KR100981667B1 - 원자로내 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩 - Google Patents

원자로내 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로내 핵연료봉을 지지하기 위해 최적 설계방법에 따라 설계된 지지격자 스트랩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩에 구비된 지지격자 스프링의 형상과 구조를 최적화함으로써 핵연료봉과 이에 접촉되는 지지격자 스프링과의 상호 접촉에 의한 프레팅(Fretting) 마모 발생 가능성을 감소시킬 수 있고, 핵연료봉의 장입시 핵연료봉과 지지격자 스프링 사이의 접촉면적을 확대하여 균일한 응력 분포를 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 충격하중 및 과다한 소성 변형에 대한 구조적 건전성을 개선할 수 있는 원자로내 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 지지격자 스트랩은 핵연료봉을 탄성지지하는 지지격자 스프링이 가운데 부분에 형성된 지지격자 스트랩에 있어서, 상, 하부 판체로부터 각각 연장형성되는 상, 하 기저부의 좌우 모서리로부터 좌우로 대칭되게 분기되어 상기 지지격자 스프링에 연결되는 4개의 좌, 우 지지대를 구비하되, 상기 4개의 좌, 우 지지대가 상기 지지격자 스프링을 향하여 경사지게 형성되는 구조를 가진다.
핵연료봉, 지지격자 스트랩, 지지격자 스프링, 지지격자 구조, 최적설계

Description

원자로내 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩{Grid strap for stable fuel rod support in a nuclear reactor}
본 발명은 원자로내 핵연료봉을 지지하기 위해 최적 설계방법에 따라 설계된 지지격자 스트랩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩에 구비된 지지격자 스프링의 형상과 구조를 최적화함으로써 핵연료봉과 이에 접촉되는 지지격자 스프링과의 상호 접촉에 의한 프레팅(Fretting) 마모 발생 가능성을 감소시킬 수 있고, 핵연료봉의 장입시 핵연료봉과 지지격자 스프링 사이의 접촉면적을 확대하여 균일한 응력 분포를 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 충격하중 및 과다한 소성 변형에 대한 구조적 건전성을 개선할 수 있는 원자로내 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩에 관한 것이다.
일반적으로, 지지격자는 원자로의 핵연료집합체 구성 부품 중 하나로서, 지지격자 스프링과 딤플을 갖는 스트랩을 격자형태로 다수개 상호 연결하여 형성한다.
이러한 지지격자의 집합체를 지지격자체라고 하며, 지지격자체는 핵연료봉을 정해진 위치에 배열시키고 핵연료봉의 외주에 밀착되게 접촉되어 연료봉을 지지하는 역할을 수행한다.
도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 스프링을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 5는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체에서 핵연료봉에 의한 스프링의 변형을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 지지격자체(110)가 적용되는 핵연료집합체(2)는 상단고정체(111)와 하단고정체(112) 사이에 다수개의 안내관(113)이 배치되는 구성으로 이루어진다.
여기서, 핵연료봉(125)들을 지지하는 지지격자체(110)는, 안내관(113)의 길이방향으로 일정한 간격을 두고 상기 안내관(113)과의 용접을 통해 핵연료집합체(2)를 형성하고 있다.
한편, 상기 지지격자체(110)는 통상 지르칼로이 합금으로 이루어지며, 핵연료봉(125)들을 지지하는 핵연료봉셀(123)과 안내관(113)이 삽입되는 안내관셀(124)들이 있으며, 핵연료봉셀(123)은 2개의 지지격자 스프링(118)과 상기 지지격자 스 프링(118)들의 상, 하측에 위치하되, 각 1개씩, 총 4개의 딤플(119)들이 6개 지지점에서 핵연료봉(125)과 접촉하여 지지하고 있다.
