KR101880782B1 - 원자로 내부 유압 제어봉 드라이브 메커니즘 조립체 - Google Patents

원자로 내부 유압 제어봉 드라이브 메커니즘 조립체 Download PDF

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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

원자로를 위한 제어봉 드라이브 시스템은, 제어봉을 반응로의 코어 내외로 제어봉을 증분적으로 이동시키기 위해서 통상적인 플런저/파지부 드라이브 시스템을 동작시키기 위한 유압 실린더를 채용한다. 실린더 내의 유압 피스톤을 동작시키기 위한 압력차는 반응의 코어 배럴의 외부와 내부 사이의 압력차로부터 얻어지고, 피스톤의 제어는 반응로 제어 시스템에 부착된 외부 솔레노이드로부터 얻어진다. 외부 솔레노이드는 실린더로의 유압 피드를 제어하는 포핏 밸브에 대한 충전 펌프 피드를 조정한다. 유압 피스톤/실린더 드라이브는 또한 코어 조건의 내에서 또는 외에서 전체적으로 동작하는 차단 로드를 위해서 제공된다.

Description

원자로 내부 유압 제어봉 드라이브 메커니즘 조립체{NUCLEAR REACTOR INTERNAL HYDRAULIC CONTROL ROD DRIVE MECHANISM ASSEMBLY}
관련 출원의 상호 참조
본원은, 미국 특허법 35 U.S.C §119(e) 하에서, "INTERNAL HYDRAULIC CRDM ASSEMBLY"라는 명칭으로 2010년 12월 9일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/421,247 호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 원자로 제어 시스템에 관한 것이고, 특히 원자로 코어의 내외로의 핵 제어봉의 이동을 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.
가압수형 반응로(pressurized water reator)와 같은 발전을 위한 원자로에서, 열은 농축 우라늄과 같은 핵 연료의 핵분열에 의해서 생성되고, 반응로 코어를 통해서 유동하는 냉각제 내로 전달된다. 코어는 연료 조립체 구조물 내에서 서로 근접하여 장착된 세장형 핵 연료봉(연료봉)을 포함하고, 그러한 연료봉을 통해서 또한 연료봉 위에서 냉각제가 유동하게 된다. 연료봉은 동일 공간에 걸쳐 평행한 어레이 내에서 서로로부터 이격된다. 주어진 연료봉 내의 연료 원자의 핵 붕괴 중에 방출되는 중성자들 및 다른 원자 입자들의 일부가 연료봉 사이의 공간을 통과하고 그리고 인접한 연료봉 내의 핵분열성(fissile) 재료에 충돌하여, 핵 반응에 기여하고 또한 코어에 의해서 발생되는 열에 기여하게 된다.
가동형(movable) 제어봉이 핵 코어를 통해서 분산되어, 연료봉 사이를 통과하는 중성자들의 일부를 흡수함으로써, 핵분열 반응의 전체적인 속도(rate)를 제어할 수 있게 하며, 중성자들이 흡수되지 않는다면 핵분열 반응에 기여하게 될 것이다. 일반적으로, 제어봉은 중성자 흡수 재료로 이루어진 세장형 로드를 포함하고 그리고 연료봉에 평행하게 그리고 그 사이에서 연장하는 연료 조립체 내의 길이방향 개구부 또는 안내 심블(thimble) 내로 피팅된다. 제어봉을 코어 내로 추가적으로 삽입하는 것에 의해서, 보다 많은 중성자들이 인접한 연료봉 내의 핵분열에 대해서 기여하지 않고 흡수될 수 있을 것이며; 그리고 제어봉을 후퇴시키는 것은 중성자 흡수의 정도를 감소시키고 그리고 핵 반응의 속도 및 코어의 파워 출력을 증가시킨다.
제어봉은 코어에 대해서 제어봉의 그룹을 전진 또는 후퇴시키도록 이동될 수 있는 클러스터 조립체 내에서 지지된다. 이러한 목적을 위해서, 전형적으로, 적어도 부분적으로, 핵 코어 위의 반응로 용기(vessel) 내에 위치되는 상부의 내부 배열체(arrangement)의 일부로서, 제어봉 드라이브 메커니즘이 제공된다. 전형적으로, 가압수형 반응로의 반응로 용기는 높은 내부 압력으로 가압되고 그리고 제어봉 드라이브 메커니즘이 압력 하우징 내에 수용되고, 상기 하우징은 반응로 압력 용기의 튜브형 연장부가 된다. 도 1은 압력 용기(12)의 하부 절반부 내에 지지되는 핵 코어(14)를 가지는 전형적인 가압수형 반응로의 원자로 압력 용기(12)를 수용하는 종래 기술의 핵 격납부(containment)(10)의 개략도이다. 제어봉 조립체(16) 즉, 클러스터 조립체의 하나가 코어(14) 내에 비유적으로 도시되어 있고 그리고 드라이브 로드(20)에 의해서 연료 조립체(미도시)의 내외로 이동되는 제어봉(18)의 클러스터를 지지한다. 드라이브 로드(20)는, 위쪽으로 그리고 제거 가능한 반응로 폐쇄 헤드(22)를 통해서 연장하는 드라이브 로드 하우징(24)에 의해서 이동가능하게 지지된다. 제어봉 드라이브 메커니즘(CRDM)이 제어봉 드라이브 하우징(24) 주위에서 반응로 헤드 위에 배치되고 그리고 제어봉(18)을 코어(14) 내의 연료 조립체 내외로 삽입 또는 후퇴시키기 위해서 드라이브 로드를 수직 방향으로 이동시킨다. 로드 위치 표시기 코일(26) 또는 다른 표시기 메커니즘이 하우징(24)의 주위로 배치되어 코어(14)에 대한 드라이브 로드(20)의 위치 및 그에 따른 제어봉(18)의 위치를 트랙킹한다. 위치 표시기 코일(26)의 출력이 격납부(10) 내의 프로세서 로드 위치 표시기(RPI) 전자장치 캐비넷(28)을 통해서 공급된다. 이어서, 로드 위치 표시기 전자장치 캐비넷(28)의 출력이 격납부 외부의 논리 캐비넷(30) 및 RPI 프로세싱 유닛(32)으로 공급된다. 논리 캐비넷(30)은, 미도시된 플랜트 센서로부터 획득된 정보(intelligence)로부터 생성된 자동적인 지시(instruction)뿐만 아니라 사용자 인터페이스(36)로부터의 수동적인 지시를 제공하는 제어 시스템(34)과 인터페이스된다. 논리 캐비넷(30)은 사용자 인터페이스(36) 및 반응로 제어 시스템(34)을 통해서 작업자로부터 수동적인(manual) 요구 신호를 또는 반응로 제어 시스템(34)으로부터의 자동적인 요구 신호를 수신하고, 그리고 미리 결정된 스케쥴에 따라서 제어봉(18)을 동작시키기 위해서 필요한 명령(command) 신호를 제공한다. 파워 캐비넷(38)은, 모두 주지의 방식으로, CRDM을 동작시키기 위한 프로그래밍된 전류를 제공한다.
