KR101113448B1

KR101113448B1 - 원자로 연료 조립체의 이물질 필터 바닥 노즐

Info

Publication number: KR101113448B1
Application number: KR1020040116782A
Authority: KR
Inventors: 커크랜드디.브로크; 필립엘.헤이즐럿; 카터이.런드
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2012-02-29
Also published as: BRPI0405881A; JP3993599B2; US7822165B2; US20050157836A1; ES2380669T3; CN100592434C; JP2005195577A; EP1551033A2; EP1551033B1; CN1637956A; BRPI0405881B1; KR20050072054A; EP1551033A3

Abstract

지지 스커트와 상부판을 가진 원자로 연료 조립체용 이물질 필터 바닥 노즐이 개시된다. 상부 노즐판에는 다수의 흐름 구멍들이 형성된다. 축방향으로 관통된 각각의 흐름 구멍은 벤튜리로 형성된다. 바람직하게는 이러한 벤튜리가 이중 가공부를 가진 유입구를 가지도록 형성된다.

원자로, 연료 조립체, 이물질, 바닥노즐, 냉각제 흐름구멍, 벤튜리, 가공부

Description

원자로 연료 조립체의 이물질 필터 바닥 노즐{NUCLEAR FUEL ASSEMBLY DEBRIS FILTER BOTTOM NOZZLE}

도 1은 본 발명의 이물질을 포획하는 바람직한 실시예가 적용되며, 명확성을 위하여 부품들을 제거하고 수직으로 단축된 형상으로 도시된 연료 조립체의 부분적으로 단면으로 도시한 정면도이며;

도 2는 본 발명의 바닥 노즐 지지 스커트의 측면도이며;

도 3은 본 발명의 바닥 노즐판의 상면도이며;

도 4는 곡선형 유입구 및 유출구 구조를 가진 벤튜리 흐름 관통구멍을 도시하며 도 3의 A - A 선을 따라 취한 절단 단면의 측면도이며;

도 5는 이중의 유입구 가공부 및 단일의 유출구 가공부를 가진 흐름 관통구멍을 도시하며 도 3의 A - A 선을 따라 취한 절단 단면의 측면도이며;

도 6은 이중의 유입구 가공부를 가진 흐름 관통구멍을 도시하며 도 3의 A - A 선을 따라 취한 절단 단면의 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료 조립체 12 : 바닥 노즐

14 : 지지판 16 : 상부 노즐

18 : 가이드 딤블 20 : 그리드

22 : 연료봉 34 :제어봉

40 : 스커트 44 : 상면

46 : 노즐판 48 : 관통구멍

50 : 가공부(chamfer) 54 : 벤튜리

56 : 이중 가공부 58 : 단일 가공부.

본 발명은 원자로에 관한 것으로서, 특히 원자로 연료 조립체의 이물질(debris) 필터 바닥 노즐에 관한 것이다.

원자로의 냉각제 순환 시스템을 포함하는 부품들의 제작, 설치 및 보수 중에 여러 운전 조건하에서 주요 원자로 냉각제 루프를 관통하여 냉각제를 순환시키는 원자로 용기 및 관련 시스템으로부터 모든 이물질을 확실히 제거하기 위하여 많은 노력이 기울여진다. 비록 이물 질을 확실히 제거하기 위하여 복잡한 공정들이 수행되지만, 경험에 의하면 이러한 제거를 수행하기 위하여 보호수단이 취해짐에도 불구하고 시스템에는 다소의 칩들과 금속 입자들이 여전히 잔류된다. 대부분의 금속 부스러기로 이루어진 이물질은 증기발생기의 보수 혹은 교체 후에 주요 시스템에 잔류한다.

특히, 최하부 그리드에서 포획된 이물질에 기인하는 연료 조립체의 손상이 최근에 여러 원자로에서 발견되었다. 플랜트가 기동시 하부의 노심 지지판의 냉각 제 흐름 구멍으로부터 이물질은 연료 조립체 바닥 노즐의 흐름 구멍들을 통하여 유입한다. 이물질은 그리드의 "계란 상자(egg crate)" 형상의 셀 벽들과 연료봉 튜브의 하단부 부분 사이의 공간 내의 연료 조립체의 최하부 지지 그리드에 잔류하는 경향이 존재한다. 튜브 외측에 접하여 이물질이 부착됨으로써 발생되는 연료봉 튜브의 천공으로 손상은 이루어진다. 이물질은 또한 노즐판의 구멍들에 걸려서 흐르는 냉각제가 이물질을 선회시켜 연료봉등의 피복을 파손시킨다.

원자로로부터 이물질을 제거하기 위하여 여러가지 상이한 방안들이 제안되고 시도되었다. 이러한 방안들의 대다수는 메이어스 등(Mayers et al)에게 특허된 미국 특허 제 4,096,032호에서 논의되었다. 다른 방안들은 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제 4,900,507 호에서 상호 언급된 여러 특허들에서 기재되고 설명되었다. 인용된 특허와 관련 자료에 기재된 모든 방안들은 설계된 운전 조건의 범위 하에서 적절하게 잘 작동하며 그들의 목적들을 달성하지만, 현재 개발중에 있는 더욱 향상된 연료 설계에 대해 요구되는 바닥 노즐에서의 압력 저하를 효과적으로 감소시키기 위하여 원자로에서의 이물질 여과의 문제에 대한 더욱 개선된 방안의 필요성이 여전히 존재한다.

