KR0175928B1 - 핵연료봉 지지격자 - Google Patents

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KR0175928B1
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에모리 데마리오 에드먼드
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엠. 피. 린치
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Abstract

연료봉(18)을 각기 수용하며 내부스트랩의 대향하게 위치된 각쌍의 벽부분(52)들에 의해서 규정되는 개방단의 셀(46)들의 매트릭스를 형성하도록 서로 사이에 끼워진 내부스트랩(40)과 외부스트랩(42)을 포함하며, 상기 각각의 벽부분(52)은 2 개의 인접한 셀(46)들에 공통이며 그위에 형성되고 상기 연합된 셀(46)을 통과하는 냉각제 흐름방향에 대해 대체로 횡방향으로 연장하는 탄성 변형가능한 재질로된 최소한 하나의 연료봉 결합부재(56)및(58)를 가지며, 상기 각각의 연료봉 결합부재(56)및(58)는 상기 연합된 벽부분(52)으로부터 각각에 대해 대향하여 경사지는 관계로 서로를 향하여 연장되고 상기 벽부분에 연결된 그 외단부를 갖는 한쌍의 이격진 대향 외부부분들(60)및(70)과 이들사이로 연장되고 상기 각각의 외부분분들(60)및(70)의 내단부들에 연결된 외단부들을 가지는 중간부분(62)및(72)를 포함하는 핵연료봉 지지격자(16)에 있어서, 상기 각각의 외부부분들(60)및(70)들과 중간부분(62)및(72)이 대향하는 종방향 모서리들(60A),(62A),(70A)및(72A)을 가지며, 상기 각각의 모서리들은 최소한 하나의 측면으로 이루어진 그위에 형성된 모따기부(64),(66)및(74)를 가지고, 상기 측면은 상기 냉각제 방향에 대체로 평행한 각각의 외부 또는 중간부분의 대향면들을 수용하는 평면들에 대해 경사져서 오직 상기 평면들 사이로 연장하는 것을 특징으로하는 핵연료봉 지지격자.

Description

핵연료봉 지지격자
제1도는 수직원근법에 의해 축소된 형태로 도시되며 간결성을 위해 그 일부가 제거된 본 발명에 의한 지지격자를 사용하는 연료 조립체의 부분 정면도.
제2도는 제1도에 도시된 연료 조립체의 하나의 지지격자의 확대 평면도.
제3도는 제2도에 도시된 지지격자의 내부 스트랩의 부분확대 측단면도.
제4도는 제3도의 4-4선 부분확대 수평 단면도.
제5도는 제3도의 5-5선 부분확대 수평 단면도.
제6도는 제4도의 6-6선 부분확대 수직 단면도.
제7도는 제4도의 7-7선 부분확대 수직 단면도.
제8도는 스프링 구조체가 최종 형태로 굽힘 가공되기 전의 형상을 도시하는 제3도의 부분확대 측면도.
제9도는 스프링 구조체가 최종 형태로 굽힘 가공된 후의 형상을 도시하는 제8도의 9-9선 단면도.
제10도는 제8도의 10-10선 확대 단면도.
제11도 및 제12도는 각기 제8도의 11-11선 및 12-12선 부분확대 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 연료 조립체 12 : 하부 노즐
14 : 딤블 16 : 지지격자
18 : 연료봉 20 : 계기안내판
22 : 상부 노즐 24 : 펠릿
26, 28 : 단부 플러그 32 : 제어봉
34 : 제어장치 44 : 슬롯
46 : 셀 48 : 개구
56 : 연로봉 파지 부재 또는 딤플 구조체
58 : 연로봉 파지 부재 또는 스프링 구조체
60 : 레그 또는 외부 부분 62 : 중간 부분
64, 66, 74, 78 : 모따기부 42 : 중간 부분 또는 내부 부분
본 발명은 핵연료 조립체에 관한 것으로, 특히 그 속에서 사용되는 핵연료봉 지지격자에 관한 것이다.
