KR20130087488A - 개방 기공이 있는 핵연료봉용 고체 계면 조인트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 핵연료봉에서 클래딩 (2) 및 펠렛 (5) 사이의 새로운 계면에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 계면 조인트는 중성자에 대해 투명한 재료로 이루어지고, 높은 열전도도 및 개방 기공을 가진 구조체 (3)의 형태이며, 두께에 걸쳐서 압력에 의해 변형하도록 되어있으며, 적어도 상기 스택의 높이 이상으로 상기 클래딩 및 상기 연료 펠렛의 스택 사이에 삽입된다. 또한 본 발명은 관련된 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 원자로 내에 사용되는 핵연료봉에 있어서 펠렛의 스택(stack)과 이를 둘러싼 클래딩 사이의 계면에 대한 것이다.
본 발명의 목표 응용 분야는 다음을 포함한다:
- 가압 헬륨과 같은 기체 형태의 냉각재로 운전하고, 세라믹 매트릭스 복합체 (ceramic matrix composite, CMC) 재료로 이루어진 클래딩과 우라늄 및 플루토늄 카바이드가 혼합된 타입의 연료 펠렛으로 이루어진 핵연료봉을 사용하는, 제 4세대 원자로로 일컫는 기체 냉각 고속로 (gas-cooled fast reactor, GFR)[7];
- 소듐 냉각재로 작동하는 고속 중성자 원자로 (sodium-cooled fast reactor, SFR)[10];
- 가압수형 원자로 (pressurised water reactor, PWR) 또는 비등수형 원자로 (boiling water reactor, BWR).
본 발명은 원통형 기하구조 및 원형 단면을 가진 연료봉에 관한 것이다.
본 출원의 전체를 통하여, 상기 "원자로"란 용어는 현재 이해되는 일반적인 의미로서, 즉 연료 요소를 사용하는 핵분열 반응에 기초한 에너지의 발생을 위한 발전 장치를 말하며, 여기서 핵분열 반응이 일어나 열출력(thermal power)을 방출하고, 이러한 열출력은 연료 요소를 냉각시키는 냉각재 유체와의 열교환에 의해 연료 요소로부터 추출된다.
본 출원의 전체를 통하여, 상기 "핵연료봉"이란 용어는 예를 들어 핵과학 및 기술 사전( Dictionnaire des Sciences et Techniques nucleires)에서 정의된 공식적인 의미로서, 즉 양 단부(end)가 폐쇄된 작은 직경의 폭이 좁은 튜브이며, 원자로의 노심 부분을 형성하고 핵분열 재료를 함유한다. 따라서, "핵연료봉"은 본 발명에서 우선적으로 사용되는 용어이다.
운전 조건 및 원자로의 성능에 따라서 여러 타입의 연료봉이 존재한다.
핵연료 요소가 수행하는 주기능은 다음과 같다:
ㆍ 핵반응에 의한 열의 조절된 생산을 가능하게 하며, 이는 성능 제약(핵분열성 핵의 밀도, 중성자에 대한 구조 재료의 투명성, 연소 비율(burnup fraction)등) 및 안전 제약(핵반응도(nuclear reactivity) 및 냉각의 조절에 필요한 기하구조적 안정성)을 부과한다;
ㆍ 핵반응에서 비롯되는 방사성 산물의 가둠(confinement)을 확실하게 하며, 이는 원자로의 공칭 운전(nominal operation)시 클래딩이 누출 방지를 유지하여야 하고, 사고 상황 시 누출 방지의 모든 손실은 미리 정해진 방출 한계 이내로 유지되어야 한다는 것을 의미한다;
ㆍ 핵반응에 의해 방출된 에너지의 조절된 추출을 보장한다. 이는 성능 제약 (냉각재로의 열 전달을 저하시킬 수 있는 열적 장벽(thermal barrier)의 제한) 및 안전 제약 (냉각재 채널의 무결성(integrity), 연료가 용융되기 전의 마진(margin), 구조에 대한 과도한 기계적 하중으로 이어질 수 있는 차동 팽창(differential expansion)을 일으키는 온도 기울기(gradient)의 제한 등)을 부과한다.
핵 시설에서 통상적으로 접하는 기본 연료 요소는 이들 기하구조의 함수로서다음과 같이 분류될 수 있다:
ㆍ 구형: 예를 들어, 고온 원자로(high temperature reactor, HTR)용 연료 입자 또는 연료볼;
ㆍ 원통형: 예를 들어, FNR 원자로용 연료봉 또는 PWR 원자로용 연료봉;
ㆍ 판형: 예를 들어, 실험적 원자로 연료용 마이크로 구조의 판 또는 GFR 원자로용 매크로 구조의 판.
본 발명은 오로지 원통형 기하구조 및 원형 단면을 가진 핵연료봉에 관한 것으로, 여기서 원형 단면을 가진 원통형 연료 펠렛은 클래딩의 단부 중 하나에 펠렛이 없는 팽창 용기 (expansion vessel)라고 불리는 구역을 가진 밀폐된 튜브형의 클래딩 내에 적층되며, 이 팽창 용기는 핵반응으로부터 생성되고 방사 동안 연료 펠렛으로부터 방출된 기체들을 저장한다. 이러한 원통형 형상에서, 적층된 펠렛의 컬럼 및 클래딩 사이에 계면이 존재한다. 지금까지는, 아래에 설명된 것과 같이 이러한 계면들이 조립 동안에 접촉 표면만으로 감소 될 수 있거나 또는 기체 또는 액체 형태 또는 층상의 1 종 또는 몇 종의 재료들로 구성될 수 있는 기능적 간격(functional clearance)에 해당할 수 있다.
본 발명자들은 연료 요소에서 이 계면에 의해 수행되는 기능들의 리스트를 만들었다. 이들은 아래에서 설명된다.
일차적 기능:
(f1) 연료 펠렛들과 클래딩 사이의 기계적 분리(mechanical decoupling)를 관리하는 것으로, 이는 반경 방향 및 축 방향에 따라 적층된 펠렛의 컬럼의 자유 팽창을 가능하게 함으로써 펠렛과 클래딩 사이의 기계적 상호작용(이 상호작용은 이하 PCMI로 지칭됨)을 제한하기 위한 것이다;
(f2) 연료 요소에 의해 방출된 기체 핵분열 산물을 연료 요소의 축단부에 위치한 팽창 용기까지 전달할 수 있게 한다;
(f3) 연료와 클래딩 사이의 열적 결합(thermal coupling)을 관리한다:
i. 연료의 과도한 온도 상승을 방지하도록, 특히 반경 방향에 따른 열적 장벽을 최소화한다;
ii. 특히 클래딩에 큰 기계적 하중을 유도할 수 있는 차동 팽창을 일으킬 수 있는 온도 불균일(temperature heterogeneities)을 최소화하도록 특히 축방향 및 방위각 방향(azimuth direction)에 따른 이러한 기능들의 연속을 보장한다.
환경에 의해 유도된 기능:
(f4)
i. 기하구조적 크기를 최소화함으로써;
ii. 중성자와의 작은 상호작용 단면을 가진 재료들(특히 고속 스펙트럼에서)을 사용함으로써, 원자로 노심의 성능을 유지하도록, 일차적 기능(f1 내지 f3)을 수행하여 상기 계면에서 중성자 충격을 최소화한다.
(f5) 일차적 기능(f1 내지 f3)을 수행하여 상기 계면과 그 환경과의 화학적 적합성(compatibility)을 보장한다:
i. 클래딩과 상기 계면의 화학적 적합성을 보장한다(고온에서, 예를 들어 사고 상황 하에서 반응 속도의 증가가 없음);
ii. 연료와 상기 계면의 화학적 적합성을 보장한다(예를 들어 연료의 용융 마진을 감소시킬 수 있는 "저온" 공융(eutectic)이 없음).
이차적 기능:
(f6) 연료(특히 방출된 핵분열 산물)의 성분이 클래딩으로 이동하는 것을 제한하는 것으로, 이는 이러한 이동의 결과로 발생할 수 있는 취화(embrittlement)를 일으킬 수 있는 내부 부식의 위험을 방지하기 위함이다; 이는 일차적 기능 f1과 관련된 기능이다;
(f7) 핫 포인트(hot points)와 클래딩의 증가된 기계적 하중을 일으키는 온도 불균일을 최소화하도록 연료/클래딩의 중심맞추기(centring)를 최적화한다; 이는 일차적 기능 f1 및 f3와 관련된 이차적 기능이다;
(f8) 연료와 클래딩 사이의 간격이 있다면 이 간격으로의 연료 조각들의 이동의 위험을(발생하지 않고) 최소화한다. 차동 변형률(differential strain)(열적 팽창 및 팽윤)의 효과로 상기 간격이 줄어드는 경우 이러한 연료 조각의 이동은 클래딩을 불균등한 마모(ovalling) 및/또는 펀칭(punching)함으로써 클래딩의 무결성 결함을 유발할 수 있다; 이는 일차적 기능 f1과 관련된 기능이다.
부가적 기능:
(f9) 일반적인 경제적 제약을 만족시킨다:
ⅰ. 수명: 목표하는 경제적 성능과 양립하는 연료 운전 시간 동안 일차적 및 이차적 기능들을 수행한다;
ⅱ. 재료의 조달 능력 및 제조 방법의 실행 능력;
ⅲ. 비용.
(f10) 사고 상황에서 안전에 대한 현저한 손해를 배제한다 (예를 들어, 진전된 노심 열화 상태(degradation phase) 동안에 노심에서 구조적 재료들과 상기 계면의 화학적 반응성)
(f11) 기술적인 제작성 문제, 특히 연료 요소 조립 공정의 실행(연료, 계면 및 클래딩)에 대한 문제를 최소화한다;
(f12) 최소한의 제약으로, 핵반응 사이클의 출력 측면에서의 분리 및 재생 요건들을 만족시킨다.
