KR100771830B1 - 핵연료봉의 지지격자체 - Google Patents

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윤경호
송근우
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Abstract

본 발명은 핵연료봉의 지지격자체에 관한 것으로, 핵연료봉(Nuclear Fuel Rod)을 설치하기 위한 지지격자체를 다수개의 단위 스트랩이 길이방향으로 연장형성되는 두 개의 얇은 격자판을 접합연결하여 하나의 격자판체로 형성하고, 다수개의 격자판체를 격자형태로 상호 접합하되, 각 격자판체의 연결 부위에 마름모형상을 갖는 수로를 다수개 형성하고, 수평방향 적소와 대각선방향의 각 수로 적소에 딤플과 스프링이 구비되는 구조로 구성함으로써 연료봉의 배열 시 각각의 연료봉을 최소의 간격으로 배열 및 위치시킬 수 있으며, 별도로 형성되는 마름모형상의 수로를 통하여 냉각수가 흐르도록 함으로써 연료봉의 온도 상승을 방지하고, 이로 인해 핵연료봉 내부 수로의 냉각수 유동 속도를 기존 설계에 비하여 향상시킬 수 있어 압력 강하를 저감시킬 수 있으며, 핵연료의 수명 말까지 건전한 연료봉의 지지가 가능한 핵연료봉 지지격자체에 관한 것으로서, 그 기술적 구성은 핵연료봉의 지지격자체에 있어서, 다수개의 단위 스트랩이 연장형성되는 판체형상체로서, 길이방향 적소에 외측으로 소정각도 절곡형성되는 절곡부가 소정간격 이격되어 다수개 형성되고, 그 내측면이 상호 맞닿는 한 쌍의 스트랩체로 구비되되, 양 단부 적소에 체결편을 갖는 제1 내부 스트랩체와 제2 내부 스트랩체로 구성되는 내부 스트랩체; 및 다수개의 단위 스트랩이 연장형성되는 판체형상체로서, 각 단위 스트랩 사이의 적소에 체결공이 각각 관통형성되는 외부 스트랩체; 를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
지지격자체, 스프링, 딤플, 단위 스트랩, 내부 스트랩체, 외부 스트랩체, 절곡부, 제1 결합홈, 제2 결합홈

Description

핵연료봉의 지지격자체{Spacer Grid of nuclear fuel rod}
도 1은 종래 기술에 따른 기존 원주형 핵연료봉이 설치되는 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 2는 종래 기술에 따른 핵연료봉의 지지격자체를 개략적으로 나타내는 평면도,
도 3은 종래 기술에 따른 핵연료봉의 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 4는 종래 기술에 따른 핵연료봉의 지지격자체의 격자 스프링을 개략적으로 나타내는 사시도,
도 5는 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체의 어느 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 정면도,
도 6은 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체의 다른 한 스트랩체를 개략적으로 나나태는 배면도,
도 7은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 분해사시도,
도 8은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 9는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체의 어느 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 정면도,
도 10은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체의 다른 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 배면도,
도 11은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 분해 사시도,
도 12는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 13은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 제1 내부 스트랩체와 제2 내부 스트랩체가 결합된 모습을 개략적으로 나타내는 사시도,
도 14는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 외부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 정면도,
도 15는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 외부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 16은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 17은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체에 핵연료봉이 장입된 모습을 개략적으로 나타내는 평면도.
** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **
1 : 핵연료봉의 지지격자체, 3 : 핵연료봉,
10 : 내부 스트랩체, 11 : 제1 내부 스트랩체,
11a, 11b : 스트랩체, 12 : 절곡부,
13 : 체결편, 14 : 제1 결합홈,
15 : 제2 내부 스트랩체, 15a, 15b : 스트랩체,
16 : 절곡부, 17 : 체결편,
18 : 제2 결합홈, 19 : 혼합 날개,
30 : 외부 스트랩체, 31 : 체결공,
33 : 안내 날개, 51 : 단위 스트랩,
53 : 딤플, 55 : 스프링.
