KR950005899B1 - 연료집합체 및 원자로 - Google Patents

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KR950005899B1
KR950005899B1 KR1019870008034A KR870008034A KR950005899B1 KR 950005899 B1 KR950005899 B1 KR 950005899B1 KR 1019870008034 A KR1019870008034 A KR 1019870008034A KR 870008034 A KR870008034 A KR 870008034A KR 950005899 B1 KR950005899 B1 KR 950005899B1
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요시히꼬 이시이
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Abstract

내용 없음.

Description

연료집합체 및 원자로
제1도는 종래예에 있어서의 원자로의 노심의 횡단면도,
제2도는 제1도는 노심의 고전환영역에 장전되는 연료집합체의 횡단면도,
제3도는 제1도의 노심의 연소영역에 장전되는 연료집합체의 횡단면도,
제4도는 연소도와 중성자 층배울과의 관계를 나타내는 특성도,
제5도는 수소대 우라늄 원자수비와 독물질 반응도값과의 관계를 가돌리늄 및 붕소에 대하여 나타낸 특성도,
제6도는 기포율과 반응도차와의 관계를 나타낸 특성도,
제7도는 냉온상태와 운전상태의 반응도차의 변화를 전연료봉의 갯수와 Gd 함유 연소봉의 갯수의 비율로나타낸 특성도,
제8도는 중성자 에너지에 대한 가돌리늄의 반응 단면적의 변화를 나타낸 특성도,
제9도는 본 발명의 알맞은 일 실시예인 연료집합체 단면도,
제10도는 제1도의 X-X의 측면도,
제11도는 제1도의 연료집합체를 장전시킨 비등수형 원자로의 일실시예의 종단면도,
제12도 및 제15도는 본 발명의 다른 실시예인 연료집합체의 측면도,
제13도는 제12도의 XIV-XIV 단면도,
제14도는 제12도의 XIII-XIII 단면도,
제16도는 제15도의 XVI-XVI 단면도,
제17도는 제16도의 연료봉(15E)의 종단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
A, B : 연료집합체 1, 58 : 노심(爐心)
2 : 간막이부재 3, 15A, 15B, 15C : 연료봉
4 : 독물질이 들어있는 연료봉 15 : 복수의 연료봉
16 : 하부 타이플레이트(tie plate) 17 : 상부 타이플레이트
18 : 스페이서 21 : 핸들
22 : 채널박스 25 : 제어봉 안내관
50 : 원자로 51 : 원자로 압력용기
52 : 밀폐 덮개 53 : 노심 슈라우드(shround)
54 : 기수(氣水)분리기 55 : 드라이어
56 : 하부노심 지지판 57 : 상부노심 지지판
59 : 중앙영역 60 : 주변영역
62 : 간막이부재 65 : 제트펌프
본 발명은 연료집합체 및 원자로에 관한 것으로, 특히 경수 감속형 원자로의 고전환 영역에 사용하는데에 적합한 연료집합체 및 고전환 영역을 가지는 비등수형 원자로에 관한 것이다.
경수 감속형 원자로(이하 경수로라 함)에서의 핵 연료의 이용방법은 원 두루우(one through)방법 및 리사이클(recycle)방법으로 대별된다. 원 두루우 방법은 농축 우라늄을 핵연료로 하고, 원자로로부터 취출되는 사용이 끝단 연료에 포함되어 있는 핵 연료물질(모(母)연료물질 및 핵 분열성 물질을 포함함)중 어느 성분도 경수로에서 재이용하지 않는(리사이클 되지 않는) 방법이다.
이 방법은 연료재처리 비용이 우라늄 농축 비용을 상회하는 경우에는, 연료사이클 비용의 면에서 유리한 방법이다. 원 두루우 방법에서 핵 연료물질의 유효한 이용을 도모하는 방법중 하나는 연료물질의 취출(取出) 연소도를 크게 하는 것이다. 즉, 고연소도화(高然燒度化)를 실현하는 것이다. 고연소도화를 실현하는데는, 우라늄 235의 농축도를 높일 필요가 있다. 그러나, 농축도를 높이면 다음과 같은 문제가 생긴다. 새로운 연료집합체의 농축도가 높은데다가 연료집합체의 취출연소도가 크기 때문에, 중성자 무한 증배율이 커져 다른 연료집합체가 노심내에 섞여 있게 된다. 이 때문에, 각 연료집합체의 출력 분담비율에 차가 생겨 출력부정합(mismatch)이 커지게 되고 출력 최대값이 증대하게 된다. 또, 농축도의 증가에 수반하여 연소초기에 제어하지 않으면 안되는 과잉반응도가 증대하게 된다.
이상 설명한 문제점을 해결하고, 고농축 우라늄 연료를 사용하여 고연소도를 실현하기 위한 경수로인 비등수형 원자로 및 가압수형 원자로의 노심 구성이, 일본국 특개 소61-129594호 공로(미국 특허출원 제800266호, 출원일 1985.11.21. ; EPC 공개 특허 184134호)에 기재되어 있다. 이 노심에서는 모연료 물질인 우라늄 238로부터 핵분열성 물질(플루토늄 239 등)로의 전환을 양호하게 하고, 또한 노심대에서 생산된 핵분열성 플루토늄 및 농축 우라늄 235를 효울좋게 완전 연소시켜, 원 두루우 방법으로 핵 연료물질의 유효한 이용을 도모하고 있다. 구체적으로는 제 1도에 나타낸 바와 같이, 노심(1)을 반경방향으로 간막이부재(2)에 의해 두 영역으로 분할하고, 이들의 영역에 수소 대 우라늄 원자수비(이하 γH/U라고 표기함)를 변화시키고 있다. 이와 같은 노심(1)은 고전환 영역에 제2도에 나타낸 γH/U가 작은 연료집합체(A)(γH/U=1.0)를 장전하고, 제3도에 나타낸 γH/U가 큰 연료집합체(B)(γH/U=5.0)를 연소영역에 장전함으로써 구성된다. 연료집합체 A 및 B는 정삼각형 격자에 배열된 다수의 연료봉(3)을 가지고 있으며, 연료집합체(B)는 가연성 독물질이 들어있는 연료봉(4)을 가지고 있다. 연료집합체(A)는 가연성 독물질이 들어 있는 연료봉을 가지고 있지 않다. 연료집합체(A)는 노심 체재기간의 전반기에 간막이부재(2)의 내측인 고전환 영역에 장전되고, 연료집합체(B)에 재조립된 후에 노심 체재기간의 후반기에 간막이부재(2)의 외측인 연소영역에 장전된다.