제어봉 조립체(16)를 배치하기 위한 하나의 타입의 메커니즘은, 개별적인 단계로 약 5/8 인치(1.63 cm)의 증분적인 거리만큼 코어의 내부로 또는 코어 외부로 제어봉 드라이브 로드를 이동시키도록 동작될 수 있는 자기적 잭 타입 메커니즘이다. 하나의 실시예에서, 제어봉 드라이브 메커니즘은, 드라이브 로드 샤프트(20) 및 상기 샤프트(20)에 커플링된 제어봉 클러스터 조립체(16)를 상승 및 하강시키기 위해서 조정된 방식(coordinated manner)으로 동작되는, 3개의 전자기적 코일 및 전기자(armature) 또는 전자기적 코일에 의해서 작동되는 플런저를 구비한다. 3개의 코일(CRDM)이 압력 하우징(24) 주위로 그리고 그 외측에 장착된다. 3개의 코일 중 2개는 파지부(gripper)를 동작시키고, 상기 파지부는, 코일에 의해서 파워가 공급될 때, 축방향으로 정지형인 파지부 중 하나 및 제 3 코일의 영향 하에서 축방향으로 가동형인 다른 하나를 이용하여, 드라이브 로드 샤프트와 결합된다.
드라이브 로드 샤프트는, 상기 드라이브 샤프트 주위로 원주방향을 따라서 이격된, 파지부 상의 래치에 의해서 조여지는(claspsed) 축방향으로 이격된 원주방향 홈을 가진다. 제 3 코일은 가동형 파지부와 고정된 지점 사이에서 커플링된 상승 플런저를 작동시킨다. 만약 제어봉 메커니즘으로부터의 파워 공급이 사라진다면, 2개의 파지부 모두가 해제되고 그리고 제어봉이 중력에 의해서 그들의 최대 핵 플럭스 댐핑(damping) 위치 내로 낙하된다. 제어봉 파워가 활성화되어 유지되는 한, 정지형 파지부 및 가동형 파지부 중 적어도 하나가 드라이브 로드 샤프트를 항상 유지한다.
3개의 코일이 타이밍이 맞춰지고 그리고 조정된 방식으로 동작되어 드라이브 샤프트를 교번적으로(laternately) 유지하고 그리고 이동시킨다. 파지 작용 및 이동의 순서(sequence)는 단계적인 이동이 후퇴인가 또는 전진인가의 여부에 따라서 달라진다. 비록 이동 순서 중에 양 타입의 파지부가 유지 정지 상태로부터 전진 또는 후퇴를 위한 운동까지의 변화 동안에 드라이브 샤프트와 결합되지만, 정지형 파지부 및 가동형 파지부는 실질적으로 교번적으로 동작된다. 드라이브 샤프트 및 제어봉을 하강(전진)시키기 위해서 새로운 결합 위치로 가동형 파지부가 이동되는 동안, 정지형 파지부가 드라이브 샤프트를 유지할 수 있다. 가동형 파지부는 상승 플런저에 의해서 제어되는 바에 따라서 드라이브 샤프트를 위로 또는 아래로 이동시킬 때 드라이브 샤프트와 결합한다. 가동형 파지부가 드라이브 샤프트와 결합한 후에, 정지형 파지부가 해제되고 이어서 플런저가 활성화 또는 비활성화되어 하나의 방향 또는 다른 방향으로의 이동을 초래한다. 전형적으로, 각각의 잭킹 또는 단계적 이동은 드라이브 로드 샤프트를 5/8 인치(1.6 cm) 이동시키고, 그리고 일부 228개의 단계들이 단계마다 약 0.8 초를 취하여 전형적인 연료 조립체의 하단부와 상단부 사이의 위치의 전체 스팬(span)에 걸쳐 제어봉 클러스터를 이동시키지만, 그러한 단계의 수는 연료 조립체의 높이에 따라서 달라질 수 있을 것이다.
많은 수의 특별한 코일 배열체 및 파지부 디자인의 수가 가능하다. 본원에서 설명된 바와 같은, 정지형 파지부, 이동가능한 파지부 및 상승 코일을 가지는 코일 잭킹 메커니즘의 예들이, 예를 들어 미국 특허 제 5,307,384 호, 제 5,066,451 호, 및 제 5,009,834 호에 개시되어 있다. 또한, 미국 특허 제 3,959,071 호에 개시된 것과 같이, 유사한 방식으로 동작되는 4개 및 5개의-코일 선형 드라이브 메커니즘이 채용되었다.
