KR101383654B1 - Plate type nuclear fuel pellet and the plate type nuclear fuel comprising the same, and the preparation method of plate type nuclear fuel - Google Patents
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Abstract
본 발명은 판상 핵연료 소결체, 이를 포함하는 판상 핵연료 및 판상 핵연료의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 판상 핵연료 소결체에 있어서, 중심부에 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole)을 구비하는 판상 핵연료 소결체를 제공하고, 핵연료 피복재 하판; 상기 핵연료 피복재 하판 상부로 구비되어, 복수개의 판상 핵연료 소결체를 분리ㆍ고정하는 핵연료 격자; 상기 핵연료 격자 내부에 장입되는 복수개의 제1항의 판상 핵연료 소결체; 상기 핵연료격자 내부에 장입된 판상 핵연료 소결체 각각의 홀(hole)을 관통하여 구비되는 지지체; 및 상기 핵연료 격자, 지지체 및 판상 핵연료 소결체를 덮는 핵연료 피복재 상판을 포함하는 판상 핵연료를 제공한다. 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체는 핵분열 기체 방출 시 피복재 변형을 억제하여 판상 핵연료의 수명 연장 및 연소도를 증가시킬 수 있다. 또한, 지지체를 포함하는 판상 핵연료는 중심부에 열전달 경로를 형성하여 내부 온도 감소 및 핵분열 기체 방출량을 저감하여 안전성을 향상시킬 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plate fuel sintered body, a method of manufacturing a plate fuel and a plate fuel comprising the same, and more particularly, in a plate fuel sintered body, the plate fuel having a hole penetrating the upper surface and the lower surface at the center thereof. Providing a sintered body and comprising a nuclear fuel cladding lower plate; A fuel lattice provided above the fuel cladding lower plate and separating and fixing a plurality of plate-shaped fuel sintered bodies; A plurality of plate-like fuel sintered bodies of claim 1 charged into the fuel lattice; A support provided through a hole of each of the plate-shaped fuel sintered bodies charged into the fuel lattice; And a nuclear fuel cladding upper plate covering the fuel grid, the support, and the plate fuel sintered body. The plate fuel sintered body according to the present invention can suppress the deformation of the cladding during the release of fission gas, thereby increasing the life and burning degree of the plate fuel. In addition, the plate-like fuel including the support forms a heat transfer path in the center to reduce the internal temperature and the fission gas emission amount can be improved safety.
Description
본 발명은 판상 핵연료 소결체, 이를 포함하는 판상 핵연료 및 판상 핵연료의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a plate fuel sintered body, a plate fuel comprising the same and a method for producing a plate fuel.
판상 핵연료는 냉각수 공간 분율이 크고 층류(laminar flow) 패턴을 나타내며, 일반적으로 비표면적이 큰 특징이 있다. 또한, 비표면적이 큼에 따라 동일한 출력 밀도인 경우, 열속(Heat Flux)이 작고 핵연료 심재 두께가 얇아 열확산 거리가 짧으며 핵연료 중심부의 온도 증가 폭이 작다. 나아가, 자연대류가 잘 일어나 냉각수 순환 펌프가 정지하여도 기존의 봉상 핵연료보다 우수한 안전성을 나타낼 수 있다.
Plate fuel has a large cooling water space fraction, laminar flow patterns, and generally has a large specific surface area. In addition, in the case of the same output density with a large specific surface area, the heat flux is small and the thickness of the fuel core is thin, so that the thermal diffusion distance is short and the temperature increase in the fuel center is small. Furthermore, natural convection may occur so that even when the cooling water circulation pump is stopped, it may exhibit superior safety than conventional rod-shaped fuel.
한편, 일반적인 판상 핵연료는 핵연료입자가 금속 기지상에 분산된 분산 핵연료와 도 1의 모식도에 나타낸 바와 같이 얇은 사각판 형상의 UO2 핵연료 소결체를 카라멜(caramel) 형태로 지르칼로이(zircaloy) 판 사이에 배치한 카라멜 핵연료로 구분할 수 있다. 그러나, 핵확산 우려를 방지하기 위하여 고농축 우라늄 대신 저농축 우라늄으로 핵연료 물질을 전환하는 정책을 적용할 경우, UO2 입자가 분산된 판상 핵연료는 우라늄 충진량이 부족한 문제가 있으며, 저농축 우라늄 사용으로 인하여 주기가 짧은 문제가 있다.
On the other hand, the general plate-like fuel is arranged between the dispersed fuel in which the nuclear fuel particles are dispersed on the metal matrix and the thin rectangular plate-shaped UO 2 fuel sintered body in the form of caramel between zircaloy plates as shown in the schematic diagram of FIG. 1. It can be distinguished as a caramel fuel. However, in order to prevent nuclear proliferation, when applying the policy of converting the fuel material into low enriched uranium instead of high enriched uranium, plate fuel containing UO 2 particles has a problem of insufficient filling of uranium and due to the use of low enriched uranium There is a problem with a short cycle.
