KR102117496B1 - 단순 형상 구조를 갖는 핵연료 집합체의 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능하며, 구조를 단순화하고 충격강도를 향상하고 압력강하를 저감할 수 있는 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것이다.
본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자는, 내측 벽(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice) 구조를 이루며, 상기 격자 셀(110)은, 상기 내측 벽(111)에서 수직 방향을 따라서 고정단(121)을 가지며, 상기 고정단(121)으로부터 수평 방향으로 만곡 형성되어 자유단(122)을 갖고 연료봉을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 스프링(120)과; 상기 격자 셀(110)에 대해 수직 방향으로 마련된 복수 개의 유로 채널(130)과; 상기 격자 셀(110)의 단부에 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 복수 개의 혼합 날개(140)를 포함한다.

Description

단순 형상 구조를 갖는 핵연료 집합체의 지지격자{Spacer grid of a nuclear fuel assembly having simple shape structure}

본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능한 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것이다.

원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 소결체(pellet)로 성형된 후에 다수의 소결체들을 피복관 내에 장입하여 연료봉으로 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들은 핵연료 집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소된다.

일반적으로 핵연료 집합체는 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉과, 이 연료봉의 횡방향으로 마련되어 연료봉을 지지하게 되는 다수의 지지격자와, 지지격자와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관과, 안내관의 상하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체 및 하단고정체로 구성된다.

지지격자는 연료봉의 횡방향 움직임을 구속하고 축방향 움직임을 마찰력으로 억제하여 연료봉의 배열을 유지하게 되는 핵연료 집합체의 중요 부품 중에 하나이다. 이러한 지지격자는 원자로 타입과 설계에 따라서 모양과 개수가 차이가 있으나, 연료봉과의 조립 위치에 따라서 보호 지지격자, 하부 지지격자, 상부 지지격자, 및 중간 지지격자로 구분되며, 수직으로 교차하게 조립되는 다수의 격자판으로 이루어져 연료봉이 삽입 위치하게 되는 격자 셀을 제공하게 되는 구조는 동일하다.

특히 중간 지지격자는 하부 지지격자와 상부 지지격자 사이에 다수 배치되어 지지격자의 대부분을 차지하며, 핵연료 집합체의 골격체를 형성하여 핵연료의 기계적 특성을 유지하고 연료봉을 지지하는 역할과 함께 우라늄 소결체로부터 생성된 열이 연료봉(피복관)을 거쳐 1차 냉각수로 잘 전달될 수 있도록 혼합하는 기능을 수행한다. 또한 중간 지지격자는 핵연료의 내진성능을 결정하는 중요한 구성으로서 중간 지지격자의 동적 충격강도는 핵연료의 내진성능 계산에 포함되는 주요 인자이다.

구체적으로 지지격자는 격자 셀 내에서 연료봉을 탄성 지지하게 되는 격자 스프링과 연료봉의 수평 거동을 제한하기 위한 딤플이 마련된다. 이러한 격자 스프링과 딤플은 각 격자 셀을 구성하는 지지격자 판재를 판금 가공하여 형성되며, 일반적으로 4면의 격자 셀 중에서 서로 대면하는 두 면에 각각 격자 스프링과 딤플이 마련되어 각 격자 셀 내의 연료봉은 2개의 격자 스프링에 의해 탄성 지지된다.

지지격자의 제조 과정은 판금 가공된 각각의 내부 격자판과 외부 격자판을 별도로 마련된 용접지그에 조립하여 고정한 후에 내부 격자판의 교차용접부와 내부/외부 격자판의 접합부 및 슬리브 접합부에 레이저 빔을 조사하여 모재를 용융시켜 접합하는 레이저 용접이 이루어진다.

한편 지지격자는 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 혼합 날개(mixing vane)가 마련되며, 이 혼합 날개는 연료봉 주변을 감싸는 형태를 갖고 연료봉 주변의 냉각수 혼합을 통한 열전달을 촉진하는 역할을 한다. 일반적으로 혼합 날개는 격자판의 상단에 연장되어 냉각수 방향을 변경 및 혼합하기 위해 소정의 형상을 가지며, 그 크기, 모양, 굽힘 각도 및 위치에 따라서 냉각수 혼합 성능이 결정된다.

이와 같이 종래의 지지격자의 제조과정은 판금 공정과 용접 공정 등의 일련의 공정들이 많으며, 또한 설계과정에서 내진성능을 위한 동적 충격강도를 확보하고 냉각수 혼합을 위한 혼합 날개 등의 형상설계 기술이 상당히 까다롭다.

종래기술의 지지격자 제조공정은 안정화된 기술이지만, 앞서 설명한 것과 같이 여러 단계의 제조공정을 거치므로 지지격자 형상 설계에 많은 제약이 발생한다. 특히 종래기술의 지지격자는 지지격자 판재를 판금 가공하여 격자 스프링과 딤플을 제공하게 되며, 따라서 각 격자 셀 내에 설계 가능한 격자 스프링과 딤플의 형상 및 개수가 제한되어 설계 자유도가 제한된다.

