KR100896799B1 - 피복관과 봉단마개 사이에 신축성 부재를 구비한 환형핵연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로에 사용되는 환형 핵연료봉에 관한 것이다. 본 발명에 따른 환형 핵연료봉은 외부 피복관과 내부 피복관, 외부 피복관과 내부 피복관 사이의 환형공간에 장입되는 환형 소결체, 피복관의 양단을 밀봉한 봉단마개를 포함한다. 특히 봉단마개와 피복관 사이에 신축성 부재를 설치하여 일체로 접합한 환형 핵연료봉이다.

환형 핵연료봉은 원자로에서 연소 중에, 외부 피복관과 내부 피복관 사이에 길이차이가 발생하여 이들을 고정하는 봉단마개 사이에 과도한 응력이 발생하여 피복관이 파손될 수 있다. 본 발명에 의한 환형 핵연료봉은 길이차이를 신축성 부재에서 수용하므로 환형 핵연료봉의 안전성을 증진하는 효과가 있다.

환형 핵연료봉(annular nuclear fuel rod), 조사성장(irradiation growth), 신축성 부재(flexible objects), 봉단마개(end plug)

Description

피복관과 봉단마개 사이에 신축성 부재를 구비한 환형 핵연료봉 {An annular nuclear fuel rod having flexible objects between cladding and end plug}

본 발명은 환형 핵연료봉(또는 이중냉각 핵연료봉)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 피복관과 환형 봉단마개 사이 또는 외부 피복관과 환형 봉단마개 사이에 신축성 있는 부재를 구비한 환형 핵연료봉에 관한 것이다.

현재 발전용 경수로에서는 원통형상의 핵연료봉이 사용되고 있으며, 상기 원통형상의 핵연료봉은 지르코늄 합금의 피복관 1개와 상기 피복관 안에 원통형상의 소결체를 다수 장입하고 상기 피복관의 양단을 봉단마개로 막고 용접하여 밀봉한 형태이다. 상기 원통형상의 소결체는 핵분열성 물질을 함유하며 상기 핵분열성 물질은 우라늄(U) 또는 플루토늄(Pu) 중에서 적어도 하나 이상을 포함한다.

상기 원통형상의 핵연료봉은 온도와 열유속(heat flux)이 높기 때문에 성능 및 안전성에 제한을 받는다. 이러한 원통형상의 핵연료봉이 갖는 온도 및 열유속 한계를 극복하기 위해서 미국특허 3928132호(Roko Bujas, Annular fuel element for high temperature reactor, 1975)에는 핵연료봉의 구조를 환형(annular type)으로 하여 냉각수를 연료봉 외부와 연료봉 내부로 동시에 흐르게 하는 환형 핵연료봉이 개시되어 있다.

또한, 상기 환형 핵연료봉을 경수로에 사용할 목적으로 종래 원통형 핵연료봉의 소결체 및 피복관 재료를 그대로 적용하면서 설계를 환형 핵연료봉 구조로 변경한 연구결과가 알려져 있다[M.S. Kazimi et al. High performance fuel design for next generation PWRs: final report, MIT-NFC-PR-002, January 2006].

도 1은 환형 핵연료봉을 절개해서 내부 피복관(12)과 외부 피복관(14)을 보여주는 사시도이고, 도 2는 환형 핵연료봉에 사용되는 환형 봉단마개(10)의 사시도를 나타낸다.

종래의 환형 핵연료봉은 외부 냉각수와 접하는 외부 피복관 (14)과 상기 외부 피복관과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관 보다 작은 직경을 가지며 내부 냉가수와 접하는 내부 피복관(12) 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이의 환형 공간에 장입되어 있는 환형 소결체; 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관의 양단에서 외부 피복관과 내부 피복관 사이의 환형 공간을 밀봉하는 환형 봉단마개 (10)로 구성된다.

상기 환형 소결체는 내부의 일정부분이 빈 공간으로 되어있어 원통형 소결체와는 구별되며, 우라늄(U) 또는 플루토늄(Pu) 중에서 적어도 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한다.

