KR102160440B1 - 충격특성이 우수한 핵연료 집합체의 지지격자의 제조방법 및 그에 의해 제작된 핵연료 집합체의 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지격자를 구성하는 내부 지지격자판과 외부 지지격자판의 제조 공정을 개선하여 충격특성이 우수한 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법과 그에 의해 제작된 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것이다.
본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법은, 수직으로 교차하여 조립되는 복수의 격자 스트랩(110)(120)으로 이루어진 내부 지지격자판과, 상기 내부 지지격자판의 외곽을 둘러싸는 외부 지지격자판(130)을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법에 있어서, 상기 격자 스트랩(110)(120)의 각 선단을 상기 외부 지지격자판(130)의 내측면과 맞대되, 상기 외부 지지격자판(130)은 상기 격자 스트랩과의 접촉면에 조립용 슬롯이 형성되지 않으며, 상기 외부 지지격자판(130)의 외측에서 상기 격자 스트랩(110)(120)과 상기 외부 지지격자판(130)의 접촉 부위에 대해 용접을 실시하여 상기 내부 지지격자판과 상기 외부 지지격자판을 조립하는 것을 특징으로 한다.

Description

충격특성이 우수한 핵연료 집합체의 지지격자의 제조방법 및 그에 의해 제작된 핵연료 집합체의 지지격자{Manufacturing method for spacer grids with improved impact property, and spacer grids of a nuclear fuel assembly manufactured by the same}

본 발명은 충격특성이 우수한 핵연료 집합체의 지지격자의 제조방법 및 그에 의해 제작된 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것이다.

원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 펠렛(pellet)으로 성형된 후에 다수의 펠렛들을 연료봉 내에 장입하여 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들은 핵연료 집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소가 이루어진다

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

지지격자는 수직으로 교차하게 조립되는 복수 개의 격자 스트랩으로 구성된 지지격자판으로 제작되며, 조립 위치에 따라서 내부 지지격자판과 외부 지지격자판으로 구분된다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 일반적인 지지격자(10)는 서로 수직으로 교차하게 조립되는 수평 격자 스트랩(11)과 수직 격자 스트랩(12)으로 이루어진 내부 지지격자판과, 내부 지지격자판의 외곽을 둘러싸게 되는 외부 지지격자판(13)으로 이루어진다.

내부 지지격자판은 일정 간격으로 슬롯이 형성되어 상호 끼움 조립이 이루어지는 수평 격자 스트랩(11)과 수직 격자 스트랩(12)으로 이루어지며, 각 교차점은 용접에 의해 고정된다.

외부 지지격자판(13)은 내부 지지격자판을 감싸도록 4면의 외곽에 각각 배치되는 4개의 외부 격자 스트랩으로 구성될 수 있으며, 내부 지지격자판과 용접에 의해 조립된다.

이와 같이 구성된 지지격자는 격자 형상의 격자 셀(14) 내에 연료봉이 위치하여 스프링 또는 딤플에 의해 지지되며, 또한 안내관 및 계측관과 조립된다.

도 2는 일반적인 핵연료 집합체의 내부 지지격자판과 외부 지지격자판의 조립예를 보여주는 도면으로서, 용접 전의 상태를 보여준다.

도 2를 참고하면, 일반적으로 내부 지지격자판을 구성하는 수평 격자 스트랩(11)은 선단에 용접탭(11a)이 형성되며, 이 용접탭(11a)은 외부 지지격자판(13)에 형성된 조립용 슬롯(13a)에 삽입된 후에 용접이 이루어진다. 수직 격자 스트랩 역시도 동일하게 용접탭에 의해 외부 지지격자판과 조립되어 용접이 이루어진다.

한편, 용접탭(11a)은 외부 지지격자판(13)과 교차되도록 외부 지지격자판(13)에서 일정 길이(t) 만큼 돌출되어 외부 지지격자판(13)과 조립이 이루어지며, 따라서 용접 후에 외부 지지격자판(13)의 바깥 면으로는 용접 비드가 돌출 형성되어 이 용접 비드를 제거하는 별도의 연삭 공정이 이루어진다.

