KR20200001790U

KR20200001790U - 원자로 연료 집합체 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20200001790U
Application number: KR2020207000044U
Authority: KR
Inventors: 블라디미르 알렉산드로비치 포르스트맨
Original assignee: 스테이트 에토믹 에너지 코퍼레이션 “로사톰”온 비핼프 오브 더 러시안 페더레이션
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2020-08-07
Also published as: EP3561817A4; US10770188B2; JP6862552B2; US20190326024A1; JP2020503515A; KR20190111017A; CN110383392A; WO2018124934A1; CN110383392B; EP3561817A1

Abstract

본 발명은 고속 중성자로 코어에 사용될 수 있는, 원자로의 연료 집합체 디자인에 관한 것이다. 본 발명의 기술적 결과는, 연료 집합체 내의 연료 부재 다발의 보다 신뢰성있는 이격 및 연료 부재들이 이격 부재들과 접촉하고 있는 영역에서 연료 부재들의 클래딩에서의 감소된 국부적 스트레스이다. 본 발명의 연료 집합체는, 재킷에 의해 서로 연결된 탑 노즐과 바닥 노즐; 및 그리드 및 각 연료 부재의 클래딩 주위를 둘러싸고 있는 나선형 이격 부재들에 의해 연료 집합체 내에 배열된 로드형 연료 부재들의 다발을 포함한다. 상기 연료 집합체는 다발 내의 적어도 주변 연료 부재들이 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 구비하고, 상기 이격 부재들은 재킷과 접촉하고 있는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연료 집합체의 제조 방법은, 연료 부재 다발을 재킷 내에 위치시키기 전에 연료 부재 다발을 가로방향으로 압축하는 것을 포함하고, 이에 의해 주변 연료 부재들의 이격 부재들은 재킷과 접촉하는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는다.

Description

원자로 연료 집합체 및 그의 제조방법{NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 고속 중성자로 코어(fast neutron reactor cores)에 사용될 수 있는, 원자로의 연료 집합체(fuel assembly) 디자인에 관한 것이다.

로드형 연료 부재들(rod-type fuel elements)을 갖는 원자로용 연료 집합체는, 필요한 강도 및 경도를 갖는 연료 집합체를 제공하는 구조 프레임(structural frame)에 의해 서로 연결된 탑(top) 노즐 및 바닥(bottom) 노즐을 포함한다. 상기 연료 집합체의 탑 노즐과 바닥 노즐 사이에, 원자로 코어 내의 연료 집합체 축을 따라 고정 및 이격(retaining and spacing) 부재들에 의해, 온도 및 방사선 확장에 대한 보호를 보장하는 핵연료 부재 다발이 설치된다. 연료 집합체의 탑 노즐 및 바닥 노즐은 상기 연료 집합체를 원자로 코어 내에 설치 및 고정하기 위한 수단들 및 원자로로부터 연료 집합체를 제거하기 위한 수단들을 이용하여 맞춤 설치된다. 열 중성자로 및 고속 중성자로들을 위한 로드형 연료 부재들을 갖는 연료 집합체의 다양한 구체예들이 개발되어 왔다; 개발된 구체예들은 상기한 구조 부재들의 특정 디자인 및 소재들이 서로 다르다.

WWER-타입 원자로용 연료 집합체는, 육각형의 재킷에 의해 서로 연결된 탑 노즐, 바닥 노즐 및 중앙 파이프를 포함하고, 그 내부에는 밀봉된 원통형 클래딩(cladding)들 내의 핵연료핵(fuel kernels) 형태의 연료 부재 다발이 고정 및 이격 부재들을 이용하여 위치되어 있는 것이 알려져 있다(RU 2088982). 연료 집합체 내에 연료 부재들을 고정하고 연료 부재 다발 내에서 연료 부재들이 횡방향으로 이격되도록 하기 위한 수단들이 탑 엔드 그리드(end grid), 바닥 엔드 그리드, 및 상기 엔드 그리드들 사이에 설치된 몇 개의 이격 그리드들의 형태로 구비된다. 연료 부재 버트(butt)들은 상기 엔드 그리드들 내에 맞춤 고정되고, 탑 엔드 그리드는 재킷 코너들에 구비된 슬롯들 내에서 축방향을 따라 이동하도록 구성된다. 이격 그리드들은 중앙 파이프 상에 설치되고, 상기 중앙 파이프 내에 구비된 슬롯들 내에서 축방향을 따라 이동할 수 있다.

상기와 같이 공지된, 연료 부재들을 고정하고 이격하기 위한 몇 개의 그리드들을 사용할 경우에는, 냉각재 흐름에 대한 유압 저항이 증가하고, 열 전달 조건들이 나빠지게 된다. 더구나, 코어 섹션 내의 그리들 물질들의 부식 및 방사선에 의한 크리프(creep)로 인해, 셀들의 기하학적 구조가 변형되고, 그리드 물질들의 탄성 특성들이 변화되어, 개별 연료 부재들의 클래딩의 진동 및 프레팅(fretting) 가능성이 증가한다.