따라서, 상기 종래의 환형 핵연료봉은 원통형상의 핵연료봉에서 가장 온도가 높은 중심을 따라서 냉각수를 추가로 흘려주기 때문에 핵연료봉 온도는 크게 감소하고, 또한 핵연료봉 당 열전달 면적이 크게 증가하여 열유속(heat flux)이 감소하게 되므로 열적 여유도의 향상을 기대할 수 있을 것이다.

종래의 원통형상의 핵연료봉에서 피복관은 일반적으로 지르코늄 합금으로 제조된다. 이것은 지르코늄 원소가 다른 금속에 비하여 중성자를 흡수능이 매우 낮아서 핵연료의 경제성을 높일 수 있는 장점이 있기 때문이다.

그러나 지르코늄 합금은 이방성 재료로서 피복관이 원자로에서 중성자를 맞으면 피복관의 길이방향(축방향)으로 늘어나게 된다. 이러한 현상을 조사성장(irradiation growth) 라 부른다.

종래의 원통형상의 핵연료봉에서 피복관의 조사성장은 약 1%로 알려져 있으나, 그 성장량이 매우 불균일하여 거의 동일한 연소조건에서도 핵연료봉에 따라서 성장량이 0.4%~1%까지 변하게 된다. 종래의 원통형상의 핵연료봉은 통상 200-300개를 하나로 묶어서 핵연료봉 집합체 형태로 원자로에 장전하게 된다. 상기 집합체에서는 원통형상의 핵연료봉이 조사성장 하는 것을 감안하여 핵연료봉 양끝에 여분의 공간을 설치한다. 핵연료봉의 조사성장에 필요한 충분한 공간이 확보되지 않으면 핵연료봉이 다른 구조물과 부딪치면서 피복관이 파손될 수 있다.

환형 핵연료봉에는 내부 및 외부 피복관이 있고, 상기 2개의 피복관의 양단은 봉단마개로서 용접되어 완전히 고정되어 있다. 상기 내부피복관(12)과 상기 외부피복관(14)의 연소조건은 거의 유사하지만, 중성자 조사량의 차이와 온도 차이 등에 의해서 내부 피복관과 외부 피복관의 조사성장에 차이가 발생하여 피복관 길 이가 서로 달라지게 된다.

이러한 내부 피복관과 외부 피복관 사이의 길이차이로 인하여 상기 환형핵연료봉 봉단마개(10)와 피복관 사이에 응력이 집중된다. 더 많이 늘어난 피복관에는 압축응력이 더 적게 늘어난 피복관에는 인장응력이 가해지고 이것에 의해서 피복관이 파손될 수 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 피복관과 봉단마개를 직접 용접하던 기존 방법과 달리, 피복관과 봉단마개 사이에 신축성 부재를 끼워넣고 피복관 및 봉단마개와 접합함으로써 내부 피복관과 외부 피복관 사이에 발생하는 조사성장의 차이를 상기 신축성 부재에서 수용 가능한 환형 핵연료봉을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 그리고 이점은 첨부한 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 더욱 분명해질 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 환형 핵연료봉은, 외부 피복관; 상기 외부 피복관과 동축으로 배치되며 상기 외부 피복관 보다 작은 직경을 가지는 내부 피복관; 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관 사이의 환형 공간에 장입되어 있는 환형 소결체; 상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관의 양단에서 외부 피복관과 내부 피복관 사이의 환형 공간을 밀봉하는 환형 봉단마개로 구성되며, 상기 환형 봉단마개와 내부 피복관의 연결부위에 삽입되어 상기 환형 봉단마개와 내부 피복관과 일체로 접합된 내부 신축성 부재 그리고 상기 환형 봉단마개와 외부 피복관의 연결부위에 삽입되어 상기 환형 봉단마개와 외부 피복관과 일체로 접합된 외부 신축성 부재를 포함하는 특징이 있다.