본 발명은 핵연료봉의 지지격자체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료봉(Nuclear Fuel Rod)을 설치하기 위한 지지격자체를 다수개의 단위 스트랩이 길이방향으로 연장형성되는 두 개의 얇은 격자판을 접합연결하여 하나의 격자판체로 형성하고, 다수개의 격자판체를 격자형태로 상호 접합하되, 각 격자판체의 연결 부위에 마름모형상을 갖는 수로를 다수개 형성하고, 수평방향 적소와 대각선방향의 각 수로 적소에 딤플과 스프링이 구비되는 구조로 구성함으로써 연료봉의 배열 시 각각의 연료봉을 최소의 간격으로 배열 및 위치시킬 수 있으며, 별도로 형성되는 마름모형상의 수로를 통하여 냉각수가 흐르도록 함으로써 연료봉의 온도 상승을 방지하고, 이로 인해 핵연료봉 내부 수로의 냉각수 유동 속도를 기존 설계에 비하여 향상시킬 수 있어 압력 강하를 저감시킬 수 있으며, 핵연료의 수명 말까지 건전한 연료봉의 지지가 가능한 핵연료봉의 지지격자체에 관한 것이다.
일반적으로, 핵연료봉의 지지격자체는 원자로의 핵연료집합체 구성 부품 중의 하나로서, 지지격자체의 각 단위 격자셀을 구성하고, 스프링과 딤플을 갖는 다수개의 스트랩을 용접으로 각각 연결하여 제작된다.
이렇게 제작되는 지지격자체는 정해진 위치에 핵연료봉을 배열시키고, 배열된 핵연료봉을 지지하는 역할을 수행한다.
도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 격자 스프링을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 지지격자체(110)는 핵연료집합체(2)의 상단 고정체(111)와 하단 고정체(112) 사이에 개재되되, 다수개의 안내관(113)을 갖는 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 핵연료봉(125)들을 지지하는 지지격자체(110)은 안내관(113)의 길이방향으로 일정한 간격을 두고, 안내관(113)과의 용접을 통해 핵연료집합체(2)를 형성하고 있다.
한편, 상기 지지격자체(110)는 통상 지르칼로이 합금으로 이루어지며, 핵연료봉(125)들을 지지하는 핵연료봉셀(123)과 안내관(113)이 삽입되는 안내관셀(124)들이 있으며, 핵연료봉셀(123)은 2개의 격자 스프링(118)과 상기 스프링(118)들의 상, 하측에 위차하되, 각 1개씩, 총 4개의 딤플(119)들이 6개 지지점에서 핵연료봉(125)을 접촉 및 지지하고 있다.
이에 따라 격자 스프링(118)이 핵연료봉(125)과 접촉하여 상기 핵연료봉(125)에 의하여 변형을 받게 될 때 격자 스프링(118)의 지지부(121)가 핵연료봉(125)에 의해 가압을 받게 되면 상기 지지부(121)의 강성이 핵연료봉(125)과 접촉하는 중앙굴곡부(122)의 강성과 비슷한 강성을 가지고 있음에 따라 상기 지지부(121)는 핵연료봉(125)에 의해 가해지는 하중(130)에 의하여 굽힘(Bending) 변형 뿐만 아니라, 비틀림(Twisting) 변형을 동시에 받게 된다.
한편, 핵연료봉(125)의 스트랩(115)에서 핵연료봉(125)과 접촉하는 중앙굴곡부(122) 및 지지부(121)를 갖는 지지격자 스프링(118) 및 딤플(119)에서 스프링력이 너무 작을 경우, 핵연료봉(125)을 정해진 위치에 배열할 수 없어 핵연료봉(125)의 지지건전성을 상실할 가능성이 있으며, 너무 클 경우, 핵연료봉(125)을 지지격자체(110)로 삽입할 때 과도한 마찰 저항력으로 인하여 핵연료봉(125)의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생될 수 있으며, 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장(Growth)을 적절히 수용할 수 없어 연료의 휨 현상을 유발시키는 문제점이 있었다.
