KR20130012113A - 원자로 컴포넌트 - Google Patents
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Abstract
제 1 재료로 이루어진 코어 (2) 및 제 2 재료로 이루어진 층 (3) 을 포함하고, 핵분열 원자로에 사용되도록 되어 있는 원자로 컴포넌트. 층 (3) 은 코어 (2) 를 적어도 일부 둘러싼다. 상기 원자로 컴포넌트는, 그 컴포넌트 (1) 가 원자로 컴포넌트는 코어와 층 사이에 중간층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 중간층 (4) 은 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 1 재료의 농도의 감소 및 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 2 재료의 농도의 증가를 포함하는 재료 구배를 갖는다.
Description
본 발명은, 제 1 재료로 이루어진 코어 및 제 2 재료로 이루어진 층을 포함하고, 핵분열 원자로에 사용되도록 되어 있는 원자로 컴포넌트에 관한 것으로서, 상기 층은 상기 코어를 적어도 일부 둘러싼다.
핵분열 원자로 (fission reactor) 용 원자로 컴포넌트는 핵분열 과정에 의해 영향을 받는 환경 또는 핵분열 과정의 근처에 위치되는 컴포넌트이다. 그러한 원자로 컴포넌트는 핵연료 요소의 구조 재료, 핵분열 과정을 제어하기 위한 컴포넌트, 원자로의 다른 파라미터의 측정을 위한 컴포넌트 등과 같은 다양한 기능을 가질 수 있다. 원자로 컴포넌트는 핵분열 원자로 내의 반응성 환경과 같은 외부 환경과 종종 접촉한다. 외부 환경은 높은 온도와 압력에서 화학적으로 공격적인 물질을 포함할 수 있다. 원자로 컴포넌트 주위의 외부 환경은 예컨대 감속제 (moderator) 및 냉각 매체로 이루어질 수 있고, 냉각 매체는 가압형 및 비등수형 원자로의 경수 (light water) 를 포함한다.
외부 환경의 공격적인 물질은, 예컨대 다른 타입의 부식 영향에 의해, 원자로 컴포넌트와 반응할 수 있고, 이로써 컴포넌트의 기능이 악화되거나 완전히 정지될 수 있다. 부식 영향의 일례가 이른바 섀도우 부식 (shadow corrosion) 이고, 이는 핵분열 과정의 근처에 위치되는 원자로 컴포넌트에 국부적으로 증가된 부식을 발생시킬 수 있다. 섀도우 부식은 원자로 컴포넌트에 국부적으로 높은 산화물 두께를 형성할 수 있고, 이로 인해 원자로 컴포넌트가 악화되거나 완전히 정지될 수 있다. 원자로 컴포넌트는 부식 또는 다른 상호작용과 조합된 상이한 형태의 마멸 과정 또는 마모에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 원자로 컴포넌트에서 다른 형태의 재료 제거 과정 (재료를 제거하는 마멸, 프레팅 (fretting) 및 침식 부식 등) 이 일어날 수 있다. 마멸은 예컨대, 인근 컴포넌트들 사이의 접촉에 의해 또는 원자로 컴포넌트와 외부 환경의 재료 스트림 (원자로를 통해 흐르는 냉각 매체 등) 사이의 접촉에 의해 일어날 수 있다. 후자의 경우에, 재료는, 외부 환경의 매체가 고속으로 원자로 컴포넌트와 충돌하여 컴포넌트의 표면으로부터 재료를 제거할 때, 원자로 컴포넌트로부터 제거될 수 있다. 1 이상의 원자로 컴포넌트들이 마멸, 부식 또는 다른 영향에 의해 영향을 받은 때, 결함 있는 원자로 컴포넌트를 제거하기 위해, 원자로를 정지시키는 것이 필요할 수 있다. 작업 정지는 생산 손실과 결함 있는 원자로 컴포넌트의 수리나 교체 비용이라는 형태의 큰 손실을 발생시킨다.