대부분의 원자로에서, 노심은 다수개의 긴 연료 조립체를 포함하며, 각각의 연료 조립체는 연료 조립체를 따라서 축방향으로 간격지고 긴 제어봉 안내 딤블(thimble)에 부착된 다수의 격자(grid)에 의해서 조직화된 배열로 유지되는 다수개의 연료봉을 포함하고, 상기 제어봉 안내 딤블은 연료봉의 상부 단부 및 하부 단부를 약간 지나 연장하며 이들의 대향 단부에 고정된 상부 노즐 및 하부 노즐을 가진다. 본 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 격자는 연료봉을 측방향으로 지지하고, 이들 서로를 정확하게 이격시키며, 연료봉의 진동을 방지하고, 연료봉을 어느 정도까지는 종방향으로 이동하지 못하게 마찰력으로 지지하는데 사용된다. 본 발명의 출원인에게 양도된 미국 특허 제 4,492,844 호에는, 연료봉과 제어봉 안내 딤블을 개별적으로 수용하는 다수의 셀을 규정하는 계란판형 구조체를 형성하도록 서로 사이에 끼워진 다수의 내부 및 외부 스트랩으로 구성된 격자가 개시되어 있다. 상기 셀 내에는, 서로 사이에 끼워진 금속 스트랩으로 형성되고 이것으로부터 각각의 셀의 중심부를 향하여 돌출하는 비교적 탄성인 스프링 및/또는 비교적 강성인 돌출부[딤플(dimple)로 지칭됨]가 제공되어 있어서 연료봉이 이들을 통과하여 연장되는 경우 각각의 연료봉을 충분히 마찰적으로 파지하게 된다. 내부 스트랩의 단부는 외부 격자 스트랩에 연결되며, 상기 외부 격자 스트랩은 격자 둘레의 주변으로 연장하며 전체의 격자에 강도와 견고성을 부여하도록 서로 연결된다.
이러한 종래의 격자 구조는 연료봉 파지 스프링은 수직방향으로 배향되는바, 즉 이들은 격자 셀의 종축에 평행하게 연장된다. 따라서, 스프링은 소망의 탄성을 가지도록 일정한 길이를 가져야 하기 때문에, 격자를 높이 방향으로 길게 할 필요가 있어서 연료 조립체에 사용되는 기생 구조 재료(parasitic structural material)의 양을 증가시키며, 또한 연료 조립체를 통과하는 냉각재의 압력강하를 증가시킨다.
미국 특허 제 4,756,878 호에는 격자 스트랩의 상류측 모서리를 볼록하게 만곡시키고 그들의 하류측 모서리를 경사지게 하여 격자를 통과하는 냉각수의 압력강하를 감소시키기 위한 것이 제안되어 있다. 특히, 상기 특허에서는 상류측 격자 스트랩 모서리가 베벨링(beveling)[코인닝(coining)] 및 에칭, 연마재 적용 또는 전자나 레이저 비임 용융 등의 유사한 방법에 의하여 반원통형 또는 반타원체형 형상의 유선형으로 가공되는 것이 제안되어 있다.
본 발명의 목적은 압력강하를 더욱더 감소시킬 수 있는 개선된 격자 구조를 제공하고자 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 첨부된 독립청구범위 또는 그 어떠한 종속청구범위에서 특징으로 하는 것과 같은 핵연료봉 지지격자에 관한 것이다.
실험을 통하여 연료봉 지지격자에 있어 딤플 및 스프링 구조체와 같은 연료봉 파지 부재의 상류측 및 하류측 모서리에 모따기부를 완전히 형성하면 압력 강하를 크게 감소시킴을 알았다. 특히, 딤플 구조체의 외부 부분의 양측 종방향 모서리상에 양 측면에서 모따기부를 형성하면 10% 이상으로 압력강하를 감소시키고, 스프링 구조체의 양측 종방향 모서리를 모따기하면 대략 같은 정도로 압력강하가 감소됨을 알았다. 또한, 양 대향 모서리를 모따기하면 딤플 구조체를 통한 흐름 특성이 더욱 개선됨을 알았다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다.
하기의 설명에서, 유사한 참고부호가 몇 개의 도면에 걸쳐서 유사하거나 상응한 부품을 나타내며, 전방, 후방, 좌측, 우측, 상방으로, 하방으로 및 유사한 용어가 편의상 단어로서 사용되며 제한적인 용어로서 해석되지는 않는다.
