KR100318233B1 - 프레팅마모억제를위한h형스프링이부착된지지격자체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 핵연료집합체의 구성 부품중 연료봉을 지지하기 위한 지지격자체에 관한 것으로서 연료봉과 지지격자 스프링 및 딤플간의 접촉을 종래의 점접촉이나 선접촉이 아닌 등각의 면접촉이 되도록 함으로써 접촉부위에서 첨두응력의 크기를 감소시키고 유체유발진동에 의한 연료봉의 축방향 및 횡방향 미소 흔들림을 방지하여 연료봉과 지지부간의 상대운동을 감소시킴으로써 연료봉의 프레팅 마모 발생 가능성을 억제하게 위한 것이며, 스프링 지지점에서의 반력을 분산시킬 수 있는 형상을 갖도록 하여 안정적인 연료봉의 지지를 기하고 스프링의 탄성 거동 허용범위를 확장시켜 원자로의 운전중 변화하는 지지조건에서도 핵연료집합체의 수명기간 동안 건전한 연료봉의 지지를 가능하게 하기 위한 것이다.

Description

프레팅 마모 억제를 위한 Ｈ형 스프링이 부착된 지지격자체{Spacer Grid with H-spring for Fuel Rod Support}

본 발명은 원자로의 핵연료 집합체의 지지격자체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료봉의 표면과 등각인 중앙 굴곡부를 가진 H형 스프링과 연료봉의 곡률 반경과 동일한 곡률을 갖는 딤플을 부착하여 연료봉과 등각의 면접촉을 이루어 연료봉에 임의의 힘이 작용하더라도 안정된 지지 건전성을 유지할 수 있으며, 연료봉과의 사이에 간격이 발생하더라도 접촉력이나 굽힘 모멘트에 의한 연료봉의 프레팅(fretting) 마모 발생가능성을 감소시킬 수 있는 지지격자체에 관한 것이다.

지지격자체는 원자로 핵연료집합체의 구성 부품중 하나로 지지격자체의 각각의 격자에 있는 스프링 및 딤플이 연료봉을 정해진 위치에 배열되도록 지지하는 기능을 갖고 있다. 스프링 및 딤플에서 스프링력이 너무 작을 경우 연료봉을 정해진 위치에 배열할 수 없어 연료봉의 지지건전성을 상실할 가능성이 있으며, 너무 클 경우는 연료봉을 지지격자체로 삽입할 때 과도한 마찰저항력으로 인하여 연료봉의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생할 수 있고, 원자로 운전중에 중성자 조사에 의한 연료봉의 길이방향 성장을 적절히 수용할 수 없어서 연료봉이 휘게 되는, 즉 연료봉의 휨현상을 유발시킬 수 있다.

연료봉이 휘게 되면 연료봉은 인접한 연료봉들과 근접하거나 접촉하게 되어 연료봉 사이의 냉각수 유로를 좁게하거나 차단하게 되고 이것은 연료에서 발생한 열을 효과적으로 냉각수로 전달하지 못하기 때문에 국부적으로 연료봉 온도가 높아지는 현상을 초래하게 되고 핵비등 이탈의 발생 가능성을 높여서 핵연료의 출력을 감소시키는 주원인이 된다.

오늘날 핵연료의 개발은 고연소도 및 무결함을 달성할 수 있는 방향으로 추진되고 있다. 고연소도 핵연료를 개발하기 위해서는 핵연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키는, 즉 핵연료의 열적성능을 제고하여야 하며 열적성능의 제고를 위해 일차적으로 고려하는 것이 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 방법이다. 이를 위하여 지지격자체의 형상변경이 주로 이루어지고 있는데, 예로서 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로채널의 효율적인 구성 등을 들 수 있다.

그러나 이러한 열적 성능의 제고를 위한 방법은 핵연료봉 주변 냉각수의 흐름을 더욱 큰 난류 흐름이 되도록 하는 것을 토대로 하는 것이 대부분이며, 이는 핵연료봉 주변의 냉각수 흐름의 난류화로 인하여 핵연료봉이 진동할 수 있는, 즉 핵연료봉의 유체유발 진동의 원인이 된다. 핵연료봉의 유체유발 진동은 핵연료봉이 지지격자 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 서로 상대 미끄럼 운동하게 하는 요인이 되고 이로부터 연료봉의 접촉면에 국부적인 마모가 발생하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 "핵연료봉 프레팅 손상"을 일으키게 한다. 즉 고연소 핵연료 개발을 위해 열적 성능을 제고하는 방법이 다른 한편으로는 핵연료봉의 손상을 촉진시키는 결과를 가져올 수 있다. 여기서 프레팅 손상이란 두 물체의 접촉면에서 접촉압력 즉, 하중을 받으면서 상호간에 미세한 진폭의 수직 혹은 수평방향으로 상대적인 반복변위가 발생할 때 접촉표면에 발생하는 균열 및 균열의 성장으로 인해 발생하는 피로파괴 혹은 마모현상을 말한다.