파지부 및 상승 코일/전기자 배열체를 위해서 어떠한 기계적인 배열체가 채용되든지 간에, 상승 코일이 반응로 용기의 압력 경계 외부에 수용되고, 그리고 그러한 곳에서 상승 코일이 일반적으로 강제 환기에 의해서 냉각될 수 있고 그리고 드라이브 로드를 둘러싸는 압력 하우징을 통해서 래치 조립체에 대해서 자기적으로 커플링된다. 그러나, 개발중인 차세대 원자로 중 적어도 하나는 작은 모듈형 반응로로서, 동일한 압력 용기 내에 수용된 코어, 상부 내측 부분, 증기 발생기, 가압장치 및 일차적인 루프 순환 펌프의 유입구 및 배출구를 가진다. 그러한 배열체에서, 전체 제어봉 드라이브 메커니즘이 반응로 냉각제 내에 침지되고, 이러한 경우에 통상적인 코일의 배열체는 신뢰가능하게 동작될 수 없다. 냉각제와 직접적인 접촉하는 것으로부터 보호하기 위해서 코일이 수용되는 경우에도, 통상적인 코일은 동작 사이클 중에 경험하게 될 온도를 견딜 수 없을 것이다.
도 2 및 도 3은 그러한 작은 모듈형 반응로를 도시한다. 도 2는, 압력 용기 및 그 내측 부분을 보여주기 위해서 부분적으로 절개된 사시도를 도시한다. 도 3은 도 2에 도시된 압력 용기의 확대도이다. 가압장치(54)는 반응로 용기 헤드의 상부 부분 내로 통합되고, 별개 구성요소에 대한 필요성을 배제한다. 고온 레그(leg) 상승장치(56)가 일차적인 냉매를 코어(14)로부터 증기 발생기(58)로 지향시키고, 상기 증기 발생기는 고온 레그 상승기(56)를 둘러싼다. 6개의 반응로 냉각제 펌프(60)가 상부 내측 부분(62)의 상부 단부 근처의 높이에서 반응로 용기 주위로 원주방향을 따라서 이격된다. 반응로 냉각제 펌프는 수평으로 장착된 축류 밀폐형 모터 펌프(canned motor pump)이다. 반응로 코어(14) 및 상부 내측 부분(62)은, 그들의 크기를 제외하고, AP1000® 반응로 내의 대응하는 구성요소와 실질적으로 동일하다. 전술한 내용으로부터, 전통적인 자기적 잭 제어봉 드라이브 시스템이 도 2 및 도 3에 도시된 반응로 디자인에서 신뢰가능하게 기능하지 못할 것인데, 이는 코일이 냉각제 내에 전체적으로 침지되기 때문이고, 그리고 외측 하우징을 이용하여 냉각제로부터 차폐되는 경우에도 자기 코일의 고장을 방지하기 위해서 충분한 냉각을 용이하게 수용하지 못하기 때문이라는 것을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 반응로 냉각제 내에 침지되어 있는 동안 입증된 신뢰성으로 기능할 수 있는 새로운 제어봉 드라이브 메커니즘이 요구된다.
또한, 최소의 시험으로 규제 요건을 충족시킬 수 있는 디자인이 요구된다.
이러한 그리고 기타의 목적은 하부 섹션, 및 이 하부 섹션을 폐쇄하여 압력 용기를 형성하는 수평 스팬(horizontal span)을 가지는 제거 가능한 상부 헤드를 포함하는 반응로 용기를 가지는 원자로 발전 시스템에 의해서 달성된다. 반응로 코어가 상기 하부 섹션 내에 수용되고 그리고 복수의 연료 조립체를 포함한다. 복수의 연료 조립체 중의 대응하는 하나의 내외로 구동되는 적어도 하나의 제어봉을 포함하는 제어봉 조립체가 제공된다. 드라이브 로드가 대응하는 연료 조립체의 내외로 제어봉을 구동하기 위해서 제어봉에 연결된다. 드라이브 메커니즘이 제어봉을 대응하는 연료 조립체의 내외로 구동할 때, 드라이브 메커니즘은 선형 경로를 따라서 이동시키기 위해서 드라이브 로드를 작동시킨다. 드라이브 메커니즘은 적어도 하나의 유압 피스톤을 포함한다. 바람직하게, 드라이브 메커니즘은, 정지형 파지부 또는 가동형 파지부 중 하나를 이동시키는 각각의 플런저에 자기적으로 각각 커플링된, 정지형 파지부 코일, 가동형 파지부 코일 및 상승 코일을 가지는 자기적 잭 드라이브 메커니즘의 현재의 잭 조립체(contemporary jack assembly)의 가동 구성요소를 포함하고, 상기 정지형 파지부 코일은 정지형 파지부에 기계적으로 커플링된 제 1 유압 피스톤에 의해서 대체되며; 상기 가동형 파지부 코일은 상기 가동형 파지부에 기계적으로 커플링된 제 2 유압 피스톤에 의해서 대체되고 그리고 상기 상승 코일은 상기 가동 파지부에 기계적으로 커플링된 제 3 유압 피스톤으로 대체되며, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 유압 피스톤은, 전통적인 방식으로 파지부를 순차적으로 이동시키기 위해서, 상기 유압 피스톤에 커플링된 대응하는 파지부를 작동시키도록 제어된다. 바람직하게, 제 1, 제 2 및 제 3 유압 피스톤은 실질적으로 동일한 디자인을 가지고 그리고, 바람직하게, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 유압 피스톤은 반응로 제어 시스템의 지시하에서 포핏(poppet) 피스톤에 의해서 순차적으로 제어된다.
