KR20080028439A - 개선된 그레이 로드 제어 조립체 - Google Patents

개선된 그레이 로드 제어 조립체 Download PDF

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Abstract

개선된 그레이 로드 제어 조립체(GRCA)는 원자로를 위함이다. 원자로는 횡영 지지 그리드에 의해 구성된 배치에서 지지된 복수의 긴 연료 로드와, 연료 로드를 따라 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블을 가진다. GRCA는 연료 조립체의 팀블내의 그레이 로드 조립체의 제어된 삽입을 제공하기 위해 구성된 스파이더 조립체를 포함하여, 원자로에 의해 생성된 파워비를 제어한다. 각각의 그레이 로드 조립체는 긴 관형 부재와, 제 1 말단 플러그와, 제 2 말단 플러그와, 관형 부재내에 배치된 순은 중성자-흡수재와, 그리고 실버-스웰링을 견디도록 관형 부재내의 중성자-흡수재를 둘러싸는 지지관을 포함한다. 원자로의 델타-파워는 흡수재의 노출된 표면적을 감소시킴으로써, 그리고 GRCA의 모든 로드 사이에 분포시킴으로써 개선된다.
Figure P1020087001613
그레이 로드 제어 조립체, 중성자-흡수재, 순은, 실버-스웰링, 긴 관형 부재, 제 1 말단 플러그, 제 2 말단 플러그, 관형 부재, 원자로, 지지관, 연료 로드, 유도팀블

Description

개선된 그레이 로드 제어 조립체{ADVANCED GRAY ROD CONTROL ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 원자로에 관한 것으로, 특히 그레이 로드(gray rod) 제어 조립체(GRCA)의 개선된 설계에 관한 것이다.
원자력 발전소의 원자로에 의해 생성된 파워는 일반적으로 원자로 코어내의 로드 조립체를 상승 또는 하강시킴에 따라서 제어되며, 그리고 발전소로부터의 전력 출력에 대한 요구에 변화를 수용하기 위해 필요한 원자로 전력 출력의 변화는 일반적으로 부하 플로워(follow)로서 언급된다. 상술된 바와 같이, 예를 들면, 부하 플로워는 미국 특허 제 4,079,236 호에서 많은 동작 사항을 개시하고 있다. 예를 들면, 부하 플로워동안 가압 수형 원자로(PWR)에서, 반응성은 제어되어야 하며, 그리고 파워 레벨 변화에 따라서 코어의 축력분포 변화는 처리되어야 한다.
현대 원자로 코어의 연료 조립체는 일반적으로 반응성을 제어하기 위해 2 개 종류의 로드 제어 조립체인 로드군 제어 조립체(RCCA)와 그레이 로드 제어 조립체(GRCA)를 사용한다. 둘 다 중성자 흡수 로드의 상부 말단에서 공통 허브(hub) 또는 스파이더(spider) 조립체에 고정된 복수의 중성자-흡수로드로 구성된다. 로드의 본체는 일반적으로 은-인듐-카드늄 흡수재와 같은 중성자 흡수 물질을 캡슐화하는 스테인레스 강철관이 포함되며, 로드는 팀블(thimble) 관내의 로드의 이동을 제어 하기 위해 동작하는 스파이더 조립체 상부에 근접한 제어 구동 메커니즘인 상태로 연료 조립체의 관 형상인 유도팀블 관내로 미끄러진다. 이 방식으로, 로드의 제어된 삽입과 추출은 생성하는 원자로 파워비를 일반적으로 제어한다.
일반적으로, 해당 기술분야에서 GRCA가 "그레이" 로드로 통산 언급되는 감축 강도 제어 로드를 포함하고 있기 때문에, GRCA는 부하 플로워 조작에서 사용된다. 그레이 로드는, 원자로 냉각제에서 용해될 수 있는 붕소의 농도를 변화시키는 단계를 요구하는 화학 쉼(shim)에 대응되는 것으로, 기계 쉼(MSHIM) 반응 메커니즘을 구비하는 것으로 알려졌다. 이로써, 그레이 로드의 사용은 매일 단위로 주요 원자로 냉각제를 처리하기 위한 필요성을 감소시키므로 동작이 매우 간단해진다. 특히, GRCA 설계는 상부 말단에서 스파이더에 고정된 24 개의 로드렛(rodlet)으로 구성된다. 군내에 24 개의 로드렛들 중에서, 4 개의 로드만 흡수재 로드이고, 흡수재 로드내에 캡슐화된 중성자-흡수재 물질은 85 % 정도 은과, 10% 정도 인듐과, 그리고 5% 카드늄으로 구성된다. 그러나, 그러한 설계는 몇 가지 단점이 있다.
주지의 GRCA 설계의 단점 중에서, 인듐과 카드늄은 비교적 큰 중성자 단면을 가지고 있어, 비교적 짧은 시간에 소모될 수 있다. 그 결과, 그러한 GRCA 설계의 로드 강도는 5년 정도 또는 3 번의 18 개월 핵 순환내에서 초기값의 80% 정도로 감소되며, 이에 따라 로드 강도의 감소는 CRCA가 부하 플로워동안 원자로를 제어하기에 효과적이지 못한 결과를 얻는다. 이는 원하지 않는 CRCA 대체를 빈번하게 만든다. 그 다음 단점은, 흡수재 로드를 포함하는 4 개의 유도팀블에 근접한 연료 로드용 국부 로드 파워의 변화에 관한 것이다. 특히, 흡수재 물질이 4 개의 로드렛에 위치하고 있기 때문에, 일반적으로 연료 로드의 델타-파워로 언급되는 파워의 급속한 변화는 예를 들면, 로드 풀(rod pull) 동안 발생된다. 로드 풀은 연료 조립체로부터 GRCA를 추출하는 공정이며, 주지의 GRCA 설계는 델타-파워 스파이크(spike)의 결과를 얻는다. 특히, 4 개의 로드만으로 정해진 비교적 많은 양의 흡수재 물질로 인해, 높은 국소 파워 밀집의 조건 등(예를 들면, 로드 풀) 하에 특정 양의 열은 이러한 로드내에서 발생된다. 이는 벌크 비점(bulk boiling)과, 실버-스웰링(silver-swelling)과, 그리고 그에 관련된 단점을 야기시킨다. 은이 카드륨과 인듐보다 서서히 소모되지만, 3 개의 흡수재 물질의 최고 높은 플루언스(fluence) 또는 흡수를 가지게 되어, 과잉의 열과 스웰링이 발생되기 때문에, 수년 동안 산업계에서 오랜 문제로 지속된 실버-스웰링은 빈번하게 발생된다. 흡수재의 너무 많은 스웰링은 흡수재 접촉과, 그를 둘러싸는 클래딩(cldding)의 균열 가능성을 야기시킬 수 있다.
