KR101729155B1 - 핵연료 집합체의 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료봉 지지 건전성을 확보할 수 있도록 적정 반력을 가지면서도 연료봉 장입 시에는 연료봉 장입이 용이하도록 낮은 스프링 강성을 구현할 수 있는 격자스프링 구조를 갖는 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것으로, 격자 형태로 교차되어 구획된 셀 내에 배치되는 연료봉을 지지하게 되는 격자스프링(110)을 갖는 다수의 격자판(100)을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자에 있어서, 상기 격자스프링(110)은, 연료봉을 종방향으로 지지하게 되는 연료봉접촉부(111)와; 상기 연료봉접촉부(111)의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판(100)에서 상방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부(111)의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 상부 다리(112)와; 상기 연료봉접촉부(111)의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판(100)에서 하방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부(111)의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 하부 다리(113);를 포함하며, 상기 연료봉접촉부(111)는 상기 상부 다리(112)와 상기 하부 다리(113)에 의해 격자판(100)에서 이격되어 돌출되게 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

핵연료 집합체의 지지격자{Spacer grid of a nuclear fuel assembly}

본 발명은 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것으로, 특히 연료봉 지지 건전성을 확보할 수 있도록 적정 반력을 가지면서도 연료봉 장입 시에는 연료봉 장입이 용이하도록 낮은 스프링 강성을 구현할 수 있는 격자스프링 구조를 갖는 지지격자에 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.

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

상단고정체(40)와 하단고정체(50)는 안내관의 상단과 하단을 각각 지지하기 위한 것으로, 상단고정체(40)는 핵연료 집합체의 하부를 통해 상부를 흐르는 냉각수의 수압에 의해 핵연료 집합체의 들림이 발생하는 것을 방지하도록 다수의 탄성체가 마련되어 핵연료 집합체의 상단부를 눌려서 고정하는 기능을 한다. 하단고정체(50)는 안내관의 하단부를 고정 지지하게 되며 냉각수가 공급되는 다수의 유로홀이 형성된다.

지지격자(20)는 연료봉(10)의 축방향으로 다수개가 배치되며, 배치 위치와 기능에 따라서 중간 지지격자, 냉각수 혼합성능을 향상시키기 위한 혼합 지지격자, 이물질을 여과하기 위한 보호 지지격자로 구분될 수 있다.

도 2를 참고하면, 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.

구체적으로, 지지격자(20)는 구조물의 외곽 테두리를 구성하는 복수의 외부 격자판(21)과, 외부 격자판(21)의 내부에 격자 형태로 배치되어 고정되는 수평 격자판(22)과 수직 격자판(23)으로 구성된다.

이와 같이 구성된 지지격자(20)에 형성된 격자셀(20a)에는 연료봉이 삽입 위치하게 되며, 안내관이 삽입되는 안내관 격자셀(20b)이 마련된다.

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

도 3의 (a)(b)는 종래기술에 따른 중간 지지격자를 보여주는 사시도 및 평면 구성도로서, 하나의 격자셀만을 보여주고 있다.

도 3을 참고하면, 일반적인 지지격자는 수평 격자판(22)과 수직 격자판(23)이 서로 격자를 구성하도록 교차되어 접합되어 단위 격자셀을 구성하게 되며, 격자셀 내에 삽입되어 위치하게 되는 연료봉(10)은 격자판에 절곡 또는 만곡되어 돌출 형성된 딤플(22a)(23a)과, 연료봉(10)을 탄성 지지하기 위한 격자스프링(22b)(23b)에 의해 지지된다.

이때, 격자스프링(22b)(23b)은 연료봉과 접촉이 이루어지는 연료봉접촉부의 양측으로 격자판과 연결되어 지지되는 구조이다.

각 격자판(22)(23) 상단에는 혼합날개(22c)(23c)가 마련되어 냉각수가 유입될 때 혼합날개(22c)(23c)에 의해 냉각수의 혼합이 이루어져 연료봉으로부터 냉각수로의 열전달이 원활히 이루어질 수 있다.

도 4의 (a)(b)는 또 다른 종래기술에 따른 중간 지지격자를 보여주는 사시도 및 평면도로서, 하나의 격자셀을 구성하는 격자판만을 보여주고 있다.

도 4를 참고하면, 격자판(60)에 형성되는 스프링(61)은 연료봉과 종방향으로 접촉이 이루어지는 연료봉접촉부(61a)와, 연료봉접촉부(61a) 상하단에서 각각 곡면을 갖고 연장되는 곡면연결부(61b)와, 각 곡면연결부(61b)에서 연장되어 연료봉접촉부(61a) 보다 작은 외경을 갖고 마련된 다리연결부(61c)와, 상단 및 하단의 다리연결부(61c)에서 각각 좌우 대칭되도록 마련된 4개의 다리(61b)로 구성된다.

