KR100271885B1 - 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐 - Google Patents

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Abstract

어댑터 플레이트(11)는 그 표면에 수직이고, 하부 표면으로부터 돌출하며, 패턴으로 배열된 정사각형 단면의 관통 개구(16) 그룹으로 각각 나타내는 영역(15)과 셀 사이를 경계 결정하는 리브(12)를 포함한다.

Description

수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐
제1도는 가압 수형 원자로의 연료 조립체의 입면도.
제2도는 본 발명에 따른 여과용 하부 노즐의 평면도.
제2(a)도는 바람직한 실시예로서 가이드 튜브 근처의 어댑터 플레이트 관통 개구의 형상을 도시하는 노즐의 부분 평면도.
제3(a)도는 제2도의 선 3-3을 따라 취한 단면도.
제3(aa)도는 제3(a)도에 도시된 어댑터 플레이트의 확대 상세도.
제3(b)도는 제3(a)도의 확대 단면도로서 노즐의 변형예에 있어서의 어댑터 플레이트 개구의 종단면을 보여주는 도면.
제3(ba)도는 제3(b)도에 도시된 어댑터 플레이트 확대 상세도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 연료 조립체 2 : 연료봉
3 : 스페이서 4 : 가이드 튜브
5, 6 : 노즐 7 : 레그
8 : 코어판 11 : 어댑터 플레이트
11a : 상부면 11b : 하부면
12 : 리브 16 : 개구
18 : 가이드 튜브
본 발명은 경수 냉자식 원자로, 특히, 가압수형 원자로의 연료 조립체의 여과공 하부 노즐에 관한 것이다.
가압수형 원자로는 직립 위치에 나란히 배치되는 각기둥 조립체로 이루어지는 코어를 구비한다. 그 조립체들은 종방향 가이드 튜브 및 스페이서 격자로 이루어지고 노즐들에 의해 밀폐되며 그 내부에 연료봉들이 배치되는 프레임를 구비한다.
이른바 하부 노즐이라 불리는 조립체 노즐중의 하나는 원자로의 냉각수가 코어를 통해 직립 상방으로 통과하도록 허용하기 위하여 각각의 조립체의 레벨에 구멍이 뚫려있는 하부 코어판상에 안착한다.
그러한 노즐은 하부 코어판상에 안착하는 지지용 레그 및 연료봉 묶음의 방향에 대하여 횡으로 위치되고 지지용 레그와 합체되는 요소를 구비한다. 이 횡방향 요소는, 상호 평행하고 내측에 조립체의 가이드 튜브의 하단부가 고정되며 하부 노즐을 통과한후 직립 방향으로 조립체의 외표면과 접촉하면서 순환하는 원자로의 냉각수가 통과 및 분배되도록 조립체를 관통하는 개구를 가지는 상부면과 하부면을 구비한다.
하부 노즐의 어댑터 플레이트는 조립체의 프레임의 강도에 기여하며, 하부 노즐에 가해진 힘들이 흡수되고 연료봉들이 보호 유지되도록 보장하며. 조립체의 냉각수 통과 및 분배를 허용해야 한다.
재료의 부스러기들이 원자로의 주회로에 존재하여, 순환중에 있는 가압수에 의하여 부유되어 운반될 수 있다. 부스러기의 크기가 작은 경우(예컨대. 10mm 미만), 이 부스러기는 냉각수 통과용 구멍의 직경이 대개 10mm 보다 큰 하부 노즐의 어댑터 플레이트를 통과할 수 있다. 이 부스러기는 제 1 격자, 즉, 조립체의 최하위 지점에 배치되어 연료봉들을 균일한 패턴으로 보호 유지하는 스페이서 격자 레벨에서 연료봉들을 보호 유지하는 요소들과 연료봉들 사이에 끼이게 될 수 있다. 이 부스러기들은 이 영역에서 상당한 축방향 및 횡방향의 수압을 받아서 연료봉 외피를 마모시킬 수 있다. 이는 원자로의 주 시스템의 활성 레벨의 상승과 함께 외피의 기밀성의 손실을 초래하는 위험이 있다.
