KR102039516B1 - 핵연료봉을 안정적으로 지지하는 지지격자체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 격자판을 포함하는 핵연료봉 지지격자체에 있어서, 상기 격자판은, 상부 판체; 하부 판체; 상기 상부 판체 및 하부 판체의 사이에 배치된 지지격자 스프링; 상기 상부 판체의 일부에 배치된 상부 딤플; 상기 하부 판체의 일부에 배치된 하부 딤플; 을 포함하고, 상기 지지격자 스프링은 스프링 판체, 상기 스프링 판체를 상기 상부 판체에 연결하는 상부 지지대, 및 상기 스프링 판체를 상기 하부 판체에 연결하는 하부 지지대를 포함하는 핵연료봉 지지격자체에 관한 것이다.

Description

핵연료봉을 안정적으로 지지하는 지지격자체 {A support grid itself that stably supports the fuel rod}
본 발명은 핵연료봉을 안정적으로 지지하는 지지격자체에 관한 것이다.
일반적으로 지지격자체는 원자로 핵연료집합체의 구성부품중 하나로 지지격자체의 각 단위 격자셀에 있는 격자 스프링 및 딤플이 핵연료봉을 정해진 위치에 배열되도록 지지하는 기능을 갖고 있다.
상기 지지격자체는 통상 지르코늄 합금으로 이루어지며, 핵연료봉들을 지지하는 핵연료봉셀과 안내관이 삽입되는 안내관셀들이 있으며, 핵연료봉셀은 통상적으로 두 면에서 각 1개씩 총 2개의 격자스프링과 상기 스프링들의 상·하측에 위치하되, 나머지 두 면에서 각 2개씩 총 4개의 딤플로 총 6개 지지점에서 핵연료봉을 지지하고 있다.
한편 제한된 공간에 위치한 격자 스프링의 스프링력, 다시 말하면 스프링 상수가 너무 작을 경우에는, 핵연료봉을 정해진 위치로 지지할 수 없어 핵연료봉의 지지 건전성이 상실될 가능성이 있다.
이와 반대로 격자 스프링의 스프링력이 너무 클 경우에는, 핵연료봉을 지지격자체로 삽입할 때 과도한 마찰 저항력으로 인하여 핵연료봉의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생할 수 있고, 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장 및 열팽창 등을 적절히 수용할 수 없어서 핵연료봉이 휘게 되는, 즉 핵연료봉의 휨 현상(Bowing)을 유발시킬 수 있다.
핵연료봉이 휘게 되면 인접한 핵연료봉들과 근접하거나 접촉하게 되어 핵연료봉 사이의 냉각수 유로, 즉 부수로를 좁게 하거나 차단하게 되고, 이것은 핵연료에서 발생한 열을 효과적으로 냉각수로 전달하지 못하기 때문에 국부적으로 핵연료봉의 온도가 높아지는 현상을 초래하게 되어, 핵연료의 출력을 감소시키는 주원인이 되는 핵비등 이탈(Departure from Nuclear Boiling, DNB)의 발생가능성이 높아진다.
또한 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름은, 열적 성능의 제고를 위하여 핵연료봉 주변의 냉각수 흐름에 큰 난류유동(Turbulent Flow) 즉, 높은 레이놀드 수(Reynolds number)의 유동을 만드는 것이 보편적으로 알려져 있는데, 핵연료봉 주변 냉각수 흐름의 난류화는 핵연료봉의 유동기인진동(Flow Induced Vibration)을 일으키는 주원인이 된다. 이러한 핵연료봉의 유동기인진동은 핵연료봉이 지지격자체의 스프링 구조물과의 접촉면에서 미끄러지는 상대운동을 발생시키는 요인이 되며, 이로 인해 핵연료봉과 스프링 구조물의 접촉면에 국부적인 마멸이 발생하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 핵연료봉의 프레팅 마모 손상을 초래하게 된다.
위와 같은 종래기술에 따른 지지격자체는 격자 스프링의 구조를 다양하게 변경함으로써 적절한 스프링력이 핵연료봉에 작용하도록 하는데 노력하였으며, 대부분의 경우 지지격자체를 이루는 다수의 단위격자판을 프레스 가공하여 격자 스프링이 단위격자판에 일체로 형성하는 방법을 사용하였다.
그런데 위와 같이 프레스 가공을 통하여 돌출된 격자 스프링을 단위격자판에 일체로 형성하게 되면 필연적으로 단위 격자판의 일부에는 빈 공간이 만들어질 수 밖에 없게 된다. 이러한 빈 공간은 지지격자체가 측면에서 충격을 받을 경우에 이를 인접한 단위 격자판으로 전달할 수 없게 만든다. 이는 다시 말하면, 측면 충격에 대한 지지격자체의 유효격자 높이가 프레스 가공 후에는 현저하게 떨어진다는 것을 의미한다.