원형 기하구조 및 원형 단면을 가진 연료 요소에서 펠렛과 클래딩 사이의 계면은 일반적으로 기체 형태, 통상적으로 헬륨이며, 이는 열전도성 (f3.i 기능), 중성자에 대한 투명성 (f4.ii 기능), 화학적 중립성 (f5 기능) 및 부가 기능 (f9 내지 f12 기능들)에 관하여 (가능한 기체들 중에서) 최적의 특성들을 가진다. 이는 펠렛과 클래딩 사이의 충분한 기능적 간격이 제조 공정 동안에 형성되어 방사 하에서 연료 및 클래딩의 차동 변형률 때문에 상기 간격을 채우는 것을 방지한다면, 연료 펠렛 및 클래딩 사이의 기계적 분리(f1 기능) 및 핵분열 기체의 팽창 용기로의 전달(f2 기능)을 위한 기능들은 기체 형태의 계면에 의해 이상적으로 수행된다[5].
그러나, 원통형 기하구조와 원형 단면 및 기체 형태의 계면을 가진 봉은 이와는 반대로 나타난다. 이는 매우 엄격한 성능 한계 이내를 제외하고는, 상기 봉은 일차적 기능인 f1 및 f2와 이차적 기능인 f3.i 및 f4.i의 기능을 동시에 수행할 수 없기 때문이다. 중성자 성능에 대해 부정적 영향을 미치는 크기의 제약(연료 요소 내에서의 핵분열성 재료의 밀도)을 넘어서, 기체 계면의 열전도도는 상대적으로 보통이기 때문에, 펠렛과 클래딩의 기능적 간격의 증가는 그것이 형성하는 열적 장벽을 증가시킬 것이며 이는 연료의 증가된 온도로 연결된다. 이 온도 상승은 안전 요구 사항(특히 연료 용융 마진의 감소)의 손실로 일어나는 사실과는 별개로, 방사 하에서 상기 간격을 감소시키는 경향이 있는 펠렛의 3차원적 팽창의 증가가 수반되며, 따라서 상기 계면의 증가된 두께 그리고 그 결과 연료 요소의 수명 증가의 효율을 감소시킨다.
이러한 열적 손해를 감소시키기 위한 하나의 해결책은 특허 JP 11183674에 개시되었고, 여기서 실험들이 다양한 실험적 방사 프로그램에 따라 수행되었다 [8], [9]. 이 해결책은 상기 계면을 더 이상 기체 형태가 아닌 낮은 용융점을 가지는 금속의 형태로 만드는 것으로 이루어지고, 이는 연료 요소의 운전 조건 하에서 액체, 일반적으로 소듐이다. 상기 금속의 전도도는 기체의 전도도보다 높으며, 따라서 상기 계면의 전도도와 관련된 문제들을 상당히 감소시킬 수 있고, 이는 연료 요소의 열평형(thermal balance)에 무시해도 될 정도의 기여를 하지만, 잠재적으로 더 큰 계면 두께를 가능하게 한다.
액체 금속 형태의 계면을 가지는 것의 또 다른 이점은 이의 우수한 열전도도 로 인해, 클래딩에 대한 연료 펠렛의 가능한 편심(eccentricity)으로 인한 원주의 열적 불균일 문제들을 감소시킨다는 것이다. 동심도(concentricity) 조건 (f7 기능)은, 액체 금속 또는 기체의 강성(rigidity)의 부족 때문에, 기체 또는 액체 금속 형태의 계면에 의해 선천적으로 보장되지는 않는다. 편심은 또한 열플럭스가 원주 주변에서 불균일하다는 것을 의미할 것이다. 상기 계면이 액체 금속 형태인 경우에, 이러한 열적 불균일(클래딩에서의 핫포인트 및 차동 열적 변형률에 의한 기계적 하중)의 영향은 감쇠되는데, 이는 일차적으로 액체 금속 및 클래딩 사이의 더 좋은 열전달, 이차적으로는 액체 금속 및 상기 펠렛 사이의 더 좋은 열전달 때문이다.
그러나, 액체 금속 형태의 계면은 몇 가지 문제점을 발생시키지 않고서는 제조될 수 없다.
첫째로, 환경과의 적합성(f5 기능, 예를 들어 화학적 측면의 경우)은 극히 제한적인 것으로 밝혀졌다. 따라서, SFR용으로도 물론 적용될 수 있는 소듐의 경우에, 수냉각재(PWR) 및 고온에서 운전하는 원자로와 양립불가성이 명백하고, 그 결과 소듐 비등(소듐의 비등 온도는 약 880℃이다)의 위험에 대비한 마진의 불충분(또는 예를 들어 GFR의 경우에 심지어 마진이 존재하지 않음)으로 이어진다.
열적 불균일(f3.ii 기능)과 관련하여, 액체 금속 내의 기체 버블(제조 공정 동안에 또는 방사 하에서 방출된 핵분열 기체에 의해 형성된 버블)의 존재에 의해 유도된 상기 계면에서 임의의 불연속성이 이 해결책의 열적 이득을 경감시킬 것이라는 것은 명백하다: 이러한 문제는 실험적 방사 하에서 관찰되었고, 이 실험 동안 클래딩의 조기 파손 때문에 연료 요소 수명의 조기 종료를 일으킬 수도 있다는 것을 보였다[9]. 게다가, 연료 성분 이동(f6 기능)의 제한과 관련하여, 헬륨과 소듐 계면의 거동을 비교하기 위한 목적으로 SFR 타입 원자로 내부의 카바이드 연료의 실험적 방사는 상기 액체 금속이 클래딩의 취화에 기여한다는 것을 보여주었고, 이는 연료에서 유래된 탄소의 소듐을 통해 증가된 이동에 의한 클래딩의 탄화(carburization)때문이다. 그러나 편심으로 인해 펠렛/클래딩 접촉이 있지 않는 한 헬륨을 통해서는 이러한 문제가 발생하지 않는다[9]. 마지막으로, f8 기능과 관련하여, 상기 조인트에 내재된 강성의 결여는 연료 조각들의 이동을 가능하게 하며, 이러한 조각들이 상기 계면으로 이동하는 경우, 이는 방사 동안 펠렛과 클래딩 사이에 있는 상기 조각들의 압축에 의해 클래딩을 불균등한 마모 또는 펀칭할 수 있게 한다. 불균등한 마모는 존재하는 가까운 연료 요소들 사이의 열교환 및 기계적 상호작용에 영향을 주기 때문에 성능을 경감시키는 반면 펀칭은 클래딩의 무결성/밀폐(seal) 안전 기능의 조기 손실을 의미한다. 실제로, 연료 요소들의 방사로 하는 운전 경험은 연료 펠렛의 반경의 약 4% 미만인 상기 펠렛과 클래딩 사이의 반경 방향의 기능적 간격의 초기값이 상기 계면으로 이동하려는 연료 조각의 확률을 제한함으로써 펀칭에 의한 클래딩 파손(cladding failure)의 위험을 최소화할 수 있다는 것을 보여준다[11]. 그럼에도 불구하고, 안전 요구 조건의 필요에 의해 만들어진 이러한 제한은 PCMI 없이 운전 수명을 크게 감소시킨다는 점에서 연료 요소의 운전 수명에 대해 상대적으로 손해라는 것이 증명되었다. 이러한 맥락에서, 경제적 성능에 필수적인 원자로에서 연료의 장기 사용은 수명 종료 전의 가변 시간 기간 동안 PCMI와 함께 기능하는 것을 불가피하게 할 것이다. 이러한 경우에, 연료 펠렛 및 클래딩 사이의 직접 접촉은 또한 핵분열 산물로 인한 클래딩의 손상 문제를 발생시킨다. 이는 핵분열 산물이 반동 에너지(recoil energy)때문에 수 마이크로미터의 두께에 걸쳐 클래딩을 침투하기 때문이다.
경제적 및 안전 성능들에 대해 다양한 해결책들이 PCMI와 함께 수용가능한 운전을 가능하게 하도록 제안되어 왔다.
이들은 기체 형태의 계면이나 액체 금속 형태의 계면이 개별적으로 해결할 수 없는 남은 두 가지 어려움을 극복하는데 목표를 두고 있다. 즉:
- 연료와 접촉하는 상황에서 클래딩에 가해진 기계적 하중을 감소시키기 위한 요구;
- 열화학적 공격(aggressions) 및 핵분열 피크로 인한 클래딩의 취화를 최소화시키는 것이다.
제안된 모든 해결책들은 재료의 하나 또는 몇몇의 중간층(intermediate layers)을 상기 계면의 전체 또는 부분으로서 증착(depositing)하는 것으로 이루어진다.
특허 GB 1187929는 FNR 원자로에서 적어도 700℃의 온도에서 운전하는 금속 클래딩이 있는 연료봉으로서, 연료 펠렛 및 클래딩 사이의 중간층의 사용을 개시하고 있고 이는 금속 우라늄에 기초한다. 이 특허는 다음을 설명한다.
ㆍ 상기 중간층과 클래딩 사이의 밀접;
ㆍ 통상적으로 소듐으로 이루어지고, 온도 기능을 수행하는, 상기 중간층 및 클래딩 사이의 계면의 다른 부분;
ㆍ 통상적으로 알루미나인, 화학적 적합성 기능을 수행하는 상기 중간층 및 클래딩 사이의 추가적인 층;
ㆍ 상기 연료와 중간층 사이의 진공 영역을 형성하는 그루브(grooves);
ㆍ 상기 중간층 및/또는 연료 펠렛의 공극률(porosity)은 이의(이들의) 밀도가 이론적 밀도의 85% 이하와 같을 것이라는 가능성;
ㆍ 상기 중간층의 성분으로서 우라늄 합금, 또는 우라늄 및 몰리브덴(molybdenum) 합금.
PWR 원자로에서 사용되는 지르코늄계 클래딩을 가진 연료봉에 대해 유사한 해결책들이 개시되어 왔다.
따라서, 특허 US 4818477은 소모성 중성자 흡수제(neutron poision)(10B 이 풍부한 붕화물)에 기초한 라이너를 만드는 방법으로서, PCMI을 약화시키도록 10μm 내지 100μm의 두께로 연료 펠렛을 코팅하는 것을 개시한다.
특허 US 3969186은 응력 부식 균열(stress corrision cracking) 및/또는 펠렛/클래딩의 기계적 상호작용에 의한 천공(perforation) 위험 및 클래딩 파손을 방지하도록 클래딩 내면 상에 증착된 금속 라이너를 만드는 법을 개시한다.
특허 US 4783311은 클래딩(4μm 내지 50μm의 두께)의 내면 상 및 연료 펠렛(10μm 내지 200μm의 두께)의 표면 상에서의 라이너의 조합을 만드는 방법으로서, 특히 "윤활제" 역할을 수행하는 흑연과 같은 재료로부터 상기 클래딩 내면 상의 라이너를 만드는 방법을 개시한다.