본 발명은 상기 설명한 필요성을 충족시키도록 설계된 원자로 연료 조립체의 이물질 필터 바닥 노즐을 제공한다.

본 발명의 바닥 노즐은 노즐판에 걸리는 압력 저하를 더욱 감소시키면서, 미국 특허 제 4,900,507호에 개시된 것에 앞서 달리 사용되었을 것 보다 직경이 작은 흐름 구멍들을 가지는 개념을 채택한 노즐판을 포함한다.

흐름 구멍들은 바람직하게는 가장 좁은 부분에서의 직경이 약 0.190 인치(0.48㎝)이며, 이는 바닥 노즐과 최하부 그리드 사이의 부분 및 최하부 그리드의 빈 공간에 우선적으로 집적하여 연료봉의 찰과손상(fretting failure)을 유발하였을 손상을 발생하는 크기의 이물질을 여과하는 크기로 만든다.

미국 특허 제 4,900,507 호(이하에서 '507 특허'라고 함)에 기재된 바와 같이, 예상외로 이러한 개념은 비록 이러한 구조의 바닥 노즐을 통하여 흐르는 전체 흐름 면적은 종래기술의 바닥 노즐을 통하여 흐르는 전체 흐름 면적 보다 작으나 종래기술의 바닥 노즐에 비교하여 이물질 필터 바닥 노즐의 압력 저하를 감소시킨다.

원자로 하부 노심판의 냉각제 유입 흐름 구멍 바로 위의 각각의 노즐판들의 국부 영역에 있는 더 큰 흐름 구멍들의 종래기술의 바닥 노즐 패턴에 의해서 제공되는 것 보다 더 작은 흐름 구멍의 이물질 필터 바닥 노즐 패턴에 의해서 상당히 더 큰 흐름 면적이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 바닥 노즐판에 걸리는 압력 저하를 더욱 감소시키기 위하여 흐름 구멍들에 벤튜리 형상을 제공한다. 제2 실시예는 또한 바닥 노즐판의 관통공들의 유입구만 혹은 유입구와 유출구 양자를 모서리가공하여 벤튜리 형상을 형성함으로써 본 발명의 생산성을 향상시킨다.

바람직한 실시예에서 관통구멍을 연장하여 형성된 유입구는 이중의 가공부가 제공되며, 이중의 가공부 사이의 각도들은 최저 압력강하를 제공하도록 최적화된 다. 이중의 가공부는 구멍을 관통하는 흐름을 유선화하는 곡선면을 어렵게 가공하지 않고 부가적인 비용을 지출하지 않고 아크, 즉 곡선에 근접한다.

따라서, 본 발명은 원자로의 연료 조립체에 사용가능한 이물질 필터 바닥 노즐에 관한 것으로서, 연료 조립체는 다수의 원자로 연료봉들과, 유기적인 어레이로 연료봉들을 지지하고 유체 냉각제가 관통하여 흐르도록 내부에 형성된 빈 공간을 가지는 적어도 하나의 최하부 그리드를 포함한다.

이물질 필터 바닥 노즐은 그리드 아래 인접하여 연료봉들의 아래에 배치된다. 바닥 노즐은 최하부 그리드를 향하는 지지판 위에 고정되고, 빈 공간의 최대 크기 보다 크기가 더 큰 대부분의 이물질이 유출 오리피스의 구멍에 근접하거나 내부 아래에 포획되도록 각각 크기가 다른 다수의 흐름 구멍들을 관통하여 형성한 노즐판을 포함한다.

이와 같이, 액체 냉각제에 의해 노즐판을 통해 운반되는 대부분의 이물질은 빈 그리드 공간을 관통하여 통과하기에 충분히 작으며, 반면에 빈 그리드 공간을 통과하지 못하고 그리드에 집적하는 크기가 큰 액체 냉각제에 의해 운반되는 대부분의 이물질은 흐름 구멍들을 통과하지 못하거나 흐름 구멍들의 유출구에 인접하여 유지될 것이다. 바닥 노즐판에 걸리는 압력강하의 감소는 관통구멍에 벤튜리 형상을 형성하는 것에 의해 이루어진다.

본 발명의 구조의 생산성 및 검사성을 더욱 향상시키는 것은 흐름 관통구멍의 유출구 측에 가공부(chamfer)를 형성하는 것에 의해 바람직하게는 유입구 측 위에 이중의 가공부를 형성하는 것에 의해 달성된다. 507호 특허에 의해 달성된 것 보다 다소 큰 압력 강하의 감소는 바람직하나, 감소량은 중요하지 않으며, 유출구의 가공부를 생략하는 것에 의해 추가적인 생산비용 절감이 달성될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이해는 첨부 도면과 관련된 바람직한 실시예들에 대한 이하의 설명으로부터 얻어질 것이다.