그러므로, 원자로용 GRCA의 개선책이 필요하다.
본 발명은, 부하 플로워 동작을 소용하기 위해 그리고 그에 연관된 주지의 반대 조건을 극복하기 위해 적용되는 개선 중성자-흡수재 물질과, 개선된 그레이 로드 조립체와, 그레이 로드 조립체의 분산을 제공하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체(GRCA) 설계를 제시한다.
본 발명의 제 1 관점에 따라서, 개선된 그레이 로드 조립체 설계는 원자로의 그레이 로드를 위해 제공된다. 원자로는 복수의 횡형 지지 그리드에 의해 구성된 배치에서 지지된 복수의 긴 핵 연료 로드를 각각 가지는 복수의 연료 조립체와, 그리고 연료 로드를 따라 고정된 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블을 포함한다. 로드 제어 조립체는 방사상으로 연장된 복수의 플루크를 가지는 스파이더 조립체를 포함하며, 로드 제어 조립체는 원자로에 의해 생성된 파워비를 제어하도록 유도팀블 중 하나내에 그레이 로드 조립체 각각을 이동시키는 구조로 이루어진다. 그레이 로드 조립체는: 제 1 말단과, 제 2 말단과, 외경과, 그리고 길이를 가지는 긴 관형 부재; 긴 관형 부재의 제 1 말단과 연결되고, 연료 조립체의 유도팀블 중 하나로 긴 관형 부재의 삽입을 용이하게 하는 구조로 이루어진 제 1 말단 플러그; 긴 관형 부재의 제 2 말단과 연결되고, 로드 제어 조립체의 스파이더 조립체의 방사상으로 연장된 플루크 중 하나와 연결된 구조로 이루어진 제 2 말단 플러그; 제 1 말단을 향하여 긴 관형 부재 내에 배치된 중성자-흡수재; 및 긴 관형 부재내에 중성자-흡수재를 둘러싸기 위해 구성되고, 중성자-흡수재와 긴 관형 부재 사이에 배치되고, 그리고 중성자-흡수재의 스웰링을 견디기 위한 구조로 이루어진 지지관을 포함하며, 그리고 관형 부재가 팀블내로 삽입되는 경우, 중성자-흡수재의 노출된 표면적이 방사선에 대해 최소화되도록, 중성자-흡수재는 긴 관형 부재의 직경보다 작은 직경을 가지고, 긴 관형 부재의 길이보다 짧은 길이를 가진다.
중성자-흡수재는 순은 흡수재 물질을 포함할 수 있다. 중성자-흡수재는 긴 관형 부재내에 집중적으로 배치되고, 그리고 지지관은 중성자-흡수재의 외경과 긴 관형 부재의 내경 사이의 이격에 의해 정해진 벽 두께도 가진다. 지지관은 스테인레스 강철로 이루어질 수 있으며, 실버-스웰링을 견디도록 순은 흡수재를 캡슐화시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점으로서, 개선된 그레이 로드 제어 조립체는 원자로는 복수의 횡형 지지 그리드에 의해 구성된 배치에서 지지된 복수의 긴 핵 연료 로드를 각각 가지는 복수의 연료 조립체와, 그리고 연료 로드를 따라 고정된 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블을 포함하는 원자로로 구비된다.
개선된 그레이 로드 제어 조립체는: 방사상으로 연장된 복수의 플루크를 가지는 스파이더 조립체; 및 스파이더 조립체의 플루크와 연결된 복수의 그레이 로드 조립체를 포함하며, 그리고 스파이더 조립체는 원자로에 의해 생성된 파워비를 제어하도록 유도팀블 중 하나내에 그레이 로드 조립체 각각을 이동시키는 구조로 구성되어있으며, 그레이 로드 조립체 각각은: 제 1 말단과, 제 2 말단과, 외경과, 그리고 길이를 가지는 긴 관형 부재와, 긴 관형 부재의 제 1 말단과 연결되고, 연료 조립체의 유도팀블 중 하나내로 긴 관형 부재의 삽입을 용이하게 하는 구조로 이루어진 제 1 말단 플러그와, 긴 관형 부재의 제 2 말단과 연결되고, 스파이더 조립체의 방사상으로 연장된 플루크 중 하나와 연결된 구조로 이루어진 제 2 말단 플러그와, 제 1 말단을 향하여 긴 관형 부재 내에 배치되고, 그리고 긴 관형 부재의 직경보다 작은 직경을 가지고 긴 관형 부재의 길이보다 짧은 길이를 가지는 중성자-흡수재와, 그리고 그레이 로드 조립체가 유도팀블로 삽입되는 경우, 중성자-흡수재와 팀블의 균열을 견디기 위해 긴 관형 부재내의 중성자-흡수재를 둘러싸는 지지관을 포함한다.
중성자-흡수재는 복수의 그레이 로드 조립체의 모든 그레이 로드 조립체 사이에서 분포될 수 있다. 특히, 개선된 그레이 로드 제어 조립체는 24 개의 그레이 로드를 포함하며, 그리고 중성자-흡수재는 조립체의 24 개의 그레이 로드 사이에서 동일하게 분포된다.
