KR20230129710A - 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전에 관한 것으로, 원자로 본체; 및 상기 원자로 본체 내에 수용되어 있으며 복수의 연료집합체를 포함하며 단면배치영역을 가지는 핵연료체를 포함하며, 상기 단면배치영역은, 제1배치영역; 및 상기 제1배치영역의 외곽에 위치하며 서로 이격되어 있는 복수의 제2배치영역을 포함하며, 상기 연료집합체는, 각각 제1크기를 가지며 상기 제1배치영역에서 밀접 배치되어 있는 제1핵연료집합체; 및 각각 상기 제1크기보다 작은 제2크기를 가지며 상기 제2배치영역에 배치되어 있는 제2핵연료집합체를 포함한다.

Description

소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전{SMR comprising small sized fuel assembly}
본 발명은 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전에 관한 것이다.
기존 SMR 원전에 사용되는 연료집합체는 가로세로 약 20cm 길이의 정사각형이고 내부에 연료봉이 15x15 혹은 16x16 혹은 17x17 만큼 장전되어 있다.
SMR 원전의 원통형 노심 베셀 내부에 이들 연료집합체가 장전되면 SMR의 출력이나 크기에 따라 특정한 형태로 장전된다.
기존 상용 PWR도 유사한 장전모형을 사용하지만 연료집합체수가 177개~241개로 많기 때문에 설계가 용이하다.
그러나, SMR 등 소형모듈형 원자로의 경우 집합체수가 37~64개에 불과하다. 따라서, 출력조절을 위해 대부분의 연료 위에 제어봉집합체를 설치해야 하며, 중성자 누설이 많아 연료효율성이 감소하여 주기길이가 짧아지는 문제가 있다.
이를 해소하려면 농축도 증가, 가연성독물질 봉 사용의 방안이 있으나 연료제조성 등에서 장기간 검증이 필요하다.
미국특허공개 제2018-0277260호(2018년 9월 27일 공개)
따라서 본 발명의 목적은 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전에 있어서, 원자로 본체; 및 상기 원자로 본체 내에 수용되어 있으며 복수의 연료집합체를 포함하며 단면배치영역을 가지는 핵연료체를 포함하며, 상기 단면배치영역은, 제1배치영역; 및 상기 제1배치영역의 외곽에 위치하며 서로 이격되어 있는 복수의 제2배치영역을 포함하며, 상기 연료집합체는, 각각 제1크기를 가지며 상기 제1배치영역에서 밀접 배치되어 있는 제1핵연료집합체; 및 각각 상기 제1크기보다 작은 제2크기를 가지며 상기 제2배치영역에 배치되어 있는 제2핵연료집합체를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 각 연료집합체는 사각형 단면을 가지는 길게 연장된 육면체 형상이며, 상기 제2핵연료집합체의 단면 크기는 상기 제1핵연료집합체의 단면 크기의 15% 내지 50%일 수 있다.
상기 각 연료집합체는 정사각형 단면을 가지며, 상기 제2핵연료집합체의 단면 크기는 상기 제1핵연료집합체의 단면 크기의 20% 내지 30%일 수 있다.
상기 제1배치영역의 외곽은 상기 제1핵연료집합체가 계단식으로 배치된 모서리 영역을 가지며, 상기 제2배치영역은 상기 모서리 영역을 이루는 2개의 상기 제1핵연료집합체에 마주하도록 배치되어 있을 수 있다.
상기 핵연료체와 상기 원자로 본체의 사이에 위치하는 반사체를 더 포함하고, 상기 제2핵연료집합체는 복수의 연료봉 및 복수의 스텐리스스틸봉을 포함하며, 상기 스텐리스스틸봉은 상기 반사체를 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 핵연료체와 상기 원자로 본체의 사이에 위치하는 반사체; 및 상기 원자로 본체의 외부에 위치하며 상기 제2핵연료집합체에 인접하게 배치되는 노외계측기를 더 포함하며, 상기 제2핵연료집합체는 복수의 연료봉 및 복수의 스텐리스스틸봉을 포함하며, 상기 스텐리스스틸봉은 상기 반사체를 마주하도록 배치되며, 상기 노외계측기와 상기 제2핵연료집합체의 중심영역을 연결하는 영역에는 배치되지 않을 수 있다.
