KR102638259B1 - 용이한 제조와 향상된 열전도성을 허용하는, 방사성 물질의 운송 및/또는 저장을 위한 패키징 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 패키징에 관한 것으로, 서로의 위에 적층된 다수의 개별의 환형 구조체들(16)로 만들어진 외부 방사선 방호 엔빌로프(14)가 둘레에 배치된 측면 패키징 몸체(10)를 포함한다. 모든 구조체(16)는 외측 환형 벽(24)과 반경방향 열전도 벽(22)을 포함하며, 반경방향 열전도 벽(22)의 외측 단부는 상기 벽(24)에 고정되고, 내측 단부는 측면 몸체(10)와 접촉된다. 더욱이, 두 개의 직접 연속된 구조체들(16)은 적어도 하나의 방사선 방호 요소(32)를 수용하는 환형 캐비티(annular cavity)(30)를 한정하며, 상기 캐비티는 직접 연속된 구조체들(16) 중 하나 또는 둘 다의 벽(24)에 의해 반경방향 외측을 향해 폐쇄되고, 두 개의 구조체들(16) 중 하나와 다른 하나의 반경방향 열전도 구조체(22)에 의해 축방향으로 폐쇄된다.

Description

용이한 제조와 향상된 열전도성을 허용하는, 방사성 물질의 운송 및/또는 저장을 위한 패키징

본 발명은 방사성 물질, 예를 들어, 핵연료 또는 방사성 폐기물 조립체의 운송 및/또는 저장을 위한 패키지의 분야에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 주변부에 외부 방사선 방호 쉘(external radiation protection shell)을 포함하는 패키지에 관한 것이다.

종래 기술로부터, 패키지의 측면 몸체 둘레에 외부 방사선 방호 쉘을 조립하는 것은 알려져 있다. 이 쉘로 추구되는 기능은, 패키지가 방사성 물질로 적재된 때, 패키지에 관한 방사능 규제 기준을 준수하기 위해, 감마선에 대한 방호, 및/또는 중성자 흡수에 있다.

이 쉘은, 예를 들어, 특허문헌 EP 2 041 753호에서 알려진 바와 같이, 단위(unitary) 환형 구조체들을 적층함으로써 얻어질 수 있다. 이 실시예에서, 축방향으로 적층된 구조체들은 함께 패키지의 외측 반경방향 표면(external radial surface)을 형성하며, 이는 오염 제거가 비교적 쉽고 현재의 오염 제거 요구사항들을 맞출 수 있다.

다수의 구멍들이 스택(stack)의 개개의 환형 구조체를 축방향으로 관통한다. 상이한 구조체들을 관통하는 구멍들의 축방향 정렬은, 각각 쉘의 전체 길이에 걸쳐 연장된 다수의 축방향 캐비티들을 형성할 수 있게 한다. 그 다음에, 이 캐비티들은 방사선 방호 물질로 채워지며, 이는 쉘에서 원주 방향으로 분포된 다수의 축방향 방사선 방호 스트립들의 형태를 가진다.

이 디자인은 패키지의 외측 반경방향 표면의 용이한 오염 제거의 목적을 달성하는 반면에, 단위 환형 구조체들의 복잡한 조립을 요구한다. 실제로, 이들은, 방사선 방호 스트립들을 수용하기 위한 축방향 캐비티들을 적합하게 재구성하기 위해, 서로에 대하여 완벽하게 각도 인덱스되어야(angularly indexed) 한다.

매우 열화된 쉘 내부의 열전도 기능을 포함하여, 이 디자인으로부터 초래된 많은 다른 단점들이 있다. 이는, 가능한 한 반경 방향으로 방사능 누설을 제한하기 위해, 축방향 스트립들이 반경 방향을 따라서 서로 부분적으로 오버랩된다는 사실에 기인한다. 이러한 오버랩은 축방향 캐비티를 형성하는 반경방향 벽들의 형상의 현저한 복잡화를 초래하며, 이에 따라 최적화되지 못한 반경방향 열전도 경로들을 생성한다.

결과적으로, 위에서 설명된 단점들을 극복하기 위해서는, 기존의 패키지들의 디자인을 최적화할 필요가 있다.

이러한 필요성을 충족시키기 위해, 본 발명의 일 목적은, 청구항 제1항의 특징들을 포함하는, 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 패키지를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 더욱 직접적인 반경방향 경로를 보여줄 수 있는 반경방향 열전도 벽들의 도움으로 열전도 기능을 향상시키면서, 단위 구조체들의 다수의 외측 환형 벽들에 의해 만들어진 오염 제거가 용이한 패키지 외부 쉘의 보존을 허용한다는 점에서 유리하다는 것을 입증한다. 더욱이, 패키지 측면 몸체와 접촉된 내측 환형 벽은 큰 접촉 표면적의 도움으로 이 측면 몸체와 단위 환형 구조체 사이의 열교환이 향상될 수 있도록 한다. 단위 환형 구조체에 내측 환형 벽의 일체화는 열전달 플레이트가 동일한 측면 몸체와 단위 환형 구조체 사이에서 패키지 측면 몸체에 고정 설치될 필요성을 제거한다. 이 내측 환형 벽은, 감마선에 대한 방호를 제공하는 것에 추가하여, 방사선 방호물을 한정하는데 참여함으로써 캐비티 내에 방사선 방호물을 용이하게 설치 및 유지할 수 있도록 한다.

더욱이, 방사선 방호 요소들을 수용하는 캐비티들의 형성이 구조체들의 서로에 대한 정확한 각도 인덱싱 더 이상 요구하지 않기 때문에, 제공된 디자인은 외부 쉘의 조립을 매우 용이하게 한다. 또한, 단위 환형 구조체들의 적층이 수행되기 때문에, 방사선 방호 요소들은 유리하게는 점진적으로 설치될 수 있다.