바람직하게, 유압 피드(hydraulic feed)의 적어도 일부를 제외하고, 드라이브 메커니즘은 반응로 용기 내에 전체적으로 수용된다. 드라이브 메커니즘을 위한 유압 피드는 반응로 코어를 횡단하는 경로 상에 있는 반응로 냉각제로부터 적어도 부분적으로 획득된다. 하나의 실시예에서, 드라이브 메커니즘의 유압 피스톤을 구동하는 압력차는 코어에 걸친 압력차로부터 취해지고 그리고, 바람직하게, 코어와 반응로 용기 사이의, 코어를 둘러싸는 코어 배럴(barrel)의 일 측부 상에서 취해진다.
하나의 실시예에서, 드라이브 메커니즘은 유압 피스톤을 구동하기 위한 유압 밸브를 포함하고, 상기 유압 밸브는 냉각제를 반응로 용기 내로 펌핑하는 메인 충전 펌프(main charging pump)로부터의 입력부를 포함한다.
다른 실시예에서, 제어봉은, 실질적으로 단일의 단계로, 반응로의 내외로 이동가능한 차단 로드(shutdown rod)이다. 또 다른 실시예에서, 드라이브 메커니즘은 제어봉을 코어의 내외로 개별적인 증분으로 이동시키고, 상기 개별적인 증분은 5/8 인치(1.63 cm) 초과 및 2 인치(5.08 cm) 이하이다. 바람직하게, 개별적인 증분은 5/8 인치(1.63 cm) 초과 및 1 인치(2.54 cm) 이하이다.
바람직하게, 유압 피스톤은 반응로 코어를 빠져나가는 냉각제 내로 직접적으로 벤팅되는 벤트를 가진다. 바람직하게, 드라이브 메커니즘은 360 파운드(163.29 Kg) 초과 및 1,000 파운드(453.59 Kg) 이하의 상승 용량을 가진다.
첨부 도면과 함께 내용을 판독할 때 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터, 본원에서 청구된 본 발명을 추가적으로 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 반응로 용기의 코어 내외로 제어봉 조립체를 삽입 및 후퇴시키기 위한 제어봉 드라이브 시스템을 지지하는 원자로 용기의 윤곽을 보여주는 전통적인 가압수형 반응로 핵 격납부의 개략도,
도 2는 작은 모듈형 반응로 시스템을 도시하는 부분 절개된 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 반응로의 확대도,
도 4는 도 1에 도시된 제어봉 드라이브 샤프트 드라이브 시스템의 개략적인 확대도로서, 드라이브 시스템의 내측 부분 요소를 나타내기 위해 일부가 절개된 도면,
도 5는 후술되는 실시예에 따라 파지부를 작동시키기 위해서 채용된 벨로우즈 밀봉형 피스톤 피동형(driven) 포핏 밸브의 위치를 도시한 제어봉 드라이브 로드 드라이브 시스템의 개략도,
도 6은 유압 드라이브가 상부 부분에 장착된 안내 튜브의 상부 부분을 도시한 개략도로서, 제어봉 드라이브 로드의 증분적인 단계적 이동을 수행하도록 가동형 파지부 및 정지형 파지부를 활성화시키기 위해서 채용된 밸브 및 실린더를 도시하는 도면,
도 7은 제어봉 드라이브 로드 드라이브 시스템의 이동하는 구성요소를 구동하는 벨로우즈 밀봉형 밸브에 대한 유압 유체를 제어하기 위해서 이용된 포빗 피스톤 밸브의 단면도,
도 8은 제어봉 드라이브 로드를 구동하기 위해서 채용된 상부 내측 부분 및 외부 연결부와 코어를 도시한 반응로 용기의 개략적인 단면도,
도 9는, 전부 내부인 위치 또는 전부 외부인 위치의, 2개의 위치 중 하나 사이에서 차단 로드를 유압 구동하기 위해서 안내 튜브의 상부 부분 상에 지지되는 본 발명의 다른 실시예와 함께 차단 로드를 안내하기 위한 안내 튜브의 상부 부분을 개략적으로 도시한 도면.
도 1과 관련하여 기술된 바와 같이, 제어봉은 클러스터(16) 내에 부착된 제어봉으로서, 스파이더(spider) 조립체로서 일반적으로 지칭되며, 각각의 클러스터는 연료 조립체를 포함하는 반응로 코어(14) 위의 수직 지지 하우징(24) 내에 배치된 드라이브 로드(20)에 의해서 공통적으로 구동되고, 반응로 코어 내의 핵 플럭스의 가변적인 댐핑을 위해서 상기 코어 내로 제어봉(18)이 전진되고 또는 상기 코어로부터 제어봉이 후퇴된다. 제어봉 드라이브 메커니즘 중의 이동 부분이 반응로의 압력 엔벨로프(envelope) 내에 있고, 그리고 통상적인 디자인에서, 가동형 부분을 구동하기 위한 전자기 코일(CRDM)이 반응로 위에서 연장하는 하우징(24)의 각각의 주위로 그리고 그 근처에 배치된다. 몇몇 도면에서 볼 때, 유사한 참조 부호가 대응하는 부분을 지칭한다는 것을 이해하여야 할 것이다.
도 4는, 드라이브 메커니즘(40)의 연관된 코일(46, 48 및 50)이 규정된 순서로 에너지 공급될 때, 드라이브 로드(20)를 순차적으로 결합, 상승 및/또는 하강시키도록 동작될 수 있는 파지부(42 및 44)를 보여주기 위해서 부분적으로 절개된 전통적인 반응로의 하우징(24)의 연장된 부분과 함께 드라이브 로드 드라이브 메커니즘(40)을 도시한다. 이러한 배열체는 미국 특허 제 5,009,834 호에 개시된 것과 실질적으로 같다.
