KR19980080622A - 핵연료봉의 복합 피복 - Google Patents

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KR19980080622A
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레오나드에프.피. 반스왐
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베르니에엔.펨레이테
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Abstract

본 발명은 핵원자로를 위한 핵연료용 고강도 피복관에 관한 것으로, 이러한 피복관은 몰리브덴과 3 내지 6 중량%의 비스무스, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된 관형 내층을 가진다.

Description

핵연료봉의 복합 피복
본 발명은 핵반응기용 핵연료봉에 관한 것으로서, 특히 핵연료 조립체에서 가압수로(pressurized water reactors)에 사용되는 지르코늄계 합금으로 구성된 피복관(cladding tube)에 관한 것이다.
경수로용 핵연료봉에 사용되는 피복은 핵분열 생성물이 연료로부터 냉각제/완충제로 방출되는 것을 방지하고, 연료와 냉각제/완충제 간의 접촉 및 화학반응을 방지하는 기능을 한다. 그러한 피복은 원자로 작동시의 조건과 환경에서 높은 내식성과 뛰어난 기계적 성질을 갖고 있어야 한다. 그러므로, 피복은 거의 345 ℃에 달하는 온도에서 물과 증기 내에서 작동하기 위한 연료봉의 수명에 충분한 내식성과, 연료봉의 수명에 걸쳐서 충분한 강도 및 내크리프성을 가져야 하고, 그리고 핵분열 연료물질을 경제적으로 사용하기 위하여 통상적으로 기생적 중성자 흡수가 낮아야 한다.
일반적인 피복재료는 지르코늄, 지르코늄 합금, 및 스테인레스강을 포함한다. 주성분이 지르코늄인 지르코늄 기초합금이 수십년동안 핵연료봉 또는 원소의 피복으로 사용되어 왔다. 만족스럽게 실행되는 지르코늄 합금으로 가장 일반적으로 사용되는 것 중의 두 개는 지르칼로이-2와 지르칼로이-4이며, 이는 시험 및 재료표준을 위한 미국협회(American Society for Testing and Material standard) B350-93(1993), 핵응용 지르코늄 및 지르코늄 합금 잉곳 표준 설명서, 조성물 R60802 및 R60804에 각각 기술되어 있다. 지르칼로이-2(조성물 R60802)는 1.2 내지 1.7 중량%의 주석과, 0.07 내지 0.2 중량%의 철과, 0.05 내지 0.15 중량%의 크롬과, 그리고 0.03 내지 0.08 중량%의 니켈로 조성되어 있으며, 여기서 철과 크롬과 니켈을 합한 함유량은 0.8 내지 0.38 중량%이고, 나머지는 지르코늄과 불순물이다. 지르칼로이-4(조성물 R60804)는 1.2 내지 1.7 중량%의 주석과, 0.18 내지 0.24 중량%의 철과, 0.07 내지 0.13 중량%의 크롬으로 조성되어 있으며, 여기서 철과 크롬을 합한 함유량은 0.28 내지 0.37 중량%이고, 나머지는 지르코늄과 불순물이다. 지르칼로이-2와 지르칼로이-4의 최대 불순물량은 ASTM B350-93 표준의 표 1인 하기의 표에 주어져 있다.
최대 불순물(중량 퍼센트)
R60802 R60804
알루미늄 0.0075 0.0075
붕소 0.00005 0.00005
카드뮴 0.00005 0.00005
탄소 0.027 0.027
코발트 0.0020 0.0020
구리 0.0050 0.0050
하프늄 0.010 0.010
수소 0.0025 0.0025
산소 * *
마그네슘 0.0020 0.0020
망간 0.0050 0.0050
몰리브덴 0.0050 0.0050
니켈 - 0.0070
니오븀 0.010 0.010
질소 0.0065 0.0065
실리콘 0.012 0.0120
주석 - -
티타늄 0.0050 0.0050
텅스텐 0.010 0.010
우라늄(전체) 0.00035 0.00035
* 구매주문서에 명기되어 있는 경우, 산소는 결정 및 기록되고, 최대 또는 최저 허용치, 또는 둘 다가 명기된 바와 같이 될 것이다.
