KR20140068249A - 노심 내 계장 딤블 집합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원격지로 무선으로 출력 신호를 송신하는, 핵 연료 집합체 주위의 온도 및 방사 레벨을 모니터링하기 위한 자가-동력의 일체형 노심 내 계장 딤블 집합체에 관한 것이다. 노심 내 계장 딤블 집합체는 원자로 노심 내의 짧은 노출에 의해 활성화되고 외부 전원 없이 원격지에 전달되거나 저장됨에 따라 연료 집합체가 연료 집합체를 위한 원격 모니터링 능력을 계속적으로 제공하도록 원자로 노심으로부터 제거된 후에 활성으로 남는다.

Description

노심 내 계장 딤블 집합체{IN-CORE INSTRUMENT THIMBLE ASSEMBLY}
본 발명은 일반적으로 연료집합체 주위의 온도 및 방사 환경을 모니터링하는 노심 내 계장 딤블 집합체를 갖는 핵 연료 집합체에 관한 것이고; 그리고 더 구체적으로, 자가 동력이고 원격지로 모니터링된 방사선 및 온도 정보를 무선 송신할 수 있는 노심 내 계장 딤블 집합체에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 10월 4일에 출원된 노심 내 전자기기를 위한 전원 공급 부재로 명명된 미국가출원 제61/542,941호로부터 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 우선권을 주장한다.
많은 최첨단 핵 원자로 시스템에서 노심 내 센서가 다수의 축선방향 높이에서 노심 내의 방사능을 측정하기 위해 사용된다. 이들 센서는 원자로 노심 내의 전력의 방사상 및 축선방향 분포를 측정하도록 사용된다. 이러한 전력 분포 측정 정보는 핵 전력 분포 한계 내에 작동하는지 여부를 결정하도록 사용된다. 이러한 기능을 수행하도록 사용되는 일반적인 노심 내 센서는 그 주위에 발생하는 핵분열의 양에 비례하는 전류를 생성하는 자가 동력의 검출기이다. 이러한 유형의 센서는 전류를 생성하기 위해 외부 전력원을 요구하지 않고 흔히 자가 동력의 검출기로 언급되며 1998년 4월 28일에 등록되고 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제 5,745,538호에 더 완전하게 설명된다. 도 1은 자가 동력의 검출기 부재(10)에서 전류 I(t)를 생성하는 메커니즘의 도면을 제공한다. 바나듐과 같은 중성자 감지 물질은 에미터 부재(12)에 사용되고 중성자 조사에 반응해서 전자를 방출한다. 일반적으로, 자가 동력의 검출기는 계장 딤블 집합체 내에 그룹화된다. 대표적인 노심 내 계장 딤블 집합체가 도 2에 도시된다. 도 1에 도시되고, 근본적으로 비-감손형인 중성자 감지 에미터(12)에 의해 발생되는 신호 레벨은 낮으나, 단일의 전체 노심 길이 중성자 감지 에미터 부재는 복잡하고 값비싼 신호 프로세서 없이 적합한 신호를 제공한다. 노심의 다양한 축선 영역에 기인하는 단일 중성자 감지 에미터 부재에 의해 발생된 전체 길이 신호의 비율은 노심의 축선 영역을 규정하고 도 2에 도시된 감마 감지 부재(14)의 다른 길이에 의해 발생된 신호를 배분하는 것으로부터 결정된다. 신호를 배분하는 것은 핵분열 생성물로 인해 지연된 감마 방사의 상당한 효과를 제거하는 것에 비례된다. 노심 내 계장 딤블 집합체는 또한 연료 집합체를 빠져나가는 냉각제의 온도를 측정하기 위한 열전대(18)를 포함한다. 자가 동력의 검출기 부재로부터 출력된 전기 신호 및 원자로 노심에서 각각의 노심 내 계장 딤블 집합체에서 열전대는 전기 커넥터(20)에서 수집되고 최종 처리를 위해 원자로로부터 상당히 떨어진 위치로 보내지며 측정된 노심 전력 분포를 생성하는데 사용한다.
도 3은 노심의 전력 분포를 측정하도록 노심 내의 연료 집합체의 계장 딤블 내에 고정된 노심 내 계장 딤블 집합체(16)를 사용하는 제품명 WINCISE™을 갖는 펜실베니아, 크랜베리, 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 LLC에 의해 판매를 위해 현재 제공되는 노심 모니터링 시스템의 실시예를 나타낸다. 배선(22)은 계장 딤블 집합체(16)로부터 격납용기 밀봉판(24)을 통해 단일 처리 캐비닛(26)으로 연장하고 여기서 출력은 조절되고, 디지털화되며 그리고 다중송신되어 격납용기 벽(28)을 통해 컴퓨터 워크스테이션(30)에 전달되고 여기서 그들은 더 처리되고 디스플레이될 수 있다. 노심 내 계장 딤블 집합체로부터의 열전대 신호는 또한 워크스테이션(30)에 역시 연결되는 발전소 컴퓨터(36)와 통신하는 부적합한 노심 냉각 모니터(34)에 신호를 송신하는 기준 접점 유니트(32)에 보내진다. 격납용기 벽(28) 내의 유해 환경으로인해, 신호 처리 캐비닛(26)은 노심으로부터 상당히 떨어진 거리에 위치되어야만 하고 신호는 매우 값비싼 특수하게 구조화된 케이블을 통해 검출기(16)로부터 신호 처리 캐비닛(26)으로 보내져야만 하며 그리고 롱런은 신호 대 잡음비를 감소시킨다. 불행히도, 신호 처리를 위한 전자기기가 노심 영역 주위의 높은 방사능 환경으로부터 차폐되어야만 하기 때문에 이러한 케이블의 롱런은 필요한 것으로 증명되었다.
