KR102367661B1 - 가압수형 원자로의 노심에서 노심내 계측장치를 회수하는 방법 - Google Patents

가압수형 원자로의 노심에서 노심내 계측장치를 회수하는 방법 Download PDF

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Abstract

신호 케이블들이 통과해서 연장되는 원자로 용기 관통부들로부터 2개 이상의 노심내 계측기 딤블 어셈블리를 동시에 분리하는, 연료 보급을 위해 핵 원자로 압력 용기로부터 상부 내부구조물 어셈블리를 제거하는 방법이다. 신호 케이블들은 2개 이상의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리 신호 도선을 지지하는 전기 커넥터로 상기 관통부들에 연결된다. 건조한 환경에서 프로세스가 수행되도록, 전기 커넥터가 분리되기 전에, 용기 내의 수위가 연결부보다 낮게 낮아진다.

Description

가압수형 원자로의 노심에서 노심내 계측장치를 회수하는 방법{METHOD FOR IN-CORE INSTRUMENTATION WITHDRAWAL FROM THE CORE OF A PRESSURIZED WATER REACTOR}
본 발명은 일반적으로 핵 원자로 시스템에 관한 것으로, 특히 원자로 압력 용기의 상부 내부구조물을 통과하는 상기와 같은 시스템의 노심내 계측장치에 관한 것이다.
가압수형 원자로와 같은 발전용 핵 원자로에 있어서는, 열이 농축 우라늄과 같은 핵연료의 핵분열에 의해 발생되고, 노심을 통해 흐르는 냉각재에 전달된다. 노심은 냉각재가 통과해서 흐르는 연료 어셈블리 구조체 내에 서로 근접하여 탑재되는 세장형 핵연료봉을 포함한다. 연료봉들은 동일한 공간에 걸쳐 평행한 배열로 서로 이격된다. 주어진 연료봉 내의 연료 원자의 핵붕괴 도중에 방출된 중성자 및 그 밖의 원자 입자의 일부는 연료봉들 사이의 공간을 통과하고 인접하는 연료봉들의 핵분열성 물질에 충돌해서, 핵반응 및 노심에 의해 발생된 열에 기여한다.
이동식 제어봉들은 노심을 통해 분포되어서, 분열 반응에 기여하게 되는, 연료봉들 사이를 지나는 중성자들 중 일부를 흡수함으로써, 전체 분열 반응 속도의 제어를 가능하게 한다. 제어봉들은, 일반적으로 중성자 흡수 물질로 이루어진 세장형 봉을 포함하고, 연료봉들 사이에서 연료봉들과 평행하게 뻗는 연료 어셈블리 내의 종방향 개구 또는 안내 딤블(guide thimbles) 내로 끼워진다. 제어봉을 노심 내로 더 삽입하면, 보다 많은 중성자가 흡수되지만, 제어봉을 철수하면, 중성자 흡수 범위가 줄어들어서 핵반응 속도 및 노심의 전력 출력이 증가된다.
노심 연료 어샘블리 내부의 중성자 활동 및 냉각재 온도를 감시하기 위해, 지금까지는, 종래에 용기의 저부에 있는 관통부로부터 노심에 진입하는 이동식 중성자 검출기와 같은 이동식 노심내 계측장치가 채용되고 있다. 부가적으로, 원자로 용기의 저부를 통해 노심으로 진입해서 정상 작동 중에는 연료 어셈블리 안에 상주하는 고정식 노심내 중성자 검출기가 채용되고 있다. 용기의 저부에 있는 관통부를 통해 진입하는 고정식 노심내 계측장치 외에도, 용기의 상부에 있는 관통부를 통해 진입하는 고정식 노심내 계측장치가 있다. 지금까지의 몇몇 사례에 있어서는, 심각한 보수 문제를 드러낸 누출이 용기의 저부에 있는 관통부에서 발생했다. 모든 노심내 계측장치가 위에서부터 노심에 접근하는 것이 바람직하다는 점이 곧 명백해졌다. 이 후자의 구성에 있어서, 각각의 노심내 계측기 딤블 어셈블리는 전적으로, 상부 내부구조물을 통해 축방향으로 연장되는 배관으로 구성된 안내 경로에 에워싸인다. 이 안내 경로의 하부 부분은 연료 어셈블리 내부의 계측장치 딤블 안으로 하향 연장된다. 그러나, 심지어 고정식 노심내 중성자 검출기와, 노심 내부의 온도를 감시하는데 이용되는 열전쌍 어셈블리는 연료 보급 작업을 위해 원자로 노심에 접근할 수 있게 되기 전에 연료 어셈블리에서 회수되어야 한다. 따라서, 용기의 상부로부터 진입하는 노심내 계측장치를 만족스럽게 안내 및 보호할 수 있으며 연료 보급을 위한 접근을 가능하게 하면서도 누출 가능성을 줄일 수 있는 구조체를 제공할 필요가 있다.