비록 상기 등의 합금이 일반적으로 충분한 성능을 제공하지만, 이들은 최적의 강도 및 내식성을 둘 다 지니지 않고 있는 단일 금속이나 합금(때때로 스루우(through)벽 피복으로 일컬어짐)으로 구성된 단일벽 피복을 씌우는 핵연료봉의 다른 구조 및 다른 재료를 발견하기 위한 분석 및 연구를 촉진해온 결점을 지니고 있다. 핵연료봉으로 사용되기 위한 단일 또는 스루우벽 피복에 대한 다른 구조는 이중 또는 다중층 튜브를 포함한다. 이러한 형태의 피복은 (ㄱ) 높은 내식성 합금으로 이루어진 외층과 (ㄴ) 피복의 기계적 강도의 크기를 제공하는 내층을 갖고 있다. 때때로 이중 피복으로 일컬어지는, 특별히 낮은 주석 지르칼로이형 외층(0.8 중량%의 아주 적은 주석)과 지르칼로이-4 내층을 갖춘 이러한 형태의 피복은 핵연료봉 피복으로 일반적으로 사용되고 있다. 다른 다양한 내식성 합금인 얇은 외층(3 내지 5 밀)을 갖춘 지르칼로이-4 내층 피복이 제조되어 원자로에서 시험되어 왔다. 0.5 중량%의 주석과, 0.5 중량%의 철과 나머지는 지르코늄으로 구성되어 있는 외층 합금과 0.5 중량%의 주석과, 0.5 중량%의 철과, 0.2 중량%의 크롬과, 나머지는 지르코늄으로 구성되어 있는 다른 외층 합금은 각각 고온 가압수 원자로 내에서 특별한 내식성을 보여준다. 핵연료봉을 위한 다중층식 튜브구조와 합금의 예는 본 발명에 참고되는 미국특허 제 5,493,592호와, 제 4,963,316호와, 그리고 제 4,735,768호에 기술되어 있다.
주로 경제적인 이유에서 계속해서 증가하고 수행되는 긴 내부원자로 체류회수와 높은 연료소비량에 의해, 핵연료봉 피복용 통상적 합금의 성능이 영향을 받는다. 지르칼로이의 내식성은 주된 관심사였으며, 특히 근대에는 지르칼로이상의 부식필름이 약 50 내지 60 MWd/kgU의 연료소비량을 위해 바람직하지 않은 수준에까지 도달할 수 있는 낮은 누출 코아 로딩을 사용하는 높은 냉각제 온도 가압수 원자로에서 그러하다. 지르칼로이의 내식성을 최적화하려는 노력으로, 주석의 양을 감소시켜서 피복재료의 강도 및 내크리프성이 감소되어 왔다. 예를 들어, 지난 십여 년에 걸쳐 거의 1.55 중량%에서 유지되었던 핵연료봉 내의 피복물질로 사용된 지르칼로이의 주석양은 거의 1.30 중량%의 적은 양으로 낮춰져왔다. 이러한 주석양의 감소는 특히 높은 연료소비에서 실질적으로 더 나은 내식성을 야기하였으나, 피복의 기계적 성질에 상당히 좋지 않은 영향을 미쳐왔다. 주석은 지르칼로이의 합금요소를 강화하는 용질용액이며, 합금의 강도와 내크리프성을 향상시킨다. 그러나, 지르칼로이의 주석 양을 감소시키는 것은 피복의 강도는 물론 크리프다운(creepdown)되도록 피복의 저항력을 감소시킨다.