이전의 핵 발전소 설계에서, 노심 내 검출기는 하부의 반구형 단부로부터 원자로 용기로 유입했고 바닥 연료 집합체 노즐로부터 연료 집합체의 계장 딤블로 유입했다. AP1000 핵 발전소와 같은 핵 발전소 설계의 현재 세대의 적어도 일부에서, 노심 내 모니터링 접근은 원자로 용기의 상부에 위치되고, 그것은 재장전 동안 모든 노심 내 모니터링 배선이 연료에 접근하기 전에 제거될 필요가 있다는 것을 의미한다. 연료 집합체 내에 자가-포함되고 원자로 용기로부터 원격지로 모니터링된 신호를 무선으로 송신하는 무선 노심 내 모니터는 연료 집합체가 접근될 수 있기 전에 노심 내 모니터링 케이블을 연결해제하고, 인출하며 그리고 저장하고, 그리고 재장전 공정이 완료된 후에 이러한 연결부를 복구하는 시간 소모적이고 값비싼 공정이 없이 연료에 대한 즉각적인 접근을 허용할 수 있다. 따라서 무선 대안은 재장전 정지의 위험 경로에서 작업일을 절약할 수 있다. 무선 시스템은 또한 모든 연료 집합체가 모니터링되는 것을 허용하고, 그것은 이용가능한 노심 전력 분포 정보의 양을 현저하게 증가시킨다.
그러나, 무선 시스템은 전자 부품이 감마 및 중성자 방사선 및 고온이 반도체 전자기기를 매우 단시간 내에 작동 불가능하게 할 수 있는 원자로 노심에 또는 그 부근에 위치되는 것을 요구한다. 진공관은 방사선에 민감하지 않은 것으로 알려져 있지만, 그들의 크기와 전류 요구사항은 현재까지 그들의 사용을 실제적이지 않게 하고 있다. 마이크로-전자기계 디바이스에서 최근의 발전은 진공관이 일체화된 회로 부품 크기로 수축하는 것을 허용하고 전력 드로우 요구사항을 현저하게 감소시킨다. 그러한 시스템이 2011년 1월 7일 출원된 "무선 노심 내 중성자 모니터"로 명명된 미국특허출원 제12/986,242호(관리번호 NSD 2010-009)에 설명된다. 앞서 언급된 특허 출원에 개시된 실시예에 대한 신호 송신 전기 하드웨어에 대한 1차 전원은 예시적인 파워 서플라이의 부분으로서 도시된 재충전가능한 배터리이다. 배터리 상의 전하는 파워 서플라이 내에 포함된 전용 파워 서플라이 자가 동력의 검출기 부재에 의해 생성된 전력의 사용에 의해 유지되고, 그래서 원자로에서 핵 방사선은 디바이스를 위한 최대 전력원이고 전용 파워 서플라이 자가-동력의 검출기 부재가 노심 내에 경험된 방사선의 강도에 노출되는 한 계속할 것이다. 연료 집합체의 조건이 임계가 회피되고 온도가 연료 집합체의 강도를 손상시킬 수 있는 지점까지 상승하지 않는다는 것을 보장하도록 사용된 연료 저장 풀, 저장용기에서, 또는 최종 저장 위치로의 전달에서 계속적으로 모니터될 수 있도록 연료 집합체가 원자로 노심으로부터 제거된 후에도 노심 내 계장 딤블 집합체가 연료 집합체 내에 활성으로 유지할 수 있다면 그것은 추가적인 이점일 것이다.
그러므로, 핵 원자로의 노심으로부터 제거된 후에 무선으로 원격으로 모니터될 수 있는 노심 내 계장 딤블 집합체를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
부가적으로, 방사선의 무선 송신 및 원격지로의 온도 모니터링된 신호를 지지하기에 충분한 전류를 발생시키도록 파워 서플라이에 에너지를 공급하도록 파워 서플라이 내에 핵분열 생성물의 중성자 핵변환에 의존하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체를 위한 파워 서플라이를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
또한, 주로 핵 원자로의 노심 내의 핵분열 감마 상호작용에 의한 첫번째 조사 후에만 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 그러한 파워 서플라이를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이러한 그리고 다른 목적이 외부 방사선원으로부터 조사될 때까지 노심 내 전자기기 집합체에 전력을 공급할 수 있는 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하지 않고 그리고 외부 방사선원으로부터 조사된 후에 전자기기 집합체에 전력을 공급할 수 있는 전력을 생성하는 것을 계속하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체를 위한 파워 서플라이에 의해 달성된다. 파워 서플라이는 외부 방사선원에 의해 조사된 후에만 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하고 외부 방사선원으로부터 제거될 때 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 것을 계속하는 소재를 포함하는 자가 동력의 파워 서플라이 부재를 포함한다. 파워 서플라이 부재는 핵 원자로의 노심 내의 냉각제 유체로부터 파워 서플라이 부재를 격리시키도록 파워 서플라이 하우징 내에 밀봉하여 실링된다. 바람직하게, 자가 동력의 파워 서플라이 부재는 외부 조사원으로부터 제거된 후에 외부원에 의한 조사에 이어서 파워 서플라이 부재 내에 포함된 물질로부터의 핵분열 생성물 또는 중성자 핵변환에 의해 생성된 보충적인 방사선에 의존해서 실질적으로 측정가능한 전류를 생성한다. 바람직하게, 외부 조사원은 원자로 노심에서 경험된 방사선이다. 바람직하게, 자가 동력의 공급 부재는 핵 원자로의 노심 내의 핵분열 감마 상호작용에 의해 주로 조사된 후에만 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 물질을 포함한다.
