KR102431308B1 - 원자로의 노심 또는 상기 노심의 주변부에서의 샘플들의 방사선 조사를 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
원자로의 노심 내에서 또는 상기 노심의 주변부에서 샘플에 방사선을 조사(irradiate)하는 장치는,
- 챔버(7)를 획정(delimit)하는 이중 벽 격납부(double wall containment; 6),
- 상기 챔버(7) 내에 담기는 용기(4)로서, 상기 용기는 상기 격납부의 내측벽(8)으로부터 거리를 둔 채 유지되며 상기 용기는 냉각재를 담도록 설계된, 용기(4),
- 샘플 홀더(sample holder; 2)로서, 상기 샘플 홀더의 자유 단부는 상기 용기(4) 내에 배치될, 샘플 홀더(2)를 포함하며,
상기 용기의 내측은 상기 용기의 외측과 유체 소통되며, 상기 격납부(6)의 내측벽(8)과 상기 용기(4) 사이의 부피는, 냉각재 쿠션 기체로 호칭되는 기체 또는 기체들의 혼합물로 채워질 것이다.
- 챔버(7)를 획정(delimit)하는 이중 벽 격납부(double wall containment; 6),
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상기 용기의 내측은 상기 용기의 외측과 유체 소통되며, 상기 격납부(6)의 내측벽(8)과 상기 용기(4) 사이의 부피는, 냉각재 쿠션 기체로 호칭되는 기체 또는 기체들의 혼합물로 채워질 것이다.
Description
본 발명은 원자로의 노심 또는 상기 노심의 주변부에서 재료들의 방사선 조사를 위한 장치에 관한 것이며, 더 구체적으로는 핵연구 원자로(nuclear research reactor) 내에서의 방사선 조사를 위한 장치에 관한 것이다.
방사선 조사 하에서 재료들 또는 샘플들의 거동을 관측하는 실험이 그 재료들 또는 샘플들에 관하여 수행될 수 있도록 핵연구 원자로의 노심 또는 상기 노심의 주변부에 그 재료들 또는 샘플들을 위치시킬 수 있어야만 한다.
따라서, 실험용 원자로 내에 연료 조립체들의 매질(medium)에 대응되는 중성자 선속이 가장 높은 상기 실험용 원자로의 구역(zone) 안으로, 방사선 조사될 하나(또는 여러) 샘플(들)을 도입할 수 있는 장치를 가지는 것이 요구된다. 이 구역 내에서, 방사선 조사 하의 샘플들 및 구조물들은 상기 원자로 노심으로부터 비롯된 핵방사(감마선 및 중성자)를 겪는바, 상기 핵방사는 상기 샘플들 및 구조물들의 온도를 증가시킨다.
고온 및 고압이 이 실험 장치에 가해진다.
고압 및, 예를 들어 800°C 대의 고온을 동시에 견뎌낼 수 있는 재료들을 선택하기 어렵다. 이는 실험에 있어서의 방사선 조사 조건 하에서 특히 어렵다.
예를 들어, 오스테나이트 강의 수명은 450°C보다 높은 온도에 대하여 현저히 단축된다. 예를 들어 X2CrNiMo17-12-2 오스테나이트 강에 대하여, (전형적으로 12 dpa/year의 손상과 함께) 방사선 조사 하의 연구 원자로 노심 내에서의 수명은, 375°C 밑에서 4.4년이며, 425°C 위에서 2년이다. 유사하게, 450°C 밑에서 재료 크리프 및 노후화(material creep and aging)는, 지속기간(duration)과 무관하게 무시해도 될 정도이지만, 525°C에서 2000 시간부터는 현저해지기 시작한다.
결과적으로 본 발명의 일 목적은 원자로 내에서의 샘플들의 방사선 조사를 위한 실험 장치로서, 안전 규칙들을 만족하는 조립체의 기계적 강도(strength)를 보증하면서도 상기 실험 장치 내에서 샘플들이 고온에 도달할 수 있는 실험 장치를 제공하는 것이다.
위에서 언급된 목적은, 이중 피복 엔클로저(double skin enclosure)에 의해 획정되는 챔버로서, 냉각재 유체를 담을 용기를 담은 챔버, 상기 샘플들이 상기 냉각재 유체 안에 담기도록 상기 용기 안으로 관통하는 샘플 홀더를 포함하는, 샘플들에 방사선을 조사하기 위한 장치에 의해 달성되는바, 상기 용기는 고온에 저항할 수 있으며, 상기 샘플 홀더가 안에 배치되는 상기 용기 내측의 압력과 상기 용기 외측의 압력이 동일하도록 상기 용기의 내부와 외부는 유체 소통된다.
본 발명으로써, 상기 용기의 내부 및 외부는 동일한 압력에 있으며, 결과적으로 상기 용기를 형성하는 재료(들)은 고압을 견딜 필요가 없을 것이므로, 상기 용기를 만드는 재료(들)은 고온에 견디도록 선택되고, 압력에 견디기 위한 더 낮은 기계적 강도를 가질 수 있다. 게다가 상기 용기 외측의 기체는 샘플 가열 구역(sample heating zone)으로부터 상기 챔버를 단열하고, 그렇다면 그 챔버는 고압에 견딜 수 있지만 상기 용기보다 더 낮은 온도에 견딜 수 있는 재료 또는 재료들로부터 만들어질 수 있다.
