KR20110105384A - 경수형 원자로용 핵연료 집합체(실시예), 경수형 원자로 및 핵연료 집합체의 연료 요소 - Google Patents

경수형 원자로용 핵연료 집합체(실시예), 경수형 원자로 및 핵연료 집합체의 연료 요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토륨이 연료로서 사용되는 경수로 디자인들의 범주에 포함되는 것으로, 특히 PWR 형태의 원자로들(예를 들어, AP-1000, EPR 등)과 같은 수냉식 수감속 동력로의 코어들이 형성되는 17×17 재킷없는 핵연료 집합체의 디자인들의 범주에 포함된다. 경수로 핵연료 집합체는 평면에서 봤을 때 정사각형이고, 시드 구역, 이를 둘러싸는 블랭킷 구역, 상부 노즐, 시드 구역의 하부 노즐, 및 블랭킷 구역의 하부 노즐을 포함한다. 시드 구역의 연료 요소 다발은 정사각형 좌표 그리드의 행과 열에 배치되고, 연료 요소의 길이를 따라 나선형 스페이서 리브들을 형성하는 4-로브 프로파일을 갖는다. 블랭킷 구역은, 농축 우라늄이 추가된 토륨으로부터 만들어진 연료 요소들의 다발이 위치되는 프레임 구조체를 포함한다. 블랭킷 구역 연료 요소들은 정사각형 좌표 그리드의 2 개의 행과 열에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 경수로 핵연료 집합체는 유사한 디자인을 갖는다; 이때, 블랭킷 구역 연료 요소들은 정사각형 좌표 그리드의 3 개의 행과 열에 배치된다.
또한, 본 발명은 핵연료 집합체 및 핵연료 집합체를 사용하는 PWR 타입의 경수로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서 채택된 연료 요소들의 범주에 포함된다.

Description

경수형 원자로용 핵연료 집합체(실시예), 경수형 원자로 및 핵연료 집합체의 연료 요소{FUEL ASSEMBLY FOR A LIGHT-WATER NUCLEAR REACTOR(EMBODIMENTS), LIGHT-WATER NUCLEAR REACTOR AND FUEL ELEMENT OF THE FUEL ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 토륨이 연료로서 사용되는 경수형 원자로의 구조 요소 범주에 포함되는 것으로, 특히 수냉식 수감속 동력로(water-cooled, water-moderated power reactor)의 코어들이 형성되는 정사각형의 재킷없는(jacketless) 핵연료 집합체의 구조 요소 범주에 포함되며, 이는 PWR 형태의 원자로들(예를 들어, AP-1000, EPR 등)로서 알려져 있다.
원자력은 여전히 오늘날 전세계의 필수 에너지원이다. 충분한 화석 연료 자원들을 갖지 않는 많은 나라들이 주로 원자력에 의지하여 전기를 발생시킨다. 많은 다른 나라들에서는, 전기 생성에 대한 경쟁 자원으로서 원자력이 사용되며, 이는 사용되는 에너지 형태들의 다양성도 증가시킨다. 또한, 원자력은 화석 연료와 연계된 환경 오염(예를 들어, 산성비 및 지구 온난화)의 관리 및 후세를 위한 화석 연료의 보존과 같은 목표 달성에도 매우 많이 기여한다.
안전성이 명백히 원자로의 설계 및 작동을 둘러싼 주요한 쟁점이라는 사실에도 불구하고, 또 다른 중요한 쟁점은 핵무기들에서 사용될 수 있는 물질들의 급증의 위험을 포함한다. 이는 특히, 정부가 불안정한 나라, 즉 세계 안정에 상당한 위협을 일으킬 수 있는 핵무기를 소유한 나라들에 대해 사실이다. 이러한 이유로, 원자력은 핵무기의 급증 및 그 사용에 있어서 결과적인 위험을 초래하지 않는 방식으로 생성되고 사용되어야 한다.
이때 현존하는 모든 원자로들은 통상적으로 원자로급 플루토늄이라 하는 많은 양의 물질을 생성한다. 예를 들어, 종래의 1,000-메가와트(MW) 원자로는 1 년에 200 내지 300 킬로그램(kg) 규모의 원자로급 플루토늄을 생성하며, 이는 핵무기를 만들기에 적절할 수 있다. 따라서, 종래 원자로들의 코어들로부터 배출된 연료는 심하게 증식되는 물질이며, 배출된 연료가 이를 소유할 권리를 갖지 않는 개인의 수중에 포함되지 않을 것을 보장하기 위해 예방책을 필요로 한다. 또한, 유사한 안정성 문제가 무기급 플루토늄의 막대한 비축에 대해 존재하며, 이는 핵무기가 해체된 경우에 미합중국(USA) 및 전 소비에트 사회주의 공화국 연방의 나라들에서 생성된다.
종래 원자로의 작동과 연계된 또 다른 문제는 천연 우라늄 원료들에 있어서 세계 자원들의 빠른 고갈뿐만 아니라, 오래 존속되는 방사성 폐기물 처리로부터 유래한다.
이 문제들을 해결하기 위해, 최근에는 비교적 소량의 핵확산방지 농축 우라늄(nonproliferative enriched uranium)(농축 우라늄은 20 % 이하의 U-235 함유량을 가짐)으로 작동하고, 플루토늄과 같은 상당량의 증식 물질들을 생성하지 않는 원자로를 생성하려는 시도가 이루어졌다. 이러한 원자로의 예시들은 국제 출원 WO 85/01826 및 WO 93/16477에 개시되었으며, 이때 시드 구역(seed region) 및 브리딩 구역(breeding region)을 포함한 시드-앤드-브리딩 코어(seed-and-breeding core)를 갖는 원자로들이 제시되고, 이는 토륨이 연료로서 공급되어 브리딩 구역들로부터 상당한 비율의 전력을 유도한다. 브리딩 구역들은 시드 구역을 둘러싸고, 이 안에 핵확산방지 농축 우라늄으로 만들어진 연료봉들이 위치된다. 시드 구역 연료봉 내의 우라늄이 중성자를 방출하고, 이는 브리딩 구역에서 토륨에 의해 포획되며, 이로 인해 핵분열의 역할을 하는 U-233이 생성되고, 이는 그대로 연소하여 원자로 발전소에 대한 열을 발생시킨다.
원자로 연료로서 토륨의 사용은, 전세계의 토륨 매장량이 우라늄 매장량을 상당히 초과하기 때문에 호소적이다. 또한, 앞서 언급된 두 원자로들은 초기 충전된 연료 및 각각의 연료 사이클 끝에 배출된 연료가 모두 핵무기를 만들기에 적절하지 않다는 점에서 핵확산을 방지한다. 이는, 핵확산방지 농축 우라늄만이 시드 구역 연료로서 사용되고, 그동안 감속재/연료 부피 비들은 플루토늄의 최소 형성을 유도하도록 선택된다는 사실에 의해 달성된다. 또한, 소량의 핵확산방지 농축 우라늄이 브리딩 구역에 추가되어, 이 안에서 U-238 성분이 브리딩 사이클 마지막에 남은 U-233과 균질하게 혼합되고 U-233을 "변성시키며"(그 본래 특성을 변경시키며), 이 결과로 이것이 핵무기를 만드는데 적절하지 않게 된다.
공교롭게도, 사실 앞서 언급된 원자로 디자인들은 모두 "핵확산을 방지하지 않는다". 특히, 이 두 디자인들은 시드 구역에서 가능한 최소 레벨을 초과하는 핵확산 플루토늄 형성 레벨을 유도한다는 것이 발견되었다. 내부 또는 중심의 브리딩 구역 및 외부를 둘러싸는 브리딩 구역을 갖는 둥근 시드 구역의 사용은 "핵확산방지" 원자로로서의 원자로 작동을 보장할 수 없는데, 이는 얇고 둥근 시드 구역이 대응하여 작은 "광학적 두께"를 갖기 때문이며, 이는 (중성자들의) 시드 구역 스펙트럼이 내부 및 외부 브리딩 구역들의 상당히 더 두드러진(hard) 스펙트럼보다 우세할 것이라는 사실을 유도한다. 이는 최소량보다 많은 양의 증식 플루토늄을 생성시킬 뿐만 아니라, 시드 구역에서 더 큰 몫의 고온열 중성자들을 발생시킨다.
