KR20230087181A - 방열형 핵연료 - Google Patents

방열형 핵연료 Download PDF

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윤지해
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 방열부를 통해 열전달이 가능한 표면적을 넓혀 핵연료의 방열성능을 향상시켜 핵연료 온도 저감을 달성할 수 있으며, 핵연료의 방열성능 개선으로 핵연료의 안전성 향상과 더불어 다양한 노형의 노심 설계를 용이하게 구현할 수 있는 방열형 핵연료를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방열형 핵연료는 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브 내의 상부에 플레넘(plenum)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 피복재 튜브 내에 장입되는 복수의 핵연료를 포함하며, 핵연료는 길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되는 본체, 그리고 본체의 외주면에서 미리 설정된 간격을 갖고 복수로 돌출 형성되어 열전달이 가능한 표면적을 형성하는 방열부를 포함한다.

Description

방열형 핵연료{HEAT RADIATING TYPE NUCLEAR FUEL}
본 발명은 방열형 핵연료에 관한 것이다.
핵연료의 열전달 효과를 향상함으로써 핵연료 온도를 저감하는 기술은 핵연료 성능 및 안전성 측면에서 가장 중요한 요소로 강조되고 있다. 더하여 최근에 기존 경수로와는 다른 새로운 형태의 원자로 노형들이 활발히 연구, 개발되고 있으며 이에 따른 핵연료의 안전성 향상을 위한 열전달 향상 기술은 핵심 요소로 주목받고 있다. 예를 들어 소형모듈원전(SMR, Small Modular Reactor) 및 초소형원자로(MR, Micro Reactor)는 노심 크기가 기존 상용 원전과 비교해 획기적으로 줄어들고 노심 계통이 일체화됨에 따라 핵연료의 효율적인 냉각이 필수적이며, 용윰염원자로(MSR, Molten Salt Reactor)와 같이 기존 냉각재를 사용하지 않는 새로운 열전달 조건을 가진 노심이 연구, 개발되고 있다.
그러나 기존 핵연료는 원통형 구조로써 피복관 내에 축 방향으로 적층되는 방식으로 열전달 면적(핵연료의 원주면)과 열전달 방향(반경 방향)이 결정되며 피복관과 핵연료 사이 간격(pellet cladding gap)에 의해 핵연료 방열성능에 한계가 있다. 예를 들어 대표적 핵연료 재료인 이산화 우라늄(UO2, Uranium dioxide)은 약 2850℃의 높은 융점을 가지며, 고온에서도 상변태가 일어나지 않는 우수한 노내 안정성을 갖고 있지만, 열전도도가 낮아 매우 가파른 온도 구배(temperature gradient, 정상 운전 시 약 500~700℃)를 형성하며, 이로 인하여 다양한 열적/기계적 문제를 야기시켜 핵연료 성능 및 안전성에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서 기존 원전뿐만 아니라 새로운 노형에 적용될 핵연료는 안전성 향상을 위해 내부 온도의 저감 기술이 핵심이며, 운전여유도(operational margin) 확보와 과도상태 및 사고조건에서 안전여유도(safety margin) 향상에 이바지할 수 있다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 836,954는 "요철을 구비한 환형 소결체를 포함하는 환형 핵연료봉"을 개시한다.
한국등록특허 836,954
본 발명의 일 실시예는 방열부를 통해 열전달이 가능한 표면적을 넓혀 핵연료의 방열성능을 향상시켜 핵연료 온도 저감을 달성할 수 있으며, 핵연료의 방열성능 개선으로 핵연료의 안전성 향상과 더불어 다양한 노형의 노심 설계를 용이하게 구현할 수 있는 방열형 핵연료를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방열형 핵연료는 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브 내의 상부에 플레넘(plenum)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 피복재 튜브 내에 장입되는 복수의 핵연료를 포함하며, 핵연료는 길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되는 본체, 그리고 본체의 외주면에서 미리 설정된 간격을 갖고 복수로 돌출 형성되어 열전달이 가능한 표면적을 형성하는 방열부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 핵연료에 방열기능을 부가함으로써 핵연료 온도 저감 기술개발에서의 중요 고려 사항인 핵연료 방열성능 극대화를 달성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료와 피복부를 일체형으로 동시 제조한 모사 도면이다.
