KR100775575B1 - 이중 누름 스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로에 사용되는 핵연료집합체에서 핵연료집합체의 들림을 방지하는 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료집합체의 축방향 움직임에 대하여 누름력을 제공할 때 최적의 탄성특성을 갖는 홀드다운 스프링을 갖춘 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것이다..

본 발명은 핵연료집합체에 탄성을 주는 스프링으로 된 탄성체부(20)와 누름판(11)과 유로판(13) 사이에 외곽안내기둥(12)이 수직으로 연결되고 상기 유로판(13)에 수직하게 중앙안내기둥(14)이 누름판(11) 방향으로 중앙안내기둥(14)과 나란하게 돌출되어 있는 지지부(10)로 이루어지는 핵연료집합체용 상단고정체에 있어서, 상기 탄성체부(20)는 탄성계수가 서로 다른 제 1 스프링(21)과 제 2 스프링(22)이 외곽안내기둥에 관통되어 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기의 상단고정체에 의해 정상조건에서는 핵연료집합체에 더욱 부드러운 누름력을 제공하게 되었고, 과도조건에서는 급격한 들림력에 대하여 더욱 강한 누름력을 제공하게 되어 최적화된 홀드다운 스프링을 장착한 상단고정체를 제공하여 핵연료집합체에 기계적 구조적 안전성을 보장하게 되었다.

핵연료집합체, 상단고정체, 코일스프링

Description

이중 누름 스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체{TOP NOZZLE ASSEMBLY HAVING DOUBLE HOLDDOWN SPRING IN NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}

도 1은 핵연료집합체의 사시도이다.

도 2는 핵연료집합체용 상단고정체와 원자로의 상부구조물과의 결합을 나타낸 일부단면도이다.

도 3a는 종래기술의 사시도와 정면도이다.

도 3b는 종래기술의 분해도이다.

도 4는 본 발명의 개략도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.

도 6은 본 발명의 설계조건을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명과 종래기술의 탄성특성을 비교한 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 지지부 11 : 누름판

12 : 외곽안내기둥 13 : 유로판

14 : 중앙안내기둥

20 : 탄성체부 21 : 제 1 스프링

22: 제 2 스프링 23 : 플레이트

본 발명은 원자로에 사용되는 핵연료집합체에서 핵연료집합체의 들림을 방지하는 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료집합체의 축방향 움직임에 대하여 누름력을 제공할 때 최적의 탄성특성을 갖는 핵연료집합체용 상단고정체의 홀드다운 스프링에 관한 것이다.

일반적으로 경수로형 원자로에 사용되는 연료는 우라늄으로 만들어진 소결체를 지르칼로이 피복관에 삽입하고 피복관의 양쪽 끝을 밀봉하여 핵연료봉으로 만들어진다. 이러한 핵연료봉은 도 1과 같이 안내관, 계측관등과 함께 조립된 여러개의 지지격자체의 격자에 삽입된다.

핵연료집합체는 원자로 내에서 이러한 지지격자체와 연료봉, 안내관, 계측관과 함께 상·하단고정체로 고정되어 있는 구조를 가진다.

상기의 핵연료집합체는 원자로의 운전중에 냉각수의 흐름에 의해 발생하는 수력들림력(hydraulic uplift force)을 받게되어 부양되거나 진동을 하게 된다. 또한, 온도의 상승에 의한 열팽창이나, 장시간의 중성자 조사에 의한 핵연료 피복관 의 조사성장 및 크립에 의한 축방향 길이변화가 발생한다.

따라서, 이러한 축방향의 운동이나 길이변화에 대해 핵연료집합체의 기계적 구조적 안전성을 지켜주는 것이 상단고정체로 특히 상단고정체의 홀드다운 스프링이 이러한 역할을 한다.

홀드다운 스프링은 집합체의 설계형태에 따라 몇가지 형태를 가지는데, 일반적으로 표준형 핵연료집합체에는 코일형 스프링이 쓰인다. 상기의 코일형 스프링은 탄성구간에서만 작동하는 특성을 가진다. 따라서 스프링의 탄성한계에 맞게 적절하게 설계될 것이 요구된다.