하나의 실시예에서, 자가 동력의 파워 서플라이 부재는 백금 외장 내에 실질적으로 둘레를 따라 둘러싸인 코발트-59 슬리브에 의해 실질적으로 둘레를 따라 에워싼 전기적 리드를 포함한다. 바람직하게, 백금 외장은 그 사이에 개재된 전기 절연물질을 갖는 스틸 외부 외장 내에 둘레를 따라 에워싸인다. 바람직하게, 절연물질은 알루미나 옥사이드이다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 파워 서플라이에서 전기적 리드는 결국 백금으로 코팅되는 코발트-59로 코팅된다.
이러한 그리고 다른 목적이 핵 연료 집합체 내에 내장된 앞서 설명된 자가 동력의 동력 공급 부재에 의해 활성화된 자가 동력의 노심 내 계장 딤블 집합체를 갖는 핵 연료 집합체에 의해 더 달성된다. 자가 동력의 노심 내 계장 딤블 집합체는 핵 연료 집합체의 상부 노즐의 부근 내에 노심 내 계장 딤블 집합체 내에 위치된 열전대 센서를 갖는 노심 내 계장 딤블 집합체 내에 함께 위치된 분리 중성자 및 감마 감지 자가 동력의 검출기 부재를 더 포함한다. 분리 중성자 및 감마 감지 부재 및 열전대는 처리국에 무선으로 송신될 수 있고 노심 전력 분포, 임계에 대한 근접도, 온도 분포 또는 연료 집합체의 Keff가 결정될 수 있는 것으로부터 자가 동력의 무선 신호를 제공하도록 구성된다. 바람직하게, 자가-동력의 노심 내 계장 딤블 집합체가 연료 집합체 내의 핵분열 생성물 붕괴열의 총량 및 분포가 사용된 연료 저장 용기에서 결정될 수 있는 것으로부터 정보를 제공하도록 구성된다. 부가적으로, 더 또 다른 실시예에서, 연료 집합체 내의 자가 동력의 노심 내 계장 딤블 집합체는 연료 집합체가 사용된 연료 풀에 위치될 때 연관된 냉각제 풀 온도 분포가 계속적인, 자가 동력의, 무선 토대로 결정되고 적층될 수 있는 것으로부터 정보를 제공하도록 구성된다. 바람직하게, 열전대 센서 및 분리 중성자 및 감마 감지 자가 동력의 검출기 부재가 센서 및 부재 모두가 전기적으로 절연된 채로 남도록 구성된 공통 전기 그라운드를 갖는 분리 하우징 내에 각각 하우징된다.
노심 내 계장 딤블 집합체는 원자로 노심 내의 짧은 노출에 의해 활성화되고 외부 전원 없이 원격지에 전달되거나 저장됨에 따라 연료 집합체가 연료 집합체를 위한 원격 모니터링 능력을 계속적으로 제공하도록 원자로 노심으로부터 제거된 후에 활성으로 남는다.
본 발명의 또 다른 이해가 첨부된 도면에 관련해서 읽힐 때 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 얻어질 수 있고 여기서:
도 1은 자가 동력의 방사 검출기의 대략적인 재현이고;
도 2a는 노심 내 계장 딤블의 평면도이며;
도 2b는 도 2a의 노심 내 계장 딤블 집합체의 포워드 외장의 내부의 개략도이고;
도 2c는 도 2a의 노심 내 계장 딤블 집합체의 후방 단부에서 전기 커넥터의 단면도이며;
도 3은 노심 내 모니터링 시스템의 개략적인 배치도이고;
도 4는 본 발명이 적용될 수 있는 핵 원자로 시스템 1차 루프의 단순화된 스키매틱이며;
도 5는 본 발명이 적용될 수 있는 핵 원자로 용기 및 내부 부품의 부분적으로 단면에서의 입면도이고;
도 6은 본 발명의 노심 내 핵 계장 딤블 집합체를 포함하는 핵 연료 집합체의 부분적으로 단면에서의 입면도이며;
도 7은 본 발명으로 적용될 수 있는 전자기기의 블록도이고;
도 8은 도 7에 도시된 전기 회로에 전력을 공급하는 본 발명의 파워 서플라이 부재와 사용될 수 있는 파워 서플라이 회로의 개략적인 회로도이며;
도 9는 본 발명의 파워 서플라이 부재의 하나의 실시예의 횡단면의 축선방향 도면이고;
도 10은 도 9에 도시된 실시예의 횡단면의 방사상 도면이며;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예를 병합하는 노심 내 계장 딤블 집합체의 내부의 개략도이고;
도 12는 본 발명에 따른 자가 동력의 무선 노심 내 계장 노심 전력 분포 측정 시스템의 개략적인 배치도이다.
가압된 물로 냉각된 핵 발전 시스템의 1차측은 유용한 에너지의 생성을 위해 2차측으로부터 격리되고 2차측과 열 교환 관계에 있는 폐쇄 회로를 포함한다. 1차측은 핵분열 물질을 포함하는 복수의 연료 집합체, 열 교환 증기 발생기 내의 1차 회로, 가압기의 내부 볼륨, 펌프 및 가압수를 순환시키기 위한 파이프를 지지하는 노심 내부 구조를 둘러싸는 원자로 용기를 포함하고; 그 파이프는 증기 발생기와 펌프의 각각을 원자로 용기에 독립적으로 연결한다. 원자로 용기에 연결되는 증기 발생기, 펌프 및 파이프의 시스템을 포함하는 1차측의 부분의 각각은 1차측의 루프를 형성한다.
도시의 목적을 위해, 도 4는 핵 노심(44)을 둘러싸는 덮개 헤드(42)를 갖는, 일반적으로 원통형 압력 용기(40)를 포함하는 단순화된 핵 원자로 1차 시스템을 나타낸다. 물과 같은 액체 원자로 냉각제는 노심(44)을 통해 펌프(46)에 의해 용기(40)로 펌핑되고, 여기서 열 에너지가 증기 발생기로 일반적으로 언급되는, 열 교환기(48)로 흡수되고 방출되며, 열이 증기 구동 터빈 발전기와 같은, 이용 회로(미도시)에 전달된다. 그런 후에 원자로 냉각제는 펌프(46)로 되돌아가고 1차 루프를 완성한다. 일반적으로, 복수의 위에 설명된 루프는 원자로 냉각제 파이핑(50)에 의해 단일 원자로 용기(40)에 연결된다.
