KR20150080005A - 내부에 포함된 핵연료가 팽창할 수 있도록 구성된 핵분열로 연료 어셈블리 - Google Patents

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존 로저스 질랜드
로데릭 에이 하이드
무리엘 와이 이시카와
데이비드 지 맥칼리스
네이선 피 미어볼드
클라렌스 티 테그린
토마스 알랜 위버
찰스 휘트머
로웰 엘 우드
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테라파워, 엘엘씨
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Abstract

내부에 포함된 핵연료가 팽창할 수 있도록 구성된 핵분열로 연료 어셈블리가 개시되었다. 핵분열로 연료 어셈블리는 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드 또는 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 포함한다. 이 보이드는 상기 폼이 보이드를 향해 팽창할 수 있도록 하는 데, 이 팽창은 열 발생 및/또는 핵분열 기체 유출에 의해 기인하는 것일 수 있다. 보이드는 상기 폼이 팽창 또는 수축함에 따라 체적이 수축 또는 감소한다. 인클로우저 벽에 가해지는 압력은 상당히 감소되는 데 이는 상기 폼이 인클로우저 벽으로 팽창하기 보단 보이드를 향하여 그리고 보이드 내부로 팽창하기 때문에 상당히 감소된다. 따라서, 보이드는 폼이 팽창될 수 있는 공간을 제공한다.

Description

내부에 포함된 핵연료가 팽창할 수 있도록 구성된 핵분열로 연료 어셈블리{NUCLEAR FISSION REACTOR FUEL ASSEMBLY ADAPTED TO PERMIT EXPANSION OF THE NUCLEAR FUEL CONTAINED THEREIN}
본원은 원자로 연료 어셈블리에 관한 것으로 더욱 상세하게는 내부에 포함하고 있는 핵연료의 팽창을 허용하도록 구성된 핵분열로 연료 어셈블리에 관한 것이다.
핵분열로 가동시, 기지의 에너지의 중성자가 큰 원자 질량을 갖는 핵종에 의해 흡수된다. 최종 화합물 원자핵은 두 개의 작은 원자 질량을 갖는 핵분열 조각을 포함하는 두 개의 핵분열 생성물로 분리하고 이 생성물들을 붕괴시킨다. 모든 에너지의 중성자에 의해 상기한 바와 같은 핵분열되는 것으로 알려진 핵종들로는 우라늄-233, 우라늄-235 및 플루토늄-239가 포함되는 데, 이들은 핵분열성 핵종들이다. 예를 들어, 0.0253eV(전자 볼트)의 운동 에너지를 갖는 열중성자는 우라늄-235 핵을 핵분열시키는 데에 사용될 수 있다. 토륨-232 및 우라늄-238은 핵연료의 원료가 되는 핵종(fertile nuclides)으로, 적어도 1MeV(백만 전자 볼트)의 운동 에너지를 갖는 고속 중성자로 유도 핵분열을 겪게 된다. 각각의 핵분열 이벤트로부터 유출된 전체 운동 에너지는 약 200MeV이다. 이 운동 에너지는 궁극적으로는 열로 변환된다.
더욱이, 초기 중성자 소스에 의해 시작되는 핵분열 과정은 추가의 중성자를 방출시킬뿐만 아니라 운동 에너지를 열로 변환시킨다. 이것은 계속되는 에너지 유출에 의해 달성되는 자가 핵분열 연쇄 반응을 초래한다. 즉, 흡수된 모든 중성자에 대해, 핵분열 원자핵이 공핍될 때 까지 하나 보다 많은 중성자가 유출된다. 이 현상은 전기를 발생시키는 데에 유익하게 이용되는 열을 연속적으로 발생시키기 위해 상용 원자로에 사용된다.
상기 설명한 바와 같은 열발생과 핵분열 생성물 방출에 기인한 연료 어셈블리 팽창은 상기 설명한 프로세스에서 발생할 수 있다. 이와 관련하여, 연료 어셈블리는 연료 봉 클래딩 균열, 핵분열 기체 압력 증대, 및 원자로 가동 동안 팽창이 발생하는 경우를 증가시킬 수 있는 차동적인 팽창 및 연료 봉 크립(creep)이 일어날 수 있다. 이것은 연료 펠릿 균열 및/또는 연료 봉 휨이 발생하는 경우를 증가시킬 수 있다. 연료 펠릿 균열은 핵분열 기체의 유출을 초래하고 방사선 레벨이 정상적인 레벨 보다 높은 레벨이 되도록 한다. 연료봉 휨 현상은 냉각제 흐름 채널의 차단을 초래할 수 있다. 제조 중에 원자로 설계 및 정밀한 품질 제어에 통합되는 안전 여유도는 상기 설명한 바와 같은 현상이 발생하는 경우를 감소시킬 수 있으며 시스템 설계는 시스템으로 하여금 상기 설명한 바와 같은 현상이 발생하는 경우에 적응될 수 있도록 한다.