이렇게 핵연료봉에 휨 현상이 발생되면 인접한 핵연료봉들과 근접 및 접촉하게 되어 핵연료봉 사이에 냉각수 유로(Channel)를 좁게 하거나, 차단하게 되고, 이로 인해 연료에서 발생한 열을 효과적으로 냉각수로 전달하지 못하여 핵연료봉의 온도가 높아지는 현상을 초래하여 핵비등 이탈(DNB)의 발생가능성을 높여서 핵연료 출력을 감소시키는 주원인이 되는 문제점이 있었다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 근래의 핵연료 개발은 고연소도 및 무결함을 달성할 수 있는 방향으로 추진되고 있으며, 특히 고연소도 핵연료를 개발하기 위하여 핵연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키기 위한 핵연료의 열적 성능을 제고하여야 하며, 이를 위하여 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
여기서, 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 방법으로 지지격자체의 형상을 변경하는 방법을 채용하고 있으며, 일 예로 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로 채널의 효율적인 구성 등을 들 수 있다.
그러나, 이러한 열적 성능의 제고를 위한 개념은 핵연료봉 주변의 냉각수 흐름을 큰 난류유동(Turbulent Flow) 즉, 높은 레이놀드 수(Reynolds number)의 유동이 되도록 하는 것을 토대로 하는 것이 대부분이며, 이는 핵연료봉 부변의 냉각수 흐름의 난류화로 인해 핵연료봉의 유동유발진동(Flow Induced Vibration)의 주원인이 된다.
이러한 핵연료봉의 유동유발진동은 핵연료봉이 스트랩의 지지격자 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 미끄러지는 상호 상대운동을 발생시키는 요인이며, 이로 인해 핵연료봉의 접촉면에 국부적인 마멸이 발생하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 "핵연료봉 프레팅 손상"을 초래하게 된다.
즉, 핵연료봉과 지지격자 스트랩 또는 딤플 사이의 접촉면 사이에 마멸이 발생하며, 이로 인해 핵연료봉에 국부적인 손상이 발생되며, 이러한 손상이 심해질 경우, 핵연료봉이 파손될 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 고연소도 핵연료 개발을 위한 열적 성능을 제고하는 방법이 핵연료봉의 손상을 촉진시킬 수 있다는 결과를 가져오게 되는 경우가 발생된다.
상술한 바와 같이, 핵연료봉을 지지하는 역할을 수행하는 지지격자체는 핵연료봉의 수명 기간 동안 격자 내에서 건전한 지지상태를 유지할 수 있어야 하며, 핵연료봉의 프레팅 마멸 손상 가능성을 억제할 수 있어야 한다.
이렇게 핵연료봉이 연료의 수명 말까지 지지건전성을 유지하기 위해서는 연료의 수명 기간 동안 충분한 스프링력으로 핵연료봉을 지지할 수 있어야 하며, 스프링의 탄성거동 영역을 확장함으로써 노내에서 다양하게 변화할 수 있는 핵연료봉 지지 조건 하에서도 연료의 수명 말까지 요구되는 스프링력 이상을 유지하여야 한다.
한편, 최근 들어 환형(Annular)으로 형성되는 핵연료 소결체가 제안되었으며, 이러한 소결체를 그 내부에 장입하여 사용되는 환형의 핵연료봉이 사용되고 있다.
이러한 환형의 핵연료봉은 그 형태상 중심부에 냉각수가 유입 및 유동되기 위한 냉각 수로를 갖도록 이루어짐으로써 핵연료봉 표면에서 발생되는 고열을 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 환형 핵연료봉의 외경이 기존 원주형 핵연료봉의 외경보다 커지게 된다.
