KR20060004708A - 핵 연료봉을 이송 및 저장하기 위한 장치 및 상기 장치를사용하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

핵 연료봉을 이송 및 저장하기에 적당한 장치는 직선 구조의 금속 플레이트 벌집모양 그리드워크로 형성된 저장 셀을 가지는 바스킷을 포함하고, 상기 플레이트는 전도성 열 전달을 허용하도록 상기 그리드워크에 의해 형성된 저장 셀의 모든 인접 모서리가 완전하게 접속되도록 교차점에서 서로 용접되고, 상기 금속 플레이트는 저장 셀의 벽을 형성하는 영역에 배치된 중성자 흡수재를 가진다. 핵 연료봉을 이송 및 저장하기에 적당한 장치를 만드는 방법은 a) 슬롯 및 금속 플레이트상에 배치된 재료를 가지는 금속 플레이트를 제공하는 단계, b) 슬롯이 인접 모서리를 가지며 저장 셀의 측면상에 중성자 흡수 재료를 가지는 저장 셀의 벌집모양 그리드워크를 형성하기 위하여 교차하도록 상기 플레이트를 정렬하는 단계, 및 c) 그리드워크에 의해 형성된 저장 셀의 모든 인접 모서리가 전도성 열 전달을 허용하고 단단한 구조를 제공하기 위하여 완전하게 접속되도록 교차점에서 서로에 대해 플레이트를 용접하는 단계를 포함한다.

Description

핵 연료봉을 이송 및 저장하기 위한 장치 및 상기 장치를 사용하기 위한 방법 {APPARATUS SUITABLE FOR TRANSPORTING AND STORING NUCLEAR FUEL RODS AND METHODS FOR USING THE APPARATUS}

도 1은 본 발명에 따른 중성자 흡수 재료 및 금속 차단재를 가진 일부분에 슬롯이 형성된 플레이트의 부분적으로 절개하여 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따라 중성자 흡수재를 도시하지 않은 바스킷의 슬롯 형성 플레이트 어셈블리 부분을 부분적으로 나타낸 사시도.

도 3은 도시되지 않은 차단 및 중성자 흡수 재료를 가지는 어셈블리된 슬롯 형성 플레이트 및 각진 금속 플레이트의 사시도.

도 4는 도시되지 않은 중성자 흡수 재료를 가지는 24 저장 셀 구조 바스킷 어셈블리의 사시도.

도 5는 중성자 흡수 재료 위치를 도시하는 24 저장 셀 바스킷 어셈블리의 평면도.

도 6은 중성자 흡수 재료의 위치를 도시하는 32 저장 셀 연료 바스킷 어셈블리의 평면도.

도 7은 도시되지 않은 중성자 흡수 재료를 가지는 본 발명에 따른 32 저장 셀 바스킷 어셈블리의 사시도.

도 8은 중성자 흡수 재료를 도시하는 68 저장 셀 바스킷 어셈블리의 평면도.

도 9는 도시되지 않은 중성자 흡수 재료를 가지는 본 발명에 따른 68 저장 셀 바스킷 어셈블리의 사시도.

도 10은 본 발명에 따른 24 셀 캐니스터를 부분적으로 나타낸 평면도.

도 11은 본 발명에 따른 32 셀 캐니스터를 부분적으로 나타낸 평면도.

도 12는 본 발명에 따른 68 셀 캐니스터를 부분적으로 나타낸 평면도.

도 13은 본 발명에 따른 저장 오버팩의 평면도.

도 14는 본 발명에 따라 도시된 연료 바스킷을 가지는 부분적으로 설치된 MPC를 가지는 저장 오버팩을 부분적으로 나타낸 분해도.

도 15는 본 발명에 따른 MPC의 단면 입면도.

도 16은 마우스 홀 및 사각형 헬륨 흐름을 도시하는 본 발명에 따른 MPC의 사시도.

본 발명은 사용된 핵연료를 저장 및 이송하기 위한 컨테이너에 관한 것이다.

반응로로부터 방출된 사용된 핵연료(SNF)는 높은 관통력을 가지는 감마 및 중성자 방사선 및 열 에너지를 방사한다. SNF는 통상적으로 연료에 의해 생성된 열을 방사하고 감마 및 중성자 방사선을 감쇠시키기 위하여 물로 충진된 깊은 풀(pool)에 저장된다. 물이 충진된 풀(습식 저장)에 SNF를 저장하는 것에 대한 대안 은 소위 건식 저장 개념이고 여기서 상기 SNF는 "캐스크(cask)"라 불리는 헤비(heavy) 벽을 가진 용기 안쪽 구조에 저장된다. 건식 저장 시스템은 두개의 기본적인 구성요소, 즉 다목적 캐니스터(canister)(MPC) 및 오버팩(overpack)으로 구성된다. MPC는 밀봉 용기내의 연료 바스킷(fuel basket)이라 불린다. SNF가 연료 바스킷에 배치된 후, 연료 바스킷은 밀봉 용기내에 배치되고, 그 결과 "연료 저장 시스템"인 MPC는 "오버팩" 이라 불리는 중성자/감마 절연 장치에 배치된다. 오버팩내의 MPC는 "건식 저장 시스템"이라 불린다. 두개의 형태의 오버팩이 있다 : 저장 오버팩 및 이송 오버팩. 이송 오버팩은 저장뿐 아니라 이송을 위하여 사용되고, 따라서 이중 목적을 가진다.

Vectra Technologies, Inc.에 양도된 Lehnert 등에 의한 미국특허 5,438,597은 하나의 MPC를 개시하고 있으며, 사용된 핵 연료봉은 일반적으로 다수의 원형 플레이트들에 의해 서로 이격된 축 정렬로 유지된 실질적으로 사각형 모양 슬리브들에 저장되고, 상기 슬리브들은 관통 형성된 일반적으로 사각형인 다수의 개구들을 가진다. 상기 플레이트는 8개의 연장하는 사각형 플레이트에 의해 서로에 대해 떨어져 배치되고 축 정렬로 유지된다. 벡트라(Vectra) 스페이서 디스크 기술 연료 바스킷은 지진, 토네이도, 홍수 및 다른 자연 현상과 환풍상태(ventilation)의 완전한 손상 같은 모든 정상적이고 비정상적인 조건 로드를 견디도록 설계된 콘크리트 수평 저장 모듈에 저장된다. 벡트라 MPC는 이송 가능하도록 설계되지만, 오버팩은 이송 가능하지 않다.