매우 유리하게는 샘플들의 온도를 조절하는 수단이 상기 용기 벽 내에 또는 상기 용기 벽 상에 제공된다. 바람직하게는 이것들은 추가적 샘플 가열 수단들이다. 이는 샘플 방사선 조사 조건들 하에서 상기 온도의 정밀한(precise) 제어를 가능하게 한다.
격납부의 기계적 강도는 압력, 온도 및 방사선 조사 시간에 의존한다. 본 발명에 따르면, 상기 챔버는, 냉각재 쿠션 기체의 매우 영리한 이용으로 인하여 상기 챔버의 기계적 강도에 현저하게 영향을 미치지 않는 온도에서 유지되는바, 상기 냉각재 쿠션 기체 내에 상기 온도를 유지하는 상기 용기와 상기 챔버 사이의 단열로서 상기 샘플들이 담기고, 상기 챔버는 그것의 안전 기능을 수행할 수 있으며, 상기 장치는 상기 샘플들 상에 고온을 적용(impose)할 수 있다. 따라서 800°C 대의 온도 또는 심지어 그 이상의 샘플 온도가 핵 안전 규칙들을 준수하면서도, 즉 이중 피복 격납(double skin containment)을 유지하면서도 상대적으로 간단한 구조로써 도달될 수 있다.
그렇다면 본 발명의 대상물은 원자로의 노심 내에서 또는 상기 노심의 주변부에서 샘플에 방사선을 조사(irradiate)하는 장치인바, 상기 방사선 조사 장치는,
- 챔버를 획정(delimit)하는 이중 벽 격납부(double wall containment),
- 상기 챔버 내에 담기는 용기로서, 상기 용기는 상기 격납부의 내측벽으로부터 거리를 둔 채 유지되며 상기 용기는 냉각재를 담도록 설계된, 용기,
- 샘플 홀더(sample holder)로서, 상기 샘플 홀더의 자유 단부는 상기 용기 내에 배치될, 샘플 홀더를 포함하며, 상기 용기의 내측은 상기 용기의 외측과 유체 소통되며, 상기 격납부 내측벽과 상기 용기 사이의 부피는, 냉각재 쿠션 기체로 호칭되는 기체 또는 기체들의 혼합물로 채워질 것이다.
상기 격납부는 외측벽을 구비할 수 있는바, 상기 외측벽은, 상기 원자로의 냉각재와 접촉하고 상기 내측벽과 함께 기체 부피를 획정할 것이다.
유리한 일 예시에서 상기 장치는 상기 용기 상에 설치된 열적 조절 수단을 포함한다.
상기 열적 조절 수단은 유리하게 적어도 추가적 가열 수단들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 추가적 가열 수단들은, 상기 용기의 외측 표면 상에 적어도 하나의 가열 요소를 포함하거나, 또는 바람직하게는 상기 용기의 외측 표면의 전부 또는 일부에 걸쳐 분포(distribute)된 여러 가열 요소들을 포함한다.
예를 들어, 종축을 따라 상기 용기의 상이한 구역들(zones)이 분리 가열될 수 있도록 가열 요소들이 종축을 따라 상기 용기의 외측 표면의 전부 또는 일부에 걸쳐 분포된다.
바람직하게 열적 제어 수단(thermal control means)은, 예를 들어 스프레이-온 프로세스(sprayed-on process)에 의해 만들어지는 보호 코팅으로 코팅된다.
추가적인 일 특징에 따르면, 상기 장치는 상기 용기 상에 설치된 적어도 하나의 온도 센서, 예를 들어 열전쌍을 포함할 수 있다.
상기 용기의 내측은 상기 용기의 상단부(top end)에서 상기 용기의 외측과 유체 소통될 수 있는바, 상기 용기의 상단부를 통하여 상기 샘플이 상기 용기 안으로 삽입된다.
예를 들어, 상기 내측벽 및 상기 외측벽 및 상기 용기는, 튜브형상이며 저부(bottom)에 의하여 하부 단부(lower end)에서 폐쇄된다. 외피(envelope)의 내측벽 및 외측벽은 예를 들어 X2CrNiMo17-12-2 스테인리스 강으로 만들어질 수 있으며, 상기 용기는 인코넬®718(Inconel®718)에 의해 만들어질 수 있다.
본 발명의 다른 대상물은, 본 발명에 따른 방사선 조사 장치를 이용하여 샘플에 방사선을 조사하는 방법으로서, 다음의:
- 상기 방사선 조사 장치 내에 상기 샘플 홀더를 삽입함으로써, 냉각재 유체를 담은 상기 용기 내의 위치로 적어도 하나의 샘플을 두는 단계,
- 상기 원자로의 노심 내의 위치로, 또는 상기 노심의 주변부의 위치로 상기 방사선 조사 장치를 두는 단계,
- 상기 원자로로부터 상기 방사선 조사 장치를 제거하고 상기 방사선 조사 장치로부터 상기 적어도 하나의 샘플을 제거하는 단계를 포함한다.
일 예시에서 상기 냉각재는 액체이며, 예를 들어 상기 냉각재는 액체 금속 또는 액체 합금, 예컨대 NaK 또는 Na일 수 있으며, 상기 냉각재 쿠션 기체는 상기 격납부와 상기 용기 사이에 배치된다.
다른 일 예시에서, 상기 냉각재는 기체 또는 기체들의 혼합물이다.
방사선 조사 중에 추가적인 열이 상기 샘플로 투입(input)될 수 있다.