이러한 환형 핵연료봉을 사용하기 위하여 기존 발전소에 종래의 원주형 핵연료봉을 사용한 경우와 비슷한 출력을 생산하기 위해서는 기존의 지지격자체 개념으로는 환형 핵연료봉을 지지할 수 없다는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기존의 핵연료봉 보다 외경이 큰 환형 핵연료봉(Annular Fuel Rod)을 설치하기 위해 지지격자체를 다수개의 단위 스트랩이 길이방향으로 연장형성되는 두 개의 얇은 격자판을 접합연결하여 하나의 격자판체로 형성하고, 다수개의 격자판체를 격자형태로 상호 접합하되, 각 격자판체의 연결 부위에 마름모형상을 갖는 수로를 다수개 형성하고, 수평방향 적소와 대각선방향의 각 수로 적소에 딤플과 스프링이 구비되는 구조로 구성함으로써 연료봉의 배열 시 각각의 연료봉을 최소의 간격으로 배열 및 위치시킬 수 있으며, 별도로 형성되는 마름모형상의 수로를 통하여 냉각수가 흐르도록 함으로써 연료봉의 온도 상승을 방지하고, 이로 인해 핵연료봉 내부 수로의 냉각수 유동 속도를 기존 설계에 비하여 향상시킬 수 있어 압력 강하를 저감시킬 수 있으며, 핵연료의 수명 말까지 건전한 연료봉의 지지가 가능한 핵연료봉의 지지격자체 를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 핵연료봉의 지지격자체에 있어서, 다수개의 단위 스트랩이 연장형성되는 판체형상체로서, 길이방향 적소에 외측으로 소정각도 절곡형성되는 절곡부가 소정간격 이격되어 다수개 형성되고, 그 내측면이 상호 맞닿는 한 쌍의 스트랩체로 구비되되, 양 단부 적소에 체결편을 갖는 제1 내부 스트랩체와 제2 내부 스트랩체로 구성되는 내부 스트랩체; 및 다수개의 단위 스트랩이 연장형성되는 판체형상체로서, 각 단위 스트랩 사이의 적소에 체결공이 각각 관통형성되는 외부 스트랩체; 를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 내부 스트랩체는 한 쌍으로 형성되는 스트랩체의 절곡부 상측 양 단부 적소에 슬롯형상의 제1 결합홈이 각각 형성되고, 상기 제2 내부 스트랩체는 한 쌍으로 형성되는 스트랩체의 절곡부 중심부 적소에 슬롯형상의 제2 결합홈이 형성된다.
여기서, 상기 제1 내부 스트랩체를 이루는 각 스트랩체 중 어느 한 스트랩체의 각 단위 스트랩 중심부 적소에 딤플이 각각 돌출형성된다.
대안적으로는, 상기 제1 내부 스트랩체를 이루는 각 스트랩체 중 어느 한 스트랩체의 각 단위 스트랩 중심부 적소에 스프링이 각각 형성된다.
그리고, 상기 제1 내부 스트랩체를 이루는 각 스트랩체 중 어느 한 스트랩체 의 절곡부 상부면 적소에 혼합 날개(mixing vane)가 상향되게 돌출형성된다.
한편, 상기 제2 내부 스트랩체를 이루는 각 스트랩체 중 어느 한 스트랩체의 각 단위 스트랩 중심부 적소에 딤플이 각각 돌출형성되고, 다른 한 스트랩체의 절곡부 일측 소정위치에 스프링이 형성된다.
대안적으로는, 상기 제2 내부 스트랩체를 이루는 각 스트랩체 중 어느 한 스트랩체의 각 단위 스트랩 중심부 적소에 스프링이 각각 형성되고, 다른 한 스트랩체의 절곡부 일측 소정위치에 딤플이 형성된다.
여기서, 상기 제2 내부 스트랩체를 이루는 각 스트랩체 중 어느 한 스트랩체의 절곡부 상부면 적소에 혼합 날개(mixing vane)가 상향되게 돌출형성된다.
한편, 상기 외부 스트랩체의 일측면 각 단위 스트랩 중심부 적소에 딤플이 각각 돌출형성된다.
대안적으로는, 상기 외부 스트랩체의 일측면 각 단위 스트랩 중심부 적소에 스프링이 각각 형성된다.
그리고, 상기 외부 스트랩체의 각 단위 스트랩 연결부위 상, 하부 적소에 안내 날개(guide vane) 각각 형성된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 5는 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체의 어느 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 6은 발명에 의 한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체의 다른 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 배면도이고, 도 7은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 분해사시도이고, 도 8은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제1 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 9는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체의 어느 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 10은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체의 다른 한 스트랩체를 개략적으로 나타내는 배면도이고, 도 11은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이고, 도 12는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 내부 스트랩체 중 제2 내부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 13은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 제1 내부 스트랩체와 제2 내부 스트랩체가 결합된 모습을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 14는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 외부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 15는 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 외부 스트랩체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 16은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 17은 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체에 핵연료봉이 장입된 모습을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체(1)는 내부 스트랩체(10)와 외부 스트랩체(30)를 포함하여 구성된다.
