KR102104145B1

KR102104145B1 - 액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발

Info

Publication number: KR102104145B1
Application number: KR1020147031872A
Authority: KR
Inventors: 에릭 피 로웬; 브라이언 에스 트리플렛; 브렛 제이 도이스; 스콧 엘 페퍼
Original assignee: 지이-히타치 뉴클리어 에너지 어메리카스 엘엘씨
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2020-04-23
Also published as: JP2015515635A; US9576685B2; CN104508750A; EP2842134B1; US20170236602A1; WO2013162957A3; JP6325525B2; US10706972B2; WO2013162957A2; EP2842134A2; US20130287163A1; CN104508750B; KR20150002817A

Abstract

일 실시예에서, 액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발은 채널, 상기 채널의 하단부에 고정된 노즈 조립체, 및 채널 내에 배치된 복수의 연료봉을 포함한다. 연료봉들 중 적어도 하나는 그 연료봉을 둘러싸며 또한 연료봉을 인접한 연료봉으로부터 이격시키는 적어도 하나의 보호 링을 갖는다.

Description

액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발{FUEL BUNDLE FOR A LIQUID METAL COOLED NUCLEAR REACTOR}

예시적인 실시예는 일반적으로 액체 금속 냉각식 원자로(liquid metal cooled nuclear reactor)에 관한 것이며, 또한 특히 액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발(bundle)에 관한 것이다.

나트륨 냉각식 고속로(fast reactor)와 같은 액체 금속 냉각식 원자로는 열 스트리핑(thermal striping)으로 손상될 수 있다. 열 스트리핑은 열점(hot spot) 및 냉점(cold spot)이 연료 다발을 빠져나오는 나트륨 흐름으로 발전할 때 발생한다. 이들 열점 및 냉점은 시간이 지남에 따라 손상될 수 있는 주(primary) 용기의 상부 부분에 열응력(thermal stress)을 유발시킨다.

일 실시예에 있어서, 액체 금속 냉각식 원자로(cooled reactor)를 위한 연료 다발은 채널, 상기 채널의 하단부에 고정된 노즈(nose) 조립체, 및 채널 내에 배치된 복수의 연료봉(fuel rod)을 포함한다. 연료봉들 중 적어도 하나는 연료봉을 둘러싸며 또한 그 연료봉을 인접한 연료봉으로부터 이격시키는 적어도 하나의 보호 링(guard ring)을 갖는다.

다른 실시예에 있어서, 액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발은 채널, 이 채널의 하단부에 고정된 노즈 조립체, 및 채널 내에 배치된 복수의 연료봉을 포함한다. 복수의 연료봉들 중 적어도 하나는 랩핑(wrapping)된 봉이다. 이 랩핑된 봉은 와이어가 나선형으로 랩핑되며, 또한 복수의 연료봉들 중 적어도 하나는 랩핑되지 않은 봉이다.

예시적인 실시예의 전술한 그리고 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세히 서술함으로써 더욱 명확하게 될 것이다. 첨부한 도면은 예시적인 실시예를 도시한 것으로 의도되며 또한 청구범위의 의도된 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 첨부한 도면은 명확하게 언급하지 않는 한 크기대로 도시된 것으로 간주되지 않는다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 액체 금속 냉각식 원자로를 위한 연료 다발을 도시하고 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른 연료봉의 예를 도시하고 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 연료봉에 인접한 연료봉을 도시하고 있다.
도 3a는 연료봉의 바닥으로부터 1 미터에서 연료봉의 톱다운(top-down) 횡단면도를 도시하고 있다.
도 3b는 연료봉의 바닥으로부터 2 미터에서 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있다.
도 5는 랩핑된 봉을 도시하고 있으며, 또한 연료봉의 길이방향 길이를 따른 와이어의 나선형 랩핑을 도시하고 있다.
도 6은 2개의 인접한 랩핑되지 않은 봉의 길이방향 길이를 따라 채널의 벽으로부터 돌출하는 탭(tab)을 도시하고 있다.
도 7은 탭의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있다.
도 9는 와이어 랩핑이 서로 반대의 배향(orientation)으로 된 2개의 랩핑된 연료봉을 도시하고 있다.

