WO2021241800A1 - 향상된 격납성을 갖는 사용후핵연료 캐니스터 - Google Patents

향상된 격납성을 갖는 사용후핵연료 캐니스터 Download PDF

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WO2021241800A1
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nuclear fuel
spent nuclear
spiral
canister
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PCT/KR2020/010249
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김승현
김민석
이상환
신창민
윤형주
이정환
김형진
김태만
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한국원자력환경공단
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    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/06—Details of, or accessories to, the containers
    • G21F5/12—Closures for containers; Sealing arrangements
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
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    • F16B7/182—Connections of rods or tubes, e.g. of non-circular section, mutually, including resilient connections using screw-thread elements for coaxial connections of two rods or tubes
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    • F16B9/00—Connections of rods or tubular parts to flat surfaces at an angle
    • F16B9/05—Connections of rods or tubular parts to flat surfaces at an angle by way of an intermediate member
    • F16B9/054—Connections of rods or tubular parts to flat surfaces at an angle by way of an intermediate member the intermediate member being threaded
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a spent fuel canister having improved containment, and more particularly, to a spent fuel canister having improved containment while being free from welding processes.
  • the container that can store the spent nuclear fuel consists of a barrel-shaped metal canister, and a basket is provided inside the metal canister to store the spent nuclear fuel.
  • the basket inside the metal canister is fixed through a support member or a containment member, and a neutron shield is provided outside the canister to store spent nuclear fuel.
  • the canister material is mainly stainless steel, and includes a canister shell surrounding the side of the basket, a canister lid plate surrounding the top of the basket, and a canister bottom plate surrounding the bottom of the basket. After the spent nuclear fuel is loaded into the basket, the canister lid plate is usually fixed to the canister shell by bolt-nut coupling and sealed through welding.
  • Another object of the present invention is to provide a spent fuel canister that is free from welding and has improved containment properties.
  • Another object of the present invention is to provide a spent nuclear fuel canister having improved corrosion resistance.
  • a spent nuclear fuel canister includes: a main body having an open end and an internal space in which spent nuclear fuel is mounted; a cover seated on the open end of the body and fixed to the body; a first spiral protrusion formed on one end inner surface of the body; and a second spiral protrusion positioned on the outer side of the cover and formed to be fastened with the first spiral protrusion by rotation of the cover.
  • the thermal expansion coefficients of the first spiral projection and the second spiral projection may be greater than the thermal expansion coefficients of the main body and the cover, respectively.
  • the first spiral projection and the second spiral projection may contain a metal having a face-centered cubic (FCC) structure.
  • FCC face-centered cubic
  • an amorphous alloy layer may be positioned between the body and the first spiral protrusion or between the cover and the second spiral protrusion.
  • the glass transition temperature of the amorphous alloy of the amorphous alloy layer may be 450° C. or higher.
  • the first spiral projection has a wave pattern irregularity based on a cross-section
  • the second spiral projection has a wave pattern of a complementary shape to engage with the wave pattern irregularity of the first spiral projection. may have irregularities.
  • the spent nuclear fuel canister according to an embodiment of the present invention may further include at least an anti-corrosion coating layer coated on the outer surface of the main body and the outer surface of the cover, respectively.
  • the anti-corrosion coating layer may include a nickel-based, aluminum-based, or magnesium-based amorphous alloy.
  • the main body includes grooves arranged to be spaced apart from each other on the outer surface, and the grooves may be filled with an amorphous alloy of the anticorrosion coating layer.
  • the first spiral protrusion may rotate the body 2 to 10 times.
  • the cover has a side surface on which the second spiral protrusion is located, and includes a fastening part charged to one end of the body; and a cap part extending from one end of the fastening part to cover the open end and the outer side of the open end of the main body.
  • the spent nuclear fuel canister according to an embodiment of the present invention may further include a basket positioned in the internal space of the body.
  • the body and the cover may each be made of stainless steel.
  • the present invention includes a method for storing spent nuclear fuel using the above-described spent nuclear fuel canister.
  • the method for storing spent nuclear fuel according to the present invention includes the steps of loading the spent nuclear fuel into the body of the above-described spent nuclear fuel canister; and fixing the cover to the main body by fastening the first spiral protrusion and the second spiral protrusion by positioning the cover at the open end of the main body and rotating the cover.
  • the spent nuclear fuel canister according to the present invention is free from welding and external fixing members such as bolt-nut coupling as the body and the cover are coupled by fastening between the spiral protrusions by rotation and the internal space of the body is contained.
  • the internal space of the main body is contained and opened only by the rotation of the cover, so that the process of moving, storing, and recovering the spent nuclear fuel stored in the canister can be performed very quickly and simply and easily.
  • FIG. 1 is a perspective view of a canister according to an embodiment of the present invention, illustrating a state in which a body and a cover are not coupled.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a body area and a cover area in which the spiral protrusion is located in the canister according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an example illustrating a cross-sectional view of a canister according to an embodiment of the present invention in a state in which a cover and a body are coupled.
  • FIG. 4 is another example illustrating a cross-sectional view of the canister according to an embodiment of the present invention in a state in which the cover and the body are coupled.
  • a spent nuclear fuel canister includes: a main body having an open end and an internal space in which spent nuclear fuel is mounted; a cover seated on the open end of the body and fixed to the body; a first spiral protrusion formed on one end inner surface of the body; and a second spiral protrusion positioned on the outer side of the cover and formed to be fastened with the first spiral protrusion by rotation of the cover.
  • the spent nuclear fuel canister according to the present invention is free from welding and external fixing members such as bolt-nut coupling as the body and the cover are coupled by fastening between the spiral protrusions by rotation and the internal space of the body is contained.
  • the inner space of the body can be stored and opened only by rotating the cover. Accordingly, the process of loading and storing the spent nuclear fuel in the canister becomes simpler and faster and easier, and if necessary, simply rotate the cover in the direction in which the spiral protrusion is uncoupled to open the internal space in which the spent nuclear fuel is loaded.
  • the welding process is a process involving heat, a heat affect zone is inevitably generated around the welding area. Such a heat-affected region may cause the formation of unwanted precipitates on the base material of the canister and change the composition thereof, thereby greatly reducing the corrosion resistance of the canister.
  • the dry storage of the spent nuclear fuel must be made in accordance with known safety regulatory evaluation items, and the temperature must be strictly maintained below 400°C in the entire process of dry storage of the spent nuclear fuel.
  • the welding process involving heat under these temperature conditions is known to be a very dangerous and demanding process in the dry storage process.
  • the bolt-nut joint causes a local stress concentration in the bolt-nut joint region of the canister, and there is a risk of stress corrosion cracking in the bolt-nut joint region.
  • the main body and the cover are coupled by fastening the spiral protrusions, it is free from external fixing members such as the welding process or bolts-nuts, and thus the stability of the spent nuclear fuel dry storage process can be improved. It can prevent corrosion resistance from being damaged.
  • FIG. 1 is a perspective view of a canister 100 according to an embodiment of the present invention, illustrating a state in which a main body 110 and a cover 120 are not coupled.
  • the canister 100 includes a main body 110 having an open end and an internal space, a cover 120 , a first spiral projection 130 , and a second spiral projection 140 .
  • the body 110 may include a side wall and a bottom surface, and the side wall and the bottom surface form an integral body and may be connected (extended) to each other.