상기 내부 스트랩체(10)는 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)로 구성되며, 상기 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15)는 각각 한 쌍의 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)로 이루어지되, 상기 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)는 다수개의 단위 스트랩(51)이 연장형성되는 판체형상체로 형성되고, 그 길이방향 적소에 외측으로 소정각도 절곡형성되는 절곡부(12, 16)가 소정간격 이격되어 다수개 형성된다.
여기서, 상기 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)는 그 내측면이 상호 맞닿아 접합되며, 양 단부 적소에 체결편(13, 17)이 돌출형성된다. 이때, 상기 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)의 양 단부 적소에 2개의 체결편(13, 17)이 각각 돌출형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)의 양 단부 적소에 2개의 체결편(13, 17)이 각각 돌출형성되어 있으나, 상기 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)의 양 단부 적소에 그 이상 또는 이하의 갯수로 체결편(13, 17)이 돌출형성되는 것도 가능하다.
한편, 상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 한 쌍의 스트랩체(11a, 11b)는 외측으로 절곡형성되는 각 절곡부(12) 상측 양 단부 적소에 슬롯형상의 제1 결합홈(14)이 각각 형성되고, 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 한 쌍의 스트랩체(15a, 15b)는 외측으로 절곡형성되는 각 절곡부(16) 중심부 적소에 슬롯형상의 제2 결합홈(18)이 형성된다.
그리고, 상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b) 중 어느 한 스트랩체(11a)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성된다.
또한, 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15b)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성되고, 다른 한 스트랩체(15a)의 각 절곡부(16) 일측 소정위치에 스프링(55)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b) 중 어느 한 스트랩체(11a)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성되어 있으나, 상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b) 중 어느 한 스트랩체(11a)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 스프링(55)이 형성되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩(15a, 15b)체 중 어느 한 스트랩체(15b)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성되고, 다른 한 스트랩체(15a)의 각 절곡부(16) 일측 소정위치에 스프링(55)이 형성되어 있으나, 상기 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15b)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 스프링(55)이 형성되고, 다른 한 스트랩체(15a)에 딤플(53)이 돌출형성되는 것도 가능하다.
한편, 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15a)의 각 절곡부(16) 상부면 적소에 혼합 날개(mixing vane, 19)가 상향 돌출형성된다. 상기한 바와 같이, 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15a)의 각 절곡부(16) 상부면에 혼합 날개(19)가 상향돌출되게 형성됨으로써 핵연료봉(3)에서 발생되는 고열을 방지하기 위한 냉각수의 유동이 원할해진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15a)의 각 절곡부(16) 상부면 적소에 혼합 날개(19)가 돌출형성되어 있으나, 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b)의 각 절곡부(16) 상부면에 혼합 날개(19)가 돌출형성되는 것도 가능하고, 상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b)의 각 절곡부(12) 상부면에 혼합 날개가 돌출형성되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15a)의 각 절곡부(16) 상부면에 상향되게 돌출형성되는 혼합 날개(19)가 대략 쐐기 형상으로 형성되어 있으나, 유입되는 냉각수의 유동이 용이하다면 상기 제2 내부 스트랩체(15)에 형성되는 혼합 날개(19)의 형상이 기타 다양한 형상으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 외부 스트랩체(30)는 다수개의 단위 스트랩(51)이 연장형성되는 판체형상체로서, 그 길이방향 적소에 체결공(31)이 소정간격 이격되어 다수개 관통형성된 다. 즉, 상기 외부 스트랩체(30)는 다수개의 단위 스트랩(51)이 연장형성되는 판체형상체로서, 단위 스트랩(51)과 단위 스트랩(51) 사이의 각 공간에 체결공(31)이 관통형성된다.
