KR20090086302A - 개량된 그레이 로드 제어 조립체 - Google Patents
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Abstract
원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체(GRCA). 상기 그레이 로드 제어 조립체는 상기 원자로 내로의 그레이 로드 조립체의 삽입을 제어함으로써, 상기 원자로에 의해 생성되는 전력의 속도를 제어하고 완전한 전력의 반응도 제어를 한다. 각각의 그레이 로드 조립체는 세장형의 관형 부재, 상기 관형 부재의 안에 위치하고 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료, 바람직하게는 텅스텐을 포함하는 주 중성자 흡수재를 포함한다. 내부 지지관은 제 2 흡수재로서 상기 주 흡수재와 상기 관형 부재의 사이에 위치하여 중성자 흡수, 중성자 감소, 조립체의 중량, 및 조립체의 열전달 특성을 향상시킬 수 있다.
원자로, 그레이 로드 제어 조립체, 흡수재, 텅스텐, 중성자 감소
Description
본 발명은 일반적으로 핵 원자로에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 그레이 로드 제어 조립체(GRCAs)의 개량된 설계에 관한 것이다.
핵 발전소의 원자로에 의해 생성되는 전력은 일반적으로 상기 원자로의 심 내의 제어 로드 조립체를 상승시키거나 하강시킴으로써 제어되며, 전기 발전소로부터 나오는 전기 전력에 대한 수요의 변화를 수용하기 위해 필요한 원자로의 전력 출력의 변화는 흔히 부하 추종(load follow)이라 한다. 설명된 바와 같이, 예를 들면, 미국특허 제4,079236호에 있어서는, 부하 추종이 많은 동작 문제를 나타낸다. 예를 들면, 추종 부하 도중에 가압 수형 원자로(PWR)에 있어서는, 반응도가 제어되어야 하며 상기 전력 수준의 변화에 따라 상기 심에 있어서의 축선 방향의 전력 분포의 변화가 대응되어야 한다.
현대식 원자로 심의 연료 조립체는 통상 두 가지 형태의 로드 제어 조립체를 채용하여 반응도, 로드 클러스터 제어 조립체(RCCAs) 및 그레이 로드 제어 조립체(GRCAs)를 제어한다. 양자 모두 그들의 상단부에서 공통의 허브 또는 스파이더(spider) 조립체에 고정된 복수의 중성자 흡수 로드로 구성된다. 상기 로드들의 본체는 은-인듐-카드뮴 흡수체 재료와 같은 중성자 흡수 재료를 에워싸는 스테인레스 스틸 튜브를 포함하고, 상기 로드들은 골무형 튜브(thimble tube) 내에서 상기 로드들의 이동을 제어하기 위해 동작하는 스파이더 조립체의 상부 부근의 구동 제어 매커니즘과 함께 상기 연료 조립체의 관형 안내 골무 튜브 내에서 미끄러지듯이 이동한다. 이러한 방식으로, 상기 로드의 삽입 및 인출은 일반적으로 상기 원자로에 의해 생성되는 전력의 량을 제어한다. 또한, 그레이 로드 제어 조립체는 이하에 설명하는 바와 같이 완전한 전력의 동작시에 사용된다.
통상적으로, 그레이 로드 제어 조립체는 부하 추종 조작시에 사용되는데 그 이유는 그들 조립체가 "그레이" 로드라고 당업계에서 흔히 말하는 양이 감소된 제어 로드로 구성된다. 여기에서 사용되는 용어 "그레이"는 흡수 로드의 중성자 흡수 특성에 관한 것으로, 상기 그레이 로드 제어 조립체가, 상기 원자로를 폐쇄시키기 위하여 대부분의 그러한 중성자를 흡수하도록 된 "블랙" 제어 로드와는 반대로, 상기 흡수 로드에 들어가는 열 및 초열(thermal and epithermal) 에너지 중성자의 일부만을 흡수하도록 되어 있다. 그레이 로드는 상기 원자로의 냉각제 내에서 수용성 보론의 밀도를 변화시킬 필요가 있는 화학적 조조정(粗調整)(chemical shim)과 반대인 기계적 심(MSHIM)의 반응도 제어 메커니즘을 제공한다고 알려져 있다. 따라서, 그레이 로드를 사용하면 일일 단위로 주 원자로의 냉각제를 처리할 필요성이 최소화되며, 그에 따라 동작이 상당히 단순화된다. 이러한 반응도 제어 기능은 완전한 전력 동작시 및 부하 추종시의 양자 모두에 사용된다. 더욱 구체적으로는, 기존의 그레이 로드 제어 조립체의 설계는 24개의 로드릿(rodlets)으로 구성되는데 이들 로드릿의 상단이 상기 스파이더에 고정되어 있다. 상기 클러스터 내의 24개의 로드릿 중에서, 4개의 로드만이 흡수 로드이고, 상기 흡수 로드 내에 에워싸인 상기 중성자 흡수 재질은 통상적으로 약 80%의 은(Ag), 약 15%의 인듐(In), 약 5%의 카드뮴(Cd)를 함유하는 합금으로 구성된다. 이러한 설계에 의해 여러 가지 단점이 나타난다.
공지의 은-인듐-카드뮴 그레이 로드 제어 조립체 설계의 단점들 중에서, 인듐 및 카드뮴은 비교적 큰 중성자 단면을 가짐으로써 비교적 짧은 기간에 감소된다고 하는 점이 있다. 결과적으로, 그러한 그레이 로드 제어 조립체의 설계를 할 가치가 있는 로드는 사용량과 설계에 따라 약 5년 내지 10년의 범위 내에서 수용할 수 있는 값 밑으로 감소한다. 그 밑에서 계속 사용하면 더욱 감소되어 그레이 로드 제어 조립체는 결국 추종 부하 동중에 상기 원자로를 제어나 완전한 전력으로 반응도를 제어하는 것이 비효율적으로 된다. 이 때문에 바람직하지 못하지만 그레이 로드 제어 조립체가 빈번하게 교체되게 된다. 또 하나의 단점은 상기 골무형 로드를 포함하는 4개의 안내 골무형 부분에 인접한 연료 로드에 대한 국부적인 로드 전력의 변화에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 흡수재는 공지의 설계로 된 4개의 로드릿에 한정되어 있기 때문에, 예를 들어, 흔히 연료 로드의 델타 전력이라고 하는 비교적 큰 전력 변화가 로드를 빼내는 동안 발생한다. 로드를 빼내는 것은 상기 연료 조립체로부터 상기 그레이 로드 제어 조립체를 인출하는 과정이다. 공지의 그레이 로드 제어 조립체에 있어서, 로드 인출은 연료 파손의 위험 증대를 나타내는 허용가능 한계보다 더 클 수 있는 인접한 연료 로드의 델타 전력 스파이크(spike)를 초래한다. 공지의 설계의 수정 예이고 모든 24개의 로드릿 중에서 균일하게 분포된 더 작은 량의 은-인-카드뮴을 포함하는 그레이 로드 제어 조립체의 설계가 이러한 문제를 완화할 수 있다. 그러나, 이러한 설계는 또한 상기 인듐과 카드뮴의 낮은 자기 보호성으로 인해 아주 빠른 속도로 감소될 것이고, 5년 이내에 감소되어 허용 가능한 로드의 량 밑으로 될 것이다. 또한, 은 합금 제어 로드 설계의 변형을 초래한 조사(irradiation)로 인한 흡수 로드의 팽창(swelling)은 수년간 당업계의 오래된 문제였었다. 구체적으로, 은과 인듐을 중성자 조사에 노출하면 상당한 량의 카드뮴과 주석이 형성되게 되고, 이는 재료의 밀도 변화로 인한 팽창으로 이어질 수 있다. 상기 흡수 로드가 너무 많이 팽창하면 상기 흡수재가 접촉하여 그를 에워싼 피복을 부수게 될 것이다.
상기 양이 감소된 그레이 로드는 통상적으로 상기 원자로를 폐쇄하거나 총 반응도 제어 능력을 제공하는데 이용되는 표준(또는 블랙) 로드 클러스터 제어 조립체 제어 로드보다 상당히 더 낮은 반응도 가치를 갖도록 의도된다. 그레이 로드의 상기 목표 반응도 가치는 상기 발전소의 활용과 의도하는 운영 전략에 따라 변할 수 있다. 또한, 상기 그레이 및 블랙 제어 로드의 양자 모두가 상기 원자로 내에서 다른 구성요소와 동일한 인터페이스(interface)를 갖는다면, 그레이 제어 로드는 동일한 발전소에서 사용되게 될 블랙 제어 로드의 중량과 유사하여야 한다. 그레이 제어 로드의 반응도 가치와 중량은 선택된 재료와 상기 로드의 최종적인 구성에 의해 결정될 수 있다. 통상, 단일의 흡수재를 사용하는 것이 상기 중량과 반응도 가치의 요건의 양자 모두를 만족하는 것은 아니다. 따라서, 원자로에 대한 그 레이 로드 제어 조립체에 있어서는 개선의 여지가 있다.
