KR101826045B1 - 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체 - Google Patents

삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 하단고정체에 형성되는 유로홀에 이물질이 방지되도록 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체에 관한 것으로서, 다수의 유로홀이 형성되는 유로판 및, 유로판 저면에 일체로 형성되어 유로판을 지지하는 하부 다리로 이루어지는 베이스와; 상기 유로홀 내주면에 대응되는 형상으로 형성되어 유로홀 저면에 삽입되는 부재로서, 유로홀 내주면과 일정 폭 만큼 이격되게 유로홀에 삽입됨으로써 상기 일정 폭 만큼 이격된 공간을 통하여 냉각수가 상승되고, 냉각수에 포함되는 이물질은 상기 베이스 저면에 잔류함으로써 냉각수에 포함되는 이물질이 걸러지게 형성되는 삽입구가 복수개로 구비되어 이루어지는 삽입 여과부;로 구성됨으로써, 하단고정체의 제작 과정에서 이물질 거름 수단이 미리 조립될 수 있고, 이물질 거름 수단이 조립되더라도 하단고정체 자체의 부피 외에 추가적으로 공간을 차지하지 않으면서 또한 냉각수의 온도 상승이 방지되며, 냉각수의 원활한 흐름은 계속 유지될 수 있는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체를 제공하고자 한다.

Description

삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체{Bottom nozzle providing with insertable filtering device for nuclear fuel assembly}
본 발명은 핵연료집합체의 하부를 지지하는 하단고정체에 관한 것으로, 특히 하단고정체에 형성되는 유로홀에 이물질이 방지되는 삽입구를 갖는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체에 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 연료봉과, 이 연료봉의 횡방향으로 마련되어 연료봉을 지지하게 되는 다수의 지지격자(30)와, 이 지지격자(30)와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관(10) 및 지지격자(30)의 중심에 삽입되는 계측관(20)과, 안내관(10) 및 계측관(20)의 상하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체(40) 및 하단고정체(50)로 이루어진다.
핵연료 집합체를 구성하는 연료봉은 대략 200 개 이상으로 이루어지며,
각 연료봉에는 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 지지하고, 안내관(10)과 계측관(20)이 삽입되는 홀 및 냉각수가 공급되는 다수의 유로홀이 형성된다.
종래의 하단고정체(50)는 도 2a의 사시도 및 도 2b의 평면도에 도시된 바와 같이 안내관과 계측관이 삽입되는 홀(54,55)과 냉각수가 통과되는 유로홀(53)이 형성된 유로판(52)과, 유로판(52)을 지지하는 하부 다리(56)로 이루어진다.
그런데 유로홀을 통과하는 냉각수는 이물질을 함유하고 있어 이물질이 걸러질 수 있는 수단이 하단고정체에 요구된다. 해외 원전의 경우에는 이물질로 인한 핵연료 손상이 발생된다는 보고가 있는 점을 고려할 때 이물질이 핵연료로 유입되는 것은 반드시 방지될 필요가 있다.
이러한 문제의식으로 인하여 하단고정체에 형성된 유로홀에 이물질이 걸러질 수 있도록 다양한 구조의 설계가 시도되고 있다. 이러한 시도 중 하나로서 도 3에 도시된 종래기술인 을 살펴보면 도 3에 도시된 공개특허공보 특2000-0061665호(공개일자: 2000. 10. 25) '핵연료집합체의 하단고정체에 설치되는 적층형 이물질 유입방지필터'를 살펴보면, 하단고정체의 유로에 도 3에 도시된 바와 같은 적층형 이물질 유입방지 필터가 형성된 박판을 하단고정체 상면 또는 하면에 적층함으로 이물질 유입을 방지시키는 기술이 개시되어 있다.
그런데 이처럼 하단고정체 외부에 적층시키는 형태의 이물질 거름 수단은 하단고정체 자체의 제작시 미리 설치하기 힘들고, 유로홀이 이물질 거름에 활용되지 못하므로 하나의 얇은 필터를 이물질이 일단 통과하면 더 이상 이물질 유입을 막을 방법이 없으며, 이물질의 철저한 유입 방지를 위해 필터를 적층하면 하단고정체 자체의 부피가 커지게 됨으로써 현장 시공 작업에 많은 시간과 노력이 소요되고, 또한 필터를 적층함으로써 냉각수 통과 속도가 감소되므로 냉각수의 원활한 유로홀 통과가 방해받는 결과가 초래된다.