상세한 예시적인 실시예가 여기에 서술된다. 그러나 여기에 서술된 특정한 기술적인 그리고 기능적인 상세한 내용은 단지 예시적인 실시예를 서술하기 위한 표본일 뿐이다. 그러나 예시적인 실시예는 많은 대안적인 형태로서 실시될 수 있으며 또한 단지 여기에 설명된 실시예에 제한되는 것으로 해석되지 않는다.

따라서, 예시적인 실시예는 다양한 수정 및 대안적인 형태일 수 있지만, 그 실시예가 도면에 예로서 도시되었으며, 또한 여기에 상세히 서술될 것이다. 그러나 예시적인 실시예를 서술된 특별한 형태로 제한하려는 의도는 없지만, 그와는 반대로 예시적인 실시예는 예시적인 실시예의 범위 내에 속하는 모든 수정, 등가물, 및 대안을 포함할 수 있음을 인식해야 한다. 유사한 도면부호는 도면의 설명을 통해 유사한 요소를 지칭한다.

제1, 제2, 등의 용어가 여기에서 다양한 요소를 서술하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되지 않음을 인식해야 한다. 이들 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 예시적인 실시예의 범위로부터의 일탈 없이, 제1 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있으며, 또한 유사하게 제2 요소는 제1 요소로 지칭될 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 또는 그 이상의 관련된 열거된 항목의 임의의 그리고 모든 조합을 포함한다.

요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "결합된"으로서 지칭될 때, 이것은 다른 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 결합될 수 있으며 또는 개재(intervening) 요소가 존재할 수 있음을 인식해야 한다. 그에 반해, 요소가 다른 요소가 "직접적으로 연결되는" 또는 "직접적으로 결합되는"으로서 지칭될 때, 존재하는 개재 요소는 없다. 요소들 사이의 관련성을 서술하는데 사용되는 다른 단어들은 비슷한 형태로(예를 들어, "사이에" 대 "바로 그 사이에", "인접하여" 대 "바로 인접하여", 등) 해석되어야 한다.

여기에 사용된 용어는 단지 특별한 실시예를 서술하기 위한 것이며, 또한 예시적인 실시예를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에 사용되는 바와 같이, 단수 형태["하나(a), "하나(an)", 그(the)"]는 내용이 달리 명확하게 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함한다(includes)", 및/또는 "포함하는(including)"이라는 용어는 여기에서 사용될 때 언급된 특징, 정수(integer), 단계, 작동, 요소, 및/또는 부품의 존재를 특정하지만, 그러나 하나 또는 그 이상의 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 부품, 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음을 추가로 인식해야 한다.

또한, 일부 대안적인 실시에 있어서 기재된 기능/동작은 도면에 기재된 순서를 벗어나서 발생할 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 연속해서 도시된 2개의 도면은 포함된 기능성/동작에 따라 실제로 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나 또는 때로는 역순으로 실행될 수 있다.

