KR19990072604A - 복합부재및이를이용한연료집합체 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 순수 가돌리늄의 모든 특성을 개선한 지르코늄-가돌리늄 합금을 중성자 흡수재로서 이용함으로써, 연료봉 내부에 중성자 흡수재 또는 가연성 독물을 혼입하는 일없이 잉여 반응을 적절하게 억제할 수 있는 복합부와, 그것을 이용한 연료 집합체, 피복관, 스페이서, 워터 로드, 채널 박스 및 제어봉을 제공하는 것이다.
본 발명은 피복관, 스페이서, 워터 로드, 채널 박스 및 제어봉 중 적어도 1가지로부터 가돌리늄 함유량이 20 % 이상인 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재로 이루어지는 연료 집합체에 있다.
Description
본 발명은 신규 합금과 그 복합 부재 및 이를 이용한 원자력 설비용 연료 집합체에 관한 것으로, 특히 출력 피킹을 억제하여 핵열적 제약을 경감시키고, 핵연료의 경제성 향상을 목적으로 하여 배치되는 복합 부재와 그 용도에 관한 것이다.
원자로에 있어서는 일정한 운전 기간의 운전이 가능해지도록 노심에 미리 잉여 반응도를 갖는 설계로 하고 있다. 이 잉여 반응도를 억제하기 위해서 연료봉 내부에 가돌리니어로 대표되는 가연성 독물(BP)을 혼입하는 설계로 하고 있다. MOX를 이용한 원자로 중심에 있어서도 연료 자신에게 가연성 독물을 혼입한 연료봉을 복수개 이용함으로써 잉여 반응도의 억제를 도모하고 있다.
일반적으로, 중성자 흡수 단면적은 중성자 에너지에 대해 1/v 의존성을 가지고 있고, 에너지가 낮은 중성자일수록 잘 흡수되는 경향이 있다. 그 때문에 가연성 독물의 중성자 흡수량은 중성자 에너지 스펙트럼이 유연한, 즉 열 중성자가 많은 체계일수록 많아진다. 따라서, 가연성 독물의 반응도 억제 효과는 MOX를 이용한 원자로 중심에서는 작아지고, 우라늄 노심과 동등한 반응도 억제 효과를 얻으려고 하면 가연성 독물을 혼입한 연료봉의 사용 갯수를 증가시켜야 한다. 이에 대해서는, 공지예·일본 특허 공개 소60-146185호에 개시되어 있는 기술은 연료 집합체 내부에서 물 갭에 가까운 연료 집합체 외주 부분이 열 중성자량이 많고, 중성자 스펙트럼이 부드러운 것에 착안하여, 이 영역에 가돌리니어 함유 연료봉을 배치함으로써 가돌리니어의 반응도 가치를 높여서 사용하는 가돌리니어 갯수를 감소시키고, 연료 집합체의 플루토늄 인벤터리의 증가, 및 사용 펠릿 종류의 저감을 도모하는 것이다. 그러나, 이 방법에서는 연료 집합체 내부의 연료내에 존재하는 가연성 독물을 전혀 없앨 수는 없어, 플루토늄 인벤터리를 증가시킨다는 관점으로부터는 불충분했다.
또, 일본 특허 공개 소59-72087호에 개시되어 있는 기술에는 연료 집합체의 연료 채널 박스 외주에 반응도 제어 부재를 착탈 가능하게 부착함으로써, 연료 펠릿에 가연성 독물을 첨가하거나 우라늄 농축도의 조절을 요하지 않게 할 수 있다. 이 경우의 반응도 제어 부재는 불청동, 지르코늄 합금 등의 중성자 흡수재, 가돌리늄, 은, 인듐, 붕소, 카드뮴, 하프늄 등의 가연성 독물을 단체(單體) 또는 화합물의 형태로 불청동 안에 분산 혹은 그대로 불청동으로 피복한 것, 베릴륨 등의 반사재를 불청동으로 피복한 것 등의 외에, 상술한 중성자 독물, 반사재, 천연, 열화 우라늄 등을 불청동으로 샌드위치형으로 집어 압연한다.
협착(Coextrusion) 가공을 행한 것이 사용된다. 그러나, 이 방법에서는 채널 박스와 반응도 제어 부재 사이에 간극이 생기고, 간극 부식이나 갈바닉 부식이 생기기 쉬워진다. 또, 반응도 제어 부재가 직접 노수(爐水)에 접해 버리기 때문에 반응도 제어 부재 자체의 부식도 문제가 된다.
또, 상기 문제에 대해 일본 특허 공개 평6-342091호에 개시된 기술이 제안되고 있다. 그 기술은 연료체의 중앙에 배치되는 감속재 봉(워터 로드)을 외관과 내관의 2중관으로 하고, 그 내외관의 사이에 가연성 독물을 충전한 것이다.
앞에서 기술한대로, 원자로 연료에는 초기의 잉여 반응도를 억제하기 위해서 가연성 독물을 혼입하고 있다.
우라늄과 플루토늄 흡수 단면적의 중성자 에너지에 대한 의존성을 비교하면, 도1과 같이 플루토늄 쪽이 중성자 흡수가 많다. 이 때문에, 플루토늄을 경수로에서 이용할 경우에는 제어봉 재질이나 가연성 독물이라고 하는 반응도 억제 물질이 흡수하는 열 중성자량이 감소하고, MOX 연료 집합체를 장착한 노심에서는 제어봉 가치나 가연성 독물의 반응도 가치가 저하한다. 그 때문에, MOX 연료 집합체를 장착한 노심에서는 사용하는 가연성 독물을 포함한 연료봉의 갯수를 많게 할 필요가 생기고 있었다. 이는 연료 집합체 1개당의 플루토늄 인벤터리가 감소하는 것을 의미하고, 동량의 플루토늄을 소비하기 위해서 제조하는 연료 집합체 갯수가 증가하는 결과가 된다. 이는 연료 제조비나 연료 수송비의 상승을 초래한다. 상기 일본 특허 공개 소59-72087호의 기술에서는 채널 박스와 반응도 제어 부재 사이에 간극이 생겨, 간극 부식이나 갈바닉 부식이 생기기 쉬워진다. 또, 반응도 제어 부재가 직접 노수에 접해 버리기 때문에, 반응도 제어 부재 자체의 부식도 문제가 된다.
또, 원자로 연료는 그 건전성을 유지하기 위해서 극소 피킹 계수를 연료 수명중에 걸쳐서 적절한 값을 유지하고, 열적인 운전 제한치를 지키도록 설계해야만 한다. 일반적으로 비등수형 원자로 연료에서는 연료 집합체의 외주부, 즉 물 갭에 가까운 곳에서는 열중성자속이 상대적으로 높아지고, 외주부의 연료봉 출력이 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 연료 집합체 외주부에 배치된 연료봉의 극소 피킹 계수를 낮게 억제하기 위해 펠릿의 농축도·부화도 종류를 늘려서 설계할 필요가 생기고 있다. MOX 연료의 제조에 있어서는 연료 펠릿의 성형 가공을 완전 밀봉 용기 내에서 행하기 때문에, 플루토늄 부화도를 바꿀 때의 글러브 박스의 세정은 우라늄의 경우에 비하면 시간이 걸려, 제조시의 가동률 저하가 크다. 그 때문에, 부화도 종류가 증가하면 클린업 회수가 증가하여, 연료 성형 가공비의 상승에 이어진다는 문제점이 있다. 상기 일본 특허 공개 평6-342091호에 개시된 기술에서는 연료체의 중앙부에 가연성 독물이 배치되어 있는 점으로부터 열 중성자속이 비교적 높은 외주부 연료봉의 출력 피킹을 낮게 억제하기에는 불충분하다.
