KR20180021326A - Nuclear fuel pellets comprising closed internal void at its center and nuclear fuel rods comprising thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉에 관한 것이다. The present invention relates to a nuclear fuel sintered body including a hollow space sealed in a central portion thereof and a fuel rod including the same.
원자로에서는 열을 생산하기 위하여 일반적으로 핵연료봉이 사용된다. 핵연료봉은 1개의 합금 피복관 안에 다수의 원통형 핵연료 소결체를 직렬로 배열되도록 장입하고, 피복관의 양단을 봉단마개로 용접 밀봉한 형태이다. 핵연료봉 내부에는 핵연료 소결체가 채워져 있고, 핵연료봉 길이 방향의 상단 또는 하단 일부분은 빈공간으로 남겨둔다. 상기 연료봉 내의 빈공간을 플레넘(plenum)이라 부르며, 여기에는 스프링을 장입하여 소결체가 움직이지 않도록 한다. 상기의 플레넘은 연소 중에 발생하는 핵분열기체를 수용하는 역할을 한다. 핵연료봉 제조 중에 핵연료봉 내부는 통상적으로 헬륨기체를 충전하며 그 압력은 약 10 내지 30기압 정도이다. 따라서 핵연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 및 갭(피복관과 소결체 사이 공간)과 같은 내부 공간에는 상기 압력의 헬륨기체가 채워지게 된다. 핵연료봉 피복관 직경은 9mm 내지 14 mm 이며 길이는 통상적으로 3.5m 내지 4.5m 정도이다. 핵연료봉에 장입되는 원통형 소결체의 통상적인 크기는 직경 7mm 내지 12mm, 길이 10mm 내지 15mm 정도이다. 원통형 소결체의 길이(높이)/직경 비는 약 1.2 정도이다. 핵연료 소결체는 분말을 성형하고 소결하여 제조한 것으로서, 소결밀도는 이론밀도의 약 95%이다. 예를 들어 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 경우 핵연료 소결체 내부에는 이산화 우라늄 물질이 균일하게 분포하며, 또한 소결공정에 의해서 형성된 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 이하 크기의 기공(pore) 수십만 개가 소결체 내부에 균일하게 분산되어 있다. 일반적으로 소결체 내에 과도하게 큰 기공이 존재하면 불량으로 분류되며 원자로에서 사용되지 않는다.In nuclear reactors, fuel rods are commonly used to produce heat. Nuclear fuel rods are packed in one alloy cladding so that a plurality of cylindrical fuel sintered bodies are arranged in series, and both ends of the cladding tube are welded and sealed with a sealing plug. The fuel rod is filled with the fuel sintered body, and the upper or lower end portion of the fuel rod in the longitudinal direction is left as an empty space. An empty space in the fuel rod is called a plenum, and a spring is charged to prevent the sintered body from moving. The plenum serves to accommodate the fission gas generated during combustion. During the manufacture of the fuel rod, the inside of the fuel rod is typically filled with helium gas and the pressure is about 10 to 30 atm. Therefore, the inner space such as the plenum space and the gap (the space between the cladding tube and the sintered body) existing in the fuel rod is filled with the helium gas at the above pressure. The diameter of the nuclear fuel cladding tube is 9 mm to 14 mm and the length is usually about 3.5 m to 4.5 m. A typical size of the cylindrical sintered body to be loaded in the fuel rod is about 7 mm to 12 mm in diameter and 10 mm to 15 mm in length. The length (height) / diameter ratio of the cylindrical sintered body is about 1.2. The nuclear fuel sintered body is produced by molding and sintering powder, and the sintered density is about 95% of the theoretical density. For example, in the case of a uranium oxide fuel sintered body, uranium dioxide material is uniformly distributed in the nuclear fuel sintered body and hundreds of thousands of pores having a size of several μm to several tens of μm or less formed by the sintering process are uniformly dispersed in the sintered body . In general, if there are excessively large pores in the sintered body, it is classified as defective and is not used in the reactor.
