KR100739453B1

KR100739453B1 - 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법 및 혼합날개

Info

Publication number: KR100739453B1
Application number: KR1020040035637A
Authority: KR
Inventors: 김광용; 서준우
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2007-07-18
Also published as: KR20050110808A

Abstract

본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법은, 핵연료 집합체의 상·하부 사이에 일정간격으로 위치하여 핵연료봉 간의 일정한 간격을 유지할 수 있도록 하는 혼합날개가 구비된 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개에 있어서, 설계대상을 셋업(Set Up)하는 단계와; 상기 설계대상 셋업 단계 후 설계 대상을 해석하는 단계와; 상기 설계대상 해석단계에서 얻어진 데이터 값이 일정값 이상이면 회귀분석을 진행할 수 있도록 하고, 데이터 값이 일정값 이하이면 다시 설계대상을 해석할 수 있도록 하는 해석 결과를 검증하는 단계와; 상기 해석결과 검증단계에서 검증치를 통과한 설계대상을 회귀 분석하는 단계와; 상기 회귀 분석단계에서 구성된 반응모델을 검증하여 일정한 검증치 이상이면 최적 설계를 할 수 있도록 하고, 일정한 검증치 이하이면 회귀 분석을 통해 반응모델을 구성할 수 있도록 하는 반응모델을 검증하는 단계와; 상기 반응모델 검증단계에서 검증치를 통과한 반응모델을 최적 설계하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

핵연료 집합체, 혼합날개, 굽힘각, 밑변길이, 3차원 열유동해석, 수치최적화

Description

핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법 및 혼합날개{FLOW MIXING VANE MANUFACTURING METHOD AND FLOW MIXING VANE STRUCTURE OF SPACER GRID FOR NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLY}

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 도시한 개략적인 정면도.

도 2는 종래기술에 따른 지지격자의 일부분을 도시한 부분 확대 사시도.

도 3은 종래기술에 따른 격자판으로 이루어진 연료봉셀을 도시한 평면도.

도 4는 종래기술에 따른 핵연료봉의 부수로를 도시한 평면도.

도 5는 본 발명에 따른 혼합날개가 구비된 지지격자의 설계공정을 도시한 순서도.

도 6은 본 발명에 따른 혼합날개가 구비된 지지격자를 도시한 평면도.

도 7은 본 발명에 따른 혼합날개의 밑변의 길이 및 굽힘각을 도시한 측면도.

도 8은 본 발명에 따른 혼합날개가 구비된 지지격자를 도시한 사시도.

도 9는 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계변수의 변화에 따른 평균 횡류계수의 변화를 도시한 그래프.

도 10은 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계변수의 변화에 따른 선회계수의 변화를 도시한 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이 대비 굽힘각 의 증가에 따른 열전달상태를 도시한 그래프.

도 12는 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이의 증가에 따른 열전달상태를 도시한 그래프.

도 13은 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계 최적점을 나타낸 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명*

100 : 지지격자 102 : 가로 격자판

104 : 세로 격자판 110 : 핵연료봉

120 : 혼합날개

120a, 120b, 120c, 120d : 제1,2,3,4측면

120e : 하단면 130 : 연료봉셀

본 발명은 혼합날개를 구비하는 핵연료 집합체 지지격자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 원자로 노심에 장입되는 핵연료 집합체 연료봉의 지지를 위해 구비되는 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이와 굽힘각의 결정값을 3차원 RANS(Reynolds - Averaged Navier - Stokes Analysis) 열유동 해석기법을 이용하여 원자로 부수로 내 핵연료 집합체 지지격자의 혼합날개를 통과하는 냉각재에 의한 난류열전달을 해석하고, 이를 바탕으로 반응면기법을 사용하는 수치최적화기법을 적용하여 결정함으로서 주어진 설계변수범위 내에서 열전달 효율을 최대화할 수 있도록 한 혼합날개를 구비하는 핵연료 집합체 지지격자에 관한 것이다.

일반적으로, 원자로에 사용되는 핵연료 집합체(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 핵분열 에너지원인 우라늄 소결체를 싸고 있는 다수개의 핵연료봉(20)과, 이 핵연료봉(20)간의 간격을 유지시키며 강한 난류를 발생시키는 다수개의 지지격자(30)와, 상기 핵연료봉(20) 다발과 노심 상부 구조물과 연결 고정시키는 상단고정체(40a)과, 상기 핵연료봉(20) 다발과 노심 하부 구조물과 연결 고정시키는 하단고정체(40b)와, 상기 지지격자(30)와 노심 상/하단고정체(40a, 40b)를 연결시킴으로써 핵연료봉(20) 다발의 전체적 형상을 지지하며 원자로 내부로의 계측관 삽입통로를 제공하는 안내관(50) 등으로 구성되어 있다.