열 발생 및 핵분열 기체 유출에 기인한 연료 어셈블리 팽창에 대처하는 연구된 한 방법은 Clarence I. Justheim등에 의해 1962년 4월 3일 허여되고, 발명의 명칭이 "Nuclear Fuel Elements Having An Autogeneous Matrix And Method Of Making The Same"인 미국 특허 제3,028,330호에서 셀룰러 탄소질 매트릭스를 개시하고 있다. 셀룰러 탄소질 매트릭스의 셀들은 핵분열 물질의 조각을 포함할 수 있는 데, 이 조각들은 핵분열성 동위원소로 농축되고 핵연료의 원료가 되는 우라늄 동위원소일 수 있다. 상기 미국 특허 제3,028,330호에 따르면, 셀들은 일반적으로 열순환 및 방사선 손상으로부터 초래되는 핵분열 조각의 체적이 증가될 수 있도록 하기 위해 핵분열 조각과 연관된 크기를 갖는다. 이 특허가 핵분열 조각의 체적의 증가를 허용하는 셀을 갖는 셀룰러 매트릭스를 개시하고 있지만, 이 특허는 연료 어셈블리에 포함된 핵연료의 팽창을 허용하도록 구성된, 핵분열로 연료 어셈블리를 개시하고 있지 않은 것으로 여겨진다.
연구된 다른 방법은 Leslie Reginald Blake 등에 의해 1965년 5월 18일 허여되고, 발명의 명칭이 "Fast Nuclear Reactor Fuel Elements"인 미국 특허 제3,184,393호에, 다공성이고, 폐쇄 셀을 갖춘, 핵분열성 핵연료의 보디를 포함하는 원자로 연료 엘리먼트를 개시하는 데 이 엘리먼트에선 다공성으로 인해 상기 보디는 분산 구조이고 원통형 보호 피복내에 봉입되어 있다. 연료는 침입형 보이드를 제공하고 연료 엘리먼트는 단지 부분적으로 채워져 있어서 보이드를 연료 위에 둔다. 이 특허에 따르면, 보호 피복은 약 600℃의 온도에서 적어도 10,000psi의 내부 압력을 견딜 수 있고 연료 위에 남은 보이드는 연료를 위한 팽창 공간으로서의 역할을 하며 핵분열 생성물의 수용을 위한 공간으로서의 역할도 한다. 이 특허가 다공성이고, 폐쇄 셀을 갖춘, 핵분열성 핵연료의 보디를 포함하는 원자로 연료 어셈블리를 개시하고 있지만, 이 특허는, 본원에 설명되고 특허청구된 바와 같은, 핵분열로 연료 어셈블리에 포함된 핵연료가 팽창될 수 있도록 구성된, 핵분열로 연료 어셈블리를 개시하고 있지 않은 것으로 여겨진다.
핵분열로 연료 어셈블리에 포함된 핵연료가 팽창될 수 있도록 하는 핵분열로 연료 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 복수의 상호 연결된 개방 셀(open-cell) 보이드를 형성하는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 다른 실시태양에 따라, 복수의 폐쇄 셀(closed-cell) 보이드를 형성하고 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼(fertiel nuclear fuel foam)을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 발열 가능 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저; 및 상기 인클로우저와 결합되고 핵연료 폼에 의해 발생된 열을 흡수하기 위해 핵연료 폼과 열전달 가능하게 구성된 열 흡수체(heat absorber)를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하고 핵연료의 원료가 되는 발열 가능 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저; 및 상기 인클로우저와 결합되고 상기 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼에 의해 발생된 열을 흡수하기 위해 상기 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼과 열전달 가능하게 구성된 열 흡수체를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 발열 가능 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저; 및 상기 핵연료 폼을 통과해 연장하고, 핵연료 폼에 의해 발생된 열을 흡수하기 위해 핵연료 폼과 열전달 가능하게 냉각 유체를 운반할 수 있는 열 흡수체 도관을 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하는 발열 가능 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저; 및 상기 핵연료 폼을 통과해 연장하고, 핵연료 폼에 의해 발생된 열을 흡수하기 위해 핵연료 폼과 열전달 가능하게 냉각 유체를 운반할 수 있는 열 흡수체 도관을 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 인클로우저; 상기 인클로우저에 밀폐되게 배치되고 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 발열 가능 핵연료 폼; 및 상기 핵연료 폼에 의해 발생된 열을 흡수하기 위해 상기 핵연료 폼과 열전달 가능하게 배치된 열 흡수체를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 인클로우저; 상기 인클로우저에 밀폐되게 배치되고 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하고 핵연료의 원료가 되는 발열 가능 핵연료 폼; 및 상기 핵연료 폼에 의해 발생된 열을 흡수하기 위해 상기 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼과 열전달 가능하게 배치된 열 흡수체를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 다공성의 코팅되지 않은 핵연료 물질을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리가 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 제공하는 단계를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리 제작을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하고 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 제공하는 단계를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리 제작을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 원자로 베셀에, 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하는 인클로우저를 배치하는 단계를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리 가동을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에 따라, 원자로 베셀에, 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하고 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하는 인클로우저를 배치하는 단계를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리 가동을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 방법이 제공된다.
상기 설명한 실시태양에 추가하여, 기타 방법 실시태양들이 본 발명의 일부를 형성하는 기재내용, 도면 및 특허청구범위에 기재되어 있다.
본 발명의 요점은 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드를 형성하는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 복수의 폐쇄 셀 보이드를 형성하고 핵연료의 원료가 되는 핵연료 폼을 밀폐식으로 봉입하도록 구성된 인클로우저를 제공하는 것이다.
