KR102495456B1 - 사용 후 핵연료의 저장 및 수송을 위한 다부품 캐스크 - Google Patents

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Abstract

사용 후 핵연료 수송 및 저장을 위한 분리가능한 다부품 캐스크는 중성자 방사선 차폐 조성물을 갖는 수직으로 연장된 외부 실린더 및 감마 방사선 차단 조성물을 갖는 수직으로 연장된 내부 실린더를 포함한다. 내부 실린더는 사용 후 핵연료 캐니스터를 보유하도록 구성된 공동을 포함한다. 내부 실린더는 분리 가능하게 장착되고 외부 실린더의 공동 내부에 중첩되며, 사용 후 연료 캐스크 적재 작업 동안 단계적으로 분리될 수 있다. 제1 실린더와 제2 실린더 사이에 형성된 공기 환기 고리는 제2 실린더 내부에 배치될 때 방사성 캐니스터에서 방출되는 열을 제거하기 위해 열 제거 통로를 형성한다. 내부 및 외부 실린더에 있는 한 쌍의 제거 가능하게 결합된 결합용 상부 플랜지는 캔틸레버 방식으로 내부 실린더를 지지하고 현수하여, 직접 가열된 내부 실린더가 외부 실린더보다 더 큰 정도로 열 팽창할 수 있게 한다.

Description

사용 후 핵연료의 저장 및 수송을 위한 다부품 캐스크
본 발명은 일반적으로 원자력 발전소 또는 기타 시설에 의해 생성된 사용 후 핵연료를 수송 및 저장하는데 사용되는 캐스크에 관한 것이다.
<관련 출원에 대한 상호 참조>
본 출원은 2018년 6월 7일에 출원된 미국 가출원 제62/681,731호의 이익을 주장하며, 그 전체가 여기에 참조로 포함된다.
원자로의 작동에 있어서, 핵 에너지원은 농축 우라늄으로 채워진 중공 지르칼로이(zircaloy) 튜브 형태이며, 연료 집합체라고 하는 집합체에 집합 적으로 배열된다. 연료 집합체의 에너지가 일정 수준까지 고갈되면 연료 집합체는 원자로에서 제거된다. 경수로에서 배출되는 사용 또는 사용 후 핵연료 집합체를 오프 사이트 선적 또는 현장(on-siate) 건조 저장을 위해 포장하는 데 사용되는 표준 구조를 연료 바스켓이라고 한다. 연료 바스켓은 본질적으로 복수의 개별 사용 후 핵연료 봉을 포함하는 하나의 연료 집합체를 저장하는 크기를 갖는 각기둥형 저장 셀의 집합체이다. 연료 바스켓은 내부 연료 바스켓 내에서 여러 개의 사용 후 연료 집합체를 안전하게 운송하거나 보관하기 위해 환기된 외부 오버 팩 또는 캐스크에 배치되는 금속 저장 캐니스터 내부에 배열된다.
연료 집합체의 사용 후 핵연료("SNF")는 여전히 방사능이 높고 방산되어야 하는 상당한 열을 생성하며, 보호 차폐가 필요한 위험한 이온화 중성자와 감마 광자(즉, 중성자 및 감마 방사선)를 동시에 방출한다. 따라서, 연료 집합체를 취급, 운송, 포장 및 보관할 때 주의를 기울여야 한다. 중성자 방사선은 일반적으로 붕소를 포함하는 금속 및 고분자 차폐 재료로 효과적으로 감쇠될 수 있다. 그러나 이러한 붕소 함유 재료는 연료 바구니에서 방출되는 감마 방사선을 감쇠 및 차폐하는 데 효과적이지 않다. 효과적인 감마선 차폐에는 납 또는 기타와 같은 매우 조밀한 재료가 필요하다.
전형적인 이송 캐스크는 내부의 연료 캐니스터에 저장된 사용 후 핵연료를 구조적으로 보호하도록 설계된 본체를 특징으로 한다. 일반적인 구성은 납으로 채워진 동심원으로 배열된 강철 쉘로 구성된다. 이러한 고밀도 전도성 재료로 만들어진 캐스크 본체는 열전도 및 감마선 차폐 능력이 우수하지만, 안타깝게도 상대적으로 중성자 포획 능력이 낮다. 중성자를 포획하기 위해서는 일반적으로 주 캐스크 본체에 영구적으로 결합된 고체 수지 재료 또는 물로 채워진 재킷에 의해 제공되는 수소 재료가 필요하다.
이러한 전통적인 이송 캐스크 설계는, 크레인 용량이 캐니스터가 삽입된 무거운 이송 캐스크를 적재하는 데 일반적으로 필요한 것보다 적은 경우 또는 시설의 캐스크 적재 면적 치수 또는 공간 제약으로 인해 기존의 대용량 이송 캐스크를 배치할 수 없는 경우에, 높은 붕괴 열 발생률(즉, 40kW 초과)을 갖는 캐니스터를 적재하는 데 한계가 있거나 부적합하게 만드는 몇 가지 단점을 가지고 있다.
전술한 크레인 용량 및 위에서 언급한 공간적 제약 상황을 극복하는 이송 캐스크의 적용성 및 다양성을 확장하기 위한 전통적인 이송 캐스크 설계의 개선이 요구된다.
본 출원은 2개의 분리 가능하게 결합되고 분리하게 중첩된 용기로 구성된 독특한 다부품 이송 캐스크를 제공한다. 본 개시 내용에 따른 이송 캐스크는 주로 외부 중성자 차폐 용기 또는 실린더(NSC) 및 NSC에 제거 가능하게 삽입 가능한 내부 감마 블록 용기 또는 실린더(GBC)를 포함한다. 중성자 차폐 재료가 캐스크 본체의 감마 차단 재료와 영구적으로 통합될 수 있는 기존의 이송 캐스크와 달리, 비영구적으로 장착되고 분리가능한 GBC가 있는 본 발명의 2-부품 이송 캐스크 시스템은 사용 후 연료 캐니스터 캐스크 적재 작업이 특정한 방식으로 단계적으로 이루어지게 한다. 상기 특정한 방식은, 캐스크 적재 영역(예: 사용 후 연료 풀)의 제한된 공간적 제약 내에서 그리고 적용 가능한 상황에서 제한된 크레인 리프팅 용량 내에서 달성될 수 있다. 그렇지 않으면, 더 많은 캐니스터를 사용해야 하므로 비효율적이고 비용이 많이 드는 캐니스터의 전체 저장 용량보다 적은 사용 후 연료 집합체를 삽입하여 연료 캐니스터의 무게를 줄여야 하다.
이송 캐스크의 내부 GBC의 본체는 감마 방사선 차단에 효과적인 감마선 차단과 조합시 실린더에 구조적 무결성을 제공하기 위해 강철, 납, 구리 등의 고밀도 및 고열 전도성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, GBC의 쉘은 중성자 차폐를 위해 열전도율이 낮은 일반적으로 다른 전형적으로 밀도가 낮은 재료를 필요로 하는 중성자 복사를 차폐하는 역할을 하는 NSC의 쉘보다 열전도율이 높은 재료로 구성된다. GBC 본체에는 사용 후 핵연료 캐니스터를 둘러싸고 지지하는 원통형 공동이 있다. 이송 캐스크에는 NSC를 고정하기 위한 적절한 크기의 플랜지 또는 기타 구조적 연결 또는 요소가 있다. GBC는 일부 실시 형태에서 GBC가 연료 적재를 위해 준비되는 사용 후 연료 풀에서 캐스크 적재 영역의 구조와 조화를 이루기 위해 비-원통형 외부 프로파일일 수 있다. 일 실시 형태에서, GBC의 쉘은 원형 횡단면을 갖는 원통형 형상을 갖는다.
