KR0129541B1 - 내파편성 핵 연료 조립체 - Google Patents

내파편성 핵 연료 조립체

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KR0129541B1 KR1019880015228A KR880015228A KR0129541B1 KR 0129541 B1 KR0129541 B1 KR 0129541B1 KR 1019880015228 A KR1019880015228 A KR 1019880015228A KR 880015228 A KR880015228 A KR 880015228A KR 0129541 B1 KR0129541 B1 KR 0129541B1
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Abstract

본 발명은 상부 결속판 및 하부결속판, 상기 상부 및 하부 결속판 사이로 뻗어있는 다수의 연료봉; 상기 상부 및 하부 결속판 사이로 뻗어있고 상기 상부 및 하부 결속판에 고정되어 있는 다수의 안내관; 및 상기 상부 및 하부 결속판 사이에 위치되고 상기 연료봉이 통과되도록 셀을 형성하고 있는 격자 스트립을 포함하는 그리드 스페이서를 포함하며, 상기 각각의 결속판에는 냉각수가 조립체내로 흐를 수 있게 하는 비교적 큰 구멍이 형성되어 있는 연료 조립체에 있어서, 상기 그리드 스페이서는 상기 하부 결속판위에 위치되고, 파편을 포착하여 상기 파편이 상기 연료봉 사이의 공간으로 유입되지 않도록 하기 위하여 상기 하부 결속판에 형성된 구멍을 세분하도록 배열되며, 상기 그리드 스페이서는 이중 스트립으로 형성되고, 상기 이중 스트립은 냉각수용 채널을 제공하기 위해 변형되는 것을 특징으로 하는 연료 조립체에 관한 것이다.

