KR102590364B1

KR102590364B1 - 자기-유동학적 핵 반응성 분포 제어 요소

Info

Publication number: KR102590364B1
Application number: KR1020207012949A
Authority: KR
Inventors: 마이클 디 하이벨; 리차드 오 볼머; 루크 디 제르니악
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2023-10-16
Also published as: EP3695421A2; WO2019083734A2; US20190115113A1; US11798693B2; JP7216083B2; JP2020537132A; KR20200088312A; EP3695421A4; WO2019083734A3

Abstract

이동 가능한 제어봉 및 연관된 하드웨어가 필요 없이, 연료 조립체 내의 파워 레벨 및 축방향 파워 분포가 제어되도록, 정지적 제어봉이 연료 조립체의 전체적인 핵 반응성 및 축방향 반응성 분포를 제어한다. 그러한 장치는, 연료 조립체 내의 기존 심블(thimble) 내에 배치된 하나 이상의 둘러싸인 심블 내에 포함된, 매우 큰 중성자 포획 단면을 갖는 물질을 포함하는 자기-유동학적 유체의 농도 및 분포를 제어하기 위해서 자기장을 이용한다. 자기장은, 코어 내의 방사선 입자의 상호 작용으로부터 생성된 전기로부터 생성되거나, 연료 조립체 상단부 노즐에 부착되는 전기 케이블을 이용하여 공급된다. 전기는, 자기-유동학적 유체를 포함하는 관의 상이한 축방향 영역들을 둘러싸는 연관된 와이어 코일 조립체를 둘러싸는 장치를 구동한다.

Description

자기-유동학적 핵 반응성 분포 제어 요소

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은, 본원에서 참조로 포함된, 명칭이 "자기-유동학적 핵 반응성 분포 제어 요소"인, 2017년 10월 11일에 출원된 미국 가특허출원 제62/570,787호에 대한 35 U.S.C. §119(e)하의 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 핵 반응로 그리고 보다 특히 핵 반응로용 제어봉에 관한 것이다.

압력 하의 물로 냉각되는 핵 반응로 파워 발생 시스템의 일차 측은 폐쇄 회로를 포함하고, 그러한 폐쇄 회로는 격리되고, 유용한 에너지를 생산하기 위한 이차 회로와 열 교환 관계를 갖는다. 일차 측은, 핵분열 물질을 포함하는 복수의 연료 조립체를 지지하는 코어 내부 구조물, 열 교환 증기 발생기 내의 일차 회로, 가압기의 내부 부피, 펌프, 및 가압된 물을 순환시키기 위한 파이프를 둘러싸는 반응로 용기를 포함하고; 파이프는 증기 발생기 및 펌프의 각각을 반응로 용기에 독립적으로 연결한다. 용기에 연결된, 증기 발생기, 펌프, 및 파이프의 시스템을 포함하는 일차 측의 부품의 각각은 일차 측의 루프를 형성한다.

예시를 위해서, 도 1은, 핵 코어(14)를 둘러싸는 폐쇄 헤드(12)를 갖는 일반적으로 원통형인 반응로 압력 용기(10)를 포함하는, 단순화된 핵 반응로 일차 시스템을 도시한다. 액체 반응로 냉각제, 예를 들어 물이 펌프(16)에 의해서 용기(10) 내로 코어(14)를 통해서 펌핑되고, 여기에서 열 에너지가 흡수되고, 통상적으로 증기 발생기로 지칭되는, 열 교환기(18)로 방출되며, 열 교환기 내에서 열은, 증기 구동형 터빈 발전기와 같은, 이용 회로(미도시)로 전달된다. 이어서, 반응로 냉각제는 펌프(16)로 복귀되어, 일차 루프를 완성한다. 전형적으로, 복수의 전술한 루프는 반응로 냉각제 배관(20)에 의해서 단일 반응로 용기(10)에 연결된다.

예시적인 반응로 설계가 도 2에 더 구체적으로 도시되어 있다. 복수의 평행한, 수직의, 공통-연장 연료 조립체(22)로 이루어진 코어(14)에 더하여, 이러한 설명을 위해서, 다른 용기 내부 구조물이 하부 내부 부분(24) 및 상부 내부 부분(26)으로 분할될 수 있다. 통상적인 설계에서, 하부 내부 부분의 기능은 코어 구성요소 및 기구를 지지, 정렬 및 안내하는 것뿐만 아니라 용기 내에서 유동을 지향시키는 것이다. 상부 내부 부분은 (단순함을 위해서 도 2에 2개 만이 도시된) 연료 조립체(22)들을 구속하거나 이를 위한 이차 구속을 제공하고, 제어봉(28)과 같은 기구 및 구성요소를 지지 및 안내한다. 도 2에 도시된 예시적인 반응로에서, 냉각제는 하나 이상의 유입구 노즐(30)을 통해서 반응로 용기(10)에 진입하고, 용기와 코어 배럴(32) 사이의 환형부를 통해서 하향 유동하며, 하부 플리넘(34) 내에서 180도 전환되고, 연료 조립체가 위에 안착된 하부 지지 판(37) 및 하부 코어 판(36)을 통해서 그리고 조립체를 통해서 그리고 조립체의 주위에서 위쪽으로 전달된다. 일부 설계에서, 하부 지지 판(37) 및 하부 코어 판(36)은 단일 구조물인, 37과 동일한 높이를 갖는 하부 코어 지지 판에 의해서 대체된다. 코어 및 주위 지역(38)을 통한 냉각제 유동은 전형적으로, 초당 약 20 피트의 속도에서, 분당 약 400,000 갤런으로 많다. 결과적인 압력 강하 및 마찰력은 연료 조립체가 상승되게 하는 경향이 있고, 이러한 이동은, 원형 상부 코어 판(40)을 포함하는 상부 내부 부분에 의해서 구속된다. 코어(14)를 빠져 나가는 냉각제는 상부 코어 판(40)의 하부측을 따라서 그리고 복수의 천공부(42)를 통해서 위쪽으로 유동한다. 이어서, 냉각제는 하나 이상의 배출구 노즐(44)까지 위쪽으로 그리고 반경방향으로 유동한다.

