KR102089039B1 - Thorium based epithermal neutron reactor core and nuclear reactor having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체; 상기 핵연료 집합체의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 및 상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며, 상기 핵연료 집합체는, 우라늄(U)-233을 포함하는 산화토륨으로 마련되는 복수개의 원통형 핵연료체 및 상기 핵연료체의 사이에 마련되는 복수개의 제어봉을 포함하고, 상기 냉각재는 상기 핵연료체 및 상기 제어봉의 사이에도 마련될 수 있다.A core based on a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention, a nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for a nuclear fission chain reaction to occur; A coolant disposed between the nuclear fuel assemblies to absorb energy emitted by the nuclear fission chain reaction; And a reflector disposed to surround the nuclear fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly, wherein the nuclear fuel assembly includes a plurality of cylindrical thorium oxides including uranium (U) -233. It includes a nuclear fuel body and a plurality of control rods provided between the nuclear fuel body, the coolant may be provided between the nuclear fuel body and the control rod.
Description
본 발명은 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열외중성자 영역에서의 핵분열성 물질을 증식시킬 수 있는 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로에 관한 것이다.The present invention relates to a core and a nuclear reactor having a thorium-based thermal neutron reactor, and more particularly, to a thorium-based thermal neutron reactor capable of propagating fissile material in the thermal neutron region and a nuclear reactor having the core.
원자로(Nuclear Reactor)는 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열 반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄 생산 등 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 의미한다.A nuclear reactor (Nuclear Reactor) refers to a device made to be used for a variety of purposes, such as generating radioactive isotopes and plutonium production by artificially controlling the fission reaction of the fissile material.
일반적으로 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위해서 농축 우라늄을 원통형 펠릿(pellet)으로 만드는 성형 가공을 한 후, 이 펠릿들을 다발 형태로 묶어 일련의 과정을 거쳐 연료봉을 제조한다. 상기 연료봉은 핵연료 집합체를 구성하며, 원자로 내에서 핵반응을 통해 연소하게 된다.In general, in order to process nuclear fuel used in a nuclear reactor, after forming the uranium into a cylindrical pellet, the pellets are bundled into a bundle to manufacture a fuel rod through a series of processes. The fuel rod constitutes a nuclear fuel assembly and burns through a nuclear reaction in a nuclear reactor.
상기 핵연료 집합체는 상기 연료봉을 다양한 형태의 격자상으로 조립하여 제조할 수 있으며, 봉형 핵연료 외에 판형 핵연료 등 다양한 형상의 핵연료로 제조될 수 있다.The fuel assembly may be manufactured by assembling the fuel rods in various types of grids, and may be made of various types of nuclear fuels, such as rod-shaped fuels and plate-shaped fuels.
최근 들어, 우라늄 원자로의 단점이 부각되면서 원자력 발전의 안정성에 대한 관심이 높아지고 있으며, 기존의 우라늄 원전의 대안으로서 토륨 원자로가 주목을 받고 있다.Recently, as the shortcomings of the uranium reactor have emerged, interest in the stability of nuclear power generation has increased, and the thorium reactor has attracted attention as an alternative to the existing uranium nuclear power plant.
토륨 원자로는 핵연료로 우라늄 대신 토륨을 사용하는데, 토륨은 지구상에서 납 보다 흔한 금속이며 매장량이 풍부하고 우라늄처럼 복합한 가공처리 과정을 거칠 필요가 없어 차세대 원자력 시스템의 주요 연료 원천물질로 관심을 받고 있다.Thorium reactors use thorium instead of uranium as nuclear fuel. Thorium is attracting attention as a major fuel source for next-generation nuclear power systems because it is a more common metal than lead on earth and does not need to undergo complex processing processes like uranium. .
특히, 토륨은 분열 과정에서 발생하는 중성자 수가 부족하여 외부에서 중성자를 공급해 주어야 핵분열이 일어나며, 중성자 공급을 중단하면 핵분열도 멈추기 때문에 안전성이 보장되는 장점이 있다.In particular, thorium lacks the number of neutrons generated in the process of fission, so nuclear fission occurs only when external neutrons are supplied.