  • the shape of the body 110 is not particularly limited, but may be cylindrical.
  • At least one end region of the cover 120 has a shape corresponding to that of the body 110 , so that one end region may be inserted into the open end of the body 110 .
  • the first spiral protrusion 130 may be positioned on one end of the body 110 , specifically on the inner surface of the open end, the outer side of the cover 120 , specifically being inserted into the body 110 .
  • the second spiral protrusion 140 formed to be fastened with the first spiral protrusion 130 by rotation of the cover 120 may be positioned on the outer side of the end region. In this case, the inner side of the open end and the outer side of the cover 120 are, of course, facing each other when the body and the cover are coupled.
  • the main body 110 and the cover 120 may be coupled and fixed to each other by fastening between the first spiral projection 130 and the second spiral projection 140 .
  • the first spiral protrusion 130 may have a shape in which the inner surface of the main body is wound from the inner surface of one open end of the main body in the longitudinal direction (the direction from the open end to the bottom surface) of the main body.
  • the angle between the first spiral protrusion 130 and the imaginary plane may be 5 to 20°, but is not necessarily limited thereto. It is sufficient if the second spiral protrusion 140 is formed to be fastened with the first spiral protrusion 130 by rotation of the cover 120 , specifically, clockwise rotation.
  • the coupling between the spiral projections not only guarantees proper containment, but also provides a longer material diffusion (movement) distance than any other bonding when inflow or outflow of a flowable material including gas, thereby providing a flowable material outside the canister. It is possible to effectively prevent an inflow into the inner space or a flowable material in the inner space from flowing out of the canister.
  • the first spiral protrusion rotates the body 2 to 10 times, preferably 3 times. It can be whipped up to 8 times, more preferably 4 to 7 times. In this case, it goes without saying that one reference may be based on one end of the spiral protrusion.
  • the spent fuel canister may be a metal canister.
  • the metal canister means that at least the body, the cover, and the spiral protrusion are each made of a metal material.
  • the coefficients of thermal expansion of the first spiral projection and the second spiral projection may be greater than the thermal expansion coefficients of the main body and the cover, respectively. That is, the first spiral projection and the second spiral projection are different from the material of the main body and the cover, and may be a material having a thermal expansion coefficient greater than the thermal expansion coefficient of the main body and the thermal expansion coefficient of the cover. More specifically, the body and the cover may be made of the same first metal material, and the first spiral projection and the second spiral projection may be made of the same second metal material, but the second metal material has a higher coefficient of thermal expansion (thermal expansion) than the first metal material. coefficient) can be
  • the canister loaded with the spent nuclear fuel is stored at a temperature below a prescribed temperature limit (eg, 400° C.).
  • a prescribed temperature limit eg, 400° C.
  • the first spiral projection and the second spiral projection have a higher coefficient of thermal expansion compared to the main body and the cover, the first spiral projection and the second spiral projection expand due to heat generated by the spent nuclear fuel during storage of the spent nuclear fuel and there is no gap. They may be physically strongly bound (adherent) to each other. By the expansion of the spiral protrusion, the containment of the internal space of the body can be further improved.
  • the canister according to an embodiment when coupling between the body and the cover, an external coupling member such as a bolt-nut is unnecessary, can be free from welding, and the first spiral projection and the second spiral projection are compared to the body and the cover When it has a higher coefficient of thermal expansion, the first spiral projection and the second spiral projection may act as a mechanical fastener coupling the body and the cover, and at the same time, perform a similar role to the sealing ring by thermal expansion. Accordingly, the canister according to an embodiment does not require a separate sealing member (for example, a metal or elastomer sealing ring or metal gasket) between the body and the cover.
  • a separate sealing member for example, a metal or elastomer sealing ring or metal gasket
  • the material of the first spiral projection and the second spiral projection may be any metal having a greater coefficient of thermal expansion (coefficient of thermal expansion, based on 20° C.) than the body and the cover.
  • the material of the first spiral projection and the second spiral projection is preferably a metal material having a face-centered cubic (FCC) structure having a greater coefficient of thermal expansion compared to the body and the cover.
  • FCC face-centered cubic
  • the metal of the FCC structure has excellent ductility and is easily plastically deformed by stress. Accordingly, in the case of a metal material having an FCC structure between the first spiral projection and the second spiral projection, the stress that may remain even after firm containment is secured by the expansion of the spiral projection (stress generated by thermal expansion) is caused by plastic deformation. It is advantageous because it can be eliminated in a significant amount. In addition, it is advantageous because the adhesion between the first spiral projection and the second spiral projection can be more solidified by easy plastic deformation due to stress.
  • the body and the cover may be stainless steel (stainless steel), specifically austenitic, duplex, ferritic or martensitic stainless steel, more specifically austenitic stainless steel can be As an example of a commercial product, the body and cover may be 316 stainless steel.
  • the material of the first spiral projection and the second spiral projection has a coefficient of thermal expansion (based on 20 ° C) of 18 x 10 -6 /K or more, specifically 18 x 10 -6 /K to 35 x 10 -6 /K, more specifically 19 x 10 -6 /K to 30 x 10 -6 /K, even more specifically 20 x 10 -6 /K to 30 x 10 -6 /K metalyl of the FCC structure can
  • examples of the metal of the FCC structure having a higher coefficient of thermal expansion compared to the body and the cover include copper, aluminum, lead, silver, alloys thereof or composites thereof, etc. The present invention is not limited thereto.
  • the amorphous alloy layer is positioned between the first spiral projection and the inner surface of the body and between the second spiral projection and the outer surface of the cover, respectively good.
  • the amorphous alloy layer may serve to bind (attach) the first spiral projection to the body or the second spiral projection to the cover.
  • the binding between the spiral projection and the body or cover by the amorphous alloy layer is performed by heating the amorphous alloy positioned between the spiral projection and the body or cover to a temperature above the glass transition temperature (Tg, glass transition temperature) of the amorphous alloy and below the crystallization initiation temperature.
  • the spiral projections can be strongly bound to the body or cover, as well as at the interface (interface layer) between the spiral projections and the body or cover. It is advantageous because residual stress can be minimized.
  • Tg glass transition temperature
  • the amorphous alloy is not crystallized and the amorphous phase is maintained as it is, so that the amorphous at the interface between the spiral protrusion and the body or cover
  • an interfacial layer of the alloy layer may be formed.
  • the amorphous alloy layer when the amorphous alloy layer is positioned between the first spiral projection and the body and between the second spiral projection and the cover, respectively, stress in the interfacial layer remaining due to the attachment of the spiral projections can be minimized, and the spent nuclear fuel in the canister During storage, the stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the spiral protrusion and the body or cover can be buffered by the amorphous alloy layer.
  • the thin amorphous alloy layer may have high elasticity properties comparable to flexible polymers. Stress generated by the difference in thermal expansion between the spiral projection and the main body and the difference in thermal expansion between the spiral projection and the cover can be relieved by their own low coefficient of thermal expansion and high elasticity. Durability of the canister may be improved by such stress relaxation.
  • the thickness of the amorphous alloy layer may be 500 ⁇ m or less, specifically 400 ⁇ m or less, more specifically 10 to 300 ⁇ m, and even more specifically 50 to 200 ⁇ m.
