KR100844881B1

KR100844881B1 - 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치

Info

Publication number: KR100844881B1
Application number: KR1020060135325A
Authority: KR
Inventors: 최준형; 김윤호; 이진석; 박남규; 서정민; 김규태
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-09
Also published as: KR20080061413A

Abstract

본 발명의 핵연료집합체의 지지격자 프레팅 마모 특성시험에 사용하기 위하여 핵연료봉의 외부 표면에 산화막을 도포하는 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 핵연료 연료봉 산화막 도포장치는 열선, 내화부재 및 완충단열부재를 구비하는 연료봉수용부가 형성된다.

열선은 열을 발산한다.

또한 내화부재는 상기 열선을 내부에 포함하도록 형성된다.

또한 완충단열부재는 상기 내화부재 외곽에서 연료봉을 완충 및 지지하고 챔버 외부로의 열 유출을 최대한 방지한다.

또한 연료봉수용부는 상기 핵연료봉을 수용하기 위하여 상기 완충단열부재 및 상기 열선을 포함한 내화부재의 상단에 상기 완충단열부재 및 상기 열선을 포함한 내화부재를 가로지르도록 형성된다.

나아가 본 발명에 의한 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치는 상부챔버와 하부챔버로 나누어 형성되어 핵연료봉의 수용을 위해 상부챔버를 덮개식으로 열고 닫을 수 있도록 형성될 수 있다.

한편 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

핵연료 연료봉 산화막 도포 장치를 이용하여 핵연료봉에 산화막을 도포하는 작업을 하기 위한 작업대에 있어서, 작업판과, 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치의 횡방향 움직임을 안내하기 위한 가이드레일과, 상기 가이드레일의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 하나 이상 구비되고 상기 가이드레일을 따라 횡방향으로 움직이는 연료봉받침대를 포함하여 구성될 수 있다.

또한 상기 연료봉받침대는 핵연료봉의 휨 현상을 방지하기 위하여 상기 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치 내에 핵연료봉이 수용되는 높이에 연료봉고정홈을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명은 기존의 지지격자 프레팅 마모 특성시험을 위해 연료봉 전체 표면에 산화막을 도포하는 공정에 비하여, 연료봉의 특성시험이 행하여지는 부분에 한하여 산화막 도포가 가능하며 장비의 설치 공간 확보가 용이하고 산화막 도포 시 필요한 에너지 비용을 최소화하고 더불어 산화막 도포 작업 또한 용이하게 한다.

핵연료집합체, 지지격자, 연료봉, 프레팅 마모, 산화막, 도포

Description

핵연료 연료봉 산화막 도포 장치 {Zirconium oxide coater for nuclear fuel rod}

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도

도 3은 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도

도 4는 본 발명에 의한 하부챔버를 나타내는 평면도

도 5는 본 발명에 의한 챔버를 나타내는 측면도

도 6은 본 발명에 의한 산화막 도포 장치 작업대를 나타내는 정면도

도 7은 본 발명에 의한 산화막 도포 장치 작업대를 나타내는 측면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20: 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치 21: 내화부재

22: 손잡이 23: 연료봉수용부

30: 작업대 31: 가이드레일

32: 연료봉받침대 33: 다리

34: 바퀴

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 지지격자를 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 상/하단 고정체를 부착하여 고정시킴으로써 원자력연료 집합체의 조립이 끝나고 완성된 집합체의 락커를 제거한 후 연료봉 간의 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 슬롯을 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. 고연소 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.

상기와 같이 프레팅 마모에 관한 연구는 점차 그 중요성이 확대되어 가고 있는 추세이며, 이러한 면에서 프레팅 마모에 관한 특성 실험이 매우 활발하에 이루어지고 있다.

지지격자 프레팅 마모 특성시험은 모의핵연료 집합체를 사용하여 원자로와 유사하거나 보다 가혹한 유동조건을 모사하고 500~1000 시간이 경과한 후 연료봉에 발생한 마모를 평가하는 시험이다. 본 시험은 비교평가를 위해 여러 종류의 시험조 건을 한 집합체 내에서 구현하는데, 노 내 연소조건을 모사하기 위하여는 연료봉과 지지격자 셀과의 간격을 소성변형을 통해 여러 크기로 형성하며, 일부 연료봉에는 미리 산화막을 형성시켜 시험을 수행하기도 한다. 즉, 핵연료집합체가 노내에서 연소하게 되면 지지격자에 형성된 스프링의 열 및 조사이완이 발생하게 되고 연료봉의 크립에 의해 연료봉의 외경감소가 발생하게 되어 결국 지지격자 셀과 연료봉 간에 약 0.1mm 정도의 간격이 발생하게 된다. 또한 연료봉과 지지격자의 표면에는 수 십 μm의 산화막이 발생하게 되는데 이러한 산화막은 연료봉의 마모를 방해하는 효과가 있기 때문에 이와 같은 시험을 수행할 때 산화막이 도포된 연료봉과 그렇지 않은 연료봉과의 비교 평가를 수행한다. 그런데, 약 4m 길이의 연료봉 표면에 일정량의 산화막을 도포하기 위해서는 4m 이상의 전기로가 필요하므로 실제로 산화막을 도포하기는 현실적으로 어렵다.