지르코늄 합금과 지르칼로이의 높은 연료소비 실행의 제한을 극복하기 위하여, 합금개발프로그램이 시행되었으며, 내식성, 고강도 및 내크리프성은 물론 낮은 중성자 단면적의 보다 양호한 조합을 가질 수 있는 핵연료봉피복으로 사용되기 위한 지르코늄 합금의 연구 및 개발이 지금까지 계속되고 있다.
본 발명의 목적은 현재까지 생산되어 있는 핵연료봉피복을 (Ⅰ) 예외적으로 내부원자로 내식성이 있는 다중층식 피복튜브의 외층용 합금을 사용하여 개선하고, 본 발명에 따라서 (Ⅱ) 낮은 기생적 중성자 흡수 특성을 유지하는 한편, 지르칼로이-2 또는 지르칼로이-4보다 고강도를 갖는 피복의 내부용 새로운 합금을 이용하는 것이다.
다중층식 피복튜브의 내층을 위해 그러한 고강도 합금을 사용함으로써, 전체 피복튜브의 벽두께는 감소될 수 있는 동시에 연료봉의 기계적 설계와 성능기준을 여전히 유지한다. 피복 벽두께의 감소가 가능해짐으로써, 피복의 단위길이당 피복중량이 감소될 수 있으며, 피복제조에 적은 양의 재료가 들어가기 때문에 소정 길이의 피복튜브의 가격이 낮아진다. 더욱이, 피복 벽두께의 감소가 가능해짐으로써, 소정의 조성물의 피복을 위한 기생적 중성자 흡수가 피복 벽두께에 비례하기 때문에 기생적 열중성자 흡수의 감소로 야기되는 연료 싸이클 비용이 개선될 수 있다. 현재 사용되고 있는 주석 또는 니오븀 첨가물보다 작은 열중성자 단면적을 갖는 합금요소는 합금의 기생적 중성자 흡수를 감소시킬 수 있음은 물론 연료 싸이클 비용이 부가적으로 개선된다.
다중층식 피복의 내층을 위해 그러한 고강도 합금을 사용함으로써, 일정한 연료봉의 외경을 유지하면서 큰 직경의 연료입자를 사용하는 것이 가능해짐으로써 달성된 연료봉 핵분열물질 중량의 증가와 피복 벽두께의 감소로 인해 상당한 에너지 제조비용이 절감될 수 있다. 소정의 연료봉 설계를 위해, 피복의 외경은 열적 유압조건에 의해 미리 결정되므로 쉽게 변경할 수 없다. 얇은 벽을 갖춘 피복은 동일한 외경을 가지면서 두꺼운 벽을 갖춘 피복보다 큰 직경의 연료입자를 수용할 수 있다. 큰 직경의 연료입자는 동일한 양의 에너지를 생산하도록 작은 직경의 입자보다 낮은 우라늄 함유량을 가질 수 있다. 약간 농후한 우라늄 2산화물 핵연료인 경우에는, 연료봉의 단위길이의 에너지 생성 수명은 단위길이당 U235원자의 전체수에 비례한다. 그러므로, 예를 들어 4.00 중량%의 U235가 함유된 0.300 인치(약 0.762 cm) 직경의 입자를 포함하고 있는 두꺼운 벽을 갖춘 연료봉보다 0.005 인치(약 0.0127 cm) 더 얇은 벽을 갖춘 피복을 사용함으로써, 0.310 인치(약 0.7874 cm) 직경의 연료입자가 사용될 수 있다. 이러한 입자의 감소된 U235함유량은 연료의 단위길이당 동일한 수의 U235원자를 유지하도록 다음과 같을 것이다.
(여기서, L은 연료의 단위길이)
선택적으로, 동일한 U235함유량을 유지하며 입자직경을 증가시킴으로써, 연료봉의 단위길이당 U235원자의 수가 증가하고 연료의 단위길이당 에너지 생성 수명 또한 증가될 것이다. 어떠한 실시예에서도 두꺼운 스루우벽 지르칼로이 피복을 사용하는 것에 비해 비교적 고가이지만 얇은 벽을 갖춘 다중층식 피복을 사용함으로써 원자로 연료 싸이클 비용이 감소될 것이다.