도 3은 핵연료의 온도 분포 및 계산 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 원통형 핵연료와 방열부를 포함한 핵연료의 최고 온도 수준을 비교한 도면이다.
도 5는 핵연료의 변형예를 도시한 도면이다.
도 6은 방열부와 본체의 부피 변화에 따른 최고온도를 비교한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 방열형 핵연료를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료와 피복부를 일체형으로 동시 제조한 모사 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료는 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브(10) 내의 상부에 플레넘(plenum)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 피복재 튜브(10) 내에 장입되는 복수의 핵연료(100)를 포함하며, 핵연료(100)는 본체(110)와 방열부(120)를 포함하여 열전달이 가능한 표면적을 넓혀 방열성능을 향상시켜 핵연료 온도 저감을 달성할 수 있다. 여기서, 핵연료(100)는 이산화 우라늄(UO2)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료는 본체(110)와 별도로 구비되는 방열부(120)를 통해 열전달이 가능한 표면적을 넓혀 방열성능을 향상시켜 핵연료 온도 저감을 달성할 수 있다. 즉, 핵연료(100)의 방열성능을 개선하여 핵연료의 안전성 향상과 더불어 다양한 노형의 노심 설계에 이점을 제공할 수 있다. 핵연료(100)에 방열기능을 부가함으로써 핵연료 온도 저감 기술개발에서의 중요 고려 사항인 핵연료 방열성능 극대화를 달성할 수 있다. 방열부(120)를 포함하는 핵연료(100)는 통상적으로 고려되는 UO2가 아닌 U 금속 및 합금, U-화합물(UC, UN), U/Si-화합물, U/Gd-화합물, U/Th-화합물, U/Pu-화합물 등에도 적용할 수 있다.
본체(110)는 길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성될 수 있다. 본체(110)는 핵연료(100)의 중심부를 형성한다.
방열부(120)는 본체(110)의 외주면에서 미리 설정된 간격을 갖고 복수로 돌출 형성되어 열전달이 가능한 표면적을 형성할 수 있다. 방열부(120)는 본체(110)와 동일한 부피를 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료는 방열부(120)의 표면에 형성되는 피복부(130)를 더 포함할 수 있다. 피복부(130)는 핵연료(100)의 전면에 미리 설정된 두께를 갖는 피복층 형태로 형성될 수 있다. 피복부(130)는 핵연료(100)와 서로 다른 소재로 형성될 수 있다. 그리고 피복부(130)는 방열부(120)를 보강하는 기능을 할 수 있다. 핵연료(100)와 피복부(130)는 일체로 형성될 수 있다. 핵연료(100)는 적층 제조방식으로 형성될 수 있다.
즉, 방열부(120)가 포함된 핵연료(100)의 제작을 위해 적층 제조(AM, Additive Manufacturing) 기법을 활용하여 외부면의 복잡한 구조를 묘사할 수 있다. 예를 들어 DLP(Digital Light Processing) 방식을 사용하여 세라믹 레진 소재의 모사 핵연료를 적층 제조 방식으로 형성할 수 있다. 3D 프린팅 방식을 통해 미소 크기와 복잡한 형상을 가진 핵연료를 제조할 수 있다. 그리고 방열부(120)를 포함한 핵연료(100)의 제조시 적층 제조 기법을 통하여 미세하거나 복잡한 구조를 구현하기 용이하나 상용 공정(압축 형성, 절삭 등)에서도 가능하다.
