KR100996956B1 - 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개 및 이를 구비한 분할 핵연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중냉각 핵연료봉(dual-cooled nuclear fuel rod)의 적용에 의하여 연료봉 사이의 간격이 좁아짐에도 연료봉을 주기말까지 안정적으로 지지할 수 있고, 고연소도 및 고출력을 얻기 위한 이중냉각 핵연료봉의 내부와 외부에서의 유동으로 인한 과도한 진동을 저감하기 위한 분할 핵연료봉용 상/하부 중간 봉단마개에 관한 것으로서, 연료봉의 구조를 분할 구조(segmented structure)로 구성하여 개개의 연료봉의 길이를 짧게 함으로써 유동유발 진동을 저감함과 동시에, 연료봉의 내부 및 외부 수로가 막혀 핵연료의 냉각성능이 저하될 수 있는 문제점을 해결하고자 하부 중간 봉단마개에 유로 구멍을 형성하여 이 유로 구멍을 통해 내부 수로에 냉각수를 유동하게 함으로써 이중냉각 핵연료봉의 핵비등이탈 발생 가능성을 저감하는 것을 특징으로 한다.

이중냉각 핵연료봉, 내측 관, 외측 관, 분할 핵연료봉, 유동유발진동, 중간 봉단마개

Description

분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개 및 이를 구비한 분할 핵연료봉{Intermediate upper and lower end plug for segmented fuel rod and segmented fuel rod having the same}

본 발명은 이중냉각 핵연료봉(dual-cooled nuclear fuel rod)에 적용되는 봉단마개에 관한 것으로서, 특히 이중냉각 핵연료봉의 적용에 의하여 연료봉 사이의 간격이 좁아짐에도 연료봉을 주기말까지 안정적으로 지지할 수 있고, 고연소도 및 고출력을 얻기 위한 이중냉각 핵연료봉의 내부와 외부에서의 유동으로 인한 과도한 진동을 저감하기 위한 분할 핵연료봉용 상/하부 중간 봉단마개에 관한 것이다.

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.

그런데 상기 핵연료봉(101)은 그 직경에 비해 길이가 상당히 긴 구조물이다. 이렇게 세장비가 큰 구조물이 냉각수의 유동 하에 놓이게 되면, 냉각수의 유동에 의해 핵연료봉은 유동유발 진동(flow-induced vibration)을 일으키게 된다. 따라서 이러한 유동유발 진동을 저감하기 위해, 종래에는 지지격자(105)로 불리는 구조물을 핵연료봉(101)의 전체 길이에 대한 일정 구간에서 이를 지지하도록 설치함으로써 냉각수의 유동에 의해 핵연료봉(101)이 진동하는 것을 억제하였다.

하지만, 내측 관과 외측 관의 이중 관으로 이루어진 환형 공간에 핵연료를 장입하는 방식을 따르는 이중냉각 핵연료봉의 경우에는, 냉각수의 유동에 의한 핵 연료봉의 진동을 억제한다는 중요한 기능을 담당하는 지지격자가 그 구조상 핵연료봉의 외측 관만을 지지할 수밖에 없다. 이러한 지지구조의 한계로 인하여, 세장비가 약 400이 넘는 내측 관의 경우에는 상/하부 봉단마개에 의해 핵연료봉의 양 끝단만이 지지된다는 문제가 발생한다.

물론 이중냉각 핵연료봉의 경우, 내측 관과 외측 관 사이에 이산화우라늄 펠렛(UO₂ pellet)이 존재하므로 이로 인해 내측 관의 진동이 어느 정도 억제될 것으로 예상된다. 그러나 약 400을 초과하는 핵연료봉의 세장비를 고려할 때, 핵연료봉의 축방향을 따라 지지격자에 의해 형성된 다수의 지지점을 갖는 외측 관에 비해 내측 관의 진동 진폭이 현저히 클 것임은 쉽게 예상할 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 것과 같은 전통적인 형태의 핵연료봉의 경우에는, 냉각 수로가 핵연료봉의 외부에만 형성되기 때문에, 노심 내 냉각수의 유동이 제한되는 현상은 주로 노심 내에 존재하는 이물질에 의하여 발생하였다. 따라서 종래에는 이물질이 노심으로 들어오기 전에 어느 정도만 막아주면 핵연료봉의 냉각 성능은 충분히 유지되기 때문에, 주로 하단 고정체에 이물질 여과를 위한 장치를 더하거나 또는 하단 고정체 위에 이물질 여과를 위한 지지체를 더함으로써 이러한 문제를 해결하였다.