여기서, 상기 외부 스트랩체(30)에 형성되는 각 체결공(31)은 상기 내부 스트랩체(10)의 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15) 양 단부에 돌출형성되는 각 체결편(13, 17)이 결합되며, 이를 위하여 상기 각 체결공(31)은 상기 각 체결편(13, 17)과 대응되게 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51)과 단위 스트랩(51) 사이의 공간에 수직방향으로 2개의 체결공(31)이 관통형성되어 있으나, 상기 체결공(31)이 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51)과 단위 스트랩(51) 사이의 공간에 수직방향으로 2개 이상 또는 이하의 갯수로 관통형성되는 것도 가능하다.
여기서, 상기 내부 스트랩체(10)의 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15) 양 단부에 돌출형성되는 각 체결편(13, 17)과 상기 외부 스트랩체(30)에 관통형성되는 각 체결공(31)의 갯수는 상호 대응되게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 외부 스트랩체(30)의 일측면 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 돌출형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 외부 스트랩체(30)의 일측면 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 돌출형성되어 있으나, 상기 외부 스트랩체(30)의 일측면 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 스프링(55)이 형성되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51)의 연결부위 상, 하부 적소에 안내 날개(guide vane, 33) 각각 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 상, 하부 적소에 안내 날개(33)가 각각 형성되어 있으나, 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 상부 적소에만 안내 날개(33)가 형성되거나, 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 하부 적소에만 안내 날개(33)가 형성되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 상, 하부 적소에 각각 형성되는 안내 날개(33)가 삼각형상으로 형성되어 있으나, 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 상, 하부 적소에 각각 형성되는 안내 날개(33)의 형상을 이에 한정하지 않는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 상, 하부 적소에 각각 형성되는 안내 날개(33)가 그 내측을 향하여 소정각도 절곡형성되는 것이 바람직하며, 상기 안내 날개(33)의 절곡 각도는 냉각수의 유입이 용이한 범위 내에서 다양하게 가변가능하게 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 핵연료봉의 지지격자체의 결합 및 제작과정을 설명한다.
먼저, 내부 스트랩체(10)를 이루는 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트 랩체(15)의 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)를 접합한다.
이때, 상기 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)의 내측면이 상호 맞닿도록 위치시킨 후 접합 또는 용접 등을 통하여 한 쌍의 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)를 접합시켜 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)를 제작한다.
상기한 바와 같이, 한 쌍의 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)의 내측면이 맞닿도록 위치시킨 후 접합시켜 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)를 제작할 경우, 상기 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)에 절곡형성되는 절곡부(12, 16)가 상호 합쳐져 대략 마름모형상으로 형성되며, 마름모형상으로 형성되는 절곡부(12, 16)를 통하여 냉각수가 유동된다.
그 다음, 상기 외부 스트랩체(30)에 제1 내부 스트랩체(11)를 다수개 설치한다. 즉, 제1 내부 스트랩체(11)의 양 단부에 각각 돌출형성되는 각 체결편(13)과 외부 스트랩체(30)에 길이방향으로 관통형성되는 각 체결공(31)을 결합시켜 상기 외부 스트랩체(30)에 제1 내부 스트랩체(11)를 다수개 설치한다.
상기한 바와 같이, 상기 제1 내부 스트랩체(11)의 양 단부에 형성되는 각 체결편(13)을 2개의 외부 스트랩체(30) 각 체결공(31)에 결합시킨 후 접합 또는 용접 등을 통하여 각 외부 스트랩체(30)와 다수개의 제1 내부 스트랩체(11)의 체결공(31)과 체결편(13)을 접합 또는 용접 등에 의하여 접합한다.
그 다음, 상기 제1 내부 스트랩체(11)에 제2 내부 스트랩체(15)를 설치한다. 즉, 상기 외부 스트랩체(30)에 연결되는 제1 내부 스트랩체(11)의 절곡부(12) 상측 양 단부에 각각 형성되는 제1 결합홈(14)에 제2 내부 스트랩체(15)의 절곡부(16) 중심부 적소에 형성되는 제2 결합홈(18)을 결합시킨다.