원자로 안에서 핵연료봉내의 소결체에서 핵분열이 발생하면 열과 함께 제논(Xe), 크립톤(Kr)과 같은 핵분열기체가 생성된다. 발생열은 피복관을 거쳐서 핵연료봉 외측 냉각수로 전달되고 이것이 발전에 이용된다. 최근에는 핵연료의 경제성을 높이고 사용 후 핵연료의 양을 줄이기 위해 핵연료를 오랫동안 연소시키는 고연소도 핵연료를 개발하고 있으며, 연소도가 높아지면 핵연료에 의한 제논(Xe), 크립톤(Kr)과 같은 핵분열 기체의 발생량이 많아진다. 한편 생성된 핵분열 기체 중 일부가 소결체 박으로 방출되고 연료봉 내부 공간에 누적되면서 연료봉 내부기체 압력을 상승시킨다. 이러한 증가된 핵분열 기체는 결국에는 피복관에 작용하는 응력을 증가시키게 되고, 결과적으로 핵연료의 안정성을 저해시키는 요소가 된다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 핵분열에 의하여 발생되는 핵분열 기체를 가능한 한 소결체 밖으로 적게 방출하게 하여야 한다. 소결체에 존재하는 온도분포에 따른 핵분열기체 방출을 보면, 온도가 낮은 소결체 표면부위에서는 핵분열기체가 적게 방출되고, 온도가 가장 높은 중심부위에서 발생한 핵분열기체가 많이 방출 된다. 소결체에 존재하는 온도분포에 따른 핵분열기체 방출을 보면, 온도가 낮은 소결체 표면부위(피복관 측)에서는 핵분열기체가 1~2% 정도 방출되지만, 온도가 가장 높은 중앙부위에서 발생한 핵분열기체는 약 20% 정도가 소결체 밖으로 방출된다. 이것은 온도가 높은 부위에서 핵분열기체의 이동이 많기 때문이다. When nuclear fission occurs in a sintered body in a nuclear fuel rod in a reactor, fission gases such as xenon (Xe) and krypton (Kr) are generated along with heat. The generated heat is transferred to the cooling water outside the fuel rod through the cladding tube, which is used for power generation. In recent years, high-burning fuel is being developed to increase the economics of nuclear fuel and to reduce the amount of spent fuel. When the degree of combustion increases, nuclear fission gases such as xenon (Xe) and krypton (Kr) Is increased. On the other hand, some of the generated fission gas is released to the sintered body foil and accumulates in the space inside the fuel rod, thereby raising the gas pressure inside the fuel rod. These increased fission gases ultimately increase the stress acting on the cladding, which in turn reduces the stability of the fuel. Therefore, in order to solve such a problem, the fission gas generated by the fission should be discharged as little as possible out of the sintered body. The fission gas emission according to the temperature distribution in the sintered body shows that few fission gases are released at the surface portion of the sintered body having a low temperature and a large amount of fission gas is generated at the center portion having the highest temperature. According to the temperature distribution in the sintered body, the fission gas emission is about 1 ~ 2% at the surface of the sintered body with low temperature (cladding side), but about 20% Is discharged out of the sintered body. This is because the fission gas moves in a high temperature region.
원자로 안에서 핵연료봉 외측 냉각수 압력은 통상적으로 약 100기압 내지 150 기압으로 유지되고 있다. 만약 연료봉 내부기체 압력이 냉각수 압력보다 높아지면, 피복관이 외측 냉각수 방향으로 과도하게 변형되기 때문에 피복관(연료봉)이 파손된다. 연료봉 파손은 방사성물질에 의한 냉각수 오염을 초래하여 원자로 운전에 악영향을 준다. 따라서 핵연료봉의 파손을 방지하기 위해서 연료봉의 내부기체 압력이 냉각수 압력을 초과하지 않도록 설계하고 이 범위 안에서 핵연료의 연소도 또는 연소기간을 제한하고 있다. The cooling water pressure outside the fuel rod inside the reactor is usually maintained at about 100 to 150 atmospheres. If the gas pressure inside the fuel rod becomes higher than the cooling water pressure, the cladding tube (fuel rod) is broken because the cladding tube is excessively deformed in the direction of the outer cooling water. Failure of the fuel rod causes pollution of the cooling water caused by the radioactive material, which adversely affects the operation of the reactor. Therefore, in order to prevent damage to the fuel rod, the inner gas pressure of the fuel rod is designed not to exceed the cooling water pressure, and the combustion or combustion period of the fuel is limited within this range.
핵연료봉의 연소도가 높아지면, 핵연료의 경제성이 향상되고 또한 사용 후 핵연료 발생량이 줄어드는 장점이 있지만, 연료봉의 내부기체 압력이 증가하는 문제가 발생한다. 연료봉 내부기체 압력을 낮추는 원리는 기체의 수용공간을 늘리거나 혹은 핵분열기체가 소결체로부터 방출되는 양을 줄이는 것이다. When the fuel burning degree of the fuel rod is increased, the fuel economy of the fuel is improved and the amount of spent fuel is decreased, but the internal gas pressure of the fuel rod is increased. The principle of lowering the gas pressure inside the fuel rod is to increase the accommodation space of the gas or to reduce the amount of fission gas released from the sintered body.