동력 열 및 고속 중성자 원자로들(power thermal and fast neutron nuclear reactors)을 위한 연료 집합체들의 디자인은 탑 노즐, 바닥 노즐, 프레임, 탑 및 바닥 엔드 그리드들, 이격 부재들, 및 상기 엔드 그리드들과 이격 부재들에 의해 연료 집합체 내에 배열된 로드형 연료 부재들의 다발을 포함하는 것이 알려져 있다(RU 2340019). 상기 프레임은 탑 노즐과 바닥 노즐을 연결하고, 재킷, 엔드 그리드들이 그위에 설치된 중앙 파이프, 및 연료 집합체 둘레(perimeter)를 따라 엔드 그리드들 내에 설치된 타이 바(tie bar)들의 형태로 형성된다. 상기 이격 부재들은, 연료 부재들 사이에 평행하게 설치되고 엔드 그리드들 내에 고정된 긴 튜브들의 형태 및 재킷 둘레를 따라 연료 집합체 내에 배열된 천공된 셸 링(shell ring)들의 형태로 형성된다. 상기 이격 부재 튜브들은 긴 슬롯 및 서로 연결되어 특정 피치로 연료 집합체의 높이를 따라 배열된 원통형 이격 리브(rib)들을 형성하는 절단부들(cuts)로 형성될 수 있다. 상기 프레임은, 연료 부재 다발을 둘러싸고 상기 프레임의 높이를 따라 설치되는 몇 개의 고정 부재들로 고정된다. 상기 고정 부재들은 연료 부재 클래딩(예로서, 스틸 EP-823)의 선팽창계수보다 낮은 선팽창계수를 갖는 물질(예로서, 몰리브덴계 물질)로 제조될 수 있다. 상기 발명은 원자로 코어 내에서 연료 부재들의 신뢰성(reliability)있는 이격을 확보하기 위한 것이다.

상기와 같이 공지된, 연료 집합체 디자인의 문제점은, 재킷, 지지 부재들, 중앙 파이프, 및 천공된 셸 링들의 형태로 프레임이 존재함으로 인해 그의 금속 강도가 증가되는 것이다. 그러한 연료 집합체는 연료 부재 다발, 튜브형 이격 부재들, 및 바닥 엔드 그리드 및 탑 엔드 그리드들 내의 프레임 타이 바들의 시스템을 설치하기 위해 제공되는 복잡한 구조를 갖는다. 그 결과, 그리드들의 영역 내에서의 냉각재의 통과를 위한 흐름 섹션이 감소하게 되고, 연료 집합체의 유압 저항이 증가하게 된다.

로드형 연료 부재들을 갖는 BN-타입 원자로를 위한 고속 중성자 원자로 연료 집합체는 탑 노즐, 바닥 노즐, 및 육각형 섹션 파이프 형태의 재킷을 포함하는 것이 알려져 있다(Development, Production and Operation of Fuel Elements of Power Reactors. Moscow, Energoizdat, 1995, Book 2, page 158). 외부 직경이 약 6 mm 범위 내이고, 두께가 약 3 mm인 클래딩을 갖는 연료 부재 다발이 고정 및 이격 부재들에 의해 상기 연료 집합체 내부에 위치된다. 연료 집합체 부재들 및 연료 부재 클래딩의 조립을 위해 스테인레스 스틸이 사용된다. 연료 집합체 내에 연료 부재 다발을 고정 및 이격시키기 위한 수단들은, 지지 그리드, 및 상기 연료 부재 클래딩의 표면 주위를 약 100 mm의 피치로 나선형으로 둘러싸고 있고 약 1 mm의 직경을 갖는 와이어들의 형태로 형성된다. 코어 섹션을 따라 에너지 방출과 냉각재 소비의 균형을 맞추기 위하여, 연료 집합체 내의 연료 부재들(재킷 벽에 직접 설치된 연료 부재들)의 주변 열(peripheral row)은 1.3×0.6 mm의 타원형 단면을 갖는 와이어들에 의해 이격된다.

이러한 연료 부재 디자인의 문제점은, 이격 부재의 가로면(transverse plane)에서의 강성(rigidity)이다. 그 결과, 코어 내에서의 핵연료 조사( irradiation) 과정에서 핵연료의 팽윤 및 연료 부재 클래딩의 직경의 증가로 인해, 연료 부재들의 박벽(thin-walled) 클래딩에서의 국부적 스트레스 증가, 그의 변형, 및 상기 클래딩과 이격 부재 사이의 접점 영역에서의 공식(pitting) 부식의 촉진이 야기된다.

