KR910007922B1 - 환상 가연성 흡수체봉 - Google Patents

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내용 없음.

Description

환상 가연성 흡수체봉

제1도는 동심으로 배열되고 그들 사이에 환상 공간을 구비한 제1 및 제2원통형 관으로 구성된 본 발명에 따른 환상 가연성 흡수체봉과 환상 공간내에 배열되어 가연성 흡수체 물질층이 그 위에 침적된 관형 지지체의 단면도.

제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 취한 환상 가연성 흡수체봉의 단면도.

본 발명은 일반적으로 원자로용 가연성 독물로 알려진 가연성 흡수에 관한 것이며, 특히 원자로 노심에서 연료 집합체에 사용하기 위한 환상 가연성 흡수체봉에 관한 것이다. 환상 가연성 흡수체봉을 반응도를 제어하고 결국 연료 집합체의 작동 수명 사이클을 신장하게 되는 노심내에 흐르는 감속재 및 냉각재(물)의 변위를 최소화하기 위한 구조로 되어 있다.

핵분열의 과정은 분열성 핵연료 물질을 둘 이상의 낮은 질량수를 갖는 분열 생성물로 붕괴시키는 것을 포함한다. 무엇보다도 그러한 과정으로 인하여 자체 분열의 기초가 되는 가용자유 중성자의 전체수가 증가하게 된다. 원자로가 작동 주기를 넘어가게 되면 분열성 물질을 갖는 연료 집합체는 고갈로 인하여 결국 교체되어야 한다. 교체 과정이 6주 이상의 시간이 소비되어야 하고, 전력발생을 중지함에 따른 손해 등으로 인하여 가능한한 주어진 연료 집합체의 수명을 길게 하는 것이 바람직하다. 이러한 이유에 따라 계산된 소량의 중성자 포획원소를 핵연료에 신중하게 첨가하는 것은 열중성자로에 매우 유용한 효과를 나타낸다. 그러한 중성자 포획원소는 중성자 흡수로 인하여 새로운 흡수체로 변화되거나 새롭고 추가된 중성자를 발생하지 않는 반면 중성자 흡수 단면적이나 확률이 높기 때문에 보통 가연성 흡수체로 불리고 있다. 원자로의 작동 중에 가연성 흡수체는 양이 점차 감소하기 때문에 분열성 물질의 부수적인 감소에 대해 수행되는 보상이 필요하다.

연료 집합체의 수명은 많은 양의 분열성 물질을 초기에 결합시키는 것 뿐만 아니라 계산된 양의 가연성 흡수체를 결합시켜서도 연장된다. 그러한 연료 집합체의 작동 초기단계에서 과도한 중성자는 낮은 중성자 흡수 단면적을 갖는 원소를 변환되도록 하는 가연성 흡수체에 의해 흡수되며, 낮은 중성자 흡수단면적은 분열성 물질의 이용성이 낮아질 때, 수명의 후반기에서 연료 집합체의 반응도에 실제 아무런 영향을 주지 않는다. 가연성 흡수체는 연료 집합체의 수명 초기에 분열성 물질의 많은 양을 보상해주지만 연료 집합체의 수명후기에 중성자를 포획하는 양이 점점 줄어 들어서 연료 집합체가 비교적 일정한 분열 수준으로 수명이 길게 된다. 따라서, 정확한 비율의 분열성 물질과 가연성 흡수체를 포함하는 연료 집합체를 사용하면 비교적 일정한 중성자 생성과 반응도로 신장된 수명을 얻어질 수 있다. 사용되는 가연성 흡수체는 보론, 가돌리늄, 사마리움, 유로피움등이며, 이들은 중성자를 흡수하는 즉시 중성자를 통과시키도록 충분히 낮은 중성자 포획 단면적을 갖는 동위원소로 변환된다.

따라서, 연료 집합체에 가연성 흡수체를 결합시키는 것은 원자력 분야에서 분열성 물질의 용량을 증가시키는 효과적인 수단으로 인식되어 왔으며, 분열성 물질을 교체할 필요없이 예를 들어 18개월 정도 노심 수명을 연장시켜 준다. 가연성 흡수체는 분열성 물질과 균일하게 혼합된다. 이와 같이 가연성 흡수체는 미합중국 특허 제3,427,222호에 설명된 것처럼 분열성 물질을 함유한 핵연료 펠릿의 외부에 코우팅하여 침적된 것이며, 노심에서 분리된 원소로써 위치하게 된다. 따라서, 노심의 전체 반응도는 노심의 작동 수명전체에 걸쳐 비교적 일정한 값으로 유지된다. 노심에서 분리된 원소로써 가연성 흡수체의 사용이 노심수명과 작동 사이클을 연장하는 것으로 알려져 있지만, 이런식으로 가연성 흡수체의 사용은 제한을 받게 된다. 예를 들어, 봉의 형태로 가연성 흡수체가 분리된 원소로 사용되면 노심내에서 감속재와 냉각재의 손실 및 상응하는 변위를 필요로 한다. 이러한 손실을 원자로의 가열이 냉각재를 노심에서 배출시키게 되는 바람직하지 못한 일이 일어나므로 주의깊게 제어하지 않으면 원자로가 양의 감속 계수로 작동하게 되는 결과를 초래한다. 이러한 목적을 위해 가연성 흡수체 물질로 약 13중량%의 보론 옥사이드를 함유하는 중공 스테인레스 스틸 클래드 보로실리카이트 글래스 튜우브의 형태로 가연성 흡수체를 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이들 보로 실리카이트 글래스 투우브는 비교적 넓은 체적을 점유하고 있으며, 따라서 상응하는 많은 체적의 냉각재를 노심에서 배출시킨다. 이러한 바람직하지 않은 냉각재의 배출은 가연성 흡수체 물질에 의해 점유된 비교적 적은 체적에 비해 보로 실리카이트 글래스의 주요한 비반응 성분에 의해 점유된 비교적 큰 체적에 부분적으로 기여할 수 있다.

