KR100281169B1 - 핵연료집합체의반응도제어를위한복합가연성흡수물질핵연료 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 제공하는 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)는 내부 심(2)과 외부 환(3)으로 구성되며, 내부 심(2)의 부피는 복합 가연성 흡수물질 핵연료 전체 부피의 20∼80 % 이고, 내부 심(2)에 포함된 핵분열성 물질 및 가연성 흡수물질은 외부 환(3)에 포함된 핵분열성 물질 및 가연성 흡수물질과 서로 다른 것을 특징으로 한다. 내부 심(2)은 가돌리니움 산화물과 천연 또는 농축 이산화 우라늄의 혼합체로 구성되고 외부 환(3)은 어비움 산화물과 농축 이산화 우라늄의 혼합체로 구성되며, 또는 내부 심(2)은 가돌리니움 산화물과 이산화 우라늄의 혼합체 또는 어비움 산화물과 이산화 우라늄의 혼합체로 구성되고 외부 환(3)은 농축 이산화 우라늄으로 구성되며, 또는 내부 심(2)과 외부 환(3)은 모두 가돌리니움 산화물과 이산화 우라늄의 혼합체로 구성되고 다만 가돌리니움의 농도 및 이산화 우라늄의 농축도가 내부 심(2)과 외부 환(3)에서 서로 다른 것을 특징으로 한다. 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)는 장주기 원자로심에서 주기초에서 핵연료 집합체의 반응도를 낮추고 동시에 주기말에서는 잔존 중성자 흡수량이 적기 때문에 최적의 반응도 제어를 가능하게 한다.

Description

핵연료 집합체의 반응도 제어를 위한 복합 가연성 흡수물질 핵연료{Composite burnable absorber for reactivity control of nuclear fuel assembly}

본 발명은 핵연료 집합체의 반응도 제어를 위한 복합 가연성 흡수물질 핵연료에 관한 것으로, 더 상세하게는 핵연료 집합체로 구성되는 경수형 원자로심의 운전과 관련해서 주기초에는 반응도를 효과적으로 제어하며 주기말에는 잔존 중성자 흡수량이 매우 작은 '복합 가연성 흡수물질 핵연료'를 제공하는데 있다.

경수형 원자로심에 장전되어 사용되는 핵연료 집합체는 많은 연료봉으로 구성되어 있고, 연료봉은 지르칼로이 피복관에 핵분열성 물질을 함유한 우라늄 산화물 핵연료를 장입하여 밀봉한 형태를 갖는다. 원자로심에서 중성자에 의해서 우라늄이 핵분열하면서 발생하는 열은 연료봉 사이를 흐르는 냉각수에 의해서 추출되어 동력으로 사용된다.

핵연료 집합체의 반응도는 보통 무한증배계수로 나타내는데, 원자로심의 주기초에는 핵연료 집합체 안에 핵분열성 물질이 많아서 반응도가 높고 핵분열이 진행되면서 핵분열성 물질이 점점 고갈되므로 반응도가 점점 낮아진다. 반응도가 일정 값 이하로 되면 원자로심의 운전을 정지하고 연소한 핵연료 집합체를 새로운 핵연료 집합체로 교체하고 다시 원자로심을 운전한다.

원자로심의 운전주기가 길어질수록 원자로심의 가동률이 높아져서 경제적인 이득이 된다. 원자로심의 운전주기를 늘리기 위해서는 노심 안에 핵분열성 물질을 가능한한 많이 장전하는 것이 유리하지만 핵분열성 물질이 많아지면 주기초에 반응도가 너무 높아져서 원자로심의 안전성에 나쁜 영향을 준다. 따라서 종래기술에서는 중성자의 흡수력이 매우 큰 가연성 흡수물질을 핵연료 집합체 안에 장전하며 동시에 냉각수 안에 붕소를 사용해서, 주기초의 잉여 반응도를 삭감하고 운전주기 동안 비교적 일정하게 반응도를 제어한다. 가연성 흡수물질은 주기초에만 중성자를 흡수해서 반응도를 낮추고 어느정도 핵연료의 연소가 진행된 이후에는 더 이상 중성자를 흡수하지 않아야 한다. 즉 잔존 중성자 흡수량이 적어야 한다. 만약 계속해서 중성자를 흡수하면 반응도가 낮아지므로, 동일한 열을 얻기 위해서는 핵분열성 물질을 추가해야 하므로 경제적으로 손실이 된다.

