KR20180108573A - 원자로용 흡수봉 집합체 및 흡수봉 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)를 포함하는 흡수봉 집합체에 관한 것으로, 흡수재 집합체 각각은 중성자 흡수재 요소(20)를 포함하며, 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)의 각각의 흡수재 요소(20)는 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 단일 물질 또는 단일 조합의 물질들로 구성되며, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)는 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)와 상이한 횡단면 구조를 가진다.
Description
본 발명은 가압수형 원자로용 흡수재 클러스터의 분야에 관한 것이다.
가압수형 원자로(PWR)는 원자로 용기 내에 나란히 배치된 복수의 핵연료 집합체를 포함하는 노심을 포함한다.
핵연료 집합체는 지지 구조체 내에 삽입되는 연료봉의 다발을 포함하며, 지지 구조체는 하부 노즐과 상부 노즐을 포함하고, 하부 노즐과 상부 노즐 사이에는 연료봉, 하단부와 상단부를 연결하는 가이드 튜브 및 해당 가이드 튜브 상에 고정되고 상부 및 하부 노증 사이에서 가이드 튜브를 따라 분배되는 스페이서 그리드가 배치되고, 스페이스 그리드는 연료봉을 유지한다.
가이드 튜브의 목적은 지지 구조체의 강성을 보장하고 원자로의 노심의 반응도를 완화하는 데 사용되는 중성자 흡수봉이 핵연료 집합체 내로 삽입될 수 있게 하는 것이다.
흡수봉은 서포트에 의해 상단부에서 함께 연결된다. 서포트와 해당 서포트에 의해 보유되는 흡수봉의 다발에 의해 형성되는 집합체는 흡수재 클러스터로 지칭된다. 서포트는 일반적으로 때로 스파이더로 불리는 스타형, 또는 지지 플레이트 또는 플레이트로 지칭되는 실질적으로 정방형의 천공된 형태를 가진다.
제어 클러스터 또는 조절 클러스터로도 지칭되는 이동형의 흡수재 클러스터를 제공하는 것이 가능한 데, 각각의 흡수재 클러스터는 각각의 스파이더에 의해 원자로의 클러스터 제어 메커니즘의 제어봉을 향해 매달리고, 원자로의 정상 가동 중에 수직으로 이동 가능하여 그 흡수봉을 핵연료 집합체의 가이드 튜브 내로 더 많이 또는 더 적게 하강시킴으로써 원자로의 노심의 반응도를 조정한다.
이들 제어 클러스터는 원자로의 노심의 반응도를 증가시키도록 상승되거나 원자로의 노심의 반응도를 감소시키도록 하강된다.
이들 제어 클러스터는 원자로를 정지시키기 위해 핵연료 집합체 내로 흡수봉을 신속하고 완전하게 하강시키도록 제어봉과 분리된다.
예컨대, 원자로 노심의 다른 영역 내에 있는 고흡수성 제어 클러스터 또는 블랙 클러스터 및 저흡수성 제어 클러스터 또는 그레이 클러스터와 같은 다른 종류의 제어 클러스터를 제공하는 것이 가능하다. 흡수성 그레이 클러스터는 그 흡수성이 요구되는 수준으로 적합화된 흡수봉을 가지며, 통상은 강재로 된 불활성 봉(inert rod)이다.
또한, 노심의 반응도를 제한하고자 원하는 영역에 고정형 흡수재 클러스터를 제공하는 것도 가능한 데, 여기서 지지 플레이트에 의해 보유되는 봉은 원자로의 정상 가동 중에 대응하는 핵연료 집합체 내에 삽입된 상태로 유지된다.
이러한 고정형 흡수재 클러스터는 예컨대, 중성자 활동도를 감소시키고 용기의 방사선 조사(irradiation)를 제한하도록 원자로 노심의 외주 상에 위치된 핵연료 집합체 내에 배열된다.
고정형 흡수재 클러스터는 그 흡수성이 요구되는 수준으로 적합화된 흡수봉과 가능하게는 대체로 짧은 강재 바아(bar)의 형태의 불활성 봉을 가진다.
흡수재 클러스터가 고정형인지 이동 가능한 지에 따라, 그 흡수봉은 통상적으로 중성자 흡수 물질로 된 원통형 흡수재 요소의 스택으로 형성된 관형 피복 및 흡수재 칼럼을 포함한한다. 흡수재 요소는 통상 10~20 mm의 높이와 7~9 mm의 직경의 원형의 원통형 펠릿, 또는 그 길이가 수 cm 또는 심지어 수 m, 즉 흡수재 칼럼의 총 길이에 도달할 수 있고 상기 펠릿과 실질적으로 동일한 직경의 원통형 바아의 섹션의 형태로 제공된다. 일부의 경우, 흡수봉은 피복이 없는 바아에 의해 직접 구성될 수 있고 흡수재 재료로 이루어질 수 있다.
흡수재 클러스터의 흡수봉의 흡수재 칼럼의 높이는 원자로 노심 내에 완전히 삽입시 고정형 흡수재 클러스터와 이동형 흡수재 클러스터의 흡수재 칼럼에 의해 핵분열 칼럼의 완전한 회수를 허용하도록 연료봉 내에 수용된 핵분열 물질의 칼럼의 높이와 최소한 동일하다.
고정형 흡수재 클러스터의 흡수봉은 통상적으로 튜브 형상의 유리화 보로실리케이트를 수용하는 강재 피복으로 이루어진다.
이동형 흡수재 클러스터용으로, 은-인듐-카드뮴(SIC)으로 된 흡수재 요소, 디스프로슘 티타네이트로 된 흡수재 요소, 디스프로슘 하프네이트로 된 흡수재 요소 및/또는 보론 카바이드(B4C)로 된 흡수재 요소를 포함하는 피복된 흡수봉 또는 피복되지 않은 하프늄계 흡수봉을 사용하는 것이 가능하다.
특히 그 하부에 은-인듐-카드뮴(SIC)으로 된 흡수재 요소와 그 상부에 보론 카바이드(B4C)로 된 흡수재 요소를 수용하는 흡수봉을 사용하는 것이 가능하다.