예를 들어, 대한민국 공개특허 10-2012-0117112(특허문헌 0001)에서는 열적 안정성이 우수한 우라늄 산화물 핵연료 소결체 및 그 제조방법을 제안하였다. 상세하게는 티타늄 화합물, 칼슘 화합물 및 우라늄 산화물을 포함하는 열적 안정성이 우수한 우라늄 산화물 핵연료 소결체를 제공하는 것에 관한 기술이다. 상기의 핵연료 소결체 제조방법을 통하여 우라늄 산화물 핵연료 소결체에 티타늄 화합물 또는 칼슘 화합물을 첨가하여 소결체 기공조직을 구형화함으로써 재소결시 밀도변화량을 최소화시켜 소결체의 열적 안정성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 노내 건전성 및 핵연료봉의 성능이 효율적으로 유지될 수 있으며, 경제성도 우수한 효과가 있다. 그러나 상기의 발명을 통해 핵연료 소결체의 낮은 열전도도는 개선되지 않아, 여전히 원통형 핵연료 소결체의 내부와 핵연료 소결체의 표면은 서로 높은 온도 구배를 나타내고, 많은 핵분열기체가 발생하여 핵연료봉 내부의 압력을 낮추는 효과는 크지 않은 단점이 있다. 도 1은 상기의 예를 비롯한 종래의 원통형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이다. For example, in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0117112 (Patent Document 0001), a uranium oxide fuel sintered body excellent in thermal stability and a manufacturing method thereof have been proposed. And more particularly to a technique for providing a uranium oxide fuel sintered body having excellent thermal stability including a titanium compound, a calcium compound and uranium oxide. The titanium oxide or the calcium compound is added to the uranium oxide fuel sintered body through the method of manufacturing the nuclear fuel sintered body to make the sintered body pore structure spherical so as to minimize the change in density during sintering to improve the thermal stability of the sintered body, And the performance of the fuel rod can be efficiently maintained, and the economical efficiency is also excellent. However, the low thermal conductivity of the nuclear fuel sintered body is not improved through the above-described invention, so that the inside of the cylindrical fuel sintered body and the surface of the nuclear fuel sintered body exhibit a high temperature gradient with each other, and many fission gases are generated to lower the pressure inside the fuel rod Has a drawback that it is not large. 1 is a schematic view showing a conventional cylindrical fuel sintered body including the above example.
대한민국 공개특허 10-2008-0137906(특허문헌 0002)에서는 도넛 모양의 단면을 갖는 환형 핵연료 소결체 제조방법을 제안하였다. 도 2는 상기의 예를 비롯한 종래의 환형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이다. 도 2에서 예시한 바와 같이, 상기의 핵연료 소결체는 소결체의 내부를 관통하는 빈공간(201)이 존재하고, 이러한 환형 소결체를 연료봉에 장입하여 핵연료봉이 구성된다. 환형 소결체를 채용한 핵연료봉은 환형 소결체 내부공간의 부피만큼 핵연료봉의 내부공간이 증가하기 때문에 연료봉 내부기체 압력을 줄이는 효과가 있다. 환형 소결체의 내부공간은 연료봉안에 존재하는 플레넘 또는 갭과 마찬가지로 핵연료봉 제조공정에서 헬륨기체 충전에 의해서 약 20기압으로 채워지게 된다. 상기의 이유로 핵연료 소결체에서 발생하는 핵분열기체로 인해 상승하는 핵연료봉 내부압력을 억제하는 효과는 상기 헬륨기체 압력만큼 감소하는 문제점이 있다. 환형 소결체의 또 다른 문제는 원통형 소결체에 비하여 핵분열기체가 방출되는 소결체 표면을 추가로 제공한다는 점이다. 특히, 환형 소결체의 내부공간이 핵분열기체 이동이 가장 많은 중심부에 있기 때문에, 상기 추가된 소결체 표면을 통해서 핵분열기체 방출량이 원통형 소결체보다 더 늘어나는 문제가 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2008-0137906 (Patent Document 0002) proposes a method of manufacturing a ring-shaped nuclear fuel sintered body having a donut-shaped cross section. 2 is a schematic view showing a conventional annular fuel sintered body including the above example. As illustrated in FIG. 2, the fuel sintered body has an
대한민국 공개특허 10-2015-0079423(특허문헌 0003)에 따른 핵연료봉은 밀봉부재의 내부에 피복관 내부의 압력이 피복관 외부의 압력보다 큰 경우, 밀봉부재의 일측으로 밀봉부재의 압력을 배출시키는 압력이완부가 배치된다. 상기의 특허문헌 0003에 따른 핵연료봉은 냉각수 상실사고와 같이 핵연료봉의 냉각이 원활하게 수행되지 않는 상황에서, 핵연료 소결체에서 발생하는 핵분열기체에 의하여 핵연료봉의 내부압력이 외부압력보다 높은 경우 내부에 배치된 파열판 또는 체적증가부재 등의 변화 또는 이동에 의하여 피복관 내부의 체적을 증가시켜 피복관 내부의 증가되는 압력을 수용할 수 있으며, 피복관 내부의 압력이 증가되는 경우 피복관 외부로 내부의 압력을 배출시켜 피복관이 부풀어오르는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 따라서 냉각수 상실사고 시에도 핵연료봉과 핵연료봉 사이에 냉각수가 유동할 수 있는 통로를 확보하게 되고, 냉각수 재공급시에 핵연료봉이 충분하게 냉각될 수 있도록 할 수 있음에 따라 핵연료봉이 과열되는 것을 방지하여 원자로 안정성을 증진하는 효과가 있다. 하지만 상기의 특허문헌 0003에 따른 핵연료봉은 종래의 핵연료봉과 비교하여 압력이완부, 추가 처리된 파열판 및 추가 처리된 피복관이 추가되는 복잡한 구성으로, 경제성이 떨어지는 단점이 있다. The fuel rod according to Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0079423 (Patent Document 0003), when the pressure inside the cladding tube is higher than the pressure inside the cladding tube inside the sealing member, the pressure relieving portion for discharging the pressure of the sealing member to one side of the sealing member . In the case where the fuel rod according to the above patent document does not smoothly cool the fuel rod as in the case of the loss of cooling water, when the internal pressure of the fuel rod is higher than the external pressure due to the fission gas generated in the nuclear fuel sintered body, Or increase the volume of the cladding to increase the volume inside the cladding tube and to increase the pressure inside the cladding tube. When the pressure inside the cladding tube increases, the internal pressure is discharged to the outside of the cladding tube, There is an effect that it is possible to prevent a rise. Accordingly, it is possible to secure a passage through which the cooling water can flow between the fuel rod and the fuel rod even in case of a loss of cooling water, and it is possible to sufficiently cool the fuel rod during the supply of the cooling water, There is an effect of improving the stability. However, the fuel rod according to the above patent document has a disadvantage in that it is inferior in economical efficiency due to a complicated structure in which a pressure relief portion, a ruptured plate subjected to additional processing, and a cladding tube which is additionally processed are added as compared with a conventional fuel rod.