가돌리늄은 상당히 활성적인 금속으로, 특히 고온수 안에서는 현저하게 부식하기 때문에, 반응도 제어 부재로서 사용하기 위해서는 지르코늄 기합금/가돌리늄/지르코늄 기합금의 샌드위치 구조의 복합재로 함으로써 완전하게 밀봉하여 사용할 필요가 있다. 그러나, 순수 가돌리늄을 지르코늄 기합금 안에 배치한 경우, 양쪽 재료의 열팽창 계수의 차이에 기인하여 접합 경계면에서 열응력이 발생하여 경계면 박리 등이 일어날 가능성이 있다. 또, 가돌리늄은 지르코늄 기합금에 비해 기계적 강도가 뒤떨어지기 때문에, 그 복합 부재의 기계적 강도가 저하한다.
또, 가돌리늄은 지르코늄 기합금에 비해 실온에서의 연성이 작기 때문에, 성형 가공하기 어렵다는 문제점이 있다. 이와 같은 양쪽 재료 특성의 차이에 기인한 문제를 최소한으로 하고, 또 제조성의 관점으로부터 가돌리늄에 지르코늄을 적정량 첨가한 합금으로서 사용할 필요가 있다. 또, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금 판재의 적절한 제조 방법을 확립할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 순수 가돌리늄의 모든 특성을 개선한 지르코늄-가돌리늄 합금을 중성자 흡수재로서 사용함으로써 연료봉 내부에 중성자 흡수재 또는 가연성 독물을 혼입하는 일없이 잉여 반응을 적절하게 억제할 수 있는 복합부와, 그것을 이용한 연료 집합체, 피복관, 스페이서, 워터 로드, 채널 박스 및 제어봉을 제공하는 것이다.
본 발명은 가돌리늄 20 중량% 이상인 지르코늄-가돌리늄 합금이 그 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 부재에 관한 것이다.
본 발명은 가돌리늄 20 내지 99 중량%를 가지는 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 부재에 관한 것이다.
본 발명은 288 ℃에서의 인장 강도가 92 MPa 이상 또는 실온의 인장 강도가 200 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 지르코늄-가돌리늄 합금이 그 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 부재에 관한 것이다.
본 발명은 실온부터 300 ℃까지의 평균 열팽창 계수가 0.16 내지 0.18 %인 지르코늄-가돌리늄 합금이 그 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 부재에 관한 것이다.
본 발명은 합금제 피복관 내에 핵연료가 장착되는 복수개의 연료봉과, 그 연료봉을 소망하는 위치에 배치하는 스페이서와, 그 배치된 연료봉을 그 상단과 하단에서 지지하는 상부 타이 플레이트 및 하부 타이 플레이트, 상기 스페이서 내에 배치된 워터 로드를 일체로 집합시켜서 그 외주를 피복하는 합금제 채널 박스를 구비하는 연료 집합체에 있어서, 상기 피복관, 스페이서, 워터 로드 및 채널 박스 중 적어도 하나가 가돌리늄 함유량이 85 중량% 이하인 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 피복관 원자로용 스페이서, 원자로용 워터 로드, 채널 박스 및 제어 중 적어도 1가지로 이루어진다.
본 발명은 지르코늄 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 가돌리늄 기합금판에 관한 것이다.
열간 단조후의 불활성 가스 또는 진공중에서 600 내지 900 ℃의 온도로의 소둔을 생략할 수 있다.
열간 압연, 소둔 후의 10 % 전후의 저압연율로의 냉간 압연 및 그 후의 소둔을 생략할 수 있다.
열간 단조, 소둔 이후, 혹은 열간 압연, 소둔 이후의 제조 공정을 생략하고, 직접 절단함으로써 소망하는 두께로 할 수 있다.
연료 채널 박스의 제조 공정중에서 적어도 한번은 지르코늄 β상 온도 영역으로부터의 소입을 행하는 것이 바람직하다.
즉, 원자로에서는 우라늄(235)으로 대표되는 핵분열성 물질을 연료봉 내에 봉입하여 연소시킴으로써 에너지를 이용하고 있다.
이 연료봉 안에 봉입되는 핵연료 물질은 천연 우라늄을 농축하여 얻어지는 농축 우라늄이 일반적으로 이용되고 있다. 이 농축 우라늄은 이산화 우라늄 소결의 상태로 연료 펠릿에 성형·소결되고, 정사각 격자 형상으로 배열된 연료 피복관의 안에 넣어 두고 이용된다.
한 편, 근래에 우라늄 자원의 유효 이용이라는 관점으로부터 경수로로부터 취출된 다 사용한 우라늄 연료 안의 플루토늄을 재차 경수로에 리사이클하는 풀서멀 계획이 진행되고 있다. 이것은 우라늄 연료 집합체의 우라늄 연료봉 일부 혹은 대부분을 플루토늄을 부화한 혼합 산화물(Mixed Oxide) 연료봉으로 치환한 MOX 연료 집합체를 연료로서 경수로에 장착하여 사용하는 것이다. 이 때, 이 MOX 연료체의 특성은 우라늄 연료에 가까운 편이 바람직하다. 또, 우라늄 연료 설계는 고연소도화의 방향에 있고, 이에 따라 MOX 연료 설계도 고부화도화, 즉 1개당의 플루토늄 장착량을 가능한한 크게 하는 것이 바람직하다. 그러나, MOX 연료 집합체에 있어서 플루토늄의 장착 비율을 증가시킨 경우, 우라늄과 플루토늄의 핵특성 차이에 따라 노심 특성상 우라늄 노심과의 차이가 생긴다. 즉, 핵분열성 물질인 Pu-239, Pu-241의 열 중성자 흡수 단면적이 U-235보다 큰 점이나, Pu-240에 의한 중성자 공조 흡수가 큰 점 등에 의해, MOX 연료의 중성자속 스펙트럼이 우라늄 연료의 중성자 스펙트럼보다도 단단해져 중성자 감속 효과가 저하해 버린다.
본 발명은 이런 문제점을 감안하여 MOX 연료 집합체의 연료 펠릿 내부에 중성자 흡수재 또는 가연성 독물을 혼입하는 일없이 잉여 반응도를 적절하게 억제하는 방법으로서, 채널 박스나 연료봉 등의 지르코늄 기합금으로 이루어지는 연료 부재 안에 가연성 독물을 배치하는 방법이 바람직하다고 생각했다. 특히, 연료 집합체 외주부의 피킹을 억제하기 위해서는 채널 박스에 그 가연성 독물을 배치하는 것이 바람직하고, 가연성 독물로서는 원자로 운전 초기시의 반응도 제어 효과가 가장 큰 가돌리늄이 바람직하다고 생각했다.