이것은 한편으로 제어 클러스터가 전혀 삽입되지 않거나 오직 일부만 삽입된 경우, 또는 제어 클러스터가 완전히 삽입된 경우 흡수봉의 상부의 중성자 흡수율이 높은 결과로서 원자로가 정지된 경우 원자로의 정상 가동에 적합화된 중성자 효율을 가지고 그리고 다른 한편으로, 원자로의 비상 정지시 안전 규정에 의해 부과된 시간 내에 제어 클러스터의 하강을 보장하도록 충분히 큰 질량을 가지는 것을 가능케 한다.
그러나, SIC의 성분은 희소 물질(인듐), 독성 물질(카드뮴)이거나 방사선 조사 후 상당한 방사능을 야기한다(은; silver). 추가로, 방사선 조사의 영향 하에서 SIC는 부풀어 올라서 피복의 변형 및 균열을 야기할 수 있다.
추가로, 보론 카바이드는 방사선 조사 상태에서 헬륨과 기체 트리듐을 생성한다. 트리튬은 강재 피복을 통해 주요 회로 내로 이동된다. 850℃로부터, 보론 카바이드는 피복의 강재와 반응하기 시작한다. 반응은 1150℃로부터 심각해져서 피복의 취화(embrittlement)를 유도한다.
본 발명의 목적 중 하나는 만족스런 중성자 흡수 및 질량 특성을 가지고 은-인듐-카드뮴 합금의 사용을 회피하거나, 가능한 경우, 보론 카바이드의 사용을 회피하고, 방사선 조사 상태에서 부풀음이 적거나 없는 흡수 물질을 사용하는 흡수재 클러스터를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 가압수형 원자로용 흡수재 클러스터를 제공하며, 해당 흡수재 클러스터는 흡수봉 다발을 포함하며, 각각의 상기 흡수봉은 관형 피복과 해당 관형 피복 내에 수용된 중성자 흡수 요소들의 스택에 의해 형성된 흡수재 칼럼을 포함하며, 각각의 상기 흡수재 요소는 종방향 축을 따라 연장되고 해당 흡수재 요소의 횡단면 형상, 조성 및 공극률에 의해 결정되는 횡단면 구조를 가지며, 상기 흡수재 칼럼은 적어도 2개의 흡수재 집합체를 수용하며, 상기 흡수재 집합체는 각각 동일한 횡단면 구조를 가지는 복수의 흡수재 요소로 구성되며, 상기 클러스터는 적어도 제1 흡수재 집합체와 제2 흡수재 집합체를 포함하며, 상기 제1 흡수재 집합체와 상기 제2 흡수재 집합체의 각각의 흡수재 요소는 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 물질 또는 물질들의 조합으로 구성되며, 상기 제1 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 상기 제2 흡수재 집합체의 흡수재 요소와 다른 횡단면 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 흡수재 클러스터는 선택적으로 다음의 특징 중 하나 이상을 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합으로 포함한다:
-제1 사마륨 하프네이트는 8%~20%의 몰 함량의 사마륨 산화물을 포함하고, 상기 제2 사마륨 하프네이트는 50%~60%의 몰 함량의 사마륨 산화물을 포함하며;
-상기 제1 유로퓸 하프네이트는 43%~54%의 몰 함량의 유로퓸 산화물을 포함하고, 상기 제2 유로퓸 하프네이트는 19%~26%의 몰 함량의 유로퓸 산화물을 포함하며;
-적어도 하나의 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 상기 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 상기 제2 유로퓸 하프네이트로 구성되며;
-상기 제1 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 오직 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 형성되는 반면, 상기 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 오직 하프늄 카바이드로 형성되며;
-상기 제1 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소와 상기 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 별개 흡수봉 내에 배치되며;
-상기 흡수재 클러스터는 상기 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소를 수용하는 흡수봉과 동수인, 상기 제1 흡수재 집합체의 흡수재 요소를 수용하는 흡수봉을 포함하며;
-상기 제1 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소와 상기 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 2개씩 인접한 별개 흡수봉 내에 배치되며;
-상기 흡수재 클러스터는 상기 제1 흡수재 집합체와 상기 제2 흡수재 집합체만을 포함하며;
-상기 흡수재 클러스터는 오직 보론 카바이드, 사마륨 헥사보라이드, 또는 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로만 구성된 흡수재 요소를 포함하는 제3 흡수재 집합체를 포함하며;
-상기 제3 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 상기 제1 및 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소를 수용하는 상기 흡수봉 내에, 바람직하게는 상기 흡수봉의 상부 내에 배치되며;
-상기 제1 흡수재 집합체와 상기 제2 흡수재 집합체 중 적어도 하나의 상기 흡수재 요소는 상기 그룹의 물질들 중의 복수의 상이한 물질을 수용하며 및/또는 상기 제1 흡수재 집합체와 상기 제2 흡수재 집합체 중 적어도 하나의 상기 흡수재 요소는 상기 그룹의 물질들 중 오직 하나의 물질을 수용하며;
-상기 흡수재 클러스터는 동일한 흡수재 집합체의 흡수재 요소만을 수용하는 적어도 하나의 흡수재 칼럼 및/또는 적어도 2개의 별개 흡수재 집합체의 흡수재 요소를 수용하는 적어도 하나의 흡수재 칼럼을 포함하며;
-상기 제1 흡수재 집합체와 상기 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 상기 그룹의 물질들로부터의 동일한 물질 또는 상기 물질들의 동일한 조합으로 구성되며 횡단면의 형태 및/또는 공극률이 상이하며;
-적어도 하나의 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소는 오직 상기 제1 유로퓸 하프네이프 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트만을 수용하며;
-적어도 하나의 흡수재 집합체는 상기 그룹의 물질들로부터의 물질 또는 해당 물질들의 조합으로 각각 구성된 복수의 층을 가지는 다층 횡단면 구조를 가지는 흡수재 요소를 포함하며, 상기 흡수재 요소 각각은 별개 조성 및/또는 별개 공극률 레벨의 적어도 2개의 층을 포함하며;
-상기 흡수재 클러스터는 적어도 하나의 흡수재 칼럼을 포함하고, 해당 흡수재 칼럼은 반복된 패턴으로 상기 흡수재 칼럼을 따라 분배되는 상기 제1 흡수재 집합체의 흡수재 요소와 상기 제2 흡수재 집합체의 흡수재 요소를 수용하며;
-상기 제1 및 제2 흡수재 집합체의 상기 흡수재 요소 내에 함유된 상기 제1 유로퓸 하프네이트, 상기 제2 유로퓸 하프네이트, 상기 제1 사마륨 하프네이트, 상기 제2 사마륨 하프네이트, 상기 하프늄 카바이드 및/또는 상기 사마륨 헥사보라이드는 입방정계 결정 상이다.