핵 연료성 물질(fertile)인 토륨(Th)-232는 중성자를 흡수하여 핵 분열성 물질(fissile)인 우라늄(U)-233으로 변환되고, 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 플루토늄의 생성유무 등 다양한 장점으로 인하여 차세대 원자력시스템의 주요 연료 원천물질로 관심을 받고 있다. Thorium (Th) -232, a nuclear fuel material (fertile), absorbs neutrons and is converted to fissile uranium (U) -233, and has various advantages such as abundant reserves, low price, and whether plutonium is produced. As a result, it is receiving attention as the main fuel source material for the next-generation nuclear power system.
한편, 원자로는 이용하는 중성자의 에너지 영역에 따라 약 100 KeV 이상의 고속중성자를 이용하는 고속로(fast reactor)형 원자로와 약 1 eV 이하의 열중성자를 주로 이용하는 열중성자로(thermal reactor)형 원자로로 분류될 수 있다. On the other hand, according to the energy region of the neutron used, the reactor may be classified into a fast reactor type reactor using a high-speed neutron of about 100 KeV or more and a thermal reactor type reactor mainly using a heat neutron of about 1 eV or less. You can.
대부분 종래의 상용 원자로는 가압경수로 원자로(Pressurized light water reactor)와 같은 열중성자로로 운영 중이며, 고속로는 기존 원자로의 단점을 보완하기 위하여 전 세계에서 연구가 진행되고 있다. Most conventional commercial reactors are operated as thermal neutron reactors such as pressurized light water reactors, and high-speed reactors are being researched around the world to compensate for the disadvantages of existing reactors.
하지만, 열외중성자로에 대한 연구는 열중성자로를 만드는 것이 보다 합리적이라는 이유만으로 연구가 진행되고 있지 않으며, 열외중성자로에 관하여 기존에 진행된 연구는 대부분이 추측된 결과만 존재할 뿐 열외중성자로에 대한 관심이 적은 상황이다. However, research on thermal neutron reactors has not been conducted just because it is more reasonable to make thermal neutron reactors, and most of the previous studies on thermal neutron reactors have only speculated results, but only for thermal neutron reactors. It is a situation of little interest.
본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명을 제안하게 되었다.In order to solve the above problems, the applicant has proposed the present invention.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열외중성자 영역에서 핵분열성 물질의 증식을 적용할 수 있는 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로를 제공한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a core and a reactor having the same as a thorium-based thermal neutron capable of applying the proliferation of fissile material in the thermal neutron region.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체; 상기 핵연료 집합체의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 및 상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며, 상기 핵연료 집합체는, 우라늄(U)-233을 포함하는 산화토륨으로 마련되는 복수개의 원통형 핵연료체 및 상기 핵연료체의 사이에 마련되는 복수개의 제어봉을 포함하고, 상기 냉각재는 상기 핵연료체 및 상기 제어봉의 사이에도 마련될 수 있다.A thorium-based thermal neutron reactor core according to an embodiment of the present invention for achieving the above-described problems, a nuclear fuel assembly including a plurality of nuclear fuel bodies for nuclear fission chain reaction to occur; A coolant disposed between the nuclear fuel assemblies to absorb energy emitted by the nuclear fission chain reaction; And a reflector disposed to surround the nuclear fuel assembly and reducing external leakage of neutrons generated from the nuclear fuel assembly, wherein the nuclear fuel assembly includes a plurality of cylindrical thorium oxides including uranium (U) -233. It includes a nuclear fuel body and a plurality of control rods provided between the nuclear fuel body, the coolant may be provided between the nuclear fuel body and the control rod.
상기 핵연료체의 우라늄(U)-233은 2.3중량%의 농축 우라늄으로 마련될 수 있다.The uranium (U) -233 of the nuclear fuel body may be provided with 2.3% by weight of concentrated uranium.
상기 냉각재로는 물 또는 경수가 이용되되, 상기 냉각재는 중성자의 에너지 영역을 이동시키는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함할 수 있다.Water or hard water is used as the coolant, and the coolant may include a neutron energy region transition additive that moves the energy region of the neutron.
