KR102683242B1 - 이중-기준 연료 캐니스터 시스템 - Google Patents

이중-기준 연료 캐니스터 시스템 Download PDF

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Abstract

여러 상이한 유형의 내측 사용후 핵 연료 캐니스터가 동일한 외측 캐스크 패밀리 내로 로딩될 수 있는 모듈형 건식 사용후 연료 캐니스터 시스템. 이러한 패밀리는 전형적으로 저장 오버팩, 전달 캐스크, 수송 캐스크 및 지지 또는 보조 하드웨어를 포함한다. 다양한 캐니스터가 상이한 유형의 외측 캐스크 내로 상호교환가능하게 로딩될 수 있다. 내측 캐니스터는 물리적 연료 유형 또는 치수에 의해서가 아니라 저장되는 사용후 연료에 적용되는 공학적 목적 또는 기준에 의해서 구별된다. 하나의 이러한 목적은 단일 캐니스터가 많은 수의 어셈블리를 경제적이고 안전하게 저장하기 위한 것일 수 있다. 두번째는 오프-사이트 저장 시스템의 붕괴열 요건 및 능력을 충족시키기 위해 오프-사이트 저장을 위해 사용후 핵 연료를 로딩하기 위해 경과해야 하는 냉각 시간(또는 방사성 붕괴 시간)을 크게 감소시키도록 설계되는 캐니스터이다.

Description

이중-기준 연료 캐니스터 시스템
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2018년 1월 26일에 출원되고 발명의 명칭이 "DUAL-CRITERION FUEL CANISTER SYSTEM"인 미국 가출원 제62/622,351호의 우선권을 주장하고 그 이익을 주장한다.
본 출원은 일반적으로 사용후 핵 연료 저장 시스템, 더 구체적으로는 사용후 핵 연료 건식 저장 시스템에 관한 것이다.
도 1은 핵 연료를 반응기에 공급하기 위한 전형적인 가압수형 핵 반응기 연료 어셈블리(20)를 도시한다. 연료 어셈블리(20)는 저부 노즐(22) 및 상부 노즐(24)을 포함하며, 이들 사이에는 세장형 연료봉(26)이 배치된다. 각각의 연료봉(26)은 상업적으로 입수가능한 "zircaloy-4"와 같은 지르코늄 합금으로 제조된 원통형 하우징을 포함하고, U-235가 풍부한 핵분열성 연료의 펠릿으로 충전된다. 연료봉(26)의 어셈블리 내에서, 튜브형 가이드(도시되지 않음)가 이동가능 장착 제어봉(도시되지 않음) 및 측정 기기(도시되지 않음)를 수용하기 위해 노즐(22 및 24) 사이에 배치된다. 이들 튜브형 가이드의 단부는 노즐(22 및 24)에 영구적으로 부착되지 않는 연료봉(26)을 위한 골격 지지부를 형성하기 위해서 노즐(22 및 24)에 부착된다. 그리드 부재(28)는 개구를 가지며, 이 개구를 통해 연료봉(26) 및 튜브형 가이드는 이들 요소를 함께 다발 짓도록 연장된다. 상업적으로 입수가능한 연료 어셈블리는 특정 설계에 따라 179 내지 264개의 연료봉을 포함한다. 전형적인 PWR 연료 어셈블리는 예를 들어 약 4.1 미터 길이, 약 19.7 cm 폭이고, 약 585 kg의 질량을 갖는다.
가압수형 반응기(PWR)에서의 4 내지 5년의 전형적인 서비스 수명 후에, 연료 어셈블리(20)의 U-235 농축물은 고갈된다. 또한, 다양한 반감기를 갖는 다양한 핵분열 생성물이 연료봉(26)에 존재한다. 이러한 핵분열 생성물은 어셈블리(20)가 반응기로부터 제거될 때 강한 방사능 및 열을 생성하고, 따라서 어셈블리(20)는 단기 저장을 위해 물에 용해된 붕소 염을 함유하는 풀로 이동된다. 이러한 풀은 도 2에서 참조 번호 30으로 표시된다.
풀(30)은 전형적으로 12.2 미터 깊이이다. 풀(30)의 저부에 위치결정된 다수의 사용후 연료 랙(fuel rack)(32)에는 연료 어셈블리(20)를 수직으로 수용하기 위한 저장 슬롯(34)이 제공된다. 캐스크 패드(cask pad)(36)가 풀(30)의 저부에 위치된다.
연료 어셈블리(20)가 풀(30)에 저장되는 기간 동안, 연료봉(26) 내의 사용후 연료의 조성이 변화한다. 짧은 반감기를 갖는 동위원소는 붕괴되고, 결과적으로 비교적 긴 반감기를 갖는 핵분열 생성물의 비율이 증가한다. 따라서, 연료 어셈블리(20)에 의해 발생되는 방사능 및 열의 수준은 소정 기간 동안 비교적 빠르게 감소하고, 결국 열 및 방사능이 매우 느리게 감소하는 상태에 도달한다. 그러나, 이러한 감소된 수준에서도, 연료봉(26)은 불명확한 미래를 위해 환경으로부터 신뢰성 있게 격리되어야 한다.
건식 저장 캐스크(cask)는 사용후 연료를 위한 장기 저장의 한가지 형태를 제공한다. 각각의 연료 어셈블리(20)에 의해 발생되는 열이 하나의 어셈블리당 0.5 내지 1.0 킬로와트와 같은 미리결정된 양으로 떨어진 후에, 아마도 풀(30)에서의 10년의 저장 후에, 개방된 캐스크가 사용후 연료 풀로 하강된다. 원격 제어에 의해, 사용후 연료는 캐스크로 전달되고, 캐스크는 이어서 풀(30)로부터 제거되고, 밀봉되고, 사용후 연료 풀 물(spent fuel pool water)이 배수된다. 그 후, 캐스크는 적절하게 처리되어 장기 저장을 위해 지상 저장 영역으로 수송될 수 있다.
