KR100800094B1 - 연료봉 프레팅 마모방지를 위한 탁자형 스프링을 구비한지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자체에 관한 것으로서, 구체적으로는 프레팅 마모에 의한 연료봉 손상을 방지하는데 특징이 있는 스프링을 구비한 지지격자에 관한 것이다.

본 발명은 종횡 각각 일정 간격으로 배열된 스트립이 구비되고, 상기 스트립에 일정 간격으로 형성된 슬롯을 상호 삽입하여 다수의 단위 격자셀을 구획하고, 상기 단위 격자셀에 핵연료봉이 장입되는 경우 격자면에 종횡 각각 일정방향으로 돌출되도록 형성된 스프링과 상기 스프링의 상하부에 상기 스프링과 반대방향으로 돌출되도록 형성된 딤플에 의하여 지지되는 지지격자에 있어서, 상기 스프링은 상기 핵연료봉과 선접촉하는 연료봉접촉부; 와 상기 지지격자 및 상기 연료봉접촉부를 연결하는 다리; 로 구성되되, 상기 다리는 연료봉접촉부 상하단 각각의 양측에 형성되어 지지격자와 연결하는 두 쌍과 상기 연료봉접촉부의 중앙부 양측에 형성되어 지지격자와 연결하는 한 쌍이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 스프링의 다리는 스프링의 강성을 낮추기 위하여 상기 지지격자와 연결되는 부분에 상기 지지격자와 평행한 평행부를 더 형성할 수 있다.

상기 구성을 통하여 초기부터 연료봉과 지지격자사이의 접촉형상을 선접촉이 되도록 하며 원자로 내에서의 연료봉의 연소과정 전체를 통하여 상기 접촉 형상을 일정하게 유지하게 한다.

핵연료집합체, 지지격자, 스프링, 딤플, 프레팅 마모, 탁자형

Description

연료봉 프레팅 마모방지를 위한 탁자형 스프링을 구비한 지지격자 {Anti-fretting wear spacer grid with table shape spring}

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도

도 3은 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도

도 4a는 종래의 선접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 사시도

도 4b는 종래의 선접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 평면도

도 5a는 종래의 면접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 사시도

도 5b는 종래의 면접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 평면도

도 6a는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 격자면을 나타내는 사시도

도 6b는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 격자면을 나타내는 측면도

도 6c는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 단위 격자셀을 나타내는 평면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

631: 연료봉접촉부 632: 다리

633: 평행부 639: 유로구멍

본 발명은 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자체에 관한 것으로서, 구체적으로는 프레팅 마모에 의한 연료봉 손상을 방지하는데 특징이 있는 스프링을 구비한 지지격자에 관한 것이다.

원자로란 핵분열성 물질의 연쇄핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄의 생산, 또는 방사선장 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 말한다.

일반적으로 경수로 원전에서는 우라늄-235의 비율을 2~5%로 높인 농축우라늄을 사용한다. 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠렛(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠렛들을 수백개씩 다발 형태로 묶어서 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 상부봉단마개를 용접하여 연료봉을 제조한다. 상기 연료봉은 최종적으로 핵연료 집합체를 구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.

상기 핵연료 집합체 및 그 구성요소를 [도 1] 내지 [도 3]에 도시하였다. [도 1]은 일반적인 핵연료집합체의 모습을 나타내는 개략도이고, [도 2]는 지지격 자를 위에서 바라본 평면도이며, [도 3]은 상기 지지격자를 상세히 나타내기 위한 절개사시도이다.

[도 1]을 참조하여 설명하면 상기 핵연료 집합체는 상단고정체(4), 하단고정체(5), 지지격자(2), 안내관(3) 및 지지격자(2)로 이루어지는 골격체와 상기 지지격자(2) 내에 장입되어 상기 지지격자(2)내에 형성된 스프링(6; [도 2] 및[도 3]참조) 및 딤플(7; [도 2] 및[도 3]참조)에 의하여 지지되는 상기 연료봉(1)으로 구성된다. 집합체 조립시 연료봉(1) 표면의 흠집을 방지하고 지지격자내 스프링(6)의 손상을 방지하기 위해 연료봉의 표면에 락커를 도포하여 골격체에 장입한 다음 상ㅇ하단 고정체를 부착하여 고정시킴으로써 원자력연료 집합체의 조립이 끝나고 완성된 집합체의 락커를 제거한 후 연료봉간의 간격, 뒤틀림, 전장, 치수 등을 검사하는 것으로 집합체 제조공정이 마무리된다.