MPC는 또한 Babcock & Wilcox Company에 양도된 Hinderer 등에 의한 미국특 허 5,406,601에 제안되었고, 여기서 바스킷은 요구된 방사선 차단, 열 및 구조적 요구를 제공하기 위하여 캐스크 몸체와 협력하는 로우 플레이트들의 다수의 층들로 형성된다. 상기 플레이트들은 상보적인 모양 및 내부에 가공된 부분적인 6각 그루브를 가지므로, 연료 전지들을 위한 전체 채널은 플레이트들이 캐스크 몸체로의 삽입을 위해 결합될 때 형성된다. 상기 플레이트들은 좁은 직경 섹션들을 가지며 이들 섹션들의 플레이트들의 둘레 주변에서 밴드들에 의해 함께 고정된다.

Westinghouse Electric Corp에 양도된 Efferding에 의한 미국특허 제4,800,283호는 그 길이의 거리의 대략 1/2에 슬롯이 형성되고 구조를 단단하게 하기 위하여 모든 교차점에서 전체 길이를 따라 용접된 사각형 확장 셀 어레이를 형성하기 위하여 "달걀 포장상자" 방식으로 상호 설비된 두 세트의 평행 플레이트로 형성된 사각형 단면 튜브의 셀 어셈블리를 가지는 바스킷 구조를 개시한다. 교차하는 플레이트에 의해 한정된 각각의 셀내에 사각형 단면을 갖는 기다란 컨테이너가 배치된다. 각각의 확장 컨테이너의 외부 벽은 알루미늄으로 싸여진 붕소 카바이드 같은 중성자 흡수 재료로 클래딩된다. 각각의 셀의 모서리에 바스킷을 설치하는 것은 각각의 셀의 내부 벽으로부터 각각의 컨테이너를 설치하고 균일한 간격을 가지기 위해 사용한다. 원형 외부 가장자리를 가지는 바스킷 구조의 형성(former) 플레이트는 셀 어셈블리를 둘러싸고 이송 캐스크의 원통형 용기내에 셀 어셈블리를 유지하는 충격 흡수 부재로서 작용한다. 이송 캐스크는 바람직하게 탄소강으로 만들어지고 원형 형성 플레이트는 바람직하게 연료봉의 열에 영향을 받을 때 확장하여 원통형 용기내에서 확장하는 알루미늄으로 만들어진다. 실제적으로, 바스킷 구조의 셀 어셈블리 및 형성 플레이트는 상기 특허에서 나타난 이유 때문에 동일 형태의 알루미늄 합금, 즉 알루미늄 6061-T45로 형성된다.

Sierra Nuclear는 저장용 콘크리트 저장 캐스크, 및 사용된 핵 연료봉의 이송 및 저장을 위한 이중 목적 스틸 용접 바스킷을 사용하는 건식 저장 시스템을 개시한다. 연료 바스킷은 사각형 스틸 튜브로 제조된 용접 어셈블리이다. 수평 방향으로의 구조적 지지부는 바스킷 어셈블리의 길이를 따라 배치된 굴곡된 수평 스페이서 디스크에 의해 제공된다. 연료 바스킷은 로딩된 연료 바스킷을 콘크리트 캐스크로 이송시키기 위하여 이송 캐스크 또는 차폐 벨을 사용함으로써 이루어진 콘크리트 캐스크에 배치된다.

다른 연구 및 설계 팀에 의한 많은 시도에도 불구하고, 다수의 연료 어셈블리를 저장하고 축 및 수직 지지부를 제공하기 위한 능력을 가지며, 연료 어셈블리에 의해 생성된 열을 외부 표면으로 이송하기 위한 능력을 가지며, 통상적인 조절이 가능하고, 조절 사고를 견딜 수 있도록 충분히 강한 다목적 캐니스터 또는 연료 바스킷이 제안되지 않았다.

게다가, 대기쪽으로 열을 효과적으로 차단하고, 이와 동시에 지진, 토네이도, 및 다른 매우 환경적인 사건들과 우연한 팁오버(tipover) 이벤트를 견디기에 충분히 강하며, 감마 및 중성자 방사선으로부터의 외부 환경을 효과적으로 격리시키는 콘크리트 오버팩 구조물이 제공되지 않았다.

캐스크에서 열적 문제는 장시간 온도 효과들이 클래딩의 품질을 저하시키지 않는 임계값 이하로 연료 클래딩 온도가 떨어지지 않도록 사용된 핵연료에 의해 생 성된 자연 붕괴열을 차단하는 것이다. 주어진 환경 온도에 대하여, 연료 클래딩 온도는 열 전송 경로 저항이 증가될 때 상승한다. 공기로 충진된 1 인치 갭에 의해 제공된 전도성 열 전달에 대한 저항은 거의 2,000 인치의 스틸과 같다는 것을 인식하여, 작은 갭(소위, 0.25 인치)을 도입하는 것이 12 인치 두께의 오버팩 벽(12)에 의해 제공된 열 저항을 크게 증가시킨다는 것이 분명하다. 즉, 갭은 가장 직접적이고 중요한 방식의 캐스크 설계시 열 문제를 악화시킨다.

이전 MPC에서는, 캐스크 설계자는 엄격한 제조 허용 오차 및 동작시 바스킷의 열적 성장에 의해 바스킷-대-캐스크 갭이 폐쇄되거나 크게 감소되는 것을 인식할 수 있었다. 설계자가 감소되지 않은 물리적 갭의 문제를 가지는 위치는 저장된 연료 및 저장 셀 벽 사이 간격이다.