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

본 발명은 내부 지지격자판과 외부 지지격자판의 용접 부위의 구조를 개선하여 충격특성을 개선하고 지지격자의 조립 공정을 단순화할 수 있는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법과 그에 의해 제조된 핵연료 집합체용 지지격자를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법은, 수직으로 교차하여 조립되는 복수의 격자 스트랩으로 이루어진 내부 지지격자판과, 상기 내부 지지격자판의 외곽을 둘러싸는 외부 지지격자판을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법에 있어서, 상기 격자 스트랩의 각 선단을 상기 외부 지지격자판의 내측면과 맞대되, 상기 외부 지지격자판은 상기 격자 스트랩과의 접촉면에 조립용 슬롯이 형성되지 않으며, 상기 외부 지지격자판의 외측에서 상기 격자 스트랩과 상기 외부 지지격자판의 접촉 부위에 대해 용접을 실시하여 상기 내부 지지격자판과 상기 외부 지지격자판을 조립하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법은, 외부 지지격자판에 별도의 조립용 슬롯이 형성되지 않고 내부 지지격자판을 구성하는 각 격자 스트랩의 단부가 외부 지지격자판의 내측면과 직접 맞대어서 외부 지지격자판의 바깥 측에서 용접이 이루어짐으로써, 횡방향의 강도 개선에 불리한 홀(window) 구조를 배제할 수 있으며, 또한 용접 후에 용접 비드가 외부 지지격자판에 안쪽에 형성되어 지지격자의 바깥 면에 대한 연삭 공정을 생략하여 지지격자의 제조 공정을 단축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도,
도 2는 일반적인 핵연료 집합체의 내부 지지격자판과 외부 지지격자판의 조립 예를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 용접 후의 요부 평면 구성도,
도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 용접 전과 후를 보여주는 요부 평면 구성도,
도 6의 (a)(b)는 각각 본 실시예에 따라서 제작된 지지격자와 종래기술에 의해 제작된 지지격자(비교예)의 외관을 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 크러쉬 테스트 결과를 보여주는 그래프.

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.

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

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 용접 후의 요부 평면 구성도이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예의 핵연료 집합체의 지지격자(100)는, 수직으로 교차하여 조립되는 복수의 수평 격자 스트랩(110)과 수직 격자 스트랩(120)으로 이루어진 내부 지지격자판과, 내부 지지격자판의 외곽을 둘러싸는 외부 지지격자판(130)을 포함하는 것은 종래기술과 동일하며, 각 격자 셀 내에 삽입되는 연료봉을 지지하기 위한 스프링 또는 딤플이 부가될 수 있으며, 냉각수 혼합을 위한 혼합날개가 마련될 수 있다.

본 실시예에서 수직 격자 스트랩(120)의 선단은 외부 지지격자판(130)의 내측면과 맞대고 외부 지지격자판(130)의 외측면에서 수직 격자 스트랩(120)과 외부 지지격자판(130)의 접촉 부위에 대해 용접을 실시하여 내부 지지격자판과 외부 지지격자판을 용접 조립하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 외부 지지격자판(130)은 조립용 슬롯이 형성되는 종래기술과는 달리 내부 지지격자판의 수평 및 수직의 격자 스트랩(110)(120)과 조립을 위하여 별도의 조립용 슬롯이 형성되지 않으며, 각 격자 스트랩(110)(120)의 선단이 외부 지지격자판(130)의 내측면과 직접 맞닿아 접촉된 상태에서 용접이 이루어진다.

내부 지지격자판과 외부 지지격자판은 별도의 용접 지그에 의해 가조립된 상태에서 용접이 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, 외부 지지격자판(130)의 외측에서 격자 스트랩(110)(120)과 외부 지지격자판(130)의 접촉 부위에 대해 레이저(LB) 용접을 실시하여 내부 지지격자판과 외부 지지격자판의 조립이 이루어진다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 용접 후의 요부 평면 구성도이다.

도 4에 도시된 것과 같이, 수직 격자 스트랩(120)와 외부 지지격자판(130)의 용접이 완료된 후에 접촉부에 용접 비드(WB)가 형성되며, 이때 용접 비드(BW)는 외부 지지격자판(130)의 내측면에 형성된다.

이와 같이 외부 지지격자판(130)은 내부 지지격자판을 용접 조립하기 위한 별도의 조립용 슬롯이 형성될 필요가 없으며, 따라서 지지격자의 횡방향 충격특성을 개선할 수 있다.

또한 이와 같이 내부 지지격자판과 외부 지지격자판은 용접이 완료된 후에 용접 비드(BW)가 외부 지지격자판(130)의 외측면이 아닌 안쪽 면에 형성되어 지지격자의 바깥 면에 대한 별도의 연삭 공정을 생략 가능하여 제조 공정을 단축할 수 있다.

도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 용접 전과 후를 보여주는 요부 평면 구성도이다.

도 5의 (a)를 참고하면, 본 실시예의 지지격자는, 수직 격자 스트랩(220)의 각 선단은 수직으로 절곡 형성되어 외부 지지격자판(230)의 내측면과 면접촉하여 용접이 이루어짐을 특징으로 한다.

