KR930005573B1 - 핵 연료봉 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

핵 연료봉

제1도는 다수의 우라늄 디옥사이드 펠릿을 함유하고 있는 연료봉의 종단면도.

제2도는 제1도의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 제1도의 연료봉의 횡단면도.

제3도는 간헐적으로 균일하게 분포된 니켈막을 노출시키기 위해 연료를 제거한 제1도 연료봉의 부분 확대도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연료봉 3 : 금속관 클래딩

5 : 상단 플러그 7 : 하단 플러그

9 : 밀페챔버 11 : 펠릿

13 : 스프링 15 : 공간

17 : 지르코늄옥사이드막 21 : 내부표면

27 : 니켈(금속의박)막

본 발명은 핵연료봉에 관한 것이다.

원자로 시스템으로 부터 전기 에너지를 생성함에 있어서, 원자로는 증기 발생 그리고 전력 발생을 위한 열을 공급한다. 원자로에서 핵연료봉은 우라늄 디옥사이드 펠릿 또는 우라늄과 플로토늄 혼합물의 펠릿과 같은 핵열료를 함유하고 있다. 이들 연료봉은 금속관 외피 또는 클래딩을 포함하며, 상기 클래딩은 연료 펠릿을 함유하고 있으며, 또한 외피 안팎으로 어떠한 누설도 방지하기 위해 그들의 완전성을 유지해야만 한다.

종래의 일부 경수형 원자로(LWR)용 연료봉 설계와 지지구조물이 뉴욕에서 1981년판 플러넘 프레스사이 제이.티.에이.로버트에 의한 “원자력 시스템의 구조적 재료” 53-61페이지 상에 기재되어 있다.

상기 서류는 여기서 참고 하려는 것이다.

현재 사용되어온 클래딩의 형태는 지르칼로이-2, 지르칼로이-4, 그리고 지르코늄-2.5 중량 퍼센트 니오븀 합금과 같은 지르코늄-베이스 합금의 클래딩이다.

다른 형태의 클래딩도 제안되었다.

이들 제안된 것들은 연료봉을 함유한 원자로의 운전중 핵연료로부터 발생되는 성분들에 의한 공격으로 부터 클래딩을 보호하기 위해 내측벽에 구비된 여러가지 피복 또는 장벽수단을 가지고 있는 지르코늄 베이스 물질의 클래딩을 포함하고 있다.

클래딩의 전체 표면을 덮고 있는 그러한 피복 또는 장벽 수단의 예로서 미합중국 특허 제4,022,662호는 스테인레스 스틸, 동, 동합금, 니켈 또는 니켈 합금으로 구성되는 분리된 금속 라이너(liner)에 관한 클래딩을 서술하고 있으며, 상기 라이너는 클래딩과 연료 물질의 사이에 설치되어 있다.

크롬 또는 크롭 합금의 확산 장벽은 또한 클래딩과 금속 라이너 사이에 설치되어 있다.

미합중국 특허 제4,045,288호에서는 혼성 연료 소자 클래딩이 서술되어 있으며, 상기 크래딩은 니오븀, 알루미늄, 동, 니켈, 스테인레스 스틸 및 철로 형성되는 벽 두께의 1-4%인 금속 장벽과 금속 장벽의 내부 표면에 금속적으로 결합된 스테인레스 스틸 지르코늄 또는 지르코늄 합금의 내부층을 갖는 지르코늄 또는 지르코늄 합금 기질로 구성되어 있다.

미합중국 특허 제4,093,756호와 미합중국 특허 제4,137,131호는 지르코늄 또는 지르코늄 합금상에 니켈과 같은 금속막을 무전극 침적하기 위한 방법을 시술하고 있으며, 1974년 11월 11일 출원된 계류중인 선출원 제522,769호를 참고하고 있다.

그러나 상기 선출원인 1976년 9월 23일 출원된 연속 출원 제725,824호에 따라 포기 되었다.

상기 선출원인 지르코늄-베이스 외부층과 동, 니켈, 철 또는 철합금의 내부 표면층으로 구성되는 혼성 클래딩에 관한 것이다.

상기 특허 및 다른 특허들은 클래딩 재료와 관련된 문제를 서술하고 있으며, 그러한 문제를 극복하기 위한 수단을 제안하고 있다.

핵연료봉용 클래딩에 존재하는 하나의 특별한 문제는 클래딩을 갈라지게 하거나 구멍이 나게 하는 클래딩 내부표면상에 물집이 형성되는 것이다.

상기 언급한 미합중국 특허 제4,022,662호에서 서술된 바와같이, 수소 개스는 클래딩과 밀폐봉내의 잔여수 또는 다른 수성 불순물 사이의 완만한 반응에 의해 형성된다.