즉, 연료집합체는 노심 체재기간 전반기에 γH/U가 작고 중성자 스펙터가 강한 영역(고전환 영역에 장전되어 모 연료물질의 핵분열 물질로의 전환이 도모되고, 노심 체재기간 후반기에는 γH/U가 크고 중성자 스펙터가 약한 영역(연소영역)에 장전되어 핵분열성 물질이 효율좋게 연소되게 한다. 이 때의 중성자 무한 증배율의 연소도 의존성을 제4도에서 나타낸다. 고농축도 우라늄 연료인 새로운 연료집합체가 장전되고 고전환영역은 중성자 무한 증배율이 낮고, 또한 연소가 진행되는 연료집합체가 장전된 연소영역은 중성자 무한 증배을이 높아지기 때문에, 출력 부정합을 저감할 수 있으며, 새로운 연료집합체의 과잉반응도를 낮게 억제할수가 있다.
본 발명의 목적은 기포량의 변화에 수반하는 반응도 변화를 저감할 수 있는 연료집합체 및 원자로를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상부영역에 있어서 가연성 독물질이 잔존하는 것을 방지하는데 있다.
본 발명의 특징은, 연료집합체내에서 냉각재유로가 점유 체적(VC)과 핵연료물질 점유체적(VF)과의 비율 RF=VC/VF)이 1.5 이하이고, 또한 중성자의 운동 에너지가 1eV 이하인 중성자 에너지 영역에서 적어도 하나의 공명 에너지를 갖는 중성자 흡수 핵물질로 이루어진 가연성 독물질을 함유함으로써 달성될 수 있다. 또한 중성자의 운동에너지가 1eV 이하의 중성자 에너지 영역을 열중성자 에너지 영역이라 하고, 열중성자에너지 영역의 에너지를 갖는 중성자를 열중성자라 한다.
체적 VC와 체적 VF와의 비율(RF)이 1.5 이하인 연료집합체에서는, 1CV 이하의 중성자 에너지 영역에서 적어도 하나의 공명 에너지를 갖는 중성자 흡수 핵물질로 이루어지는 가열성 독물질은 비율(RF)의 감소에 따라 독물질 반응도 값이 크게 감소하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 비율(RF)이 1.5 이하인 연료집합체에서는, 상기 가연성 독물질의 독물질 반응도값의 비율(RF)이 클때(기포량이 적을 때)에 커지고, 그 독물질 반응도값의 비율(RF)이 작을 때(기포량이 많을 때)에 작아져, 기포량의 변화에 따른 연료집합체의 반응도 변화를 저감할 수가 있다.
본 발명은 발명자등이 상기한 일본국 특개 소61-129594호 공보의 제6도(대응 미국출원 및 EPC 출원에 있어서도 제16도)에 나타낸 비등수형 원자로의 특성을 상세히 검토함으로써 이루어진 것이다. 즉, 상기한 고전환 영역과 이 영역을 둘러싼 연소영역을 구비한 노심을 가지는 비등수형 원자로에 있어서, 다음과 같은 문제가 발생한다는 것을 발명자등의 검토에 의하여 명백히 밝혔다. 비등수형 원자로에서는, 냉각재와 감속재의 기능을 겸비한 경수를 노심하부로부터 유입시킨 노심내의 연료집합체로부터 열제거를 행한다. 이 과정에서 경수는 비비등(非沸騰) 상태로부터 비등상태로 전환된다. 이 때, 조밀 격자로 이루어진 연료집합체가 장전되어 있는 고전환 영역에서는, 경수의 밀도변화에 따른 반응도 변화가 종래의 비등수형 원자로에 비하여 커지게 되는 문제가 생기는 것을 알았다. 또, 원자로 운전시와 냉온 정지상태와의 반응도차(원자로 정지 여유)도 마찬가지로 종래에 비하여 커진다는 것도 판명되었다.
본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 여러가지의 검토를 행하였다. 특히 본 발명은, 발명자등이 행한 조밀격자의 연료집합체를 비등수형 원자로내에 장전한 상태에서 가연성 독물질의 변화를 검토하여 이루어진 것이다. 이하, 이 검토결과에 대하여 설명한다.
종래의 비등수형 원자로에 사용되는 대표적인 가연성 독물질로서는 붕소(B)와 가돌리늄(Gd)이 있다. 종래의 비등수형 왼자로에서 가연성 독물질은 과잉반응도의 억제를 위해, 즉, 연소사이클 초기에 있어서 새로운 집합체가 가지는 과잉반응도를 억제하기 위하여 사용되고 있었다.
제5도는 붕소와 가돌리늄의 독물질 반응도값을 연료집합체내의 수소 대 우라늄 원자율과의 관계로 나타낸 것이다. 종래의 비등수형 원자로에서는, 연료집합체내의 연료유효길이 부분에서 연료집합체의 축방향의 단위 길이당 냉각재 유로 점유 체적(VC)과 핵 연료물질의 점유체적(VF)과의 비율(RF)이 1.5(수소 대 우라늄 원자수 비율로 3.0) 보다 큰 값을 가지고 있다. 예를 들면, 일본국 특개 소57-74689호 공보(미국 출원 제620020호, 출원일 : 1984. 6. 13)는 냉각재유로 단면적의 연료 단면적에 대한 비율(비율 RF와 동일)이 1.71인 연료집합체(2페이지 하부 좌측란, 15 및 16행), 상기 비율이 19 이상인 연료집합체(1페이지 좌측란 9및 10행)를 기술하고 있다. 제5도로부터 명백한 바와 같이, 종래의 비등수형 원자로에서는, 붕소 또는 가돌리늄을 사용했을 경우, 기포가 변화해도 독물질 반응도 값은 거의 일정하다 즉, 감속재인 경수(냉각재이기도 하다)의 기포 발생이나, 운전시와 냉온정지시의 온도차에 의하여 감속재의 밀도가 변화해도 독물질 반응도 값의 변화폭이 작다.