특허 JP 3068895A는 잠재적 PCMI에 의한 응력을 흡수하기 위한 그루브가 제공된 연성 중간층을 만드는 방법으로서, 상기 층은 소성 변형 가능하여 클래딩의 내면 상의 균열의 전파를 방지하는 것을 개시한다.
국제 특허 출원 WO2009079068에 기술되어 있는 것과 같이, HTR 원자로에서 사용되는 구형 기하구조를 갖는 연료 입자도 있다. 이 출원에서 설명된 것처럼, 기계적 무결성 및 연료볼 핵분열 기체에 대한 밀폐를 제공하는, 중심에 연료볼 및 이를 둘러싼 클래딩을 갖는 다층 구조가 만들어지고, 중심과 클래딩 사이에는 완충기능을 수행하는 다공성 파이로카본(pyrocarbon)층이 핵분열 기체 및 연료볼에 대한 팽창 부피를 생성하도록 증착된다.
특허 US 4235673은 슬리브(sleeve)의 사용을 개시하는데, 상기 슬리브는 금속 와이어의 패브릭 형태(도1 및 2에서의 구현예) 또는 금속 리본의 형태(도 3 및 4에서의 구현예) 중 하나이고, 연료 펠렛의 컬럼의 둘레에 나선형으로 감겨 있으며, 연료 펠렛의 컬럼의 단부에 있는 폐쇄 요소에 고정되어 있고, 상기 슬리브는 연료 펠렛의 컬럼 및 클래딩 사이에 삽입된다. 특허 US 4235673에 따른 이러한 기술적인 슬리브 해결책은 생성될 수 있는 펠렛 파편 또는 조각들을 가두는 것만을 목적으로 한다. 따라서, 이 특허 US 4235673에 따른 슬리브의 유일한 기능은 예를 들어 이 문헌의 4번째 컬럼, 23-30행에서 설명된 것과 같이, 연료 펠렛 조각들을 가두는 것이며, 상기 펠렛 및 클래딩 사이의 열전달을 위한 기능은 소듐과 같은 충전 유체에 의해 필수적으로 행해지고, 펠렛의 3차원적 팽윤을 수용하는 기능은 이 문헌의 청구항 1에서 매우 명확하게 표현된 것처럼, 이 목적에 맞는 크기의 상기 슬리브 및 클래딩 사이의 기능적 간격의 필수적 존재를 통해 이루어진다. 즉, 특허 US 4235673은 상기 펠렛의 3차원적 팽윤을 수용하기에 충분히 큰 기능적 간격을 한정하기 위해 상기 펠렛 컬럼의 양 단부에 고정된 슬리브와 상기 클래딩 및 상기 펠렛 컬럼 사이에 있는 충분히 큰 두께의 열전달 액체 사이의 불가피한 복합 계면 해결책을 개시한다. 뿐만 아니라, 이 특허 US 4235673에 따른 조합된 계면 해결책은 실행하기 어렵고, 상기 연료 펠렛 컬럼의 단부에 있는 폐쇄 요소에 고정된 슬리브 때문에 비재현성의 위험을 도입한다. 따라서 이는 핵 환경에서 연료봉의 제조 공정 동안 추가적인 단계를 요구한다.
따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 원통형 기하구조 및 원형 단면을 가진 핵연료봉에서, 상기 제시된 선행 기술에 따른 계면의 단점을 갖지 않는, 펠렛 및 클래딩 사이의 향상된 계면을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 향상된 펠렛/클래딩 계면을 가진 핵연료봉의 제조 방법을 제안하는 것으로, 이는 원형 단면을 가진 기존의 핵연료봉의 제조를 위한 산업 시설 구성(industrial facility set up)과 완전히 무관한 것이 아니다.
이를 달성하기 위해, 본 발명의 목적은 기본적으로 길이방향을 따라 연장되는 핵연료봉으로서, 서로 적층된 복수의 연료 펠렛 및 중성자에 대하여 투명한 재료로 이루어진 상기 펠렛의 스택을 둘러싸는 클래딩을 포함하며, 상기 클래딩 및 상기 펠렛은 상기 길이방향에 대하여 원형 횡단면을 가지고, 마찬가지로 계면 조인트도 상기 길이방향에 대하여 원형 단면을 가지며, 중성자에 대하여 투명한 고체 재료로 이루어지고 개방 기공을 가지며, 적어도 상기 컬럼의 높이 이상으로 상기 클래딩 및 적층된 펠렛의 컬럼 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉이다.
본 발명에 따르면, 상기 계면 조인트는 상기 클래딩 및 상기 펠렛의 컬럼으로부터 기계적으로 분리된 구조체로서, 높은 열전도도 및 개방 기공을 가지며, 방사 하에서 상기 펠렛의 3차원적 팽윤 효과에 의하여 압축되도록 그 두께에 걸쳐서 압축에 의해 변형되도록 되어있으며, 상기 계면 조인트의 초기 두께 및 압축 비율은 상기 방사 하에서 상기 펠렛에 의해 상기 클래딩으로 전달된 기계적 하중이 미리 결정된 문턱값(threshold value)보다 작도록 되어 있다.
높은 열전도도는 상기 펠렛의 컬럼 및 상기 클래딩 사이의 열전달을 달성하는데 충분히 높은 열전도도의 계수를 의미한다. 바람직하게는, 그 목적은 헬륨과 같은 기체에 대하여 적어도 10배로 열전달을 증가시키기 위한 것이다.
따라서 본 발명은 상기 적층된 펠렛 및 클래딩 사이의 계면 조인트에 관한 것으로, 높은 공극률을 가진 고체 구조의 형태이며, 냉각 상태(cold state)에서의 상기 조인트의 부피의 바람직하게는 30 내지 95%이며, 원자로 내에서 공칭 운전 온도(nominal operating temperature)까지 다음의 기능을 수행하도록 되어 있다:
ㆍ 계면 조인트의 압축으로 인해, 방사 하에서 클래딩으로의 과도한 기계적 하중 없이 적층된 연료 펠렛의 반경 방향의 팽창을 가능하게 한다;
ㆍ 구조의 연속성의 손실을 일으키지 않는 계면 조인트의 변형으로 인해, 고온 및 방사 하에서 클래딩으로의 과도한 하중 없이 적층된 펠렛 및 이를 둘러싼 클래딩 사이의 차동 축방향 변형률의 수용을 가능하게 한다;
ㆍ 클래딩을 따라 순환하는 냉각재로 균일한 방식으로, 상기 펠렛 내의 핵반응으로부터 발생된 열의 전달을 용이하게 한다;
ㆍ 방사 하에서 방출된 핵분열 기체 및/또는 헬륨의 클래딩의 단부에 위치한 팽창 용기로의 이동을 가능하게 하는 것이며, 여기서 핵분열 재료는 없다;
ㆍ 클래딩을 부식시킬 수 있는, 상기 펠렛 내의 연료에서 방출된 고체 및 휘발성의 핵분열 산물의 정체(retention)에 의해 반동 핵분열 산물을 감쇠하여 또는 연료의 화학 양론적 조절에 의해, 펠렛 내의 연료와의 적합성 문제에 대항하여 클래딩을 보호하는 것이다.
본 발명에 따른 계면 조인트는(냉각재가 가압되거나(GFR 원자로용과 같이) 또는 가압 되지 않는) 원자로 내에서 사용하기 위한 모든 핵연료봉에서 만들어질 수 있다. 가압 냉각재의 경우에, 사용된 클래딩이 크리프(creep) 변형에 충분한 내구성이 있어서 운전시 연료 펠렛과 접촉하지 않을 것이라는 것을 확실히 하기 위해 주의할 것이다. 통상적으로, CMC로 이루어진 클래딩은 지극히 적합하다.
본 발명에 따른 계면 조인트를 가진 연료봉은 전력, 열 및/또는 중성자 플럭스(엄격한 열적 및 중성자 제약을 가진)의 생산을 위해, 또는 연료 사이클(방사 하에서 생성된 다량의 헬륨에 의해 더 엄격해진 팽윤 제약을 가지며 소수 악티니드(minor actinide)로 충전된 변환 타겟(transmutation target)을 관리하는 수단으로 사용될 수 있다.
상정된 모든 응용 분야에 대하여, 고체 계면 조인트는 클래딩으로 과도한 기계적 하중을 인가하지 않고, 국부적으로 15 내지 20 at%에 이를 수 있는 연소 비율까지 연료의 3차원적 팽창을 지속적으로 가능하게 하는 개방 기공을 가진 것으로 정의된다. at%의 종래 정의는 완전히 연소된 핵분열성 원자의 퍼센트를 나타내는 단위인 것에 주의하라. "과도한"의 의미는 핵연료의 보통의 설계 기준에서 부과된 한계를 초과할 수 있는, 특히 원주 방향에서의 임의의 하중을 의미한다[12]. 마찬가지로, 열적 제약 (성능 및 불연속성의 결여), 중성자 제약(중성자에 대한 투명성 및 크기) 및 상기 팽창 용기로 방출된 핵분열 기체들의 이동에 대한 제약이 또한 준수되어야 함에 주의하라.
본 발명에 따른 계면 조인트를 위해, 연료 및 클래딩 재료 사이의 비기계적 상호작용을 중요하지 않게 만드는데 기여할 수 있는 하나 이상의 재료가 사용될 수 있다. 따라서, 중성자 손상과 관련하여, 상기 고체 계면 조인트는 클래딩의 두께(내면 상에서 수 마이크로미터) 내에 손상을 일으킬 수 있는 모든 또는 다수의 반동 핵분열 산물들을 흡수할 수 있다. 더욱이, 상기 개방 기공을 갖는 고체 계면 조인트는:
- 넓은 교환 표면적으로 인해, 연료에 의해 방출되고 클래딩과 화학적으로 반응할 수 있고, 이의 기계적인 성능(예를 들어 응력 부식 문제)을 열화시킬 수 있는 몇몇 또는 모든 고체 및 휘발성 핵분열 산물을 가둘 수 있으며;
- 연료와 클래딩 재료 사이의 "화학적 완충" 역할을 수행함으로써 연료의 화학양론을 조절할 수 있고, 이는 낮은 용융점을 가진 금속 침전물의 형성을 방지함으로써 연료의 국부적인 용융을 막기 위한 큰 마진을 유지하는데 유리할 수 있다. 이는 특히, 현재는 GFR 원자로용으로 고려되고 있는 우라늄 및 플루토늄 카바이드가 혼합된 연료에 대하여 그러하다. 따라서, 운전 실험은 방사 하에서 탄소가 핵분열 산물 및 클래딩과의 화학 반응에 의해 "소비됨"에 따라 우수한 성능을 위해 필수적인, 연료의 초기 초과 화학양론(initial over-stoichiometry)이 떨어지는 경향이 있다는 것을 보여준다[9]. 탄소를 기초로 한 계면 조인트는 또한 연료의 탈탄(decarburization)을 제한할 수 있는 자유 탄소의 효율적인 근원이 될 수 있다.