본 발명은 다음 설명 및 첨부 도면들을 읽은 후에 더 잘 이해될 것인바, 상기 첨부 도면들 중에서:
- 도 1은 본 발명에 따른 샘플의 방사선 조사를 위한 장치의 일 예시 실시예의 개략도의 길이방향 단면도이고,
- 도 2는 도 1의 상세도이며,
- 도 3a는 액체 냉각재의 경우에 상기 장치의 반경의 함수로서의 상기 장치 내 온도 변동의 그래프도(graphic view)이고,
- 도 3b는 기체 냉각재의 경우에 상기 장치의 반경의 함수로서의 상기 장치 내 온도 변동의 그래프도(graphic representation)이며,
- 도 4는 본 발명에 따른 장치 내에 이용될 수 있는 추가적 가열 수단들의 예시 실시예의 개략도이고,
- 도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 장치 내에 이용될 수 있는 추가적 가열 수단들의 다른 일 예시 실시예의 개략도이며,
- 도 6은 상기 격납부의 내부 표면과 상기 용기 사이의 기체 간격(gas gap)의 두께 변동의 프로파일의 예시의 도표이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 샘플의 방사선 조사를 위한 장치의 일 예시 실시예의 개략도의 길이방향 단면도이고,
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- 도 6은 상기 격납부의 내부 표면과 상기 용기 사이의 기체 간격(gas gap)의 두께 변동의 프로파일의 예시의 도표이다.
도 1에는 핵연구 원자로 내, 더 구체적으로는 핵연구 원자로의 노심 내 또는 노심 주변부에서의 샘플들의 방사선 조사를 위한 장치의 개략도가 도시된다.
상기 방사선 조사 장치 및 그것의 일부를 형성하는 요소들은 유리하게는 종축(X)을 중심으로 한 회전체의 형상(shape of revolution) 형태이다. 상기 장치는 유리하게 여러 튜브형 동심 요소들(tubular concentric elements)을 포함한다.
상기 방사선 조사 장치의 길이는 수 미터(예컨대 5m)이며, 상기 방사선 조사 장치는, 원자로 연료 조립체들에 해당되는 중성자 선속 구역 내에 배치될 길이방향 부분을 포함하는바, 상기 길이방향 부분은 예를 들어 1m의 높이에 걸쳐 연장된다.
도 1 및 2에는 상기 중성자 선속 구역 내에 배치될, 그리고 상세하게 설명될 상기 부분이 도시된다.
상기 장치는, 축(X)을 가지는 샘플 홀더(2)를 포함하며, 상기 샘플 홀더(2)는 상기 샘플들을 위치에 유지시킬 자유 길이방향 단부(free longitudinal end; 2.1)를 포함하고, 이 길이방향 단부(2.1)는 예를 들어 샘플들을 위치시키고 샘플들을 제거하도록 그 샘플들의 기하구조(geometry)에 적합화된 구조체를 유지하는 수단 또는 나사봉(threaded rod)을 포함한다. 각각의 샘플 홀더는 실험의 특정 필요조건(specific needs)를 만족시키도록 설계되는바, 예를 들어 상기 각각의 샘플 홀더는 상기 샘플들에 응력을 가하기(stressing) 위한 액추에이터들을 포함할 수 있다. 그것은 또한 방사선 조사 하에 상기 실험을 모니터링하는 데에 필요한, 예를 들어 온도, 압력, 샘플 치수들의 변동, 중성자 선속 및 감마선 선속 등을 측정하는 데에 필요한 상이한 측정 센서들을 포함할 수도 있다. 상기 샘플 홀더(2)는 상기 샘플을 바꾸도록 상기 종축(X)을 따라 슬라이딩시킴으로써 삽입 및 제거될 수 있다.
상기 장치는, 상기 샘플들이 제 위치에 있는 때에 상기 샘플 홀더의 자유 길이방향 단부(2.1)가 내부에 위치되는 용기(4)도 포함한다. 상기 용기는 냉각재 유체를 담을 것인바, 상기 냉각재 유체 내부에 상기 샘플들이 담기고, 이를 통하여 열교환이 이루어진다. 상기 용기는 폐쇄 하부 단부(4.1) 및 개방 상부 단부(4.2)를 포함하며, 상기 개방 상부 단부(4.2)를 통하여 상기 샘플 홀더(2)가 삽입된다. 상기 하부 단부(4.1)는 예를 들어 상기 용기의 측벽에 용접될 수 있다.
상기 냉각재는, 상기 원자로 냉각재와 접촉하는 상기 샘플들, 상기 용기 및 상기 격납부 사이의 열교환들을 전달한다.
상기 용기의 단부(4.1) 및 하부 튜브형 벽의 단부(8.1) 사이의 거리는, 저장소(reservoir)와 상기 격납부 사이의 자유 팽창이 가능하도록 되는 거리이다.
상기 용기(4)는 유리하게 측정 센서들, 예를 들어 온도 및/또는 방사선 조사 센서들을 유지할 수도 있다. 상기 장치는 상기 용기에 대하여 챔버(7)를 획정하는 이중 벽 격납부(6)도 포함한다.