이송 캐스크의 외부 NSC는 캐니스터 및 GBC 내부에서 사용된 연료에 의해 방출되는 중성자를 감쇠 및 흡수(즉, 차폐)하는 기능을 한다. 따라서 NSC는 중성자 조절을 위해 붕소를 함유할 수 있는 고체 또는 액체 중성자 방사선 차단 조성물을 갖는다. 추가 감마 차폐를 제공할 수도 있지만, 그 주요 기능은 중성자를 차폐하는 것이다. NSC의 무게가 사용 가능한 원자력 시설 크레인의 리프팅 용량을 초과할 수 있거나, 그 크기가 공간 제약으로 인해 시설의 캐스크 적재 영역(즉, 사용 후 연료 풀)에서의 적재 작업을 제한할 수 있는 경우, NSC는 캐스크의 GBC 본체에서 분리된다. 내부에 사용 후 핵연료 집합체가 있는 물이 채워진 연료 캐니스터는 연료 풀에 잠긴 동안 GBC에 적재될 수 있다. 가장 빨리 편리한 기회에 캐스크 적재 영역(캐니스터 포함)에서 GBC를 제거한 후, GBC와 NSC가 결합된다. 사용 후 핵연료 풀에서 GBC를 제거할 때, 연료 캐니스터에 채워진 물은, GBC가 외부 NSC에 배치될 때까지, 중성자 차폐를 제공하다. GBC의 더 가벼운 리프트 중량과 적재된 물이 채워진 연료 캐니스터(NSC 제외)는 유리하게는 허용 가능한 크레인 용량 내에 있다. 사용 후 연료 풀의 캐스크 적재 영역에서의 작업이 완료되면, GBC가 설정되고 본 명세서에서 더욱 설명하는 바와 같이 NSC와 GBC가 결합된다. 이제 GBC와 NSC로 구성된 이송 캐스크 조립체는, 캐니스터의 사용 후 핵연료가 전통적인 캐니스터 폐쇄 및 이송 작업을 시작하기 위해 필요한 차폐를 갖추고 있다. 바람직하게는, NSC는, GBC에서 캐니스터의 탈수 전에 설치되어, 중성자 차폐가 소실되지 않도록 한다. 이제 GBC, 캐니스터 및 NSC를 포함하는 이송 캐스크를 들어 올리기 전에, 캐니스터는 전체 리프트 중량을 크레인(또는 캐스크, 수직 운반 차량과 같은 기타 리프팅 장치)의 용량 내로 줄이기 위해 탈수된 것이 바람직하다. NSC를 사용하면, 더 이상 캐니스터 내부의 물이 제공하는 중성자 보호가 필요하지 않다.
본 발명에 따른 투피스 이송 캐스크에서 열 배제(rejection)의 주요 수단은, GBC와 NSC 사이에 형성된 원주 방향 및 수직으로 연장된 공기 환기 고리에서의 자연 대류 기류 환기 작용이다. 냉각 공기 순환은 GBC 내부에 있는 캐니스터의 사용 후 연료 집합체에서 방출되는 붕괴 열에 의해 가열된 GBC의 뜨거운 외부 표면에 의해 자연적으로 구동되고 유도된다. 고리는 하부 공기 유입구 및 상부 공기 배출구를 갖는 캐스크의 실질적으로 전체 높이에 걸쳐 연장된다. 주문형 환기 용량을 위해 캐니스터-GBC 인터페이스에서 GBC 내부에 개방되고 환기되는 고리형 공간을 제공하여 열 배제를 더욱 강화하고 향상시킬 수 있다. 최적의 열 및 ALARA 성능을 위해 필요한 경우 추가적인 중성자 차폐를 위해 이 2차 내부 고리를 물로 채우거나, 추가적인 열 제거를 위해 때때로 공기를 환기시키는 기능이 사용 후 연료 적재 및 이송 프로세스의 여러 단계에서 바람직하다.
이러한 배수 가능한 캐니스터-GBC 고리형 공간은 일부 상황에서 과잉 열을 제거하기 위해 캐니스터 덮개에 냉각수를 분사함으로써 캐니스터를 보다 효율적으로 냉각하고자 하는 경우에도 유용하다. 스프레이는, 중력이 공급될 수 있고, 캐니스터 및 그 안의 연료 집합체의 구조적 무결성을 보호하기 위해 최대의 신뢰성을 위해 고리형 공간을 통해 캐니스터 위와 주위로 흐를 수 있다. 계산에 따르면, 스프레이 모드는 물이 채워진 캐니스터의 물이 무한한 기간 동안 끓는 것을 방지할 수 있다. 이는 중성자 차폐와 같이 연료 베어링 캐니스터가 오랜 기간 동안 물을 채워야 하는 시나리오를 처리하는 데 매우 중요하다.
분리가능한 NSC와 GBC 사이의 결합 배열은 독특하며 이 두 실린더 사이의 차등 열 팽창을 보상한다. 내부 GBC에는 외부 NSC의 상부 플랜지에 견고하고 분리 가능하게 결합되는 상부 장착 플랜지가 있어, 내부 GBC가 상부에 캔틸레버 방식으로 결합된 플랜지를 통해 현수되고 지지된다. 바람직한 일 실시 형태에서, 결합된 상부 플랜지 아래의 NSC와 GBC 사이에 다른 강성 결합 결합이 없다. 유리하게는, 이것은 내부 GBC의 더 뜨거운 본체(GBC 내부의 캐니스터로부터 방출된 붕괴 핵연료 열에 의해 가열됨)가 열적으로 성장하고, 자연적인 주변 냉각 공기에 노출된 비교적 보다 차가운 외부 NSC보다도 더 큰 정도로 결합된 플랜지로부터 길이가 수직으로 아래쪽으로 확장하게 한다. 이것은 차별적인 열팽창으로 인해 GBC와 NSC 사이에 균열 형성을 방지한다. 일 실시 형태에서, 2개의 플랜지는 복수의 나사형 체결구에 의해 함께 볼트 체결될 수 있다.
일 양태에서, 사용 후 핵연료 수송 및 저장을 위한 분리가능한 다부품 캐스크는, 수직의 길이방향 축; 중성자 방사선 차폐 조성물을 갖는 수직으로 연장된 제1 실린더로서, 상기 길이방향 축을 따라 연장되는 제1 공동을 형성하는, 제1 실린더; 감마 방사선 차단 조성물을 갖는 수직으로 연장된 제2 실린더로서, 길이방향 축을 따라 연장되고 사용 후 핵연료 캐니스터를 보유하도록 구성된 제2 공동을 형성하는, 제2 실린더; 상기 제1 실린더의 상기 제1 공동 내부에 분리 가능하게 장착된 제2 실린더; 및
상기 제1 실린더와 상기 제2 실린더 사이에 형성된 공기 환기 고리로서, 상기 제2 실린더 내부에 배치될 때 상기 캐니스터에 의해 방출되는 열을 제거하기 위한 열 제거 통로를 형성하는, 공기 환기 고리를 포함한다.
일 양태에서, 사용 후 핵연료의 저장 및 수송을 위한 다부품 이송 캐스크 시스템은, 수직의 길이방향 축; 중성자 방사선 차폐 조성물을 갖는 수직으로 연장된 외부 용기로서, 고리형 상부 플랜지를 포함하는 상단, 하단, 및 상기 상하단 사이에서 연장되고 제1 공동을 형성하는 원통형 측벽을 포함하는 외부 용기; 감마 방사선 차단 조성물을 갖는 수직으로 연장된 내부 용기로서, 고리형 장착 플랜지를 포함하는 상단, 하단, 및 상기 상하단 사이에서 연장되고 사용 후 핵연료 캐니스터를 보유하도록 구성된 제2 공동을 형성하는 측벽을 포함하는 내부 용기; 상기 내부 용기가 상기 결합된 플랜지를 통해 캔틸레버 방식으로 현수되고 지지되도록 상기 외부 용기의 상부 플랜지에 분리 가능하게 결합되는 상기 내부 용기의 장착 플랜지를 포함하고, 상기 내부 용기는 상기 외부 용기로부터 축방향으로 그리고 활주 가능하게 분리될 수 있다. 내부 용기의 현수식 및 캔틸레버식 장착은, 사용 후 핵연료 캐니스터에 의해 직접 가열되는 용기를 내부에 넣었을 때 더 차가운 외부 용기보다 더 높은 열팽창율로 성장할 수 있게 하여 두 용기 사이의 열팽창 균열을 방지할 수 있다.
일 양태에서, 사용 후 핵연료의 이송 및 수송 방법은, 내부 제1 공동을 갖는 외부 중성자 차폐 실린더 및 내부 제2 공동을 갖는 내부 감마 블록 실린더를 포함하는 핵 연료 수송 캐스크를 제공하고, 상기 감마 블록 실린더는 상기 중성자 차폐 실린더의 제1 공동에 분리 가능하게 결합되고 그 내부에 중첩되는 단계; 상기 중성자 차폐 실린더로부터 상기 감마 블록 실린더를 분리하는 단계; 상기 감마 블록 실린더를 지지 표면에 배치하는 단계; 복수의 사용 후 핵연료 집합체를 상기 감마 블록 실린더의 제2 공동에 적재하는 단계; 상기 중성자 차폐 실린더 위로 상기 감마 블록 실린더를 들어 올리는 단계; 상기 감마 블록 실린더와 연료 캐니스터 조립체를 상기 중성자 차폐 실린더에 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 적용 분야는 이후 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타내지만 단지 예시의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이며, 유사한 요소는 유사하게 라벨링된다.
도 1은, 본 발명에 따른 사용후 핵 연료의 저장 및 수송을 위한 다부품 이송 캐스크 시스템의 사시도이다.
도 2는, 그 분해 사시도이다.
도 3은, 내부 감마 블록 실린더가 외부 중성자 차폐 실린더와의 결합이 해제되어 분리된 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는, 길이방향 가이드 스플라인 및 다른 특징을 보여주는 중성자 차폐 실린더의 상부의 확대된 상부 사시도이다.
