KR20090018581A

KR20090018581A - 원자로용 제어봉

Info

Publication number: KR20090018581A
Application number: KR1020080079765A
Authority: KR
Inventors: 라두 오. 포미레아누; 마이클 제이. 혼; 씨. 조셉 롱; 마이클 씨. 미스벨; 데이비드 엘. 스터커
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2009-02-20
Also published as: JP5660592B2; JP2009047700A; US8532246B2; RU2461899C2; EP2026358A1; CN101369468A; KR101499253B1; RU2008133648A; EP2026358B1; ES2529239T3; US20090046824A1; CN101369468B

Abstract

제어봉은 조사(irradiation)로 야기된 스웰링(swelling)이 실질적으로 하부 첨단 흡수체 재료 위로 연장된 제 2 흡수체 재료보다 실질적으로 더 낮게 나타나는 하부 첨단 흡수체 재료를 가진다. 제 2 흡수체 재료보다 실질적으로 더 낮은 반응치를 가지는 하부 첨단 흡수체 재료는 핵연료 집합체의 딤블 가이드 관에서 제어봉의 하부 말단 플러그로부터 대시포트(dashpot) 바로 위의 높이까지 연장된다.

흡수재, 흡수체, 스웰링, 제어봉, 핵연료 집합체, 대시포트

Description

원자로용 제어봉{NUCLEAR REACTOR ROBUST GRAY CONTROL ROD}

본 발명은 일반적으로 원자로용 그레이 제어봉 집합체(gray control rod assembly)에 관한 것으로서, 특히 그레이 제어봉이 원자로 노심에 완전하게 삽입되는 경우, 연료 조립체 가이드 딤블의 대시포트(dashpot) 영역의 중성자 흡수재(absorbing material)에서 스웰링(swelling) 및 열을 줄이기 위한 개선책에 관한 것이다.

통상적인 원자로에 있어서, 원자로 노심은 다수의 연료 집합체를 포함하며, 각 연료 집합체는 기다란 복수의 상하부 노즐과, 축선 상으로 이격되고 가이드 딤블에 부착된 복수의 횡형 지지 그리드와 노즐 사이에서 수직으로 연장되고 횡으로 이격된 가이드 딤블로 구성된다. 또한, 각 연료 집합체는, 서로로부터 그리고 가이드 딤블로부터 횡으로 이격되고, 상부 노즐과 하부 노즐 사이의 횡형 그리드에 의해 지지되는 복수의 기다란 연료 소자 또는 봉으로 구성된다. 연료봉 각각은 핵 분열성 물질(fissile material)을 포함하고, 구성된 어레이에서 함께 그룹화로 되어 있어서, 핵분열의 높은 비율을 유지하기 위해 노심에서 중성자 플럭스(neutron flux)를 충분하게 제공하여, 이로써, 가열 형태에서 많은 에너지량을 방출시킨다. 액체 냉각재는, 사용가능한 작업을 생산하기 위하여 노심에서 발생된 일부 열을 추출하도록 노심을 통해 상부로 펌핑된다.

원자로 노심에서의 열 발생율이 핵분열율과 비례하기 때문에, 이는 차례로 동작 중에 노심의 중성자 플럭스와, 열 발생의 제어에 의해 원자로의 기동에서 결정되고, 기동이 꺼진 경우에는 중성자 플럭스를 변화시킴으로써 달성된다. 일반적으로, 이는 중성자 흡수재를 포함하는 제어봉을 사용하여 초과 중성자를 흡수하여 행해진다. 연료 집합체의 구성 소자 이외에 가이드 딤블도 원자로 노심 내에서 중성자 흡수체(absorber) 제어봉의 삽입용 채널을 구비한다. 이로써, 중성자 플럭스의 레벨과 노심의 열출력은 가이드 딤블로부터 그리고 가이드 딤블로 제어봉의 이동에 의해 일반적으로 조절된다.

연료 집합체와 연관되어 제어봉을 이용하는 하나의 공통 배치(common arrangement)는 힐(Hill)에 의한 미국 특허 제 4,326,919 호에 개시되고, 본 발명의 양수인에게 양도되었다. 이 특허는, 연료 집합체의 공동(hollow) 가이드 딤블 외부 및 내부의 제어봉을 수직으로, 점차적으로 상승 및 하강(스텝핑 작동이라 칭함)시키는 제어봉 구동 장치에 차례로 연결된 스파이더 집합체에 의해 그 상단부에서 지지되는 제어봉의 어레이를 개시하고 있다. 그러한 배치에 사용된 제어봉의 전형적 구조는 배관 내에 배치되고, 그리고 배관 내의 흡수성 재료를 밀봉하는 말단 플러그를 그 양 말단에서 지닌 중성자 흡수재를 가지는 기다란 금속 클래딩 배관의 형태에서 비롯된다. 일반적으로, B4C 흡수체 재료의 경우에 있어서, 중성자 흡수재는 제어 동작 중에 가스를 수용하는 플리넘 챔버(plenum chamber)를 정하는 상단부 플러그와 펠릿(pellet)의 상부 사이에 보이드 간격 또는 축 갭을 남겨두고 배관의 일부만을 채우는 세밀하게 패킹된 적층 세라믹이나 금속 펠릿의 형태이다. 코일 스프링은 이 플리넘 챔버 내에서 배치되고 상부 말단 플러그와 상부 펠릿 사이의 압축 상태로 유지되어 제어봉을 스텝핑하는 동안 그 세밀하게 패킹된 배치로 적층된 펠릿을 유지한다.