이하의 설명에서 동일한 부호는 여러 도면에 있어서 동일하거나 대응하는 부품을 표시한다. 이하의 설명에서 또한 "전방", "후방", "좌측", "우측", "상방으로", "하방으로", 등은 편의상 사용하는 용어이며, 제한하는 용어로서 해석되어서는 안된다.

연료 조립체

이제 도면과 관련하여, 특히 도 1과 관련하여, 도면부호(10)로 일반적으로 표시되고 수직으로 단축된 형태로 표현된 연료 조립체의 정면도가 도 1에 도시되어 있다. 연료 조립체(10)는 경수로에 사용되는 형태로서 하단부에서 본 발명의 이물질 필터 바닥 노즐(12)(이하에서 상세하게 설명될 것이다)을 포함하는 구조 프레임을 구비한다. 바닥 노즐(12)은 원자로(도시생략)의 노심 영역에서 하부 노심 지지판(14) 위에 연료 조립체(10)를 지지한다. 바닥 노즐(12) 외에 연료 조립체(10)의 구조 프레임은 또한 상단부에 상부 노즐(16)을 구비하며, 바닥 노즐과 상부 노즐(12, 16) 사이로 길이방향으로 연장하며 대향 단부에서 견고하게 부착된 다수의 가이드 튜브 혹은 딤블(thimbles)들(18)을 구비한다.

연료 조립체(10)는 또한 다수의 그리드 딤블(18)을 따라 축방향으로 이격되 어 장착된 다수의 교차 그리드들(20) 및 그리드들(20)에 의해 교차 이격되고 지지되는 유기적인 어레이를 이루는 길다란 연료봉들(22)을 포함한다. 또한, 조립체(10)는 중심에 위치되고 바닥 노즐(12) 및 상부 노즐(16) 사이로 연장하고 그들에 장착된 부착 튜브(24)를 가진다. 이러한 부품들의 배치로서, 연료 조립체(10)는 조립체의 부품들을 손상시킴이 없이 편리하게 취급될 수 있는 일체형 유닛을 형성한다.

상기 설명한 바와 같이, 조립체(10)의 어레이의 연료봉들(22)은 연료 조립체의 길이를 따라 이격된 그리드들(20)에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(22)은 핵연료 펠릿(26)을 포함하며 상부 및 하부의 단부 플러그들(28, 30)에 의해 대향 단부에서 닫혀진다. 펠릿들(26)은 상단부 플러그(28)와 펠릿 스택의 상부 사이에 배치된 플리넘 스프링(32)에 의하여 스택으로 유지된다. 핵분열 재료로 구성된 연료 펠릿(26)은 원자로의 반응력을 발생할 수 있다. 물이나 물함유 붕소와 같은 액체 감속제/냉각제는 하부의 노심판(14)의 다수의 흐름 구멍들을 통하여 연료 조립체로 상방으로 펌핑된다. 연료 조립체(10)의 바닥 노즐(12)은 유용한 일을 발생하기 위하여 조립체에서 발생한 열을 추출하기 위하여 가이드 딤블들(18)을 통하여 조립체의 연료봉들(22)을 따라 상방으로 냉각제를 통과시킨다.

핵분열 공정을 제어하기 위하여 다수의 제어봉들(34)이 연료 조립체(10)의 소정 위치에 배치된 가이드 딤블(18)에서 왕복이동가능하다. 특히, 상부 노즐(16) 위에 위치한 봉 클러스터 제어기구(36)가 제어봉들(34)을 지지한다. 제어기구는 다수의 반경 방향으로 연장하는 가지(flukes) 혹은 아암을 구비한 내부에 나사가 형 성된 원통 부재(37)를 구비한다. 각각의 아암(38)은, 제어봉 클러스터 제어기구(36)가 공지의 방식으로 가이드 딤블(18)에서 수직으로 제어봉들을 이동시켜 연료 조립체(10)에서 핵분열 공정을 제어하기 위하여 작동가능하도록 제어봉(34)에 상호연결된다.

이물질(debris) 필터 바닥 노즐

상기 설명한 바와 같이, 연료봉들의 연료 지지 영역을 지지하는 최하부 그리드들(20) 중의 하나에서 혹은 아래에서 포획되는 이물질에 기인하는 연료 조립체 손상은 문제됨이 발견되었다. 그러므로, 이러한 손상의 발생을 방지하기 위하여 바닥노즐 관통구멍을 통과하거나 바닥 노즐 흐름구멍의 유출구와 인접 구조물들 사이의 계면을 통과하는 이물질을 최소화하는 것이 지극히 필요하다.

본 발명은 하부 노심판(14) 위에서 연료 조립체(10)를 지지하는 외에 507호 특허의 구조에서 발생하였던 압력강하의 감소를 초과하도록 바닥 노즐을 통하여 상방으로 통과하는 냉각제 흐름으로부터 손상가능한 크기의 이물질을 여과하도록 작용하는 특징들을 포함하는 바닥 노즐(12)에 관한 것이다. 바닥노즐(12)은 예컨대, 도 2에 도시된 지지수단인 스커트(40)를 포함한다.

