KR101704823B1 - 연료조립체 적재공정 동안 연료봉에의 윤활제 도포방법 - Google Patents

연료조립체 적재공정 동안 연료봉에의 윤활제 도포방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적으로 원자로에 대한 것이며, 보다 상세하게는 지지 그리드들을 사용하는 연료 조립체들을 가지는 원자로들에 대한 것이다. 핵 연료 조립체의 연료봉과 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 연료 조립체 제조 동안 연료봉의 외면에 윤활제 조성물을 도포하고 그 후에 윤활제 조성물을 제거하는 것을 포함한다.

Description

연료조립체 적재공정 동안 연료봉에의 윤활제 도포방법{PROCESS FOR APPLICATION OF LUBRICANT TO FUEL ROD DURING FUEL ASSEMBLY LOADING PROCESS}
본 발명은 일반적으로 원자로에 대한 것으로서, 특히 지지 그리드들을 사용하는 연료 조립체를 구비한 원자로에 대한 것이다.
대부분의 수냉 원자로에서 원자로 코아는 많은 수의 긴 연료 조립체들을 포함한다. 가압수 원자로에서, 이들 연료 조립체들은 통상 연료 조립체 길이를 따라 축방향으로 이격되고 복수의 긴 딤블 튜브들이 장착된 복수의 지지 그리드들에 의해 조직된 어레이로 유지되는 복수의 연료봉들을 포함한다. 딤블 튜브들은 통상 제어봉들 또는 내부 장착품들을 수용한다. 상부 및 바닥 노즐들은 연료 조립체의 대향 단부들에 있으며 연료봉들의 단부들 다소 위와 아래로 연장하는 딤블 튜브들의 단부들에 고정된다.
관련 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, 그리드들은 간격을 정밀하게 유지하고 원자로 코아의 연료봉들 사이를 지지하기 위하여 사용되며 연료봉들을 위한 측방향 지지를 제공하며 냉각제의 혼합을 초래한다. 종래의 그리드 구조의 통상적인 일 형태는, 복수의 거친 연료봉들을 내부에 개별적으로 수용하는 복수의 거친 사각 셀들을 가지는 겨란 꾸러미 구조를 형성하는 복수의 서로 엮인 복수의 사이에 끼워진 스트랩들을 포함한다. 딤블 튜브들의 구조에 따라, 딤블 튜브들은 연료봉들을 내부에 수용하는 것들과 동일한 크기를 가지는 셀들에 수용되거나 또는 서로 엮인 스트랩들에 형성된 비교적 큰 딤블 셀들을 포함할 수 있다. 서로 엮인 스트랩들은 딤블 튜브에 장착점들을 제공하며, 이로써 연료 조립체의 길이를 따라 이격된 위치들에 위치되게 할 수 있다.
연료봉 적재 공정 동안 봉과 그리드 사이의 물리적인 접촉이나 역동적인 마찰이 감소되거나 제거되도록 보조하기 위하여 열성적인 노력이 경주된다. 연료봉 제조는 연료봉과 그리드의 봉지지 특성 사이의 계면에서 골-볼(gall-ball) 형성을 보였다. 적절한 흐름 조건들과 사이클 길이가 주어졌을 때, 이들 계면들에서의 큰 골-볼들의 존재는 연료봉과 연료봉 지지 시스템 사이의 갭들의 형성에 기여할 수 있었다. 예컨대, 큰 갭들의 형성은 증가된 비율의 그리드-봉의 침식(fretting)과 연료봉의 손상을 초래할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 원자로에서 골-볼들의 존재는 연료봉들에의 더 깊은 마모 흔적들을 발생함이 관찰되었다.
따라서, 연료봉 적재 및 조립 공정 동안의 골-볼들의 크기 및 양을 감소시키거나 최소화하는 수단이: (ⅰ)핵연료 조립체의 그리드 공간 내의 골-볼들의 존재로부터 발생하는 그리드-봉의 침식의 위험을 감소시키고 및/또는 (ⅱ) 상당한 흐름 힘 및 부스러기의 순환에 의해 초래되는 연료 조립체 손상 및 다른 원자로 내부 손상을 가능한 감소시키기 위해 원자로 냉각제 내의 부스러기 양을 감소시키기 위하여 바람직하다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 핵연료 조립체의 연료봉 조립 동안 연료봉과 ㅈ지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 연료봉의 외면에 윤활 조성물의 막을 도포하는 것을 포함한다. 윤활 조성물은 폴리알킬렌 글리콜을 포함한다. 연료봉은 지르코니움을 포함하며, 지지 그리드는 지르코니움 합금, 인코넬(Inconel®) 합금, 및 그 혼합물을 포함한다. 이 방법은 또한 핵연료 조립체의 지지 그리드에 상기 막이 위에 도포된 연료봉을 적재하는 것을 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료봉 표면의 큰 골-볼들을 수동으로 제거하고 및/또는 연료 사이클 성능을 향상시키기 위한 그리드-봉의 침식 위험을 감소시키기 위해 시간 및 노력이 필요한 공정들을 제거할 수 있다.