이와 같이 수직 격자 스트랩(220)은 선단이 절곡 형성된 절곡부(221)가 형성되고, 이 절곡부(221)가 외부 지지격자판(230)의 내측면과 면접촉하여 레이저(LB) 용접이 이루어짐으로써, 내부 지지격자판과 외부 지지격자판 사이의 용접면을 크게 하여 좌굴강도를 개선할 수 있다.

또한 최근에는 내부 지지격자판의 두께(t1)을 얇게 설계하려는 요구가 있으며, 이와 같이 내부 지지격자판의 두께(t1)가 외부 지지격자판(230)의 두께(t2) 보다 작더라도 내부 지지격자판은 선단의 절곡부(221)에 의해 외부 지지격자판(230)의 내측면과 면접촉하여 큰 용접면을 갖고 용접이 이루어져 충격강도를 높일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 격자 스트랩은 외부 지지격자판과 접하게 되는 선단의 전체 길이에 대해 연속적으로 용접이 이루어지며, 종래기술과 대비하여 용접 라인의 증가로 인한 충격강도를 향상시킬 수 있다.

도 6의 (a)(b)는 각각 본 실시예에 따라서 제작된 지지격자와 종래기술에 의해 제작된 지지격자(비교예)의 외관을 보여주는 도면이다.

구체적으로, 도 6의 (a)는 내부 지지격자판의 선단에 절곡부가 마련되고 이 절곡부가 외부 지지격자판의 내측면에서 맞대어 외부 지지격자판의 바깥에서 용접에 의해 제작된 지지격자이며, 내부 지지격자판의 선단의 전체 길이에 대해 연속적으로 하나의 용접라인(빨간색 표시선 참고)을 갖는다.

다음으로, 도 6의 (b)는 비교예로서 조립용 슬롯이 형성된 외부 지지격자판과 조립용 슬롯에 삽입되는 용접탭이 마련된 내부 지지격자판이 용접에 의해 제작된 지지격자이며, 용접 이후에 외부 지지격자판의 외측면에 형성된 용접 비드는 연삭 가공에 의해 제거된 상태를 보여주고 있다. 또한 종래기술에 해당하는 비교예에서는 내부 지지격자판의 선단에 복수의 용접탭이 마련되고 각 용접탭에 대해 용접이 이루어져 전체 선단의 길이에 대해 불연속적인 복수 개의 용접라인(빨간색 표시선 참고)을 갖는다.

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 크러쉬 테스트 결과를 보여주는 그래프로서, case1은 비교예(종래기술)에 대한 데이터이며, case2는 본 실시예에 대한 데이터이다.

도 6의 (a)(b)에서 설명한 것과 같이, 본 실시예와 비교예에 의해 제작된 지지격자에 대해 횡방향으로 유압구동기(Hydraulic Actuator Tester)를 이용하여 장 펄스(long pulse)의 크러쉬 테스트(Crush Test)를 진행하였으며, 도 7은 그 결과를 보여주고 있다.

도 7에서 확인할 수 있듯이, 본 실시예는 비교예와 대비하여 지지격자의 횡방향의 강성 특성이 약 13% 정도 개선된 것을 확인할 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.

100 : 지지격자 110 : 수평 격자 스트랩
120 : 수직 격자 스트랩 130 : 외부 지지격자판

Claims (6)

1. 수직으로 교차하여 조립되는 복수의 격자 스트랩으로 이루어진 내부 지지격자판과, 상기 내부 지지격자판의 외곽을 둘러싸는 외부 지지격자판을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법에 있어서,
   상기 격자 스트랩의 각 선단을 상기 외부 지지격자판의 내측면과 맞대되, 상기 외부 지지격자판은 상기 격자 스트랩과의 접촉면에 조립용 슬롯이 형성되지 않으며, 상기 외부 지지격자판의 외측에서 상기 격자 스트랩과 상기 외부 지지격자판의 접촉 부위에 대해 용접을 실시하여 상기 내부 지지격자판과 상기 외부 지지격자판을 조립하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 격자 스트랩의 각 선단은 수직으로 절곡 형성되어 상기 외부 지지격자판의 내측면과 면접촉하여 용접이 이루어짐을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 격자 스트랩은 상기 외부 지지격자판과 접하게 되는 선단의 전체 길이에 대해 연속적으로 용접이 이루어짐을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 내부 지지격자판과 상기 외부 지지격자판은 레이저 용접에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자 제조방법.
5. 제1항에 따른 제조방법에 의해 제조된 핵연료 집합체의 지지격자.
6. 제5항에 있어서, 상기 내부 지지격자판과 상기 외부 지지격자판 사이의 용접 부위에는 상기 외부 지지격자판의 내측면에 용접 비드가 형성됨을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.

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