로드 제어 시스템은, 제어봉을 반응로 코어 내외로 삽입 또는 후퇴시키기 위한, 도 1에 도시된 바와 같은, 원자력 플랜트 기구 및 제어 시스템(34)과 함께 기능하는 시스템이다. 일반적으로, 원자력 플랜트는 그룹으로 배열된 많은 수의 제어봉 조립체, 전형적으로 그룹마다 4개의 제어봉 조립체를 포함한다. 제어봉 조립체의 그룹은 일반적으로 반응로 온도 및 파워를 조절하기 위해서 함께 삽입/후퇴된다. 기구 및 제어 시스템(34)은 반응로 온도 및 파워를 모니터링하고 그리고, 적절한 경우에, 로드 이동을 요구하기 위해서 로드 제어 시스템으로 신호를 제공한다. 이러한 요구 신호에 응답하여, 로드 제어 시스템은 제어봉을 삽입/후퇴시킨다. 제어봉 운동은 제어봉 드라이브 메커니즘(40) 내의 여러 가지 코일(46, 48 및 50)(도 4 참조)에 대한 전기적 파워를 주기적으로 온/오프시킴으로써 수행된다.
전술한 바와 같이, 현재 동작중인 많은 상업적인 가압수형 반응로에서 채용된 제어봉 드라이브 메커니즘은 자기적 잭 메커니즘이며, 그러한 자기적 잭 메커니즘은 코일에 대한 파워가 사이클링될 때마다 고정된 증분으로 제어봉 조립체(16)의 드라이브 로드를 이동시킬 수 있다. 제어봉(18)의 스파이더가 제어봉 드라이브 로드(20)(종종 드라이브 샤프트라고 지칭된다)의 하단부에 부착되며, 그에 따라 조립체 내의 모든 제어봉이 함께 이동된다. 도 4에 도시된 제어봉 드라이브 메커니즘(40)은 3개의 코일; 정지형 파지부 코일(46), 가동형 파지부 코일(48) 및 상승 코일(50)을 포함한다. 이전 문단에서 설명한 바와 같이, 이러한 코일에 대한 전기 파워를 상이한 순서로 주기적으로(사이클링) 온 및 오프시킴으로써, 통상적인 제어봉 메커니즘(40)에 의해서 제어봉 드라이브 샤프트(20) 및 제어봉(16)이 핵 코어 내외로 삽입 또는 후퇴된다. 특히, 제어봉을 상승(후퇴)시키기 위해서, 이하의 단계가 순차적으로 수행되고, 드라이브 로드 홈(43)에 결합된 정지형 파지부(44)로부터 시작하고 그리고 가동형 파지부(42) 및 플런저(41) 모두가 비활성화된다(스프링(45)에 의해서 편향된 방향으로 연장된 플런저(41)). 드라이브 로드(20)를 상승시키기 위한 순서는:
1) 가동형 파지부 코일로 에너지가 공급되며, 이는 가동형 파지부(42)가 인접한 드라이브 로드 홈(43)과 결합되게 하고;
2) 정지형 파지부(46)가 탈-에너지화(de-energized)되고 그리고 정지형 파지부를 드라이브 로드(20)로부터 분리시키며;
3) 상승 코일(50)로 에너지가 공급되고 그리고 가동형 파지부(42) 및 드라이브 로드(20)를 상승 플런저(52)의 이동 스팬과 동일한 높이로 자기적으로 상승시키며;
4) 이어서, 정지형 파지부 코일(46)로 에너지가 공급되고, 이는 정지형 파지부를 인접한 드라이브 로드 홈과 접촉시켜 드라이브 로드를 새로운 높이에서 유지하고, 즉 양쪽 파지부가 결합되며;
5) 이어서, 가동형 파지부 코일(48)이 탈-에너지화되고 그리고 가동형 파지부(42)를 드라이브 로드 홈으로부터 분리시키고; 그리고
6) 상승 코일(50)이 탈-에너지화되고, 이는 가동형 파지부(42)를 그 시작 위치로 역으로 낙하시키고, 상승된 드라이브 로드(20) 상에서 하나의 단계만을 낮춘다.
유사하게, 제어봉을 낮추기(전진시키기) 위해서, 이하의 단계가 순차적으로 수행되고, 다시 정지형 파지부 코일(46)만으로 에너지가 공급되는 상태에서 시작한다. 하강 순서는:
1) 상승 코일(50)로 에너지가 공급되어, 가동형 파지부(42)를 드라이브 로드(20)를 따라서 한 단계 위로 이동시키고;
2) 가동형 파지부 코일(48)로 에너지가 공급되고 그리고 가동형 파지부(42)가 드라이브 로드(20)를 파지하며;
3) 정지형 코일(46)이 탈-에너지화되어 정지형 파지부(46)를 드라이브 로드로부터 해제되고;
4) 상승 코일(50)이 탈-에너지화되어, 가동형 파지부(42) 및 드라이브 로드를 한 단계 낙하시키며;
5) 정지형 코일(46)로 에너지가 공급되고 그리고 정지형 파지부(46)가, 이전의 위치 보다 한 단계 더 높은 위치에서, 드라이브 로드(20)와 결합하며; 그리고
6) 가동형 파지부 코일(48)이 탈-에너지화되고 그리고 가동형 파지부(42)가 드라이브 로드(20)로부터 분리된다.