이들 필요성과 기타의 필요성은, 개선된 중성자-흡수재, 개선된 그레이 로드 조립체 및 추종 부하의 동작을 수용하게 되어 있고 통상 그것과 관계되는 공지의 악조건들을 극복하도록 되어 있는 그레이 로드 조립체를 분배하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체(GRCA)를 지향하는 본 발명에 의해 충족된다.
본 발명의 일 측면으로서, 원자로의 로드 제어 조립체용의 그레이 로드는 제 1 단, 제 2 단, 외경 및 길이를 가지는 세장형의(elongated) 관형 부재; 일반적으로 상기 제 1 단을 향하는 상기 세장형의 관형 부재 안에 위치하되, 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안(barns)의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 중성자 흡수재를 포함한다.
본 발명의 다른 측면으로서, 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체는 복수의 그레이 로드를 포함하되, 상기 그레이 로드의 각각은 제 1 단, 제 2 단, 외경, 길이, 일반적으로 상기 제 1 단을 향하는 상기 세장형의 관형 부재 안에 위치하되 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 중성자 흡수재를 포함한다.
상기 중성자 흡수재는 상기 복수의 그레이 로드 조립체들 중 상기 모든 그레이 로드 조립체 중에 분포할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 개선된 그레이 로드 제어 조립체는 24개의 그레이 로드를 포함할 수 있는데 여기에서 상기 중성자 흡수 재는 상기 조립체의 24개의 모든 그레이 로드 중에 일반적으로 균일하게 분포되어 있다.
본 발명의 또 하나의 측면으로서, 원자로는 원자로용의 그레이 로드 제어 조립체를 가지고, 상기 그레이 로드 제어 조립체는 복수의 그레이 로드를 포함하는데 여기에서 상기 그레이 로드의 각각은 제 1 단, 제 2 단, 외경, 및 길이, 일반적으로 상기 제 1 단을 향하는 상기 세장형의 관형 부재 안에 위치하되 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 중성자 흡수재를 포함한다.
첨부의 도면을 참조하면서 읽는 경우 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명으로부터 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
기재를 간단하게 하기 위해서, 상업적으로 AP1000호로서 알려져 있는 가압 수형 원자로(PWR)의 심 설계를 참조하면서 본 발명을 설명한다. 상기 AP1000은 웨스팅하우스 일렉트릭사의 원자로 설계이다. 웨스팅하우스 일렉트릭사는 펜실배니어주 먼로빌(Monroeville, Pensylvania)에 사업 부지를 가지고 있다. AP1000을 참고하는 것은 예시의 목적일 뿐 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 예시적인 그레이 로드 제어 조립체의 설계가 다른 다양한 원자로의 설계에 응용됨을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 위로, 아래로, 상부, 저부, 좌측, 우측과 같은 여기서 사용된 방향성의 문구 및 그 파생어는 명시적으로 기술되지 않았다면 도면에 도시된 구성요 소의 방향을 나타내는 것으로서 청구범위를 제한하는 것은 아니다.
여기에 채용된 바와 같이, 둘 이상이 부분이 서로 "연결"되어 있다는 문장은 상기 부분들이 직접적으로 또는 하나 이상의 중간 부분들을 통해 결합되어 있음을 의미한다.
여기에 채용된 바와 같이, 용어 "수 많은"은 하나 이상(예, 복수)을 말한다.
연료 조립체
도면, 특히 도 1을 참조하면, 수직으로 짧게 된 형태로 나타나고 일반적으로 도면부호 10으로 지정된 원자로의 정면도가 도시되어 있다. 상기 연료 조립체(10)는 가압 수형 원자로에서 사용되는 형태이고 상기 원자로(미도시)의 심 영역의 하부 심 지지판(14) 상의 연료 조립체(10)를 지지하기 위한 바닥 노즐(12)과, 그 상단부의 상부 노즐(16)과, 사이에서 길이 방향으로 연장되어 있으면서 상기 바닥 노즐(12) 및 상부 노즐(16)에 양단에서 견고하게 부착된 수 많은 안내관(또는 골무형 부재)(18)을 포함하는 구조 골격을 갖는다.
연료 조립체(10)는 축선 방향으로 간격을 두고 나란하며 상기 안내관(18)에 장착된 복수의 횡단 그리드(20), 횡 방향으로 간격을 두되 그리드(20)에 의해 지지되는 정리된 배열의 세장형 연료 로드(22)를 추가로 포함한다. 상기 연료 조립체(10)는 또한 그 중앙에 위치하면서 바닥 노즐(12)과 상부 노즐(16)의 사이로 연장되고 이들 노즐에 장착된 기구 튜브(24)를 갖고 있다. 부품의 상기 배열을 고려할 때, 연료 조립체(10)가 이 연료 조립체의 부품에 손상을 주지 않고 편리하게 처리될 수 있는 통합 유니트를 형성함을 알 수 있을 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 연료 조립체(10) 내의 상기 배열의 연료 로드(22)는 상기 연료 조립체의 길이를 따라 간격을 두고 있는 그리드(20)들에 의해 서로 간격을 두고 유지되어 있다. 각각의 로드(22)는 핵 연료 펠릿(26)을 포함하고 상단 플러그(28) 및 하단 플러그(30)에 의해 그 양단이 폐쇄되어 있다. 상기 핵 연료 펠릿(26)은 상단 플러그(28)와 상기 펠릿의 스택의 상부의 사이에 위치하는 플레늄 스프링(32)에 의해 스택 내에 유지되어 있다. 핵분열 재료로 구성된 상기 연료 펠릿(26)은 상기 원자로의 반응 전력을 생성하는데 관련된다. 물 또는 보론을 포함하는 물과 같은 액체 감속재/냉각제는 펌프로 위로 끌어 올려져 하부 심 지지판(14)의 복수의 유동 개구를 통해 상기 연료 조립체로 간다. 연료 조립체(10)의 바닥 노즐(12)은 상기 냉각제 위를 통과하여 안내관(18)을 통과하고 나서 상기 연료 조립체의 연료 로드(22)를 따르게 되어 있음으로써 유용한 작업의 생성을 위해 안에서 생성된 열을 추출한다. 상기 핵분열 과정을 제어하기 위하여, 수 많은 연료 로드(34)가 상기 연료 조립체(10)의 특정 위치에 위치하는 안내관(18) 내에서 왕복운동 가능한 상태로 이동할 수 있다. 상기 상부 노즐(16)의 위에 위치하는 스파이더 조립체(39)는 상기 제어 로드(34)를 지지한다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 연료 조립체(10)로부터 제거된 후의 제어 로드 조립체(36)을 도시하고 있다. 일반적으로, 상기 제어 로드 조립체(36)는 도 2b에 가장 잘 도시되어 있는 스파이더 조립체(39)를 포함하는 복수의 반경 방향 연장 아암(또는 반경 방향 연장 플류크)(38)을 가지는 원통형 부재(37)를 가진다. 앞서 설명한 바와 같이, 각 아암(38)은 상기 제어 로드(34)와 상호 연결되어 있음으로써 상기 제어 로드 조립체(36)가 상기 안내관(18) 내에서 상기 제어 로드(34)를 수직으로 이동시키도록 동작할 수 있고 이에 의해 상기 연료 조립체(10)(도 1)내의 핵분열 과정이 공지된 방식으로 모두 제어된다. 지금부터 설명하게 될 개선된 그레이 로드 조립체(34)를 가지는 개량형 그레이 로드 제어 조립체(GRCA)를 포함하는 예시적인 제어 로드 조립체를 예외로 하고, 앞의 모든 것은 이전부터 있던 것이며 일반적으로 당해 기술분야에서 공지되어 있다.