이러한 캐스크에 부과되어야 하는 요건은 오히려 심각하다. 캐스크는 장기 저장 동안 화학 침식의 영향을 받지 않아야 한다. 또한, 캐스크가 거친 처리 또는 낙하와 같은 사고를 받을 수 있는 경우에, 캐스크는 장기 저장 동안 및 수송 동안 작은 파열 또는 균열이라도 피하기 위해 기계적으로 충분히 견고해야 한다. 또한, 캐스크는 사용후 연료에 의해 발생되는 열을 환경으로 전달할 수 있어야 하고, 그럼에도 불구하고 사용후 연료에 의해 발생되는 방사선으로부터 환경을 차폐할 수 있어야 한다. 연료봉(26)의 온도는, 지르코늄 합금 하우징의 열화를 방지하기 위해서, 400℃와 같은 최대 온도 미만으로 유지되어야 한다. 연쇄 반응이 캐스크 내에서 지속될 수 없는 것을 보장하기 위한 준비가 또한 이루어져야 하는데; 즉, 유효 임계 인자(Keff)는 자가 지속 반응이 일어나지 않도록 1 미만으로 유지된다. 이러한 요건은 저장 기능을 철저히 신뢰성 있는 방식으로 충족시켜야 하는 캐스크에 엄격한 요구를 부과한다.
모듈형 건식 사용후 연료 캐니스터 시스템은, 내측 캐니스터가 견디는 저장 단계에 따라 여러 상이한 유형의 내측 사용후 핵 연료 캐니스터(전형적으로 용접된 스테인레스 또는 탄소 강 직원형 실린더) 중 하나가 외측 캐스크 패밀리 중 하나에 로딩될 수 있는 시스템이다. 이러한 외측 캐스크의 패밀리는 전형적으로 장기 건식 저장을 위한 저장 오버팩, 연료 어셈블리를 사용후 연료 풀 밖으로 전달하기 위한 전달 캐스크, 및 연료 어셈블리를 상이한 저장 위치로 운송하기 위한 수송 캐스크를 포함할 것이다. 모듈형 시스템의 경우, 다양한 캐니스터가 상이한 유형의 외측 캐스크 내로 상호교환가능하게 로딩될 수 있다.
현재 공급되는 모듈형 사용후 연료 캐니스터 시스템은 사용후 연료 또는 다른 것(예를 들어, BWR, PWR, PWR XL, 또는 VVER 연료) 또는 GTCC(Greater than Class C Waste) 중 하나의 유형을 위해 설계된 내측 캐니스터를 제공한다. 본 출원의 발명자들은, 단순히 저장되어 있는 사용후 방사성 폐기물의 유형에 적용되기 보다는 저장되어 있는 고준위 폐기물에 적용될 집중된 공학적 목적 또는 기준을 위한 다양한 캐니스터가 설계되는 경우에 산업이 더 양호하게 수행될 것임을 인식한다.
본 발명은 건식 핵 구성요소 저장 시스템을 제공함으로써 전술한 목적을 달성한다. 건식 핵 구성요소 저장 시스템은 저장 오버팩, 전달 캐스크 및 수송 캐스크를 포함하는 복수의 외측 캐스크를 포함하는 외측 캐스크 시스템으로서, 외측 캐스크 각각은 유사한 내부 프로파일을 갖는, 외측 캐스크 시스템을 포함한다. 또한, 건식 핵 구성요소 시스템은 조사후 핵 플랜트 구성요소(irradiated nuclear plant component) 또는 고준위 폐기물을 공통 공학적 목적 또는 기준으로 저장하도록 각각 구성되며 외측 캐스크의 내부 프로파일 내에 맞춰지는 외측 엔벨로프를 갖는 복수의 내측 캐니스터를 포함하는 내측 캐니스터 시스템을 포함한다. 하나의 실시예에서, 공학적 목적 또는 기준은 많은 수의 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 대량의 고준위 폐기물을 저장하도록 구성되는 고용량 캐니스터이다. 이러한 목적에만 집중함으로써, 캐니스터는 단순화될 수 있고, 잠재적으로는 실질적인 비용 감소를 가져온다. 이는 예를 들어 연소도 크레딧(burnup credit)의 장점을 취함으로써 행해질 수 있는데, 최소 연소도(burnup) 같은 기준이 다양한 위치에 대해 설정될 수 있기 때문이다. 후속 수송 작업 동안의 감속재(moderator)의 배제 및 적용가능한 경우에는 사용후 연료 풀에의 로딩 동안의 붕산의 크레디팅(crediting)과 결합될 때, 이러한 단순화는 불필요한 중성자 흡수 재료의 제거를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 공통 공학적 목적 또는 기준은, 새로운 위치의 붕괴열 요건 및 능력을 충족시키기 위해서 최소 냉각 시간 캐니스터를 새로운 위치로 이동시키기 위해서 경과해야 하는 냉각 시간 또는 방사성 붕괴 시간을 크게 감소시키도록 구성되는 최소 냉각 시간 캐니스터이다. 이러한 실시예에서, 건식 핵 구성요소 캐니스터 시스템은 내측 캐니스터와 내측 캐니스터로부터 열을 제거하도록 구성되는 외측 캐스크 사이에 배출 및 덕트 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 하나의 실시예에서, 배출 및 덕트 시스템은 외측 캐스크의 하위 부분의 흡입구, 외측 캐스크의 상위 부분의 출구, 및 외측 캐스크의 내측 측면과 내측 캐니스터의 외측 측면 사이에서 흡입구와 출구 사이에 연장되는 덕트를 포함한다. 이러한 실시예는 또한 내측 캐니스터의 외벽으로부터 덕트 내로 외향으로 연장되는 핀을 가질 수 있다. 바람직하게는, 핀은 내측 캐니스터로부터 지지된다.
