KR20020074606A - 핵연료 집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체 - Google Patents

Abstract

핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하는 지지격자체로서 지지격자체를 구성하는 가로,세로의 각 격자판은 2개의 박판이 겹쳐진 겹판을 사용하고 겹쳐진 판 사이의 일정부분에 냉각재 통로를 형성시키되 냉각재 유동방향으로 상류쪽, 즉 지지격자체 하단부분에서 하류쪽, 즉 지지격자체 상단으로 가면서 통로의 단면적을 일정거리 만큼 증가시키다가 다시 점차로 줄여서 지지격자체 끝부분에서 통로의 단면적을 없애고 하류쪽 통로의 일정 부분에 구멍을 뚫어 통로 내,외로 흐르는 냉각재를 혼합시키고 부가적으로 혼합날개를 겹판중의 하나에 설치하여 횡류 혹은 회전유동을 발생시키는 이른바 노즐과 혼합날개를 조합한 지지격자체에 관한 것으로;

혼합날개의 목적에 따라 냉각재에 횡류 및 회전유동, 혹은 횡류와 회전유동이 혼합된 형태의 유동을 발생시키는 한편 냉각재를 노즐형으로 분사하는 기능을 추가함에 따라 기존의 지지격자체보다 훨씬 효율적으로 강력한 냉각재 혼합 기능을 갖는 지지격자체를 제공함으로서 핵연료봉으로부터 냉각재로의 열전달을 증가시켜서 핵연료봉의 국부적인 과열을 방지하여 핵연료집합체의 건전성을 증진시킴과 동시에 핵연료봉과 닿는 노즐 외곽부분에 슬롯부를 마련하여 핵연료봉과의 접촉길이와 접촉면을 증가시켜서 핵연료봉의 프레팅 현상을 억제하고, 지지격자체 자체의 횡방향 충격 강성도를 향상시키도록 한 것이다.

Description

핵연료 집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체 {DOUBLE STRIP MIXING GRID FOR A NUCLEAR FUEL ASSEMBLY }

본 발명은 원자로 핵연료집합체의 이중판 냉각제 혼합 지지격자체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료집합체내에서 냉각재의 흐름을 교차로 혼합시켜 연료봉으로부터 냉각재로의 열전달을 증가시키면서, 핵연료봉의 지지특성을 개선하여 핵연료봉 진동 및 핵연료봉에 마모를 일으키는 프레팅(fretting) 현상을 억제하고, 자체의 횡방향 충격 강성도를 향상시킨 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체에 관한 것이다.

일반적으로 원자로 내에서 균일한 간격을 유지하며 배열되어 있는 핵연료봉(125)은 도 1에 도시된 바와 같이 예컨대 가로 14, 세로 14 (14×14)에서부터 가로 17, 세로 17 (17×17)과 같이 정사각형으로 배열되어 종래의 통상적인 경수형 원자로용 핵연료집합체(101)를 형성하게 된다.

이러한 원자로용 핵연료집합체(101)는 다수의 격자판이 계란판 형상으로 용접되어 형성되는 지지격자체(110), 상하부에서 외부 하중을 담당하는 각각의 상·하단고정체(111,112) 그리고 지지격자체(110) 및 상·하단고정체(111,112)를 연결하여 핵연료집합체(101)의 기본적인 구조를 형성하는 안내관(113) 등의 구조재와 핵분열하여 열을 발생하는 우라늄 소결체(114)를 지르칼로이(Zircaloy) 피복관내에 담고 있는 핵연료봉(125) 등으로 구성되어 있다.

지지격자체는 도 2에 도면번호 110으로 도시된 바와 같이 격자판들에 있는 절개된 틈사이에 각각의 격자판(115 및 116)이 종횡으로 끼워져 교차점(117)을 형성하고, 형성된 교차점들을 용접한 후 가장 외곽을 또 다른 판(118)으로 둘러쌈으로써 만들어 진다.

도 3에 도시된 바와 같이 이렇게 형성된 지지격자체(110)는 각각의 격자공간에 격자판(115 및 116)내에 생성되거나 격자판에 부착되는 비교적 탄성력이 있는스프링(119)과 그 보다는 강성도가 훨씬 큰 단단한 돌출부(120;dimple)가 존재하여 이것들이 한 쌍을 이루어 하나의 핵연료봉을 사방 4곳에서 지지하게 된다.

