KR101673876B1 - 횡방향 진동을 저감하기 위한 코어핀 홀더캡이 구비된 핵연료 집합체용 상단고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 집합체의 횡방향 진동을 저감하기 위한 코어핀 홀더캡 및, 이를 포함하는 핵연료 집합체용 상단고정체에 관한 것으로, 본 발명의 코어핀 홀더캡은, 핵연료 집합체의 상단고정체 상부에 형성되어 코어핀이 삽입되는 정렬홀에 삽입이 이루어지는 것으로서, 상기 정렬홀(122)에 삽입되어 고정되는 헤드부(131)와; 상기 정렬홀(122)에 대해 수직 방향으로 탄성 변형이 가능하게 상기 헤드부(131)에 마련된 탄성부(132);를 포함한다.

Description

횡방향 진동을 저감하기 위한 코어핀 홀더캡이 구비된 핵연료 집합체용 상단고정체{Top nozzle having the core pin holder cap to reduce lateral vibration of a nuclear fuel assembly}

본 발명은 핵연료 집합체의 횡방향 진동을 저감하기 위한 코어핀 홀더캡 및, 이를 포함하는 핵연료 집합체용 상단고정체에 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, 일반적인 핵연료 집합체는 연료봉이 삽입되는 지지격자(1)와, 이 지지격자(1)와 고정되는 다수의 안내관(2)과, 이 안내관(2)의 상단에 체결되는 상단고정체(3)와, 안내관(2)의 하단에 체결되는 하단고정체(4)를 포함하며, 연료봉은 지지격자(1)에 마련된 딤플 및 스프링에 의해 지지된다.

이와 같이 구성된 핵연료 집합체는 원자로 노심에 장전되어 핵반응이 이루어지며, 핵분열에 의해 핵연료봉에서 발생된 열은 원자로 내부로 유입된 냉각수가 하부노심판을 통과하여 핵연료봉을 따라서 상부로 흐르면서 열교환이 이루어진다.

따라서 원자로의 운전 중에 핵연료 집합체는 냉각수의 흐름에 의해 수력들림력(hydraulic uplift force)이 작용하여 부양되거나 진동이 발생할 수 있다. 또한 온도의 상승에 의한 열팽창이나 장시간의 중성자 조사에 의한 핵연료 피복관의 조사성장 및 크립(creep)에 의한 축방향 길이변화가 발생할 수가 있으며, 상단고정체(30)는 이와 같이 축방향의 하중을 지지하여 핵연료 집합체의 기계적, 구조적 안정성을 유지하는 기능을 한다.

일반적으로 핵연료 집합체의 상단고정체는 다수의 탄성체의 조합을 통해 핵연료 집합체에서 축방향으로 발생되는 하중을 지지하는 구조를 가지며, 탄성체로는 판스프링 또는 코일스프링이 이용되고 있다.

예를 들어, 미국 특허번호 제5,213,757호(특허일자: 1993.05.25)는 복수의 판형 누름스프링으로 이루어진 스프링 패키지를 갖는 원자로의 핵연료 집합체에서 스프링 패키지를 상부노즐부에 체결하는 방법을 제시하고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 핵연료 집합체의 상단고정체의 사시도이다.

도 2를 참고하면, 종래기술에 따른 상단고정체는 안내관(미도시)이 하부에 고정되는 체결판(10)과, 체결판(10)의 테두리를 따라서 상방향으로 돌출 형성되는 두름판(20)과, 두름판(20)의 테두리 상부면에 마련되는 다수의 누름스프링 유닛(30)을 포함한다.

두름판(20)은 대각선 방향으로 두 코너에 스프링 클램프(21)가 마련되고 스프링 클램프(21)에 일단이 고정되어 누름스프링 유닛(30)이 조립되며, 나머지 두 대각선 방향의 각 코너에 마련된 슬리브(22)는 정렬홀(22a)이 형성된다.

한편 연료집합체의 상부에 마련되는 상부 코어플레이트는 하부에 코어핀이 마련되며, 코어핀이 정렬홀(22a)에 삽입되어 연료집합체는 상부 코어플레이트와 정렬되어 고정이 이루어진다.