종래기술에서 따르면, 가연성 흡수물질의 분말을 핵분열성 물질 ( 천연 또는 농축 우라늄 산화물)의 분말과 혼합하고 성형하고 소결해서 가연성 흡수물질 핵연료를 제조한다. 가연성 흡수물질 핵연료를 피복관에 장입하고 밀봉하여 가연성 흡수봉을 제조하고 핵연료 집합체의 정해진 위치에 장전하여 반응도를 제어한다. 따라서 하나의 핵연료 집합체는 핵분열성 물질(농축 우라늄 산화물) 만을 함유한 연료봉과 가연성 흡수봉으로 구성된다. 특히 가연성 흡수물질 핵연료에는 가연성 흡수물질과 핵분열성 물질이 균질하게 혼합된 상태로 존재한다.

가장 잘 알려진 가연성 흡수물질 핵연료는 농축 또는 천연 이산화 우라늄(UO₂)과 가돌리니움 산화물(Gd₂O₃)을 균질하게 혼합하여 소결하여 제조한 핵연료이다. 가돌리니움은 열중성자에 대한 흡수력이 매우 커서 적은 양을 장전하더라도 반응도를 적절히 제어할 수 있으며 또한 잔존 중성자 흡수량이 적은 장점이 있다. 그러나 통상적으로 사용되는 가돌리니움 산화물의 농도는 4∼10 중량% 인데 열전도도가 이산화 우라늄 핵연료 보다 나빠서 동일한 출력 조건에서 핵연료의 온도가 높아진다. 이것을 상쇄하기 위해서 가돌리니움을 함유한 가연성 흡수물질 핵연료에는 우라늄의 농축도를 낮추어야만 한다. 즉 핵연료 집합체 안에 핵분열성 물질량이 감소하므로 핵연료의 경제성이 떨어지게 된다. 또한 가돌리니움 함유 가연성 흡수봉을 핵연료 집합체 안에 장전할 때 대칭성을 유지하기 위해서 흡수봉의 수가 4의 배수가 되어야 하는 제한이 있고 따라서 반응도 제어를 최적화 하기 어렵다. 특히, 가돌리니움 함유 가연성 흡수봉을 18개월 이상의 장주기에 사용하려면 일반적으로 핵연료 집합체 당 가돌리니움 함유 가연성 흡수봉의 개수가 16 개 이상으로 증가하므로 핵연료 집합체 당 핵분열성 물질의 양이 현저히 감소해서 경제적으로 손실이 된다.

알려진 다른 가연성 흡수물질 핵연료는 농축 우라늄 산화물의 분말과 어비움 산화물 (Er2O3)의 분말을 균일하게 혼합하고 성형하고 소결해서 제조한 핵연료가 있다. 어비움은 가돌리니움보다 늦게 연소하기 때문에, 어비움 산화물의 농도는 1∼ 2 중량%가 통상적으로 사용되며 18개월 이상의 장주기에서 반응도를 제어하는데 적합한 가연성 흡수물질이다. 그러나 어비움은 중성자 흡수력이 가돌리니움보다 매우 작아서 많은 양을 핵연료 집합체에 장전해야만 반응도를 제어할 수 있다. 알려진 기술로는 핵연료 집합체 당 어비움 함유 가연성 흡수봉은 60∼120개 정도 인데, 어비움 함유 가연성 흡수봉이 우라늄 산화물 연료봉보다 비싸기 때문에 핵연료 집합체의 가격이 상승할 뿐만 아니라 잔존 중성자 흡수량이 많은 단점이 있다.

종래기술로 알려진 기술은 가연성 흡수물질을 우라늄 산화물과 균일하게 혼합한 펠렛의 형태로 사용하며, 핵연료 집합체의 반응도를 조절하는 방법으로는 2 개의 변수, 즉 가연성 흡수봉의 개수와 가연성 흡수물질의 농도만을 변화시키므로 반응도 제어를 최적화 하는데 한계가 있다. 즉, 일정 농도의 가연성 흡수물질로 가연성 흡수봉의 개수를 증가시키면 핵연료의 연소가 진행되면서 출력첨두가 발생하는 단점이 있고, 일정 개수의 가연성 흡수봉에서 가연성 흡수물질의 농도를 높이면 주기초의 반응도를 제어하지 못하는 단점이 있다. 가돌리니움 함유 가연성 흡수물질 핵연료는 빠르게 연소하므로 장주기에서 반응도 제어가 어렵고, 어비움 함유 가연성 흡수물질 핵연료에서는 어비움의 농도를 낮게 유지해야 하므로 아주 많은 흡수봉을 핵연료 집합체에 장전해야 하는 단점이 있다.

종래기술의 상기한 단점을 극복할 수 있도록 가연성 흡수물질 핵연료 안에 다른 2 종류의 가연성 흡수물질을 분리해서 배열함으로써 반응도의 제어에 제 3 변수를 제공하여 반응도의 다양한 조절이 가능하게 해서, 장주기 원자로심에서 주기초에는 반응도를 낮추고 주기말에는 잔존 중성자 흡수량이 적은 복합 가연성 흡수물질 핵연료를 제공하고자 한다.

