KR20130102766A

KR20130102766A - 다중피복 구조로 형성된 핵연료

Info

Publication number: KR20130102766A
Application number: KR1020120023863A
Authority: KR
Inventors: 황종현; 구금재; 김재봉; 고성원
Original assignee: 주식회사에스티엑스종합기술원; 에스티엑스중공업 주식회사
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-23

Abstract

본 발명은 다중피복 구조로 형성된 핵연료에 관한 것으로, 이산화우라늄(UO₂) 핵입자를, 탄화규소(Silicone Carbide), 열분해탄소(Pyrolytic Carbon), 지르코늄 합금(Zirconium alloy), 산화알루미늄(Aluminum oxide), 니오븀 합금(Niobium alloy) 중에서 선택된 적어도 2종 이상의 물질로 다중 코팅한 핵연료 입자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다중피복 구조로 형성된 핵연료에 의하면, 핵입자를 내열 및 내압 특성이 우수한 물질로 다중코팅하여 핵연료를 제조하여 핵입자를 둘러싼 코팅층들을 통해 열전달이 이루어지도록 함으로써, 지진 등의 재해시에도 방사능 사고를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

다중피복 구조로 형성된 핵연료{Nuclear Fuel using multi-coated particle}

본 발명은 경수로 및 중수로용 핵연료에 관한 것으로, 특히 연료핵을 다중피복 구조로 코팅하여 형성된 핵연료 입자 및 이를 이용하여 제조된 연료콤팩트에 관한 것이다.

원자력 발전소에 있는 원자로는 사용되는 감속재 및 냉각재의 종류로 물(輕水) 또는 중수(重水)를 사용하느냐에 따라 각각 경수로 또는 중수로로 분류된다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 경수로를 이용한 원자력 발전의 경우를 예로 들면, 원자로 내의 핵연료로부터 많은 에너지를 빼앗은 냉각재는 증기발생기로 보내져 물을 가열하게 되고 그 결과 발생된 증기가 터빈을 돌리게 되며, 이때 터빈에 연결된 발전기를 통해 전기가 만들어지게 되는 것이다.

이와 같은 경수로, 중수로 등 냉각수를 사용하는 원자로에 적용되는 핵연료로서, 종래에는 이산화우라늄(UO₂)으로 이루어진 핵연료 펠릿(pellet)을 쌓아 긴 봉형태로 제작된 핵연료봉을 사용하였다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 종래의 핵연료봉은 저농축 이산화우라늄 가루를 지름 약 1cm, 높이 1.5cm 정도의 원기둥 정제로 성형 소결하여 다갈색의 펠릿(pellet)을 만들고, 이것을 약 1mm 두께의 지르코늄 합금으로 피복한 가는 금속관에 일렬로 적층하고 금속관의 양쪽 끝을 밀봉함으로써 제조되었다. 상기와 같이 구성된 50~230개 정도의 핵연료봉을 원자로 내에 일정간격으로 배치하여 번들 형태로 설치하고 그 주위로 냉각수가 흐르도록 배치함으로써 핵연료로부터의 에너지가 냉각수로 전달된다.

상기한 핵연료봉의 구성에서, 연료봉 표면의 지르코늄 합금으로 이루어진 피복재는, 핵연료 펠릿 내의 핵분열 생성물이 펠릿 바깥으로 나오더라도 핵연료봉의 밖으로 못 나가게 가두는 1차적인 방호수단으로 작용한다. 이 밖에도, 원자력 발전소에는 방사능 유출량을 최소화하기 위하여 돔형 원자로 용기, 원자로 주위를 둘러싸고 있는 차폐 콘크리트, 격납 용기 및 원자로 건물 등 2, 3, 4, 5차 방호수단이 구비된다.

핵연료가 반응을 시작하면 매우 높은 온도로 반응을 하는데, 상기 1차 방호수단인 핵연료봉의 피복재로 사용되는 지르코늄 피복은 약 1500도 근방에서 멜트 다운(melt down) 되어 버린다. 통상 냉각수가 핵연료봉의 온도를 1300도 내외로 제어하지만, 제어장치의 고장, 지진 등에 의해 냉각이 원활하게 이루어지지 않는 경우 지르코늄 피복막이 녹아 방사능이 유출될 가능성이 매우 높아지며, 실제 후쿠시마 원전 사고에서도 많은 방사능이 유출되는 문제가 발생하였다.

통상 핵연료는 반응이 완전하게 끝날 때까지 기다리는 수밖에 없으나, 유사시와 같이 기다리는 것이 불가능한 경우가 있다. 또한, 흑연 등의 감속재를 투여하여 원자로를 채움으로써 연료봉의 반응을 감속시킬 수는 있으나, 이는 재생가능하지 못한 비효율적 방법으로 지적되었다.

