KR101474548B1 - 유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 집합체에 있어서, 보호 지지격자와 하단고정체의 결합구조를 개선하여 유체유발 진동을 저감할 수 있는 핵연료 집합체에 관한 것으로, 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉과; 연료봉을 지지하도록 마련되는 다수의 지지격자와; 지지격자와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관과; 안내관의 상단을 지지하게 되는 상단고정체와; 안내관의 하단을 지지하며, 다수의 유로홀이 형성된 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서, 상기 지지격자 중에서 보호 지지격자(100)는 테두리를 구성하는 복수의 외부 격자판(110)과, 이 외부 격자판(110)의 내부에 격자 형태로 배치되어 고정되는 복수의 내부 격자판(120)으로 이루어지되, 내부 격자판(120)의 각 하단부는 상기 하단고정체(200)에 형성된 고정슬롯(220) 내에 삽입되어 고정됨으로써, 보호 지지격자의 격자판 하단부가 하단고정체와 결합에 의해 보호 지지격자를 구속하게 되므로 냉각수에 의한 보호 지지격자의 진동을 억제하여 유체유발 진동에 의한 보호 지지격자의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체{Nuclear fuel assembly having a protective grid to prevent flow-induced vibration}

본 발명은 유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체에 관한 것으로, 핵연료 집합체를 구성하는 보호 지지격자와 하단고정체의 결합구조를 개선하여 유체유발 진동을 저감할 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.

도 1을 참고하면, 일반적으로 핵연료 집합체는 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉(10)과, 이 연료봉(10)의 횡방향으로 마련되어 연료봉을 지지하게 되는 다수의 지지격자(20)와, 이 지지격자(20)와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관(30)과, 안내관(30)의 상하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체(40) 및 하단고정체(50)로 이루어진다.

상단고정체(40)와 하단고정체(50)는 안내관의 상단과 하단을 지지하여 핵연료 집합체가 원자로 내에 안착 위치하도록 하며, 상단고정체(40)는 핵연료 집합체의 하부를 통해 상부를 흐르는 냉각수의 수압에 의해 집합체의 들림이 발생하는 것을 방지하도록 다수의 탄성체에 의해 상단부를 눌려서 고정하는 기능을 한다. 하단고정체(50)는 냉각수가 공급되는 다수의 유로홀이 형성된다.

한편, 핵연료 집합체를 구성하는 연료봉(10)은 대략 200 개 이상으로 이루어지며, 각 연료봉(10)에는 농축된 우라늄이 일정 크기의 펠렛으로 성형되어 장입된다.

지지격자(20)는 핵연료봉(10)의 축방향으로 배치되며, 배치 위치와 기능에 따라서 중간 지지격자, 이물질을 여과하기 위한 보호 지지격자, 냉각수 혼합성능을 향상시키기 위한 혼합 지지격자 등이 있다.

이러한 지지격자는 공통적으로 다수의 판형상의 격자판(strap)이 격자(lattice) 형상을 갖도록 조립되며, 구획된 각각의 격자셀(lattice cell) 내부에는 하나의 연료봉 또는 안내봉이 위치하게 된다.

지지격자와 연료봉의 조립은 단위 격자셀을 구성하는 격자판에 딤플과 스프링이 마련되어 연료봉을 지지하며, 지지격자와 안내관의 조립은 용접에 의해 고정되거나, 또는 슬리브를 매개로 하여 기계적으로 고정될 수 있다.

보호 지지격자(20a)는 연료봉을 지지하는 기능 이외에도 냉각수의 순환과정에서 냉각수와 함께 원자로 내로 유입될 수 있는 이물질(debris)을 여과하기 위한 것으로, 냉각설비 또는 배관설비의 생산, 설치, 또는 수리 과정에서 발생되는 금속입자, 칩(chip), 또는 절삭편(shavings)과 같은 이물질이 하단고정체(50)의 유로홀을 통해 냉각수와 함께 혼입되어 연료봉의 피복관을 손상시키는 것을 방지하는 기능을 한다. 따라서 보호 지지격자는 이물질여과용 지지격자로도 지칭된다.

예를 들어, 본 출원인의 등록특허 제10-0898114호(등록일자: 2009.05.11), 등록특허 제10-0918486호(등록일자: 2009.09.15), 등록특허 제10-0907634호(등록일자: 2009.07.07), 등록특허 제10-0907625호(등록일자: 2009.07.07), 등록특허 제10-0982302호(등록일자: 2010.09.08), 등록특허 제10-0927133호(등록일자: 2009.11.10)에서 보호 지지격자를 개시하고 있다.

