KR100277238B1 - 상부 장착식 원자력 계장의 일체형 헤드 패키지 - Google Patents

Abstract

가압수형 원자로와 같은 원자로는 일체형 헤드 패키지를 가지며, 일체형 헤드 패키지는 구조적 지지체를 제공하며 원자로 용기 헤드에 대한 차폐 효과를 증가시킨다. 원자로 용기 헤드는 원자로 용기과 결합하며, 헤드위의 제어봉 유도 메카니즘은 제어봉을 몇개의 팀블내로 상승 및 하강시키며, 원자로 용기 헤드내의 관통부를 횡단하며, 제어봉에 연결되어 있다. 계측 튜브 구조물은 연료 조립체내에 배치되는 팀블 튜브내로 이동가능한 센서를 구비하는 계측 튜브를 포함한다. 센서용 접속부는 원자로 용기 헤드내의 관통부를 횡단한다. 측판은 원자로 용기 헤드위에 부착되어 제어봉 유도 메카니즘과 퇴출시의 적어도 일부의 계측 튜브를 둘러싼다. 측판은 용기 헤드, 제어봉 유도 메카니즘 및 계측 튜브 구조물을 지지하도록 충분한 강도를 갖는 구조적 요소를 형성하며, 퇴출된 계측 튜브로부터의 방사능 통과를 제한하는 방사능 차폐 물질을 포함한다. 측판은 용기 헤드에 인접한 바닥부에서 두꺼우며, 그 지점에서 퇴출된 센서의 하단부는 방사능에 더 많이 노출된다. 용기 헤드, 측판 및 그 부품은 하나의 단위로서 원자로로부터 분리되어 지지체위에 안전하며 견고하게 안치될 수 있다.

Description

상부 장착식 원자력 계장의 일체형 헤드 패키지

제1도는 본 발명에 따른 상부 장착식 원자력 계장의 일체형 헤드 패키지를 구비하는 원자로의 사시도.

제2도는 제1도의 2-2 선 단면도로서, 상기 헤드 패키지를 도시하는 도면.

제3도는 본 발명에 따른 일체형 헤드 패키지가 가압수형 원자로로부터 분리 및 설치된 상태를 도시하는 개략 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

22 : 일체형 헤드 패키지 24 : 원자로 용기

26 : 연료 집합체 42 : 계장관

본 발명은 가압수형 원자로와 같은 원자로 용기의 계장(instrumentation) 분야에 관한 것으로서, 특히 원자로 용기 헤드 또는 커버위의 퇴출가능한 (retractable) 계장을 둘러싸는 슈라우드(shroud)를 갖는 일체형 헤드 구조물에 관한 것이다. 헤드 구조물은 헤드가 하나의 유닛으로서 원자로 용기로부터 분리되는 경우, 방사선에 노출된 요소에 대한 일체형 차폐물로 사용되는 구조적 지지체를 제공한다. 헤드 구조물은 또한, 냉각공기 통로를 제공함으로써, 봉 위치 지시기 및 제어봉 구동 기구를 원자로 용기의 열로부터 보호하는 수단을 제공한다.

가압수형 원자로와 같은 원자로에서는 밀봉 상태의 원자로 용기가 그 내부의 상부 노심판 및 하부 노심판간에 수직 방향으로 고정되어 있는 연료 집합체내에 유지되는 복수개의 연료봉을 수용하고 있다. 핵 분열 과정에 의해 방출되는 중성자 및 감마선의 일부를 흡수하여 방사선속의 레벨을 제어하도록 필요한 축방향 거리만큼 제어봉을 연료봉 사이의 공간속으로 하강시키는 기구가 원자로 용기 헤드의 상방에 설치되어 있다.