상기 격납부는 내부 튜브형 벽(8) 및 외부 튜브형 벽(10)을 포함하는바, 상기 두 벽들(8, 10)은 동심(concentric)이다. 각각의 튜브형 벽(8, 10)은 그것의 하부 단부에서 하부 단부(8.1, 10.1)에 의해 각각 폐쇄된다. 예를 들어 상기 하부 단부들(8.1, 10.1)은 각각의 튜브형 벽의 일 단부에 용접된다. 상기 하부 단부들(8.1, 10.1) 사이의 거리는 자유 팽창이 가능하도록 되는 거리이다. 상기 용기의 상부 부분은 적절한 기계적 수단에 의해 상기 격납부의 내벽에 고정되는바, 자유 팽창이 하방으로 가능하다.
유리하게, 상기 격납부의 전체 높이에 걸쳐 상기 2개의 튜브형 벽들 사이에 대략 일정한 기체 간격(9)을 유지하는 중심 선정 수단(centring means)이 제공된다. 예를 들어 냉각시(when cold)의 상기 외부 튜브형 벽(10)의 내부면과 상기 내부 튜브형 벽의 외부면 사이의 거리는 0.2mm 대일 수 있다.
상기 2개의 벽들(8, 10)은 그것들 사이에 격납부 기체(containment gas)를 담을 부피를 한정한다.
상기 2개의 벽들 사이에 한정되는 부피는 폐쇄된다. 기체는 예를 들어 상기 격납부의 상단에 근접하여 2mm의 내측 직경을 가지는 작은 직경 튜브형 구멍(small diameter tubular hole)을 통하여 삽입될 수 있다.
NaK(나트륨 및 칼륨 합금) 같은 액체 금속과 같이 액체 냉각재가 이용되어 상기 용기(4)의 저부를 채우는 때에, 상기 챔버(7)는 헬륨과 같은 불활성 기체로 채워지거나, 또는 상기 냉각재와 호환성 있는(compatible) 기체들의 혼합물로 채워진다. 상기 용기의 상부 부분은 상기 냉각재 쿠션 기체로 불리는 이 기체 또는 기체들의 혼합물로 채워지며, 상기 용기의 내측은 상기 용기의 상부 단부를 통하여 상기 챔버(7)와 자유로이 소통되므로, 상기 챔버(7)는 이 냉각재 쿠션 기체로써 채워진다.
상기 액체 냉각재는 나트륨과 같은 하나 이상의 액체 금속들, NAK와 같은 하나 이상의 액체 합금들, 하나 이상의 염들, 하나 또는 여러 유기 액체들(organic liquids) 등일 수 있다.
본 설명서의 나머지 부분에 걸쳐 "상부 쿠션 기체(upper cushion gas)"라는 표현은 기체 또는 기체들의 혼합물을 지칭한다.
예를 들어 헬륨과 같은 기체 냉각재가 상기 용기 내에 이용되는 때에, 이 기체는 상기 챔버(7)도 채운다. 상기 냉각재는 기체 또는 기체들의 혼합물일 수 있다.
상기 내부 튜브형 벽(8)의 상기 내부면은 상기 냉각재 쿠션 기체와 접촉한다.
상기 외부 튜브형 벽(10)의 상기 외부면은 상기 연구 원자로의 냉각재 유체와 접촉하는바, 예를 들어 화살표들(F)에 의해 기호로 표시된 방향을 따라 순환하는 물과 접촉한다.
유리하게 상기 용기 내에 담기는 냉각재의 온도 조절 수단(14)은 상기 용기의 벽 내에 또는 상기 용기의 벽 상에 제공된다. 예를 들어 상기 온도 조절 수단(14)은 가열 수단들일 수 있거나, 또는 대안으로서 냉각 수단이 제공될 수 있거나, 가열 수단 및 냉각 수단 둘 모두가 제공될 수 있다.
상기 가열 수단은 예를 들어 줄 효과(Joule effect)에 기초한 가열 요소들로 구성될 수 있다. 이 수단의 예시 실시예들이 아래에 설명된다.
튜브형 벽들(8, 10)이 고압에 견딜 수 있는 재료로부터 만들어지는바, 예를 들어 상기 고압은 아래 표 1에서 주어지는 직경 수치들에 대하여 16 바(bar) 대의 압력이다.
예를 들어 상기 튜브형 벽들은 스테인리스 강, 지르코늄 합금 또는 니켈 합금으로 만들어질수 있다. 상기 내부 튜브형 벽(8) 및 상기 외부 튜브형 벽(10)은 동일한 재료 또는 상이한 재료들로부터 만들어질 수 있다.
예를 들어 상기 튜브형 벽들(8, 10)은 X2CrNiMo17-12-2 스테인리스 강으로부터 만들어질 수 있다.
상기 용기는, 예를 들어 저변형률(low strain)을 가지고 적어도 800°C 대의 고온에 견딜 수 있는 재료로부터 만들어지는바, 상기 재료는 예컨대 니켈 합금들(예를 들어 인코넬®(Inconel®), 인코로이®(Incoloy®)), 또는 스테인리스 강들과 같은 금속 재료일 수 있다.
게다가 유리하게, 상기 용기의 외부 표면과 상기 장치의 격납부의 내부 튜브형 벽(8) 사이에 가열 구역의 전체 높이에 걸쳐 균일한(uniform) 기체 간격을 보증하는 중심 선정 수단이 제공된다. 이 기체 간격은 상기 용기의 전체 높이에 걸쳐 일정한 두께를 가질 수 있거나 이와 대조적으로 상기 기체 간격은 상기 용기를 따라 상이한 두께들을 가지는 길이방향 섹션들(sections)을 포함할 수 있다. 열교들(thermal bridges)을 제한하도록 작은 치수들을 가지는 중심 선정 수단들이 상기 용기의 표면 상에 제공된다. 그것들은 금속 부싱들(metal bushings) 또는 세라믹 중심 선정 시스템들일 수 있다.