이러한 부스러기가 조립체의 내부로 부유운반되는 것을 방지하기 위하여, 조립체의 제 1 격자에 끼이기 쉬운 부스러기들을 막을만큼 충분히 작은 직경의 어댑터 플레이트 관통 구멍을 제공함으로써 하부 노즐의 어댑터 플레이트 레벨에서 냉각 유체를 여과하는 것이 제안되었다.
원형 단면을 가지는 작은 직경의 구멍은 어댑터 플레이트의 전체 단면에 걸쳐 정방명 그물 패턴으로 배치된다. 그러한 작은 직경 구멍의 패턴은 어댑터 플레이트를 통과하는 냉각 유체의 순환에 상당한 압력 강하를 발생시킨다.
냉각 유체의 순환때문에 조립체내에는 상향력이 발생한다. 상부 코어판에 부착되는 상승 방지 스프링이 연료 조립체의 상승을 방지하기 위하여 하부 코어판 방향으로 응력의 정(正)합력을 유지하는 역할을 한다.
이러만 목적을 성취하고 상승 방지용 스프링이 받는 응력을 감소시키기 위하여 연료 조립체상에 가해지는 유압을 감소시키는 것이 바람직하다. 그 수단은 조립체의 하부 노즐의 냉각 유체용 유동 통로를 증가시키는 것으로 이루어진다.
또한, 어댑터 플레이트는 전술된 기계적 항력의 함수를 충족시키기에 충분한 강도를 가져야한다. 그러므로, 어댑터 플레이트의 두께를 두껍게하지 않으면 어댑터 플레이트 관통 구멍의 밀도를 특정 한계를 벗어나서 증대시키는 것은 불가능 한 바. 이는 다시 압력 강하의 증대 및 연료봉들의 여유공간을 위하여 확보된 공간의 감소에 영향을 끼친다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 정렬되고 상호 평행하며 조립체의 냉각수의 통과를 허용하고 냉각수에 의해 부유 운반되는 부스러기를 막기 위하여 구멍이 뚫려있는 상부면 및 하부면을 가지며 횡방향으로 정렬되는 어댑터 플레이트를 구비한 수냉식 원자로용 연료 조립체를 위해 압력 강하가 적은 하부 노즐을 제공하는 것인 바, 이 하부 노즐은 노즐을 통한 냉각 유체의 순환시의 압력 강하를 극도로 낮은 수준으로 제한하고, 따라서 큰 강도를 가지면서 상승 방지용 스프링에 가해진 힘을 제한할 수 있게 한다.
결국, 어댑터 플레이트는 그 상하면에 대해 실질적으로 수직이며, 하부면으로부터 돌출하고, 그 사이에 어댑터 플레이트의 하부면 영역 및 셀(cell)을 한정하는 리브를 구비하는데, 각각의 셀에는 일정한 패턴으로 배치된 실질적으로 정방형 단면의 일군의 관통 개구가 형성된다.
본 발명을 보다 명확히 하기 위하여, 첨부 도면을 참고로 가압 수형 원자로의 연료 조립체용 여과 노즐의 비제한적 실시예를 예로들어 설명키로 한다.
제1도는 전체적으로 도면 번호 1로 지시되고 종방향의 가이드 튜브(4), 횡방향 스페이서(3) 및 단부 노즐(5, 6)로 이루어진 프레임내에 보호 유지되는 평행한 연료봉(2) 묶음으로 이루어지는 연료 조립체를 도시하고 있다. 스페이서(3)는 셀들이 각기 연료봉을 수납하는 격자로 이루어진다. 격자 패턴의 특정 위치는 길이가 연료봉의 길이보다 더 긴 가이드 튜브(4)에 의해 점유되어 있다. 각각의 가이드 튜브(4)는 조립체 길이에 따라 균일하게 이격되는 일군의 스페이서 격자에 고정된다.