노내의 각종 조건, 예를들면 중성자나 감마선속 레벨, 냉각수 출구 온도 등을 검출하기 위한 복수개의 계장관이 연료 집합체내의 연료봉 사이의 공간에 설치되어 있다. 제어봉 위치설정장치 및 센서용 계장관(또는 그의 접속 케이블)은 원자로 용기의 헤드에 설치된 압력 관통부를 통해 연장된다. 원자로가 점검 정비를 받는 경우, 제어봉은 연료봉이 부착되어 있는 연료 집합체내로 하강되며, 계장관은 연료 집합체로부터 퇴출시킨다. 원자로 용기의 헤드는 해제되어 원자로 용기의 밀폐 구조물내에 제공되는 폴라 크레인(polar crane)을 사용하여 끌어올려지며, 헤드는 그의 구조물과 함께 수면상의 지지 구조물 또는 축받이 상에 배치된다. 계장관의 최하부는 방사능에 가장 심하게 노출되므로 원자로 헤드의 하측에서 수중에 남아있거나, 또는 절단되어 교체되는 경우가 있다.

원자로 용기의 헤드를 관통해 연장되는 계장관을 갖는 원자로의 설계가 아래로부터 노심내로 삽입시키는 설계보다도 바람직하다. 이와 같은 것으로서 공지된 여러 가지 변형예가 있는 바, 예를들면, 아래로부터 연료 집합체에 결합하게 곡면을 따라 둘러싸는 상부 삽입수단을 통해 안내되는 계장관을 들 수 있다. 상부 삽입수단을 사용하면, 원자로 용기의 저부에 개구부 또는 밀봉부를 형성시키는 것을 방지하므로, 사고시에 보다 안전하다. 그러나, 계장관이 원자로 용기의 헤드 상방으로 복수개의 제어봉 위치설정 장치 및 계장관 접속부와 인터페이스되어야 하기 때문에, 상부 입구 디자인은 보다 복잡해지게 된다. 이들 장치 및 접속부를 원자로 용기의 열로부터 보호함으로써 적절한 작동을 보장하는 것 또한 필요하다.

계장관 및/또는 그의 전기적 접속부는 원자로 용기의 헤드 아래에 배치되어 원자로의 내부 구조물의 요부를 형성하는 안내장치에 의해 원자로 용기의 헤드를 통해 설치된 하나 또는 그 이상의 밀봉된 입구로부터 노심내의 복수개의 연료 집합체내의 계장 팁블관(thimble tube)에 안내된다. 이러한 실예가 그뤼너(Gruner) 등의 미국 특허 제 3,827,935 호와, 베빌라쿠아(Bevilacqua) 등의 미국 특허 제 3,853,702 호와, 바빈(Babin) 등의 미국 특허 제 4,765,947 호 및 타워(Tower) 등의 미국 특허 제 4,983,351 호에 개시되어 있다. 통상, 적어도 하나의 센서 튜브가 노심내의 각 연료 집합체에 제공된다.

본 발명에 따른 웨스팅하우스 AP600(Westinghouse AP600)에 있어서, 냉각공기를 원자로 용기 헤드위의 제어봉 구동 기구 및 계장의 각 부분으로 공급한다. 원자로내의 제어봉 구동 기구를 슈라우드에 의해 둘러싸는 냉각공기를 냉각이 필요한 곳에 가두도록 밀폐할 수 있다. 공지의 구성에 있어서, 슈라우드는 경량의 밀봉체이다. 원자로의 상부가 분리 및 장착되어 계장관의 방사선에 노출된 하측 부분을 노출시키는 경우, 헤드 구조물, 특히 그의 계장관을 둘러싸는 임시 차폐부를 직립시켜 방사선에 대해 작업자의 과다한 노출을 방지할 필요가 있다.

AP600 디자인의 제어봉 구동 기구의 냉각공기 슈라우드는 원자로 용기 헤드로부터 내진용 지지체까지 연장되어 있다. 냉각공기용 슈라우드를 이용하면 제어봉 구동 조립체를 원자로 용기의 헤드와 함께 원자로 용기로부터 들어올려지도록 한다. 지지 장치, 특히 내지용 지지체에 의해 제어봉 구동 기구가 연료 집합체위에서 수직한 상태로 유지됨으로써 제어봉이 연료 집합체내로 자유롭게 이동할 수 있어 핵방사선속을 감쇠시키며, 필요하다면, 지진 또는 미사일 공격시에 원자로의 운전을 정지시킬 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 원자로 헤드 및 내부 구조물과 관련한 노내 구조물을 자립형 구조 유닛으로 하여 안전하게 조작될 수 있도록 충분한 강도 및 내구성을 갖는 일체형 슈라우드 및 방사선 차폐물을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 아래로 갈수록 두께가 증가하는 차폐물을 구비함으로써 방사선에 최대로 노출된 하부에서 차폐효과가 큰 차폐부를 제공하는 슈라우드 구조물을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 원자로 헤드가 안전하게 조작되도록 함으로써 원자로의 유지 보수를 단순하며 용이하게 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 리프트 레그 및 내진용 지지체 타이 로드의 필요성을 배제하며, 원자로 헤드위에 제어봉 안내장치 및 계장관에 이용가능한 좁은 공간과 간섭하지 않는 자립 일체형 헤드 구조물을 제공하는 데 있다.