본 발명의 또 다른 관점으로서, 원자로에 대한 연료 조립체는: 연장된 축선 길이를 각각 가지는 복수의 긴 핵 연료 로드; 구성된 배치에서 핵 연료 로드를 유지하기 위해 핵 연료 로드의 축선 길이를 따라 이격된 복수의 횡형 지지 그리드; 핵 연료 로드를 따라 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블; 및 방사상으로 연장된 복수의 플루크를 가지는 스파이더 조립체와, 플루크와 연결된 복수의 그레이 로드 조립체를 포함하고, 그리고 원자로에서 생성된 파워비를 제어하도록 유도팀블 중 하나내의 그레이 로드 조립체 각각을 이동시키는 구조로 이루어진 개선된 그레이 로드 제어 조립체를 포함하며, 그레이 로드 조립체 각각은: 제 1 말단과, 제 2 말단과, 외경과, 그리고 길이를 가지는 긴 관형 부재와, 긴 관형 부재의 제 1 말단과 연결되고, 연료 조립체의 유도팀블 중 하나내로 긴 관형 부재의 삽입을 용이하게 하도록 테이퍼된 제 1 말단 플러그와, 긴 관형 부재의 제 2 말단과 일측 말단에서 연결되고, 스파이더 조립체의 방사상으로 연장된 플루크 중 하나와 타측 말단에서 연결된 제 2 말단 플러그와, 제 1 말단을 향하여 긴 관형 부재 내에 배치되고, 그리고 긴 관형 부재의 직경보다 작은 직경을 가지고 긴 관형 부재의 길이보다 짧은 길이를 가지는 중성자-흡수재와, 그리고 중성자-흡수재를 견디기 위해 중성자-흡수재와 긴 관형 부재 사이에 배치되어 관형 부재내의 중성자-흡수재를 캡슐화시키는 지지관을 포함한다.
본 발명의 이해는 첨부된 도면과 함께 병합되어 읽음으로써, 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 얻어진다:
도 1은 은폐선 도면을 일부 도시한 것으로서, 수직으로 단축된 형성을 도시한 연료 조립체와 그 제어 조립체의 정면도;
도 2a는 연료 조립체로부터 제거된 도 1의 제어 조립체의 일부 단면을 도시한 정면도;
도 2b는 도 2a의 제어 조립체용 제어 로드 스파이더 조립체의 상부평면도;
도 3은 다양한 중성자-흡수재 물질에 대한 소모율을 비교한 그래프;
도 4는 종래 기술의 Ag-In-Cd 흡수재 물질의 소모율을 비교한 본 발명에 따라서, 순은(pure silver) 흡수재의 소모율을 비교한 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 개선된 그레이 로드 조립체의 일부 단면을 도시한 정면도;
도 6은 도 5의 선 6-6을 따른 단면도;
도 7은 종래 기술의 GRCA가 로드 풀동안 코어로부터 제거된 후에 로드 파워의 변화를 도시한 것으로, 종래 기술의 1/8의 연료 조립체의 개략적인 다이어그램; 그리고
도 8은 GRCA가 코어로부터 제거된 후를 도시한 것으로서, 본 발명의 개선된 GRCA를 사용하는 연료 조립체의 로드 파워의 변화를 도시한 1/8의 연료 조립체의 개략적인 다이어그램이다.
명세서의 이해를 도모하기 위해, 본 발명은 명칭 AP1000 하에 상업적으로 알려진 가압 수형 원자로(PWR)를 참조하여 설명된다.
AP1000은 웨스팅하우스 전기회사(Westinghouse Electric Company) LLC 원자로 설계이다. 웨스팅하우스 전기회사 LLC는 펜실베니아, 몬로에빌(Monroeville) 사업장에 위치한다. AP 1000에 대해서는 단지 제시된 예의 목적만을 위해 사용되는 것이 아니고, 본 발명의 기술 영역에서도 국한되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 일례인 GRCA 설계가 매우 다양한 원자로 설계에 적용됨은 물론일 것이다.
여기에서 사용된 방향 구문은 예를 들면, 상부, 하부, 상위, 하위, 좌측, 우측 및 그 파생어 등은 도면에서 도시된 부재의 방향에 관한 것이고 명확하게 표현되지 않다고 해서 청구항에 따라 국한되지는 않는다.
여기에서 사용된 바와 같이, 2 개 이상의 부분이 함께 "연결된다"라는 구문은 상기 부분이 직접적으로 연결되거나 또는 하나 이상의 중간 부분을 통해 연결되었다라는 것을 의미한다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "번호"는 하나와 하나 이상(예를 들면, 복수)로 언급될 수 있다.
연료 조립체
도 1을 참조하면, 도 1은 참조 번호 10으로 지정된 수직으로 단축된 형성을 나타낸 원자로 연료 조립체의 정면도이다. 연료 조립체(10)는 가압 수형 원자로(PWR)에서 사용된 형태이고 골격 구조를 가지며, 상기 골격구조는 원자로의 코어 영역(미도시)에서 하부 말단의 하부 코어 지지판(14) 위에 있는 연료 조립체(10)를 지지하는 하위 노즐(12)과, 상부 말단의 상위 노즐(16)과, 그리고 하위 노즐(12)과 상위 노즐(16) 사이에 세로로 연장되고 그 대향된 말단에 강하게 부착된 수많은 유도관 또는 팀블(18)을 포함한다.
연료 조립체(10)는 유도 팀블관(18)을 따라 축선으로 이격되어 장착된 복수의 횡형 그리드(grid)(20)와, 그리드(20)로 지지되고 가로로 이격되어 배치된 장형 연료 로드(22)를 더 포함한다. 조립체(10)는 하위 노즐(12)과 상위 노즐(16) 사이에서 연장되어 장착되고 중앙에 위치하는 매개관(24)도 가진다. 상술된 부분의 배치에 대해서, 연료 조립체(10)는 조립체 부분의 손상없이 용이하게 취급할 수 있는 일체적 유닛으로 형성됨을 이해할 수 있다.