이에 대하여, 비율(RF)이 1.5(수소 대 우라늄 원자수 비율이 3.0 이하인 경우에는, 붕소와 가돌리늄에서 독물질 반응도 값의 변화 방식이 크게 다르다. 붕소의 경우에는, 비율(RF)이 1.5 이하 이더라도 종래의 비등수형 원자로와 마찬가지로 독물질 반응도값의 변화가 작은데에 반하여, 가돌리늄의 경우에는, 제5도에서 나타낸 바와 같이, 비율(RF)이 1.5 이하가 되면 독물질 반응도 값의 변화가 커져, 급격히 저하한다. 즉, 감속재의 밀도가 변화했을 때에, 가돌리늄에 의하여 제어되는 반응도가 크게 변화하게 된다.
수소 대 우라늄 원자수 비가 3.0 이하인 경우, 수소 대 우라늄 원자수비가 작을(비율 RF가 작음)때, 가돌리늄에 의한 독물질 반응도 값이 작고, 수소 대 우라늄 원자수 비가 클때(비율 RF이 크다) 가돌리늄에 의한 독물질 반응도 값도 크다. 이것은 기포가 발생하지 않는 경우, 및 원자로의 냉온정지시에 가돌리늄에 의하여 제어되는 반응도가 크고 기포율이 높은 경우에는, 가돌리늄에 의하여 제어되는 반응도가 작아진다는 것을 의미한다. 이와 같은 효과는 비율(RF)를 1.3(수소 대 우라늄 원자수 비로 2.6) 이하로 하면 현저해지므로, 비율(RF)을 1.3 이하로 하는 것이 바람직하다.
제6도는 비율(RF)이 1.2인 경우, 가돌리늄을 함유하지 않는 연료집합체와, 가돌리늄을 함유하는 연료집합체의 반응도의 차를 나타낸다. 제6도로부터 명백해지는 바와 같이, 기포율이 70% 일때의 반응도차는 기포율이 0% 일때의 반응도차의 약 1/2이 된다. 이와 같이, 비율(RF)이 1.5 이하로 가돌리늄을 함유하는 경우에는, 기포율 0%와 기포율 70%에서의 반응도차가 작아진다. 따라서 연료집합체의 축방향에 대해서는, 기포가 작은 연료집합체 하부와 기포가 많은 연료집합체 상부와의 반응도차가 작아지게 되어 연료집합체의 축방향의 출력분포의 평탄화를 도모하게 된다. 또한, 비등수형 원자로의 냉온 정지시에는, 노심대에서 기포가 발생하지 않고, 게다가 비등수형의 원자로의 운전시의 기포가 0% 일때 보다 더욱 수소 대 우라늄 원자수 비가 커지므로, 가돌리늄에 의하여 제어되는 반응도가 더욱 커진다. 이 때문에, 비등수형 원자로의 운전상태와 그 냉온정지 상태와의 반응도 차가 작아져 원자로의 정지 여유가 향상하게 된다.
제7도는 연료집합체의 가돌리늄이 들어 있는 연료봉이 갯수 비율에 대한 비등수형 원자로의 운전상태와 냉온 상태와의 반응도차의 변화를 나타낸 것이다. 전 연료봉의 10%에 가돌리늄을 첨가하면 비등수형 원자로의 운전상태와 냉온상태와의 반응도차가 25% 저감될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 붕소와 가돌리늄의 독물질로서의 성질의 차는, 이들의 중성자 흡수 핵물질의 중성자 에너지에 대한 반응단면적의 변화의 차이에 기인한다. 비등수형 원자로에 있어서 독물질의 작용을 결정하는 것은, 열중성자 에너지 영역 즉 중성자 에너지가 1eV 이하에서의 중성자 흡수 핵물질의 반응 단면적의 변화이다. 제8도에 가돌리늄의 열중성자 에너지 영역의 반응 단면적을 나타낸다. 제8도로부터 명백한 바와 같이, 중성자 에너지가 0.03eV 이상으로 증가하면, 가돌리늄의 반응 단면적이 감소비율이 급격하게 증대한다. 이것은 중성자 에너지 0.03eV의 위치에 가돌리늄의 공명에너지가 존재하고 있기 때문에 생기는 것이다. 이에 대하여, 붕소의 경우에는, 열중성자 에너지 영역에 공명에너지가 존재하지 않아 상술한 바와같은 변화는 나타나지 않는다. 제5도에 있어서, 붕소의 독물질 반응도 값은, γH/U가 1.5 이하가 되면 급격히 저하하고 있다. 이 현상은 연료물질의 영향에 의하여 생기는 것으로서 공명에 의한 것은 아니다. 이와같은 중성자 에너지에 대한 반응 단면적의 변화의 차이가 독물질로서의 작용의 차이를 가져오고 있다. 열중성자 에너지 영역에 공명에너지를 가지는 중성자 흡수 핵물질에는, 가돌리늄외에, 카드뮴, 사마륨, 탄탈 등이 있고, 이들의 중성자 흡수 핵물질에서도 가돌리늄과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 결과에 의거하여 얻어진 본 발명의 실시예를 이하에 설명한다.
비등수형 원자로의 노심대의 고전환 영역(비율 RF가 1.5 이하인 영역)에 장전되는 본 발명의 바람직한 일 실시예인 연료집합체를 제9도 및 제10도에 의거하여 설명한다.
