KR100423738B1 - 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자 - Google Patents

Abstract

핵연료 집합체를 구성하는 지지격자에 있어서, 냉각수의 유동에 대한 압력손실을 크게 증가시키지 않으면서도, 난류유동, 강제횡류 및 회전유동을 복합적으로 강력하게 생성하여 핵연료봉 냉각 성능을 향상시킬 수 있도록 하기 위하여; 상부에 일체형으로 횡류유동발생부가 형성되는 다수의 제 1단위스트랩과 상부에 일체형으로 회전유동발생부가 형성되는 다수의 제 2단위스트랩이 반복적으로 병렬 배열되어 구성되는 격자스트랩 다수를 종횡으로 교차하도록 배열하여 다수의 교차지점을 형성하도록 결합되며, 상기 각각의 교차지점에서는 횡류유동발생부가 형성된 제 1단위스트랩과 회전유동발생부가 형성된 제 2단위스트랩이 교차하도록 하여, 각 교차지점의 상부에 서로 다른 회전유동발생부와 횡류유동발생부를 포함하여 이루어지는 복합유동혼합장치를 구비하여; 냉각수를 다양한 유동의 형태로 복합적이고도 강력하게 생성시켜, 표면근처에 형성되는 온도경계층을 파괴하고 각 수로간의 온도 불균형을 완화시켜 냉각성능을 상승시키는 효과를 가지는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자를 제공하는 것이다.

Description

복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자 {Spacer Grid with Hybrid Flow Mixing Device for Nuclear Fuel Assembly}

본 발명은 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자에 관한 것으로, 원자로 노심에 장전되어 핵연료봉을 지지하기 위해 사용되는 지지격자를 구성하는 격자스트랩의 상부 교차지점에 두 종류의 유동혼합장치가 설치되어 냉각수의 유동형태를 복합적으로 형성할 수 있는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자에 관한 것이다.

일반적으로 원자로에 사용되는 핵연료 집합체에는 도 1 에 도시된 바와 같이핵연료봉들이 가로와 세로 방향으로 일정하게 정렬되어 있으며, 상기 핵연료봉들은 노심내의 불균일한 중성자 분포에 의해 핵연료봉 출력의 크기가 서로 다르게 되고, 이에 따라 노심내 동일한 높이의 수평위치에서도 국부적으로는 노심내 온도분포가 균일하지 않게 된다. 만약 원자로에서 펌프의 작동이 멈추어 노심내 유량이 감소하거나 출력 제어봉의 이탈로 인한 주변 연료봉의 출력이 증가하는 등의 사고가 일어나는 경우, 노심내 가장 높은 핵연료봉 출력을 가진 핵연료봉 표면에서는 열적 한계조건인 드라이 아웃(Dryout)의 발생 확률이 높아진다. 드라이 아웃이란 핵연료봉 표면온도가 어느 일정 온도이상 올라가는 경우 가열면에서의 활발한 기포 발생으로 가열면 근처에 기포층이 형성되면서 열전달 성능이 급격히 나빠지게 되는데, 이로 인해 핵연료봉 표면의 온도가 국부적으로 급속히 올라가는 현상을 의미하는 것으로, 이 경우 핵연료봉의 표면온도는 금속의 용융점까지 도달하게 되어 녹게 되고, 이 부분을 통해 핵연료봉 내부에 밀봉되어 있던 방사능 물질들이 누출되면서 원자로가 오염되게 된다. 따라서, 이와 같은 사고의 발생 확률을 낮추고 안전여유도를 충분히 확보하기 위해 각 핵연료 제조회사들이 지지격자의 핵연료 냉각성능을 높이는데 노력하고 있다.

상기 지지격자는 기본적으로 핵연료다발의 핵연료봉을 일정한 간격으로 고정시켜 유지하므로 핵연료봉 사이를 지나는 냉각수의 수로(Channel)를 확보해 주는 역할을 하는 것이다. 그러나, 최근의 지지격자는 상기의 역할 외에 이를 구성하는 격자스트랩의 상부에 일체형으로 구성된 유동혼합장치를 부착하여 핵연료봉 사이에 형성된 수로에서의 유동혼합을 향상시키는 기능도 갖게 하고 있다. 이러한 유동혼합장치는 핵연료봉 표면 근처에 존재하는 온도 경계층(thermal boundary layer)을 파괴시켜 수로 내부의 온도분포를 균일화시키고 또한 수로간의 교차유동으로 인한각 수로의 평균온도 차이를 줄여 국부적으로 열적 한계조건에 빨리 도달하는 것을 억제하게 한다.