도 1은 복합 가연성 흡수물질 핵연료를 구성하는 내부 심과 외부 환을 보여주는 그림이고,

도 2는 핵연료 집합체 안에 장전되는 복합 가연성 흡수봉의 위치를 예시하는 그림이며,

도 3은 복합 가연성 흡수물질 핵연료를 장전한 핵연료 집합체의 반응도를 나타내는 결과도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 복합 가연성 흡수물질 핵연료

(2) : 내부 심

(3) : 외부 환

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 복합 가연성 흡수물질 핵연료를 구성하는 내부 심과 외부 환을 보여주는 그림인데, 본 발명 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)는 반경방향으로 내부 심(2)과 외부 환(3)의 이중구조로 구성되고, 내부 심(2)은 천연 또는 농축 우라늄 산화물과 가돌리니움 산화물의 혼합체이며 외부 환(3)은 농축 우라늄 산화물과 어비움 산화물의 혼합체인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)의 내부 심(2)과 외부 환(3)에 동일한 가연성 흡수물질을 장전하면서 그것의 농도를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 한다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)의 내부 심(2) 및 외부 환(3)은 각각 우라늄 산화물 분말과 가연성 흡수물질 분말을 혼합하고 성형하여 소결해서 제조한다. 성형 및 소결 중에 내부 심(2)과 외부 환(3)의 물질이 서로 혼입되지 않도록 한다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 지르칼로이 피복관에 장입하고 밀봉해서 가연성 흡수봉을 제조하고, 가연성 흡수봉을 핵연료 집합체에 장전해서 반응도를 제어한다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에서 내부 심(2)과 외부 환(3)의 길이는 서로 동일하며, 통상적인 길이 범위는 6∼20 mm 이다. 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)의 직경은 6∼ 15 mm 범위 안에 있다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 사용하면, 가연성 흡수물질의 농도 및 가연성 흡수봉의 갯수 외에도 내부 심(2)의 직경을 변화시킴으로써 핵연료 집합체의 반응도를 미세하고 다양하게 조절할 수 있다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)는 내부 심(2)과 외부 환(3)에 가돌리니움 산화물과 어비움의 산화물을 각각 분리해서 배열함으로써 상기 두 물질의 장점을 결합하면서 동시에 두 물질의 단점을 보완한 것을 특징으로 한다.

가돌리니움은 중성자 흡수력이 커서 적은 양을 장전해도 반응도를 제어할 수 있는 장점이 있는 반면 연소 속도가 빨라서 장주기에 부적합하다는 단점이 있다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에서는 내부 심(2)에 가돌리니움을 배치함으로써 가돌리니움의 연소 속도를 늦추는 효과가 있다.

어비움은 연소 속도가 느려서 장주기에 적합하다는 장점이 있는 반면 어비움의 농도를 높이면 잔존 중성자 흡수력이 증가하는 단점이 있다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에서는 외부 환(3)에 어비움을 배열함으로써 연소 속도를 빨리해서 잔존 중성자 흡수량을 감소하는 효과가 있으며, 낮은 농도의 어비움 가연성 흡수물질은 높은 농축도의 우라늄 산화물과 혼합할 수 있으므로 일정 핵연료 집합체에 많은 양의 핵분열성 물질을 장전할 수 있다. 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 사용하면, 적은 갯수의 가연성 흡수봉으로도 장주기에서 반응도를 효과적으로 제어한다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)의 내부 심(2) 직경을 변화시키면 가돌리니움 및 어비움의 양을 조절할 수 있기 때문에 핵연료 집합체의 반응도를 최적으로 제어하는 것이 가능하다.

내부 심(2)의 직경이 너무 크거나 또는 작으면, 종래기술에 따른 가돌리니움 함유 핵연료 또는 어비움 함유 핵연료와 비슷해지므로 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)의 장점을 잃어버린다. 따라서 내부 심(2) 직경의 크기는 내부 심(2)의 부피가 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1) 부피의 20∼80% 정도에 해당되도록 한다.

통상적으로 가연성 흡수물질 핵연료에서 발생하는 열은 흡수봉의 표면을 통해서 냉각되므로, 핵연료의 중심이 가장 온도가 높고 핵연료의 가장자리는 온도가 낮다. 핵연료의 용융을 방지하기 위해서 핵연료의 중심온도는 일정한 온도 이하로 유지되어야 하고, 따라서 종래기술에서는 온도가 낮은 가장자리도 온도가 가장 높은 중심에 따라서 핵분열성 물질의 양이 제한된다.