원자로 컴포넌트는 원자로에서 컴포넌트의 작동에 의해 활성화될 수 있고 방사성으로 될 수 있다. 원자로 컴포넌트 주위의 원자로 내의 외부 환경은 서로 반응하는 원자로 컴포넌트와 외부 환경에 의해 또는 다양한 형태의 재료 제거 과정에 의해 오염될 수 있다. 원자로 컴포넌트로부터의 재료에 의한 외부 환경의 오염은 원자로 내에서 방사성 물질의 확산 (dispersion) 을 발생시킨다. 또한, 원자로 컴포넌트로부터의 재료 제거는 원자로 컴포넌트의 부품들을 마모되게 할 수 있다. 이러한 부품들은 냉각 시스템에서 대체될 수 있고, 다른 원자로 컴포넌트, 예컨대 연료 요소의 피복 튜브 (cladding tube) 에서 마멸될 수 있고, 이로 인해 원자로 컴포넌트 기능이 악화되거나 정지될 수 있다. 연료 요소의 연료봉에서의 마멸의 예의 경우, 이는 핵분열성 재료가 외부 환경과 접촉하여 외부 환경을 오염시키게 되는 이른바 연료 손상 (fuel failure) 을 발생시킬 수 있다. 외부 환경의 오염은, 원자로에서 유지 인원이 유지 작업시에 증가된 조사 (radiation) 에 노출될 수 있게 한다. 또한, 원자로를 정지시키고 결함 있는 원자로 컴포넌트를 교체하는 것이 요구될 수 있다.
원자로 컴포넌트의 재료 두께는 예컨대 부식과 마멸로부터 다른 타입의 상호작용의 발생에 대해 약간의 안전성 여유를 갖도록 치수 결정된다. 다른 타입의 개선에 의해, 원자로 컴포넌트의 재료의 두께를 줄이는 것이 바람직하다. 컴포넌트의 재료 두께를 줄이는 하나의 이유는, 사용된 원자로 컴포넌트들은 그들의 반응도로 인해 그들의 반응도가 특정 레벨로 감소될 때까지 저장의 특별한 처리를 필요로 하기 때문이다. 이 타입의 처리 또는 저장은 비용이 많이 들고, 이것이 원자로 컴포넌트의 재료 양의 감소가 바람직한 이유이다. 컴포넌트의 재료 두께가 감소되는 때, 특정 원자로 컴포넌트의 기능은 향상된다. 감소된 재료 두께에 의해 기능이 향상된 원자로 컴포넌트의 일례가 이른바 스페이서이고, 이 스페이서는 연료 요소에서 연료봉들을 분리하는 기능과 연료봉으로부터 냉각 매체로의 열전달을 위해 냉각 매체의 유동에 난류를 형성하는 기능을 한다. 스페이서의 재료 두께를 감소시킴으로써, 스페이서에 의해 야기되는 연료 요소의 압력 손실이 감소된다. 이로써, 예컨대, 연료 요소에서의 스페이서의 개수가 증가될 수 있고, 이때 냉각 매체로의 열전달 능력이 향상되고, 이와 동시에 연료 요소에서의 총 압력 손실이 유지된다.
후 저장 (further storage) 을 위해 소진된 (burned out) 핵연료를 처리하는 기술이 EP-1249844 에 개시되어 있다. 이 문헌에서, 소진된 핵연료는, 냉간 등방압 가압법 (Cold Isostatic Pressing, CIP) 에 의해 가압된 후 플라스마 소결에 의해 함께 소결된 알루미늄과 붕소의 분말로 처리된다.
WO 97/50091 에는, 연료 요소를 위한 세라믹 재료의 스페이서가 개시되어 있다. 세라믹 스페이서는 전통적인 소결 방법에 의해 제조된다. 구조재로서 세라믹 재료를 사용할 때의 문제는 강도, 내피로성 등과 같은 재료의 기계적 특성을 보장하는 것이다. 세라믹 컴포넌트의 전통적인 제조에서, 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는 다른 타입의 결함이 재료에 도입된다. 상기 문헌은 상이한 두 재료 사이의 어떠한 재료 구배도 개시하고 있지 않다.
WO 94/14164 에는, 연료 요소와 제어봉 상의 내마멸성 코팅이 개시되어 있다. 본 코팅은 글라스 매트릭스에 혼합된 세라믹 재료를 포함하고, 글라스 매트릭스는 아래에 위치된 금속 재료에 대한 바인딩 (binding) 을 형성한다. 본 코팅은 분무법에 의해 금속 재료에 가해진다. 상기 문헌은 상이한 두 재료 사이의 어떠한 재료 구배도 개시하고 있지 않다.
본 발명의 목적은 향상된 특성을 갖는 원자로 컴포넌트를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1 의 특징부에 기재된 특징을 포함하는, 처음에 정의된 컴포넌트로 달성될 수 있다.
원자로 컴포넌트는 코어와 층 사이의 중간층에 의해 상기한 목적을 달성한다. 중간층은 제 1 재료와 제 2 재료의 혼합물을 포함하거나 그 혼합물로 이루어진다.
원자로 컴포넌트는 핵분열 원자로에서 사용되도록 되어 있는 컴포넌트에 관한 것이다. 원자로 컴포넌트는 코어 및 그 코어를 적어도 일부 둘러싸는 층을 포함한다. 컴포넌트의 코어는 제 1 재료로 이루어지고, 컴포넌트의 층은 제 2 재료로 이루어진다.
