KR20150108902A - 핵연료 조립체 핸들링 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 조립체의 상단 노즐로 내려질 수 있는 연료 조립체 핸들링 도구는 상단 노즐을 확실하게 래칭하고, 상단 노즐로부터 언래칭하며, 연료 조립체의 상단 노즐에서 상승된다. 상단 노즐과 상호 연결되는 도구 헤드는 연료 조립체에 래칭되는 로드 베어링 그리퍼를 구비하고, 도구가 연료 조립체 내로 하강되면서, 이 로드 베어링 그리퍼는 저장 위치에 있어서, 도구 내에서 위에 위치된다. 그 다음에, 그리퍼 핑거는 래칭 공정 동안에 위치로 하강하고, 언래칭 공정 동안에 저장 위치로 다시 상승된다. 저장 위치에서, 도구 헤드가 노즐 상에 안착될 때, 그리핑 핑거는 연료 조립체 상단 노즐 위에서 이격된다.

Description

핵연료 조립체 핸들링 장치{NUCLEAR FUEL ASSEMBLY HANDLING APPARATUS}
(관련 출원에 대한 교차 참조)
본 특허출원은 미국 특허법 35 U.S.C §119(e) 하에서, "Retracting Finger Spent Fuel Assembly Handling Tool"이라는 발명의 명칭으로 2013년 1월 24일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/756,136 호로부터 우선권을 주장하고, 본 명세서 내에 참조로써 통합되며, "Nuclear Fuel Assembly Handling Apparatus"라는 발명의 명칭으로 2013년 3월 5일자로 출원된 미국 특허출원 제 13/785,448 호에 대한 이점을 주장한다.
본 발명은 일반적으로, 원자력 발전 시설 내의 핵연료 조립체를 이송하는데 사용되는 장비, 및 특히, 장비가 연료 조립체의 상단 노즐을 파지하도록 정렬될 때, 상단 노즐의 구성요소 내에서 엉키지 않는 이러한 하나의 장비에 관한 것이다.
원자력 발전소에 있어서, 연료 조립체의 하나의 디자인은 사각 형상 어레이 내에 배향된 복수의 연료 요소 또는 연료봉으로 구성된다. 전형적인 가압수형 원자로의 경우에는, 각 연료 조립체 내에 대략 200개 내지 300개의 이러한 기다란 연료봉이 존재한다. 연료 조립체의 양단부는 냉각재, 전형적으로는 물의 유동을 연료 조립체를 통해서 지향시키는 상단 및 바닥 노즐이다. 연료봉 사이에 배치된 것은 제어봉이 삽입되는 중공 튜브 또는 심블(thimble)이다. 제어봉은 중성자 흡수 물질을 포함하고, 복수의 가이드 심블 내부 및 외부로 이동되어, 핵반응을 제어하는 것을 돕는다. 또한, 이러한 연료 조립체는 원자로 작동 동안에 인-코어 기기 장치의 삽입을 허용하는 중앙에 위치된 기기 장치를 포함한다. 심블과 기기 장치 튜브는 상단 및 바닥 노즐 사이에서 돌출한다. 상단 및 바닥 노즐 사이에, 복수의 스페이서 그리드는 연료봉을 위한 측면 지지부를 제공하도록 간격을 두고 위치설정된다. 상단 노즐은 연료 조립체의 상단부에 위치설정되고, 전체의 연료 조립체의 부하가 바닥 노즐로부터 이동되도록 하는 가이드 심블의 일단부에 연결되며, 바닥 노즐은 가이드 심블의 타단부에 연결되고, 연료 조립체는 가이드 심블을 상단 노즐까지 위로 하중 이동시킨다. 연료 조립체의 상단 노즐 및 바닥 노즐은 작동 동안에 조립체를 통해 냉각재를 전달하는데 도움이 되도록 구성된다. 이러한 구성에 있어서, 연료봉의 하중은 연료 조립체가 상단 노즐에 의해 들어올려질 때, 연료봉에 의해서가 아닌, 가이드 심블에 의해서 지탱된다.