첨부도면들과 관련하여 설명되는 바람직한 실시예들의 이하의 설명으로부터 더욱 바람직한 본 발명의 이해가 달성될 수 있는 데, 여기에서:
도 1은 명확성을 위하여 일부가 절단되고 수직으로 단축된 형태로 도시되는 본 발명의 바람직한 실시예를 구성하는 연료 조립체의 부분적으로 단면인 정면도이다.
도면을 참조하면, 일반적으로 도면 부호(22)으로 표시된 연료 조립체의 수직으로 단축된 형태의 정면도가 도시된다. 연료 조립체(22)는 가압수 원자로에 사용되는 형태로서 하단부에 바닥 노즐(58)을 포함하는 구조상 프레임을 가진다. 바닥 노즐(58)은 원자로의 코아 영역에서 하부코아 지지판(60) 위에 연료 조립체(22)를 지지한다. 바닥 노즐(58) 외에, 연료 조립체(22)의 구조상 프레임은 상단부에 상부 노즐(62)과 바닥노즐과 상부 노즐(58, 62) 사이에 길이방향으로 연장하고 반대 단부들이 거기에 견고하게 부착된 복수의 가이드 튜브 또는 딤블(54)을 포함한다.
연료 조립체(22)는 또한 그리드(64)에 의해 가로로 이격되고 지지되는 긴 연료봉(66)들의 일정한 어레이와 가이드 딤블(54)(가이드 튜브라고도 함)에 장착되고 이를 따라 축방향으로 이격되는 복수의 가로 그리드(64)를 포함한다. 도 1에 도시되지 않았지만, 그리드(64)는, 통상 연료봉(66)들이 서로 가로로 이격된 관계로 관통하여 지지되는 거의 사각형 지지셀들을 형성하는 네 스트랩들이 인접하여 계면을 이루는 겨란 꾸러미 패턴으로 삽입된 직교하는 스트랩들로 형성된다. 또한, 조립체(22)는 바닥노즐과 상부노즐(58, 62) 사이로 연장하고 장착되는 중심에 위치된 장착 튜브(68)를 가진다. 이러한 부품 배열로서 연료 조립체(22)는 부품들의 조립을 손상시키지 않고 효과적으로 취급될 수 있는 일체 유닛을 형성한다.
상기 설명한 바와 같이, 조립체(22)의 어레이의 연료봉(66)들은 연료 조립체의 길이를 따라 이격된 그리드(64)들에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(66)은 복수의 핵 연료펠릿(70)을 포함하며 상부 및 하부 단부 플러그(72, 74)들에 의해 반대 단부들에서 근접된다. 펠릿(70)들은 상단부 플러그(72)와 펠릿 스택의 상부 사이에 배치된 플리넘 스프링(76)에 의해 스택으로 유지된다. 분열재로 이루어진 연료 펠릿(70)은 원자로의 반응 파워를 생성한다. 펠릿들을 에워싸는 클래딩은 분열 부산물들이 냉각제에 유입하여 원자로 시스템을 오염시키는 것을 방지하도록 작용한다.
분열 프로세스를 제어하기 위하여, 많은 제어봉(78)들이 연료 조립체(22)의 정해진 위치에 위치된 가이드 딤블(54)들 내에 왕복이동가능하게 설치된다. 특히, 상부 노즐(62) 위에 위치된 봉 클러스터 제어메카니즘(80)은 제어봉(78)들을 지지한다. 제어메카니즘은 복수의 반경방향으로 연장하는 플루크 또는 아암(52)들을 가진 내부 나사형 원통형 허브부재(82)를 가진다. 제어봉 메카니즘(80)이 가이드 딤블(54)에서 수직으로 제어봉들을 이동시켜, 잘 알려진 방식으로 제어봉 허브(80)에 결합되는 제어봉 드라이브 샤프트(50)의 구동력 하에서 연료 조립체(22)에서의 분열 프로세스를 제어하기 위하여 작동하도록 각 아암(52)은 제어봉(78)들에 상호 연결된다.
