KR20180059399A - Sintered nuclear fuel pellet with localized burnable absorber - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel pellet including a local combustible absorber and, more specifically, to a fuel pellet in which a molded object of a combustible absorber is inserted. The fuel pellet can use a molded object of a combustible absorber and optimize self-shielding and burning velocity of combustion of the combustible absorber, thereby optimizing excess reactivity control.

Description

국부의 가연성흡수체를 포함하는 핵연료 소결체{SINTERED NUCLEAR FUEL PELLET WITH LOCALIZED BURNABLE ABSORBER} FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a nuclear fuel sintered body including a combustible absorber,

본 발명은, 자체차폐(self-shielding) 성능의 조절이 가능한 국부의 가연성흡수체를 포함하는 핵연료 소결체에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel sintered body including a local combustible absorber capable of adjusting self-shielding performance.

원자로는 핵연료의 핵분열을 이용하여 에너지를 얻는 로(爐)로서, 상기 원자로 내에서는 핵분열시에 방출되는 중성자가 또 다른 핵분열을 일으키는 연쇄반응에 의하여 에너지가 얻어진다. 이때, 원자로를 보다 안전하고 경제적으로 운전하기 위해 노심의 반응도 및 원자로 출력분포를 적절히 제어할 필요가 있다.   A reactor is a furnace for obtaining energy by using nuclear fission of nuclear fuel. In the reactor, energy is obtained by a chain reaction in which neutrons released during fission cause another fission. At this time, in order to operate the reactor more safely and economically, it is necessary to appropriately control the reactivity of the reactor core and the distribution of the reactor power.

통상의 원자로에서는 중성자를 흡수하는 물질로 이루어진 제어봉의 기계적인 삽입 혹은 인출을 통해 반응도를 조절한다. 제어봉에 의한 노심의 반응도 제어는 노심의 반응도를 빠르게 제어할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 일반적으로 제어봉은 노심에 국부적으로 삽입되기 때문에 제어봉만으로는 노심의 반응도 및 출력분포를 동시에 성공적으로 제어하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 잉여반응도가 크다면 제어봉의 기계적 움직임 역시 함께 커져야 하고 이로 인한 반응도 조절의 불확실도 증가는 물론 사고의 위험성도 증가할 수 있다. In a typical reactor, the reactivity is controlled by mechanical insertion or withdrawal of a control rod made of a material that absorbs neutrons. Control of core reactivity by control rod has the advantage of controlling reactor core reactivity quickly. However, in general, since the control rod is locally inserted into the core, there is a problem that it is difficult to simultaneously control the reactivity and the power distribution of the core simultaneously with the control rod alone. In addition, if the surplus response is large, the mechanical motion of the control rod must also increase together with the uncertainty of the control of the response, thereby increasing the risk of accidents.

