KR101271203B1 - 임계열속 성능 및 구조건전성 향상 핵연료집합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임계열속을 개선할 수 있는 핵연료 집합체에 관한 것으로, 연료봉들에 대해 횡방향으로 마련되어 연료봉들이 삽입되는 다수의 지지격자체와, 이 지지격자체에 고정되는 다수의 안내관과, 이 안내관의 상단 및 하단에 각각 체결되는 상단고정체 및 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서, 안내관(100)은 지지격자체들 중 하나의 제1지지격자체(210)의 하부와 조립되는 슬리브(110)와; 상단부가 슬리브(110)의 하단과 조립되고 하단부가 제1지지격자체(210)와 가장 이웃하여 하단에 위치하는 제2지지격자체(220)의 상부와 조립되는 연결튜브(120)가 하나의 유니트를 이루어 안내관 유니트를 구성하되, 슬리브(110) 및 연결튜브(120)의 조립 단부는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 돌기부(111)(121)들이 서로 끼워 맞춤 조립되어, 각 안내관 유니트가 상기 지지격자체들 사이에 조립됨으로써, 핵연료 집합체의 하부에서 상부로 흐르게 되는 냉각수의 난류 유동 섞임을 촉진시켜 핵연료봉에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하여 임계열속(critical heat flux)을 낮출 수 있으며, 또한 조립성 및 구조 안정성을 함께 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

임계열속 성능 및 구조건전성 향상 핵연료집합체 {Nuclear fuel assembly for improving the performance of critical heat flux and the structural integrity}

본 발명은 임계열속 성능향상과 동시에 핵연료집합체 구조적 건전성을 제고 시킬 수 있는 핵연료 집합체에 관한 것으로, 특히 냉각수 난류 유동 섞임을 촉진시켜 핵연료봉에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하여 임계열속(critical heat flux)을 낮출 수 있으며, 또한 조립성 및 구조 안정성을 같이 개선할 수 있는 핵연료 집합체에 관한 것이다.

원자로는 핵분열 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 핵분열에서 발생되는 열에너지를 동력으로 사용하기 위한 장치이다.

원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 펠렛(Pellet)으로 성형된 후에 다수의 펠렛들이 연료봉 내에 장입되어 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들이 핵연료 집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소가 이루어진다.

핵연료 집합체는 연료봉이 삽입되는 지지격자체(10)와, 이 지지격자체(10)와 고정되는 다수의 안내관(20)과, 이 안내관(20)의 상단에 체결되는 상단고정체(30)와, 안내관(20)의 하단에 체결되는 하단고정체(40)를 포함하며, 연료봉은 지지격자체(10)에 마련된 딤플 및 스프링에 의해 지지된다.

이러한 핵연료 집합체는 연료봉 표면의 손상을 방지하고 지지격자체(10) 내의 스프링 손상을 방지하기 위하여 연료봉의 표면에 락커를 도포하여 지지격자체(10)에 삽입한 후에 상단고정체(30)와 하단고정체(40)에 고정되어 제작되며, 완성된 핵연료 집합체는 락커를 제거한 후에 연료봉 사이의 간격, 뒤틀림, 치수 등을 검사하여 핵연료 집합체 제조공정이 완료된다.

도 2는 종래의 지지격자체의 평면도로서, 지지격자체(10)는 일정 간격으로 슬롯이 형성된 얇은 금속 격자판(11)들을 격자 형태로 상호 결합하여 구성되며, 다수의 연료봉이 장입 가능한 격자 형태로 구획된 연료봉 공간부(10a)와 함께 안내관 또는 계측관이 삽입 관통하게 되는 공간부(10b)를 갖는다. 참고로, 이하 설명에서는 안내관에 대한 설명은 계측관을 포함하는 것으로 설명한다.

이러한 지지격자체는 핵연료봉의 길이 방향으로 대략 10개 내지 13개 정도가 배치되어 핵연료봉을 지지하게 되며, 핵연료봉과 나란하게 배열되는 길이가 4m 정도의 안내관이 지지격자체와 체결되어 핵연료 집합체의 골격을 이룬다.

한편 지지격자체(10)에 삽입 관통되는 안내관(20)은 지지격자체(10)와 체결되어 지지격자체(10)의 움직임을 구속하게 되며, 지지격자체(10)와 안내관(20)을 체결하는 수단은 다양하게 제공될 수가 있다.

예를 들어, 지지격자체와 안내관을 직접 용접하여 체결할 수 있으며, 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 지지격자체(10)에는 안내관이 삽입되는 위치에 슬리브(21)가 먼저 장착된 후에 슬리브(21)에 안내관을 끼워 용접 또는 기타 고정용 부재를 이용하거나 소성가공에 의해 안내관 체결이 이루어질 수 있다.