상기 실시예에서 스커트(40)인 지지수단은 하부 노심판(14) 위에서 연료 조립체(10)를 지지하는 다수의 코너 다리부(42)를 포함한다. 일반적으로 사각형인 평면판(46)이 용접과 같은 적절한 수단에 의하여 지지 스커트(40)의 상면(44)에 적절하게 부착된다.

본 발명의 이물질 필터 바닥 노즐(12)의 노즐판(46)에는 다수의 작은 구멍들 (48)이 하부 노심판(14)을 관통하는 흐름 구멍들의 영역에 집중되고 바닥 노즐의 어댑터판(46) 및 연료 조립체(10)에 걸치는 흐름이나 압력강하에 악영향을 미침이 없이 손상가능한 크기의 이물질을 여과하는 크기로 형성된다.

이러한 측면에서, 본 발명의 이물질 필터 바닥 노즐(12)은 본 발명의 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제 4,900,507 호에 설명된 것과 아주 유사하다. 507호 특허의 이물질 필터 바닥 노즐(12)에서 흐름 구멍들(58)은 각각의 흐름 구멍에서 유입구 모서리가공을 포함하였다.

다른 면에서, 507호 특허의 흐름 구멍들(48)은 바람직하게는 단면 크기가 균일하고 그 길이 및 폭에 걸쳐 판(46)의 각 부분을 실질적으로 덮는 패턴을 형성하였다.

흐름 구멍(48)의 직경은 최하부 지지 그리드(20)에서 통상 포획되는 크기인 대부분의 이물질을 통과시키지 않는다. 이물질이 이러한 판의 흐름 구멍들(48)을 통과하기에 충분히 크기가 작으면, 흐름구멍들(48)의 직경이 지지 그리드(20)의 셀을 통과하는 빈 공간의 단면 보다 더 큰 단면을 가지는 대부분의 이물질을 포획하기에 충분히 작으므로, 대부분의 경우 그리드(20)를 관통하여 통과할 것이다.

이러한 빈 공간들은 통상 그리드(20)를 구성하는 서로 엮어진 스트랩들에 의해 형성되고 그리드 셀을 관통하여 연장하는 그립 스트랩들과 연료봉들(22)에 위에 형성된 코너들과 각각의 딤플들과 스프링에 의해 구획되는 인접 코너들에서 발견된다. 대부분의 이물질들이 그리드의 빈 공간을 통과하기에 충분히 충분히 작으면, 본 발명의 이물질 필터 바닥 노즐(12)은 이물질에 기인하는 연료봉 손상의 가능성 을 상당히 감소시킨다. 본 발명의 개선이, 흐름 관통구멍(48)의 유출구가 흐름 경로를 더욱 제한하기 위하여 인접 구조물들과 상호 연관되어 효과적으로 작용하는 경우에 특히, 노즐판(46)의 흐름 구멍의 가장 작은 단면적이 지지 그리드(20)의 셀을 관통하는 빈 공간의 최대 단면적 크기 보다 작거나 같은 것을 요구하지 않음을 알아야한다.

예컨대, 노즐판(46) 상부의 대략 0.025 내지 0.125 인치(0.064 내지 0.318㎝)에 통상 위치하는 보호 그리드들이 사용되는 경우, 그리드 스트랩들은 흐름의 한계를 설정하고 보호 그리드와 노즐판 사이 영역에서 이물질을 포획한다.

이물질에 기인한 연료봉 손상이 발생한 연료 조립체의 연료 감시 수중 영상 사진의 분석에 기초하면, 흐름 구멍(48)의 공칭 직경이 약 0.190인치(0.48㎝)로 선택되고, 0.190 ±0.008 인치(0.48±0.02㎝)임이 바람직하다.

구멍(48)은 직경이 다소 작게 형성될 수 있다. 모든 관찰된 주요한 이물질에 의해 야기된 연료봉 손상들은 최하부 그리드에서 혹은 그 아래에서 존재하며, 폭이 0.190인치(0.48㎝) 보다 다소 큰 이물질에 의해 야기되는 것으로 보인다.

원자로 냉각제 시스템에 통상 존재하는 다른 더 작은 이물질들은 비교적 성질이 약한 것으로 보이며 최하부 그리드 상부에서 아무런 중대한 손상이 관찰되지 않으므로 연료봉 손상을 야기하지 않는 것으로 보인다.

따라서, 증거에 의하면, 손상을 발생하는 크기의 이물질은 최하부 그리드(20)에 의해 효과적으로 정지됨을 알려준다. 바닥 노즐판(46)에 형성된 대략 0.190인치(0.48㎝) 크기의 직경의 흐름 구멍(48)을 가진 이물질 필터 바닥 노즐(12)은 초기의 냉각제 흐름에 의해 연료 조립체로 운반되는 연료봉의 손상을 야기할 수 있는 금속 이물질의 90 %를 감소시킬 것으로 기대된다. 폭이 0.190인치(0.48㎝) 보다 실질적으로 큰 이물질은 연료봉 손상의 부적절한 양일 수 있으므로 이러한 평가는 신중한 것일 수 있다.