또한, 가이드 튜브는 그의 일단부가 조립체의 상부 노즐을 형성하는 노즐(5)에 타단부가 하부 노즐을 형성하는 제 2 노즐(6)에 연결된다.
수리시에, 조립체는 제1도에 도시된 바와 같이 수직으로 위치되어 하부 노즐이 레그(7)에 의해 원자로의 하부 코어판(8)의 상부면상에 안장된다.
판(8)에는 원자로 코어를 형성하는 각각의 연료 조립체 레벨에서, 대응하는 하부 노즐(6) 아래로부터 나오는 4개의 냉각수 통과용 구멍이 뚫려있다.
지지용 레그(7)는 상부에서 횡방향 지지 요소(7)와 합체되며, 지지요소 상에는 가이드 튜브(4)의 하단부가 고정된다.
노즐 아래서 나오는 개구를 경유하여 하부 코어판(8)을 통과하는 원자로의 냉각수는 전체 두께를 관통하는 패턴의 개구가 뚫려있는 횡방향 요소(9)를 통과한다.
이러한 방법으로, 냉각수는 연료봉(2)과 접촉하면서 연직 상방으로 순환하게 되어 연료봉(2)을 냉각시키고 이와 관련하여 열 교환을 이루게 된다.
종래 기술에 따른 장치에 있어서, 횡방향 요소(9)는 문제의 개구에 의해 결정된 특정 한계보다 크기가 큰 부스러기를 여과하고 걸러냄과 동시에 냉각수의 통과를 보장하는 패턴의 개구로 전체 두께가 관통되어 있는 단일 평면의 어댑터 플레이트로 이루어진다.
본 발명에 따른 하부 노즐은 냉각수 통로 및 부스러기 여과 홀들이 제2도, 제3(a)도 및 제3(aa)도를 참고로 후술되는 바와 같은 특이한 배열로 위치되는 리브가 장착된 어댑터 플레이트를 구비한다.
본 발명에 따른 하부 노즐(10)의 어댑터 플레이트(11)는 그 평면 부분을 한정하는 평탄하고 상호 평행한 상부면(11a)과 하부면(11b) 및 어댑터 플레이트(11)의 상하부면(11a, 11b)에 수직이고 어댑터 플레이트의 하부면(11b)에 대하여 돌출하도록 배치되는 일군의 보강 리브(12)를 구비한다.
면(11a, 11b)과 리브(12)에 의해 한정되는 평면 부분으로 이루어지는 어댑터 플레이트(1) 전체는, 예컨대, 스테인레스 스틸편의 주조 및 기계 가공에 의해 단일편으로서 제조된다.
주조되는 강철 또는 합금은 다음과 같은 조성중 한가지를 갖는다.
- A 286 강철(Z 3 CNDTV 25-15) : C ＜ 0, 08, Ni 24 내지 27, Cr 13.5 내지 16, Mo 1.00 내지 1.50, Ti 1.90 내지 2.35, Al ＜ 0.35, U 0.10 내지 0.5, Mn ＜ 2.00, Si ＜ 1.00, 나머지는 철로 이루어짐.
- A 151 - 304 강철(Z 2 CN18 - 10) : C ＜ 0.03, Si ＜ 1.20. Mo ＜ 1.50, Cr 17 내지 20, Ni 8 내지 12.
- Inconel 718 (NC 19 FeNb).
상기 어댑터 플레이트는 또한 특정 실시예와 관련한 제3(b)도를 참고로 후술되는 바와 같이 함께 용접되는 2개의 편으로 제조될 수 있다.
상기 리브(12)는 대부분의 메쉬(mesh)가 정방형 또는 장방형인 패턴으로 배치되어 그 사이에 노즐의 측벽(14)과 함께 하부, 즉 연료 조립체로 도입하는 냉각수 흐름 방향을 향하여 개방되는 셀(13)을 한정한다.