판상 핵연료에 있어서, 상기 카라멜 핵연료는 미국의 Shippingport 원자로 PWR Core 2 노형의 네츄럴 우라늄 블랑켓(natural uranium blanket, UO2) 핵연료와 고농축 우라늄(highly enriched uranium)의 시드(seed) (UO2-ZrO2) 핵연료로 구성되도록 설계된 바 있고, 이후 프랑스에서 주로 많이 연구가 진행되어 OSIRIS 등에서 장기간의 연소를 수행한 바 있으며, 상기 카라멜 핵연료의 연소 성능, 즉 허용 연소도는 핵분열 기체 방출량에 절대적으로 의존하는 것으로 알려져 있다.
In the plate fuel, the caramel fuel is a US shippingport reactor PWR Core 2 type of natural uranium blanket (UO 2 ) fuel and highly enriched uranium seed (UO 2 -ZrO 2). It was designed to be composed of nuclear fuel, and since then, a lot of research has been conducted in France, and long-term combustion has been performed in OSIRIS, etc., and the combustion performance of the caramel fuel, that is, the allowable combustion degree, is absolutely dependent on the amount of fission gas emission. Known.
한편, 카라멜 핵연료은 일반적으로 리셉터클(receptacle), 핵연료 심재, 피복재를 확산 용접 방식으로 접합시켜 제조한다. 이때, 카라멜 핵연료와 피복재가 진공에서 밀착하여 제조되기 때문에 연소 시 핵분열 기체가 방출되면 이를 수용할 공간이 없어, 기체 방출이 계속되는 경우 내부 압력이 높아지고 이로 인하여 피복재가 변형을 일으켜 카라멜 핵연료와 피복재 사이에 간극이 생기는 문제가 있다. 또한, 생성된 간극은 열전도도를 저하시키고, 이는 카라멜 핵연료의 중심부 온도를 상승시켜 핵분열 기체 방출 속도를 증가시키므로, 궁극적으로 핵연료 파손을 급격히 가속시키는 문제가 있다. 따라서, 핵분열 기체 방출량과 그에 따른 피복재 내부 압력 증가에 대한 피복재 변형 저항성이 카라멜 핵연료의 연소도를 결정하게 된다.
Caramel fuel is generally manufactured by joining a receptacle, a fuel core material, and a cladding material by diffusion welding. At this time, since the caramel fuel and the cladding are manufactured in close contact with each other under vacuum, there is no space to accommodate the fission gas during combustion, and if the gas release continues, the internal pressure is increased and this causes the cladding to deform, thereby causing the gap between the caramel fuel and the cladding There is a problem of gaps. In addition, the resulting gap lowers the thermal conductivity, which increases the temperature of the fission gas release by increasing the central temperature of the caramel fuel, thereby ultimately accelerating fuel breakdown. Thus, the cladding deformation resistance to fission gas release and thus increase in cladding internal pressure will determine the burnability of the caramel fuel.
한편, PCT 공개공보 WO 2007/017503 A1 (국제 공개일 2007년 02월 15일)에서는 허니콤 형상의 셀 및 각각의 셀에 핵연료 펠렛이 구비되는 메크로 구조의 판상 핵연료가 개시된 바 있으며,Meanwhile, PCT Publication WO 2007/017503 A1 (International Publication Date February 15, 2007) discloses a honeycomb-shaped cell and a plate-shaped fuel having a macro structure in which nuclear fuel pellets are provided in each cell.
미국 공개특허 US 4038135 A1 (공개일 1977년 07월 26일)에서는 금속 피복관 사이에 둘러싸인 구조의 세라믹 핵연료물질을 포함하는 판상 핵연료가 개시된 바 있다.US Patent Publication No. 4038135 A1 (published Jul. 26, 1977) discloses a plate fuel comprising a ceramic nuclear fuel material of a structure enclosed between metal cladding.
그러나, 상기 선행특허에 개시된 판상 핵연료들은 핵분열 기체 방출로 인한 피복재 내부 압력 증가로 인하여 피복재가 변형될 수 있는 문제가 있다.
However, the plate-like fuels disclosed in the above patents have a problem in that the cladding may be deformed due to an increase in internal pressure of the cladding due to fission gas release.
이에, 본 발명자들은 판상 핵연료에 있어서, 피복재 변형 저항성을 향상시켜 카라멜 핵연료의 연소도를 향상시키는 방법에 대하여 연구하던 중, 카라멜 핵연료 소결체의 중심부에 홀(hole)을 형성하여 피복재 변형 저항성을 향상시킨 판상 핵연료 소결체를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, while the inventors of the present invention have studied a method of improving the cladding resistance by improving cladding deformation resistance in plate fuel, a hole is formed in the center of the caramel nuclear fuel sintered body to improve cladding deformation resistance. A plate fuel sintered body was developed and the present invention was completed.
