KR100933615B1 - 비조사된 핵연료 수송시스템 - Google Patents

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Abstract

비조사된 핵연료 집합체 수송 캐니스터는 대합조개 형태의 핵연료 집합체 내부 라이너를 포함하며, 내부 라이너는 수송되는 핵연료 집합체의 외피에 밀접하게 들어맞는 내부 크기와 일반적인 오버팩 콘테이너 관에 들어맞는 외부 크기를 갖는다. 내부 라이너는 새장모양 프레임 내에서 충격 흡수 현가 시스템에 의해 지지되는 오버팩 콘테이너 관으로 삽입된다.
Figure R1020047008411
핵연료 집합체, 운송, 콘테이너, 수송, 내부 라이너, 오버팩 콘테이너관, 충격흡수

Description

비조사된 핵연료 수송시스템{UNIRRADIATED NUCLEAR FUEL TRANSPORT SYSTEM}
본 발명은 핵연료 집합체를 위한 운송 콘테이너에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 기하학적인 배열로 지지되는 복수개의 연료봉을 갖는 비조사된 핵연료 집합체를 위한 콘테이너에 관한 것이다.
많은 양 및/또는 농축된 핵연료(U235)가 포함된 비조사된 원자로 연료 성분과 핵연료 집합체를 운송하고 저장하는 데 있어서, 사고유발 가능 조건에서 뿐만이 아니라 정상적인 사용하에서도 임계한도(criticality)가 확실하게 배제되는 것이 필요하다. 예를들어, 핵연료 운송 콘테이너가 각각의 핵연료 집합체 구조에 대한 특정한 최대 농축의 핵연료(예를들어, U235 의 중량 및 중량퍼센트)를 운송하는 데 있어서는 미국 원자력규제위원회(NRC)에 의해서 허가를 받게 된다. 따라서, 새로운 운송 콘테이너 구조를 주문하는 경우 허가승인을 받기 위해서는, 새로운 콘테이너 구조는 10 CFR 71에서 지정된 규율과 규정들을 포함하여, NRC 규율과 규정들의 요구사항을 충족시키고 있다라는 NRC의 만족을 증명해 내야만 한다. 상기 요구사항들에 수용된 핵연료 집합체의 임계수준(subcriticality) 이하를 유지하기 위해서, 상기 요구사항들에는 운송 콘테이너 및 이의 내부 지지 구조가 견뎌내야 하는 최대 신뢰 사건(Maximum Credible Accident; MCA)을 정하고 있다.
본 발명의 양수인에 양도된 미국특허 제4,780,268호에서는, 정사각형의 상부노즐, 정사각형 배열의 연료봉들 및 정사각형의 하부노즐을 갖는 종래의 핵연료 집합체 두개를 수송하는 운송 콘테이너가 제시되고 있다. 콘테이너에는 서로 나란히 놓여있는 두 개의 핵연료 집합체들 사이에서 수직으로 연장되는 부분을 갖는 지지 프레임이 포함된다. 각각의 핵연료 집합체들은 각각 두 개의 압착 패드를 갖는 클램프 프레임들에 의해서 지지 프레임에 고정된다. 핵연료 집합체 전체는 충격 마운트 프레임과 복수 개의 충격 마운트들에 의해서 콘테이너에 연결된다. 적어도 두 개의 중성자 흡수 부재가 수직부분에 밀봉된다. 고무코르크 완충 물질층은 핵연료 집합체들로부터 지지 프레임과 수직부분을 분리한다.
종래의 각각의 핵연료집합체의 상부노즐은, 세로방향축을 따라 네 개의 부위에서 정사각형 상부노즐을 아래로 죄는 압력패드들과 함께 잭포스트에 의해서 유지된다. 종래의 핵연료집합체들 중 일부의 하부노즐은 모서리가 깎여진 끝단을 갖는다. 이러한 핵연료 집합체들은 세로방향축을 따라서 하부노즐의 깎여진 끝단을 유지하는 하부노즐 스페이서에 의해 유지된다.