또한, 이 앞선 원자로 디자인들은 모두 작동 파라미터들의 기준으로부터 최적화되지 않았다. 예를 들어, 시드 구역 및 브리딩 구역들에서의 감속재/연료 부피 비들은, 특히 시드 구역에서 최소량의 플루토늄 생성을 위해, 시드 구역에서 연료봉들로부터 적절한 양의 열이 발생할 것을 보장하기 위해, 또한 브리딩 구역에서 U-233으로의 토륨의 최적 전환을 위해 임계적이다. 연구를 통해 이 국제 출원들에 명시된 바람직한 감속재/연료 비의 값들이 시드 구역들에서 너무 높고 브리딩 구역들에서 너무 낮은 것으로 나타났다.
또한, 앞선 코어 디자인들은 특히 핵확산방지 농축 우라늄이 시드 구역 연료 요소들로 사용되었던 경우에 효율적이지 않았다. 결과로서, 각각의 시드 구역 연료 사이클 마지막에 배출된 연료봉들은 결과적으로 또 다른 원자로 코어에서 다시 사용하기 위해 처리할 필요가 있는 잔여 우라늄을 훨씬 더 많이 포함하였다.
또한, 출원 WO 93/16477에 개시된 원자로는, 종래의 원자로 코어의 재-설비에 적절하지 않게 하는 복잡한 원자로 기계 제어 회로를 필요로 한다. 이와 유사하게, 출원 WO 85/01826에 개시된 원자로의 코어는 종래의 코어로 쉽게 바뀌지 않는데, 이는 그 설계 파라미터들이 종래 코어의 설계 파라미터들과 호환가능하지 않기 때문이다.
최종적으로, 앞선 두 원자로 디자인들은 토륨과 핵확산방지 농축 우라늄을 연소시키도록 특수하게 고안되었고, 많은 양의 플루토늄을 사용하기에는 적절하지 않다. 따라서, 이 디자인들은 모두 저장되고 축적된 플루토늄의 문제 해결을 보장하지 않는다.
특허 RU 2176826으로부터, 각각 중심의 시드 구역을 포함하는 다수의 시드-앤드-블랭킷 구역(seed-and-blanket region)들을 포함한 코어를 갖는 원자로가 알려져 있다. 모든 시드 구역은 우라늄-235 및 우라늄-238을 포함하는 핵분열을 할 수 있는 물질로부터 만들어진 시드 구역의 연료 요소들을 포함하며, 원형 브리딩 구역이 시드 구역을 둘러싼다. 또한, 원자로는 브리딩 구역의 브리딩 연료 요소들을 포함하고, 이는 주로 10 % 미만의 부피로 농축 우라늄 및 토륨을 포함하며; 시드 구역 감속재를 포함하고, 이때 감속재/연료 비는 2.5 내지 5.0의 값 범위에 포함되며; 그리고 브리딩 구역 감속재를 포함하고, 이때 감속재/연료 비는 1.5 내지 2.0의 값 범위에 포함된다. 이와 함께, 각각의 시드 구역 연료 요소들은 우라늄-지르코늄(U-Zr) 합금을 포함하고, 시드 구역은 각각의 시드-앤드-블랭킷 구역의 총 부피의 25 내지 40 %를 포함한다.
알려진 원자로는 경제적 관점으로부터의 최적 작동이 "핵확산"하지 않을 것을 보장한다. 이 원자로는 많은 양의 플루토늄 및 토륨을 소모하면서, 동시에 핵확산 물질을 구성하는 폐기물을 생성하지 않도록 사용될 수 있다. 이와 함께, 주 원자로는 상당히 더 적은 양의 고방사성 폐기물을 생성하며, 이 결과로서 장기 폐기물 저장 위치들에 대한 필요성이 감소된다.
하지만, 이 원자로에서 채택된 시드-앤드-블랭킷 구역들은 앞서 언급된 PWR 타입의 기존 경수로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서의 사용에 적절하지 않다.
특허 RU 2222837에 대한 설명으로부터 경수로 핵연료 집합체가 알려져 있으며, 이는 앞서 설명된 원자로와 유사하고, 특히 종래의 경수로에서 시드-앤드-블랭킷 구역들로 이루어진 이 핵연료 집합체를 설치할 수 있게 하는 정사각형 단면을 갖는다.
하지만, 집합체들의 단면 형상을 나타내는 것 이외에, 앞서 언급된 특허에 대한 설명은 원자로 디자인에서 여하한 종류의 변화 없이 PWR 타입의 기존 경수로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서 그 설치를 용이하게 할 수 있는 집합체 구조 변동에 대한 정보를 포함하지 않는다.
특허 RU 2294570으로부터, 연료 요소 다발, 스페이서 그리드(spacer grid) 내에 하우징된 유도관, 하부 노즐, 및 상부 노즐을 포함하는 경수로 핵연료 집합체가 알려져 있으며, 이때 스페이서 그리드들은 핵연료 집합체의 길이를 따라 위치된 구성요소들에 의해 하부 노즐과 상호연결되는 한편, 상부 노즐은 상부 및 하부 연결 플레이트들, 이 플레이트들 사이에 위치되는 셸링(shell ring) 및 스프링 조립체를 포함하고; 여기에서, 상부 노즐 셸링에는 외측 리브(outer rib)들이 장착되어 있으며, 이 돌출부들은 림(rim)에 의해 상호연결되고, 이 하부 부분은 다공 플레이트(perforated plate)들에 의해 상호연결된다.
알려진 핵연료 집합체는 재킷없는 핵연료 집합체 디자인들의 범주에 포함되며, 이로부터 VVER-1000 타입의 수냉식 수감속 동력로의 코어들이 형성되고, 연료 요소 길이의 동시 증가에 의해 수행되는 연료 요소 다발과 상부 노즐 사이의 확장된 자유 공간뿐만 아니라, 상부 노즐의 증가된 강성 및 감소된 길이로 인해 향상된 성능 특성들을 갖는다. 이는 높은 연소 비율(burnup fraction)을 갖는 연료로의 핵연료 집합체 충전을 증가시킬 수 있게 하며, 이에 따라 핵연료 집합체 작동 시간뿐만 아니라, 원자로 코어 출력도 증가시킬 수 있게 한다.
하지만, 이 집합체 내의 모든 연료 요소들은 경수로에서 통상적으로 사용되는 핵분열성 물질로부터 만들어지고; 그 결과, 앞서 설명된 단점이 이 형태의 집합체들을 갖는 원자로에 내재한다 - 많은 양의 원자로급 플루토늄 생성. 또한, 상기 집합체는 VVER-1000 타입의 원자로들에 대해 적합하게 되어 있었다; 즉, 이는 육각형 단면을 갖고, 이는 PWR 타입의 원자로들(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서 사용되는 핵연료 집합체들의 형상과 매칭하지 않는다.
본 발명의 목적은, 한편으로는 연료로서 토륨을 포함하는 브리딩 구역에서 그 출력의 상당부를 발생시키고, 사용 시 핵확산 물질들을 구성하는 폐기물을 생성하지 않는 핵연료 집합체를 생성하는 것을 포함한다. 다른 한편으로, 이는 실질적인 수정을 필요로 하지 않고도 PWR 형태의 기존 경수로(예를 들어, AP-1000, EPR 등) 내로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 목적은 평면에서 봤을 때 정사각형인 경수형 원자로 핵연료 집합체가 단면에 정사각형 좌표 그리드(square coordinate grid)의 행 및 열이 배치되는 한 다발의 시드 연료 요소들을 포함하는 시드 구역 -이때, 각각의 시드 연료 요소는 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함하는 커널(kernel)을 포함함-, 및 앞서 언급된 시드 구역을 둘러싸고 각각 세라믹 토륨(ceramic thorium)을 포함하는 한 다발의 브리딩 연료 요소들을 포함하는 블랭킷 구역 -이 경우, 브리딩 연료 요소들은 2 개의 정사각형 링 내에서 정사각형 좌표 그리드의 행 및 열에 단면이 두 개로 배치됨- 을 포함한다는 사실에 의해 달성된다.