본 발명의 목적은 판상 핵연료 소결체, 이를 포함하는 판상 핵연료 및 판상 핵연료의 제조방법을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a plate fuel sintered body, a plate fuel comprising the same and a method for producing a plate fuel.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 판상 핵연료 소결체에 있어서, 중심부에 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole)을 구비하는 판상 핵연료 소결체를 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention provides a plate-shaped nuclear fuel sintered body, the plate-shaped nuclear fuel sintered body having a hole through the upper surface and the lower surface in the center.
또한, 본 발명은 In addition,
핵연료 피복재 하판;Nuclear fuel cladding bottom plate;
상기 핵연료 피복재 하판 상부로 구비되어, 복수개의 판상 핵연료 소결체를 분리ㆍ고정하는 핵연료 격자;A fuel lattice provided above the fuel cladding lower plate and separating and fixing a plurality of plate-shaped fuel sintered bodies;
상기 핵연료 격자 내부에 장입되는 복수개의 제1항의 판상 핵연료 소결체;A plurality of plate-like fuel sintered bodies of
상기 핵연료격자 내부에 장입된 판상 핵연료 소결체 각각의 홀(hole)을 관통하여 구비되는 지지체; 및A support provided through a hole of each of the plate-shaped fuel sintered bodies charged into the fuel lattice; And
상기 핵연료 격자, 지지체 및 판상 핵연료 소결체를 덮는 핵연료 피복재 상판을 포함하는 판상 핵연료를 제공한다.
It provides a plate-like fuel comprising a nuclear fuel lattice, a support and a top plate of a fuel coating material covering the plate-shaped fuel sintered body.
본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체는 핵분열 기체 방출 시 피복재 변형을 억제하여 판상 핵연료의 수명 연장 및 연소도를 증가시킬 수 있다. 또한, 지지체를 포함하는 판상 핵연료는 중심부에 열전달 경로를 형성하여 내부 온도 감소 및 핵분열 기체 방출량을 저감하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
The plate fuel sintered body according to the present invention can suppress the deformation of the cladding during the release of fission gas, thereby increasing the life and burning degree of the plate fuel. In addition, the plate-like fuel including the support forms a heat transfer path in the center to reduce the internal temperature and the fission gas emission amount can be improved safety.
도 1은 종래의 판상 핵연료를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 원형 판상 핵연료 소결체 및 지지체를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 다각형 판상 핵연료 소결체 및 지지체를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 6은 일반적인 형태의 카라멜 핵연료 소결체를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 판상 핵연료에 있어서, 내부 압력 증가에 따른 피복재 변형 거동을 구조해석한 도면이다.1 is a schematic diagram schematically showing a conventional plate fuel;
2 and 3 are schematic diagrams schematically showing a circular plate-shaped fuel sintered body and a support according to the present invention;
4 and 5 are schematic diagrams schematically showing a polygonal plate-like fuel sintered body and a support according to the present invention;
6 is a schematic diagram schematically showing a caramel fuel sintered body of a general form;
7 to 9 are structural analysis of the cladding deformation behavior according to the increase in the internal pressure in the plate-shaped nuclear fuel according to the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. . In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명은 The present invention
판상 핵연료 소결체에 있어서, 중심부에 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole)을 구비하는 판상 핵연료 소결체를 제공한다. 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체의 일 실시예들을 도 2 및 도 3의 모식도를 통해 나타내었다.
In a plate fuel sintered body, there is provided a plate fuel sintered body having a hole penetrating through an upper surface and a lower surface at a central portion thereof. One embodiment of the plate-shaped nuclear fuel sintered body according to the present invention is shown through the schematic diagrams of FIGS.