본 발명이 적용될 수 있는 예시적인 원자로 설계가 도 5에 도시된다. 복수의 평행한, 수직의 공동 연장하는 연료 집합체(80)로 구성되는 노심(44)에 더해서, 본 설명의 목적을 위해, 다른 용기 내부 구조가 하부 내부(52)와 상부 내부(54)로 나누어질 수 있다. 종래의 설계에서, 하부 내부의 기능은 용기 내의 직접 흐름은 물론 노심 부품과 계장을 지지하고, 정렬하며 안내하는 것이다. 상부 내부(54)는 연료 집합체(80)(본 도면에서 단순함을 위해 그들 중 2개만이 도시됨)를 위한 2차 제한을 제한하거나 제공하고, 제어봉(56)과 같은, 계장과 부품을 지지하고 안내한다. 도 5에 도시된 예시적인 원자로에서, 냉각제는 하나 이상의 입구 노즐(58)을 통해 원자로 용기(40)로 유입하고, 원자로 용기(40)와 노심 배럴(60) 사이의 환형공간을 통해 아래로 흐르고, 하부 원자로 용기 플레넘(61)에서 180°터닝되어, 연료 집합체(80)가 안착되는 하부 지지판과 하부 노심판(64)을 통해, 그리고 집합체를 통해 그리고 그 주위로 위로 통과한다. 일부 설계에서, 하부 지지판(62)과 하부 노심판(64)은 단일 구조, 도면부호(62)와 동일한 높이를 갖는 하부 노심 지지판에 의해 대체된다. 노심(44)을 빠져나가는 냉각제는 상부 노심판(66)의 하측면을 따라 그리고 상향으로 그리고 상부 노심판(66)에서 복수의 천공부(68)를 통해 흐른다. 그런 후에 냉각제는 하나 이상의 출구 노즐(70)로 위로 그리고 방사상으로 흐른다.
상부 내부(54)는 용기 또는 용기 헤드(42)로부터 지지될 수 있고 상부 지지 집합체(72)를 포함한다. 하중은 복수의 지지 기둥(74)에 의해 주로 상부 지지 집합체(72)와 상부 노심판(66) 사이에 전달된다. 각각의 지지 기둥은 선택된 연료 집합체(80)와 상부 노심판(66)에서 천공부(68) 위에 정렬된다.
직선으로 이동가능한 제어봉(56)은 상부 내부(54)를 통해 그리고 제어봉 안내관(79)에 의해 정렬된 연료 집합체(80)로 안내되는 중성자 독봉의 구동축(76)과 스파이더 집합체(78)를 일반적으로 포함한다.
도 6은 도면 부호(80)에 의해 일반적으로 지시되는 연료 집합체의 수직으로 축소된 형태로 재현된 입면도이다. 연료 집합체(80)는 가압수로형 원자로에 사용되는 유형이고 그것의 하부 단부는 바닥 노즐(82)을 포함하는 구조적 골격을 가진다. 바닥 노즐(82)은 핵 원자로의 노심 영역에서 하부 노심 지지판(64) 상의 연료 집합체를 지지한다. 바닥 노즐(82)에 더해서, 연료 집합체(80)의 구조적 골격은 또한 상부 단부에 상부 노즐(84) 및 바닥 노즐(82)과 상부 노즐(84) 사이에 종방향으로 연장하고 반대편 단부에서 그것에 단단히 부착되는 다수의 안내관 또는 딤블(86)을 포함한다.
연료 집합체(80)는 안내 딤블(86)(안내관으로서도 언급됨)을 따라 축선방향으로 이격되고 그것에 장착되는 복수의 횡방향 그리드(88) 및 그리드(88)에 의해 횡방향으로 이격되고 지지되는 연신된 연료봉(90)의 조직화된 어레이를 더 포함한다. 도 6에 도시되지 않음에도, 그리드(88)는 연료봉(90)이 서로 횡방향으로 이격된 관계로 지지되는 것을 통해 대략적으로 사각형 지지셀을 정의하는 인접한 네 개의 스트랩의 인터페이스를 갖는 계란 포장박스 패턴으로 끼워지는 직교 스트랩으로부터 종래 방식으로 형성된다. 많은 종래의 설계에서, 스프링 및 딤플은 지지셀을 형성하는 스트랩의 반대편 벽을 누른다. 스프링 및 딤플은 지지셀에 방사상으로 연장하고 그 사이에 연료봉을 포획하며; 제 위치에 봉을 유지하도록 연료봉 피복 상에 압력을 가한다. 또한, 집합체(80)는 바닥 노즐(82)과 상부 노즐(84) 사이에 연장하고 그들에 장착되는 중심부에 위치된 계장관(92)을 가진다. 그러한 부품의 배열로, 연료 집합체(80)는 부품의 집합체를 손상시키지 않고 종래 방식으로 다루어질 수 있는 일체형 유니트를 형성한다.
위에 언급된 바와 같이, 집합체(80)에서 어레이에서의 연료봉(90)은 연료 집합체 길이를 따라 이격된 그리드(88)에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(90)은 복수의 핵 연료 소결체(94)를 포함하고 상부 단부 마개(96)와 하부 단부 마개(98)에 의해 반대편 단부에서 닫힌다. 연료 소결체(94)는 소결체 스택의 상부에 상부 단부 마개(96) 사이에 배치된 플레넘 스프링(100)에 의해 적층으로 유지된다. 핵분열 물질로 구성되는 연료 소결체(94)는 원자로의 무효 전력을 생성하는데 책임이 있다. 소결체를 둘러싸는 피복은 핵분열 부산물이 냉각제로 유입하고 그리고 또한 원자로 시스템을 오염시키는 것을 방지하는 장벽으로서 기능한다.