중간층은 제 1 재료로부터 제 2 재료로의 특성의 전이를 제공하는, 코어와 층 사이의 층이다. 중간층은 제 1 및 제 2 농도의 단차식 (step-by-step) 또는 점차적인 (gradual) 전이를 포함한다. 중간층은 재료 구배 (material gradient) 를 갖고, 이는 중간층에서 제 1 재료 및 제 2 재료의 농도가 0 보다 크다는 것을 의미한다. 재료 구배는 코어에 비해 그리고 층에 비해 농도 변화를 수반한다. 재료 구배는 제 1 및 제 2 재료의 균질 혼합물을 포함할 수 있다. 재료 구배는 제 1 재료와 제 2 재료의 농도 사이의 비율의 중간층 내에서의 변화를 또한 포함할 수 있다. 이로써, 재료 구배는 원자로 컴포넌트의 양호한 재료 특성을 획득하기 위해 제 1 및 제 2 재료의 재료 특성에 관하여, 예컨대 온도 팽창에 관하여 조절될 수 있다. 재료 구배에 의해, 코어 내의 제 1 재료와 층 내의 제 2 재료 사이에 전이부가 형성되고, 이는 층과 코어 사이에 강한 접착을 제공한다. 중간층에서의 재료 구배는 제 1 재료와 제 2 재료 사이의 열적 그리고 탄성적 차이로부터 형성되는 컴포넌트의 내부 응력의 감소를 야기한다. 이로써, 코어에 대한 층의 향상된 접착이 획득되고, 이는 컴포넌트에 향상된 기능성을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 재료 구배는 코어로부터 층으로의 제 1 재료의 농도의 연속적인 감소 및 코어로부터 층으로의 제 2 재료의 농도의 연속적인 증가를 포함한다. 이로써, 재료 구배는 제 1 재료로부터 제 2 재료로 그리고 그 반대로 특성의 점차적인 전이를 제공하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 원자로 컴포넌트는 소결에 의해 제조되고, 이로써 제 1 재료 및 제 2 재료와 함께 컴포넌트에 양호한 소결을 제공한다. 소결 방법은 적용 압력 및/또는 높은 온도를 포함하거나 이와 조합될 수 있다. 소결 방법은, 소결된 컴포넌트의 여러 재료 특성 (결정립 크기 및 다공성 (porosity) 등) 이 넓은 간격 내에서 제어될 수 있음을 보장한다. 소결 방법은, 제 2 재료가 제 1 재료를 적어도 일부 둘러싸도록, 공구의 공간에 제 1 재료 및 제 2 재료를 공급하는 단계, 및 코어와 층 사이에 중간층이 형성되도록 제 1 재료와 제 2 재료를 함께 소결시켜 중성자 흡수 컴포넌트로 만드는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 재료 및 제 2 재료의 공급시에, 공간의 내측 부분과 공간의 외측 부분 사이에 중간 구역이 형성된다. 중간 구역은 공간의 내측 부분으로부터 공간의 외측 부분으로의 제 1 재료의 농도의 감소 및 공간의 내측 부분으로부터 공간의 외측 부분으로의 제 2 재료의 농도의 증가를 포함한다. 더욱이, 공간은 제 1 재료와 제 2 재료가 함께 합쳐져 중간 구역을 형성하도록 진동될 수 있다. 공급되는 제 1 재료는 분말 형태일 수 있다. 또한, 공급되는 제 2 재료는 분말 형태일 수 있다.
