KR20180041223A - 강성이 향상된 스페이서 판이 제공되는 하우징을 갖는, fnr-na-타입 원자로용 어셈블리 - Google Patents

Abstract

종축(X)을 갖는 하우징(10)을 포함하는 원자로용 어셈블리, 특히 소듐 냉각 고속 원자로(Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)용 어셈블리로서, 상기 하우징의 주 표면 각각은, 중앙부 내에서 인접 어셈블리와의 이격을 위해 외부를 향해 돌출되는 부분과 그리고 내부 상에서는 상기 하우징의 내부에 재료를 갖지 않는 중공에서 튀어오른(bounding) 부분을 포함하는 소판(platelet)(2)을 포함하고, 상기 어셈블리는, 상기 하우징(10)의 내부에 개별적으로 위치되어 유지되고 상기 소판(2)과 마주하여 배치되어, 그들 각각의 공동(cavity)을 형성하여, 상기 원자로용 냉각수의 통로를 허용하도록 설계된 중공 튜브로 구성된 보강 칼라(collar)(3)를 더 포함하는, 원자로용 어셈블리를 제공한다.

Description

강성이 향상된 스페이서 판이 제공되는 하우징을 갖는, FNR-NA-타입 원자로용 어셈블리

본 발명은 특히 소듐(-냉각) 고속 원자로(Sodium(-cooled) Fast Reactor, SFR)로 알려진 액체 소듐인 액체 금속을 갖는 고속 중성자 원자로용 연료 어셈블리에 관한 것으로서, 그리고 이는 4세대로 불리는 원자로 계열에 속한다.

본 발명은 ASTRID라고 명명된 프랑스 기술 4세대 모델(demonstrator) 원자로 프로젝트에서 단기간에 사용될 수 있는 연료 어셈블리를 우선 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 목표로 하는 연료 어셈블리는, 통합형 원자로 다시 말하면 펌프 수단을 갖는 주요 소듐 회로가 열교환기를 더 포함하는 탱크 내에 완전히 포함되는 원자로, 및 루프 원자로형 원자로 다시 말하면 중간 열교환기 및 소듐을 펌핑하기 위한 주요 수단이 탱크 외부에 위치하는 원자로 모두에 사용될 수 있다.

"연료 어셈블리(Fuel assembly)"는 연료 요소를 포함하고 원자로로 또는 원자로로부터 로드(loaded) 및/또는 언로드(unloaded)되는 어셈블리를 의미하는 것으로 이해된다.

"SFR 유형의 연료 어셈블리(Fuel assembly of the SFR type)"는 SFR 원자로로 알려진 액체 소듐으로 냉각된 고속 중성자 원자로에서 조사되도록 설계된 연료 어셈블리를 의미하는 것으로 이해된다.

목표로 하는 중요 적용예, 즉 원자로용 연료 어셈블리가 참조되어 설명되었으나, 본 발명은 반사기(reflector), 측면 중성자 보호(Lateral Neutron Protection, LNP), 제어 로드(control rod), 실험적인 어셈블리(experimental assembly), 보완 안전 장치(complementary safety device) 등과 같은 그 어떠한 유형의 원자로용 어셈블리에도 적용 가능하다.

액체 소듐으로 냉각된 고속 중성자 원자로(SFR)에서 사용되도록 설계된 연료 어셈블리는 특히 액체 소듐이 이를 통과하기 위해 특별한 기계적 구조를 구비한다.

도 1은 "피닉스(Pheonix)"라고 알려진 SFR 원자로에서 이미 사용된 연료 어셈블리(1)를 도시하고 있다.

종축(X)을 따라 긴 형상을 갖는 이러한 어셈블리(1)는 먼저 튜브 또는 육각 단면을 갖는 하우징(10)을 포함하고, 그 상부(11)는 어셈블리의 그립핑 헤드(gripping head)를 형성하고 그리고 상부 중성자 보호 장치(Upper Neutron Protection device, UNP)를 수용하고, 그리고 중앙부(12)는 연료 핀(미도시)를 포함한다.

다시 말하면, 상기 부(11, 12)들은 전체 높이에 걸쳐 동일한 육각 단면을 갖는 동일한 관형 외피(10) 또는 하우징을 형성한다. 상기 어셈블리의 헤드(11)는 중앙에 중앙 개구(110)를 포함한다.

어셈블리(1)는 마지막으로 하우징(10)의 연장부에서, 상기 어셈블리의 발을 형성하는 하부(13)를 포함한다. 어셈블리의 상기 발(13)은 원자로 코어의 베드(지지대)의 캔들(candles) 내로 수직하게 삽입될 수 있도록 원추형 또는 원형의 말단부(15)를 구비한다. 어셈블리의 발(13)은 외면 상에 그 내부로 개구하는 구멍(16)을 포함한다.

이에 따라, 연료 어셈블리의 설치된 구성에서는, 다시 말하면 원자로 코어 내로 로드된 위치에서는, 수 형태(male form)의 어셈블리(1)의 발(13)이 상기 원자로의 베드 내의 개구로 삽입됨에 따라, 수직으로 정렬된 종축(X)을 갖는 후자에서는 어셈블리(1)를 유지시킨다.

주요 소듐은 어셈블리(1)의 하우징(10) 내부를 순환할 수 있고, 이에 따라 열 전도로서 연료 핀에 의해 방출되는 열을 운반할 수 있다. 이에 따라 소듐은 상기 발(13)의 개구(16)를 통해 도입되고, 연료 핀 다발을 통과한 후에, 상기 헤드(11)의 중앙 개구(110)를 통해 배출된다.

어셈블리의 중앙부(12)는 복수의 핵 연료 핀을 포함한다. 각각의 핀은 누출이 없는 시스(sheath) 튜브의 형태를 취하며 그 내부에는 핵반응 내에서 열을 발생시키는 핵분열성 연료 펠릿(fissile fuel pellets)의 기둥(14)이 적층되어 있다. 모든 기둥(14)이 일반적으로 어셈블리(1)의 대략 절반 높이에 위치하는 핵분열 영역으로 지칭되도록 정의한다. 도 1에는 흑색 직사각형의 형태로 개략적으로 도시되어 있다.

동일한 원자로의 모든 어셈블리는 육각 메쉬를 갖는 긴밀한 배열 코어를 형성하기 위해 베드 상에 수직으로 배열된다.

상기 베드 상의 제 위치에 있는 어셈블리는 그들의 베이스(발)에서 서로 이격되어 있고, 전형적으로 육각 단면을 갖는 2개의 인접한 하우징의 대향하는 면 사이는 수 mm만큼 이격되어 있다.

이 간격은 상기 원자로의 작동 중에 어셈블리의 전체 높이에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지될 필요가 있다.

실제로, 인접한 두 개의 연료 어셈블리를 바로 결합시키는 것은 반응성의 삽입, 즉, 과열, 막힘 등과 같은 심각한 결과를 갖는 급격한 전력 증가를 야기하고, 코어 붕괴 사고를 야기시킬 수 있다.

이를 극복하기 위해, 기존의 SFR 원자로에서 알려진 해결책은 핵분열 핀의 영역 바로 위에 있는 어셈블리의 하우징 상부에 스페이서 장치를 추가하는 것이다.

일반적으로, 이러한 장치는 베드 위로부터 돌출된 어셈블리의 높이의 대략 2/3와 거의 동일한 높이에 배열된다.

보통 "소판(platelets)"으로 불리는 이러한 스페이서 장치는 본질적으로 보싱(bossing)으로 구성되고, 다시 말하면 초과 두께(overthickness)로 상기 어셈블리의 외부를 향해 돌출된다. 상기 하우징의 육각 단면의 각각 면은 보싱(소판)을 갖추고 있다.

이러한 소판은 이에 따라 인접한 어셈블리들 사이 동작(play)을 국부적으로 감소시키는 역할을 가지며, 따라서:

- 원자로의 정상 작동 및 (감소된 온도에서) 취급 작동 중 어셈블리의 배열의 긴밀함을 보장하고

- 코어 압축을 제한하는데, 다시 말하면 지진 발생시 어셈블리가 함께 이동하는 것을 제한하거나, 또는 적층(stacking) 후 상기 어셈블리의 탄성 복귀에 따른 코어의 재압축을 제한하며, 다시 말하면 가스 팽창과 같은, 코어 내부 에너지의 방출로 인해 야기되는 어셈블리의 분리 이동을 제한한다.

