KR20130139971A - 원자로 제어봉 어셈블리에 대한 지지 구조 - Google Patents

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KR20130139971A
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control rod
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rod guide
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매튜 알레스
스코트 제이. 샤고츠
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뱁콕 앤드 윌콕스 뉴클리어 에너지, 인크.
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Abstract

제어봉 가이드 프레임은 중심 통로를 정의하는 둘 이상의 컬럼요소의 자체 지지 스택으로 구성된다. 컬럼요소는 스택의 인접한 컬럼요소 사이의 접합부에서 정합되는 정합 특성을 포함할 수 있다. 제어봉 가이드 프레임은 적어도 하나의 제어봉과 원자로 코어와 연결되어 동작하도록 구성된 제어봉 구동 메카니즘과 적절하게 연결 사용되며, CRDM은 제어봉 가이드 프레임의 안내 하에 원자로 코어 속으로 들어가거나 나오는 적어도 하나의 제어봉을 이동하도록 구성되어 있다. 또 다른 실시예에서, 제어봉 가이드 프레임은 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 단면을 갖는 중심 통로를 정의하는 두 개 이상의 컬럼 요소의 스택으로 구성되어 있다. 또 다른 실시예에서, 제어봉 가이드 프레임은 연속 제어봉 안내를 제공하는 압출된 컬럼요소를 포함한다.

Description

원자로 제어봉 어셈블리에 대한 지지 구조{SUPPORT STRUCTURE FOR A CONTROL ROD ASSEMBLY OF A NUCLEAR REACTOR}
본 발명은 원자력 발전소에서의 원자로, 핵 반응 제어 장치, 제어봉 어셈블리 및 관련된 기술에 관한 것이다.
원자력 발전소에서, 원자로 코어는 바람직한 핵분열 연쇄 반응을 지원하기 위하여 선택한 조성물과 크기를 갖는 핵분열 물질을 포함하고 있다. 반응을 완화하기 위해 중성자 흡수 매체는 경수로의 경우에 경수(H2O) 또는 중수로의 경우에 중수(D2O)로 제공될 수 있다. 반응은 원자로 내부에 정렬된 통로로 중성자 흡수 물질로 구성된 "제어봉"을 삽입하여 제어하거나 중지할 수 있다. 삽입할 때 제어봉은 중성자를 흡수하여 연쇄 반응을 느리게 하거나 중지시킨다. 제어봉은 제어봉 구동 메커니즘(CRDMs)에 의해서 운영된다. 소위 "그레이(gray)" 제어봉에서 제어봉의 삽입은 지속적으로 조정 가능한 반응비 제어를 제공하기 위하여 지속적으로 조정할 수 있다. 소위 "운전정지(shutdown)" 제어봉에서, 삽입은 완전히 삽입되거나 또는 완전히 인출하는 것이다. 정상 작동 중에는 운전정지 봉이 완전히 원자로 코어에서 인출되며, 긴급 정지 중에는 운전정지 봉이 빠르게 연쇄 반응을 중지하도록 빠르게 삽입된다. 제어봉은 그레이 봉 및 운전정지 봉의 기능을 모두 수행하도록 설계할 수 있다. 전형적으로, 다수의 제어봉은 CRDM과 함께 결합 연결된 봉을 포함하는 어셈블리에 의해 단일 CRDM과 결합되고, "스파이더" 또는 복수의 제어봉을 지지하는 다른 커플링 요소로 완성된다. 이러한 어셈블리에서, CRDM은 모두 하나의 유닛으로 스파이더와 연결봉이 함께 하나의 유닛으로 복수의 제어봉을 이동시킨다.
제어봉은 일부 또는 전부가 원자로 코어로부터 인출될 때, 제어봉이 원자로 코어 내에 정렬된 통로와 정확히 정렬되도록 보장하기 위하여 제어봉 가이드 프레임에 의해 지지된다. 하나의 전형적인 가이드 프레임 구성에서, 복수의 이격가이드 플레이트는 프레임에 의하여 함께 고정된다. 운전에서, 제어봉은 가이드 플레이트의 개구부(opening)에 의해 안내된다. 그러한 가이드 프레임 설계는 개방형 설계로 인해 낮은 무게와 재료 비용, 주 냉매 흐름의 제한된 임피던스 등의 장점이 있다. 또한 제어봉 가이드 표면으로 정의하는 가이드 플레이트의 사용은 정밀 금속가공을 위한 편리한 평면을 제공한다.
본 발명이 해결하려는 과제는 두 개 이상의 컬럼요소의 스택이 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 외측 둘레를 가지도록 구성하여 구성 컬럼요소의 향상된 호환성 및 원자로 압력 용기 내의 공간 사용의 단순화된 설계 이점을 제공하는데 있다.
본 발명 과제의 해결수단은 중심 통로를 따라 위치 함수로 일정한 단면을 가지는 중심 통로를 정의하는 둘 이상의 컬럼요소의 스택으로 구성된 제어봉 가이드 프레임으로 구성된 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결수단은 중심 통로를 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 형성하는 단계와 적어도 하나의 컬럼요소를 포함하는 제어봉 가이드 프레임을 제조하는 단계를 포함하는 장치제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 두 개 이상의 컬럼요소의 스택이 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 외측 둘레를 가지며, 이러한 구성은 구성 컬럼요소의 향상된 호환성 및 원자로 압력 용기 내의 공간 사용의 단순화된 설계 이점을 제공하는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 스택된 연속 가이드 프레임의 제작 노동과 소형 부품의 용접을 감소시킬 수 있고, 가이드 프레임은 인접한 컬럼요소 사이의 부착점에서 압정 용접만을 사용하여 구성할 수 있다.
본 발명은 다양한 구성요소와 다양한 구성요소의 배열 형태를 취하고, 다양한 프로세스 운영과 프로세서 운영의 배열을 취할 수 있다. 도면은 바람직한 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 해석되고, 본 발명을 제한하는 것으로 해석할 수 없다.
도 1은 설명을 위한 연속제어봉 가이드 프레임을 포함하는 원자로 압력 용기의 하부를 보여주는 단면 투시도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도식적 제어봉 구동메카니즘(CRDM) 및 제어봉의 번들 맥락에서, 도 1의 연속제어봉 가이드 프레임의 사시도이다.
도 2는 도식적 제어봉 구동메카니즘(CRDM) 및 제어봉의 번들 맥락에서, 도 1의 연속제어봉 가이드 프레임의 사시도이다.
도 4는 연결봉과 커플링요소를 나타내는 단면을 가진 도 1-3의 제어봉 가이드 프레임의 측면 단면 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5와 6은 도 4의 커플링 요소의 각각 사시도와 측단면 투시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 1-4의 제어봉 가이드 프레임을 포함하는 컬럼요소 중 하나의 측면도를 나타낸 것이다.
도 8과 9는 도 7에 나타난 단면 A-A와 단면 B-B 각각 나타낸 것이다.
