KR20110044267A - 혼합 산화물 연료조립체 - Google Patents

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KR20110044267A
KR20110044267A KR1020117004751A KR20117004751A KR20110044267A KR 20110044267 A KR20110044267 A KR 20110044267A KR 1020117004751 A KR1020117004751 A KR 1020117004751A KR 20117004751 A KR20117004751 A KR 20117004751A KR 20110044267 A KR20110044267 A KR 20110044267A
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로버트 제이. 피터맨
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

연료봉들에서 완전한 애뉼러 연료 펠릿 스택을 사용하는 혼합 산화물 연료를 연소하도록 설계된 가압수형 원자로 연료조립체는, 내부 조립체 봉 전력 분배가 인접한 조립체들의 특성들에 상관없이 상대적으로 매끄러운 그러한 조립체 내의 반경 농축 조닝을 구비한다.

Description

혼합 산화물 연료조립체{MIXED OXIDE FUEL ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 가압수형 원자로 연료조립체들에 관한 것이고, 더 상세하게 혼합 산화물 연료를 사용하는 연료조립체들에 관한 것이다.
압력 하의 물로 냉각되는 시스템을 발생시키는 원자로 전력의 일차측은 유용한 에너지의 생산을 위해 이차측과의 열 교환 관계에서 분리되어 폐쇄된 회로를 포함한다. 일차측은 핵분열성 물질, 열 교환 스팀 발생기 내의 일차 회로, 가압기의 내부 부피, 가압수를 순환시키기 위한 펌프 및 파이프(여기서 파이프는 스팀 발생기들의 각각을 연결하고 독립적으로 원자로 용기로 펌핑하는 파이프)를 포함하는 복수의 연료조립체들을 지지하는 5a의 노심 내부 구조를 둘러싸는 원자로 용기를 포함한다. 용기와 결합되는 스팀 발생기, 펌프 및 파이프 시스템을 포함하는 주요 일차측의 부분들의 각각은 일차측의 루프를 형성한다.
도시의 목적을 위해서, 도 1은 핵 노심(14)을 둘러싸는 상부 덮개(12)를 구비한 일반적으로 원통형 원자로 압력 용기(10)를 포함하는 간소화된 원자로 주요 시스템을 나타낸다. 물(water)과 같은, 유체 원자로 냉매는 스팀 발생기로 일반적으로 언급되는, 열 에너지가 열 교환기(18)로 흡수되고 방출되는 노심(14)을 통해 펌프(16)에 의해 용기(10)로 펌핑되고, 여기서 열은 스팀 구동 터빈 발생기와 같은, 이용 회로(미도시)로 전달된다. 원자로 냉매는 일차 루프를 완료하는 펌프(16)로 그때 복귀한다. 일반적으로 복수의 위에서 설명된 루프들은 원자로 냉매 파이핑(20)에 의해 단일 원자로 용기(10)에 연결된다.
예시적인 원자로 설계는 도 2에서 더 상세하게 도시된다. 복수의 병렬, 수직, 동시 연장 연료조립체(22)로 구성되는 노심(14)에 부가해서, 이러한 설명의 목적을 위해, 다른 용기 내부 구조들은 하부 내부(24)들과 상부 내부(26)들로 나누어질 수 있다. 종래의 설계들에서, 하부 내부 기능은 용기 내의 직접 유동은 물론 노심 구성요소들과 계장물을 가이드하고, 지지하고, 정렬하는 것이다. 상부 내부는 연료 집합체(22)를 위해 이차 억제제를 억제시키거나 또는 제공하고(본 도면에서 간소함을 위해 도시된 것들 중 오직 두 개만이 그러하다), 제어봉(28)들과 같은, 계장물 및 구성요소들을 지지하고 가이드한다. 도 2에서 도시된 예시적인 원자로에서, 냉매는 하나 또는 그 이상의 인렛 노즐(30)들을 통해 원자로 용기(10)로 유입되고, 용기와 노심 배럴(32) 사이의 애뉼러스를 통해 아래로 흐르며, 하부 플레넘(34)에서 180°로 회전하고, 연료조립체(22)들이 장착된 위에 집합체들을 통해 부근의 하부 지지판(37) 및 하부 노심판(36)을 통해 상향 통과한다. 일부 설계에서, 하부 지지판(37) 및 하부 노심판(36)은 (37)과 동일한 엘리베이션에서, 단일 구조, 하부 노심 지지판에 의해 대체된다. 냉매는 노심을 통해 흐르고, 주변 영역(38)은 초당 6.1 미터의 속도에서 분당 1.19x106 리터로 일반적으로 크다. 결과 압력 강하 및 마찰력은 연료조립체들의 상승을 야기하는 경향이 있고, 여기서 운동은 순환 상부 노심판(40)들을 포함하는, 상부 내부에 의해 억제된다. 노심(14)에 존재하는 냉매는 상부 노심판(40)들의 하면을 따라 유동하고 복수의 천공(42)을 통해 상향 유동한다. 냉매는 그때 하나 또는 그 이상의 아웃렛 노즐(44)들로 상향해서 즉각적으로 유동한다.
