산모사 계산하여 비교한 것이다. 중성자 흡수체 물질은 모두 B4C로 동일하게 고려하였다. 중성자 흡수체의 비교에 있어 기존 중성자 흡수체(200a) 구조(비교예 1)와 내부 플레넘을 갖는 중성자 흡수체(200b) 구조(비교예 2)는 거의 차이가 없는 것으로 평가 되었다. 반면에 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체(실시예)의 경우는 반경방향 팽창이 약 20% 이상 저감되는 것으로 확인되었다. 이와 같이 중성자 흡수체의 하이브리드형 구조 변화로 중성자 흡수체의 구조적 변형 저감 극대화를 구현할 수 있다. 여기서, 반경방향 팽창 정도(약 20%)는 중성자 흡수체 표면 구조 형상의 개수, 폭, 각도 및 두께 등에 따라 더욱 향상 될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예는 반경방향 팽창을 저감시킴과 동시에 기체 유로(102) 기능을 갖는 하이브리드 구조를 만족하면, 중성자 흡수체의 표면 구조 형상의 개수, 폭, 각도 및 두께에 한정되지 않으며, 다양한 설계 변경이 가능하다.Figure 4 is a diagram comparing the expansion reduction effect of hybrid-type neutron absorbers according to an embodiment of the present invention. Figure 4 compares the expansion reduction effect of the hybrid structure neutron absorber compared to the existing neutron absorber through computer simulation calculations. All neutron absorber materials were considered equally B 4 C. In comparing neutron absorbers, it was evaluated that there was almost no difference between the existing neutron absorber (200a) structure (Comparative Example 1) and the neutron absorber (200b) structure with an internal plenum (Comparative Example 2). On the other hand, in the case of the hybrid type neutron absorber (Example) according to the embodiment of the present invention, it was confirmed that the radial expansion was reduced by more than about 20%. In this way, it is possible to maximize the reduction of structural deformation of the neutron absorber by changing the hybrid structure of the neutron absorber. Here, the degree of radial expansion (about 20%) can be further improved depending on the number, width, angle, and thickness of the neutron absorber surface structure shape. Therefore, the embodiment of the present invention is not limited to the number, width, angle, and thickness of the surface structure shape of the neutron absorber, and is not limited to various designs as long as it satisfies a hybrid structure that reduces radial expansion and has a gas flow path 102 function. Change is possible.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수체는 모사재료를 이용하여 3D프린팅 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 구조를 갖는 중성자 흡수체는 DLP(Digital Light Processing) 3D프린팅 방법과 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D프린팅 방법을 각각 이용하여 제조할 수 있다. 중성자 흡수체의 주요 소재인 B4C와 같은 세라믹 소재는 통상적인 세라믹 제조 방법보다는 3D프린팅 방법을 이용하여 제조하는 것이 효과적이나 이에 한정되지는 않는다.Meanwhile, the neutron absorber according to an embodiment of the present invention can be manufactured using a 3D printing method using a simulated material. For example, a neutron absorber with a hybrid structure can be manufactured using the Digital Light Processing (DLP) 3D printing method and the Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing method, respectively. It is more effective to manufacture ceramic materials such as B 4 C, which is the main material of neutron absorbers, using 3D printing methods rather than conventional ceramic manufacturing methods, but is not limited to this.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체는 제어봉과 중성자 흡수체 기술의 중요 고려 사항인 제어봉 및 중성자 흡수체의 구조적 변형 저감을 해결하는 효과를 가질 수 있다. 제어봉 형태 및 시스템 구조에 맞추어 반경방향 팽창을 저감시킴과 동시에 기체 유로(102) 기능을 갖는 하이브리드형 중성자 흡수체를 설계할 수 있고, 이를 통해 구조적 변형 저감 효과를 극대화 할 수 있다. 제어봉 수명을 결정하는 중성자 흡수체 및 제어봉의 피복재 튜브(10) 반경방향 팽창을 저감시킴으로써 제어봉 사용수명이 증가될 수 있으며, 이에 따른 경제적 효과도 있다. 또한 제어봉의 사용수명 증가로 사용후 제어봉 폐기물을 감소시킬 수 있으며, 제어봉 손상 확률 저감에 따른 노심 안전성 강화 효과를 기대할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 중성자 흡수체는 현 가동원전 노심 뿐 아니라 다양한 노형의 노심에도 적용 가능(SMR, Micro-reactor 등)할 것으로 예상하며, 제어봉 뿐 아니라 중성자 흡수체가 필요한 구조에도 활용할 수 있다. 또한 팽윤/팽창 저감 기능이 필요한 다양한 소재 구조 기술로 적용할 수 있다.As described above, the hybrid neutron absorber according to the embodiment of the present invention can have the effect of solving the structural deformation reduction of the control rod and neutron absorber, which is an important consideration in control rod and neutron absorber technology. It is possible to design a hybrid neutron absorber that reduces radial expansion and functions as a gas flow path 102 according to the control rod shape and system structure, thereby maximizing the effect of reducing structural deformation. By reducing the radial expansion of the neutron absorber, which determines the lifespan of the control rod, and the radial expansion of the control rod's covering material tube 10, the service life of the control rod can be increased, which also has an economic effect. In addition, by increasing the service life of the control rod, post-use control rod waste can be reduced, and the effect of strengthening core safety can be expected by reducing the probability of control rod damage. In addition, the hybrid-type neutron absorber according to the embodiment of the present invention is expected to be applicable not only to the current operating nuclear power plant core but also to various reactor types (SMR, Micro-reactor, etc.), and can be used not only for control rods but also for structures that require a neutron absorber. there is. In addition, it can be applied to various material structure technologies that require swelling/swelling reduction functions.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.
