KR100763726B1 - 스페이서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경수로 냉각되는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 스페이서는 격자를 형성하는 다수의 상호교차형 웨브(2)로 형성되고, 상기 웨브(2)는 상호 결합되는 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립(6, 8)으로 이루어지며, 각각의 인접한 물결형상부(10, 14 또는 12, 16)가 수직선(z)에 대해 비스듬하게 연장되는 유동 서브채널(20)을 형성하는 방식의 물결형상부(10, 12, 14, 16)를 가지며, 상기 인접한 물결형상부(10, 14 또는 12, 16)는 상기 판금 스트립(6, 8) 사이에서 연장되는 수직 중심 평면(vertical middle plane)(24)에 대해 수직인 유동 성분(vy)을 상기 유동 서브채널(20)로부터 배출되는 냉각수에 부가하도록 형성된다.

Description

스페이서{SPACER}
본 발명은 예컨대 EP 0 237 064 A2에 공지된 바와 같은, 경수(light water)에 의해 냉각되는 원자로 핵연료 집합체(fuel assembly)용 스페이서에 관한 것이다.
이와 같은 유형의 공지된 스페이서는 다수의 메시(mesh)로 이루어진 격자를 형성하는 다수의 상호교차형 웨브(web)로 형성된다. 각각의 웨브는 서로 용접되는 두 개의 판금 스트립(sheet-metal strip)으로 이루어진다. 이러한 판금 스트립은 각각 융기된 물결형상부(raised corrugation)를 가지며, 상기 융기된 물결형상부는 판금 스트립에 의해 각각 제한되는 격자 메시 안쪽으로 연장된다. 웨브를 형성하기 위해 조립된 판금 스트립의 각각의 반대편에 놓인 인접한 물결형상부는 수직 방향으로 연장되어 거의 관 형태를 갖는 유동 서브채널(flow subchannel)을 형성한다. 이러한 유동 서브채널은 수직선에 대해 비스듬하게 제공되고 웨브에 대해 평행하게 웨브 교차점을 지향하는 냉각 액체 유동 성분을 생성한다. 이러한 냉각 액체 유동 성분은 메시를 각각 관통하는 연료봉(fuel rod) 둘레에 소용돌이 흐름을 발생시킨다.
공지된 스페이서의 경우에, 이러한 물결형상부는 메시를 관통하는 연료봉을 위한 지지체(support)로도 사용된다. 공지된 스페이서의 사용시 연료 캔(fuel can) 상에서 관찰되는 프레팅 손상(fretting defect)이 심하지 않기 때문에, 실제로는 이러한 연료봉 지지체가 특히 바람직한 것으로 판명되었다.
따라서 본 발명의 목적은 위에서 언급한 유형의 스페이서를 구체화하는 것으로서, 높은 프레팅 저항성과 더불어 개선된 열수력(thermohydraulic) 특성도 동시에 나타내는 스페이서를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징들을 갖는 스페이서에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 경수로 냉각되는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서는 격자를 형성하는 다수의 상호교차형 웨브로 형성되며, 상기 웨브는 상호 결합되는 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립으로 각각 이루어진다. 이러한 판금 스트립들은 각각의 인접한 물결형상부가 유동 서브채널을 형성하도록 물결형상부를 가지며, 판금 스트립들 사이에서 연장되는 수직 중심 평면(vertical middle plane)에 대해 직각을 이루는 유동 성분을 상기 유동 서브채널로부터 배출되는 냉각수에 부가하도록 형성된다. 이를 통해서, 냉각수의 개선된 측면 혼합(lateral mixing)이 달성된다.
특히 제 1 물결형상부에 의해 형성되는 부분 채널의 횡단면은 냉각수 유동 방향 쪽으로 좁아지고, 인접한 제 2 물결형상부에 의해 형성되는 부분 채널의 횡단면은 냉각수 유동 방향 쪽으로 넓어진다. 다시 말해, 제 1 물결형상부에 의해 형성되는 부분 채널의 횡단면은 배출구에서보다 유입구에서 더 크며, 제 2 물결형상부에 의해 형성되는 부분 채널의 횡단면은 배출구에서보다 유입구에서 더 작다. 이와 같은 횡단면의 증대 또는 감소는 전체 웨브 높이에 걸쳐서 연속으로 이루어질 수 있다. 그러나 일정한 횡단면의 중심 영역이 존재하는 물결형상부의 형태도 공지되어 있다. 인접한 개별 물결형상부들의 서로 상이한 형태로 인해, 웨브 평면에 대해 수직으로 향한 유동 성분은 제조공학(production engineering)적으로 특히 간단한 형상의 판금 스트립에 의해 생성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 한 실시예에서, 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립은 상기 두 박막의 종방향(longitudinal direction)으로 교대로 배열된 제 1 물결형상부 및 제 2 물결형상부를 각각 갖는다. 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립은 각각의 유동 서브채널이 제 1 물결형상부 및 제 2 물결형상부에 의해 형성되도록 웨브로 조립된다. 이와 같은 판금 스트립 및 판금 스트립에 의해 형성되는 스페이서는 제조하기에 용이하다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에서는, 유동 서브채널이 적어도 다운스트림(downstream) 단부 상에서 수직선에 대해 비스듬하게 또는 경사지게 연장된다.