상부 내부(26)들은 용기 또는 용기 헤드로부터 지지될 수 있고 상부 지지 조립체(46)를 포함할 수 있다. 부하는 주로 복수의 지지 기둥(48)들에 의해 상부 지지 조립체(46)와 상부 노심판(40)들 사이에 전달된다. 지지 기둥은 상부 노심판(40)들에서 선택된 연료조립체(22)와 천공(42)들 위로 정렬된다.
직선으로 이동가능한 제어봉(28)들은 제어봉 가이드 튜브(54)들에 의해 상부 내부(26)들을 통해 정렬된 연료조립체(22)들로 가이드되는 중성자 흡수물질 봉들의 스파이더 조립체(52)와 드라이브 샤프트(50)를 일반적으로 포함한다. 가이드 튜브들은 상부 지지 조립체(46)에 고정 결합되고 상부 노심판(40)들의 상부로 분할 핀(56) 맞춤 압력에 의해 연결된다. 핀 구성은 가이드 튜브 조립체 및 만일 필요하다면 재배치의 용이함을 제공하고 특히 지진 또는 다른 높은 부하 사고 조건들 하에서의 노심 부하가 가이드 튜브(54)들이 아닌 지지 기둥(48)들에 의해 주로 수용되는 것을 보장한다. 이러한 지지 기둥 배열은 제어봉 삽입 능력에 불리하게 작용할 수 있는 사고 조건들 하에서 가이드 튜브 변형을 지연시키는 것을 돕는다.
도 3은 참조 부호(22)에 의해 일반적으로 설계되는 연료조립체에 관해 수직으로 축소된 형태로 표현된 정면도이다. 연료조립체(22)는 가압 수형 원자로에서 사용된 유형이고 바닥 노즐(58)을 포함하는 그 하단부에서, 구조적 뼈대를 가진다. 바닥 노즐(58)은 원자로의 노심 영역(14)에서 하부 노심 지지판(36) 상의 연료조립체(22)를 지지한다. 바닥 노즐(58)에 부가해서, 연료조립체(22)의 구조적 뼈대는 바닥 노즐(58) 및 탑 노즐(62) 사이에서 세로로 연장하고 대향하는 단부들에서 그것에 고정 부착되는, 그 상단부 및 다수의 가이드 튜브들 또는 딤블(55)들에서 상부 노즐(62)을 또한 포함한다.
연료 집합체(22)는 가이드 딤블(55)들(또한 가이드 튜브들로 언급) 및 가로로 이격되고 그리드(64)에 의해 지지되는 길다란 연료봉(66)들의 일정한 배열을 따라 축방향으로 이격되고 그것에 설치되는 복수의 횡단 그리드(64)를 또한 포함한다. 그것이 도 3에서 도시될 수 없음에도, 그리드(64)들은 연료봉(66)들이 서로 가로로 이격된 관계에서 지지되는 것을 통해 스퀘어 지지 셀들을 형성하는 네개의 스트랩들의 인접한 인터페이스와 함께 에그 크레이트(egg crate) 패턴으로 인터리프(interleaf)되는 직교 스트랩으로부터 종래적으로 형성된다. 다수의 종래 설계들에서 스프링들 및 딤플들은 지지 셀들을 형성하는 스트랩들의 대향하는 벽들로 스탬핑된다. 스프링들 및 딤플들은 지지 셀들을 향해 반경으로 연장하고 제 위치에 봉들을 홀딩하기 위해 연료봉 클래딩 상에 압력을 가하면서 그것들 사이에 연료봉들을 캡쳐한다. 또한, 조립체(22)는 바닥 노즐(58) 및 상부 노즐(62) 사이에서 연장하고 그것들에 의해 배치되거나 또는 캡쳐되는 조립체(22)의 중심에 위치된 계장물 튜브(68)를 가진다. 부분들의 그러한 배열과 함께, 연료조립체(22)는 부분들의 조립체를 손상하지 않고 종래적으로 핸들링될 수 있는 일체형 유닛을 형성한다.