도 2는 모사 재료를 이용하여 적층 제조 방법 중 FDM(Fused Deposition Modeling)방식을 적용하여 핵연료(100)와 피복부(130)를 일체형으로 동시 제조한 모사 핵연료(100)의 도면이다. 도 2에서 흰색 구조는 본체(110)와 방열부(120)를 포함한 핵연료(100)를 모사한 것이며, 청색 구조는 방열부(120)를 포함한 핵연료(100)를 감싸고 있는 피복부(130)를 모사한 것이다. 피복부(130)는 핵연료(100)의 형성과 동시에 적층기법을 이용하여 일체로 제조할 수 있다. 이와는 달리, 피복부(130)는 표면 코팅, 식각, 핵연료(100)와 조립 등을 통해서도 핵연료(100)에 별도로 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료는 방열부(120)를 포함한 본체(110)를 이용하여 열전달 표면적을 증가시켜 열전달률의 증가를 유도하여 온도 저감을 달성할 수 있다. 예를 들어, 핵연료(100)는 중심부를 형성하는 본체(110), 그리고 본체(110)와 동일한 부피를 갖도록 형성된 방열부(120)를 포함한다. 이와 같이 핵연료(100)는 본체(110)와 별도로 방열부(120)를 포함하여 더 큰 열전달 표면적을 갖게 되며, 중심부인 본체(110)의 부피가 줄어들어 온도 구배를 완화할 수 있다. 방열부(120)를 포함하는 핵연료(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 동일 부피 및 동일 열전달 조건으로 전산모사 해석 결과 기존 원통형 핵연료와 비교해 방열 성능이 향상되어 중심온도 저감을 확인하였다. 도 3은 방열부(120)를 포함하는 핵연료(100)의 온도 분포 및 계산 결과를 도시한 도면이다. 이때 방열부(120)를 포함한 핵연료(100)의 최고온도는 도 4에 도시한 바와 같이 원통형 UO2 핵연료의 60% 수준이다. 도 4는 동일 부피에서 원통형 핵연료와 방열부(120)를 포함한 핵연료(100)의 최고 온도 수준을 비교한 도면이다.
통상적인 경수로 핵연료봉은 약 4m 길이의 Zr-합금 피복관 및 400여 개의 원통형 UO2 핵연료를 포함한다. 핵연료봉 바깥쪽 면으로는 약 320℃ 냉각수가 핵연료봉 길이 방향으로 흐르는데, 핵연료 재료인 UO2의 열전도도가 낮으므로, 핵연료 중심온도는 정상운전 조건에서도 약 1,000℃에 이르게 된다. 이때 핵연료는 원통형의 형상 때문에 반경 방향의 1차원 열전달이 유일하므로 내부 온도 분포는 축 방향으로 균일하지만, 반경에 따른 구배가 발생한다. 핵연료의 온도 저감을 위해서는 내부로부터 외부로 열전달률(heat transfer rate) 향상이 필수적이다.
UO2 핵연료의 온도 저감을 위해서는 생성된 열을 외부 냉각재로 전달되는 열전달률이 증가해야 한다. 열전달률을 증가시키기 위해서는 열전달이 일어나는 표면적을 넓히는 방안이 있다. 기존 원통형 UO2 핵연료는 축 방향(핵연료봉 길이 방향)으로 적층되기 때문에 반경방향의 열전달이 유일하며 열전달이 일어나는 면적은 핵연료의 원주면으로 제한된다. 따라서 핵연료의 구조 변경을 통한 열전달 경로를 추가 확보하여 방열성능을 향상해 핵연료 온도 저감에 기여할 수 있다.
방열부(120)는 핵연료의 열전달 환경을 고려하여 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이 핵연료(100)는 중심부의 본체(110)를 기준으로 적용할 수 있는 다양한 형태의 방열부(120)를 형성할 수 있다. 본체(110)의 축 방향과 냉각재의 유동 방향이 일치할 때 도 5a와 같이 방열부(120)는 본체(110)의 축방향을 따라 길게 축형(axial) 돌출구조로 형성할 수 있다. 방열부(120)는 본체(110)의 축방향을 따라 길게 축형 돌출구조로 구비됨에 따라 본체(110)의 축방향으로 냉각재 유동경로를 형성할 수 있다. 그리고 본체(110)의 축방향과 냉각재의 유동방향이 수직일 때는 도 5b와 같이 방열부(120a)는 본체(110)의 원주방향을 따라 원형(circular) 돌출구조로 형성할 수 있다. 방열부(120a)는 본체(110)의 원주방향을 따라 원형 돌출구조로 구비됨에 따라 본체(110)의 원주방향으로 냉각재 유동경로를 형성할 수 있다. 한편, 본체(110)의 표면에서 냉각재 난류 유동을 이용하여 열전달을 촉진하고자 하는 경우 도 5c와 같이 방열부(120b)는 돌기형(stud) 구조로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료(100)에서 핵연료의 효과적인 온도 저감 달성을 위한 방열부(120)는 상기한 구조에만 한정되지는 않으며, 방열 성능 극대화를 위한 다양한 방열부를 고려할 수 있다.
