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KR101530227B1 - Ｆｍ 반응도 조절 장치 - Google Patents

Ｆｍ 반응도 조절 장치 Download PDF

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KR101530227B1
KR101530227B1 KR1020130166561A KR20130166561A KR101530227B1 KR 101530227 B1 KR101530227 B1 KR 101530227B1 KR 1020130166561 A KR1020130166561 A KR 1020130166561A KR 20130166561 A KR20130166561 A KR 20130166561A KR 101530227 B1 KR101530227 B1 KR 101530227B1
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김홍철
서철교
채희택
조대성
홍영돈
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 FM 반응도 조절 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 노심에 FM 표적 삽입 시 발생되는 양의 반응도가 한꺼번에 노심에 영향을 끼치지 않게 하여 반응 안정성을 높이고 생산을 원활하게 하는, FM 반응도 조절 장치를 제공함에 있다.

Description

ＦＭ 반응도 조절 장치 {Apparatus for adjusting reactivity of fission moly}
본 발명은 FM 반응도 조절 장치에 관한 것이다.
몰리브덴(Molybdenum)-99는 후가공을 통해 테크네튬(Technetium)-99m이라는 새로운 방사성 동위원소가 되는데, 이 테크네튬이 PET를 이용한 암 진단에 사용되는 것으로서 의학 분야에서 매우 중요하게 사용되는 물질이다. 이러한 테크네튬의 원 재료가 되는 몰리브덴-99는 자연 상태에서는 존재하지 않는 방사성 동위원소로서, 일반적으로 원자로를 통해 생산된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. FM(Fission Moly)이란 핵의학용 진단용 방사성 핵종으로 사용되는 몰리브덴을 핵분열 반응으로부터 생성되는 핵분열 생성물에서 추출하는 것을 말한다. 즉 FM을 사용한 몰리브덴 생산 방법에서는 기본적으로 원자력 발전 등에서 사용되는 핵연료와 같은 형상의 축소된 핵연료를 사용하며, 구체적으로는 핵연료, 즉 FM 표적(Fission Moly Target)이 노심 가동 중에 노심 내로 삽입됨으로써 핵반응을 일으키게 하여 몰리브덴을 생산하게 된다.
그런데, FM 표적이 노심 가동 중에 삽입되면 노심 내에 양(+)의 반응도를 주게 되기 때문에, 노심 안전성에 대한 악영향을 줄이기 위해 FM 핵연료 양을 제한해야 한다. 또한 FM 표적 삽입으로 발생하는 양의 반응도가 노심 설계 요건을 만족하도록, FM 표적을 노심에 삽입시키기 위해서는 노심 내의 어떤 특정 위치에 한정시켜야 한다.
종래에도 몰리브덴 생산 방법과 관련된 다양한 연구가 이루어져 왔으며, 이러한 기술로서 미국특허등록 제5910971호("Method and apparatus for the production and extraction of molybdenum-99", 1999.06.08), 한국특허공개 제2003-0067476호("조사 우라늄 용액으로부터 몰리브덴-99를 추출하기 위한 무기흡착제 및 그의 사용방법", 2003.08.14) 등이 개시되어 있다. 그러나 상기 선행기술들은 핵분열 생성물이 만들어진 후 그로부터 몰리브덴-99를 추출하는 것에 주안점이 맞추어져 있으며, 따라서 앞서 설명한 바와 같은 FM 핵연료 삽입 시의 양의 반응도 문제에 대한 해결책은 전혀 개시되어 있지 않다.
앞서 설명한 바와 같이, FM 표적을 노심에 삽입할 때 노심 안전성을 고려한 FM 핵연료 양의 제한이나 노심 내 FM 표적 위치 한정 등과 같은, 종래의 FM을 사용한 몰리브덴 생산 방법의 한계는, FM에서의 양의 반응도를 한꺼번에 주는 데서 오는 문제로서 이러한 문제를 해결해야 할 필요성이 있다.