상기 지지격자는 일반적으로 4 센티미터 정도의 높이를 갖는 얇은 금속판을 핵연료봉의 피치 간격으로 상부 또는 하부에 슬롯을 구비하도록 한 다수의 격자스트랩을 서로 수직으로 교차하도록 끼워 조립함으로써 제작되며, 핵연료봉들은 상기 격자스트랩들이 형성하는 공간인 연료봉셀의 내부에 삽입되어 장전된다.

금속판으로 형성되는 상기 격자스트랩은 일반적으로 각각 자체에 형성되는 다수의 슬롯을 경계로 하여 단위스트랩으로 구분될 수 있으며, 이렇게 구분된 다수의 단위스트랩의 중심부분에는 핵연료봉을 지지하기 위한 격자스프링과 딤플 역할을 수행하는 돌출부들이 만들어져 있다. 일반적으로 가압경수로에 적용되는 핵연료집합체에서, 핵연료봉의 길이는 대부분 4 내지 5 미터정도이고 이를 지지하는 지지격자는 핵연료봉 길이를 따라 대체로 50㎝ 정도의 일정한 간격으로 위치하고 있다.

또한, 지지격자 중에는 핵연료봉을 지지하는 기능은 거의 없고 유동혼합 기능만을 강조한 중간 유동혼합기(IFM, Intermediate Flow Mixer)란 것도 사용되고 있는데, 이는 주 지지격자들 사이에 위치하여 주 지지격자의 유동혼합 기능이 약해질 때 추가적인 유동혼합을 일으켜 핵연료봉으로부터의 열제거 능력이 향상되도록 하는 것이다. 이러한 중간 유동혼합기의 유동혼합장치는 주 지지격자의 유동혼합장치의 것과 동일하나, 이를 구성하는 격자스트랩의 높이는 그 절반정도로 낮다.

다수의 핵연료봉을 포함하여 구성되는 핵연료집합체에서 핵연료봉 사이에 형성되는 수로들을 따라 흐르는 냉각수가 지지격자를 지나면서 형성될 수 있는 유동혼합의 형태는 크게 세 가지로 구분될 수 있는데, 첫째는 유돈혼합날개에 의한 난류유동(turbulent flow)의 증가이다. 이 유동형태는 흐름을 가로막는 유동장애물에서는 항상 일어나는데, 일반적으로 장애물의 하류에서 강한 와류가 발생함에 따른 것이다. 그러나 이러한 유동특성은 수로의 내부 및 수로간의 유동혼합효과는 매우 크나 빨리 감쇄하는 것으로 관찰되었다.

둘째는, 유동혼합날개에 의한 인접수로로의 강제횡류(forced cross flow)의 발생이다. 이 유동은 유동혼합날개에 부딪혀 반사된 냉각수가 인접수로로 이동하는 형태로 발생되는 것이므로, 수로간의 국부적 유동혼합의 효과가 크지만 그 영향권은 지지격자의 하류의 매우 제한된 거리가 될 것이다.

마지막으로, 유동혼합날개에 의한 수로내의 회전유동(swirl flow)의 발생이다. 이 유동은 유동혼합날개로 인한 선회방향 속도 성분으로 인해 발생되는데, 실험을 통해 관찰된 바에 의하면 상대적으로 오래 지속되는 특성을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다.