종래의 핵연료집합체용 홀드다운 스프링으로 코일형 스프링을 사용하는 것을 도2, 도 3a, 도 3b에 도시하였다.

상단고정체의 일반적인 구조는 핵연료집합체에 누름력을 주어 핵연료집합체의 부양을 막고 길이변화를 수용하는 탄성체부(20)와 탄성체부를 지지하고 골격을 이루며 제어봉의 안내역할 등을 하는 지지부(10)로 이루어진다. 상기에서 탄성체부는 코일형 스프링(21)으로 되어 있고, 지지부는 누름판(11), 외곽안내기둥(12), 유로판(13), 중앙안내기둥(14)으로 구성된다.

상기의 상단고정체는 하단에 핵연료집합체의 안내관과 결합되어 있고, 상단에 삽입관과 연결되어 있다. 도 2를 참고하면, 삽입관은 외곽안내기둥(12)과 결합되어 있고, 상단고정체를 포함하는 핵연료집합체를 지지하고 있다. 또한 삽입관과 외곽안내기둥(12)은 중심부가 비어있는 구조를 가지고 있고, 외곽안내기둥의 일단 과 안내관이 연결되어 있어서, 제어봉 집합체가 삽입관과 외곽안내기둥의 중심부의 빈공간을 통과해 안내관으로 낙하되도록 되어있다.

이러한 종래의 상단고정체는 단일의 코일형 스프링(21)을 사용하였다. 도 3a, 도 3b는 이러한 단일의 코일형 스프링을 사용한 상단고정체를 도시하고 있다.

단일 코일형 스프링(21)을 사용할 경우 스프링 상수는 탄성구간 내에서는 일정한 값을 가지기 때문에, 탄성구간 내의 외력에 의한 핵연료집합체의 축방향 길이변화에 대하여 우수한 누름력을 제공한다.

그렇지만, 과도조건에서 냉각재 유량의 급격한 증가에 의해 집합체에 가해지는 들림력이 증가하여, 핵연료집합체가 원자로 하부 구조물로부터 들리는 경우에는 정위치에서 이탈되어 핵연료집합체의 변형을 야기할 가능성이 있으며, 반복되는 들림으로 인해 연료봉의 휘어짐이나 파손이 가능하여 방사능 오염등의 위험이 발생할 수 있다.

상기의 경우에 탄성체의 변화가 밀착높이(스프링이 최대한 눌러져서 권선 사이의 공간이 없어 더 이상 눌러지지 않는 높이)를 초과하는 경우에는 코일형 스프링은 강체와 같이 되어 핵연료집합체에 누름력을 제공하지 못하게 되어 탄성체가 충분한 기능을 하지 못하게 된다.

상기의 경우를 대비하여 강한 외력에도 누름력을 제공할 수 있게 강도가 높은 스프링을 사용하는 경우에는, 핵연료집합체의 허용가능한 움직임의 폭이 줄어들게 되어 핵연료집합체가 거의 움직일 수 없게 된다. 따라서, 길이변화 등의 요인이 발생했을 경우에 핵연료집합체가 탄력적으로 움직이지 못하여 휘어지거나 파손될 수도 있다.

따라서, 종래의 단일 코일 스프링을 사용한 상단고정체는 코일형 스프링의 설계시 제한적인 범위인 정상조건에서 충분한 누름력 여유도를 갖도록 설계할 수밖에 없었고, 이런 경우 핵연료집합체에 과도한 축방향 힘이 가해져서 집합체에 휨이 발생하는 상기의 문제점이 발생하였다.

본 발명은 기존의 핵연료집합체용 상단고정체에 장착된 홀드다운 스프링을 최적화하여 정상조건에서 최소의 누름력을 제공하고, 과도조건에서도 핵연료집합체가 정위치에서 이탈되지 않도록 누름력을 제공하는 핵연료집합체용 상단고정체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 다음과 같은 기술적 과제를 가진다.