더욱이, 공간은 내측 부분을 포함하는 내측 분리 부재 및 외측 부분을 포함하는 외측 분리 부재에 의해 분할될 수 있고, 외측 분리 부재와 내측 분리 부재 사이에 중간 부분이 형성된다. 분리 부재들은 제조되어야 하는 컴포넌트들의 형상에 따라 파이프로서 구성될 수 있다. 중간 부분에는, 중간 구역을 형성하기 위한 제 1 재료와 제 2 재료의 혼합물이 공급된다. 또한, 중간 부분은 적어도 중간 부재의 분획들 (divisions) 로 분할될 수 있고, 분획들에는 제 1 재료와 제 2 재료의 농도 사이의 상이한 비율을 갖는 혼합물이 공급된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 층은 코어를, 예컨대 외부 환경으로부터, 보호하도록 배치된다. 이로써, 원자로 컴포넌트의 코어는 다른 타입의 부식 및 마멸과 같은 상호작용으로부터 보호된다. 상호작용은 원자로 컴포넌트의 부식 또는 원자로 컴포넌트에서의 재료 제거와 같은, 원자로 컴포넌트와 외부 환경 사이의 반응을 포함할 수 있다. 또한, 상호작용은 인접한 원자로 컴포넌트들 사이의 마멸을 포함할 수 있다. 층에 의해 원자로 컴포넌트의 코어에 제공되는 보호에 의해, 원자로 컴포넌트의 기능성이 보장될 수 있고, 원자로 컴포넌트의 작동 신뢰도가 향상된다. 마찬가지로, 층은 섀도우 부식의 상호작용과 같이, 원자로 컴포넌트에 의해 영향을 받는 것으로부터 주위 컴포넌트를 보호한다. 이로써, 결함 있는 원자로 컴포넌트로 인한 원자로의 작동 정지가 회피될 수 있다. 원자로 컴포넌트의 코어에 대한 층의 보호 기능 덕분에, 원자로 컴포넌트의 코어의 피이스들의 마멸이 또한 회피된다. 이들 피이스는, 예컨대 연료 요소에서의 연료 손상의 형태로, 다른 원자로 컴포넌트에 손상을 줄 수 있다. 층에 의해 원자로 컴포넌트가 보호되므로, 방사성 물질을 포함하는 원자로 컴포넌트로부터의 재료 제거도 또한 회피된다. 이로써, 외부 환경에서의 방사성 물질의 확산이 회피될 수 있다. 외부 환경이 오염되는 것을 회피함으로써, 원자로에서 유지 인원이 유지 작업시에 조사에 노출되는 것이 감소된다. 층의 보호 기능은 원자로 컴포넌트의 재료 두께를 감소시키는 데에도 또한 사용될 수 있다. 이로써, 사용된 원자로 컴포넌트의 폐기물 처리 비용이 감소될 수 있다. 연료 요소의 스페이서와 같은 특정 원자로 컴포넌트의 경우, 원자로 컴포넌트의 재료 두께의 감소가 향상된 성능을 제공한다. 이 향상된 성능은 예컨대 원자로의 효율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
외부 환경은 주로 감속 (moderating) 및 냉각 매체를 포함하는 원자로 컴포넌트 주위의 환경으로 구성된다. 원자로 작동시, 외부 환경은 접촉시 원자로 컴포넌트와 반응할 수 있는 반응성 환경을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 층은 핵분열 원자로의 환경에서 본질적으로 내식성이다. 본질적으로 내식성이라는 것은, 층이 화학적으로 불활성이거나 또는 본질적으로 화학적으로 불활성이고 이로써 핵분열 원자로에서 외부 환경에 노출되는 때 층의 보호 효과가 유지되는 것으로 이해되어야 한다. 층의 내식성에 의해, 원자로 컴포넌트의 코어는 외부 환경과의 상호작용으로부터 보호된다. 이로써, 원자로 컴포넌트의 온전성 (integrity) 및 기능이 보장된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 층은 외부 환경으로부터 코어를 적어도 일부 전기적으로 절연시키도록 배치된다. 전기적 절연은 층이 전류의 전도에 저항하는 것을 의미한다. 층이 코어를 적어도 일부 전기적으로 절연시키므로, 원자로 컴포넌트에서 섀도우 부식과 같은 다양한 타입의 부식 영향이 방지되고, 다른 원자로 컴포넌트들 사이의 부식 영향이 방지된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 층은 원자로 컴포넌트의 코어보다 더 큰 내마멸성을 갖는다. 이로써, 층은 인접한 원자로 컴포넌트들 사이의 기계적 마멸, 침식 부식 등과 같은 다른 형태의 마멸로부터 원자로 컴포넌트의 코어를 보호한다. 이로써, 원자로 컴포넌트의 온전성 및 기능이 보장된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 원자로 컴포넌트의 층은 금속 재료와 세라믹 재료 중 적어도 하나를 포함한다. 이러한 그룹의 특정 재료는 원자로 환경에 특히 적합한 특성을 갖는다. 예컨대, SiC 와 같은 특정 세라믹 재료는 높은 내식성, 높은 경도 및 내열성을 갖는다. 예컨대, Zr 과 같은 특정 금속 재료는 높은 내식성 및 양호한 기계적 특성을 갖는다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 원자로 컴포넌트의 층은 Ti, Zr, Al, Fe, Cr, Ni, SiC, SiN, Zr02, Al203, 및 그 혼합물의 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질 및 가능한 잔부로 이루어진다. 이 그룹의 물질은 원자로 컴포넌트의 층에 적합한 특성을 갖고 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 층은 코어를 완전히 둘러싼다. 이로써, 코어는 외부환경으로부터 완전히 보호되고 분리된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 원자로 컴포넌트는 연료 요소용 스페이서의 적어도 일부를 포함한다. 이로써, 스페이서는 다른 구성으로 1 이상의 원자로 컴포넌트들로부터 조립될 수 있다. 이로써, 스페이서는 다른 타입의 원자로에 사용되기에 적합하다. 층에 의해, 스페이서는 섀도우 부식, 마멸, 프레팅, 침식 부식 등과 같은 다른 형태의 상호작용으로부터 보호된다.