본 실시예의 연료집합체(A1)는, 복수의 연료봉(15), 제어봉 안내관(25), 하부 타이플레이트(16), 상부타이플레이트(17) 및 스페이서(18)를 가지고 있다. 21은 핸들이다. 연료봉(15)은 연료봉(15A), (15B) 및 (15C)의 3종류가 있다. 연료봉(15A∼15C)은 각각 농축 우라늄의 연료 팰리트(pallet)를 가지고 있다. 연료봉(15A∼15C)중 연료봉(15B)만 연료 팰리트에 가연성 독물질인 가돌리늄을 함유하는 가돌리니아(GdO3)가 혼입되어 있다. 가돌리니아는 연료봉(15A) 및 (15C)에는 함유되어 있지 않다. 연료봉(15C)은 상부 타이플레이트(17)과 하부 타이플레이트(16)를 연결하는 타이로드이다. 하부 타이플레이트(16) 및 상부 타이플레이트(17)는 정육각형을 이루고 있다.
연료봉(15A), 가돌리니아가 들어 있는 연료봉(15B) 및 제어봉 안내관(25)은, 각각의 양단이 하부 타이플레이트(16) 및 상부 타이플레이트(17)에 의하여 유지된다. 하부 타이플레이트(16)는 내측에 원통부(16A)를 가지고 있고, 그 원통부(16A)가 외측의 원통부(16C)에 방사상으로 배치된 연결관(16B)으로 결합되어 구성되어 있다. 핸들(21)은 상부 타이플레이트(17)의 연결단(17B)에 설치된다. 연료봉(15)중 몇개는 타이로드(15C)로서 기능을 하고 있다. 타이로드(15C)의 양단은 하부 타이플레이트(16) 및 상부 타이플레이트(17)를 관통하고 있다. 타이로드(15C)의 하단에는 너트(19)가 설치되고, 타이로드(15C)의 상단에는 조임너트(20)가 설치되어 있다.
연료봉(15) 및 제어봉 안내관(25)은 스페이서(18)에 의하여 결속되어 있다. 이 연료봉(15)의 결속은 상부 타이플레이트(17)에 설치된 채널박스(22)로 둘러싸여져 있다. 채널박스(22)는 감속재 및 냉각재를 겸한 기능을 가지는 경수의 비등에 의하여 생긴 기포의 가로방향(노심내에서의 인접한 연료집합체)으로의 부유(浮遊)를 방지하고 있다.
본 실시예에서는 120개의 연료봉(15)중 12개는 2.5중량%의 가돌리늄을 함유하는 연료봉(15B)이다. 연료봉(15B)의 가돌리늄 농도는 연료봉(15B)의 연료 유효길이부(연료 팰리트 충전영역의 축방향 길이)의 전길이에 걸쳐서 균일하다. 연료봉(15B)의 연료 유효길이부의 축방향 길이는 연료집합체(A1)내의 다른 연료봉(15)의 길이와 같다. 본 실시예의 연료집합체(A1)는 경수, 즉 냉각재가 흐르는 냉각재 유로 점유 체적(VC)과 핵연료물질 점유체적(RF)과의 비율(RF)이 1.2이다. 여기서, 상기한 두 체적은 연료집합체의 축방향의 단위길이당 체적이다. 각 연료봉(15)의 농축도는 6중량%이고, 그 농축도는 연료 유효길이부의 전길이에 걸쳐 균등하다. 이와 같이 구성된 연료집합제(A1)는 연소도가 영(0)으로서 원자로의 노심에 처음 장전되는 상대의 연료집합체이다. 경수는 하부 타이플레이트(16)를 통하여 채널박스(22)내의 연료봉 상호간을 흘러, 상부 타이플레이트(17)로부터 유출한다.
상기한 연료집합체(A1)를 노심의 고전환 영역(비율 RF가 1.5 이하인 영역)에 장전시킨 비등수형 원자로에서는 운전상태에서 연료집합체(A1)의 높이 방향을 따라 기포 분포가 생기고, 연료집합체(A1)의 하부에서는 기포율이 0%인데에 대하여 연료집합체(A1)의 상부에서는 약 70%가 된다. 이 기포의 존재로 인하여 연료집합체(A1)의 상하에서 중성자 무한 증배율에 차이가 생겨, 연료집합체(A1)의 하부에 출력의 피이크가 생기려고 한다. 그러나, 본 실시예의 연료집합체(A1)는 비율(RF)이 작아 가돌리늄을 함유하여 구성하고 있기 때문에, 기포율이 낮은 연료집합체(A1) 하부에서의 가돌리늄의 반응도값이 연료집합체(A1)의 상부의 반응도에 비하여 3.0배 커진다. 이 때문에, 연료집합체(A1)의 상하의 중성자 무한 증배율의 차이가 작아져, 연료집합체(A1)의 축방향에 있어서의 출력분포가 평탄하게 될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 미국 특허 제4,229,258호에 나타낸 바와같은 연료집합체의 높이방향으로 농축도 분포등의 특별한 대책을 실시하지 않더라도, 가돌리니아의 반응도값의 변화에 의하여 축방향의 출력분포의 평단화를 실현할 수 있다.
노심의 고전환 영역에 연료집합체(A1)가 장전된 비등수형 원자로는 냉온상태가 되면 노심의 고전환 영역내에 기포가 없어지므로, 비등수형 원자로의 운전상태에 비하여 가돌리늄에 의하여 제어되는 반응도가 커져, 원자로 정지여유가 증대한다. 가돌리니아를 제거한 연료집합체(A1)를 비등수형 원자로의 노심의 고전환 영역에 장전한 경우에 비하여, 상기와 같이 가돌리니아를 함유하는 연료집합체(A1)는 비등수형 원자로에 있어서의 냉온상태와 운전상태와의 반응도차를 약 35% 저감할 수 있어, 원자로 정지여유를 현저하게 개선할 수 있다.