상기 조인트의 개방 기공 및 연료 펠렛 및/또는 클래딩으로부터의 계면 조인트를 분리하는 모든 간격은 기체, 바람직하게는 헬륨 및/또는 소듐과 같은 액체 금속으로 충전될 수 있다.
견실함(기계적 하중 문턱값까지의 고유 강성, 이 문턱값 이상에서 압축되기 시작함)으로 인해, 본 발명에 따른 고체 계면 조인트는 클래딩 내의 연료 펠렛의 중심맞추기를 보장하고, 연료 조각들의 움직임을 방지한다.
15 내지 20 at%까지의 국부적 연소 비율을 위해 PCMI의 장기간 지연을 발생시키는 한 가지 방법은 수백 마이크론 두께(기체 또는 액체 금속 조인트를 가진 보통의 구성에서 약 100 마이크론의 전형적인 값과 비교)의 고체 계면 조인트를 고려하는 것이다. 어느 경우에서라도, 이의 열적 특성, 가능하게는 이것이 잠겨있는 기체 및/또는 액체 금속의 열적 성질을 고려한 이의 열적 특성이 용융에의 마진과 같은 연료의 온도의 조절을 보장하는 것을 확실히 하기 위해 주의가 요구될 것이다.
상기 고체 계면 조인트가 적절한 기계적 특성을 가지는 것을 확실히 하기 위해 주의가 요구될 것이다. 따라서, 압축 시 즉 반경 방향으로 연료봉 방향을 따라 및 전단(shear)시(원주 둘레 및 상기 봉의 회전축과 평행한 방향을 따라), 충분히 높은 변형률 용량을 가지는 것을 보장하기 위해 주의가 요구될 것이다. 이는 클래딩상에 어떠한 과도한 기계적 부하, 또는 조인트의 축방향 및 원주 방향의 불연속성을 유발하지 않고, 방사 하에서 연료 펠렛 및 클래딩의 차동 변형률을 수용하기 위함이다. 이러한 기계적 특성들은 방사 하에서 약 100 dpa-Fe 내지 200 dpa-Fe 수준까지의(2 내지 4 x 1027n/m2 플루엔스)조사량에 대하여 보장되어야 한다. 연료 펠렛은 3차원적 팽윤에 처해지는데 그 결과 펠렛의 직경 및 길이는 증가한다. 클래딩이 선천적으로 연료보다 훨씬 덜 팽윤하기 때문에, 방사 동안 펠렛과 클래딩 사이의 계면은 감소한다. 더욱이, 펠렛의 스택은 클래딩보다 더 연장하여 그들 사이에 길이방향 전단(longitudinal shear)을 발생시킨다. 따라서 상기 계면 조인트가 다음을 보장하기 위해 주의가 요구될 것이다.
- 계면 조인트가 압축 변형률로 인해, 상기 계면의 감소를 클래딩의 기계적 강도에 양립하는 강성으로 보상할 수 있도록 한다. 이는 국부적으로 밀도가 높은 지역의 존재는 배제한다(제조 공정으로부터의 결함, 방사 시 치밀화(densification) 등);
- 계면 조인트가 반경 방향의 압축으로 인한 신장(elongation)(프와송비 효과) 및/또는 전단 변형(클래딩의 기계적 강도에 양립하는 축방향의 힘의 전달로 클래딩 및/또는 연료 상에 붙어 있는 표면을 가정한다); 및/또는 반경 방향의 압축 하에서 상기 간격내로의 점성(viscous) 축방향 압출류에 의하여 연료 컬럼과 클래딩 사이의 길이방향 미끄러짐 변형(longitudinal sliding deformation)을 보상할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 계면 조인트는 이의 전체 높이에 걸쳐서 연속적으로 만들어진다: 어느 경우에서도, 상기 언급한 길이방향 미끄러짐 변형을 보상함으로써, 상기 조인트의 축방향 불연속성은 일어나지 않도록 하는 절충에 이르는 것이 목적이다.
또한, 상기 계면 조인트와 펠렛 사이의 응집력(cohesion)이 표면을 통하여 핵분열 기체의 방출을 방지하지 않도록 하는 것을 보장하기 위하여 주의가 요구될 것이다.
마지막으로, 상기 조인트 변형 모드가, 통상적으로 계획되지 않은 또는 계획된 원자로 운전정지 동안 상기 계면이 부분적으로 재개(reopened)되는 경우에, 상기 조인트의 조각들이 이동할 수 있도록 하는 방식으로 상기 조인트의 분쇄(fragmentation)를 야기하지 않도록 보장하기 위해 주의가 요구될 것이다. 이러한 분쇄는 예를 들어 전력/온도가 상승하는 경우에, 클래딩의 추후 펀칭의 위험을 유도할 것이다.
상기 고체 계면 조인트의 중성자 특성들이 원자로의 노심에서 중성자 균형에 가능한 한 가장 낮은 영향을 준다는 것을 보장하기 위해 주의가 요구될 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 조인트의 높은 개방 공극률은 조인트가 완전히 압축된 때, 이의 잔류 체적(residual volume)을 최소화하는데 목적을 두고 있다. 연료봉을 위하여, 상기 고체 계면 조인트용으로 상정되는 재료(들)는 가능한 한 중성자에 대하여 투명한 것을 보장하도록 주의가 요구될 것이다.
상기 제작된 구조체의 높은 개방 공극률은 방사 하에서 많이 열화하지 않는 효율성으로(상기 구조체의 압축은 전체 공극률 및 상기 개방 기공 비율의 감소로 이어진다), 방출된 핵분열 기체가 상기 연료 요소의 상부 근처에 위치한 팽창 용기로 이동하는 것을 용이하게 해야 한다.
상기 구조체에 의해 제공된 넓은 교환 표면적은 방사 하에서 상기 연료에 의해 방출되고, 응력 부식(stress corrosion)으로 상기 클래딩의 취화에 기여할 수 있는 고체 핵분열 산물들의 정체를 용이하게 하여야만 한다.
본 발명에 따른 구조적 계면 조인트로 인해, 연료 펠렛의 수명을 연장하도록 상기 펠렛과 클래딩 사이에 일반적으로 접해 있는 계면에서 가능한 것보다 두껍게 할 수 있고, 그 결과 안전성에 영향을 주지 않으면서 상당한 경제적 절약(예를 들어, 핵연료의 용융에의 마진)을 낳는다.
본 발명에 따른 계면 조인트의 개방 기공은 제조시 생성된 상기 계면 조인트의 전체 부피의 적어도 30%의 부피를 가질 수 있다. 바람직하게는, 이 부피는 제조시 생성된 상기 계면 조인트의 전체 부피의 30% 내지 95%이며, 더욱 바람직하게는 50% 내지 85%이다.
분명하게, 설명된 공극률 및 상기 계면 조인트의 기하학적 크기는, 제조시 생성되고 원자로에 사용되기 이전의 냉각 계면 조인트(cold interface joint)에 대한 것이다.
본 발명에 따른 연료봉의 다른 요소들에 대하여도 마찬가지이다.
본 발명이 목표로 하는 개방 공극률은 다양하게 알려진 측정 기술들로 정량화될 수 있다: 예를 들어, 브레이드(braid) 및 섬유에 대한 밀도 측정, 또는 예를 들어 X 단층촬영(tomography) 또는 광학 현미경 또는 광학 매크로스코피(macroscopy)에 의한 이미지 분석.
유리하게는, 상기 (XX')방향의 횡단면에서의 상기 계면 조인트의 두께는 상기 펠렛의 반경의 4% 이상이다.
상기 계면 조인트는 브레이드(braid)(들) 및/또는 펠트(들) 및/또는 웹(들) 및/또는 패브릭(들) 및/또는 니트(knit)(들)와 같은 하나 또는 여러 개의 섬유상 구조로 구성된 될 수 있다. 섬유의 부피 퍼센트는 바람직하게는 15 내지 50%이며, 이는 대략 50 내지 85%의 공극률에 해당한다. 즉, 필요한 조인트 압축성 및 형성될 수 있는 연료 조각들의 효과적인 가둠에 의해 수반된 높은 열전도도 사이의 최적의 절충이다. 일 구현예에 따르면, 상기 계면 조인트는 탄소 섬유 층 및 상기 탄소 섬유층 위에 중첩된(superposed) 실리콘 카바이드 섬유를 포함하는 층을 포함하는 브레이드로 만들어질 수 있다.
대안적으로, 상기 계면 조인트는 포움(foam)과 같은 하나 또는 몇 개의 허니콤 재료(honeycomb materials)로 만들어질 수 있다.
상기 계면 조인트는 세라믹 또는 금속에 기초할 수 있다.
기체 냉각 고속로(gas-cooled fast reactor, GFR)의 경우, 클래딩의 기초 소재는 바람직하게는 내화성 합금에 기초한 라이너(liner)와 결합(association)될 가능성이 있는 SiC-SiCf와 같은 내화 세라믹 매트릭스 복합체 (ceramic matrix composite, CMC)가 고려될 수 있으며, (U, Pu)C, (U, Pu)N 또는 (U, Pu)O2와 같은 세라믹 재료로 이루어진 연료 펠렛이 고려될 수 있다.