따라서 하단고정체의 제작 과정에서 미리 조립될 수 있고, 하단고정체 자체의 부피 외에 추가적으로 공간을 차지하지 않으면서 또한 이물질이 걸러질 수 있는 부위가 유로홀 전체 길이에 걸쳐서 형성될 수 있으며, 냉각수의 원활한 흐름은 계속 유지될 수 있는 구조를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체가 요구된다.
공개특허공보 특2000-0061665호(공개일자: 2000. 10. 25)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 하단고정체의 제작 과정에서 미리 조립될 수 있고, 하단고정체 자체의 부피 외에 추가적으로 공간을 차지하지 않으면서 또한 이물질이 걸러질 수 있는 부위가 유로홀 전체 길이에 걸쳐서 형성될 수 있으며, 냉각수의 원활한 흐름은 계속 유지될 수 있도록 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체는 서로 평행하게 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉 및 연료봉을 지지하기 위한 부재로 이루어지는 핵연료 집합체의 하부를 지지하는 하단고정체로서, 다수의 유로홀이 형성되는 유로판 및, 유로판 저면에 일체로 형성되어 유로판을 지지하는 하부 다리로 이루어지는 베이스와; 상기 유로홀 내주면에 대응되는 형상으로 형성되어 유로홀 저면에 삽입되는 부재로서, 유로홀 내주면과 일정 폭 만큼 이격되게 유로홀에 삽입됨으로써 상기 일정 폭 만큼 이격된 공간을 통하여 냉각수가 상승되고, 냉각수에 포함되는 이물질은 상기 베이스 저면에 잔류함으로써 냉각수에 포함되는 이물질이 걸러지게 형성되는 삽입구;로 이루어진다.
상기 삽입구는 유로홀의 개수만큼 복수개로 구비되고, 삽입구 사이 간격이 유로홀 간격에 일치되게 배열된 상태로 삽입구 위치를 고정시키는 다수의 연결대가 서로 종횡으로 교차되는 격자 형태로 마련되며, 바람직하게는 연결대가 교차되는 지점의 상부에 삽입구의 저면 중심이 고정되게 결합된다.
또한 바람직하게는 상기 유로판의 저면에는 유로홀 사이에 연결대가 삽입되는 연결대홈이 형성된다.
한편, 상기 유로홀에는 바람직하게는 유로판 깊이 방향의 일정 지점에 병목구간이 형성된다.
이 경우 바람직하게는 상기 삽입구는 유로홀의 입구부터 병목구간까지의 형상에 대응되게 높이방향을 따라 점차 단면적이 감소되어 상단에는 첨두가 형성되고, 저면은 일정한 면적을 갖는 면으로 형성되어 첨두가 유로홀의 하부로 삽입된다.
특히 바람직하게는 상기 삽입구는 삽입구의 길이 방향을 따라 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수홀이 형성된다.
여기서 바람직하게는 상기 삽입구는 단면이 서로 동심원을 이루는 복수개의 원통이 중심 원통부터 테두리 원통까지 점차 높이가 낮아지게 형성되는 동심원부와, 상기 동심원의 중심에서 방사상으로 뻗어나가면서 복수개의 원통을 연결시키는 수직 판으로서 동심원의 중심에서 테두리 방향으로 높이가 점차 감소되는 연결판부로 이루어지며, 동심원부와 연결판부 사이 공간이 바로 상기 냉각수홀이 된다.
본 발명에 따른 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체에 따르면 하단고정체의 제작 과정에서 이물질 거름 수단이 미리 조립될 수 있고, 이물질 거름 수단이 조립되더라도 하단고정체 자체의 부피 외에 추가적으로 공간을 차지하지 않으면서 또한 냉각수의 온도 상승이 방지되며, 냉각수의 원활한 흐름은 계속 유지되는 효과가 있다.