어떤 상황하에서는 클래딩의 내부 표면에 국지적인 수화가 일어나 하나의 큰 물집을 형성하게 되어 클래딩의 파손을 초래하기도 한다.

의도적으로 또는 우연히 클래딩의 내부 표면상에 형성되는 지르코늄 옥사이드 막이 국지적인 수성 싱크(sink)로 작용하는 매우 작은수의 지역(보통 하나)에서 할퀴거나 결함이 일어났을때 국지적인 물집이 형성된다.

물집을 방지하기 위한 노력으로는 수화물 형성체를 제거하기 위해 연료봉을 진공 탈개스 하는 방법 ; (이는 매우 비싸고 어려운 과정을 거쳐야 했다)미합중국 특허 제4,279,700호에 예로서 서술된 바와같은 연료봉의 정부에 게터(getter)를 사용하는 방법 ; 또는 모든 습기를 제거하기 위해 연료 펠릿의 강력한 건조와 건조재를 저장하는 방법(또한 매우 비싸고 어려운 과정을 거쳐야 함)등이 시도 되었다.

본 발명의 목적은 물집이 형성되는 것을 방지한 경제적이고 효율적인 연료봉 클래딩을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 클래딩내에 핵연료를 밀봉하기 위한 단부 밀봉 장치를 가지고 있으며 핵연료를 함유하고 있으며 지르코늄 합금으로 만들어 지는 관형 클래딩을 포함하는 핵연료봉에 있으며, 핵연료봉의 내부로 부터 수화물을 이송하도록 다중 박막 지역을 제공하기 위해 니켈 금속 또는 니켈 베이스 지르코늄 합금의 박막이 관형 클래딩 내측 표면의 1-40%에 걸처 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

박막은 0.01-5마이크론의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 0.01-2.5마이크론의 두께를 갖는 니켈 금속을 가지고 있는 것이 바람직하다.

본 발명을 좀더 확실히 이해할 수 있게 하기 위해 그 양호한 실시예가 부수 도면을 참고로 서술될 것이다.

제1도를 참고하면, 원자로 연료 집합체에 사용하기 위한 연료봉(1)이 밀폐 챔버(9)를 형성하는 상단 플러그(5)와 하단 플러그(7)를 갖는 긴 지르코늄-베이스 금속관 클래딩(3)을 포함하고 있다.

압축 및 소결된 핵연료 펠릿(11)은 챔버(9)내에 위치되며, 스프링(13)보다 다른 편향 장치에 의해 하단 플러그(7)쪽으로 편향되어 있다.

핵연료 펠릿(11)은 지르코늄-베이스 금속 클래딩(3)의 내경보다 약간 적은 직경을 가지고 있어서 공간이 생기게 된다.

상기 공간(15)은 제2도에 도시되었으며, 제2도는 제1도의 화살표 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 연료 소자의 횡단면도이다.

제2도에서 도시된 바와같이, 연료 펠릿(11)의 방사상 위치를 제어하기 위한 시도는 없었으며, 실제 개개의 펠릿(11)은 클래딩(3)의 내부표면(21)과 점 또는 선접촉 상태에 있다.

또한 사용시 공간(15)은 클래딩 재료의 늘어남과 연료 펠릿(11)의 부풀음 때문에 크기가 감소되며, 공간(15)은 실제 대부분의 연료봉(1) 내측 지역에서 사라지게 될 것이다.

챔버(9)는 정상적으로 헬륨 개스로 채워져 있는 반면, 의도적으로 형성시켜 연료봉내에 산호 함유 성분을 발생시키는 보호 지르코늄 옥사이드 막(17)은 클래딩(3)의 내측 표면(21)위에 존재하게 된다.

지르코늄-베이스 금속관 클래딩은 클래딩에 수화물 이송을 위한 다중 지역을 제공하도록 금속 클래딩의 내측 표면부에 니켈 금속의 박막을 가지고 있다.

제3도에 예시된 바와 같이, 연료 펠릿을 함유하고 있는 지르코늄-베이스 금속 클래딩(3)을 포함하고 있는 핵연료봉(1)은 클래딩(3)의 지르코늄 옥사이드 막(17)을 가능한한 많이 파손시키거나 변위시킨 내부 표면(21)에 부분적으로 니켈 금속의 박막(27)을 가지고 있다.

니켈 막(27)을 더 잘보이게 하기 위해 핵연료 펠릿은 도면에서 제거하였다.