상부 내부 부분(26)은 용기 또는 용기 헤드로부터 지지될 수 있고, 상부 지지 조립체(46)를 포함한다. 부하가, 주로 복수의 지지 컬럼(48)에 의해서, 상부 지지 조립체(46)와 상부 코어 판(40) 사이에서 전달된다. 지지 컬럼이, 선택된 연료 조립체(22) 및 상부 코어 판(40) 내의 천공부(42) 위에 정렬된다.

전형적으로 구동 샤프트(50) 및 중성자 흡수봉(neutron poison rod)의 스파이더 조립체(52)를 포함하는, 직선적으로 이동 가능한 제어봉(28)이, 제어봉 안내 관(54)에 의해서, 상부 내부 부분(26)을 통해서 그리고 정렬된 연료 조립체(22) 내로 안내된다. 안내 관은 상부 지지 조립체(46), 및 상부 코어 판(40)의 상단부에 고정적으로 결합된다. 지지 컬럼(48) 배열은, 제어봉 삽입 능력에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 우발적인 조건 하에서 안내 관 변형의 지연을 돕는다.

도 3은, 일반적으로 참조 문자 22로 표시되는 연료 조립체의, 수직으로 단축되어 도시된, 입면도이다. 연료 조립체(22)는 가압수형 반응로에서 이용되는 유형이고, 하부 단부에서 하단부 노즐(58)을 포함하는 구조적 골격을 갖는다. 하단부 노즐(58)은 핵 반응로의 코어 영역 내의 하부 코어 판(36) 상에서 연료 조립체(22)를 지지한다. 하단부 노즐(58)에 더하여, 연료 조립체(22)의 구조적 골격은 또한 그 상부 단부에 위치되는 상단부 노즐(62), 및 상부 내부 부분 내에서 안내 관(54)과 정렬되는 많은 수의 안내 관 또는 심블(thimble)(84)을 포함한다. 안내 관 또는 심블(84)은 하단부 노즐(58)과 상단부 노즐(62) 사이에서 길이방향으로 연장되고, 대향 단부들에서, 서로 상대적으로 이동되지 않게 그에 부착된다(rigidly attached).

연료 조립체(22)는 축방향으로 이격되고 안내 심블(84)에 장착된 복수의 횡방향 그리드(64), 및 횡방향으로 이격되고 그리드(64)에 의해서 지지되는 세장형 연료봉(66)의 구조화된 어레이를 더 포함한다. 또한, 조립체(22)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 그 중심에 위치된 기구 관(68)을 갖고, 그러한 기구 관은 하단부 노즐(58)과 상단부 노즐(62) 사이에서 연장되고 그에 의해서 포획된다. 부품들의 그러한 배열에서, 연료 조립체(22)는, 부품의 조립체를 손상시키지 않고, 편리하게 핸들링될 수 있는 일체형 유닛을 형성한다.

전술한 바와 같이, 조립체(22) 내의 그 어레이 내의 연료봉(66)은, 연료 조립체 길이를 따라서 이격된 그리드(64)들에 의해서, 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(66)은 복수의 핵 연료 펠릿(70)을 포함하고, 상부 및 하부 단부 플러그(72 및 74)에 의해서, 그 대향 단부들에서 폐쇄된다. 펠릿(70)은, 상부 단부 플러그(72)와 펠릿 적층체(pellet stack)의 상단부 사이에 배치된, 플리넘 스프링(76)에 의해서 적층체로 유지된다. 핵분열 물질로 구성된 연료 펠릿(70)은 반응로의 반응 파워(reactive power)를 생성하는 역할을 한다. 펠릿을 둘러싸는 클래딩은, 핵분열 부산물이 냉각제에 진입하는 것 그리고 추가적으로 반응로 시스템을 오염시키는 것을 방지하기 위한 장벽으로서 기능한다.

