KR101141295B1 - 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 원자력 연료봉은 피복관의 외주면을 따라 90도 간격으로 배치된 4개의 방사형 및 부착형 판 지지구조체 모음이 연료봉의 길이방향으로 다 수개 배열되어, 협소하게 배열되는 원자력 연료 내부에서 이웃하는 연료봉과 연료봉이 만나는 물리적인 위험을 방지하고, 노 내 운전 중 원자력 연료의 유체유발 진동에 의하여 연료 피복관의 외주면에 발생되는 기계적인 손상(프레팅 마멸손상)을 억제시켜, 원자력 연료의 안정성과 성능을 극대화시키는 효과를 갖는 원자력 연료 피복관의 부착물 및 지지구조에 관한 것이다.

Description

부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉{Nuclear fuel rod having support structure}

본 발명은 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉으로서, 피복관의 외주면에 90도 간격으로 다수의(4개) 부착형 판 지지구조체를 구비하여, 협소한 연료봉 간 간극에서도 이웃하는 연료봉과 연료봉이 만나는 물리적인 위험을 방지하고, 노 내 운전 중 원자력 연료의 유체유발 진동에 의하여 연료 피복관의 외주면에 장기간 동안 누적?발생되는 기계적인 손상(프레팅 마멸손상)을 억제시켜, 원자력 연료의 안정성과 성능을 극대화시키는 효과를 갖는 피복관 부착물 및 지지구조에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체의 단면을 개략적으로 나타내는 평단면도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 일부를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 일부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 5는 종래 기술에 따른 원자력연료봉을 지지하는 지지격자체의 단위 격자판을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 핵연료집합체(10)는 원자력연료봉(11)과 안내관(14)과 지지격자체(15)와 상단 고정체(12) 및 하단 고정체(13)로 구성된다.

여기서, 상기 원자력연료봉(11)은 지르코늄 합금 피복관 내부에 실린더 형상의 우라늄 소결체가 포함되고, 이러한 우라늄 소결체의 핵분열 반응에 의하여 고온의 열이 발생된다.

한편, 상기 안내관(14)은 원자로 노심의 출력을 조절하고 핵분열 반응을 정지시키기 위하여 상?하로 움직이는 제어봉의 통로로 이용되며, 상기 지지격자체(15)는 핵연료집합체의 구성부품 중 하나로 지지격자체(15)의 각 격자에 있는 스프링(17) 및 딤플(18)이 원자력연료봉(11)을 정해진 위치에 배열되도록 지지하는 기능을 가지고 있다.

상단 고정체(12)와 하단 고정체(13)는 노심 상?하부 구조물에 핵연료집합체(10)를 고정 및 지지하는 역할을 담당하며, 하단 고정체(13)에는 노심 내부를 부유하는 이물질을 여과하기 위한 여과장치(미도시)를 포함한다.

그리고, 상기 지지격자체(15)는 통상 지르코늄 합금으로 이루어지며, 원자력연료봉(11)들을 지지하는 원자력연료봉셀과 안내관(14)이 삽입되는 안내관셀들이 있으며, 원자력연료봉셀은 통상적으로 두 면에서 각 1개씩 총 2개의 격자 스프링(17)과 상기 스프링들의 상?하측에 위치하되, 나머지 두 면에서 각 2개 씩 총 4개의 딤플(18)로 총 6개 지지점에서 원자력연료봉(11)을 지지하고 있다.

또한, 상기 원자력연료봉(11) 내부에는 실린더 형상의 이산화 우라늄 소결체가 장입되며, 냉각수는 4개의 원자력연료봉(11)으로 둘러졌거나, 3개의 원자력연료봉(11)과 1개의 안내관(14)으로 둘러싸인 부수로(sub channel, 16)를 통하여 축방향으로 노심 하부에서 상부로 빠르게 유동한다. 여기서, 부수로(16)는 원자력연료봉(11)들로 둘러싸인 공간을 지칭하는 것으로 측면이 개방되어 있어서 유체가 자유로이 이웃된 유로로 이동할 수 있는 통로를 말한다.