이런 지지격자체(110)는, 도 1과 같이 핵연료봉(125)의 길이방향으로 다수 배열됨으로써, 핵연료봉을 그 길이 방향으로 여러 지점에서 지지하는 이른바 다점 지지보 형태로 핵연료봉(125)을 지지하게 된다.

지지격자체 스프링(119)의 지지력은 원자로내에서 열팽창 및 중성자 조사에 의한 핵연료조사 성장으로 인하여 핵연료봉(125)이 길이방향으로 신장할 때 지지점에서 핵연료봉(125)의 미끄러짐을 허용할 만큼 작아야 한다.

만일 지지격자체 지지점 사이에서 이러한 핵연료봉(125)의 미끄러짐이 구속된다면 핵연료봉(125)은 지지격자체(110) 지지점 사이에서 휘게되어서 도 4에 도시된 상태에서 핵연료봉(125) 사이의 일정한 냉각재 수로 간격을 감소시키게 된다.

국내에 있는 상용 발전소의 원자로는 물을 냉각재로 사용하여 핵연료봉(125)에서 발생하는 열에너지를 수용하고 여러 단계를 거쳐 최종적으로 이를 전기 에너지로 변환한다.

이때 액상의 냉각재(물)는 원자로의 하부 노심 지지판의 개구를 통하여 각 핵연료집합체(101)의 핵연료봉(125) 사이의 수로를 따라 상부로 흐르면서 핵연료봉으로부터 발생되는 열 에너지를 수용하게 된다.

이때 수로의 모양은 도 4에 도시된 형태와 유사하게 되어 있다.

일반적으로 열에너지는 원자로내 핵연료집합체(101) 각각에서 비균일하게 발생한다. 사각단면을 갖고있는 핵연료집합체(101)에 원형인 핵연료봉(125)들이 정사각형 형태로 배열되기 때문에 각 핵연료봉들의 반경방향 간격은 일정할 수가 없게 되고 따라서 핵연료봉(125) 주위를 흐르는 냉각재도 흐르는 위치에 따라서 그 온도가 다르게 된다.

이때 핵연료봉(125)에서 먼 지점, 즉 지지격자체(110)의 격자판들이 종 또는 횡 방향으로 만나는 교차점 부근(123)을 흐르는 냉각재의 열 수용량은 그 외 지역을 흐르는 냉각재보다 낮게 되어 이 구역의 냉각재는 이른바 낮은 온도 구역을 형성하게 된다.

따라서 이런 낮은 온도 구역의 존재는 전체적인 원자로 열효율을 저하시키게 되고, 반대로 핵연료봉(125)과 가까운 높은 온도 구역에서는 핵연료봉(125) 주위에 국부적인 과열 상태가 초래될 수 있어서 전반적인 핵연료집합체(101)의 건전성을 저해할 우려가 있다.

따라서 냉각재의 균일한 온도 분포를 달성하여 국부적인 과열상태를 피하고, 원자로심 출력이 최대가 되도록 엔탈피 상승을 균일화하기 위하여 핵연료집합체내의 냉각재 흐름을 혼합하는 설계개념이 태동하게 되었다.

이러한 개념의 지지격자체는 대한민국 특허 공고번호 제 91-1978호 및 제 91-7921호 등에 서술되어 있다.

이 공보에 개시된 발명은 지지격자체의 상부에 "혼합날개" 또는 "베인"이라 부르는 냉각재 혼합용 날개를 부착하여 도 3에 도시된 것과 유사한 형태로 종방향으로 흐르는 냉각재에 횡방향 흐름을 부가적으로 갖게 함으로써 냉각재 수로간 또는 낮은 온도구역과 높은 온도구역의 냉각재가 섞이게 하는 방법을 이용한다.

이렇게 혼합날개를 만들어 냉각재를 섞는 방법은 크게 2가지로 나눌 수 있는데, 상대적으로 큰 날개를 만들어 핵연료봉의 길이 방향을 따라 움직이는 "축류"의 일부가 날개에 부딪친 후 횡방향으로 유동을 유도하는 방법과 앞서 언급한 교차점 부근에 바람개비 모양의 날개를 달아서 회전유동을 유도하는 방법이 그것이다.