도 3에 있어서, 다수의 흐름 구멍들(48) 외에 노즐판(46)은 하나의 중심 장착 튜브구멍(50)과 다수의 가이드 딤블 구멍들(52)을 포함한다. 507호 특허에 기재된 흐름 구멍들(48)은 약 길이가 0.140인치(0.36㎝)이고 구멍(48)의 축에 대해 15 ±3°의 각도를 형성하는 길다란 테이퍼형 유입구 가공부(chamfer)를 포함하였다.

유입구 위의 가공부는 흐름을 최적화하기 위하여, 즉 더 작은 흐름 구멍(48)에서 발생하는 더 높은 마찰의 영향에 기인하는 손실계수의 증가를 최소화하기 위하여 각각의 흐름 구멍(48)에 채택되었다. 가공부(50)를 더 길게 하면, 어댑터판 구멍(48) 내에서의 흐름류의 재부착을 방지할 수 있고 연료 조립체(10)의 압력 강하를 증가시킬 것으로 생각되었다.

종래의 바닥 노즐을 가진 조립체와 비교하여 이물질 필터 바닥 노즐(12)을 가진 연료 조립체에서 발생하는 압력강하의 증가는 바람직스럽지 못하며 수용될 수 없을 것이다.

507호 특허의 이물질 필터 바닥 노즐이 더 작은 흐름 구멍을 제공하였으나, 종래의 초기의 바닥 노즐 설계에서 보다 흐름 구멍들이 더 많았다. 적용될 연료 조립체에 대해, 507호 특허의 이물질 필터 바닥 노즐을 관통하는 전체 흐름 영역은 크게 감소되지 않았다.

그러나, 507호 특허의 설계에 따른 이물질 필터 바닥 노즐의 흐름 영역과 대응하는 압력 강하는 더욱 개선된 연료 설계를 위한 제한 인자임이 증명되었다.

이물질 필터 바닥 노즐은 본 발명에 의해 노즐판(46)을 관통하는 냉각제 흐름 경로를 최적화함으로써 더욱 개선되었다. 507호 특허의 이물질 필터 바닥 노즐의 구조의 직선 관통 흐름구멍(유입구 가공부를 구비한)은 도 4에 그 단면이 도시된 벤튜리 흐름 구멍을 가진 본 발명에 의해 대체되었다.

벤튜리(54)는 구멍에 접하거나 접하지 않는 형태로 비교적 큰 반경으로 가공된 유입구와 유출구를 구비하여 구성된다. 벤튜리 흐름 구멍들에 의해 노즐(12)의 유압 성능이 개선되며, 압력 강하를 크게 감소시킨다.

원자로의 노심 흐름 조건(500,000 레이놀드 넘버)에 대해 시행된 높은 압력강하 시험에 의하면, 벤튜리 흐름 구멍을 가진 이물질 필터 바닥 노즐을 개선시켜 압력 강하 및 대응하는 손실 계수를 약 53% 감소시키는 것을 보였다.

또한, 벤튜리의 제한된 목의 직경이 507호 특허 구조의 표준 이물질 필터 바닥 노즐의 흐름 구멍 직경과 대등하므로, 이물질 여과는 손상되지 않는다.

종래의 경험에 의하면 노즐에서의 압력강하의 차이들은 상이한 공급자들에 의해 동일한 결과에 이르렀다. 하나의 예에서, 차이는 제조공정에 기인하며, 상이한 마무리 방법에 기인하였다. 유입구 가공부 외에 유출구 가공부와 관련된 하나의 방법은, 현재 개발중인 개선된 연료 구조에 대해 요구되는 압력강하를 발생하는 노즐을 제공할 수 있었을 것이다.

그러나, 이러한 수동에 의한 마무리 공정의 특정 및 제어와 검사는 아주 어 려움이 입증되었다. 이물질 필터 바닥 노즐(12)의 벤튜리 관통구멍 구조(54)는 제조공정의 관점에서 노즐 흐름판(46)을 통과하는 냉각제 흐름 경로를 최적화하는 것에 의해 개선되었다.

507호 특허에 기재된 하나의 유입구 가공부를 구비한 직선형 흐름 구멍들은 도 5에 도시된 벤튜리(54)를 형성하기 위하여 이중의 유입구 가공부(56) 및 단일의 유출구 가공부(58)에 의해 대체되었다. 가공부들의 각도는 최저 압력 강하를 제공하도록 최적화되었다. 실제로, 가공부들은 곡선면에 근접하고 구멍(48)을 통과하는 흐름을 유선화한다. 곡선 구조를 검사하고 제어하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다.

본 발명자들은 컴퓨터에 의한 유체동력학과 실험을 통해 적절하게 형성되면 최소 두 개의 직선형 가공부에 의해 곡선 구조에 유사한 흐름을 발생하고 더 적은 비용으로 유사한 감소된 압력강하를 발생할 수 있음을 발견하였다.