위에서 언급된 바와 같이, 조립체(22)에서 그것의 배열에서 연료봉(66)들은 연료 집합체 길이를 따라 그리드(64)에 의해 서로 이격된 관계에서 홀딩된다. 각 연료봉(66)들은 복수의 핵 연료 펠릿(70)들을 포함하고 상부 단부 마개(72) 및 하부 단부 마개(74)에 의해 그 대향하는 끝단에서 폐쇄된다. 펠릿(70)들은 상부 단부 마개(72)와 펠릿 스택의 탑 사이에 배치된 플레넘 스프링(76)에 의해 스택에서 유지된다. 종래적으로, 탑 펠릿(70)들과 상부 단부 마개(72) 사이의 펠릿 스택은 원자로 작동의 과정에서 연료 연소 동안 발생된 핵분열 기체의 축적을 수용하는 플레넘 영역(60)이다. 핵분열성 물질로 구성되는, 연료 펠릿(70)들은 원자로의 무효 전력을 생성하는 원인이다. 펠릿을 둘러싸는 클래딩(68)은 냉매를 유입하고 또한 원자로 시스템을 오염시키는 것으로부터의 생성물들에 의한 분열을 차단하는 배리어로서 기능한다.
분열 프로세스를 제어하기 위해, 다수의 제어봉(28)들이 연료조립체(22)에서 미리 정해진 위치에 위치된 가이드 딤블(55)들에서 상호간에 이동가능하다. 특히, 상부 노즐(62) 상에 위치된 봉 클러스터 제어 메커니즘(80)은 제어봉(28)들을 지지한다. 제어 메커니즘(80)은 복수의 반경으로 연장하는 플루크들 또는 아암(52)들을 구비한 내부 스레드 원통형 허브 부재(82)를 가진다. 각 아암(52)은 제어봉 메커니즘(80)이 모두 잘 알려진 방법으로, 제어봉 허브(80)에 결합되는 제어봉 드라이브 샤프트(50)의 동력 하에서, 연료조립체(22)에서의 분열 프로세스를 제어하기 위한 가이드 딤블(54)들에서 수직으로 제어봉들을 이동하도록 작동하는 그러한 제어봉(28)들과 상호연결된다.
핵무기의 퇴보로부터 야기되는 플루토늄의 거대한 초과가 있다. 초과 핵무기급 플루토늄 처리를 위해 미국 국립과학원에 의해 추천된 하나의 선택은 사용후 연료로의 변환이다. 이러한 접근에서, 초과 핵무기급 플루토늄은 플루토늄 산화물(PuO2)로 변환되고 기존 원자로용 연료로서 재처리 없이 혼합 산화물(PuO2-UO2) 형태로 사용된다. 이것은 "확산 저항성"이 있고 미국 국립과학원에 의해 추천된 "사용후 연료 표준"을 충족하는 사용후 형태를 초래한다. 그것이 전력 발전 설비에 동력을 공급하는 원자료용 핵 연료의 비용을 감소시키기 때문에, 이것은 동력 발전 유틸리티로서 매우 매력적으로 변해가고 있다. 예를 들어, 유럽사용자설계요건(EURD)은 다음의 발전 EPP(European Passive Plant) 원자로 노심 설계는 50% 혼합 산화물(MOX) 연료조립체들까지 허용하도록 구성된 설비(provision)를 갖춘, UO2 연료조립체들로 최적화되어야 한다고 언급한다. 노심 설계에서 MOX의 사용은 핵심 물리학 파라미터들 및 안전 분석 가설에 대해 중요한 파급효과를 가질 것이다. 또한, MOX 연료봉 설계는 그 의도된 수명에 대해 연료봉의 건전성을 유지하기 위해 중요한 연료 성능 기준 역시 고려해야 한다. MOX 접근은: 1) 최근 우라늄 노심 설계를 위한 특성들과 유사한 보수적이고, 실제적인 노심 성능 특성들; 2) 그 기술은 최근에 라이센스된 종래의 우라늄 노심 설계들을 위한 것들과 비교되는 안전 마진의 특정 침식을 피하는 것에 의해 라이센싱 리스크를 최소화하고; 3) 최소화되거나 또는 총체적으로 회피되는 발전소 작동에 영향을 미치며; 그리고 4) 최상의 경제성을 제공하기 위해 극대화되는 MOX 연료로부터 추출되는 에너지를 요구한다.