이러한 방법들은 원하는 효과를 크게 하면 할 수록 냉각재 압력을 강하시키는 문제와 방법의 본질적인 문제로 그 효과의 최대화를 제한하는 문제가 있다.

즉 보다 많은 횡류나 회전 유동을 발생시키기 위하여 부착하는 날개의 크기를 크게 할 수록, 혹은 날개의 구부리는 각도를 크게 하면 할 수록 냉각재의 주 흐름을 방해하는 후류나, 날개의 꺽이는 부분에 발생하는 와류 등의 크기도 커지기 때문에 압력강하가 커지고, 발생시키고자 하는 부가 흐름도 더 이상 커지지 않게 된다. 이런 이유로 열수력적 효율을 높이기 위하여 부착하는 날개의 크기와 꺽는 각도에 제한이 생기게 되는 본질적인 문제가 발생하게 된다.

또한, 지지격자체판을 두겹으로 만들고 판과 판 사이에 공간을 형성시켜서 유로 통로를 만들되 이 통로의 입구와 출구를 길이 방향으로 기울여서 통로를 통과한 냉각재가 기울어진 각도 만큼 회전하는 회전 유동을 만들어 열전달을 향상시키는 방법이 있다.

이러한 후자의 방법은 미국특허 제 4,726,926호, 최근의 대한민국 특허 제 0265027 및 미국특허 제 6,130,927의 발명으로 기술되어 있다.

이러한 혼합날개 및 유로 통로형 혼합 지지격자체는 온도가 서로 다른 냉각재를 혼합시켜서 원자로의 열효율을 높이는 잇점이 있지만 냉각재를 섞기 위해 발생시킨 횡방향 유동에 의하여 핵연료봉이 지지격자체내에서 흔들리는 이른바 진동현상을 유발하게 된다.

상기한 바와 같이 핵연료봉(125)은 지지격자체(110) 내에서 스프링(119)과 돌출부(120)라는 지지기구에 의하여 자신의 정위치에 고정되는데 냉각재의 횡방향 유동으로 야기된 진동은 핵연료봉(125)과 지지격자체 사이에 빠르고 주기적인 간섭을 발생시키게 되고 이런 장시간의 간섭에 의해 핵연료봉(125) 피복관의 모재가 이탈되어 피복관 두께가 감소되다가 결국은 지지격자체(110)와의 접촉부위(스프링 또는 돌출부)에서 피복관이 관통되는 이른바 유체유발 진동에 의한 핵연료봉 프레팅 마모 손상을 초래할 수도 있다.

이러한 현상에 대한 상세한 설명은 대한민국 특허 공고번호 제 94-3799호에 상세히 기술되어 있다.

결국 혼합날개의 작용이 강력할 수록 냉각재의 혼합력이 강력하여져서 원자로의 열효율을 높이는 장점이 있는 반면에 이에 비례하여 핵연료봉의 진동 진폭도 커지고 이에 따라 핵연료봉의 손상 발생 가능성도 증가한다.

따라서 혼합날개를 부착하는 지지격자체의 설계에 있어서 스프링 및 딤플 등과 같이 핵연료봉을 지지하는 부분에 적용할 설계의 중요성이 최근에 와서 더욱 더 커지고 있다.

또한, 지지격자체의 기능 설계에 있어서 중요한 것은 핵연료봉을 지지하는 성능향상 방안과 지지격자체 자체의 횡방향 좌굴강도 증가 방안이다.

지진하중은 원자로 내에서 핵연료집합체를 횡방향으로 흔들어 인접 연료 간의 간섭을 발생시키고, 따라서 지지격자체 상호간의 충격을 발생시키게 된다. 이에 대한 설명은 미합중국 특허 제 4,058,436호에 서술된 바와 같다.

지지격자체 횡방향 좌굴강도의 약화는 지지격자체 내 스프링과 돌출부를 형성시키기 위하여 판금 등으로 잘려 나가는 부분이 커짐에 따라 충격에 저항하는 유효 단면적이 감소와 종,횡으로 교차하는 각판들의 교차점의 용접부위의 용접품질에 기인한다.

미합중국 특허 제 5,243,634호의 지지격자체와 같이 고정점이 하나인 스프링(외팔보 형태)은 고정점이 양쪽 끝단 두 곳에 있는 스프링(양단 지지보 형태)에 비하여 그 강성도가 유연하다.