이러한 목표는 200 메가와트급의, 펜실베니아 크랜베리 타운쉽(Cranberry Township) 소재의 Westinghouse Electric Company LLC가 제안한 것과 같은 일부 소형 모듈식 원자로 설계에 있어서 더욱 까다로운 문제가 되었다. 소형 모듈식 원자로는 모든 일차 루프 부품(primary loop components)이 원자로 용기 내측에 위치되어 있는 일체형 가압수형 원자로이다. 원자로 용기는 콤팩트한 고압 격납장치에 의해 둘러싸인다. 격납장치 내부의 한정된 공간 및 일체형 가압 경수형 원자로에 대한 저비용 요건으로 인해, 전체적인 보조 시스템의 수는 안전성 또는 기능을 훼손하지 않는 범위에서 최소화될 필요가 있다. 예를 들어, 소형 모듈식 원자료의 디자인과 연관된 콤팩트한 고압 격납장치는 이송된 부품들을 차폐할 수 있는 원자로 용기 위쪽의 대형 범람가능 캐비티의 결합을 허용하지 않는다. 또한, 대부분의 종래의 가압수형 원자로에 있어서는, 노심내 계측장치가 연료 보급 전에 노심으로부터 철수된다. 이는 일차 압력 경계 씨일(seal)을 깨뜨리고 도관을 통해 계측장치를 빼내는 것에 의해 행해진다. 계측장치가 저부에 탑재되는 구조의 플랜트에서는, 도관이 단지 원자로 용기의 저부로부터 원자로에서 이격된 격실 내에 위치된 씨일 테이블까지만 연장되기 때문에, 이 절차가 복잡하지 않은 절차이다. 계측장치가 상부에 탑재되는 구조의 플랜트에서는, 상부 내부 구조로 인해 이 절차는 훨씬 더 문제가 된다. 이는, 상부 탑재형 계측장치가 원자로 헤드 폐쇄부에 일체로 결합된 가압기 및 열교환기를 갖는 소형 모듈식 원자로 시스템의 일체형 가압수형 원자로용으로 고려될 때 더욱 복잡해진다. 상부 탑재형 계측장치는 흔히 용기내 보유(in-vessel retention)로서 인용되는 중대 사고 완화 전략을 이용하는 플랜트에서 선호된다. 이 전략의 요건은 원자로 용기의 하부 부분에는 관통부가 없어야 한다는 점이다.
본원의 양수인에게 양도된 "Instrumentation and Control Penetration Flange for a Pressurized Water Reactor"의 발명의 명칭으로 2012년 4월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/457,683호는 원자로 헤드 폐쇄부와 압력 용기 플랜지 사이에서 원자로 용기 압력 배리어를 통해 제어봉 드라이브 및 노심 감시용 계측장치로부터의 케이블의 경로를 설정하기 위한 착탈식 환형 씨일 링을 소개하고 있다. 본원의 양수인에게 양도된 "Method and Apparatus for Refueling a Nuclear Reactor Having an Instrumentation Penetration Flange"의 발명의 명칭으로 2013년 1월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/742,392호는 상기와 같은 원자로에 연료를 보급하는 일 방법을 교시하고 있다. 연료 보급은 그것이 일부분으로 되는 대부분의 운전정지의 임계 경로(critical path) 상의 작업이며, 연료 보급 방법을 보다 효율적으로 만드는 임의의 수단은 시설 운영자에 대한 상기와 같은 작업의 비용을 실질적으로 줄일 수 있다. 그에 따라, 상부 내부구조물과 함께 제거될 수 있으며 연료 어셈블리를 노출시킬 수 있도록 계측장치를 노심으로부터 제거하기 위해 취해져야 하는 스텝들을 줄이는데 있어서의 추가적인 개선은 종래의 원자로 및 일체형 모듈식 원자로 모두에 대하여 바람직하다.
종래의 원자로에 있어서, 노심내 계측기는, 통상적으로 길이가 30 내지 40 피트(9.1 내지 12.2 미터)이고 직경이 대략 3/8 인치(9.5 밀리미터)인, 외부 시스(sheath)라고도 불리는, 길이가 긴 스테인리스 스틸제 튜브에 의해 둘러싸인다. 외부 시스는 계측기 및 계측기 도선들을 내포한다. 이들 도선은 계측기의 전체 길이에 걸쳐 연장되고 일 단부가 전기 커넥터에서 종단된다. 계측기, 계측기 도선, 외부 시스 및 전기 커넥터로 이루어진 어셈블리가 노심내 계측기 딤블 어셈블리로 불린다. 원자로에 있어서, 내부에 검출기를 구비하는 노심내 계측기 딤블 어셈블리의 단부는 연료 어셈블리의 상부로부터 거의 저부까지, 통상적으로 10 내지 12 피트(3.05 내지 3.66 미터)의 종래의 어셈블리에서의 거리로 연장된다. 노심내 계측기 딤블 어셈블리의 비-활성 단부는 검출기로부터 전기 커넥터로 신호를 전송하는 도선을 포함한다. 기존의 적용분야에 있어서, 노심내 계측기 딤블 어셈블리의 외부 시스는 용기 관통부를 통과한다. 보다 최신 디자인에 있어서, 관통부는 통상적으로 원자로 용기의 폐쇄 헤드에 있으며, 전기 커넥터는 원자로의 외측에 위치된다.