상기 설명한 실시태양에 추가하여, 다양한 기타 방법 및/또는 디바이스의 실시태양들이 본 발명의 일부를 형성하는 기재내용(예로서, 특허청구범위 및 발명의상세한 설명) 및/또는 도면에 개시 및 설명되어 있다.
상기 설명한 내용은 발명의 요약이며 따라서 발명의 상세한 사항에 대한 간명화, 일반화, 포함관계, 및/또는 생략 내용을 포함할 수 있으므로, 결과적으로 당업자는 상기 발명의 요약 내용이 단지 예시적인 것이며 이 요약 내용이 제한적인 것이 아니라는 것을 의도한다. 상기 설명한 예시적인 실시태양, 실시예 및 특징외에, 추가의 실시태양, 실시예 및 특징들은 첨부 도면과 하기의 상세한 설명을 참조할 때 명백하게 될 것이다.
본원 명세서는 본 발명의 주제를 특정하게 지적하거나 명확하게 청구하는 특허청구범위로 결론지어지지만, 본 발명은 첨부한 도면과 연계하여 이해할 때 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다. 또한, 상이한 도면에서 동일한 도면 부호를 사용하는 것은 유사하거나 마찬가지의 요소를 지칭할 것이다.
상기 설명한 바와 같은 구성에 의해 핵분열로 연료 어셈블리에 포함된 핵연료가 팽창될 수 있다.
도 1은 간결하게 나타내기 위해 부품이 제거된 핵분열로의 부분적인 입면도로서, 원자로에 속하는 복수의 일반적으로 원통형의 핵분열로를 나타내는 도면이다.
도 2는 핵분열로 연료 어셈블리 중의 하나 및 이 연료 어셈블리 내부에 포함된 핵 연료 폼을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 보았을 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 그 내부에 포함되어 있는 폐쇄 셀 보이드를 형성하는 코팅되지 않은 핵 연료 폼의 확대 도면이다.
도 5는 그 내부에 포함되어 있는 개방 셀 보이드를 형성하는 코팅되지 않은 핵 연료 폼의 확대 도면이다.
도 6은 그 내부에 포함되어 있는 폐쇄 셀 보이드를 형성하는 코팅된 핵 연료 폼의 확대 도면이다.
도 7은 그 내부에 포함되어 있는 개방 셀 보이드를 형성하는 코팅된 핵 연료 폼의 확대 도면이다.
도 8은 대체로 구형인 핵분열로 연료 어셈블리의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 B-B선을 따라 보았을 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 대체로 반구형인 핵분열로 연료 어셈블리의 입면도이다.
도 11은 대체로 반구형인 핵분열로 연료 어셈블리의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도 12는 대체로 디스크 형상인 핵분열로 연료 어셈블리의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12의 C-C선을 따라 보았을 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 14는 대체로 육각 형상인 핵분열로 연료 어셈블리의 입면도이다.
도 15는 도 14의 D-D선을 따라 보았을 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 16은 대체로 평행 육면체 형상인 핵분열로 연료 어셈블리의 수직 단면도이다.
도 17은 도 16의 E-E선을 따라 보았을 때의 모습을 나타낸 도면이다.
도 18은 핵연료 폼에 매립된 핵연료 펠릿(pellet)을 갖는 핵분열로 연료 어셈블리의 단면도로서, 명확하게 나타내기 위해 핵연료 펠릿의 크기를 크게 나타낸 도면이다.
하기의 상세한 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면이 참조된다. 첨부 도면에서, 유사한 기호는 상세한 설명의 기재내용에서 달리 지시하지 않는 한 유사한 구성요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 특허청구범위에 기재된 예시적인 실시예는 본 발명을 제한하는 의미로 사용되지 않는다. 다른 실시예가 이용될 수도 있고 본원에 제시된 주제의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않도록 기타 변경도 행해질 수 있다.
또한, 본 발명을 명확히 제시하기 위해 형식적인 개괄 표제어를 본원에 사용하였다. 그러나, 개괄 표제어는 본 발명을 명확히 제시하기 위한 것을 목적으로 하며, 상이한 유형의 주제가 본원에 설명될 수 있다(예를 들어, 디바이스/구조가 프로세스/가동 표제어가 기재된 단락에서 설명될 수 있고 프로세스/동작이 디바이스/구조 표제어가 기재된 단락에서 설명될 수 있으며, 및/또는 단일한 주제에 대한 설명이 두 개 이상의 주제 표제어에 걸쳐 기재될 수 있다). 그러므로, 형식적인 개괄 표제어의 사용은 어떠한 방식으로도 제한적인 것이 아님을 의도한다.