상기 언급한 미합중국 특허 제 4,726,926호 발명의 이중격자판 구조 형태의 지지격자체의 경우는 냉각재 통로를 형성하기 위하여 핵연료봉 쪽으로 돌출한 부분이 스프링(또는 돌출부)의 역할을 담당하게 된다.

상기 경우의 스프링(또는 돌출부)은 양쪽 끝단이 고정된 형태로 외팔보 형태의 스프링보다 강성도가 상당히 커서 이용 가능한 스프링 탄성 변위 영역이 거의 없게 되어 실제로 스프링과 대항 개념인 돌출부로 불리게 된다.

이런 냉각재 통로형 지지격자체는 스프링이 없이 돌출부 만으로 핵연료봉을 지지하는 방법이 됨으로써 앞서 설명한 핵연료봉에 휨이 발생할 가능성이 커지거나 핵연료봉을 탄성적으로 지지하는 탄성범위가 작아서 지지격자체 제작중, 핵연료봉 장전중 및 연소중 조사영향으로 스프링의 특성을 잃어버릴 가능성이 상당히 크고, 따라서 핵연료봉의 진동을 억제할 능력을 상실하게 되는 심각한 문제를 발생할 가능성을 예상할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 핵연료집합체 지지격자체가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본 발명의 목적은 기 안출된 대한민국 특허 제 0265027에서 언급한 바와 같은 낮은 온도 구역과 높은 온도 구역에 있는 냉각재를 섞는 노즐의 기능에 기존 단일판 지지격자체에서 혼합날개로 추구하는 기능을 추가함으로서 양자의 장점을 극대화하여 핵연료집합체의 전체적인 열효율을 대폭 증가시킴과 동시에 핵연료봉을 지지하는 스프링의 기능을 보강함으로서 원자로내에서 유체유발 진동에 의한 핵연료봉 프레팅 마모 손상의 발생을 저감하도록 하는 혼합날개가 부착된 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적으로 지지격자체는 비록 두께가 약간 감소한다 하더라도 잘려나가는 부분이 없어서 유효 단면적의 감소가 전혀 없기 때문에 지지격자체 자체의 횡방향 좌굴강도를 증가시킴으로서 핵연료집합체의 열유체 및 기계강도 측면에서의 효율성을 향상시키고자 하는 혼합날개가 부착된 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공하는데 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 지지격자체판의 두께가 얇고 지지점 사이가 상당히 큰점과 단점으로 대두되는 스프링의 탄성 영역을 극대화하고 연료봉과 접촉하는 부위의 접촉면과 접촉부의 수를 늘림으로써 한층 유연하게 핵연료봉을 지지할 수 있게 하고, 기존의 지지격자체와 같이 탄성 변위량을 스프링 하나에만 의존하지 않도록 함으로써 탄성 변위량이 단일 스프링을 사용하는 경우보다 증대되어 상대적으로 강성도가 큰 노즐형 스프링(또는 돌출부)의 단점을 극복할 수가 있도록 하는 혼합날개가 부착된 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 가압 경수로용 핵연료집합체의 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 핵연료집합체의 지지격자체를 도시하는 부분 상세 사 시도.

도 3은 도 1에 도시된 지지격자체 하나의 격자 공간내에 있는 핵연료봉을 도 시한 부분 상세 정면도 및 그 평면도.

도 4는 도 1에 도시된 냉각재 통로를 도시하기 위한 4개의 지지격자체공간과 핵연료봉의 부분 상세 평면도.

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 5×5 배열의 지지격자체의 사시도.

도 6은 도 5에 도시된 지지격자체에서 핵연료봉을 제외한 평면도.

도 7는 도 6에서 냉각재를 혼합하는 날개의 기능만을 도시한 평면도.

도 8은 도 7에서 혼합날개의 기능에 의한 냉각재의 유동형태만을 도시한 설명도.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 5×5 배열의 지지격자체의 사시도

도 10은 도 9 에 도시된 지지격자체의 평면도.

도 11는 도 6에서 하나의 교차점만을 상세도시한 평면도

도 12는 도 11의 상세 사시도

도 13은는 도 11을 하부에서 도시한 부분 상세 사시도.