종래 기술의 덜 효율적인 축방향 스트립들과 비교하여, 환형일 수 있는 개선된 방사선 방호와 같은 다른 이점들이 본 발명에 특유한 디자인으로부터 파생된다.

또한, 물질의 방사능 성능을 물질의 축방향 위치와 연관된 특정 방호 요구에 국부적으로 적합화시키는 것이 가능하게 된다. 실제로, 축방향으로 서로 뒤따르는 환형 캐비티들 모두가 동일한 방사선 방호 물질로 채워지지 않을 수 있다. 이러한 점에서, 패키지의 중심에서, 예를 들어, 패키지의 축방향 단부들 근처에 위치한 환형 캐비티들을 채우는데 사용되는 다른 물질보다 더 높은 방사선 방호 능력을 가진 물질이 사용될 수 있다. 이는 상당한 경제적 이득을 초래하며, 동시에 만족할만한 방사선 방호를 제공한다. 이러한 특이성은 방사선 방호 요소들의 두께와 이들을 수용하는 환형 캐비티들의 두께를 수정함이 없이 얻어질 수 있기 때문에 더욱 흥미롭다.

본 발명에 의해 제공되는 다른 이점들 중에서, 특히, 방호물이 현장 주조일 때, 방사선 방호의 품질 제어의 개선을 말할 수 있다. 실제로, 직접 연속된 구조체를 스택 내에 설치함으로써 관련된 캐비티가 폐쇄되기 전에는, 그 캐비티 내에 설치된 방사선 방호물에 시각적으로 접근할 수 있다. 이러한 시각적 접근은 유리하게는 방사선 방호물의 전체 둘레에 걸쳐서 일어날 수 있다. 따라서, 규정 준수가 되지 않은 경우에, 방호물이 수용된 캐비티가 폐쇄되기 전에 방호물은 업그레이드되거나 또는 재설치될 수 있다.

추가적으로, 본 발명은 다음의 선택적인 특징들 중 적어도 하나를 단독으로 또는 조합으로 가진다.

각각의 단위 환형 구조체는 일체형이며, 이는 단위 환형 구조체를 위해 원하는 기능을 유지하면서 제조비용을 제한할 수 있도록 만든다.

상기 방사선 방호 요소는 중성자 방호 요소이고, 각각의 단위 환형 구조체는 다음의 공식을 충족한다:

0.02 < nㆍE1/H < 0.3

여기서:

- "n"은 적층된 단위 환형 구조체들의 전체 개수에 대응되고;

- "E1"은 상기 반경방향 열전도 벽의 두께에 대응되며;

- "H"는 상기 외부 쉘의 높이에 대응된다.

실제로, 놀랍게도, nㆍE1/H 비율이 높을수록 중성자 방호 요소들에서 관찰된 최대 온도가 낮다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 이 비율은 충분한 중성자 방호를 유지하기 위해 0.3 아래로 유지되면서 0.02보다 높다. nㆍE1/H 비율을 위해 선택된 간격은 열적 기준과 패키지 내부의 전체로서 중성자 방호 기준을 매우 만족스럽게 충족할 수 있도록 만든다.

바람직하게는, 상기 패키지는 또한 다음의 공식을 충족한다:

n/H > 2

여기서 "H"는 미터로 표시된다.

이러한 치수 설정(dimensioning)에 의해, 반경방향 열전도 벽들의 두께(E1)는 제한됨으로써, 이 벽들에서 국부적으로 관찰된 중성자 누설은 유리하게 감소된다.

또한, 중성자 누설, 패키지 외부 쉘의 외측 표면으로부터 2미터에서 중성자 선량-당량률(neutron dose-equivalent rate)을 국부적으로 감소시킬 목적으로, 각각의 단위 환형 구조체는 바람직하게는 다음의 공식을 충족한다:

L/E1 < 10

여기서 "L"은 상기 내측 환형 벽과 외측 환형 벽 사이의 반경방향 간격에 대응된다.

놀랍게도, 반경방향 열전도 벽의 두께(E1)는 2미터에서 중성자 선량-당량률의 결정 인자라는 것이 실제로 밝혀졌으며, 그런데 간격(L)에 대한 임계 효과(threshold effect)도 검출되었고, 이를 넘어서 이 간격(L)의 증가는 2미터에서의 중성자 선량-당량률에 더 이상 실제로 영향을 미치지 않는다.

바람직하게는, 각각의 단위 환형 구조체는, 상기 반경방향 열전도 벽에 의해 형성된 U-베이스(base)와, 외측 환형 벽과 내측 환형 벽에 의해 각각 형성된 두 개의 U-브랜치들(branches)을 가지는 전반적으로 U-형상의 반 횡단면(half transverse cross-section)을 가지며, U 형상의 내부(interior)는 상기 적어도 하나의 방사선 방호 요소를 수용하는 상기 환형 캐비티를 형성한다.

바람직하게는, 각각의 U-형상의 단위 환형 구조체에 대해, 두 개의 외측 및 내측 환형 벽들의 두 개의 자유 단부들은 상기 패키지의 동일한 횡방향 평면 내에 놓인다.

H-형상과 같이 다른 형상들도 물론 가능하며, 이 또한 얻기 쉽고, 높은 열전도 성능을 제공한다.

각각의 단위 환형 구조체의 반경방향 열전도 벽은, 반 횡단면에서, 바람직하게는 길이방향 중심 축에 대해 직각으로 지향된, 직선의 선분 형상을 가진다.

이러한 특이성은 반경방향 벽이 직접적인 열전도 경로를 형성하기 때문에 효율적인 열전도 기능을 허용한다. 대안으로서, 직선의 선분은 길이방향 중심선에 대해 다르게 기울어질 수 있다. 열전도 경로는 덜 직접적이지만, 방사선 방호는 더욱 효과적이다.

