KR890000412B1 - 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로 - Google Patents

스펙트럼 이동식 가압수형 원자로 Download PDF

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웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀
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Abstract

내용 없음.

Description

스펙트럼 이동식 가압수형 원자로
제1도는 원자로 용기의 입면상의 종단면도.
제2도는 연료 집합체의 상부 부분을 일부단면으로 나타낸 입면도.
제3도는 연료 집합체의 하부분을 일부단면으로 나타낸 입면도.
제4도는 디스플레이서봉 및 연료 집합체의 사시도.
제5도는 디스플레이서봉 안내구조를 일부 단면으로 나타낸 입면도.
제6도는 제5도의 VI-VI선 단면도.
제7도는 원자로의 1/4노심, 즉 노심의 1/4을 나타낸 개략도.
제8도 및 제9도는 1/4노심의 일부의 확대도.
제10도는 연료 집합체의 개략적인 단면도.
제11도는 노심의 일부의 개략도.
제12도는 원자로 부하추종의 응답에 대한 개략도.
제13도는 봉 클러스터의 선택논리에 대한 순서도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 원자로 22: 원자로 용기
24 : 밀폐헤드 32 : 연료집합체
34 : 노심 36 : 제어봉구동 기구
38 : 디스플레이서봉 구동기구 40 : 디스플레이서봉
56 : 안내관 80 : 제어봉
82 : 그레이봉 92 : 디스플레이서 집합체
92 : 제어 집합체 94 : 그레이 집합체
본 발명은 스펙트럼 이동식원자로의 제어에 관한 것으로서, 특히 스펙트럼 이동원자로의 제어를 위한 기계적 장치에 관한 것이다. 일반적인 원자로에 있어서 반응도의 제어는 노심내의 중성자 흡수물질(독성물질)의 양을 바꿈으로써 행한다. 그러기위해서는 중성자 흡수제어봉을 사용하는 것이 보통이며, 노심에 관한 제어봉의 수와 장소를 바꾸어 제어를 한다. 또, 제어봉외에 가연성독성물이나 원자로 냉각재에 용해한 독성물을 반응도의 제어에 사용할 수 있다. 가압수형 원자로에 있어서의 종래의 구조에서는 노심의 수명이 끝나기까지 반응도의 감소가 있으므로 과잉반응도를 사용하여 노심의 수명을 연장하고자 시동시에 있어서의 반응도가 과잉이 되도록 원자로의 노심을 설계하고 있다 노심 수명의 초기에 과잉량의 반응도를 원자로 노심에서 사용하도록 설계되어 있으므로 과잉 반응도를 적절하게 제어하기 위해, 가용성 붕소와 같은 중성자 흡수물질을 노심수명의 초기에 노심내에 넣지 않으면 안된다. 노심수명중, 반응도가 소비됨에 따라 중성자 흡수물질을 노심에서 서서히 꺼내다 노심수명중에 사용되는 중성자 흡수물질은 중성자를 흡수하여 노심의 반응도를 저하시킨다. 이 반응도는 플루토늄 연료제조에 있어서와 같은 더욱 생산적인 방법에 사용할 수 있다. 유용한 생산물을 제조하지 않는 이와 같은 반응도의 소비에 의해 그처럼 소비하지 않는 경우보다도 우라늄의 감손 효율이 저하하고 연료원자가 상승하는 결과로 된다.
노심에 있어서의 중성자 흡수물질의 양을 저감하면서 노심 수명을 연장하는 한가지 방법은 "스펙트럼 이동제어"(Spectral Shift Control)를 사용하여 행해진다. 이 방법에 있어서는 과잉 반응도의 감소(따라서 중성자흡수물질)은 노심 수명의 초기에 있어서의 중성자 스펙트럼이 비교적 "경"(hard)인 것처럼 원자로 운전의 어느 시기의 뒤까지 원자로 냉각수의 일부를 끌어 당기므로서 행해진다. "경"(hard)스펙트럼 사용은 독성물질보다도 오히려 유효한 방법으로 더욱 많은 중성자가 U238에 의해 소비된다. 반응도가 소비됨에 따라 물은 중수로 대체되어서 원자로 노심 반응도가 적절한 레벨로 유지된다. 따라서, 원자로는 중성자 흡수물질을 사용함이 없이 또한 시동시에 과잉 반응도를 사용함이 없이 제어 가능하며, 우라늄 연료 원가가 상당히 절약된다. 또 플루토늄의 제조에 의해 U235의 농축의 필요성이 감해진다.