도 1은 핵연료집합체의 정면도,
도 2a는 종래의 하단고정체의 사시도,
도 2b은 종래의 하단고정체의 평면도,
도 3는 종래기술인 하단고정체 필터의 평면도,
도 4a는 본 발명에 따른 하단고정체의 상면 사시도,
도 4b는 본 발명에 따른 하단고정체의 평면도,
도 4c는 본 발명에 따른 하단고정체의 저면도 및 확대도,
도 4d는 본 발명에 따른 하단고정체의 정단면도,
도 5a는 본 발명에 따른 하단고정체에서 베이스의 평면도 및 확대도,
도 5b는 본 발명에 따른 하단고정체에서 베이스의 정단면도,
도 6a는 본 발명에 따른 하단고정체에서 삽입 여과부의 사시도,
도 6b는 본 발명에 따른 하단고정체에서 삽입 여과부의 평면도,
도 6c는 본 발명에 따른 하단고정체에서 삽입 여과부의 정단면도,
도 7a는 삽입구의 사시도,
도 7b는 삽입구의 정면도,
도 7c는 삽입구의 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 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이 종래의 하단고정체에 해당되는 베이스부(100)와, 베이스부(100)에 결합되는 삽입 여과부(200)로 이루어진다.
베이스부(100)는 종래의 하단고정체와 마찬가지로, 유로홀(120)이 형성되는 유로판(110)과, 유로판(110) 하부를 지지하는 하부 다리(미도시)로 구성된다. 베이스부(100)는 종래 하단고정체 자체와 동일한 구성을 가진다. 다만 유로홀(120)은 이물질 여과 효율을 높이기 위하여 독특한 구조로 형성될 수 있다. 유로홀(120)의 구조에 대한 실시예는 후술하기로 한다.
삽입 여과부(200)는 특히 정단면도인 도 4d와 6a에 잘 나타난 바와 같이 유로홀(120)에 삽입되는 복수개의 삽입구(210)로 이루어진다. 삽입구(210)는 각각 별도로 유로홀(120) 마다 삽입시켜서 베이스(100)와 결합 될 수도 있지만, 바람직하게는 도 4c에서 본 발명에 따른 하단고정체의 저면도 및 도 6a에 도시된 바와 같이 봉 형상의 부재 복수개가 격자 형상으로 교차되어 제작되는 연결대(220)에 복수개의 삽입구(210)가 일체로 고정 결합되어 모든 삽입구(210)가 각각의 유로홀(120)에 동시에 결합될 수도 있다. 이때 각각의 삽입구(210)는 복수개의 유로홀(120) 간격에 일치되게 배열되고, 연결대(220)의 교차점 마다 삽입구(210)가 교차점 상부에 결합되는 형태로 연결대(220)와 결합될 수 있다. 여기서 연결대(220)의 교차점 중앙이 삽입구(210)의 저면 중앙과 위치가 일치되게 결합됨으로써 삽입구(210)가 유로홀(120)에서 쉽게 이탈되는 현상이 방지될 수 있다.
그리고 도 4c 및 6b에 도시된 바와 같이 연결대(220)와 삽입구(210)가 서로 결합된 상태로 베이스(100) 저면에 결합될 때 각각의 삽입구(210)가 각각의 유로홀(120)에 완전히 삽입되면 연결대(220)와 유로판(110) 저면이 서로 접촉된다. 이때 삽입 여과부(200)로 인한 하단고정체의 부피 증가가 초래되지 않기 위해서 유로홀(120) 사이마다 유로판(110) 저면에 연결대(220)가 삽입될 수 있는 연결대홈(130)이 형성되면 삽입 여과부(200)가 차지하는 부피가 전혀 없게 되어, 삽입 여과부(200)가 베이스(100)에 결합되더라도 종래의 하단고정체와 본 발명에 따른 하단고정체의 부피는 동일할 수 있다.
또한 삽입구(210)가 유로홀(120)에 삽입됨에 있어, 삽입구(210)의 표면과 유로홀(120)의 내주면 사이가 일정한 폭 만큼 이격된다. 이 경우 냉각수가 하단고정체를 통과하여 상승되는 통로가 바로 이 유로홀(120) 내주면과 삽입구(210) 외주면 사이의 틈을 통해서이다.