핵분열 공정을 제어하도록, 다수의 제어봉(56)은 연료 집합체(80)에서 미리결정된 위치에 위치된 안내 딤블(86)에서 상호간에 이동가능하다. 특히, 상부 노즐(84) 위에 위치된 봉 클러스터 제어 메커니즘(스파이더 집합체로서도 언급됨)(78)은 제어봉(56)을 지지한다. 봉 클러스터 제어 메커니즘은 제어봉(56)이 도 5에 대해 앞서 언급되었던 스파이더 집합체(78)를 형성하는 것으로 복수의 방사상으로 연장하는 플루크 또는 아암(104)을 갖고 암나사가 형성된 원통형 허브 부재(102)를 가진다. 모두 공지된 방식으로, 제어 메커니즘(78)이 안내 딤블에서 제어봉을 수직으로 이동하도록 작동할 수 있고 그로써 제어봉 허브(102)에 결합되는 제어봉 구동축(76)(도 5에 도시됨)의 원동력 하에 연료 집합체(80)에서 핵분열 공정을 제어하도록 각각의 아암(104)은 제어봉(56)에 상호연결된다.
위에 언급된 바와 같이, AP1000 발전소 설계에서, 노심 내 모니터링 접근은 고정된 노심 내 검출기 케이블을 원자로 용기의 바닥을 통해 그리고 하부 연료 집합체 노즐을 통해 연료 집합체 계장 딤블로 공급하는 이전 설계로부터 상당히 벗어난, 원자로 용기의 상부를 통해서이다. 설계에서의 변경은 재장전 동안 모든 종래의 노심 내 모니터링 케이블링이 연료에 접근하기 전에 제거될 필요가 있을 것임을 의미한다. 본 발명은 노심 외부로 연장하는 임의의 고정물 없이 연료 집합체 내의 계장 딤블 내에 완전히 포함되고 배선을 제거하고 재연결하는 값비싸고 시간 소모적인 단계를 겪지 않고 연료 집합체에 대한 접근을 허용할 수 있는 무선 노심 내 모니터를 제공한다. 또한, 본 발명은 연료 집합체가 노심으로부터 제거된 후에 연료 집합체의 방사선 및 온도 레벨을 모니터링하는 것을 계속할 수 있는 연료 집합체 센서 시스템을 제공한다. 본 발명에 따라서, 노심 내 계장 딤블 집합체가 도 7에 블록도로서 도시되고 고정된 노심 내 중성자 검출기에 더해서, 자가 포함된 전원 및 무선 송신 회로를 포함한다. 하나의 실시예에서, 송신 회로 내에, 중성자 검출기 출력 전류가 증폭기(112)로 직접 공급되고, 따라서 배선 고려사항이 제거된다. 하나 이상의 증폭의 스테이지가 바람직하게 진공 마이크로-전자 디바이스를 사용하여, 증폭기(112) 내에 제공된다. 진공 다이오드는 증폭기를 알고리즘적으로 응답하게 하는 증폭기의 그리드 회로에 바람직하게 위치되고, 따라서 전자기기가 전출력을 통해 개시로부터 중성자속을 추종하게 하는 것을 가능하게 한다. 그런 후에 증폭된 신호는 전류 전압 변환기(114)에 공급된다. 전류 전압 변환기(114)의 출력 전압은 전압을 주파수 출력으로 변환하는 전압 제어된 오실레이터(118)에 대한 입력으로서 사용된다. 중성자속이 변함에 따라서, 전압 제어된 오실레이터에 대한 전압 입력 역시 변할 것이고, 그것은 출력 주파수를 변경할 것이다. 진공 마이크로-전자 리액턴스관은 전압 제어된 오실레이터(118)에 사용될 수 있다. 그러한 배열은 중성자 검출기(10)에 의해 모니터링된 중성자속과 전압 제어된 오실레이터(118)의 출력 주파수 사이의 정밀한 상관관계를 제공한다. 출력이 노심 내 계장 딤블 집합체(16) 내의 무선 송신기(122)에 전달되는 증폭기(120)에 의해 증폭되는 출력을 제공하도록 유사한 증폭 및 주파수 변환이 열전대 센서의 출력에 인가될 수 있다. 노심 내 계장 딤블 집합체(16)는 열전대, 중성자 검출기, 파워 서플라이 및 송신 회로를 하우징하는 단일 유니트로 구성될 수 있거나 또는 그것은 모듈러 유니트, 예를 들어, 자가-포함된 파워 서플라이, 열전대 및 중성자 검출기, 및 송신 회로 각각으로 구성될 수 있다.