  • the amorphous alloy of the amorphous alloy layer is not particularly limited, but Mg-based, Ca-based, Al-based, Ti-based, Zr-based, Hf It may be an amorphous alloy based on Fe, Co, Ni or Cu.
  • the amorphous alloy of the amorphous alloy layer has a glass transition temperature may be 450 °C or higher, specifically 450 to 950 °C, more specifically 450 °C to 750 °C, even more specifically 450 °C to 600 °C. Examples of the amorphous alloy having a glass transition temperature of 450° C.
  • Fe-based amorphous alloy eg, Fe-Co-Cr-Mo-CBY alloy, Fe-Si-BP alloy, Fe-YB alloy, etc.
  • Ni-based amorphous alloy for example, Ni-Nb-Ta alloy, Ni-Nb-Ti-Hf alloy, Ni-Zr-Ti-Sn alloy, Ni-Nb-Ti-Hf alloy, etc.
  • Cu-based amorphous alloy for example, Cu- Zr alloy, Cu-Ti-Zr-Ni alloy, Cu-Hf-Al alloy, Cu-Zr-Al alloy, Cu-Zr-Al-(Y, Ag, Be) alloy, etc.
  • Al-based amorphous alloy for example, , Al-La-Y-Ni alloy, etc.
  • Mg-based amorphous alloy Mg-Ni-Nd alloy, etc.
  • Zr-based amorphous alloy Zr-Al-Ni alloy, Zr-Al-Cu-Ni
  • FIG. 2 is a partially enlarged view illustrating the spiral protrusion 130 located on the main body 110 of the canister and the spiral projection 140 located on the cover 120 according to an embodiment of the present invention.
  • the first spiral protrusion 130 may have a wave pattern irregularity 131 based on its cross-section (a cross-section perpendicular to the longitudinal direction of the spiral), and the second spiral protrusion 140 is the second spiral protrusion 140 .
  • One may have a wave pattern irregularities 141 of a complementary shape to engage with the wave pattern irregularities 131 of the spiral protrusion.
  • the wave pattern irregularities 131 may be continuously formed from one end to the other end of the first spiral protrusion 130, and the second spiral protrusions 140 also continuously from one end to the other end of the wave pattern irregularities ( 141, irregularities of a complementary shape of the first spiral protrusion and the formed irregularities) may be formed.
  • first spiral projection and the second spiral projection have a cross-sectional standard rectangular shape
  • the cross-sectional reference shape of the first spiral projection and the second spiral projection is not limited thereto, and a square (Rectangle to square), a truncated ellipse, a truncated circle, a triangle, a square with rounded corners (rectangular to square), and a rounded triangle with rounded corners may have various shapes.
  • the wave pattern irregularities may be respectively formed on the surfaces where the first spiral protrusion and the second spiral protrusion face (contact) each other. It does not exclude the case where this was formed.
  • the cover 120 may include a fastening part 121 and a cap part 122 .
  • the fastening part 121 has (provides) a side on which the second spiral projection 140 is located, and when the cover 120 is rotated, the main body through the open end of the body 110 by fastening between the spiral projections. (110) It may be a cover area inserted into the interior. Accordingly, it goes without saying that the fastening part 121 may have a shape corresponding to the empty space of the open one end region of the body.
  • the cap part 122 includes an upper plate 122u extending integrally with one end (upper end) opposite to one end (lower end) of the fastening portion 121, specifically, one end (lower end) inserted into the body 110, and It may include a side plate 122s extending from the edge of the upper plate 122u in a downward direction (a direction in which the fastening part is located) and swinging around the upper plate 122u.
  • the cap part 122 can cover the open end of the main body 110 by the upper plate 122u, and the side plate ( 122s) may be in close contact with the outer side of the open end of the main body 110 to cover the outer side.
  • the cover 120 includes the above-described fastening part 121 and the cap part 122, not only the fastening of the first spiral protrusion 130 and the second spiral protrusion 140, but also the outer side surface of the main body 110 and the cap part Even by the close coupling between the 122 , the containment of the internal space is ensured, and the containment of the canister can be improved.
  • the fastening portion between the first spiral protrusion 130 and the second spiral protrusion 140 can be protected from the outside by the close coupling between the outer side surface of the main body 110 and the cap portion 122, so that the fastening portion is corroded. it can be prevented
  • the canister may further include at least anti-corrosion coating layers 310 and 320 respectively coated on the outer surface of the body 110 and the outer surface of the cover 120 .
  • the anticorrosion coating layers 310 and 320 are nickel-based, aluminum-based or magnesium-based amorphous alloy layers, substantially nickel-based having a glass transition temperature of 400° C.
  • aluminum-based eg. Al-La-Y-Ni alloy, etc.
  • magnesium-based Mg-Ni-Nd alloy, etc.
  • Nickel-based, aluminum-based, or magnesium-based amorphous alloys exhibit passivation behavior (passive film formation) in an amorphous state, so they can have very good corrosion resistance compared to crystalline metals, and excellent corrosion resistance can be maintained even under stress application conditions.
  • the thickness of the anticorrosion coating layer which is an amorphous alloy layer, may be 500 ⁇ m or less, specifically 50 to 450 ⁇ m, and more specifically 100 to 400 ⁇ m.
  • the anti-corrosion coating layer (amorphous alloy layer) of this thickness can exhibit high elasticity properties, so that the stress caused in the coating layer by thermal expansion of the body or cover during dry storage of spent nuclear fuel is effectively absorbed and alleviated, and the coating layer and the body (or cover) can be prevented from delamination.
  • the main body may include grooves arranged to be spaced apart from each other on the outer surface thereof, and the surface grooves of the main body may be filled with the amorphous alloy of the anti-corrosion coating layer.
  • the depth (maximum depth) of the surface grooves may be 5 to 50% of the thickness of the coating layer, specifically, 10 to 30% of the thickness of the coating layer so that the surface grooves can be filled without changing the thickness of the anticorrosion coating layer.
  • the width of the surface groove is not particularly limited, but may be 0.5 to 100 times the thickness of the coating layer.
  • the surface groove ( ) may be formed to cross the main body in the height direction of the main body (the direction from the bottom of the main body to the open end of the main body), and perpendicular to the height direction (in the circumferential direction) It can be arranged to be spaced apart.
  • the density of the surface grooves may be at a level of 10 2 to 10 3 pieces/m per unit length in a direction spaced apart between the surface grooves, but is not limited thereto.
  • the amorphous alloy has a very low coefficient of thermal expansion
  • compressive force may be applied to the coating layer region filled in the surface grooves due to thermal expansion of the body during dry storage of spent nuclear fuel, and tensile force may be applied to the coating layer regions other than the surface grooves.
  • the coating layer is in the form of a continuous film having high elastic properties, the tensile force and compressive force caused to the coating layer by the body may partially cancel each other out, thereby reducing the net stress that the coating layer needs to be relieved by elastic deformation.
  • the canister may further include a basket 200 for fixing the spent nuclear fuel charged into the internal space of the body, as in the example shown in FIG. 1 .
  • the basket 200 may be located in the inner space of the main body 110 and may have a conventional structure used for fixing the spent nuclear fuel in the canister in the field of dry storage of the spent nuclear fuel.
  • the basket 200 may have a rectangular lattice structure, and may have a shape in which a plurality of rectangular tubes extending in the longitudinal direction are gathered.
