KR20190098611A - 핵연료 블록, 상기 핵연료 블록을 구비하는 노심, 상기 노심을 구비하는 초소형 고온가스로 - Google Patents

핵연료 블록, 상기 핵연료 블록을 구비하는 노심, 상기 노심을 구비하는 초소형 고온가스로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 핵연료 블록은, 육각 기둥 형상의 흑연 블록; 상기 흑연 블록의 높이 방향을 따라 연장되고, 상기 흑연 블록 내에 서로 동일한 간격을 갖도록 배열되는 다수의 핵연료 컴팩트; 및 각 핵연료 컴팩트 주위에 형성되는 다수의 냉각재 채널을 포함하고, 상기 다수의 냉각재 채널 중 적어도 일부는 각 핵연료 컴팩트 주위의 여섯 방향에 각각 배치된다.

Description

핵연료 블록, 상기 핵연료 블록을 구비하는 노심, 상기 노심을 구비하는 초소형 고온가스로{FUEL BLOCK, NUCLEAR REACTOR CORE HAVING THE FUEL BLOCK, MICRO HIGH TEMPERATURE GAS-COOLED REACTOR HAVING THE NUCLEAR REACTOR CORE}
본 발명은 노심을 구성하는 핵연료 블록에 관한 것이다.
노심은 원자로의 핵연료를 담고 있으며, 핵분열을 통해 열을 생산하는 부분을 가리킨다. 핵분열 시 생성된 중성자의 감속 및 흡수, 핵분열 생성물의 처리, 핵분열로 발생한 열의 전달 및 제거가 노심에서 발생한다.
노심에서 발생하는 핵분열이란 중성자가 핵분열 가능한 원자에 충돌함에 따라 원자가 붕괴되고, 2개의 서로 다른 원자를 생성함에 동시에 많은 양의 열이 발생되는 현상을 가리킨다. 노심에서는 핵분열이 연쇄적으로 발생하므로, 원자로는 매우 조심스럽게 제어되어야 하며, 안전성이 보장되어야만 한다.
원자로의 종류에는 여러 가지가 있으나, 그 중 고온가스로(고온가스를 냉각재로 이용하는 원자로)는 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하는 원자로를 가리킨다. 고온가스로의 냉각재 출구 온도는 경수로 또는 액체금속로 등과 같은 타 방식의 원자로에 비해 보다 높다. 그로 인해, 고온가스로는 고효율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 수소 생산과 같은 화학 공정에 사용될 수 있는 고온의 열을 생산할 수 있는 장점을 갖는다.
지금까지 여러 형태의 핵연료 블록과 노심에 대한 설계가 제안된 바 있다. 예를 들어 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0075487호(2011.07.06.)에는 고온가스로용 노심에 대한 설계가 제시된 바 있다. 상기 특허문헌은 비선형 냉각재 유로를 이용하여 냉각 성능을 향상시킨 구조를 제안한 것이다.
그러나 아직까지 원자로 출력이 10MWth(전기 출력 4MWe)인 초소형 고온가스로에 적합한 핵연료 블록과 노심에 적합한 설계가 충분히 제안되지 않았다. 특히 공정열 및 수소 생산용 원자로로, 수소 생산을 위한 950℃ 원자로 출구 온도를 가지는 원자로를 설계할 경우 정상상태 설계 조건인 핵연료 최대온도 1,250℃를 만족시키기 대단히 어렵다.
따라서 이러한 문제점을 극복하고, 초소형 고온가스로의 규모 및 목적에 적합한 핵연료 블록의 설계가 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0075487호(2011.07.06.)