상기 리브(12)는 또한 대체로 정방형 또는 장방형이고, 어댑터 플레이트 표면의 대부분을 점유하는 어댑터 플레이트(11)의 평면 부분 영역(15)을 한정한다. 그 영역(15)에서 어댑터 플레이트의 평면 부분에는 리브(12) 사이의 어댑터 플레이트의 하부면(11b)상에서, 나오는 소정 패턴의 개구(16)가 뚫려 있는데, 그 개구는 리브(12)사이에 포함된 영역(15)의 전체 표면을 점유한다.
상기 개구(16)는 상하부면(11a, 11b)사이의 어댑터 플레이트(11)의 평면 부분을 천공함으로써 형성된다. 개구(16)는 대체적으로 모두 동일한 정방형 형상이며 그 정방형의 대각선은 냉각 유체에 의해 부유 운반된 입자의 최소 크기와 거의 같거나 그보다 약간 작은 크기를 가지는데, 이것은 제 1 스페이서 격자를 고정하기 위한 요소들과 연료봉 사이의 공간에 입자들이 끼이게 되는 것을 방지하기 위하여 노즐(10)로 보호유지되는 것이 바람직하다.
이러한 부스러기의 최소 크기, 즉 개구(16)의 크기는 제 1 스페이서 격자의 가이드 부재와 연료봉 사이에 잔존하는 공간의 크기에 의하여 한정된다.
또한 어댑터 플레이트의 개구(16)는 어댑터 플레이트가 연료봉의 슬립이나 방사 증가의 경우에 연료봉을 유지할 수 있어야 한다. 따라서 연료봉은 냉각 유체가 연료봉을 냉각 시키도록 계속 순환할 수 있게 노즐의 어댑터 플레이트 상에 놓여진다.
제2(a)도에 도시된 양호한 형태에 있어서, 가이드 튜브(18a)의 인접부에 있는 다수의 개구(16)는 상기 가이드 튜브의 인접부에 있는 셀(13)의 형상에 적합하도록 그리고 조립체의 냉각 유체의 순환에 압력 강하를 최소화시키기 위하여 여러가지 횡단면 형상을 가질 수 있다. 특히 이러한 개구는 정방형(16a), 장방형(16b), 삼각형(16c) 또는 부등변 사각형(16d)일 수 있다. 그래서 냉각수가 통과하는 어댑터 플레이트의 유동 통로는 증가된다.
셀의 내부에서 개구(16)는 일반적으로 정방형을 가지므로 어댑터 플레이트를 통과하는 대부분의 개구(16)는 정방형 그물 패턴으로 배치된 정방형 개구로 구성된다.
종래의 가압수형 원자로용 연료 조립체의 경우에, 본 발명에 따른 하부 노즐은 수밀리미터, 예를들면 5mm 정도의 두께를 갖는 평면 부분을 구비한다. 리브(12)는 수 밀리미터 정도, 예를들면 5mm의 너비, 수 센티미터의 길이 그리고 15와 30mm 사이의 어댑터 플레이트의 평면에 직각 방향으로의 높이를 갖는다.
어댑터 플레이트의 평면 부분을 통과하는 개구(16)는 대부분이 정방형 단면을 가지며, 그 측면 크기는 수 밀리미터이다. 셀의 에지를 따라 가이드 튜브(18)(제2(a)도 참조)의 인접부에 배치된 개구는 셀의 형상에 더 적절히 어울리도록 정방형 이외의 형상을 가질 수 있다.
제2도에 도시된 바와 같이 개구(16)는 정방형 또는 장방형 또는 이런 간단한 형상과 약간 상이한 형상의, 어댑터 플레이트의 영역(15)을 점유하는 그룹 형태를 갖는 블록으로 군을 이룬다.
어댑터 플레이트의 재료로 가공된 개구(16)는 얇은 벽에 의하여 분리된다.