이로써, 제어봉은 중성자 흡수를 직접적으로 변화시켜 반응에 영향을 미친다. 제어봉은 빠른 반응 제어를 위해 사용된다. 붕산 등의 화학적 쉼(shim)은 장기간 반응 변화를 제어하기 위해 냉각재에 녹는다. 붕산 용액은 노심 전체에 더 균일하게 분배되어, 파워분배 및 연료 고갈을 제어봉이 하는 것보다 더 균일하게 한다. 붕소의 농도는 연료 고갈 및 분열 생산 강화제로 인해 노심 수명과 함께 일반적으로 감소된다.

크세논-135 등의 분열 생산 강화제는 기생적으로 중성자를 흡수하여 반응을 감소시켜서 열적 이용을 감소시킨다. 크세논-135(이하에서 단지 "크세논"이라 칭함)는 중성자 흡수나 부식에 의해 제거된다. 노심 파워의 감소(부하 중에 일어나는 파워 요구의 감소에 따라 원자로 파워의 감소 등)에 따라 더 적은 열 중성자는 크세논을 제거하기 위해 이용가능하다. 그러므로, 노심에서 크세논의 농도는 증가된다.

노심 반응의 감소를 수반하는 크세논 농도의 증가는 노심 냉각재에 녹은 붕소의 농도를 감소시키거나 노심으로부터의 제어봉을 빼내어 일반적으로 보상된다. 그러나, 양 방법에는 결점이 있다. 붕소 농도의 변화는 냉각재의 처리 즉, 물을 요 구하는데, 이는 노심 수명을 짧게 하여 사용되기 어렵거나 소망되지 않는다. 제어봉의 제거는 노심의 파워 성능이 감소되고 피킹(peaking) 인자가 증가됨을 의미한다.

이 문제점에 대한 일반적인 해결책은 최대 파워의 노심에 있어서 주지된 그레이 봉과 같이, 크세논 강화에 대한 보상을 하기 위해 감소된 파워에서 제거가능한 감소된 반응치 봉의 여러 뱅크(bank)를 가지는 것이다. 본 발명의 양수인에 의해 설계되어, 주지된 AP1000 원자로와 같은 개선된 수동 핵 플랜트에 있어서, 상대적으로 낮은 반응치를 가진 그레이 봉은 안정 상태 및 부하에 따른 동작 동안 노심 반응에서 전체 변화를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 이 동작 전략으로 인해, 전체 파워가 안정된 상태로 그리고 파워가 임시적으로 감소된 조건 모두에서 그레이 제어봉은 일정하게 노심 내외로 순환될 수 있다. 이 동작 동안, 하나 이상의 제어봉 뱅크(bank)는 연장된 구간 동안 가이드 딤블관(18)의 대시포트 영역에 위치된 제어봉과 함께 완전하게 삽입될 수 있다. 제어봉이 연료 집합체의 상부 노즐 상의 스파이더의 충격을 줄이기 위해 노심으로 떨어지는 경우, 대시포트 영역은 제어봉의 하강을 늦추는 딤블 가이드 관의 하부에서 감소된 내부 직경부이다. 각 가이드 딤블관의 하부에서 대시포트 영역은 약 2 피트(0.61 미터) 길이를 가진다. 제어봉이 삽입되는 경우, 대시포트 영역에서 냉각재 유량 및 냉각재 단면 영역은 가이드 딤블관의 나머지보다 낮다.

이 동작 전략과 연관되어 기대되는 기술적 도전은:

● 장-기간 라이드(rodded) 동작의 결과로, 여러 그레이 봉의 흡수체 재료의 조사로 유발된 스웰링으로 인해. 대시포트 영역의 가이드 딤블관과 그레이 제어봉 첨단 사이의 기계적 간섭이나 연결될 잠재력;

●그레이 봉이 완전히 삽입되는 경우, 대시포트 영역의 냉각제의 비등으로 인해 제어봉의 내부로부터 이동된 열의 감소 및 가이드 딤블 부식율의 증가에 대한 잠재력; 그리고

● 그레이 제어봉이 최종적으로 인출되는 경우, 단-기간 국부파워 변화로 인한 연료 보전의 도전을 포함한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 제어봉이 완전히 삽입되는 경우, 대시포트에 충돌하는 제어봉 클래딩의 영역의 제어봉 내에서 중성자 흡수재의 조사로 야기된 스웰링으로 인해, 제어봉 클래딩 직경 확장의 극복함을 제공함에 있다

또한, 본 발명의 목적은, 제어봉이 완전히 삽입되는 경우, 대시포트 영역의 제어봉 첨단 열의 감소시킴을 제공함에 있다.

