KR20030052064A - 연구용 원자로의 조사공을 이용한 핵연료 조사시험용무계장캡슐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연구용 원자로의 조사공에서 핵연료의 설계자료, 노내성능 및 건전성 입증을 위한 자료를 확보하기 위한 조사시험을 위해 사용되는 무계장캡슐에 관한 것으로; 홀드다운 스프링을 사용하여 조사성장에 대비한 핵연료봉 어셈블리와, 캡슐부품들이 조립되도록 지지하는 중심지지봉, 양단이 개구로 형성된 캡슐외통, 캡슐외통 상/하단에 조립되는 상/하단 엔드플레이트, 상/하단 엔드플레이트를 외부에서 보호하는 상/하단 엔드플레이트 덮개, 하단 엔드플레이트와 결합되는 하부 가이드부, 핵연료봉 어셈블리가 캡슐외통 내부에 고정되도록 삽입되는 상/하부 지지튜브, 핵연료의 선출력을 낮추기 위해 핵연료봉 어셈블리에 필요에 따라 설치되는 중성자 흡수튜브, 상단 엔드플레이트 위에 설치되어 유체유발에 의한 캡슐의 진동을 억제하는 상부 가이드 스프링, 상부 가이드, 그래플 헤드 록, 핵연료봉 어셈블리와 캡슐부품들이 체결되도록 하는 그래플 헤드(grapple head)와 클램핑 너트로 구성되어; 조사공에서 냉각수의 강제대류에 의한 유체유발진동이 조사시험용 핵연료봉 및 캡슐 구조는 물론 조사공 내벽에 미치는 영향을 최소화시키며, 다양한 종류 및 다수의 핵연료 시편을 동시에 조사시험 될 수 있도록 하는 것이다.

Description

연구용 원자로의 조사공을 이용한 핵연료 조사시험용 무계장캡슐{Non-instrumented capsule for nuclear fuel irradiation test in research reactor}

본 발명은 연구용 원자로의 조사공에서 핵연료의 설계자료, 노내성능 및 건전성 입증을 위한 자료를 확보하기 위한 조사시험을 위해 사용되는 무계장캡슐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연구용 원자로 조사공에서 냉각수의 강제대류에 의한 유체유발진동이 조사시험용 핵연료봉 및 캡슐 구조는 물론 조사공 내벽에 미치는 영향을 최소화시키며, 다양한 종류 및 다수의 핵연료 시편을 동시에 안전하게 조사시험될 수 있도록 하는 것이다.

일반적으로 연구로를 이용한 핵연료 및 원자력 재료의 조사시험을 위한 시설로는 무계장캡슐, 계장캡슐(instrumented capsule) 및 루프(loop) 등이 있다. 이중 연구로를 이용한 핵연료의 조사시험을 위한 캡슐은 조사중 핵연료와 조사이력 추적 특성자료를 확보하기 위한 계측장치가 설치되지 않는 무계장캡슐과, 조사중 핵연료의 특성(핵연료 온도, 핵연료봉 내압, 핵연료 변형 등)과 조사이력 자료(냉각수 온도, 유량 및 유속 등)를 확보하기 위해 각종 계측장치가 설치되는 계장캡슐로 분류된다.

근래들어 연구용 원자로를 이용한 원자로 및 핵연료 재료, 기타 원자력 재료들의 조사시험이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 상업용 원자로의 수명 연장과 관련한 압력용기 재료의 노내조사 자료, 새로운 재료개발을 위한 노심 및 중수로용 압력관 재료의 노내조사 자료, 가압경수로용 신형핵연료 및 피복관, 차세대원자로용 핵연료 및 새로운 피복관 재료 개발에 필수적인 노내조사 자료를 확보하기 위해 연구로를 이용한 조사시험 요구가 증대되고 있는 실정이며, 이에 따라 연구용 원자로 노심의 조사공들과 열수력적 및 기계적으로 양립하고, 각 재료의 조사특성에 맞는 조사시설들이 개발되어 활용되고 있다.

핵연료의 설계자료 확보 및 핵연료 개발을 위해서는 핵연료의 조사시험을 통한 핵연료의 노내성능 및 건전성 입증은 물론, 조사후시험을 통하여 핵연료의 설계와 노내성능 및 건전성 입증에 필요한 자료를 확보해야 한다.

