KR950000136B1 - 스펙트럴 쉬프트형 원자로와 수치한 클러스터를 사용하는 원자로의 작동 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

스펙트럴 쉬프트형 원자로와 수치한 클러스터를 사용하는 원자로의 작동 방법

[발명의 상세한 설명]

[발명의 배경]

본 발명은 경수에 의해 감속되고 냉각되는 원자로 및, 대체로 열인 중성자의 에너지 스펙트럼을 가지는 작동 단계전에, 핵연료의 반응성이 높은 한 "경화되는(hardened)"중성자 에너지 스펙트럼의 제 1 단계를 포함하는 시퀀스(sequence)로 원자로를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

프랑스공화국 특허 제 2,535,509 호는(원자로의 동작 사이클에 따라서) 주기적으로 적어도 부분적으로 교환되는 경수내에 잠겨있는 연료 집합체에 의해 형성된 코어를 포함하는, 경수 감속, 냉각 원자로의 작동 방법을 설명하고 있다. 저 에너지 중성자를 흡수하는 물질의 바(bar)는 코어내의 분열성 물질 볼륨과 감속제 물질 볼륨 사이의 비율을 줄이기 위한 사이클의 제 1 단계 동안에 중성자의 에너지 스펙트럼을 변화시키지 위해, 또한 중성자 에너지 스펙트럼을 높은 에너지로 바꾸기 위해 코어내로 도입된다. 스펙트럴 쉬프트 바는 사이클의 제 2 단계중에 제거된다.

스펙트럼 변환 바의 물질은, 중성자의 영향하에 분열성 핵으로 변형될 수 있는 퍼타일(fertile) 핵을 포함하는데, 이 물질은 U-235가 소모된 산화 우라늄 물질일 수 있다.

분열성 핵으로 변형될 수 있는 우라늄 238 핵에 의한 중성자의 포착은, 스펙트럴 쉬프트 바의 재 처리에 의해 추출될 수도 있는 플루토늄의 상승을 가져온다. 바가 사이클의 제 1 단계 동안에 원자로의 코어내에만 머무르고 원자로의 내부의 상부로 이동하기 때문에, 동작 사이클에 이은 언로딩시의 평균 방사(irradiation)는 집합체보다 매우 작다, 그러므로 바안에 포함된 플루토늄은 연료내에 포함된 것보다 매우 양호한 질을 가진다. 이것은, Pu 239의 많은 양과 "체인 말단 동위 원소(chain end isotopes)"라 불리는 동위원소, 즉 Pu 241과 Pu 242의 적은 양에 의해 나타난다. 프랑스공화국 특허 제 2,535,509 호에 게재된 작동 방법은, 화학 추출 공장의 건설이 동위 원소 분리 공장의 건설보다 기술적이고 경제적인 문제를 보다 적게 야기시키기 때문에 결과적으로 핵 확산을 일으킬 수 있다.

소모된 우라늄 대신에 퍼타일 물질로서 토륨을 사용하는 것은, 중성자의 흡수시에 토륨 232는 분열성이고 화학적 추출에 의해 토륨으로부터 분리될 수도 있는 우라늄 233을 생성하기 때문에, 대체로 동일한 문제점이 발생된다.

[발명의 요약]

본 발명의 목적은, 중성자에 유해한 영향을 주지 않고, 동작 사이클에 제 1 단계 동안에 코어내의 감속 수의 양을 줄이기 위해 퍼타일 물질을 포함하는 바를 사용하는 스펙트럴 쉬프트 원자로의 동작과 관련된 핵확산의 위험을 줄이는데 있다.

이 목적을 염두에 두고, 스펙트럼 변화 바의 퍼타일 물질이 우라늄과 토륨 전체에 대해 우라늄의 전형적인 비율이 2 내지 20중량%인, 토륨과 소모된 우라늄의 혼합물을 포함하는 프랑스공화국 특허 제 2,535,509 호에 게재된 종류의 방법이 설명되어 있다.

실제로, 소모된 우라늄은 약 0.2%의 잔류 U 235함유량을 가지는 소모된 핵연료의 재 처리에 의해 흔히 획득되며, 이에 반하여 집합체내에 포함된 물질은 우라늄 235가 4.2중량%까지 강화된 우라늄이다. 천연 함유량 보다 약간 많은 U 235 함유량을 갖는 우라늄을 사용가능하게 하기 위하여 우라늄 235의 일부가 플루토늄으로 대체될 수도 있다. 우라늄과 토륨은 이들이 물리적으로 분리되도록 하기 위하여 바안에서 친밀히 혼합되어야만한다. 이 결과는 우라늄과 산화 토륨의 친밀한 혼합물을 소결시킴으로써 얻은 팰릿을 사용하여 달성될 수도 있다.

