KR100453268B1 - 핵연료집합체의 하단고정체에 설치되는 비닐하우스형필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 하단고정체에 설치되어 이물질을 여과시켜 핵연료봉의 손상을 방지하고 냉각수의 압력차를 감소시켜 핵연료집합체의 들어올림(uplift)에 대한 설계적인 여유를 확보하는 비닐하우스형 필터에 관한 것으로 상단고정체(1),안내관(2),핵연료봉(3),지지격자(4) 및 하단고정체(5)로 구성되는 핵연료집합체(N)에 하단고정체(5)의 냉각수 유로(6)를 통과하여 냉각수와 함께 유입되는 이물질을 제거하는 필터(F)에 있어서,냉각수 유로(6)와 안내관 연결부(7)가 천공된 하단고정체(5)의 유로판(8)의 상부에 장착시키는 비닐하우스 형상의 강판에 윤곽을 따라 폭 1mm인 다수의 섬세한 유로(9)(9')를 형성시켜 이물질을 여과시키고 냉각수와의 접촉면적을 증가시킬 수 있게한 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 하단고정체에 설치되는 비닐하우스형 필터.

Description

핵연료집합체의 하단고정체에 설치되는 비닐하우스형 필터{A vinyl-house shape debris filter installed on lower-end-fitting of nuclear fuel assembly}

본 발명은 핵연료집합체의 하단고정체에 설치되어 이물질을 여과시켜 핵연료봉의 손상을 방지하고 냉각수의 압력차를 감소시켜 핵연료집합체의 들어올림(uplift)에 대한 설계적인 여유를 확보하는 비닐하우스형 필터에 관한 것이다.

일반적으로 핵연료집합체는 원자로 내에 위치하고 다수의 핵연료봉과 이를 보호하는 골격체로 구성되며 우라늄 소결체를 감싸는 핵연료봉은 중성자와 우라늄소결체의 핵반응으로 방사능과 열에 장기간 노출되면 부식이 발생한다.

핵분열 시 발생하는 핵연료집합체의 열은 원자로 바닥으로부터 상부쪽으로 흐르는 냉각수에 의해 열을 흡수한다.

이때 원자로 바닥 및 원자로 벽에 존재하는 용접 부스러기 또는 냉각수 중에함유된 이물질이 핵연료집합체로 유입되어 핵연료봉과 상호운동으로 핵연료봉이 마모되며 이물질과의 지속적인 마모 및 순간적인 충돌에 의해 파괴될 수 있다.

또한 핵연료봉은 과도한 온도 및 압력차에 의해서도 파괴될 수 있으며 핵연료봉의 파괴는 핵물질의 냉각수 계통을 오염시키며 이러한 냉각수가 누출되면 대기도 방사능에 오염될 수 있기 때문에 이물질의 여과와 냉각수의 압력강하 등의 원자로 내 환경에 대한 연료봉의 보호 대책으로 하단고정체에 설치되어 이물질을 여과시키는 필터의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

종래에 이물질 유입방지 장치는 하단고정체의 냉각수 흐름 구멍에 직접 필터를 설치하는 첫 번째 경우와 하단고정체의 상판에 박판형 필터를 덧대어 이물질의 유입을 방지하는 두 번째 경우로 크게 두 가지로 나누어진다.

첫 번재의 경우는 한국 공개특허 1997-8218호(1997.2.24)에서와 같이 이물질의 유입을 방지하기 위하여 하단고정체의 냉각수 흐름구멍에 다수의 미세한 구멍이 천공된 돌출형 팁을 나사 결합시키거나 하단고정체와 일체로 팁을 형성하는 것이고,한국 공개특허 1997-8219호(1997.2.24)는 하단고정체에 있는 냉각수 흐름구멍 내부에 이물질 유입방지 장애핀을 설치한 것이며,한국 공개특허 1992-17131호(1992.9.26)는 하단고정체의 천공된 냉각수 흐름구멍에 돌기를 일체로 형성하여이물질을 여과시키고 있다.

두 번째의 경우는 한국 공개특허 2000-61665호(2000.10.25)에서와 같이 다수개의 냉각수 유동공이 형성된 다수개의 박판을 유동구멍이 상호 엇갈리도록 하단고정체의 유로판 상하부에 적층시켜 이물질의 유입을 방지하고 있었다.