지지격자체의 측면강도가 떨어지게 되면 횡파의 성질을 가진 지진이 발생할 경우에 그 구조적 건정성이 심각하게 위협받을 수 있다는 점에서 문제점이 있으며, 만일 측면강도를 보강하기 위하여 지지격자체의 높이를 증가시키게 되면 이는 지지격자체를 통과하는 원자로 내부의 냉각수 흐름에 수력학적 손실을 불러오게 되는 문제점이 있다.
한국 특허공개공보 제10-2011-0011275호
본 발명은 상기 기술한 종래 기술의 문제점을 해결하고 한다.
또한, 스프링 및 딤플 사이의 공간을 최소화하도록 하여, 지지되는 핵연료봉과의 접촉 면적 증가, 제조비용 절감, 냉각수 압력 강하 현상 감소 및 격자체의 측면 충격강도가 향상된 격자판을 포함하는 지지격자체를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉을 안정적으로 지지하는 지지격자체는 복수의 격자판을 포함하는 핵연료봉 지지격자체에 있어서, 상기 격자판은, 상부 판체; 하부 판체; 상기 상부 판체 및 하부 판체의 사이에 배치된 지지격자 스프링; 상기 상부 판체의 일부에 배치된 상부 딤플; 상기 하부 판체의 일부에 배치된 하부 딤플; 을 포함하고, 상기 지지격자 스프링은 스프링 판체, 상기 스프링 판체를 상기 상부 판체에 연결하는 상부 지지대, 및 상기 스프링 판체를 상기 하부 판체에 연결하는 하부 지지대를 포함하는 핵연료봉 지지격자체를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 격자판은 상부 판체; 하부 판체; 상기 상부 판체 및 하부 판체의 사이에 배치된 지지격자 스프링; 상기 상부 판체의 일부에 배치된 상부 딤플; 및 상기 하부 판체의 일부에 배치된 하부 딤플; 을 포함하고, 상기 지지격자 스프링은 스프링 판체, 상기 스프링 판체를 상기 상부 판체에 연결하는 상부 지지대, 및 상기 스프링 판체를 상기 하부 판체에 연결하는 하부 지지대를 포함한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉을 안정적으로 지지하는 지지격자체는 격자판의 스프링 및 딤플 사이 공간을 최소화하여 스프링영역을 최대로 확장 가능하고 핵연료봉과 스프링이 접촉하는 면적을 증가시킬 수 있다.
또한 격자판 높이를 줄일 수 있어 재료절감 효과와 냉각수 압력강하 현상을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 격자판의 횡방향 충격유효높이가 증가되어 격자체의 측면 충격강도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉을 안정적으로 지지하는 지지격자체를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 2를 AA'를 따라 절단한 면을 도시한 것이다.
도 4는 도 2를 BB'를 따라 절단한 면을 도시한 것이다.
도 5는 도 2를 CC'를 따라 절단한 면을 도시한 것이다.
도 6 은 핵연료집합체를 도시한 것이다.
도 7은 핵연료봉의 지지격자체를 도시한 것이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체에 포함된 지지격자 스프링을 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 격자판 및 그에 포함된 지지격자 스프링을 도시한 것이다.
도 13은 종래의 격자판을 도시한 것이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예를 따르는 지지격자체에 포함되는 격자판을 도시한 것이다.
도 16은 종래의 지지격자 스프링을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 실시 예를 따르는 지지격자 스프링의 경우, 핵연료봉에 의한 지지격자 스프링의 변형을 도시한 것이다.
도 18은 종래의 지지격자 스프링의 경우, 핵연료봉에 의한 지지격자 스프링의 변형을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.　 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.　 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체에 포함된 지지격자 스프링(131)을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 평면도이고, 도 3은 도 1을 AA'를 따라 절단한 면을 도시한 것이고, 도 4는 도 1을 BB'를 따라 절단한 면을 도시한 것이고, 도 5는 도 1을 CC'를 따라 절단한 면을 도시한 것이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉 지지격자체용 격자판은, 상부 판체(110); 하부 판체(120); 상기 상부 판체(110) 및 하부 판체(120)의 사이에 배치된 지지격자 스프링(131); 상기 상부 판체(110)의 일부에 배치된 상부 딤플(111); 상기 하부 판체(120)의 일부에 배치된 하부 딤플(121); 을 포함하고, 상기 지지격자 스프링(131)은 스프링 판체(133), 상기 스프링 판체(133)를 상기 상부 판체(110)에 연결하는 상부 지지대(132a), 및 상기 스프링 판체(133)를 상기 하부 판체(120)에 연결하는 하부 지지대(132b)를 포함한다.
상기 핵연료봉 지지격자체용 격자판은 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체에 사용되는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는, 복수의 격자판(100)을 포함하는 핵연료봉의 지지격자체이며, 상기 격자판(100)은, 상부 판체(110); 하부 판체(120); 상기 상부 판체(110) 및 하부 판체(120)의 사이에 배치된 지지격자 스프링(131); 상기 상부 판체(110)의 일부에 배치된 상부 딤플(111); 상기 하부 판체(120)의 일부에 배치된 하부 딤플(121); 을 포함하고, 상기 지지격자 스프링(131)은 스프링 판체(133), 상기 스프링 판체(133)를 상기 상부 판체(110)에 연결하는 상부 지지대(132a), 및 상기 스프링 판체(133)를 상기 하부 판체(120)에 연결하는 하부 지지대(132b)를 포함한다.
