KR910007460B1 - 원자로용 연료 유닛 - Google Patents

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내용 없음.

Description

원자로용 연료 유닛

제1도는 제1실시예로서 본 발명을 따른 연료 유닛의 요소들을 도시한 개략도.

제2도는 제1도에 도시된 유닛의 안내관에 포이즌 슬리브를 고정시키는 방법의 확대도.

제2a도는 제2도의 일부와 유사하면서 변경된 도면.

제3도는 제1도와 유사하며 다른 제조 방법을 도시한 도면.

제4도는 제3도에 도시된 유닛에 슬리브를 고정시키는 방법을 도시한 확대도.

제5도 및 제6도는 제3도와 유사하며 본 발명을 따른 변경 실시예의 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 단부체 12 : 안내관

13 : 그릴 14 : 연료봉

15 : 슬리브 16 : 결합 슬리브

20, 21 : 스트립 ι : 틈

본 발명은 원자로용 연료 유닛에 관한 것으로, 특히 물로서 감속제와 냉각제를 겸하고 있는 경수로 원자로 분야에 적용된다.

특히 본 발명은 준비된 연료봉 다발을 포함하면서 관을 따라 분포된 그릴과 관형 가로대에 의해 함께 연결된 두 단부체를 구비하는 골격대로 구성되는 원자로용 연료 유닛에 관한 것인데, 이 연료 유닛은 규칙적인 격자 셀내에서 관들과 봉들을 고정시키는 그릴을 포함하고 있다.

상술한 형태의 연료 유닛은 특히 가압수형 원자로에서 이용된다. 관들중 적어도 일부는 중성자 흡수 물질로 채워진 봉들이 원자로의 가느다란 제어봉들을 형성하기 위해서 다발로 결합되어서 미끄러질 수 있는 안내부를 형성한다. 이러한 유닛의 한 실시예에서, 그릴은 용접되는 그릴과 같은 특성을 갖고 안내관에 나사 결합되는 슬리브의 역학적 변형 또는 용접(관과 그릴의 구성물이 같을때)에 의해 안내관에 고정된다. 다른 실시예에서(FR-A-2 088 009), 작동중에 연료봉들이 축방향으로 팽창할 경우에, 그릴은 관을 따라 축방향으로 변위될 수가 있다. 이러한 경우, 그릴에는 약간의 마찰로서 안내관에 장착된 슬리브가 제공된다.

예전부터 "소모성 포이즌(poison)", 즉 중성자 효과를 받아서 부가적인 중성자들을 생성하지 않고 또한 강하게 흡수하는 딸 생성물을 생성하지 않는 강한 중성자 포획 단면적을 갖는 요소를 포함한 물질은 우닛내에 합체되어야 할 것을 제안하고 있었다. 상기 요소로 널리 사용되는 것으로 가도리늄, 사마륨, 유로퓸, 상기 혼합물 및 붕소(FR-A-1 504651)를 들 수 있다.

유닛내에 소모성 포이즌을 합체시키는 여러 방법들은 이미 공지되어 있다. 특별히 흥미있는 한 실시예(FR-A-2472247)에서, 최소한 일부 안내관내에는 포이즌의 환상형 펠렛(예를 들면, 붕산염 유리)이 단부스토퍼와 케이싱 또는 내부관의 변형 사이에 고정되는 케이싱을 포함하는 소모성 포이즌 봉이 놓여져 있다. 그러나, 이러한 배치는 여러 단점을 가지게 된다. 포이즌이 모두 소모된 후에도, 소모성 포이즌을 포함하고 있는 봉들이 중성자들을 흡수하는 상당량의 기생 물질을 갖게 됨으로 연료 이용율을 감소시킨다. 봉은 안내관을 채워서 경수량을 감소시키며, 또한 감소제 량도 감소시키므로, 원자로가 열중성자로 작용할때에, 연료 이용율을 감소시킨다. 포이즌 봉과 이와 연관된 구조물은 재처리될 수 없으므로 오랫동안 저장할 수 있는 넓은 공간을 필요로 한다.