상기 제2핵연료집합체에 설치되는 제어봉을 삽입할 수 있는 유도관 및 노내계측기 중 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈형 원자로에 있어서, 원자로 본체; 및 상기 원자로 본체 내에 수용되어 있으며 복수의 연료집합체를 포함하며 단면배치영역을 가지는 핵연료체를 포함하며, 상기 연료집합체는, 제1핵연료집합체와; 상기 제1핵연료집합체에 비해 단면적이 작은 제2핵연료집합체를 포함하며, 상기 단면배치영역은, 상기 제1핵연료집합체가 배치되어 있는 제1배치영역; 및 상기 제2핵연료집합체가 배치되어 있으며 상기 제1배치영역의 외곽에 위치하며 서로 이격되어 있는 복수의 제2배치영역을 포함하며, 상기 제1배치영역의 둘레는, 상기 제2핵연료집합체가 일렬로 배치된 직선 영역; 및 상기 제2핵연료집합체가 계단식으로 배치된 모서리 영역을 포함하며, 상기 제2배치영역은 상기 모서리 영역에 위치하는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전이 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 소형모듈원전을 나타낸 것이고,
도 2는 도 1의 II-II'를 따른 단면을 나타낸 것이고,
도 3은 도 2의 C부분을 확대하여 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체를 구성을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체를 구성을 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체의 구성을 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 소형모듈원전에서 핵연료체를 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체의 구성을 나타낸 것이고,
도 9은 본 발명의 제5실시예에 따른 소형모듈원전에서 핵연료체를 나타낸 것이다.
본원 발명은 기존 연료집합체 형태를 그대로 사용하지만 주기길이를 늘리고, 제어봉위치 설정에 융통성을 부여하고 중성자속감시계통 성능을 올릴 수 있는 소형 연료집합체를 사용한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 소형모듈원전을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 소형모듈원전을 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 II-II'를 따른 단면을 나타낸 것이고, 도 3은 도 2의 C부분을 확대하여 나타낸 것이다.
소형모듈원전(1)는 원자로 본체(10), 핵연료체(20) 및 증기발생기(30)를 포함한다.
도시하지는 않았지만 소형모듈원전(1)은 냉각수의 흐름을 조절하기 위한 쉬라우드 및/또는 라이저를 더 포함할 수 있다. 또한 핵연료체(20)의 반응도를 제어하기 위한 제어봉 등을 더 포함할 수 있다.
냉각수는 상승하면서 핵연료체(20)를 거치게 되면, 핵연료체(20)에 의해 가열된다. 가열된 냉각수는 하강하면서 증기발생기(30)에 열교환하여 냉각된 후 핵연료체(20)의 하부로 이동 후 다시 핵연료체(20)로 공급된다.
냉각수의 흐름은 펌프를 이용하여 조절하거나, 자연순환을 통해 조절할 수 있다.
핵연료체(20)는 노심이라고도 불리며, 제1핵연료집합체(210)와 제2핵연료집합체(220)를 포함한다. 각 연료집합체(210, 220)는 수평방향의 단면이 정사각형 형상인 길게 연장된 직육면체 형상이며, 내부에는 연료봉(221)이 행렬형태로 배치되어 있다.
본 발명에서 단면 또는 단면적은, 원자로 본체(10)의 길이방향이 수직방향으로 볼 때, 수직방향의 가로 단면인 수평방향에서의 단면 또는 단면적을 말한다.
제1핵연료집합체(210)의 한 변의 길이(L1)는 제2핵연료집합체(220)의 합 변의 길이(L2)의 약 2배이며, 제2핵연료집합체(220)의 단면적은 제1핵연료집합체(210)의 약 25%이다. 다른 실시예에서는 제1핵연료집합체(210)의 한 변의 길이(L1)는 제2핵연료집합체(220)의 한 변의 길이(L2)의 1.3배 내지 4배 또는 1.5 배 내지 2.5배일 수 있다. 또는, 제2핵연료집합체(220)의 단면적은 제1핵연료집합체(210)의 단면적의 15% 내지 50% 또는 20% 내지 30%일 수 있다. 또 다른 실시예에서 제2핵연료집합체(220)의 단면은 정사각형이 아닌 직사각형이거나 삼각형일 수도 있다.
제1실시예에서 제1핵연료집합체(210)는 52개로 마련되어 있으며, 제2핵연료집합체(220)는 8개로 마련되어 있다. 제1핵연료집합체(210)가 위치하는 영역이 제1배치영역이며, 제2핵연료집합체(220)가 위치하는 영역이 제2배치영역이다.
제1핵연료집합체(210)는 밀집배치되어 있으며, 대략 원 형상에 가깝도록 배치되어 있다. 제1배치영역의 둘레는 A와 같은 직선 영역과 B와 같은 계단영역으로 이루어져 있다.