누름스프링 유닛(30)은 다수 개의 판스프링으로 구성되어 냉각수의 순환으로 인해 야기되는 핵연료의 들림 및 횡방향의 진동을 방지하는 역할을 한다.

반면에, 상단고정체에 마련되는 누름스프링 유닛은 누름스프링의 과도한 누름력으로 인하여 핵연료가 휘는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하여 운전 조건에 따라서 적정 누름력이 작용하여 핵연료 집합체의 축방향 운동이나 길이 변화에 대응하여 탄성 지지가 이루어져야 하며, 이에 본 출원인은 등록특허 제10-1072381호(등록일자: 2011.10.05)에서 누름 성능이 개선된 핵연료 집합체 상단고정체용 누름스프링 유닛을 제안하였다.

다른 한편으로 상단고정체에 누름스프링 유닛의 개수를 줄이거나 누름스프링 유닛을 채용하지 않으면서도 들림이 발생하지 않는 차세대형 상단고정체에 대한 설계가 요구되고 있다.

상단고정체에 누름스프링 유닛의 개수를 줄이거나 누름스프링 유닛을 제거하여 들림 발생을 방지하게 되는 경우에는 핵연료집합체의 구조를 단순화하고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 반면에, 누름스프링력 감소 및 부재에 따라 냉각수 유동에 의한 핵연료의 횡방향 진동이 발생하기 때문에 구조적 안정성이 고려되어야만 할 것이다.

등록특허 제10-1072381호(등록일자: 2011.10.05)

미국 특허번호 제5,213,757호(특허일자: 1993.05.25)

본 발명은 누름스프링 유닛의 누름력이 비교적 약한 차세대용 소형모듈원전(small modular reactor)의 핵연료 집합체 또는 누름스프링 유닛이 배제되는 핵연료 집합체에서 횡방향 진동을 저감할 수 있는 코어핀 홀더캡 및 이를 포함하는 핵연료 집합체용 상단고정체를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 코어핀 홀더캡은, 핵연료 집합체의 상단고정체 상부에 형성되어 코어핀이 삽입되는 정렬홀에 삽입이 이루어지는 것으로서, 상기 정렬홀에 삽입되어 고정되는 헤드부와; 상기 정렬홀에 대해 수직 방향으로 탄성 변형이 가능하게 상기 헤드부에 마련된 탄성부;를 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 탄성부는, 상기 헤드부와 일체로 하방으로 연장 형성되어 정렬홀 방향으로 절개 형성된 다수의 탄성편인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 탄성부는, 상기 헤드부에서 연장되어 형성된 원통 형상의 원통형 몸체와; 상기 원통형 몸체의 일부에 내측으로 돌출 형성된 최소한 두 개 이상의 판스프링;을 포함한다.

다음으로 본 발명에 따른 핵연료 집합체용 상단고정체는, 하부에 안내관이 고정되는 체결판과, 체결판의 테두리를 따라서 마련되어 상부 코어플레이트의 코어핀이 삽입되도록 상부에 적어도 두 개 이상의 정렬홀이 형성된 두름판을 포함하는 핵연료 집합체용 상단고정체에 있어서, 상기 정렬홀 각각에는 상기 정렬홀 내에 삽입되어 횡방향으로 상기 코어핀을 탄성 지지하게 되는 홀더캡;을 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 홀더캡은, 상기 정렬홀의 개구부에 형성된 걸림턱에 안착되는 헤드부와; 상기 정렬홀에 대해 수직 방향으로 탄성 변형이 가능하게 상기 헤드부에 마련되는 탄성부;를 포함한다.