그러나 핵연료의 중심온도를 낮추어 초고연소도에서도 핵연료의 안전성을 확보하고 출력을 높여서 경제적인 효과를 얻기 위한 이중냉각 핵연료봉의 경우에는 문제가 다르다. 이는 이중냉각 핵연료봉의 경우에는 냉각 수로가 핵연료봉의 외부에도 형성되지만, 냉각성능의 제고를 위해 핵연료봉의 내부로도 냉각수를 유동시키기 때문에, 핵연료봉의 내부에도 냉각 수로가 형성된다. 이렇게 핵연료봉의 내부에 형성된 수로는 냉각성능을 제고시켜 핵연료의 출력을 높인다는 장점이 있으나, 만일 내부에 형성된 수로가 막혔을 때에는 핵비등이탈(DNBR)에 대한 위험에 크게 노출된다. 특히 이중냉각 핵연료봉의 내부 수로는 그 유동단면적이 매우 좁기 때문에, 조그마한 이물질이 들어오더라도 막혀버릴 위험성이 매우 높다.

이와 같이, 이중냉각 핵연료봉의 내부 수로가 막혀 냉각수의 유동이 원활하지 못하게 되면, 결국 핵연료봉의 내부에는 냉각수가 유동하지 않아 정체되고, 이로 인해 핵비등이탈의 위험에 노출되게 된다. 그러나 종래의 핵연료봉에는 내부 수로가 없기 때문에, 이중냉각 핵연료봉을 위한 새로운 해결 방안을 모색해야 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 핵연료봉 길이의 절반 내지 1/4 길이를 갖는 분할 핵연료봉과 상기 분할 핵연료봉의 상하부에 장착되는 중간 봉단마개를 구성함으로써, 종래 핵연료봉이 그 양 끝단에서만 지지되었던 것을, 중간지점에서도 지지될 수 있도록 하여 이중냉각 핵연료봉의 내부수로에서 유동하는 냉각수에 의한 진동 변위를 저감하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 핵연료봉의 하단(즉 냉각수의 상류)에서 수로가 막히게 될 때 중간 분할된 핵연료봉의 하부 중간 봉단마개에 구비된 보충 유로홀을 통해 냉각수를 보충할 수 있게 하고, 이에 따라 이중냉각 핵연료봉의 전체 내부수로에 냉각수가 공급되지 않아 핵비등이탈이 일어날 가능성을 저감시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이를 요약한다면, 상하부 중간 봉단마개에 보충 유로홀이 형성된 분할 핵연료봉이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이중냉각을 위한 내부수로가 핵연료봉의 하단에서 막혔을 경우 상하부 중간 봉단마개에 형성된 보충 유로홀을 통해 냉각수의 유동경로를 제공함으로써 내부 수로에서의 핵비등이탈 발생 가능성을 저감함과 동시에, 이러한 분할 핵연료봉을 통해 다수의 핵연료봉 지지점을 형성함으로써 핵연료봉 내측 피복관의 유동유발진동을 억제하여 전체 핵연료봉의 구조적 건전성을 제고하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개는, 길이방향을 따라 중심부에 관통홀이 형성된 원통형상의 몸체로 이루어지되, 원형의 상하면 중 어느 한 면에는 그 외주와 상기 관통홀의 외주 사이로 환형의 그루브가 형성되고, 다른 한 면에는 그 외주를 따라 돌출된 환형의 돌출부가 형성되고 상기 돌출부의 내측으로는 평탄한 제1 결합면이 형성된 제1 봉단마개; 및 상기 제1 봉단마개의 몸체 및 관통홀과 동일한 직경의 몸체 및 관통홀을 갖는 원통형상체로 이루어지되, 원형의 상하면 중 어느 한 면에는 상기 제1 봉단마개의 그루브와 동일한 그루브가 형성되고, 다른 한 면에는 그 외주를 따라 상기 제1 봉단마개의 돌출부와 동일한 형상의 환형공간이 형성되도록 그 내측에 원통형의 삽입부가 구비되고 상기 삽입부의 상면은 평탄한 제2 결합면인 제2 봉단마개;를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 봉단마개의 돌출부가 상기 제2 봉단마개의 환형공간으로 들어가 상기 제1/제2 결합면이 상호 밀착되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1 봉단마개의 돌출부에는 그 일단이 개방된 "ㄱ" 자 형태의 결합홈이 형성되고, 상기 제2 봉단마개의 삽입부의 외주면에는 상기 결합홈에 끼워지는 걸쇠가 형성되어, 상기 제1/제2 봉단마개의 결합이 간단하면서도 신속하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 결합홈과 걸쇠는 동일한 개수로 형성되고, 상기 결합홈이 형성된 위치에 대응하여 상기 제2 봉단마개의 삽입부의 외주면에 상기 걸쇠가 형성된다.