또한, 본 발명은 가압수형 원자로용 흡수봉에 관한 것으로, 해당 흡수봉은 관형 피복과 해당 관형 피복 내에 수용된 중성자 흡수 요소의 스택에 의해 형성된 흡수재 칼럼을 포함하고, 상기 흡수재 칼럼은 적어도 2개의 흡수재 요소를 포함하며, 상기 흡수재 요소는 각각 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 물질 또는 물질들의 조합으로 구성되며, 상기 흡수재 요소들은 횡단면 구조가 상이한 것을 특징으로 한다.
본 발명과 그 장점은 단지 예로써 첨부 도면을 참조로 주어진 다음의 설명을 이해할 때 더 잘 알게 된다. 도면에서:
-도 1은 핵연료 집합체 내에 부분적으로 삽입된 가압수형 원자로용의 본 발명에 따른 이동형 흡수재 클러스터의 사시도를 예시하며;
-도 2는 도 1의 클러스터의 흡수봉의 축방향 부분 단면도를 예시하며;
-도 3 내지 도 5는 도 1의 흡수봉 내로 삽입될 수 있는 흡수재 요소의 단면도를 예시하며;
-도 6은 본 발명에 따른 고정형 흡수재 클러스터의 사시도를 예시한다.
-도 1은 핵연료 집합체 내에 부분적으로 삽입된 가압수형 원자로용의 본 발명에 따른 이동형 흡수재 클러스터의 사시도를 예시하며;
-도 2는 도 1의 클러스터의 흡수봉의 축방향 부분 단면도를 예시하며;
-도 3 내지 도 5는 도 1의 흡수봉 내로 삽입될 수 있는 흡수재 요소의 단면도를 예시하며;
-도 6은 본 발명에 따른 고정형 흡수재 클러스터의 사시도를 예시한다.
도 1에 예시된 흡수재 클러스터(2)는 서프트(4)와 서포트(4)에 의해 보유된 흡수봉(6)의 다발을 포함한다.
서포트(4)는 흡수봉(6)을 다발의 형태로 유지하며, 다발 내에서 흡수봉(6)은 서로 평행하고 핵연료 집합체(10)의 가이트 튜브(8) 내로 끼워지도록 위치된다.
가동 중, 흡수봉(6)은 실질적으로 수직으로 연장된다. 이하에서 "수직" 및 "높이"라는 용어는 흡수봉(6)의 수직 연장의 방향을 말하다.
도 1의 흡수재 클러스터(2)의 서포트(4)는 스타 형상을 가진다. 서포트는 통상 핀으로 지칭되는 아암(14)들이 스타 형상으로 연장되는 중심 포멜(pommel)(12)을 포함한다. 각각의 아암(14)은 하나 이상의 흡수봉(6)을 보유한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 각각의 흡수봉(6)은 관형 피복(16)과 해당 관형 피복(16) 내의 수용된 흡수재 칼럼(18)을 포함한다.
흡수재 칼럼(18)은 중성자 흡수 물질로 구성된 흡수재 요소(20)들의 스택에 의해 형성된다. 흡수재 요소(20)들은 관형 피복(16) 내에 적층된다.
각각의 흡수재 요소(20)는 원통형 형상을 가지며, 종축(A)을 따라 연장된다. 종축(A)은 흡수재 요소(20)가 관형 피복(16) 내에 수용시 실질적으로 수직이다.
흡수재 요소(20)는 원형의 원통형 펠릿 또는 원통형 바아 섹션 또는 "바아(bar)"의 형태를 가진다. 바람직하게, 흡수재 요소(20)는 원형의 원통형 펠릿이다.
각각의 흡수재 요소(20)는 그 종축(A)을 따라 취한 높이를 가진다.
각각의 흡수재 요소(20)는 흡수재 요소(20)의 종축(A)에 대해 수직으로 취한 횡단면을 가진다.
횡단면은 특정한 기하학적 형태를 가진다. 횡단면은 예컨대 관형 또는 중실형이다. 횡단면은 특히 외부 직경 및 적절한 경우 내부 직경을 특징으로 한다.
각각의 흡수재 요소(20)는 적어도 하나의 층을 포함한다. 각각의 흡수재 요소(20)는 종축(A) 상에 중심을 둔 단일 또는 복수의 동심층을 포함한다. 상기 층의 갯수와 두께도 역시 흡수재 요소(20)의 기하학적 형태를 결정한다.
2개의 별개 층의 흡수재 요소(20)는 이들 층의 조성(즉, 이들 층을 구성하는 물질들 또는 해당 물질들의 조합) 및/또는 공극률이 상이하다.
각각의 흡수재 요소(20)는 단일 물질로 구성되거나 상이한 물질의 조합으로 구성된다. 개별 물질들은 별개 층들로 배치되거나 동일한 층 내에 혼합된다.
각각의 흡수재 요소(20)는 횡단면의 기하학적 형태(중실형, 관형, 외부 직경, 내부 직경, 층의 갯수, 각 층의 두께,...), 조성(각 층을 구성하는 물질 또는 물질들의 조합), 및 공극률(각 층의 공극률)에 의해 결정되는 횡단면 구조를 가진다.
2개의 흡수재 요소(20)는 흡수재 요소(20)가 다층일 때 만일 해당 횡단면 구조가 각 층에 대해 횡단면 형태, 조성 및 공극률이 동일하다면 동일한 횡단면 구조를 가진다.