핵분열 프로세스를 제어하기 위해서, 많은 수의 제어봉(78)이, 연료 조립체(22) 내의 미리 결정된 위치에 배치된 안내 심블(84) 내에서 왕복 이동될 수 있다. 봉 클러스터 제어 메커니즘(80)이 상단부 노즐(62) 위에 배치되고 복수의 제어봉(78)을 지지한다. 제어 메커니즘은, 도 2와 관련하여 앞서 주목한 스파이더(52)를 형성하는 복수의 반경방향으로 연장되는 플루크(fluke) 또는 아암(68)을 갖는, 내부 나사산형의 원통형 허브 부재(82)를 갖는다. 제어봉 허브(82)에 커플링되는 제어봉 구동 샤프트(50)의 원동력 하에서, 제어봉을 안내 심블(84) 내에서 수직으로 이동시키기 위해서 그리고 그에 의해서 연료 조립체(22) 내의 핵분열 프로세스를 제어하기 위해서 제어봉 메커니즘(80)이 동작될 수 있도록, 각각의 아암(68)이 제어봉(78)에 상호 연결되고, 이들 모두는 잘 알려져 있다.

핵 반응로 내의 "기계적 반응성 심(mechanical reactivity shim)"을 제어하기 위해서 이용되는 시스템의 기계적 하드웨어 및 연관된 유지보수는 구축할 때의 매우 많은 투자 및 운영 비용을 필요로 한다. 그러한 기계적 심 시스템이 직면하는, 많은 수의 부정적인 반응로 안전, 신뢰성, 및 설비 이용률 이벤트가 존재한다. 본 발명의 목적은, 기계적 심 시스템과 연관된 안전성(예를 들어, 꺼낸 봉), 공급, 동작, 및 유지보수와 관련된 문제가 감소되거나 제거될 수 있도록, 통상적인 제어봉의 필요성을 제거하거나 감소시키기 위한 수단을 제공하는 것이다.

전술한 목적은 핵 코어를 수용하는 반응로 압력 용기를 갖는 핵 반응로 파워 발생 시스템으로 달성되고, 그러한 핵 코어는, 축방향 길이를 갖고 복수의 축방향으로 이격된 그리드에 의해서 구조화되고 이격된 어레이로 유지되는 복수의 세장형 연료봉을 각각 갖는 복수의 핵 연료 조립체를 포함한다. 그리드는 연료봉들 사이에 점재된 복수의 심블 관에 의해서 직렬로 지지되고, 심블 관은 연료봉 위에 배치된 상단부 노즐 및 연료봉 아래에 배치된 하단부 노즐 사이에서 연장되고 그에 부착된다. 정지적 제어봉이 연료 조립체들의 적어도 일부 내의 심블 관들의 적어도 일부 내에 배치된다. 정지적 제어봉은, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 포함하는 자기-유동학적 유체 시스템을 수용한다. 자기-유동학적 유체 시스템은, 핵 코어의 축방향 및 반경방향 파워 분포를 제어하기 위해서 정지적 제어봉을 따라서 구분된 축방향 위치들에서 자기-유동학적 유체의 밀도를 증가시키도록 또는 밀도를 감소시키도록 구조화된다.

일 실시예에서, 자기-유동학적 유체 시스템은, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 수용하는 밀봉된 내부 관을 포함하고, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체는, 연료봉의 활성 영역의 실질적으로 전체 길이를 따라서 연장되는 밀봉된 내부 관의 축방향 길이의 상당 부분을 점유한다. 복수의 자석이, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체가 점유하는 밀봉된 내부 관의 축방향 길이를 따라서 직렬로 축방향으로 이격되고 구분된 위치들에서 지지되고, 자석의 각각은 가변적인 강도를 갖는 자기장을 생성하고, 자기장의 강도 증가는 자기장이 가해지는 자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 밀도를 증가시키고, 자기장의 강도 감소는 자기장이 가해지는 자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 밀도를 감소시킨다. 바람직하게, 각각의 자석은 전자석이고, 일 실시예에서 각각의 자석은 분리된 자체-파워 공급형(self-powered) 파워 공급원을 갖는다. 하나의 그러한 실시예에서, 자체-파워 공급형 파워 공급원은, 자체-파워 공급형 파워 공급원 주위의 방사선에 응답하여, 상응 전자석에 파워를 공급하는 전류를 생성하도록 구성된다. 바람직하게, 자기장의 강도는 주위 방사선의 세기가 증가할 때 증가되고, 자기장의 강도는 주위 방사선의 세기가 감소될 때 감소된다.

다른 실시예에서, 전자석의 각각은 상응하는 자기 코일로 형성되고, 각각의 전자석의 상대적인 강도는 상응하는 자기 코일의 회선수의 결과이다. 바람직하게, 밀봉된 내부 관의 축방향 길이를 따른 전자석의 일부의 회선수는, 밀봉된 내부 관의 축방향 길이를 따른 전자석 중의 다른 전자석의 회선수와 상이하고, 그에 따라 상응 연료 조립체의 축방향 파워 분포를 미리 생각한 형태로 성형한다. 유사하게, 복수의 핵 연료 조립체의 일부의 많은 수의 정지적 제어봉 내의 동일한 코어 높이에 위치되는 전자석의 일부의 회선수는, 복수의 핵 연료 조립체의 다른 일부의 많은 수의 정지적 제어봉 내의 동일한 높이에 위치되는 다른 전자석의 회선수와 상이하고, 그에 따라 코어 높이에서의 반경방향 파워 분포를 미리 선택된 형태로 성형한다.