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는, 중성자의 에너지 영역이 열중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동되게 할 수 있다.The neutron energy region transition additive may cause the energy region of the neutron to move from the thermal neutron energy region to the extraneous neutron energy region.
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로 중수가 이용될 수 있다.Heavy water may be used as the neutron energy region transition additive.
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 우라늄(U)-233의 양을 증가시켜 운전 주기를 증가시킬 수 있다.The neutron energy region transition additive may increase the operation cycle by increasing the amount of uranium (U) -233.
상기 핵연료 집합체는 사각형 단면을 가지도록 형성될 수 있다.The nuclear fuel assembly may be formed to have a rectangular cross section.
또한, 본 발명은 상술한 토륨 기반 열외중성자로 노심을 구비한 원자로를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a nuclear reactor having a core as a thorium-based thermal neutron described above.
본 발명에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 열외중성자 영역에서 핵분열성 물질인 우라늄(U)-233을 증식시킬 수 있다.A thorium-based thermal neutron according to the present invention is capable of propagating uranium (U) -233, a fissile material in the thermal neutron region, with a core and a nuclear reactor having the same.
본 발명에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 핵연료의 장주기 운전이 가능하다.A thorium-based thermal neutron according to the present invention is capable of operating a long cycle of nuclear fuel with a core and a reactor having the same.
본 발명에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 토륨 기반 열중성자로의 냉각제를 변경하여 노심의 연소도를 연장하고 노심의 임계도를 조정할 수 있다.The thorium-based thermal neutron reactor according to the present invention can change the coolant to the thorium-based thermal neutron reactor and the reactor having the same to extend the combustion degree of the core and adjust the criticality of the core.
본 발명에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 기존 우라늄 원자로의 단점을 보완함으로써 다양한 연구에 적용 가능하고 안전성이 향상된 원자로의 파급효과를 높이며 집중적 투자를 통한 고부가 가치를 창출할 수 있다. The thorium-based thermal neutron reactor according to the present invention can be applied to various studies by supplementing the shortcomings of the existing uranium reactor with the core and the reactor equipped with the same, and can increase the ripple effect of the improved safety reactor and create high added value through intensive investment. .
본 발명에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는 핵연료 집합체의 격자 사이즈 및 냉각재를 변경함으로써 중성자 에너지 스펙트럼을 열중성자 영역에서 열외중성자 영역으로 이동시켜 연소 주기 길이를 증가시킬 수 있다.The thorium-based thermal neutron reactor according to the present invention can move the neutron energy spectrum from the thermal neutron region to the thermal neutron region by changing the lattice size and coolant of the nuclear fuel assembly to increase the combustion cycle length.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 절단선 “A-A”에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 열외중성자로 노심에 마련된 핵연료 집합체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 연소 실험 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a view showing a core with a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1.
FIG. 3 is a view showing a nuclear fuel assembly provided in the core as an extraneous neutron shown in FIG. 1.