"피닉스(Pheonix)", "슈퍼피닉스(Superpheonix)" 또는 "랩소디(Rapsody)"로 알려진 프랑스에서 사용되는 SFR 원자로의 어셈블리에 이미 사용되는 소판은 하우징의 외부를 향해 원하는 변형을 얻기 위해 육각 하우징의 6개의 면 각각에 램 스탬프(ram stamp)로 엠보싱함으로써 얻어진다.

이러한 소판들의 기능적 부분, 다시 말하면 도 3C에 도시된 그들의 평면 접촉면(20)은 일반적으로 소판의 엠보싱 깊이를 갖는 20mmⅹ50mm의 직사각형이며, 즉, 상기 면 위로 상기 보싱(20)의 높이는 최대 수 mm이다.

본 발명자들은 선택된 소판 디자인을 분석하였고, 예를 들어, 기존의 소판은 이후에 추구되고 제시되는 안전성 목표와 관련하여 충분한 강성이 아닌 바, 또는 다시 말하면 그들의 강성은 충분히 높지 않기 때문에, 도 2 내지 도 3C에 도시된 이전의 원자로를 위한 연료 어셈블리는 ASTRID 용 연료 어셈블리로 사용될 수 없다. K로 표시된 소판의 강성은, 소판이 외력에 의해 파손되는 것에 대한 저항의 특성이다. 이는 탄성 영역에서 소판에 적용된 힘 및 육각 하우징의 축에 대한 소판의 변위 사이의 비율과 동일한 것으로 정의된다.

실제로, 후술하는 ASTRID 원자로의 프레임워크(framework)에서는 공지된 소판의 강성 K는 불충분하다.

우선, 사고 상황(지진, 코어 내부의 에너지 방출, 등)에서 코어의 압축 한계는 ASTRID 원자로가 4세대 원자로의 설계 지침을 반드시 준수해야하는 안전 목표임이 분명하다.

"저배출 계수 코어(Core with low emptying coefficient)(또는 CFV)"라고 언급되는 ASTRID의 코어는, 소듐의 음의 배출 계수(negative emptying coefficient)를 나타내는 특이성을 가지며, 이에 대한 연구들은, 코어의 압축에 따른 반응성 증가의 기준이 최대 +1 달러($)로 고정되어 있으며, 종래의 엠보싱된 소판에 대해 5가 증가된 강성의 소판을 구현함으로써 준수되고, 동시에 ASTRID 원자로 내에서 사용되도록 설계된 연료 어셈블리의 다른 사양과 호환되는 것을 유지함으로써 준수되는 것을 보여준다.

이러한 사양들은 다수 있는데, 단지 소판의 디자인의 프로세스에 영향을 미치는 사양만을 이하에서 자세히 설명한다.

CFV의 음의 배출 계수는 ASTRID 원자로에 대한 안전 설명의 핵심이다. 기본적으로, 소듐의 '덤핑(dumping)'의 경우 코어의 반응성이 자연적으로 떨어지는 것을 특징으로 하는 음의 배출 계수는 특히 '플레넘(plenum)'이라고 불리는 영역의 강철(steel)의 양을 최소화함으로써 달성되고, 이는 연료 핀 바로 위에 위치된다. 그 이유는 강철이 중성자를 반영하는 물질이기 때문이다.

그러나, 상기 플레넘의 소듐이 덤핑되는 구성에서는, 예를 들어 소듐의 비등을 야기하는 사고 상황에서 플레넘 내의 다량의 강철은 연료를 향해 누출 중성자의 반사를 초래하고, CFV 코어에 대한 원하는 효과의 정반대인 반응성의 증가를 야기한다.

다시 말하지만, 이에 따라 CFV 코어의 연료 어셈블리는, 코어의 상부로부터 시작하여 하부를 향하여 다음을 포함한다;

- 중성자-흡수 물질로 구성된 상부 흡수 영역,

- 액체 금속의 플레넘 영역,

- 핵분열 물질의 상부 영역,

- 핵연료 원료물질(fertile material)의 중간 영역,

- 핵분열 물질의 하부 영역.

또한, 핵연료 원료물질의 중간 영역의 수평 중간면은 핵분열 물질의 상부 영역, 핵연료 원료물질의 중간 영역 및 핵분열 물질의 하부 영역에 의해 형성된 어셈블리의 수평 중간면 위에 위치하며, 그리고 핵연료 원료물질의 중간 영역의 높이와 핵분열 물질의 상부 영역, 핵연료 원료물질의 중간 영역 및 핵분열 물질의 하부 영역으로 형성된 상기 어셈블리의 높이 비율은 0.25 내지 0.40의 간격에 있다.

또한, 인접한 두 어셈블리의 핵분열 영역 사이의 최적의 간격을 보장하고, 압축을 제한하기 위해, 소판은 연료 핀의 상단부 바로 위에 있는 육각 하우징 상에 위치된다는 것을 상기한다. 다시 말하면, 소판은 플레넘의 하부에 위치된다.

이에 따라 코어의 음의 배출 계수를 유지하는 것의 보장은 이에 따라 소판에서 사용되는 강철의 양을 최소화시킨다. 실제로, 오직 중성자 계산만이 배출 계수에 대한 소판의 형상의 영향을 예측할 수 있다.

또한, 원자로와 마찬가지로, ASTRID 원자로에서 어셈블리를 취급하는 동안 힘을 최소화하는 것이 필요하다.

베드에 설치될 때, 상기 어셈블리는 소판을 통해 접촉하거나 또는 실질적으로 접촉한다. 코어의 긴밀함은 소판의 면에서 음 또는 제로 동작을 유발한다. 이러한 긴밀함은 코어의 정적 기계적 균형을 보장하기 위해, 소판에서 약 550°C의 소듐 평균 온도 및 약 400°C의 베드 내의 평균 온도에 대응하여, 정상 동작에서 바람직하다.

그러나, 만약 코어가 정상 작동에서 긴밀한 경우, 원자로 용기 내의 어셈블리들의 취급 작동 중 저온일 경우가 필요한 것은 아니어서, 이후에 용기 내의 모든 소듐이 200°C로 냉각된다. 실제로, 저온일 때 코어의 긴밀함의 수준은 베드를 형성하는 강철 및 상기 소판을 형성하는 강철 사이의 열 팽창 차이에 의존한다.

베드는 보통 높은 열 팽창 계수를 갖는 오스테나이트 강으로 구성되는데, 이는 스테인레스 강 AISI 316 LN이다.

반면에, 상기 소판은 팽창 계수가 상기 베드의 팽창 계수와 동일한 AISI 316 형식의 오스테나이트 강, 또는 형식 EM10(9% Cr and 1% Mo)의 마텐자이트 강 또는 상기 스테인레스 강 AISI 316 LN보다 팽창 계수가 낮은 페라이트 강 중에서 어느 하나로 구성된다.

다음, 아래의 두가지 상황들은 구별된다.

- 상기 소판 및 베드가 모두 오스테나이트 강으로 구성된 경우: 정상 작동, 즉 고온에서의 긴밀함이 그 다음의 취급 구성, 즉 저온에서의 소판을 위한 양의 동작을 암시한다. 취급 중 이러한 양의 동작은 어셈블리들 사이의 마찰 효과를 최소화함으로써 상기 배열의 어셈블리의 삽입 및 추출에 유리하고 따라서 취급하는 힘에 유리하다. 상기 배열에서 어셈블리의 막힘의 위험 또한 피할 수 있다;

- 상기 소판은 페라이트 강 또는 마텐자이트 강으로 구성되고, 반면에 상기 베드는 오스테나이트 강으로 구성된 경우: 정상 작동에서의 상기 소판의 긴밀함은 역시 0과 같거나 또는 0 보다 약간 낮은 동작을 갖는 취급 중 소판의 긴밀함을 암시한다. 이러한 음의 동작은 추출을 위해 큰 힘을 유발시키고, 취급 기계의 견인 용량을 초과하거나, 또는 소판의 외면을 손상(마찰, 긁힘 등)시킬 위험이 있으므로 불리하다. 어셈블리의 추출을 위한 힘은 소판에 가해지는 힘과 그에 따른 부과된 변위에 대한 강성, 소판 사이의 접촉 표면적, 및 마찰 계수에 의존한다. 다시 말하면, 매우 단단한 소판을 갖고 및/또는 큰 접촉 표면적을 갖는 것은 어셈블리의 취급 중 힘을 최소화시키는 목적에 있어서 불리하다.