개량형
그레이
로드 제어 조립체
도 2a와 도 2b를 계속 참조하면서, 일반적인 제어 로드의 구성을 지금부터 설명한다. 앞서 기술한 바와 같이, 낮은 가치, 또는 그레이 로드, 웨스팅하우스 일렉트릭사의 AP1000 원자로용의 기존 제어 조립체와 같은 공지의 제어 로드 조립체에 의해 생긴 기계적 심(MSHIM)을 이용하기 위하여 그레이 로드 제어 조립체를 채용한다. 그러나, 현재의 AP1000 원자로의 설계를 위한 그레이 로드 제어 조립체의 설계는 앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 도 2b에 도시된 바와 같이 구성되는 24개의 로드를 가지는 반면에, 상기 그레이 로드 제어 조립체에 대해 목표하는 낮은 반응도 가치를 얻기 위하여, 이 24개의 로드 중 20개는 스테인레스 스틸(예, 무제한, SS-304)의 수치환(water displacing) 로드이고 상기 로드들 중 4개만이 중성자 흡수 로드이다. 그러므로, 상기 중성자 흡수 재료의 모두는 기본적으로 그레이 로드 제어 조립체 내에서 국부 집중하여 4개의 로드 위치로만 격리된다.
또한, 기존의 AP1000 설계에 있어서는, 상기 흡수 재료가 약 80%의 은, 약 15%의 인듐, 및 약 5%의 카드뮴으로 구성되는 은-인듐-카드뮴 합금 흡수재를 포함 하는데, 이는 상기 흡수 영역에 들어가는 대량의 모든 열 및 초열 에너지 중성자를 흡수할 것이다.이러한 중성자 흡수재는 당해 기술분야에서 "블랙" 흡수재로서 알려져 있다. 이러한 흡수 재료는 공지의 표준 장비 구비형의 로드 클러스터 제어 조립체(RCCAs)와 일치하며, 이 로드 클러스터 제어 조립체 내에서 모든 24개의 로드는 은-인듐-카드뮴이다. 기술한 바와 같이 그리고 도 3을 참조하면서 여기에서 설명하겠지만, 인듐과 카드뮴은 급속하게 감소되는 것으로 알려져 있다. 로드 클러스터 제어 조립체는 전력 동작 도중에 상기 심 내에서 최소량의 시간을 소모한다. 그러므로, 그러한 감소는 문제가 아니다. 그러나, AP1000 기계적 심(MSHIM)의 경우, 예를 들면, 상기 그레이 로드 제어 조립체는 상기 동작 사이클의 절반까지의 기간 동안 상기 심 내에 있을 것이 예상된다. 이러한 동작 상태하에서는, 상기 기존의 그레이 로드 제어 조립체의 설계는 금속한 흡수재의 감소로 인하여 약 5년 내지 10년마다 교체될 필요가 있을 것이다. 여기에서 상세히 설명하겠지만, 다른 이점들 가운데서도, 본 발명의 상기 개량형 그레이 로드 제어 조립체의 설계에 의해 이러한 급속한 감소의 단점이 극복되고 또한 4개의 로드 클러스터 제어 조립체의 로드를 가지는 종래의 그레이 로드 제어 조립체가 상기 심으로부터 당겨질 때 발생되는 바람직하지 않은 국부적 전력 스파이크가 실질적으로 회피된다.
도 3을 참조하면 앞서 설명한 흡수재 감소의 문제를 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다. 도 3은 서로 다른 두 개의 은 동위체에 대한 감소 속도, 서로 다른 두개의 인듐 동위 원소에 대한 감소 속도, 및 카드뮴에 대한 감소 속도의 그래프를 나타낸다. 더욱 구체적으로, 자체 차단이 최소화되는 그레이 로드 제어 조립체의 설계를 위해, 은-107(Ag-107), 은-109(Ag-109), 인듐-113(In-113), 인듐-115(In-115) 및 카드뮴(Cd)이 비교를 위해 선(100)(102)(104)(106)(108)으로서 함께 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 은(100)(102)의 양 동위체는 비교적 늦은 감소 속도를 가지는 반면에, 인듐-115, 106 및 카드뮴 108은 급속한 감소 속도를 갖는다. 구체적으로, 인듐-115, 106 및 카드뮴 108의 급속한 감소는 이러한 설계를 위해 단 5년만 지나도 약 20%의 흡수 강도의 손실이 초래된다. 추종 부하의 동작 특성의 변화는 그레이 로드 제어 조립체의 손실이 약 5% 정도로 작은 웨스팅하우스사의 AP1000에 있어서는 문제가 될 수 있다. 그레이 로드 제어 조립체 설계의 초기 로드 량이 상기 예상된 감소를 보상하기 위하여 증대되어 그레이 로드 제어 조립체의 수명을 연장시킨다면, 그레이 로드 제어 조립체의 인출로 인한 심의 전력 분포에 대한 영향이 그이 따라 증가하여 연료 파손의 위험성이 증대될 것이다. 이상 기술한 바와 같이, 블랙 중성자 흡수재 동위체의 급격한 감소는 추종 부하 도중에 상기 원자로를 제어하기 위한 상기 그레이 로드 제어 조립체의 능력 감소를 초래하여, 결국 그레이 로드 제어 조립체를 빈번하게 교체하게 된다. 본 발명은 다른 개선사항 중에서도 기존의 은-인듐-카드뮴 흡수재와 비교하여 감소가 개선된 다른 중성자 흡수 재료를 채용하는 개선된 그레이 로드 제어 조립체를 채용함으로써 상기의 단점을 극복한다.
구체적으로, 도 4는 기존의 은-인듐-카드뮴 흡수재(112)를 포함하는 동일한 초기 량을 가지는 그레이 로드 제어 조립체와 비교한 본 발명의 예시적 흡수 재료(110)을 포함하는 그레이 로드 제어 조립체의 상대 로드 량의 구성을 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 양 설계는 모든 그레이 로드 제어 조립체의 로드릿에서 균일한 흡수재 분포를 포함함으로써 전력 배분의 영향을 최소화한다. 도 3의 그래프처럼, 로드 량의 변화가 수년간 흡수재(110)(112)의 상대적인 량 대 수명을 통해 나타나 있다. 그레이 로드 제어 조립체에서 사용된 흡수재(110)가 중성자 조사에 장기간 노출된 상태하에서 서서히 변화하거나 기본적으로 평활한 감소를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 동작은 전력 동작 동안에 상기 심 내에서 정상적으로 동작하지 않는 표준 블랙 로드 클러스터 제어 조립체와는 반대로 그레이 로드 제어 조립체에 대해서는 통상적이며, 따라서 많은 조사를 받지 않는다. 구체적으로, 본 발명은 기존의 은-인듐-카드뮴 흡수재(112)를, 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안(barns)의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 흡수재(110)로 대체하고 있다. 상기 초열 및 빠른 중성자 에너지 범위에 있어서의 상대 흡수 능력과 최종적인 감소 산물의 흡수 단면 특성이 또한 그레이 로드 제어 조립체에 대한 예시적인 흡수 재료를 선택하는 데 있어서 고려될 수 있다. 상기 흡수재(110)는 상기 그레이 로드 제어 조립체의 로드릿 내의 원통형 형상으로 배열될 수 있다. 또한, 상기 흡수재(110)는 축선 방향으로 분할될 수 있거나 상기 실린더의 전체 축선 방향 길이까지를 포함하는 중실(solid)의 조각일 수 있다. 적절한 흡수재 재료의 제한 없는 예는 거의 또는 완전한 이론적 밀도의 실질적으로 순수 텅스텐; 감소된 밀도 또는 다공성 텅스텐 금속; 텅스텐-레늄(rhenium) 및 텅스텐-니켈-철과 같은 텅스텐 계열 합금; 텅스텐 카바이드와 같은 텅스텐 계열 화합물; 실질적으로 순수한 스칸듐,이테르븀 및 망간; 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 합금, 및 스칸듐-, 이 테르븀- 및 망간-계열 화합물을 포함하지만 그에 제한되지는 않는다. 여기에서 사용된 바와 같이, 상기 "실질적으로 순수한" 및 "순수한"이라는 문구는 교환될 수 있게 사용되어 전적으로 거의 구성요소(예, 텅스텐, 스칸듐, 이테르븀 또는 망간)로 구성되는 흡수재를 말하며, 여기에서 상기 흡수재에 존재하는 임의의 불순물은 아주 소량이어서 일반적으로 무시할 수 있다. 상기 예시적인 흡수재(110)에 대한 도 4에 도시된 상대 로드 량의 거동을 나타낸 것은 상기 주 중성자 흡수재로서 순수한 텅스텐을 사용하는 것에 기초하는 그레이 로드 제어 조립체에 대한 것이다.
