KR100982299B1 - 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자에 관한 것이다. 본 발명의 연료봉 지지격자는, 소정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 복수개가 종횡으로 배열되어 연료봉을 지지하기 위한 다수의 단위 격자셀을 구획하며, 임의의 부위에 댐퍼홀이 천공되는 스트립; 상기 스트립의 격자면에 일정한 방향으로 돌출되는 다수의 딤플; 상기 스트립의 격자면에 딤플과 반대로 돌출되며, 일정한 탄성을 가지고 상기 딤플과 함께 연료봉을 지지하는 다수의 스프링; 및 상기 댐퍼홀에 체결되어 진동 에너지를 충돌 및 마찰 에너지로 발산시키는 댐퍼를 포함한다.

원자로, 핵연료, 지지격자, 댐퍼

Description

핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자{Spacer Grid of Nuclear Fuel Rod}

본 발명은 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것으로서, 구체적으로는 지지격자의 진동을 억제하는 댐퍼를 탑재하여 프레팅 마모에 의한 연료봉 손상을 방지하는 댐퍼 탑재형 지지격자에 관한 것이다.

원자로란 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생하거나 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 사용하며, 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠릿(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠릿을 수백개씩 다발 형태로 묶어서 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 삽입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 마개를 용접하여 연료봉을 제조한다. 이러한 연료봉은 최종적으로 핵연료 집합체를 구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.

이와 같은 핵연료 집합체의 일반적인 구성이 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.

이에 따르면, 핵연료 집합체(1)는 연료봉(50)이 삽입되는 지지격자(10), 이 지지격자(10)와 용접 고정되는 안내관(20), 이 안내관(20)의 상측에 체결되는 상단 고정체(30) 및 지지격자(10)의 하측에 체결되는 하단 고정체(40)를 포함한다. 그리고 지지격자(10)에는 연료봉(50)을 지지하기 위한 딤플 및 스프링이 구비된다.

이와 같이 구성된 핵연료 집합체는, 연료봉(50) 표면의 흠집을 방지하고 지지격자(10) 내 스프링의 손상을 방지하기 위해 연료봉(50)의 표면에 락커를 도포하여 지지격자(10)에 삽입한 다음 상ㆍ하단 고정체(30)(40)를 부착하여 고정함으로써 그 조립이 완성되고, 완성된 집합체의 락커를 제거한 후 연료봉(50) 간의 간격, 뒤틀림, 전장, 치수 등을 검사하는 것으로 집합체 제조공정이 마무리된다.

이때, 지지격자(10)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 연료봉(50)이 각각 삽입될 수 있는 공간부가 구획되도록 얇은 금속판으로 이루어진 다수의 스트립에 있어서, 각각에 일정 간격으로 형성된 슬롯(도시 생략)을 상호 결합하여 격자 형태를 취하게 된다. 지지격자(10)는 상ㆍ하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관(20)과 체결된다. 지지격자(10)에 의하여 구획되는 각각의 공간부에는 딤플(60) 및 스프링(70)이 규칙적으로 구비되어 있으며, 딤플(60) 및 스프링(70)이 연료봉(50)과 접촉함으로써 연료봉들 간의 간격을 유지하고 정해진 위치에 배열되도록 하며 스프링의 탄성에 의하여 연료봉(50)이 탄력적으로 고정되도록 한다.

한편, 오늘날 핵연료의 개발은 고연소도 및 무결성을 목표로 추진되고 있다. 고연소도 핵연료를 개발하기 위해서 연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키는 방법들이 제안되고 있다. 이러한 열전달 촉진 방법으로는 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로채널의 효율적인 구성 등 연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 것이 주가 되고 있다.

그러나, 이러한 열전달 촉진을 위한 방법은 주로 연료봉 주변을 흐르는 냉각수가 더욱 큰 난류가 되도록 하는 것이어서 연료봉을 진동하게 하는 유체유발 진동의 원인이기도 하다.

연료봉(50)의 유체유발 진동은 연료봉(50)이 지지격자(10)의 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 서로 상대적으로 미끄럼 운동을 하게 하며 이로부터 연료봉(50)의 접촉면에 국부적인 마모가 발생하게 됨으로써 연료봉(50)이 점진적으로 손상되는 프레팅(Fretting) 마모현상을 일으킨다. 즉 고연소 핵연료 개발을 위해 열적 성능을 향상시키는 방법이 한편으로는 연료봉(50)의 손상을 촉진하는 결과를 가져오는 것이다.