게다가, 본 발명의 목적은, 그레이 제어봉이 천천히 이동되는 경우, 노심에 일어나는 반응에서 고속 변화의 감소시킴을 제공함에 있다.

본 발명은 그레이 제어봉의 첨단에서 우수한 조사로 야기된 스웰링 특성을 지닌 낮은 흡수체 재료를 사용하여 이러한 문제점 및 다른 문제점을 해결할 수 있다. 바람직한 첨단재는 극도의 높은 중성자 영향 조건 하에서, 스웰링을 최소로(Ag-In-Cd 등의 통상적인 흡수체 재료보다 실질적으로 적게) 하기 위해 주지된 몇몇 상업성 니켈 구성 합금이다. 다음의 원자로 트립(trip)을 요구하는 경우, 이는 대시포트 영역과 기계적으로 간섭하거나 완전하게 삽입되지 않는 그레이 제어봉의 위험을 현저하게 감소시킬 수 있다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 그레이 봉의 니켈 합금 하부의 반응치는, 그레이 제어봉의 최저 첨단과 상부 흡수체 영역 사이의 흡수 변이 영역을 낮게 제공하는 그레이 제어봉 하부 위에 위치된 50-60% 정도의 주요 흡수체 재료이다. 게다가, 니켈 합금은 주요 흡수체 재료의 평균 원자 중 량치 절반 정도를 가지고, 더 높은 용융 온도를 실질적으로 가진다. 내부 가열율은 낮은 중성자 흡수와 낮은 감마 열 모두로 인해 니켈 합금 첨단 영역에서 실질적으로 감소될 수 있다. 그 결과, 대시포트 영역의 냉각재의 비등과 흡수체 재료의 중심선 용융 모두의 위험성은, 니켈 합금 첨단이 사용되는 경우, 현저하게 낮아질 수 있다. 최종적으로, (완전 파워 안정 상태 조건에서 전형적인 주요 동작으로서) 그레이 봉이 서서히 인출되는 경우, 첨단의 낮은 흡수체 영역의 포함으로 인해, 국부 파워 레벨이 점차적으로 더 증가될 수 있다. 국부 파워의 점차적인 이러한 증가는 과대한 크기나 급속한 국부 파워 변화로 인한 연료 손상의 기회를 현저하게 감소시킬 수 있다.

그레이 제어봉이 완전히 삽입되는 경우, 니켈 합금 첨단의 높이는 대시포트 위로 연장되고, 그 연장 범위는 그레이 제어봉 클래딩의 팽창이 대시포트 영역까지 미치는 범위가 바람직하다.

본 발명은 그레이 제어봉이 원자로 노심에 완전하게 삽입되는 경우, 연료 조립체 가이드 딤블의 대시포트 영역의 중성자 흡수재에서 스웰링 및 열을 줄이는 효과를 가진다.

설명의 편의상, 본 발명은 AP1000이라는 명칭을 가진, 상업적으로 알려진 가압수형 원자로 노심 설계에 대하여 설명된다. AP1000 원자로는 웨스팅하우스 일렉트릭 회사 LLC(Westinghouse Electric Company LLC)가 설계하였다. 웨스팅하우스 일렉트릭 회사 LLC는 펜실베니아 피쉬버그에 그 병합 사무소를 가지고 있다. 참고로, AP1000 원자로 설계는 설명적 예 목적만으로 제공되고 본 발명에 기술적 사상에 국한되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예의 대표적인 제어봉 제어 집합체 설계는 다른 원자로 설계를 변형하여 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

도면에 도시된 부재를 위치를 설명하기 위해 사용된 상부, 하부, 상, 하, 좌, 우 및 그 파생어들의 사전적 어구는 본 발명의 청구를 제한하는 것은 아니다.

여기에서 사용된 바와 같이, 2 개 이상의 부분이 함께 "연결됨(coupled)"은 상기 부분이 직접적으로 결합되거나 또는 하나 이상의 중간 부분을 통해 결합되었다는 것을 의미한다.

여기서 사용된 바와 같이 "수(number)"의 용어는 하나 이상, 즉 복수로 언급된다.