한편, 핵연료(100)의 중심온도를 효과적으로 저감하기 위해서는 방열부(120)의 적절한 설계가 필요하다. 도 6은 방열부(120)를 가진 핵연료(100)에서 방열부(120)와 본체(110)의 부피 변화를 알 수 있다. 핵연료(100)의 전체 부피가 동일한 경우로 가정할 때 방열부(120)의 부피가 증가할수록 내부 본체(110)의 부피는 감소하며, 본체(110) 중심으로부터 표면까지의 거리가 감소하여 최고온도가 감소할 수 있다. 도 6을 참고하면, 모든 경우에서 동일한 부피를 가질 때 방열부(120)의 부피와 내부 본체(110)의 부피비에 따른 핵연료(100) 최고온도를 계산한 결과를 알 수 있다. 본체(110)에 대한 방열부(120)의 부피비가 0.5가 되는 지점까지는 핵연료(100)의 최고온도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 방열부(120)의 부피비가 0.5가 되는 지점 이후로는 최고온도의 감소가 둔화되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유로, 방열부(120)의 부피비와 본체(110)의 부피비는 0.5 이상을 유지할 수 있다. 예를 들어, 방열부(120)는 본체(110)와 동일한 부피로 형성될 수 있다. 즉, 설계의 복잡성과 제조 경제성을 고려하여 내부구조에 대한 방열부(120)의 부피비가 0.5 정도가 되면 충분히 효과적인 온도저감 효과를 기대할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 방열형 핵연료는 온도 저감 핵연료 기술개발에서의 중요 고려 사항인 핵연료 방열 성능 극대화를 해결하는 효과를 가질 수 있다. 그리고 방열부(120)를 통해서 열전달 면적과 열전달 방향을 증가시켜 핵연료의 내부 온도 저감을 달성할 수 있어 기존 가동 원전 핵연료뿐만 아니라 다양한 노형(Small Modular Reactor, Micro Reactor, Molten Salt Reactor 등)의 핵연료에서 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 ; 피복재 튜브 100 ; 핵연료
110 ; 본체 120 ; 방열부
130 ; 피복부

Claims (10)

  1. 길이방향을 따라 길게 형성되는 피복재 튜브 내의 상부에 플레넘(plenum)이 구비되도록 형성되는 제어봉에서 상기 피복재 튜브 내에 장입되는 복수의 핵연료
    를 포함하며,
    상기 핵연료는
    길이방향으로 길게 원주 형상으로 형성되는 본체, 그리고
    상기 본체의 외주면에서 미리 설정된 간격을 갖고 복수로 돌출 형성되어 열전달이 가능한 표면적을 형성하는 방열부
    를 포함하는 방열형 핵연료.
  2. 제1항에서,
    상기 방열부의 부피비와 상기 본체의 부피비는 0.5 이상을 유지하는 방열형 핵연료.
  3. 제2항에서,
    상기 방열부는 상기 본체와 동일한 부피로 형성되는 방열형 핵연료.
  4. 제1항에서,
    상기 방열부는 본체의 축방향을 따라 길게 축형 돌출구조로 구비되어 상기 본체의 축방향으로 냉각재 유동경로를 형성하는 방열형 핵연료.
  5. 제1항에서,
    상기 방열부는 본체의 원주방향을 따라 원형 돌출구조로 구비되어 상기 본체의 원주방향으로 냉각재 유동경로를 형성하는 방열형 핵연료.
  6. 제1항에서,
    상기 방열부의 표면에 형성되는 피복부를 더 포함하는 방열형 핵연료.
  7. 제6항에서,
    상기 피복부는 상기 핵연료의 전면에 형성되는 방열형 핵연료.
  8. 제7항에서,
    상기 피복부는 상기 핵연료와 서로 다른 소재로 형성되는 방열형 핵연료.
  9. 제7항에서,
    상기 핵연료와 상기 피복부는 일체로 형성되는 방열형 핵연료.
  10. 제1항에서,
    상기 핵연료는 적층 제조방식으로 형성되는 방열형 핵연료.
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