이에 본 발명자들은, 상술한 바와 같이 현 단계에서 고려되고 있는 1~5차 방호수단에 더하여, 핵연료의 안전성을 증대하기 위한 보다 근본적인 방안을 개발하기에 이르렀다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이산화우라늄 핵입자를 내열 및 내압 특성이 우수한 물질로 다중코팅함으로써, 높은 온도와 압력에 대한 방호작용 및 방사선 차폐 성능이 개선된 다중피복 구조로 형성된 핵연료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 내열 및 내압 특성이 우수한 물질로 다중코팅된 이산화우라늄 핵입자를 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 다양한 형상의 연료 콤팩트로 성형함으로써, 높은 온도와 압력에 대한 방호작용 및 방사선 차폐 성능이 개선된 다중피복 구조로 형성된 핵연료를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다중피복 구조로 형성된 핵연료는, 이산화우라늄(UO₂) 핵입자를, 탄화규소(Silicone Carbide), 열분해탄소(Pyrolytic Carbon), 지르코늄 합금(Zirconium alloy), 산화알루미늄(Aluminum oxide), 니오븀 합금(Niobium alloy) 중에서 선택된 적어도 2종 이상의 물질로 다중 코팅한 핵연료 입자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 다중 코팅한 핵연료 입자의 지름은 0.5mm 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다중 코팅한 핵연료 입자는 흑연 매트릭스 내에서 고착되어 연료콤팩트로 성형 가공될 수 있으며, 상기 연료콤팩트의 형상은 봉형, 정다면체 기둥형, 구형 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.

봉형 연료콤팩트의 경우, 상기 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에 고착하여 펠릿(pellet) 형태로 성형하고, 상기 펠릿을 다수개 적층하여 봉형상으로 성형 가공할 수 있다. 또한, 정다면체 기둥형상의 연료콤팩트의 경우, 정육각기둥 형상으로, 흑연 매트릭스 내에 정육각기둥 형상의 단위 연료콤팩트를 복수개 고착하여 번들(bundle) 형태의 정육각기둥 형상의 봉으로 성형 가공할 수 있다.

또한, 상기 연료콤팩트의 표면은 지르코늄 산화물로 피복되는 것이 바람직하며, 경수로 또는 중수로에 사용될 수 있다.

한편, 상기 다중 코팅한 핵연료 입자는, 중심으로부터 외측으로 이산화우라늄 핵입자(UO2)- 열분해탄소(Pyrolytic Carbon)-탄화규소(SiC)-열분해탄소(Pyrolytic Carbon) 순으로 복수의 코팅층을 구비할 수 있다.

상기한 구성의 본 발명의 다중피복 구조로 형성된 핵연료에 의하면, 핵입자를 내열 및 내압 특성이 우수한 물질로 다중코팅하여 핵연료를 제조하여 핵입자를 둘러싼 코팅층들을 통해 열전달이 이루어지도록 함으로써, 지진 등의 재해시에도 방사능 사고를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다중피복 구조로 형성된 핵연료에 의하면, 핵입자를 다중코팅하여 핵연료입자를 형성하고, 상기 핵연료입자를 흑연 매트릭스 내에 고착하여 연료콤팩트를 성형한 후, 연료콤팩트의 표면을 지르코늄 산화물로 피복함으로써, 핵입자의 다중코팅에 의한 1차 방호에 더하여 흑연 매트릭스에 의한 2차 방호, 지르코늄 코팅층에 의한 3차 방호 작용을 달성할 수 있게 되어, 실질적으로 거의 방사능이 유출되지 않아 기존의 핵연료보다 높은 안전성을 확보할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 다중 코팅한 핵연료 입자의 구조를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 제조한 봉형 연료콤팩트를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 봉형 연료콤팩트의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 제조한 정다면체 기둥형 연료콤팩트를 나타내는 도면,
도 5 및 도 6은 도 4의 실시예에 따른 정다면체 기둥형 연료콤팩트의 제조예를 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명에 의한 정다면체 기둥형 연료콤팩트의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 제조한 구형 연료콤팩트를 나타내는 단면도,
도 9는 경수로를 이용한 원자력 발전의 원리를 나타내는 도면,
도 10은 종래 기술에 의한 핵연료봉의 구조를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 각 도면에 붙여진 도면부호는 일관성을 유지하고 있으므로, 다른 도면이라도 동일한 부호로 표기된 것은 동일한 구성 및 작용을 가지는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 다중 코팅한 핵연료 입자의 구조를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 핵연료를 구성하는 핵연료 입자(10)는, 이산화우라늄(UO₂) 핵입자(11)의 표면에 탄화규소(Silicone Carbide), 열분해탄소(Pyrolytic Carbon), 지르코늄 합금(Zirconium alloy), 산화알루미늄(Aluminum oxide), 니오븀 합금(Niobium alloy)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 2종 이상의 물질로 이루어진 다중 코팅층(12~15)이 형성된 구조로 이루어진다.