본 발명의 주된 목적은 부하 추종 작동에 대한 제어 요구물이 높을 경우 노심 수명을 연장하기 위한 원자로를 제공한 것이다. 본 발명의 목적과 더불어 원자로속에 배설된 노심과 열전달 관계로 냉각수를 순환시키기 위해 입구노즐과 출구노즐을 가진 원자로 용기와, 핵분열로 열을 발생시키기 위해 상기 노심에 배설된 복수의 연료집합체와, 상기 연료집합체에 배설된 복수의 저중성자 흡수 디스플레이서봉을 구비하는데, 상기 디스플레이서봉을 연료집합체에 삽입하거나 연료집합체로부터 뽑아내는 스펙트럼 이동 가압수형 원자로에 있어서, 그레이봉은 디스플레이서봉보다 높은 반응도값을 갖지만 제어봉보다는 낮은 반응도 값을 갖고 제어봉을 상기 연료집합체로부터 뽑아내거나 상기 연료집합체에 삽입하기 위해 상기 원자로에 배설되며, 상기 디스플레이서봉과 그레이봉이 연료집합체에 삽입될 때 노심으로부터 물을 밀어내는데 적합하여 노심내의 물의 양을 감소시킨 것을 특징으로 스테인데스스틸로 구성된 디스플레이서봉은 보다 많은 중성자 흡수력을 갖고 있어, 매당 반응도 변화가 순수한 물 디스플레이서봉보다 크게 영향을 미칠 수 있다. 그러나 클러스터에 있어서, 몇몇 스테인데스스틸 디스플레이서봉을 배열하여, 스테인데스스틸 디스플레이서봉 클러스터의 반응도 값이 저중성자 흡수 디스플레이서봉보다 낮다. 본 발명은 첨부도면에 일례로서 도시한 바람직한 실시예에 대해 더욱 명백하게 기재될 것이다.
제1도에 있어서, 원자로(20)는 정상부에 착탈가능한 밀폐헤드(24)가 부착된 원자로 용기(22)를 구비한다. 원자로용기(22)에는 입구노즐(26) 및 출구노즐(28)이 설치되어 있어서, 물과 같은 냉각재가 원자로용기(22)내를 순환할 수 있다. 원자로 용기(22)의 아래쪽 부분에는 노심판(30)이 배설되어 있고, 이 노심판이 연료집합체(32)를 지지한다. 연료집합체(32)는 원자로 용기(22)내에 배설되어, 노심(34)을 구성한다. 본 기술 분야를 통해서 알 수 있듯이 연료집합체(32)는 그 안의 우라늄의 핵분열에 의해 열을 발생한다. 이 연료집합체(32)와 열전달 관계로 원자로 용기(22)를 관류하는 원자로 냉각재가 연료집합체(32)의 열을 원자로(20)에서 떨어진 장소에 있는 발전장치로 운반한다. 제어봉을 연료집합체(32)에 삽입하거나 연료집합체에서 꺼내거나 하기 위해 본 기술 분야에서 기지의 것에서 선택할 수 있는 복수의 제어봉 구동기구(36)가 밀폐헤드(24)에 장착되어 있다. 또 디스플레이서봉(40)을 연료집합체(32)에 삽입하거나 또는 연료 집합체에 끌어내거나 하기 위해 복수의 디스플레이서봉 구동기구(38)도 밀폐헤드(24)에 장착되어 있다. 디스플레이서 봉 구동기구(38)는 미합중국 특허원 제217,055호 명세서에 기재된 것과 유사하게 기재되어 있다. 명료하게 하기위해 선택한 몇개의 디스플레이서봉(40)만을 제1도에 나타낸다. 그러나 디스플레이서봉(40)의 수는 연료집합체(32)내의 디스플레이서 봉 안내관의 수에 대응하도록 선택되어 진다는 것을 알 수 있다. 원자로 용기(22)의 윗쪽부분에는 복수의 디스플레이서봉 안내구조(42)가 각기 디스플레이서봉 구동기구(38)와 정렬한 상태로 배설되어 있고, 원자로 용기(22)의 윗쪽부분을 지나는 디스플레이서(40)의 운동을 안내하고 있다. 연료집합체(32)와 디스플레이서봉 안내구조(42)와의 사이에는 캘랜드리아(Calandria)(44)를 배설해도 된다.
이 캘랜드리아(44)는 각 디스플레이서 봉 및 제어봉과 공통의 직선상에 정렬해서 배치된 다수의 중공 스테인레스 강관으로 이루어지며, 캘랜드리아 영역내에 있어서의 디스플레이서 봉 및 제어봉의 안내를 하는 동시에 유속에 의해 생기는 디스플레이서봉 및 제어봉의 진동을 최소로 한다.
제2도-제4도에 있어서 연료집합체(32)는 연료요소(48), 그리드(50), 저부노즐(52), 정상부노즐(54) 및 안내관(56)으로 구성된다. 연료요소는 이 연료 펠릿을 갖고 양단을 단부플러그로 밀봉한 길쭉한 원통형금속관이며, 20개×20개의 실질적으로 장방형의 열군으로 되어 배설되며, 그리드(56)에 의해 소정장소에 유지된다. 개수는 25개이면 되는 안내관(56)이 각 연료집합체(32)내에 5개×5개의 열군으로되어 배설되어 있다. 각 안내관(56)이 차지하는 스페이스는 연료요소(48)의 약4개분이며, 안내관(56)은 저부 노즐(52)에서 정상부 노즐(54)까지 뻗어, 그리드(50), 정상부 노즐(54) 및 저부노즐(52)을 지지하는 수단으로 되어 있다. 안내관(56)은 디스플레이서봉(40) 또는 제어봉과 같은 봉을 수용 가능한 지르칼로이(Zircaloy)제의 중공원통형관이다. 디스플레이서봉(40) 및 제어봉은 대체로 동일한 치수로 만들어져 있으므로, 각 안내관(56)은 디스플레이서봉 또는 제어봉의 어느 한쪽을 똑같이 수용할 수 있다. 봉으로 차지하고 있지 않을때는 안내관(56)은 원자로 냉각재로 채워져 있지만, 안내관(56)에 디스플레이서봉이 삽입되면 디스플레이서봉(40)은 안내관의 냉각재를 밀어낸다.