이와 같이 종래기술의 지지격자에 일체로 구성되는 격자스프링은 연료봉과 접촉이 이루어지는 연료봉접촉부의 좌우에 대칭되게 2개 또는 4개의 다리에 의해 격자판과 연결되어 구조를 갖는다. 따라서 이와 같은 격자스프링은 격자판의 양측이 모두 지지되어 연료봉의 지지력을 제공하기 때문에 스프링 강성이 커서 연료봉 장입 시에 과도한 긁힘이나 피복관에 국부 응력을 발생시켜 연료봉 응력기준을 초과할 수 있다.

따라서 지지격자의 격자스프링은 연료봉 장입이 용이하게 이루어질 수 있는 범위 내에서 낮은 스프링 강성과 적절한 반력을 갖는 스프링 구조의 형상 개발이 요구된다할 수 있다.

공개특허공보 특2003-0005896호(공개일자: 2003.01.23)

공개특허공보 제10-2009-0021478호(공개일자: 2009.03.04)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 연료봉 지지 건전성을 확보할 수 있도록 적정 반력을 가지면서도 연료봉 장입 시에는 연료봉 장입이 용이하도록 낮은 스프링 강성을 구현할 수 있는 격자스프링 구조를 갖는 지지격자를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 격자 형태로 교차되어 구획된 셀 내에 배치되는 연료봉을 지지하게 되는 격자스프링을 갖는 다수의 격자판을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자에 있어서, 상기 격자스프링은, 연료봉을 종방향으로 지지하게 되는 연료봉접촉부와; 상기 연료봉접촉부의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판에서 상방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 상부 다리와; 상기 연료봉접촉부의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판에서 하방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 하부 다리;를 포함하며, 상기 연료봉접촉부는 상기 상부 다리와 상기 하부 다리에 의해 격자판에서 이격되어 돌출되게 마련되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상부 다리는 상기 연료봉접촉부의 상단 양측과 연결되고 상기 하부 다리는 상기 연료봉접촉부의 하단 양측과 연결됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상부 다리와 상기 하부 다리는 각각 상기 격자판에서 일부가 절개되어 연료봉접촉부와 나란하게 종방향으로 연장된 선형부와, 상기 선형부에서 연장되어 상기 연료봉접촉부의 상단과 곡면으로 연결되는 곡면부;를 포함한다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 연료봉을 탄성적으로 지지하는 격자스프링에 있어서, 연료봉을 종방향으로 지지하게 되는 연료봉접촉부와, 연료봉접촉부 상단과 하단의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판에서 상방과 하방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 다리를 포함하여 제한된 면적을 갖는 격자판에서 다리부의 길이를 충분히 길게 확보할 수 있으므로, 연료봉 장입 시에는 낮은 스프링 강성을 갖고 연료봉 장입이 용이하게 이루어질 수 있으며, 또한 운전 중에는 적절한 반력을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면,
도 2는 일반적인 지지격자의 평면도,
도 3의 (a)(b)는 종래기술에 따른 중간 지지격자를 보여주는 사시도 및 평면 구성도,
도 4의 (a)(b)는 각각 또 다른 종래기술에 따른 중간 지지격자를 보여주는 사시도 및 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 사면도,
도 6의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 정면도, 측면도 및 평면도.

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 아니며, 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.

도 5는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 사시도이며, 도 6의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 정면도, 측면도 및 평면도로서, 연료봉 셀을 구성하는 하나의 격자판만을 보여주고 있다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자에 있어서, 격자판(100)은 연료봉을 탄성적으로 지지하게 되는 격자스프링(110)이 일체로 구성되며, 연료봉을 종방향으로 지지하게 되는 연료봉접촉부(111)와; 연료봉접촉부(111)의 양 측부에서 나란하도록 격자판(100)에서 상방으로 연장되어 연료봉접촉부(111)의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 상부 다리(112)와; 연료봉접촉부(111)의 양 측부에서 나란하도록 격자판(100)에서 하방으로 연장되어 연료봉접촉부(111)의 양 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 하부 다리(113);를 포함하며, 연료봉접촉부(111)는 상부 다리(112)와 하부 다리(113)에 의해 격자판(100)에서 이격되어 돌출되게 마련되는 것을 특징으로 한다.

격자스프링(110)은 박판의 격자판(100)을 소성 가공하여 격자판(100)과 일체로 구성될 수 있으며, 구체적으로, 연료봉접촉부(111)는 연료봉과 종방향으로 접촉하여 지지하게 되며, 바람직하게는, 연료봉접촉부(111)는 만곡 면(curved surface)을 갖고 연료봉의 외경 일부와 면접촉(surface contact)이 이루어질 수 있다.

이러한 연료봉접촉부(111)는 종방향으로 길게 연료봉과 만곡 면을 갖고 면접촉이 이루어져 넓은 접촉 면적으로 인하여 프레팅 마모 성능을 높일 수 있다.

한편, 상부 다리(112)는 연료봉접촉부(111)의 산단 양측과 연결되며, 하부 다리(113)는 연료봉접촉부(111)의 하단 양측과 각각 연결된다.

좌우 한 쌍으로 구성되는 상부 다리(112)와 하부 다리(113)는 좌우 대칭된 구조를 가지며, 또한 상부 다리(112)와 하부 다리(113)는 상하 대칭되는 구조를 갖는다.

