KR101732173B1 - 혼합날개 없이 믹싱효과를 갖는 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 별도의 혼합날개를 배제하고 격자스프링 구조만을 이용하여 믹싱효과를 얻을 수 있는 지지격자에 관한 것으로, 격자 형태로 교차되어 구획된 셀 내에 배치되는 연료봉을 지지하게 되는 격자스프링을 갖는 다수의 격자판을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자에 있어서, 상기 격자스프링은, 상기 격자판(110)에 관통 형성된 원도우(111)를 종방향으로 가로지르도록 상단과 하단에 각각 마련되는 제1탄성부재(120)와 제2탄성부재(130)를 포함하되, 상기 제1탄성부재(120)와 상기 제2탄성부재(130)는 종방향에 대해 서로 다른 편각을 갖고 상기 격자판(110)을 기준으로 서로 반대편에서 나란하도록 상기 격자판(110)에서 절곡되어 연장 형성된 한 쌍의 탄성플레이트(122)(124);를 포함한다.

Description

혼합날개 없이 믹싱효과를 갖는 지지격자{Spacer grid without a mixing vane to make mixing effect}

본 발명은 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것으로, 특히 별도의 혼합날개를 배제하고 격자스프링 구조만을 이용하여 믹싱효과를 얻을 수 있는 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 구성도로써, 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.

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.

그러나, 이러한 혼합날개는 차지하는 면적에 의해 냉각수가 통과하는 수직 유로단면적이 작아지고 이로 인해 압력강하가 발생하는 문제점이 있다.

또한 일반적인 지지격자는 하나의 격자셀 내에서 두 개의 격자스프링에 의해 연료봉이 지지되는 구조이며, 따라서 격자셀 내에서 연료봉을 구속하기 위한 지지력이 비균등해질 수 있으며, 이는 격자셀 내에서 연료봉의 위치 이탈이 발생될 수 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 공개특허공보 제10-2005-0105188호(이하, '선행기술'이라 함)에서는 금속 스트립 박막을 겹쳐서 유로 채널을 형성하여 냉각수의 혼합을 유도하는 지지격자를 제안하고 있다.

그러나 상기 선행기술은 두 개의 금속 스트립 박막을 겹쳐서 유로 채널을 형성함에 따라서 냉각수와 접촉하는 면적이 많아지며, 따라서 냉각수에 의한 수소흡수 및 부식에 대한 문제점을 갖는다.

공개특허공보 제10-2005-0105188호(공개일자: 2005.11.03)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 별도의 혼합날개를 채용하지 않고 격자스프링 구조만으로 냉각수의 혼합을 유도할 수 있는 핵연료 집합체의 지지격자를 제공하고자 한다.