스페이서의 기능은 연료 요소에서 연료봉들을 분리하는 것과 연료봉으로부터 냉각 매체로의 열전달을 위해 냉각 매체의 유동에 난류를 형성하는 것이다. 스페이서는 연료봉들을 수용하도록 되어 있는 스페이서 셀들의 그리드 (grid) 를 포함한다. 스페이서의 기터 (gitter) 는 예컨대, 연결된 슬리브의 길이방향 및 횡방향 스페이서 벽들에 의해 또는 다른 디자인으로 구성될 수 있다. 원자로 컴포넌트는 예컨대 스페이서 벽에 의해 포함될 수 있고, 복수의 스페이서 벽들과 함께 스페이서로 조립된다. 마찬가지로, 원자로 컴포넌트는 스페이서 슬리브를 포함할 수 있고, 복수의 스페이서 슬리브와 함께 스페이서 요소로 조립된다. 또한, 원자로 컴포넌트의 다른 배치들이 개별적으로 또는 함께 스페이서를 형성하도록 조합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 스페이서는 비등수형 원자로의 경수 핵분열 원자로에 사용되도록 배치된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 원자로 컴포넌트는 연료 요소에 삽입되도록 되어 있거나 연료 요소 근처에 있는 제어봉의 팁의 적어도 일부를 구성한다. 층에 의해, 제어봉의 팁은 섀도우 부식, 마멸, 프레팅, 침식 부식 등과 같은 다른 형태의 상호작용으로부터 보호된다.
제어봉의 기능은 핵분열 원자로의 반응도를 제어하는 것이다. 제어봉은 가압수형 원자로용 연료 요소의 가이드 튜브 또는 비등수형 원자로용 연료 요소의 연료 채널과 같은 인접한 컴포넌트들과 접촉하거나 그로부터 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제어봉의 팁은 가압수형 원자로의 경수 핵분열 원자로에 사용되도록 배치된다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하고 본 발명의 다른 실시형태들에 대한 설명을 통해, 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1 은 측면에서 바라본, 본 발명의 일 실시형태에 따른 원자로 컴포넌트의 단면도이다.
도 2 내지 도 5 는 원자로 컴포넌트의 단면에서의 재료 농도의 상이한 예를 보여주는 도표이다.
도 6a 는 연료 요소용 스페이서 형태의 본 발명의 일례의 사시도이다.
도 6b 는 스페이서의 스페이서 벽의 단면도이다.
도 7a 는 가압수형 원자로용 제어봉의 팁 형태의 본 발명의 일례의 사시도이다.
도 7b 는 가압수형 원자로용 제어봉의 팁의 단면도이다.
도 1 은 측면에서 바라본, 본 발명의 일 실시형태에 따른 원자로 컴포넌트의 단면도이다.
도 2 내지 도 5 는 원자로 컴포넌트의 단면에서의 재료 농도의 상이한 예를 보여주는 도표이다.
도 6a 는 연료 요소용 스페이서 형태의 본 발명의 일례의 사시도이다.
도 6b 는 스페이서의 스페이서 벽의 단면도이다.
도 7a 는 가압수형 원자로용 제어봉의 팁 형태의 본 발명의 일례의 사시도이다.
도 7b 는 가압수형 원자로용 제어봉의 팁의 단면도이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 원자로 컴포넌트 (1) (이하에서, 컴포넌트라고 함) 의 일례를 보여주는 도면으로서, 측면에서 바라본 단면도이다. 도 1 의 컴포넌트 (1) 는 x축을 따라 O 이 중심이고 R 이 표면인 보디이다. 컴포넌트는 원자로의 기능에 의해 주어지는 임의의 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 컴포넌트 (1) 의 형상은 평판형, 직사각형, 정사각형, 구형, 원통형 등일 수 있다.
컴포넌트 (1) 는 핵분열 원자로에 사용되도록 되어 있고, 제 1 재료로 이루어진 코어 (2) 및 제 2 재료로 이루어진 층 (3) 을 포함한다. 컴포넌트의 층 (3) 은, 도 1 에 도시된 예에서, 코어 (2) 를 완전히 둘러싸고, 내식성 및 전기적 절연과 같은 층의 보호 특성에 의해 외부 환경으로부터 코어 (2) 를 보호한다.