연료 다발 또는 조립체는 원자력 발전소의 노심(爐心)(reactor core)의 주요한 열 발생 부품이다. 액체 금속 고속 증식로(liquid metal fast breeder reactor)와 같은 액체 금속 냉각식 원자로의 연료 다발 설계는, 노심에 중요한 어레이로 배치될 수 있고 또한 원자로 설계 조건에서 나트륨과 같은 액체 금속에 의해 용이하게 냉각될 수 있는 핵분열 가능한(fissionable) 물질의 높은 일체성 조립(high integrity assembly)에 의해 에너지를 생산한다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 액체 금속 냉각식 원자로를 위한 연료 다발을 도시하고 있다. 특히, 도 1의 연료 다발은 나트륨 냉각식 원자로에 대해 서술될 것이다. 도시된 바와 같이, 연료 다발은 상부 외측 표면상에 복수의 횡방향 로드 패드(lateral load pad)(11)를 가지며 또한 그 내부에서 상부 영역에 복수의 연료봉(12)을 그리고 하부 영역에 오리피스/차폐 섹션(13)을 포함하는 6각형 채널 또는 케이싱(10)을 포함한다. 연료봉(12)은 연료봉 지지체(14)에서 그 하단부에 고정된다. 횡방향 부하 패드(11)는 연료 조립체 삽입 및 만곡(distortion)을 허용하기 위해 노심에서 연료 조립체를 이격시키고, 또한 나트륨 냉각제의 면 접촉으로 인한 마찰을 최소화하는 기능을 한다. 노즈 서브조립체(16)는 채널(10)의 하단부에 고정되며, 또한 나트륨 냉각제를 채널(10) 내로 지향시키고 또한 노즈 서브조립체(16)와 그 내부에 서브조립체(16)가 위치된 관련된 지지 구조물의 개구(19) 사이에서 나트륨의 누설을 방지하기 위해 입구(17)의 반대편 단부상에 밀봉부(18)를 갖는 복수의 나트륨 입구(17)를 포함한다. 구조물(20)상의 연료 조립체 지지 지점이 도면부호 21 및 22로 도시되어 있다. 상단부 서브조립체(23)는 채널(10)의 상단부에 고정되며, 나트륨 냉각제는 연료봉(12) 둘레를 상향으로 통과하고, 채널(10)의 상단부의 내부 혼합기(24)를 통과하고, 그리고 상단부 서브조립체(23)에서 도면부호 25로 도시된 출구를 통해 배출된다.

각각의 연료봉(12)은 예를 들어 우라늄 축방향 블랭킷 팰릿의 영역에 의해 위아래로 경계 지워진 플루토늄-우라늄 금속 연료 슬러그(slug)를 수용하는 중심 영역을 구비한 길고, 중공인 스테인리스 스틸 또는 스테인리스 타입 합금(예를 들어, HT9) 튜브이며, 또한 물론 반경방향 블랭킷 배치로 사용될 수 있다. 연료의 많은 변경이 존재하고 또한 실시예가 이 예에 제한되지 않음을 인식해야 한다. 용접된 스테인리스 스틸 플러그는 튜브를 바닥에서 밀봉한다. 상부 블랭킷 위의 영역은 핵분열 가스(fission gas) 플레넘 섹션 및 연료 칼럼 억제(hold-down) 장치를 포함하며, 또한 유사한 플러그에 의해 상부에서 밀봉된다. 닥트 채널 조립체[부품(10, 16, 23)]는 스테인리스 스틸 또는 스테인리스-타입 합금으로 구성되며, 또한 그에 따라 액체 나트륨 냉각제와 호환될 수 있다.

도 2a는 일 실시예에 따른 연료봉의 예를 도시하고 있다. 이 실시예에 있어서, 연료봉(12)을 그에 인접한 연료봉 및 채널(10)의 내부 표면으로부터 이격시키도록 그 둘레에 랩핑된 스페이서 와이어를 갖는 대신에, 연료봉들(12) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 보호 링(205)을 포함한다. 4개의 보호 링(205)이 도 2a에 도시되었지만, 연료봉(12)은 임의의 개수의 보호 링을 포함할 수 있음을 인식해야 한다.

