KR20170042511A - 폐연료 저장 래크 - Google Patents

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KR20170042511A
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Abstract

핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 시스템이 지지 구조물 내에 수용된 복수의 셀들을 포함한다. 제1 셀은 제1 연료 어셈블리를 수용하며, 제2 셀은 제2 연료 어셈블리를 수용한다. 복수의 구획부들이 복수의 셀들을 분리시키며, 상기 핵 연료 어셈블리들로부터 열을 제거하기 위해 상기 지지 구조물의 하부 단부로 들어가는 냉각제용 통로를 제공한다. 제1 구멍은 상기 제1 셀과 상기 구획부들 중의 하나 이상 사이에 냉각제를 전달하며, 제2 구멍은 상기 제2 셀과 상기 하나 이상의 구획부들 사이에 냉각제를 전달한다. 상기 지지 구조물의 상기 하부 단부로 들어가는 상기 냉각제의 적어도 일부가 상기 복수의 셀들과 상기 복수의 구획부들 사이에서 전달된다. 둘 이상의 연료 저장 래크들이 액체 또는 공기로 상기 연료 어셈블리들의 냉각을 촉진하도록 교대하는 연료 패턴으로 함께 적층될 수 있다.

Description

폐연료 저장 래크{Spent fuel storage rack}
<정부 지분>
본 발명은 에너지성(Department of Energy)에 의해 수여된 계약 번호 DE-NE0000633 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 상기 정부는 본 발명에서 일정한 권리들을 갖는다.
<관련된 사항들에 진술>
본 출원은 2014년 8월 19일 출원된 미국 예비 특허출원 번호 62/039,311에 대한 우선권을 신청하며, 그 내용들은 여기에 참조로서 원용된다.
<기술 분야>
본 개시물은 일반적으로 폐연료 어셈블리들의 저장을 포함하는, 시스템들, 장치들, 구조들 및 핵연료를 저장하기 위한 방법들에 관한 것이다.
폐연료 풀들(pools)이 핵 반응기로부터 제거된 조사핵연료(irradiated fuel)로부터 단기적 및/또는 장기적 붕괴열 제거를 제공하기 위해 구성될 수 있다. 가장 최근에 제거된 폐연료는 폐연료 풀에서 열 발생의 최대 소오스를 대표할 수 있다. 원자력 발전소에 대한 전력의 완전 상실 또는 폐연료 풀 오염의 구조적 실패의 경우에, 상기 폐연료 풀을 위한 냉각 시스템들은 상기 연료들의 붕괴열을 충분히 제거하는 데 유용하지 않을 수 있다. 연장된 원자력 발전소 정전 조건들을 위해, 상기 폐연료 풀 내의 모든 물을 증발시키는 잠재력(potential)이 존재하며, 그리하여 상기 폐연료 및/또는 폐연료 피복재를 과열시키고 그리고 연속적으로 손상시킨다.
임계 제어의 목적으로, 폐연료 저장 래크 설계들의 일부 타입들은 각 연료 어셈블리 저장 위치(예를 들어, 셀) 사이에서 보론-카바이드 플레이트들과 같은 고체 중성자 흡수체를 결합시킬 수 있다. 상기 폐연료 풀 내에서 냉각제의 손실은 급격한 지르코늄 합금 피복 산화의 가능성 또는 지르코늄 합금 불의 개시, 및 후속적인 방사성 핵종(radionuclide)들의 방출을 초래할 수 있다. 용해성 보론과 같은 첨가제들이 폐연료의 미임계도(subcriticality)를 유지하는데 도움이 되도록 연료 저장 풀 내에 제공될 수 있다. 다양한 부품들에 대한 수많은 열화 이슈들이 시간이 경과됨에 따라 발생할 수 있다. 부가적으로, 더 차가운 연료 어셈블리들에 대한 더 뜨거운 연료 어셈블리들의 우선적 로딩(loading)이 인접한 폐연료 어셈블리들 사이에서 열의 교환을 줄이기 위해 사용될 수 있는 반면에, 상기 연료 어셈불리들의 유효한 배치는 일관된 기록 보존에 의존하며, 인적 오류의 대상이다. 원자로들이 수 십년의 기간을 넘어 동작을 계속하도록 허가될 수 있기 때문에, 상기 폐연료 풀에 대한 공간적 그리고 냉각적 요구들이 폐연료에서의 꾸준한 증가와 함께 증가할 것이다.
본 출원은 이들 그리고 다른 문제점들을 다루고 있다.
핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 시스템이 여기에 개시되며, 지지 구조물 내에 수용된 복수의 셀들을 포함한다. 제1 셀은 제1 연료 어셈블리를 수용하도록 구성될 수 있으며, 제2 셀은 제2 연료 어셈블리를 수용하도록 구성될 수 있다. 복수의 구획부들이 복수의 셀들을 분리시키도록, 그리고 상기 핵 연료 어셈블리들로부터 열을 제거하기 위해 상기 지지 구조물의 하부 단부로 들어가는 냉각제용 통로를 제공하도록 구성될 수 있다. 제1 구멍은 상기 제1 셀과 상기 구획부들 중의 하나 이상 사이에 냉각제를 전달하며, 제2 구멍은 상기 제2 셀과 상기 하나 이상의 구획부들 사이에 냉각제를 전달한다. 상기 지지 구조물의 상기 하부 단부로 들어가는 상기 냉각제의 적어도 일부가 상기 복수의 셀들과 상기 복수의 구획부들 사이에서 전달될 수 있다.
적층된 연료 배열에 핵 연료를 저장하는 방법이 여기에 개시된다. 냉각 풀 내에 제1 저장 래크가 위치되며, 상기 제1 저장 래크는 제1 그리드 구조물에 배열된 제1 그룹의 셀들을 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹의 셀들은 제1 그룹의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 그리드 구조물의 제1 셀에 제1 연료 어셈블리가 배치될 수 있으며, 상기 제1 그리드 구조물의 제2 셀에 제2 연료 어셈블리가 배치될 수 있다. 상기 방법은 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀 사이에 위치하는 중간 셀을 통하여 냉각제를 순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 중간 셀은 상기 제1 저장 래크를 통하여 상기 냉각제의 실질적으로 방해받지 않는 흐름을 제공하는 관통-채널을 형성할 수 있다. 상기 제1 저장 래크의 상부 상에 제2 저장 래크가 장착될 수 있다. 상기 제2 저장 래크는 제2 그리드 구조물에 배열된 제2 그룹의 셀들을 포함할 수 있으며, 상기 제2 그룹의 셀들은 제2 그룹의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 그리드 구조물의 상부 셀 내에 부가적인 연료 어셈블리가 배치될 수 있으며, 상기 상부 셀은 상기 제1 그리드 구조물의 상기 중간 셀 바로 위에 위치된다. 부가적으로, 상기 방법은 상기 상부 셀에서 상기 부가적인 연료 어셈블리를 냉각시키기 위해 상기 중간 셀을 통하여 상기 냉각제를 순환시키는 단계;를 포함할 수 있다.
핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 추가적인 시스템이 여기에 개시된다. 복수의 벽들을 포함하는 격납 구조물이 정상 동작과 관련된 레벨에서 냉각제 저장소를 수용하기 위해 구성될 수 있다. 중간 배리어가 상기 격납 구조물 내에 위치할 수 있으며, 상기 격납 구조물의 상기 복수의 벽들보다 낮은 높이를 가진다. 메인 냉각 풀이 상기 중간 배리어의 제1 측면 상에 위치할 수 있으며, 폐연료 냉각 풀이 상기 중간 배리어의 제2 측면 상에 위치할 수 있다. 상기 중간 배리어 위에 위치한 상기 냉각제 저장소로부터의 냉각제가 정상 동작 동안에 상기 폐연료 냉각 풀과 상기 메인 냉각 풀 사이에서 순환될 수 있다. 상기 중간 배리어는 상기 중간 배리어의 상기 높이 아래로 떨어지는 상기 냉각제 저장소의 레벨에 대응하여 상기 폐연료 냉각 풀의 상부 표면이 대략적으로 상기 중간 배리어의 높이로 유지되도록 구성될 수 있다.
도 1은 예시적 폐연료 저장 시스템을 보여준다.
도 2는 폐연료 냉각 풀을 포함하는 예시적 폐연료 저장 시스템을 보여준다.
도 3은 예시적 폐연료 냉각 시스템을 보여준다.
도 4는 대안적인 냉각 유로를 포함하는 예시적 폐연료 냉각 시스템을 보여준다.
도 5는 예시적 폐연료 저장 래크의 상부도를 보여준다.
도 6은 적층된 연료 래크들을 포함하는 예시적 폐연료 저장 시스템을 보여준다.
도 7은 예시적 폐연료 저장 래크 및 연료 어셈블리 배열의 상부도를 보여준다.
도 8은 추가의 예시적 폐연료 저장 래크 및 연료 어셈블리 배열의 상부도를 보여준다.
도 9는 적층된 연료 어셈블리들을 포함하는 예시적 폐연료 냉각 시스템을 보여준다.
도 10은 폐연료 냉각의 예시적 공정을 보여준다.
도 11은 폐연료 냉각의 추가의 예시적 공정을 보여준다.
도 12는 적층된 연료 배열에서 핵연료 저장의 예시적 공정을 보여준다.
여기에 개시된 및/또는 인용된 다양한 예시들은 'Managing Nuclear Reactor Spent Fuel Rods'라는 명칭으로 2013년 3월 6일 출원된 미국 출원번호 13/786,643에서 발견된 하나 이상의 피쳐들(features)과 일치하여, 또는 이들과 함께 동작될 수 있으며, 여기에 그 전체로서 참조로써 통합된다.
도 1은 예시적 폐연료 저장 시스템(100)을 보여준다. 폐연료 저장 시스템(100)은 상기 폐연료에 의해 생성된 잔류 붕괴열의 제거를 촉진하기 위해 하나 이상의 핵 반응기들로부터 제거되고 폐연료 저장 시스템(100)으로 이송된 폐 핵연료를 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 관리 시스템(100)은 물과 같은 유체(30)에 잠수되어 있는 폐연료 래크(50)를 포함할 수 있다. 유체(30)는 폐연료 래크(50)에 저장된 폐연료로부터 상기 붕괴열을 수용하고 소멸하기 위한 히트 씽크(heat sink)를 제공한다.