특히, 상기 결합홈의 안착면에 산 모양으로 돌출된 이완 방지턱이 구비됨으로써, 상기 결합홈과 걸쇠의 결합이 이완되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 봉단마개 및 상기 제2 봉단마개의 상하면 중 상기 그루브가 형성된 면의 내측 환형면이 외측 환형면보다 돌출되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성된다.

또한 본 발명은, 위와 같은 구성을 갖는 제1 봉단마개를 하부 중간 봉단마개로 구비한 상부 분할 핵연료봉과, 그리고 위와 같은 구성을 갖는 제2 봉단마개를 상부 중간 봉단마개로 구비한 하부 분할 핵연료봉을 포함하여 이루어지는 이중냉각 핵연료봉을 제공한다. 이에 따라 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉은, 종래의 이중냉각 핵연료봉에 비해 그 세장비가 절반 정도로 줄어든 두 개의 분할 핵연료봉의 결합에 의하여 이루어진다.

한편 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉은, 상기 제2 봉단마개를 하부 중간 봉단마개로 구비한 상부 분할 핵연료봉과, 그리고 상기 제1 봉단마개를 상부 중간 봉단마개로 구비한 하부 분할 핵연료봉으로 이루어지는 것도 가능하다. 즉, 다시 말하면, 제1 봉단마개는 상부 또는 하부 중간 봉단마개로서 자유로이 선택될 수 있 는 것이기 때문에, 반드시 하부 중간 봉단마개로만 한정될 필요가 없다는 것이다.

아울러, 상부 분할 핵연료봉과 하부 분할 핵연료봉의 사이에는, 상기 제1/제2 봉단마개를 양단에 각각 구비한 중간 분할 핵연료봉이 적어도 하나 이상 더 포함될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉은 세 개 이상의 분할 핵연료봉으로 이루어질 수 있음을 의미하는 것이며, 이에 따라 본 발명은 분할 핵연료봉의 세장비를 자유로이 조절할 수 있는 능력을 가지게 된다.

위와 같은 구성에 따라, 상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 및 상기 중간 분할 핵연료봉의 세장비를 100 내지 200으로 조절할 수 있게 된다.

한편 상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 보충 유로홀이 상기 상부 분할 핵연료봉을 향하여 기울어지도록 형성될 수 있다.