상기 목적 및 다른 목적들은 팀블관을 곳곳에 배치한 상태에서 핵연료를 수용하는 원자로 용기를 구비하는 가압수형 원자로와 같은 원자로에 의해 달성된다.

상기 원자로는, 헤드를 향해 차폐 효과를 증가시키며, 온도 제한 밀폐체를 형성하는 구조적 지지체를 이루는 일체형 헤드 패키지를 갖는다. 원자로 헤드는 원자로 용기와 결합한다. 헤드위에 배치되는 제어봉 안내 기구는 팀블관내의 제어봉을 상승 및 하강시키며 원자로 헤드내의 관통부를 횡단하며 제어봉에 연결된다. 계장관 구조물은 원자로 연료 조립체내의 국부적인 상태를 감시하기 위해 특정 팀블관 내로 이동될 수 있는 센서를 갖는 계장관을 제어한다. 센서의 접속부는 상방으로 연장되어 센서가 퇴출될 정도록 원자로 헤드를 횡단한다. 슈라우드는 원자로 헤드의 상방으로 부착되어 제어봉 안내 기구 및 퇴출된 계장관의 적어도 일부를 둘러싼다. 슈라우드는 헤드, 제어봉 유도 기구 및 계장관 구조물을 지지하기에 충분한 강도의 구조적 요소를 형성하며, 퇴출된 계장관으로부터의 방사선 누설을 제한하는 방사선 차폐 물질을 함유한다. 보다 상세하게는, 슈라우드는 헤드에 인접한 하부가 두껍게 형성되어 있으며, 이 부분에 방사선에 보다 더 노출된 퇴출된 센서의 하단부가 있다. 헤드, 슈라우드 및 그 내부부품은 유닛으로서 원자로로부터 분리되어 수평면상에 안전하고 견고하게 위치될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면, 본 발명의 바람직한 실시예가 제한적 의미를 갖는 것이 아니라 단지 예시적 의미를 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다.

제1도의 사시도 및 제2도의 단면도를 참조하면, 원자로용 일체형 헤드 패키지(22)가 도시되어 있다. 원자로는 핵연료봉을 수용하는 원자로 용기(24)를 포함하며, 핵연료봉은 상부 노심판(28)과 하부 노심판(32) 사이의 복수개의 연료 집합체(26)내에 유지된다. 각각의 연료 집합체(26)는 연료봉 패턴내의 간극을 점유하는 팀블관을 가지며, 상기 팀블관은 상부 지지판(34: 제3도에 도시됨)과 상부 노심판(28) 사이에서 연장되는 안내튜브와 정렬된다. 제어봉(36) 및 계장관(42)은 이동가능하게 장착되어 원자로 용기 헤드(50)의 관통부(44, 48)을 통해 연장가능하다.

원자로 용기 헤드(50)는 원자로 용기(24)에서 150 바아, 즉, 대략 2,200psi 정도의 압력을 견딜 수 있는 충분한 강성구조를 갖는다. 헤드(50)는 볼트(54)에 의해 원자로 용기(24)에 밀봉적으로 고정되어 있다. 제어봉 위치설정 기구(56)의 관통부(44) 및 계장관(42)의 관통부(48)는 이러한 압력을 지탱할 수 있다. 적절한 관통부 또는 밀봉 구조물의 예가 예를들면-타워 등의 미국 특허 제 4,983,351 호와, 베빌라쿠아 등의 제 3,853,702 호에 개시되어 있다.