본 발명에서 제공하는 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에서는 내부 심(2)과 외부 환(3)의 핵분열성 물질을 다르게 장입할 수 있으므로, 외부 환(3)에 농축도가 높은 핵분열성 물질을 장전하면 핵연료의 중심온도를 높이지 않으면서도 핵연료 집합체 당 많은 열을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에서는 상기한 방법 외에도 내부 심(2)과 외부 환(3)에 다양한 방법으로 핵분열성 물질과 가연성 흡수물질을 배열하는 것이 가능하다. 내부 심(2)과 외부 환(3)을 모두 가돌리니움 산화물과 이산화 우라늄의 혼합체로 구성하고 가돌리니움의 농도 및 이산화 우라늄의 농축도를 내부 심(2)과 외부 환(3)이 서로 다르게 하면, 핵연료 집합체의 반응도를 적절히 제어할 수 있다. 또 다른 방법으로, 내부 심(2)을 이산화 우라늄과 가돌리니움 또는 어비움의 산화물의 혼합체로 구성하고 외부 환(3)은 농축 이산화 우라늄으로 하면 주기말에서 잔존 중성자 흡수량이 감소한다.

이하 본 발명의 바람직한 한 실시예이다.

(실시예)

경수형 원자로심에서 널리 사용되고 있는 핵연료 집합체에 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 장전하는 경우에 대해서 설명한다. 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에서 흡수물질의 함량 및 복합 가연성 흡수봉의 갯수를 조절하고 추가로 내부 심(2) 직경을 조절하면, 핵연료 집합체의 반응도를 다양하게 제어할 수 있다. 상기한 반응도 제어 변수를 조절하여 구한 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)에 대한 하나의 예를 서술한다.

복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)의 내부 심(2) 직경을 5.65 mm, 외부 환(3) 직경을 8.05 mm 이다. 내부 심(2)은 천연 이산화 우라늄 (UO₂)과 가돌리니움 산화물 (Gd₂O₃)이 균질 혼합된 상태이며 가돌리니움 산화물의 함량은 12 중량 % 이고, 외부 환(3)은 농축 이산화 우라늄과 어비움 산화물(Er₂O₃)이 균질 혼합된 상태이며 우라늄 농축도는 4.95 중량% 어비움 산화물의 함량은 2 중량% 이다.

상기한 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 피복관에 장입하여 복합 가연성 흡수봉을 구성하고, 상기한 복합 가연성 흡수봉에서 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 적재한 길이는 3658 mm 이다. 복합 가연성 흡수봉 24 개를 핵연료 집합체 안에 균일하게 장전하며 각각의 위치를 도 2 에 도시한다.

상기한 복합 가연성 흡수봉을 장전한 핵연료 집합체의 무한증배계수를 연소도에 따라서 도 3에 나타낸다. 도 3에는 종래기술에 따라서 설계된 천연 이산화 우라늄과 8중량% 가돌리니움 산화물을 함유한 가연성 흡수봉이 핵연료 집합체 안에 16 개 장전된 경우도 함께 나타낸다. 도 3에서 본 발명의 효과를 분명하게 확인할 수 있는데, 복합 가연성 흡수물질 핵연료(1)를 사용하면 주기초에서 핵연료 집합체의 무한증배계수가 더 낮아서 반응도 제어 효과가 우수하고, 연소후 약 40,000 MWD/MTU 에서는 무한증배계수가 높아서 잔존 중성자 흡수량이 적다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 핵연료 집합체의 반응도를 제어함에 있어서, 가연성 흡수봉의 갯수 및 가연성 흡수물질의 함량 외에도 내부 심(2) 직경의 조절이 가능하므로 반응도를 최적으로 제어할 수 있다. 주기초에 반응도를 감소시킴으로써 냉각수의 붕소 농도를 낮출 수 있고, 주기말에 잔존 중성자 흡수량이 적으므로 핵연료 집합체의 경제성이 향상된다.

Claims (1)

1. 핵연료집합체에 장전되어 핵연료집합체의 반응도를 제어하는 기능을 갖는 가연성흡수물질 핵연료 소결체를 구성함에 있어서,

   내부 심과 외부 환으로 구성하되,

   상기 내부 심의 부피는 상기 소결체 전체 부피의 20-80% 이고,

   상기 내부 심의 물질은 가돌리니움 산화물과 천연 이산화우라늄의 혼합물로 구성되고 ,

   상기 외부 환의 물질은 어비움 산화물과 농축 이산화우라늄의 혼합물과, 농축 이산화우라늄으로 이루어진 군 중에서 선택하여 사용토록 구성한 것을 특징으로 하는 복합 가연성흡수 물질 핵연료 소결체.