이를 위해서 연구용 원자로 조사공에 설치되어 다양한 종류의 핵연료(금속 또는 세라믹 핵연료)를 장기간 조사시험하기 위한 무계장캡슐은 조사공과 열수력적으로 양립해야 하고, 장기간 조사공에 설치되기 때문에 조사공 내벽에 유체유발진동으로 기계적 손상을 주지 말아야 하며, 장기간 조사에 따른 캡슐 자체의 구조적 건전성과 신뢰성이 확보되어야 한다. 또한, 작업자가 직접 시험시료를 취급할 수 없는 방사성의 핵연료를 조사시험 후 특성을 파악하기 위해 필요에 따라서는 핫셀(hot cell) 내에서 원격으로 핵연료봉 어셈블리와 캡슐이 분해/조립이 가능하도록 제작되어야 한다.

종래에 사용되고 있는 연구용 원자로에서의 핵연료 조사시험용 무계장캡슐의 일 예로서, 대한민국 특허등록번호 제296946호의 "핵연료 조사시험용 원격 무계장캡슐"은 약 3-6개월의 단기간동안 핵연료의 조사시험에만 사용이 가능했던 것으로, 조사시편이 저장·설치되는 핵연료봉 어셈블리와; 상기 핵연료봉 어셈블리가 삽입되는 캡슐외통과; 상기 핵연료봉 어셈블리가 캡슐외통의 중간부에 위치하도록 캡슐외통의 상/하단부에 삽입되는 지지용 보조튜브와; 상기 캡슐외통의 양단부에 설치되어 핵연료봉 어셈블리의 구조를 형성·지지하는 상/하단 엔드플레이트와; 상기 상단 엔드플레이트 상부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 진동을 방지하는 상부 가이드와; 상기 하단 엔드플레이트 하부에 위치하도록 설치되어 캡슐의 진동을 방지하는 하부 가이드와; 상기 하단 엔드플레이트와 하부 가이드 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐 하중을 완화시키는 스프링과; 상기 상부 가이드 위에 위치하도록 설치되어 캡슐의 해체를 방지하는 그래플 헤드 록(grapple head lock)과; 상기 그래플 헤드 록의 상부에 위치하도록 설치되고, 캡슐 취급기구에 연결되는 그래플 헤드와; 상기 그래플 헤드, 그래플 헤드 록, 상부 가이드, 상단 엔드플레이트, 캡슐외통 내의 중간부에 설치된 핵연료봉 어셈블리, 하단 엔드플레이트, 스프링, 하부 가이드가 동일중심선상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하여 설치되는 중심지지봉과; 상기 그래플 헤드 내로 관통·설치된 중심지지봉의 일측단에 체결되는 클램핑 너트(clamping nut)와; 상기 하부 가이드를 관통하는 중심지지봉의 일측단에 일측이 용접되고, 타측이 조사공 내부의 캡슐 고정장치에 삽입·설치되는 로드 팁을 포함하여 구성되어 3종류의 소결체를 동시에 조사시험 할 수 있는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐로 제안된 바 있다.

상기한 바와 같은 종래기술의 무계장캡슐은 3개의 조사시험용 핵연료봉을 포함하는 하나의 핵연료봉 어셈블리를 조사시험할 수 있도록 제한되어 있으며,

상기 중심지지봉의 로드팁(rod tip) 상부의 소정위치에 충격완화를 위한 스프링의 유격을 한정하기 위하여 칼라를 결합하게 되는데, 이 칼라는 핀을 사용하여 상기 중심지지봉에 고정하고, 이어 용접되는 구조로 결합되어 있으나, 캡슐 조립시 그래플헤드의 상부에 체결되는 그래플헤드 클램핑너트에 과다한 힘이 가해지면, 칼라의 용접부위가 분리될 수 있는 문제점이 있으며,

또한, 3개로 구성된 상부 가이드 스프링은 캡슐외통과 조립되게 되어 있어 유체유발진동에 의한 캡슐외통으로부터의 이탈 및 상단 엔드플레이트의 마모가 발생할 수 있고, 3개중 하나만 파손되더라도 조사공 내에서 캡슐의 균형유지가 어려운 문제점이 있었으며, 하부 가이드 핀 역시 유체유발진동에 의해 조사공 내벽에 마모에 의한 손상을 주는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 장기간의 중성자 조사에 따른 핵연료 피복관 등 재료의 조사성장을 수용하기 어려움 등의 이유로 장기간(6개월~3년)의 핵연료 조사시험에 사용되는데 구조적 건전성과 조사공 내에서의 안전성 보장 측면에서 한계가 있었으며, 연구용 원자로의 노심 특성에 따라 조사공에서 핵연료의 선출력 조절에 한계가 있었던 실정이다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로,