소듐 냉각 고속로 (sodium-cooled fast reactor, SFR)의 경우, 금속 재료로 이루어진 클래딩, 및 (U, Pu)C, (U, Pu)N 또는 (U,Pu)O2 와 같은 세라믹 재료 또는 (U, Pu)Zr과 같은 금속 재료로 이루어진 연료 펠렛을 고려하는 것이 가능할 수 있다. 일 형태에 따르면, 상기 계면 조인트의 개방 공극들 및 상기 클래딩, 펠렛 및 봉 폐쇄 요소 사이의 공간들은 기체로 충전되며, 바람직하게는 헬륨으로 충전된다. 또 다른 형태에 따르면, 적층된 펠렛의 컬럼은 상기 봉의 바닥에 있는 폐쇄 요소에 접촉하도록 위치하여, 원자로 운전 중에 상기 계면 조인트의 개방 기공 및 상기 클래딩, 펠렛 및 상기 봉의 바닥에 있는 폐쇄 요소 사이의 공간은 상기 컬럼의 높이 에 걸쳐서 소듐으로 충전되고, 상기 컬럼의 상부 및 상기 폐쇄 요소 사이의 공간은 헬륨으로 충전된다.
가압수형 원자로(pressurized water reactor, PWR) 또는 비등수형 원자로 (boiling water reactor, BWR)의 경우에, 바람직하게는 클래딩은 내화 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 재료로 만들어질 수 있으며, 상기 연료 펠렛은 UO2, (U, Pu)O2와 같은 세라믹 재료로 만들어질 수 있다.
또한 본 발명은 상기 언급한 복수의 연료봉을 포함하고 격자의 형태로 배열된 핵연료 집합체에 대한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 다음의 단계들을 포함하는 핵연료봉의 제조 방법에 대한 것이다:
(a) 중성자에 대하여 투명한 재료로 이루어진 원형 단면을 가진 조인트를 적어도 부분적으로 제조하는 단계로서, 상기 조인트는 우수한 열전도도 및 개방 기공을 가진 구조체의 형태이며, 그 두께에 걸쳐서 압력 하에서 변형이 가능한 것인 단계;
(b) 적어도 부분적으로 제조된 상기 조인트를 원형 단면을 가진 원통형 클래딩 내로 삽입하는 단계로서, 상기 원통형 클래딩은 그 단부(end) 중 적어도 하나가 개방되어 있고, 중성자에 대하여 투명할 수 있는 또는 투명하지 않을 수 있는 재료로 이루어진 단계;
(c) 원형 단면을 가진 상기 원통형 클래딩 내에 삽입된 조인트 내부로, 복수의 핵연료 펠렛을 상기 조인트의 높이 이하로 삽입하는 단계;
(d) 상기 조인트가 전체적으로 생성된 후 상기 클래딩을 완전히 폐쇄하는 단계.
제 1 구현예에 따르면, 단계 (a)는 다음의 하위 단계들을 이용하여 만들어진다:
- 맨드렐(mandrel) 상의 탄소 섬유 브레이드 층 위에 실리콘 카바이드 섬유를 포함하는 브레이드 층을 중첩시키는 단계;
- 상기 2층 브레이드를 원통형 몰드 내에서 압축하는 단계;
- 상기 압축된 브레이드 내로 용해성 바인더를 첨가하는 단계;
- 용매를 증발시키는 단계;
상기 단계 (b)는 상기 브레이드가 그 둘레에 접촉하고 있는 상기 맨드렐을 이용하여 수행되고, 그 다음 상기 맨드렐이 제거되며; 및
그 이후에 단계 (c)에서, 진공 하에서 열처리를 수행하여 바인더를 제거하고 이로써 상기 조인트는 상기 복수의 적층된 펠렛 및 상기 클래딩과 접촉하게 된다. 상기 브레이드 층들은 상기 맨드렐의 축에 대하여 45°의 브레이딩 각(braiding angle)을 갖는 2차원 타입의 것일 수 있다.
상기 탄소 섬유는 Thornel® P-100 타입의 것이며 각각 2000 개의 필라멘트를 포함하고 균열된 것일 수 있다.
상기 실리콘 카바이드 섬유는 HI-NICALONTM 타입 S의 것이며 각각 500개의 필라멘트를 포함한다.
상기 용해성 바인더는 유리하게는 폴리비닐 알코올이다.
제 2 구현예에 따르면, 단계 (a)는 다음의 하위 단계들을 이용하여 수행된다:
- 탄소 섬유 웹을 맨드렐 상에서 튜브 형태로 니들본딩(needlebonding)하는 단계;
- 열처리를 수행하는 단계 (예를 들어 아르곤 존재 하 3200℃에서);
- 상기 열처리된 튜브를 원통형 몰드에서 압축하는 단계;
- 상기 압축된 튜브로 용해성 바인더를 첨가하는 단계;
- 용매를 증발시키는 단계;
단계 (b)는 그 둘레에 상기 튜브가 접촉하고 있는 상기 맨드렐을 이용하여 수행되고, 상기 맨드렐은 그 뒤에 제거되며; 및
그 이후에 단계 (c)에서, 진공 하에서 열처리를 수행하여 상기 바인더를 제거하고 이로써 상기 조인트는 복수의 적층된 펠렛 및 상기 클래딩과 접촉하게 된다.
상기 탄소 섬유는 Thornel® P-25 타입의 것일 수 있다.
제 1 구현예에서처럼, 상기 용해성 바인더는 유리하게는 폴리비닐 알코올이다.
제 3 구현예에 따르면, 단계 (a)는 다음의 하위 단계들을 이용하여 수행된다:
- 개방 허니콤으로 구성된 탄소 포움 튜브를 제조하는 단계;
- 상기 탄소 포움 튜브상에 W-Re 합금을 화학 기상 증착(CVD)하는 단계.
본 발명의 다른 이점 및 특징들은 아래의 도 1 및 도 1a와 본 발명에 따른 핵연료봉에 대한 본 명세서를 읽은 후에 명확해질 것이다:
- 도 1은 본 발명에 따른 핵연료봉의 부분적인 길이방향의 단면도이다;
- 도 1a는 도 1에 따른 핵연료봉의 단면도이다;
- 도 2는 본 발명에 따른 계면 조인트의 커브 형태의 주기적 압축 테스트(cyclic compression test)를 보여주며, 이 하중 모드는 원자로 내의 방사 하에서의 대표적인 운전 모드이다(전력 변동으로 인한 비정상성(non-stationary)).
- 도 1은 본 발명에 따른 핵연료봉의 부분적인 길이방향의 단면도이다;
- 도 1a는 도 1에 따른 핵연료봉의 단면도이다;
- 도 2는 본 발명에 따른 계면 조인트의 커브 형태의 주기적 압축 테스트(cyclic compression test)를 보여주며, 이 하중 모드는 원자로 내의 방사 하에서의 대표적인 운전 모드이다(전력 변동으로 인한 비정상성(non-stationary)).
제시된 상기 요소는 핵연료봉인 것에 주의하자. 이 요소는 냉각 상태로 되며, 즉 최종 연료봉이 제조되어 원자로 내에 사용하기 전이다.
본 발명에 따른 상기 핵연료봉은 외부에서부터 내부로 다음을 포함한다:
- 금속 또는 CMC(ceramic matrix composite)재료로 이루어진 클래딩(1)으로서, 클래딩 내벽 상에 라이너로 코팅될 수 있는 클래딩 (1);
- 제 1 집합체 세트 (2)(선택적, 전술한 바인더의 증발 공정 후의 제조 공정 동안 제거될 수 있을 정도);
- 본 발명에 따른 개방 기공을 가진 고체 조인트 (3);
- 제 2 집합체 세트 (4)(선택적, 전술한 바인더의 증발 공정 후의 제조 공정 동안 제거될 수 있을 정도);
- 핵연료봉 컬럼을 형성하는 핵연료 펠렛(5)의 스택.
본 발명에 따른 개방 기공을 가진 고체 조인트 (3)는 적층된 펠렛 (5)의 컬럼의 높이보다 더 높다. 다공성 고체 조인트 (3) 및 상기 적층된 펠렛의 컬럼 사이의 높이 차이는 원자로의 운전 중에 방사 단계 전체에 걸쳐서 이 컬럼이 상기 조인트를 축방향으로 향하도록 유지하는 것을 보장하기 위하여 선택되며, 원자로 운전 중 방사하에서 컬럼의 길이는 팽윤으로 인해 증가한다. 예를 들면, GFR 원자로에서 사용되는 우라늄 및 플루토늄 카바이드가 혼합된 타입의 연료 펠렛의 경우에, 본 발명자들은 가장 심한 하중을 받는 봉 내의 상기 펠렛의 컬럼의 평균 신장도는 약 0.5%/at% 가 될 수 있으며, 이는 목표 연소 비율에서 약 10% 수준의 신장도를 제공한다고 믿는다. 따라서 이러한 경우에, 적층된 펠렛(5)의 컬럼의 높이보다 적어도 10% 큰 높이를 가진 다공성 고체 조인트 (3)를 사용하도록 계획된다. 몇몇 유형의 재료들은 본 발명에 따른 다공성 고체 조인트 (3)의 제조에 적합할 수 있고, 유리하게는 섬유상 구조, 이의 구조에 매트릭스가 침착될 수 있는 섬유상 구조, 또는 개방 기공을 가진 허니콤 재료들일 수 있다.
적합할 수 있는 섬유상 구조는 브레이드, 펠트, 웹, 패브릭 또는 니트 또는 이들의 조합을 포함하며, 이는 적어도 15%, 또는 펠트의 경우 치밀화 전의 아마 적어도 5%의 부피 퍼센트의 섬유를 포함한다. 상기 섬유는 세라믹 화합물(탄소, 카바이드, 질화물 또는 산화물) 또는 금속 화합물(W, W-Re 합금, Mo-Si2 등과 같은)로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 다공성 조인트 (3)에 적합한 섬유상 구조를 만드는 한 가지 방법은 통상적인 브레이딩, 펠트 형성 또는 웨빙(webbing), 니들본딩, 제직(weaving), 니팅(knitting) 기술을 사용하는 것일 수 있다[4].
상기 재료의 열전도도를 증가시키는 것 또는 섬유상에 역시 내화성인 화학적 화합물(세라믹 또는 금속 화합물)을 증착시킴으로써 섬유들을 보호하는 것이 고려될 수 있다. 이러한 증착의 결과 상기 최종 재료, 증착에 의해 보강된 섬유상 구조의 개방 공극률이 30% 내지 85%, 또는 펠트의 경우에 심지어 95%까지 되도록하는 부피 퍼센트를 나타낸다. 섬유 구조상에 이러한 증착은 기존의 화학 기상 증착(CVD) 기술[1] 또는 세라믹 중합체 전구체(precursor)의 함침(impregnation), 열분해(pyrolysis) 등과 같은 다른 기술을 사용하여 이루어질 수 있다.