1. 미국특허등록 제5910971호("Method and apparatus for the production and extraction of molybdenum-99", 1999.06.08) 2. 한국특허공개 제2003-0067476호("조사 우라늄 용액으로부터 몰리브덴-99를 추출하기 위한 무기흡착제 및 그의 사용방법", 2003.08.14)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 노심에 FM 표적 삽입 시 발생되는 양의 반응도가 한꺼번에 노심에 영향을 끼치지 않게 하여 반응도 삽입사고에 대한 원자로의 안정성을 높이고 생산을 원활하게 하는, FM 반응도 조절 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 FM 반응도 조절 장치(100)는, 원자로 노심의 조사공(200)에 구비되는 가이드 튜브(110); 상기 가이드 튜브(110) 내측에 구비되며, 경사면 형상의 홈(115a) 및 상기 홈(115a)과 연결되는 수평면 형상의 체류부(115b)를 포함하여 이루어지는 통로(115c)가 형성되는 슬라이드 패드(115); 상기 슬라이드 패드(115) 내부에 수직 방향으로 이동 가능하도록 구비되며, 하단에 FM(Fission Moly) 표적(500)을 수용하는 FM 홀더(120); 상기 FM 홀더(120) 외주면으로부터 돌출 형성되어 상기 슬라이드 패드(115)의 상기 홈(115a) 및 상기 체류부(115b)에 삽입 지지되는 돌출부(125); 를 포함하여 이루어져, 상기 돌출부(125)가 상기 통로(115c)를 따라 이동함으로써 상기 FM 홀더(120)가 상기 가이드 튜브(110)에 의해 안내되어 회전 및 하강하여 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내에 상기 FM 표적(500)을 삽입하도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 슬라이드 패드(115)는, 하나의 상기 통로(115c)에 대하여 적어도 둘 이상의 상기 체류부(115b)가 형성되되, 상기 체류부(115b)들은 수직 방향 및 둘레 방향 각각에 대하여 서로 이격 배치되어 형성될 수 있다.
또한 상기 돌출부(125)는, 상기 FM 홀더(120) 외주면을 따라 적어도 둘 이상이 방사상으로 배치되어 형성될 수 있다. 또한 이 때 상기 슬라이드 패드(115)는, 상기 돌출부(125)의 개수 및 위치에 상응하는 개수 및 위치의 상기 통로(115c)가 배치되어 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 FM을 사용하는 몰리브덴 생산 방법에서 FM 표적이 노심에 삽입될 때 최종 조사 위치까지 한꺼번에 장전됨으로써 양의 반응도를 순간적으로 노심에 주게 되어 불안정성을 높이는 문제를 해결할 수 있다. 본 발명에 의하면, FM 표적을 노심에 삽입할 때 최종 조사 위치까지 단번에 이동시키지 않고, 중간 체류 영역을 둠으로써 단계적으로 반응이 일어나도록 한다. 따라서 노심에서 한꺼번에 양의 반응도가 발생하여 불안정해지지 않고 안정적으로 노심 가동이 이루어지는 범위 안에서 FM 표적 반응이 이루어질 수 있게 하여, 즉 종래에 비해 생산 안정성이 훨씬 높아지게 되는 효과가 있다.
또한 이처럼 FM 장전으로 인한 반응도 발생량을 조절 가능하도록 하여 종래에 비해 생산 안정성이 높아지기 때문에 FM 생산 효율이 높아지는 효과가 있으며, 이에 따라 궁극적으로는 FM 생산량을 종래보다 더욱 증대시킬 수 있는 큰 효과가 있다.
도 1은 종래의 FM 삽입 장치의 측면도.
도 2는 본 발명의 FM 반응도 조절 장치의 일실시예의 측면도.
도 3은 본 발명의 FM 반응도 조절 장치의 일실시예의 단면도.
도 4는 본 발명의 FM 반응도 조절 장치의의 슬라이딩 패드의 일실시예.