우라늄 238과 토륨이 혼합되어 있기 때문에, 방사되는 퍼타일 물질로부터 우라늄의 분열성 동위원소 233을 화학적으로 분리할 수 없다. 스펙트럼 변화 바내에서 플루토륨 239의 자폐(self shielding)는 바의 우라늄 함유량이 낮을 때 매우 작기 때문에, Pu 240과 Pu 242의 증가된 비율에 의거하여, 통상의 방사율 후에 얻어진 플루토늄의 질이 저하될 것이다. 일반적으로, 이것은 퍼타일 물질이 소모된 우라늄 함유량을 약 10%까지 감소시키기에 충분하다. 그렇지만, 만약에 플루토늄의 질을 더욱 저하시키는 것이 요구된다면, 함유량은 예를들면 5%나 그 이하의 낮은 레벨로 감소될 수 있다. 5%의 함유량에 대해서 살펴보면, 잔류 우라늄 238에 대한 우라늄 233의 비율은 확산의 문제를 발생시키지 않을 정도로 그 질이 충분히 저하된 상태로 남아있다.

본 발명에 따르면, 상기 방법을 수행하기 위한 원자로가 또한 제공되어 있다. 상기 원자로에 있어서, 스펙트럼 변화 바는 집합체의 안내 튜브내에 이동 가능한 로드의 다발에 의해 각각 형성되고, 각각의 로드는 토륨과 U-235의 소모된 우라늄의 혼합물에 의해 형성된 퍼타일 물질을 포함하며, 소모된 우라늄의 함유량은 20% 이하이다. 소모된 우라늄의 퍼센티지는 다양한 변수, 특히 스펙트럼 변화 바를 제거하기 전에 방사율, 바안에서 사용된 우라늄의 소모량, 및 요구되는 플루토늄의 감손 등에 따라 선택된다.

본 발명은 특정 실시예에 대한 설명과, 주어진 예의 방법과 종래의 기술과의 비교로부터 잘 이해될 것이다.

본 발명을 프랑스공화국 특허 제 2,535,508 호에 설명된 일반적인 구조를 가지는 가압수형 원자로에 적용하여 설명한다. 이러한 원자로의 코어는, 하부 코어 판상 및 상부 내부에 놓여있는 병렬의 집합체로 구성되어 있다. 각각의 연료 집합체는 규칙적인 배열로 이격 분포된 사각형 또는 삼각형일 수 있는 연료 로드의 다발을 포함한다. 첫 번째의 경우에, 연료 집합체는 일반적으로 사각형의 단면을 가질 것이고, 두 번째의 경우는 육각형의 단면을 가질 것이다. 배열의 어느 결절부에서, 연료 로드는 제어 클러스터 또는 스펙트럼 변화 클러스터의 어느 한쪽에 속하는 로드를 활주하여 수용하는 안내 튜브에 의해 변환되며, 각각의 클러스터는 "바"를 구성한다. 클러스터는 로드가 코어내에 삽입되는 위치와 로드가 상부 내부내에 있는 위치사이에서 원자로의 뚜껑을 통하여 돌출된 가압 튜브내에 위치된 제어 장치에 의해 이동될 수 있다. 통상의 실시예에서, 집합체중 단지 몇 개(프랑스공화국 특허 제 2,535,508 호에서는 두 개중 하나)만이 제어 클러스터와 스펙트럼 변화 클러스터를 모두 가진다. 다른 집합체의 안내 튜브는 플러그에 의해 폐쇄되어 있다. 제어 장치는 프랑스공화국 특허 제 2,537,764 호에 설명된 것과 같을 것이다. 두 개중 하나의 연료 집합체에만 클러스터가 구비되어 있기 때문에 요구되는 침입의 수가 실제적으로 감소된다.

제어 클러스터의 로드는 중성자를 흡수하는 독물질, 즉 중성자의 방사 또는 분열 물질의 형성없이 높은 기생 중성자 흡수 단면을 가지는 물질을 포함한다. 한편, 스펙트럼 변화 클러스터의 로드는 대부분의 동위원소를 포함하는 퍼타일 물질을 함유하는데, 이것은 중성자 흡수에 따라 분열성 동위연소로 변형된다.

