KR100846026B1

KR100846026B1 - 가압경수반응로용 연료부재

Info

Publication number: KR100846026B1
Application number: KR1020067015991A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 슈타벨; 루디 레인더즈; 밍민 렌
Original assignee: 아레바 엔피 게엠베하
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2008-07-11
Also published as: ZA200508844B; WO2005098870A1; EP1620861A1; EP1620861B1; JP2007530928A; CN100437835C; CN1820326A; US20060193427A1; KR20060122912A; DE102004014499B3; ES2297662T3; DE502005002020D1

Abstract

본 발명은 격자 웨브(web)들로 이루어진 축방향으로 이격된 다수의 스페이서(4d)들 내에서 가이드된 다수의 연료봉(2)을 포함하는 가압경수반응로용 연료부재에 관한 것이다. 각각의 격자 웨브는 로우 및 컬럼으로 배치된 다수의 격자 셀(6)들을 갖는 격자를 형성한다. 격자 웨브(20)들에는 스페이서 평면에 평행하게 배향된 횡단 유동 성분을 포함하는 냉각수 흐름을 발생시키기 위한 유동-가이드 수단(26)이 제공된다. 본 발명에 따라서, 적어도 하나의 스페이서(4)는 다수의 하위영역(50a-d)들로 이루어지고, 각각의 하위영역은 하나의 격자 셀(6)보다 크지만, 유동-가이드 수단(26)은 각각의 하위영역(50a-d) 위의 경로에서 횡단 유동 분포가 하위영역 내에 위치한 제2 유동 도관(6)들 사이에서 냉각수를 적어도 거의 배타적으로 교환하도록 생성되는 방식으로 상기 스페이서(4) 내에 배치되고 분포된다.

Description

가압경수반응로용 연료부재{FUEL ELEMENT FOR A PRESSURIZED WATER REACTOR}

본 발명은 예컨대 DE 196 35 927 C1에 공지된 가압경수로용 연료부재에 관한 것이다.

이러한 연료부재는 도 13의 예를 이용하여 설명된다. 이러한 연료부재에서, 다수의 연료봉(fuel rod; 2)은 축방향으로 서로 이격된 다수의 스페이서(4)에 의해 연료봉 방향으로(축방향으로) 서로 평행하게 가이드되고, 스페이서들은 컬럼(8) 및 로우(10)로 배치된 다수의 격자 셀과 함께 2차원 격자를 각각 형성한다. 연료봉(2) 옆에는, 연료를 포함하지 않고 제어봉들을 홀딩하고 가이드하는 지지 튜브(소위 제어봉 가이드 튜브(12))들이 상기 격자의 격자 셀(6)을 통해 선택된 위치에서 가이드된다. 또한 연료를 포함하지 않고 단순히 안정성을 증가시키는데 사용되는 지지 튜브(계측튜브 또는 구조 튜브, 예로 표현된 연료부재에는 계측 튜브와 구조 튜브가 존재하지 않음)가 존재할 수 있다.

임계열유속(CHF:Critical Heat Flux)을 증가시키기 위하여, 스페이서에는 국부 혼합 기능에 부가하여 예컨대 스페이서의 순환유동 하향흐름을 발생시킴으로써 연료부재의 뜨거운 영역과 차가운 영역들 사이에 냉각재의 횡단 교환을 유발하는 기능을 갖는 유동 가이드 수단이 제공된다. 이러한 횡단 교환은 연료부재의 전체 단면적에 대해 냉각재 온도를 균일화시키고 이로써 임계열유속을 증가시키는데 사용된다. 또한 횡단 교환은 DE 21 22 853 A에 공지된 막대와 같이 연료부재의 경계를 넘어 발생할 수 있다. DE 21 22 853 A에는 이러한 횡단 교환이 이웃하는 연료부재들 사이에서 발생하는, 즉 순환유동이 4개의 이웃하는 연료부재에 의해 형성된 교차점 주위에서 발생하는, 가압경수로용 연료부재가 개시되어 있다.

DE 21 22 853 A에 개시된 실시예에서와 같이, 격자 셀들이 단일-벽 격자 막대에 의해 서로 분리된 스페이서를 갖는 연료부재에서, 이러한 유동 가이드 수단은 격자의 교차점에 의해 형성된, 유동 하위-채널의 중심 주위에 하류 방향으로 배치된 가이드 플레이트에 의해 형성된다. 이러한 가이드 플레이트는 편향기 날개(deflector vane)의 순환기로 불린다. 각각의 교차점에는 가이드 플레이트가 4개까지 있을 수 있다.

