KR20170085583A - 착탈식으로 체결된 상부 중성자 차폐 장치를 구비한 하우징을 포함하는 sfr 핵 원자로용 연료 조립체 - Google Patents
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Abstract
핵 원자로용 연료 조립체는 핵-연료 핀을 포함하는 중앙 섹션 및 상기 조립체의 헤드의 부분을 형성하며 중성자 흡수체를 포함하는 상부 중성자 차폐 장치(NSD)를 포함하는 상부 섹션을 포함하는 길이 방향 축(X)의 하우징, 하우징과 가역적으로 상호 고정하기 위한 수단 및 주어진 경로를 따라 NSD의 나머지에 대해 병진 운동할 수 있게 장착되고 NSD의 헤드를 형성하는 이동 가능한 추를 포함하고, 상호 고정 수단이 NSD의 추출을 위한 그리퍼에 의해 길이 방향 축을 따라 이동 가능한 추를 이동시켜 상기 NSD 및 상기 하우징이 상호 고정 및 상호 고정 해제될 수 있고, 이 그리퍼의 핑거가 이동 가능한 추와 결합하고 NSD의 나머지는 하우징의 내부에서 하향 길이 방향으로 접하도록 구성된다.
Description
본 발명은 액체 금속, 특히 액체 나트륨으로 냉각되는 고속 중성자 핵 원자로, 즉 소위 SFR(나트륨 고속 원자로)이며, 소위 제 4 세대 원자로의 원자로 군의 일부를 형성하는 고속 중성자 핵 원자로에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 첫째로, ASTRID라 명명된 제 4 세대 원자로 기술 시연 프로젝트에서 단기로 사용될 수 있는 연료 조립체를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 목표로 하는 연료 조립체는 일체형 핵 원자로, 즉 1차 나트륨 회로 및 이것의 펌핑 수단이 열 교환기를 또한 구비하는 용기 내에 완전히 둘러싸여 있는 원자로 뿐만 아니라 루프형 원자로, 즉 중간 열 교환기 및 1차 나트륨을 펌핑하기 위한 수단이 용기 외부에 위치되는 원자로에서 사용될 수 있다.
연료 조립체는, 원자로 내부로/원자로로부터 로드(load) 및/또는 로드 해제(unload)되는 연료 물질를 포함하는 조립체를 의미한다.
SFR 연료 조립체는, 액체 나트륨으로 냉각되는 고속 중성자 핵 원자로, 즉 소위 SFR에서 조사되기에 적합한 연료 조립체를 의미한다.
액체 나트륨으로 냉각되는 고속 중성자 원자로(SFR)에서 사용되기 위한 연료 조립체는, 상부 일부에 통상적으로 "상부 중성자 차폐부(upper neutron shield)" 또는 약어 UNS로 표시되는 중성자 차폐 장치를 포함한다. 독자는 출판물[1] (프랑스어)을 참조할 수 있다.
도 1은 "피닉스(Phenix)"라는 이름으로 알려진 SFR 핵 원자로에서 이미 사용되고 있는 연료 조립체(1)를 도시한다. 길이 방향 축(X)을 따르는 세장형의 이러한 조립체(1)는, 첫째로 육각형 단면의 튜브 또는 슈라우드(shroud)(10), 조립체의 헤드를 형성하고, 일반적으로 UNS(미도시)를 구비하는 상부 섹션(11) 및 연료봉(미도시)을 구비하는 중앙 섹션(12)을 포함한다. 다시 말하면, 섹션(11, 12)은 그 전체 높이에 걸쳐 동일한 육각형 단면의 단일 튜브형 래퍼(wrapper)(10) 또는 슈라우드를 형성한다. 조립체(1)의 헤드(11)는 그 내부로 통하는 중앙 오리피스(110)를 포함한다. 조립체(1)는 마지막으로 슈라우드(10)의 연장부에서 조립체의 노즈(nose)를 형성하는 하부 섹션(13)을 포함한다. 상기 조립체의 상기 노즈(13)는 원자로 코어의 다이어그리드(diagrid) 내에 수직 방향으로 삽입될 수 있도록 원추형 또는 라운드형 말단부(15)를 갖는다. 조립체의 노즈(13)는 그 내부로 통하는 오리피스(16)를 그 주위에 포함한다.
따라서, 연료 조립체가 설치된 구성, 즉, 원자로 코어 내로 로드되는 위치에 있을 때, 수형(male shape)의 조립체(1)의 노즈(13)는, 원자로의 다이어그리드의 오리피스 내로 삽입되고, 이에 따라 조립체(1)는 길이 방향 축(X)이 수직한 상태로 유지된다. 1차 나트륨은 조립체(1)의 내부를 통해 순환할 수 있으며, 따라서 연료봉에 의해 주어진 열을 열 전도를 통해 흡수한다. 따라서 상기 나트륨은 노즈(13)의 오리피스(16)를 통해 도입되고, 연료봉 다발을 통과한 후, 헤드(11)의 중앙 오리피스(110)를 통해 배출된다.
도 1에 잘 도시된 바와 같이, 조립체의 노즈(13)의 단면은 조립체의 슈라우드(10)의 육각형 단면보다 작다. 이들 두 개의 단면(10, 13) 사이의 조인트(17)는 구형/원추형 조인트가 원자로 코어의 다이어그리드로 형성될 수 있도록 상대적으로 라운드형 또는 원뿔형의 숄더(shoulder)를 형성한다.
조립체의 중앙 섹션(12)은 다수의 핵 연료봉을 포함한다. 각 봉은 내부에 핵분열성 물질의 펠렛(pellet)의 컬럼(14)이 적층된 클래딩(cladding)의 형태를 취하는데, 상기 펠렛에서 열을 방출하는 핵 반응이 일어난다. 모든 컬럼(14)들은 통상적으로 지칭되는 핵분열 구역을 규정하고, 이 구역은 대략적으로 조립체(1)의 중간에 위치된다. 이 구역은 도 1에서 검은색 직사각형 형태로 개략적으로 도시된다.
헤드(11)에 구비된 것과 같은 UNS는, 열 교환기를 통과하는 2차 나트륨의 활성화를 제한하고, 통상적으로 "코어 커버 플러그(core cover plug)(CCP)"라 지칭되는 원자로 플러그 구조의 방사선 손상을 감소시키며, 마지막으로 원자로의 슬랩(slab) 위에 위치한 사람의 방사선 방호를 보장하기 위한 중성자 흡수 물질을 포함한다.
도 2 및 도 3은 피닉스 원자로에서 사용되는 연료 조립체(1)의 헤드(11)에 통합된 UNS(2)를 도시한다. 이러한 UNS(2)는 붕소 탄화물로 만들어진 블록(21) 및 강철로 만들어진 블록(22)이 내부에 삽입되는 밀폐(seal-tight) 튜브형 슬리브(20)와, 하부 부분에 고밀도 강철로 제조된 슈라우드(10)로 구성된다. 이러한 UNS(2)는 연료 조립체의 기계적 아키텍처(architecture)를 규정하는 슈라우드(10)의 내부에 분리 가능하게 수용된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 슈라우드(10)는 그 중앙에 나트륨의 내부 순환을 위한 통로(100)를 규정한다.
도 4 및 도 5는 "수퍼피닉스(Superphenix)"라는 이름으로 알려진 SFR 핵 원자로에서 사용되는 연료 조립체(1)의 헤드(11)에 통합된 UNS(2)를 도시한다. 이러한 UNS(2)는 육각형 슈라우드(10)에 결합된 고밀도 강철 슬리브(20)로 구성된다. 이러한 타입의 조립체(1)에서, 핵분열 구역(14)은, 이의 상부 일부에, 고갈된 우라늄 산화물 펠렛의 적층물(stack)을 포함하며, 이러한 적층물은 "상부 축 방향 블랭킷(upper axial blanket)"(UAB)로 지칭되고, 그 기능은 중성자 플럭스(flux)을 평탄하게 하는 것이며, 그 길이(L)는 약 300 mm로 상대적으로 크다.
ASTRID 원자로의 연료 조립체(1)의 설계와 관련하여 수행된 다양한 연구의 맥락에서, 설계자는 고정된 UNS를 갖는 연료 조립체의 예비 버전을 개발하였다. 이 예비 버전에 따른 연료 조립체(1)는 도 6 및 도 7에 도시되어 있다: UNS(2)는 붕소 탄화물(21)이 삽입되는 비-밀폐 튜브형 슬리브(20)로 구성되고, 튜브형 슬리브(20)는 육각형 슈라우드(10)의 벽에 고정되도록 수용된다. 이 UNS는 2차 나트륨의 활성화와 관련하여 ASTRID 제 4 세대 원자로에 대해 설정된 기준을 충족하도록, 충분한 양의 중성자 흡수 물질을 구비한다.