첫째, 정상조건에서는 핵연료집합체에 종래기술에 비하여 최적의 누름력을 제공함으로써 과도한 누름력으로 인한 핵연료집합체의 휘어짐이 발생하지 않도록 하는 것을 목적으로 하고,

둘째, 과도조건에서는 핵연료집합체에 종래기술보다 더욱 강한 누름력을 제공하여 기계적 구조적 안전성을 보장하는 것을 목적으로 하고,

셋째, 상기의 목적들에 적합한 최적화된 홀드다운 스프링을 장착한 상단고정체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 대해 도 4에 개략적으로 도시되어 있다.

본 발명은 지지부(10)와 탄성체부(20)로 구성되어 있으며, 지지부(10)는 누름판(11), 외곽안내기둥(12), 중앙안내기둥(14), 유로판(13)을 포함하고 있고, 상기 탄성체부(20)는 제 1 스프링(21)과 제 2 스프링(22)을 포함하고 있다.

상기의 누름판(11)은 중심에 원통형의 판이 있고, 원통의 둥근 외곽으로 4개의 원통형의 판이 중심 원통에 대해 90°의 각도로 배열되어 있는 구조를 가지고 있다.

상기의 누름판(11)의 외곽 원통에는 각각 긴 원통형의 외곽안내기둥(12)이 원통에 삽입되어 누름판에 수직한 방향으로 배치되어 있다.

상기의 외곽안내기둥(12)의 하부에는 2단으로 층진 사각의 유로판(13)이 있으며, 유로판(13)의 상층에는 중심에 원형의 수용공간이 있고 상기의 수용공간의 주위에 4개의 원형의 수용공간이 90°의 각을 이루며 배치되어 있으며, 유로판(13) 외곽의 수용공간에는 외곽안내기둥(12)이 각각 삽입되어 있다.

상기 유로판(13)의 중심부의 수용공간에는 중앙안내기둥(14)이 삽입되어 누름판 방향으로 수직하게 외곽안내기둥과 나란하게 배치되어 있다.

탄성체부(20)는 2개의 탄성계수가 서로 다른 코일 스프링(21,22)으로 되어 있으며 상기의 외곽안내기둥(12)을 감싸며, 즉 외곽안내기둥에 관통당하는 2개의 스프링이 적층되어 직렬로 배치되어 있다.

이하 상기의 구성의 작동을 설명한다.

누름판(12)은 유로판(13)과 같이 스프링을 지지하며 스프링에 축방향의 힘을 전달하는 역할을 한다. 또한 누름판(12)에 의해 도 2와 같이 삽입관과 결합되어 핵연료 집합체는 원자로 상부구조물과 연결된다.

누름판(12)의 외곽의 수용공간에 삽입되어 있는 외곽안내기둥(12)은 코일 스프링(21,22)을 외곽에 두르고 있기 때문에, 스프링의 운동방향을 안내하는 역할을 한다. 또한, 도 2와 같이 원자로의 상부구조물과 연결되어 있어서 핵연료집합체의 위치를 원자로 내에서 유지하는 역할도 한다.

상기의 외곽안내기둥(12)은 내부가 뚫려있기 때문에 외곽안내기둥의 상부에 연결된 삽입관을 통해 제어봉이 외곽안내기둥의 하부에 연결된 안내관으로 투입되기도 한다.

유로판(13)에는 유로판을 관통하는 다수개의 구멍이 뚫려 있어서, 유로판(13)은 원자로의 하부에서 연료봉을 거쳐 올라온 냉각수가 저항을 적게 받고 상부로 올라가서 순환할 수 있도록 유로를 제공하는 역할을 한다.

상기의 유로판(13)은 상단고정체와 지지격자, 안내관, 계측관으로 이루어진 골격체를 연결하여 연료봉의 축방향 이동을 제한한다.

중앙안내기둥(14)은 상단고정체의 유로판(13)의 중앙에 위치하는 수용공간에 안착되어 있다. 상기의 중앙안내기둥(14)의 하단에는 유로판(13)을 사이에 두고 계측관이 연결되어 있다.

상기의 계측관에는 하부에서 상부로 계측기가 올라올 수 있도록 되어 있어서, 핵연료집합체의 온도를 측정할 수 있다.

탄성체부(20)의 작용은 상기에 기술한 대로 핵연료 집합체에 축방향 성장과 운동에 대해 누름력을 주어 핵연료 집합체의 축방향 위치를 고정시키는 역할을 한다.