컴포넌트 (1) 는 적절한 소결 방법을 사용하는 소결에 의해 제조된다. 본 발명을 위해 사용될 수 있는 적절한 소결 방법의 예로, 고전적인 소결 기법, 대기압 및 고온에서의 소결, 냉간 등방압 가압법, 열간 등방압 가압법, 스파크 플라스마 소결 등이 있다.
소결은 코어 (2) 와 층 (3) 사이에 중간층 (4) 이 형성되도록 행해진다. 중간층 (4) 은 제 1 재료와 제 2 재료 쌍방을 포함한다. 중간층 (4) 은 재료 구배를 갖고, 이 재료 구배는 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 1 재료의 농도의 감소와 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 2 재료의 농도의 증가를 포함한다. 중간층 (4) 은 코어 (2) 와 층 (3) 사이에 전이부를 형성하므로, 제 1 재료의 재료 특성이 제 2 재료의 재료 특성으로 전환되고, 그 반대로도 된다. 이로써, 코어 (2) 와 층 (3) 사이의 양호한 접착이 달성된다.
도 2 내지 도 5 는 원자로 컴포넌트의 단면에서의 재료 농도의 예들을 보여준다. 이들 도면의 x축은 치수 축이고, 여기서 O 은 컴포넌트의 중심을 나타내며, R 은 컴포넌트의 외주를 나타낸다. 이들 도면의 y축은, 제 1 재료 (여기서 A 로 나타내고, 점선으로 표시함) 와 제 2 재료 (여기서 B 로 나타내고, 실선으로 표시함) 에 대해 컴포넌트의 재료 농도 (단위: %) 를 나타낸다. 이들 도면에서, 코어 (2), 중간층 (4) 및 층 (3) 은 이들 도면의 x축을 따라 표시되어 있다.
도 2 는 원자로 컴포넌트에서의 재료 농도 변화의 일례를 보여주는데, 코어 (2) 와 층 (3) 사이의 중간층 (4) 은 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 1 재료의 농도의 단차식 감소 및 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 2 재료의 농도의 단차식 증가를 포함하는 재료 구배를 갖는다. 도 2 에 도시된 예에서, 코어 (2) 로부터 중간층 (4) 으로 제 1 재료의 농도가 단차식으로 감소하는데, 제 1 재료의 농도는 코어 (2) 에서 본질적으로 100 % 로부터 중간층 (4) 에서 본질적으로 50 % 로 감소한다. 제 1 재료의 농도는 중간층 (4) 내에서 일정하다. 또한, 중간층 (4) 으로부터 층 (3) 으로 제 1 재료의 농도가 본질적으로 50 % 로부터 본질적으로 0 % 로 단차식으로 감소한다. 이와 달리, 코어 (2) 로부터 중간층 (4) 으로 제 2 재료의 농도가 단차식으로 증가하는데, 제 2 재료의 농도는 코어 (2) 에서 주로 0 % 로부터 중간층 (4) 에서 본질적으로 50 % 로 증가한다. 제 2 재료의 농도는 중간층 (4) 내에서 일정하다. 또한, 중간층 (4) 으로부터 층 (3) 으로 제 2 재료의 농도가 본질적으로 50 % 로부터 본질적으로 100 % 로 단차식으로 증가한다.
도 3 은, 도 2 와 동일한 방식으로, 원자로 컴포넌트에서의 단차식 재료 농도 변화의 일례를 보여주는데, 차이점은, 중간층이 제 1 재료와 제 2 재료의 상이한 농도를 갖는 2 개의 농도 영역, 즉 제 1 농도 영역 (41) 및 제 2 농도 영역 (42) 을 포함한다는 것이다. 제 1 재료와 제 2 재료의 농도는 제 1 농도 영역 (41) 및 제 2 농도 영역 (42) 내에서 일정하다. 도 3 의 예에서, 코어 (2) 로부터 중간층 (4) 으로 제 1 재료의 농도가 단차식으로 감소하는데, 제 1 재료의 농도는 코어 (2) 에서 본질적으로 100 % 로부터 중간층 (4) 의 제 1 농도 영역 (41) 에서 본질적으로 70 % 로 감소한다. 중간층 (4) 내에서, 제 1 농도 영역 (41) 으로부터 제 2 농도 영역 (42) 으로 제 1 재료의 농도가 본질적으로 70 % 로부터 본질적으로 30 % 로 단차식으로 감소한다. 중간층 (4) 의 제 2 농도 영역 (42) 으로부터 층 (3) 으로 제 1 재료의 농도가 본질적으로 30 % 로부터 본질적으로 0 % 로 단차식으로 감소한다. 이와 달리, 코어 (2) 로부터 중간층 (4) 으로 제 2 재료의 농도가 증가한다.