아울러 상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 및 상기 중간 분할 핵연료봉의 내측 환형공간에 플레넘 스프링과 스페이서가 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 분할 핵연료봉용 중간 봉단마개는 분할 구조(segmented structure)로 구성된 개개의 이중냉각 핵연료봉에 적용가능하도록 구성되었고, 따라서 분할된 이중냉각 핵연료봉은 상하부 중간 봉단마개를 통해 이중으로 구성된 관의 내측 피복관도 다수의 지점에서 지지될 수 있게 하였다. 이러한 내측 피복관에 대한 지지점 개수의 증가에 따라 유동유발 진동에 의한 변위는 획기적으로 저감되고, 유동유발진동에 의한 변위가 저감되면 핵연료봉의 지지성능이 좋아지게 되기 때문에 프레팅 마멸에 의한 손상발생 가능성 역시 획기적으로 저감할 수 있게 된다.

또한 상하부 중간 봉단마개에 보충 유로홀을 형성하고 이 보충 유로홀을 통해 내측 피복관 안쪽의 내부수로에 냉각수를 유동하게 하였기 때문에, 하부 핵연료봉의 하단에서 유로가 막혀 내측 피복관의 내부로 냉각수가 공급되지 않는 경우에도 이중냉각 핵연료봉의 냉각성능을 유지할 수 있어 이중냉각 핵연료봉의 핵비등이탈 발생 가능성을 저감할 수 있다는 장점을 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 3 내지 도 6은, 본 발명에 따른 분할 핵연료봉용 상·하부 중간 봉단마개를 구성하는 제1 봉단마개(100)와 제2 봉단마개(200)에 대하여 도시하고 있다.

상기 제1 봉단마개(100)는, 도 3 및 도 5에 상세히 도시된 바와 같이, 길이방향을 따라 중심부에 관통홀(112)이 형성된 원통형상의 몸체(110)로 이루어진다. 이때 상기 몸체(110)의 원형의 상하면 중 어느 한 면에는 그 외주와 상기 관통홀(112)의 외주 사이로 환형의 그루브(114)가 형성되어 있고, 다른 한 면에는 그 외주를 따라 돌출된 환형의 돌출부(116)가 형성되며, 상기 돌출부(116)의 내측으로는 평탄한 제1 결합면(118)이 형성되어 있다.

그리고 상기 제2 봉단마개(200)는, 도 4 및 도 5에 상세히 도시된 바와 같이, 상기 제1 봉단마개(100)의 몸체(110) 및 관통홀(112)과 동일한 직경의 몸체(210) 및 관통홀(212)을 갖는 원통형상체로 이루어진다. 이때 원형의 상하면 중 어느 한 면에는 상기 제1 봉단마개(100)의 그루브(114)와 동일한 그루브(214)가 형성되고, 다른 한 면에는 그 외주를 따라 상기 제1 봉단마개(100)의 돌출부(116)와 동일한 형상의 환형공간(216)이 형성되도록 그 내측에 원통형의 삽입부(217)가 구비되며, 상기 삽입부(217)의 상면은 평탄한 제2 결합면(218)으로 형성되어 있다.

위와 같은 구성을 갖는 제1/제2 봉단마개(100,200) 상호간의 결합은, 상기 제1 봉단마개(100)의 돌출부(116)가 상기 제2 봉단마개(200)의 환형공간(216)으로 들어가 상기 제1/제2 결합면(118,218)이 상호 밀착됨으로써 이루어지며, 이와 같은 제1/제2 봉단마개(100,200)의 결합 후 저항용접이나 레이저용접 등을 추가로 수행하면 그 결합은 더욱 견고해진다.

한편 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 제1/제2 봉단마개(100,200)의 결합이 퀵-커넥션(quick-connection) 방식으로 이루어지도록 구성하고 있다.