도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체(100)는 중심부에 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole, 101)을 구비한다. As shown in Figures 2 to 5, the plate-shaped nuclear fuel sintered
일반적으로 판상 핵연료에 장입되어 사용되는 핵연료 소결체는 카라멜과 유사한 형태를 나타내어 카라멜 핵연료(caramel fuel)로 일컬어지며, 일반적인 카라멜 핵연료 소결체의 형태는 도 6에 나타낸 바와 같이 판형의 사각형 형태로 제조된다. 상기 카라멜 핵연료 소결체 복수개는 도 1의 모식도에 나타낸 바와 같이 판상 핵연료로 구성될 수 있다. 그러나, 도 6에 나타낸 일반적인 카라멜 핵연료 소결체로 판상 핵연료를 구성하는 경우, 핵연료 연소 시 핵분열 기체가 방출되면 이를 수용할 공간이 없어 내부 압력이 높아지고, 이로 인하여 피복재가 변형을 일으켜 카라멜 핵연료 소결체와 피복재 사이에 간극이 생기는 문제가 있다. 또한, 생성된 간극은 열전도도를 저하시켜 카라멜 핵연료 소결체의 중심부 온도를 상승시키고, 이는 핵분열 기체 방출 속도를 더욱 증가시키므로 궁극적으로 핵연료가 파손되는 문제가 있었다.In general, the fuel sintered body used to be charged into the plate-like fuel is called caramel fuel because it shows a similar shape to caramel, and the general caramel fuel sintered body is manufactured in a plate-shaped square shape as shown in FIG. 6. The plurality of caramel fuel sintered bodies may be composed of a plate-like fuel as shown in the schematic diagram of FIG. However, when the plate-like fuel is composed of the general caramel fuel sintered body shown in FIG. 6, when fission gas is released during the combustion of the fuel, there is no space for accommodating the fission gas, thereby increasing the internal pressure. There is a problem that a gap occurs. In addition, the resulting gap lowers the thermal conductivity, thereby increasing the central temperature of the caramel fuel sintered body, which further increases the rate of fission gas release, thereby ultimately causing the fuel to fail.
본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체는 상기 카라멜 핵연료 소결체와 같이 판상 핵연료에 장입되는 각각의 핵연료 소결체들을 의미하는 것으로, 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체는 종래의 카라멜 핵연료 소결체가 판상 핵연료로 구성될 때 피복재가 변형되었던 문제점을 개선하기 위하여, 중심부에 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole, 101)을 포함한다. 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체(100)가 상기 홀(101)을 구비함에 따라, 상기 홀을 관통하는 지지체(102, 예를 들어, 지르칼로이 봉)가 삽입될 수 있으며, 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체를 이용하여 판상 핵연료를 구성할 때 상기 지지체(102)는 피복재 변형을 억제하기 위한 것으로, 상기 지지체를 삽입함으로써 판상 핵연료의 피복재 상판 및 하판과 추가 접점 또는 지지점을 형성할 수 있고, 이에 따라 핵분열 기체에 의한 판상 핵연료 내부 압력 상승 시에 피복재 변형을 기존의 카라멜 핵연료와 대비하여 더욱 억제할 수 있다. 또한 상기 지지체를 통해 열전달을 원활하게 수행하여 핵연료 연소 시, 핵연료 소결체 중심부의 온도를 낮출 수 있다. The plate fuel sintered body according to the present invention refers to the respective fuel sintered bodies charged into the plate fuel as with the caramel fuel sintered body. In order to remedy the problem that has been deformed, a
즉, 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체로 판상 핵연료를 구성할 시, 지지체는 피복재 상판, 하판과 추가 접점 또는 지지점을 형성하여 핵분열 기체 방출에 따른 내부 압력 상승에 의한 피복재 변형을 억제할 수 있어 피복재가 변형되었던 기존의 문제점을 방지할 수 있다. 또한, 판상 핵연료의 안전성, 연소 성능, 연소도 등을 향상시킬 수 있어 장수명의 판상 핵연료를 구성할 수 있다.
That is, when the plate fuel is composed of the plate fuel sintered body according to the present invention, the support may form an additional contact point or support point with the top plate, the bottom plate of the coating material to suppress the deformation of the coating material due to the internal pressure increase due to the release of fission gas. The existing problem that has been modified can be prevented. In addition, it is possible to improve the safety, combustion performance, combustion degree, etc. of the plate-shaped nuclear fuel, it is possible to constitute a long-life plate fuel.
이때, 상기 판상 핵연료 소결체는 원형 또는 다각형 판상 핵연료 소결체인 것이 바람직하며, 상기 다각형은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형일 수 있으나 사각형인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에 따른 판상 핵연료 소결체가 원형 또는 사각형인 판상 구조로 이루어지는 경우, 판상 핵연료에 적용할 때 핵연료 소결체가 배열되는 핵연료격자를 구성하기 간단하여 판상 핵연료 제조를 더욱 원활히 제조할 수 있다.
In this case, the plate-shaped fuel sintered body is preferably a circular or polygonal plate-shaped fuel sintered body, and the polygon may be a polygon such as a triangle, a square, a pentagon, a hexagon, but more preferably a square. When the plate-like fuel sintered body according to the present invention has a plate-like structure having a circular or square shape, when the plate-shaped fuel sintered body is applied to the plate-shaped fuel, it is simple to constitute a fuel grid in which the nuclear fuel sintered body is arranged, and thus the plate-shaped fuel can be manufactured more smoothly.
또한, 상기 홀(hole)은 원형 또는 다각형 형태로 구비될 수 있으며, 상기 다각형은 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각형 일 수 있으나, 상기 홀의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다.
In addition, the hole may be provided in a circular or polygonal shape, and the polygon may be a polygon such as a triangle, a square, a pentagon, etc., but the shape of the hole is not limited thereto.