실제로, ASTRID 원자로를 위해 의도된 어셈블리 유지용 설치 방법은 용접된 다리를 갖춘 육각 하우징의 상단을 통해 연료 핀들의 다발의 삽입을 제공하고, 그 후 상기 어셈블리를 폐쇄하기 위해 UNP와 헤드로 구성된 어셈블리의 상부의 설치를 제공한다.

연료 핀 다발은 상기 육각 하우징의 전체 내부 공간을 차지하다. 소판이 상기 핀들의 다발 위에 위치하기 때문에, 상기 하우징 내로 후자의 삽입의 실현 가능성(feasibility)은 이에 따라 소판의 기하학적 구조에 의존한다.

이에 따라, 소판이 하우징의 내부 직경, 다시 말하면 두 개의 대향면을 분리하는 거리를 감소시키지 않는 형상을 가질 때, 이들은 상기 다발의 삽입을 막지 않는다. 이러한 소판들은 비-관입성(non-intrusive)이다. 그 후, 최초의 육각 하우징에 직접 설치되거나 또는 가공될 수 있다. 이러한 유형의 소판은 가장 단순하며 실제로 상기 어셈블리의 설치와 호환된다.

반면에, 특히 하우징의 내부를 향해 두께가 증가되는 단단한 소판과 같이, 소판이 내부 직경을 감소시키는 기하학적 형상을 가질 때, 그들은 관입성이고 하우징의 상단을 통해 상기 다발의 삽입을 막는다. 이러한 소판들은 일단 다발이 설치된다음에 하우징에 부착되어야 한다.

그러나, 이러한 작동은 중요하다. 반면에, 약 8 내지 10cm의 연료 핀의 상부와 소판의 근접은, 용접 동안 또는 핀을 손상시킬 수 있는 열적 안정화 어닐링 동안에도, 매우 높은 온도로의 국부적인 가열로 인해 해당 위치의 상기 소판 및 하우징 사이의 용접 부착을 금지한다. 반면에, 이러한 용접은 수행하고 확인하는 것이 까다로운 동작이다. 설치된 연료 다발이 있는 상태로 수행된 불량 용접은 상기 어셈블리의 완전한 손실을 초래한다.

마지막으로, 스페이서 소판은 상기 어셈블리 및 상기 원자로의 코어의 열수력(thermal hydraulics)과 호환 가능해야 한다.

전술한 바와 같이, 소판은 하우징의 외부면 상에 초과 두께로 형성되고, 이는 인접한 어셈블리들 사이의 동작을 국부적으로 감소시키거나 제거한다. 접촉 표면적, 또는 보다 정확하게는 소판의 폭이 너무 커서 인접한 어셈블리 사이의 공간을 차단할 위험이 없어야 하고 그리고 이에 따라 어셈블리의 하우징 사이에서 소듐의 순환을 막는 위험이 없어야 한다.

상기 어셈블리들 사이의 소듐의 유동은 매우 낮으며 정상 작동시 어셈블리의 냉각에 관여하지 않는다. 반면에, 주요한 유동의 손실과 같은, 특정 사고 상황에서 자연 대류에 의해 확립된 어셈블리의 하우징 사이의 소듐의 순환은, 어셈블리들로부터 잔여 전력의 배출에 필요하게 된다.

또한, 어셈블리 내부의 열수력은 모든 작동 단계에서 중요하다.

비관입성 소판, 다시 말해, 육각 하우징의 내부 직경을 감소시키지 않는 경우, 어셈블리의 내부를 통한 소듐의 유동은 영향을 받지 않는다.

이와 반대인 관입성 소판의 경우, 내부 직경 감소는 국부적으로 상기 어셈블리 내의 하중(load) 손실을 증가시키는 장애물을 나타내며 이는 코어 상에 위치하는 (소듐의 온도 및 유동의) 모니터링 기구(monitoring instrumentation)에서 보면 어셈블리의 출구에서의 소듐의 유동에 영향일 미칠 수 있다. 만족스러운 소듐의 유동을 갖기 위해서 관입성 소판의 기하 구조를 변화시키는 것은 필수적이다.

이에 따라, 본 발명자는 원자로의 용기 내에서 인접한 연료 어셈블리 사이의 스페이서 장치에 대한 공지된 해결책 중에서 알아보았으며, 이는 상기 ASTRID 유형의 4세대 SFR 원자로용 연료 어셈블르 사이의 단단한 간격을 보장하기 위해 적합할 수 있다.

특허 US4142934는 원자로용 연료 어셈블리, 특히 SFR 원자로용 연료 어셈블리를 개시하고 있으며, 이는 각면에 부착된 소판을 포함하고 있는 육각 하우징이고, 각 소판은 서로 인접하여 배치된 두 개의 반-소판(half-platelets)으로 구성된다. 상기 두 개의 반-소판은 동일한 치수를 갖지만, 그 중 하나는 마찰 계수가 낮도록 선택되는 다른 재료, 예를 들면 스텔라이트(Stellite)로 선택되고 및 다른 하나는 강철로 이다. 어셈블리의 두 개의 반-소판이 인접 어셈블리의 두개의 반-소판과 접촉 할 때, 반-소판의 배열은 이러한 방식으로 구성되어, 각각의 반-소판은 서로 다른 재료의 반-소판과 접촉한다. 상기 특허 US4142934에 따른 어셈블리는 ASTRID 유형의 4세대 SFR 원자로용 소판의 기능적 사양과 호환되지 않으며, 이는 각각 두 개의 반-소판으로 분할된 소판은 그들의 강성의 증가를 얻지 못하기 때문이다.

특허 FR2509896은 또한 원자로용 연료 어셈블리, 특히 SFR 원자로용 연료 어셈블리이며, 하우징의 육각 관의 각 모서리에서 보스 형태를 취하는 소판을 개시하고 있다. 비록 상기 특허 FR2509896에 따른 모서리 소판은, 이론 상으로는, 소망하는 비율로 증가되는 소판의 강성을 허용하지만, 본 발명자는 ASTRID 형의 제 4 세대 SFR 원자로에 대해 어셈블리의 각도상 방향의 오차에 대한 허용 오차가 없기 때문에 이들은 이격 방안이 될 수 없다. 그 이유는 상기 특허 FR2509896에 따른 어셈블리의 배향에서의 미세한 각도 오차가 모서리에서의 더 큰 변위를 초래하고, 이는 접촉 압력을 야기하고, 이에 따라 어셈블리들 사이의 소판 상에 더 큰 마찰 효과를 야기할 수 있기 때문이다. 이것은 어셈블리의 취급하는 힘을 최소화하는 기능의 방향으로 가는 것이 아니다.

한편, 특허 FR2403626는 원자로용 연료 어셈블리, 특히 SFR 원자로용 연료 어셈블리를 개시하고 있는데, 이는 어셈블리 하우징을 위한 일반적인 육각 단면의 관 대신에, 관의 각 모서리에 위치된 편평한 또는 볼록한 측면을 갖는 12각형 단면의 하우징 관을 포함한다. 12각형 단면을 갖는 이 튜브 형상은 조사 하에서 상기 어셈블리 하우징의 팽창을 제한할 수 있게 한다. 상기 연료 핀들 및 하우징 사이의 유지로 인하여 진동은 감소되고, 이에 따라 반응성의 불안정이 제한되기 때문에 이는 상기 코어의 기하학적 구조 및 중성자 성능 특성을 보장한다. 특허 FR2403626에 개시된 바와 같이, 12각형 단면이 각 주요 면의 중간에 항상 개별적으로 위치된 소판을 갖는 어셈블리 하우징에 채용된다고 가정하면, 주요 면의 굽힘 제한으로 인해, ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로의 프레임워크에서 고정된 목적과 관련하여 불충분 할지라도, 소판의 강철 두께가 증가하지 않기 때문에, 소판의 강성 증가는 실제로 효과적일 것이다.

특허 US4543233 또한 SFR 원자로용 연료 어셈블리를 개시하고 있으며, 이는 원형 단면의 소판이 육각 하우징의 외부면에 수용되고, 스피링 워셔(spring-washer)에 의해 고정된다.