도 10은 두 가지 대표적인 제어봉과 커플링요소를 팬텀으로 나타낸 도 7-9에 도시된 실시예의 3개 컬럼요소 스택의 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 두 개의 이격된 연속 제어봉 가이드 프레임을 포함하는 다른 제어봉 가이든스(guidance) 프레임의 투시도를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 한 측면에서, 장치는 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 단면을 갖는 중심 통로를 정의하는 두 개 이상의 컬럼요소의 스택(stack)을 포함하는 제어봉 가이드 프레임으로 구성되어 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 장치는 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 단면을 갖는 중심 통로를 정의하는 두 개 이상의 컬럼요소의 스택(stack)을 포함하는 제어봉 가이드 프레임; 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로와 평행하게 배열된 적어도 하나의 제어봉을 포함하는 제어봉 어셈블리; 상기 적어도 하나의 제어봉은 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로로 삽입되거나 인출되도록 움직일 수 있고; 중심 통로에 배치된 적어도 하나의 제어봉의 일부는 중심 통로에 배치된 적어도 하나의 제어봉의 전체 길이에 걸쳐 중심 통로에 의해 안내되어진다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 바로 전 단락에 개시된 장치는 제어봉 가이드 프레임, 원자로 코어, 그리고 적어도 원자로 코어(core)를 포함하는 원자로 압력 용기, 제어봉 가이드 프레임 및 상기 적어도 하나의 제어봉의 중심 통로로 들어가거나 나오도록 적어도 하나의 제어봉의 움직임을 제어하는 제어봉 어셈블리와 연결 동작하는 제어봉 구동메커니즘(CRDM) 그리고 적어도 하나의 제어봉이 더 포함되고; 적어도 하나의 제어봉이 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로에서 나올 때는 원자로 코어 속으로 이동하고, 적어도 하나의 제어봉이 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로로 들어갈 때는 원자로 코어 밖으로 이동한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 장치는 복수의 제어봉으로 구성된 제어봉; 그리고 적어도 하나의 제어봉을 인출할 수 있는 중심 통로를 정의하는 제어봉 가이드 프레임; 중심 통로로 인출되는 복수의 제어봉 중 각각의 제어봉 부분의 전체 길이를 따라 연속 안내를 제공하는 중심 통로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 장치는 중심 통로로 정의하는 두 개 이상의 컬럼요소의 자체지지 스택을 포함하는 제어봉 가이드 프레임으로 구성되어 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 장치는 중심 통로로 정의하는 두 개 이상의 컬럼요소의 자체지지 스택을 포함하는 제어봉 가이드 프레임으로 구성되며, 제어봉 가이드 프레임은 두 개 이상의 컬럼요소(columnar elements)의 자체지지 스택을 지지하는 외골격을 포함하지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 두 개의 바로 앞단락 중 하나에 개시된 바와 같이, 장치는 스택에 인접한 컬럼요소 사이에 접착부(abutments)에 맞도록 하는 맞춤기능을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에서, 두 개의 바로 앞 단락 중 하나에 개시된 바와 같이, 장치는 제어봉 어셈블리와 원자로 코어와 연결되어 동작하는 제어봉 구동 메카니즘(CRDM)을 포함하며, 제어봉 구동 메카니즘은 제어봉 가이드 프레임의 안내에 따라 하나이상의 제어봉이 원자로 코어로 들어가거나 인출되도록 이동한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 방법은 중심 통로를 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 형성하고, 상기 적어도 하나의 컬럼요소를 포함하는 제어봉 가이드 프레임으로 제조되는 구성을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 방법은 각 중심 통로로 정의하는 복수의 컬럼요소를 형성하고, 상기 컬럼요소 종단과 종단을 스택(stacking)에 의하여 제어봉 가이드 프레임으로 제조되는 구성을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 방법은 두 개의 바로 앞 단락 중 하나에 개시된 바와 같이 중심 통로로 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 압출 가공하여 형성되는 구성을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에서, 두 개의 바로 앞 단락 중 하나에 개시된 바와 같이 중심 통로로 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 캐스팅(casting) 가공에 의하여 형성되는 구성을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에서, 방법은 두 개의 바로 앞 단락 중 하나에 개시된 바와 같이 전기방전가공(EDM)을 사용하여 중심 통로로 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 형성하는 구성을 포함한다.
외부 프레임에 의하여 함께 이격 고정된 가이드 플레이트로 구성된 개방 제어봉 가이드 프레임은 낮은 무게 및 재료비용, 제한된 주 냉매 임피던스, 제조 편의성 등의 장점이 있다. 그러나 이 가이드 프레임 구성의 수많은 단점은 여기에서 인식된다. 이격 가이드 플레이트는 충분한 드래그가 있는 경우 삽입 시 제어봉의 휨(bowing)을 허용할 수 있다. 이러한 휨은 제어봉 어셈블리(즉, 단일 스파이더 혹은 다른 결합 요소에 의하여 열결봉과 함께 고정된 복수의 제어봉들인)가 가이드 프레임 내에서 움직일 수 없게 하고 원자로 코어 속으로 삽입할 수 없게 할 수 있다. 회색막대의 경우 이러한 실패는 적어도 상당히 불편하고, 회색막대가 허용 반응성 제어를 유지하기 위해 필수적인 경우에 유지보수를 위해 원자로 용기 개방을 요구할 수 있다. 하이브리드 및/또는 정지봉의 경우, 휨이 야기한 봉 삽입 실패는 고장난 원자로를 성공적으로 긴급 정지를 할 수 없게 하거나 방해할 수 있고, 그래서 심각한 안전 문제를 야기한다.
가능한 봉 휨과 관련된 문제는 운전정지속도와 안정성이다. SCRAM 동안에 삽입되는 하이브리드 또는 제어봉에서의 비율은 운전정지 속도에 영향을 준다. 가이드 플레이트 사이의 이격 공간에서 가능한 봉 휨은 제어봉 휨을 일으킬 수 있는 너무 큰 힘 때문에 제어봉이 원자로 코어를 향해 구동할 수 있는 힘에 대한 상한값(즉 속도)을 강요할 수 있다. 제한된 구동력은 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 원자로 코어에 봉 삽입을 방해하거나 장애의 가능성이 있다. 차단 또는 장애물의 소스는 예를 들어, 원자로 용기 내의 침전 또는 다른 오염 또는 버(burr), 가이드 플레이트의 가이딩 표면 및/또는 원자로 코어 내에 배열된 통로 내의 다른 결합, 기타 등등을 포함하고, 높은 반응성 사고 동안에 열팽창에 의해 악화가 가능하다. 그러한 차단 또는 장애물은 봉 SCRAM 동안에 감소된 구동력에 의해 극복될 가능성이 적고, 그래서 SCRAM 실패의 가능성을 높인다.
이격된 가이드 플레이트를 사용한 또 다른 문제는 스파이더 또는 다른 연결 요소가 항상 특정 가이드 플레이트에 배열되지 않는다는 것이다. 스파이더는 이격 가이드 플레이트 사이에 있을 때 임의의 수평 힘 때문에 움직에 민감하고, 예를 들어 임의의 수평 주 냉매 흐름 구성요소 또는 원자로 용기 자체 때문이다(예를 들어, 지진시, 또는 해양반응기의 경우에 임의의 시간에). 스파이더의 수평이동은 스파이더에 부착된 제어봉의 부정합과 그 결과로서 실패의 가능성이 증가한다.