도 2는 종래기술에 따른 지지격자의 일부분을 도시한 부분 확대 사시도이고, 도 3은 종래기술에 따른 격자판으로 이루어진 연료봉셀을 도시한 평면도이며, 도 4는 종래기술에 따른 핵연료봉의 부수로를 도시한 평면도이다.

도시된 바와 같이, 상기 지지격자(30)는 좁고 얇은 금속 격자판들을 서로 종횡으로 끼우고 격자판 상부와 하부 교차점을 점용접(Spot Welding) 함으로써 격자의 건전성이 유지되며, 지지격자 상부의 각 교차점에는 축방향 유동(20a)을 횡방향(20b)이나 회전방향(20c)으로 굴절시키는 혼합날개(60)가 구비되어 있다.

또한, 상기 지지격자(30)는 핵연료봉(20)들을 수용하는 다수의 연료봉셀(32)을 형성한다. 종횡으로 배열되어 결합되는 격자판들에 의해 형성된 연료봉셀(32)의 벽면에는 일측으로 돌출하는 다수의 스프링(34)이 위치하며, 이 스프링(34)들의 돌출방향과 반대방향으로 돌출하는 매우 큰 강성을 갖는 다수의 딤플(36)이 위치하고, 이들 스프링(34)과 딤플(36)에 의해 핵연료봉(20)들이 고정되어 있다.

그리고 상기 핵연료봉(20)들에 의해 냉각재가 형성되는 데, 이 때, 핵연료봉(20)들 사이가 개방된 형태가 되며, 그 중심부에서 상기 지지격자(30)를 구성하는 격자판이 교차함에 따라 형성된 냉각재 유로인 부수로(38a)를 따라 축방향으로 냉각재가 흐르게 되는 것이다. 이 경우, 원자로 내에서 핵연료 집합체의 각 연료봉별 출력은 중성자속 분포의 불균형으로 인해 동일하지 않다.

이 경우, 상기 높은 열출력을 갖는 핵연료봉(20)들에 의해 둘러싸인 부수로(38a)는 다른 부수로(38b)에 비해 부수로(38a) 내의 냉각재 온도 상승이 높다. 따라서 노심 내 열적 효율을 증가시키기 위해 부수로 내 냉각재 온도 분포의 균일성이 요구된다. 이를 위해, 상기 지지격자(30) 상부에 혼합날개를 설치함으로써 원자로내의 냉각재 온도 분포를 균일하게 유지하고 국부적으로 냉각재가 높은 온도에 도달하는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 지지격자(30)의 부수로(38a, 38b)내에서 냉각재가 유동하는 과정에서 지지격자(30)의 벽면과 냉각재간의 마찰에 의해 마찰 압력손실이 발생한다. 또한, 냉각재 유로인 부수로(38a, 38b)의 축소와 확대에 의해 유동장이 교란되며, 이 유동장의 교란은 형상 압력손실을 발생시키게 된다. 이러한 압력 및 형상 압력손실은 실제적으로 에너지 손실을 의미하여 원자로 내에서 냉각재 유동에 의해 발생하는 에너지 손실은 원자로 주 냉각펌프(미도시)에 의해 보상되게 되는 것이다.

또한 원자로 유로 내 지지격자에 부착되는 혼합날개는 하류의 냉각재가 회전유동과 횡류흐름을 증진시켜 핵연료봉 표면과 냉각재 유동 사이의 열전달을 촉진시키는 역할을 하게 되는 데, 이러한 열전달을 체계적으로 극대화할 수 있는 혼합날개 형상설계기술은 최근에 들어서까지도 확립되어 있지 못한 상태이다.