따라서 본 발명의 주목적은 반응도를 제어하며, 결국 연료 집합체의 작동 수명 사이클을 신장하는 반면 노심내의 냉각재 배출을 최소화하고, 그러한 가연성 흡수체봉의 물질 가격을 최소화할뿐만 아니라 그들의 구조를 간단히 한 가연성 흡수체봉을 제공하는데 있다.

이러한 목적에 따라 본 발명은 동심으로 배열되어 환상 공간을 제공하는 제1 및 제2관으로 구성되는 환상 가연성 흡수체봉에 있으며, 가연성 흡수체 물질을 가지고 있는 지지관이 환상 공간내에 배열되어 밀봉된 것을 특징으로 한다.

흡수체 물질은 지르코늄 디보라이드로 구성된 보론 함유화합물이며, 지르코늄 디보라이드는 화학적 증기 침적법에 의해 지지관의 표면상에 침적되어지며, 두께가 0.05∼0.25mm이다.

본 발명은 단지 예로써 주어진 부수 도면을 참고로 한 양호한 실시예의 하기 설명으로부터 좀더 명백하게 될 것이다.

전체 도면에서 동일한 참고 번호는 동일한 부품을 나타내며, 제1도는 참고번호(100)으로 지칭되어 원자로에 사용되는 환상 가연성 흡수체봉의 부분을 단면도로 도시한 것이다. 봉(100)은 동심으로 배열되어 환상공간(106)을 제공하는 한쌍의 금속체 원통형 중공관(102,104)으로 구성되었다. 관(102,104)의 대향 단부에서 환상 공간(106)은 환상 플러그(108)에 의해 밀봉되어 있으며, 금속재 원통형 관형 지지체(110)가 환상공간(106)내에 위치하며, 관(102,104)과 실제 동일하게 되어 있다. 가연성 흡수체 물질(112)은 하기에 설명되겠지만 관형 지지체(110)의 외부 표면에 침적되어 있다. 그러나, 가연성 흡수체 물질(112)은 또한 관형 지지체(110)의 내부 표면에 침적될 수 도 있다.

본 발명의 한 실시예에 따라서, 관형 지지체(110)는 0.012∼0.05mm, 특히 0.025mm두께를 갖는 니오븀 금속판으로 제조되는 것이 바람직하다. 니오븀 금속판은 약 6.5∼10mm, 특히 8mm직경을 가지고 관형으로 유지하기 위해 스팟(Spot)용접된 원통형 중공 관속으로 압연된다. 관형 지지체(110)의 길이는 30∼150cm(1-5피트)의 범위에 있으며, 여기서 좀더 길거나 짧아도 상관없다. 관(102,104)은 약 0.75mm정도의 두께와 8-5cm의 길이를 갖는 지르코늄 또는 스테인레스 스틸의 강직한 관으로 구성된다. 내부관(102)의 외부 직경은 관형 지지체(110)의 내부 직경보다 약간 작지만 외부관(104)의 내부 직경은 관형 지지체의 외부 직경보다 약간 크다. 이런식으로 관(102,104)을 동심적으로 배열하면 관형 지지체와 가연성 흡수체 물질(112)은 침적층을 수용하는 관상 공간(106)이 마련된다. 가연성 흡수체 물질(112)의 종방향으로 신장된 개구(114)를 통하고 봉(100)의 외측 주위를 흐르는 냉각재의 반입을 막기 위해 환상 플러그(108)로 환상 공간(106)내에 밀봉하므로써 부식이 방지된다.