사용후 연료를 최소 냉각 시간에서 수용하는 공학적 목적에 대한 집중은 1.5년만큼의 짧은 시간에서 연료를 저장할 가능성을 가져온다. 이러한 짧은 시간에서는, 붕괴열을 수용하는 문제를 본질적으로 시변동적인 것, 즉 과도적인 문제로서 고려하는 것이 매력적이 된다. 하나의 예시적인 비제한적인 연구에서, 1.5년의 붕괴 시간에, 사용후 연료 어셈블리는 1개월당 대략 10%만큼 붕괴될 수 있는 붕괴열을 갖는 것으로 나타났다. 이러한 환경에서, 열 수용의 문제에 접근할 수 있는 새로운 도구가 존재한다. 예를 들어, 캐니스터 내에 로딩되는 연료의 양이 변화될 수 있어, 로딩 프로세스 동안 어셈블리의 수를 증가시킬 수 있다. 하나의 실시예는, 예를 들어, 16 내지 21개의 어셈블리를 수용하는 21-슬롯 캐니스터 하우징을 포함하며, 수용되는 수는 비교적 짧은 로딩 캠페인(loading campaign) 전체를 통해 로딩되는 연속적인 캐니스터에 걸쳐 증가한다. 따라서, 이후의 캐니스터는 더 이전의 캐니스터보다 더 많은 사용후 연료 어셈블리를 수용할 것이다. 더 짧은 냉각 시간이 여전히 가능하지만, 현재의 산업 및 규제 위치는 1.5년을 편리한 현재의 최소 붕괴 시간으로 한다.
또한 내측 캐니스터는 각 단부에 저장 캐니스터 공간을 에워싸기 위한 평판을 갖는 외측 동심 캐니스터 벽 내에 있고 그로부터 이격되어 있는 내측 동심 캐니스터 벽을 갖는 형상(이하, 향상된 표면적 캐니스터 형상으로 칭함)으로 구성될 수 있으며, 일 측에서 내측 동심 캐니스터 벽에 의해 둘러싸이고 외부 환경으로 개방되는 대체로 개방되어 있는 공간 내로 대체로 반경방향 내향으로 연장되는, 내측 캐니스터 벽으로부터 지지되는 핀을 포함한다. 하나의 이러한 실시예에서, 덕트는 외측 캐스크와 내측 캐니스터 사이의 환형 통로이다.
또한, 건식 핵 구성요소 캐니스터 시스템은 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물의 로딩 동안 내측 캐니스터를 냉각하도록 구성되는 능동 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 능동 냉각 시스템은 내측 캐니스터를 통해 헬륨을 인출한다. 내측 캐니스터는 헬륨으로 가압될 수도 있다. 이러한 경우에, 헬륨의 압력은 대기압보다 약간 높다.
또 다른 실시예에서, 내측 캐니스터의 벽은 복합 매트릭스 금속 구조 재료를 포함한다. 바람직하게는, 복합 매트릭스 금속 재료는 금속 매트릭스 복합체를 포함한다. 내측 캐니스터는 2개의 동심 수직 연장 벽을 갖는 향상된 표면적 캐니스터 형상의 형태를 취할 수 있다.
첨부 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명으로부터, 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 전형적인 가압수형 반응기 연료 어셈블리의 입면도이다.
도 2는 사용후 연료 어셈블리의 단기 저장을 위한 풀의 평면도이다.
도 3a는 장치의 외측 캐스크뿐만 아니라 내측 캐니스터의 상세를 도시하기 위해 외측 캐스크의 일부가 부분적으로 제거된 상태로 도시된 개시된 개념의 하나의 비제한적인 실시예에 따른 건식 핵 구성요소 취급 장치의 등각도이다.
도 3b는 도 3a의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 평면도이다.
도 3c는 도 3a의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 입단면도이다.
도 3d는 도 3a의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 단면도이다.
도 4a는 장치의 외측 캐스크뿐만 아니라 내측 캐니스터의 상세를 도시하기 위해서 외측 캐스크의 일부가 부분적으로 제거된 상태로 도시된 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 다른 건식 핵 구성요소 취급 장치의 등각도이다.
도 4b는 도 3a의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 평면도이다.
도 4c는 도 4a의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 입단면도이다.
도 4d는 도 4a의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 단면도이다.
도 5a는 내부 상세를 도시하기 위해 외측 부분이 부분적으로 제거된 상태로 도시된 도 3a 내지 도 3d의 건식 핵 구성요소 취급 장치의 내측 캐니스터의 등각 단면도이다.
도 5b는 도 5a의 내측 캐니스터의 일부의 확대도이다.
도 5c는 덮개가 없는 상태로 도시된 도 5b의 내측 캐니스터의 평면도이다.
도 5d는 바람직한 실시예를 도시하는 도 5c의 내측 캐니스터의 단면도이다.
도 5e는 도 5d의 내측 캐니스터의 일부의 확대도이다.
도 6a는 덮개가 제거된 상태로 도시된 도 4a 내지 도 4d의 건식 핵 구성요소 취급 장치를 위한 내측 캐니스터의 단순화된 평면도이다.
도 6b는 바람직한 실시예를 도시하는 도 6a의 내측 캐니스터의 다른 평면도이다.
도 7은 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 건식 핵 구성요소 취급 장치에서 사용하기 위한 외측 캐스크의 단순화된 등각도이다.
도 8은 내부 상세를 도시하기 위해 일부가 제거된 상태로 도시된 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 건식 핵 구성요소 취급 장치에서 사용하기 위한 외측 캐스크의 단순화된 등각도이다.