연료 집합체

도면을 참조하여, 특히, 도 1은 수직으로 짧게 형성되고, 참조번호 10으로 지칭되는 원자로 연료 집합체의 정면도를 제시한 도면이다. 연료 집합체(10)는 가압수로 원자로에서 사용되는 형태로서, 그 하단부에 있어서 원자로(미도시)의 노심 영역에서 하부 노심 지지판(14) 상에 연료 집합체(10)를 지지하는 하부 노즐(12)과, 그 상단부에서 상부 노즐(16)과, 그리고 하부 노즐과 상부 노즐(12, 16) 사이에 수직으로 연장되고 양단에서 하부 및 상부 노즐(12 및 16)과 강하게 연결된 다수의 가이드 배관 또는 딤블(thimble)(18)을 포함하는 구조 골격을 가진다.

연료 집합체(10)는 축선을 따라 이격되고 가이드 딤블 배관(18)에 장착된 복 수의 횡형 그리드(20)와, 횡으로 이격되고 그리드(20)에 의해 지지되는 구조적 어레이의 기다란 연료봉(22)을 더 포함한다. 집합체(10)는 그 중앙에 위치되고 하부 노즐과 상부 노즐(12, 16) 사이에 연장되고 하부 및 상부 노즐(12 및 16)에 부착된 중개 배관(24)도 가진다. 상술된 일부 배치에 대해서, 연료 집합체(10)는 집합체 부분에 손상 없이 적당하게 취급될 수 있는 일체부로 형성될 수도 있음을 이해하여야한다.

상술된 바와 같이, 연료 집합체(10)의 연료봉(22) 어레이는 연료 집합체 길이를 따라 이격된 그리드(20)에 의해 서로 이격되어 있다. 각 연료봉(22)은 핵 연료 펠릿(nuclear fuel pellet)(26)을 포함하고 상단 및 하단 플러그(28 및 30)에 의해 그 양단에서 끝나게 된다. 펠릿(26)은 상단 플러그(28)와 적층 펠릿의 상부 사이에 배치된 플리넘 스프링(32)에 의해 적층되어 유지된다. 분열재로 구성된 연료 펠릿(26)은 원자로의 반응파워를 생성한다. 물이나 붕소를 포함한 물 등의 액체 감속재/냉각재는 하부 노심판(14)의 복수의 흐름 개구부를 통해 연료 집합체로 상부쪽으로 펌핑된다. 연료 집합체(10)의 하부 노즐(12)은 가이드 배관(18)을 통하여 그리고 집합체의 연료봉(22)을 따라 상부쪽으로 냉각재를 흐르게 하여 사용 작업의 생산성에 대해 그 발생된 열을 추출한다. 분열 처리를 제어하기 위해서, 다수의 제어봉(34)은 연료 집합체(10)의 소정의 위치에 위치된 가이드 딤블(18)에서 대응되게 이동될 수 있다. 상부 노즐(16) 상에 위치된 스파이더 집합체(39)는 제어봉(34)을 지지한다.

도 2a 및 2b는 도 1의 연료 집합체(10)로부터 제거된 제어봉 집합체(36)를 도 시한 도면이다. 일반적으로, 제어봉 집합체(36)는 도 2b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 스파이더 집합체(39)로 구성되고 방사상으로 연장된 복수의 플루크(fluke) 또는 암부(38)와 함께 내부적으로 연이어진 원통형 부재(37)를 포함한다. 잘 알려진 방식으로, 각 암부(38)는 제어봉(34)과 서로 연결되어 제어봉 집합체(36)는 가이드 딤블(18)(도 1) 내에 수직으로 제어봉(34)을 이동시킬 수 있어서, 연료 집합체(10)(도 1)에서 분열 처리를 제어한다. 하술되는 개선된 제어봉 설계를 포함하는 대표적인 제어봉 집합체를 제외하고는, 상술한 모든 것은 구식이고 일반적으로 잘 알려진 기술이다. 다음으로 본 발명의 바람직한 실시예는 정상적인 셧 다운(shut down) 제어봉 집합체에 적용하는 것으로 개시되고 기술하였지만, 그레이 봉 제어 집합체 등의 다른 제어봉 집합체에도 적용될 수 있음을 이해하여야 한다. 다음으로, 그레이 제어봉 집합체의 전체 반응치가 셧 다운(shut down)에 대해 의존되는 보통 제어봉 조립체보다 실질적으로 낮다는 점을 제외하고는, 보통 제어봉 집합체와 실질적으로 모든 면이 동일한 그레이 봉 제어 집합체는 본 발명의 실시예에 적용되어 개시됨이 바람직할 것이다.