이미 설명한 바와 같이, 연료 조립체들은 연료봉들의 중량을 초과하는 수력학적 압력을 받으며, 따라서, 연료봉들 및 연료 조립체들에 상당한 힘을 가한다. 또한, 연료봉 클래딩으로부터 냉각제로의 열 전달을 증진하며, 많은 그리드들의 스트랩들 상면 위의 혼합 베인에 의해 유발되는 냉각제의 상당한 와류가 존재한다. 상당량의 흐름 힘 및 와류는 연료봉들의 운동이 억제되지 않으면, 연료봉 클래딩의 심각한 침식이 연료봉들 내에서 방사성 부산물들에 냉각제를 노출시킬 수 있다.
본 발명은 원자로에 사용되는 핵연료의 제조를 위한 연료 조립체 제조 동안 연료봉과 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 원자로용 연료 조립체의 제조에 사용하는 연료봉 외면에 윤활제 조성물의 박막을 도포하는 것을 포함한다. 이 윤활제 조성물은 구조 프레임에 연료봉을 적재하기 앞서 연료봉에 도포될 수 있다. 실시예에서, 윤활제 조성물은 매거진으로부터 인출되어 조립 동안 프레임으로 장입함에 따라 연료봉에 도포될 수 있다. 특정 이론으로 구속할 의도 없이, 건조 적재 대신에 인출 적재 동안 윤활제 조성물을 도포하면 향상된 결과를 발생할 것으로 믿어진다. 원자로는 핵발전소에서 현재 상업적으로 운용되는 설계를 포함하는 다양한 설계들을 포함할 수 있다. 원자로 설계는 비등수 원자로 및 가압수 원자로를 포함한다. 설명을 용이하게 하도록, 여기의 설명은 웨스팅하우스 일렉트릭 컴패니에 의해 제조된 가압수 원자로를 말한다. 연료봉의 외면에 도포된 윤활제 조성물은 연료봉과 지지 그리드 사이의 연료봉 조립동안의 동적 마찰과 물리적 접촉을 감소 또는 최소화하도록 작동되며, 따라서 연료봉과 지지 그리드들의 계면에서의 골-볼들의 형성을 감소시키거나 최소화시킨다. 골-볼들은 스크래치로부터 연료봉에 재침착되는 소재로 형성될 수 있다. 골-볼들의 존재는 운용되는 핵발전소에서 관찰될 수 있다. 예컨대, 두 운용되는 핵발전소들에서 구조 프레임들의 사전 제조 연구들은 연료봉들과 중간 그리드의 봉 지지 특성들 사이의 계면에서 골-볼 형성의 발생을 보여주었다. 특정 이론으로 구속할 의도 없이, 적절한 흐름 조건들과 사이클 길이가 제공되면, 이들 계면에서의 큰 골-볼들의 존재는 연료봉과 봉 지지 특성들 사이의 갭들의 형성에 기여할 것으로 믿어진다. 큰 갭들의 형성은 그리드와 봉의 침식 속도를 증가시키는 결과를 초래할 수 있다. 적어도 하나의 핵 발전소에서, 연료의 사후 방사 시험(PIE)들이 실시되었으며, 두 사이클 후에, 연료봉들은 연료봉 표면에 골-볼들이 존재하는 증거를 보이는 최대 마모 흔적들을 가진 20% 이하의 마모를 보였다. 마모 흔적 특성과 특징들의 상세한 시험에 기초하여, 골-볼들의 존재는 그리드-봉의 침식 위험을 증가시킬 수 있다. 또한, 연료봉 외면의 본 발명에 따른 윤활제 박막의 존재는 형성된 골-볼들의 크기 및 양을 감소시키거나 최소화하고, 따라서, 그리드-봉의 침식 위험을 감소시키거나 최소화한다.
연료봉들은 통상 지르코니움 또는 지르코니움 합금으로 제조되며, 연료봉들이 삽입되는 그리드들은 통상 지르코니움, 지르코니움 합금, 인코넬(Inconel®), 인코넬(Inconel®) 합금 또는 그 혼합물들로 제조된다.
