KR101851184B1 - 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체 - Google Patents

향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핵연료집합체용 하단고정체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 핵연료집합체용 하단고정체의 이물질 여과 성능을 향상하고 냉각수 분배 효과를 증대시키기 위해 하단고정체에 형성되는 유로홀 사이에 프로펠러형 여과유닛을 포함하는, 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체는, 핵연료집합체용 하단고정체에 있어서, 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀(120)이 형성되는 플레이트(110); 및 복수의 유로홀(120) 중 적어도 일부 내에 형성되는 프로펠러 형태의 여과유닛;을 포함하여 구성된다.

Description

향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체{BOTTOM NOZZLE PROVIDING IMPROVED FILTERING CAPABILITY FOR NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}
본 발명은 핵연료집합체용 하단고정체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 핵연료집합체용 하단고정체의 이물질 여과 성능을 향상하고 냉각수 분배 효과를 증대시키기 위해 하단고정체에 형성되는 유로홀 사이에 프로펠러형 여과유닛을 포함하는, 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체에 관한 것이다.
원자로란 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄의 생산 또는 방사선장 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 말한다.
일반적으로 경수로 원전에서는 우라늄-235의 비율을 2~5%로 높인 농축우라늄을 사용한다. 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠렛(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠렛들을 수 백 개씩 다발 형태로 묶어서 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 상부봉단마개를 용접하여 연료봉을 제조한다. 이와 같이 제조된 연료봉은 최종적으로 핵연료집합체를 구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.
핵연료집합체는 원자로 내에서 핵분열에 의하여 열을 방출하고 핵연료집합체로부터 발생하는 열은 냉각수에 의하여 흡수된다. 냉각수는 원자로 냉각펌프에 의해 원자로 및 원자로 배관을 순환하며 핵연료집합체로부터 냉각수로의 열전달을 촉진한다.
이와 같은 핵연료집합체(1)가 도 1에 도시되어 있다. 핵연료집합체(1)는 상단고정체(2), 하단고정체(4), 지지격자(6), 안내관(8)과 계측관(12) 및 지지격자(6)로 이루어지는 골격체, 지지격자(6) 내에 장입 및 지지되는 연료봉을 포함한다. 지지격자(6)는 핵연료집합체(1)에서 상하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관(8)과 용접된다. 핵연료집합체(1)의 조립은 연료봉을 골격체에 장입한 뒤 상단고정체(2) 및 하단고정체(4)를 부착하여 고정시킴으로써 완료된다. 요컨대, 핵연료집합체(1)는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 지지격자(6) 및 안내관(8)에 의해 상단고정체(2)와 하단고정체(4) 사이에서 연료봉이 일정 간격을 유지하도록 설치되어 있다.
도 2a 및 도 2b에는 일반적인 하단고정체(4)가 도시되어 있다. 하단고정체(4)에는 안내관(8) 및 계측관(12)이 각각 연결되는 안내홀(24) 및 계측홀(26)과 냉각수 통과 구멍인 유로홀(28)을 포함한다. 이 유로홀(28)을 통하여 냉각수가 연료봉 영역으로 유입되어 연료봉들 사이를 통과하면서 연료봉에서 발생되는 열을 제거하는 역할을 한다.
한편, 냉각수가 유로홀(28)을 통해 연료봉 영역으로 유입될 때, 냉각수 중에 잔존하는 이물질들 역시 냉각수와 동일한 경로로 연료봉 영역으로 함께 들어오게 된다. 즉, 기존의 핵연료집합체의 하단고정체(4)에는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 복수의 유로홀(28)이 형성되어 있으며, 원자로 가동 중에 냉각수와 함께 흐르는 여러 형태의 이물질은 유로홀(28)을 통과하여 핵연료집합체의 연료봉이 위치한 영역으로 유입되고, 연료봉과 연료봉 사이 또는 핵연료집합체 최하부 지지격자와 연료봉 사이에 끼일 수 있다.
다시 말해, 냉각수와 같이 유입되는 이물질 중 크기가 작아 잘 통과하는 것도 있지만, 크기가 비교적 큰 이물질이 냉각수와 같이 유입되면, 고속으로 흐르는 냉각수에 의해 핵연료집합체(1) 내로 유입된 이물질들은 기계적으로 작용진동하여 인접한 핵연료봉 피복관에 진동접촉하게 되고, 그로 인해 핵연료봉 피복관을 기계적으로 마모시키며, 결국에는 연료봉의 피복관을 손상시키게 된다.
연료봉이 손상되어 구멍이 형성되면, 연료봉내 핵물질의 핵반응으로 인하여 생성된 핵반응 생성물질들이 연료봉 피복관의 밖으로 유출되어 냉각수를 방사능 물질들로 오염시키고, 오염된 냉각수는 원자력 발전소의 일차 냉각계통을 순환하면서 일차냉각수 전체를 오염시킨다.
실제로, 해외 원전의 경우 이물질로 인한 핵연료 손상이 보고 되고 있으며, 전술한 바와 같이, 일차 냉각계통이 파손되는 냉각재 상실사고가 발생된다면 방사능으로 오염된 냉각수가 누출되므로 중대한 사고가 발생되는 등 여러 가지 문제점이 있다.이러한 문제점을 방지하기 위해 유로홀은 원자로에서 발생하는 이물질을 여과하기 위해 그물망 형태 등 다양한 모양으로 설계가 되고 있는 실정이다.
이물질 여과를 위해 매우 조밀한 유로홀 형상을 설계하게 되면 냉각수 통과가 어려워져 핵연료의 중성자 경제성에 큰 영향을 미친다. 따라서, 이물질이 핵연료집합체에 손상을 주지 않게 하기 위해 냉각수가 핵연료집합체로 들어오는 구간인 하단고정체에서 이물질 여과 기능을 향상시키고 동시에 비교적 큰 유로홀을 설계하여 냉각수 흐름을 원활하게 할 필요성이 존재한다.
공개특허공보 특2000-0061665 (공개일자: 2000.10.25)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
향상된 이물질 여과 성능을 갖는 핵연료집합체용 하단고정체를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 향상된 냉각수 분배 성능을 보유하여 열적 여유도를 향상시킬 수 있는 핵연료집합체용 하단고정체를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명에 따른 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체는, 핵연료집합체용 하단고정체에 있어서, 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀이 형성되는 플레이트; 및 상기 복수의 유로홀 중 적어도 일부 내에 형성되는 프로펠러 형태의 여과유닛;을 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 여과유닛은, 유로홀의 중심부에 형성되는 중앙로드; 및 상기 중앙로드의 외주면으로부터 반경방향으로 연장하는 복수의 윙;을 포함하고, 상기 복수의 윙은 플레이트의 수직방향에 대하여 일정각도 기울어지면서 일정한 곡선을 유지한 상태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 유로홀은 플레이트의 가로방향 및 세로방향으로 일렬로 형성될 수 있다.