이하 탄성체부(20)의 실시예들을 도 4 내지 도 5 를 참고하여 상세한 작용을 살펴본다.

탄성체부의 실시예 1은 외곽안내기둥(12)의 외곽을 축을 따라 스프링 상수가 서로 다른 2개의 코일 스프링(21,22)이 적층하여 직렬로 배치하여, 즉 상기의 스프링 상수가 서로 다른 코일 스프링이 축방향으로 1개는 외곽안내기둥의 상부에 1개는 외곽안내기둥의 하부에 위치하는 구조를 가지고 감싸고 있다.

상기의 이중 스프링에 대한 설계특성을 정하기 위하여 역학적인 공식을 이용한다. 이하 상기의 설계특성에 대해 설명한다.

코일 스프링은 스프링 상수와 변형된 변위에 비례하여 탄성력을 가진다.

상기의 식에서 (-)부호는 스프링의 변형된 방향에 대하여 탄성력이 작용하는 방향을 나타내고, k는 스프링 상수를, x는 스프링의 자유길이에 대한 변형된 길이의 차이를 나타낸다.

상기와 같은 특성을 갖는 스프링이 직렬로 연결될 경우 합성 스프링 상수는 변하게 된다.

K_C는 직렬연결된 스프링의 합성 스프링 상수이고, K₁은 제 1 스프링(21)의 스프링 상수, K₂는 제 2 스프링(22)의 스프링 상수를 나타낸다.

합성된 스프링의 외력에 대한 변화를 본 발명의 설계조건에 관한 도 6에 도시하였다.

상기의 합성된 스프링은 어느 한쪽 스프링이 밀착높이에 이를 때까지 상기의 합성 스프링 상수값을 가지며 하나의 스프링처럼 행동한다.

스프링 상수가 작은 제 1 스프링(21)이 밀착높이에 다다르면 밀착된 스프링은 탄성력이 없는 강체와 같이 행동하고, 합성스프링은 밀착높이에 다다르지 않은 제 2 스프링(22)의 특성에 따라 변화하게 된다.

따라서, 스프링의 변위에 대한 탄성력의 크기는 도 6과 같이 제 1 스프링(21)의 밀착높이 내에서는 K_C의 값을 가지는 특성을 나타내어 변위의 단위길이당 탄성력은 크지 않게 된다.

하지만, K₂의 값을 가지는 특성에 따르게 되는 구간에 이르게 되면, 상대적으로 큰 K₂의 값에 의해 변위의 단위길이당 탄성력은 크게 된다. 따라서, K_C의 특성 을 가지는 구간에서는 합성된 스프링은 상대적으로 완만한 탄성력의 변화를 가질 것이고, K₂의 특성을 가지는 구간에서는 상대적으로 급격한 탄성력의 변화를 가질 것이다.

상기의 이론적인 결과가 실제 원자로의 운전특성에 적용될 경우의 스프링 특성을 도 7에 도시하였다.

도 7에서 그래프의 중간부분인 짙은색의 구간이 정상 운전조건에 해당한다. 정상운전 조건에서 기존의 단일 코일스프링에 의한 상단고정체의 경우 단일한 기울기를 가진 스프링 특성을 보여주고, 본 발명에 의한 스프링의 경우 기존의 스프링 보다 완만한 스프링 특성을 보여준다.

원자로의 운전조건이 수력의 급격한 상승에 의한 핵연료집합체가 들림현상을 일으킬 경우 과도조건에 이르게 되는데, 이러한 경우 기존의 스프링은 여전이 일정한 기울기 특성을 보여준다. 하지만 본 발명의 스프링의 경우 스프링 상수의 값이 증가하게 되어 기울기가 증가하고, 상대적으로 강한 누름력을 가지는 스프링 특성을 보여주고 있다.

상기의 결과를 토대로 정리하면, 정상조건일 때, 본 발명에 의한 스프링의 경우 기존의 단일의 스프링을 사용했을 때보다 핵연료집합체에 무리한 하중이 작용하지 않도록 낮은 누름력 수치를 가지고, 과도조건일 경우, 기존의 단일 스프링보다 핵연료 집합체의 보호에 적합하도록 누름력의 증가를 보여주는 특성을 가진다.