도 5는, 이송 캐스크의 측 단면 사시도이다.
도 6은, 도 5에서 취한 캐스크의 확대된 상부 상세도이다. 도 5는 화살표로 표시된 장착 플랜지 배치 및 냉각 공기 흐름 경로를 도시한다.
도 7은, 도 5에서 취한 캐스크의 확대된 하부 상세도이다.
도 8은, 밀봉 및 기류 패턴을 보여주는 캐스크의 바닥 부분의 확대 측면도 상세도이다.
도 9는, 내부 감마 블록 실린더에 바닥 덮개를 부착하기 위한 장착 메커니즘을 도시한 캐스크의 바닥 사시도이다.
도 10은, 도 9의 장착 메커니즘을 보여주는 캐스크의 바닥 부분의 확대된 상세도이다.
도 11은, 내부 감마 블록 실린더의 장착 플랜지를 외부 중성자 차폐 실린더에 결합하기 위한 메커니즘을 도시하는 확대된 측단면도이다.
도 12는, 중성자 차폐 실린더의 평면도이다.
도 13은, 캐스크의 환기 시스템을 나타내는 측단면도이다.
도 14는, 도 1의 캐스크 시스템을 이용하는 핵연료 저장 및 적재 시설을 나타내는 개략적인 도면이다.
모든 도면은 개략적이며 반드시 축척된 것은 아니다. 특정 도면에서 번호가 매겨진 요소는 본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한 다른 도면에서 번호가 매겨지지 않은 것처럼 보일 수 있는 동일한 요소이다.
본 발명의 특징 및 이점은 예시적인 실시 형태를 참조하여 본 명세서에서 예시되고 설명된다. 예시적인 실시 형태에 대한 이러한 설명은 전체 명세서의 일부로 간주되는 첨부된 도면과 관련하여 읽히도록 의도된다. 따라서, 본 개시는 단독으로 또는 다른 요소들의 조합으로 존재할 수 있는 요소들의 일부 가능한 비제한적인 조합을 예시하는 그러한 예시적인 실시 형태들로 명백히 제한되어서는 안 된다.
본 명세서에 개시된 실시 형태들의 설명에서, 방향 또는 방향에 대한 어떠한 언급도 단지 설명의 편의를 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. "아래", "위", "수평", "수직", "상", "하", "위로", "아래로", "상부" 및 "바닥"과 같은 관련 용어와 그 파생어(예를 들어, "수평으로", "아래로", "위로" 등)은 논의중에 설명된 방향 또는 도면에 표시된 방향을 나타내는 것으로 해석되어야 하다. 이러한 관련 용어는 설명의 편의를 위한 것이며, 장치가 특정 방향으로 구성되거나 작동될 것을 요구하지 않는다. "연결된", "부착된", "접속된", "결합된", "상호 연결된" 및 이와 유사한 용어는, 달리 명시적으로 설명하지 않는 한, 구조가 중간 구조를 통해 직접 또는 간접적으로 서로 고정되거나 연결되는 관계, 및 움직일 수 있거나 단단한 부착물 또는 관계를 말한다.
전체적으로 사용된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 임의의 범위는 범위 내에 있는 각각의 모든 값을 설명하기 위한 약어로 사용된다. 범위내의 모든 값을 범위의 종점으로 선택할 수 있다. 또한, 본 명세서에 인용된 모든 참고 문헌은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 개시 내용과 인용 문헌의 정의가 상충하는 경우, 본 개시 내용이 우선한다.
도 1-13은 캐스크(20)를 포함하는 방사성 사용 후 핵연료를 저장하고 수송하기 위한 시스템을 도시한다. 캐스크(20)는 수직의 길이방향 축(LA)를 정의하는 수직으로 연장되고, 외부 중성자 차폐 실린더(21)(NSC) 및 외부 실린더내에 삽입되고 분리가능하게 위치된 내부 감마 블록 실린더(40)(GBC)를 포함한다. 이들 실린더는 약어/두문자어, 전체 이름, 또는 단순히 내부 및 외부 실린더로 다양하게 지칭될 수 있다.
외부 NSC(21)는 상단(22), 하단(23), 이들 단부들 사이에서 연장되는 원통형 측벽(24) 및 내부 공동(25)을 포함하는 긴 본체를 갖는다. 공동(25)은 상단부터 하단까지 길이방향 축을 따라 실린더(21)를 통해 완전히 연장된다. 실린더(21)는 내부 표면(30)과 대향하는 외부 표면(30)을 포함한다. NSC(21)는 하나의 긴 실린더 본체로 구성될 수 있거나, 대안적으로 세그먼트들 사이의 조인트에서 함께 용접된 복수의 축 방향으로 정렬되고 수직으로 적층된 실린더 세그먼트에 의해 형성되어, 집합적으로 실린더 본체를 형성할 수 있다.
중성자 차폐 실린더(21)의 하단(23)은 NSC의 지지 및 실린더의 측벽(24)의 보강을 위한 거싯 고리형 방사상 바닥 지지 플랜지(26)를 포함할 수 있다. 플랜지(26)는 비제한적인 일 실시 형태(예를 들어, 도 7 참조)에서 실린더의 내부 표면(30)으로부터 외부 노출 외부 표면(31)까지 반경 방향/측방향으로 완전히 연장될 수 있다. 플랜지(26)는 적재된 연료 캐니스터, GBC 및 NSC(도 13 및 14에 개략적으로 도시됨)와 함께 완전히 적재된 캐스크(20)를 운반하는 데 사용되는 자체 추진 휠 또는 트랙형 수직 캐스크 운송 차량 또는 크롤러(75)의 리셉터클(74)을 둘러싸는 플랫폼(73)과 결합되도록 구성되고 배치된다. 이러한 캐스크 수송 장치는 당업계에 잘 알려져 있으며, Enerpac Heavy Lifting Technology 및 기타와 같은 제조업체로부터 상업적으로 입수 가능하다. 연료 캐니스터(60)가 장착된 내부 감마 블록 실린더(40)가 외부 NSC(21) 내부에 장착될 때, GBC의 하단은 지지 플랜지(26) 아래에서 상향 개방된 리셉터클(74)로 아래로 돌출되어, 지지를 위해 운송 차량의 어떤 구조적 표면과도 결합하지 않을 수 있다. 따라서, 외부 NSC의 하부지지 플랜지(26)는 캐스크(20) 및 그 내부의 사용 후 연료의 전체 중량을 지지한다.
실린더(21)의 상단(22)은 위쪽으로 개방된 상단 리세스(28)를 정의하는 고리형의 반경 방향 상부 플랜지(27)를 포함할 수 있다. 플랜지(27)는 실린더(21)의 상단 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 수직으로 연장되는 고리형 립(27-1)을 형성하도록 구성된다. 일 실시 형태에서, 플랜지(27)는 수평 섹션(27-2) 및 플랜지의 둘레를 정의하는 고리형 립(27-1)을 정의하는 인접한 수직 섹션을 포함하는 L자형 금속 구조 각도에 의해 형성될 수 있다(예를 들어 도 6 참조). 상부 및 하부 플랜지(26 및 27) 모두는 밀봉 용접을 통해 중성자 차폐 실린더(21)의 측벽(24)에 견고하게 결합된다. 각각의 플랜지(26, 27)는 비제한적인 일 실시 형태에 도시 된 바와 같이 중성자 차폐 실린더(21)의 측벽(24)을 넘어 반경 방향 외측으로 더 돌출될 수 있다.
일 실시 형태에서, 외부 중성자 차폐 실린더(21)의 상단(22)은 상부 장착 플랜지(27)에 의해 생성된 실린더의 상부 리세스(28)에 배치된 융기된 스페이서 블록(29)에 의해 형성된 복수의 성곽(castellation)을 포함하는 구성으로 축성될 수 있다(예를 들어, 도 4 참조). 스페이서 블록(29)은 상부 플랜지(27)의 평면형 상향 대향 표면(27-1)으로부터 수직으로 상향 연장된다. 스페이서 블록(29)은 형상이 직사각형 또는 정사각형 입방체일 수 있다. 블록(29)은 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 내부 감마 블록 실린더(40)의 장착 플랜지(70)와 균일하게 결합되고 실린더를 지지하기 위해 일 실시 형태에서 바람직하게는 일정한 간격으로 상부 플랜지(27) 상에서 원주 방향으로 이격될 수 있다.