예시적으로 도면에서는 4겹의 코팅층(12~15)이 형성된 구조를 나타내고 있지만, 본 발명에 의한 핵연료 입자(10)의 코팅층의 개수 또는 다중 코팅층을 형성함에 있어 상기 그룹에서 선택된 물질의 코팅 순서에는 특별한 제한이 있는 것이 아니어서, 핵입자(11)의 표면에 상기 물질로 이루어진 2중 이상의 코팅층이 구비되는 구성이면 족하다. 또한, 택일적으로 상기 이산화우라늄(UO₂) 핵입자 대신에 UCO 등의 우라늄 화합물이 핵입자로 사용될 수 있다. 이와 같이 다중 코팅된 핵연료 입자의 지름은 0.5mm 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 다중피복 구조가 형성된 핵연료 입자는, 특히 탄화규소(Silicone Carbide)와 열분해탄소(Pyrolytic Carbon)로 이루어지는 코팅층을 구비함으로써, 섭씨 2000도 이상의 온도에서도 녹지 않는 내열 특성을 나타낼 수 있다.

한편, 본 발명에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자(10)를, 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 다양한 형상의 연료콤팩트를 제조할 수 있다. 일반적으로, 원자력 기술분야에서 '연료콤팩트(fuel compact)'란 연료입자를 매트릭스 내에 분산하여 일정한 형상으로 성형 가공한 것을 의미한다. 본 발명에서는 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에 분산시켜 탄소와 결합시켜 봉형, 정다면체 기둥형, 구형 등의 형상으로 성형 가공함으로써 연료콤팩트를 제조한다. 또한, 상기 제조된 연료콤팩트의 표면은 지르코늄 산화물로 코팅되는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 3에는 본 발명의 실시예에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 제조한 봉형 연료콤팩트(100)를 나타내었다.

구체적으로, 도 2에는 흑연 매트릭스(20) 내에 다중 코팅한 핵연료 입자(10)를 고착하여 가늘고 긴 원기둥 형상의 봉형으로 성형 가공한 봉형 연료콤팩트(100)의 종단면을 나타내었다. 한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 봉형으로 연료콤팩트를 성형 가공함에 있어서, 일차적으로 다중 코팅한 핵연료 입자(10)를 흑연 매트릭스(20) 내에 고착하여 펠릿(pellet)(40) 형태로 성형하고, 상기 팰릿을 다수개 적층 및 연결하여 봉형으로 제작하는 것도 가능하다. 최종적으로, 이와 같이 봉형으로 성형된 연료콤팩트의 표면을 지르코늄 산화물(30)로 피복하여 핵연료봉을 완성한다.

도 4 내지 도 7에는 본 발명의 다른 실시예에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에서 고착하여 제조한 정다면체 기둥형 연료콤팩트를 나타내었다. 즉, 정다면체 기둥의 예시로서, 도 4 내지 도 7에는 정육각기둥형 연료콤팩트(200)가 도시되어 있다.

구체적으로, 도 4는 흑연 매트릭스(20) 내에 정육각기둥 형상의 단위 연료콤팩트(50)를 복수개 고착하여 전체적으로 정육각기둥 형상으로 성형된 번들타입(bundle type) 연료콤팩트의 사시도를 나타내며, 도 5 및 도 6은 도 4의 연료콤팩트 실시예에서 AA'선을 따라 취한 종단면도를 나타낸다. 정육각기둥형 연료콤팩트를 제조함에 있어서, 각각의 단위 연료콤팩트(50)는 흑연 매트릭스(20) 내에 다중 코팅한 핵연료 입자(10)를 고착하여 정육각기둥형상으로 성형 가공하여 제작된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기한 방법으로 제조된 단위 연료콤팩트(50)를 경계가 서로 인접하도록 흑연 매트릭스 내에서 복수개 고착하여 전체적으로 정육각기둥형상의 연료콤팩트(200)를 형성함으로써, 허니컴(honey comb) 형태의 연료봉을 제작할 수 있게 된다. 그러나, 도 4의 번들타입 연료콤팩트를 제조하는 방식은, 도 5의 방식에 한정되지 않고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 흑연 매트릭스(20)를 이용하여 단위 연료콤팩트(50)가 정육각기둥 형상의 연료콤팩트(200)에 부분적으로 채워진 형태로 구성하는 것도 가능하다.

