KR910009191B1 - 경수 냉각 및 감속 원자로용 핵연료 요소 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

경수 냉각 및 감속 원자로용 핵연료 요소

제1도는 핵연료 요소의 종단면도.

제2도는 제1도의 선 II-II를 따라 절취한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 핵연료 요소 12 : 연료 펠릿

14 : 피복체 22 : 관

본 발명은 원자로내의 고온 고압에서 냉각수 영향에 따라 코리이핑 및 침식에 대해 내성 재료로 이루어진 밀폐된 관형 피복체에 수용되는 연료 펠릿 더미를 구비하는 연료 요소에 관한 것으로서, 특히 경수 냉각 및 감속 원자로용 연료 요소에 관한 것이다.

본 명세서에 사용된 “연료”라는 용어는 넓은 의미로 핵분열성 물질 및 핵연료 원료 물질을 의미한다.

핵연료의 피복체는 기체 핵분열 생성물이 냉각 유체로 유출되는 것을 방지하고 연료 물질과 냉각수가 접촉하여 화학 반응이 일어나는 것을 방지할 목적으로 사용된다.

통상의 연료 요소에서, 이런 피복체는 역학적인 기능도 갖는다. 즉 피복체는 펠릿 더미를 지지하고, 내부압력과 외부 압력의 차이에 대한 내성을 갖는다.

핵연료 요소 특히 경수 냉각 및 감속 원자로에서 사용되는 핵연료 요소는 장기간에 걸쳐 펠릿-피복체간의 상호 작용 문제가 대두된다. 이와같은 상호 작용은 피복체가 신장되는 동안 피복체의 응력 및 방사능하에서의 펠릿의 팽윤과 같은 기계적 작용과 조사시 펠릿에 의해 방출되는 핵분열 생성물로 인한 화학적 작용에 의해 야기된다.

피복체와 펠릿 사이에 격벽을 배치하여 응력하에서 취성과 균열을 야기시키는 상기와 같은 상호 작용을 감소시키는 것이 이미 제안되었으며 또한 수많은 형태의 이런 격벽은 이미 제시되었다. 예로써 그중의 일례가 미합중국 특허 제4,200,492로(알미조씨등이 출원)에 기재되어 있다. 상기 특허원에는 야금학적으로 결합된 피복체의 내부표면에 정렬된 층과, 지르코늄 스폰지로 구성되는 격벽이 기재되어 있다. 이런 해결책으로 피복체와 격벽 사이에 기계적 결합부가 제공되는데, 이런 결합부는 피복체의 제조 및 동종 격벽의 생산시에 결함을 갖는다. 사실상 이런 결합부는 신뢰성에 문제가 있다. 특히 격벽 두께의 불규칙성 때문에 취약성이 드러난다. 또한, 복합 피복체 제조시 야금학적 결합으로 말미암아 고온 고압에서 냉각수 존재시 방사선하에서의 크리이핑 및 확대에 대한 높은 내성과 펠릿에 의해 야기된 응력으로부터의 이완에 대한 적응력을 동시에 보장할 수가 없게 된다.

본 발명의 목적은 보다 높은 신뢰성을 가지며 생산이 간단한 상기 기술된 핵연료 요소를 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특히 지지관 길이의 적어도 일부분을 따라 펠릿 더미용 개구형 지지관을 구비하는데, 그 지지관은 조사시 펠릿의 팽윤에 따라 상기 관과 피복체가 접촉하는 것을 방지하기에 충분할 정도로 초기 두께의 반지름 간격 만큼 상기 피복체가 상기 펠릿 더미로부터 격리되고, 피복체와 이격되어 있는 핵연료 요소를 제공한다.

특히 경수 냉각 및 감속 원자로용 핵연료 요소 경우에는 크리이핑에 대한 높은 내성을 갖는 지프코늄 합금의 밀폐된 관상 피복체에 수용된 산화 핵연료 펠릿 더미를 구비해서 피복체내에 높은 항복 강도를 갖는 지르코늄 합금으로 이루어져 있는 펠릿 더미용 개구형지지관을 반지름 간격만큼 피복체로부터 떨어져서 배치시킨다. 이런 피복체는 특히 냉각수의 작용에 대한 내성과 크리이프 내성을 증진시키기 위하여 550℃ 내지 650℃의 온도에서 재결정 처리된 지르코늄 합금관으로 이루어지는 반면에, 피복체 보다는 작은 두께를 갖는 내부관은 펠릿의 팽윤으로 인하여 발생된 응력의 양호한 이완을 보증하고 내부관의 항복 강도를 증진시키기 위하여 440℃ 내지 480℃의 온도에서 변형이 없는 합금 지르코늄으로 이루어진다.