도 9는 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 복수의 핵 연료 구성요소가 내부에 배치된 상태로 도시된 다른 내측 캐니스터의 평면도이다.
도면을 더 구체적으로 참조하면, 도 3a 내지 도 3d는 각각 개시된 개념의 하나의 비제한적인 실시예에 따른 건식 핵 구성요소 취급 장치(110)의 등각 단면도, 평면도, 입면도, 및 평면 단면도이다. 도 3a에 가장 명확하게 도시되는 바와 같이, 장치(110)는 외측 캐스크(예를 들어, 비제한적으로, 저장 오버팩(112)) 및 외측 캐스크 내에 선택적으로 배치된 내측 캐니스터(142)를 포함한다. 저장 오버팩(112)은 (도시되는 예시적인 실시예에서 형상이 대체로 원통형인) 내부 엔벨로프(116)를 형성하는 캐스크 하우징(114)을 갖는다. 캐스크 하우징(114)은 일반적으로 원통 형상 본체(예를 들어, 비제한적으로, 콘크리트 본체(118)), 내부에 배치되고 본체(118)와 대체로 동심인 튜브 형상 보조 차폐 쉘(120), 및 콘크리트 본체(118)에 (예를 들어, 볼트 또는 다른 적절한 연결 기구를 통해) 선택적으로 결합되는 저장 덮개(122)를 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 차폐 쉘(120)은 차폐 기능을 수행하는 것을 보조하는데, 이는 더 높은 붕괴열과 관련된 상당히 더 높은 차폐 소스를 갖는 MCTC(142)에 특히 중요하다. 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 내측 캐니스터(142)는 다량의 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물(예를 들어, 복수의 PWR 연료 어셈블리 및/또는 복수의 비등수형 반응기(Boiling Water Reactor)(BWR) 연료 어셈블리)를 내부에 저장하도록 구성되는 캐니스터 하우징(144)을 갖는다. 또한, 캐니스터 하우징(144)은 저장 오버팩(112)의 내부 엔벨로프(116) 내에 맞춰지도록 구성된 외측 엔벨로프(146)(도시되는 예시적인 실시예에서는 대체로 원통 형상임)를 갖는다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 내측 캐니스터(142)는 최소 냉각 시간 캐니스터(MCTC(142))로서 기능하도록 구성된다.
계속해서 도 3a를 참조하면, 장치(110)는 내측 캐니스터(142)와 내측 캐니스터(142)로부터 열을 제거하도록 구성되는 저장 오버팩(112) 사이에 배출 및 덕트 시스템(130)을 추가로 포함한다. 배출 및 덕트 시스템(130)은 저장 오버팩(112)의 하위 부분에 형성된 흡입구(132), 저장 오버팩(112)의 상위 부분에 형성된 출구(134), 및 저장 오버팩(112)의 내측 측면(번호가 부여되지 않음)과 내측 캐니스터(142)의 외측 측면(번호가 부여되지 않음) 사이에서 흡입구(132)와 출구(134) 사이에 연장되는 덕트(136)를 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 덕트(136)는 저장 오버팩(112)과 내측 캐니스터(142) 사이의 환형 통로이다. 이 기술은 내측 캐니스터(142)의 표면으로부터 열을 제거하기 위해 자연 대류를 이용하는 시스템의 능력을 나타낸다. 하나의 실시예에서, 내측 캐니스터 표면뿐만 아니라 저장 오버팩(112)으로부터 열을 제거하는 덕트 및 배출 시스템(130)에 의해 저장 오버팩(112)의 내벽과 MCTC(142)의 외벽 사이에 환형 간극이 제공된다.
추가적으로, 장치(110)는 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물을 내부에 로딩하는 동안 내측 캐니스터(142)를 냉각하기 위한 능동 냉각 시스템(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다. 능동 냉각 시스템은 내측 캐니스터(142)를 통해 헬륨을 인출하도록 구성될 수 있다. 높은 헬륨 압력은 (예를 들어, 엄격한 진공 건조를 사용하는 것과는 대조적으로) 열을 방출하는 것을 돕고 건조 프로세스를 돕는데 유리하며, 이는 건조 작업 중에 상당한 열적 이익을 초래할 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 각각 개시된 개념의 하나의 비제한적인 실시예에 따른 건식 핵 구성요소 취급 장치(210)의 등각도, 평면도, 입면도 및 평면 단면도이다. 도 4a에 가장 명확하게 도시되는 바와 같이, 장치(210)는 외측 캐스크(예를 들어, 비제한적으로 저장 오버팩(212)) 및 저장 오버팩(212) 내에 선택적으로 배치되는 내측 캐니스터(242)를 포함한다. 저장 오버팩(212)은 (도시되는 예시적인 실시예에서 형상이 대체로 원통형인) 내부 엔벨로프(216)를 형성하는 캐스크 하우징(214)을 갖는다. 캐스크 하우징(214)은 일반적으로 원통 형상 본체(예를 들어, 비제한적으로, 콘크리트 본체(218)) 및 (예를 들어, 볼트 또는 다른 적절한 연결 기구를 통해) 콘크리트 본체(218)에 연결된 저장 덮개(222)를 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 내측 캐니스터(242)는 복수의 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물(예를 들어, 복수의 PWR 연료 어셈블리 및/또는 복수의 비등수형 반응기(BWR) 연료 어셈블리)을 내부에 저장하도록 구성되는 캐니스터 하우징(244)을 갖는다. 또한, 캐니스터 하우징(244)은 저장 오버팩(212)의 내부 엔벨로프(216) 내에 맞춰지도록 구성된 외측 엔벨로프(246)(도시되는 예시적인 실시예에서는 대체로 원통 형상임)를 갖는다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 내측 캐니스터(242)는 고용량 캐니스터(HCC)(242)로서 기능하도록 구성된다.