제어봉(36)을 연료 조립체(26)에 대해 상승 및 하강시키는 기구(56)은 원자로 용기 헤드(50)내의 관통부(44)를 통과하는 제어봉 위치설정축(58)을 포함한다. 제어봉 위치설정축(58)에 결합되는 제어봉 드라이브는 원자로 용기 헤드(50)위에 배치되지만, 도면의 단순성을 위해 도시되지 않았다.

계장관 구조물(42)은 중성자 및 감마선에 대해 응답하는 복수개의 축방향 이격 센서와 같은 센서장치를 수용하며, 또한 바람직하게는 적어도 하나의 온도센서를 갖는 것이 바람직하다. 센서를 원자로 용기(24)의 냉각제뿐만 아니라 연료봉에 인접하게 위치시키기 위해서, 계장관(42)은 제어봉(36)에 의해 점유되지 않은 연료 조립체(26)내의 몇 개의 팀블관내로 하강될 수 있다. 센서장치의 전기 접속부는 원자로 용기 헤드(50)를 통해 상향으로 연장되며, 계장관(42) 및/또는 그들의 전기적 연결부도 또한 원자로 용기 헤드(50)내의 관통부(45)를 관통하여 센서장치가 연료 집합체(26)에 대해 추출가능하도록 구성되어 있다.

원자로 용기 헤드(50)의 상측 부분에는, 내진용 지지판(62)이 원자로 용기 헤드로부터 일정거리만큼 이격되어 정렬되어 있다. 내진용 지지판(62)은 제어봉 구동 기구의 압력 하우징의 상부를 구속하는 수단을 제공한다. 내진용 지지판(62)은, 제어봉 위치설정축(58)이 항상 각각에 대응하는 팀블관과 정렬되도록 하고, 지진 발생시 에도 제어봉(36)의 위치를 올바르게 유지시키도록 노심내의 연료 집합체(26)에 대해 정밀하게 위치설정된 상태로 유지되어야 한다. 이것은 중성자속을 최대 한도로 감쇠시키도록 제어봉(36)을 연료 집합체(26)내로 완전히 삽입시킴으로써 원자로가 “긴급정지”될 수 있는 가능성을 보존한다. 통상, 복수개의 리프트 로드를 사용하여 내진용 지지판(62)을 원자로 용기 헤드(50)에 결합할 필요성이 있을 수도 있지만, 본 발명에 따르면, 내진용 지지판(62) 및 원자로 용기 헤드(50)는 구조적으로 튼튼한 슈라우드(70)에 의해 결합된다. 이 슈라우드(70)은 또한 차폐 효과를 제공하며 원자로 용기 헤드(50)위에 배치되는 각종 기구를 냉각시키는 수단을 제공한다.

슈라우드(70)은 원자로 용기 헤드(50)에 부착되어 제어봉 안내 기구(56)와 계장관 구조물의 적어도 일부(퇴출되는 경우)를 거의 둘러싼다. 슈라우드(70) 및 상기 슈라우드(70)가 부착되는 원자로 용기 헤드(50)는 원자로 용기 헤드(50), 제어봉 유도 기구(56) 및 계장관 구조물(42)을 지지하기에 충분한 강도의 구조적 요소를 형성한다. 이러한 장치는 일체형 헤드 패키지(22) 전체가 하나의 유닛으로서 원자로로부터 분리되어 원자로 용기(20)내의 부품 정비를 가능하게 한다.

원자로 용기 헤드(50)에 인접 위치되는 슈라우드(70)의 저부(72)의 두께는 그의 상부(74)의 두께보다 실질적으로 두껍다. 예를 들면, 슈라우드(70)은 저부(72)에서 5inch(13cm)정도, 상부(74)에서 3inch(8cm)정도의 두께를 갖는다. 슈라우드(70)은 원통형 관형상으로 성형되며, 용접 또는 볼트에 의해서 원자로 용기 헤드(50)에 부착된다. 슈라우드의 저부는 보강되거나 슈라우드 및 용기 헤드의 구조적 부착을 돕는 구조물을 구비할 수 있다. 제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이, 슈라우드의 저부 에지는 용기 헤드(50)에 대한 부착부를 제공하는 플랜지(76)를 가질 수 있으며, 용기 헤드(50)와, 슈라우드(70)상의 플랜지(76)에 각각 용접되는 칼라 부재(82)를 갖는 것이 바람직하다.