바람직하게, 각 유로홀에 삽입되는 복수의 윙 중 인접하는 각 윙 사이에는 간극이 존재하되, 각 윙은 유로홀을 덮는 형상으로 구성되어, 플레이트 상측에서 유로홀을 통해 하측이 보이지 않도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체에 따르면, 하단고정체의 유로홀 사이에 프로펠러형 이물질 여과유닛을 포함함으로써 향상된 이물질 여과 성능을 갖는 핵연료집합체용 하단고정체를 제공한다.
또한, 본 발명의 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체에 따르면, 유로홀을 통과한 이물질은 냉각수와 함께 회전하여 이물질이 하단고정체 상측에 조립되어 있는 지지격자에 필터링될 가능성을 향상시킨다.
또한, 본 발명의 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체에 따르면, 향상된 냉각수 분배 성능을 보유하여 열적 여유도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 핵연료집합체를 도시하고,
도 2a는 일반적인 핵연료집합체의 하단고정체의 사시도를 도시하고,
도 2b는 일반적인 핵연료집합체의 하단고정체의 상측면도를 도시하고,
도 3a는 본 발명에 따른 핵연료집합체용 하단고정체의 상측면도를 도시하고,
도 3b는 도 3a의 부분 B의 부분확대도를 도시하고,
도 3c는 도 3a에 표시된 AA'의 절단면도를 도시하며,
도 4는 유로홀에 삽입 형성되는 윙과 중앙로드를 도시한다.
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.
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.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체의 상측면도를 도시하고, 도 3b는 도 3a의 부분 B의 부분확대도를 도시하고, 도 3c는 도 3a에 표시된 AA'의 절단면도를 도시하며, 도 4는 유로홀에 삽입 형성되는 윙과 중앙로드를 도시한다.
본 발명에 따른 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체는, 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀이 형성되는 플레이트 및 복수의 유로홀 중 적어도 일부 내에 형성되는 프로펠러 형태의 여과유닛을 포함하여 구성된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체(100)는 복수의 유로홀(120)이 형성되는 플레이트(110)를 포함한다. 플레이트(110)는 하단고정체(100)의 상측에 형성되고 대략 사각형의 판상 형태를 취할 수 있다. 플레이트(110)는 하단고정체(100)와 일체로 형성될 수도 있고, 하단고정체(100)와 별도로 형성되어 하단고정체(100)에 부착되는 방식으로 형성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 플레이트(110)에는 냉각수가 관통하여 유동할 수 있는 복수의 유로홀(120)이 형성된다. 유로홀(120)의 형상은 하단고정체(100)를 관통하는 구멍이라면 형상에 제한이 없으나, 바람직하게는, 원통형으로 형성될 수 있다. 플레이트(110)에 형성되는 유로홀(120)의 크기는 모두 동일하게 상호 일정 간격 이격되어 배치될 수도 있고, 각 유로홀(120)의 크기가 다르게 상호 일정 간격 이격되어 배치될 수도 있다. 도면에는 크기와 간격이 모두 같은 유로홀을 구비한 하단고정체가 도시되어 있지만, 크기, 형상과 간격 등이 모두 동일할 필요성은 없다는 것이 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 것이다.
또한, 복수의 유로홀(120)은 균일한 흐름을 위하여 플레이트(110)의 가로방향 및 세로방향으로 일렬로 플레이트(110)의 전면에 형성될 수 있다. 유로홀(120)의 사이사이에는 계측관 연결을 위한 홀과 안내관 삽입을 위한 연결홀(140)이 형성된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 플레이트(110)의 중앙부에는 계측관 연결을 위한 홀이 형성되어 있고, 중앙부 주위에 유로홀(120) 사이사이에는 안내관 삽입을 위한 연결홀(140)이 마련된다.
본 발명에 따르면, 복수의 유로홀(120) 중 적어도 일부의 유로홀(120) 내에는 프로펠러 형태의 여과유닛이 배치된다. 또는, 바람직하게, 모든 유로홀(120) 내에 프로펠러 형태의 여과유닛이 배치될 수 있다. 프로펠러 형태의 여과유닛은, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 유로홀(120)의 중심부에 형성되는 중앙로드(132) 및 중앙로드(132)의 외주면으로부터 반경방향으로 연장하는 복수의 윙(130)을 포함한다. 복수의 윙(130)은 플레이트(110)의 수직방향에 대하여 일정 각도 기울어지면서 일정한 곡선을 유지한 상태로 형성된다. 중앙로드(132)의 외주면부터 반경방향으로 가장 멀리 연장한 윙(130)의 부분이 유로홀(120)의 내주면에 접촉하여 형성될 수 있다.
도 3b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 하단고정체(100)의 상측에서 유로홀(120)을 내려다 보았을 때 하측이 보이지 않도록 구성된다. 다시 말하면, 복수의 윙(130)은 각각 플레이트(110)의 수직방향에 대해 일정 각도로 기울어져 형성되어 플레이트(110) 상측에서 볼 때 유로홀(120)을 통해 하측이 보이지 않도록 구성될 수 있다. 하나의 유로홀(120)에 삽입 형성되는 복수의 윙(140) 중 인접하는 각 윙 사이에는 간극이 존재하되, 유로홀을 덮는 형상을 이루도록 각 윙은 일정 각도를 이루며 굴곡지게 형성된다.
이러한 구성을 통해, 하단고정체 위에서 아래를 내려다보면 유로홀의 아래쪽이 관통하여 보이지 않으므로 이물질이 직진하여 통과되기 어렵게 된다. 또한, 복수의 윙(130)이 형성된 유로홀(120)의 구성으로 인해 냉각수가 회전하게 되므로 유로홀(120)을 통과한 이물질도 함께 회전하게 되고, 이는 하단고정체(100)의 상단에 조립되는 지지격자에 더 쉽게 걸러지도록 하는 효과를 가져온다.
기존 하단고정체의 유로판과 비교하여, 앞서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이물질 여과장치가 형성되는 핵연료집합체용 하단고정체는 매우 큰 유로홀을 가지며, 유로홀 사이에 프로펠러 형태의 복수의 윙으로 구성되는 이물질 여과장치를 형성함으로써, 효율적으로 이물질을 여과하고 냉각수를 분배하는 효과를 가져온다.
본 발명에 따른 복수의 윙이 형성되는 프로펠러 형태의 유로홀은 통상의 기계가공으로 실현하는 것보다는, 3D 프린팅 기술을 이용하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 기계가공으로 미리 제조된 하단고정체에 본 발명에 따른 여과유닛을 구비하는 유로홀을 다시 가공하거나 또는 본 발명에 따른 여과유닛을 구비하는 유로홀을 포함한 하단고정체를 3D 프린팅 기술을 사용하여 가공할 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.
1: 핵연료집합체 2: 상단고정체
4: 하단고정체 6: 지지격자
8: 안내관 12: 계측관
24: 안내홀 26: 계측홀
28: 유로홀
100: 하단고정체 110: 플레이트
120: 유로홀 130: 윙
132: 중앙로드 140: 연결홀

