KR101520132B1 - 고온의 기체상 열 운반체를 갖는 ｇｆｒ 타입의 핵원자로의 핵분열 다발용 핵연료 플레이트를 지지하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

지지장치의 하부 종단부를 형성하는 바닥(6)과 지지장치의 상부 종단부를 형성하는 덮개(8)를 포함하는 종축(X)을 갖는 핵연료 플레이트(4)들을 지지하는 장치로서, 상기 바닥(6)과 덮개(8)가 중앙연결수단과 주변연결수단을 통해 서로 연결되어 있고, 상기 덮개(8)에는 상기 핵연료 플레이트(4)들을 지지하기 위한 복수의 상부수단(18)이 부착되어 있고, 상기 바닥(6)에는 상기 핵연료 플레이트(4)들을 지지하기 위한 복수의 하부수단(16)이 부착되어 있고, 각 상부 및 하부지지수단은 상기 핵연료 플레이트의 폭(R) 방향으로 핵연료 플레이트(4)의 종단부의 탄성 지지를 확실하게 하고 또한 상기 핵연료 플레이트의 두께(T) 방향으로 상기 종단부의 자유 변형을 가능하게 하는 핵연료 플레이트 지지장치.

Description

고온의 기체상 열 운반체를 갖는 ＧＦＲ 타입의 핵원자로의 핵분열 다발용 핵연료 플레이트를 지지하기 위한 장치{DEVICE FOR HOLDING NUCLEAR FUEL PLATES FOR A FISSILE BUNDLE OF A NUCLEAR REACTOR OF THE ＧＦＲ THPE WITH HIGH-TEMPERATURE GASEOUS HEAT-CARRIER}

본 발명은 고속 중성자속 원자로(fast-flux reactor)용 핵연료의 판형상 요소(plate-shaped element)들을 지지하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 고온의 열전달 기체를 갖고, 핵연료 플레이트(nuclear fuel plate)들이 적재된 복수의 상기 지지장치에 의해 형성된 핵분열 다발(fissile bundle)을 가지며, 이러한 핵분열 다발을 포함하는 모놀리틱 조립체(monolithic assembly)를 갖는 소위 ＧＦＲ(Gas Fast Reactor)이라고 하는 제4세대 고속 중성자속 원자로에 관한 것이다.

일반적으로, 핵분열 반응으로부터 전력을 생산하는 발전소는 핵분열이 열전력(heat power)을 방출하면서 일어나는 연료 요소(fuel element)들을 사용하는데, 이 연료 요소는 그 냉각을 보장하는 열전달 유체와의 열교환에 의해 추출된다.

연료 플레이트들의 경우, 후자는 하나의 그룹(group)으로 병합되고 각 그룹 내에 서로 평행하게 위치된다. 열전달 유체, 예를 들면 헬륨은 열교환에 의한 칼로리(calorie)의 추출을 보장하는 플레이트들 사이로 유동한다.

원자로의 코어(core)는 몇 가지 기능을 갖는 구조물들에 의해 형성된다.

열유동(thermo-hydraulic)의 관점에서, 상기 구조물들에 의해, 모든 운전 조건에서 연료 요소들과 열전달 유체 사이의 열전달을 보장하는 것이 가능하다. 즉, 상기 구조물들은 그 냉각을 위해 요구되는 열전달 유체층(heat transfer fluid layer)들의 두께와 연료 요소들의 위치뿐만 아니라, 유압채널(hydraulic channel)에 열전달 유체의 공급을 보장한다. 이를 위해, 상기 구조물은, 플레이트들 사이로 유동하는 열전달 유체층들의 두께가 매우 적게 변하도록, 더구나 플레이트들의 상대적인 위치가 플레이트들의 면(face)에서 균질한 방식으로 유체의 순환을 허용할 수 있도록 연료 요소들을 충분히 지지해야 한다.

더구나, 이러한 구조물들이 어떤 우발적인 상황 중에 자연대류 방식으로 잔여 전력(residual power)의 배출을 허용하기 위해 조립체의 최소 압력손실을 도입하는 것이 요망되고 있다.

《성분의 체적율(vlume fraction of a component)》이란, 코어의 체적에 대한 성분의 체적 간의 비율을 의미한다.

중성자의 관점에서, 연료 요소들의 공간 내에 기하학적 구조의 안정성을 보장하고, 원자로의 적당한 조건과 양호한 수율(yield)을 위해 그리고 코어의 중성자 작동을 동요시키지 않도록 가능한 한 중성자에 가장 《투명》할 정도로 요구되는 대용량 전력(bulk power)에 도달할 수 있도록 하기 위해 핵분열 연료의 일정 밀도의 충전(filling)을 확보하는 것이 요구되며, 이는 정격 운전(rated operation)시든지 또는 우발적인 상황에서 운전시든지 어느 것이든 원자로의 운전방식에 관계없다. 이를 위해, 코어의 구조물들의 가능한 체적율만큼 뿐만 아니라 그들의 중성자 흡수와 감속계수(moderation coefficient)를 줄이는 것이 요구된다.

기계적인 관점에서, 구조물들은 코어의 기계적 아키텍쳐(mechanical architecture)를 확보하기 위한 것이다. 더구나, 이러한 구조물들이 코어의 적당한 중성자 작동을 보장하도록 하고 1차 회로(primary circuit)를 오염시키기 않도록 하기 위해, 그 수명이 다하는 동안 연료 요소들의 무결성(integrity)을 확보하는 것이 요구된다.

더구나, 일반적으로는, 원자로를 운전할 때, 가열요소(heating element)들인 연료 요소들은 그 지지 구조물(supporting structure)들보다 높은 고온에 있어 그 지지 구조물에 비하여 연료 요소들의 절대적인 차등 열팽창(differential heat expansion)을 일으킨다.

코어가 조정(moderate)되며 고속 스펙트럼(코어가 조정될 때의 경우에서의 열 스펙트럼)을 참조하는 고속 원자로의 특별한 경우에, 고속 스펙트럼이 차등 팽창(differential expansion) 이외에 차등 팽윤 현상(differential swelling phenomena)을 도입하므로 열 스펙트럼에서보다 연료 요소들의 열화에 대한 더 큰 위험성이 존재한다. 팽윤이란, 변형이 가역적인 열 팽창과 달리 물질들의 확실한 변형을 의미한다.

그러므로, 국부적으로는, 연료 요소들과 그 지지 구조물 사이의 상호작용 응력(interaction stress)의 위험성이 더 높고, 전체 코어의 레벨(level)에서, 코어 높이에 대한 조립체의 휨도(bowing)가 중요할 수도 있지만, 열 스펙트럼에서는 중요하지 않다.

그래서 이는 다음과 같이 2가지 결과를 가질 수 있다.

- 지지 구조물들에 의한 연료 요소들의 기계 부하(mechanical loading)의 위험성,

- 연료 요소들에 전달될 수 있는 코어의 기계적 아키텍쳐를 보장하는 요소들 사이에서의 기계 부하의 위험성.

부가적으로, 고속 스펙트럼은 연성/취성 천이온도(transition temperature)의 증가 및 취성 단계의 발생과 물질들의 과도한 팽창 때문에 조사(irradiation) 중에 물질들의 메짐성(embrittlement)을 야기시킨다.

이러한 메짐성은, 부과된 변형 형태의 하중(load)이 물질들 내에 내부 응력d으로서 또는 부품들 사이의 상호작용 응력으로서 표현되든지 간에 그 하중의 조절을 더 어렵게 한다.

더구나, 이러한 구조물들이 연료 사이클의 모든 단계의 운전, 일반적인 핸들링 운전, 조립, 디커플링(decoupling), 수송 및 재처리 운전을 용이하게 하는 것이 바람직하다.

최종적으로, 원자로 코어의 모든 구성부가 환경에 대해 위험하기 때문에, 원자로 코어는 재처리 단계를 거쳐야 한다. 따라서 그 수명을 최적하고 이에 의해 활성화된 폐기물(activated waste)의 양을 최소화하기 위해 코어의 구조물의 분해능력(demountability)을 조장하는 것이 바람직하다.

더구나, 높은 벌크 연료 분율(bulk fuel fraction)은 고속 스펙트럼, 이소제네레이션(isogeneration) 또는 심지어 오버제네레이션(overgeneration), 관심있는 수율(interesting yield)을 획득하여 원자로와 최종적으로 핵분열 물질의 허용가능한 재고량(inventory)을 제어하기 위한 충분한 안전여유(safety margin)를 보장하기 위해 적어도 20%의 차수까지 얻을 필요가 있다.

더구나, 제4세대 원자로를 위해 정해진 목표를 충족하기 위해, ＧＦＲ 타입의 원자로 코어에 의해, 그 원자로 코어가 폐기물(분열 생성물과 별로 중요하지 않은 악티나이드(actinide))을 변환시키는 능력 및/또는 생산되는 에너지 단위마다 요구되는 우라늄 양을 상당할 정도로 절감시키기 위해 전환율(conversion rate)을 적어도 1로 얻기 위한 가능성을 확보하는 고속 플럭스(fast flux)를 가져야 한다는 사실 이외에도, 전력을 고 수율로(예를 들면 직접적인 사이클로) 생성하거나, 수소를 생성하거나, 해수를 탈염(sesalting)하거나 또는 연료를 합성하기 위한 적용분야와 양립할 수 있는 충분히 높은 평균 온도값을 원자로의 출구에 도달하기 위해서는 열전달 기체에 의해 가능하게 되어야 한다는 것으로 보인다. 이러한 값은 400℃ 차수의 입구 온도에 대해 약 900℃로 설정되는데, 이는 500℃의 코어 내에 축방향 열경사(axial heat gradient)를 초래한다. 모든 원자로 시스템 중에서, ＧＦＲ 타입 원자로의 코어 내에 매우 큰 열경사를 가지면서 코어 출구의 온도에서 열전달 기체를 사용하는 이와 같은 목표는 국부적인 차등 열팽창(local differential thermal expansion)에 대하여 매우 엄격한 운전조건을 야기하며, 이는 연료 요소들의 열화 위험을 초래한다.

사실상, 열전달 기체는 가압수 원자로의 물과 비교하여 또는 고속 중성자 원자로의 나트륨과 비교하여 기체의 낮은 열전도율 때문에, 그리고 연료 요소들의 냉각을 보장하기 위해 그에 적용될 필요가 있는 매우 높은 속도 때문에 전도성 교환(conductive exchange)에 의해 핫포인트(hot point)의 국부적인 냉각을 확보하는데 매우 효율적이지 않다. 예를 들면 고속 중성자 원자로에서 약 10m/s이고 가압수 원자로에서 약 5m/s일 때 기체에 대해 대략 100m/s가 요구된다.

더구나, 코어는 전체적으로 매우 큰 열경사를 갖는다. 온도의 평균 축방향 상승(axial rise)은 5고속 중성자 원자로의 경우 기껏해야 180℃이고 가압수 원자로의 경우 37℃임에 대해 500℃의 차수를 갖도록 플레이트들을 따라 실제로 예측된다.