한편, 상기 번들타입 이외에도, 앞서 설명한 봉형 연료콤팩트(100)에서와 같은 방식으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 흑연 매트릭스(20) 내에 다중 코팅한 핵연료 입자(10)를 고착하여 정육각기둥 형상으로 성형하는 것도 가능할 것이다. 또한, 전체적인 연료콤팩트의 형상은 정육각기둥에 한정되지 않고, 정사각형, 정팔각형 기둥 등 다양한 정다면체 기둥형상으로 제작하는 것이 가능함은 물론이다.

이와 같이 정다면체 기둥형으로 제작된 연료콤팩트는, 최종적으로 그 표면을 지르코늄 산화물(30)로 피복하여 핵연료봉으로 사용한다.

도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다중 코팅한 핵연료 입자(10)를 흑연 매트릭스(20) 내에서 고착하여 구형으로 제조한 연료콤팩트(300)를 나타내었다. 이 경우에도 구형 연료콤팩트의 표면은 지르코늄 산화물(30)로 피복됨은 물론이다.

도 2 내지 도 8의 실시예를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 핵입자를 다중코팅하여 핵연료입자(10)를 형성하고, 상기 핵연료입자를 흑연 매트릭스(20) 내에 고착하여 연료콤팩트를 성형한 후, 연료콤팩트의 표면을 지르코늄 산화물(30)로 피복하여 핵연료로 사용함으로써, 핵입자의 다중코팅에 의한 1차 방호에 더하여 흑연 매트릭스에 의한 2차 방호, 지르코늄 코팅층에 의한 3차 방호 작용을 달성할 수 있게 되어, 실질적으로 거의 방사능이 유출되지 않아 기존의 핵연료보다 높은 안전성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 상기 도 2 내지 도 8의 실시예를 통해 설명된 연료콤팩트에 적용 가능한 다중 코팅한 핵연료 입자의 구조로서, 아래와 같은 핵연료 입자(10)가 사용될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 핵연료 입자의 구조에서, 중심의 이산화우라늄 핵입자(11)로부터 외측으로, 코팅층(12)을 다공성 탄소 버퍼로, 코팅층(13)을 내측 열분해탄소층으로, 코팅층(14)을 탄화규소층으로, 코팅층(15)을 열분해탄소층의 순서로 구성할 수 있다. 이때, 상기 다공성 탄소 버퍼 코팅층(12)은 핵분열 생성가스의 플리넘 역할을 하고, 탄화규소 코팅층(14)은 Cs, Ba, Sr과 같은 핵분열 생성물의 방출을 막기 위한 장벽 역할을 할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 핵연료 입자 20 흑연 매트릭스
30 지르코늄 산화물 코팅층 40 핵연료 펠릿
100 봉형 연료콤팩트 200 정육각기둥형 연료콤팩트
50 단위 연료콤팩트 300 구형 연료콤팩트

Claims

이산화우라늄(UO₂) 핵입자를, 탄화규소(Silicone Carbide), 열분해탄소(Pyrolytic Carbon), 지르코늄 합금(Zirconium alloy), 산화알루미늄(Aluminum oxide), 니오븀 합금(Niobium alloy) 중에서 선택된 적어도 2종 이상의 물질로 다중 코팅한 핵연료 입자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 1에 있어서,
상기 다중 코팅한 핵연료 입자의 지름은 0.5mm 이상인 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 1에 있어서,
상기 다중 코팅한 핵연료 입자는 흑연 매트릭스 내에서 고착되어 연료 콤팩트로 성형되는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 3에 있어서,
상기 연료콤팩트는 봉형, 정다면체 기둥형, 구형 중에서 선택된 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 3에 있어서,
상기 연료콤팩트는, 상기 다중 코팅한 핵연료 입자를 흑연 매트릭스 내에 고착하여 펠릿(pellet) 형태로 성형하고, 상기 펠릿을 다수개 적층하여 봉형상으로 성형 가공되는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 3에 있어서,
상기 연료콤팩트는, 정육각기둥 형상이며,
흑연 매트릭스 내에 정육각기둥 형상의 단위 연료콤팩트를 복수개 고착하여 번들(bundle) 형태의 정육각기둥 형상의 봉으로 성형되는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료콤팩트의 표면은 지르코늄 산화물로 피복되는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다중 코팅한 핵연료 입자는, 중심으로부터 외측으로 이산화우라늄 핵입자(UO₂)- 열분해탄소(Pyrolytic Carbon)-탄화규소(SiC)-열분해탄소(Pyrolytic Carbon) 순으로 복수의 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다중피복 구조의 핵연료는 경수로 또는 중수로에 사용되는 것을 특징으로 하는 다중피복 구조로 형성된 핵연료.