본 발명에서 제공하는 환형 핵연료봉은 외부 신축성부재와 내부 신축성부재를 모두 구비하거나 어느 한쪽만 구비하는 것이 가능하다. 또한 신축성부재의 위치는 피복관의 양단이나 어느 한쪽에서도 가능하다.

상기 신축성 부재는 피복관의 축방향 변형에 대응하여 인장 또는 수축하면서 피복관과 환형 봉단마개 사이의 응력을 감소시키는 기능이 있다. 상기 신축성 부재는 축방향의 변형을 수용하기 위해서 기본적으로 벨로우즈(bellow) 형상을 갖는다.

상기 외부 피복관과 내부 피복관은 지르코늄 합금으로 구성되며, 상기 환형 소결체는 우라늄(U)과 플루토늄(Pu) 중에서 적어도 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한다.

본 발명은 환형 핵연료봉에서 내부 피복관과 외부 피복관이 연소중에 길이차이가 발생하더라도 그 차이를 신축성 부재로 수용함으로써 피복관의 파손을 방지하여 결국 핵연료의 안전성을 증진하는 효과가 있다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 첨부 도면을 참조하여 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 환형 핵연료봉(혹은 이중냉각 핵연료봉)의 사시도이다.

상기 환형 핵연료봉은 외부피복관(20), 내부피복관(22), 환형 봉단마개(28)를 포함하며, 상기 외부피복관(20)의 상단 및 하단에 외부피복관(20)의 길이방향으로 외부 신축성부재(24)가 일체로 형성되고, 상기 내부피복관(22)의 상단 및 하단에 내부 피복관(22)의 길이방향으로 내부 신축성부재(26)가 일체로 형성된다.

본 발명은 신축성부재(24,26)를 상기 외부피복관(20)과 상기 내부피복관(22)에 함께 구비하는 것에 의해, 상기 외부피복관(20)과 상기 내부피복관(22)의 성장차이를 상기 신축성 부재(24,26)의 수축과 인장에 의해 수용할 수 있도록 하였다.

또한 상기 외부피복관(20)과 상기 내부피복관(22) 중 일방에만 신축성 부재를 구비하더라도 두 피복관의 성장차이를 수용할 수 있다.

예를 들어, 외부피복관(20)에만 외부 신축성부재가 구비된 경우, 외부피복관(20)이 내부피복관(22)보다 더 크게 성장하면 그 차이만큼 외부 신축성부재가 수축하게 되고, 반대로 외부피복관(20)이 더 작게 성장하면 그 차이만큼 외부 신축성부재가 인장하는 것이 가능하다.

외부 피복관과 내부 피복관 사이의 성장차이가 클 경우에는 신축성 부재를 상기 두 피복관에 모두 구비하고, 성장차이가 비교적 작을때는 두 피복관 중 하나의 피복관에 신축성 부재를 구비하는 것이 바람직하다.

신축성 부재를 구비하는 것은 환형 핵연료봉의 제조비를 높이기 때문에, 성장차이를 수용할 수 있는 범위 내에서 가능한 한 적은 수의 신축성 부재를 구비하 는 것이 바람직하다.

또, 상기 외부피복관(20)과 상기 내부피복관(22)의 상단 또는 하단 중 일방에만 상기 신축성부재(24,26)를 삽입 설치하는 것도 가능하다.

또, 상기 신축성부재(24,26)는 상기 외부피복관(20) 및 상기 내부피복관(22)과 다른 재료로 구성될 수 있으며, 특히 상기 외부피복관(20) 및 상기 내부피복관(22)보다 탄성이 우수한 재료로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어 상기 신축성 부재(24,26)는 축방향으로 신축성이 있어야 하므로 그 형태는 기본적으로 축방향으로 주름이 있는 벨로우즈(bellows) 형태이다. 상기 주름의 형상은 여러 가지 변화가 가능하다.

도 4a-4d는 본 발명에 의한 신축성 부재가 갖는 주름의 여러 가지 형상을 보여주는 단면도이다.

도4a는 제1신축성부재(241)의 단면으로서 원호형상을 가지는 환상고리가 피복관의 축방향(길이방향)으로 적층된 것이다.