우리는 이제 이 장치의 작동을 설명할 것이다.
상기 샘플들은, 상기 냉각재 유체를 담은 상기 용기(4) 내에 상기 샘플 홀더(2)의 자유 단부(2.1)에서 고정되는바, 그 후 상기 자유 단부(2.1)는 상기 장치 내측에 삽입된다.
그 후 상기 장치는 상기 연구 원자로 노심 안으로 삽입되거나, 또는 상기 노심부의 주변부에서 삽입된다. 그 후 상기 장치는 원자로 냉각재 유체 내에 담긴다. 상기 장치는 핵방사(감마선 및 중성자 방사)를 겪는바, 상기 핵방사는 상기 장치의 다양한 요소들 및 상기 용기 내에 담긴 냉각재를 가열한다. 상기 샘플들도 가열된다. 상기 온도 조절 수단은 예를 들어 상기 냉각재를 가열함으로써 상기 샘플의 온도를 증가시키도록 활성화될 수 있다. 예를 들어 이는 액체 냉각재의 경우에 약 800°C이다. 상기 용기의 재료는 상기 용기가 고온에 견딜 수 있도록 되는 재료이다. 상기 용기(4)는 냉각재 쿠션 기체에 의해 둘러싸인다.
상기 챔버(7) 내에 담긴 냉각재 쿠션 기체는, 상기 용기, 즉 상기 고온 구역과 상기 내부 튜브형 벽(8) 사이의 단열을 형성하는바, 이는 상기 튜브형 벽(8)에, 더 일반적으로는 상기 격납부에 가해지는 온도를 제한하며, 예를 들어 그 온도는 350°C 대일 수 있다. 결과적으로 상기 격납부에 이용되는 재료들은 그것들이 방사선 조사에 의해 무르게 되더라도 충분히 높은 기계적 속성들을 유지함으로써 상기 챔버는 상기 챔버의 내측과 외측 사이의 압력 차이에 의해 부여되는 기계적 응력에 견딜 수 있다. 따라서 상기 장치의 기계적 강도를 유지하면서도 상기 장치의 중심에서 고온에 도달하는 것이 가능하다.
도 3a 및 3b에는 상기 장치가 방사선 조사 하에 있는 때에, mm 단위로 된 상기 장치의 반경(R)을 따라 상기 장치 내의 온도를 °C 단위로 나타낸 그래프도들(graphic representations)이 도시된다.
도 3a의 경우에 12.5W/g의 원자력 및 200W/cm의 파워에 대하여 상기 냉각재는 NaK 액체 금속이며, 상기 원자로 냉각재는 물이다.
약 14.55mm 미만의 반경을 가지는 I로 표기된 중심 구역(central zone) 내에서 온도는 대략 일정하며 약 800°C라는 점이 이해될 수 있다. 14.55mm와 15.6mm 사이에서 이 구역은 II로 표기되며, 상기 용기 및 상기 격납부의 내부 튜브형 벽(8)의 외부 직경과 대략 동일하며, 기체 공간(9) 내에서의 온도는 상기 내부 튜브형 벽(8)의 온도에 해당되는 약 350°으로 떨어지며, 2개의 격납부 벽들(containment walls) 사이의 기체 공간(9) 내에서의 온도는 상기 외부 튜브형 벽(10)에서 100°C로 떨어진다. 이 너머로, 상기 튜브형 벽(10)으로부터 시작하여, 상기 원자로 냉각재가 순환하는 격납부(4) 외측에 이르는 구역(III) 내에서의 온도는 더 느리게 감소되어 상기 원자로 냉각재의 온도에 도달된다.
도 3b에 도시되는 경우에, 12.5W/g의 원자력 및 200W/cm의 파워에 대하여 상기 냉각재는 헬륨이고 상기 원자로 냉각재는 물이다. 심지어 냉각재로서 기체를 이용함으로써 더 높은 온도가 얻어질 수 있는바, 왜냐하면 상기 장치의 중심(구역 I')에서 1400°C 대의 온도에 도달되기 때문이다.
약 9.3mm 미만의 반경을 가지는 상기 샘플들에 해당되는 I’로 표기되는 중심 구역 내에서의 온도는 약 1400°C이며, 대략 일정하다는 점이 이해될 수 있다. 그 후 9.3mm와 12mm 사이에서 구역(II')은 상기 용기 내측의 냉각재 기체에서의 온도 강하(drop)에 해당된다. 12mm와 14.6mm 사이의 상기 용기(구역 III') 내의 온도는 약 750°C에서 일정하게 유지되며 상기 기체 공간(9) 내에서 떨어진다. 14.9mm와 16.6mm 사이 상기 격납부(구역 IV') 내의 내부 튜브형 벽(8)의 온도는 약 350°C이며, 그 온도는 상기 기체 공간(9) 내에서 상기 외부 튜브형 벽(10)에서 100°C로 다시 떨어진다. 이 너머로, 상기 온도는 더 느리게 떨어져서 상기 격납부(4) 외측의 원자로 냉각재의 온도에 도달된다.