조인트 (3)는 상기 조인트를 펠렛(5)의 둘레에 둔 다음 조인트 (3)/펠렛 (5) 집합체를 클래딩 (1) 내로 삽입함으로써 배치하거나, 또는 조인트 (3)를 클래딩 (1) 내로 삽입하고, 그 다음 상기 펠렛을 삽입함으로써 배치할 수 있다.
일차적으로 클래딩 (1) 및 조인트 (3)의 물리적 접촉 및 이차적으로 조인트 (3) 및 펠렛 (5)의 물리적 접촉은 원자로 내에서 온도가 상승하는 동안, 차동 열적 팽창에 의해 형성될 수 있으며 이는 조인트 (3)가 더 팽창하기 때문이다. 이러한 물리적 접촉을 달성하기 위한 다른 방법은 조인트 (3)를 반경 방향으로 압축하는 것이며, 그 다음 클래딩 (1)-조인트 (3)-펠렛 (5) 집합체가 배치된 이후, 상기 집합체가 연료봉이 사용되는 원자로 내에 사용되기 전에 상기 조인트 (3)는 팽창할 수 있다.
적합할 수 있는 허니콤 재료 또는 포움은 30% 내지 85%의 공극률을 가지고, 펠렛의 "매크로 조각들"의 이동을 방지하지만 상기 기공들이 상호연결(interconnection)하기에 충분히 크도록, 바람직하게는 100μm 보다 작은 셀 직경을 가진 개방 기공 재료이다. 이러한 재료들의 조성은 세라믹 또는 금속 화합물에 기초할 수 있다. 용융 재료 또는 전구체 화합물(탄소 유기 수지) 내에 기체 버블 또는 버블을 발생시키는 화합물을 주입하는 통상적인 기술, 다공화 화합물 또는 입자로 하는 분말 야금(powder metallurgy), 기재로 작용하는 포움 상에 화합물의 증착을 이용하여 본 발명에 따른 다공성 조인트 (3)에 적합한 허니콤 재료를 만드는 것이 가능할 수도 있다[2],[6]. 기본적인 포움은 포움 화합물과 동일하거나 또는 다를 수 있는 성질을 가진 화합물(세라믹 또는 금속 화합물)의 증착으로 보강될 수 있다. 이러한 증착은 예를 들어, 화학 기상 증착(CVD)에 의해 얻어질 수 있다[1].
본 발명에 따른 핵연료봉의 3가지 실시예가 아래 주어진다: 이 모든 실시예에서, 연료봉은 6.4 mm의 직경을 가진 핵연료 펠렛 (5)의 스택 및 적층된 펠렛의 컬럼을 둘러싸는 7.2 mm의 내경을 가진 클래딩 (1), 즉 400μm의 전체 반경 방향의 두께 집합체 간격(냉각)을 포함한다.
비교를 위해, GFR 카바이드 연료의 경우, 상기 간격이 헬륨 조인트로 충전되어있을 경우, 그러한 연료 펠렛의 경우 최대 약 7.5 at% 수준의 연소 비율을 달성하게 하기 위하여 150μm의 반경 방향의 두께 간격이 선택될 것이다.
본 발명에 따른 다공성 고체 조인트에서,(연료 펠렛의 3차원적 팽창 하에서 압축에 의한) 상기 조인트 공극률의 완전한 소멸에 이르는 수명의 종료를 고려하면, 본 발명에 따른 상기 조인트의 공극률 설계 제작으로부터 예상될 수 있는 연소율에 대한 이익이 상정될 수 있다. 150μm에서 400μm로 두께의 변화가 있는 경우, 150μm의 두꺼운 헬륨 조인트의 상기 연소 비율을 달성하고, 또한 전술한(클래딩 내에서의 펠렛의 중심맞추기, 간격 내로의 연료 조각들의 이동을 막는 보호)장점으로부터 이득을 얻기 위하여 상기 조인트 공극률의 필요한 값은 전형적으로 150/400의 비와 같은 값이며, 즉 약 40% 수준(조인트가 이루고 있는 재료의 이론적인 밀도의 60%인 조인트)이다. 상기 조인트에 의해 유도된 열적 효과는 무시된 점에 주의하라(계산들은 이것이 연료의 팽윤 비율과 관련한 2차적인 효과라는 것을 보여준다).
따라서, 이러한 40%의 공극률에서의 연소 비율은 전형적으로 상기 조인트를 배가함으로써 따라서 800μm으로 두께를 변경함으로써 배가 될 수 있으나, 이러한 값은 상기 조인트의 제조 공극률을 증가시킴으로써 자연스럽게 감소될 수 있다; 약 75% 수준의 공극률을 가지는 다공성 고체 조인트에서, 400μm의 두께로 연소 비율을 두 배로 하는 것을 상정하는 것이 가능할 것이다.
실시예
1:
SiC
층/C 층을 가진
브레이드
제 1 브레이드 층을 맨드렐 상에서 탄소 섬유(각각 2000개의 필라멘트를 포함하고 스레드(thread) 직경을 감소시키도록 균열된 것인 상표명 Thornel® P-100)로 다음의 특성들을 갖도록 만든다:
ㆍ 내경: 6.5 mm
ㆍ 외경: 7.0 mm
ㆍ 브레이딩 타입: 2D
ㆍ 브레이딩 각: 45°
제 2 브레이드 층을 이전의 브레이드 층 위에 실리콘 카바이드 섬유(각각 500개의 필라멘트를 포함하는 상표명 HI-NICALONTM 타입 S)로 다음의 특성들을 갖도록 만든다:
ㆍ 내경: 7.0 mm
ㆍ 외경: 7.4 mm
ㆍ 브레이딩 타입: 2D
ㆍ 브레이딩 각: 45°
그렇게 형성된 2층의 브레이드 (3)를 7.1 mm의 내경을 가진 원통형 몰드 내에서 압축한다. 이 경우에는 폴리비닐 알코올인, 제거 가능한 용해성 바인더를 상기 브레이드 내로 첨가하고, 그 다음 용매를 증발시킨다.
그 다음 브레이드 (3)를 벗겨내어 7.2 mm의 내경을 가진 금속 클래딩 (1) 내로 삽입한다. 그 다음 중앙 맨드렐을 제거하고, 6.4 mm 직경의 연료 펠렛 (5)의 컬럼을 상기 브레이드 내로 삽입한다. 상기 바인더를 진공 하에서 상기 집합체의 열처리에 의해 제거한다. 그 다음 상기 브레이드 (3)는 팽창하여 연료 펠렛 (5) 및 클래딩 (1)과 물리적 접촉을 하게 된다.
따라서, 브레이드 (3)의 제조된 두께는 클래딩 (1) 및 펠렛 (5) 사이의 전체 집합체 간격인, 즉 400μm와 같다.
클래딩 (1)을 예를 들어 용접(welding)함으로써 양 단부를 폐쇄할 수 있다. 도시되진 않았지만, 최종 폐쇄 단계가 수행되기 이전에, 나선형 압축 스프링이 팽창 챔버 또는 용기 (6) 내에 수용되며 이 때, 이의 하단부는 펠렛 (5)의 스택과 접촉하며(가능하게는 미도시 비활성 패킹 또는 스페이서), 타 단부는 상부 플러그와 접촉한다. 이 스프링의 주요 기능은 길이방향의 축 XX'를 따라서 펠렛 (5)의 스택을 지지하는 것이며, 펠렛 (5)의 길이방향의 팽윤 효과 하에서 시간에 따른 상기 연료 컬럼의 신장을 흡수하는 것이다.
이로써 본 발명에 따른 다공성 고체 조인트 (3)로 만들어진 핵연료봉은 원자로 내의 응용 분야에서 사용될 수 있다.
실시예
2:
니들본딩
된(
needlebonded
) 탄소 구조체
탄소 섬유 층(상표명 Thornel® P-25)을 6.5 mm의 내경 및 7.4 mm의 외경을 가진 튜브의 형태로 흑연 맨드렐 상에서 니들본딩시킨다.
그 다음, 아르곤 하의 3200℃에서 상기 집합체에 열처리를 가한다. 그렇게 형성된 상기 튜브를 7.1 mm의 내경을 가진 원통형 몰드 안에서 압축한다. 그 후, 이 경우에는 폴리비닐 알코올인, 제거 가능한 용해성 바인더를 상기 구조체 내로 첨가하고 그 다음 용매를 증발시킨다.
이로써 얻어진 다공성 고체 조인트 (3)를 벗겨내고 7.2 mm의 내경을 가진 클래딩 (1) 내부로 삽입한다. 그 다음 중앙 맨드렐을 제거하고, 6.4 mm 직경의 연료 펠렛 (5)의 컬럼을 조인트 (3)/ 클래딩 (1) 혼합 구조체 내부로 삽입한다.
그 다음, 상기 바인더를 진공 하에서 상기 집합체의 열처리에 의해 제거한다. 그 다음 조인트 (3)는 팽창하여 적층된 연료 펠렛 (5) 및 클래딩 (1)과 접촉하게 된다.
상기 클래딩 (1)을 예를 들어 용접(welding)함으로써 양 단부를 폐쇄할 수 있다. 도시되진 않았지만, 최종 폐쇄 단계가 수행되기 이전에, 나선형 압축 스프링이 팽창 챔버 또는 용기 (6), 또한 플레넘(plenum)이라 불리는 공간 내에 수용되며 이 때, 이의 하단부는 펠렛 (5)의 스택과 접촉하며(가능하게는 미도시 비활성 패킹 또는 스페이서), 타 단부는 상부 플러그와 접촉한다. 이 스프링의 주요 기능은 길이방향의 축 XX'를 따라서 펠렛 (5)의 스택을 지지하는 것이며, 펠렛 (5)의 길이방향의 팽윤 효과 하에서 시간에 따른 상기 연료 컬럼의 신장을 흡수하는 것이다. 이로써 본 발명에 따른 다공성 고체 조인트 (3)로 만들어진 핵연료봉은 원자로 내의 응용 분야에서 사용될 수 있다.