신호 송신 전기 하드웨어를 위한 1차 전원은 도 8에 도시된 예시적인 파워 서플라이의 부품으로서 도시된 재충전가능한 배터리(132)이다. 배터리(132)의 충전은 노심 내 계장 딤블 집합체에 내장된 파워 서플라이(130) 내에 포함된 전용 파워 서플라이 자가 동력 부재(134)에 의해 생성된 전력의 사용에 의해 유지된다. 따라서, 일체형 무선 송신기(138)는 본 발명의 실시예에 따라 노심 내 계장 딤블 집합체에 내장된 신규한 결합된 핵분열 감마 중성자 핵변환 생성물 감마 전류 발생기에 의해 전력 공급된다. 자가 동력의 파워 서플라이 부재(134)는 도 9 및 도 10에 더 구체적으로 도시되고 이하에 더 완전하게 설명될 것이다. 또한, 본 발명에 따라서, 중성자 및 감마 방사선 측정은 분리 중성자 및 감마 감지 자가 동력의 검출기 부재, 각각, 도면부호(142, 140)(도 11에 도시됨)로부터 얻어지고, 연료 집합체 계장 딤블에 위치될 수 있고 전체 활성 노심 영역(144) 위로 연장하는 노심 내 계장 딤블 집합체에 공동 위치된다. 송신기 파워 서플라이(134)의 설계 때문에, 본 발명에 따라 구조화된, 노심 내 계장 딤블 집합체는 사용된 연료 풀 및 이후 이어지는 모든 저장 시설에서의 보관을 포함하는 전체 라이프 사이클에 걸쳐 연료 집합체 내에 작동가능하게 남을 것이다. 모든 계장 연료 집합체에서 중성자, 감마, 및 열전대 센서 신호가 측정되고 신호가 연료 집합체의 작동 수명 후에, 도 12에 비유적으로 도시된 원자로(40)에서 또는 사용된 연료 풀(148)에서 작동 노심 전력 분포 또는 임계에 대한 접근의 지표 및 사용된 연료 집합체 어레이의 온도 분포를 생성하는데 사용될 수 있는 중앙처리국에 무선으로 송신된다. 덧붙여, 모니터링된 신호는 사용된 연료 풀에서 리미팅 Keff를 나타내는 계산된 K-effective(Keff)를 제공할 수 있다. 현재 봉 제어 클러스터 집합체 허브 설계(102)에 대한 적합한 수정으로, 이러한 노심 내 계장 딤블 집합체 설계는 노심에서 모든 연료 집합체가 이들 센서로 구비되는 것을 허용하고, 그래서 원자로 노심에서 발생되도록 허용되는 원자로 전력량을 제한하는 노심 전력 측정 불확실도가 평균 노심 연료 U-235 농축도를 증가시키지 않고 노심의 허용가능한 전력 출력을 증가시키도록 조절될 수 있다. 이러한 정보는 또한 사용된 연료 풀에서, 핵분열 생성물 붕괴열의 총량 및 분포, 및 연관된 냉각제 풀 온도 분포가 발전소 정전 상황 동안 동작 불능해질 수 있는 센서에 의존하지 않고 계속적인 토대로 추적되도록 사용될 수 있다. 본 발명의 어플리케이션은 유틸리티가 사용된 연료 풀에 안전하게 저장될 수 있는 연료량을 극대화하고, 발전소 정전을 야기하는 환경의 사건에서 노심 및 사용된 연료 풀 조건의 이용가능한 지식을 크게 개선시키게 된다.
본 발명의 노심 내 계장 딤블 집합체의 하나의 바람직한 실시예가 도 11에 도시되고 ⅰ) 연료 집합체 내의 특정 위치에 위치된 중성자 및/또는 감마 감지 자가 동력의 검출기 부재(140, 142); ⅱ) 모든 부재가 전기적으로 절연된 채로 남도록 공통 전기 그라운드(152)를 갖는 개별 금속 외부 외장(150) 내에 포함된 노심 출구 열전대(146) 및 자가 동력의 검출기 부재(140, 142)를 갖는, 연료 집합체 내의 활성 연료 영역(144)의 상부에 축선방향으로 위치된 K-유형 노심 출구 열전대(146); ⅲ) 노심 내 계장 딤블 집합체가 작동 원자로 노심에서 연료 집합체 내부에 포함되고 작동 원자로 노심 내부의 짧은 시간량에 이어서 때때로 전류를 발생시키도록 파워 서플라이 부재 내에 포함된 물질로부터의 핵분열 생성물 또는 중성자 핵변환에 의해 생성된 보충적인 방사선에 의존하는 동안 또는 연료 집합체가 사용된 연료 피트 또는 연료 집합체 저장용기 내에 저장되는 동안 전류를 생성하도록 핵분열 감마 상호작용에 의해 주로 발생된 전류에 의존하는 파워 서플라이 부재(134); ⅳ) 밀봉된 그리고 환경적으로 검증된 전자기기 패키지가 연료 집합체 상부 노즐 영역(84)에 위치되는 바와 같이 위치된, 자가 동력의 검출기 및 노심 출구 열전대 신호 정보를 송신하도록 앞서 설명된 바와 같은, 신호 처리 전자기기(136); ⅴ) 신호가 원자로 용기로 보내지도록 허용하는 원자로 상부 헤드 영역(42)에 위치된 수신 안테나(124)에 의해 수신될 수 있는 신호를 신호 처리 전자기기(122)가 송신하도록 하고 그래서 그것이 원자로 격납 건물의 외부에 위치된 수신기(116)로 송신기-수신기(138)에 의해 재전달될 수 있는 안테나 패키지 구성; 및 ⅵ) 부재를 원자로 냉각제 또는 다른 습기 침투원에 대한 직접 노출로부터 보호하고 외부 전자기의 및/또는 무선 주파수 간섭원으로부터의 기계적 손상 및 전기적 절연으로부터의 보호를 노심 내 계장 딤블 집합체에 제공하는 본 실시예의 부재 (ⅰ) 내지 (ⅴ)를 포함하는 금속 외부 외장(154)(도 2c에 도시된 선행 기술 시스와 같음)을 포함한다.
