KR100961904B1 - 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서 - Google Patents

이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서 Download PDF

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김재용
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Abstract

본 발명은 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 스페이서에 관한 것으로서, 특히 상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공이 형성되거나 또는 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 상기 스페이서 몸체의 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 스페이서의 몸체에 형성된 관통공 또는 그루브에 의하여 만들어진 공극은 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체를 수용하는 공간을 확보할 수 있게 한다.
이중냉각 핵연료봉, 플레넘, 핵분열 기체, 플레넘 스프링, 다공성 플레넘 스페이서

Description

이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서{Porous plenum spacer for dual-cooled fuel rod}
본 발명은 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 스페이서에 관한 것으로서, 특히 상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공이 형성되거나 또는 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 상기 스페이서 몸체의 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 스페이서의 몸체에 형성된 관통공 또는 그루브에 의하여 만들어진 공극은 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체를 수용하는 공간을 확보할 수 있게 한다.
가압 경수로의 노심에는 핵연료집합체가 장입되는데, 상기 핵연료집합체는 원통 형상의 우라늄 소결체가 삽입된 복수의 핵연료봉으로 이루어진다.
상기 핵연료봉은 그 형태에 따라 원통형과 환형으로 구분할 수 있으며, 상기 환형의 핵연료봉을 이중냉각 핵연료봉(dual-cooled nuclear fuel rod)이라 일컫는다.
상기 이중냉각 핵연료봉의 소결체는 원통 형상의 핵연료봉에 삽입된 소결체보다 두께가 얇고, 전열 면적이 크기 때문에 내부 온도가 낮아 안전 여유도가 상대적으로 큰 장점이 있다.
도 1은 종래 원통형 핵연료집합체를 개략적으로 나타낸 정면도이다. 도 1을 참조하면, 핵연료집합체(100)는 핵연료봉(101)과, 지지격자(105)와, 안내관(103)과, 상단 고정체(107) 및 하단 고정체(106)를 포함한다.
상기 핵연료봉(101)은 핵분열에 의해 고온의 열을 발생시키는 우라늄 소결체(미도시)가 지르코늄 합금 피복관에 의하여 싸여 있는 구조이다.
상기 핵연료봉(101)의 상부 및 하부 각각에는 상부 봉단마개(108)와 하부 봉단마개(109)가 결합하여 상기 핵연료봉(101)의 피복관 내부에 충진되는 불활성 기체의 외부 누출을 방지한다.
핵연료인 우라늄 소결체가 장입되는 상기 핵연료봉 내부의 상부는 빈 공간으로 만들어져 있는데, 상기 공간을 플레넘(Plenum)이라 한다. 상기 플레넘은 가동 중 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체(Fission gas, FG)를 수용하는 역할을 하며, 핵연료봉 내부의 소결체를 일정한 위치로 유지하기 위한 플레넘 스프링(Plenum spring, PS)이 위치한다.
기존 가압경수로형 노심과의 구조적 양립을 위해 제안된 12×12 이중냉각 핵연료봉에서, 상기 이중냉각 핵연료봉에 장입되는 환형 소결체의 위치와 높이는 기존의 원통형 핵연료(Solid fuel)와 동일해야 하고, 따라서 플레넘의 위치도 같아야 한다. 이때 플레넘의 공간에 삽입되는 플레넘 스프링은 이중냉각 핵연료봉의 직경증가에 따라 기존의 핵연료봉에 비해 필연적으로 직경이 증가하게 된다. 이것은 이중관 구조 내부에 적용 가능한 스프링의 형상이 코일형 스프링으로 한정될 수밖에 없기 때문이며, 결과적으로 삽입되는 플레넘 스프링의 직경은 외측 및 내측 피복관의 지름에 따라 결정된다.
도 2a와 도 2b는 각각 기존의 핵연료봉과 이중냉각 핵연료봉 내부에 적용되는 플레넘 스프링의 단면을 보여준다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이중냉각 핵연료봉에 적용될 플레넘 스프링은 외측 피복관의 내면과 내측 피복관의 외면의 치수의 중심이 플레넘 스프링의 직경(D)으로 간주될 수 있고, 핵연료봉과의 접촉이 발생하지 않기 위해서는 플레넘 스프링의 좌굴이 발생하지 않아야 한다. 한편 핵연료봉의 설계에서 플레넘 스프링의 강성은 장입된 핵연료 자중의 6배 이상이 되어야 한다는 기준을 가지고 있으며, 이중냉각 핵연료에서도 이러한 기준을 동일하게 적용하여 검토할 필요가 있다.