[도 2] 및 [도 3]을 참조하여 설명하면 지지격자(2)는 다수의 연료봉(1)이 각각 장입될 수 있는 공간부를 구획하도록 스트립(얇은 금속판)이 각각 일정간격으로 형성된 슬롯(미도시)을 상호 결합하여 격자상으로 형성된다. 상기 지지격자는 상하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관(3)과 용접된다. 지지격자(2)에 의하여 구획되는 각각의 공간부에는 스프링(6) 및 딤플(7)이 규칙적으로 형성되어 있으며 상기 스프링(6) 및 딤플(7)이 연료봉(1; [도 1]참조)과 접촉함으로써 연료봉(1; [도 1]참조)들 간의 간격을 유지하고 정해진 위치에 배열되도록 하며 스프링(6)의 탄성에 의하여 연료봉(1)이 연고정 되도록 한다.

한편 오늘날 핵연료의 개발은 고연소도 및 무결성을 목표로 추진되고 있다. 고연소도 핵연료를 개발하기 위해서 핵연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키는 방법들이 제안되고 있다. 이러한 열전달 촉진 방법으로는 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로채널의 효율적인 구성 등 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 것이 주가 되고 있다.

그러나 이러한 열전달 촉진을 위한 방법은 주로 핵연료봉 주변을 흐르는 냉각수가 더욱 큰 난류가 되도록 하는 것이어서 핵연료봉을 진동하게 하는 유체유발진동의 원인이기도 하다.

핵연료봉의 유체유발 진동은 핵연료봉이 지지격자 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 서로 상대적으로 미끄럼 운동을 하게하며 이로부터 연료봉의 접촉면에 국부적인 마모가 발생하게 하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 프레팅 마모현상을 일으킨다. 즉 고연소 핵연료 개발을 위해 열적 성능을 향상시키는 방법이 한편으로는 핵연료봉의 손상을 촉진시키는 결과를 가져오는 것이다.

한편 연소가 진행됨에 따라 지지격자는 횡방향으로 조사성장을 하게 된다. 또한 연료봉은 원자로 내에서의 연소과정에서 반경방향의 크립, 즉 원자로 내의 냉각수 등의 높은 압력에 의하여 오그라드는 현상과 소결체의 팽창에 따른 반경방향의 확장 현상이 반복적으로 발생함에 따라 연료봉의 외경이 불규칙한 방향성을 갖게 되어 지지격자의 스프링/딤플과 연료봉간에 간극이 발생될 수 있는데 이러한 현상에 의하여 프레팅 마모현상은 더욱 심화된다.

이러한 프레팅 마모현상을 최소화하기 위하여 연료봉과 스프링/딤플간의 종방향 접촉길이를 길게 하거나 면접촉이 발생하도록 하여 프레팅 마모가 발생하더라도 동일 마모체적하에서 마모깊이를 최소화하는 방법들이 제안된 바 있다.

[도 4a] 및 [도 4b]는 종방향으로 선접촉의 길이가 늘어나도록 형성한 종래의 스프링을 구비한 지지격자를 개략적으로 나타낸 것으로서 현재 일반적으로 사용되고 있는 형태의 스프링이다.

상기 스프링은 연료봉과 선접촉을 하도록 평판형으로 형성되는 것이 마모를 최소화 하는 면에서는 이상적이다. 그러나 실제적으로는 [도 4a]에 도시된 바와 같이 핵연료봉 지지시에 탄성을 갖도록 판에 굴곡이 형성되어 있다. 따라서 연료봉과 지지격자 사이의 초기 접촉은 선접촉이 아닌 3점접촉이 형성되고 마모가 진행됨에 따라 선접촉으로 변해가도록 되어 있다. 이 때 초기 3점접촉에 의하여 연료봉의 프레팅 마모가 가속된다.

한편 연료봉과 면접촉이 발생하도록 하여 프레팅 마모를 최소화하려는 방법으로는 2002년 3월 6일에 출원된 '미합중국 등록특허 US6606369' 『Nuclear reactor with improved grid』(이하 선행기술이라 한다.)가 있다.

상기 선행기술은 [도 5a] 및 [도 5b]에 도시된 바와 같이 스프링(62)과 연료봉(1)의 접촉에 있어서 면접촉이 되도록 스프링(62)에 곡면을 형성하여 종래의 점 접촉이나 선접촉 방식보다 유체유발진동에 의한 연료봉의 축방향 및 횡방향의 흔들림을 방지하는 것을 특징으로 한다.

