KR101746146B1 - 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징 공정용 스토퍼 시스템, 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법 - Google Patents

판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징 공정용 스토퍼 시스템, 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법 Download PDF

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박종만
권선칠
정용진
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Abstract

본 발명은 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징 공정용 스토퍼 시스템, 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법 및 판형 핵연료집합체에 관한 것으로, 상세하게는 판형 핵연료를 지지하는 스토퍼(stopper); 및 상기 스토퍼(stopper)와 연결되어 상기 스토퍼(stopper)를 전진 및 후진 왕복 운행하게 하는 에어 실린더;를 포함하며, 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)와 연동되어 상기 스토퍼(stopper) 및 헤드(head)가 충돌하지 않도록 작동하는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system), 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법 및 판형 핵연료집합체에 관한 것이다.

Description

판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징 공정용 스토퍼 시스템, 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법{Stopper system for swaging process of manufacturing the plate type nuclear fuel assembly, assembly methods of the plate type nuclear fuel assembly using the same}
본 발명은 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징 공정용 스토퍼 시스템, 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법에 관한 것이다.
핵연료는 원자력을 이끌어 내는데 필요한 물질로, 에너지 밀도가 높아 많은 에너지를 발생시킨다. 원자로는 이러한 핵연료의 핵분열 결과 순간적으로 방출되는 다량의 질량결손 에너지가 방출되도록 연쇄반응을 제어하여 핵분열에서 발생하는 열에너지를 동력으로 사용하도록 하는 장치이다.
이러한 원자로는 발전용 원자로(발전로)와 연구용 원자로(연구로)로 구분되며, 상업 원전은 한다. 핵분열시 발생하는 열과 중성자 중 열을 전기로 바꿔 사용하는 반면 연구로는 열을 날려버리는 대신 중성자만 이용한다.
그 중 연구로는 원자로에서 발생하는 중성자 또는 γ선에 의해 여러 가지 연구를 하기 위한 원자로로, 중성자를 이용하는 원자핵 실험, 중성자 물리학, 중성자선 회절, 여러 가지 원자로 재료의 핵적 성질과 방사선 손상 등과 같은 비교적 강력한 중성자원(또는 γ선원)을 필요로 하는 여러 가지 연구에 이용된다.
현재 원자로의 거의 반 정도가 이 연구용 원자로이며, 형식으로서는 천연 우라늄-흑연형, 천연 우라늄-중수형, 농축 우라늄-중수형, 스위밍 풀형, 탕비관형 등이 있다.
한편, 원자력 산업분야에 주로 이용되고 있는 핵연료는 이산화우라늄과 금속우라늄의 두 종류가 있다. 상용 원전에는 주로 이산화우라늄을 펠릿(pellet)으로 성형하고 이를 피복관에 넣어 핵연료집합체로 구성한 형태가 이용되고 있다. 이산화우라늄은 융점이 높고, 융점까지 상 변태가 없어 고출력밀도에서 사용 가능해 많은 상용 원전의 연료로 채용되고 있다. 이산화우라늄의 연료는 펠릿 형태로 가공되고 여러 개의 팰릿을 적층시켜 지르코늄합금 또는 스테인레스강의 피복관 속에 삽입해 연료봉을 제작하고, 이 연료봉을 다양한 형태(정방격자상, 6각격자상, 클러스터상 등)의 격자상으로 조립하여 핵연료집합체를 구성한다.
반면, 연구로에서는 상용 원전의 핵연료 이외에도 우라늄금속(합금) 연료 등을 이용한 박막, 박판, 판상 또는 판형 연료들이 사용되고 있다. 금속연료는 열전도율이 매우 좋으나 융점이 낮고 비교적 저온에서 상 변태를 하기 때문에 출력밀도를 높일 수 없는 단점이 있다. 금속연료는 이러한 단점을 극복하고자 열전달성능을 크게 향상시킬 수 있는 얇은 박막, 박판, 판상 또는 판형 형태로 가공되고, 일반적으로 피복재로는 성형가공이 쉬운 알루미늄합금이 사용되고 있다.