도 1은 높이 방향으로 단축시킨 가압수로용 핵연료 조립체의 측단면도
도 2a는 2개의 층으로 구성된 복합 이중 피복을 갖는 도 1의 핵연료 조립체의 핵연료봉의 개략적인 단면도.
도 2b는 3개의 층으로 구성된 복합 삼중 피복을 갖는 도 1의 핵연료 조립체의 핵연료봉의 개략적인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 핵연료 조립체 12 : 하부 이음판
14 : 안내관 16 : 간격 격자
18 : 핵연료봉 22 : 상단부 플러그
24 : 하단부 플러그 26 : 상부 이음관
28 : 기구관 80 : 핵연료 펠리트
110,120 : 핵연료봉 피복관 111,121 : 외층
114,124 : 내층 127 : 최내층
본 발명은 핵연료를 수용하기 위한 신장된 중공의 관형 피복을 포함하는 냉각 및 완화 원자로용 핵연료를 위한 고강도의 피복관에 관한 것으로, 이러한 관형 피복은 외벽 및 내벽을 구비하며 지르코늄 합금으로 구성된 관형 외층과, 관형 외층의 내벽에 결합되며, 비스무스를 함유하는 고강도의 지르코늄계 합금으로 구성되는 관형 내층을 포함하는데, 일실시예에서는 기본적으로 몰리브덴과 3 내지 6 중량%의 비스무스와, 나머지는 지르코늄으로 구성된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 핵연료용 고강도 피복관에서, 관형 내층은 1.5 내지 6 중량%의 비스무스와, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 고강도 지르코늄계 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 핵연료용 고강도 피복관에서, 관형 내층은 기본적으로 1.5 내지 3 중량%의 비스무스와, 0.5 내지 3 중량%의 니오븀과, 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴으로 구성되는 고강도 지르코늄계 합금으로 구성되는데, 여기서 니오븀과 몰리브덴의 양은 1.5 중량% 이상이다.
지르칼로이-4 및 지르칼로이-2는 순수 지르코늄 보다 강하고, 내크리프성이 우수하다. 지르코늄 합금은 전형적으로 고용경화 및 석출경화 등의 두 기구에 의해 강화될 수 있다. 이러한 강화 기구는 많은 고강도 지르코늄 합금에 적용된다. 가장 우수한 석출 강화제는 니오븀이다. 다른 석출 경화제 중에서, 러시아인에 의해 개발된 1 %의 니오븀, 1.2 %의 주석, 0.4 %의 철을 함유하는 지르코늄 합금과, 캐나다에서 CANDU 압력관으로 사용되는 2.5 내지 2.8 %의 니오븀을 함유하는 지르코늄 합금이 사용된다. 다른 석출 강화제로는 몰리브덴과 실리콘이 있다. 지르칼로이-4 와 지르칼로이-2의 강도는 주로 고용강화제인 주석을 첨가하여 얻어지는데, 이는 주석이 지르코늄 기지에 고용되기 때문이다. 주석의 원자 반경은 0.1584nm 로서, 이는 지르코늄의 원자 반경인 0.1602nm 와 거의 동일하며, 주석 원자는 합금의 결정격자에서 지르코늄 원자를 대신하거나 치환한다. 따라서, 주석은 또한 지르코늄계 합금에 사용될 때 치환 합금원소라고도 한다. 지르칼로이-4에 철과 크롬을 첨가하는 것과 지르칼로이-2에 철과 크롬 및 니켈을 첨가하는 것은 이들 합금의 기계적 성질에 실질적으로 영향을 주지 못하는데, 이는 이들 원소들이 지르코늄 α상에 거의 불용성이며, 단지 소량만이 첨가되기 때문이다. 이러한 합금 원소는 지르칼로이의 부식 거동을 개선하기 위해 주로 첨가된다. 원자로 작동 온도에서 및 그 이하에서, 이들 전이 원소들은 적절한 조성 Zr(CrFe)2또는 Zr2(NiFe)을 형성하며 작은 중간금속 입자의 형태로 존재한다.