본 발명의 목적은 조사시험용 핵연료봉 어셈블리와 캡슐 부품의 분해/조립의 용이성을 향상시키고, 장기간 조사에 따른 캡슐 및 핵연료봉 어셈블리 부품의 기계적 건전성 및 안전성을 향상시키며, 중성자 조사로 야기되는 재료의 조사성장에 따른 치수 변화를 수용하고, 일회에 조사시험 가능한 핵연료의 종류와 핵연료봉의 수를 증가시킬 수 있는 무계장캡슐을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무계장캡슐이 설치되는 연구용 원자로의 노심을 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 조사시험용 무계장캡슐의 전체구성도.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 조사시험용 무계장캡슐의 도면으로서,

도 3a는 전체를 도시한 종단면도.

도 3b는 도3a의 A-A선 단면도.

도 3c는 도3a의 B-B선 단면도.

도 3d는 도3a의 C-C선 단면도.

도 3e는 도3a의 D-D선 단면도.

도 3f는 도3a의 E-E선 단면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 조사시험용 무계장 캡슐의 다른 일예를 도시한 종단면도.

도 5는 도 3의 무계장캡슐을 확대 도시한 도면으로서,

도 5a는 캡슐상부 발췌 단면도,

도 5b는 캡슐하부 발췌 단면도.

도 6는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료봉 어셈블리를 도시한 사시도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료봉 어셈블리를 도시한 도면으로서,

도 7a는 도 6의 종단면도.

도 7b는 중성자 흡수튜브를 구비한 핵연료봉 어셈블리를 도시한 단면도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하부 가이드부를 도시한 도면으로,

도 8a는 평면도,

도 8b는 도 8a의 A-A선 단면도,

도 8c는 도 8b의 B-B선 확대 단면도.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 중심지지봉을 도시한 종단면도.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 칼라(collar)및 부싱(bushing)을 도시한 도면으로서,

도 10a는 칼라의 평면도 및 종단면도.

도 10b는 부싱의 평면도 및 종단면도.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 상부 가이드 스프링을 도시한 평면도 및 단면도.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 상단 엔드플레이트를 도시한 평면도 및 종단면도.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 상단 엔드플레이트 덮개를 도시한 평면도 및 종단면도.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 하단 엔드플레이트를 도시한 평면도 및 종단면도.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 하단 엔드플레이트 덮개를 도시한 평면도 및 종 단면도.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 지지튜브를 도시한 도면으로서,

도 16a는 하부 지지튜브의 평면도, 종단면도 및 저면도.

도 16b는 상부 지지튜브의 종단면도 및 저면도.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 홀드다운 스프링을 나타낸 단면도.

도 18은 원자로 조사공의 고정장치(receptacle)를 도시한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 무계장캡슐(non-instrumented capsule)3: 캡슐외통

5: 조사시험용 핵연료봉 10: 핵연료봉 어셈블리

11: 상부 지지튜브 12: 하부 지지튜브

13: 상단 엔드플레이트 14: 상단 엔드플레이트 덮개

15: 하단 엔드플레이트 16: 하단 엔드플레이트 덮개

18,71,91: 냉각수 유동공 20: 하부 가이드부

25: 상부 가이드 스프링 어셈블리 31: 상부 가이드

50: 중심 지지봉 61: 하부 하우징

65: 냉각 블록 67: 상부 하우징

70: 홀드다운 스프링(hold down spring) 73, 93: 중심지지봉 관통 구멍

80: 중성자 흡수튜브 97,99: 하부가이드 핀(pin)고정홈

105: 중간 지지튜브 114: 핵연료봉 피복관

115: 핵연료봉 하부 봉단마개 116: 핵연료봉 상부 봉단마개

117: 핵연료봉 플레넘(plenum) 스프링 118: 핵연료 소결체

119: 알루미나 스페이서(alumina spacer) 150: 조사공

155: 고정장치 157: 삽입구멍

이를 실현하기 위한 본 발명은,

연구용 원자로 내에서 재료의 조사시험을 위한 캡슐에 관한 것으로서,

양단이 개구 형성된 캡슐외통과;

조사시편이 내장되는 조사시험용 핵연료봉을 포함하여 구성되어 상기 캡슐외통 내부에 고정되는 하나 이상의 핵연료봉 어셈블리와;

상기 핵연료봉 어셈블리의 캡슐외통 내에서의 위치가 고정되도록 캡슐외통의상/하부에 삽입되는 상/하부 지지튜브와;