개구(16)는 예를들면 매우 높은 압력(수천 bar)의 연마 제트수(abrasive jet of water)를 사용한 플레이트의 천공에 의하여 일반적으로 제작되며, 상기 제트수는 연마 입자(예를들면 강옥(corundum))로 채워진다. 이러한 천공법과 수행 장치는 공지되어 있다. 디지탈 제어식 천공기를 사용하여 수천개의 구멍을 포함하는 제2도에 도시된 바와 같은 패턴의 플레이트를 천공하는 것이 가능하다. 이러한 자동 천공 작업은 수시간에 수행될 수 있다.
상이한 형태의 패턴이 동일한 방법에 의하여 제작될 수 있으며, 예를들면 레이저 빔을 사용하는 다른 공지된 천공법이 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것도 명백하다.
리브(12)는 교정부의 위치가 리브(12) 패턴의 교정부(17)에서 어댑터 플레이트에 가공된 구멍 내측에 고정된 조립체의 가이드 튜브(18)의 위치에 대응하는 패턴으로, 즉 금속이 비교적 두꺼운 이 리브의 교차 영역에 배치된다. 어댑터 플레이트의 강도 및 항력은 가이드 튜브를 고정하는데 필요한 구멍에도 불구하고 완전히 만족스런 수준으로 유지된다.
리브(12)의 주요 역활은 어댑터 플레이트의 평면 부분이 비교적 얇고 그 표면의 대부분에 걸쳐 천공이 수행되어 있다는 사실에도 불구하고 어댑터 플레이트에 충분한 강도를 제공하는 것이다.
또만 리브는 유체가 여과되는 영역(15)을 향하여 조립체의 냉각 유체를 안내한다.
조립체가 하부 코어 플레이트상에 놓이게 됨으로써, 노즐의 지지용 레그는 종래 기술에 따른 노즐의 경우에서와 같이 어댑터 플레이트의 모서리에 배치된다. 이러한 지지 레그는 제2도 및 제3(a)도에 도시되어 있지 않다.
개구(16)의 정방형 형상과 영역(15)의 표면을 점유하는 군들의 형상 및 패턴의 배열은 어댑터 플레이트의 유동 통로를 증가시키는 것을 가능하게하는, 즉 개구(16)의 전체 표면적과 어댑터 플레이트의 전체 표면적간의 비율을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
셀(13)의 에지의 인접부에 위치하는 개구에 적용되는 형상은 유동 통로를 또한 증가시키는 것을 가능하게 한다.
제2도에 도시된 바와 같은 배열에 의하여, 50% 정도의 유동 통로를 얻을 수 있으며. 따라서 종래 기술의 것보다 매우 낮은 압력 강하 계수를 얻는 것이 가능하다.
그러므로, 본 발명에 따른 노즐은 단일 패턴으로 배치된 원형 개구로 천공된 종래 기술에 따른 노즐보다 상당한 장점을 제공하는 것이 명백하다.
또한 본 발명에 따른 노즐은 매우 양호한 강도, 매우 높은 기계적 항력 그리고 냉각 유체를 위한 큰 유동 통로를 제공한다. 하부 노즐의 큰 유동 통로는 개선된 냉각 유체의 순환에 의하여 연료봉의 레벨에서 열 교환을 향상시키는 것을 가능하게 하여 더 큰 원자로의 효율을 얻게하는 것을 가능하게 한다.
제3(b)도 및 제3(ba)도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 노즐은 주조된 편이나 가공된 두꺼운 플레이트(제2도 및 제3(a)도에 도시된 바와 같이)를 가공하는 것뿐만 아니라 셀(23)의 패턴을 경계결정하는 벽(22)을 구성하는 구조체(20)상에 평면 어댑터 플레이트(21)를 부착시킴으로써 그리고 용접 라인(24)을 따라 용접(예를들면 레이저를 사용하여)하여 고정시킴으로써 단일 블록 형태로 제작될 수 있다. 평면 어댑터 플레이트(21)와 리브 구조체(20)는 얻고자 하는 특성에 따라 다른 재료로 구성할 수 있다.