이러한 퀵-커넥션 방식의 결합은, 상기 제1 봉단마개(100)의 돌출부(116)에는 그 일단이 개방된 "ㄱ" 자 형태의 결합홈(130)을 형성하고, 상기 제2 봉단마개(200)의 삽입부(217)의 외주면에는 상기 결합홈(130)에 끼워지는 걸쇠(230, latch)를 형성함으로써 달성된다. 즉, 상기 걸쇠(230)가 먼저 "ㄱ" 자 형태의 결합홈(130)의 개방된 일단인 삽입구(132)로 끼워지고, 그 후 상기 삽입구(132)에 대하여 직각방향으로 꺾여서 연장된 평탄한 안착면(134)을 따르도록 돌려짐으로써, 제1/제2 봉단마개(100,200)의 결합이 신속하고도 간단하게 완성된다. 상기 걸쇠(230)가 안착면(134)에 완전히 끼워지는데 필요한 회전각도는 실제 작업성을 고려할 때 15°정도가 적당하므로, 상기 안착면(134)의 원주각을 15°정도로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 결합홈(130)과 걸쇠(230)는 동일한 개수로 형성되고, 상기 결합홈(130)이 형성된 위치에 대응하여 상기 제2 봉단마개(200)의 삽입부(217)의 외주면에 상기 걸쇠(230)가 형성된다. 결합홈(130)과 걸쇠(230)의 갯수는 하나 또는 둘 이상도 가능한데, 바람직하게는 제1 봉단마개(100)의 돌출부(116)의 강도를 고려하여 네 개 정도로 구성하는 것이 좋다.

특히, 상기 결합홈(130)의 안착면(134)에 산 모양으로 돌출된 이완 방지턱(136)을 구비함으로써, 상기 결합홈(130)과 걸쇠(230)의 결합이 이완되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 즉 상기 삽입구(132)에 인접한 안착면(134)의 표면에 산 모양으로 약간 돌출된 이완 방지턱(136)을 형성하면, 상기 걸쇠(230)가 결합 홈(130)에 안착된 후 결합전의 원상태로 되돌아 가려는 것을 억제할 수 있다. 이때 상기 이완 방지턱(136)의 정상 부분을 곡면이나 또는 평면으로 완만하게 형성하면, 이완 방지턱(136)을 넘어가면서 걸쇠(230)의 표면에 손상이 생기는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 제1 봉단마개(100) 및 상기 제2 봉단마개(200)의 상하면 중 상기 그루브(114,214)가 형성된 면의 내측 환형면(120,220)이 외측 환형면(122,222)보다 돌출되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 이중냉각 분할 핵연료봉의 구조가 동심을 이루는 내측 피복관과 외측 피복관으로 이루어지고, 상기 제1/제2 봉단마개(100,200)의 내측 환형면(120,220)이 상기 내측 피복관에 먼저 용접된 후, 그 다음에 상기 외측 환형면(122,222)이 외측 피복관에 각각 용접된다는 사실에 기인한다. 즉, 내측 환형면(120,220)이 외측 환형면(122,222)보다 돌출되도록 구성됨으로써, 외측 환형면(122,222)과의 간섭을 피하면서 내측 피복관과 내측 환형면(120,220) 사이의 용접이 이루어질 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 제1 봉단마개(100)와 상기 제2 봉단마개(200) 중 적어도 어느 하나에는, 특히 후술할 상부 분할 핵연료봉(600)의 하부 중간 봉단마개로 사용된 봉단마개에는, 상기 관통홀(112,212)과 연통된 보충 유로홀(140,240)이 적어도 하나 이상 형성되는 것이 바람직하다. 상기 보충 유로홀(140,240)은 아래쪽 분할 핵연료봉(즉, 냉각수의 상류)에서 내부수로(540)가 막혔을 때, 그 위쪽에 위치한 하 부 중간 봉단마개에 구비된 보충 유로홀(140,240)을 통해 내부수로(540)로 냉각수를 보충할 수 있게 함으로써, 이중냉각 핵연료봉(500)의 전체 내부수로(540)에 냉각수가 공급되지 않아 핵비등이탈이 일어나게 될 가능성을 저감시키기 위함이다.