더구나, 타원형 단면을 갖는 와이어 형태의 이격 부재를 사용할 경우, 연료 집합체 내부의 주변 연료 부재들의 위치 결정 및 이격을 위한 조건들이 실질적으로 변하게 된다. 따라서, 둘러싼 상기 와이어의 피치와 동등한 연료 집합체의 높이를 따라, 삼각형 그리드를 갖는 연료 부재 다발 내에 위치한 각 연료 부재는 12개의 지점들에서 인접한 연료 부재들과 접촉하게 된다. 한편, 이격 부재 및 인접한 연료 부재들의 클래딩들 사이에 6개의 접점들이 형성되고, 해당 연료 부재의 클래딩 및 인접한 6개의 연료 부재들의 이격 부재들 사이에 추가로 6개의 접점들이 더 형성된다.

주변 열에 있는 각 연료 부재(코너 부재들의 경우는 제외)는 두 개의 다른 주변 연료 부재들, 연료 부재 다발 내의 두 개의 내부 연료 부재들, 및 재킷에 인접한다. 둘러싼 와이어의 피치와 동등한 연료 집합체의 높이를 따라, 각각의 주변 연료 부재는 단지 다음의 세 개의 이격 접점(spacing contact)들을 갖는다: 각 연료 부재의 클래딩 및 다발 내의 두 개의 내부 연료 부재들의 원형 와이어 사이의 두 개의 접점들, 및 타원형 단면을 갖는 와이어 및 연료 집합체 재킷 사이의 하나의 접점. 이는, 타원형 이격 부재는 4개의 인접 연료 부재들의 클래딩들과는 접촉하지 않으며, 그들 사이의 간격은 0.45 mm(1.05-0.6)라는 사실에 기인한다. 이러한 방식으로, 상기 공지된 기술 수단의 주변 연료 부재들은 연료 부재 다발 내부에 배열된 연료 부재들보다 4배 더 적은(12/3) 이격 접점들을 갖는다. 연료 부재 다발 내의 이격 부하(spacing loads)를 보상하고자 하면, 그 결과, 주변 연료 부재들의 클래딩들과 내부 연료 부재들의 이격 부재들 및 연료 집합체 재킷 사이의 접점 영역들 내의 스트레스가 현저히 증가하게 되고, 이로 인해 클래딩에 작용하는 공식 부식 과정이 촉진되고, 전체 구조의 파괴 가능성이 높아진다.

상기한 공지의 기술 수단의 문제점은, 증가된 직경을 갖는 클래딩(약 10 mm) 및 와이어(약 3 mm)를 갖고 인접한 연료 부재들의 클래딩들 사이의 거리가 3 mm 보다 큰 연료 부재들이 사용됨으로 인해, 연료 부재들과 연료 집합체들의 조립이 복잡하다는 것이다. 이러한 경우, 상기 공지의 디자인의 사용은 연료 부재들의 박벽 클래딩 주위를 둘러싼 스테인레스 스틸제의 크고 단단한 와이어와 관련되며, 그 결과, 클래딩의 변형 및 연료 부재의 기하학적 형태의 붕괴(예를 들어, 연료 부재의 구부러짐)가 초래된다.

본 발명의 목적은, 원자로의 코어 내의 연료 집합체의 신뢰성을 향상시키고, 연료 집합체의 금속 강도를 향상시키며, 납-냉각(lead-cooled) 고속 중성자로들 및 질화 우라늄-플루토늄 연료를 갖는 원자로들에 사용하기 위한 연료 집합체 디자인을 개발하는 것이다.

본 발명의 기술적 결과는, 연료 집합체 내에 이격된 연료 부재 다발의 신뢰성을 높이고, 연료 부재들이 이격 부재들과 접촉하고 있는 영역 내에서 연료 부재들의 클래딩들 내의 국부적 스트레스를 감소시키는 것이다.

본 발명의 상기 기술적 결과는, (재킷에 의해 서로 연결된 탑 노즐 및 바닥 노즐; 그리드 및 각 연료 부재의 클래딩 주위를 둘러싸고 있고 그들의 말단들에서 고정된 나선형 이격 부재들에 의해 연료 집합체 내에 배열된 로드형 연료 부재들의 다발을 포함하는) 연료 집합체에 있어서, 연료 부재 다발 내의 적어도 주변 연료 부재들은 길이방향 관통 슬롯(longitudinal through slot)들을 갖는 박벽 튜브 형태의 이격 부재들을 구비하고, 상기 이격 부재들은 재킷과 접촉하고 있는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는 구성에 의해 달성된다.