복합 부재의 기초가 되는 지르코늄 기합금의 결정립은 70 내지 500 ㎛가 바람직하고, 특히 100 내지 500 ㎛가 바람직하다.
지르코늄 기합금으로서 Sn 5 중량% 이하 및 또는 Nb 5 중량% 이하, 및 나머지 90 중량% 이상(바람직하게는 95 내지 98.5 중량%)의 Zr을 가지는 지르코늄 기합금이 바람직하다. Sn 및 Nb는 Zr의 강도를 높이는 데에 필요한 것으로, 전자가 3 %, 후자가 5 % 이하 필요하다. 하한으로서 각각 0.1 %가 바람직하다. 지르컬로이계 합금으로서 Sn은 1 내지 2 %가 바람직하고, 특히 1.2 내지 1.7 %가 바람직하다, 이 합금은 Fe 0.5 % 이하, Cr 0.5 % 이하, 또는 이것에 Ni 0.2 % 이하를 포함할 수 있고, 특히 Fe 0.1 내지 0.38 %, Cr 0.05 내지 0.15 %, Ni 0.03 내지 0.25 %를 포함하는 것, Fe 0.22 내지 0.38 %, Cr 0.05 내지 0.15 % 및 Ni 0.09 내지 0.15 %를 포함하는 것이 있고, 지르코늄 기합금의 (Fe/Ni)비는 1.3 내지 10이 바람직하다.
Nb를 포함하는 합금으로서 Zr-0.5 내지 2 % Nb, Zr-2 내지 5 % Sn-0.5 내지 1.5 % Nb-0.5 내지 1.5 % Nb-0.1 내지 1.0 % Fe, Zr-0.5 내지 5.0 % Nb-0 내지 3.0 % Sn-2 % 이하의 Fe, Ni, Cr, Ta, Pd, Mo, W의 1종류 또는 2종류 이상 포함하는 합금을 이용하는 것이 바람직하다.
가돌리늄 기합금은 0.05 내지 0.5 %의 산소를 함유하고 있고, 제조에 있어서는 진공 용해된다.
본 발명은 피복관 내에 핵연료가 장착되는 복수개의 연료봉과, 그 연료봉을 소망하는 위치에 배치하는 스페이서와, 그 배치된 연료봉을 그 상단과 하단에서 지지하는 상부 타이 플레이트 및 하부 타이 플레이트와, 상기 스페이서 내에 배치된 워터 로드를 일체로 집합시켜서 그 외주를 피복하는 채널 박스를 구비하는 연료 집합체에 있어서, 상기 채널 박스는 주방향으로 복수개의 직사각형 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어진 복합 부재로 이루어지고, 상기 지르코늄-가돌리늄 합금은 상기 채널 박스의 중앙부에 전장의 90 % 이상에 걸쳐서 배치된 것을 특징으로 하는 연료 집합체에 있다.
채널 박스의 길이 방향에 특정한 합금으로 이루어지는 가연성 독물이나 중성자 흡수재를 배치시키는 것의 기능은 다음과 같다.
비등수형 원자로에서는 원자로 노심 내부에서 그 냉각수가 비등하면서 원자로 노심 하부에서 상부를 향하여 흐르고 있기 때문에, 원자로 노심 축방향에 수증 기포(보이드)가 분포하고 있고, 게다가 이 보이드의 양은 노심 상부를 향함에 따라 증가하는 경향이 있다. 경수 감속형 원자로에서는 감속재(물)의 밀도가 핵분열 반응을 제어하고 있고, 감속재 밀도가 클수록 핵분열 반응이 촉진하도록 설계되어 있다. 따라서, 노심 축방향의 출력 분포를 생각한 경우, 보이드가 적은 노심 하부 쪽이 보이드가 많은 노심 상부보다도 출력이 커지는 경향이 있다. 이에 대해서는 채널 박스 내에 존재하는 중성자 흡수재나 가연성 독물의 양을 축방향에서 반응도가 큰 하부 영역에서 많고, 상부 영역으로 감에 따라 적어지도록 분포시킴으로써 효과적으로 대응할 수 있게 된다.
또, 축방향 상부 영역은 보이드율이 높아서 중성자 스펙트럼도 단단해져 있기 때문에, 가연성 독물이나 중성자 흡수재의 감손도 하부 영역에 비해 늦어지는 경향이 있고, 가연성 독물, 중성자 흡수재를 축방향으로 분포시킴으로써 축방향에서의 감손이 균등하게 진행한다.
또, 본 발명에서는 가연성 독물을 채널 박스 내에 매설함으로써 그 가연성 독물이 직접 노수에 접할 일이 없어지게 됨으로써, 가연성 독물 자체 부식 및 채널 박스와 가연성 독물 사이의 간극 부식이나 갈바닉 부식이 일어나지 않게 된다.
또, 본 발명은 채널 박스를 형성하는 전단계 제조 행정의 소재판 상태에서 그 소재판의 내부에 가연성 독물을 매설시켰으므로, 외부로 가연성 독물이 노출되지 않는 깨끗한 채널 박스를 구성할 수 있는 동시에, 본 발명 채널 박스의 제조 방법을 채용함으로써 가연성 독물을 매설한 채널 박스를 용이하게 제조할 수 있고, 또 채널 박스 소재판 사이의 박리 등의 현상을 없앨 수 있다.
도1은 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금판재의 제조 방법을 도시하는 구성도.
도2는 우라늄과 플루토늄 흡수 단면적의 중성자 에너지에 대한 의존성을 비교한 선도.
도3은 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금판의 가돌리늄 농도와 판 두께의 관계를 도시하는 선도.
도4는 열간 단조성 시험에서 구한 단조 온도와 각 가돌리늄 농도의 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금의 변형 저항의 관계를 도시하는 선도.
도5는 가돌리늄 농도와 실온에서의 인장 강도의 관계를 도시하는 선도.
도6은 가돌리늄 농도와 복합재의 288 ℃에서의 인장 강도의 관계를 도시하는 선도.
도7은 가돌리늄 농도와 평균 선팽창률의 관계를 도시하는 선도.
도8은 열응력과 가돌리늄 농도의 관계를 도시하는 선도.
도9는 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 지르코늄 기합금 안에 결합 배치한 복합 판재의 제조 방법을 도시하는 구성도.
도10은 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 지르코늄 기합금 안에 결합 배치한 복합 판재의 제조 방법을 도시하는 구성도.
도11은 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 지르코늄 기합금 안에 결합 배치한 복합재 판을 연료 채널 박스에 적용한 연료 집합체의 사시도.
도12는 본 발명에 관한 연료 집합체의 단면도.
도13은 채널 박스 열처리 장치의 구성도.
도14의 (a)는 각종 채널 박스의 사시도이고 (b)는 그 단면도.