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또한, 상기 판상 핵연료 소결체는 우라늄, 플루토늄, 토륨으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 핵분열성 물질을 함유한 세라믹 재료를 이용하여 제조될 수 있고, U-Mo-Al으로 구성된 삼원계 합금 재료를 이용하여 제조될 수 있다.
In addition, the plate-like fuel sintered body may be manufactured using a ceramic material containing at least one fissile material selected from the group consisting of uranium, plutonium, and thorium, and manufactured using a ternary alloy material composed of U-Mo-Al. Can be.
본 발명은The present invention
핵연료 피복재 하판;Nuclear fuel cladding bottom plate;
상기 핵연료 피복재 하판 상부로 구비되어, 복수개의 판상 핵연료 소결체를 분리ㆍ고정하는 핵연료 격자;A fuel lattice provided above the fuel cladding lower plate and separating and fixing a plurality of plate-shaped fuel sintered bodies;
상기 핵연료 격자 내부에 장입되는 복수개의 제1항의 판상 핵연료 소결체;A plurality of plate-like fuel sintered bodies of
상기 핵연료격자 내부에 장입된 판상 핵연료 소결체 각각의 홀(hole)을 관통하여 구비되는 지지체; 및A support provided through a hole of each of the plate-shaped fuel sintered bodies charged into the fuel lattice; And
상기 핵연료 격자, 지지체 및 판상 핵연료 소결체를 덮는 핵연료 피복재 상판을 포함하는 판상 핵연료를 제공한다.
It provides a plate-like fuel comprising a nuclear fuel lattice, a support and a top plate of a fuel coating material covering the plate-shaped fuel sintered body.
본 발명에 따른 판상 핵연료는 복수개의 판상 핵연료 소결체를 고정하는 핵연료격자를 포함하고, 상기 핵연료격자 내부에는 복수개의 상기 판상 핵연료 소결체가 장입된다. 상기 판상 핵연료 소결체는 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole)을 구비하며, 이에 따라 본 발명에 따른 판상 핵연료는 상기 판상 핵연료 소결체 각각의 홀을 관통하여 구비되는 지지체를 포함한다. 또한, 핵연료격자, 판상핵연료 소결체 및 지지체를 피복하는 핵연료 피복재 상판 및 하판을 포함하고, 상기 핵연료 피복재 상판 및 하판은 지지체와 결합하여 열전달 경로를 형성시킨다. The plate fuel according to the present invention includes a fuel lattice for fixing a plurality of plate fuel sintered bodies, and a plurality of the plate fuel sintered bodies are charged inside the fuel grid. The plate-shaped fuel sintered body has a hole penetrating the upper surface and the lower surface, and thus the plate-shaped fuel according to the present invention includes a support provided through each hole of the plate-shaped fuel sintered body. In addition, the fuel lattice, the plate fuel sintered body and the fuel coating material covering the upper and lower plates to cover the support, the fuel cover and the upper and lower plates are combined with the support to form a heat transfer path.
상기 열전달 경로로 인하여 판상 핵연료 연소 시 각각의 핵연료 소결체 중심부 온도를 낮출 수 있고, 이는 연소 시 발생하는 핵분열 기체 방출을 저감할 수 있어 판상 핵연료가 파손되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 핵연료의 안전성, 연소 성능, 연소도 등을 향상시킬 수 있어 본 발명에 따른 판상 핵연료를 장기간 사용할 수 있다. Due to the heat transfer path, it is possible to lower the temperature of each fuel sintered core at the time of combustion of the plate fuel, which can reduce the release of fission gas generated during combustion, thereby suppressing the breakage of the plate fuel. In addition, it is possible to improve the safety, combustion performance, combustion degree, etc. of the nuclear fuel, it is possible to use the plate-shaped fuel according to the present invention for a long time.
또한, 상기 지지체는 핵연료 피복재 상판 및 하판과 결합하여 피복재를 고정시키는 역할을 수행하고, 이에 따라 핵분열 기체로 인하여 핵연료 피복재가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
In addition, the support may combine with the upper and lower plates of the nuclear fuel coating material to serve to fix the coating material, thereby preventing the nuclear fuel coating material from being deformed due to the fission gas.
한편, 상기 핵연료 격자 및 지지체는 지르코늄계 합금인 것이 바람직하며, 상기 지르코늄계 합금을 이용하여 핵연료 격자 및 지지체를 형성함에 따라 판상 핵연료 소결체에서 발생하는 열을 더욱 원활하게 외부로 전달할 수 있다. 또한, 상기 핵연료 격자는 사용되는 판상 핵연료 소결체의 형상에 따라 적절한 형태로 공간을 형성하여 판상 핵연료 소결체가 장입되도록 한다.