한편, 상기 혼합날개에 의한 열전달 증진에 영향을 미치는 인자는 각종 실험과 수치해석적인 방법을 통해 부수로 내의 선회유동, 횡류유동 등이라는 것이 밝혀졌다. 이에, 상기 혼합날개의 설계에 대해 1998년 대한기계학회 추계학술대회논문집 B에 실린 "지지격자 형상에 따른 봉다발 수수로 난류유동 CFD분석"과, 2000년 9월 Proceedings of The First National Congress on Fluids Engineering 에 실린 "CFD방법에 의한 핵연료다발의 유동전향날개 최적화" 에 따른 혼합날개의 설계방식을 살펴보면, 열전달에 영향을 미치는 주된 인자가 혼합날개로 인해 유발되는 선회유동과 횡류하는 전제 하에 열전달에 관한 직접적인 해석이 없이 유동해석만으로 혼합날개의 최적형상을 설계하고자 한 것이다. 아울러, 종래의 설계방식은 제한된 횟수의 실험이나 수치해석을 통해 얻어진 현상에 대한 정보를 바탕으로 경험적인 방법을 통해 이루어졌을 뿐, 3차원 열유동해석 및 수치최적 설계를 바탕으로 혼합날개의 체계적인 설계기법이 제시된 바가 없어 열전달을 효율적으로 향상시킬 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 원자로 노심에 장입되는 핵연료 집합체 연료봉의 지지를 위해 구비되는 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이와 굽힘각의 결정값을 3차원 RANS(Reynolds - Averaged Navier - Stokes Analysis) 열유동 해석기법을 이용하여 원자로 부수로 내 핵연료 집합체 지지격자의 혼합날개를 통과하는 냉각재에 의한 난류열전달을 해석하고, 이를 바탕으로 반응면 기법을 사용하는 수치최적화기법을 적용하여 결정함으로서 주어진 설계변수범위 내에서 열전달 효율을 최대화할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법에 의하면, 핵연료 집합체의 상·하부 사이에 일정간격으로 위치하여 핵연료봉 간의 일정한 간격을 유지할 수 있도록 하는 혼합날개가 구비된 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개에 있어서, 설계대상을 셋업(Set Up)하는 단계와; 상기 설계대상 셋업 단계 후 설계 대상을 해석하는 단계와; 상기 설계대상 해석단계에서 얻어진 데이터 값이 일정값 이상이면 회귀 분석을 진행할 수 있도록 하고, 데이터 값이 일정값 이하이면 다시 설계대상을 해석할 수 있도록 하는 해석 결과를 검증하는 단계와; 상기 해석결과 검증단계에서 검증치를 통과한 설계대상을 회귀 분석하는 단계와; 상기 회귀 분석단계에서 구성된 반응모델을 검증하여 일정한 검증치 이상이면 최적 설계를 할 수 있도록 하고, 일정한 검증치 이하이면 회귀 분석을 통해 반응모델을 구성할 수 있도록 하는 반응모델을 검증하는 단계와; 상기 반응모델 검증단계에서 검증치를 통과한 반응모델을 최적 설계하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 설계대상 셋업 단계는 설계대상에 대한 설계변수를 선정하고, 목적함수를 구성함과 아울러 제한조건을 설정하게 된다.

그리고 상기 설계대상 해석단계는 격자판을 생성하고, 3차원 열유동 해석을 함과 아울러 결과 데이터(Data)를 분석한다.

아울러, 상기 회귀 분석단계는 반응모델에 대한 계수를 결정하고, 상기 반응모델을 구성한다.

또한, 상기 최적 설계단계는 반응모델에 대한 반응함수의 최적점과 최적 설계변수를 결정하여 혼합날개에 대한 설계를 완성한다.

한편, 본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 구조에 의하면 핵연료 집합체의 상·하부 사이에 위치하여 핵연료봉이 일정 간격을 유지할 수 있도록 다수의 가로 격자판과 세로 격자판으로 이루어진 다수의 연료봉셀을 이루는 지지격자에 있어서 상기 가로 격자판 및 세로 격자판 상부에는 상기 각 연료봉셀 마다 두개 이상 대칭을 이루며 상기 핵연료봉과 소정간격으로 이격되도록 다수 개의 혼합날개가 형성된다.

즉, 상기 혼합날개는 냉각수의 혼합을 증진시키기 위해 구비되는 것으로 상기 가로/세로 격자판의 상단면에 그 하단면이 일체형으로 연결되어 상기 핵연료봉을 사이에 두고 상기 가로/세로 격자판에 의해 형성된 각 연료봉셀 마다 쌍을 이루며 서로 대칭되도록 형성된다.