상기 캡슐외통 상/하단에 각각 결합되는 상/하단 엔드플레이트 및 상/하단 엔드플레이트 덮개와;

복수개의 냉각수 유동공이 관통 형성된 하부 가이드와, 이 하부 가이드에 각각의 일단부가 결합되어 방사상으로 돌출 형성되는 3개의 하부 가이드 핀(guide pin)으로 구성되어, 상기 하단 엔드플레이트 하부에 설치되어 캡슐의 진동을 방지하는 하부 가이드부와;

상기 하단 엔드플레이트와 상기 하부 가이드부의 하부 가이드 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐하중을 완화시키는 하부 가이드 스프링과;

상/하부 결합링과, 등간격으로 상기 상/하부 결합링에 양단이 각각 결합되는 6개의 상부 가이드 스프링으로 구성되어 상단 엔드플레이트 위에 설치되는 상부 가이드 스프링과;

상기 상단 엔드플레이드 위의 중심부에 설치되는 상부 가이드와;

상기 상부 가이드 상부에 설치되어, 캡슐의 해체를 방지하고 상부 가이드 스프링을 구속하는 그래플 헤드 록;

상기 그래플 헤드 록의 상부에 설치되고, 캡슐 취급기구에 연결하여 캡슐을 연구용 원자로 조사공에 장착 및 탈착할 수 있도록 하는 그래플 헤드와;

일단에 원자로 조사공의 고정장치에 결합되는 로드팁을 구비하며, 상기 하부가이드부, 하부 가이드 스프링, 하단 엔드플레이트, 핵연료봉 어셈블리, 상단 엔드플레이트, 상부 가이드, 그래플 헤드 록 및 그래플 헤드가 동일축상에 위치하도록각각의 중심부를 순차적으로 관통하도록 설치되는 중심지지봉과;

상기 하부 가이드 스프링의 유격을 한정하기 위해 중심지지봉의 로드팁 상부 소정위치에 결합되는 칼라 및 이 칼라의 상부에 결합되는 부싱과;

상기 그래플 헤드 내부로 돌출하는 상기 중심지지봉의 일단에 체결되는 클램핑 너트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐을 제공한다.

또한, 상기 핵연료봉 어셈블리는 하부하우징과, 상기 하부 하우징에 하단이 결합되는 3개의 하우징 지지봉과, 3개의 결합구멍과 3개의 설치구멍이 축방향으로 관통형성되며 결합구멍을 통해 상기 하우징 지지봉에 결합되는 냉각블록과, 상기 냉각블록에 형성된 설치구멍을 통해 하부하우징에 하단이 각각 결합되며 조사시편이 내장되는 3개의 조사시험용 핵연료봉과, 상기 각 조사시험용 핵연료봉의 상단이 삽입·설치되고, 상기 하우징 지지봉의 상단부가 관통하도록 결합되는 상부 하우징과, 상기 상부하우징 상부로 돌출하는 상기 하우징 지지봉의 상단에 체결되어 조사시험용 핵연료봉을 고정하는 하우징 너트, 및 상기 각 조사시험용 핵연료봉의 상부에 설치되어 상부하우징과의 사이에서 조사성장에 의한 치수변화를 수용하는 홀드다운 스프링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 핵연료봉 어셈블리는 상/하부 하우징과 동일한 외경을 구비하며, 상/하부 하우징 사이에 설치되어, 연구용 원자로의 노심특성에 따라 조사공에서 핵연료의 선출력을 조절할 수 있는 여유도를 제공하는 중성자 흡수 튜브를 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 조사시험용 무계장캡슐의 전체구성도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 조사시험용 무계장캡슐의 도면으로서, 도 3a는 한개의 핵연료봉 어셈블리가 장착된 무계장캡슐을 도시한 종단면도이며, 도 3b는 도3a의 A-A선 단면도, 도 3c는 도3a의 B-B선 단면도, 도 3d는 도3a의 C-C선 단면도, 도 3e는 도3a의 D-D선 단면도, 도 3f는 도3a의 E-E선 단면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 조사시험용 무계장캡슐을 도시한 것으로서 두개의 핵연료봉 어셈블리가 장착된 경우를 도시한 종단면도이다.

