KR101017318B1 - 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 연료봉을 지지하며 연료봉 주위에 흐르는 냉각수를 혼합하는 혼합날개를 구비한 지지격자체에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료봉 주위에 흐르는 냉각수를 혼합하는 혼합날개를 구비한 지지격자체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자는,

다수의 단위 격자셀을 구획하는 스트립 및 상기 스트립의 격자면에 종횡 각각 일정한 방향으로 돌출되며 핵연료봉을 지지하는 다수의 스프링을 구비한 지지격자에 있어서, 지지격자의 내부 격자면 상부 끝단에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출된 형태의 다수의 혼합날개를 구비하되, 상기 혼합날개의 위치 및 방향의 배열이 지지격자의 상에 일정한 패턴을 이루는 것을 특징으로 하여, 지지격자 중심을 기준으로 혼합날개에 의해 발생되는 수력적 하중이 평형을 이루게 되어 지지격자의 냉각수 유동 유발 진동이 최소화 될 수 있도록 한다.

핵연료집합체, 지지격자, 혼합날개, 수력적 평형, 유체유발진동

Description

수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자 {Nuclear Fuel Grid Assembly with Hydraulically Balanced Mixing Vane Pattern}

본 발명은 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료봉 주위에 흐르는 냉각수를 혼합하는 혼합날개를 구비한 지지격자체에 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 연료봉 을 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 지지격자를 위에서 바라본 평면도이며, [도 3]은 상기 지지격자를 상세히 나타내기 위한 절개사시도이다.

[도 1]을 참조하여 설명하면 상기 핵연료 집합체는 상단고정체(1), 하단고정체(5), 안내관(2) 및 지지격자(4)로 이루어지는 골격체와 상기 지지격자(4) 내에 장입되어 상기 지지격자(4)내에 형성된 스프링(6; [도 3]참조) 및 딤플(7; [도 3]참조)에 의하여 지지되는 상기 연료봉(3)으로 구성된다.

집합체 조립시 연료봉(3) 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(4)는 다수의 연료봉(3)이 각각 장입될 수 있는 공간부를 구획하도록 스트립(얇은 금속판)이 각각 일정간격으로 형성된 슬롯(미도시)을 상호 결합하여 격자상으로 형성된다.

상기 지지격자는 상하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관(2)과 용접된다. 지지격자(4)에 의하여 구획되는 각각의 공간부에는 스프링(6) 및 딤 플(7)이 규칙적으로 형성되어 있으며 상기 스프링(6) 및 딤플(7)이 연료봉(3; [도 1]참조)과 접촉함으로써 연료봉(3; [도 1]참조)들 간의 간격을 유지하고 정해진 위치에 배열되도록 하며 스프링(6)의 탄성에 의하여 연료봉(3)이 연고정 되도록 한다.

또한, 상기 지지격자는 내부에 스트립과 연결된 일체로써 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출되며 연료봉 주변을 감싸는 형태로 굽어진 다수의 혼합날개(8; [도 2] 및 [도 3]참조)를 구비하여 연료봉 주변의 냉각수 혼합을 통한 열전달을 촉진한다.

한편 오늘날 핵연료의 개발은 고연소도 및 무결함성을 목표로 추진되고 있다. 고연소도 달성에 걸림돌이 되는 중요 사항 중 한 가지는 핵비등이탈(DNB: Departure from Nuclear Boiling)로 알려진 현상이며, 이는 핵연료봉간 간격, 원자로 시스템 압력, 열속(heat flux), 냉각수 엔탈피 그리고 냉각수 속도에 영향을 받는다.

상기 핵비등이탈이 발생하면 해당 부위 연료봉 표면에 기체막이 형성되고 이로 인해 열전달이 줄어들면서 연료봉 온도가 급격히 증가하게 되어 이 상태가 지속될 경우 결국 연료봉 손상이 발생하게 된다.

따라서 안전 여유도를 확보하기 위해 원자로는 이러한 핵비등이탈 현상이 발생될 수 있는 수준 이하의 열속에서 가동되어야 하며, 이러한 여유도를 열적 여유도라 한다.