계속해서 도 4a를 참조하면, 장치(210)는 HCC(242)와 HCC(242)로부터 열을 제거하도록 구성된 저장 오버팩(212) 사이의 배출 및 덕트 시스템(230)을 추가로 포함한다. 배출 및 덕트 시스템(230)은 저장 오버팩(212)의 하위 부분에 형성된 흡입구(232), 저장 오버팩(212)의 상위 부분에 형성된 출구(234), 및 저장 오버팩(212)의 내측 측면(번호가 부여되지 않음)과 HCC(242)의 외측 측면(번호가 부여되지 않음) 사이에서 흡입구(232) 및 출구(234)로부터 연장되는 덕트(236)를 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 덕트(236)는 저장 오버팩(212)과 HCC(242) 사이의 환형 통로이다.
도 5a 내지 도 5e는 각각 도 3a 내지 도 3d의 MCTC(142)의 등각 단면도, 확대 등각 단면도, 평면도, 단면도, 및 확대도이다. 도시되는 바와 같이, 캐니스터 하우징(144)은 외벽(148) 및 그로부터 반경방향 외향으로 연장되는 복수의 방열핀(150)을 포함한다. 외벽(148)은 상부(152) 및 상부(152)의 반대쪽에 멀리 배치되는 저부(154)를 가지며, 바람직하게는 방열핀(150)의 대부분, 더 바람직하게는 실질적으로 모두는 상부(152) 근방으로부터 저부(154) 근방까지 종방향으로 연장된다. 또한, 도 5d에 가장 명확하게 도시되는 바와 같이, 외벽(148)은 바람직하게는 원통 형상이고, 하나의 예시적인 실시예에서 방열핀(150)은 외벽(148)을 따라 서로 실질적으로 균일하게 이격된다. 추가로, 하나의 예시적 실시예에서, MCTC(142)의 엔벨로프(146)는 헬륨으로 가압되고, 여기서 헬륨은 MCTC(142) 내에 있다. 헬륨의 압력은 대기압에 근접할 수 있고, 바람직하게는 대기압보다 약간 더 클 수 있다.
다시 도 5a 및 도 5b를 참조하면, MCTC(142)는 외벽(148)에 대해 내부에 배치된 복수의 위치결정 구조체(160), 및 다수의 잠재적으로 빈 위치(165)를 포함하는 복수의 격실(164)을 형성하는 복수의 판 부재(162)를 추가로 포함한다. 작동시, 격실(164)은 예를 들어 비제한적으로 PWR 또는 BWR 연료 어셈블리와 같은 다량의 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물을 저장하도록 구성되는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 바람직한 실시예에서, 잠재적으로 빈 위치(165)는 이러한 연료 어셈블리를 저장하지 않고, 따라서 유리하게는 다른 격실(164)에 저장된 연료 어셈블리를 위한 냉각 시간을 감소시킨다.
본 개시된 개념의 하나의 목적은 셧다운된 또는 셧다운이 임박한 것으로 스케쥴링된 및 플랜트 폐쇄 옵션이 계획된 원자력 플랜트의 저장소로부터 사용후 핵 연료(SNF)를 신속하게 오프로딩하는 것을 가능하게 하는 것이다. 플랜트의 기존 저장소(전형적으로, SFP 또는 "습식 저장소(Wet Storage)"라고도 지칭되는 하나 이상의 사용후 연료 풀)로부터 연료를 제거하는 것은 실질적인 경제적 절약을 나타낼 수 있고, 또한 플랜트의 폐쇄에 관련된 결정, 스케쥴링, 및 작업을 용이하게 한다.
기존의 모듈형 건식 사용후 연료 캐니스터 시스템의 공급자는 플랜트 저장소로부터의 사용후 연료 오프로딩 시간을 감소시키는 값을 인식하는 것으로 나타나지만, 이는 로딩 전략을 통해서 접근한 것이고 본원에 기재된 바와 같은 특수 목적 감소 냉각 시간 캐니스터의 개발을 통해서 접근하는 것은 아니다. 고열의 짧은 냉각-시간 사용후 핵 연료(SNF)를 취급하는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110)(도 3a 내지 도 3d)의 능력을 향상시키기 위해서, MCTC(142)는, 예를 들어 상술한 핀 설계, 감소된 용량, 배출 및 덕트 시스템(130)(도 3a) 및 능동 냉각을 포함하는 다수의 기술과, 또한 잠재적인 빈 위치, 로딩 캠페인 동안의 시변동적 해결책, 및 향상된 표면적 캐니스터 형상 캐니스터 설계를 통한 복합 매트릭스 금속 구조 재료 같은 추가적인 기술을 채용한다.
복합 매트릭스 금속 구조 재료와 관련하여, 열 전달은 MCTC(142)의 구조 벽을 구성하는 비교적 적은 수의 재료들, 및 따라서 '샌드위치' 재료에서 직면하는 것보다 더 적은 수의 재료 전환을 가짐으로써 개선된다. 추가적으로, MCTC(142)에서 열전도율을 향상시키기 위해서, 즉 이질적인 복합체, 샌드위치 등의 감소 또는 제거를 통해서 단순화된 구성이 요구된다. 하나의 예시적인 실시예에서, MCTC(142)의 구조 벽 내에 붕소-함유 재료를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 예를 들어 조기 최종 플랜트 셧다운이 HCC(242)의 경우에 가정된 것보다 더 작은 연소도를 갖는 사용후 연료를 초래하는 상황에서의 경우일 수 있다. 이는 상이한 공학적 목적을 달성하기 위해 상이한 캐니스터 유형을 사용하는 관점에서 상당한 이점을 나타내는데, 왜냐하면 HCC(242)에서는 어떠한 붕소 함유 재료도 요구되지 않을 수 있기 때문이다.