격자스프링(110)의 상단과 하단에는 딤플(120)이 마련될 수 있다.

도 6의 (a)를 참고하면, 상부 다리(112)는 격자판(100)에서 일부가 절개되어 연료봉접촉부(111)와 나란하게 종방향으로 연장된 선형부(112a)와, 선형부(112a)에서 연장되어 연료봉접촉부(111)의 상단과 곡면으로 연결되는 곡면부(112b)로 구성될 수 있다.

격자스프링(110)의 강성은 선형부(112a)의 길이와 폭에 의해 결정될 수 있다.

따라서 본 발명은 제한된 면적의 내부 격자판에서 적정 반력의 조건과 연료봉 장입이 용이하도록 낮은 스프링 강성에 대한 조건을 모두 만족하도록 하는 격자스프링의 설계가 선형부(112a)의 길이(또는 폭)에 대한 적절한 설계를 통하여 제공될 수 있다.

또한, 도 6의 (c)에 도시된 것과 같이, 선형부(112a)는 연료봉(10)의 장입 시에 다리(112)(113)가 격자판(100)과 동일 선상에 위치하게 되어 유로방해단면적을 최소화하여 압력강하를 최소화할 수 있다.

[표 1]은 종래기술과 본 발명의 격자스프링에 의한 유로방해 단면적으로 비교하여 보여주고 있으며, 본 발명은 종래기술과 대비하여 유로방해 단면적이 작게 발생됨을 확인할 수 있으며, 특히 앞서 설명한 것과 같이 본 발명은 연료봉의 장입 시에 다리가 격자판과 동일 선상에 위치하게 되어 종래기술과 대비하여 유로방해 단면적이 현저히 작아지는 것을 알 수 있다.

[표 2]는 종래기술과 본 발명의 격자스프링에 의한 프레팅 마모성능을 비교하여 보여주고 있으며, 본 발명은 연료봉접촉부와 다리가 단차 없이 연결되어 연료봉과 넓은 면적으로 접촉이 이루어져 종래기술과 대비하여 프레팅 마모성능이 개선됨을 알 수 있다.

참고로, 종래기술(도 4 참고)에서 서로 다른 직경을 갖는 연료봉접촉부(61a)와 다리연결부(61c)는 곡면연결부(61b)로 연결되는 구조이며, 따라서 횡단면 구조에서 연료봉접촉부(61a)는 다리(61d)와 단차를 갖고 돌출된 구조를 갖는다.

[표 3]은 종래기술과 본 발명의 격자스프링에 의한 충격강도를 비교하여 보여주고 있으며, 로드베어링 길이는 격자판 전체 길이 중에서 지지부(격자스프링, 딤플) 이외의 격자면의 길이(L1,L2,L3,L4)를 의미한다.

앞서 언급한 것과 같이, 종래기술(도 4 참고)에서는 연료봉접촉부(61a)와 다리(61d)의 적절한 연결을 위하여 단차가 형성되며, 따라서 이러한 종래기술에서는 스프링의 다리부분을 충분히 길게 설계하기가 어려운 반면에, 본 발명은 스프링과 스프링다리 사이의 단차 없이 연결되어 종래기술과 대비하여 스프링 접촉 길이는 긴 반면에 격자스프링의 길이는 줄어들어서 로드베어링 길이가 21% 증가되며, 따라서 길이 증가량만큼 충격강도가 향상됨을 알 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 100 : 격자판
110 : 격자스프링 111 : 연료봉접촉부
112 : 상부 다리 113 : 하부 다리

Claims (3)

1. 격자 형태로 교차되어 구획된 셀 내에 배치되는 연료봉을 지지하게 되는 격자스프링을 갖는 다수의 격자판(100)을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자에 있어서,
   상기 격자스프링(110)은,
   만곡 면을 갖고 연료봉의 외경 일부와 면접촉하여 연료봉을 종방향으로 지지하게 되는 연료봉접촉부(111)와;
   상기 연료봉접촉부(111)의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판(100)에서 상방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부(111)의 상부 측단 각각에 연결되는 한 쌍의 상부 다리(112)와;
   상기 연료봉접촉부(111)의 양 측부에서 나란하도록 상기 격자판(100)에서 하방으로 연장되어 상기 연료봉접촉부(111)의 하부 양측 각각에 연결되는 한 쌍의 하부 다리(113);를 포함하며,
   상기 연료봉접촉부(111)는 상기 상부 다리(112)와 상기 하부 다리(113)에 의해 격자판(100)에서 이격되어 돌출되게 마련되며,
   상기 상부 다리(112)와 상기 하부 다리(113)는 각각 상기 격자판(100)에서 일부가 절개되어 연료봉접촉부(111)와 나란하게 종방향으로 직선 연장된 선형부(112a)와, 상기 선형부(112a)에서 곡선으로 연장되어 상기 연료봉접촉부(111)의 단부와 곡면으로 연결되는 곡면부(112b);를 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자.
2. 삭제
3. 삭제

Images