한편, 연소가 진행됨에 따라 지지격자(10)는 횡방향으로 조사성장을 하게 된다. 또한 연료봉(50)은 원자로 내에서의 연소과정에서 반경 방향의 크립, 즉 원자로 내의 냉각수 등의 높은 압력에 의하여 오그라드는 현상과 소결체의 팽창에 따른 반경 방향의 확장 현상이 반복적으로 발생함에 따라 연료봉(50)의 외경이 불규칙한 방향성을 갖게 되어 지지격자(10)의 스프링/딤플과 연료봉(50) 간에 간극이 발생할 수 있는데 이러한 현상에 의하여 프레팅 마모현상은 더욱 심화된다.

이러한 프레팅 마모현상을 최소화하기 위하여 연료봉(50)과 스프링/딤플 간의 종방향 접촉길이를 길게 하거나 면접촉이 발생하도록 하여 프레팅 마모가 발생하더라도 동일 마모 체적하에서 마모깊이를 최소화하는 방법들이 제안된 바 있다.

예컨대, 도 4a 및 도 4b는 종방향으로 선접촉의 길이가 늘어나도록 형성한 지지격자를 개략적으로 나타낸 것으로서, 현재 특정 핵연료 집합체용으로 사용되고 있는 형태이다.

딤플(61) 및 스프링(71)은 연료봉(50)과 선접촉을 하도록 평판형으로 형성되는 것이 마모를 최소화하는 면에서는 이상적이다. 그러나 실제적으로는 도 4a에 도시된 바와 같이 연료봉(50) 지지시에 탄성을 갖도록 판에 굴곡이 형성되어 있다. 따라서 연료봉(50)과 지지격자(10) 사이의 초기 접촉은 선접촉이 아닌 3점접촉이 이루어지고 마모가 진행됨에 따라 선접촉으로 변해가도록 되어 있다. 이때 초기 3점접촉에 의하여 연료봉(50)의 프레팅 마모가 가속된다.

한편, 연료봉(50)과 면접촉이 발생하도록 하여 프레팅 마모를 최소화하려는 방법으로는 2002년 3월 6일에 출원된 '미합중국 등록특허 US6606369' 『Nuclear reactor with improved grid』가 있다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 딤플(62)/스프링(72)과 연료봉(50)의 접촉에 있어서 면접촉이 되도록 딤플(62)/스프링(72)에 곡면을 형성하여 종래의 점 접촉이나 선접촉 방식보다 유체유발 진동에 의한 연료봉(50)의 축방향 및 횡방향의 흔들림을 방지하는 것을 특징으로 한다.

이러한 기술은 딤플(62) 및 스프링(72)이 연료봉(50)과 접촉하는 면을 연료봉(50)의 곡률반경(A)과 동일하게 형성하여 면접촉을 할 수 있도록 의도하였으나, 실제로는 지지격자(10)의 제조공차 및 고압의 냉각수에 의한 연료봉(50)의 진원도 변화 등에 의해 정확한 면접촉을 성립 또는 유지시키거나 연료봉(50)의 연소과정 전체를 통하여 일정한 진원도 및 곡률반경을 유지시키는 것은 불가능하다.

또한 딤플/스프링의 접촉부분(B)이 이론상의 완전한 곡면을 이루지 못하는 경우 연료봉과 불규칙한 선접촉 내지는 점접촉 등이 이루어지게 되어 예측하지 못한 마모가 발생할 수도 있다.

기존의 핵연료 집합체는 스프링 형상 등 연료봉과 접촉하는 부위를 중점적으로 설계하여 연료봉과의 마모를 최소화할 수 있는 형상설계에 국한되어 있었다. 그러나, 지지격자가 원자로 내 조건에 노출되는 순간 연료봉과 지지격자는 항상 불완전하게 접촉되어 연료봉의 마모를 적극적으로 방지할 수 없었다.