특허 JP2006145506은 상기 특허 US4543233와 유사한 어셈블리의 하우징 외부에 부착된 소판을 갖는 SFR 원자로용 연료 어셈블리를 개시한다. 또한, 원형 단면을 갖는 소판 각각은, 하우징 관의 각각의 면에 형성된 구멍 내에 수용되고 나사 결합 또는 용접에 의해 부착된다. 발명자는 상기 특허 US4543233 및 JP2006145506에 따라 하우징 면의 외부에 부착된 소판이, ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로에서 요구되는 비율이 아닌 어떠한 경우에도, 강성을 현저하게 증가시키는 것을 고려하지 않았다.

특허 FR2921509는 고속 원자로용 연료 어셈블리, 특히 SFR 유형의 연료 어셈블리를 개시하며, 이는 육각 하우징의 내부에, 연료 핀의 다발 위에 배열되고, 6개의 가지를 갖는 시작 형상의 부착된 구조체를 포함한다. 상기 구조체는 임의의 정해진 길이의 가지를 가질 수 있고, 잠재적으로 구조체를 보강하기 위해 가지들 사이에 측면 바를 추가적으로 포함할 수 있다. 각 가지의 자유단은 상기 하우징의 각 면의 중간의 개구를 통과하는 스페이서 소판에 의해 연장된다. 상기 특허 FR2921509에 따른 어셈블리는 ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로용 연료 어셈블리의 기능적 특징 중 적어도 일부와 호환될 수 없다. 특히, 하우징 내부에 부착된 별 형상의 구조체는 플레넘 영역에 추가된 상당한 양의 강철을 형성하고, 이는 필연적으로 상기 코어의 CFV 효과를 더 이상 보장하지 못하는 정도까지 배출 계수의 저하를 야기시킨다. 또한, 상기 별 형상의 구조체는 자연적으로 어셈블리 내의 소듐 유동에 방해가 되며, 결과적으로 하중 손실을 증가시키고 그리고 어셈블리의 출구에서의 유동에 악영향을 미친다.

특허 US4306938은 SFR 원자로용 연료 어셈블리를 기술하고 있으며, 이는 육각 하우징의 전체 둘레에 걸친 등고선 또는 연속적인 스트립의 형태로 스탬핑된 소판을 포함한다. 상기 스탬핑된 소판은 하우징의 내부에 배치된 칼라의 설치에 의해 보강되고, 소판과 동시에 램 스탬핑되고, 일단 변형되면, 소판의 변형 중공 내에 수용된다. 소판 뒤의 내부 직경은 육각 하우징의 내경과 동일하다. 상기 특허 US4306938에 따른 어셈블리는 ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로용 연료 어셈블리의 상당히 많은 기능적 특성에 부합할 수 없다. 우선, 칼라가 소판의 엠보싱에 의해 형성된 중공 내에 정확히 수용되기 때문에, 그 두께는 인접한 두 어셈블리 사이의 거리의 절반과 동일한 엠보싱 깊이에 따라 제한되며, 이는 전형적으로 1.5 내지 3 mm 정도이다. 이 두께는 작고 소판 및 칼라로 구성된 어셈블리의 등가 강성에 충분하지 않으며, 소판의 고유 강성을 5까지 증가시키기에 충분하지 않다. 그 결과, 그 결과, 소판은 하우징의 전체 외주에 걸쳐 연속적으로 엠보싱되기 때문에, 그들은 어셈블리들 사이의 공간을 완전히 차단한다. 이는 소듐의 순환되는 것을 막거나 또는 어셈블리 사이의 자연 대류의 설치를 방해한다. 마지막으로, 소판이 하우징의 면의 전체 폭에 걸쳐 엠보싱된다는 사실 때문에, 2개의 인접한 어셈블리의 소판 상의 접촉 표면적은 크다. 더욱이, 소판은 페라이트 강으로 이루어진 하우징 내로 엠보싱되는 바, 처리 온도에서 소판에서의 동작은 제로에 가깝다. 이러한 두 가지 측면은 배열 내로 상기 어셈블리의 추출/삽입 동안 취급하는 힘을 증가시키는 방향으로 나아간다.

특허 출원 US2014/185734는 육각 단면의 외측관 내에 수용된 내측관으로 이루어진 이중벽 구조체를 갖는 하우징을 포함하는 SFR 원자로용 연료 어셈블리를 개시한다. 내측관은 외측관과 접촉할 때까지 내부 하중의 영향으로 변형된다. 외측관은 내측관에 의해 전달된 힘을 흡수한다. 두 개의 관 사이의 변형/구속의 정확한 분배는 외측관 상의 변형이 제한되도록 한다. 상기 외측관의 변형을 제한하기 위해 추가적인 보강재는 두 개의 관 사이에 배치될 수 있다. 상기 특허 출원에서, 문제 설명(problem statement)은 냉매의 압력의 영향 하에, 내부 어셈블리의 구조체 내부로부터 외부로의 힘의 전달과 관련된다. 이 문제는 ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로용 연료 어셈블리에 대해 제기된 것과 반대이며, 그 목적은 인접한 어셈블리로부터의 추력(thrust force)의 영향으로 구조체의 외부로부터 내부로 향하는 힘을 제한하는 것이다.

따라서, 특히 ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로용 연료 어셈블리의 스페이서 장치의 사양을 충족시키기 위해, 원자로 코어 내의 긴밀한 배열의 인접한 연료 어셈블리 사이에서 스페이서 장치를 개선할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 적어도 이러한 필요성을 부분적으로 충족시키는 것이다.

이러한 목적에서, 본 발명은 종축(X)을 갖는 하우징(10)을 포함하는 원자로용 어셈블리, 특히 소듐 냉각 고속 원자로(Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)용 어셈블리로서, 상기 하우징의 주 표면 각각은, 중앙부 내에서 인접 어셈블리와의 이격을 위해 외부를 향해 돌출되는 부분과 그리고, 내부 상에서는 상기 하우징의 내부에 재료를 갖지 않는 중공에서 튀어오른(bounding) 부분을 포함하는 소판(2)을 포함하고, 상기 어셈블리는, 상기 하우징(10)의 내부에 개별적으로 위치되어 유지되고 상기 소판(2)과 마주하여 배치되어, 그들 각각의 공동(cavity)을 형성하여, 상기 원자로용 냉각수의 통로를 허용하도록 설계된 중공 튜브로 구성된 보강 칼라(collar)(3)를 더 포함하는, 원자로용 어셈블리에 관한 것이다.

하나의 실시예에 따르면, 상기 하우징(10)은 육각형 단면을 갖는다.

하나의 유리한 실시예에 따르면, 각각의 소판은 엠보싱된 소판(20)이며, 상기 칼라는 상기 소판(2)의 엠보싱 중공(21)에 마주하여 배치된다.

바람직하게는, 각각의 소판은 직사각형 형상의 인접 어셈블리에 대한 외부 접촉면(20)을 구비한다.

하나의 유리한 실시예에 따르면, 상기 보강 칼라(3)는, 칼라의 바닥의 내주면(31)과 칼라의 바닥의 외주면(30)을 연결하는 수렴면(33)을 형성하는 경사진 직선 모서리, 및 칼라의 상부의 내주면(31)과 칼라의 상부의 외주면(30)을 연결하는 발산면(34)을 형성하는 경사진 직선 모서리를 포함한다. 본 발명에 따른 칼라에 의해 보강된 소판은, 삽입된 칼라(the insert collar)가 상기 어셈블리 내의 소듐 유동에 장애물을 구성한다는 점에서 관입형(intrusive) 소판을 형성한다. 이에 따라, 상기 카라의 두꺼운 부분의 상류에 수렴면을 배치하고 하류에 발산면을 배치함으로써, 한편으로는, 하중 손실이 최소화되므로 어셈블리 내부의 열수력의 구현을 기여하고 그리고, 한편으로는, 강철의 양이 감소 덕분에, 이것은 ASTRID 원자로의 프레임워크에서 추구하는 음의 배출 계수(CFV)를 유지하는데 기여한다.

유리하게는, 상기 보강 칼라(3)는 엠보싱된 소판(2)의 엠보싱 중공(21)보다 작은 높이를 가지며, 상기 높이는 종축(X)을 따라 측정된 것이다.