Claims (4)

  1. 핵연료집합체용 하단고정체에 있어서,
    상기 하단고정체의 상부에 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀이 형성되는 플레이트; 및
    상기 복수의 유로홀 중 적어도 일부 내에 삽입되어 상기 냉각수가 상기 플레이트의 수직방향으로 직진하여 흐르는 것을 방지하고, 중심축에 대해 일정한 회전력을 생성하는 프로펠러 형태의 여과유닛을 포함하고,
    상기 여과유닛은,
    상기 유로홀의 중심부에 형성되는 중앙로드 및
    일측이 상기 중앙로드에서부터 반경방향으로 연장하여 상기 플레이트의 수직방향에 대해 일정각도 기울어지면서 타측이 상기 유로홀의 내주면에 접촉하는 복수의 윙을 포함하고,
    상기 복수의 윙은 인접하는 각 윙 간에 간극이 형성되며, 상기 일정각도는 상기 플레이트의 상측에서 상기 유로홀을 통해 하측이 보이지 않는 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체.
  2. 삭제
  3. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유로홀은 상기 플레이트의 가로방향 및 세로방향으로 일렬로 형성되는 것인 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체.
  4. 삭제
KR1020170007179A 2017-01-16 2017-01-16 향상된 이물질 여과성능을 제공하는 핵연료집합체용 하단고정체 KR101851184B1 (ko)

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