원자로 연료 보급 동안, 노심내 계측기 딤블 어셈블리는 연료 재급유를 허용하기 위해 노심으로부터 제거되어야만 한다. 몇몇 플랜트 디자인은 노심내 계측기 딤블 어셈블리들이 전부 부착되는 상부 내부구조물의 상부 부분 상의 원자로 내측의 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트를 구비한다. 연료 보급 동안에는, 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트가 인양되고, 노심내 계측기 딤블 어셈블리들이 전부 원자로 노심으로부터 동시에 회수된다. 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트를 구비하지 않는 다른 플랜트들은 연료 이동을 허용하기 위해 각각의 노심내 계측기 딤블 어셈블리를 개별적으로 충분한 거리로 회수한다. 노심내 계측기 딤블 어셈블리의 회수된 부분은 외부 수단에 의해 지지되어야만 한다. 노심으로부터 노심내 계측기 딤블 어셈블리를 회수하는데 필요한 스텝들의 수를 줄이게 되는, 노심내 계측기 딤블 어셈블리 또는 상부 내부구조물의 임의의 구조 변경은 임계 경로 연료 보급 시간을 줄이게 되는 한편, 취급 부주의 오류에 기인하는 노심내 계측기 딤블 어셈블리의 손상 가능성을 최소화할 것이다. 이는 소형의 일체형 모듈식 원자로의 복잡한 환경에서 특히 그러하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 노심내 계측기 딤블 어셈블리를 상부 구조물 내로 회수하고 원자로 노심의 위쪽으로부터 상부 구조물을 제거하는데 필요한 스텝들의 수를 최소화하게 되는 방식으로 노심내 계측기 딤블 어셈블리를 변경하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 침수된 전기 커넥터의 필요한 분해 횟수를 최소화하게 되는 바와 같은 변형을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 압력 용기의 상부 개구에 밀봉 가능하게 결합되는 상부 착탈식 헤드를 갖춘 압력 용기를 구비하는 가압수형 핵 원자로에 연료를 보급하는 방법에 의해 달성된다. 축방향 크기를 갖는 노심은 압력 용기의 내부에서 지지된다. 복수의 핵연료 어셈블리는 노심 내부에서 지지되고, 해당 연료 어셈블리 중 적어도 일부는 그것을 통해서 축방향으로 연장되는 적어도 하나의 계측장치 딤블을 구비한다. 상부 내부구조물 어셈블리는 노심보다 위쪽에서 지지되며, 그것을 통해 지지된 축방향으로 연장되는 계측장치 안내 경로를 구비하고, 상부 내부구조물 어셈블리를 통해 계측장치를 수용하도록 구성되는 각각의 계측장치 딤블은 계측장치 안내 경로들 중 하나와 정렬된다. 상부 내부구조물은 계측장치 안내 경로보다 위쪽에서 지지되며 상부 내부구조물의 하부 부분에 대하여 축방향으로 이동 가능한 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트를 추가로 포함한다. 계측장치 안내 경로들 중 상응하는 하나의 경로를 통해 계측장치 딤블들 중 상응하는 하나의 딤블 내로 제각기 연장되고, 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트가 상승될 때 상부 내부구조물 어셈블리 내로 철수 가능한 적어도 2개의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리가 제공된다. 노심내 계측장치 딤블 어셈블리들 각각은 착탈식 헤드와 압력 용기 사이에 끼워지는 관통 플랜지에 대하여 및 그것을 통하여 계측장치 그리드 플레이트의 부근 안에서 경로설정되는 신호 출력 도선을 구비한다. 전기 커넥터는 적어도 2개의 노심내 계측장치 어셈블리로부터의 각각의 신호 출력 도선을 관통 플랜지를 통해 압력 용기의 외부로 연장되는 출력 케이블에 연결한다. 상기 방법은, 압력 용기의 헤드를 제거하는 단계, 관통 플랜지로부터 적어도 2개의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리와 연관된 각각의 신호 출력 도선을 동시에 분리하는 전기 커넥터를 분리하기 전에 압력 용기 내의 수위를 관통 플랜지 및 전기 커넥터보다 낮게 낮추는 단계를 포함한다. 이후, 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트는 계측장치 딤블 어셈블리들이 노심보다 위쪽으로 될 때까지 상승된다. 이후, 상부 내부구조물 어셈블리가 제거되고, 연료 보급을 위해 노심이 노출된다.
일 실시예에 있어서, 전기 커넥터를 분리하는 것은 관통 플랜지로부터 계측장치 딤블 어셈블리들을 전부 동시에 분리한다. 바람직하게는, 상기 방법은 계측장치 딤블 어셈블리들이 노심에서 상승될 때 계측장치 딤블 어셈블리들을 차폐하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 전기 커넥터가 분리될 때 전기 도선이 물에 노출되는 것을 방지하기 위해 전기 커넥터의 개방 단부를 밀봉하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
다른 실시예에 있어서, 노심내 계측장치 딤블 어셈블리들은 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트에 부착되고, 바람직하게는, 안내 경로는 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트에 부착되며 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트가 상승될 때 연장되는 신축형 슬리브를 포함한다.