본 발명은 지르코늄에 소정의 합금 원소를 첨가하여 개선된 강도와 내크리프성을 가지는 합금을 제조하는 것이다. 보다 상세하게는, 약 1.5 내지 6 중량%의 비스무스와, 1 내지 4 중량%의 주석, 0.5 내지 3 중량%의 니오븀 및/또는 0. 내지 1.5 중량%의 몰리브덴으로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소 또는 원소의 혼합물과, 나머지는 지르코늄을 포함하는 합금은 강도와 내크리프성이 실질적으로 개선된다.
본 발명에 따르면, 두 개의 층으로 구성된 피복관의 내부 층 또는 3개 이상의 층으로 구성된 피복관의 내부 층으로써 사용되는, 고강도와 개선된 크리프 거동 뿐만 아니라 기생적 중성자의 흡수가 감소된 합금은 1.5 내지 6 중량%의 비스무스(Bi)가 첨가된 지르코늄을 포함한다. 주석과 유사하게, 비스무스는 고용 강화제이다. 지르코늄의 원자 반경 0.1602nm이 비교하여 비스무스의 원자 반경은 0.1700nm이다. 이는 비스무스를 주석과 유사한 치환 합금원소가 되게 한다. 합금원소로서 비스무스를 사용할 때의 부가적인 장점은 매우 낮은 열 중성자 단면을 가진다는 점으로, 지르코늄의 단면이 0.184반(barns)인 반면 비스무스의 단면은 0.034반이다. 주석의 열 중성자 단면은 0.610반이다. 지르코늄에 주석의 첨가는 순수 지르코늄 금속에 비해 합금의 기생적 중성자 흡수를 증가시키는 반면, 비스무스의 첨가는 지르코늄 금속 또는 지르칼로이에 비해 기생적 중성자 흡수를 저하시킨다.
다음과 같은 합금 원소의 조성비를 갖는 지르코늄 합금은 지르칼로이 및 지르코늄 보다 높은 항복강도와 내크리프성을 갖는다.
I. 3원 합금
a. 3 내지 6 중량%의 비스무스, 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄-비스무스-몰리브덴 합금.
b. 1 내지 4 중량%의 주석, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄-비스무스-주석 합금.
II. 4원 합금
a. (A) 3 내지 6 중량%의 비스무스, 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 니오븀, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄-비스무스-몰리브덴-니오븀 합금.
(B) 1.5 내지 3 중량%의 비스무스, 0.5 내지 3.0 중량%의 니오븀, 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄-비스무스-몰리브덴-니오븀 합금, 여기서 몰리브덴과 니오븀의 합은 1.5 중량% 이상이다.
b. 1 내지 4 중량%의 주석, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄-비스무스-몰리브덴-주석 합금.
III. 5원 합금
a. 1 내지 4 중량%의 주석, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 니오븀, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄-비스무스-몰리브덴-주석-니오븀 합금.
상기한 모든 합금에는 강도를 강화시키고 결정립을 미세화시키기 위해, 0.1 중량% 이상의 실리콘을 첨가할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 실리콘의 최소 함유량은 0.008 중량%(80ppm)이어야 한다. 이들 합금은 또한 결정립의 크기를 조절하기 위해, 대략 0.008 내지 0.02 중량%(80 내지 200ppm)의 탄소를 함유할 수 있다. 상기한 합금에서의 산소 레벨은 0.06 내지 0.18 중량%(600 내지 1800ppm), 바람직하게는 0.06 내지 0.09 중량%(600 내지 900ppm)으로 저하되도록 조절되어, 합금에 저온 강도를 부여한다.