냉각재 기체는 NaK 냉각재보다 훨씬 덜 전도하며, 열교환이 그리 좋지 못하므로, 샘플들의 온도는 NaK의 경우에서보다 더 높을 수 있다. 게다가 온도 강하는 NaK에서보다 상기 기체 냉각재 내에서 더 중요한바, 이로써 도 3a 및 3b의 곡선들 사이의 프로파일에 있어서의 차이가 설명된다.
그렇다면 본 발명에 따른 장치의 효율은 명백해지는바, 왜냐하면 상기 격납부의 온도는 상기 격납부의 기계적 속성들이 유지되는 온도이기 때문이다.
도 4 및 5a-5b에는 가열 수단에 의해 형성되는 온도 조절 수단의 예시 실시예들이 도시된다. 이들은 전개도(developed view)로 도시된다.
도 4에서 상기 가열 수단은 와이어 형태로 된 가열 요소들을 포함하는바, 예를 들어 도시된 예시에서는 14.1 내지 14.6으로 표기된 6개의 별개의 가열 와이어들(heating wires)이 있다. 상기 와이어들의 전력 공급 단부들(power supply ends)은 모두 상기 용기의 동일 단부에서 배치되는바, 바람직하게는 상기 상부 단부에서 배치됨으로써 상기 와이어들은 전력 공급원에 연결될 수 있다. 각각의 와이어는 상기 용기의 외부 표면 상에서 사행(meander)하도록 만들어짐으로써 상기 용기의 높이의 전부 또는 일부 및 상기 용기의 둘레(perimeter)의 전부 또는 일부가 균일하게 덮인다. 상기 가열 요소들은, 6개의 축방향으로 분포되는 가열 구역들이 한정되도록 상기 용기의 높이에 걸쳐 분포된다. 이 6개의 구역들은 따로따로 제어될 수 있다. 축방향 구역들(C 및 D) 각각은 2개의 가열 요소들(14.3 및 14.4, 그리고 14.5 및 14.6)을 각각 포함한다. 바람직하게 가열 요소들(14.3 및 14.4)은 구역(C)의 균일한 가열을 달성하도록 제어되고, 가열 요소들(14.5 및 14.6)은 구역(D)의 균일한 가열을 달성하기 위하여 제어된다.
변형례로서, 단일의 가열 와이어가 상기 용기의 전체 높이 및 전체 주변부를 덮도록 적용될 수 있다. 임의의 개수의 가열 와이어들이 이용될 수 있다. 게다가 상기 용기의 전체 높이에 걸쳐 연장되지만 상기 용기의 주변부의 일정 각도 부분(an angular portion)만을 덮는 가열 와이어도 본 발명의 범위 내에 놓인다. 여러 독립된 구역들의 이용은 축방향 원자 가열 그래디언트(nuclear heating gradient) 및 반경방향 원자 가열 그래디언트에 의존하여 열 투입을 조절하는 것을 가능하게 한다. 게다가 단일 요소를 이용함으로써 전체 요구 전력을 제공하는 것이 더 어려울 것이다. 더욱이 여러 요소들이 이용된다면 두 요소들 중 하나에 결함이 있으면 항상 더 많은 열을 추가하는 것이 가능하다.
상기 기하구조, 상기 핵 매질(nuclear medium) 및 상기 냉각재와 호환성 있는(compatible) 임의의 추가적 가열 수단들이 이용될 수 있는바, 예컨대 인덕션(induction) 또는 저항성 튜브 가열 수단들 등이 이용될 수 있다.
도 5a에는 상이하게 분포된 6개의 와이어들도 포함하는 상기 가열 수단의 다른 일 실시예가 도시된다. 도 5b에는 도 5a의 가열 수단을 포함하는 상기 용기의 측면도가 도시된다. 6개의 가열 요소들(14.1' 내지 14.6')이 6개의 축방향 구역들(A 내지 F) 내에 분포된다.
예를 들어 상기 용기의 외측 표면은 기계가공(machine)되어 상기 가열 와이어들을 위한 지지부(support)로서 작용한다. 예를 들어 상기 와이어들은 단일 와이어 유형이며, 상기 와이어들은 줄 효과에 의해 가열될 부분을 위한 80/20 니켈 크롬 코어(core), MgO 미네랄 단열부(mineral insulation) 및 인코넬®(Inconel®)600 덮개를 포함한다. 예를 들어 기계가공은, 상기 용기의 외측 직경을 감소시키는 것 및/또는 상기 와이어들을 수용하도록 식각(etching)하는 것으로 구성될 수 있다.
유리하게, 예를 들어 열전쌍들과 같은 온도 센서들도 상기 장치의 온도를 제어하도록 상기 용기의 외측 표면 상에 제공된다.
바람직하게 상기 가열 수단 및 상기 온도 센서들은, 필요하다면 보호 코팅으로써 코팅된다. 이 코팅은 상기 가열 요소들에 의한 파워 입력(power input)을 상기 용기로 더 효율적으로 전달할 수 있는 반면, 상기 가열 요소들의 손상을 피하도록 상기 가열 요소들의 온도 상승을 제한한다. 예를 들어 얇은 세라믹 층이 (예를 들어 아래에서 설명될 스프레이-온 프로세스에 의해) 상기 가열 요소들을 덮는 금속 상에 형성될 수 있다.
이 코팅은, 외측 직경이 제어될 수 있도록 그라인드될(ground) 수 있는 표면을 제공할 수도 있다.