그러나 상기 선행기술은 스프링(62) 및 딤플(72)이 연료봉(1)과 접촉하는 면을 연료봉의 곡률반경과 동일하게 형성하여 면접촉을 할 수 있도록 의도하였으나, 실제로는 지지격자(22)의 제조공차 및 고압의 냉각수에 의한 연료봉(1)의 진원도 변화 등에 의해 정확한 면접촉을 성립 또는 유지시키거나 연료봉의 연소과정 전체를 통하여 일정한 진원도 및 곡률반경을 유지시키는 것은 불가능하다.

또한 상기 스프링(62)의 접촉부분이 이론상의 완전한 곡면을 이루지 못하는 경우 연료봉(1)과 불규칙한 선접촉 내지는 점접촉 등을 형성하게 되어 예측하지 못한 마모가 발생할 수도 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 연료봉과 지지격자사이에 선접촉을 이루는 스프링을 제공하되 스프링과 연료봉 사이의 접촉 형상을 초기부터 최대한 긴 선접촉이 되도록 하여 동일 마모 체적 대비 마모 깊이가 최소화 되도록 접촉 형상을 구현하는데 있다.

또한 본 발명의 과제는 원자로 내의 핵연료봉 작업과정 전체를 통하여 스프링과 연료봉의 접촉면 형상을 일정하게 유지할 수 있는 수단을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

종횡 각각 일정 간격으로 배열된 스트립이 구비되고, 상기 스트립에 일정 간격으로 형성된 슬롯을 상호 삽입하여 다수의 단위 격자셀을 구획하고, 상기 단위 격자셀에 핵연료봉이 장입되는 경우 격자면에 종횡 각각 일정방향으로 돌출되도록 형성된 스프링과 상기 스프링의 상하부에 상기 스프링과 반대방향으로 돌출되도록 형성된 딤플에 의하여 지지되는 지지격자에 있어서,

상기 스프링은 상기 핵연료봉과 선접촉하는 연료봉접촉부; 와 상기 지지격자 및 상기 연료봉접촉부를 연결하는 다리; 로 구성되되,

상기 다리는 연료봉접촉부 상하단 각각의 양측에 형성되어 지지격자와 연결하는 두 쌍과 상기 연료봉접촉부의 중앙부 양측에 형성되어 지지격자와 연결하는 한 쌍이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 스프링의 다리는 스프링의 강성을 낮추기 위하여 상기 지지격자와 연결되는 부분에 상기 지지격자와 평행한 평행부를 더 형성할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 '상하좌우' 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다.

한편, 지지격자의 격자구조에 의하여 구획된 개개의 공간부를 단위 격자셀이라 하고, 그 격자셀 내부의 일면을 격자면이라고 정의한다. 또한 어느 한 격자면을 종방향이라 정의한다면 그와 평행한 모든 격자면은 종방향 격자면이 되고, 상기 종 방향의 격자면과 직각을 이루는 격자면은 횡방향의 격자면이라 한다. 또한 축방향이란 단위 격자셀의 길이 방향으로서 핵연료봉이 장입되는 방향을 말한다.

[도 6a] 내지 [도 6c]에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예는 지지격자의 격자면 마다 형성된 탁자모양의 스프링(63)이 그 주요 구성 요소이다. [도 6a]는 본 실시예의 탁자모양 스프링이 형성된 하나의 격자면을 나타내며, [도 6b]는 상기 격자면의 측면을 나타내고, [도 6c]는 상기 스프링이 형성된 단위 격자셀 내에 핵연료봉이 가상적으로 장입된 상태를 위에서 바라본 모습이다.

본 실시예에 의한 스프링(63)은 연료봉접촉부(631), 다리(632) 및 다리(632)에 형성된 평행부(633)로 구성되어 있다. 상기 스프링(63)은 격자면의 중앙을 사각형으로 절개하여 형성된 구멍에 형성된다.

연료봉접촉부(631)는 연료봉(1)과 접촉되는 부분으로서 종방향으로 길게 형성되며, [도 6b]에 도시된 바와 같이 연료봉(미도시)의 장입시 스크래치의 발생 등을 방지하기 위하여 중앙이 약간 볼록하게 되어있다. 상기 연료봉접촉부(631)는 상단, 중단, 및 하단 세부분에서 각각 좌우 한 쌍씩 총 6개의 다리(632)에 의하여 격자면(21)과 연결된다. 상기 다리(632)는 연료봉접촉부(631) 쪽으로는 연료봉(미도시)의 안정적인 지지를 위하여 넓게 형성된다.