일 실시 형태에서, 중성자 차폐 실린더(21)는, 사이에 개재된 중성자 감쇠 차폐 매체(35)를 갖는 내부 원통형 쉘(33) 및 외부 원통형 쉘(32)을 포함하는 복합 벽 구조를 가질 수 있다(도 7에 가장 잘 도시됨). 쉘은 부식 방지를 위해 제한없이 스테인리스 강과 같이 충분한 구조적 강도 및 두께의 적절한 금속으로 형성될 수 있다. 중성자 차폐 매체(35)는 중성자 감쇠를 위한 붕소 함유 재료일 수 있다. 일 실시 양태에서, 중성자 차폐물은 균일하게 분산된 탄화 붕소 입자로 함침된 수소가 풍부한 중합체를 포함하는 제형인 뉴저지주 캠든의 홀텍 인터내셔널에서 입수할 수 있는 Holtite(등록상표)와 같은 고체 재료일 수 있다. 다른 붕소 함유 재료가 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 중성자 차폐 매체(35)는 붕산을 함유하는 물과 같은 액체일 수 있다. 고체 또는 액체 중성자 차폐 매체의 경우, 매체는 도시된 바와 같이 벽(32, 33)과 실린더(21)의 상부 및 하부 플랜지(27, 26) 사이에 완전히 둘러싸일 수 있다.
이제 내부 감마 블록 실린더(40)를 설명할 것이다. 일반적으로 도 1 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 내부 실린더(40)는 상단(41), 하단(42), 상하단 사이에서 연장되는 측벽(43) 및 내부 공동(44)을 포함하는 긴 본체를 갖는다. 측벽(43)은 일부 실시 형태에서 연료 캐니스터(60)의 원통 형상에 매치되는 원형 횡단면을 갖는 원통형일 수 있다. 그러나, 예를 들어 육각형 등과 같은 다른 비-원통형 측벽도 가능하다.
감마 블록 실린더(40)의 공동(44)은 길이방향축(LA)을 따라 상단에서 하단(41, 42)까지 실린더(40)의 본체를 통해 완전히 연장된다. 공동(44)은 그 내부에 핵 사용 후 핵연료 캐니스터(60)를 유지하고 지지하도록 구성된다. 감마 블록 실린더(40)의 공동(44)은 바람직하게는 단일 사용 후 핵연료 캐니스터(60)를 보유하도록 구성된 횡단면적을 가지며, 이는 각각 연료봉을 포함하는 복수의 사용 후 핵연료 집합체를 보유한다. 캐니스터(60)는 캐니스터 및 그 안에 저장된 연료 집합체의 내부로의 접근을 제공하기 위해 밀봉 가능한 덮개(61)를 포함한다. 전형적인 핵연료 캐니스터는 최대 용량으로 약 89개의 연료 집합체를 수용할 수 있다. 내부 실린더(40)는 내부 표면(45) 및 대향하는 외부 표면(46)을 추가로 포함한다. 감마 블록 실린더(40)는, 단일의 긴 실린더 본체로 구성될 수 있거나, 대안 적으로 세그먼트 사이의 조인트에서 함께 용접되어 집합적으로 실린더 본체를 형성하는, 복수의 축방향으로 정렬되고 수직방향으로 적층된 실린더 세그먼트에 의해 형성될 수 있다.
일 실시 형태에서, GBC(40)는 사이에 감마 차단 라이너(49)가 개재되고 끼워진 내부 원통형 쉘(47) 및 외부 원통형 쉘(48)을 포함하는 복합 벽 구조를 가질 수 있다(도 7에 가장 잘 도시됨). 고리형 바닥 폐쇄 링(51)은 2 개의 쉘 및 라이너의 하단을 둘러싸고 지지하기 위해 제공될 수 있다. 쉘(47, 48)은 부식 방지를 위해 제한없이 스테인리스 강과 같이 충분한 구조적 강도 및 두께의 적절한 금속으로 형성될 수 있다. 감마 차단 라이너(49) 재료는 바람직하게는 감마 방사선을 차단하도록 선택되고 작동할 수 있는 고밀도 및 고열 전도성 금속 재료(들)로 구성된다. 이러한 기준을 충족하는 데 사용될 수 있는 적합한 재료는 일부 비제한적인 예로서 강철, 납 또는 구리를 포함한다. 일 실시 형태에서, 복합 벽 구조는 강/납/강일 수 있으며, 이들 모두는 GBC의 공동(44)에 배치된 연료 캐니스터(60) 내부에 보유된 붕괴 핵 연료에 의해 방출되는 감마 방사선을 차단하는 역할을 한다.
GBC(40)의 하단부(42)에 있는 공동(44)은 도 5, 7 및 8에 가장 잘 도시 된 분리가능한 하단 덮개(50)에 의해 폐쇄될 수 있다. 덮개(50)는, 내부 감마 블록 실린더(40)가 내부에 배치될 때 외부 중성자 차폐 실린더(21)의 바닥지지 플랜지(26) 및 하단(23) 아래로 수직 하방으로 돌출된다. 덮개(50)는 덮개의 평면 수평 상부 표면에 놓이는 사용 후 캐니스터(60)를 지지하도록 구성되며, 이는 캐니스터의 무게로부터 과도한 편향없이 이러한 목적에 적합한 두께를 갖는다.
덮개(50)은 링과 덮개 사이에 연동된 배열을 형성하도록 선택된 적절한 패스너에 의해 실린더(40)의 바닥 폐쇄 링(51)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 일 실시 형태에서, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 실린더(40) 및 덮개(50)의 둘레 주위에 원주 방향으로 이격된 복수의 잠금 키(53)는 덮개를 폐쇄 링(51)에 결합하기 위해 사용될 수 있다. 키(53)는 상보 적으로 구성된 잠금 슬롯(54)에 삽입되고; 슬롯의 절반부는 잠금 슬롯의 형상을 집합적으로 정의하는 인접한 바닥 폐쇄 링(51) 및 덮개(50) 각각에 형성된다. 슬롯(54)은 측방향으로 개방되고 적절한 거리를 위해 길이방향 축(LA)을 향해 실린더(40) 내로 반경 방향 내측으로 연장된다. 키(53)는 비 제한적인 일 실시 형태에서 다각형 형상, 바람직하게는 직선 다각형 형상일 수 있다. 일 실시 형태에서, 키(53) 및 결합 슬롯(54)은 도시 된 바와 같이 I자형일 수 있다. 그러나 비-다각형 형상을 포함하는 다른 형상의 키는 GBC의 바닥 폐쇄 링(51)과 덮개(50) 사이에 연동 배열이 형성되는 한, 사용될 수 있다. 키의 형상은 본 발명을 제한하지 않는다.
내부 감마 블록 실린더(40)가 외부 중성자 차폐 실린더(21)에 삽입될 때 잠금 키(53)에 대한 접근을 제공하기 위해, 외부 실린더(21)의 바닥 플랜지(26)에 반경 방향으로 연장되고 측면으로 개방된 복수의 엑세스 슬롯(56)이 형성될 수 있다(도 9에 가장 잘 도시됨). 각 키(53)는 연관된 액세스 슬롯(56)을 갖는다.
다른 가능한 실시 형태에서, 볼트와 같은 나사형 패스너(55)(도 8에서 점선으로 표시됨)는 덮개(50)를 GBC의 바닥 폐쇄 링(51)에 분리 가능하게 결합하는 데 사용될 수 있다. 패스너(55)는 도시 된 바와 같이 폐쇄 링 및 덮개에 대해 대각선 방향으로 삽입될 수 있다. 일 실시 형태에서, 덮개(50)와 바닥 폐쇄 링(51) 사이의 계면은 적절히 탄성적으로 압축 가능한 엘라스토머 재료 또는 고무로 형성된 고리형 개스킷 또는 밀봉 부(52)에 의해 밀봉될 수 있다. 밀봉부는 핵 폐기 캐니스터(60)를 기밀 및 액체 기밀 방식으로 유지하는 감마 블록 실린더(40)의 내부 공동(44)을 밀봉하도록 선택되고 구성된다.
하부 덮개(50)는, 바람직하게는 도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이 감마 블록 실린더(40)의 측벽(43)을 넘어 연장되지 않는다. 이것은 외부 중성자 차폐 실린더(21) 내로 실린더(40)의 방해받지 않는 삽입을 제공하고 여기에 추가로 설명된 내부 및 외부 실린더 사이의 냉각 공기 환기 고리(34)의 형성을 위한 간극을 유지한다. 내부 실린더(40)의 센터링 및 삽입을 용이하게 하기 위해, 복수의 길이방향 가이드 리브 또는 스플라인(57)이 공동(25)에서 외부 실린더(21)의 내부 표면(30)에 제공될 수 있다. 가이드 스플라인(57)은, 바람직하게는 공동(25)의 길이방향의 길이의 대부분 또는 보다 바람직하게는 실질적으로 전체에 대해, 길이방향축(LA)을 따라 길이 방향으로 수직방향으로 연장되고, 원주 방향으로 이격된다. 스플라인(57)은 외부 중성자 차폐 실린더(21)의 상부 개구를 둘러싸는 NSC 상부 플랜지(27)의 내경을 넘어 짧은 거리만큼 공동(25)내로 반경 방향 내측으로 연장되어, 그것이 내부에서 하강했을 때 내부 실린더(40)과의 결합 및 안내를 보장한다. 스플라인(57)의 상단은, 내부 실린더(40)가 외부 실린더 공동(25)으로 진입하는 것 및 중심화를 용이하게 하기 위해 비스듬히 기울여질 수 있고, 크레인에 의해 외부 실린더 내로 하강했을 ‹š 캐스크의 길이방향 축(LA)과 완벽하게 동축으로 정렬되지 않으면 내부 실린더의 바닥 덮개(50)의 주변 에지와 매끄럽게 결합한다. 가이드 스플라인(57)은 내부 및 외부 실린더(40, 21) 사이에 실질적으로 균일한 냉각 공기 환기 고리(34)를 유지하는 중요한 기능을 추가로 제공한다는 점에 유의한다. 가이드 스플라인(57)은, 일 실시 형태에서 용접에 의해 외부 중성자 차폐 실린더(21)에 영구적으로 부착될 수 있다.