본 발명의 일 목적은 원자로의 출력과 수명의 요구 조건을 유지하면서, 열전달 성능(냉각 성능)을 향상시킬 수 있도록 설계된 핵연료 블록을 제시하기 위한 것이다. 핵연료 블록의 냉각 성능이 향상되면, 핵연료의 최대 온도를 낮출 수 있으므로, 원자로의 운전 여유도와 안전성이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 일 목적은 원자로 출력이 10MWth(전기 출력 4MWe)인 초소형 고온가스로에 적합한 핵연료 블록과 상기 핵연료 블록을 구비하는 노심의 구조를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 핵연료 블록은, 육각 기둥 형상의 흑연 블록; 상기 흑연 블록의 높이 방향을 따라 연장되고, 상기 흑연 블록 내에 서로 동일한 간격을 갖도록 배열되는 다수의 핵연료 컴팩트; 및 각 핵연료 컴팩트 주위에 형성되는 다수의 냉각재 채널을 포함하고, 상기 다수의 냉각재 채널 중 적어도 일부는 각 핵연료 컴팩트 주위의 여섯 방향에 각각 배치된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 각 핵연료 컴팩트를 중심으로 인접한 두 냉각재 채널 사이의 배치 각도는 모두 동일하다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 다수의 핵연료 컴팩트는, 상기 핵연료 블록의 최외곽에 배치되도록 상기 흑연 블록의 여섯 옆면을 따라 배열되는 제1 군; 및 상기 제1 군에 속하는 핵연료 컴팩트들에 의해 구획되는 영역의 내측에 배치되는 제2 군으로 구분되며, 상기 제1 군에 속하는 각 핵연료 컴팩트의 주위마다 다섯 개의 상기 냉각재 채널들이 배치되고, 상기 제2 군에 속하는 각 핵연료 컴팩트의 주위마다 여섯 개의 상기 냉각재 채널들이 배치된다.
상기 제1 군에 속하는 핵연료 컴팩트를 중심으로 하는 가상의 육각 기둥의 여섯 높이 방향 모서리 중 상기 핵연료 블록의 옆면과 맞닿는 모서리를 제외한 나머지 다섯 모서리에 각각 하나씩의 상기 냉각재 채널이 형성된다.
상기 제2 군에 속하는 핵연료 컴팩트를 중심으로 하는 가상의 육각 기둥의 여섯 높이 방향 모서리에 각각 하나씩의 상기 냉각재 채널이 형성된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 흑연 블록은, 중심의 제1 영역; 상기 제1 영역을 감싸는 제2 영역; 및 상기 제2 영역을 감싸는 제3 영역으로 구분되고, 상기 핵연료 컴팩트는 상기 제2 영역과 상기 제3 영역에만 배열된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계를 따라 상기 냉각재 채널이 다수 형성된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 핵연료 컴팩트와 상기 냉각재 채널은 각각 원기둥 형상을 갖고, 상기 핵연료 컴팩트의 지름은 상기 냉각재 채널의 지름보다 크다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 핵연료 블록은 육각 기둥 형상을 갖는 가상의 단위 셀들로 구분되고, 상기 단위 셀 중 일부에 상기 핵연료 컴팩트가 하나식 배치되며, 상기 단위 셀의 높이 방향 모서리 중 일부에 상기 냉각재 채널이 배치되며, 상기 핵연료 블록은 중성자를 흡수하는 다수의 가연성 독봉을 더 포함하며, 상기 가연성 독봉은 상기 흑연 블록의 여섯 높이 방향 모서리에 가장 인접한 단위 셀에 각각 하나씩 배치된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉각재 채널은 상기 가연성 독봉이 배치되는 단위 셀의 여섯 높이 방향 모서리 중 상기 흑연 블록의 옆면과 맞닿는 두 모서리를 제외한 나머지 네 개의 모서리에 각각 형성된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 상기 핵연료 블록을 포함하는 고온가스로를 개시한다.
상기 고온가스로는, 원자로 압력용기의 내측에 설치되는 노심을 포함하고, 상기 노심은, 핵연료 블록의 집합; 및 정지봉 구멍과 제어봉 구멍 중 적어도 하나를 갖는 블록을 포함하며, 상기 핵연료 블록은, 육각 기둥 형상의 흑연 블록; 상기 흑연 블록의 높이 방향을 따라 연장되고, 상기 흑연 블록 내에 서로 동일한 간격을 갖도록 배열되는 다수의 핵연료 컴팩트; 및 각 핵연료 컴팩트 주위에 형성되는 다수의 냉각재 채널을 포함하고, 상기 다수의 냉각재 채널 중 적어도 일부는 각 핵연료 컴팩트 주위의 여섯 방향에 각각 배치된다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 하나의 핵연료 컴팩트 주위의 다섯 내지 여섯 개의 냉각재 채널이 형성되므로, 핵연료의 열전달 성능(냉각 성능)을 극대화할 수 있다. 특히 본 발명에 의하면 원자로의 수명이나 냉각재의 입출구 온도 조건을 유지하면서, 핵연료의 최대 온도가 낮아질 수 있다.