상기한 연료집합체(A1)를 장전한 비등수형 원자로의 실시예를 제11도에 따라 설명한다. 본 실시예의 비등수형 원자로(50)는 상부가 밀폐덮개(52)로 밀봉된 원자로 압력용기(41)를 가지고 있다. 노심 슈라우드(shroud : 보호판)(53)가 원자로 압력용기(51)내에 설치되어 있다. 기수분리기(54)가 노심 슈라우드(53)의 상단에 설치되고, 드라이어(55)가 기수분리기(54)보다 윗쪽에 위치되어 있다. 하부 노심지지판(56) 및 상부노심지지판(57)이 노심 슈라우드(53)내에 설치되어 있다. 하부 노심지지판(56) 및 상부 노심지지판(57)에는 노심(58)내에 장전된 연료집합체(A1) 및 (B1)의 상하 단부가 각각 지지되어 있다. 원통형상의 간막이부재(62)는 하부 노심지지판(56)과 상부 노심지지판(57)의 사이에 설치되어, 노심(58)이 반경방향으로 중앙영역(59)과 주변영역(60)으로 분할되어 있다. 연료집합체(A1)는 중앙영역(고전환 영역)(50)에, 연료집합체(B1)는 주변영역(60)에 각각 장전되어 있다. 연료집합체(B1)는 연료집합체(A1)의 연료봉(15)의 갯수를 약 1/2로 줄여기서, 비율(RF)을 약 2.5로 높인 것이고, 제3도에 나타낸 연료집합체(B)와 마찬가지로 과잉반응도제어용의 가돌리니아(가연성 독물질)을 함유하는 연료봉(4)을 가지고 있다. 연료집합체(B1)는 중앙영역(59)으로부터 취출한 하나의 연료집합체(A1)의 재조립에 의하여 2개가 만들어진다. 연료봉(4)은 연료집합체(B1)를 조립할때에 새롭게 설치되는 것이다. 연료집합체(B1)에도 복수개의 제어봉 안내관(25)이 설치되어 있다. 65는 제트 펌프이고, 노심(58)에 냉각재이며 감속재인 경수를 제공한다.
본 실시예의 중앙영역(59)에 있어서 노심 축방향의 단위길이당 비율(RF)은 1.2이고, 본 실시예의 주변영역(60)에 있어서 노심 축방향의 단위길이당 비율(RF)은 2,5이다. 중앙영역(59)에 장전된 인접하는 연료집합체(A1) 사이 및 주변영역(60)에 장전된 인접하는 연료집합체(B1) 사이에는 실질적으로 갭은 존재하지 않고 경수도 존재하지 않는다. 만일 연료집합체 사이에 물(水) 갭을 형성할 필요가 있는 경우, 특히 고전환영역인 중앙영역(59)에서는, 그 영역에 있어서 비율(RF1)이 1.5 이하가 되도록, 더욱 바람직하게는 비율(RF1)이 1.3 이하가 되도록, 설계시에 연료집합체(A1)내의 비율(RF) 및 연료집합체(A1) 사이의 물 갭의 폭을 결정할 필요가 있다. 비율(RF1)은 고전환 영역에서의 축방향 단위길이당 냉각재 유로 점유체적(VC1)과 핵연료물질 점유체적(VF1)과의 비율 VC1/VF1이다.
제어봉 구동장치(도시생략)가, 원자로 압력용기(51)의 저부 평면부에 설치된다. 제어봉 안대관(63)은 제어봉 구동기구 보다 윗쪽의 원자로 압력용기(51)내에서 제어봉 구동기구의 연장선상에 설치된다. 제어봉(64)의 하단부가 제어봉 구동기구에 착탈가능하게 연결된다. 제어봉(64)은 일본국 특개 소61-129494호 공보의 제7도에 나타낸 클러스터형의 제어봉이고, 제어안내관(63)내를 상호로 이동한다. 제어봉(64)은 연료집합체(A1) 및 (B1) 3개에 1개의 비율로 설치되어 있다. 제어봉(64)의 흡수로드(absorbor rod)는 상측을 향하여 연장되어 있다. 각각의 제어봉(64)의 흡수로드는 중앙영역(59) 및 주변영역(60)에 배치된 연료집합체(A, B1)의 제어봉 안내관(38)내에서 아래쪽으로부터 출입된다.
중앙영역(59)에 장전된 연료집합체(A1)가 한계의 연소도(Ea)(제4도)에 달했을때, 그 연료집합체(A1)에 조립되어 들어가 있던 연료봉(15)은 연료 집합체(A1)로부터 취출되어 연료집합체(B1)의 구성요소로서 사용된다. 그리고, 그 연료집합체(B1)를 구성하는 연료봉(15)은 비율(RZ)이 큰 주변영역(60)에 충전되어 연소는 연소도(Eb)까지 계속된다.
중앙영역(59)에 장전된 연료집합체(A1) 및 주변영역(60)에 장전된 연료집합체(B1)는 4연료사이클의 기간동안, 각각의 영역내에서 체재하게 된다. 연소집합체(A1)내의 가돌리늄의 양은 제1연료사이클에서 소실되도록 함유되어 있다. 중앙영역(59)내의 연료집합체(A1)는 제1연료사이클의 운전종료후에 1/4씩 새로운 연료집합체(A1)(가돌리늠 함유)와 교체된다. 이 때문에, 중앙영역(59)내의 연료집합체(A1)는 4개에 한개의 비율로 가돌리늄을 함유하고 있다. 가돌리늄을 함유하고 있는 연료집합체(A1)가 중앙영역(59)내에 균일하게 배치되도록 연료교환을 행할 필요가 있다. 연료집합체(B1)내의 가돌리늄량도 1연료사이클에서 소설되도록 함유되어 있다. 연료집합체(B1)도 연료집합체(A1)와 마찬가지로 교환된다. 연료집합체(A1)내의 가돌리늄량은 필요에 따라 제2연료사이클에서 소실되도록 하는 것도 가능하다.