더구나, 조사(irradiation) 중의 팽윤은 일반적으로 온도에 의존한다. 따라서, 강력한 국부적인 열경사의 존재는 이러한 차등 팽윤의 중요성의 그 이상 증가를 위태롭게 한다.

차등 변형은 ＧＦＲ 타입 원자로의 경우에 매우 번거로운 일이다. 이는 후자가 이러한 원자로의 고온에 적합된 내화성 물질을 적용하고 있기 때문이며, 이 물질은 본질적으로, 원자로에 통상으로 사용되는 금속보다 더 낮은 인성과 연성을 가지며, 따라서 이러한 변형에 특히 민감하다.

플레이트 타입의 연료 요소들을 사용하는 몇 가지 타입의 원자로, 예를 들면 쥴스 호로비츠 원자로(Jules Horowitz Reactor, JHR)와 같은 MTR(material Testing Reactor) 타입의 실험적인 원자로가 있다. 이 원자로에 있어서, 플레이트들은 슬라이더(slider) 연결에 의해 그 자체의 전체 높이에 걸쳐 지지되며, 코어의 전체 높이를 차지한다. 이러한 타입의 디자인은 차등 팽창과 차등 팽윤의 발생이 플레이트들에 대해 허용할 수 없는 응력 인가를 초래할 것이기 때문에 ＧＦＲ 타입 원자로에 적합할 수 없다.

열전달 기체에 의해 냉각되는 원자로에 대한 플레이트 타입의 연료 요소들의 지지구조는 문헌 GB 2,021,844 A로부터 또한 알려져 있다. 이 지지구조는 스파이더(spider)의 형태로 중앙분리요소(central separation element)가 부착되는 육각형 상자로 이루어져 있고, 이 중앙분리요소는 상자의 전체 높이에 걸쳐 뻗어 있다. 플레이트들은 스파이더로 형성된 홈(groove)과 육각형 상자의 내면에 횡방향으로 지지되어 있다. 플레이트들은 코어의 전체 높이를 차지하지 않지만 서로 적층되어 있고, 최하부의 플레이트는 각 홈의 베이스(base)에 형성된 접합부(abutment) 상에 놓여진다. 플레이트들의 지지구조는 전체적으로 구획된 두꺼운 상자로 이루어져 있으므로 특별히 단단하고 큰 관성을 가지며 중앙 스파이더에 의해 그 전체 높이에 걸쳐 강성을 제공한다.

이러한 타입의 구조는 구조물 구성의 팽윤과 팽창을 고려하지 않으므로 ＧＦＲ 타입 원자로의 경우에 반드시 적합하지 않을 수 있다. 사실상, 연료 플레이트들의 변형은 플레이트들에 손상되기 쉬운 응력을 인가할 수 있는 레일(rail)들에 의해 방해될 것이다. 더구나, 코어의 전체 높이에 걸친 플레이트들의 적층 때문에, 팽윤으로 인해 그 레일에의 플레이트의 고정은 다른 플레이트들의 축방향 변형을 차단할 것이고, 이러한 상황 하에서 연료 요소들에 부과된 변형 타입의 부하가 얻어질 것이며 이에 의해 급속히 그 파괴로 이어질 것이다.

더구나, 이러한 구조물의 취급은 용이하지 않으며, 사실상 모듈(module) 마다 플레이트들의 분리를 허용하지 않고 플레이트들의 개별적인 취급만이 가능하다.

문헌 GB 1,162,641은 또한 플레이트 타입의 연료 요소들의 조립체를 개시하고 있다. 이 조립체는 스파이더를 형성하는 3개의 중앙 구획부를 갖는 육각형 케이싱으로 이루어져 있는데, 플레이트들은 직접 합체되어 있다. 플레이트들은 핵분열 다발의 전체 높이를 차지하며, 그 다발의 바닥에서 용접되고 또한 그 다발의 상부에서의 플레이트들의 간격은 플레이트들을 축방향으로 자유롭게 확장하게 하는 콤브 시스템(comb system)에 의해 확보된다. 플레이트들의 측 가장자리(side edge)들은 그 전체 길이에 걸쳐 케이싱의 내벽과 접촉하여 있다. 케이싱과 접촉하는 측면과 그 내부 구획부는 케이싱과 플레이트들 사이에 차별적인 횡방향 변형을 허용하지 않으며, 그 하단부에서의 플레이트들의 용접은 플레이트들이 휘지 않게 한다. 더구나, 케이싱의 전체 높이에 걸쳐 플레이트들의 이러한 횡방향 접촉 상태는 케이싱이 휘는 경우에 플레이트들의 부하로 이어질 것이다.

문헌 GB 907,303은 고속 중성자속 원자로용 연료 플레이트들은 지지하기 위한 시스템을 개시하고 있다. 이 플레이트들은 직사각형 부분을 갖는 상자 안에 위치되며 그 상자의 전체 높이를 차지한다. 후자는 연료의 팽윤 효과 하에 플레이트들을 자유롭게 휘게 할 수 있어야 하는 기계적 작용 유격(mechanical functional play)을 갖는 측면 랙(lateral rack)에 의해 상부 구역과 하부 구역에서 유지된다. 연료 플레이트들은 서로 상호의존적이고, 따라서 플레이트들 중 하나의 변형은 이웃하는 플레이트들에 대해 중요성을 갖는다. 더구나, 지지 시스템은 강성이며, 따라서 그 자체의 팽윤 및/또는 팽창 중에 응력을 받게 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 핵연료 플레이트들이 변형될 수 있을 뿐만 아니라 코어 속의 연료물질의 매우 높은 벌크 분율(bulk fraction), 유리하게는 적어도 20%를 관찰하면서 다른 요소들이 플레이트들과 서로 다른 요소들 사이의 상호작용에 의해 열화됨이 없이 조립체를 형성하는 고속 원자로용 핵연료의 조립체를 제공하는데 있다.

발명의 개시

앞서 설명한 목적은 뼈대(cage)를 형성하는 구조물을 둘러싸는 케이싱(casing)을 포함하는 조립체에 의해 달성되는데, 여기서 플레이트들은 분배된 층방식(storeywise)이며, 이 플레이트들은 그룹마다 서로 평행하게 위치되고 그 자체의 폭방향으로 그 하단부와 상단부에 의해 지지될 뿐이다. 그래서, 서로 평행한 플레이트들은 기계적으로 독립적이고 서로에 영향을 미치지 않는다.

더구나, 본 발명에 의해, 2개의 별개의 층(storey)으로 된 플레이트들 사이에 기계적인 상호작용이 전혀 없다. 더구나, 뼈대와 케이싱은 분리되며, 또한 케이싱/뼈대의 변형은 각각 뼈대/케이싱에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 더구나, 뼈대는 플레이트들이 케이싱과 접촉하지 않도록 하고 있다. 그래서, 조립체의 각 부재의 팽창 및/또는 팽윤에 의한 변형이 어떤 중대한 상호작용 응력도 없이 자유롭게 발생될 수 있다.

즉, 본 발명은 연료 요소들과 지지 구조물들 사이의 기계적인 디커플링 뿐만 아니라 축방향 연료 요소들 사이의 디커플링을 보장한다. 더구나, 본 발명은 지지 구조물들과 코어의 구조물 사이의 디커플링을 보장한다.

본 발명은 연료 요소들의 파괴(ruin)로 이어질 수 있는 상호작용 응력의 발생을 피하기 위해 각 연료 요소와 그 지지 구조물 사이에 이소스태틱 타입(isostatic type)의 연결을 적용한다. 이소스태틱 타입의 연결이란, 구조물들과 연료 요소들 사이에 과다한 연결이 없다는 것, 기계적인 작용 유격이 있다는 것, 및/또는 그 자체의 지지 구조물에서 연료 요소들의 자유로운 변형을 허용하기 위해, 현 연결부들에 대해 탄성적인 강성을 지지하는 것을 말한다.

본 발명에 따르면, 조립체가 기계적으로 독립적인 플레이트들의 수 개의 층(storey)을 포함한다는 것이 제공되어 있다.

지지 구조물들이 예측된 것보다 더 큰 차등 변형이 있는 경우에 연료 플레이트들에 중대한 응력을 인가하는 것을 피할 수 있는 비교적 유연한 지지 구조물을 제조한다는 것이 제공되어 있다. 더구나, 구조물들은 플레이트들의 축방향 지지(axial support)를 달성시키며, 이는 횡방향 지지(transverse support)보다 덜 번거롭다. 이와 같은 요구되는 공간의 감소는 코어 내의 연료 체적율의 감소의 제한을 허용하고 매우 중요한 수리학적 사체적(hydraulic dead volume)이 회피될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 의해, 코어의 기계적 아키텍쳐(mechanical architecture)를 보장하는 것으로부터 연료 요소들의 지지를 보장하는 구조물들을 분해하고 기계적으로 디커플링하기 위해 연료 플레이트들의 면(face)들 사이에 기계적인 상호작용을 회피하고 높은 체적율을 얻는 것이 가능하다.

본 발명의 요지는 지지장치의 하부 종단부(lower longitudinal end)를 형성하는 바닥(bottom)과 지지장치의 상부 종단부(upper longitudinal end)를 형성하는 덮개(lid)를 포함하는 종축(longitudinal axis)을 갖는 핵연료 플레이트들을 지지하는 장치에 관한 것으로, 바닥과 덮개는 중앙 연결수단과 주변 연결수단을 통해 서로 연결되고 덮개에는 플레이트들에 대한 복수의 상부 지지수단이 부착되어 있고, 바닥에는 플레이트들에 대한 복수의 하부 지지수단이 부착되어 있고, 각 상부 지지수단은 플레이트의 폭방향으로 플레이트의 상부 종단부의 탄성적인 지지를 보장하고 또한 플레이트의 두께방향으로 플레이트의 상부 종단부의 자유로운 변형을 허용하며, 각 하부 지지수단은 플레이트의 폭방향으로 플레이트의 하부 종단부의 탄성적인 지지를 보장하고 또한 플레이트의 두께방향으로 플레이트의 하부 종단부의 이동을 허용한다.

특히 유리한 실시형태에 있어서, 각 상부 지지수단은 바닥을 향하여 종방향으로 돌출하여 있는, 복수의 정합 톱니(alligned teeth)를 구비한 상부 콤브(upper comb)를 포함하고, 상기 톱니들 중 하나는 플레이트의 폭방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있고 각 하부 지지수단은 덮개를 향하여 종방향으로 돌출하여 있는, 복수의 정합 톱니를 구비한 상부 콤브(lower comb)를 포함하고, 상기 톱니들 중 하나는 플레이트의 폭방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있다. 이러한 지지수단들은 매우 간단하고 부피가 큰 디자인이 아니며, 따라서 원가 절감되고 또한 벌키성(bulkiness)이 줄어든다. 더구나, 이러한 지지수단들은 지지장치의 체적율을 감소시키는데 관여한다.

탄성 지지를 제공하는 톱니는 톱니의 폭을 따라 지지부와 위치결정 기준(positioning reference)을 제공하며, 다른 톱니는 횡방향 변형의 자유도, 즉 플레이트와 함께 차등 변형은 물론 플레이트의 횡방향 휨을 조절하는 능력을 보장하면서 횡방향 지지를 보장한다.