이처럼 삽입구(210)와 유로홀(120) 사이 틈을 통해서 냉각수가 통과됨으로써 다음의 두 가지 효과가 발생된다. 첫째로는 삽입구(210) 표면과 유로홀(120) 내면 사이 간격보다 큰 이물질은 하단고정체 저면을 통과하지 못하고 냉각수만 상승하게 되어 이물질이 차단된다. 둘째로는 유로홀(120) 내부에서 냉각수가 상승되는 통로가 좁아지지만 냉각수가 상승되는 통로를 가로막는 장애물은 없으므로 오히려 냉각수는 삽입구(210) 표면과 유로홀(120) 내면 사이로 냉각수가 빠르게 유입됨으로써 냉각수 유속이 빨라져서 냉각수의 상승이 원활 해 질 수 있다.
또한 여기서 바람직하게는 도 5b에 도시된 바와 같이 유로홀(120) 내부의 일정 지점에 병목구간(122)이 형성됨으로써 냉각수의 유속이 더욱 증가되어 흐름이 원활하게 될 수 있다. 이 경우 삽입구(210)의 형태 또한 유로홀(120) 내부 형태에 대응되게 도 4d에 도시된 바와 같이 삽입구(210) 단면 직경이 점차 감소되는 형태로 형성됨으로써 베이스(100)와 삽입 여과부(200)의 결합이 여전히 가능하게 된다.
병목구간(122)이 형성됨으로써 유로홀(120) 내부를 통과하는 냉각수의 유속은 더욱 증가된다. 냉각수의 유속이 증가됨으로써 도 4c에 도시된 저면도에서와 같이 유로홀(120)의 입구 면적의 상당부분을 삽입구(210) 저면이 막고 있더라도 냉각수는 삽입구(210)와 유로홀(120) 사이 틈새로 유인되어 원활하게 상승될 수 있는 것이다.
그리고 삽입구(210)의 형상은 유로홀(120)의 하부 입구로부터 병목구간(122) 까지의 형태에 맞게 원뿔 형태로 형성되지만, 도 7a에 도시된 것처럼 삽입구(210)의 단면 직경이 점차 감소되면서 상단에 형성되는 첨두(213)는 삽입구(210)가 유로홀(120)에 결합될 때 도 4d에 도시된 바와 같이 병목구간(122)을 조금 더 지나게 삽입될 수 있다. 다만 첨두(213)의 위치는 병목구간(122)의 길이를 어느 정도로 설정하느냐에 따라서 달라질 수 있다.
병목구간(122)이 형성되면 특히 유속의 증가로 인하여 냉각수의 온도 상승이 억제되므로 냉각효율이 더욱 증대되는 효과도 있다.
한편, 여과 삽입부(200)를 이루는 각각의 삽입구(210)는 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이 냉각수의 보다 원활한 통과를 위하여 삽입구(210)의 길이 방향으로 복수개의 냉각수홀이 형성될 수 있다.
특히 냉각수홀이 차지하는 공간이 최대로 되면서도 이물질 유입 방지 작용은 더욱 효과적으로 이루어질 수 있기 위해서 삽입구(210)의 구체적인 형태는 도 7c에 도시된 바와 같이 서로 높이가 다른 원통형의 부재가 동심원을 이루게 배치됨에 있어 중심 원통 부재 높이가 가장 크고, 테두리 쪽으로 갈수록 원통형 부재 높이가 낮아지게 됨으로써 전체적인 삽입구(210) 형태는 원뿔 형상에 근접하게 유지시키는 동심원부(211)와, 동심원부(211)의 중심으로부터 방사상으로 대칭되게 뻗어나가는 복수개의 수직판으로 구성되며 동심원부(211)를 이루는 각각의 원통형 부재를 연결시키는 연결판부(212)로 구성될 수 있다. 이 경우 연결판부(212)는 삽입구(210) 전체 형상이 원뿔형이 되도록 동심원부(211)의 중심 높이가 가장 높고 동심원부(211)의 테두리에서는 높이가 거의 제로가 되게 경사지게 형성된다. 이때 동심원부(211)와 연결판부(212) 사이에 형성되는 공간이 바로 냉각수홀이 되는 것이다.