이에 따라 지지격자 스프링(118)이 핵연료봉(125)과 접촉하여 상기 핵연료봉(125)에 의하여 변형을 받게 될 경우, 상기 지지격자 스프링(118)의 지지부(121)가 핵연료봉(125)에 의해 가압을 받게 되는데, 상기 지지부(121)의 강성이 핵연료봉(125)과 접촉하는 중앙굴곡부(122)의 강성과 비슷한 강성을 가지고 있기 때문에 상기 지지부(121)는 핵연료봉(125)에 의해 가해지는 하중(130)에 의하여 도 5에 도시하고 있는 바와 같이, 화살표 방향의 굽힘(131, Bending) 변형을 받게 될 뿐만 아니라, 비틀림(132, Twisting) 변형까지 동시에 받게 된다.
이러한 굽힘 및 비틀림 변형이 동시에 작용하게 될 경우, 핵연료봉(125)의 지지가 불안정하게 되어 핵연료봉(125)과 접촉하고 있는 중앙굴곡부(122)와 핵연료봉(125) 사이에 미소한 미끄럼이 발생되고, 소기의 등각 면접촉이 이루어지지 않게 되어 응력 집중에 의해 피로에 취약하게 됨으로써 핵연료봉(125)의 프레팅(Fretting) 마모 손상을 증가시킬 가능성이 높아진다.
또한, 상기 중앙굴곡부(122)가 변형하여 원래 목적하였던 면접촉 형상을 유지하지 않을 가능성이 높기 때문에 응력 분포 및 첨두 응력(peak stress)의 크기에도 영향을 미치는 문제점이 있었다.
한편, 상기 스트랩(115)의 지지격자 스프링(118) 및 딤플(119)은 핵연료봉(125)과 동일한 곡률반경을 형성함에 따라 초기에 접촉이 등각(Conformal) 면접 촉을 형성하나, 핵연료봉(125)에 의한 하중을 지지격자 스프링(118)이 지속적으로 받을 경우, 핵연료봉(125)과 접촉하는 중앙굴곡부(122) 및 지지부(121)의 변형이 동시에 발생된다.
한편, 상기 스트랩(115)의 지지격자 스프링(118)과 딤플(119)의 스프링력이 너무 작을 경우에는 핵연료봉(125)을 정해진 위치에 배열할 수 없어 핵연료봉(125)의 지지건전성이 상실될 가능성이 있고, 너무 클 경우에는 핵연료봉(125)을 지지격자체(110)로 삽입할 때 과도한 마찰 저항력으로 인하여 핵연료봉(125)의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생될 수 있으며, 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장(Growth)을 적절히 수용할 수 없어 연료의 휨 현상을 유발시키는 문제점이 있었다.
이렇게 핵연료봉에 휨 현상이 발생되면 인접한 핵연료봉들과 근접 또는 접촉하게 되어 핵연료봉 사이에 냉각수 유로(Channel)를 좁게 하거나 차단하게 되고, 이로 인해 연료에서 발생한 열을 효과적으로 냉각수로 전달하지 못하여 핵연료봉의 온도가 높아지는 현상을 초래하여 핵비등 이탈(DNB)의 발생가능성을 높여서 핵연료 출력을 감소시키는 주원인이 되는 문제점이 있었다.
또한 근래의 핵연료 개발은 고성능과 무결함을 달성할 수 있는 방향으로 추진되고 있으며, 특히 고성능 핵연료를 개발하기 위하여 핵연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키기 위하여 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하려는 시도가 이루어지고 있다.
여기서, 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 방법으로 지지격자체의 형상을 변경하는 방법을 채용하고 있으며, 일 예로 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로 채널의 효율적인 구성 등을 들 수 있다.
그러나, 이러한 열적 성능의 제고를 위한 개념은 핵연료봉 주변의 냉각수 흐름을 큰 난류유동(Turbulent Flow) 즉, 높은 레이놀드 수(Reynolds number)의 유동이 되도록 하는 것을 토대로 하는 것이 대부분이며, 이는 핵연료봉 주변의 냉각수 흐름의 난류화로 인해 핵연료봉의 유동유발진동(Flow Induced Vibration)의 주원인이 된다.