이러한 공지된 연료부재는 도 14에서 스페이서(4a)의 평면도에 도시되어 있다. 스페이서(4a)는 서로를 통과하는 다수의 수직으로 교차하는 격자 막대(20)로 구성되어 있다. 격자 막대(20)는 대략 정방형 격자 셀(6)을 형성하여 핀(22)과 스프링(24)에 의해 격자 셀(6) 내에 견고하게 클램핑된 연료봉(2)을 홀딩한다. 도면의 실시예에서 옆으로 구부러진 순환기 날개인 편향기 부재(26)는 이 경우에 스페이서(4a)의 격자 막대(20)에 배치된다. 순환기 날개는 교차점에 배치되어, (연료봉(2)에 평행한) 축방향으로 스페이서(4a), 격자 막대의 교차점에 각각 놓인 소위 유동 하위-채널(30)을 통해 연료봉(2) 사이를 유동하는 냉각재가 편향되고 축 방향에 수직인 방향의 (수평) 속도 성분이 설정되게 한다. 특히 도시된 실시예에서, 유동 하위-채널(30)의 중간-축(28) 주위의 순환(D)은 유동에 편승한다. 순환기 날개에 의한 회전은 이러한 유동 하위-채널(30)의 냉각재 유동의 국부적인 혼합을 양호하게 하고 하류 방향의 임계열유속을 증가시킨다. 이웃하는 순환 유동은 서로 마주하는 방향을 가져, 각각 가해지는 토크가 전체 연료부재 단면을 고려할 때 서로에 대해 상쇄된다. 냉각재의 교환은, 비록 완화된 효과를 갖지만, 편승된 순환 유동에 의해 이웃하는 유동 하위-채널(30) 사이에서 발생한다.

연료부재에서 냉각재의 횡단 이동의 향상은 도 15에 도시된 것처럼 스페이서(4b)에 의해 달성되며, 격자 셀(6)을 통과하는 연료봉은 간단히 하기 위해 도 15와 이하 도면에서 도시하지 않았다. 4개의 상호 인접한 격자 셀(6)에 의해 형성된 각각의 유동 하위-채널(30)에서, 스페이서(4b)는 마주하는 방향에서 냉각재를 편향시키는 단지 2개의 편향기 부재(26)를 포함한다. 각각의 유동 하위-채널(30)에서, 화살표(31) 방향으로 순환하는 유동이 발생한다. 이들은 중첩되어 상위 횡단 유동(32), 즉 사선 방향으로 다수의 격자 셀에서 연장하는 유동을 형성한다. 따라서 소위 딥테라(diptera)는 도 16에 축소되어 도시된 것처럼 테트랍테라(tetraptera)에 비해 혼합비를 향상시킨다. 이러한 횡단 유동(32)은 실질적으로 연료부재의 전체 단면에 대해 연장한다.

예컨대 EP 0 237 064 A2에 대안적인 스페이서 구조가 공지되어 있다. 개시된 스페이서에서, 각각의 격자 막대는 함께 용접된 2개의 얇은 금속 스트립에 의해 형성된다. 격자 막대의 상부 에지 상의 순환기 날개 대신에, 이들 스페이서의 금속 스트립에는 금속 스트립이 각각 경계하는 격자 셀의 내부로 연장하는 상승된 프로파일이 제공된다. 반대로 격자 막대를 형성하도록 조립된 금속 스트립의 이웃하는 프로파일들은 수직 방향으로 연장하는 대략 튜브형 유동 채널을 각각 형성한다. 각각의 유동 채널은 수직에 대해 기울어져 있으며 막대에 평행하게 배향되고 막대의 교차점에서 지향된 냉각액의 유동 성분을 발생시킨다. 이 경우에 유동 하위-채널의 경사각은 격자 셀을 각각 통과하는 연료봉 주위에 순환 유동을 형성하도록 배치된다.

이러한 공지된 이중-벽 스페이서를 사용하는 경우, 실제 작동시 연료봉 클래딩 튜브 상에서 경미한 진동(fretting) 손상만이 발견된다.

관통-유동(through-flow)에서 이러한 공지된 스페이서(4c)로 인한 유동 패턴은 도 17에서 화살표(40)로 표시된다. 프로파일(42)에 의해 형성된 유동 채널(44)에서, 유동의 횡단 성분은 냉각재에 부가되고 격자 셀을 각각 통과하는 연료봉 주위의 냉각재의 순환을 유발한다. 격자 막대의 교차점에 이웃하는 유동 채널(44)에 의해 생성된 횡단 유동(40)은 서로 쌍으로 마주하기 때문에, 보다 적은 불안정 횡단 냉각재 교환이 각각의 격자 셀 경계를 넘어, 즉 격자 셀 사이에서 발생한다.