또 다른 바람직한 한 실시예에서는, 서로 인접하고 두 웨브의 교차점에 대해 경사져 있는 웨브 유동 서브채널로부터 각각 배출되는 냉각수가 중심 평면에 수직인 서로 대향하는 유동 성분들을 가지므로, 교차점 둘레에 소용돌이 흐름이 발생하며, 특히 이러한 소용돌이 흐름은 서로 인접한 교차점 둘레에서는 웨브를 따라 각각 대향하는 방식으로 지향된다. 이를 통해서, 소용돌이 흐름에 의해 발생하여 전체 핵연료 집합체 상에 작용하는 전체 토크의 생성을 막을 수 있다.
첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 더 자세히 설명하면 아래와 같다.
도 1은 본 발명에 따른 스페이서의 개략적인 원리를 보여주는 평면도이고,
도 2는 두 웨브의 교차점 영역에 있는 스페이서의 확대된 평면도이며,
도 3은 물결형상부 영역에 있는 웨브의 개략적인 사시도이고,
도 4는 웨브의 측면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 유동 서브채널의 추가 실시예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 1 및 도 2에 따르면, 스페이서는 다수의 상호교차형 웨브(2)로 형성되고, 상기 웨브(2)는 다각형 - 실시예에서는 사각형인 - 메시(4)를 갖는 격자를 형성하며, 연료봉(5)이 상기 메시(4)를 통과한다. 각각의 웨브(2)는 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립(6 및 8)으로부터 조립되며, 상기 판금 스트립(6 및 8)은 서로 접촉하는 상부 및 하부 종방향 에지 상에서 서로 용접된다.
제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립(6 또는 8)은 각각 물결형상부(10, 12 및 14, 16)를 가지며, 상기 물결형상부(10, 12 및 14, 16)는 판금 스트립(6 및 8)에 의해 각각 제한되는 메시(4) 안쪽으로 각각 연장된다. 이와 같은 물결형상부(10, 12, 14, 16)는 메시(4)를 관통하는 연료봉(5)을 위한 지지체로도 사용된다. 이러한 방식으로 각각 웨브(2)를 형성하는 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립(6, 8)의 물결형상부들(10, 14 및 12, 16) 사이에 유동 서브채널(20)이 형성되며, 상기 유동 서브채널(20) 내에서 냉각수가 스페이서를 통해 (좌표 평면으로부터) 수직 방향으로 위쪽으로 흐른다.
도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 유동 서브채널(20)은 웨브 평면 상에서 전체 길이에 걸쳐 수직선에 대해 비스듬하게, 다시 말해 좌표 평면에 대해 수직인 방향으로 비스듬하게 연장된다. 이러한 경사짐으로 인해 수직선에 대해 비스듬하게 흐름의 전환이 야기되긴 하지만, 웨브 평면에 대해서는 여전히 평행하다. 웨브(2) 각각의 인접한 유동 서브채널(20)은 반대방향으로 경사진다. 교차점(P)에 인접한 4개의 유동 서브채널(20)은, 하나의 공통 웨브(2) 내에 배치되는 두 개의 유동 서브채널들(20)이 서로에 대해 경사져 있고, 다른 웨브(2)에 속하는 두 개의 유동 서브채널들(2)은 서로로부터 떨어져서 경사져 있다.
각각의 유동 서브채널(20)은 판금 스트립들(6, 8) 사이에 배치되어서 좌표 평면에 대해 수직인 중심 평면(24)에 대해 비대칭적인 형상을 갖는다. 이를 위해 물결형상부(10, 16)가 아래의 볼록한 아치(101 또는 161)를 각각 가짐으로써, 이 지점에서 물결형상부(10 또는 16)는 교차점(P)에 가깝게 놓인다. 이에 상응하여 물결형상부(10 및 12)에 각각 할당되는 물결형상부(14 또는 16)는 상부 영역에서 위쪽의 볼록한 아치(121 또는 141)를 각각 가지므로, 유동 서브채널(20)의 횡단면은 웨브(2) 전체 높이에 걸쳐서 거의 동일하다.