이러한 핵연료봉의 유동유발진동은 핵연료봉이 스트랩의 지지격자 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 미끄러지는 상호 상대운동을 발생시키는 요인으로 작용하며, 이로 인해 핵연료봉의 접촉면에 국부적인 마모가 발생하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 "핵연료봉 프레팅 손상"을 초래하게 된다. 즉, 핵연료봉과 지지격자 스프링 또는 딤플 사이의 접촉면 사이에 마모가 발생하면 이로 인해 핵연료봉에 국부적인 손상이 발생되고, 이러한 손상이 심해질 경우 핵연료봉이 파손될 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 고성능 핵연료 개발을 위한 열적 성능을 제고하는 방법이 핵연료봉의 손상을 촉진시키는 결과를 가져오는 경우가 발생될 수 있다.
상술한 바와 같이, 핵연료봉을 지지하는 역할을 수행하는 지지격자체는 핵연료봉의 수명 기간 동안 격자 내에서 건전한 지지상태를 유지할 수 있어야 하며, 핵 연료봉의 프레팅 마모 손상 가능성을 억제할 수 있어야 한다.
이렇게 핵연료봉이 연료의 수명 말까지 지지건전성을 유지하기 위해서는 연료의 수명 기간 동안 충분한 스프링력으로 핵연료봉을 지지할 수 있어야 하며, 스프링의 탄성거동 영역을 확장함으로써 노내에서 다양하게 변화할 수 있는 핵연료봉 지지 조건 하에서도 연료의 수명 말까지 요구되는 스프링력 이상을 유지하여야 한다.
그러나, 원자로 운전 중 지지격자 스프링과 딤플들은 중성자 조사에 의해 핵연료봉에 작용시킨 초기 스프링력을 점진적으로 상실하는 방향으로 진행되며, 이로 인해 핵연료봉과 이들 지지부간에 간격이 발생될 수 있으며, 이것은 냉각수의 유동에 의한 임의의 방향으로 핵연료봉에 작용하는 하중에 의해 핵연료봉의 지지 건전성을 상실시킬 수 있고, 연료봉이 진동할 수 있다는 문제점이 있었다.
또한, 핵연료봉의 프레팅 마모 손상 가능성 억제를 위하여 프레팅 마모 발생 원인을 감소시켜야 하나, 프레팅 마모 발생 원인이 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 스프링력의 이완, 핵연료봉과 지지격자체간의 열팽창 차이, 핵연료봉의 신장에 의한 핵연료봉 직경의 감소 등에 의해 핵연료봉과 지지격자체의 지지부들간에 간격이 발생될 수 있으며, 냉각수 유동에 의한 난류의 발생으로 핵연료봉의 진동을 유발함으로써 프레팅 마모 원인이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 스프링 형상 및 구조를 최적화함으로써 연료봉과 이에 접촉되는 지지격자 스트랩의 스프링과의 접촉에 의한 프레팅(Fretting) 마모 발생 가능성을 감소시킬 수 있으며, 연료봉의 장입 시 연료봉과 이에 접촉하는 지지격자 스트랩의 스프링간의 접촉면적을 확대하여 균일한 응력 분포를 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 충격하중 및 과다한 소성 변형을 개선 및 감소시킬 수 있는 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법 및 그에 따라 설계된 지지격자 스트랩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지지격자 스트랩은, 핵연료봉을 탄성지지하는 지지격자 스프링이 가운데 부분에 형성된 지지격자 스트랩에 있어서, 상, 하부 판체로부터 각각 연장형성되는 상, 하 기저부의 좌우 모서리 끝단으로부터 좌우로 대칭되게 분기되어 상기 지지격자 스프링에 연결되는 4개의 좌, 우 지지대를 구비하되, 상기 지지격자 스프링의 폭은 상기 상, 하부 판체 폭의 30∼60%인 좌우로 긴 장방형이고, 상기 4개의 좌, 우 지지대가 상기 지지격자 스프링의 좌우 양단에 구비된 평탄면에서 각각 사선을 이루면서 상호 연결되는 구조를 가진다. 이때 상기 지지격자 스프링의 폭은 지지격자체의 충격강도를 증가시키기 위한 최적의 길이로 선정된다.