핀 설계와 관련하여, 도 5a 내지 도 5e에 도시되는 방열핀(150)은 MCTC(142)로부터의 열 제거를 개선하는 관점에서 상당한 장점을 제공한다는 것이 이해될 수 있다. 바람직하게는, 방열핀(150)은 열 제거를 용이하게 하기 위해 MCTC(142)의 외벽(148), 즉 내측 환형 표면 상에 지지된다. 비록 더 고가이지만, 이는 열을 제거하고 냉각 시간을 감소시키는 관점에서 실질적인 이익을 얻을 것이다.
감소된 용량과 관련하여, MCTC(142)는 HCC(242) 대응물과 비교하여 감소된 수의 연료 어셈블리를 수용한다. 이는 총 열 부하를 감소시키고 더 양호한 열 냉각 경로를 허용하는 이중 이점을 갖는다. 바람직하게는, 캐니스터 외측 표면에 대한 평균 및/또는 가장 먼 연료 어셈블리의 거리가 감소된다.
잠재적인 빈 위치의 사용과 관련하여, 도 5d를 참조한다. 도시되는 바와 같이, MCTC(142)의 중심 내의 잠재적으로 빈 위치(165), 예를 들어 음영처리되어 있는 격실은 MCTC(142)가 사용될 때 비어 있을 수 있는 격실을 나타낸다. 이는 어셈블리의 수 및 원하는 연료 붕괴 시간에 대한 플랜트의 요구를 가장 잘 맞추는 상이한 로딩 접근법의 개선을 가능하게 한다.
로딩 캠페인 동안의 시변동적 해결책과 관련하여, 개시된 개념에 의해 고려되는 짧은(예를 들어, 비제한적으로 1.5년만큼 짧은) 사용후 연료 붕괴 시간에서, 붕괴열을 수용하는 문제가 본질적으로 시변동적인 것의 문제, 즉 과도적인 문제로서 고려될 수 있다. 1.5년에 가까운 붕괴 시간을 갖는 사용후 연료에 대해, 사용후 연료 어셈블리는 하나의 비제한적인 예시적인 실시예에서 1개월당 대략 10%만큼 감쇠되는 붕괴열을 가질 수 있다. 이는 시간의 함수로서 열의 양을 수용하는 새로운 방법을 허용한다. 예를 들어, MCTC(142)에 로딩되는 연료의 양이 변화될 수 있어, 로딩 프로세스 동안 어셈블리의 수를 증가시킬 수 있다. 하나의 실시예는, 예를 들어 16 내지 21개의 어셈블리를 수용하는 21-슬롯 캐니스터 하우징을 포함하고, 수용되는 수는 비교적 짧은 로딩 기간에 걸쳐 증가한다. 예를 들어, 도 5d를 참조한다. 따라서, 이후의 캐니스터는 이전의 것보다 더 많은 사용후 연료 어셈블리를 수용할 것이다.
향상된 표면적 캐니스터 형상 캐니스터 설계와 관련하여, 이는 감소된 수의 연료 어셈블리가 각각 캐스크의 외벽 중 하나 또는 2개에 더 가깝게 놓이는 환형 캐니스터 구성을 지칭한다. 이러한 MCTC의 감소된 용량 및 더 짧은 열 경로는 모두 열 제거를 보조할 것이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 4a 내지 도 4d의 내측 캐니스터(242)의 일부의 단순화된 도면 및 평면도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 내측 캐니스터(242)는 고용량 캐니스터(HCC)(242)로서 기능한다. 따라서, 도 6a를 참조하면, 하나의 예시적인 실시예에서, HCC(242)의 캐니스터 하우징(244)은 외부 표면(270) 및 내부 체적(272)을 갖는다. 내부 체적(272) 내에는 바람직하게는 복수의 격실(274)이 위치된다. HCC(242)는 바람직하게는 비교적 많은 수의 격실(274)을 갖는다. 예를 들어 그리고 비제한적으로, HCC(242)는, 예를 들어 그리고 비제한적으로 PWR 또는 BWR 연료 어셈블리와 같은 다량의 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물을 내부에 저장하도록 각각 구성된 37개의 격실(274)을 가질 수 있다. 추가적으로, 하나의 예시적인 실시예에서, 내부 체적(272)은 중성자독을 함유하는 재료가 각각 결여된 복수의 구성요소를 수용한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 복수의 구성요소는 중성자독이 결여된 재료로 각각 구성되는 복수의 연료 셀 벽일 수 있다.
HCC(242)는 바람직하게는 비교적 많은 수의 조사후 핵 플랜트 구성요소 또는 고준위 폐기물을 저장하기 위해서 다수의 기술을 채용한다. 예를 들어, HCC(242)는 바람직하게는 감소된 간격 및/또는 감소된 복잡성을 채용하고, 핵분열 생성물 독물에 대한 크레딧을 취하기 위해 분석 방법을 이용하고, 비교적 건식 캐니스터 구성에 의존하며(예를 들어, 수송 동안 중성자 감속재(예를 들어, 물)의 배제를 보장하며), 임계성 제어(예를 들어, 금속 매트릭스 복합체 등의 사용)에 집중한다. 더 구체적으로는, 임계성 제어와 관련하여, 이들은, 필요에 따라, 분석 및 감속재 배제 방법 및 사용후 연료 풀 붕산의 고려가 불충분한 것으로 입증되는 경우에 사용된다.
도 7은 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 다른 건식 핵 구성요소 취급 장치를 위한 다른 외측 캐스크(예를 들어, 비제한적으로 수송 캐스크(412))의 단순화된 등각도이다. 내측 캐니스터(예를 들어, 위에서 논의된 내측 캐니스터(142, 242) 중 어느 하나)는 수송 캐니스터(412)의 내부에 위치되도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 수송 캐스크(412)는 감속재 배제를 그 자체의 특징으로 할 것이다.