한편, 제한된 공간에 위치한 격자 스프링(17)의 스프링력, 다시 말하면 스프링 상수가 너무 작을 경우에는, 원자력연료봉(11)을 정해진 위치로 지지할 수 없어 원자력연료봉(11)의 지지 건전성이 상실될 가능성이 있다.

이와 반대로, 격자 스프링(17)의 스프링력이 너무 클 경우에는, 원자력연료봉(11)을 지지격자체(15)로 삽입할 때 과도한 마찰 저항력으로 인하여 원자력연료봉(11)의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생할 수 있고, 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 원자력연료봉(11)의 길이방향 성장 및 열팽창 등을 적절히 수용할 수 없어서 원자력연료봉(11)이 휘게 되는, 즉 원자력연료봉(11)의 휨 현상(Bowing)을 유발시킬 수 있다.

원자력연료봉(11)이 휘게 되면 인접한 원자력연료봉들과 근접하거나 접촉하게 되어 원자력연료봉 사이의 냉각수 유로, 즉 부수로(16)를 좁게 하거나 차단하게 되고, 이것은 핵연료에서 발생한 열을 효과적으로 냉각수로 전달하지 못하기 때문에 국부적으로 원자력연료봉의 온도가 높아지는 현상을 초래하게 되어, 핵연료의 출력을 감소시키는 주원인이 되는 핵비등 이탈(Departure from Nuclear Boiling, DNB)의 발생가능성이 높아진다.

또한, 원자력연료봉(11) 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름은, 열적 성능의 제고를 위하여 원자력연료봉(11) 주변의 냉각수 흐름에 큰 난류유동(Turbulent Flow) 즉, 높은 레이놀드 수(Reynolds number)의 유동을 만드는 것이 보편적으로 알려져 있는데, 원자력연료봉 주변 냉각수 흐름의 난류화는 원자력연료봉의 유동기인진동(Flow Induced Vibration)을 일으키는 주원인이 된다.

이러한 원자력연료봉의 유동기인진동은 원자력연료봉(11)이 지지격자체(15)의 스프링 구조물과의 접촉면에서 미끄러지는 상대운동을 발생시키는 요인이 되며, 이로 인해 원자력연료봉과 스프링 구조물의 접촉면에 국부적인 마멸이 발생하여 원자력연료봉이 점진적으로 손상되는 원자력연료봉의 프레팅 마모 손상을 초래하게 된다.

다시 말해, 원자력연료봉의 피복관은 두께가 얇은 지르코늄 합금으로, 내부에는 핵분열 물질인 이산화우라늄과 불활성 가스로 압입?충진되며, 외부에서 지지격자체의 스프링과 딤플의 접촉력에 의해서 다점 지지된다. 운전중 노심 내부의 고속 냉각재 유동에 의한 핵연료의 유동유발진동은 핵연료의 수명기간 동안 지속적으로 발생되며, 이로 인하여 원자력연료봉의 지지점에는 상대운동에 따른 프레팅 마멸이 발생된다. 이러한 마멸이 심화되어 피복관이 천공되는 경우, 원자력연료봉 내부의 핵분열 생성물이 원자력발전소의 1차 냉각 계통을 오염시키는 사고가 발생하며, 이에 따라 발전소를 정지시키거나 막대한 수리비용 등이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 기존 핵연료의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 연료봉의 외주면에 기 부착형 판 지지구조체를 구비시켜, 연료 수명기간 동안 이웃하는 봉과의 물리적인 접촉이나, 피복관의 프레팅 마멸손상을 억제시켜, 원자력 연료의 안정성과 성능을 극대화시키는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력연료봉은, 원통형 원자력연료봉 본체; 및 상기 원자력연료봉 본체의 외주면에 구성되는 지지구조체;를 포함한다.