원자로의 전원상실 사고 시에 핵연료의 온도가 노심의 용융점 아래로 유지되는 것이 매우 중요하다. 본 발명을 이용하여 열전달 성능이 뛰어난 초소형 고온가스로 노심을 설계할 경우 종래보다 더 많은 운전 여유도를 가지게 되어, 보다 안전한 원자로 노심을 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 초소형 고온가스로의 일 예를 보인 개념도다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 핵연료 블록의 단위 셀을 보인 단면도다.
도 3에 도시된 단위 셀들의 집합으로 구성되는 핵연료 블록의 단면도다.
도 4는 도 3에 도시된 핵연료 블록을 구비하는 노심의 일 예를 보인 단면도다.
도 5는 본 발명에 대해 노심 수명을 평가한 결과 그래프다.
이하, 본 발명에 관련된 핵연료 블록, 상기 핵연료 블록을 구비하는 노심, 상기 노심을 구비하는 초소형 고온가스로에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명과 관련된 고온가스로(100)의 일 예를 보인 개념도다.
고온가스로(100)에서는 헬륨(He)이 냉각재로 사용된다. 원자로 압력용기(110)의 내측에는 노심(120)이 설치된다. 또한 원자로 압력용기(110)의 상부에는 정지제어봉(130)이 설치된다. 원자로 압력용기(110)와 열교환기(160)는 유체의 순환이 가능하도록 서로 연결된다. 헬륨(He)은 원자로 압력용기(110)와 열교환기(160)를 순환한다.
노심(120)에서 핵분열이 발생하면, 이 핵분열에 의해 발생된 열이 헬륨(He)으로 전달된다. 헬륨(He)이 원자로 압력용기(110)에서 열교환기(160)로 유동하게 되면, 열교환기(160)에서 헬륨(He)과 2차측 유체 간의 열교환이 이루어진다. 열은 헬륨(He)에서 2차측 유체로 전달되며, 발전에 이용될 수 있다.
발전의 일 예로 도 1에는 브레이튼 사이클(Brayton Cycle) 장치들이 도시되어 있다. 이상적인 브레이튼 사이클은 유체를 순차적으로 등엔트로피 압축, 정압 가열, 등엔트로피 팽창, 정압 방열하는 과정으로 구성된다.
압축기(140)에서 압축된 유체는 환열기(recuperator)(150)에서 교차 유동하는 유체로부터 폐열을 전달받고, 열교환기(160)에서 헬륨으로부터 열을 전달받는다. 이 유체는 터빈(170)에서 팽창되고, 이 과정에 의해 유체의 열 에너지가 기계적 에너지로 변환된다. 그리고 이 기계적 에너지는 발전기(180)에서 전기 에너지로 변환된다.
터빈(170)에서 토출된 유체는 환열기(150)에서 교차 유동하는 유체로 폐열을 전달하고, 예냉기(Pre-Cooler)(190)에 추가 냉각된 후 다시 압축기로 유입된다.
이하에서는 본 발명에서 제안하는 핵연료 블록에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 핵연료 블록의 단위 셀(C)을 보인 단면도다.
핵연료 블록은 흑연 블록(121a), 핵연료 컴팩트(121b), 냉각재 채널(121c)을 포함한다.
핵연료 블록은 육각 기둥 형상을 갖는 다수의 단위 셀(C)들로 구분되고, 이 단위 셀(C)들이 모여 핵연료 블록을 형성한다.
다만 주의해야 할 점은 단위 셀(C)이라는 개념이 설명의 편의를 위한 가상의 구분일 뿐, 핵연료 블록이 단위 셀(C)이라는 물리적 단위로 구분되는 것은 아니라는 점이다. 이를테면 핵연료 블록끼리는 서로 물리적으로 구분된다(도 4 참조). 이에 반해 핵연료 블록에서 단위 셀(C)끼리는 서로 물리적으로 구분되지 않는다. 핵연료 블록이 큰 육각 기둥 형상을 갖는다면, 단위 셀(C)은 그보다 작은 밑면의 육각 기둥 형상을 갖는다.
단위 셀(C)을 구성하는 흑연 블록(121a)은 육각 기둥 형상을 갖는다. 따라서 육각 기둥의 단면은 도 2에 도시된 바와 같이 육각형으로 나타내어진다. 단위 셀(C)의 크기는 육각형의 두 대변 사이의 거리(d1)로 표시될 수 있다.