그리드(50)는 연료집합체(32)의 길이에 따른 여러가지 장소에 위치결정되어 있고, 연료요소(48) 및 안내관(56)을 서로에 대해 적당한 거리로 작용하고 있으며, 원자로 냉각재가 연료요소(48)와 열전달 관계로 순환할 수 있게끔 되어 있다. 미합중국 특허 제3,379,617호 및 제3,379,619호 명세서에는 유사한 그리드의 상세한 설명이 기재되어 있다. 제4도에서 알 수 있듯이 디스플레이서봉(40)은 미합중국 특허원 제217,052호 명세서에 기재된 형식의 길쭉한 원통형의 실질적으로 중공의 봉이다. 디스플레이서봉(40)에는 봉을 가중하기위해 그리고 봉의 아래쪽으로의 이동성을 높이기 위해 ZrO2또는 Al2O3의 펠렛이 들어있다. 디스플레이서봉(40)은 안내관(56)과 공통의 직선상에 정렬하도록 배치되어 있으므로 소망시에 디스플레이서봉(40)을 안내관(56)내에 삽입할 수 있다. 이들 디스플레이서봉(40)은 스파이더(58)로서 알려져 있는 공통의 장착구조체로부터 지지되어 있다. 스파이더(58)는 본체(60)와, 이 본체에서 반경방향으로 뻗는 지주(62)를 구비한다. 디스플레이서봉(40)은 각 지주(62)에 별개로 부착되어 있고, 디스플레이서봉이 삽입되는 안내관(56)의 열에 대응하는 열을 형성한다. 스파이더(58)는 디스플레이서봉 구동기구(38)에 접속된 구동축(64)에 부착한다. 디스플레이서봉 구동기구(38)의가하는 힘에 구동축(64)이 하강 또는 상승되어 노심(34)내의 연료집합체(32)에 대한 디스플레이서봉(40)의 삽입 또는 인출이 행해진다.
각 스파이더(58)가 디스플레이서봉(40)을 하나 이상의 연료집합체(32)에 삽입할 수 있도록 배설되어 있는 것이 중요하다. 예를들면 제4도에 나타낸 바와 같이 스파이더(58)는 25개의 디스플레이서봉을 중앙의 연료집합체(32)에 삽입하고, 4개의 디스플레이서봉을 인접하는 4개의 연료집합체의 각각에 삽입할 수 있다. 이와 같이해서 스파이더 및 구동기구의 수를 증가시킴이 없이 복수의 디스플레이서봉(40)을 복수의 연료집합체(32)에 대해 출입하도록 이동시킬 수 있다.
제5도 및 제6도에 있어서, 디스플레이서봉 안내구조(42)는 디스플레이서봉 또는 제어봉과 같은 봉이 통과할 수 있도록 설계된 분할 튜브로 이루어지는 복수의 가이드(70)를 구비하고 있다. 디스플레이서봉 안내구조(42)는 제1도에 나타낸 바와 같이 캘란 드리아(44)와 밀폐헤드(24)와의 사이에 위치결정되어, 각 디스플레이어서봉 구동기구(38)에 대응하도록 배열되어 있다. 다수의 스페이서(72)가 가이드(70)를 따라 여러 장소에 배치되어 있으며, 가이드(70)와 함께 원자로 용기(22)의 윗쪽부분을 지나는 디스플레이서봉(40)을 안내한다. 제6도에서 알 수 있듯이 디스플레이서봉(40)을 안내하기 위해 8개의 가이드(70)가 설치되어 있다. 가이드(70)의 분할 튜브에 있는 "균열부분"은 스페이서(72)에 있는 홈(74)과 함께 연료집합체(32)에 있어서 안내관(56)에 대한 디스플레이서봉 또는 제어봉의 정렬을 유지하면서 스파이더(58)가 스페이서를 통과할 수 있도록 작용한다. 구동축(64)을 받아들이는 홈(76)이 중앙에 설치되어 있으므로 스파이더(58)는 이홈을 지나서 이동할 수 있다.
다시 제1도에 있어서, 다수의 관으로 이루어진 캘란드리아(44)는 캘란드리아 영역을 지나는 디스플레이서봉(40)과 같은 봉을 안내한다. 일반적으로 캘란드리아(44)내의 관은 가이드(70)처럼 분할관이 아니므로 스파이더(58)는 캘란드리아(44)내의 판의 정상부에 근접하면 그 하강을 정지한다. 캘란드리아(44)의 정상부에서 정지했을때에는 모든 봉이 캘란드리아의 관내를 지나 연료집합체(32)내에 완전히 삽입된다. 캘란드리아관에 삽입되고 있는 동안, 봉은 원자로 냉각재의 흐름에서 보호되므로, 보호되고 있지 않을 경우에 캘란드리아 영역의 원자로 냉각재의 유속에 의해 생길지도 모르는 진동을 최소로 할 수 있다.
