KR910006796B1 - 저감속 원자로 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

저감속 원자로

제1도는 저감속 원자로의 횡단 단면도.

제2도는 제1도에 도시된 노심의 핵분열 물질 조립체의 횡단 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,2,3 : 연료 집합체 4 : 연료봉

6,7 : 가이드관 8 : 친물질봉.

본 발명은 수직으로 균일하게 배치되는 핵분열 연료 또는 친물질 연료를 구비하며 경수로 냉각되며 감속되는 노심이 있는 저감속 타입의 원자로에 관한 것이다.

상기 원자로에 있어서, 노심은 일렬로 배치되는 각주형 연료 집합체를 가지며, 집합체 각각은 연료요소의 크라스트를 가지거나 또는 핵분열 물질 또는 친물질을 포함하는 봉을 구비한다. 각각의 연료 집합체에 있어서, 봉은 측방으로 간격을 가져서 연료봉 사이의 경수를 냉각시키며 감속시키기 위한 흐름통로를 제공한다.

상기 간격은 감속재의 면적이 중성자를 충분히 감속시키며 원자로를 만족하게 작동시키도록 정해진다.

또, 감속비는 친물질의 용적 VU에 대한 노심내의 감속재 용적 VM의 비로 규정한다.

종래의 가압수형 원자로는 3가지 타입으로 구분된다.

종래의 가압 경수 원자로(PWR)에 있어서, 감속비는 중성자가 감속되어 열 스펙트럼으로 향하도록 선택된다.

저감속 리액터에 있어서, 감속비의 감소는 원자로가 열중성자와 고속중성자(냉각되지 않은 고속원자로에 사용) 사이의 중간 에너지를 가지는 열의 중성자로 작동되게 한다.

상기 원자로 노심의 감속비는 종래의 경수원자로에서보다 낮다.

더 높은 에너지를 향하는 중성자 스펙트럼의 상쇄 및 친물질의 현존에 의해 친물질로부터 핵분열 물질이 생성되고 원자핵 연료를 절감한다.

감속비의 감소는 노심내 연료요소 사이의 간격을 감소시킴으로 얻어진다. 상기 감속비의 감소는 친물질이 핵분열 물질로 변환되는 비를 증가시킨다.

변환비는 우라늄 235 또는 플라토늄 239와 같은 핵분열 물질에서 핵분열로 생성된 중성자 흡입수에 대한 우라늄 238과 같은 친물질에서 중성자 포획수의 비로 정의한다. 상기 변환비는 포획에 의해 친물질을 핵분열 물질로 변환시키는 원자로 성능을 나타낸다.

상기 변환비가 1을 초과할 때는, 핵연료의 절감 및 원자핵 연료를 제조하기 위해 사용되는 천연 우라늄인 가공되지 않은 물질을 절감시킨다.

더 높은 에너지를 향하여 열외 영역으로 중성자 스펙트럼의 이동은 우라늄 238에 의해 중성자 공명흡수를 증진시킬 수 있다.

저 감속 래액터는 주로 두 타입의 연료 집합체로 되어 있다. 즉, 주로 핵분열 물질을 포함하는 핵분열 물질 집합체와, 중성자속하에서 핵분열 물질로 변환되는 물질을 포함하는 친물질 집합체로 되어 있다. 친물질 집합체는 주로 노심 주위에 배치되며 핵분열 집합체에 의해 생성되는 중성자속을 흡수한다.

보통 가압 경수인 감속유체는 연료 집합체 내부에서 각각 서로 평행하게 배치되는 연료요소의 외부 표면을 스쳐간다. 감속유체는 또한 열전달유체로 사용되며 노심을 냉각시키며 노심내에서 발생되는 열을 증기발생기로 전달한다.

저감속 원자로에 있어서, 노심내 집합체의 인접 연료봉의 거리는 열원자로에서보다 짧으므로 연료봉을 둘러싸는 감속수의 층은 더 얇다. 균일하며 적절한 간격이 봉 사이에서 유지되어야 한다. 그러나, 봉 외부 표면과 접촉하여 흐르는 경수에 의해 봉은 확실하게 냉각되어야 한다. 연료봉 주위로 나선형으로 감겨지는 전선은 연료 집합체 내부의 봉 사이의 짧은 간격을 유지시키는데 사용된다.

