KR100898114B1 - 유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 하단고정체 위에서 냉각수와 함께 하단고정체 유로구멍을 통하여 유입되는 이물질을 여과하며, 동시에 냉각수의 유로방향에 대하여 최소의 유량 저항단면을 갖도록 하여 압력강하를 최소화하는 여과장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자는 다수의 유로구멍(12)이 형성된 하단고정체(5) 위에 구비되어 이물질을 여과하기 위한 것으로서 스트립으로 구성되며 딤플 및 아치를 포함한다.

스트립은 일정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 일정 간격으로 판형 두께만큼의 폭을 갖는 슬롯(26)이 형성되며, 종횡 각각 일정 간격으로 배열하여 상기 슬롯을 상호 결합함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획하고, 격자셀을 구획하는 경우 상기 단위 격자셀을 이루는 각각의 격자면 하단 중앙으로부터 상부를 향하여 유로구멍(12)의 내주면으로부터 이웃하는 유로구멍(12)의 내주면까지의 최단 두께만큼의 두께와 일정 높이를 갖는 절개부(22)가 형성되며, 상기 절개부(22)에 유로구멍(12)의 내주면과 이웃하는 유로구멍의 내주면 사이의 최단 두께를 이루는 부분을 수용한다.

딤플은 상기 단위 격자셀을 이루는 격자면 각각의 상부에 형성되고, 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에서 핵연료봉의 하부봉단마개(14)를 지지하기 위하여 서로 마주보도록 총 2쌍이 형성된다.

아치는 상기 단위 격자셀을 이루는 격자면의 절개부(22) 각각의 좌우에 하나씩 돌출되며, 동시에 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에 형성되고, 유로구멍(12)의 공간을 통과할 수 있는 이물질의 직경을 최소화하도록 유로구멍의 공간을 구획한다.

나아가 아치는 아치형의 얇은 판으로 형성될 수 있다.

본 발명은 하단고정체와 결합력을 강화시키는 동시에 이물질의 유입을 방지할 수 있다.

나아가 본 발명은 유로구멍의 크기를 크게 하여 냉각수에 의한 압력강하를 최소화 하면서도 유로구멍 내에서 돌출된 스트랩을 구비함으로써 이물질의 유입 최대 직경을 최소화할 수 있다.

이물질, 유입방지, 지지격자, 하단고정체, 유로구멍

Description

유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자{Spacer grid with protruding strap to insert into the flow hole for the debris filtering}

본 발명은 핵연료집합체의 이물질 여과장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 핵연료집합체의 하단고정체 위에서 냉각수와 함께 하단고정체 유로구멍을 통하여 유입되는 이물질을 여과하며, 동시에 냉각수의 유로방향에 대하여 최소의 유량 저항단면을 갖도록 하여 압력강하를 최소화하는 여과장치에 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 헬 륨기체를 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], [도 2] 및 [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), 안내관, 계측관(8) 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 스트랩(strap; 얇은 금속판)이 각각 일정간격으로 형성된 슬롯(26; [도 6]참조)을 상호 결합하여 격자상으로 형성된다. 상기 지지격자는 상하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관(미도시)이 지지격자에 형성된 슬리브(3)와 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 고정 되도록 한다.

이렇게 완성된 핵연료집합체는 원자로내에서 핵분열에 의하여 열을 방출하게 되고 핵연료집합체로부터 발생하는 열은 냉각수에 의하여 흡수하게 된다. 냉각수는 원자로 냉각펌프에 의해 원자로 및 원자로 배관을 순환하며 핵열료집합체로부터 냉각수로의 열전달을 촉진한다.

한편 이러한 냉각수의 순환과정에서 냉각수와 함께 원자로 내로 유입된 이물질, 즉 배관 및 냉각 설비의 생산, 설치, 및 수리중에 금속 입자, 칩(Chip), 절삭편(shavings)과 같은 세편 및 파편을 포함하는 다양한 종류의 이물질이 냉각수속에 혼입될 수 있고 이들 이물질이 하단고정체의 유로구멍을 통과하여 연료봉과 지지격자사이에서 미세진동을 일으키며 연료봉의 피복관을 손상시키는 일이 발생하기도 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 [도 4]에 도시된 바와 같이 하단고정체(5)의 유로구멍(12) 크기를 제한하는 방법과 [도 5]와 같이 이물질 여과전용의 이물질 여과 지지격자(13)를 사용하는 방법 또는 하단고정체 유로구멍과 이물질 여과용 지지격자체를 복합적으로 사용하는 방법들이 사용되고 있다.