또한 본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자는, 격자셀 내에서 연료봉을 균등하게 지지하여 핵연료 집합체의 구조적 안정성을 개선할 수 있는 핵연료 집합체의 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, 상기 격자판에 관통 형성된 원도우를 종방향으로 가로지르도록 상단과 하단에 각각 마련되는 제1탄성부재와 제2탄성부재를 포함하되, 상기 제1탄성부재와 상기 제2탄성부재는 종방향에 대해 서로 다른 편각을 갖고 상기 격자판을 기준으로 서로 반대편에 나란하도록 상기 격자판에서 절곡되어 연장 형성된 한 쌍의 탄성플레이트;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1탄성부재는 종축에 대해 경사를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 원도우가 관통 형성된 단일 판상의 격자판과; 상기 원도우를 종방향으로 가로지르도록 상단과 하단에 각각 마련되되, 서로 다른 편각을 갖는 한 쌍의 탄성부재;를 포함하며, 상기 탄성부재는, 상기 격자판에서 절곡되어 형성된 제1레그플레이트와; 상기 제1레그플레이트에서 절곡되어 연장 형성되는 제1탄성플레이트와; 상기 제1레그플레이트와 반대 방향으로 상기 격자판에서 절곡되어 형성된 제2레그플레이트와; 상기 제2레그플레이트에서 절곡되어 연장 형성되는 제2탄성플레이트와; 상기 제1탄성플레이트와 상기 제2탄성플레이트를 연결하는 가교플레이트;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1레그플레이트와 상기 제2레그플레이트는 상기 격자판과의 사잇각이 예각인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1탄성플레이트와 상기 제2탄성플레이트는 상기 가교플레이트와의 사잇각이 예각인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1탄성플레이트와 상기 제2탄성플레이트는, 연료봉과 면접촉하도록 곡면의 요홈이 형성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 격자판과 일체로 구성되어 종방향(냉각수 흐름방향)으로 서로 다른 편각을 갖는 한 쌍의 탄성부재를 포함하여, 별도의 혼합날개를 채용하지 않고 격자스프링 구조만으로 냉각수의 혼합을 유도할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자는, 격자판을 기준으로 양측 면 모두에서 연료봉을 탄성 지지할 수 있는 격자스프링을 포함하여, 4면의 격자셀 내에서 연료봉을 균등하게 지지할 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 4는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 사시도,
도 5의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 정면도, 측면도 및 평면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 평면 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 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 4는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 사시도로써, 연료봉 셀을 구성하는 하나의 격자판만을 보여주고 있다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자는, 관통 형성된 원도우(111)가 형성된 단일 판상(single layer)의 격자판(110)으로 구성되며, 격자판(110)은 연료봉을 탄성적으로 지지하게 되는 격자스프링이 일체로 구성된다.

본 실시예에서 원도우는 격자판(110)의 대략 중앙에 장방형으로 형성되는 것으로 예시하고 있으나, 그 크기와 형상은 다양하게 변경될 수 있음을 이해하여야 한다.

특히 격자스프링은 원도우(111)를 종방향으로 가로지도록 상단과 하단에 각각 마련되는 제1탄성부재(120)와 제2탄성부재(130)로 구성된다. 제1탄성부재(120)와 제2탄성부재(130)는 종축에 대해 서로 다른 편각(declination)을 가지며, 바람직하게는, 윈도우(111) 상단에 마련되는 제1탄성부재(120)는 종축에 대해 경사를 갖는다.

본 발명에서 제1탄성부재(120)와 제2탄성부재(130)는 서로 다른 편각을 갖는 것을 제외하고 그 구성은 동일하며, 따라서 이하 설명에서는 제1탄성부재(120)(이하, "탄성부재"로도 지칭함)를 중심으로 설명한다.

본 발명에서 탄성부재(120)는 격자판(110)을 기준으로 하여 서로 반대편에 나란하도록 격자판(110)에서 절곡되어 연장 형성된 한 쌍의 탄성플레이트(122)(124)를 포함한다.

구체적으로, 탄성부재(120)는 격자판(110)에서 절곡되어 형성된 제1레그플레이트(121)와; 제1레그플레이트(121)에서 절곡되어 연장 형성되는 제1탄성플레이트(122)와; 제1레그플레이트(121)와 반대 방향으로 격자판(110)에서 절곡되어 형성된 제2레그플레이트(123)와; 제2레그플레이트(123)에서 절곡되어 연장 형성되는 제2탄성플레이트(124)와; 제1탄성플레이트(122)와 제2탄성플레이트(124)를 연결하는 가교플레이트(125);를 포함한다.

도 5의 (a)(b)(c)는 각각 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 정면도, 측면도 및 평면도이다.

도 5의 (a)를 참고하면, 격자판(110)에 마련된 격자스프링은 원도우(111)의 상단과 하단에 각각 제1탄성부재(120)와 제2탄성부재(130)가 마련되어 연료봉을 지지하게 되며, 본 실시예에서 제2탄성부재(130)는 종방향(냉각수의 흐름방향)과 나란한 반면에 제1탄성부재(120)는 종방향에 대해 소정 각도(θ1)의 경사를 갖는다.

따라서 핵연료 집합체의 하부를 통해 상부로 흐르게 되는 냉각수는 제1탄성부재(120)에 의해 수평 유동 흐름이 발생되어 난류성 운동(혼합)을 유도할 수 있다.