스펙트럼 이동 원자로가 노심수명을 연장시키기 위해 제의되어 왔다.(예로서 유럽 특허출원 제54238호 및 108019호). 유럽 특허출원 제108019호에는 종래의 PWR 설치와 유사한 스펙트럼 이동 원자로가 기술되어 있다. 그러나, 중성자 스펙트럼을 이동시키기 위한 기계적 수단이 제공되며 연료소비를 감소시키며 농축 단가를 감소시킨다. 스펙트럼 이동 수단은 천연 우라늄 또는 감손 우라늄과 같은 친물질을 함유하는 봉 크라스트를 포함하여, 상기 우라늄은 원자로 노심의 수명동안에 노심으로 선택되어 삽입되며 노심으로부터 제거된다. 노심 집합체에 제공되는 친물질 봉 크라스트가 노심 집합체내에 제공되는 다수의 가이드관으로 삽입될 때 가이드관 내부의 감속재를 치환시키며 노심내의 감속재 용량을 감소시키며 감속비를 감소시킨다. 연소주기 또는 노심수명의 제1주기동안에, 스펙트럼 이동 크라스트를 노심에 삽입시킴으로 중성자 에너지 스펙트럼을 더 높은 에너지대로 이동시키며 찬물질에서 핵분열 물질로의 변환비를 증가시킨다. 노심 연소주기의 제2부분동안에, 스펙트럼 이동 크라스트는 제거되며 제1부분동안에 형성되는 핵분열 물질은 부분적으로 연소된다.

따라서 연료절감은 종래의 PWR에 비교하여 변환비를 약 10% 정도 증가시킴으로 이행된다.

상기 스펙트럼 이동 원자로에 있어서, 감속비를 낮추며 저에너지(열) 중성자를 흡수하기 위해 친물질 봉을 수용하도록 다소의 가이드관이 배치되어야 한다. 원자로 노심내에서 온도가 상승되는 친물질 봉을 냉각시키기 위해 가이드관 내부에서 적절한 간격이 유지되어야 한다.

가이드관에 삽입되는 경수 여과봉을 제공함으로 종래의 PWR으로부터 스펙트럼 이동 원자로가 파생될 때 설치상의 문제점은 발생되지 않는다. 반면에, 저감속 원자로에서 연료요소와 가이드관은 밀접하게 배치됨으로, 친물질 봉의 스펙트럼 이동 크라스트를 가이드관 내부로 삽입시키거나 제거하는 것은 매우 어렵게 된다. 특히, 종래의 저감속 원자로의 노심내에서 균일한 삼각형 또는 사각격자로 수직으로 배치되는 연료요소의 간격은 예로서 약 1미리미터의 적은 값을 가진다. 상기의 적은 값 때문에, 연료요소 피복 및 관은 중성자 방사 또는 충격조건하에서도 팽창되지 않는 재질로 되어야 한다. 1차 냉각파이프의 파괴와 같은 어떤 사고가 발생할 때, 팽창되어서 연료요소 또는 봉이 길이부분으로 접촉되는 지르카로이와 같은 지르코늄 합금 재질은 사용할 수 없다. 연료봉 사이의 상기 접촉은 냉각수 순환을 저지하며 노심을 냉각시키는 결과가 된다.

따라서, 스텐레스 스틸이 저감속 원자로에서 연료요소를 피복하기 위해 사용된다. 그러나, 스텐레스 스틸은 지르카로이라는 상표명으로 공지된 지르코늄 합금보다 더 많은 기생중성자를 흡수한다. 증가된 기생중성자 흡수는 변환비를 낮추며 원자로내에서 훨씬 많이 잔존하는 핵분열 물질 때문에 연료의 초기 농축을 증가시키는 것이 요구된다.

반면에, 피복물질로서 지르카로이를 사용하는 것도 가능하나, 연료의 감소된 선형파워 때문에 동일한 파워를 생성하기 위해서는 잔존하는 연료를 증가시킬 필요가 있다.

본 발명의 목적은 증가된 변환비를 가지며 원자핵 연료 가격을 절감시킬 수 있는 저감속 원자로를 제공하는 것이다. 상기 목적으로 경수로 냉각되며 감속되는 원자로 노심은 동일방향으로 나란하게 배치되며 열중성자 원자로 노심내의 연료소자 격자에서보다 더 짧은 횡단거리로 균일하게 배치되는 핵분열 물질과 친물질 연료요소를 가진다. 친물질을 포함하는 다수의 요소는 상기 요소가 노심으로부터 제거되는 위치와, 노심의 연료요소 사이로 삽입되는 위치 사이로 이동시키기 위한 수단과 관련되어서, 최소한 원자로가 작동되는 동안에는 노심내의 감속재 용량을 선택적으로 감소시키며 특별한 이동을 하게 한다.