상기의 이물질 여과장치 중 하단고정체의 유로구멍 크기를 제한하는 방법은 비교적 간단한 방법으로 적용하기 쉬운 장점이 있으나 이물질 여과성능의 향상에 비하여 유로면적의 감소로 인하여 압력강하도 증가하는 단점이 있다. 냉각수의 압력이 강하되면 수력들림력(hydraulic uplift force)이 증가하여 상단고정체 스프링의 누름력을 더 크게 하여야 하고, 핵연료봉의 진동을 더욱 심화시키거나 냉각수의 횡방향 흐름을 유발시켜 프레팅 마모를 촉진시키며, 연료봉으로부터 충분한 열을 흡수하지 못하는 단점들이 생긴다.

하단고정체와 함께 이물질 여과용 지지격자체를 사용하는 경우는 이물질 여과 성능을 높이면서 상대적으로 압력강하량은 작다는 장점이 있으나 부품수가 증가하는 것이 단점이다.

상술한 이물질 여과용 지지격자체를 사용하는 예로는 1985년 8월 8일에 출원된 '미합중국 등록특허 US4652425' 『Bottom grid mounted debris trap for a fuel assembly』(이하 선행기술이라 한다.)가 있다.

[도 5]를 참조하여 설명하면, 상기 선행기술은 지지격자체의 최하부의 지지격자(13)에 핵연료봉의 하부봉단마개(14)를 지지하는 딤플(15)을 단위 격자셀을 이루는 4개의 격자면에 각각 구성하여 핵연료봉의 지지와 함께 이물질이 핵연료집합체 내의 유효구간으로 유입되는 것을 방지하는 것이다.

이물질의 유입을 방지하기 위하여 좀 더 복잡한 딤플 구조를 구성하거나 단면적을 넓혀 이물질이 통과할 수 있는 단면적을 줄일 수는 있다. 그러나 냉각수의 압력강하는 축방향으로 바라본 격자체의 단면적에 비례하게 되므로 딤플의 구조를 무조건 복잡하게 하거나 단면적의 넓이를 증가시킬 수는 없는 것이다.

상기와 같은 문제점 또는 필요로부터,

본 발명의 과제는 하단고정체와 결합 강화 수단을 확보함과 동시에 이물질의 유입을 방지하는 수단을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 과제는 유로구멍의 크기를 크게 하여 냉각수에 의한 압력강하를 최소화 하면서도 이물질의 유입최대 직경을 최소화 하는 수단을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

본 발명에 의한 유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자는 다수의 유로구멍(12)이 형성된 하단고정체(5) 위에 구비되어 이물질을 여과하기 위한 것으로서 스트립으로 구성되며 딤플 및 아치를 포함한다.

스트립은 일정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 일정 간격으로 판형 두께만큼의 폭을 갖는 슬롯(26)이 형성되며, 종횡 각각 일정 간격으로 배열하여 상기 슬롯을 상호 결합함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획하고, 격자셀을 구획하는 경우 상기 단위 격자셀을 이루는 각각의 격자면 하단 중앙으로부터 상부를 향하여 유로구멍(12)의 내주면으로부터 이웃하는 유로구멍(12)의 내주면까지의 최단 두께만큼의 두께와 일정 높이를 갖는 절개부(22)가 형성되며, 상기 절개부(22)에 유로구멍(12)의 내주면과 이웃하는 유로구멍의 내주면 사이의 최단 두께를 이루는 부분을 수용한다.

딤플은 상기 단위 격자셀을 이루는 격자면 각각의 상부에 형성되고, 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에서 핵연료봉의 하부봉단마개(14)를 지지하기위하여 서로 마주보도록 총 2쌍이 형성된다.