4 is an experimental graph showing a neutron energy spectrum according to a neutron energy region transition additive in a core as a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are graphs showing the results of combustion experiments according to the neutron energy region transition additive in the core as a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. The same reference numerals in each drawing denote the same members.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심을 나타내는 도면, 도 2는 도 1의 절단선 “A-A”에 따른 단면도, 도 3은 도 1에 도시한 열외중성자로 노심에 마련된 핵연료 집합체를 나타내는 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 중성자 에너지 스펙트럼을 나타내는 실험 그래프, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심에 있어서 중성자 에너지 영역 천이 첨가제에 따른 연소 실험 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a view showing a core with a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, and FIG. 3 is a thermal outer neutron shown in FIG. 1, provided in the core FIG. 4 is a graph showing a nuclear fuel assembly, FIG. 4 is an experimental graph showing a neutron energy spectrum according to a neutron energy region transition additive in a core as a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention, FIGS. 5 and 6 are one of the present invention It is a graph showing the results of combustion experiments according to the neutron energy region transition additive in the core of the thorium-based thermal neutron according to the embodiment.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100)은, 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체(120)를 포함하는 핵연료 집합체(110), 핵연료 집합체(110)의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재(150) 및 핵연료 집합체(110)를 둘러싸도록 배치되며 핵연료 집합체(110)로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체(170)를 포함할 수 있다.1 to 3, the thorium-based thermal
여기서, 반사체(170)는 피복재(Cladding)의 역할도 할 수 있으며, 스테인리스 스틸로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the
본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100)은 쇄빙선(Icebreaker ship)에 적용될 수 있고, 임계 원자로 뿐만 아니라 미임계 원자로에도 적용될 수 있다.Thorium-based thermal neutron reactor according to an embodiment of the present invention, the
도 2를 참조하면, 핵연료 집합체(110)는, 산화우라늄(U)-233 및 산화토륨으로 마련되는 복수개의 원통형 핵연료체(120) 및 핵연료체(120)의 사이에 마련되는 복수개의 제어봉(160)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the
도 3을 참조하면, 핵연료 집합체(110)는 가로 길이와 세로 길이(L)가 동일한 사각형 모양으로 형성되고, 핵연료체(120)는 원기둥 형태로 형성될 수 있다. 즉, 가로 방향으로 16개, 세로 방향으로 16개의 핵연료체(120)를 사각형 모양으로 배치함으로써 핵연료 집합체(110)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, the
본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100)에는 24개의 핵연료 집합체(110)가 배치되는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 노심(100)의 중심부에 가로 및 세로 각각 4개의 핵연료 집합체(110)가 사각형 모양으로 배치되고 사각형 모양의 외측에 각각 2개의 핵연료 집합체(110)가 배치되어 총 24개의 핵연료 집합체(110)가 노심(100)에 배치될 수 있다.Thorium-based thermal neutron reactor according to an embodiment of the present invention, the
하나의 핵연료 집합체(110)에는 236개 또는 304개의 핵연료체(120)가 배치될 수 있다. 핵연료체(120)는 직경 0.5 센티미터(cm), 길이 115 센티미터(cm)의 원기둥 또는 봉 형태로 형성되고, 두께 0.05 센티미터(cm)의 피복재에 의해 둘러 싸인다. 피복재(미도시)는 지르코늄 합금(Zircaloy-4)으로 형성되는 것이 바람직하다.236 or 304
한편, 노심(100)은 직경(D)이 238 센티미터(cm)이고, 높이(H)가 136 센티미터(cm) 또는 330 센티미터(cm)로 형성될 수 있다.Meanwhile, the
도 3을 참조하면, 핵연료 집합체(110)는 제어봉(160)을 포함하는데, 5개의 제어봉(160)이 구비될 수 있다. 5개의 제어봉(160)은 핵연료 집합체(110)의 중심부에 1개가 배치되고 중심부에 배치된 제어봉을 기준으로 나머지 4개의 제어봉이 사각형의 꼭지점을 형성하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제어봉(160)은 보른카바이드(B4C)로 형성되는 것이 바람직하다.Referring to Figure 3, the
핵연료체(120)는 우라늄(enriched U-233)을 포함하는 산화토륨을 포함할 수 있다. 즉, 핵연료체(120)는 (Th+U)O2를 포함할 수 있다. 여기서, 핵연료체(120)의 우라늄(U)-233은 2.3중량%의 농축 우라늄(enriched uranium)으로 마련될 수 있다. 다시 말하면, 핵연료체(120)에 있어서, U-233/(Th-232+U-233)이 2.3중량%가 되도록 우라늄(U)-233과 산화토륨이 포함될 수 있다.The
한편, 냉각재(150)는 핵연료체(120) 및 제어봉(160)의 사이에도 마련될 수 있으며, 감속재(moderator)의 역할도 할 수 있다.Meanwhile, the
냉각재(150)로는 물 또는 경수(light water)가 이용되는 것이 바람직하다.It is preferable that water or light water is used as the
본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100)은 냉각재(150)에 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 포함될 수 있다. The
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 냉각재(150)에 추가되는 불순물의 일종으로서, 중성자의 에너지 영역을 이동시키거나 천이(shift)시킬 수 있다.The neutron energy region transition additive is a kind of impurities added to the
냉각재(150)에 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가함으로써 중성자의 에너지 영역이 열중성자(thermal neutron) 에너지 영역에서 열외 중성자(epithermal neutron) 에너지 영역으로 이동되게 할 수 있다.By adding the neutron energy region transition additive to the
토륨 주기의 핵연료 우라늄(U)-233은 0.3 eV 에너지 영역 부근(열중성자 영역)에서 포획 대 핵분열 비(포획/핵분열 비)가 높다. 이러한 0.3 eV 공명영역을 피하여 중성자 스펙트럼을 이동시킬 수 있다면, 낮은 포획 대 핵분열 비를 가지게 되고, 이로 인하여 중성자 재생인자(regeneration characteristics)가 증가(물질의 증식)하여 장주기 운전이 가능하게 된다. Thorium cycle fuel uranium (U) -233 has a high capture-to-nuclear fission ratio (capture / fission ratio) near the 0.3 eV energy region (thermoneutron region). If it is possible to move the neutron spectrum by avoiding the 0.3 eV resonance region, it has a low capture-to-nuclear fission ratio, thereby increasing neutron regeneration characteristics (proliferation of substances), thereby enabling long-term operation.