이러한 이유로 통상의 원자로에서는 다른 방법을 이용해 잉여반응도를 낮춘 후 제어봉을 이용해 추가적인 반응도 제어를 하게 된다. 잘 알려진 방법 중 하나는 냉각재에 중성자 흡수 물질인 붕산수를 섞는 방법이다. 냉각수에 포함되어 있는 붕소의 농도를 조절하여 노심의 반응도를 제어하는 경우, 붕소가 원자로의 냉각재에 균일하게 혼합되어 사용되기 때문에, 노심의 출력분포 왜곡을 최소화하면서 반응도를 제어할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 냉각재에 붕소의 주입과 희석에 많은 시간이 필요하기 때문에, 노심의 반응도를 빠르게 제어할 필요가 있는 경우에는 붕산을 이용한 노심의 반응도 제어를 사용할 수 없다는 문제가 있으며, 또한 붕소를 이용한 노심의 반응도 제어의 경우 붕소의 농도를 낮추는 과정은 다량의 방사성 액체 폐기물을 발생시키는 문제도 있다. 한편, 일차 냉각재 계통의 수용성 붕소의 농도를 제어하기 위해서는 '화학 및 체적 제어계통(CVCS)'이라는 비싸고 복잡한 장치가 요구된다. 또한, 산성을 띄고 있는 붕소를 포함한 냉각수(붕산수)의 pH를 중화하기 위해 LiH를 냉각재에 다시 혼합하는데 LiH와 중성자가 반응하면서 많은 양의 삼중수소를 생성할 뿐만 아니라 붕산수는 그 자체로 원자로 일차 냉각재 계통을 이루는 구조재 및 핵연료 피복관 등의 부식을 유발하여 원자로 운전성능을 저하시키는 결과를 초래하는 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라, 냉각재 내부 붕소의 농도가 매우 높은 경우 냉각재 온도계수가 영(Zero)에 매우 가깝거나 양수가 될 수 있는데, 이와 같은 양의 냉각재 온도계수는 안전성 관점에서 바람직하지 않기 때문에 이를 해결하는 것은 가압경수로 안전성 관련 현안의 하나이다.For this reason, ordinary reactors use other methods to lower the surplus reactivity and then control the reactivity using the control rod. One well-known method is to mix the coolant with the boron-containing water, a neutron absorbing material. In the case of controlling the reactivity of the core by controlling the concentration of boron contained in the cooling water, since the boron is uniformly mixed with the coolant of the reactor, it is advantageous to control the reactivity while minimizing distortion of the output distribution of the core . However, since it takes a lot of time to inject and dilute boron in the coolant, there is a problem in that it is not possible to use the reaction control of the core using boric acid when it is necessary to control the reactivity of the core rapidly, In the case of reactivity control, the process of lowering the boron concentration also generates a large amount of radioactive liquid waste. On the other hand, in order to control the concentration of water-soluble boron in the primary coolant system, an expensive and complicated device called " Chemical and Volumetric Control System (CVCS) " is required. In addition, in order to neutralize the pH of the cooling water (boric acid) containing acid which is acidic, LiH is mixed again with the coolant, and LiH reacts with the neutrons to generate a large amount of tritium. In addition, It is known to cause corrosion of structural members and fuel cladding which constitute the system, resulting in deterioration of reactor operation performance. In addition, if the concentration of boron in the coolant is very high, the coolant temperature coefficient can be very close to zero or positive. Since such a coolant temperature coefficient is not desirable from a safety point of view, It is one of safety related issues.

무붕산 혹은 저붕산 운전을 고려하는 것은 원자로의 안전성을 향상시키기 위한 자연스러운 고민이며 이를 위해 소위 말하는 가연성흡수체 개념을 사용하는 것이 일반적이다. 가연성흡수체는 강한 중성자 흡수물질로 작용하지만 일단 중성자를 흡수하여 다른 핵종으로 변환되면 중성자 흡수단면적이 크게 감소하는 특성을 가진다. 대표적인 가연성흡수체로서 가돌리니움(Gadolinium, Gd), 어비움(Erbium, Er), 붕소(Boron, B) 등이 사용된다. 가압경수로에서는 일반적으로 가돌리니움 (Gd)과 어비움(Er)은 Gd2O3 및 Er2O3 형태로 UO2 핵연료와 적절하게 혼합되어 사용된다. 한편, 상기 희토류 가연성흡수체 중 어비움은 잔존 독작용이 비교적 크다는 문제점이 있어서 자주 사용되지 않으나, 주기길이가 매우 긴 노심의 경우 비교적 효율적인 가연성흡수체로서 사용될 수 있다. 가돌리니움의 경우 잔존 독작용이 적어서 가연성흡수체로 흔히 사용되는데, 가돌리니움을 핵연료와 혼합하는 경우 핵연료의 열전도도가 감소하여 가돌리니움이 혼합된 핵연료는 일반적으로 출력밀도가 매우 낮게 설계되는 단점이 있다. 따라서 현재와 같이 가돌리니움을 사용하는 경우 다량의 가돌리니움을 사용할 수가 없다. 또한 현재와 같이 핵연료와 Gd2O3를 혼합하는 경우 가돌리니움의 연소가 매우 빨라서 노심의 주기길이가 긴 경우에는 적용하기 어렵다.Considering non-boric acid or low-boric acid operation is a natural problem to improve the safety of nuclear reactors and it is common to use the so-called flammable absorber concept. The combustible absorber acts as a strong neutron absorber, but once absorbed by neutrons and converted into other nuclides, the neutron absorption cross section is greatly reduced. Gadolinium (Gd), Erbium (Er), Boron (B) and the like are used as typical combustible absorbers. In pressurized light water reactors, gadolinium (Gd) and erbium (Er) are generally used in the form of Gd 2 O 3 and Er 2 O 3 mixed properly with UO 2 fuel. On the other hand, the void in the rare earth combustible absorber is not frequently used because it has a relatively large residual toxic effect, but can be used as a relatively efficient combustible absorber in a core having a very long cycle length. When gadolinium is mixed with nuclear fuel, the thermal conductivity of the fuel decreases, so that the fuel with mixed gadolinium is generally designed to have a very low power density There are disadvantages. Therefore, you can not use a large amount of Gadolinium when you use Gadolinium. Also, when the nuclear fuel and Gd 2 O 3 are mixed as in the present case, the doline is burned very quickly, so that it is difficult to apply when the cycle length of the core is long.