도15의 (a)는 각종 채널 박스의 사시도이고 (b) 및 (c)는 그 단면도.
도16은 각종 채널 박스의 사시도와 그 단면도.
도17은 연료봉의 단면도.
도18은 연료봉의 부분 단면도.
도19는 워터 로드의 부분 단면도.
도20은 워터 로드의 부분 단면도.
도21은 본 발명에 관한 연료 집합체의 단면도.
도22의 (a) 및 (b)는 본 발명에 관한 연료 집합체의 단면도.
도23의 (a) 및 (b)는 본 발명에 관한 연료 집합체의 단면도.
도24는 본 발명에 관한 연료 집합체의 단면도.
도25는 본 발명에 관한 복합판의 제조 공정을 도시하는 플로우 차트.
도26은 본 발명에 관한 복합판의 제조 공정을 도시하는 플로우 차트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 연료봉
2 : 워터 로드
3 : 워터 로드 고정 나사
4 : 채널 박스
5 : 상부 타이 플레이트
6 : 하부 타이 플레이트
7 : 스페이서
8 : 채널 박스 끼워 맞춤대
9 : 연료봉 신장대
10 : 연료봉 관통 구멍
11 : 핸들
12 : 각통
14 : 코일
15 : 고주파 전원
16 : 물 분무 노즐
17 : 용접부
18 : 맨드렐
20 : 두꺼운 코너부
21 : 변부
22 : 상부 변부
23 : 하부 변부
24 : 피복관
25 : 핵 연료 펠릿
26 : 플리넘 스프링
27, 30 : 단부 마개
28 : 세경부
29 : 태경부
40 : BP 부재
41 : 지르코늄 기합금
본 실시예에 있어서의 지르코늄-가돌리늄 합금의 제조 방법을 도1에 도시하고 있다. 불활성 가스 또는 진공중에서 소모 전극식의 아크 용해에 의해 잉곳을 제작하고, 열간 단조성 시험 결과로부터 변형 저항이 급격하게 저하하기 시작하는 800 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 온도로 열간 단조하고, 그 후에 불활성 가스 또는 진공중에서 600 ℃ 내지 900 ℃의 재결정 온도로 2시간 소둔한 후, 800 ℃ 이상 1100 ℃ 이하의 온도로 열간 압연 및 불활성 가스 또는 진공중에서 600 내지 900 ℃의 재결정 온도로 2시간의 소둔을 적당히 반복하고, 그 후에 10 % 전후의 저압연율로의 냉간 압연을 행한 후, 불활성 가스 또는 진공중에서 600 ℃ 내지 900 ℃의 재결정 온도로 2시간 소둔하고, 그 이후에는 20 내지 30 % 정도의 압연율로의 냉간 압연 및 불활성 가스 또는 진공중에서 600 ℃ 내지 900 ℃의 재결정 온도로 2시간의 소둔을 적당히 반복하여 소망하는 두께의 판재로 하였다. 단, 열간 단조 후의 소둔, 저압연율로의 냉간 압연은 필요에 따라 생략할 수 있다. 또, 소둔 온도는 전공정의 압연율에 따라 재결정 온도가 변화하기 때문에, 600 ℃ 내지 900 ℃ 사이에서 변화시켰다. 또, 열간 단조, 열간 압연 및 냉간 압연이 곤란 혹은 불필요한 경우에는 아크 용해, 소둔 후, 열간 단조, 소둔 후 혹은 열간 압연, 소둔 후의 제조 공정을 생략하고, 방전 가동 등에 의해 소망하는 두께의 판재로 슬라이스하는 것도 가능하다.
지르코늄-가돌리늄 합금에 있어서의 모든 특성과 가돌리늄 농도의 관계를 검토하였다. 지르코늄-가돌리늄 합금은 공정 합금으로 거의 고용량을 가지지 않으므로, Gd가 많은 것은 Gd 안에 Zr 입자가 분산된 조직을 가진다.
도3은 핵설계상으로부터 상술한 반응도 제어에 필요한 가돌리늄 농도와 판 두께의 관계를 나타내는 선도. 채널 박스 1개당의 가돌리늄량은 일정하고, 순수 가돌리늄판(폭 : 34 ㎜, 길이 : 채널 박스 전장)을 채널 박스에 배치한 경우, 판 두께를 0.93 ㎜ 이상으로 할 필요가 있다. 이것을 기준으로 하여 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금판의 가돌리늄 농도에 대한 판 두께를 계산한 결과가 도3이다. 또, 판 두께 0.93 ㎜의 가돌리늄판 안에 함유되어 있는 가돌리늄 원자와 동수의 가돌리늄 원자를 함유한다는 조건으로 계산하였다. 이에 따라, 현용 채널 박스의 최대 두꺼운 곳이 약 3 ㎜인 점으로부터 가돌리늄 농도가 34 wt % 부근이 한계값이다.
제조성의 관점으로부터 지르코늄 기합금판과 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금판을 열간 압연에 의해 복합화할 때, 지르코늄 기합금판과 지르코늄-가돌리늄 합금판이 균일하게 두께가 감소하는 것이 바람직하다.
도4는 열간 단조성 시험에서 구한 각 가돌리늄 농도의 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금의 각 단조 온도에서의 변형 저항을 측정한 결과이다. 이에 의해, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금에 있어서의 가돌리늄 농도가 50 내지 80 wt%일 경우에는 전단조 온도 영역에 있어서 깨짐도 발생하지 않고, 현용의 지르코늄 기합금과 동등 이상의 열간 단조성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 또, 열간 단조 온도가 850 ℃ 이상 1100 ℃ 이하일 경우에는, 이들 조성의 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금과 현용의 지르코늄 기합금의 변형 저항은 거의 일치하고 있고, 이 온도 범위에서 열간 단조 및 열간 압연을 행하는 것이 바람직하다.
도5는 최종 제조 공정에서 지르코늄 β상 온도 영역부터 소입을 행하고, 600 ℃에서의 소둔을 행한 각 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금의 실온에서의 인장 시험 결과이다(도5의 (a)). 이에 의해, 순수 가돌리늄에 비해 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금으로 한 쪽이 강도나 연성이라는 기계적 특성이 개선되어 있는 것을 알 수 있다(도5의 (b)). 또, 가돌리늄 농도가 50 내지 80 wt%의 경우에는 현용의 지르컬로이계 지르코늄 기합금과 거의 같은 정도의 연성을 나타내는 점으로부터 현용의 지르코늄 기합금과 거의 같은 정도의 냉간 가공성을 가진다고 말할 수 있다. 소입에 의해 Zr은 결정 방향이 랜덤이 된다. Gd는 변형 양태점이 1,235 ℃로 높으므로, 소입에 의해서는 조직은 변하지 않고 α상 그대로이다. 랜덤의 정도는 후술과 마찬가지의 배향도를 가지는 것이 바람직하다.