이와 관련된 종래의 기술로 대한민국 등록특허 제10-1535480호에서는 판형 핵연료 집합체 및 이를 구비하는 원전에 대해 기재하고 있으며, 플레이트 형태로 서로 이격되게 배치되는 복수의 핵연료부, 상기 핵연료부의 보호를 위해 상기 핵연료부 각각의 외주를 덮도록 형성되는 피복부, 및 상기 핵연료부 사이에 배치되고 상기 핵연료부의 주변을 흐르는 냉각재를 위한 복수의 미세유로를 구비하며 상기 핵연료부와 상기 피복부의 반응에 의해 상기 피복부의 구조가 변형되는 것을 방지하기 위하여 상기 피복부의 적어도 일부를 지지하도록 형성되는 유로 채널부를 포함하는 판형 핵연료 집합체를 개시한 바 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1286033호에서는 판상의 핵연료집합체에 대해 기재하고 있으며, 상세하게는 일정간격을 두고 서로 대향하도록 배치되는 사이드플레이트; 상기 사이드플레이트 상에 수직방향으로 일정간격을 두고 설치되며, 핵연료가 장전되는 알루미늄 매트릭스로 구성되는 핵연료영역과 상기 핵연료영역을 알루미늄 피복재로 피복하는 피복층으로 구성되는 복수개의 핵연료판; 상기 핵연료판의 핵연료영역의 알루미늄 매트릭스에 분산되어 장전되는 핵연료인 피복입자연료;및 상기 핵연료판의 내부에 장전되는 가연성흡수체;를 포함하는 연구용원자로의 핵연료집합체로서, 안정성을 향상시킨 판상의 핵연료집합체를 개시한 바 있다.
나아가, 판형 핵연료집합체로서 우라늄-몰리브덴(U-Mo) 판형 핵연료집합체가 개발된 바 있다. 상기 U-Mo 핵연료는 기존의 U-Si 핵연료보다 우라늄 밀도가 높아서 고농축 우라늄 대신 저농축 우라늄으로 대체가 가능해 핵비확산성이 높고, 고밀도를 기반으로 고출력 및 고연소도를 구현해 연구로의 성능과 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
이러한 판형 핵연료집합체는 종래의 봉다발의 구조를 갖는 경수로용 상용 핵연료 집합체와는 달리 판의 형태를 띠고 있다. 즉, 우라늄과 Al-5Si 분말을 혼합하여 제작된 핵연료판 21개가 Al6061 재질의 7가지 부품과 함께 조립되어 판형핵연료집합체 1개가 완성된다. 이때, 상기 핵연료판의 좌, 우측면이 사이드 판에 스웨이징으로 고정되고 판의 상, 하부가 연결핀으로 묶이게 된다.
이때, 첫 번째 조립 공정이면서 집합체의 변형과 밀접한 관계가 있는 기술이 스웨이징(swaging)이며, 이는 스웨이징 장비(Swaging Machine)를 사용하여 수행될 수 있다.
한편, 최적의 판형연료집합체를 제조하기 위해서는 상기 스웨이징 공정에서 21개의 핵연료판이 좌,우 2개의 사이드판(Side Plate)에 형성된 홈의 정확한 위치에 고정시켜 스웨이징(swaging) 이후 뒤틀림 및 변형을 최소화하는 것이 매우 중요하다.
이에 따라, 종래의 경우, 핵연료판 위치를 설정하기 위해 별도의 지그를 제작하여 사용하고 있으나, 작업자의 숙련도 또한 필요하기 때문에 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명자들은 스웨이징(Swaging) 공정에서 판형 핵연료 각각이 핵연료집합체의 사이드 판에 형성된 홈의 정확한 위치에 별도의 지그 제작없이 용이하게 고정할 수 있는 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제10-1535480호 대한민국 등록특허 제10-1286033호
본 발명의 목적은
판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징 공정용 스토퍼 시스템, 이를 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
판형 핵연료를 지지하는 스토퍼(stopper); 및
상기 스토퍼(stopper)와 연결되어 상기 스토퍼(stopper)를 전진 및 후진 왕복 운행하게 하는 에어 실린더;를 포함하며, 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)와 연동되어 상기 스토퍼(stopper) 및 헤드(head)가 충돌하지 않도록 작동하는 것을 특징으로 하는, 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 제공한다.
