KR20170105018A - 중성자원의 작동 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 공학에 관한 것으로, 정상 및 비정상적인 종료 후에 원자로를 작동 전력 레벨로 상승시킴으로써, 제어 가능하게 원자로를 시동하도록 설계된다. 본 발명은 냉각재와 소스 활성부 재료 사이에 추가의 안전 격벽을 생성함으로써, 작동 중성자원의 신뢰성을 향상시키는 과제를 해결한다. 작동 중성자원은 동축으로 위치되는 별도의 안티몬과 베릴륨 공동을 지닌 안티몬과 베릴륨과 같은 활성 요소를 함유하는 앰플이 내부에 있는 강재 인클로저로서 설계된다. 안티몬은 충전 및 작동 중에 안티몬과 반응하지 않는 니오븀계 합금으로 제조된 중앙 앰플 인클로저에 수용된다. 베릴륨 분말층은 안티몬 인클로저와 앰플 인클로저 사이에 배치된다. 앰플 인클로저는 베릴륨과 반응성이 낮은 마르텐사이트-페라이트 스틸로 제조된다. 상부 가스 수집기는 앰플의 상부에 배치되며, 가스 분열 생성물을 모으는 보상 체적으로서 역할을 한다. 바닥에서, 앰플은 반사기와 바닥 가스 수집기에 의해 지지된다. 가스 수집기, 반사기 및 와셔는 마르텐사이트-페라이트 등급의 스틸로 제조된다.

Description

중성자원의 작동 {WORKING NEUTRON SOURCE}

본 발명은 원자력 공학(nuclear engineering)에 관한 것으로, 정상 및 비정상적인 종료 후에 원자로를 작동 전력 레벨로 상승시킴으로써, 제어 가능하게 원자로를 시동(start-up)하도록 설계된다.

원자로의 안전성과 동력학적 특성을 향상시킴과 아울러, 시동 반응도 사고(start-up reactivity accident)의 결과를 감소시키기 위해서, "블라인드(blind)" 시동을 방지할 수 있는 공학적인 조치를 실행하는 것이 타당한데, 임계값 이하의 아임계 원자로에서 반응도 상승시에 중성자 선속(neutron flux)이 유일하고 가장 중요한 가변적 파라미터이기 때문이다. 제어 가능한 시동이란, 로드(rod)를 보상하는 표준 제어 장비의 위치에 따라 원자로 노심에서 중성자 선속을 측정할 수 있는 가능성을 의미한다.

자발적인 우라늄 핵분열(~ 2 10³ n/s)의 결과로서, 노심에서 발생한 중성자의 양은 시작 중에 측정 챔버에서 제어가능한 중성자 선속을 제공하기에 충분치 않다.

원자로 아임계 및 전력 제어는 가장 중요한 원자력 안전관련 업무 중 하나이다. 제어가능한 원자로 시동을 제공하려면, 노심 중성자 전력이 노심 근처의 특정 영역에 배치되는 중성자 선속을 모니터링하는 이온화 챔버의 응답과 일치하는 지를 보장하는 것이 중요하다.

제어를 보장하기 위해서는 아임계 원자로에서의 중성자 선속이 현저하게 증가되거나, 그에 따라 시동 장비의 응답이 증가되어야 한다. 펄스 시동 장비를 구비한 원자로(초기 아임계 상태에서)의 신뢰성 있는 전력 제어 문제에 대한 가장 적절한 해법은 중성자원을 노심에 할당하는 것이다.

클러스터 조립체로서 설계된 중성자원이 현재 사용되고 있다. 조립체는 두 가지 유형의 로드: 즉 안티몬이 충전되는 로드, 및 열 압착 베릴륨층을 지닌 로드를 포함한다.

이러한 설계는 상당히 대형이므로 노심에서 많은 면적을 차지한다.

하나의 하우징으로 감싸진 안티몬-베릴륨 조성물 펠릿을 기초로 하는 중성자원이 현재 사용 중에 있다. 현재, 이러한 중성자원 설계는 해군의 핵 시설에서 사용되고 있다.

상기 설계의 단점은 소스의 제조 및 작동 중에 잠재적으로 안티몬이 용융되는 데 있으며, 이는 안티몬-베릴륨 조성의 계층화 및 소스의 효율성 저하를 초래한다.