도 5는 가이드 튜브의 구비 위치의 여러 실시예.
도 6은 FM 장전 깊이별 계산 모델.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 FM 반응도 조절 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 FM 삽입 장치의 측면도를 간략하게 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 종래에는 하단부에 FM 표적을 수용하는 FM 홀더(Fission Moly Holder)가 가이드 튜브(Guide Tube)에 의해 안내되어 하강함으로써, 원자로 노심(In-core Reflector)의 FM 표적(Fission Moly Target)이 삽입되어 최종적으로는 선저 플러그(Bottom Plug)에 안착됨으로써 삽입이 완료되도록 하였다. 그런데 앞서도 설명한 바와 같이, 이와 같이 FM 표적을 노심 내에 단번에 삽입하게 되면 FM 표적 전체가 단번에 반응이 일어나게 되고, 즉 한꺼번에 양의 반응도가 발생하게 되어 노심 내 불안정성이 높아지게 되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 피하기 위하여, 본 발명에서는 FM 표적을 노심 내에 삽입할 때 단번에 선저 플러그 위치까지 삽입되도록 하는 것이 아니라, FM 표적이 단계적으로 하강함으로써 양의 반응도가 분산되어 발생되게 할 수 있는 장치를 제시한다. 도 2는 본 발명의 FM 반응도 조절 장치의 일실시예의 측면도를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 FM 반응도 조절 장치의 일실시예의 단면도를 도시한 것이다. 또한 도 4는 본 발명의 FM 반응도 조절 장치의의 슬라이딩 패드의 일실시예를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 FM 반응도 조절 장치(100)는, 슬라이드 패드(115)를 구비하는 가이드 튜브(110) 및 돌출부(125)를 구비하는 FM 홀더(120)를 포함하여 이루어진다. 즉 종래와는 달리 상기 슬라이드 패드(115) 및 상기 돌출부(125)를 구비함으로써, 위에서 설명한 바와 같이 FM 표적(500)이 원자로 노심의 조사공(200) 내에 단계적으로 삽입될 수 있도록 하는 것이다. 이하에서 각부에 대하여 보다 구체적으로 설명함으로써 본 발명의 FM 반응도 조절 장치(100)가 어떻게 단계적으로 반응을 일으키는지의 원리를 설명한다.
상기 가이드 튜브(110) 자체 및 상기 FM 홀더(120) 자체는 종래의 FM 삽입 장치와 유사한 구성으로 될 수 있다. 가장 기본적인 형태로서는, 상기 가이드 튜브(110)는 종래의 구비 형태와 마찬가지로 원자로 노심의 조사공(200) 상부에 수직 방향으로 연장 형성되며, 상기 FM 홀더(120)는 하단에 FM(Fission Moly) 표적(500)을 수용하는 수직 방향으로 이동 가능하도록 상기 가이드 튜브(110) 내측에 구비되어, 상기 FM 홀더(120)가 상기 가이드 튜브(110)에 의해 안내되어 하강함으로써 상기 FM 표적(500)이 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내에 삽입되게 된다.
이 때 본 발명에서는, 상기 가이드 튜브(110)에 슬라이드 패드(115)를 구비하고 상기 FM 홀더(120)에 돌출부(125)를 구비함으로써, (종래에 FM 표적이 원자로 노심의 조사공 내로 단번에 삽입되던 것과는 달리) 상기 FM 표적(500)이 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내로 단번에 삽입되지 않고 단계적으로 삽입되도록 한다.
상기 슬라이드 패드(115)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 가이드 튜브(110) 내측에 구비된다. 이 때 상기 슬라이드 패드(115)는 도 2 및 도 3에 도시된 예시에서와 같이 상기 가이드 튜브(110)와 일체형으로 이루어져도 무방하며, 또는 별도의 부품으로서 만들어져 상기 가이드 튜브(110)에 결합 고정되도록 형성되어도 무방하다. 또한 상기 슬라이드 패드(115) 상에는 도 4에 도시된 바와 같이 경사면 형상의 홈(115a) 및 상기 홈(115a)과 연결되는 수평면 형상의 체류부(115b)를 포함하여 이루어지는 통로(115c)가 형성된다.