계속해서 일반적으로 도 1-13을 참조한다. 내부 감마 블록 실린더(40)의 상단부(41)는 고리형 상단 장착 플랜지(70)에 의해 종결될 수 있다. 플랜지(70)는, 도 5 및 6에 도시된 바와 같은 외부 중성자 차폐 실린더(21)(NSC)의 상부 플랜지와 결합되도록 감마 블록 실린더(40)(GBC)의 측벽(43)을 넘어 반경 방향/횡방향 외측으로 돌출한다. GBC 장착 플랜지(41)는 하나의 비-제한적인 실시 형태에서 나사형 볼트와 같은 복수의 장착 패스너(71)에 의해 NSC 상부 플랜지(27)에 분리 가능하게 장착되어, 내부 및 외부 실린더를 함께 분리 가능하게 결합한다(도 4 및 11 참조). 패스너(71)는 GBC 장착 플랜지(70)를 통해 완전히 수직으로 연장되고 NSC 상부 플랜지(27)에 형성된 대응하는 상향 개방 나사형 보어(72)와 맞물린다. 일 실시 형태에서, 나사형 보어(72)는 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이 스페이서 블록(29)에 형성될 수 있다. 스페이서 블록(29)은 유리하게는 구조적 강도를 위해 장착 패스너(71)를 NSC 상부 플랜지(27)에 고정하기 위한 재료의 추가적인 두께 또는 취득(purchase)을 제공한다.
내부 감마 블록 실린더(40)가 외부 중성자 실드 실린더(21)에 장착될 때, 내부에 사용 후 연료 캐니스터(60)가 적재된 내부 실린더(40)의 전체 중량은 장착 플랜지(70) 및 상부 플랜지(27) 사이의 결합을 통해 캔틸레버 방식으로 외부 실린더(21)에 의해 완전히 지지된다. 이것은 열 방출 연료 캐니스터(60)에 의해 직접 가열된 내부 실린더(40)가 외부 중성자 차폐 실린더(21)와 독립적으로 길이가 열적으로 성장하여 차등 열 팽창에 의해 야기되는 균열을 방지하도록 한다. 차례로 외부 중성자 차폐 실린더(21)의 바닥 지지 플랜지(26)는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 수직 캐스크 수송 크롤러 또는 차량(75)에 의해 지지된다.
하나의 구성에서, 사용 후 연료 캐니스터(60)를 갖는 내부 감마 블록 실린더(40) 및 외부 중성자 실드 실린더(21)를 포함하는 전체의 완전히 충전된 캐스크(20)는 GBC 장착 플랜지(70) 및 볼트 체결만으로 상승시켜 들어올릴 수도 있다. 따라서, 플랜지(70)는 전체 캐스크 중량을 지지하기에 충분히 견고한 구조 및 두께를 갖는다. 캐스크를 들어 올리기 위해, 도 1-3에 도시된 적어도 한 쌍의 리프팅 러그 조립체(76)가 볼트와 같은 나 사형 러그 패스너(77)를 통해 장착 플랜지(70)의 상부에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 원하는 리깅 배열에 따라 다른 실시 형태에서 더 많은 러그 조립체가 사용될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 장착 플랜지(70)를 외부 중성자 차폐 실린더(21)에 고정시키는 데 사용되는 기존의 장착 패스너(71)가 러그 패스너로서 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 별도의 나사형 러그 패스너(77)가 사용될 수 있다.
도 3은 실린더(40)를 외부 중성자 실드 실린더(21)로 제거 또는 삽입하기 위해 크레인(80)의 호이스트(79)를 통해 상승 또는 하강되는 과정에서 내부 감마 블록 실린더(40)를 도시한다. 리프팅 하니스(78)는 감마 블록 실린더에 장착된 하부의 리프팅 러그 조립체(76) 및 상부의 호이스트에 결합된다. 내부 감마 블록 실린더(40)가 전술한 바와 같이 장착 패스너(71)를 통해 외부 중성자 차폐 실린더(21)에 장착될 때, 전체 캐스크(20)는 도시된 동일한 방식으로 상승 또는 하강될 것이다. 도시된 크레인(80)은 사용 후 핵연료 풀에 접근할 수 있는 원자로 격납 구조 내부에 있거나 수직 캐스크 수송 차량(75)에 장착된 것일 수 있다는 점에 유의해야 한다(예를 들어, 도 14 참조).
사용 후 핵연료 캐니스터(60)를 보유하는 내부 감마 블록 실린더(40)는 사용 후 핵연료로부터 발산되는 붕괴열에 의해 가열되며, 이는 상당히 오랜 시간 동안 유의미할 수 있다. 따라서, 캐스크 구성품과 그 핵연료 내용물의 구조적 무결성을 유지하기 위해 붕괴열을 효과적으로 제거할 수 있는 준비가 이루어져야 하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부 감마 블록 실린더 수직 측벽(43)을 통해 붕괴되는 핵연료 집합체에 의해 방출되는 열에 의해 유도되는 굴뚝 효과를 통해 생성된 이용 가능한 주변 냉각 공기 및 자연 흐름 순환을 이용하는 냉각 공기 시스템이 제공된다. 도 5-8, 11 및 13을 참조하면, 내부 감마 블록 실린더(40)의 수직 측벽(43)의 외부 표면(46)과 외부 중성자 차폐 실린더(21)의 수직 측벽(24)의 내부 표면(30) 사이의 공간 또는 갭에 의해 개방된 수직 연장 냉각 공기 환기 고리(34)가 제공된다. 냉각 공기 환기 고리(34)는 캐스크(20)의 전체 높이에 대해 그리고 내부 및 외부 실린더(40, 21) 사이의 전체 계면 주위에서 원주 방향으로 연장된다. 여기에서 앞서 설명된 바와 같이, 공기 환기 고리(34)는 외부 중성자 차폐 실린더(21)의 내부 표면에 부착된 길이 방향 방향 스플라인(57)에 의해 생성된 실질적으로 균일한 횡단면 영역을 가질 수 있다(도 4 및 12 참조). 공기는 스플라인(57) 사이의 냉각 공기 환기 고리(34)를 통해 수직으로 위쪽으로 유동하며, 이는 스플라인에 의해 정의되는 복수의 길이 방향으로 연장되는 공기 통로(34-1)를 생성한다.
내부 감마 블록 실린더(40)는 GBC 장착 플랜지(70)와 NSC 상부 플랜지(27) 사이의 결합을 통해 상부로부터 외부 중성자 차폐 실린더(21) 내부에서 완전히 지지되기 때문에, 이는 공기 환기 고리가 캐스크의 하단을 통해 완전히 연장되도록 한다. 이것은 캐스크의 바닥에 있는 실린더들 사이의 공기 환기 고리(34)로 고리형 하부 냉각 공기 유입 개구(34-2)를 형성한다(도 7-8에 가장 잘 도시됨). 일부 실시 형태에서 공기 유입 개구(34-2)는 연속적으로 개방되고 완전한 360도에서 중단되지 않을 수 있다.
본 명세서에서 전술한 방식으로 중성자 차폐 실린더 상부 플랜지(27)의 스페이서 블록(29) 상에 감마 블록 실린더(40)의 상부 장착 플랜지(70)를 안착시키는 것은, 감마 블록 실린더(40)와 중성자 쉴드 실린더(21) 사이의 공기 환기 고리(34)와 유체 연통하는 이격된 수직으로 이격된 결합용 플랜지 사이에 복수의 상부 냉각 공기 배출 개구(34-3)를 추가로 형성한다. 중성자 차폐 실린더 상부 플랜지(27)의 수직으로 돌출된 고리형 립(27-1) 및 플랜지의 각진 단면 형상은, 상부 공기 배출구(34-3)를 통해 중성자가 외부 환경으로 직접 흐르는 것을 유리하게 방지하는 순환 공기 L-자형 배출 경로를 생성하다. 이것은 중성자 흐름을 방지하기 위해 공기 배출구(34-3)를 통해 캐스크(20)의 내부 부분으로 외부로부터의 직접적인 가시선(line of sight)이 없다.
