KR101859524B1 - 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 핵연료집합체의 상단고정체와 연료봉이 일정 간격을 유지하도록 하기 위한 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체(100)는, 핵연료집합체용 상단고정체로서, 하부에 형성되고 안내관 연결을 위한 안내관 결합부(104), 계측관 연결을 위한 계측관 결합부(106) 및 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀(108)을 구비하는 유로판(102)을 포함하고, 유로판(102)의 하부면에는, 유로판(102) 하측에 배치되는 연료봉(10)과의 간극 유지를 위하여 유로판(102)의 제1 방향으로 반원형의 컷아웃부(110)가 형성되고, 반원형의 컷아웃부(110)는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 일정 간격 이격되어 나란히 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체 {TOP NOZZLE PROVIDED WITH WAVED PLATE FOR NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}

본 발명은 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 핵연료집합체의 상단고정체와 연료봉이 일정 간격을 유지하도록 하기 위한 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 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 고정함으로써 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, 2b, 3a 및 3b에는 일반적인 상단고정체(2)가 도시되어 있다. 상단고정체(4)은 유로판(24)을 포함하고, 유로판(24)은 계측관이 결합되는 계측관결합홀(26), 안내관이 결합되는 안내관결합홀(22) 및 냉각수가 유동하는 유로홀(28)을 포함한다. 원자로 가동 중 핵연료집합체(1)는 냉각수의 흐름에 의해 수압상향력(hydraulic uplift force)이 작용하여 부양되거나 진동이 발생할 수 있고, 또한, 온도의 상승에 의한 열팽창이나 장시간의 중성자 조사에 의한 핵연료 피복관의 조사성장 및 크립(creep)에 의한 축방향 길이변화가 발생할 수가 있는데, 상단고정체(2)는 축방향의 하중을 지지하여 핵연료집합체의 기계적, 구조적 안정성을 유지하는 기능을 한다.

한편, 통상적으로, 핵연료 하단부분에 이물질로 인한 손상을 방지하기 위해 연료봉 단부에는 장형 봉단마개가 사용된다. 장형 봉단마개를 사용하면 연료봉의 내부공간이 좁아지게 되며, 내부공간을 확보하기 위해서는 연료봉의 길이가 길어져야 한다. 그러나 원자로의 내부구조 또는 핵연료를 장전하는 공간은 변하지 않기 때문에 핵연료집합체의 총 길이 또한 변하지 않는다. 반면, 중성자에 조사되는 연료봉의 길이방향 성장을 수용하고, 연료봉의 휨이 발생하지 않도록 하기 위해 연료봉과 상단고정체 간의 간격이 필수적으로 확보되어야 한다.

따라서, 핵연료집합체(1)의 길이가 변경되지 않는 조건하에서 연료봉의 길이를 신장시키며, 연료봉의 조사성장을 수용하기 위한 상단고정체 구조의 설계가 필요하다.

등록특허공보 제10-1673876호 (등록일자: 2016.11.02) 등록특허공보 제10-1085102호 (등록일자: 2011.11.14)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

핵연료집합체의 길이가 변경되지 않는 조건하에서 연료봉의 길이를 늘리며, 연료봉의 조사성장을 수용할 수 있는 핵연료집합체용 상단고정체를 제공하는데에 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 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체는, 핵연료집합체용 상단고정체로서, 하부에 형성되고 안내관 연결을 위한 안내관 결합부, 계측관 연결을 위한 계측관 결합부 및 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀을 구비하는 유로판을 포함하고, 상기 유로판의 하부면에는, 유로판 하측에 배치되는 연료봉과의 간극 유지를 위하여 유로판의 제1 방향으로 반원형의 컷아웃부가 형성되고, 상기 반원형의 컷아웃부는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 일정 간격 이격되어 나란히 형성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 방향에서 인접하는 각 반원형 컷아웃부 사이에는 수평면이 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 수평면의 양 끝단에는 연료봉의 안내를 위한 챔퍼가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 따르면, 상단고정체의 유로판에 형성되는 반원형 컷아웃을 통해서 연료봉 및 상단고정체 사이의 간격을 보다 더 확보할 수 있는 이점을 제공한다.

또한, 본 발명의 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 따르면, 연료봉 및 상단고정체 사이의 간격을 확보함으로써 조사후 연료봉의 길이방향 조사성장을 수용하여 연료봉의 휨이 발생하지 않는 이점을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면 연료봉 및 상단고정체 사이의 간격이 확보됨에 따라 연료봉의 길이를 늘릴 수 있는 이점을 제공한다.

또한, 본 발명의 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 따르면, 이물질에 의한 손상 방지를 위해 연료봉 하부에 장형 봉단마개를 사용할 수 있는 이점을 가져온다.

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 상단고정체의 상측면도를 도시하고,
도 2b는 일반적인 핵연료집합체의 상단고정체의 측면도를 도시하고,
도 3a 및 도 3b는 일반적인 핵연료집합체의 상단고정체의 사시도를 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체의 상측면도를 도시하고,
도 5a는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체의 측면도를 도시하고,
도 5b는 도 5a의 부분 A의 부분확대도를 도시하고,
도 6a는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체의 사시도를 도시하고,
도 6b는 도 6a의 부분 B의 부분확대도를 도시하며,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체 및 연료봉이 배치되는 모습을 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 4는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체의 상측면도를 도시하고, 도 5a는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체의 측면도를 도시하고, 도 5b는 도 5a의 부분 A의 부분확대도를 도시하고, 도 6a는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체의 사시도를 도시하고, 도 6b는 도 6a의 부분 B의 부분확대도를 도시하고, 도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체 및 연료봉이 배치되는 모습을 도시한다.