핵연료봉의 프레팅 손상에서 접촉하는 두 물체는 핵연료봉과 지지격자 스프링 또는 딤플이며 접촉압력은 격자내로 핵연료봉이 장입된 후 지지격자 스프링의 변위와 연관된 스프링힘과 이에 대한 딤플의 반력으로부터 유발되며, 미세한 진폭의 수직 혹은 수평방향의 상대적인 반복변위는 핵연료봉의 유체유발 진동현상에 의해 발생한다. 프레팅 손상은 미시적인 관점에서는 균열의 성장거동이므로 프레팅 손상을 억제하기 위해서는 근본적으로 접촉표면에서의 균열의 발생 성장 등을 억제함으로써 가능하다.

이는 도 1에 도시된 종래의 핵연료집합체(1)를 통해 보다 명백히 알 수 있는데, 여기에서 핵료집합체(1)는 상단 고정체(2)와 하단 고정체(3) 사이를 다수의 안내관(4)으로 전체적인 골격을 형성하고 있으며, 연료봉(9)들을 지지하는 지지격자체(7 및 8)들을 안내관의 길이방향으로 일정한 간격을 두고 안내관과의 용접을 통해 핵연료집합체(1)를 형성하게 된다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 원리에 따라 구성된 인코넬(Inconel) 합금으로 구성한 지지격자체를 나타낸다. 여기에는 연료봉들을 지지하는 연료봉 단위격자(13)와 안내관이 삽입되는 안내관 단위격자(14)들이 있으며, 연료봉 단위격자는 2개의 스프링(18)들과 4개의 딤플(19)들의 6개 지지개소에서 연료봉과의 점접촉 또는 선접촉을 형성하고 있다.

도 3은 종래의 6점 점접촉 또는 선접촉을 나타내는 것으로 스프링(18)과 딤플(19)이 초기 상태에서는 안정된 구조로 되어 있으나 원자로의 운전중 변화하는 지지조건으로 연료봉과 이들 지지부들 사이에 간격이 발생할 수 있으며, 이것은 지지격자체의 제기능을 상실하게 하는 원인이 될 수 있다.

도 4a 및 도 4b에서는 종래의 스프링 및 딤플의 개략적인 형상을 도시하고 있다. 종래의 스프링 및 딤플은 연료봉과의 접촉이 비등각(non-conformal) 접촉을 형성하여 연료봉과 이들 지지부들 사이에 간격이 발생되면 고주기의 접촉하중에 의한 연료봉의 손상 발생 가능성이 있는 형상으로 되어 있음을 알 수 있다.

이와 같이 중요한 기능을 하는 지지격자체는 크게 두가지 측면, 즉 연료봉의 프레팅 마모손상 가능성 억제를 위한 방안과 연료봉의 수명기간 동안 격자내에서 건전한 지지상태를 유지할 수 있는 방안의 측면에서 살펴보면 다음과 같다.

첫째로, 연료봉의 프레팅 마모손상 가능성 억제와 관련하여서는 프레팅 마모발생 원인을 감소시키도록 노력해야 한다. 그런데, 프레팅 마모발생 원인은 원자로 운전중 중성자 조사에 의한 스프링력의 이완, 연료봉과 지지격자체간의 열팽창차이, 피복관의 크립에 의한 연료봉 직경의 감소 등에서 찾아볼 수 있으며, 이로 인해 연료봉과 지지격자체의 지지부들 사이에 간격이 발생될 수 있으며, 이러한 간격에서는 냉각수의 축방향 및 횡방향 유동에 의해 연료봉이 이들 지지부들에 접촉 및 분리를 반복함으로써 프레팅 마모발생 가능성이 커지게 된다.

둘째로, 연료봉의 지지건전성을 유지하기 위해서는 연료의 수명기간 동안 충분한 스프링력으로 연료봉을 지지할 수 있어야 한다. 그런데 연료봉 지지력은 원자로 운전중 지지격자 스프링과 딤플들이 중성자 조사에 의해 연료봉에 작용시킨 초기 스프링힘을 손실하는 방향으로 진행되는데 이로 인해 연료봉과 이들 지지부간에 간격이 발생될 수 있으며 이것은 냉각수의 유동에 의한 임의의 방향으로 연료봉에 작용하는 하중에 의해 연료봉의 지지 안정성을 상실할 수 있다.