2개의 흡수재 요소(20)는 흡수재 요소가 다층일 때 만일 해당 횡단면 구조가 적어도 하나의 층에 대해 적어도 횡단면 형태, 조성 및/또는 공극률이 상이하다면 서로 다른 횡단면 구조를 가진다.
흡수재 클러스터(2)의 흡수재 칼럼(18)들은 적어도 2개의 흡수재 집합체(22, 24, 26)를 수용하는 데, 각각의 흡수재 집합체(22, 24, 26)는 동일한 횡단면 구조를 가지는 복수의 흡수재 요소(20)로 이루어진다.
동일한 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 흡수재 요소(20)는 동일한 횡단면 구조를 가지지만, 선택적으로 다른 높이를 가질 수 있다. 동일한 흡수재 집합체의 흡수재 요소(20)는 높이만 동일하거나 다르다.
흡수재 칼럼(18)은 적어도 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)를 포함한다.
제1 흡수재 집합체(22)의 흡수 요소(20)들은 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 동일한 물질 또는 동일한 조합의 물질들로 구성된다.
제2 흡수재 집합체(24)의 흡수 요소(20)들은 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 동일한 물질 또는 동일한 조합의 물질들로 구성된다.
상기 제1 흡수재 집합체(22)의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소와 다른 횡단면 구조를 가지며, 즉 적어도 횡단면의 기하학적 형상, 조성 및/또는 공극률이 다르다.
"물질들의 조합으로 구성된 흡수재 요소(20)"라는 표현은 일반적으로 흡수재 요소(20)가 흡수재 요소(20)의 동일한 층 내에 혼합되거나 및/또는 예컨대 다른 흡수재 물질로 구성된 흡수재 요소의 개별 층들로 분리된 복수의 물질을 포함하는 것을 의미한다.
여기에 사용되는 "동일한", "동일한 물질" 또는 "동일한 조합의 물질들", "동일한 횡단면 구조", "동일한 횡단면 형상" 및 "동일한 공극률"이란 표현은 필연적인 제조 또는 측정 공차를 포함하는 것으로 확장된다.
여기에 사용되는 "흡수재 칼럼(18)은 적어도 2개의 흡수재 집합체(22, 24, 26)를 수용한다"라는 표현은 흡수재 집합체(22, 24, 26)가 전체적으로 볼 때 흡수재 클러스터(2)의 흡수재 칼럼(18) 내에 존재한다는 것을 의미한다.
각각의 흡수재 집합체(22, 24, 26)는 동일한 흡수재 칼럼(18) 내에 배치된 여러 개의 흡수재 요소(20) 및/또는 흡수재 클러스터(2)의 여러 흡수재 칼럼(18) 내에 분배된 여러 개의 흡수재 요소(20)를 포함한다.
2개의 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 흡수재 요소(20)는 별개의 개별 흡수재 칼럼(18) 내에 수용되고 및/또는 2개의 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 흡수재 요소(20)는 동일한 흡수재 칼럼(218) 내에 수용되는 것이 가능하다.
"제1 유로퓸 하프네이트"와 "제2 유로퓸 하프네이트"라는 표현은 예컨대 하프늄 산화물(HfO2)과 유로퓸 산화물(Eu2O3) 간의 반응에 의해 형성되고 다른 조성을 가지고 특히 유로퓸 몰 함량이 별개의 범위에 있는 2개의 규정된 화합물을 지시한다.
"규정된 화합물"은 그 상 변화가 일정한 온도에서 일어나는 화합물임을 알아야 한다. 상태도 상의 수직선은 규정된 화합물의 존재를 지시한다.
바람직하게, 제1 유로퓸 하프네이트는 43%~54%의 몰 함량의 유로퓸 산화물을 포함하고, 상기 제2 유로퓸 하프네이트는 19%~26%의 몰 함량의 유로퓸 산화물을 포함한다. 이들 2개의 물질은 다른 흡수 능력과 밀도를 가진다. 이들 2개의 범위 내에서, 방사선 조사 상태에서 부풀음이 없거나 거의 없는 장점을 가지는 입방정계 결정 상의 유로퓸 하프네이트를 얻는 것이 가능하다.
동일한 치수의 소결된 펠릿의 형태의 유로퓸 하프네이트는 보론 카바이드보다 약간 더 흡수성을 갖고 약 4배 더 치밀하다.
유로퓸 하프네이트는 기체상의 방사선 조사 생성물(irradiation product)을 발생시키지 않으며, 스테인리스강의 융점 정도인 적어도 1300℃에 이르기까지 스테인리스강과 반응하지 않으며, 물과 발열 반응을 야기하지 않는다.
"제1 사마륨 하프네이트"와 "제2 사마륨 하프네이트"라는 표현은 예컨대 하프늄 산화물(HfO2)과 사마륨 산화물(Sm2O3) 간의 반응에 의해 형성되고 다른 조성을 가지고 특히 사마륨 몰 함량이 별개의 범위에 있는 2개의 규정된 화합물을 지시한다.
바람직하게, 제1 사마륨 하프네이트는 8%~20%의 몰 함량의 사마륨 산화물을 포함하고, 상기 제2 사마륨 하프네이트는 50%~60%의 몰 함량의 사마륨 산화물을 포함한다. 이들 2개의 범위 내에서, 방사선 조사 하에서 부풀음이 없거나 거의 없는 장점을 가지는 입방정계 결정 상의 사마륨 하프네이트를 얻는 것이 가능하다.
사마륨 하프네이트는 기체상의 방사선 조사 생성물을 발생시키지 않고, 적어도 1300℃에 이르기까지 스테인레스 강과 반응하지 않으며, 물과 발열 반응을 야기하지 않는다. 사마륨 하프네이트는 SIC 바아와 동일한 치수의 소결된 펠릿의 스택의 형태의 SIC보다 덜 치밀하고; 사마륨의 이론적 밀도는 SIC의 밀도보다 약 20% 낮다.
동일한 크기의 소결된 펠릿의 형태에서, 제1 사마륨 하프네이트는 SIC보다 약간 더 적게 중성자를 흡수하지만 제2 사마륨 하프네이트는 SIC보다 약간 더 많이 중성자를 흡수하며, 흡수도 차이는 각각 10% 정도이다.