바람직한 가공부의 구조가 이하의 표 1에 예시되는 데, 여기에서 가공부(A)는 유입구에 가장 근접한 가공부이며, 가공부(B)는 가공부(A)에 인접한 가공부이며, 가공부(C)는 흐름 관통구멍들의 유출구이다. 판의 두께는 또한 알려져 있다. 공칭값은 예정된 크기를 규정한다. 최소치와 최대치는 공차를 감안한 것이며 가공부 길이의 허용가능한 범위를 제공한다.

	각도(°)	공칭길이(인치)	최대길이(인치)	최소길이(인치)
가공부(A)	35±3	0.017(0.043㎝)	0.039(0.099㎝)	0.012(0.030㎝)
가공부(B)	15±3	0.039(0.099㎝)	0.057(0.145㎝)	0.010(0.025㎝)
가공부(C)	10±3	0.085(0.2159㎝)	0.142(0.361㎝)	0.059(1.15㎝)
판 두께	-	0.560(1.422㎝)	0.583(1.481㎝)	0.550(1.397㎝)

표 1에서 기재된 특정 수치들은 소정의 압력강하의 감소를 제공하지만, 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 상이한 각도와 크기들을 사용하여 압력 강하의 감소에 대한 다른 값들이 얻어질 수 있다. 바람직하게 판두께로 가공부 길이를 나눈 비율(L/T)로 표 2와 같이 표현된다.

	각 도	가공부 비율(L/T)
	각 도	최 대	최 소
가공부(A)	2.33×B	0.071	0.020
가공부(B)	15°±3°	0.104	0.017
가공부(C)	0.67×B	0.258	0.101

이러한 새로운 흐름 관통구멍의 구조에 의해 노즐의 유압 성능이 크게 향상되며 압력강하를 크게 감소시킨다.

원자로 노심 흐름 조건(500,000 레이놀드 넘버)에서 시행된 고온 압력강하 시험에 의하면, 이러한 개선된 흐름 구멍들을 가진 본 발명의 감소된 압력강하의 이물질 필터 바닥 노즐은 507호 특허의 구조에 의해 달성되는 것 보다 47% 정도 압력 강하 및 손실 계수를 감소시켰다.

도 4에 도시한 부드러운 곡선의 벤튜리 구조에 대해 이중 가공부 구조가 압력강하를 다소 증가시키나, 노즐의 생산성을 크게 향상시키고 비용을 절감시킨다.

또한, 가장 좁아진 부분에서의 새로운 흐름 구멍의 직경이 507호 특허의 흐름 구멍 직경과 동일하므로 이물질 여과는 저해되지 않는다. 생산성, 검사성, 및 비용을 고려하면, 이러한 구조에 의해 지속적이고 재생가능한 압력강하 감소를 제공함이 밝혀졌다.

적은 압력강하의 감소를 내구할 수 있는 위치에서는 도 6에 도시된 바와 같 이 유출구의 가공부를 생략함으로써 부가적인 제조비용의 절감을 달성할 수 있다. 도 6에 예시된 실시예는 507호 특허 구조에서 발생되는 압력 강하의 20% 감소를 발생할 것으로 예상된다.

바닥 노즐판(46)의 부가적인 통상의 하나의 기능은 연료봉들(22)을 포획하는 것, 즉 바닥 노즐(12)을 통하여 추락하는 것을 방지하는 것이다. 초기 기동시 연료봉들(22)은 도 1 도시와 같이 바닥 노즐(12) 위에 그리드(20)에 의해 유지된다.

그러나, 원자로가 일정 시간 가동후에는 그리드들(20)은 공통적으로 연료봉들(22)에 대한 그립이 이완되어 일부는 바닥 노즐판(46) 위로 추락한다.

도 3 도시와 같이, 연료봉들(22)은 흐름 구멍들(48) 사이의 판(46)의 인대(ligament) 혹은 부분(60)과 정렬된다. 흐름 구멍들(48)은 제곱인치당 대략 16의 밀도로 형성된다. 흐름 구멍들(48) 사이로 연장하는 판(46)의 부분(60)은 1/10 인치(0.25㎝)의 최대 크기를 가진다. 약 0.4000인치(1.02㎝)의 최대 직경을 가지는 연료봉들(22)은 흐름 구멍들(48) 위에 위치되므로, 판(46) 위에 추락하면 구멍들의 폐색을 초래하여 압력강하의 증가를 유발한다.

판(46)의 부분(60) 위에 지지되는 연료봉들(22)의 하단 플러그(30)는 대략 0.150인치(0.38㎝)의 종단 직경 및 도 1에 도시된 바와 같은 구멍(48)을 폐색시키지 않는 테이퍼형의 축방향 단면 형상을 가진다.