원자로 내용물의 정비를 위해 원자로 헤드(50)를 분리할 필요가 있는 경우 제어봉(36)은 하강되며 계장관(42)는 연료 조립체로부터 상향으로 퇴출된다. 이들 구조물의 최하부는 원자로가 작동될 때 연료봉에 인접 위치되므로 방사선에 가장 심하게 노출된다. 원자로 용기(24)는 감압되고, 원자로 혜드(50)는 원자로 용기와의 부착이 해제된다. 제3도에 도시된 바와 같이, 통상적으로 원자로 격납 용기내에 제공되는, 폴라크레인과 같은 리프트 장치를 일체형 헤드 구조물(22)과 결합하고, 전체 헤드 구조물을 상승시킨다. 용기의 헤드, 제어봉 구종 기구 및 계장관 구조물을 지지하도록 축받이형 지지체를 수면상에 설치하면 좋다. 슈라우드의 가장 두꺼운 부분, 즉, 가장 효과적인 차폐부는 가장 심하게 방사능에 노출된 최하부로부터의 방사능 누출을 방지한다.

바람직하게는 헤드 구조체는 내진용 지지판(62)의 상방에 배치되어 그에 부착되는 리프팅 리그(lifting rig)(92)를 구비하며, 퇴출된 계장관 연결라인(86)은 스프레더 프레임(spreader frame)(84)을 따라 통과한다. U-링크(88), 또는 그와 유사한 용구가 커넥팅 핀에 의해 폴라 크레인에 연결되도록 리프팅 리그(92)의 상부에 제공된다. 그러나, 스프레더 프레임은 일체형 헤드 구조물(22)의 중량을 지지하지 못한다. 따라서, 복수개의 리프트 로드(92)를 크레인 U-링크(88)와 내진용 지지판(62) 간에 설치한다. 예를 들면, 120° 간격으로 설치되는 세개의 리프트 로드가 크레인 U-링크(88)와 지지판(62) 간에 제공될 수 있다. 내진용 지지판(62)은 슈라우드(70)의 상부 에지(94)에 견고하게 고정되며, 따라서, 폴라 크레인 또는 기타 리프팅 장치에 의해 가해지는 힘이 내전용 지지판(62) 및 슈라우드 상부 에지(94)로 전달되어 헤드 구조체(22)가 원자로 용기(24)로부터 멀어지도록 상승된다.

도시된 실시예에 있어서, 슈라우드(70)의 상부 에지(94)는 각각의 리프트 로드(92)의 버팀벽 접합부(96: buttress fitting)에 의해 두꺼워진다. 버팀벽 접합부(96)는 상부(94)에서 슈라우드(70)의 내.외측 위를 둘러싸는 하방에 개구된 채널을 가진다. 버팀벽 접합부(96)의 최상부는 내진용 지지판(62)을 관통하여 돌출되는 연결 볼트(97)와 결합될 수 있도록 구멍 및 나사 가공되어 있다. 내진용 지지판(62)의 상하에서 연결 볼트에 제공되는 너트(98)는 내진용 지지판(62)을 슈라우드(70)에 견고하게 고정하는 수단 뿐만아니라 내진용 지지판(62)의 정확한 위치 설정을 가능하게 한다. 버팀벽 접합부(96)는 슈라우드(70)에 용접될 수 있다.

슈라우드(70)은 방사능을 약화시키는 강철 또는 그와 유사한 물질로 제조된다. 도시된 실시예에 있어서의, 슈라우드(70)의 두께가 2 단계로 변화하지만, 추가적 단계를 제공하거나 용기 헤드(50)에 인접한 하부로부터 상방으로 가면서 연속적으로 감소하는 형상으로 만듬으로써 이것에 의해 계장관(42) 드으이 하부가 슈라우드에 의해 우선적으로 차폐되도록 할 수도 있다.