상기 상부 지지대(132a)는 제 1 연결부(134a) 및 제 2 연결부(134b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 상부 판체(110)와 연결될 수 있다. 상기 하부 지지대(132b)는 제 1 연결부(134a) 및 제 2 연결부(134b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 하부 판체(120)와 연결될 수 있다.
상기 격자판(100)은 핵연료봉에 일정한 압력을 가하여 지지하도록 하는 지지격자 스프링(131)을 포함하는 복수의 격자판(100)을 포함한다. 상기 격자판(100)은 일반적으로 서로 수직하게 배열되어 격자 무늬를 형성할 수 있다.
상기 격자판(100) 중 일 방향으로 배치된 것이 제1 격자판(100), 타 방향으로 배치된 것이 제2 격자판(100)일 수 있다. 상기 격자판(100)에 의해 형성된 격자 무늬의 공간에 핵연료봉이 삽입된다.
상기 격자판(100)은 핵연료봉을 안정적으로 지지하기 위하여 핵연료봉과 접하도록 형성된다. 이를 위해 상기 격자판(100)은 핵연료봉에 일정한 압력을 가하면서 접하는 역할을 하는 지지격자 스프링(131)을 포함한다. 이때, 상기 지지격자 스프링(131)은 핵연료봉에 등각으로 접힐 수 있다.
상기 지지격자 스프링(131)은 격자판(100)의 중앙에 위치할 수 있다. 이는 핵연료봉을 안정적으로 지지하기 위함이다. 상기 격자판(100)은 상부 판체(110) 및 하부 판체(120)를 포함할 수 있으며, 상기 지지격자 스프링(131)은 상기 상부 판체(110) 및 하부 판체(120) 사이에 배치될 수 있다. 또한 상기 지지격자 스프링(131)은 스프링 판체(133)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예를 따르는 핵연료봉 지지격자체는 지지격자 스프링이 격자판의 일면에 대하여 돌출되어 있고, 딤플 및 지지격자 스프링 사이의 공간 부분은 격자판의 일면으로부터 지지격자 스프링의 일면까지 연장되어 배치하고, 스프링은 격자판의 일면에 대하여 경사지도록 돌출되어 배치함으로써 격자판의 지지격자 스프링 및 딤플 사이 공간을 최소화하여 스프링 영역을 최대한 확장할 수 있으며, 핵연료봉과 지지격자 스프링이 접촉하는 면적을 증가할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해 핵연료봉 외면의 마모를 줄일 수 있으며, 핵연료봉의 지지건전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 격자판 높이를 줄일 수 있기 때문에 재료가 절감되어 높은 경제성을 가질 수 있다. 또한, 격자판의 높이가 스프링에 비하여 작게 설계할 수 있기 때문에 지지격자 표면에서의 냉각수 압력 강하 현상이 줄어드는 효과가 있다.
상기 지지격자 스프링(131)은 상부 지지대(132a) 및 하부 지지대(132b)를 포함하며, 상기 상부 지지대(132a)의 일단은 상부 판체(110)와 연결되고, 상기 상부 지지대(132a)의 타단은 지지격자 스프링(131)과 연결될 수 있다. 또한, 상기 하부 지지대(132b)의 일단은 하부 판체(120)와 연결되고, 상기 하부 지지대(133b)의 타단은 지지격자 스프링(131)과 연결될 수 있다. 상기 스프링 판체(133)는 상기 상부 지지대(132a) 및 하부 지지대(132b) 사이에 배치되고, 상기 상부 판체(110) 및 하부 판체(120) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는 상기 지지격자 스프링(131)이 핵연료봉과 접하는 면은 핵연료봉에 등각으로 접하도록 형성된 것일 수 있다. 상기 지지격자 스프링(131)은 핵연료봉에 등각으로 접하도록 핵연료봉의 형상을 따라 굴곡진 형상일 수 있다. 또한, 상기 지지격자 스프링(131)은 핵연료봉에 등각으로 접하기 위해 상기 상부 판체(110) 및 하부 판체(120)에 비하여 일면으로 돌출되도록 형성될 수 있다.
상기 지지격자 스프링(131)은 상기 핵연료봉이 삽입되는 모서리의 일 측이 라운딩 되거나, 모서리 양 측이 라운딩되어 형성될 수 있다. 따라서, 상기 핵연료봉을 지지격자체 내부로 장입할 때, 상기 핵연료봉의 표면에 긁힘이 발생하거나 또는 냉각수 흐름에 따른 핵연료봉의 유동기인진동에 의한 프레팅 마모 손상의 가능성을 줄일 수 있고, 더불어, 지지격자체를 통과하는 냉각수의 압력 저항을 줄일 수 있다.