따라서, 본 발명은 위에서 언급한 바와 같은 종래의 지지격자체가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 핵연료봉과 지지격자 스프링이나 딤플간의 접촉을 등각의 면접촉이 되도록 함으로써 접촉력을 분산시키고 연료봉의 진동현상을 완화함으로써 연료봉의 프레팅 마모 발생 가능성을 감소시키고 스프링의 탄성거동 허용범위를 넓게 함으로써 잔류 스프링력이 연료봉을 건전하게 지지하게 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 5점 또는 6점의 점접촉 또는 선접촉에 의해 연료봉을 지지하는 것보다 더욱 안정되게 연료봉을 지지할 수 있도록 하기 위해 면접촉이 되도록 하였을 뿐 아니라 이들 지지격자체로부터의 돌출부들이 연료봉의 길이방향으로 유동 단면적을 차단하지 않도록 하여 연료봉 주변으로의 균일한 냉각수의 유동을 가능하게 한다. 또한 연료봉과의 접촉면적을 더욱 크게 하여 연료봉과 지지격자 스프링 그리고 딤플간에 작용하는 힘을 분산시킬 수 있어 접촉면에서 첨두응력을 감소시키며, 연료봉에 작용하는 임의의 방향으로부터의 힘 또는 압력장의 변화에도 연료봉을 안정적으로 지지할 수 있도록 하는 데 또다른 목적이 있다.

그리고, 중앙 굴곡부와 딤플 상하단의 에지부를 매끄럽게 하여 핵연료의 제조 공정중 연료봉의 삽입이나 인출시 연료봉의 표면에 긁힘을 방지할 수 있도록 하는 데 또다른 목적이 있다.

도 1은 부분 절단된 종래의 연료 조립체 개략 사시도.

도 2a는 도 1에 도시된 지지격자체의 개략 평면도.

도 2b는 도 1에 도시된 지지격자체의 개략 입면도.

도 3은 도 1의 지지격자체에서 연료봉과 스프링 및 딤플과의 점접촉 또는 선접촉 상태를 도시한 사시도.

도 4a는 도 1의 하나의 격자만을 도시한 평면도.

도 4b는 도 1의 하나의 격자만을 도시한 입면도.

도 5는 본 발명에 따른 지지격자체에서 연료봉이 스프링과 딤플 사이에 등각 면접촉되어 있는 상태를 도시하는 사시도.

도 6a는 본 발명에 따른 H형 스프링이 부착된 지지격자체의 개략 평면도.

도 6b는 도 6a에 도시된 H형 스프링이 부착된 지지격자체에 연료봉이 삽입된 상태를 도시하는 지지격자체의 개략 입면도.

도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 H형 스프링의 사시도.

도 8은 도 6a에 도시된 딤플의 사시도.

도 9a는 도 5의 하나의 격자만을 도시한 평면도.

도 9b는 도 5의 하나의 격자만을 도시한 개략 사시도.

도 10은 도 7의 H형 스프링이 부착된 내부 스트립의 평면도.

도 11은 도 10의 입면도.

도 12는 도 11의 AA선 종단면도.

도 13은 도 7의 H형 스프링이 부착된 외부 스트립의 평면도.

도 14는 도 13의 입면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

9 : 핵연료봉 107 : 지지격자체

115 : 외부스트립 116 : 내부스트립

118 : 스프링 119 : 딤플

121 : 아치 122 : 중앙 굴곡부

따라서, 본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해, 외체를 형성하도록 둘레부분에 배열 설치되어 있는 복수의 외부 스트립과 상기 외부 스트립의 내부에 격자상으로 교차하여 종횡방향으로 배열되어 설치되어 있는 내부 스트립으로 이루어져 있으며, 상기 복수의 외부 스트립과 내부 스트립 사이에 또는 상기 복수의 내부 스트립 사이에 형성된 단위 격자에 연료봉이 삽입되도록 되어 있는 지지격자체에 있어서, 외부 및 내부 스트립은 중앙 개구부에 H형 스프링이, 중앙 개구부 상하면에 딤플이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 억제를 위한 H형 스프링이 부착된 지지격자체를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지지격자체(107)는 복수개의 단위격자(113)로 이루어져 있고, 프레팅 마모 억제를 위해 H형 스프링(118)이 단위격자(113)의 각 측면에 부착되어 있으며, 단위 격자(113)에 삽입되는 연료봉(9)을 지지하도록 되어 있다.