예를 들어, 은, 은-인듐-카드뮴, 보론, 하프늄 등과 같은 대체 흡수재 대신에 본 발명의 흡수재(110), 예를 들어, 텅스텐을 사용하면 다음과 같은 이점들 중 적어도 하나를 얻게 된다. 텅스텐에 대한 비교적 낮은 포획 단면은 다른 검은 흡수재에 대해 상기 흡수재의 감소가 늦어진다. 텅스텐 계열의 흡수재(110)의 그레이 로드 제어 조립체의 설계의 상기 로드 량은 레늄-187의 생성으로 인하여 도 4에 도시된 바와 같이 초기에 발생하는 약간의 증가 경향과 함께 비교적 안정되게 된다. 상기 레늄-187은 텅스텐-186에 있어서 중성자 흡수와 이어지는 텅스텐-187의 베타 붕괴의 결과로서 생성된다. 레늄-187의 중성자 흡수 단면은 친동위체(parent isotopes)보다 더 넓어서 상기 텅스텐에 초기에 존재하는 모든 흡수 동위체의 완만한 감소를 거의 균일하게 보상하고, 상기 중성자 흡수에 부정적인 영향을 미치지 않으며 그에 따라 그레이 로드 제어 조립체의 유용성에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 상기 텅스텐 흡수재의 량은 심의 조사 이력에 있어서 20년에 걸쳐서 약 3% 내지 5%까지 증가하고, 그 후에는 그 량이 서서히 감소하기 시작할 것이라고 계산 된다. 스칸듐, 이테르븀 또는 망간 계열의 다른 가능성 있는 흡수재가 또한 상기 낮은 중성자 포획 단면으로 인하여 그레이 로드 제어 조립체의 비교적 평활한 감소를 가질 것으로 예상될 것이다. 그러나, 이들 재료는 임의의 강력한 중성자 흡수 동위체로 변하는 것이라고 알려져 있지 않으므로, 아마도 시간 대 로드 량의 단조로운 감소를 나타낼 것이다. 텅스텐 흡수재에 있어서, 상기 그레이 로드의 설계 수명 전체에 걸쳐서 재료 성질의 큰 변화를 초래하는 변환 반응이 최소화될 것이다. 순수한 텅스텐에 장기간에 걸쳐 중성자를 조사하면 원래의 재료와 동일한 중성자 포획 단면과 재료의 성질에 근접한 것을 가지는 텅스텐-레늄이 생성될 것이다. 텅스텐의 평활한 감소량 곡선은, 검은 흡수재와 함께 20% 정도로 높아질 수 있는 흡수재 감소 효과를 보상하기 위해 로드의 량을 지나치게 설계해야 할 필요 없이, 상기 그레이 로드의 초기 설계를 고려하여 이상적인 목표 로드 량을 일치시킨다. 이상적인 목표 로드 량에 대해 설계되지만 20% 이상까지 지나치게 설계되지는 않는 그레이 로드가 (상기 연료 로드의 낮은 델타 전력으로 인하여) 상기 원자로 내에서 펠릿 대 피복층 간의 상호작용 관련의 연료 파손을 일으킬 위험성을 덜 초래하며, 따라서 상기 원자로 냉각제 내에서 방사능도 적어진다. 텅스텐은 은-인듐-카드뮴 흡수재와 같이 팽창하지 않으므로 은-인듐-카드뮴 설계와 관련된 피복 크래킹의 관심을 제거할 것이다. 더욱이, 텅스텐은 개선된 사고 생존 가능성을 초래할 수 있는 은-인듐-카드뮴의 융점보다 상당히 더 높은 융점(각각 6192°F와 1472°F)을 갖는다. 결과적으로, 텅스텐 흡수재는, 예를 들어, 은 또는 은 합금 흡수재보다 원자로의 동작 상태에서는 덜 변형될 것으로 생각된다. 또한, 원자로 내에서 텅스텐이 활 성화되면 은에 비해서 훨씬 더 낮은 방사능 소스 조건(source term)이 초래될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 흡수재는 거의 또는 완전한 이론적 밀도의 실질적으로 순수한 텅스텐; 텅스텐-레늄 및 텅스텐-니켈-철과 같은 텅스텐 계열 합금; 텅스텐 카바이드와 같은 텅스텐 계열 화합물; 실질적으로 순수한 스칸듐,이테르븀 및 망간; 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 합금, 및 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 화합물을 포함하고, 상기 흡수재(110)는 16.5 내지 19.4g/cm3의 재료 밀도를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 AP1000 적용을 위한 것이고, 실질적으로 순수한 텅스텐과 같은 흡수재가 약 19.3g/cm3의 재료 밀도를 가지면서 사용된다. 또한, AP1000의 경우, 2200m/s의 중성자 흡수의 10 내지 30 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 재료가 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 텅스텐 흡수재(110)를 사용하면 상기 흡수재의 감소 속도가 상당히 감소되고, 20년 및 그 이상까지 개선된 그레이 로드 제어 조립체(36)(도 2a)의 유용한 핵 수명이 연장된다.이는 기존의 은-인듐-카드뮴 흡수재용으로 약 5년 내지 10년의 앞서 설명한 유용한 수명에 걸친 극적인 개선일 뿐만 아니라 예시적인 흡수재(110)의 량이 상기 은-인듐-카드뮴 흡수재(112)의 급속한 감소와는 반대로 비교적 일정하게 유지된다.상기 예시적인 흡수재(110)의 연장된 유용한 수명으로 인해 상기 개선된 그레이 로드 제어 조립체(36)가 요구하는 제어 로드의 수명 요건을 충족할 수 있다.
도 5와 6은 본 발명의 개량형 그레이 로드 조립체(34)를 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 그레이 로드 조립체(34)는 상기 심(도 1) 내에서 지향되는 바와 같이 바닥 단인 제 1 단(40)과 제 2 단(42)(예, 도 1의 조망으로부터 상단)을 일반적으로 포함한다. 제 1 단(40)은 테이퍼진 단 플러그(44)를 갖는다. 이러한 테이퍼진 설계에 의해 연료 조립체(10)(도 1)의 안내관(18)(도 1)으로의 로드(34)의 삽입 안내가 용이해진다. 제 2단(42)은 공지의 방식(예. 제한 없이,보충의 수/암 나사 고정 장치)으로 스파이더 조립체(39)(도 2a에 가장 잘 도시되어 있음)에 결합하여 고정하도록 구성된 상단 플러그(46)를 갖고 있다. 세장형의 관형 부재(48)는 상단 및 바닥 단 플러그(46, 44)의 사이에서 연장되어 있다. 비록 이들에 제한되지는 않지만 지르코늄 및 니켈 계열 합금과 같은 다른 공지의 또는 적절한 대체 재료로 만들어진 관이 고려되었지만, 상기 예시적인 관형 부재는 304-스테인레스 스틸로 만들어진 스테인레스 스틸 관(48)이다. 여기에서 도시되고 설명된 실시예에 있어서, 상기 관(48)의 외경(50)은 약 0.38 인치(0.97 센티미터)이고 상기 바닥 단 플러그(44)의 상부로부터 상기 상단 플러그(46)의 바닥까지의 상기 로드(34)의 전체 길이(52)는 약 175인치(444.5 센티미터)이다. 그러나, 본 발명의 개념은 다양한 원자로에서 사용하기 위해 임의의 적절한 길이와 폭을 가지는 로드에 동등하게 적용할 수 있음을 알아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 흡수재(110)는 세장형의 관형 부재(48) 안에 수용되어 상기 관형 부재(48)의 내경을 실질적으로 채울 크기로 되어 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 흡수재(110)의 외경은 0.15 내지 0.40 인치이고; 상기 관형 부재(48)의 외경은 0.37 내지 내지 0.45 인치이다. 다른 실시예에 있어서, 예를 들어 AP1000에 사용하기 위하여, 상기 흡수재(110)의 외경은 0.17 내지 0.35 인치이고; 상기 관형 부재(48)의 외경은 0.37 내지 0.39 인치이다. 상기 흡수재(110)는 밀도가 감소되거나 다공성의 텅스텐 금속; 텅스텐 계열 합금, 또는 텅스텐 계열 화합물을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 흡수재(110)는 일반적으로 상기 세장형의 관형 부재(48)의 내에 위치하고 있다. 또한 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 흡수재(110)는 우선은 내부 지지관(58)에 의해 그리고 그 다음으로는 상기 세장형의 관형 부재(48)에 의해 이중 봉입(double-encapsulated)될 수 있다. 상기 내부 지지관(58)은 상기 흡수재(11)를 실질적으로 에워싸서 봉입하기 위한 슬리브로서 구성되어 있고, 상기 세장형의 관형 부재(48), 즉, 피복층(cladding)은 상기 흡수재(11)를 분리하여 상기 주 냉각수로부터 내부 지지관(58)을 지지한다. 상기 내부 지지관(58)은 상기 예상되는 동작 조건에서 훌륭한 기계적 강도와 열전도 특성을 가지는 금속으로 구성되어 있다. 또한, 상기 융점은 상기 흡수재에 인접한 환경에서 연속적인 품질을 유지하기 위해 충분히 높아야 한다. 상기 내부 지지관(58)용의 적절한 재료는 지르코늄과 지르코늄 계열 합금; 알루미늄과 알루미늄 게열 합금; 합금 718(UNS N07718) 및 합금 625(UNS N06625)와 같은 니켈 계열 합금; SS-304L 및 SS-316L과 같은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있지만 이들에 제한되지는 않는다. 상기 내부 지지관(58)은 그 양단이 피복(capped)되어 있어서 상기 세장형의 관형 부재(48)에 파열이 있는 경우에 상기 흡수재(110)를 격리한다. 상기 내부 지지관(58)은 또한 상기 흡수재(110)로부터의 열전달을 용이하게 하여 상기 흡수재(11)를 구조적으로 지지한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내부 지지관(58)은 열전달을 용이하게 하여 구조적으로 지지하는 것 외에, 중성자의 흡수 향상 및/또는 로드릿 중량의 최적화를 이루기 위해 선택될 수 있는 제 2 흡수재로 구성될 수 있다. 상기 제 2 흡수재는 상기 흡수재(110), 즉 주 흡수재의 포획 단면보다 더 낮은 포획 단면을 가질 수 있다. 상기 제 2 흡수재는 2200 m/s 중성자 흡수의 2 내지 6 바안의 미세한 포획 단면을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 흡수재는 7 내지 9 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 적절한 제 2 흡수재의 제한 없는 예는 합금 718(UNS N07718) 및 합금 625(UNS N06625)와 같은 니켈 계열 합금; 및 SS-304L 및 SS-316L과 같은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있지만 이들에 제한되는 것은 아니다.