따라서, 본 발명은 지지격자의 진동에너지를 빠르게 발산시켜 연료봉으로 전달되는 진동에너지를 최소화하여 연료봉의 프레팅 마모를 방지할 수 있는 댐퍼 탑재형 지지격자를 실현하기 위한 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위하여, 소정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 복수개가 종횡으로 배열되어 연료봉을 지지하기 위한 다수의 단위 격자셀을 구획하며, 임의의 부위에 댐퍼홀이 천공되는 스트립; 상기 스트립의 격자면에 일정한 방향으로 돌출되는 다수의 딤플; 상기 스트립의 격자면에 딤플과 반대로 돌출되며, 일정한 탄성을 가지고 상기 딤플과 함께 연료봉을 지지하는 다수의 스프링; 및 상기 댐퍼홀에 체결되어 진동 에너지를 충돌 및 마찰 에너지로 발산시키는 댐퍼를 포함하는 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자가 제공된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 지지격자의 진동은 딤플 및 스프링을 통해 연료봉으로 전달되므로 딤플 및 스프링과 접촉하는 연료봉 표면은 마찰로 인한 프레팅 마모를 피할 수 없으나, 에너지 소산 기구인 댐퍼를 지지격자의 스트립에 장착함으로써 지지격자에서 발생하는 진동을 외부로 소산시킬 수 있게 된다. 따라서, 연료봉으로 전달되는 진동 에너지를 최소화시킬 수 있으므로 연료봉의 프레팅 마모를 적극적으로 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자를 첨부 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 지지격자(100)는 원자로 내에서 사용하기 위한 핵연료 집합체 내의 기다란 연료봉의 상대적인 위치를 횡방향으로 유지하기 위한 것으로서, 소정 길이를 갖는 다수의 판형 스트립(110)이 종횡으로 배열되어 구성된다.

즉, 스트립(110)은 소정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 복수개가 종횡으로 배열되어 다수의 단위 격자셀이 구획되는 것이다. 이때, 스트립(110)에는 후술하는 댐퍼(200)가 체결될 수 있도록 임의의 부위에 다수의 댐퍼홀(111)이 천공된다.

여기서, 스트립(110)의 격자면에는 상하 한 쌍으로 이루어진 딤플(120)이 일정한 방향으로 다수 돌출 형성된다. 또한, 스트립(110)에는 상하 한 쌍의 딤플(120) 사이에서 딤플(120)과 반대 방향으로 돌출되는 스프링(130)이 구비된다. 이러한 딤플(120)과 스프링(130)은 적당한 탄성을 보유함으로써 지지격자(100) 내 에 삽입되는 연료봉을 탄력적으로 지지할 수 있게 된다.

한편, 냉각수에 의해 지지격자(100)는 진동하게 되며, 연료봉과의 접촉면에서 필연적으로 연료봉의 마모가 발생하게 된다. 지지격자(100)의 진동에너지는 연료봉으로 전달되며, 전달 과정 중 일부 에너지는 연료봉과 접촉면에서 마찰에 의해 소실된다. 따라서 연료봉으로 전달되는 에너지가 또 다른 에너지 감쇠 기구에 의해 감소된다면 연료봉과의 동적 충돌력 및 마찰력을 감소할 수 있으므로 연료봉의 프레팅 마모를 최소화할 수 있다.

이에 따라 본 실시예에서는 지지격자(100)에 다수의 댐퍼(200)가 구비된다. 즉, 스프링(130)과 딤플(120)이 가공된 스트립(110)에 도 6과 같이 일정 크기의 댐퍼홀(111)을 가공한 후 스트립(110)의 진동 에너지를 마찰과 충돌로 발산시킬 수 있는 댐퍼(200)를 댐퍼홀(111)에 체결한다.

이때, 본 실시예의 댐퍼(200)는 댐퍼홀(111)에 삽입되는 원통형의 몸통부(210)와, 이 몸통부(210)의 일측에 형성되어 스트립(110)면에 간섭되는 머리부(220) 및 몸통부(210)의 타측에 체결되는 고정링(230)을 포함한다.

즉, 스트립(110)의 댐퍼홀(111)에 일측 방향에서 타측 방향으로 몸통부(210)를 삽입한 후 스트립(110)을 관통한 몸통부(210)에 고정링(230)을 나사 결합하거나 용접 고정함으로써 격자셀 내에 수납되는 연료봉을 안정적으로 지지할 수 있게 된다.