사실, ASTRID 원자로에서 사용되도록 의도된 연료 조립체의 UNS에 대한 세 가지 주요 방사선 방호 사양이 있다, 즉:
-
2차 나트륨의 활성화 제한,
-
코어 커버 플러그(CCP) 구조에 대한 방사선 손상 제한,
-
원자로의 슬랩 위에 위치한 사람의 방사선 방호.
이러한 주요 UNS 사양은 어떠한 타입의 원자로에 대해서도 완전히 유효하다.
그러나, ASTRID 원자로의 구성은 핵분열성 연료의 최상부와 UNS의 최하부 사이에 최소한의 중성자 플럭스 흡수 구조, 즉 수퍼피닉스 원자로에서 사용되는 연료 조립체의 UAB 구조(상당한 길이의)와 같은 구조가 있는 한, 특히 수용 가능하지 않다. 구체적으로, 아래에서 설명될 바와 같이, 그 이유는 코어가 낮은 보이드 계수(LVC)를 갖는 사양에 관련되는데, 이는 연료봉과 UNS의 최하부 사이의 나트륨의 용적(충만한 공간)(plenum)이 필요하지만, 반면 연료봉의 상부 일분에 핵연료의 원료가 되는 비옥한 블랭켓(fertile blanket)의 부존재 또한 요구되며, 이 부존재는 특히 제 4 세대 원자로가 확산 저항성이라는 사양과 관련된다.
다시 말하면, ASTRID 원자로에서 사용될 연료 조립체의 UNS가 나타내는 중성자 플루언스 레벨(neutron fluence level)은 종래의 SFR 원자로에서 사용되는 임의의 연료 조립체, 즉 UAB 구조가 제공되며 원자로에서 사용되는 코어가 LVC를 갖지 않는 연료 조립체보다 명확하게 더 높다.
이러한 조건 하에서, 도 4 및 도 5에 도시된 수퍼피닉스 연료 조립체의 구성은, UNS의 높이가 ASTRID-형 원자로의 코어의 높이에 완전히 수용 불가능할 정도로 크게 증가되지 않는 한, 고밀도 강철로 제조된 UNS(2)가 완전히 부적절한 중성자 차폐를 제공하기 때문에 사용될 수 없다.
ASTRID의 맥락에서, UNS는 안전성 사양을 더 충족하여야 한다. 이는 과도 상태에 대한 유리한 응답 및 음의 나트륨 보이드 계수를 갖는 LVC(낮은 보이드 계수) 원자로 코어의 특성인 "플레넘 효과(plenum effect)"라 불리는 나트륨 보이드 효과를 촉진하는 문제이다. 여기서 냉매가 코어 내에 더 이상 존재하지 않을 때, 보이드 계수(달러(dollar)로 표시됨)가 원자로의 증배 계수의 변화를 표현하는 것이 리콜(recall)될 것이다. 이 계수가 양수이면, 보이드는 코어의 반응성 및 출력을 증가시킨다. 이 계수가 음수이면, 이 효과는 연쇄 반응을 중지시키는 경향이 있다. 달러는 반응성의 단위이다. 일 달러($)는 지연된 중성자 비율에 대해 계산된 반응성의 증가에 해당한다.
이 안전성 사양은 선험적으로 완전히 새롭고, 가동하거나 가동 중인 어떠한 고속 핵 원자로에 대해서도 명시된 적이 없다. 이는 붕소(10B)가 고농축된 붕소 탄화물(B4C)로 제조된 흡수체가 반드시 UNS의 하부 부분에서 사용될 것을 요구하며, 이는 수퍼피닉스 UNS와 같은 고밀도 강철로 제조된 UNS를 확실히 배제한다. 이것은, 위에서 설명한 UAB가 없기 때문에, UNS의 하부 부분에서 볼 수 있는 높은 플루언스 레벨과 결합하여, 매우 많은 양의 헬륨이 조사 중 B4C에 의해 생성되게 한다.
이에 대한 직접적인 결과는, 밀폐 UNS 설계에 있어서, 팽창 용기 제공의 요구, 즉 생성된 가스가 수용되는 것을 허용하는 자유 용적을 제공하는, 약 100 bar의 압력에 대해 높이가 약 800 mm인 팽창 용기 제공에 대한 요구이다. 그러나, 이러한 팽창 용기는 규모의 측면 및 안전성의 측면 모두에서 수용될 수 없다. 따라서, 1 미터만큼의 코어의 높이 증가는 특히 2 미터만큼의 용기의 높이 증가를 암시하며, 이는 요구되는 초기 투자금의 상당한 증가를 초래한다. 더욱이, 팽창 용기에 저장된 상당한 용적의 가스의 봉쇄 손실이 있으면, 코어 전력에 급속한 과도 상태 발생의 위험이 있다.
이러한 모든 이유로 인해, 예를 들면, 피닉스 원자로용 연료 조립체에서 사용되는 밀폐 UNS 설계, 즉 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 USB 설계는 ASTRID 연료 조립체에서 사용할 수 없다.
마지막으로, UNS는 조립체를 해체의 첫 번째 단계와 관련된 사양을 충족해야 한다. 한편으로는, 이러한 단계는 중성자 흡수 물질과 핵 연료 물질이 분리되어 처리되어야만 하고, 다른 한편으로는, 조사 후 조립체에 수용되는 물 저장 및 조립체의 세척 공정과 양립할 수 있어야만 한다.
이 두 가지 사양은 새로운 것은 아니지만, 이전의 고속 중성자 원자로의 경우보다 ASTRID와 같은 제 4 세대 원자로의 연료 조립체에 더 중요할 것이다.
구체적으로, 피닉스 및 수퍼피닉스 원자로의 연료 조립체, 즉 도 2 및 도 4에 각각 도시된 조립체들을 참조하면, UNS는 연료 조립체의 슈라우드 내에 분리 불가능하게 수용된다. 이러한 공지된 조립체가 해체될 때, 조사 조립체를 분할하는 것이 필요하며, 이것은 자동화가 매우 어렵고 특정 셀과 장비 조각 및 매우 고가의 추가 저장 공간을 필요로 하는 번거로운 절단 작업이다.
따라서, ASTRID와 같은 제 4 세대 원자로에 있어서, 본 발명자들은 UNS가 핸들링 그리퍼형 장치(handling gripper-type device)에 의해 추출될 수 있도록 UNS와 연료 조립체의 나머지 사이의 용이하게 분리 가능한 연결을 개발하는 것이 바람직하다는 결론에 도달했다. 더욱이, 세척 작업이 연료 조립체의 물 저장을 진행하기 전에, UNS가 나트륨 또는 가스에서 분리 가능하다면 더 바람직할 것이며, 이러한 작업은 B4C로 제조된 흡수 물질로 형성된 현 시점의 비-밀폐 UNS에 대해서는 구상할 수 없다.
구체적으로, R&D에서 지금까지 연구된 나트륨-제거 기술들 중 어느 것도 산업적 규모에서 완전하고 효과적인 나트륨 제거를 얻는 것이 가능하다는 믿음에 대한 어떠한 이유도 제공하지 못했으며, 이는 ASTRID 원자로에서 제공되는 것과 같은 저장고(pool storage)와는 양립할 수 없었다. 세척 후 UNS 내의 잔류 나트륨의 존재, 그리고 더욱 상세하게는 중성자 흡수체와 클래딩 사이의 공간은, 조립체가 물 속에 장기간 저장되는 경우 나트륨과 물 사이에 예상되지 않고 제어되지 않는 반응의 위험이 있다는 것을 의미한다.
따라서, 비-밀폐 UNS의 경우, 세척 작업 전에 UNS가 연료 조립체의 나머지로부터 분리 가능하게 되는 것이 필요하다. UNS가 세척 전에 분리될 수 있다는 이 요건은 조사된 조립체를 저장하기 위해 최종적으로 사용되는 저장 용액이 내부 또는 외부 용액인지 여부와는 독립적으로 명백하다. 외부 저장 용액의 경우, 피닉스 또는 수퍼피닉스 원자로에서 구현되는 유형의 저장 드럼은 UNS를 분리하기 위한 이상적인 장소가 될 것이며, 이때 이러한 작업은 나트륨을 사용하여 온-라인으로 수행되는데, 추가적인 고가의 장비가 요구되지 않고, 원자로가 작동되는 동안 분리 작업이 수행될 수 있기 때문에 원자로의 가용성의 레벨에 영향을 미치지 않는다. 내부 저장 용액의 경우, 조립체를 핸들링하기 위한 핸들링 플라스크(handling flask)에서 가스 환경 하에서 온-라인으로 UNS를 분리할 수 있는 것이 필요하다.