핵연료 컴팩트(121b)는 단위 셀(C)의 중심에 배치되며, 흑연 블록(121a)의 높이 방향을 따라 연장된다. 핵연료 컴팩트(121b)는 원기둥 형상을 갖는다. 따라서 원기둥의 단면은 도 2에 도시된 바와 같이 원으로 나타내어진다. 핵연료 컴팩트(121b)의 반지름(d2)은 단위 셀(C)의 크기(d1)보다 작다. 따라서 핵연료 컴팩트(121b) 주변을 흑연 블록(121a)이 감싼다.
냉각재 채널(121c)은 육각형의 여섯 꼭지점에 하나씩 형성된다. 육각형의 여섯 꼭지점은 육각 기둥의 여섯 높이 방향 모서리에 해당한다. 냉각재 채널(121c)은 본래 원기둥 형상을 가지며, 냉각재 채널(121c)의 단면은 원으로 나타내어진다. 그러나, 단위 셀(C)에서는 냉각재 채널(121c)이 도 2에 도시된 바와 같이 부채꼴로 나타내어진다. 핵연료 블록의 단위 셀(C)이 정육각형의 단면을 갖는다면, 각 냉각재 채널(121c)은 모두 120°의 중심각을 갖는 부채꼴로 나타내어질 것이다.
핵연료 컴팩트(121b)를 중심으로 하는 인접한 두 냉각재 채널(121c) 사이의 각도를 냉각재 채널(121c)의 배치 각도라고 정의할 수 있다. 예컨대 도 2에서 핵연료 컴팩트(121b)의 중심점은 흑연 블록(121a)의 중심에 배치되고, 냉각재 채널(121c)의 중심점은 육각형의 꼭지점에 각각 배치된다. 따라서 핵연료 컴팩트(121b)의 중심점과 서로 인접한 두 냉각재 채널(121c)의 중심점은 60°의 배치 각도를 갖는다.
각 핵연료 컴팩트(121b)를 중심으로 하는 인접한 두 냉각재 채널(121c) 사이의 배치 각도가 모두 동일하기 위해서는, 냉각재 채널(121c)이 핵연료 컴팩트(121b) 주위의 여섯 방향에 하나씩 배치되어야 한다. 여기서 여섯 방향이란 육각형의 꼭지점을 의미한다.
냉각재 채널(121c)의 크기는 부채꼴을 형성하는 변의 길이로 나타내어진다. 상기 변의 길이는 냉각재 채널(121c)의 반지름(d3)에 해당한다. 상기 냉각재 채널(121c)의 반지름(d3)은 상기 핵연료 컴팩트(121b)의 반지름(d2)보다 작다(d2>d3). 또한 핵연료 컴팩트(121b)의 반지름(d2)과 냉각재 채널(121c)의 반지름(d3)을 합한 값은 단위 셀(C)의 크기(d1)보다 작다(d1>d2+d3). 따라서, 핵연료 컴팩트(121b)와 각 냉각재 채널(121c)은 서로 이격된다.
단위 셀(C)의 일 실시예로 d1은 2.259cm, d2는 0.545cm, d3은 0.36cm일 수 있다. 그러나 이러한 값들은 하나의 실시예일뿐이지 본 발명 범위를 제한하는 것은 아니다.
이상에서 설명된 단위 셀(C)들이 모여 핵연료 블록(121)을 구성한다.
도 3에 도시된 단위 셀(C)들의 집합으로 구성되는 핵연료 블록(121)의 단면도다.
흑연 블록(121a)은 육각 기둥 형상을 갖는다. 흑연 블록의 단면은 육각형으로 나타내어진다. 흑연 블록의 크기는 상기 육각형 두 대변 사이의 거리(d)로 표시될 수 있다. 초소형 고온가스로에 적합한 핵연료 블록의 크기는 약 30cm다.
도 3에서는 흑연 블록(121a)에 단위 셀(C)들의 경계가 존재하는 것처럼 도시되어 있다. 그러나 이것은 설명의 편의를 위한 가상의 경계일 뿐, 실제로 단위 셀(C)들 간에 경계가 존재하는 것은 아니다. 따라서 이 명세서에서 설명하는 단위 셀(C)들의 경계도 설명의 편의를 위한 가상의 경계로 이해되어야 한다.