도 2b는 도 2a에 도시된 연료봉에 인접한 연료봉을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 인접한 연료봉은 그 길이방향 길이를 따라 도 2a의 연료봉상에서 보호 링의 위치와는 상이한 위치에 배치된 하나 또는 그 이상의 보호 링을 가질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 원자로의 연료봉(12)은 2개 또는 그 이상의 세트로 분할될 수 있다. 각각의 세트의 연료봉(12)은 그 길이방향 길이를 따라 보호 링(205)의 동일한 패턴을 가질 수 있으며, 상이한 세트는 상이한 보호 링 패턴을 가질 수 있다. 또한, 하나 또는 그 이상의 연료봉(12)이 하나보다 많은 세트에 포함될 수 있다. 도 3a 및 3b는 이런 배치의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도 3a는 연료봉의 바닥으로부터 1 미터에서 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있으며, 또한 연료봉(12)의 바닥으로부터 1 미터에서 제1 세트(305) 및 제2 세트(310)의 연료봉의 보호 링(205)을 도시하고 있다. 도 3b는 연료봉의 바닥으로부터 2 미터에서 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있으며, 또한 연료봉의 바닥으로부터 2 미터에서 제1 세트(305) 및 제2 세트(310)의 연료봉의 보호 링(205)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 중심의 연료봉(12-C)은 양 세트에 속한다. 도 3a에 도시된 패턴은 각각 홀수 미터 간격으로 반복될 수 있으며, 또한 도 3b에 도시된 패턴은 각각 짝수 미터 간격으로 반복될 수 있다. 도 3a 및 3b로부터 인식될 수 있는 바와 같이, 연료봉의 일부는 임의의 보호 링(205)을 포함하지 않을 수 있다. 또한, 2개보다 많은 세트 및 2개보다 많은 패턴이 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 실시예는 서술된 간격에 제한되지 않으며, 대신에 임의의 간격(예를 들어, 0.5 미터)이 사용될 수 있음을 추가로 인식해야 한다.

이격 요소로서 와이어 랩핑의 사용을 제거하는 것은, 다발 내에서 벌크 나트륨 회전을 감소시키며 또한 코어 영역 내측에서 나트륨 흐름의 좋은 혼합을 촉진시켜, 열 스트리핑을 감소시킨다.

도 4는 다른 실시예에 따른 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 연료봉(12)의 전부가 아닌, 연료봉(12)의 일부가 와이어(405)에 의해 나선형으로 랩핑된다. 즉, 일 실시예에 따라, 적어도 하나의 연료봉은 랩핑된 봉이며(즉, 와이어에 의해 나선형으로 랩핑되며), 또한 적어도 하나의 연료봉(12)은 랩핑되지 않은 봉이다. 도 4에 도시된 실시예에 있어서, 각각의 랩핑된 봉(400)은 그에 인접한 랩핑되지 않은 연료봉(410)을 갖는다. 또한, 도 4는 랩핑되지 않은 봉(410)을 채널(10)의 벽으로부터 이격시키도록 탭(420)이 채널(10)의 내측 벽에 부착될 수 있음을 도시하고 있다.

도 5는 랩핑된 봉(400)을 도시하고 있으며, 또한 연료봉의 길이방향 길이를 따라 와이어(405)의 나선형 랩핑을 도시하고 있다. 도 6은 2개의 인접한 랩핑되지 않은 봉(410)의 길이방향 길이를 따라 채널(10)의 벽으로부터 돌출하는 탭(420)을 도시하고 있다. 일 실시예에 있어서, 와이어(405)는 304 스테인리스 스틸(SS), 316 SS, 및 PE-16 과 같은 재료로 구성된다. 일 실시예에 있어서, 탭(420)은 304 SS, 316 SS, 및 PE-16 과 같은 재료로 구성된다.

도 7은 탭의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 탭(820)은 원하는 각도 또는 배향을 갖도록 형성된다. 탭(820)의 배향은 랩핑된 봉의 와이어(205, 405)의 배향과 반대일 수 있다.

도 8은 다른 실시예에 따른 연료봉의 톱다운 횡단면도를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 랩핑된 봉(400)은 제1 세트(400-1) 및 제2 세트(400-2)로 분할된다. 제1 세트(400-1)의 랩핑된 봉(400)은 동일한 제1 배향에 따라 나선형으로 랩핑된다. 제2 세트(400-2)의 랩핑된 봉(400)은 동일한 제2 배향에 따라 나선형으로 랩핑되며, 상기 제2 배향은 제1 배향과는 상이하다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 배향은 제1 배향의 반대일 수 있다.

랩핑된 봉의 개수를 감소시키는 것 및/또는 랩핑된 봉을 랩핑하는 와이어의 배향을 변화시키는 것은, 다발 내의 벌크 나트륨 회전을 감소시키며 또한 코어 영역 내측에서 나트륨 흐름의 좋은 혼합을 촉진시켜, 열 스트리핑을 감소시킨다.