이에, 본 발명자들은 종래의 환형 소결체 및 원통형 소결체의 문제점을 극복하기 위해서, 원통형 소결체의 내부 중심에 헬륨기체가 충전되지 않는 밀폐된 빈공간을 형성함으로써 환형 소결체보다 핵분열기체의 수용능력을 증진하여 핵연료봉 내부기체 압력 상승을 효과적으로 억제할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다. In order to overcome the problems of the conventional annular sintered body and the cylindrical sintered body, the present inventors have found that by forming a closed hollow space in which the helium gas is not charged at the inner center of the cylindrical sintered body, It is possible to effectively suppress the rise of gas pressure inside the rod, and the present invention has been completed.
본 발명은 종래의 원통형 소결체 및 환형 소결체와 이를 포함하는 핵연료봉에 있어서 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉을 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in a conventional cylindrical sintered body, an annular sintered body and a nuclear fuel rod including the same, and its object is to provide a nuclear fuel sintered body including a hollow space sealed in the central portion thereof and a fuel rod .
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 제공한다. And a hollow space sealed in the center portion.
또한, 본 발명은 상기 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉을 제공한다. In addition, the present invention provides a nuclear fuel rod including a nuclear fuel sintered body including the sealed space.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체 및 이를 포함하는 핵연료봉은 핵연료 소결체에서 발생하는 핵분열기체를 소결체 내에 수용하고, 핵연료봉의 내부 압력이 상승하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 핵연료 소결체의 소결 밀도를 조절하고, 플레넘 길이의 조절을 통해 핵연료봉에 장전되는 소결체의 양을 조절할 수 있다. 이를 통해, 핵연료의 안전성과 경제성을 향상시키는 효과가 있다. According to the present invention, the nuclear fuel sintered body including the closed space at the center and the fuel rod including the hollow space can contain the fission gas generated from the nuclear fuel sintered body in the sintered body and suppress the internal pressure of the fuel rod from rising. Further, the sintered density of the nuclear fuel sintered body can be controlled and the amount of the sintered body loaded on the fuel rod can be controlled by controlling the plenum length. This has the effect of improving the safety and economy of nuclear fuel.
도 1은 종래의 원통형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이고,
도 2는 종래의 환형 핵연료 소결체를 나타낸 모식도이고,
도 3은 본 발명에 따른 중심부에 원통형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료
소결체를 보여주는 모식도이고,
도 4는 본 발명에 따른 중심부에 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 보여주는 모식도이고,
도 5는 본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉의 모식도이다. 1 is a schematic view showing a conventional cylindrical fuel sintered body,
2 is a schematic view showing a conventional annular fuel sintered body,
Figure 3 is a cross-sectional view of a nuclear fuel assembly
A schematic diagram showing a sintered body,
FIG. 4 is a schematic view showing a nuclear fuel sintered body including a spherically closed hollow space in a central portion according to the present invention,
5 is a schematic view of a nuclear fuel rod including a nuclear fuel sintered body including a hollow space sealed in a central portion according to the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. . In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명은The present invention
중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 제공한다. And a hollow space sealed in the center portion.