도 8은 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 다른 건식 핵 구성요소 취급 장치를 위한 다른 외측 캐스크(예를 들어, 비제한적으로 전달 캐스크(512))의 일부의 단순화된 등각 단면도이다. 내측 캐니스터(예를 들어, 위에서 논의된 내측 캐니스터(142, 242) 중 어느 하나)는 예를 들어 유틸리티의 사용후 연료 풀에서의 사용후 연료 로딩 동안 전달 캐스크(512)의 내부에 위치되도록 구성된다.
따라서, 전술한 것으로부터, 종래 기술에 의해 취해진 접근법과 대조적으로, 개시된 개념은 물리적 연료 또는 다른 고준위 폐기물 유형 또는 치수에 의해서가 아니라 당해 사용후 연료 또는 다른 고준위 폐기물에 적용되는 공학적 목적 또는 기준에 의해 구별되는 내측 캐니스터 모듈을 포함하는 이중-기준 연료 캐니스터 시스템(Dual-Criterion Fuel Canister System)을 제공한다는 것을 이해해야 한다. 일례로서, 공학적 목적 또는 기준은 많은 수의 어셈블리를 경제적으로 그리고 안전하게 저장하기 위한 하나의 캐니스터(즉, HCC(242))를 포함할 수 있다. 이러한 캐니스터(예를 들어, HCC(242))는 적어도 37개의 PWR 연료 어셈블리 또는 적어도 89개의 BWR 연료 어셈블리를 저장할 수 있을 것이다. 다른 예로서, 캐니스터는, 지배적인 붕괴열 요건 및 능력을 충족시키기 위해 사용후 핵 연료를 저장 또는 수송하도록 사용후 핵 연료를 로딩하기 위해 발산을 행해야 하는 종래의 사용후 연료 저장 캐니스터에 비해 냉각 시간(또는 방사성 붕괴 시간)을 크게 감소시키도록 설계될 수 있다. 이 제2 예는 최소 냉각 시간 캐니스터(Minimum Cooling Time Canister) 또는 MCTC로 지칭된다. 바람직하게는, 냉각 시간은 대략 10년에서 2년 미만, 바람직하게는 1.5년만큼 낮게 감소될 것이다.
도 9는 개시된 개념의 다른 비제한적인 실시예에 따른 건식 핵 구성요소 취급 장치(예를 들어, 비제한적으로, 내측 캐니스터(142) 대신에 건식 핵 구성요소 취급 장치(110))에서 채용될 수 있는 복수의 연료 어셈블리(320)를 수용하는 다른 내측 캐니스터(예를 들어, 비제한적으로 MCTC(342))의 평면도이다. 하나의 예시적인 실시예에서, MCTC(342)는 외벽(348), 외벽(348) 내에 있고, 그로부터 이격되며, 그와 동심인 내측 동심 캐니스터 벽(368), 외벽(348)으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 복수의 방열핀(350), 및 일 측면에서 내측 동심 캐니스터 벽(368)에 의해 둘러싸이고 외부 환경으로 개방되는 대체로 개방되어 있는 공간 내로 대체로 반경방향 내향으로 연장되는 다른 복수의 방열핀(370)을 갖는 향상된 표면적 캐니스터 형상이다. 또한, 이 실시예는, MCTC(342)가 종래의 캐스크에 저장되는 것과 비교하여 연료 어셈블리를 저장하는 감소된 용량(예를 들어, 도 9에는 오직 8개의 연료 어셈블리가 도시되어 있음) 및 종래의 캐스크에서 발견되는 것에 비해 감소된 평균 어셈블리-대-벽 분리를 갖는다.
본 발명의 특정 실시예가 상세히 설명되었지만, 통상의 기술자는 개시내용의 전체적인 교시의 견지에서 상세에 대한 다양한 변형예 및 대체예가 개발될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 첨부된 청구항 및 그 일부 및 모든 등가물의 전체 범위에 부여될 본 발명의 범위에 대한 예시일뿐이며 그에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210)의 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)에 제거가능하게 로딩되도록 구성된 내측 캐니스터(142, 242, 342)로서, 내측 캐니스터(142, 242, 342)는 복수의 사용후 핵 연료 어셈블리를 내부에 저장하도록 구성되는 캐니스터 하우징(144, 244)을 포함하고, 캐니스터 하우징(144, 244)은 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)의 내부 엔벨로프(116, 216) 내에 맞춰지도록 구성되는 외측 엔벨로프(144, 244)를 가지며, 내측 캐니스터(142, 242, 342)는 복수의 방열핀(150, 350)을 포함하는 제1 캐니스터(142, 342) 또는 중성자 흡수 재료가 결여된 복수의 구성요소를 포함하는 제2 캐니스터(242) 중 어느 하나를 포함하는 내측 캐니스터(142, 242, 342).
  2. 제1항에 있어서,
    내측 캐니스터는 제1 캐니스터(142, 342)를 포함하고; 캐니스터 하우징(144)은 외벽(148, 348)을 포함하고; 복수의 방열핀(150, 350)은 외벽으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 내측 캐니스터(142, 342).
  3. 제2항에 있어서,
    외벽(148, 348)은 상부(152) 및 상부와 반대쪽에 멀리 배치되는 저부(154)를 가지며; 복수의 방열핀(150, 350)은 상부(152) 근방으로부터 저부(154) 근방까지 종방향으로 연장되는 내측 캐니스터(142, 342).
  4. 제1항에 있어서,
    내측 캐니스터는 제2 캐니스터(242)를 포함하고; 캐니스터 하우징(244)은 내부 체적(272)를 포함하고, 중성자 흡수 재료가 결여된 복수의 구성요소는 그 내에 수용되는 내측 캐니스터(242).