유동혼합장치에 의해 발생하는 상기한 바와 같은 형태를 나타내는 유동의 강도는 각 장치의 특성에 따라 달라진다. 종래 지지격자에 구비되던 유동혼합날개에 있어서, 격자스트랩의 교차지점에 두 개의 유동혼합날개가 형성된 경우는 난류유동과 횡류유동 발생이 강력하나 수로내의 회전유동은 미약한 약점이 있고 날개가 네 개인 경우는 난류유동이나 회전유동의 발생에는 유리하나 수로간의 횡류유동의 발생은 미미한 것이 일반적이다. 따라서, 유동혼합 효과를 최대한 증가시키기 위해서는 가능한 한 모든 유동형태가 복합적으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 유체의 온도가 포화온도에 근접하게 되면 가열면으로부터 기포가 발생하게 되는데, 이러한 조건에서 수로내의 회전유동은 원심력을 발생하여 밀도가 높은 액체는 수로 중심에서 핵연료봉 쪽으로 밀리고 밀도가 낮은 기포는 핵연료봉 표면에서 수로 중심으로 모이도록 한다. 그 결과 핵연료봉 표면에서의 열전달 효율이 높아져 지지격자의 유동혼합장치에 의한 열제거 능력이 크게 향상되게 된다.

지지격자의 유동혼합장치와 관련하여 고려되어야 할 다른 주요 인자로는 압력손실에 관한 사항이다. 압력손실이 커지면 수력양력을 받는 핵연료집합체 상부의 상부구조체에 구비되는 누름 스프링력이 커져야 하고, 그 힘은 반대로 노심의 상부 구조물에 전달되어 구조물에 부담을 주게 된다. 또한 핵연료의 압력손실이 커지면 원자로 노심의 유량 감소 요인이 되어 원자로의 안전여유도를 감소시킬 수 있다. 특히 기존 연료와 새로운 연료가 함께 존재하는 천이 노심의 경우는 수력적인 양립성을 위해 압력손실 차이가 지나치게 크지 않도록 하는 것이 중요하다.

지지격자에서의 압력손실은 표면에서의 속도구배로 인한 마찰 압력손실보다 유로면적 변화로 인한 형상 압력손실의 비중이 크므로 압력손실을 낮추기 위해서는 지지격자에서의 유로변화가 가능한 한 점진적이며 유선형이 되도록 하는 것이 필요하다. 특히 유동혼합날개의 경우 날개에 의한 유체의 전향 각도나 전향 방법에 따라서 압력손실은 크게 영향을 받는다. 즉, 유동혼합날개의 설계시에는 유동혼합 효과 및 압력손실들을 고려하여 최적의 형상을 찾아야 하는 것이다.

유동혼합을 위하여 지지격자에 구비되는 유동혼합장치들이 종래에도 여러가지가 고안되어 사용되어 왔다.

예로서, Edmund E.DeMario 등에 허여된 Westinghouse 사의 미합중국 특허 제 4,692,302호의 유동혼합장치는 가로와 세로로 서로 교차하는 격자스트랩에서 한쪽의 격자스트랩 상부에만 교차지점을 중심으로 두 개의 혼합날개가 뻗어 나와 격자스트랩 윗면을 축으로 반대 방향으로 굽혀서 만든 것을 제시하고 있다. 이와 같은 경우의 유동혼합장치는 속도가 빠른 수로 중앙의 축방향 유동을 교차류로 변화시킴에 따라 수력적 측면에서 높은 압력손실을 발생시키는 문제점을 내포하고 있다.

또한, Thomas Rodack 등에 허여된 Combustion Engineering 사의 미합중국 특허 제5,440,599호의 유동혼합장치는 가로와 세로의 서로 교차하는 격자스트랩중 한쪽의 격자스트랩 상부로부터 뻗은 삼각형의 지지대를 구비하며, 그 지지대 양 측면에 유동혼합날개가 반대 방향으로 굽혀져 있는 것을 보여 주고 있다. 이 때 유동혼합장치를 통해 발생한 횡류는 수로 중앙부를 통해 흐르는 축방향의 주류와 충돌하여 횡방향으로의 유동 진행을 방해받음에 따라 냉각재 혼합 성능의 효율이 떨어질 수 있다.