붕소의 경우 ZrB2를 매우 얇게 UO2 연료봉에 피복하여 사용하는 소위 IFBA (Integrated Fuel Burnable Absorber)라 불리는 개념으로 흔히 사용된다. 또한, 붕소의 경우 B4C와 같은 붕소 화합물을 특수한 형상으로 제작하여 제어봉 안내관 내부에 장전하는 방식으로 사용되기도 하며, 대표적인 개념으로 WABA (Wet Annular Burnable Absorber)를 들 수 있다. 붕소의 경우 중성자를 흡수하면 헬륨 가스가 생성되기 때문에 핵연료와 혼합하여 사용하기 어려워 IFBA와 같은 방식으로 사용되거나 WABA와 같이 안내관에 장전하는 방식이 사용된다. 붕소의 경우 중성자 흡수단면적이 비교적 적어서 IFBA형태로 사용하는 경우 상대적으로 훨씬 많은 수의 연료봉에 IFBA를 장전해야 한다. 또한, WABA와 같이 제어봉 안내관에 가연성흡수체를 장전하면 제어봉의 삽입을 제한하는 문제점을 야기하여 WABA의 경우 가연성흡수체의 사용은 제한적이다.In the case of the boron ZrB 2 extremely thin are often used in a so-called IFBA concept called (Integrated Fuel Burnable Absorber) used to cover the UO 2 fuel rods. In addition, in the case of boron, a boron compound such as B 4 C is produced in a special shape and is loaded in the control rod guide tube. As a typical concept, WABA (Wet Annular Burnable Absorber) is exemplified. In the case of boron, it absorbs neutrons and helium gas is generated. Therefore, it is difficult to mix it with nuclear fuel, so it is used in the same way as IFBA, or in the same way as WABA. In the case of boron, the neutron absorption cross-sectional area is relatively small, so when using IFBA type, a relatively large number of fuel rods must be loaded with IFBA. In addition, the use of flammable absorbers is limited in WABA, as loading of flammable absorbers into the control rod guide tube, like WABA, limits the insertion of control rods.

상술한 바와 같이, 다양한 종류의 가연성흡수체가 핵연료집합체에 사용되고 있으나, 그 사용에 있어서 상당히 제한적으로 사용되고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 출원인은 보다 효과적으로 노심의 반응도 및 출력분포를 제어할 수 있는 새로운 개념의 가연성흡수체 개념을 강구하게 되었다.As described above, various types of combustible absorbers are used in fuel assemblies, but they are used in a limited manner in their use. Accordingly, the applicant of the present invention has come up with a new concept of combustible absorber concept which can more effectively control the reactivity and power distribution of the core.

전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 통상의 원자로에서 큰 설계 변화 없이 장전할 수 있고, 각 원자로의 특성에 맞게 잉여반응도를 최적화할 수 있는, 핵연료 소결체를 제공하는 것이다. The object of the present invention is to provide a nuclear fuel sintered body which can be loaded without changing a large design in a normal reactor and can optimize surplus reactivity according to the characteristics of each reactor.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 양상은, Aspects of the present invention,