핵연료 소결체가 연소하게 되면서, 핵연료 소결체의 연소에 의한 핵연료 기체가 발생하게 되고, 이에 따라 핵연료봉 내부 압력이 상승하게 된다. 본 발명에 의한 핵연료 소결체는 소결체 중심부에 빈공간을 포함하고 있어, 핵연료 소결체의 연소 중 발생하는 핵연료 기체를 수용할 수 있는 기능을 한다. 따라서 본 발명에 의한 핵연료 소결체는 기존의 환형 또는 원통형 소결체에 비하여 헬륨 기체가 채워지지 않은 밀폐공간에서 핵분열 기체를 더 많이 수용할 수 있기 때문에 핵연료 소결체의 연소 중에 핵연료봉의 내부 압력의 상승을 크게 완화하는 효과가 있다. As the nuclear fuel sintered body is burnt, fuel gas is generated by combustion of the nuclear fuel sintered body, thereby increasing the pressure inside the nuclear fuel rod. The sintered fuel assembly according to the present invention includes a hollow space in the center of the sintered body and functions to accommodate the nuclear fuel gas generated during the combustion of the nuclear fuel sintered body. Therefore, since the sintered fuel according to the present invention can accommodate more fission gas in the closed space that is not filled with the helium gas than the conventional annular or cylindrical sintered body, the increase of the inner pressure of the fuel rod during combustion of the fuel sintered body is greatly reduced It is effective.
또한, 상기 중심부는 소결체 제조 중에 밀폐되기 때문에 이후 연료봉 제조과정에서 헬륨기체가 충전되지 않는다. 상기 중심부 공간이 밀폐되지 않고 외부와 연결된다면, 환형 소결체의 내부공간과 기능상 차이가 없기 때문에 발명의 효과를 상실한다.Further, since the center portion is sealed during the production of the sintered body, the helium gas is not charged in the subsequent fuel rod manufacturing process. If the central space is not sealed but connected to the outside, the effect of the invention is lost because there is no difference in function from the inner space of the annular sintered body.
본 발명에서 제공하는 소결체의 중심부 빈 공간은 핵분열기체의 수용을 위한 최적의 장소이다. 핵연료 소결체의 내부에서 생성된 핵분열기체가 확산에 의해서 이동하여 소결체 외부로 방출된다. 실제로 온도가 낮은 소결체 표면부위(피복관 측)에서는 핵분열기체가 1 내지 2% 정도가 방출되지만, 온도가 가장 높은 중앙부위에서 발생한 핵분열기체는 약 20% 정도 발생하고, 빠른 확산속도로 인하여 빠르게 소결체 밖으로 방출된다. 따라서 소결체 중심부에 존재하는 빈 공간은 주위에 핵분열기체 이동이 가장 많기 때문에 핵분열기체를 효율적으로 포집할 수 있다. 반대로, 온도가 낮은 부위에 빈 공간이 존재한다면 핵분열기체의 이동이 적어서 상대적으로 적은 양의 핵분열기체를 포집하게 된다. The center empty space of the sintered body provided in the present invention is an optimal place for accommodating the fission gas. The fission gas generated inside the nuclear fuel sintered body moves by diffusion and is released to the outside of the sintered body. In fact, about 1 to 2% of the fission gas is released at the surface of the sintered body having a low temperature (on the side of the cladding tube), but about 20% of the fission gas generated on the central portion at the highest temperature occurs, do. Therefore, since the vacant space existing in the center of the sintered body has the greatest amount of fission gas movement around it, it can collect the fission gas efficiently. On the contrary, if there is a vacant space in a low temperature region, the movement of the fission gas is small, so that a relatively small amount of fission gas is collected.
이때, 상기 핵연료 소결체의 형태는 원통형인 것이 바람직하다. At this time, the shape of the nuclear fuel sintered body is preferably cylindrical.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기한 바와 같이, 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 소결체를 제조하기에는 소결체의 형상은 원통형인 것이 제조의 편의성과 핵연료봉 내부압력 억제를 위한 기능성을 고려할 때 바람직하다. 현재 사용되는 핵연료 소결체의 형상은 원통형, 판형 및 환영 등의 형상을 하고 있다. 만약 중심부에 밀폐된 공간을 포함하는 소결체의 모양이 판형이라면, 본 발명에 의한 소결체 내부에 빈공간을 형성하기가 어렵고, 밀폐된 빈공간을 형성하기에 매우 제한적이라 본 발명의 목적인 핵분열 기체를 수용하는데 적절치 못하다. 만약 소결체의 모양이 환형이라면, 소결체 중심부가 관통되어 있기 때문에, 빈공간 형성이 불가능 하다. 상기의 이유로 본발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체의 형상은 원통형인 것이 바람직하다. In order to manufacture the sintered body including the void space sealed in the central portion in the nuclear fuel sintered body including the hollow space sealed in the central portion according to the present invention, the shape of the sintered body is cylindrical, This is preferable considering the functionality for pressure suppression. Currently, the shape of the nuclear fuel sintered body used is a cylindrical shape, a plate shape, and an illusion shape. If the shape of the sintered body including the closed space at the center portion is plate-shaped, it is difficult to form a void space inside the sintered body according to the present invention and is very limited to form a closed void. It is not appropriate to. If the shape of the sintered body is annular, since the center portion of the sintered body penetrates, it is impossible to form an empty space. For this reason, it is preferable that the shape of the nuclear fuel sintered body including the hollow space sealed in the central portion according to the present invention is cylindrical.