  • spent nuclear fuel may be located inside each of the rectangular tubes.
  • the canister may further include a support member for fixing and supporting the basket together with the basket or a storage member into which the basket is inserted.
  • the canister may be a container for dry storage of spent nuclear fuel, and may be a container for transport, storage or transport and storage of spent nuclear fuel.
  • the present invention includes a method for storing spent nuclear fuel using the above-described spent nuclear fuel canister.
  • the method for storing spent nuclear fuel includes the steps of: loading (inserting) spent nuclear fuel into the body of the above-described spent nuclear fuel canister, specifically, into a basket inside the body; and fixing the cover to the main body by fastening the first spiral protrusion and the second spiral protrusion by positioning the cover at the open end of the main body and rotating the cover.
  • the rotation is in a direction in which the first spiral projection and the second spiral projection are fastened.
  • the cover is fixed to the body by the coupling between the spiral projections by the rotation of the cover, and as the canister is stored, the process and welding of fixing the cover using an external fixing member such as bolt-nut Through this, the process of fixing and sealing between the cover and the body can be excluded.
  • the present invention also includes a method for recovering stored spent nuclear fuel.
  • the method for recovering spent nuclear fuel includes the steps of rotating the cover of the above-described canister in which the spent nuclear fuel is stored therein in a direction in which the fastening between the spiral protrusions is released to remove the cover from the body, thereby opening the internal space of the body; and recovering the spent nuclear fuel located inside the main body, specifically, in a basket in the main body, out of the main body.
  • the recovery method according to the present invention does not require removal of external fixing members, removal of welding parts, etc., and can open the canister by simply rotating the cover. can In addition, since no damage is substantially caused when the cover and the body are coupled and separated, the canister remaining after the spent nuclear fuel is recovered can be used again for storage of the spent nuclear fuel.
  • an exhaust port may be provided on the cover and a drain port may be further provided on the lower portion of the main body, and this drain port can be kept airtight by a port cover having a metal O-ring, of course.

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Abstract

본 발명은 사용 후 핵연료 캐니스터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 일 단이 개방되고 사용 후 핵연료가 장착되는 내부 공간을 갖는 본체; 상기 본체의 개방된 일 단에 안착되어 상기 본체에 고정되는 커버; 상기 본체의 일 단 내측면에 형성된 제1 나선돌기; 및 상기 커버의 외측 측면에 위치하며, 상기 커버의 회전에 의해 상기 제1 나선돌기와 체결되도록 형성된 제2 나선돌기;를 포함한다.

Description

향상된 격납성을 갖는 사용후핵연료 캐니스터
본 발명은 향상된 격납성을 갖는 사용 후 핵연료 캐니스터에 관한 것으로, 상세하게, 용접 공정으로부터 자유로우면서도 향상된 격납성을 갖는 사용 후 핵연료 캐니스터에 관한 것이다.
사용 후 핵연료를 저장할 수 있는 용기는 통 형태의 금속 캐니스터로 이루어져 있으며, 금속 캐니스터 내부에 바스켓을 마련하여 사용 후 핵연료를 저장한다. 금속 캐니스터 내부의 바스켓은 지지부재나 격납부재등을 통해 고정되고, 캐니스터 외부에 중성자 차폐체를 마련하여 사용 후 핵연료를 저장한다.
캐니스터 재질은 주로 스테인리스강 이며, 바스켓의 측면을 둘러싸는 캐니스터 쉘, 바스켓의 상단을 둘러싸는 캐니스터 뚜껑판, 바스켓의 하단을 둘러싸는 캐니스터 바닥판을 포함한다. 캐니스터 뚜껑판은 바스켓에 사용 후 핵연료가 바스켓에 장입된 후, 캐니스터 쉘에 볼트-너트 결합에 의해 고정되고 용접을 통해 밀봉되는 것이 통상적이다.
이러한 용접 부위(용접 영역 및 열 영향부위) 및 볼트/너트 결합 영역은 부식균열에 취약하여 사용 후 핵연료 건식저장시스템의 건전성을 손상시키는 요소이며, 열을 수반한 용접 공정은 엄밀하게 온도가 제어되어야 하는 사용 후 핵연료 건식 저장 과정에서 위험 요소가 매우 높은 공정이다.
본 발명의 목적은 용접으로부터 자유로우며, 나아가, 볼트-너트와 같은 외부 체결 부품을 요구하지 않는 사용 후 핵연료 캐니스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용접으로부터 자유로우면서도 향상된 격납성을 갖는 사용 후 핵연료 캐니스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 향상된 내부식성을 갖는 사용 후 핵연료 캐니스터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 일 단이 개방되고 사용 후 핵연료가 장착되는 내부 공간을 갖는 본체; 본체의 개방된 일 단에 안착되어 본체에 고정되는 커버; 본체의 일 단 내측면에 형성된 제1 나선돌기; 및 커버의 외측 측면에 위치하며, 커버의 회전에 의해 제1 나선돌기와 체결되도록 형성된 제2 나선돌기;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 제1 나선돌기 및 제2 나선돌기의 열팽창률은 각각 본체 및 커버의 열팽창률보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 제1 나선돌기 및 제2 나선돌기는 FCC(face-centered cubic) 구조의 금속을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 본체와 제1 나선돌기 또는 커버와 제2 나선돌기 사이에 비정질 합금층이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 비정질 합금층의 비정질 합금은 유리전이온도가 450℃ 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 제1 나선돌기는 단면 기준 물결 무늬 요철을 가지며, 제2 나선돌기는 제1 나선돌기의 물결 무늬 요철과 맞물리도록 상보적 형상의 물결 무늬 요철을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 적어도, 본체 외측 표면 및 커버 외측 표면에 각각 코팅된 부식방지 코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 부식방지 코팅층은 니켈계, 알루미늄계 또는 마그네슘계 비정질 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 본체는, 외측 표면에 서로 이격 배열된 홈을 포함하며, 홈은 부식방지 코팅층의 비정질 합금으로 채워질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 제1 나선돌기는 본체를 2 내지 10회 휘돌 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 커버는 제2 나선돌기가 위치하는 측면을 가지며 본체의 일 단으로 장입되는 체결부; 및 체결부의 일단과 연장되어 본체의 개방된 일 단 및 개방된 일 단의 외측 측면을 덮는 캡부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 본체 내부공간에 위치하는 바스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터에 있어, 본체 및 커버는 각각 스테인리스 스틸 재질일 수 있다.
본 발명은 상술한 사용 후 핵연료 캐니스터를 이용한 사용 후 핵연료 저장방법을 포함한다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 저장방법은 상술한 사용 후 핵연료 캐니스터의 본체에 사용 후 핵연료를 장입하는 단계; 및 커버를 본체의 개방된 일 단에 위치시키고 커버를 회전시켜 제1 나선돌기와 제2 나선돌기간의 체결에 의해 커버를 본체에 고정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 회전에 의한 나선돌기간의 체결에 의해 본체와 커버가 결합되며 본체의 내부 공간이 격납됨에 따라, 볼트-너트 결합과 같은 외부 고정 부재 및 용접으로부터 자유로울 수 있다.