따라서, 핵 노심 및 연료봉 설계는 그러한 기준을 충족시키고 100% UO2 노심 설계와 호환가능하도록 소망된다.
연료조립체는 연료봉의 튜브형 클래딩의 일부 내에 그리고 그것을 따라 스택된 혼합 산화물 연료 펠릿들의 탠덤 배열을 갖는 전통적인 연료조립체 뼈대 및 연료봉들을 사용한다. 적어도 모든 혼합 산화물 펠릿들은 튜브형 클래딩의 축이 연장하는 곳을 통해 고형 물질의 애뉼러스 보이드를 가진다. 클래딩은 하나 또는 그 이상의 기체 플레넘을 형성하는 혼합 산화물 연료 펠릿 스택과 단부 마개 사이의 클래딩 내의 내부 영역의 잔류물과 단부 마개를 갖는 양단에서 밀봉하여 실링된다. 플레넘은 연료 연소 동안 발생된 핵분열 기체의 수집을 위해 연료 펠릿들의 각각에서 애뉼러스와 협력한다. 연료 펠릿들의 각각에서 애뉼러스는 직경 1mm 내지 4mm이고 바람직하게 직경 2mm 내지 4mm이다.
일 바람직한 실시예에서 혼합 산화물 연료 요소들은 특정 가연성 흡수체를 포함하지 않는다. 보다 높은 핵분열성 Pu 부하를 갖는 또 다른 실시예에서 연료조립체 내의 봉들의 일부는 가연성 흡수체를 포함할 수 있다. 이러한 발명에 따라서, 후자 실시예의 경우에서 가연성 흡수체를 포함하는 봉들은 Gd2O3와 같은 가연성 흡수체로 도핑된 "테일즈(tails)" 또는 "네츄럴(natural)" 우라늄을 포함할 수 있다. 바람직하게, 플레넘은 핵분열성 기체의 수집을 위해 연료 펠릿 스택과 단부 마개들 사이에서의 연료 펠릿들의 스택의 각각의 단부에서 형성된다.
바람직하게, 연료조립체에서 연료봉들의 복수의 이격된 배열은 하나가 하나의 존에서 다음의 존으로 연료조립체의 중심으로부터 반경으로 외부로 이동함에 따라 감소하는 연료봉들의 중량 퍼센트(weight/percent) 농축(enrichment)을 갖는 반경 농축 조닝(zoning) 패턴으로 배열된다. 소망되도록, 반경 농축 조닝 패턴은 적어도 세개의 존을 가진다. 바람직하게 상대적 중량/퍼센트 농축은 중심존에 있어서 1.00, 중간존에 있어서 0.65 그리고 외주변존에 있어서 0.45이다. 본 발명의 17x17 연료봉 조립체 배열 실시예에서 중심존은 바람직하게 72개의 연료봉들을 가지고, 중간존은 128개의 연료봉들을 가지며 그리고 외주변존은 64개의 연료봉들을 가진다. 바람직하게 외주변존은 연료조립체 주위를 둘러싸는 연료봉들의 외주변 열(row)로 구성된다.
본 발명은 MOX 연료를 연소하도록 설계된 새로운 가압 수형 원자로 연료조립체를 제공하는 것에 의해 상기 목적들을 획득한다.
또한 본 발명의 이해는 첨부된 도면들과 관련되어 읽혀질 때 바람직한 실시예에 관한 다음의 설명으로부터 획득될 수 있고, 여기서:
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 간소화되고 도식화된 원자로 시스템이고;
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 원자로 용기와 내부 구성요소들의 부분적으로 단면인, 정면도이며;
도 3은 명백함을 위해 이탈된 부분들을 갖는, 수직으로 축소된 형태로 도시된 연료조립체의, 부분적으로 단면인, 정면도이고;
도 4는 본 발명에 따라 구성되는 연료봉의 일 실시예를 나타내는, 부분적으로 단면인, 정면도이며;
도 5는 본 발명의 반경 농축 조닝 패턴을 나타내는 연료조립체의 중간축 단면의 평면도이고;
도 6은 8개의 Gd2O3 봉들을 갖거나 갖지 않는 UO2 조립체 및 본 발명에 따라 설계된 MOX 조립체의 반응성의 그래픽적인 비교이며;
도 7은 쿼터-코어(quarter-core) 순환 대칭에서 혼합 MOX/UO2 노심 설계 부하 패턴을 나타내는 맵(map)이다.