예를 들어 상기 와이어들 또는 상기 가열 요소들은 식각 없이 상기 용기의 외측 표면 상에 배치되고 코팅된다.
상기 와이어 직경은 상기 용기의 최종 직경이 그것을 유지하는 상기 격납부, 및 상기 용기와 상기 격납부를 분리하는 기체 간격과 호환성 있도록 되는 직경이다.
상기 코팅은, 상기 가열 요소들 및 상기 온도 센서들을 코팅하도록, 그리고 제한된 유공성(limited porosity)을 가지도록, 상기 금속의 산화를 방지하도록 선택된다. 예를 들어 이 코팅은 금속화(metallisation)에 의해 만들어질 수 있으며, 유리하게는 상기 금속은 인코넬®(Inconel®) 유형 니켈 합금 코팅으로부터 만들어진다. 변형례로서 상기 코팅은 구리로 만들어질 수 있다.
이 코팅은 스프레이-온 프로세스(sprayed-on process)에 의해 만들어질 수 있다. 그 코팅은 몰딩(moulding)에 의해 제조될 수도 있다.
스프레이-온 프로세스는 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다. 이는 용사(thermal spraying)에 의해 얻어지는 건조 프로세스를 이용하는 표면 처리(surface treatment)로 구성된다. 스프레이-온 프로세스는 공통 속성을 가지는 여러 프로세스들을 포함하는바, 그 여러 프로세스들은, 용가재 금속(filler metal)을 녹이고, 그것을 벡터 기체(vector gas)에 의해 운반되는 액적들의 형태로 분사한다. 증착물(deposit)은 녹은 재료 또는 페이스트 상태(paste state)로 된 재료의 액적들의 연속적인 적층에 의해 형성되는바, 이는 라멜라 구조(lamellar structure)로 귀결된다. 상기 코팅의 부착(adhesion)은 본질적으로 기계적 현상에 의해 얻어지며, 부분들의 표면은, 거칠기(roughness)를 증가시키고 접합(bond)을 개선하도록 이전에 준비된다.
유리하게 안정화 어닐링(stabilization annealing)은 이 코팅이 상기 용기의 외측 표면 상에 형성된 후에 이루어진다. 이에 따라 형성되는 상기 코팅은 그 후 일정한 직경으로 기계가공되거나, 또는 상기 용기(4)와 상기 격납부(6) 사이에 가변 기체 간격(variable gas gap)이 얻어지도록 축방향으로 가변인 프로파일로 기계가공되며, 가변 간격 프로파일의 일 예시는 도 6에 개략적으로 도시된다. 주어진 수치들은 상기 용기의 외측 직경의 예시들이다. 유리하게 이 가변 프로파일은 축방향으로의 열교환을 조절(modulate)할 수 있게 한다. 바람직하게 상기 기체 간격에 있어서의 변동은 대략 가열 요소들의 구역들(A, B, C 및 D)에 해당되는바, 이는 도 4와 비교하여 이해될 수 있는 바와 같다.
가열 요소들 및 열전쌍들을 위한 케이블들은 상기 용기(4)와 상기 격납부(6) 사이의 기체 간격 내에서 상기 가열 구역 위로 경로지정(route)된다.
비한정적 예시로서, 본 발명에 따른 방사선 조사를 위한 예시 장치의 설계 수치들을 제공할 것이다.
상기 이중 외피 격납부는 X2CrNiMo17-12-2 스테인리스 강으로 만들어진 2개의 튜브형 벽들로 구성된다.
표 1에는 내측 직경의 값 및 외측 직경의 값이 포함된다.
| 내측 직경(mm) | 외측 직경(mm) | |
| 내부 튜브형 파티션(inner tubular partition) | 29.7 | 30.9 |
| 외부 튜브형 파티션(outer tubular partition) | 31.2 | 33.1 |
예를 들어 상기 용기는 인코넬®(Inconel®) 718로 만들어진다. 그것은 약 1m 길이이며, 그것의 내측 직경은 24.1mm이며, 그것의 외측 직경은 25.3mm이다.
상기 용기(2)의 외측 측면은 6개의 가열 요소들(EC)에 대한 지지부로서 작용하도록 약 700mm에 걸쳐 24.9mm의 외측 직경으로 기계가공된다. 상기 가열 요소들은 MgO 미네랄 단열 및 인코넬®(Inconel®) 600 재킷을 가지는 80/20 니켈 크롬 단일-와이어 유형이다. 주어진 예시들에서 상기 가열 요소들은 NaK 냉각재에 대하여 약 150°C만큼, 그리고 상기 기체 냉각재에 대하여 약 75°C만큼 상기 온도를 증가시킬 수 있도록 한다.
가열 구역들(A 내지 D) 사이의 축방향 공간은 10mm 대이다.
상기 6개의 가열 요소들의 가열 길이는 1500mm이며, 그 직경은 1mm이다. 12개의 1mm 직경 K 유형 열전쌍들이 상기 가열 구역들 내에 위치된다. 그 가열 높이는 450mm 대이다.
안정화 어닐링 후에 스프레이-온 프로세스에 의해 얻어지는 금속 코팅은 일정한 직경으로 기계가공되는바, 상기 일정한 직경은 상기 설명되는 경우에 있어서는 29.1mm와 같다. 상기 코팅은 모든 가열 요소들을 덮으며 상기 가열 요소들의 양측으로, 예를 들어 수 센티미터에 걸쳐 연장된다.