도4b는 제2 신축성부재(242)의 단면으로서 원호형상을 가지는 환상고리와 원통형 환상고리가 교대로 적층된 것이다.

도4c는 제3 신축부재(243)의 단면으로서 원호형상을 가지는 환상고리와 원통형의 환상고리가 교대로 적층되고, 하단에 피복관과 결합을 위한 결합부를 상기 원통형태의 환상고리보다 길게 일체로 형성된 것이다.

도4d는 제4 신축부재(244)의 단면으로서 톱니파형상을 가지는 환상고리가 피복관의 길이방향으로 적층된 것이다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

현재 개발이 진행중인 환형핵연료의 경우, 국제적으로도 연구개발이 초기단계이기 때문에 핵연료관련 기술에 대한 선점이 매우 중요하다.

또한, 일반적으로 핵연료의 주요 부품, 조립범 및 형상 대한 소유권 및 특허권은 핵연료의 기술에서 가장 중요하게 여겨지는 항목이기 때문에 상세한 설계 및 실험을 통해 본 발명이 실제 핵연료 제조 및 설계에 훌륭히 적용된다면 매우 큰 경제적 효과를 가져올 것으로 판단된다.

도 1은 종래기술에 의한 환형핵연료봉(혹은 이중냉각핵연료봉)의 내부피복관 및 외부피복관의 부분절개 사시도이다.

도 2는 도 1의 환형핵연료봉에 결합되는 환형핵연료용 봉단마개의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 환형핵연료봉의 분해사시도이다.

도 4a 내지 도 4d는 도 3의 환형핵연료봉에 사용되는 신축부재의 제1 내지 제4예를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 환형핵연료용 봉단마개 12: 내부피복관

14: 외부피복관 20: 외부피복관

22: 내부피복관 24: 외부신축부재

26: 내부신축부재 28: 환형핵연료용 봉단마개

241,242,243,244: 신축부재

Claims (5)

1. 원자로에서 핵분열에 의해서 열을 발생하고 상기 열을 외부 및 내부 냉각수로 동시에 전달하는 환형 핵연료봉에 있어서,

   외부 냉각수와 접하는 외부피복관;

   상기 외부피복관의 내측에 상기 외부피복관과 동심축으로 배치되고 내부 냉각수와 접하는 내부피복관;

   상기 외부피복관과 상기 내부피복관 사이의 환형 공간에 축방향으로 장입되는 환형소결체;

   상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관의 양단에서 상기 환형 공간을 밀봉하는 환형 봉단마개; 및

   상기 환형 봉단마개와 내부 피복관 사이에 설치되어 상기 환형 봉단마개 및 내부 피복관과 일체로 접합되는 내부 신축성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
2. 원자로에서 핵분열에 의해서 열을 발생하고 상기 열을 외부 및 내부 냉각수로 동시에 전달하는 환형 핵연료봉에 있어서,

   외부 냉각수와 접하는 외부피복관;

   상기 외부피복관의 내측에 상기 외부피복관과 동심축으로 배치되고 내부 냉 각수와 접하는 내부피복관;

   상기 외부피복관과 상기 내부피복관 사이의 환형 공간에 축방향으로 장입되는 환형소결체;

   상기 외부 피복관과 상기 내부 피복관의 양단에서 상기 환형 공간을 밀봉하는 환형 봉단마개; 및

   상기 환형 봉단마개와 외부 피복관 사이에 설치되어 상기 환형 봉단마개 및 외부 피복관과 일체로 접합되는 외부 신축성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 신축성부재 또는 내부 신축성부재는 벨로우즈 형태로서 원호형상을 가지는 환상고리가 피복관의 길이방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 신축성부재 또는 내부 신축성부재는 벨로우즈 형태로서 원호형상을 가지는 환상고리와 원통형 환상고리가 피복관의 축방향으로 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 신축성부재 또는 내부 신축성부재는 벨로우즈 형태로서 톱니파형상을 가지는 환상고리형태가 피복관의 길이방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 환형 핵연료봉.

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