도 4 는 원자로 컴포넌트에서의 재료 농도 변화의 일례를 보여주는데, 여기서 코어 (2) 와 층 (3) 사이의 중간층 (4) 은 코어 (2) 로부터 층 (3) 까지 제 1 재료의 농도의 연속적인 감소 및 코어 (2) 로부터 층 (3) 까지 제 2 재료의 농도의 연속적인 증가를 포함하는 재료 구배를 갖는다. 중간층 (4) 내에서, 코어 (2) 로부터 층 (3) 까지, 본질적으로 100 %로부터 본질적으로 0 % 까지 제 1 재료의 농도가 일정한 비율로 감소한다. 이와 달리, 코어 (2) 로부터 층 (3) 까지 본질적으로 0 % 로부터 본질적으로 100 % 까지, 중간층 (4) 내에서 제 2 재료의 농도가 증가한다.
도 5 는 원자로 컴포넌트에서의 재료 농도 변화의 일례를 보여주는데, 여기서 코어 (2) 와 층 (3) 사이의 중간층 (4) 은 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 1 재료의 농도의 연속적인 감소 및 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 제 2 재료의 농도의 연속적인 증가를 포함하는 재료 구배를 갖는다. 도 5 의 예에서, 코어 (2) 로부터 중간층 (4) 으로 제 1 재료의 농도가 연속적으로 감소한다. 중간층 (4) 내에서, 제 1 재료의 농도가 본질적으로 100 % 로부터 본질적으로 0 % 까지 점차적으로 감소한다. 코어 (2) 와 층 (3) 사이의 전이는 예컨대 비선형 방식으로 일어날 수 있다. 이와 달리, 코어 (2) 로부터 제 2 재료의 농도가 증가한다. 개시된 예에서, 중간층 (4) 은 컴포넌트의 대부분을 구성하고, 코어 (2) 와 층 (3) 은 컴포넌트의 소수 부분을 구성한다.
도 6a 는 연료 요소용 스페이서 (60) 의 형태의 원자로 컴포넌트의 일례의 사시도이다. 스페이서 (60) 의 기능은, 도면에 도시되지 않은 연료 요소에서 연료봉들을 분리하는 것과, 연료봉으로부터 냉각 매체로의 열전달을 위해 냉각 매체의 유동에 난류를 형성하는 것이다. 스페이서 (60) 는 연료봉을 수용하기 위한 스페이서 셀 (62) 을 포함한다. 스페이서 (60) 는 복수의 스페이서 벽 (64) 으로 구성된다. 스페이서 (60) 의 기터는 예컨대 연결된 슬리브의 길이방향 및 횡방향 스페이서 벽 (64) 으로 구성되거나 다른 구성에 의해 구성될 수 있다. 스페이서 벽 (64) 은 스스로 원자로 컴포넌트를 구성할 수 있고, 복수의 스페이서 벽 (64) 과 함께 스페이서 (60) 로 조립될 수 있다. 동일한 방식으로, 원자로 컴포넌트는 스페이서 슬리브로 구성될 수 있고, 복수의 스페이서 슬리브와 함께 스페이서 (60) 로 조립된다. 또한, 원자로 컴포넌트의 다른 배치들이 개별적으로 또는 함께 스페이서 (60) 를 구성하도록 조합될 수 있다.
도 6b 는 스페이서 (60) 의 스페이서 벽 (64) 의 단면도이다. 스페이서 벽 (64) 은 인코넬 (Inconel) 또는 지르칼로이 (Zircaloy) 와 같은 금속 재료의 코어 (2), 및 이산화지르코늄 (ZrO2) 과 같은 세라믹 재료의 층 (3) 을 포함한다. 층 (3) 과 코어 (2) 사이에, 중간층 (4) 이 제공되고, 이 중간층은 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 재료 특성의 점차적인 전이를 형성한다. 층 (3) 은 층 (3) 이 없는 스페이서에 비해 스페이서 벽의 재료 두께를 줄일 수 있는 보호 특성을 갖고, 연료 요소에서 스페이서 (60) 에 의해 형성되는 압력 강하가 감소하게 된다. 층 (3) 에 의해, 스페이서 (60) 는 섀도우 부식, 마멸, 프레팅 및 침식 부식 등과 같은 다른 형태의 상호작용에 대해 보호된다. 층 (3) 의 보호 효과에 의해, 또한 원자로 컴포넌트 주위의 주위 컴포넌트가 섀도우 부식, 마멸, 프레팅 및 침식 부식 등과 같은 다른 형태의 상호작용으로부터 보호된다.