아직 이격된 가이드 프레임을 사용한 또 다른 문제는 제어봉에 작용하는 흐름 유발 진동에 대한 가능성이다. 예를 들어, 가이드 플레이트가 진동 "NULL"점으로 취급되는 경우에, 이격된 가이드 플레이트는 가이드 플레이트 사이의 간격의 배수인 파장(또는 "반파장")을 갖는 자연적인 진동모드를 지지할 수 있다. 그러한 진동은 반응제어의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 재료의 피로에 기여할 수 있고, 궁극적으로 제어봉의 실패에 기여할 수 있다.
이러한 어려움은 지속적으로 지지를 제공하는 가이드 프레임으로 완화되는 것으로 인식된다. 그러한 경우에는, 막대 휨은 억제되거나 완전히 방지된다. 이 때문에 SCRAM 을 하는 동안 코어 속으로 제어봉을 구동하는 큰 힘의 사용을 허용하여 반응정지 속도와 신뢰성을 개선한다. 스파이더 또는 다른 연결요소는 완전히 인출하고 완전히 삽입되는 제어봉 위치 사이의 이동시 모든 지점에서 가이드 프레임에 의해 지지된다. 진동은 지속적인 지지에 의하여 완전히 억제 또는 제거된다.
도 1을 참조하면, 도시된 원자로 압력용기(10)의 관련부분은 압력용기(10)의 하단에 근접 위치해 있는 코어 포머(former; 12)을 포함한다. 코어 포머(12)는 반응 코어가 들어가거나 포함되어 있으며(미도시), 예시의 방법으로 농축 우라늄 산화물(즉, 높은 235U/238U 비율을 가지도록 처리된 UO2) 같은 방사성 물질이 들어 있거나 포함한다. 제어봉 구동 메카니즘(CRDM) 유닛(14)이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 CRDM(14)은 압력용기(10)내에 배치된 내부 CRDM이며, 또한, 외부 CRDM이 사용될 수 있다. 도 1은 하나로 도시된 CRDM 유닛(14)을 예시로 나타낸 것이다; 그러나 더 일반적으로 다른 복수의 제어봉과 결합된 각각 전형적인 다수의 CRDM로 되어 있다(비록 추가 CRDM 장치가 도 1에 도시되어 있지 않더라도, 압력 용기(10)은 추가 CRDM 유닛의 공간에 도시된다).
CRDM 유닛(14) 아래에, 도 1의 블록의 투시도에서 연결봉이 안보이게 막는 제어봉 가이드 프레임(16)이 있다(도 1에 미도시). 가이드 프레임(16) 아래로 확장은 복수의 제어봉(18)이다. 도 1은 제어봉(18)이 최대로 코어 포머(12)로 삽입되어 완전히 삽입된 위치에 있는 제어봉(18)을 나타낸 것이다. 완전히 삽입된 위치에서, 스파이더 또는 다른 연결요소는 제어봉 가이드 프레임(16) 내의 낮은 위치(20)에 위치해 있다(미도시). 도 1에 대한 실시예에서, CRDM 유닛(14)과 제어봉 가이드 프레임(16)은 CRDM 유닛(14)과 가이드 프레임(16)이 각각 반대쪽 종단에 정합되게 하는 공동의 튜브로 구성된 스탠드오프(standoff; 22)에 의해 이격되고, 그것에 통해 연결봉이 지나간다.(도 1에 표시되지 않음). 제어봉 가이드 프레임(16)의 하단(12)는 코어 포머(12)의 상부에 위치한 지지 플레이트(24)와 연결되거나, 코어 포머(12)의 상단에 장착된 별도의 플레이트에 연결될 수 있다.
도 1은 압력 용기(10)의 하부만을 보여준다. 운전 중에 있는 원자로에서, 도면의 열린 상부 종단(26)은 도시된 압력용기(10)의 하부와 함께 원자로 코어(도시된 코어 포머(12)에 표시된), 제어봉(18), 가이드 프레임(16), 및 내부 CRDM 유닛(14)들이 들어있는 밀폐된 압력 볼륨을 형성하는 하나 이상의 상부 압력용기 부분과 연결되어 있다. 다른 실시예에서, CRDM 장치는 원자로 압력 용기 위에 있는 외부에 있다. 그러한 실시예에서, 외부 CRDM은 연결 봉이 압력 용기의 상부에 있는 입구(portal)를 통해 확장되는 제어봉/CRDM 커플링 어셈블리에 의하여 제어봉에 연결되어 있다.
도 2를 참조하면, CRDM 유닛(14), 제어봉 가이드 프레임(16), 인터빙 스탠드오프(22), 및 제어봉(18)을 포함하는 제어 어셈블리는 원자로 압력 용기로부터 분리하여 도시되어 있다. 또한, 제어봉/스파이더 어셈블리는 도 2에서 제어봉 가이드 프레임(16) 및 스탠드오프(22)에 의해 감춰져 있다.
도 3을 참조하면, 제어봉 가이드 프레임(16)이 투시도로 도시되고, 남은 구성요소와 분리되어 있다(예를 들면, CRDM, 제어봉, 등). 제어봉 가이드 프레임(16)은 이격된 가이드 플레이트를 설치하는 것보다 연속 가이드 프레임이다. 가이드 프레임은 일반적으로 하나 이상의 컬럼요소를 포함한다. 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)은 동일한 도시된 일곱 컬럼요소(30)를 포함하며, 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)을 적층 형성한다. 그러나, 수많은 컬럼요소의 수는 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯, 도시된 7, 8, 9, 10, 또는 그 이상이 될 수 있다. 부가적으로, 도시된 일곱 컬럼요소(30)는 모두 서로 동일한 반면, 필요하지는 않다. 예를 들어, 다른 컬럼요소는 다른 높이를 가질 수 있고, 또는 다른 컬럼요소는 유체 흐름통로를 포함하거나 생략하는 등을 포함할 수 있다(선택적 특성은 다른 문서에 더 설명됨).
인접한 컬럼요소(30)의 각 쌍은 접합부(abutment; 31)에 연결된다.(이것은 인접한 컬럼요소가 없기 때문에 컬럼요소의 수가 1에 해당하는 제한적인 경우에는 무관하다). 도시된 일곱 컬럼요소(30)가 있기 때문에, 7-1= 6의 접합부(31)가 있다. 일반적으로, N 스택 컬럼요소가 있는 경우에 N-1 접합부가 있다. 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)은 (도시된 일곱) 컬럼요소(30)의 자체를 지지하는 스택으로 구성되어 있다. 컬럼요소(30)의 스택을 지지하는 외골격은 없다.(이것은 제어봉 가이드 프레임(16)에 포함되지 않고 생략된 외골격을 나타내기 위하여 팬텀으로 외골격(Ex)을 나타냄에 의하여 도 3에 개략적으로 나타내었다). 다른 실시예에서, 그러나, 컬럼요소의 스택에 대한 일부 지지를 제공하는 외골격을 포함하도록 고려한다.