본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100)의 경우, 열외중성자 에너지 영역 부근에서 우라늄(U)-233의 중성자 재생인자가 우수하기 때문에 핵연료의 연소 주기를 늘일 수 있고 장주기 운전이 가능하게 된다.In the case of the core 100 as a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention, since the neutron regeneration factor of uranium (U) -233 is excellent in the vicinity of the thermal neutron energy region, the combustion cycle of nuclear fuel can be extended and long-term operation This becomes possible.
한편, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로는 경수 뿐만 아니라 중수(D2O)가 이용될 수 있다.Meanwhile, not only light water but also heavy water (D 2 O) may be used as the neutron energy region transition additive.
도 4에는 냉각재(150)에 추가되는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제의 양에 따른 중성자 에너지 스펙트럼이 나타나 있다. 도 4에서 기준(Reference)는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가되지 않은 경우이고, H2O 70%+D2O 30%는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로 경수 70%와 중수 30%가 추가된 경우이며, D2O 70%+H2O 30%는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로 중수 70%와 경수 30%가 추가된 경우이다. 4 shows a neutron energy spectrum according to the amount of the neutron energy region transition additive added to the
도 4를 참조하면, 중성자 에너지 스펙트럼에서 기준(Reference)의 경우는 다른 스펙트럼 보다 저에너지 영역에서 피크 값이 크고, 고에너지에서 피크가 작다는 것을 알 수 있는데, 이것은 기준(Reference)의 경우가 열중성자에너지 스펙트럼을 가진다는 것을 의미한다. 또한, 기존 H2O 냉각재 즉, 기준(Reference)의 경우와 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가된 경우를 비교해 보면, 냉각재(150)에 불순물인 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가되면 중성자 에너지 스펙트럼이 달라짐을 확인 할 수 있다. 구체적으로, 중성자의 에너지 영역이 열중성자(thermal neutron) 에너지 영역에서 열외 중성자(epithermal neutron) 에너지 영역으로 이동함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that in the case of the reference in the neutron energy spectrum, the peak value is large in the low energy region and the peak in the high energy is smaller than in the other spectrum. It means that it has an energy spectrum. In addition, when comparing the case of the existing H2O coolant, that is, the reference case and the neutron energy region transition additive, the neutron energy spectrum is changed when the neutron energy region transition additive as an impurity is added to the
한편, 냉각재(150)에 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가하면, 우라늄(U)-233의 양을 증가시켜 운전 주기를 증가시킬 수 있다.On the other hand, when the neutron energy region transition additive is added to the
본 발명의 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100)에 대해서 MCNP6.1 코드를 사용하여 임계 계산 및 연소 실험을 하였다. MCNP6.1 코드의 KCODE 카드를 사용하고, 총 50회의 비활성 주기(cycle)와 하여 250회의 활성 주기 동안 실험을 하였다. 또한, 연소 계산을 위해서 MCNP6.1 코드의 BURN 카드를 사용했다.The inventors of the present invention performed critical calculations and combustion experiments using the MCNP6.1 code for the core 100 as a thorium-based thermal neutron according to an embodiment of the present invention. A KCODE card of MCNP6.1 code was used, and a total of 50 inactive cycles were performed to perform experiments for 250 active cycles. In addition, a BURN card with MCNP6.1 code was used for combustion calculation.