도면, 특히 제1도를 참조하면, 일반적으로 참조부호(10)로 표시되어 도시된 연료 조립체는 가압수형 원자료(PWR)에서 사용되는 형태이다. 기본적으로, 연료 조립체는 원자로(도시되지 않음)의 노심 구역속의 하부 노심판(도시되지 않음)상에 조립체를 지지하는 하단 구조체 또는 하부 노즐(12)과, 상기 하부 노즐(12)로 부터 상방으로 종방향으로 돌출하는 다수의 안내 튜브 또는 안내 딤블(14)과, 상기 안내 딤블(14)을 따라서 축방향으로 이격지고 그것에 의해서 지지되는 다수의 횡단 지지격자(16)와, 상기 지지격자(16)에 의해서 조직화된 배열로 횡방향으로 이격되어 지지되는 다수의 긴 연료봉(18)과, 연료 조립체의 중심에 위치된 계기안내관(20)과, 상기 안내 딤블(14)의 상단부에 부착된 상단 구조체 또는 상부 노즐(22)을 포함한다. 각각의 연료봉(18)은 핵분열성 물질로 제조된 핵연료 펠릿(pellets)(24)을 포함하며, 단부 플러그(26, 28)에 의해서 밀폐 시일된 대향 단부를 갖는다. 통상적으로, 펠릿을 확실하게 저장 유지하도록 상부 단부 플러그(26)와 펠릿(24)사이에 플리넘 스프링(plenum spring)(30)이 위치된다. 원자로의 운전중에는, 물 또는 붕소를 함유한 물(water containing boron)과 같은 액체 감속재/냉각재가 유용한 일을 발생시킬 목적에서 그속에서 발생되는 열을 추출하도록 노심의 연료 조립체를 통하여 상방으로 양수된다.
상부 노즐(22)은 방사상으로 연장하는 플러크(flukes) 또는 아암(38)을 갖는 내부에 나사가 형성된 원통형 부재(36)를 포함하는 봉 다발 제어장치(34)를 구비하고 있고, 상기 아암은 안내 딤블(14)내에서 이동가능한 제어봉(32)에 연결된다.
제어장치(34)는 본 기술분야에 잘 알려진 바와 같은 연료 조립체(10)내의 핵분열 공정을 제어하도록 안내 딤블(14)내에서 제어봉(32)을 축방향으로 이동시키도록 작동가능하다.
본 발명에 의한 연료봉 지지격자(16)를 도시하는 제2도 및 제3도를 참조하면, 지지격자(16)는 슬롯(44)이 형성된 다수의 내부 및 외부 스트랩(40, 42)으로 구성되며, 상기 슬롯에 의해서 스트랩은 계란판 형태로 서로 사이에 끼워져서 중공의 개방단의 셀(46)의 매트릭스와 다수의 개구(48)를 형성한다. 상기 셀(46)은 그를 통과하는 각각의 연료봉(18)을 수용하도록 설계되는 반면에 개구(48)는 그 내에 삽입된 슬리브(50)를 가지며, 상기 슬리브에 의해 지지격자(16)는 안내 딤블(14)을 따라 배치되는 안내 딤블(14)에 부착된다.
하나의 연료봉(18)을 수용하는 각각의 셀(46)은 셀벽을 형성하는 스트랩 부분과 셀을 통과하는 냉각재의 방향에 대체로 평행한 종축을 가진다. 외부 스트랩(42)의 각각의 셀형성 벽부분(52)은 이에 일체로 형성되고 인접한 셀(46) 내부로 돌출하는 딤플 구조체(도시되지 않음)의 형태인 횡으로(수평으로) 연장하고 수직으로(축방향으로) 이격진 한쌍의 연료봉 파지 부재를 가진다. 내부 스트랩(40)의 각각의 셀형성 벽부분(52)은 서로를 연결하는 2개의 인접한 셀과 공통이며, 그와함께 형성된 딤플 구조체(56)의 형태의 횡방향으로(수평으로) 연장하고 수직으로(축방향으로) 이격진 한쌍의 연료봉 파지 부재와, 딤플 구조체(56) 사이에 위치되는 대각선 스프링 구조체(58)의 형태인 횡방향으로 연장되는 연료봉 파지 부재를 가진다. 딤플 구조체(56)는 그 한측면에 대해 관련된 벽부분(52)으로부터 인접한 셀(46)내로 돌출되고, 스프링 구조체(58)는 그 대향 측면에 대해 상기 동일한 벽부분(52)으로부터 인접한 셀내로 돌출된다. 따라서, 지지격자(16)의 각각의 셀(46)은 그와 함께 결합된 6개의 봉 파지 부재, 즉 4개의 딤플 구조체(56)와 2개의 스프링 구조체(58)를 가지므로, 셀을 통하여 연장하는 연료봉(18)은 그 위의 원주방향으로 및 축방향으로 분포된 6개의 위치점에서 접촉한다.