또한, 본 발명은
일면에 홈이 형성된 판상 핵연료집합체의 사이드 판 2개를 홈이 있는 면이 서로 마주보도록 스웨이징 장비(swaging machine)에 고정시키는 단계(단계 1);
스토퍼 시스템(stopper system)의 스토퍼(stopper)를 전진 상태로 고정한 후 상기 사이드 판의 홈에 판형 핵연료를 삽입하는 단계(단계 2);
스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)를 스토퍼(stopper) 방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 상기 사이드 판의 홈에 고정시키는 단계(단계 3);
상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper)와 충돌하지 않도록 스토퍼 시스템(stopper system)의 스토퍼(stopper)를 후진시키는 단계(단계 4);
상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper) 반대방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 홈에 재고정시키는 단계(단계 5);및
상기 단계 2 내지 5를 반복하여 판형 핵연료집합체를 조립하는 단계 (단계 6);를 포함하는 상기 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법을 제공한다.
나아가 본 발명은
상기 조립방법으로 조립되며, 일면에 홈이 형성된 사이드 판 및 상기 홈에 좌, 우 양끝이 고정된 복수 개의 판형 핵연료를 포함하는 판형 핵연료집합체를 제공한다.
본 발명의 스웨이징(Swaging) 공정용 스토퍼 시스템은 판형 핵연료집합체를 제작하기 위한 첫 번째 조립공정인 스웨이징(Swaging) 공정에서 판형 핵연료 각각이 핵연료집합체의 사이드 판에 형성된 홈의 정확한 위치에 고정할 수 있도록 하기 위한 것으로, 판형 핵연료집합체를 조립하는 과정에서 별도의 지그 탈부착 작업이 필요없어, 작업시간을 단축할 수 있으며, 보다 용이하게 조립할 수 있는 장점이 있다. 또한, 스웨이징 장비의 헤드(head)와 연동하여 작동하므로, 장비의 오작동 및 작업자의 실수로 인한 사고를 방지 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 나타낸 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system) 및 스웨이징 장치(swaging)를 나타낸 사진이고,
도 3은 스웨이징(swaging) 공정 이후 조립된 판형 핵연료집합체를 나타낸 사진이다.
본 발명은
판형 핵연료를 지지하는 스토퍼(stopper); 및
상기 스토퍼(stopper)와 연결되어 상기 스토퍼(stopper)를 전진 및 후진 왕복 운행하게 하는 에어 실린더;를 포함하며, 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)와 연동되어 상기 스토퍼(stopper) 및 헤드(head)가 충돌하지 않도록 작동하는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 제공한다.
이하, 본 발명의 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
본 발명의 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)은 판형 핵연료집합체를 제작하기 위한 첫 번째 조립공정인 스웨이징(Swaging) 공정에서, 판형 핵연료 각각이 핵연료집합체의 사이드 판에 형성된 홈의 정확한 위치에 고정되도록 하기 위한 것이다.
이때, 스웨이징(swaging)은 압축 가공의 일종으로 선, 관, 봉재 등을 공구 사이에서 압축 성형하는 것을 말하며, 두께나 지름, 길이 등을 감소시키거나 폭을 늘이거나 줄이는 것을 공정으로, 본 발명의 스웨이징(swaging) 공정은 사이드 판을 압입하여 판형 핵연료의 좌, 우측면을 상기 사이드 판의 홈에 고정하는 공정으로, 첫 번째 조립 공정이면서 집합체의 변형과 밀접한 관계가 있는 공정이다.
판형 핵연료집합체는 도 3에 나타난 바와 같이 복수 개의 판형 핵연료(302) 및 사이드 판(301)을 포함하며, 상기 복수 개의 판형 핵연료(302)가 조립되어 1개의 핵연료집합체가 완성되는데 이때, 상기 각각의 판형 핵연료(302)의 좌, 우측면이 사이드 판(301)을 압입하는 스웨이징 공정을 통해 고정되고 판의 상, 하부가 연결핀으로 묶이게 된다.
상기 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)은 도 1에 나타난 바와 같이, 스토퍼(stopper)(10)를 포함한다.