도 5는 불순물인 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 냉각재(150)에 추가함에 따른 토륨(Th)-232의 양이 증가되는지를 보여주는 연소 실험 결과이고, 도 6은 불순물인 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 냉각재(150)에 추가함에 따른 우라늄(U)-233의 양이 증가되는지를 보여주는 연소 실험 결과이다. 도 5 및 도 6에서, H2O는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가되지 않은 기존 냉각재의 경우이고, D2O 70%+H2O 30%는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로 중수 70%와 경수 30%가 추가된 경우이며, H2O 70%+D2O 30%는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제로 경수 70%와 중수 30%가 추가된 경우이다.FIG. 5 is a combustion test result showing whether the amount of thorium (Th) -232 is increased as the impurity neutron energy region transition additive is added to the
도 5 및 도 6을 참조하면, 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가되지 않은 기존 H2O 냉각재의 경우 보다 중성자 에너지 영역 천이 첨가제가 추가된 냉각재(D2O 70 % + H2O 30%, H2O 70 % + D2O 30%)의 경우 우라늄(U)-233의 양이 증가 됨을 확인 할 수 있다.5 and 6, in the case of the conventional H2O coolant in which the neutron energy region transition additive is not added, the coolant in which the neutron energy region transition additive is added (
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심(100) 및 이를 구비한 원자로는 냉각재(150)에 경수 또는 중수를 포함하는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 추가함으로써, 우수한 장주기 운전 특성을 얻을 수 있다.Therefore, by adding a neutron energy region transition additive containing hard water or heavy water to the
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 토륨 기반 열외중성자로 노심 및 이를 구비한 원자로는, 냉각재에 추가되는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 변경함으로써 노심의 연소도를 연장할 수 있고 노심의 임계도를 조정할 수도 있다. 또한, 핵연료 집합체의 격자 사이즈 및 냉각재를 변경함으로써 중성자 에너지 스펙트럼을 열중성자 영역에서 열외중성자 영역으로 이동시켜 연소 주기 길이를 증가시킬 수 있다.The thorium-based thermal neutron reactor according to the present invention as described above and the reactor having the core and the reactor having the same can extend the combustion degree of the core and adjust the criticality of the core by changing the neutron energy region transition additive added to the coolant. . In addition, by changing the lattice size and coolant of the fuel assembly, the length of the combustion cycle can be increased by moving the neutron energy spectrum from the thermal neutron region to the thermal extraneutron region.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, in one embodiment of the present invention, it has been described by specific matters such as specific components and the like, and limited embodiments and drawings, which are provided only to help the overall understanding of the present invention, and the present invention It is not limited, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from these descriptions. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should not be determined, and all claims that are equivalent to or equivalent to the claims, as well as the claims described below, will be included in the scope of the spirit of the present invention.