냉각 공기 시스템의 작동에 있어서, 주변 냉각 공기는 고리형 하부 공기 유입구(34-2)에 수직으로 유입되고 공기 환기 고리(34)를 통해 캐스크(20)의 상부로 수직으로(길이방향 축(LA)에 평행하여) 유동한다. 개방 고리(34)의 공기는 내부 감마 블록 실린더 측벽(43)에 의해 직접 가열된다. 이것은 자연 대류에 의해 공기를 하부 공기 유입 개구(34-2)를 통해 캐스크(20) 내부로 끌어당긴다. 가열된 냉각 공기는 공기 환기 고리에서 위쪽으로 유동하고, 상부 공기 배출구(34-3)를 통해 반경방향/측방향으로(길이세로 축(LA)에 수직으로) 유동한 다음, 외부 NSC 실린더(21)의 고리형 립(27-1)을 지나 수직으로 위쪽으로 회전하고, 주변 대기 및 환경으로 배출된다.
도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 원주 방향으로 연장되는 반경 방향 고리형 공간 또는 갭(G)은 바람직하게는 연료 캐니스터(60)와 감마 블록 실린더(40)의 내부 표면(45) 사이의 계면에 제공될 수 있다. 최적의 열 및 ALARA 성능을 위해 이 고리형 갭(G)을 물로 채우거나(추가적인 차폐를 위해) 공기 환기시키는(추가적인 열 배제 용량을 위해) 능력은, 연료 적재 시나리오의 여러 단계에서 바람직하다. 감마 블록 실린더(40)의 바닥 덮개(50)는 주위 냉각 환기를 고리형 갭(G) 내로 위쪽으로 도입하기 위한 통로를 제공하도록 구성된 복수의 공기 유입 구멍(62)을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 7 및 9 참조). 중성자 차폐 실린더(21)의 바닥 지지 플랜지(26) 아래로 연장되는 덮개(50) 부분의 측면에는 공기 유입 구멍(62)이 형성되어 있지만, 공기 유입 구멍(62)은 L자 형상을 가지거나, 구멍은 다른 실시 형태에서는 수직으로 직선이고 덮개(50)의 밑면을 통해 직접 천공되고 고리형 갭(G)에 유동적으로 결합되도록 위쪽으로 연장될 수도 있다.
바닥 덮개의 공기 유입 구멍(62)은 필요한 경우 쉽게 막혀서 캐스크 연료 적재 및 취급 작업의 특정 단계 동안 필요한 경우 물로 채워지는 대신 고리형 갭(G)을 유지하도록 설계된다. 따라서, 캐니스터를 둘러싸는 배수 가능한 고리형 갭(G)은 연료 적재 및 이송 작업 동안 공기 환기를 촉진하거나 필요에 따라 물로 채워진 상태를 유지하는 데 사용될 수 있다. 고리형 갭(G)은 고리형 공기 배출구(63)를 형성하는 캐니스터(60)와 감마 블록 실린더(40) 사이의 계면에서 위쪽으로 개방된다(도 6에 가장 잘 도시됨). 전술한 바와 같이 공기 냉각 대신 추가적인 중성자 차폐를 위해 필요한 경우 캐니스터(60)를 냉각시키기 위해 공기 출구(63)를 통해 고리형 갭(G)으로 물이 도입될 수 있다. 캐니스터(60)가 붕괴하는 핵연료에 의해 생성된 열을 발산하기 위해 추가적인 능동 냉각을 필요로 하는 경우, 배수 가능한 고리(갭(G))는 유리하게 중력 공급된 물방울을 사용하여 캐니스터 덮개에 물을 분사하여, 활성 냉각 시스템에 의지하지 않고 캐니스터에서 열을 효율적으로 제거하는 기능을 제공하다.
전술한 바와 같이 내부 감마 블록 실린더(40)(GBC)로부터 전략적 시기에 분리가능한 물리적으로 분리가능한 외부 중성자 차폐 실린더(21)(NSC)는 여러 이점을 제공한다.
하나의 장점은 수송 캐스크(즉, NSC)의 열 전도율이 낮은 부분을 열 전도율이 높은 GBC로부터 분리함으로써, 여기에서 앞서 설명한 공기 환기 고리(34)를 그 사이에 통합할 수 있다는 것이다. GBC 내부의 캐니스터에 있는 연료의 붕괴열에 의해 가열된 GBC의 뜨거운 외부 표면은 효율적인 자연 대류 공기 환기 작용을 유도하여 연료가 과도하게 가열되지 않도록 하다.
또 다른 이점은 일부 경우(예를 들어, 캐니스터 건조 작업 동안), 캐스크를 가능한 한 뜨겁게 유지하는 것이 바람직할 수 있다는 점이다. 이러한 경우 NSC의 고열 관성 중성자 차폐물을 캐스크 본체의 GBC에서 분리하거나 물리적으로 환기를 차단하는 기능을 갖추면 건조 작업을 가속화하는 데 도움이 된다.
또 다른 이점은 대부분의 이송 캐스크의 허용 중량이 캐스크 핸들링 크레인의 정격 리프트 용량 또는 사용 후 연료 풀의 캐스크 적재 영역의 크기에 의해 제한된다는 점이다. 현재의 분리가능한 GBC 및 NSC 접근 방식에 따라 GBC는 플랜트의 조직 및 크레인 용량의 제약 내에서 가능한 한 무겁고 직경이 크게 만들어진다. NSC는 마찬가지로 원자력 시설 캐스크 적재 구역에서 캐스크 취급 크레인보다 일반적으로 더 높은 정격 적재 능력을 갖는 이송 캐스크를 취급하는 데 사용되는 적재 리프팅 장치의 제약 내에서 가능한 한 크게 만들어진다. 이 두 기능은 이송 캐스크의 차폐 성능을 최적화하는 방식으로 결합된다.
또 다른 장점은 NSC가 물 또는 고체 수지 중성자 차폐 재료(예를 들어, Holtite(등록상표))를 포함하는 단일 또는 다중 섹션 고리형 실린더의 형태로 만들어질 수 있다는 것이다.
도 14는 사용 후 핵연료의 임시 저장을 위한 "습식" 사용 후 핵 저장 시설(100)의 예에 대한 개략도이다. 여기서, 사용 후 핵연료의 더 긴 중간 저장을 위한 "건식" 독립 사용 후 핵연료 저장 시설(ISFSI)과 혼동되어서는 안 된다. 습식 저장 시설(100)은 지붕(125), 벽(123) 및 물(W)로 저수된 사용 후 연료 풀(140)의 일부를 둘러싸고 연장하는 실질적으로 수평인 작동 데크(122)를 형성하는 철근 콘크리트베이스 매트(121)를 갖는 구조적 건물 인클로저를 포함한다. 데크(122)는 주변 지면 또는 G 등급에 있을 수 있어서, 동력 캐스크 차량이나 카트를 시설 안팎으로 쉽게 이동할 수 있다. 액세스 베이(90)는, 도시된 바와 같이 외부 중성자 차폐 실린더(21) 및 내부 감마 블록 실린더(40)를 포함하는 본 연료 수송 캐스크(20)를 스테이징하기 위해 연료 풀(140)에 인접한 데크(122)에 의해 형성된다. 일부 실시 형태에서, 건물 인클로저는 원자로 격납 인클로저 구조일 수 있다.
연료 풀(140)은 베이스 또는 바닥(142) 및 그로부터 작동 데크(122)까지 위쪽으로 연장되는 복수의 수직 측벽(141)을 포함한다. 풀에는 수위(WL)가 형성된다. 풀(140)에는 원자로에서 제거된 단일 사용 또는 사용 후 핵연료 집합체(128)를 보유하도록 각각 구성된 복수의 상향 개방된 저장 셀(129)을 포함하는 연료 저장 랙(127)이 잠수한다. 연료 집합체 자체는 복수의 연료봉과 원자로에서 1차 냉각수 유동을 위한 상부 및 하부 유동 노즐을 포함하고; 연료 집합체의 설계는 여기에서 과도한 설명없이 당업자에게 잘 알려져 있다. 연료 풀(140)의 일부는 후술하는 바와 같이 랙(127)으로부터 감마 블록 실린더(40) 내부에 위치한 캐니스터(60)로 연료 집합체를 적재하기 위한 캐스크 적재 영역(150)을 형성한다. 연료 집합체가 적재 작업을 수행하고 이송 캐스크(20) 구성 요소(GBC, NSC) 및 연료 캐니스터를 조작하기 위해, 본 명세서에서 이전에 설명된 하나 이상의 오버 헤드 트롤리 크레인(80)이 제공될 수 있으며, 이는 적재물을 들어 올리고 습식 저장 시설(100)을 횡단하도록 작동할 수 있다.