본 발명에 따른 무계장캡슐(1)은, 도 2 및 도3에 도시한 바와 같이, 양단이 개방된 원통형의 캡슐외통(3)과, 조사시편이 내장되는 조사시험용 핵연료봉(5)을 포함하여 구성되어 상기 캡슐외통(3) 내부에 삽입되는 핵연료봉 어셈블리(10)와, 상기 핵연료봉 어셈블리(10)의 캡슐외통(3) 내에서의 위치가 고정되도록 캡슐외통의 상/하부에 삽입되는 상/하부 지지튜브(11)(12)와, 상기 캡슐외통(3) 상/하단에 각각 결합되는 스테인레스(stainless) 강 재질의 상/하단 엔드플레이트(end plate)(13)(15) 및 이 상/하단 엔드플레이드(13)(15)를 각각 고정하고 보호하는 알루미늄(aluminum) 재질의 상/하단 엔드플레이트 덮개(14)(16)와, 상기 하단 엔드플레이트(15) 하부에 위치하여 캡슐의 진동을 방지하는 하부 가이드부(20)와, 상기 하단 엔드플레이트(15)와 하부 가이드부(20) 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐하중을 완화시키는 하부 가이드 스프링(22)과, 상단 엔드플레이트(13) 위의 가장자리 부분에 위치하도록 설치되는 상부 가이드 스프링 어셈블리(25)와, 상기 상단 엔드플레이드(13) 위에 설치되는 상부 가이드(31)와, 상기 상부 가이드(31) 상부에 설치되어 캡슐의 해체를 방지하고 상부 가이드 스프링 어셈블리(25)를 구속하는 그래플 헤드 록(33)과, 상기 그래플 헤드 록(33)의 상부에 설치되어 캡슐 취급기구(도시안됨)에 연결함으로써 캡슐(1)을 조사공에 장착 및 탈착할 수 있도록 하는 그래플 헤드(35)와, 일단에 원자로 조사공의 고정장치에 결합되는 로드팁(rod tip)(45)을 구비하며 상기 모든 부품들을 동일축상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하도록 설치되는 중심지지봉(50)과, 상기 하부 가이드 스프링(22)의 유격을 한정하기 위해 중심지지봉(50)의 로드팁(45) 상부 소정 위치에 결합되는 칼라(53) 및 부싱(55)과, 상기 그래플 헤드(35) 내부로 돌출하는 상기 중심지지봉(50)의 일단에 체결되는 그래플 헤드 클램핑 너트(37)를 포함하여 구성되어 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료봉 어셈블리를 도시한 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료봉 어셈블리를 도시한 단면도이다.

상기 핵연료봉 어셈블리(10)는, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 하우징(61)과, 이 하부 하우징(61)에 하단이 결합되는 3개의 하우징 지지봉(63)과, 3개의 결합구멍과 3개의 설치구멍이 축방향으로 관통형성되며 결합구멍을 통해 상기 하우징 지지봉(63)에 결합되는 냉각블록(65)과, 상기 냉각블록(65)에 형성된 설치구멍을 통해 하부 하우징(61)에 하단이 각각 결합되며 조사시편이 내장되는 3개의 조사시험용 핵연료봉(5)과, 상기 각 조사시험용 핵연료봉(5)의 상단이 삽입·설치되고, 상기 하우징 지지봉(63)의 상단부가 관통하도록 결합되는 상부 하우징(67)과, 상기 상부 하우징(67) 상부로 돌출하는 상기 하우징 지지봉(63)의 상단에 체결되어 조사시험용 핵연료봉(5)을 고정하는 하우징 너트(69), 및 상기 각 조사시험용 핵연료봉(5)의 상부에 설치되어 상부하우징(67)과의 사이에서 조사성장에 의한 치수변화를 수용하는 홀드다운 스프링(70)(도 17 참조)을 포함하여 구성된다.

상기 상/하부 하우징(61)(67)의 재질을 SUS 304로, 하우징지지봉(63)의 재질을 SUS 316으로 제작함으로써, 장기간 조사에 따른 기계적 강도가 유지되도록 하였다.

또한, 상기 핵연료봉 어셈블리(10)는, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상/하부 하우징(61)(67)과 동일한 외경을 구비하며, 상/하부 하우징 사이에 설치되어, 연구용 원자로의 노심특성에 따라 조사공에서 핵연료의 선출력 조절에 대한 여유도를 제공하는 원통형의 중성자 흡수 튜브(80)를 더 구비할 수 있다. 중성자 흡수 튜브(80)의 재질은 중성자 흡수단면적이 큰 하프늄(Hf)이나 보랄(B-Al 합금)으로 형성하며, 조사시험을 실시하는 원자로의 선출력에 따라 두께를 조절하여 사용하는 것이다.