또한, 단지 커버의 회전에 의해 본체 내부공간이 격납 및 개방되어, 사용 후 핵 연료의 이동, 보관 및 캐니스터에 보관된 사용 후 핵 연료의 회수 공정이 매우 신속하고 간단 용이하게 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터의 사시도로, 본체와 커버가 미 결합된 상태를 도시한 예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터에서 나선 돌기가 위치하는 본체 영역과 커버 영역을 확대 도시한 예이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터에서, 커버와 본체가 결합된 상태에서의 단면도를 도시한 일 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터에서, 커버와 본체가 결합된 상태에서의 단면도를 도시한 다른 일 예이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 사용 후 핵연료 캐니스터를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 일 단이 개방되고 사용 후 핵연료가 장착되는 내부 공간을 갖는 본체; 본체의 개방된 일 단에 안착되어 본체에 고정되는 커버; 본체의 일 단 내측면에 형성된 제1 나선돌기; 및 커버의 외측 측면에 위치하며, 커버의 회전에 의해 제1 나선돌기와 체결되도록 형성된 제2 나선돌기;를 포함한다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 회전에 의한 나선돌기간의 체결에 의해 본체와 커버가 결합되며 본체의 내부 공간이 격납됨에 따라, 볼트-너트 결합과 같은 외부 고정 부재 및 용접으로부터 자유로울 수 있다. 또한, 단지 커버의 회전에 의해 본체 내부공간이 격납 및 개방될 수 있다. 이에 따라 사용 후 핵연료를 캐니스터에 장입 보관하는 과정이 보다 간단하며 신속 용이해 질 뿐만 아니라, 필요시, 간단히 커버를 나선돌기의 결합이 풀리는 방향으로 회전시킴으로써 사용 후 핵연료가 장입된 내부공간을 개방시킬 수 있다.
용접 공정은 열을 수반하는 공정임에 따라, 용접부위 주변에 열 영향 영역(heat affect zone)이 생성될 수 밖에 없다. 이러한 열 영향 영역은 캐니스터 모재에 원치 않는 석출물의 형성 및 이에 따른 조성 변화를 야기하여 캐니스터의 부식저항성이 크게 저하될 수 있다. 나아가, 공지된 안전성 규제 평가 항목에 따라 사용 후 핵연료의 건식 보관이 이루어져야 하는데, 사용 후 핵연료의 건식 보관 전체 프로세스에서 온도가 400℃ 이하로 엄격하게 유지되어야 한다. 이러한 온도 조건에서 열이 수반되는 용접 공정은 건식 보관 프로세스에서 상당히 위험하고 까다로운 공정으로 알려져 있다. 또한, 볼트-너트 결합은 캐니스터의 볼트-너트 결합 영역에 국부적인 응력 집중을 야기하여, 볼트-너트 결합 영역에 응력 부식 균열이 발생할 위험이 있다.
본 발명은 나선돌기간의 체결에 의해 본체와 커버가 결합됨에 따라, 이러한 용접 공정이나 볼트-너트와 같은 외부 고정 부재로부터 자유로워, 사용 후 핵연료 건식 보관 프로세스의 안정성을 향상시킬 수 있으며, 캐니스터의 내부식성이 훼손되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터(100)의 사시도로, 본체(110)와 커버(120)가 미 결합된 상태를 도시한 예이다.
도 1에 도시한 일 예와 같이, 캐니스터(100)는 일 단이 개방되고 내부 공간을 갖는 본체(110), 커버(120), 제1 나선돌기(130) 및 제2 나선돌기(140)를 포함한다.
본체(110)는 측벽 및 바닥면을 포함할 수 있으며, 측벽과 바닥면은 일체를 이루며 서로 연결(연장)될 수 있다. 본체(110)의 형상은 특별히 제한되지 않으나, 원통형일 수 있다. 커버(120)의 적어도 일 단부 영역은 본체(110)와 대응되는 형상을 가져, 일 단부 영역이 본체(110)의 개방된 일 단에 삽입될 수 있다.
본체(110)의 일 단, 구체적으로 개방된 일 단의 내측면에는 제1 나선돌기(130)가 위치할 수 있으며, 커버(120)의 외측 측면, 구체적으로 본체(110) 내부로 삽입되는 일 단부 영역의 외측 측면에는 커버(120)의 회전에 의해 제1 나선돌기(130)와 체결되도록 형성된 제2 나선돌기(140)가 위치할 수 있다. 이때, 개방된 일 단의 내측면과 커버(120)의 외측 측면은 본체와 커버의 결합시 서로 맞대향하는 면임은 물론이다.
상술한 바와 같이, 제1 나선돌기(130)와 제2 나선돌기(140)간의 체결에 의해 본체(110)와 커버(120)가 서로 결합 및 고정될 수 있다. 제1 나선돌기(130)는 본체의 개방된 일 단부의 내측면에서 본체의 길이 방향(개방된 일 단부에서 바닥면으로의 방향)으로 내측면을 휘감아 도는 형상일 수 있다. 또한, 본체(110)의 바닥면과 평행한 가상의 면을 기준하여, 제1 나선돌기(130)와 가상의 면간 각도는 5 내지 20°일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 나선돌기(140)는 커버(120)의 회전, 구체적으로 시계 방향 회전에 의해 제1 나선돌기(130)와 체결될 수 있도록 형성되면 족하다.
이러한 나선돌기간의 체결은, 적절한 격납성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 기체를 포함한 유동성 물질의 유입이나 유출시, 다른 어떠한 결합보다도 긴 물질 확산(이동) 거리를 제공하여, 캐니스터 외부의 유동성 물질이 내부 공간으로 유입되거나, 내부 공간의 유동성 물질이 캐니스터 외부로 유출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
유동성 물질의 유입이나 유출이 효과적으로 방지되는 물질 확산(이동) 거리의 제공하며, 적절한 공정(커버 결합 공정) 편의성을 확보하는 측면에서, 제1 나선돌기는 본체를 2 내지 10회, 좋게는 3회 내지 8회, 보다 좋게는 4 내지 7회 휘돌 수 있다. 이때, 1회의 기준은 나선돌기의 일 단을 기준한 것일 수 있음은 물론이다.
일 구체예에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터는 금속 캐니스터일 수 있다. 금속 캐니스터는 적어도, 본체, 커버 및 나선돌기가 각각 금속 재질임을 의미한다.
일 구체예에 있어, 제1 나선돌기 및 제2 나선돌기의 열팽창률은 각각 본체 및 커버의 열팽창률보다 클 수 있다. 즉, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기는 본체 및 커버의 재질과 상이하며, 본체의 열팽창계수 및 커버의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 재질일 수 있다. 보다 구체적으로, 본체 및 커버는 동일한 제1 금속 재질일 수 있고, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기는 동일한 제2 금속 재질일 수 있되, 제2 금속 재질은 제1 금속 재질보다 큰 열팽창률(열팽창계수)을 가질 수 있다.