유동 하위-채널을 통해 유동하는 냉각재 상의 연료봉을 가로지르는 유동 성분을 중첩시키기 위하여, 교차점에 인접한 가이드 날개를 이중-벽 스페이서에 제공하는 것은 DE 201 12 336 U1에 공지되어 있다. 이러한 방법은 임계열유속을 향상시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은 임계열유속과 진동 특성(fretting properties)과 관련하여 최적화된 연료봉을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징을 갖는 연료봉에 의해 달성된다. 가압경수 핵반응로용 연료부재는, 로우 및 컬럼으로 배열된 각각 다수의 격자 셀을 갖는 격자를 형성하는 교차하는 격자 막대로 구성된, 축방향으로 이격된 다수의 스페이서들 내에 가이드된 다수의 연료봉을 포함하며, 격자 막대는 스페이서 평면에 평행하게 배향된 횡단 유동 성분을 연료봉들 사이의 유동 하위-채널에서 각각 축방향으로 유동하는 냉각수에 부과하는 유동 가이드 수단을 포함한다. 유동 가이드 수단은 편향기 부재 및 유동 채널 등을 포함하며, 해당 부분에서 편향기 부재 또는 유동 채널로 기재할 수 있다. 적어도 하나의 스페이서는 각각이 격자 셀보다 큰 다수의 하위영역으로 구성되고, 유동 가이드 수단은 하위영역 내부에 놓인 유동 하위-채널들 사이에서 적어도 거의 배타적으로 냉각수를 교환하는 각각의 하위영역을 통과하는 유동의 횡단 유동 분산을 발생시키도록 스페이서 내에 구성되고 분산된다. 즉: 적어도 하위영역 내부에 놓이고 2개의 이웃하는 유동 하위-채널들 사이의 경계에 미치는 국부적인 보조 영역에서, 하위영역 상에서 형성되는 배향된 횡단 유동은 하위영역으로 제한되고 이웃하는 하위영역으로 계속되지 않거나 또는 무시할 정도로만 계속된다. 따라서, 하위영역의 에지에서 에지에 수직인 냉각재의 속도 성분(Vn)은 0이다.

진동 저항은 임계열유속이 이전과 같이 높음에도 불구하고 이러한 방법에 의해 현저히 상승한다.

본 발명은 도 15와 16의 예에서 도시된 것처럼 각각의 교차점에서 단지 2개의 편향기 부재(스플릿 날개)가 제공된 스페이서가 테트랍테라(도 14)에 비해 또는 (도17의) EP 0 237 064 A2에 개시된 이중-벽 스페이서에 비해 연료부재의 단면에 대한 냉각재의 횡단 혼합을 현저히 향상시켜 이들을 이용하여 구성된 연료부재가 임계열유속을 현저하게 향상시킨다는 발견에 기초한 것이다. 그럼에도 불구하고, 연료부재의 전체 단면적으로 연장하는 스플릿 날개가 제공된 공지된 스페이서를 통과하는 유동의 사선 방향으로 생성된 횡단 유동은 반드시 연료부재에 힘 또는 토크를 유발하기 때문에 기계적으로 바람직하지 않다. 이러한 힘 또는 토크는 진동 손상 위험의 증가와 함께 자체-유발 진동을 일으킬 수 있다.

본 발명은 임계열유속을 향상시키기 위해 연료부재의 전체 단면적에 대해 실질적으로 냉각재의 횡단 교환을 반드시 발생시킬 필요가 없다는 사상에 기초한다. 오히려, 냉각재의 공지된 횡단 교환이 하위영역의 이웃하는 유동 하위-채널의 그룹 사이에서만 발생하는 것으로 충분하다.

본 발명의 바람직한 구성에서, 하위영역을 통과하는 연료봉 하위-다발(bundle)에 대한 국부적인 불균일에 의해 가해지는 힘 또는 토크는 적어도 다수의 하위영역들이 각각에 연료봉으로부터 분리된 적어도 하나의 하위영역이 부여되는 단면에 걸친 전체 연료부재와 관련하여 전체에 대해 적어도 근사하게 보상되어, 하위영역 내에 그리고 연료봉에 부여된 분리된 하위영역 내에, 또는 연료봉에 부여된 분리된 하위영역 내의 횡단 유동으로 인한 각각의 힘 및/또는 토크가 서로에 대해 적어도 근사하게 보상되게 한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구성에서, 하위 영역 및 연료봉에 부여된 적어도 하나의 분리된 하위영역은 상호 거울-대칭으로 구성된다. 설계 관점에서 간단한 방식으로, 거울 대칭은 이들 하위영역들 내의 횡단 유동으로 인해 토크의 적어도 근사한 크기 동등함과 반대 방향성을 각각 달성할 수 있다. 또한 거울 대칭으로 인해, 하위영역 내에 형성된 각각의 힘은 서로에 대해 보상된다.