내부에 가연성흡수체의 성형체가 삽입된, 핵연료 소결체에 관한 것이다. And a molded body of a combustible absorber is inserted into the inside of the fuel sintered body.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 부정형, 실린더, 디스크, 구형, 로드, 필름 및 다각기둥 형태로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorber may include at least one member selected from the group consisting of a pseudo cylinder, a cylinder, a disk, a sphere, a rod, a film and a polygonal column.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 상기 핵연료 소결체의 전체 부피에 대해 50 부피% 이하로 삽입될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorber can be inserted at not more than 50% by volume based on the total volume of the nuclear fuel sintered body.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 상기 핵연료 소결체의 중심 영역, 표면 영역 또는 이 둘에 삽입될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorber may be inserted into the central region, the surface region, or both of the nuclear fuel sintered bodies.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 단일 또는 복수개로 삽입되고, 복수개로 삽입될 경우에, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 동일하거나 또는 상이한 형태 및 크기로 삽입될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, when the molded body of the combustible absorber is inserted singly or plurally, and when it is inserted in a plurality, the molded body of the combustible absorber may be inserted with the same or different shape and size.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가연성흡수체의 성형체는, Gd2O3; Er2O3; 및 CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 Y2O3-ZrO2 (yttria-stabilized zirconia)로 안정화된 Gd2O3 및 Er2O3으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorber comprises Gd 2 O 3 ; Er 2 O 3 ; And CeO 2, In 2 O 3, Y 2 O 3, ThO 2, TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and Y 2 O 3 -ZrO 2 and Gd 2 O 3 and Er 2 O 3 stabilized with yttria-stabilized zirconia.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 Y2O3-ZrO2는 Gd2O3 및 Er2O3 대해 1 중량% 내지 60 중량%로 포함될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the CeO 2 , In 2 O 3 , Y 2 O 3 , ThO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3, and Y 2 O 3 -ZrO 2 are Gd 2 O 3 And Er 2 O 3 By weight to 60% by weight.

본 발명은, 핵연료 소결체 중심부에 장전된 가연성흡수체 (Centrally-shielded Burnable Absorber, CSBA)을 도입하여, 원자로의 잉여반응도를 효과적으로 감소시킬 수 있다.The present invention can effectively reduce the surplus reactivity of a reactor by introducing a centrally-shielded burnable absorber (CSBA) in the center of the nuclear fuel sintered body.

본 발명은, 가연성흡수체의 표면적을 최적화하여, 핵연료 내에서 적절한 가연성흡수체의 연소 속도 및 자체차폐를 조절할 수 있다.The present invention can optimize the surface area of a combustible absorber to control the burning rate and self-shielding of an appropriate combustible absorber in the fuel.

본 발명은, 핵연료의 출력 및 수명 등에 따라 가연성흡수체의 크기, 형태, 위치 등을 조절하여, 핵연료의 성능을 최적화할 수 있다. The present invention can optimize the performance of the nuclear fuel by controlling the size, shape and position of the combustible absorber according to the output and the life of the fuel.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 핵연료 소결체를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예 1에서 계산된 CSBA의 효과에 대한 결과를 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a schematic view of a nuclear fuel sintered body according to an embodiment of the present invention.
2 shows the results of the CSBA effect calculated in the first embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, 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. Also, terminologies used herein are terms used to properly represent preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the user, intent of the operator, or custom in the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

본 발명은, 핵연료 소결체에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 핵연료 소결체는, 잉여반응도를 효과적으로 조절하고, 원자로 또는 핵연료의 조건에 따라, 가연성흡수체의 반응 속도 및 자체차폐를 가변적으로 조절할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the nuclear fuel sintered body effectively controls the surplus reactivity and adjusts the reaction rate and self shielding of the combustible absorber in accordance with the conditions of the reactor or the fuel. Can be adjusted.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 핵연료 소결체는, 핵연료 소결체 내에 가연성흡수체의 성형체가 삽입된 것일 수 있다. 상기 가연성흡수체의 성형체는, 가연성흡수체가 벌크화된 성형체이며, 자체적인 차폐성을 나타내고, 잉여반응도를 최소화하기 위해서, 형태를 자유로이 조절하여 삽입될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the fuel sintered body may be a molded body of a combustible absorber inserted in a nuclear fuel sintered body. The molded article of the combustible absorber is a molded article in which the combustible absorber is bulk-formed, can exhibit its own shielding property, and can be inserted in a freely adjustable shape in order to minimize surplus reactivity.

본 발명의 일 예로, 가연성흡수체의 성형체는, 다공성일 수 있으며, 이는, 핵분열에 의해 생성된 기체를 다공성의 가연성흡수체 내에 보관할 수 있고, 가연성흡수체가 용융되더라도 핵연료 밖으로 유출되는 것을 방지할 수 있다.As an example of the present invention, the molded article of the combustible absorber may be porous, which can store the gas produced by the fission in a porous combustible absorber and prevent the combustible absorber from flowing out of the nuclear fuel even if it is melted.