이때, 상기 지지구조체는, 상기 원자력연료봉 본체의 길이방향을 따라 일정간격으로 형성되며, 상기 원자력연료봉 본체의 외주면을 따라 이격되어 복수 개가 구성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 지지구조체는, 상기 원자력연료봉 본체에 부착된 두 개의 이음부; 상기 두 개의 이음부로부터 각각 연장되어 상기 원자력연료봉 본체로부터 방사상으로 배치된 두 개의 레그부; 및 상기 두 개의 레그부로부터 각각 연장되어 연결되며, 연이어 배치되는 다른 원자력연료봉 본체의 지지구조체와 접하여 지지하는 지지부;를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 지지구조체는 상기 원자력연료봉 본체의 외주면을 따라 동일간격 이격되어 네 개가 구성되며, 상기 지지부는 직각을 이루는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지구조체는, 상기 원자력연료봉 본체의 외주면을 형성하는 피복관과 동일한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 부착형 지지구조체를 갖는 원자력 연료봉은, 피복관의 외주면에 지지부와 접촉면을 갖는 판 상의 지지구조체를 기부착하고, 이웃하는 연료봉의 지지구조체 지지면과 맞물려 서로 지지함에 따라, 원자력 연료의 수명동안 이웃하는 연료봉 간의 물리적인 접촉이 발생되지 않으며, 상용 핵연료의 제1 손상원인 중에 하나인 연료 피복관의 프레팅 마멸손상 발생을 근본적으로 억제시키는 효과를 갖는다. 아울러, 원통형 쉘 구조를 갖는 피복관 외주면에 부착된 지지구조체가 부가적인 리브(뼈대)로서의 기능을 수행하기 때문에, 연료봉의 횡방향 강성이 비약적으로 증대될 것으로 기대되며, 나아가 원자력 연료봉이 활용되는 과정에 있어서 안전성과 성능을 획기적으로 높이는 효과를 가진다.

도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체의 단면을 개략적으로 나타내는 평단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 일부를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 일부를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 원자력연료봉을 지지하는 지지격자체의 단위격자판을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉을 나타낸 평면도이다.
도 8은 도 6의 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉이 복수개 배치되어 서로 결합된 것을 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉을 나타낸 평면도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉을 나타낸 사시도이고, 도 7은 도 6의 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉을 나타낸 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 원통형 원자력연료봉 본체(120), 상기 원자력연료봉 본체(120)의 외주면에 구성되는 지지구조체(140)를 포함한다.

상기 지지구조체(140)는 원자력연료봉 본체(120)의 지지부에서 발생하는 피복관 마멸손상을 억제하도록, 연료봉 본체(120)의 외주면에 기부착형으로 구성된다.

즉, 원자력연료봉 본체(120)가 이웃하는 원자력연료봉 본체와 협소한 간격으로 연이어 배치됨에 따라, 원자력연료봉(100)의 외면을 형성하는 피복관이 이웃하는 원자력연료봉과 물리적으로 접촉하여 냉각재 유동을 방해하거나 차단하는 것으로 방지하기 위해서 외주면에 지지구조체(140)가 부착되어 설치된다.

이와 같은 지지구조체(140)는, 원자력연료봉 본체(120)의 길이방향을 따라 일정간견으로 다수 개가 형성된다.

아울러, 지지구조체(140)는 원자력연료봉 본체(120)의 외주면을 따라 이격되어 복수 개가 구성된다.

즉, 지지구조체(140)는 원자력연료봉 본체(120)의 길이방향에 대해 수직방향으로 동일한 정렬상태로 복수 개가 마련된다.

상기와 같이 구성되는 지지구조체(140)는, 두 개의 이음부(142), 상기 이음부(142)로부터 각각 연장된 레그부(144), 상기 레그부(144)로부터 각각 연장된 지지부(146)로 나뉘어 구성된다.

이때, 상기 이음부(142)는 원자력연료봉 본체(120)에 부착되며, 하나의 지지구조체(140)에 두 개가 구비된다.

또한, 상기 레그부(144)는 두 개의 이음부(142)로부터 외측으로 각각 연장되도록 형성된다. 즉, 두 개의 레그부(144)는 원자력연료봉 본체(120)로부터 방사상으로 배치되며, 바람직하게, 서로에 대한 방향으로 일정각도 기울인 구조를 지닌다.