또, 도6에 지르코늄 β상 온도 영역부터 소입하고, 600 ℃에서의 소둔을 행한 복합재(두께 120 mil)의 288 ℃에서의 지르코늄-가돌리늄 합금의 가돌리늄 농도와 복합재의 강도의 관계를 도시하고 있다. 이에 의해, 지르코늄-가돌리늄 합금에 있어서의 가돌리늄 농도가 약 70 wt% 이하일 경우에는, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 지르코늄 기합금 안에 결합 배치한 복합재의 기계적 강도는 현용의 지르컬로이치의 지르코늄 기합금판과 같은 정도 이상의 강도를 나타내는 것을 알 수 있다.
그런데, 로내 체재중, 그 복합재의 접합 경계면 근방에서는 지르코늄 기합금판과 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금재의 열팽창 차이에 기인하는 열응력이 발생한다. 도7에 실온부터 300 ℃에 있어서의 지르코늄 β상 온도 영역부터 소입한 각 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금의 평균 선팽창률을 측정한 결과를 나타내고 있다.
도면에 도시하는 바와 같이, 현용의 지르컬로이계 지르코늄 기합금의 0.16 %에 대해 0.16 내지 0.18 % 범위 내에서의 Gd량은 20 내지 99 %인 것을 알 수 있다. 그 때의 평균 열팽창 계수는 6.2 내지 6.6×10-7/℃이다.
도8에 288 ℃에서의 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 지르코늄 기합금 안에 결합 배치한 복합재(두께 : 120 mil) 안의 발생 응력과 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금에 있어서의 가돌리늄 농도의 관계를 도시하고 있다. 또, 열팽창의 대소 관계로부터 지르코늄 기합금 쪽에는 인장 응력, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금 쪽에는 압축 응력이 발생한다. 이에 의해, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금에 있어서의 가돌리늄 농도가 80 wt % 이상일 경우, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금 쪽에 발생하는 응력은 급격하게 커져 있지만, 특히 문제가 될 만큼의 크기는 아니다.
그런데, 상술한 바와 같이 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금의 내식성은 현저하게 나쁘기 때문에, 채널 박스 사용 기간중에 내부로부터 가돌리늄이 확산해 와서 채널 박스 표면에 도달하여, 내식성을 저하시킬 가능성이 있다. 그래서, 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금의 판 두께가 얇아질수록 가돌리늄이 채널 박스 표면까지 확산하는 데에 시간이 걸리므로, 이 점으로부터는 가돌리늄 농도가 높은 합금판만큼 판 두께를 얇게 할 수 있으므로 유리하다.
이상의 검토 사항을 종합적으로 판단하면, 지르코늄-가돌리늄 합금에 있어서의 최적 가돌리늄 농도는 50 내지 90 wt %이다. 단, 최적 가돌리늄 농도는 지르코늄-가돌리늄 합금 판재의 치수, 배치 위치에 따라 변화한다.
본 발명에 의해 제조한 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 중량으로 Sn 1.50 %, Fe 0.25 %, Cr 0.10 %, Ni 0.10 % 또는 Sn 1.50 %, Fe 0.21 %, Cr 0.10 %를 함유하는 지르코늄 기합금 안에 결합 배치한 복합 판재 제조 방법의 일예를 도9, 도10에 도시하고 있다. 도9에 있어서의 제조 방법에서는, 우선 오목부를 설치한 지르코늄 기합금판의 오목부에 그 지르코늄 15 내지 20 중량% 함유 가돌리늄 기합금을 배치하고, 지르코늄 기합금판으로 덮어 진공 비임 용접을 행한 후, 800 ℃ 내지 1100 ℃의 온도 영역(특히 800 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 범위가 바람직하다)에서 열간 압연을 행하고, 완전하게 지르코늄 기합금과 그 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 접합한다. 그리고, 재결정 온도 영역인 600 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 2시간 소둔(단, 연속 소둔의 경우에는 소둔 시간을 2 내지 10분으로 할 수 있다.)을 행한 후, 냉간 압연, 소둔을 적절하게 반복함으로써 소망하는 판 두께로 한다. 또, 상기 열간 압연에 의한 접합을 대신하여 열간 압착에 의한 확산 접합을 행할 경우에는, 전공정의 진공 비임 용접을 생략하여도 좋다. 여기에서, 열간 압착의 조건으로서는 진공중 또는 불활성 가스 분위기 중에 가압력 : 980 MPa, 접합 온도 : 900 ℃ 내지 1100 ℃, 접합 온도 보유 시간 : 1시간이 바람직하다. 도9는 Gd 기합금판을 1개 형성한 것이지만, 2개 또는 3개 이상 바람직하게는 4개를 폭방향으로 배열하여 제조하는 것이 바람직하다.
도10에 있어서의 제조 방법은 구멍이 뚫린 상술한 지르코늄 기합금판에 상술한 지르코늄-가돌리늄 합금을 끼워넣어, 그 상하를 지르코늄 기합금판으로 덮고, 그 후의 제조 공정은 도9의 경우와 마찬가지이며, 2개 이상, 바람직하게는 4개의 Gd 합금판을 배치하여 제조할 수 있다.
상기와 같이 하여 제조한 복합재 판을 연료 집합체에 적용한 실시예가 도11, 도12이다. 도11은 그 복합재 판을 연료 집합체의 구성 부재인 연료 채널 박스에 적용한 실시 형태의 일예이다. 이와 같이 그 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금은 각 면에 2개씩 합계 8개 단부를 제외하고 중심부에 전장의 94 %의 길이로 배치되어, 채널 박스의 4개의 코너 근방의 길이 방향에 끼워 넣어져 배치되어 있다. 이와 같은 구조의 채널 박스를 이용함으로써, 상술한 바와 같이 열중성자속이 상대적으로 높은 채널 박스 코너부의 극소 피킹 계수를 낮게 억제하고, 또 연료 내에 가연성 독물을 혼입하는 일없이 원자로 운전 초기의 잉여 반응도를 적절하게 억제하는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는 도9 또는 10의 제조법에 의해 4개의 Gd 기합금을 배치하여 복합판을 제조하고, Gd 기합금이 배치되어 있지 않은 부분에서 ㄷ자형으로 가공하여 서로 맞대어 Gd 기합금이 배치되어 있지 않은 부분에서 용접에 의해 일체가 된 것이다. 구체적인 제조법은 도25, 26과 같다.
도12는 상술한 본 발명에 관한 복합판을 이용한 비등수형 원자로용 연료 집합체의 단면도.
BWR 연료 집합체는 도면에 도시하는 바와 같이 다수의 연료봉(1)과 그들을 서로 소정의 간격으로 보유하는 복수단의 스페이서(7), 또 그들을 수납하는 각통의 채널 박스(4), 연료 피복관 내에 연료 펠릿이 들어간 연료봉(1)의 양쪽단을 보유하는 상부 타이 플레이트(5), 하부 타이 플레이트(6), 스페이서의 중심부에 배치된 워터 로드(2), 전체를 반송하기 위한 핸들(11)로 구성된다. 또, 이들 연료 집합체를 제조함에 있어서는 통상의 공정을 거쳐 조립된다.