그러나 이러한 종래의 지지격자체와 안내관의 체결방법은 안내관을 직접 용접하거나 지지격자에 조립되는 슬리브를 매개로 하여 안내관을 고정시키고 있으며, 이러한 체결구조는 다음과 같은 문제점을 발생시킬 수가 있다.

안내관(또는 계측관)은 길이가 4m 정도로 길며, 이러한 안내관은 10개 내지 13개 정도의 지지격자체와 각각 결합되어 복잡한 배치구조를 갖게 된다. 따라서 안내관과 계측관을 지지격자체와 용접하여 고정하는 작업은 많은 시간과 인력을 필요로 하며, 용접 공정 이후에도 많은 용접 부위에 대해서 용접 상태에 대한 품질 검사를 필요로 한다.

또한 용접 시에 발생된 고온의 열은 열변형으로 인하여 구조적 불안정성과 용접부 주위의 부식 등으로 인한 구조물의 열화현상 등이 발생하여 핵연료의 건전성과 안전성을 해할 위험이 있다. 또한 단순 튜브 삽입에 의한 지지격자체 고정은 원주 방향으로 지지격자체 구조물이 움직일 수 있으므로 고속의 냉각수 유동으로 인하여 핵연료 집합체 내에서 지지격자체 구조물이 안정적인 위치에 고정되지 않을 수 있다.

다음으로 핵연료 집합체의 핵연료봉에서 핵분열에 의해 발생된 열은 원자로 내부로 유입된 냉각수가 하부노심판을 통과하여 상부로 흐르면서 열교환이 이루어지며, 이때 냉각수가 지나게 되는 지지격자체의 주요 기능 중의 하나는 냉각수가 잘 섞여 열교환의 효율성을 높이는 기능을 가지고 있다.

그러나 지지격자체를 통과하는 냉각수는 그 다음에 위치한 지지격자체까지 이러한 기능이 많이 저하되고 열교환 효율이 약화되어 임계열속 여유도의 저하가 발생한다(도 4 참고).

예를 들어, 등록특허공보 제162151호(등록일자: 1998.08.28)는 핵연료봉에 구조물을 직접 부착하여 핵연료 집합체의 임계열속을 개선하고자 하는 핵연료 집합체 임계열유속 향상용 버턴형 부착물 설치구조를 제안하고 있다.

이와 같이 지지격자체를 통과하는 냉각수의 임계열속에 대한 여유도를 증가시키는 것은 연료집합체에서 매우 중요한 문제이다.

본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 핵연료 집합체를 지나는 냉각수의 난류 유동 섞임을 촉진시켜 핵연료봉에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하여 임계열속을 낮출 수 있으면서도, 또한 조립성 및 구조 안정성을 동시에 개선할 수 있는 핵연료 집합체를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체는, 연료봉들에 대해 횡방향으로 마련되어 연료봉들이 삽입되는 다수의 지지격자체와, 이 지지격자체에 고정되는 다수의 안내관과, 이 안내관의 상단 및 하단에 각각 체결되는 상단고정체 및 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서, 상기 안내관은, 상기 지지격자체들 중 하나의 제1지지격자체의 하부와 조립되는 슬리브와; 상단부가 상기 슬리브의 하단과 조립되고 하단부가 상기 제1지지격자체와 가장 이웃하여 하단에 위치하는 제2지지격자체의 상부와 조립되는 연결튜브가 하나의 유니트를 이루어 안내관 유니트를 구성하되, 상기 슬리브 및 연결튜브의 조립 단부는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 돌기부들이 서로 끼워 맞춤 조립되어, 각 안내관 유니트가 상기 지지격자체들 사이에 조립됨으로써 달성된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 슬리브에 마련되는 제1돌기부는 상방으로 경사면를 갖는 삼각뿔 형상이며, 상기 연결튜브에 마련되는 제2돌기부는 하방으로 경사면를 갖는 삼각뿔 형상으로, 상기 제1돌기부가 상기 제2돌기부 안쪽으로 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 돌기부 또는 상기 제1,2돌기부는 좌우 비대칭인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 각 안내관 유니트를 구성하는 상기 돌기부 또는 상기 제1,2돌기부는 모두가 동일한 방향으로 좌우 비대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 슬리브 상단에는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 고정돌기가 마련되며, 상기 지지격자체는 하측 선단부에 상기 고정돌기와 대응되어 끼워 맞춤되는 요홈돌기가 마련되는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 상기 고정돌기는 하방으로 경사면을 갖는 삼각뿔 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체는 지지격자체들 사이에 슬리브와 연결튜브로 구성된 안내관 유니트가 조립되되, 슬리브와 연결튜브 사이의 조립단부는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 돌기부들이 서로 끼워 맞춤 조립됨으로써, 핵연료 집합체를 지나는 냉각수의 난류 유동 섞임을 촉진시켜 핵연료봉에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하여 임계열속을 낮출 수 있으며, 또한 조립성 및 구조 안정성을 동시에 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면,
도 2는 종래의 격자지지체의 평면도,
도 3은 종래의 핵연료 집합체에서 슬리브가 조립된 지지격자체를 보여주는 도면,
도 4는 일반적인 핵연료 집합체에서 냉각수 흐름에 의한 임계열속 패턴을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 요부구성인 안내관 유니트를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 슬리브의 저면을 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 지지격자체와 안내관 유니트의 조립상태를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명에 따른 핵연료 집합체를 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 참고로 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 안내관은 계측기가 삽입되는 계측관을 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 본 발명에서 핵연료 집합체에서 안내관의 상단과 하단에 각각 체결되어 안내관을 지지하게 되는 상단고정체와 하단고정체는 종래와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하며 본 발명의 요부 구성을 중심으로 설명하도록 한다.