유리하게는, 플레이트의 폭방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있는 톱니는 각각 바닥과 덮개의 중앙부를 향해 위치된 하부 콤브와 상부 콤브의 축단부(axial end)에 위치되는데, 이는 제1 플레이트의 단부와 제1 플레이트에 각각 경사진 제2 플레이트의 면(face) 사이로 유동하는 기체층의 폭 관찰을 보장한다.

예를 들면, 플레이트의 폭방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있는 톱니는 톱니를 갖는 단편(single piece)에 적어도 하나의 탄성적으로 변형가능한 만곡형 탭(curved tab)을 포함한다. 이러한 디자인은 간단하고 강건하다는 이점이 있다.

지지장치는 정육각형의 형상을 갖는 교차부(cross-section)를 가질 수 있고, 상부 및 하부 지지수단은 3개의 마름모꼴 모양의 영역 내에 분배되어 있으며 바닥의 마름모꼴은 덮개의 마름모꼴에 대향하여 있다. 이러한 형상에 의해, 육각형 케이싱을 갖는 고속 중성자속 원자로의 기계적 아키텍쳐 기능(mechanical architecture function)을 보장하는 것이 가능하다.

같은 영역의 하부 콤브는 마름모꼴의 양 측면에 평행하게 위치되고 상기 일정 거리만큼 분리되며, 같은 영역의 상부 콤브는 2개의 측면에 평행하게 위치되고 상기 일정 거리만큼 이격되어 있다.

지지장치는 바닥과 덮개를 연결하는, 바닥과 덮개의 주변에 부착된 3개의 종방향 연결봉(tie rod)을 포함할 수 있다. 이러한 연결봉들은 바닥과 덮개를 실질적으로 평행하게 유지시키며 줄어든 질량과 작은 체적의 구조에 관여하면서 바닥과 덮개 사이에 매우 큰 부정합(misalignment)의 발생을 회피한다.

지지장치는 또한 바닥과 덮개 사이에 개재된 중앙 빔(central beam)을 포함하고, 상기 빔은 종방향 관통로(through-passage)를 포함하고, 이 빔은 상부 지지장치를 위한 지지부를 형성한다. 이 빔은 유리하게는 육각형 형상을 갖고, 이는 에럴릭 사공간(aeraulic dead space)을 한정하고 또한 베이스(base)에 대해 덮개의 각도 위치결정의 기하학적 공차(geometrical tolerance)를 보장하기 위해 상기 중앙 빔과 플레이트들의 가장자리(edge) 사이에 일정한 거리를 확보한다.

또한, 본 발명에 따른 지지장치는 유리하게는 상부 지지장치를 방향 설정하기 위한 수단을 포함하고, 그 바닥은 지지장치에 위치된 플레이트들을 상부 지지장치에 위치된 것과 정합하기 위해 덮개 위에 놓여지게 하고, 상대적인 방향 설정은 스택(stack)의 전체 높이에 걸쳐 플레이트들의 정합을 가능하게 하며 향상된 기체 흐름은 실질적으로 일정한 부분을 갖고 기체 순환을 위한 연속적인 상호간의 플레이트 채널(inter-plate channel)들에 의해 플레이트들 사이에서 얻어진다.

이러한 방향설정수단(orientation means)은 주변부를 육각형 형상으로 경계 짓기 위해 덮개의 주변에 부착되고 바닥으로부터 종방향으로 이격되어 돌출하는 작은 플레이트(small plate)들을 포함할 수 있다. 이 방향설정수단은 매우 간단한 디자인을 가지며 조립체의 케이싱과 우선적으로 접촉하는 접촉수단을 형성하기도 한다.

작은 플레이트들은 예를 들면, 종방향의 연결봉 상에 부착되어 있다.

지지장치는 연료 사이클의 모든 단계(장착, 핸들링, 수송, 저장, 재처리)를 위한 연료 플레이트들에 대해 우선적인 핸들링 수단(preferential handling means)을 형성하고 활성화된 폐기물 양을 최소화시킬 수 있게 해준다.

본 발명의 요지는 또한 본 발명에 따른 적어도 2개의 지지장치를 포함하는 핵분열 다발에 관한 것이고, 각 지지장치에는 핵연료의 플레이트들이 적재되어 있고, 한쪽의 지지장치는 다른 쪽의 지지장치 위에 적층되며, 상기 한쪽의 지지장치의 바닥은 상기 다른 쪽의 지지장치의 덮개 위에 놓여진다.

상기 플레이트들은 유리하게는 그 종단부에 톱니의 형상에 대응하는 형상을 갖는 축방향 캐버티(axial cavity)들을 포함한다. 핵분열 다발의 분할에 의해, 서로에 대해 지지장치들의 상대적인 굽힘에 의해 케이싱의 휨도를 조절하는 것이 가능하다.

유리하게는, 본 발명에 따른 핵분열 다발은 상기 다른 쪽의 지지장치의 바닥에 놓여지는 베이스, 베이스의 중앙 영역에 부착되고 중앙 빔을 종방향으로 통과하는 중앙 연결봉, 및 중앙 연결봉에 부착된 상부 접합부(abutment)를 포함한다. 더구나, 중앙 연결봉에 의해, 연결봉의 상부에 부착된 상부 접합부에 의해 바스켓들의 비편재화를 피하는 것이 가능하다.

유리하게는, 핵분열 다발은 하부의 지지장치를 방향 설정하기 위한 수단을 포함하고, 그 바닥은 베이스 위에 놓여지며, 이러한 방향설정 수단은 베이스의 주변에 부착되고 육각형 형상의 주변부의 경계를 짓기 위해 바닥을 향해 종방향으로 돌출하는 작은 플레이트들을 포함한다. 이러한 작은 플레이트들의 치수 결정은 베이스에 대해 하부의 지지장치의 굽힘 능력(capability of flexure)을 결정한다.

유리하게는, 상기 플레이트들은 그 종단부에 톱니의 형상과 정합되는 형상을 갖는 축방향 캐버티들을 포함하고, 그 캐버티들의 깊이는 톱니의 종방향 치수보다 더 크고 캐버티 폭은 톱니의 폭보다 더 크다.

상기 플레이트들은 예를 들면, 제1 패널(panel), 별개의 셀(cell)을 형성하기 위해 제1 패널에 상호의존적으로 부착된 복수의 벽의 그리드(grid), 및 2개의 대향면 사이의 축을 따라 뻗는 적어도 하나의 핵연료 펠릿(pellet)을 포함하고, 상기 펠릿은 그 벽과 펠릿 사이에 반경방향 유격(radial play)을 갖는 셀에 편재되어 있고 펠릿의 축은 셀의 벽에 실질적으로 평행하다.

상기 플레이트들은 셀들을 폐쇄하기 위해 상기 그리드에 상호의존적으로 부착되고 제1 패널에 평행하고 대향하는 제2 평면상 패널(planar panel) 또는 셀들을 폐쇄하기 위해 제1 플레이트의 그리드에 상호의존적으로 부착되고 제1 패널의 그리드에 상호 보완되는 돌출형 그리드(protruding grid)을 구비하는 제2 패널을 포함할 수 있다.

유리하게는, 상기 그리드는 육각형 셀을 갖는 허니컴 구조(honeycomb structure)이다.

본 발명의 요지는 본 발명에 따른 핵분열 다발과 핵분열 다발 주위에 장착된 육각형부(hexagonal section)와 종축을 갖는 케이싱을 포함하는 열전달 기체를 갖는 고온 고속 핵원자로용 핵연료 코어 조립체에 관한 것이다.

케이싱과 핵분열 다발 사이에는 유격이 형성되어 있고, 이 유격은 베이스의 주변에 부착된 작은 플레이트들과 지지장치의 주변에 부착된 작은 플레이트들에서 더 작고, 플레이트들과 케이싱 사이의 기계적인 상호작용은 플레이트들 및/또는 케이싱의 변형이 있는 경우에 회피될 수 있다.

더구나, 제4세대 고속 원자로의 경우, 원자로의 리사이클링(recycling)을 최적화하기 위해 원자로의 풀(pool)에 의해 생성되는 마이너 악티나이드(minor actinide)를 연료에 도입하는 것이 제공되어 있다. 본 발명에 의해, 연료 요소들의 유닛이 쉽게 핸들링될 수 있으므로, 연료 요소들의 핸들링은 연료 사이클의 모든 단계(조립체들의 장착 및 분해, 수송, 재처리)에 대한 차폐화된 셀 조건(shielded cell condition) 하에서 실시된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 플레이트들을 지지하는 장치의 3/4을 보인 도면.
도 2는 플레이트들로 일부 채워진 상태에서의 도 1의 지지장치의 3/4을 보인 도면.
도 3은 플레이트들로 완전히 채워진 상태에서의 도 1의 지지장치의 3/4을 보인 도면.
도 4a는 본 발명의 지지장치에 특히 적합한 연료 플레이트의 종단면도.
도 4b는 도 4a의 플레이트의 종단부의 외부 도면.
도 4c는 도 4a의 연료 플레이트의 구상을 보인 분해 사시도.
도 5는 플레이트의 하단부와의 경계면(interface)에서의 지지장치의 상세도.
도 6은 본 발명에 따른 지지장치에 장착된 플레이트의 하단부와 다른 플레이트의 상단부의 종단면도.
도 7은 본 발명에 따른 지지장치의 측단부의 상세도.
도 8은 본 발명에 다른 조립체의 도면으로서, 케이싱이 일부 축방향으로 이동된 상태를 보인 도면.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 핵분열 다발을 지지하기 위한 2개의 장치들 사이의 모의 굽힘(simulated flexure)의 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 핵분열 다발의 상부 부분의 상세도.

본 발명은 다음의 설명과 첨부한 도면에 의해 충분히 이해될 것이다.

도 1에서, 3/4의 사시도에 의해 고속 중성자속 원자로, 특히 고온에서 열전달 기체를 갖는 고속 중성자속 원자로의 코어를 형성하는 모놀리틱 조립체(monolithic assembly)의 일부로서 나타내는 본 발명에 따른 핵연료 플레이트 지지장치가 보여질 수 있다.

이하는 열전달 기체를 갖는 원자로를 고려함으로써 설명된 것이고, 따라서 《에럴릭(aeraulic)》용어는 본 발명의 유동 특성을 나타내기 위해 사용된 것이고 기체 유동에 노출된 발명의 구성요소들, 특히 플레이트들에 의해 구분되는 채널(channel)들은 에럴릭 채널들로 칭해진다.

그러나, 본 발명은 또한 이후 상세히 설명하는 바와 같이 유압유(hydraulic fluid)에 의해 냉각된, 예를 들면 나트륨으로 냉각된 원자로들에 적용된다. 이들 경우에, 적당한 용어는 상기 채널들을 명백히 설명하기 위한 《유압(hydraulic)》일 수 있다.

나머지로서, 핵연료 조립체는 조립체의 외벽들을 형성하는 외부 케이싱(casing)과 소위 핵분열 다발(fissile bundle)이라고 하는 핵연료 플레이트들을 지지하는 내부 구조물을 포함한다.