On the other hand, the fuel lattice and the support is preferably a zirconium-based alloy, by using the zirconium-based alloy to form a nuclear fuel lattice and the support can more smoothly transfer the heat generated in the plate-shaped fuel sintered body to the outside. In addition, the fuel lattice forms a space in an appropriate shape according to the shape of the plate fuel sintered body to be used so that the plate fuel sintered body is charged.
본 발명에 따른 판상 핵연료는 중소형 원자로(SMR), 부유식 원자력 발전 플랜트(FNPP), 원자력 상선용 원자로에 이용될 수 있으며, 피복재가 변형되는 것을 억제할 수 있어 장시간 원자로를 운용할 수 있는 효과가 있다.
Plate fuel according to the present invention can be used in small and medium-sized reactor (SMR), floating nuclear power plant (FNPP), nuclear commercial ship reactor, it is possible to suppress the deformation of the cladding material can operate the reactor for a long time have.
나아가, 본 발명은Further,
핵연료 피복재 하판 상부로 핵연료 격자를 구비시킨 후, 제1항의 판상 핵연료 소결체 복수개를 핵연료격자에 장입하는 단계(단계 1);After the nuclear fuel lattice is provided above the fuel cladding lower plate, the step of charging a plurality of the plate-shaped fuel sintered body of
상기 단계 1에서 핵연료격자에 장입된 복수개의 판상 핵연료 소결체 각각에 지지체를 삽입하는 단계(단계 2); 및Inserting a support into each of the plurality of plate-shaped fuel sintered bodies charged to the fuel lattice in step 1 (step 2); And
상기 단계 2에서 지지체가 삽입된 판상 핵연료 소결체 상부로 핵연료 피복재 상판을 구비시킨 후, 판상 핵연료 소결체를 진공분위기에서 밀봉ㆍ용접하는 단계(단계 3)를 포함하는 판상 핵연료의 제조방법을 제공한다.
Provided with a fuel coating material upper plate on the plate fuel sintered body inserted into the support plate inserted in the
이하, 본 발명에 따른 판상 핵연료의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the manufacturing method of the plate-shaped nuclear fuel according to the present invention will be described in detail for each step.
본 발명에 따른 판상 핵연료 제조방법에 있어서, 단계 1은 핵연료 피복재 하판 상부로 핵연료 격자를 구비시킨 후, 제1항의 판상 핵연료 소결체 복수개를 핵연료격자에 장입하는 단계이다. 상기 판상 핵연료 소결체는 상부 표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole)을 포함하는 판상 핵연료 소결체로써 원형 또는 다각형 판상 소결체인 것이 바람직하며, 상기 다각형은 삼각형, 사각형, 오각형 등 다양한 형태의 다각형들일 수 있으나, 핵연료격자의 원활한 제조를 위해 사각형이 바람직하다. 또한, 상기 핵연료 격자는 열전달 성능이 우수한 지르칼로이 판으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 판상 핵연료 소결체는 핵연료격자와 서로 밀착하도록 장입되고 이를 통해 열전달이 원활하게 이루어지도록 한다.
In the method of manufacturing a plate fuel according to the present invention,
본 발명에 따른 판상 핵연료 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 핵연료격자에 장입된 복수개의 판상 핵연료 소결체 각각에 지지체를 삽입하는 단계이다. 상기 단계 2의 지지체는 피복재 변형을 억제하기 위한 것으로 판상 핵연료의 피복재 상판 및 하판과 추가 접점 또는 지지점을 형성하여 핵분열 기체에 의한 판상 핵연료 내부 압력 상승 시에 발생할 수 있는 피복재 변형을 기존의 카라멜 핵연료보다 더욱 억제할 수 있다. 또한 상기 지지체는 판상 핵연료 소결체 중심부의 열을 외부로 전달하여 온도를 낮추는 역할을 할 수 있다. In the plate fuel production method according to the present invention,
즉, 본 발명에 따른 판상 핵연료 제조시 지지체를 삽입하여 피복재 상판, 하판과 추가 접점 또는 지지점을 형성함으로써 판상 핵연료 연소 시 판상 핵연료 소결체 각각의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지하고, 이에 따라 연소 시 발생하는 핵분열 기체 방출을 저감할 수 있다. In other words, by inserting a support to form a plate fuel according to the present invention to form an additional contact or support point with the top plate, the bottom plate to prevent the sudden rise in temperature of each of the plate fuel sintered body during combustion of the plate fuel, and thus occurs during combustion Nuclear fission gas emissions can be reduced.
이때, 상기 지지체는 지르코늄계 합금인 것이 바람직하며, 지르코늄계 합금 재질인 지지체를 이용함으로써 핵연료 연소 시 발생하는 열을 더욱 원활히 배출할 수 있다.
In this case, the support is preferably a zirconium-based alloy, it is possible to more smoothly discharge the heat generated during the combustion of fuel by using a support made of a zirconium-based alloy.