또한, 상기 원통형 소결체의 직경은 7mm 내지 12mm이고, 높이는 9mm 내지 14 mm인 것일 수 있다. The diameter of the cylindrical sintered body may be 7 mm to 12 mm and the height may be 9 mm to 14 mm.
이때, 상기 핵연료 소결체는 이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)의 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 이산화우라늄을 사용할 수 있다. In this case, the nuclear fuel sintered compact may be one which comprises one or more selected from a group of uranium dioxide (UO 2), Plutonium (IV) oxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2), can be preferably used a uranium dioxide .
이때, 상기 밀폐된 빈공간의 형상은 원통형 또는 구형인 것이 바람직하나, 그 형상이 원통형 또는 구형에 한정되는 것은 아니며, 빈공간을 형성하는 방법에 따라 또 다른 형상으로 빈공간이 형성될 수도 있다. At this time, the shape of the closed hollow space is preferably cylindrical or spherical, but the shape is not limited to a cylindrical or spherical shape, and a hollow space may be formed in another shape according to a method of forming the hollow space.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 중심부에 원통형 밀폐된 빈공간(301)을 포함하는 핵연료 소결체의 일 실시예는 도 3을 통해 예시하였고, 본 발명에 따른 중심부에 구형 밀폐된 빈공간(401)을 포함하는 핵연료 소결체의 다른 실시예는 도 4의 모식도를 통해 나타내었다. 소결체 중심부 빈공간의 형상은 핵분열기체의 수용능력과 관련이 없기 때문에 형상에 제한은 없다. 하지만 상기 중심부 빈공간의 형상은 소결체 제조공정에 영향을 받기 때문에 제조에 적합한 형상이 기술적으로 바람직하다. 핵연료 분말의 성형 측면에서 중심부 빈공간은 원통형 또는 구형인 것이 바람직하다. In the nuclear fuel sintered body including the hollow space sealed in the central portion according to the present invention, an embodiment of the nuclear fuel sintered body including the cylindrical closed
본 발명에서 제공하는 소결체의 중심부 밀폐공간은 전체 공간부피가 변하지 않는다면 1개 공간 혹은 복수의 작은 공간으로 구성하는 것에 기술적인 차이가 없다. 예를 들어, 중심부 공간이 소결체 부피의 5%라고 하면, 1개의 공간으로 구성하거나 또는 2% 공간 1개 및 3% 공간 1개로 구성할 수 있고, 또 다른 여러 가지 공간의 구성이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위 안에서 소결체의 중심부 공간은 1개 공간 혹은 복수의 작은 공간으로 구성 될 수 있다. The sealing space of the central part of the sintered body provided in the present invention is not technically different from one space or a plurality of small spaces unless the total space volume is changed. For example, if the central space is 5% of the volume of the sintered body, it can be constituted by one space, or 2% space and 1% 3 space, and various other space configurations are possible. Therefore, the central space of the sintered body may be composed of one space or a plurality of small spaces within the scope of the present invention.
또한, 상기 원통형인 밀폐된 빈공간의 직경은 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 이고, 높이는 소결체 높이의 1/5 내지 1/2 인 것이 바람직하다. The diameter of the cylindrical hollow space is preferably 1/5 to 1/2 of the diameter of the sintered body, and the height is preferably 1/5 to 1/2 of the height of the sintered body.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 원통형 밀폐된 빈공간의 직경, 높이가 소결체 직경, 높이의 1/2을 초과하면 소결체가 구조적으로 취약해지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 중심부 빈공간의 최소크기에 대해서 기술적인 제한은 없으나, 소결체 제조의 관점에서는 원통형 빈공간은 소결체 직경 및 높이의 각각의 1/5이 바람직하고, 또한 상기 원통형 밀폐된 빈공간의 직경, 높이가 소결체 직경, 높이의 1/5 미만이라면 핵분열기체의 수용능력이 낮아지는 문제점이 있다. In the nuclear fuel sintered body including the hollow space sealed in the central portion according to the present invention, if the diameter and height of the cylindrical closed hollow space exceed 1/2 of the diameter and height of the sintered body, there arises a problem that the sintered body becomes structurally weak There is no technical limitation on the minimum size of the center hollow space. However, from the viewpoint of manufacturing the sintered body, the cylindrical hollow space is preferably 1/5 of the diameter and height of the sintered body, and the diameter of the cylindrical closed hollow space, If the height is less than 1/5 of the diameter and height of the sintered body, the capacity of the fission gas is lowered.