사용 후 핵연료가 캐니스터 내에 장입되고 커버로 격납된 후, 사용 후 핵연료가 장입된 캐니스터는 규정된 온도 한계(일 예로, 400℃) 이하의 온도로 보관되게 된다. 제1 나선돌기와 제2 나선돌기가 본체 및 커버 대비 보다 큰 열팽창률을 갖는 경우, 사용 후 핵연료의 보관중, 사용 후 핵연료에 의해 발생하는 열에 의해 제1 나선돌기와 제2 나선돌기가 팽창하며 틈새 없이 서로 물리적으로 강하게 결착(밀착)될 수 있다. 이러한 나선돌기의 팽창에 의해, 본체 내부공간의 격납성이 보다 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 캐니스터는 본체와 커버간의 결합시 볼트-너트와 같은 캐니스터 외부 결합 부재가 불필요하고, 용접으로부터 자유로울 수 있으며, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기가 본체 및 커버 대비 보다 큰 열팽창률을 갖는 경우, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기가 본체와 커버간을 결합시키는 기계적 체결체로 작용함과 동시에, 열적 팽창에 의해 밀봉 링과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 이에, 일 실시예에 따른 캐니스터는 본체와 커버 사이에 별도의 밀봉을 위한 부재(일 예로, 금속재질이나 엘라스토머 재질의 밀봉링이나 금속 개스킷등)가 불필요하나
제1 나선돌기와 제2 나선돌기의 재질은, 본체 및 커버 대비 보다 큰 열팽창률(열팽창계수, 20℃ 기준)을 갖는 금속이면 무방하다. 다만, 제1 나선돌기 및 제2 나선돌기의 재질은 본체 및 커버 대비 보다 큰 열팽창률을 갖는 FCC(face-centered cubic) 구조의 금속 재질인 것이 보다 좋다. 알려진 바와 같이, FCC 구조의 금속은 뛰어난 연성(ductility)을 가지며 응력에 의해 쉽게 소성변형된다. 이에, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기거 FCC 구조의 금속 재질인 경우, 나선돌기의 팽창에 의해 확고한 격납성이 확보된 후에도 잔류할 수 있는 응력(열팽창에 의해 발생하는 응력)이 소성 변형에 의해 상당량 해소될 수 있어 유리하다. 또한 응력에 의한 용이한 소성 변형에 의해 제1 나선돌기와 제2 나선돌기간의 밀착이 보다 공고해질 수 있어 유리하다.
일 구체예에 있어, 본체 및 커버는 스테인리스 스틸(스테인리스 강)일 수 있으며, 구체적으로 오스테나이트계, 듀블렉스계, 페라이트계 또는 마텐사이트계 스테인리스 스틸일 수 있으며, 보다 구체적으로 오스테나이트계 스테인리스 스틸일 수 있다. 상업 제품의 예로, 본체 및 커버는 316계 스테인리스 스틸일 수 있다. 본체 및 커버가 스테인리스 스틸인 경우, 제1 나선돌기 및 제2 나선돌기의 재질은 열팽창계수(20 ℃ 기준)가 18 x 10 -6/K 이상, 구체적으로 18 x 10 -6/K 내지 35 x 10 -6/K, 보다 구체적으로 19 x 10 -6/K 내지 30 x 10 -6/K, 보다 더 구체적으로 20 x 10 -6/K 내지 30 x 10 -6/K인 FCC 구조의 금속일 수 있다. 본체 및 커버가 스테인리스 스틸인 경우, 본체 및 커버 대비 보다 큰 열팽창률을 갖는 FCC 구조의 금속의 예로, 구리, 알루미늄, 납, 은 또는 이들의 합금이나 이들의 컴포짓(composite)등을 들 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 나선돌기 및 제2 나선돌기가 본체 및 커버 대비 보다 큰 열팽창률을 갖는 경우, 제1 나선돌기와 본체의 내측면 사이 및 제2 나선돌기와 커버의 외측면 사이에는 각각 비정질 합금층이 위치하는 것이 좋다. 비정질 합금층은 제1 나선돌기를 본체에, 또는 제2 나선돌기를 커버에 결착(부착)시키는 역할을 수행할 수 있다. 비정질 합금층에 의한 나선돌기와 본체나 커버간의 결착은, 나선돌기와 본체나 커버 사이에 위치하는 비정질 합금을 비정질 합금의 유리전이온도(Tg, glass transition temperature) 이상의 온도 및 결정화개시 온도 미만의 온도로 가열함으로써 이루어질 수 있다. 비정질합금을 유리전이온도 이상 및 결정화개시 온도 미만의 온도로 가열하여 접착제로 사용하는 경우, 나선돌기를 본체나 커버에 강하게 결착시킬 수 있을 뿐만 아니라, 나선돌기와 본체나 커버간의 계면(계면층)에 잔류하는 응력을 최소화할 수 있어 유리하다. 이때, 유리전이온도(Tg, glass transition temperature) 이상의 온도 및 결정화개시 온도 미만의 온도로 가열한 후 냉각하여, 비정질 합금이 결정화되지 않고 비정질 상을 그대로 유지하도록 하여 나선돌기와 본체나 커버간의 계면에 비정질 합금층의 계면층이 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 제1 나선돌기와 본체 사이 및 제2 나선돌기와 커버 사이에 각각 비정질 합금층이 위치하는 경우, 나선돌기의 부착에 의해 잔류하는 계면층의 응력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 캐니스터에 사용 후 핵연료가 보관중일 때, 비정질합금층에 의해 나선돌기와 본체나 커버 사이의 열팽창률 차이에 의해 발생하는 응력을 완충시킬 수 있다. 상세하게, 얇은 비정질합금층은 유연성 고분자에 버금가는 고탄성 특성을 가질 수 있다. 이러한 스스로의 낮은 열팽창율 및 고탄성 특성에 의해 나선돌기와 본체간의 열팽창 차 및 나선돌기와 커버간의 열팽창 차에 의해 발생하는 응력이 완화될 수 있다. 이러한 응력 완화에 의해 캐니스터의 내구성이 향상될 수 있다. 비정질합금층이 안정적으로 고탄성 특성을 나타내기 위한 측면에서, 비정질합금층의 두께는 500μm 이하, 구체적으로 400μm 이하, 보다 구체적으로 10 내지 300μm, 보다 더 구체적으로 50 내지 200μm 수준일 수 있다.
비정질합금층의 비정질합금은 크게 제한되지 않으나, 2원계 이상 또는 3원계 이상의 다원계 비정질합금에서 가장 원소비율이 높은 금속을 기준으로, Mg계, Ca계, Al계, Ti계, Zr계, Hf계, Fe계, Co계, Ni계 또는 Cu계 비정질 합금등일 수 있다.
다만, 비정질합금층의 비정질합금은 캐니스터를 이용한 사용 후 핵연료 건식 보관시 규정된 온도 한계(일 예로, 400℃) 이상의 유리전이온도를 갖는 것이 유리함에 따라, 비정질합금층의 비정질합금은 유리전이온도가 450℃ 이상, 구체적으로 450 내지 950℃, 보다 구체적으로 450℃ 내지 750℃, 보다 더 구체적으로 450℃ 내지 600℃일 수 있다. 450℃ 이상의 유리전이온도를 갖는 비정질합금의 예로, Fe계 비정질합금(일 예로, Fe-Co-Cr-Mo-C-B-Y 알로이, Fe-Si-B-P 알로이, Fe-Y-B 알로이등), Ni계 비정질합금(일 예로, Ni-Nb-Ta 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이, Ni-Zr-Ti-Sn 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이등), Cu계 비정질합금(일 예로, Cu-Zr 알로이, Cu-Ti-Zr-Ni 알로이, Cu-Hf-Al 알로이, Cu-Zr-Al 알로이, Cu-Zr-Al-(Y, Ag, Be) 알로이등), Al계 비정질합금(일 예로, Al-La-Y-Ni 알로이등), Mg계 비정질합금(Mg-Ni-Nd 알로이등), Zr계 비정질합금(Zr-Al-Ni 알로이, Zr-Al-Cu-Ni 알로이, Zr-Be-Cu-Ni-Ti 알로이, Zr-Al-Co 알로이, Zr-Cu-Al-Ge-Be 알로이등)등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터의 본체(110)에 위치하는 나선돌기(130)와 커버(120)에 위치하는 나선돌기(140)를 확대 도시한 부분 확대도이다. 도 2에 도시한 예와 같이, 제1 나선돌기(130)는 그 단면(나선의 길이 방향에 수직인 단면) 기준 물결 무늬 요철(131)을 가질 수 있으며, 제2 나선돌기(140)는 제1 나선돌기의 물결 무늬 요철(131)과 맞물리도록 상보적 형상의 물결 무늬 요철(141)을 가질 수 있다.