UO2 및 MOX 연료의 혼합 산화물 노심은 모든 UO2 노심들에서 미발견된 두개의 설계 도전들을 나타낸다. 우선, MOX 연료봉들은 동일한 선형 열비율로 UO2 연료봉들에 비례해 높여진 온도에서 작동한다; 즉, 그것은 동일한 다수의 봉의 풋(foot) 당 전력의 킬로와트이다. 이것은 연료의 유용한 수명을 제한하는, MOX 연료봉들에서의 보다 높은 핵분열성 기체 방출율과 보다 높은 봉 내부 압력을 유도한다. MOX 연료를 위한 제한 방출 연소는 UO2 연료를 위한 62MWd/kg U 내지 75MWd/kg U와 비교할 때 40MWd(megawatt days)/kg HM(kilograms of heavy metal) 내지 50MWd/kg이다. 고전력 밀도 노심에서, 이러한 연소 제한은 MOX 조립체가 두개 또는 최대 세개의 사이클에 작동할 수 있는 리퓨어링(re-fueling)들 사이의 다수의 사이클을 제한할 수 있다. 제 2 설계 도전은 UO2 및 MOX 조립체 사이의 중성자 플럭스 스펙트럼에서의 커다란 변형들에서 생겨난다. UO2 조립체들은 MOX 조립체들과 인접해서 강한 열 중성자 소스처럼 행동하고, 여기서 그것은 만일 연료봉들과 래티스(lattice)가 적합하게 설계되지 않는다면 MOX 연료에서 초과 전력 피킹(paeking)을 유도할 수 있다.
일부 종래의 블랭킷 UO2 조립체들은 연료 펠릿 스택들의 하부 8”(20.32 센티미터)와 상부 8”에서 애뉼러 펠릿을 갖는 연료봉들을 사용한다. 도 4에서 나타나는 바와 같이 본 발명은 연료봉(66)들의 클래딩(68)의 전체 활성 영역에 대해 애뉼러 오프닝(82)을 갖는 펠릿(78)을 사용한다. 일 실시예에서, 활성 영역은 하부 단부 마개(74)로부터 펠릿(78)의 결합된 애뉼러스(82)와 함께 연료 연소 동안 발생된 핵분열성 기체들의 수집을 위한 레저부아(reservoir)를 형성하는 플레넘(88)을 형성하기 위해 상부 단부 마개(72)로부터 이격된 상부 엘리베이션(84)으로 연장한다. 중심 애뉼러스(82)는 두개의 목적들을 제공한다. 첫째로 애뉼러스는 MOX 연료의 보다 높은 핵분열성 기체 방출율을 수용하기 위해 부가 연료봉 플레넘 부피를 제공한다. 두번째로, 애뉼러스(82)는 핵분열성 기체 방출율을 감소시키면서, 연료 펠릿(78)의 피크 온도 및 평균 온도를 저하시킨다. 이러한 이점의 조합은 애뉼러 MOX 연료봉이 일반적인 고형 핵 연료봉보다 휠씬 더 높은 익스포저(exposure)를 획득하도록 허용한다. 그것이 활성 연료 부피를 증가시키기 위한 스택의 하단부에서 몇몇 고형 연료 펠릿들을 사용하는 원자로의 작동 상세사항들을 충족하는 것이 가능한 반면에, 분석들은 펠릿 스택의 전체 길이를 따라 펠릿(78)들의 모두에서 애뉴얼 오프닝(82)을 가지는 것이 바람직하다라고 나타낸다. 애뉼러스의 크기는 더욱 활성인 물질과 따라서, 더욱 활성인 전력 출력을 제공하는 것 또는 온도를 감소시키는 것과 연료봉의 내부 압력을 낮추기 위해 더욱 큰 핵분열성 기체 수집 부피를 제공하는 것 사이의 트레이드-오프이고, 분석들은 1mm 내지 4mm 사이, 그리고 가장 바람직하게 2mm 내지 4mm의 직경을 갖는 애뉼러스(82)를 가지는 것이 바람직하다라고 나타낸다. 표준 Westinghouse Electric Company LLC 애뉼러 블랭킷 펠릿과 동일한 지오메트릭 비율의 연료 펠릿 스택의 전체 길이를 따라 애뉼러 MOX 펠릿들을 가정하는, 사례연구는 애뉼러 MOX 연료봉이 15.5 MPa의 원자로 냉각 시스템 작동 압력을 초과함 없이 70 MWd/kg HM의 익스포저를 획득할 수 있다는 것을 도시한다.