제1 사마륨 하프네이프, 제2 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트 및 제2 유로퓸 하프네이트는 서로 혼합 가능하고 유사한 소결 조건을 가지므로, 이들 흡수성 물질 중 2종 이상은 동일한 소결된 흡수재 요소(20) 내에 함께 혼합될 수 있다.
대응하는 기하학적 형상에서, 하프늄 카바이드(HfC)는 SIC보다 5% 정도 약간 덜 흡수적이다. 하프늄 카바이드의 이론적 밀도는 SIC보다 약 20% 높다.
하프늄 카바이드는 기체상의 방사선 조사 생성물을 발생시키지 않고, 1300℃ 미만에서 스테인레스 강 피복과 반응하지 않으며, 물과 발열 반응을 야기하지 않으며, 자연적으로 입방정계 결정 상이다.
동일한 치수의 소결된 펠릿의 형태에서, 사마륨 헥사보라이드(SmB6)는 보론 카바이드보다 약간 더 흡수적이고 3배 더 치밀하며 자연적으로 입방정계 결정 상이다.
일 실시예에서, 펠릿은 필요한 경우 공극률을 조정하는 기공 형성제 및/또는 소결 첨가제를 첨가한 분말 소결에 의해 얻어진다. 소결은 유로퓸 하프네이트 또는 사마륨 하프네이트를 위한 공기 분위기와 사마륨 헥사보라이드를 위한 진공 또는 천연 가스 분위기에서 1400℃~1700℃의 온도에서 배치(batch)식으로( 또는 연속적으로 수행된다. 소결은 하프늄 카바이드를 소결하기 위해 하프늄 카바이드를 위한 진공 분위기에서 1900℃~2200℃의 온도에서, 미세 연마 분말(< 50㎛, 바람직하게는 < 20㎛의 결정)로부터, 또는 1~2%의 MoSi2를 첨가하는 것에 의해 배치식으로 수행된다.
일 실시예에서, 흡수재 클러스터(2)의 흡수재 칼럼(18)은 그 흡수재 요소(20)들의 경우 그 조성, 즉 전술한 그룹의 물질들 중에서 선택된 물질 또는 물질들의 조합에 의한 조성이 상이한 서로 다른 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)를 수용한다.
제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)는 하나 이상의 흡수재 칼럼(18) 내에 수용된다.
제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)를 개별 흡수재 칼럼(18)에 배치하거나 서로 다른 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)를 적어도 하나의 동일한 흡수재 칼럼(18) 내에 구비하는 것이 가능하다.
제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소를 포함하는 적어도 하나의 흡수재 칼럼(18)을 제공하는 것이 가능하다.
또한, 오직 제1 흡수재 집합체(22) 또는 제2 흡수재 집합체(24)만의 흡수재 요소(20)를 각각 포함하는 적어도 2개의 흡수재 칼럼(18)을 제공하는 것도 가능하다.
일 실시예에서, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)는 오직 제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트의 그룹의 물질로부터 구성된 반면, 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)는 오직 하프늄 카바이드의 물질로 구성된다.
일 실시예에서, 흡수재 클러스터(2)는 제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트의 그룹의 물질들로 된 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)만을 포함하는 흡수재 칼럼(18)과 오직 하프늄 카바이드의 그룹의 물질들로 된 흡수재 요소(20)만을 포함하는 다른 흡수재 칼럼(18)을 포함한다.
제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 요소(20)를 2개의 개별 칼럼 내에 배치하는 것은 제조를 용이하게 한다.
이들 2개의 흡수재 칼럼(18)은 SIC를 수용하는 2개의 동일한 흡수재 칼럼과 실질적으로 동등한 중성자 흡수를 얻기 위해 흡수재 클러스터(2)의 2개의 인접한 흡수봉의 흡수재 칼럼인 것이 바람직하다.
개괄적으로, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)는 별개이면서 쌍으로 인접하는 흡수봉(6) 내에 배치된다. 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)를 수용하는 각각의 흡수봉(6)은 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)를 수용하는 흡수봉(6)에 인접하다. 대안적으로, 또는 선택적으로, 적어도 하나의 흡수재 칼럼(18)은 한편으로 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20), 즉 오직 제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트의 그룹의 물질들로 된 흡수재 요소와, 다른 한편으로는 오직 하프늄 카바이드의 그룹의 물질들로 된 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)를 수용한다.
일 실시예에서, 이러한 흡수재 칼럼(18) 내에, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)가 흡수재 칼럼(18)을 따라 분배된다.
이 경우, 바람직하게, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)는 반복된 패턴으로 흡수재 칼럼(18) 내에 분배된다.
다른 반복된 패턴의 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)를 고려할 수 있다. 바람직하게, 반복된 패턴은 흡수재 칼럼(18)의 전체 길이에 걸쳐 원하는 평균 선형 중성자 흡수를 얻도록 선택된다.
따라서, 이 실시예는 기존의 원자로 내의 SIC를 예컨대, 제2 사마륨 하프네이트(제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소)와 하프늄 카바이드(제1 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소)를 적절한 비율로 결합하는 것에 의해 SIC와 실질적으로 동등한 중성자 흡수 및 질량으로 대체하는 데 사용될 수 있는 데, 이는 제2 사마륨 하프네이트가 SIC보다 더 흡수적이지만 덜 치밀한 반면, 하프늄 카바이드는 SIC보다 덜 흡수적이지만 더 치밀하기 때문이다.
새로운 원자로의 경우, 각각의 흡수재 물질의 비율의 조정은 해당 원자로의 설계자에 의해 규정된 요구에 적합화된 질량 및 흡수성을 가지는 흡수재 칼럼(18)을 얻는 것을 가능케 한다.
일 실시예에서, 그리고 도 2에 예시된 바와 같이, 예컨대 오직 제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 된 흡수재 요소(20)에 의해 형성된 제1 흡수재 집합체(22)와 예컨대, 오직 하프늄 카바이드로 된 흡수재 요소(20)에 의해 형성된 제2 흡수재 집합체(24) 이외에, 흡수재 칼럼(18)은 예컨대, 오직 보론 카바이드로 된 흡수재 요소(20)에 의해 형성된 제3 흡수재 집합체(26)를 수용한다.