상술된 바와 같이, 연료 조립체(10)의 연료 로드(22)의 배치는 연료 조립체 길이를 따라 이격된 그리드(20)에 의해 서로 이격된 상태로 유지된다. 각 연료 로드(22)는 핵 연료 펠렛(pellet)(26)을 포함하고, 상하부 플러그(28,30)로 대향하는 말단에 근접해 있다. 펠렛(26)은 상부 말단 플러그(28)과 상위의 펠렛 적층 사이에 위치한 플레늄(plenum) 스프링(32)에서 적층된 상태로 유지된다. 핵분열성 물질로 구성된 연료 펠렛(26)은 원자로의 반응력을 감당한다. 물 또는 물을 포함한 붕소 등의 액체 중성자 감속제 또는 냉각제는 하부 코어 평판(14)의 복수의 흐름 개구를 통해 연료 조립체로 상부 방향으로 펌프된다. 연료 조립체(10)의 하부 노즐(12)은 사용가능한 작업의 생성에 대해 생성된 열을 추출하기 위해 조립체의 연료 로드(22)를 따라서 유도관(18)을 통하여 상부방향으로 냉각제를 전달한다. 핵분열성 처리를 제어하기 위해, 제어 로드(34)의 수는 연료 조립체(10)의 소정의 위치에 위치한 유도팀블(18)에서 이동될 수 있다. 상위 노즐(16) 상부에 위치된 스파이더 조립체(39)는 제어 로드(34)를 지지한다.
도 2a 및 2b는 도 1의 연료 조립체(10)로부터 제거된 후의 제어 로드 조립체(36)를 도시한 것이다. 일반적으로, 도 2b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제어 조립체(36)는 스파이더 조립체(39)를 포함하는 복수의 방사형으로 연장된 플루크(fluke) 또는 암부(38)를 지닌 실형상인 환형 부재(37)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 각 암부(38)는 제어 로드(34)와 상호 연결되어서, 제어 로드 조립체(36)는 주지의 모든 방식으로 연료 조립체(10)의 핵분열 처리를 제어하기 위해 유도팀블(18)(도 1)내에 수직으로 제어 로드(34)를 이동시키도록 동작할 수 있다. 상술된 바는 구식이며 기술분야는 일반적으로 알려진 것으로, 이하에서는 개선된 그레이 로드 조립체(34)를 가지는 개선된 그레이 제어 조립체(GRCA)(36)를 포함하는 예외적인 일례의 제어 로드 조립체를 설명한다.
개선된 GRCA
계속해서, 도 2a 및 2b를 참조하여, 일반적 제어 로드 구성을 설명한다. 이전에 상술된 바와 같이, 하부 강도 또는 그레이 로드에 의해 제공된 MSHIM 성능을 이용하기 위해, 웨스팅 전기 회사 LLC AP1000 원자로에 있어서, 현존하는 제어 조립체 등의 주지의 제어 로드 조립체는 GRCA를 사용한다. 그러나, 현 AP1000 원자로 설계에 대한 GRCA 설계는, 이전에 언급한 바와 같이, 도 2b에 도시된 일반적으로 구성된 24 개의 로드를 가지고, 24 개의 로드 중 20 개는 로드를 대신하여 스테인 레스 강철(예를 들면, SS-304 제한없이)수(water)이며, 단지 로드의 4개 만이 중성자-흡수재 로드이다. 그러므로, 기본적으로 모든 중성자-흡수재 물질은 GRCA 내의 4개의 로드 위치에 위치되면서 격리된다.
이외에, 현존하는 AP1000 설계에 있어서, 흡수재 물질은 85% 정도의 은, 10 % 정도의 인듐, 그리고 5 % 정도의 카드늄이 구성되는 Ag-In-Cd 흡수재를 포함한다. 이 흡수재 물질은 주지의 표준 완전-강도 로드군 제어 조립체(RCCA)로 구성되며, 24 개의 모든 로드는 Ag-In-Cd이고, 도 3을 참조하여 설명하면, 인듐과 카드늄은 빠르게 소모되는 것으로 알려졌다. RCCA는 파워 동작동안 코어의 최소 시간량을 소모한다. 그러므로, 그러한 소모는 문제가 되지 않는다. 그러나, AP 1000 기계적 쉼(MSHIM) 동작에 있어서, 예를 들면, GRCA는 동작 주기의 반이 될때까지 코어에 남아있을 수 있다. 이러한 동작 조건하에, 현존하는 GRCA 설계는 빠른 흡수재 소모로 인해 5년 정도마다 대체될 필요성을 가진다. 여기서 자세하게 설명한 바와 같이, 다른 이점 중에서, 본 발명의 개선된 GRCA 설계는 이러한 빠른 소모의 단점을 극복하고, 그리고 4 개의 RCCA 로드를 가지는 통상적인 GRCA가 코어로부터 얻어지는 경우에서 원하지 않은 국부 파워 스파이크를 실질적으로 막는다.
상술된 흡수재 소모 문제의 이해는 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 2 개의 다른 동위원소의 은과, 2 개의 다른 동위원소의 인듐과, 그리고 카드늄의 소모율을 나타난 그래프이다. 특히, 은-107(Ag-107)과, 은-109(Ag-109)과, 인듐-113(In-113)과, 인듐-115(In-115)와, 그리고 카드늄(Cd)의 소모는 선(100,102,104,106 및 108)을 각각 비교하면서 함께 나타낸다. 도시된 바와 같이, 은(100,102)의 양 동위원소는 상대적으로 느린 선형 소모율을 가지는 반면 인듐-115(106)과 카드늄(108)은 빠른 비-선형 소모율을 가진다. 특히, 인듐-115(106)과 카드늄(108)의 빠른 소모는 단지 5년 동안의 동작 후에 흡수재 강도의 20% 정도를 손상시킨다. 이전에 주목한 바와 같이, 이는 부하 플로워동안에 원자로를 제어하기 위해 GRCA의 성능을 감소시키며, 빈번한 GRCA 대체를 발생시킴으로 바람직하지 않다. 본 발명은, 다른 정제 중에 있어서, 현존하는 Ag-In-Cd 흡수재와 비교하여 개선된 소모를 가지는 다른 중성자-흡수재 물질을 이용하는 개선된 그레이 로드 조립체 설계를 사용함으로써, 이러한 단점을 극복할 수 있다.