여기에서 상기 4개의 좌, 우 지지대 중 상하로 배치되는 좌 지지대 및 우 지지대가 각각 아치 형태를 이루면서 상기 지지격자 스프링의 좌우 양단에 구비된 평탄면에서 각각 연결된다.
그리고 상기 지지격자 스프링 및 상기 지지격자 스프링에 연결되는 좌, 우 지지대의 내측에 형성되는 빈 공간은 사다리꼴 형상으로 각각 형성되되, 상기 사다리꼴 형상은 지지격자 스프링 쪽이 짧고 상, 하 기저부 쪽이 길며 상기 사다리꼴의 네 모서리 부분은 둥글게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 상, 하부 판체의 내측에는 딤플이 각각 돌출 형성될 수도 있다. 상기 딤플의 형상과 위치 역시 지지격자체의 충격강도를 증가시키기 위하여 최적설계된다.
본 발명에 따른 핵연료봉의 지지격자 스트랩은 종래기술에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.
첫째, 본 발명의 지지격자 스트랩은 핵연료봉을 장입한 후에 핵연료봉과의 접촉면적이 크게 증가함으로써 핵연료봉의 지지건전성을 증가시키고 프레팅 마멸손상 가능성을 크게 줄일 수 있다.
둘째, 핵연료봉과의 접촉면적이 증가함으로써 지지격자 스프링과 핵연료봉 사이의 접촉부위에서 접촉응력이 보다 균일하게 분포될 수 있고, 첨두응력의 크기가 줄어들어서 핵연료봉의 구조건전성을 향상시킨다. 또한 넓은 접촉면적으로 핵연료봉을 지지함으로써 안정적으로 핵연료봉을 받치게 되어 외란에 의한 핵연료봉의 흔들림 및 진동, 예를 들면 냉각수 흐름에 의한 핵연료봉의 유동유발진동에도 둔감하여 연료의 건전성을 높일 수 있다.
셋째, 지지격자 스프링과 연결된 좌, 우 지지대에서의 소성영역이 감소하여 지지격자 스프링의 탄성복원력을 장기간 유지할 수 있게 됨으로써 노심에서 핵연료 수명기간 중에 핵연료봉을 안정적으로 지지할 수 있다.
넷째, 스프링 및 딤플의 위치와 길이를 최적으로 설계함으로써 지지격자의 측면 충격강도를 크게(30% 이상) 제고시킬 수 있게 되었다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 6은 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 충격 해석 결과를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 7은 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스프링의 응력해석 결과를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에서 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계를 위한 설계 파라미터가 표시된 도면이고, 도 9는 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에서 지지격자 스트랩의 상, 하부 판체 외측 단부 및 상, 하부 판체와 지지격자 스프링 사이의 연결부 길이 변화에 따른 최대 충격 하중을 비교하여 나타내는 표이고, 도 10은 도 9에서의 최대 충격 하중을 비교하여 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법을 나타내는 흐름도이고, 도 12는 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에 따라 설계된 지지격자 스트랩의 전체 형상을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 13a, 13b는 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에 따라 설계되는 지지격자 스프링이 핵연료봉에 곡률방향으로 등각 접촉된 모습으로 최적설계하기 위해 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 14a, 14b는 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에 따라 설계되는 지지격자 스프링이 핵연료봉에 축방향으로 접촉된 모습으로 최적 설계하기 위해 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 15는 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에 따라 지지격자 스프링의 형상을 설계하는 설계과 정을 나타내는 흐름도이고, 도 16은 본 발명에 의한 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에 따라 등각 접촉된 설계를 하기 위해 지지격자 스프링과 핵연료봉 사이의 거리를 위치별로 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩(1)의 최적 설계방법은, 먼저 일측에 딤플(11, 31)이 각각 돌출형성되는 상, 하부 판체(10, 30) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30) 사이에 개재되어 이를 상호 연결하는 지지격자 스프링(50)으로 이루어지는 지지격자 스트랩(1)에서 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 설계파라미터1(Design Parameter1, 이하 DP1 ; 11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 설계파라미터2(Design Parameter2, 이하 DP2 ; 19, 39)를 설계한다(S10).