본 발명에 따르면, 핵분열 다발은 도 3에 예시한 핵연료 플레이트(4)들로 적재된 수개의 지지장치(2)의 중첩(superposition)에 의해 형성된다. 핵연료 플레이트들은 핵연료 플레이트(4)들에 의한 설명에서 그 후에 나타내질 것이다.

지지장치(2) 또는 바스켓(basket)은 바스켓의 하단부를 형성하는 정육각형의 형상을 갖는 바닥(6)과 바스켓의 상단부를 형성하는 정육각형의 형상을 갖는 덮개(8)를 포함하는 종축(longitudinal axis)(X)을 갖는 거의 육각형 형상을 갖는다. 바닥(6)과 덮개(8)는 종축(X)에 평행하고 덮개(8)의 최상부와 바닥(6)의 최상부 사이로 뻗는 외부 연결봉(tie rod)(10)들에 의해 연결된다.

연결봉들은 바닥과 덮개 사이의 균형잡힌 연결을 달성하기 위해 바닥과 덮개의 주변에 규칙적으로 분배되는 것이 유리하다. 예시한 실시예에서, 외부 연결봉(10)들은 3개이며, 그 연결봉들은 제한된 과밀화로 가해지는 힘의 균형잡힌 분배를 확실하게 하기 위해 분배되어 있다.

연결봉들은 뚜렷한 세장비(細長比, slenderness ratio)를 갖는 봉들로 형성되어 있다.

세장비는 본 출원에서는 섹션(section)의 두께에 대한 부재의 길이의 비율로 정의된다.

본 출원인은 도 2에 의한 설명에서 나중에 사용된 방향(direction)들을 정의할 것이다.

플레이트의 반경방향(R)은 플레이트의 폭으로 정의되며, 횡방향(T)은 플레이트의 두께로 정의되고 축방향과 반경방향에 직교한다.

바스켓(basket)은 또한 바닥(8)의 중앙에 바닥(6)의 중앙을 연결하는 중앙빔(central beam)(12)을 포함한다. 이 빔(12)은 중공(hollow)이며 이후에 설명할 중앙 연결봉(14)에 의해 교차된다. 이를 위해, 바닥(6)과 덮개(8)는 이 중앙 연결봉(14)을 통과시키기 위한 중앙구멍(central aperature)(15)을 포함한다.

예를 들면, 중앙빔(12)은 바닥(6)과 덮개(8)의 중앙부분에 형성된 육각형 돌출부에 끼워진다.

이 빔(12)은 축방향으로 바스켓을 강화시켜서 상부 바스켓을 지지하도록 하며, 덮개와 바닥 사이의 거리를 설정하여 플레이트(4)에 X축을 따른 응력의 인가를 회피시키도록 한다.

더구나, 그에 따라, 바스켓의 기하학적 공차(geometrical tolerance), 바닥과 덮개의 동축도(coaxiality), 및 그 상대적인 각도 위치결정(angular positioning)을 보장하는 것이 가능하다.

이 빔에 의해, 플레이트의 냉각을 수반하지 않는 열전달 유체를 소모하는 중앙의 사공간(deas space)을 억제하는 것도 가능하다.

바닥(6)과 덮개(8)는 각각 플레이트(4)들을 지지하기 위한 하부지지수단(16) 및 상부지지수단(18)을 포함한다.

플레이트들은 축방향을 따라 뻗는 그 길이, 반경방향을 따라 뻗는 그 폭, 및 횡방향을 따라 뻗는 그 두께에 의해 정의된다.

플레이트들은 육면체, 유리하게는 직육면체이다.

보다 큰 표면의 면(face)은 다른 형상을 가질 수도 있다. 후자는 평행사변형, 예를 들면 실질적으로 직사각형, 사다리꼴, 이등변 사다리꼴 또는 직사각형 사다리꼴일 수 있다.

플레이트들의 다른 면은 이러한 형상을 가질 수도 있다.

일반적으로, 평행사변형의 각도는 90°에 가까운 것이 유리하고 기껏해야 몇 도만큼 이 값으로부터 벗어날 뿐이며, 예를 들면 그 각도는 [85°, 105°] 사이에 포함된다.

바닥(6)과 덮개(8)를 분리하는 거리, 더 구체적으로는 동일한 플레이트들 지지하는 하부지지수단(16)과 상부지지수단(18) 사이의 거리는 플레이트의 길이보다 크고, 이 거리는 어떤 이동의 위험도 없이 플레이트들의 자유로운 변형을 허용하는 축방향의 유격(axial play)을 확실하게 하기 위해 선정된다.

본 발명에 따르면, 상기 하부지지수단(16)과 상부지지수단(18)은 반경방향을 따라 플레이트들을 지지할 뿐이며 횡방향을 따라 작은 변위를 가능케 하고, 그 유격은 밀리미터의 1/10의 차수이다.

바스켓에 위치된 플레이트들은 3개의 그룹(G1, G2, G3)으로 분배되는데, 플레이트(4)는 서로 평행하고 2개의 그룹의 플레이트들은 그들 사이에서 60℃의 각을 형성한다. 본 출원인은 특히 플레이트들의 그룹(G1)을 설명할 것이나, 그 설명은 다른 그룹(G2, G3)에도 적용된다.

바닥을 지지하기 위한 하부지지수단(16)은 덮개에 대한 상부지지수단(18)과 동일하며, 따라서 본 출원인은 하부지지수단(16)에 대해 상세히 설명할 것이다.

각 플레이트(4)는 다른 플레이트들을 지지하기 위한 수단과 관계없이 하부지지수단(16)에 의해 지지되고, 후자는 모두 동일하며, 본 출원인은 하나의 플레이트들 지지하기 위한 하부지지수단(16)에 대해 상세히 설명할 것이다.

도 5에 보여지는 하부지지수단(16)은 플레이트(4)의 축단부(axial end)(4.1)에 형성된 오목부(recess)(24)들 안으로 관통하기 위한 톱니(22)들을 갖는 콤브(comb)를 포함한다. 톱니(22)들은 거의 삼각형 외형(triangular profile)을 가지며 일정한 폭(e_d)을 갖는다. 오목부(24)들은 바닥(24.1)에 의해 규정되고, 그 외형은 톱니들과 측벽(sidewall)(24.2)들의 외형과 상호보완적이며, 측벽(24.2)들의 내부 면(internal face)들을 이격하는 거리는 두께 e_d보다 크다. 톱니(22)의 높이는 도 6에 보여지는 바와 같이 오목부(24)의 깊이보다 작다.

예시한 실시예에서, 콤브는 5개의 톱니를 포함하지만, 플레이트들의 폭에 따라 2개 또는 3개 이상 또는 4개 이상의 톱니를 구비할 수도 있다.

콤브는 또한 콤브의 방향을 따라 플레이트(4)를 고정시키기 위한 수단을 포함한다.

이 수단은 톱니(22')에 상호의존적으로 부착된 2개의 탭(tab)(26)에 의해 형성되고 오목부(24)의 바닥(24.1)의 측면들 증 하나를 압박하기 위한 것이다. 이러한 탭들의 탄성 변형은 톱니의 바닥의 다른 측면을 평평하게 하여 반경방향을 따라 플레이트(4)를 움직이지 못하게 한다. 그래서 탭들에 의해 형성된 돌출부의 탄성 강성은 톱니의 기준면(reference face)에 대해 플레이트(4)를 유지시킨다.

유리하게는, 톱니(22')는 콤브의 최내측의 톱니이며, 톱니(22')에 의해 유지된 플레이트 단부(4)에 대향하여 위치되어 다른 그룹의 플레이트의 면을 따라 유동하는 기체 간극(gas gap)의 두께가 보장될 수도 있다. 상술한 바와 같은 다른 톱니들은 즉 두께의 방향을 따라 플레이트의 횡방향 지지를 확실하게 한다. 이를 위해, 코어 내에 연료 체적율에 영향을 미치지 않고 그 두께를 따라 플레이트들의 자유로운 변형을 보장하기 위해 오목부(24)들과 톱니(22)들 사이에 횡방향으로 작용하는 기계적 유격(mechanical play)이 형성된다. 이러한 횡방향 유격이 4mm의 플레이트들 사이의 거리에 대해 밀리미터의 1/10 차수를 가지므로, 이러한 유격에 의한 횡방향 자유도는 플레이트들의 냉각 성질을 현저하게 변경할 수 없다.

주목할 점은, 2개의 중앙 톱니에 대해 보다 큰 횡방향 유격을 만들기 위한 또 다른 실시형태를 제공할 수 있고, 그에 의해 보다 큰 자유도가 2개의 주 연결 부중 하나를 열화(degradation)시키는 경우에 플레이트들의 횡방향 지지를 보장하면서, 폭방향으로 플레이트들의 가능한 휨에 대해 얻어지는 것이 유리할 수 있다. 사실상, 축방향 주변으로 플레이트들이 휘는 경우에, 플레이트의 변위(횡방향으로)는 양쪽 중앙 톱니에서 최대가 될 것이며, 2개의 외부 톱니에 상대적으로 이러한 톱니들에서 횡방향 유격을 증가시킴으로써, 휨 가능성은 횡방향 위치결정 기준을 보장하면서 증가된다. 더구나, 2개의 외부 톱니 중 하나가 열화되면, 플레이트의 횡방향 지지는 중앙 톱니에 의해 보장된다.

유리하게는, 단일 톱니에 의한 콤브의 방향으로 플레이트를 지지함으로써, 탄성 탭들이 구비된 톱니에서 단일 기준면(reference face) 만을 갖는 것이 가능한데, 이 기준면은 탄성 탭들을 구비한 톱니에 대향하여 있다. 이는 플레이트의 위치결정이 가능한 한 빡빡한 공차로 보장될 수 있게 해준다.

따라서, 콤브들은 플레이트들에 상호작용 응력을 인가함이 없이 플레이트들의 지지와 위치결정 기준을 확실하게 한다.

콤브가 금속 물질로 만들어지는 경우에, 후자는 예를 들면 금속 시트 스트립(metal sheet strip)을 폴딩(folding)하거나 엠보싱(embossing)함으로써 형성되고 탭(26)들은 하나의 톱니에서 스트립을 잘라내고 또한 볼록 구배(convex curvature)를 갖기 위해 탭들을 변형함으로써 얻어진다.

플레이트를 방사상으로 유지할 수 있는 힘을 발휘하기 위하여 충분한 강성을 갖는 단일 탭을 형성하는 것만을 제공할 수도 있다.

콤브들, 즉 하부 콤브 및 상부 콤브가 금속 물질로 형성되는 경우에, 하부 콤브 및 상부 콤브는 예를 들면 레이저로 용접되거나 바닥과 덮개 상에 크림핑(crimping)된다.

따라서, 각 플레이트(4)는 덮개(8)에 부착된 상부 콤브와 바닥(6)에 부착된 하부 콤브 사이에 유지된다.