게다가, 본원에 설명된 주제는 어떤 경우엔 이 주제에 속하는 상이한 컴포넌트, 또는 또다른 상이한 컴포넌트와 연계된 상이한 컴포넌트를 설명한다. 이렇게 설명된 구조들은 단지 예시적인 것이며, 동일한 기능을 달성하는 다수의 기타 구조도 실제로 구현될 수 있다는 사실을 알아야 한다. 개념적인 관점에서, 동일한 기능을 달성하는 컴포넌트들에 대한 임의의 배열은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연계된다". 그러므로, 본원에서 특정한 기능을 달성하기 위해 결합된 임의의 두 개의 컴포넌트들은 구조 또는 중간 컴포넌트에 상관없이, 원하는 기능이 달성되도록 서로 효과적으로 "연계된다". 마찬가지로, 임의의 두 개의 컴포넌트들은 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "동작적으로 연결" 또는 "동작적으로 결합" 되는 것으로 보여지도록 연계될 수 있고, 또한 임의의 두 개의 컴포넌트들은 임의의 두 개의 컴포넌트들은 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "동작적으로 결합"할 수 있게될 수 있다. 동작적으로 결합할 수 있는 것의 특정한 예로는 물리적으로 정합가능 하거나 및/또는 물리적으로 상호작용가능한 컴포넌트, 및/또는 무선으로 상호작용 가능한 컴포넌트 및/또는 논리적으로 정합가능 하거나 및/또는 논리적으로 상호작용가능한 컴포넌트를 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다.
어떤 경우엔, 하나 이상의 컴포넌트들은 "...하도록 구성되고", "...하도록구성될 수 있고", "...로 동작가능하고/...에 동작적으로 작용하고", "...하도록 적응되고/적응가능하고", "...할 수 있고", "...에 부합하고/부합할 수 있고" 등과 같은 표현으로 나타낼 수 있다. 당업자는 "...하도록 구성되고"라는 표현은 일반적으로, 문맥에서 다른 표현을 필요로 하지 않는다면, 활성 상태에 있는 컴포넌트 및/또는 비활성 상태에 있는 컴포넌트 및/또는 대기 상태에 있는 컴포넌트를 포함할 수 있음을 알 것이다.
이제 도 1을 참조하면, 우라늄-235, 우라늄-233 또는 플루토늄-239과 같은 핵분열성 핵종의 핵분열에 기인하여 열을 발생시키기 위한 핵분열로가 도면 부호 10으로 나타내어 있다. 상기 원자로(10)는 "진행파(traveling wave)" 원자로일 수 있다. 이와 관련하여, 진행파 원자로는 원자로 코어를 포함한다. 원자로 코어내의 핵분열 점화기는 핵분열 폭연파 번프론트를 점화시킨다. 원자로 코어내의 핵 연료가 핵분열 점화기에 의해 점화된 후, 핵분열 폭연파 번프론트가 개시되고 핵 연료 전체에 걸쳐 전파된다. 한 실시예에서, 핵분열 과정 동안, 원자로 냉각제 루프는 스팀을 생성하기 위해 열을 원자로 코어로부터 열 교환기로 전달한다. 이 스팀은 전기를 발생시키기 위한 터빈 발전기로 전달된다.
이러한 진행파 원자로는 본 출원인에게 양도되었고 본원과 공동 계류중인 출언으로써 Roderick A. Hyde등에 의해 2006년 11월 28일 출원되고 발명의 명칭이 "Automated Nuclear Power Reactor For Long-Term Operation"인 미국 특허출원 제 11/605,943호에 더욱 상세히 설명되어 있으며, 상기 특허출원 제 11/605,943호의 내용 전부는 본원에 참조내용으로서 포함되어 있는 것으로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 원자로(10)는 원자로(10)로부터 주위 환경으로 방사능 입자, 기체 또는 액체가 누출되는 것을 방지하기 위한 압력 베셀 또는 봉쇄 베셀과 같은 베셀(20)을 포함한다. 베셀(20)은 상기 방사능 누출 위험을 감소시키고 필요한 압력 부하를 지지하는데에 적합한 크기 및 두께로 된 강철, 콘크리트 또는 기타 물질일 수 있다. 하나의 베셀(20)만을 도시하였지만, 안전성을 증가시키기 위해 하나의 베셀이 다른 베셀을 감싸게 추가적인 봉쇄 베셀이 있을 수 있다. 베셀(20)은 하기에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 하나 이상의 핵분열로 연료 어셈블리(40)가 배치되는 웰(30)을 형성한다.
도 2, 3 및 4에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 각각의 핵분열로 연료 어셈블리(40)는 그 내부에 있는 핵연료 폼(foam)(70)을 밀폐식으로 봉입하기 위해 인클로우저 벽(60)을 갖는 대체로 원통형인 인클로우저(50)를 포함한다. 폼(70)은 그 내부에 공간적으로 분포된 복수의 폐쇄 셀 보이드(80)를 형성한다. 본원에서 언급되는 바와 같이, "폐쇄 셀 보이드(closed-cell void)"는 각각의 보이드(80)는 이웃하는 보이드(80)와 분리되어 있고 일반적으로 상호 연결되어 있지 않으며, 따라서 상당한 양의 가스, 액체 또는 유체가 보이드(80)들 간에 직접 흐르지 않는다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 폼 또는 다공성 물질(70)은 대안으로서 그 내부에 공간적으로 분포된 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드(90)를 형성한다. 본원에서 언급되는 바와 같이, "개방 셀 보이드(open-cell void)"는 각각의 보이드가 일반적으로 이웃하는 하나 이상의 보이드와 연결되어 있어서, 가스, 액체 또는 유체가 보이드(90)들 간에 직접 흐를 수 있도록 한다. 개방 셀 보이드는 그물형상(web-like) 또는 벌집형상 구조를 갖는 폼 연료 물질에 의해 형성될 수 있다. 개방 셀 보이드는 섬유상 구조 또는 봉형상 구조를 갖는 다공성 연료 물질, 또는 상호 연결된 연료 입자의 집합체(소결된 비드 또는 패킹된 구와 같은)에 의해 형성된 다공성 연료 물질에 의해 형성될 수 있다. 또한, 개방 셀 보이드는 폼 또는 다공성 물질의 혼합물 특성을 갖는 연료 물질에 의해 형성될 수 있다.