도 4에서 도시되는 바와 같은, 또 다른 바람직한 실시예에서, 연료봉은 연료 연소 동안 발생된 핵분열성 기체를 또한 수용하기 위한 하부 단부 마개(74)와 연료 스택의 바닥(86) 사이의 제 2 플레넘(90)과 함께 제공된다. 연료 스택은 2008년 3월 24일에 출원되고, 본 출원의 양수인에게 양수된 미국 특허 출원 12/053,771에서, 보다 완전하게 설명되는 스탠드오프(92)에 의해 하부 단부 마개(74)로부터 이격되어 제공된다.
본 발명은 도 5에서 도시되는 바와 같이 조립체들 내의 MOX 봉들의 핵분열성 Pu 컨텐트에서의 반경 변화를 사용한다. 도 5는 가이드 튜브들(GT)과 계장물 튜브(IT) 주변의 연료 위치에서 도시되는 상대적 핵분열성 Pu 농축을 갖는 예시적인 17x17 연료조립체의 맵을 나타낸다. 조립체(22)의 반경 농축 조닝은 얼마나 많은 MOX 조립체들이 원자로 노심 내에 위치되는가에 있어서 증가된 유연성을 허용하도록 사용된다. 반경 농축 조닝 없이, UO2에 인접해 직접적으로 위치된 MOX 조립체는 안전 분석에 의해 지지되는 피킹 요소를 초과하도록 가능하게 유도하는 연료봉들의 주변 열에서 전력에서의 커다란 증가를 보일 것이다. 이러한 설계는 MOX 조립체 내의 세개의 다른 농축들의 농축 조닝을 사용할 것이다. 세개의 다른 봉 유형들의 상대적 농축은 내부-조립체 봉 출력 분포가 인접한 조립체의 특성들과 상관없이 상대적으로 매끄럽도록 설정되고, 결과적으로 그것은 동일한 조립체 평균 전력에 있어서 피킹 요소들을 저하시키도록 유도한다. 평균 전력 비율에 대한 피크가 조닝되지 않는 조립체에 관련해서 개선되었기 때문에, MOX 조립체들은 보다 높은 평균 전력을 수용할 수 있고, 그것은 MOX 봉들이 보다 높은 핵분열성 Pu 컨텐트와 함께 부하될 수 있다는 것을 의미한다. MOX와 UO2 연료조립체의 혼합을 갖는 노심에서, 이것은 UO2 연료의 농축이 동일한 노심 에너지 출력에 대해 감소될 수 있고, UO2 연료 비용을 감소시킨다는 것을 의미한다. 도 5에서 도시되는, 바람직한 반경 조닝은 중심 존에서 1.00의 중량/퍼센트, 중간 블랭킷에서 0.65 중량/퍼센트 및 연료조립체(22)를 둘러싸는 외부 열인 주변 블랭킷에서 0.45 중량/퍼센트로 상대적 핵분열성 플루토늄 농축을 가진다.
도 6은 8개의 Gd2O3 봉들이 없는 그리고 그것을 갖는 UO2 조립체 및 위에서 설명된 MOX 조립체 설계의 반응성의 그래픽적 비교이다. UO2 및 MOX 조립체 설계들은 조립체 익스포저의 34GWD/MTM(gigawatt days/Metric Tons Metal)에서 거의 동일한 반응성을 가진다. 이것은 작동의 두 사이클 후에 UO2 연료의 조립체 평균 익스포저에 상당히 근접한다. MOX 조립체는 작동의 제 2 사이클 동안 이러한 익스포저를 초과할 것이다.