제4도 내지 제7도를 참조하면, 딤플 구조체(56)는 스텐레스 스틸이나 지르코늄 금속과 같은 탄성 변형가능한 가요성 재료로 제조되며, 이들 각각은 각각의 내부 스트랩의 상응한 벽부분(52)으로부터 예컨대 압형 및 압인가공에 의해 형성된다. 각각의 딤플 구조체(56)는 한쌍의 이격되어 대향하는 레그 또는 외부 부분(60)과 이들사이에 있는 중간 부분(62)을 가진다. 각각의 딤플 구조체(56)의 외부 부분(60)은 그 외부 단부에서 각각의 벽부분(52)과 일체로 되며, 이들 벽부분(52)에 대해서 그로부터 떨어져서 이를 향하여 마주보게 경사진 관계로 그리고 서로 일직선으로 배치되게 연장한다. 각각의 딤플 구조체(56)의 중간 부분(62)은 그 외측 단부에서 각각의 외부 부분(60)의 내측 단부와 일체로 되어 있다. 딤플 구조체(56)의 특수한 배향으로 인하여, 그 외부 부분(60)과 그 중간 부분(62) 양자는 셀(46)을 통과하는 냉각재 흐름방향에 대해서 대체로 횡방향으로 연장한다.
각각의 딤플 구조체(56)의 외부 부분(60)과 중간 부분(62)은 각기 그 길이 방향으로 연장하고 서로에 대해 합쳐지는 각쌍의 대향 모서리(60A, 62A)를 가진다. 본 발명에 따르면, 각각의 외부 부분 모서리(60A)는 양호한 양측면 모따기부(64)를 가지며, 중간 부분 모서리(62A)는 양호한 단일 또는 일측면 모따기부(66)를 가지고, 일측면 모따기부(66)는 양측면 모따기부(64)보다 긴데, 예를들면 약 2배 길다. 외부 부분(60)과 중간 부분(62)은 대체로 편평한 형상으로 구성되며, 각각의 모따기부(64, 66)의 각각의 측면은 각각의 외부 부분과 중간 부분의 평면에 대하여 45°±5°의 범위내의 각을 이룬다. 또한, 중간 부분(62)의 각각의 모서리(62A)는 각각의 그 일측면 모따기부(66)를 따라서 및 그로부터 외부로 연장하는 림(rim)(67)을 가진다.
제8도 내지 제12도로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료봉 파지 스프링 구조체(58)는 스텐레스 스틸이나 지르코늄 금속과 같은 탄성 변형가능한 가요성 재료로 이루어지며, 각각의 스프링 구조체(58)는 격자(16)의 셀(46)중 하나와 연결된 각각의 내부 스트랩(40)의 상응한 벽부분(52)으로부터 예를들면 압형 및 압인가공에 의해 형성된다. 각각의 내부 격자 스트랩 벽부분(52)은 그 스프링 구조체(58)의 대향 측면에 윈도우(68)를 규정하는 그속에 형성된 2개의 절단 부분을 가지며, 스프링 구조체는 윈도우(68)사이에 대체로 대각선으로 연장하며 관련된 벽부분(52)의 대각선으로 대향하는 상부 및 하부 부분에 일체로 연결되어 있다.
근본적으로, 각각의 대각선 스프링 구조체(58)는 2개의 대향하는 외부 부분(70)과 그 사이에 있는 중간 부분(72) 또는 내부 부분(72)으로 일체로 구성된다. 각각의 스프링 구조체(58)의 이격되어 있는 외부 부분(70)은 그 각각의 외측 단부에서 관련된 벽부분(52)의 상부와 하부 부분과 일체로 되고, 이들은 관련된 격자셀(46)의 중심 종축, 즉 냉각재 흐름 방향에 대해 서로에 대해 대체적으로 대각선으로, 바람직하게는 45°로 일직선으로 연장된다. 각각의 스프링 구조체(58)의 내부 부분(72)은 그 대향 외측 단부에서 각각의 외부 부분(70)의 내측 단부와 일체로 되고 마찬가지로 관련된 셀(46)을 통과하는 냉각재 흐름 방향에 대해서 대체로 대각선으로 연장된다.
각각의 스프링 구조체(58)의 외부 부분(70)과 중간 부분(72)은 그 길이 방향으로 연장하고 서로 합쳐지는 각쌍의 대향 모서리(70A, 72A)를 가진다. 외부 부분 모서리(70A)와 중간 부분 모서리(72A)의 각각은 모따기부(74), 바람직하게는 딤플 구조체(56)의 일측면 모따기부(66)와 대체로 동일한 단일 또는 일측면 모따기부(74)를 가진다. 각각의 스프링 구조체(58)의 외부 부분(70)과 중간 부분(72)은 대체로 편평한 형상이며, 각각의 모따기부(74)의 측면은 각각의 외부 또는 중간 부분의 평면에 대해서 45°±5°의 범위내의 각으로 설정된다. 또한, 외부 부분(70)과 중간 부분(72)의 각각의 모서리(71A, 72A)는 일측면 모따기부(74)를 따라서 외부로 그위에 형성된 림(76)을 가진다.