자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 액체 성분은 붕소-10(¹⁰B) 또는 가돌리늄을 포함할 수 있고, 그러한 액체 성분은, 반응로 동작 온도 미만에서 액체가 되는 나트륨, 납, 또는 금속의 화합물과 같이, 방사선 유도 분해에 대해서 내성을 갖는 점성 물질을 포함할 수 있다. 액체 성분은 또한 유기 오일, 질산염, 또는 다른 용융 염일 수 있다. 전자석의 적어도 일부의 자기장의 강도가 또한, 반응로 압력 용기 외부의 제어기에 의해서 별도로 제어될 수 있다.

본 발명은 또한, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 포함하는 자기-유동학적 유체 시스템을 포함하는 핵 연료 조립체의 심블 관 내로 삽입되도록 구성된 정지적 제어봉을 고려하며, 그러한 자기-유동학적 유체 시스템은, 핵 코어의 축방향 및 반경방향 파워 분포를 제어하기 위해서, 정지적 제어 봉을 따른 구분된 축방향 위치들에서 자기-유동학적 유체의 밀도를 증가시키도록 또는 그러한 밀도를 감소시키도록 구조화된다.

첨부 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명으로부터, 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 핵 반응로 시스템의 단순화된 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 핵 반응로 용기 및 내부 구성요소의, 부분적 단면의, 입면도이다.
도 3은, 명료함을 위해서 일부를 절취한, 수직 방향으로 단축되어 도시된 연료 조립체의, 부분적 단면의, 입면도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 본 발명의 특정 실시예에 따른, 자기-유동학적 유체 반응성 장치 및 장치 삽입 기구의 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 특정 실시예에 따른, 자기-유동학적 유체 내의 중성자 흡수 입자의 분포를 조정하기 위해서 이용되는 전자석 코일에 전류를 공급하기 위해서 이용될 수 있는, 원통형 전류 발생기를 위에서 본 개략도이다.
도 6은 본 발명의 특정 실시예에 따른, 도 5의 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 특정 실시예에 따른, 축방향 파워 형상에 미치는 자기장 분포의 영향의 개략도이다.

본 발명은, 핵 반응로의 코어 내의 핵 플럭스 레벨 및 프로파일을 제어하기 위해서, 자기-유동학적 유체 시스템과 같은 자기-유동학적 기술을 이용한다. 본 발명의 양수인에게 양도된 미국의 공개된 특허출원 제2016/0232995호에서 설명된 바와 같이, 자기-유동학적 유체는, 자기장이 유체에 걸쳐 인가될 때 변화되는 효과적인 밀도 및 구성 특성을 갖는다. 본 발명에 따라, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체는 자기 입자, 액체 성분, 및 중성자 흡수 물질을 포함한다. 자기 입자는 마이크로미터 또는 나노미터의 크기일 수 있고 구체 또는 타원체의 형상일 수 있다. 액체 성분은, 방사선 유도 분해에 대해서 내성을 갖는 점성 물질일 수 있다. 특정 실시예에서, 액체 성분은, 반응로 동작 온도 미만에서 액체가 되는, 나트륨, 납, 또는 금속의 혼합물 또는 합금을 포함한다. 다른 실시예에서, 액체 성분은 유기 오일, 질산염, 또는 다른 용융 염을 포함한다. 중성자 흡수 물질은 붕소-10(¹⁰B) 및 가돌리늄으로부터 선택될 수 있다.

전형적인 자기-유동학적 유체에서, 일부 유형의 점성 오일 내에서 부유된 매우 작은 강자성 구체가 있다. 자기 입자, 예를 들어 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 구체 또는 타원체가 운반체 오일 내에서 부유되고, 무작위적으로 분포되고, 정상 상황 하에서 부유된다. 그러나, 자기장이 인가될 때, (일반적으로 0.1 내지 10 마이크로미터 범위의) 미세 입자가 자기 플럭스의 라인을 따라서 스스로 정렬된다.

정지적 제어봉이 연료 조립체들의 적어도 일부 내의 심블 관들의 적어도 일부 내에 배치되고, 자기-유동학적 유체 시스템을 수용한다. 자기-유동학적 유체 시스템은, 핵 코어의 축방향 및 반경방향 파워 분포를 제어하기 위해서 정지적 제어봉을 따라서 구분된 축방향 위치들에서 자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 밀도를 증가 또는 감소시키도록 구조화된다.