원자로는 일반적으로 중성자속이나 출력 밀도 등에서 특별히 높은 영역이 존 재하게 되며, 그 요인 중 하나는 제어봉 삽입을 위해 존재하는 제어봉 채널이다. 제어봉이 제어봉 채널에서 인출되어 있을 때, 그 공간은 감속재인 냉각수로 채워져 있으며 이는 국부적인 감속 능력 향상을 초래하고 이로 인해 인접한 연료봉의 출력을 증가시키게 된다.

고출력 밀도를 갖게 되는 이러한 영역은 다른 채널에 비해 높은 엔탈피 증가율을 갖게 되는 고온 채널이 된다. 이러한 고온 채널은 타 영역에 비해 임계 열적 여유도에 먼저 도달하므로 원자로의 최대 운전 조건 및 출력량을 제한하게 된다.

기존 핵연료들은 지지격자(4)에 일체형인 혼합날개(8)를 달아 냉각수 방향을 변경 및 혼합시키는 방법으로 연료봉(3)과 냉각재사이의 열전달을 증가시킴으로써 원자로 내의 출력 밀도 변화를 줄여 핵비등이탈과 관련된 성능을 향상시키고자 하였다.

이러한 혼합날개의 성능은 혼합날개 크기, 모양, 굽힘 각도 및 혼합날개 위치에 영향을 받는다. 혼합날개는 제어봉 삽입을 위한 안내관 위치에 인접한 연료봉 위치의 고온 채널 영역에서 상당한 효과를 발휘한다.

과거 혼합날개는 한 지지격자의 전체 영역에 걸쳐 동일한 냉각수 혼합날개 패턴을 사용하거나, 지지격자의 절반에 대하여 나머지 절반과 거울에 반사된 이미지가 되도록 혼합날개 패턴을 사용하였다.

이러한 지지격자의 일부는 냉각수 유동에 기인하는 진동이 발생되어 연료봉 프레팅 마모가 발생하는 문제점이 발견되었다.

이는 혼합날개에 의해 발생되는 수력적 힘들이 지지격자 중심을 기준으로 평 형을 이루지 못함에 따라 지지격자에 진동이 발생되기 때문이다.

따라서 핵비등이탈과 관련된 성능을 향상시키면서 혼합날개에 의해 발생되는 진동도 줄일 수 있는 개선된 지지격자가 요구되었다. 이러한 개선의 일환으로 1997년 7월 2일에 출원된 '미합중국 등록특허 US6526116' [Nuclear Fuel Assembly with Hydraulically Balanced Mixing Vanes]에서는 지지격자의 전 영역을 지지격자 중심을 기준으로 동일한 각도만큼 일정히 구획하여 각 구간내의 혼합날개 패턴이 동일하도록 구성한 지지격자가 제안되었으며, 이는 한 구간내의 혼합날개 패턴이 일정 각도만큼 지지격자 중심을 기준으로 회전한 형태가 되어, 혼합날개 패턴이 지지격자 중심을 기준으로 대칭인 형태를 이룸으로써 수력적으로 균형을 이룬 지지격자가 된다.

그러나 상기 미합중국 등록특허 US6526116의 FIG2에 해당하는 그림인 [도 4]와 같이, 17x17 배열을 갖는 지지격자에 상기 혼합날개 패턴이 적용된 실시예의 지지격자 중심부 형상]의 경우에 지지격자 중심부를 제외한 곳에서는 혼합날개에 의해 발생되는 수력적 모멘트의 평형이 유지되도록 할 수 있지만, 지지격자 중심에 가장 근접한 혼합날개의 패턴이 지지격자 중심을 기준으로 동일 방향으로 회전하게 되므로 지지격자 중심에 대하여 편향된 수력적 모멘트가 발생하게 되어 지지격자 전체의 혼합날개 패턴이 완벽한 수력적 평형을 이루기 어렵다는 문제점이 있다.