한편, Micheal E.Aldrich 등에 허여된 BW Fuel Company 사의 미합중국 특허 제 5,299,245호의 경우는 가로와 세로로 서로 직교하는 격자의 한 교차지점에 4개의 동일한 형상의 혼합날개가 있는데 이 날개들은 모두 격자스트랩 윗면을 경계로하여 굽혀져 있다. 이러한 경우 이들 날개에 의해 발생된 유동들은 사방으로 대칭적인 특성을 가지므로 인접수로로 향하는 유동이 있더라도 수로간 경계가 되는 핵연료봉 사이의 간극에서는 인접수로로부터 유입되는 유동과 서로 충돌하게 된다. 따라서, 수로간의 유동혼합이 일어나기가 힘들게 되는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로,

본 발명의 목적은 지지격자의 압력손실을 크게 증가시키지 않으면서도, 난류유동, 강제횡류 및 회전유동을 복합적으로 강력하게 생성하여 핵연료봉의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자를 제공하는 것이다.

도 1 은 일반적인 핵연료집합체의 개략적 사시도.

도 2 는 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 횡류유동발생부 관점에서 도시한 사시도.

도 3 은 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 회전유동발생부 관점에서 도시한 사시도.

도 4 는 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 도시한 평면도.

도 5 는 본 발명에 따른 복합유동혼합장치에서 횡류유동발생부와 회전유동발생부에 대한 정면도.

도 6 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 가진 지지격자에 연료봉다발이 삽입된 상태를 도시한 평면도.

도 7 은 본 발명에 따른 횡류유동날개를 2중 굽힘한 경우의 실시예를 도시한 정면도.

도 8 은 본 발명에 따른 횡류유동발생부에 돌출단이 포함되어 형성된 경우의 실시예를 도시한 정면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

(100) 복합유동혼합장치 (110) 횡류유동발생부

(111) 제 1지지대 (111a) 지지대 양측면

(112) 횡류유동날개 (115) 돌출단

(α) 횡류유동발생부의 제 1지지대 측면과 제 1단위스트랩 윗면이 이루는 예각

(120) 회전유동발생부 (121) 제 2지지대

(121a) 지지대 양측면 (122) 회전유동날개

(β) 회전유동발생부의 제 2지지대 측면과 제 2단위스트랩 윗면이 이루는 예각

(210,220) 제 1, 제 2단위스트랩 (300) 핵연료봉

(400) 수로의 내접원

이를 실현하기 위한 본 발명은,

얇은 금속판으로 형성되는 다수개의 격자스트랩를 가로와 세로로 교차하도록 배열하여 조립되어, 다수의 교차지점을 형성하고 핵연료봉이 장입되는 공간이 되는 다수의 연료봉셀을 형성하며, 상부에 냉각수 혼합용의 유동혼합장치가 설치된 핵연료집합체 지지격자에 있어서;

상부에 일체형으로 횡류유동발생부가 형성되는 다수의 제 1단위스트랩과, 상부에 일체형으로 회전유동발생부가 형성되는 다수의 제 2단위스트랩이 반복적으로 병렬 배열되어 구성되는 격자스트랩 다수를 종횡으로 교차하도록 배열하여 다수의 교차지점을 형성하도록 결합되며,

상기 각각의 교차지점에서는 횡류유동발생부가 형성된 제 1단위스트랩과 회전유동발생부가 형성된 제 2단위스트랩이 교차하도록 하여, 각 교차지점의 상부에 서로 다른 회전유동발생부와 횡류유동발생부를 포함하여 이루어지는 복합유동발생장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 지지격자를 제공한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 횡류유동발생부 관점에서 도시한 사시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 회전유동발생부 관점에서 도시한 사시도를, 도 4 는 본 발명에 따른 복합유동혼합장치에 대한 평면도를 도시한 것으로,

본 발명의 지지격자를 구성하는 격자스트랩은 서로 상이한 형태의 유동혼합장치를 각각의 상부에 구비하는 두 종류의 단위스트랩이 반복적으로 병렬 배열된 형태로 형성되며, 이와 같은 격자스트랩은 서로 다른 형태의 유동혼합장치를 구비하는 단위스트랩이 각 교차지점을 형성하도록 종횡으로 배열되어 본 발명의 지지격자를 구성하게 되는 것이다.

상기 격자스트랩을 구성하는 단위스트랩은 상부에 횡류유동발생부(110)가 일체형으로 형성된 제 1단위스트랩(210)과, 상부에 회전유동발생부(120)를 일체형으로 형성한 제 2단위스트랩(220)으로 구분될 수 있다. 상기한 바와 같이 형성된 다수의 격자스트랩을 교차시켜 결합할 때, 각각의 교차지점에서 제 1단위스트랩과 제 2단위스트랩이 교차하도록 하여 교차지점 상부에 상기 횡류유동발생부(110)와 회전유동발생부(120)를 포함하여 구성되는 복합유동혼합장치(100)가 형성되도록 되어 있다.