실시예 3: W-
Re
5% 합금으로 코팅된 탄소
포움
40μm 직경의 개방 허니콤으로 구성된 탄소 포움으로 이루어진 6.4 mm의 내경 및 7.2 mm의 외경을 가진 튜브를 화학 기상 증착(CVD) 반응로(furnace) 안에 배치한다.
텅스텐 및 레늄 할라이드 화합물의 혼합물의 분해로부터 얻어진 W-Re 5% 합금을 상기 포움을 형성하는 리가먼트(ligament) 상에 약 7μm 두께로 증착시킨다.
그 다음, 이 포움 튜브를 7.2 mm의 내경을 가진 클래딩 (1)안으로 삽입하고, 6.4 mm 직경의 연료 펠렛 (5)의 컬럼을 차례로 상기 포움 튜브 안으로 삽입한다.
상기 클래딩 1을 예를 들어 용접(welding)함으로써 양 단부를 폐쇄할 수 있다. 클래딩 (1)을 예를 들어 용접(welding)함으로써 양 단부를 폐쇄할 수 있다. 도시되진 않았지만, 최종 폐쇄 단계가 수행되기 이전에, 나선형 압축 스프링이 팽창 챔버 또는 용기 (6) 내에 수용되며 이 때, 이의 하단부는 펠렛 (5)의 스택과 접촉하며(가능하게는 미도시 비활성 패킹 또는 스페이서), 타 단부는 상부 플러그와 접촉한다. 이 스프링의 주요 기능은 길이방향의 축 XX'를 따라서 펠렛 (5)의 스택을 지지하는 것이며, 펠렛 (5)의 길이방향의 팽윤 효과 하에서 시간에 따른 상기 연료 컬럼의 신장을 흡수하는 것이다. 이로써 본 발명에 따른 다공성 고체 조인트 (3)으로 만들어진 핵연료봉은 원자로 내의 응용 분야에서 사용될 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 또 다른 개선이 가능할 수 있다. 전술한 실시예 1 내지 3 모두에서, 다공성 고체 조인트 (3)의 제조 두께, 즉 클래딩 (1)이 폐쇄되고, 상기 봉이 사용될 준비가 된 후의 두께는 클래딩 (1) 및 연료 펠렛 (5)의 컬럼 사이의 전체 설계 조립체 간격과 같다.
명백하게, 제조 공정 및 특성들(특히 일차적으로 클래딩 (1) 및 다공성 고체 조인트 (3), 이차적으로는 조인트 (3) 및 연료 펠렛 (5)의 차동 열적 팽창)이 그것을 가능하게 한다면, 상기 연료봉이 준비될 때 유지되는 간격들이 제공될 수 있다(도 1의 참조번호 2, 4를 보라).
도 1의 참조번호 2, 4에서 도시된 이러한 간격들은 선천적으로 기체로 충전되며, 바람직하게는 봉을 위하여 헬륨으로 충전된다. 헬륨은 방사 하에서 방출된 핵분열 기체들의 희석 비율(dilution ratio)을 증가시키도록 제조 공정 동안 가압될 수 있으며, 이로써 상기 조인트 및 결과적으로는 상기 연료 요소의 열적 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 경우에, 이 기체는 자연히 본 발명에 따른 고체 다공성 조인트 (3)의 개방 기공, 및 연료 핵 펠렛 (5)의 개방 기공을 채우게 된다.
그러나 본 발명에 따르면, 최신 기술 및 더욱 구체적으로는 특허 US 4235673에 따른 해결책과는 다르게, 집합체 간격은 필수적이지 않으며 따라서 이는 방사 하에서 연료 펠렛의 3차원적 팽윤을 수용하기 위해 제공되는 기능적 간격이 아니다.
뿐만 아니라, 실시예에서 설명된 바와 같이 상기 다공성 고체 조인트를 형성하기 위해 사용된 맨드렐은 흑연 및 석영과 같은 상기 조인트에서 사용된 재료와 상용(compatibility)할 수 있는 다양한 재료들로 이루어질 수 있다.
유사하게는, 상기 클래딩을 폐쇄하기 전 공정의 최종단계의 경우, 실시예 1 내지 3은 나선형의 압축 스프링 배치를 설명한다. 더욱 일반적으로, 상기 클래딩의 실제 폐쇄를 위한 단계 전인 이 최종 단계 동안, 핵 분야에서 "내부 시스템(internal system)"이라고 현재 지칭되는 시스템, 즉 스프링, 스페이서, 불활성 패킹 등과 같은 성분들의 집합체를 사용하는 것이 가능하다. 이 시스템의 기능은 클래딩 안에서 펠렛의 컬럼을 축방향으로 위치시키고, 가압 냉각재의 경우에, 상기 클래딩의 좌굴(buckling)(팽창 용기 상으로 클래딩의 붕괴)을 막는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 높은 개방 공극률 계면 조인트의 압축 거동을 나타내며, 이 계면 조인트는 브레이드에 기초하거나 또는 SiC 재료로 만든 펠트에 기초한다.
더욱 정확하게는, 도시한 바와 같이 이들은 주기적 압축(cycled compression)에서의 테스트이며, 각각의 사이클은 하중 가하기 및 하중 제거를 교대로하며, 이는 도 2에서 변형률-응력 평면에서 하중 루프로써 표현된다.
가로좌표는 상기 조인트의 두께에 걸친 상기 조인트의 압축 비율의 값(변형률,%)을 표시한다.
세로좌표는 상기 조인트의 압축 효과에 의해 상기 조인트에 의해 전달된 기계적 하중의 값(응력, MPa)을 표시한다.
따라서, 표시된 응력은 실제로 서로 적층된 연료 펠렛의 3차원적 팽윤의 효과 하에서의 핵연료봉의 클래딩에 인가된 반경 방향의 기계적 하중σr에 해당하며, 상기 응력은 펠렛 및 클래딩 사이의 상기 조인트의 압축에 의해 직접적으로 클래딩에 전달된 것이다. 이러한 반경 방향의 하중은 원주 방향의 하중σθ을 제어하는 것을 도입하며, 이의 강도는 반경 방향의 하중의 강도에 증배 계수(multiplication factor)를 곱한 값에 해당하며, 이는 클래딩의 평균 반경 rG 대 클래딩의 두께 eG 의 비율과 대략 같으며, 전형적으로 5 내지 10이다: σθ ≒(rG/eG)σr.
따라서, 도 2는 본 발명에 따른 계면 조인트가 응력 흡수제와 같은 기능을 하도록 한다는 사실을 설명한다: 전달된 하중은 충분히 높은 압축 비율에서만 중요성이 있으며, 이를 넘어서면 전달된 하중은 허용 한계 하중(급작스런 변화 없이)의 문턱값에 이를 때까지 압축 비율과 함께 점진적으로 증가한다. 따라서, 중요하게 여겨지는 1MPa부터 시작하는 하중σr의 경우에, 도 2에서 고려된 상기 브레이드 및 펠트 유형의 조인트의 압축 비율은 각각 약 40% 및 70%이다.
원자로 내의 방사 하에서 운전하는 동안, 연료봉의 클래딩은 이의 파손이 없음을 보장하는 한계 아래로 유지하지 않는다면 기계적 하중을 견딜 수 없다. 따라서 예를 들어, 원주 방향의 허용 하중σθ의 문턱값이 100MPa(일반적으로 허용되는 하중을 고려할 때 합리적인 값), 즉 약 10 MPa의 반경 방향의 하중σr(rG/eG 비가 약 10의 수준인 경우)로 고정되는 경우에, 도 2는 고려되는 상기 브레이드 및 펠트 유형의 조인트가 각각 약 60% 및 95%의 압축 비율을 수용할 것이며, 그 아래에서는 상기 클래딩으로 전달된 기계적 하중은 수용 가능한 상태로 남아있음을 보여준다.
도 2에 따라 수행된 상기 테스트는 본 발명에 따른 브레이드에 기초한 계면 조인트 및 펠트에 기초한 조인트가 그들의 무결성을 유지하였음을 보여준다는 것에 주의하라; 따라서, 상기 브레이드/펠트 구조체는 연료봉에서 펠렛과 클래딩 사이의 재개된 간격으로 이동할 수 있는 파편들의 어떠한 형성없이도 보존된다.
경제적 성능이 최적화되어야 하는 경우, 연료봉은 원자로 내에서 가능한 한 오래 그리고 최고 출력 밀도(power density)에서 유지되어야 한다. 이러한 성능들은 보통 안전상의 목적을 만족시키기 위해 다양한 운전 제약들이 의해 제한된다. 가장 엄격한 제약 중 하나는, 어떤 상황에서도 연료봉 클래딩의 기계적 무결성을 보장할 필요에 의해 부과된다. 이는 클래딩의 허용 한계 하중(allowable limiting load)(이를 넘어서면 클래딩의 무결성이 더 이상 보장되지 않는 응력 및/또는 변형률인)을 한정하게 한다. 그러나 방사 하에서, 연료 펠렛은 연속적인 3차원적 팽윤의 영향을 받아 펠렛/클래딩 기계적 상호작용(PCMI)을 낳고, 결국 클래딩 상에 수용 불가능한 하중을 낳게 할 수 있다. 따라서, 연료봉의 운전 수명은 이러한 과도한 상호작용이 일어나는 시간에 매우 의존한다. 앞에서 정의된 본 발명에 따른 계면 조인트는 만족스러운 응답을 제공하는데, 이는 장기간 팽창 즉 장기간의 상기 펠렛의 3차원적 팽윤을 가능하게 하기 때문이다. 상기 펠렛의 3차원적 팽윤이 고정된 경우, 내구성은 상기 조인트의 초기 두께 및 펠렛의 압축 상태가 클래딩으로 수용 불가능한 기계적 하중의 전달을 발생시키기 전에 이를 수용할 수 있는 압축 비율에 의존한다; 장착될 상기 조인트의 초기 두께는 허용 압축 비율이 증가함에 따라 감소한다.
도 2는 상기 제안된 브레이드 또는 펠트 유형 조인트의 압축 한계에 도달하기 위해서는 매우 높은 압축 비율이 필요하다는 사실을 설명한다. 이는 상당히 두꺼운 조인트가 장착될 경우 방사 시간이 증가될 수 있음을 의미한다. 본 발명자들은 전형적으로, 60%의 허용 압축 비율의 경우에, 최신 기술에 따른 유체 형태만의 조인트(헬륨 또는 소듐, 통상적으로는 연료 펠렛 반경의 약 4% 수준의 두께를 가짐)보다 2배 두꺼운, 본 발명에 따른 계면 조인트는 통상적인 방사 지속 기간을 약 20% 수준만큼 증가시킬 수 있고, 이는 상당한 연료의 절약을 의미할 것이라고 믿는다.