캐스크에서 설계자가 소위 "박스 및 디스크"라 불리는 설계를 사용하는 다른 경우 중대한 갭 장벽의 부재는 상기 Lenhert patent에 도시된다. 이런 설계에서, 각각의 저장 셀은 박스에 의해 형성되고; 박스 어레이는 다수의 횡방향 디스크에 의해 유지되는 사각형 그리드 패턴으로 배열된다. 디스크에서 사각형 홀 절단부는 박스에 대한 측면 지지부를 제공하고; 디스크 어레이는 박스의 지지되지 않은 길이 방향 스팬을 감소시키고 열 전송 경로를 오버팩에 제공한다. 설계자는 종종 SA240-304 S/S 같은 강하지만 빈약한 열 전도체 합금 재료와, 구조적인 지지 및 열 전달 경로를 각각 제공하기 위하여 교번하는 패턴의 높은 전도성이지만 약한 알루미늄 디스크를 사용했다. Lehnert 특허는 통상적인 박스 및 디스크 구조를 도시한다.

NAC 인터내셔널 NAC-STC 연료 바스킷에서, 박스는 얇은(18 게이지) 시트 금속 스턱(stock)으로 만들어진다. 알루미늄으로 싸여진 붕소 카바이드 판넬은 박스의 4 측면상에 놓이고 4개의 0.019 인치 두께의 차단 판넬에 의해 적소에 고정된다. 알루미늄으로 싸여진 붕소 카바이드에 대한 밀봉 챔버를 형성하기 위하여 차단부를 박스에 용접하는 것은 과도한 열 유도 변형 및 비뚤어짐을 유도한다. 오스테니틱(austenitic) 스테인레스 스틸 같은 낮은 전도성 재료로 만들어진 박스에 대하여, 심한 용접 유도 변형은 간단히 방지될 수 있다.

오스테니틱 스테인레스 스틸로 만들어진 디스크는 만약 사각형 홀이 버닝(burning) 및 그라인딩에 의해 만들어지면 변형된다. 디스크의 열 유도 변형은 홀이 브로칭(broaching)에 의해 형성될 경우 경감된다.

STC 설계자들은 제조된 합성 박스의 휨 가능성을 고려하며 디스크내에 비교적 큰 사각형 홀을 만들어 설치문제를 해결하려 하였다.

요약하여, 박스/디스크 구조는 설계자가 열 전달에 바람직하지 않은 갭을 발생시킨다. 제조한 박스 대 디스크 갭은 이 설계에서 "열 문제"의 핵심이다. 존속할 수 있는 MPC 구성에 대하여, 당업자는 바스킷내의 갭이 그 동작에 대해 필수적이지 않고 제거될 어셈블리 제조를 위해서만 필요하다는 것을 발견하였다. 그렇지 않으면, 캐스크의 열 효율이 심하게 제한될 것이다.

박스 및 디스크 설계의 몇몇 구조적 설계는 제조 처리시 박스 및 디스크의 변형이 박스-홀 인터페이스에서의 지지 조건을 매우 불확실하게 만드는 것을 고려할 때 명확하다. 만약 디스크 립(rib) 및 박스의 변형이 나이프 가장자리 접촉 상 태에 도달하면, 상기 상태하에서 디스크는 수평 하강 이벤트에서 얇은(0.019 인치의 두께) 외장을 변형시킬 수 있기 때문에 가장 바람직하지 않은 상황으로 발전된다. 이상적인 지지부 상태에서도, 박스 및 디스크 설계의 고유의 구조적 제한은 수평 강하가 고려될 때 쉽게 이해된다.

통상적인 이송 조건의 경우 수평 강하 이벤트에 대한 박스의 스트레스 레벨이 너무 높고 수평 강하되는 경우 박스가 부풀고, 패키지의 핵 임계 특성의 직접적인 영향으로 인해 그들 사이의 플럭스 트랩 갭을 감소시킨다.

MPC에 대한 종래 밀봉 시스템은 다수의 순환장치 디스크 모양 리드(lid)들을 사용하고, 제 1 리드는 순차적인 용접 동작들 동안 방사선 차폐를 제공하기에 충분히 두껍다. 제 1 리드는 만약 두개의 리드가 있으면 적소에 용접되고, 만약 3개의 리드가 있다면 적소에 용접되지 않는다. 제 2 리드는 부가적인 밀봉을 제공하거나 3개의 리드의 경우 간격 및 차폐를 제공한다. 각각의 리드가 설치된 후, 용접기들이 셋업(setup)되고 용접이 검사되어야 하므로, 조작자는 방사선 노출을 받게 된다. 상기 용접기는 각각의 부가적인 리드를 사용하기 위해 용접 동작들에 대한 셋업 시간을 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 다수의 연료 어셈블리를 저장하고 축 및 수직 지지부를 저장하기 위한 능력을 가지는 사용된 핵 연료봉에 대한 건식 저장 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 열을 외측 표면에 전달할 수 있고 튼튼하며 조절하기에 편리하고 극한 조절 사고 및 환경 사고에 견딜 수 있는 연료 바스 킷 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 효율적인 열 차단기, 매우 효과적인 감마 및 중성자 보호장치(arrestor), 및 모든 날씨 조건들에 대한 밀봉 용기가 될 수 있는 오버팩 구조물을 제공하고, 수직으로 배향될 수 있으면서 팁오버(tipover) 또는 토네이도(tornado) 미사일들과의 충돌로 발생되는 큰 감속도를 견딜 수 있는 오버팩 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 작업자가 방사선에 노출되는 것을 최소로 하고 방사선 차단을 최대로 하는 MPC용 개선된 밀봉 시스템을 제공하는 것이다.

이하의 상세한 설명으로부터 명백해지는 이들 목적 및 다른 특징은 본 발명에 의해 달성되고, 본 발명은 일 측면에서 직선 구조의 금속 플레이트들의 벌집모양 그리드워크(gridwork)로 형성된 저장 셀을 가지는 바스킷을 포함하고, 상기 플레이트들은 상기 그리드워크에 의해 형성된 저장 셀의 모든 인접 모서리들이 전도성 열 전달을 허용하기 위해 완전 접속되도록 모든 교차점에서 서로 용접되고, 상기 금속 플레이트들은 상기 저장 셀들의 벽들을 형성하는 영역들에 배치된 중성자 흡수재를 가진다.