다음으로 도 5의 (b)에 예시된 것과 같이, 격자판(110)은 양측 면에 각각 제1탄성플레이트(122)와 제2탄성플레이트(124)가 마련됨으로써, 하나의 격자판이 두 개의 연료봉을 지지 가능하며, 따라서 4면으로 구성된 격자셀 내에서 연료봉은 4면에서 격자스프링에 의해 지지가 가능하여 격자셀 중심에 정확히 위치할 수가 있다.

도 5의 (c)에 예시된 것과 같이, 본 발명의 격자스프링은 격자판(110)을 사이로 제1탄성플레이트(122)와 제2탄성플레이트(124)가 일정 거리 이격되어 서로 평행하게 마련된다.

제1탄성플레이트(122)는 일단이 제1레그플레이트(121)를 매개로 하여 격자판(110)과 연결되고 타단은 가교플레이트(125)를 매개로 하여 제2탄성플레이트(124)와 연결된다.

마찬가지로, 제2탄성플레이트(124) 일단은 제2레그플레이트(123)에 의해 격자판(110)과 연결된다.

이와 같이, 본 발명의 격자스프링은 격자판과 일체로 구성되는 단일 판상(single layer)의 구조로써, 제1탄성플레이트(122)와 제2탄성플레이트(124)는 제1레그플레이트(121), 제2레그플레이트(123) 및 가교플레이트(125)에 의해 지지되어 격자판(110)의 수직 방향(F1)(F2)으로 연료봉을 탄성 지지한다.

한편, 제1탄성부재(110)와 제2탄성부재(120)의 탄성계수는 격자판(110)에 관통 형성되는 원도우(111)의 크기 또는 형상에 의해 결정될 수 있을 것이다.

바람직하게는, 제1레그플레이트(121)와 제2레그플레이트(123)는 격자판(110)과의 사잇각(θ2)이 예각(<90ㅀ)이며, 또한 제1탄성플레이트(122)와 제2탄성플레이트(124)는 가교플레이트(125)와의 사잇각(θ3)이 예각인 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료 집합체의 지지격자의 평면 구성도이다.

도 6을 참고하면, 제1탄성플레이트(222)와 제2탄성플레이트(224)는 각각 연료봉의 외주면과 면접촉이 이루어질 수 있도록 곡면의 요홈(222a)(224a)이 형성될 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, 210 : 격자판 111 : 원도우
120 : 제1탄성부재 121 : 제1레그플레이트
122, 222 : 제1탄성플레이트 123 : 제2레그플레이트
124, 224 : 제2탄성플레이트 125 : 가교플레이트
130 : 제2탄성부재 222a, 224a : 요홈

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 원도우가 관통 형성된 단일 판상의 격자판과;
   상기 원도우를 종방향으로 가로지르도록 상단과 하단에 각각 마련되되, 서로 다른 편각을 갖는 한 쌍의 탄성부재;를 포함하며,
   상기 탄성부재는,
   상기 격자판에서 절곡되어 형성된 제1레그플레이트와;
   상기 제1레그플레이트에서 절곡되어 연장 형성되는 제1탄성플레이트와;
   상기 제1레그플레이트와 반대 방향으로 상기 격자판에서 절곡되어 형성된 제2레그플레이트와;
   상기 제2레그플레이트에서 절곡되어 연장 형성되는 제2탄성플레이트와;
   상기 제1탄성플레이트와 상기 제2탄성플레이트를 연결하는 가교플레이트;를 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1레그플레이트와 상기 제2레그플레이트는 상기 격자판과의 사잇각이 예각인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1탄성플레이트와 상기 제2탄성플레이트는 상기 가교플레이트와의 사잇각이 예각인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
6. 제3항에 있어서, 상기 제1탄성플레이트와 상기 제2탄성플레이트는, 연료봉과 면접촉하도록 곡면의 요홈이 형성됨을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
   

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