본 발명의 양수인에 의해 이용되는 상기 및 기타 운송 콘테이너들(예를들어, 정사각형 단면 형태의 가압수형 원자로(PWR) 핵연료집합체를 위한 RCC-4)은 워싱턴 DC 20555, 핵물질 안전 및 보호국, 연료 재활용 및 자원 안전부, 미국 원자력규제위원회, 관리번호 제71-5450, 준수인증서 제5450호에 설명되어 있다.
본 발명의 양수인에 양도된 미국특허 제5,490,186호에서는 육각형 연료용으로 디자인된 완전히 다른 핵연료 운송 콘테이너가 설명되고 있으며, 특히 구 소련식 VVER 원자로용으로 설계된 핵연료에 관해 설명하고 있다. 여전히 비등수형 원자로용 핵연료를 위한 다른 운송 콘테이너 구성들이 요구되고 있다.
따라서, 복수개의 원자로 핵연료집합체 구조들에 상호 교환되어 사용가능한 핵연료 집합체를 위한 개선된 운송 콘테이너가 필요하다.
또한, 경량의, 견고한 인증된 설계로 단일 핵연료집합체를 수용할 수 있는 핵연료 집합체 운송 콘테이너가 필요하다.
또한, 수평 또는 수직방향 모두에서 쉽게 실어 나를 수 있는 운송 콘테이너가 또한 필요하다.
상기 및 기타 목적들은 정상적인 조건 및 예상되는 사고 조건하에서 비조사된 핵연료 집합체를 안전하게 수송하는 본 발명의 각 연료 집합체 안전 격납 시스템에 의해 달성된다. 운송 콘테이너는 적어도 핵연료 집합체의 축방향 크기(axial dimension) 만큼의 길이를 갖는 길다란 내부 라이너를 포함한다. 바람직하게, 핵연료 집합체 주변에서 두 개의 절반(half) 내부 라이너들의 배치를 위해 대합조개(clamshell) 모양으로 분리될 수 있도록 내부 라이너는 축방향을 따라 절반으로 분리된다. 내부 라이너의 외부 원주는 적어도 내부 라이너의 축방향 길이를 갖는 연장된 콘테이너 관으로 형성된 오버팩의 내부에 밀접하게 수용되도록 구성된다. 바람직하게, 콘테이너 관의 벽은 그 사이에 배치된 폐 셀(close cell) 폴리우레탄을 갖고 동축으로 위치된 스테인리스강의 비교적 얇은 쉘 들로 구성된다. 바람직하게, 내부 쉘은 붕소-주입 스테인리스강을 포함한다.
핵연료 집합체를 에워싼 내부 라이너는 콘테이너 관 내에서 측면으로 장착되고 콘테이너 관의 각 끝은 종단뚜껑들로 봉해진다. 바람직하게, 콘테이너 관에 축방향으로 이격 배치된 콘테이너 관의 원주둘레로 연장하는 원주 리브를 포함시켜, 콘테이너 관의 원주방향의 강도를 강화하고, 주변에 충격 흡수부재용 부착점을 형성한다.
바람직하게, 새장 모양의 구조를 갖는 길다란 외부 프레임은 외부 프레임 내에 콘테이너 관을 받아들이도록 프레임으로부터 이격 형성된다. 외부 프레임은 스트랩들에 고정 연결되며, 원주 상에서 이격 배치되고, 축방향의 지지 리브에 연결되는 축방향으로 이격 배치된 원주 스트랩으로 형성된다. 충격이 가해진 경우 프레임이 받는 상당한 양의 충격 에너지로부터 콘테이너 관을 격리시키기 위해서, 복수의 충격 흡수재들이 임의의 스트랩들과 콘테이너 관 주변을 연장하는 적어도 두 개의 원주 리브들 사이에 연결된다.