핵연료 컴팩트(121b)는 상기 흑연 블록(121a) 내에 서로 등간격을 갖도록 배열된다. 핵연료 컴팩트(121b) 하나를 기준으로 핵연료 블록(121)의 단위 셀(C)들이 서로 구분될 수 있다.
흑연 블록(121a)은 제1 영역(121a1), 제2 영역(121a2), 제3 영역(121a3)으로 구분될 수 있다. 이때 제1 영역(121a1)이란 핵연료 블록(121)의 중심에 배치된다. 상기 제1 영역(121a1)에는 핵연료 컴팩트(121b)가 배치되지 않는다. 도 3에서는 핵연료 블록(121)의 가장 중심에 배치되는 중심 단위 셀과 상기 중심 단위 셀에 접촉되는 여섯 개의 단위 셀을 합하여 총 일곱 개의 단위 셀이 제1 영역(121a1)에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
흑연 블록(121a)의 제2 영역(121a2)은 제1 영역(121a1)을 감싸는 영역에 해당한다. 제1 영역(121a1)과 제2 영역(121a2)의 경계를 따라 냉각재 채널(121c)이 다수 형성된다. 제1 영역(121a1)에는 핵연료 컴팩트(121b)가 배치되지 않는다. 따라서 제1 영역(121a1)과 제2 영역(121a2)의 경계를 따라 형성되는 다수의 냉각재 채널(121c)을 흐르는 헬륨(He)은 주로 제2 영역(121a2)의 핵연료 컴팩트(121b)로부터 전달되는 열을 흡수한다.
제3 영역(121a3)은 다시 제2 영역(121a2)을 감싸는 영역에 해당한다. 다수의 핵연료 컴팩트(121b) 중 일부는 핵연료 블록(121)의 모서리를 따라 최외곽에 배치된다. 최외곽의 핵연료 컴팩트(121b)들이 배치되는 영역이 바로 제3 영역(121a3)에 해당한다.
핵연료 컴팩트(121b)는 제2 영역(121a2)과 제3 영역(121a3)에만 배열된다. 상기 제1 영역(121a1)에는 핵연료 컴팩트(121b) 대신 핵연료 블록(121)을 물리적으로 제어하거나 운반하기 위한 장비들이 설치될 수 있다.
냉각재 채널(121c)은 각 핵연료 컴팩트(121b)의 주위에 형성된다. 헬륨(He)은 냉각재 채널(121c)을 위에서 아래로 통과하면서 핵연료 컴팩트(121b)를 냉각한다.
핵연료 블록(121)을 구성하는 단위 셀들은 위치에 따라 제1 군과 제2 군으로 구분될 수 있다.
제1 군에 속하는 단위 셀(C1)들은 핵연료 블록(121)의 최외곽에 배치되도록 핵연료 블록(121)의 여섯 모서리를 따라 배열된다. 그리고 제2 군에 속하는 단위 셀(C2)들은 상기 제1 군에 속하는 단위 셀(C1)들에 의해 구획되는 영역의 내측에 배치된다. 앞서 흑연 블록(121a)을 제1 영역(121a1), 제2 영역(121a2) 및 제3 영역(121a3)으로 구분한 바 있다. 상기 제2 영역(121a2)에는 제2 군에 속하는 단위 셀(C2)들이 배치되고, 상기 제3 영역(121a3)에는 제1 군에 속하는 단위 셀(C1)들이 배치되는 것으로 이해될 수 있다.
단위 셀들을 제1 군과 제2 군으로 구분하는 이유는, 단위 셀의 위치에 따라 냉각재 채널(121c)의 수가 달라지기 때문이다.
제1 군에 속하는 단위 셀(C1)에는 하나의 핵연료 컴팩트(121b)와 다섯 개의 냉각재 채널(121c)이 배치된다. 제1 군에 속하는 단위 셀(C1)의 핵연료 컴팩트(121b)를 제1 군의 핵연료 컴팩트라고 할 수 있다. 핵연료 컴팩트(121b)는 단위 셀(C)의 중심에 배치된다. 그리고 냉각재 채널(121c)은 단위 셀(C)의 여섯 높이 방향 모서리 중 핵연료 블록(121)의 옆면과 맞닿는 모서리를 제외한 나머지 다섯 모서리에 각각 형성된다. 핵연료 블록(121)의 옆면이란 곧 흑연 블록(121a)의 옆면에 해당한다.