엠보싱된 소판의 경우, 이와 반대로, 상기 보강 칼라(3)는 상기 엠보싱된 소판(2)보다 더 큰 높이를 가지며, 상기 높이는 종축(X)을 따라 측정된다. 이 경우, 상기 칼라는 상기 칼라 및 소판 사이에 형성된 각각의 공동 내부의 액체 및 기체의 비축적의 충진과 배출을 허용하는 수단을 포함한다. 이러한 수단은 상기 칼라를 통과하는 적어도 두 개의 구멍으로 이루어져 있으며, 상기 각각은 상기 칼라 및 소판 사이에 형성된 각각의 공동 내에서 개방되고, 상기 구멍은 상기 공동의 하부 및 상부에 각각 위치된다.

제 1 변형된 실시예에 따르면, 상기 보강 칼라는 상기 소판(2)들의 높이와 같거나 더 큰 높이를 가지며, 그리고 상기 하우징의 내부 횡단면의 최대 치수와 실질적으로 동일한 외경을 갖는 중공 실린더(3)를 포함한다.

제 2 변형된 실시예에 따르면, 상기 보강 칼라는 외주면(30)이 상기 하우징의 내부 육각 단면에 맞는 육각 부분을 포함하는 구성 요소(3')를 포함한다. 이 변형예에 따르면, 상기 내주면은 원형의 횡단면을 가질 수 있다.

제 3 변형된 실시예에 따르면, 상기 보강 칼라는 외주면(30)이 상기 하우징의 내부 육각 단면에 맞는 육각 횡단면을 갖는 구성 요소(3")를 포함한다. 이 변형예에 따르면, 상기 구성 요소(3")은 또한 육각 횡단면을 갖는 내주면을 갖고, 상기 구성 요소의 상기 내주면의 높이는 외주면의 높이보다 낮다.

하나의 유리한 실시예에 따르면, 상기 보강 칼라는 열팽창 계수를 갖는 재료로 구성되고 그리고 조사 하에서의 팽윤(swelling)은 상기 어셈블리의 상기 소판들을 포함하는 상기 하우징의 재료에서보다 더 크다.

이 실시예에 따르면, 상기 보강 칼라(3)는 바람직하게 오스테나이트 강으로 이루어지고 그리고 상기 하우징(10)은 바람직하게 페라이트 또는 마텐자이트 강으로 이루어진다.

하나의 유리한 실시예에 따르면, 상기 칼라는 상기 하우징의 내부에 가장 잘 고정시키기 위해, 상기 보강 칼라(3)는 상기 하우징의 내부 단면의 둘레 상에 배치된 부착 수단(4)에 의해 상기 어셈블리의 하나 이상의 구조체에 부착된다.

전술한 어셈블리는 유리하게 연료 어셈블리를 형성하고, 상기 하우징은 상기 원자로의 코어의 지지 구조체에 수직으로 삽입되도록 설계되며, 상기 하우징은 상부 중성자 보호 장치(UNP)(2)를 수용하는 어셈블리(11)의 헤드를 형성하는 상부 및 핵 연료 핀(14)을 수용하는 중앙부(12)를 포함하고, 스페이서 소판(2)은 상기 연료 핀 위에 배치된다.

이 실시예에서는, 상기 칼라의 부착의 수단은 상기 UNP의 상기 하부 구조체에 연결된 로드이다.

정의된 바와 같은 상기 연료 어셈블리는 연료 어셈블리의 스페이서 장치의 사양이 ASTRID 유형의 제 4 세대 SFR 원자로에 충족되도록 한다.

기술된 어셈블리는 또한 소듐 냉각 고속 원자로 내에 삽입될 수 있는 임의의 다른 유형의 비연료 어셈블리를 구성할 수 있고, 예를 들어 원자로 어셈블리, 측면 중성자 보호(Lateral Neutron Protection, LNP) 어셈블리, 제어 로드, 실험 어셈블리, 보완 안전 장치, 고속 증식로 어셈블리 또는 변환 어셈블리를 형성할 수 있다.

본 발명은 또한 상기에 기술된 어셈블리의 수행을 위한 방법에 관련되며, 하기의 단계를 포함한다:

- 감소된 장착 동작을 보장하기 위해 상기 어셈블리 하우징(10)의 내부 단면의 실제 치수에 적합한 외부 치수를 갖는 보강 칼라(3)를 형성하는 단계;

- 장착 동작을 증가시키기 위해 상기 하우징(10)을 예열시키는 단계;

- 상기 소판들과 마주보도록 위치될 때까지 예열된 상기 하우징(10)의 내부에 부착 수단(4)이 구비된 상기 칼라(3)를 삽입하는 단계;

- 상기 어셈블리 내부 구조체에 상기 칼라를 부착시키는 단계; 및

- 상기 하우징(10)을 냉각시키는 단계.

본 발명은 또한 가스 냉각되거나 또는 액체 금속 원자로, 소듐, 납 또는 납-비스무트(bismuth) 중에서 선택되는 액체 금속과 같은, 고속 중성자(fast-neutron, FNR) 원자로에서 상기에 기술된 연료 어셈블리의 사용과 관련된다.

본 발명자는 다양한 연구를 통해 마침내 본 발명이 ASTRID 원자로용 연료 어셈블리의 필요성, 즉, 종래 기술에 비해 5배만큼의 소판의 강성 증가를 충족시킬 수 있음을 최종적으로 보여주며, 음의 배출 계수를 유지함과 동시에, 원자로의 취급, 제조 및 열수력과 호환될 수 있다.

도 1은 소듐 냉각 SFR 원자로에서 이미 사용되는 종래 기술에 따른 연료 어셈블리의 외관 사시도이다;
도 2는 원자로 "피닉스(Pheonix)"에서 이미 사용되는 종래 기술에 따른 연료 어셈블리의 사시도로서, 원자로의 코어에서 인접하는 연료 어셈블리를 갖는 스페이서 소판의 형태의 장치를 도시한다;
도 2의 A는 프로젝트 초기에 ASTRID 용으로 계획된 연료 어셈블리의 종단면도로서, 상기 어셈블리의 다른 구성 요소에 대한 소판들의 위치를 보다 정확하게 도시한다;
도 3A 및 3B는 도 2 및 도 2의 A에 따른 연료 어셈블리의 육각 횡단면을 갖는 하우징의 일부의 사시도 및 횡단면도로서, 소판을 형성하는 엠보싱을 도시한다;
도 3C는 도 3A 및 3B에 따른 소판 전면의 상세도이다;
도 4는 도 3b와 동일하며, 하우징의 3개의 대향하는 면이 유지되는 반면에, 후자는 하우징이 소판에 힘이 가해질 때 하우징의 면의 변형을 도시한다;
도 5는 ASTRID 원자로용으로 계획된 바와 같이, 도 2A에 따른 소판을 갖는 스페이서 장치 및 본 발명에 따른 부착된 칼라를 도시하는 육각 횡단면의 하우징을 갖는 연료 어셈블리의 일부의 횡단면도이다;
도 6은 본 발명에 따른 칼라의 제 1 변형을 도시하는 엠보싱된 소판을 갖는 육각 단면을 갖는 하우징의 일부의 사시도이다;
도 7은 본 발명에 따른 칼라의 제 2 변형을 도시하는 엠보싱된 소판을 갖는 육각 단면을 갖는 하우징의 일부의 사시도이다;
도 8은 본 발명에 따른 칼라의 제 3 변형을 도시하는 엠보싱된 소판을 갖는 육각 단면을 갖는 하우징의 일부의 사시도이다;
도 9는 어셈블리 하우징의 내부에 부착 수단을 갖는 본 발명에 따른 칼라의 제 3 변형을 도시하는 엠보싱된 소판을 갖는 육각 단면을 갖는 하우징의 일부 사시도이다;
도 10은 장착된 연료 어셈블리 내의 열수력이 개선되도록 하는, 본 발명에 따른 보강 칼라의 유리한 일 변형예의 단면의 상세도이다;
도 11A 및 11B는 장착된 연료 어셈블리 내의 열수력이 개선되도록 하는, 본 발명에 따른 보강 칼라의 다른 유리한 변형예의 개략적인 단면도이다.
도 12는 육각 단면의 어셈블리 하우징 내에 고정된 12각형 단면을 갖는 본 발명에 따른 보강 칼라의 개략적인 단면도이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징들은 하기의 도면들을 참조하여 비제한적 예시로서 제시된 본 발명의 상세한 설명을 읽을 때 더욱 명확해질 것이다:

명확한 설명을 위해, 종래 기술 및 본 발명에 따른 연료 어셈블리 및 소판을 갖는 스페이서 장치와 동일한 구성 요소를 나타내는 동일한 참조 번호가 모든 도 1 내지 도 12에 사용된다.