각 컬럼요소(30)는 컬럼 높이 h 를 가지며, 그래서 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)은, 그 내부에 7 컬럼요소(30)가 동일한데, 컬럼 높이 H = 7h 를 가진다. 더 일반적으로, 높이는 구성 컬럼요소의 높이의 합계이다. 하나의 컬럼요소를 구성하는 가이드 프레임으로 제한된 경우에, H = h 이다. 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)의 상부 종단은 스탠드오프(22)를 통해 CRDM 유닛(14)과 연결되는 하부 플레이트(32)를 포함하고(도 2 참조), 반면에 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)의 하부 종단은 연료 코어 포머(12)의 상부 또는 인접한 지지 플레이트(24)와 연결된 하부 플레이트를 포함한다. 도시되진 않았지만, CRDM 유닛(14) 및/또는 지지 플레이트(24)를 가이드 플레이트 상의 프레임(16)과 연결을 용이하게 하는 블록 또는 다른 중간구성 요소 설치를 포함하도록 고려한다. 상기 높이 값은 상부 및/또는 하부 플레이트(32,34) 또는 설치블록이나 중간 구성요소의 임의의 높이의 기여를 무시한다.
도 4를 참조하면, 제어봉 가이드 프레임(16)의 투시 단면도이고, 제어봉 가이드 프레임(16)의 내부에 배치된 연결봉(40)과 커플링요소(42)의 단면을 나타낸다. 도 4에서, 연결봉(40)의 상부 종단은 가이드 프레임(16) 위로 격리되어 확장되도록 도시되어 있다. 도 4와 도1의 비교에 의하여 이해될 것이며, 연결봉(40)의 상부 종단은 CRDM(14)으로 확장되고 커플링된다. 도 4는 원자로 코어로 완전하게 확장되는 제어봉(미도시)에 대응하는 그들의 가장 "아래" 위치에서 연결봉/커플링 요소 어셈블리(40,42)(도 4에 미도시)를 가지는 구성을 나타낸 것이다.(도 1과 도 2에 도시된 바와 같음).
일부 실시예에서, 스파이더는 하나의 연결봉에 복수의 제어봉을 연결하는 커플링요소로 제공된다. 스파이더는 전형적으로 금속튜브 또는 스파이더 연결봉과 부착되는 중앙 부착지점으로부터 일반적으로 방사상으로 외부로 확장되는 암(arm)으로 구성되며, 선택적으로, 방사적으로 확장되는 튜브 사이에 제공되는 추가적인 지지 크로스-부재(members)를 더 포함하도록 구성되어 있다. 스파이더는 튜브 또는 측면에서 SCRAM 방향으로 지향하는 실제 표면적을 감소시키기 위해 튜브와 암(arm) 사이에 큰 측면 개구부를 갖는 경량의 "스파이더" 구성이다. 도 4에서, 그러나, 커플링요소(42)는 스크램 방향(S)에 따라 실질적으로 연장된 커플링 요소이고, 기존의 스파이더에서 처럼 경량의 "스파이더" 구성을 가지는 것보다 부피가 크다.
도 5와 도 6을 참조하면, 각각 커플링요소(42)의 투시도 및 측단면 투시도를 나타낸 것이다. 커플링 요소(42)는 상부 및 하부 케이싱 커버 플레이트(52,54)에 의해 봉인되어 상부와 하부 종단을 가진 실질적으로 빈 케이싱(50)을 포함한다. 4 개의 상부 케이싱 커버 플레이트(52)는 도 5에 도시되고, 상부 케이싱 커버 플레이트(52)의 둘은 도 6의 측 단면 사시도에 도시되어 있다. 도 5의 사시도의 기울기는 하부 커버 플레이트를 가렸지만, 하부 커버 플레이트의 둘은 도 6의 측 단면도의 "가장자리"에서 볼 수 있다. 도시된 커플링 요소(42)는 도 5에 도시된 4개의 상부 케이싱 커버 플레이트(52)와 유사하게 배열된 하부 케이싱 커버 플레이트가 포함되어 있다. 커플링 요소(42)는 SCRAM 방향(S)와 원통 축을 가로지르는 균일한 단면과 평행한 실린더 축을 가진 원통형이다. 그 단면은 복잡하며, 연결봉(40)의 하부 종단과 커플링을 위한 중심 통로(56)로 정의된다.
커플링 요소(42)의 무게(또는 평균 밀도)를 높이려면, 중심 통로(50) 주위에 90° 간격으로 방사상으로 이격된 4개의 케비티(cavity)를 정의한다. 이 케비티는 고밀도 물질의 필러(filler; 58)(두개의 채워진 케비티는 도 6의 단면도에서 볼 수 있다)로 채워진다. 빈 케이싱(40)의 단면은 도 5와 6에서 일부 표시된 수많은 작은 통로(60)(중심 통로(56)와 비교하여 작다)로 정의하며, 오직 몇 개만이 도5와 도6에 라벨이 붙여져 있다. 이러한 작은 통로(60)는 케이싱(50)을 완전히 관통하고, 제어봉(18)의 상부 종단의 부착을 위한 설치점(mounting point)을 제공한다.
선택적 필러(58)은 SCRAM 동안 힘과 속도를 증가시키기 위하여 커플링 요소(42)의 질량(또는 평균 밀도)을 증가시킨다. 필러(58)는 빈 케이스(50)를 형성하는 스테인레스스틸(또는 다른 물질)보다 높은 밀도를 가진 "무거운 물질"의 의미인 무거운 물질로 구성된다. 예를 들면, 필러(58)은 도시된 일부의 실시예의 방법에서 텅스턴, 열화된 우라늄, 몰리브덴, 또는 탄탈늄으로 구성된다. 또한, 케비티는 생략할 수 있으며, 전체 커플링 요소(42)는 실시예의 방법에 의하여 스테인레스 스틸로 만들어질 수 있다. 이러한 구성은 여전히 SCRAM 방향(S)을 따라 커플링 요소(42)의 확장과 더 많이 "채워진" 구성으로 인하여 기존의 경량, "스파이더 다리같은" 경량 스파이더와 비교하여 상당한 무게 증가를 제공한다.
도시된 "무거운" 커플링 요소는 2010년 8월 24일 출원되고, 발명의 명칭이 "원자로를 위한 제어봉 어셈블리에서 연결봉 및 제어봉을 커플링하기 위한 터미널 요소"인 미국 특허출원번호 12/862,124에 보다 자세하게 기술되어 있고, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다. 설명된 "무거운" 커플링 요소(42)는 보다 큰 SCRAM 힘으로 결과적으로 빠른 운전정지(shutdown 또는 하이브리드 제어봉의 경우)를 제공하는 장점이 있다. 그러나, 더 일반적으로, 제어봉 가이드 프레임(16)은 예를 들어 도시된 커플링 요소(42), 또는 연결요소를 전혀 가지지 않는 기존의 스파이더 또는 커플링 요소와 적절하게 사용할 수 있다(예를 들어, 단일 제어봉이 연결 요소의 하부 종단에 직접 커플링되는 구성).