다른 실시예에서, 본 발명은 특히 각진 금속 플레이트가 적어도 일부 표면상에 중성자 흡수재를 가질 때 각진 금속 플레이트가 저장 셀내에 길이방향으로 용접된 바스킷을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 상기 바스킷을 제조하는 방법을 포함하고, 상기 방 법은 다음과 같다.

a) 슬롯과 금속 플레이트의 측면상에 배치된 중성자 흡수재를 가지는 금속 플레이트를 제공하는 단계,

b) 상기 슬롯이 인접 모서리를 가지며 및 상기 저장 셀의 측면상에 상기 중성자 흡수 재료를 가지는 저장 셀의 벌집 모양 그리드워크를 형성하기 위하여 교차하도록 상기 플레이트를 배열시키는 단계, 및

c) 전도성 열 전달과 단단한 구조를 제공하게 하도록 상기 그리드워크에 의해 형성된 저장 셀의 모든 인접 모서리가 완전하게 접속되도록 교차점에서 서로 상기 플레이트를 용접하는 단계.

본 발명의 다른 실시예는 원통형 내부 금속 쉘, 원통형 외부 금속 쉘, 및 상기 금속 쉘들 사이의 원통형 콘크리트 구조물을 포함하는 오버팩이다.

본 발명의 다른 실시예는 밀봉 플레이트가 MPC의 금속 쉘 상부에 밀봉 용접된 후 일반적으로 두 부분인 상기 밀봉 링이 MPC에 대한 여분의 밀봉을 제공하기 위하여 밀봉 플레이트 및 금속 쉘에 밀봉 용접되도록, 상부 주변에 있는 리세스 및 상기 리세스에 설치되도록 제공된 밀봉 링을 가지는 일반적으로 둥근 디스크 모양 밀봉 플레이트를 포함하는 MPC용 밀봉 시스템이다.

본 발명은 내부에 삽입된 사용된 핵 연료봉을 홀딩하는 바스킷 구조물을 가지는 오버팩을 포함하는 최종 저장 어셈블리를 포함한다.

모든 도면을 통해 동일 번호는 동일 구성요소를 나타내는 도면을 참조하여, 연료 바스킷(10)은 도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14 및 15에 도시된다. 바스킷(10)은 벌집모양 구조에 의해 형성된 저장 셀의 벽을 형성하는 영역에 배치된 중성자 흡수재(16)를 가지는 플레이트(11a-11d 및 12a-12d)의 벌집모양 그리드워크(38)로부터 형성된다. 하나의 플레이트(12a)의 일부분이 도 1에 도시되어 있다.

본 발명은 MPC(43)를 포함하고, 여기서 금속 쉘(19)은 도 10, 11, 12 및 15의 단면에 도시된 바스킷(10)을 원통형으로 에워싼다.

본 발명의 오버팩 측면은 도 13의 단면에 도시되고 부분 단면의 MPC와 결합하는 것이 도 14의 분해도에 도시된다.

연료 바스킷(10)의 벌집모양 구조는 수직 셀 개구부(14)("연료 공동" 또는 "저장 셀"이라 불림)를 만들고, 상기 개구부 각각은 하나의 사용된 핵연료 어셈블리(도시되지 않음)를 홀딩하도록 설계된다. 저장 셀(14)에는 저장된 연료 어레이가 가장 나쁜 조건하에서 미임계(subcritical) 조건(k_eff<0.95)이 유지되도록 충분한 중성자 흡수재(16)(도 1)가 적절히 "배치"된다.

부임계 조건을 유지하는 것 외에, 연료 바스킷(10)은 선결조건(postulated) 사건 이벤트들의 어레이를 "견딜 수 있는" 것을 보장하도록 설계된다. 연료 바스킷(10)은 60 g's 같은 높은 감속도에 해당하는 관성력을 견디도록 충분히 강해야 한다.

연료 저장 장치는 이런 분야에서 종래 기술 장치에 사용된 바와 같은 저장 셀, 또는 디스크내에 슬리브 또는 박스를 사용하지 않는다. 오히려, 셀 어레이는 사각형 배열로 플레이트 그리드워크를 배열함으로써 형성된다. 그 구조적 특징들에 있어서 다중-플랜지형 폐단면 빔과 유사한 벌집모양 구조물이 생성되도록, 바스킷들(10)은 서로 용접되는 플레이트들(11a-11d 및 12a-12d)의 어레이로부터 형성된다. 바람직하게, 플레이트는 원격 제어 용접기를 사용하여 용접된다. 그 결과 벌집모양 구조는 모든 유사한 모서리에서 인접한 저장 셀 사이의 완전한 접속을 위하여 제공한다. 따라서, 바스킷의 외측으로 열의 흐름은 연료 바스킷의 전체 체적을 통해 발생한다.

플레이트 수는 특정 바스킷 설계시 셀 수에 따라 다르다. 예를 들어, 도 4, 5 및 10은 24 PWR 어셈블리에 대한 구조를 도시한다. 도 6, 7 및 11은 32 셀 저장 구조를 도시하고, 도 8, 9 및 12는 68 저장 셀 구조를 도시한다. 도 10, 11 및 12는 각각 1-24, 1-32 및 1-68로 각각 숫자가 매겨진 셀을 도시한다. 그러나 각각의 MPC 실시예는 동일한 외부 크기를 가져서 각각은 단일 크기 오버팩(42)에 장착될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 상기 연료 바스킷은 12 내지 120 저장 셀들을 갖는다.

일 실시예에서, 도 3에 도시된 연료 저장 셀은 임계성 제어를 위하여 각각의 저장 셀 사이 "플럭스 트랩(45)"에 의해 서로 물리적으로 분리된다.