더 구체적으로, 도 11은 펜실베니아, 크랜베리의 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 LLC에 의해 제공된 작은 모듈러 원자로 설계 내의 사용을 위해 구성된 노심 내 계장 딤블 집합체의 하나의 바람직한 실시예의 개략적인 배치도를 도시한다. 도 10은 도 11상에 아웃라인된 파워 서플라이 부재(134)의 실시예의 개략적인 예시를 도시한다. 도 9 및 도 10에 도시된 파워 서플라이 부재에서, 디바이스 내에 발생된 시간의 함수, I(t)로서 전류의 1차원은 작동 원자로 노심 내의 핵분열 및 핵분열 생성물에 의해 생성된 감마 방사선에 의해 중공 코발트-59 와이어 상의 백금 코팅 156에 생성된 컴프턴 및 광-전기적으로 산란된 전자이다. 노심 내 계장 딤블 집합체가 일반적인 원자로 작동 사이클 동안 일부 상대적으로 짧은 시간의 기간 동안 작동 원자로 노심 내에 있은 후에, 코발트-59가 중성자를 흡수할 때 발생된 코발트-60의 붕괴에 의해 생성된 감마 및 베타 방사선이 중심 전기 리드(160)를 통해 배터리(132)에 전달된 출력 전류에 추가적인 기여를 생성하기 시작할 것이다. 결과적으로, 코발트-59로부터 생성된 코발트-60의 양은 원자로가 정지되거나 노심 내 계장 딤블 집합체를 포함하는 연료 집합체가 원자로 노심으로부터 방출될 때조차 자가-동력의 검출기 신호 송신기(138)에 전력을 공급하도록 요구된 전류를 제공하기에 충분할 것이다. 이러한 작동 원칙은 다른 파워 서플라이 부재 물질로 획득될 수 있고 여기에 설명된 개념은 코발트-59의 사용으로 제한되도록 의도되지 않는다. 노심 내 계장 딤블 집합체 설계의 신규함에 대한 하나의 키는 작동 원자로 노심 내부에 위치될 때 전력을 생성할 수 있는 최초에 방사성이지 않은 물질 및 연료 집합체가 원자로 노심으로부터 제거될 때 적합하게 기능하는 것을 허용하도록 파워 서플라이 부재가 노심 내 계장 딤블 집합체 송신기에 충분한 전력을 제공하기에 충분한 파워 서플라이 부재에 의해 생성된 전력을 필수적으로 향상시키는 육성 물질의 사용이다.
파워 서플라이 부재(134) 내에 포함된 신호 발생 물질 및 전기 절연 물질의 크기, 두께 및 질량은 송신기 전자기기의 가장 넓은 비율 및 신호 진폭의 전력 소비 요구사항에 일치하도록 전력 출력 및 출력 비율을 생성하도록 최적화될 수 있다. 이러한 노심 내 계장 딤블 집합체 디자인이 사용된 연료 풀 내의 배치에 이어서 연료 집합체 내부에도 잔류할 수 있기 때문에, 파워 서플라이 부재의 중성자 활성화 부품으로부터 초래하는 파워 서플라이 부재에 의해 발생된 상당한 전류의 일부를 가지는 조사된 노심 내 계장 딤블 집합체가 소정 최소 전력이 핵분열 생성물 감마 방사원의 상대적으로 높은 레벨을 갖는 사용된 연료 풀에 최근에 위치된 내부 연료 집합체와 핵분열 생성물 감마 방사 레벨을 많은 자릿수에 의해 감소되도록 허용하는 장시간 동안 사용된 연료 풀에 잔류하는 내부 연료 집합체의 사용 모두를 지지하도록 이용가능하다는 것을 보장하도록 하나의 연료 집합체로부터 또 다른 것으로 전달될 수 있다.
코발트-59 물질에 대한 신호 리드(160)의 부착이 코발트-59 및 그런 후에 백금 156으로 신호 리드 와이어(160)를 코팅하는 것에 의해 달성될 수 있다는 것 역시 언급될 수 있다. 이러한 접근은 코발트-59 와이어에 신호 리드를 브레이징 또는 크림핑하는 것에 의해 용이하게 달성될 수 있는 것보다 더 강건하고 내구성 있는 파워 서플라이 부재를 초래할 것이다. 알루미나-옥사이드 절연물질(162)과 같은, 절연물질은 외부 외장(150)과 백금 코팅(156) 사이에 그리고 외부 외장(150)을 갖는 전체 집합체의 인터페이스 주위에 개재된다. 이러한 유형의 디바이스는 모든 유형의 원자로에 사용될 수 있고 안전성은 물론 원자로를 작동시키기 위한 효율성의 추가적인 측정을 제공할 수 있다.
도 12는 설명된 본 발명의 일 실시예에 따라 구조화된 자가 동력의 무선 노심 내 검출기 계장 코어 전력 분포 측정 시스템의 개략적인 배치도이다. 도 12에 도시된 개략적인 배치도는 검출기 부재를 위한 전기 커넥터가 무선 송신기 신호의 수신기에 더 가깝고 배선이 무선 송신기(122, 124, 138) 및 수신기(116)에 의해 대체되도록 노심 내 계장 딤블 집합체가 180°회전되는 것을 제외하고 종래의 노심 내 모니터링 시스템에 대해 도 3에 도시된 개략적인 배치도와 동일하고; 노심 내 격납 전자기기(26, 32)가 격납용기(28) 외부에 위치된, 자가 동력의 검출기 신호 처리 시스템(108) 및 노심 출구 열전대 신호 처리 시스템(106)에 의해 각각 교체된다. 모든 다른 측면에서, 시스템은 동일하다.