또한, 핵연료 집합체는 유도관들을 포함하고, 이는 PWR 타입의 원자로의 핵연료 집합체 제어 봉들에 대해 유도관들의 위치를 매칭하는 방식으로 시드 구역 내에 배치되어, 이들의 호환성(interchangeability)을 보장한다. 특히, 핵연료 집합체는 24 개의 유도관을 포함하고, 이는 PWR 타입의 원자로의 17×17 핵연료 집합체 제어 봉들에 대해 24 개의 유도관의 위치를 매칭하는 방식으로 시드 구역 내에 배치되어, 이들의 호환성을 보장한다.
시드 연료 요소들의 각 세트는 나선형 스페이서 리브(spiral spacer rib)들을 형성하는 4-로브 프로파일(four-lobed profile)을 갖는다.
주로, 핵연료 집합체 단면 내의 블랭킷 구역 연료 요소들은 19 개의 행과 19 개의 열로 구성된 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽의 2 개의 열과 행에 위치되는 한편, 시드 연료 요소들은 13 개의 열과 13 개의 행으로 구성된 정사각형 좌표 그리드의 행과 열에 위치된다.
이와 함께, 핵연료 집합체는 단면이 정사각형이고, 블랭킷 구역 연료 요소들로부터 시드 구역 연료 요소들을 분리하는 채널을 포함한다. 시드 구역들의 하부 노즐은, 시드 연료 요소들을 고정하기 위해 지지 프레임 구조체가 부착되는 채널에 연결된다. 또한, 자유로운 축방향 이동을 가능하게 하도록 시드 연료 요소들의 배치를 용이하게 하기 위해, 채널의 상부 부분에 유도 그리드(guiding grid)가 부착된다.
주로, 시드 연료 요소들의 수는 144 개(item)인 한편, 브리딩 연료 요소들의 수는 132 개이다.
블랭킷 구역은 블랭킷 구역 하부 노즐, 길이방향으로 배치된 각도 유닛(lengthwise-arranged angle unit)들, 및 수 개의 길이방향으로 배치된 폴(pole)들을 포함한다; 이와 함께, 블랭킷 구역 하부 노즐은 앞서 언급된 각도 유닛들 및 폴들에 단단히 연결되어, 블랭킷 구역 프레임 구조체를 형성한다. 이 경우, 폴들의 수와 동일한 각도 유닛들의 수는 주로 4 개이다.
프레임 구조체에 스페이서 그리드들이 고정된다. 그리드들 각각의 중심 영역에 개구부(opening)가 구현되어, 그 안에 시드 구역을 하우징한다.
시드 및 블랭킷 구역들은 로킹 메카니즘(locking mechanism)에 의해 상호연결되며, 이는 시드 및 블랭킷 구역들을 분리할 가능성을 보장할 뿐만 아니라, 단일 유닛으로서 집합적으로 원자로 코어 내로 이 모듈들을 삽입하고 코어로부터 이들을 추출할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 목적은 앞서 설명된 실시예와 달리 핵연료 집합체에서 브리딩 연료 요소들이 3 개의 정사각형 링 내에서 단면에 정사각형 좌표 그리드의 행 및 열이 배치된다는 사실에 의해 달성된다.
이와 함께, 유도관들의 일부는 시드 구역 내에 설치되는 한편, 나머지 채널들은 블랭킷 구역에 설치된다; 이 경우, 모든 유도관들은 PWR 타입의 원자로의 핵연료 집합체 제어 봉들에 대해 유도관들의 위치를 매칭하는 방식으로 배치된다.
연료 채널의 제 2 실시예에 따르면, 그 안의 시드 및 블랭킷 구역 연료 요소들은 단면에 정사각형 좌표 그리드의 17 개의 행과 17 개의 열이 배치되고, 그동안 시드 연료 요소들은 이 그리드의 중간부에 11 개의 행과 11개의 열이 위치된다.
제 1 실시예에서의 집합체와 같이, 이 실시예에서 핵연료 집합체는 정사각형 단면을 갖고 블랭킷 구역 연료 요소들로부터 시드 구역 연료 요소들을 분리하는 채널을 포함한다. 이때, 채널 내에는 16 개의 유도관이 위치되는 한편, 그 외부에는 PWR 타입의 원자로의 17×17 핵연료 집합체의 24 개 제어 봉들의 위치를 매칭하는 방식으로 8 개의 유도관이 위치되어, 이들의 호환성을 보장한다. 또한, 시드 구역의 하부 노즐은, 시드 연료 요소들을 고정하기 위해 지지 프레임 구조체가 부착되는 채널에 연결된다. 또한, 자유로운 축방향 이동을 가능하게 하도록 시드 연료 요소들의 배치를 용이하게 하기 위해, 채널의 상부 부분에 유도 그리드가 부착된다.
앞서 설명된 실시예와 달리, 핵연료 집합체의 이 실시예에서 복수의 시드 연료 요소들은 단면에 정사각형 좌표 그리드의 중간부의 9 개의 행과 9 개의 열이 배치되는 복수의 제 1 시드 연료 요소들, 및 정사각형 좌표 그리드의 중간부의 가장 바깥쪽 행과 열이 위치되는 복수의 제 2 시드 연료 요소들을 포함한다. 이때, 복수의 제 1 시드 연료 요소들은 제 2 시드 연료 요소들 각각의 맞 모거리(width across corner)보다 더 큰 맞 모거리들을 갖는다. 이와 함께, 복수의 제 1 시드 연료 요소들은 72 개의 요소들을 포함하는 한편, 복수의 제 2 시드 연료 요소들은 36 개의 요소들을 포함한다.
시드 구역의 단면의 2 개의 행 각각과 2 개의 열 각각에서의 제 2 시드 연료 요소들은 채널의 중심을 향해 시프트되는 한편, 시드 연료 요소들의 측방향 변위를 방지하기 위해 2 개의 인접한 제 2 시드 연료 요소들 사이의 채널의 내표면 상에 시드 연료 요소들의 측방향 이동을 제한하는 디바이스들이 위치된다. 이 디바이스들은 시드 구역 채널 상에서 돌출 영역(raised area)의 형태로, 또는 채널 내에서 길이방향으로 배치되는 봉의 형태로 형성될 수 있다.
집합체의 이 실시예에서 복수의 브리딩 연료 요소들은 156 개의 브리딩 연료 요소들을 포함하고, 이는 핵연료 집합체의 단면 내에서 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽의 3 개의 열과 행에 설치된다.
제 1 실시예에서와 같이, 이 실시예에서의 블랭킷 구역은 블랭킷 구역 하부 노즐을 포함한다; 하지만, 본 실시예에서 이 하부 노즐은 블랭킷 구역 프레임 구조체를 형성하기 위해 블랭킷 구역에 위치되는 유도관들에 단단히 연결된다. 또한, 프레임 구조체에 스페이서 그리드들이 고정된다. 그리드들 각각의 중심 영역에 개구부가 구현되어, 그 안에 시드 구역을 하우징한다.
제 1 실시예에 대응하는 집합체에서와 같이, 시드 및 블랭킷 구역들은 로킹 메카니즘에 의해 상호연결되며, 이는 시드 및 블랭킷 구역들을 분리할 가능성을 보장할 뿐만 아니라, 단일 유닛으로서 집합적으로 원자로 코어 내로 이 모듈들을 삽입하고 코어로부터 이들을 추출할 수 있게 한다.