본 출원의 어셈블리에서는, "수직(vertical)", "하부(lower)", "상부(upper)", "바닥(bottom)", "상단(top)", "아래(under)" 및 "위(above)"라는 용어는 원자로의 수직 구성과 같은 연료 어셈블리를 참조하여 이해되어야 한다.

종래 기술에 관한 도 1 내지 3C는 이미 서두에 상세히 설명되었으므로, 이후에는 설명하지 않는다.

인접한 연료 어셈블리와의 이격을 위한 소판(2)은 제 4 세대의 SFR 원자로의 연료 어셈블리의 특별한 특징을 따르기에 충분한 강성 K를 나타내지 않는다는 주목으로부터 시작하여, 본 발명자는 소판들의 변형의 모드를 분석하였다.

이에 따라, 이 소판 상에 인가된 파쇄력(crushing force)으로, 엠보싱에 의해 형성된 소판(2)의 낮은 강성은, 후자의 현저한 변위를 특징으로 한다.

본 발명자는 힘이 가해지는 소판의 현저한 변위 또는 평탄화는 문제의 소판을 포함하는 상기 육각 하우징의 면의 굽힘 변형에 의해 주로 야기됨을 입증할 수 있었다. 이 현상은 유한 요소 해석에 의해 재현되었고 이는 도 4에 도시되어 있다.

그 다음, 본 발명자는 육각 단면을 갖는 하우징(10) 내부에 배치되어 유지되고 상기 소판(20)에 대향하여 위치되고, 보다 정확하게는 상기 소판의 엠보싱(2)의 중공(21)의 레벨에 있는 보강 칼라(3)에 의해 엠보싱(2)의 내부를 보강하는 것을 안출하였다.

상기 ASTRID 유형의 SFR 원자로에 사용되기 위해, 본 발명에 따른 칼라(3)를 포함하는 연료 어셈블리(1)는 도 5에 도시되어 있다. 고속 중성자 원자로용으로 설계된 종래 기술에 따른 연료 어셈블리에 대해서와 마찬가지로, 본 발명에 따른 어셈블리(1)는 종축(X)을 따라 연장된 형상을 가지며 육각 횡단면을 갖는 하우징(10)을 포함하고, 그 상부(11)의 단부가 어셈블리의 헤드를 형성하고, 그리고 중성자 흡수 장치(18)를 포함하는 UNP라 불리는 중성자 보호 장치를 둘러싼다. 어셈블리(1)의 중앙부 (12)는 어셈블리의 핵분열 영역을 형성하는 연료 핀(14)을 둘러싸고 있다.

어셈블리(1)는 마지막으로 종래 기술에 따른 어셈블리에서와 같이 하우징(10)의 연장부에 어셈블리의 발을 형성하는 하부(미도시)를 포함한다. 어셈블리의 상기 발은 원자로 코어의 베드 내로 수직하게 삽입될 수 있도록 원추형 또는 둥근 말단부를 구비한다. 상기 어셈블리의 발은 또한 어셈블리 내로 소듐의 삽입을 위해 외면 상에 구멍을 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보강 칼라(3)는 연료 핀(14) 위의 하우징(10) 내부에 수용되어 유지되고 소판(2)의 엠보싱 중공에 대향하도록 위치된다.

각각의 엠보싱된 소판(2)은 항상 인접한 어셈블리와 접촉하는 외면(20)을 갖으며, 이는 칼라(3)에 의해 충격을 받지 않는 직사각형 형상을 갖고, 각 소판(2)은 항상 하우징의 내부에 재료가 없는 엠보싱 중공(21)을 갖는다.

이에 따라, 원형 또는 간격과 강성의 제약을 만족시키며 가능한 모든 다른 형상과 같은, 어떠한 형상을 취하는 소판도 구상될 수 있다.

본 발명에 따른 보강 칼라(3)는 하우징(10)의 6 개의 면 각각의 굽힘에 의한 변형이 제한되도록 하며, 이에 따라 엠보싱된 소판(2)의 강성이 증가되도록 한다. 전체 등가 강성은 엠보싱된 소판(2)의 강성과 칼라(3)의 강성의 합이다.

본 발명에 따른 보강 칼라(3)는 하우징(3)의 내부에 배치된 구성 요소인 바, 목표되는 강성 및 어셈블리 고유의 제조/설치 제약에 따라 다수의 기하학적 구조(단면의 형상, 두께, 높이)가 주어질 수 있다.

이에 따라, 원형의 링 형상, 육각 또는 12각형 횡단면, 정사각형, 사다리꼴, "T" 형상(리브), "U" 형상, 기타의 반경 방향 단면을 갖는 칼라가 구상될 수 있다. 일반적, 본 발명에 따른 보강 칼라(3)는 기하학적 구조, 치수 및/또는 재료의 관점에서 용이하게 적용될 수 있다.

칼라의 기하학적 구조의 세 가지 변형이 도 6 내지 8에 도시되어 있고, 이는 다음과 같을 수 있다.

- 외부 직경이 하우징(10)의 내부 직경과 실질적으로 동일한 중공 실린더(3) (도 6);

- 하우징(10)의 내부 단면에 맞는 육각 횡단면을 갖는 외주면(30)을 가지며 그 내주면(31)은 원형 횡단면을 갖는 구성 요소(3')(도 7);

- 외주면(30)이 하우징(10)의 내부 단면에 맞는 육각 횡단면을 갖고 내주면(31) 또한 육각 횡단면을 갖는 구성 요소(3''), 상기 구성 요소의 내주면의 높이는 상기 구성 요소의 외주면의 높이보다 낮음. 외주면(30)은 중앙 리브(32)에 의해 내주면(31)에 연결될 수 있음(도 8). 칼라의 반경 방향 단면은 "T"자 형상을 가짐.

칼라(3)를 위한 재료의 선택은 자유롭다. 유리하게는, 칼라(3)는 그 열 팽창 계수 및 조사(irradiation) 하에서 팽윤이 어셈블리의 소판을 포함하는 하우징의 재료보다 더 큰 재료로 구성된다. 바람직하게는, 칼라(3)는 AISI 316 형식의 오스테나이트 강으로 이루어지고, 이는 EM10 형식의 마르텐 사이트 강으로 구성된 하우징이 장착 된, ASTRID 유형의 SFR 원자로용 연료 어셈블리(1)의 프레임워크에서 충족되어야 할 기능과 관련하여 최상의 타협점을 갖는 재료이기 때문이다.

도 9는 도 8의 칼라(3'')의 부착의 하나의 유리한 변형예를 도시하고 있다. 이 변형예의 도시에 따르면, 칼라(3'')는 하우징(10)의 육각 교차-내부 단면의 모서리에 각각 배치된 부착 로드(4)에 의해 UNP(미도시)의 하부 고정 구조체 상에 부착된다(매달린다). 도시된 부착 로드(4)는 원형 단면을 갖으나, 임의의 다른 단면일 수도 있다.

이러한 부착 로드(4)에 있어서, 연료 어셈블리의 설치 방법은 초기 단계일 때 부가된 UNP에 칼라(3)의 부착만이, ASTRID 원자로를 위해 이미 제공된 기준 설치 절차와 호환 가능하다.

본 발명에 따른 하우징(10) 내에 칼라(3) 설치의 방법의 이점은, 칼라(3)와 하우징(10) 사이에 용접, 나사 결합, 크림핑(crimping) 등의 추가적인 기계적 부착을 필요로하지 않는다는 것이다.

칼라(3)는 하우징(10)의 내부 동작(play)으로 삽입된다. 하우징(10)의 내부 벽에 대한 칼라(3)의 올바른 교정 동작이 수행될 필요가 있다.