본 발명의 중요 구성요소는 파워 공급원, 자석, 및 자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 포함한다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 실시예의 개략도를 제공한다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 실시예의 중요 구성요소는 원통형 전류 발생기(86)의 신규한 섹션, 연관된 전자석 코일 적층체(들)(88), 및 자기-유동학적 유체 심블(90)이다. 도 5 및 도 6 - 도 5는 상면도를 도시하고 도 6은 도 5에 도시된 화살표를 따라서 취한 횡단면을 도시함 - 에서 개략적으로 도시된 전류 발생기(86)는, 전류를 생성하기 위해서 이용될 수 있는 전류 발생기(86)의 에미터(emitter) 및 콜렉터 사이에서 전압차를 생성하기 위해서, 핵 반응에 의해서 생성된 산란된 원자의 전자 및 다른 대전 입자의 운동 에너지를 이용하는 자체-파워 공급형 검출기(SPD)와 동일한 원리를 이용한다. 그러한 자체-파워 공급형 검출기는 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제8,681,920호에서 보다 자세히 설명되어 있다. 전류 발생기(86)는 많은 수의 동심적인 실린더들로 형성되고; 외부 쉘(shell) 원통형 링은 외부 하우징 벽(92)을 형성하고 2개의 이격된 콜렉터 원통형 링(96)을 둘러싸고, 동심적인 에미터 원통형 링(98)은 콜렉터 링들로부터 이격되어 그 사이에 위치된다. 에미터 원통형 링(98)은, 백금과 같은, 본질적으로 감마-민감성인 물질로 구성될 수 있다. 선택적으로, 로듐 또는 붕소 세라믹 물질, 예를 들어 붕소-탄화물 또는 규소-붕화물과 같은, 중성자 민감성 물질로 에미터를 또한 구성할 수 있다. 내부 쉘 원통형 링은 내부 하우징 벽(100)을 형성하고, 전기 절연체(102), 예를 들어 알루미늄 절연체가 각각의 원통형 링들 사이의 공간 내에서 하우징 내에 배치된다. 원통형 링에는 그 하부 단부에서 하단부 쉘 링(108)이 그리고 그 상단 단부에서 세라믹 절연 링과 같은 상단부 환형 쉘 링(94)이 덮여진다. 하단부 쉘 링(108)은 외부 쉘 원통형 링의 하단부와 내부 쉘 원통형 링의 하단부 사이에서 연장되고 그에 부착된다. 상단부 환형 쉘 링(94)은 외부 쉘 원통형 링의 상단부 및 내부 쉘 원통형 링의 상단부 사이에서 연장되고, 그에 부착되며, 그로부터 전기적으로 절연된다. 외부, 내부 및 하단부 하우징 벽 및 콜렉터는 강, 지르코늄 또는 인코넬로 구성될 수 있다. 에미터 전극 또는 핀(104)이 에미터 원통형 링(98)에 전기적으로 연결되고 에미터 원통형 링을 통해서 연장되며, 상단부 환형 쉘 링(94)으로부터 절연된다. 콜렉터 전극 또는 핀(106)이 콜렉터 원통형 링(96)에 전기적으로 연결되고 콜렉터 원통형 링을 통해서 연장되며, 상단부 환형 쉘 링(94)으로부터 절연된다. 전류가 에미터 핀(104)과 콜렉터 핀(106) 사이에서 인출된다. 전류 발생기(86)로부터의 전류가 전자석 코일 적층체(들)(88)에 입력되고, 전자기 코일 적층체는 자기-유동학적 유체를 포함하는 봉입된 심블(90) 내측에서 자기장을 생성한다.

전류 발생기(86)는 전자석 코일 적층체(들)(88)를 위한 자체-파워 공급형 파워 공급원이다. 전자석 코일 적층체(들)(88)의 각각이 분리된 자체-파워 공급형 파워 공급원을 가질 수 있다. 자체-파워 공급형 파워 공급원은 그 주위의 방사선에 응답하도록, 그리고 상응하는 전자석 코일 적층체(들)(88)에 파워를 공급하는 전류를 생성하도록 구성된다.

심블(90)은, 자기-유동학적 유체를 포함하는 외부 외피를 갖는다. 외피는, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 수용하는 밀봉된 내부 관이다. 밀봉된 내부 관은 지르코늄과 같은 비-강자성 물질을 이용하여 구성되고, 그에 따라 자기-유동학적 유체 내의 자기장 세기가 최대화된다. 밀봉된 내부 관은 실질적으로 연료봉의 활성 영역의 전체 길이를 따라서 연장된다. 자기-유동학적 중성자 흡수 유체는 밀봉된 내부 관의 축방향 길이를 실질적으로 점유한다. 복수의 전자석 코일 적층체(들)(88)가 직렬로 축방향으로 이격되고, 심블(90)의 축방향 길이를 따라 구분된 위치들에서 지지된다.

전자석 코일 적층체(들)(88)의 각각은 상응하는 자기 코일로 형성된다. 전자석 코일 적층체(들)(88)의 각각은 가변적인 강도를 갖는 자기장을 생성한다. 그 상대적인 강도는, 복수의 핵 연료 조립체의 일부의 많은 수의 정지적 제어봉 내의 동일 코어 높이에서의 전자석 코일 적층체(들)(88)의 일부의 회선수 및 자기 코일의 회선수의 결과이다. 바람직하게, 밀봉된 내부 관의 축방향 길이를 따른 전자석의 일부의 회선수는, 밀봉된 내부 관의 축방향 길이를 따른 전자석 중의 다른 전자석의 회선수와 상이하고, 그에 따라 상응 연료 조립체의 축방향 파워 분포를 미리 생각한 형태로 성형한다. 유사하게, 복수의 핵 연료 조립체의 일부의 많은 수의 정지적 제어봉 내의 동일한 코어 높이에 위치되는 전자석의 일부의 회선수는, 복수의 핵 연료 조립체의 다른 일부의 많은 수의 정지적 제어봉 내의 동일한 높이에 위치되는 다른 전자석의 회선수와 상이하고, 그에 따라 코어 높이에서의 반경방향 파워 분포를 미리 선택된 형태로 성형한다.