본 실시예의 비등수형 원자로는 고전환 영역인 중앙영역(59)에 있어서 축방향의 출력분포가 평탄화됨과 동시에, 중앙영역(59)의 냉온상태와 운전상태와의 반응도체가 저감될 수 있으므로 원자로 정지여유의 개선효과가 현저하게 개선된다. 이것은 경수가 존재하는 고전환 영역의 비율(RF)이 1.5 이하이고, 이 고전환영역에 가돌리늄이 존재함으로써 얻을 수가 있는 것이다. 바람직하게는 고전환영역의 비율(RZ)을 1.3 이하로 하는 것이 바람직하다. 1.3 이하로 함으로써, 가돌리늄을 함유시켜 얻어지는 효과가 현저하게 증대한다.
본 발명의 다른 실시예인 고전환 영역(RF가 1.5 이하인 영역)에 장전되는 연료집합체를 제12도, 제13도및 제14도에 의거하여 설명한다. 본 실시예의 연소집합체(A2)는, 연소집합체(A2)내의 압력손실을 감소시키기 위한 다른 연료봉(15A∼15C)에 비하여 연료 유효길이부가 짧은 6개의 연료봉(15D)이 배치되어 있다. 연료봉(15D)의 상단은, 연료집합체(A2)의 연료 유효길이부의 하단으로부터 연료집합제(A2)의 연료 유효길이부의 전길이의 1/3의 위치에 있다. 연료봉(15B)은 6개가 포함되어 있으며, 연료봉(15B) 및 (15D)는 2.5중량%의 가돌리니아를 함유하고 있다. 이 가돌리니아 농도는 연료봉 15B 및 15D의 연료 유효길이부의 전길이에 걸쳐 균일하다. 연료봉(15A∼15D)의 농축도는 연료 유효길이부의 전길이에 걸쳐 균일하게 6중량%이다.
이와 같은 구성의 연료집합체(A2)의 하부(XIV-XIV)는 연료봉(15)이 120개, 연료집합체(A2)의 상부(XIII-XIII단면)는 연료봉(15)이 114개로 구성되어 있다. 축방향의 단위 길이당의 비율(RF)은, 연료집합체(A2)의 하부영역(연료봉 15D가 존재하고 있는 부분)에서 1.20이고, 연료봉(15D)이 존재하지 않고 연료봉(15)의 갯수가 작은 연료집합체(A2)의 상부 영역에서는 1.35이다. 이와 같은 본 실시예도 제9도의 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한 이하에 나타내는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 연료집합체(A2) 상부영역의 평균기포율은 연료 유효길이부가 짧은 연료봉(15D)을 사용하지 않는 경우에 비하여 작아지고, 연료봉(15D)을 사용하지 않는 경우에 비하여 축방향의 출력분포는 더욱 평탄화된다. 본 실시예의 연료집합체(A2)는 다음과 같은 사고방식에 의하여 가연성 독물질의 함유량이 결정된다.
상기한 바와 같이, 1eV 이하의 중성자 에너지 영역에 있어서 하나 이상의 공명 에너지를 갖는 중성자 흡수 핵물질을 함유하는 가연성 독물질은, 감속재의 양이 많은 경우에 반응도 평가치가 크고 감속재의 양이 적은 경우에는 반응도 값이 작아진다. 즉, 비율(RF)이 1.5 이하에서 상기 가연성 독물질은 비등수형 원자로의 운전상태에서는 기포율이 작은 연료집합체 하부에서 반응도 제어효과를 가지나, 기포율이 큰 연료집합체의 상부영역에서는 그 효과가 작다. 이 현상을 이용하여, 연료집합체(A2)의 하부영역에서의 가연성 독물질량을 운전시의 출력분포가 더 평단화되도록 결정한다.
한편, 비등수형 원자로의 냉온상태에서는 기포분포가 존재하지 않으므로, 연료집합체가 가지는 가연성 독물질량, 특히 연료집합체 상부에서는 플루토늄(Pu)의 축적량이 많아지기 때문에 연료집합체 상부의 가연성 독물질량이, 원자로 정지 여유개선을 위하여 중요해진다. 따라서, 연료집합체 싱부의 가연성 독물질량은 설계기준을 만족시키는 원가로 정지여유를 가질 수 있도록 결정한다. 이와 같은 기본적 사고방식에 따라, 제12도의 실시예에서는 연료집합체 하부에 12개의 가돌리니아가 들어있는 연료봉(연료봉 15B 및 15D)를 배치하여 출력분포의 평탄화를 도모하고, 연료집합체 상부에는 원자로 정지여유를 만족하는 필요 최소한의 6개의 가돌리니아가 들어있는 연료봉 6개를 배치하였다.
또한 본 발명의 다른 실시예인 연료집합체(A1)를 제15도, 제16도 및 제17도에 의거하여 설명한다.
제15도에 나타낸 연료집합체(A3)의 외관형상은 제9도에 나타낸 연료집합체(A1)의 외관형상과 동일하다. 본 실시예의 연료집합체(A3)는 연료 집합체(A1)의 가돌리니아를 포함하고 있는 12개의 연료봉(15B) 대신에 가돌리니아를 함유하는 12개의 연료봉(15E)를 사용한 것이다. 연료집합체(A3)의 다른 구성은 연료집합체(A1)와 동일하다. 본 실시예에 사용되는 연료봉(15E)의 구조를 제17도에 의거하여 설명한다. 연료봉(15E)은 상측 마개(31A) 및 하측마개(31B)로 양단부가 밀봉되어 있는 피복관(30)내에 두 종류의 연료팰리트(32, 33)를 충전한 것이다. 연료팰리트(32, 33)는 이산화우라늄을 연소한 것으로서, 농축도가 각각 6중량%이다. 연료팰리트(32, 33) 모두 가돌리니아를 함유하고 있다.