상기 횡류유동발생부(110)는 횡류유동을 주로 발생시키는 것으로, 도 5 에 도시된 바와 같이 제 1단위스트랩(210)의 상부에 일체형으로 이등변사다리꼴 형상의 제 1지지대(111)가 형성되고, 상기 제1지지대(111)의 이등변(양 측면,111a)에 횡류유동날개 (112)가 일체형으로 각각 연장되어 있다. 이때, 상기 제 1지지대(111)와 2개의 횡류유동날개(112)는 일정각도를 구비하도록 형성되어 있으며, 2개의 횡류유동날개(112)는 제 1지지대(111)를 중심으로 서로 반대되는 방향으로 굽혀져 형성되어 있다. 또한, 횡류유동날개(112)는 사다리꼴 형태의 상기 제 1 지지대(111)의 측면 폭과 동일한 밑면을 가지며, 위로 뻗으면서 좁아지는 형상을 구비한다.

또한, 상기 제 1지지대(111)의 아래쪽 양 사잇각(지지대 측면과 격자스트랩 윗면이 이루는 예각 (α))은 45°이하가 되도록 하여, 횡류유동날개(112)에 의해 전향된 유체가 핵연료봉(300) 사이로 잘 빠져나갈 수 있도록 즉, 인접 수로로의 횡류유동이 가능한 잘 일어나도록 되어 있다.

또한 많은 횡류유동이 발생하기 위해서는 가능한 한 날개의 폭을 키워야 하므로, 이를 위하여 사다리꼴의 상기 제 1지지대(111)의 밑면 폭을 단위스트랩의 폭과 동일한 정도로 형성한다. 상기 제 1지지대(111)의 윗면은 수로를 따라 흐르는 기포들이 자체의 측면에서 연장되는 횡류유동날개(112)의 굽혀진 면에 부딪치면서 날개를 따라 수로중심으로 안내되었을 때, 이 기포들이 수로 중앙으로 빠져나갈 수있는 공간을 제공하게 된다. 뿐만 아니라, 상기 제 1지지대(111)의 윗면은 가로와 세로로 배열되는 격자스트랩간의 용접을 위한 탭을 위치하게 할 수 있는 부분으로도 활용할 수 있다.

상기 회전유동발생부(120)는 회전유동을 주로 발생시키는 것으로, 도 5 에 도시된 바와 같이, 제 2단위스트랩(220) 상부에 일체형으로 이등변 사다리꼴 형상의 제 2지지대(121)가 형성되어 있으며, 상기 제 2지지대(121)의 이등변(양 측면,121a)에 각각 회전유동날개(122)가 일체형으로 형성되어 있다. 상기 회전유동날개(122)는 제 2지지대(121)를 중심으로 동일한 각도로 굽혀져 있으며, 두 개의 회전유동날개(122)는 상기 제 2지지대(121)를 중심으로 서로 반대되는 방향을 향하도록 굽혀져 있다. 또한, 회전유동날개(122)는 상기 제 2지지대(121)의 측면 폭과 동일한 밑면을 가지며, 위로 뻗으면서 좁아지는 형상을 구비한다.

또한, 상기 회전유동발생부(120)의 제 2지지대(121)는 지지대의 아래쪽 양 사잇각(지지대 측면과 격자스트랩 윗면이 이루는 예각, β)을 45°이상이 되게 형성하여, 축방향의 유동이 날개에 의해 전향될 때 인접수로로 향하게 되는 횡류 성분은 가능한 억제하고 선회유동 성분이 커지도록 되어 있다. 이는 횡류성분이 커지면 인접수로에서 들어오는 횡류와 서로 부딪혀 수로간 유동혼합 효과가 감소하기 때문이다.