본 발명의 일 예로, 상기 핵연료 소결체에 대한 상기 가연성흡수체의 성형체의 부피 분율은, 연소 속도 및 자체차폐 현상의 조절에 의해서, 핵연료의 수명 및 출력을 최적화하기 위해 적절하게 조절할 수 있으며, 바람직하게는 상기 핵연료 소결체 전체 부피에 대해 50 부피% 이하; 2 부피% 내지 30 부피%; 2 부피% 내지 20 부피%; 또는 2 부피% 내지 10 부피%의 부피분율로 삽입될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the volume fraction of the molded article of the combustible absorber relative to the nuclear fuel sintered body can be appropriately adjusted to optimize the life and output of the nuclear fuel by controlling the burning rate and the self shielding phenomenon, 50% by volume or less based on the total volume of the nuclear fuel sintered body; 2% by volume to 30% by volume; 2% by volume to 20% by volume; Or at a volume fraction of 2% to 10% by volume.

본 발명의 일 예로, 상기 가연성흡수체의 성형체의 형태, 개수, 삽입위치 및/또는 크기에 따라 가연성흡수체의 연소 속도 및 자체차폐를 적절히 조절하여 잉여반응도를 최적화할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the burning rate of the combustible absorber and the self shielding can be appropriately adjusted according to the shape, the number, the insertion position and / or the size of the molded article of the combustible absorber to optimize the surplus response.

예를 들어, 상기 가연성흡수체의 성형체의 형상은, 부정형, 실린더, 디스크, 구형, 로드, 필름 및 다각기둥 형태로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 구형, 부정형 및 실린더일 수 있다. 예를 들어, 상기 가연성흡수체의 성형체의 형상에 따라 가연성흡수체의 연소 속도 및 자체차폐 현상를 조절할 수 있다. For example, the shape of the molded article of the combustible absorber may include at least one member selected from the group consisting of irregular shape, cylinder, disk, spherical shape, rod, film and polygonal shape, Lt; / RTI > For example, depending on the shape of the molded article of the combustible absorber, the burning rate of the combustible absorber and the self-shielding phenomenon can be controlled.

본 발명의 일 예로, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 단일 또는 복수개로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 복수개로 삽입될 경우에, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 동일하거나 또는 상이한 형태 및 크기로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 복수개로 삽입될 경우에, 가연성흡수체의 연소 속도를 조절할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorber may be inserted singly or plurally. For example, when inserted in a plurality, the molded body of the combustible absorber can be inserted with the same or different shape and size. For example, when inserted in a plurality, the burning rate of the combustible absorber can be adjusted.

예를 들어, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 핵연료 소결체를 예시적으로 나타낸 것으로, 자체차폐 현상을 최대화해서 가연성흡수체의 연소를 느리게 해야 한다면 1개의 구(spherical) 형태로 가연성흡수체의 성형체를 삽입하고, 자체차폐 현상을 최소화하여, 가연성흡수체의 연소를 빠르게 해야 한다면 동일한 부피의 가연성흡수체를 3개로 나누어 3 spherical balls와 같은 형태로 삽입할 수 있다.  For example, referring to FIG. 1, FIG. 1 exemplarily shows a nuclear fuel sintered body according to an embodiment of the present invention. In order to maximize self-shielding and slow combustion of a combustible absorber, If the molded body of a combustible absorber is inserted into a spherical shape and the combustion of the combustible absorber is to be accelerated by minimizing the self shielding phenomenon, the combustible absorber of the same volume can be divided into three pieces and inserted in the form of 3 spherical balls .

본 발명의 일 예로, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 상기 핵연료 소결체의 전체에 걸쳐 삽입되거나 또는 중심 영역, 표면 영역, 또는 이 둘에 삽입될 수 있다. 이는, 가연성흡수체의 성형체의 삽입 위치에 따라, 연소 속도 및 자체차폐 현상을 조절할 수 있고, 핵연료 소결체의 중심부에 가연성흡수체의 성형체를 삽입할 경우에, 핵연료 중심부에서의 과도한 핵분열에 따른 온도가 높아지는 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 극한적인 과도(transient) 상황에서 가연성흡수체가 핵연료보다 먼저 용융하더라도 가연성흡수체는 핵연료 외부로 방출될 수 없는 특징을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorber may be inserted all over the nuclear fuel sintered body or inserted into the central region, the surface region, or both. This is because it is possible to control the burning rate and the self shielding phenomenon according to the insertion position of the molded article of the combustible absorber and to increase the temperature due to excessive fission at the central portion of the nuclear fuel when the molded article of the combustible absorber is inserted into the center portion of the nuclear fuel sintered body And the combustible absorber can not be released to the outside of the nuclear fuel even if the combustible absorber melts before the nuclear fuel in an extreme transient situation.