도 3과 도 4의 참조 문헌으로 돌아가서, 도 7-9를 더 참조하면, 도시된 제어봉 가이드 프레임(16)에 대하여 더 기술한다. 도 7은 하나의 컬럼요소(30)의 측면도를 나타낸 것이다. 도 8과 도 9는 도 7에 표시된 단면 A-A와 단면 B-B 각각을 나타낸 것이다. 도 8과 9의 단면도에서 가장 잘 볼 수 있는 것처럼, 컬럼요소(30)는 컬럼요소(30)를 통과하는 중심 통로(70)으로 정의한다. 중심 통로(70)는 중심 통로(70)를 따라 위치의 함수로 일정한 단면을 가진다(예를 들어, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이 단면 A-A의 위치 및 단면 B-B의 위치에 실질적으로 동일한 단면을 가짐). 다른 방법으로, 컬럼요소(30)(또는, 균등하게, 컬럼요소(30)의 스택을 포함하는 가이드 프레임(16))는 중심축(72)(각각의 도2,4,7,8,9에 라벨이 붙여 있고, 도 8,9에서 단면도는 중심축(72) 아래에 있다)을 정의하고 중심 통로(70)는 중심축(72)을 따라 놓여 있으며, 중심축에 따른 위치에서 중심축을 가로지르는(중심축에 수직하는) 평면(plane)에서 일정한 단면을 가진다. 연결봉(40)과 제어봉(18)은 제어봉 가이드 프레임 (16)에 의해 정의되는 중심축(72)과 평행하게 조립된다. (또는 다른 도면에서, 제어봉 가이드 프레임(16)은 그 중심 축(72)이 연결봉(40)과 제어봉(18)이 평행하도록 조립된다.) 도시된 예제(도 4 참조)에서, 연결봉(40)과 커플링 요소(42)는 중심축(72)에 집중된다. 이러한 집중이 이동하는 어셈블리에 대하여 균형을 향상시키는 대칭의 유리함을 제공하고; 그러나, 또한 연결봉 및/또는 스파이더 또는 다른 커플링 요소가 중심축(72)에 대하여 "중심을 벗어난" 위치에 배치되는 것도 고려한다. 이것 역시 SCRAM 방향(S)가 중심축(72)을 따라(또는 평행되게) 위치하는 것 또한 고려해야 한다.
중심 통로(70)은 커플링 요소(42)(도시된 실시예에서 케이싱(50)으로 정의됨)의 외부 표면과 중심 통로(70)의 표면 사이에 비교적 작은 공차를 가지고 도시된 커플링 요소(42)(또는 커플링 요소로서 스파이더를 채용하는 실시예에서 스파이더를 수용하기 위한)를 수용하는 형상과 크기를 가진다. 중심 통로(70)는 중심축(72)과 평행하고, 컬럼요소(30)을 통해 완전히 확장되는 제어봉 안내 채널(74)(도 8 참조)를 포함한다. 각 제어봉 안내 채널(74)은 복수의 제어봉(18)에서 해당 제어봉을 수용하는 크기와 위치를 고려하여 설치된다. 중심 통로(70)(안내 채널(74) 포함)는 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 단면을 가지고 있기 때문에, 중심 통로(72)(그리고 특히, 제어봉에 맞춰서 배열된 제어봉 안내 채널(74))에 배치되어 있는 제어봉의 임의의 부분은 중심 통로에 배치되는 제어봉 부분의 전체 길이에 대하여 중심 통로(70)(그리고 특히, 배열된 제어봉 안내 채널(74)을 따라서 안내됨)에 의하여 안내된다. 다른 방법으로, 제어봉 안내 채널(74)은 제어봉 가이드 프레임(16)으로부터 인출되는 제어봉의 전체 부분에 대한 지속적인 안내를 제공한다.
"안내" 또는 "안내(guiding) 면" 등의 용어는 지정된 허용 오차 내에 의도된 방향으로 직선으로 제어봉을 유지할 수 있도록 하는 제어봉 안내 표면이나 구조(예를 들어, 안내 채널(74))를 나타낸다. 전형적으로, 안내 채널(74)은 제어봉과 비교하여 다소 큰 직경을 가지며, 안내되는 제어봉의 이동 허용오차로 정의되는 차이를 가진다. 제어봉이 기계적 진동 힘 또는 제어봉의 초기 휨으로 인해 예를 들어, 허용 오차를 초과 이탈하려고 하면, 제어봉은 진동 운동 또는 허용 오차를 초과하는 제어봉의 휨을 방지하기 위하여 안내 채널(74)의 안내 면에 대해 캠을 설치한다. 제어봉 직경보다 다소 큰 안내 채널(74)를 설치함에 의하여 안내 채널(74)과 마찰 저항없이 상하 이동이 허용된다. 그러나, 안내 채널(74)은 제어봉의 직경과 정확하게 일치하는 크기를 가질 것을 고려하여 제어봉 삽입 또는 인출을 어느 정도의 마찰저항을 희생하여 운동 허용오차를 최소화한다. 안내 채널(74)의 크기 조정은 컬럼요소(30)을 포함하는 스테인리스 스틸 또는 다른 재질과 비교되는 제어봉의 열팽창 차이의 계산을 포함하는 적절한 선택이 필요하다.
도시된 안내채널은 완전히 밀폐된 원통형 통로를 형성하지 않으나, 오히러 중심 통로(70)의 주 체적과 부분적으로 "연결된" 상태이다. 안내 채널(74)를 포함하는 중심 통로(70)는 임의의 "분리된" 통로 단면없이 단순히 연결된 단면을 가진다. 이것은 커플링 요소(42)와 제어봉(18)의 커플된 번들을 포함하는 어셈블리가 중심 통로(70)을 통과하여 자유롭게 이동하는 것을 허용한다. 각 안내 채널(74)는 제어봉의 임의의 방향으로 허용 오차 이상으로 이동하는 것을 방지하기 위해 충분한 경계에 안내된 제어봉의 원형 단면을 둘러싼다. 또한, 도시된 안내 채널(74)은 원형 단면을 갖는 제어봉을 안내하는 형상인 반면에, 또한, 사각, 육각, 팔각형, 또는 다른 단면을 가지는 제어봉을 고려할 수 있으며, 그런 경우에 해당 제어봉 안내 채널 경우에 안내된 제어봉에 대해 허용 가능한 모션 오차에 대응하는 제어봉과 비교하여 다소 크게 단면을 형성한다.