상기 돌출부(125)는 상기 FM 홀더(120) 외주면으로부터 돌출 형성되어 상기 슬라이드 패드(115)의 상기 홈(115a) 및 상기 체류부(115b)에 삽입 지지된다. 즉 도 2 및 도 3에는 상기 체류부(115b)에 해당하는 위치에 상기 돌출부(125)가 걸려 지지되어 있는 모습이 도시되어 있는 것이다. 상기 돌출부(125)는 상기 FM 홀더(120) 외주면을 따라 적어도 둘 이상이 방사상으로 배치되어 형성될 수 있으며, 도 2 내지 도 4에는 상기 돌출부(125)가 둘 형성된 예시를 도시하고 있다. 물론 상기 돌출부(125)는 3개가 될 수도 있고 4개가 될 수도 있는 등, 상기 FM 홀더(120) 자중 및 상기 FM 표적(500)의 중량을 안정적으로 견딜 수 있도록 그 개수나 크기 등이 적절히 설계될 수 있다. 이처럼 상기 돌출부(125)의 개수 및 위치가 달라질 수 있는 바, 상기 슬라이드 패드(115)에는 상기 돌출부(125)의 개수 및 위치에 상응하는 개수 및 위치의 상기 통로(115c)가 형성되도록 함이 당연하다.
본 발명에서는 상기 돌출부(125)가 상기 홈(115a) 및 상기 체류부(115b)를 포함하여 이루어지는 상기 통로(115c)를 따라 이동함으로써, 상기 FM 홀더(120)가 (단지 하강만 하는 것이 아니라) 회전 및 하강을 하면서 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내에 상기 FM 표적(500)을 삽입하도록 이루어진다. 도 4를 참고하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다.
상기 체류부(115b)는 상기 슬라이드 패드(115)를 기준으로 수직 방향 및 둘레 방향 각각에 대하여 적어도 둘 이상이 서로 이격되어 형성된다(도 4의 예시에서는 상기 체류부(115b)가 4개 형성되어 있다). 이와 같이 복수 개 형성된 상기 체류부(115b)들은 적어도 하나 이상의 상기 홈(115a)으로 서로 연결된다(상기 체류부(115b)가 n개일 경우 상기 홈(115a)은 n-1개가 되며, 즉 도 4의 예시에서는 상기 홈(115a)이 3개 형성되어 있다). 즉 상기 통로(115c)는, 수평면 형태의 체류부 - 경사면 형태의 홈 - 수평면 형태의 체류부 - … 가 죽 연결된 하나의 궤적을 이루도록 형성되는 것이다.
