KR20000054966A - 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치에 관한 것으로, 그 목적은 원격으로 분해·조립이 용이하고, 하중이 분산되어 전달되며, 냉각능력을 최대로 하여 구조적 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 조사시편이 저장·설치되는 핵연료 집합체와; 상기 핵연료 집합체가 삽입되는 캡슐외통과; 상기 핵연료 집합체가 캡슐외통의 중간부에 위치하도록 캡슐외통의 상/하단부에 삽입되는 보조튜브와; 상기 캡슐외통의 상/하단에 설치되어 핵연료 집합체의 구조를 형성하는 상/하단 엔드플레이트와; 상기 상단 엔드플레이트 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 상단 가이드와; 상기 하단 엔드플레이트 하부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 하단 가이드와; 상기 하단 엔드플레이트와 하단 가이드 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐 하중을 완화시키는 스프링과; 상기 상단 가이드 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 해체를 방지하는 그리플 헤드 록과; 상기 그리플 헤드 록의 상부에 위치하도록 설치되고, 캡슐이동 기구에 연결되는 그리플 헤드와; 상기 그리플 헤드, 그리플 헤드 록, 상단 가이드, 상단 엔드플레이트, 캡슐외통내의 중간부에 설치된 핵연료 집합체, 하단 엔드플레이트, 스프링, 하단 가이드가 동일중심선상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하여 설치되는 중심지지봉과; 상기 그리플 헤드내로 관통·설치된 중심지지봉의 일측단에 체결되는 클램핑 너트와; 상기 하단 가이드를 관통하는 중심지지봉의 일측단에 일측이 용접되고, 타측이 핵연료다발 고정장치에 삽입·설치되는 로드 팁을 포함하여 구성되어 3종류의 소결체를 동시에 조사시험 할 수 있는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치를 제공함에 있다.

Description

핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치 {The remote non-instrumented capsule device for the irradiation test of nuclear fuel}

본 발명은 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치에 관한 것으로, 연구용 원자로에서 핵연료 성능평가를 위해 조사시험시 핵연료 소결체를 조사시키기 위하여 원자로 코아 중심에 장전하여 3종류의 소결체를 동시에 조사시험을 할 수 있는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치에 관한 것이다.

일반적으로 핵연료를 개발하기 위해서는 핵연료의 성능 입증과 건전성을 평가를 하여야 하는데, 이를 위해서는 연구용 원자로에서 핵연료의 조사시험 수행이 필수적이다. 상기 핵연료를 조사시키는 장치는 도 5 에 도시된 바와 같이 원자로내에 장전되므로 안전성과 신뢰성이 매우 크게 강조되며, 다양한 종류의 핵연료를 시험할 수 있어야 하고, 원자로에서 취급이 용이하도록 설계되어야 한다. 또한, 조사시험후 조사된 핵연료의 특성을 파악하기 위해서 캡슐장치의 원격분해가 가능하도록 만들어져야 한다.

캡슐은 이러한 조사시험에 사용되는 조사시험장치의 일종으로, 핵연료를 조사시키기 위해 사용되는 조사 캡슐은 캡슐내 어떠한 계측장치도 설치하지 않는 간단한 무계장캡슐과 여러 가지 계측 장치를 내부에 설치한 계장캡슐 장치로 분류되는데, 종래에 사용되고 있는 조사 캡슐은 조사시험용 핵연료를 작업자가 직접 캡슐내 삽입하여 조립하게 되며, 일부 부분은 용접하여 캡슐과 함께 고정시키도록 되어 있었다. 따라서 작업자가 직접 시험 시료를 취급할 수 없는 방사성 핵연료와 같은 경우에는 종래의 캡슐장치로는 사용하기 어려운 문제점이 있었다.