본 발명에 사용되는 윤활제 조성물은 연료봉의 외면에 실질적으로 고착하는 박막으로 연료봉 외면을 적어도 부분적으로 코팅하는데 효과적인 여러 화함물들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 연료봉의 전 표면은 윤활제 조성물로 코팅된다. 윤활제 조성물의 선택은 그 조성물이 도포되는 소재를 고려할 수 있다. 일 실시예에서, 윤활제 조성물의 박막은 지르코니움 합금으로 제조된 연료봉에 도포된다. 또한, 윤활제의 선택은 원자로 코아를 관통하여 흐르는, 특히 핵발전소의 원자로 냉각 시스템으로 흐르는 원자로 냉각제와 접촉하는 원자로 용기에 위치된 연료봉 위의 잔류 윤활제 조성물들의 잔류양의 가능한 충결을 고려할 수 있다. 윤활제 조성물로 코팅된 연료봉은 연료 조립체 구축 공정에 이어서 원자로에의 연료 조립체의 삽입에 앞서 세척된다. 그러나, 윤활제 조성물의 잔류양은 세척 공정에 이어지는 세척된 연료봉에 잔류할 수 있다. 이와 같이, 원자로에 삽입된 연료 조립체는 윤활제 조성물의 잔류양을 포함한다. 이와 같이, 윤활제 조성물은 다양한 화합물들, 예컨대, 원자로 냉각제, 원자로 용기 및 관련 시스템들의 성분들과 부정적으로 작용하지 않도록 선택된다. 일 실시예에서, 윤활제 조성물은 폴리알킬렌 글리콜을 포함한다. 본 발명에 사용하기 위한 적절한 윤활제 조성물은 폴리알킬렌 계의 합성 중합체들을 포함한다. 본 발명에 사용하기 위한 적절한 윤활제 조성물의 비제한적인 예들이 다우 케미칼 컴패니(Dow Chemical Company)에 의해 시판되는 UCON 이라는 거래 명칭으로 알려진 조성물들을 포함한다. UCON 재료의 예는 비제한적인 UCON 60H-5300을 포함한다. 통상적으로 본 발명에 사용되는 윤활제 조성물은 온도 의존성의 점도를 가진다. 예컨대, UCON은 ISO 3448에 의해 1000으로 구분된다. 일 실시예에서, 윤활제 조성물의 점도(viscosity)는 40℃에서 1050cSt 및 100℃에서 178cSt보다 크다. 또한, 연료봉에 도포된 윤활제 조성물의 박막의 두께는 본 발명의 중요한 특징은 아니다. 박막 두께는 크게 변할 수 있으며 사용되는 특정 윤활제 조성물 및 박막이 도포되는 특정 소재에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 윤활제 조성물의 박막 두께는 약 0.0005 인치에서 0.0015 인치이다. 선택적인 실시예에서, 막 두께는 더 작거나 더 두꺼울 수 있으며 골-볼들의 형성을 감소시키거나 최소화시키기 위하여 작동가능하다.
윤활제 조성물은 또한 조성물의 코팅에 사용하는 이 기술 분야에서 알려진 다른 임의의 첨가물들을 포함한다. 일 실시예에서, 윤활제 조성물은 용제(solvent)를포함한다. 용제는 이 기술 분야에서 알려진 용제들로부터 선택된다. 다른 실시예에서 용제는 물이다. 용제 조성물은 폴리알킬렌 글리콜-수용액을 포함한다. 이 용액은 폴리알킬렌 글리콜이 물에 용해될 수 있는(즉, UCON 이라는 거래 명칭으로 상업적으로 사용가능한) 온도에서 유지된다. 실시예에서, 용액은 140℉ 보다 낮은 온도에 있다.