여기서, 도 6 및 도 7에서 도시하고 있는 바와 같이, 핵연료봉(미도시)을 지지하는 지지격자 스트랩(1) 및 상기 지지격자 스트랩(1)에 형성되어 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스프링 설계파라미터3(Design Parameter3, 이하 DP3 ; 50)에 각각 표시되는 기능요구사항(Function Requirement, 이하 FR) 부분에 응력 및 프레팅 마모가 두드러지게 나타나기 때문에, 특히 상기 지지격자 스트랩(1) 및 지지격자 스프링 DP3(50)은 응력 및 프레팅 마모에 견딜 수 있는 강도를 갖추어야 한다.
즉, 상기 지지격자 스트랩(1)에 표시되어 있는 각 기능요구사항1(FR1) 부분에서 지지격자 강도가 두드러지게 나타나고, 상기 지지격자 스프링 DP3(50)에 표시되어 있는 기능요구사항2(FR2) 부분에서 응력 및 프레팅 마모가 두드러지게 나타나기 때문에 상기 지지격자 스트랩(1)의 FR1 부분은 충격하중에 견딜 수 있는 측면 구조 강도를 갖추어야 하고, 상기 지지격자 스프링 DP3(50)의 각 FR2 부분은 프레팅 마모에 대한 손상을 억제할 수 있도록 설계하여야 한다. 이를 위하여 상기 지지격자 스트랩(1)에서 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이의 연결부 DP2(19, 39)를 먼저 설계한다.
상기한 바와 같이, 지지격자 스트랩(1)의 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)를 먼저 설계할 경우, 도 8에서 도시하고 있는 바와 같이, 기존에 적용되는 지지격자 스트랩(1)에서 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31), 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이의 연결부 DP2 (19, 39) 및 지지격자 스프링 DP3(50)을 설계 파라미터를 결정한 후 설계 행렬을 구성하면,
Figure 112008048178257-pat00001
의 설계행렬로 유도되어 연성 설계된다.
이때, 상기한 설계 행렬은 독립 공리의 관점에서 연성 설계되나, 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 지지격자 스프링 DP3(50)은 서로 독립적인 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이의 연결부 DP2(19, 39)를 먼저 설계한 후 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이의 연결부 DP2(19, 39) 및 지지격자 스프링 DP3을 설계한다.
여기서, 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)는 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 지지격자 스프링 DP3 사이에 개재되어 이를 상호 연결할 뿐만 아니라, 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 지지격자 스프링 DP3에 영향을 미치는 파라미터로서, 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이의 연결부 DP2(19, 39)를 설계한 후 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 길 이를 상기 지지격자 스프링 DP3(50)의 설계 시 제한 조건으로 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 각 설계 변수를 변경하여 최대 충격 하중값을 얻어낸다(S11). 즉, 지지격자 스트랩(1)에서 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이의 연결부 DP2(19, 39)를 설계하기 위한 최적의 설계 변수를 직접 조정하여 최대 충격 하중값을 얻어낸다.
이를 위하여, 용접 비드의 크기는 2.3mm이고, 용입 깊이는 1.725mm이며, 용접 형상은 펜타메쉬인 3×3의 지지격자체를 지지격자 충격 해석 모델로 적용하여 충격 해석을 수행하였으며, 얻어진 결과 중에서 각각의 속도에 대한 강체 중심에서의 가속도(F=m×a)를 이용하여 각각의 속도에 대한 충격 하중을 구하였다.
이때, 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 길이 및 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39) 길이의 합이 일정하다는 전체로 충격 해석을 수행하였으며, 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 설계 변수를 조정하여 변경하되, 설계 변수를 적정값으로 변경하고(S11-1), 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 설계 변수의 변경에 따라 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 설계 변수를 변경한다(S11-2).