유동 서브채널(20)의 유입구에 있는 볼록한 아치(101 및 161) 때문에, 물결형상부(10, 16)에 의해 각각 형성되는 부분 채널(110 또는 116)은 물결형상부(12, 14)에 의해 각각 형성되는 부분 채널(112 또는 114) 보다 큰 횡단면 영역을 갖는다. 따라서 부분 채널(110, 116)은 메시(4)에 의해 형성되는 메인 채널(main channel)로부터 분기되어 나오는 냉각수의 양이 부분 채널(112, 114)에서 보다 더 많다. 부분 채널(110, 116)의 단면이 유동 방향으로 좁아지면서 부분 채널(112, 114)의 단면이 넓어지기 때문에, 유동 채널(20) 상에서 흐르는 냉각수가 부분 채널(112 및 114)에 대해 이동되는 방식으로, 웨브 평면 또는 중심 평면(24)에 대해 수직인 유동 성분들이 획득된다.
다시 말해, 물결형상부(10, 14 및 12, 16)의 비대칭적 형성으로 인해, 즉 볼록한 아치(101, 121, 141, 161)의 오프셋된(offset) 배열에 의해, 이러한 물결형상부들(10, 14 및 12, 16) 사이에 흐르는 냉각수에 대해 웨브(2) 중심 평면(24)에 대해 수직인 속도 성분들이 추가로 부여되는데, 그 이유는 냉각수가 볼록한 아치(121 또는 141) 쪽으로 전환되기 때문이다.
볼록한 아치가 중심 평면(24)(웨브 평면) 쪽으로만 확대되는 경우로서 도 1 내지 도 3에 도시되는 물결형상부 형태에 대한 대안으로서, 메시(4) 안쪽으로 더 깊이 연장되는 볼록한 아치가 제공될 수 있으며, 이러한 볼록한 아치는 도 1의 오른쪽 아래에 있는 메시에서 파선으로 표시되고, 코너(corner)에 존재하며 연료봉(5)으로부터 떨어져 있는 공간을 더 잘 활용할 수 있게 해 준다.
볼록한 아치(121 및 141)로 인해, 유동 서브채널(20)로부터 배출되는 냉각수는 종방향(24)에 대해 수직인 속도 성분으로 인해 교차점(P)으로 직접 지향되는 것이 아니라, 교차점을 지나 비스듬하게 지향된다. 이로 인해, 교차점(P) 둘레에 소용돌이 흐름이 발생하며, 이러한 소용돌이 흐름은 연료봉과 액체 간의 열 전달을 향상시킨다. 또한, 소용돌이 유동 방향이 각각 인접한 교차점(22)에 대해 반대방향이 되는 방식으로 물결형상부(10, 12, 14, 16)가 배열된다. 이러한 방식으로, 소용돌이 흐름에 의해 각각 형성되는 토크가 핵연료 집합체에 작용하는 전체 토크에 더해지는 것을 막을 수 있다.
본 실시예에서, 물결형상부(10, 12, 14, 16)는 기본적으로 동일한 형태를 갖는다. 그러나 제 1 판금 스트립 및 제 2 판금 스트립(6 및 8)은 스트립 박막 평면 또는 중심 평면(24)에 대해 수직인 축 주변으로 상호 회전하도록 배치된다.
유동 채널들(20)의 형태는 특히 도 3에서 명확하게 도시되어 있다. 도 3에서 명확하게 알 수 있는 것은, 유동 서브채널(20)의 아래로부터 유입되고 메인 채널로부터 분기되는 냉각수가 부분 채널(110)에 의해 수용되며, 이러한 부분 채널(110)은 아래쪽 볼록한 아치(101)를 갖는 물결형상부(10)에 의해 형성된다. 부분 채널(110)의 단면이 좁아지기 때문에, 그 전체 길이에 걸쳐서 대각선으로 연장되는 유동 서브채널(20)로 인해 중심 평면상에서 수직선에 대해 경사지게(z 방향) 위쪽으로 흐르는 냉각수가 인접한 물결형상부(14)의 부분 채널(114) 안쪽으로 지향되고, 이러한 방식으로 로드 평면(24)에 대해 평행하게 교차점 쪽을 향한 속도 성분(vx)과 더불어 로드 평면(24)에 대해 수직인 속도 성분(vy)을 획득한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 개별 메인 채널들 사이의 냉각 액체의 혼합을 개선하기 위해서, 즉 측면 질량 흐름(lateral mass flow)을 개선하기 위해서, 물결형상부(10, 14)가 각각 종방향 슬롯(26)을 가질 수 있다.