또한, 도 6 에 도시된 바와 같이 4개의 핵연료봉(300)으로 이루어진 수로의 내접원(400)의 직경보다 제 2지지대(121)의 밑면 폭이 클 경우, 회전유동 부분은 선회하면서 핵연료봉(300)과 충돌하게 되어 오히려 회전유동을 감쇄시키므로, 상기제 2지지대(121) 밑면의 폭은 내접하는 원의 직경과 같거나 작게 형성한다.

또한, 상기 제 2지지대(121)의 윗면은 수로를 따라 흐르는 기포들이 날개의 굽은 면에 부딪치면서 날개를 따라 수로중심으로 안내되었을 때 이 기포들이 수로 중앙으로 빠지도록 하는 공간이 되며, 가로와 세로로 배열되는 격자스트랩간의 용접을 위한 탭을 위치하게 할 수 있는 부분으로도 활용된다.

도 5에 도시한 도면을 참조하면, 본 발명의 지지격자는 횡류유동발생부(110)와 회전유동발생부(120)가 각각 형성된 서로 다른 단위스트랩들이 병렬로 형성된 격자스트랩으로 구성되며, 또한 특성을 달리하는 두 유동혼합장치의 상대적 크기 및 모양에 대한 이해가 용이할 것이다.

도 6 은 본 발명에 따른 복합유동혼합장치를 가진 지지격자에 핵연료봉 다발이 삽입된 상태를 도시한 평면도로서, 제 1지지대(111)와 횡류유동발생부(110), 제 2지지대(121)와 회전유동발생부(120)가 일체형으로 각각 형성된 두 형태의 단위스트랩이 병렬로 반복 형성된 다수의 격자스트랩를 종횡으로 교차하도록 결합하여 다수의 교차지점을 형성하도록 하고, 또한 각 교차지점에서는 각각 횡류유동발생부(110)와 회전유동발생부(120)가 일체형으로 형성된 서로 다른 단위스트랩이 교차하도록 결합하면, 두 종류의 단위스트랩이 형성하는 각 교차부위에는 두 개의 횡류유동날개(112)와 두 개의 회전유동날개(122)가 일방향(시계방향 또는 시계반대방향)으로 굽혀져 형성된다. 즉, 각 단위스트랩(210)(220) 교차지점에서 회전유동날개(122)의 굽힘 방향은 맞물린 기어가 돌아가는 것과 같이 형성되어 있으며, 횡류유동날개(112)도 동일한 굽힘 방향을 구비하나 횡류가 서로 충돌하지 않도록 엇갈려서 되어 있다. 이때 상기 횡류유동날개(112) 및 회전유동날개(122)에 의한 수로간 및 수로내 유동 방향은 화살표와 같다.

또한, 횡류유동을 인접수로로 더 잘 보내기 위하여, 도 7 에 도시된 바와 같이 상기 횡류유동날개(110)에 2 단으로 굽힘을 주어도 되며, 좀더 효율적인 횡류유동의 발생을 위해, 도 8에 도시한 바와 같이 상기 제 1지지대(111)의 아래쪽 사잇각(α)을 줄이고자 사다리꼴 형태의 상기 제 1지지대(111)와 제 1단위스트랩의 상부 사이에 의 돌출단(115)을 형성하여 적용할 수도 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

이와 같이 본 발명의 핵연료집합체 지지격자는 형성된 각 교차지점의 상부에 회전유동발생부 및 횡류유동발생부를 포함하여 이루어지는 복합유동혼합장치가 위치하도록 조립되므로써, 핵연료봉다발 사이에서 흐르는 냉각수의 혼합을 용이하게 하고, 유동을 복합적으로 또한, 강력하게 생성시켜, 핵연료봉 표면근처에 형성되는 온도경계층의 파괴 및 핵연료봉 사이에 형성되는 각 수로간의 온도 불균형 완화를 통해 지지격자에 의한 열제거 능력이 향상되는 효과가 있으며,

또한, 지지격자의 교차지점에 위치하는 복합유동혼합장치는 2개의 날개가 아닌 4개의 날개로 되어 있어 각 사분면에 있는 날개에 의해 기포들을 수로 중앙으로 용이하게 모을 수 있으며, 이로 인해 기포가 연료봉 표면을 덮게 될 때 발생되는 열전달 감소를 완화시킬 수 있다.