상술한 모든 기능적 사양에 비추어, 본 발명자들은 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체가 아래의 설계 기준을 충족하여야 한다는 결론에 도달했다:
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이러한 목적을 위해 제공된 나트륨-냉각식 저장 드럼 내부 또는 가스-냉각식 핸들링 플라스크에서의 세척 작업 전에 UNS가 조립체로부터 온-라인으로 추출되도록, UNS와 조립체의 나머지 사이에 분리 가능한 기계적 연결이 있어야 하고;
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B4C 중성자 흡수체의 단위 면적당 비율은 도 6 및 도 7에 도시된 예비 연료 조립체 버전의 분리 가능하지 않은 UNS와 유사하여야 하고, UNS의 높이 및 이에 따른 원자로 코어의 조립체의 높이를 상당히 증가시키지 않으면서 전술된 플레넘 효과에 유리해야 하며;
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UNS의 높이 및 이에 따른 원자로 코어의 조립체의 높이를 상당히 증가시키지 않도록, UNS를 조립체의 나머지에 고정하기 위한 수단의 축 방향 길이가 최소화되어야 한다.
더욱이, 분리 가능한 기계적 연결은:
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연료 조립체가 UNS를 구비하든 또는 구비하지 않든, 연료 조립체가 핸들링 플라스크 내부 또는 저장 드럼 내부에서 동일한 유형의 그리퍼로 핸들링되어야 하고,
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견고하여야 하는데, 즉 원자로 내의 때에 맞지 않는 비활성화(특히 연료봉 다발 상에 떨어질 위험이 있으므로, 안전성의 측면에서 명백히 바람직하지 않은) 및 그리퍼를 사용하여 추출하는 동안 재밍(jamming)/이상 정지(seizure)(원자로의 가용성의 수준을 감소시킬 수 있는) 두 가지 모두에 대해 실패 위험이 적어야 한다.
따라서, 발명자들은 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로의 연료 조립체의 나머지에 UNS를 분리 가능하게 연결하는데 사용될 수 있는, 핵 원자로 용기에 이미 사용된 공지된 가역적 체결 해결책에서 찾고자 하였다.
공지된 해결책은 두 개의 카테고리로 그룹화될 수 있다.
이 카테고리들 중 하나는 UNS 및 핵 조립체를 분리 가능하게 연결하는 방법에 관한 것이다.
이에 따라, 특허 제 FR2402923호는 핵 원자로용 조립체, 특히 SFR 원자로용 연료 조립체를 개시하는데, 이 연료 조립체는 또한 조립체의 길이 방향 축을 가로지르도록 위치되는 핀들의 시스템에 의해 또는 베이어넷 시스템(bayonet system)에 의해, 조립체의 나머지에 견고하고 가역적으로 체결되는 고밀도 강철 UNS를 포함하는 조립체 헤드를 포함한다. 특허 제 FR2402923호에 따른 조립체는 여러 가지 이유로 상술된 기능적 사양과 호환되지 않는다. 먼저, 조립체의 핸들링 헤드는 UNS와 일체화되고, 따라서 조립체가 UNS를 구비하든 구비하지 않든 동일한 그리퍼로 핸들링될 수 없다. 또한, 핀-기반 또는 베이어넷 연결 시스템은 핸들링 동안 조립체의 하중을 지탱하여야 하고, 이것은 수용하기 매우 어려운 안전성 위험, 즉 연결이 끊어질 위험을 발생시킨다. 마지막으로, UNS는 온-라인으로 분리될 수 없으며, UNS-헤드 조립체가 제거되면 조립체의 나머지를 핸들링하는 것이 불가능하다.
특허 제 FR 2513797호는 또한 분리 가능한 UNS를 구비한 핵 원자로, 특히 고속 중성자 원자로용 연료 조립체를 개시한다. 개시된 UNS는 중성자 흡수 물질을 구비하고 120°로 배열된 3개의 판에 의해 조립체의 중앙에 유지되는 원통형 캡슐로 이루어지고, 이들 판의 상부 일부는 조립체를 그리핑하기 위한 헤드를 형성하고, 이들 판 각각은 용접된 핀, 매립되고 용접된 측면 모서리 또는 용접된 걸쇠에 의해 조립체의 몸체에 체결된다. 특허 제 FR 2513797호에 따른 조립체는 특허 제 FR 2402923호에 따른 조립체처럼, ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 기능적 사양과 동일한 비호환성을 갖는다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 캡슐, 즉 중성자 흡수 물질을 포함하는 캡슐은 밀폐되어 있고, ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로의 작동 조건 하에서, 조립체의 높이 및 코어의 안전성에 대해 매우 불리한 팽창 용기를 요구할 것이다.
특허 제 US4935197호는 또한 분리 가능한 UNS를 구비한 핵 원자로용 연료 조립체를 개시한다. 개시된 UNS는 스크류 나사 연결 또는 베이어넷-유형 연결에 의해 연료 조립체의 헤드에 체결된 중성자 흡수체의 봉의 다발로 구성되고, 이 헤드는 자체적으로 스크류 나사 연결에 의해 육각형 단면 형상인 슈라우드에 체결된다. 다시, 특허 US4935197호에 따른 조립체는 특허 제 FR 2402923호 및 제 FR 2513797호에 따른 조립체처럼, ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 기능적 사양과 동일한 비호환성을 갖는다. 특히, 개시된 스크류 나사 연결을 온-라인으로 분리 또는 재장착하는 것은 전혀 상상도 할 수 없다. 더욱이, 이러한 나사 결합 해제 및 나사 결합 작업이 핸들링 플라스크에서 수행되더라도, 본 발명자들은 조사 팽창(irradiation swelling), 크리프(creep), 조사 취화(irradiation embrittlement), 핸들링 작업 동안 헤드에 가해지는 기계적 하중, 나트륨 환경 등 장 시간의 원자로 체류 후의 변형, 기계적 손상 및 이상 정지의 여러 원인으로 인해 액체-나트륨-냉각 원자로 환경에서 이러한 연결의 신뢰성을 보장하는 것이 실제로 가능하지 않을 것이라고 생각한다. 이러한 신뢰성의 결여는 조립체 헤드와 슈라우드 사이의 베이어넷 연결에도 적용되는데, 이는 이러한 유형의 기계적 연결이 핸들링 동안 연료 조립체의 하중을 신뢰성 있게 견딜 수 있다고 믿기가 매우 어렵기 때문이다,
요약하면, 분리 가능한 UNS 연결 카테고리 내에서 공지된 해결책은 UNS와 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 나머지 사이의 연결에 있어, 근본적으로 다음의 이유 때문에 적절하지 않다:
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공지된 연결은 온-라인으로 분리 가능하지 않고;
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연료 조립체는 반드시 UNS를 통해 취급되어야 한다: 조립체의 핸들링 헤드는 UNS와 동시에 추출되는데, 이는 UNS가 추출된 후에는 동일한 그리퍼에 의해 조립체를 핸들링하는 것이 더 이상 가능하지 않다는 것을 의미한다. 따라서, 공지된 UNS와 조립체 사이의 연결은 핸들링 동안 조립체의 하중을 지탱하여야 하고, 이는 안전성 측면에서 수용하기 매우 어려운 위험, 즉 핸들링 동안 연결이 끊어질 위험을 발생시킨다.
제 2 카테고리는 핵 원자로 용기에서 발견되는 다른 착탈식 장치에 사용된 고정/고정 해제 해결책에 관한 것이다.
특허 EP 0312416호는 고속 중성자 원자로용 연료 조립체의 헤드에 위치되는 (압력 감소) 유동 조절 장치를 가역적으로 체결하는 방법을 개시하며, 이 장치는 조립체를 핸들링하기 위한 그리퍼에 의해 온-라인으로 분리 가능하다. 또한, 이 특허는 그리퍼의 수직 방향 병진 운동에 의해, 간접적으로 피벗되는 피벗팅 핑거로 구성되는 고정 시스템을 기술한다. 다시, 특허 제 EP 0312416호에서 제안된 해결책은 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 (전술한) 기능적 사양을 충족하지 못한다. 구체적으로, 개시된 고정 시스템은 우선 매우 큰 축 방향 길이를 가지고, 조립체 헤드에 요구되는 내부 숄더는 방사상 단면에서 매우 큰 감소를 의미한다. 더욱이, 개시된 시스템은 어떤 환경 하에서도 이상 정지의 경우에 고정 핑거가 기계적으로 강제되는 것을 허용하지 않는다. 마지막으로, 개시된 압력 감소 장치는 조립체를 핸들링하기 위해 사용되는 것과 동일한 그리퍼에 의해 취급되고, 압력 감소 장치를 미리 제거하지 않고서는 조립체를 핸들링하는 것이 불가능하며, 이는 산업적 핵 원자로에 대해 기대된 가용성의 수준을 충족하지 못한다. 이러한 두 개의 마지막 포인트는 고속 핵 원자로에서 사용조차 불가능하게 할 것이다.