제 1 및 제 2 실시예들에 대응하는 핵연료 집합체들의 치수 및 형상, 및 중성자 및 열수력(thermohydraulic) 특성들이 PWR 타입의 원자로에 대한 통상적인 핵연료 집합체의 치수 및 형상, 및 중성자 및 열수력 특성들에 매칭하여, 이들의 호환성을 보장한다. 이때, 핵연료 집합체의 출력 파워는 이것이 원자로 설계에 있어서 어떠한 추가적인 변화들도 없이 PWR 타입의 원자로에 대한 통상적인 핵연료 집합체 대신에 원자로 내로 배치되는 경우, 통상적인 핵연료 집합체들과 작동하도록 의도된 원자로의 설계 범위 한계 내에 포함된다.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 원자로 핵연료 집합체들의 연료 요소가 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함한 커널을 포함하고, 4-로브 프로파일을 갖는다는 사실에 의해 달성된다. 커널 이외에, 상기 요소는 커널을 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함한다. 프로파일들의 로브들은 나선형 스페이서 리브들을 형성한다; 이때, 나선형 스페이서 리브들의 축방향 트위스트 피치(twist pitch)는 연료 요소 길이의 5 % 내지 30 % 범위이다. 클래딩은 지르코늄 합금으로부터 만들어진다; 커널의 종축을 따라 거의 정사각형인 단면을 갖는 디스플레이서(displacer)가 위치된다. 디스플레이서는 지르코늄 또는 그 합금으로부터 만들어진다; 커널은 30 %까지의 우라늄 비율을 갖는 우라늄-지르코늄(U-Zr) 합금으로부터 만들어진다; 이때, 우라늄은 우라늄-235 동위원소를 이용하여 20 %까지 농축된다. 커널은 30 %까지의 전력급(power-grade) 플루토늄 비율을 갖는 플루토늄-지르코늄(Pu-Zr) 합금으로부터 만들어진다.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 복수의 핵연료 집합체들을 포함한 경수로에서, 적어도 핵연료 집합체들 중 하나 또는 모두가 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예에 따라 구현된다는 사실에 의해 달성된다.
이하 첨부된 도면들을 고려하는 바람직한 실시예들의 아래의 상세한 설명으로부터 본 발명의 특수성 및 장점들이 명백할 것이다:
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체의 전체도;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체의 단면 레이아웃;
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핵연료 집합체의 전체도;
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 핵연료 집합체의 단면 레이아웃;
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 시드 구역의 주변부에서의 연료 요소들의 위치의 레이아웃;
도 6은 시드 구역 연료 요소에 관한 사시도 레이아웃;
도 7은 시드 구역 연료 요소의 단면 레이아웃;
도 8은 시드 및 블랭킷 구역 하부 노즐 연결의 일 형태(version)의 레이아웃;
도 9는 스페이서 그리드 내의 블랭킷 구역 연료 요소 위치의 레이아웃; 및
도 10은 본 발명에 따라 구현된 핵연료 집합체들을 포함하는 원자로 코어의 단면 레이아웃이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라 집합적 아이템(1)으로 나타낸 핵연료 집합체가 도 1에 도시된다. 핵연료 집합체(1)는 시드 구역(2), 블랭킷 구역(3), 상부 노즐(4), 시드 구역 하부 노즐(5), 및 블랭킷 구역 하부 노즐(6)을 포함한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 시드 구역(2)은 연료 요소 다발(7)을 포함하는 한편, 블랭킷 구역(3)은 연료 요소 다발(8)을 포함한다. 다발(7) 내의 연료 요소들 각각은, 연료 요소의 길이를 따라 나선형 스페이서 리브(9)(도 6)를 형성하는 4-로브 프로파일을 갖고, 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함하는 커널(10)(도 7) 및 이를 둘러싸는 지르코늄 합금으로 만들어진 클래딩을 포함한다. 커널(10) 내부에 디스플레이서(12)가 위치된다. 모든 연료 요소들(7)은 나선형 스페이서 리브(9) 접촉점에서 다발(7) 내의 각각의 인접한 연료 요소와 접촉한다. 나선형 스페이서 리브(9) 접촉점들은 나선형 라인 피치 값의 25 %와 같은 거리만큼 축방향으로 서로 떨어져 있다.
연료 요소들(8) 각각은 평면도에서 둥근 형상이고, 농축 우라늄을 추가한 토륨으로부터 만들어진다. 연료 요소 모듈(7 및 8)은 단면이 정사각형 좌표 그리드의 행과 열에 배치되어, 평면에서 봤을 때 핵연료 집합체가 전체적으로 정사각형의 형상을 갖게 된다. 특히, 모듈(7)의 연료 요소들은 13 개의 행과 13 개의 열로 구성된 정사각형 좌표 그리드의 행과 열에 배치되는 한편, 블랭킷 구역의 연료 요소들(8)은 19 개의 행과 19 개의 열로 구성된 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽의 2 개의 행과 열에 위치된다.
다발(7)의 각 연료 요소의 프로파일들은, 예를 들어 12.6 밀리미터(mm)에 달하는 동일한 맞 모거리들을 갖는다. 연료 요소들(7)의 수는 144이다. 연료 요소들(8)은 예를 들어 8.6 밀리미터(mm)에 달하는 동일한 직경을 갖고, 정사각형의 측면들을 따라 정사각형 좌표 그리드의 2 개의 행과 열에 위치된다. 연료 요소들(8)의 수는 132이다.
시드 구역(2)의 중심에 관(13)이 위치되고, 이는 그 안에 제어부들을 하우징하는 유도 채널을 형성한다. 흡수봉(absorber rod) 및 안전봉(safety rod)의 삽입을 위해, 시드 구역(2)의 경계 내에 유도관들(14)이 위치되고, 이는 축방향 시프트를 가능하게 하도록 상부 노즐(4)에 위치되며, 이에 추가하여 이들은 나사 조인트(threaded joint: 15) 또는 콜렛 픽스처(collet fixture: 16)(도 8)에 의해 시드 구역(2)의 하부 노즐(5) 및 블랭킷 구역(3)의 하부 노즐(6)에 링크된다.
시드 구역(2)의 연료 요소 다발(7)은 채널(17)로 둘러싸이고, 이는 하부 노즐(5)에 고정된다. 시드 구역(2)의 연료 요소 다발(7)의 하단부 부분들은 지지 프레임 구조체(18) 내에 위치되는 한편, 그 상단부 부분들은 유도 그리드(19)(도 1) 내에 위치된다. 시드 구역(2)의 연료 요소(7)는 조합된 몰딩 기술(오목형 다이를 통한 압출가공)을 이용하여 단일 집합체 유닛의 형태로 제작될 수 있다. 나선형 스페이서 리브(9)의 나선형 라인 피치는 연료 요소의 단면 맞 모거리들과 같은 거리에서 인접한 연료 요소들(7)의 축들의 상호 정렬 상태에 기초하여 선택되었고, 연료 요소 길이의 5 % 내지 30 % 범위이다.
블랭킷 구역(3)은 4 개의 각도 요소(20)에 의해 형성된 프레임 구조체 및 4 개의 폴(21)을 포함하며, 이는 하부 노즐(6)에 부착된다. 스페이서 그리드들(22)은, 연료 요소들(8)이 지나가는 홀들을 통해 프레임 구조체에 고정된다(도 9). 스페이서 그리드들(22)은 그 중심 영역에 시드 구역(2)을 하우징하는 개구부를 갖는다.
본 발명의 제 2 실시예에 따라 집합적 아이템(1')으로 나타낸 핵연료 집합체가 도 3에 도시된다. 이 집합체는 시드 구역(2'), 블랭킷 구역(3'), 상부 노즐(4'), 시드 구역 하부 노즐(5'), 및 블랭킷 구역 하부 노즐(6')을 포함한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 시드 구역(2')은 연료 요소 다발(7')을 포함하는 한편, 블랭킷 구역(3')은 연료 요소 다발(8')을 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체와 유사하게, 연료 요소들(7') 각각은 연료 요소의 길이를 따라 나선형 스페이서 리브(9)(도 6)를 형성하는 4-로브 프로파일을 갖고, 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함하는 커널(10)(도 7) 및 커널을 둘러싸는 지르코늄 합금으로 만들어진 클래딩(11)을 포함한다. 커널(10) 내부에 디스플레이서(12)가 위치된다. 연료 요소들(8') 각각은 평면도에서 둥근 형상이고, 우라늄 및 토륨의 다양한 세라믹 포뮬레이션(ceramic formulation)들로부터 만들어진다.