또한, 상기 구형인 밀폐된 빈공간의 직경은 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 인 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the diameter of the closed hollow space is 1/5 to 1/2 of the diameter of the sintered body.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 구형 밀폐된 빈공간의 직경이 소결체 직경의 1/2을 초과하면 소결체가 구조적으로 취약해지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 중심부 빈공간의 최소크기에 대해서 기술적인 제한은 없으나, 소결체 제조의 관점에서는 구형 빈공간은 소결체 직경 및 높이의 각각의 1/5이 바람직하고, 또한 상기 구형 밀폐된 빈공간의 직경이 소결체 직경의 1/5 미만이라면 핵분열기체의 수용능력이 낮아지는 문제점이 있다.In the nuclear fuel sintered body including the hollow space sealed in the central portion according to the present invention, if the diameter of the spherically-closed hollow space exceeds 1/2 of the diameter of the sintered body, there may arise a problem that the sintered body becomes structurally weak, There is no technical limitation with regard to the minimum size of the void space. However, from the viewpoint of manufacturing the sintered body, the spherical void space is preferably 1/5 of the diameter and height of the sintered body, and the diameter of the spherically- / 5, there is a problem that the capacity of the fission gas is lowered.
또한, 상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간의 압력은 소결체 제조 중에 소결 기체의 압력에 의해서 결정되며 대기압인 것이 바람직하다. The pressure of the closed space in the sintered body is preferably determined by the pressure of the sintering gas during the production of the sintered body and is preferably atmospheric pressure.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 핵연료봉의 제조를 위해서 피복관 안에 핵연료 소결체를 장입한 후 핵연료봉 내부는 통상적으로 헬륨기체를 약 20기압으로 충전하고 봉단마개를 피복관에 용접한다. 따라서 핵연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 및 피복관과 소결체 사이 공간과 같은 내부공간에는 상기 압력의 헬륨기체가 채워지게 된다. 상기 소결체는 종래의 일반적인 소결체의 제조방법에 의해 형성되고, 제조 공정 중 소결 기체 압력의 공정조건은 대기압에서 실시된다. 그에 따라 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체의 중심부 밀폐된 빈공간은 대기압을 갖게 된다. 따라서 중심 공간의 핵분열기체 압력이 점점 높아져서 연료봉 내부기체 압력과 같아질 때까지 상기 중심 공간은 우선적으로 핵분열기체를 수용하게 된다. 따라서 연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 또는 갭 공간과 비교하여 동일한 부피에서도 훨씬 더 많은 핵분열기체를 수용하는 장점이 있다.In order to manufacture a nuclear fuel rod, a nuclear fuel sintered body is charged in a cladding tube and then a helium gas is charged into the nuclear fuel rod at a pressure of about 20 atmospheres. . Therefore, the pressure of the helium gas is filled in the inner space such as the plenum space in the fuel rod and the space between the cladding tube and the sintered body. The sintered body is formed by a conventional method of manufacturing a sintered body, and the processing conditions of the sintering gas pressure during the manufacturing process are performed at atmospheric pressure. Accordingly, the sealed space at the center of the nuclear fuel sintered body including the hollow space sealed at the center has an atmospheric pressure. Thus, the center space preferentially receives the fission gas until the fission gas pressure in the central space becomes higher and equal to the gas pressure inside the fuel rod. Thus, there is an advantage of accommodating far more fission gases even in the same volume compared to the plenum space or gap space present in the fuel rod.
이때, 상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간은 핵분열기체(Nuclear Fission Gas)를 수용하는 것이 바람직하다. At this time, the closed hollow space in the sintered body preferably accommodates a nuclear fission gas.
본 발명에 따른 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 소결체 연소 중 내부에서 생성된 핵분열기체가 확산에 의해서 이동하여 소결체 외부로 방출된다. 확산은 온도의 지수 함수에 비례하고, 연소 중 소결체의 중심부 온도는 매우 큰 반면, 소결체의 표면은 직접 맞닿는 헬륨기체에 열전달이 이루어져 상대적으로 낮은 온도를 나타낸다. 이러한 이유로 핵분열기체의 이동은 주로 소결체 중심부에서 발생하고, 소결체 중심부에 존재하며 대기압 환경인 빈공간은 발생한 핵분열 기체를 효율적으로 수용할 수 있다. In the nuclear fuel sintered body including the void space sealed in the center portion according to the present invention, the fission gas generated inside the sintered body combustion is moved by diffusion and is released to the outside of the sintered body. The diffusion is proportional to the exponential function of temperature, and the temperature of the center of the sintered body during combustion is very large, while the surface of the sintered body exhibits a relatively low temperature due to heat transfer to the directly contacting helium gas. For this reason, the movement of the fission gas mainly occurs in the center of the sintered body, and the void space, which exists in the center of the sintered body and is atmospheric pressure environment, can efficiently receive the generated fission gas.
더욱 나아가, 본 발명은Further,
중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉을 제공한다. A fuel rod including a nuclear fuel sintered body including a hollow space sealed in the center thereof.