도 2a에 도시된 기존 핵연료봉에서의 플레넘 스프링의 특성을 살펴보면 다음과 같다.
우선 핵연료의 밀도는 10.5 g/cm3, 부피는 π×dpellet 2×H(active length)이므로 소결체(pellet)의 무게는 약 2.11 kg으로 계산되며, 이를 힘으로 환산하면 20.7 N이다. 또한 스프링의 탄성변형은 다음의 (1)식으로부터 간단히 계산된다.
Figure 112008084216519-pat00001
..........(1)
여기서, F는 하중, K는 스프링 상수(Spring rate), X는 스프링 변형량이다. 기존 상용 핵연료의 플레넘 특성값으로부터 얻은 스프링 상수(K)와 스프링의 변형변위를 이용하여 계산해 보면, F = 4.5595 N/mm × 32.4 mm = 147.7 N의 값을 얻을 수 있으며, 이 값은 연료봉 내부 소결체 자중의 7.14배이다.
한편 상용 기존 핵연료에 사용되는 스프링 상수(K)는 아래의 (2)식에 의해서도 결정될 수 있다.
Figure 112008084216519-pat00002
..........(2)
여기서 G는 전단탄성계수(Shear modulus)이며, Inconel X750의 경우 정확한 값을 획득하기 어려우나 대략 70 GPa로 알려져 있다. d는 스프링의 원형 단면적, D는 스프링 평균 지름이며, N은 유효권선수이다. 기존 핵연료용 플레넘 스프링의 치수를 입력하여 계산하면 약 4.613 N/mm의 값을 얻을 수 있어, 위 (1)식에서의 계산에 적용한 값(4.5595 N/mm)와 유사하다.
만약 이중냉각 핵연료봉의 플레넘 스프링의 자유길이(Free length)가 기존의 원통형 핵연료봉의 경우와 동일하다면, 평균 직경이 증가한 이중냉각 핵연료봉의 플레넘 스프링을 32.4 mm 만큼 압축시켜야 하고, 이때 필요한 힘은 최소한 장입된 소결체 무게의 6배(6G)를 넘어야 한다. 만일 플레넘 스프링의 변형에 필요한 힘을 소결체 장입량의 7G로 가정하여 계산하면, 스프링 상수(K)는 약 7.23 N/mm의 값을 얻을 수 있다. 참고로 이중냉각 핵연료봉용 환형 소결체의 양은 3.413 kg으로 예상되며, 이를 기준으로 한 7G는 234.13 N이다. 이와 같이 상대적으로 높은 스프링 상수(K) 값은 기존의 연료봉에 비해 봉단마개에 작용하는 하중을 약 60% 정도 증가시키는 역할을 하게 된다. 결국 핵연료봉의 양단에 접합되는 봉단마개의 용접부 건전성 평가 및 접합방법의 최적화가 반드시 수행될 필요가 따르게 된다.
이중냉각 핵연료봉에 적용하기 위해 스프링 평균지름(D)을 고려해보면, 도 2b에 나타난 바와 같이, 평균지름(D)은 내측 및 외측 피복관 사이 공간의 가운데를 지나는 수평단면에서의 원의 지름으로 생각할 수 있으므로 쉽게 12.45 mm의 값임을 알 수 있다. 따라서 식(2)에서의 변수는 스프링 단면지름(d)과 유효권선수(N)이므로 이들 사이의 관계를 확인해야 한다. 한편 이중냉각 핵연료봉 내에 삽입되는 플레넘 스프링의 스프링 단면지름의 최대값(dmax)은 소결체의 두께로 제한될 수 있다.
Figure 112008084216519-pat00003
..........(3)
이러한 결과로부터 N 과 d사이의 관계를 살펴보면, 식(4)와 같다.