연료팰리트(32)의 가돌리나아 농도는 2중량%이고, 연료팰리트(33)의 가돌리니아 농도는 3중량%이다. 연료봉(15E)내에 있어서, 연료팰리트(33)는 연료봉(15E)의 연료 유효길이부의 하단으로부터 연료 유효길이부전길이의 1/2의 위치까지(하부영역)에 충전되고, 연료팰리트(32)는 그 1/2의 위치로부터 연료 유효길이부의 상단까지(상부영역) 충전된다. 제17도에 있어서, L1은 연료 유효길이부의 전길이를 나타내고, L2는 연료 팰리트(33)가 장전되는 연료 유효길이부 전길이의 1/2의 길이를 나타내고 있다. 상부 및 하부영역에 있어서의 가돌리니아 농도는 각각의 영역에서 축방향으로 균일하다. 연료봉(15E)내에 있어서, 연료 유효길이부의 상단부 윗쪽에 가스풀리넘(35)이 형성되어 있다. 이 가수풀리넘(35)내에 연료팰리트 압압 코일스프링(34)이 배치되어 있다. 연료봉(l5A)도 연료팰리트 가돌리니아를 함유하고 있지 않은 점을 제외하고는, 제17도에 나타낸 연료봉(15E)과 동일한 구성을 가지고 있다. 연료봉(15A) 및 (15E)의 연료 유효길이부의 길이는 같고, 또한 이들의 연료봉은 연료 유호길이부의 전 길이에 걸쳐 6중량%의 균일한 농축도를 가지고 있다.
상기한 바와 같이, 기포율이 큰 연료집합체 상부에서는 가돌리니아의 반응도값이 작다. 그러므로 연료집합체 축방향으로 균일하게 가돌리니아를 배치하면, 연료집합체 상부영역에서 가돌리니아의 연소가 지연되는 경향이 있다. 연소가 진행된 단계에서 연료집합체 상부 영역에만 가연성 독물질이 잔존했을 경우에는 연료집합체의 상부영역에 있어서의 반응도 억제효과에 의하여 연료집합체의 상부영역과 그 하부영역에서의 반응도차가 증가하여 축방향의 출력 피이크의 증대를 초래하게 된다. 이와 같은 경우를 고려하여, 본 실시예에서는 연료집합체 상부영역에 가돌리니아 농도를 연료집합체 하부영역에 비하여 엷게 함으로써, 가돌리니아의 잔존기간을 연료집합체의 상부영역과 그 하부영역에서 같아지도록 하였다. 본 실시예와 같이 구성함으로써, 제1도의 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있음과 동시에, 연료집합체의 상부영역과 하부영역과의 기포반응도 차를 저감하고, 또한 연료집합체 상부영역의 가연성 독물질의 잔존을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 연료집합체의 상부 및 하부영역에 있어서의 가연성 독물질이 들어있는 연료봉의 갯수를 같게하고 있으나, 상부 및 하부영역에 있어서의 필요한 반응도 제어량에 의하여 제12도의 실시예와 같이 연료봉(15D)의 사용에 의하여 상부 및 하부영역에서의 가연성 독물질이 들어있는 연료봉의 갯수를 변화시키는 것도 가능하다.
이상 설명한 각 실시예에서는 가연성독물질로서, 가돌리늄을 사용했으나, 다른 중성자 흡수 핵물질 즉 카드뮴, 사마륨, 탄탈 등을 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
제12도의 실시예 및 제15도의 실시예에서, 각 연료집합체(A2) 및 (A3)을, 제11도에서 나타낸 고전환 영역인 중앙영역(59)에 연료집합체(A1) 대신에 장전하는 것도 가능하다.
또한, 제11도에 나타낸 고전환 영역 및 연소영역으로 이루어지는 노심을 가지는 비등수형 원자로 뿐만 아니라, 고전환 영역만으로 이루어지는 노심을 가지는 고전환형 비등수형 원자로에 대해서도, 연료집합체(A1, A2, A3)로 노심을 구성할 수가 있다.
이상 설명한 실시예에서는, 가연성 독물질은 연료팰리트중에 첨가하는 형태로 사용된다. 그러나, 가연성독물질은 연료집합체중의 감속재량 저감을 위하여 사용되는 물제거용 봉 또는 연료집합체내의 감속효과 균일화를 위하여 사용되는 고체 감속용 봉내에 첨가하여 사용하는 것도 가능하다. 핵 연료물질과 가연성 독물질을 분리함으로써 연료집합체의 건전성을 더욱 향상시킬 수가 있다.
이상 설명한 실시예의 각 연료집합체는, 그 자체의 비율(RF)도 1.5 이하이고 또한 비율(RF)이 1.5 이하인 노심영역에 장전함으로써, 상기한 바와 같이 1eV 이하의 중성자 에너지 영역에 적어도 하나의 공명 에너지를 가지는 중성자 흡수 핵물질로 이루어지는 가연성 독물질의 기능, 즉 상기한 기포량에 대응하는 반응도 제어의 기능을 발휘할 수가 있다. 또 상기한 연료집합체(A1, A2, A3)는 노심대에 장전한 시점에서는, 핵연료물질로서 농축한 이산화우라늄을 사용하고 있고 플루토늄은 부가되어 있지 않다.
본 발명에 의하면, 기포량의 변화에 따른 반응도 변화량을 저감할 수 있으며, 원자로 정지여유를 증대시킬 수가 있다.