이에 반해 제2 군에 속하는 단위 셀(C2)에는 하나의 핵연료 컴팩트(121b)와 여섯 개의 냉각재 채널(121c)이 배치된다. 제2 군에 속하는 단위 셀(C2)의 핵연료 컴팩트(121b)를 제2 군의 핵연료 컴팩트라고 할 수 있다. 핵연료 컴팩트(121b)는 단위 셀(C)의 중심에 배치된다. 그리고 냉각재 채널(121c)은 단위 셀(C)의 여섯 높이 방향 모서리에 각각 형성된다. 앞서 도 2에서 설명된 단위 셀은 제2 군에 속하는 단위 셀(C2)에 해당함을 알 수 있다.
이와 같이 냉각재 채널(121c)의 수가 차이 나는 것은, 제1 군에 속하는 단위 셀(C1)의 여섯 꼭지점 중 하나가 핵연료 블록(121)의 모서리와 맞닿기 때문이다. 흑연 블록(121a)의 크기가 전체적으로 커지지 않는 한 핵연료 블록(121)의 모서리와 맞닿는 꼭지점에는 냉각재 채널(121c)이 형성될 수 없다.
앞서 설명한 바와 같이 핵연료 컴팩트(121b)와 냉각재 채널(121c)은 각각 원기둥 형상을 갖는다. 이때 핵연료 컴팩트(121b)의 지름은 냉각재 채널(121c)의 지름보다 크다. 그 대신 하나의 핵연료 컴팩트(121b) 주위에 다섯 내지 여섯 개의 냉각재 채널(121c)이 형성되므로, 그 중심의 핵연료 컴팩트(121b)는 다수의 냉각재 채널(121c)을 흐르는 헬륨(He)에 의해 다중 냉각될 수 있다.
핵연료 블록(121)은 가연성 독봉(Burnable Poison)(121d)을 더 포함한다. 가연성 독봉(121d)은 가연성 독물질을 핵연료와 같이 봉의 형태로 가공한 물건을 가리킨다. 가연성 독봉(121d)은 중성자를 흡수하도록 이루어진다. 가연성 독봉(121d)이 중성자를 흡수함에 따라 연소되어 없어지는 가연성 독물질은 원자로의 운전 초기에 삽입되어 잉여 반응도를 제어하거나 노심(120) 내 출력 분포를 평탄하게 하는 작업 등에 사용된다.
가연성 독봉(121d)은 핵연료 블록(121)의 여섯 높이 방향 모서리에 가장 인접한 단위 셀에 각각 하나씩 배치된다. 핵연료 블록(121)의 높이 방향 모서리마다 가장 인접 한 단위 셀은 하나씩이므로, 핵연료 블록(121)은 총 여섯 개의 가연성 독봉(121d)을 포함한다.
가연성 독봉(121d)은 단위 셀의 중심에 배치된다. 가연성 독봉(121d)의 주위에는 네 개의 냉각재 채널(121c)이 형성된다. 가연성 독봉(121d)이 배치되는 단위 셀(C)에는 여섯 개의 높이 방향 모서리가 있으며, 그 중 두 개의 모서리는 핵연료 블록(121)의 옆면과 맞닿는다. 이 두 모서리를 제외한 나머지 네 개의 모서리에 상기 냉각재 채널(121c)이 각각 형성된다.
도 4는 도 3에 도시된 핵연료 블록(121)을 구비하는 노심(120)의 일 예를 보인 단면도다.
노심(120)의 중앙에는 정지봉 구멍(123)을 갖는 블록이 배치된다. 정지봉 구멍(123)은 세 개가 형성된다. 이 블록을 동심으로 하는 가상의 원에 배치되는 블록들에 대하여 순차적으로 설명한다.
정지봉 구멍(123)을 갖는 블록의 주위에는 도 3에서 설명된 핵연료 블록(121)들 여섯 개가 서로 접촉되도록 배치된다.
여섯 개의 핵연료 블록(121)들 주위에는 정지봉 구멍(123)과 제어봉 구멍(122)을 갖는 블록들, 그리고 핵연료 블록(121)들이 교번적으로 배치된다. 따라서 정지봉 구멍(123)과 제어봉 구멍(122)을 갖는 블록들은 서로 이격되도록 배치된다.