핵연료봉이 상기 지지격자 스프링(131)에 등각으로 접하는 경우, 지지격자 스프링(131) 및 스프링 지지대가 변형하여 지지격자 스프링(131)이 핵연료봉의 표면에 안정적으로 접할 수 있다. 상기 지지격자 스프링(131)은 딤플의 돌출 방향에 대향하는 방향으로 돌출될 수 있으며, 핵연료봉과 직접 접촉되는 등각의 굴곡부를 포함할 수 있다. 상기 등각의 굴곡부의 중심은 핵연료봉과의 등각 접촉이 가능하기 위하여 핵연료봉과 동일한 곡률반경 축에서 원형 또는 타원형의 곡면으로 형성됨으로써 핵연료봉과의 접촉면적을 확장하고, 접촉 압력 분포를 균일하게 유지하게 함으로써 상기 스프링의 등각 곡면부와 접촉하는 핵연료봉 접촉부위에서 첨두 응력의 크기를 감소시킬 수 있다.
도시되지 않았으나, 상기 지지격자 스프링이 핵연료봉과 접하는 면은 복수의 오목부를 포함할 수 있다. 이를 통해, 상기 지지격자 스프링은 핵연료 운전조건인 수윤활 조건에서 냉각수의 저장 및 재공급을 하는 역할과 유체 역학적 동압력 포켓 현상(Hydrodynamic pressure pocket phenomenon)을 통하여 마찰 및 마모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도시되지 않았으나, 지지격자 스프링이 핵연료봉과 접하는 면은 중심부에 형성된 홈을 포함할 수 있다. 이와 같은 특징을 통하여, 지지격자 스프링은 면 접촉된 핵연료봉 표면의 국부적인 열점(hot spot) 형성 및 국부 부식을 방지할 수 있다. 상기 홈은 복수 개일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 핵연료봉의 지지격자체는, 상기 딤플은 상기 격자판의 상하부에 2개로 이루어진 쌍으로 형성됨으로써 상기 지지격자 스프링과 함께 핵연료봉을 보다 안정적으로 지지할 수 있다.
도 1 내지 도 5, 도 8 내지 도 10에서 상부 판체(110, 310, 410, 510. 610) 및 하부 판체(120, 320, 420, 520, 620)는 적어도 일면에 돌출되도록 배치된 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)을 더 포함할 수 있다. 상기 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 상기 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)은 상기 상부 판체(110, 310, 410, 510, 610) 및 상기 하부 판체(120, 320, 420, 520, 620) 보다 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 상기 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)은 핵연료봉(25)과 동일한 곡률반경을 형성함에 따라 초기에 접촉이 등각(Conformal) 면접촉을 형성할 수 있다. 상기 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 상기 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)은 상기 지지격자 스프링(131, 331, 431, 531, 631)과 함께 핵연료봉을 지지하는 역할을 할 수 있다.
상기 격자판(100, 300, 400, 500, 600)의 지지격자 스프링(131, 331, 431, 531, 631) 및 상기 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 상기 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)의 스프링력이 너무 작을 경우에는 핵연료봉(25)을 정해진 위치에 배열할 수 없어 핵연료봉(25)의 지지 건전성이 상실될 가능성이 있고, 너무 클 경우에는 핵연료봉(25)을 지지격자체로 삽입할 때 과도한 마찰 저항력으로 인하여 핵연료봉(25)의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생될 수 있으며, 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장(Growth)을 적절히 수용할 수 없어 연료의 휨 현상을 유발시키는 문제점이 발생할 수 있다. 상기 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 상기 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)의 형상 및 돌출 정도는 이러한 문제점을 고려하여 설계될 수 있다. 상기 상부 딤플(111, 311, 411, 511, 611) 및 상기 하부 딤플(121, 321, 421, 521, 621)이 돌출된 방향은 상기 지지격자 스프링(131)이 돌출된 방향과 반대일 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는 상기 스프링 지지대를 포함하기 때문에 핵연료봉의 지지 건전성을 향상시키고, 핵연료봉 사이의 냉각수 흐름이 막히는 현상을 최소화하고, 제조 비용을 감소시키고, 사용 후 핵연료의 고 방사능 폐기물의 양을 줄일 수 있고, 원자로심 내의 냉각수 압력 강하 수두를 감소할 수 있으며, 냉각수 펌프의 부하 감소 및 냉각수 펌프의 소요에 따른 전력 소비를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체를 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 6 및 도 7은 핵연료봉의 지지격자체를 도시한 것이다.
도 6 및 7에서 도시하고 있는 바와 같이, 지지격자체가 적용되는 핵연료집합체(2)는 상단고정체(11)와 하단고정체(12) 사이에 다수개의 안내관(13)이 배치되어 연결되는 구성으로 이루어질 수 있다. 여기서, 핵연료봉(25)들을 지지하는 지지격자체(10)는, 안내관(13)의 길이방향으로 일정한 간격을 두고 상기 안내관(13)과의 용접이나 기계적 체결을 통해 핵연료집합체(2)를 형성할 수 있다.
이때, 상기 핵연료봉(25)은 이중냉각 핵연료봉으로 이루어질 수 있다.