다른 실시예에 따르면, 각각의 단위 환형 구조체의 반경방향 열전도 벽은, 반 횡단면에서, 반경방향 외측 부분의 벽과 반경방향 내측 부분의 벽 사이에 적어도 하나의 축방향 레벨 변경부(axial level change)를 가진다. 이는, 반경방향 열전도 벽들을 통해 반경방향 누설이 발생하지 않기 때문에, 더 양호한 방사선 방호를 제공한다.

각각의 환형 캐비티 내에서, 상기 방사선 방호 요소(들)은 360°에 걸쳐 연장된 방호용 링을 형성한다. 이 링은 연속적으로 또는 불연속적으로 연장되며, 후자의 경우는 끝과 끝이 이어져 배치된 몇몇의 방호용 요소들에 의해 얻어지고, 바람직하게는 이 요소들 사이의 접합부에 원주방향으로 겹쳐진 영역들이 제공된다.

각각의 환형 캐비티 내에서, 각각의 방사선 방호 요소는 상기 캐비티 내에 주조된 요소이거나, 또는 상기 캐비티 내에 배치된 조립식 요소이다.

상기 단위 환형 구조체들 중 적어도 몇몇은, 바람직하게는 모두 동일하다. 이는 매우 용이한 제조를 허용한다. 다른 한편으로, 환형 캐비티들의 부피와 그 내부에 수용되는 방사선 방호물을 방사선 방호를 위한 국부적인 필요에 적합화시키기 위해, 이들 중 적어도 일부에 대해, 환형 구조체들은 상이한 기하구조를 가질 수 있다.

각각의 단위 환형 구조체는 제조의 용이성을 위해 일정한 형상을 가진 반 횡단면을 가진다.

각각의 단위 환형 구조체의 임의의 반 횡단면에서, 상기 반경방향 열전도 벽은 동일한 두께를 가진다. 이는 반경 방향으로 균일한 열적 성능이 제공될 수 있도록 한다.

단위 환형 구조체들의 수는 10 내지 50 사이이며, 이 구조체들의 적층에 의해 형성된 외부 방사선 방호 쉘의 높이는 1 내지 4m 사이이다.

본 발명의 다른 목적은 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 이러한 패키지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 다음의 연속된 단계들:

- 단위 환형 구조체들 중 하나를 측면 몸체 둘레의 스택(stack) 내에 설치하는 단계; 및

- 이전 단계에서 설치된 단위 환형 구조체에 의해 부분적으로 형성된 환형 캐비티 내에 각각의 방사선 방호 요소를 설치하는 단계;의 반복을 포함한다.

따라서, 단위 환형 구조체들이 스택 내에 설치되기 전에 가열되어야 할 때, 측면 몸체 둘레에 조립된 환형 구조체가 냉각되는 것을 기다리는 것이 유리할 수 있다. 그러면, 이러한 방사선 방호 요소들은 어떠한 열적 열화의 위험에도 노출되지 않는다.

본 발명의 다른 목적은 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 이러한 패키지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 다음의 연속된 단계들:

- 단위 환형 구조체들 중 하나에 의해 부분적으로 형성된 환형 캐비티 내에 각각의 방사선 방호 요소를 설치하는 단계; 및

- 각각의 방사선 방호 요소를 구비한 이전 단계에서 언급된 단위 환형 구조체를 측면 몸체 둘레의 스택(stack) 내에 설치하는 단계;의 반복을 포함한다.

이러한 실행은 패키지 구성요소들을 위해, 특히 단계들의 순서와 패키지 측면 몸체와는 별도로 방사선 방호 수단을 제조하는 가능성에 의해, 또는 심지어 상이한 제조 장소에서, 매우 용이한 조립을 제공한다. 또한, 이 방법은 관련된 환형 구조체를 패키지 측면 몸체 둘레에 설치하기 전에 방사선 방호 요소들의 규정 준수의 용이한 검증을 허용한다. 방사선 방호 요소들 중 하나의 불량의 경우에, 관련된 환형 구조체를 패키지 측면 몸체 둘레에 설치하기 전에, 업그레이드 되거나 또는 교체될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점들과 특징들은 아래의 상세한 비-제한적인 설명에서 드러날 것이다.

이 설명은 첨부된 도면들에 관련하여 이루어진다.
- 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 방사성 물질의 저장 및/또는 운송을 위한 패키지의 길이방향 축 단면도를 나타내며;
- 도 1a는 도 1의 Ia-Ia 선을 따른, 도 1에 도시된 패키지의 횡단면도를 나타내며;
- 도 2는 도 1에 도시된 패키지의 사시도를 나타내며;
- 도 3은 이전 도면들에 도시된 패키지의 외부 방사선 방호 쉘을 형성하는 단위 환형 구조체들 중 하나의 부분 사시도를 나타내며;
- 도 4는 도 3에 도시된 구조체의 횡단면도이며;
- 도 5는 도 3과 4에 도시된 단위 환형 구조체의 반 횡단면도이며;
- 도 6은 제1의 가능한 실행에 따라, 이전 도면들에 도시된 패키지를 제조하기 위한 방법을 개략적으로 나타내며;
- 도 7은 제2의 가능한 실행에 따라, 도 1-5에 도시된 패키지를 제조하기 위한 방법을 개략적으로 나타내며;
- 도 8은 하나의 대체 가능한 실시예에 따른, 도 1-5에 도시된 패키지의 부분을 보여주며;
- 도 9는 하나의 대체 가능한 실시예의 단위 환형 구조체로서, 도 5와 유사한 도면을 보여주며;
- 도 10은 다른 대체 가능한 실시예에 따른, 단위 환형 구조체들 중 하나의 부분 사시도이며;
- 도 11은 도 10에 도시된 구조체의 횡단면도이다.

먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 방사성 물질, 예컨대 핵연료 조립체 또는 방사성 폐기물의 저장 및/또는 운송을 위한 패키지(1)가 도시된다.

이 패키지(1)는 길이방향 중심 축(2)이 수직으로 지향된 수직 저장 자세로 도시된다. 패키지(1)는 패키지 바닥부(4)에 얹혀 있으며, 길이방향 축(2)에 평행한 높이 방향을 따라서 제거 가능한 뚜껑(6)과 대향한다. 상기 패키지(1)는, 상기 바닥부(4)와 뚜껑(6) 사이에, 축(2) 둘레로 연장되며 내부에 방사성 물질들을 위한 하우징(12)을 형성하는 측면 몸체(side body)(10)를 가진다. 이 하우징은 방사성 물질을 위한 격납 용기(containment enclosure)(12)를 형성하며, 예를 들어, 방사성 물질은 격납 용기 내에 위치한 저장 바스켓(storage basket) 내에 배치된다. 대안으로서, 상기 격납 용기는 상기 하우징(12) 내에 설치된 캐니스터(canister)에 의해 완전히 한정된다. 상기 하우징(12)은 축방향 위쪽으로는 뚜껑(6)에 의해 그리고 아래쪽으로는 바닥부(4)에 의해 폐쇄된다.

상기 측면 몸체(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일체형으로 만들어지거나, 또는 몇몇의 동심 페룰들(concentric ferrules)로 만들어질 수 있다.

상기 패키지(1)는, 측면 몸체(10) 둘레에, 본 발명에 특유한 외부 방사선 방호 쉘(14)을 포함한다.

상기 쉘(14)은, 예를 들어, 대략 1 내지 4m의 누적 높이("H")에 걸쳐, 10 내지 50 사이의 개수(n)로 제공된, 다수의 단위 환형 구조체들(16)의 축방향 적층(stack)을 사용하여 만들어진다. 상기 외부 쉘(14)의 높이(H)는 실질적으로 방향(8)을 따른 하우징(12)의 높이에 대응된다.

이 바람직한 실시예에서, 축(2)을 따라서 적층된 모든 구조체들(16)은 동일하며, 이들 각각은 측면 몸체(10)의 외측 반경방향 표면(outer radial surface)(18)과 일체화되고 접촉한다. 도 1에서 하단부에 대응되는, 상기 스택의 단부들 중 하나 에서, 마지막 구조체(16)는 그럼에도 불구하고 마감 플레이트(closing plate)로 덮일 수 있다.

도 3 내지 5를 참조하여, 단위 환형 구조체들(16) 중 하나의 디자인이 상세하게 설명될 것이며, 이 구조체는 도 1과 2에서처럼 뚜껑이 위쪽을 향하는 수직 자세의 패키지에 있을 때를 가정하여 도시된다.

상기 구조체(16)는 바람직하게는 일체(one piece)로 만들어진다. 다시 말해서, 상기 환형 구조체(16)는, 예를 들어 단조와 기계가공에 의해, 또는 주조, 바람직하게는 주철 주조에 의해, 단일의 조각으로 만들어진다. 이러한 기술들은 제조 비용을 제한할 수 있게 만든다.

상기 구조체(16)는 전반적으로 위쪽으로 지향된 베이스를 가진 U-형상의 반 횡단면(half transverse cross-section)을 가진다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 아래쪽으로 향하는 베이스를 가진 반전 배향도 물론 고려될 수 있다. 이러한 반 횡단면은 이 구조체(16)의 원주 방향을 따른 단면 평면에 상관없이 일정한 형상을 유지한다.

상기 U-베이스는 반경방향 열전도 벽(22)을 형성한다. 이 열전도 벽(22)은, 패키지의 외부로의 더욱 직접적인 전도 경로를 위해, 바람직하게는 축(2)에 대해 직각인 직선의 선분의 형상을 상정한다. 이 벽(22)은 임의의 반 횡단면에서 동일한 두께(E1)을 가진다. 이 두께(E1)는 예를 들어 5 내지 40mm 사이이며, 바람직하게는 15 내지 25mm 사이이다. 나중에 설명되는 바와 같이, 특히 모든 반경방향 벽들이 함께 방사성 물질들에 의해 방출되는 결정된 양의 열을 배출할 수 있도록 하는 것을 목표로, 벽(22)의 두께는 구조체들(16)의 수와 연관성이 있다.

반경방향 열전도 벽(22)의 내측 단부는 상기 측면 몸체(10)의 외측 반경방향 표면(18)과 접촉하며 일체화된다. 상기 반경방향 벽(22)은, 반대쪽 단부, 즉, 외측 단부에서, 반경방향 벽(22)은 외측 환형 벽(24)과 일체화된다. 반 횡단면에서, 이 벽(24)은 축(2)에 평행하고 반경방향 벽(22)의 외측 단부로부터 아래쪽으로 돌출된 직선의 선분의 형태를 가진다. 표시의 목적으로, 상기 벽(24)의 두께 "E2"는 본질적으로, 이하에서 설명되는 바와 같이, 방사선 방호물(radiation protection)이 중성자 방호물인 경우에, 중성자들이 방사선 방호물 내부에 흡수될 때, 중성자들에 의해 발생된 감마선들을 흡수하는 능력에 의존한다는 점이 주목된다. 상기 두께(E2)는 5 내지 40mm 사이일 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 25mm 사이일 수 있다.