평형 코어에 있어서, 전형적인 연료 조립체는, 원자로로부터 제거되고, 원자로 격납용기 외측의 별도의 사용후 핵연료 빌딩 내의 사용후 핵연료 저장조(spent fuel pool)로 연료 보급 카날(refueling canal)을 통해 수중으로 이송되기 전에, 3개의 작동 사이클을 보일 것이다.
연료 조립체가 핸들링될 때, 연료 보급 마스트(refueling mast) 또는 다른 오버헤드 크레인과 같은 설비는 원자로 헤드와 상부 내장품이 제거된 후에 원자로 위에 위치설정되고, 연료 조립체의 상단 노즐에 연결된다. 그 다음에, 연료 조립체는 코어로부터, 원자로 용기 위의 격납용기 내의 범람된 영역을 통해 수중으로 연료 조립체를 이송하는 연료 보급 기계에 의해, 연료 조립체 이송 카트로 들어올려진다. 이송 카트가 연료 조립체를 수평 위치로 옮겨서, 이 연료 조립체는 사용후 핵연료 저장조에 연결되는 연료 보급 카날을 통과할 수 있다. 사용후 핵연료 빌딩 내의 별도의 핵연료 핸들링 기계는 연료 조립체를 직립시키고, 사용후 핵연료 저장조 내의 랙 내의 적절한 위치로 이 연료 조립체를 이송한다.
상술한 바와 같은 특정 스타일의 연료 조립체를 위해 조립된 사용후 핵연료 조립체 핸들링 도구의 기존의 디자인은 핸들링 도구의 도구 헤드 아래의 고정된 상승부에 그리퍼 핑거를 포함한다. 이러한 그리퍼 핑거는 액추에이터를 상승 및 하강시킴으로써, 래치(latch) 및 언래치(unlatch) 위치 사이에서 선회된다. 이러한 디자인은, 도구가 연료 조립체의 상단 노즐 상에 안착될 때까지, 연료 조립체 상에 도구를 내리는 오퍼레이터를 필요로 한다. 기존의 도구는 숙련된 기술자에 의해 상단 노즐 상의 2개의 정렬 "S-구멍(S-hole)" 내에 삽입되어야 하는 2개의 정렬 "S-핀(S-pin)"을 포함한다. 구멍에 대한 이러한 핀의 정렬이 부정확하다면, 도구는 그리퍼 핑거가 상단 노즐 지지 스프링과 접촉하거나 또는 이 지지 스프링을 방해하는 배향으로 내려질 수 있다. 이러한 방해는 그리퍼 핑거가 비-정상 회복 작용력을 필요로 하는 지지 스프링 아래에 로킹되도록 할 수 있다. 2012년 봄에, 연료 보급 기계 그리퍼는 그리퍼 핑거 대 상단 노즐 상호 작용으로 인해, 연료 조립체 상으로 내려가고, 끼어서 움직이지 않게 되었고, 이것은 연료 보급 정지 상태로 7일간 지연을 야기하였다. 2012년 가을에, 연료 조립체 상으로 내려진 사용후 핵연료 도구는 핑거 대 상단 노즐 상호 작용으로 인해 끼어서 움직이지 않게 되고, 이에 의해 18시간 동안 지연되었다.
연료 보급 작업은 보통, 대체 동력이 비교적 고가로 구입되어야 하는 정지에 대한 중대한 방향을 결정한다. 연료 보급 공정을 지연시키는 어떠한 것도 가능한 어느 곳에서든지 회피되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상단 노즐의 구성요소에 부정적으로 둘러싸이지 않는 연료 핸들링 도구 디자인을 제공하는 것이다.
게다가, 본 발명의 다른 목적은 작동하기에 간단한 이러한 도구 디자인을 제공하는 것이다.