이중냉각 핵연료봉은 형상이 기존 원통형과는 달리 환형으로서, 이 핵연료봉에서 발생하는 열은 핵연료봉 안쪽 및 바깥쪽의 양 방향으로 전달되어 냉각되므로 이중냉각 개념을 갖고 있다. 상기 핵연료봉은 이중냉각 핵연료봉으로 이루어짐으로써 핵연료 온도를 낮추면서 출력증강이 가능한 장점이 있다.
한편, 상기 지지격자체(10)는 핵연료집합체에서 통상 지르칼로이나 인코넬 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 지지격자체(10)는 핵연료봉(25)들을 지지하는 핵연료봉셀과 안내관(13)이 삽입되는 안내관셀들이 포함될 수 있으며, 통상적으로 핵연료봉(25)은 핵연료봉셀에 있는 2개의 지지격자 스프링(131)과 상기 핵연료봉셀에서 상기 지지격자 스프링의 맞은편에 형성된 딤플과의 접촉에 의해서 지지된다.
이에 따라 핵연료봉(25)이 핵연료봉셀에서 지지되고 있을 경우 지지격자 스프링(131)은 변형을 받게 되고, 상기 지지격자 스프링(131)과 핵연료봉(25)의 접촉부위는 스프링력에 의한 접촉압력을 받게 된다. 지지된 핵연료봉의 진동이나 미끄러짐에 의해 지지격자 스프링의 접촉부에서 미소하게 상대운동을 할 경우에 발생하는 핵연료봉 프레팅 마멸 현상은 스프링력에 의한 접촉압력의 크기와 밀접하게 관련되어 있다. 따라서 접촉면적이 클 수록 스프링력에 의한 접촉압력의 크기는 줄어들어서 프레팅 마멸의 정도가 적게 일어나기 때문에 접촉면적을 크게 하는 지지격자 스프링 형상의 개발이 필요하며, 특히 핵연료봉 외주를 감싸는 형상인 등각(Conformal) 면접촉 형상으로 지지격자 스프링 접촉부 형상을 개발하는 것은 무결함 핵연료 개발을 위해 필요한 기술이다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는, 상기 상부 지지대는 상기 상부 딤플이 도출하여 배치됨으로써 형성된 상기 상부 판체의 홈까지 연장하여 배치되고, 상기 하부 지지대는 상기 하부 딤플이 도출하여 배치됨으로써 형성된 상기 하부 판체의 홈까지 연장하여 배치된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는, 상기 상부 지지대는 상기 상부 판체에서부터 상기 스프링 판체까지 일정한 기울기를 갖도록 연장하여 배치되고, 상기 하부 지지대는 상기 하부 판체에서부터 상기 스프링 판체까지 일정한 기울기를 갖도록 연장하여 배치된 것일 수 있다.
이로 인해 지지격자 스프링 및 딤플 사이의 공간을 최소화 함으로써 스프링 영역을 최대로 확장할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 상기 상부 딤플 및 하부 딤플은 필요에 따라 방향 및 형상을 변형할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체에 포함된 지지격자 스프링을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 격자판(300) 및 그에 포함된 지지격자 스프링(331)을 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 상기 지지격자 스프링의 측면에서 상기 상부 판체 및 하부 판체를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 지지격자 스프링은 상기 스프링 판체로부터 상기 연결부로 연장되도록 배치된 다리를 더 포함할 수 있다.
상기 지지격자 스프링(331)은 도 2의 지지격자 스프링의 수평방향 중앙을 중심으로 나뉘어진 형상일 수 있다. 즉, 지지격자 스프링의 측면에서 연장되는 다리를 추가할 수 있다. 상기 지지격자 스프링(331)의 상부에 배치된 상부 판체(310)는 상부 딤플(311)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 지지격자 스프링(331)의 하부에 배치된 하부 판체(320)는 하부 딤플(321)을 포함할 수 있다. 상기 상부 딤플(311) 및 상기 지지격자 스프링(331)은 상부 지지대(332a)로 연결될 수 있고, 상기 하부 딤플(321) 및 상기 지지격자 스프링(331)은 하부 지지대(332b)로 연결될 수 있다.