100: 토륨 기반 열외중성자로 노심
110: 핵연료 집합체
120: 핵연료체
150: 냉각재
160: 제어봉
170: 반사체100: Thorium-based thermal neutron core
110: nuclear fuel assembly
120: nuclear fuel body
150: coolant
160: control rod
170: reflector
Claims (8)
핵분열 연쇄반응이 일어나기 위한 복수의 핵연료체를 포함하는 핵연료 집합체;
상기 핵연료 집합체의 사이에 배치되어 상기 핵분열 연쇄반응에 의해 방출된 에너지를 흡수하는 냉각재; 및
상기 핵연료 집합체를 둘러싸도록 배치되며 상기 핵연료 집합체로부터 발생되는 중성자의 외부 누출을 저감시키는 반사체;를 포함하며,
상기 핵연료 집합체는, 우라늄(U)-233을 포함하는 산화토륨으로 마련되는 복수개의 원통형 핵연료체 및 상기 핵연료체에 의해 둘러싸이도록 상기 핵연료체의 사이에 마련되는 복수개의 제어봉을 포함하고,
상기 냉각재는 상기 핵연료체 및 상기 제어봉의 사이에도 마련되며,
상기 핵연료체에는 U-233/(Th-232+U-233)이 2.3중량%가 되도록 우라늄(U)-233과 산화토륨이 포함되고,
상기 핵연료 집합체는 상기 노심의 중심부에 배치되되 가로 및 세로 방향으로 각각 4개의 핵연료 집합체가 사각형 모양으로 배치되고, 사각형 모양으로 배치된 핵연료 집합체의 외측에 가로 및 세로 방향으로 각각 2개의 핵연료 집합체가 더 배치되어 상기 노심의 중심부에 대해서 대칭이 되는 형태로 배치되며,
상기 핵연료 집합체 각각에 대해서 상기 제어봉은 상기 핵연료 집합체의 중심부에 1개가 배치되고, 중심부에 배치된 상기 제어봉을 기준으로 사각형의 꼭지점 위치에 각각 1개씩 배치되되 중심부에 배치된 상기 제어봉에 대해서 대칭이 되는 형태로 배치되고,
상기 냉각재로는 물 또는 경수가 이용되되, 상기 냉각재는 중성자의 에너지 영역을 이동시키는 중성자 에너지 영역 천이 첨가제를 포함하며,
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 경수와 중수를 포함하며 경수 70%와 중수 30%가 상기 냉각재에 추가되거나 중수 70%와 경수 30%가 상기 냉각재에 추가되어 중성자의 에너지 영역이 열중성자 에너지 영역에서 열외 중성자 에너지 영역으로 이동되게 하는 것을 특징으로 하는 토륨 기반 열외중성자로 노심.
As a core as a thorium-based thermal neutron applied to an icebreaker,
A nuclear fuel assembly comprising a plurality of nuclear fuel bodies for the fission chain reaction to occur;
A coolant disposed between the nuclear fuel assemblies to absorb energy emitted by the nuclear fission chain reaction; And
Includes; disposed to surround the fuel assembly and reducing the external leakage of neutrons generated from the fuel assembly; includes,
The nuclear fuel assembly includes a plurality of cylindrical fuel bodies made of thorium oxide containing uranium (U) -233 and a plurality of control rods provided between the fuel bodies to be surrounded by the fuel bodies,
The coolant is also provided between the nuclear fuel body and the control rod,
The nuclear fuel body includes uranium (U) -233 and thorium oxide so that U-233 / (Th-232 + U-233) is 2.3% by weight,
The nuclear fuel assembly is disposed at the center of the core but four nuclear fuel assemblies are arranged in a rectangular shape in the horizontal and vertical directions, and two nuclear fuel assemblies are further arranged in the horizontal and vertical directions on the outside of the nuclear fuel assembly arranged in a square shape. Disposed and symmetrical with respect to the center of the core,
For each of the nuclear fuel assemblies, one control rod is disposed at the center of the nuclear fuel assembly, and one at each of the corner points of a square based on the control rod disposed at the center, but symmetrical to the control rod disposed at the center. Form,
Water or hard water is used as the coolant, and the coolant includes a neutron energy region transition additive that moves the energy region of the neutron,
The neutron energy region transition additive includes hard water and heavy water, and 70% hard water and 30% heavy water are added to the coolant, or 70% heavy water and 30% hard water are added to the coolant, so that the energy region of the neutron is out of heat in the thermal neutron energy area. A core based on a thorium-based thermal neutron, characterized by being transported to the neutron energy region.
상기 중성자 에너지 영역 천이 첨가제는 우라늄(U)-233의 양을 증가시켜 운전 주기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 토륨 기반 열외중성자로 노심.
According to claim 1,
The neutron energy region transition additive is a thorium-based thermal neutron core characterized in that it increases the operation cycle by increasing the amount of uranium (U) -233.
상기 핵연료 집합체는 사각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 토륨 기반 열외중성자로 노심.
The method of claim 1 or 6,
The nuclear fuel assembly is a thorium-based thermal neutron core, characterized in that it has a rectangular cross section.
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