본 발명의 추가적인 이해는 첨부도면을 참조하여 하기의 바람직한 실시예들의 설명으로부터 얻어질 수 있다:
도 1은 본 발명을 적용할 수 있는 핵 원자로의 간략화된 개요도이고;
도 2는 본 발명을 적용할 수 있는 종래의 가압수형 원자로 용기 및 내부 부품들을 부분적으로 단면으로 나타낸 정면도이고;
도 3은 본 발명과 함께 채용될 수 있는 신축형 노심내 계측장치 안내 튜브가 하강된 위치에 있는 것을 도시하는 종래의 가압수형 원자로의 일 실시예의 상부 내부구조물 패키지를 부분적으로 단면으로 나타낸 정면도이고;
도 4는 노심내 신축형 계측장치 안내 튜브가 상승된 위치에 있는, 도 3에 도시된 상부 내부구조물 패키지를 부분적으로 단면으로 나타낸 정면도이고;
도 5는 본 발명으로부터 이익을 얻을 수 있는 소형 모듈식 원자로 시스템을 도시하는, 부분적으로 절개된 사시도이고;
도 6은 도 5에 도시된 원자로의 확대도이고;
도 7은 내부구조물을 보여주기 위해 일부분이 절개되어 있는, 도 5 및 도 6에 도시된 원자로 용기 및 그 내부 부품들의 사시도이고;
도 8은 노심내 계측장치 딤블 어셈블리들이 노심 내부에 완전히 삽입되어 있고 신호 출력 도선들이 관통 플랜지를 통해 연장되는 케이블에 연결되어 있는 원자로 용기 및 상부 내부구조물의 일부분을 나타내는 개요도이고;
도 9는 원자로 헤드가 제거되어 있고, 수위가 전기 커넥터의 높이보다 낮게 낮아져 있는, 도 8에 도시된 개략적인 도면의 우측 부분을 도시하고;
도 10은 노심내 계측장치 딤블 어셈블리 전기 커넥터가 제거되어 있는, 도 9의 개략적인 도면을 도시하고;
도 11은 노심으로부터 노심내 계측장치 딤블 어셈블리들을 제거하기 위해 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트가 상승되어 있는, 도 10에 도시된 개략적인 도면을 도시하고;
도 12는 상부 내부구조물 어셈블리가 노심내 계측장치와 함께 노심으로부터 제거되어 있는, 도 11에 도시된 개략적인 도면이고;
도 13은 상부 내부구조물 어셈블리가 원자로 용기로부터 완전히 제거되어 있는, 도 12에 도시된 개략적인 도면이다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 원자로 노심(14)을 에워싸는 폐쇄 헤드(12)를 갖는 일반적으로 원통형의 압력 용기(10)를 포함하는, 간략화된 핵 원자로 일차 시스템을 도시한다. 물과 같은 액체 원자로 냉각재는 노심(14)을 통해 펌프(16)에 의해 용기(10) 내로 펌핑되고, 여기서 열 에너지가 흡수되며, 통상적으로 증기 발생기로서 인용되는 열교환기(18)를 통해 방출되고, 증기 발생기 내부의 열은 증기 구동식 터빈 발전기와 같은 활용 회로(utilization circuit)(도시되지 않음)에 전달된다. 이후, 원자로 냉각재가 펌프(16)를 통해 환류되어, 일차 루프가 완료된다. 통상적으로, 복수의 상술한 루프는 원자로 냉각재 배관(20)에 의해 밀봉된 원자로 용기(10)에 연결된다.
도 2에서는 종래의 원자로 디자인이 보다 상세하게 도시된다. 앞서 언급된 바와 같이, 도 2에 도시되지는 않았지만, 오래된 종래의 가압수형 원자로 디자인에 있어서, 이동식 또는 고정식 노심내 중성자 검출기들은 용기 저부에 있는 관통부들부터 연장되는 튜브들을 통해 연료 어셈블리 내부의 계측장치 딤블들과 만나게 되는 하부 노심 플레이트(36)까지 원자로의 저부로부터 노심에 진입한다. 또한, 상기와 같은 종래의 원자로 디자인에 있어서, 노심 온도를 측정하는 열전쌍들은 단일의 관통부를 통해 상부 헤드(12)에 진입하고, 미국 특허 제3,827,935호에 도시된 바와 같은 요크 또는 케이블 도관에 의해 개개의 지지 칼럼(48)에, 및 그에 따라 다양한 연료 어셈블리에 분포된다.
복수의 평행한, 동일한 수직 공간에 걸치는 연료 어셈블리(22)들로 구성되는 노심(14)에 외에, 이 설명의 목적상, 그 밖의 용기 내부 구조는 하부 내부구조물(24)과 상부 내부구조물(26)로 분할될 수 있다. 종래의 디자인에 있어서, 하부 내부구조물은 노심 부품들 및 계측장치를 지지, 정렬 및 안내하도록 기능할 뿐만 아니라, 용기 내부에서의 냉각재 흐름의 방향을 정하도록 기능한다. 상부 내부구조물은 연료 어셈블리(22)(간략화를 위해 2개만이 도시됨)에 대한 이차 규제부를 구속 또는 제공하고, 계측장치 및 제어봉(28)과 같은 부품을 지지 및 안내한다.