상기 상부 지지대(332a)는 제 1 연결부(334a) 및 제 2 연결부(334b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 상부 판체(310)와 연결될 수 있다. 상기 하부 지지대(332b)는 제 1 연결부(334a) 및 제 2 연결부(334b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 하부 판체(320)와 연결될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 격자판(400) 및 그에 포함된 지지격자 스프링(431)을 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, 상기 상부 딤플 및 하부 딤플은 핵연료봉과 접하는 중앙 부분의 길이가 양끝의 길이보다 짧은 형상을 하고, 상기 스프링 판체 중 상기 상부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 상부 딤플의 하부면의 형상을 따르고, 상기 스프링 판체 중 상기 하부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 하부 딤플의 상부면의 형상을 따라 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 지지격자 스프링(431)은 도 2의 지지격자 스프링과 같은 형상일 수 있다. 상기 지지격자 스프링(431)의 상부에 배치된 상부 판체(410)는 상부 딤플(411)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 지지격자 스프링(431)의 하부에 배치된 하부 판체(420)는 하부 딤플(421)을 포함할 수 있다. 상기 상부 판체(410) 및 스프링 판체(433)는 상부 지지대(432a)를 통해 연결될 수 있고, 상기 하부 판체(420) 및 상기 스프링 판체(433)는 하부 지지대(432b)를 통해 연결될 수 있다. 상기 상부 딤플(411) 및 상기 하부 딤플(421)은 가운데를 중심으로 오목하게 굴곡진 평면 형상일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 상부 지지대(432a)는 제 1 연결부(434a) 및 제 2 연결부(434b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 상부 판체(410)와 연결될 수 있다. 상기 하부 지지대(432b)는 제 1 연결부(434a) 및 제 2 연결부(434b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 하부 판체(420)와 연결될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 격자판(500) 및 그에 포함된 지지격자 스프링(531)을 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 상기 상부 딤플 및 하부 딤플은 핵연료봉과 접하는 중앙 부분의 길이가 양끝의 길이보다 긴 형상을 하고, 상기 스프링 판체 중 상기 상부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 상부 딤플의 하부면의 형상을 따르고, 상기 스프링 판체 중 상기 하부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 하부 딤플의 상부면의 형상을 따라 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 지지격자 스프링(531)은 도 2의 지지격자 스프링과 같은 형상일 수 있다. 상기 지지격자 스프링(531)의 상부에 배치된 상부 판체(510)는 상부 딤플(511)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 지지격자 스프링(531)의 하부에 배치된 하부 판체(520)는 하부 딤플(521)을 포함할 수 있다. 상기 상부 딤플(511) 및 상기 지지격자 스프링(531)은 상부 지지대(532a)로 연결될 수 있고, 상기 하부 딤플(521) 및 상기 지지격자 스프링(531)은 하부 지지대(532b)로 연결될 수 있다. 상기 상부 딤플(511) 및 상기 하부 딤플(521)은 가운데를 중심으로 볼록하게 굴곡진 평면 형상일 수 있다.
상기 상부 지지대(532a)는 제 1 연결부(534a) 및 제 2 연결부(534b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 상부 판체(510)와 연결될 수 있다. 상기 하부 지지대(532b)는 제 1 연결부(534a) 및 제 2 연결부(534b)와 측면으로 연결됨으로써 상기 하부 판체(520)와 연결될 수 있다.
상기 상부 딤플(311, 411, 511) 및 상기 하부 딤플(321, 421, 521)은 사다리꼴 형상으로 이루어질 수 있고, 원호 형상으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 이를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 상기 상부 딤플(311, 411, 511) 및 상기 하부 딤플(321, 421, 521)은 은 중앙부가 상기 핵연료봉의 곡률에 대응하는 오목한 곡률을 가지도록 형성될 수 있고, 볼록하게 형성될 수 있으며, 평평하게 형성될 수도 있다. 본 발명은 이를 특별히 한정하지 않는다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 격자판(600) 및 그에 포함된 지지격자 스프링(631)을 도시한 것이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체의 격자판(600)은 스프링 판체(633)의 상부면은 상부 딤플(611)이 형성된 홈으로부터 아래로 이격하여 배치되고, 스프링 판체(633)의 하부면은 하부 딤플(621)이 형성된 홈으로부터 위로 이격하여 배치될 수 있다. 이 때, 스프링 판체(633)를 상부 판체(610)및 하부 판체(620)에 각각 연결하는 상부 지지대(632a) 및 하부 지지대(632b)는 상기 상부 판체(610)및 하부 판체(620)로부터 사선 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 상기 상부 지지대(632a) 및 하부 지지대(632b)는 제1 연결부(634a) 및 제2 연결부(634b)와 연결됨으로써 각각 상부 판체(610)및 하부 판체(620)와 연결될 수 있다.
도 13은 종래의 격자판을 도시한 것이고, 도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예를 따르는 지지격자체에 포함되는 격자판을 도시한 것이다.
종래의 격자판은 지지격자 스프링 및 딤플 사이에 일정한 공간을 포함하고 있어 핵연료봉과 지지격자 스프링이 접촉하는 면적이 한정적이며, 격자판의 횡방향 충격 유효높이 증가가 한정적이므로 격자체의 측면 충격강도 향상이 어려운 문제점이 있었다.
상기 기재한 유효높이에 대하여 도 13 내지 도 15을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 13에서 스프링 판체의 하단에서 하부 딤플의 상단 홈의 윗부분까지 높이를 h1, 하부 딤플의 폭을 h2, 하부 딤플의 하부 홈의 아랫부분에서 지지격자체의 끝단까지의 높이를 h3로 정의한다. 이 때, 종래 지지격자체의 측면 충격강도 유효높이 H1은 아래의 식으로 도출된다.
H1 = h1 + h2 + h3
도 14에서 지지격자 스프링 판체 하단에서 하부 딤플의 상단 홈의 윗부분까지 높이를 h1', 하부 딤플의 폭을 h2', 하부 딤플의 하부 홈의 아랫부분에서 지지격자체의 끝단까지의 높이를 h3'로 정의한다. 이 때, 본 발명의 지지격자체의 유효높이 H2 는 아래의 식으로 도출된다.