개선된 봉 제어 집합체

핵 제어봉 집합체는: (a) 흡수체 첨단 스웰링으로 인해 핵 연료 집합체의 대시포트 영역을 간섭하는 잠재력을 더 감소시킬 수 있음과; (b) 대시포트 비등과 흡수체 용융에 대해 열적 설계 마진을 더 향상시킬 수 있음과; 그리고 (c) 제어봉인출(control rod withdrawal)에 따라 연료봉 클래딩의 열적-기계적 효율(duty)을 더 감소시킬 수 있음을 개시한다. 대시포트 영역으로서 주지된 딤블 가이드 관의 내부 직경부가 감소된 원자로에 연료 집합체가 사용되는 경우, 이 개념은 상술한 이점 모두를 제공한다. 제어봉이 노심으로 떨어지는 경우, 제어봉은 그 강하를 늦추는 가이드 딤블관의 워터(water)를 가진다. 가이드 딤블관의 하부 말단에서 감소된 직경부는 제어봉의 하강 속도를 더 감소시켜서, 제어봉은 하부 딤블관 말단 플러그로부터 부드럽게 축선상으로 하강되어 공간을 두고 정지된다. 이는 상부 노즐(16) 상의 스파이더(spider)의 충격을 감소시킨다. AP1000 원자로에 있어서, 비교적 낮은 반응치를 가진 그레이 제어봉(34)은 안정된 상태와 부하에 따른 동작 동안 노심 반응의 전체 변화에 대한 보상으로 사용될 수 있다. 이 동작 전략으로 인해, 전체 파워가 안정된 상태로 그리고 파워가 임시적으로 감소된 조건 모두에서 그레이 제어봉은 일정하게 노심 내외로 순환될 수 있다. 이 동작 동안, 하나 이상의 제어봉 뱅크(bank)는 연장된 구간 동안 가이드 딤블관(18)의 대시포트 영역에 위치된 제어봉과 함께 완전하게 삽입될 수 있다. 각 가이드 딤블관의 하부에서 대시포트 영역은 약 2 피트(0.61 미터)이고, 감소된 내부 직경을 가진다. 제어봉이 삽입되는 경우, 대시포트 영역에서 냉각재 유량 및 냉각재 단면 영역은 가이드 딤블관의 나머지보다 현저하게 낮다. 상술된 바와 같이, 이는 수많은 기술적 도전을 일으킨다. 보통 Ag-In-Cd 흡수체 재료는 연장된 조사 하에서 부풀어서, 제어봉(34)의 클래딩에 압력을 가하여 클래딩이 어느 정도로 팽창시키는 것으로 알려졌다. 파워에서의 장-기간 라디드(rodded) 동작은, 제어봉이 완전하게 삽입되거나 인출되지 못하도록 할 수 있는 제어봉 클래딩과 감소된 직경 대시포트 사이에서 기계적 간섭을 발생시킬 수 있다. 다음으로, 그레이 봉이 완전하게 삽입되는 경우, 대시포트 영역의 냉각재 비등은 Ag-In-Cd 재료의 가열비와 낮은 냉각재 유량으로 인해 일어날 수 있다. 이는 제어봉(34)의 내부로부터 감소된 열 이동과 증가된 가이드 딤블(18) 부식율에 대한 잠재력을 야기시킬 수 있다. 결국, 그레이 봉이 최종적으로 인출되는 경우, 이는 단-기간 국부 파워 변화로 인해 흠이 없는 연료 봉에 대해 문제점을 가진다.

본 발명은 그레이 제어봉(34) 하부를 상술한 부분보다 낮은 중성자 흡수 특성을 가진 재료로 대체시킴으로서, 조사 하에 스웰링이 없이 이러한 문제점을 해결함을 목적으로 한다. 이 형태의 재료의 예는 Alloy 600 [UNS N06600], Alloy 625 [UNS N06625], Alloy 690 [UNS N06690]이나 Alloy 718 [UNS N07718]이다. 하부의 길이를 충분히 길게 하여, 대시포트 영역으로서 주지된 상부 재료가 연료 집합체 가이드 딤블관의 감소된-내부-직경 영역에 겹쳐지지 않게 한다. 하부 재료는 로드, 로드들이나 펠릿의 형상일 수 있다.

도 2a 및 2b를 참고하면, 일반적 제어봉 구성이 제시된다. 낮은 반응치 그레이 봉에 의해 공급된 기계적 쉼 반응 제어 능력과, 원자로 냉각재의 용해가능한 붕소의 농도의 변화를 요구하는 화학적 쉼을 이용하기 위해, 현존하는 AP1000 원자로용 제어봉 집합체(36) 등의 주지된 제어봉 집합체는 그레이 봉 제어 집합체를 사용한다. 그러나, AP1000 원자로 설계용 그레이 봉 제어 집합체가 도 2b에 도시된 바와 같이 일반적으로 구성된 24 개의 봉을 가지면서, 24 개 중 일부(필요하다면)는 봉를 대체한 스테인레스 강(예를 들면, SS-304 국한 없이) 워터(water)일 수 있고, 그리고 로드의 나머지는 중성자 흡수체 봉이다. 그러므로, 기본적으로 모든 중성자 흡수재는 워터 대체기 봉을 가질 수 없는 그레이 봉 집합체 위치에 국부되어 격리 된다.