Description

내파편성 핵 연료 조립체
제1도는 본 발명에 관한 연료 조립체의 일반적인 구조도.
제2도는 본 발명에 의한 연료조립체의 최하부 그리드 스페이서 및 하부 결속판의 부분 사시도.
제2a도는 연료봉의 부분 절단 정면도.
제3도는 제2도의 3-3 선 부분 단면도로서, 최하부 그리드 스페이서와 결속판의 관계 및 이들에 의해 형성된 유로(flow path)의 예시도.
제4도는 최하부 그리드 스페이서와 하부 결속판의 부분 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 최하부 그리드 스페이서 4 : 하부 결속판
6 : 연료봉 8 : 안내관
10 : 채널 11,14 : 구멍
13 : 격자 스트립 16 : 주변 스트립
본 발명은 특히 가압수(pressurized water)형 원자로의 내파편성(debris-resistant) 핵 연료 조립체에 관한 것이다.
가압수형 원자로에 있어서, 핵 연료는 봉의 형태로 되어 있으며, 이들은 다른 스프링이나 요부에 대해 봉을 압박하는 스프링을 포함하는 그리드 스페이서에 의해 지지된다. 이들 다수의 그리드 스페이서는 봉의 길이를 따라 위치되고, 10 또는 12피트 정도의 길이로 될 수 있다. 봉은 상부와 하부 결속판 사이에 뻗어 있으나, 통상적으로 관통되지는 않는다. 이들 결속판과 그리드 스페이서는 조립체의 방사능을 변화시키는 제어봉에 대한 안내관으로도 작용하는 결속봉(tie rod)에 부착된다. 결속봉은 종종 연료 조립체를 분해하는 신속 해제 기구에 의해 결속판에 고정된다. 그리드 스페이서는 봉의 길이를 따라 소정 간격으로 위치되며, 그 최하부는 하부 결속판보다 수 인치위에 있다. 연료봉은 방사(irradiation)동안 길이가 수인치 연장되며, 상부 및 최하부 그리드 스페이서는 이점을 고려해야 한다.
원자로의 작동에 관련된 문제중 하나는 최초의 구성 또는 수리 동안에 초래될 수 있으며, 너트, 볼트, 금속 부스러기, 톱밥, 및 각종 쓰레기를 포함하는 여러 형태의 파편의 축적이다. 상부 및 하부 결속판에는 유로용의 비교적 큰 구멍이 형성되어 있다. 이들 구멍을 통과할 수 없는 가장 큰 파편은 큰 문제가 되지 않는다. 보통의 모래알 크기와 같은 극히 작은 파편은 조립체를 통과하지만, 역시 별다른 문제를 일으키지는 않는다. 그러나, 중간크기의 파편은 연료봉들 사이에 끼어 이들을 마모시키게 되어 매우 큰 문제를 일으킬 수 있다. 즉, 이것은 냉각수내로 연료 및 핵 분열성 물질의 누출을 야기시켜 방사능 문제를 일으킨다. 연료봉 사이에 박히게 되는 경향은 최하부 그리드 스페이서 아래의 연료봉의 일부에서 특히 현저하다.
상기 파편 문제를 해소하기 위한 방법중 하나는 연료봉의 단부에서 최하부 그리드까지 뻗어 있는 매우 긴 단부캡을 사용하는 것이었다. 이에 따라, 파편에 의한 마모에 대해 가장 많이 노출되는 봉 부분이 연료를 포함하지 않게 되어, 상기와 같은 방사능 누출 문제는 일어나지 않는다. 그러나, 불활성 물질에 의해 연료의 일부를 대체시키게 되어 조립체의 유효 출력을 감소시키는 단점을 갖는다. 다른 방법은, 파편이 연료봉과 접촉하지 않도록 스크린으로 작용하는 하부 결속판에 작은 구멍들을 형성하는 것이었다. 그러나, 이 방법은 조립체를 통한 압력 강하를 증가시키고 냉각제 흐름을 저하시키며, 이에 따라 허용 출력 레벨을 저하시킨다. 특히, 하부 결속판을 통과하지 않은 파편이 그곳에 유지되어, 냉각수의 순환이 중단될 때 원자로 용기의 저부에 떨어져 다음번의 순환이 개시될 때 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 파편을 효과적으로 포착하여 파편이 연료봉의 연료부에 접촉하지 않도록 하고, 파편을 그 자리에 유지시켜 재 연료공급 동안에 조립체로부터 제거되도록 구성된 연료 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면, 조립체의 압력 강하를 증가시키지 않을뿐더러 출력을 저하시키게 되는 매우 긴 단부캡을 사용할 필요도 없다. 본 발명은 채널 사이에 유체가 흐를 수 있도록 하여, 비록 어느 공간이 파편에 의해 부분적으로 막히더라도 모든 봉이 효과적으로 냉각될 수 있도록 하였다.
상기 목적을 달성하기 위하여, EP-A-O 237 064호에 기재된 것과 유사한 연료 조립체 그리드 스페이서가 하부 결속판 위 또는 그보다 약간 위에 위치된다. 상기 스페이서는 하부 결속판의 구멍들이 더 작은 구멍들로 분할되도록 위치된다. 상기 배열은 결속판의 구멍을 통과할 수 있는 파편이 그리드 스페이서의 구성 부재의 에지부에 도달하여 파편의 형상과 크기에 따라 하부 결속판내에 유지되거나, 그리드 스페이서내로 약간 연장되도록 되어 있다. 연료봉은 연료부가 파편과 만나지 않는한 적절히 유지되도록 하기 위하여 최하부 그리드 스페이서내로 충분히 관통된다. 최하부 그리드 스페이서의 관통 정도를 결정하는데 있어서 조립체의 사용가능 기간동안 적절한 관계를 유지하도록 하기 위하여 2인치까지의 조사 연료 증대가 허용될 수 있다. 스프링이 이 범위에 걸쳐 접촉되도록 하기 위해서는, 하부 결속판에 대해 위치된 단부 스페이서의 깊이는 통상 스페이서의 깊이 이상이어야 한다. 그리드 스페이서가 상기 관점에서 설계될 때 연료봉 억제 및 봉의 지지면 영역을 증대시킬 수 있는 이점이 있다. 이것은 그리드 스페이서에 의해 연료봉의 파손 가능성을 감소시킨다.