이와 관련하여 노심수명의 말기(end of life, EOL) 조건에서 지지격자의 충격강도가 매우 저하됨이 보고된 바가 있으며, 따라서 미래형 핵연료 개발 및 고연소, 장주기를 고려한 유효연료영역길이 14ft의 핵연료 개발에서도 EOL 조건에서의 핵연료 내진성능 및 기계적 건전성 확보 기술이 필연적으로 요구되며, 이에 종래의 지지격자의 제조방법은 살펴본 바와 같이 형상 설계에 많은 제약을 갖고 있으므로 EOL 조건에서 충분히 안정적이고 높은 강도를 가진 지지격자를 구현하는데 한계가 있다.

특허문헌1 : 공개특허공보 특2003-0038493호(공개일자: 2003.05.16.) 특허문헌2 : 등록특허공보 제10-0771830호(공고일자: 2007.10.30.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 판금 및 용접 공정을 배제하고 설계 자유도를 높이고 제작 공정을 단순화할 수 있는 3D 프린팅을 활용하여 제작이 가능한 핵연료 집합체의 지지격자를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 내측 벽을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice) 구조를 이루며, 상기 격자 셀은, 상기 내측 벽에서 수직 방향을 따라서 고정단을 가지며, 상기 고정단으로부터 수평 방향으로 만곡 형성되어 자유단을 갖고 연료봉을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 스프링과; 상기 격자 셀에 대해 수직 방향으로 마련된 복수 개의 유로 채널과; 상기 격자 셀의 단부에 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 복수 개의 혼합 날개를 포함한다.

바람직하게는, 상기 유로 채널은 상기 격자 셀들의 교차 지점에 마련되며, 보다 바람직하게는, 상기 스프링과 상기 유로 채널의 높이는 상기 격자 셀의 높이와 동일하다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 내측 벽을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자 구조를 이루며, 격자 셀은, 내측 벽 각각에서 수직 방향을 따라서 고정단을 가지며, 이 고정단으로부터 수평 방향으로 만곡 형성되어 자유단을 갖고 연료봉을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 스프링과; 격자 셀에 대해 수직 방향으로 마련된 복수 개의 유로 채널과; 격자 셀의 단부에 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 복수 개의 혼합 날개를 포함하여, 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 활용하여 구조를 단순화하면서도 충격강도를 향상하고 압력강하를 저감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도,
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도.

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 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 지지격자의 제조 공정 중의 판금가공 및 용접 공정을 배제하고 금속 3D 프린팅으로 제작이 가능한 지지격자를 제공하고자 하는 것이며, 종래의 판금가공 및 용접 공정에 의해 제작되던 지지격자의 형상 설계상에 제한을 해소하고 제조 공정을 단축할 수 있다.

일반적으로 다양한 금속 3D 프린팅 장치가 나와 있으며, 예를 들어, 독일의 CONPCEPTLASER사의 3D 프린팅 장비는 제품의 최대 제작 가능한 사이즈가 250×250×280㎣ 로서 풀사이즈(full-size)의 지지격자의 제작이 가능하며, 분말 공급 장치에서 일정한 면적을 갖는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라서 선택적으로 조사한 후에 한층 한층씩 용융시켜 적층하는 방식으로 제품 제조가 이루어지는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식이 사용되고 있다. 한편 본 발명의 지지격자는 일반 금속 3D 프린팅에서 채용하고 있는 일반 금속 적층제조 방식이 채용될 수 있으며 특정 방식에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도이며, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도이다. 이하 설명에서 수직 방향은 도면상의 z축 방향에 해당되며, 수평 방향은 x-y 평면을 의미한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예의 지지격자(100)는, 내측 벽(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)((n×n) 구조로 배치되어 서로 외접하여 고정되며, 각 격자 셀(110)은 수직 방향(z축 방향)으로 복수 개의 스프링(120)과, 복수 개의 유로 채널(130)과 복수 개의 혼합 날개(140)이 일체로 형성된다.

바람직하게는, 스프링(120)과 유로 채널(130)의 높이는 격자 셀(110)의 높이(H)와 동일하다.

격자 셀(110)은 슬롯이나 홀이 형성되지 않은 판 형상(solid plate)이며, 각 격자 셀(110)은 만곡되게 돌출 형성된 복수의 스프링(120)이 구비된다. 바람직하게는, 각 스프링(120)은 내측 벽(111)에서 수직 방향을 따라서 고정단(121)을 가지며, 이 고정단(121)으로부터 수평 방향(x-y 평면)으로 만곡 형성된 자유단(122)을 갖는다. 바람직하게는, 스프링(120)은 대략 반원통 형상의 횡단면을 가지며, 180°이상의 원호각(θ)을 갖는다.