상기 혼합 날개는 축방향으로 흐르는 냉각재를 횡방향 및/또는 선회방향 유동성분을 가지도록 하며 핵연료봉과 소정간격으로 이격되게 형성되는 것을 특징으 로 한다.

상기 혼합날개들은 연료봉셀 내부의 핵연료봉과 핵연료봉 사이를 향하도록 소정의 굽힘각을 갖는다.

아울러, 상기 혼합날개들의 밑변길이(W)는 3.0mm ≤ W ≤ 4.4mm 로 수치최적 설계를 적용한다.

그리고 상기 혼합날개들의 굽힘각(a)은 10°≤ a ≤ 40°로 형성하여 수치최적 설계를 적용한다. 단, 상기 핵연료봉들과 혼합날개들의 간극(F)은 최소 0.76mm를 유지하도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 혼합날개가 구비된 지지격자의 설계공정을 도시한 순서도이고, 도 6은 본 발명에 따른 혼합날개(120)를 구비한 지지격자(100)를 도시한 평면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 혼합날개(120)의 밑변의 길이(W) 및 굽힘각(a)을 도시한 측면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 혼합날개(120)를 구비한 지지격자(100)를 도시한 사시도이다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개는 다음과 같은 공정에 의해 그 최적 설계가 이루어진다.

즉, 상기 혼합날개의 제조방법을 살펴보면, 핵연료 집합체의 상·하부 사이에 일정간격으로 위치하여 핵연료봉(110)간의 일정한 간격을 유지할 수 있도록 하 는 혼합날개(120)가 구비된 핵연료 집합체용 지지격자(100)의 혼합날개에 있어서, 설계대상을 셋업(Set Up)하는 단계(S101)와; 상기 설계대상 셋업 단계(S101)후 설계 대상을 해석하는 단계(S102)와; 상기 설계대상 해석단계(S102)에서 얻어진 데이터 값이 일정값 이상이면 회귀 분석을 진행할 수 있도록 하고, 데이터 값이 일정값 이하이면 다시 설계대상을 해석할 수 있도록 하는 해석 결과를 검증하는 단계(S103)와; 상기 해석결과 검증단계(103)에서 검증치를 통과한 설계대상을 회귀 분석하는 단계(S104)와; 상기 회귀 분석단계(S104)에서 구성된 반응모델을 검증하여 일정한 검증치 이상이면 최적 설계를 할 수 있도록 하고, 일정한 검증치 이하이면 회귀 분석을 통해 반응모델을 구성할 수 있도록 하는 반응모델을 검증하는 단계(S105)와; 상기 반응모델 검증단계(S105)에서 검증치를 통과한 반응모델을 최적 설계하는 단계(S106)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 설계대상 셋업 단계(S101)에서는 설계대상인 혼합날개(120)에 대한 설계변수를 선정하고, 목적함수를 구성함과 아울러 제한조건을 설정하게 된다.

또한, 상기와 같이 설계대상에 대한 설계변수를 선정하고, 목적함수의 구성 및 제한조건에 대한 설정이 이루어진 후에는 격자판을 생성하고, 3차원 열유동 해석을 함과 아울러 결과 데이터(Data)를 분석하는 설계대상을 해석하는 작업을 진행한다.

그리고 설계대상에 대한 작업이 이루어진 후, 반응모델에 대한 계수를 결정하고, 상기 반응모델을 구성하는 회귀 분석 작업이 이루어진다.

아울러, 상기의 반응모델에 대한 반응함수의 최적점과 최적 설계변수를 결정 하여 설계대상인 혼합날개(120)에 대한 최적 밑변길이와 굽힘각을 결정하는 최적 설계단계(S106)가 수반되는 것이다.

여기서 상기 혼합날개(120)의 열수력학적 특성을 평가하기 위한 수단으로, 혼합날개(120)를 지나는 난류유동에 대한 3차원 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Analysis) 해석을 수행하는 범용 전산유체역학(CFD) 코드인 CFX 5.6을 사용한다.

또한, 상기 혼합날개(120)의 성능을 시험하기 위해 상용화되어 실제 사용되고 있는 혼합날개인 Split - Vane에 대한 수치실험 결과를 실제 실험 데이터(Data)와 비교하였다. 설계대상이 되는 혼합날개(120)는 한전원자력연료주식회사와 미국 Westing House가 공동 개발한 PLUS7 핵연료 집합체에 사용된 혼합날개이다.

그리고 상기 혼합날개(120)의 형상변수로는 혼합날개의 형상에 지배적이라고 판단되는 밑변길이와 굽힘각을 선정하였다.