본 발명에 따른 중심부에 원통형 및 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉은 도 5의 모식도를 통해 나타내었다. 상기의 핵연료봉은 피복관(501)과 피복관 내에 장입되는 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체(503), 핵연료가 장입되지 않은 빈공간인 플레넘(504), 피복관 상단, 하단을 외부와 차단하는 봉단마개(502)로 구성된다. 핵연료봉 내부의 빈공간은 통상적으로 20기압의 헬륨 기체로 채워진다. A fuel rod including a nuclear fuel sintered body including a cylindrical space and a spherical sealed space at the center according to the present invention is shown in the schematic view of FIG. The nuclear fuel rod includes a
본 발명에 따른 중심부에 원통형 및 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체를 포함하는 핵연료봉에 있어서, 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료의 도입으로 핵연료봉 내에 핵분열기체를 수용할 수 있는 추가적인 공간이 발생하고, 이것으로 핵연료봉의 내부압력 상승을 억제할 수 있는 장점이 있다. In a fuel rod comprising a nuclear fuel sintered body including a cylindrical and spherically closed hollow space in the central portion thereof according to the present invention, the introduction of the nuclear fuel including the closed space at the center thereof, And there is an advantage that the internal pressure rise of the fuel rod can be suppressed.
본 발명에서 제공하는 핵연료봉은 내부기체 압력이 약 20기압 상태에 있으나, 이에 포함되는 소결체의 중심부 공간은 대기압 또는 그 이하의 기압 상태이다. 이는 상기 소결체가 밀폐되어, 중심부 공간이 헬륨기체로 채워지지 않았기 때문이다. 따라서 중심 공간의 핵분열기체 압력이 점점 높아져서 연료봉 내부기체 압력과 같아질 때까지 상기 중심 공간은 우선적으로 핵분열기체를 수용하게 된다. 따라서 연료봉 안에 존재하는 플레넘 공간 또는 갭 공간과 비교하여 동일한 부피에서도 훨씬 더 많은 핵분열기체를 수용하는 장점이 있다.The fuel rod provided in the present invention has the inner gas pressure of about 20 atmospheric pressure, but the central space of the sintered body contained therein is at atmospheric pressure or lower. This is because the sintered body is sealed and the central space is not filled with helium gas. Thus, the center space preferentially receives the fission gas until the fission gas pressure in the central space becomes higher and equal to the gas pressure inside the fuel rod. Thus, there is an advantage of accommodating far more fission gases even in the same volume compared to the plenum space or gap space present in the fuel rod.
100: 원통형 핵연료 소결체
200: 환형 핵연료 소결체
201: 중심 관통부
300: 중심부에 원통형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체
301: 원통형 밀폐된 빈공간
400: 중심부에 구형 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체
401: 구형 밀폐된 빈공간
500: 핵연료봉
501: 핵연료봉 피복관
502: 핵연료봉 봉단마개
503: 중심부에 밀폐된 빈공간을 포함하는 핵연료 소결체
504: 핵연료봉 플레넘100: Cylindrical nuclear fuel sintered body
200: annular fuel sintering body
201:
300: a nuclear fuel sintering body including a cylindrical sealed space at the center thereof
301: Cylindrical sealed space
400: nuclear fuel sintered body including spherical sealed space at its center
401: spherical sealed space
500: Nuclear fuel rod
501: Nuclear fuel rod cladding
502: Nuclear fuel rod cap
503: nuclear fuel sintered body including a hollow space sealed in the center
504: Nuclear fuel rod plenum
Claims (10)
And a hollow space sealed in the center portion.
상기 핵연료 소결체의 형태는 원통형인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the shape of the nuclear fuel sintered body is a cylindrical shape.
상기 원통형 소결체의 직경은 7mm 내지 12mm이고, 높이는 9mm 내지 14 mm 인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
3. The method of claim 2,
Wherein the cylindrical sintered body has a diameter of 7 mm to 12 mm and a height of 9 mm to 14 mm.
상기 핵연료 소결체는 이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)의 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
The nuclear fuel sintered bodies of uranium dioxide (UO 2), plutonium dioxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2) nuclear fuel sintered compact, it characterized in that it comprises at least one member selected from the group of.
상기 밀폐된 빈공간의 형상은 원통형 또는 구형인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the shape of the closed hollow space is cylindrical or spherical.
상기 원통형인 밀폐된 빈공간의 직경은 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 이고, 높이는 소결체 높이의 1/5 내지 1/2 인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
6. The method of claim 5,
Wherein the diameter of the cylindrical hollow space is 1/5 to 1/2 of the diameter of the sintered body and the height is 1/5 to 1/2 of the height of the sintered body.
상기 구형인 밀폐된 빈공간의 직경은 소결체 직경의 1/5 내지 1/2 인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
6. The method of claim 5,
And the diameter of the spherical closed space is 1/5 to 1/2 of the diameter of the sintered body.
상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간의 압력은 대기압인 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the pressure of the sealed space in the sintered body is atmospheric pressure.
상기 소결체 내에 있는 밀폐된 빈공간은 핵분열기체(Nuclear Fission Gas)를 수용하는 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the sealed space in the sintered body accommodates a nuclear fission gas.
A nuclear fuel rod comprising the nuclear fuel sintered body according to claim 1.
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