핵연료집합체

▼ 원자로노심

  감속재

  반사체

  제어봉

  핵연료집합체

핵연료집합체[Fuel Assembly]

핵연료 집합체는 연료봉지지 및 위치를 고정하여 적절한 공간이 유지되도록 함으로써 어떠한 조건하에서도 노심냉각이 가능하도록 기하학적 형상을 유지시키고, 제어봉 삽입 및 인출시의 과도한 접촉 마모를 방지하여 노내 중성자속 감시설비와 중성자원을 지지하기 위해 사용된다.

• 연료봉(Fuel Rod)

연료봉은 Zircaloy-4(지르코늄의 합금) 재질의 피복관(또는 피복재) 내에 저농축 이산화우라늄(UO2)의 원통형 세라믹 펠렛, Stainless steel(스테인레스강) 압축스프링 및 연료봉 상하단의 Alumina spacer를 삽입한 후 헬륨기체를 가압하여 제작된다. 치수는 외경 0.382″, 내경 0.332″, 길이 161.318″이고, 유효길이는 150″이다.

지르코늄은 인화성이 매우 높아, 2,200℉ 이상에서는 지르코늄이 물과 반응하여 피복관 재질로서 성능이 나빠지므로 Zircaloy-4 취급시에는 특별한 주의가 필요하다. 상부의 공동부는 펠렛의 축방향 열팽창 공간을 제공하고 압축 스프링을 수용하며 연료봉 내압을 적절히 유지하도록 설계되어 있다. 연료봉은 펠렛에서 빠져나오는 핵분열 기체를 수용할 수 있어야 하므로 내압유지가 주요한 설계요소이다. 피복관 내외의 압력 차이로 인한 응력을 줄여 설계수명중 피복관 손상을 배제하고, 다른 기체에 비해 열전도율이 높은 헬륨으로 초기에 연료봉을 가압하는 이유는 펠렛과 피복재간의 열전도도를 향상시키기 위해서이디. 이 초기 가압은 노심수명 말기에 설계 첨두 국부출력밀도로 운전시, 내압 최고치가 외측으로 피복재 크립(Creep)을 유발하지 않고, 정상운전 압력을 초과하지 않도록 약 380Psig로 가압한다.

• 독물질봉

노심수명 초기에 감속재 온도계수의 정(+)반응도 정도를 줄이고, 제어봉 인출시 안내관 내부로의 냉각재 유입으로 인한 국부적 출력증가를 발생시키는 현상(Water Hole Peaking)을 감소시키기 위해 가연성 중성자 흡수봉들이 일부 연료집합체에 내장되며, 이들은 연료봉과 구조적으로 흡사하여 연료집합체 내에 연료봉과 대체되어 위치한다. 독물질봉으로는 4w/o 농축 Gd2O3와 천연우라늄(UO2)의 혼합물로서 봉길이는 136″이다.

• 연료집합체 (Fuel Assembly)

국내 원자력발전소에서 사용되는 연료집합체는 핵연료봉 배열이 16x16 및 17x17 형인 두가지가 있다. 연료집합체는 236개의 연료봉 및 독물질봉이 16×16 배열로 위치하며, 5개의 안내관, 11개의 연료봉 스페이서 그리드, 상하부 엔드피팅(End Fitting), 누름장치(Hold down Device)등으로 구성되고, 외측 안내관 4개, 스페이서 그리드 및 상하부 피팅으로서 연료집합체의 골격을 형성한다. 연료집합체의 그리드는 10개의 지르칼로이-4 스페이서 그리드, 최하단의 인코넬-625 스페이서 그리드와 5개의 지르칼로이-4 안내관, 2개의 스테인레스강 상하부 엔드피팅 및 4개의 인코넬 코일스프링으로 이루어져있다.