본 발명에 있어서는 안내관(56)에 삽입할 수 있는 봉은 2종류가 있다. 예를 들면 디스플레이서봉 및 제어봉을 안내관(56)에 삽입하고자 배열할 수 있다. 모든 봉은 대체로 동일한 치수 및 형상이지만 봉을 만드는 재료 때문에 봉은 상이한 목적을 달성하게끔 되어 있다. 중공의 두꺼운 관이거나 또는 내부에 ZrO2또는 Al2O3펠렛과 같은 저속 중성자 흡수물질을 포함하고 있는 디스플레이서봉(40)은 원자로 냉각재를 밀어내어 원자로의 감속을 제어하는데 사용된다. 제어봉은 중성자 흡수물질을 포함하고 있으며, 보통으로 알려진 방법으로 노심의 반응을 제어하는 작용을 한다. 그레이봉(gray rod)은 디스플레이서봉(40)과 유사하지만 스테인레스 강철과 같은 중심중성자 흡수물질로 만들어져 있으므로, 하나당의 그 반응도 가치는 디스플레이서봉(40)보다도 크다.
제7도-제11도에는 노심 1/4에 있어서의 연료요소(48), 디스플레이서봉(40), 제어봉(80), 그레이봉(82) 및 봉이 없는 장소(84)의 배열이 표시되어 있다. 노심의 완전한 형상은 제7도에 나타낸 1/4노심을 다른 노심상한에도 전개함으로써 얻어진다. 실제로 제7도에 나타낸 1/4노심은 제7도의 A-A선에 다른 1/8노심의 대칭이다. 그러나 제7도에는 명료하게 하기 위해 노심 1/4이 표시되어 있다.
제10도에서 알 수 있듯이 각 연료집합체(32)는 연료요소(48)의 열과 안내관(56)의 열을 구비하고 있다. 일반적으로 제어봉(80) 및 그레이봉(82)은 대각선상에 배설된 안내관(56)내에 있어서만 사용되지만, 디스플레이서봉(40)은 연료 집합체의 전체 안내관(56)내에 있어서 사용되는 것이 보통이다. 또 데이타 계측기기를 수용하기 위해, 계장관(88)이 각 연료집합체(32)의 중심 가까이에 설치되어 있다. 각 연료집합체(32)는 제10도에 표시한 것과 본질적으로 동일하지만, 안내관(56)이 원자로 냉각재, 디스플레이서봉(40), 제어봉(80) 또는 그레이봉(82)의 어느 것에 의해 차지되어 있는가에 따라 각 연료집합체(32)는 상이한 기능을 발휘한다. 디스플레이서봉(40) 및 그레이봉(82)은 대체로 같은 양의 물을 밀어내도록 대략 같은 크기로 결정되어 있는 것이 보통이다. 그러나 그레이봉(82)은 하나의 디스플레이서봉(40)이 갖는 반응도 값보다 큰 반응도 값을 갖는 두꺼운 스테인레스 스틸제의 원통봉이다. 그레이봉의 두께는 0.065인치이다. 그레이봉은 9개의 디스플레이서봉의 클러스터에 배설되어 있지만 41개의 디스플레이서봉의 클러스터와는 대향해서 배설되어 있다. 각각의 그레이봉 클러스터의 반응도 값은 디스플레이서봉 클러스터의 반응도 값보다 작다. 따라서, 봉의 재료와 봉의 수를 적절하게 선정함으로써, 그레이봉과 디스플레이서봉에 대한 균형 있는 반응도 값이 얻어질 수 있다. 또 그레이봉 클러스터의 반응도 값은 디스플레이서봉 클러스터의 반응도의 약 25%이고 그레이봉 클러스터와 디스플레이서봉 클러스터의 이동성에 대한 여러 조합은 노심을 지나 여러 반응도 값을 산출한다.
제11도에 있어서, 안내관(56)내에서 제어봉(80)도 그레이봉(82)도 사용되고 있지 않으며 또한 디스플레이서봉(40)만이 사용되고 있는 연료집합체(32)를 총괄적으로 디스플레이서집합체(90)라고 부르며, 디스플레이서봉(40) 및 제어봉(8)을 사용하고 있는(그러나 그레이봉은 없다)연료집합체를 제어집합체(22)라고 부르며, 마찬가지로 디스플레이봉(40) 및 그레이봉(82)을 사용있는 연료집합체(32)를 그레이집합체(94)라고 부른다. 제11도에 있어서는 명료하게 하기위해 연료요소(48)는 생략되어 있으며, 또 이들의 연료집합체는 제10도에 나타낸 것과 같다.
다시 제11도에 있어서, 제어봉(80) 및 그레이봉(82)의 각각은 스파이더(58)에 유사한 스파이더(도시생략)에 부착되어 있지만, 이 도시생략의 스파이더는 하나의 연료집합체에만 영향을 미친다. 이와 같이 해서 임의의 연료집합체에 있어서의 모든 제어봉(80) 또는 그레이봉(82)은 단일의 구동기구에 의해 상승 또는 하강시킬 수 있다. 또한 각 디스플레이서봉 스파이더(58)는(제11도의 중앙부 및 제4도에 도시한 바와 같이)인접하는 연료 집합체내에 연입할 수 있으므로, 디스플레이서봉의 스파이더(58)의 운동이 5개의 연료집합체에 대한 제어에 영향을 주어 필요한 디스플레이서봉 구동기구의 수를 감소시킨다. 물론 1/4노심의 주변에서는(제7도에 도시한 바와 같이), 인접하는 연료집합체가 없거나 또는 봉이 없는 장소(84)가 존재하므로, 특정한 스파이더는 통상보다 적은 개수의 봉을 이동시킨다.