상기 스토퍼(stopper)(10)는 스웨이징 공정 시 상기 판형 핵연료(302)가 밀리지 않도록 지지하는 역할을 수행한다. 즉, 스웨이징 공정 시 압입력에 의해 상기 판형 핵연료(302)가 밀리는 현상을 방지하여 핵연료집합체가 뒤틀려 조립되는 현상을 방지하기 위한 것이다.
이때, 상기 스토퍼(stopper)(10)는 5 mm x 80 mm 내지 10 mm x 100 mm의 크기를 갖는 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 스토퍼(stopper)(10)는 6 mm x 84 mm의 크기를 가질 수 있다. 이는 판형 핵연료(302)와의 접촉하는 면적을 크게 하여 스웨이징 공정시, 상기 판형 핵연료(302)가 밀리지 않도록 잘 지지하기 위한 것이다.
만약 상기 스토퍼(stopper)(10)의 크기가 5 mm x 80 mm 미만일 경우, 판형 핵연료(302)와의 접촉면적이 충분히 크지 않아 스웨이징 공정시 핵연료판이 뒤로 밀려 제 위치에서 벗어나 조립될 수 있고, 상기 스토퍼(stopper)(10)의 크기가 10 mm x 100 mm를 초과하는 경우, 상기 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)의 필요 이상의 무게로 인해, 왕복운동에 여려움을 갖는다.
또한, 상기 스토퍼(stopper)(10)는 S45C, SS400 및 SK4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 제조되는 것이 바랍직하다. 이는 스웨이징 공정시 상기 스토퍼(stopper)(10)가 상기 판형 핵연료(302)를 지지하기 위한 밀도를 갖기 위한 것이다.
하지만, 상기 물질이 이에 제한된 것은 아니며, 상기 스토퍼(stopper)(10)가 스웨이징 공정시 상기 판형 핵연료(302)를 지지하는데 충분한 밀도를 갖는 다른 물질이 사용될 수 있다.
한편, 상기 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)(100)은 도 1에 나타난 바와 같이, 에어 실린더를 포함한다.
상기 에어 실린더는 스토퍼(stopper)(10)와 연결되어 상기 스토퍼(stopper)(10)를 전진 및 후진 왕복 운행하도록 할 수 있다. 즉, 상기 에어 실린더는 압축된 공기를 기압원리를 통해 동력으로 바꾸는 장치로, 압축된 공기의 공급 및 배출을 통해, 에어 실린더에 포함된 피스톤 로드(21)를 전진 및 후진방향으로 움직이게 할 수 있으며, 따라서, 상기 에어 실린더에 포함된 피스톤 로드(21)에 연결된 스토퍼(stopper)(10)를 전진 및 후진 왕복 운행하도록 할 수 있으며, 전진상태 또는 후진 상태로 놓이도록 할 수 있다.
상기 에어 실린더는 피스톤 로드(21) 및 공기압을 공급 및 배출하는 포트(22)를 포함할 수 있으며, 상기 공기압의 공급 및 배출을 통해 상기 피스톤 로드에 연결된 스토퍼(stopper)(10)를 전진 및 후진시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 피스톤 로드에 연결된 스토퍼(stopper)(10)의 전진은 상기 공기압이 피스톤 로드(21) 방향에 위치한 포트로 공급되고 피스톤 로드(21)의 반대 방향에 위쪽 포트로 배기됨으로써 수행될 수 있고, 상기 피스톤 로드에 연결된 스토퍼(stopper)(10)의 후진은 상기 공기압이 피스톤 로드(21) 반대에 위치한 포트로 공급되고, 피스톤 로드(21) 방향에 위치한 포트로 배기됨으로써 수행될 수 있다.
하지만, 상기 에어 실린더가 이에 제한된 것은 아니며, 상기 스토퍼(stopper)(10)를 전진 및 후진방향으로 왕복 운행할 수 있는 적절한 다른 구성을 포함하는 에어 실린더가 사용될 수 있다.
한편, 스웨이징(swaging) 공정은 스웨이징 장비(Swaging Machine)를 사용하여 수행될 수 있다.