유체(30)는 격납 벽(10)과 같은 복수의 벽들 사이에 형성된 액체의 풀로서 함유될 수 있다. 일부 예시들에서, 격납 벽(10)은 핵 반응기 격납 건물과 결부되어 있다. 상기 격납 건물은 공기(40)로 충전될 수 있다. 폐연료 관리 시스템(100)은 공기(40) 및/또는 유체(30)에 저장된 상기 폐연료에 의해 발생된 어떠한 가스들이 상기 격납 건물로부터 벗어나서 그리고 주변 환경 속으로 방출되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 일부 예시들에서, 격납 벽(10) 및/또는 격납 바닥(60)은 철근 콘크리트(reinforced concrete)를 포함할 수 있다. 부가적으로, 유체(30)가 격납 벽(10) 및 바닥(60)을 둘러싸는 지면이 상기 폐연료에 의해 발생된 어떠한 열을 위한 부가적인 히트 씽크를 제공하도록 지면 아래에 저장될 수 있다.
폐연료 래크(50)는 하나 이상의 지지 구조들(75)을 포함할 수 있으며, 그리고/또는 하나 이상의 지지 구조들(75) 상에 위치할 수 있다. 상기 지지 구조들(75)은 상기 폐연료 아래에서 그리고 상기 폐연료를 통하여 유체(30)의 흐름을 촉진시키기 위해 격벽 바닥(60)으로부터 얼마간 떨어지게 상기 폐연료 래크(50)를 상승시키도록 구성될 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 래크(50)와 격납 바닥(60) 사이의 거리는 한 발에(to one foot) 대략 6 인치일 수 있다.
배리어(20)가 상기 폐연료 래크(50)와 유체(30) 내에 위치한 다른 시스템들 또는 장치들 사이에 중간 배리어 또는 벽을 형성하기 위해 유체(30) 내에 위치할 수 있다. 배리어(20)와 벽(20) 사이의 유체(30)의 체적은 폐연료 냉각 풀로서 고려될 수 있다. 일부 예시들에서, 하나 이상의 핵 반응기들이 폐연료 래크(50)와 동일한 유체(30)의 풀 내에서 동작될 수 있다. 상기 하나 이상의 핵 반응기들은 상기 폐연료 냉각 풀의 일부를 형성하는, 또는 상기 폐연료 냉각 풀에 유체적으로 연결된 반응기 배이(bay)에서 동작할 수 있다.
배리어(20)는 폐연료 래크(50)가 유체(30) 내에 완전히 잠수되게 유지되면서 배리어(20) 위로 들어 올려지도록 상기 주변 격납 벽(10)보다 짧을 수 있다. 유사하게, 개별적인 폐연료 어셈블리들이 유체(30) 내에 완전히 잠수되게 유지되면서 배리어(20) 위로 들어 올려질 수 있으며, 그리하여 상기 폐연료 어셈블리들은 유체(30)로부터 제거됨이 없이 인근의 핵 반응기 모듈로부터 폐연료 래크(50)로 이송될 수 있다. 부가적으로, 배리어(20) 위에 위치한 유체는 정상적인 동작 동안에 상기 폐연료 냉각 풀과 상기 반응기 배이 사이에서 자유롭게 순환될 수 있다. 상기 반응기 배이 및 상기 폐연료 냉각 풀 모두를 위해 유체의 공통 소오스를 사용함으로써, 이것은 더 오랜 시간 동안 상기 폐연료를 냉각시키기 위한 이용할 수 있는 유체 저장소를 효과적으로 증가시킨다.
도 2는 도 1의 폐연료 저장 시스템(100)과 비슷한 예시적 폐연료 저장 시스템(200)을 보여주며, 배리어(20)와 격납 벽(10) 사이에 형성된 폐연료 냉각 풀(32)을 포함한다. 일부 예시들에서, 반응기 배이(45)는 배리어(20)의 반대측 상에 및/또는 폐연료 냉각 풀(32)에 인접한 구조 내에 위치할 수 있다. 냉각제의 손실이 일어날 경우에, 반응기 배이(45) 내에서 유체(30)의 레벨(210)이 배리어(20)의 상부 아래로 떨어지며, 냉각 풀(32)의 레벨(220)이 폐연료 래크(50) 위로 유지되며, 그리고 폐연료가 유체 내에 완전히 잠수되어 유지되도록 냉각 풀(32)은 충분한 유체를 보유할 수 있다. 부가적으로, 배리어(20)는 반응기 배이(45) 내에서 중간의 배리어(20)의 높이 아래로 떨어지는 유체(30)의 레벨에 대응하여 냉각제 손실 동안에 대략 중간의 배리어(20)의 높이에서 폐연료 냉각 풀(32)의 상부 표면에 대응하는 상기 레벨(220)로 유지되도록 구성될 수 있다.
일부 예시들에서, 냉각 풀(32) 내에서 유체의 레벨(220)이 예를 들어, 증발에 기인하여 감소함에 따라 유체(30)는 상기 반응기 배이(45)로부터 상기 냉각 풀(32) 속으로 펌핑 및/또는 전환될 수도 있다. 펌프(215)가 반응기 배이(45)의 바닥에 또는 그 근처에 위치할 수 있으며, 하나 이상의 유체 보강 라인들(218)을 통하여 유체(30)를 냉각 풀(32) 속으로 펌핑하도록 구성될 수 있다. 펌프(215)는 냉각 풀(32) 내에서 유체의 일정한 레벨을 유지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 냉각 풀(32) 내에서 유체의 레벨(220)은 배리어(20)의 상부 또는 그 근처로 유지될 수 있다. 반응기 배이(45)는 상기 폐연료 래크(50) 및 상기 반응기 배이(45) 내에 수용될 수 있는 하나 이상의 반응기 모듈들 양쪽 모두를 위해 장기간 물을 수용하는 저장소를 제공하기 위해 냉각 풀(32)보다 더 많은 유체(30)를 충분히 보유하도록 구성될 수 있다. 도 3은 예시적 폐연료 냉각 시스템(300)을 보여준다. 폐연료 냉각 시스템(30)은 냉각제의 손실이 발행한 후에 폐연료의 냉각을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 냉각 시스템(300)은 폐연료 래크(350)을 통하여 공기(40)의 흐름에 의해 상기 폐연료를 완전히 냉각하도록 구성될 수 있다.
폐연료 냉각 시스템(30)은 예를 들어 제1 격납 벽(310) 및 제2 격납 벽(320)과 같은 복수의 격납 벽들을 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 냉각 시스템(300)의 4개 이상의 벽들은 각 측면 주위에서 폐연료 래크(350)을 둘러쌀 수 있다. 냉각제의 손실이 발생될 경우, 폐연료 래크(350) 내의 상기 폐연료는 열을 발생시키기를 계속할 것이다. 공기의 유입(341)(예를 들어, 주변 격납 빌딩 내부로부터)은 상기 격납 벽들(310,320)을 지나 격납 바닥(360)을 향하여 아래로 흘러내릴 수 있다. 이어서 상기 유입(341)은 상기 폐연료로부터 열을 제거하기 위해 폐연료 래크(350)를 통해 위로 향할 수 있다. 폐연료 래크(350)를 떠나는 공기의 유출(342)은 따라서 유입(341)에 대하여 증가된 온도를 가질 것이다.
유입(341)과 유출(342) 사이의 온도 차이는 상기 폐연료를 계속적으로 냉각시키기 위하여 폐연료 래크(350)를 통한 기류(340)의 자연 발생적인 순환을 생성할 것이다. 유출(342)은 상기 주변 격납 구조 내에서 소멸될 수 있으며, 여기서 이것은 유입(341)으로서 결국 되돌아오기 전에 순환 및 대류의 결과로서 냉각된다. 폐연료 래크(350)는 공간을 증가시키고 그리고 아래로부터 자연발생적인 공기 순환을 증가시키기 위해 격납 바닥(360)으로부터 떨어져 상승될 수 있다. 폐연료 래크(350)와 격납 바닥(360) 사이의 거리(355)는 상기 폐연료 래크(350)를 통하는 기류(340)와 동일한 유량의 상기 폐연료 래크(350) 아래의 공기를 제공하도록 크기를 부여할 수 있다. 상기 거리(355)는 일 이상의 인치일 수 있다. 일부 예시들에서, 기류(340)는 상기 연료 래크(350)를 통한 공기의 공기 질량 유량을 중가시키기 위해 팬 또는 블로워로 증가되거나 또는 지원될 수 있다.
도 4는 대안적인 냉각 유로(425)를 포함하는 예시적 폐연료 냉각 시스템(400)을 보여준다. 폐연료 래크(450)는 하나 이상의 벽들을 포함하는 격납 구조(410) 내에 위치할 수 있다. 폐연료 래크(450) 아래에, 통풍구(480) 또는 개구부가 폐연료 래크(450)에 저장된 폐연료를 통과하는 기류(440)를 제공하기 위해 구성될 수 있다. 통풍구(480)는 격납 바닥(460) 아래 또는 대략 격납 바닥 레벨로 위치될 수 있다.
일부 예시들에서, 통풍구(480)는 냉각 시스템(400)의 상이한 동작 모드들에 따라서 가동적으로 개방되거나 폐쇄될 수 있다. 예를 들어, 격납 구조(410)가 유체의 풀을 저장하는 제1 동작 모드에서, 통풍구(480)는 유체의 아무것도 상기 격납 구조(410)로부터 누출되지 않도록 폐쇄될 수 있다. 제1 동작 모드에서, 유체는 폐연료 래크(450)에 저장된 폐연료를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다.
상기 유체의 일부 또는 전부의 손실이 있는 제2 동작 모드에서는, 통풍구(480)는 기류(440)를 통하여 폐연료를 냉각시키기 위해 폐연료 래크(450)를 통하는 공기의 흐름을 촉진하도록 개방될 수 있다. 통풍구(480)는 통로(470)를 포함하는 환기 시스템의 출구에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통로(470)는 격납 바닥(460) 아래 위치될 수 있다.
부가적으로, 통로(470)는 격납 구조(410) 내에 하나 이상의 채널들(475)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 채널들(475)은 통로(470)로 들어가서 통풍구(480)로부터 방출할 수 있는, 상기 격납 구조(410) 내부로부터의 그리고/또는 주변 환경으로부터의 공기(40)를 위한 도관을 제공할 수 있다. 채널들(475)은 입구 밸브(420)를 포함할 수 있다. 입구 밸브(420)는 통풍구(480)와 유사한 방식으로 냉각 시스템(400)의 상이한 동작 모드들에 따라서 동작가능하게 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
일부 예시들에서, 냉각 시스템(400)은 보류 탱크(490)를 포함할 수 있다. 격납 구조(410) 내에서 냉각제의 레벨이 예정된 레벨 아래로 떨어진 경우, 제1 센서(451) 및/또는 제2 센서(452)와 같은 하나 이상의 센서들이 냉각제 손실 조건을 확인하기 위해 구성될 수 있다. 제1 센서(451)는 폐연료 래크(450)의 상부 표면 아래로 떨어지는 냉각제의 레벨 및/또는 일부 다른 예정된 문턱 레벨을 검출할 수 있도록 구성될 수 있다. 제2 센서(452)는 폐연료 래크(450)의 하부 표면 아래로 떨어지는 냉각제의 레벨 및/또는 일부 다른 예정된 문턱 레벨을 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.