특히, 도 4는 현존하는 Ag-In-Cd 흡수재(112)와 비교된 본 발명의 일례인 흡수재 물질(110)의 소모율을 제시한 것이다. 도 3의 그래프와 같이, 소모는 년에 대해 흡수재(110,112)의 상대적 강도와 수명으로 제시한다. 특히, 본 발명은 현존하는 Ag-In-Cd 흡수재(112)를, 실질적인 순은을 포함하는 흡수재(110)로 대체시킨다. 여기에서 사용된 바와 같이, 구문 "실질적인 순은"과 "순은"은 성분으로 완전히 구성된 흡수재로 칭하기 위해 상호 변경하면서 사용되며, 흡수재에 있는 여러 불순물은 일반적으로 무시할 수 있는 적은 양이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 순은의 사용은 흡수재의 소모율을 감소시키고, 개선된 GRCA(36)(도 2a)의 사용가능한 핵 수명을 15-20 년 사이 정도 또는 10-13년 정도로 18 개월 주기로 연장시킬 수 있다. 이는 현존하는 Ag-In-Cd 흡수재에 대해 5년 정도 또는 3 번의 18-개월 주기 정도만의 상술한 사용가능한 수명에 대한 극적인 개선책뿐만 아니라, 일례의 순은 흡수재(110)는, 기하급수적으로 빠르게 소모하는 Ag-In-Cd 흡수재(110)와는 다르게 비 교적 점차적인 선형 형태로 소모된다는 점도 이점을 가진다. 일례의 흡수재(112)의 연장된 사용가능한 수명은 개선된 GRCA(36)(도 2a)가 제어 로드 수명 요구를 충족시키도록 한다. 예를 들면, 이는 동작 주기의 반정도 또는 그 이상이 될 때까지 원자로 코어의 연장된 시간 동안 동작할 수 있는 GRCA(36)를 가능케 한다.
본 발명의 일례인 순은 흡수재(110)를 성공적으로 적용하기 위해, 다양한 장애요소를 극복할 수 있다. 사실, 은의 특정 비율로 원하지 않는 결과를 생성하는 것에 대하여, 예를 들면, 높은 플루언스와 그에 연관된 실버 스웰링 등의 방사선에 노출되는 경우, 순은 흡수재의 사용은 기술분야에서 알려진 것과 관례적인 것에 대해 다소 반-직관적이다. 특히, 이전에 기재된 바와 같이, 은은 카드늄과 인듐보다 더 높은 플루언스(예를 들면, 흡수 성능)를 가지기 때문에, 코어내로 삽입될 시 그리고 방사선에 노출될 시 최고의 스웰링을 생성할 수 있고, 이전에 언급된 바와 같이, 실버 스웰링 등은 결과적으로 균열이 생기기까지 클래딩에 원하지 않은 변형을 생성할수도 있다. 이는, 다른 문제점 중에서, 원자로 냉각제 유체의 오염을 낳는다. 따라서, 상술된 바와 같이, 본 발명의 개선된 GRCA(36)의 또 다른 관점으로서, GRCA(36)의 그레이 로드 조립체(34)는 재설계되고, 그리고 조립체(36)의 일례의 흡수재(110)의 증착은 상술된 은의 원하지 않는 특성을 정하고 극복할 수 있도록 변경되면서 동시에 은이 적용되는 이점(예를 들면, 개선된 소모율)을 이용할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 개선된 그레이 로드 조립체(34)를 도시한 것이다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 그레이 로드 조립체(34)는 일반적으로, 코어(도 1)에 서 적용된 것으로서, 하위 말단인 제 1 말단(40)과, 제 2 말단(42)을 가진다(예를 들면, 도 1의 사시도로부터 상위 말단). 제 1 또는 하위 말단(40)은 테이퍼된(tapered) 말단 플러그(44)를 가진다. 그러한 테이퍼된 설계는 연료 조립체(10)(도 1)의 팀블관(18)내의 로드(34)의 유도된 삽입을 용이하게 한다. 제 2 또는 상위 말단(42)은 주지의 방법(예를 들면, 제한 없이, 보충적인 암/수 실형 고정 배치)으로 스파이더 조립체(39)(도 2a에서 가장 잘 도시됨)와 맞물리고 고정되는 구조인 상위 말단 플러그(46)를 가진다. 맞물린 관 부재(48)는 상위 및 하위 말단 플러그(46,44) 사이에서 연장된다. 다른 주지의 물질 또는 적합한 대안 물질로 이루어진 관이 고려될 수 있지만, 일례의 관형 부재는 304-스테인레스 강철로 이루어진 스테인레스 강철관(48)이다. 제시된 예와 여기에 기재된 부분에 있어서, 관(48)의 외경(50)은 0.38 인치(0.97 센티미터) 정도이고, 하위 말단 플러그(44)의 상부부터 상위 말단 플러그(46)의 하부까지 로드(34)의 전체 길이(52)는 171.84 인치(436.49 센티미터) 정도이다. 그러나, 본 발명의 개념은 다양한 원자로의 사용에 대해 적합한 길이와 폭을 가지는 로드가 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
흡수재(110)의 표면적이 이전에 기재된 Ag-In-Cd 등의 주지의 흡수재와 비교하여 감소되도록, 흡수재 물질(110)(예를 들면, 순은)은 관(48)의 하부 반 내에 일반적으로 배치된다. 특히, 가장 잘 도시된 도 6을 참조하면, 일례의 순은 흡수재(110)의 직경(54)은 로드관(48)의 외경(50)보다 실질적으로 작으며, 현존하는 Ag-In-Cd 흡수재(미도시)의 직경은 로드관(48)의 내경(미표기)과 비교적 동일한 직경을 가진다. 흡수재 직경(54)의 감소는 흡수재(110)의 노출된 표면적의 충분한 감 소를 제공한다. 흡수재(현존하는 Ag-In-Cd 흡수재(미도시)와 비교)의 길이(56)(도 5)에 있어서, 흡수재(110)의 직경(54)의 감소가 길이(56)의 최소한의 증가를 넘기때문에, 여러 잠재적인 증가에도 불구하고, 이는 당연한 것이다. П×d×L의 표면적 관계에 대해서, d는 흡수재(110)의 직경(54)을, L은 흡수재(110)의 길이(56)를 나타낸다. 도 5의 일례의 흡수재(110)의 길이(56)는 166 인치(421.64 센티미터) 정도이지만, 그레이 로드(34)의 다른 면적으로서, 이 수치는 본 발명의 기술영역을 벗어남 없이 변경될 수 있다. 방사선에 노출될 시, 본 발명의 흡수재(110)의 감소된 표면적은 은의 부작용 효과(예를 들면, 실버-스웰링 및 최종 팀블 균열)를 극복하는 하나의 수단으로서 역할을 한다.