예를 들어, 도 1을 참조하면, Spherical ball core, Cylindrical core, Surface mini-pellets, Mini-pellet core 등과 같이 다양한 형태의 가연성흡수체의 성형체와 다양한 위치에 삽입된 가연성흡수체의 성형체를 적용할 수 있다. For example, referring to FIG. 1, a molded body of various types of combustible absorbers such as a spherical ball core, a cylindrical core, a surface mini-pellet, and a mini-pellet core and a molded body of a combustible absorber inserted in various positions can be applied .

본 발명의 일 예로, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 10 mm 이하; 1 mm 이하; 1 ㎛ 내지 1.5 mm; 또는 1 ㎛ 내지 900 ㎛의 크기를 포함할 수 있으며, 상기 크기는, 성형체의 형태에 따라 직경, 반경, 또는 높이일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the molded article of the combustible absorbent is 10 mm or less; 1 mm or less; 1 μm to 1.5 mm; Or from 1 [mu] m to 900 [mu] m, and the size may be a diameter, a radius, or a height depending on the shape of the molded body.

본 발명의 일 예로, 상기 가연성흡수체는, 핵연료에 적용 가능한 자체차폐 현상을 제공하는 물질이라면, 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, Gd2O3; Er2O3; 및 CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 Y2O3-ZrO2 (yttria-stabilized zirconia) 중 적어도 하나에 의해서 안정화된 Gd2O3 Er2O3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 Gd2O3; 및 ZrO2 또는 Y203-ZrO2 (yttria-stabilized zirconia)로 안정화된 Gd2O3일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the combustible absorber can be applied without restriction as long as it provides a self-shielding phenomenon applicable to nuclear fuel, for example, Gd 2 O 3 ; Er 2 O 3 ; And CeO 2, In 2 O 3, Y 2 O 3, ThO 2, TiO 2, ZrO 2, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 -ZrO 2 (yttria-stabilized zirconia) stabilized by at least one of Gd 2 O 3, and Er 2 O 3, and the like. Preferably Gd 2 O 3 ; And Gd 2 O 3 stabilized with ZrO 2 or Y 2 O 3 -ZrO 2 (yttria-stabilized zirconia).

예를 들어, CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 Y2O3-ZrO2(yttria-stabilized zirconia) 중 적어도 하나는, Gd2O3 및/또는 Er2O3에 대해 1 중량% 내지 70 중량%; 1 중량% 내지 60 중량%; 또는 3 내지 30 중량%; 로 첨가될 수 있다. 상기 함량 범위 내에 포함되면, 상변화가 안정화되어 소결체의 건전성이 향상될 수 있다. For example, at least one of CeO 2 , In 2 O 3 , Y 2 O 3 , ThO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3, and Y 2 O 3 -ZrO 2 2 O 3 and / or 1% to 70% by weight based on Er 2 O 3 ; 1% to 60% by weight; Or 3 to 30% by weight; Lt; / RTI > When the content is within the above range, the phase change is stabilized and the integrity of the sintered body can be improved.

본 발명의 일 예로, 상기 가연성흡수체의 성형체는, 코어 및 쉘로 이루어진 구조체일 수 있으며, 예를 들어, Gd2O3, Er2O3 또는 이둘을 포함하는 코어; 및 상기 코어를 둘러싸고, CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, 및 Y2O3-ZrO2 (yttria-stabilized zirconia) 중 1종 이상을 포함하는 쉘; 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 쉘은, Gd2O3, Er2O3, 또는 이 둘을 더 포함할 수 있다.As an example of the present invention, the molded article of the combustible absorber may be a structure composed of a core and a shell, and may be a structure made of, for example, Gd 2 O 3 , Er 2 O 3 Or core; And at least one of CeO 2 , In 2 O 3 , Y 2 O 3 , ThO 2 , A shell comprising at least one of TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , and Y 2 O 3 -ZrO 2 (yttria-stabilized zirconia); . ≪ / RTI > For example, the shell may further comprise Gd 2 O 3 , Er 2 O 3 , or both.