도 14는 단일 통로를 형성하는 겹판중 구멍이 뚫린 단일판의 사시도.

도 15는 단일 통로를 형성하는 겹판중 날개가 달린 단일판의 사시도.

도 16는 단일 통로를 형성한 노즐의 가운데를 절개한 부분 상세 사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110, 310 : 지지격자체 115, 315 : 내부판1

116, 316 : 내부판2 117, 317 : 교차점 용접부

318 : 내부판3319: 내부판4

123 : 상대적으로 차거운 냉각재가 흐르는 영역

125, 325 : 핵연료봉 330 : 회전 유동형 날개

331 : 횡류 발생용 날개340 : 냉각재 회전유동

341 : 냉각재 횡유동350 : 스프링부 슬롯

360 : 냉각재 입구361 : 냉각재 출구

이를 실현하기 위한 본 발명은

핵연료집합체의 핵연료봉(325)을 지지하기 위하여 박판을 맞대어 가로와 세로로 배열되는 내부 격자판을 형성시킴과 동시에 겹쳐진 판 사이의 일정부분에 냉각재 통로를 형성시키는 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체(310 및 410)에 있어서, 냉각재 통로 중 출구가 지지격자체 상부 통로 외벽의 일정 부분을 따내어 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합날개가 부착된 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공하는데 있다.

혼합날개가 부착된 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체는 핵연료집합체의 핵연료봉을 지지하기 위하여 가로와 세로로 배열되는 격자판 각각이 2개의 박판을 겹쳐서 형성하도록 되어 있으며 겹쳐지는 박판에 의해 형성되는 각각의 냉각재 혼합용 통로는 냉각재 상류쪽, 즉 지지격자체 하단부분에서 일정면적을 갖은 후 점차 그 단면적이 증가하여 핵연료봉과 닿는 부분에서 최대 통로면적을 형성한 후 다시 점차 감소하여 하류 끝단, 즉 지지격자체 상단부분에서 통로면적이 영(0)이 되어 2개의 박판이 겹쳐지는 형태가 되는데,

이때 맞닿은 판의 상부쪽으로 일정부분 구멍을 형성시키면 통로 내부를 흐르는 냉각재는 통로외부로 흐르는 냉각재의 유동을 부드럽게 한다.

통상적으로 수로를 따라 흐르는 냉각재는 지지격자체 하류 끝부분에 마련된 혼합날개와 부딪치면서 혼합날개의 목적에 따라 횡류, 혹은 회전유동을 발생시키지만 동시에 불필요한 와류도 발생시키게 되는데,

본 발명은 통로 외부를 흐르는 냉각재가 혼합날개와 부딪히기 전에 통로 내부를 따라 흐르는 냉각재와 섞음으로써 냉각재 흐름을 부드럽게 하여 와류발생을 억제하는 역할을 수행하는 기능을 갖는 지지격자체를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 냉각재를 섞는 노즐의 설계를 변경하여 냉각재를 끌어오는 상류쪽 즉, 지지격자체 하단부분에서부터 점차적으로 유로 단면적이 커져서 핵연료봉이 접촉하는 스프링 부분에 해당되는 부분까지 팽창관의 형태가 되었다가 다시 점차로 단면적이 줄어드는 형태가 되는데 이중으로 겹쳐진 지지격자체의 특성상 핵연료봉을 지지하는 부분의 강성이 지나치게 커지는 것을 방지하기 위하여 봉과 접촉하는 가운데 부분에 핵연료봉의 길이 방향으로 길고, 폭이 좁은 소위 "슬롯"을 형성 시켜서 접촉부의 스프링 특성을 향상시키고, 핵연료봉이 눌려짐에 따라 슬롯을 중심으로 핵연료봉을 감싸듯이 지지하는 형태가 되어 마모저항성이 큰 지지격자체를 제공하고자 하는 것이다.

아울러, 지지격자체판의 유연성을 향상시키도록 지지격자체판의 두께를 0.25에서 0.35㎜로 하고, 스프링의 횡 방향 좌,우 양단 지지점 사이의 거리를 7에서 10㎜로 한 지지격자체를 제공하고자 하는 것이다.