상기 단점은 소모성 포이즌을 지지하는 기판을 갖고 있는 일부 안내관의 내면을 코팅함으로써 제거될 수 있다고 생각하였다. 그러나 각 유닛이 여러 사이클동안 사용되고 또한 제1 사이클후 안내관들이 제어봉들과 관련되는 봉들을 가질 수 있음을 염두에 두어야 한다. 따라서 코팅에 대한 봉들의 마찰은 중요한 마모 요인이 된다. 게다가 또 안내관이 유닛내에서 역학적 저항 기능을 가진다면 안내관을 재점검하지 않고는 이러한처리를 수행할 수가 없다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 단점을 전반적으로 제거함으로써 종래에 알려진 것보다 더 실용적으로 요구 조건에 부합하는 연료 유닛을 제공하는데 있다. 특히, 본 발명의 목적은 포이즌이 유닛의 역학적 특성을 변경함이 없이, 간단한 형태로, 부가되는 소모성 포이즌을 포함한 연료 유닛을 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명은 기본적으로 소모성 중성자 포이즌을 포함하며 관에 끼워진 슬리브를 구비하는 것을 특징으로 하는 상술한 형식의 유닛을 제공한다.

냉각제에 대해 내성을 가진 물질로서 안내관과 같은 특성을 갖는 긴 관의 형태로 제조되는 슬리브에는, 소모성 포이즌을 함유한 부착물이 코팅되어진다. 특히, 긴 관은 상품명 "지르칼로이"로 알려진 것과 같은 지르코늄 합금으로 제조되며, 반면 부착물 코팅은, 탄화붕소 또는 가도리늄의 입자 형태인, 붕소를 함유한다. 또한, 상술한 다른 포이즌보다 더 좋지않는 특성을 가진 하프늄일지라도, 미소량의 하프늄을 함유한 지르코늄 합금 또는 지르코늄으로 제조된 긴 관을 사용할 수도 있다.

이러한 구조 형태는, 코아내의 유닛의 삽입과 코아내의 동력의 축방향 분포 기능으로서 연료 유닛사이와 연료 유닛 내면까지도 소모성 포이즌을 분포시킬 수 있다. 실제로 슬리브를 따라 다른 농도를 갖는 소모성 포이즌을 제공할 수 있으며, 또한 동력의 축방향의 출력 분포를 고려하여 안내관의 축방향을 따라 슬리브를 분포시킬 수 있다.

슬리브는 삽입과 분포가 용이하며, 또한 이들 생산은 소모성 포이즌의 펠렛화와 케이싱내에 펠렛의 삽입과 케이싱의 용접 및 연속적인 제어 작동을 필요로 하는 봉들의 생산처럼 복잡하지 않다. 마지막으로 이들 슬리브는 역학적 기능은 하나도 갖지 않으며, 안내관과 같은 물질로된 지지성의 긴 관을 포함하며, 어떤 역학적 점검 테스트도 필요치 않으며, 또한 원자로에서 아주 만족스러운 동작을 제공한다.

본 발명은 제한받지 않는 실예가 주어지며 본 발명에 특이한 실시예를 구성하고 있는 다음의 유닛을 참조하면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

제1도에 요소들이 도시되어 있는 연료 유닛은 현재 가압수형 원자로에서 널리 사용되고 있는 일반적인 형태를 갖고 있다. 예로써, FR-A-2 384323를 참고로 들 수 있다. 유닛의 골격대는 상품명 "지르칼로이"로 지칭된 것과 같이, 지르코늄 합금으로 제조된 안내관(12)에 의해 서로 연결된 두 단부체(11)를 포함하고 있다. 또한 골격대는 상품명 "인코넬(INCONEL)"로 제조된 합금으로 만들어지며, 두 단부체(11) 사이에 분포된 그릴(13)을 포함하고 있다. 연료봉(14)은 그릴(13)에 의해 정사각 격자 형태로 지지되어 고정되며, 그릴의 어떤 셀을 안내관(12)이 차지한다. 이러한 그릴(제2도)은 연료봉(14)을 위해 보스(22)와 탄성죔 스프링(도시 안됨)을 갖춘 서로 교차하는 두 세트의 스트립(20,21)을 포함한다. 첨가된 보스(23)는 스트립(20,21)이 서로에 관하여 제위치에 정확하게 고정되어 있음을 보장한다.

일부 안내관(12)은 소모성 포이즌의 슬리브를 적어도 하나이상 갖고 있다. 지르칼로이로 만든 각 슬리브(15)는 두 그릴(13) 사이 또는 그릴과 단부체(11) 사이에 있는 안내관(12)을 둘러싼다. 실제로 슬리브(15)의 하부는 그릴(13) 또는 슬리브 아래에 배치된 단부체(11)에 접촉하여 받쳐져 있다. 슬리브의 길이는 사용하기 전에 슬리브의 상단부와 그릴 또는 슬리브위에 배치된 단부체 사이에 틈(ι)이 존재하도록 선택된다. 틈(ι)의 크기는 온도에 따른 팽창 차이에 의한 해밍(hamming)과 방사 효과로부터 슬리브를 충분히 보호할 수 있도록 선택되지만, 국부적인 중성자 흡수의 결핍이 코아내에서 중성자 선속의 어떤 중요한 피이크를 나타내지 않도록 최소값으로 유지된다. 제1도에서, 이 틈은 현재 900MW의 가압수형 원자로에서 보통 사용되는 유닛에서 0.3 내지 1.0mm가 적절하며, 그릴 사이의 간격은 대략 500mm정도이다.