연료 바스킷(10)의 벌집모양 구조는 바스킷이 다중 플랜지 플레이트에 용접되게 하고, 여기서 모든 구조적 엘리먼트(박스 벽)는 두개의 수직 세트의 플레이트로 정렬된다. 결과적으로, 셀 벽은 완전히 공동 평면(오프셋되지 않음)이거나 서로 수직이다. 인접 셀 사이에서는 완전히 에지 대 에지로 연속하게 된다.

벌집모양 구조의 많은 장점중 하나는 바스킷 몸체에 대한 바스킷의 금속 질량의 균일한 분포이다(지지 플레이트들이 국부화된 질점(mass point)들을 갖는 "박스 및 스페이서 디스크" 구조물과 대조적으로). 균일하지 않게 분포된 질량은 균일하지 않은(박스 스페이서 디스크) 바스킷으로부터 얻어질 수 있는 것보다 효과적인 방사선 차폐 장벽을 제공한다. 즉, 벌집모양 바스킷은 더 효과적인 방사선 감쇠 장치이다.

벌집모양 바스킷 구조에서 본래의 완전한 셀 대 셀 접속성은 연속된 열 전송 경로를 제공하여, MPC가 효과적인 열 차단 장치가 되게 한다. 게다가, 벌집모양 연료 바스킷/MPC 쉘 어셈블리는 방사성 및 전도성 열 전달 모드와 관련하여 대류성의 열 전달을 용이하게 하도록 조절된다.

도 3, 4, 5 및 10에서 도시된 임의의 실시예에서, 각진 금속 플레이트(23)는 저장 셀내에서 길이 방향으로 용접된다. 각진 금속 플레이트 및 저장 셀의 벽 사이에 L 모양 단면 영역(45)은 물로 충진될 때 플럭스 트랩이 된다.

도 14를 참조하여, MPC(43)는 내부 환경이 외부 환경으로부터 밀봉되게 격리되는 것을 완전히 보장하면서 높은 보전성을 가진 용기이어야 한다. MPC 밀봉 용기는 규정된 설계 압력을 가진 모든 용접 ASME 섹션 Ⅲ 클래스 1 압력 용기인 것이 바람직하다. MPC에는 플랜지되거나 나사고정 접합부(joint)들이 없다.

열을 고려하여야 하기 때문에, 밀봉 용기 및 연료 바스킷 사이의 임의의 물리적 접속은 허용되지 않는다. 연료 어셈블리에 의해 생성된 붕괴열은 바스킷을 현저하게 열 팽창시킨다. 바스킷은 방사형으로 및 축으로 확장이 자유로와야 하 고, 그렇지 않으면 열 스트레스는 허용할 수 없는 높은 레벨에 도달할 것이다. 향상된 전도성 열 전달을 촉진하는 것 외에, MPC는 다른 열 전달 모드를 이용하도록 처리되고, 전술한 갭 저항의 단점들을 극복함으로써 적절한 설계 기반의 열 효율을 제공하도록 한다.

물리적 갭은 MPC와 오버팩(42)의 내면(29) 사이에 존재할 뿐만 아니라, 상기 연료 바스킷과 상기 밀봉 용기 사이에도 존재해야 한다. 밀봉 용기 또는 MPC는 편평한 단부를 가진 원통형 압력 용기이다.

하부 플랫 단부는 금속 베이스 플레이트(28)이다. MPC(43)의 상단부는 여분의 밀봉 시스템을 통합한다. MPC 리드(15)는 MPC 외부 쉘(19)에 가장자리 용접된 원형 플레이트이다. MPC로부터 습기 및 공기를 제거하고, 특정 불활성 가스(헬륨) 질량으로 MPC를 다시 채우기 위하여 사용된 구멍 및 배출 포트가 상기 플레이트에 장착된다. 구멍 및 배출 포트는 밀봉 링(25)이 설치되기 전에 커버되고 용접된다. 밀봉 링(25)은 MPC 쉘(43) 및 리드(15)에 가장자리 용접된 원형 링이다. MPC 리드(15)는 SNF로 로딩된 전체 MPC가 MPC 리드(15)의 스레드 홀들에 의해 들어올려지기에 충분한 강도를 제공한다.

MPC는 그 전체가 스테인레스강 합금 재료로 이루어지는 것이 바람직하다(중성자 흡수재를 제외함). 바람직하게, 탄소강 부분은 MPC에 사용되지 않는다. 스테인레스 이외의 다른 적절한 합금들은 ASME 섹션 Ⅱ에 기술된다. 코팅된 탄소강 재료의 상호작용과 관련하여 MPC의 다양한 구조적 컴포넌트들은 Mined Geological Depository System(MGDS) 폐기물 패키지로서 허용될 수 있는 재료로 만들어져야 한 다.

MGDS용 소비 패키지로서 허용될 수 있는 MPC용 구조에 대한 재료는 타입 316, 타입 316LN, 타입 304, 타입 304LN, 합금 600, 합금 690, 합금 800, 및 합금 825 중 하나를 포함한다.

MPC는 오버팩(42)에 포함된 밀봉된 금속 캐니스터(43)로 구성된다. 다양한 종류의 소모 연료 어셈블리들은 다른 MPC들을 사용함으로써 하나의 오버팩에 수용될 수 있다. 모든 MPC의 외부 크기는 단일 오버팩의 사용을 허용할 수 있도록 동일하다. 각각의 MPC 실시예는 별개의 연료 특성을 수용하기 위하여 다른 바스킷(10)을 가진다. 도 15는 단면으로 MPC를 도시한다.

MPC에는 외부 또는 개스킷 포트 또는 개구부가 없다. MPC는 용접 이외의 임의의 밀봉 장치에 의존하지 않는다. 임의의 개스킷 또는 플랜지 접합부의 부재는 접합부 누설로부터 영향을 받지 않는 MPC 구조를 만든다. MPC는 밸브 또는 다른 압력 경감 장치를 포함하지 않는다.