아울러, 설계대상인 혼합날개(120)에 대한 설계변수를 무차원화 하였으며 무차원설계변수의 설계범위는 표 1과 같다.

또한, 상기 혼합날개(120)의 끝단이 외부 충격이나 원자로 노심내를 흐르는 냉각수(약, 6 - 7 m/s)에 의하여 핵연료봉 표면과 접촉하는 것을 방지하기 위하여 굽힘각의 변화와 관계없이 상기 핵연료봉(110)들과 혼합날개(120)들의 간극(F)은 최소 0.76mm 를 유지하도록 하였다.

아울러, 상기 혼합날개(120)들의 밑변길이(W)는 지지격자 교차부의 용접공간을 확보하기 위해 3.0mm ≤ W ≤ 4.4mm 으로 최적화하였으며, 최대 4.4mm로 제한하였다. 이 때, 상기 혼합날개(120)의 제4측면(120d) 끝단부가 가로/세로 격자판(102, 104)의 중간점과 일치하도록 위치를 고정하였다.

상기 핵연료 집합체의 지지격자(100)의 높이는 40mm이고 해석대상의 전체길이는 600mm로 한다. 수력직경(

)은 약 12mm이고, 연료봉직경(D)는 약 9,53mm 이며, 연료봉 중심 사이 거리는 약 12.7mm이다.

또한, 상기 지지격자(100)의 의존성 시험을 통해 해석에 필요한 격자수를 약 40만 Node로 계산하였다. 계산에 필요한 난류모델로는 계산시간에 비해 결과의 정확성이 우수한 것으로 인정된

모델을 선택한다. 수치해석을 통해 수학식 1과 같이 정의된 목적함수를 구한다. 이에 따라, 목적함수의 값이 최대가 되는 점이 최적 설계점이 되도록 하였다.

여기서, Nu는 국부 Nusselt수를 나타내고, 하첨자 o는 혼합날개가 없는 상태 를 나타낸다. 그리고 벽면온도(Tw)와 냉각수 온도(Tb)의 차이와 국부 Nusselt수는 연료봉 표면을 따라 평균된 값을 사용하였고, 이 평균치를 바(bar)로 나타내었다. 또한, L은 축방향 전체길이이며, l은 축방향 좌표를 나타낸다.

상기의 목적함수와 설계변수를 이용하여 반응모델을 구성한다. 상기 반응모델은 통계적인 분석 수단인 회귀 분석을 통하여 반응모델의 계수를 결정한다. 이차 다항식으로 반응면 모델을 형성할 경우, 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 설계변수,

은 측정된 반응 값이고, n은 설계변수의 수를 나타내며, 다항식의 계수(

등)의 개수는(n+1)(n+2)/2이다. 일반적으로 다항식의 계수는 실험 데이터(Data)로부터 최소자승법(Least Square Method)을 사용하여 결정된다. 이에 따라, 구성된 반응모델에서 최적점을 찾아서 최적 설계변수의 값을 얻게 된다.

상기와 같이 혼합날개(120)에 의한 유동혼합에 미치는 선회영향을 평가하기 위해 선회계수(Swirl Factor)를 수학식 3과 같이 정의한다.

여기서, r은 부수로 중앙에서의 반경방향 좌표이고, R은 유효선회반경, Vtan 은 단면 내 반경방향에 수직한 속도성분이고, Va는 주 유동방향(축방향) 속도성분이다.

인접 부수로 사이 유동혼합에 미치는 횡류의 크기를 평가하기 위해 횡유계수(Cross - Flow Factor)를 수학식 4와 같이 정의한다.

여기서, G는 핵연료봉 표면사이의 최소 길이이고, g는 이 방향의 좌표이다. 또한,

는 단면 내에서 g방향에 수직한 속도 성분이며

축방향 평균속도이다.

도 9는 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계변수의 변화에 따른 평균 횡류계수의 변화를 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계변수의 변화에 따른 선회계수의 변화를 도시한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 설계변수로 선정한 굽힘각(a)과 밑변길이(W)가 횡류와 선회류의 발생에 미치는 영향을 검토하기 위해 각각 굽힘각(a)과 밑변길이(W)에 따른 평균횡류계수와 평균선회계수의 변화를 나타낸 것이다. 평균횡류계수와 평균선회계수는 각각 횡류계수와 선회계수를 축방향 좌표에 대해 적분하여 전체 축방향 길이로 나눈 값들이다.