외부 연결봉(10)들은, 콤브들의 톱니가 바스켓 내에 조립된 바닥(6)과 덮개(8) 사이에 너무 큰 정렬불량(misalignment)을 갖는 것을 회피하므로, 콤브들의 톱니에 플레이트들의 적당한 지지를 보장한다. 바닥(6)과 덮개(8)는 사실상, 제조 후에 현저할 정도로 평탄도 결함(flatness defect)을 가질 수 있는 미세 부품(fine part)이며, 플레이트들의 하중 하에 중대한 변형을 받을 수도 있다. 더구나, 연결봉은 바닥과 덮개 사이의 연결을 확실하게 하면서 바스켓이 핸들링(handling)될 수 있게 하여 준다.

따라서, 본 발명에 따른 바스켓은 외부 연결봉(10)들에 의해 연결된 바닥(6)과 덮개(8)를 축방향으로 통해 플레이트(4)들의 개별적인 지지를 가능케 하는 새장형태(case type)의 플렉시블 구조(flexible structure)를 형성한다. 그래서, 플레이트(4)들은 그에 인가되는 상호작용 응력(interaction stress)없이 지지된다. 사실상, 이러한 지지에 의해, 자유로운 축변형(axial deformation)과 자유로운 반경방향 휨(radial bowing)이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의해, 서로 그리고 바스켓으로의 플레이트(4)들의 기계적인 디커플링(mechanical decoupling)이 얻어진다.

더구나, 본 발명에 따른 바스켓은 핵분열 다발을 형성하기 위해 플레이트들을 쉽게 적재하기 위한 수단을 형성한다.

더구나, 플레이트들은 연료 사이클(fuel cycle)의 몇 가지 단계, 즉 수송, 핵분열 다발에의 장착 및 핵분열 다발의 디커플링(dismantling), 재처리(reprocessing)를 위해 그 지지 바스켓 내에서 취급될 수도 있다.

플레이트들로 적재된 본 발명의 바스켓들은 적층될 목적으로 한다.

예시된 실시예에서의 바스켓은 덮개의 최상부에 각각 부착된 3개의 작은 플레이트를 포함하며, 그 중 하나가 도 7에 보여진다. 3개의 서미트스(summits)는 120°의 각도로 분리되며 축방향으로 위쪽으로 돌출하여 있다. 이러한 작은 플레이트들은 덮개에 의해 규정된 육각형의 양 측면에 대해 평탄하게 되도록 접혀진다.

예시한 실시예에서, 작은 플레이트(28)들은 외부 연결봉(10)들에 부착되어 있는 것이 유리하다. 그래서, 연결봉들은 지지장치의 상대적인 굽힘 상태 하에 작은 플레이트에 대한 접합부(abutment)를 형성한다. 사실상, 작은 플레이트들이 어떠한 연결봉들도 없이 3개의 서미트스에 위치되었다면, 연료 플레이트들은 접합부를 형성하는 플레이트들이었을 것이며, 이 접합부는 연료 플레이트들의 기계적 보전(mechanical integrity)을 위해 손상되기 쉬울 것이다. 더구나, 연결봉들에서의 접합은 용이하게 되며, 후자는 접합 표면(abutment surface)을 형성한다.

이러한 작은 플레이트들은 서로에 대해 바스켓들의 상대적인 위치 결정을 확실하게 한다. 이러한 상대적인 위치 결정의 유지는 케이싱의 휨을 조절할 수 있도록 하기 위해 서로에 대해 바스켓들을 굴곡시키게 하면서 열전달 기체를 유동시키는 플레이트들 사이에 형성된 채널들의 연속성을 보장한다.

더구나, 이와 같은 작은 플레이트(28)들은 바스켓과 케이싱의 내면(inner face) 사이에 개재된 간격조절대(spacer)를 형성하고 외부 플레이트들과 케이싱 사이의 공기유동층(aeraulic layer) 두께를 설정한다. 여기서 상기 케이싱의 내면은 플레이트들과 케이싱 사이의 직접적인 접촉을 방지한다.

바스켓들은 코어 구조의 플레이트들의 기계적인 디커플링를 가능케 하는 플레이트들 주위에 작용적인 기계 유격의 분배를 보장한다.

이하에, 본 출원인은 본 발명에 따른 핵분열 다발의 제조에 대해 설명한다.

핵분열 다발은 본 발명에 따른 바스켓들의 적층에 의해 형성되며, 이 바스켓들은 플레이트(4)들로 적재되어 있다.

핵분열 다발은 정합되는 육각형 형상을 갖는 베이스(base)(30)를 포함하며, 이 베이스는 육각형 프레임(30.1) 및 플레이트들의 그룹의 3개의 위치를 나타내는 크로스 빔(cross-beam)(30.2)을 포함한다. 베이스(30)는 또한 바스켓들의 작은 플레이트(28)들과 유사한 작은 플레이트(32)들을 포함하며, 바스켓들의 작은 플레이트들과 같은 이 작은 플레이트들은 베이스(30) 상에 제1 바스켓의 적당한 위치 결정을 보장할 수 있다.

베이스(30)는 또한 3개의 크로스 빔(30.2)의 집합점(point of convergence)에 부착되고 축방향으로 뻗는 중앙 연결봉(14)을 포함하며, 크로스 빔은 이후 설명하는 바와 같이 바스켓들을 통과하기 위한 것이다.

스택(stack)의 제1 바스켓은 스택의 베이스를 형성하고, 후자는 베이스 상에 놓여지며, 중앙 연결봉(14)은 중앙 빔(12)을 통과한다.

이어서, 다음의 바스켓은 작은 플레이트(28)들 사이에 위치되고 나서, 양족 바스켓의 중앙 빔(12)들이 정렬되어 중앙 연결봉(14)을 통과한다. 또한 플레이트들은 그룹마다 축방향으로 정렬되고, 이에 의해 바스켓들의 2개의 높이에 걸쳐 플레이트들 사이에 연속적인 채널이 형성된다.

다음으로, 플레이트들로 적재된 제3 바스켓은 요구하는 플레이트(4)의 수가 도달될 때까지 이전과 같이 제2 바스켓 상에 적층된다.

다음으로, 스택은 중공 빔(hollow beam)들의 정렬에 의해 형성되며 플레이트들 사이의 연속 채널들과 중앙 연결봉에 의해 교차되는 중앙 통로(central passage)를 포함한다.

중앙 연결봉(14)은 특히 도 10에서 볼 수 있는 상부 접합부(upper abutment)(31)를 포함한다.

이 접합부(31)는 작동 중, 다만 어떤 연료 취급 단계 중에도 바스켓들의 비편재화(delocalization)를 회피하기 위한 것이다. 더구나, 그 접합부는 육각형 케이싱 내에 핵분열 다발을 장착하기 위해 핵분열 다발의 용이한 취급을 가능케 한다. 도 8에서, 케이싱(34)은 바스켓들의 스택 상에 부분적으로 배치되어 있다.

베이스(30)는 또한 육각형 케이싱 내에 핵분열 다발의 부착을 가능케 한다.

이하, 본 출원인은 문헌 FR 2 889 765에 설명한 바와 같이 본 발명에 특히 적합한 전형적인 핵연료 플레이트(4)를 설명한다.

도 4A-4C에 예시한 플레이트(4)는 각 펠릿(pellet)에 대해 개별적인 셀(cell)들을 규정하는 매크로구조(macrostructure)를 갖는 플레이트로서 복합요소(composite element)로 이루어지는 구조물을 포함한다. 매크로구조의 복합 플레이트 요소(4)는 2개의 클래딩 패널(cladding panel)(102, 104)을 갖는 샌드위치 패널(sandwich panel)에 기초하여 구성되며, 그 코어는 클래딩 패널(102, 104)의 면(face)들에 실질적으로 직교하여 위치되는, 허니컴 구조로서 배치되는 셀(108)들의 그리드(grid)(106)이다.

플레이트 요소(4)의 클래딩 패널(102, 104)에 의해 그 단부에 폐쇄되고 또한 벽(106)에 의해 경계 지워진 각 셀(108)은 핵분열 기체의 팽창부피를 정하고 또한 셀의 구조물들에 낮은 응력의 기계적 상호작용으로 연료(110)/클래딩 패널(102, 104)을 촉진하기 위해, 열전달 기체에 의해 냉각된 클래딩 패널(102, 104)의 면과 그 안에서 편재되는 연료(110) 사이의 열전달을 보장하도록 기본적인 셀(elementary cell)을 형성한다.

이러한 플레이트들은 작은 세장비와 함께 휨도를 밀리미터의 수십분의 1로 제한하게 하는 중요한 굽힘강성(flexural stiffness)을 제공한다. 따라서, 이와 같은 작은 휨도는 플레이트들의 면들에 의해 경계 지워지는 열전달 유체의 순환을 위해 채널들의 두께의 중대한 변경을 회피한다.

바람직하게는, 요소(4), 즉 그리드(106)와 각 클래딩 패널(102, 104)의 구조물 전체는 금속 도는 세라믹으로 이루어질 수 있는 같은 내화성 물질로 형성되며, 세라믹은 모놀리틱(monolithic)일 수 있고 또는 그 자체 세라믹인 섬유를 포함할 수 있다.

예로서, 플레이트들은 다음과 같은 mm 치수를 가질 수 있다.

257.3 × 128.9 × 8.4

문헌 FR 2 889 765에 설명한 플레이트들은 본 발명에 따른 장치에 지지하기 위해 특별히 적합되도록 변경되었다. 특히, 톱니(22)를 수용하는 오목부(24)는 육각형의 1/2셀(half-cell)에 의해 형성되며, 이 셀은 하나의 펠릿을 수용한다. 이러한 1/2셀은 사다리꼴을 형성하며, 그 보다 큰 베이스는 플레이트의 하부 또는 상부 축방향 가장자리(axial edge)와 일치한다.

더구나, 플레이트의 측 가장자리(side edge)는 단단하며 문헌 FR 2 889 765의 플레이트의 것과 비교하여 실질적으로 부드러운 표면을 형성한다. 측 가장자리의 이러한 부드러운 구조에 의해, 다음과 같이 하는 것이 가능하다.

- 플레이트들의 가장자리에 위치된 삼각형 부채널(sub-channel)들에 의해 형성된 사공간(dead space)을 메꾸는 것;

- 이웃하는 플레이트들의 온도 프로파일의 이종성(heterogeneity)을 제한하는 것;

플레이트의 가장자리에서 불완전한 셀의 프로파일에 의해 야기된 두드러진 압력 손실을 회피하는 것.

더구나, 중앙 연결봉을 통과시키기 위해 필요한 공간을 깨끗하게 하기 위해 3개의 중앙 플레이트에 대한 내부 셀의 행(row)을 억제하는 것이 제공되어 있다. 주목해야 할 점은, 이러한 억제가 약 0.3%정도 연료 체적율을 감소시킬 뿐이라는 것이다.

또한, 본 발명이 상술한 바와 같은 플레이트들의 조립체에 한정되지 않고 다른 어떠한 타입의 플레이트이 적합할 수 있는데, 예를 들면 핵연료가 더 이상 펠릿으로서 제공되는 것이 아니라 매트릭스 형태로 입자의 분산으로서 제공되는 플레이트 또는 연료가 라멜라 구조를 제공하는 플레이트가 있다.