그리고,각 박판으로 가로,세로 판을 형성한 후 이렇게 형성된 내부판을 교차로 조립하여 용접하게 될 때 통상적으로 용접하는 교차점용접 방법 외에 각 맞대어진 판을 연속하여 용접(시임 용접)하는 방법을 채택하여 지지격자체의 충격 및 좌굴 강도 등과 같은 기계적 강도가 향상된 지지격자체를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 5×5 배열의 지지격자체의 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 지지격자체에서 핵연료봉을 제외한 평면도이다.

그리고 도 7는 도 6에서 냉각재를 혼합하는 날개의 기능만을 도시한 평면도이고, 도 8는 도 7에서 혼합날개의 기능에 의한 냉각재의 유동형태만을 도시한 설명도이다.

그리고 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 5×5 배열의 지지격자체의 사시도이고, 도 10은 도 8 에 도시된 지지격자체의 평면도이다.

그리고 도11는 도 6에서 하나의 교차점만을 상세도시한 평면도이고, 도 12는 도 11의 상세 사시도이며, 도 13은 도 11를 하부에서 도시한 부분 상세 사시도이다.

그리고 도 14는 단일 통로를 형성하는 겹판중 구멍이 뚫린 단일판의 사시도이고, 도 15는 단일 통로를 형성하는 겹판중 날개가 달린 단일판의 사시도이며, 도 16은 단일 통로를 형성한 노즐의 가운데를 절개한 부분 상세 사시도이다.

혼합날개가 부착된 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체(310)(410)는 핵연료집합체의 핵연료봉(325)을 지지하기 위하여 박판을 맞대어 가로와 세로로 배열되는 내부 격자판을 형성시킴과 동시에 겹쳐진 판 사이의 일정부분에 냉각재 통로를 형성시키는 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체(310 및 410)에 있어서, 냉각재 통로 중 출구가 지지격자체 상부 통로 외벽의 일정 부분을 따내 형성되어 이루어지고 있다.

도 5에 도시된 본 발명에 따른 지지격자체(310)는 판금(stamping)된 격자판을 사용하고, 그 재료는 주석, 철, 크롬, 니켈의 지르코늄 합금인 지르칼로이(Zircaloy)가 바람직하지만 일반적으로 지지격자체의 재료로 사용하는 인코넬(Inconel)도 사용 가능하다.

또, 도 5에 도시된 지지격자체는 본 발명에 따른 지지격자체 중 회전유동형 혼합날개(330) 및 횡류형 혼합날개(331)가 동시에 장착된 지지격자체를 5×5 배열로 적용한 예로서, 핵연료봉(325)은 도면에 의한 설명을 위해 외부셀을 제외한 9개의 연료셀 내에 위치해 있고, 외부격자판을 생략한 모양으로 도시되어 있다.

이와 같은 실시예는 지지격자체 하류부분의 혼합날개 부근에서 노즐내를 흐르는 냉각재와 그 외곽을 흐르는 냉각재가 합쳐져서, 그 목적에 따라 회전유동형 혼합날개(330) 부근을 흐르는 냉각재는 회전유동을 만들고, 횡류형 혼합날개(331) 부근을 흐르는 냉각재는 횡류를 만들어 냉각재를 섞게 된다.

이때 횡류는 회전유동을 만드는 혼합날개 쪽으로 발생하게 되어 횡류 자체로 냉각재를 섞는 역할 외에 회전유동의 생성에 도움을 주는 역할을 수행하게 된다.

도 5의 실시예와 같은 횡류 및 회전유동형 날개가 혼합된 지지격자체(310)를 상부에서 본 평면도를 도시한 모양이 도 6에 나타나있다.

도 6에서 회전유동형 날개(330) 및 횡류형 날개(331)가 배치된 모양을 보다 자세히 볼 수 있다.

도 6에 도시된 지지격자체는 격자판의 종류에 따라 회전유동형 날개만이 장착된 내부판(315)과 회전유동형과 횡류형이 동시에 있는 내부판(316)으로 구성된다.

외부판을 제외하면 비록 각 내부판이 박판을 맞대어 형성된다 하더라도 각 박판은 앞서 언급한 2 종류만으로 도 5 및 6에 도시된 혼합유동형 지지격자체(310)를 형성할 수 있게 된다.