폐연료 래크(450)의 하부와 격납 바닥(460) 사이에 위치한 유체는 폐연료 래크(450) 아래에서 그리고 폐연료 래크를 통한 공기의 흐름을 방해할 수 있다. 냉각제 손실에 대응하여, 기류를 증가시키기 위하여 방출 밸브(495)가 격납 구조(410) 내로부터 그리고/또는 폐연료 래크(450) 아래로부터 잔류하는 유체를 제거하기 위해 작동될 수 있다. 일부 예시들에서, 경고/알람이 제1 센서(451)로부터 수신된 제1 신호에 대응하여 촉발될 수 있으며, 상기 방출 밸브(495)는 제2 센서(452)로부터 수신된 제2 신호에 대응하여 작동될 수 있다. 격납 구조(410)로부터 제거된 유체는 폐연료 풀 누설 검출 시스템의 일부일 수 있는 보류 탱크(490)에 저장될 수 있다. 상기 유체는 방출 밸브(495)를 통해 보류 탱크(490)로 수동적으로 배출될 수 있다. 다른 실시예들에서, 펌프 및/또는 흡입관이 격납 구조(410)의 하부로부터 보류 탱크(490)로 상기 유체를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 비록 보류 탱크(490)가 격납 바닥(460) 아래에 위치되는 것으로 도시하였지만, 일부 예시들에서, 어떤 유체가 부주의로 격납 구조(410)로부터 유출되도록 허용할 수도 있는 격납 바닥(460)에서의 개구부들이 없도록 상기 유체는 상승된 보류 탱크 속으로 펌핑될 수도 있다.
유사하게, 비록 채널들(475) 및/또는 드레인(480)이 격납 구조(410) 내에 또는 아래에 위치하는 것으로서 도해되었지만, 일부 또는 모든 유로(425) 및 냉각 시스템(400)의 다양한 유로 구성요소들은 상기 구성요소들로의 접근을 촉진하기 위하여 그리고/또는 격납 구조(410)를 침투하는 것을 방지하기 위하여 격납 구조(410)의 외측 또는 위에 위치될 수 있다. 일단 상기 유체가 격납 구조(410) 내로부터 제거되면, 냉각 시스템(400)은 기류(440)를 통해 상기 폐연료를 냉각하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예시들에서, 보류 탱크(490)는 예를 들어, 반응기 배이(45)(도 2)와 같은 근처의 및/또는 인접한 반응기 배이와 관련될 수 있다. 냉각제의 손실을 검출하는 제1 센서(451)에 대응하여, 냉각 시스템(400)은 폐연료 래크(450)를 덮는 유체의 양을 보충 및/또는 유지하기 위하여 상기 보류 탱크(490)로부터 유체를 뽑아내도록 구성될 수 있다. 상기 보류 탱크(490)로부터의 유체는 초기 시간 주기 동안 계속 빼내어질 수 있다.
보류 탱크(490) 내의 유체가 고갈되고 그리고/또는 이용할 수 없는 경우에, 제2 센서(452)가 유체의 하향된 레벨을 검출할 때 유체의 레벨은 결국 상기 폐연료 래크(450)의 바닥 근처로 떨어져 내릴 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 냉각 시스템은 유체를 뽑아내도록 그리고/또는 상기 보류 탱크 속으로 이송시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 다양한 동작 모드들에서, 보류 탱크(490) 대안적으로 부가적인 보강 유체의 소오스 또는 인출된 유체의 보유물로서 사용될 수 있다.
일부 예시들에서, 제2 센서(452)와 같은 센서는 상기 폐연료 풀의 냉각제 레벨이 최소 문턱 아래로 떨어질 때를 모니터하도록 구성될 수 있으며, 상기 최소 문턱 아래로 떨어지는 냉각제의 모니터된 레벨에 대응하여 환기 시스템은 공기를 상기 연료 어셈블리들 및 연료 래크(450)의 상기 하나 이상의 관통-채널들로 향하도록 구성될 수 있다.
도 5는 예를 들어, 제1 셀(510) 및 제2 셀(520)과 같은 복수의 셀들을 포함하는 예시적 폐연료 저장 래크(500)의 상부도를 보여준다. 일부 예시들에서, 상기 복수의 셀들은 외부 격납 벽(505) 내에 위치하는 교차하는 벽들의 그리드(grid)로서 배열될 수 있다. 폐연료 저장 래크(500)의 각 셀은 폐연료(550)와 같은 폐연료 어셈블리 "F/A"를 저장할 수 있도록 구성될 수 있다. 폐연료 저장 래크(500)는 복수의 다-목적 분리 구획부(590)를 포함할 수 있다.
분리 구획부들(590)은 인접한 폐연료 어셈블리들 사이에서 열 전달을 감소시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 상기 분리 구획부들(590)은 예정된 거리만큼 인접한 폐연료 어셈블리들을 분리시킬 수 있다. 폐연료 어셈블리들 사이의 공간 및/또는 거리는, 예를 들어 폐연료(550)에 의해 발생된 열이 예를 들어, 제2 셀(520)과 같은 인접 셀 내의 폐연료로부터 차폐되도록 일종의 열적 장벽으로 역할할 수 있다.
부가적으로, 분리 구획부들(590)은 하나의 셀에 함유된 폐연료에서 발생된 중성자들을 감소하도록 그리고/또는 중성자들이 제2 셀, 또는 인접 셀에 함유된 폐연료로 전달되거나 그렇지 않으면 전파되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 분리 구획부들(590)은 중성자 차폐 및/또는 중성자 이송 장벽으로서 구성될 수 있다.
일부 예시들에서, 폐연료 저장 래크(500)는 상기 셀 벽들 상에 어떠한 고정된 중성자 흡수체들 없이, 또는 각 연료 어셈블리를 둘러싸는 다른 구조들 없이 제조될 수 있다. 방출된 중성자들을 흡수하기 위해 폐연료 래크에 특별히 부가된 물질의 존재에 의존하는 대신에, 대략 1 인치 이상의 공간이 분리 구획부들(590) 속으로 결합될 수 있으며, 그리하여 각 연료 어셈블리가 중성자적으로 인접한 어셈블리들과 X-Y 평면(Z 방향은 상기 X-Y 평면에 수직)에서 모든 네 측면들 상에 적어도 그 공간만큼 분리된다. 일부 예시들에서, 분리 구획부(590)의 (예를 들어, Z 방향에서의) 길이는 연료 저장 래크(500)에 저장된 관련된 폐연료 어셈블리들의 길이와 대략 동일할 수 있다.
통상의 기술자는 분리 구획부들(590)의 크기는 저장된 폐연료의 기하학적 구조 및 형태에 따라 다양할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일부 예시들에서, 폐연료 어셈블리들 사이의 공간은 8 인치의 근사적인 외측 디멘젼을 갖는 일부 연료 어셈블리들의 형태들에 대하여 1과 5 인치 사이일 수 있다. 다른 예시들에서, 상기 공간은 보다 더 큰 또는 더 많은 활성 폐연료 어셈블리들을 수용하기 위하여 5 인치 이상일 수 있다. 각 연료 어셈블리 저장 셀 사이에서 적합한 분리 거리를 선택함으로써, 피크 피복(cladding) 온도들은 상기 풀에서 부분적인 및/또는 완전한 냉각제 손실 사고에 대응하여 지정된 또는 그렇지 않으면 상기 폐연료 어셈블리들과 관련된 어떠한 점화 한계 아래에서 잘 유지될 수 있다.
분리 구획부들(590)은 중성자 플럭스 포획을 제공하기 위해 각 연료 어셈블리 주의에 직교하는 공간을 형성하도록 구성될 수 있다. 분리 구획부들(590)은 인접하는 셀들과 함께 각 연료 어셈블리를 어떠한 중성자적 상호반응으로부터 본질적으로 분리할 수 있으며, 그리하여 전체 폐연료 저장 래크(500)의 임계치 이하의 냉각을 제공한다. 분리 구획부들(590)에 의해 제공된 상기 공간은 위에서 논의된 바와 같이, 폐연료 어셈블리를 모든 인접한 셀 어셈블리들로부터 열적으로 분리하기 위해 또한 사용될 수 있다.
인접한 폐연료 어셈블리들 사이에서 중성자 이송을 감소시키는 그리고/또는 열전달을 감소시키는 기능들을 제공하는 데 부가하여, 분리 구획부들(590)은 가스 또는 유체를 셀들 사이에서 흐르게 하고 그리고 관련된 폐연료를 냉각시키는 통로를 제공하도록 구성된다.
분리 구획부들(590)은 제1 구획부(560) 및 제2 구획부(580)와 같은 복수의 구획부들을 포함할 수 있다. 제1 구획부(560)는 제2 구획부(580)에 직각으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 분리 구획부들(590)이 두 개 이상의 셀들을 분리할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 구획부(560)는 셀(540)을 인접한 셀(570)과 분리할 수 있도록 구성될 수 있다. 다른 한편, 제2 구획부(580)와 같은 분리 구획부는 복수의 셀들 사이에서 공통 분리를 형성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 구획부(580)는 제1 셀(510)을 제2 셀(520)로부터 분리되도록 구성될 수 있으며, 유사하게 제2 구획부(580)는 셀(540) 및 셀(570)을 하나 이상의 부가적 셀들로부터 분리되도록 구성될 수 있다.
제1 셀(510)은 제1 벽(511)에 의해 또는 제1 벽 내에 형성될 수 있다. 제1 벽(511)은 실질적으로 제1 셀(510)을 둘러쌀 수 있다. 유사하게, 제2 셀(520)은 제2 벽(522)에 의해 또는 제2 벽 내에 형성될 수 있다. 제2 구획부(580)와 같은 하나 이상의 분리 구획부들(590)이 상기 인접한 연료 셀들의 제1 벽(511)과 제2 벽(521) 사이에 형성될 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 벽(511)과 제2 벽(521) 중의 하나 또는 양쪽 모두 제1 구멍(512) 및 제2 구멍(522)와 같은 복수의 구멍들을 포함할 수 있다. 상기 구멍들은 상기 제1 셀(510) 및/또는 제2 셀(520) 내에 위치한 냉각제(예를 들어, 액체 또는 공기)가 제2 구획부(580) 속으로 흘러들어가고 그리고/또는 제2 구획부로부터 흘러나오도록 구성될 수 있다.