제7도를 구성하는 제8도 및 제9도에 있어서, 각 횡렬에 110-114의 번호를 붙여 각종렬에 116-130의 번호를 붙인 1/4노심의 배열은 다음과 같이 구성되어 있다.
연료 집합체
(100,116) 1/4 디스플레이서집합체
(100,118) 1/2 제어집합체
(100,120) 1/2 디스플레이서집합체
(100,122) 1/2 제어집합체
(100,124) 1/2 디스플레이서집합체
(100,126) 1/2 제어집합체
(100,128) 1/2 디스플레이서집합체
(100,130) 1/2 그레이집합체
(102,116) 1/2 제어집합체
(102,118) 완전한 디스플레이서집합체
(102,120) 완전한 그레이집합체
(102,122) 완전한 디스플레이서집합체
(102,124) 완전한 그레이집합체
(102,126) 완전한 디스플레이서집합체
(102,128) 완전한 제어집합체
(102,130) 완전한 디스플레이서집합체
(104,116) 1/2 디스프레이서집합체
(104,118) 완전한 그레이집합체
(104,120) 완전한 디스플레이서집합체
(104,122) 완전한 제어집합체
(104,124) 완전한 디스플레이서집합체
(104,126) 완전한 제어집합체
(104,128) 완전한 디스플레이서집합체
(104,130) 봉이 없는 부분적 제어집합체
(106,116) 1/2 제어집합체
(106,118) 완전한 디스플레이서집합체
(106,120) 완전한 제어집합체
(106,122) 완전한 디스플레이서집합체
(106,124) 완전한 제어집합체
(106,126) 완전한 디스플레이서집합체
(106,128) 완전한 제어집합체
(106,130) 완전한 디스플레이서집합체
(108,116) 1/2 디스플레이서집합체
(108,118) 완전한 그레이집합체
(108,120) 완전한 디스플레이서집합체
(108,122) 완전한 제어집합체
(108,124) 완전한 디스플레이서집합체
(108,126) 완전한 제어집합체
(108,128) 완전한 디스플레이서집합체
(110,116) 1/2 제어집합체
(110,118) 완전한 디스플레이서집합체
(110,120) 완전한 제어집합체
(110,122) 완전한 디스플레이서집합체
(110,124) 완전한 제어집합체
(110,126) 완전한 디스플레이서집합체
(110,128) 봉이 없는 부분적 디스플레이서집합체
(112,116) 1/2 디스플레이서집합체
(112,118) 완전한 제어집합체
(112,120) 완전한 디스플레이서집합체
(112,122) 완전한 제어집합체
(112,124) 완전한 디스플레이서집합체
(112,126) 봉이 없는 부분적 디스플레이서집합체
(114,116) 1/2 그레이집합체
(114,118) 완전한 디스플레이서집합체
(114,120) 봉이 없는 부분적 제어집합체
(114,122) 완전한 디스플레이서집합체
1/4노심에 관한 상술한 기재에서 알 수 있듯이 그 관념에 의거한 노심구조는 제11도에 나타낸 바와 같이 대체로 도시할 수 있다. 기본적으로는 제7도에 있어서 연료집합체(100,116)로 표시되고 있는 완전한 노심의 중심의 연료집합체는 제어집합체(92) 또는 디스플레이서집합체(90)의 어느 한쪽으로 결정할 수 있다. 일단 이것이 결정되면 중심의 연료집합체의 측평면에 바로 인접하는 4개의 연료집합체를 다른 형식의 것으로 결정하고, 대각선상에 있는 연료집합체를 중심의 연료집합체와 동일 형식의 것으로 결정한다. 이어서 이 방법을 교대로 계속한다. 예를 들면 제7도에 있어서의 중심의 연료집합체(100,116)는 디스플레이서집합체(90)로 결정했으므로, 그 측평면에 있는 연료집합체는 제어집합체(92) 또는 그레이집합체(94)의 어느 하나로 결정되며, 한편 대각선상에 있는 연료집합체는 디스플레이서집합체(90)로 결정된다. 이 방법은 노심의 주변에 달하기까지 교대로 반복된다. 노심의 주변에서는 끝의 연료집합체가 특정한 노심의 핵물리학에 의거하여 하이브리드(혼성)집합체(92)로 하느냐 그레이집합체(94)로 하느냐 하는 것은 통상의 노심설계에 의거하여 요구되는 제어집합체의 수와 장소를 먼저 선택함으로써 결정된다. 그후 제어집합체(92)와 결정하지 않은 연료집합체의 나머지를 그레이집합체(94)로서 사용한다. 따라서, 실질적으로 노심전체에 걸쳐서 디스플레이서집합체 및 제어 또는 그레이집합체가 교대하는 방법으로 배열할 수 있으며, 실제로 모든 연료집합체가 최소한 하나의 디스플레이서봉 스파이더(58)로 조작되며, 또한 각 디스플레이서봉 스파이더(58)가 일반적으로 5개의 연료집합체를 조작한다. 또한 각 연료집합체는 디스플레이서봉, 제어봉 또는 그레이봉의 최소한 하나의 구동기구에 의해 조작된다.
도시한 노심배열은 노심내의 감속재의 양을 제어함으로써 중성자스펙트럼을 "스펙트럼 이동"의 방법으로 제어할 수 있는 수단으로 된다. 감속 재량의 제어는 적절한 시기에 노심내의 물 냉각재를 밀어내고 바꿈으로써 할 수 있으며, 그것에 의해 노심의 감속이 변화한다. 본 발명에 있어서는 디스플레이서봉(40) 및 그레이봉(82)은 이런 감속변화를 하기위해 사용된다.