본 발명의 연료 집합체들의 예시적인 특정 구체예들은, 다음을 특징으로 한다:

- 연료 집합체의 모든 연료 부재들은, 길이방향 관통 슬롯들 및 같은 외부 직경을 갖는 둥근 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들(이하, '부재들'이라고도 함)을 구비한다;

- 주변 연료 부재들은 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 둥근 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 구비하고, 연료 부재 다발 내부의 연료 부재들은 와이어 형태로 구비되고, 상기 이격 부재들 및 와이어들은 동일한 외부 직경을 갖는다;

- 이격 부재들 내의 슬롯의 폭은 그 직경의 0.1 내지 0.35 내로 설정된다;

- 이격 부재의 벽 두께는 연료 부재의 클래딩 두께의 0.25 내지 1 내로 설정된다;

- 주변 연료 부재들의 부품들(parts)은, 연료 부재 다발 내의 다른 연료 부재들에 비하여, 가로면에서의 감소된 변형 저항성을 갖는다;

- 주변 연료 부재들 내의 슬롯들의 폭은 부재 직경의 0.20 내지 0.35로 설정되고, 다른 연료 부재들 내의 슬롯들의 폭은 부재 직경의 0.1 내지 0.30으로 설정된다;

- 주변 연료 부재들의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.25 내지 0.6으로 설정되고, 다른 연료 부재들의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.4 내지 1로 설정된다.

또한, 본 발명의 상기 기술적 결과는, (나선형 이격 부재들을 갖는 연료 부재 다발을 형성하는 단계, 재킷 내에 상기 연료 부재 다발을 위치시키는 단계, 및 연료 집합체의 탑 노즐 및 바닥 노즐과 상기 재킷을 연결하는 단계를 포함하는) 연료 집합체의 제조 방법에 있어서, 연료 부재 다발 내의 적어도 주변 연료 부재들은 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 둥근 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 구비하고, 상기 주변 연료 부재들은 연료 집합체의 조립 동안에 연료 부재 다발들의 가로방향 압축을 통해 재킷과 접촉하는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는 구성에 의해 달성된다.

본 발명의 연료 집합체의 제조 방법을 구현하기 위한 예시적인 특정 옵션들은, 다음을 특징으로 한다:

- 연료 부재 다발을 재킷 내로 삽입하기 전에, 상기 연료 부재 다발은 몇 개의 육각형 압축 림(rim)들에 의해 가로면에서 압축되고, 상기 압축 림들은 상기 연료 부재 다발이 재킷 내로 삽입됨에 따라 상기 연료 부재 다발의 표면으로부터 하나씩 제거된다;

- 연료 부재 다발은 이격 부재들의 탄성 변형의 한계치들 내에서 압축된다.

본 발명의 핵심은, 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 나선형 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 갖는 연료 부재 다발을 제공하는 것, 내부 연료 부재들 및 주변 연료 부재들 모두의 이격 신뢰성을 확보하는 특징들의 집합체를 확립하는 것, 및 연료 부재 클래딩들의 국부적 스트레스를 감소시키는 것으로 이루어진다.

본 발명의 기술적 결과는, 본 발명에서 제안된 해결수단에 의해 주변 연료 부재들에 요구되는 단면 프로파일이 다음과 같이 형성될 수 있게 함으로써 달성된다: 연료 부재 다발의 4개의 인접한 연료 부재들과 접촉하는 영역에서의 둥근 프로파일, 및 재킷과 접촉하는 영역에서의 타원형 프로파일. 재킷과 접촉하는 영역에서의 부재의 타원형 단면은, 연료 집합체의 조립 과정에서 재킷 내의 연료 부재들을 가로방향으로 압축하여 연료 부재 다발을 형성하는 동안에 둥근 단면으로부터 직접 형성될 수 있다. 주변 연료 부재들의 국부적 변형은 다음의 두가지 요소들의 영향 하에서 달성된다: a) 주변 연료 부재들과 재킷 사이의 접촉 영역들에서 연료 부재 다발들의 확장 압력의 집중(concentration), 및 b) 연료 집합체의 다른 부재들에 비하여, 가로방향 변형에 대한 주변 연료 부재들의 감소된 저항성. 변형에 대한 감소된 저항성은 슬롯 폭의 상대적 증가 및 주변 연료 부재들의 벽 두께의 감소에 기인한다. 연료 부재 다발의 압축을 위한 첫 단계에서 기술적 간격들이 선택되고, 재킷과의 접촉 영역들에서 부재들의 타원형 단면이 형성되고; 이어서, 재킷 내의 연료 부재 다발의 요구되는 이격 장력(spacing tension)이 달성된다. 연료 부재 및 4개의 인접한 연료 부재들의 클래딩 및 재킷에 의해 5개의 접점들이 형성되고, 상기 연료 부재의 클래딩과 인접한 연료 부재들에 의해 4개의 접점들이 형성된다. 기존에 개시된 공지의 연료 집합체에 비하여, 본 발명의 연료 집합체는 주변 연료 부재들의 이격 접점들의 수를 3배 증가시킨다(9/3). 본 발명의 해결수단은 균일성을 실질적으로 증가시키고, 온도 및 핵연료의 조사 팽윤(radiation swelling)에 미치는 연료 부재들의 영향에 기인하는, 주변 연료 부재들의 클래딩들 및 연료 부재 다발 내의 다른 연료 부재들의 클래딩들에서의 국부적인 기계적 스트레스 수준을 감소시킨다.