본 발명의 코어핀 홀더캡은, 상단고정체의 정렬홀 내에 삽입되어 핵연료 집합체의 상부를 정렬 지지하게 되는 상부 코어플레이트의 코어핀을 탄성 지지함으로써, 핵연료 집합체의 횡방향 진동을 저감시켜 코어핀과 정렬홀 사이의 마찰에 의한 손상을 방지할 수 있으며, 특히 누름스프링 유닛의 누름력이 비교적 약한 차세대용소형모듈원전(small modular reactor)의 핵연료 집합체 또는 상단고정체에 누름스프링 유닛을 배제하고 핵연료의 자중만으로 들림을 방지하기 위한 새로운 개념의 상단고정체에 적용되어 핵연료 집합체의 구조 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체의 정면도,
도 2는 종래기술에 따른 핵연료 집합체의 상단고정체의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 상단고정체의 사시도,
도 4의 (a)(b)(c)는 본 발명의 제1실시예에 따른 상단고정체의 홀더캡을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 홀더캡이 상단고정체에 조립된 상태를 보여주는 단면 구성도,
도 6의 (a)(b)(c)는 본 발명의 제2실시예에 따른 상단고정체의 홀더캡의 다른 실시예를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 상단고정체의 홀더캡이 상단고정체에 조립된 상태를 보여주는 단면 구성도,

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 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 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.

도 3을 참고하면, 본 발명의 핵연료 집합체용 상단고정체는, 하부에 안내관이 고정되는 사각의 체결판(110)과, 체결판(110)의 테두리를 따라서 마련되는 두름판(120)을 포함하며, 두름판(120)의 각 코너에는 슬리브(121)가 마련되어 적어도 두 개 이상의 슬리브에는 정렬홀(122)이 형성된다.

슬리브(121)에 형성된 정렬홀(122)은 핵연료 집합체의 상부에 배치되는 상부 코어플레이트의 코어핀이 삽입되어 핵연료 집합체의 상부를 정렬 지지한다.

특히 본 발명에서 누름스프링 유닛을 배제하고 핵연료의 자중에 의해 들림을 방지하기 위한 상단고정체로써, 핵연료 집합체의 횡방향 진동을 감소하기 위한 수단으로써 코어핀이 삽입되는 정렬홀(122) 내에는 홀더캡이 마련됨을 기술상의 특징으로 한다.

도 4의 (a)(b)(c)는 본 발명의 제1실시예에 따른 상단고정체의 홀더캡을 보여주는 도면으로써, (a)는 사시도이며, (b)는 평면도이며, (c)는 저면도이다.

도 4를 참고하면, 홀더캡(130)은 정렬홀(122)에 삽입되어 개구부에 고정되는 고리 형상의 헤드부(131)와, 정렬홀(122)에 대해 수직 방향으로 탄성 변형이 가능하게 헤드부(131)에 마련된 탄성부를 포함한다.

탄성부는 헤드부(131)와 일체로 하방으로 연장 형성되어 정렬홀 방향으로 절개 형성된 다수의 탄성편(132)에 의해 제공될 수 있으며, 이때 탄성편은 서로 등각(equal angles)을 갖고 배치됨이 바람직할 것이며, 길이 방향으로 안쪽으로 만곡 형성되어 횡방향으로 탄성 변형이 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 홀더캡이 상단고정체에 조립된 상태를 보여주는 단면 구성도이다.

도 5에 예시된 것과 같이, 슬리브(121)에 수직하게 관통하여 형성된 정렬홀(122) 내에는 홀더캡(130)이 삽입되며, 이때 정렬홀(122) 상측 개구단에는 걸림턱(121a)이 형성되고 헤드부(131) 하단이 걸림턱(121a)에 지지된다.

한편 헤드부(131)는 외주면에 나사산이 형성되어 정렬홀과 나사 결합이 이루어질 수도 있으며, 또는 헤드부(131)의 가조립 후에 슬리브와 헤드부의 접촉면 사이에 용접이 이루어질 수도 있다.

홀더캡(130)에 삽입되는 코어핀은 헤드부(131) 하단에 만곡되어 형성된 다수의 탄성편(132)에 의해 탄성 지지되며, 따라서 핵연료 집합체의 상단을 지지하게 되는 코어핀에 대한 핵연료 집합체 상단의 횡방향 진동에 의해 발생할 수 있는 코어핀과 정렬홀 사이의 마찰에 의한 손상을 방지한다.