도 7-9를 계속 참조하고 도 10을 더 참조하면, 실시예에서(예를 들어 설명한 실시예에서) 둘 이상의 컬럼요소(30)가 가이드 프레임(16)을 정의하기 위해 스택되고, 각 컬럼요소(30)의 중심 통로(70)은 동일한 크기와 모양이며, "스택된 중심 통로"를 따라 위치의 함수로 일정한 단면을 가지는 "스택된 컬럼통로"를 정의하기 위하여 스택에 배열된다. 다른 방법으로, 컬럼요소(30)의 스택을 구성하는 가이드 프레임(16)은 중심 축(72)을 정의하고, 스택의 공통 중심 통로(70)는 중심 축(72)에 따라 위치하며, 중심 축(72)에 대해 가로지르는 평면에 일정한 단면을 가진다. 컬럼요소(30)의 정렬은 전체 스택에 대하여 제어봉 안내 채널(74)의 정렬을 포함한다. 3개 컬럼요소(30)의 스택을 도시한 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 제어봉 안내 채널(74)이 팬텀(phantom)으로 도시되어 있고, 커플링요소(42)는 스택의 중간 컬럼(columnar)요소(30)의 위치에 팬텀으로 나타내었다. 두 개의 도시된 제어봉(18)은 커플링요소(42)로부터 아래로 확장되고, 컬럼요소(30)의 스택으로 어느정도 인출된다. 이 위치에서, 두 개의 도시된 제어봉(18)은 가장 낮은 컬럼요소(30)의 정렬된 제어봉 안내 채널(74)과 스택의 중간 컬럼요소(30)의 일부에 배치된다. 따라서, 두 개의 도시된 제어봉(18)의 이러한 부분은 스택에 배치된 부분의 전체 길이를 따라 지속적인 안내를 제공받는다.
도 3과 7을 참조하면, 제어봉 가이드 프레임을 구성하는 컬럼요소(30)의 스택은 선택적으로 외골격(Ex)을 생략한 자체-지지 스택이다. 이 종단을 향하여, 인접 컬럼요소(30) 사이의 각 접합부에서, 하나의 컬럼요소는 정합 특성의 첫 번째 세트를 가진 인접 종단을 포함하며, 다른 컬럼요소는 정합 특성의 두 번째 세트를 가진 인접 종단을 포함한다. 정합 특성의 첫 번째와 두 번째 세트는 접합부에서 함께 정합을 위한 크기와 형상으로 이루어진다. 도 7은 하나의 예를 도시한 것이며, 컬럼요소(30)는 돌출된 부분(82)으로 구성된 도시된 예제에서 정합 특성의 첫 번째 세트를 가지는 첫 번째(상부) 인접 종단(80)을 가지며, 또한 오목한 구멍(86)으로 구성된 도시된 예제에서 정합 특성의 두 번째 세트를 가지는 두 번째(하부) 인접 종단을 가진다(도 7에 팬텀으로 나타냄). 하나의 컬럼요소(30)가 다른 탑(top)에서 스택될 때, 더 높은 상부 컬럼요소의 인접 종단(84)에서 오목한 구멍(86)은 더 낮은 컬럼요소의 인접한 상부 종단(80)의 돌출된 부분(82)에 수용되어 정합된다. 이러한 정합 특성은 적절한 정렬을 보장하는데 도움이 되고, 그리하여 스택된 컬럼요소의 중심 통로(70)는 전체 가이드 프레임(16)을 통해 지속적으로 잘 정렬된 통로를 형성한다. 정합 특성(예를 들어, 도시된 예제에서, 스터브(82)의 길이와 구멍(86)의 깊이)의 성질에 따라 정합 특성은 스택의 자체-지지에 기여하는 일부 구조적인 지지를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 두 개 이상의 컬럼요소의 스택은 중심 통로(70)를 따라 위치의 함수로 일정한 외측 둘레를 가진다. 이는 컬럼요소(30)가 도시된 스택 경우이다. 그러한 구성은 구성 컬럼요소의 향상된 호환성, 및 원자로 압력 용기 내의 공간 사용의 단순화된 설계 이점을 제공한다. 그러나 또한 두 개 이상의 컬럼요소의 스택이 중심 통로(70)에 따라 위치의 함수로 변화하는 외측 둘레를 가지는 것도 고려한다.
지속적인 안내의 장점은 제어봉 휨을 억제 또는 제거하고, 보다 신속한 운전정지와 더 높은 SCRAM 구동 힘을 허용하는 것이다. 그러나 이러한 장점은 SCRAM 동안에 제어봉의 삽입에 저항하기 위해 수압이 축척되는 경우에 감소될 수 있다. "부피가 큰" 커플링 요소(42)을 사용하는 경우는 그것이 커플링 요소(42)를 지나는 주 냉매 유체의 흐름을 위한 실질적인 통로를 제공하지 않기 때문에 이러한 압력 축적이 높아질 수 있다. SCRAM 동안에 중심 통로(70)의 수압 상승을 완화하는 한 가지 방법은 스파이더 또는 다른 커플링요소를 통과하여 주 냉매유체의 흐름을 위하여 실질적인 통로를 가지는 스파이더 또는 다른 연결 요소를 채용하는 것이다. 그러나 이러한 접근은 커플링 요소의 무게를 감소시키고, 단점을 야기시킨다.
도 7과 8을 참조하면, SCRAM 동안에 중심 통로(70)의 수압 상승을 완화하는 추가적인 또는 대체 방법은 중심 통로(70) 및 컬럼요소의 외측 사이에 유체 전달(communication)을 제공하기 위해 하나 이상의 컬럼요소에 유체 흐름 통로를 포함하는 것이다. 도시된 예에서, 각 컬럼요소(30)은 슬롯(90)의 상부 세트와 슬롯(92)의 하부 세트로 구성된 유체 통로를 포함한다. 슬롯(90, 92)은 컬럼요소(30)의 몸체 속으로 형성되고, 컬럼요소(30)(따라서 컬럼요소(30)를 통과하는 중심 통로(70)의 일부가 아님)의 높이 h로 동일한 공간(시간)에 위치하지 않는다. 이 점에서, 도 8에 도시된 단면 A-A는 슬롯(90)을 관통하고, 그래서 슬롯(90)을 단면 A-A에서 볼 수 있다. 반면, 도 9에 도시된 단면 B-B는 슬롯(90)과 슬롯(92) 사이를 통과하며, 그리하여 단면 B-B에서는 슬롯을 볼 수 없다. 도시된 실시예에서, 제어봉 가이드 프레임은 각각 슬롯(90)과 슬롯(92)를 포함하는 7개의 동일한 컬럼요소(30)의 스택으로 구성된다. 그러나 보다 일반적으로, 일부 컬럼요소에 유체 흐름 통로를 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 슬롯 형상의 유체 흐름 통로(90, 92)는 예제에 도시되고, 유체 흐름 통로의 다른 형상 및 크기도 고려되며, 예를 들면 구멍(사각형, 원형, 또는 기타 모양), 나선형 슬롯 등등이다.