이러한 흡수재 클러스터(2)는 예컨대, 기존의 원자로에서 그 흡수재 칼럼이 SIC와 보론 카바이드를 수용하는 흡수재 클러스터를 대체하는 것을 가능케 하는 데, 여기서 SIC는 제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 된 흡수재 요소와 하프늄 카바이드로 된 흡수재 요소의 조합으로 대체되며, 보론 카바이드는 보존된다.
제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 된 흡수재 요소(20)(제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)) 및/또는 하프늄 카바이드로 된 흡수재 요소(20)(제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)) 및 보론 카바이드로 된 흡수재 요소(20)(제3 흡수재 집합체(26)의 흡수재 요소(20))를 수용하는 흡수재 칼럼(18)에서, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20) 및/또는 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)는 흡수재 칼럼(18)의 하부에 배치되는 것이 바람직한 반면, 제3 흡수재 집합체(26)의 흡수재 요소(20)는 흡수재 칼럼(18)의 상부에 배치된다.
일 실시예에서, 흡수재 클러스터(2)는 바닥의 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 상부의 제3 흡수재 집합체(26)의 흡수재 요소(20)를 포함하는 흡수재 칼럼(18)과 하부에 있는 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)와 상부에 있는 제3 흡수재 집합체(26)의 흡수재 요소(20)를 수용하는 다른 흡수재 칼럼(18)을 포함한다.
이들 2개의 흡수재 칼럼(18)은 흡수재 클러스터(2)의 2개의 인접한 흡수봉의 흡수재 칼럼인 것이 바람직하다.
사마륨 헥사보라이드는 적어도 동일한 흡수능을 위한 높은 클러스터 질량으로부터 이익을 얻기 위해 제3 흡수재 집합체(26) 내의 보론 카바이드를 대체하는 데 유리하게 사용될 수 있다.
따라서, 전술한 다양한 실시예에서, 보론 카바이드는 전체 또는 일부가 사마륨 헥사보라이드에 의해 대체될 수 있다.
대안적으로, 의도한 질량 및 흡수능을 얻기에 적절한 조성을 가지는 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트 또는 제1 및 제2 유로퓸 하프네이트의 조합이 제2 흡수재 집합체(26)의 흡수재 요소(20) 내의 보론 카바이드의 전체 또는 일부를 대체하는 데 사용될 수 있다.
특히, 일 실시예에서, 흡수재 클러스터(2)의 흡수재 칼럼(18)은 제1 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 된 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 하프늄 카바이드로 된 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)를 포함하며, 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20는 흡수재 칼럼(18)의 하부에 위치되고, 제3 흡수재 집합체(26)는 흡수재 칼럼(18)의 하부에 위치되고 보론 카바이드, 사마륨 헥사보라이드, 또는 제1 및 제2 유로퓸 하프네이트로부터 선택된 물질 또는 물질들의 조합으로 구성된 흡수재 요소(20)로 이루어진다.
제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트 및 제2 유로퓸 하프네이트는 다른 흡수 용량과 다른 밀도를 가진다. 따라서, 이들의 조합은 전체로서 중성자 흡수와 흡수재 클러스터(2)의 질량 간에 만족스런 절충이 이루어지도록 하며, 여기서 흡수재 클러스터의 질량은 제어 클러스터의 경우, 원자로의 비상 정지의 경우에 안전 규칙에 의해 부과된 시간 내에 제어 클러스터의 하강을 보장하기에 충분하다.
일 실시예에서, 흡수재 클러스터(2)는 그 흡수재 요소(20)가 오직 하프늄 카바이드로 된 제1 흡수재 집합체(22)와 그 흡수재 요소(20)가 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프레이트, 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이프로 된 제2 흡수재 집합체(24)를 포함한다. 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소는 흡수봉(6) 내에 혼합되거나 흡수재 클러스터(2)의 별개 흡수봉(6) 내에 분배된다. 선택적으로, 흡수재 클러스터(2)는 그 흡수재 요소(20)가 사마륨 헥사보라이드 또는 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 된 제3 흡수재 집합체(26)를 더 포함하며, 여기서 제3 흡수재 집합체(26)의 흡수재 요소(20)는 흡수재 클러스터(2)의 각각의 흡수봉(6)의 상부에 배치된다.
흡수재 클러스터(2)의 다양한 흡수봉(6)의 중성자 흡수 및/또는 질량을 조정하기 위해, 흡수재 요소(20)의 횡단면의 기하학적 형상 및/또는 흡수재 물질의 공극률을 변화시켜 상기 물질의 이론적 밀도에 대해 흡수재 요소를 구성하는 흡수재 물질의 밀도를 변형시키는 것에 의해 흡수재 요소(20)의 횡단면 구조를 조정하는 것이 가능하다.
또한, 상기 그룹의 물질들 중의 동일한 물질 또는 동일한 조합의 물질들로 되어 있지만, 그 횡단면 구조는 다른 기하학적 형상 및/또는 다른 공극률(및 그에 따른 밀도)을 가지는 흡수재 요소(20)로 이루어진 흡수재 집합체(22, 24, 26)를 마련하는 것도 가능하여, 흡수재 집합체의 흡수재 요소(20)는 상기 그룹의 물질들 중 동일한 물질 또는 동일한 조합의 물질들로 되어 있더라도 다른 흡수재 집합체의 흡수재 요소(20)와 다른 중성자 흡수 용량 및/또는 질량을 가진다.
하나의 흡수재 요소(20)에서, 중성자는 먼저 흡수재 요소의 주변 영역에 의해 흡수된 다음 중심 영역에 도달할 때까지 계속해서 중간 영역을 통해 흡수된다.
일 실시예에서, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)는 도 3에 예시된 바와 같이 중실의 원통형이고, 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)는 도 4에 예시된 바와 같이 관형의 원통형이다. 상기 실시예의 변형에서, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소는 동일한 물질 또는 물질들의 조합으로 되어 있다.
