KR100907634B1 - 비대칭형 딤플을 갖는 이물질 여과용 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 이물질 여과용 지지격자는 지지격자 및 지지격자에 형성된 딤플을 구비한다. 나아가 아치를 더 구비할 수 있다.

지지격자는 일정 간격마다 슬롯이 형성된 스트립을 종횡 방향으로 상호 교차하여 상기 슬롯을 상호 삽입함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획한다.

또한 딤플은 스트립을 단편과 장편으로 구분되도록 비대칭형으로 구부려 형성하고, 상기 지지격자 각각의 격자면 중앙에서 양 법선방향으로 돌출되며, 상기 지지격자의 축방향에 대하여 최소 단면적을 갖는 방향으로 상기 지지격자의 격자면에 구비됨으로써 상기 딤플의 장편과 상기 연료봉의 하부봉단마개가 선접촉을 하여 연료봉의 하부봉단마개를 지지한다.

또한 아치는 상기 딤플의 장편과 지지격자가 연결되는 부분 마다 그 상부 또는 하부에 스트립을 구부려 형성하고 상기 딤플과 같은 방향으로 돌출되도록 한다.

본 발명에 의한 이물질 여과용 지지격자는 연료봉을 2개의 선접촉을 통하여 지지력을 충분히 보장하는 동시에 효율적인 딤플의 단면적 구조를 통하여 횡방향 단면적을 최소화하며 이물질의 유입 최대 직경을 종래 기술에 비하여 현저하게 줄 일 수 있다.

핵연료집합체, 지지격자, 딤플, 여과장치, 하단고정체, 비대칭형

Description

비대칭형 딤플을 갖는 이물질 여과용 지지격자{Spacer grid with unsymmetric dimple for the debris filtering}

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도

도 3은 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도

도 4는 종래의 유로구멍의 크기를 제한하는 하단고정체를 나타내는 사시도

도 5는 종래의 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 평면도

도 6a는 본 발명 실시예 1의 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 평면도

도 6b는 본 발명 실시예 1의 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 사시도

도 7a는 본 발명 실시예 2의 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 평면도

도 7b는 본 발명 실시예 2의 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 사시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: 비대칭형딤플 22: 아치

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 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(21; 참조)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.

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(11)의 유로구멍(12) 크기를 제한하는 방법과 [도 5]와 같이 이물질 여과전용의 이물질 여과체 지지격자(13)를 사용하는 방법 또는 하단고정체 유로구멍과 이물질 여과용 지지격자체를 복합적으로 사용하는 방법들이 사용되고 있다.

상기의 이물질 여과장치중 하단고정체의 유로구멍 크기를 제한하는 방법은 비교적 간단한 방법으로 적용하기 쉬운장점이 있으나 이물질 여과성능의 향상에 비하여 유로면적의 감소로 인하여 압력강하도 증가하는 단점이 있다. 냉각수의 압력이 강하되면 수력들림력(hydraulic uplift force)이 증가하여 상단고정체의 스프링 의 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 하단봉단마개(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 문제점의 해결을 위한 목적 또는 필요로부터,

본 발명의 과제는 연료봉의 지지력을 충분히 보장하는 수단을 제공하는 동시에 횡방향 단면적을 최소화하며 이물질의 유입 최대 직경을 최소화하는 딤플 및 이물질 유입방지 수단을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

본 발명에 의한 이물질 여과용 지지격자는 지지격자 및 지지격자에 형성된 딤플을 구비한다. 나아가 아치를 더 구비할 수 있다.

지지격자는 일정 간격마다 슬롯이 형성된 스트립을 종횡 방향으로 상호 교차하여 상기 슬롯을 상호 삽입함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획한다.

또한 딤플은 스트립을 중앙이 아닌 한쪽으로 치우친 부분에서 구부려 단편과 장편을 가진 비대칭형으로 형성하고, 상기 지지격자 각각의 격자면 중앙에서 양 법선방향으로 돌출되며, 상기 지지격자의 축방향에 대하여 최소 단면적을 갖는 방향으로 상기 지지격자의 격자면에 구비됨으로써 상기 딤플의 장편과 상기 연료봉의 하부봉단마개가 선접촉을 하여 연료봉의 하부봉단마개를 지지한다.

또한 아치는 상기 딤플의 장편과 지지격자가 연결되는 부분 마다 그 상부 또는 하부에 스트립을 구부려 형성하고 상기 딤플과 같은 방향으로 돌출되도록 한다.

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.

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.

이하 [도 6a] 및 [도 6b]를 참조하여 본 발명의 실시예 1을 상세히 설명한다. [도 6a]는 본 실시예 1에 의한 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 평면도이며, [도 6b]는 본 실시예 1에 의한 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 사시도이다.

본 발명의 실시예 1은 지지격자(20) 및 상기 지지격자에 형성된 딤플(21)이 그 주요구성 요소이다.