본 발명에 의한 가압수형 원자로의 운전시에는 노심 수명의 초기에 모든 디스플레이서봉(40) 및 그레이봉(82)을 노심(34)내에 넣는다. 그러나, 그 시기에는 어느 제어봉(80)도 삽입할 필요가 없다. 디스플레이서봉(40) 및 그레이봉(82)의 삽입은 디스플레이서봉 구동기구(38)와 같은 적절한 기구에 힘을 가함으로써 행해진다. 구동기구에 힘이 가해지면 디스플레이서봉(40) 및 그레이봉(82)은 하강하여, 연료집합체(32)의 적절한 안내관(56)내에 들어간다. 따라서, 디스플레이서봉 및 그레이봉은 그 용적의 냉각재(물)를 밀어내어, 노심(34)내의 감속재의 양이 감소된다. 감속재의 감소는 노심의 중성자 스펙트럼을 경화시켜 플루토늄의 생산량을 증대시킨다. 중성자 스펙트럼의 이런 경화는 일반적으로 "스펙트럼 이동"이라고 불리우고 있다. 더 한층 경화된 중성자 스펙트럼은 붕소에 의한 화학적인 조정의 필요성을 경감시키고 더욱 큰 부감속재 온도 계수를 가져와 가연성 독성물의 필요성을 감소내지는 배재한다. 노심내의 우라늄 연료의 감손은 노심의 수명이 끝나기까지 계속되므로 어떤수의 디스플레이서봉(40) 및 (또는) 그레이봉(82)을 그 구동기구에 힘을 가함으로써 노심에서 뽑아낸다. 봉을 뽑아내는 것에 의해 더욱 다량의 물 감속재가 노심영역에 들어가, 노심의 감속을 증가시킨다. 이것은 연료의 감손이 반응도 가치의 감손을 발생시키고 있을때, 실제로 방응도 가치를 가져온다. 따라서 노심의 반응도는 장기간에 걸쳐 적절한 레벨로 유지될 수 있다. 봉을 뽑아내는 것은 노심의 수명이 다 되어 갈 무렵에 모든 디스플레이서봉(40) 및 모든 그레이봉(82)이 노심으로부터 뽑아질 때까지, 노심의 여러가지 조건에 의거한 소정속도를 계속할 수 있다.
또 "스펙트럼 이동"의 목적을 위해 디스플레이서봉(40)과 그레이봉(82)을 사용하여, 부하를 추종한다. 예컨데, 원자로 냉각재에 있어서 붕소의 농도가 붕소의 흡입 및 배출 작동용량에 대해 약 100ppm이하가 될 때 실제로 부하추종이 작동하지 않을시 제논 과도상태를 보상한다. 그러나 선정된 디스플레이서봉(40) 또는 그레이봉(82)을 삽입하거나 뽑아내므로서, 적절한 반응도가 변화되어 제논 과도상태를 보상할 수 있다. 이러한 작동은 모든 출력의 요건과 방사 출력 분포를 조절하므로서 실행된다. 반응도값 면에서, 그레이봉(82)은 디스플레이서봉(40)과는 상이한 값을 갖고, 그레이봉(82)과 디스플레이서봉(40)은 여러 노심 위치에 설정되기 때문에 적절한 봉의 선정과 이동으로 원자로를 정확하게 제어할 수 있다.
41개의 디스플레이서봉 클러스터의 반응도 값은 약 75pcm이다. 즉, 연로버언업이 약 11,000MWD/MTU일때 또, 단일 41개의 디스플레이서봉 클러스터를 완전히 삽입시켜 완전히 뽑아낼때까지 노심반응도는 약 75pcm씩 증가한다. 동시에 반응도의 감속재 온도게수는 약 -70pcm/℃이다. 따라서, 제어봉위치 또는 출력레벨에 있어서, 관련된 변화없이, 단일 41개의 디스플레이서봉 클러스터를 뽑아내어, 약 10-20초(한 루프 이동 시간)로 디스플레이서봉 이동을 하락시켜, 온도가 변화함으로서, 약 1℃의 원자로 냉각재의 평균온도 계수가 증가한다. 디스플레이서봉 이동에 따라 냉각재 평균 온도가 변화하는데, 이런 변화는 작을 뿐만 아니라 서서히 일어난다. 냉각재 온도변화는 노심 반응도 전체에 걸쳐서 디스플레이서운동의 효과를 "완화"하는데 사용된다. 즉 감속재 온도계수가 음이기 때문에, 원자로 냉각재 온도변화가 디스플레이서봉 이동에 의해 반응도 변화의 일부분을 상쇄시키는 경향이 있어, 디스플레이서봉 클러스터가 이동될 때 노심반응도에 있어서 변이를 제공한다. 동일한 방향과, 노심내의 수소대 우라늄 비율 및 붕소농도를 변화시켜 비교할 만한 분율로 디스플레이서봉 클러스터 반응도값과 감속재 온도계수의 절대값이 변화하기 때문에 매단위당 디스플레이서봉 클러스터 운동을 변화시키는 온도는 노심수명의 후면부를 지나 노심조건과 무관하다.