즉, 주어진 밑변길이(W)에서 굽힘각(a)의 증가에 따라 평균횡류계수와 평균선회계수가 공히 증가함을 보여준다. 그러나 밑변길이(W)에 대해서는 횡류와 선회 계수의 변화가 서로 엇갈림을 알 수 있다. 즉, 밑변길이(W)가 증가할수록 선회류는 증가하나 횡류는 감소하게 되는 것이다.

도 11은 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이 대비 굽힘각의 증가에 따른 열전달상태를 도시한 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이의 증가에 따른 열전달상태를 도시한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 최적화에 앞서 각 설계변수에 따른 목적함수의 변화를 알기 위해, 굽힘각(a)과 밑변길이(W)에 대해 상기 수학식 1로 정의된 목적함수의 변화를 비교한 것이다.

즉, 주어진 밑변길이(W)에 대해 굽힘각(a)이 증가함에 따라 열전달이 증진됨을 알 수 있다. 또한, 밑변길이(W)가 증가함에 따라 열전달은 증가하다 감소하는 경향이 나타남을 알 수 있다.

그러나 상기 굽힘각(a)에 비해 밑변길이(W)가 목적함수에 미치는 영향은 매우 작다. 즉, 목적함수의 밀변길이(W)에 대한 민감도는 굽힘각(a)의 1/10에 불과함을 알 수 있다.

그리고 상기한 도 9와 도 11에 의하면 횡류와 선회류의 증가가 열전달의 증가와 상관관계가 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계변수에 따른 반응면의 회귀 분석 결과는 표 2와, 본 발명에 따른 Plus7 핵연료 집합체 지지격자의 혼합날개 대비 Split -Vane의 목적함수 값을 비교한 결과는 표 3과 같다.

도 13은 본 발명에 따른 지지격자의 혼합날개에 대한 설계 최적점을 나타낸 그래프이다.

즉, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 목적함수의 반응면을 나타낸 것이다. 이 반응면은 상기 표 1에 나타난 바와 같이, Adjusted R²가 0.9를 넘어 충분히 신뢰할 수 있음을 알 수 있다. 이 경우, 반응면상의 최적점은 (0.7, 1.0)이고, 이는 굽힘각(a)이 35.5°에, 밑변길이(W)가 4.4mm에 해당된다. 여기서, 밑변길이는 한계치로서 종래 PLUS7 혼합날개의 밑변길이와 동일하고, 굽힘각은 종래 각도인 29°보다 6.5°큰 값이다.

상기 표 3은 최적화된 PLUS7 혼합날개의 목적함수가 종래 Split Vane 혼합날개에 비해 약 8% 정도 크다는 것, 즉 열전달 효율이 향상됨을 나타낸다.

한편, 핵연료 집합체의 상·하부 사이에서 위치하여 핵연료봉(110)이 일정 간격을 유지할 수 있도록 가로 격자판(102)과 세로 격자판(104)으로 이루어진 다수 의 연료봉셀(130)을 이루는 지지격자(100)의 상기 가로 격자판(102) 및 세로 격자판(104) 상부에 상기 각 연료봉셀(130) 마다 두개 이상 대칭을 이루며 상기 핵연료봉과 소정간격으로 이격되도록 다수 개의 혼합날개(120)가 형성된다.

즉, 상기 혼합날개(120)는 냉각수의 혼합을 증진시키기 위해 구비되는 것으로 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가로/세로 격자판(102, 104)의 상단면에 그 하단면(120e)이 일체형으로 연결되어 상기 핵연료봉(110)을 사이에 두고 상기 가로/세로 격자판(102, 104)에 의해 형성된 각 연료봉셀(130)마다 쌍을 이루어 서로 대칭되도록 형성된다.

상기 혼합날개(120)는 가로/세로 격자판(102, 104)의 상단면과 수직을 이루는 제1측면(120a)과, 이 제1측면(120a)과 둔각을 이루고 형성되는 제2측면(120b)과, 이 제2측면(120b)과 연결되고 일정굴곡을 이루는 제3측면(120c)과, 이 제3측면(120c) 및 가로/세로 격자판(102, 104)의 상단면과 연결되고 상기 제1측면(120a)과 평행하도록 형성된 제4측면(120d)으로 구성된다. 이 때, 상기 제4측면(120d)의 길이는 제1측면(120a)의 길이보다 짧게 형성된다.