이러한 및 다른 목적은 오버헤드 크레인 또는 다른 호이스트(hoist)에 연결되도록 구성된 베일(bail)을 구비하는 연료 조립체 핸들링 도구에 의해 달성된다. 베일 플레이트는 베일에 연결되고, 베일에 의해 자유롭게 지지된다. 도구 바디는 베일 플레이트로부터 상단부에 자유롭게 지지되고, 베일 플레이트와 하단부 사이에서 연장되며, 상단부와 하단부 사이의 길이는 연료 조립체의 상단 노즐에 접근하도록 설정된다. 도구 헤드는 도구 바디의 하단부에 연결되며, 도구 헤드가 상단 노즐과 접촉되거나, 그렇지 않으면 상단 노즐 상에 안착될 때, 그리퍼 조립체가 연료 조립체의 상단 노즐과 접촉하지 않게 하기 위해, 그리퍼 조립체를 철회 위치에 수용하도록 크기설정된다. 그리퍼 조립체는, 크레인 또는 다른 호이스트가 베일을 들어올릴 때, 연료 조립체를 지지하기 위해, 연료 조립체의 상단 노즐의 일부분을 파지하도록, 철회 위치 아래로 연장 위치로 연장되도록 작동 가능하다. 바람직하게, 액추에이터 아암은 베일 플레이트로부터 접근 가능하고, 그리퍼 조립체를 연장 또는 철회 위치로 연장 또는 철회하도록 작동 가능하다.
일 실시예에 있어서, 그리퍼 조립체는 선형 운동으로 액추에이터를 각각 상승 또는 하강시킴으로써, 철회 위치 또는 연장 위치로 이동된다. 이러한 일 실시예에 있어서, 그리퍼 조립체는 액추에이터 아암이 하강될 때, 연료 조립체를 완전히 파지한다. 바람직하게, 그리퍼 조립체는 완전히 철회된 위치 및 완전히 연장된 위치에서 확실히 로킹된다. 다른 실시예에 있어서, 연료 조립체 핸들링 도구는 연료 조립체 상단 노즐과 도구 헤드를 정렬하기 위해, 도구 헤드로부터 아래로 연장되는 가이드 핀을 포함한다.
본 발명의 추가적인 이해는 첨부된 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 핸들링 도구로부터 유익할 수 있는 연료 조립체의 부분 단면도로서, 명확성을 위해 부분적으로 절단되어 수직적으로 축소된 형태로 도시된 도면,
도 2는 베일, 액추에이터 핸들, 바디 및 도구 헤드를 도시하는 본 발명의 연료 조립체 핸들링 도구의 일 실시예의 사시도로서, 바디가 수직적으로 축소된 형태로 도시된 도면,
도 3은 도 2에 도시된 연료 조립체 핸들링 도구의 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 도구 헤드의 확대된 단면도,
도 5는 도구 헤드의 사시도로서, 그리퍼 핑거가 철회된 것으로 도시된 도면,
도 6은 도구 헤드의 사시도로서, 그리퍼 핑거가 연장된 위치로 도시된 도면.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 가압수형 원자로에 채용된 유형의 핵연료 조립체의 정면도가 도시되고, 이 핵연료 조립체는 수직적으로 축소된 형태로 나타나고, 포괄적으로 도면 부호 10으로 지시된다. 연료 조립체(10)는 하단부에서 바닥 노즐(12)을 포함하는 구조적인 골격을 구비한다. 연료 조립체(10)의 작동 수명 동안에, 바닥 노즐(12)은 원자로(도시되지 않음)의 코어 구역 내에서 바닥 코어 지지 플레이트(14) 상의 연료 조립체(10)를 지지한다. 바닥 노즐(12) 외에, 연료 조립체(10)의 구조적인 골격은 또한, 연료 조립체(10)의 상단부에 상단 노즐(16)과, 바닥 및 상단 노즐(12 및 16) 사이에서 종방향으로 연장되고, 대향 단부에서 강성적으로 부착되는 다수의 가이드 튜브 또는 심블(18)을 포함한다.