상기 제1 벽(511) 내의 상기 하나 이상의 구멍들은 상기 제2 벽(521) 내의 하나 이상의 구멍들과 오프셋(offset)되고 그리고/또는 대체될 수 있다. 상기 구멍들을 오프셋시키는 것은 제1 연료 어셈블리(550)와 제2 셀(520) 내에 위치한 제2 연료 어셈블리와 같은, 상기 연료 어셈블리들 사이에서 어떠한 가시선(line-of-sight) 경로들을 불가능하게 하도록 동작할 수 있다. 따라서, 하나의 연료 어셈블리에서 발생된 중성자들은 다른 연료 어셈블리에 도착되거나 그리고/또는 흡수되는 것이 방지될 수 있다(즉, 서로 근접하여 위치한 연료 어셈블리들 사이에서 중성자 누설을 방지하도록). 일부 예시들에서, 복수의 구멍들은 상기 X-Y 평면에 직각인 Z 방향에서 대응하는 연료 어셈블리의 높이 또는 길이 위로 상기 셀 벽에 형성될 수 있다. 상기 구멍들은 분리 구획부들(590) 및/또는 복수의 셀들을 서로 유체적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 구멍(512)은 제1 셀(510)을 제2 셀(520)로부터 분리하는, 제2 구획부(580)와 같은 구획부에 인접한 제1 위치에 위치될 수 있다. 제2 구멍은 구획부(580)에 인접하는 제2 위치에 위치될 수 있으며, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 오프셋되어서, 상기 제1 구멍(512) 및 제2 구멍(522)이 상기 제1 연료 어셈블리(550)와 제2 셀(520) 내의 연료 어셈블리 사이에 가시선을 제공하지 않도록 한다.
복수의 셀들이 X-Y 평면과 관련된 그리드 패턴으로 배열될 수 있다. 상기 복수의 구획부들은 상기 X-Y 평면의 X 방향으로 지향된 단면 길이를 갖는, 예를 들어 제1 구획부(560)와 같은 제1 세트의 구획부들 및 상기 X-Y 평면의 Y 방향으로 지향된 단면 길이를 갖는, 예를 들어 제2 구획부(580)와 같은 제2 세트의 구획부들을 포함할 수 있다.
일부 예시들에서, 제2 구멍(522)과 관련된 상기 제2 위치는 X-Y 평면에서 제1 구멍(512)과 관련된 상기 제1 위치로부터 오프셋될 수 있다. 다른 예시들에서, 상기 제2 위치는 상기 X-Y 평면에 직각인, 상기 Z 방향에서 상기 제1 위치로부터 오프셋될 수 있다. 부가적으로, 구멍(562)과 같은 제3 구멍은 하나 이상의 상기 제1 세트의 구획부들과 하나 이상의 상기 제2 세트의 구획부들 사이에 냉각제를 전달하도록 구성될 수 있다.
다른 예시들에서, 하나 이상의 상기 구획부들은 인접한 구획부로부터 유체적으로 분리될 수 있으며, 그리하여 하나의 구획부 내에 함유된 유체 및/또는 공기는 인접한 구획부들 자유롭게 흐르지 않을 수 있다. 이들 예시들에서, 유체 및/또는 공기는 상기 구획부를 통하여 Z 방향으로 주로 또는 배타적으로 흐를 수 있다.
제1 셀(510)에서 폐연료(550)를 둘러싸는 분리 구획부들(590)의 내부 및 외부 표면은 냉각제의 손실이 일어나는 경우에 기류로 열 전달을 강화하는 피쳐들(features)로 설계될 수 있다. 예를 들어, 구멍(562)과 같은 복수의 구멍들은 예를 들어 구획부(560)와 같은 X 방향으로 지향된 하나 이상의 구획부들을 예를 들어, 구획부(580)와 같은 Y 방향으로 지향된 하나 이상의 구획부들과 유체적으로 연결시킬 수 있다. Z 방향으로의 흐름에 부가하여, 하나의 구획부 내에 함유된 유체 및/또는 공기는 X 및/또는 Y 방향으로 흐를 수 있다.
분리 구획부들(590)에 의해 제공된 공간은 어떠한 활성적 시스템들 또는 상기 셀 벽들에 부착된 고정된 중성자 흡수 플레이트들에 의존함이 없이 인접한 셀들의 중성자 격납 및 열적 분리 양쪽 모두를 제공하도록 구성될 수 있다. 차라리 폐연료 저장 래크(500)는 냉각제 손실이 발생되는 경우에 수동적 임계성 및 열적 가열 안정성을 제공하도록 구성될 수 있다.
외부 격납 벽(505) 및/또는 폐연료 저장 래크(500)와 관련된 하나 이상의 셀들은 상기 폐연료로부터 나오는 열의 전달을 촉진시키기 위해 표면 처리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 처리는 외부 격납 벽(505)의 유효 표면적을 증가시키고, 그리고 히트 씽크와 유사하게 상기 연료 어셈블리들로부터 나오는 열을 주변 공기 및/또는 액체로 방사하는 하나 이상의 핀들(515)을 포함할 수 있다.
외부 격납 벽(505)은 상기 연료 저장 래크의 외부 지지 구조를 형성할 수 있으며, 그리고 복수의 셀들이 상기 외부 지지 구조 내에 수용될 수 있다. 복수의 셀들을 분리하는 하나 이상의 상기 구획부들(590)은 상기 핵 연료 어셈블리들로부터 열을 제거하기 위해 상기 외부 지지 구조의 하부 단부로 들어가는 냉각제용 통로들을 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 외부 지지 구조의 상기 하부 단부로 들어가며 그리고 상기 외부 지지 구조의 상부 단부를 향하여 이동하는 냉각제의 적어도 일부는 상기 하나 이상의 구멍들을 통하여 상기 복수의 셀들과 상기 복수의 구획부들 사이에서 전달될 수 있다.
도 6은 적층된 연료 래크들을 포함하는 예시적 연료 저장 시스템(600)을 보여준다. 제1 연료 래크(651)는 격납 구조(610)의 바닥(660)에 가장 근접한 상기 스택의 하부 상에 위치될 수 있다. 제1 연료 래크(651)는 제1 연료 래크(651) 아래에서 유체(630)의 순환을 허용할 수 있도록 바닥(660)으로부터 약간의 거리 만큼 상승될 수 있다. 예를 들어, 제1 연료 래크(651)는 하나 이상의 하부 지지대(665) 상에 지지될 수 있다. 부가적으로, 제2 연료 래크(652)는 제1 연료 래크(651) 상에 적층될 수 있다. 제2 연료 래크(652)는 하나 이상의 적층 지지대(655)에 의해 제1 연료 래크(651)로부터 약간의 거리 만큼 분리될 수 있다. 제1 연료 래크(651) 및 제2 연료 래크(652)의 양쪽 모두는 폐연료 저장 시스템(600)의 하나 이상의 동작 조건 하에서 유체(630)의 풀 내에 완전히 잠수될 수 있다.
상기 유체(630)의 풀은 격납 구조(610)의 하나 이상의 벽들 사이에 형성될 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 냉각 풀(680)은 도 2의 폐연료 냉각 풀(32)과 유사하게, 중간 배리어(620)와 격납 구조(610) 사이에 형성될 수 있다. 부가적으로, 메인(main) 풀(690)은 폐연료 냉각 풀(680)과 같이 중간 배리어(620)의 대향하는 측 상에 위치될 수 있다. 중간 배리어(620)의 높이는 격납 구조(610) 보다 낮을 수 있다. 일부 예시들에서, 중간 배리어(620)는 액체의 풀(630) 내에 완전히 잠수될 수 있다.
상기 적층된 연료 래크들의 조합된 높이는 거리(675) 만큼 중간 배리어(620)의 높이 보다 낮을 수 있다. 메인 풀(690)에서 액체(630)의 레벨이 중간 배리어(620)의 상부 아래로 떨어질 경우, 상기 중간 배리어(620)는 상기 적층된 연료 래크들이 상기 거리(675) 만큼 상기 유체(630) 아래에 잠수되도록 충분한 양의 유체(630)를 유지하도록 구성될 수 있다. 폐연료 저장 시스템(600)이 두 개의 적층된 연료 래크들을 도해하였지만, 일부 예시들에서 둘 이상의 연료 래크들이 폐연료 냉각 풀(680) 내에 함께 적층될 수 있다. 예를 들어, 세 개 이상의 연료 래크들이 각각의 상부 상에 적층될 수 있다. 다른 예시들에서, 복수의 적층된 연료 래크들이 상기 폐연료 냉각 풀(680) 내에 서로 나란히 위치될 수 있다.
도 7은 예시적 폐연료 래크(705) 및 연료 어셈블리 배열(700)의 상부도를 보여준다. 폐연료 저장 래크(705)는 제1 셀(710) 및 제2 셀(720)과 같은 복수의 셀들을 포함하는 폐연료 그리드를 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 상기 복수의 셀들은 서로에 대하여 직각으로 배열된 지지대들(780,790)의 그리드에 의해 형성될 수 있다. 제1 셀(710)은 연료 어셈블리 "F/A"를 수용하는 것으로서 도시되었으며, 반면에 제2 셀(720)은 관통-채널(725)을 포함하는 것으로 도시되었다. 제3 셀(730)과 같은 다른 셀들은 부가적인 연료 어셈블리들을 수용할 수 있다. 또 다른 셀들은 관통-채널(740) 및 관통-채널(760)과 같은 부가적인 관통-채널들을 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 복수의 셀들의 각각은 연료 어셈블리를 수용할 수 있도록 또는 관통-채널을 형성할 수 있도록 이 둘 중의 하나를 위하여 크기가 부여되고 그리고/또는 그렇지 않으면 구성될 수 있다.