Claims (17)

  1. 핵연료물질을 내부에 충전한 복수의 연료봉과, 상기 연료봉의 양단부를 지지하는 상부 및 하부 타이플레이트와, 상기 연료봉 상호간에 형성되는 냉각재 통로를 가지고, 하부로부터 상부를 향하여 냉각재가 흐르며, 상부에서 기포가 발생하는 노심에 장전되는 연료집합체에 있어서, 상기 연료집합체내에서 연료집합체 축방향의 단위길이당 냉각재 유로 점유 체적(VC)과 핵연료물질 점유체적(VF)과의 비율(VC/BF)이 1.5 이하이며, 일부의 상기 연료봉은 1.eV 이하연 중성자 에너지 영역에서 적어도 하나의 공명에너지를 가지는 중성자 흡수 핵물질로 이루어지는 가연성 독물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중성자흡수 핵물질은 가돌리늄, 카드뮴, 사마륨 및 탄탈중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비율 VC/VF이 1.3 이하인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 핵 연료물질이 우라늄인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  5. 핵연료물질을 내부에 충전한 복수의 연료봉과, 상기 연료봉의 양단부를 지지하는 상부 및 하부 타이플레이트와, 상기 연료봉 상호간에 형성되는 냉각재 통로를 가지고, 하부로부터 상부를 향하여 냉각재가 흐르며 상부에서 기포가 발생하는 노심에 장전되는 연료집합체에 있어서, 상기 연료집합체내에서 연료집합체 축방향의 단위길이당 냉각재 유로점유체적(VC)과 핵연료물질 점유체적(VF)과의 비율 VC/VF이 1.5 이하이며, 일부의 상부 연료봉은 1eV 이하인 중성자 에너지 영역에서 적어도 하나의 공명에너지를 가지는 중성자흡수 핵물질로 이루어지는 가연성 독물질을 함유하고 있고, 상기 가연성 독물질을 함유하는 연료봉은 상기 가연성 독물질이 상기 연료봉내의 상기 핵연료물질의 장전영역의 축방향 전길이에 걸쳐 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  6. 제5항에있어서, 상기 중성자흡수 핵물질은 가돌리늄, 카드뮴, 사마륨 및 탄탈중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 비율 VC/VF이 1.3 이하인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  8. 핵연료물질을 내부에 충전한 복수의 연료봉과, 상기 연료봉의 양단부를 지지하는 상부 및 하부 타이플레이트와, 상기 연료봉 상호간에 형성되는 냉각재 통로를 가지고, 하부로부터 상부를 향하여 냉각재가 흐르며 상부에서 기포가 발생하는 노심에 장전되는 연료 집합체에 있어서, 상기 연료집합체내에서 연료집합체축방향의 단위길이당 냉각재 유로 점유체적(VC)과 핵연료물질 점유체적(VF)과의 비율 VC/VF이 1.5 이하이며, 일부의 상기 연료봉은 1eV 이하인 중성자 에너지 영역에어 적어도 하나의 공명에너지를 가지는 중성자 흡수 핵물질로 이루어지는 가연성 독물질을 함유하고 있고, 상기 가연성 독물질을 함유하는 연료봉은 제1연료봉 및 상기 제1연료봉 보다도 축방향의 길이가 짧은 제2연료봉을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1연료봉은 상기 핵연료물질을 함유하고 상기 가연성독물질을 함유하지 않은 그 외의 상기 연료봉내에 상기 핵연료물질의 장전영역의 축방향길이와 동일한 핵연료물질 장전영역을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1연료봉은, 상기 가연성 독물질이 상기 핵연료물질 장전영역의 축방향 전길이에 걸쳐 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  11. 제8항에 있어서, 상기 중성자흡수 핵물질은, 가돌리늄, 카드뮴, 사마륨 및 탄탈중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  12. 제8항에 있어서, 상기 비율 VC/VF이 1.3이하인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  13. 핵연료물질을 내부에 충전한 복수의 연료봉과, 상기 연료봉의 양단부를 지지하는 상부 및 하부 타이플레이트와, 상기 연료봉 상호간에 형성되는 냉각재 통로를 가지고, 하부로부터 상부를 향하여 냉각재가 흐르며 상부에서 기포가 발생하는 노심에 장전되는 연료 집합체에 있어서, 싱기 연료집합체내에서 연료집합체축방향의 단위길이당 냉각재 유로 점유체적(VC)과 핵연료물질 점유체적(VF)과의 비율 VC/VF이 1.5 이하이고, 일부의 상기 연료봉은 1eV 이하인 중성자 에너지 영역에서 적어도 하나의 공명에너지를 가지는 중성자 흡수 핵물질로 이루어지는 가연성 독물질을 함유하고 있고, 상기 가연성 독물질을 함유하는 연료봉은 상부영역과 하부 영역으로 분할되어 상기 하부영역에서 상기 가연성 독물질의 함유량이 상기 상부영역에서의 양보다 많은 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가연성 독물질을 함유하는 연료봉은, 상기 핵연료물질의 장전영역의 축방향 전길이에 걸쳐 상기 가연성 독물질을 함유하고 있고, 상기 가연성 독물질을 함유하는 연료봉의 상기 핵연료물질 장전영역의 축방향 길이가 그 외의 상기 연료봉의 축방향 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 중성자흡수 핵물질은 가돌리늄, 카드뮴, 사마륨 및 탄탈중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  16. 제13항에 있어서, 상기 비율 VC/VF1.3 이하인 것을 특징으로 하는 연료집합체.
  17. 핵연료물질을 내부에 충전한 복수의 연료봉으로 이루어진 복수의 연료집합체가 장전되고, 또한 하부로부터 상부로 하여 냉각재가 흐르며 상부에서 기포가 발생하는 고절환 영역이 형성되는 노심을 가지는 원자로에 있어서, 상기 고전환 영역에서 축방향의 단위길이당 냉각재 유로 점유체적(VC1)과 핵연료물질 점유체적(F/Fl)과의 비율 VC1/FF1이 1.5 이하이고, 상기 고전환 영역에 장전되는 상기 연료집합체는 상기 연료봉과, 상기 연료봉의 양단부를 지지하는 상부 및 하부 타이플레이트와, 상기 연료봉 상호간에 형성되는 냉각재 통로를 가지고, 상기 연료집합체내에서 연료집합체 축방향의 단위길이당 냉각재 유로 점유체적(VC1)과 핵연료물질 점유체적(F/F1)과의 비율(VC1/FF1)이 1.5 이하이고, 상기 연료봉중 일부는 1eV 이하인 중성자 에너지 영역에서 적어도 하나의 공명 에너지를 가지는 중성자 흡수 핵물질로 이루어진 가연성 독물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 원자로.
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