도 6의 (a)(b)(c)는 본 발명의 제2실시예에 따른 상단고정체의 홀더캡의 다른 실시예를 보여주는 도면으로써, (a)는 사시도이며, (b)는 평면도이며, (c)는 저면도이다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀더캡(230)은 정렬홀(122)에 삽입되어 개구부에 고정되는 헤드부(231)와, 정렬홀(122)에 대해 수직 방향으로 탄성 변형이 가능한 탄성부로써 헤드부(231)에서 연장되어 형성된 원통 형상의 원통형 몸체(232)와; 원통형 몸체(232)의 일부에 내측으로 돌출 형성된 최소한 두 개 이상의 판스프링(233);을 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 상단고정체의 홀더캡이 상단고정체에 조립된 상태를 보여주는 단면 구성도이다.

도 7에 예시된 것과 같이, 다른 실시예에 따른 홀더캡(230)은 정렬홀(122) 상측 개구단의 걸림턱에 헤드부(231) 하단이 지지되어 고정되며, 헤드부(231) 하단에서 연장된 원통 형상의 원통형 몸체(232)에는 등각으로 배치된 다수의 판스프링(233)이 마련되며, 각 판스프링(233)은 원통형 몸체(232) 내측으로 돌출 형성되어 홀더캡(230) 안쪽으로 삽입되는 코어핀을 탄성 지지한다.

한편 헤드부는 정렬홀과 나사 결합이 이루어질 수도 있으며, 헤드부와 슬리브의 접촉면에 대해 용접이 있을 수가 있다.

이와 같이 홀더캡(230)에 삽입되는 코어핀은 판스프링(233)에 의해 탄성 지지가 이루어짐으로서, 핵연료 집합체 상단의 횡방향 진동에 의해 발생할 수 있는 코어핀과 정렬홀 사이의 마찰에 의한 손상을 방지할 수 있다.

본 실시예에서는 누름스프링 유닛이 배제된 상단 고정체를 예시하여 설명하였으나, 이는 상단 고정체에 누름스프링 유닛을 완전히 배제하는 것을 의미하는 것이 아니며, 예를 들어, 3개 미만의 판 스프링으로 구성된 누름스프링 유닛과 같이 누름력이 비교적 약한 차세대용 소형모듈원전(small modular reactor)의 핵연료 집합체에 적용되어 핵연료 집합체의 횡방향 진동의 저감이 이루어질 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.

110 : 체결판 120 : 두름판
121 : 슬리브 121a : 걸림턱
122 : 정렬홀 130, 230 : 홀더캡
131, 231 : 헤드부 132 : 탄성편
232 : 원통형 몸체 233 : 판스프링

Claims (5)

1. 하부에 안내관이 고정되는 체결판과, 체결판의 테두리를 따라서 마련되어 상부 코어플레이트의 코어핀이 삽입되도록 상부에 적어도 두 개 이상의 정렬홀이 형성된 두름판을 포함하는 핵연료 집합체용 상단고정체에 있어서,
   상기 정렬홀 각각에는 상기 정렬홀 내에 삽입되어 횡방향으로 상기 코어핀을 탄성 지지하게 되는 홀더캡;을 포함하며,
   상기 홀더캡은,
   상기 정렬홀의 개구부에 형성된 걸림턱에 안착되어 고정되는 헤드부와;
   상기 정렬홀에 대해 수직 방향으로 탄성 변형이 가능하게 상기 헤드부에 마련되는 탄성부;를 포함하여 상기 체결판 또는 상기 두름판에 부설되어 누름력을 제공하게 되는 별도의 누름스프링 유닛이 배제된 핵연료 집합체용 상단고정체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성부는,
   상기 헤드부와 일체로 하방으로 연장 형성되어 정렬홀 방향으로 절개 형성된 다수의 탄성편인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체용 상단고정체.
4. 제1항에 있어서, 상기 탄성부는,
   상기 헤드부에서 연장되어 형성된 원통 형상의 원통형 몸체와;
   상기 원통형 몸체의 일부에 내측으로 돌출 형성된 최소한 두 개 이상의 판스프링;을 포함하는 핵연료 집합체용 상단고정체.
5. 삭제

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