도 2에 도시된 예시적인 원자로에 있어서, 냉각재는 하나 이상의 유입구 노즐(30)을 통해 원자로 용기(10)에 진입하고, 노심 배럴(32) 둘레로 하향으로 흐르고, 하부 플레넘(plenum)(34) 내에서 180° 꺾이고, 연료 어셈블리(22)들이 놓이게 되는 하부 노심 지지 플레이트(36)를 통해 상향으로 통과하고 나서, 어셈블리들에 걸쳐 주위를 통과한다. 노심 및 주변 영역(38)을 통한 냉각재 흐름은 통상적으로 대규모 흐름이다. 최종 압력 강하 및 마찰력은 연료 어셈블리들을 상승시키는 경향이 있고, 그 움직임은 원형 상부 노심 플레이트(40)를 포함하는 상부 내부구조물에 의해 구속된다. 노심(14)을 나가는 냉각재는 상부 노심 플레이트(40)의 밑면을 따라 복수의 천공부(42)를 통해 상향으로 흐른다. 이후, 냉각재는 상향으로 및 하나 이상의 유출구 노즐(44)을 통해 반경방향으로 흐른다.
상부 내부구조물(26)은 원자로 용기(10) 또는 용기 폐쇄 헤드(12)로부터 지지될 수 있고, 상부 지지 플레이트라고도 인용되는 상부 지지 어셈블리(46)를 포함한다. 상부 지지 플레이트(46)와 상부 노심 플레이트(40) 사이에서는 주로 복수의 지지 칼럼(48)에 의해 하중이 전달된다. 지지 칼럼은 선택된 연료 어셈블리(22) 및 상부 노심 플레이트(40)에 있는 천공부(42)의 위쪽에 정렬되어서, 각각의 연료 어셈블리 내부에서 중심에 위치된 세장형의 축방향 계측장치 딤블들에 대한 접근을 제공하고, 해당 계측장치 딤블들은 연료 어셈블리의 제어봉 안내 딤블들과 동일한 공간에 걸쳐 있다.
통상적으로, 중성자 흡수봉들이 부착되는 스파이더 어셈블리 및 구동축(50)을 포함하는 직선으로 이동 가능한 제어봉(28)은 상부 내부구조물(26)을 통해, 제어봉 안내 튜브(54)들에 의해 정렬되어 있는 연료 어셈블리(22)들 내로 안내된다. 안내 튜브들은 상부 지지 어셈블리(46)에 견고하게 결합되고, 상부 노심 플레이트(40)의 상부에 반영되는 분할 핀 힘에 의해 연결된다.
도 3은, 헤드(12)로부터 상부 내부구조물 패키지를 통해 상부 노심 플레이트(40) 아래의 노심 내로 연장되는 제어봉들이 제어봉 안내 튜브(54)들 및 제어봉 안내 튜브 연장부(88)들에 의해 실질적으로 전체 거리에 걸쳐 안내된다는 것을 명확하게 알 수 있게 하는 상부 내부구조물 패키지의 확대도를 제공한다. 그러나, 지지 칼럼(48)들을 통해 안내되는 노심내 계측장치는 단지 상부 노심 플레이트(40)와 상부 지지 어셈블리(46) 사이에서 원자로 노심의 승강부 위쪽에 지지부를 수용한다. 헤드(12)와 상부 지지 어셈블리(46) 사이에는, 노심내 계측장치가 노심으로부터 회수될 때 해당 장치가 노출되게 하는 상당한 거리가 남게 된다.
도 3에 도시된 종래의 실시예에 있어서, 계측장치의 일부 또는 전부는 원자로 헤드(12)에 있는 하나 이상의 관통부를 통해 경로설정된다. 이 종래 기술의 실시예는 상부 지지 플레이트(46)의 위쪽으로 연장되는 그 회수 위치에서 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)들에 대한 지지부를 제공하기 위해 초기 원자로 모델에 대한 구조적인 변경을 제공한다. 이 종래 기술의 실시예에 있어서, 지지 칼럼(48)들은, 노심에 접근할 수 있도록 연료 어셈블리(22)들로부터 회수될 때 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)들을 지지하기 위해 지지 칼럼(48)의 상부 부분(62)으로부터 상부 지지 플레이트(46) 위쪽의 영역으로 연장될 수 있는 슬라이드 가능한 또는 신축형 슬리브(slidable or telescoping sleeve: 60)를 갖추고 있다. 펜실베니아 크랜베리 타운쉽 소재의 Westinghouse Electric Company LLC에 의해 공급되는 AP1000®과 같은 원자로에 있어서, 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)들을 상부 노심 플레이트(40)의 중간면까지 상승시키는데 필요한 회수 길이는 통상적으로, 안내되지 않고 잠재적으로 손상을 받게 되는, 상부 지지 플레이트(46) 위쪽에 노출된 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)의 높게 방사선 조사된 상부 부분을 남기는 지지 칼럼(48)의 높이보다 크다. 통상적으로, AP1000® 디자인에 있어서, 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)들은 상승될 필요가 있다. 슬라이드 가능한 슬리브(60)들은 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)의 노출된 영역을 지지하기 위해 상부 지지 플레이트(46) 위쪽으로 연장되도록 설계된다. 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트(53)는 슬라이드 가능한 슬리브(60)의 상부 단부들에 부착되고 핀(58)들에 의해 안내되고 스윙 클램프(90)에 의해 상부 위치에 고정된다. 도 3은 그 하부 위치에 있는 계측기 그리드 어셈블리(53)를 도시하고, 도 4는 노심내 계측기 딤블 어셈블리들을 노심 밖으로 상승시키기 위해 그 상부 위치에 있는 계측기 그리드 어셈블리(53)를 도시한다. 이 종래 기술의 실시예는 2010년 6월 17일자로 공개된 미국 특허 공개 제2010/0150294호에 보다 충분하게 기술된다.