이러한 경우에, 부착된 플레이트(21)의 천공은 용이하게 되며 각각의 셀(25)에 형성된 대략 정방형 단면의 개구(26)는 플레이트의 하부부분에서 확대된 단면을 가지도록 가공될 수 있으며 이것은 제3(a)도 및 제3(aa)도에 도시된 직선 개구의 크기를 얻기 위하여 어댑터 플레이트의 상부면으로 접근됨에 따라 더 작아지게 된다.
어댑터 플레이트의 하부면에 확대된 단면을 갖는 개구는 노즐을 통과하는 유동을 증가시키는 것을 가능하게하며 슬립이 발생하는 경우에 연료봉의 적절한 유지를 보장하면서 노즐의 강도와 항력을 감소시키지 않고 열교환을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술된 실시예에 제한받지 않는다.
그래서, 어댑터 플레이트가 제2도에 도시된 영역의 것과 다른 형상의 정방형 개구 패턴으로 천공되는 영역(15)을 착상하는 것이 가능하다. 특히, 이러한 영역의 형상은 조립체의 가이드 튜브의 배열에 의존한다 제2도에 도시된 배열은 24개의 가이드 튜브와 1개의 인스트루멘테이션 튜브를 포함하는 가압 수형 원자로용 연료 조립체에 상응한다.
보강 리브는 도시된 것과 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다.
결론적으로, 본 발명은 가압수형 원자로용 연료 조립체 뿐만 아니라 다른 경수로형 수냉식 원자로용 조립체에도 적용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 서로 평행하게 배열되며 조립체의 냉각수의 통과를 허용하고 냉각수에 의하여 이송되는 부스러기를 차단하도록 천공된 상부면(11a)과 하부면(11b)을 갖는 횡방향 배열의 어댑터 플레이트(11)를 구비하는, 감소된 압력 강하를 갖는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐에 있어서, 상기 어댑터 플레이트(11)는 그 면(11a, 11b)에 대해 수직으로 기계적 강도를 제공하며, 하부면(11b)으로부터 돌출하고, 패턴으로 배치된 정방형 단면의 관통 개구(16) 그룹으로 각각 나타나는 어댑터 플레이트의 하부면(11b)의 영역(15)과 셀(13)사이의 경계를 결정하는 리브(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리브(12)는 정방형 또는 장방형 그물 패턴으로 배치되어, 개구(16)가 형성된 영역(15)과 셀(13)이 정방형 또는 장방형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보강 리브(12)의 패턴은 개구가 연료 조립체의 가이드 튜브(18)를 고정하도록 제공된 교정부(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어댑터 플레이트(11)를 관통하는 개구(16a, 16b. 16c, 16d)는 영역(15)의 에지를 형성하는 리브(12)의 인접부에서 장방형, 삼각형, 부등변 사각형과 같은 기하학적 형상중에서 하나 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  5. 제1항에 있어서, 스테인레스 스틸 또는 니켈 합금으로 주조되어 가공된 단일편으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  6. 제5항에 있어서, A286 강철(Z 3 CNDTV 25-15), A151-304 강철(Z2CN18-10), 또는 니켈 합금(NC19FeNb)중 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  7. 제1항에 있어서, 개구(26)가 천공되고 어댑터 플레이트의 리브를 형성하도록 셀(23)을 경계 결정하는 벽(22)을 포함하는 구조체(20)상에 용접으로 고정된 평면 플레이트(21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  8. 제7항에 있어서, 상기 평면 플레이트(21)의 개구(26)는 어댑터 플레이트(21)의 하부면(21b)상에 상부면(21a)으로 접근함에 따라 더 작아지는 확대된 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 평면 플레이트(21)와 구조체(20)는 상이한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 원자로용 연료 조립체의 하부 노즐.
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