어떤 이론에도 구속되지 않고서, 상기 제 2 흡수재의 상기 비교적 낮은 중성자 포획 단면은 상기 주 흡수재의 상기 비교적 높은 중성자 포획 단면 카운터 밸런싱(counter-balance)시키는 역할을 한다.마찬가지로, 상기 제 2 흡수재의 상기 비교적 낮은 밀도는 상기 주 흡수재의 상기 비교적 높은 밀도를 카운트 밸런싱시키는 역할을 한다. 상기 주 흡수재 및 제 2 흡수재 용으로 선택된 상기 상대적인 비율과 재료를 제어함으로써, 목표 값에 대한 로드의 량과 중량의 양자 모두를 동시에 최적화하는 한편, 이와 동시에 열전달 특성을 크게 향상시키는 그레이 로드 제어 조립체의 설계를 확보하는 것이 가능하다. 상기 슬리브 및/또는 상기 피복층은 이들 에 제한되지는 않지만 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 충진되어 높은 작동 온도에서 상기 주 흡수재가 산화되는 것을 방지할 수 있고, 또한 열전달을 개선할 수 있다. 상기 슬리브나 상기 피복층에 있어서, 상기 주 흡수재는 적당한 원형의 원통의 스택, 단일의 원통 또는 입자(예, 분말(powder))의 형태로 될 수 있다.
본 발명의 상기 중성자 흡수재는 상기 세장형의 관형 부재(48)의 안에 실질적으로 동심원 형상으로 위치할 수 있다. 본 발명의 상기 중성자 흡수재는 또한 상기 내부 지지관(58)의 안에서 실질적으로 동심원 형상으로 위치할 수 있고 상기 내부 지지관은 상기 관형 부재(48)의 내에 위치할 수 있다. 상기 내부 지지관(58)은 상기 흡수재(110)의 외경과 상기 세장형의 관형 부재(48) 사이의 공간에 의해 실질적으로 형성된 벽 두께를 가질 수 있다. 도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 상기 예시적인 흡수재(110)의 외경(54)은 상기 세장형의 관형 부재(48)의 외경(50)보다 더 작다.
상기 내부 지지관(58)은 상기 관형 부재(48)의 벽 두께보다 더 클 수 있는 벽 두께(60)를 가진다. 상기 내부 지지관(58)은 상기 주 흡수재와 높은 열 전도 재료를 가지는 상기 외부의 피복층 사이의 직경 방향의 간극의 일부를 대체하는 역할을 할 수 있음으로써, 상기 주 흡수재로부터 나와서 상기 냉각제로 가는 열전달을 용이하게 하여 상기 그레이 로드의 동작 온도를 상당히 감소시킨다. 상기 내부 지지관(58)은 또한 상기 주 흡수재를 지지하여 봉입시킬 수 있어서 상기 외부의 피복층에 예상치 못한 파괴가 있는 경우에 상기 주 흡수재를 임의로 재분포할 가능성이나 상기 냉각제에 대해 상기 주 흡수재를 내어 놓을 가능성을 감소시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 흡수재(110)의 외경은 0.10 내지 0.38 인치이고; 상기 관형 부재(48)의 외경은 0.37 내지 0.45 인치이며, 상기 내부 지지관(58)의 벽 두께는 0.01 내지 0.10 인치이다. 다른 실시예에 있어서, 예를 들어 AP1000에 사용하기 위하여, 상기 흡수재(110)의 외경은 0.16 내지 0.24 인치이고; 상기 관형 부재(48)의 외경은 0.37 내지 0.39 인치이며; 상기 내부 지지관(58)의 벽 두께는 0.05 내지 0.07 인치이다.
따라서, 본 발명의 상기 예시적인 그레이 로드 조립체(34)는 여기에 기재된 흡수재의 사용을 통해서 핵 수명을 연장한다. 본 발명의 전체적인 그레이 로드 제어 조립체의 설계(36)는 또한 일반적으로 로드를 조작하는 동안에 선형적인 발열율의 한계(linear heat rate margins)를 개선한다. 구체적으로, 상기 예시적인 그레이 로드 제어 조립체는 앞에서 설명한 기존의 AP1000의 설계에서와 같이 단 4개의 로드만의 상기 흡수재를 국부 집중시키는 것과 반대로 상기 제어 조립체(36)의 모든 24개의 로드(34)의 전체에 걸쳐 상기 흡수재(11)를 분포시킨다. 상기 모든 그레이 로드 제어 조립체의 가운데에 상기 흡수재(110)를 분포시키면 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)가 상기 심으로부터 제거될 때의 국부적인 연료 로드 전력(델타 전력)의 변화가 감소될 수 있고, 이는 다시 동작 한계를 개선한다. 구체적으로, 전체 24개의 로드에 걸쳐서 상기 흡수재(110)를 분포시키면 각 로드(34)에 있어서 흡수재(110)의 양이 감소하고, 이는 로드가 당겨지는 동안에 각 로드(34)의 근처에서 국부적인 반응도의 크기 변화를 감소시킨다. 현재 설계의 은-인듐-카드뮴 흡수재와 비교하여, 흡수재(110)의 양에 있어서의 정확한 감소량이 본 발명을 제한하고 있음 을 의미하는 것은 아니다.
상기 사항을 고려할 때, 상기 예시적인 그레이 로드 조립체(34)는, 내부 지지관(58); 제 2 흡수재에 의해 봉입된 주 흡수재의 조합을 포함하는 포함하는 완전히 서로 다른 흡수재, 높은 중성자 흡수재의 감소된 량, 및 모든 로드(34) 속에서의 상기 흡수재의 분포와 같은 개선된 특징들의 조합을 포함하도록 재설계되었다. 따라서, 본 발명의 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)은 로드(34)당 중성자 흡수재(110)의 양을 감소시키고 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)의 모든 그레이 로드(34)의 가운데에 상기 흡수재(110)를 실질적으로 균일하게 분포시킴으로써 당해 기술 분야에서 공지된 상기한 단점에 대한 조치를 취하여 이들 단점을 실질적으로 극복한다. 상기 예시의 개량형 그레이 로드 제어 조립체(36)의 설계는 도 7 및 8을 참조하면 더욱 잘 이해되고 알 수 있을 것이다.
도 7은 종래의 연료 조립체(10')의 1/8의 개략도 또는 단순화된 도면인데 상기 종래의 연료 조립체는, 도 8의 상기 예시된 설계와 비교를 위하여, 상기 종래의 그레이 로드 제어 조립체(미도시)가 상기 연료 조립체(10')로부터 빼내어질 때 상기 흡수재의 로드(도 7에는 도시되지 않음)를 앞서 포함하였던 안내관(18')을 에워싸는 상기 연료 로드(22')가 겪는 국부적 전력의 비교적 큰 증가를 나타낸다. 도 7에 도시된 수자는 상기 연료 조립체(10')로부터 당겨지고 있는 상기 그레이 로드 제어 조립체에 따른 로드 전력의 퍼센트 변화를 나타낸다. 공지의 국부 집중 흡수재의 악영향이 나타난다. 구체적으로, 도시된 바와 같이, 상기 은-인듐-카드뮴 흡수재를 수용한 안내관(18')에 인접한 연료 로드(22')는 전력 변화에 있어서 격리되 거나 국부 집중된 스파이크(spike)를 경험한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 극적인 전력 변화는 펠릿 대 피복층 간의 상호작용으로 인한 연료 파손을 일으키기 때문에 바람직하지 않다.