연료 어셈블리 배열(700)은 연료 어셈블리들을 수용하는 셀들 사이에 교대로 배치된 복수의 관통-채널들(through-channels)을 포함하는 것으로 도시되었다. 예를 들어, 관통-채널(725)을 갖는 제2 셀(720)은 제1 셀(710)과 제3 셀(730) 사이에 위치하며, 이것의 양쪽 모두는 연료 어셈블리들을 수용하는 것으로 도시된다. 연료 어셈블리 배열(700)에서, 연료 어셈블리에 인접한 모든 셀들은 연료 어셈블리를 포함할 수 있다. 중앙 셀(750)은 관통-채널(725), 관통-채널(740), 관통-채널(760), 및 관통-채널(775)를 포함하는 네 개의 관통-채널들에 의해 실질적으로 둘러싸인 것으로 도시된다. 상기 네 개의 둘러싸인 관통-채널들을 통하여 흐르는 냉각제는 중앙 셀(750)에 위치한 연료 어셈블리를 냉각하기 위해 사용될 수 있다.
도 8은 제2 폐연료 저장 래크(805) 및 제2 연료 어셈블리 배열(800)의 추가 예시를 보여준다. 제2 폐연료 저장 래크(805)의 제1 셀(810)은 관통-채널(875)을 포함하는 것으로 도시되었으며, 반면에 제2 폐연료 저장 래크(805)의 제2 셀(820)은 연료 어셈블리 "F/A"를 수용하는 것으로 도시되었다. 일부 예시들에서, 제2 폐연료 저장 래크(805)의 복수의 셀들의 각각은 연료 어셈블리를 수용할 수 있도록 또는 관통-채널을 형성할 수 있도록 이 둘 중의 하나를 위하여 크기가 부여되고 그리고/또는 그렇지 않으면 이를 위해 구성될 수 있다.
연료 어셈블리 배열(800)은, 각 연료 어셈블리가 복수의 관통-채널들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있도록 상기 연료 어셈블리들 사이에 교대로 위치하는 복수의 관통-채널들을 포함하는 것으로 도시되었다. 제2 폐연료 저장 래크(805)의 주변에 위치한 셀들은 세 개의 관통-채널들에 의해 단지 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 제2 셀(820)과 관련된 연료 어셈블리는 제1 셀(810), 제3 셀(830), 및 중앙 셀(850)에 형성된 것들을 포함하여 세 개의 관통-채널들에 의해 둘러싸일 수 있다.
제2 셀(820)의 외부 측면은 제2 폐연료 저장 래크(805)의 외부 벽을 형성할 수 있다. 일부 예시들에서, 복수의 관통-채널들을 통하여 흐르는 냉각제에 부가하여, 제2 연료 어셈블리 배열(800)의 주변에 위치한 연료 어셈블리들은 제2 폐연료 저장 래크(805)의 외부 벽들 주위에 위치하는 냉각제에 의해 냉각될 수 있다.
제2 연료 어셈블리 배열(800)에서, 연료 어셈블리에 인접한 모든 셀들은 관통-채널을 포함할 수 있다. 부가적으로, 관통-채널에 인접한 모든 셀들은 연료 어셈블리를 포함할 수 있다. 관통-채널을 포함하는 중앙 셀(850)은 연료 어셈블리(840), 연료 어셈블리(860), 연료 어셈블리(890) 및 제2 셀(820)에 함유된 연료 어셈블리를 포함하는 네 개의 연료 어셈블리들에 의해 둘러싸인 것으로 도시된다.
일부 예시들에서, 제2 연료 어셈블리 배열(800)은 연료 어셈블리 배열(700)과 비교하여, 네가티브 또는 반대의 패턴으로 배열된 폐연료 어셈블리들을 포함할 수 있다. 비록 연료 어셈블리 배열(700) 및 제2 연료 어셈블리 배열(800)이 인접하는 셀들의 각각에 대해 교대하는 연료 어셈블리들 및 관통-채널들을 포함하는 것으로 도시되었지만, 통상의 기술자는 어느 하나의 배열은 얼마나 오랫동안 관련된 핵 반응기가 동작하는 지에, 적어도 부분적으로, 기초하여 도시된 것보다 적은 연료 어셈블리들을 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 중앙 셀(750)(도 7)은 존재하는 연료 어셈블리들 사이에 증가된 공간을 제공하기 위해 연료 어셈블리 배열(700)에서 폐연료 어셈블리를 수용하기 위해 지정된 마지막 셀일 수 있다.
상기 셀들 중의 하나 이상으로부터 연료 어셈블리를 제거함으로써, 관통-채널은 상기 셀들 중의 어느 곳에 선택적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀들 중의 하나 이상의 내부 표면은 관통-홀을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 폐연료 저장 래크들(705,805) 중의 하나 이상을 통한 전체 흐름 패턴은 상기 셀들 내에서 상기 폐연료 어셈블리들의 위치 또는 배열에 의존하여 조정되거나 또는 수정될 수 있다. 부가적으로, 관통-채널들의 수는 저장된 특정의 폐연료의 나이, 방사능 및/또는 열 특성을 설명하기 위해 조정될 수 있다. 일부 예시들에서, 상기 폐연료가 상기 방사능 및/또는 열의 발생을 감소시키기 위해 충분히 긴 시간동안 저장된 후에, 상기 폐연료 저장 래크들(705,805) 에서 상기 관통-채널들의 수는 부가적인 폐연료를 사전에 비어 있는 셀들 중의 하나 이상으로 부가함으로써 감소될 수 있다.
셀들 사이에서 흐르게 하기 위한 그리고 상기 인접한 폐연료 어셈블리들을 냉각시키기 위한 가스 또는 유체를 위한 통로를 제공함에 부가하여, 폐연료 저장 래크(705) 및/또는 폐연료 저장 래크(805) 내의 상기 관통-채널들은 상기 폐연료 어셈블리들로부터 방출된 중성자들을 함유하는 기능을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 9는 적층된 연료 어셈블리들을 포함하는 예시적 폐연료 냉각 시스템을 보여준다. 연료 어셈블리들은, 예컨대 폐연료 래크(705)와 같은 하위 폐연료 래크(705)에 배열되고, 예컨대 제2 폐연료 래크(805)와 같은 상위 폐연료 래크 상에 적층될 수 있다. 폐연료 래크(705)는 도 7에서 도시된 연료 어셈블리 배열(700)의 단면도(700A)로서 도시되고, 제2 폐연료 래크(805)는 도 8에 도시된 연료 어셈블리 배열(800)의 단면도(800A)로서 도시된다.
폐연료 냉각 시스템(900)은 냉각제의 손실이 발생한 후 폐연료의 냉각을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 냉각 시스템(900)은, 적층된 연료 래크들(705, 805)을 통해서 공기(40)나 일부 다른 유형의 가스의 흐름에 의해서 전체적으로 폐연료를 냉각시키도록 구성될 수 있다.
폐연료 냉각 시스템(900)은, 예컨대 제1 격납 벽(910) 및 제2 격납 벽(920)과 같은 복수의 격납 벽들을 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 4개 이상의 벽들이 폐연료 냉각 시스템(900)의 적층된 연료 래크들을 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 냉각제의 손실이 발생할 때, 적층된 연료 래크들 내의 폐연료는 열을 발생시키는 것을 지속할 수 있다. 공기의 유입(예를 들어, 주변 격납 빌딩 내부로부터)은 격납 벽들(910, 920)을 지나 격납 바닥(960)을 향하여 아래로 흘러내릴 수 있다. 상기 유입(941)은 폐연료 래크(705) 및 제2 폐연료 래크(805)를 통하여 그 안에 저장된 폐연료로부터 열을 제거하기 위하여 위로 향할 수 있다.
폐연료 래크(705)의 단면도에서, 폐연료는 중앙(central) 셀(750)에 위치하는 것으로 도시된다. 일부 예시들에서, 폐연료 래크(705) 아래를 통과하는 기류(940)의 일부는, 중앙 셀(750) 안에 수용된 폐연료르 냉각시키기 위하여 중앙 셀(750)을 통과할 수 있다. 기류(940)의 부가적인 부분들은 관통-채널(740) 및/또는 관통-채널(760)과 같이 중앙 셀(750)에서 폐연료의 양측에 위치하는 폐연료 래크(705)의 하나 이상의 관통-채널들을 통과할 수 있다. 관통-채널(740) 및 관통-채널(760)에서 기류(940)는, 중앙 셀(750)에서 폐연료로부터 생성된 중성자들 및 열을 포획하도록 동작될 수 있다.
관통-채널(740) 및/또는 관통-채널(760)을 떠난 후, 기류(940)는 제2 폐연료 래크(805)를 통과하도록 향할 수 있다. 예를 들면, 폐연료 래크(705)의 관통-채널(740)을 떠난 기류(940)의 제1 부분은 제2 폐연료 래크(805)의 폐연료(840) 쪽으로 향할 수 있다. 유사하게, 폐연료 래크(705)의 관통-채널(760)을 떠난 기류(940)의 제2 부분은 제2 폐연료 래크(805)에 위치한 폐연료(860) 쪽으로 향할 수 있다. 폐연료(840)는 관통-채널(740) 바로 위에 위치할 수 있고 폐연료(860)는 관통-채널(760) 바로 위에 위치할 수 있다.
중앙 셀(750) 바로 위에 위치하는 최상위 중앙 셀(850)은 중앙 셀(750)으로부터 나온 냉각제의 실질적으로 방해 받지 아니한(unimpeded) 흐름을 제공하기 위하여 관통-채널로서 구성될 수 있다. 유사하게, 관통-채녈(740, 760)과 관계된 비어 있는 셀들은, 비어 있는 셀들로부터 상위 연료 어셈블리들(840, 860)로 실질적으로 방해 받지 아니한 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 예시들에서, 제2 폐연료 래크(805)는 간극(970)을 형성하기 위하여 폐연료 래크(705)의 상부로부터 이격되거나 상부 위로 상승될 수 있다. 유입(941)의 우회 흐름(945)은 전체적으로 아래 방향의 유입(941)으로부터 간극(970)을 통하여 전환될 수 있고 후속하여, 제1 폐연료 래크(705)를 먼저 통과하지 아니하고서, 하나 이상의 폐연료 어셈블리들 및/또는 제2 폐연료 래크(805)의 관통-채널들을 통하도록 향할 수 있다. 우회 흐름(945)은 폐연료 래크(705)를 나오는 기류(940)에 합해질 수 있다. 일부 예시들에서, 기류(940)는 폐연료 래크(705)에 수용된 폐연료로부터 생성된 열의 일부를 흡수했을 수 있기 때문에, 우회 흐름(945)은 폐연료 래크(705)를 나오는 기류(940)와 비교할 때 상대적으로 더 차가운 공기 질량을 포함할 수 있다.