그러나, 하단 플러그(30)의 종단부가 직경이 더 크면, 흐름 구멍들(48) 사이의 판(46)의 부분(60)은 인접 구멍(48) 부분을 플러그 단부가 덮지 않도록 더 큰 크기이어야 한다. 이것에 의해 틀림없이 흐름 구멍들은 더 적게 되고 압력강하가 증가한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 원자로 연료 조립체의 이물질 필터 바닥 노즐에 의하면, 노즐판에 걸리는 압력 저하를 더욱 감소시키면서, 종래 사용되었을 것 보다 직경이 작은 흐름 구멍들을 가지는 개념을 채택한 노즐판을 제공하며, 바닥 노즐판에 걸리는 압력 저하를 더욱 감소시키기 위하여 흐름 구멍들에 벤튜리 형상을 제공하고, 바닥 노즐판의 관통공들의 유입구만 혹은 유입구와 유출구 양자를 가공하여 벤튜리 형상을 형성함으로써 본 발명의 생산성을 향상시키는 등의 유용한 효과가 얻어진다.

본 발명이 특정 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었으나 이 기술분야의 일반적인 지식을 가진자들은 개시된 발명의 전체 사상의 견지에서 여러 가지의 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 여기 설명된 특정 실시예는 단지 예시적이며 첨부의 청구범위 및 그 균등물에 의하여 전체 폭이 주어지는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims

연장된 축방향 길이를 가지는 다수의 길다란 핵연료봉들과, 연료 조립체가 원자로에 장착된 때 유체 냉각제가 관통하여 흐르고 연료봉들을 지나 흐를 수 있도록 내부에 형성된 빈 공간들과 그리드를 관통하여 지지하며 상기 연료봉들을 따라 연장하는 다수의 가이드 딤블들을 가지고 유기적인 어레이로 상기 연료봉들을 지지하는 적어도 하나의 최하부 그리드와, 상기 그리드 아래 상기 연료봉들의 하단부들 아래 배치되어 상기 가이드 딤블을 지지하고 상기 연료 조립체로 유체 냉각제가 흐를 수 있도록 형성된 이물질 필터 바닥 노즐을 포함하는 원자로용 연료 조립체로서,

상기 이물질 필터 바닥 노즐은 연료봉들의 축을 가로질러 연장하고 상기 최하부 그리드를 향하는 상면을 가지는 수평인 노즐판을 포함하며, 상기 노즐판의 상면은, 상기 노즐판에 의해 지지되는 상기 가이드 딤블들의 하단부들을 수용하는 다수의 구멍들인 제 1 형태와 상기 노즐판의 하면으로부터 상면으로 냉각제 유체가 흐르도록 상기 노즐판을 완전히 관통하여 연장하는 다수의 흐름 관통구멍 형태인 제 2 형태의 적어도 두개의 상이한 형태로 관통형성된 구멍들을 가지며, 각각의 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 상기 빈 공간들과 유체 연통하는 관계로 상기 연료봉들의 축방향으로 연장하며, 상기 연장 방향에서 적어도 일부의 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 벤튜리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 1 항에 있어서, 벤튜리 형상을 가지는 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 상기 노즐판의 하면에 유입단부를 가지고 상기 노즐판의 상면에 유출단부를 가지며 상기 벤튜리 형상은 상기 유입단부와 유출단부의 가공부에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 2 항에 있어서, 상기 유입단부의 가공부는 이중 각도의 가공부인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 3 항에 있어서, 상기 이중 각도 가공부는 곡선면에 근접하는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 4 항에 있어서, 상기 가공부들은 흐름 관통구멍의 흐름축에 대해 아래 표의 크기와 각도를 가지며, 여기에서 가공부(A)는 유입구에 가장 근접한 가공부이며, 가공부(B)는 가공부(A)에 인접한 가공부이며, 가공부(C)는 흐름 관통구멍들의 유출구인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.

각도(°) 공칭길이(인치) 최대길이(인치) 최소길이(인치) 가공부(A) 35±3 0.017(0.043㎝) 0.039(0.099㎝) 0.012(0.030㎝) 가공부(B) 15±3 0.039(0.099㎝) 0.057(0.145㎝) 0.010(0.025㎝) 가공부(C) 10±3 0.085(0.361㎝) 0.142(0.361㎝) 0.059(1.397㎝)
제 4 항에 있어서, 상기 가공부들은 흐름 관통구멍의 흐름축에 대해 아래 표의 크기와 각도를 가지며, 여기에서 가공부(A)는 유입구에 가장 근접한 가공부이며, 가공부(B)는 가공부(A)에 인접한 가공부이며, 가공부(C)는 흐름 관통구멍들의 유출구이고, L/T는 가공부 길이를 판 두께로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.

각 도(°)
가공부 비율(L/T) 최 대 최소 가공부(A) 2.33 ×
가공부(B)의 각도 0.071 0.020 가공부(B) 15±3 0.104 0.017 가공부(C) 0.67×
가공부(B)의 각도 0.258 0.101
제 1 항에 있어서, 가이드 딤블과 연관되지 않은 각각의 냉각제 흐름 관통구멍은 연장된 방향으로 벤튜리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 노즐판이 지지 수단 위에 외주에서 고정되면서 원자로에 장착되는 때 상기 연료 조립체를 지지하도록 형성된 지지 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 원형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 9 항에 있어서, 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 가장 좁은 단면으로 0.190±0.008인치(0.48±0.02㎝) 이하 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 9 항에 있어서, 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 인치당 16개 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
연장된 축방향 길이를 가지는 다수의 길다란 핵연료봉들과, 연료 조립체가 원자로에 장착된 때 유체 냉각제가 관통하여 흐르고 연료봉들을 지나 흐를 수 있도록 내부에 형성된 빈 공간들을 가지고 유기적인 어레이로 상기 연료봉들을 지지하는 적어도 하나의 최하부 그리드와, 상기 그리드를 관통하여 지지하며 상기 연료봉들을 따라 연장하는 다수의 가이드 딤블들을 포함하는 원자로 연료 조립체용 이물질 필터 바닥 노즐로서,