MPC용 밀봉 시스템은 두개의 구성요소, 즉 MPC 리드(15) 및 밀봉 링(25)으로 구성된다. MPC 리드는 둘레를 따라 MPC 쉘(19)에 연속적으로 용접된 두꺼운 원형 금속 플레이트이다. MPC 리드에는 연료를 로딩한 다음 MPC로부터 습기 및 공기를 배출하고 특정 질량으로 불활성 가스(헬륨)를 다시 채우기 위하여 사용된 구멍(49) 및 배출구(50) 포트들이 장착된다. 구멍 및 배출구 포트들은 밀봉 링(25)이 설치되기 전에 커버되고 용접된다. 밀봉 링은 MPC 쉘(19) 및 내부 부분, 즉 밀봉 리드(15)의 리세스에 가장자리가 용접된 얇은 원형 환형 플레이트이다. 밀봉 링(25)은 바람직하게 밀봉 플레이트 리드(15)의 리세스에 설치되고 추후에 MPC 쉘(19) 및 MPC 리드(15)에 용접되는 두개의 하프 링(25a 및 25b)에 제공된다. 두개의 밀봉부는 링의 내부 직경 주위에서 용접됨으로써 상호 접속된다. 밀봉 플레이트 리드(15)는 바람직하게 밀봉 링(25)과 맞물리도록 제공된 주변 둘레에 리세스를 포함하여 리드(15)가 용접 밀봉되고 밀봉 링(25)이 MPC 리드(15) 및 MPC 쉘(19)의 리세스 내부 주변에 적당히 맞물리고 밀봉 용접될 때, 여분의 밀봉 시스템이 제공된다. MPC에 대한 리프트 지점은 MPC 리드에 제공된다.

밀봉 링을 포함하는 특정 밀봉 시스템으로 인해, 대부분의 리드는 최대 방사선 차단을 제공하기 위한 최대 두께인데, 그 이유는 단지 하나의 리드가 바람직한 실시예에 제공되어 여분의 밀봉을 제공하기 위하여 종래 기술 시스템에 사용된 부가적인 리드에 대한 필요성을 제공하기 때문이다. 바람직한 실시예에서, 여분의 밀봉은 부가적인 리드보다 밀봉 링(25)에 의해 제공된다. 밀봉 링 시스템의 부가적인 장점은 작은 폭으로 인해, 지지되지 않은 스팬(span)이 작고 그래서 구부림 운동 및 대응 스트레스가 작으므로 밀봉 링 두께가 감소되고 밀봉 리드 두께가 증가되는 것이다.

MPC 연료 바스킷(10)은 11a, 11b, 11c 및 11d로서 도시된 서로 평행한 금속 플레이트들과, 12a, 12b, 12c 및 12d로서 도시된 서로 평행한 금속 플레이트들의 벌집모양 그리드워크로 형성된 저장 셀들(14)을 가지며, 제 1 시트의 상기 금속 플레이트들은 직선 구조로 서로 직각을 이루고, 상기 그리드워크에 의해 형성된 저장 셀들의 모든 인접 모서리들이 전도성 열 전달을 허용하도록 완전히 접속되기 위해, 상기 금속 플레이트들이 그 교차점들에서 서로 용접되고, 상기 금속 플레이트들은 저장 셀들의 벽들을 형성하는 영역들에 배치된 중성자 흡수재(16)(도 1)를 가진다. 중성자 흡수재는 열 중성자를 흡수할 수 있는 동위원소로 구성되고 금속 차단부로 에워싸진다. 중성자 흡수재는 바람직하게 모든 플레이트 영역, 또는 각각의 저장 셀의 각각의 벽보다는 상기 저장 셀의 선택된 벽을 형성하는 금속 플레이트의 선택된 영역에 배치된다. 바람직하게, 핵 흡수재(16)는 알루미늄에 넣어진 붕소 카바이드로 구성되고, 상기 핵 흡수재는 스틸 외장(39)으로 둘러싸인다. 다른 핵 흡수재는 기술적으로 잘 공지되어 있고 붕소 카바이드 대신 사용될 수 있다.

상기 금속 플레이트들은 단지 하부 마우스 홀들만을 갖는 종래기술의 장치들과 대비하여, 냉각을 위한 개선된 경로를 제공하기 위해 하부 및 상부에 반원형 마우스 홀들(51)을 가진다.

마우스 홀들(51)은 흐름 경로(52)를 형성함으로써 냉각 유체의 순환을 촉진시킨다. 유체는 상부 마우스 홀들을 통하여 바스킷에서 배출되어 바스킷의 외부쪽으로 흐르고, MPC 쉘을 통하여 주위 환경에 의해 냉각된 다음, 냉각된 유체는 하부 마우스 홀들(51)을 통하여 바스킷으로 진입한다.

상기 유체는 사용된 연료봉들이 MPC에 로딩될 때까지는 물이고, 리드가 MPC상에 배치된 후에 물은 밖으로 펌핑되고 헬륨으로 대체되어, 영구 유체가 된다.

MPC 연료 바스킷은 하기와 같은 방법에 의해 만들어진다:

a) 슬롯(37)을 가지며 금속 플레이트의 측면상에 배치된 중성자 흡수재(16)를 가지는 금속 플레이트(11a-11d 및 12a-12d)를 제공하는 단계,

b) 상기 슬롯이 교차하여(도 2) 인접한 모서리를 가지며 상기 저장 셀의 측면상에 상기 중성자 흡수재를 가지는 저장 셀의 벌집모양 그리드워크를 형성하도록 플레이트를 정렬하는 단계, 및

c) 상기 그리드워크에 의해 형성된 저장 셀의 모든 인접 모서리가 전도성 열 전달을 허용하고 견고한 구조를 제공하기 위해 완전히 접속되도록 그 교차점(13)에서 상기 플레이트를 서로 용접하는 단계.