이때, 상기 스웨이징 장비(Swaging Machine)는 도 2에 나타난 바와 같이, 핵연료집합체의 사이드 판(301)이 고정되는 이동조 및 고정조를 포함하는 베이스 부(203), 3축 방향으로 평행이동할 수 있는 헤드(head)(201) 및 상기 헤드의 속도 및 방향을 조절하는 컨트롤러(controller)(202)를 포함하는 헤드부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 사이드 판(301)이 고정되는 이동조는 이동이 가능하여 고정조와의 간격을 조절할 수 있다.
한편, 상기 스웨이징(swaging) 공정은 상기 스웨이징 장비(Swaging Machine)의 헤드(head)를 판형 핵연료(302) 상부로 위치시킨 후 상기 판형 핵연료(302)의 길이방향으로 평행이동시켜 수행될 수 있다.
상기 스웨이징(swaging) 공정 중 상기 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10) 방향으로 이동할 때, 상기 스토퍼(stopper)(10)는 판상 핵연료를 지지하도록 전진 상태에 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10) 방향으로 이동하면서 수행하는 스웨이징 공정 시, 압입력에 의해 판형 핵연료(302)가 밀리는 현상을 방지하기 위한 것으로, 즉, 판형 핵연료(302)를 지지하기 위한 것이다.
한편, 상기 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)(100)은 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)(201)와 연동되어 상기 스토퍼(stopper)(10) 및 헤드(head)(201)가 충돌하지 않도록 작동된다.
즉, 상기 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10) 방향으로 이동하면서 스웨이징하여 판형 핵연료(302)를 사이드 판(301)에 고정한 뒤 상기 스토퍼(stopper)(10)와 최대 가까워졌을 때, 상기 스토퍼(stopper)(10) 및 헤드(head)(201)가 서로 충돌하지 않도록 상기 스토퍼(stopper)(10)가 후진하도록 상기 헤드(head)(201)와 연동하여 작동된다.
스웨이징(swaging) 공정은 이후 상기 스웨이징 장비(Swaging Machine)의 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10) 반대방향으로 이동하면서 한번 더 수행될 수 있으며,이를 통해 판형 핵연료(302)를 사이드 판(301)의 홈에 더욱 단단히 고정시킬 수 있다.
상기 스토퍼 시스템(stopper system)(100)은 이후 스토퍼(stopper)(10)를 전진상태로 놓음으로써 다음 스웨이징 공정을 준비할 수 있다.
상기와 같이, 상기 스토퍼(stopper)(10) 및 헤드(head)(201)가 각각 1회 왕복 운행하여 1개의 판형 핵연료(302)를 스웨이징(swaging)할 수 있으며, 상기 과정을 반복 수행하여 복수 개의 판형 핵연료(302)를 스웨이징(swaging)하여 판형 핵연료(302)집합체를 조립할 수 있다. 이때, 상기 스토퍼 시스템(stopper system)(100)을 사용함으로써, 별도의 지그 탈부착 작업 필요없이도 판형 핵연료(302) 각각이 핵연료집합체의 사이드 판(301)에 형성된 홈의 정확한 위치에 고정할 수 있어 작업시간을 단축할 수 있으며, 또한, 스웨이징 장비의 헤드(head)(201)와 연동하여 작동하므로, 장비의 오작동 및 작업자의 실수로 인한 사고를 방지 할 수 있다.
또한, 본 발명은
일면에 홈이 형성된 판상 핵연료집합체의 사이드 판 2개를 홈이 있는 면이 서로 마주보도록 스웨이징 장비(swaging machine)에 고정시키는 단계(단계 1);
스토퍼 시스템(stopper system)의 스토퍼(stopper)를 전진 상태로 고정한 후 상기 사이드 판의 홈에 판형 핵연료를 삽입하는 단계(단계 2);
스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)를 스토퍼(stopper) 방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 상기 사이드 판의 홈에 고정시키는 단계(단계 3);
상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper)와 충돌하지 않도록 스토퍼 시스템(stopper system)의 스토퍼(stopper)를 후진시키는 단계(단계 4);
상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper) 반대방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 홈에 재고정시키는 단계(단계 5);및
상기 단계 2 내지 5를 반복하여 판형 핵연료집합체를 조립하는 단계 (단계 6);를 포함하는 상기 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system)을 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법을 각 단계별로 상세히 설명한다
본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법에 있어, 단계 1은 일면에 홈이 형성된 판상 핵연료집합체의 사이드 판 2개를 홈이 있는 면이 서로 마주보도록 스웨이징 장비(swaging machine)에 고정 시키는 단계이다.