예를 들어, UO2는, 핵연료 물질이며, 상기 핵연료 복합 소결체의 소결 시 열팽창 불일치에 따른 균열을 억제할 수 있다.For example, UO 2 is a fuel material, and cracks due to thermal mismatch during sintering of the fuel composite sintered body can be suppressed.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 핵연료 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 상기 핵연료 복합 소격체의 제조방법은, 가연성흡수체의 성형체를 이용하여 소결 시 열팽창 및 상변태 특성이 조절이 잘 이루어지고, 가연성흡수체의 성형체의 삽입위치, 크기, 형태 등을 적절하게 조절하므로, 자체차폐 현상을 자유롭게 조절할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel sintered body, wherein a thermal expansion and a phase transformation property are well controlled during sintering using a molded body of a combustible absorber, Size, shape, and the like of the molded article of the absorber are appropriately adjusted, so that the self-shielding phenomenon can be freely adjusted.

본 발명의 일 실시예에 따라, 가연성흡수체의 분말을 가압성형하여 가연성흡수체의 성형체를 제조하고, 핵연료 물질과 상기 가연성흡수체를 혼합하여, 핵연료 물질 내에 가연성흡수체가 삽입된 핵연료 성형체를 제조할 수 있다. 다음으로, 상기 핵연료 성형체를 소결하여, 가연성흡수체가 삽입된 핵연료 소결체를 획득할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a molded body of a combustible absorber can be produced by press molding the powder of the combustible absorber, and the fuel material and the combustible absorber can be mixed to produce a nuclear fuel assembly having a combustible absorber inserted into the nuclear fuel material . Next, the nuclear fuel compact is sintered to obtain a nuclear fuel sintered body having the combustible absorber inserted therein.

예를 들어, 가연성흡수체 분말은, 100 ㎛ 이하; 50 ㎛; 또는 100 nm 내지 1 ㎛의 입자 크기를 포함할 수 있다.For example, the combustible absorber powder has a particle size of 100 mu m or less; 50 탆; Or a particle size of 100 nm to 1 占 퐉.

예를 들어, 상기 핵연료 물질 전체 중량에 대해 1 중량% 내지 10 중량%; 또는 2 중량% 내지 4 중량%의 가연성흡수체의 성형체가 혼합될 수 있다. For example, 1% to 10% by weight, based on the total weight of the fuel material; Or 2% by weight to 4% by weight of the molded article of the combustible absorber may be mixed.

예를 들어, 상기 핵연료 성형체는, 공기, 비활성 기체 분위기 또는 환원성 기체 분위기에서 1000 ℃ 내지 1800 ℃; 또는 1300 ℃ 내지 1600 ℃의 온도에서 1분 내지 10시간; 5분 내지 1시간; 또는 10분 내지 30분 동안 소결될 수 있다.For example, the nuclear fuel compact may be heated in air, an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere at a temperature of 1000 ° C to 1800 ° C; Or from 1 minute to 10 hours at a temperature of from 1300 占 폚 to 1600 占 폚; 5 minutes to 1 hour; Or for 10 minutes to 30 minutes.

예를 들어, 상기 소결은, 소결로 또는 마이크로웨이브 소결장치를 이용할 수 있고, 바람직하게는 마이크로웨이브 소결장치를 이용할 수 있다. For example, the sintering can be performed using a sintering furnace or a microwave sintering apparatus, and preferably a microwave sintering apparatus can be used.

본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위, 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.The present invention is not limited thereto but may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope of the present invention as set forth in the following claims, The present invention can be variously modified and changed.

실시예 1Example 1

상용 노심에 대한 전산계산을 통해서 CSBA의 효과를 테스트하였다. 테스트를 위해 웨스팅하우스의 AP1000 노심에 사용된 핵연료집합체 모델이 고려되었다. 통상 AP1000 모델에서 사용되는 IFBA 및 도 1에 제시된 CSBA와 비교하였고, 그 결과는 도 2에 나타내었다. The effect of CSBA was tested through computational calculations for commercial core. A nuclear fuel assembly model used in Westinghouse's AP1000 core was considered for testing. And compared with the IFBA used in the AP1000 model and the CSBA shown in Fig. 1, and the result is shown in Fig.