앞서서 설명한 바와 같이, 코일 및 파지부 메커니즘의 수많은 상이한 배열체가 가능하고 그리고 본원에서 청구된 본 발명의 범위(breath)로부터 이탈되지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다. 파지부 및 상승 코일/전기자 배열체에 대해서 어떠한 기계적인 구성이 채용되든 간에, 코일이 효과적으로 동작하여 충분한 자기장을 생성함으로써, 제어봉 드라이브 로드가 코어 내로 낙하하는 것을 방지하는데 요구되는 설계력(designed force)을 파지부가 가할 수 있어야 하며, 그러한 낙하는 반응로 시스템의 차단을 초래할 수 있을 것이며, 그러한 차단은 비용이 많이 소요될 것이다.
또한 전술한 바와 같이, 파지부(42 및 44)를 활성화시키기 위해서 이용된 전기 코일은 도 2 및 도 3에 도시된 모듈형 반응로와 같은 환경 내에서 신뢰가능하게 기능하지 않을 수 있을 것이다. 그러나, 잭 메커니즘의 이동 부분, 즉 파지부 및 플런저 조립체는 수년간의 서비스를 통해서 신뢰가능한 것으로 확인되었고 그리고 통상적인 파지부 및 플런저 조립체의 기능 및 구성이 지속될 수 있다면 이러한 새로운 작은 모듈형 반응로의 라이센싱(licensing)은 유리할 수 있을 것이다.
도 5는 이하에서 청구된 하나의 실시예에 따라서 수정된 제어봉 드라이브 메커니즘(40)의 구역 내의 제어봉 드라이브 하우징(24)의 개략도를 제공한다. 통상적인 드라이브 메커니즘의 전자기 코일은 3개의 벨로우즈 밀봉형 유압 피스톤, 즉 상승 피스톤(64), 가동형 파지부 피스톤(66) 및 정지형 파지부 피스톤(68)에 의해서 대체된다. 상승 피스톤(64)은 상승 플런저(52)에 기계적으로 커플링되고, 상기 상승 플런저는, 활성화될 때, 상기 가동형 파지부를 위쪽으로 이동시킬 것이다. 유사하게, 가동형 파지부 피스톤(66)이 가동형 파지부(42)에 부착되고 그리고, 활성화될 때, 상기 가동형 파지부가 드라이브 샤프트 내의 인접한 홈에 결합되게 할 것이다. 유사한 방식으로, 정지형 파지부 피스톤(68)이 정지형 파지부(44)에 기계적으로 커플링되고 그리고, 활성화될 때, 정지형 파지부가 드라이브 샤프트 내의 인접한 홈과 결합되게 할 것이다. 벨로우즈 밀봉형 피스톤(64, 66 및 68)의 각각은 반응로 냉각제 유입구(70)를 가지고, 상기 반응로 냉각제 유입구(70)는 피스톤을 활성화시키고 그리고, 벤트 배출구(76)를 통해서, 상부 내측 부분을 통과하는 주변 반응로 냉각제 내로 벤팅시킨다. 벨로우즈 밀봉형 피스톤(64, 66 및 68) 상에 가해지는 힘은, 도 8에 도시된, 코어 배럴(77)과 반응로 용기(10) 사이의 환형부 내에서 유동하는 냉각제와 상부 내측 부분(62)을 통해서 코어(14)를 빠져나가는 냉각제 사이의 압력차로부터 유도된다. 도 6에 도시된, 3개의 파일럿(pilot) 밸브(78)는, 반응로 제어 시스템으로부터의 명령 시에, 각각 활성화되고, 상기 벨로우즈 밀봉형 피스톤(64, 66 및 68)의 각각은 각각의 래치(latch) 조립체에 장착되고, 그리고 상기 벨로우즈 밀봉형 피스톤을 구동하기 위한 밸브는 래치 조립체 장착 블록(80)의 외부에 장착되며, 상기 블록은 코어 배럴(77)의 저온 측부(side)로부터 도관(82)을 통해서 유입되는 냉각제에 대한 매니폴드를 형성한다. 래치 조립체 장착 블록은 안내 튜브의 상부 부분에 장착되고, 상기 안내 튜브의 장착 부분을 통해서 제어봉 드라이브 샤프트가 이동한다.
도 7은 파일럿 밸브(78) 중 하나의 단면도이다. 파일럿 밸브(78)는 반응로 충전 펌프로부터의 입력부(82)를 수용하고, 상기 펌프는, 다른 경우에, 코어로 냉각제를 부가하기 위해서 채용된다. 입력부(82)는 약 100 psi의 힘을 그라운드(ground) 파일럿 세라믹 코팅형 피스톤(88)에 대항하여 인가하고, 이는 피스톤을 복귀 스프링(98)의 방향으로 이동시키고 그리고 포핏(92)을 안착부(96)로부터 분리시켜(unseat) 유입구(84)를 개방할 수 있게 한다. 개방 조건에서, 유입구(84)는 코어 배럴 외부로부터 기원하는 고압 반응로 냉각제를, 대응하는 래치 조립체 피스톤(64, 66 및 68)에 연결된 유출구(90)를 통해서 통과시킨다. 개방 위치에서, 포핏(92)은 안착부(94)에 대항하여 밀봉하며, 그에 따라 유입구(84)를 통해서 유입되는 고압 냉각제가 피스톤 벤트 경로(86)를 통해서 누설되지 않게 된다. 충전 펌프로부터의 입력이 유입구(84)로부터 제거될 때, 복귀 스프링(98)은 피스톤(88)을 다시 실린더의 대항 단부에 대항하여 안착시켜 입력부(82) 및 안착부(96)를 폐쇄한다. 폐쇄된 위치에서, 래치 피스톤 조립체는 그 구동 유체를 배출구(86)를 통해서 주변 냉각제로 벤팅할 수 있다. 파일럿 밸브(78)의 활성화는 도 8에 도시된 제어 시스템(116)에 의해서 제어되고, 그러한 제어 시스템은, 충전 펌프(106)의 출력이 파일럿 솔레노이드 밸브(100, 102 및 104)에 의해서 각각의 파일럿 밸브로 이송되는 때를 제어함으로써, 파일럿 밸브(78)의 개방 타이밍을 제어하며, 상기 파일럿 솔레노이드 밸브 각각은 상승 실린더(64), 가동형 파지부 실린더(66) 및 정지형 실린더(68)를 위한 파일럿 밸브의 입력부(82)에 대한 냉각제의 유동을 제어한다. 충전 펌프로부터의 피드 튜브는 신속록킹(quicklok) 스타일 폐쇄부(closure)(114)를 통해서 반응로 용기(10)의 벽을 통해 이송되고 그리고 대응하는 파일럿 밸브(78) 상의 각각의 입력부(82)에 연결된다. 전술한 바와 같이, 상승 플런저(64) 및 가동형 파지부(66) 및 정지형 파지부(68)와 연관된 피스톤/실린더 조합을 활성화시키기 위한 피드가 도관(118)을 통해서 코어 배럴의 저온 측부로부터 얻어진다. 그에 따라, 이러한 배열은 신뢰성을 가지는 것을 이미 입증된 파지부/플런저 조립체를 동작시키는데 있어서 효과적이다. 만약, 충전 펌프로부터의 피드의 손실이 있다면, 제어봉은 안전 조건에 있는 것에서 실패(fail)할 것이고 그리고 코어 내로 낙하될 것이다.
