KR102177330B1 - 핵연료 집합체의 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능한 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것이다.
본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자는, 내측 벽(111)을 갖는 중공의 원기둥 형상의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice) 구조로 배치되며, 서로 인접한 격자 셀(110)들은 격자 셀(110)의 축방향에 대해 경사를 갖고 연결되는 믹싱 격벽(120)을 매개로 연결되며, 상기 격자 셀(110)은 상기 내측 벽(111)에서 내측으로 만곡되어 돌출 형성되되, 적어도 3 개 이상이 등각으로 배치되어 연료봉(10)을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 탄성 지지부(112)를 포함한다.

Description

핵연료 집합체의 지지격자{Spacer grid of a nuclear fuel assembly}

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 스프링이 마련되고 나머지 두 면에 복수 개의 딤플이 마련된다.

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 이루어지며, 이후 외부 격자판의 용접 과정에서 발생된 용접 비드를 연삭 가공하는 일렬의 과정을 거쳐 제작된다.

한편 지지격자는 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 혼합날개(mixing vane)가 마련되며, 이 혼합날개는 연료봉 주변을 감싸는 형태를 갖고 연료봉 주변의 냉각수 혼합을 통한 열전달을 촉진하는 역할을 한다. 일반적으로 혼합날개는 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 혼합날개 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 개수가 제한되어 설계 자유도가 제한된다.

이와 관련하여 노심수명의 말기(end of life, EOL) 조건에서 지지격자의 충격강보가 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 중공의 원기둥 형상의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice) 구조로 배치되며, 서로 인접한 격자 셀들은 격자 셀의 축방향에 대해 경사를 갖고 연결되는 믹싱 격벽을 매개로 연결되며, 상기 격자 셀은 상기 내측 벽에서 내측으로 만곡되어 돌출 형성되되, 적어도 3 개 이상이 등각으로 배치되어 연료봉을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 탄성 지지부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 믹싱 격벽은 서로 인접한 격자 셀들을 직교 방향으로 연결하고 상기 탄성 지지부는 경사 방향으로 형성된다.

바람직하게는, 상기 믹싱 격벽은 서로 인접한 4개의 격자 셀들을 경사 방향으로 연결하고, 상기 탄성 지지부는 직교 방향으로 형성된다.

바람직하게는, 상기 격자 셀의 하측 개구단은 경사면을 가지며, 상기 격자 셀은 상기 탄성 지지부가 형성된 원통형 몸체의 횡방향으로 관통 형성된 홀이 형성된다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 내측 벽을 갖는 중공의 원기둥 형상의 격자 셀들이 정방형 격자 구조로 배치되어 서로 인접한 격자 셀들이 격자 셀의 축방향에 대해 경사를 갖고 연결되는 믹싱 격벽을 매개로 연결되며, 각 격자 셀은 내측 벽에서 내측으로 만곡되어 돌출 형성된 적어도 3 개 이상이 등각으로 배치되어 복수 개의 탄성 지지부를 포함하여 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 활용하여 구조를 단순화하면서도 기계적인 강도를 확보하고 냉각수 혼합 효과를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도,
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 대한 다른 변형예를 보여주는 사시 구성도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 일부 절개된 사시 구성도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 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 250×52×80㎣ 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 제1실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도이며, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체용 지지격자의 사시 구성도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도이다. 이하 설명에서 축방향(axial direction)은 원기둥 형상을 갖는 격자 셀의 회전축 방향을 의미하며, 도면상의 z축 방향에 해당한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 제1실시예의 지지격자(100)는, 내측 벽(111)을 갖는 중공의 원기둥 형상의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)(n×n) 구조로 배치되며, 서로 인접한 격자 셀(110)들은 격자 셀(110)의 축방향(z축)에 대해 일정 각도의 경사를 갖고 연결되는 믹싱 격벽(220)을 매개로 연결되며, 각 격자 셀(110)의 내측 벽(111)에는 복수 개의 탄성 지지부(212)가 일체로 형성된다.

격자 셀(110)은 연료봉(10) 보다는 큰 내경을 갖고 연료봉(10)이 삽입 위치하게 되며, 연료봉(10)은 복수 개의 탄성 지지부(112)에 의해 탄성 지지된다. 바람직하게는, 탄성 지지부(112)는 격자 셀(110)의 축방향(z축)으로 장축(z1)을 갖는 타원 형상이다.

각 믹싱 격벽(120)은 서로 인접한 두 개의 격자 셀(110)을 연결하며, 각 믹싱 격벽(120)의 선단부는 격자 셀(110)의 축방향(z축)에 대해 일정 각도(θ)의 경사를 갖고 접하여 연결되며, 이러한 믹싱 격벽(120)은 연료봉 주변의 냉각수를 혼합하여 연료봉과 냉각수 사이의 열전달을 촉진하고 압력강하를 저감하는 역할을 한다.

바람직하게는, 믹싱 격벽(120)과 격자 셀(110)은 동일 높이를 갖도록 마련된다.