상기 배치는 저감속 원자로에서 요구되는 밀접하게 패케이지된 연료요소 격자 및 스펙트럼 이동 원자로의 경수여과 친물질 봉이 변형되기 쉬운 가이드관내에서 이동될 수 있는 단점을 극복할 수 있다.

이하, 본 발명의 저감속된 원자로의 실시예를 첨부된 도면으로 더욱 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 육각단면을 가지며 수직으로 일렬로 배치되며 각주형의 연료 집합체(1), (2) 및 (3)을 구비하는 원자로 노심을 도시한 것이다.

상기 연료 집합체에는 3가지의 다른 형태가 있다. 집합체(1)는 산화우라늄 및 산화플루토늄의 혼합물을 포함하는 요소를 가지는 핵분열 물질 집합체이다. 여기서 핵분열 물질은 우라늄 235 및 플루토늄 239이다.

집합체(2)는 천연 우라늄을 필수적으로 포함하는 연료요소를 함유하는 친물질 집합체이다. 집합체(3)는 원자로 노심내에 강한 반작용물을 삽입시킴으로 원자로를 샷다운시키기 위한 추가적인 시스템 부분을 형성하는 집합체이다. 원자로 작동중에, 노심내의 친물질인 특히 주위의 친물질 집합체(2)내에 존재하는 친물질은 노심의 핵분열부에 의해 생성되는 열외 중성자에 의해 핵분열 물질로 변환된다.

제2도에서 핵분열 연료 집합체(1)는 규칙적인 삼각형 배열에 따라 배치되는 핵분열 연료요소(4)의 그룹을 가진다. 각각의 집합체(1)는 육각단면을 가지며 노심내에서 6개의 다른 집합체에 의해 둘러싸여 있다. 노심내의 수직 연료 집합체의 연료요소는 노심을 어떤 수평방향으로 절단할 때 규칙적인 삼각형 형태를 형성한다.

집합체(1)를 형성하는 연료봉(4)의 배치에 있어서, 예로서 노드(6,7)와 같은 어떤 노드는 핵분열 연료요소(4)와 동일한 직경을 가지는 가이드관에 의해 채워진다. 관련된 동일한 표식은 가이드관의 위치를 나타낸다. 18개의 가이드관(6)은 중성자 흡수물질의 봉을 수용하기에 적합한 칫수를 가지며 흡수봉을 집합체에 삽입시키기 위해 수직으로 이동되는 크라스트에 연결되는 형태로 된다.

노심내의 중성자 흡수 크라스트는 원자로 열파워를 제어할 수 있게 된다.

다시 제2도에 있어서, 집합체(1)의 24개의 가이드관(7)은 최소한 원자로 작동주기의 제1부분 동안에, 천연 우라늄 또는 U-235 감손우라늄과 같은 친물질을 포함하는 연료요소(8)을 수용하기에 적합하다.

핵분열 연료요소(4)는 UO₂-PUO₂의 입자를 포함하는 지르코늄 합금의 피복을 가진다. 친물질을 포함하는 요소(8)는 상단에서 함께 연결되어 원자로를 작동시키기 위해 사용되는 흡수요소의 크라스트와 유사한 크라스트를 형성한다. 친물질 봉(8)의 각 크라스트는 유럽 특허공보 제111 435호에 기술되어 있는 바와 같이, 가이드관(7)을 따라 상기 크라스트를 이동시키는 기구와 관련이 있다. 상기 특허에 기술된 바와 같이, 친물질 요소의 크라스트는 동일한 연료 집합체내의 중성자 흡수 요소 크라스트를 제어하기 위한 장치와 관련된 기구에 의해 이동한다. 흡수 크라스트를 이동시키기 위한 기구와 완전히 독자적인 친물질 봉의 크라스트를 구동시키기 위한 기구를 제공하는 것도 역시 가능하다. 흡수봉의 크라스트를 이동시키기 위해 요구되는 기구수를 감소시키기 위해서는 공동 구동기구가 있는 최소한 두 집합체의 크라스트를 작동시키는 것도 가능하다.

유럽 특허공보 제108 019호에 기술되어 있는 바와 같이 친물질 요소(8)의 크라스트는 중성자 에너지 스펙트럼을 이동시키기 위한 요소의 그룹을 형성한다.