반면 상기 다리(632)의 지지격자 쪽 부분은 좁게 형성된다. 평행부(633)는 다리의(632)의 좁은 부분을 지지격자(21)와 평행하도록 구부려 형성한다. 상기 평 행부(633)는 구조상의 이유로 탁자형 스프링(63)의 강성을 주로 결정하게 되는 부분으로서 상기 평행부(633)의 넓이를 조절하여 스프링(63)의 강성을 조절할 수 있다.

한편 다리(632)와 연료봉접촉부(631)의 연결부분 및 다리(632)와 격자면(21)의 연결부분은 곡면이 되도록 형성한다. 상기 곡면의 굴곡반경은 구부림에 의한 두께감소 등을 원인으로 한 균열을 피하기 위하여 모재(지지격자의 형성에 쓰이는 재료) 두께의 2.5배 내지 3배 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기 탁자형스프링(63)의 상단과 하단에는 원자로 작동시 원자로 내부를 순환하는 냉각수의 흐름을 원활하게 하고 지지격자에서의 압력강하를 최소화하기 위하여 냉각수가 통과하여 흐르는 유로구멍(639)이 형성된다.

한편 탁자형스프링(63)은 단위 격자셀 내의 4개의 격자면에 각각 1개씩 형성되며 상기 탁자형스프링(63)은 지지격자 전체를 통하여 일정한 방향으로 돌출되도록 형성되기 때문에 각 격자셀 내에서 두 개의 스프링은 내부로 향하여 돌출이 되어 있으며 두 개의 스프링은 외부 즉 이웃하는 단위 격자셀의 내부로 돌출되어 있다.

딤플(71)은 기존에 공지된 것과 동일한 구성으로 되어 있어 상세한 설명을 생략한다.

이하 본 실시예에 의한 작용을 설명한다.

상기 탁자형스프링(63)이 형성된 지지격자(21)의 각 단위 격자셀에 핵연료봉(1)이 장입되는 경우 상기 탁자형스프링(63) 및 딤플(71)에 의하여 접촉 및 지지된다.

다리(632)는 상기 탁자형스프링(63)과 지지격자(21)를 연결함과 동시에 탁자형스프링(63)에 탄성을 부여하게 된다. 본 실시예에 의한 탁자형스프링(63)은 상하부에 형성된 4개의 다리 이외에도 중앙의 양측으로 한 쌍의 다리를 더 구비하여 연료봉(1)이 장입되더라도 접촉부 형상의 변화를 최소화하게 된다.

한편 다리(632)와 지지격자(21)의 연결부분에 형성된 평행부(633)는 평행부(633)가 없는 경우에 비하여 스프링의 강성을 낮춰준다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 지지격자로 구현될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명에 의한 지지격자는 연료봉과 지지격자사이에 선접촉을 이루는 스프링을 제공하되 스프링과 연료봉 사이의 접촉 형상을 초기부터 최대한 긴 선접촉이 되도록 하여 동일 마모 체적 대비 마모 깊이를 최소화 한다.

또한 본 발명에 의한 지지격자는 원자로 내의 핵연료봉 작업과정 전체를 통하여 스프링과 연료봉의 접촉면 형상을 일정하게 유지하여 불규칙한 접촉으로 인한 부분적인 마모집중현상을 최소화 하였다.

Claims (2)

1. 종횡 각각 일정 간격으로 배열된 스트립이 구비되고, 상기 스트립에 일정 간격으로 형성된 슬롯을 상호 삽입하여 다수의 단위 격자셀을 구획하고, 상기 단위 격자셀에 핵연료봉이 장입되는 경우 격자면에 종횡 각각 일정방향으로 돌출되도록 형성된 스프링과 상기 스프링의 상하부에 상기 스프링과 반대방향으로 돌출되도록 형성된 딤플에 의하여 지지되는 지지격자에 있어서,

   상기 스프링은 상기 핵연료봉과 선접촉하는 연료봉접촉부; 와 상기 지지격자 및 상기 연료봉접촉부를 연결하는 다리; 로 구성되되,

   상기 다리는 연료봉접촉부 상하단 각각의 양측에 형성되어 지지격자와 연결하는 두 쌍과 상기 연료봉접촉부의 중앙부 양측에 형성되어 지지격자와 연결하는 한 쌍이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료봉 프레팅 마모방지를 위한 탁자형 스프링을 구비한 지지격자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스프링의 다리는 스프링의 강성을 낮추기 위하여 상기 지지격자와 연결되는 부분에 상기 지지격자와 평행한 평행부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료봉 프레팅 마모방지를 위한 탁자형 스프링을 구비한 지지격자.

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