바람직하게, 상기 방법은 각각의 플레이트가 하부 가장자리로부터 중간으로 슬롯을 가지는 제 1 세트의 플레이트(11a-11d), 및 각각의 플레이트가 상부 가장자리로부터 중간으로 슬롯을 가지는 제 2 세트의 플레이트(12a-12d)를 제공하고, 상기 교차점은 두세트의 플레이트의 슬롯이 교차하도록 제 1 세트로부터의 플레이트가 제 2 세트로부터의 플레이트에 90 도로 배열된다.

이런 교차 처리에 의해 형성된 다수의 저장 셀은 전송될 연료 형태에 따라 변화한다. 모든 바스킷은 동일 MPC 쉘에 맞추어지도록 설계된다. 가장자리를 따라 플레이트를 용접하는 것은 연료 바스킷을 다중 플랜지 빔에 제공하므로 단단하다.

MPC는 바람직하게 벌집구조의 바스킷 그리드워크의 상부 및 하부에서 홀에 의해 형성된 상부 및 하부 플레넘(plenum)을 가지고 바스킷 주변상에 다운커머(downcomer) 영역을 가짐으로써, 순환 유체에 대한 통로를 형성하여 대류성 열 전달을 촉진시킬 수 있다.

바스킷을 접촉부의 모든 길이 방향 에지를 따라 MPC 쉘에 용접하는 것은 추 가로 바스킷을 강화시킨다. 그러나, 상기 구조는 바스킷의 온도 기울기로 인해 바스킷 구조 및 MPC 쉘의 비교적 높은 열적 스트레스를 유발한다. MPC 바스킷 지지 구조 및 바스킷 인터페이스는 포함된 연료에 의해 방출되는 열로 인한 연료 바스킷 및 MPC 쉘 사이의 상이한 열 팽창 효과들 때문에 부분적으로 감소할 수 있는(저장된 소비 연료로부터 내부 열 생성 크기에 따라) 길이 방향 갭으로 구성된다.

바스킷 및 바스킷 지지 구조 사이에 작은 갭을 제공하는 것은 MPC의 자연적인 열 특성과 일치한다. 바스킷을 가로지르는 평면의 온도 분배는 얕은 포물선 프로파일에 근접한다. 이런 프로파일은 만약 바스킷 및 바스킷 지지 구조 사이의 인터페이스에서 기계적 억제가 제거되지 않으면 높은 열 스트레스를 형성할 것이다.

MPC는 폭넓게 가변하는 열 생성 비율을 가질 수 있는 연료 어셈블리로 로딩될 것이다. 바스킷/바스킷 지지 구조 갭은 증가된 열 팽창 비율로 인해 보다 높은 열 생성 비율을 위하여 감소하여야 한다. 연료 바스킷 및 바스킷 지지 구조 사이의 갭은 갭이 가장 나쁜 열 팽창 조건하에서 주변에 존재하도록 충분히 크게 지정된다.

MPC는 저장 및 전달을 위하여 설계된다. 다중 목적 설계는 SNF 조절 동작을 감소시키고 따라서 방사선에 대한 보호를 향상시킨다. 일단 SNF가 로딩되고 MPC가 밀봉되면, 핵연료봉들을 이송 및 저장하기 위한 장치는 일시적 또는 긴 시간 저장을 위하여 현장에 배치되거나 적당한 이송 오버팩으로 직접 이송된다. 저장 및 이송 SNF에 대한 능력은 재패키징을 제거한다.

상기 장치는 SNF 제한, 방사선 차폐, 구조적 보전, 임계성 제어, 및 임의의 다른 장치, 구조 또는 구성요소와 무관한 열 제거를 제공하는 완전히 수동적인 독립형 시스템이다.

상기 장치는 BWR 또는 PWR 소비 핵연료에 대한 제한 경계를 구성하는 상호 교환 가능한 MPC들, 및 MPC의 차폐 및 보호의 벌크를 제공하는 저장 오버팩으로 구성된다. 각각의 MPC들의 다른 저장 성분으로 인해, 최대로 로딩된 무게는 각각의 MPC 사이에서 다르다. 오버팩 내부 공동(46)은 MPC를 수용하기 위한 크기이다.

저장 오버팩(42)(도 13 및 도 14)은 원통형 내부 금속 쉘(29), 원통형 외부 금속 쉘(32), 및 상기 금속 쉘들 사이의 원통형 콘크리트 구조물(31)을 포함하는 무거운 벽의 스틸 및 원통형 콘크리트 용기이다. 오버팩은 MPC의 연료로부터 발산되는 중성자 및 감마 플러스를 흡수하는 대형 구조물이다.

오버팩(42)의 원통형 중심부(46)는 모든 모델의 MPC에 적합한 크기와 모양을 가진다. 오버팩 및 MPC 사이의 갭은 다수의 제조된 것중 임의의 MPC가 동일 군의 오버팩들 중 임의의 오버팩에 설치되도록 충분히 커야 한다. MPC 및 오버팩이 제조된 구성요소이므로, 용접 유도된 캠버(camber), 바우(bow), 트위스트 및 기계 허용오차의 효과들은 공칭 MPC/오버팩 갭을 규정하는데 고려된다. 선택적으로, 바람직하게는 오버팩은 제 2 중간 금속 쉘(30)을 포함한다. 또한, 저장 오버팩은 바람직하게 콘크리트로 충진된 베이스 플레이트(20) 및 원통형 구조물로 볼트 고정되는 금속 커버(24)를 포함한다. 베이스 플레이트의 콘크리트는 바람직하게 우발적으로 떨어뜨리는 경우 충격을 흡수하기 위해 낮은 압축 탄성률(modulus)을 갖는다. 금속 커버(또는 리드)는 수직 방향으로 중성자 및 감마 감쇠를 제공하기 위하여 하부 및 상부측에 부착된 적당한 콘크리트 차폐부를 가진다. 베이스 플레이트의 콘크리트는 감마 방사선을 형성하도록 기능한다. 또한, 오버팩은 금속 쉘(42)에 용접된 원통형 금속 기저부(36)를 가진다.