H2 = h1' + h2' + h3'
도 15에서 지지격자 스프링 판체 하단에서 하부 딤플의 상단 홈의 윗부분까지 높이를 h1 *, 하부 딤플의 폭을 h2 *, 하부 딤플의 하부 홈의 아랫부분에서 지지격자체의 끝단까지의 높이를 h3 *로 정의한다. 이 때, 본 발명의 지지격자체의 유효높이 H3 는 아래의 식으로 도출된다.
H3 = h1 * + h2 * + h3 *
도 13 및 도 14를 참조하면, 종래 및 본 발명의 핵연료봉 지지격자 스트랩의 높이(H*)가 동일하고 핵연료봉의 길이 방향 접촉길이(L)가 동일한 경우, 본 발명의 지지격자체의 유효높이(H2)가 종래 지지격자체의 유효높이 (H1)보다 크므로 지지격자체 측면 충격강도를 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 도 13 및 도 15을 참조하면, 종래 및 본 발명의 핵연료봉 접촉면적(L)이 동일한 경우, 본 발명의 지지격자체의 유효높이(H3)를 종래 지지격자체의 유효높이 (H1)와 동일하거나 약간 크게 하면서도 지지격자 스트랩의 높이(H**)를 낮출 수 있어, 즉 H**< H* 가 되는 바 지지격자 제조용 재료의 절감 및 지지격자 표면에서의 냉각수 압력저항을 줄일 수 있다.
이와 같이, 본원 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는 원통형의 핵연료봉 표면을 더 넓은 접촉 면적으로 지지할 수 있다. 따라서 지지격자 스프링(131) 및 핵연료봉의 접촉부위에서 첨두 접촉응력 크기 감소하고, 지지격자 스프링(131)과 접촉하는 핵연료봉의 표면에서 마찰과 상대운동으로 인한 프레팅 마멸 저항성이 높아져서, 즉 프레팅 마멸이 적게 일어날 수 있다. 본 발명은 지지격자체 높이를 증가시키지 않으면서도 종래 지지격자체에 비해 핵연료봉 접촉면적을 동등 혹은 우위에 있게 하고 동시에 지지격자체 유효높이도 우위(H2, H3 > H1)이 있는 설계가 가능함으로써, 핵연료봉의 지지 건전성 및 핵연료집합체의 구조 건전성이 제고될 수 있다.
또한, 본원 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는 지지격자 스프링(131)의 측면에서 연장되므로, 스프링 지지대의 개수 및 위치를 보다 다양하게 설계할 수 있다. 이는 지지격자 스프링(131)의 측면의 길이를 상면 및 하면의 길이에 비해 길게 설계할 수 있기 때문이다. 따라서, 원통형인 핵연료봉을 안정적으로 지지할 수 있다.
또한 본 발명은 종래 지지격자체에 비하여 핵연료봉 접촉길이 및 격자판 측면 충격강도 유효높이를 우위에 있게 하면서도 지지격자체 스트랩의 높이를 줄일 수 있다. 따라서, 원자로심내에서 지지격자체로 인한 냉각수 압력강하 수두를 낮출 수 있다. 이것은 원자로의 냉각수 기동펌프의 부하(load)를 줄여주어 원자로심의 냉각수 펌프 가동에 소요되는 전력소비를 줄일 수 있어서 원자력발전소의 경제성을 제고시킬 수 있다. 또한 상기와 같이 지지격자체 스트랩의 높이를 줄이게 되면 지지격자체 제조에 소요되는 재료의 양을 줄여서 핵연료 제조비를 낮출 수 있을 뿐 아니라 사용후 핵연료의 고방사능 물질의 배출 양도 줄일 수 있다.