마지막으로, 상기 반경방향 벽(22)은 그 내측 단부에서 제2 U-브랜치를 형성하는 내측 환형 벽(26)과 일체화된다. 상기 내측 환형 벽(26)도 측면 몸체(10)의 외측 반경방향 표면(18)과 접촉되며 일체화된다. 상기 접촉은 바람직하게는 환형 내측 벽(26)의 전체 내측 표면에 걸친 표면 접촉이다. 고정은, 예를 들어, 이하에서 설명되는 바와 같이, 수축-맞춤(shrink-fitting)에 의해 만들어진다. 대안으로서, 상기 접촉은, 한편으로는 내측 환형 벽(26) 및 반경방향 열전도 벽(22)의 내측 단부와, 다른 한편으로는, 측면 몸체(10)의 외측 반경방향 표면(18) 사이의 단순한 슬라이딩 접촉일 수 있다.

반 횡단면에서, 상기 벽(26)은 축(2)에 평행한 직선의 선분의 형태를 가지며, 이는 반경방향 벽(22)의 내측 단부로부터 아래쪽으로 돌출된다. 표시로서, 상기 벽(26)의 두께 "E3"는 특히 감마선을 제한하는 능력에 의해 좌우된다. 그 두께가 두꺼울수록, 측면 몸체(10)의 두께는 더 감소될 수 있다. 바람직하게는 주철로 만들어지는 환형 구조체들(16)의 내측 부분들의 비용은 바람직하게는 단조강으로 만들어지는 몸체(10)의 비용보다 낮기 때문에, 측면 몸체(10)와 외부 쉘(14)에 의해 형성된 조립체의 제조 비용은 감소될 수 있다.

이러한 단위 환형 구조체들(16)의 디자인의 덕분에, 측면 몸체(10) 둘레에 적층된 때, 단위 환형 구조체들(16)은 방사선 방호 요소들을 수용하는 환형 캐비티들을 형성한다. 더욱 정확하게는, 도 1을 다시 참조하면, 각각의 환형 캐비티(30)는 스택 내에서 두 개의 직접적으로 연속된 구조체들(16)에 의해 한정된다. 설명된 바람직한 실시예에서, 상기 캐비티(30)는 두 개의 직접적으로 연속된 환형 구조체들(16) 중 하나의 외측 환형 벽(24)에 의해 반경방향 외측으로 폐쇄되고, 동일한 환형 구조체(16)의 내측 환형 벽(26)에 의해 반경방향 내측으로 폐쇄된다. 추가로, 상기 환형 캐비티(30)는 이 동일한 구조체(16)의 반경방향 벽(22)에 의해 축방향 위쪽으로 폐쇄되고, 스택에서 직접적으로 연속된 환형 구조체(16)의 반경방향 벽(22)에 의해 축방향 아래쪽으로 폐쇄되며, 이는 제1 구조체(16)의 U-브랜치들 사이의 개구를 밀봉한다.

상기 환형 구조체들이 적층된 때, 외측 환형 벽들(24)은 방향(8)을 따라서 인접하며, 함께 실질적으로 연속적이고 오염 제거가 용이한 패키지의 외측 반경방향 표면을 형성한다.

따라서, 상기 환형 캐비티들(30)은, 방사선 방호 물질로 완전히 또는 거의 완전히 채워짐으로써, 축(2)을 따라서 서로 이어진다. 이전에 논의된 바와 같이, 방사선 방호 물질은, 패키지가 방사성 물질로 적재된 때 패키지에 관한 방사능 규제 기준을 맞추는 것을 목표로 감마선에 대한 방호를 위한 물질, 및/또는 중성자 흡수 물질일 수 있다. 바람직하게는, 방사선 방호 물질은 한편으로는 중성자 흡수 원소들을 포함하고 다른 한편으로는 수소 원소들을 포함하는 중성자 흡수 물질일 수 있다. 참조로서, "중성자 흡수 원소들"은 열중성자들을 위해 100 barns보다 큰 유효 단면적을 가진 의도된 원소들이라는 것이 상기된다. 대표적인 예들로서, 이들은 보론, 가돌리늄, 하프늄, 카드뮴, 인듐 유형, 등의 원소들이다. 또한, 수소(가벼운 원자)는 중성자들을 감속시켜 중성자 흡수 원소들에 의해 흡수될 수 있도록 한다. 따라서, 온도 기준은 본질적으로 패키지의 수명에 걸쳐 중성자 차폐 기능에 유해할 수 있는 수소의 실질적인 손실을 방지하도록 수행되어야 한다.

다양한 패키지 구성요소들을 치수 설정(dimensioning)하기 위해, 무엇보다도 먼저 각각의 구조체(16)는 아래의 공식에 맞아야 한다.

0.02 < nㆍE1/H < 0.3

이 비율을 0.3 아래로 유지함으로써 충분한 중성자 방호가 캐비티들 내에 유지될 수 있도록 허용한다. 더욱이, 이 비율을 0.02보다 높게 함으로써, 놀랍게도 가속된 노화의 위험(ageing risks)을 제한하는 합리적인 최대 온도에서 중성자 방호 물질을 유지하는 것을 가능하게 만든다. 따라서, 이 비율은 전체로서 열전도 및 중성자 방호의 면에서 매우 만족스러운 절충을 제공한다.

상기 공식 nㆍE1/H에서뿐만 아니라, 이하에서 설명되는 공식 L/E1 < 10에서도 두께 E1을 포함하며, 이 두께는 반경방향 열전도 벽(22)을 따라서 일정하지 않을 때 평균 두께에 대응된다.

반경방향 열전도 벽들(22)에서 국부적으로, 중성자 방호 기준을 개선하기 위해, 상기 패키지는 아래의 공식을 충족한다.

n/H > 2, "H"는 여기서 미터로 표현된다.

이러한 치수 설정에 의해, 반경방향 벽들(22)의 두께(E1)는 제한되고 국부적으로 관찰되는 중성자 누설은 감소된다.

중성자 누설, 특히 상기 쉘(14)의 외측 표면으로부터 2미터에서 중성자 선량-당량률(neutron dose-equivalent rate)을 국부적으로 감소시킬 목적으로, 각각의 구조체(16)는 바람직하게는 아래의 공식을 충족한다.