따라서, 본 발명에 의해 기존의 단일의 스프링을 사용하는 것보다 핵연료집합체의 보호에 최적화된 누름력을 제공하게 된 것이다.

상기의 설계는 본 발명에 의한 하나의 실시태양에 불과하다.

상기 탄성체부(20)의 다른 실시예 2는 도 5a에 도시되었으며, 상기의 실시예 1의 구조에서 축방향으로 배치된 스프링 상수가 서로 다른 스프링 사이에 외곽안내기둥에 끼워져 있는 플레이트(23)가 삽입되어 제 1 스프링(21)과 제 2 스프링(22)을 분리하고 있는 구조를 가지고 있다.

상기의 플레이트(23)는 2개의 스프링 간에 발생할 수 있는 겹쳐지거나 서로 감겨 올라가는 현상을 방지하는 기능을 하게 된다. 따라서, 장시간의 사용을 위한 핵연료집합체의 보호와 안정적인 운전을 위해서 바람직하게 된다.

상기 탄성체의 또 다른 실시예 3은 도 5b에 도시되었으며, 상기의 실시예 1과 실시예 2의 각각의 구조에서 상기의 스프링 상수가 서로 다른 코일 스프링(21,22)이 코일 회전방향이 서로 반대방향으로 되도록 배치되는 구조를 가지고 있다.

일반적으로 외곽기둥을 감싸고 있는 2개의 코일 스프링은 작동시 시간이 지남에 따라 외곽기둥을 중심으로 회전을 하게 된다. 이때, 코일의 회전방향이 같은 경우 같은 방향으로 회전을 하게 되어, 마모가 될 수 있고, 스프링의 특성이 변화될 수도 있기 때문에 회전을 방지하는 것이 좋다.

따라서, 본 발명의 실시예 3과 같이 코일 스프링의 회전방향을 서로 다르게 배치하면 코일 스프링이 서로 반대로 회전하려고 하여서 회전이 상쇄되어 스프링의 회전을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에서 상기의 실시예 1과 실시예 2와 실시예 3을 조합하여 사용하는 것도 바람직하지만, 상기의 실시예를 전부 합하여 사용하는 것이 가장 바람직하다. 즉 2개의 스프링(21,22)의 사이에 플레이트(23)가 장착되고, 2개의 스프링(21,22)의 회전방향이 서로 반대되도록 배치하는 것이다.

상기의 구성에 의해 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 정상조건에서는 K_C값이 단일의 코일 스프링의 값보다 낮게 되어 핵연료집합체에 최적의 누름력을 제공하게 되었고, 핵연료집합체의 길이변화에 대하여 적절한 누름력을 제공하여 핵연료집합체의 위치를 안정적으로 고정시키며 휘어짐을 방지하였고,

둘째, 과도조건에서는 K₂값이 단일의 코일보다 크기 때문에 급격한 들림력에 대하여 종래기술보다 더욱 강한 누름력을 제공하게 되어 핵연료집합체에 기계적 구조적 안전성을 보장하게 되었으며,

셋째, 정상조건과 과도조건 모두에서 적절한 누름력을 제공할 수 있는 최적 화된 홀드다운 스프링을 장착한 상단고정체를 제공하게 되었다.

Claims (3)

1. 핵연료집합체에 탄성을 주는 스프링으로 된 탄성체부(20)와

   누름판(11)과 유로판(13) 사이에 외곽안내기둥(12)이 수직으로 연결되고 상기 유로판(13)에 수직하게 중앙안내기둥(14)이 누름판(11) 방향으로 중앙안내기둥(14)과 나란하게 돌출되어 있는 지지부(10)로 이루어지는 핵연료집합체용 상단고정체에 있어서,

   상기 탄성체부(20)는 탄성계수가 서로 다른 제 1 스프링(21)과 제 2 스프링(22)이 외곽안내기둥에 관통되어 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 누름 스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄성체부(20)의 제 1 스프링(21)과 제 2 스프링(22) 사이에 플레이트(23)가 설치된 것을 특징으로 하는 이중 누름 스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 스프링(21)과 제 2 스프링(22)의 회전방향이 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 이중 누름 스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체.

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