도 16은 종래의 격자판(1100)에 포함되는 지지격자 스프링(1131)을 도시한 것이고, 도 17은 본 발명의 실시 예를 따르는 지지격자 스프링(131)의 경우, 핵연료봉에 의한 지지격자 스프링(131)의 변형을 도시한 것이고, 도 18은 종래의 지지격자 스프링(1131)의 경우, 핵연료봉에 의한 지지격자 스프링(1131)의 변형을 도시한 것이다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 본원 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체에 포함되는 지지격자 스프링(131)은, 종래의 지지격자 스프링(1131)에 비하여 접촉길이가 커짐으로써 핵연료봉을 넓은 면적으로 지지할 수 있고, 따라서 보다 안정적으로 핵연료봉을 지지할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료봉의 지지격자체는 복수의 제1 격자판(100)이 일방향으로 연속하여 배치될 수 있다. 이 때, 이웃하여 형성된 제1 격자판(100)에 형성된 지지격자 스프링(131)은 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다. 이와 같이 형성함으로써 핵연료봉을 보다 안정적으로 지지할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600: 격자판
110, 310, 410, 510, 610: 상부 판체
111, 311, 411, 511, 611: 상부 딤플
120, 320, 420, 520, 620: 하부 판체
121, 321, 421, 521, 621: 하부 딤플
133, 333, 433, 533, 633: 스프링 판체
131, 331, 431, 531, 631: 지지격자 스프링
132a, 332a, 432a, 532a, 632a: 상부 지지대
132b, 332b, 432b, 532b, 632b: 하부 지지대
134a, 334a, 434a, 534a, 634a: 제 1 연결부
134b, 334b, 434b, 534b, 634b: 제 2 연결부
10: 지지격자체
11: 상단고정체
12: 하단고정체
13: 안내관
25: 핵연료봉

Claims (13)

  1. 복수의 격자판을 포함하는 핵연료봉 지지격자체에 있어서,
    상기 격자판은, 상부 판체;
    하부 판체;
    상기 상부 판체 및 하부 판체의 사이에 배치된 지지격자 스프링;
    상기 상부 판체의 일부에 배치된 상부 딤플; 및
    상기 하부 판체의 일부에 배치된 하부 딤플; 을 포함하고,
    상기 지지격자 스프링은 스프링 판체, 상기 스프링 판체를 상기 상부 판체에 연결하는 상부 지지대, 및 상기 스프링 판체를 상기 하부 판체에 연결하는 하부 지지대를 포함하고,
    상기 지지격자 스프링이 핵연료봉과 접하는 면은 스프링의 전체 면이 핵연료봉에 등각으로 접하도록 형성되고,
    상기 상부 지지대는 상기 상부 딤플이 도출하여 배치됨으로써 형성된 상기 상부 판체의 홈까지 연장하여 배치되고,
    상기 하부 지지대는 상기 하부 딤플이 도출하여 배치됨으로써 형성된 상기 하부 판체의 홈까지 연장하여 배치되어, 핵연료봉과 지지격자 스프링의 접촉면적이 증가하고,
    상기 상부 딤플 및 하부 딤플은 핵연료봉과 접하는 중앙 부분의 길이가 양끝의 길이보다 긴 형상 또는 짧은 형상을 하고,
    상기 스프링 판체 중 상기 상부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 상부 딤플의 하부면의 형상을 따르고, 상기 스프링 판체 중 상기 하부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 하부 딤플의 상부면의 형상을 따르는 핵연료봉 지지격자체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지지격자 스프링이 핵연료봉과 접하는 면은 복수의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지지격자 스프링이 핵연료봉과 접하는 면은 중심부에 형성된 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 지지격자 스프링은 상기 핵연료봉이 삽입되는 모서리의 일 측이 라운딩되거나, 모서리 양 측이 라운딩되어 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플은 상기 격자판의 상하부에 2개로 이루어진 쌍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플은 사다리꼴 형상 또는 원호 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플은 핵연료봉의 곡률에 대응하는 오목한 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 지지대는 상기 상부 판체에서부터 상기 스프링 판체까지 일정한 기울기를 갖도록 연장하여 배치되고,
    상기 하부 지지대는 상기 하부 판체에서부터 상기 스프링 판체까지 일정한 기울기를 갖도록 연장하여 배치된 핵연료봉 지지격자체.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 지지격자 스프링의 측면에서 상기 상부 판체 및 하부 판체를 연결하는 연결부를 더 포함하고,
    상기 지지격자 스프링은 상기 스프링 판체로부터 상기 연결부로 연장되도록 배치된 다리를 더 포함하는 핵연료봉 지지격자체.
  12. 삭제
  13. 상부 판체;
    하부 판체;
    상기 상부 판체 및 하부 판체의 사이에 배치된 지지격자 스프링;
    상기 상부 판체의 일부에 배치된 상부 딤플; 및
    상기 하부 판체의 일부에 배치된 하부 딤플; 을 포함하고,
    상기 지지격자 스프링은 스프링 판체, 상기 스프링 판체를 상기 상부 판체에 연결하는 상부 지지대, 및 상기 스프링 판체를 상기 하부 판체에 연결하는 하부 지지대를 포함하고,
    상기 지지격자 스프링이 핵연료봉과 접하는 면은 스프링의 전체 면이 핵연료봉에 등각으로 접하도록 형성되고,
    상기 상부 지지대는 상기 상부 딤플이 도출하여 배치됨으로써 형성된 상기 상부 판체의 홈까지 연장하여 배치되고,
    상기 하부 지지대는 상기 하부 딤플이 도출하여 배치됨으로써 형성된 상기 하부 판체의 홈까지 연장하여 배치되어, 핵연료봉과 지지격자 스프링의 접촉면적이 증가하고,
    상기 상부 딤플 및 하부 딤플은 핵연료봉과 접하는 중앙 부분의 길이가 양끝의 길이보다 긴 형상 또는 짧은 형상을 하고,
    상기 스프링 판체 중 상기 상부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 상부 딤플의 하부면의 형상을 따르고, 상기 스프링 판체 중 상기 하부 판체를 향하는 면의 형상은 상기 하부 딤플의 상부면의 형상을 따르는 핵연료봉 지지격자체용 격자판.


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