본 발명에서 윤활제 조성물은 기판 위에 코팅을 형성하기 위한 이 기술 분야의 알려진 다양한 기술들을 사용하여 박막을 형성하도록 연료봉의 외면에 도포될 수 있다. 비제한적인 예들은 분무(즉, 공기 혹은 공기 없이), 브러싱, 와이핑, 디핑, 인쇄 및 유선형화(stramlining)(즉, 수 낙하 커틴) 등을 포함할 수 있다. 또한, 박막 윤활제는 상온 조건(즉, 실온)에서 설정되거나 건조할 수 있으며, 또는 다른 실시예에서, 박막 윤활제는 코팅들과 필름들을 설정하거나 경화시키기 위하여 이 기술 분야의 알려진 가열 및 경화 조건들이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 윤활제 조성물은 연료봉 위에 침착이 형성된 연료봉이 원자로에 삽입하기 전에 연료봉 외면으로부터 윤활제 조성물을 제거하기 위하여 세척될 수 있도록 선택된다. 윤활제 조성물의 제거는 여러 기술들에 의해 달성된다. 바람직하게는, 윤활제 조성물은 비교적 용이하게 그로부터 제거된다. 일 실시예에서, 윤활제 조성물은 연료봉 외면을 세척하거나 린스 용액을 사용하여 코팅 기술에서 통상적인 온도 및 침적 횟수를 사용하여 전체 조립체로부터 세척된다. 또 다른 실시예에서, 윤활제 조성물은 상온에서 수용성이다. 다른 실시예에서, 연료 조립체가 조립된 후에 전체 조립체는 원자로 삽입 전에 윤활제 조성물을 제거하기 위하여 세척 처리가 실행된다. 이미 앞에서 설명한 바와 같이, 윤활제 조성물의 잔류양은 세척된 연료봉 또는 연료 조립체에 잔류할 수 있다. 윤활제 조성물의 잔류양은 코팅된 연료봉 또는 조립체로부터 과도한 윤활제 조성물을 제거하기 위하여 사용되는 세척액 및 세척 공정에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 전체 연료 조립체는 세척 작업이 실행되고, 세척된 연료 조립체에 잔류하는 윤활제 조성물의 잔류양은 연료 조립체 당 40 g보다 작다.
본 발명의 공정을 사용함으로써, 연료봉 표면의 큰 골-볼들을 수동으로 제거하고 및/또는 연료 사이클 성능을 향상시키기 위한 그리드-봉의 침식 위험을 감소시키기 위해 시간 및 노력이 필요한 공정들을 제거할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 상세하게 설명되었으나 이 기술분야의 당업자에게는 상세한 사항에 대한 다양한 수정 및 대체가 본 상세한 설명의 교시로부터 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예들은 첨부의 특허청구범위 및 그 균등물들의 폭에 대해 주어지는 본 발명의 범위에 대한 단지 예시적인 것이며 제한하려는 것이 아니다.
22: 연료조립체
50: 구동 샤프트
52: 플루크 또는 아암
54: 가이드 튜브
58: 바닥노즐
60: 코아 지지판
62: 상부 노즐
64: 그리드들
66: 연료봉들
68: 장착 튜브
70: 펠릿
72: 상단 플러그
74: 하단 플러그
76: 플리넘 스프링
78: 제어봉
80: 제어 메카니즘
82: 허브 부재

Claims (9)

  1. 연료봉의 외면과 원자로의 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 상기 지지 그리드에 상기 연료봉을 적재(loading)하는 동안 감소시키는 방법에 있어서,
    상기 연료봉의 외면에 폴리알킬렌 글리콜을 포함하는 윤활제 조성물을 도포하여 필름을 형성하는 단계; 및
    연료봉 조립체의 상기 지지 그리드에 그 위에 상기 필름이 도포된 상기 연료봉을 적재하는 단계;를 포함하고,
    상기 지지 그리드에 상기 연료봉을 적재(loading)하는 동안 상기 연료봉의 외면에 형성된 필름에 의해, 상기 마찰과 물리적 접촉이 감소되는 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활제 조성물은 용제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용제는 물인 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 윤활제 조성물과 상기 물은 상기 윤활제와 물의 혼합물을 형성하기 위해 겹합되고,
    상기 지지 그리드에 상기 연료봉을 적재(loading)하는 동안 상기 윤활제와 물의 혼합물은 140℉ 보다 낮은 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활제 조성물은 40℃에서 약1050cSt 보다 큰 점도를 가지며, 100℃에서 178cSt 보다 큰 점도를 가지는 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 필름은 0.0005 인치 내지 0.0015 인치 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활제 조성물을 제거하기 위해, 상기 연료봉 조립체 내의 지지 그리드로 적재되어 상기 필름을 갖는 연료봉을 세척(washing)하는 단계; 및
    상기 세척 이후 상기 연료봉에 잔류하는 윤활제 조성물을 포함하는 연료봉을 상기 원자로에 삽입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료봉의 외면과 연료봉 조립체 내의 지지 그리드 사이의 마찰과 물리적 접촉을 감소시키는 방법.
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