도 3을 참고하면, 믹싱 격벽(120)은 정방형 격자 구조로 배치된 격자 셀(110)들을 직교 방향(x축/y축)으로 연결하며, 4개의 탄성 지지부(112)는 경사 방향으로 형성된다.

각 탄성 지지부(112)의 내측 벽(111)에서의 최대 높이는 격자 셀(110)의 중심축 상에서 동일 반경에 위치하며, 이때 그 반경을 직경 'D2'로 정의하면, 탄성 지지부(112)의 직경(D2)은 연료봉(10)의 외경(D1) 보다는 작다(D2 < D1). 따라서 연료봉(10)은 탄성 지지부(112)에 의해 탄성 지지된다. 한편, 격자 셀에는 연료봉과 직접 접촉하여 탄성 지지하기 위한 탄성 스프링 이외에 연료봉의 수평 거동을 제한하기 위한 딤플이 추가될 수 있으며, 이러한 딤플은 연료봉(10)의 외경(D1) 보다는 더 큰 직경을 갖는 범위 내에서 다양한 형상을 가질 수 있다.

이와 같이 격자 셀(110) 내에서 연료봉(10)을 직접 고정하게 되는 탄성 지지부(112)는 경사 방향으로 배치되고 격자 셀(110)들을 고정하여 연결하는 믹싱 격벽(120)은 직교 방향으로 배치되어 측면 충격특성을 높일 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 대한 다른 변형예를 보여주는 사시 구성도로서, 격자 셀(110A)은 복수 개의 탄성 지지부(112)가 형성된 원통형 몸체의 횡방향으로 관통 형성된 홀(112a)이 형성될 수 있으며, 이러한 홀(112a)은 냉각수의 수평 흐름을 유도하여 냉각수의 혼합 효과를 높일 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 일부 절개된 사시 구성도이며, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 평면 구성도이다. 이하 설명에서 제1실시예와 동일 구성에 대한 중복되는 설명을 생략한다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 제2실시예에 따른 지지격자(200)는, 내측 벽(211)을 갖는 중공의 원기둥 형상의 격자 셀(210)들이 정방형 격자(square lattice) 구조로 배치되며, 서로 인접한 격자 셀(210)들은 격자 셀(210)의 축방향(z축)에 대해 일정 각도의 경사를 갖고 연결되는 믹싱 격벽(mixing wall)(120)을 매개로 연결되며, 각 격자 셀(210)의 내측 벽(211)에는 복수 개의 탄성 지지부(212)가 일체로 형성됨은 제1실시예와 동일하다.

바람직하게는, 각 격자 셀(210)의 하측 개구단(냉각수 흐름의 상류 측)은 경사면(213)이 형성된다.

믹싱 격벽(220)은 서로 인접한 4개의 격자 셀(210)들을 경사 방향으로 연결하고, 탄성 지지부(212)는 직교 방향으로 형성됨을 특징으로 한다.

특히 도 6을 참고하면, 각 격자 셀(210)의 내측 벽(111)에 형성된 4개의 탄성 지지부(212)는 정방형 격자 구조에 대해 직교 방향(x축/y축)으로 배치되며, 믹싱 격벽(220)은 4개의 격자 셀(210)의 중심(221)에서 일정 각도(θ2)의 경사를 갖고 각 격자 셀(210)을 일체로 연결된다.

이와 같이 격자 셀(210) 내에서 연료봉(10)을 직접 고정하게 되는 탄성 지지부(212)는 직교 방향으로 배치되고 격자 셀(210)들을 고정하여 연결하는 믹싱 격벽(220)은 경사 방향으로 배치되어 측면 충격특성을 높일 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, 200 : 지지격자
110, 210 : 격자 셀
111, 211 : 내측 벽
112, 212 : 탄성 지지부
120, 220 : 믹싱 격벽

Claims (5)

1. 핵연료 집합체의 연료봉을 지지하게 되는 지지격자에 있어서,
   내측 벽을 갖는 중공의 원기둥 형상의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice) 구조로 배치되며, 서로 인접한 격자 셀들은 격자 셀의 축방향에 대해 경사를 갖고 연결되는 믹싱 격벽을 매개로 연결되며,
   상기 격자 셀은,
   상기 내측 벽에서 내측으로 만곡되어 돌출 형성되되, 적어도 3 개 이상이 등각으로 배치되어 연료봉을 탄성 지지하게 되는 복수 개의 탄성 지지부를 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자.
2. 제1항에 있어서, 상기 믹싱 격벽은 서로 인접한 격자 셀들을 직교 방향으로 연결하고 상기 탄성 지지부는 경사 방향으로 형성됨을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
3. 제1항에 있어서, 상기 믹싱 격벽은 서로 인접한 4개의 격자 셀들을 경사 방향으로 연결하고, 상기 탄성 지지부는 직교 방향으로 형성됨을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
4. 제1항에 있어서, 상기 격자 셀의 하측 개구단은 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.
5. 제1항에 있어서, 상기 격자 셀은 상기 탄성 지지부가 형성된 원통형 몸체의 횡방향으로 관통 형성된 홀이 형성됨을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자.

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