연료 요소 모듈(7' 및 8')은 단면이 정사각형 좌표 그리드의 행과 열에 배치되어, 평면에서 봤을 때 핵연료 집합체가 전체적으로 정사각형의 형상을 갖게 된다. 특히, 시드 구역의 연료 요소들(7') 및 블랭킷 구역의 연료 요소들(8')은 정사각형 좌표 그리드의 17 개의 행과 17 개의 열을 따라 배치되며, 이때 연료 요소들(7')은 이 그리드 중간부에서 11 개의 행과 11 개의 열에 배치된다.
정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽 행과 열에 위치된 연료 요소들(7')의 프로파일들은, 예를 들어 10.3 mm에 달하는 동일한 맞 모거리들을 갖는다. 나머지 연료 요소들(7')의 프로파일들은, 예를 들어 12.6 mm에 달하는 더 큰 동일한 맞 모거리들을 갖는다. 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽 행과 열에 위치된 연료 요소들(7')의 수는 36인 한편(정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽 행과 열 각각에 9임), 나머지 연료 요소들(7')의 수는 72이다. 연료 요소들(8')은 예를 들어 9.5 mm에 달하는 동일한 직경을 갖고, 정사각형 좌표 그리드의 3 개의 행과 열에 배치된다. 연료 요소들(8')의 수는 156이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체와 유사하게, 시드 구역(2')의 중심에 관(13)이 위치되고, 이는 그 안에 제어부들을 하우징하는 유도 채널을 형성한다. 흡수봉 및 안전봉의 삽입을 위해, 시드 구역(2')의 경계 내에 유도관들(14)의 일부가 위치되고, 이는 축방향 시프트를 가능하게 하도록 상부 노즐(4)에 설치되며, 나사 조인트(15) 또는 콜렛 픽스처(16)(도 8)에 의해 시드 구역(2')의 하부 노즐(5')에 링크된다. 나머지 주변 유도관들(14')은 블랭킷 구역(3')의 경계 내에 위치되고, 축방향 시프트를 가능하게 하도록 상부 노즐(4)에 설치되며, 나사 조인트(15) 또는 콜렛 픽스처(16)(도 8)에 의해 블랭킷 구역(3')의 하부 노즐(6')에 링크된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체와 유사하게, 시드 구역(2')의 연료 요소 다발(7')은 채널(17')에 의해 둘러싸이고, 이는 하부 노즐(5')에 고정된다. 시드 구역(2')의 연료 요소들(7')의 하단부 부분들은 지지 프레임 구조체(18) 내에 위치되는 한편, 그 상단부 부분들은 유도 그리드(19) 내에 위치된다(도 3).
본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체와 유사하게, 블랭킷 구역(3')은 축방향 시프트를 가능하게 하도록 상부 노즐(4)에 설치되는 흡수봉 및 안전봉의 삽입을 위한 주변 유도관들(14')에 의해 형성되는 프레임 구조체를 포함한다. 스페이서 그리드들(22)은, 연료 요소들(8')이 지나가는 개구부들을 통해 프레임 구조체에 부착된다(도 9). 스페이서 그리드들(22)은 시드 구역(2')의 위치를 수용하도록 중심 영역에 개구부를 갖는다.
시드 구역(2')의 채널(17') 및 블랭킷 구역(3')의 프레임 구조체는, 도 3에 나타낸 바와 같이 핵연료 집합체(1')의 상부 부분에 위치된 디텐트(detent)들에 의해 링크될 수 있으며, 이는 블랭킷 구역(3')의 프레임 구조체에 고정되는 셸링(24)과 상호작용하는 볼 디텐트(ball detent: 23)를 이용한다.
앞서 나타낸 바와 같이, 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 시드 구역(2')의 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽 행과 열의 연료 요소들(7')은 시드 구역(2')의 나머지 연료 요소들(7')보다 더 작은 맞 모거리들을 갖는다. 채널(17') 내에서 연료 요소들(7')의 상대 위치를 안정시키기 위해, 그 내표면에 연료 요소들(7')의 측방향 이동을 제한하는 디바이스들이 위치된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 시드 구역의 주변 구역에서의 연료 요소들의 레이아웃이 도 5에 도시된다. 모든 연료 요소들(7')은 나선형 스페이서 리브(9)의 접점에서 다발(7') 내의 각각의 인접한 연료 요소와 접촉하며, 이는 나선형 라인 피치 값의 25 %와 같은 거리만큼 축방향으로 서로 떨어져 있다. 연료 요소들(7')이 시드 구역(2')의 채널(17')과 접촉하는 지점들은, 도 5의 오른쪽에 도시된 바와 같이 돌출 영역들(25)의 구역들[채널(17')의 변형된 영역들]에 위치될 수 있다. 도 5의 상부에 나타낸 바와 같이 대안예로서 스페이서 로드(spacer rod: 26)들이 사용될 수 있으며, 이는 축방향으로 배치되고 하부 노즐(6')에 부착된다. 도 5의 실선 및 점선은 이 접촉점들의 위치들을 예시하기 위해 상이한 단면들에서 연료 요소들(7')의 4-로브 프로파일들을 나타낸다.
이제 본 발명에 따른 핵연료 집합체들은, 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함한 커널(10)을 갖는 시드 구역의 연료 요소들을 갖는다. 커널(10)은 연료 화합물에서의 우라늄 비율이 최대 20 %의 우라늄-235 동위원소 농축을 갖는 최대 30 %인 우라늄-지르코늄(U-Zr) 합금으로부터 주로 만들어지거나, 또는 최대 30 %의 플루토늄 비율을 갖는 플루토늄-지르코늄(Pu-Zr) 합금으로부터 주로 만들어진다. 커널(10)의 종축을 따라 위치된 디스플레이서(12)는 실질적으로 정사각형 단면을 갖는다. 나선형 스페이서 리브들(9)의 나선형 라인 피치는 연료 요소 길이의 5 % 내지 30 %에 달한다.
원자로 코어는 PWR 타입의 종래 경수로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서와 동일한 기하학적 구성 및 치수를 가지므로, 이 원자로에 이 형태의 집합체들이 다시 장착될 수 있으며, 필요한 수의 핵연료 집합체들로부터 코어가 생성될 수 있다. 전체적으로 둥근 단면이고, 각각은 직사각형 단면인 수 개의 핵연료 집합체들을 갖는 경수로 코어(27)의 일 예시가 도 10에 도시된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 핵연료 집합체(1)가 다음 순서에 따라 구현된다. 시드 구역(2)의 하부 지지 프레임 구조체(18) 내에 연료 요소들(7), 관(13), 및 유도관들(14)이 위치된다. 지지 프레임 구조체(18)가 시드 구역(2)의 하부 노즐(5)에 고정된다. 연료 요소들(7), 관(13), 및 유도관들(14)의 상단부들은 상부 유도 그리드(19) 내에 위치된다. 이후, 채널(17)이 연료 요소 다발에 슬립오버(slip over)되어, 하부 노즐(5) 및 유도 그리드(19)에 고정된다. 관(13)의 상단부 및 유도관들(14)의 상단부들에 상부 노즐(4)이 설치되며, 이때 관(13) 및 유도관들(14)은 축방향 이동을 가능하게 하도록 상부 노즐(4)에 고정된다.