삽입구(210)가 이처럼 도 7a 내지 도 7c와 같이 형성됨으로써, 냉각수가 하단고정체의 저면에서 유입되는 흐름은 더욱 원활해지지만, 유로홀(120) 내부에 형성되는 병목구간(122)의 단면적 크기는 변함이 없으므로 앞서 설명된 냉각수홀이 없는 형태의 삽입구(210)의 경우보다 더욱 많은 양의 냉각수가 한꺼번에 병목구간(122)으로 유입되므로, 첫째로 병목구간(122)을 통과하는 냉각수의 유속은 더욱 빨라지게 되어 냉각수의 온도 상승이 더욱 철저하게 방지되면서 냉각수의 흐름도 원활해지고, 둘째로, 촘촘하게 배치되는 냉각수홀 사이에 이물질이 걸리게 되어 냉각수 유입량이 많아지더라도 이물질 제거 효율 또한 더욱 상승될 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 : 안내관 20 : 계측관
30 : 지지격자 40 : 상단고정체
50 : 하단고정체 52,110 : 유로판
53,120 : 유로홀 54 : 안내관 삽입 홀
55 : 계측관 삽입 홀 56 : 하부 다리
100 : 베이스부 122 : 병목구간
130 : 연결대홈 200 : 삽입 여과부
210 : 삽입구 211 : 원통부
212 : 연결판부 213 : 첨두
220 : 연결대

Claims (7)

  1. 서로 평행하게 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉 및 연료봉을 지지하기 위한 부재로 이루어지는 핵연료 집합체의 하부를 지지하는 하단고정체로서,
    다수의 유로홀이 형성되는 유로판 및, 유로판 저면에 일체로 형성되어 유로판을 지지하는 하부 다리로 이루어지는 베이스와;
    상기 유로홀 내주면에 대응되는 형상으로 형성되어 유로홀 저면에 삽입되는 부재로서, 유로홀 내주면과 일정 폭 만큼 이격되게 유로홀에 삽입됨으로써 상기 일정 폭 만큼 이격된 공간을 통하여 냉각수가 상승되고, 냉각수에 포함되는 이물질은 상기 베이스 저면에 잔류함으로써 냉각수에 포함되는 이물질이 걸러지게 형성되는 삽입구가 복수개로 구비되어 이루어지는 삽입 여과부룰 포함하며,
    상기 유로홀에는 유로판 깊이 방향의 일정 지점에 병목구간이 형성되는 것을 특징으로 하는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삽입 여과부는 유로홀의 개수만큼 복수개로 구비되는 삽입구와, 삽입구 사이 간격이 유로홀 간격에 일치되게 배열된 상태로 삽입구 위치를 고정시킬 수 있도록 바 형태의 부재가 서로 종횡으로 교차되는 격자 형태로 형성되는 연결대로 이루어지며, 연결대가 교차되는 지점의 상부에 삽입구의 저면 중심이 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유로판의 저면에는 유로홀 사이에 연결대가 삽입되는 연결대홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 삽입구는 유로홀의 입구부터 병목구간까지의 형상에 대응되게 높이방향을 따라 점차 단면적이 감소되어 상단에는 첨두가 형성되고, 저면은 일정한 면적을 갖는 면으로 형성되어 첨두가 유로홀의 하부로 삽입되는 것을 특징으로 하는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 삽입구는 삽입구의 길이 방향을 따라 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 삽입구는 단면이 서로 동심원을 이루는 복수개의 원통이 중심 원통부터 테두리 원통까지 점차 높이가 낮아지게 형성되는 동심원부와, 상기 동심원의 중심에서 방사상으로 뻗어나가면서 복수개의 원통을 연결시키는 수직 판으로서 동심원의 중심에서 테두리 방향으로 높이가 점차 감소되는 연결판부로 이루어지며, 동심원부와 연결판부 사이 공간이 상기 냉각수홀이 되는 것을 특징으로 하는 삽입형 이물질여과장치를 가지는 핵연료집합체의 하단고정체.
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