도면을 참조하면, 도 1은 가압수로(PWR)용 핵연료 조립체(10)를 도시하고 있다. 도 1에서 핵연료 조립체(10)는 하부 이음판(12), 안내관(14), 이러한 안내관을 따라 이격된 스페이서 그리드(16)에 의해 지지되며 방사형으로 이격되어 있는 핵연료봉(18), 기구관(28), 및 안내관의 상단부에 부착된 상부 이음판(26)을 포함하고 있다. 핵분열 반응의 조절을 보조하기 위해 사용되는 조절봉이 원자로가 작동하는 동안 안내관 내에 위치하게 된다(도시되지 않음). 각각의 핵연료봉(18)은 일반적으로 핵분열성 재료로 구성된 핵연료 펠리트(80)을 내부에 포함된 금속성 관형 연료봉 피복(110,120)과, 상단부 플러그(22)와, 금속성 관형 연료봉 피복 내에 핵연료 펠리트를 용접 밀폐한 하단부 플러그(24)를 포함하고 있다. 나선형 스프링부재가 상단부 플러그(22)와 연료 펠리트(80) 사이의 연료봉 내에 위치되어, 연료 펠리트가 적층 형태로 위치할 수 있도록 한다.
본 발명에 따라 구성된 도 1에 도시된 가압수로용 핵연료봉의 개략적인 단면도인 도 2a를 참조하면, 피복관(110)은 내식성 지르코늄 및/또는 지르코늄 합금 금속으로 구성된 외부 층(111)과, 이러한 외부 층(111)의 내벽(113)에 야금학적으로 결합되고, 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 3 내지 6 중량%의 비스무스, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된 내부 층(114)을 포함하고 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(114)은 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 니오븀, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 다른 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(114)은 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(114)은 몰리브덴, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(114)은 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 니오븀, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(114)은 1.5 내지 3 중량%의 비스무스, 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성되는데, 여기서 니오븀과 몰리브덴의 합은 1.5 중량% 이상이다.
본 발명에 따라 구성된 도 1에 도시된 가압수로용 다른 핵연료봉의 개략적인 단면도인 도 2b를 참조하면, 피복관(120)은 내식성 지르코늄 및/또는 지르코늄 합금 금속으로 구성된 외부 층(121)과, 고강도 지르코늄으로 구성된 내부 층(124), 및 이러한 내부 층(124)의 내벽(126)에 야금학적으로 결합된 최내층(127) 또는 라이너를 포함하고 있다.
본 발명에 따르면, 피복관(120)의 내부 층(124)은 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 3 내지 6 중량%의 비스무스, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 고강도의 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(124)은 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 니오븀, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 3 내지 6 중량%의 비스무스, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 다른 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(124)은 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(124)은 몰리브덴, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(124)은 몰리브덴, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 니오븀, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 층(124)은 1.5 내지 3 중량%의 비스무스, 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 지르코늄 합금으로 구성되는데, 여기서 니오븀과 몰리브덴의 합은 1.5 중량% 이상이다.
파손을 일으키는 펠리트 피복 상호작용(pellet cladding interactive, PCI)에 대해 부가적으로 보호하기 위해, 최내층(127)은 지르코늄 또는 지르코늄 합금, 또는 다른 금속, 바람직하게는 순수 지르코늄 또는 스폰지 지르코늄 또는 약 0.4 중량%의 철을 함유하는 묽은 지르코늄 철합금으로 구성된다.
상기한 상세한 설명 및 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하는 반면, 당업자들에 의해 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 개조 및 변화가 이루어질 수 있음은 명백하다.