도 6a, 도 6b 및 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 지지격자체(107)는 중앙에 길이방향으로 개구된 절결부(141)를 구비한 외부 스트립(115)과 내부 스트립(116)으로 이루어져 있으며, 이 절결부(141)의 모서리 부분에는 H형 스프링(118)이, 절결부(141)의 상하단에는 H형 스프링(118)이 돌출한 방향과 반대방향으로 돌출된 딤플(119)이 각각 부착되어 있다.

여기에서 H형 스프링(118)은 절결부(141)의 측면 모서리와 인접하여 길이방향으로 배열 설치되어 있는 이중 아치(arch)부(121) 구조와 이 이중 아치부(121)의 중앙부를 연결하는 굴곡부(122)로 이루어져 있으며, 이때 이중 아치부(121)는 중앙부분이 볼록한 원호형태로 되어 자체적으로 횡방향 탄성을 갖도록 되어 있으며, 굴곡부(122)는 연료봉(9)의 곡률반경과 동일한 곡률로 만곡되어 있다. 또한 연료봉(9)과의 등각 면접촉이 가능하도록 되어 있는 딤플(119)은 연료봉(9)을 원주방향으로 둘러싸고 있는 형태의 면접촉을 하고 있다.

또한, 도 7에는 이들 H형 스프링의 형태가 상세히 나타내져 있는데, 여기에서 이중 아치부(121)는 위에서 언급한 바와 같이 연료봉(9)의 제기능인 탄성 지지거동을 감당하고 있으며, 중앙의 등각 굴곡부(122)는 연료봉과의 면접촉이 가능하도록 연료봉(9)과 동일한 곡률반경을 갖는 형상을 이루고 있다.

도 8은 스프링(118)의 반대쪽으로 역시 연료봉(9)의 곡률반경이 같도록 한 딤플(119)의 개략을 도시하고 있다. 이들 스프링(118)과 딤플(119)은 연료봉(9)의 곡률반경과 거의 같은 형상을 갖도록 하여 원자로의 운전중 연료봉에 임의의 방향으로 힘이 작용하더라도 그 안정된 지지를 가능하게 할 수 있도록 되어 있다.

도 9a 및 도 9b에서 본 발명의 지지격자체(107) 중 하나의 단위격자(113)만을 분리하여 H형 스프링(118)과 등각의 딤플(119)이 연료봉(9)의 원주방향으로 면접촉을 하고 있음을 확연히 알 수 있다.

도 10은 바람직한 실시예로 5×5 형태로 구성한 단위격자(113)의 내부스트립(116) 한쪽변을 도시하는 평면도로서, 5개의 H형 스프링(118)과 5쌍의 딤플(119)이 내부 스트립(116)에 각각 부착되어 있다.

도 11은 도 10에 도시된 내부스트립(116)의 입면도로서, 각 단위격자(113)의 중앙에 개구된 절결부(141)에 길이방향으로 H형 스프링(118)이 부착되어 있으며, 이와는 반대방향으로 한쌍의 등각 딤플(119)이 절결부(141) 상하단에 각각 부착되어 있음을 나타낸다. 이때 굴곡부(122)와 딤플(119)은 굴곡된 형태를 가짐으로 인해 하단에 형성된 통로(137 및 123)를 통해 냉각수가 통과할 수 있도록 함으로써 냉각수의 원활한 유동을 보장하도록 되어 있다. 또한, 내부스트립(116)은 120로 표시된 바와 같이 하단 딤플(119)과 딤플(119) 사이에 즉 절결부(141)와 절결부(141) 사이에 스트립(116)의 하단으로부터 중간부분까지 연장된 절결홈이 형성되어 종횡방향으로 배열 조립될 때 이 절결홈(120)이 상호 끼워맞춤됨으로써 하나의 지지격자체(107)를 형성하도록 되어 있다.

도 12는 도 11의 AA선을 따라 취한 내부 스트립(115)의 횡단면도로 H형 스프링(118)과 딤플(119)의 돌출방향이 반대방향임을 알 수 있으며, 이중 아치부(121)의 만곡 정도와 이중 아치부(121)의 중앙에 부착된 등각 굴곡부(122)의 돌출 정도를 알 수 있다.

도 13은 도 11 내지 도 13에 도시된 내부 스트립(161)과 같이 5×5 형태의 단위격자(113)를 구성하는 외부 스트립(115)의 평면도로서, 단위 격자(113)의 내부로 돌출된 H형 스프링(118)만이 외부 스트립(115)의 절결부(141) 모서리 부분에 부착되어 있을 뿐, 내부 스트립(116)의 경우에서와 같이 H형 스프링(118)의 반대방향으로 돌출되어 단위 격자(113) 외측으로 노출되는 딤플은 존재하지 않는다.