바람직하게, 서로에 대해 부여된 하위영역들은 서로 인접한다. 이러한 방식으로, 형성된 힘 및/또는 토크는 하위영역의 경계에서 직접 보상된다.

본 발명의 바람직한 구성에서, 하위영역 내부의 유동 가이드 수단은 이러한 하위영역 내부에 형성된 횡단 유동이 연료봉에 대해 토크만을 가하도록 구성된다.

본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여, 도면의 실시예들이 참조된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료봉의 실시예를 스페이서 위에서 바라본 부분단면으로 개략적으로 도시한다.

도 2-5는 본 발명에 따른 연료봉 내의 횡단 유동 성분의 가능한 분포를 역시 스페이서 위에서 개략적으로 도시한다.

도 6, 7은 스페이서들이 편향기 날개가 구비된 이중-벽 막대 표면을 포함하는 또 다른 실시예를 도시한다.

도 8은 연료부재가 이중-벽 막대 플레이트로 구성된 날개없는 스페이서를 포함하는 실시예를 도시한다.

도 9는 연료부재가 오프셋되고 동일하게 지향된 편향기 날개를 갖는 단일-벽 스페이서를 포함하는 실시예를 도시한다.

도 10은 경계가 격자 막대에 경사지게 연장하는 하위영역을 갖는 실시예를 도시한다.

도 11은 에지 영역에서 본 발명에 따른 연료부재의 세부도를 도시한다.

도 12는 본 발명의 구현을 위한 방법을 설명하는 18×18 연료부재를 도시한다.

도 13은 종래에 따른 가압경수 핵반응로의 연료부재를 도시한다.

도 14-17은 종래 공지된 것과 같은 스페이서의 개략적인 평면에서 연료부재를 각각 도시한다.

도 1에 따르면, 본 발명에 따른 연료부재는, 격자 막대(20)가 교차점에서 쌍으로 배치된 편향기 부재(26)를 아래방향으로 구비하는, 스페이서(4d)를 포함한다. 편향기 부재들은 실시예에서 소위 "스플릿 날개"로 불리며, 본 발명에 따라 교차점에서 상이하게 배치되어 분포되었지만 도 15와 16에 도시된 편향기 부재들과 동일한 타입이다.

스페이서(4d)는 다수의 장방형인, 예에서는 정방형인, 분리된 하위영역들(50) - 이들 각각은 개별 격자 셀(6)보다 큼 - 로 구성된다. 실시예에서, 각각의 하위영역(50)은 완전한 중앙의 격자 셀(6), 각각 4개의 이웃하는 절반의 격자 셀(6) 및 대각선으로 인접한 4개의 사분면 격자 셀(6)을 포함한다. 따라서, 각각의 하위영역(50)의 전체 면적은 4개의 격자 셀(6)의 면적과 일치한다. 하위영역(50)의 구석 각각은 격자 셀(6)의 중앙에 놓이고, 각각의 하위영역(50)은 4개의 완전한 유동 하위-채널(30)을 덮는다. 이는 4개의 연료봉(2)에 의해 둘러싸인 유동 하위-채널(30)에 대해 음영(shading)으로 도시되었다. 4개의 완전한 하위영역(50a-d)은 도면에 도시되어 있다. 하위영역(50a-d) 내부에 놓인 유동을 가이드하는 편향기 부재(26)는 공통 계면(interface)에서 각각 이웃하는 하위영역(50a-d)의 편향기 부재와 거울-대칭적으로 배치된다. 따라서 하위영역(50b)은 도면의 평면에 수직으로 연장하는 거울면(52)을 통한 반사에 의해 하위영역(50a)으로부터 유도된다. 따라서, 하위영역(50c)은 거울면(54)에 대해 하위영역(50b)에 거울 대칭이다. 하위영역(50d)은 거울면(52)을 통한 반사에 의해 하위영역(50c)으로부터 유도되고, 하위영역(50a와 50d)은 거울면(54)과 관련하여 상호 거울-대칭이다. 도면에서 부분적으로만 재생된 하위영역(50a-d)에 이웃하는 하위영역들은 동일한 방식으로 구성된다. 하위영역(50a)은 서로에 대해 각각 직교하고 직선 상에서 교차하는 각각 거울면을 통한 4번 접힌(fourfold) 반사에 의해 자신의 위로 맵핑된다.