제12도에 있어서, 원자로를 제어하기 위해 이들 개념들을 이용할 경우, 두개의 원자로 냉각재 온도 대역들은 원자로 운전 목적상 선택될 수 있다. 이들 대역들은 종래의 운전 대역들보다 더 넓거나 상이하다. 한편 대역 A는 넓은 대역인데 원자로 냉각재 평균 온도 설정점 Ts의 한측면상에 2℉이고, 넓게는 약 4℉이다. 원자로를 운전하고자 할때 Ts는 원자로 냉각재 평균 온도로 선택되어진다. 이와 달리, 평균 냉과 온도가 사용된다. 좁은 대역인 대역 B는 대략 넓게는 3℉이고 설정점 Ts의 한측면상에 1.5℉이다. 원자로 냉각재 온도가 이런 제한치에 도달한다면 자동시스템은 온도편차를 바꾸기 위해 개시되도록 대역 A가 선택된다. 원자로 냉각재 온도가 이런 제한치에 접근할때 대역 B는 작동 안내 제한치로 선택되고, 디스플레이서봉 운동의 개시와 오퍼레이터 또는 자동 선택중의 하나가 대역 A제한치에 도달하지 못하도록 한다. 이런 방법으로 t0와 t1사이에 도시되어진 바와 같이, 제논 축적 동안 원자로 냉각재 온도 편차가 아래방향으로 될때 특별한 디스플레이서봉 클러스터 또는 그레이봉 클러스터를 뽑는 것이 개시된다. t1과 t2에 있어서, 봉클러스터를 뽑아 내는데는 약 15분 걸린다.노심의 반응도를 증가시키고, 원자로 냉각재 온도편차가 상승하는 노심에 물감속재를 삽입하여 봉 클러스터를 뽑아낸다. 따라서 제논은 t2와 t3사이에 다시 하강하여 냉각재 온도를 축척한다. t3에 접근할때 필요한 반응도 첨가에 따라, 41개의 디스플레이서봉 클러스터 또는 9개의 그레이봉 클러스터 중 하나의 다음 봉 클러스터를 뽑아내거나 선택하는데 제논은 필요하다. t4와 t5사이는 대역A'의 제한치를 방지하기 위해 다음 봉 클러스터가 뽑혀질 시간 프레임을 나타낸다. 이러한 방법으로 제논 과도상태와 같은 냉각재 온도 변화가 보상되어 냉각재에서 붕소 농도를 조절할 필요가 없이 노심의 수명을 연장시킬 수 있다.
특수한 클러스터가 이동될때를 측정하자면, 클러스터 또는 클러스터의 그룹이 이동되는 것과 이들 클러스터들이 노심의 내부 또는 외부로 이동되는가를 결정하는 것이 필요하다. 이런점에 있어서, 디스플레이서봉 클레스터가 그레이봉 클레스터 보다 더 큰 노심영역에 영향을 미치고, 각각의 그레이봉이 각각의 디스플레이서봉 보다 더 상이한 반응도 값을 갖기 때문에, 여러 클러스터의 적절한 선택과 운동은 노심반응도 레벨과 방사상 출력 분포에 영향을 미칠 수 있다.
제13도에 있어서, 출력 분할 계산기(100)는 각 연료집합체에 분포되어 있는 전 노심 출력의 일부분을 측정한다. 이러한 것은 국부적인 중성자속이다. 원자력 출력레벨 크기를 측정하기 위해 노심내에 다수의 방사선 검출기를 가지므로 종래의 방법데로 측정할 수 있다.
예컨데, 감마 검출기와 같은 약 5개의 방사성 검출기에 약 60개의 연료집합체가 설치되어 있다. 5개의 방사선 검출기는 연료집합체를 따라 축방향으로 일정하게 배열되어 있으므로 노심 검출기 내에 있는 약 300개의 연료집합체로 하여금 순간 반응도의 레벨을 60개의 노심영역에 제공할 수 있다. 구경 측정 인자 및 중량인자와 더불어 이들 판독은 출력분할 계산기(100)에 제공되어 각각의 노심영역에 의해 유지된 출력 분할 인자를 측정한다. 동시에, 현재 상태 컴파일러(102)는 붕소농도, 수소대 우라늄비 및 현재 클러스터 위치와 같은 다른 노심상태들을 컴파일 한다. 출력분할 계산기(100)로 부터 나온 정보와 함께 이들 정보는 디스플레이서 이동효과 프레딕터(104)에 전달되는데, 이들 프레딕터(104)는 각각의 클러스터를 이동시키므로서 발생되는 반응도 변화와 출력 분할변화를 측정한다. 대응하는 클러스터를 이동시켜서 특별한 연료집합체와 조합된 반응도 변화가 현재 연료집합체 출력밀도와 관련성 있다는 것을 알 수 있다. 이들 상호관계는 다음식과 같다.
Figure kpo00001
R=m×APD
여기서
Figure kpo00002
R=대응하는 클러스터(디스플레이서봉 또는 그레이봉)을 삽입하거나 뽑아낸 연료집합체의 반응도 변화, APD=클러스터가 이동하기전 연료집합체 출력밀도, m=직선기울기
기울기 m은 다음 데이타에 의해 예시한 바와 같이 버언업(burnup)에 의해 측정되어진다.