도 8은 본 발명의 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)의 설계(도 2)가 이들 문제점을 극복한다는 것을 확인해 주고 있다. 구체적으로, 도 8을 도 7과 대비해 보면, 상기 연료 조립체(10)의 상기 동일한 1/8 부분이 도시되어 있으며 그에 이어서 상기 예시적인 그레이 로드 제어 조립체(36)(도 2) 및 그레이 로드(34)(도 2, 5 및 6)가 상기 연료 조립체(10)으로부터 인출되는 로드의 인출 동작이 이루어진다. 도시된 바와 같이, 상기 흡수 로드(도 8에는 도시하지 않음)를 수용한 상기 안내관(18)을 에워싸는 로드 전력의 상기 변화는 도 7의 예의 값과 비교하여 실질적으로 감소된다. 구체적으로, 도 8의 예에 도시된 바와 같이, 본 발명의 그레이 로드 제어 조립체(36)에 대한 로드 전력의 최대 퍼센트 변화는 약 7%이다. 이는 도 7에 기재된 종래의 그레이 로드 제어 조립체의 설계에 대해 약 22%의 로드 전력의 퍼센트 변화에 의한 상당한 개선이다. 앞서 설명한 바와 같이, 이들 개선은, 합계 4개만의 안내관(18')의 위치와는 반대로, 대부분, 24개 모두의 안내관(18)의 위치 속에 상기 흡수 로드(34)(도 8에서는 도시되지 않음)의 상기 예시적인 분포에 기인한다. 예를 들면, 도 7의 연료 조립체(10')의 1/8 부분에 도시된 단 하나 만의 안내관(18')의 위치가 있는 반면 상기 안내관(18)의 위치는 도 8의 상기 예시적인 설계에 도시되어 있다. 요약하면, 상기 흡수재(110), 로드(34)당 감소된 흡수재 크기,상기 흡수재의 내부 지지관(58), 및 본 발명의 그레이 로드 제어 조립체(36) 의 모든 로드(34)에 걸친 상기 흡수재(110)의 상기 분포를 조합하면 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)의 각 로드(34)의 상기 중성자 흡수 능력이 약 1/6까지 감소함으로써, 이것이, 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)가 상기 연료 조립체(10)로부터 인출될 때, 국부적인 로드 전력(델타 전력)의 변화를 감소시킨다. 본 발명의 상기 그레이 로드 제어 조립체(36)의 상기 개량형 특징들이 각각 또는 공지된 임의의 조합 또는 적절한 임의의 조합으로 채용될 수 있음을 알아야 할 것이다. 예를 들면, 제한 없이, 여기에 기재된 상기 예시적인 흡수재(110) 이외의 대체 흡수재는, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는다면, 본 발명의 크기가 축소되고, 분포된 상기 예시적인 구성으로 채용될 수 있을 것이다.
줄어든 수의 로드(24개 중에서 4개)에 있어서 은-인듐-카드뮴을 사용하는 설계에 대한 상기 흡수 로드의 선형적인 발열율은 상기 안내관(18)의 내면과 상기 세장형의 관형 부재(48)의 외면의 사이에서 냉각수의 벌크 비등(bulk boiling)으로 이어질 수 있다. 제어 조립체의 모든 24개의 로드에 대한 흡수재(110)의 분포는 안내관의 벌크 비등의 발생을 최소화하거나 방지한다.
따라서, 본 발명은, 다른 이점들 중에서, 개선된 감소 속도, 로드 인출 도중의 국부적인 큰 전력 분포의 변화에 대한 저항성, 안내관의 벌크 비등에 대한 저항성, 및 흡수 합금의 팽창 및 피복층의 크래킹에 대한 저항성을 나타내는 개량형 그레이 로드 제어 조립체(36)를 제공한다.
결론
본 발명은 적은 량에 대한 개선된 설계, 또는 원자로용의 그레이 로드 제어 조립체(GRCA)에 관한 것이다. 그레이 로드 제어 조립체는 개량형 원자로의 개념으로 사용되어 상기 원자로에 의해 생성된 전력의 량을 제어할 목적으로 기계적 수단을 통해 양질의 반응도 제어 능력을 제공한다. 통상적인 그레이 로드 제어 조립체는 상기 원자로의 심 내에 위치하는 연료 조립체의 상기 안내관으로 24개까지의 그레이 로드릿 조립체의 삽입 및 인출을 제어하도록 구성된 스파이더 조립체를 포함한다.본 발명의 상기 개선된 그레이 로드 제어 조립체의 설계는 중성자 흡수재 및 구조적인 재료의 신규한 조합 및 배치를 포함하는 복수의 개선된 그레이 로드릿 조립체를 사용하는 것을 포함한다. 개선된 그레이 로드릿 조립체는 상기 그레이 로드 제어 조립체 내의 모든 이용가능한 로드릿 위치에서 사용되어 필요한 반응도 가치와 구성요소의 중량을 얻는 한편, 상기 연료 조립체 내의 연료 로드에 대한 그레이 로드 제어 조립체의 이동에 대한 국부적인 전력 분포의 영향을 최소화한다.
각각의 개선된 그레이 로드릭 조립체는 외부의 피복층의 안에서 내부 지지에 의해 지지되는 회색의 주 중성자 흡수재의 사용을 포함한다. 상기 주 중성자 흡수재는 원통형의 형상으로 설치된 실질적으로 순수한 텅스텐, 또는 유사한 중성자 흡수 단면과 밀도의 특성을 가지는 재료로 구성된다. 텅스텐은 그레이 로드 제어에 적용하기 위한 바람직한 주 중성자 흡수재인데 그 이유는 그것이 목표 범위 내의 중성자 흡수 단면을 가지고 중성자 조사에 장기간 노출시킨 상태에서 흡수재감소의 영향으로 인해 시간 경과에 따라 반응도 가치의 변화가 아주 적기 때문이다. 텅스텐은 또한 아주 높은 재료 밀도와 용융 온도를 가지고, 기타의 더욱 흔히 사용되는 검은 중성자 흡수재보다 조사에 의해 유발되는 팽창을 받는 경향이 덜하다. 기타의 요소를 포함하는 텅스텐 계열의 합금 또는 화합물은 또한 상기 개선된 설계에 있어서 주 중성자 흡수재로서 사용하기 위해 고려될 수 있다. 내부 지지관으로서 알려진 세장형의 관형 부재는 상기 주 중성자 흡수재를 지지하고 제한한다. 상기 내부 지지관은 니켈 합금, 스테인레스 스틸, 지르코늄 합금, 또는 핵 산업에서 경험이 있는 기타 유사한 구조의 재료로 구성되며, 이는 원자로의 냉각제에 노출되는 경우 어떤 악영향도 미치지 않을 것이다. 상기 내부 지지관은 열전달을 용이하게 하고, 구조적으로 지지하며, 외부의 피복층이 파괴된 경우에 상기 주 중성자 흡수재의 재분포 또는 누설을 방지하도록 의도되었다. 그러나, 상기 중성자 흡수의 단면과 상기 내부 지지관의 밀도는 또한 하기의 변수들이 긴밀하게 제어되는 경우에 상기 총 중성자 흡수 능력을 최적화하여 상기 그레이 로드릿 조립체에 대한 목표 중량을 얻는데 사용될 수 있다. 상기 내부 지지관과 상기 주 중성자 흡수재의 양자 모두는 상기 외부의 피복층으로서 알려진 세장형의 관형 부재의 안에 포함되어 있다. 상기 외부의 피복층은 통상 스테인레스 스틸이지만, 니켈 합금 또는 원자로의 냉각제에 대한 장기간의 노출을 포함하는 응용시에 성공적으로 사용되었던 핵 산업분야에서 경험이 있는 다른 유사한 구조의 재료로 구성될 수 있다. 상기 주 중성자 흡수재, 내부 지지관, 및 외부 피복층에 대한 재료의 크기 결정과 선택은 반응도의 가치, 총 구성요소의 량, 및 상기 개선된 로드릿 조립체의 열전달 특성의 동시 최적화를 고려한다.