도 14는 도 13의 입면도로 위에서 언급한 바와 같이 내부스트립(116)과는 달리 H형 스프링(118)만이 절결부(141)의 모서리 부분에 길이방향으로 부착되어 있어 연료봉(9)의 지지측면에서 H형 스프링(118)의 유효길이를 변화시킬 수도 있고, 동일한 스프링으로 형상을 가지도록 하고 이 상하에 절단된 부분을 배제하여 강도적인 측면을 고려하여 그 형태의 변화를 가할 수 있다.

본 발명은 이와 같이 종래의 지지격자체에서 처럼 연료봉을 스프링이나 딤플부위에서 점접촉이나 선접촉이 아닌 등각의 면접촉을 이루도록 함으로써 원자로의 운전중 여러 외부 조건들의 변화에 기인한 연료봉에 임의의 방향으로의 하중이 작용하더라도 지지격자체의 제기능인 안정된 지지를 가능하게 할 수 있으며, 연료봉과 스프링이나 딤플간의 접촉을 등각의 면접촉으로 하여 접촉점에서의 반복하중이 작용하더라도 피로현상에 의한 마모의 발생 가능성을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 부수적으로 연료봉에 접촉하는 스프링 및 딤플의 형상을 냉각수의 유동단면을 차단하지 않는 형태를 이루고 있어 연료봉의 균일한 냉각을 기할 수 있다.

본 발명은 유체를 수송하는 배관계통과 그 지지 구조물, 보일러 또는 열교환기를 사용하는 일반 산업기기에서 가늘고 긴 봉 또는 관들과 이를 지지하기 위한 지지부들간의 마모, 피로에 의한 파괴를 억제하기 위한 목적에도 적용될 수 있을 것이다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 외체를 형성하도록 둘레부분에 배열 설치되어 있는 복수의 외부 스트립(115)과 상기 외부 스트립(115)의 내부에 격자상으로 교차하여 종횡방향으로 배열되어 설치되어 있는 내부 스트립(116)으로 이루어져 있으며, 상기 복수의 외부 스트립(115)과 내부 스트립(116) 사이에 또는 상기 복수의 내부 스트립(116) 사이에 형성된 단위 격자(113)에 연료봉(9)이 삽입되도록 되어 있는 지지격자체에 있어서,

   상기 외부 및 내부 스트립(115,116)은 중앙 개구부(131,141)에 H형 스프링(118)이, 중앙 개구부(131,141) 상하면에 딤플(119)이 부착되어 있고;

   상기 H형 스프링(118)은 상기 연료봉(9)의 길이방향으로 뻗어있는 이중 아치부(121)와 상기 연료봉(9)의 외주면과 면접촉하도록 만곡되어 있는 중앙 굴곡부(122)로 구성되고 상기 이중 아치부는 외부 및 내부 스트립(115, 116)의 중앙 개구부(131, 141)의 상하부에 부착되어 있으며 상기 중앙 굴곡부(122)는 이중 아치부(121)의 중앙을 수평으로 부착되어 있으며;

   상기 딤플(119)은 상기 연료봉(9)의 외주면과 면접촉하도록 있는 만곡되어 있고;

   상기 외부 스트립(115)은 상기 H형 스프링(118)만이 상기 중앙 개구부(131)에서 안쪽으로 돌출되어 부착되어 있는 것"을 특징으로 하는 프레팅 마모 억제를 위한 H형 스프링이 부착된 지지격자체.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 중앙 굴곡부(122) 및 상기 딤플(119)는 상기 연료봉(9)의 외주면과 등각을 이루도록 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 지지격자체.
3. 제1 항에 있어서,

   지르칼로이 또는 인코넬의 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 지지격자체.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 딤플(119) 및 중앙 굴곡부(122)는 종방향 에지부(135,137)가 상기 스트립(115,116)의 측면과 상기 아치부(121)에 각각 부착되어 상기 연료봉(9) 주변을 흐르는 냉각수의 유동단면에 대한 저항을 최소화하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 지지격자체.
5. 제1 항 또는 제4 항에 있어서, 상기 딤플(119) 및 중앙 굴곡부(122)는 상하단 에지부가 라운딩 가공되어 있거나 연료봉(9)과 접촉되는 반대방향으로의 절곡부를 갖는 것을 특징으로 하는 지지격자체.

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