도 4에는 상기 돌출부(125)의 위치(Pos. of 125)가 변화하는 궤적이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 상기 돌출부(125)는 상기 통로(115c) 입구로 삽입되어 최상측에 위치한 첫 번째의 상기 체류부(115b)에 머물렀다가, 상기 FM 홀더(120)가 약간 회전됨으로써 상기 체류부(115b)에 의하여 지지되고 있던 상기 돌출부(125)가 상기 체류부(115b)를 벗어나게 되면, 상기 돌출부(125)는 첫 번째의 상기 홈(115a)을 따라 미끄러져 이동하게 된다. 이 때 상기 돌출부(125)는 상기 FM 홀더(120)에 일체형 또는 고정 결합되어 이루어지기 때문에, 상기 돌출부(125)가 경사면 형태로 이루어진 상기 홈(115a)을 따라 미끄러지게 되면, 상기 FM 홀더(120)는 자연히 회전과 동시에 하강을 하게 된다. 이와 같은 회전 및 하강은 상기 돌출부(125)가 두 번째의 상기 체류부(115b)에 도달할 때까지 이루어졌다가, 두 번째의 상기 체류부(115b)에 도달하면 일단 하강이 중단된다. 이러한 과정이 상기 돌출부(125)가 최하측의 마지막 상기 체류부(115b)에 도달할 때까지 반복적으로 이루어지게 된다. 종래의 FM 삽입 장치의 작동 원리에 비추어 생각할 때, 최하측의 마지막 상기 체류부(115b) 위치에 상기 돌출부(125)가 도달하였을 때 상기 FM 표적(500)이 상기 원자로 노심의 조사공(200)의 선저 플러그(210) 상에 안착되도록 각부의 형상적 사양을 설계하면 된다. 부가적으로, 상기 통로(115c)에서 꺾이는 부분(각 상기 체류부(115b)의 상측 부분 등)은 도 4에 도시된 바와 같이 곡면 형태로 형성되어 상기 돌출부(125)의 이동이 부드럽게 이루어질 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
이처럼 본 발명에서는 상기 FM 홀더(120)가 상기 FM 표적(500)을 상기 선저 플러그(210) 위치까지 단번에 하강시키지 않고, 상기 체류부(115b)들에 의하여 단계적으로 하강시키도록 한다. 앞서 설명하였듯이 종래에는 FM 표적이 노심의 최종 위치까지 한꺼번에 삽입됨으로써, FM 표적이 가지고 있는 총 양의 반응도 모두를 순간적으로 노심에 주게 되어 노심 불안정성을 크게 높이는 문제를 야기시켰다. 그러나 본 발명에서는 상술한 바와 같이 상기 체류부(115b)들에 의하여 상기 FM 표적(500)이 상기 선저 플러그(210) 위치(즉 최종 위치)까지 단계적으로 하강하게 되며, 따라서 FM 표적(500)의 총 양의 반응도는 상기 체류부(115b)의 개수만큼 나누어진 양으로 원자로 노심에 영향을 끼치게 된다. 즉 상기 체류부(115b) 개수를 적절히 설정함으로써, 상기 FM 표적(500) 자체의 양은 늘리면서도 한 번의 체류 당 일어나는 양의 반응도는 원자로 노심이 견딜 수 있는 양의 반응도 기준보다 낮아지도록 설계할 수 있게 된다. 즉 노심 설계에서 수용 가능한 양의 반응도 이하가 되도록 상기 체류부(115b)의 개수나 수직 방향 또는 둘레 방향의 거리를 적절하게 설정함으로써, 종래에 문제가 되었던 노심 불안정성 문제를 완전히 해소할 수 있는 것이다.
도 5는 가이드 튜브의 구비 위치의 여러 실시예를 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 가이드 튜브(110)는, 기존의 가이드 튜브가 원자로 노심의 조사공 상부에 수직 방향으로 연장 형성되어 구비되는 형태로 이루어질 수도 있다. 이러한 형태가 도 2나 도 5(A)에 도시된 형태이다.
그러나 본 발명에서 상기 가이드 튜브(110)는 반드시 상기 원자로 노심의 조사공(200) 상부에 수직 방향으로 연장 형성되어 구비되는 형태로만 이루어져야 하는 것은 아니다. 도 5(B)는 상기 가이드 튜브(110)가 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내측에 결합되어 있는 실시예를 도시하고 있다. 상기 원자로 노심의 조사공(200) 자체의 길이가 충분하다면, 굳이 상기 가이드 튜브(110)를 상기 원자로 노심의 조사공(200) 상부에 연장 형성되도록 설치할 필요 없이 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내측에 상기 가이드 튜브(110)가 결합되도록 하여, 원자로 부피의 불필요한 확대를 줄일 수 있다.