표 1에서는 공지된 타입(처음의 두 열)의 부족감속 원자로 노심의 기본데이터 및 본 발명(제3열)의 부족감속 원자로를 비교하였다.

[표 1]

원자로 I에 관련된 공지된 타입의 부족감속 원자로의 경우에, 격자간격, 봉직경 및 상기 봉 사이의 간격은 종래의 PWR에 비하여 현저하게 감소된다. 실제로, 종래의 PWR에 있어서, 지르카로이 피복으로 둘러싸여 있는 연료입자로 구성되어 있는 연료요소의 직경은 9.5mm이며, 격자피치는 12.6mm이며 연료요소 사이의 간격은 3.1mm이다. 대응되는 저감속 원자로 I에서의 값은 8.65mm, 9.90mm 및 1,25mm이다. 종래의 가압수형 원자로에서의 감속비가 1.66인 경우에 원자로 I에서의 감속비는 0.60이다. 이것은 중성자 스펙트럼이 더 높은 에너지를 향해 상당한 이동을 하게 하여 변환비를 1이상 되게 하여(1.06) 노심에 존재하는 친물질을 획득하는 것을 가능하게 한다.

그러나, 봉 사이의 상기 작은 간격 때문에, 스텐레스스틸과 같은 피복물질을 사용하여 방사하에서 팽창되는 지르카로이와 같은 피복물질을 사용할 때 나타나는 가압수 냉각재 및 감속재의 순환억제를 방지하는 것이 필요하다.

피복물질로서 스텐레스 스틸을 사용할 때는 비교적 높은 핵분열 연료의 초기 농축(8.5%)이 요구된다.

공지된 타입의 저감속 원자로의 경우에, 연료소자 직경은 종래의 PWR에서의 직경(9.5mm)과 동일하나, 격자간격 및 봉간격은 현저하게 작아진다(11.15mm 및 1.65mm).

감속비는 0.70이 되며 변환비는 1.06이 된다.

연료요소 간격은 원자로 I보다 약간 크며 피복물질로서 지르카로이를 사용하는 것을 가능하게 한다. 반면에, 원자로에서의 선형파워는 지르카로이의 초과팽창을 보상하기 위해 감소되어야 하며 초기의 U-235를 7.2% 합유하는 농축연료가 사용되어야 한다.

본 발명의 실시예로 상술한 저감속 원자로는 직경 9.5mm의 핵분열 연료를 가지며, 노드 사이의 피치가 12mm인 격자에 따라 배치되며, 상기 피치는 인접요소 사이에 2.50mm의 간격을 제공할 수 있다. 상기 간격은 종래의 PWR에서의 연료요소 사이의 간격(3.1mm)보다는 더 작으나, 원자로 I 및 II와 같은 공지된 타입의 저감속 원자로에서의 간격(1.25mm 및 1.65mm)보다는 더 크다.

2mm에서 3mm가 될 수 있는 비교적 큰 간격은 원자로 노심에서의 선형파워를 감소시키지 않고 피복물질로서 지르코늄 합금의 사용을 가능하게 하였다.

여기서 더 낮은 핵분열 물질의 초기 농축(5%)이 행해진다.

친물질 봉이 제거된 본 발명의 원자로에서의 감속비는 공지된 타입의 저감속 원자로보다 더 높다(0.60 및 0.70 대신에 1.02). 그러나, 원자로 작동주기의 제1부분에서, 친물질이 재충전된 후, 친물질 크라스트는 연료 집합체에 전체가 삽입되어서, 감속비는 종래의 저감속 원자로에서 유지되는 값과 비교되는 값에서 유지된다.

따라서, 변환비는 종래의 저감속 원자로에서의 변환비(1.06)와 상당히 차이가 난다.

공지된 타입 또는 본 발명에서의 저감속 원자로에 있어서, 친물질의 층은 노심 상·하부에서 노심(친물질 집합체(2)) 주위에 배치된다. 따라서 저원자로에서 얻어지는 변환비는 친물질층에서의 변환비를 고려해야 한다.

또, 본 발명의 저감속 원자로에 있어서, 노심수명의 제1부분(전 수명의 약 4/5부분)동안에 노심 내부로 삽입되는 친물질(8)은 감속비를 감소시킬 뿐 아니라 열의 중성자의 생성영역내로 친물질을 삽입시킴으로 변환비를 증가시킨다. 이것은 더 높은 감속비에도 불구하고 어떻게 저감속 원자로의 변환비와 동일하게 되는가를 설명한다.