특허 제 BE558245호는 그리퍼에 의해 상대적으로 직접적으로, 피벗 가능하게 제조되고, 연료 물질이 제 위치에 고정되는 것을 허용하는 피벗팅 핑거의 시스템을 구비하는 UNGG 원자로의 수직 방향 채널에 연료 물질을 착탈식으로 체결하기 위한 해결책을 개시한다. 다시, 특허 제 BE558245호에 개시된 해결책은 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 기능적 사양과 동일한 비호환성을 갖는다. 특히, 핑거의 피벗 운동에 의해 달성된 고정은 연료 물질이 중력 하에서 낙하하는 것을 방지하기 위해서만, 즉 하방 축 방향 이동을 차단하기 위해서만 제공된다. 즉, 이 고정은 냉매에 의해 가해진 견인력 하에서, 착탈식의 UNS와 같은 장치의 배출이 방지되는 것을 허용하지 않는다. 더욱이, 본 특허에서, 피벗팅 핑거의 복귀는 스프링에 의해 보장되는데, 이러한 해결책은 조사 하에서 변화하는 스프링의 탄성 특성의 위험 때문에, 신뢰성 있는 것으로 고려되지 못하기 때문에 고속 중성자 원자로에 적용될 수 없다.
특허 출원 제 EP 2741298 A1호는 실험적 조사를 위한 기구 홀더에서 핵 물질의 샘플의 홀더를 그리핑하고 고정/고정 해제하기 위한 시스템을 개시하며, 이 시스템의 두 가지 주요 목적은 이동 부품을 포함하지 않는 핸들링 그리퍼를 제공하고, 그리퍼에 대한 샘플 홀더의 밀폐 고정을 보장하는 것이다. 이를 위해, 개시된 고정/고정 해제 시스템은 밀폐 고정 대상물과 결합되어, 단단하게 끼워지는 것을 요구하는 정밀하고 매우 복잡한 이동을 보여주는 매우 작은 가동 부품을 구현한다. 이 시스템은 ASTRID와 같은 기술 시연자를 위한 연료 조립체의 UNS와 같이 무거운 부품의 온라인 핸들링에는 적합하지 않다. 더욱이, 고정/고정 해제 시스템은 특허 제 BE558245호처럼, 고속 중성자 원자로에서 해결책이 될 수 없는 이러한 부품들을 복귀시키기 위한 복귀 스프링을 포함한다.
요약하면, 공지된 분리 가능한 UNS 연결과 마찬가지로, 위에서 분석된 착탈식 원자로 장치의 공지된 고정 시스템은 UNS와 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 나머지 사이의 연결에 대한 사양이 정확히 충족되는 것을 허용하지 않는다.
따라서, 특히 UNS와 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 나머지 사이의 연결에 대한 사양을 충족시키기 위해, UNS과 연료 조립체의 분리 가능한 연결을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 적어도 부분적으로 이러한 필요를 충족시키는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 하나의 요지는 핵 원자로에 대한, 특히 나트륨-냉각식 SFR 원자로를 위한 연료 조립체로서, 원자로의 코어의 다이어그리드 내로 수직하게 삽입되도록 의도된 길이 방향 축(X)의 슈라우드를 포함하며, 슈라우드는 핵 연료봉을 수용하는 중앙 섹션 및 상부 중성자 차폐(UNS) 장치가 수용되는 조립체의 헤드의 부분을 형성하는 상부 섹션을 포함하고, 상부 중성자 차폐 장치는 중성자 흡수체, 슈라우드와 가역적으로 고정하기 위한 수단 및 상기 UNS의 헤드를 형성하는 추(weight)를 포함하고, 상기 추는 주어진 경로에 걸쳐 UNS의 나머지에 대해 병진 이동 가능하며, 상기 고정 수단은 추를 거는 핑거를 구비한 UNS 추출 그리퍼가 상기 추를 길이 방향 축을 따라 이동시킴으로써 UNS 및 슈라우드가 고정 및 고정 해제되도록 구성되고, UNS의 나머지는 슈라우드의 내부에서 아래쪽 길이 방향으로 받쳐진다.
하나의 유리한 실시 예에 따라, 조립체가 핸들링되는 것을 허용하도록 조립체의 헤드는 조립체가 UNS를 구비하든 구비하지 않든 핸들링 그리퍼의 핑거와 상호 작용하기에 적합한 구멍 또는 홈을 더 포함하고, 조립체를 핸들링하기 위한 그리퍼는 UNS-추출 그리퍼와 동일한 작동 운동을 한다.
규정된 것과 같은 연료 조립체는 UNS와 ASTRID 제 4 세대 SFR 원자로 연료 조립체의 나머지 사이의 연결을 위한 사양이 충족되는 것을 허용한다.
본 발명의 규정에 도달하도록, 본 발명자들은 다음의 분석을 하였다.
도 6 및 도 7에 도시된 예비 버전과 같이, 분리 가능하지 않은 슬리브-유형 UNS의 단위 면적당 비율이 중성자 흡수 물질의 단위 면적당 비율과 동일한 정도에 도달하도록 중성자 흡수 물질의 단위 면적당 비율을 증가시키기 위해, 육각형 단면의 슈라우드의 내부 직경에 가능한 한 근접하도록 UNS의 외부 직경을 최대화하는 것이 무엇보다도 필요해 보인다.
그러나, 조립체 헤드를 통해 추출되는 착탈식 UNS의 경우, 핸들링 그리퍼에 의한 핸들링에 사용되는 조립체 헤드의 내부 직경의 감소는, 사실 UNS의 외부 직경을 제한한다. 이러한 직경의 손실은 UNS의 높이의 매우 상당한 증가에 의해서만 보상 가능하다.
더욱이, UNS를 조립체 헤드에 체결하고, 조립체 헤드와 육각형 슈라우드 사이에 분리 가능한 기계적 연결을 구성하는, 즉 착탈 가능한 조립체 헤드를 규정하는 해결책은 본질적으로 다음과 같은 이유로 바람직하지 않다:
- 조립체를 핸들링할 때, 이 때 발생하는 모든 스트레스는 이 연결을 통해 전달되며, 이에 따라 상기 코어의 위의 연료 조립체를 핸들링하는 단계 동안 연결이 파손될 경우, 안전성의 측면(코어의 기계적 완전성의 위험) 및 가용성의 측면(매우 시간 소모적인 예외적 간섭의 형성) 둘 모두에서 수용되기 매우 어려운 위험 요소가 되고;
- 이 같은 설계는 조립체가 UNS를 구비하든 구비하지 않든 조립체를 동일한 그리퍼로 핸들링 가능하게 하기 위한 사양만 어려워질 수 있다. 구체적으로, 각 핸들링 캠페인 동안 복수의 헤드의 예비물을 이용할 수 있게 하는 것이 필수적인 한 선험적으로 복잡한 것으로 보이는, 조립체의 추출 후 새로운 취급 헤드 장착이 필요할 수 있으며, 이러한 작업이 핸들링 플라스크에서 온라인으로 수행될 수 있는 내부 저장 솔루션에 대한 어떤 경우에도 구상될 수 없으며; 또는, 조립체의 제조의 명확한 복잡화를 초래하거나, 또는 심지어 강철 구조가 플레넘 효과를 증진하도록 연료봉 위의 지역에 존재하지 않아야 하는 사양과 같은 소정의 사양과 비양립성을 초래하는 조립체 헤드 위의 조립체 벽에서 제 2 그리핑 인터페이스의 제공이 필요할 수 있다.
따라서 본 발명자들은 다음 사항이 필요하다는 결론에 도달했다:
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육각형 단면의 슈라우드의 내부 직경에 가까운 외부 직경을 갖는 추출 가능한 UNS를 제공하기 위해 핸들링 동안 조립체를 그리핑하기 위한 새로운 인터페이스를 규정해야 하고;
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필요로 하는 중성자 흡수 물질의 높이에 대해 2차의 축 방향 길이, 즉 ASTRID와 같은 원자로의 맥락에서 약 10 센티미터의 길이를 가지는 새로운 걸쇠 및 고정 수단을 UNS에 대해 규정해야 한다.
본 발명에 따른 UNS를 조립체 헤드에 가역적으로 고정하기 위한 수단은 작은 축 방향 길이를 갖는다. 따라서, 착탈식 UNS의 생산은 연료 조립체의 높이에 영향을 미치지 않는다.
또한, ASTRID 핵 원자로의 예비 버전에서 구상된 바와 같이, 분리 가능하지 않은 UNS의 슬리브와 관련하여, 그리고 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명자들은 압력 손실을 크게 증가시키지 않고 본 발명에 따른 분리 가능한 UNS의 슬리브의 내부 직경을 감소시킬 수 있다.
마지막으로, 핸들링을 위한 구멍 또는 홈을 구비한 조립체 헤드 구조에 의해, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 분리 가능하지 않은 UNS의 외부 직경에 더 가깝도록 착탈식 UNS의 외부 직경을 유리하게 증가시키는 것이 가능하다.
고정 수단의 작은 축 방향 길이, 소형 UNS 내부 슬리브 또는 래퍼 직경 및 후자의 큰 외부 직경에 의해, 선행 기술에 따른 분리 가능하지 않은 UNS에 비해, 착탈식 UNS 내의 중성자 흡수 물질의 용적을 증가시키는 것이 가능하다. 본 발명자들은 ASTRID 핵 원자로의 예비 버전으로 구상된 바와 같이, 분리 가능하지 않은 UNS의 용적과 실질적으로 동등한 중성자 흡수 물질의 용적에 도달하는 것이 가능함을 보여준다.