채널 박스(4)는 연료 스페이서(7)에 의해 일체화된 연료봉 및 워터 로드(2)를 내부에 수납하고, 상부 타이 플레이트(5)와 하부 타이 플레이트(6)는 워터 로드(2)로 고정한 상태로 사용된다. 채널 박스(4)는 2분할한 ㄷ자형 판 가공재를 플라즈마 용접으로 접합시킨 각통 형상을 띠고 있다. 이 부재는 설비 운전시에 연료봉 표면에서 발생한 증기 및 연료봉 사이를 흐르는 고온수를 정류하여, 강제적으로 상부로 인도하는 움직임을 시키는 것이다. 내부의 압력이 외부보다 약간 높기 때문에, 각통을 바깥쪽으로 눌러 펼치는 응력이 작용한 상태에서 장기 사용된다.
본 발명에서의 연료 집합체는 워터 로드(2)가 스페이서(7)의 중심부에 대칭으로 3개 배치되어 있고, 모두 양쪽단에서 타이 플레이트에 나사로 고정되어, 또 채널 박스(4)가 상부 타이 플레이트(5)에 나사 부착 고정되어 연료 집합체가 핸들(11)에 의해 일체로 운반할 수 있는 구조로 되어 있다. 본 실시예에서는 연료봉은 타이 플레이트에는 고정되어 있지 않다.
채널 박스는 지르코늄 기합금의 β상 온도 영역, 바람직하게는 1,000 내지 1,100 ℃로 가열후 수냉에 의한 소입 열처리에 의해 βZr 결정립 직경이 평균 50 내지 300 ㎛, 바람직하게는 100 내지 200 ㎛가 되는 동시에 결정 방향이 랜덤해지고, 현저하게 조사 퍼짐이 방지되어 채널 박스와 제어봉의 간섭이 방지된다. 특히, 채널 박스의 결정 방향은 판면에 수직인 방향에서의 값(Fr)이 0.20 내지 0.50, 바람직하게는 0.26 내지 0.40, 길이 방향에서의 값(Fl)이 0.25 내지 0.36, 바람직하게는 0.31 내지 0.35, 주방향에서의 값(Ft)이 0.25 내지 0.36, 바람직하게는 0.31 내지 0.35이다.
도13은 본 발명을 기초로 하는 채널 박스 열처리의 일예를 도시하는 사시도. 본 발명에서는 상술한 복합판 외에 합금 조성으로서 50 중량%의 Gd를 함유하는 지르코늄 합금판재를 ㄷ자형으로 냉간 굴곡 가공하여 길이 : 4 m의 2개의 ㄷ자형 부재로 하고, 이들을 레이저 또는 플라즈마 용접하여 각통(12)으로 한 것이다. 용접부의 요철은 평탄하게 완성된다. 도11 및 도13에 도시하는 각통(12)을 고주파 유도 가열에 의한 β상 온도 범위로의 가열 및 고주파 유도 가열용 코일(14)의 바로 밑에 설치한 물 분무 노즐(16)로부터 내뿜는 냉각수로 급냉시켰다. 각통(12)이 일정 속도로 상방에서 하방으로 코일 내에 통과함으로써 전체의 열처리가 완료된다. 가열 온도는 바람직하게는 1,100 ℃ 이하, 980 ℃ 이상의 보유 시간은 10초 이상이 되도록 각통(12)의 이송 속도 및 고주파 전원(15)의 출력을 조정하였다. 열처리 완료후 폭 : 40 ㎜, 길이 : 40 ㎜의 시험 조각을 잘라내어 F값을 측정하였다. 열처리는 오스테나이트 스텐레스강제 맨드릴(18)을 통(12)에 나사(3)로 양쪽단을 고정시켜서 행하였다. 열처리 후의 지르코늄 기합금의 결정립의 방위는 상술한 특정의 값을 가지는 본 실시예에서는 특정의 배향을 가지지 않는 거의 랜덤한 결정 방위가 되었다. 이것의 βZr 평균 결정립은 약 100 ㎛였다. 이 열처리를 행한 후, 높은 치수 정밀도로 성형 샌드 블라스트 처리 및 산 세척을 행하고, 표면 산화막을 제거한 후, 수증기에 의한 오토 클레이브 처리가 행해진다.
도14 내지 도16은 본 발명에 관한 여러가지의 단면 구조를 가지고, 상술한 복합판을 이용한 것 또는 Gd를 함유하는 지르코늄 합금판을 가진 것의 채널 박스의 사시도. 본 실시예에서는 도14는 일정한 두께의 것, 도15는 변부가 내측 또는 외측에서 모서리부보다 두께를 얇게 한 것, 도16은 모서리부(20)가 변부(21)의 두께보다 두껍고, 변부가 상부(22)에서 그 하부(23)보다 두께가 얇아져 있는 길이 방향 두께 분포를 가지는 것이다. 이와 같은 성형 가공은 열처리 후에 행해진다. 성형 가공은 마스킹하여 불화 수소와 질산의 혼산 수용액에 의한 화학 에칭 또는 기계 가공에 의해 행해지고, 본 실시예에서는 외면측을 가공하여 오목하게 한 것이다. 이와 같은 두께 분포는 내면 쪽에서 오목하게 하여도 좋다.
또, 도17은 연료 집합체 내의 연료봉에 그 복합재 판을 적용한 실시 형태의 일예이다. 연료봉은 지르코늄 기합금제의 연료 피복관 내에 연료 펠릿이 봉입된 것이고, 이 도17과 같이 연료 피복관 내부에 상술한 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금이 묻혀 배치되어 있는 연료봉을 연료 집합체의 4개의 코너 근방부에 많이 배치함으로써 상술한 것과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또, 이들 연료 부재의 제조 공정은 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금을 결합 배치한 지르코늄 기합금의 복합재 판 또는 직접 지르코늄 기합금과 지르코늄 함유 가돌리늄 기합금관끼리의 복합관을 이용함으로써, 종래와 마찬가지의 공정으로 제조 가능하다. 복합관의 경우에는 열간 압출에 의해 소관(素管)을 제작한 후, 필거밀에 의해 냉간 가공과 소둔을 반복하여 제조된다. 또, 그 복합재 판은 핵 설계상의 요구에 맞추어 워터 로드, 제어봉 등에도 마찬가지로 적용 가능하다.
도17에서는 가돌리늄 기합금을 링으로 배치한 것이지만, 길이 방향에 지르코늄 기합금 내의 원주내에 직사각형의 것을 등간격으로 복수개 배치할 수 있다.
도18은 도17의 본 발명에 관한 복합재를 이용한 피복관으로 이루어지는 연료봉의 부분 단면도. 연료봉은 피복관(24), 그 연료 펠릿(25), 단부 마개(27), 플리넘 스프링(26)으로 이루어지고, 내부에 He가 봉입되어 있다. 본 실시예에서는 15 내지 25 기압의 He가 봉입되어 있다. 피복관(24)은 다음과 같이 제조된다. 피복관(24)은 내측에 순수 Zr 라이너가 일체로 설치되어 있다. 이 라이너는 이하의 열처리 후의 소관의 단계에서 형성되어 냉간 가공과 소둔이 행해진다.