본 발명의 핵연료 집합체는, 연료봉들에 대해 횡방향으로 마련되어 연료봉들이 삽입되는 다수의 지지격자체와, 이 지지격자체에 고정되는 다수의 안내관과, 이 안내관의 상단 및 하단에 각각 체결되는 상단고정체 및 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서, 안내관(100)은 지지격자체들 중 하나의 제1지지격자체(210)의 하부와 조립되는 슬리브(110)와; 상단부가 슬리브(110)의 하단과 조립되고 하단부가 제1지지격자체(210)와 가장 이웃하여 하단에 위치하는 제2지지격자체(220)의 상부와 조립되는 연결튜브(120)가 하나의 유니트를 이루어 안내관 유니트를 구성하되, 슬리브(110) 및 연결튜브(120)의 조립 단부는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 돌기부(111)(121)들이 서로 끼워 맞춤 조립되어, 각 안내관 유니트가 상기 지지격자체들 사이에 조립되는 것을 특징으로 한다.

도 5를 참고하면, 본 발명에서 안내관(100)은 슬리브(110)와 연결튜브(120)로 구성되며, 슬리브(110)와 연결튜브(120) 사이의 조립 단부에는 외주면 바깥으로 돌출 형성된 다수의 돌기부(111)(121)들이 서로 끼워 맞춤되어 조립이 이루어져 하나의 안내관 유니트를 구성한다.

슬리브(110)와 연결튜브(120)는 중공의 튜브이며, 조립 단부에는 각각의 테두리를 따라서 다수의 제1돌기부(111)와 제2돌기부(121)가 마련된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 슬리브(110)에 마련되는 제1돌기부(111)는 상방으로 경사면를 갖는 삼각뿔 형상이며, 연결튜브(120)에 마련되는 제2돌기부(121)는 하방으로 경사면를 갖는 삼각뿔 형상으로, 제1돌기부(111)가 제2돌기부(121) 안쪽으로 삽입되어 슬리브(110)와 연결튜브(120)의 조립이 이루어진다.

슬리브(110)와 연결튜브(120)의 조립단부에 형성되어 서로 끼워 맞춤되는 제1돌기부(111)와 제2돌기부(121)는 슬리브와 연결튜브의 상하방향으로 움직임을 제한하면서도 원주방향의 회전 역시도 제한되어 견고히 조립이 이루어진다.

특히, 슬리브와 연결튜브의 조립단부에서 제1,2돌기부(111)(121)에 의해 외주면 바깥으로 돌출 형성된 구조물은 핵연료 집합체의 하부에서 상부를 따라 흐르게 되는 냉각수의 섞임을 촉진시켜서 임계열속 여유도의 증가에 기여할 수 있다.

또한 슬리브(111)의 제1돌기부(111) 보다는 연결튜브(120)의 제2돌기부(121)가 크게 형성되어 제1돌기부(111)가 제2돌기부(121) 안쪽으로 삽입됨으로써 결과적으로 제2돌기부(121)가 제1돌기부(111)를 덮게 되어 핵연료 집합체 하부에서 상부로 흐르게 되는 냉각수 흐름을 방해하여 발생할 수 있는 압력강하를 최소화할 수 있다.

특히, 본 발명에 있어서 제1,2돌기부(111)(121)는 좌우 비대칭 형상을 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 각 안내관 유니트를 구성하는 제1,2돌기부(111)(121)는 모두가 동일한 방향으로 좌우 비대칭 형상을 갖는다.

도 6을 참고하면, 제1돌기부(111)는 좌우가 비대칭 구조를 갖되, 제1돌기부(111) 모두가 반시계 방향으로 형성된 예를 보여주고 있다.

이와 같이 제1,2돌기부(111)(121)가 좌우 비대칭이면서 특정한 방향성을 갖도록 함으로써 핵연료 집합체 하부에서 상부로 흐르는 냉각수가 효과적으로 섞임이 이루어지도록 유도할 수 있다.