대안적으로 또는 선택적으로, 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)는 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)의 외경(D2)보다 절대적으로 큰 외경(D1)을 가진다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 흡수재 집합체는 상기 그룹의 물질들 중에서 적어도 2종의 물질을 수용하는 흡수재 요소를 포함한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 흡수재 집합체는 제1 유로퓸 하프네이트와 제2 유로퓸 하프네이트의 조합을 수용하거나 제1 사마륨 하프네이트와 제2 사마륨 하프네이트의 조합을 수용하는 흡수재 요소(20)를 포함한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 흡수재 집합체는 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트 및 제2 사마륨 하프네이트 중에서 선택된 적어도 2개의 하프네이트를 조합하여 수용하는 흡수재 요소(20)를 포함한다.
다양한 실시예들은 이러한 흡수재 요소(20)를 획득하도록 실현된다.
일 실시예에서, 흡수재 요소(20)는 균질하고, 원하는 비율의 상이한 하프네이트 분말과의 혼합물의 중실형 또는 관형의 펠릿으로서 소결하는 것에 의해 얻어진다.
도 5에 예시된 바와 같이, 일 실시예에서, 흡수재 요소(20)는 예컨대, 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트 및 제2 사마륨 하프네이트에서 선택된 상이한 하프네이트로 구성된 적어도 2개의 중첩된 층을 포함한다.
도 5에 예시된 예에서, 흡수재 요소(20)는 원통형 코어(28) 상에 배치된 제1 유로퓸 하프네이트로 된 층(E1), 제2 유로퓸 하프네이트로 된 층(E2), 제1 사마륨 하프네이트로 된 층(S1) 및 제2 사마륨 하프네이트로 된 층(S2)을 포함한다. 여기서 상기 층들은 동심이고 원통형 펠릿의 형태의 흡수재 요소(20)의 축(A) 상에 중심 정렬된다.
상기 층들(E1, E2, S1 및/또는 S2)은 예컨대, 기상 증착 또는 추가적인 제조에 의해 원통형 코어(28) 상에 연속적으로 증착된다. 코어(28)는 예컨대, 흡수성 물질(HfO2, HfC,...) 또는 비흡수성 물질(ZrO2, C, ...)로 구성된다.
대안적으로, 흡수재 요소(20)는 중심 코어 없이 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트 및 제2 사마륨 하프네이트 중에서 선택된 상이한 하프네이트로 이루어진 적어도 2개의 중첩된 층으로 된 관형 또는 원통형의 펠릿의 형태로 제공된다. 이러한 흡수재 요소(20)의 상기 층들은 예컨대, 추가적인 제조에 의해 선택적으로는 나중에 제거되는 핵분열 또는 희생 코어 상에 형성된다.
연속적인 층들의 횡단면의 기하학적 형태(내부 직경, 외부 직경, 층들의 갯수, 각 층의 두께)와 공극률(밀도) 및 조성(물질 또는 물질들의 조합)은 그 수명에 걸쳐 클러스터에 요구되는 질량 및 중성자 흡수를 얻도록 조정된다.
흡수봉(6)의 관형 피복(16)은 바람직하게는, 예컨대, AISI304 또는 AISI316L 피복 또는 하프늄계 피복과 같은 스테인레스 강 피복이다.
도 1에 예시된 흡수재 클러스터(2)는 원자로 노심의 반응도를 조절하기 위해 흡수봉(6)을 핵원료 집합체(10) 내로 더 많이 또는 적게 구동시키도록 정상적인 원자로 작동 중에 수직으로 이동 가능한 가동형 흡수재 클러스터 또는 제어 또는 조절 클러스터이다. 낮은 흡수능을 요하는 노심 내의 위치의 경우, 클러스터(2)의 흡수봉 중 일부가 강철봉으로 대체될 수 있다.
대안적으로, 흡수재 클러스터(2)는 그 흡수봉(6)이 원자로의 정상적인 가동 중에 핵연료 집합체(10) 내에 영구적으로 하강된 상태로 유지되는 고정형 흡수재 클러스터이며, 여기서 핵연료 집합체(10)는 예컨대, 원자로 노심의 주변에 위치된다.
이러한 고정형 흡수재 클러스터(2)는 도 6에 예시된다. 고정형 흡수재 클러스터는 지지 플레이트 형태의 서포트(4)에 의해 보유된 흡수봉(6)을 포함한다. 또한, 고정형 흡수재 클러스터는 지지 바아(42)와 상기 서포트(4)와 지지 바아(42) 사이에 개재된 2개의 동축 나선형 스프링(44, 46)을 포함하는 푸셔 조립체(40)를 포함한다. 스프링(44, 46)은 지지 바아(42) 상에 지지되는 것에 의해 서포트(4)를 하방으로 푸싱하도록 설계되며, 여기서 지지 바아는 원자로의 상부 코어 플레이트 상에 지지된다.
흡수봉(6)의 갯수, 흡수재 칼럼(18)의 길이 및 흡수재 물질(상기 그룹의 물질의 흡수재 물질 또는 흡수재 물질의 조합)의 특성은 원하는 위치에서의 목표 중성자 흡수능을 획득하도록 조정된다. 고정형 흡수재 클러스터의 나머지 흡수봉은 예컨대, 플러그 봉(48)으로 지칭되는 짧은 강철봉이다. 도 6에 예시된 흡수재 클러스터(2)는 흡수봉(6)과 플러그 봉(48)을 포함한다.
본 발명에 따라, 동일한 조건하에서 이동형 클러스터의 하강을 보장하도록 유사한 질량을 가지는 이동형 흡수재 클러스터(2)를 획득하면서 SIC 및/또는 보론 카바이드를 사용하는 흡수봉의 중성자 흡수 용량과 적어도 동일한 만족스런 중성자 흡수 용량을 가지는 흡수봉(6)을 제공하는 것이 가능하다.
추가로, 물질 그룹의 흡수재 물질들은 특히 원자로 내의 또는 공장 제조시의 사건 또는 사고의 경우에 더 흥미로운 성능을 획득하는 것을 가능케 한다.
실제, 사마륨 헥사보라이드(SmB6)를 제외하고 이들 물질들은 흡수봉의 누출시 기체상의 방사선 조사 생성물을 생성하지 않고 고온 아래에서 스테인레스 강 피복과 반응하지 않으며 물과 발열 반응하지 않는다.