아치는 상기 단위 격자셀을 이루는 격자면의 절개부(22) 각각의 좌우에 하나씩 돌출되며, 동시에 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에 형성되고, 유로구멍(12)의 공간을 통과할 수 있는 이물질의 직경을 최소화하도록 유로구멍의 공간을 구획한다.

나아가 아치는 아치형의 얇은 판으로 형성될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명은 하단고정체와 결합력을 강화시키는 동시에 이물질의 유입을 방지할 수 있다.

나아가 본 발명은 유로구멍의 크기를 크게 하여 냉각수에 의한 압력강하를 최소화 하면서도 유로구멍 내에서 돌출된 스트랩을 구비함으로써 이물질의 유입 최대 직경을 최소화할 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.

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 종방향의 격자면과 직각을 이루는 격자면은 횡방향의 격자면이라 한다. 또한 축방향이란 단위 격자셀의 길이 방향으로서 핵연료봉이 장입되는 방향을 말한다.

본 실시예에 의한 이물질 여과용 지지격자는 다수의 스트랩(2), 딤플(24), 및 아치(23)로 구성된다.

[도 6]을 참조하여 스트랩(2)을 설명한다.

스트랩(2)은 기다란 판형의 얇은 판으로 형성된다. 이러한 스트랩(2)을 다수 구비하여 각각에 일정간격으로 슬롯(26)을 형성한다. 이후 이러한 스트랩(2)을 각각 종횡 방향, 즉 직각으로 상호 교차하도록 배열한 후 슬롯(26)끼리 상호 삽입하게 된다. 결과적으로 슬롯(26)의 배열 간격만큼의 간격을 갖는 격자상의 구조를 갖게 되는데 이 격자상 구조를 이루는 각각의 사각의 공간부를 앞서 설명한 바와 같이 단위 격자셀이라고 한다. 이러한 단위 격자셀을 위에서 바라 본 평면도를 [도 7]에 도시하였다.

한편 앞서 설명한 바와 같이 스트랩(2)이 이루는 지지격자에는 안내관(3)과 계측관(8)이 연결될 부위가 마련되지만 이는 공지의 지지격자와 동일한 것으로서 여기서는 상세한 설명을 생략한다.

단위 격자셀을 이루는 각각의 격자면 하단 중앙으로부터 상부를 향하여 절개부(22)가 형성된다. 절개부(22)는 [도 8] 내지 [도 9]에 도시된 바와 같이 이후 유로구멍(12) 사이의 최단 두께 부분을 삽입하기 위한 부분이다. 따라서 절개부(22)는 유로구멍(12)의 내주면으로부터 이웃하는 유로구멍(12)의 내주면까지의 최단 두께만큼의 두께와 일정 높이를 갖는다. 여기서 일정 높이라 함은 유로구멍(12)이 삽입되는 깊이를 의미하므로 필요에 따라 결정할 수 있다.

[도 6] 및 [도 7]을 참조하여 딤플(24)에 대하여 설명한다.

딤플(24)은 단위 격자셀을 이루는 격자면(2) 각각의 상부에 형성된다. 또한 딤플(24)은 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에서 서로 마주보도록 총 2 쌍이 형성된다. 따라서 딤플(24)은 [도 7]에 도시된 바와 같이 한 단위 격자셀 내에 총 2쌍이 직각으로 형성되므로 단위 격자셀 내에 하부봉단마개(14)가 삽입되는 경우 하부봉단마개(14)를 안정적으로 지지하게 된다.

한편 딤플(24)의 상세한 구조는 공지의 딤플(24)과 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.

[도 6] 내지 [도 8]을 참조하여 아치(23)를 설명한다.

아치(23)는 [도 7]에 도시된 바와 같이 얇은 판형 및 아치형으로 형성된다. 또한 아치(23)는 [도 6]에 도시된 바와 같이 절개부(22)마다 좌우에 하나씩 형성되는데, 이 때 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에 형성되어 유로구멍(12)의 공간을 통과할 수 있는 이물질의 직경을 최소화하도록 유로구멍의 공간을 구획한다. 즉 아치(23)의 돌출 정도와 곡률반경에 따라 유로구멍(12)을 통과할 수 있는 이물질의 직경이 달라지는 것이다.