제2 폐연료 래크(805)를 나온 공기의 유출(949)은 유입(941)과 비교하여 상승된 온도를 가질 수 있다. 유입(941) 및 유출(949) 사이 온도 차이는 폐연료 정렬들을 계속적으로 냉각시키기 위하여 적층된 연료 어셈블리를 통한 기류(940)의 자연 발생적인 순환을 생성하는데 사용될 수 있다. 유출(949)은 주변 격납 구조 내에서 소멸될 수 있고, 여기서 이것은 유입(941)으로서 결국 되돌아오기 전에 순환 및 대류의 결과로서 냉각된다. 일부 예시들에서, 기류(940)는 공기 질량 유량을 증가시키기 위하여 팬 또는 블로워로 증가되거나 또는 지원될 수 있다.
폐연료 래크들 중 하나 이상에서 교대 방식으로 폐연료를 배치하는 것뿐만 아니라, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 일부 예시들에서, 더 신규하고 더 활성적인 폐연료가 더 오래되고 덜 활성적인 폐연료 아래에 위치하도록, 폐연료는 폐연료 베이에서 우선적으로 정렬될 수 있다. 예를 들면, 제1 연료 래크가 폐연료의 제1 라운드로 채워지거나 적어도 부분적으로 채워지고 난 후, 제2 연료 래크가 폐연료의 제2 라운드로 채워질 수 있다. 반응기 코어(core)로부터 제거되고 더 긴 시간 동안 냉각되도록 허용된 폐연료의 제1 라운드는, 반응기 코어로부터 더 최근에 제거된 폐연료의 제2 라운드보다 덜 활성적일 수 있다. 제1 폐연료 래크는 폐연료 냉각 풀의 바닥으로부터 위로 들어 올려질 수 있고 제2 폐연료 래크의 상부 위에 위치할 수 있다.
예컨대 기류(940)와 같은 냉각제의 질량 유량은, 냉각제 흐름의 단면적, 냉각제 흐름의 속도 및 냉각제 흐름의 밀도의 곱으로서 계산될 수 있다. 추가적으로, 폐연료로부터 열을 제거하는 냉각제의 능력은 냉각제의 질량 유량 및 폐연료 봉(rod)들과 냉각제 사이 온도 차이의 함수로서 계산될 수 있다.
일부 예시들에서, 폐연료 냉각 시스템(900)의 냉각 효율은 더 활성적이거나 더 뜨거운 폐연료를 제1 폐연료 래크(705)에 대하여 더 낮은 높이에 위치시킴으로써 개선될 수 있다. 제1 폐연료 래크(705)에 들어오는 기류(940)는 더 활성적인 폐연료를 냉각시키는데 사용될 수 있는 상대적으로 더 차가운 온도의 유입(941)을 포함할 수 있다. 기류(940)가 제1 폐연료 래크(705)에 함유된 더 활성적인 폐연료를 냉각시키기 때문에, 기류(940)는 폐연료로부터 열을 흡수할 것이고, 결과적으로 기류의 속도가 증가하는 것을 초래할 수 있을 것이다. 제2 폐연료 래크(805)에 들어오는 기류의 온도가 유입(941)의 온도보다 높을 수 있으나, 상기 기류는 더 활성적인 제1 폐연료로부터의 열의 흡수에 기인하여 더 큰 속도로 이동할 것이기 때문에, 제2 폐연료 래크(805)에 함유된 폐연료를 여전히 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 폐연료의 "활성(activity)"은 폐연료의 상대적인 나이(age), 붕괴열(decay heat) 및/또는 소스(source)나 방사능(radioactivity)을 지칭하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들면, 더 큰 활성 또는 더 활성적인 폐연료 봉이 더 낮은 활성 또는 덜 활성적인 폐연료 봉보다 반응기 코어로부터 더 최근에 제거되었을 수 있다. 유사하게, 더 활성적인 폐연료 봉은, 덜 활성적인 폐연료 봉과 비교할 때 더 높은 온도 및/또는 더 높은 수준의 방사능과 관계될 수 있다.
일부 예시들에서, 폐연료는, 더 활성적인 폐연료를 하위 폐연료 래크에 우선적으로 위치시키고 덜 활성적인 폐연료를 상위 폐연료 래크에 위치시킴으로써, 그러나 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 폐연료를 교대하게 위치시키지 아니하면서, 폐연료 래크들에 배열될 수 있다. 예를 들면, 덜 활성적인 폐연료 봉은 더 활성적인 폐연료 봉 바로 위에 위치할 수 있다. 폐연료 봉들은, 냉각제가 폐연료 래크 배열들을 통해서 위로 흐르게 하고 더 활성적인 폐연료 봉 및 덜 활성적인 페연료 봉 모두를 지나가게 하는 하나 이상의 셀들 내에 수용될 수 있다.
하위 저장 래크에 더 활성적인 폐연료 봉들을 저장하고 하위 저장 래크 위에 위치하는 제2 저장 래크에 덜 활성적인 폐연료 봉들을 저장함으로써, 적층된 연료 배열을 통한 냉각제의 질량 유량이 상승할 수 있다. 추가적으로, 하위 저장 래크에서 더 활성적인 폐연료 봉들을 저장하는 것은 더 활성적인 폐연료 봉들로부터의 열전달률(heat transfer rate)을 상승시킬 수 있다.
냉각 풀의 깊이에 따라, 부가적인 래크들이 폐연료 적층 어셈블리에 부가될 수 있다. 예를 들면, 제1 폐연료 래크(705)와 유사한 폐연료 구성을 가지는 제3 폐연료 래크는, 제3 페연료 래크의 폐연료 어셈블리가 중앙 셀(850)에서 각각의 관통-채널 위에 위치할 수 있도록, 제2 폐연료 래크(805)의 상부 상에 장착될 수 있다. 제3 폐연료 래크는 제2 폐연료 래크(805)에서 관통-홀(hole)들 중 일부 또는 전부 위에 부가적인 폐연료 어셈블리들을 수용하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 제3 폐연료 래크는, 제2 폐연료 래크(805)에 수용된, 예컨대 폐연료(840) 및 폐연료(860)와 같은 폐연료 어셈블리들의 일부 또는 전부 위에 위치하는 다수의 관통-홀들로서 구성될 수 있다.
도 10은 폐연료를 냉각하는 예시적인 공정(1000)을 보여준다. 동작 1010에서, 폐연료 어셈블리들의 일측 이상에 위치하는 다수의 분리 채널들로 열을 전달할 수 있다. 폐연료 어셈블리들은 냉각 풀에 위치하는 폐연료 저장 래크 내에 형성된 셀들에 위치할 수 있다. 냉각 풀은 격납 빌딩 내에 위치할 수 있다. 일부 예시들에서, 분리 채널들은 셀 주변에 형성될 수 있다. 분리 채널들은 폐연료 어셈블리들에 의해서 방출된 열 및 중성자들 모두의 보유(retention)를 제공할 수 있다.
동작 1020에서, 냉각제가 분리 채널들을 통하여 순환될 수 있다. 분리 채널들은, 냉각제가 인접한 폐연료 어셈블리들 모두로부터 열을 제거하도록 구성될 수 있도록, 인접한 폐연료 어셈블리들 사이에 위치할 수 있다. 동작의 일부 예시들 또는 모드들에서, 냉각제는 액체를 포함할 수 있다.
동작 1030에서, 냉각제의 손실이 검출될 수 있다. 일부 예시들에서, 냉각제의 손실은 폐연료 냉각 풀의 레벨이 폐연료 저장 래크의 상면 아래로 떨어지는 시점을 검출하도록 구성된 센서에 의해서 검출될 수 있다.
동작 1040에서, 폐연료 냉각 풀 내에 잔류하는 (예컨대, 바닥 연료 어셈블리 아래에 위치하는) 냉각제는 냉각제의 손실에 대응하여 격납 빌딩으로부터 제거될 수 있다. 일부 예시들에서, 격납 구조의 바닥이나 그 근처에 위치하는 밸브, 펌프, 흡입관(suction line) 또는 인출(drain)은, 냉각제의 손실을 검출한 것에 대응하여 냉각제를 제거하도록 구성될 수 있다.
동작 1050에서, 기류가 분리 채널들을 통하여 순환될 수 있다. 기류는, 격납 빌딩으로부터 폐연료 저장 래크를 통하여 순환하는 공기 또는 다른 유형들의 가스들의 자연 발생적인 순환을 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 기류는 하나 이상의 팬들 또는 블로워들로 증가될 수 있다. 기류는 어떠한 액체 냉각제의 지원 없이 폐연료 어셈블리들에 의해서 생성된 열 및/또는 중성자들을 계속적으로 제거하기 위하여 분리 채널들을 통하여 계속적으로 순환할 수 있다.
동작 1060에서, 부가적인 기류가 보조 공기 통로(auxiliary air passage)에 의해서 순환될 수 있다. 보조 공기 통로는, 폐연료 저장 래크 위로부터 상대적으로 더 차가운 공기를 뽑아내기 위하여 격납 구조의 하나 이상의 벽들 내에 형성될 수 있다. 일부 예시들에서, 보조 공기 통로는 격납 구조의 바닥이나 그 주변의 밸브에 연결될 수 있다. 밸브는 폐연료 저장 래크 아래에 위치할 수 있다. 추가적으로, 보조 공기 통로의 일부 또는 전부가 격납 구조의 바닥 및/또는 외부 위에 위치하는 도관(conduit) 또는 환기 샤프트들에 위치할 수 있다.
도 11은 폐연료를 냉각의 추가의 예시적 공정(1100)을 보여준다. 동작 1110에서, 폐연료는, 제1 폐연료 저장 래크 내의 모든 다른 셀이 폐연료 어셈블리를 함유할 수 있도록, 교대 방식으로 제1 폐연료 저장 래크 내에 배치될 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 폐연료 저장 래크 내의 각각의 셀은 폐연료 어셈블리를 함유하도록 구성될 수 있다. 폐연료 어셈블리를 함유하지 아니하는 셀들은 제1 폐연료 저장 래크를 통과하는 관통-채널을 제공할 수 있다.
일부 예시들에서, 폐연료 어셈블리들의 각각은 복수의 관통-채널들에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 폐연료 저장 래크의 주위를 따라 위치하는 폐연료는 2개 또는 3개의 관통-채널들에 의해서 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 유사하게, 관통-채널들의 각각은 복수의 폐연료 어셈블리들에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 폐연료 저장 래크의 주위를 따라 위치하는 관통-채널들은 2개 또는 3개의 폐연료 어셈블리들에 의해서 부분적으로 둘러싸일 수 있다.