연료주기 또는 노심수명의 제2부분(전 주기의 1/5)동안에 생성되는 핵분열 물질은 연소되어서, 노심내에 사용되는 연료를 절약하는 결과가 된다.

본 발명의 원자로 리액터의 장점은 종래의 열중성자 리액터에 비해 높은 변환비를 가지며 상당한 연료절약을 가능하게 한다. 상기 장점은 사용되는 연료가 초기 농축등급이 낮아야 얻어질 수 있다.

본 발명은 상술된 특정실시예에 제한되지 않는다. 봉 간격이 종래의 저감속 원자로에 혀용되는 값(1mm 이상)과 종래의 열중성과 원자로에서의 값(3mm 이상) 사이에서 유지되는 한 2.50mm가 아닌 봉 간격을 사용하는 것도 가능하다. 상기 간격은 전형적으로 2에서 3mm이다. 감속비가 적절하게 제공되면, 친물질 봉 크라스트의 어떠한 배치도 사용될 수 있다. 친물질 봉의 크라스트는 노심내의 특정연료 집합체와 관련되거나 또는 연료 집합체의 구조와 관계없이 연료요소 사이의 노심위치로 삽입될 수 있다.

제어기구는 다수의 크라스트와 관련될 수 있으며, 각 크라스트는 집합체와 관련된다.

연료 집합체에 있어서, 가이드관은 상기 집합체의 단면을 고려하여 친물질 봉의 크라스트를 수용하도록 배치될 수 있다. 가이드관은 집합체의 구조를 신장시킬 수 있다.

스펙트럼을 이동시키기 위해 친물질 봉의 크라스트를 제어하기 위한 기구는 원자로를 양호하게 제어하기 위해 사용되는 흡수물질의 크라스트의 대응기구와 관련될 수 있으며, 반대로 상기 기구와 완전히 독자적으로 사용될 수 있다.

감속비를 감소시키기 위해 노심내에 삽입되는 봉은 중성자 흡수물질과 같은 비 친물질이거나 또는 지르카로이와 같은 중성자 투과물질이 될 수 있다. 특히, 친물질인 저에너지 중성자를 흡수하는 물질이 사용되면, 변환비 관점에서 추가적인 이득이 생성된다. 저에너지 중성자를 흡수하는 물질이 사용되면, 변환비 관점에서 추가적인 이득이 생성된다. 저에너지 중성자를 흡수하는 재질은 경화되며 중성자 스펙트럼 및 친물질은 핵분열 물질로 변환되는 친물질의 양을 증가시킨다.

본 발명은 경수로 냉각되며 감속되는 어떠한 원자로에도 사용될 수 있으며 여기서 핵분열 연료요소 및 친물질 연료요소는 수직으로 일렬로 배열된다.

Claims (5)

1. 원자로 노심내에서 서로 일렬로 균일하게 배치되는 핵분열 연료요소 및 친물질 연료요소를 구비하는 저감속 원자로에 있어서, 상기 배열로 배치되는 상기 연료요소의 간격은 열중성자 원자로에서의 연료요소의 간격보다는 짧으며 정해진 일정한 감속비를 가지는 저감속 원자로에서의 간격보다는 길며 여기서 상기 친물질 요소의 다수의 세트는 노심으로부터 제거되는 위치와 노심으로 삽입되는 위치 사이의 상기 세트의 각각을 이동시키기 위한 구동 수단과가 관련되어서, 최소한 원자로가 작동되는 동안에 노심내의 감속재 용량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 저감속 원자로.
2. 제1항의 원자로에 있어서, 친물질 요소는 산화물 형태인 천연 우라늄 또는 감손 우라늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 저감속 원자로.
3. 제1항의 원자로에 있어서, 상기 연료 소자는 지르코늄 합금으로 된 피복내에서 핵분열 물질 또는 친물질의 입자로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 저감속 원자로.
4. 제3항의 원자로에 있어서, 상기 노심은 수직으로 일렬로 배치되는 다수의 각주형 연료 집합체를 구비하며, 상기 세트의 친물질 요소는 연료 집합체에서의 노드에서 연료요소를 치환하는 가이드관을 따라 직선으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 저감속 원자로.
5. 제1항의 원자로에 있어서, 연료요소 사이의 간격은 2mm에서 3mm 사이인 것을 특징으로 하는 저감속 원자로.

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