니켈 막(27)은 클래딩(3)에 수화물 이송용 지역을 제공하기 위해 내부 표면의 면적중 단지 약 1-40%위에만 간헐적으로 설치되어 있으며, 좀더 바람직한 것은 내부 표면(21)의 면적중 약 10-20%위에만 설치되어 있는 것이다.

니켈막을 내부 표면의 1%이하로 하면 클래딩의 길이를 따라 수화물 이송용의 충분한 지역을 제공하지 못하게 되는 반면 니켈막을 내부 표면의 40%이상으로 하면 니켈을 허비할 뿐만 아니라 불필요하게 중성자를 흡수하여 봉으로 부터의 에너지 출력의 효율을 감소시키게 된다.

니켈 “막”이란 용어는 여기서 내부 표면위에 니켈을 침적하였다는 뜻으로 사용되었는데, 이는 니켈 침적의 두께가 매우 작기 때문이다.

내부 표면 위에서의 니켈막 두께는 0.01-5마이크론이며, 좀더 바람직한 두께는 0.01-2.5마이크론이다.

0.01마이크론 이하의 두께를 갖는 막을 사용하면 수화물 전달을 위한 충분한 니켈을 제공하지 못하게 되며, 약 5마이크론 이상의 두께는 경제적으로 비효율적인 뿐만 아니라 과도한 니켈이 연료에서 나오는 중성자를 흡수하게 되어 핵연료봉의 효율을 감소 시킨다.

니켈막은 클래딩의 내경 크기와 유사한 크기의 직경을 갖는 니켈의 소프트 볼(soft ball)을 관형 클래딩에 통과 시키므로 니켈 또는 니켈 피복된 숏(shot)을 구비한 클래딩의 내부 표면을 숏피닝(shot peenig)하므로써 형성되거나 막이 형성되는 지역에서 지르코늄 옥사이드 막을 파손하거나 변형하면서 클래딩의 내부 표면상에 니켈의 박막을 부여하는 다른 방법들에 의해 형성된다.

지르코늄-니켈 베이스 합금막은 예를들어 지르코늄-니켈 베이스 합금 숏을 사용하여 유사하게 형성된다.

클래딩에 수화물 이송을 확실하게 하기 위해 니켈의 박막(27)은 존재하는 지르코늄 옥사이드 막(17)을 파괴하거나 변위 시켜야 하며, 가능한한 균일하게 내부 표면(21)상에 분포되어야 한다.

클래딩의 내부 표면의 길이를 따라 완전한 균일함을 얻을수는 없지만, 니켈막은 연료봉내로 부터의 수소 소스와는 관계없이 충분한 수화물 이송 지역을 제공하기 위해 내부 표면을 따라 실제 균일한 면적을 커버하도록 분포되어야 한다.

분 핵 연료봉에 사용된 금속 클래딩은 지르칼로이-2 또는 지르칼로이-4와 같은 지르코늄-베이스 합금이며, 추가로 지르코늄 층은 혼성 클래딩을 형성하기 위해 지르코늄 합금의 내측 표면 위에서 실제 균일한 층으로 결합되어 있다.

종래와 같은 연료 펠릿은 우라늄 디옥사이드 또는 혼합된 우라늄-플로토늄 디옥사이드로 구성되어 있다.

필요시 연료봉은 또한 브론과 같은 가연성 독물을 함유할수도 있으며, 상기 가연성 독물은 핵연료 펠릿과 혼합될수도 있고 그위에 피복될 수도 있다.

지르코늄-베이스 클래딩 상에 수포를 방지하는데 추가하여 니켈막은 또한 연료봉의 정부에 저가의 게터(getter)를 형성하는데 유용하다.

Claims (5)

1. 클래딩 내에 핵연료를 밀봉하기 위해 단부 밀폐 장치를 가지며, 핵연료를 함유하며, 지르코늄 합금으로 만들어진 관형 클래딩을 포함하는 핵연료봉에 있어서, 니켈 금속 또는 니켈-베이스 지르코늄합금의 박막이 핵연료봉의 내측으로부터 수화물 이송을 위한 막박의 다중 지역을 제공하도록 관형 클래딩의 내부표면적의 1-40%에 걸쳐 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
2. 제1항에 있어서, 박막의 두께는 0.01-5마이크론인 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
3. 제2항에 있어서, 박막은 니켈 금속을 가지고있으며, 0.01-2.5마이크론의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
4. 제1항 내지 3항중 어느 한 항에 있어서, 박막은 내부표면의 면적중 10-20%에 걸쳐 분포되어있는 것을특징으로 하는 핵연료봉.
5. 제4항에 있어서, 박막은 연료봉의 내부 표면 길이를 따라 실제 균일하게 분포되어있는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.

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