본 발명에 따른 단계 3은 상기 단계 2에서 지지체가 삽입된 판상 핵연료 소결체 상부로 핵연료 피복재 상판을 구비시킨 후, 판상 핵연료 소결체를 진공분위기에서 밀봉ㆍ용접하는 단계이다. 상기 단계 2에서 지지체가 삽입된 판상 핵연료 소결체를 피복하기 위하여 핵연료 피복재 상판 및 하판을 이용하여 판상 핵연료 소결체를 진공분위기에서 밀봉하고, 판상 핵연료 내부의 열을 원활하게 외부로 전달하기 위하여 상기 핵연료 피복재 상판 및 하판은 지르코늄계 합금 판재인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.Step 3 according to the present invention is a step in which the fuel coating material upper plate is provided on the plate fuel sintered body into which the support is inserted in
또한, 상기 핵연료 피복재 상판 및 하판으로 판상 핵연료 소결체를 밀봉한 후, 이를 용접하여 최종적으로 판상 핵연료를 제조하고, 상기 용접은 접합용접(확산접합)법으로 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며 상기 용접을 통해 지지체와 핵연료 피복재가 서로 연결되고, 연결된 지지체는 피복재를 고정하는 역할을 수행하여 피복재가 변형되는 것을 억제할 수 있다.
In addition, after the plate fuel sintered body is sealed with the upper and lower plates of the nuclear fuel cladding material, the plate fuel is finally welded to manufacture the plate fuel, and the welding is preferably performed by a joining welding (diffusion bonding) method, but is not limited thereto. The support and the nuclear fuel cladding are connected to each other through the welding, and the connected support serves to fix the cladding to suppress the deformation of the cladding.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.
<실험예 1> 판상 핵연료의 변형거동 분석Experimental Example 1 Analysis of Deformation Behavior of Plate Fuel
직경이 17.185 mm, 높이가 2 mm인 원형 판상 핵연료 소결체(UO2) 중심부에 직경 2.95 mm인 홀(hole)이 형성된 판상 핵연료 소결체를 이용하여 판상 핵연료를 제조하는 경우;When a plate fuel is manufactured using a plate fuel sintered body having a hole of 2.95 mm in diameter in the center of a circular plate fuel sintered body (UO 2 ) having a diameter of 17.185 mm and a height of 2 mm;
가로 15.23 mm, 세로 15.23 mm, 높이 2 mm인 정사각형 판상 핵연료 소결체의 중심부에 직경이 2.95 mm인 홀(hole)이 형성된 판상 핵연료 소결체를 이용하여 판상 핵연료를 제조하는 경우; 및When the plate-shaped fuel is manufactured using a plate-shaped fuel sintered body having a hole of 2.95 mm in diameter in the center of the square plate-shaped fuel sintered body having a width of 15.23 mm, a length of 15.23 mm, and a height of 2 mm; And
종래의 일반적인 카라멜 핵연료 소결체를 이용하여 판상 핵연료를 제조하는 경우의 판상 핵연료 변형거동을 분석하기 위하여 ANSYS를 이용하여 피복재 변형 거동을 정적해석하였다. 이때, 피복재 물성은 zircaloy-4의 385 ℃인 경우의 영률(Young's modulus), 푸아송비(Poisson's ratio), 인장항복강도(Tensile yield strength), 최대인장강도(Tensile ultimate strength) 값을 적용하였고, 판상 핵연료 내부의 압력이 외부보다 1 MPa 높은 상태로 가정하여 피복재 변형을 해석하였으며, 그 결과를 하기 도 7 내지 9에 나타내었다. In order to analyze the plate fuel deformation behavior in the case of producing plate fuel using a conventional caramel fuel sintered body, the cladding deformation behavior was statically analyzed using ANSYS. At this time, the cladding properties were applied to Young's modulus, Poisson's ratio, Tensile yield strength, Tensile ultimate strength at 385 ° C of zircaloy-4. Assuming that the pressure inside the nuclear fuel is 1 MPa higher than the outside, the cladding deformation is analyzed, and the results are shown in FIGS. 7 to 9.
도 7은 원형 판상 핵연료 소결체를 이용하는 경우, 판상 핵연료의 피복재 변형거동을 분석한 것으로 판상 핵연료 내부의 압력이 외부 압력보다 1 MPa 높은 경우 0.53213 mm 변형이 발생하는 것을 알 수 있다. FIG. 7 illustrates the analysis of the cladding deformation behavior of the plate fuel when the circular plate fuel sintered body is used, and it can be seen that when the pressure inside the plate fuel is 1 MPa higher than the external pressure, 0.53213 mm deformation occurs.
또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 정사각형 판상 핵연료 소결체를 이용하는 경우, 판상 핵연료 내부의 압력이 외부 압력보다 1 MPa 높을 때 0.51712 mm 변형이 발생하는 것을 알 수 있다.In addition, as shown in FIG. 8, when the square plate-shaped nuclear fuel sintered body is used, it can be seen that deformation of 0.51712 mm occurs when the pressure inside the plate-shaped fuel is 1 MPa higher than the external pressure.