이러한 종래의 보호 지지격자는 지지격자에 이물질을 여과할 수 있도록 격자면에서 골곡을 이루며 돌출 형성되어 이물질을 여과할 수 있는 이물질 여과부가 마련되며, 특히 하단고정체(50)의 유로홀을 통과한 이물질의 여과성능을 개선하면서도 유로면적의 감소로 인하여 발생할 수 있는 압력강하를 최소화함을 목적으로 하고 있다.

이러한 종래의 보호 지지격자는 안내관결합부 중 4개소만이 나사결합에 의해 하단고정체에 고정되며, 이때 대부분의 지지격자 셀은 하단고정체의 상부면과 이격되어 위치한다.

예를 들어, 미국 특허공개 제2006/0045231(공개일자: 2006.03.02)은 핵연료 집합체의 보호 지지격자에 관한 것으로, 도 2에 도시된 것과 같이 보호 지지격자(20a)와 하단고정체(50)가 서로 이격된 구조를 보여주고 있다.

다른 예로써, 미국 특허공개 제2011/0216873호(공개일자: 09.08)는 보호 지지격자 부착물에 관한 것으로, 도 3에 도시된 것과 같이, 보호 지지격자(20a) 중에서 안내관(30)과 결합되는 부분만이 엔드 플러그(32)와 안내관 스크류(31)에 의해 하단고정체(50)와 밀착되어 결합되고 나머지 보호 지지격자 셀에 대해서는 하단고정체와 이격된 구조를 갖는다. 도면부호 D는 연료봉을 지지하기 위한 딤플이다.

이와 같이 종래에는 보호 지지격자와 하단고정체가 이격된 구조를 가지며, 따라서 보호 지지격자는 하단고정체의 유로홀을 통과한 냉각수에 의해 진동이 발생하기 쉬운 구조를 갖는다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체에 있어서, 보호 지지격자와 하단고정체의 결합구조를 개선하여 유체유발 진동을 저감할 수 있는 핵연료 집합체를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체는, 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉과; 연료봉을 지지하도록 마련되는 다수의 지지격자와; 지지격자와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관과; 안내관의 상단을 지지하게 되는 상단고정체와; 안내관의 하단을 지지하며, 다수의 유로홀이 형성된 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서, 상기 지지격자 중에서 보호 지지격자는 테두리를 구성하는 복수의 외부 격자판과, 이 외부 격자판의 내부에 격자 형태로 배치되어 고정되는 복수의 내부 격자판으로 이루어지되, 내부 격자판의 각 하단부는 상기 하단고정체에 형성된 고정슬롯 내에 삽입되어 고정됨으로써 달성된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 고정슬롯은 상기 유로홀들의 각 중심을 연결하여 서로 직교하는 종횡방향의 패턴을 가지며 상기 내부 격자판이 삽입 고정되며, 보다 바람직하게는, 상기 내부 격자판은 상기 유로홀과 대응되는 위치에서 인입 형성된 요홈부를 가지며, 더욱 바람직하게는, 상기 요홈부는 하단 폭보다 상단 폭이 좁은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체는 연료봉을 지지하도록 마련되는 다수의 지지격자 중에서 보호 지지격자를 구성하는 격자판의 각 하단부가 하단고정체에 형성된 고정슬롯 내에 삽입되어 고정됨으로써, 보호 지지격자의 격자판 하단부가 하단고정체와 결합에 의해 보호 지지격자를 구속하게 되므로 냉각수에 의한 보호 지지격자의 진동을 억제하여 유체유발 진동에 의한 보호 지지격자의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면,
도 2 및 도 3은 종래기술에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 보호 지지격자와 하단고정체를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 보호 지지격자의 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 보호 지지격자와 하단고정체의 결합구조를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 하단고정체의 바람직한 예를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 핵연료 집합체에 있어서, 격자판의 바람직한 예를 보여주는 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 핵연료 집합체는, 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉과; 연료봉을 지지하도록 마련되는 다수의 지지격자와; 지지격자와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관과; 안내관의 상단을 지지하게 되는 상단고정체와; 안내관의 하단을 지지하며, 다수의 유로홀이 형성된 하단고정체를 포함하며, 이러한 구성은 종래기술과 동일하며, 따라서 종래기술과 중복되는 설명은 생략하고 본 발명의 요부를 중심으로 설명하도록 한다.

도 4를 참고하면 본 발명에 있어서, 지지격자 중에서 상단고정체와 가장 인접하여 배치되는 보호 지지격자(100)는, 보호 지지격자(100)의 테두리를 구성하는 복수의 외부 격자판(110)과, 이 외부 격자판(110)의 내부에 격자 형태로 배치되어 고정되는 복수의 내부 격자판(120)을 포함한다.