이는 상기 스웨이징 장비(swaging machine)를 이용하여 스웨이징 공정을 수행하기 위하여 상기 사이드 판(301)을 상기 스웨이징 장비(swaging machine)에 고정하기 위한 단계이다.
예를 들어, 상기 스웨이징 장비의 고정조 및 이동조에 상기 사이드 판(301)을 홈이 있는 면이 서로 마주보도록 위치시킨 후 렌치를 이용하여 고정 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법에 있어, 단계 2는 스토퍼 시스템(stopper system)(100)의 스토퍼(stopper)(10)를 전진 상태로 고정한 후 상기 사이드 판(301)의 홈에 판형 핵연료를 삽입하는 단계이다.
이는 단계 3의 스웨이징 공정 시 밀림현상을 방지하기 위한 것으로, 상기 스토퍼 시스템(stopper system)(100)의 스토퍼(stopper)(10)가 전진상태에서 판형 핵연료를 지지함으로써 스웨이징 공정 시 상기 판형 핵연료가 밀리지 않도록 할 수 있다.
이후, 상기 헤드(head)(201)를 상기 판형 핵연료 상부 위로 위치시켜 스웨이징을 준비하는데, 이때, 상기 헤드(head)(201)는 상기 판형 핵연료 상부로부터 0.1 내지 0.3 mm 위에 위치되는 것이 바람직하다.
만약 상기 헤드(head)(201)가 상기 판형 핵연료 상부로부터 0.1 mm 미만의 높이에 위치될 경우, 과도한 외력으로 인해, 판형 핵연료 집합체의 뒤틀림이 일어나는 문제가 발생될 수 있고,
또한, 상기 헤드(head)(201)가 상기 판형 핵연료 상부로부터 0.3 mm 초과하는 높이에 위치될 경우, 충분한 강도로 압입되지 않아, 핵연료판이 상기 사이드 판(301)에 고정되지 않는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법에 있어, 단계 3은 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)(201)를 스토퍼(stopper)(10) 방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 상기 사이드 판(301)의 홈에 고정시키는 단계이다.
최적의 판형연료집합체를 제조하기 위해서는 상기 스웨이징 공정에서 판형 핵연료가 좌, 우 2개의 사이드판에 형성된 홈의 정확한 위치에 고정되 스웨이징(swaging) 이후 뒤틀림 및 변형을 최소화시키는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 종래의 경우, 판형 핵연료의 위치를 설정하기 위해 별도의 지그를 제작하여 사용하여 왔으나, 작업자의 숙련도 또한 필요하기 때문에 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다. 반면 본 발명의 경우, 스웨이징 공정시 상기 스토퍼 시스템(stopper system)(100)을 사용함으로써, 별도의 지그 탈부착 작업이 필요 없어, 작업시간을 단축할 수 있으며, 보다 용이하게 조립할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법에 있어, 단계 4는 상기 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10)와 충돌하지 않도록 스토퍼 시스템(stopper system)(100)의 스토퍼(stopper)(10)를 후진시키는 단계이다.
상기 스토퍼 시스템(stopper system)(100)은 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)(201)와 연동하여 상기 스토퍼(stopper)(10) 및 헤드(head)(201)가 충돌하지 않도록 작동할 수 있다.
따라서, 상기 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10) 방향으로 이동하면서 사이드 판(301)을 압입하여 판형 핵연료를 사이드 판(301)에 고정한 뒤 상기 스토퍼(stopper)(10)와 최대 가까워졌을 때, 상기 스토퍼(stopper)(10)를 후진시킴으로써 상기 스토퍼(stopper)(10) 및 헤드(head)(201)가 서로 충돌하지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법에 있어, 단계 5는 상기 헤드(head)(201)가 스토퍼(stopper)(10) 반대방향으로 이동하면서 상기 판형 핵연료를 홈에 재고정시키는 단계이다.