이와 같은 구성으로, 피복체는 밀봉성과 유체 내밀성을 보장하게 된다. 이런 관은 핵연료 펠릿 더미를 핵연료 길이의 제한된 분율 이상으로도 지지 가능하지만 통상적으로는 가장 높은 중성 자속을 내는 분율만큼 지지한다.

모든 경우에 있어서 피복체와 지지관이 별개라는 사실에 입각하여, 구성 물질의 선택이 폭넓게 제공된다. 두 피복체의 대향면에는 부가적으로 가연성 독물을 수용하여, 냉각 유체로부터 격리된다. 이와 같은 간격으로 제공된 체적은 연료 펠릿으로부터 유출되는 기체상 분열 생성물을 수용하기 위한 부가적인 공간을 구성해서, 연료 요소의 소정의 길이에 대하여 통상의 연료 요소에서 보다 큰 연료 펠릿의 기둥을 사용할 수 있다.

본 발명은 이 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명되어진다.

도면에서 실시예에 의하여 도시된 연료 요소는 가압 경수 및 냉각 감속 원자로용으로 사용된다.

흔히 “핀”으로 언급되는 연료 요소(10)는 핵분열성 연료 물질 통상적으로는 농축 산화 우라늄으로 이루어지는 펠릿(12)의 더미를 구비한다.

펠릿(12)은 기둥을 형성하면서 적재된다. 이와 같은 펠릿 기둥은 지르코늄 합금의 얇은 관으로 이루어지는 피복체(14)내에 수용된다. 지르코늄 이외에 주석, 철, 및 크롬으로 이루어진 “지르칼로이-4”합금이 사용되고 이런 합금은 70ppm이하의 매우 낮은 니켈을 함유한다. “지르칼로이-4”합금은 필수 불가결의 불순물 이외에 부가적인 요소 특히 용융상태에서 80 내지 270ppm의 함유량으로 기계적 특성을 증진시킬 수 있는 탄소를 포함한다. 본 실시예에 의하면, 핵연료 요소는 약 3.65m의 펠릿 기둥 높이 및 0.5mm두께와 약 9.5mm의 외경을 가진 피복체를 사용한다. 피복체(14)는 피복체(14)와 동일한 특성의 재료로 이루어지는 용접된 하부 플러그(16) 및 상부 플러그(18)에 의하여 밀봉된다. 펠릿 기둥의 상부 표면과 플러그(18) 사이의 공간은 핵분열 생성물의 수용 공간으로 사용된다. 이런 공간은 또한 펠릿 기둥을 정위치에 지지하기 위하여 스프링(20)을 수용하며, 이런 스프링(20)은 플러그(18)상에 또한 펠릿 기둥의 가장 높은 펠릿(12) 상부에 지지된다.

도면에 도시된 본 발명의 실시에에 있어서, 연료 요소(10)는 펠릿 기둥(12)과 피복체(14)에 배치된 관(22)을 포함한다. 피복체 보다는 얇은 두께로 구성된 이런 관은 또한 지르코늄 합금이다.

이런 관의 외견은 피복체의 외경보다 약간 작게 형성되어 펠릿의 조사하에서 팽윤과 서로 다른 열팽창시 충분한 틈(24)을 연료 요소(10)상에 있도록 하므로서 관(22)이 피복체(14)에 겹쳐서 계합되지 않게된다. 관(22)의 내경을 펠릿(12)의 초기 반경보다 약간 큰 값으로 하므로써 계합될 위험도가 보다 더 감소될 수 있으나, 관(22)과 펠릿(12)간의 틈은 틈(24)보다 작다.