또한 캡슐내 일부 부품의 용접으로 인해 조사시험후 시험 캡슐 분해시 핫셀에서 절단작업을 하게 되는데, 이때 캡슐내 조사시험된 핵연료와 검사가 필요한 주요 부품에 손상이 가해질 수 있으며, 이로 인해 원자로내에 장착되는 조사시험 캡슐의 구조적 안전성과 신뢰성이 보장되지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 원격으로 분해·조립이 용이하고, 하중이 분산되어 전달되며, 냉각능력을 최대로 하여 구조적 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 조사시편이 저장·설치되는 핵연료 집합체와; 상기 핵연료 집합체가 삽입되는 캡슐외통과; 상기 핵연료 집합체가 캡슐외통의 중간부에 위치하도록 캡슐외통의 상/하단부에 삽입되는 보조튜브와; 상기 캡슐외통의 양단부에 설치되어 핵연료 집합체의 구조를 형성·지지하는 상/하단 엔드플레이트와; 상기 상단 엔드플레이트 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 상단 가이드와; 상기 하단 엔드플레이트 하부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 하단 가이드와; 상기 하단 엔드플레이트와 하단 가이드 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐 하중을 완화시키는 스프링과; 상기 상단 가이드 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 해체를 방지하는 그리플 헤드 록과; 상기 그리플 헤드 록의 상부에 위치하도록 설치되고, 캡슐이동 기구에 연결되는 그리플 헤드와; 상기 그리플 헤드, 그리플 헤드 록, 상단 가이드, 상단 엔드플레이트, 캡슐외통내의 중간부에 설치된 핵연료 집합체, 하단 엔드플레이트, 스프링, 하단 가이드가 동일중심선상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하여 설치되는 중심지지봉과; 상기 그리플 헤드내로 관통·설치된 중심지지봉의 일측단에 체결되는 클램핑 너트와; 상기 하단 가이드를 관통하는 중심지지봉의 일측단에 일측이 용접되고, 타측이 핵연료다발 고정장치에 삽입·설치되는 로드 팁을 포함하여 구성되어 3종류의 소결체를 동시에 조사시험 할 수 있는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치를 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치의 전체

구성도

도 2 는 본 발명에 의한 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치의 전체

횡단면도

도 3 은 본 발명에 의한 엘리먼트 집합체 구성도

도 4 는 본 발명에 의한 엘리먼트 집합체 횡단면도

도 5 는 본 발명의 설치위치를 보인 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 로드 팁(rod tip) (2) : 하단 가이드

(3) : 스프링 (4) : 칼라(collar)

(5) : 핀(pin) (6) : 부싱(bushing)

(7) : 하단 엔드플레이트(endplate) (8) : 캡슐외통

(9) : 중심지지봉 (10,12): 보조튜브

(11) : 핵연료 집합체 (13) : 상단 엔드플레이트(endplate)

(14) : 상단 가이드

(15) : 그리플 헤드 록(grapple head rock)

(16) : 그리플 헤드(grapple head) (17) : 클램핑 너트(clamping nut)

(111): 하단 하우징 (112): 상단 하우징

(113): 하우징 보조 (114): 하우징 너트

(115): 냉각블록 (116): 미니 엘리먼트(mini-element)

(117,118): 원형 홈

본 발명은 중심지지봉을 중심으로 설치(조립)되어 있으며, 그 구성은 캡슐하단의 가이드 부분, 중간부에 3개 종류의 미니 엘리먼트를 동시에 장착할 수 있는 핵연료 집합체, 상단부의 상부 가이드 부분 및 캡슐 내외통으로 구성되어 있다. 이들의 각부품들은 원격으로 취급이 용이하게 설계되어 분해조립이 용이하며, 미니 엘리먼트의 조사시편을 제외하고는 용접된 부분이 없으므로, 캡슐 자체는 계속적으로 사용이 가능하다. 또한 상기 무계장캡슐은 열전도성이 좋으며 가공성 및 기계적 성질이 우수한 재질을 사용하여 조사중 길이 변화를 최소화시켜 치수변화에 따른 캡슐의 응력을 최소로 하였다. 또한, 본 발명은 기존핵연료와는 달리 미니 엘리먼트의 핵연료봉이 핵연료봉 지지격자(상/하단 하우징과 하우징 보조)와 보조 튜브 및 상/하단 엔드 플레이트(end plate)에 걸쳐있는 구조로 구성되어 캡슐취급시 즉, 캡슐이동 기구(도시없음)에 의해 캡슐을 이동하여 핵연료 다발 고정장치에 장/탈착 및 조사시험시, 하중이 상단부인 그리플 헤드(grapple head)로부터 중심지지봉을 걸쳐서 가이드에 전달되도록 하였으며, 무계장 캡슐외통과 상하단의 엔드 플레이트는 서로 연결되도록 설계되어 있어 비틀림에 대한 저항성이 매우 크고, 캡슐 장·탈착시 발생할 수 있는 비 수직적인 힘이 가해져도 안전하도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 의한 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치의 전체 구성도를, 도 2 는 본 발명에 의한 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치의 전체 횡단면도를 도시한 것으로, 본 발명은 조사시편이 저장·설치되는 핵연료 집합체(11)와, 상기 핵연료 집합체가 삽입되는 캡슐외통(8)과. 상기 핵연료 집합체(11)가 캡슐외통(8)의 중간부에 위치하도록 캡슐외통(8)의 상/하단부에 삽입되는 보조튜브(10,12)와, 상기 캡슐외통(8)의 상/하단에 설치되어 핵연료 집합체(11)의 구조를 형성·지지하는 상/하단 엔드플레이트(7,13)와, 상기 상단 엔드플레이트(13) 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 상단 가이드(14)와, 상기 하단 엔드플레이트(7) 하부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 하단 가이드(2)와, 상기 하단 엔드플레이트(7)와 하단 가이드(2) 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐 하중을 완화시키는 스프링(3)과, 상기 상단 가이드(14) 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 해체를 방지하는 그리플 헤드 록(15)과, 상기 그리플 헤드 록(15)의 상부에 위치하도록 설치되고, 캡슐이동 기구(도시없음)에 연결되는 그리플 헤드(16)와, 상기 그리플 헤드(16), 그리플 헤드 록(15), 상단 가이드(14), 상단 엔드플레이트(13), 캡슐외통(8)내의 중간부에 설치된 핵연료 집합체(11), 하단 엔드플레이트(7), 스프링(3), 하단 가이드(2)가 동일중심선상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하여 설치되는 중심지지봉(9)과, 상기 그리플 헤드(16)내로 관통·설치된 중심지지봉(9)의 일측단에 체결되는 클램핑 너트(17)와, 상기 하단 가이드(2)를 관통하는 중심지지봉(9)의 일측단에 일측이 용접되고, 타측이 핵연료다발 고정장치에 삽입·설치되는 로드 팁(1)을 포함하여 구성되어 있다. 이때, 상기 캡슐외통(8)은 열전도성, 가공성 및 기계적 성질이 우수한 원자로 상부 구조물과 같은 재료인 Al 6061 T6를 사용하였으며, 시험공의 핵연료 다발 고정장치에 고정되는 캡슐하단 고정단은 내열성 및 강도가 좋은 지르카로이-4를 사용하였다.