열간 압출 가공에 의해 외경 63.5 ㎜, 두께 10.9 ㎜의 관으로 가공하였다. 이 소관을 고주파 유도 가열 코일 안으로 통과시키는 동시에 내부에 물을 밑에서 상부로 흐르게 하면서 가열하고, 코일 바로 밑에 설치한 노즐로부터 관 외면에 물을 뿜어 급냉시켰다. 최고 가열 온도는 930 ℃로 하고, 930 ℃에서 500 ℃까지의 평균 냉각 속도가 약 150 ℃/s였다. 고주파 소입 처리를 행한 소관을 필거밀에 의한 냉간 압연과 600 ℃, 진공중에서 소둔을 교대로 3회 반복하여(최종 소둔 온도는 577 ℃로 하였다), 연료 피복관 및 둥근형 스페이서 형상의 소재로서 이용하였다. 스페이서의 경우는 소관 내에 물을 흐르게 하지 않고 가열하였다. 연료 피복관 및 스페이서 형상의 차이는 관 직경 및 두께이고, 최종 냉간 압연의 가공도를 변화시킴으로써 관 직경 및 두께가 다른 2종류의 관을 제조하였다. 스페이서의 외경은 피복관보다 크고, 두께는 피복관보다 얇다. 냉간 가공의 단면 감소율을 1회당 70 내지 80 %로 하였다. 라이너의 두께는 약 10 내지 100 ㎛이다. 피복관은 내측은 특정한 결정 방향을 가지고, Fr값으로 0.6 내지 0.7이다.
도19 및 도20은 워터 로드의 부분 단면도로, 본 실시예에서는 도20의 직경이 두꺼운 것이 이용된다. 이것의 합금은 상술한 도17의 복합재 또는 일체의 합금이 이용되고, 또 상술한 바와 같이 소관에 대해 소입이 행해진 후, 소정의 형상까지 냉간 가공과 소둔이 행해지고, 소경부(28), 대경부(29), 단부 마개(30)에 의해 구성된다. 단부 마개(30)에는 나사가 설치되고, 상술한 바와 같이 상부와 하부 타이 플레이트에 고정된다.
비등수형 원자로(BWR)용 연료 집합체의 기본 구조예를 도21을 이용하여 설명하기로 한다. 연료 집합체는 핵분열성 물질(저농축 산화 우라늄 펠릿 등)이 충전된 연료봉과 원통관형의 감속재봉(워터 로드)을 스페이서로 묶어 횡방향의 간격을 보유하고, 상단을 상부 타이 플레이트, 하단을 하부 타이 플레이트로 보유하여, 이들의 주위를 채널 박스가 둘러싸고 있다. 십자형의 제어봉은 4개의 연료 집합체로 둘러싸인 중앙에 배치된다.
본 실시예의 연료 집합체(34)는 핵분열성 물질 펠릿을 충전한 연료봉(36)과 G를 부기한 가연성 독물(가돌리니어)이 들어간 연료봉(37)과 가연성 독물이 들어간 감속재봉(40)을 묶어 채널 박스(35)로 둘러싸 구성된다. 감속재봉(40)은 외경 약 40 ㎜의 외관(31)과 내관(32)에 의한 2중관 구조로 되어 있다.
내관(32)과 외관(31)은 상술한 도17에서 설명한 지르코늄 기합금관 내에 가돌리늄 기합금을 가지는 복합관으로 구성되어 있다. 환형부(33)에는 붕소 또는 붕소 화합물(예컨대 탄화 붕소, 붕화 지르코늄 등)을 첨가한 지르코늄 합금 또는 산화 알루미늄으로 구성되어 있다.
감속재봉(10)의 하단 근방에는 냉각재를 내관(32)의 내측에 도입하는 개구를, 상단 근방에는 내관(32) 내측의 냉각재를 방출하는 개구가 설치되어 있다. 그 개구의 직경이나 갯수는 감속재봉(40)의 내부에서 냉각재가 비등하지 않도록 설정된다.
가연성 독물 함유 부재가 지르코늄 합금일 경우의 합금 안의 중량 비율은 예컨대 가돌리니어가 약 20 %, 붕소가 약 0.5 %로 설정되어 있다. 가연성 독물 함유 부재가 지르코늄 합금이 아닐 경우 또는 가연성 독물의 화학 형태가 다를 경우에는 가연성 독물 원소(여기에서는 가돌리늄과 붕소)의 절대량이 거의 같은 양이 되도록 농도를 선정하면 된다.
외관(31)과 내관(32) 사이에 형성되는 환형부(33)는 제어봉(30) 쪽을 기점으로 하는 대각선에 대해 대칭 위치가 되도록 감속재봉(40)의 위치가 설정되어 있다.
또, 미연소시 극소 출력이 큰 최외주 연료봉(38)은 4개가 있고, 연료 펠릿 표면에 가연성 독물로서 가돌리니어 또는 붕화 지르코늄이 코팅되어 있으며, 그 독물 반응도가 감속재봉(40)에 들어간 가연성 독물보다 빠른 시점에서 없어지도록 두께(1.5 미크론 정도)가 정해져 있다. 연료 펠릿의 표면에 가연성 독물을 코팅하는 대신에 저농도(0.5 내지 3 % 정도)의 가돌리니어를 첨가한 연료 펠릿을 충전한 연료봉이라도 좋다.
도22 및 도23은 본 발명 연료 집합체의 다른 실시 형태를 도시한 것이고, 도면 상부의 도면은 채널 박스 길이 방향에서 본 단면도 [도22의 (a) 및 도23의 (a)], 하부의 도면은 채널 박스 길이 방향에서 본 측면도 [도22의 (b) 및 도23의 (b)]이다. 그 MOX 연료 집합체(A)는 채널 박스(4), 다수의 연료봉(1) 묶음, 워터 로드(2) 및 상기 채널 박스 주위의 부재 내에 배치된 가연성 중성자 흡수 독물(BP)을 함유하는 BP 부재(40)로 형성되어 있다. BP 부재(40)는 채널 박스(4) 주위 측면의 코너 근방에 길이 방향으로 매립되어 배치되어 있다. 도22의 (a)는 워터 로드(3)가 2개이고, 도23의 (a)는 워터 로드(2)가 1개이다. 그 외에 구조는 모두 같게 하고 있다. 도24는 BP 부재(40)가 채널 박스(4) 측면의 코너부 길이 방향으로 묻혀 배치되어 있다. MOX 연료는 Pu량이 1.5 내지 10 중량%를 함유하는 우라늄(238) 연료로 이루어지는 것이다. Pu량이 많은 것을 채널 박스의 안쪽, 그 적은 것을 그 바깥쪽에 배치하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 BP 부재(40)는 채널 박스의 전장에 걸쳐서 배치되어 있다. BP 부재가 노출되어 있는 부분은 내식성 금속에 의해 코팅된다.