또한 양측면 모따기부(78)는 윈도우(68)의 모서리(80)상에 제공된다. 제4도 내지 제7도를 참조하면, 딤플 구조체(56)의 각각의 종방향 또는 길이 방향 모서리상에 각각의 모따기부(64, 66)를 규정하는 측면은 모따기된 모서리를 가지는 딤플 구조체 부분의 대향면을 포함하는 평면에 대해 경사진 관계로 평면사이에서만 연장되어 있으며, 상기 평면은 셀(46)을 통과하는 냉각재의 흐름 방향과 실질적으로 나란하다는 것을 분명히 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 연료봉(18)을 각기 수용하며 내부 스트랩의 대향하게 위치된 각쌍의 벽부분(52)들에 의해서 규정되는 개방단의 셀(46)들의 매트릭스를 형성하도록 서로 끼워 맞춤된 내부 스트랩(40)과 외부 스트랩(42)을 포함하며, 상기 각각의 벽부분(52)은 2개의 인접한 셀(46)들에 공통이며 상기 벽부분(52) 위에는 관련된 셀(46)을 통과하는 냉각제 흐름방향에 대해 횡방향으로 연장하는 탄성 변형가능한 재질로된 최소한 하나의 연료봉 파지 부재(56, 58)가 형성되며, 상기 각각의 연료봉 파지 부재(56, 58)는, 관련된 벽부분(52)에 연결되고 상기 관련된 벽부분(52)으로부터 서로를 향해서 대향 경사 관계로 연장된 외측 단부를 갖는 한쌍의 이격진 대향 외부 부분(60, 70)과, 상기 외부 분분(60, 70) 사이에서 연장되고 상기 각각의 외부 부분(60, 70)의 내측 단부에 연결된 외측 단부를 가지는 중간부분(62, 72)를 포함하는 핵연료봉 지지격자(16)에 있어서, 상기 외부 부분(60, 70)과 중간 부분(62, 72)은 대향하는 종방향 모서리(60A, 62A, 70A, 72A)를 각기 가지며, 상기 각각의 모서리 위에는 최소한 하나의 측면으로 이루어진 모따기부(64, 66, 74)가 각기 형성되고, 상기 측면은 각각의 외부 또는 중간 부분의 대향면을 포함하는 평면에 대해 경사진 관계로 평면사이에서만 연장되어 있으며, 상기 평면은 상기 냉각재 흐름 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 외부 및 중간 분분(60, 62, 70, 72)은 평편한 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 모따기부(64, 66, 74)의 상기 각각의 측면은 상기 평면에 대해서 45°±5°의 범위내의 각으로 경사진 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중간 분분(62, 72)은 그 각각의 종방향 모서리(62A, 72A)상의 모따기부(66, 74)를 따라서 그로부터 외부로 연장하는 림(67, 76)을 구비하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중간 분분(62, 72)은 각각의 종방향 모서리(62A, 72A)상의 모따기부는 일측면 모따기부(66, 74)로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료봉 파지 부재는 상기 냉각재 흐름방향에 수직하게 연장하는 딤플 구조체(56)이며, 상기 딤플 구조체(56)의 각각의 외부 부분(60)의 각각의 종방향 모서리(62A)상의 모따기부는 양측면 모따기부(64)로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료봉 파지 부재는 상기 냉각재 흐름방향에 대해 대각선으로 연장하는 스프링 구조체(58)이며, 상기 스프링 구조체(58)의 각각의 외부 부분(70)의 각각의 종방향 모서리(70A)상의 모따기부는 일측면 모따기부(74)로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  8. 제7항에 있어서, 스프링 구조체(58)의 각각의 외부 부분(70)은 그 각각의 종방향 모서리(70A)상의 모따기부(74)를 따라서 그로부터 외부로 연장하는 림(76)을 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 내부 스트랩(40)의 각각의 벽부분(52)이 상기 스프링 구조체(58)의 양 종방향 모서리(70A, 72A)를 따라서 윈도우(68)를 규정하는 절단 부분을 가지며, 상기 절단 부분은 각기 그 위에 형성된 양측면 모따기부(78)를 각기 갖는 모서리(80)를 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
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