하나의 유리한 특징에 따르면, UNS 헤드는 UNS의 중성자 흡수체의 플러그를 형성하고 고정 수단을 지지하는 부분을 포함할 수 있다.
하나의 유리한 실시 형태에 따르면, 고정 수단은 수직 평면에서 피벗할 수 있도록 장착되는 핑거로 구성된다. 이 실시 형태에 따르면, 각각의 핑거는 바람직하게는 플러그에 체결된 피벗 핀을 중심으로 피벗할 수 있게 장착된다.
하나의 유리한 변형에 따르면, 추는 각각 피벗팅 핑거의 슬롯 내부에서 슬라이딩하기에 적합한 고정 핀을 포함하고, 추의 수직 병진 운동은 핀이 슬롯 내에서 슬라이딩되고 이에 따라 핑거가 피벗되도록 한다.
바람직하게는, 추는 내부에 UNS-추출 그리퍼의 핑거가 걸릴 수 있는 내부 홈을 포함한다.
또한 바람직하게는, 조립체의 슈라우드는 UNS용 상부 정지부를 형성하도록 고정 수단의 핑거가 삽입되는 내부 홈을 포함할 수 있다.
유리하게는, UNS는 밀폐형이 아니다.
하나의 변형 실시 형태에 따르면, UNS는 플러그에 체결되고 추를 통과하는 하나 이상의 중공 컬럼을 포함하고, 하나 이상의 컬럼은 고정 해제 작업 중 추와 UNS의 나머지 사이의 상승하는 상대적 운동을 생성하기 위한 추출 그리퍼의 병진 이동 가능한 부분을 지탱하기에 적합하다. 이 컬럼은 나트륨이 UNS를 통해 유동하는 것과 조사(irradiation) 하에서 발생된 헬륨이 유리(free)되는 것을 허용한다(비-밀폐 UNS 설계).
대안적으로, UNS는 플러그 외부에 있는 페룰(ferrule)을 포함하고, 페룰은 고정 해제 작업 중 추와 UNS의 나머지 사이의 상승하는 상대적 운동을 생성하기 위한 그리퍼의 병진 이동 가능한 부분을 지탱하기에 적합하다.
비-밀폐 UNS 대신, 밀폐 UNS가 특히 아래의 조건들 중 어느 하나의 경우가 될 수 있는, 중성자 흡수 물질에 의한 조사 하에서 생성된 가스의 용적이 0이거나 낮을 수 있는 원자로에 대해 구상될 수 있다:
- 일반적으로 LVC 효과에 대한 사양의 부존재의 경우 UNS의 최하부에 고농축 B4C가 사용되지 않는 조건,
- 또는 일반적으로 핵분열성 연료 위의 상부 축 방향 블랭킷의 존재의 경우 UNS와의 중성자 플럭스 수준이 확실히 더 낮은 조건,
- 또는 일반적으로 UNS와의 플럭스 수준이 명확히 낮은 상태의 경우 B4C 이외의 물질을 사용하고 10B을 포함하지 않는 물질을 사용하는 조건.
하나의 변형 실시 형태에 따르면, UNS는 중성자 흡수체의 블록을 수용하고 지지하는 슬리브, 및 슬리브의 최상부에 체결되는 플러그를 포함한다.
대안적으로, UNS는 중성자 흡수체의 봉을 수용하는 래퍼, 및 래퍼의 최상부에 체결되고 이들 봉을 지지하는 플러그를 포함한다. 래퍼 대신, 봉을 유지하기 위한 그리드가 구상될 수 있다.
바람직하게는, 상기 조립체는 슈라우드의 내부에 체결되어, UNS의 최하부에 하부 축 방향 정지부를 형성하는 부분을 포함한다.
UNS에 배치된 중성자 흡수체는 붕소 탄화물(B4C), 하프늄(Hf), 하프늄 이붕화물(HfB2), 티타늄 이붕화물(TiB2), 철 보로화물(FeB), 우라늄 이산화물(UO2), 희토류 중에서 선택될 수 있다.
바람직하게는, B4C(붕소 탄화물), HfB2(하프늄 이붕화물), TiB2(티타늄 이붕화물), FeB(철 보로화물)과 같은 헬륨 생성 중성자 흡수체는 비-밀폐 UNS에서 사용된다.
또한 바람직하게는, 우라늄 이산화물(UO2), 하프늄(Hf), 희토류처럼 헬륨을 생성하지 않는 중성자 흡수체는 밀폐 UNS에 사용된다.
본 발명의 또 다른 요지는, 상술된 UNS를 구비하든 구비하지 않든 연료 조립체를 핸들링하기 위한 방법으로서, 핸들링 그리퍼는 UNS의 추출에 사용된 것과 동일한 유형이고, 바람직하게는 일치한다.
본 발명의 또 다른 요지는, UNS를 구비하든 구비하지 않든 새로운 연료 조립체에 상술된 조사된 연료 조립체에서 추출된 조사된 UNS를 장착하기 위한 방법이다.
본 발명은 또한 상술된 연료 조립체의 고속 중성자 핵 원자로에서의 용도에 관한 것이다. 원자로는 액체-금속- 또는 가스-냉각 원자로일 수 있고, 액체 금속은 나트륨, 납 또는 납-비스무스에서 선택된다.
본 발명의 다른 장점 및 특징은 아래의 도면을 참조하여 비제한적인 설명으로서 제공된 본 발명의 상세한 설명을 읽을 때 보다 확실히 명확해질 것이다:
도 1은 나트륨-냉각 SFR 핵 원자로에서 이미 사용되는, 선행 기술에 따른 연료 조립체의 외부 사시도이다;
도 2는 "피닉스" 핵 원자로에서 이미 사용되는, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는, 선행 기술에 따른 연료 조립체의 헤드의 길이 방향 일부 단면도이다;
도 3은 도 2의 조립체의 UNS의 횡 방향 단면도이다;
도 4는 "수퍼피닉스" 핵 원자로에서 이미 사용되는, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는, 선행 기술에 따른 연료 조립체의 헤드의 길이 방향 단면도이다;
도 5는 도 4의 조립체의 UNS의 횡 방향 일부 단면도이다;
도 6은 "ASTRID" 핵 원자로에 대해 구상된 예비 버전인, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는 선행 기술에 따른 연료 조립체의 헤드의 길이 방향 단면도이다;
도 7은 도 6의 조립체의 UNS의 횡 방향 단면도이다;
도 8은 "ASTRID" 핵 원자로에서 사용되도록 의도된, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는 본 발명에 따른 예시적인 연료 조립체의 길이 방향 부분 단면도이다;
도 9는 도 8의 조립체 헤드의 길이 방향 부분 단면도이다;
도 10은 도 8의 조립체 헤드의 평면도이다;
도 11 내지 도 15는 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 예시적인 연료 조립체의 UNS의 핸들링, 삽입 및 고정의 다양한 단계들을 도시하는 길이 방향 부분 단면도이다;
도 16은 본 발명에 따른 연료 조립체의 슈라우드의 변형 예의 헤드 레벨의 길이 방향 단면도이다;
도 17은 "ASTRID" 핵 원자로에서 사용되도록 의도된, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 연료 조립체 헤드의 길이 방향 부분 단면도이다;
도 18은 UNS의 그리핑 헤드의 배열을 보이는 도 17의 조립체 헤드의 평면도이다;
도 19는 UNS의 흡수 물질의 배열을 보이는 도 17의 UNS의 횡 방향 단면도이다;
도 20 및 도 21은 도 17 내지 도 19에 도시된 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 연료 조립체에서 UNS를 고정 및 고정 해제하는 두 개의 단계를 도시하는 길이 방향 부분 단면도이다.