Claims (19)
- 가압수형 원자로용 흡수재 클러스터(2)로서,
흡수봉(6)의 다발을 포함하며, 각각의 상기 흡수봉(6)은 관형 피복(16)과 해당 관형 피복(16) 내에 수용된 중성자 흡수 요소(20)들의 스택에 의해 형성된 흡수재 칼럼(18)을 포함하며, 각각의 상기 흡수재 요소(20)는 종방향 축(A)을 따라 연장되고 해당 흡수재 요소(20)의 횡단면의 기하학적 형상, 조성 및 공극률에 의해 결정되는 횡단면 구조를 가지며, 상기 흡수재 칼럼(18)은 적어도 2개의 흡수재 집합체(22, 24, 26)를 수용하며, 상기 흡수재 집합체(22, 24, 26)는 각각 동일한 횡단면 구조를 가지는 복수의 흡수재 요소(20)로 구성되며,
상기 클러스터는 적어도 제1 흡수재 집합체(22)와 제2 흡수재 집합체(24)를 포함하며, 상기 제1 흡수재 집합체(22)와 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 각각의 흡수재 요소(20)는 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 동일한 물질 또는 동일한 조합의 물질들로 구성되며,
상기 제1 흡수재 집합체(22)의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)와 다른 횡단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터. - 제1항에 있어서, 상기 제1 사마륨 하프네이트는 8%~20%의 몰 함량의 사마륨 산화물을 포함하고, 상기 제2 사마륨 하프네이트는 50%~60%의 몰 함량의 사마륨 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 유로퓸 하프네이트는 43%~54%의 몰 함량의 유로퓸 산화물을 포함하고, 상기 제2 유로퓸 하프네이트는 19%~26%의 몰 함량의 유로퓸 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 상기 제2 유로퓸 하프네이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 흡수재 집합체(22)의 상기 흡수재 요소(20)는 오직 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로 형성되는 반면, 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 상기 흡수재 요소(20)는 오직 하프늄 카바이드로 형성된 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 흡수재 집합체(22)의 상기 흡수재 요소(20)와 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 상기 흡수재 요소(20)는 별개 흡수봉 내에 배치된 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 상기 흡수재 요소(20)를 수용하는 흡수봉(6)과 동수인, 상기 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)를 수용하는 흡수봉(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 흡수재 집합체(22)의 상기 흡수재 요소(20)와 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 상기 흡수재 요소(20)는 쌍으로 인접한 별개 흡수봉 내에 배치된 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 흡수재 집합체(22)와 상기 제2 흡수재 집합체(24)만을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 오직 보론 카바이드, 사마륨 헥사보라이드, 또는 제1 유로퓸 하프네이트 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트로만 구성된 흡수재 요소(20)를 포함하는 제3 흡수재 집합체(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제10항에 있어서, 상기 제3 흡수재 집합체(26)의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 제1 및 제2 흡수재 집합체(22)(24)의 상기 흡수재 요소(20)를 수용하는 상기 흡수봉 내에, 바람직하게는 상기 흡수봉의 상부 내에 배치된 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 항에 있어서, 상기 제1 흡수재 집합체(22)와 상기 제2 흡수재 집합체(24) 중 적어도 하나의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 그룹의 물질들 중의 복수의 상이한 물질을 수용하며 및/또는 상기 제1 흡수재 집합체(22)와 상기 제2 흡수재 집합체(24) 중 적어도 하나의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 그룹의 물질들 중 단일 물질을 수용하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 동일한 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 흡수재 요소(20)만을 수용하는 적어도 하나의 흡수재 칼럼(18) 및/또는 적어도 2개의 별개 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 흡수재 요소(20)를 수용하는 적어도 하나의 흡수재 칼럼(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 흡수재 집합체(22)와 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 상기 흡수재 요소(20)는 상기 그룹의 물질들로부터의 동일한 물질 또는 동일한 조합의 물질들로 구성되며 횡단면의 기하학적 형태 및/또는 공극률이 상이한 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 흡수재 집합체(22, 24, 26)의 상기 흡수재 요소(20)는 오직 상기 제1 유로퓸 하프네이프 및/또는 제2 유로퓸 하프네이트만을 수용하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 흡수재 집합체(26)는 상기 그룹의 물질들로부터의 물질 또는 해당 물질들의 조합으로 각각 구성된 복수의 층을 가지는 다층 횡단면 구조를 가지는 흡수재 요소(20)를 포함하며, 상기 흡수재 요소(20) 각각은 별개 조성 및/또는 별개 공극률의 적어도 2개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 흡수재 칼럼(18)을 포함하고, 상기 흡수재 칼럼(18)은 반복된 패턴으로 상기 흡수재 칼럼(18)을 따라 분배되는 상기 제1 흡수재 집합체(22)의 흡수재 요소(20)와 상기 제2 흡수재 집합체(24)의 흡수재 요소(20)를 수용하는 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 흡수재 집합체(22)(24)의 상기 흡수재 요소(20) 내에 함유된 상기 제1 유로퓸 하프네이트, 상기 제2 유로퓸 하프네이트, 상기 제1 사마륨 하프네이트, 상기 제2 사마륨 하프네이트, 상기 하프늄 카바이드 및/또는 상기 사마륨 헥사보라이드는 입방정계 결정 상인 것을 특징으로 하는 흡수재 클러스터.
- 가압수형 원자로용 흡수봉(6)으로서,
관형 피복(16)과 해당 관형 피복 내에 수용된 중성자 흡수 요소의 스택에 의해 형성된 흡수재 칼럼(18)을 포함하고, 상기 흡수재 칼럼(18)은 적어도 2개의 흡수재 요소(20)를 포함하며, 상기 흡수재 요소(20)는 각각 제1 유로퓸 하프네이트, 제2 유로퓸 하프네이트, 제1 사마륨 하프네이트, 제2 사마륨 하프네이트, 하프늄 카바이드 및 사마륨 헥사보라이드로 이루어진 중성자 흡수 물질들의 그룹에서 선택된 물질 또는 물질들의 조합으로 구성되며, 상기 흡수재 요소(20)들은 횡단면 구조가 상이한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 흡수봉(6).
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