사용 후 핵연료의 이송 및 이송을 위한 프로세스 또는 방법이 도 14를 참조하여 간략하게 요약될 것이다. 제1 단계는 외부 제1 공동(25)을 갖는 외부 중성자 차폐 실린더(21) 및 내부 제2 공동(44)을 갖는 내부 감마 블록 실린더(40)를 포함하는 핵연료 수송 캐스크(20)를 제공하는 것이다. 먼저, 후술하는 프로세스 시작시에 중성자 차폐 실린더의 제1 공동 내부에 분리 가능하게 결합되고 중첩된다. 캐스크(20)는, 크레인이 컬럼 사이의 빔에 의해 지지된 상태로, 한 쌍의 수직 기둥(81)에 의해 크롤러의 플랫폼(73) 위에 높이 장착된 오버헤드 고 리프팅 용량 크레인(102)을 갖는 자체 추진 바퀴형 또는 추적형 크롤러(75)를 통해 건식 사용 후 핵연료 저장 시설(100)로 운송될 수 있다. 이러한 캐스크 수송기는 당업계에 잘 알려져 있다.
캐스크(20)는, 헤비 듀티 크롤러(75)(예를 들어, 약 170톤의 리프팅 용량)를 통해, 도시된 바와 같이 연료 저장 시설(100) 바로 외부의 스테이징 지점으로 이동될 수 있다. 크롤러의 높이와 무게는 일반적으로 연료 저장 시설에 들어가는 것을 방해하다. 하나의 시나리오에서, 전체 캐스크(20)는 일반적으로 시설 외부의 지면(G) 및 시설 내부의 작동 데크(122)에서 지지되는 한 쌍의 연속 레일을 따라 이동하는 로우 프로파일 휠 캐스크 운송 카트(301)에 배치될 수 있다. 그 후, 캐스크(20)는 연료 풀(140)을 따라 시설 인클로저 내부에서 액세스 베이(90)로 이동된다. 프로세스의 다음 단계는 도 14에 도시된 바와 같이 내부 크레인(80)을 사용하여 외부 중성자 차폐 실린더(21)로부터 감마 블록 실린더(40)를 분리하는 것이다. 이것은 먼저 외부 중성자 실드 실린더(21)의 상부 플랜지(27)로부터 감마 블록 실린더(40)의 장착 플랜지(70)를 풀어서(unbolting) 달성된다. 그런 다음 감마 블록 실린더(40)는 크레인(80)으로 들어 올려/올려지고, 감마 블록 실린더의 상부 장착 플랜지(70)에 부착된 리프팅 하니스(78) 및 리프팅 러그(78)를 통해 중성자 차폐 실린더(21)로부터 분리된다. 이어서, 이용가능한 빈 연료 캐니스터(60)는 크레인(80)에 의해 들어 올려지고 연료 풀(140)의 외부 또는 내부에 감마 블록 실린더(40) 내로 수직 하향 삽입될 수 있다(이전에 이미 배치되지 않은 경우). 대안적으로, 캐니스터는 중성자 차폐 실린더(21)로부터 분리되기 전에 감마 블록 실린더(40) 내부에 배치될 수 있다.
대안적으로 가능하지만 덜 선호되는 시나리오에서, 감마 블록 실린더(40)는 크롤러 크레인(102)에 의해 연료 저장 설비(100) 외부의 중성자 차폐 실린더(21)로부터 분리되고 제거될 수 있다. 그런 다음, 감마 블록 실린더는 캐스크 이송 카트(301)상에 단독으로 이동되어 설비로 이동될 수 없다.
다음으로, 내부 오버 헤드 크레인(80)은, 감마 블록 실린더(40) 및 캐니스터(60) 조립체를 들어올리거나 올리고(캐니스터가 연료 풀(140) 외부의 실린더(40)에 삽입되었다고 가정), 풀의 캐스크 적재 영역(150)에서 지지 표면(예를 들어, 연료 풀 바닥(142) 상으로 조립체를 연료 풀(140)에 놓거나 내린다. 물은 감마 블록 실린더와 캐니스터(덮개(61)이 제거됨) 모두를 채운다. 감마 블록 실린더 및 캐니스터(60)는, 크레인(80)에 의해 캐니스터에 적재될 때 연료 집합체(128)를 수위(WL) 아래로 유지하기에 충분한 깊이까지 물(W) 아래에 잠긴다. 연료 집합체는 한 번에 캐니스터 및 감마 블록 실린더로 장착된다.
연료 집합체를 장착한 후, 다음 단계는 크레인(80)을 사용하여 장착된 감마 블록 실린더(40) 및 연료 캐니스터(60) 조립체를 연료 풀(140) 밖으로 들어올리거나 올리는 것이다. 카트(301)에 있는 중성자 차폐 실린더(21)의 상단 위로 감마 블록 실린더(40) 및 연료 캐니스터(60) 조립체가 조종된 후, 중성자 실드 실린더에 하강/삽입된다. 중성자 차폐 실린더(21)가 이제 중성자 방사선 차폐를 위해 제자리에 있기 때문에, 캐니스터는 이때 선택적으로 탈수될 수 있다. 다음 단계는 각각의 용기의 결합 마운팅 및 상부 플랜지(70, 26)를 통해 내부 감마 블록 실린더(40)를 외부 중성자 차폐 실린더(21)에 볼트로 고정하는 것이다. 이제 완전히 재조립된 캐스크(20)가 있는 카트(301)는 시설 밖으로 다시 이동된다. 크롤러 크레인(102)을 사용하여, 다음 단계는 추가 폐쇄 작업 및 건조 저장 시설로의 운송을 위해 캐스크(20)를 크롤러(75) 위로 다시 들어 올리는 것이다.
감마 블록 실린더(40) 및 캐니스터(60)가 사용 후 연료 풀(140)로부터 제거될 때, 캐니스터 내의 물이, 필요한 중성자 차폐(감마 방사선 차폐를 제공하는 감마 블록 실린더)를 제공한다는 점에 유의해야 한다. 감마 블록 실린더 및 물로 채워진 캐니스터(중성자 차폐 실린더(21) 없음)의 리프트 중량은 허용가능한 설비 크레인(80) 리프팅 용량 내에 있다. 물이 든 캐니스터(60)가 있는 감마 블록 실린더(40)가 외부 재결합된 중성자 차폐 실린더(21)에 삽입되면, 이송 캐스크(20)는 캐니스터 탈수(dewatering), 폐쇄 및 이송 작업을 시작하기 위해 필요한 중성자 차폐(shielding)를 갖는다. 따라서, 중성자 차폐 실린더(21)는 바람직하게는 중성자 차폐의 소실을 보장하기 위해 캐니스터(60)의 탈수 전에 설치된다. 이제 감마 블록 실린더(40), 중성자 차폐 실린더(21) 및 캐니스터(60)로 구성된 완전히 조립된 이송 캐스크(20)를 들어 올리기 전에, 이제 탈수된 캐니스터는 캐스 크 전체/누적 리프팅 중량을 크롤러(75) 크레인(또는 기타 리프팅 장치)의 용량 내로 줄인다.
전술한 일련의 단계에서의 변형은 다른 실시 형태에서 실제로 사용될 수 있으며, 본 발명을 제한하지 않는다.
전술한 설명 및 도면은 일부 예시적인 시스템을 나타내지만, 첨부된 청구 범위의 균등물의 사상 및 범위 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 추가, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 본 발명이 정신 또는 본질적 특성에서 벗어나지 않고 다른 형태, 구조, 배열, 비율, 크기 및 다른 요소, 재료 및 구성 요소로 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 명백 할 것이다. 그것의. 또한, 본 명세서에 기술된 방법/공정에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 당업자는 본 발명이 구조, 배열, 비율, 크기, 재료 및 구성 요소의 많은 수정과 함께 사용될 수 있고 그렇지 않으면 본 발명의 실시에 사용될 수 있으며, 이는 특히 특정 환경에 적응되고 작동 가능함을 인식할 것이다. 본 발명의 원리에서 벗어나지 않고 요구 사항. 따라서, 현재 개시된 실시 형태는 모든 측면에서 제한적이지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 정의되며, 전술한 설명 또는 실시 형태로 제한되지 않는다. 오히려, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 등가물의 범위 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 만들어질 수 있는 본 발명의 다른 변형 및 실시 예를 포함하도록 광범위하게 해석되어야 한다.