이러한 설계 레이아웃의 효과는 각각의 하위영역(50a-d)에서 각각의 하위영역(50a-d)에 국부적으로 제한되고 그 경계를 넘어 연장하지 않는 횡단 유동(56)을 형성할 수 있지만, 대신에 이들 하위영역들은 경계에서 상이한 방향의 이웃하는 하위영역(50a-d)의 횡단 유동을 만난다는 것이다. 본 발명과 관련하여 하기에서 설명하는 국부적으로 제한된 횡단이란 각각의 하위영역(50a-d)의 에지에서 수평 유동 속도의 평균성분(normal componant)(Vn)은 적어도 0에 근사하다는:Vn=0 것을 의미한다.

실시예에서 각각의 하위영역(50a-d)에서, 하위영역(50a-d) 내부에 놓인 이웃 하는 유동 하위-채널(30)들 사이의 냉각수의 횡단 교환을 형성하는, 국부적으로 지향된 횡단 유동이 생성된다. 하지만, 이들은 이웃하는 하위영역의 국부적인 횡단 유동과 교차하여, 전체 유동 패턴을 형성하도록 결합할 수 없다. 따라서 교차점 주위에 배치된 4개의 하위영역(50a-d)의 거울-대칭 배치는 연료부재의 전체 단면에 대해 연장하는 큰-영역의 횡단 유동 형성을 방해한다.

도 2에 따른 실시예에서, 9개의 완전한 격자 셀(6)로 각각 구성된 하위영역(50a-d)이 제공된다. 이들 하위영역(50a-d)에서, 유동 가이드 수단은 실시예에 도시된 것처럼 전체 개별 하위영역(50a-d)에서 경사지게 연장하는 횡단 유동(56)을 형성한다. 각각의 하위영역(50a-d) 상에서, 토크가 아닌 힘만이 하위영역 내에 형성된 각각의 횡단 유동(56)에 의해 가해지며, 연료부재의 전체 단면에 대해 고려된 바와 같이 힘의 균형이 전체적으로 얻어진다.

유동 가이드 수단은 도 2와 도 3-5에서 원칙적으로 가능한 유동 패턴을 설명하기 때문에 명확하게 도시되지 않았으며, 이러한 도 2에 적합한 유동 가이드 수단은 다수의 가능한 설계 구조에서 제조될 수 있다.

또한 이러한 실시예에서, 하위영역(50a-d)은 서로에 대해 거울-대칭적으로 형성되어 각가의 계면에 놓인 거울면을 통한 반사에 의해 서로로부터 유도된다.

또한 4개의 상호 인접한 하위영역(50a-d)에 작용하는 전체 토크와 이들에 작용하는 힘이 서로 보상되는 것이 도 3의 예에 도시되었다.

도 3과 4에 따른 실시예에서, 서로 다른 쌍에 마주하는 횡단 유동(56)이 각각의 하위영역(50a-d)에서 유동 가이드 수단에 의해 발생되고, 이들은 도 3의 예에서 격자 컬럼에 평행하거나, 도 4에서처럼 도 1에 따른 실시예와 유사하게 경사지게 연장한다.

도 5는 각각의 하위영역(50a-d)에서 순환 유동(56)만이 발생하는 상황을 도시하며, 순환 유동의 회전 방향은 이웃하는 하위영역(50a-d)에서 발생한 순환 유동(56)의 회전 방향에 반대이다.

도 2-5에 따른 모든 실시예에서, 냉각수의 횡단 교환은 유동 하위 채널들 또는 하위영역(50a-d) 내부에 놓인 상이한 유동 하위 채널들의 하위-세그먼트 사이에서만 발생한다.

도 6에 따른 실시예에서, 도면에 개략적으로 지시된 대응하는 프로파일을 통한 제 1 및 제 2 유동 채널(44a 및 44b)를 포함하는, 제 1 및 제 2 이중-벽 격자 막대(20a,b)로 구성된 스페이서(4e)가 제공된다. 제 1 유동 채널(44a)은 수직에 경사지게, 즉 연료부재 축에 경사지게 연장한다. 이들은 EP 0 237 064 A2(도 17)에 공지된 스페이서와 같은 냉각수의 수직을 가로지르는 속도 성분을 부가하는 유동 가이드 수단으로서 작용한다. 제 2 격자 막대(26b)에는 교차된 빗금(cross hatching)으로 지시된 제 2 유동 채널(44b)이 제공되며, 제 2 유동 채널의 중간-축은 수직에 평행하게 연장한다.