L/E1 < 10

여기서 "L"은 내측 및 외측 환형 벽들(26, 24) 사이의 반경방향 간격에 대응된다. 추가적으로, 이 거리(L)는 바람직하게는 실질적으로 중성자 방호물의 반경방향 길이에 대응된다. 더욱 일반적으로, 환형 캐비티는 중성자 방호물에 의해 완전히 또는 대부분, 바람직하게는 전체 부피의 적어도 90% 위로 채워진다.

이러한 기하구조적 조건은 반경방향 벽(22)의 두께(E1)를 제한하며, 이는 2미터에서 중성자 선량-당량률을 위한 결정 인자(determining factor)이다. 상기 환형 구조체(16)를 10 이상의 비율로 치수 설정하는 것은, 2미터에서 중성자 선량-당량률 기준을 달성하기 위해 상기 쉘(14)의 큰 반경방향 길이를 초래할 것이며, 이에 따라 패키지의 실질적인 전체 질량을 증가시킬 것이다. 이는, 중성자 방호물의 주어진 반경방향 길이로부터, 임계 효과(threshold effect)가 발생하고 이 길이의 증가는 2미터에서의 중성자 선량-당량률에 오직 적은 효과를 가진다는 사실에 의해 적어도 부분적으로 설명된다.

각각의 캐비티(30)에서, 방사선 방호 물질은, 예를 들어, 하나 이상의 주물 요소들(cast elements), 바람직하게는 캐비티(30) 내에 360°에 걸친 단일의 연속된 링 주물의 형태이다. 대안으로서, 방사선 방호 물질은 캐비티(30) 내에 배치된 하나 이상의 조립식 요소들(prefabricated elements)의 형태일 수 있다. 도 1a에 도시된 후자의 경우에, 중성자 방호용 링(34)은 끝과 끝이 이어져 배치된 몇몇의 방호 요소들(32)에 의해 불연속적으로 형성된다. 반경방향을 따른 방사능 누설을 제한하기 위해, 이러한 방호 요소들(32)은 바람직하게는 이들의 원주방향 단부들에서 개개의 요소들 사이의 접합을 보장하는 원주방향으로 겹쳐지는 영역들(36)을 가진다.

도 6은 측면 몸체(10)의 둘레에 외부 방사선 방호 쉘(14)을 조립하는 것과 관련된 단계들로서, 상기 패키지(1)를 제조하는 제1 방법을 나타낸다. 이 방법은 두 개의 연속된 단계들을 반복하는 것으로 구성된다. 이 두 개의 단계들 중 제1 단계는 측면 몸체(10) 둘레의 스택 내의 단위 환형 구조체들(16) 중 하나를 설치하는 단계이며, 이 단계에서 단위 환형 구조체(16)의 환형 캐비티(30)는 아직 방사선 방호 요소(들)로 채워지지 않는다. 이 단계는 도 6에서 화살표(36)로 표시된다. 이 삽입을 수행하기 위해, 상기 구조체(16)는 예를 들어 대략 200℃의 온도로 미리 가열될 수 있다. 상기 구조체(16)는, 스택 내에 이전에 설치되고 방사선 방호 물질로 채워진 구조체(16)의 캐비티(30)를 폐쇄하기 위해 스택의 나머지와 접촉되도록 이동된다.

상기 구조체가, 예컨대, 160℃ 아래의 온도로 냉각된 때, 상기 구조체는 수축-맞춤(shrink-fitting)에 의해 반경방향 벽(22)의 내측 단부와 내측 환형 벽(26)을 통해 측면 몸체의 외측 반경방향 벽(18)에 부착된다.

그 다음에, 상기 방사선 방호 물질은 이 물질의 어떠한 열적 열화의 위험 없이 냉각된 구조체(16)의 환형 캐비티(30) 내에 설치될 수 있다. 이러한 점에서, 이 단계들은 수직 자세의 패키지(1)로 수행되지만, 패키지의 바닥부가 위쪽으로 지향되어 채워질 각각의 캐비티(30)가 위쪽으로 개방된 자세의 패키지(1)로 수행된다. 상기 물질은 주조에 의해 또는 조립식 요소들의 배치에 의해 상기 캐비티(30) 내에 설치되며, 이에 따라 얻어진 방사선 방호물은 그 다음에 이러한 동일한 제1 및 제2 단계들을 반복하기 전에 검사된다.

도 7은 측면 몸체(10)의 둘레에 외부 방사선 방호 쉘(14)을 조립하는 것과 관련된 단계들로서, 상기 패키지(1)를 제조하기 위한 제2 방법을 보여준다. 이 방법은 두 개의 연속적인 단계들을 반복하는 것으로 구성된다. 이러한 두 개의 단계들 중 제1 단계는 스택 내에 아직 설치되지 않은 환형 캐비티(30) 내에 부분적으로 각각의 방사선 방호 요소를 설치하는 단계이다. 이 단계는 유리하게는 단위 환형 구조체들(16)의 적층이 수행되는 장소와 상이한 장소에서 수행될 수 있다. 방사선 방호 요소들의 품질은 제2 단계에 대응되는 작업인 구조체(16)를 몸체(10) 둘레에 설치하기 전에 검사될 수 있다. 이러한 방사선 방호물이 장착된 구조체(16)의 삽입은 이전에 설명된 바와 같이 가열에 의해 수행될 수 있다.