상기와 같은 종래의 이물질 유입장치는 하단고정체에 이물질의 유입방지에만 기술적인 요지를 두고 이물질의 여과작용 만을 극대화시킨 것으로 상기 이물질 유입방지 장치의 첫 번째 경우는 하단고정체의 각각의 냉각수 흐름구멍에 팁,장애핀 및 돌기를 설치,장착시켜야 하므로 제작 편의성이 저하되어 생산성이 열악하고 유지보수에 따른 비용이 증대되는 문제가 있고,두 번째의 경우는 박판형 필터의 유체 흐름면적은 감소되어 하단고정체 상하면의 압력이 불안정하게 분포되어 핵연료집합체의 들어올림(uplift)에 대한 설계의 여유가 감소하며 압력차로 인한 핵연료봉에 응력(stress)을 유발시키는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 핵연료집합체의 하단고정체에 냉각수 유입구멍을 통하여 핵연료집합체 내부로 냉각수와 함께 유입되는 이물질을 여과시켜 핵연료봉의 손상을 방지할 뿐만아니라 필터를 비닐하우스 형상으로 제작하여 냉각수와의 접촉면적을 증가시켜 냉각수의 손실을 최소화시켜 냉각수에 의한 핵연료집합체의 들어올려짐(uplift)에 대한 여유를 확보시킴으로 핵연료집합체의 노내 건전성을 향상시킬 수 있는 필터를 제공하기 위한 것이다.

상기한 필터를 제공하기 위하여 하단고정체의 유로를 통과하여 냉각수와 함께 유입되는 이물질을 비닐하우스 형상의 강판에 윤곽을 따라 폭 1mm인 다수의 섬세한 유로를 형성하여 냉각수와의 접촉면적을 증가시켜 지름이 1mm 이상인 이물질의 여과 뿐만아니라 냉각수의 압력강하를 최소화시켜 핵연료집합체의 들어올림에 대한 설계적인 여유를 확보시켜 노내의 건전성을 향상시킬 수 있는 비닐하우스형 필터를 제공할 수 있게한 것이다.

도 1 은 본 발명을 적용시킬 핵연료집합체의 개략구조도

도 2 는 본 발명을 적용시킬 핵연료집합체의 하단고정체 정면구조도

도 3 은 본 발명을 적용시킬 핵연료집합체의 하단고정체 평면구조도

도 4 는 본 발명의 정면구조도

도 5 는 본 발명의 측면구조도

도 6 은 본 발명의 평면구조도

도 7 은 본 발명이 하단고정체에 설치된 상태의 정면구조도

도 8 은 본 발명이 하단고정체에 설치된 상태의 측면구조도

도 9 는 수학식 설명을 위한 본 발명의 한 부분을 통과하는 냉각수의 모습을 도시한 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) 상단고정체 (2) 안내관

(3) 핵연료봉 (4) 지지격자

(5) 하단고정체 (6) 냉각수 유로

(7) 안내관 연결부 (8) 유로판

(9)(9') 섬세한 유로 (10) 검사체적

(11) 검사체적 유입구 (12) 검사체적 유출구

(N) 핵연료집합체 (F) 비닐하우스형 필터

이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4, 5, 6은 본 발명의 정,측,평면구조도로서 핵연료집합체의 하단고정체에 설치되는 비닐하우스 형상의 필터의 각 면 구조를 도시한 것이고, 도 7, 8은 본 발명이 하단고정체에 설치된 상태의 정,측면구조도로서 비닐하우스형 필터가 하단고정체에 장착된 상태를 도시한 것이다.

본 발명의 구성은 상단고정체(1),안내관(2),핵연료봉(3),지지격자(4) 및 하단고정체(5)로 구성되는 핵연료집합체(N)에 하단고정체(5)의 냉각수 유로(6)를 통과하여 냉각수와 함께 유입되는 이물질을 제거하는 필터(F)에 있어서,

냉각수 유로(6)와 안내관 연결부(7)가 천공된 하단고정체(5)의 유로판(8)의 상부에 장착시키는 다수의 비닐하우스형 구조가 횡으로 나열된 강판에 윤곽을 따라 폭 1mm인 다수의 섬세한 유로(9)(9')를 형성시켜 이물질을 여과시키고 냉각수와의 접촉면적을 증가시킬 수 있게 한 구조이다.