Figure 112008084216519-pat00004
..........(4)
만약 기존의 플레넘 스프링과 같이 스프링 단면 지름(d)이 1.448 mm라면, 유효권선수(N)는 2.77회로 매우 작은 값을 얻게 된다. 또한 최대로 허용가능한 단면지름(dmax)인 1.7 mm 인 경우라면 5.26회가 된다(내/외측 피복관과 플레넘 스프링 사이의 간격을 기존과 유사하게 각각 0.3 mm로 할 경우임). 이것은 스프링 상수(K)가, 스프링 단면지름(d)이 일정할 때, 스프링 평균반경의 3승에 반비례하기 때문에, 현재의 이중냉각 핵연료봉의 치수조건(즉, 스프링의 평균지름이 12.45 mm에서 크게 변할 수 없는 이중냉각 핵연료봉의 치수조건)에서는 스프링 상수(K) 및 재질특성인 전단탄성계수(G)를 변화시켜야 하나, 그 변화의 폭은 매우 작을 수 밖에 없다. 다시 말하면 5회의 유효권선수를 가진 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링은, 기존의 핵연료봉용 플레넘 스프링의 길이와 동일하면 정상적인 스프링 기능을 할 수 없기 때문에, 반드시 길이가 짧아져야 한다(도 3 및 도 4 참조). 이에 따라 길이가 짧아진 플레넘 스프링을 이용하여 이중냉각 핵연료봉용 소결체의 위치를 고정하기 위해서는 소결체와 직접적인 접촉을 방지하기 위해 삽입되는 스페이서의 길이가 길어져야 하나, 종래의 스페이서의 구조를 그데로 유지하면 플레넘 공간을 확보하지 못한다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은, 이중냉각 핵연료봉에 사용되는 플레넘 스프링의 길이가 짧아질 수 없음에 따라 스페이서 길이가 길어지더라도, 가동 중 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체를 수용하는 플레넘 공간을 충분히 확보할 수 있는 구조를 갖는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서는, 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 스페이서에 관한 것으로서, 상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 관통공의 형상은 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있으며, 특히 상기 다수의 관통공들은 각 관통공의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되는 것이 바람직하다.
또한 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서 몸체의 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성될 수도 있다.
한편 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서는, 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 스페이서에 관한 것으로서, 상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서 몸체의 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되어 있다.
상기 실시예에서, 상기 그루브는 다수로 이루어질 수 있고, 이때 상기 다수의 그루브들은 서로 동일한 간격을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 플레넘 스프링과 스페이서를 포함하고 있는데, 상기 플레넘 스프링은, 아래의 식
Figure 112008084216519-pat00005
(G는 전단탄성계수, D는 스프링 평균지름, K는 스프링 상수, d는 스프링 단면지름)
을 만족시키는 유효권선수(N)을 갖는 코일 스프링이고,
상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공이 형성되되, 상기 스페이서의 길이는 사전에 결정된 상기 플레넘의 길이에서 상기 플레넘 스프링의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 플레넘 스프링의 단면지름(d)의 최대값은, 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 간극의 길이이다.
상기 관통공의 형상은 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있으며, 특히 상기 다수의 관통공들은 각 관통공의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서 몸체의 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성될 수 있다.
아울러, 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 플레넘 스프링과 스페이서를 포함하고 있는 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 상기 플레넘 스프링은, 아래의 식
Figure 112008084216519-pat00006
(G는 전단탄성계수, D는 스프링 평균지름, K는 스프링 상수, d는 스프링 단면지름)
을 만족시키는 유효권선수(N)을 갖는 코일 스프링이고,
상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지되,
상기 몸체의 외주면에 다수의 관통공이 형성된 제1 단위스페이서와, 상기 제1 단위스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성된 제2 단위스페이서와, 상기 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향으로 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성된 제3 단위스페이서로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 단위스페이서들의 조합으로 이루어지고, 상기 조합된 단위스페이서들의 전체 길이는 사전에 결정된 상기 플레넘의 길이에서 상기 플레넘 스프링의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 플레넘 스프링의 단면지름(d)의 최대값은, 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 간극의 길이이다.