제2핵연료집합체(220)는 계단영역에서 인접한 2개의 제1핵연료집합체(210)에 동시에 접하도록 배치되어 있다. 제2핵연료집합체(220)에 의해 핵연료체(20)는 더욱 원에 가까운 형태가 된다.
제2핵연료집합체(220)는 8*8개의 연료봉(221)을 포함하고 있다. 제1핵연료집합체는 16*16개의 연료봉(221)을 포함할 수 있으나, 일부 연료봉(221)은 제어봉(1~SD) 또는 노내계측기(점 표시)로 대체되어 있다. 제어봉에서 1~4의 숫자로 표시된 것은 원자로 제어용이고 SA~SD 등 S가 붙은 것은 원자로 정지용을 의미한다.
제1실시예에서는 모든 제1핵연료집합체(210)에 제어봉 또는 노내계측기가 배치되어 있다.
본 발명에 따르면 기존에 핵연료가 들어갈 수 없었던, 제1핵연료집합체(210)의 외곽에 추가로 소형의 제2핵연료집합체(220)를 장전할 수 있다.
이상 설명한 제1실시예에서 제2핵연료집합체(220)는 다양하게 변형될 수 있으며, 이를 제2실시예 내지 제5실시예를 통해 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체를 구성을 나타낸 것이다.
제2실시예에서는 소형모듈원전(1)은 반사체(40)를 더 포함한다. 반사체(40)는 원자로 본체(10) 내부에서 핵연료체(20)를 둘러싸고 있으며, 핵연료체(20)에서 조사되는 중성자를 다시 핵연료체(20)로 반사시킨다.
제2핵연료집합체(220)는 연료봉(221)과 스테인리스스틸봉(222)를 포함하며, 스테인리스스틸봉(222)이 반사체(40)와 마주하도록 외곽에 배치되어 있다.
본 발명에 따르면 추가되는 핵연료로 인해 원자로 본체(10)에 중성자플루언스가 증가할 수 있다. 제2실시예에 따르면 반사체(40)와 면하는 부분에 위치하는 스텐리스스틸봉(222)이 차폐역할을 수행하여, 원자로 본체(10)에 가해지는 중성자플루언스를 감소시킨다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체를 구성을 나타낸 것이다.
제3실시예에서는 소형모듈원전(1)은 노외계측기(50)를 더 포함한다. 노외계측기(50)는 원자로 본체(10)의 외부에 위치하며 핵연료체(20)로부터의 중성자 조사를 감시한다.
제2핵연료집합체(220)는 연료봉(221)과 스테인리스스틸봉(222)를 포함한다. 스테인리스스틸봉(222)이 반사체(40)와 마주하도록 외곽에 배치되어 있으나, 노외계측기(50)로의 중성자 조사를 방해하지 않도록 노외계측기(50)와 제2핵연료집합체(220)의 중심영역을 연결하는 영역(D)에는 배치되어 있지 않다.
제3실시예에 따르면 별도의 중성자 유도관없이 연료봉 배열을 통해 노외계측기(50)의 중성자량을 늘릴 수 있다.
노외계측기(50)는 통상 원자로 본체(10)의 외부에 45도, 135도, 225도, 315도 위치에 4개를 놓는다. 본 실시예에 따르면 제2핵연료집합체(220)에 의해 반사체(40)가 줄어들어 노외계측기(50)의 신호 계측이 유리해진다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체의 구성을 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 소형모듈원전에서 핵연료체를 나타낸 것이다.
제4실시예에서는 제2핵연료집합체(220) 내에 제어봉을 삽입할 수 있는 안내관(223)이 마련되어 있다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 소형모듈원전에서 제2핵연료집합체의 구성을 나타낸 것이고, 도 9은 본 발명의 제5실시예에 따른 소형모듈원전에서 핵연료체를 나타낸 것이다.
제5실시예에서는 제2핵연료집합체(220) 내에 노내계측기(224)가 마련되어 있다.
제4실시예 또는 제5실시예에 따르면 제어봉 추가 삽입 혹은 노내계측기 추가 장전 등이 가능하므로 노심내 제어봉구동에 여유를 가져오거나 노내계측기 추가장전으로 안전성 향상에 기여할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 가장 큰 효과는 노심내 연료갯수를 늘려 주기길이를 연장시키는 것이다. 또한 출력분포에 큰 영향없이 주기길이를 연장할 수 있다. 가연성흡수봉을 많이 사용해야하는 SMR의 경우는 주기길이를 늘릴 수 있는 방법으로 본 발명을 사용할 수 있다. 소형의 제2핵연료집합체는 기존의 제1핵연료집합체가 들어갈 수 없는 외곽에 장전되며, SMR의 크기에 따라 4개 내지 16개까지, 즉 기존 연료집합체로 환산하면 1개 내지 4개의 추가 연료장전이 가능하여 설치전 대비 대략 3% 정도 주기길이가 확장된다.