상기 하부 가이드부(20)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 복수개의 냉각수 유동공(18)이 관통 형성된 하부 가이드(17)와, 이 하부 가이드(17)에 각각의 일단부가 결합되어 방사상으로 돌출 형성되는 3개의 하부 가이드핀(19)으로 구성되어, 상기 하단 엔드플레이트(15) 하부에 설치되어 캡슐(1)의 진동을 방지하게 된다. 상기 하부 가이드(17)의 저면은 조사공 내부의 고정장치와 접촉하게 되는 부분으로서, 마찰로 인한 손상을 최소화하기 위하여 알루미늄 재질의 하부 가이드 안착링(seating ring)(21)이 부착되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 하부 가이드(17)와 하단 엔드플레이트(15) 사이에 충격을 완화를 위해 하부 가이드 스프링(22)이 위치하게 되며, 이 하부 가이드 스프링(22)은 중심지지봉(50)에 기계적 및 용접으로 결합되는 상기 칼라(53) 및 부싱(55)에 의해 유격이 한정된다.

상기 중심지지봉(50)은, 도9 및 10에 도시한 바와 같이, 하단에 위치하는 로드팁(45)으로 부터 소정의 위치에 상기 칼라(53)를 결합하기 위한 테이퍼(taper)가공부(47)가 형성되며, 상기 칼라(53)는 테이퍼가공부(47)에 칼라(53)를 위치시키고, 압착과 같은 기계적방법으로 결합한 다음, 용접으로 최종 결합한다.

상기 칼라(53)는 내경이 중심지지봉(50)의 외경과 동일한 원통형으로 형성되며, 그 하단면에서부터 소정의 높이(테이퍼가공부의 길이와 동일)까지 절개된 다수개의 슬릿(slit)(54)이 등간격으로 형성되어 있다. 따라서, 상기 중앙지지봉(50)의 테이퍼가공부(47)에 상기 칼라(53)의 슬릿(54)이 위치하도록 한 상태에서, 압착을 통해 칼라(53)의 하부를 테이퍼가공부(47)에 밀착시키게 되며, 이 상태에서 용접으로 견고하게 결합되는 것이다.

상기한 바와 같은 중앙지지봉(50)과 칼라(53)의 고정구조는, 종래 기술에서 칼라와 중심지지봉에 각각 지름방향으로 관통하는 구멍을 형성하고 핀을 삽입하여 고정하고, 이 상태에서 용접하여 결합함으로써, 캡슐조립시 그래플헤드 상부에 체결되는 클램핑 너트에서 조금만 과다한 힘(torque)이 가해져도 핀이 파손되거나 칼라와 중심지지봉의 용접부위가 분리될 위험성이 있었던 것을 칼라의 개선으로 결합성을 향상시켜 방지한 것이다.

상기 상부 가이드 스프링 어셈블리(25)는, 도 11에 도시한 바와 같이, 대직경의 하부 결합링(27)과 소직경의 상부 결합링(29) 및 상기 상/하부 결합링(29)(27)에 등간격으로 양단이 각각 결합되는 6개의 상부 가이드 스프링(23)으로 구성되어 상단 엔드플레이트(13) 위의 가장자리 부분에 상기 하부 결합링(27)의 하단면이 접촉하도록 설치된다. 상기 상부 가이드 스프링(23)은 장기간의 조사시험시 스프링력의 감소가 발생하게 되는 것으로, 이를 최소화하여 장기간의 조사시험에도 지지건전성을 확보하기 위하여 재질을 Inconel X-750으로 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 총 6개의 상부 가이드 스프링(23)으로 구성됨에 따라, 장기간 조사중 1개의 상부 가이드 스프링(23)이 파손되더라도 연구용 원자로 조사공에서 캡슐의 균형을 유지하는 것이 가능하게 된다.

상기 상단 엔드플레이트(13)는, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 다수의 냉각수 유동공(71)이 형성되어 있으며, 중심에 상기 중심지지봉이 관통하는 중심지지봉 관통구멍(73)을 구비하고 있으며, 상부에 위치하게 되는 상기 상부 가이드(31)의 하단부 외경과 일치하는 상부 가이드 고정홈(75)이 상기 중심지지봉 관통구멍(73)과 동축상에 형성되어 있다. 또한, 장기간의 조사시험할 경우 냉각수에 의한 유체유발진동에 따른 마모를 최소화하기 위하여 재질을 SUS로 제작하는 것이 바람직하다. 상기 상단 엔드플레이트 덮개(14)는 알루미늄 재질로 제작되는 것으로, 상기 상단 엔드플레이트(13)의 외주면을 보호하여 조사공의 내벽에 마모에 의한 손상을 주지 않도록 설치된다.

