KR102395713B1 - 냉각 덕트를 갖춘 연료 요소들을 가진 원자로 - Google Patents

Abstract

노심(core)을 수용하는 용기(vessel)를 포함하는 원자로(nuclear reactor)가 개시되며, 상기 노심은 연료 요소들(fuel elements)의 묶음(bundle)을 포함하고 상기 노심의 일차 냉각 유체(primary cooling fluid) 내에 담기며; 상기 연료 요소들은 각개의 길이 방향의 평행한 축들을 따라서 연장되고, 상기 연료 요소들의 헤드는 상기 연료 요소들의 전체 활성 부분(active part)의 중심으로 연장된 튜브형 구조물(tubular structure)에 유체 연결되며; 상기 튜브형 구조물은 하단부에서 유체 밀봉되고, 상기 연료 요소들의 활성 부분에 대응되는 전체 길이를 따라서 다수의 작은 구멍들을 구비한다.

Description

냉각 덕트를 갖춘 연료 요소들을 가진 원자로

본 발명은 원자로(nuclear reactor)에 관한 것으로, 특히 새로운 개념의 연료 교체 중의 냉각 시스템에 의해 특징지어진 다수의 연료 요소들(fuel elements)에 의해 구성되는, 액체 금속 또는 용융염(molten salts)으로 냉각되는 원자로에 관한 것이다.

원자로의 정상 작동 중에, 연료 요소들의 활성 부분(active part)은 냉각 유체 내에 완전히 담기며, 아마도 비활성 헤드(inactive head)는 고온의 매니폴드(manifold) 레벨 위로 드러난다.

연료 교체(fuel replacement) 중에, 소모된 요소들(exhausted elements)은 원자로의 액체 금속 또는 용융염으로부터 보조 수조(water pool)로 이송된다. 작업은 원자로로부터 소모된 연료 요소들의 추출 및 수조로의 전체 이송 기간 중에 강제 가스 순환을 통한 그들의 냉각을 요구하며, 이러한 순환은, 연료 요소의 헤드에 연결되는 연료 이송 기계의 그리퍼(gripper)를 통해 연료 요소를 연료 이송 기계의 보조 회로에 결합함으로써 시행된다.

냉각 덕트(cooling duct)는 연료 요소의 헤드로부터 진행되며, 박스형 구조물 내에 담겨 있는 연료봉들(fuel rods)에 닿으며, 박스형 구조물은, 대체로, 연료 요소의 하부 활성 단부(lower active end)를 넘어서 연장되고 연료 요소의 발(foot)과 유체 연속(hydraulic continuity) 상태이며, 결국 정상적인 원자로 작동 중에 일차 냉각 유체가 들어오는 덕트(duct)를 구비하며, 연료 교체 상황에서 보조 냉각 가스가 존재한다.

냉각은, 이송 경로를 따라 임의의 위치에서 연료 요소의 일시적인 막힘과 같은, 있을 수 있는 예측하지 못한 상황을 고려하여 항상 보장되어야 한다.

분명히, 가장 위험한 상황은, 연료 요소의 활성 부분은 일차 냉각 유체로부터 부분적으로 또는 완전히 추출되고, 요소의 발은 아직 일차 냉각 유체 내에 담겨 있으며, 아직 일차 냉각 유체 내에 부분적으로 담겨 있는 순환 덕트가 일차 냉각 유체에 의해 막힘으로써 보조 냉각 가스의 순환이 방해를 받게 되는, 있을 수 있는 막힘이다.

본 발명의 하나의 목적은, 알려진 해법들의 지적된 단점들을 극복하며 추가적인 구조상 및 안전상 이점들을 가지는 원자로를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 제1항에 정의된 바와 같은 원자로에 관한 것이며, 그 보조적인 특징들과 플랜트 구성들(plant configurations)은 종속항들에서 정의된다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하면서 아래의 비제한적인 실시예에서 설명된다.
- 도 1은 본 발명에 따른 원자로의 개략적인 전체 길이 방향 단면도이며;
- 도 2는 도 1의 원자로의 노심의 활성 부분의 확대된 길이 방향 단면도이다.