폼 또는 다공성 물질(70)은 우라늄-233, 우라늄-235 및/또는 플루토늄-239와 같은 핵분열성 핵연료를 포함할 수 있다. 대안으로서, 폼(70)은 토륨-232 및/또는 우라늄-238과 같은 핵연료의 원료가 되는 핵연료를 포함할 수 있다. 추가적인 대안으로서 폼 또는 다공성 물질(70)은 핵분열성 핵연료와, 핵연료의 원료가 되는 핵연료의 소정 혼합물을 포함할 수 있다.
당업자는 연료 어셈블리(40)가 열 중성자 원자로, 고속 중성자 원자로, 중성자 증식로, 고속 중성자 증식로, 또는 상기 설명에서 언급한 진행파 원자로에 배치될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 연료 어셈블리(40)는 여러 원자로 설계에서 유익하게 사용할 수 있을 정도로 다용도 연료 어셈블리이다.
도 2, 3, 4 및 5에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 보이드(80 및 90) 각각의 목적은 원자로(10)의 가동 동안 열팽창 또는 핵분열 생성물 가스의 방출에 기인한 폼 또는 다공성 물질(70)의 팽창을 수용 또는 허용하도록 된 수축가능한 체적(shrinkable volume)을 제공하는 것임을 알 것이다. 전반적으로, 폼 또는 다공성 물질(70)의 보이드 체적은, 경우에 따라선 약 20% 내지 약 97% 범위외에서도 가능할 수 있을 지라도, 팽창을 허용하기 위해서 약 20% 내지 약 97% 범위일 수 있다. 이러한 방식으로 폼 또는 다공성 물질(70)의 팽창을 수용하는 것은 인클로우저 벽(60)에 가해지는 압력을 감소시키는 데 이는 폼 또는 다공성 물질(70)은 벽(60)에 대해 팽창하기 보단 보이드(80 및 90)를 향하여 또는 심지어는 보이드 내부로 팽창할 것이기 때문이다. 그러므로, 이 구조는 일반적으로 폼 또는 다공성 물질(70)이 인클로우저 벽(60)에 압력을 가하기 위해 인클로우저 벽(60)에 대해 외방으로 팽창하기 보단 보이드(80 및 90)를 향하여 내방으로 팽창하도록 구성된다. 한편 인클로우저 벽(60)에 가해지는 압력을 감소시키는 것은, 인클로우저(50)의 부풀어 오름 및 인클로우저 벽(60)의 균열 위험을 감소시키는 데, 인클로우저(50)의 부풀어 오름 및 인클로우저 벽(60)의 균열은 핵분열 생성물이 누출될 수 있도록 할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 상호 연결된 개방 셀 보이드(90)의 목적은 핵연료 폼 또는 다공성 물질(70)에 의해 발생된 휘발성 핵분열 생성물의 운반을 용이하게 하는 통로를 제공하는 것이라는 것을 이해할 것이다. 이러한 핵분열 생성물은 요오드, 브롬, 세슘, 포타슘, 루비듐, 스트론튬, 크세논, 크립톤, 바륨 또는 기타 기체상 또는 휘발성 물질의 동위원소일 수 있다. 이러한 운반 통로는 핵분열로 연료 어셈블리(40)의 중성자가 활성 상태에 있는 영역으로부터 생기는 핵분열 생성물의 일부를 제거하는 운반수단을 제공할 수 있다. 이러한 제거는 핵분열 생성물에 의한 중성자 흡수를 감소시킬 수 있다.
도 2, 3, 4 및 5를 참조하면, 폼 또는 다공성 물질(70)은 실질적으로 우라늄, 토륨, 플루토늄, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 대안으로서, 폼 또는 다공성 물질(70)은 실질적으로 우라늄 탄화물(UC 또는 UCX) 또는 토륨 탄화물(ThC2 또는 ThCX)과 같은 탄화물을 포함할 수 있다. 우라늄 탄화물 또는 토륨 탄화물은 니오븀 탄화물(NbC) 또는 지르코늄 탄화물(ZrC)의 매트릭스내에 스퍼터링될 수 있다. 니오븀 탄화물 및 지르코늄 탄화물을 사용하는 잠재적인 이점은 이들이 우라늄 탄화물 또는 토륨 탄화물을 위한 내화 구조 기판를 형성한다는 것이다. 폼 또는 다공성 물질(70)은 또한 우라늄 이산화물(UO2); 토륨 산화물로도 지칭되는 토륨 이산화물(ThO2); 또는 우라늄 산화물(U3O8)와 같은, 산화물을 포함한다. 반면에, 폼 또는 다공성 물질(70)은 우라늄 질화물(U2N3) 또는 토륨 질화물(ThN)와 같은 탄화물을 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 설명은 코팅되지 않은 폼 또는 다공성 물질(70)에 관한 것이다. 원하는 경우엔, 폼 또는 다공성 물질(70)은 적절한 물질로 코팅될 것이다.