상기 하단 엔드플레이트(15)는, 도 14 및 도 15에 도시한 바와 같이, 상기 상단 엔드플레이트(13)와 마찬가지로, 다수의 냉각수 유동공(91)과 중심구멍(93)이 형성되어 있으며, 하부에 위치하게 되는 부싱(bushing)(55)의 상부 외경과 동일한 부싱 고정홈(95)이 중심구멍과 동축상에 형성되어 있으며, 외주면에 120°간격으로 3개의 제1하부 가이드 핀(97)이 형성되어 있다. 또한, 장기간의 조사시험에 대비하여 상단 엔드플레이트(13)와 마찬가지로 재질을 SUS로 제작하는 것이 바람직하다. 상기 하단 엔드플레이트 덮개(16)는 알루미늄 재질로 제작되어 상기 하단 엔드플레이트(15)의 외주면을 보호하여 조사공의 내벽에 마모에 의한 손상을 주지 않도록 않도록 설치되며, 외주면에 120°간격으로 3개의 제2하부 가이드 핀 고정홈(99)이 형성되어 있다.

상기 하단 엔드플레이트(15)와 하단 엔드플레이트 덮개(16)에 형성된 제1 및 제2하부 가이드 핀 고정홈(97)(99)은 조립시 위치가 일치되는 것으로, 상기 하부 가이드부(20)를 구성하는 각 하부 가이드핀(19)의 일단부가 일치된 상기 고정홈 내부에 안착되며, 또한 소정의 범위 내에서 상하로 왕복이 가능하도록 안내한다.

본 발명의 실시예에 따른 다른 일 예로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 두 개의 핵연료봉 어셈블리(10)를 장착하는 것도 가능하다. 이 경우, 각 핵연료봉 어셈블리 간에는 중간 지지튜브(105)가 삽입되어 핵연료봉 어셈블리간의 거리를 유지하도록 하며, 한 개의 핵연료봉 어셈블리가 장착되는 경우와는 달리, 길이가 조절된 상/하부 지지튜브(11)(12)를 장착하게 된다. 또한, 도시하지 않았지만,캡슐외통(3)의 길이변화가 없이 3개의 핵연료봉 어셈블리(10)를 장착한 무계장캡슐을 구성하는 것이 가능하며, 이 경우 최대 9종류의 핵연료를 동시에 조사시험 할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 핵연료 조사시험용 무계장캡슐의 제작/조립 과정 및 조사시험과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 6 및 도 7에 도시된 도면을 참고하여, 핵연료봉 어셈블리의 조립을 설명하면, 핵연료봉 피복관(114)에 하부 봉단마개(bottom end cap)(115)를 끼워 용접하고, 고순도 알루미나(Al₂O₃) 스페이서(119), 조사시험에 필요한 개수만큼 핵연료 소결체(118), 고순도 알루미나 스페이서(119)를 차례로 핵연료봉 피복관(114)에 넣는다. 그리고, 핵연료봉 플레넘 스프링(117)을 넣고, 핵연료봉 피복관 내부의 분위기를 He과 같은 불활성기체를 요구하는 압력만큼 채운 후 상부 봉단마개(116)를 용접하여 조사시험용 핵연료봉(5)을 조립한다. 그리고, 암나사가 가공된 결합구멍을 구비하는 하부 하우징(61)에 수나사가 가공된 하우징 지지봉(63)의 하단을 결합한다. 다음에 냉각블록(65)을 하우징지지봉(63)과 결합하고, 상하위치를 확인한 조사시험용 핵연료봉(5)을 상기 냉각 블록(65)의 설치구멍을 통하여 하부 하우징(61)과 결합하고, 각 핵연료봉 상부에 홀드다운 스프링(70)을 끼운 후 상부 하우징(67)을 조립한다. 이 상태에서 상기 상부 하우징(67) 상부로 돌출하는 하우징 지지봉(63) 상부에 하우징 와셔(68)와 하우징 너트(69)를 끼운 후 정해진 조립용기구(도시안됨)를 이용하여 정해진 힘(torque)로 조이면 핵연료봉 어셈블리(10) 조립이 완료된다.