[도 5]는 상기와 동일한 혼합날개 패턴을 16x16 배열을 갖는 지지격자에 적용한 예인 [도 2]의 지지격자 중심부 형상이다. [도 5]에서 지지격자 중심부에 근접한 혼합날개는 지지격자 중심을 기준으로 동일한 방향으로 회전하는 형태로 배열 되어 있어 혼합날개에 의한 수력적 모멘트가 평형을 이루지 못하는 패턴을 보이고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로,

지지격자의 내부 격자면 상부 끝단에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출된 형태의 다수의 혼합날개를 구비하되, 상기 혼합날개의 위치 및 방향이 이루는 배열이 지지격자의 윗면을 바라 볼 때 일정한 패턴을 이루도록 형성하여, 지지격자에 발생하는 냉각수 유동 유발 진동을 줄여, 수평적 균형을 이루기 용이한 지지격자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자는

핵연료집합체 중 교차된 스트립들에 의해 격자 구조를 갖는 지지격자(9)에 있어서,

지지격자의 내부에 내부 스트립과 연결된 일체로써 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출된 다수의 혼합날개를 구비하고, 그 혼합날개의 위치 및 방향이 이루는 배열이 지지격자의 윗면을 바라 볼 때 패턴을 이루는 것을 특징으로 하며,

상기 혼합날개의 패턴은 상기 지지격자의 중심을 지나며 서로 수직을 이루는 종방향 및 횡방향의 두 기준선을 정의 할 때,

상기 두 기준선 각각에 대하여, 그 기준선과 평행하며 그 기준선에 가장 근접한 스트립 상의 혼합날개를 제외한 나머지 모든 혼합날개의 배열이 그 기준선에 대칭이 되도록 혼합날개 패턴을 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자는

지지격자의 내부 격자면 상부 끝단에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출된 형태의 다수의 혼합날개를 구비하되, 상기 혼합날개의 위치 및 방향이 이루는 배열이 지지격자의 윗면을 바라 볼 때 일정한 패턴을 이루도록 형성하여, 지지격자에 발생하는 냉각수 유동 유발 진동을 최소화하여, 지지격자의 수평적 균형을 이룰 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자는,

다수의 단위 격자셀을 구획하는 스트립 및 상기 스트립의 격자면에 종횡 각각 일정한 방향으로 돌출되며 핵연료봉을 지지하는 다수의 스프링을 구비한 지지격자에 있어서, 지지격자의 내부 격자면 상부 끝단에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출된 형태의 다수의 혼합날개를 구비하되, 상기 혼합날개의 위치 및 방향의 배열이 지지격자의 상에 일정한 패턴을 이루는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우 상하좌우 등 방향을 나타내는 용어는 첨부된 도면을 기준으로 한다. 각 실시예를 통하여 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

한편, 지지격자의 격자구조에 의하여 구획된 개개의 공간부를 단위 격자셀이라하고, 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.

[도 6]은 지지격자를 위에서 바라본 평면도이며, [도 3]은 격자면과 혼합날개의 연결 형태를 상세히 나타내기 위한 절개사시도이다.

상기 [도 6]에 도시된 바와 같이, 지지격자의 외곽은 동일한 길이를 갖는 사각형 형태이며, [도 3]에 도시된 바와 같이 혼합날개(8)는 내부 스트립과 연결된 일체로 형성되며, 지지격자의 내부 격자면 상부 끝단에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출되어 연료봉을 감싸는 방향으로 굽어진 형태로 구성된다.

상기 혼합날개(8)는 연료봉 주변의 냉각수 혼합을 통한 열전달을 촉진하는 역할을 하게 된다.

또한 [도 6]에 도시된 바와 같이, 지지격자는 격자셀 내에 다수의 혼합날개 를 구비하고, 그 혼합날개의 위치 및 방향이 이루는 배열이 지지격자의 평면도상 일정한 패턴을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다.

[도 7]은 상기 혼합날개 일정한 패턴을 명확히 보이기 위해 [도 6]에 도시된 지지격자 형상(9)에서 외곽을 이루는 외부격자판을 제외한 내부 영역에 대하여 도시한 것으로, 내부 스트립은 직선으로 표시하고 혼합날개는 삼각형으로 표시한 것이다.

본 발명에 따른 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자 바람직한 실시 예는 상기 [도 7]에 도시된 바와 같다.