단일에너지 중성자원이 현재 사용 중에 있으며, 러시아 특허 제 1762676 호(1994년 8월 30일 허여, MPK G21G4/00)에 개시되어 있다. 이 중성자원은 두께가 계산된 비율에 의해 결정되고, 베릴륨 및 철(ferrum)층의 다양한 두께를 가지며, 철 층에 놓여지는 베릴륨 인클로저(enclosure)내에 방사성 안티몬으로서 설계된다.

상기 장치는 광자원(photon source), 원통형상 안티몬, 광중성자원, 실린더 튜브로서 성형된 베릴륨, 중성자 필터, 및 안티몬 베릴륨 시스템이 배치된 다음, 철 플러그로 피복되는 통 형상 철을 포함한다.

상기 설계의 단점은 역시, 소스의 제조 및 작동 중에 잠재적으로 안티몬이 용융되는 데 있으며, 이는 안티몬-베릴륨 조성의 계층화 및 소스의 효율성 저하를 초래한다.

본 발명의 목적은 작동 중성자원의 신뢰성을 향상시키는 과제를 해결하는 데 있다.

본 발명의 기술적인 결과는 냉각재와 중성자원 활성 부품 재료 간의 추가적인 안전 격벽의 제공과, 중성자원의 무고장 작동(fail-free operation)과, 그의 신뢰성 및 내구성 향상에 있다.

상기 기술적인 결과는 본 발명의 다음과 같은 특징에 의해 달성된다.

전술한 문제에 대한 해결방안으로서, 본 발명은 내부에 활성 요소: 동축으로 위치되는 별도의 안티몬 및 베릴륨 공동을 지닌 안티몬 및 베릴륨을 포함하는 앰플이 있는 강(steel)과 같은 내구성 재료의 인클로저로서 설계된 작동 중성자원을 청구한다. 안티몬은 충전 및 작동 중에 안티몬과 반응하지 않는 재료, 예를 들어 니오븀계 합금으로 제조된 중앙 앰플 인클로저에 수용된다. 앰플의 중앙 인클로저는 누설되지 않게 밀봉된다. 베릴륨 분말층은 안티몬 인클로저와 앰플 인클로저 사이에 배치된다. 베릴륨 분말층의 다공성은 45%이며, 베릴륨은 60 내지 200 미크론의 입자 크기를 갖는다. 앰플 인클로저는 베릴륨과 반응성이 낮은 재료, 예를 들어 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸로 제조된다.

상부 가스 수집기는 앰플의 상부에 배치되며, 가스 분열 생성물을 모으는 보상 체적으로서 역할을 한다. 가스 수집기는 스프링을 구비한 와셔를 통해 앰플에 가압된다.

바닥에서, 앰플은 반사기와 바닥 가스 수집기에 의해 지지된다. 가스 수집기, 반사기 및 와셔는 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸과 같은 내구성 재료로 제조된다.

중성자원 인클로저의 내부 공동은 헬륨으로 채워져 열전달을 보장한다.

중성자원 인클로저는 상부와 하부에 하나씩 2개의 생크(sanks)로 밀봉되며, 아르곤 아크 용접으로 밀봉된다.

앰플은 0.1mm 간격으로 중성자원 인클로저에 놓인다.

앰플은 추가 안전 격벽을 제공하기 위해 4-리브형 인클로저 내에 위치된다.

작동 중성자원은 초기 시동을 제외하고, 노심의 전체 사용 수명 동안 언제든지 완전 잠수형 CPS 로드로 아임계 상태에서 제어가능한 원자로의 시동을 보장한다.

도 1은 작동 중성자원을 나타내는 단면도이다.
도 2는 작동 중성자원 앰플을 나타내는 단면도이다

용기형 작동 중성자원은 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸로 제조되며, 평탄부의 직경이 12 mm이고 벽 두께는 0.4 mm인 인클로저(1)를 구비하며, 인클로저의 외측에는 4개의 나선형 리브가 배치되어 있다. 리브를 따라서 직경은 13.5mm이고, 리브의 권선 피치는 750mm이다 (도면에는 도시 생략).

인클로저는 활성 요소인 안티몬과 베릴륨을 지닌 앰플(4)을 수용한다. 활성 성분은 동축으로 설계된 별도의 안티몬 및 베릴륨 공동에 배치된다.