또한, 횡류/회전유동날개들이 사다리꼴 형상의 지지대의 측면에 일정각도를 구비하도록 비스듬히 굽혀져 있어, 유동저항을 줄이고, 압력손실을 저하시키도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 핵연료다발 이외에, 보일러나 열교환기 등에서 사용하는 긴 봉 또는 관으로 이루어진 구조물에도 열전달 효율을 높이기 위하여 활용될 수 있는 효과적인 발명인 것이다.

Claims (11)

1. 얇은 금속판으로 형성되는 다수개의 격자스트랩를 가로와 세로로 교차하도록 배열하고 조립되어, 다수의 교차지점을 형성하고 핵연료봉이 장입되는 공간이 되는 다수의 연료봉셀을 형성하며, 상부에 냉각수 혼합용의 유동혼합장치가 설치된 핵연료집합체 지지격자에 있어서;

   상부에 일체형으로 횡류유동발생부가 형성되는 다수의 제 1단위스트랩과, 상부에 일체형으로 회전유동발생부가 형성되는 다수의 제 2단위스트랩이 반복적으로 병렬 배열되어 구성되는 격자스트랩 다수를 종횡으로 교차하도록 배열하여 다수의 교차지점을 형성하도록 결합되며,

   상기 각각의 교차지점에서는 횡류유동발생부가 형성된 제 1단위스트랩과 회전유동발생부가 형성된 제 2단위스트랩이 교차하도록 하여, 각 교차지점의 상부에 서로 다른 회전유동발생부와 횡류유동발생부를 포함하여 이루어지는 복합유동혼합장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 횡류유동발생부는 제 1단위스트랩의 상부에 일체형으로 이등변사다리꼴 형상의 제 1지지대가 형성되고, 상기 제 1지지대의 양 측면에 횡류유동날개가 일체형으로 각각 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
3. 제 2 항에 있어서;

   상기 제 1지지대의 양 측면에 각각 형성된 두 개의 상기 횡류유동날개는 상기 제 1지지대 측면의 폭과 동일한 밑면을 가지고 위로 뻗으면서 좁아지는 형상이며, 상기 제 1지지대를 중심으로 서로 반대되는 방향으로 굽혀져 형성되는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
4. 제 2 항에 있어서;

   상기 제 1지지대의 측면과 제 1단위스트랩 윗면이 이루는 각은 45°이하의 예각인 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
5. 제 2 항에 있어서;

   상기 횡류유동발생부를 구성하는 이등변 사다리꼴 형상의 상기 제 1지지대의 밑면 폭을 제 1단위스트랩의 폭과 동일한 정도로 형성하는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
6. 제 2항에 있어서;

   상기 횡류유동발생부는 제 1단위스트랩의 상부와 이에 일체형으로 연결되는 사다리꼴 형상의 상기 제1지지대 사이에 일체형으로 삽입/형성되는 돌출단을 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
7. 제 3항에 있어서;

   상기 횡류유동날개는 자체의 소정의 위치에 굽힘부를 추가로 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자
8. 제 1 항에 있어서;

   상기 회전유동발생부는 제 2단위스트랩 상부에 일체형으로 이등변 사다리꼴 형상의 제 2지지대가 형성되고, 상기 제 2지지대의 양 측면에 각각 회전유동날개가 일체형으로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
9. 제 8 항에 있어서;

   상기 제 2지지대의 양 측면에 각각 형성된 두 개의 상기 회전유동날개는 상기 제 2지지대 측면의 폭과 동일한 밑면을 가지고 위로 뻗으면서 좁아지는 형상이며, 상기 제 2지지대를 중심으로 서로 반대되는 방향으로 굽혀져 형성되는 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
10. 제 8 항에 있어서;

    상기 제 2지지대의 측면과 제 2단위스트랩 윗면이 이루는 각은 45°이상의예각인 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.
11. 제 8 항에 있어서;

    상기 회전유동발생부를 구성하는 이등변 사다리꼴 형상의 상기 제 2지지대 밑면의 폭은 4개의 핵연료봉으로 이루어진 수로의 내접원의 직경과 같거나 작은 것을 특징으로 하는 복합유동혼합장치를 가진 핵연료집합체 지지격자.