편의상, 상기 지지격자의 중심을 지나며 서로 수직을 이루는 종방향 기준선(20) 및 횡방향 기준선(10)으로 정의하였다.

본 발명에 따른 혼합날개(8)는 종방향 기준선(20)에 대하여, 좌영역(21)과 우영역(22)의 혼합날개 배열이 서로 대칭이 되도록 형성된다.

또한 횡방향 기준선(10)에 대하여, 상영역(11)과 하영역(12)의 혼합날개(8)의 배열이 서로 대칭이 되도록 형성된다.

그리고 종방향 기준선(20)의 혼합날개(8)는 좌영역(21)과 동일한 패턴으로 형성되며, 횡방향 기준선(10)의 혼합날개(8)는 하영역(12)과 동일한 패턴으로 형성된다.

이하 본 발명의 실시예에 의한 작용을 설명한다.

원자로에 장입된 핵연료집합체 내부로 냉각수가 축방향으로 흐를 때, 지지격자가 구비하고 있는 혼합날개는 그 주위를 흐르는 냉각수에 의해 수력적 하중을 받게 된다.

이러한 수력적 하중은 지지격자의 중심에 대하여 지지격자를 회전시키려는 모멘트(moment)로 작용하게 되고 이러한 혼합날개에 의한 지지격자 중심에 대한 모멘트가 평형을 이루지 않으면 지지격자에 유체 유발 진동이 발생되어 지지격자 내에 장입되어 있는 연료봉에 프레팅 마멸 등의 손상을 입히게 된다.

따라서 상기 설명된 본 발명의 실시예는 지지격자 중심을 지나는 종방향 및 횡방향 기준선에 대하여 각각 대칭을 이루도록 혼합날개 패턴을 구성함으로써, 지지격자 중심을 기준으로 수력적 힘의 평형을 이루어 지지격자의 냉각수 유동 유발 진동이 최소화 될 수 있도록 하는 것이다.

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 지지격자로 구현될 수 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도이다.

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 3은 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도이다.

도 4는 종래의 혼합날개를 갖는 17x17 배열 지지격자 중심부를 나타내는 평면도이다.

도 5는 종래의 혼합날개를 갖는 16x16 배열 지지격자 중심부를 나타내는 평면도이다.

도 6은 본 발명에 의한 혼합날개 패턴을 적용한 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 7은 본 발명에 의한 혼합날개 패턴의 바람직한 실시예를 나타내는 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

4: 지지격자 8: 혼합날개

10: 횡방향 기준선 20: 종방향 기준선

Claims (3)

1. 삭제
2. 다수의 단위 격자셀을 구획하는 스트립;

   상기 스트립의 격자면에 종횡 각각 일정한 방향으로 돌출되며, 일정한 탄성을 가지고 핵연료봉을 지지하는 다수의 스프링을 구비한 지지격자에 있어서,

   지지격자의 내부 격자면 상부 끝단에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출된 형태의 다수의 혼합날개를 구비하되, 상기 혼합날개의 패턴은

   상기 지지격자의 평면도 상에 있어, 상기 지지격자의 중심을 지나며, 서로 수직을 이루는 종방향 및 횡방향의 두 기준선을 기준으로 영역을 구분(4분면으로 구분)하여 각각의 영역내에 구비된 복수의 격자셀의 혼합날개는 모두 동일한 패턴을 형성하되,

   종방향 기준선(20)의 좌영역 격자셀의 혼합날개와 우영역의 격자셀의 혼합날개는 서로 대칭 형태로 구성되며, 횡방향 기준선(10)의 상영역 격자셀의 혼합날개와 하영역 격자셀의 혼합날개는 서로 대칭 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 종방향 기준선(20)의 혼합날개는 종방향 기준선(20)의 좌영역 격자셀의 혼합날개와 동일한 패턴으로 형성되고,

   상기 횡방향 기준선(10)의 혼합날개는 횡방향 기준선(10)의 하영역 격자셀의 혼합날개와 동일한 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수력적 균형을 이루는 혼합날개 패턴을 가진 지지격자.

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