교차점(P)에 창(window)(28)이 제공됨으로써 측면 질량 흐름이 더 개선될 수도 있다. 공지된 HTP 스페이서의 경우와 마찬가지로, 물결형상부(10, 12, 14, 16)가 웨브(2) 중심에서 슬롯(26) 양측에서 길게 연장되는 볼록한 아치를 가질 수 있으며, 이와 같은 볼록한 아치는 메시(4) 안쪽을 향하여 그 형상에 의해 연료봉을 위한 직선형 지지체를 형성하기 때문에, 상기 연료봉이 전체적으로 8개의 라인 상에서 메시 안쪽에 탄성적으로 지지된다.
이는 도 5에 따른 실시예에서 볼 수 있다. 도 5에서는 슬롯(26) 양측에 볼록한 아치(30)가 도시된다. 또한, 도 3에 도시되는 실시예와 달리, 물결형상부(14 및 10)에 의해 형성되는 유동 서브채널(20)은 전체 길이(l)(=웨브 높이)에 걸쳐서 수직선(z)에 대해 기울어지는 것이 아니라, 단지 전체 길이(l)의 일부(a)에 걸쳐서 다운스트림 단부 방향으로 및 경우에 따라서는 전체 길이(l)의 일부(b)에 걸쳐서 상류 방향으로 기울어진다. 전체 길이의 나머지 부분(1-a 또는 1-a-b)에서는 유동 서브채널(20)이 실질적으로 수직선(z)에 대해 평행하게 연장된다. 이러한 방식으로, 작은 메시 폭(mesh width) 및 큰 웨브 높이(유동 서브채널(20)의 길이(l))에서 비교적 큰 속도 성분(vx)이 웨브 평면(24)에 대해 평행하게 생성될 수 있다. 즉 교차점(P)으로부터 떨어진 방향으로 또는 교차점(P) 쪽으로 지향되는 속도 성분들이 생성될 수 있다.

Claims (7)

  1. 경수(light water)로 냉각되는 원자로의 핵연료 집합체(fuel assembly)용 스페이서로서,
    상기 스페이서는 격자(grid)를 형성하는 다수의 상호교차형 웨브들(webs)(2)로 구성되고, 상기 다수의 상호교차형 웨브들(2)은 상호접속된 제 1 및 제 2 판금(sheet-metal) 스트립(6, 8)으로 각각 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 판금 스트립(6, 8)은 각각의 경우 인접한 물결형상부들(corrugations)(10, 14 또는 12, 16)이 수직선(z)에 대해 비스듬하게 연장되는 유동 서브채널(flow subchannel)(20)을 형성하는 방식으로 물결형상부들(10, 12, 14, 16)을 갖고,
    각각의 상기 유동 서브채널(20)은 수직 중심 평면(24)에 수직인 유동 성분(flow component)(vy)을 각각의 상기 유동 서브채널로부터 배출되는 냉각수에 부가하기 위해, 상기 제 1 및 제 2 판금 스트립(6, 8) 사이에서 연장되는 상기 수직 중심 평면(24)에 비대칭인 형상을 갖는, 원자로 핵연료 집합체용 스페이서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물결형상부(10, 16)에 의해 형성되는 부분 채널(110 또는 116)의 단면은 냉각수의 유동 방향으로 좁아지고, 상기 물결형상부(14 또는 12)에 의해 형성되는 부분 채널(114, 112)의 단면은 냉각수의 유동 방향으로 넓어지는 것을 특징으로 하는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 판금 스트립(6, 8)은 각각 상기 제 1 및 제 2 판금 스트립(6, 8)의 종방향(x)으로 교번하게 배치되는 상기 물결형상부들(10, 12 또는 14, 16)를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 판금 스트립(6, 8)은 각각의 상기 유동 서브채널(20)이 상기 물결형상부들(10, 14 또는 12, 16)에 의해 형성되는 방식으로 상기 상호교차형 웨브들(2)을 형성하도록 조립되는 것을 특징으로 하는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 서브채널(20)은 적어도 다운스트림(downstream) 단부에서 상기 수직선(z)에 대해 비스듬하게 연장되는 것을 특징으로 하는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 상호교차형 웨브들(2) 중 2개의 웨브들(2)의 교차점(P)에 대해 경사지게 서로 인접하는 상기 다수의 상호교차형 웨브들(2)의 유동 서브채널(20)로부터 각각 배출되는 냉각수는 상기 교차점(P) 주위에서 소용돌이 흐름(swirl flow)들이 발생하도록 상기 수직 중심 평면(24)에 수직인 서로 대향하는 유동 성분들(vx)을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교차점(P) 주위의 소용돌이 흐름들은 상기 다수의 상호교차형 웨브들(2)을 따라 대향하는 방식으로 각각 지향되는 것을 특징으로 하는 원자로 핵연료 집합체용 스페이서.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 적어도 하나의 스페이서를 갖는 핵연료 집합체.
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