그리고, 상기 제1 단위스페이서와 제2 단위스페이서에 형성된 상기 다수의 관통공들은, 각 관통공의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되고, 상기 제2 단위스페이서와 제3 단위스페이서에 형성된 그루브는 다수로 이루어질 수 있는데, 이때 상기 다수의 그루브들은 서로 동일한 간격을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서는, 기존의 핵연료봉에 적용된 코일형 플레넘 스프링의 기본적인 형상은 유지하면서 크기만을 변화시킨 것이기 때문에, 플레넘 스프링의 형상을 단순화시킬 수 있을 뿐 아니라 제작이 용이하여 경제성 제고에 효과적이다.
또한 기존 핵연료봉과의 구조적 양립성을 만족시키면서 플레넘 공간을 충분히 확보할 수 있으므로, 연소과정에서 필연적으로 발생하는 핵분열 기체를 충분히 수용할 수 있어 고연소도 핵연료(환형 소결체)에도 적용할 수 있다. 이러한 다공성 플레넘 스페이서는 이중냉각 핵연료의 상용화를 위한 기술적 부담을 충분히 줄일 수 있는 역할을 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이중냉각 핵연료봉(100)의 환형의 플레넘(130)에 삽입되는 본 발명의 플레넘 스프링(200)은, 도 3에 도시된 종래의 플레넘 스프링(2)보다 길이가 상당히 짧아진다. 따라서, 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체를 수용하는 공간을 확보하기 위한 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스페이서(300)는, 다음과 같은 구성을 가진다.
상기 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서(300)는, 동심을 이루는 내측 피복관(110)과 외측 피복관(120)으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘(130)에 삽입되는 스페이서로서, 상기 스페이서(300)는 상기 내측 피복관(110)과 외측 피복관(120) 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공(310)이 형성되어 있다. 즉, 상기 관통공(310)에 의하여 만들어진 공간이 핵분열 기체를 수용하는 역할을 담당하게 된다.
상기 관통공(310)의 형상은 원형 또는 타원형을 포함하여 다양한 형상으로 만들어질 수 있으며, 가공의 용이성과 다수의 관통공(310)의 배열의 편이성을 고려한다면 원형으로 형성되는 것이 가장 바람직할 것이다. 그리고 다공성 플레넘 스페이서(300)의 국부적 강도를 생각하여, 상기 다수의 관통공(310)들은 각 관통 공(310)의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되는 것이 좋다.
상기 다공성 플레넘 스페이서(300) 전체의 강도는, 플레넘 스페이서(300) 체적에서 상기 다수의 관통공(310)에 의하여 만들어진 공극의 체적이 어느 정도의 비율을 차지하는 지에 따라 크게 영향을 받을 것이다. 결국 상기 관통공(310)의 갯수, 형상, 크기, 배열 등의 설계는, 플레넘 스프링(200)의 변형량에 의한 응력을 충분히 수용할 수 있는 구조를 가지도록 최적화되어야 한다. 다만 본 출원은 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서(300)의 기본적인 구조를 제안하는 것을 목표로 하기 때문에, 이러한 최적화에 대한 내용은 추후 다른 출원을 통하여 다루기로 한다.
상기 관통공(310)의 구성과 더불어, 상기 스페이서(300) 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서(300) 몸체의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브(320)가 형성될 수도 있다. 상기 그루브(320)는 스페이서(300) 외주면이나 내주면을 관통하지 않기 때문에, 관통공(310)과 그루브(320)의 구성을 적절히 조합하면 충분한 공극을 확보하면서도 다공성 플레넘 스페이서(300)의 강도를 유지할 수 있게 된다. 즉 상기 그루브(320)의 구성에 의하여 다공성 플레넘 스페이서(300)의 설계상의 자유도가 향상된다.
물론 설계상 필요하다면, 관통공(310)의 구성을 생략하고, 그루브(320)만의 구성을 가진 플레넘 스페이서(300)를 만드는 것도 가능하다(도 6 참조). 본 발명의 실시예에서, 상기 그루브(320)는 다수로 이루어질 수 있고, 이때 상기 다수의 그루 브(320)들은 서로 동일한 간격을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 동심을 이루는 내측 피복관(110)과 외측 피복관(120)으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉(100)의 플레넘(130)에 삽입되는 플레넘 스프링(200)과 스페이서(300)를 포함하고 있다.