과잉의 실버-스웰링을 보호하는 제 2 수단은 도시된 바와 같이, 흡수재(110)를 일반적으로 캡슐화시키는 보호 덮개 또는 지지관(58)의 추가이다. 특히, 지지관(58)은 관(48)의 벽 두께보다 큰 비교적 두꺼운 벽 두께(60)를 가진다. 따라서, 지지관(58)은 흡수재(110)의 외부 팽창에 견딜 수 있고, 그리고 클래딩 상의 최종 변형에 견딜 수 있는 비교적 높은 강도를 가진다. 반대로, 일례의 지지관(58)은 압축적 내력을 제공하거나, 또는 흡수재(110)를 포함하며, 스웰링을 견딘다. 여러 다른 주지의 물질 또는 적합한 물질이 사용될 수 있지만, 304 스테인레스 강철 등의, 일례의 지지관(58)은 스테인레스 강철로 이루어진다. 상술된 바와 같이, 일례의 지지관(58)의 부가된 강도를 통하여 일례의 흡수재(110)와 그레이 로드 조립체(34)는 기계적 이점을, 그리고 흡수재(110)의 표면적을 감소시키는 추가적인 핵 이점을 제공하여서, 방사선에 노출된 은의 양은 주요 파워 레벨을 위해 생성된 열보다 작다. (기재할 바와 같이)이는 벌크 비점을 견딘다.
따라서, 본 발명의 일례의 그레이 로드 조립체(34)는 순은 흡수재(110)의 사용을 통해 연장된 핵 수명을 제공한다. 게다가 높은 국부 파워 밀도의 조건 하에 벌크 비점에 대한, 그리고 흡수재 스웰링에 대한 상술된 저항력과 최종 클래딩 균열에 있어서, 본 발명의 전체적인 GRCA 설계(36)는 로드 조작동안 선형성 열의 비 율 마진을 일반적으로 개선시키기도 한다. 특히, 이전에 상술된 AP 1000 설계에 따라서, 일례의 GRCA는 제어 조립체(36)의 24 개의 모든 로드(34) 위에 흡수재(100)를 분포시키는 반면 단지 4개의 로드에만 흡수재를 위치시킨다. 모든 GRCA 로드(34) 중에서 흡수재(110)의 분포는 GRCA(36)가 코어로부터 제거될 시 국부 연료 로드 파워(델타-파워)의 변화를 감소시켜서, 동작 한도를 차례로 향상시킨다. 특히, 24 개의 모든 흡수재 물질(110)의 분포는 각 로드(34)의 흡수재(110) 양을 감소시키며, 각 로드(34)에서 발생된 열량을 감소시키고, 높은 국부 파워 밀도 조건하의 팀블(18)의 벌크 비점의 위험성을 낮출 수 있다. 현 설계의 4 개의 Ag-In-Cd 흡수재와 비교한 바와 같이, 흡수재 물질(110) 양에서 정확한 감소량은 본 발명에 따라 국한된다는 것을 의미하지는 않는다.
상술된 관점에서, 일례의 그레이 로드 조립체(34)는 지지관(58)과, 순은을 충분히 포함하는 전체적으로 다른 흡수재 물질(110)과, 현저하게 작은 직경(예를 들면, 직경(54))과, 흡수재(110)의 감소량과, 그리고 모든 로드(34) 중에서 흡수재(110)의 분포 등의 개선된 특징의 조합을 포함하며 재설계될 수 있다. 따라서, 본 발명의 GRCA(36)은 중성자-흡수재 물질(110)에 해당하는 로드(34)의 양을 감소 시킴으로써, 그리고 조립체(36)의 모든 그레이 로드(34) 중의 흡수재 물질(110)을 실질적으로 고르게 분포시킴으로써, 기술 분야에서 상술된 주지의 단점을 정하고 극복할 수 있다. 일례의 개선된 GRCA 설계(36)의 이점은 도 7 및 8을 참조하여 더 이해될 수 있으며 명백해질 것이다.
도 7은 도8의 일례의 설계 비교 목적을 제시한 것으로서, 1/8의 종래 연료 조립체(10')의 개략적인 또는 간단한 도면을 제시하고, 종래의 GRCA(미도시)가 연료 조립체(10')로부터 제거될 시, 흡수재 로드(도 7에서 미도시)에 포함된 팀블(18')을 둘러싼 연료 로드(22)'에 의해 국부파워가 비교적 크게 증가됨을 제시한 것이다. 도 7에 도시된 숫자는 연료 조립체(10')로부터 획득된 GRCA에 따른 로드 파워의 퍼센트 변화를 나타낸다. 도시된 흡수재의 위치는 역효과로 알려졌다. 특히, 도시된 바와 같이, Ag-In-Cd 흡수재로 씌워진 팀블(18')에 근접한 연료 로드(22')는 파워 변화에서 격리된 또는 위치된 스파이크가 가해진다. 상술된 바와 같이, 파워의 그러한 극적인 변화는 과잉의 열과 그에 따른 벌크 비점과, 그리고 스웰링과 클래딩 균열 문제를 일으키므로 비바람직하다.