연료 조립체(10)는, 가이드 심블(18)을 따라 축방향으로 이격되고 이 가이드 심블(18)에 장착되는 복수의 횡단 그리드(20)와, 이 그리드(20)에 의해 횡방향으로 이격되고 지지된 조직화된 어레이의 기다란 연료봉(22)을 추가로 포함한다. 또한, 조립체(10)는, 중심에 위치되고, 바닥 및 상단 노즐(12 및 16) 사이에 연장되고 이들 노즐에 장착된 기기 장치 튜브(24)를 구비한다. 이러한 부분의 배치에 의해서, 연료 조립체(10)는 부분의 조립체를 손상시키는 일 없이, 편리하게 핸들링될 수 있는 일체 유닛을 형성한다.
상기 언급된 바와 같이, 연료 조립체(10)에서의 어레이 내의 연료봉(22)은 연료 조립체 길이를 따라 이격된 그리드(20)에 의해 서로 이격 관계로 유지된다. 각 연료봉(22)은 핵연료 펠릿(pellet)(26)을 포함하고, 대향 단부에서 상부 및 하부 플러그(28 및 30)에 의해 폐쇄된다. 펠릿(26)은 상단부 플러그(28)와 펠릿 스택의 상단 사이에 배치된 플리넘 스프링(32)에 의한 스택 내에 유지된다. 핵분열성 물질로 구성된 펠릿(26)은 원자로의 반응력을 생성하는 원인이 된다. 물 또는 붕소를 함유하는 물과 같은 액체 감속재/냉각재는 하부 코어 지지 플레이트(14) 내의 개구(42)를 통해 연료 조립체(10)까지 상향으로 펌핑된다. 연료 조립체(10)의 바닥 노즐(12)은 유용한 일의 생산을 위해 조립체 내에 발생된 열을 추출하기 위해, 냉각재를 조립체의 연료봉(22)을 따라 상향으로 보낸다. 냉각재는 연료 조립체 위에 안착되는 상부 코어 플레이트(도시되지 않음) 내의 개구를 통해 코어를 빠져나간다. 상단 노즐(16)로부터 위로 연장되는 지지 스프링(hold down spring)(40)은 상부 코어 플레이트의 아래측에 대해 안착되고, 흐르는 냉각재에 의해 가해진 상향력(upward force)에 대항하는 연료 조립체를 지지하는 역할을 한다.
핵분열 공정을 제어하기 위해서, 다수의 제어봉(34)이 연료 조립체(10) 내의 사전 결정된 위치에 위치된 가이드 심블(18) 내에서 상호 이동 가능하다. 특히, 상단 노즐(16) 위에 위치설정된 로드 클러스터 제어 기구(36)는 제어봉(34)을 지지한다. 제어 기구는 구동봉(도시되지 않음)에 결합되는 암나사산이 형성된 원통형 부재(37)와 복수의 반경 방향으로 연장되는 플루크(fluke) 또는 아암(38)을 구비한다. 각 아암(38)은 제어봉(34)과 상호 연결되고, 그에 따라 제어봉 기구(36)는 가이드 심블(18) 내에서 제어봉을 수직적으로 이동시키고, 이에 의해 모두 잘 알려진 방식으로 연료 조립체(10) 내에서 핵분열 공정을 제어하도록 작동 가능하다.