또한, 상기 가로 격자판(102)과 세로 격자판(104)에 구비되는 혼합날개(120)는 서로 대칭되게 형성함과 아울러 상단부가 연료봉셀(130) 내부의 핵연료봉(110)과 핵연료봉(110) 사이를 향하도록 상기 가로 또는 세로 격자판(102, 104)과 소정의 굽힘각(a)을 이루도록 경사지게 형성된다.

상기한 본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법의 제조공정에서 살펴본 바와 같이, 상기 핵연료봉(110)들과 혼합날개(120)들의 간극(F) 이 0.76mm 인 상태에서 혼합날개(120)들의 굽힘각(a)은 35.0°≤ a ≤ 36.0°으로 수치 최적 설계 화하여 적용하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 그리고 간극(F)은 0.80mm 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법 및 혼합날개 구조는, 원자로 부수로 내 혼합날개를 지나는 3차원 열유동해석을 수행하여 혼합날개의 설계변수 변경 범위에서 열전달율에 미치는 영향을 선회계수 및 횡류계수 등을 통하여 검토하고 3차원 유동해석을 바탕으로 최적 설계를 한 것이다.

이러한, 수치최적화기술은 매우 최근에 각광을 받고 있는 기술로서, 항공분야의 공력설계에서 실용화되고 있으나 열수력학적 설계에 적용된 사례는 많지 않다.

이는 종래의 실험에 의존하거나 제한된 경우에 대한 수치해석을 바탕으로 설계하는 방식과는 달리 정밀한 열유동해설기법을 바탕으로 수치최적화기법에 의해 체계적으로 최적형상을 찾음으로써 최근 미국 웨스팅하우스사와 한전원자력연료주식회사가 공동개발한 PLUS7 연료집합체 혼합날개의 성능을 개선한 것이다.

이러한 성과는 우리나라에 널리 보급되어 있는 가압경수로의 열수력학적 성능에 미치는 혼합날개의 중요성에 비추어 매우 큰 연구개발의 경제적 및 기술적 유용성을 지닐 것이다.

아울러, 본 발명의 과정에서 적용한 열수력학적 최적 설계기법은 비단 혼합날개의 형상설계에만 그치 않고 열수력학적 성능에 관련된 각종 원자로 구조물의 형상설계에도 폭 넓게 응용될 수 있을 것이다.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 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.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개 제조방법 및 혼합날개의 구조에 의하면, 원자로 노심에 장입되는 핵연료 집합체 연료봉의 지지를 위해 구비되는 지지격자의 혼합날개에 대한 밑변길이와 굽힘각의 결정값을 3차원 RANS(Reynolds - Averaged Navier - Stokes Analysis) 열유동 해석기법을 이용하여 원자로 부수로 내 핵연료 집합체 지지격자의 혼합날개를 통과하는 냉각재에 의한 난류열전달을 해석하고, 이를 바탕으로 반응면 기법을 사용하는 수치최적화기법을 적용하여 결정함으로서 주어진 설계변수범위 내에서 열전달 효율을 최대화할 수 있도록 하는 효과가 있는 것이다.

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핵연료 집합체의 상·하부 사이에서 위치하여 핵연료봉(110)이 일정 간격을 유지할 수 있도록 가로 격자판(102)과 세로 격자판(104)으로 이루어진 다수의 연료봉셀(130)을 이루는 지지격자(100)의 상기 가로 격자판(102) 및 세로 격자판(104) 상부에 상기 각 연료봉셀(130) 마다 두개 이상 대칭을 이루며 상기 핵연료봉과 소정간격으로 이격되도록 형성되는 다수의 혼합날개(120)에 있어서,

상기 혼합날개(120)의 굽힘각(a)은 35.0°≤ a ≤ 36.0°인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개(120).
제 6항에 있어서,

상기 혼합날개(120)들의 밑변길이(W)는 4.0mm ≤ W ≤ 4.4mm 인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개(120).
제 6항에 있어서,

상기 핵연료봉(110)들과 혼합날개(120)들의 간극(F)은 0.76mm ≤ F ≤ 0.80mm 인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개(120).
제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 혼합날개(120)들의 굽힘각(a)은 35.5°이고, 상기 혼합날개(120)들의 밑변길이(W)는 4.4㎜ 인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체용 지지격자의 혼합날개(120).