가연성 흡수체 물질(112)은 보론, 보론 카아바이드, 보론 나이트라이드, 특히 지르코늄 디보라이드등과 같은 보론 함유 화합물의 침적층이다. 많은 다른 방법이 하층 금속 기질에 설정된 두께의 지르코늄 디보라이드를 코우팅하기 위해 연속적으로 사용되어 왔다. 이러한 응용 방법은 화학적 증기 침적법, 스퍼터링, 프레임 분사법, 플라즈마-제트 분사법 및 염에서의 전기 침적법등을 포함하고 있다. 화학적 증기 침적법(CVD)은 스퍼터링과 비교해 볼 때 비교적 코우팅 공정이 빠르고 선상으로 코우팅되지 않기 때문에, 지르코늄 디보라이드 층을 침적하는 양호한 방법이다. 예를들어 0.05-0.25mm 지르코늄 디보라이드 층은 약 800-825도의 온도 범위에서 CVD에 의해 니오븀 관형 지지체(110)상에 쉽게 침적될 수 있다.

지르코늄 디보라이드의 형성은 상승된 온도의 수소흐름에서 보론 트리크로라이드와 지르코늄 테트라 클로라이드 상의 반응에 의해 수용된다. 기체형 지르코늄 테트라 클로라이드는 하이드로겐 클로라이드 및 지르코늄을 반응시키고 수소 흐름에 반응 생성물을 지나가게 하므로써 준비된다. 반응물은 99.9%의 최소 순도를 가지고 있어야 하지만 비반응물 운반 기체는 99.8%의 최소 순도를 가져야 한다. 운반 기체는 수소 혹은 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 크세논 또는 그들의 결합체로 제8족 원소의 기체이다. 운반 기체의 한 목적은 CVD공정중 물의 형성을 방지하기 위해 노의 반응실에서 산소의 부분압력을 감소시킨다. CVD 공정은 그러한 공정에 적합한 다양한 설비에서 수행될 수 있다. 예를들어 몰리브데늄 타운드로, 퀴츠로, 스테인레스 스틸로등과 같은 안정 온도를 유지하는 능력을 갖고 고온벽 시스템을 갖는 노가 사용된다. 추가로 CVD 공정은 이온 플레이팅 혹은 스퍼터링에 필요한 높은 진공 상자를 필요로 하지 않고 대기압에서 수행된다. CVD는 가시적인 라인에서 코우팅되는 것이 아니기 때문에 지르코늄 디보라이드 층은 작동중 전표면에 코우팅되도록 관형 지지체(110)의 전체 외부 혹은 내부 표면에 걸쳐 침적된다.

지르코늄 디보라이드를 니오븀 층상에 만족스럽게 코우팅하기 위해서는 다음과 같은 표 Ⅰ에 요약된 것과 같은 여러 가지 조건이 고려되어야 한다.

[표 1]

ZrB₂층을 침적하기 위한 조건의 요약

본 발명에 따라서, 동심으로 배열되어 환상 공간을 제공하는 제1 및 제2원통형관으로 구성된 환상 가연성 흡수체봉을 좀더 설명하려고 한다. 관형 지지체는 환상 공간내에 배열되어 있으며, 지르코늄 디보라이드층은 지지체 표면의 위에 침적되어 있다. 환상 공간은 지르코늄 디보라이드 층의 부식을 방지하기 위해 관의 종단에 밀봉되어 있으며, 상기 층은 다양한 기술, 특히 화학적 증기 침적법에 의해 침적된다.

본 발명에 따른 환상 가연성 흡수체봉은 예를들어 길이 4m와 같이 특별한 원자로의 요구치에 부합하기 위해 여러 가지 길이 및 직경으로 만들어진다.

따라서 본 발명의 환상 가연성 흡수체봉은 노심으로부터 최소량의 냉각재를 배출하기 위해 최소 체적을 점유하도록 만들어진다.

따라서 원자로의 작동 특성을 개선하게 되며, 양의 감속재 계수를 갖는 작동의 잠재성을 제거해준다.

Claims (9)

1. 동심으로 배열되어 환상 공간(106)을 제공하는 제공하는 제1 및 제2관(102, 104)을 포함하는 환상 가연성 흡수체봉에 있어서, 가연성 흡수체물질(112)을 갖는 관형지지체(110)이 환상 공간(106)내에 밀봉되어 배열된 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
2. 제1항에 있어서, 가연성 흡수체물질(112)은 지지관(110)의 표면상에 침적되는 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
3. 제1항 또는 2항에 있어서, 가연성 흡수체물질(112)은 보론함유화합물인 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
4. 제3항에 있어서, 흡수체물질(112)은 지르코늄 디보라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
5. 제1항에 있어서, 지지관(110)은 니오븀으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
6. 제1항에 있어서, 제1 및 제2관(102,104)은 지르코늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
7. 제1항에 있어서, 가연성 흡수체 물질은 0.05∼0.3mm의 두께를 갖는 층으로 제공되는 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
8. 제1항에 있어서, 지르코늄 디보라이드는 화학적 증기 침적법에 의해 지지관상에 침적되는 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.
9. 제1항에 있어서, 지지관(110)은 제1 및 제2관(102,104)과 실제 동일 형태인 것을 특징으로 하는 환상 가연성 흡수체봉.

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