방금 설명된 실시예에서, 각각의 단위 환형 구조체(16)는, 외측 환형 벽(24)과 내측 환형 벽(26)에 의해 각각 형성된 두 개의 U-브랜치들과 반경방향 벽(22) 에 의해 형성된 U-베이스를 가진 일반적으로 U-형상의 반 횡단면을 가진다. 추가적으로, 두 개의 환형 벽들(24, 26)의 두 개의 자유 단부들은 패키지의 동일한 횡방향 평면 내에 놓인다. 그럼에도 불구하고, 두 개의 환형 벽들(24, 26)의 자유 단부들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 축방향으로 서로로부터 오프셋될 수 있다. 두 개의 환형 벽들(24, 26)의 자유 단부들을 동일한 횡방향 평면 내에 유지하는 것은 환형 캐비티(30) 내에 중성자 방호물를 주조하는 것을 용이하게 만든다.

이제, 도 8을 참조하면, 구조체들의 반 횡단면이 상이한 대체 가능한 실시예들이 도시된다.

도 8에서, 구조체는, 반경방향 열전도 벽을 형성하기 위해, 중심 바(central bar)(22)가 실질적으로 축(2)에 대해 직각인 H 형상이다. 따라서, 두 개의 측부 H-브랜치들은 방향(8)을 따라서 지향되고, 이들은 H의 중심 바(22)의 양측에 배치된 두 개의 직접 연속된 환형 캐비티들(30)을 한정하는데 참여한다. 다시 말해서, 각각의 캐비티(30)는 상기 구조체들(16) 중 하나의 외측 벽(24)(외측부 H-브랜치)의 부분에 의해 그리고 스택 내의 직접 연속된 구조체(16)의 외측 벽(24)의 부분에 의해 반경방향 외측으로 한정된다.

각각의 환형 캐비티(30)는 또한 상기 구조체들(16) 중 하나의 내측 벽(26)(내측부 H-브랜치)의 부분에 의해 그리고 스택 내의 직접 인접한 구조체(16)의 내측 벽(26)의 부분에 의해 반경방향 내측으로 한정된다.

여기서도, 두 개의 측부 브랜치들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 서로로부터 축방향으로 오프셋 될 수 있다.

도 9는 이전에 논의된 다른 대체 가능한 실시예를 보여주며, 여기서 일반적으로 U-형상의 반 횡단면을 가진 단위 구조체는 더 이상 축(2)에 대해 실질적으로 직각인 베이스(22)를 가지지 않고, 동일한 축(2)에 대해 90°가 아닌 각도 "A"로 기울어진 베이스(22)를 가진다. 이 각도는 바람직하게는 20° 내지 70° 사이일 수 있다.

반경방향 열전도 벽을 형성하는 베이스(22)는 두 개의 환형 벽들(24, 26)의 단부들을 연결하면서 직선의 선분으로 기울어질 수 있다. 대안으로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 오직 이 베이스(22)의 중심 부분만 직선의 선분이거나 또는 심지어 만곡된 부분일 수 있으며, 두 개의 연결 단부들(40)은 둥글 수 있다.

마지막으로, 도 10과 11은 다른 대체 가능한 실시예를 나타내며, 여기서 각각의 단위 환형 구조체(16)의 반경방향 열전도 벽(22)은 상이한 형상을 가진다. 상기 열전도 벽(22)은 더 이상 이전의 실시예들처럼 직선과 반경방향이 아니며, 대신에 반 횡단면에서 반경방향 외측 부분의 벽(22a)과 반경방향 내측 부분의 벽(22b) 사이에 적어도 하나의 축방향 레벨 변경부(axial level change)(22c)를 포함한다. 이 실시예는, 이전 실시예처럼, 반경방향 열전도 벽들(22)을 통해 반경방향 누설이 일어나지 않기 때문에, 방사선 방호의 향상을 가능하게 한다. 상기 축방향 레벨 변경부(22c)는 축(2)에 평행하게 지향된 라이저(riser)의 형태를 가지며, 실질적으로 두 개의 부분들(22a, 22b) 사이의 중심에 위치한다. 이러한 두 개의 부분들(22a, 22b) 사이에서 관찰되는 축방향 오프셋은 환형 부분들(24, 26) 사이에서 발견되며, 구조체들(16)을 적층할 때, 두-레벨의 반경방향 벽(22)은 스택 내에 이전에 설치된 구조체(16)의 오프셋된 환형 부분들(24, 26) 사이에 형성된 개구를 적절하게 밀봉한다.

물론, 본 기술분야의 기술자에 의해, 오직 비-제한적인 예들에 의해 그리고 첨부된 청구항들에 의해 정의된 범위에 따라 방금 설명된 본 발명에 대해 다양한 수정들이 만들어질 수 있다. 특히, 다양한 대안들도 서로 조합될 수 있을 것이다.

Claims (16)