스페이서 그리드들(22)이 위치되는 폴(21) 및 각도 요소(20)에 의해 형성된 지지 프레임 구조체가 블랭킷 구역(3)의 하부 노즐(6)에 고정된다. 스페이서 그리드들(22) 내에 블랭킷 구역(3)의 연료 요소들(8)이 위치된다. 이후, 상부 노즐(4) 및 연료 요소들(7)을 포함한 시드 구역(2) -이는 관(13) 및 유도관들(14)에 의해 상부 노즐에 연결됨- 이 스페이서 그리드들(22) 내의 개구부로 삽입되어, 주변 유도관들(14) 및 관(13)의 하부 부분들이 블랭킷 구역의 하부 노즐(6)을 통과하고, 후속하여 나사 조인트(15) 또는 콜렛 픽스처(16)를 이용하여 고정된다. 이에 따라, 시드 구역(2) 및 블랭킷 구역(3)이 서로 링크된다.
원자로 코어(27)에 집합된(aggregate) 핵연료 집합체(1)가 설치된다.
핵연료 집합체(1')가 원자로 코어(27)로부터 제거된 후, 핵연료 집합체(1)가 역순으로 해체된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 핵연료 집합체(1')는, 시드 구역(2') 및 블랭킷 구역(3')의 상대적인 정착(anchoring)에 사용되는 방법에 따라 상이한 방식으로 구현된다.
1. 볼 디텐트(23)가 사용되는 경우, 이는 채널(17')에 고정된다. 또한, 본 발명의 제 1 실시예에서의 시드 구역(2)과 유사한 방식으로 시드 구역(2')이 구현된다. 시드 구역(2')의 하부 지지 프레임 구조체(18) 내에 다발(7')의 연료 요소들, 관(13), 및 유도관들(14)이 위치된다. 지지 프레임 구조체(18)가 시드 구역(2')의 하부 노즐(5')에 고정된다. 다발(7')의 연료 요소들, 관(13), 및 유도관들(14)의 상단부들은 상부 유도 그리드(19) 내에 위치된다. 이후, 채널(17')이 연료 요소 다발에 슬립오버되어, 하부 노즐(5') 및 유도 그리드(19)에 고정된다. 관(13)의 상단부 및 유도관들(14)의 상단부들에 상부 노즐(4)이 설치되며, 이때 관(13) 및 유도관들(14)은 축방향 이동을 가능하게 하도록 고정된다.
주변 유도관들(14')은 블랭킷 구역(3')의 하부 노즐(6)에 설치되고, 스페이서 그리드들(22)은 유도관들(14')에 고정된다. 그리드들(22)은 블랭킷 구역(3')의 프레임 구조체를 형성한다. 스페이서 그리드들(22) 및 셸링(24) 내에 블랭킷 구역(3')의 연료 요소들(8)이 위치된다.
이후, 상부 노즐(4) 및 연료 요소들(7')을 포함한 시드 구역(2') -이는 관(13) 및 주변 유도관들(14')에 의해 상부 노즐에 연결됨- 이 스페이서 그리드들(22) 내의 개구부로 삽입되고, 유도관들(14')은 축방향 이동을 가능하게 하도록 상부 노즐(4) 내에 고정된다. 볼 디텐트(23)가 블랭킷 구역(3')의 프레임 구조체와 시드 구역(2')의 상대적인 정착을 보장한다.
원자로 코어(27)에 집합된 핵연료 집합체(1)가 설치된다.
핵연료 집합체(1')가 원자로 코어(27)로부터 제거된 후, 핵연료 집합체가 역순으로 해체된다.
2. 나사 조인트 또는 콜렛 픽스처가 사용되는 경우, 핵연료 집합체(1')는 본 발명의 제 1 실시예에서의 핵연료 집합체가 조립/해체되는 것과 유사한 방식으로 조립되고 해체된다; 즉, 시드 구역(2')의 하부 노즐(5) 및 블랭킷 구역(3')의 하부 노즐(6)이 나사 조인트(15) 또는 콜렛 픽스처(16)에 의해 상호연결된다.
원자로 코어(27)에서, 핵연료 집합체들(1 및 1')은 PWR 타입의 알려진 원자로들(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서 일어나는 방식과 유사하게 기능한다.
이제 본 발명의 사용은 핵연료 집합체 디자인에서의 토륨 성분(블랭킷 구역)의 존재로 인해 천연 우라늄의 보존이 달성될 것을 보장할 수 있게 하는데, 이는 우라늄-233 형태의 이차 핵연료가 토륨 연소 공정 과정에 걸쳐 축적되기 때문이며, 이 연소는 이 형태의 집합체들을 포함하는 코어의 파워 생성에 상당히 기여한다. 이는 핵확산방지 특성들을 개선하고, 소비된 핵연료 집합체들의 처리 문제를 간소화시키는데, 이는 PWR 원자로들(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에 통상적인 이차 핵연료(핵무기를 만들기에 적절한 플루토늄)의 축적이 대단히(80 %만큼) 감소되는 한편, 새로운 이차 핵연료 -우라늄-233(또는 더 정확하게는 토륨 구역에서 "그대로" 연소한 후 남겨지는 부분)- 가 우라늄-232 동위원소 및 플루토늄 동위원소에 의한 오염으로 인해 핵무기를 만드는데 적절하지 않기 때문이다. 이와 함께, 명시된 연료 수명의 증가를 통해, 또한 배출된 연료에서 장기 방사선 유독성을 갖는 동위원소들의 함유량 감소를 통해 폐기물 부피를 감소시킴으로써 소비된 핵연료 집합체들의 처리 문제를 간소화하는 것이 가능하다.
이제 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 설계는, 표준 핵연료 집합체 디자인들과의 기계적, 수력학적 및 중성자 호환성으로 인해 PWR 타입의 원자로들(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서의 사용을 용이하게 한다.
다음은 PWR 원자로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)의 표준 핵연료 집합체와의 기계적 호환성을 보장한다:
- 연결 치수들의 동일한 성질과 함께, 높은 연료 소진이 존재하는 경우와 장기적인 작동 시 변형에 대한 저항력을 보장하는 하중-지지(load-bearing) 프레임 구조체의 존재;
- 표준 핵연료 집합체들의 유사한 구성요소들과 호환가능한 하부 노즐, 상부 노즐, 및 하중-지지 프레임 구조체의 사용; 및
- 표준 제어부 및 재충전 디바이스들의 디자인들과 시드 구역 디자인의 호환성.
이제 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 모든 수력학적 특성이, 공통 분배(배출) 및 회수 상부 노즐들에 의해 결합되는 시드 및 블랭킷 구역들에 의해 형성된 두 병렬 채널들의 시스템의 존재로 인해 표준 핵연료 집합체의 특성과 실질적으로 일치한다. 이와 함께, 시드 및 블랭킷 구역들은 하부 유입구 및 상부 유출구 부분들 내에서 수력학적으로 연결된다. 이 핵연료 집합체 구현은, 본 발명에 따른 핵연료 집합체들을 갖는 PWR 타입의 원자로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)의 코어의 저항이 표준 값 레벨에 있을 것을 보장한다. 이에 따라, 이제 PWR 원자로(예를 들어, AP-1000, EPR 등)에서의 본 발명에 따른 핵연료 집합체들의 설치는 원자로의 주 회로에서 냉각재 유량의 변화를 초래하지 않는다. 이때, 본 발명에 따른 핵연료 집합체들과 표준 핵연료 집합체들에서 집합체 유입구, 블랭킷 구역의 코어 부분, 및 집합체 유출구 간의 수력학적 저항 비는 비슷하며, 이는 표준 집합체들과 본 발명에 따른 핵연료 집합체들의 수력학적 호환성을 보장하고, 이들 사이에 통상적이지 않은(추가적인) 냉각재 누출이 없을 것을 보장한다. 이는 표준 원자로 핵연료 집합체들이 사용되는 원자로에서 동시에 본 발명에 따른 핵연료 집합체들의 일부를 사용할 수 있게 한다.