10 ; 피복재 튜브 100 ; 본체
101 ; 돌기부 102 ; 기체 유로10 ; Covered tube 100; main body
101 ; protrusion 102; gas flow path
Claims (9)
를 포함하며,
상기 중성자 흡수체는
길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되는 본체,
상기 본체의 외주면을 따라 미리 설정된 간격을 갖고 돌출 형성되어 상기 본체의 반경방향 팽창을 저감시키는 복수의 돌기부, 그리고
상기 복수의 돌기부 사이에 구비되어 상기 본체의 외주면을 따라 기체의 상향 흐름을 안내하는 기체 유로
를 포함하고,
상기 돌기부와 상기 기체 유로는 상기 본체의 원주방향을 따라 미리 설정된 경사각도를 갖고 상향으로 경사지게 구비되어 상기 중성자 흡수체의 반경방향 팽창량을 축방향 팽창으로 분산시킴으로써 반경방향 팽창을 저감시킴과 동시에 상기 피복재 튜브 내에 적층 장입된 복수의 중성자 흡수체에 각각 구비된 기체 유로가 상향으로 연속적으로 연결되어 각각의 중성자 흡수체 내에서 생성된 기체를 제어봉 내 상부 플레넘 영역으로 이동되도록 안내하며,
상기 중성자 흡수체는 70% 이상의 충진 밀도(TD)를 적용하며, 상기 기체 유로는 상기 본체의 길이방향을 따라 하부에서 상부로 길게 형성되는 나선형으로 구비되고, 상기 경사각도는 60도 내지 80도 범위로 설정되어 기체의 상향 흐름을 안내하는 하이브리드형 중성자 흡수체.A plurality of neutron absorbers are charged into the coating material tube from a control rod formed to have a plenum at the top of the coating material tube formed long along the longitudinal direction.
Includes,
The neutron absorber is
A body formed in a long, cylindrical shape in the longitudinal direction,
A plurality of protrusions formed to protrude at preset intervals along the outer peripheral surface of the main body to reduce radial expansion of the main body, and
A gas flow path provided between the plurality of protrusions to guide the upward flow of gas along the outer peripheral surface of the main body.
Including,
The protrusion and the gas flow path are inclined upward with a preset inclination angle along the circumferential direction of the main body to reduce radial expansion by dispersing the amount of radial expansion of the neutron absorber into axial expansion and at the same time to reduce the radial expansion of the covering material. The gas flow paths provided in each of the plurality of neutron absorbers stacked and charged in the tube are continuously connected upward to guide the gas generated in each neutron absorber to the upper plenum area in the control rod,
The neutron absorber applies a packing density (TD) of 70% or more, and the gas flow path is provided in a spiral shape extending from the bottom to the top along the longitudinal direction of the main body, and the inclination angle is in the range of 60 to 80 degrees. A hybrid neutron absorber that is set up to guide the upward flow of gas.
상기 돌기부와 상기 기체 유로는 서로 인접되는 하이브리드형 중성자 흡수체.In paragraph 1:
A hybrid type neutron absorber in which the protrusion and the gas flow path are adjacent to each other.
상기 기체 유로는 상기 본체의 길이방향을 따라 복수로 구비되는 하이브리드형 중성자 흡수체.In paragraph 2,
A hybrid type neutron absorber wherein the gas flow path is provided in plurality along the longitudinal direction of the main body.
상기 기체 유로는 오목한 반원형 홈으로 구비되는 하이브리드형 중성자 흡수체.In paragraph 3,
A hybrid type neutron absorber in which the gas flow path is provided with a concave semicircular groove.
상기 기체 유로는 피복층이 형성되는 하이브리드형 중성자 흡수체.In paragraph 1:
A hybrid type neutron absorber in which a coating layer is formed in the gas flow path.
상기 기체 유로의 부피는 상기 중성자 흡수체의 전체 부피 대비 30% 이하로 형성되는 하이브리드형 중성자 흡수체.In paragraph 1:
A hybrid type neutron absorber in which the volume of the gas flow path is 30% or less compared to the total volume of the neutron absorber.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009503463A (en) * | 2005-07-29 | 2009-01-29 | アレヴァ エンペー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | Pressurized water reactor control rod |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230065753A (en) | 2023-05-12 |
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Legal Events
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