도 6 및 7을 참조하면, 폼 또는 다공성 물질(70)은, 카본, 지르코늄 탄화물등을 포함할 수 있는, 코팅 층(100)으로 코팅될 수 있다. 소망하는 코팅을 달성하는 공정은 전기 도금, 무전해 증착, 증기 증착, 이온 증착 또는 임의의 기타 적절한 공정일 수 있다. 폼 또는 다공성 물질(70)에 대한 코팅은 핵분열 생성물이 폼 또는 다공성 물질(70)로부터 보이드(80 또는 90)로 탈출하는 것을 방지하는 장벽을 제공한다. 그러한 핵분열 생성물로는 요오드, 브롬, 세슘, 포타슘, 루비듐, 스트론튬, 크세논, 크립톤, 바륨 또는 기체상 또는 휘발성 물질의 동위원소일 수 있다. 폼 또는 다공성 물질(70)에 대한 코팅은 또한 그렇지않으면 대안으로서 폼 또는 다공성 물질(70)에 대한 구조적 지지체를 제공할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 부재 번호 110으로 나타낸, 열 흡수체가 인클로우저(50)와 결합되어 있고 폼 또는 다공성 물질(70)에 의해 발생된 핵분열 열을 흡수하기 위하여 폼 또는 다공성 물질(70)과 열전달 가능하게 구성되어 있다. 제한적인 의미가 아닌 단지 예로서만, 열 흡수체(110)는 폼 또는 다공성 물질(70)을 통과해 연장하는 복수의 대체로 원통형인 병렬 도관 또는 파이프(120)를 포함할 수 있다. 각각의 파이프(120)는 현재 설명되는 이유로 인해 흐름 채널(140)을 형성하는 파이프 벽(130)을 갖는다. 파이프(120)는 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 또는 텅스텐(W) 등과 같은 고융점 금속 또는 합금으로 제작될 수 있다. 원자로 냉각제 파이프(120)는 알루미늄(Al), 강철 또는 기타 자성 또는 비철 그룹 합금 또는 탄탈륨 또는 지르코늄 기반 합금과 같은 기타 물질, 또는 기타 적합한 금속 및 합금으로 제작될 수 있다. 가압 가스(도시되지 않음)와 같은 냉각제는 파이프 벽(130)을 통한 열 전도에 의해 폼 또는 다공성 물질(70)로부터 열을 흡수하기 위한 흐름 채널(140)을 따라 흐른다. 원자로 냉각제는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 또는 이들의 혼합물과 같은 여러 가압된 불활성 기체로부터 선택될 수 있다. 대안으로서, 상기 냉각제는 워터, 기체상 또는 초유동체 이산화탄소, 또는 소듐 또는 납과 같은 액체 금속, 또는 납-비스무쓰(Pb-Bi)와 같은 액체 금속 합금, 또는 폴리페닐 또는 플루오로카본과 같은 유기 냉각제일 수 있다. 대안으로서, 상기 냉각제는 워터, 포타슘(K) 또는 소듐(Na)과 같은 상변화 조성물일 수 있다. 반면에, 열 흡수체(110)는 비스무쓰 텔루라이드(Bi2Te3); 납 텔루라이드(PbTe); 또는 징크 안티모나이드(Zn4Sb3)와 같은 열전 물질일 수 있다. 당업자는 열 흡수체(110) 또는 파이프(120)는 도시된 바와 같이, 병렬일 필요는 없고, 그 보단 서로에 대해 십자형 각도로 설정될 수 있음을 알 것이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 연료 어셈블리(40)의 대안 실시예가 도시되어 있다. 이 대안 실시예에서, 연료 어셈블리(40)는, 상기 설명한 바와 같은 대체로 원통형인 인클로우저(50)가 아닌 대체로 구형인 인클로우저(150)를 포함한다. 구형 인클로우저(150)는 요구되는 클래딩 재료의 양을 감소시킬 수 있다. 구형 인클로우저(150)는 또한 연료 프로파일을 성형하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 연료 어셈블리(40)의 또다른 대안 실시예가 도시되어 있다. 이 대안 실시예에서, 연료 어셈블리(40)는 대체로 디스크 형상 인클로우저(160)를 포함한다. 이 디스크 형상 인클로우저(160)를 이용하는 잠재적인 이점은 연료 프로파일을 성형하는 데에 유용성이 있다는 것이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 연료 어셈블리(40)의 또다른 대안 실시예가 도시되어 있다. 이 대안 실시예에서, 연료 어셈블리(40)는 대체로 반구형 인클로우저(155)를 포함한다. 반구형 인클로우저(155)는 웰(well)(30)에서의 연료 어셈블리 패킹 밀도를 증가시킬 수 있다. 