연료봉의 진동 및 파손을 극소화시키기 위해서는 최하부 그리드 스페이서상에 적절한 스프링을 장착하는 것이 특히 필요하다. 이것은 중성자의 방사시 방사능을 강화시키는 코발트(Inconel성분)의 존재를 방지한다. 본 발명의 다른 특징에 따르면, 지르코늄 합금 스페이서 위의 스프링 부하가 특정 스페이서 부분에 대한 로울링 방향의 방향 설정에 의해 더욱 향상될 수 있다. 방사는 지르코늄 합금판 스톡(stock)으로 만들어진 제품에서 로울링 방향으로 증대된다. 상기 형태의 스페이서 설계에 대한 테스트는 모든 봉지지 위치에서의 큰 스프링 편위로 인한 국부적 부하가 스페이서 엔벨로프를 다소 증가시키는 것을 나타낸다. 반대로, 엔벨로프를 적은 범위로 한정하면, 스페이서 스프링이 편위되어 봉에 대한 부하가 증대된다. 그러므로, 로울링 방향의 바람직한 방향은 주변 스트립에 대한 스트립 길이에 대해 수직이며, 이에 따라 내부 스트립의 길이에 평행하게 전체 엔벨로프를 제한한다. 내부 스트립의 길이의 제한은 스프링 높이의 증가를 초래하며, 이것은 스프링의 이완으로 인한 방사 효과를 상쇄시키는 경향이 있다.
상기와 동일한 효과는 주변 스트립에서 완전히 재결정되고 어닐링된 지르코늄 합금과 냉간 가공 및 응력 제거된 내부(격자)스트립을 사용함으로써 달성될 수 있다. 냉간 가공되고, 응력이 제거된 지르코늄 합금은 재결정되고 어닐링된 재료보다 방사로 인해 더욱 성장한다.
본 발명이 적용되는 연료 조립체의 일반적인 형태가 제 1도에 도시되었다. 상기 도면에서와 같이, 연료 조립체는 그리드 스페이서에 의해 적절히 지지되는 수직하고 밀접하게 위치된 연료봉(22)으로 구성된다. 이들 그리드 스페이서의 최하부는 보통 하부 결속판(4)의 수 인치 위에 위치된다. 연료봉(22)은 그리드 스페이서를 통해 하부 결속판(4)까지 뻗어 있다. 본 발명에 따르면, 최하부 그리드 스페이서는 하부 결속판과 접촉하거나 하부 결속판에 아주 가깝게, 즉 하부 결속판 위에 1인치 미만의 범위내로 위치된다. 이것은 최하부 그리드 스페이서(2)가 하부 결속판(4)상에 놓여 있는 제 2도에 도시되어 있다. 연료봉 중 하나는 제4도에서 가장 잘 도시된 바와같이 부호 6으로 나타냈으며, 그리드 스페이서를 통해 부분적으로 뻗어 있다. 다수의 안내관(8)은 그리드 스페이서를 통해 뻗어 있으며, 하부 결속판(4)에 고정된다. 상기 안내관들은 마찬가지로 상부 결속판(도시되지 않음)에 고정되며, 함께 조립체를 결속하기 위한 결속봉으로 작용한다. 그리드 스페이서는 EP-A-0 237 064호에 도시된 형태가 바람직하다. 상기 특허에 개시된 구성과 유사한 그리드 스페이서(2)가 채널(10)을 형성하기 위해 변형된 이중 압연 스트립(13)으로 형성된다. 도시된 바와 같이, 이들 채널을 초기에 외측으로 휘어져 있어, 연료봉과 결합하여 연료봉을 적절히 지지하기 위한 스프링으로 작용한다. 연료봉이 삽입되면, 이들은 부호 10으로 지시된 위치로 편평하게 된다. 그러나, 상기 특허에 개시된 것과는 반대로, 이들 채널은 냉각수를 편향시키기 위해 휘어질 필요가 없으며, 수직으로 될 수도 있다. 채널(10)사이의 격자스트립에는 구멍(11)이 형성되어 있다. 이들은 다음 두가지 목적으로 작용한다. 이들은 구조물에 대한 가요성을 증대시키고, 또한 채널들 사이에 냉각수의 측류용 통로를 제공한다.한 채널이 파편에 의해 막힐 경우, 물이 다른 채널로부터 그 안으로 흐를 수 있어 연료봉의 과열을 방지한다. 이들 그리드 스페이서는 노출로 인한 방사 증가로 연료봉의 하단위치에 변화를 주기 위해 통상시보다 깊게 형성된다.
제4도에는 세점에서 연료봉이 도시되어 있으며, 부호 6은 연료봉의 일반적인위치를 나타내고, 부호 6'는 그의 최대 상방 이동을 나타내며, 부호 6는 최대 하방 이동을 나타낸다. 최적의 상태로 고정되기 위하여, 연료봉은 그 외경이 연료봉과 동일한 다소 긴 단부캡(12)이 형성된 연료봉을 도시한 제2a도에서와 같이 통상의 형태로부터 변형된다. 최대 피복(cladding)직경보다 크거나 동일한 직경을 갖는 연장된 연료봉을 사용함으로써 방사로 인한 피복 크립다운(creepdown) 때문에 형성되는 연료봉 지지갭의 가능성을 방지한다. 이것은 결속판 위로 봉의 지지를 용이하게 하며, 고형(solid) 단부는 봉의 연료부와 포착된 파편 사이의 거리를 크게 한다.
제3도는 연료봉(6), 그리드 스페이서(2)의 격자 스트립(13) 및 하부 결속판(4)의 구멍(14)들 사이의 관계를 나타낸다(연료봉은 좀더 확실히 나타내기 위해 가상선으로 표시했다). 격자 스트립(13)은 결속판의 구멍(4)을 작은 통로로 분할하고, 이중 스트립 구조의 부재(13)가 이러한 관점에서 특히 효과적이라는 것을 알 수 있을 것이다. 이를 제3도와 비교하면, 구멍(14)과 스트립(13)이 파편을 포착하여 파편이 연료봉(6)의 연료부에 도달되지 않도록 한다.
상기한 바와 같이, 그리드 스페이서(2)의 격자 스트립(13)과 주변 스트립(16)은 지르코늄 합금판 스톡의 로울링 방향이 주변 스트립의 폭과 평행하게, 즉, 제2도에서는 수직으로 되며 격자 스트립의 길이 방향으로, 즉, 제2도에서 수평으로 되어 지르코늄 합금판 스톡으로부터 절단된다. 또한, 상기 주변 스트립(16)은 재결정되고 어닐링된 지르코늄으로 형성되고, 격자 스트립(13)은 냉간 가공되고 응력 제거된 지르코늄 합금으로 구성될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 이것은 격자 스트립의 길이를 제한함으로써 스프링 높이가 방사시에 증가되며 방사로 인하여 스프링이 이완되는 것이 상쇄된다.