도 11을 참조하면, 일정한 단면의 중앙 통로로 정의한 하나 이상의 컬럼요소의 스택으로 구성된 공개된 제어봉 가이드 프레임은 재료의 총량을 줄이고 지속적인 안내의 실질적인 이익을 얻기 위해 이격된 조합으로 채용될 수 있다. 도 11은 상부의 연속 제어봉 가이드 프레임(161)과 간격이 스페이셔(96)에 의해 이격된 하부 연속 제어봉 가이드 프레임(162)으로 구성된 제어봉 안내 구조를 나타낸 것이다. 두 개의 연속 제어봉 가이드 프레임(161, 162)은 보다 적은 컬럼요소(30)을 포함하는 것과 변형 종단을 가지는 것을 제외하고 연속 제어봉 가이드 프레임(16)과 유사하다. 특히, 상부의 연속 제어봉 가이드 프레임(161)은 3 개의 컬럼요소를 포함하고 두 개의 접합부를 포함하며; 낮은 연속 제어봉 가이드 프레임(162)은 4 개의 컬럼요소(30)를 포함하며 세 개의 접합부(31)를 포함한다. 상부의 연속 제어봉 가이드 프레임(161)은 스페이서(96)와 하부 연결을 위해 하부 플레이트(34)를 생략하고, 유사하게, 하부의 연속 제어봉 가이드 프레임(162)은 상부에서 스페이서(96)과 상부 연결을 위해 상부 플레이트(32)를 생략한다. 도 11의 구성에서의 이점은 스페이서(96)가 SCRAM 동안에 중심 통로(70)에서 수압 축적을 완화하기 위하여 커다란 갭을 형성할 수 있으며, 그것은 슬롯(90, 92)과 비슷한 목적으로 제공된다. 스페이서(96)의 잠재적인 단점은 제어봉 안내에서 불연속을 제공한다는 것이다. 따라서, 적정성은 제어봉 안내 구조의 "개방성"(큰 높이의 많은 수의 스페이서를 포함함에 의하여 향상시킴)과 안내의 연속성(낮은 높이의 적은 수의 스페이서를 포함함에 의하여 향상시킴) 사이에 만들 수 있다. 도 11의 제어봉 안내 구조에서 구성된 가이드 프레임(161,162) 각각의 길이(또는 높이)를 따라 연속적 안내를 제공하는 것에 주목하게 된다. 이러한 지속적인 안내는 안내없는 스페이셔(96)에서 조차 제어봉 휨을 억제할 수 있도록 제어봉을 "직선"으로 구성하는 경향이 있다.
컬럼요소(30)은 비록 다른 재료가 고려되더라도 스테인레스 스틸로 만드는 것이 적합하다. 컬럼요소(30)의 제조는 캐스팅, 압출 또는 전기방전가공(EDM) 등의 다양한 기술을 적용할 수 있다. 캐스팅, 압출 또는 전기방전가공(EDM)에 의하여 초기 형성 후, 캐스팅은 설정된 오차를 충족시키기 위하여 선택적으로 절삭한다(machined). 오목한 구멍(86)은 드릴링에 의하여 적당히 만들어지고, 돌출된 스터브(82)는 별도로 제작된 구성을 용접으로 적당히 부착하거나 컬럼요소(30)에 드릴된 구멍에 의하여 얻을 수 있다. 하나 이상의 컬럼요소(30)의 적당한 수는 가이드 프레임의 설정된 전체 높이에 도달하기 위하여 선택적인 정합 특성(82, 86)의 정합의 동움을 받아 서로 정점에서 스택된다. 다른 방법으로, 도 11에 도시된 바와 같이 두 개 이상의 연속 가이드 프레임은 설정된 전체 높이에 도달하기 위하여 이격시키는 방식으로 조립할 수 있다.
공개된 자체 지지 스택된 연속 가이드 프레임의 장점은 가이드 프레임과 가이드 프레임 설치를 용이하게 하는 선택적 설치 블록(미도시) 모두를 위하여 부착 위치로 제공되는 상부 및 하부 플레이트(32, 34)에 의하여 제공되는 가이드 프레임의 고정에서 외부 프레임(즉, 외골격)의 선택적 제거이다.
공개되고 스택된 연속 가이드 프레임의 또 다른 이점은 제작 노동과 소형 부품의 용접을 감소시킬 수 있다는 것이다. 도시된 가이드 프레임(16)은 인접한 컬럼요소(30) 사이의 부착점(31)에서 압정 용접만을 사용하여 구성할 수 있다. 일부 용접은 스택과 상부와 하부 플레이트(32, 34)의 인터페이스에 적용할 수 있고, 가이드 프레임 설치에 사용된 임의의 설치된 블록에 사용될 수 있다. 선택적 유체흐름 통로(90, 92)는 중심 통로(70)에서 수압 축적의 가능성을 줄이기 위해 컬럼요소(30)의 측면으로 적절하게 절단된다. 그러한 유체 흐름통로(90, 92)는 주 냉매유체의 교차 흐름(cross-flow)에서 가이드 프레임(16)의 영향을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 컬럼요소(30)는 캐스팅, 압출 또는 전기방전가공(EDM)에 의하여 적절히 형성할 수 있다. 후자 기술(EDM)에서 컬럼요소(30)는 기하적 형상을 나타내는 물질의 고체 블록(예를 들어, 스테인리스의 고체블록)에서 만든다. 선택적으로, 거친 캐스팅이 먼저 형성되고, 전기방전가공은 컬럼요소(30)의 최종 형상을 위하여 거친 주물을 수정하는데 사용된다. 일부 적절한 전기방전가공(EDM) 제조 기술은 와이어-컷 전기방전가공이 있다.
일정한 단면의 중심 통로(70) 및 컬럼요소(30)의 선택적으로 일정한 외곽 둘레는 압출에 의한 형성에 당연히 도움이 되며, 그것은 컬럼요소(30)를 형성하는 다른 적절한 방법이다. 컬럼요소(30)를 형성하기 위한 압출의 사용은 압출이 컬럼요소(30)의 최대 높이 h를 제한하지 않고 비용이 적게 소요되는 이점이 있다.(대조적인 예로, 캐스팅은 최대 가능한 캐스팅 금형 크기에서 최대 높이를 제한한다). 이 때문에 압출이 큰 높이 h의 컬럼요소를 형성하는데 적합하고, 예를 들어 일반적으로 단일 컬럼요소로 구성된 가이드 프레임의 경우에 필요하다. 단일 컬럼요소를 사용하는 것은 노동 량과 가이드 프레임 제조와 관련된 용접을 줄이고, 그리고 복수의 스택된 컬럼요소를 정렬할 필요가 없게 된다.
연속적 일정한 단면을 선호하지만, 하나의 다른 실시예에서, 단면 형상은 컬럼요소에서 최소한의 수직 축을 따라 약간 가늘어져 SCRAM 동안에 수압 저항의 정도가 성분 속도의 추가적인 제어에 활용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단면 형상은 여러 개의 컬럼요소 사이에 약간 변형될 수 있다.
바람직한 실시예는 도시되고, 설명되었다. 물론, 수정 및 변형은 앞의 상세한 설명을 읽고 이해하는 즉시 다른 것들에 적용할 수 있다. 본 발명은 그러한 모든 수정 및 변형은 첨부된 특허청구범위 또는 그와 동등한 범위 내에 포함하는 것으로 해석된다.