도 9는 전체적으로 코어의 내부에서 또는 완전히 코어의 외부에서 동작하는 차단 로드를 위한 대안적인 유압 드라이브 배열체를 도시한다. 이러한 실시예에서, 차단 제어봉에 대한 드라이브 로드(20)의 상부 부분이 피스톤(120)으로서 형성된다. 피스톤(120)은, 포핏 밸브(126)에 의해서 제어되는 유입구(124) 및 도관(128)을 통해서 코어 배럴의 저온 측부로부터 입력을 수용한다. 포핏 밸브(126)는 도관(130)을 통해서 충전 펌프 피드를 수용하고, 이는 다시 전술한 바와 같이 외부 솔레노이드 밸브를 통해서 반응로 제어 시스템에 의해서 제어된다. 솔레노이드 밸브에 의해서 활성화될 때, 압력이 충전 펌프로부터 도관(130)을 통해서 인가되고, 이는 드라이브 로드(20)를 실린더(122)의 상단부로 상승시키고 그리고 벤트(132)를 통해서 실린더의 상부 부분으로부터 냉각제를 배출한다. 외부 솔레노이드가 도관(130)을 통한 충전 펌프 입력을 차단할 때, 도관(128)을 통해서 코어 배럴의 저온 측부로부터 유동하는 냉각제에 의해서 이송되는 압력이 제거되고 그리고 차단 로드가 코어 내로 낙하되고 이때 피스톤(120) 아래의 냉각제는 포핏 밸브(126)를 통해서 벤팅된다. 단일 외부 솔레노이드 및 단일 포핏 밸브가 각각의 차단을 위해서 이용될 수 있는데, 이는 그들이 조화되어 작용하기 때문이다.
그에 따라, 이하에서 청구되는 제어 드라이브 시스템은 외부 공급원으로부터의 반응로 냉각제의 희석을 제공하지 않고 그리고 물 피동형 피스톤에 대한 밀봉이 요구되지 않는데, 이는 냉각제가 냉각제 내로 누출되는 결과만을 누설이 초래할 것이기 때문이다. 또한, 반응로 냉각제 펌프의 손실은 모든 로드의 낙하를 직접적으로 유발할 것인데, 이는 그러한 조건에서 요구되는 작용이다. 추가적으로, 제어봉의 증분적인 이동을 위한 상승 행정은 통상적으로 얻어지는 현재의 5/8 인치(1.63 cm)보다 더 클 수 있는데, 이는 상승력이 자기 플럭스에 의존하지 않고 그리고 1인치(2.54 cm) 내지 2 인치(5.08 cm) 사이의 행정을 가능하게 하는 충분한 힘이 인가되기 때문이다. 또한, 상승 용량은 약 360 파운드(163.29 Kg)인 자기 플럭스 한계에 의존하지 않고, 그리고 실질적으로 1,000 파운드(453.59 Kg)까지의 상승 용량이 얻어질 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들을 구체적으로 설명하였지만, 본원의 전체적인 교시 내용에 비추어 볼 때 그러한 구체적인 내용에 대한 여러 가지 수정 및 대안을 소위 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 특별한 실시예들은 단지 예시적인 것이고 그리고 첨부된 청구항 그리고 그러한 청구항의 임의의 및 모든 균등물의 전체 범위로서 주어지는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아님을 의미한다.