하위영역(50a,b)은 본 실시예에서 4개의 격자 셀(6)에 의해 각각 형성되며, 제 1 유동 채널(44a)은 각각의 하위영역(50a,b)의 에지에 각각 배치된다. 마찬가지로 하위영역(50a,b)은 이들 두 개의 하위영역(50a,b)들 사이의 계면에 의해 형성된 거울면을 통한 반사에 의해 서로로부터 유도된다. 비록 경사지게 연장하는 제 1 유동 채널(44a)이 서로에 대해 마주하게 지향되지만, 경사지게 연장하는 제 1 유동 채널(44a)은 각각의 하위영역(50a,b)에서 순환 유동을 형성한다. 이러한 순환 유동은 하위영역(50a)에서 시계방향으로 순환하지만, 하위영역(50b)에서는 시계반대방향으로 순환한다. 각각의 하위영역(50a,b)의 중앙에서, 편향기 부재(26)는 중앙의 유동 하위-채널(30)의 순환 유동을 추가로 발생시키도록 배치되며, 이러한 순환 유동은 외부로 순환하는 유동에 반대로 지향되어 전체 하위영역(50a,b)에 발생한 각각의 토크가 대응하여 감소하고 중앙 유동 하위-채널(30)에 이웃하는 연료봉의 구역의 우수한 냉각이 보장된다.

하위영역(50a,b)의 외부 원주에서 각각 발생한 순환 유동은 개별 하위영역의 에지에 놓인 유동 하위-채널(30)들 사이에서 보다 우수하게 혼합된다. 그러나, 이러한 혼합은 하위영역(50a,b) 내부에 놓인 상이한 하위-채널(30)의 하위-세그먼트들 사이의 횡단 교환으로 제한된다. 또한, 본 실시예에서, 하위영역(50a,b)은 도 1-5를 참조하여 설명한 것과 동일한 반사 원리에 따라 구성된다.

도 7에 따른 실시예에는 4개의 격자 셀(6) 대신에 9개의 격자 셀(6)을 포함한 스페이서(4f)의 하위영역(50a)을 도시한다. 이 경우에, 스페이서(4f)의 격자 막대(20a,b)는 이중-벽으로 형성되어 수직에 경사지고 평행하게 각각 연장하는 제 1 및 제 2 유동 채널(44a,b)이 막대 플레이트의 대응하는 프로파일에 의해 형성되어, 외부 순환 유동이 각각의 하위영역 주위에서 생성되며, 이들 중 하나만 도면에 도시되었다. 내부에 위치한 교차점에서, 편향기 부재(26)는 내부에 위치한 유동 하위-채널(30) 내의 순환 유동을 발생시키도록 배치되고 이로써 내부에 위치한 연료봉(2)과 이웃하는 외부에 위치한 연료봉(2)의 구역의 냉각을 향상시킨다.

도 6과 7에 따른 실시예의 내부에 위치한 교차점에 각각 제공된 날개 형상의 편향기 부재 대신에, 도 8에 따라 스페이서(4g)의 중앙 격자 셀(6)에는 중앙 연료봉(2) 주위에서 외부에 발생한 순환 유동에 마주하는 방향인 순환 유동을 발생시키는 경사지게 지향된 제 1 유동 채널(44a)이 제공될 수 있다. 본 실시예에서, 제 2 격자 막대(20b)는 (수직에 대해 기울어진) 타입(44a)과 (수직에 평행한) 타입(44b)의 유동 채널을 포함한다.

또한 하위영역 주위의 순환 유동은 도 9의 스페이서(4h)에 도시된 것처럼 단일-벽 격자 막대와 단일-벽 격자 막대 위에 형성된 편향기 부재(26)에 의해 생성될 수 있다. 모든 4개의 인접한 하위영역의 구성에서 각각 마주하게 편향하도록 하기 위하여, 격자 막대는 교차점에서 연장한다. 격자 막대는 도 9에서 굵은 두께의 선인 교차부(46)로 개략적으로 지시된다. 하지만 격자 막대는 막대(20)의 벽 두께 증가를 포함하지 않지만 막대 높이의 증가는 구성으로 제한된다.