이러한 원자로를 연료 보급하기 위해서, 원자로 위의 연료 보급 영역은 범람되고, 상부 코어 플레이트를 포함하여 원자로 헤드 및 상부 내장품은 제거되어, 연료 조립체를 노출한다. 그 다음에, 연료 보급 기계는 연료 조립체의 상단 노즐(16)과 결합하도록 내려지고 작동되어서, 상부 립(44) 상에 파지된다. 도 2는 지지 스프링(40) 내의 리프팅 장치의 그리핑 핑거 또는 상단 노즐의 다른 구성 부분이 엉킬 위험 없이, 연료 조립체에 결합되고, 이 연료 조립체를 들어올리기 위해서, 본 발명의 원리를 포함하는 연료 보급 기계의 일 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 연료 조립체 핸들링 기계(46)는 기본적으로, 도구의 나머지 부분을 지지하는 베일 플레이트(60)에 연결되는 베일(48)을 포함한다. 베일(48)은 도구(46)를 상승 및 하강시키는 오버헤드 크레인 상의 후크에 연결되도록 설계된다. 베일(48)과 베일 플레이트(60) 외에, 도구는 이 도구의 파지 특징부를 작동시키도록 상승 및 하강하는 핸들(52)과, 핸들을 "결합" 및 "해제" 위치로 개별적으로 로킹하도록 채택된 기구(62)와, 길고 가느다란 튜브형 도구 바디(54)와 도구 헤드(56)를 포함한다. 정렬 핀(58)은 도구 헤드의 하부 부분으로부터 연장되고, 연료 조립체(10)의 상단 노즐(16)의 상단면 내의 대응하는 개구부 내로 삽입되도록 설계된다. 본 실시예에서의 도구 헤드(56)는 모두 4개의 그리퍼 핑거를 구비하고, 이들 중 3개는 도 3 및 도 4에서 관찰될 수 있고, 4개의 그리퍼 핑거 모두는 도 6에 도시된 사시도에 도시된다. 그렇지만, 임의의 수의 그리핑 핑거가 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명에 따르면, 그리퍼 핑거(64)는 도 5에 도시된 바와 같이 "해제" 또는 "언래치" 위치에 있을 때, 도구 헤드(56) 내의 저장 위치로 철회된다. 그리퍼 핑거(64)는 "결합" 또는 "래치" 위치로 작동될 때 제 위치로 내려지고 회전된다. 도구의 작동은 도구 핸들(52)의 단일 선형 운동에 의해 달성된다.
도 3에 도시된 단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 도구 베일(48)과 튜브형 하우징 바디(54)와 도구 헤드 프레임(56)은 모두 고정되고, 함께 용접 또는 볼트 결합된다. 핸들(52)은 도구 바디(54) 내에서 슬라이딩 가능하게 이동 가능하고, 도구의 전체 길이를 실질적으로 연장시키는 작동봉(actuating rod)에 핀으로 고정된다. 작동봉(50)은 하단부에서 도 4에서 보다 양호하게 알 수 있는 액추에이터(66)에 부착된다. 액추에이터(66)는 4개의 "캐리어"(68)에 연결된다. 핑거(64)는 70에서 대응하는 캐리어(68)에 각각 핀으로 고정되지만, 회전될 수는 없다. 각 핑거(64)는 캠 슬롯(74)에 얹혀있는 로브(72)를 구비한다. 핸들(52)이 상승될 때, 핸들이 결합되는 작동봉(50)은 액추에이터(66)와, 4개의 캐리어(68)와, 4개의 핑거(64)를 상승시킨다. 핸들(52)을 상승시킴으로써 핑거(64)가 상승될 때, 각 핑거 상의 로브(72)는 캠 슬롯의 윤곽에 의해 결정된 특정 방식으로 핑거를 회전시키는 캠 슬롯에 얹혀있다. 도 4에 도시된 이미지에서, 도구는 "결합" 위치로 도시된다. 핸들(52)이 상승될 때, 핑거(64)는 처음의 0.5인치 정도의 이동 시에, 대략 10° 회전되면서 약간 상승된다. 그 다음에, 핸들이 계속 상승될 때, 캠 슬롯이 그 지점으로부터 위로 수직이기 때문에 그리핑 핑거는 수직으로 상승된다. 상술한 바와 같이, 도 5는 핑거(64)가 도구 헤드 하우징(76) 내에 완전히 철회된 완전 "해제" 상태의 도구 헤드(56)를 도시한다. 도 6은 완전히 연장된 그리고 "결합" 상태의 핑거(64)를 도시한다.