Claims (14)

  1. 원자로를 갖는 원자로 발전 시스템(10)에 있어서,
    하부 섹션, 및 상기 하부 섹션을 폐쇄하여 압력 용기를 형성하는 수평 스팬을 가지는 제거 가능한 상부 헤드(22)를 포함하는 반응로 용기(10)와,
    상기 하부 섹션 내에 수용되고 복수의 연료 조립체를 포함하는 반응로 코어(14)와,
    복수의 연료 조립체 중의 대응하는 하나의 내외로 구동되는 적어도 하나의 제어봉(18), 대응하는 연료 조립체 내외로 제어봉을 구동하기 위해서 상기 제어봉에 연결된 드라이브 로드(20), 및 상기 제어봉을 대응하는 연료 조립체의 내외로 구동할 때, 선형 경로를 따라서 이동시키도록 상기 드라이브 로드를 활성화하기 위한 드라이브 메커니즘(CRDM)을 포함하는 제어봉 조립체(16)를 포함하며,
    상기 드라이브 메커니즘은, 유압 피스톤의 유압 동력(hydraulic power) 하에서 상기 제어봉이 상기 코어의 외부로 구동되는 동안 상기 제어봉을 복수의 개별적인 증분으로 이동시키는 적어도 하나의 유압 피스톤(64, 66, 68)을 포함하고, 상기 개별적인 증분들은 완전히 들어간 제어봉 위치 또는 완전히 나온 제어봉 위치 각각에 대해 중간인 단계들로 존재하며, 상기 유압 피스톤을 구동하기 위한 유압 유체는 전체가 상기 반응로 용기의 내부로부터의 반응로 냉각제로부터 얻어지고, 상기 드라이브 메커니즘의 유압 피스톤을 구동하는 압력차는 상기 반응로 용기 내부의 두 개의 이격된 위치에서 상기 코어를 걸친 압력차로부터 취해지는
    원자로 발전 시스템.
  2. 원자로를 갖는 원자로 발전 시스템(10)에 있어서,
    하부 섹션, 및 상기 하부 섹션을 폐쇄하여 압력 용기를 형성하는 수평 스팬을 가지는 제거 가능한 상부 헤드(22)를 포함하는 반응로 용기(10)와,
    상기 하부 섹션 내에 수용되고 복수의 연료 조립체를 포함하는 반응로 코어(14)와,
    복수의 연료 조립체 중의 대응하는 하나의 내외로 구동되는 적어도 하나의 제어봉(18), 대응하는 연료 조립체 내외로 제어봉을 구동하기 위해서 상기 제어봉에 연결된 드라이브 로드(20), 및 상기 제어봉을 대응하는 연료 조립체의 내외로 구동할 때, 선형 경로를 따라서 이동시키도록 상기 드라이브 로드를 활성화하기 위한 드라이브 메커니즘(CRDM)을 포함하는 제어봉 조립체(16)를 포함하며,
    상기 드라이브 메커니즘은,
    유압 피스톤의 유압 동력 하에서 상기 제어봉이 상기 코어의 외부로 구동되는 동안 상기 제어봉을 복수의 개별적인 증분으로 이동시키는 적어도 하나의 유압 피스톤(64, 66, 68)과,
    정지형 파지부(44) 또는 가동형 파지부(42) 중 하나를 이동시키는 각각의 플런저(47)에 자기적으로 각각 커플링된, 정지형 파지부 코일(46), 가동형 파지부 코일(48) 및 상승 코일(50)을 가지는 자기적 잭 드라이브 메커니즘의 현재의 잭 조립체의 복수의 가동 구성요소를 포함하며,
    상기 정지형 파지부 코일은 상기 정지형 파지부에 기계적으로 커플링된 제 1 유압 피스톤(68)에 의해서 대체되며, 상기 가동형 파지부 코일은 상기 가동형 파지부에 기계적으로 커플링된 제 2 유압 피스톤(66)에 의해서 대체되고, 또한 상기 상승 코일은 상기 가동형 파지부에 기계적으로 커플링된 제 3 유압 피스톤(64)으로 대체되며, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 유압 피스톤은 상기 유압 피스톤에 커플링된 대응하는 파지부를 작동시켜 전통적인 방식으로 파지부를 순차적으로 이동시키도록 제어되는
    원자로 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 유압 피스톤(64, 66, 68)은 실질적으로 동일한 디자인을 가지는
    원자로 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 유압 피스톤(64, 66, 68)은 포핏 피스톤(78)에 의해서 제어되는
    원자로 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 피스톤을 구동하는 유압 유체를 제어하는 밸브를 활성화시키는 제어 시스템을 제외하고, 상기 드라이브 메커니즘(CRDM)은 상기 반응로 용기(12) 내에 상기 반응로 용기의 헤드(22) 아래에 전체적으로 수용되는
    원자로 발전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 피스톤을 구동하는 상기 압력차는 상기 코어와 반응로 용기(12) 사이의, 상기 코어(14)를 둘러싸는 코어 배럴의 일 측부 상에서 취해지는
    원자로 발전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이브 메커니즘(CRDM)은 유압 피스톤(64, 66, 68)을 구동하기 위한 상기 유압 유체를 제어하는 유압 제어 밸브(78)를 포함하고, 상기 유압 제어 밸브는 냉각제를 반응로 용기(12) 내로 펌핑하는 메인 충전 펌프(106)로부터의 입력부를 포함하는
    원자로 발전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어봉(18)은 차단 로드인
    원자로 발전 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이브 메커니즘(CRDM)은 상기 제어봉(18)을 상기 코어(14)의 내외로 개별적인 증분으로 이동시키고, 상기 개별적인 증분은 5/8 인치(1.63 cm)보다 크고 2 인치(5.08 cm) 이하인
    원자로 발전 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 개별적인 증분은 5/8 인치(1.63 cm)보다 크고, 보다 바람직하게 1 인치(2.54 cm) 이하인
    원자로 발전 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 피스톤(64, 66, 68)은 피스톤을 둘러싸는 실린더의 상부 부분에 벤트(76)를 갖고, 상기 벤트는, 상기 피스톤이 상기 실린더 내부에서 상승하여 상기 제어봉을 상기 반응로 코어로부터 후퇴시키는 동안, 상기 반응로 용기(12) 내에서 유동하는 냉각제 내로 직접적으로 (즉, 상기 반응로 용기를 떠나지 않고) 벤팅되는
    원자로 발전 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이브 메커니즘(CRDM)은 360 파운드(163.29 Kg)보다 크고 1,000 파운드(453.59 Kg) 이하인 상승 용량을 가지는
    원자로 발전 시스템.
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