전류의 강도는, 전류 발생기(86) 주위의 반응로 파워가 증가됨에 따라 증가된다. 이는 자기-유동학적 유체 내측의 자기장 강도를 증가시켜, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 밀도를 증가시킨다. 더 강한 자기장은, 연관된 전자석 코일 적층체(들)(88)에 의해서 제어되는 영역 내에서 철-붕화물의 더 높은 농도를 생성한다. 자기-유동학적 중성자 흡수 물질은 가돌리늄의 큐리 온도 미만의 온도에서의 사용을 위해서 가돌리늄 화합물로 구성될 수 있다. 결과적인 더 높은 농도의 ¹⁰B 또는 가돌리늄은 주위 반응로 파워를 억제하는 역할을 할 것이다.

전기 발생기에 의해서 생성되는 전류 출력 및 연관된 자기장의 기준선 강도는, 발생기 요소 내에 포함되는 에미터 물질의 유형 및 양 그리고 전자석 코일에서 이용된 권선의 수에 의해서 제어될 수 있다. 자기-유동학적 유체의 액체 성분은, 특별하게 준비된 유기 오일 또는 나트륨 또는 납과 같이 비교적 낮은 온도에서 액체가 되는 금속의 화합물과 같이, 방사선 유도 분해에 대해서 내성을 갖는 점성 물질로 구성된다. 질산염 또는 다른 용융 염이 적합할 수 있다.

많은 수의 이러한 요소가, 기존 RCCA(봉 클러스터 제어 조립체) 로드렛 심블(rodlet thimble)을 이용하는 반응로 내의 연료 조립체의 전부 또는 일부의 내부에 배치될 수 있다. 도 4c는, 장치가 어떻게 심블 플러그(112) 또는 WABA(습식 환형 연소 가능 흡수제; Wet Annular Burnable Absorber) 고정부(114) 상에 장착될 수 있는지에 관한 예시를 제공한다. 공급되는 전류의 극성은 연료 조립체 내에서의 이용에 앞서서 설정될 수 있거나, 동작 중에 변경될 수 있고, 그에 따라 유체 내의 중성자 흡수제의 축방향 분포 및 밀도를 제어하는 자기장 제거 또는 강화를 달성할 수 있다. 전자석 코일 적층체(88)의 수, 와이어 권선 밀도, 및 축방향 분포를 설정하여, 개별적인 연료 조립체 반응성 분포 목표를 달성할 수 있다. 가장 높은 상대적 반응로 파워의 영역 내에 위치되는 전류 공급부에 의해서 인가되는 전류 강도는 가장 높은 상대적 축방향 파워 레벨의 축방향 위치에서 붕소 밀도를 증가시킬 것이고, 그에 따라 모든 또는 일부의 연료 조립체 내의 축방향 제한 위치에서 생성될 수 있는 피크 KW/ft.를 제한할 것이다. 도 7은, 순 연료 조립체 반응성 및 축방향 반응성 분포 목표를 달성하기 위해서 자기장 강도 및 정렬이 어떻게 이용될 수 있는지에 관한 예시를 제공한다. 도 7은 축방향 파워 형상에 미치는 자기장 분포의 영향을 도시한다. 활성 연료(120 및 122)의 상단부 및 하단부의 각각 뿐만 아니라, 전형적인 축방향 파워 분포(124) 및 중간의 전자석 우세(middle electromagnet dominant)에서의 축방향 파워 분포(126)가 도시되어 있다. 시작 시의 그리고 중단 시의 변화와 같은, 임의의 전반적인 핵 반응성 제어가 화학적 반응성 심 및/또는 중단 뱅크 동작(Shutdown Bank operation)에 의해서 핸들링될 수 있다.

이러한 장치는 또한 참조 부호 116에 의해서 도 4b에 도식적으로 도시된 외부 파워 제어 및 반응로 운영자 작용을 이용하여, 반응로 파워 분포 및 반응로 파워 레벨 제어를 달성할 수 있다. 이러한 접근방식은 반응로 용기 외부로부터의 장치에 대한 외부 파워 부착부를 필요로 할 것이다. 이어서, 운영자 또는 제어 시스템은, 반응로 내에서 희망하는 파워 레벨 및 분포를 생성하는데 필요한 자기-유동학적 유체 분포 조건을 생성하는 전류를 인가할 수 있다. 이러한 접근방식은 일체형 전기 발생기 대신에 또는 그와 병렬적으로 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 반응로 압력 용기 외측에 배치된 제어기를 이용하여, 전자석의 적어도 일부의 자기장의 강도를 별도로 제어한다.