동작 1120에서, 냉각제는 관통-채널들을 통하여 순환될 수 있다. 관통-채널들은, 냉각제가 인접한 폐연료 어셈블리들 모두로부터 열을 제거하도록 구성될 수 있도록, 인접한 폐연료 어셈블리들 사이에 위치할 수 있다. 동작의 일부 예시들 또는 모드들에서, 냉각제는 액체를 포함할 수 있다.
동작 1130에서, 제2 폐연료 저장 래크가 제1 폐연료 저장 래크 상에 적층될 수 있다. 제1 및 제2 폐연료 저장 래크들의 결합된 높이는 폐연료 냉각 풀의 상면 레벨보다 낮을 수 있다.
동작 1140에서, 폐연료는, 제2 폐연료 저장 래크 내의 모든 다른 셀이 폐연료 어셈블리를 함유하도록, 교대 방식으로 제2 폐연료 저장 래크 내에 배치될 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 폐연료 저장 래크 내의 각각의 셀은 폐연료 어셈블리를 함유하도록 구성될 수 있다. 폐연료 어셈블리를 함유하지 아니하는 셀들은 제2 폐연료 저장 래크를 통과하는 관통-채널을 제공할 수 있다. 일부 예시들에서, 폐연료 어셈블리들 중 하나 이상은 복수의 관통-채널들에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 추가적으로, 제2 폐연료 저장 래크에서의 각각의 폐연료 어셈블리는 제1 폐연료 저장 래크에서 관통-채널 위에 위치할 수 있다.
동작 1150에서, 냉각제의 손실이 발생할 수 있다. 냉각제의 손실은, 전력 손실, 격납 빌딩에서의 누출(leak), 폐연료 냉각 풀의 증발, 폐연료 냉각 풀 내에서의 액체의 끓음(boiling), 폐연료 냉각 풀로부터 냉각제의 인출, 또는 전술된 것들의 임의의 조합의 결과로서 발생할 수 있다.
동작 1160에서, 기류가 제1 및 제2 폐연료 저장 래크들을 통하여 그 안에 함유된 폐연료 어셈블리들을 냉각시키기 위하여 순환될 수 있다. 기류는 격납 빌딩으로부터 폐연료 저장 래크를 통하여 순환하는 공기 또는 다른 유형들의 가스들의 자연 발생적인 순환을 포함할 수 있다. 폐연료 어셈블리들의 온도는 지르코늄 발화 온도(zircaloy ignition temperature)들 아래로 유지될 수 있다. 유사하게, 기류는, 심지어 어떠한 액체 냉각제가 없이도, 폐연료 풀 래크에 위치한 모든 폐연료의 미임계도(subcriticality)를 달성할 수 있다.
제1 폐연료 래크에 위치하는 복수의 관통-채널들은, 제1 폐연료 래크 위에, 기류가 제2 폐연료 래크에 위치한 유사한 개수의 폐연료 어셈블리들 쪽으로 향하도록 하는 통로를 제공할 수 있다. 일부 예시들에서, 제2 폐연료 래크에서의 폐연료 어셈블리들의 각각은 제1 폐연료 래크와 관계된 관통-채널 위에 위치할 수 있다.
추가적으로, 제2 폐연료 래크는, 부가적인 기류가 제1 폐연료 래크를 먼저 통과하지 아니하고서 제2 폐연료 래크를 통하여 전환될 수 있도록 간극이나 측면의 통로를 제공하기 위하여 제1 폐연료 래크 위에 수직으로 이격될 수 있다. 제1 폐연료 래크를 통과하는 기류 및 간극을 통해 전환된 부가적인 기류 모두는, 폐연료 어셈블리들 및 제2 폐연료 래크 내 위치한 관통 채널들쪽으로 향할 수 있다.
기류는, 어떠한 액체 냉각제의 지원 없이도 폐연료 어셈블리들에 의해서 생성된 열 및/또는 중성자를 계속적으로 제거하기 위하여 적층된 폐연료 래크들을 통하여 계속적으로 순환할 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 및 제2 폐연료 래크들 중 하나 또는 모두가 어떠한 고체의 고정된 중성자 흡수체들 없이 구성될 수 있다.
도 12는 적층된 연료 배열에서 핵연료 저장의 예시적 공정(1200)을 보여준다. 동작 1210에서, 제1 저장 래크는 냉각 풀 내에 위치할 수 있다. 제1 저장 래크는 제1 그리드 구조로 배열된 제1 그룹의 셀들을 포함할 수 있고, 제1 그룹의 셀들은 제1 그룹의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성될 수 있다.
동작 1210에서, 제1 연료 어셈블리는 제1 그리드 구조의 제1 셀에 배치될 수 있다.
동작 1230에서, 제2 연료 어셈블리는 제1 그리드 구조의 제2 셀에 배치될 수 있다.
동작 1240에서, 냉각제는 제1 셀 및 제2 셀 사이에 위치하는 중간 셀을 통하여 순환될 수 있다. 중간 셀은 제1 및 제2 연료 어셈블리들을 냉각하기 위하여 제1 저장 래크를 통하여 냉각제의 실질적으로 방해 받지 아니한 흐름을 제공하는 관통-채널을 형성할 수 있다.
제1 그룹의 연료 어셈블리들은, 어떠한 2개의 연료 어셈블리들도 서로 인접하게 배치되지 아니하도록, 교대 방식으로 제1 그리드 구조에 배열될 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 그리드 구조에서 각각의 연료 어셈블리는 적어도 2개의 인접한 비어있는 셀들 및/또는 관통-채널들에 의해서 둘러싸일 수 있다. 추가적으로, 제1 그리드 구조에서 적어도 하나의 연료 어셈블리는 4개의 인접한 비어 있는 셀들 및/또는 관통-채널들에 의해서 둘러싸일 수 있다.
동작 1250에서, 제2 저장 래크는 제1 저장 래크의 상면 상에 장착될 수 있다. 제2 저장 래크는 제2 그리드 구조에 배열된 제2 그룹의 셀들을 포함할 수 있고, 제2 그룹의 셀들은 제2 그룹의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성될 수 있다.
제2 그룹의 연료 어셈블리들은, 제1 그룹의 연료 어셈블리들과 실질적으로 반대의 패턴으로 제2 그리드 구조로 배열될 수 있다. 예를 들면, 제2 그리드 구조의 비어 있는 셀은 제1 그리드 구조에서 각각의 연료 어셈블리 위에 위치할 수 있다. 추가적으로, 제2 그리드 구조의 적어도 하나의 비어 있는 셀은 4개의 셀들에 인접하게 위치할 수 있고, 4개의 셀들 각각은 개별적인 연료 어셈블리를 저장할 수 있다.
동작 1260에서, 부가적인 연료 어셈블리가 제2 그리드 구조의 상위 셀에 배치될 수 있다. 상위 셀은 제1 그리드 구조의 중간 셀의 바로 위에 위치할 수 있다.
동작 1270에서, 냉각제가 부가적인 연료 어셈블리를 냉각하기 위하여 중간 셀을 통하여 순환될 수 있다. 일부 예시들에서, 제2 저장 래크는, 상위 셀에 위치하는 부가적인 연료 어셈블리를 냉각하기 전에 냉각제의 우회 흐름이 중간 셀을 통하여 순환하는 냉각제에 합류하는 간극을 제공하는 하나 이상의 적층되는(stacking) 지지대(support)들 에 의해서 제1 저장 래크의 상부 상에 장착될 수 있다.
추가의 예시적 연료 저장 래크 어셈블리가 예시의 목적들로서 이하에서 설명된다. 예시적 연료 저장 래크 어셈블리는 연료 셀들의 행렬을 포함할 수 있다. 연료 셀들의 행렬은 제2 연료 셀에 인접하게 위치하는 제1 연료 셀을 포함할 수 있다. 제1 연료 셀 및/또는 제2 연료 셀은, 제1 간극이 제1 연료 어셈블리의 외벽 주변에 형성되고 제2 간극이 제2 연료 어셈블리의 외벽 주변에 형성되도록, 크기를 가질 수 있다. 제1 및/또는 제2 간극은 1인치(inch) 이상의 폭을 가지는 격납 영역을 제공할 수 있다. 일부 예시들에서, 격납 영역의 길이는 제1 및/또는 제2 연료 어셈블리의 길이에 근사적으로 일치할 수 있다.
제1 연료 셀은 제1 벽 내에 형성될 수 있다. 제2 연료 셀은 제2 벽 내에 형성될 수 있다. 격납 영역의 적어도 일부는 제1 벽 및 제2 벽 사이에 형성될 수 있다. 일부 예시들에서, 제1 벽 및 제2 벽 중 하나 또는 전부는 구멍들을 포함할 수 있다. 구멍들은, 격납 영역으로 흐르게 하기 위해서 그리고/또는 제1 및 제2 연료 셀들 사이에 흐르게 하기 위해서, 예컨대 공기와 같은 냉각제가 제1 및/또는 제2 연료 셀 내에 위치하게끔 구성될 수 있다. 제1 벽에서의 구명들은, 하나의 연료 어셈블리에서 생성된 중성자들이 다른 연료 어셈블리에 도달하고 그리고/또는 흡수되는 것을 허용하게 될 제1 및 제2 연료 어셈블리들 사이에서 어떠한 가시선(line-of-sight)도 없도록, 제2 벽에서의 구멍들로부터 오프셋(offset)되고, 스태거링(staggering)되, 그리고/또는 변위(displace)될 수 있다. 구명들은 측방향 그리고 세로방향(높이방향)들 모두 중 하나에서 오프셋될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 예시적 시스템들, 장치들, 및/또는 구성들 중 하나 이상은, 온전히 수동적인 수단들에 의해서, 폐연료 풀에서 고정된 중성자 흡수체들 또는 용해성의(soluble) 보론(boron)의 사용을 제거하도록 구성될 수 있고, 그리고/또는 격납 냉각 풀에서 냉각제의 손실 발생시 계속적인 중성자 및 열의 이동을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 제공된 예시들은 가압수형로(pressurized water reactor) 및/또는 경수로(light water reactor)를 주로 설명하였으나, 예시들이 다른 유형들의 전력 시스템들에 적용될 수 있는 점이 통상의 기술자에 명백할 것이다. 예를 들면, 예시들 또는 그 예시들의 변형들 중 하나 이상이 비등수형로(boiling water reactor), 나트륨 액체 금속로(sodium liquid metal reactor), 가스냉각로(gas cooled reactor), 페블베드로(pebble-bed reactor), 및/또는 다른 유형의 반응기 설계들에도 동작할 수 있게 만들어질 수 있다.