한편 본 발명은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 위와 같은 구성을 갖는 제1 봉단마개(100)를 하부 중간 봉단마개로 구비한 상부 분할 핵연료봉(600)과, 위와 같은 구성을 갖는 제2 봉단마개(200)를 상부 중간 봉단마개로 구비한 하부 분할 핵연료봉(700)으로 이루어지는 이중냉각 핵연료봉(500)을 제공한다. 이러한 상/하부 분할 핵연료봉(600,700)의 구성에 따라, 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉(500)은 종래의 이중냉각 핵연료봉에 비해 그 세장비가 절반 정도로 줄어든 두 개의 분할 핵연료봉(600,700)의 결합에 의하여 구성될 수 있다. 여기에서 상부 분할 핵연료봉(600)이란 그 상부에 상부 봉단마개(610)를 구비한, 다시 말하면 전체 이중냉각 핵연료봉(500)에서 가장 위쪽에 배치된 분할 핵연료봉을 말하는 것이다. 마찬가지로 하부 분할 핵연료봉(700)이란 그 하부에 하부 봉단마개(710)를 구비하여 전체 이중냉각 핵연료봉(500)에서 가장 아래쪽에 배치된 분할 핵연료봉을 말한다. 그리고 중간 봉단마개란, 상·하부 봉단마개(610,710) 이외에 분할 핵연료봉(600,700,800)에 사용되는 봉단마개를 지칭하는 것이다.

또한 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉(500)은, 도 9에 도시된 것처럼, 상기 제2 봉단마개(200)를 하부 중간 봉단마개로 구비한 상부 분할 핵연료봉(600)과, 그리고 상기 제1 봉단마개(100)를 상부 중간 봉단마개로 구비한 하부 분할 핵연료봉(700)으로 구성되는 것도 가능하다. 즉, 다시 말하면, 제1 봉단마개(100)와 제2 봉단마개(200)는 모두 상부 또는 하부 중간 봉단마개로서 자유로이 선택될 수 있는 것이기 때문에, 반드시 하부 중간 봉단마개 또는 상부 중간 봉단마개로 한정될 필요가 없다는 것이다.

아울러, 상부 분할 핵연료봉(600)과 하부 분할 핵연료봉(700)의 사이에는, 도 10에 잘 나타나 있듯이, 상기 제1/제2 봉단마개(100,200)를 양단에 각각 구비한 중간 분할 핵연료봉(800)이 적어도 하나 이상 더 포함될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 이중냉각 핵연료봉(500)이 세 개 이상의 분할 핵연료봉(600,700,800)으로 이루어질 수 있음을 의미하는 것이며, 이에 따라 본 발명은 분할 핵연료봉(600,700,800)의 세장비를 자유로이 조절할 수 있는 능력을 가지게 된다.

위와 같은 구성에 따라, 상부 분할 핵연료봉(600)과 하부 분할 핵연료봉(700) 및 중간 분할 핵연료봉(800)의 세장비를 100 내지 200으로 조절할 수 있게 된다.

한편 상기 제1 봉단마개(100)와 상기 제2 봉단마개(200) 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀(112,212)과 연통된 보충 유로홀(140,240)이 적어도 하나 이상 형성된다. 특히 상부 분할 핵연료봉(600)의 하부 중간 봉단마개로 사용된 제1 봉단 마개(100) 또는 제2 봉단마개(200)에 보충 유로홀(140,240)이 형성되는 것이 효과적이며, 상기 보충 유로홀(140,240)로 유입된 냉각수는 관통홀(112,212)을 거쳐 이중냉각 핵연료봉(500) 안쪽의 내부수로(540)로 들어간다.

상기 보충 유로홀(140,240)은 상기 상부 분할 핵연료봉(600)을 향하여 기울어지도록 형성되는 것이 효과적인데, 이는 원자로 노심 내부에서의 냉각수 유동이 아래에서 위로 흐르는 방향을 따르기 때문이다. 이때 상기 보충 유로홀(140,240)의 경사 방향을 상부 분할 핵연료봉(600)을 기준으로 하여 설정한 것은, 제1/제2 봉단마개(100,200)가 상부 중간 봉단마개로 사용되었는지 아니면 하부 중간 봉단마개로 사용되는지에 따라 그 경사 방향이 서로 반대로 형성되기 때문이다. 이는 도 5의 위아래를 뒤집어 보면 쉽게 알 수 있을 것이다.