상기 주 중성자 흡수재와 외부 피복층의 신뢰 가능한 장기간의 완전성이 확립되는 경우에, 내부 지지관의 사용을 제거하는 상기 그레이 로드 조립체의 다른 실시예가 채용될 수 있다.이러한 대체 형태는 필요한 반응도의 가치와 열전달 특성을 얻도록 되어 있는 한편, 총 구성요소의 중량을 최적화하지 않는 비용으로 제조 공정을 간단하게 하도록 될 수 있다. 상기 대체 형태의 상기 주 중성자 흡수재로서 사용하기에 적절한 재료는, 다음의 것에 제한되는 것은 아니지만 텅스텐-레늄 또는 텅스텐-니켈-청, 텅스텐 계열 화합물과 같은 다양한 텅스텐 금속 합금응 포함할 수 있고, 다음의 것에 제한되는 것은 아니지만 텅스텐 카바이드, 또는 밀도가 감소된 형태의 순수 텅스텐 금속을 포함할 수 있다. 선택된 재료에 따라, 상기 중성자 흡수재의 외경은 변할 수 있다. 상기 흡수재의 외경과 상기 외부 피복층의 내경의 사이에는 비교적 작거나 큰 반경 방향의 간극이 있을 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 더욱 희박한 중성자 흡수재가 사용되며, 상기 흡수재의 외경은 상기 외부 피복층의 내경을 거의 채울 수 있다.
본 발명에서 사용하기 위한 상기 주 중성자 흡수재는, 실린더 내에 배치된 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안(barns)의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함할 수 있다. 상기 흡수재는 중성자 조사에 대해 장기간 노출된 상태에서 서서히 변하거나 평활한 감소 량의 곡선을 가질 수 있는데, 이는 중성자 조사 많큼 거의 볼 수 없는 표준의 검은 로드 클러스터 제어 조립체(RCCA)와 구별하는데 사용될 수 있는 그레이 로드 제어 조립체의 필요 특성이다. 상기 흡수재는 축선 방향으로 분할될 수 있거나 상기 실린더의 전체 축선 방향 길이까지를 포함하는 중실의 조각일 수 있다. 상기 주 중성자 흡수재에 사용하기에 적절한 재료는 다음을 포함할 수 있다.:
A.) 이론 밀도에 가까운 밀도 또는 완전한 이론 밀도의 실질적으로 순수한 텅스텐 금속;
B.) 실질적인 량의 텅스텐, 및 다음의 것에 제한되는 것은 아니지만 W-Re 및 W-Ni-Fe과 같은 기타의 금속을 포함하는 합금;
C.) 텅스텐, 및 다음의 것에 제한되는 것은 아니지만 텅스텐 카바이드와 같은 기타의 요소를 포함하는 화합물;
D.) 실질적으로 순수한 스칸듐(Sc), 이테르븀(Yb), 또는 망간(Mn); 및
E.) Sc, Yb, 또는 Mn을 포함하는 합금 또는 화합물.
이들 재료는 여러 실시예에서 주 중성자 흡수재로서 사용될 수 있는데, 여기에서 상기 흡수재는 내부 지지관 및 피복층 내에 포함되어 있거나 상기 흡수재는 지지관의 존재 없이 상기 피복층 내에만 포함되어 있다. 또한, 지지관이 사용되지 않으며, 상기 주 중성자 흡수재는 또한 밀도가 감소되거나 다공성인 텅스텐 금속, 즉 이론 밀도보다 더 낮은 밀도를 포함할 수 있다.
그레이 로드 제품에서의 텅스텐 계열의 흡수재를 사용하면 다음의 이점들 중 적어도 하나를 얻을 수 있다.
A.) 텅스텐에 대한 비교적 낮은 포획 단면은 다른 검은 흡수재에 대한 상기 흡수재, 즉 은-인듐-카드뮴, 보론, 하프늄의 완만한 감소를 초래한다.
B.) 텅스텐에 대한 장기간의 중성자 조사에 의해 텅스텐-레늄 합금이 생성되는 경향이 있는데, 이는 원래의 재료와 동일한 중성자 포획 단면에 근접한 것을 가질 수 있고, 이에 의해 시간이 경과함에 따라 비교적 평활한 감소량을 초래한다.
C.) 상기 평활한 감소 량 곡선은 흡수재 감소의 영향을 보상하기 위해 상기 로드를 "지나치게 설계"하지 않고 목표 로드의 량에 대해 상기 그레이 로드의 설계를 최적화할 수 있으며, 이는 검은 흡수재를 이용하여 20% 이상이 될 수 있다.
D.) 상기 목표 로드에 대해 최적화되고 20% 이상 만큼 지나치게 설계되지 않은 그레이 로드의 설계는 상기 연료 로드의 낮은 "델타 전력"으로 인하여 상기 원자로 내에서 펠릿 대 피복층 간의 상호작용 관련의 연료 파손을 일으킬 위험성을 덜 초래하며, 따라서 결국 상기 원자로 냉각제 내에서 방사능도 적어질 수 있다.
E.) 텅스텐의 재료 밀도가 높으면 로드가 불완전하게 삽입되는 경우를 겪을 가능성이 덜한 더 무거운 중량의 그레이 로드 설계를 할 수 있다.
F.) 텅스텐의 상기 매우 높은 융점은 열적 고려사항으로 인하여 더 나은 사고의 안전성(accident survivability) 및 설계 제약의 감소로 이어질 수 있다.
본 발명에 사용하기 위한 상기 내부 지지관은 종래의 핵 산업의 경험을 가지는 구조 재료를 포함할 수 있고 원자로의 냉각제에 노출된다면 어떤 악영향도 일으키지 않는 것으로 알려져 있다. 상기 내부 지지관의 재료는 상기 예상되는 동작 조건에서 훌륭한 기계적 강도와 열전도 특성을 가지는 금속일 수 있다. 상기 허용된 서비스의 온도는 상기 흡수재 근처의 환경에서 연속적인 품질을 유지하기 위해서 충분히 높아야 한다. 상기 재료가 총 핵 흡수 능력을 최적화하고 상기 그레이 로드 조립체에 대한 목표 중량과, 2200 m/s 중성자 흡수의 2 내지 6 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 상기 재료를 획득하기 위해 선택되는 상기 실시예에 있어서, 7 내지 9g/cm3의 밀도가 또한 바람직하다. 상기 내부 지지관의 양단은 상기 외부 피복층이 파괴되는 경우에 상기 주 중성자 흡수재를 격리하기 위해 피복되어 있다. 상기 내부 지지관으로서 사용하기에 적절한 재료는 하기의 것들을 포함할 수 있다.
A.) 다음의 것에 제한되는 것은 아니지만 합금 718(UNS N07718) 및 합금 625(UNS N06625)를 포함하는 니켈 계열 합금;
B.) 다음의 것에 제한되는 것은 아니지만 SS-304L 및 SS-316L을 포함하는 스테인레스 스틸;
C.) 지르코늄 계열 합금; 및
D.) 알루미늄 금속.
상기 지르코늄 계열 합금과 알루미늄 금속은, 상기 내부 지지관의 재료가 상기 총 중성자 흡수 능력을 최적화하고 상기 그레이 로드 조립체에 대한 목표 중량을 획득하는 것에 의존하고 있는 상기 실시예에서는 통상적으로 사용되지 않는다.
상기 내부 지지관에 대해 여기에 기재된 상기 재료를 사용하면 다음의 이점들 중 적어도 하나를 얻을 수 있다.
A.) 상기 내부 지지관의 상기 단면과 밀도 특성에 의해 설계자에게는 다른 자유도가 주어질 수 있으며, 이에 따라 반응도 가치, 로드의 중량, 및 열전달 특성을 동시에 최적화하는 그레이 로드릿 설계의 개발이 가능해지고;
B.) 상기 내부 지지관은 상기 흡수재와 높은 열전도도의 재료를 가지는 상기 외부 피복층의 사이의 내부 간극의 대부분을 충진함으로써 상기 주 중성자 흡수재 로부터의 열전달을 향상시킬 수 있고, 이에 의해 흡수재의 동작 온도가 효과적으로 낮아지며;
C.) 상기 내부 지지관은, 상기 외부 피복층, 결국 상기 냉각제와 접촉하지 않게 될 더 높은 수준의 신뢰를 제공하는 추가의 장벽 이외에, 상기 원자로의 냉각제와 상기 주 중성자 흡수재의 사이에서 제 2의 장벽을 제공할 수 있는데, 이는 결국 상기 주 흡수재에 대해 고려될 수 있는 상기 형태의 재료에 있어서 더 높은 유연성으로 이어질 수 있고;
D.) 상기 내부 지지관은 상기 흡수재의 취화(embrittlement)의 경우에 있어서 상기 주 중성자 흡수재의 재분포 가능성을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예들을 상세히 설명하였으나, 당업자라면 상기 개시의 전체적인 교시내용에 비추어 볼 때 상기 상세한 설명에 대해 다양한 수정예와 대안이 전개될 수 있음을 알아야 할 것이다. 따라서, 상기 개시된 특정의 장치는 예시의 목적일 뿐이고 첨부의 청구범위의 전체 범위 및 그와 균등한 임의의 모든 것이 주어져야 하는 본 발명의 범위에 대해 제한하고 있는 것이 아님을 의미한다.