도 1은 나트륨-냉각 SFR 핵 원자로에서 이미 사용되는, 선행 기술에 따른 연료 조립체의 외부 사시도이다;
도 2는 "피닉스" 핵 원자로에서 이미 사용되는, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는, 선행 기술에 따른 연료 조립체의 헤드의 길이 방향 일부 단면도이다;
도 3은 도 2의 조립체의 UNS의 횡 방향 단면도이다;
도 4는 "수퍼피닉스" 핵 원자로에서 이미 사용되는, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는, 선행 기술에 따른 연료 조립체의 헤드의 길이 방향 단면도이다;
도 5는 도 4의 조립체의 UNS의 횡 방향 일부 단면도이다;
도 6은 "ASTRID" 핵 원자로에 대해 구상된 예비 버전인, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는 선행 기술에 따른 연료 조립체의 헤드의 길이 방향 단면도이다;
도 7은 도 6의 조립체의 UNS의 횡 방향 단면도이다;
도 8은 "ASTRID" 핵 원자로에서 사용되도록 의도된, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는 본 발명에 따른 예시적인 연료 조립체의 길이 방향 부분 단면도이다;
도 9는 도 8의 조립체 헤드의 길이 방향 부분 단면도이다;
도 10은 도 8의 조립체 헤드의 평면도이다;
도 11 내지 도 15는 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 예시적인 연료 조립체의 UNS의 핸들링, 삽입 및 고정의 다양한 단계들을 도시하는 길이 방향 부분 단면도이다;
도 16은 본 발명에 따른 연료 조립체의 슈라우드의 변형 예의 헤드 레벨의 길이 방향 단면도이다;
도 17은 "ASTRID" 핵 원자로에서 사용되도록 의도된, 상부 중성자 차폐(UNS) 장치를 보이는 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 연료 조립체 헤드의 길이 방향 부분 단면도이다;
도 18은 UNS의 그리핑 헤드의 배열을 보이는 도 17의 조립체 헤드의 평면도이다;
도 19는 UNS의 흡수 물질의 배열을 보이는 도 17의 UNS의 횡 방향 단면도이다;
도 20 및 도 21은 도 17 내지 도 19에 도시된 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 연료 조립체에서 UNS를 고정 및 고정 해제하는 두 개의 단계를 도시하는 길이 방향 부분 단면도이다.
명확성을 위해, 선행 기술에 따르든지 본 발명에 따르든지 상관없이, 도 1 내지 도 21에서 동일한 도면 부호는 연료 조립체의 동일한 요소 및 상부 중성자 차폐(UNS) 장치의 요소를 지칭하기 위해 사용된다.
본 명세서 전반에 걸쳐, "수직(vertical)", "하부(lower)", "상부(upper)", "최하부(bottom)", "최상부(top)", "아래(below)" 및 "위(above)"라는 용어는 연료 조립체가 핵 원자로 내에 수직 구성되어 있는 것으로 참조하여 이해될 것이다.
선행 기술과 관련된, 도 1 내지 도 7은 이미 도입부에서 상세하게 서술되었고 따라서 이하에서 설명하지 않는다.
이제, 도 8를 참조하여, ASTRID SFR 핵 원자로에서 사용되도록 의도된, 본 발명에 따른 연료 조립체(1)가, 지금 설명될 것이다. 고속 중성자 원자로에 대해 의도된 선행 기술에 따른 연료 조립체와 마찬가지로, 본 발명에 따른 조립체(1)는 길이 방향 축(X)을 따르는 세장형이고, 육각형 단면의 슈라우드(10), 조립체의 헤드를 형성하고 UNS라 불리는 중성자 차폐 장치(2)를 구비하는 상부 섹션(11)을 포함한다. 조립체(1)의 중앙 섹션(12)은 연료봉(미도시)을 구비한다.
마지막으로, 조립체(1)는 슈라우드(10)와 연속되어 조립체의 노즈(nose)를 형성하는 하부 섹션(13)을 포함한다. 조립체의 노즈(13)는 원자로 코어의 다이어그리드 내에 수직 방향으로 삽입될 수 있도록 원추형 또는 라운드형 말단부를 갖는다. 상기 조립체의 노즈(13)는 또한 조립체의 내부에서 나트륨의 순환을 위해 내부로 통하는 주변 오리피스를 포함한다.
조립체의 헤드(11)는 UNS(2)에 의해 분리되고, 그 자체가 외부를 향하는 중앙 오리피스(110)로 통하는 내부 통로(100)를 내부에 포함한다(도 8 및 도 9). 조립체의 헤드(11)는 또한 슈라우드(10) 내에 형성된 연속적인 내부 홈(110) 및 슈라우드(10)의 내부에 체결되는 하부 지지 부분(102)을 포함한다.
도 8 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 조립체의 헤드(11)는 각도적으로 규칙적으로 분포되고, 후술될 바와 같이 조립체를 핸들링하기 위한 그리퍼의 핑거와 각각 상호 작용하기에 적합한 구멍(18)을 포함한다.
도 8 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 UNS(2)는 중성자 흡수 물질에 의해 붕소 탄화물(B4C)의 블록(21)을 수용하는 슬리브(20)를 포함한다.
UNS(2)는 또한 슬리브(20) 내부에 블록(21)을 유지하고, 슬리브(20)의 최상부에 체결되는 플러그(23)를 포함한다.
UNS(2)는 또한 플러그(23) 위에, UNS의 헤드를 형성하는 추(24)를 포함한다. 추(24)는 플러그(23)에 대해 자유롭게, 그러나 오직 주어진 경로를 따라서만 병진 운동할 수 있게 장착되며, 숄더(231, 242)에 의해 형성된, 플러그(23) 및 추(24) 내부에서 정지하여, 경로를 이동하면 이들을 함께 유지하도록 서로 상호 작용한다. 추(24)는 후술될 바와 같이 UNS-추출 그리퍼(3)의 핑거와 상호 작용하기에 적합한 연속적인 내부 홈(240)을 갖는다. 마지막으로, 추(24)는 3개의 고정 핀(241)을 통합한다.
UNS(2)의 헤드는 플러그(23)의 고정된 피벗 핀(230)을 중심으로 피벗할 수 있게 수직 평면에 장착되는 고정 핑거(25)를 또한 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 고정 핑거(25)는 개수가 3개이고 다른 것으로부터 120°로 분포된다. 크라운(24)의 주변 둘레에 여전히 각도적으로 규칙적으로 분포되는 것이 바람직하지만, 핑거(25)의 개수가 다를 수 있음은 물론이다. 각각의 핑거(25)는 슈라우드(10)에 생성된 연속적인 내부 홈(110)과 상호 작용하기에 적합한 고정 단부(250) 및 도시된 예에서 장방형 형상을 갖는 관통-슬롯(251)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 추가 자유롭게 병진 운동할 수 있게 장착된다는 사실은, 추(24)가 플러그(23)을 향해 이동될 때, 각각의 고정 핀(241)이 슬롯(251)의 내부에서 슬라이드되어 핑거(25)가 수직 평면에서 그리고 UNS(2)의 외부를 향해 피벗되어 후술될 바와 같이 핑거(25)가 슈라우드(10)의 내부 홈(101) 내로 삽입되는 것을 허용한다. 그 후, 핀(241)에 의해 핑거(25) 상에 놓이는 추(24)는, 핑거가 UNS의 내부를 향해 피벗되는 것을 방지하고 핑거를 홈(101) 내 위치에 고정한다.
따라서, UNS(2)가 연료 조립체(1) 내의 고정 위치에 있을 때, 즉 도 8, 도 9, 도 10, 도 13, 도 14, 도 15, 도 17, 도 18, 도 19 및 도 21에 도시된 바와 같을 때, UNS(2)의 하부 부분, 즉 슬리브(20)의 최하부는 슈라우드(10)의 내부에 체결되는 지지 부분(102)에 의해 지지되어, UNS(2)가 측 방향으로 유지되며 임의의 하향 병진 운동이 차단되고, UNS(2)의 상부 일부가 제 위치에 고정되는 것, 즉 추(24)에 의해, 조립체 헤드(11)의 홈(101) 내에 핑거(25)가 삽입됨으로써, 고정되는 것을 보장할 수 있으며, 이는 임의의 상승 병진 운동을 확실하게 차단할 수 있다.
유리하게는, 하나 이상의 중공 컬럼(26)이 플러그(23)에 배열 및 체결되고 또한 추(24)를 관통한다(도 11 내지 도 15). 바람직하게는, 이러한 컬럼(26)은 개수가 3개이고 다른 것으로부터 120°로 분포된다. 플러그(23)의 주변 둘레에 각도적으로 균일하게 분포되어 있는 것이 바람직하지만, 컬럼(26)의 개수가 다를 수 있음은 물론이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 플러그(23) 및 추(24)의 분리의 극단적인 위치에서, 하나 이상의 컬럼이 추로부터 돌출한다.
이들 중공 컬럼(26) 각각은 다음의 기능을 갖는다:
- 플러그(23)와 추(24) 사이의 상대적인 병진 운동에 대한 최대 견고성을 제공하도록 플러그(23)와 추(24) 사이에 슬라이드 연결을 형성한다;
- 슬리브(20)가 나트륨 및 헬륨으로 채워지고, 슬리브로부터 배출되는 것을 허용하는 벤트(vent)를 형성한다;
- 후술될 추출 그리퍼(3)의 헤드(30)가 UNS를 고정 해제하는 작업 중 기계적으로 힘을 가하여 핑거(25)를 피벗하는 것을 허용한다;
여기서 주목할 점은, 본 발명과 관련하여, "추출 그리퍼(extracting gripper)"라는 표현은 추(24)에 의해 UNS(2)를 그립하기 위해 사용된 그리퍼(3)를 지칭하기 위해 사용되는데, 이것은 이 그리퍼가 UNS(2)를 원자로 용기의 조립체의 나머지에 삽입하기 위해 사용하도록 의도되지 않기 때문이다. 즉, 그리퍼(3)는 이러한 삽입 작업을 위해 원자로 용기에서 사용되는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, UNS(2)가 조립체 헤드(11)에서 고정 해제될 때, 그리퍼(3)의 헤드(30)는 추(24)와 UNS(2)의 나머지 사이의 상대적인 상승 운동을 생성하기 위해 각각의 컬럼(26)에 지지되고, 따라서 나트륨 내의 체류 후 나타날 수 있는 기계적 이상 정지 효과가 완화된다. 즉, 이 컬럼(26)에 의해, 기계적 이상 정지의 경우에도 UNS가 확실히 고정 해제될 수 있음을 보장할 수 있다.