제3도에는 예를 들면, 이동식 윈치(104)를 갖는 오버헤드 크레인 또는 유사한, 리프팅 장치(102)를 사총하여 결합되는 상태의 본 발명의 일체형 헤드 패키지(22)가 도시되어 있다. 리프팅 장치(102)는 헤드 패키지(22)의 상부에서 U-링크(88)에 결합된다. 원자로 헤드(50)가 원자로 용기로부터 해제되고 전체 헤드 패키지(22)가 원자로로부터 멀어지도록 상승되어, 예를 들면, 지지체(110) 상에 위치될 수가 있다. 리프팅 장치 사이의 연결은 U-링크(88), 리프트 로드(92), 내진용 지지판(62), 슈라우드(70) 및 원자로 헤드(50)에 의해 규정되는 강성 연결부로 인해 구조적으로 견고하다. 방사능에 많이 노출된 계장관(42)의 하측부분이 퇴출되어 원자로 헤드(50) 상위에 위치되는 한, 슈라우드(70)의 보다 두꺼운 하부 섹션(72)은 방사능의 누출을 차폐시킨다. 이러한 장치는 도시된 바와 같이 계장관의 최하부(114)용 내부 차폐면(112)을 갖는 도시의 지지 구조체를 사용하여 보충될 수 있으면, 상기 최하부는 원자로 헤드 아래로 더 연장될 수도 있다.

Claims (6)

1. 핵 연료를 수용하는 원자로 용기를 갖는 원자로의 일체형 헤드 패키지에 있어서, 원자로 용기와 밀봉 결합하는 수단을 갖는 원자로 용기 헤드와; 상기 연료에 대해 제어봉을 상승 및 하강시키도록 작동가능하며, 상기 원자로 용기 헤드내의 관통부를 이동가능하게 횡단하는 제어봉 위치설정 수단과, 상기 제어봉 위치설정장치에 결합된 제어봉 구동장치를 포함하는 제어봉 안내 기구와; 상기 연료에 인접하게 배치되는 센서 장치와, 상방으로 연장되는 상기 센서 장치용 커플링을 구비하는 적어도 하나의 계장관 구조물로서, 상기 계장관 구조물은 상기 원자로 용기 헤드내의 관통부를 횡단하며, 상기 센서장치는 상기 연료에 대해 퇴출가능하도록 구성된, 상기 적어도 하나의 계장관 구조물과; 상기 원자로 용기 헤드에 부착되어 상기 제어봉 안내 기구 및 퇴출된 상기 계장관 구조물의 적어도 일부를 거의 둘러싸며, 상기 원자로 용기 헤드, 상기 제어봉 유도 기구 및 상기 계장관 구조물을 지지하기에 충분한 강도를 갖는 구조요소를 형성하는 슈라우드를 포함함으로써; 상기 일체형 헤드 패키지가 정비시에 하나의 유닛으로서 상기 원자로로부터 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 일체형 헤드 패키지.
2. 제1항에 있어서, 상기 슈라우드는 방사선의 통과를 제한하는 차폐물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 일체형 헤드 패키지.
3. 제2항에 있어서, 상기 차폐물질은 상기 원자로 용기 헤드에 인접한 하부가 상대적으로 두꺼우며, 상기 용기 헤드로부터 상방으로 갈수록 두께가 상대적으로 얇아짐으로써, 상기 계장관 구조물의 하부가 상기 슈라우드에 의해 차폐되는 것을 특징으로 하는 일체형 헤드 패키지.
4. 제1항에 있어서, 리프팅 장치를 수용하도록 상기 슈라우드에 결합된 적어도 하나의 접합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 헤드 패키지.
5. 제4항에 있어서, 상기 슈라우드의 상부에 부착되어 상기 제어봉 안내 기구의 위치를 설정하도록 작동가능한 내진용 지지판을 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 접합부는 복수개의 리프트 로드에 의해 상기 슈라우드에 결합되는 것을 특징으로 하는 일체형 헤드 패키지.
6. 제5항에 있어서, 상기 슈라우드위에 배치되어 상기 계장관 구조물용 커플링을 지지하는 스프레더 프레임을 더 포함하며, 상기 리프트 로드는 상기 스프레더 프레임을 따라 나란히 연장되는 것을 특징으로 하는 일체형 헤드 패키지.