이와 같이 된 본 발명은 핵분열 시 발생하는 핵연료집합체(N)의 열을 원자로의 바닥으로부터 상부 쪽으로 흐르는 냉각수로 흡수시킬 때 원자로바닥과 원자로 벽에 잔존하는 용접 부스러기 및 냉각수 중에 함유된 이물질을 제거하여 핵연료봉(3)의 손상을 방지함과 동시에 냉각수의 압력강하를 최소화시켜 핵연료집합체(N)의 들어올려짐에 대한 여유를 확보할 수 있게 한 것으로 하단고정체(5)의 냉각수 유로(6)를 통과하여 유입되는 이물질과 용접 부스러기를 여과시키는 필터(F)로서 비닐하우스 형상의 강판에 윤곽을 따라 폭 1mm인 다수의 섬세한 유로(9)(9')를 형성한 비닐하우스형 필터(F)를 하단고정체(5)의 유로판(8)의 상부에 횡으로 배치시켜서 유입되는 냉각수와의 접촉면적을 증가시켜 지름이 1mm 이상인 이물질 및 용접 부스러기의 여과 뿐만아니라 냉각수의 압력강하를 최소화시켜 핵연료집합체의 들어올림에 대한 설계적인 여유를 확보시켜 노내의 건전성을 향상시킬 수 있는 비닐하우스형 필터(F)인 것이다.

또한 본 발명은 압력강하에 대한 효과를 보상하기 위한 설계를 적용하였으며 그 수학식 1 은 아래와 같다.

------------------------------ 수학식 1

상기의 수학식 1 은 비압축성 유체의 질량보존 법칙을 기술한 식으로 여기서 적분은 도 9 에서와 같은 검사체적(10)에 유체의 출입이 일어나는 단면(cross section)에 적용되며는 유체의 속도벡터이고은 단면에 수직한 단위 방향벡터를 의미한다.

-------------------------- 수학식 2

상기의 수학식 2 는 단면의 형상이 일정하지 않은 경우의 유체의 평균속도이다.

------------------ 수학식 3

수학식 1 의 원리를 적용하면 상기 수학식 3 과 같이 유입면적 A₁, 유입속도 Ｖ₁과 유출면적 A₂, 유출평균속도 V_2,ave의 관계를 나타낼 수 있다.

따라서 유체의 유출평균속도는 아래 수학식 4와 같이 쓸수 있다.

----------------------- 수학식 4

또한 정상상태의 마찰이 없는 유체의 베르누이 방정식은 아래 수학식 5 와 같이 쓸 수 있다.

---------- 수학식 5

상기의 ρ는 유체의 밀도, g는 중력가속도이다.

또 Ｐ₁, V₁, Ｚ₁과 Ｐ₂, V₂, Ｚ₂는 각각 검사체적 입구(11)와 출구(12)의 압력, 속도, 기준점으로부터의 수직 위치를 뜻한다.

이로부터 압력강하를 최소화하는 측면에서 배출구의 유로면적 A₂가 클수록압력강하는 작아진다는 사실을 알 수 있다.

본 발명은 이러한 원리로 배출구의 유체접촉 면적 Ａ₂를 극대화 하기 위해 비닐하우스형 필터(F)로 설계하였으며,배출구의 속도는 감소하는 대신 배출구의 압력은 그만큼 증가하여 압력강하량을 감소시킬 수 있는 것이다.

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 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

그러므로 종래의 이물질 여과장치는 여과기능 만을 고려한 여과장치로서 냉각수 압력차를 고려하지 않은 문제가 있었으나 본 발명에서는 비닐하우스 형상의 여과장치를 개발하여 여과기능은 물론 냉각수의 압력차도 개선하여 핵연료봉의 파괴를 완화 시킬 수 있으며,핵연료집합체의 냉각수에 의한 들어올려짐에 대한 설계여유를 증가시킬 수 있어 안전한 원자로 내 환경을 구성할 수 있게할 뿐만아니라 종래의 삽입형 필터와 같이 하단고정체의 유로에 개별적으로 삽입하는 불합리한 공정이 제거되어 생산성 향상의 효과를 거둘 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 상단고정체(1),안내관(2),핵연료봉(3),지지격자(4) 및 하단고정체(5)로 구성되는 핵연료집합체(N)에 하단고정체(5)의 냉각수 유로(6)를 통과하여 냉각수와 함께 유입되는 이물질을 제거하는 필터(F)에 있어서,

   냉각수 유로(6)와 안내관 연결부(7)가 천공된 하단고정체(5)의 유로판(8)의 상부에 장착시키는 다수의 비닐하우스형 구조가 횡으로 나열된 강판에 윤곽을 따라 폭 1mm인 다수의 섬세한 유로(9)(9')를 형성시켜 이물질을 여과시키고 냉각수와의 접촉면적을 증가시킬 수 있게 한 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 하단고정체에 설치되는 비닐하우스형 필터.