도 5 및 도 6은 "Instrumentation and Control Penetration Flange for Pressurized Water Reactor"의 발명의 명칭으로, 2012년 4월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/457,683호에 보다 충분하게 기술되는 소형 모듈식 원자로를 개략적으로 나타낸다. 도 5는 압력 용기 및 그 내부 부품들을 보여주기 위해 부분적으로 절개된 사시도를 도시한다. 도 6은 도 5에 도시된 압력 용기의 확대도이다. 도 1에 도시되어 있지 않지만, 시스템 내의 압력을 유지하기 위해, 루프의 수에 관계없이, 일반적으로 각각의 가압수형 핵 원자로 시스템에 포함되는 가압기(56)는 도 5 및 도 6에 도시된 일체형 모듈식 원자로 내의 원자로 용기 헤드의 상부 부분에 통합되고, 별도의 부품에 대한 필요를 배제한다. 몇몇 도면에 걸쳐 상응하는 부품들에 대해서는 동일한 참조 번호가 채용된다는 것을 이해해야 한다. 핫 레그 라이저(hot leg riser)(64)는 일차 냉각재를 노심(14)으로부터 핫 레그 라이저(64)를 둘러싸는 증기 발생기(18)로 지향시킨다. 다수의 냉각재 펌프(16)는 상부 내부구조물(26)의 상부 단부 부근의 승강부에서 원자로 용기(10) 둘레로 원주방향으로 이격된다. 원자로 냉각재 펌프(16)들은 축류식 캔형 모터 펌프(axial flow canned motor pumps)에 수평하게 장착된다. 원자로 노심(14)과 상부 내부구조물(26)은, 그들의 사이즈를 제외하고는, 실질적으로 도 1 및 도 2에 관하여 앞서 기술된 상응하는 부품들과 동일하다. 전술한 바로부터, 상부 내부 부품들로부터 원자로의 외부까지 케이블의 경로를 설정하는 종래의 수단은 용이하게 채용될 수 없다는 점은 분명하다. 몇몇 소형 모듈식 원자로 디자인은 또한, 제어봉 구동 메커니즘, 원자로 냉각재 펌프, 및 가압기 히터와 같은 내부 부품들에 공급되어야 하는 전력을 필요로 한다. "Instrumentation and Control Penetration Flange for Pressurized Water Reactor"의 발명의 명칭으로, 2012년 4월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/457,683호는 제각기 상부 원자로 용기 폐쇄 플랜지(68)와 하부 원자로 용기 폐쇄 플랜지(70) 사이에 클램핑되는 링(66)을 통해, 전력을 포함하여, 모든 원자로 관통부에 대한 대안적인 위치를 기술한다(도 5 및 도 6 참조). 원자로 헤드 플랜지(68)와 원자로 용기 플랜지(70) 사이에 삽입되는 관통 플랜지(66)는 플랜트 연료 보급 작업 동안 편리한 원자로 용기 분해 및 재조립 수단을 제공하는 한편, 용기내 부품들의 검사 및 유지보수를 허용한다. 하기의 기재에 있어서, 이하에 청구되는 본 발명의 바람직한 실시예는 특정한 소형 일체형 원자로 디자인의 맥락에서 기술되지만, 본 발명의 신규한 요소들은, 유사한 디자인 제한을 가지는지의 여부에 관계없이 종래의 가압수형 원자로를 포함하는 다른 원자로들에 적용될 수 있다는 점을 인식해야 한다.
도 7은 원자로 용기(10)를 도시하는 한편, 노심(14)을 포함하는 하부 내부구조물(24)과, 제어봉 안내 튜브(54), 구동용 봉 하우징 및 제어봉 구동 메커니즘(CRDM)을 포함하는 상부 내부구조물(26)을 포함하는 그 내부 부품들을 도시한다. 환형 관통 플랜지 씨일(66)은, 설비 도관(74)들이 압력 용기의 내부로, 또는 압력 용기의 내부로부터 그 외부로, 전력, 계측장치 신호, 제어 신호 또는 작동 유체를 전달하게 되는 반경방향으로 연장되는 포트(72)들을 구비한다. 본 발명의 바람직한 실시예들에서 노심내 계측장치로부터의 신호 케이블은 이들 설비 도관을 통해 전달되게 된다. 플랜지(66)를 통한 축방향 및 반경방향 관통부들의 배치가 특정한 원자로 디자인의 요건에 따를 수 있지만, 앞서 인용된 미국 특허 출원 제13/457,683호에서 기술된 소형 모듈식 원자로 내부구조물 디자인에 있어서는, 축방향 통로들이 관통부 씨일 링(66)의 내경 쪽으로 위치되어서, 증기 발생기(18)로부터의 반환 냉각재 흐름이 관통부(66)를 통과할 수 있게 한다. 본 명세서에 기술된 소형 모듈식 일체형 원자로의 작동은 "Pressurized Water Reactor Compact Steam Generator"의 발명의 명칭으로, 2012년 6월 13일자로 출원된 동시 계류중인 미국 특허 출원 제13/495,050호를 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다.