이와 같이 구성된 본 발명은 먼저 중심지지봉(9)을 중심으로 원자로의 핵연료 다발 고정장치에 삽입되는 로드 팁(1)과, 하단 가이드(2)가 끼워지고, 캡슐 전체의 하중을 완화시키는 역할을 하는 스프링(3)이 조립되며, 상기 스프링(3) 상부에 위치하도록 중심지지봉(9)에 하단 엔드플레이트(7), 보조 튜브(10), 핵연료 집합체(11), 보조 튜브(12) 및 캡슐외통(8)을 순차적으로 조립하고, 상단 엔드플레이트(13)를 캡슐외통 상단홈에 끼워 맞춘 후, 그리플 헤드(16)를 클램핑 너트(17)로 조이면 캡슐조립이 완성된다. 이때 조립되는 각부품은 순서에 따라 홈에 맞추어 끼워지며, 분해시 조립의 역순서에 의해서 용이하게 분해되도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 캡슐취급시 즉, 캡슐을 핵연료 다발 고정장치에 장/탈착 및 조사시험시, 하중이 그리플 헤드(16), 그리플 헤드 록(15), 상단 가이드(14), 상단 엔드플레이트(13), 캡슐외통(8), 하단 엔드플레이트(7)를 거쳐서 바닥 스프링(3)과 가이드(2)로 전달된다.

도 3 은 본 발명에 의한 엘리먼트 집합체 구성도를, 도 4 는 본 발명에 의한 엘리먼트 집합체 횡단면도를 도시한 것으로, 상기 핵연료 집합체(11)는 도2 의 A-A 단면에 표시된 바와 같이 하단 하우징(111) 위에 설치된 한 개의 냉각블록(115), 상기 하단 하우징(111)에 일측단이 삽입·설치되는 3개의 하우징 보조(113)와, 상기 3개의 하우징 보조(113)와 냉각블록(115) 사이에 위치하도록 하단 하우징(111)에 일측단이 삽입·설치되고, 내부에 조사시편이 저장되는 3개의 미니 엘리먼트(116)와, 상기 미니 엘리먼트(116)의 타측단이 삽입·설치되고, 하우징 보조(113)가 관통하는 상단 하우징(112)과, 상기 상단 하우징(112)을 관통하며 돌출된 하우징 보조(113)에 체결되어 미니 엘리먼트(116)를 고정하는 하우징 너트(114)로 구성되어 있다.

즉, 조사시편이 캡슐 중간부에 장착되는 핵연료 집합체(11)는 별도의 조립 과정을 거치는데, 도 3 에 도시된 바와 같이 하단 하우징(111)에 3개의 하우징 보조(113) 일측단을 조립하고, 조사시험 핵연료가 내장된 3개의 미니 엘리먼트(116) 일측단을 냉각 블록(115)과 하우징 보조(113) 사이의 원형 홈(117)에 위치시키고 상단 하우징(112)의 원형 홈(118)에 미니 엘리먼트(116)의 또다른 일측단이 위치하도록 하우징 보조(113)에 상단 하우징(112)을 끼워 조립한 다음, 상기 상단 하우징(112)을 관통하여 돌출된 하우징 보조(113)에 하우징 너트를 일정 토크로 조이면 핵연료 집합체 조립이 완성된다. 이때, 상기 핵연료 집합체에 장착되는 미니 엘리먼트(116)는 3개이므로, 동시에 3가지 종류의 핵연료 조사시험이 가능하다.

