KR101535357B1 - 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210); 및 상기 축방향으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함하고, 상기 내부 수로용 구멍(200)의 상기 축방향(500)에 나란한 단면에서 상기 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 상기 축방향(500)과 평행하고, 상기 단면의 하단(300)에서부터 상단(400)까지, 상기 폭이(W) 상기 축방향(500)을 따라서 감소한 후 증가하는 것을 특징으로 하는 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체(100)에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면, 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면의 중심선 및 폭을 다양하게 형성함으로써, 이물질에 의해 내부 수로가 막히는 것이 방지되고, 내부 및 외부 수로간 유량 분배를 조절할 수 있다.

Description

이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체{A BOTTOM END PLATE IN A DUAL-COOLED ANNULAR NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}

본 발명은 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유량 분배 및 이물질여과 노즐형 하단고정체에 관한 것이다.

경수로(LWR: Light Water Reactor)의 안전성을 향상하고 동시에 출력증강이 가능하도록 기존 원통형(cylinder type) 핵연료봉과는 다른 설계개념을 갖는 환형(annular type) 핵연료봉 개발이 현재 활발히 진행되고 있다. 기존 원통형 핵연료봉은 1개 지르코늄(Zr) 합금 피복관에 원통형 UO₂ 소결체를 장입하고 피복관의 양단을 원통형 마개로 용접 밀봉한 형태로서, 핵연료봉에서 발생하는 열이 피복관 바깥의 냉각수로 전달되는 구조이다. 반면, 환형 핵연료봉은 형태가 환형으로 온도를 낮추기 위하여 하나의 핵연료봉의 내측과 외측에 냉각수가 동시에 흐르며 냉각시키는 개념으로 이중냉각이 이루어지는 구조이다.

이중냉각 환형 핵연료봉에서, 개방형 외부 수로의 경우 이물질(debris)이 유입되어도 크게 문제가 되지 않으나, 고립형 내부 수로로 이물질이 유입될 경우 내부 수로가 막혀서 핵연료봉의 내부 표면 온도가 급격하게 상승하여 안전에 큰 문제가 될 수 있다.

또한, 이중냉각 환형 핵연료 집합체에서는, 열수력적(thermal-hydraulic) 관점에서 내부 수로와 외부 수로간 유량 분배의 최적화가 이루어져야 할 필요가 있다. 즉, 내부 수로에서 임계 열속(CHF: critical heat flux)에 기인한 핵비등이탈(DNB: Departure from Nucleate Boiling)이 발생하는 것을 방지하기 위해 냉각수 유량을 상대적으로 높게 설정하는 경우, 오히려 외부 수로가 핵비등이탈의 위험에 놓이므로 내·외부 수로의 유량이 적절히 분배되어야 한다.

상기 이물질 유입 문제를 극복하기 위해서 대한민국 특허출원 공개번호 특1992-0018776에는 이물질 유입방지용 이중 복합구멍이 형성된 하단고정체가 개시되어 있다. 그런데, 상기 종래 기술은 원통형 핵연료봉 구조에서 냉각수 흐름 구멍을 크기가 크고 작은 이중의 구멍을 형성하여 이물질의 유입을 방지한 기술로서, 환형 핵연료봉 구조에서 내부 수로와 외부 수로간 냉각수 유로(channel)상의 차이점을 고려한 유량 분배의 최적화를 해결하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 대한민국 특허출원 공개번호 10-2012-0043938에는 종래의 원통형 핵연료봉의 단점을 극복하는 이중냉각 환형 핵연료봉을 제조하되, 조사성장(irradiation growth)에 의해 피복관이 파손될 수 있는 문제점을 극복하기 위해 내측 및 외측 피복관의 금속조직을 서로 다르게 제조하여 조사성장으로 인하여 피복관에 응력이 가해지더라도 길이차이로 인한 파손이 일어나지 않는 발명이 개시되어 있다. 그런데, 상기 종래 기술은 본 발명과 같은 이물질 유입방지 및 내부 수로와 외부 수로간 유량 분배의 최적화에 대한 해결책은 제시하지 못하고 있다.

대한민국 특허출원 공개번호 특1992-0018776 대한민국 특허출원 공개번호 10-2012-0043938

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 내부 수로와 연결되는 하단고정체의 구멍을 다양한 노즐 형태로 제작함으로써 이물질에 의해 내부 수로가 막히는 것이 방지되는 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 하단고정체의 노즐 형태의 구멍 형상을 다양하게 변화시켜 내부 및 외부 수로간 유량 분배를 조절할 수 있는 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210); 및 상기 축방향으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함하고, 상기 내부 수로용 구멍(200)의 상기 축방향(500)에 나란한 단면에서 상기 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 상기 축방향(500)과 평행하고, 상기 단면의 하단(300)에서부터 상단(400)까지, 상기 폭이(W) 상기 축방향(500)을 따라서 감소한 후 증가하는 것을 특징으로 하는 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체(100)를 제공한다.

본 발명은 또한, 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210); 및 상기 축방향(500)으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함하고, 상기 내부 수로용 구멍(200)의 상기 축방향(500)에 나란한 단면에서 상기 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 상기 축방향(500)과 평행하지 않고, 상기 단면의 하단(300)에서부터 상단(400)까지, 상기 폭(W)이 상기 축방향(500)을 따라서 일정 구간 동안 동일한 것을 특징으로 하는 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체(100)를 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면의 중심선 및 폭을 다양하게 형성함으로써, 이물질에 의해 이중냉각 환형 핵연료봉의 내부 수로가 막히는 것이 방지된다.