게다가, AP1000 설계의 한 실시예에서, 흡수체 재료는 약 80% 은, 약 15% 인듐 및 약 5% 카드뮴으로 구성된 Ag-In-Cd 흡수체를 포함한다. 이 흡수제 재료는 24 개의 모든 봉이 Ag-In-Cd인 주지의 표준 완전-강도 봉 클러스터 제어 집합체로 구성된다. 그러나, AP1000의 최종 설계 대신에, 예를 들면, 2005년 7월 26일에 제출되고, 본 발명의 양수인에게 양도되고 미국 특허출원번호 제 11/189,472 호에 개시된 구성에서 주요 흡수체로서 은(Ag) 등의 다른 통상적인 중성자 흡수재를 사용할 수도 있다.

본 발명에 따라서, 그레이 제어봉의 첨단에서 우수한 조사를 야기하는 스웰링 특성을 가진 낮은 가치의 흡수체 재료의 사용은 AP1000 원자로에서 사용될 수 있는 제어 방안에 대해 확인된 위험 모두를 감소시킬 수 있다. 바람직한 첨단재는 극도의 높은 중성자 영향 조건 하에서, 예를 들면, Alloy 600 [UNS 06600], Alloy 625 [UNS N06625], Alloy 690 [UNS N06690] 및 Alloy 718 [UNS N07718] 하에서, 스웰링을 최소로(Ag-In-Cd 등의 통상적인 흡수체 재료보다 실질적으로 적게) 하기 위해 주지된 몇몇 상업적 니켈 구성 합금이다. 다음의 원자로 트립(trip)을 요구하는 경우, 이는 대시포트 영역과 기계적으로 간섭하거나 완전하게 삽입되지 않는 그레이 제어봉의 위험을 현저하게 감소시킬 수 있다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 그레이 봉의 니켈 합금 하부의 반응치는, 그레이 제어봉의 최저 첨단과 상부 흡수체 영역 사이의 흡수 변이 영역을 낮게 제공하는 그레이 제어봉 하부 위에 사용되기 위해 계획된 50-60% 정도의 흡수체 재료이다. 게다가, 니켈 합금은 주요 흡수체 재 료의 평균 원자 중량치 절반 정도를 가지고, 더 높은 용융 온도를 실질적으로 가진다. 내부 가열율은 낮은 중성자 흡수와 낮은 감마 열 모두로 인해 니켈 합금 첨단 영역에서 실질적으로 감소될 수 있다. 그 결과, 대시포트 영역의 냉각재의 비등과 흡수체 재료의 중심선 용융 모두의 위험성은, 니켈 합금 첨단이 사용되는 경우, 현저하게 낮아질 수 있다. 최종적으로, (완전 파워 안정 상태 조건에서 전형적인 주요 동작으로서) 그레이 봉이 서서히 인출되는 경우, 첨단의 낮은 흡수체 영역의 포함으로 인해, 국부 파워 레벨이 점차적으로 더 증가될 수 있다. 국부 파워의 점차적인 이러한 증가는 과대한 크기나 급속한 국부 파워 변화로 인한 연료 손상의 기회를 현저하게 감소시킬 수 있다.

도 3a는 대시포트(42) 내에 완전히 삽입된 제어봉(34)의 하부를 도시한 것이다. 제어봉(34)은 하부 말단 플러그(46)를 가진 긴 배관 클래딩(40)과, 도시되지 않은 상부 말단 플러그로 구성된다. 니켈 합금재(50)는, 대시포트(44) 상부 바로 위에 있는 제어봉(34)을 따라 하부 말단 플러그(46)로부터 엘레베이션(elevation)(56)까지 연장된다. 그레이 봉 상부 흡수체 재료(48)는 엘레베이션(56)으로부터 상부 제어봉 말단 캡 아래에 있는 지점까지 연장된다. 니켈 합금재(50)와 그레이 흡수재(48)의 합한 길이는 제어봉이 삽입되는 연료 집합체의 연료 펠릿 스택의 길이 이상 정도여야 한다. 제어봉이 대시포트(42) 내로 완전히 삽입되는 경우, 제어봉은 딤블 가이드 관(18)의 하부 말단 플러그 위에 공간을 두고 놓이게 된다. 대시포트의 전체 높이는 통상적으로 2 피트(0.61 미터) 이하이다. 니켈 합금재의 길이가 측정되고, 니켈 합금재의 길이는 대시포트(44) 상단의 말단부에 바로 넘어서 연장되는데, 그 연장거리는 흡수체 재료(48)의 스웰링으로 인해 제어봉 클래딩(40)의 팽창이 대시포트(44)의 상부에 이르는 것을 막는 거리이다. 도 3b는 도 3a의 상부의 확대된 부분을 도시한 것으로, 니켈 합금 첨단(50)의 영역에서 딤블 가이드 관(18)의 벽, 대시포트(42)와 그레이 제어봉 금속 클래딩(40) 사이의 경계 부위를 더 자세하게 도시한 것이다. 니켈 합금 첨단(50)은 니켈 합금 첨단(50) 및 그레이 상부 흡수체 재료(48)의 합한 길이의 20%를 넘어 연장되지는 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 특정 실시예를 상세하게 기술하였지만, 기술 분야의 당업자라면 이러한 기술을 다양하게 변형하고 대체함은 본 명세서의 전반적인 설명의 관점에서 개시될 수 있음을 이해할 수 있다. 따라서, 기술된 특정 실시예는, 첨부된 청구항과 그에 대한 여러 또는 모든 균등성의 전체 관점으로 주어질 수 있는 본 발명의 기술 사상에 국한 없이, 단지 설명을 위한 것임을 의미한다.