본 발명의 원격 무계장캡슐 장치는 원자로의 냉각수에 잠겨진 상태에서 운전되므로 운전시, 조사시편이 설치된 핵연료 집합체의 미니 엘리먼트(116)로 냉각수가 유입되어 핵연료에서 방출되는 열을 제거하도록 되어 있다. 즉, 상기 미니 엘리먼트(116)가 설치되는 핵연료 집합체(11)의 상/하단 하우징(111,112)과, 캡슐외통(8)에 설치되는 상/하단 엔드 플레이트(7,13)에 다수개의 관통구멍이 형성되어 있어 연구용 원자로 운전시, 냉각수가 상/하단 엔드플레이트(7,13)와 상/하단 하우징(111,112)을 통해 미니 엘리먼트(116)가 설치된 캡슐 내부로 흐른다.

이와 같이 본 발명은 캡슐이 중심지지봉을 중심으로 원격으로 부품이 조립과 분해가 가능하고, 안전한 기계적 및 구조적 특징을 갖도록 설계되었으므로, 최첨단의 기술로 분류되는 조사시험분야에 있어 비방사성 핵연료뿐만 아니라 원격취급이 요구되는 고방사성 핵연료 조사시험시 매우 유용하게 활용될 수 있다.

또한, 본 발명은 핵연료 집합체내에 3개의 미니 엘리먼트를 설치할 수 있으므로, 3종류의 소결체를 동시에 조사시험 할 수 있다.

또한, 본 발명은 냉각수가 캡슐 내부로 흐르도록 되어 핵연료에서 방출되는 열을 용이하게 제거할 수 있으며, 조사 핵연료봉 주위에 알루미늄 재질의 냉각블록을 삽입·설치하여 열전도를 향상시킴과 동시에 냉각능력을 최대로 할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (2)

1. 조사시편이 저장·설치되는 핵연료 집합체(11)와,

   상기 핵연료 집합체가 삽입되는 캡슐외통(8)과,

   상기 핵연료 집합체(11)가 캡슐외통(8)의 중간부에 위치하도록 캡슐외통(8)의 상/하단부에 삽입되는 보조튜브(10,12)와,

   상기 캡슐외통(8)의 상/하단에 설치되어 핵연료 집합체(11)의 구조를 형성하는 상/하단 엔드플레이트(7,13)와,

   상기 상단 엔드플레이트(13) 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 상단 가이드(14)와,

   상기 하단 엔드플레이트(7) 하부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 하단 가이드(2)와,

   상기 하단 엔드플레이트(7)와 하단 가이드(2) 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐 하중을 완화시키는 스프링(3)과,

   상기 상단 가이드(14) 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 해체를 방지하는 그리플 헤드 록(15)과,

   상기 그리플 헤드 록(15)의 상부에 위치하도록 설치되고, 캡슐이동 기구(도시없음)에 연결되는 그리플 헤드(16)와,

   상기 그리플 헤드(16), 그리플 헤드 록(15), 상단 가이드(14), 상단 엔드플레이트(13), 캡슐외통(8)내의 중간부에 설치된 핵연료 집합체(11), 하단 엔드플레이트(7), 스프링(3), 하단 가이드(2)가 동일중심선상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하여 설치되는 중심지지봉(9)과,

   상기 그리플 헤드(16)내로 관통·설치된 중심지지봉(9)의 일측단에 체결되는 클램핑 너트(17)와,

   상기 하단 가이드(2)를 관통하는 중심지지봉(9)의 일측단에 일측이 용접되고, 타측이 핵연료다발 고정장치에 삽입·설치되는 로드 팁(1)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 핵연료 집합체(11)는 한개의 냉각블록(115)이 설치된 하단 하우징(111)과,

   상기 하단 하우징(111)에 일측단이 삽입·설치되는 3개의 하우징 보조(113)와,

   상기 3개의 하우징 보조(113)와 냉각블록(115) 사이에 위치하도록 하단 하우징(111)에 일측단이 삽입·설치되고, 내부에 조사시편이 저장되는 3개의 미니 엘리먼트(116)와,

   상기 미니 엘리먼트(116)의 타측단이 삽입·설치되고, 하우징 보조(113)가 관통하는 상단 하우징(112)과,

   상기 상단 하우징(112)을 관통하며 돌출된 하우징 보조(113)에 체결되어 미니 엘리먼트(116)를 고정하는 하우징 너트(114)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐 장치.