외부 격자판(110)은 복수로 구성되어 보호 지지격자의 외곽 테두리를 구성하며, 내부 격자판(120)은 복수로 구성되어 외부 격자판(110)의 내부에 서로 직교하도록 배치되는 수평 격자판(121)과 수직 격자판(122)으로 구성되어 격자 형태를 가지며, 격자판에 의해 구획된 격자셀(101)에는 연료봉이 삽입되어 위치하게 되며, 안내관이 삽입되는 안내관 격자셀(102)이 마련된다.

본 실시예에서 구체적으로 도시하고 있지는 않으나, 각 격자셀에는 연료봉을 지지할 수 있는 주지의 딤플과 스프링이 마련될 수 있으며, 하단고정체의 유로홀을 통해 유입되는 냉각수의 이물질을 여과할 수 있도록 격자판에서 돌출 형성된 다양한 형상의 이물질 여과부가 마련될 수 있음을 이해하여야 한다.

특히 도 5에 예시한 것과 같이, 본 발명에서 보호 지지격자는, 적어도 내부 격자판(120)의 각 하단부는 하단고정체(200)에 형성된 고정슬롯 내에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.

도 6을 참고하면, 하단고정체(200)는 냉각수가 통과하게 되는 다수의 유로홀(210)이 형성되며, 보호 지지격자의 격자판들 하단부가 삽입 고정이 되도록 고정슬롯(220)이 형성된다.

고정슬롯(220)은 유로홀(210)들의 각 중심을 연결하여 서로 직교하는 종횡방향의 패턴을 갖는다.

도 7을 참고하면, 내부 격자판(120)은 유로홀과 대응되는 위치에서 인입 형성된 요홈부(120a)를 가지며, 바람직하게는, 요홈부(120a)는 하단 폭보다 상단 폭이 좁은 사다리꼴과 유사한 형상을 갖는다.

도 5에 도시된 것과 같이, 상술한 것과 같이 구성된 본 발명의 핵연료 집합체는, 내부 격자판(120)의 하단 일부가 하단고정체(200)에 형성된 고정슬롯 내에 끼워 맞춤식으로 삽입되어 고정이 이루어짐으로써, 유로홀(210)을 중심으로 보호 지지격자의 각 하단부가 하단고정체(200)에 의해 구속되어 냉각수에 의한 진동을 억제할 수가 있다.

한편, 유로홀(210) 상부에 위치하게 되는 수평 격자판(121)과 수직 격자판(122)의 교차 접합부는 유체 저항을 저감할 수 있도록 인입 형성된 요홈부가 마련될 수 있다.

본 실시예에서 보호 지지격자 중에서 내부 격자판이 하단고정체에 고정되는 실시예만을 보여주고 있으나, 외부 격자판의 하단부 역시도 하단고정체에 끼워맞춤식으로 고정이 이루어질 수 있음은 자명하게 이해될 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.

10 : 연료봉 20 : 지지격자
30 : 안내관 40 : 상단고정체
50, 200 : 하단고정체 20a, 100 : 보호 지지격자
110 : 외부 격자판 120 : 내부 격자판
120a : 요홈부 121 : 수평 격자판
122 : 수직 격자판 200 : 하단고정체
210 : 유로홀 220 : 고정슬롯

Claims (4)

1. 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉과; 연료봉을 지지하도록 마련되는 다수의 지지격자와; 지지격자와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관과; 안내관의 상단을 지지하게 되는 상단고정체와; 안내관의 하단을 지지하며, 다수의 유로홀이 형성된 하단고정체를 포함하는 핵연료 집합체에 있어서,
   상기 지지격자 중에서 보호 지지격자는 테두리를 구성하는 복수의 외부 격자판과, 이 외부 격자판의 내부에 격자 형태로 배치되어 고정되는 복수의 내부 격자판으로 이루어지되,
   내부 격자판의 각 하단부는 상기 하단고정체에 형성된 고정슬롯 내에 직접 삽입되어 고정되며, 상기 유로홀과 대응되는 위치에서 인입 형성된 요홈부를 갖는 것을 특징으로 하는 유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체.
2. 제1항에 있어서, 상기 고정슬롯은 상기 유로홀들의 각 중심을 연결하여 서로 직교하는 종횡방향의 패턴을 가지며 상기 내부 격자판이 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는 유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 요홈부는 하단 폭보다 상단 폭이 좁은 것을 특징으로 하는 유체유발 진동 저감을 위한 보호 지지격자를 갖는 핵연료 집합체.

Images