다음으로, 핵분열 다발은 육각형 부분을 갖는 튜브(tube)에 의해 형성된 케이싱(34) 내에 삽입되는데, 이 다발의 삽입은 작은 플레이트(28, 32)들에 의해 안내된다.

본 발명에 따르면, 핵분열 다발은 바스켓들의 스택, 더 구체적으로는 플레이트들의 스택에 의해 형성되고, 따라서 플레이트들의 소형 그룹 단위로의 핵분열 다발의 축방향 분할(axial segmentation)이 있다. 이러한 분할에 의해, 서로에 대해 바스켓들의 휨에 의해 케이싱 휨도를 조절하는 것이 가능하다. 더구나, 케이싱(34)은 작은 플레이트들에서만 핵분열 다발과 접촉하여 있다. 주목해야 할 점은, 지지장치들의 상대적인 휨이 케이싱의 휨도의 조절을 가능케 하는 한, 핵분열 다발이 케이싱의 기계적 강성에 기인하지 않는다는 것이다.

더구나, 이러한 분할에 의해, 각 플레이트의 스케일에서 휨도를 분포하고 따라서 열 기준에 대해 수용할 수 없는 큰 전체적인 휨 대신에 작은 국부적인 휨을 갖는 것이 가능하다. 사실상, 에럴릭 채널의 현저한 수축이 있는 경우, 플레이트의 적당한 냉각을 얻는 것이 가능하지 않을 것이다. 그리고, 그 반대의 경우, 즉, 에럴릭 채널의 현저한 확장이 있는 경우, 열전달 유체의 사체적(dead volume)이 형성되며, 그에 대해 기체의 일부가 사용되지 않을 것이다.

더구나, 이러한 축방향 분할은 지지구조물과 연료 요소의 제조는 물론 핵분열 다발의 조립과 디커플링를 하게 해준다.

바스켓은 플레이트가 적재될 때 바스켓 전체의 강력한 전체 강성을 고려함이 없이 실질적인 고유 가요성(intrinsic flexibility)을 갖는다. 이러한 강성은, 플레이트들이 작은 세장비를 갖고 서로에 대해 60°정도 경사진 3개의 다발로 적재되므로, 플레이트들의 고유 강성에 기인한다. 이러한 고유 가요성에 의해, 예측된 것보다 더 큰 차동 변형이 있는 경우에 플레이트들에 현저한 상호작용 응력의 인가를 회피하는 것이 가능하다. 이러한 가요성은 새장 형태 구조에 관련되며, 이 구조는 매우 얇고 충분히 통기된다. 가요성은, 단지 구획된 비대칭적인 축방향 요소를 형성하는 중앙 빔이 중성 섬유(neutral fiber)에 근접하는 한, 다발이 플레이트로 적재되지 않을 때 그 다발의 축에 대하여 바스켓 전체에 대한 휨과 비틀림에 의해 더 특별하게 얻어진다. 외부 연결봉들에 대하여, 그 연결봉들이 주변에 위치되어 있으므로, 연결봉들은 매우 큰 세장비 때문에 휨과 특히 비틀림의 큰 강성을 제공하지 않는다.

이러한 가요성은 특히, 그 작은 두께 때문에 바닥과 덮개에 대한 휨으로 얻어진다.

본 발명에 의해, 케이싱의 내부면과 플레이트들 사이에 나타날 수도 있는 에럴릭 사공간(aeraulic dead space)을 줄이는 것이 가능하다. 사실상, 본 발명은 플레이트(4)들이 지지구조물의 외부 경계에 가능한 한 가깝게 위치되게 할 수 있는 축방향 지지대(axial support)를 제공한다. 이 경우에, 플레이트들의 가장자리와 면(face)은 외부 연결봉(10)들의 면과 같은 평면에 위치되어 있는데, 후자는 바스켓들의 외피(external envelope)의 경계를 짓는다. 따라서, 매우 작은 주변적 에럴릭 사공간만이 존재하고 연료 체적율의 손실이 해당 분야의 횡방향 레일 타입(lateral rail type)의 횡방향 지지대와 비교하여 상당히 줄어들게 된다. 사실상, 그 작용적인 기계 유격과 다발의 외부 주변에서의 연결부에 의해 형성된 부피가 플레이트들의 축단부에 위치된 연결부에 대한 것보다 훨씬 더 크다.

더구나, 본 발명은 한정된 수의 연결부들을 적용하며, 그에 의해 플레이트들의 평형상태의 위치 결정이 보장될 수 있다.

축방향 유격에 의해, 플레이트들은 제거(dislodgement)의 어떠한 위험도 없이 자유롭게 변형될 수 있고, 예를 들면 1.7mm의 유격이 4.3mm의 지지 깊이에 대해 제공된다. 4.7mm의 지지 깊이는 오목부(24)에 대한 톱니의 관통거리에 상응하며 1.7mm의 유격은 톱니의 상부와 오목부(24)의 하부 사이의 유격이다.

더구나, 반경 방향, 즉 플레이트들의 폭 방향을 따른 위치 결정은 단일 톱니에 의해 본 발명에 따라 확보될 뿐이며, 또한 이 위치 결정은 탄성적이다.

더구나, 본 발명은 연료 플레이트들의 휨 때문에 에럴릭 채널들의 개구의 매우 큰 변화를 회피하기 위해 인접하는 플레이트들 사이에 간격조절대를 사용하지 않을 가능성을 제공한다. 사실상, 핵분열 다발의 높이에 걸쳐 플레이트들의 수개 층을 겹쳐놓은 것에 의한 다발의 분할에 따라 플레이트들의 세장비를 강력한 제한할 수 있고 따라서 작은 국부적인 휨이 각 플레이트의 스케일에서 밀리미터의 수십분의 1의 차수로 얻어질 수 있는데, 이는 써모-에럴릭(thermo-aeraulic) 관점으로부터 어떠한 중요성도 갖지 않는다.

반대로, 다발의 전체 높이에 걸쳐 뻗는 플레이트들의 경우에, 전체적인 휨은, 에럴릭 채널의 중요한 폐쇄의 경우에 플레이트의 적당한 냉각을 방지할 것이고 또한 에럴릭 채널의 중요한 개방의 경우에 사공간의 발생을 야기시킬 것이므로 받아들일 수 없을 것이다.

본 발명과 관련하여 설명한 플레이트들은 그 낮은 세장비 때문에 다발의 분할에 특히 적합된다.

더구나, 본 발명에 따라, 연료 요소, 즉 바스켓의 지지를 확실하게 하는 구조물들과 코어의 기계적 아키텍쳐(mechanical architecture)를 확실하게 하는 구조물들 사이에 분열(dissociation)이 있다.

사실상, 케이싱과 핵분열 다발 사이의 접촉만이 바스켓들의 지지를 확실하게 하는 핵분열 다발의 베이스에서 그리고 바스켓들 사이의 접합부에 위치되고 공간을 형성하는 작은 플레이트(28)들에서 발생한다. 이러한 작은 플레이트들은 플레이트들과 케이싱 사이의 직접적인 접촉 대신에, 육각형 케이싱과의 핵분열 다발의 우선적인 접촉점을 형성한다. 이는 플레이트들의 가장자리가 바스켓들의 외부 연결봉보다는 같은 주변 평면에 위치되기 때문이며, 즉 작은 플레이트들의 외면으로부터 후퇴하여 있기 때문이다.

횡방향 유격은 각 바스켓의 외주변에 위치된 작은 플레이트들과 케이싱 사이에 형성된다. 이러한 횡방향 유격은 전체 조사(irradiation) 중 뿐만 아니라 케이싱 내에 핵분열 다발의 장착 중에 차별적 변형을 조절할 수 있게 해준다. 이러한 횡방향 유격은 핵분열 다발의 축방향 분할 때문에 더 제한된다. 이 분할은 앞서 설명한 바와 같이, 케이싱의 핵분열 다발을 기계적으로 디커플링하기 위해 필요한 횡방향 유격의 감소를 가능케 한다.

일반적으로, 고속 중성자 원자로의 경우에, 고속 원자로의 육각형 튜브가 미터 당 약 10mm의 편향(deflection)에 상응하는, 다발의 높이와 최대 플럭스 평면(flux palne) 사이에 위치된 최대 차동 팽윤의 면적 내에 1%의 차수의 그리드로부터 최대 휨도(maximum bowing)를 가질 수 있다. 핵분열 다발의 1/2 높이에 걸쳐 12mm 차수의 ＧＦＲ 조립체 케이싱의 그리드를 최대휨도는 2,349mm의 핵분열 다발의 높이를 추정함으로써 예측할 수 있다. 최대 플럭스 평면은 코어의 축방향 부분(axial section)에 대응하며, 여기서 중성자 플럭스는 최대로 된다. 즉 중성자 플럭스는 중간 코어 평면에 대략 대응하고, 그리드의 휨은 조립체가 코어로부터 제거될 때, 따라서 이웃하는 조립체들로부터 그리드 응력를 더 이상 받지 않게 될 때의 휨을 나타낸다.

본 발명의 핵분열 다발에 있어서, 도 9에 예시한 바와 같은 케이싱의 휨도를 조절하게 할 수 있는 서로에 대해 바스켓들의 상대적인 휨이 발생된다. 더구나, 각 바스켓과 케이싱 사이의 작용적인 기계 유격은 바스켓의 스케일에서 케이싱의 휨도를 조절할 수 있도록 하기 위해 제공된다. 그래서 이러한 직경 유격(diametrical play)은, 바스켓이 높이 250mm를 측정하는 한 2.5mm의 차수를 갖는다.

하나의 비교로서, 핵분열 다발이 플레이트들의 단일 바스켓으로만 이루어진 경우, 다시 말해서 플레이트들의 바스켓이 핵분열 다발의 전체 높이, 즉 2,349mm를 차지한 경우, 적어도 12mm의 직경 작용 유격은 케이싱의 휨도를 조절할 수 있도록 하기 위해 핵분열 다발과 케이싱 사이에 보장되어야 한다. 사실상, 유닛에서의 작동 중뿐만 아니라 유닛으로부터 조립체를 취급하기 위한 단계 중에도 기계적인 디커플링(mechanical decoupling)이 보장되는 것이 바람직하다. 이러한 유격은, 연료의 체적율의 감소가 있을 수 있으므로 중성자 관점에서 받아 들일 수 없고 또한 플레이트들과 케이싱 사이의 사공간이 발생될 수 있으므로 써모 에럴릭 과점에서 받아 들일 수 없다.