혼합 MOX/UO2 노심 설계 부하 패턴은 쿼터-코어 순환 대칭에서의 도 7에서 도시된다. 48개의 조립체 공급 영역은 두개의 서브 영역(4.05 중량/퍼센트 235U 의 24개의 조립체들을 갖는 ZU 및 도 5에서 도시된 바와 같이 조닝된 24개의 조립체들을 갖는 Z-MOX)으로 나누어진다. 부가적으로, 각각의 ZU 조립체의 탑 및 바닥 8 인치(20.32 센티미터)는 3.2 중량/퍼센트 235U의 축방향 블랭킷이다. ZU 조립체 당 Gd2O3 봉들의 수는 공급 영역당 사용된 64개의 2 중량/퍼센트 및 64개의 8 중량/퍼센트 봉들의 총계를 갖는 도 7에서 또한 도시된다. Gd2O3 봉들을 갖는 각각의 ZU 조립체는 두 가지 봉 유형들의 조합을 사용한다. Z-MOX 조립체들은 Gd2O3 봉들을 가지지 않는다. 보다 높은 핵분열성 Pu 부하를 갖는 또 다른 실시예에서 MOX 연료조립체 내의 봉들의 일부는 가연성 흡수체를 포함할 수 있다. 후자의 실시예에서, 가연성 흡수체를 포함하는 봉들은 Gd2O3와 같은 가연성 흡수체로 도핑된 "테일즈" 또는 "네츄럴" 우라늄을 포함한다.
반경 농축 조닝을 갖는 애뉼러 MOX 연료봉들을 완전하게 사용하는 조합은 완전한 UO2 노심이 아무런 해로운 성능 패널티도 갖지 않는 50% MOX 연료조립체들로 대체되는 것을 가능하게 한다. 노심의 작동은 부하 추종을 가능하게 하는 "기계적 심(mechanical shim)" 또는 MSHIM 노심 전력 분포 제어 전략을 사용하여 향상된다. 최근 발전소들에서의 MSHIM과 작동의 전통적인 모드 사이의 일차 차이는 MSHIM이 제어봉 이동들로서 매일 기동 동안 가용성 붕소 농도의 잦은 조작을 대체한다는 것이고, 이로써 사이클 동안 발생된 폐수의 양을 감소시키고 화학적 부피와 제어 시스템의 설계를 매우 간소화한다. Tavg(평균 온도)로 이동된 제어 뱅크와 축방향 전력 형상 제어는 서로 독립적이고 Westinghouse AP 1000은 측정된 열 전력의 15%를 초과하는 봉 제어 시스템에 의해 자동적으로 제어되며, 이로써 베이스 부하 작동은 물론 부하 추종 기동을 간소화한다.
본 발명의 소정 실시예들이 상세하게 설명되는 반면에, 이러한 세부사항들에 관한 다양한 수정들과 대안들이 명세의 전체적인 교시의 측면에서 전개될 수 있다는 점이 해당 기술분야의 당업자들에 의해 이해될 것이다. 따라서, 나타난 소정 실시예들은 첨부된 청구항들 및 특정 그리고 모든 그것의 등가물들의 완전한 외연이 주어지는 본 발명의 범위에 관해 단지 설명적이며 한정하지 않도록 의도된다.