특히 도 3을 참고하면, 각 격자 셀(110)은 정방형을 갖는 4개의 내측 벽(111)에 수직 방향을 따라서 수평 방향(x-y 평면)으로 만곡 형성된 4개의 스프링(120)이 마련되며, 각 내측 벽(111)으로부터 각 스프링(120)의 최대 높이는 격자 셀(110)의 중심으로부터 동일 반경(r)에 위치하게 되며, 그 반경을 직경 'D2'로 정의하면, 스프링(120)의 직경(D2)은 연료봉(10)의 외경(D1) 보다는 작다(D2 < D1). 따라서 연료봉(10)은 스프링(120)에 의해 탄성 지지된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 지지격자는 정방형의 격자 셀 내에서 4개의 스프링이 등각(90°)으로 마련되어 연료봉(10)을 등방적으로 탄성 지지하면서 냉각수의 혼합 기능을 동시에 수행이 가능하며, 이러한 각 격자 셀 내에 등각으로 배치되는 복 수 개의 스프링 배치는 종래의 판금이나 용접만으로는 구현이 불가하였으나 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 활용하여 쉽게 제작이 가능하다.

유로 채널(130)은 격자 셀(110)을 따라서 수직 방향으로 일체로 형성되며, 바람직하게는 중공의 원통형상을 가지며, 격자 셀(110)들의 교차 지점에 마련된다. 이러한 유로 채널(130)은 격자 셀(110)에 수직 방향으로 일체로 구성되어 냉각수와의 접촉 면적을 크게 하여 열교환 효율을 높일 수 있으며, 특히 격자 셀(110)들의 교차 지점에 배치되어 전체적으로 정방형 구조를 갖는 지지격자에서 응력 집중을 분산시킬 수 있으며, 측면 대각선 방향(diagonal direction)에 대한 충격특성을 높일 수 있다.

혼합 날개(140)는 격자 셀(110)의 단부에서 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성되며, 본 실시예에서 혼합 날개(140)는 격자 셀(110)의 상단에 마련됨을 보여주고 있다. 이러한 혼합 날개(140)는 격자 셀(110)의 상단에 일정 각도를 갖고 배치되어 횡류 혼합과 회전유동 혼합을 유도하게 되며, 위치에 따라서 서로 다른 형상과 각도를 갖는 다수의 혼합 날개가 구비될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도로서, 앞서 실시예와 동일 구성에 대한 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.

도 4를 참고하면, 본 실시예의 지지격자(200)는, 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 벽 중에서 서로 직각 방향으로 배치되는 2개의 내측 벽에 스프링(221)이 마련되며, 나머지 2개의 내측 벽에는 스프링(221)과 대면하여 각각 딤플(222)이 마련된다.

스프링(221)은 앞서 실시예와 동일하게 내측 벽에서 수직 방향을 따라서 고정단을 가지며, 고정단으로부터 수평 방향으로 만곡 형성되어 자유단을 갖는다. 한편 딤플(222)은 내측 벽에서 수직 방향을 따라서 수평 방향으로 만곡 형성되되, 양단이 내측 벽에 고정되는 고정단을 갖는다.

본 실시예에서 지지격자의 코너의 모서리(R)는 곡면의 환면(chamfer)을 가지며, 이러한 구성은 핵연료 집합체에서 인접하여 배치되는 지지격자들 사이의 코너 모서리에서의 간섭을 최소화할 수 있으며, 종래기술에서의 판금 가공에 의한 지지격자의 제작에서는 이러한 구조를 갖는 지지격자의 구현이 어려웠으나 3D 프린팅에 의해 쉽게 구현이 가능하다.

도면부호 230과 240은 각각 유로 채널과 혼합 날개이다.

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.

100 : 지지격자 110 : 격자 셀
120 : 스프링 130 : 유로 채널
140 : 혼합 날개

Claims (4)

1. 핵연료 집합체의 연료봉을 지지하게 되는 지지격자에 있어서,
   내측 벽을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice) 구조를 이루며,
   상기 격자 셀은,
   상기 내측 벽에서 수직 방향을 따라서 고정단을 가지며, 상기 고정단으로부터 수평 방향으로 만곡 형성되어 자유단을 갖고 연료봉을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 스프링과;
   상기 격자 셀에 대해 수직 방향으로 마련된 복수 개의 유로 채널과;
   상기 격자 셀의 단부에 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 복수 개의 혼합 날개를 포함하며,
   상기 유로 채널은 상기 격자 셀들의 교차 지점에 마련되며, 상기 스프링과 상기 유로 채널의 높이는 상기 격자 셀의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 스프링은 상기 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 벽 중에서 서로 직각 방향으로 배치되는 2개의 내측 벽에 형성되고, 나머지 2개의 내측 벽에는 스프링과 대면하여 각각 딤플이 형성되며,
   상기 딤플은 내측 벽에서 수직 방향을 따라서 수평 방향으로 만곡 형성되되 양단이 내측 벽에 고정되는 고정단을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.

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