예를 들어, 상기 용기는 800°C 대의 온도를 유지할 수 있는 반면, 격납부 외피(containment envelope)들은 표 1에 주어지는 직경들에 대하여 450°C 대의 온도 및 예를 들어 16바(bar)의 압력에 견디도록 만들어질 수 있다.
(상기 장치의 횡방향 치수들에 비하여) 상기 장치의 길이를 고려하면, 상기 용기의 내부 튜브형 벽 및 외부 튜브형 벽을 만드는 데 있어서, 상기 격납부 내의 기체 필름(gas film) 및 상기 용기와 상기 격납부 사이의 기체 필름의 매우 우수한 동심성(concentricity) 및 잘-제어된 두께를 얻기 위한 특별한 주의가 취해진다는 점이 이해될 것이다.
상기 방사선 조사 장치는 상대적으로 단순한 구조를 가지며, 안전 규칙들을 준수하면서도 샘플들 상에 매우 높은 온도를 가하는 데에 이용될 수 있다.
Claims (19)
- 원자로의 노심 내에서 또는 상기 노심의 주변부에서 샘플에 방사선을 조사(irradiate)하는 장치로서,
- 챔버(7)를 획정(delimit)하는 이중 벽 격납부(double wall containment; 6),
- 상기 챔버(7) 내에 담기는 용기(4)로서, 상기 격납부의 내측벽(8)으로부터 거리를 둔 채 유지되며 냉각재를 담도록 설계된, 용기(4),
- 샘플 홀더(sample holder; 2)로서, 상기 샘플 홀더의 자유 단부는 상기 용기(4) 내에 배치되도록 구성되는, 샘플 홀더(2)를 포함하며,
상기 용기의 내측은 상기 용기의 외측과 유체 소통되며, 상기 격납부(6)의 내측벽(8)과 상기 용기(4) 사이의 부피는, 냉각재 쿠션 기체로 호칭되는 기체 또는 기체들의 혼합물로 채워지도록 구성되고,
상기 용기(4)의 내측은 상기 용기의 상단부(top end; 4.2)에서 상기 용기의 외측과 유체 소통되며, 상기 용기의 상단부(4.2)를 통하여 상기 샘플이 상기 용기(4) 안으로 삽입되는, 방사선 조사 장치. - 제1항에 있어서, 상기 격납부는 외측벽(10)을 구비하고, 상기 외측벽(10)은, 상기 원자로의 냉각재와 접촉하고 상기 내측벽(8)과 함께 기체 부피(9)를 획정하도록 구성되는, 방사선 조사 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용기(4) 상에 설치된 열적 조절 수단(14)을 포함하는, 방사선 조사 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 열적 조절 수단은 적어도 추가적 가열 수단들을 포함하는, 방사선 조사 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 추가적 가열 수단들은 상기 용기(4)의 외측 표면 상에 적어도 하나의 가열 요소(14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6)를 포함하는, 방사선 조사 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 추가적 가열 수단은, 상기 용기(4)의 외측 표면의 전부 또는 일부에 걸쳐 분포(distribute)된 여러 가열 요소들(14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6)을 포함하는, 방사선 조사 장치.
- 제6항에 있어서, 종축(X)을 따라 상기 용기(4)의 상이한 구역들(zones)이 분리 가열될 수 있도록 상기 가열 요소들(14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6)이 종축(X)을 따라 상기 용기의 외측 표면의 전부 또는 일부에 걸쳐 분포되는, 방사선 조사 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 열적 조절 수단(14)은 보호 코팅으로 코팅되는, 방사선 조사 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용기 상에 설치된 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는, 방사선 조사 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 온도 센서는 열전쌍인, 방사선 조사 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 내측벽(8) 및 상기 외측벽(10) 및 상기 용기(4)는, 튜브형상이며 저부(bottom)에 의하여 하부 단부(lower end)에서 폐쇄되는, 방사선 조사 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 외피(envelope)의 내측벽(8) 및 외측벽(10)은 X2CrNiMo17-12-2 스테인리스 강으로 만들어지며, 상기 용기는 인코넬®718(Inconel®718)에 의해 만들어지는, 방사선 조사 장치.
- 제1항 또는 제2항에 따른 방사선 조사 장치를 이용하여 샘플에 방사선을 조사하는 방법으로서, 다음의:
- 상기 방사선 조사 장치 내에 상기 샘플 홀더(2)를 삽입함으로써, 냉각재 액체를 담은 상기 용기(4) 내의 위치로 적어도 하나의 샘플을 두는 단계,
- 상기 원자로의 노심 내의 위치로, 또는 상기 노심의 주변부의 위치로 상기 방사선 조사 장치를 두는 단계,
- 상기 원자로로부터 상기 방사선 조사 장치를 제거하고 상기 방사선 조사 장치로부터 상기 적어도 하나의 샘플을 제거하는 단계를
포함하고,
상기 냉각재 쿠션 기체는 상기 격납부와 상기 용기 사이에 배치되는, 방사선 조사 방법. - 제13항에 있어서, 상기 냉각재는 NaK 또는 Na인, 방사선 조사 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 냉각재는 기체 또는 기체들의 혼합물인, 방사선 조사 방법.
- 제13항에 있어서, 방사선 조사 중에 추가적인 열이 상기 샘플로 투입(input)되는, 방사선 조사 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 냉각재는 액체 금속 또는 액체 합금인, 방사선 조사 방법.
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