설명된 장치는 핵 연료에 의해서 방출되는 방사선으로부터 및/또는 외부 파워 공급원으로부터 수확된 파워에 의해서 생성되는 자기장을 이용하여, 연료 조립체 내측의 중성자 흡수 액체의 반경방향 및 축방향 분포를 제어한다. 이는, 결국, 반응로 파워 레벨 및 파워 분포를 제어한다. 이는 본질적으로 기존의 기계적 제어봉 및 연관된 봉 제어 시스템의 필요성을 제거한다.

본 명세서에서 설명된 장치의 성공적인 구현은, 운영 및 차세대 플랜트 모두에서, 제어봉 이용과 관련된 운영비를 상당히 줄이거나 제거할 수 있게 한다. 구현예는 새로운 플랜트 설계에서의 구성과 연관된 큰 자본 비용을 제거할 것이다. 성공적인 구현예는 또한, 연료 조립체 내에서 상당히 더 균일한 축방향 연소 분포를 생성함으로써, 상당히 더 효율적인 연료 이용을 가능하게 할 것이다. 이러한 개념의 구현예는 훨씬 더 효율적인 적재를 가능하게 할 것이고, 그에 따라 고객이 그들의 제품 수익을 보다 양호하게 제어하게 할 수 있는 능력을 허용할 것이다.

또한, 본원에서 설명된 전류 발생기(86)는, 방사선의 공급원과 커플링되어, 동작을 위해서 전류를 필요로 하는 많은 다른 장치에 파워를 공급하기 위해서 이용될 수 있다는 점에서, 다른 적용예를 갖는다. 또한, 전류 발생기(86)는 또한 자체-파워 공급형 중성자 검출기로서 이용될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예를 구체적으로 설명하였지만, 당업자는, 개시 내용의 전체 교시 내용의 검토로부터, 그러한 구체적인 내용에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특별한 실시예가 단지 예시적인 것임을 의미하고, 첨부된 청구항 그리고 그 임의의 균등물 및 모든 균등물의 전체 범위로 주어지는 본 발명의 범위와 관련하여 비제한적인 것임을 의미한다.