다음의 첨부된 도면과 관련지어 바람직한 실시예의 설명을 이해할 시, 본 발명을 더 자세하게 이해할 수 있다.

도 1은 수직으로 짧게 형성된 연료 집합체와, 도면에서 은선으로 일부 제시된 제어 집합체의 정면도이다;

도 2a는 연료 집합체로부터 제거된 도 1의 제어 집합체의 일부 단면의 정면도이다;

도 2b는 도 2a의 제어 집합체에 대한 제어봉 스파이더 집합체의 상면도이다;

도 3a는 그레이 봉 제어 조립체의 작은 봉의 단면으로서, 딤블 가이드 관의 대시포트 영역 내에 삽입된 작은 봉의 하부를 도시한 도면이다; 그리고

도 3b는 도 3a에 도시된 상부 대시포트 영역의 확대된 부분을 도시한 도면이다.

Claims

원자로용 제어봉으로서:

일측 길이에서 축 크기의 제 1 말단부와 타측 길이에서 축 크기의 제 2 말단부를 가지는 축 크기를 가지며, 그리고 핵연료 집합체의 제어봉 가이드 딤블의 공동(hollow) 내부의 가장 좁은 크기 내에 맞기 위해 외부 크기를 가지는 긴 배관 클래딩;

상기 긴 배관 클래딩의 제 1 말단부에서 끝나고 대시포트 내로 슬라이드식으로 수용되도록 설계되는 제 1 말단 플러그;

하단 플러그 주변에서 상기 긴 배관 클래딩의 하부를 차지하고, 그리고 상기 제어봉이 상기 제어봉 가이드 딤블내로 완전히 삽입되는 경우에 상기 긴 배관 클래딩이 상기 대시포트 내로 수용될 수 있는 길이보다 다소 크거나 같은 상기 긴 배관 클래딩을 통해 축선 거리가 연장되는 제 1 중성자 흡수재;

상기 제 1 중성자 흡수재 위로 상기 긴 배관 클래딩의 공동 내부의 나머지 부분을 차지하고, 상기 제 1 중성자 흡수재보다 높은 반응치를 가진 제 2 중성자 흡수재; 및

상기 긴 배관 클래딩의 제 2 말단부에서 끝나는 제 2 말단 플러그;를 포함하고, 그리고

상기 제어봉 가이드 딤블의 공동 내부는 상기 제어봉을 수용하는 상단 말단부와, 상기 가이드 딤블내로 상기 제어봉이 떨어지는 경우에 상기 대시포트로서 기 능하는 감소된 내부 직경부를 가지는 하단 말단부를 가지며,

상기 감소된 내부 직경부는 상기 가이드 딤블의 공동 내부의 높이의 20% 이하이도록 상기 제어봉 가이드 딤블의 하부로부터 위로 연장됨을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 중성자 흡수재는 Alloy 600, Alloy 625, Alloy 690 및 Alloy 718 의 그룹으로부터 선택된 니켈 합금임을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 중성자 흡수재는 조사 하에서 상기 제 1 흡수재보다 더 스웰링(swelling)됨을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 제어봉은 그레이 봉임을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 중성자 흡수재는 Ag-In-Cd 또는 Ag임을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 중성자 흡수재는 조사하에서 스웰링되지 않음을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 중성자 흡수재는 상기 제어봉이 상기 제어봉 가이드 딤블내로 완전히 삽입되는 경우에 상기 긴 배관 클래딩이 상기 대시포트로 수용하는 길이 이상으로 상기 긴 배관 클래딩을 통해 축선 거리를 연장시켜, 조사 하에서 상기 제 2 중성자 흡수재의 스웰링으로 인한 클래딩의 증가는 상기 대시포트 내로 수용된 상기 클래딩의 영역으로 연장되지 않음을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 1 항에 있어서,

상기 긴 배관 클래딩을 통해 축선으로 연장된 상기 제 1 중성자 흡수재의 거리는, 상기 대시포트가 제어봉 가이드 딤블 하부 말단 플러그로부터 연장되는 거리 이상임을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 8 항에 있어서,