이에 따라 하기의 조건들을 확인하는 것이 필요하다:

- 상기 동작은 하우징(10)에 칼라(3)를 장착하는 동안, 상기 동작은 엄격하게 양의 값 또는 충분히 커야하며, 다시 말하면 주위 온도가 약 20°C 인 어셈블리 작업장 환경이어야 한다;

- 상기 동작은 원자로의 정상 작동에서 0 또는 약간의 음의 값(정확하게 맞는)이어야 하며, 다시 말하면 소판(2)에서 550°C의 평균 온도이어야 한다. 이 조건은 본 발명의 프레임워크에서 추구되는 소판의 강성의 증가를 효과적으로 얻기 위해 칼라(3) 및 하우징(10) 사이의 양호한 접촉이 보장되도록 한다.

상기에 설명한 동작의 두 가지 조건은 다음과 같은 특징을 가진 칼라로 충족될 수 있다:

- 칼라(3)는 페라이트 또는 마텐자이트 강으로 제조된 하우징(10)보다 중성자 자속 하에서 높은 열 팽창 계수 및 팽윤을 갖는 오스테나이트 강으로 이루어진다. 이러한 방식으로, 550°C 에서 작동하는 칼라(3) 및 하우징(10) 사이에서의 동작의 시작이 용이해진다.

- 칼라(3)가 하우징(10) 내에 장착되는 경우, 칼라(3)는 약 20°C로 유지되는 반면, 후자는 약 100 내지 200 °C의 온도로 예열된다. 두 강철 사이의 팽창 차이의 결과는 장착 동작을 증가시킬 수 있다.

- 하우징(10)에 접촉면을 형성하는, 칼라(3)의 외측 치수는 설치 전 마지막 순간에 기계 가공되어 하우징의 내부 직경의 실제 측정값에 따라 조정된다. 이는 상대적으로 큰 하우징(10)의 제조 허용 오차의 문제가 극복될 수 있게 한다.

별도로 장착됨은, 본 발명에 따른 칼라(3)가 소판(2)의 높이와 독립적인 높이로 선택될 수 있다는 것을 의미하며, 사실상 소판의 높이와 동일한 높이를 갖는 특허 US4306938에 따른 칼라 해결책과는 대조적이다.

예로써, 본 발명자는 도 10에 도시된 바와 같이, 엠보싱 높이(h)가 80mm인 엠보싱된 소판(2)에 대해 50mm와 동일한 유용한 높이(H1)의 칼라(3)가 완벽하게 만족스럽게 평가한다. 이 유용한 높이에서, 강성을 5배 증가시키기 위해 필요한 칼라(3)의 두께는 8.6mm이다.

본 발명에 따른 칼라에 의해 유발된 하중 손실을 최소화하기 위해, 도 10에 도시된 하나의 유리한 변형예는, 칼라의 바닥의 내주면(31)과 칼라의 바닥의 외주 (30)를 연결하는 수렴면을 형성하는 경사진 직선 모서리(33) 및 칼라의 상단의 내주면(31)과 칼라의 상단의 외주면(30)을 연결하는 발산면을 형성하는 경사진 직선 모서리(34)를 갖는 칼라(3)를 구성하는 것이다.

이러한 변형예는 칼라의 두께가 커질수록 더욱 효과적이다.

수렴면(33) 및 발산면(34)을 포함하는 칼라(3)의 전체 높이(H3)가 엠보싱된 소판의 높이를 초과하는 변형예에서, 엠보싱된 소판(2)과 칼라(3) 사이의 체적은 엠보싱 중공(21)에 의해 한정되고 폐쇄된 공동을 형성한다.

수렴면(33)의 하부에는, 이러한 공동으로 또는 공동으로부터 액체 소듐의 충진 및 배출을 위한 적어도 하나의 관통홀을 제공하는 것이 필요하다. 또한, 상기 공동을 소듐으로 채우는 동안 가스를 포획하는 것을 막기 위해, 발산면의 상부에 적어도 하나의 다른 관통홀이 필요할 수도 있다.

수렴면(33) 및 발산면(34) 대신에, 어셈블리 내의 소듐의 유동에 대한 간섭을 제한하는 다른 수단이 제공될 수 있다.

후자를 설명하기 위해, 도 11A 및 11B는 칼라의 두께 내에서 두 개의 상이한 크기의 개구(35, 36)들을 통해 도시하고, 이는 소듐을 통과하게 한다. 이 점에서, 본 발명자는 수렴면/발산면을 사용하는 솔루션보다 본 솔루션이 덜 최적화된 것으로 고려히여, 높은 유동성을 가진 어셈블리 또는 높은 강도의 소판이 필요한 어셈블리에는 적용할 수 없다.

소판의 높이와 비교하여 높이가 낮은 칼라(3)의 경우, ASTRID 원자로의 핵심 포인트인 전체적으로 음수인 배출 계수(CFV 코어)를 보장할 수 있다. 사실, 본 발명자에 의해 수행된 연구에 의하면, 배출의 경우 반응성의 증가를 최소화시키는 파라미터는 칼라(3)에 대한 높이에 제한되며, 이는 균등한 강성을 유지하기 위해 그것의 두께가 증가시켜야 하는 경우에도 마찬가지이다.

또한, 압축에 의한 칼라(3)의 강성은 그 높이에 따라 선형적으로 변화하지만, 그것의 두께의 입방체(cube)에 따라 변화한다는 계산에 의해 나타내어진다.

본 발명에 따른 칼라(3)의 강성을 최대화하기 위해, 그리고 엠보싱된 소판(2)의 결과로서, 작은 높이 및 큰 두께를 갖는 칼라(3)를 계획하는 것이 바람직하다.

본 발명자는 다양한 연구를 통해 마침내 본 발명이 ASTRID 원자로용 연료 어셈블리의 필요성, 즉, 종래 기술에 비해 5배 만큼의 소판의 강성 증가를 충족시킬 수 있음을 최종적으로 보여주며, 음의 배출 계수를 유지함과 동시에, 원자로의 취급, 제조 및 열수력과 호환될 수 있다.

따라서, 전술한 본 발명에 따른 연료 어셈블리(1)는 ASTRID와 같은 제 4 세대 FNR 원자로의 연료 어셈블리의 간격에 대한 모든 기능적인 사양을 충족시키도록 한다.

본 발명은 ASTRID와 같은 제 4 세대 FNR 원자로, 다시 말하면, CFV 코어를 갖는 연료 어셈블리의 특정한 상황에서 기술되었으며, 이는 다수의 제약 조건을 동시에 확인하는 것을 포함한다.

다른 고속 중성자 원자로 또는 비연료 어셈블리의 경우, 다음과 같은 제약 사항 중 일부는 완화되거나 무시될 수 있다:

- 비-CFV 코어 아키텍쳐는 칼라의 치수를 사실상 자유롭게 선택하도록 한다(강철의 양에 제한되지 않음):

- 도 10에 도시된 바와 같이, 소듐의 결핍 또는 낮은 유동은 칼라(3) 상의 수렴면(33) 및 발산면(34)이 회피되도록 한다.

더욱이 일반적으로 말하면, 달리 표현하여 ASTRID 원자로의 특정한 상황의 외부는, 본 발명은 임의의 유형의 어셈블리에 적용될 수 있다:

- 그것의 기하학적 구조와는 무관하다: 횡단면, 반경 방향 단면, 칼라의 치수와는 관계없이, 도 12에 도시된 바와 같은 육각 단면을 갖는 하우징 내의 12각형 단면을 갖는 칼라는 특히 구상될 수 있다;

- 소판의 유형과는 무관하다: 이들은 하우징 내로 엠보싱된 소판일 수 있지만, 예를 들어 하우징의 외부에 부착된 소판과 같은 다른 유형의 비-엠보싱 및 비관입 소판일 수도 있다.

- 하우징 상의 소판의 기하학적 구조와는 무관하다: 그 형태은 직사각형, 원형, 정사각형 또는 다른 모양일 수 있다.

그러나 본 발명의 범위에서 이탈하지 않고 다른 변형 및 개선이 제공될 수 있다.

이에 따라, 상술한 보강 칼라(3)는 ASTRID 유형의 4 세대 고속 중성자 원자로(FNR)용 연료 어셈블리에 배치되지만, 어셈블리들 사이의 간격이 어셈블리의 하우징에 의해 보장되어야하고 특정한 강성이 보장되어야 하는 다른 유형의 FNR에도 이를 적용할 수 있다. 이것은 가스, 소듐, 납, 납-비스무트 등을 사용하여 냉각된 FNR의 모든 유형일 수 있다.