이하 본 실시예에 의한 작용을 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의한 이물질여과용 지지격자는 핵연료봉의 하부봉단마개(14)가 삽입되면 두 쌍의 딤플(24)로 지지를 하게 된다.

또한 본 실시예에 의한 이물질여과용 지지격자는 하단고정체(5)를 축방향으로 관통하고 있는 유로구멍(12)에 삽입된다. 이 때 하나의 단위 격자셀은 [도 7]에 도시된 바와 같이 4개의 유로구멍(12)에 걸쳐 있게 되며, 다른 한편으로 하나의 유 로구멍(12)에는 [도 9]에 도시된 바와 같이 4개의 단위 격자셀이 걸쳐있게 된다.

즉, [도 7]에서 알수 있는 바와 같이 유로구멍(12)은 스트랩(2)에 의하여 4분 되어 있으며, 아치(23)가 각 4분된 단위 격자셀 내에 각각 2개씩 구비되어 4등분된 유로구멍을 다시 구획하고 있다. 따라서 원자로의 작동에 의하여 냉각수가 순환되어 하단고정체(5)의 하부로부터 유로구멍(12)을 통과하는 경우 유로구멍(12)을 구획하는 스트랩(2)과 아치(23)에 의하여 큰 직경을 갖는 이물질은 통과할 수 없게 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 유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자로 구현될 수 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도이다.

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 3은 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도이다.

도 4는 일반적인 하단고정체를 나타내는 사시도이다.

도 5는 종래의 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 6은 본 발명에 의한 지지격자를 이루는 스트랩의 일부를 나타내는 정면도이다.

도 7은 본 발명에 의한 이물질여과체의 단위격자셀을 나타내는 평면도이다.

도 8은 본 발명에 의한 이물질여과체의 단위격자셀이 유로구멍에 삽입된 모습을 나타내는 사시도이다.

도 9는 본 발명에 의한 이물질여과체가 하단고정체와 결합된 일부의 모습을 나타내는 저면사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료봉 2 : 지지격자체

3 : 슬리브 4 : 상단고정체

5 : 하단고정체 6 : 지지격자 스프링

7 : 지지격자 딤플 8 : 계측관

12 : 유로구멍(Flow Hole) 14 : 연료봉 하부봉단마개

23 : 아치(Arch) 24 : 딤플

Claims (2)

1. 다수의 유로구멍(12)이 형성된 하단고정체(5) 위에 구비되어 이물질을 여과하는 지지격자에 있어서,

   일정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 일정 간격으로 판형 두께만큼의 폭을 갖는 슬롯(26)이 형성되며, 종횡 각각 일정 간격으로 배열하여 상기 슬롯을 상호 결합함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획하고, 격자셀을 구획하는 경우 상기 단위 격자셀을 이루는 각각의 격자면 하단 중앙으로부터 상부를 향하여 유로구멍(12)의 내주면으로부터 이웃하는 유로구멍(12)의 내주면까지의 최단 두께만큼의 두께와 일정 높이를 갖는 절개부(22)가 형성되며, 상기 절개부(22)에 유로구멍(12)의 내주면과 이웃하는 유로구멍의 내주면 사이의 최단 두께를 이루는 부분을 수용하는 스트립(2);

   상기 단위 격자셀을 이루는 격자면 각각의 상부에 형성되고, 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에서 핵연료봉의 하부봉단마개(14)를 지지하기위하여 서로 마주보도록 총 2쌍이 형성되는 딤플(24); 및

   상기 단위 격자셀을 이루는 격자면의 절개부(22) 각각의 좌우에 하나씩 돌출되며, 동시에 축방향 중심축에 직각을 이루는 동일 평면상에 형성되고, 유로구멍(12)의 공간을 통과할 수 있는 이물질의 직경을 최소화하도록 유로구멍의 공간을 구획하는 아치(23):를 포함하는 유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 아치는 아치형의 얇은 판으로 형성되는 유로구멍에 삽입되는 돌출형 이물질여과용 지지격자.

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