상기한 본 발명에 따르면, 예외적으로 내부원자로에 내식성이 있는 다중층식 피복튜브의 외층용 합금을 사용하여 현재까지 생산되어 있는 핵연료봉 피복을 개선시킬 수 있으며, 피복의 내부용 새로운 합금을 이용하여 낮은 기생적 중성자 흡수 특성을 유지하는 한편, 지르칼로이-2 또는 지르칼로이-4보다 고강도를 얻을 수 있다. 다중층식 피복튜브의 내층을 위해 이러한 고강도 합금을 사용함으로써, 전체 피복튜브의 벽두께를 감소시킬 수 있으며 동시에, 연료봉의 기계적 설계와 성능기준을 여전히 유지할 수 있다. 또한, 피복 벽두께가 감소됨으로써, 피복의 단위길이당 피복중량이 감소되며, 피복제조에 적은 양의 재료가 들어가기 때문에 소정 길이의 피복튜브의 가격을 낮출 수 있다. 더욱이, 피복 벽두께가 감소됨으로써, 소정의 조성물의 피복을 위한 기생적 중성자 흡수가 피복 벽두께에 비례하기 때문에 기생적 열중성자 흡수의 감소로 야기되는 연료 싸이클 비용을 개선시킬 수 있다. 현재 사용되고 있는 주석 또는 니오븀 첨가물보다 작은 열중성자 단면적을 갖는 합금요소는 합금의 기생적 중성자 흡수를 감소시킬 수 있음은 물론 연료 싸이클 비용을 부가적으로 개선시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 냉각수 및/또는 완충수 핵원자로를 위한 핵연료용 고강도 피복관에 있어서,
    핵연료를 수용하기 위한 신장된 중공의 금속성 관형 피복을 포함하고 있으며,
    상기 관형 피복은,
    외벽과 내벽을 가지며, 지르코늄 합금으로 구성된 관형 외층과,
    상기 관형 외층의 내벽에 결합되고, 몰리브덴, 3 내지 6 중량%의 비스무스, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 고강도 지르코늄 합금으로 구성된 관형 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 몰리브덴의 양은 0.5 내지 1.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 지르코늄 합금은 니오븀을 기본적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 몰리브덴의 양은 0.5 내지 1.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 니오븀의 양은 0.5 내지 3 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 관형 피복은 상기 내부 층의 내벽에 결합되는 최내층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 최내층은 지르코늄 및 지르코늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복관.
  8. 냉각수 및/또는 완충수 핵원자로를 위한 핵연료용 고강도 피복관에 있어서,
    핵연료를 수용하기 위한는 신장된 중공의 금속성 관형 피복을 포함하고,
    상기 관형 피복은,
    외벽과 내벽을 가지며, 지르코늄 합금으로 구성된 관형 외층과,
    상기 관형 외층의 상기 내벽에 결합되고, 1.5 내지 6 중량%의 비스무스, 1 내지 4 중량%의 주석, 및 나머지는 지르코늄을 포함하는 고강도 지르코늄 합금으로 구성된 관형 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 지르코늄 합금은 몰리브덴을 기본적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 지르코늄 합금은 몰리브덴을 기본적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 몰리브덴의 양은 0.5 내지 1.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 니오븀의 양은 0.5 내지 3 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  13. 제 10에 있어서, 상기 몰리브덴의 양은 0.5 내지 1.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 몰리브덴의 양은 0.5 내지 1.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 피복관.
  15. 제 8항에 있어서, 상기 관형 피복은 상기 내부 층의 내벽에 결합되는 최내층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 최내층은 지르코늄 및 지르코늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복관.
  17. 냉각수 및/또는 완충수 핵원자로를 위한 핵연료용 고강도 피복관에 있어서,
    핵연료를 함유하는 신장된 중공의 금속성 관형 피복을 포함하고,
    상기 관형 피복은,
    외벽과 내벽을 가지며, 지르코늄 합금으로 구성된 관형 외층과,
    상기 관형 외층의 상기 내벽에 결합되고, 1.5 내지 3 중량%의 비스무스, 0.5 내지 3 중량%의 니오븀, 0.5 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 나머지는 지르코늄을 포함하고, 상기 니오븀과 몰리브덴의 합이 1.5 중량% 이상인 고강도 지르코늄 합금으로 구성된 관형 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 관형 피복은 상기 내부 층의 내벽에 결합되는 최내층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피복관.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 최내층은 지르코늄 및 지르코늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복관.
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