KR100844882B1 - 핵연료집합체의 핵연료봉 내부 공간 증가 및 압축스프링지지를 위한 봉단마개를 구비한 핵연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉의 구조에 관한 것으로서 구체적으로는 핵연료집합체의 핵연료봉 내부 공간을 확장하여 발전소 연소중 핵연료봉 내부에서 발생하는 가스를 수용할 수 있는 공간을 확보하고, 핵연료봉 제조시 핵연료봉 압축스프링을 지지하기 위한 상부 및 하부 봉단마개의 구성에 관한 것이다.

중공원통형으로 형성되어 연료봉의 몸체를 이루는 피복관, 상기 피복관 내부에 저장되는 핵연료소결체, 상기 피복관의 상하부에 결합되어 상기 핵연료소결체를 지지하는 상부봉단마개와 하부봉단마개 및 상기 상부봉단마개와 핵연료소결체의 사이에 구비되어 상기 핵연료소결체를 일정한 힘으로 눌러 상하 움직임을 제한하는 압축스프링으로 이루어지는 핵연료봉에 있어서,

본 발명에 의한 핵연료봉은 스프링을 지지하는 하단부에 확장홈이 형성된 상부봉단마개를 구비한다.

나아가 상기 확장홈은 그 직경을 상기 압축스프링의 외경 이상으로 형성하여 상기 압축스프링의 상단이 삽입될 수 있다.

나아가 상기 하부봉단마개는 그 상단부에 확장홈이 형성될 수 있다.

상기 구성을 통하여 발전소 연소중에 발생하는 핵연료봉 내부의 가스를 수용할 공간을 증가시키고, 압축스프링의 좌굴을 방지하며 스프링 지지성능을 향상시켜 핵연료봉 제조성능을 향상시키도록 한 것에 특징이 있다.

핵연료집합체, 핵연료봉, 봉단마개, 상부 봉단마개, 하부 봉단마개, 압축스프링, 스프링 좌굴

Description

핵연료집합체의 핵연료봉 내부 공간 증가 및 압축스프링 지지를 위한 봉단마개를 구비한 핵연료봉 {Nuclear fuel assembly comprising fuel rod end plug to increase fuel rod internal volume and to support fuel rod spring}

도 1은 종래의 핵연료봉을 나타내는 개략적인 단면도

도 2a는 종래의 상부봉단마개와 스프링을 나타내는 분해사시도

도 2b는 종래의 상부봉단마개와 스프링의 결합을 나타내는 개략도

도 3a은 본 발명의 실시예 1에 의한 상부봉단마개를 나타내는 분해사시도

도 3b은 본 발명의 실시예 1에 의한 상부봉단마개의 결합을 나타내는 사시도

도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 하부봉단마개를 나타내는 사시도

도 5a는 본 발명의 실시예 2에 의한 상부봉단마개를 나타내는 분해사시도

도 5b는 본 발명의 실시예 2에 의한 상부봉단마개의 결합을 나타내는 사시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 피복관 2, 8 : 하부 봉단마개

3 : 핵연료소결체 4 : 압축스프링

5, 6, 7 : 상부 봉단마개

본 발명은 핵연료봉의 구조에 관한 것으로서 구체적으로는 핵연료집합체의 핵연료봉 내부 공간을 확장하여 발전소 연소중 핵연료봉 내부에서 발생하는 가스를 수용할 수 있는 공간을 확보하고, 핵연료봉 제조시 핵연료봉 압축스프링을 지지하기 위한 상부 및 하부 봉단마개의 구성에 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 형태(소결체)로 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.

즉, 핵연료집합체의 핵연료봉은 [도 1]에 도시된 바와 같이 핵연료집합체의 열을 발생시키는 핵연료소결체(3), 발생된 열을 원자로 노심 냉각수로 전달하고 핵연료소결체 용기 역할을 하는 튜브형태의 피복관(1), 핵연료집합체 이송 및 취급시 핵연료소결체의 손상 및 파손 방지를 위해 핵연료소결체를 일정한 하중으로 누르고 있는 코일 형태의 압축스프링(4) 그리고 핵연료봉을 밀봉하기 위해 피복관(1)과 용접되는 상부봉단마개(5) 및 하부봉단마개(2)로 구성된다.