본 발명에 대한 상세한 이해는 다음의 첨부된 도면들과 함께 설명되는 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 핵연료 집합체를 둘러싸고, 부분적으로 차례로 붕소 슬리브와 오버팩콘테이너 관으로 삽입되며, 부분적으로 절개된 본 발명의 길다란 내부 라이너를 보여주는 사시도이다.
도 2는 외부 프레임 내에서 충격 흡수 부착점에 의해 지지되고 있는 본 발명의 오버팩 콘테이너 관의 사시도이다.
도 3은 도 2에서 설명된 오버팩 콘테이너 관에 내부 라이너를 수용시키기 위해 정렬된 핵연료 집합체를 에워싼 내부 라이너를 지지하는 운반대의 사시도이다.
도 4A 내지 도 4E들은 외부 프레임 내에서 오버팩 콘테이너 관을 지지하는 다른 실시예들을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
10: 오버팩 콘테이너 관, 12: 원주 리브,
14: 충격마운트 부착점, 16: 붕소 슬리브,
18: 길다란 내부 라이너, 24: 핵연료 집합체,
26: 볼 베어링, 28: 외부 레일,
30: 새장모양 프레임, 32: 원주 스트랩,
34: 축방향 레일, 36: 종단 뚜껑,
38: 끝단, 40: 충격 흡수 지지물,
42: 수송차, 44: 이동대,
46: 측벽, 48: 케이블,
50: 윈치
본 발명의 핵연료집합체 안전격납 및 수송 시스템의 오버팩 콘테이너 관과 그 내부 구성요소가 도 1에 나타나 있다. 핵연료 집합체(24)는 연장된 내부 라이너(18)에 의해서 밀접하게 둘러 싸여져 있는 모습을 보이고 있다. 내부 라이너(18)는 두 개의 절반 부분(20, 22)들로 분리되어있기 때문에, 내부 라이너(18)는 오버팩 콘테이너 관(10)으로 싣기 전에 핵연료 집합체 주변에 더욱 쉽게 위치될 수 있다. 바람직한 형태로, 내부 라이너(18)는 동일한 두 절반 부분(20, 22)들로 분리된대합조개 모양으로 형성되고 있지만, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서, 내부 라이너(18)는 동일한 원주 길이 또는 동일하지 않는 원주 길이를 갖는 두 개 이상의 절반 부분들로 분리될 수 있다. 바람직하게, 내부 라이너의 절반 부분(20, 22)들의 접촉영역에는 핵연료 집합체(24) 주변의 절반 부분(20, 22)들이 순조롭게 배치되도록 하기 위해서 상보적인 키이 홈들이 형성된다. 바람직하게, 내부 라이너(18)는 오버팩 콘테이너 관(10) 내로 밀착하여 들어가도록 설계된 원주 형태 및 크기를 갖는 스테인리스강으로 구성된다. 내부 라이너(18)의 내부는 핵연료 집합체(24)의 외피에 밀접하게 들어맞도록 프레임으로 제조되거나 또는 가공 형성된다. 붕소 슬리브(16)는 내부 라이너를 싣기 전에 오버팩 콘테이너 관(10)과 내부 라이너(18) 사이에 삽입된다. 선택적으로, 내부 라이너(18)의 외면은 화염증착법 또는 기타 코팅기술들을 통해서 붕소 등으로 코팅될 수 있다. 붕소 슬리브(16)에 대한 다른 대체물 또는 이에 대한 보충물로서, 붕소-규산염 물질이 핵연료 집합체(24)의 외면에 접촉하는 라이너(18)의 내벽과, 오버팩 콘테이너 관(10) 내로 밀접하게 들어가는 내부 라이너(18)의 외면 사이의 내부 라이너(18)의 빈 공간으로 주입될 수 있다. 또 다른 대체물로서, 붕소-규산염 또는 붕산처리된 스테인리스강으로 형성된 판을 내부 라이너(18)의 내부에 부착할 수 있다.