정지봉 구멍(123)과 제어봉 구멍(122)을 갖는 블록들의 수는 여섯 개이며, 핵연료 블록(121)들의 수도 여섯 개다. 정지봉 구멍(123)과 제어봉 구멍(122)을 갖는 블록에는 정지봉 구멍(123)이 하나, 제어봉 구멍(122)이 두 개 형성된다. 정지봉 구멍(123)은 상대적으로 노심(120)의 중심에 가깝게 배치되며, 제어봉 구멍(122)은 정지봉 구멍(123)에 비해 노심(120)으로부터 멀리 배치된다.
여섯 개의 정지봉 구멍(123)과 제어봉 구멍(122)을 갖는 블록들과 여섯 개의 핵연료 블록(121)들의 주위에는 흑연 블록과 핵연료 블록(121)들이 배치된다. 두 개의 핵연료 블록(121)과 하나의 흑연 블록이 서로 번갈아 가며 배치된다.
그 주위에는 흑연 블록들만 배치되고, 노심(120)의 최외곽에는 냉각재 채널이 형성된다.
이러한 노심(120)의 구성은 본 발명의 일 실시예일뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
표 1에서는 초소형 고온가스로의 설계기준을 나타내었다.
원자로 수명 20년 이상
원자로 출력 10MWth (전기출력 4MWe)
핵연료 UO2 또는 UN, 삼중피복입자연료(TRISO)
핵연료 형태 Fully Ceramic Microencapsulated (FCM) compact (원기둥형)
냉각재 헬륨
냉각재 온도 입/출구 온도 = 300/750℃ 또는 490/950℃
1차측 압력 3MPa
Mass Flow Rate 4.28kg/sec
모듈형 설계 원자로 압력용기 직경 3m 이내

설계 제한치		 U235 농축도: 19.5 wt% 이하
정지여유도: 1%Δk/k 이상
온도계수: 0%Δk/k/K 미만
핵연료 최대온도: 정상운전 1,250℃, 사고시 1,600℃
이러한 설계 기준을 전제로, 도 2 및 도 3과 같은 형태의 핵연료 블록에 산화우라늄(UO2) 12wt%의 핵연료를 사용하여 도 4와 같이 장전하였으며, 연소 계산을 수행하였다.
도 5는 본 발명에 대해 노심 수명을 평가한 결과 그래프다.
그래프의 가로축은 유효 전출력 운전일(Effective Full Power Day)을 가리킨다. 유효 전출력 운전일은 원자로를 100% 출력으로 운전한 일수를 나타낸다.
그래프의 세로축은 유효 증배계수를 가리킨다. 유효 증배계수란 1) 원자로에서 흡수, 누설 등을 통해 사라지는 중성자 수 대비 2) 핵분열 반응을 통해 생성되는 중성자 수의 비를 나타낸다.
유효 증배계수가 1보다 클 경우 연쇄반응을 통해 핵분열 반응이 지속될 수 있다. 따라서 원자로 수명은 유효 증배계수가 1.0이 될 때까지의 유효 전출력 운전일로 계산할 수 있다.
계산 결과, 도 5에서 알 수 있는 것과 같이 본 발명의 노심 수명은 23.41 EFPY(Effective Full Power Year)로 측정되었다. 본 발명을 이용하면 20년 이상 초소형 고온가스로가 운전될 수 있다.
표 2는 상용 CFD Software를 이용하여 열전달 해석을 수행한 것이다. 냉각재 입/출구 온도를 300/750℃로 설정하고 핵연료 최대 온도를 계산한 결과 788.7℃로 계산되었다. 이것은 비교예의 핵연료 최대 온도 853.0℃에 비해 64.3℃ 낮다. 또한 냉각재 입/출구 온도를 490/950℃로 설정하고 핵연료 최대 온도를 계산한 결과 989.9℃로 계산되었다. 이것은 비교예의 핵연료 최대 온도 1051℃에 비해 61.1℃ 낮다. 이 결과를 표 2에 정리하였다.
냉각재 입/출구 온도 300/750℃ 490/950℃
단위 셀 모델 비교예 본 발명 차이 비교예 본 발명 차이
핵연료 최대온도(℃) 853.0 788.7 64.3 1051 989.9 61.1
비교예와 대비하여 본 발명의 핵연료 블록과 이를 구비하는 노심은 20년 이상의 수명을 가지면서, 열전달 성능이 매우 우수하다. 전원상실 사고 시에 핵연료의 온도가 용융점 아래로 유지되는 것이 매우 중요하다. 본 발명을 이용하여 열전달 성능이 뛰어난 초소형 고온가스로 노심을 설계하며 원자로의 운전 여유도와 안전성이 향상될 수 있다.