핵연료집합체의 열은 핵연료소결체의 핵분열을 통해 발생되며, 핵분열 시 핵연료소결체로부터 많은 양의 가스가 발생하기 된다. 이러한 가스는 핵연료집합체의 연소가 진행되는 동안 핵연료봉 피복관과 상부 및 하부 봉단마개의 용접으로 이루어진 핵연료봉 내부에 축적되고 핵연료봉 피복관 내부의 압력이 증가되어 핵연료봉 피복관의 인장응력을 발생시키게 되어 핵연료봉 건전성을 해칠 우려가 있다.

종래의 상부 봉단마개는 압축스프링과 접촉하는 부위의 형상이 [도 2]에서와 같이 평판형태를 갖는다. 따라서 핵연료봉 제조 시 압축스프링을 상부 봉단마개로 압축시킬 때, 압축스프링의 상단 부분이 일정한 방향으로 힘을 받는 것이 아니므로 코일 형태의 압축스프링이 꺾이는 좌굴 현상이 발생할 수 있다.

이러한 압축스프링의 좌굴이 발생하면, 핵연료봉 제조의 생산성이 현저히 감소될 수 있으며, 좌굴이 발생된 상태로 용접되어 핵연료집합체가 이송 또는 취급될 경우, 핵연료봉 내부의 핵연료소결체를 적절한 하중으로 누르지 못해, 핵연료소결체의 손상이 발생될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 핵연료집합체 연소 중에 발생하는 핵연료봉 내부의 가스를 수용할 공간을 증가시키는 수단을 제공하는데 있다.

또한 본발명의 과제는 압축스프링의 좌굴을 감소시킬 수 있는 수단을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

중공원통형으로 형성되어 연료봉의 몸체를 이루는 피복관, 상기 피복관 내부에 저장되는 핵연료소결체, 상기 피복관의 상하부에 결합되어 상기 핵연료소결체를 지지하는 상부봉단마개와 하부봉단마개 및 상기 상부봉단마개와 핵연료소결체의 사이에 구비되어 상기 핵연료소결체를 일정한 힘으로 눌러 상하 움직임을 제한하는 압축스프링으로 이루어지는 핵연료봉에 있어서,

본 발명에 의한 핵연료봉은 스프링을 지지하는 하단부에 확장홈이 형성된 상부봉단마개를 구비한다.

나아가 상기 확장홈은 그 직경을 상기 압축스프링의 외경 이상으로 형성하여 상기 압축스프링의 상단이 삽입될 수 있다.

나아가 상기 하부봉단마개는 그 상단부에 확장홈이 형성될 수 있다.

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. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.

이하 [도 3a] 및 [도 4]를 참조하여 본 발명의 실시예 1을 상세히 설명한다. [도 3a]는 본 발명의 실시예 1을 나타내는 분해사시도이며, [도 3b]는 본 발명이 실시예 1의 결합된 모습을 나타내는 저면사시도이고, [도 4]는 본 발명의 실시예 1의 하부봉단마개의 구성을 나타내는 사시도이다.

본 발명의 실시예 1은 내부에 확장홈(71)이 형성된 상부봉단마개(7) 및 확장홈(81)이 형성된 하부봉단마개(8)를 그 주요구성으로 한다.

본 실시예 1에 의한 상부봉단마개(7)는 종래의 상부봉단마개와 거의 동일한 구성을 갖지만 압축스프링(4)이 지지되는 상부봉단마개(7)의 하단에 일정한 깊이를 갖도록 확장홈(71)이 형성된다. 상기 확장홈(71)의 직경은 압축스프링(4)의 외경보다 작게 형성된다.