그러나 시험을 수행하는 동안 연료봉의 축방향 위치는 거의 변하지 않으므로 연료봉 전체에 산화막을 도포할 필요가 없음을 착안하면, 단지 지지격자 부근의 연료봉 표면에만 산화막을 도포하여도 시험을 수행하는데 전혀 문제가 없을 것이다.

상기와 같은 문제점 및 필요성으로부터,

본 발명의 과제는 핵연료집합체의 지지격자 프레팅 마모 특성시험에 사용되는 연료봉 표면에 지르코늄 산화막 도포 작업을 보다 간단하고 적은 장비로도 가능하게 하며 연료봉 표면 중 산화막과 프레팅 마모에 관한 실험을 수행하는 부분에만 산화막 도포가 가능하도록 하는 수단을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

열선은 열을 발산한다.

또한 내화부재는 상기 열선을 내부에 포함하도록 형성된다.

나아가 본 발명에 의한 핵연료 연료봉 산화막 도포장치는 상부챔버와 하부챔버로 나누어 형성되어 핵연료봉의 수용을 위해 상부챔버를 덮개식으로 열고 닫을 수 있도록 형성될 수 있다.

한편 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

삭제

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

이하 [도 4] 내지 [도 7]을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명에 의한 하부챔버를 나타내는 평면도이며, 도 5는 본 발명에 의한 챔버를 나타내는 측면도이고, 도 6은 본 발명에 의한 산화막 도포 장치 작업대를 나타내는 정면도이며, 도 7은 본 발명에 의한 산화막 도포 장치 작업대를 나타내는 측면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 [도 6]에 도시된 것처럼 가이드레일(31)이 형성된 작업대(30)와 가이드레일(31) 위에 형성된 상부챔버(20a; [도 4]참조) 및 하 부챔버(20b; [도 4]참조)가 그 주요구성 요소이다.

본 실시예에 의한 상부챔버(20a) 및 하부챔버(20b)는 열선을 포함하는 내화부재(21) 및 완충단열부재(24)를 구비하며 연료봉수용부(23)가 형성된다.

먼저 하부챔버(20b)를 설명한다.

열선(미도시; 내화부재(21)의 내부에 포함되어 있음)은 전열식으로 형성되며 하부챔버(20b) 내의 온도를 높이기 위하여 열을 발산한다. 상기 열선(미도시)은 제어부(미도시)를 통하여 전력량을 조절하는 방식으로 하부챔버(20b) 내의 온도를 조절 할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 열선(미도시)은 내화부재(21)의 내부에 포함되도록 형성된다.

완충단열부재(24)는 상기 내화부재(21)의 상단을 제외한 외곽에서 상기 내화부재(21)를 감싸도록 구비된다. 완충단열부재(24)는 연료봉을 완충 및 지지하고 상부챔버(20a) 및 하부챔버(20b) 외부로의 열 유출을 최대한 방지한다.

연료봉수용부(23)는 상기 핵연료봉(미도시)을 수용하기 위한 것으로서, 상기 완충단열부재(24) 및 상기 열선을 포함한 내화부재(21)로 이루어진 하부챔버(20b, [도 4])의 상단에 상기 완충단열부재(24) 및 상기 열선을 포함한 내화부재(21)를 가로지르도록 긴 홈이 반원형상의 단면을 갖도록 형성된다.

상부챔버(20a)에 대하여 설명한다.

상부챔버(20a)는 하부챔버(20b)와 동일한 구성을 갖도록 형성된다. 다만 하부챔버(20b)의 위에 대칭적으로 구비되어 핵연료봉을 수용하는 경우 작업의 편리성을 위하여 상부챔버(20a)를 덮개식으로 열고 닫을 수 있도록 형성될 수 있다. 상부챔버(20a)가 하부챔버(20b)의 상부에 덮개형식으로 덮이는 경우 상부챔버(20a)와 하부챔버(20b)에 형성되어 있는 연료봉수용부(23)는 각각의 반원형상 홈이 합쳐져서 연료봉이 수용될 수 있도록 긴 원통형상의 공간부를 형성하게 된다.

한편 상부챔버(20a)의 개폐를 용이하도록 상부챔버(20a)와 하부챔버(20b)의 일측면에서 상하부챔버를 연결하는 힌지(미도시)를 두고, 힌지(미도시)가 형성된 상부챔버(20a)의 반대쪽에는 손잡이(22)를 형성하는 것이 바람직하다.