도 5(C)는 상기 가이드 튜브(110)가 상기 원자로 노심의 조사공(200)과 일체화되어 있는 실시예를 도시하고 있다. 이 경우는 실질적으로, 상기 가이드 튜브(110)에 구비되는 상기 슬라이딩 패드(115)가 상기 원자로 노심의 조사공(200)에 직접 구비되는 것으로 볼 수 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 상기 가이드 튜브(110) 및 상기 슬라이딩 패드(115)가 서로 별도의 부품으로 이루어질 수도 있고 일체화되어 이루어질 수도 있으므로(도 2 등의 실시예에서도 이미 상기 가이드 튜브(110)와 상기 슬라이딩 패드(115)가 일체화된 예시를 나타내고 있다), 상기 원자로 노심의 조사공(200)에 상기 체류부(115b), 상기 홈(115a)을 포함하여 이루어지는 상기 통로(115c)가 직접 형성되는 형태도 가능한 것은 물론이다.
도 6은 FM 장전 깊이별 계산 모델로서, FM가 노심 내에 삽입되는 위치에 따른 반응도 평가를 위한 것이다. 보다 구체적으로는, 6개의 FM가 도 6과 같이 노심의 중심에서 -15cm ~ 15cm까지 5cm 간격의 위치에 있을 때 계산된 임계도 계산 결과로부터, FM의 중심이 15cm인 결과에 대한 반응도 평가를 하기 위한 모델이다. 도 6의 모델을 이용하여 계산한 결과를 정리한 것이 아래의 표로서, 표에 나타난 바와 같이 삽입 깊이가 1/3로 줄어들 때 발생하는 양의 반응도는 전체 반응도의 약 39% 수준이 됨을 알 수 있다.
Figure 112013120181427-pat00001

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) FM 반응도 조절 장치
110: 가이드 튜브
115: 슬라이딩 패드
115a: (슬라이딩 패드) 홈
115b: (슬라이딩 패드) 체류부
115c: (슬라이딩 패드) 통로
120: FM 홀더
125: (FM 홀더) 돌출부
200: 원자로 노심의 조사공
210: 선저 플러그
500: FM 표적

Claims (4)

  1. 원자로 노심의 조사공(200)에 구비되는 가이드 튜브(110);
    상기 가이드 튜브(110) 내측에 구비되며, 경사면 형상의 홈(115a) 및 상기 홈(115a)과 연결되는 수평면 형상의 체류부(115b)를 포함하여 이루어지는 통로(115c)가 형성되는 슬라이드 패드(115);
    상기 슬라이드 패드(115) 내부에 수직 방향으로 이동 가능하도록 구비되며, 하단에 FM(Fission Moly) 표적(500)을 수용하는 FM 홀더(120);
    상기 FM 홀더(120) 외주면으로부터 돌출 형성되어 상기 슬라이드 패드(115)의 상기 홈(115a) 및 상기 체류부(115b)에 삽입 지지되는 돌출부(125);
    를 포함하여 이루어져,
    상기 돌출부(125)가 상기 통로(115c)를 따라 이동함으로써 상기 FM 홀더(120)가 상기 가이드 튜브(110)에 의해 안내되어 회전 및 하강하여 상기 원자로 노심의 조사공(200) 내에 상기 FM 표적(500)을 삽입하는 것을 특징으로 하는 FM 반응도 조절 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 슬라이드 패드(115)는
    하나의 상기 통로(115c)에 대하여 적어도 둘 이상의 상기 체류부(115b)가 형성되되, 상기 체류부(115b)들은 수직 방향 및 둘레 방향 각각에 대하여 서로 이격 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 FM 반응도 조절 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부(125)는
    상기 FM 홀더(120) 외주면을 따라 적어도 둘 이상이 방사상으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 FM 반응도 조절 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 슬라이드 패드(115)는
    상기 돌출부(125)의 개수 및 위치에 상응하는 개수 및 위치의 상기 통로(115c)가 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 FM 반응도 조절 장치.
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JP2009271064A (ja) * 2008-05-01 2009-11-19 Ge-Hitachi Nuclear Energy Americas Llc 照射ターゲット保持システム、照射ターゲット保持システムを有する燃料集合体、及び照射ターゲット保持システムを利用した方法
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