하부봉단마개(7)의 경우에 있어서도 종래의 하부봉단마개와 거의 동일한 구성을 갖지만 연료봉소결체(3)의 하단을 지지하는 하부봉단마개(7)의 상단에 확장홈(81)이 형성되는 면에서 차이가 있다.

[도 3b]를 참조하여 실시예 1의 작용을 설명한다.

핵연료봉이 원자로 내에서 핵분열을 통하여 핵발전을 진행하는 동안 상술한 바와 같이 각종 기체가 형성되어 핵연료봉 내부의 압력을 높이게 된다. 이 때 상부봉단마개(7)와 하부봉단마개(8)에 각각 형성된 확장홈(71, 81)에 의하여 확장된 공간만큼 압력상승에 대한 여유를 갖게 된다.

[도 5a] 및 [도 5b]를 참조하여 본 발명의 실시예 2를 설명한다. [도 5a]는 본 실시예 2에 의한 핵연료봉의 구성을 나타내는 분해 사시도이며, [도 5b]는 본 실시예 2에 의한 핵연료봉의 구성이 결합된 모습을 나타내는 저면사시도이다.

본 실시예 2는 실시예 1과 구성면에서 거의 동일한다. 다만 상부봉단마개(6)에 형성된 확장홈(61)의 직경이 실시예 1의 그것과 비교하여 더 크며, 압축스프링(4)과의 결합 관계 면에서 차이가 있다.

상부봉단마개(6)의 하단에는 실시예 1의 경우와 마찬가지로 확장홈(61)이 형성된다. 다만 상기 확장홈(61)의 직경이 압축스프링(4)의 외경보다 크게 형성된다.

[도 5b]를 참조하여 실시예 2에 의한 작용을 설명한다.

압축스프링(4)은 상부봉단마개(6)의 하단에 형성된 확장홈(61)의 내부로 삽입 된다. 따라서 핵연료봉 제조 시에 압축스프링(4)을 삽입하고 그 상부에서 상부봉단마개(61)를 결합하기 위하여 누르는 경우 상기 압축스프링(4)은 상기 확장홈(61)의 내부에 삽입된 스프링 부분 전체에 골고루 하향 누르는 힘을 고루 받게 되어 스프링의 좌굴현상이 그만큼 줄어들게 된다.

한편 상기 실시예 1에 의한 작용은 본 실시예 2의 경우에 있어서도 동일하게 적용된다.

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 상부봉단마개 또는 하부봉단마개를 구비한 핵연료봉으로 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이,

본 발명은 핵연료봉 내부에서 발생되는 가스를 수용할 수 있는 공간을 확보하여 핵연료봉 연소성능 및 기계적 건전성을 증가시킬 수 있다.

또한 본 발명은 핵연료봉 제조때 압축스프링 장입시 상부 봉단마개의 홈으로 압축스프링을 지지하여 압축스프링의 좌굴저지 성능을 향상시킴으로써 핵연료봉의 제조 및 운반 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 중공원통형으로 형성되어 연료봉의 몸체를 이루는 피복관, 상기 피복관 내부에 저장되는 핵연료소결체, 상기 피복관의 상하부에 결합되어 상기 핵연료소결체를 지지하는 상부봉단마개와 하부봉단마개 및 상기 상부봉단마개와 핵연료소결체의 사이에 구비되어 상기 핵연료소결체를 일정한 힘으로 눌러 상하 움직임을 제한하는 압축스프링으로 이루어지는 핵연료봉에 있어서,

   압축스프링을 지지하는 하단부에 그 직경을 상기 압축스프링의 외경 이상으로 형성하여 상기 압축스프링의 상단이 삽입되도록 하는 확장홈이 형성된 상부봉단마개를 구비하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 핵연료봉 내부 공간 증가 및 압축스프링 지지를 위한 봉단마개를 구비한 핵연료봉
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 하부봉단마개는 그 상단부에 확장홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 핵연료봉 내부 공간 증가 및 압축스프링 지지를 위한 봉단마개를 구비한 핵연료봉

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