기술된 모든 고정/고정 해제 수단은 기계적 이상 정지의 위험성을 최소화하도록 설계된다. 다양한 수단의 모든 운동은 정확한 핏을 요구하지 않고 모든 부분들 사이에 많은 양의 움직임이 있을 수 있다. 최종적인 이상 정지를 컬럼(26)을 통해 강제하도록 허용하는 기능은 고정 해제 조립체의 견고성이 향상되는 것을 허용하고, 그러므로 조립체로부터의 UNS의 온라인 추출이 보장되며 이에 따라 본 발명에 따른 조립체를 구비하는 핵 원자로의 가용성의 레벨이 보장된다.
도 11 내지 도 15를 참조하여, UNS(2)를 연료 조립체(1) 내로 하강, 삽입 및 고정하는 단계가 지금부터 시간 순서대로 설명될 것이고, 이러한 단계는 추출 그리퍼(3)에 의해 수행된다.
여기서 주목할 점은, 이미 언급된 바와 같이, 그리퍼가 ASTRID 원자로에 있는 동안, 그리퍼가 UNS(2)를 연료 조립체(1) 내로 삽입하기 위해 사용되도록 의도되지 않고, 오히려 용기 외부에서 수행되는 장착 작업 중 사용되도록 의도된다. 그럼에도 불구하고, 고정/고정 해제 수단의 작동을 설명하기 위해 추출 그리퍼(3)로 조립체 내에 UNS를 삽입하는 과정이 설명된다. 더욱이, 이러한 삽입 작업은 원자로 용기 외부, 특히 외부 저장 배럴에서 발생할 수 있으며, 이것은 추출 작업의 반대이다.
추출 그리퍼(3)는 UNS의 추(24)에 의해 UNS(2)를 그립한다. 추출 그리퍼(3)는 그리핑 핑거(31)가 수직 평면에서 피벗할 수 있게 장착되는 헤드(30)를 포함하고, 그리퍼의 헤드(30)는 핑거(31)에 대해 자유롭게 병진 운동할 수 있게 장착된다. 추(24)의 내부 홈(240) 내의 핑거(31)의 삽입은 추가 그립되는 것을 허용하고, 헤드(3)가 그리퍼(3)의 나머지에 대해 자유롭게 병진 운동할 수 있게 장착된다는 사실은, UNS(2)가 핑거(31)에 의해 유지될 때, 추(24)와 플러그(23) 사이에 상대적인 축 방향 운동이 생성되게 한다.
슬리브(20)의 최하부가 슈라우드에 체결되는 지지 부분(102)과 접촉할 때까지, 그리퍼(3)가 UNS(2)를 길이 방향 축(X)(도 11)을 따라 조립체(1) 내로 삽입하는 접근 및 삽입의 단계가 먼저 수행된다(도 9 및 도 12).
자유롭게 병진 운동하는 그리퍼(3)의 헤드(30)의 수직 하향 병진 운동이 계속되고, 따라서 추(24)와 플러그(23) 사이의 상대적인 축 방향 운동이 생성된다. 이때, 추(24)의 하부 숄더 및 플러그(23)의 상부 숄더에 의해 형성된 정지부는 각각 더 멀리 이동한다. 더욱이, 이 하강 운동이 또한 크라운(24)에 고정된 핀(241) 각각이 핑거(25)의 대응하는 슬롯(251)에서 슬라이드되게 하기 때문에, 추(24)의 하강 수직 병진 운동은 핑거(25)가 외부를 향해 피벗되도록 한다. 외부를 향해 피벗팅함으로써, 핑거(25)는 슈라우드(10)의 내부 홈(101) 내로 삽입되어, 연료 조립체(1) 내의 UNS(2)의 어떠한 상대적인 상승 병진 운동도 방지하고, 따라서 UNS(2)를 제 위치에 고정한다.
그리퍼(3)의 헤드(30)의 하강은 추(24)가 플러그(23)에 접할 때까지 계속된다(도 13).
그리퍼(3)의 그립은 이어서 핑거(31)를 내부를 향해 피벗팅함으로써 비활성화된다(도 14). 그리퍼(3)는 이어서 연료 조립체(1)에서 제거될 수 있다.
마지막으로, 그리퍼(3)가 상승되어, 슈라우드(10)의 홈(101) 내로 삽입되어 유지되는 핑거(25)에 의해 UNS(2)가 연료 조립체(1) 내로 삽입 및 고정된다(도 15). 추(24)의 하중은 작동 중 냉매에 의해 인가된 상승하는 유압 추력에도 불구하고 UNS(2)가 연료 조립체의 헤드(11)에 유지 및 고정되는 것을 보장한다.
연료 조립체(1)로부터 UNS(2)를 고정 해제 및 추출하기 위해 사용되는 단계가 지금부터 시간 순서에 따라 설명될 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 고정된 위치에서, 추(24) 및 플러그(23)가 맞닿아 있고, 컬럼(26)은 추(24)에서 돌출되어 있다. 돌출부의 높이가 추(24)와 플러그(23) 사이의 최대의 상대적인 축 방향 운동보다 약간 작도록 제공된다.
핸들링 그리퍼(3)은 병진 운동 가능한 헤드(30)가 컬럼(26)에 대해 접할 때까지 하강된다.
추(24)가 그리퍼(3)의 피벗팅 핑거(31)에 의해 그립된 후, 즉 핑거가 홈(240) 내로 삽입된 후, 추(24)가 플러그(23)에 대해 병진 운동하는 것이 가능하며, 이에 따라 고정 핑거(25)가 내부를 향해 피벗된다. 핑거(25)는 핀(241)이 슬롯(251) 내에서 슬라이딩함으로써 피벗된다.
핑거(25)는 이어서 슈라우드(10)의 홈(101)에서 추출되고, UNS(2)는 연료 조립체(1)의 나머지에서 고정 해제된다.
컬럼(26)의 상부 횡 방향 평면이 추(24)의 상부 횡 방향 평면의 레벨에 도달하면, 병진 운동 가능한 헤드(30)는 더 이상 추(24)와 플러그(23) 사이의 상대적인 축 방향 운동을 생성할 수 없다.
이어서 추(24)의 최하부 부분의 숄더(242)가 플러그(23)의 최상부 부분의 숄더(231)에 접할 때까지, 오직 그리퍼(3)의 상승 병진 운동만이 추(24)의 추출이 계속되는 것을 허용한다. UNS(2)는 이어서 그리퍼(3)에 의해 상승되고, 이어서 연료 조립체(1)에서 추출된다.
방금 설명된 바와 같이 UNS(2)를 고정/고정 해제하기 위한 연결부를 갖는 본 발명에 따른 연료 조립체(1)는 ASTRID와 같은 제 4 세대 고속 중성자 핵 원자로의 기능적 사양이 충족되는 것을 허용한다.
그러나, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 변형 및 개선이 제공될 수 있다.
따라서, 유리하게는 대상 고정부가 작동되는 것을 보장하기 위해 연료 조립체(1)에 UNS(2)를 삽입 및 고정하는 단계 동안 그리퍼(3)의 축 방향 운동을 측정하는 것이 가능하다.
도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같이, UNS(2)의 다양한 구성 요소 및 고정 구성 요소는 나트륨 유동의 압력 손실을 최소화하도록 설계된다. 이는 또한 고정이 더 안전하게 이루어지도록, 즉 핵 원자로의 작동 중 추(24)가 배출될 어떠한 위험도 존재하지 않도록 보장하는 것을 용이하게 허용한다.
추출 그리퍼(3)가 병진 운동 가능한 부분을 포함하지 않는 것이 가능하다. 구체적으로, 이상 정지가 없는 경우, 그리퍼만으로 추(24)를 상승시키면 고정 핑거(25)가 회전되어 UNS(2)가 고정 해제되는 것을 허용할 수 있다.
슈라우드(10)에 의한 연료 조립체(1)의 실제 핸들링과 관련하여, 도 16에 도시된 바와 같이, 구멍(18) 대신에 슈라우드(10)의 내부 벽에 연속적인 홈(19)이 제공될 수 있다. 이러한 연속적인 홈(19)은 또한 추출 그리퍼(3)와 동일한 작동 이동을 하는 핸들링 그리퍼의 핑거(31)와의 상호 작용에 적합하다.