상기 긴 배관 클래딩을 통해 축선으로 연장된 상기 제 1 중성자 흡수재의 거리는 2ft(0.61m) 미만임을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
제 9 항에 있어서,

상기 제 1 중성자 흡수재 및 상기 제 2 중성자 흡수재는, 상기 긴 배관 클래딩을 통해, 상기 제어봉이 삽입되는 연료 집합체 내로 연료 펠릿 스택의 높이 이상으로, 집합적으로, 축선으로 연장됨을 특징으로 하는 원자로용 제어봉.
복수의 제어봉을 적어도 일부 가지는 제어봉 집합체로서:

일측 길이에서 축 크기의 제 1 말단부와 타측 길이에서 축 크기의 제 2 말단부를 가지는 축 크기를 가지며, 그리고 핵연료 집합체의 제어봉 가이드 딤블의 공동(hollow) 내부의 가장 좁은 크기 내에 맞기 위해 외부 크기를 가지는 긴 배관 클래딩;

상기 긴 배관 클래딩의 제 1 말단부에서 끝나고 대시포트 내로 슬라이드식으로 수용되도록 설계되는 제 1 말단 플러그;

하단 플러그 주변에서 상기 긴 배관 클래딩의 하부를 차지하고, 그리고 상기 제어봉이 상기 제어봉 가이드 딤블내로 완전히 삽입되는 경우에 상기 긴 배관 클래딩이 상기 대시포트 내로 수용될 수 있는 길이보다 다소 크거나 같은 상기 긴 배관 클래딩을 통해 축선 거리가 연장되는 제 1 중성자 흡수재;

상기 제 1 중성자 흡수재 위로 상기 긴 배관 클래딩의 공동 내부의 나머지 부분을 차지하고, 상기 제 1 중성자 흡수재보다 높은 반응치를 가진 제 2 중성자 흡수재; 및

상기 긴 배관 클래딩의 제 2 말단부에서 끝나는 제 2 말단 플러그;를 포함하 고, 그리고

상기 제어봉 가이드 딤블의 공동 내부는 상기 제어봉을 수용하는 상단 말단부와, 상기 가이드 딤블내로 상기 제어봉이 떨어지는 경우에 상기 대시포트로서 기능하는 감소된 내부 직경부를 가지는 하단 말단부를 가지며,

상기 감소된 내부 직경부는 상기 가이드 딤블의 공동 내부의 높이의 20% 이하이도록 상기 제어봉 가이드 딤블의 하부로부터 위로 연장됨을 특징으로 하는 복수의 제어봉을 적어도 일부 가지는 제어봉 집합체.
연료 집합체 내에 대응되는 가이드 딤블 내에서 다수의 제어봉을 상승 및 하강시키는 제어 집합체에 대응되게 정렬되는 복수의 연료 집합체 일부를 적어도 가지는 노심으로 구성된 원자로에 있어서, 상기 제어봉 중 적어도 일부는:

일측 길이에서 축 크기의 제 1 말단부와 타측 길이에서 축 크기의 제 2 말단부를 가지는 축 크기를 가지며, 그리고 대응되는 핵연료 집합체의 제어봉 가이드 딤블의 공동(hollow) 내부의 가장 좁은 크기 내에 맞는 외부 크기를 가지는 긴 배관 클래딩;

상기 긴 배관 클래딩의 제 1 말단부에서 끝나고 대시포트 내로 슬라이드식으로 수용되도록 설계되는 제 1 말단 플러그;

하단 플러그 주변에서 상기 긴 배관 클래딩의 하부를 차지하고, 그리고 상기 제어봉이 상기 제어봉 가이드 딤블내로 완전히 삽입되는 경우에 상기 긴 배관 클래딩이 상기 대시포트 내로 수용될 수 있는 길이보다 다소 크거나 같은 상기 긴 배관 클래딩을 통해 축선 거리가 연장되는 제 1 중성자 흡수재;

상기 제 1 중성자 흡수재 위로 상기 긴 배관 클래딩의 공동 내부의 나머지 부분을 차지하고, 상기 제 1 중성자 흡수재보다 높은 반응치를 가진 제 2 중성자 흡수재; 및

상기 긴 배관 클래딩의 제 2 말단부에서 끝나는 제 2 말단 플러그;를 포함하고, 그리고

상기 제어봉 가이드 딤블의 공동 내부는 상기 제어봉을 수용하는 상단 말단부와, 상기 가이드 딤블 내로 상기 제어봉이 떨어지는 경우에 상기 대시포트로서 기능하는 감소된 내부 직경부를 가지는 하단 말단부를 가지며,

상기 감소된 내부 직경부는 상기 가이드 딤블의 공동 내부의 높이의 20% 이하이도록 상기 제어봉 가이드 딤블의 하부로부터 위로 연장됨을 특징으로 하는 제어봉.