본 발명은 통상적으로 노심 출력 및 노심 냉각재 유출 온도를 감시하는 노심내 계측기 딤블 어셈블리에 대한 변형예를 제공한다. 이 변형예는, 어렵고 시간 소모적인 절차인, 연료 보급 작업 동안 수행될 필요가 있는 수중 전기 케이블 분리 및 재연결의 횟수를 줄인다. 본 발명의 일 실시예는 도 8에 나타내지며, 관통 플랜지(66)에 부착되는 딤블 튜브에 의해 보호된 영구적으로 설치된 케이블(82)을 갖춘 2개 이상의 노심내 계측기 딤블 어셈블리(52)(도 8에서는 2개가 도시됨)로부터의 전기 신호 출력 도선(80)을 결속하는 전기 커넥터(78)를 이용한다. 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)들 각각은 그 상부 단부가 계측기 딤블 어셈블리 그리드 플레이트(53)에 연결되고, 상부 지지 플레이트(46)보다 위쪽에서, 지지 칼럼 연장부(84)를 통해 상부 지지 플레이트와 봉 이동 하우징 지지 플레이트(86) 사이에서, 또한 지지 칼럼(48)을 통해 상부 노심 플레이트(40)와 상부 지지 플레이트(46) 사이에서 지지된다. 상부 노심 플레이트(40)보다 아래쪽에서는, 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)가 연료 어셈블리(22) 내부의 계측장치 딤블에 진입한다. 도 8은 원자로가 정지된 후에 연료 보급을 위한 개시 지점을 표시하는 폐쇄 스터드(76)로 원자로 용기 플랜지(70)에 고정되는 계측장치 플랜지(66) 및 원자로 헤드(12)를 도시한다. 계측기 딤블 어셈블리 그리드 플레이트(53)는, 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)가 노심(14) 내부에 완전히 삽입되어 있는, 관통 플랜지(66) 상에 위치되는 하부 위치에 있다. 이 실시예에 있어서, 관통 플랜지(66)는 상부 내부구조물 어셈블리(26)의 일체로 된 부분이다.
도 9 내지 도 13은, 본 발명에 따라, 연료 보급을 위해 연료 어셈블리에의 접근을 위한 원자로 상부 내부구조물 분해 순서의 일 실시예를 도시한다. 도 9에서, 폐쇄 스터드(76)는 증기 발생기(18)를 포함하는 헤드(12)와 함께 제거되어서, 상부 내부구조물(26)이 노출되어 있다. 이 시점에, 원자로 용기(10) 내부의 수위(92)는 전기 커넥터(78)보다 낮게, 바람직하게는 관통 플랜지(66)보다 낮게 낮아진다. 도 10에서, 전기 커넥터(78)가 분리되고, 신호 도선(80)들이, 몇 개의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)로부터, 또한 관통 플랜지(66)에 연결되는 케이블(82)로부터 분리된다. 2개 이상의, 바람직하게는 실질적으로 모든 노심내 계측장치 딤블 어셈블리가 케이블(82)로부터 분리되어, 작업이 동시에 현저하게 간략화된다. 도 11은 계측기 딤블 어셈블리 그리드 플레이트(53)가 상승되어서, 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)들이 노심(14)으로부터 철수하는 것을 도시한다. 이후, 전체 상부 내부구조물 어셈블리(26)가 도 12에 도시된 바와 같이 계측장치 플랜지(66)와 함께 제거되어서, 도 13에 도시된 바와 같이 연료 보급을 위해 노심이 노출된다.
플랜트가 작동하고 있는 상태에서는, 노심내 계측기는 매우 높은 방사선 장(radiation field)의 영향을 받아서 매우 활성화된다. 필요에 따라, 지지 칼럼들은 차폐를 제공하기 위해 두꺼워질 수 있고, 차폐는 상부 내부구조물의 다른 구조물들에 도입될 수 있다. 또한, "Apparatus and Method for Removing the Upper Internals From a Nuclear Reactor Pressurized Vessel"의 발명의 명칭으로, 2013년 1월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제13,741,737호에 기술된 것과 같은 인양 리그(lifting rig)는 노출의 최소화와 함께 상부 내부구조물을 인양하기 위해 채용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 몇몇 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)의 신호 케이블(80)들은 전기 커넥터(78)를 통해 함께 하나의 대형 슬리브 형성 케이블(82)로 되어서, 관통 플랜지/노심내 계측장치 딤블 어셈블리 커넥터 및 필요한 관통부의 수를 최소화한다. 노심내 계측장치 딤블 어셈블리들은, 상부 내부구조물이 원자로 용기 내로 하강하는 동안, 계측기 딤블 어셈블리 그리드 플레이트(53)에 부착되어서 지지 칼럼 연장부(84) 내에서 신축하는 노심내 계측장치 딤블 어셈블리 안내 칼럼(60)에 의해 좌굴(buckling)에 대하여 보호된다. 계측기 딤블 어셈블리 그리드 플레이트의 인양 및 하강은 또한 노심내 계측장치 딤블 어셈블리 및 그것을 둘러싸는 안내 칼럼을 인양 및 하강시킨다. 따라서, 노심내 계측기 딤블 어셈블리 안내 칼럼은 상부 지지 플레이트(46) 및 봉 이동 하우징 지지 플레이트(86)에 의해 지지되는 지지 칼럼 연장부(84) 내측에서 이동한다. 분리되는 전기 커넥터(78)는 그 노출된 단부가 상부 내부구조물의 제거 및 재삽입 동안 손상되는 것을 방지하기 위해 임시 캡으로 밀봉되어야 한다.