도 7a 는 가압수형 원자로용 제어봉 (70) 의 제어봉 팁 (74) 의 형태의 원자로 컴포넌트의 일례의 사시도이다. 복수의 제어봉 (70) 이 도면에 도시되지 않은 제어봉 요소에 부착되고, 이 제어봉 요소는 관심 있는 연료 디자인에 따라 조절된다. 제어봉 (70) 의 기능은 가압수형 원자로의 핵분열 과정을 종료시키는 것이다. 제어봉은 붕소, 하프늄, 카드뮴 등과 같은 중성자 흡수 재료 (72) 로 채워진 제어봉 튜브를 포함한다. 제어봉 (70) 은, 원자로가 꺼지는 때, 도면에 도시되지 않은 연료 요소의 가이드 튜브 내로 낙하한다.
도 7b 는 제어봉 팁 (74) 의 단면도이다. 제어봉 팁 (74) 은 중성자 흡수 재료의 코어 (2), 및 탄화규소 (SiC) 와 같은 세라믹 재료의 층 (3) 을 포함한다. 층 (3) 과 코어 (2) 사이에는, 코어 (2) 로부터 층 (3) 으로의 재료 특성의 점차적인 전이를 형성하는 중간층 (4) 이 있다. 층 (3) 은 제어봉 팁 (74) 이 연료 요소의 가이드 튜브와의 접촉시 손상되지 않는 것을 보장하는 보호 특성을 갖는다. 또한, 층 (3) 의 보호 효과에 의해, 가이드 튜브, 제어봉용 위치결정 장치 ("가이드 카드") 등과 같은, 원자로 컴포넌트 (1) 주위의 주위 컴포넌트가 마멸, 프레팅 및 침식 부식 등과 같은 다른 형태의 상호작용으로부터 보호된다.
본 발명은 개시된 실시형태로 제한되지 않고, 이하의 청구범위 내에서 수정 및 변형될 수 있다.
Claims (14)
- 제 1 재료로 이루어진 코어 (2) 및 제 2 재료로 이루어진 층 (3) 을 포함하고, 핵분열 원자로에 사용되도록 되어 있는 원자로 컴포넌트 (1) 로서,
상기 층 (3) 은 상기 코어 (2) 를 적어도 일부 둘러싸는, 상기 원자로 컴포넌트 (1) 에 있어서,
상기 원자로 컴포넌트 (1) 는 상기 코어 (2) 와 상기 층 (3) 사이에 중간층 (4) 을 포함하고,
상기 중간층 (4) 은 상기 코어 (2) 로부터 상기 층 (3) 으로의 제 1 재료의 농도의 감소 및 상기 코어 (2) 로부터 상기 층 (3) 으로의 제 2 재료의 농도의 증가를 포함하는 재료 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 재료 구배는 상기 코어 (2) 로부터 상기 층 (3) 으로의 제 1 재료의 농도의 연속적인 감소 및 상기 코어 (2) 로부터 상기 층 (3) 으로의 제 2 재료의 농도의 연속적인 증가를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 원자로 컴포넌트 (1) 는 소결에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 핵분열 원자로의 환경에서 본질적으로 내식성인 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 외부 환경으로부터 상기 코어 (2) 를 보호하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 외부 환경으로부터 상기 코어 (2) 를 적어도 일부 전기적으로 절연시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 상기 코어 (2) 보다 더 큰 내마멸성을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 금속 재료와 세라믹 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 Ti, Zr, Al, Fe, Cr, Ni, SiC, SiN, Zr02, Al203, 및 그 혼합물의 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 물질 및 가능한 잔부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층 (3) 은 상기 코어 (2) 를 완전히 둘러싸는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원자로 컴포넌트 (1) 는 연료 요소용 스페이서 (60) 의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 11 항에 있어서,
상기 스페이서 (60) 는 비등수형 원자로의 경수 핵분열 원자로에 사용되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원자로 컴포넌트 (1) 는 연료 요소에 삽입되도록 배치되거나 연료 요소 근처에 있도록 배치되는 제어봉의 팁 (74) 의 적어도 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 원자로 컴포넌트 (1). - 제 13 항에 있어서,
상기 제어봉의 팁 (74) 은 가압수형 원자로의 경수 핵분열 원자로에 사용되도록 구성되어 있는 원자로 컴포넌트 (1).
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