다음은 표준 핵연료 집합체와의 중성자-물리적 호환성(neutron-physical compatibility)을 보장한다:
- 연료 소진까지의 명시된 수명은 특수하게 선택된 연료 화합물 및 가연성 흡수재를 포함하는 화합물의 사용을 통해 달성된다;
- 핵연료 집합체의 표준 파워는 시드 및 블랭킷 구역의 연료 화합물들에서 특수하게 선택된 연료 충전 함유량의 사용을 통해 달성된다;
- 에너지 방출 프로파일 비균일성에 관한 요건들의 만족은 시드 구역 연료 요소들의 다양한 열들에서 특수하게 선택된 연료 충전 함유량 및 블랭킷 구역에서의 연료 충전 함유량의 사용을 통해 달성된다;
- 전형적인 표준 핵연료 집합체들에 대한 범위 내에 반응도 효과를 유지하는 것은 특수하게 선택된 연료 화합물 특성들의 사용을 통해 달성된다; 및
- 제어부들을 하우징하는 표준 연료 채널(관) 구성과 2-부분 핵연료 집합체 디자인의 호환성은 표준 제어부들에 의한 파워 배출 및 파워 레벨 조정의 가능성을 보장한다.
또한, 본 발명의 장점은 본 발명에 따른 2-부분 핵연료 집합체가 탈착가능(dismountable)하다는 사실이며, 이는 시드 구역의 독립적인 모듈식 충전(modular charging)을 보장할 수 있게 한다. 시드 구역의 더 빈번한 모듈식 충전은 집합체의 블랭킷 구역에 배치되는 토륨에 대해 [중성자가 균형을 이루는 한(balance), 또한 조사(irradiation) 기간 동안] 더 유리한 조건들을 생성할 수 있게 한다.

Claims (54)

  1. 평면에서 봤을 때 정사각형을 갖는 경수형 원자로(light-water nuclear reactor)에 대한 핵연료 집합체(fuel assembly)에 있어서:
    단면에 정사각형 좌표 그리드(square coordinate grid)의 행 및 열이 배치되는 한 다발의 시드 연료 요소들을 포함하는 시드 구역(seed region) -이때, 각각의 시드 연료 요소는 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함하는 커널(kernel)을 포함함-; 및
    상기 시드 구역을 둘러싸고, 각각이 세라믹 토륨(ceramic thorium)을 포함하는 한 다발의 브리딩 연료 요소(breeding fuel element)들을 포함하는 블랭킷 구역(blanket region) -이때, 상기 브리딩 연료 요소들은 2 개의 정사각형 링 내에서 단면에 정사각형 좌표 그리드의 행 및 열이 배치됨-
    을 포함하는 핵연료 집합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    PWR 타입의 원자로의 핵연료 집합체 제어 봉(control rod)들에 대한 유도관(guide tube)들의 위치에 매칭하는 방식으로 상기 시드 구역 내에 위치되어, 이들의 호환성(interchangeability)을, 보장하는 유도 채널(guiding channel)들을 포함하는 핵연료 집합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    PWR 타입의 원자로의 17×17 핵연료 집합체 제어 봉들의 24 개의 유도관들의 위치에 매칭하는 방식으로 상기 시드 구역 내에 위치되어, 이들의 호환성을 보장하는, 24 개의 유도 채널들을 포함하는 핵연료 집합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드 연료 요소들의 세트 각각은 나선형 스페이서 리브(spiral spacer rib)들을 형성하는 4-로브 프로파일(four-lobed profile)을 갖는 핵연료 집합체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체의 단면 내의 상기 블랭킷 구역의 연료 요소들은 19 개의 행과 19 개의 열로 구성된 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽 2 개의 행과 열에 위치되는 한편, 상기 시드 연료 요소들은 13 개의 행과 13 개의 열로 구성된 정사각형 좌표 그리드의 행과 열에 위치되는 핵연료 집합체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    정사각형 단면을 갖고, 상기 블랭킷 구역의 연료 요소들로부터 상기 시드 구역의 연료 요소들을 분리하는 채널을 포함하는 핵연료 집합체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 채널에 연결되는 상기 시드 구역의 하부 노즐을 포함하는 핵연료 집합체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 시드 연료 요소들을 고정하기 위해 상기 시드 구역의 하부 노즐에 패스닝(fasten)되는 지지 프레임 구조체를 포함하는 핵연료 집합체.
  9. 제 6 항에 있어서,
    자유로운 축방향 이동을 가능하게 하도록 상기 시드 연료 요소들의 배치를 용이하게 하기 위해, 상기 채널의 상부 부분에 고정되는 유도 그리드(guiding grid)를 포함하는 핵연료 집합체.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 시드 연료 요소들의 수는 144 개인 핵연료 집합체.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 브리딩 연료 요소들의 수는 132 개인 핵연료 집합체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭킷 구역은 상기 블랭킷 구역의 하부 노즐, 길이방향으로 배치된 각도 요소(lengthwise-arranged angle element)들, 및 수 개의 길이방향으로 배치된 폴(pole)들을 포함하고; 상기 블랭킷 구역의 하부 노즐은 상기 각도 요소들 및 폴들에 단단히 연결되어, 상기 블랭킷 구역의 프레임 구조체를 형성하는 핵연료 집합체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 각도 요소들의 수는 4 개인 핵연료 집합체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 폴들의 수는 4 개인 핵연료 집합체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    스페이서 그리드(spacer grid)들을 포함하고, 이는 상기 스페이서 그리드의 프레임 구조체에 고정되고; 상기 그리드 각각의 중심 영역에 상기 시드 구역을 하우징하는 개구부(opening)가 구현되는 핵연료 집합체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    단일 유닛으로서 원자로 코어 내로의 집합적 삽입 및 상기 코어로부터의 추출을 용이하게 하기 위해, 상기 시드 및 블랭킷 구역들을 연결하는 디바이스를 포함하는 핵연료 집합체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 시드 및 블랭킷 구역들을 연결하는 디바이스는 상기 시드 및 블랭킷 구역들을 분리할 가능성을 보장하기 위해 분리가능하게(detachable) 구성되는 핵연료 집합체.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체들의 치수 및 형상, 및 중성자 및 열수력(thermo hydraulic) 특성들은 PWR 타입의 원자로에 대한 전형적인 핵연료 집합체의 치수 및 형상, 및 중성자 및 열수력 특성들에 매칭하여, 이들의 호환성을 보장하는 핵연료 집합체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체가 원자로 설계에 있어서 어떠한 추가적인 변화들 없이, PWR 타입의 원자로에 대한 전형적인 핵연료 집합체 대신에 원자로 내로 배치되는 경우, 출력 파워는 전형적인 핵연료 집합체들과 작동하도록 의도된 원자로의 설계 범위 한계 내에 포함되는 핵연료 집합체.
  20. 평면에서 봤을 때 정사각형을 갖는 경수형 원자로에 대한 핵연료 집합체에 있어서:
    단면에 정사각형 좌표 그리드의 행 및 열이 배치되는 한 다발의 시드 연료 요소들을 포함하는 시드 구역 -이때, 각각의 시드 연료 요소는 농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함하는 커널을 포함함-; 및
    상기 시드 구역을 둘러싸고, 각각이 세라믹 토륨을 포함하는 한 다발의 브리딩 연료 요소들을 포함하는 블랭킷 구역 -이때, 상기 브리딩 연료 요소들은 3 개의 정사각형 링 내에서 단면에 정사각형 좌표 그리드의 행 및 열이 배치됨-
    을 포함하는 핵연료 집합체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    유도 채널들을 포함하고, 상기 유도 채널들의 일부는 상기 시드 구역 내에 설치되는 한편, 나머지 채널들은 상기 블랭킷 구역에 설치되며; 이때, 모든 유도관들은 PWR 타입의 원자로의 핵연료 집합체 제어 봉들에 대한 유도관들의 위치에 매칭하는 방식으로 위치되어, 이들의 호환성을 보장하는 핵연료 집합체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    24 개의 유도 채널들을 포함하고, 상기 유도 채널들의 일부는 상기 시드 구역 내에 위치되는 한편, 나머지 채널들은 상기 블랭킷 구역에 위치되며; 이때, 24 개의 유도관들은 모두 PWR 타입의 원자로에 대한 17×17 핵연료 집합체의 24 개의 제어 봉들에 매칭하는 방식으로 배치되어, 이들의 호환성을 보장하는 핵연료 집합체.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 복수의 시드 연료 요소들 각각은 나선형 스페이서 리브들을 형성하는 4-로브 프로파일을 갖는 핵연료 집합체.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체의 단면 내의 상기 시드 및 블랭킷 구역의 연료 요소들은 정사각형 좌표 그리드의 17 개의 행과 17 개의 열에 배치되고; 이때, 상기 시드 연료 요소들은 상기 그리드의 중간부에서 11 개의 행과 11개의 열에 위치되는 핵연료 집합체.