만약 연료 어셈블리 내로 상술한 보강 칼라(3)가 개별적으로 설치된다면, 그것은 또한 반사체(reflector) 어셈블리, 측면 중성자 보호(LNP) 어셈블리, 제어 로드, 실험 어셈블리, 보완 안전 장치, 고속 증식로 어셈블리, 변환 어셈블리 등과 같은 FNR 코어에 존재하는 임의의 다른 유형의 어셈블리를 보강하도록 개별적으로 설치될 수 있다.

UNP에 대한 부착 로드(4) 이외의 보강 칼라(3)에 대한 부착 수단이 본 발명의 범위에서 구상될 수 있다. 이에 따라, 특히 설치 중에 방해가 되거나 또는 작동 중에 원치 않는 힘의 잠재적인 원인인 정적으로 불확정한 위치 문제를 해결하기 위해, 발명자는 설치 중에 볼-조인트를 사용하는 임의의 링크가 바람직하다.

(참고문헌 1) Manual ≪ Reacteurs

neutrons rapides refroidis au sodium ≫ - Les techniques de l'Ingenieur B 3 171

Claims (23)

1. 종축(X)을 갖는 하우징(10)을 포함하는 원자로용 어셈블리, 특히 소듐 냉각 고속 원자로(Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)용 어셈블리로서,
   상기 하우징의 주 표면 각각은,
   중앙부 내에서 인접 어셈블리와의 이격을 위해 외부를 향해 돌출되는 부분과 그리고 내부 상에서는 상기 하우징의 내부에 재료를 갖지 않는 중공에서 튀어오른(bounding) 부분을 포함하는 소판(platelet)(2)을 포함하고,
   상기 어셈블리는,
   상기 하우징(10)의 내부에 개별적으로 위치되어 유지되고 상기 소판(2)과 마주하여 배치되어, 그들 각각의 공동(cavity)을 형성하여, 상기 원자로용 냉각수의 통로를 허용하도록 설계된 중공 튜브로 구성된 보강 칼라(collar)(3)를 더 포함하는,
   원자로용 어셈블리.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징(10)은 육각형 단면을 갖는,
   원자로용 어셈블리.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   각각의 소판은 엠보싱된 소판(20)이며, 상기 칼라는 상기 소판(2)의 엠보싱 중공(21)에 마주하여 배치되는,
   원자로용 어셈블리.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 소판은 직사각형 형상의 인접 어셈블리에 대한 외부 접촉면(20)을 구비한,
   원자로용 어셈블리.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보강 칼라(3)는,
   칼라의 바닥의 내주면(31)과 칼라의 바닥의 외주면(30)을 연결하는 수렴면(33)을 형성하는 경사진 직선 모서리, 및
   칼라의 상부의 내주면(31)과 칼라의 상부의 외주면(30)을 연결하는 발산면(34)을 형성하는 경사진 직선 모서리를 포함하는,
   원자로용 어셈블리.
   
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보강 칼라(3)는 엠보싱된 소판(2)의 엠보싱 중공(21)보다 작은 높이를 가지며, 상기 높이는 종축(X)을 따라 측정된 것인,
   원자로용 어셈블리.
   
7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보강 칼라(3)는 엠보싱된 소판(2)의 엠보싱 중공(21)과 같거나 더 큰 높이를 가지며, 상기 높이는 종축(X)을 따라 측정된 것이고, 상기 칼라는 상기 칼라 및 소판 사이에 형성된 각각의 공동 내부의 액체 및 기체의 비축적의 충진과 배출을 허용하는 수단을 포함하는,
   원자로용 어셈블리.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 수단은 상기 칼라를 통과하는 적어도 두 개의 구멍으로 이루어지며, 상기 각각은 상기 칼라 및 소판 사이에 형성된 각각의 공동 내에서 개방되고, 상기 구멍은 상기 공동의 하부 및 상부에 각각 위치되는,
   원자로용 어셈블리.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보강 칼라는 상기 소판(2)들의 높이와 같거나 더 큰 높이를 가지며, 그리고 상기 하우징의 내부 횡단면의 최대 치수와 실질적으로 동일한 외경을 갖는 중공 실린더(3)를 포함하는,
   원자로용 어셈블리.
   
10. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 칼라는 외주면(30)이 상기 하우징의 내부 육각 단면에 맞는 육각 부분을 포함하는 구성 요소(3')를 포함하는,
    원자로용 어셈블리.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구성 요소(3')는 원형 단면의 내주면을 갖는,
    원자로용 어셈블리.
    
12. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 칼라는 외주면(30)이 상기 하우징의 내부 육각 단면에 맞는 육각 횡단면을 갖는 구성 요소(3")를 포함하는,
    원자로용 어셈블리.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구성 요소(3")은 또한 육각 횡단면을 갖는 내주면을 갖고, 상기 구성 요소의 상기 내주면의 높이는 외주면의 높이보다 낮은,
    원자로용 어셈블리.
    
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 칼라는 열팽창 계수를 갖는 재료로 구성되고 그리고 조사 하에서의 팽윤(swelling)은 상기 어셈블리의 상기 소판들을 포함하는 상기 하우징의 재료에서보다 더 큰,
    원자로용 어셈블리.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 보강 칼라(3)는 오스테나이트 강으로 이루어진,
    원자로용 어셈블리.
    
16. 제 14 항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 하우징(10)은 페라이트 또는 마텐자이트 강으로 구성된,
    원자로용 어셈블리.
    
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 칼라(3)는 상기 하우징의 내부 단면의 둘레 상에 배치된 부착 수단(4)에 의해 상기 어셈블리의 하나 이상의 구조체에 부착되는,
    원자로용 어셈블리.
    
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 어셈블리를 형성하는 원자로용 어셈블리, 특히 소듐 냉각 SFR용 어셈블리로서,
    상기 하우징은 상기 원자로의 코어의 지지 구조체에 수직으로 삽입되도록 설계되며, 상기 하우징은 상부 중성자 보호 장치(Upper Neutron Protection, UNP)(2)를 수용하는 어셈블리(11)의 헤드를 형성하는 상부 및 핵 연료 핀(14)을 수용하는 중앙부(12)를 포함하고, 스페이서 소판(2)은 상기 연료 핀 위에 배치되는,
    원자로용 어셈블리.
    
19. 제 17 항을 인용하는 경우의 제 18 항에 따른 연료 어셈블리(1)로서,
    상기 칼라의 부착의 수단은 상기 UNP의 하부 구조체에 연결된 로드인,
    연료 어셈블리.
    
20. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원자로 어셈블리를 형성하는 어셈블리(1), 특히 소듐 냉각 고속 SFR용 어셈블리로서,
    측면 중성자 보호(Lateral Neutron Protection, LNP) 어셈블리, 제어 로드, 실험 어셈블리, 보완 안전 장치, 고속 증식로 어셈블리 또는 변환 어셈블리를 형성하는,
    원자로용 어셈블리.
    
21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 어셈블리의 제조 방법으로서,
    (a) 감소된 장착 동작을 보장하기 위해 상기 어셈블리 하우징(10)의 내부 단면의 실제 치수에 적합한 외부 치수를 갖는 보강 칼라(3)를 형성하는 단계;
    (b) 상기 하우징(10)의 예열 단계;
    (c) 상기 소판들과 마주보도록 위치될 때까지 예열된 상기 하우징(10)의 내부에 부착 수단(4)이 구비된 상기 칼라(3)를 삽입하는 단계;
    (d) 상기 어셈블리 내부 구조체에 상기 칼라를 부착시키는 단계; 및
    (e) 상기 하우징(10)을 냉각시키는 단계; 를 포함하는,
    방법.
    
22. 제 18 항 또는 제 19 항에 따른 연료 어셈블리(1) 또는 제 20 항에 따른 다른 비연료 어셈블리에 있어서, 고속 중성자 핵 원자로에서의 상기 어셈블리의 사용 방법.
    
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 원자로는 가스 냉각되거나 또는 액체 금속을 구비하고, 상기 액체 금속은 소듐, 납 또는 납-비스무트(bismuth) 중에서 선택된 것인, 사용 방법.

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