버어업 기울기m
(MWD/MTU) pcm/클러스터/단위출력밀도
1,000 5.4
6,000 32.8
11,000 60.0
(MWD/MTU=우라늄의 단위 중량당 발생한 에너지 pcm=퍼센트 밀리, 버인업에 대한 기울기의 관계식은 다음과 같다.
m=0.0054×BU
여기서 BU=MWD/MTU에서 버언업, 그러므로
Figure kpo00003
R=0.0045×BU×APD
이런 관계식을 사용하여, 이동 효과 프레딕터(104)는 그런 연료집합체에 해당하는 클러스터를 이동시키므로서 기대될 수 있는 반응도 변화를 예견할 수 있다. 이러한 정보는 그후 클러스터 선택기(106)에 전달된다. 특별한 연료집합체를 뽑아낸후 출력밀도는 다음식과 같이 정의된다.
NPD=(1.17+0.000033×BU)×OPD
여기서, NPD=신 연료집합체 출력밀도, OPD=구 연료집합체 출력밀도, BU=MWD/MTU에서 비언업.
따라서, 특별한 연료집합체에 있어서, 출력밀도는 클러스터 이동전에 그의 출력밀도에 따라 본 기술분야에 공지된 것으로부터 선택된 요구프레딕터(108)는 반응도에 요구된 예상 증감양을 결정하여 클러스터 선택기(106)에 전달한다. 이것은 냉각재 평균온도, 출력레벨, 대역 제한값 또는 설정점과 같은 데이타에 따른 것이다. 또한 출력 분할 계산기는 각 연료집합체에 대한 출력분할을 클러스터 선택기에 전달한다. 클러스터 이동 전 각 연료집합체에 대한 출력분할 클러스터가 이동되면 예상될 반응도변화, 각 연료집합체에 대한 현재 연료집합체 출력밀도(OPD), 각 연료집합체에 대한 예상된 연료집합체 출력밀도(NPD), 및 요구된 반응도 변화를 클러스터 선택기(106)가 수용된다. 선택기(106)으로부터, 각 연료집합체에 대한 신출력분할이 측정될 수 있다.
각 클러스터의 현위치와 이런 정보를 근거로 하여, 클러스터 선택기(106)는 하나이상의 클러스터 이동의 그룹들을 선택할 수 있는데, 이들 클러스터 이동그룹들은 출력 분할 전체를 그대로 소망의 반응도 변화에 수행한다. 일반적으로 이런 연구는 다음 반응도 변화와 요구된 이동의 예상치를 포함하고 있으므로 후속 클러스터 이동을 저지할 수 있는 클러스터 이동을 방지한다. 선택된 클러스터 그룹들은 출력 분포 검공기(110), 오퍼레이터 판독(112) 및 자동제어시스템(114)에 전달된다. 출력 분포 검공기는 예상된 출력 분할비 대 구출력 분할비를 검사하여 예상된 변화가 설정제한치 외측에 있다면 경보(116)를 발생할 수 있다. 오퍼레이터는 오퍼레이터 판독장치(112)를 볼 수 있어 사용할 클러스터 그룹들을 선택할 수 있거나 또는 클러스터 선택기(106)에 의해 자동적으로 선택할 수 있어, 클러스터 이동을 실행시키기 위해 자동제어시스템(114)에 전달된다. 따라서, 이런 기준을 근거로 하여, 이용가능한 디스플레이서봉이나 그레이봉 클러스터의 여러 결합에 대한 많은 이동(삽입하거나 뽑아내는것)을 부하 추종중인 가압수형 원자로를 제어하기 위해 평가되고 실행될 수 있다.

Claims (6)

  1. 원자로속에 배설된 노심(34)과 열전달 관계로 냉각수를 순환시키기 위해 입구노즐(26)과 출구노즐(28)을 가진 원자로 용기(22)와, 핵분열로 열을 발생시키기위해 상기 노심에 배설된 복수의 연료집합체(32)와, 상기 연료집합체(32)내에 삽입되게 하거나 혹은 상기 연료집합체(32)로부터 뽑아내도록 배열되는 복수의 낮은 중성자 흡수용물 디스플레이서봉(40)을 포함하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로에 있어서, 낮은 중성자 흡수용물 디스플레이서봉(40)보다 높은 반응도 값을 갖지만 제어봉보다는 낮은 반응도 값을 갖는 중간 중성자흡수용물 그레이봉(82)은 상기 연료집합체(32)내에 삽입되게 하거나 혹은 상기 연료집합체(32)로부터 뽑아내도록 하기 위해 상기 원자로내로 배열되는데, 상기 낮은 중성자 흡수용물 디스플레이서봉(40)과 상기 중간 중성자 흡수용물 그레이봉(82)은 연료집합체(32)에 삽입될때 노심(34)으로 부터 물을 뽑아냄으로서 노심(34)내의 물의 양을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 그레이봉(82)은 원통형 금속봉으로 구성하는 것은 특징으로 하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그레이봉(82)은 두꺼운 벽으로 구성된 스테인레스 스틸 원통형 금속봉인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 그레이봉(82)은 9개의 봉 그룹을 하나의 연료집합체(32)에 동시에 삽입하거나 연료집합체로부터 동시에 뽑아내기 위해 배열된 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 그레이봉(82)은 상기 연료집합체(34)내부에 대각선배열로 배치되도록 배열된 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 그레이봉(82)은 상기 연료집합체(34)내부에 십자형 배열로 배열된 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이동식 가압수형 원자로.
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