예시들은 원자로 내에서 또는 원자로와 관계된 열을 생산하기 위해 채용된 임의의 특정 유형의 연료에 제한되지 아니하는 점이 주의되어야 한다. 본 명세서에서 설명된 임의의 비율(rate)들 및 값들은 예시의 방식으로 제공될 뿐이다. 다른 비율들 및 값들이, 예컨대 원자로 시스템의 전체 스케일 또는 스케일링된 모델들의 구축에서와 같이, 실험을 통해 결정될 수 있다.
다양한 예시들이 물의 풀(pool)에서 폐연료를 냉각하는 것을 설명하고 있으나, 시스템들의 일부 또는 전부는 물 없이도 채용될 수 있다. 예를 들면, 실시예들 중 하나 이상은 실질적으로 건조한 격납 빌딩에 위치할 수 있고, 공기 또는 다른 기체의 환경에서 또는 부분적으로나 전체적으로 진공 처리된(evacuated) 격납 구조에서 동작하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에서 설명된 예시적 시스템들 중 하나 이상은 아직 소비되지 아니한 신규 연료 어셈블리들을 저장하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 래크들 중 하나 이상은 연료를 반응기 모듈에 삽입하기 전에 연료 어셈블리들을 저장하는데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 다양한 예시들이 설명되고 예시되었나, 다른 예시들이 배열 및 세부사항에서 변경될 수 있음은 명백할 것이다. 본 명세서에서 청구된 대상의 사상 및 범위 내에서 유래하는 모든 변경들 및 변형들이 청구된다.

Claims (20)

  1. 핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 시스템으로서,
    지지 구조물;
    상기 지지 구조물 내에 위치한 복수의 셀들로서, 상기 복수의 셀들은 제1 연료 어셈블리를 수용하도록 구성된 제1 셀 및 제2 연료 어셈블리를 수용하도록 구성된 제2 셀을 포함하는, 상기 복수의 셀들;
    상기 복수의 셀들을 분리시키며, 상기 핵 연료 어셈블리들로부터 열을 제거하기 위해 상기 지지 구조물의 하부 단부로 들어가는 냉각제용 통로를 제공하도록 구성된 복수의 구획부들(compartments);
    상기 제1 셀과 상기 구획부들 중의 하나 이상 사이에 냉각제를 전달하도록 구성된 제1 구멍; 및
    상기 제2 셀과 상기 하나 이상의 구획부들 사이에 냉각제를 전달하도록 구성된 제2 구멍;을 포함하며,
    상기 지지 구조물의 상기 하부 단부로 들어가고 그리고 상기 지지 구조물의 상부 단부를 향해 이동하는 상기 냉각제의 적어도 일부가 상기 복수의 셀들과 상기 복수의 구획부들 사이에서 전달되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구멍은 상기 제2 셀로부터 상기 제1 셀을 분리하는 구획부에 인접한 제1 위치에 위치하며, 상기 제2 구멍은 상기 구획부에 인접한 제2 위치에 위치하며, 상기 제1 구멍 및 상기 제2 구멍이 상기 제1 연료 어셈블리와 상기 제2 연료 어셈블리 사이에서 가시선(line-of-sight)을 제공하지 않도록 상기 제2 위치는 상기 제1 위치로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 셀들은 X-Y 평면과 관련된 그리드(grid) 패턴으로 배열되며, 상기 복수의 연료 셀들은 상기 X-Y 평면에 직각인 Z 방향으로 복수의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성되며, 상기 복수의 구획부들은 상기 X-Y 평면의 상기 X 방향으로 지향된 단면 길이를 갖는 제1 세트의 구획부들; 및 상기 X-Y 평면의 상기 Y 방향으로 지향된 단면 길이를 갖는 제2 세트의 구획부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 세트의 구획부들 중의 하나 이상과 상기 제2 세트의 구획부들 중의 하나 이상 사이에서 냉각제를 전달하도록 구성된 제3 구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 위치는 상기 X-Y 평면에서 상기 제1 위치로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 위치는 상기 Z 방향으로 상기 제1 위치로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조물에 부착되며, 상기 연료 어셈블리들로부터 열을 방사하도록 구성된 복수의 히트 싱크들(heat sinks)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조물은,
    상기 제1 셀 및 상기 제1 연료 어셈블리를 포함하는, 제1 그룹의 연료 어셈블리들을 수용하도록 구성된 제1 세트의 셀들을 포함하는 제1 저장 래크; 및
    상기 제1 저장 래크의 상부 상에 장착되며, 제2 그룹의 연료 어셈블리들을 수용하도록 구성된 제2 세트의 셀들을 포함하는 제2 저장 래크;를 포함하며,
    상기 제2 세트의 셀들은 상기 제1 셀의 바로 위에 위치하는 상부 셀을 포함하며, 상기 상부 셀은 상기 제1 셀로부터 냉각제의 실질적으로 방해받지 않는 흐름을 제공하는 관통-채널로서 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 세트의 셀들 내에 수용된 상부 연료 어셈블리가 상기 제1 저장 래크의 비어있는 셀의 바로 위에 위치되며, 상기 비어있는 셀은 상기 비어있는 셀로부터 상기 상부 연료 어셈블리로 냉각제의 실질적으로 방해받지 않는 흐름을 제공하는 부가적인 관통-채널을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 지지 구조물을 적어도 부분적으로 둘러싸는 냉각제의 레벨이 최소 문턱(threshold) 아래로 떨어질 때를 모니터하도록 구성된 센서; 및
    상기 최소 문턱 아래로 떨어지는 냉각제의 모니터된 레벨에 대응하여 상기 상부 연료 어셈블리를 냉각하기 위해 공기를 상기 부가적인 관통-채널로 안내하도록 구성된 환기 시스템;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 적층된 연료 배열에 핵 연료를 저장하는 방법으로서,
    냉각 풀 내에 제1 저장 래크를 위치시키는 단계로서, 상기 제1 저장 래크는 제1 그리드 구조물에 배열된 제1 그룹의 셀들을 포함하며, 상기 제1 그룹의 셀들은 제1 그룹의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성되는, 냉각 풀 내에 상기 제1 저장 래크를 위치시키는 단계;
    상기 제1 그리드 구조물의 제1 셀에 제1 연료 어셈블리를 배치시키는 단계;
    상기 제1 그리드 구조물의 제2 셀에 제2 연료 어셈블리를 배치시키는 단계;
    상기 제1 셀 및 상기 제2 셀 사이에 위치하는 중간 셀을 통하여 냉각제를 순환시키는 단계로서, 상기 중간 셀은 상기 제1 저장 래크를 통하여 상기 냉각제의 실질적으로 방해받지 않는 흐름을 제공하는 관통-채널을 형성하는, 상기 냉각제를 순환시키는 단계;
    상기 제1 저장 래크의 상부 상에 제2 저장 래크를 장착하는 단계로서, 상기 제2 저장 래크는 제2 그리드 구조물에 배열된 제2 그룹의 셀들을 포함하며, 상기 제2 그룹의 셀들은 제2 그룹의 연료 어셈블리들을 저장하도록 구성되는, 상기 제2 저장 래크를 장착하는 단계;
    상기 제2 그리드 구조물의 상부 셀 내에 부가적인 연료 어셈블리를 배치시키는 단계로서, 상기 상부 셀은 상기 제1 그리드 구조물의 상기 중간 셀 바로 위에 위치되는, 상기 부가적인 연료 어셈블리를 배치시키는 단계; 및
    상기 부가적인 연료 어셈블리를 냉각시키기 위해 상기 중간 셀을 통하여 상기 냉각제를 순환시키는 단계;를 포함하는 적층된 연료 배열에 핵 연료를 저장하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    어떤 두 개의 연료 어셈블리들도 서로 인접하여 위치되지 않도록, 상기 제1 그룹의 연료 어셈블리들이 교대 방식(alternating pattern)으로 제1 그리드 구조물 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 그리드 구조물 내의 각 연료 어셈블리는 적어도 두 개의 인접한 비어있는 셀들에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 그리드 구조물 내의 적어도 하나의 연료 어셈블리는 네 개의 인접한 비어있는 셀들에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 그리드 구조물의 비어있는 셀이 상기 제1 그리드 구조물 내의 각 연료 어셈블리 위로 위치되도록, 상기 제2 그룹의 연료 어셈블리들은 상기 제1 그룹의 연료 어셈블리들에 실질적으로 반대의 패턴으로 상기 제2 그리드 구조물 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 그리드 구조물의 적어도 하나의 비어있는 셀이 각각 연료 어셈블리를 저장하는 네 개의 셀들에 인접하여 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    냉각제의 우회 흐름(bypass flow)이 상기 부가적인 연료 어셈블리를 냉각하기 전에 상기 중간 셀을 통하여 순환하는 상기 냉각제와 합류하는 간극을 제공하는 하나 이상의 적층되는 지지대들에 의해 상기 제2 저장 래크가 상기 제1 저장 래크의 상부 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 저장 래크에는 더(more) 활성적인 폐연료를 저장하고, 상기 제1 저장 패크 위에 위치한 제2 저장 래크에는 덜(less) 활성적인 폐연료를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 시스템으로서,
    정상 동작과 관련된 레벨에서 냉각제 저장소를 수용하기 위해 구성된 복수의 벽들을 포함하는 격납 구조물;
    상기 격납 구조물 내에 위치한 중간 배리어로서, 상기 중간 배리어의 높이가 상기 격납 구조물의 상기 복수의 벽들보다 낮은, 상기 중간 배리어;
    상기 중간 배리어의 제1 측면 상에 위치한 메인(main) 냉각 풀; 및
    상기 중간 배리어의 제2 측면 상에 위치한 폐연료 냉각 풀;을 포함하며,
    상기 중간 배리어 위에 위치한 상기 냉각제 저장소로부터의 냉각제가 정상 동작 동안에 상기 폐연료 냉각 풀과 상기 메인 냉각 풀 사이에서 순환되며, 그리고 상기 중간 배리어는 상기 중간 배리어의 상기 높이 아래로 떨어지는 상기 냉각제 저장소의 레벨에 대응하여 상기 폐연료 냉각 풀의 상부 표면이 대략적으로 상기 중간 배리어의 높이로 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리들을 저장하기 위한 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 폐연료 풀에서 냉각제의 레벨이 최소 문턱 아래로 떨어질 때를 모니터하도록 구성된 센서; 및
    상기 최소 문턱 아래로 떨어지는 냉각제의 모니터된 레벨에 대응하여 상기 폐연료 풀로부터 실질적으로 모든 냉각제를 제거하도록 구성된 드레인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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