도 12로부터 역시 인지될 수 있는 바와 같이, 노심 내 계장 딤블 집합체(16), 무선 송신기(122)로부터의 신호가 원자로 헤드(42) 상의 통합 무선 수신기 및 재송신기(138)와 통신하는 원자로 용기 헤드(42)의 하측면 상의 안테나(124)에 의해 수신된다. 그 방식으로, 원자로 헤드(42)는 제거될 수 있고 노심 내 계장 없이 접근된 연료 집합체는 장애물일 수 있다. 원자로 용기 상의 송신 안테나의 배치는 원자로 설계에 의존할 것이지만 그 의도는 연료 집합체에서 접근에 대한 장애물이지 않을 위치에서 원자로 용기로 가까운 근접도로부터 송신하는 것이다. 그런 후에 중성자 신호는 격납용기 외부 벽에 가까운 수신기(116)로 재송신 회로(138)에 의해 재송신된다. 조합 수신기 및 재송신기(138)는 원자로 용기에 대한 가까운 근접도 때문에 진공 마이크로-전자 디바이스로부터 유사하게 구조화될 수 있지만; 그러나, 수신기(116) 및 처리 회로(106, 108)는 종래의 솔리드 스테이트 부품으로부터 구조화될 수 있고 원자로 용기로부터 먼 격납용기 내에 또는 격납용기 외부에 위치될 수 있다. 부가적으로, 연료 집합체(16)는 연료 집합체가 원자로로부터 사용된 연료 저장 시설로 제거된 후에 연료 집합체가 지속적으로 모니터링될 수 있는 것으로 도시되도록 사용된 연료 풀(148)에 비유적으로 도시된다.
본 발명의 특정 실시예가 구체적으로 설명되는 반면에, 이들 세부사항에 대한 다양한 수정 및 대안이 개시의 전체 교시의 관점에서 전개될 수 있다는 것이 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 설명적으로만 의도되고 첨부된 청구항 및 임의의 그리고 모든 그것의 등가물의 전체 사상이 주어지는 본 발명의 범위에 대한 한정하지 않는다.

Claims (12)

  1. 외부 방사원(44)으로부터 조사될 때까지 그리고 상기 외부 방사원으로부터 조사된 후에 노심 내 전자기기 집합체에 전력을 공급할 수 있는 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하지는 않는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)를 위한 파워 서플라이는 상기 전자기기 집합체에 전력을 공급할 수 있는 전력을 생성하는 것을 지속하고,
    상기 외부 방사원(44)에 의해 조사된 후에만 상기 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하고 상기 외부 방사원으로부터 제거될 때 상기 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 것을 지속하는 물질(158)을 포함하는 자가 동력의 파워 서플라이 부재(134); 및
    핵 원자로의 상기 노심 내의 냉각제 유체로부터 상기 파워 서플라이 부재(134)를 밀폐하여 실링하는 파워 서플라이 하우징(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자가 전력의 파워 서플라이 부재(134)는 상기 외부 방사원으로부터 제거된 후에 상기 외부원(44)에 의한 조사에 이어서 상기 파워 서플라이 부재 내에 포함된 물질(158)로부터 핵분열 생성물 또는 중성자 핵변환에 의해 생성된 보충적인 방사선에 의존해서 상기 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자가 전력의 파워 서플라이 부재(134)는 원자로 노심(44) 내에 조사된 후에 상기 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자가 전력의 파워 서플라이 부재(134)는 핵 원자로의 노심(44) 내의 핵분열 감마 상호작용에 의해 주로 조사된 후에만 상기 실질적으로 측정가능한 전류를 생성하는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자가 동력의 파워 서플라이 부재(134)는 백금 외장(156) 내에 실질적으로, 둘레를 따라 둘러싸는 Co-59 슬리브(158)에 의해 실질적으로, 둘레를 따라 에워싸는 전기 리드(160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 백금 외장(156)은 그 사이에 개재된 전기 절연물질(162)을 갖는 스틸 외부 외장(150) 내에 둘레를 따라 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 절연물질(162)은 알루미나-옥사이드인 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 전기 리드(160)는 결국 백금(156)으로 코팅되는, Co-59(158)로 코팅되는 것을 특징으로 하는 핵 원자로 노심 내 전자기기 집합체(16)용 파워 서플라이.
  9. 핵 연료 집합체 내에, 청구항 1항의 파워 서플라이 부재(134)에 의해 활성화된 자가 전력의 노심 내 계장 딤블 집합체(16)를 갖는 핵 연료 집합체(80)로서, 상기 자가 동력의 노심 내 계장 딤블 집합체는:
    상기 노심 내 계장 딤블 집합체(16)에서 공동 위치된 분리 중성자 및 감마 감지 자가 동력의 검출기 부재(142, 140); 및
    상기 핵 연료 집합체(80)의 상부 노즐(84)의 부근 내의 상기 노심 내 계장 딤블 집합체(16) 내에 위치된 열전대 센서(146);를 포함하고,
    상기 분리 중성자 및 감마 감지 부재(142, 140) 및 상기 열전대(146)는 처리국(106, 108)에 무선으로 송신될 수 있고 상기 연료 집합체의 노심 전력 분포, 임계에 대한 접근성, 온도 분포 또는 Keff가 결정될 수 있는 것으로부터 자가 동력의 무선 신호를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 집합체(80).
  10. 제 9항으로부터,
    상기 자가 동력의 노심 내 계장 딤블 집합체(16)는 상기 연료 집합체 내의 핵분열 생성물 붕괴열의 총량 및 분포가 사용된 연료 저장 용기에서 결정될 수 있는 것으로부터 정보를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 집합체(80).
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 자가 동력의 노심 내 계장 딤블 집합체(16)는 상기 연료 집합체가 사용된 연료 풀(148)에 위치될 때 연관된 냉각제 풀 온도 분포가 지속적인, 자가 동력의, 무선 기반해서 결정되고 추적될 수 있는 것으로부터의 정보를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 집합체(80).
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 열전대 센서(146) 및 상기 분리 중성자 및 감마 감지 자가 동력의 검출기 부재(142, 140)는 상기 센서와 상기 부재가 모두 전기적으로 절연된 채로 남도록 구성된 공통 전기 그라운드(152)를 갖는 분리 하우징 내에 각각 하우징되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 집합체(80).
KR1020147011593A 2011-10-04 2012-10-04 노심 내 계장 딤블 집합체 KR102039754B1 (ko)

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