도 8은 본 발명의 GRCA 설계(36)(도 2)가 이러한 문제점을 극복함을 제시한 것이다. 특히, 도 8과 도 7을 비교하면, 연료 조립체(10)의 동일한 1/8 부분이 다음의 로드 풀 동작으로 나타난 것으로서, 일례의 GRCA(36)(도 2)와 그레이 로드(34)(도 2, 5 및 6)는 연료 조립체(10)로부터 획득된다. 도시된 바와 같이, 흡수재 로드(도 8의 미도시)가 씌워진 팀블(18)을 둘러싸는 로드 파워의 변화는 도 7의 일례 값과 비교하여 현저하게 감소된 것을 볼 수 있다. 특히, 도 8의 일례에서 도 시된 바와 같이, 본 발명의 GRCA(36)에 대한 로드 파워의 가장 큰 퍼센트 변화는 8.9% 정도이다. 이는 도 7에 도시된 종래의 GRCA 설계와 비교하여 로드 파워의 퍼센트 변화가 22 % 정도로 크게 개선된 것이다.
상술한 바와 같이, 이 개선책은 큰 부분에 있어서, 단지 4 개의 팀블 위치(18')와는 다르게, 24 개의 모든 팀블 위치(18) 중의 흡수재 로드(34)(도 8에서 미도시)의 일례의 분포에 기인한 것이다. 예를 들면, 하나의 흡수재 위치(18')만 도 7의 연료 조립체(10')의 1-8 부분에 도시된 반면에, 흡수재 위치(18)는 도 8의 일례적 설계에 도시된다. 요약하면, 순은 흡수재(110)와, 감소된 흡수재 크기에 해당하는 로드(34)와, 흡수재 덮개 또는 지지관(58)과, 그리고 본 발명의 GRCA(36)의 모든 로드(34)에 걸친 흡수재(110)의 분포의 조합은 1/6 정도로 GRCA(36)의 각 로드(34)의 중성자 흡수 성능을 감소시켜, 예를 들면, GRCA(36)이 조립체(10)으로부터 획득될 시 국부 로드 파워(델타-파워)의 변화를 감소시킨다. 본 발명의 GRCA(36)의 개선된 특징은 각각으로 또는 여러 주지의 조합 또는 적합한 조합으로 사용됨은 물론이다. 예를 들면, 국한 없이, 상술된 일례의 순은 흡수재(10) 외에 대안적인 흡수재 물질은 본 발명의 기술 영역을 벗어남 없이 일례의 감소된 크기와, 본 발명의 구성 특징으로 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 다른 이점들 중에서 개선된 소모율과, 벌크 비점과 실버 스웰링과 클래딩 균열의 저항력을 제시하는 개선된 GRCA(36)을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예가 상세한 설명에 기술되면서, 이러한 설명에 있어서 다양한 변형과 대안이 본 명세서에 전반적으로 개시하는 면을 제시됨은 당업계에서는 명백한 것이다. 따라서, 개시된 특정 배치는 첨부된 청구항의 모든 범위와 그에 동등성이 주어지게 되는 본 발명의 기술 영역으로서 국한되는 것이 아님을 의미한다.

Claims (19)

  1. 원자로의 로드 제어 조립체에 대한 그레이 로드 조립체에 있어서,
    상기 원자로는 복수의 횡형 지지 그리드에 의해 구성된 배치에서 지지된 복수의 긴 핵 연료 로드를 각각 가지는 복수의 연료 조립체와, 그리고 상기 긴 핵 연료 로드를 따라 상기 횡형 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블을 포함하며,
    그리고 상기 로드 제어 조립체는 방사상으로 연장된 복수의 플루크를 가지는 스파이더 조립체를 포함하며, 상기 로드 제어 조립체는 상기 원자로에 의해 생성된 파워비를 제어하도록 상기 유도팀블 중 하나내에 그레이 로드 조립체 각각을 이동시키는 구조로 이루어지며,
    상기 그레이 로드 조립체는:
    제 1 말단과, 제 2 말단과, 외경과, 그리고 길이를 가지는 긴 관형 부재;
    상기 긴 관형 부재의 제 1 말단과 연결되고, 상기 연료 조립체의 유도팀블 중 하나로 상기 긴 관형 부재의 삽입을 용이하게 하는 구조로 이루어진 제 1 말단 플러그;
    상기 긴 관형 부재의 제 2 말단과 연결되고, 상기 로드 제어 조립체의 스파이더 조립체의 방사상으로 연장된 플루크 중 하나와 연결된 구조로 이루어진 제 2 말단 플러그;
    상기 제 1 말단을 향하여 상기 긴 관형 부재 내에 배치된 중성자-흡수재; 및
    상기 긴 관형 부재내에 상기 중성자-흡수재를 둘러싸기 위해 구성되고, 상기 중성자-흡수재와 상기 긴 관형 부재 사이에 배치되고, 그리고 상기 중성자-흡수재의 스웰링을 견디기 위한 구조로 이루어진 지지관을 포함하며, 그리고
    상기 긴 관형 부재가 상기 유도팀블내로 삽입되는 경우, 상기 중성자-흡수재의 노출된 표면적이 방사선에 대해 최소화되도록, 상기 중성자-흡수재는 상기 긴 관형 부재의 직경보다 작은 직경을 가지고, 상기 긴 관형 부재의 길이보다 짧은 길이를 가짐을 특징으로 하는 그레이 로드 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 순은 흡수재 물질을 포함함을 특징으로 하는 그레이 로드 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 상기 긴 관형 부재내에 집중적으로 배치되고, 그리고 상기 지지관은 상기 중성자-흡수재의 외경과 상기 긴 관형 부재의 내경 사이의 이격에 의해 정해진 벽 두께를 가짐을 특징으로 하는 그레이 로드 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지관은 스테인레스 강철로 이루어짐을 특징을 하는 그레이 로드 조립체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 순은이며, 그리고 상기 지지관은 실버-스웰링을 견디도록 순은 흡수재를 캡슐화시킴을 특징으로 하는 그레이 로드 조립체.