도 7 및 8은 도 6의 날개형상 및 날개에 의하여 유발되는 유동 형태만을 도시한 것으로서 회전유동과 횡류의 발생 위치를 보다 정확하게 알 수 있도록 도시한 간략도이다.

도 9는 본 발명에 의한 또 다른 실시예로서 회전유동형 혼합날개(330) 만을 장착한 예를 1개의 핵연료봉과 함께 55로 도시한 지지격자체(410)이다.

이러한 또 다른 실시예는 내부판3(318) 및 내부판4(319)으로 구성할 수 있으나, 보다 정확히는 단 1종류의 박판으로 형성 가능한 모양이다.

도 10은 도 9의 실시예의 평면도로서 날개의 모양과 각 판의 모양을 보다 정확하게 도시한 그림이다.

도 11은 도10의 실시예 중 단일 교차점 부근만을 떼어내 도시한 평면도로서 회전유동형 날개(330)의 모양이 잘 나타나 있다.

가로 및 세로로 끼워져 조립된 각 판들은 교차점에서 TIG용접, 전자빔 용접 또는 레이저빔 용접 등과 같은 용접에 의해 용융되어 도 11에 도시된 교차점 용접부(317)를 형성하여 지지격자체 격자 공간을 만들게 된다.

도 12및 13은는 도11은의 정면 및 하부 사시도이다. 냉각재 상류, 즉 지지격자체 하부에서 냉각재 하류, 즉 지지격자체 상부로 흐르는 냉각재는 박판으로 형성된 통로 내, 외를 흐르면서 회전날개가 있는 지지격자체 상부 끝부분에서 합쳐져서 회전유동(340)을 만들게 된다.

핵연료봉이 닿는 통로 바깥부근의 돌출된 부위, 즉 지지격자체 스프링 부는 지나치게 강성이 커지는 것을 막기 위하여 상,하부로 절개한 이른바 '슬롯'(350)을 형성시킨다. 폭이 0.5 mm(두께가 0.35 mm 판인 경우), 길이 16 mm의 슬롯을 형성시킨 경우, 슬롯이 없는 경우보다 스프링의 강성은 약 1/3, 탄성영역은 약 2배 증가하는 효과가 있음이 확인 되었다.

도 14 및 15는 도 11 ~ 도 13에 도시된 그림의 단일판을 따로 떼내 단일 통로를 형성할 박판을 도시한 그림으로서, 도 14와 15를 맞대면 도 11 ~ 도 13에 도시된 단일 통로가 형성된다.

이러한 각 판은 냉각재 출구(361)가 있는 판과 회전유동형 날개(330)가 있는 판이 반복되는 형상을 갖게 되고, 이러한 각판을 엇갈려 배열하면 도11 ~ 13에 있는 내부판3(318) 및 내부판4(319)가 되고 이러한 판을 가로 세로로 배열하여 교차점을 용접하면 도 8의 지지격자체가 형성된다.

도 16는 도 14 및 15로 맞대어 형성되는 단일 통로를 세로방향으로 반을 절개하여 도시한 상세 사시도이다. 도시된 바와 같이 냉각재는 통로의 입구(360)쪽으로 일부 들어와 통로의 출구(361)로 빠져나가면서 통로외곽을 흐르는 냉각재가 혼합날개와 부딪히면서 발생하는 와류의 생성을 억제하면서 혼합날개에서 생성되는 흐름을 유연하게 한다.

본 발명은 이중판으로 겹쳐져서 통로를 형성하는 지지격자체중 지지격자체 상부에 혼합날개를 부착하는 형식을 취하기 때문에 앞서 언급한 두가지 실시예, 즉, 회전유동형 만으로 구성되는 지지격자체(410) 및 횡류형과 회전유동형이 혼합된 형태로 구성되는 지지격자체(310)외에 횡류형 만으로 구성되든지 혹은 지지격자체도 본 발명의 또 다른 실시예가 될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 지지격자체에 의하면, 지지격자체를 구성하는 각 가로 및 세로판들로 박판을 겹쳐서 만든 겹판을 사용하며 겹쳐진 판의 일정부분에 냉각재 통로를 형성시키고 이를 이용하여 낮은 온도의 냉각재와 높은 온도의 냉각재를 섞으므로 열효율을 향상시킬 수 있게 되고 이에 따라 국부적인 냉각재의 과열을 방지하여 핵연료의 건전성을 제고할 수 있게 된다.