이와 같이 BP 부재(40)를 채널 박스(4) 내에 묻어 배치함으로써 BP 부재(40)가 직접 노수에 접하는 경우가 없기 때문에, 간극 부식이나 갈바닉 부식 등을 방지할 수 있다.
또, BP 부재(40)를 채널 박스(4)의 코너부 및 코너 근방부에 배치함으로써 연료 집합체 코너부의 극소 피킹 계수를 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
도24는 본 발명의 복합재를 이용한 채널 박스를 사용한 BWR 연료 집합체의 단면도.
본 실시예는 채널 박스의 코너부에 상술한 20 중량% Zr-Gd 기합금을 지르컬로이치의 합금 내에 묻은 것으로, 그 제조는 상술과 같다.
도25의 (a) 내지 (e) 및 도26은 상술한 도22 내지 도24의 실시 형태의 연료 집합체 채널 박스의 제조 방법을 도시하고 있다. 우선, 도25의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 채널 박스가 되는 지르컬로이(4) 소재판에 깊이 0.1 ㎜ 내지 0.4 ㎜ 또는 6 ㎜ 정도의 오목부를 판의 길이 방향으로 형성하고, 그 오목부에 그 오목부와 같은 크기의 BP 부재(40)를 끼워넣고, 다른 얇은 지르컬로이 소재판을 서로 붙여서 붙이는 곳을 진공중에서 용접부(42)와 같이 전자 비임 용접한다. 그 후, 600 내지 700 ℃(최고 1220 ℃, 바람직하게는 800 내지 1100 ℃)로 열간 압연, 냉간 압연, 소둔(어닐)을 수회 행하여, 완전한 1장판으로 한다. 상기 열간 압연하는 것을 대신하여 상기 소재를 최고 1220 ℃까지 가열하여 열간 압착로 압연하여 1장판으로 하는 방법도 있다. 또, 소재판 사이의 박리 등이 없다면 전자 비임 용접을 생략할 수도 있고, 특히 열간 압착로 압연한 경우에는 그 전자 비임 용접을 생략할 가능성이 높다. 상기 1장판으로 한 후, 채널 박스(1)의 형상으로 하기 위해서 굴곡 가공을 하고, 도26에 도시하는 바와 같이 굴곡 가공한 2장의 판을 맞닿게 하여 용접하고, 직사각형의 채널 박스(1)를 만들어, 그 후에 지르코늄 기합금의 β상으로의 가열후 급냉하는 소입의 열처리, 열처리 정형 및 오토클레이브 처리를 행하여 채널 박스를 완성시킨다. 지르컬로이(4)는 중량으로 Sn 1.20 내지 1.70 %, Fe 0.18 내지 0.24 %, Cr 0.07 내지 0.13 %, 산소 0.10 내지 0.16 %, 잔부 Zr로 이루어지는 Zr 기합금이다.
이상의 구조로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 플루토늄을 혼입한 연료 집합체(MOX 연료 집합체)는 연료봉 내부에 중성자 흡수재 또는 가연성 독물을 혼입하는 일없이 잉여 반응도를 적절하게 억제할 수 있다.
또, 가연성 독물을 연료에 혼입하지 않으므로, 연료 집합체당의 플루토늄 장착 부하량을 감소시키는 일없이 플루토늄의 경수로 이용이 실현 가능하다.
또, 펠릿 부화도(富化度) 종류를 증가하는 일없이 연료 집합체 외주 부분의 극소 피킹을 효과적으로 저감하는 것이 가능해지고, 이에 따라 연료 집합체를 구성하는 펠릿의 부화도 종류를 감소시킬 수 있다.
또, 가연성 독물을 채널 박스 내에 매설함으로써 가연성 독물 자체 부식 및 채널 박스와 가연성 독물 사이의 간극 부식이나 갈바닉 부식이 일어나지 않게 되는 동시에, 그 가연성 독물 자체가 직접 노수에 접하는 일이 없으므로 그 가연성 독물의 노수 내로의 용출을 방지할 수 있다.
또, 외부에 가연성 독물이 노출하지 않는 단조로운 채널 박스를 구성할 수 있는 동시에, 가연성 독물을 매설한 채널 박스를 용이하게 제조할 수 있고, 또 채널 박스 소재판 사이의 박리 등의 현상을 없앨 수 있다.
본 발명에 따르면, 가돌리늄 함유량을 20 % 이상으로 하고, 나머지를 지르코늄으로 하는 지르코늄-가돌리늄 합금과 중성자 흡수재로 함으로써, 연료봉 내부에 중성자 흡수재를 혼입하는 일없이 핵설계상 잉여 반응도를 적절하게 억제할 수 있는 연료 집합체를 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 중성자 흡수재용 지르코늄-가돌리늄 합금의 제조 공정에 의해 현용 지르코늄 기합금의 제조와 같은 제조를 할 수 있는 효과가 있다.
Claims (12)
- 20 중량 % 가돌리늄 이상의 지르코늄-가돌리늄 합금이 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 부재.
- 가돌리늄 20 내지 99 중량%를 가지는 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 부재.
- 288 ℃에서의 인장 강도가 92 MPa 이상 또는 실온의 인장 강도가 200 MPa 이상인 지르코늄-가돌리늄 합금이 그 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 부재.
- 실온에서 300 ℃까지의 평균 열팽창률이 0.16 내지 0.18 %인 지르코늄-가돌리늄 합금이 그 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 부재.
- 피복관 내에 핵연료가 장착 부하되는 복수개의 연료봉과, 그 연료봉을 소망하는 위치에 배치하는 스페이서와, 그 배치된 연료봉을 그 상단과 하단에서 지지하는 상부 타이 플레이트 및 하부 타이 플레이트와, 상기 스페이서 내에 배치된 워터 로드를 일체로 집합시켜서 그 외주를 피복하는 채널 박스를 구비하는 연료 집합체에 있어서, 상기 피복관, 스페이서, 워터 로드 및 채널 박스 중 적어도 1개가 가돌리늄 함유량이 20 중량% 이상인 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 집합체.
- 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 피복관.
- 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로용 스페이서.
- 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로용 워터 로드.
- 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로용 채널 박스.
- 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금보다 내식성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 제어봉.
- 피복관 내에 핵연료가 장착되는 복수개의 연료봉과, 그 연료봉을 소망하는 위치에 배치하는 스페이서와, 그 배치된 연료봉을 그 상단과 하단에서 지지하는 상부 타이 플레이트 및 하부 타이 플레이트와, 상기 스페이서 내에 배치된 워터 로드를 일체로 집합시켜서 그 외주를 피복하는 채널 박스를 구비하는 연료 집합체에 있어서, 상기 채널 박스는 주방향으로 복수개의 직사각형 지르코늄-가돌리늄 합금이 내포된 상기 합금상기 합금성이 높은 지르코늄 기합금으로 이루어지는 복합 부재로 이루어지고, 상기 지르코늄-가돌리늄 합금은 상기 채널 박스의 중앙부에 전장의 90 % 이상에 걸쳐서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 집합체.
- 지르코늄 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 가돌리늄 기합금판.
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