금속 방사형 플레이트들(27)은 오버팩의 금속 쉘들(30 및 32)을 접속시킨다. 금속 쉘들에 용접된 이들 방사형 플레이트들 또는 채널들은 열 전달을 위해 증가된 표면 영역 및 캐니스트용 지지부를 제공한다. 저장 오버팩은 바람직하게 붕괴열을 제거하도록 공기에 대한 굴뚝(chimney) 흐름 경로를 제공하는 상부 도관(48) 및 하부 도관(47)을 포함한다. 상부 도관(48)들은 서로 수직으로 정렬되지 않는 것이 바람직하다. 충돌 쿠션들(18)은 MPC 및 오버팩 사이 충격을 완충하기 위하여 사용된다. 충격 쿠션들은 공기가 흐를 수 있게 하기 위해 통공될 수 있다.

저장 오버팩의 메인 구조 기능은 탄소강에 의해 제공되고, 메인 차폐 기능은 콘크리트에 의해 제공된다. 저장 오버팩은 포함된 MPC의 수동 냉각을 위하여 대류성 도관을 가진다. 오버팩은 원통형 스틸 쉘, 두꺼운 스틸 베이스 플레이트, 및 볼트 고정된 대형 리드에 의해 밀봉된다.

바람직한 실시예에서, 4개의 제거 가능한 리프트 러그(도시되지 않음)는 캐스크 몸체를 들어올리기 위해 오버팩의 상부에 부착된다. 슬링(sling)(도시되지 않음) 또는 리프팅 링에 부착된 다른 적당한 장치는 4개의 리프팅 러그(lug)와 결합되도록 설계된다. 4개의 리프팅 러그는 90도 중심상에 배치된다. 오버팩은 유압 잭, 공기 패드, 및 힐만 롤러(Hillman roller)를 포함하는 특별히 설계된 리프팅 이송 장치를 사용하여 하부로부터 들어올려질 수 있다. 슬링 또는 다른 적당한 장치는 오버팩 리드를 들어올릴 수 있게 하는 오버팩의 상부 표면 스레드 홀에 삽입된 리프팅 러그와 결합된다. 리드가 저장 오버팩 메인 몸체에 볼트 고정된 후, 이들 리프팅 볼트가 제거되고 동일 평면의 플러그로 대체된다.

다중층 쉘 구조는 오버팩 구조물에 대한 방사 방향으로 크랙 연장에 대항하는 자연적인 장벽을 제공한다.

MPC 외부 표면 및 오버팩 내부 표면 사이의 작은 환형 갭은 MPC의 삽입 및 제거를 허용하도록 제공된다. 이런 갭은 MPC의 열 생성 비율의 증가와 함께 점진적으로 감소하지만, 가장 나쁜 열 조건하에서 열 팽창의 결과로서 MPC 및 오버팩 원통형 표면 사이의 금속-대-금속 접촉을 방지하는 크기를 갖는다.

이송 오버팩은 한 위치로부터 다른 위치로, 기차 또는 대형 트럭에 의해 로딩된 MPC를 선적하는데 사용되는 감마 및 중성자 격리물이다. 이송 오버팩 설계는 이송 동안 발생할 수 있는 심각한 사고를 견딜 수 있도록 대형 벽 금속 섹션들을 사용한다.

본 발명 및 바람직한 실시예가 상세히 기술되었지만, 여러 변형, 변경, 및 개선점은 다음 청구범위에 기술될 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명에 의하면, 다수의 연료 어셈블리를 저장하고 축 및 수직 지지부를 저장하기 위한 능력을 가지는 사용된 핵 연료봉에 대한 건식 저장 장치를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 원통형 내부 금속 쉘, 원통형 외부 금속 쉘, 및 상기 금속 쉘들 사이의 원통형 콘크리트 구조물을 포함하는 핵 연료봉 저장 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 구조물에 볼트로 고정되도록 제공된 베이스플레이트 및 금속 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 부가적인 방사선 차폐를 제공하도록 상기 내부 쉘의 외부에 접속된 제 2 금속 쉘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
4. 제 31 항에 있어서, 상기 쉘들에 접속되도록 제공된 금속 방사형 플레이트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는 감마 방사선을 제한하기 위해 콘크리트로 충진되는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 콘크리트는 낮은 압축 탄성률을 갖는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 열 전달 및 캐니스터를 지지하기 위한 증가된 표면 영역을 제공하도록 상기 내부 쉘에 용접된 방사형 채널들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 붕괴열을 제거하기 위하여 공기에 대한 굴뚝(chimney) 흐름 경로를 제공하는 상부 및 하부 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 직선 구조의 금속 플레이트들의 벌집모양 그리드워크로부터 형성된 저장 셀들을 갖는 바스킷을 포함하는 캐니스터를 상기 내부 금속 쉘내의 원통형 공동에 더 포함하고, 상기 플레이트들은 전도성 열 전달을 허용하도록 상기 그리드워크에 의해 형성된 상기 저장 셀들의 모든 인접 모서리들이 완전 접속되도록 교차점들에서 서로 용접되며, 상기 금속 플레이트들은 상기 저장 셀들의 벽들을 형성하는 영역들에 배치된 중성자 흡수재를 가지고, 상기 바스킷을 원통형으로 둘러싸는 금속 쉘, 상기 바스킷의 하부에 용접된 금속 베이스 플레이트, 상기 금속 쉘에 의해 형성된 원통의 상부에 설치되도록 제공된 원형 금속 밀봉 플레이트, 및 상기 바스킷을 지지하고 냉각 유체의 흐름을 위한 경로를 제공하기 위해 상기 쉘의 내부의 일부분에 용접된 바스킷 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료봉 저장 장치.
10. 제 8 항에 따른 장치를 제공하는 단계를 포함하는 사용된 핵 연료봉 저장 방법으로서,

    사용된 핵 연료봉을 상기 캐니스터의 연료 바스킷에 삽입하는 단계;

    상기 캐니스터를 밀봉하는 단계;

    상기 오버팩에 상기 캐니스터를 삽입하는 단계; 및

    상기 오버팩을 밀봉하는 단계

    를 포함하는 사용된 핵 연료봉 저장 방법.

Images