이때, 물결 무늬 요철(131)은 제1 나선돌기(130)의 일 단에서 타 단까지 연속적으로 형성될 수 있으며, 제2 나선돌기(140) 또한 일 단에서 타 단까지 연속적으로 물결 무늬 요철(141, 제1 나선돌기와 형성된 요철의 상보적 형상의 요철)이 형성될 수 있다.
이때, 인식의 명료함을 위해, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기가 단면 기준 직사각의 형상을 갖는 예를 도시하였으나, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기의 단면 기준 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 사각(직사각 내지 정사각), 잘린 타원, 잘린 원, 삼각, 모서리가 둥근 사각(직사각 내지 정사각), 모서리가 둥극 삼각등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 2의 일 예와 같이, 제1 나선돌기에 물결 무늬 요철이 형성되고, 제2 나선돌기가 이러한 요철에 맞물리도록 상보적인 물결 무늬 요철을 갖는 경우, 커버와 본체간의 체결시, 제1 나선돌기와 제2 나선돌기간의 서로 접하여 결합되는 면적(체결 면적)이 증가하여, 본체 내 내부 공간의 격납성을 보다 향상시킬 수 있어 유리하다.
이때, 도 2에 도시한 일 예와 같이, 물결 무늬 요철은 제1 나선 돌기와 제2 나선 돌기가 서로 대면(접촉)하는 면에 각각 형성될 수 있으나, 본 발명이 나선 돌기 전체 표면에 물결 무늬 요철이 형성된 경우를 배제하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터에서, 커버(120)가 본체(110)에 결합된 상태에서의 단면을 도시한 일 단면도이다. 도 3에 도시한 일 예와 같이, 커버(120)는 체결부(121) 및 캡부(122)를 포함할 수 있다. 체결부(121)는 제2 나선돌기(140)가 위치하는 측면을 가지며(제공하며), 커버(120)의 회전시 나선돌기간의 체결에 의해 본체(110)의 개방된 일 단을 통해 본체(110) 내부로 삽입되는 커버 영역일 수 있다. 이에, 체결부(121)는 본체의 개방된 일 단 단부 영역의 빈 공간에 대응하는 형상일 수 있음은 물론이다.
캡부(122)는 체결부(121)의 일 단, 구체적으로 본체(110) 내부로 삽입되는 일 단(하부단)에 대향하는 일 단(상부단)과 일체로 연장된 상부판(122u) 및 상부판(122u) 의 가장자리로부터 하측 방향(체결부가 위치하는 방향)으로 연장되어 상부판(122u) 을 휘둘러 감싸는 측판(122s)을 포함할 수 있다. 이러한 상부판(122u) 과 측판(122s)에 의해, 커버가 본체에 결합될 때, 캡부(122)는 상부판(122u) 에 의해 본체(110)의 개방된 일 단을 덮을 수 있으며, 측판(122s)에 의해 본체(110)의 개방된 일 단의 외측 측면과 밀착되어 외측 측면을 덮을 수 있다.
커버(120)가 상술한 체결부(121)와 캡부(122)를 포함하는 경우, 제1 나선돌기(130)와 제2 나선돌기(140)의 체결 뿐만 아니라, 본체(110) 외측 측면과 캡부(122)간의 밀착 결합에 의해서도 내부 공간의 격납성이 확보되어, 캐니스터의 격납성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본체(110) 외측 측면과 캡부(122)간의 밀착 결합에 의해 제1 나선돌기(130)와 제2 나선돌기(140)간의 체결 부위가 외부로부터 보호될 수 있어, 체결 부위가 부식되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐니스터(본체와 커버가 결합된 상태)의 단면 및 나선 돌기간 결합 영역을 확대한 단면을 도시한 일 단면도이다. 도 4에 도시한 일 예와 같이, 캐니스터는 적어도, 본체(110) 외측 표면 및 커버(120) 외측 표면에 각각 코팅된 부식방지 코팅층(310, 320)을 더 포함할 수 있다. 부식방지 코팅층(310, 320)은 니켈계, 알루미늄계 또는 마그네슘계 비정질 합금층, 실질적으로 400℃ 이상의 유리전이온도를 갖는 니켈계(일 예로, Ni-Nb-Ta 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이, Ni-Zr-Ti-Sn 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이등), 알루미늄계(일 예로, Al-La-Y-Ni 알로이등) 또는 마그네슘계(Mg-Ni-Nd 알로이등) 비정질 합금층일 수 있다. 니켈계, 알루미늄계 또는 마그네슘계 비정질 합금은 비정질 상태에서 부동태 거동(부동태 피막 형성)을 하여, 결정질의 금속 대비 매우 뛰어난 부식 저항성을 가질 수 있으며, 응력 인가 조건에서도 뛰어난 내부식성을 유지할 수 있다. 유리하게, 비정질합금층인 부식방지 코팅층의 두께는 500μm 이하, 구체적으로 50 내지 450μm, 보다 구체적으로 100 내지 400μm 수준일 수 있다. 이러한 두께의 부식방지 코팅층(비정질합금층)은 고탄성 특성을 나타낼 수 있어, 사용 후 핵연료의 건식 보관시 본체 또는 커버의 열팽창에 의해 코팅층에 야기되는 응력이 효과적으로 흡수 및 완화되며, 코팅층과 본체(또는 커버)간의 박리(delamination)를 방지할 수 있다.
또한, 본체는 그 외측 표면에 서로 이격 배열된 홈을 포함할 수 있으며, 본체의 표면 홈은 부식방지 코팅층의 비정질 합금으로 채워질 수 있다. 이때, 부식방지 코팅층의 두께 변화 없이 표면 홈이 채워질 수 있도록, 표면 홈의 깊이(최대 깊이)는 코팅층 두께의 5 내지 50%, 구체적으로 10 내지 30% 수준일 수 있다. 표면 홈의 폭은 특별히 제한되는 것은 아니나 코팅층 두께의 0.5 내지 100배 수준일 수 있다. 특별히 제한되는 것은 아니나, 표면 홈()은 본체의 높이 방향(본체의 바닥에서 개방된 일 단으로의 방향)으로 본체를 가로지르도록 형성될 수 있으며, 높이 방향에 수직으로(둘레 방향으로) 서로 이격 배열될 수 있다. 표면 홈의 밀도는 표면 홈간의 이격 방향으로의 단위 길이당 10 2 내지 10 3 개/m의 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
비정질합금은 매우 낮은 열팽창율을 가짐에 따라, 사용 후 핵연료의 건식 보관시 본체의 열팽창에 의해 표면 홈에 채워진 코팅층 영역에는 압축력이 표면 홈 이외의 코팅층 영역에는 인장력이 인가될 수 있다. 코팅층이 고탄성 특성을 갖는 연속 막의 형태임에 따라 본체에 의해 코팅층에 야기되는 인장력과 압축력이 일정부분 서로 상호 상쇄될 수 있으며, 이에 의해 코팅층이 탄성 변형에 의해 완화시켜야 하는 순수(net) 응력이 감소될 수 있다.