피복체(14)와 관(22)은 명백히 상이한 기계적 특성을 갖도록 제작된다. 내부관(22)은 응력의 양호한 이완을 허용하며 높은 항복 강도를 갖도록 처리되어야 한다. 이와 같은 목적을 위하여, 내부관은 최종 제조처리시 440℃ 내지 480℃의 온도로, 지르칼로이 4로 이루어진 경우에는 통상적으로 약 460℃의 온도로 응력 제거될 수 있다. 한편, 피복체(14)는 냉각수의 유동에 대한 내성과 높은 크리이프 내성을 갖도록 처리된다. 이러한 목적을 위하여. 피복체(14)의 최종 처리에서 560℃ 내지 650℃의 온도로, 지르칼로이 4인 경우에는 통상적으로 약 575℃의 온도로 재결정된다.

또한 지르칼로이 4를 사용하는 경우에, 관(22)과 피복체(14) 사이의 틈은 관(22)의 내경이 약 8mm일 때 0.05mm 내지 0.20mm로 이루어진다.

이런 틈(24)으로 나타난 공간은 분열 가스를 수용하기 위하여 펠릿 기둥 상부에 제공된다는 것을 주시해야만 한다.

예시된 실시예에 있어서 관(22)는 최하부 펠릿(12)과 플러그(16) 사이에 개삽된 하부 칼라(26)를 갖는다. 따라서, 관(22)은 정위치에 유지되어 펠릿 기둥의 길이보다 거의 크기 않은 길이를 가질 수 있다. 이와 같은 배열로, 관(22)은 관의 중심을 피복체(14)내에서 정확하게 조절하는 장치를 구비하지 않지만 중심을 벗어난 위험성은 없다. 그러나, 관(22)의 상부에 보조 중심 조절 장치가 제공될 수도 있다.

연료 요소의 제조는 통상적일 수도 있다. 즉, 하부 플러그(16)가 용접에 의하여 피복체에 고착되고, 관(22)이 정위치에 배치된다. 펠릿이 관내로 유입된 다음 스프링(20)이 배치된다. 중앙 호율로 형성된 플러그(18)가 정위치에 배치되어 용접된다. 피복체의 내부 공간은 진공화되고 소기된 다음, 통상적으로 피복체(14)에 작용되는 고압 냉각수로 인한 응력을 감소시킬 만한 압력으로 헬륨과 같은 불활성 기체가 채워진다. 최종적으로 플러그(14)에 형성된 통로는 밀봉된다.

본 발명은 제작상에 수많은 변경이 있을 수 있다. 예를들면, 피복체(14)의 내부 표면 또는 관(22)의 외부 표면은 가연성 독물을 수용하는 층에 의하여 그 길이의 일부분만을 따라 일직선으로 배열된다. 관(22)은 펠릿 기둥(12)의 일부분을 따라 각각 신장하는 단면 만큼 감소될 수 있다. 연료 요소는 고체 상태 또는 환상 펠릿의 핵분열 물질을 포함할 수도 있다. 연료 요소를 연료 집합체내에 고정되게 하기 위한 또는 그와는 대조적으로 가동 장치에 배치하기 위한 장치가 구비된다.

바람직한 실시예 또는 원자로용 작동 방식이 주기적으로 또는 국부적으로 상당한 출력 변화를 야기시켜도 본 발명에 따른 연료 요소는 균열이 내부관에만 영향을 끼치기 때문에 중성자 및 기계적 응력에 대하여 증진된 내성을 갖는다.

Claims (3)

1. 고온 가압수에 의한 침식 및 크리이프에 대해 높은 내성을 갖는 재료로 이루어진 밀봉 관형 피복체내 수용된 핵연료 펠릿 더미와, 양단부에서 적어도 그의 길이의 일부분에 걸쳐서 상기 펠릿 더미를 지지하기 위한 개구형 관을 구비하는데, 상기 관은 피복체를 구성하는 물질보다 높은 탄성 제한 값을 가진 지르코늄 합금으로 구성되어 조사로 야기된 상기 펠릿의 평윤에 따라 상기 관과 상기 피복체간의 접촉을 방지하기 위해 반지름 갭만큼 피복체로부터 격리되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 경수 냉각 및 감속 원자로용 핵연료 요소.
2. 제1항에 있어서, 상기 피복체는 크리이프 및 침식에 대한 내성을 증진시키기 위해 550℃ 내지 650℃의 온도에서 재결정 처리된 지르코늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 요소.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관이 440℃ 내지 480℃의 온도에서 변형이 제거된 지르코늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 요소.

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