다음으로 도 7은 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 지지격자체와 안내관 유니트의 조립상태를 보여주는 도면으로, 슬리브(110) 상단에는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 고정돌기(112)가 마련되며, 제1지지격자체(210)는 하측 선단부에 고정돌기(112)와 대응되어 끼워 맞춤되는 요홈돌기(211)(212)가 마련된다.

슬리브(110)의 상단 개구부는 지지격자체(210)의 하단부에 맞닿아서 위치하게 되며, 고정돌기(112)는 요홈돌기(211)(212) 사이에 위치하여 슬리브(110)와 지지격자체(210)는 상하방향과 원주방향에 대해서 견고히 고정될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 연결튜브의 하단 역시도 고정돌기가 마련되며, 이 연결튜브와 조립되는 지지격자체의 상측 선단부에 고정돌기와 대응되어 끼워 맞춤되는 요홈돌기를 마련하여 연결튜브 하단과 지지격자체를 서로 조립할 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 슬리브(110) 상단에 마련되는 고정돌기(112)는 하방으로 경사면을 갖는 삼각뿔 형상을 가지며, 따라서 핵연료 집합체 하부에서 상부로 흐르게 되는 냉각수 흐름을 방해하지 않도록 하여 슬리브와 지지격자체의 조립단부에서의 냉각수 압력강하를 최소화할 수가 있다.

도 8은 본 발명에 따른 핵연료 집합체를 보여주는 도면으로, 본 발명의 핵연료 집합체는 제1,2돌기부(111)(121)를 매개로 조립된 슬리브(110)와 연결튜브(120)로 구성된 안내관 유니트(100a)가 지지격자체(210)(220) 사이마다 마련되어 전체적으로 핵연료 집합체의 안내관으로 기능하며, 안내관의 상하단에 각각 체결되는 상단고정체 및 하단고정체에 의해 고정 지지되어 핵연료 집합체를 구성할 수가 있다.

이와 같이, 지지격자체들 사이에 슬리브와 연결튜브로 구성된 안내관 유니트가 조립되되, 슬리브와 연결튜브 사이의 조립단부에 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 다수의 돌기부들이 서로 끼워 맞춤 조립됨으로써, 핵연료 집합체의 하부에서 상부로 흐르는 냉각수는 다수의 돌기부들에 의해 난류 유동 섞임이 촉진되어 핵연료봉에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하여 임계열속을 낮출 수 있으며, 또한 종래의 핵연료 집합체 제작 시에 요구되었던 다수의 용접 공정을 필요로 하지 않음으로써 조립성를 개선할 수 있으며 구조 안정성을 개선할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100 : 안내관 110 : 슬리브
111 : 제1돌기부 120 : 연결튜브
121 : 제2돌기부 210 : 제1지지격자체
220 : 제2지지격자체

Claims (6)

1. 연료봉들에 대해 횡방향으로 마련되어 연료봉들이 삽입되는 다수의 지지격자체와, 이 지지격자체에 고정되는 다수의 안내관과, 이 안내관의 상단 및 하단에 각각 체결되는 상단고정체 및 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서,
   상기 안내관은,
   상기 지지격자체들 중 하나의 제1지지격자체의 하부와 조립되는 슬리브와;
   상단부가 상기 슬리브의 하단과 조립되고 하단부가 상기 제1지지격자체와 가장 이웃하여 하단에 위치하는 제2지지격자체의 상부와 조립되는 연결튜브가 하나의 유니트를 이루어 안내관 유니트를 구성하되,
   상기 슬리브 및 연결튜브의 조립 단부는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 돌기부들이 서로 끼워 맞춤 조립되어, 각 안내관 유니트가 상기 지지격자체들 사이에 조립되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
2. 제1항에 있어서, 상기 슬리브에 마련되는 제1돌기부는 상방으로 경사면를 갖는 삼각뿔 형상이며, 상기 연결튜브에 마련되는 제2돌기부는 하방으로 경사면를 갖는 삼각뿔 형상으로, 상기 제1돌기부가 상기 제2돌기부 안쪽으로 삽입되어 상기 슬리브가 상기 연결튜브에 고정되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
3. 제1항에 있어서, 상기 돌기부는 좌우 비대칭인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
4. 제1항에 있어서, 각 안내관 유니트를 구성하는 상기 돌기부는 모두가 동일한 방향으로 좌우 비대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
5. 제1항에 있어서, 상기 슬리브의 상단에는 외주면 바깥으로 돌출 형성되는 최소한 두 개 이상의 고정돌기가 마련되며, 상기 지지격자체는 하측 선단부에 상기 고정돌기와 대응되어 끼워 맞춤되는 요홈돌기가 마련되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
6. 제5항에 있어서, 상기 고정돌기는 하방으로 경사면을 갖는 삼각뿔 형상인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.

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