1. 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 패키지(package)(1)로서,
   상기 패키지는, 길이방향 중심 축(2) 둘레로 연장되며 방사성 물질들을 위한 하우징(12)을 부분적으로 한정하는 패키지 측면 몸체(side body)(10)를 포함하며, 상기 패키지는 또한 상기 패키지 측면 몸체 둘레에 배치되는 외부 방사선 방호 쉘(external radiation protection shell)(14)을 포함하고, 상기 외부 방사선 방호 쉘(14)은 길이방향 중심 축(2)을 따라서 서로 적층되며 상기 패키지 측면 몸체(10) 둘레에 배치되는 다수의 단위 환형 구조체들(unitary annular structures)(16)로 만들어지며,
   각각의 단위 환형 구조체(16)는:
   - 외측 환형 벽(outer annular wall)(24);
   - 내측 환형 벽(inner annular wall)(26);
   - 상기 외측 환형 벽(24)과 일체화되는 외측 단부 뿐만 아니라, 상기 패키지 측면 몸체(10)와 접촉되며 상기 패키지 측면 몸체(10)와 접촉된 상기 내측 환형 벽(26) 자체와 일체화되는 내측 단부를 가지는 반경방향 열전도 벽(radial heat conduction wall)(22);을 포함하고,
   스택(stack) 내에서 직접 연속된 두 개의 단위 환형 구조체들(16)은 적어도 하나의 방사선 방호 요소(32)를 수용하는 환형 캐비티(annular cavity)(30)를 적어도 부분적으로 한정하며, 상기 환형 캐비티는 상기 두 개의 직접 연속된 단위 환형 구조체들(16) 중 하나 또는 둘 다의 외측 환형 벽(24)에 의해 반경방향 외측으로 폐쇄되고, 상기 두 개의 직접 연속된 단위 환형 구조체들(16) 중 하나 또는 둘 다의 내측 환형 벽(24)에 의해 반경방향 내측으로 폐쇄되며, 상기 두 개의 직접 연속된 단위 환형 구조체들(16) 중 하나와 다른 하나의 반경방향 열전도 벽(22)에 의해 축방향으로 양측에서 각각 폐쇄되는 것을 특징으로 하는, 패키지.
2. 제1항에 있어서,
   각각의 단위 환형 구조체(16)는 일체형인 것을 특징으로 하는, 패키지.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방사선 방호 요소(32)는 중성자 방호 요소이고, 각각의 단위 환형 구조체(16)는 다음의 공식을 충족하는 것을 특징으로 하며:
   0.02 < nㆍE1/H < 0.3
   여기서:
   - "n"은 적층된 단위 환형 구조체들(16)의 전체 개수에 대응되고;
   - "E1"은 상기 반경방향 열전도 벽(22)의 두께에 대응되며;
   - "H"는 상기 외부 방사선 방호 쉘(14)의 높이에 대응되는, 패키지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 패키지는 다음의 공식을 충족하는 것을 특징으로 하며:
   n/H > 2
   여기서 "H"는 미터로 표시되는, 패키지.
5. 제3항에 있어서,
   각각의 단위 환형 구조체(16)는 다음의 공식을 충족하는 것을 특징으로 하며:
   L/E1 < 10
   여기서 "L"은 상기 내측 환형 벽(26)과 외측 환형 벽(24) 사이의 반경방향 간격에 대응되는, 패키지.
6. 제1항에 있어서,
   각각의 단위 환형 구조체(16)는, 상기 반경방향 열전도 벽(22)에 의해 형성된 U-베이스(base)와, 상기 외측 환형 벽(24)과 내측 환형 벽(26)에 의해 각각 형성된 두 개의 U-브랜치들(branches)을 가지는 전반적으로 U-형상의 반 횡단면(half transverse cross-section)을 가지며, 상기 U-베이스와 상기 U-브랜치들 사이의 공간에 의해 형성되는 U-내부(interior)는 상기 적어도 하나의 방사선 방호 요소(32)를 수용하는 상기 환형 캐비티(30)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 패키지.
7. 제6항에 있어서,
   각각의 단위 환형 구조체(16)에 대해, 두 개의 외측 및 내측 환형 벽들(24, 26)의 두 개의 자유 단부들은 상기 패키지의 동일한 횡방향 평면 내에 놓이는 것을 특징으로 하는, 패키지.
8. 제1항에 있어서,
   각각의 단위 환형 구조체(16)의 반경방향 열전도 벽(22)은, 반 횡단면에서, 길이방향 중심 축(2)에 대해 직각으로 지향된, 직선의 선분 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 패키지.
9. 제1항에 있어서,
   각각의 단위 환형 구조체의 반경방향 열전도 벽(22)은, 반 횡단면에서, 반경방향 외측 부분의 벽(22a)과 반경방향 내측 부분의 벽(22b) 사이에 적어도 하나의 축방향 레벨 변경부(axial level change)(22c)를 가지는 것을 특징으로 하는, 패키지.
10. 제1항에 있어서,
    각각의 환형 캐비티(30) 내에서, 상기 방사선 방호 요소(들)(32)은 360°에 걸쳐 연장된 방호용 링(34)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 패키지.
11. 제1항에 있어서,
    각각의 환형 캐비티(30) 내에서, 각각의 방사선 방호 요소(32)는 상기 캐비티 내에 주조된 요소이거나, 또는 상기 캐비티 내에 배치된 조립식 요소인 것을 특징으로 하는, 패키지.
12. 제1항에 있어서,
    상기 단위 환형 구조체들(16) 중 적어도 몇몇은 동일한 것을 특징으로 하는, 패키지.
13. 제1항에 있어서,
    각각의 단위 환형 구조체(16)는 일정한 형상을 가진 반 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 패키지.
14. 제1항에 있어서,
    단위 환형 구조체들(16)의 수는 10 내지 50 사이이며, 이 구조체들(16)의 적층에 의해 형성된 상기 외부 방사선 방호 쉘(14)의 높이(H)는 1 내지 4m 사이인 것을 특징으로 하는, 패키지.
15. 제1항에 따른 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 패키지(1)를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은 다음의 연속된 단계들:
    - 단위 환형 구조체들(16) 중 하나를 측면 몸체(10) 둘레의 스택(stack) 내에 설치하는 단계; 및
    - 이전 단계에서 설치된 단위 환형 구조체(22)에 의해 부분적으로 형성된 환형 캐비티(30) 내에 각각의 방사선 방호 요소(32)를 설치하는 단계;를 반복하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방사성 물질들의 운송 및/또는 저장을 위한 패키지(1)를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은 다음의 연속된 단계들:
    - 단위 환형 구조체들(22) 중 하나에 의해 부분적으로 형성된 환형 캐비티(30) 내에 각각의 방사선 방호 요소(32)를 설치하는 단계; 및
    - 각각의 방사선 방호 요소(32)를 구비한 이전 단계에서 언급된 단위 환형 구조체(16)를 측면 몸체(10) 둘레의 스택(stack) 내에 설치하는 단계;를 반복하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.

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