도 10에 따른 실시예는 경계가 격자 사선에 평행하게 연장하는 스페이서(4i)의 하위영역(50a)을 도시한다. 스페이서(4i)는 제 1 이중-벽 제 1 격자 막대(20a)로 구성되며, 이들 중 하나에는 수직에 경사지게 연장하는 제 1 유동 채널(44a)이 제공된다. 이웃하는 하위영역들은 상기 설명한 반사 원리에 따라 구성된다. 즉 하위영역들은 도면의 평면에 수직하고 이웃하는 하위영역과 각각 계면을 형성하는 거울면과 관련하여 각각 거울-대칭을 이룬다. 이러한 실시예에서, 도 6-9에 따른 실시예에서와 같이, 이 경우에 발생한 내부 및 외부 순환 유동에 의한 각각의 하위영역(50a)에 토크만이 발생한다.

간단히 하기 위하여, 이전의 예는 하나의 하위영역에서 시작한 적절한 반사 원리에 의해 구성될 수 있는 연료부재에 기초하였다. 하지만 이를 위해 필요한 엄격한 대칭은 연료부재의 측방 에지 영역과 연료부재 내에 배치된 구조물 튜브의 영역에서 좁은 구성으로 파괴되기 때문에 실제 연료부재에서 용이하게 달성하기 어렵다. 도 11은 연료부재의 에지 영역에서 발생할 수 있는 상황을 도시한다. 이미 도 9에서 설명한 바와 같이 스페이서(4h)의 에지 영역이 도시되었다. 이전의 도면들을 참조하여 설명한 반사 원리는 더 이상 이웃하는 하위영역에 엄격하게 적용되지 않는다는 것이 도 11에 도시되었다. 하위영역(50a)은 반사에 의해 에지 막대(200)를 향해 계속될 수 없다. 이러한 에지 영역에서 또는 파괴된 대칭 영역에서, 또 다른 하위영역들이 크기가 상이하고 다른 하위영역으로부터의 구조에서 설정된다. 실시예에서, (도 11에서 곡선 괄호 x,y로 지시된) 3개의 격자 셀(6)을 포함한 하위영역(500)이 에지에서 형성되었으며, 편향기 부재(26)는 이러한 하위영역 내에 순환 유동을 형성하도록 배치된다. 마주하는 에지 막대 상에는 거울-대칭형으로 형성된 상보형 하위영역이 존재하여, 하위 영역(500) 및 하위영역에 부여된 상보형 분리 하위영역에서 발생한 토크가 서로에 대해 보상되고, 더 이상 토크가 연료부재의 완전한 단면에 대해 형성되지 않는다. 이 경우, 격자 막대(20)는 (검은 원으로 도시된) 하위영역의 구석에서 높아진다.

도 12는 18×18 격자 셀(6)을 갖는 (스페이서(4j)를 갖는) 연료부재의 상황을 도시하며, 그 중에서 교차된 빗금으로 강조된 24개의 격자 셀(6)은 격자 셀을 통과하는 제어봉 가이드 튜브(제어봉 가이드 튜브와 연료봉은 명확히 하기 위해 도시하지 않음)를 갖는다. 본 실시예에서, 스페이서(4j)는 각각 9개의 격자 막대(6)를 갖는 36개의 분리 하위영역(50)으로 분리된다. 하위영역(50)들은 스페이서(4j)의 에지에서의 위치에 의해 또는 내부의 제어봉 가이드 튜브의 배치/숫자에 의해 서로 상이한 6개의 상이한 등급(501-506)으로 할당되어, 반사에 의해 서로 변환될 수 없다. 이들은 스페이서(4j)의 구석에 있는 등급(501)인 4개의 하위영역, 이들에 이웃하고 스페이서(4j)의 구석에 위치하는 등급(502)인 8개의 하위영역, 자신의 구석들 중 하나에 제어봉 가이드 튜브가 제공되는 등급(503)인 8개의 하위영역, 및 등급(504)인 내부에 위치한 8개의 하위영역이며, 이들의 중앙 격자 셀(6)에는 제어봉 가이드 튜브가 제공된다. 등급(505)인 4개의 하위영역은 경사지게 마주하는 격자 셀(6)에서 제어봉 가이드 튜브에 의해 각각 교차하며, 등급(506)인 내부에 위치한 4개의 하위영역은 제어봉 가이드 튜브와 교차하지 않는다.