일 구체예에 따른 캐니스터는, 도 1에 도시한 일 예와 같이, 본체 내부공간에 장입되는 사용 후 핵연료를 고정하는 바스켓(200)을 더 포함할 수 있다. 이에, 바스켓(200)은 본체(110)의 내부 공간에 위치할 수 있으며, 사용 후 핵연료 건식 보관 분야에서 캐니스터 내에서 사용 후 핵연료를 고정하는데 사용되는 통상적인 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 도 1에 도시한 예와 같이, 바스켓(200)은 사각형태의 격자 구조로 이루어져, 길이방향으로 연장되어 있는 사각형 관이 복수개 모여 있는 형상일 수 있다. 이때, 사각형 관 내부 각각에 사용 후 핵연료가 위치할 수 있다. 또한, 캐니스터는 바스켓과 함께 바스켓을 고정 지지하는 지지부재나 바스켓이 삽입되는 격납부재를 더 포함할 수 있음은 물론이다.
일 구체예에서, 캐니스터는 사용 후 핵연료 건식 보관용 용기일 수 있으며, 사용 후 핵연료의 운송, 저장 또는 운송과 저장을 위한 용기일 수 있다.
본 발명은 상술한 사용 후 핵연료 캐니스터를 이용한 사용 후 핵연료의 저장방법을 포함한다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 저장방법은 상술한 사용 후 핵연료 캐니스터의 본체, 구체적으로 본체 내부의 바스켓에 사용 후 핵연료를 장입(삽입)하는 단계; 및 커버를 본체의 개방된 일 단에 위치시키고 커버를 회전시켜 제1 나선돌기와 제2 나선돌기간의 체결에 의해 커버를 본체에 고정하는 단계;를 포함한다. 이때, 회전은 제1 나선돌기와 제2 나선돌기가 체결되는 방향으로의 회전임은 물론이다.
본 발명에 따른 저장방법은 커버의 회전에 의한 나선돌기간의 결합에 의해 커버가 본체에 고정되며 캐니스터가 격납됨에 따라, 볼트-너트와 같은 외부 고정부재를 이용하여 커버를 고정하는 공정 및 용접을 통해 커버와 본체간을 고정 및 밀봉시키는 공정을 배제할 수 있다.
또한, 본 발명은 저장된 사용 후 핵연료의 회수방법을 포함한다.
본 발명에 따른 사용 후 핵연료 회수방법은 사용 후 핵연료가 내부 저장된 상술한 캐니스터의 커버를 나선돌기간 체결이 풀어지는 방향으로 회전시켜 본체에서 커버를 제거함으로써, 본체 내부 공간을 개방하는 단계; 본체 내부, 구체적으로 본체 내 바스켓에 위치하는 사용 후 핵연료를 본체 밖으로 꺼내 회수하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 회수방법은 외부 고정부재의 제거, 용접부위의 제거등이 불필요하며, 단지 커버를 회전시키는 것으로 캐니스터를 개방시킬 수 있어, 필요시 용이하게 캐니스터에 보관중인 사용후 핵 연료를 회수할 수 있다. 또한, 커버와 본체간의 결합 및 분리시 실질적으로 손상이 발생하지 않음에 따라, 사용 후 핵연료가 회수된 후 남은 캐니스터를 사용 후 핵연료의 저장에 다시 사용할 수 있다.
이때, 본체 내 사용 후 핵연료의 삽입 및 커버의 고정은 통상 수중에서 이루어지며, 이후, 캐니스터 내부의 물을 배출하는 배수, 건조 및 캐니스터 내부를 헬륨등과 같은 불활성 가스로 채우는 분위기 조성 단계를 거칠 수 있다. 이에, 커버에는 배기포트가, 본체 하부에는 배수포트가 더 구비될 수 있으며, 이러한 배수포트는 금속 오링을 갖는 포트커버(port cover)등에 의해 기밀을 유지할 수 있음은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 일 단이 개방되고 사용 후 핵연료가 장착되는 내부 공간을 갖는 본체;
    상기 본체의 개방된 일 단에 안착되어 상기 본체에 고정되는 커버;
    상기 본체의 일 단 내측면에 형성된 제1 나선돌기; 및
    상기 커버의 외측 측면에 위치하며, 상기 커버의 회전에 의해 상기 제1 나선돌기와 체결되도록 형성된 제2 나선돌기;를 포함하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 나선돌기 및 상기 제2 나선돌기의 열팽창률은 각각 상기 본체 및 상기 커버의 열팽창률보다 큰 사용 후 핵연료 캐니스터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 나선돌기 및 제2 나선돌기는 FCC(face-centered cubic) 구조의 금속을 함유하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 본체와 제1 나선돌기 또는 상기 커버와 제2 나선돌기 사이에 비정질 합금층이 위치하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 비정질 합금층의 비정질 합금은 유리전이온도가 450℃ 이상인 사용 후 핵연료 캐니스터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 나선돌기는 단면 기준 물결 무늬 요철을 가지며, 상기 제2 나선돌기(140)는 제1 나선돌기의 물결 무늬 요철과 맞물리도록 상보적 형상의 물결 무늬 요철갖는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 캐니스터는 적어도, 본체 외측 표면 및 상기 커버 외측 표면에 각각 코팅된 부식방지 코팅층을 더 포함하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 부식방지 코팅층은 니켈계, 알루미늄계 또는 마그네슘계 비정질 합금을 포함하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 본체는, 외측 표면에 서로 이격 배열된 홈을 포함하며, 상기 홈은 상기 부식방지 코팅층의 비정질 합금으로 채워진 사용 후 핵연료 캐니스터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 나선돌기는 상기 본체를 2 내지 10회 휘도는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 커버는 상기 제2 나선돌기가 위치하는 측면을 가지며 상기 본체의 일 단으로 장입되는 체결부; 및 상기 체결부의 일단과 연장되어 상기 본체의 개방된 일 단 및 상기 개방된 일 단의 외측 측면을 덮는 캡부;를 포함하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 본체 내부공간에 위치하는 바스켓를 더 포함하는 사용 후 핵연료 캐니스터.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 본체 및 상기 커버는 각각 스테인리스 스틸 재질인 사용 후 핵연료 캐니스터.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 사용 후 핵연료 캐니스터의 본체 에 사용 후 핵연료를 장입하는 단계; 및 커버를 본체의 개방된 일 단에 위치시키고 커버를 회전시켜 제1 나선돌기와 제2 나선돌기간의 체결에 의해 커버를 본체에 고정하는 단계;를 포함하는 사용 후 핵연료 저장방법.
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