이때, 상기 제1 내부 스트랩체(11)에 형성되는 각 제1 결합홈(14)과 제2 내부 스트랩체(15)에 형성되는 제2 결합홈(18)은 각 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)의 폭 방향 절반정도로 형성되는 것이 바람직하며, 상기한 바와 같은 구조 및 형태에 의하여 상기 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)가 격자형태로 결합된다.
여기서, 상기 제1 내부 스트랩체(11)에 제2 내부 스트랩체(15)가 결합되기 위하여 상기 제2 내부 스트랩체(15)에 마름모형상으로 합쳐지는 절곡부(16)의 크기가 상기 제1 내부 스트랩체(11)의 마름모형상으로 합쳐지는 절곡부(12)의 크기보다 약간 크게 이루어진다. 이로 인해, 상기 제2 내부 스트랩체(15)의 마름모형상으로 합쳐지는 절곡부(16)가 상기 제1 내부 스트랩체(11)의 마름모형상으로 합쳐지는 절곡부(12)의 외측을 감싸는 형상으로 결합된다.
이렇게, 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)를 결합시킨 후 상기 제2 내부 스트랩체(15)의 양 단부에 돌출형성되는 각 체결편(17)에 또 다른 외부 스트랩체(30)의 체결공(31)을 결합시키고, 상기 각 체결공(31)에 결합된 각 체결편(17)을 접합 또는 용접 등으로 접합한다.
상기한 바와 같이, 제1 내부 스트랩체(11)의 양 단부에 외부 스트랩체(30)를 설치하고, 상기 제1 내부 스트랩체(11)에 제2 내부 스트랩체(15)를 격자형태로 설치한 후 상기 제2 내부 스트랩체(15)의 양 단부에 외부 스트랩체(30)를 설치하여 핵연료봉의 지지격자체(1)를 제작한 후 상기 내부 스트랩체(10)의 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)의 설치 공간(미도시)에 핵연료봉(3)을 설치한다.
이때, 상기 핵연료봉의 지지격자체(1)의 핵연료봉(3) 설치공간 중 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)가 격자형태를 이루는 설치공간상에 설치되는 핵연료봉(3)은 상기 제1 내부 스트랩체(11)의 단위 스트랩(51) 중심부 상, 하측 적소에 돌출형성되는 2개의 딤플(53)과 상기 제2 내부 스트랩체(15)의 단위 스트랩(51) 중심부 상, 하측 적소에 돌출형성되는 2개의 딤플(53) 및 상기 제2 내부 스트랩체(15)의 절곡부(16)에 형성되는 1개의 스프링(55)에 의하여 5점 지지 및 고정된다.
한편, 외부 스트랩체(30)와 제1 내부 스트랩체(11) 및 제2 내부 스트랩체(15)가 격자형태를 이루는 핵연료봉 지지격자체(1)의 가장자리의 설치공간상에 설치되는 핵연료봉(3)은 상기 각 외부 스트랩체(30)의 단위 스트랩(51) 중심부 상, 하측 적소에 돌출형성되는 4개의 딤플(53)과 상기 제2 내부 스트랩체(15)의 절곡부(16)에 형성되는 1개의 스프링(55)에 의하여 5점 지지 및 고정된다.
상기한 바와 같이, 핵연료봉의 지지격자체(1) 각 설치공간 중 임의의 설치공간에 장입되는 핵연료봉(3)의 표면 온도를 저감시키기 위하여 냉각수를 유입할 경우, 핵연료봉(3)의 표면 온도를 저감시키기 위한 냉각수가 핵연료봉(3)이 설치되는 각 설치공간의 여유공간으로 유입 및 유동될 뿐만 아니라, 마름모형상으로 합쳐지는 절곡부(12, 16)의 각 공간, 즉 수로로 유입 및 유동되도록 이루어짐으로써 핵연료봉(3)의 표면 온도 상승을 방지할 수 있다.