바람직하게, 오버팩 콘테이너 관(10)은 대략 1/8인치 두께를 갖는 두 개의 동축으로 위치된 스테인리스강 쉘들로 형성된 벽들을 갖는 길다란 관 부재이다. 여기서, 요구되는 강도만 만족시킨다면 다른 두께를 갖는 벽이 채용될 수 있다. 하지만, 벽의 두께가 점점 두꺼워질수록 오버팩 콘테이너 관(10)의 무게는 늘어난다. 바람직하게, 각각의 쉘들은 연속되고 이음매가 없는 원주를 갖도록 용접 기타의 방법으로 제조된다. 여기에만 한정됨을 의도하지 않는 하나의 본 발명의 예로서, 본 실시예에서는, 3인치 두께를 갖는 폐(close) 셀 폴리우레탄층이 밀접하게 채워진 구조로 쉘들 사이에 삽입되며, 양쪽의 쉘들은 붕소 주입 스테인리스강 형성되거나 또는 이런 목적으로 붕소 외에 기타 적합한 감속제가 사용될 수 있지만, 바람직하게, 내부 쉘은 붕소가 주입된 스테인리스강 판으로 형성된다. 오버팩 콘테이너 관은 몇가지 구조적인 장점들이 있는 원 모양의 단면이지만, 다른 형태, 예를들어, 타원형 또는 직사각형의 형태가 사용될 수 있다.
오버팩 콘테이너 관에는 축방향을 따라 이격 배치된 복수의 원주 리브(12)들이 설치되어 오버팩 콘테이너 관(10)의 벽들을 형성하는 쉘에 대한 원주 강도를 더해준다. 분리된 충격마운트 부착점(14)들이 외부의 축방향 레일(28)을 따라 제공될 수 있으며 또는 원주 리브(12) 상에 직접 제공될 수 있다. 점선부분으로 도시된 볼 베어링(26)은 오버팩 콘테이너 관(10)으로 내부 라이너(18)를 실어 운반하는 데 도움이 되는 마찰저항을 감소시키는 수단을 나타낸다. 마찰저항 감소수단은 오버팩 콘테이너 관(10)의 내면 또는 내부 라이너(18)의 외면 상의 볼 베어링이 될 수 있으며 또는 오버팩 콘테이너 관(10)의 내벽에 고정 장착되고 내부 라이너(18)에 착탈가능하게 연결되는 텔리스코프(telescope)식 레일 구조일 수 있다. 또한 내부 라이너(18)의 절반 부분(20, 22)들은 일단 핵연료 집합체(24) 주변에 위치된 후에 죔쇠로 고정된다.
도 2에는 핵연료 집합체를 포함하는 내부 라이너가 설치된 후 볼트 또는 퀵 힌지 및 윙너트 부착물이 부착되는 두 개의 종단 뚜껑(36)에 의해 둘러 싸여진 오버팩 콘테이너 관(10)이 도시된다. 오버팩 콘테이너 관(10)은 용접에 의해 원주상에서 축방향으로 이격 배치된 레일(34)에 고정되어 연결되고, 축 방향으로 이격 배치된 복수의 원주 보조대(32)들로 형성되는 새장모양 프레임(30) 내에 지지된다. 끝단들(38)은 앵글 스트랩으로 형성된다. 상기 배열에서, 외부 프레임은 원형 단면 등의 다른 형태를 채택할 수도 있겠지만, 여기서는 정사각형 단면을 갖는다. 오버팩 콘테이너 관(10)은 적어도 하나의 충격흡수 지지물 (충격흡수수단)(40)에 의해서 새장모양 프레임(30) 내에 지지된다. 충격흡수 지지물은 예를들어, 로드 코포레이션(Lord Corporation, Mechanical Products Division, 2000 West Grandview Boulevard, Erie, Pennsylvania 16514)에 의해 공급되는 부품번호 제J-5735-64호가 사용될 수 있다. 도 4A 내지 도 4E들은 오버팩 콘테이너 관(10)을 지지하는데 사용되는 새장모양 프레임(30) 내의 다른 지지 구조를 나타낸다. 