도 1은 수직으로 짧게 된 형태로 예시된 연료 조립체와, 부분적으로 은선(hidden line)으로 도시된 제어 조립체의 정면도이다.
도 2a는 상기 연료 조립체로부터 제거된 도 1의 상기 제어 조립체의 부분 단면 정면도이고;
도 2b는 도 2a의 상기 제어 조립체용의 상기 제어 로드 스파이더의 평면도이며;
도 3은 흡수재로서 은-인듐-카드뮴 합금을 사용하는 그레이 로드 제어 조립체 설계에 있어서 다양한 중성자 흡수 재료에 대한 격감 속도를, 비교를 위해, 그래프적으로 나타낸 것이고;
도 4는 은-인듐-카드뮴 흡수재의 그레이 로드 제어 조립체의 설계의 상대 반응도 가치에 대해 비교된 본 발명에 따른 텅스텐 흡수재의 그레이 로드 제어 조립체의 상대 반응도 가치를, 비교를 위해 그래프적으로 나타낸 것이며;
도 5는 본 발명에 따른 개선된 그레이 로드 조립체의 부분 단면 정면도이고;
도 6은 도 5의 6-6선을 따라 취한 단면도이며;
도 7은 선행 기술의 그레이 로드 제어 조립체가 로드를 빼내는 동안에 심으로부터 제거된 후의 로드 전력의 변화를 나타내는 연료 조립체의 1/8의 개략도이고;
도 8은 그레이 로드 제어 조립체가 상기 심으로부터 제거된 후에 도시된 본 발명의 상기 개선된 그레이 로드 제어 조립체를 채용하는 상기 연료 조립체의 로드 전력의 변화를 나타내는 연료 조립체의 1/8의 개략도이다.
Claims (31)
- 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드로서,제 1 단, 제 2 단, 외경, 및 길이를 가지는 세장형의 관형 부재와;상기 제 1 단을 일반적으로 향하고 있는 상기 세장형의 관형 부재의 안에 위치하고, 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안(barns)의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 중성자 흡수재를 포함하는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흡수 재료는, 이론 밀도에 가까운 밀도 또는 완전한 이론 밀도의 실질적으로 순수한 텅스텐; 밀도가 감소되거나 다공성인 텅스텐 금속; 텅스텐-레늄 및 텅스텐-니켈-철과 같은 텅스텐 계열 합금; 텅스텐 카바이드와 같은 텅스텐 계열 화합물; 실질적으로 순수한 스칸듐, 이테르븀 및 망간; 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 합금, 및 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 화합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흡수 재료는 원통 형상으로 배열되어 있는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 16.5 내지 19.4g/cm3의 재료 밀도를 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 실질적으로 순수한 텅스텐인 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 중성자 조사에 대해 장기간 노출된 상태에서 실질적으로 평활한 감소량 곡선(flat depletion worth curve)을 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 0.15 내지 0.40 인치의 외경을 가지고 상기 세장형의 관형 부재는 0.37 내지 0.45 인치의 외경을 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 세장형의 관형 부재의 안에 상기 중성자 흡수재를 에워싸도록 구성된 지지관을 추가로 포함하는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 8 항에 있어서, 상기 지지관은 지르코늄 및 지르코늄 계열 합금, 알루미 늄 및 알루미늄 계열 합금, 니켈 계열 합금 및 스테인레스 스틸로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 9 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 상기 중성자 흡수재의 중성자 흡수를 향상시키기 위해 선택되는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 10 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 상기 중성자 흡수재보다 더 좁은 2200 m/s 중성자 흡수의 미세한 포획 단면을 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 10 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 2200 m/s 중성자 흡수의 2 내지 6 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 10 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 7 내지 9 g/cm3의 밀도를 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 10 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 니켈 계열 금속 합금 및 스테인레스 스틸로 구성되는 군으로부터 선택되는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 8 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 0.10 내지 0.38 인치의 외경을 가지고, 상기 세장형의 관형 부재는 0.37 내지 0.45 인치의 외경을 가지며 상기 지지관은 0.01 내지 0.10 인치의 벽 두께를 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 제 8 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 상기 세장형의 관형 부재의 안에서 실질적으로 동심원 형상으로 위치할 수 있고; 상기 지지관은 상기 중성자 흡수재의 외경과 상기 세장형의 관형 부재의 내경 사이의 공간에 의해 실질적으로 형성되는 벽 두께를 가지는 원자로의 로드 제어 조립체용 그레이 로드.
- 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체로서,복수의 그레이 로드를 포함하고,상기 그레이 로드의 각각은:제 1 단, 제 2 단, 외경, 및 길이를 가지는 세장형의 관형 부재와,상기 제 1 단을 일반적으로 향하고 있는 상기 세장형의 관형 부재의 안에 위치하고, 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 중성자 흡수재를 포함하는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 상기 복수의 그레이 로드의 상기 그레이 로드들의 가운데에(among) 분포되는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 18 항에 있어서, 상기 복수의 그레이 로드는 24개의 그레이 로드를 포함하고; 상기 중성자 흡수재는 모든 24개의 그레이 로드의 가운데에 일반적으로 균등하게 분포하는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 흡수 재료는, 이론 밀도에 가까운 밀도 또는 완전한 이론 밀도의 실질적으로 순수한 텅스텐; 밀도가 감소되거나 다공성인 텅스텐 금속; 텅스텐-레늄 및 텅스텐-니켈-철과 같은 텅스텐 계열 합금; 텅스텐 카바이드와 같은 텅스텐 계열 화합물; 실질적으로 순수한 스칸듐, 이테르븀 및 망간; 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 합금, 및 스칸듐-, 이테르븀- 및 망간-계열 화합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 실질적으로 순수한 텅스텐인 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 상기 중성자 흡수재는 16.5 내지 19.4g/cm3의 재료 밀도를 가지는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 세장형의 관형 부재의 안에 상기 중성자 흡수재를 에워싸도록 구성된 지지관을 추가로 포함하는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체
- 제 23 항에 있어서, 상기 지지관은 지르코늄 및 지르코늄 계열 합금, 알루미늄 및 알루미늄 계열 합금, 니켈 계열 합금 및 스테인레스 스틸로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 23 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 2200 m/s 중성자 흡수의 2 내지 6 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 23 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 7 내지 9 g/cm3의 밀도를 가지는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 제 24 항에 있어서, 상기 지지관의 재료는 니켈 계열 금속 합금 및 스테인레스 스틸로 구성되는 군으로부터 선택되는 원자로용의 개선된 그레이 로드 제어 조립체.
- 그레이 로드 제어 조립체를 가지는 원자로로서,복수의 그레이 로드를 포함하고,상기 그레이 로드의 각각은:제 1 단, 제 2 단, 외경, 및 길이를 가지는 세장형의 관형 부재와,상기 제 1 단을 일반적으로 향하고 있는 상기 세장형의 관형 부재의 안에 위치하고, 2200 m/s 중성자 흡수의 10 내지 30 바안의 미세한 포획 단면을 가지는 흡수 재료를 포함하는 중성자 흡수재를 포함하는 그레이 로드 제어 조립체를 가지는 원자로.
- 제 28 항에 있어서, 상기 중성자 흡수재는 상기 그레이 로드 제어 조립체의 상기 모든 그레이 로드들의 가운데에(among) 분포되는 그레이 로드 제어 조립체를 가지는 원자로.
- 제 29 항에 있어서, 상기 복수의 그레이 로드는 24개의 그레이 로드를 포함하고; 상기 중성자 흡수재는 상기 그레이 로드 제어 조립체의 모든 24개의 그레이 로드의 가운데에 일반적으로 균등하게 분포하는 그레이 로드 제어 조립체를 가지는 원자로.
- 제 28 항에 있어서, 상기 세장형의 관형 부재의 안에 상기 중성자 흡수재를 에워싸도록 구성된 지지관을 추가로 포함하는 그레이 로드 제어 조립체를 가지는 원자로.
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