등급(506)인 내부에 위치한 4개의 하위영역은 도 1-10을 참조하여 설명한 것처럼 거울-대칭형으로 구성되고 문자 a-d로 지시되며, 하위영역(506b)은 하위영역(506c)로부터 반사되어 유도되며, 하위영역(506c)은 하위영역(506b)에 거울-대칭이고 하위영역(506d)은 하위영역(506c)에 거울-대칭되어, 하위영역(506a)이 다시 하위영역(506d)에 거울-대칭된다. 동일한 방식으로, 다른 하위영역들은 서로에 대해 거울-대칭형으로 구성된다. 동일한 방식으로 스페이서(4j)의 구석에 있는 등급(501)인 4개의 하위영역은 서로에 대해 거울-대칭형으로 구성되며, 마찬가지로 도면에서 문자 a-d로 지시되었다.

문자(a-d)는 각각의 등급(501-506)에서 하나의 타입을 나타낸다. 동일한 타입(a-d)이지만 상이한 등급(501-506)인 하위영역은 설계 레이아웃과 설계 레이아웃에 배치된 유동 편향 수단의 관점에서 실질적으로 동일하다. 즉 고유 대칭이다.

하위영역(506a-506d)의 특징을 갖는 구조 원리는 전체 스페이서(4j)에도 유지되어, 예컨대 등급(506)인 타입(b)의 하위영역과 상기 하위영역의 우측에 배치된 등급(504)인 타입(a)의 하위영역은 실질적으로 자신의 구조에 대응한다. 이러한 구조 원리는 전체 스페이서(4j)에도 계속되어, 본 실시예에서는 전체 횡단 유동이 형성되지 않는다. 또한 각각의 등급(501-506)에 있어서, 상기 언급한 구조 원리에 따라 서로에 대해 거울 대칭형으로 구성된 4개 또는 8개의 하위영역이 존재하여, 모든 토크와 힘은 연료부재의 전체 단면적과 관련하여 제거된다.

컬럼 및 로우의 수가 가장 중용한 수인 스페이서의 경우에, 크기가 상이한 상이한 타입의 하위영역들이 도 11에 따라 도입되어야 한다.

Claims

교차하는 격자 막대들 - 상기 격자 막대들은 로우와 컬럼으로 배열된 다수의 격자 셀들을 갖는 격자를 각각 형성함 - 로 구성된, 다수의 축방향으로 이격된 스페이서들 내에 가이드된 다수의 연료봉들을 구비하며, 상기 격자 막대들은 상기 연료봉들 사이의 유동 하위-채널들에서 축방향으로 각각 유동하는 냉각수에 스페이서 평면에 평행하게 배향된 횡단 유동 성분을 부과하는 유동 가이드 수단을 포함하는, 가압경수 핵반응로용 연료부재로서,

상기 적어도 하나의 스페이서는 다수의 하위 영역들 - 상기 하위 영역들의 각각은 상기 격자 셀보다 더 큼 - 로 구성되고, 상기 유동 가이드 수단은 각각의 하위영역을 통과하는 유동에 있어서 횡단 유동 분포 - 상기 횡단 유동 분포는 상기 하위영역 내부에 놓인 유동 하위-채널들 사이에서 상기 냉각수를 교환시키며, 인접하는 하위영역들 간에는 무시할 수 있는 정도로만 교환시킴 - 를 발생시키도록 상기 스페이서 내에 구성되고 분배되는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 1 항에 있어서, 적어도 상기 다수의 하위영역들은 적어도 하나의 분리된(disjoint) 하위영역을 할당받으며, 상기 하위영역 내에서의 횡단 유동과, 상기 하위영역에 할당된 상기 분리된 하위영역 또는 하위영역들 내에서의 횡단 유동에 각각 기인한 힘들 또는 토크들이 서로에 대해 적어도 근사하게 상쇄되는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 2 항에 있어서, 상기 하위영역 및 상기 하위영역에 할당된 상기 적어도 하나의 분리된 하위영역은 상호 거울-대칭인, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 3 항에 있어서, 상기 거울 대칭 평면은 상기 스페이서 평면에 수직하고 격자 막대에 평행하게 연장하는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 2 항에 있어서, 상기 하위영역은 서로 인접한 다른 하위영역들에 할당되는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 3 항에 있어서, 상기 하위영역은 서로 인접한 다른 하위영역들에 할당되는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 4 항에 있어서, 상기 하위영역은 서로 인접한 다른 하위영역들에 할당되는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 하위영역 내부의 유동 가이드 수단은 상기 하위영역 내부에 발생한 횡단 유동들이 상기 하위영역 상에 토크만을 가하도록 구성되는, 가압경수 핵반응로용 연료부재.