뿐만 아니라 이렇게 해서 형성된 통로를 통해 흐르는 냉각재는 그 외부를 따라 흐르는 냉각재가 지지격자체 상부 끝부분에 부착한 혼합날개에 부딪힘으로써 발생하는 역류의 생성을 막는 흐름을 발생시켜서 혼합날개 만이 있는 지지격자체보다 냉각재 혼합 기능을 강화하는 기능을 갖게 되기 때문에 핵연료의 열 효율을 크게 향상시키게 된다

또한, 노즐을 형성시킨 부분의 바깥쪽은 핵연료봉을 지지하는 스프링으로 사용하게 되므로 결국, 하나의 핵연료봉을 4곳에서 스프링으로 지지하게 되므로 한방향에서 볼 때 종래의 스프링-딤플 지지격자체와 같이 핵연료봉의 변위를 스프링 하나에 의존하는 경우보다 2개의 스프링에 의존함으로써 훨씬 안정적으로 핵연료봉을 지지하게 되며, 핵연료봉과 닿는 스프링 부분에 슬롯을 형성시켰기 때문에 스프링의 탄성 영역이 증가할 뿐 아니라, 핵연료봉이 접촉할 때 슬롯을 중심으로 양방향으로 벌어지면서 핵연료봉을 감싸게 되므로 실제로 하나의 스프링에 2개의 접촉면이 생기게 되어 보다 넓은 접촉면적으로 핵연료봉을 지지하게 됨으로써, 결국 핵연료봉 프레팅 손상을 억제하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

그리고,각 박판을 겹쳐서 가로,세로로 배열되는 내부판을 형성한 후 이렇게 형성된 내부판을 교차로 조립하여 용접하게 될 때 통상적으로 용접하는 교차점용접 방법 외에 각 맞대어진 박판들을 연속하여 용접하는 방법을 채택함으로써 지지격자체의 기계적 강도를 향상시키고, 결국 핵연료집합체의 기계적 강도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부의 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 핵연료집합체의 핵연료봉(325)을 지지하기 위하여 박판을 맞대어 가로와 세로로 배열되는 내부 격자판을 형성시킴과 동시에 겹쳐진 판 사이의 일정부분에 냉각재 통로를 형성시키는 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체(310 및 410)에 있어서, 냉각재 통로 중 출구가 지지격자체 상부 통로 외벽의 일정 부분을 따내어 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
2. 제 1 항에 있어서, 지지격자체의 상부에 혼합날개를 부착하여 노즐내부를 통과하는 냉각수가 그 외부를 흐르는 냉각수와 함께 혼합날개의 냉각수 혼합효과를 증대 시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
3. 제 2 항에 있어서, 지지격자셀과 셀사이에 횡유동을 발생시키기 위하여 횡류 발생형 혼합날개를 부착함을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
4. 제 2항에 있어서, 내부지지격자판 교차부위에 회전유동을 발생시키기 위하여 회전유동형 혼합날개를 부착함을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
5. 제 2항에 있어서, 단일 지지격자체에 회전유동과 횡유동을 동시에 발생시키기 위해 횡류 발생형과 회전유동형 혼합날개를 동시에 부착함을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
6. 제 1 항에 있어서, 겹쳐진 박판들의 상,하부 맞닿은 면을 모두 연속 용접하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
7. 제 1 항에 있어서, 노즐의 외부를 스프링으로 사용하는 이중판 지지격자체 중 가운데 부분에 길이 방향으로 절개한 슬롯이 존재하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
8. 제 7 항에 있어서, 냉각수의 흐름에 의한 부가적인 스프링 탄성 지지력을 얻도록 상기 냉각수 혼합용 통로는 입구(360)에서부터 확장관 형태를 유지하거나 핵연료봉(325)을 지지하는 가운데 부분에서 그 단면적이 최대로 되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.
9. 제 1항에 있어서 지지격자체판의 두께가 0.25mm에서 0.40㎜ 사이 이고, 스프링의 횡 방향 좌,우 양단 지지점 사이의 거리가 7mm에서 10㎜ 사이에 형성됨을 특징으로 하는 핵연료집합체의 이중판 냉각재 혼합 지지격자체.