20: 캐스크
LA: 수직의 길이방향 축
21: 외부 중성자 차폐 실린더
25: 외부 공동
34: 공기 환기 고리
40: 내부 감마 블록 실린더
44: 내부 공동
60: 연료 캐니스터

Claims (24)

  1. 사용 후 핵연료 수송 및 저장을 위한 분리가능한 다부품 캐스크로서,
    수직의 길이방향 축;
    중성자 방사선 차폐 조성물을 갖는 수직으로 연장된 제1 실린더로서, 상기 길이방향 축을 따라 연장되는 제1 공동을 형성하는, 제1 실린더; 및
    감마 방사선 차단 조성물을 갖는 수직으로 연장된 제2 실린더로서, 길이방향 축을 따라 연장되고 사용 후 핵연료 캐니스터를 보유하도록 구성된 제2 공동을 형성하는, 제2 실린더를 포함하고,
    상기 제2 실린더는 상기 제1 실린더의 상기 제1 공동 내부에 분리 가능하게 장착되고,
    상기 제1 실린더와 상기 제2 실린더 사이에 형성된 공기 환기 고리는 상기 제2 실린더 내부에 배치될 때 상기 캐니스터에 의해 방출되는 열을 제거하기 위한 열 제거 통로를 형성하고,
    상기 제2 실린더는 상기 제2 실린더의 하단에 부착된 바닥 덮개, 및 상기 제2 실린더의 상단 주위에서 원주 방향으로 연장되는 반경 방향으로 돌출된 상부 장착 플랜지를 포함하고,
    상기 상부 장착 플랜지는 상기 제1 실린더의 상단에 형성된 상향 개방 고리형 리세스와 함께 적어도 부분적으로 수용되고,
    상기 고리형 리세스는 복수의 융기된 스페이서 블록을 포함하고, 상기 제2 실린더의 상부 장착 플랜지는, 상기 스페이서 블록상에 안착되어, 상기 제1 및 제2 실린더 사이의 공기 환기 고리와 유체 연통하는 상기 리세스 내에서 상기 상부 장착 플랜지와 상기 제1 실린더 사이에 복수의 상부 공기 배출구를 형성하는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실린더는, 상기 제1 실린더보다 높은 열전도율을 갖는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고리형 리세스는 L자형 단면을 갖는 앵글 고리에 의해 형성되는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 장착 플랜지는 나사형 패스너에 의해 상기 스페이서 블록에 직접 결합되는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 실린더는 성곽형 상단을 포함하고, 상기 제2 실린더의 상기 상부 장착 플랜지는 상기 성곽형 상단에 지지되어 상기 공기 환기 고리와 유체 연통하는 복수의 상부 공기 개구를 형성하는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 덮개는 감마 차단 재료 및 중성자 흡수 재료로 구성되는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바닥 덮개는 수소 재료를 포함하는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 덮개는 상기 제1 실린더의 하단에서 고리형 지지 플랜지 아래로 하향 연장되어 상기 공기 환기 고리로의 하부 공기 유입구를 형성하는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 덮개는 상기 제2 실린더의 측벽 사이에서 반경 방향 외측으로 돌출되지 않는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 실린더의 제1 쉘의 내부 표면은, 상기 제2 실린더를 상기 제1 실린더의 중심에 두는 상기 공기 환기 고리에 배치된 복수의 수직의 길이방향 스플라인을 포함하고, 상기 스플라인 사이에 상기 공기 환기 고리의 복수의 길이방향으로 연장된 공기 통로가 형성된, 분리가능한 다부품 캐스크.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실린더를 들어올리고 이동시키기 위해, 상기 제2 실린더의 상기 상부 장착 플랜지에 분리가능하게 장착된 복수의 리프팅 러그를 더 포함하는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 실린더의 상기 상부 장착 플랜지는 상기 제1 실린더의 상부 플랜지와 결합하는 복수의 나사형 패스너에 의해 상기 제1 실린더에 결합되고, 상기 제1 및 제2 실린더는 상기 리프팅 러그를 통해 상기 제2 실린더의 제2 쉘을 들어올리는 것에 의해 유닛으로서 들어올려질 수 있는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실린더는 각각 원형 횡단면 형상을 갖는 원통형 본체를 갖는, 분리가능한 다부품 캐스크.
  14. 사용 후 핵연료의 저장 및 수송을 위한 다부품 이송 캐스크 시스템으로서,
    수직의 길이방향 축;
    중성자 방사선 차폐 조성물을 갖는 수직으로 연장된 외부 용기로서, 고리형 상부 플랜지를 포함하는 상단, 하단, 및 상기 상하단 사이에서 연장되고 제1 공동을 형성하는 원통형 측벽을 포함하는 외부 용기;
    감마 방사선 차단 조성물을 갖는 수직으로 연장된 내부 용기로서, 고리형 장착 플랜지를 포함하는 상단, 하단, 및 상기 상하단 사이에서 연장되고 사용 후 핵연료 캐니스터를 보유하도록 구성된 제2 공동을 형성하는 측벽을 포함하는 내부 용기;
    상기 내부 용기가 상기 결합된 플랜지를 통해 캔틸레버 방식으로 현수되고 지지되도록 상기 외부 용기의 상부 플랜지에 분리 가능하게 결합되는 상기 내부 용기의 장착 플랜지
    를 포함하고, 상기 내부 용기는 상기 외부 용기로부터 축방향으로 그리고 활주 가능하게 분리될 수 있고,
    상기 외부 용기의 상부 플랜지는 성곽형으로 형성되어, 상기 상부 냉각 공기 배출구를 형성하는 상기 내부 용기의 장착 플랜지와 상기 외부 용기의 상부 플랜지 사이에 원주 방향으로 이격된 복수의 수직 갭을 형성하는, 다부품 이송 캐스크 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부 용기의 상기 제2 공동에 배치되고 상기 내부 용기를 가열하는 사용 후 핵연료 캐니스터;
    상기 길이방향 축을 따라 상기 내부 용기와 상기 외부 용기 사이에 형성된 공기 환기 고리로서, 상기 공기 환기 고리 내부의 공기는 상기 공기 환기 고리를 통해 냉각 공기의 상향 흐름을 유도하는 내부 쉘에 의해 가열되는, 공기 환기 고리;
    상기 내부 용기의 장착 플랜지와 상기 외부 용기의 상부 플랜지 사이의 계면으로서, 주변 환경으로의 가열된 공기를 배제하기 위해 상기 공기 환기 고리와 유체 연통하는 복수의 상부 냉각 공기 배출구를 형성하도록 구성된, 계면
    을 더 포함하는, 다부품 이송 캐스크 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 내부 용기의 하단에 부착된 바닥 덮개를 더 포함하고, 상기 바닥 덮개는 상기 외부 용기의 상기 하단 아래에서 하향 연장되고, 상기 내부 및 외부 용기 사이에 하향 개방된 고리형 하부 냉각 공기 유입구를 형성하여 주변 냉각 공기를 상기 공기 환기 고리로 도입하는, 다부품 이송 캐스크 시스템.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 내부 용기의 장착 플랜지는 복수의 나사형 패스너에 의해 상기 외부 용기의 상부 플랜지에 결합되는, 다부품 이송 캐스크 시스템.
  18. 사용 후 핵연료의 이송 및 수송 방법으로서,
    내부 제1 공동을 갖는 외부 중성자 차폐 실린더 및 내부 제2 공동을 갖는 내부 감마 블록 실린더를 포함하는 핵 연료 수송 캐스크를 제공하고, 상기 내부 감마 블록 실린더는 상기 외부 중성자 차폐 실린더의 제1 공동에 분리 가능하게 결합되고 그 내부에 중첩되는 단계;
    상기 외부 중성자 차폐 실린더로부터 상기 내부 감마 블록 실린더를 분리하는 단계;
    상기 내부 감마 블록 실린더를 지지 표면에 배치하는 단계;
    복수의 사용 후 핵연료 집합체를 상기 내부 감마 블록 실린더의 제2 공동에 적재하는 단계;
    상기 외부 중성자 차폐 실린더 위로 상기 내부 감마 블록 실린더를 들어 올리는 단계;
    상기 내부 감마 블록 실린더와 연료 캐니스터 조립체를 상기 외부 중성자 차폐 실린더에 삽입하는 단계; 및
    상기 내부 감마 블록 실린더의 반경 방향으로 돌출된 상부 장착 플랜지를 상기 외부 중성자 차폐 실린더의 상단의 상향 개방 고리형 리세스에 형성된 복수의 융기된 스페이서 블록과 결합시키는 단계
    를 포함하는, 사용 후 핵연료의 이송 및 수송 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 내부 감마 블록 실린더를 배치하는 단계 이전 또는 이후에, 적재 단계 이전에 상기 내부 감마 블록 실린더에 연료 캐니스터를 삽입하는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 사용 후 핵연료 집합체를 상기 캐니스터에 적재하는, 사용 후 핵연료의 이송 및 수송 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 내부 감마 블록 실린더를 상기 외부 중성자 차폐 실린더에 삽입하는 단계 후에, 상기 내부 감마 블록 실린더의 상부 장착 플랜지를 상기 외부 중성자 차폐 실린더의 상부 플랜지에 볼트 체결하는 단계를 더 포함하는, 사용 후 핵연료의 이송 및 수송 방법.
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