본 발명의 특정 실시예들이 상세하게 기술되어 있지만, 당업자라면, 본 개시물의 전체적인 교시를 고려하여 이들 상세에 대한 다양한 수정 및 대체가 개발될 수 있음을 인식할 것이다. 결국, 개시된 특정 실시예들은 단지 예시적인 것으로 의도되며, 첨부된 청구항들의 전체 범위 및 그 임의의 및 모든 등가물에 주어지게 되는 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.

Claims (7)

  1. 압력 용기(10); 상기 압력 용기에 있는 상부 개구에 밀봉 가능하게 결합되는 상부 착탈식 헤드(12); 상기 압력 용기 내부에서 지지되는 축방향 크기를 갖는 노심(14); 상기 노심 내부에서 지지되는 복수의 핵연료 어셈블리(22)― 상기 핵연료 어셈블리들 중 적어도 2개는 그것을 통해 축방향으로 연장되는 적어도 하나의 계측장치 딤블(instrumentation thimble)을 각각 구비함 ―; 상기 노심보다 위쪽에서 지지되며, 축방향으로 연장되는 계측장치 안내 경로(84)가 관통하여 지지되는 상부 내부구조물 어셈블리(26)― 상기 상부 내부구조물 어셈블리를 통해 계측장치를 수용하도록 구성되는 각각의 상기 계측장치 딤블은 상기 계측장치 안내 경로들 중 하나와 정렬되고, 상기 상부 내부구조물 어셈블리는 상기 상부 내부구조물의 하부 부분보다 위쪽에서 지지되며 해당 하부 부분에 대하여 축방향으로 이동 가능한 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트(53)를 포함함 ―; 상기 계측장치 안내 경로들 중 상응하는 하나의 경로를 통해 상기 계측장치 딤블들 중 상응하는 하나의 딤블 내로 제각기 연장되고, 상기 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트가 상승될 때 상기 상부 내부구조물 어셈블리 내로 철수 가능한 적어도 2개의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)― 상기 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)들 각각은 상기 착탈식 헤드와 상기 압력 용기 사이에 끼워지는 관통 플랜지(66)에 대하여 및 그것을 통하여 상기 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트(53)의 부근 안에서 경로설정되는 신호 출력 도선(80)을 구비함 ―; 또한 상기 적어도 2개의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리로부터의 각각의 상기 신호 출력 도선을 상기 관통 플랜지를 통해 상기 압력 용기의 외부로 연장되는 출력 케이블(82)에 연결하는 전기 커넥터(78)를 구비하는 가압수형 핵 원자로의 연료 보급 방법으로서,
    상기 압력 용기(10) 내의 수위(92)를 상기 관통 플랜지(66) 및 상기 전기 커넥터(78)보다 낮게 낮추는 단계;
    상기 상부 착탈식 헤드(12)를 상기 관통 플랜지(66)로부터 제거하는 단계;
    상기 전기 커넥터(78)를 분리하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)와 연관된 각각의 상기 신호 출력 도선(80)을 상기 관통 플랜지(66)로부터 동시에 분리하는, 분리 단계;
    상기 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)가 상기 노심(14)보다 위쪽으로 될 때까지 상기 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트(53)를 축방향으로 상승시키는 단계;
    상기 상부 내부구조물 어셈블리(26)를 제거함으로써 상기 노심(14)을 노출시키는 단계; 및
    상기 노심(14)에 연료를 보급하는 단계를 포함하는
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리하는 단계는 상기 전기 커넥터(78)를 분리함으로써 상기 관통 플랜지(66)로부터 상기 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)들을 전부 동시에 분리하는
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측장치 딤블 어셈블리들이 상기 노심(14) 밖으로 상승될 때 상기 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)들을 차폐하는 단계를 포함하는
    방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 커넥터(78)의 개방 단부를 밀봉하는 단계를 포함하는
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노심내 계측장치 딤블 어셈블리(52)들은 상기 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트(53)에 부착되는
    방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측장치 안내 경로(84)는 상기 계측장치 그리드 어셈블리 플레이트(53)에 부착되는 신축형 슬리브를 포함하고, 상기 상승시키는 단계는 상기 신축형 슬리브를 연장시키는
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드(12)는, 상기 수위(92)가 상기 관통 플랜지(66) 및 상기 전기 커넥터(78) 아래로 낮아지기 전에 제거되는
    방법.
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