아울러 상기 상부 분할 핵연료봉(600)과 상기 하부 분할 핵연료봉(700) 및 상기 중간 분할 핵연료봉(800)의 내측 환형공간에 플레넘 스프링(510)과 스페이서(520)가 구비될 수 있다. 상기 플레넘 스프링(510)은 핵연료인 환형 소결체의 진동을 억제하고 조사성장에 의한 환형 소결체의 길이성장을 수용할 수 있게 한다. 상기 스페이서(520)는 플레넘 스프링(510)과 환형 소결체 사이에 개재되어 이들의 직접적인 접촉을 막고, 또한 환형 소결체에 적절한 스프링력이 가해지도록 플레넘 스프링(510)의 수축 길이를 조정하는 역할을 한다.

이상 본 발명을 특정의 실시형태와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청 구범위에 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 2는 도 1의 원통형 핵연료집합체를 그 길이방향에 대하여 수직하게 절개한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 제1 봉단마개를 도시한 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 제2 봉단마개를 도시한 사시도.

도 5는 도 3의 A-A' 선과 도 4의 B-B' 선을 따라 각각 절개한 상기 제1/제2 봉단마개의 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 제1/제2 봉단마개의 결합 사시도.

도 7은 본 발명에 따른 제1/제2 봉단마개를 각각 구비한 상부 분할 핵연료봉과 하부 분할 핵연료봉으로 이루어진 이중냉각 핵연료봉의 사시도.

도 8은 도 7의 C-C' 선을 따라 절개한 이중냉각 핵연료봉의 단면 사시도.

도 9는 도 7의 제1/제2 봉단마개가 서로 바뀐 실시예에 대한 이중냉각 핵연료봉의 사시도.

도 10은 도 7의 이중냉각 핵연료봉에 하나의 중간 분할 핵연료봉이 더 포함된 실시예에 대한 이중냉각 핵연료봉의 사시도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

100: 제1 봉단마개 110: 몸체

112: 관통홀 114: 그루브

116: 돌출부 118: 제1 결합면

120: 내측 환형면 122: 외측 환형면

130: 결합홈 132: 삽입구

134: 안착면 136: 이완 방지턱

140: 보충 유로홀 200: 제2 봉단마개

210: 몸체 212: 관통홀

214: 그루브 216: 환형공간

217: 삽입부 218: 제2 결합면

220: 내측 환형면 222: 외측 환형면

230: 걸쇠 240: 보충 유로홀

500: 이중냉각 핵연료봉 510: 플레넘 스프링

520: 스페이서 530: 환형 소결체

540: 내부 수로

550: 이중냉각 핵연료봉 내부의 환형공간

600: 상부 분할 핵연료봉 610: 상부 봉단마개

700: 하부 분할 핵연료봉 710: 하부 봉단마개

800: 중간 분할 핵연료봉

Claims (22)

1. 길이방향을 따라 중심부에 관통홀이 형성된 원통형상의 몸체로 이루어지되, 원형의 상하면 중 어느 한 면에는 그 외주와 상기 관통홀의 외주 사이로 환형의 그루브가 형성되고, 다른 한 면에는 그 외주를 따라 돌출된 환형의 돌출부가 형성되고 상기 돌출부의 내측으로는 평탄한 제1 결합면이 형성된 제1 봉단마개; 및

   상기 제1 봉단마개의 몸체 및 관통홀과 동일한 직경의 몸체 및 관통홀을 갖는 원통형상체로 이루어지되, 원형의 상하면 중 어느 한 면에는 상기 제1 봉단마개의 그루브와 동일한 그루브가 형성되고, 다른 한 면에는 그 외주를 따라 상기 제1 봉단마개의 돌출부와 동일한 형상의 환형공간이 형성되도록 그 내측에 원통형의 삽입부가 구비되고 상기 삽입부의 상면은 평탄한 제2 결합면인 제2 봉단마개;