  6. 원자로에 대한 개선된 그레이 로드 제어 조립체에 있어서,
    상기 원자로는 복수의 횡형 지지 그리드에 의해 구성된 배치에서 지지된 복수의 긴 핵 연료 로드를 각각 가지는 복수의 연료 조립체와, 그리고 상기 긴 핵 연료 로드를 따라 상기 횡형 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블을 포함하며,
    상기 개선된 그레이 로드 제어 조립체는:
    방사상으로 연장된 복수의 플루크를 가지는 스파이더 조립체; 및
    상기 스파이더 조립체의 플루크와 연결된 복수의 그레이 로드 조립체를 포함하며, 그리고
    상기 스파이더 조립체는 상기 원자로에 의해 생성된 파워비를 제어하도록 상기 유도팀블 중 하나내에 그레이 로드 조립체 각각을 이동시키는 구조로 구성되어있으며,
    상기 그레이 로드 조립체 각각은:
    제 1 말단과, 제 2 말단과, 외경과, 그리고 길이를 가지는 긴 관형 부재;
    상기 긴 관형 부재의 제 1 말단과 연결되고, 상기 연료 조립체의 유도팀블 중 하나내로 상기 긴 관형 부재의 삽입을 용이하게 하는 구조로 이루어진 제 1 말단 플러그;
    상기 긴 관형 부재의 제 2 말단과 연결되고, 상기 스파이더 조립체의 방사상으로 연장된 플루크 중 하나와 연결된 구조로 이루어진 제 2 말단 플러그;
    상기 제 1 말단을 향하여 상기 긴 관형 부재 내에 배치되고, 그리고 상기 긴 관형 부재의 직경보다 작은 직경을 가지고 상기 긴 관형 부재의 길이보다 짧은 길이를 가지는 중성자-흡수재; 및
    상기 그레이 로드 조립체가 상기 유도팀블로 삽입되는 경우, 상기 중성자-흡수재와 상기 유도팀블의 균열을 견디기 위해 상기 긴 관형 부재내의 상기 중성자-흡수재를 둘러싸는 지지관을 포함함을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 복수의 상기 그레이 로드 조립체의 모든 상기 그레이 로드 조립체 사이에서 분포됨을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    복수의 상기 그레이 로드 조립체는 24 개의 그레이 로드를 포함하며, 그리고 상기 중성자-흡수재는 상기 그레이 로드 조립체의 24 개의 그레이 로드 사이에서 동일하게 분포됨을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 순은 흡수재 물질을 포함함을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 상기 긴 관형 부재내에 집중적으로 배치되고, 그리고 상기 지지관은 상기 중성자-흡수재의 외경과 상기 긴 관형 부재의 내경 사이의 이격에 의해 정해진 벽두께를 가짐을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 지지관은 스테인레스 강철로 이루어짐을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 순은이며, 그리고 상기 지지관은 실버-스웰링을 견디도록 순은 흡수재를 캡슐화시킴을 특징으로 하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
  13. 원자로에 대한 연료 조립체에 있어서,
    연장된 축선 길이를 각각 가지는 복수의 긴 핵 연료 로드;
    구성된 배치에서 상기 긴 핵 연료 로드를 유지하기 위해 상기 긴 핵 연료 로드의 축선 길이를 따라 이격된 복수의 횡형 지지 그리드;
    상기 긴 핵 연료 로드를 따라 상기 횡형 지지 그리드를 통하여 배치된 복수의 유도팀블; 및
    방사상으로 연장된 복수의 플루크를 가지는 스파이더 조립체와, 상기 플루크와 연결된 복수의 그레이 로드 조립체를 포함하고, 그리고 상기 원자로에서 생성된 파워비를 제어하도록 상기 유도팀블 중 하나내의 상기 그레이 로드 조립체 각각을 이동시키는 구조로 이루어진 개선된 그레이 로드 제어 조립체를 포함하며,
    상기 그레이 로드 조립체 각각은:
    제 1 말단과, 제 2 말단과, 외경과, 그리고 길이를 가지는 긴 관형 부재;
    상기 긴 관형 부재의 제 1 말단과 연결되고, 상기 연료 조립체의 유도팀블 중 하나내로 상기 긴 관형 부재의 삽입을 용이하게 하도록 테이퍼된 제 1 말단 플러그;
    상기 긴 관형 부재의 제 2 말단과 일측 말단에서 연결되고, 상기 스파이더 조립체의 방사상으로 연장된 플루크 중 하나와 타측 말단에서 연결된 제 2 말단 플러그;
    상기 제 1 말단을 향하여 상기 긴 관형 부재 내에 배치되고, 그리고 상기 긴 관형 부재의 직경보다 작은 직경을 가지고 상기 긴 관형 부재의 길이보다 짧은 길이를 가지는 중성자-흡수재; 및
    상기 중성자-흡수재를 견디기 위해 상기 중성자-흡수재와 상기 긴 관형 부재 사이에 배치되어 상기 관형 부재내의 상기 중성자-흡수재를 캡슐화시키는 지지관을 포함함을 특징으로 하는 연료 조립체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 상기 그레이 로드 제어 조립체의 모든 상기 그레이 로드 조립체 사이에서 분포됨을 특징으로 하는 연료 조립체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    복수의 상기 그레이 로드 조립체는 24 개의 그레이 로드 조립체를 포함하고, 그리고 상기 중성자-흡수재는 상기 그레이 로드 제어 조립체의 24 개의 모든 그레이 로드 조립체 사이에서 동일하게 분포됨을 특징으로 하는 연료 조립체.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 순은 흡수재 물질을 포함함을 특징으로 하는 연료 조립체.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 상기 긴 관형 부재내에 집중적으로 배치되고, 그리고
    상기 지지관은 상기 중성자-흡수재의 외경과 상기 긴 관형 부재의 내경 사이 의 이격에 의해 정해진 벽 두께를 가짐을 특징으로 하는 연료 조립체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 지지관은 스테인레스 강철로 이루어짐을 특징으로 하는 연료 조립체.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 중성자-흡수재는 순은 흡수재이며, 그리고 상기 지지관은 실버-스웰링을 견디도록 상기 흡수재를 캡슐화시킴을 특징으로 하는 연료 조립체.
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