  25. 제 24 항에 있어서,
    정사각형 단면을 갖고, 상기 블랭킷 구역의 연료 요소들로부터 상기 시드 구역의 연료 요소들을 분리하는 채널을 포함하는 핵연료 집합체.
  26. 제 25 항에 있어서,
    24 개의 유도 채널들을 포함하고, 상기 유도 채널들 중 16 개는 상기 채널 내부에 위치되는 한편, 8 개는 PWR 타입의 원자로의 17×17 핵연료 집합체의 24 개 제어 봉들에 매칭하는 방식으로 상기 채널 외부에 위치되어, 이들의 호환성을 보장하는 핵연료 집합체.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 채널에 연결되는 상기 시드 구역의 하부 노즐을 포함하는 핵연료 집합체.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 시드 연료 요소들을 고정하기 위해 상기 시드 구역의 하부 노즐에 패스닝(fasten)되는 지지 프레임 구조체를 포함하는 핵연료 집합체.
  29. 제 28 항에 있어서,
    자유로운 축방향 이동을 가능하게 하도록 상기 시드 연료 요소들의 배치를 용이하게 하기 위해, 상기 채널의 상부 부분에 고정되는 유도 그리드를 포함하는 핵연료 집합체.
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 시드 연료 요소들은 상기 핵연료 집합체의 단면에 위치되고 정사각형 좌표 그리드의 중간부의 9 개의 행과 9 개의 열에 배치되는 복수의 1차 연료 요소들, 및 정사각형 좌표 그리드의 중간부의 가장 바깥쪽 행과 열에 위치되는 복수의 2차 시드 연료 요소들을 포함하고; 이때, 상기 복수의 1차 시드 연료 요소들 각각은 상기 2차 시드 연료 요소들 각각의 맞 모거리(width across corner)보다 더 큰 맞 모거리들을 갖는 핵연료 집합체.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 복수의 1차 시드 연료 요소들의 수는 72 개인 한편, 상기 복수의 2차 시드 연료 요소들의 수는 36 개인 핵연료 집합체.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 시드 구역의 단면의 2 개의 행 각각과 2 개의 열 각각에서의 상기 제 2 시드 연료 요소들은 상기 채널의 중심을 향해 시프트되는 핵연료 집합체.
  33. 제 32 항에 있어서,
    2 개의 인접한 2차 시드 연료 요소들 사이에서 상기 채널의 내표면 상에, 상기 시드 연료 요소들의 이동을 제한하는 디바이스들이 위치되는 핵연료 집합체.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 시드 연료 요소들의 측방향 이동을 제한하는 디바이스들은 상기 시드 구역의 채널 상에 돌출 영역(raised area)의 형태로 구현되는 핵연료 집합체.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 시드 연료 요소들의 측방향 이동을 제한하는 디바이스들은 상기 채널 내에서 길이방향으로 배치된 봉(rod)의 형태로 구현되는 핵연료 집합체.
  36. 제 24 항에 있어서,
    상기 브리딩 연료 요소들의 세트는 156 개의 브리딩 연료 요소들을 포함하고, 이는 상기 핵연료 집합체의 단면 내에서 정사각형 좌표 그리드의 가장 바깥쪽의 3 개의 열과 행에 위치되는 핵연료 집합체.
  37. 제 21 항에 있어서,
    상기 블랭킷 구역은 상기 블랭킷 구역의 하부 노즐을 포함하고, 이는 상기 블랭킷 구역에 위치된 유도 채널들에 단단히 연결되어 상기 블랭킷 구역의 프레임 구조체를 형성하는 핵연료 집합체.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 프레임 구조체에 고정되는 스페이서 그리드들을 포함하고; 상기 그리드들 각각의 중심 영역에 상기 시드 구역을 하우징하는 개구부가 구현되는 핵연료 집합체.
  39. 제 20 항에 있어서,
    단일 유닛으로서 원자로 코어 내로의 집합적 삽입 및 상기 코어로부터의 추출을 용이하게 하기 위해, 상기 시드 및 블랭킷 구역들을 연결하는 디바이스를 포함하는 핵연료 집합체.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 시드 및 블랭킷 구역들을 연결하는 디바이스는 상기 시드 및 블랭킷 구역들을 분리할 가능성을 보장하기 위해 분리가능하게 구성되는 핵연료 집합체.
  41. 제 20 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체들의 치수 및 형상, 및 중성자 및 열수력 특성들은 PWR 타입의 원자로에 대한 전형적인 핵연료 집합체의 치수 및 형상, 및 중성자 및 열수력 특성들에 매칭하여, 이들의 호환성을 보장하는 핵연료 집합체.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체가 원자로 설계에 있어서 어떠한 추가적인 변화들 없이, PWR 타입의 원자로에 대한 전형적인 핵연료 집합체 대신에 원자로 내로 배치되는 경우, 출력 파워는 전형적인 핵연료 집합체들과 작동하도록 의도된 원자로의 설계 범위 한계 내에 포함되는 핵연료 집합체.
  43. 경수형 원자로에 대한 핵연료 집합체 연료 요소에 있어서,
    농축 우라늄 또는 플루토늄을 포함하는 커널, 및 상기 커널을 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함하고; 이때, 상기 연료 요소는 4-로브 프로파일을 갖는 핵연료 집합체 연료 요소.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 프로파일 로브들은 나선형 스페이서 리브들을 형성하는 핵연료 집합체 연료 요소.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 나선형 스페이서 리브들의 축방향 트위스트 피치(twist pitch)는 상기 연료 요소 길이의 5 % 내지 30 % 범위인 핵연료 집합체 연료 요소.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 클래딩은 지르코늄 합금으로부터 만들어지는 핵연료 집합체 연료 요소.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 커널의 종축을 따라 위치되고, 거의 정사각형인 단면을 갖는 디스플레이서(displacer)를 포함하는 핵연료 집합체 연료 요소.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 디스플레이서는 지르코늄 또는 그 합금으로부터 만들어지는 핵연료 집합체 연료 요소.
  49. 제 43 항에 있어서,
    상기 커널은 30 %까지의 우라늄 비율을 갖는 우라늄-지르코늄(U-Zr) 합금으로부터 만들어지고; 이때, 상기 우라늄은 우라늄-235 동위원소를 이용하여 20 %까지 농축되는 핵연료 집합체 연료 요소.
  50. 제 43 항에 있어서,
    상기 커널은 30 %까지의 전력급(power-grade) 플루토늄 비율을 갖는 플루토늄-지르코늄(Pu-Zr) 합금으로부터 만들어지는 핵연료 집합체 연료 요소.
  51. 제 1 항 내지 19 항에 따른 적어도 1 이상의 핵연료 집합체를 포함하는 핵연료 집합체들의 일 세트를 포함하는 경수형 원자로.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체들은 모두 제 1 항 내지 제 19 항의 핵연료 집합체인 경수형 원자로.
  53. 제 20 항 내지 42 항에 따른 적어도 1 이상의 핵연료 집합체를 포함하는 복수의 핵연료 집합체들을 포함하는 경수형 원자로.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 핵연료 집합체들은 모두 제 20 항 내지 제 42 항의 핵연료 집합체인 경수형 원자로.
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