이상에서 설명된 핵연료 블록, 상기 핵연료 블록을 구비하는 노심, 상기 노심을 구비하는 초소형 고온가스로는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 육각 기둥 형상의 흑연 블록;
    상기 흑연 블록의 높이 방향을 따라 연장되고, 상기 흑연 블록 내에 서로 동일한 간격을 갖도록 배열되는 다수의 핵연료 컴팩트; 및
    각 핵연료 컴팩트 주위에 형성되는 다수의 냉각재 채널을 포함하고,
    상기 다수의 냉각재 채널 중 적어도 일부는 각 핵연료 컴팩트 주위의 여섯 방향에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  2. 제1항에 있어서,
    각 핵연료 컴팩트를 중심으로 인접한 두 냉각재 채널 사이의 배치 각도는 모두 동일한 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 핵연료 컴팩트는,
    상기 핵연료 블록의 최외곽에 배치되도록 상기 흑연 블록의 여섯 옆면을 따라 배열되는 제1 군; 및
    상기 제1 군에 속하는 핵연료 컴팩트들에 의해 구획되는 영역의 내측에 배치되는 제2 군으로 구분되며,
    상기 제1 군에 속하는 각 핵연료 컴팩트의 주위마다 다섯 개의 상기 냉각재 채널들이 배치되고,
    상기 제2 군에 속하는 각 핵연료 컴팩트의 주위마다 여섯 개의 상기 냉각재 채널들이 배치되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 군에 속하는 핵연료 컴팩트를 중심으로 하는 가상의 육각 기둥의 여섯 높이 방향 모서리 중 상기 핵연료 블록의 옆면과 맞닿는 모서리를 제외한 나머지 다섯 모서리에 각각 하나씩의 상기 냉각재 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 군에 속하는 핵연료 컴팩트를 중심으로 하는 가상의 육각 기둥의 여섯 높이 방향 모서리에 각각 하나씩의 상기 냉각재 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흑연 블록은,
    중심의 제1 영역;
    상기 제1 영역을 감싸는 제2 영역; 및
    상기 제2 영역을 감싸는 제3 영역으로 구분되고,
    상기 핵연료 컴팩트는 상기 제2 영역과 상기 제3 영역에만 배열되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계를 따라 상기 냉각재 채널이 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료 컴팩트와 상기 냉각재 채널은 각각 원기둥 형상을 갖고,
    상기 핵연료 컴팩트의 지름은 상기 냉각재 채널의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료 블록은 육각 기둥 형상을 갖는 가상의 단위 셀들로 구분되고,
    상기 단위 셀 중 일부에 상기 핵연료 컴팩트가 하나식 배치되며,
    상기 단위 셀의 높이 방향 모서리 중 일부에 상기 냉각재 채널이 배치되며,
    상기 핵연료 블록은 중성자를 흡수하는 다수의 가연성 독봉을 더 포함하며,
    상기 가연성 독봉은 상기 흑연 블록의 여섯 높이 방향 모서리에 가장 인접한 단위 셀에 각각 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각재 채널은 상기 가연성 독봉이 배치되는 단위 셀의 여섯 높이 방향 모서리 중 상기 흑연 블록의 옆면과 맞닿는 두 모서리를 제외한 나머지 네 개의 모서리에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 블록.
  11. 원자로 압력용기의 내측에 설치되는 노심을 포함하고,
    상기 노심은,
    핵연료 블록의 집합; 및
    정지봉 구멍과 제어봉 구멍 중 적어도 하나를 갖는 블록을 포함하며,
    상기 핵연료 블록은,
    육각 기둥 형상의 흑연 블록;
    상기 흑연 블록의 높이 방향을 따라 연장되고, 상기 흑연 블록 내에 서로 동일한 간격을 갖도록 배열되는 다수의 핵연료 컴팩트; 및
    각 핵연료 컴팩트 주위에 형성되는 다수의 냉각재 채널을 포함하고,
    상기 다수의 냉각재 채널 중 적어도 일부는 각 핵연료 컴팩트 주위의 여섯 방향에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 고온가스로.
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