Claims

핵 코어(14)를 수용하는 반응로 압력 용기(10)를 갖는 핵 반응로 파워 발생 시스템이며, 상기 핵 코어(14)는:
복수의 핵 연료 조립체(22)로서, 각각의 핵 연료 조립체는,
축방향 길이를 갖는 복수의 세장형 연료봉(66);
상기 복수의 세장형 연료봉(66) 위에 배치된 상단부 노즐(62);
상기 복수의 세장형 연료봉(66) 아래에 배치된 하단부 노즐(58);
상기 복수의 세장형 연료봉(66)을 구조화되고 이격된 어레이로 유지하기 위한 복수의 축방향으로 이격된 그리드(64); 및
상기 연료봉(66) 사이에 점재된 복수의 심블 관(84)으로서, 각각의 상기 심블 관(84)은 상기 상단부 노즐(62)과 상기 하단부 노즐(58) 사이에서 연장되고, 상기 상단부 노즐(62)과 상기 하단부 노즐(58)에 부착되는, 복수의 심블 관(84)을 포함하는, 복수의 핵 연료 조립체(22); 및
연료 조립체(22)들의 적어도 일부 내의 심블 관(84)들의 적어도 일부 내에 배치되는 정지적 제어봉으로서, 정지적 제어봉은, 자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 포함하는 자기-유동학적 유체 시스템을 수용하고, 자기-유동학적 유체 시스템은, 핵 코어(14)의 축방향 및 반경방향 파워 분포를 제어하기 위해서 정지적 제어봉을 따라서 구분된 축방향 위치들에서 자기-유동학적 유체의 밀도를 증가시키도록 또는 밀도를 감소시키도록 구조화되는, 정지적 제어봉을 포함하는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제1항에 있어서,
자기-유동학적 유체 시스템은:
자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 수용하는 밀봉된 내부 관(90) - 자기-유동학적 중성자 흡수 유체는, 연료봉(66)의 활성 영역의 길이를 따라서 연장되는 밀봉된 내부 관(90)의 축방향 길이를 점유함 -및,
자기-유동학적 중성자 흡수 유체에 의해 점유되는 밀봉된 내부 관(90)의 축방향 길이를 따라서 직렬로 축방향으로 이격되고 구분된 위치들에서 지지되는 복수의 자석(88) - 자석의 각각은 가변적인 강도를 갖는 자기장을 생성하고, 자기장의 강도의 증가는 자기장이 가해지는 자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 밀도를 증가시키고, 자기장의 강도의 감소는 자기장이 가해지는 자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 밀도를 감소시킴 -을 포함하는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제2항에 있어서,
각각의 자석이 전자석(88)인, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제3항에 있어서,
각각의 자석(88)은 분리된 자체-파워 공급형 파워 공급원(86)을 갖는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제4항에 있어서,
자체-파워 공급형 파워 공급원(86)은, 자체-파워 공급형 파워 공급원(86) 주위의 방사선에 응답하여, 상응 전자석(88)에 파워를 공급하는 전류를 생성하도록 구성되는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제5항에 있어서,
상기 자기장의 강도는 주위 방사선의 세기가 증가할 때 증가되고, 상기 자기장의 강도는 주위 방사선의 세기가 감소할 때 감소되는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제3항에 있어서,
전자석(88)의 각각은 상응하는 자기 코일로부터 형성되고,
각각의 전자석(88)의 상대적인 강도는 상응하는 자기 코일의 회선수의 결과이고,
밀봉된 내부 관(90)의 축방향 길이를 따른 전자석(88)의 일부의 회선수는, 상응 연료 조립체(22)의 축방향 파워 분포를 미리 생각한 형태로 성형하도록, 밀봉된 내부 관(90)의 축방향 길이를 따른 전자석(88) 중의 다른 전자석의 회선수와 상이한, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제3항에 있어서,
전자석(88)의 각각은 상응하는 자기 코일로부터 형성되고,
전자석(88)의 각각의 상대적인 강도는 상응하는 자기 코일의 회선수의 결과이고,
복수의 핵 연료 조립체(22)의 일부의 적어도 하나의 정지적 제어봉 내의 동일한 코어 높이에 위치되는 전자석(88)의 일부의 회선수는, 코어 높이에서의 반경방향 파워 분포를 미리 선택된 형태로 성형하도록, 복수의 핵 연료 조립체(22)의 다른 일부의 적어도 하나의 정지적 제어봉 내의 동일한 높이에 위치되는 다른 전자석(88)의 회선수와 상이한, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제1항에 있어서,
자기-유동학적 중성자 흡수 유체가 붕소-10 또는 가돌리늄을 포함하는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제1항에 있어서,
자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 액체 성분은 방사선-유도 분해에 대해서 내성을 갖는 점성 물질을 포함하는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제10항에 있어서,
자기-유동학적 중성자 흡수 유체의 액체 성분은, 반응로 동작 온도 미만에서 액체가 되는 나트륨, 납, 또는 금속의 혼합물 또는 화합물, 유기 오일, 질산염, 또는 다른 용융 염으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제3항에 있어서,
전자석(88)의 적어도 일부의 자기장의 강도가 반응로 압력 용기 외부의 제어기(116)에 의해서 별도로 제어되는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
핵 연료 조립체(22)의 심블 관(84) 내로 삽입되도록 구성된 정지적 제어봉으로, 상기 정지적 제어봉은:
자기-유동학적 중성자 흡수 유체를 포함하는 자기-유동학적 유체 시스템을 포함하고, 자기-유동학적 유체 시스템은, 핵 코어(14)의 축방향 및 반경방향 파워 분포를 제어하기 위해서, 정지적 제어 봉을 따른 구분된 축방향 위치들에서 자기-유동학적 유체의 밀도를 증가시키도록 또는 그러한 밀도를 감소시키도록 구조화되는, 정지적 제어봉.
제4항에 있어서,
상기 자체-파워 공급형 파워 공급원(86)은 복수의 동심적 실린더로부터 형성되고,
상기 자체-파워 공급형 파워 공급원(86)은:
자체-파워 공급형 파워 공급원(86)의 외부 벽(92)을 형성하는 외부 쉘 원통형 링;
외부 쉘 원통형 링에 의해서 둘러싸이는 하나 이상의 이격된, 동심적인 콜렉터 원통형 링(96);
외부 쉘 원통형 링 내에서 둘러싸인 콜렉터 링(96) 중 적어도 하나로부터 이격되도록 구성된 동심적인 에미터 원통형 링(98);
자체-파워 공급형 파워 공급원(86)의 내부 벽(100)을 형성하도록 구성된 내부 쉘 원통형 링;
외부 쉘 원통형 링, 콜렉터 원통형 링(96), 에미터 원통형 링(98), 및 내부 쉘 원통형 링의 각각의 사이의 공간 내에 형성된 전기 절연체(102);
외부 쉘 원통형 링과 내부 쉘 원통형 링 사이에서 연장되고 그의 하단부에 부착되는 하단부 환형 쉘 링(108);
외부 쉘 원통형 링과 내부 쉘 원통형 링 사이에서 연장되고, 그의 상단부에 부착되며, 그로부터 전기적으로 절연되는 상단부 환형 쉘 링(94);
에미터 원통형 링(98)에 전기적으로 연결되고, 상단부 환형 쉘 링(94)을 관통하고, 상단부 환형 쉘 링(94)으로부터 절연되는 에미터 전극(104); 및
하나 이상의 콜렉터 링(96)에 전기적으로 연결되고, 상단부 환형 쉘 링(94)을 관통하고, 상단부 환형 쉘 링(94)으로부터 절연되는 콜렉터 전극(106)을 포함하는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.
제14항에 있어서,
상기 자체-파워 공급형 파워 공급원(86)은
동심적인 콜렉터 링(96) 중 적어도 2개를 포함하고,
에미터 원통형 링(98)은 콜렉터 링(96) 사이에 위치되고, 에미터 원통형 링(98)은 콜렉터 링(96)으로부터 이격되는, 핵 반응로 파워 발생 시스템.