도 4A에서는, 오버팩 콘테이너 관(10)의 원형 단면의 정반대점들이 새장모양 프레임(30)의 측벽들의 중앙지점에 연결된 모습으로 오버팩 콘테이너 관(10)이 매달려 있다. 도 4B에서는 약간 다른 모습의 단일 충격흡수 지지물이 새장모양 프레임(30)의 한 측벽에서 오버팩 콘테이너 관(10)을 보호하고 있다. 도 4C에서는, 네 개의 충격흡수 지지물들이 새장모양 프레임(30)의 측벽들의 중앙지점에서 각각 오버팩 콘테이너 관을 지탱하고 있다. 도 4D에서는, 세 개의 충격흡수 지지물(40)들이 새장모양 프레임(30)에서의 세 개의 측벽들의 중앙지점에서 오버팩 콘테이너 관(10)을 지탱하고 있으며, 도 4E에서, 오버팩 콘테이너 관(10)은 새장모양 프레임(30)의 측벽들의 교차점에 각각 부착된 네 개의 충격흡수 지지물(40)들로부터 지지되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이와 또 다른 지지 배열들이 구성될 수 있음을 알 수 있다.
도 3에서는 내부 라이너(18)가 핵연료 집합체에 대해 일단 위치된 후 내부 라이너(18)를 오버팩 콘테이너 관(10)으로 적재하는 데 사용되는 수송차(42)를 나타낸다. 수송차(42)의 측벽들은 내부 라이너(18)가 수용된 이동대(44)를 오버팩 콘ㅌ테이너 관(10)의 축과 일직선으로 정렬시키는 외부 프레임(30)과 일직선으로 정렬되어 있다. 그런 후, 외부 프레임(30)과 수송차(42)가 수평위치로 지지되는 형태로, 내부 라이너(18)는 수송차(42)를 기초로 롤러 위에서 축방향으로 오버팩 콘테이너 관(10)으로 옮겨진다. 양자 택일적으로, 외부 프레임(30)은 수직위치로 방향지어지고, 윈치(50)는 수송차(42)의 끝에 묶여진 케이블을 제어하여 내부 라이너(18)를 천천히 오버팩 콘테이너 관(10)의 내부로 내릴 수 있다.
내부 라이너에 핵연료 집합체의 외피와 서로 상보적이 되는 상기와 다른 내부 형태를 제공하여 상기와 다른 핵연료 집합체 구성이 채용될 수 있다. 본 발명의 기본적인 예는 오버팩 콘테이너 관으로 삽입되는 대합조개 모양의 핵연료 집합체 패키지에 있다. 그리고 외부 서스팬션 시스템과 새장모양 프레임은 오버팩 콘테이너 관을 지지한다. 상기 설계 형태를 통해서 현재의 연료 수송 수단은 매우 간단하고, 값이 싸며, 경량의 대체물로 대체된다.
오버팩 콘테이너 관은 여러 형태의 연료들뿐만이 아니라, 각종의 구조의 가압수형 원자로 핵연료들을 운반할 수 있는 다양성을 제공한다. 오버팩 콘테이너 관은 비등수형 원자로 연료 집합체와 기타 핵생산품용으로 구성된 대합조개 모양의 핵연료 집합체 패키지를 운반할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예가 상세하게 설명되었지만, 본 명세서에서 설명된 전반적인 교시 내용에 비추어 당업자에 의해 다양한 변경과 그 대안책들이 개발될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예는 첨부된 청구항들 및 그 균등물을 통해서 주어지는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며 오직 설명을 위한 것임이 이해되어야 한다.