상기 단계 5를 통해, 상기 사이드 판(301)이 한번 더 압입됨으로써, 상기 판형 핵연료가 상기 사이드 판(301)의 홈에 단단히 고정될 수 있다. 예를 들어, 상기 사이드 판(301)은 상기 단계 1 내지 5 이후 0.3 내지 0.5 mm의 깊이로 압입됨으로써 상기 판형 핵연료를 상기 사이드 판(301)의 홈에 단단히 고정시킬 수 있다.
본 발명에 따른 판형 핵연료집합체의 조립방법에 있어, 단계 6은 상기 단계 2 내지 5를 반복하여 판형 핵연료집합체를 조립하는 단계이다.
이때, 상기 단계 6의 반복 횟수에 따라, 상기 핵연료집합체에 포함되는 판형 핵연료의 개수가 정해지는데 예를 들어, 상기 2 내지 5를 21회 반복 수행함으로써, 21개의 판형 핵연료를 포함하는 핵연료집합체가 조립될 수 있다.
나아가 본 발명은
상기 조립방법으로 조립되며, 일면에 홈이 형성된 사이드 판(301) 및 상기 홈에 좌, 우 양끝이 고정된 복수 개의 판형 핵연료(302)를 포함하는 판형 핵연료집합체를 제공한다.
이때, 상기 판형 핵연료집합체는 우라늄 및 Al-5Si 분말을 포함하여 제조된 핵연료를 포함할 수 있으며 또한, AA6061-T6 재질의 사이드 판(301)이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 판형 연료판집합체는 2시간 동안 진공로에서 건조시킨 알루미늄 분말을 우라늄 분말과 함께 믹서를 이용하여 3시간 동안 23RPM으로 혼합하여 제조된 판형 핵연료(302) 21개를 상기 스웨이징 장비 및 스토퍼 시스템을 이용하여 AA6061-T6 재질의 사이드 판(301)에 고정하여 조립한 판형 연료판집합체일 수 있다.
<실시예 1>
단계 1: 일면에 21개의 홈이 균일한 간격으로 형성된 783 x 78.9 x 5.8 mm 크기의 AA6061-T6 사이드 판(Side plate) 2개를 홈이 있는 면이 마주보도록 스웨이징 장비의 고정조 및 이동조에 세운 후, 이동조를 이동시켜 고정조와의 간격을 조절한 후 렌치를 이용하여 고정시켰다. 이후 게이지 블록 및 다이얼게이지를 이용하여 위의 조 간격을 적정량 조절하였다.
단계 2: 640 x 70.7 x 1.27 mm 크기의 판형 핵연료를 2개의 사이드 판(Side plate)의 최하단에 위치한 홈 사이에 끼워 넣었다.
단계 3: 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)를 스토퍼(stopper) 방향으로 이동시키면서 상기 판형 핵연료의 양 끝이 상기 헤드(head)의 압입력에 의해 고정되도록 하였다. 이때, 상기 헤드(head)의 위치는 상기 판형 핵연료의 0.1 mm 위로 위치시켰으며 상기 판형 핵연료가 0.325 mm로 압입되도록 하였다.
단계 4: 상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper)와 충돌하지 않도록 스토퍼 시스템(stopper system)을 후진시켰다.
단계 5: 상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper) 반대방향으로 이동하면서 상기 판형 핵연료를 홈에 재고정시켰다.
단계 6: 이후 2 내지 21번째 판상 핵연료를 각각 상기 단계 2 내지 5를 반복하여 홈에 끼워넣고, 고정시켜 21개의 판형 핵연료를 포함하는 핵연료집합체를 조립하였다.
10: 스토퍼(stopper)
21: 피스톤 로드
22: 공기 공급 및 배출 포트
100: 스토퍼 시스템(stopper system)
201: 헤드(head)
202: 컨트롤러(controller)
203: 베이스 부
301: 사이드 판
302: 판형 핵연료

Claims (14)

  1. 판형 핵연료를 지지하는 스토퍼(stopper); 및
    상기 스토퍼(stopper)와 연결되어 상기 스토퍼(stopper)를 전진 및 후진 왕복 운행하게 하는 에어 실린더;를 포함하며,
    상기 에어 실린더는 스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)가 상기 스토퍼에 근접하면 상기 스토퍼를 후진시키는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system).