도 2를 살펴보면, CSBA의 최적화를 통해 IFBA보다 나은 잉여반응도 조절이 가능하고, CSBA는 노심 설계에 맞는 최적화가 가능한 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that optimization of CSBA enables better control of surplus response than IFBA, and that CSBA can be optimized for core design.

본 발명은, 가연성흡수체의 성형체의 형태, 크기, 삽입 위치 등을 다양하게 조절하여, 핵연료 내에서 잉여반응도를 효과적으로 제어할 수 있는, 핵연료 소결체를 제공할 수 있다. The present invention can provide a nuclear fuel sintered body capable of effectively controlling surplus reactivity in the fuel by variously controlling the shape, size, and insertion position of the molded body of the combustible absorber.

Claims (8)

내부에 가연성흡수체의 성형체가 삽입된 것이고,
상기 성형체는 자체 차폐성을 가지는 것이고,
상기 성형체는 핵연료를 포함하지 않는 것이고,
상기 가연성흡수체의 성형체의 삽입 위치, 크기 및 형태 중 1종 이상을 제어하여, 가연성흡수체의 연소 속도, 자체 차폐 정도 또는 이 둘 모두를 조절할 수 있는,
핵연료 소결체.
A molded body of a combustible absorber is inserted therein,
The molded article has a self-shielding property,
The formed body does not contain nuclear fuel,
Wherein at least one of insertion position, size and shape of the molded article of the combustible absorber is controlled to control the burning rate of the combustible absorber, the degree of self shielding,
Nuclear fuel sintered body.
제1항에 있어서,
상기 성형체는 벌크화된 것인, 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the molded body is bulked.
제1항에 있어서,
상기 성형체는 다공성이며, 상기 성형체의 기공은 핵분열 생성 기체를 담지하고,
상기 핵연료 소결체는 상기 가연성흡수체의 용융 유출을 방지하는 것인, 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the molded body is porous, the pores of the molded body carry a fission generating gas,
Wherein the sintered fuel body prevents melt outflow of the combustible absorber.
제1항에 있어서,
상기 가연성흡수체의 성형체는, 디스크, 구형, 로드 및 필름으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the molded article of the combustible absorber comprises at least one member selected from the group consisting of a disc, a sphere, a rod and a film.
제1항에 있어서,
상기 가연성흡수체의 성형체는, 상기 핵연료 소결체의 전체 부피에 대해 50 부피% 이하로 삽입되는 것인, 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the molded article of the combustible absorber is inserted at a volume of 50 vol% or less with respect to the total volume of the nuclear fuel sintered body.
제1항에 있어서,
상기 가연성흡수체의 성형체는, 상기 핵연료 소결체의 중심 영역에 삽입되고, 외부에 노출되지 않는 것인, 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the molded article of the combustible absorber is inserted into a central region of the nuclear fuel sintered body and is not exposed to the outside.
제1항에 있어서,
상기 가연성흡수체의 성형체는, Gd2O3; Er2O3; 및 CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 Y2O3-ZrO2 중 적어도 하나에 의해서 안정화된 Gd2O3 Er2O3 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 핵연료 소결체.
The method according to claim 1,
The molded article of the combustible absorber may include Gd 2 O 3 ; Er 2 O 3 ; And CeO 2, In 2 O 3, Y 2 O 3, ThO 2, Gd 2 O 3 stabilized by at least one of TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and Y 2 O 3 -ZrO 2 , and Er 2 O 3 , and mixtures thereof. Nuclear fuel sintered body.
제7항에 있어서,
상기 CeO2, In2O3, Y2O3, ThO2, TiO2, ZrO2, Al2O3 및 Y2O3-ZrO2는, Gd2O3 및 Er2O3 대해 1 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것인, 핵연료 소결체.
8. The method of claim 7,
The CeO 2 , In 2 O 3 , Y 2 O 3 , ThO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and Y 2 O 3 -ZrO 2 may be Gd 2 O 3 And Er 2 O 3 ≪ / RTI > to 30% by weight, based on the total weight of the composition. Nuclear fuel sintered body.
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