지지격자(20)는 공지된 바와 같이 일정 간격마다 슬롯이 형성된 스트립을 종횡 방향으로 상호 교차하여 상기 슬롯을 상호 삽입하여 격자형으로 형성된다. 상기 지지격자(20)의 개개의 격자 내부는 단위 격자셀이라 하고, 단위 격자셀 내부의 4개의 면은 각각 격자면이라 한다.

비대칭형딤플(21)은 스트립을 중앙이 아닌 한쪽으로 치우친 부분에서 구부려 양쪽 각각 장편(211) 및 단편(212)을 가진 비대칭형으로 형성된다. 또한 비대칭형딤플(21)은 상기 지지격자(20)의 격자면 각각의 중앙에서 양 법선방향으로 돌출되도록 구비된다. [도 6b]에 도시된 바와 같이 양 법선방향으로 돌출된 비대칭형딤플(21)이 상하에 각각 형성될 수 도 있지만, 동일한 높이에 형성될 수 도 있다. 또한 상기 비대칭형딤플(21)은 상기 지지격자의 축방향에 대하여 최소 단면적을 갖도록 넓은 폭을 가진 부분을 횡방향으로 하되 좁은 폭을 가진 부분이 축방향이 되도록 세워서 지지격자(20)의 격자면에 고정하게 된다.

[도 6a]를 참조하여 본 실시예 1의 작용을 설명한다.

딤플(21)은 장편(211)에서 하부봉단마개(14)와 선접촉을 하여 하부봉단마개(14)를 지지하게 된다. 이 때 상기 단위 격자셀의 축방향으로 통과할 수 있는 이물질의 최대크기는 장편(211) 및 지지격자의 연결부분으로부터 이웃하는 단편사이의 공간을 통과할 수 있는 이물질(D)의 직경이 된다. 본 발명에 의한 이물질 여과용 지지격자는 측정결과 통과 이물질의 최소 직경을 종래의 방식에 비하여 60% 정도로 줄일 수 있는 것으로 확인되었다.

이하 [도 7a] 및 [도 7b]를 참조하여 본 발명의 실시예 2를 설명한다.

[도 7a]는 본 실시예 2에 의한 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 평면도이며, [도 7b]는 본 실시예 2에 의한 이물질 여과용 지지격자를 나타내는 사시도이 다.

본 발명의 실시예 2는 지지격자(20), 상기 지지격자에 형성된 딤플(21) 및 아치(22)가 그 주요구성 요소이다.

본 실시예 2에 의한 이물질 여과용 지지격자는 실시예 1에 의한 이물질 여과용 지지격자에 비하여 아치(22)의 구성이 추가적으로 형성된다.

아치(22)는 딤플(21)의 장편(211)과 지지격자(20)가 연결되는 부분 마다 그 연결부분의 상부 또는 하부에 스트립을 구부려 형성한 아치(22)를 상기 딤플(21)과 같은 방향으로 돌출되도록 지지격자(20)에 형성한다.

상술한 바와 같이 실시예 1에 있어서 가장 큰 이물질이 통과할 수 있는 부분은 [도 6a]에 도시된 바와 같이 연료봉(14), 딤플(21)의 장편(211) 및 이웃하는 딤플(21)의 단편(212)가 형성하는 공간부이며 이 때 통과 할 수 있는 최대 크기의 이물질은 D가 된다. 따라서 축방향으로 통과 가능한 이물질의 크기를 줄이기 위하여 상기 아치(22)를 형성하게 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 이물질 여과용 지지격자로 구현될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명에 의한 이물질 여과용 지지격자는 연료봉을 선접촉을 통하여 지지력을 충분히 보장하는 동시에 효율적인 딤플의 단면적 구조를 통하여 횡방향 단면적을 최소화하며 이물질의 유입 최대 직경을 종래 기술에 비하여 현저하게 줄일 수 있다.

Claims (2)

1. 하단고정체 위에 구비되어 이물질을 여과하는 지지격자에 있어서,

   일정 간격마다 슬롯이 형성된 스트립을 종횡 방향으로 상호 교차하여 상기 슬롯을 상호 삽입함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획하는 지지격자; 및

   딤플을 구비하되,

   상기 딤플은 단편과 장편으로 구분되도록 비대칭형으로 구부려 형성하고, 상기 지지격자 격자면 각각의 중앙에서 양 법선방향으로 돌출되며, 상기 지지격자의 축방향에 대하여 최소 단면적을 갖는 방향으로 상기 지지격자의 격자면에 구비됨으로써 상기 딤플의 장편과 연료봉의 하부봉단마개가 선접촉을 하여 상기 연료봉의 하부봉단마개를 지지하며,

   상기 딤플의 장편과 지지격자가 연결되는 부분의 그 상부 또는 하부에 스트립을 구부려 형성한 아치를 상기 딤플과 같은 방향으로 돌출되도록 더 구비하는 비대칭형 딤플을 갖는 이물질 여과용 지지격자.
2. 삭제

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