또한, 2개의 딤플(53)과 1개의 스프링(55)이 핵연료봉(3)을 지지 및 고정시키도록 이루어짐으로써 핵연료봉(3)과 핵연료봉(3) 사이의 간격을 최소로 배열 및 위치시킬 수 있으며, 이로 인해 핵연료봉(3) 내부 수로의 냉각수 유동 속도를 향상시킬 수 있어 핵연료의 수명 말까지 건전한 연료봉의 지지가 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 핵연료봉(Nuclear Fuel Rod)을 설치하기 위한 지지격자체를 다수개의 단위 스트랩이 길이방향으로 연장형성되는 두 개의 얇은 격자판을 접합연결하여 하나의 격자판체로 형성하고, 다수개의 격자판체를 격자형태로 상호 접합하되, 각 격자판체의 연결 부위에 마름모형상을 갖는 수로를 다수개 형성하고, 수평방향 적소와 대각선방향의 각 수로 적소에 딤플과 스프링이 구비되는 구조로 구성함으로써 연료봉의 배열 시 각각의 연료봉을 최소의 간격으로 배열 및 위치시킬 수 있으며, 별도로 형성되는 마름모형상의 수로를 통하여 냉각수가 흐르도록 함으로써 연료봉의 온도 상승을 방지하고, 이로 인해 핵연료봉 내부 수로의 냉각수 유동 속도를 기존 설계에 비하여 향 상시킬 수 있어 압력 강하를 저감시킬 수 있으며, 핵연료의 수명 말까지 건전한 연료봉의 지지가 가능하고, 유체를 수송하는 배관계통과 그 지지 구조물, 또한 보일러 또는 열교환기를 사용하는 일반 산업기기에서 가늘고, 긴 봉 또는 관들과 이를 지지하기 위한 지지부들간의 마모, 피로 및 진동에 의한 파괴를 억제할 수 있는 등 기타 다양한 분야에 적용가능하다는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (11)

  1. 핵연료봉의 지지격자체에 있어서,
    다수개의 단위 스트랩(51)이 연장형성되는 판체형상체로서, 길이방향 적소에 외측으로 소정각도 절곡형성되는 절곡부(12, 16)가 소정간격 이격되어 다수개 형성되고, 그 내측면이 상호 맞닿는 한 쌍의 스트랩체(11a, 11b, 15a, 15b)로 구비되되, 양 단부 적소에 체결편(13, 17)을 갖는 제1 내부 스트랩체(11)와 제2 내부 스트랩체(15)로 구성되는 내부 스트랩체(10); 및
    다수개의 단위 스트랩(51)이 연장형성되는 판체형상체로서, 각 단위 스트랩(51) 사이의 적소에 체결공(31)이 각각 관통형성되는 외부 스트랩체(30);
    를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내부 스트랩체(11)는 한 쌍으로 형성되는 스트랩체(11a, 11b)의 절곡부(12) 상측 양 단부 적소에 슬롯형상의 제1 결합홈(14)이 각각 형성되고, 상기 제2 내부 스트랩체(15)는 한 쌍으로 형성되는 스트랩체(15a, 15b)의 절곡부(16) 중심부 적소에 슬롯형상의 제2 결합홈(18)이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b) 중 어느 한 스트랩체(11a)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b) 중 어느 한 스트랩체(11a)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 스프링(55)이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 내부 스트랩체(11)를 이루는 각 스트랩체(11a, 11b) 중 어느 한 스트랩체(11a)의 절곡부(12) 상부면 적소에 혼합 날개(mixing vane)가 상향되게 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15b)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성되고, 다른 한 스트랩체(15a)의 절곡부(16) 일측 소정위치에 스프링(55)이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15b)의 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 스프링(55)이 각각 형성되고, 다른 한 스트랩체(15a)의 절곡부(16) 일측 소정위치에 딤플(53)이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 내부 스트랩체(15)를 이루는 각 스트랩체(15a, 15b) 중 어느 한 스트랩체(15a)의 절곡부 상부면 적소에 혼합 날개(mixing vane, 19)가 상향되게 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외부 스트랩체(30)의 일측면 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 딤플(53)이 각각 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부 스트랩체(30)의 일측면 각 단위 스트랩(51) 중심부 적소에 스프링(55)이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 외부 스트랩체(30)의 각 단위 스트랩(51) 연결부위 상, 하부 적소에 안내 날개(guide vane, 33) 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
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