한편 소형의 제2핵연료집합체를 사용해도 노심해석에는 문제가 없다. 현재 노심해석방법은 제1핵연료집합체 하나를 1/4 연료집합체크기로 세분하여 평가하기 때문에 제2핵연료집합체를 추가하여도 해석방법이나 코드개선은 필요하지 않다. 또한 열수력 관점에선 기존 연료대비 크기가 줄었지만 임계열속시험을 제2핵연료집합체 수준에서 시행하기 때문에 적용성에 문제가 없다.
이상과 같이 본 발명에서는 발전기간 증가, 노내계측기 추가 설치로 인한 감시능력 향상 또는 제어봉 확장으로 안전성 강화, 노외계측기 신호세기 증가 등을 도모할 수 있다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈원전에 있어서,
    원자로 본체; 및
    상기 원자로 본체 내에 수용되어 있으며 복수의 연료집합체를 포함하며 단면배치영역을 가지는 핵연료체를 포함하며,
    상기 단면배치영역은,
    제1배치영역; 및
    상기 제1배치영역의 외곽에 위치하며 서로 이격되어 있는 복수의 제2배치영역을 포함하며,
    상기 연료집합체는,
    각각 제1크기를 가지며 상기 제1배치영역에서 밀접 배치되어 있는 제1핵연료집합체; 및
    각각 상기 제1크기보다 작은 제2크기를 가지며 상기 제2배치영역에 배치되어 있는 제2핵연료집합체를 포함하는 소형모듈형 원자로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 연료집합체는 사각형 단면을 가지는 길게 연장된 육면체 형상이며,
    상기 제2핵연료집합체의 단면 크기는 상기 제1핵연료집합체의 단면 크기의 15% 내지 50%인 소형모듈형 원자로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 연료집합체는 정사각형 단면을 가지며,
    상기 제2핵연료집합체의 단면 크기는 상기 제1핵연료집합체의 단면 크기의 20% 내지 30%인 소형모듈형 원자로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1배치영역의 외곽은 상기 제1핵연료집합체가 계단식으로 배치된 모서리 영역을 가지며,
    상기 제2배치영역은 상기 모서리 영역을 이루는 2개의 상기 제1핵연료집합체에 마주하도록 배치되어 있는 소형모듈형 원자로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료체와 상기 원자로 본체의 사이에 위치하는 반사체를 더 포함하고,
    상기 제2핵연료집합체는 복수의 연료봉 및 복수의 스텐리스스틸봉을 포함하며,
    상기 스텐리스스틸봉은 상기 반사체를 마주하도록 배치된 소형모듈형 원자로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료체와 상기 원자로 본체의 사이에 위치하는 반사체; 및
    상기 원자로 본체의 외부에 위치하며 상기 제2핵연료집합체에 인접하게 배치되는 노외계측기를 더 포함하며,
    상기 제2핵연료집합체는 복수의 연료봉 및 복수의 스텐리스스틸봉을 포함하며,
    상기 스텐리스스틸봉은 상기 반사체를 마주하도록 배치되며, 상기 노외계측기와 상기 제2핵연료집합체의 중심영역을 연결하는 영역에는 배치되지 않는 소형모듈형 원자로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2핵연료집합체에 설치되는 제어봉을 삽입할 수 있는 유도관 및 노내계측기 중 어느 하나를 더 포함하는 소형모듈형 원자로.
  8. 소형 연료집합체를 포함하는 소형모듈형 원자로에 있어서,
    원자로 본체; 및
    상기 원자로 본체 내에 수용되어 있으며 복수의 연료집합체를 포함하며 단면배치영역을 가지는 핵연료체를 포함하며,
    상기 연료집합체는,
    제1핵연료집합체와;
    상기 제1핵연료집합체에 비해 단면적이 작은 제2핵연료집합체를 포함하며,
    상기 단면배치영역은,
    상기 제1핵연료집합체가 배치되어 있는 제1배치영역; 및
    상기 제2핵연료집합체가 배치되어 있으며 상기 제1배치영역의 외곽에 위치하며 서로 이격되어 있는 복수의 제2배치영역을 포함하며,
    상기 제1배치영역의 둘레는,
    상기 제2핵연료집합체가 일렬로 배치된 직선 영역; 및
    상기 제2핵연료집합체가 계단식으로 배치된 모서리 영역을 포함하며,
    상기 제2배치영역은 상기 모서리 영역에 위치하는 소형모듈형 원자로.
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