상기 플레넘 스프링(200)은, 아래의 식을 만족시키는 유효권선수(N)을 갖는 코일 스프링이며, 이때 상기 플레넘 스프링(200)의 단면지름(d)의 최대값은 상기 내측 피복관(110)과 외측 피복관(120) 사이의 간극의 길이로 제한된다.
Figure 112008084216519-pat00007
(G는 전단탄성계수, D는 스프링 평균지름, K는 스프링 상수, d는 스프링 단면지름)
또한 플레넘 스프링(200)의 길이는, 플레넘 스프링(200)이 수축하면서 그 평균지름이 늘어나더라도 외측 피복관(120)의 내면과 스프링의 외측 사이에 과도한 접촉이 발생하지 않을 정도의 범위 내로 제한되어야 한다. 다시 말하면, 유효권선수에 비하여 스프링의 길이가 너무 큰 것은 현실적으로 사용할 수가 없는 것이다.
그리고 플레넘 스페이서(300)는, 앞서 설명한 것과 같이, 상기 내측 피복관(110)과 외측 피복관(120) 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지는데, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공(310)이 형성되어 있 거나(도 5 참조), 또는 상기 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브(320)가 형성되어 있을 수 있다(도 6참조).
이때 상기 스페이서(300)의 길이는 사전에 결정된 상기 플레넘(130)의 길이에서 상기 플레넘 스프링(200)의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖게 된다. 즉 본 실시예에서의 플레넘 스페이서(300)는 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 관통공(310)의 형상은 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있고, 상기 다수의 관통공(310)들은 각 관통공(310)의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되는 것이 바람직하다.
또한 상기 관통공(310)이 구비된 스페이서(300)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 상기 스페이서(300) 몸체의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브(320)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 관통공(310)과 그루브(320)가 혼합된 형태의 스페이서이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 일체형 플레넘 스페이서(300) 대신에, 그 길이가 짧은 몇 개의 단위스페이서(400,500,600)를 조합하여 설치하는 것을 특징으로 한다. 이는 상기 스페이서가 Al2O3의 세라믹 재질일 경우에는, 그 길이를 길게 만들 때 가공성에 문제가 생길 가능성이 있기 때문이다.
상기 단위스페이서(400,500,600)는, 몸체의 외주면에 다수의 관통공(310)이 형성된 제1 단위스페이서(400)와, 상기 제1 단위스페이서(400) 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브(320)가 형성된 제2 단위스페이서(500)와, 상기 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브(320)가 형성된 제3 단위스페이서(600)의 세 가지 종류로 제공된다. 상기 제1∼제3 단위스페이서(400,500,600)을 여러 개 사용하여 하나의 스페이서를 구성할 때에는, 한 종류의 단위스페이서만을 사용할 수 있는 것은 물론 두세 종류의 단위스페이서를 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 상기 제1∼제3 단위스페이서(400,500,600)의 형상은, 도 8 내지 도 10에 각각 도시되어 있다.
그리고, 상기 제1 단위스페이서(400)와 제2 단위스페이서(500)에 형성된 상기 다수의 관통공(310)들은 각 관통공(310)의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되고, 상기 제2 단위스페이서(500)와 제3 단위스페이서(600)에 형성된 그루브(320)가 다수로 이루어진 경우에는 상기 다수의 그루브(320)들이 서로 동일한 간격을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 플레넘 스프링(200)의 단면지름(d)의 최대값은 상기 내측 피복관(110)과 외측 피복관(120) 사이의 간극의 길이이고, 상기 조합된 단위스페이서들의 전체 길이가 사전에 결정된 상기 플레넘(130)의 길이에서 상기 플레넘 스프링(200)의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖는다는 것은 일체형 플레넘 스페이서(300)의 경우와 동일하다.
이상 본 발명을 특정의 실시형태와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의하여 나타난 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 원통형 핵연료집합체를 개략적으로 나타낸 정면도.
도 2a는 종래의 원통형 핵연료봉의 플레넘 스프링에 대한 개략적인 단면도.
도 2b는 이중냉각 핵연료봉의 플레넘 스프링에 대한 개략적인 단면도.
도 3은 종래의 원통형 핵연료봉의 플레넘 스프링과 스페이서의 구조에 대한 개략적인 단면도.