여러 해결책이 슬리브(15)를 고착시키기 위해 채택될 수 있다. 그릴(13)은 인코넬로 제조되고, 안내관(12)은 지르칼로이로 제조될 때 특별히 사용가능한 방법으로서, 안내관(12)과 슬리브(15)의 단부면이 그릴에 안전하게 부착된, 일반적으로 용접된, 결합(16)에 의해 연결되는 방법을 제2도에서 도시하고 있다. 똑같은 방법으로, 경납땜으로도 이와 같은 결과를 얻을 수 있다. 이와 같은 목적을 위해, 슬리브(15)는 관통하는 안내관(12)을 갖고 있는 결합 슬리브(16)에 대하여 작은 마찰력으로 미끄러질 수 있게 확장된 단부(17)를 갖고 있다. 따라서 안내관, 결합 슬리브(16), 및 슬리브(15)로 구성된 유닛은 안내관이 차지하고 있는 그릴내의 셀의 90°각도마다 배치된 4영역(18)의 팽창에 의해 변형된다.

제2a도에 도시된 변경에서, 슬리브(15)는 두 단계로 고정된다. 첫 번째 단계로, 결합 슬리브(16)는 국부적인 방사상 변형 또는 원주상 변형, 영역(18₁)의 팽창, 또는 압연등에 의해 안내관(12)에 고정된다. 이때 슬리브는 슬리브가 확장되지 않은 영역에서 영역(18₂)에서의 국부적인 팽창 또는 원주상 팽창에 의해 안내관(12)에 고정된다. 이 겨우 확대된 슬리브(15)의 단부(17)는 변형된 영역(18₁) 위의 결합 슬리브에서 약간의 마찰로 결합된다.

상술한 바와 같이, 슬리브는 중성자에게 투과되는 장점을 갖고 있는 지르칼로이와 같은 지르코늄염의 물질로 제조된 지지물로 구성되므로, 소모성 포이즌은 1차 흐름후 원자로내의 연료로부터 방출되며, 슬리브의 존재는 중성자를 흡수하지 않을뿐 아니라 원자로의 연속적인 유동 사이클동안에, 유닛에 의해 방출된 에너지를 효율적으로 이용할 수 있게 한다. 붕소 또는 가도리늄 화합물로 구성된 소모성 포이즌은 냉각제의 작용을 충분히 견딜 수 있는 지지물과 금속 결합을 하여야 한다. 경수로 원자로에서, 이러한 결합은 화합물과, 부식저항이 적합하며 중성자가 효과적으로 투과할 수 있는 니켈같은 금속 결합제와의 혼합을 고온 분무시킴에 의해 이루어진다.

각 슬리브의 반경방향의 질량과 슬리브의 고정 수단은 슬리브가 연료의 냉각과 흐름을 방해하는 원인이 되지 않도록 해야 한다. 즉, 포이즌으로 코팅된 슬리브의 두께가 가능하면 아주 얇아야 함을 의미한다. 하층의 한계 두께는 코팅하는 과정에서 결정되는데, 이는 필요로 하는 포이즌 량의 함수이다. 예로써, 두께가 0.5mm정도인 코팅된 슬리브를 만들 수 있는데, 이 두께중 0.3mm는 "지르칼로이" 지지물로 채택된다.

본 발명에 의한 슬리브를 사용한다면, 유닛에서 요구하는 중성자 포이즌의 모든 분포를 얻을 수 있다. 특히, 고농도의 소모성 포이즌을 갖는 슬리브(15)는 모든 안내관의 중간부 또는 안내관 어디에나 놓여질 수 있지만 안내관의 단부는 어떠한 슬리브도 지탱하지 않거나, 또는 저농도의 소모성 포이즌을 갖고 있는 슬리브를 지탱한다.