또한, 본 발명에 의한 기술적 결과는, 본 발명의 연료 집합체 제조방법을 사용함으로써 달성되는데, 상기 방법에 따라, 연료 부재 다발 내의 적어도 주변 연료 부재들은 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 둥근 박벽 튜브 형태의 이격 부재들을 구비하고, 상기 연료 부재들은 연료 집합체의 조립 과정에서 연료 부재 다발들의 가로방향 압축을 통해 재킷과 접촉하는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 연료 집합체의 형성 및 그의 제조 방법의 예들을 나타낸다.

이하에서, 본 발명의 연료 집합체의 특정의 예시적인 구체예들 및 본 발명에서 제안된 해결수단을 사용하여 상기 연료 집합체를 제조하는 방법의 변형예들이 더욱 상세히 설명될 것이다.

바람직한 구체예는, 길이방향 관통 슬롯들 및 동일한 외부 직경을 갖는 둥근 박벽 튜브들의 형태인 부재들을 구비하는 모든 연료 집합체 부재들을 제공하는 것이다. 이러한 디자인은 주변 연료 부재들의 이격 신뢰성의 실질적인 향상 및 연료 부재 다발의 모든 연료 부재들의 클래딩들에서의 국부적 스트레스의 감소를 가능하게 한다. 이는, 주어진 온도에서의 부재들의 변형 및 클래딩 직경에서의 방사선 증가에 의해 달성된다.

본 발명의 하나의 가능한 구체예는, 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 둥근 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 구비한 주변 연료 부재들을 제공하고, 와이어 이격 부재들을 갖는 연료 부재 다발 내부의 연료 부재들을 제공하는 것이다. 이러한 경우에, 상기 부재들과 와이어들의 외부 직경들은 동일하고, 이로써 다발 내의 모든 연료 부재들의 신뢰성 있는 이격을 제공한다. 다발 내의 모든 연료 부재들의 클래딩들에서의 국부적 스트레스의 상당한 감소는 주변 연료 부재들의 추가적인 변형에 기인하여 제공된다. 그러나, 이러한 디자인은 비교적 작은 직경(최대 1.5~2 mm)을 갖는 이격 부재들이 사용된 연료 집합체에 대해서만 구현될 수 있다.

본 발명의 연료 집합체의 디자인은 이격 부하가 증가할 때 부재의 변형을 가능하게 함으로써, 원자로 코어 내의 연료 부재 클래딩들의 온도 및 조사 팽윤에 대한 보상을 보장한다. 슬롯 폭의 한계범위 내에서의 부재의 가로방향 변형은 가로면에서의 부재 프로파일의 구부러짐에 의해 일어나고, 연료 부재의 클래딩에서의 접촉 스트레스의 유의한 증가를 초래하지는 않으므로, 높은 수준의 핵연료 연소(burnout) 상태에서 연료 부재의 신뢰성을 향상시킨다. 또한, 상기한 연료 디자인은 원자로 코어 내에서 부재의 슬롯을 통한 길이방향 및 가로방향으로의 냉각재의 유입 및 배출을 보장한다. 이는, 국부적 위치들에서의 냉각재 오염물 침착 가능성을 낮출 뿐 아니라, 연료 부재의 클래딩의 과열 및 부식 면적들이 형성될 가능성도 낮춘다. 클래딩이 연소되어 비균일한 방식으로 연료 부재의 높이를 따라 팽윤하면, 슬롯의 폭이 달라질 수 있다. 슬롯 폭은 주변부에서 보다 연료 부재의 중간부에서 더 작을 수 있다.

이격 부재들의 길이방향 강성의 최적 조합 및 그들의 가로방향 변형 동안의 부하의 감소를 보장하기 위하여, 이격 부재의 벽 두께는 연료 부재의 클래딩 두께의 0.25 내지 1로 설정된다. 상기한 이격 부재 벽 두께값을 갖고, 연료 부재 클래딩 소재와 동일한 소재(예로서, 스테인레스 스틸)로 조립됨으로써, 이격 부재의 말단 섹션들과 연료 부재들의 클래딩 또는 그 말단 플러그들 사이의 용접 이음부의 강도 및 신뢰성을 확보하기 위한 최적의 조건들을 갖출 수 있게 된다. 상기 이격 부재는, 설정된 폭을 갖는 길이방향 슬롯을 형성하기 위한 관통절단부(through cut)가 형성되어 있는 박벽 튜브로부터 제조될 수 있거나, 또는 박벽 스트립을 구부림으로써 제조될 수 있다. 이격 부재 내의 슬롯의 폭은, 튜브를 밀링하고, 금속을 제거하지 않고 절단 에지들을 튜브 내부로 절단 및 구부림으로써 형성될 수 있다. 절단 라인을 따라 내부로 구부러진 에지들을 갖는 이격 부재들은 연료 부재의 조립 공정 동안에, 그리고 원자로 코어 내에서 연료가 연소될 때, 이격 부재의 형태 안정성 및 강성이 증가한다.