Claims (11)

  1. 상부 결속판 및 하부 결속판; 상기 상부 및 하부 결속판 사이로 뻗어있는 다수의 연료봉; 상기 상부 및 하부 결속판 사이로 뻗어있고 상기 상부 및 하부 결속판에 고정되어 있는 다수의 안내관; 및 상기 상부 및 하부 결속판 사이에 위치되고 상기 연료봉이 통과되도록 셀을 형성하고 있는 격자 스트립을 포함하는 그리드 스페이서를 포함하며, 상기 각각의 결속판에는 냉각수가 조립체내로 흐를 수 있게 하는 비교적 큰 구멍이 형성되어 있는 연료 조립체에 있어서, 상기 그리드 스페이서는 상기 하부 결속판위에 위치되고, 파편을 포착하여 상기 파편이 상기 연료봉 사이의 공간으로 유입되지 않도록 하기 위하여 상기 하부 결속판에 형성된 구멍을 세분하도록 배열되며, 상기 그리드 스페이서는 이중 스트립으로 형성되고, 상기 이중 스트립은 냉각수용 채널을 제공하기 위해 변형되는 것을 특징으로 하는 연료 조립체
  2. 제 1항에 있어서, 상기 채널의 벽은 스프링이 상기 연료봉과 접촉하도록 그의 높이 중간부분이 외측으로 휘어지는 것을 특징으로 하는 연료 조립체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하부 결속판의 구멍은 원형이며, 상기 스트립의 교점은 중앙인 것을 특징으로 하는 연료 조립체.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 각각의 연료봉은 상기 하부 결속판에 인접한 상기 그리드 스페이서의 높이의 중간 정도의 거리만큼 상기 연료봉의 연료부로부터 돌출하고 적어도 상기 연료봉의 연료부의 피복만큼 큰 직경을 갖는 단부캡이 그 하단에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 조립체.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 하부 결속판과 접하고 있는 그리드 스페이서는 다른 그리드 스페이서보다 큰 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 조립체.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 하부 결속판에 인접한 그리드 스페이서는 지르코늄 합금으로 만들어지며, 주변 스트립과 격자 스트립은 시이트스톡의 로울링 방향이 주변 스트립의 좁은 방향으로, 그리고 상기 격자 스트립의 길이 방향으로 되도록 지르코늄 합금 시이트 스톡으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 조립체.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 하부 결속판에 인접한 그리드 스페이서는 지르코늄 합금으로 만들어지며, 그 주변 스트립은 재결정되고 어닐링된 재료로 형성되고, 격자 스트립은 냉간 가공되고 응력 제거된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 조립체.
  8. 핵 반응기용 그리드 스페이서에 있어서, 다각형을 이루는 주변 스트립; 및 연료봉의 수용을 위한 다수의 셀을 형성하기 위해 상기 다각형을 가로질러 뻗어 있고, 상기 주변 스트립에 인접한 다수의 격자 스트립을 포함하며 상기 격자 스트립은 그의 길이에 대해 수직하게 뻗어 있는 채널을 형성하기 위해 변형되고, 상기 채널은 상기 연료봉을 지지하기 위한 스프링을 형성하기 위해 그 길이 중간부분이 외측으로 휘어지며, 상기 격자 스트립 및 상기 주변 스트립은 상기 격자 스트립이 핵 방사하에서 상기 주변 스트립보다 더 큰 신장도를 갖도록 선택된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 그리드 스페이서.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 주변 스트립 및 격자 스트립은 지르코늄 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 그리드 스페이서.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 주변 스트립과 상기 격자 스트립은 시이트 스톡의 로울링 방향이 상기 주변 스트립의 좁은 방향 및 상기 격자 스트립의 길이 방향으로 되도록 시이트 스톡으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 그리드 스페이서.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 주변 스트립은 재결정되고 어닐링된 재료로 형성되고, 상기 격자 스트립은 냉간 가공되고 응력 제거된 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 그리드 스페이서.
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