상기한 바와 같이, 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 설계 변수를 0.5mm 간격으로 변경하였을 경우의 최대 충격 하중의 비교 결과는 도 9 및 도 10에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 길이(L1)가 3.0mm로 나타나고, 이에 따른 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 길이(L2)는 4.716mm로 나타난다. 여기서, 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 최대 충격 하중 값으로 한 번 꺽인 지점의 값을 사용하며, 이때 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 길이(L1)가 길어질수록 충격 하중의 값이 커지지만, 3.0mm 이후에서는 최대 충격 하중이 반전되는 것을 알 수 있어 상기한 값을 제한 조건으로 적용하여 지지격자 스프링 DP3(50)을 설계한다.
본 발명의 일 실시예에서는 충격 하중이 최대가 되는 지점의 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 길이(L1)가 3.0mm로 나타나고, 이에 따른 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 길이(L2)가 4.716mm로 나타났으나, 충격 하중이 최대가 되는 지점의 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)의 길이(L1)가 3.0mm 내, 외로 보정가능하고, 이에 따른 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 길이(L2)가 변경가능하게 이루어지는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31) 및 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)을 설계한 후 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 값을 적용하여 지지격자 스트랩(1)에서 응력이 분포되지 않는 불필요한 부분을 찾아낸다(S20). 즉, 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)는 상기 상, 하부 판체(10, 30) 외측 단부 DP1(11, 31)와 지지격자 스프링 DP3(50)에 직접적으로 연결되므로 상기 상, 하부 판체(10, 30)와 지지격자 스프링(50) 사이 연결부 DP2(19, 39)의 값을 제한 조건으로 적용하여 지지격자 스트랩(1)에서 응력이 분포되지 않는 불필요한 부분을 찾아내고, mass ≤ 0.7×massreference 에 따른 위상 최적 설계를 통하여 지지격자 스트랩(1)에서 불필요한 부분을 찾아낸 후 삭제하여 최적화된 지지격자 스트랩(1)의 형상을 설계한다(S30).
상기한 바와 같이, 지지격자 스트랩(1)에서 불필요한 부분을 찾아내어 삭제할 경우, 상기 지지격자 스트랩(1)은 도 12에서 도시하고 있는 바와 같이, 상, 하부 판체(10, 30)의 중심부 하, 상단에 수직방향으로 연장형성되는 상, 하 기저부(15, 35)의 좌우 모서리 끝단으로부터 좌우로 대칭되게 분기되어 상기 지지격자 스프링(50)에 연결되는 총 4개의 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')가 상기 지지격자 스프링(50)의 좌우 양단에 구비된 평탄면에서 각각 사선을 이루면서 상호 연결되는 구조를 가진다. 이때 상기 4개의 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37') 중 상하로 배치되는 좌 지지대(17, 37)와 우 지지대(17', 37')는 각각 전체적으로 완만한 아치 형태를 이루면서 연결된다. 특히 상기 지지격자 스프링(50)의 폭은 상기 상, 하부 판체(10, 30) 폭의 30∼60%인 좌우로 긴 장방형이고, 상기 지지격자 스프링(50)의 폭은 지지격자체의 충격강도를 증가시키기 위한 최적의 길이로 선정된다.
그리고 상기 지지격자 스프링(50) 및 상기 지지격자 스프링(50)에 연결되는 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')의 내측에 형성되는 빈 공간은 사다리꼴 형상으로 각각 형성된다. 이때 상기 사다리꼴 형상은 지지격자 스프링(50) 쪽이 짧고 상, 하 기저부(15, 35) 쪽이 길도록 형성되며, 사다리꼴의 네 모서리 부분은 둥글게 처리되어 응력의 집중을 피할 수 있도록 형성된다.
또한 상기 상, 하부 판체의 내측에는 딤플이 각각 돌출 형성될 수도 있는데, 상기 딤플의 형상과 위치 역시 지지격자체의 충격강도를 증가시키기 위하여 최적설계된다.
상기한 바와 같이, 기존의 지지격자 스트랩(1)에서 상, 하부 판체(10, 30)의 상, 하부 기저부(15, 35)에서 분기되는 각각의 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37') 및 상기 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')의 외측에 상, 하부 판체(10, 30)를 상호 연결하는 좌, 우 연결편(도 4 참조)을 삭제하고, 상기 상, 하부 판체(10, 30)의 상, 하 기저부(15, 35)에서 분기되는 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')를 아치 형상으로 연결함으로써 지지격자 스트랩(1)에서 응력이 분포되지 않은 불필요한 부분을 삭제하는 동시에 응력이 집중 분포되는 현상을 완화시켰다.