  5. 제1항에 있어서,
    내측 캐니스터는 제2 캐니스터(242)를 포함하고; 캐니스터 하우징(244)은 중성자 흡수 재료가 결여된 복수의 연료 셀 벽을 더 포함하는 내측 캐니스터(242).
  6. 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210)이며,
    내부 엔벨로프(116, 216)를 형성하는 캐스크 하우징(114, 214)을 갖는 외측 캐스크(112, 212, 412, 512); 및
    외측 캐스크에 제거가능하게 로딩되도록 구성된 내측 캐니스터(142, 242, 342)로서, 내측 캐니스터는 복수의 사용후 핵 연료 어셈블리를 내부에 저장하도록 구성되는 캐니스터 하우징(144, 244)을 갖고, 캐니스터 하우징(144, 244)은 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)의 내부 엔벨로프(116, 216) 내에 맞춰지도록 구성되는 외측 엔벨로프(146, 246)를 갖는, 내측 캐니스터(142, 242, 342)를 포함하며,
    내측 캐니스터(142, 242, 342)는 복수의 방열핀(150, 350)을 포함하는 제1 캐니스터(142, 342) 또는 중성자 흡수 재료가 결여된 복수의 구성요소를 포함하는 제2 캐니스터(242) 중 어느 하나를 포함하는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  7. 제6항에 있어서,
    내측 캐니스터(142, 242, 342)와 내측 캐니스터(142, 242, 342)로부터 열을 제거하도록 구성되는 외측 캐스크(112, 212, 412, 512) 사이에 배출 및 덕트 시스템(130, 230)을 포함하는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  8. 제7항에 있어서,
    배출 및 덕트 시스템(130, 230)은,
    외측 캐스크(112, 212, 412, 512)의 하위 부분의 흡입구(132, 232), 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)의 상위 부분의 출구(134, 234), 및 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)의 내측 측면과 내측 캐니스터(142, 242, 342)의 외측 측면 사이에 형성되고 흡입구(132, 232)와 출구(134, 234) 사이에서 연장되는 덕트(136, 236)를 포함하는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  9. 제8항에 있어서,
    내측 캐니스터는 제1 캐니스터(342)를 포함하고, 제1 캐니스터(342)는 외벽(348) 내에 있고, 외벽(348)으로부터 이격되어 있으며, 외벽(348)과 동심인 내측 동심 캐니스터 벽(368)을 갖는 향상된 표면적 캐니스터 형상이고; 복수의 방열핀(350)은 제1 방열핀(350)이고, 제1 방열핀(350)은 외벽(348)으로부터 반경방향 외향으로 덕트 내로 연장하고,
    내측 캐니스터(342)는 일 측면 상에서 내측 동심 캐니스터 벽(368)에 의해 둘러싸이고 외부 환경으로 개방되는 개방 공간 내로 반경방향 내향으로 연장되는 복수의 제2 방열핀(370)을 더 포함하는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  10. 제8항에 있어서,
    덕트(136, 236)는 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)와 내측 캐니스터(142, 242, 342) 사이의 환형 통로인 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  11. 제6항에 있어서,
    내측 캐니스터(142, 242, 342)의 외측 엔벨로프(146, 246)는 헬륨으로 가압되어 있는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  12. 제6항에 있어서,
    내측 캐니스터(142, 242, 342)의 벽이 복합 매트릭스 금속 구조 재료를 포함하는 건식 핵 구성요소 취급 장치(110, 210).
  13. 건식 핵 구성요소 캐니스터 시스템이며,
    저장 오버팩(112, 212), 전달 캐스크(512) 및 수송 캐스크(412)를 포함하는 외측 캐스크(112, 212, 412, 512)로서, 외측 캐스크(112, 212, 412, 512) 각각은 내부 엔벨로프(116, 216)를 형성하는, 외측 캐스크; 및
    내측 캐니스터(142, 242, 342)로서, 각각의 내측 캐니스터는 복수의 사용후 핵 연료 어셈블리를 내부에 저장하도록 구성되는 캐니스터 하우징(144, 244)을 포함하고, 각각의 내측 캐니스터는 외측 엔벨로프(146, 246)를 형성하고, 각각의 내측 캐니스터(142, 242, 342)의 외측 엔벨로프(146, 246)는 내측 캐니스터(142, 242, 342) 중 어느 하나가 외측 캐스크(112, 212, 412, 512) 중 어느 하나의 내부 엔벨로프(116, 216) 내에 삽입될 수 있도록 크기가 정해지는, 내측 캐니스터를 포함하고, 내측 캐니스터는,
    제1 캐니스터(142, 342); 및
    제2 캐니스터(242)를 포함하고, 제1 캐니스터(142, 342)는 제2 캐니스터(242)보다 빠른 속도로 내부에 저장된 사용후 핵 연료 어셈블리를 냉각할 수 있고, 제2 캐니스터는 제1 캐니스터(142, 324)보다 많은 사용후 핵 연료 어셈블리를 저장할 수 있는 건식 핵 구성요소 캐니스터 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    제1 캐니스터(142, 342)의 캐니스터 하우징(144)은 외벽(148, 348) 및 외벽(148, 348)으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 방열핀(150, 350)을 포함하고, 방열핀(150, 350)은 제1 캐니스터(142, 342)의 외측 엔벨로프(146)를 형성하는 건식 핵 구성요소 캐니스터 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    제1 캐니스터(142)의 캐니스터 하우징(144)은 사용후 핵 연료 어셈블리를 수용하기 위한 제1 격실(164)을 포함하고, 제2 캐니스터(242)의 캐니스터 하우징(244)은 사용후 핵 연료 어셈블리를 수용하기 위한 제2 격실(274)을 포함하고, 제2 격실(274)의 수는 제1 격실(164)의 수보다 많은 건식 핵 구성요소 캐니스터 시스템.
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