주변 연료 부재들의 이격 부재들에 있어서, 가로면에서의 변형에 대한 감소된 저항성은 그들의 슬롯 폭이 부재 직경의 0 내지 0.35로 상대적으로 증가하고, 다른 연료 부재들의 이격 부재들의 슬롯 폭은 부재 직경의 0.1 내지 0.25인 것에 의해 달성된다. 가로 변형에 대한 저항성을 더 감소시키기 위하여, 주변 연료 부재들의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.25 내지 0.6으로 설정되고, 다른 연료 부재들의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.4 내지 1로 설정된다. 각각의 특정 경우에, 상기 파라미터들을 변경함으로써, 주변 연료 부재들의 이격 부재들이 재킷과 접촉하는 영역들에서의 실질적 변형을 보장할 수 있고, 연료 집합체를 조립할 때, 상기 영역들에서, 정해진 치수를 갖는 이격 부재의 타원형 단면을 직접 형성할 수 있게 된다.

본 발명의 연료 집합체의 제조 방법에 따라, 연료 집합체의 제조 동안에 연료 부재 다발들의 가로방향 압축에 의해, 주변 연료 부재들은 재킷과 접촉하고 있는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는다. 그리드 내에 고정된 연료 부재들의 가로방향 압축은 연료 부재 다발이 재킷 내로 삽입될 때 재킷 사이드들로부터 가해지는 압력에 의해 직접 이루어지거나, 또는 여러 개의 육각형 압축 림들에 의해 이루어진다. 림들은 개방 상태로 연료 부재 다발 상에 놓여지고, 그런 다음 연료 부재들과 이격 부재들 사이에 피팅(fitting) 갭들이 형성될 때까지, 그리고 주변 연료 부재들이 상기 림들과 접촉하는 지점들에 의해 타원형 단면이 형성될 때까지, 상기 림들의 부분들이 함께 당겨진다. 연료 집합체 재킷이 그의 버트를 시작으로 조립된 연료 부재 다발 상에 놓여지고; 이어서 연료 부재 다발이 상기 재킷 내부로 삽입됨에 따라 압축 림들은 상기 다발의 표면으로부터 하나씩 제거된다. 그 결과, 정해진 형태의 단면 및 주변 연료 부재들이 재킷과 접촉하고 있는 지점들에서의 주변 연료 부재들의 타원형 단면을 갖는 연료 부재 다발이 재킷 내부에 형성된다. 상기 연료 부재 다발은 이격 부재들의 탄성 변형의 한계 내에서 압축되므로, 상기 다발 내의 연료 부재들 사이의 접촉 영역들 및 상기 다발과 재킷 사이의 접촉 영역들에서의 임의의 장력으로, 상기 다발이 연료 집합체 재킷 내에 설치될 수 있다. 상기한 탄성 한계치들 내에서 부재 파라미터들을 선택함으로써, 연료 부재 다발을 압출하는 첫 단계에서 기술적 갭들을 선택할 수 있고, 부재들은 재킷과 접촉하는 영역들에서 타원형 단면을 형성할 수 있고, 이로써 재킷 내의 연료 부재 다발 및 재킷 자체에 대해 요구되는 이격 장력이 보장될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 연료 집합체의 형성 및 그의 제조 방법의 예들을 나타낸다. 도 1은 다발 내로 연료 부재들을 팩킹하기 위한 삼각형 그리드를 갖는 연료 집합체의 일 단면을 나타낸다. 도 2는 부재 단면의 여러 변형 상태들에서, 연료 집합체의 재킷과 주변 연료 부재의 접촉 영역의 단면들을 나타낸다.

본 발명에 따르면, 연료 집합체는, 재킷(1)에 의해 서로 연결된 탑 노즐과 바닥 노즐(도면의 예들에서는 도시되지 않음); 및 그리드(도시되지 않음)에 의해 연료 집합체 내에 배열된 로드형 연료 부재들의 다발(2)을 포함한다. 상기 다발은 이격 부재들(4)을 갖는 내부 연료 부재들(3) 및 재킷(1)과 접촉하고 있는 이격 부재들(6)을 갖는 주변 연료 부재들(5)로 이루어진다. 상기 이격 부재들(4 및 6)은 길이방향 관통 슬롯들(7)을 구비한다. 주변 열(peripheral row)의 주변 연료 부재들(5)의 이격 부재들(6)이 재킷(1)과 접촉하는 영역들에서, 상기 이격 부재들(6)은 실질적으로 타원형 단면(9)을 갖는다(도 1은 상기 접점들(8)을 통과하는 면에서의 타원형(9)을 나타낸다).