본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체는 안내관 결합부, 계측관 결합부 및 복수의 유로홀을 구비하는 유로판을 포함하고, 유로판의 하부면에는, 유로판 하측에 배치되는 연료봉과의 간극 유지를 위하여 유로판의 제1 방향으로 반원형의 컷아웃부가 형성되고, 반원형의 컷아웃부는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 일정 간격 이격되어 나란히 형성된다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체(100)는 유로판(102)을 포함한다. 유로판(102)은 상단고정체(100)의 하부에 형성된 판으로서, 안내관 연결을 위한 안내관 결합부(104), 계측관 연결을 위한 계측관 결합부(106) 및 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀(108)을 포함한다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 유로판(102)의 하부면에는 유로판(102)의 하측에 배치되는 연료봉(10)과의 간극 유지를 위하여 유로판(102)의 제1 방향으로 반원형의 그루브 내지는 반원형의 컷아웃부(110)가 형성된다. 즉, 연료봉(10)은 반원형의 컷아웃부(110)와 일정 간격 이격되어 배치되도록 구성된다. 여기에서 제1 방향이란 유로판의 면의 가로방향 또는 세로방향을 의미하고, 또한, 반원형이란 완전한 반원만을 지시하는 것이 아니라 곡선형태를 포함하는 것이다. 즉, 반원형의 컷아웃부(110)는 플레이트에서 일정 지름을 가진 대략 반원통형상을 파낸 모습을 형성하게 되고, 반원형의 컷아웃부(110)는 유로판(102)의 가로방향 또는 세로방향인 제1 방향을 따라 형성된다.

또한, 반원형의 컷아웃부(110)는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 일정간격 이격되어 복수로 나란히 형성된다. 즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 컷아웃부(110)가 복수로 배치 형성됨으로써, 유로판(102)은 측면에서 볼 때, 하측에 물결 모양을 이루도록 구성된다. 여기에서 제2 방향이란, 제1 방향이 가로방향이라면 제2 방향은 세로방향이 되고, 제1 방향이 세로방향이라면 제2 방향은 가로방향이 되는 것이다.

도 5b를 참조하면, 유로판(102)에는 인접하는 반원형 컷아웃부(110) 사이에 수평면(112)이 형성될 수 있다. 또한, 수평면(112)의 양 끝단에는 연료봉의 안내를 위하여 모따기 내지는 챔퍼(미도시)가 형성될 수 있다. 수평면(112)의 양 끝단에 형성되는 챔퍼는 중성자 조사후 연료봉(10)이 길이방향으로 성장할 때 연료봉을 안내하는 역할을 할 수 있다.

본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체는 다음과 같은 이점을 제공한다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상단고정체(100)의 유로판(102)에 형성되는 반원형의 컷아웃부(110)를 통해 연료봉(10)과 상단고정체(100)간의 간격을 확보할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 컷아웃부(110) 사이에 챔퍼를 형성하는 경우 중성자 조사 후에 연료봉의 길이방향 성장시 연료봉을 안내하는 역할을 동시에 수행할 수 있다. 또한, 유로판의 두께를 줄여 연료봉(10)과 상단고정체(100) 사이의 간격을 확보하는 것이 아니라 반원형의 컷아웃부(110)를 채용함으로써, 전자와 동일한 효과인 연료봉(10)과 상단고정체(100) 사이의 간격을 확보하는 동시에 전자의 방법보다 구조적 건전성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 따르면, 연료봉 및 상단고정체 사이의 간격을 확보함으로써 조사후 연료봉의 길이방향 조사성장을 수용하여 이로 인한 연료봉의 휨이 발생하지 않도록 한다. 또한, 본 발명에 따르면 연료봉 및 상단고정체 사이의 간격이 확보됨에 따라 연료봉의 길이를 신장할 수 있는 이점을 제공한다. 또한, 본 발명의 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 따르면, 이물질에 의한 손상 방지를 위해 연료봉 하부에 장형 봉단마개를 사용할 수 있는 이점을 가져온다.

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, 100: 상단고정체
4: 하단고정체 6: 지지격자
8: 안내관 12: 계측관
22: 안내관결합홀 24, 102: 유로판
26: 계측관결합홀 28, 108: 유로홀
104: 안내관 결합부 106: 계측관 결합부
110: 컷아웃부 112: 수평면

Claims (3)

1. 핵연료집합체용 상단고정체로서,
   상기 상단고정체의 하부에 형성되어 안내관 연결을 위한 안내관 결합부, 계측관 연결을 위한 계측관 결합부 및 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀을 구비하는 유로판 및
   상기 유로판의 하측에 배치되는 연료봉과 간극 유지를 위해 유로판의 하부에서 제1방향으로 반원형 형상을 이루며 구비되는 컷아웃부를 포함하고,
   상기 컷아웃부는 상기 제1방향에 대하여 수직인 제2방향으로 일정 간격 이격되어 나란히 형성되며, 상기 제2방향에서 인접하는 컷아웃부 사이 돌출된 부분에 수평면이 형성되고,
   상기 돌출된 부분과 상기 컷아웃부의 반원형 형상은 상기 연료봉의 축방향 길이변화를 수용하는 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 수평면의 양 끝단에는 연료봉의 안내를 위한 챔퍼가 형성되는 것을 특징으로 하는 것인 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체.
   

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