UNS(2)의 실제 형상과 관련하여, 도 17 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 중성자 흡수체의 블록(21)을 수용하는 슬리브(20) 대신, 다발의 형태로 배열되는 복수의 중성자 흡수체 봉(28)을 수용하는 원통형 래퍼(27)가 제공될 수 있다. 도 17에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 지지부(27)의 하부 단부(270)는 연료 조립체(1) 내의 UNS(2)의 삽입 및 고정 위치에서, 지지 부분(102)에 다시 접한다.
도시된 예에서, 래퍼(27)는 원형의 횡 방향 단면을 가지지만, 다른 단면, 예를 들면 특히 육각형 단면을 가질 수 있다.
래퍼(27)의 기능들 중 하나는 특히 연료 조립체(1)의 나머지에서 UNS(2)를 추출하는 동안 봉(28)을 보호하는 것이다. 래퍼(27) 대신, 그러나 래퍼가 없는 다른 구조, 예를 들면 특히 봉을 유지하기 위한 그리드가 구상될 수 있다.
컬럼(26) 대신에, 플러그(23)에 단단히 체결되고 추(24)의 주변에 배치되는 페룰(29)이 제공될 수 있다. 페룰(29)의 상부 단부는 고정 해제 위치에서 추(24)의 상부 평면의 레벨에 위치되고(도 20), 고정 해제 위치에서 돌출된다(도 21). 추(24)의 주변 상의 베어링 페룰(29)의 배열은 추(24)의 중앙 및 주변에 최대 공간이 형성되는 것을 허용하고, 따라서 압력 손실이 제한되어, 이것에 의해 크라운(24)을 통한 나트륨의 유동이 촉진된다. 유리하게는, 개수가 3개이고 다른 것으로부터 120°만큼 이격되어 균일하게 분포된 오리피스(271)가 추(24)의 상부 일부에 제공된다(도 18). 더욱이, 나트륨이 봉(28) 위로 유동하는 것을 허용하도록, 벤트(미도시)가 플러그(23)의 상부 일부 내에 통합된다.
봉의 다발을 유지하기 위한 구조와 관련하여, 연료 조립체 및 SFR의 반응성을 제어하기 위한 조립체에 대해 개발된 다양한 옵션들이 구상될 수 있다. 일반적으로 연료 조립체의 핵분열성 봉의 다발에 대해 최하부 부분에, 그리고 일반적으로 반응성(매달린 다발)을 제어하기 위한 조립체의 최상부 부분에, 봉을 지지하기 위한 레일의 시스템을 구상하는 것이 가능하다. 다음으로, 특히 봉의 링의 개수 및 이들의 직경에 따라, 특별히 아래의 것이 제공될 수 있다:
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도 17 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 스페이서 와이어와 관련된 원형 단면의 원통형 래퍼;
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봉의 다발을 따라 위치된 하나 이상의 스페이서 그리드에 지지 레일을 연결하는 중앙 샤프트;
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지지 레일에 대해 다른 단부에 위치되는 플러그와 같은 레벨로 배치된 토로이달 링(toroidal ring).
인용된 참고 문헌
[1]: 교과서 "Reacteurs a neutrons rapides refroidis au sodium" - Les techniques de l'Ingenieur B 3 171
Claims (20)
- 핵 원자로, 특히 나트륨 냉각식 SFR 원자로용 연료 조립체(1)로서,
상기 원자로의 코어의 다이어그리드 내로 수직하게 삽입되도록 의도되는 길이 방향 축(X)의 슈라우드(10)를 포함하며, 상기 슈라우드는 핵 연료 봉(14)을 수용하는 중앙 섹션(12) 및 상부 중성자 차폐 (UNS) 장치(2)를 수용하는 상기 조립체의 헤드(11)를 형성하는 상부 섹션을 포함하고, 상기 상부 중성자 차폐 장치는 중성자 흡수체, 상기 슈라우드(10)와의 가역적인 고정을 위한 수단(25), 및 UNS의 헤드의 섹션을 형성하는 추(24)를 포함하고, 상기 섹션은 주어진 경로에 걸쳐 상기 UNS의 나머지에 대해 병진 이동 가능하고, 상기 고정 수단(25)은 상기 추(24) 내로 걸리는 핑거(31)를 구비한 UNS-추출 그리퍼(3)에 의해 길이 방향 축을 따라 추(24)를 이동시킴으로써 상기 UNS(2)와 상기 슈라우드(10)가 고정 및 고정 해제되도록 구성되며 상기 UNS(2)의 나머지는 상기 슈라우드(10)의 내부에서 하방 길이 방향으로 받쳐진,
연료 조립체. - 제 1 항에 있어서,
상기 조립체의 헤드(11)는 상기 UNS를 구비하든 구비하지 않든 상기 조립체의 핸들링이 가능하도록 핸들링 그리퍼의 펑거(31)와 상호 작용하기에 적합한 구멍(18) 또는 홈(19)를 더 포함하고, 상기 조립체를 핸들링하기 위한 그리퍼는 상기 UNS-추출 그리퍼(3)의 작동 운동과 동일한 작동 운동을 하는,
연료 조립체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 UNS의 헤드는 상기 UNS(2)의 중성자 흡수체의 플러그(23)를 형성하고 상기 고정 수단(25)을 지지하는 부분을 포함하는,
연료 조립체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고정 수단(25)은 수직 평면에서 피벗할 수 있도록 장착되는 핑거(25)로 이루어지는,
연료 조립체. - 제 2 항과 조합하는 제 4 항에 있어서,
각각의 핑거(25)는 상기 플러그(23)에 체결되는 피벗 핀(230)을 중심으로 피벗할 수 있도록 장착되는,
연료 조립체. - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 추(24)는 각각 피벗 핑거(25)의 슬롯(251) 내부에서 슬라이딩하기에 적합한 고정 핀(241)들을 포함하고, 상기 추(24)의 수직 병진 운동에 의해 상기 핀(241)이 상기 슬롯(251)에서 슬라이딩함에 따라 상기 핑거(25)가 피벗하는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추(24)는 내부로 상기 UNS-추출 그리퍼(3)의 핑거(31)가 걸릴 수 있는 내부 홈(240)를 포함하는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슈라우드(10)는 내부로 상기 고정 수단(25)의 핑거가 상기 UNS을 위한 상부 정지부를 형성하기 위해 삽입될 수 있는 내부 홈(101)를 포함하는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS(2)는 비-밀폐형인,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS은 상기 플러그(23)에 체결되고 상기 추(24)를 통과하는 하나 이상의 중공 컬럼(26)을 포함하고,
상기 하나 이상의 컬럼은 상기 고정 해제 작동 동안 상기 추(24)와 상기 UNS(2)의 나머지 사이의 상승하는 상대적 운동을 생성하도록 상기 UNS-추출 그리퍼(3)의 병진 이동 가능한 부분(30)을 지탱하기에 적합한,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS는 상기 플러그(23)에 대해 외부에 있는 페룰(29)을 포함하고,
상기 페룰은 상기 고정 해제 작동 동안 상기 추(24)와 상기 UNS(2)의 나머지 사이의 상승하는 상대적 운동을 생성하도록 상기 그리퍼(3)의 병진 이동 가능한 부분(30)을 지탱하기에 적합한,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS(2)은 밀폐형인,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS(2)는 중성자 흡수체의 블록(21)을 수용 및 지지하는 슬리브(20) 및 상기 슬리브(20)의 최상부에 체결되는 플러그(23)를 포함하는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS(2)는 중성자 흡수체의 봉(28)을 수용하는 래퍼(27) 및 상기 래퍼(27)의 최상부에 체결되고 상기 봉(28)을 지지하는 플러그(23)를 포함하는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슈라우드(10)의 내부에 체결되고 상기 UNS(2)의 하부 축방향 길이 방향 하방 정지부를 형성하는 부분(102)을 포함하는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 UNS에 배치되는 상기 중성자 흡수체는 붕소 탄화물(B4C), 하프늄(Hf), 하프늄 이붕화물(HfB2), 티타늄 이붕화물(TiB2), 철보로화물(FeB), 우라늄 이산화물(UO2), 희토류로부터 선택되는,
연료 조립체. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 청구된 UNS를 구비하거나 구비하지 않는 연료 조립체를 핸들링하기 위한 방법으로서,
상기 UNS의 추출을 위해 사용된 그리퍼(3)와 동일한 타입이고 바람직하게는 일치하는 핸들링 그리퍼가 사용되는,
방법. - UNS를 구비하지 않은 새 연료 조립체(1)에 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에서 청구된 방사선 조사 연료 조립체(1)로부터 추출된 방사선 조사 UNS를 구비하는 방법.
- 고속 중성자 핵 원자로에서의, 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에서 청구된 연료 조립체(1)의 용도.
- 제 19 항에 있어서,
상기 원자로는 액체-금속 또는 가스-냉각식이고, 상기 액체 금속은 나트륨, 납, 또는 납-비스무스로부터 선택되는 용도.
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