상기 이격 부재들(4 및 6)의 슬롯(7)의 폭은 이격 부재 직경의 0.1 내지 0.35의 범위로 설정된다. 상기 이격 부재들(4 및 6)의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.25 내지 1의 범위로 설정된다. 주변 연료 부재들(5)의 이격 부재들(6)은, 이격 부재들(4)과 비교하여, 가로방향으로의 변형에 대한 감소된 저항성을 갖는다. 이러한 목적을 위하여, 이격 부재들(6)의 슬롯들(7)의 폭은 이격 부재 직경의 0.20 내지 0.35의 범위로 설정되고, 이격 부재들(4)의 슬롯들의 폭은 이격 부재 직경의 0.1 내지 0.30의 범위로 설정된다; 이격 부재들(6)의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.25 내지 0.6의 범위로 설정되고, 이격 부재들(4)의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.4 내지 1의 범위로 설정된다.

연료 집합체는 다음과 같이 제조된다. 공지 기술에 따라서, 부재들을 갖는 연료 부재 다발이 그리드(도면들에는 도시되지 않음) 내에서 부재들의 하부 단부들을 체결함으로써 형성된다. 다발(2)의 가로방향 압축은, 예를 들어, 다발을 재킷 내부로 삽입할 때, 재킷의 내부 사이드들과 다발의 직접 접촉을 통해 달성될 수 있다. 또한, 연료 부재들(3 및 5)로 이루어지는 다발(2)의 가로방향 압축은, 접촉 상태에서 연료 집합체 재킷(1)의 단면과 동일한 단면을 갖는 몇 개의 투피스(two-piece) 육각형 림들(10)을 이용하여 수행될 수도 있다. 상기 림들(10)은 개방 상태에서 다발(2) 상에 놓여지고; 이어서, 상기 림들의 반쪽들이 서로를 향해 당겨져서, 피팅 갭들이 생성되고 이격 부재들(6)이 림들(11)과 접촉하는 영역들(8)에서 타원형 단면(9)을 갖도록 변형될 때까지, 상기 다발은 가로면에서 압축된다. 다음으로, 압축된 다발(2)의 자유단이 재킷(1) 내로 삽입되고, 상기 림들(10)이 재킷에 의해 대체되면서 림들(10)이 하나씩 제거됨으로써, 재킷이 상기 다발 상에 놓이게된다. 그 결과, 정해진 형태(예로서, 육각형)의 단면 및 재킷(1)과 접촉하는 연료 부재들(5)의 접촉 영역(8)의 타원형 단면(9)을 갖는 다발(2)이 재킷(1) 내에 형성된다. 도2a는 다발이 압축되기 전에 이격 부재들(6)의 단면의 초기 상태를 나타내고, 도 2b는 다발(2)이 림들(10)에 의해 압축된 후에 이격 부재들(6)의 타원형 단면을 나타낸다; 이러한 단면은 재킷(1) 내로 상기 다발(2)이 삽입된 후에도 변하지 않는다. 상기 림들(10) 내의 다발(2)과 재킷의 압축은 이격 부재들(4 및 6)의 탄성 변형의 한계 내에서 수행되며, 이로써 다발 내의 연료 부재들 사이 및 주변 연료 부재들(5)과 재킷(1) 사이의 조절된 이격 장력이 보장된다.

원자로 코어 내에서의 핵연료의 조사(irradiation) 과정에서, 핵연료의 조사 팽윤 및 연료 부재 클래딩 직경의 증가가 발생한다. 본 발명에 따르면, 연료 집합체에서, 상기와 같은 치수의 변화는 가로면에서 이격 부재들(4 및 6)의 실질적 변형에 의해 보상된다. 추가의 변형 상태에서의 이격 부재(6)의 단면 형태가 도 2c에 나타나 있고, 이격 부재(4)의 단면 형태는 슬롯(7) 폭이 감소함에 따라 도 2b에 도시된 타원형 단면으로 변화된다. 주변 연료 부재의 이격 신뢰성이 현저히 향상되고, 이로써 본 발명에서는 9개의 접점들에 영향을 미치게 된다(공지 기술에서는 3개의 접점들). 이에 의해, 박벽 연료 부재 클래딩에서의 국부적 스트레스가 감소될뿐 아니라 클래딩과 부재들 사이의 접촉 영역들에서의 공식 부식이 감소된다.