안내관(12)과 그릴(13)을 같은 금속 또는 합금으로 만든 경우에 특별히 적용되는 실시예는 제3도를 참조하여 설명하기로 한다. 제3도에 도시된 구성은 그릴(13)과 안내관(12)을 지르칼로이로 만들때에 적합하다. 이 경우에 각 슬리브(15)의 상단부는 그릴(13)에 부착되며, 틈(ι)은 슬리브의 하단부와 하부(그릴 또는 단부체)에 배치된 요소 사이에 존재한다. 틈(ι)의 크기는 위에서 언급된 두 기준치(최소값이나 성분들의 자유로운 팽창 차이에 일치됨)의 함수로 선택될뿐 아니라, 그릴이 안내관에 고착되도록 선택된다. 그릴의 경우에 있어서, 그릴의 고착은 제4도에서 지적된 것처럼 용접에 의해 행해진다. 제4도에서 스트립(20, 21)은 스탬핑같은 것으로 절단되어서 형성된 러그 또는 탭(10, 19)에 연결되며, 탭에는 그릴 하부에서 슬리브(15)로 나타나 있는 여분의 두께와 일치하는 변형(31)이 주어져 있다. 상부와 하부에 러그(10, 19)의 용접은 안내관과 슬리브 위에서 종래 방법에 따라 용이하게 행해질 수 있다.

제5도에서, 연료 유닛은 FR-A-2 088 009에 설명되어 있는 형인데, 이는 안내관을 따라 "유동"이 가능하게 장착된 그릴(13)을 포함하고 있다. 이 경우, 슬리브(15)는 그릴(13)에 대해 가로대로써 작용한다. 틈(ι)의 크기는 방사시 연료봉들의 축방향의 연장을 조정할 수 있도록 선택되며, 슬리브(15)의 길이는 그릴 사이의 맨처음 간격으로서 유동 그릴 사이의 간격과 같다.

마지막으로, 제6도에서 그릴(13)은 어떠한 수단, 특히 제2도, 제2a도, 또는 제3도에서 도시된 수단에의해 안내관에 부착된다. 각 슬리브(15)는 두 그릴(13) 사이 또는 그릴과 단부체(11) 사이에 유동이 가능하게 장착된다. 틈 (ι)의 총 크기는 각 단부에서의 틈(ι₁,ι₂)의 크기의 합과 같다. 상술한 표준치를 얻기위해 재결정된 틈(ι)의 총 크기는 제조동안 안내관(12)에 그릴(13)을 고정시키는데 훨씬 용이하다.

비록 본 발명이 종래의 경수로 원자로용 연료 유닛에 대해 적용시킨 것을 주로 설명하였지만, 본 발명은 원자로 작동동안 중성자의 에너지 스팩트럼이 변하는 경수로 원자로나 또는 경수외에 다른 냉각제를 사용하는 원자로를 위해서 계획된 여러 실시예에도 개방되어 있다.

본 발명의 범위는 같은 범위내에 포함되는 보다 일반적인 다른 모든 변경뿐만 아니라 이러한 모든 변경을 포함한다.

Claims (8)

1. 그릴(13)이 규칙적인 격자셀내에 관과 봉(14)들을 유지하며, 연료봉(14)과 안내관(12)을 따라 분포된 그릴(13)이 있는 안내관(12)에 의해 함께 연결된 두 단부체(11)를 갖는 골격대를 포함하는, 원자로용 연료 유닛에 있어서, 소모성 중성자 포이즌을 함유하며, 관에 끼워진 슬리브(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
2. 제1항에 있어서, 각 슬리브는, 냉각제에 대한 내성이 있는 물질의 긴 관으로 제조된 지지물로 형성되고, 안내관과 동일한 특성을 가지며, 소모성 포이즌을 함유한 부착물이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
3. 제2항에 있어서, 긴 관은 지르코늄 합금으로 제조되며, 반면 부착물 코팅은 붕소 또는 가도리늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
4. 제2항에 있어서, 소모성 포이즌의 코팅은 니켈같은 금속 결합제에 의해 지지물에 접합되는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
5. 제1항에 있어서, 그릴(13)은 상기 그릴에 용접된 결합 슬리브(16)와 안내관을 변형하여 안내관(12)에 고착되는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
6. 제5항에 있어서, 각 슬리브는, 안내관(12)과 결합 슬리브(16)와 슬리브(15)의 확대 단부(17)로 구성된 유닛의 국부적 변형이나 원주상의 변형에 의해 안내관에 부착되는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
7. 제5항에 있어서, 각 슬리브는, 결합 슬리브를 안내관에 고착시키기 위해 영역(18₁)으로부터 분리된 영역(18₂)에서 안내관과 슬리브 집합체의 국부적 변형 또는 원주상의 변형에 의해 안내관에 고착되는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.
8. 제1항에 있어서, 그릴(13)은, 각각의 측면에서 슬리브(15)와 안내관(12)에 용접되도록 고안된 러그 또는 탭(10, 19)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료 유닛.

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