상기 이물질 필터 바닥 노즐은, 상기 그리드 아래 상기 연료봉들의 하단부들 아래 배치되어 상기 가이드 딤블을 지지하고 상기 연료 조립체로 유체 냉각제가 흐를 수 있도록 형성되며, 상기 이물질 필터 바닥 노즐은 연료봉들의 축을 가로질러 연장하고 상기 최하부 그리드를 향하는 상면을 가지는 수평인 노즐판을 포함하며,상기 노즐판의 상면은 상기 노즐판에 의해 지지되는 상기 가이드 딤블들의 하단부들을 수용하는 다수의 구멍들인 제 1 형태와 상기 노즐판의 하면으로부터 상면으로 냉각제 유체가 흐르도록 상기 노즐판을 완전히 관통하여 연장하는 다수의 흐름 관통구멍 형태인 제2 형태의 적어도 두개의 상이한 형태로 관통형성된 구멍들을 가지며, 각각의 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 상기 빈 공간들과 유체 연통하는 관계로 상기 연료봉들의 축방향으로 연장하며, 상기 연장 방향에서 적어도 일부의 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 벤튜리 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 조립체용 이물질 필터 바닥 노즐.
연장된 축방향 길이를 가지는 다수의 길다란 핵 연료봉들과, 연료 조립체가 원자로에 장착된 때 유체 냉각제가 관통하여 흐르고 연료봉들을 지나 흐를 수 있도록 내부에 형성된 빈 공간들을 가지고 유기적인 어레이로 상기 연료봉들을 지지하는 적어도 하나의 최하부 그리드와, 상기 그리드를 관통하여 지지하며 상기 연료봉들을 따라 연장하는 다수의 가이드 딤블들과, 상기 그리드 아래 상기 연료봉들의 하단부들 아래 배치되어 상기 가이드 딤블을 지지하고 상기 연료 조립체로 유체 냉각제가 흐를 수 있도록 형성되는 이물질 필터 바닥 노즐을 포함하는 원자로용 연료 조립체로서,

상기 이물질 필터 바닥 노즐은 연료봉들의 축을 가로질러 연장하고 상기 최하부 그리드를 향하는 상면을 가지는 수평인 노즐판을 포함하며,상기 노즐판의 상면은 상기 노즐판에 의해 지지되는 상기 가이드 딤블들의 하단부들을 수용하는 다수의 구멍들인 제1 형태와 상기 노즐판의 하면으로부터 상면으로 냉각제 유체가 흐르도록 상기 노즐판을 완전히 관통하여 연장하는 다수의 흐름 관통구멍 형태인 제2 형태의 적어도 두 개의 상이한 형태로 관통형성된 구멍들을 가지며, 각각의 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 상기 빈 공간들과 유체 연통하는 관계로 상기 연료봉들의 축방향으로 연장하며, 적어도 일부의 상기 냉각제 흐름 관통구멍들은 이중의 유입구 가공부를 가지는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 13 항에 있어서, 상기 이중의 유입구 가공부는 곡선면에 근접하는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 13 항에 있어서, 상기 가이드 딤블과 연관되지 않은 모든 냉각제 흐름 관통구멍들은 이중의 유입구 가공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.
제 13 항에 있어서, 상기 가공부들은 흐름 관통구멍의 흐름축에 대해 아래 표의 크기와 각도를 가지며, 여기에서 가공부(A)는 흐름 관통구멍의 유입구에 가장 근접한 가공부이며, 가공부(B)는 유입구로부터 떨어진 가공부(A)에 인접한 가공부인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.

각도(°) 공칭길이(인치) 최대길이(인치) 최소길이(인치) 가공부(A) 35±3 0.017(0.043㎝) 0.039(0.099㎝) 0.012(0.030㎝) 가공부(B) 15±3 0.039(0.099㎝) 0.057(0.145㎝) 0.010(0.025㎝)
제 4 항에 있어서, 상기 가공부들은 흐름 관통구멍의 흐름축에 대해 아래 표의 크기와 각도를 가지며, 여기에서 가공부(A)는 유입구에 가장 근접한 가공부이며, 가공부(B)는 가공부(A)에 인접한 가공부이며, 가공부(C)는 흐름 관통구멍들의 유출구이고 L/T는 가공부 길이를 판 두께로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 원자로용 연료 조립체.

각 도(°)
가공부 비율(L/T) 최대 최소 가공부(A) 2.33 ×
가공부(B)의 각도 0.071 0.020 가공부(B) 15±3 0.104 0.017