상부 가스 수집기는 앰플(4)의 상부에 배치되며, 가스 분열 생성물을 모으는 보상 체적으로서 역할을 한다. 가스 수집기(5)는 스프링(6)을 구비한 와셔(7)를 통해 앰플에 가압된다.

바닥에서, 앰플은 반사기(8)와 바닥 가스 수집기(9)에 의해 지지된다.

중성자원 인클로저의 내부 공동은 헬륨으로 채워져 열전달을 보장한다.

중성자원 인클로저는 2개의 생크로 밀봉된다.

인클로저는 아르곤 아크 용접으로 밀봉된다.

중성자원 인클로저, 가스 수집기, 반사기 및 와셔는 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸로 제조된다.

도 2는 앰플 중앙 인클로저(11) 내에 안티몬(10)을 갖는 동축으로 설계된 앰플을 나타낸다. 앰플 중앙 인클로저(11)는 충전 및 작동 중에 안티몬과 반응하지 않는 니오븀계 합금으로 제조된다. 베릴륨 층(도시되지 않음)은 앰플 중앙 인클로져(11)와 앰플 인클로저(12) 사이에 배치된다. 베릴륨은 60 내지 200 미크론의 입자 크기를 갖는 분말이며, 베릴륨 분말층의 다공도는 45%이다.

앰플 인클로저(12)는 베릴륨과 반응성이 낮은 마르텐사이트-페라이트 스틸로 제조된다.

안티몬을 함유하는 중앙 앰플 인클로저는 누설이 방지되게 밀봉된다. 앰플 중앙 인클로저 및 그의 관련 요소는, 예를 들어 VN-2AE 합금으로 제조될 수 있다.

앰플(4)은 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸의 인클로저(1)에 0.1mm의 간극을 두고 배치된다. 앰플 활성부의 길이는 190mm이고, 작동 중성자원(활성부)의 전체 길이는 1,720mm이다.

냉각재와 소스 활성부 재료 사이에 추가의 안전 격벽을 제공하므로, 청구한 설계의 작동 중성자원, 관련 활성부는 53,000 유효 시간(약 8년)의 운전(campaign) 동안 원자로 발전소의 신뢰성 있는 작동을 제공한다.

Claims (18)

1. 내부에 활성 요소 (안티몬 및 베릴륨 동위 원소)를 지닌 인클로저를 포함하는 작동 중성자원으로서, 상기 활성 요소는 동축으로 설계된 앰플에 놓여지는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 안티몬은 앰플 중앙 인클로저에 포함되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
3. 제 1항에 있어서,
   베릴륨은 앰플 중앙 인클로저와 앰플 인클로저 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
4. 제 1항에 있어서,
   앰플 중앙 인클로저는 충전 및 작동 중에 안티몬과 반응하지 않는 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 앰플 중앙 인클로저는 니오븀계 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
6. 제 1항에 있어서,
   베릴륨은 60 내지 200 미크론의 입자 크기를 갖는 분말이고, 베릴륨 분말층의 다공도는 45%인 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 앰플 인클로저는 베릴륨과 반응성이 낮은 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 앰플 인클로저는 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸로 제조되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 앰플은 0.1mm의 간극을 두고 상기 중성자원 인클로저에 설치되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 앰플의 상부에 상부 가스 수집기가 있으며, 상기 상부 가스 수집기는 가스 분열 생성물을 모으는 보상 체적으로서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 수집기는 스프링을 구비한 와셔를 통해 상기 앰플에 가압되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
12. 제 1항에 있어서,
    바닥에서, 상기 앰플은 바닥에서 반사기와 바닥 가스 수집기에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
13. 제 1항에 있어서,
    중성자원 인클로저의 내부 공동은 헬륨으로 채워져 열전달을 보장하는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
14. 제 1항에 있어서,
    상기 인클로저는 누설이 방지되게 밀봉되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 인클로저는 상부와 하부에 하나씩 2개의 생크로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 인클로저는 아르곤 아크 용접으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
17. 제 1항에 있어서,
    상기 인클로저는 추가적인 안전 격벽을 제공하는 4개의 나선형 리브를 갖는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.
18. 제 1항에 있어서,
    중성자원 인클로저, 가스 수집기, 반사기 및 와셔는 마르텐사이트-페라이트 등급 스틸로 제조되는 것을 특징으로 하는 작동 중성자원.

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