그렇지만, 본 발명은 4개의 핑거가 채용되고, 해제 및 결합 위치가 도구 핸들의 단일 선형 운동에 의해 달성되어, 도구 헤드 하우징에 대해 그리핑 핑거를 완전히 철회 또는 완전히 연장시키며, 이러한 단계가 임의의 수의 핑거로 개별적으로 수행될 수 있는 다른 배치가 고려되는 실시예로 도시된다.
본 발명의 구체적인 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 상세사항에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 첨부된 특허청구범위의 최대 범위 및 그것의 임의의 그리고 모든 등가물로 주어지는 본 발명의 범위에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.

Claims (8)

  1. 연료 조립체 핸들링 도구에 있어서,
    크레인 또는 다른 호이스트에 연결되도록 구성된 베일과,
    상기 베일에 의해 자유롭게 지지되도록 상기 베일에 연결된 베일 플레이트와,
    상단부에서 상기 베일 플레이트로부터 자유롭게 지지되고, 상기 베일 플레이트와 하단부 사이에서 연장되며, 상기 상단부와 하단부 사이의 길이가 연료 조립체의 상부 노즐에 접근하도록 설정되는 도구 바디와,
    상기 도구 바디의 하단부에 연결되는 도구 헤드로서, 상기 도구 헤드가 상기 상부 노즐과 접촉하거나 그렇지 않으면 상기 상단 노즐 상에 안착될 때, 그리퍼 조립체가 상기 연료 조립체의 상단 노즐과 접촉하지 않게 하기 위해, 상기 도구 헤드는 상기 그리퍼 조립체를 철회 위치로 수용하도록 크기설정되고, 상기 그리퍼 조립체는 상기 크레인 또는 다른 호이스트가 상기 베일을 들어올릴 때, 상기 연료 조립체를 지지하기 위해 상기 연료 조립체의 상단 노즐의 일부분을 파지하도록, 상기 그리퍼 조립체의 철회 위치 아래로 연장 위치로 연장되도록 작동 가능한, 상기 도구 헤드를 포함하는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베일 플레이트로부터 접근 가능하고, 상기 그리퍼 조립체를 상기 연장 또는 철회 위치로 연장 또는 철회하도록 작동 가능한 액추에이터 아암을 포함하는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 그리퍼 조립체는 선형 운동으로 상기 액추에이터 아암을 각각 상승 또는 하강시킴으로써 상기 철회 위치 또는 연장 위치로 이동되는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 액추에이터 아암이 하강될 때, 상기 그리퍼 조립체는 상기 연료 조립체를 완전히 파지하는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 그리퍼 조립체는,
    상기 연료 조립체의 상단 노즐을 파지하기 위한 후크로서, 상단부 부분으로부터 돌출하는 측방향 연장 핀을 구비하는, 상기 후크와,
    상기 액추에이터 아암에 연결되고, 상기 액추에이터 아암으로 상승 또는 하강되며, 상기 핀의 상단부에 선회 가능하게 연결되는 캐리어와,
    상기 후크의 상단부 부분 상의 측방향 돌출 핀이 얹혀지는 상기 도구 헤드 상의 레이스로서, 상기 캐리어가 상기 액추에이터 아암에 의해 상승 또는 하강될 때, 상기 후크는 선회되고 상승하는, 상기 레이스를 포함하는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액추에이터 아암이 하강될 때, 상기 레이스는 먼저 상기 후크를 하강시킨 후에, 상기 후크의 이동의 하측 부분에서 상기 후크를 선회시키는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 그리퍼 조립체는 상기 철회 위치 및 연장 위치에서 확실하게 로킹되는
    연료 조립체 핸들링 도구.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도구 헤드를 상기 연료 조립체 상단 노즐과 정렬시키기 위해, 상기 도구 헤드로부터 아래로 연장되는 가이드 핀을 포함하는
    연료 조립체 핸들링 도구.
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