이렇게 지지격자 스트랩(1)에서 불필요한 부분을 삭제하고, 각 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')를 아치 형상으로 연결함으로써 연료봉에 접촉되는 지지격자 스트랩(1)의 응력을 고르게 분포시킬 수 있으며, 이로 인해 충격 하중에 견딜 수 있는 측면 구조 강도를 향상시킬 수 있다.
그 다음, 최적화된 지지격자 스트랩(1)에서 지지격자 스프링 DP3(50)의 형상을 설계한다(S40). 즉, 상기한 바와 같은 결과를 토대로 설계된 지지격자 스트랩(1)에서 연료봉과 직접적으로 접촉하는 지지격자 스프링 DP3(50)의 형상을 설계한다.
먼저, 상기 지지격자 스프링 DP3(50)의 형상을 최적화하고(S40-1), 최적화된 형상의 지지격자 스트랩(1)의 지지격자 스프링 DP3(50)을 비선형 정적 해석에 의하여 해석하고(S40-2), 비선형 정적 해석에 의하여 해석된 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이의 거리를 기존의 지지격자 스프링과 연료봉 사이의 거리와 비교한 후(S40-3) 해석된 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이의 전체 접촉거리가 기존의 지지격자 스프링과 연료봉 사이의 거리보다 클 경우, 새 모델의 지지격자 스프 링 DP3(50)을 형상을 적용한다(S40-4).
여기서, 해석된 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이 거리의 전체 접촉거리가 기존의 지지격자 스프링과 연료봉 사이의 거리보다 작을 경우, 지지격자 스프링 DP3(50)에 새로운 값을 배분하고(S40-5), 새로운 값이 배분된 지지격자 스프링 DP3(50)의 형상을 최적화하는 단계로 되돌아간 다음, 지지격자 스트랩(1)의 지지격자 스프링 DP3(50)을 비선형적 정적 해석에 의하여 해석하고, 비선형 정적 해석에 의하여 해석된 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이의 거리를 기존의 지지격자 스프링과 연료봉 사이의 거리와 비교하며, 해석된 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이의 전체 접촉거리가 기존의 지지격자 스프링과 연료봉 사이의 거리보다 클 경우, 새 모델의 지지격자 스프링 DP3(50)을 형상을 적용한다.
이때, 상기 지지격자 스프링 DP3(50)의 정적 해석에 따라 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이의 전체 접촉거리 중 곡률방향 접촉거리(x-y) 계산식은,
Figure 112008048178257-pat00002
이며,
도 13a, 13b에서 도시하고 있는 바와 같이, 기존의 지지격자 스프링이 연료봉에 곡률방향으로 접촉되는 거리보다 연료봉과 최대한 접촉되도록 이루어지며, 연 료봉과 지지격자 스프링 DP3(50) 사이의 거리가 균일하게 이루어진다.
한편, 상기 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉의 전체 접촉거리 중 축방향 접촉거리(y-z) 계산식은,
Figure 112008048178257-pat00003
이며,
도 14a, 14b에서 도시하고 있는 바와 같이, 기존의 지지격자 스프링이 연료봉에 축방향으로 접촉되는 거리보다 연료봉과 지지격자 스프링 DP3(50) 사이의 접촉거리가 최소화된다.