상기 지지부(146)는 두 개의 레그부(144)로부터 외측으로 각각 연장되어 연결되는 형상을 취한다. 즉, 지지부(146)는 각각의 레그부(144)로부터 외측으로 연장되면서 상기 두 개의 레그부(144)보다 더 서로에 대한 방향을 향하도록 하는 기울임을 가지면서, 일정지점에서 서로 연결된다.

이와 같은 지지부(146)는 이웃하는 다른 세 개의 원자력연료봉의 지지구조체의 지지부와 서로 접하여 상호지지된다.

그리고, 상기 지지구조체(140)는 원자력연료봉 본체(120)의 길이방향 특정위치에서, 외주면을 따라 90도 간격으로 이격되어 네 개가 구성되되, 연료봉 피복관(120)의 길이방향으로는 다수의 조합으로 구성된다.

네 개의 지지구조체(140)를 가진 원자력연료봉(100)이, 이와 같은 구성을 지닌 다른 원자력연료봉(100)과 연이어 배치되어 각각의 원자력연료봉(100) 지지부(146)가 서로 지지하게 되는데, 여기에서 지지부(146)의 일면이 다른 지지부의 일면과 전체적으로 면접촉됨에 따라 안정된 구조를 취할 수 있다.

한편, 상기 지지구조체(140)의 재질은 상기 원자력연료봉 본체(120)의 외주면을 형성하는 피복관과 동일한 재질로 구성되어, 가용접성을 갖고 중성자 경제성 측면에서도 유리하도록 한다.

아울러, 지지구조체(140)의 길이는 원자력연료봉 본체(120)의 조사성장과 지지부위의 이동 등을 고려하여 적정한 길이로 구성되는 것이 바람직하다.

도 8은 도 6의 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉이 복수개 배치되어 서로 결합된 원자력연료봉 조립체를 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 8의 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉 조립체를 나타낸 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 원자력연료봉 조립체(200)는, 원통형 원자력연료봉 본체(120)와, 상기 원자력연료봉 본체(120)의 외주면에 구성되는 지지구조체(140)를 포함하는 원자력연료봉(100)이 복수 개 서로 연이어 배치되어 각각의 상기 원자력연료봉(100)의 지지구조체(140)가 서로 지지되며, 상기 지지구조체(140)에서 서로 접하는 부위가 고정 및 부가적인 결합기를 이용하여 연결된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉(100)과 원자력연료봉 조립체(200)는, 원자력연료봉 외주면을 이루는 피복관의 지지부위에 기계적인 마멸을 근본적으로 억제시키는 지지구조체(140)를 부착 구비함에 따라, 원자력연료봉(100)이 활용되는 수명기간 동안 마멸은 지지구조체(140)의 지지부(146)에서만 발생되고 원자력연료봉(100)의 외주면인 피복관에서는 일어나지 않는다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

100 : 원자력연료봉 120 : 원자력연료봉 본체
140 : 지지구조체 142 : 이음부
144 : 레그부 146 : 지지부
200 : 원자력연료봉 조립체

Claims (5)

1. 원통형 원자력연료봉 본체; 및 상기 원자력연료봉 본체의 외주면에 구성되는 지지구조체;를 포함하며,
   상기 지지구조체는, 상기 원자력연료봉 본체의 길이방향을 따라 일정간격으로 형성되며, 상기 원자력연료봉 본체의 외주면을 따라 이격되어 복수 개가 구성되며,
   상기 지지구조체는, 상기 원자력연료봉 본체에 부착된 두 개의 이음부; 상기 두 개의 이음부로부터 각각 연장되어 상기 원자력연료봉 본체로부터 방사상으로 배치된 두 개의 레그부; 및 상기 두 개의 레그부로부터 각각 연장되어 연결되며, 연이어 배치되는 다른 원자력연료봉 본체의 지지구조체와 접하여 지지하는 지지부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 지지구조체는 상기 원자력연료봉 본체의 외주면을 따라 동일간격 이격되어 네 개가 구성되며, 상기 지지부는 직각을 이루는 것을 특징으로 하는 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉.
   
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 지지구조체는, 상기 원자력연료봉 본체의 외주면을 형성하는 피복관과 동일한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 부착형 지지구조체를 갖는 원자력연료봉.
   

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