본 발명은 중심 통로를 따라 위치 함수로 일정한 단면을 가지는 중심 통로를 정의하는 둘 이상의 컬럼요소의 스택으로 구성된 제어봉 가이드 프레임으로 구성된 장치를 제공하여 구성 컬럼요소의 향상된 호환성 및 원자로 압력 용기 내의 공간 사용의 단순화하여 설계 이점을 제공할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (34)

  1. 중심 통로를 따라 위치 함수로 일정한 단면을 가지는 중심 통로를 정의하는 둘 이상의 컬럼요소의 스택으로 구성된 제어봉 가이드 프레임을 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어봉 구동 메카니즘과 연결 구성되는 상부 플레이트를 더 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    인접한 지지 플레이트 또는 연료 코어 포머의 상부에 연결 구성되는 하부 플레이트를 더 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    둘 이상 컬럼요소의 스택이 중심 통로를 따라 위치의 함수로 일정한 외측 둘레를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    스택 내의 컬럼요소 사이의 각 접합부에서, 하나의 컬럼요소는 정합 특성의 첫 번째 세트에 인접한 종단을 포함하고, 다른 컬럼요소는 정합 특성의 두 번째 세트에 인접한 종단을 포함하며, 정합 특성의 첫 번째 세트가 접합부에서 정합 특성의 두 번째 세트에 정합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    정합 특성의 첫 번째 세트는 스터브 중 하나와 구멍(hole)을 구비하고, 정합 특성의 두 번째 세트는 다른 스터브와 구멍(hole)을 구비하며, 접합부에서 스터브가 구멍에 정합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 컬럼요소는 종심 통로와 컬럼요소의 외측 사이에 유체 전달을 제공하는 유체 흐름통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    둘 이상의 컬럼요소의 스택은 중심 통로를 정의하는 둘 이상 인접 컬럼요소의 자체 지지 스택을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 프레임은 둘 이상의 컬럼요소의 스택을 지지하는 외골격을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    제어봉 가이드 프레임의 중심 통로와 평행되게 배열된 적어도 하나의 제어봉을 갖춘 제어봉 어셈블리를 더 구비하되,
    적어도 하나의 제어봉이 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로로 들어가고 인출될 수 있으며, 중심 통로에 배치된 적어도 하나의 제어봉의 임의의 부분이 중심 통로에 배치된 적어도 하나의 제어봉 부분의 전체 길이에 대하여 중심 통로에 의하여 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어봉 어셈블리는 스파이더 또는 다른 커플링 요소와 연결된 복수의 제어봉을 구비하고, 스파이더와 다른 커플링요소는 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로에 배치되며, 복수의 제어봉이 중심 통로를 들어가거나 나올 때 중심 통로를 따라서 이동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 스파이더 또는 다른 커플링 요소는
    첫 번째 물질로 구성되고 캐비티로 정의되는 프레임; 및
    상기 캐비티에 배치되되, 첫 번째 물질보다 비중이 높은 두 번째 물질로 구성된 필러를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로에 삽입되거나 인출되는 적어도 하나의 제어봉의 이동을 제어하기 위한 제어봉 어셈블리와 연결되어 동작하는 제어봉 구동 메카니즘(CRDM);
    원자로 코어; 및
    원자로 코어, 제어봉 가이드 프레임 및 적어도 하나의 제어봉을 포함하는 원자로 압력 용기를 더 구비하되,
    적어도 하나의 제어봉이 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로의 외측으로 이동할 때, 적어도 하나의 제어봉이 원자로 코어 속으로 이동하고, 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로 속으로 이동할 때는 적어도 하나의 제어봉이 원자로 코어 밖으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    원자로 압력 용기는 CRDM을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 복수의 제어봉으로 구성된 제어봉 어셈블리; 및
    적어도 하나의 제어봉을 인출하기 위한 중앙 통로를 정의하는 제어봉 가이드 프레임을 구비하되,
    상기 중앙 통로가 그 중앙 통로로 인출되는 복수의 제어봉의 각 제어봉 부분의 전체 길이를 따라 연속 안내를 제공하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 프레임의 중앙 통로로 인출되지 않는 제어봉의 부분이 삽입되는 핵 코어를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 프레임은 두 개 이상의 컬럼 요소의 스택을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 중심 통로를 정의하는 둘 이상의 컬럼요소의 자체-지지 스택을 갖춘 제어봉 가이드 프레임을 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 프레임은 둘 이상의 컬럼 요소의 자체-지지 스택을 지지하는 외골격을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 컬럼요소는 스택의 인접한 컬럼요소 사이의 접합부에서 정합하기 위한 정합 특성(mating features)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 프레임의 중심 통로로 들어가거나 나올 수 있도록 이동 가능한 적어도 하나의 제어봉으로 구성된 제어봉 어셈블리를 더 구비하되,
    중심 통로에 배치된 적어도 하나의 제어봉의 임의의 부분이 중심 통로에 배치된 적어도 하나의 제어봉의 전체 길이를 따라 중심 통로에 의하여 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 제어봉 어셈블리와 연결되어 동작하는 제어봉 구동 메카니즘(CRDM); 및
    원자로 코어를 더 구비하되,
    상기 제어봉 구동 메카니즘(CRDM)이 원자로 코어로 들어가거나 나오는 적어도 하나의 제어봉을 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 중심 통로를 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 형성하는 단계; 및
    적어도 하나의 컬럼요소를 포함하는 제어봉 가이드 프레임을 제조하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 중심 통로와 컬럼요소의 외부 사이에 유체 전달을 제공하는 적어도 하나 이상의 유체 흐름 통로를 정의하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    원자로 용기내에서 제어봉 가이드 프레임을 설치하는 단계; 및
    원자로 용기를 동작시키되 조정 동안에 적어도 하나의 제어봉을 안내하기 위한 제어봉 가이드 프레임을 사용한 원자로 코어에서 적어도 하나의 제어봉의 위치를 조정하는 단계를 포함하는 동작 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 청구항 23에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 상기 복수의 컬럼요소를 형성하는 단계를 구비하고,
    상기 제조하는 단계는 컬럼요소를 종단과 종단을 스택킹하여 제어봉 가이드 프레임을 제조하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 제조하는 단계는 컬럼 요소의 종단에 정합 특성을 형성 구성하는 단계를 더 구비하고, 스택킹은 인접한 컬럼요소의 접합 종단에 정합 특성으로 정합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 청구항 23에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 중심 통로를 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 압출 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 청구항 23에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 스테인레스 스틸로 구성된 적어도 하나의 컬럼요소를 압출 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 청구항 23에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 중심 통로를 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 캐스팅으로 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 청구항 23에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 전기방전가공을 사용한 중심 통로를 정의하는 적어도 하나의 컬럼요소를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 중심 통로를 따라 위치 함수로 변화하는 단면을 가진 중심 통로를 정의하는 둘 이상의 컬럼요소의 스택으로 구성된 제어봉 가이드 프레임을 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 청구항 32에 있어서,
    횡단면은 컬럼요소의 수직축을 가로질러 가늘어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 청구항 32에 있어서,
    둘 이상 컬럼 요소의 첫 번째와 두 번째 사이에서 발생하는 횡 단면에서 약간의 변형을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
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