도 7 및 도 8은 댐퍼 기구가 탑재된 3x3 구조의 지지격자(100)를 도시한 것이다.

지지격자(100)가 진동하면 댐퍼(200)는 스트립(110)과 연속적으로 부딪히며 발생하는 마찰 및 충돌에 의해 지지격자(100)에 의한 진동 에너지를 주위로 소산시키게 된다. 이에 따라, 댐퍼(200)는 스트립(110)의 댐퍼홀(111)에서 충분히 유동할 수 있도록 헐겁게 끼움 결합이 되어야 한다. 또한 댐퍼(200)는 지지격자(100)에 연료봉이 삽입되었을 때 연료봉과 간섭이 발생하지 않도록 충분히 작아야 한다.

한편, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 댐퍼의 구조를 보인 것으로, 본 실시예의 댐퍼(200')는 도 6 내지 도 8에 도시된 실시예와 같이 용접 혹은 나사 체결에 의해 스트립(110)에 체결되는 것이 아니고, 고정핀(240) 혹은 소성 변형이 가능한 리벳(도시 생략)을 이용해 댐퍼(200)를 스트립(110)의 댐퍼홀(111)에 체결한 것이다.

즉, 본 실시예의 댐퍼(200')는 댐퍼홀(111)에 삽입되는 원통형의 몸통부(210)와, 이 몸통부(210)의 일측에 형성되어 스트립(110) 면에 간섭되는 머리부(220)를 구비한 것은 위 실시예와 대동소이하다.

이때, 몸통부(210)에는 몸통부(210)의 길이 방향에 대해 수직으로 관통홀(211)이 형성되고, 이 관통홀(211)에는 고정핀(240)이 삽입 체결된다.

따라서, 스트립(110)의 댐퍼홀(111)에 일측 방향에서 타측 방향으로 몸통부(210)를 삽입한 후 스트립(110)을 관통한 몸통부(210)의 관통홀(211)에 고정 핀(240)을 체결함으로써 댐퍼(200')는 충분히 댐퍼홀(111) 상에서 유동 가능하게 되며, 이에 의해 격자셀 내에 수납되는 연료봉을 안정적으로 지지할 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 도시한 개략도.

도 2는 일반적인 지지격자를 도시한 평면도.

도 3은 일반적인 지지격자를 도시한 절개 사시도.

도 4a 및 도 4b는 각각 종래의 선접촉 방식의 연료봉 지지격자를 도시한 사시도 및 평면도.

도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 면접촉 방식의 연료봉 지지격자를 도시한 사시도 및 평면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 댐퍼가 구비된 지지격자를 도시한 정면도.

도 7 및 도 8은 각각 도 6에 따른 지지격자의 사시도로서, 3x3 형태의 지지격자를 도시한 사시도 및 평면도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 댐퍼를 도시한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100 ; 지지격자 110 ; 스트립

111 ; 댐퍼홀 120 ; 딤플

130 ; 스프링

200,200' ; 댐퍼 210 ; 몸통부

211 ; 관통홀 220 ; 머리부

230 ; 고정링 240 ; 고정핀

Claims (4)

1. 소정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 복수개가 종횡으로 배열되어 연료봉을 지지하기 위한 다수의 단위 격자셀을 구획하며, 임의의 부위에 댐퍼홀이 천공되는 스트립;

   상기 스트립의 격자면에 일정한 방향으로 돌출되는 다수의 딤플;

   상기 스트립의 격자면에 딤플과 반대로 돌출되며, 상기 딤플과 함께 연료봉을 탄성 지지하는 다수의 스프링; 및

   상기 댐퍼홀에 체결되어 진동 에너지를 충돌 및 마찰 에너지로 발산시키는 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 댐퍼는 댐퍼홀 내에서 유동 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 댐퍼는 댐퍼홀에 삽입되는 몸통부와, 상기 몸통부의 일측에 형성되는 머리부 및 상기 몸통부의 타측에 체결되는 고정링을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 댐퍼는 댐퍼홀에 삽입되며 관통홀이 형성된 몸통부와, 상기 몸통부의 일측에 형성되는 머리부 및 상기 관통홀에 삽입되는 고정핀을 포함하는 것을 특징으로 핵연료 집합체의 댐퍼 탑재형 지지격자.

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