도 1을 참조하면, 특히 액체-금속 또는 용융염 냉각 원자로(1)가 도시되어 있으며, 상기 원자로(1)는 실질적으로 컵 또는 풀-형상의(pool-shaped) 용기(vessel)(2)와, 상기 용기(2)의 상부에 배치된 폐쇄 구조물(closure structure)(3)을 포함하며; 상기 용기(2)는 노심(core)(4)과, 고온 매니폴드(hot manifold)(6)와 저온 매니폴드(cold manifold)(7)를 구획하는 유체 분리 구조물(hydraulic separation structure)(5)을 담고 있으며, 고온 매니폴드(6)와 저온 매니폴드(7) 내에서 상기 노심(4)의 일차 냉각 유체(F)가 순환하게 된다. 상기 일차 냉각 유체(F)는, 상기 원자로(1)의 정상 작동에 있어서 상기 매니폴드들(6과 7) 내에서 상이한 높이들(H1과 H2)에 있는 자유 표면( free surface)을 가진다. 상기 용기(2)는, 일차 냉각 유체(F)를 위한 순환 펌프들(8)과, 일차 냉각 유체(F)가 통과하며 상기 노심(4) 내에서 생산된 파워를 이차 유체(secondary fluid)로 전달하는 열교환기들(9)과, 도시되지 않은 다른 알려진 구성요소들을 수용한다.

연료 요소들(12)을 위한 고정 구조물(anchoring structure)(11)이 상기 유체 분리 구조물(5)의 상부(10) 내측에 삽입된다.

도 2도 함께 참조하면, 상기 연료 요소들(12)은 각개의 길이 방향의 평행한 축들(A)을 따라서 연장되고, 각개의 활성 부분들(13)과, 각각 상기 연료 요소들의 바닥(bottom)과 정상(top)에 있는 발(foot)(15)과 헤드(16)를 포함하는 각개의 서비스 부분들(service parts)(14)과, 상기 활성 부분(13)과 상기 헤드(16) 사이의 연결 샤프트(17)를 가진다.

상기 샤프트(17)는 특정한 양의 기계적 유연성을 보유하며 그 상부(18)가 상기 연료 요소(4)의 헤드(16) 내부의 비어 있는 실린더형 부피 내에 삽입된다. 이러한 상부(18)는 그 상단부에 배치된 구형 커플링(spherical coupling)(19)에 의해 상기 헤드(16)에 기계적으로 결합되며, 이는 현재 기술이기 때문에 상세하게 설명되지는 않는다.

상기 연료 요소들(12)의 발들(15)은 서로 접촉되며, 전체로서, 상기 유체 분리 구조물(5)의 바닥 상의 개구(opening)(21)의 내측 테두리(inner rim)(20)에 의해 반경 방향으로 제한되는 묶음(bundle)을 구성한다.

상기 연료 요소(12)의 헤드(16)는, 상기 연료 요소들(12)을 서로에 대해 그리고 상기 고정 구조물(11)에 대해 제한하는 지지 장치들(support devices)(22)을 수용한다.

정상적인 원자로 작동 조건들 하에서, 상기 연료 요소들(12)의 헤드들(16)은 상기 고온 매니폴드 내의 일차 냉각 유체의 높이(H1) 위에 있으며, 각개의 활성 부분들(13)은 일차 냉각 유체의 순환을 통해 그들을 냉각시킬 수 있도록 완전히 잠긴다. 일차 냉각 유체는 상기 저온 매니폴드(7)로부터 각개의 발들(15)을 통해 상기 연료 요소들(12)로 들어가며, 구멍들(25)을 갖춘 연료봉들(fuel rods)(24)의 상부 지지 그리드(upper support grid)(23)를 통해 상기 고온 매니폴드(6) 내부로 배출된다.

상기 샤프트(17)는 중공형(hollow)이며, 상기 연료 요소들(12)의 전체 활성 부분(13)의 중심으로 연장되는 튜브형 구조물(26)에 유체 연결된다.

상기 튜브형 구조물(26)은 상기 연료 요소(12)의 활성 부분(13)에 대응되는 전체 길이를 따라서 다수의 작은 구멍들(27)을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 튜브형 구조물(26)은 하단부에서 플러그(29)와의 나사 결합에 의해 편리하게 닫히며, 상기 플러그(29)는 상기 튜브형 구조물(26)에 만들어진 어깨부(shoulder)(30)와 함께 상기 연료 요소(12)의 하부 그리드(73)의 잠금 시스템을 구성한다.

알려진 해법들이며 본 발명에서 서술되지 않은 연료 교체 기계의 그리퍼들(grippers)과 상기 연료 요소(12)의 헤드(16) 사이의 유체 밀봉 결합과, 상기 연료 요소의 튜브형 구조물(26)에 공급하기 위해 상기 헤드(16)로부터 상기 샤프트(17)를 통해 진행하는 유체 덕트에 의해, 연료 교체 작업 중에 상기 튜브형 구조물(26)의 구멍들(27)을 통해 상기 연료 요소들(12)의 활성 부분 내부로 냉각 가스를 주입하는 것이 가능하다.