프랑스공화국 특허 제 2,535,509 호는 이러한 원자로의 작동 방법을 설명하고 있다. 연료 로드는, 중성자가 열로될 정도의 감속율일 때 코어가 대체로 임계치 이하의 반응성을 가질 정도로 그 U-235(또는 Pu)가 강화된 우라늄을 함유한다. U-235가 소모된 산화 우라늄을 포함하는 로드의 클러스터에 의해 각각 형성된 스펙트럼 변화 바는, 동작 사이클의 제 1 단계 동안에 코어내에 보유되고 그후 제 2 단계의 초기에서 제거된다.

만약에 연료 로드내에 포함된 연료가 U 235가 4.2중량%까지 강화된 초기 산화 우라늄이고 이에 반해 스펙트럼 변화 클러스터는 0.2% U 235 함유량을 가지는 산화 우라늄을 포함한다면, 퍼타일 물질의 방사율은 약 10,000MWD/T이다.

U238 핵의 초기 수에 대한 Pu 239 핵의 수의 비는 약 0.7%이다. 방사후의 동위원소의 구성은, 연료 물질의 최종 조건에서 중핵의 총숫자의 퍼센티지로 나타내는데 다음과 같다.

[표 1]

플루토늄(화학 처리에 의해 우라늄으로부터 분리 가능한)은 Pu239의 높은 비율로 형성된다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 산화물 형태의 전형적인 우라늄과 토륨의 혼합물인 퍼타일 물질을 사용하므로써, 동위원소 239가 희생되고 "체인 말단" Pu241과 Pu242의 함유량이 증가되므로 플루토늄의 질이 저하된다. 이러한 퍼타일 클러스터의 변형은 25,000MWD/T의 평균 방사후에 연료를 인식될 정도로 변화시키지 않는 것이 중요하며, 그후에 스펙트럼 변화 클러스터는 제거된다. 그러나, 퍼타일 물질의 동위원소 구성은 변형된다. 퍼타일 물질은 U-235의 함유량이 0.2%인 산화 우라늄과 산화 토륨의 혼합물이 형성될 때, 동위 원소의 구성은 퍼타일 물질의 10,000MWD/T의 방사후에 다음과 같이 된다.

[표 2]

지금 Pu239의 함유량은 단지 65.2%이다. 상관적으로 퇴적된 Pu241-Pu242의 용량은 14.4%(표 1)에서 21.2%로 증가된다. 역설적으로 Pu241이 높은 다면 흡수율을 가지는 독물질인 Pu241의 따른 생산물 AM241로 점차적으로 변형을 하기 때문에, 어떤 불편없이 Pu241의 퍼센티지가 증가하여, 이 때문에 플루토륨을 장래에 사용하기 위해 장기간 저장할 수 없다. 연료 로드로부터 추출될 수 있는 플루토늄의 양은, Pu239-Pu241의 핵의 수와 초기 중핵(U, Th)의 수 사이의 비율이 0.8%에서 0.2%로 낮아지기 때문에 상당히 낮아진다.

플루토늄의 저하는 소모된 우라늄의 함유량을 더욱 낮추므로써 증가될 수도 있다.

소모된 우라늄의 함유량을 감소시키는 것은 우라늄 238의 자기 보호를 감소시키고 상관적으로 U238의 Pu239로의 변환율을 증가시키기 때문에, 이러한 저하에는 불리한 점이 없다. 후자의 퍼센티지는, 상기 주어진 예에서, 소모된 우라늄이 단독으로 사용될 때 0.7% 대신에 1.9%가 달성된다.

최종적으로, 스펙트럼 변화 로드내에 포함된 우라늄의 분열성 동위원소(본질적으로 U233)의 양은 어떤 확산의 위험도 발생되지 않을 만큼 충분히 적은 양이 남는다.

상기 비교는, 두 연속 사이클 동안에 코어내에 수용되는 중성자 유속에 대량 상당하는 약 10,000MWD/T의 방사율을 가진 소모된 우라늄(표 1) 또는 소모된 우라늄과 토륨의 혼합물(표 2)로 구성된 퍼타일 물질에 관한 것이다.

1,000MWD/T의 낮은 방사율을 갖는다면, 퍼타일 물질의 두 형태내의 플루토늄의 동위원소 구성은 다음과 같다.