구형 프로파일에서와 같이, 반구형 인클로우저(155)도 연료 프로파일을 성형하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 연료 어셈블리(40)의 또다른 대안 실시예가 도시되어 있다. 이 대안 실시예에서, 연료 어셈블리(40)는 (횡단면이) 다각 형상 인클로우저(165)를 포함한다. 이와 관련하여, 다각 형상 인클로우저(165)는 횡단면이 육각 형상을 가질 수 있다. 육각 형상의 단면을 갖는 인클로우저(165)를 이용하는 이점은 더 많은 연료 어셈블리(40)가 일부 구성에서 상대적으로 높은 패킹 요인을 제공할 수 있으며 연료 어셈블리에 대한 일부의 기타 기하학적 형태 형태에 비해 웰(30)에 패킹되는 연료 어셈블리의 수를 증가시킬 수 있다는 것이다. 이전 실시예에서와 같이, 육각 형상의 단면을 갖는 인클로우저(165)는 연료 프로파일을 성형하는데에 도움을 줄 수 있다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 연료 어셈블리(40)의 또다른 대안 실시예가 도시되어 있다. 이 대안 실시예에서, 연료 어셈블리(40)는 평행육면체 형상 인클로우저(170)를 포함한다. 평행육면체 형상 인클로우저(170)도 웰(30)에 상대적으로 고밀도 패킹 밀도를 제공할 수 있다. 이전 실시예에서와 같이, 평행육면체 형상을 갖는 인클로우저(170)는 연료 프로파일을 성형하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 18을 참조하면, 폼 또는 다공성 물질(70)은 매립된 하나 이상의 연료 펠릿(180)을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 연료 펠릿(180)은 상기에서 설명한 핵분열 연쇄 반응을 개시시키기 위한 초기 반응 소스로서의 역할을 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 연료 펠릿(180)은 핵연료 물질의 유효 밀도를 증가시키는 고밀도 연료 컴포넌트로서의 역할을 할 수 있다.
원자로(10)가 가동됨에 따라, 폼 또는 다공성 물질(70)은 팽창하는 경향을 나타낼 것이다. 이것은 원자로(10) 가동 동안, 폼 또는 다공성 물질(70)이 핵분열 과정 동안 폼 또는 다공성 물질(70)에 의해 발생된 핵분열 열로 인해 열팽창하게 될 것이다. 핵분열 기체도 핵분열 과정으로 인해 생성될 것이다. 이 두 현상은 폼 또는 다공성 물질(70)이 팽창하는 경향을 나타나게 할 것이고, 그에 따라 인클로우저 벽(60)에 압력을 가하는 경향을 나타낼 것이다. 이러한 압력은 인클로우저 벽(60)의 틈이 생기게 할 위험을 증가시키고 후속하여 연료 어셈블리(40)로부터 핵분열 생성물이 유출될 위험을 증가시킬 수 있다. 본원에 개시된 폼 또는 다공성 물질(70)은 수축가능한 보이드(80 및 90)를 제공함으로써 상기 설명한 바와 같은 결과를 해결한다. 다른 말로 하면, 보이드(80 및 90)는 폼 또는 다공성 물질(70)이 보이드(80 및 90)를 향하여 팽창함에 따라 체적이 감소됨으로써 폼 또는 다공성 물질(70)의 팽창을 허용 또는 수용할 수 있다. 이러한 방식으로, 인클로우저 벽(60)에 대한 잠재적인 압력의 증가는 감소되고 연료 어셈블리(40)로부터의 핵분열 생성물 누출 위험도 마찬가지로 감소된다.
당업자는 본원에 개신된 컴포넌트들(예를 들어, 동작들), 디바이스, 객체, 및 이들에 수반되는 설명은 개념적인 명확성을 위한 예시적인 것이며 다양한 구성에 대한 수정도 고려된다는 것을 알 것이다. 결과적으로, 본원에 기재된 바와 같은, 특정한 전형적인 예들이 개시되었고 이에 수반하는 설명들은 전형적인 예들에 대한 더욱 일반적인 부류를 표현하는 것을 의도한다. 일반적으로, 특정한 전형적인 예들의 이용은 그것들의 부류에 대한 대표적인 것이라는 것을 의도하고, 특정한 컴포넌트(예를 들어, 가동체), 디바이스, 객체가 포함되지 않는 것이 제한적인 의미로서 간주되지 않아야 한다.
또한, 당업자는 상기 설명한 특정 예시적인 과정 및/또는 디바이스 및/또는기술들은, 본원과 함께 및/또는 별개의 출원에 포함된 특허청구범위에서와 같이, 본원의 어딘가에 개시된 더욱 일반적인 과정 및/또는 디바이스 및/또는 기술들을 나타낸다는 것을 알 것이다.