또한, 샤프트(17)를 제공하지 않지만, 헤드가 상부 그리드(23)에 직접 연결되는 것과 같은, 상기 연료 요소(12)를 위한 상이한 구조적 해법들로도 유사한 가능성이 존재한다.

상기한 설명으로부터 본 발명의 이점들이 명확히 드러난다.

- 상기 연료 요소(12)의 활성 부분(13)의 전체 축방향 프로파일을 따라서 냉각 가스를 주입하는 시스템의 가용성은, 오직 상기 연료 요소(12)의 활성 부분(13)만, 또는 오직 그 일부만 일차 냉각 유체의 높이(H1) 위로 드러나서, 상기 발(15)을 통해 냉각 가스의 배출을 가로막게 되는 냉각 유체에 의해 전체 활성 부분(13)을 통한 냉각 가스의 순환이 가로막히게 되는 위치에서 상기 연료 요소(12)가 막힌 상태로 유지되는, 교체 작업 중의 심지어 가상적인, 돌발적인 상황에서도 상기 연료 요소의 활성 부분의 냉각을 허용한다; 이 경우에, 일차 냉각 유체로부터 돌출된 부분은 드러난 활성 부분(13)에 대응되는 작은 구멍들(27)로부터 빠져나온 가스에 의해 냉각되며, 그 가스는 상부 그리드(23) 내의 구멍들(25)을 통해 상기 연료 요소(12)를 떠난다.

- 상기 활성 부분들(13)의 내부로부터 냉각 가스의 분사는, 외부 연료봉들과는 달리, 특히 상기 활성 부분들(13)로부터 밖으로 향하는 방사에 의해 효율적으로 냉각될 수 없는 내부 연료봉들을 냉각시키는데 유리하다.

- 상기 연료 요소(12)의 전체 활성 부분(13)에 대해 연장된 상기 튜브형 구조물(26)은 상기 하부 그리드를 위한 지지체로서 편리하게 사용될 수 있으며, 필요할 경우, 상기 연료봉들의 중간 그리드들을 위한 지지체로서도 사용될 수 있다.

- 상기 연료 요소(12)의 전체 활성 부분(13)에 대해 연장된 상기 튜브형 구조물(26)은 상기 노심(4)의 제어봉들을 수용하는데 편리하게 사용될 수 있으며, 상기 튜브형 구조물(26)을 냉각 가스 주입을 위한 유체 덕트로서 사용하기 위해서는 상기 연료 요소(12)의 추출 전에 상기 제어봉들은 제거된다.

마지막으로, 여기서 제시된 원자로에 관하여 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고서 다양한 수정들과 변형들이 만들어질 수 있을 것으로 생각된다.

Claims (4)

1. 노심(core)(4)을 수용하는 용기(vessel)(2)를 포함하며, 상기 노심(4)은 연료 요소들(fuel elements)(12)의 묶음(bundle)을 포함하고 상기 노심의 일차 냉각 유체(primary cooling fluid)(F) 내에 담기는, 원자로(nuclear reactor)(1)로서;
   상기 연료 요소들(12)은 각개의 길이 방향의 평행한 축들(A)을 따라서 연장되고, 상기 연료 요소들(12)의 헤드(16)는 상기 연료 요소들(12)의 전체 활성 부분(active part)(13)의 중심으로 연장된 튜브형 구조물(tubular structure)(26)에 유체 연결되며(hydraulically connected); 상기 튜브형 구조물(26)은 하단부(28)에서 유체 밀봉되고(hydraulically sealed), 상기 연료 요소들(12)의 활성 부분(13)에 대응되는 전체 길이를 따라서 다수의 구멍들(27)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 원자로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 튜브형 구조물(26)은 하단부(28)에서 플러그(plug)(29)에 의해 닫히며, 상기 플러그(29)는 상기 튜브형 구조물(26)에 만들어진 어깨부(shoulder)(30)와 함께 상기 연료 요소들(12)의 하부 그리드(lower grid)(31)의 잠금 시스템(locking system)을 구성하는, 원자로.
3. 제1항에 있어서,
   연료 교체 기계의 그리퍼들(grippers)과 상기 연료 요소들(12)의 헤드(16) 사이의 유체 밀봉 결합에 의해, 연료 교체 작업 중에 상기 튜브형 구조물(26)의 구멍들(27)을 통해 상기 연료 요소들(12)의 활성 부분(13) 내부로 냉각 가스를 주입할 수 있는, 원자로.
4. 제1항에 있어서,
   연료 교체 작업 중에, 냉각 가스는 연료봉들(fuel rods)(24)의 상부 지지 그리드(upper support grid)(23) 내의 구멍들(25)을 통해 상기 연료 요소들(12)로부터 빠져나갈 수 있는, 원자로.

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