작은 플레이트(28)들의 축방향 돌출물의 높이와, 내부 거리 사이에 형성된 직경 유격은 2개의 바스켓 사이의 상대적인 휨 능력을 규정하는 상부 바스켓의 베이스와 작은 플레이트들의 플랫(flat)을 가로지른다. 예를 들면, 밀리미터의 2/10의 최소 직경 유격이 작동 중에 고려되고, 그 유격이 제조 공차와 바스켓들 사이의 차동 변형의 점에서 가장 불리한 조건 하에 놓여질 때 3/10만큼 감소되는 5/10의 초기 작용적 표시(functional mark)에 대응하고 또한 12mm의 축방향 돌출물에 대응하면, 9개의 바스켓의 스택의 전체 가능한 굽힘은 약 15mm의 값을 갖는데, 이는 실제로 케이싱의 최대 휨도의 12밀리미터를 조절하게 할 수 있다. 예를 들면, 5/10의 직경 유격은 다발 주변에서 밀리미터의 2∼3/10의 차수의 에럴릭 채널의 최대 피복율(covering)로 표현되는 2개의 바스켓 사이에 각 이동(angular shift)을 허용한다. 이러한 피복율은 다발의 스케일에서 어떠한 레드하이비토리(redhibitory) 압력강하도 발생시키지 않는다.

핵분열 다발의 중앙 연결봉의 상부 접합부와 바스켓의 스택 사에는 축방향 유격이 마련되어 있고, 이 축방향 유격에 의해, 연결봉과 바스켓들의 스택 사이에 차동 변형을 조절하는 것이 가능할 뿐만 아니라 핵분열 다발의 최대 휨을 허용하기도 하는데, 이러한 축방향 유격은 약 10mm를 갖는다.

이러한 축방향 유격보다 유리할 정도로 큰 바스켓의 덮개에 대해 작은 플레이트들의 축방향 돌출물을 갖는 것이 제공되어 있고, 이에 의해 핵분열 다발 내에 바스켓들을 제거할 어떠한 가능성도 회피된다.

본 출원인이 앞서 설명한 바와 같이, 바스켓의 외부 연결봉에 대해 작은 플레이트들에 의해 형성된 반경방향 돌출물은 핵분열 다발의 주변에 위치된 플레이트들의 외부면(external face)들을 냉각하기 위해 요구되는 주변 에럴릭 채널의 두께를 보장하게 할 수 있다.

또한 유리하게는, 큰 반경방향 유격은 바스켓들의 중앙 빔에 형성된 보어와 핵분열 다발의 중앙 연결봉 사이에 마련된다. 이러한 유격에 의해, 바스켓들이 굽힘 상태(flexural condiction)에 있을 때 바스켓과 연결봉과 접촉을 최대로 지연시킬 수 있으므로, 연결봉은 핵분열 다발에 어떠한 굽힘 강성도 주지 않고, 이에 의해 핵분열 다발과 케이싱의 기계적 디커플링이 확증된다.

그러나 주목할 점은, 이러한 접촉이 발생되면, 큰 세장비 때문에 그리고 핵분열 다발의 중성섬유(neutral fiber)에 위치하기 때문에 핵분열 다발의 굽힘 강성을 일으킬 수 있는 기여도(contribution)가 작을 것이라는 것이다. 이에 대해서는 앞서 설명한 바와 같이, 중앙 빔에 의해, 중앙 연결봉의 통로를 확실하게 하기 위한 바스켓 내에 세척된 공간이 열전달 유체에 대해 중요한 사공간을 형성하는 것을 방지하는 것이 가능하다.

FLUENT, Star-CD 및 Trio_U 와 같은 코드(code)들은 코어의 구조물들과 플레이트들의 기계적 디커플링을 확실하게 하기 위하여, 연료 플레이트들과 육각형 케이싱 사이에 전체적으로 형성된 반경방향의 작용적인 기계 유격이 연료 플레이트들의 단부의 허용할 수 없는 과냉각뿐만 아니라 레드하이비토리 사공간을 야기시키지 않는 것을 확실하게 하고, 또한 플레이트들의 냉각을 확실하게 하는 에럴릭 채널들의 치수화를 달성하는데 사용되어 왔다. 사실상, 연료 플레이트들의 폭의 현저한 비 직선 열경사(non-linear heat gradient)는 연료 플레이트들의 손상을 초래할 수 있다. 코드 CATHARE에 의해, 핵분열 다발 내에서 발생되는 압력 손실이 뜻밖의 과도전류(accidental transient) 중에 잔류 전력을 비우는 능력과 양립될 수 있음을 확실하게 하는 것이 가능하였다.

중성자 관점에서, 코드 ERANOS에 의해, 코어의 적당한 중성자 작동을 위한 주된 기준(main criteria)이 현저할 정도 재생 이득(regeneration gain), 정격 그리고 우발적(도플러 및 헬륨 감압, 재료 재고,...)으로 나타나는 반응성 계수를 관찰하는 것을 확실하게 하는 것이 가능하였다.

본 발명에 따른 지지장치는 모든 작동 조건에서 에럴릭 채널들에 열전달 유체를 이송하기 위한 양호한 능력(capacity)을 보장하는 이점을 갖는다. 사실상, 바스켓들의 구조는 연료 플레이트들과 구조물들 사이에 형성된 모든 반경방향 및 축방향 유격과 바스켓들의 극히 《통기되는(ventilated)》 구조 때문에 케이싱 내에 에럴릭 채널들을 분배하는 것이 아니라 역으로 이러한 채널들의 계통적인 개방(systematic opening)을 가능케 하도록 한 것이다. 이에 의해, 어떠한 작동 상황에도 연료 플레이트들의 냉각을 보장하는 것이 가능하다. 사실상, 에럴릭 채널의 뜻밖의 차단이 있는 경우에, 이러한 비분배(departitioning)에 의해 서로 다른 채널들 사이에 형성된 재순환 거리(recirculation distance)에 의해 차단된 채널(blocked channel)에 열전달 유체의 공급을 다시 보장하는 것이 가능할 것이다.

더구나, 23%인 코어의 연료 체적율은 본 발명에 의해 얻어질 수 있는데, 연료의 높은 체적율을 상기하면 적어도 20% 차수가 요구된다. 이는 전체 핵분열 다발의 작용적인 기계 유격의 분포를 최적화함으로써 연료 요소들을 지지하기 위해 적용되는 실제 수단의 제한된 과밀화(limited congestion)로 조립체의 구조물들의 감소된 부피에 의해 가능하다.

예를 들면, 다른 코어 성분들 중에서 다음과 같은 체적율의 분포가 주어질 수도 있다.

- 2개의 조립체 사이의 부피에 대해 1.2%

- 에럴릭 채널들에 대해 30%(플레이트들의 직접적인 냉각을 위해 요구되며 그 최대 두께는 코어 압력손실에 의해 강력히 구속됨.)

- 연료 플레이트들에 대해 37.3%(연료를 고려하지 않음. 즉, 전체 클래딩, 팽창 용기 및 불완전한 1/2 셀)

- 코어의 구조, 지지장치의 크기 및 작용적인 기계 유격에 대해 8.5%

여기서, 8.5%는 다음과 같은 방식, 즉 구조물의 3.5%(핵분열 다발의 연결봉과 바스켓들에 대한 1.0% 및 육각형 케이스에 대한 2.5% 포함), 바스켓 헤드에서의 축방향 유격의 1%, 및 기계 유격과 지지장치의 크기에 대한 4.0%(유격은 육각형 케이시의 내벽들과 플레이트들 사이의 반경방향 거리에 의해 형성됨)로 분포된다.

주목할 점은, 구조물의 체적율의 최소가 코어의 중성자 작동을 혼란(perturb)시키기 않도록 하기 위해 중성자에 가능한 《투명하게》 구조물들을 형성하는 다른 중성자 기준을 충족시킨다는 것이다.

더구나, 본 발명에 따라, 연료 사이클의 모든 단계의 작동을 용이하게 하기 위해 연료 요소들의 컴팩트 유닛(comapct unit)들을 제작하는 것이 가능하다.

이러한 컴패트 유닛들은 연료 사이클의 수많은 시스템, 예를 들면 핸들링 아암(handling arms), 에어로크(airlocks) 및 핸들링 코리도(handling corridors), 연료 요소들을 조립하기 위한 쉴드 셀(shielded cells), 수송, 저장 및 재처리를 위한 셀 등의 크기 및 치수의 최적화를 가능케 하고 또한 연료 플레이트들을 조절하기 위한 바람직한 유닛들이다. 그래서 이러한 모든 시스템의 크기는 플레이트들을 조절하기 위한 유닛들의 소형화 때문에 줄어들 수 있다

더구나, 핵분열 다발의 장착은 지지 구조물들과 연료 요소들의 제조와 함께 용이하게 된다.

더구나, 구조물들을 디커플링할 수 있도록 한 것은 그 수명을 최적화시키도록 한 것이고, 이에 의해 활성화된 폐기물의 양이 최소화되어 재처리시의 개선을 가능케 한다. 핵분열 다발과 육각형 케이싱을 분해함으로써, 그리고 핵분열 다발을 수개의 별개의 유닛으로 분할함으로써, 그리고 최종적으로 그 지지구조물에 연료 요소들의 어떠한 부착도 하지 않음으로써, 코어의 핵분열 부분의 구조를 디커플링할 가능성을 최대로 촉진하는 것이 가능하다.

더구나, 주목할 점은, 핵분열 다발을 디커플링될 수 있는 별개의 유닛으로 분할하면 새로운 사이클마다 핵분열 다발 내에 그 유닛의 분배를 변경함으로써 코어 내에서의 연료의 관리를 최적화하는 가능성을 줄 수 있다는 것이다.

이하, 본 출원인은 본 발명에 따라 핵분열 다발과, 대응하는 코어의 전형적인 실시형태에 대해 설명하고자 한다.

핵분열 코어는 높이가 2,349mm이고 직경이 3,789mm이다.

육각형 케이싱은 플랫들 사이의 내부거리가 223mm이다.

연료 플레이트들의 그룹을 지지하는 구조물들을 형성하는 바스켓들은 220.5mm 폭에 대해 약 257mm 높이이고, 연료 플레이트들이 27개 플레이트로 적재될 때 질량(mass)이 약 47kg이다.

바스켓의 구조물들은 수 밀리미터의 비교적 작은 두께를 갖는다.

따라서, 바스켓마다 27개의 플레이트와 핵분열 다발마다 9개의 바스켓이 제공된다.

정상적인 운전 중에, 이러한 핵분열 다발은 9.8MW의 평균 열전력(thermal power)을 갖는다(완전한 코어는 전체 전력이 2,400 열 MW인 246개 핵분열 조립체로 이루어진다).

헬륨은 열전달 기체로서 사용된다.

조립체들의 주입구(inlet)에서의 (이에 따라 핵분열 다발의 주입구에서 대략적인) 열전달 유체의 온도는 약 400℃로 설정된다. 조립체들의 출구(outlet)에서의 (이에 따라 핵분열 다발의 출구에서 실질적인) 열전달 유체의 평균 온도는 약 900℃이다.

핵연료 플레이트들의 외피(envelope)의 최대 온도는 약 985℃이다.

최대 연료 온도는 약 1,375℃이다.

핵분열 다발의 1.10bar를 포함하여 1.34bar의 코어 압력손실이 측정된다.