10: 압력 용기
12: 용기 상부덮개
14: 노심
16: 펌프
18: 스팀 발생기
20: 파이핑
22: 연료조립체
24: 하부 내부들
26: 상부 내부들
28: 제어봉들
30: 인렛 노즐
32: 노심 배럴
34: 하부 플레넘
36: 하부 노심판
37: 하부 지지판
38: 노심 주변 영역
40: 상부 노심판 천공들
44: 아웃렛 노즐
46: 상부 지지 조립체
48: 지지 기둥
50: 제어봉 드라이브 샤프트
52: 스파이더 조립체
54: 상부 가이드 튜브들
55: 하부 가이드 튜브들
56: 분할핀
58: 바닥 노즐
60: 상부 플레넘
62: 탑 노즐
64: 그리드들
66: 연료봉들
68: 클래딩
70: 연료 펠릿들
72: 상부 단부 마개
74: 상부 단부 마개
76: 상부 플레넘 스프링
78: 애뉼러 연료 펠릿
80: 봉 클러스터 제어 메커니즘
82: 애뉼러 오프닝 연료 팰릿
84: 활성 영역의 상부 범위
86: 활성 연료 영역의 하부 범위
88: 상부 플레넘
90: 하부 플레넘
92: 스탠드오프

Claims (19)

  1. 적어도 일부의 연료봉들을 갖는 복수의 상기 연료봉들의 이격된 배열을 포함하는 핵연료조립체로서:
    제 1 단부와 제 2 단부 사이의 축방향에서 미리 선택된 길이로 연장하는 길다란 튜브형 클래딩;
    상기 튜브형 클래딩의 상기 제 1 단부를 밀봉하여 실링하는 제 1 단부 마개;
    상기 튜브형 클래딩의 상기 제 2 단부를 밀봉하여 실링하는 제 2 단부 마개; 및
    상기 튜브형 클래딩의 축들이 연장하는 곳을 통해 고형 물질의 애뉼러스 보이드를 구비한 혼합 산화물 연료 펠릿들의 적어도 전부를 갖는 상기 튜브형 클래딩의 제 1 길이 내에 그리고 그것을 따라 스택된 혼합 산화물 연료 펠릿들의 텐덤 배열, 여기서 상기 제 1 길이는 핵분열성 기체들이 수집될 수 있는 플레넘을 형성하기 위해 상기 미리 선택된 길이보다 짧고, 상기 텐덤 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합 산화물 연료 펠릿들의 전부는 상기 튜브형 클래딩이 연장하는 곳을 통해 애뉼러스를 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 애뉼러스는 직경 1mm 내지 4mm인 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 애뉼러스는 직경 2mm 내지 4mm인 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 플레넘은 제 1 단부 마개에 근접한 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 단부 마개에 근접한 제 2 플레넘을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  7. 제 1항에 있어서,
    특정 가용성 흡수체가 없는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 연료봉들의 상기 이격된 배열은 하나가 하나의 존에서 다음의 존으로 상기 연료조립체의 상기 중심으로부터 반경으로 외부로 이동함에 따라 감소하는 상기 연료봉들의 중량/퍼센트 농축을 갖는 반경 농축 조닝 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 반경 농축 조닝 패턴은 적어도 세개의 존들을 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 중량/퍼센트 농축은 중심존에 있어서 1.00, 중간존에 있어서 0.65 그리고 외주변 존에 있어서 0.45인 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  11. 제 9항에 있어서,
    17x17 연료봉들의 스퀘어 배열을 포함하고, 여기서 상기 중심존이 72개의 연료봉들을 가지고, 상기 중간존이 128개의 연료봉들을 가지며, 그리고 상기 외주변 존이 64개의 연료봉들을 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  12. 제 9항에 있어서,
    외주변 존은 상기 연료조립체들을 둘러싸는 연료봉들의 외주변 열로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 세개의 반경 존들은 다음의 패턴으로 복수의 가이드 튜브들(GT)과 계장물 튜브(IT)가 배열되는 중심존(cz), 중간존(iz) 및 외부존(oz)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료조립체.
    Figure pct00001
  14. 핵연료봉으로서:
    제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 축방향으로 미리 선택된 길이로 연장하는 길다란 튜브형 클래딩;
    상기 튜브형 클래딩의 상기 제 1 단부를 밀봉하여 실링하는 제 1 단부 마개;
    상기 튜브형 클래딩의 상기 제 2 단부 마개를 밀봉하여 실링하는 제 2 단부 마개; 및
    상기 튜브형 클래딩의 상기 축들이 연장하는 곳을 통해 고형 물질의 애뉼러스 보이드를 구비한 상기 혼합 산화물 연료 펠릿들의 적어도 전부를 갖는 상기 튜브형 클래딩의 제 1 길이 내에 그리고 그것을 따라 스택된 혼합 산화물 연료 펠릿들의 텐덤 배열, 여기서 상기 제 1 길이는 핵분열성 기체를 수집할 수 있는 플레넘을 형성하기 위해 상기 미리 선택된 길이 보다 짧고, 상기 텐덤 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 혼합 산화물 연료 펠릿들의 전부는 상기 튜브형 클래딩의 상기 축들이 연장하는 곳을 통해 애뉼러스를 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 애뉼러스는 직경 1mm 내지 4mm 사이인 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 애뉼러스는 직경 2mm 내지 4mm 사이인 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 제 1 단부 마개에 인접한 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제 2 단부 마개에 인접한 제 2 플레넘을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉.
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