반면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 일반적인 카라멜 핵연료 소결체를 이용하여 판상 핵연료를 제조한 경우에는 4.1936 mm 변형이 발생하는 것을 알 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 9, it can be seen that when the plate-like fuel is manufactured using a common caramel fuel sintered body, a 4.1936 mm deformation occurs.
상기 결과를 통하여 본 발명에 따른 판상 핵연료가 홀(hole)을 구비하는 판상 핵연료 소결체 및 상기 홀을 관통하는 지르칼로이 봉을 포함하여 추가로 접점 또는 지지점을 형성함으로써 판상 핵연료가 우수한 피복재 변형 저항성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 피복재 변형이 적게 발생함에 따라 본 발명에 따른 판상 핵연료를 종래의 판상 핵연료보다 장시간 원자로에서 운용할 수 있음을 확인하였다.
Through the above results, the plate-like fuel according to the present invention includes a plate-shaped nuclear fuel sintered body having a hole and a zircaloy rod penetrating the hole, thereby forming additional contact points or support points, thereby showing excellent plate material deformation resistance. It was confirmed. In addition, it was confirmed that the plate-shaped fuel according to the present invention can be operated in a reactor longer than the conventional plate-shaped fuel as the cladding deformation occurs less.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
Although a preferred embodiment according to the present invention has been described above, it is possible to modify in various forms, and those skilled in the art to various modifications and modifications without departing from the claims of the present invention It is understood that it may be practiced.
100 : 판상 핵연료 소결체
101 : 홀(hole)
102 : 지지체100: plate fuel sintered body
101: hole
102: Support
Claims (11)
상기 핵연료 피복재 하판 상부로 구비되어, 복수개의 판상 핵연료 소결체를 분리ㆍ고정하는 핵연료 격자;
상기 핵연료 격자 내부에 장입되되, 중심부에 상부표면과 하부 표면을 관통하는 홀(hole)을 구비하는 복수개의 판상 핵연료 소결체;
상기 핵연료격자 내부에 장입된 판상 핵연료 소결체 각각의 홀(hole)을 관통하여 구비되는 지지체; 및
상기 핵연료 격자, 지지체 및 판상 핵연료 소결체를 덮는 핵연료 피복재 상판을 포함하는 판상 핵연료.
Nuclear fuel cladding bottom plate;
A fuel lattice provided above the fuel cladding lower plate and separating and fixing a plurality of plate-shaped fuel sintered bodies;
A plurality of plate-shaped nuclear fuel sintered bodies inserted into the fuel lattice, the center having a hole penetrating the upper surface and the lower surface;
A support provided through a hole of each of the plate-shaped fuel sintered bodies charged into the fuel lattice; And
A plate fuel comprising a fuel cladding top plate covering the fuel grid, the support and the plate fuel sintered body.
2. The plate fuel according to claim 1, wherein the plate fuel sintered body is a circular or polygonal plate fuel sintered body.
The plate-shaped nuclear fuel according to claim 2, wherein the polygonal plate-shaped fuel sintered body is a rectangular plate-shaped fuel sintered body.
The plate-shaped nuclear fuel of claim 1, wherein the hole is provided in a circular or polygonal shape.
The plate-shaped nuclear fuel according to claim 1, wherein the plate-like nuclear fuel sintered body is a ceramic material comprising at least one fissile material selected from the group consisting of uranium, plutonium and thorium.
The plate fuel according to claim 1, wherein the plate fuel sintered body is a U-Mo-Al ternary fuel alloy.
The plate fuel according to claim 1, wherein the fuel lattice and the support are zirconium-based alloys.
상기 단계 1에서 핵연료격자에 장입된 복수개의 판상 핵연료 소결체 각각에 지지체를 삽입하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 지지체가 삽입된 판상 핵연료 소결체 상부로 핵연료 피복재 상판을 구비시킨 후, 판상 핵연료 소결체를 진공분위기에서 밀봉ㆍ용접하는 단계(단계 3)를 포함하는 제1항에 따른 판상 핵연료의 제조방법.
Providing a fuel grid above the lower plate of the nuclear fuel cladding, and then charging a plurality of plate-shaped fuel sintered bodies having a hole penetrating the upper surface and the lower surface at the center thereof (step 1);
Inserting a support into each of the plurality of plate-shaped fuel sintered bodies charged to the fuel lattice in step 1 (step 2); And
A method of producing a plate-like fuel according to claim 1, comprising the step of: providing a top plate of nuclear fuel coating material on top of the plate-shaped fuel sintered body into which the support is inserted, and then sealing and welding the plate-shaped fuel sintered body in a vacuum atmosphere (step 3). .
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