사용된 물질들은,

- 연료에 대해서는, (U, Pu)C일 수 있고,

- 연료 플레이트의 구조물(연료의 클래딩)에 대해서는, 실리콘 탄화물의 섬유로 보강된 실리콘 탄화물일 수 있고,

- 고속 중성자 원자로에 통상적으로 사용된 금속 물질의 사용을 허용하지 않는 고온에 노출된 핵분열 다발의 구조물에 대해서는, 바스켓들과 연결봉들은 예를 들면 위에서 규정한 바와 같은 다발의 경우에서의 실리콘 탄화물의 섬유로 보강된 실리콘 탄화물 또는 내화성 금속 합금으로 형성될 수 있다.

내화성 금속 합금에 대하여, 본 출원인은 이하에 본 발명에 의해 핵분열 다발을 제조하는 간소성을 예시하는 핵분열 다발의 구조물을 제조하기 위한 전형적인 방법을 설명한다.

본 발명에 따른 바스켓 제조방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.

- 벌크 머시닝(bulk machining)에 의해 바스켓들의 바닥과 덮개를 형성하는 단계;

- 폴딩 및/또는 엠보싱에 의해 콤브를 형성하는 단계;

- 드로잉(drawing)에 의해 중앙 슬리브(central sleeve)를 형성하는 단계;

- 크림핑(crimping), 용접(welding) 또는 브레이징(brazing)에 의해 상기 바닥과덮개 상에 콤브를 부착하는 단계;

- 용접 또는 브레이징에 의해 외부 연결봉들 상에 작은 플레이트들을 부착하고 또는 연결봉들의 벌크(bulk)로 작은 플레이트들을 기계가공하는 단계;

- 가능하게는 중심 핀(centering)을 끼워 넣음으로써 확보된 추가적인 기계 연결에 의해 보강하여, 용접 또는 브레이징에 의해 바닥 및 덮개 상에 연결봉을 부착하는 단계;

- 중심 핀을 끼워 넣거나, 용접 또는 브레이징에 의해 베이스와 덮개 위에 중앙 슬리브(central sleeve)를 부착하는 단계;

- 중심 핀을 끼워 넣음으로써 확보된 추가적인 기계 연결에 의해 최적으로 보강하여 용접 및 브레이징에 의해 연결봉들 상에 덮개를 부착하는 단계.

본 발명은 열전달 기체를 갖는 고온 고속 원자로에 주로 적용하는 것이지만, 운전 조건이 덜 어려운 원자로에도 적용할 수 있음을 이해할 수 있다.

본 발명은 예를 들면, 기체보다 더 나은 전도성 교환능력(conductive exchange capacity)을 갖는 열전달 유체, 예를 들면 나트륨을 사용하며, 더 낮은 열전달 유체 온도에서 작동하는 원자로에 적용한다. 더구나, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 어떠한 타입의 플레이트들, 예를 들면 문헌 FR 2 889 765에 설명한 바와 같은 플레이트들 또는 핵연료가 매트릭스 형태로 분산되는 플레이트들의 지지부에 적용한다.

Claims (21)

1. 지지장치(supporting device)의 하부 종단부(longitudinal end)를 형성하는 바닥(6)과 지지장치의 상부 종단부를 형성하는 덮개(8)를 포함하는 종축(X)을 갖는 핵연료 플레이트(nuclear fuel plate)(4)들을 지지하는 장치로서, 상기 바닥(6)과 덮개(8)는 중앙연결수단과 주변연결수단을 통해 서로 연결되어 있고, 상기 덮개(8)에는 상기 플레이트(4)들을 지지하기 위한 복수의 상부지지수단(18)이 부착되어 있고, 상기 바닥(6)에는 상기 플레이트(4)들을 지지하기 위한 복수의 하부지지수단(16)이 부착되어 있고, 각 상부지지수단(18)은 상기 플레이트의 폭(R) 방향으로 플레이트(4)의 상부 종단부의 탄성 지지를 확실하게 하고 또한 상기 핵연료 플레이트의 두께(T) 방향으로 플레이트(4)의 상부 종단부의 자유 변형(free deformation)을 가능하게 하며, 각 하부지지수단(16)은 상기 플레이트의 폭(R) 방향으로 상기 플레이트(4)의 하부 종단부의 탄성 지지를 확실하게 하고 또한 상기 핵연료 플레이트의 두께(T) 방향으로 상기 플레이트(4)의 하부 종단부의 자유 변형(free deformation)을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
2. 제1항에 있어서,
   각 상부지지수단(18)은 상기 바닥(6)을 향하여 종방향으로 돌출한 복수의 정합 톱니(alligned teeth)(22, 22')를 구비하는 상부 콤브(upper comb)를 포함하며, 상기 톱니들 중 하나의 톱니(22')는 상기 플레이트(4)의 폭(R) 방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있고, 상기 하부지지수단(16)은 상기 덮개(8)를 향하여 종방향으로 돌출한 복수의 정렬된 톱니(22, 22')를 구비하는 하부 콤브(lower comb)를 포함하며, 상기 톱니들 중 하나의 톱니(22')는 상기 플레이트(4)의 폭(R) 방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 플레이트(4)의 폭(R) 방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있는 상기 톱니(22')는 각각 상기 바닥(6) 및 상기 덮개(8)의 중앙부를 향하여 위치된 상기 하부지지수단(16)의 상기 하부 콤브 및 상부지지수단(18)의 상기 상부 콤브의 축단부(axial end)에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 플레이트(4)의 폭(R) 방향을 따라 탄성력을 발휘할 수 있는 톱니(22')는 톱니(22')를 갖는 단편(single piece)의 적어도 하나의 탄성적으로 변형가능한 만곡형 탭(curved tab)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
5. 제1항에 있어서,
   정육각형의 형상을 갖는 단면을 가지며, 상기 상부지지수단(18) 및 상기 하부지지수단(16)은 3개의 마름모꼴형(rhombus-shaped) 영역에 분포되어 있고, 상기 바닥(6)의 마름모꼴은 상기 덮개(8)의 마름모꼴에 대향하는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 영역의 상기 하부지지수단(16)의 상기 하부 콤브는 상기 마름모꼴의 2개 측면에 평행하게 위치되고 일정한 거리에 의해 분리되어 있으며, 상기 영역의 상기 상부지지수단(18)의 상기 상부 콤브는 2개 측면에 평행하게 위치되고 상기 일정한 거리만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 바닥(6)과 상기 덮개(8)의 주변에 부착되어 있고 상기 바닥(6)과 상기 덮개(8)를 연결하는 3개의 종방향 연결봉(tie rod)(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 바닥(6)과 상기 덮개(8) 사이에 개재되어 있는 중앙빔(central beam)(12)을 포함하고, 상기 중앙빔(12)이 종방향 관통로(through-passage)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
9. 제1항에 있어서,
   상부의 지지장치를 방향 설정(orienting)하는 방향설정수단(28)을 포함하고, 그 바닥(6)이 상기 상부의 지지장치에 위치된 상기 플레이트(4)들과 상기 상부의 지지장치에 위치된 플레이트들을 정렬하기 위해 상기 덮개(8)에 놓여지기 위한 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 방향설정수단(28)은 육각형 형상을 갖는 경계부(perimeter)를 정하기 위해, 상기 덮개(8)의 주변에 부착되어 있고 상기 바닥(6)과 종방향으로 이격되어 돌출하여 있는 작은 플레이트(small plate)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 작은 플레이트들은 상기 종방향 연결봉(10) 위에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 플레이트 지지장치.
12. 제1항에 따른 적어도 2개의 지지장치, 및 각 지지장치에 위치된 핵연료의 플레이트(4)들을 포함하고, 한쪽의 지지장치는 다른 쪽의 지지장치 상에 적층되며, 상기 한쪽의 지지장치의 바닥(6)은 상기 다른 쪽의 지지장치의 덮개(8) 위에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
13. 제12항에 있어서,
    상기 바닥(6)과 상기 덮개(8) 사이에 개재되어 있는 중앙빔(central beam)(12)을 포함하고, 상기 중앙빔(12)이 종방향 관통로(through-passage)를 포함하고,
    상기 다른 쪽의 지지장치의 바닥(6)에 놓여지는 베이스(base)(30)와 상기 베이스(30)의 중앙 영역에 부착되고 중앙빔(12)을 통해 종방향으로 통과하는 중앙 연결봉(14)와 중앙 연결봉에 부착된 상부 접합부(abutment)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    하부 지지장치를 방향 설정하기 위한 방향설정수단(32)을 포함하고, 그 바닥이 베이스(30) 위에 놓여지며, 이들 방향설정수단(32)은 상기 베이스(30)의 주변에 부착되고 육각형 형상의 경계부를 구분하기 위해 상기 바닥(6)을 향해 종방향으로 돌출하는 작은 플레이트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
15. 제12항에 있어서,
    상기 플레이트(4)들은 톱니(22, 22')들의 형상과 정합되는 형상을 갖는 그 종단부에 축방향 캐버티(axial cavity)(24)들을 포함하고, 이 캐버티(24)들의 깊이는 톱니(22, 22')의 종방향 치수보다 크며 캐버티 폭(24)은 톱니(22, 22')의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
16. 제12항에 있어서,
    상기 플레이트(4)들은 제1 클래딩 패널(cladding panel)(104), 별개의 셀(cell)(108)들을 형성하기 위해 상기 제1 클래딩 패널(104)에 상호의존적으로 부착된 복수의 벽의 그리드(grid)(106), 및 2개의 대향면들 사이에서 축(AA)을 따라 뻗는 적어도 하나의 핵연료 펠릿(pellet)(110)을 포함하고, 상기 펠릿(110)은 그 벽과 펠릿(110) 사이에서 반경방향 유격(radial play)을 갖는 셀(cell)(108) 내에 배치되며, 상기 펠릿(110)의 축(AA)은 상기 셀(108)의 벽들에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
17. 제16항에 있어서,
    상기 플레이트들은 셀(108)들을 폐쇄하기 위해, 제1 클래딩 패널(104)에 평행하고 또한 그에 대향하는 상기 그리드(106)에 상호의존적으로 부착된 제2 클래딩 패널(102)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
18. 제17항에 있어서,
    상기 플레이트들은 상기 제1 클래딩 패널(104)의 그리드(106)에 상호보완적이고 상기 셀(108)들을 폐쇄하기 위해 상기 제1 클래딩 패널(104)의 그리드(106)에 상호의존적으로 부착된 돌출 그리드(106')를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
19. 제16항에 있어서,
    상기 그리드(106)는 육각형 셀(108)들을 갖는 허니컴 구조(honeycomb structure)인 것을 특징으로 하는 핵분열 다발.
20. 제12항에 따른 핵분열 다발과 핵분열 다발 주위에 장착된 육각형부(hexagonal section)와 종방향 축을 갖는 케이싱(casing)(34)을 포함하는 열전달 기체를 갖는 고온 고속의 핵원자로용 핵연료 코어 조립체.
21. 제20항에 있어서,
    상기 케이싱과 상기 핵분열 다발 사이에는 유격이 형성되어 있고, 이 유격은 지지장치의 주변에 부착된 작은 플레이트(28)들과 베이스의 주변에 부착된 작은 플레이트(32)들에서 더 작은 것을 특징으로 하는 고온 고속의 핵원자로용 핵연료 코어 조립체.

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