열 스트리핑을 감소시킴으로써, 연료 다발 내부 부품상의 열응력이 감소되며, 그에 따라 설비의 수명을 연장시킨다.

이와 같이, 예시적인 실시예를 설명하였지만, 그 실시예는 다양한 방법으로 변경될 수 있음이 명백할 것이다. 이런 변경은 예시적인 실시예의 의도된 정신 및 범위로부터의 일탈로서 간주되지 않으며, 또한 당업자에게 명백한 바와 같이 이런 모든 수정은 하기의 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발로서:
벽들을 갖는 채널;
상기 채널의 하단부에 고정된 노즈 조립체(nose assembly); 및
상기 채널 내에 배치된 복수의 연료봉
을 포함하며, 상기 복수의 연료봉 중 적어도 하나의 제1 연료봉은, 적어도 하나의 제1 연료봉을 둘러싸며 또한 적어도 하나의 제1 연료봉을 인접한 연료봉으로부터 이격시키는 적어도 하나의 제1 보호 링을 갖고,
적어도 하나의 제1 보호 링은 적어도 하나의 제1 연료봉에만 견고하게 부착되며,
상기 복수의 연료봉은 제1 세트의 연료봉 및 제2 세트의 연료봉을 포함하고, 상기 제1 세트의 연료봉에서 각각의 연료봉은 그 상에 길이방향으로 배치된 하나 이상의 보호 링의 제1 패턴을 가지며, 상기 제2 세트의 연료봉에서 각각의 연료봉은 그 상에 길이방향으로 배치된 하나 이상의 보호 링의 제2 패턴을 가지며, 상기 제1 패턴은 제2 패턴과는 상이한 것인 연료 다발.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 제1 보호링은 적어도 하나의 제1 연료봉의 길이방향 길이를 따라 배치된 하나보다 많은 보호 링을 포함하는 것인 연료 다발.
제1항에 있어서,
상기 복수의 연료봉 중 적어도 하나의 제2 연료봉은 적어도 하나의 제2 보호 링을 가지며, 상기 적어도 하나의 제1 보호 링은 상기 적어도 하나의 제2 보호 링과는 상이한 길이방향 위치에 있는 것인 연료 다발.
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 연료봉 중 적어도 하나의 제3 연료봉은 보호 링을 갖지 않는 것인 연료 다발.
액체 금속 냉각식 원자로용 연료 다발로서:
벽들을 갖는 채널;
상기 채널의 하단부에 고정된 노즈 조립체; 및
상기 채널 내에 배치된 복수의 연료봉
을 포함하며, 상기 복수의 연료봉 중 적어도 하나의 제1 연료봉은, 적어도 하나의 제1 연료봉을 둘러싸며 또한 적어도 하나의 제1 연료봉을 인접한 연료봉으로부터 이격시키는 적어도 하나의 보호 링을 갖고,
상기 복수의 연료봉은 제1 세트의 연료봉 및 제2 세트의 연료봉을 포함하고, 상기 제1 세트의 연료봉에서 각각의 연료봉은 그 상에 길이방향으로 배치된 하나 이상의 보호 링의 제1 패턴을 가지며, 상기 제2 세트의 연료봉에서 각각의 연료봉은 그 상에 길이방향으로 배치된 하나 이상의 보호 링의 제2 패턴을 가지며, 상기 제1 패턴은 제2 패턴과는 상이한 것인 연료 다발.
제6항에 있어서,
상기 복수의 연료봉 중 상기 적어도 하나의 제1 연료봉에 인접한 연료봉은 랩핑되지 않은 봉인 연료 다발.
삭제
삭제
제6항에 있어서,
복수의 연료봉 중 적어도 일부를 적어도 하나의 제1 벽으로부터 이격시키기 위해 상기 벽들 중 적어도 하나의 제1 벽에 부착되는 탭을 더 포함하는 연료 다발.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
복수의 연료봉 중 적어도 일부를 적어도 하나의 제1 벽으로부터 이격시키기 위해 상기 벽들 중 적어도 하나의 제1 벽에 부착되는 탭을 더 포함하는 연료 다발.
삭제