또한, 본 발명에 따르면, 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면의 중심선 및 폭을 다양하게 형성함으로써, 이중냉각 환형 핵연료봉의 내부 및 외부 수로간 유량 분배를 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면도.

이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

<실시예 1>

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면도이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체(100)는 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210), 및 축방향으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함한다. 여기서 축방향(500)이란 하단고정체의 길이 방향으로서 핵연료봉이 장입되는 방향을 말한다.

여기에서, 내부 수로용 구멍(200)의 축방향(500)에 나란한 단면에서 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 축방향(500)과 평행하다.

또한, 내부 수로용 구멍(200)은, 단면의 하단(300)에서부터 상단(400)까지, 폭(W)이 축방향(500)을 따라서 감소한 후 증가한다. 도 2에서, 하단 폭(W1)은 축방향(500)으로 계속적으로 감소하다가 최소값에 이른 후, 다시 증가하여 상단 폭(W2)은 하단 폭(W1)과 동일한 크기가 됨을 알 수 있다.

도 2에서와 같이, 내부 수로용 구멍(200)을 하단 폭(W1)으로부터 점차적으로 폭(W)이 줄어들도록 형성함으로써, 일단 유입된 이물질 중에서도 핵연료봉에 치명적인 손상을 입힐 수 있는 큰 이물질은 통과하지 못하고, 매우 작은 크기의 이물질들만이 통과할 수 있게 된다. 이들 작은 크기의 이물질들은 핵연료봉 내부 수로안으로 유입되어도, 내부 수로를 상당 부분 막을 정도는 아니므로 핵비등이탈 발생을 방지하여 핵연료봉의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 내부 수로용 구멍(200)의 형상은 냉각수가 하단고정체(100)를 통과할 때 압력 손실이 증가하도록 형성되어 있다. 그 결과, 내부 수로용 구멍(200)으로 냉각수의 과도한 유량을 제어할 수 있다.

<실시예 2>

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면도이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체(100)는 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210), 및 축방향(500)으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함한다.

여기에서, 도 2와는 달리, 내부 수로용 구멍(200)의 축방향(500)에 나란한 단면에서 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 축방향(500)과 평행하지 않음을 알 수 있다.

도 3에서와 같이, 내부 수로용 구멍(200)의 중심선(600)이 축방향(500)과 평행하지 않도록 형성함으로써, 하단고정체로 냉각수와 함께 축방향(500)으로 유입된 이물질이 통로에 걸려 잘 통과하지 못하도록 하는 효과가 있다.

또한, 내부 수로용 구멍(200)은, 단면의 하단(300)에서부터 상단(400)까지, 폭(W)이 축방향(500)을 따라서 전체 구간 동안 동일하도록 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 내부 수로용 구멍(200)의 중심선(600)이 축방향(500)과 일치하지 않으면서도 폭(W)이 단면의 하단(W1)으로부터 단면의 상단(W2)까지 동일하게 형성됨으로써, 이물질은 차단하면서도 지나친 압력 강하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

<실시예 3>

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체의 내부 수로용 구멍의 단면도이다.

도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체(100)는 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210), 및 축방향(500)으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함한다.

여기에서, 도 3에서와 같이, 내부 수로용 구멍(200)의 축방향(500)에 나란한 단면에서 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 축방향(500)과 평행하지 않음을 알 수 있다.

다만, 도 3에서와는 달리, 내부 수로용 구멍(200)은, 단면의 폭(W)이 하단(300)에서부터 감소한 후 일정 구간(R) 동안 동일하고, 그 후 상단(400)까지 증가하도록 형성되어 있다. 즉, 도 4에서는, 도 2에서와 같이, 단면의 하단 폭(W1)에서부터 폭(W)이 점차적으로 줄어드는 구간이 형성되어, 이물질의 통과를 막게 된다. 그 후, 일정 구간(R) 동안 폭(W)이 동일한 크기를 유지함으로써, 하단고정체(100)를 통과하는 냉각수의 지나친 압력 강하도 방지할 수 있다.

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 변형이 가능함은 물론이다.

100: 하단고정체 200: 내부 수로용 구멍
210: 외부 수로용 구멍 300: 하단
400: 상단 500: 축방향
600: 중심선 R: 동일 폭 구간
W: 폭 W1: 하단 폭
W2: 상단 폭

Claims (4)

1. 축방향(500)으로 연장되는 외부 수로용 구멍(210); 및
   상기 축방향으로 연장되는 내부 수로용 구멍(200)을 포함하고,
   상기 내부 수로용 구멍(200)의 상기 축방향(500)에 나란한 단면에서 상기 축방향(500)과 수직한 폭(W)의 중심을 연결한 중심선(600)이 상기 축방향(500)과 평행하고,
   상기 단면의 하단(300)에서부터 상단(400)까지, 상기 폭이(W) 상기 축방향(500)을 따라서 점차 감소한 후 증가하되, 그 상단 폭(W2)이 하단 폭(W1)과 동일한 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중냉각 환형 핵연료 집합체용 하단고정체.
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