[표 3]

만약에 토륨과 소모된 우라늄의 혼합물을 이루는 물질이라면, 소모된 우라늄의 함유량이 적을수록 U238의 자기 보호를 감소시키는 잇점을 가지며, 이 때문에 U238의 Pu239로의 변환 비율을 증가시키고 Pu239의 질저하를 가속시킨다. 따라서, 낮은 방사율에 대해서, 소모된 산화 우라늄으로 구성된 퍼타일 물질을 비교하면 Pu239의 함유량은 91.79%에서 85.64%로 낮아지고 ; Pu241-Pu242의 함유량은 1.66%에서 4.85%로 증가됨을 보여준다. 플루토늄의 저하는 확산을 방지할 정도로 충분히 빠르다.

실제적으로, 본 발명을 적절히 수행하기에 적합한 소모된 우라늄의 최소 함유량은, 스펙트럼 변화 로드내의 동위원소 U233/U238의 비율이 충분히 낮아질 필요가 있다. 소모된 우라늄의 용량은 통상 2% 이상이 되어야 한다.

스펙트럼 변화 바는 제 1 단계의 전체 지속과 비교하여 볼 때, 짧은 지속을 가지는 제 1 단계의 초기 부분 동안에 코어의 초과 반응성의 흡수를 위해 적은 양의 가연성 독물질을 추가로 포함할 수도 있다.

Claims (7)

1. 원자로의 동작 사이클에 따르는 시간 주기로 적어도 부분적으로 교환되는 경수내에 잠겨있는 집합체에 의해 형성된 코어를 가지며, 상기 코어내의 감속제 볼륨과 분열성 물질의 볼륨 사이의 비율을 감소시키며 중성자 에너지 스펙트럼을 보다 높은 에너지로 이동시키도록 저 에너지 중성자를 흡수하는 물질을 함유하는 바가 상기 사이클의 제 1 단계중에 상기 중성자 에너지 스펙트럼을 경화시키는 상기 코어내에서 감속되며, 상기 바는 집합체의 교환전에 상기 동일한 사이클의 제 2 단계중에 제거되는, 경수 감소, 냉각 원자로의 작동 방법에 있어서, 스펙트럼 변화 바내의 상기 퍼타일 물질을 토륨과 소모된 우라늄의 혼합물이며, 소모된 우라늄과 토륨 함유량 전체에 대한 소모된 우라늄의 비(U/U+Th)는 5 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 경수 감속, 냉각 원자로의 작동방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 우라늄 함유량이 약 10중량%인 것을 특징으로 하는 경수 감속, 냉각 원자로의 작동 방법.
3. 제 1 항에 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소모된 우라늄은 0.2%의 잔류 U235 함유량을 가지는데 반하여, 집합체내에 함유된 물질은 U235가 4.2중량%까지 강화된 우라늄인 것을 특징으로 하는 경수 감속, 냉각 원자로의 작동 방법.
4. 원자로의 동작 사이클에 대응하는 주기에 따라 주기적으로 교환되도록 배열되어 경수내에 잠겨있는 연료 집합체를 구성하는 코어와, 원자로의 제어 작동을 위해 코어내외로 움직일 수 있는 제어 바와, 코어로부터 물이 교환되고 바가 코어안에 삽입되는 낮은 부분과 코어의 다른 부분 사이에서 이동 가능한 스펙트럼 변화 바를 구비하는, 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 원자로에 있어서, 스펙트럼 변화 바는 각각 집합체의 안내 튜브내에서 이동 가능한 로드의 다발을 포함하며, 각 로드는 U235가 소모된 우라늄과 토륨의 혼합물을 함유하며, 상기 소모된 우라늄의 함유량이 20중량% 이하인 것을 특징으로 하는 원자로.
5. 제 4 항에 있어서, 우라늄과 토륨은 우라늄과 산화 토륨이 혼합된 팰릿 형태인 것을 특징으로 하는 원자로.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 각각의 스펙트럼 변화 바는, 로드가 코어내에 삽입되는 하부 위치와 로드가 원자로 내부의 상부에 있는 상부 위치 사이를 집합체의 안내 튜브안에서 활주 가능한 로드의 클러스터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
7. 제 6 항에 있어서, 코어내의 두 개의 연료 집합체중에서 적어도 하나는 제어 클러스터 및 스펙트럼 변화 클러스터를 모두 장착하는 것을 특징으로 하는 원자로.