본 발명의 연료 집합체의 상기한 특성들에 의해, 본 발명의 연료 집합체는, 클래딩의 외부 직경이 10 mm 보다 크고, 인접한 연료 부재들의 클래딩들 사이의 최소 간격이 3 mm 보다 클 수 있는, 계획된 납-냉각 고속 중성자로 및 질화 우라늄-플루토늄 연료를 갖는 원자로용으로 사용될 수 있다.

본 발명에서 제안된 연료 집합체의 디자인은, 박벽 튜브들의 형태로 부재들을 조립할 수 있음으로써 연료 집합체의 금속 강도를 감소시키는 것을 가능하게 한다. 이격 부재들 내의 길이방향 관통 슬롯들에 의해, 가로면에서의 변형 가능성을 현저히 감소시키고, 원자로 코어 내의 연료가 연소될 때 연료 부재의 클래딩에서 발생하는 국부적 스트레스를 감소시키는 것이 가능하게 된다. 이러한 기술적 결과들의 달성에 의해, 고속 중성자 원자로 코어의 중성자 파라미터들을 향상시킬 수 있고, 연료 부재들과 연료 집합체들의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 기술적 수단은 이격 부재의 길이방향 강성이 실질적으로 감소되도록 한다. 이에 의해, 연료 부재의 기하학적 형태의 현저한 파괴 없이, 박벽 클래딩의 표면 주위의, 특정 장력을 갖는 이격 부재의 빈공간들(blanks)을 둘러싸는 것이 가능해진다. 게다가, 본 발명에서 제안된 디자인은, 그의 균일한 조성과 구조, 및 용접된 부분들의 기하학적 형태로 인해, 이격 부재와 클래딩의 용접 이음부들의 신뢰성을 높인다. 본 발명의 기술적 수단의 이러한 특성들은, 신세대 동력 고속 중성자 원자로들을 위한 연료 집합체들을 조립함에 있어서, 그의 실제적 구현을 가능하게 한다.

본 발명에 의한 연료 집합체 구조의 디자인 및 방법에 관한 새로운 특징들은, 다른 특징들과 조합되어, 연료 다발의 내부 연료 부재들 및 주변 연료 부재들 모두의 배열에 대해 요구되는 특성들을 보장하기 위하여, 단순하면서도 신뢰성있는 수단을 적용할 수 있게 한다. 그러한 특성들은, 온도 및 조사(radiation)에 의한 영향 하에서, 연료 부재들 및 연료 집합체 프레임의 치수들이 길이방향 및 가로방향으로 변화함에 따라 연료 부재 클래딩과 이격 부재들 사이의 접촉 영역들에서의 국부적 스트레스의 특정 수준을 보장하고, 연료 집합체 부재들의 최소 금속 강도 및 연료 집합체들의 조립과 배열의 단순성을 보장하는 것을 포함한다. 본 발명에서 제안된 디자인은 다양한 단면 형태들, 예를 들어 정사각형 또는 육각형 단면을 갖는 연료 집합체들에 사용될 수 있다.

Claims

재킷에 의해 서로 연결된 탑 노즐과 바닥 노즐, 및 그리드 및 각 연료 부재의 클래딩 주위를 둘러싸고 있고 그들의 말단들에서 고정된 나선형 이격 부재들에 의해 상기 재킷 내에 배열된 로드형 연료 부재들의 다발을 포함하는 원자로 연료 집합체로서, 상기 다발 내의 적어도 주변 연료 부재들은 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 구비하고, 주변 열(peripheral row)의 연료 부재들의 상기 이격 부재들은 재킷과 접촉하고 있는 영역들에서 실질적으로 타원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제1항에 있어서,
상기 다발 내의 모든 연료 부재들이 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 둥근 박벽 튜브 형태의 이격 부재들을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제1항에 있어서,
주변 연료 부재들은 길이방향 관통 슬롯들을 갖는 둥근 박벽 튜브들의 형태인 이격 부재들을 구비하고, 상기 다발의 내부의 연료 부재들은 와이어 이격 부재들을 구비하며, 상기 튜브들 및 와이어들은 동일한 외부 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
이격 부재들 내의 슬롯의 폭은 그 직경의 0.1 내지 0.35의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
이격 부재의 벽 두께는 연료 부재의 클래딩 두께의 0.25 내지 1의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제2항에 있어서,
주변 연료 부재들의 이격 부재들은 상기 다발 내의 내부 연료 부재들의 이격 부재들에 비하여, 가로방향에서의 변형에 대한 저항성이 감소된 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제6항에 있어서,
주변 연료 부재들 내의 슬롯들의 폭은 부재 직경의 0.20 내지 0.35의 범위로 설정되고, 내부 연료 부재들 내의 슬롯들의 폭은 부재 직경의 0.1 내지 0.30의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.
제6항에 있어서,
주변 연료 부재들의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.25 내지 0.6의 범위로 설정되고, 내부 연료 부재들의 벽 두께는 연료 부재 클래딩 두께의 0.4 내지 1의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체.