   를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 봉단마개의 돌출부가 상기 제2 봉단마개의 환형공간으로 들어가 상기 제1/제2 결합면이 상호 밀착되는 것을 특징으로 하는 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 봉단마개의 돌출부에는 그 일단이 개방된 "ㄱ" 자 형태의 결합홈이 형성되고, 상기 제2 봉단마개의 삽입부의 외주면에는 상기 결합홈에 끼워지는 걸쇠가 형성된 것을 특징으로 하는 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 결합홈과 상기 걸쇠는 동일한 개수로 형성되고, 상기 결합홈이 형성된 위치에 대응하여 상기 제2 봉단마개의 삽입부의 외주면에 상기 걸쇠가 형성되는 것을 특징으로 하는 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 결합홈의 안착면에는 산 모양으로 돌출된 이완 방지턱이 구비된 것을 특징으로 하는 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 봉단마개 및 상기 제2 봉단마개의 상하면 중 상기 그루브가 형성된 면의 내측 환형면이 외측 환형면보다 돌출된 것을 특징으로 하는 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 분할 핵연료봉용 상하부 중간 봉단마개.
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제1 봉단마개를 하부 중간 봉단마개로 구비한 상부 분할 핵연료봉; 및

   청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제2 봉단마개를 상부 중간 봉단마개로 구비한 하부 분할 핵연료봉;

   을 포함하여 이루어지는 이중냉각 핵연료봉.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제1 봉단마개를 하부 중간 봉단마개로 구비하고, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제2 봉단마개를 상부 중간 봉단마개로 구비한 적어도 하나 이상의 중간 분할 핵연료봉을, 상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 사이에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
9. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제2 봉단마개를 하부 중간 봉단마개로 구비한 상부 분할 핵연료봉; 및

   청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제1 봉단마개를 상부 중간 봉단마개로 구비한 하부 분할 핵연료봉;

   을 포함하여 이루어지는 이중냉각 핵연료봉.
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제2 봉단마개를 하부 중간 봉단마개로 구비하고, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 제1 봉단마개를 상부 중간 봉단마개로 구비한 적어도 하나 이상의 중간 분할 핵연료봉을, 상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 사이에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
11. 청구항 7에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉의 세장비는 100 내지 200인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
12. 청구항 9에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉의 세장비는 100 내지 200인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
13. 청구항 8에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 및 상기 중간 분할 핵연료봉의 세장비는 100 내지 200인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
14. 청구항 10에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 및 상기 중간 분할 핵

    연료봉의 세장비는 100 내지 200인 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
15. 청구항 7에 있어서,

    상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 보충 유로홀이 상기 상부 분할 핵연료봉을 향하여 기울어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
16. 청구항 8에 있어서,

    상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 보충 유로홀이 상기 상부 분할 핵연료봉을 향하여 기울어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
17. 청구항 9에 있어서,

    상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 보충 유로홀이 상기 상부 분할 핵연료봉을 향하여 기울어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
18. 청구항 10에 있어서,

    상기 제1 봉단마개와 상기 제2 봉단마개 중 적어도 어느 하나에는 상기 관통홀과 연통된 보충 유로홀이 적어도 하나 이상 형성되고, 상기 보충 유로홀이 상기 상부 분할 핵연료봉을 향하여 기울어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
19. 청구항 7에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉의 내측 환형공간에는 플레넘 스프링과 스페이서가 구비된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
20. 청구항 9에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉의 내측 환형공간에는 플레넘 스프링과 스페이서가 구비된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
21. 청구항 8에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 및 상기 중간 분할 핵연료봉의 내측 환형공간에는 플레넘 스프링과 스페이서가 구비된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.
22. 청구항 10에 있어서,

    상기 상부 분할 핵연료봉과 상기 하부 분할 핵연료봉 및 상기 중간 분할 핵연료봉의 내측 환형공간에는 플레넘 스프링과 스페이서가 구비된 것을 특징으로 하는 이중냉각 핵연료봉.

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