[도 6] 내지 [도 7]을 참조하여 본 실시예에 의한 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치 작업대(30)를 설명한다. 도 6은 본 발명에 의한 산화막 도포 장치 작업대(30)를 나타내는 정면도이며, 도 7은 본 발명에 의한 산화막 도포 장치 작업대(30)를 나타내는 측면도이다.

본 실시예에 의한 작업대(30)는 작업판(36), 가이드레일(31), 연료봉받침대(32), 다리(33) 및 바퀴(34)로 구성되어 있다.

[도 6]을 참조하여 설명하면, 직사각형의 평판형 작업대(30)는 다리(33)에 의하여 지지된다. 또한 다리(33)의 하단에는 작업대(30)의 이동을 용이하게 하기 위하여 바퀴(34)를 형성한다.

[도 7]을 참조하여 설명하면, 직사각형의 평판형의 작업대(30) 위에는 일정 높이에 봉형의 가이드레일(31)이 둘 이상 구비된다.

다시 [도 6]을 참조하여 설명하면, 연료봉받침대(32)는 연료봉(1)을 지지하기 위하여 상단에 둥근 형상을 가지는 연료봉고정홈을 구비한다. 연료봉받침대(32)는 가이드레일(31)에 필요한 수만큼 구비되며 상기 가이드레일(31) 상에서 가이드레일(31)을 따라 횡방향으로 이동할 수 있다. 연료봉(1)의 길이가 통상 4m이므로 연료봉받침대(32)의 수는 3 내지 5개 정도로 구비하는 것이 바람직하다.

또한 상기 가이드레일(31) 상에는 상기 상부챔버(20a) 및 하부챔버(20b)가 구비된다. 상부챔버(20a) 및 하부챔버(20b)의 하단에 가이드레일(31)에 안착할 수 있도록 홈이나 구멍 등이 형성된 안착홈(35)을 형성하고 상기 안착홈(35)에 가이드레일(31)이 안착하도록 한다.

[도 4] 및 [도 6]를 참조하여 본 실시예에 의한 작용을 상세히 설명한다.

작업대(30)의 이동 시에 다리(33)의 하단에 구비된 바퀴(34)를 굴림으로써 작업대 전체를 이동시킬 수 있다. 또한 상부챔버(20a) 및 하부챔버(20b)와 연료봉받침대(32)는 가이드레일(31) 상에서 산화막을 입히려는 연료봉(1)의 부위에 따라 횡방향으로 움직여서 작업을 진행할 수 있다.

상부챔버(20a)를 젖히는 식으로 열어 연료봉(1)을 하부챔버(20b)의 연료봉수용부(23)에 수용한 뒤에 상부챔버(20a)를 내려닫는다. 이 후 제어부 등에 의하여 전력 양을 조절해가며 산화막 도포에 필요한 정도에 따라 상부챔버(20a) 및 하부챔버(20b) 내부의 온도를 조절하게 된다.

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 핵연료 연료봉 산화막 도포장치로 구현될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명은 기존의 지지격자 프레팅 마모 특성시험을 위해 연료봉 전체 표면에 산화막을 도포하는 공정에 비하여 연료봉의 특성시험이 행하여지는 부분에 한하여 산화막 도포가 가능하며 장비의 설치 공간 확보가 용이하고 산화막 도포시 필요한 에너지 비용을 최소화 하고 더불어 산화막 도포 작업 또한 용이하게 한다.

Claims

프레팅 마모 특성 시험을 하기 위하여 핵연료봉에 산화막을 도포하는 장치에 있어서,

열을 발산하는 열선;

상기 열선을 내부에 포함하도록 형성된 내화부재;

상기 내화부재 외곽에서 연료봉을 완충 및 지지하고 챔버 외부로의 열 유출을 최대한 방지하는 완충단열부재; 를 구비하되,

상기 핵연료봉을 수용하기 위하여 상기 완충단열부재 및 상기 열선을 포함한 내화부재의 상단에 상기 완충단열부재 및 상기 열선을 포함한 내화부재를 가로지르는 연료봉수용부; 가 형성되는 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치.
제1항에 있어서,

상기 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치는 상부챔버와 하부챔버로 나누어 형성되어 핵연료봉의 수용을 위해 상부챔버를 덮개식으로 열고 닫을 수 있도록 형성되는 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치.
핵연료 연료봉 산화막 도포 장치를 이용하여 핵연료봉에 산화막을 도포하는 작업을 하기 위한 작업대에 있어서,

작업판과, 핵연료봉 산화막 도포 장치의 횡방향 움직임을 안내하기 위한 가이드레일과, 상기 가이드레일의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 하나 이상 구비되고 상기 가이드레일을 따라 횡방향으로 움직이는 연료봉받침대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치 작업대.
제3항에 있어서,

상기 연료봉받침대에는,

핵연료봉의 휨 현상을 방지하기 위하여 상기 핵연료봉 산화막 도포 장치 내에 핵연료봉이 수용되는 높이에 연료봉고정홈을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 연료봉 산화막 도포 장치 작업대.