뿐만 아니라, 약 400℃ 수준의 온도에서 약 100μm 수준의 주기적 변위에 해당하는 힘을 본 발명에 따른 약 1cm 두께의 섬유상 구조체 상에 가함으로써 전단 테스트를 수행하였다. 1%의 신장이 일어나는 동안, 상기 섬유상 구조체는 완전히 온전하게 유지되었다. 또한 본 발명자들은 전형적으로 약 165cm인 보통 마주치는 연료 펠렛의 높이의 경우, 1 mm 미만의 초기 두께를 가지고 연료의 컬럼 및 클래딩으로부터 기계적으로 분리된 본 발명에 따른 섬유상 구조체의 경우 보통의 방사 온도에서 약 10cm 수준 신장하더라도 클래딩이 장기간 동안 온전하게 유지될 것이라고 믿는다.
참조
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Claims (27)
- 길이 방향(XX')을 따라 연장되는 핵연료봉으로서, 컬럼의 형태로 서로 적층된 복수의 연료 펠렛(5) 및 중성자에 대하여 투명한 재료로 이루어진 상기 펠렛의 컬럼을 둘러싸는 클래딩(1)을 포함하며, 상기 클래딩 및 상기 펠렛은 상기 길이 방향(XX')에 대하여 원형 횡단면을 가지고, 마찬가지로 계면 조인트(interface joint)도 상기 길이 방향(XX')에 대하여 원형 횡단면을 가지며, 중성자에 대하여 투명한 재료로 이루어지고, 상기 클래딩 및 상기 적층된 펠렛의 컬럼 사이에 적어도 상기 컬럼의 높이 이상으로 삽입되며, 상기 계면 조인트는 상기 클래딩 (1) 및 상기 펠렛의 컬럼 (5)으로부터 기계적으로 분리된 구조체 (3)이며, 높은 열전도도 및 개방 기공(open pores)을 가지고, 상기 계면 조인트는 방사(irradiation) 하에서 상기 펠렛의 3차원적 팽윤의 효과에 의하여 압축되도록 그 두께에 걸쳐서 압축에 의해 변형되도록 되어있으며, 상기 계면 조인트의 초기 두께 및 압축 비율은 상기 방사 하에서 상기 펠렛에 의해 상기 클래딩으로 전달된 기계적 하중이 미리 결정된 문턱값(threshold value)보다 작도록 되어있는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
- 제 1 항에 있어서,
상기 계면 조인트의 상기 개방 기공은 제조시 생성된 상기 계면 조인트의 전체 부피의 적어도 30%의 부피를 갖는 핵연료봉. - 제 2 항에 있어서,
상기 계면 조인트의 상기 개방 기공은 제조시 생성된 상기 계면 조인트의 전체 부피의 30% 내지 95%의 부피를 갖는 핵연료봉. - 제 3 항에 있어서,
상기 계면 조인트의 상기 개방 기공은 제조시 생성된 상기 계면 조인트의 전체 부피의 50% 내지 85%의 부피를 갖는 핵연료봉. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방향 (XX')에 대한 횡단면에서 상기 계면 조인트의 두께는 상기 펠렛의 반경의 적어도 4% 보다 큰 것을 특징으로 하는 핵연료봉. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 조인트는 브레이드(braid)(들) 및/또는 펠트(들) 및/또는 웹(들) 및/또는 패브릭(들) 및/또는 니트(knit)(들)와 같은 하나 또는 여러 개의 섬유상 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉. - 제 4 항과 조합된 제 6 항에 있어서,
섬유상 구조(들)로 구성된 상기 계면 조인트는 15 내지 50%의 섬유의 부피 퍼센트를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료봉. - 제 6 항에 있어서,
상기 계면 조인트는 탄소 섬유층 및 상기 탄소 섬유층 위에 중첩된(superposed) 실리콘 카바이드 섬유를 포함하는 층을 포함하는 브레이드로 만들어진 것을 특징으로 하는 핵연료봉. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 조인트는 포움(foam)과 같은 하나 또는 여러 개의 허니콤 재료 (honeycomb materials)로 만들어진 것을 특징으로 하는 핵연료봉. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 조인트는 세라믹에 기초하는 핵연료봉. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 조인트는 금속에 기초하는 핵연료봉. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
기체 냉각 고속로 (gas-cooled fast reactor, GFR)의 경우, 상기 클래딩의 기초 소재는 내화성 합금에 기초한 라이너(liner)와 결합(association)될 가능성이 있는 SiC-SiCf와 같은 내화 세라믹 매트릭스 복합체 (ceramic matrix composite, CMC)이며, 상기 연료 펠렛은 (U, Pu)C, (U, Pu)N 또는 (U, Pu)O2와 같은 세라믹 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 제어봉. - 제 1 항 내지 제 9 항 및 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
소듐 냉각 고속로 (sodium-cooled fast reactor, SFR)의 경우, 상기 클래딩은 금속 재료로 이루어지며, 상기 연료 펠렛은 (U, Pu)C, (U, Pu)N 또는 (U,Pu)O2 와 같은 세라믹 재료 또는 (U, Pu)Zr과 같은 금속 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 제어봉. - 제 13 항에 있어서,
상기 계면 조인트의 상기 개방 기공 및 상기 클래딩, 펠렛, 및 봉 폐쇄 요소 사이의 공간은 기체, 바람직하게는 헬륨으로 충전된 것을 특징으로 하는 연료봉. - 제 13 항에 있어서,
상기 적층된 펠렛의 컬럼은 상기 봉의 바닥에 있는 폐쇄 요소에 접촉하도록 위치하여, 원자로 가동 중에 상기 계면 조인트의 개방 기공 및 상기 클래딩, 펠렛 및 상기 봉의 바닥에 있는 상기 폐쇄 요소 사이의 공간 (2, 4)은 상기 컬럼의 높이 에 걸쳐서 소듐으로 충전되고, 상기 컬럼의 상부 및 상기 폐쇄 요소 사이의 공간 (6)은 헬륨으로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 연료봉. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
가압수형 (pressurized water reactor, PWR) 또는 비등수형 원자로 (boiling water reactor, BWR)의 경우에, 상기 클래딩은 내화 세라믹 매트릭스 복합체(CMC) 재료를 포함하고, 및 상기 연료 펠렛은 UO2, (U, Pu)O2와 같은 세라믹 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료봉. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 연료봉을 포함하고 격자를 형성하도록 배열된 핵연료 집합체.
- (a) 중성자에 대하여 투명한 재료로 이루어진 원형 단면을 가진 조인트를 적어도 부분적으로 제조하는 단계로서, 상기 조인트는 우수한 열전도도 및 개방 기공을 가진 구조체(3)의 형태이며, 그 두께에 걸쳐서 압력 하에서 변형이 가능한 것인 단계;
(b) 적어도 부분적으로 제조된 상기 조인트를 원형 단면을 가진 원통형 클래딩(1) 내로 삽입하는 단계로서, 상기 원통형 클래딩은 그 단부(end) 중 적어도 하나가 개방되어 있고, 중성자에 대하여 투명한 재료로 이루어진 단계;
(c) 원형 단면을 가진 상기 원통형 클래딩 내에 삽입된 상기 조인트 내부로 복수의 핵연료 펠렛을 상기 조인트의 높이 이하로 삽입하는 단계; 및
(d) 상기 조인트가 전체적으로 생성된 후 상기 클래딩을 완전히 폐쇄하는 단계를 포함하는 핵연료봉의 제조 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 단계 (a)는 다음의 하위 단계들을 이용하여 수행되고,
-맨드렐(mandrel) 상의 탄소 섬유 브레이드 층 위에 실리콘 카바이드 섬유를 포함하는 브레이드 층을 중첩시키는 단계;
- 상기 2층 브레이드를 원통형 몰드 내에서 압축하는 단계;
- 상기 압축된 브레이드 내로 용해성 바인더를 첨가하는 단계;
- 용매를 증발시키는 단계;
상기 단계 (b)는 상기 브레이드가 그 둘레에 접촉하고 있는 상기 맨드렐을 이용하여 수행되고;
그 이후 상기 단계 (c)에서, 진공 하에서 열처리를 수행하여 상기 바인더를 제거하고 이로써 상기 조인트는 상기 복수의 적층된 펠렛 및 상기 클래딩과 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 브레이드 층들은 상기 맨드렐의 축에 대하여 45°의 브레이딩 각(braiding angle)을 갖는 2차원 타입인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 Thornel® P-100 타입의 것이며 각각 2000 개의 필라멘트를 포함하고 균열된 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 19 항 내지 제 21 항에 있어서,
상기 실리콘 카바이드 섬유는 HI-NICALONTM 타입 S의 것이며 각각 500개의 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 19 항 내지 제 22 항에 있어서,
상기 용해성 바인더는 폴리비닐 알코올인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 단계 (a)는 다음의 하위 단계들을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법:
- 탄소 섬유 웹을 맨드렐 상에서 튜브 형태로 니들본딩(needlebonding)하는 단계;
- 열처리를 수행하는 단계;
- 상기 열처리된 튜브를 원통형 몰드에서 압축하는 단계;
- 상기 압축된 튜브로 용해성 바인더를 첨가하는 단계;
- 상기 용매를 증발시키는 단계;
상기 단계 (b)는 그 둘레에 상기 튜브가 접촉하고 있는 상기 맨드렐을 이용하여 수행되고,
그 이후 상기 단계 (c)에서, 진공 하에서 열처리를 수행하여 상기 바인더를 제거하고 이로써 상기 조인트는 상기 복수의 적층된 펠렛 및 상기 클래딩과 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 Thornel® P-25 타입의 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 24 항 및 제 25 항에 있어서,
상기 용해성 바인더는 폴리비닐 알코올인 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 단계 (a)는 다음의 하위 단계들을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법:
- 개방 허니콤으로 구성된 탄소 포움 튜브를 제조하는 단계;
- 상기 탄소 포움 튜브상에 W-Re 합금을 화학 기상 증착(CVD)하는 단계.
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