Claims (24)

  1. 제 1 핵연료 집합체를 위한 운송 콘테이너로서,
    적어도 상기 핵연료 집합체의 축방향 크기 만큼의 길이를 갖고, 상기 제 1 핵연료 집합체보다 큰 내부 단면을 갖는 길다란 오버팩 콘테이너 관;
    적어도 상기 핵연료 집합체의 축방향 크기 만큼의 길이를 갖고, 상기 오버팩 콘테이너 관의 내부로 밀접하게 수용되도록 구성된 외부 원주와, 상기 제 1 핵연료 집합체의 외부 단면과 밀접하게 일치하는 내부 단면을 갖는 길다란 내부 라이너;
    적어도 상기 오버팩 콘테이너 관의 축방향 크기만큼의 길이를 갖고, 외부 프레임으로부터 이격된 관계로 외부 프레임 내로 상기 오버팩 콘테이너 관을 수용하도록 형성된 상기 외부 프레임; 및
    충격이 가해진 경우에서 상기 외부 프레임이 받는 상당 양의 충격 에너지로부터 상기 오버팩 콘테이너 관을 격리시키기 위해서, 상기 오버팩 콘테이너 관이 상기 외부 프레임 내에 실질적으로 지탱되도록 상기 오버팩 콘테이너 관을 상기 외부 프레임에 부착하는 충격 흡수수단을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 오버팩 콘테이너 관은 원형 단면을 갖는 핵연료 운송 콘테이너.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 오버팩 콘테이너 관은 연속적인 원주를 갖는 핵연료 운송 콘테이너.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 라이너는, 적어도 두 개의 원주 부분들로 분리가능하도록 형성되는 핵연료 운송 콘테이너.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 내부 라이너는 동일한 두 부분으로 분리가능한 핵연료 운송 콘테이너.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 내부 라이너의 접촉부분에 상보적인 위치 키이홈들이 형성되는 핵연료 운송 콘테이너.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 라이너는 스테인리스강으로 형성되는 핵연료 운송 콘테이너.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 라이너는, 상기 오버팩 콘테이너 관으로 미끄러져 들어가거나 나올 때, 마찰저항을 감소시키는 수단을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 마찰저항을 감소시키는 수단은 상기 내부 라이너와상기 오버팩 콘테이너 관의 양측 또는 그 중 어느 하나 위에서 지지되는 핵연료 운송 콘테이너.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 마찰저항을 감소시키는 수단은 텔리스코프식 레일을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 마찰저항을 감소시키는 수단은 축방향으로 이격되어 배치된 볼베어링을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 라이너와 상기 오버팩 콘테이너 관 사이에 삽입되는 붕소 슬리브를 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 오버팩 콘테이너 관은 축방향으로 이격되어 배치된 복수의 원주 리브를 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 오버팩 콘테이너 관은 적어도 하나의 종단 뚜껑을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 오버팩 콘테이너 관은 내부 및 외부 쉘 사이에 폐 셀 폴리우레탄층이 채워진 동축의 상기 내부 및 외부 쉘을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 내부 또는 외부 쉘 중 하나는 붕소를 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 내부 또는 외부 셀 중 하나는 붕소 스테인리스강으로 구성되는 핵연료 운송 콘테이너.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 프레임은, 상기 오버팩 콘테이너 관의 축선과 새장 모양의 구조로서 평행하게 위치되고 원주방향으로 이격되어 축방향으로 연장하는 부재에 각각 연결된 복수의 원주 스트랩을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 충격 흡수수단은 적어도 상기 원주 스트랩과 상기 오버팩 콘테이너 관 중 하나에 각각 연결되는 두 개의 충격 흡수재를 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 충격 흡수재는 상기 원주 스트랩과 상기 오버팩 콘테이너 관 상의 원주 리브 중의 하나에 각각 연결되는 핵연료 운송 콘테이너.
  23. 삭제
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 연장된 내부 라이너의 내면을 붕소-주입 스테인리스강 또는 붕소-규산염이 포함된 판들로 피복시키는 것을 포함하는 핵연료 운송 콘테이너.
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