본 발명의 주제에 대한 특정한 양상이 설명되고 도시되고 기재되었지만, 당업자는 본원의 기술에 기초하여, 변경 및 수정이 본원에 기재된 주제 및 이 주제의 확장된 양상으로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있으며, 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본원에 기재된 주제의 진정한 사상 및 범위에 속하는 범위내의 것들을 포함한다는 것을 알 것이다. 일반적으로, 본원에서 특히 첨부된 특허청구범위(예를 들어, 첨부된 특허청구범위의 본문)에서 사용되는 용어는 일반적으로 "개방형" 용어(예를 들어, 용어 "...을 포함하는"은 "...을 포함하지만 이에 제한되지는 않는"이라는 의미로 해석되어야하고, 용어 "...을 갖는"은 "적어도 ...을 갖는"으로 해석되어야 하며 용어"...을 포함한다"는 "...을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다"라는 의미로 해석되어야 한다). 또한, 당업자는 특정한 갯수의 도입된 청구범위 인용을 의도한다면, 그러한 의도는 청구항에서 명백하게 인용될 것이고, 그러한 인용이 없는 경우엔 그러한 의도는 존재하지 않는다는 것을 알아야 할 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위한 것으로서, 하기의 첨부된 특허청구범위는 청구항 인용을 도입하기 위해 범위 "적어도 하나의" 및 "하나 이상의"와 같은 도입 어구를 사용할 수 있다. 그러나, 그러한 어구의 사용은 동일한 청구항이 도입 어구들인 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 "하나" 또는 "한"(예를 들어 "하나" 또는 "한"은 일반적으로 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 를 의미하는 것으로 해석되어야 함)과 같은 부정 관사를 포함하고 있는 경우에도, 부정 관사에 의한 청구항 인용의 도입부는 그와 같이 도입된 청구항 인용을 포함하는 임의의 특정한 청구항을 그러한 단 하나의 인용만을 포함하는 청구항으로 한정하는 것을 묵시적으로 나타내다고 이해되어선 안되고; 도입된 청구항 인용에 대해 부정 관사를 사용하는 경우에도 상기 설명한 바와 마찬가지로 이해되어야 한다. 또한, 특정한 갯수의 도입된 청구항 인용이 명백하게 인용된 경우에도, 당업자는 그러한 인용이 적어도 인용된 번호(예를 들어, 기타 수정 용어 없이 단순한 인용인 "두 개의 인용"은 일반적으로 적어도 두 개의 인용, 또는 두 개 이상의 인용을 의미한다)를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 알 것이다. 더욱이, "A, B 및 C 중에서 적어도 하나"와 유사한 용어가 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 규약을 이해할 것이라는 관점에서 사용된다는 것으로 의도된다(예를 들어, A, B 및 C 중에서 적어도 하나를 가는 시스템"은 A만을 갖는 시스템, B만을 갖는 시스템, 및 C만을 갖는 시스템, A와 B를 갖는 시스템, A와 C를 갖는 시스템, 및 B와 C를 갖는 시스템, 및 A와 B와 C를 갖는 시스템을 포함하지만 이들로 한정되는 시스템은 아니다). 또한 당업자는, 발명의 상세한 설명에서, 특허청구범위에서 또는 도면에서, 이접적 접속사 및/또는 두 개 이상의 대안 용어를 표현하는 어구는 문맥에서 달리 지시되지 않는 한 용어 중의 하나 또는 용어들 또는 두 용어 모두를 포함할 가능성을 고려해야 하는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 어구 "A 또는 B"는 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"인 가능성을 포함한다는 것을 이해하여야 할 것이다.
첨부된 특허청구범위에 대하여, 당업자는 특허청구범위에 포함된 인용된 동작들은 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있음을 알아야 할 것이다. 또한, 여러 동작 흐름들이 순차적으로 제시되었지만, 다양한 동작들이 예시된 순서 이외의 순서로 수행되거나, 동시에 수행될 수 있음을 알아야 한다. 그러한 대안적인 순서들의 예로는 문맥에서 달리 지시되지 않는 한, 겹치거나, 중간에 개재되거나, 중단되거나, 재순서화되거나, 증분되거나, 대비하거나, 보충하거나, 동시에 행해지거나, 순서가 바뀌거나, 기타 여러 순서화를 포함한다. 또한, 용어 "...에 응답하여", "...에 관련된" 또는 기타 과거시제 수식어들은, 일반적으로 문맥에서 달리 지시되지 않는 한, 그러한 변형을 배제하는 것을 의도하진 않는다.
그러므로, 본원에서 설명되고 특허청구된 바와 같이 핵분열로 연료 어셈블리는 이 연료 어셈블리에 포함된 핵연료의 팽창을 허용하도록 구성된다.
본원에 다양한 양상 및 실시예가 개시되었지만, 기타 양상 및 실시예도 당업자에겐 명백할 것이다. 본원에 개시된 다양한 양상 및 실시예는 예시적인 목적이며 하기의 특허청구범위에 의해 지시되는 진정한 범위 및 사상에 의해, 제한되는 것으로 의도하진 않는다.
10 : 원자로 20 : 베셀
30 : 웰 40 : 원자로 연료 어셈블리
50, 150, 155, 160, 165, 170 : 인클로우저
60 : 인클로우저 벽 70 : 폼 또는 다공성 물질
80, 90 : 보이드 110 : 열 흡수체
120 : 도관 또는 파이프 130 : 파이프 벽
140 : 흐름 채널

Claims (1)

  1. 복수의 상호 연결된 개방 셀 보이드(open-cell void)를 형성하는 핵연료 폼(nuclear fuel foam)을 밀폐식으로 봉입하는 인클로우저를 포함하는, 핵분열로 연료 어셈블리.
KR1020157016550A 2008-04-08 2009-04-07 내부에 포함된 핵연료가 팽창할 수 있도록 구성된 핵분열로 연료 어셈블리 KR20150080005A (ko)

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