도 4는 도 3의 플레넘 길이를 그대로 유지하였을 경우의 본 발명에 따른 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 다공성 플레넘 스페이서의 일 실시예를 도시한 정면도.
도 6은 본 발명에 따른 다공성 플레넘 스페이서의 다른 실시예를 도시한 정면도.
도 7은 본 발명에 따른 다공성 플레넘 스페이서의 또 다른 실시예를 도시한 정면도.
도 8은 본 발명에 따른 제1 단위스페이서를 도시한 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 제2 단위스페이서를 도시한 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 제3 단위스페이서를 도시한 사시도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
100: 이중냉각 핵연료봉 110: 내측 피복관
120: 외측 피복관 130: 플레넘
200: 플레넘 스프링 300: 플레넘 스페이서
310: 관통공 320: 그루브
400: 제1 단위스페이서 500: 제2 단위스페이서
600: 제3 단위스페이서
G: 전단탄성계수 D: 스프링 평균지름
K: 스프링 상수 d: 스프링 단면지름
N: 유효권선수

Claims (15)

  1. 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 스페이서에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통공의 형상은 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 관통공들은, 각 관통공의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서 몸체의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서.
  5. 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 스페이서에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서 몸체의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 그루브는 다수로 이루어지되, 상기 다수의 그루브들이 서로 동일한 간격을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 다공성 플레넘 스페이서.
  7. 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 플레넘 스프링과 스페이서에 있어서,
    상기 플레넘 스프링은, 아래의 식
    Figure 112008084216519-pat00008
    (G는 전단탄성계수, D는 스프링 평균지름, K는 스프링 상수, d는 스프링 단면지름)
    을 만족시키는 유효권선수(N)을 갖는 코일 스프링이고,
    상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 몸체의 외주면에는 다수의 관통공이 형성되되, 상기 스페이서의 길이는 사전에 결정된 상기 플레넘의 길이에서 상기 플레넘 스프링의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  8. 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 플레넘 스프링과 스페이서에 있어서,
    상기 플레넘 스프링은, 아래의 식
    Figure 112008084216519-pat00009
    (G는 전단탄성계수, D는 스프링 평균지름, K는 스프링 상수, d는 스프링 단면지름)
    을 만족시키는 유효권선수(N)을 갖는 코일 스프링이고,
    상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지고, 상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는 그 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되되, 상기 스페이서의 길이는 사전에 결정된 상기 플레넘의 길이에서 상기 플레넘 스프링의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 플레넘 스프링의 단면지름(d)의 최대값은, 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 간극의 길이인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 관통공의 형상은 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 다수의 관통공들은, 각 관통공의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에는, 상기 스페이서 몸체의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  13. 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 플레넘에 삽입되는 플레넘 스프링과 스페이서에 있어서,
    상기 플레넘 스프링은, 아래의 식
    Figure 112008084216519-pat00010
    (G는 전단탄성계수, D는 스프링 평균지름, K는 스프링 상수, d는 스프링 단면지름)
    을 만족시키는 유효권선수(N)을 갖는 코일 스프링이고,
    상기 스페이서는 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 환형 공간에 삽입될 수 있는 중공원통 형상의 몸체로 이루어지되,
    상기 몸체의 외주면에 다수의 관통공이 형성된 제1 단위스페이서와, 상기 제1 단위스페이서 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성된 제2 단위스페이서와, 상기 몸체의 외주면 또는 내주면 중 적어도 어느 한쪽 면에 그 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 그루브가 형성된 제3 단위스페이서로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 단위스페이서들의 조합으로 이루어지고, 상기 조합된 단위스페이서들의 전체 길이는 사전에 결정된 상기 플레넘의 길이에서 상기 플레넘 스프링의 길이를 제외한 나머지 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 플레넘 스프링의 단면지름(d)의 최대값은, 상기 내측 피복관과 외측 피복관 사이의 간극의 길이인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 다수의 관통공들은, 각 관통공의 중심들 사이의 거리가 일정하도록 규칙적으로 배열되고, 상기 그루브는 다수로 이루어지되 상기 다수의 그루브들이 서로 동일한 간격을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉용 플레넘 스프링과 다공성 플레넘 스페이서.
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