  2. 제1항에 있어서, 상기 스토퍼(stopper)는 5 mm x 80 mm 내지 10 mm x 100 mm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system).
  3. 제1항에 있어서, 상기 스토퍼(stopper)는 S45C, SS400 및 SK4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 되어있는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system).
  4. 제1항에 있어서, 상기 에어 실린더는 공기압이 공급 또는 배기 되는 포트 및 피스톤 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system).
  5. 제1항에 있어서, 상기 스토퍼(stopper)는 상기 스웨이징(swaging) 공정 중 상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper) 방향으로 이동할 때, 판형 핵연료를 지지하도록 전진 상태에 있는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system).
  6. 제1항에 있어서, 상기 스토퍼 시스템(stopper system) 및 헤드(head)는 각각 1회 왕복 운행하여 1개의 판형 핵연료를 스웨이징(swaging)하는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체를 제조하기 위한 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system).
  7. 일면에 홈이 형성된 판형핵연료 집합체의 사이드판을 고정하는 베이스부;
    판형 핵연료를 지지하는 스토퍼(stopper) 및 상기 스토퍼(stopper)와 연결되어 상기 스토퍼(stopper)를 전진 및 후진 왕복 운행하게 하는 에어 실린더를 포함하는 스토퍼 시스템(stopper system); 및
    상기 스토퍼가 있는 방향으로 이동하면서 상기 판형 핵연료를 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 상기 사이드 판의 홈에 고정시키는 헤드(head);를 포함하고,
    상기 에어 실린더는 상기 헤드(head)가 상기 스토퍼에 근접하면 상기 스토퍼를 후진시키는 것을 특징으로 하는 스웨이징 장치.
  8. 일면에 홈이 형성된 판형 핵연료집합체의 사이드 판 2개를 홈이 있는 면이 서로 마주보도록 스웨이징 장비(swaging machine)에 고정시키는 단계(단계 1);
    스토퍼 시스템(stopper system)의 스토퍼(stopper)를 전진 상태로 고정한 후 상기 사이드 판의 홈에 판형 핵연료를 삽입하는 단계(단계 2);
    스웨이징 장비(swaging machine)의 헤드(head)를 스토퍼(stopper) 방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 상기 사이드 판의 홈에 고정시키는 단계(단계 3);
    상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper)와 충돌하지 않도록 스토퍼 시스템(stopper system)의 스토퍼(stopper)를 후진시키는 단계(단계 4);
    상기 헤드(head)가 스토퍼(stopper) 반대방향으로 이동시키면서 스웨이징하여 상기 판형 핵연료를 홈에 재고정시키는 단계(단계 5);및
    상기 단계 2 내지 5를 반복하여 판형 핵연료집합체를 조립하는 단계 (단계 6);를 포함하는 제1항의 스웨이징(swaging) 공정용 스토퍼 시스템(stopper system) 을 이용한 판형 핵연료집합체의 조립방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 판형 핵연료집합체의 조립방법은 상기 단계 3을 수행하기 전 상기 헤드(head)를 상기 판형 핵연료 상부 위로 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체의 조립방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 헤드(head)는 상기 판형 핵연료 상부로부터 0.1 내지 0.3 mm 위에 위치시키는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체의 조립방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 단계 1 내지 5 이후 상기 사이드 판은 0.3 내지 0.5 mm 깊이로 압입되는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체의 조립방법.
  12. 제8항의 조립방법으로 조립되며, 일면에 홈이 형성된 사이드 판 및 상기 홈에 좌, 우 양끝이 고정된 복수 개의 판형 핵연료를 포함하는 판형 핵연료집합체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 판형 핵연료는 우라늄 및 Al-5Si 분말을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체.
  14. 제12항에 있어서, 상기 사이드 판은 AA6061-T6 재질로 되어 있는 것을 특징으로 하는 판형 핵연료집합체.
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