상기한 바와 같이, 연료봉과 접촉되는 지지격자 스프링 DP3(50)의 곡률방향 및 축방향 형상을 최적화함으로써 연료봉과 최대한 밀착 및 접촉시키고, 지지격자 스프링 DP3(50)과 연료봉 사이의 접촉이 보다 넓은 부분에서 행하여지도록 하여 선접촉 설계에서 면접촉 설계로 하여 연료봉의 지지 시 지지격자 스프링 DP3(50)의 중앙에 집중되던 하중을 고르게 분포시킴으로써 연료봉과의 접촉 면적을 증가시키고, 궁극적으로 프레팅 마모를 감소시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식 을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 평면도,
도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 격자 스프링을 개략적으로 나타내는 사시도,
도 5는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체에서 핵연료봉에 의한 격자 스프링의 변형을 개략적으로 나타내는 도면,
도 6은 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 충격 해석 결과를 개략적으로 나타내는 도면,
도 7은 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스프링의 응력해석 결과를 개략적으로 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에서 핵연료봉을 지지하는 지지격자 스트랩의 최적 설계를 위한 설계 파라미터가 표시된 도면,
도 9는 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에서 지지격자 스트랩의 상, 하부 판체 외측 단부 및 상, 하부 판체와 지지격자 스프링 사이의 연결부 치수 변화에 따른 최대 충격 하중을 비교하여 나타내는 표,
도 10은 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 최적 설계방법에서 지지격자 스 트랩의 상, 하부 판체 외측 단부 및 상, 하부 판체와 지지격자 스프링 사이의 연결부 치수 변화에 따른 최대 충격 하중을 비교하여 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 최적 설계방법을 나타내는 흐름도,
도 12는 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 전체 형상을 개략적으로 나타내는 도면,
도 13a, 13b는 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 지지격자 스프링을 핵연료봉에 곡률방향으로 등각 접촉된 모습으로 최적 설계하기 위한 모델을 개략적으로 나타내는 도면,
도 14a, 14b는 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 지지격자 스프링이 핵연료봉에 축방향으로 접촉된 모습으로 최적 설계하기 위한 모델을 개략적으로 나타내는 도면,
도 15는 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 지지격자 스프링의 형상을 설계하는 설계과정을 나타내는 흐름도,
도 16은 본 발명에 따른 지지격자 스트랩의 지지격자 스프링이 등각 접촉되는 최적 설계를 하기 위해 지지격자 스프링과 연료봉 사이의 거리를 위치별로 나타내는 도면.
** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **
1 : 지지격자 스트랩 10 : 상부 판체
11 : 딤플 13 : 상부 판체의 외측 단부
15 : 상부 기저부 17, 17' : 좌, 우 지지대
30 : 하부 판체 31 : 딤플
33 : 하부 판체의 외측 단부 35 : 하부 기저부
37, 37' : 좌, 우 지지대 50 : 지지격자 스프링

Claims (4)

  1. 핵연료봉을 탄성지지하는 지지격자 스프링이 가운데 부분에 형성된 지지격자 스트랩에 있어서,
    상, 하부 판체(10, 30)로부터 각각 연장형성되는 상, 하 기저부(15, 35)의 좌우 모서리 끝단으로부터 좌우로 대칭되게 분기되어 상기 지지격자 스프링(50)에 연결되는 4개의 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')를 구비하되, 상기 지지격자 스프링(50)의 폭은 상기 상, 하부 판체(10, 30) 폭의 30∼60%인 좌우로 긴 장방형이고, 상기 4개의 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')가 상기 지지격자 스프링(50)의 좌우 양단에 구비된 평탄면에서 각각 사선을 이루면서 상호 연결되며,
    상기 지지격자 스프링(50) 및 상기 지지격자 스프링(50)에 연결되는 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37')의 내측에 형성되는 빈 공간은 사다리꼴 형상으로 각각 형성되되, 상기 사다리꼴 형상은 지지격자 스프링(50) 쪽이 짧고 상, 하 기저부(15, 35) 쪽이 길며 상기 사다리꼴의 네 모서리 부분은 둥글게 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 4개의 좌, 우 지지대(17, 17', 37, 37') 중 상하로 배치되는 좌 지지대(17, 37) 및 우 지지대(17', 37')가 각각 아치 형태를 이루면서 상기 지지격자 스프링(50)의 좌우 양단에 구비된 평탄면에서 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상, 하부 판체(10, 30)의 내측에 딤플(11, 31)이 각각 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 안정적 지지를 위한 지지격자 스트랩.
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