상기한 바와 같이 조립된 핵연료봉 어셈블리(10)를 포함하는 무계장캡슐(1)의 조립은, 3개의 하부 가이드 핀(19) 각각의 하측 일단부를 전자빔용접(electron beam welding) 방법으로 하부 가이드(17)에 용접하여 되고, 알루미늄 재질의 하부 가이드 안착링(21)을 상기 하부 가이드(17)의 하부에 기계적으로 결합하여 하부 가이드부(20)를 구성하고, 이 하부 가이드부(20)와 하부 가이드 스프링(22)을 중심지지봉(50) 상부로부터 차례로 끼우고, 칼라(53)를 상기 중심지지봉(50)에 형성된 테이퍼가공부(47)에 위치하도록 하여 슬릿(54)이 형성된 부분의 외주면을 압착하여 중심지지봉(50)에 고정하고 용접으로 결합시키고, 이어서 부싱(55), 하단 엔드플레이트(15), 하단 엔드플레이트 덮개(16)를 차례로 끼운다.

이어서, 하부 지지튜브(12)(도 16a 참조), 조립된 상기 핵연료봉 어셈블리(10), 상부 지지튜브(11)(도 16b 참조), 캡슐외통(3)을 차례로 끼우고, 상단 엔드플레이트 덮개(14), 상단 엔드플레이트(13), 상부 가이드(31), 그래플 헤드 록(33), 그래플 헤드(35), 그래플 헤드 클램핑 와셔(washer)(36), 그래플 헤드 클램핑 너트(37)를 차례로 끼우고, 정해진 조립용기구(도시안됨)를 이용하여 정해진 힘로 조이면 핵연료 조사시험용 무계장캡슐(1)은 조립 완료된다. 그리고, 최종적으로 캡슐의 조립상태의 확인을 위해서 하부 가이드 스프링(22)의 유격이 허용범위 내에 있는지 확인한다. 또한, 필요한 경우 상기한 역순으로 무계장캡슐을 분해하고 재조립할 수 있다.

이와 같이 조립된 본 발명에 따른 무계장캡슐(1)은 일 사용예로서, 도 1에 도시한 바와 같은, 연구용 원자로인 하나로(HANARO)의 가장자리에 위치하는 OR 조사공에서의 조사시험을 실시하게 되는데, 원자로 수조 밖에 위치한 캡슐취급기구에 의해 원자로 조사공으로 이송되고, 조사공 내부에 장전되어 정해진 조사시험절차서에 따라 조사시험을 수행하게 된다.

무계장캡슐(1)의 장전은 무계장캡슐을, 도 18에 도시한 바와 같은, 조사공(150)의 바닥까지 하강시켜 캡슐 하부의 로드팁(45)을 조사공 바닥에 설치된 고정장치(155)의 삽입구멍(157)에 삽입하고, 하부 가이드부(20)의 하부 가이드(17) 하부는 삽입구멍(157)의 가장자리 부분에 걸쳐지도록 한다. 이어서 캡슐상부에서 힘을 가하여 하부 가이드 스프링(22)이 수축하도록 하고, 따라서 로드팁(45)이 더 하강하게 한 상태에서 90°회전시켜 조사공의 고정장치(155)에서 상기 삽입구멍(157) 하부에 위치하는 로드팁 고정홈(145)에 로드팁(45)이 위치하도록 하여 고정한다. 이 상태에서 캡슐의 그래플 헤드(35)에 연결되었던 캡슐이송수단이 분리되고, 본 발명에 따른 무계장캡슐(1)은 조사공 하부의 고정장치(155)에 고정되는 로드팁(45)과 캡슐(1)에 장착된 상부 가이드 스프링 어셈블리(25)로 조사공(150) 내부에 고정 및 지지된 상태에서 조사시험하게 되는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 핵연료 조사시험용 무계장캡슐은 보다 안전하게 장기간 조사시험을 수행할 수 있도록 하여 핵연료의 설계자료 확보, 노내성능 및 건전성 입증에 필요한 자료를 확보할 수 있게 된다.

또한, 연구용 원자로 조사공에 설치되어 다양한 핵연료(금속 또는 세라믹 핵연료)와 다량의 핵연료(최대 9개의 시험핵연료봉 수용 가능)를 동시에 조사시험할 수 있으며, 조사성장에 의한 재료의 치수변화를 수용할 수 있으며, 캡슐 자체의 구조적 건전성과 신뢰성을 향상시켜 핵연료를 장기간 조사할 수 있게 되었으며, 장기간 조사공에서 조사가 되더라도 캡슐의 유체유발진동에 의하여 마찰과 같은 기계적 영향이 조사공 내벽에 마모를 발생시키는 등의 영향을 줄임으로써 연구용 원자로의 안전운전에 영향이 없도록 하였다.

또한, 중성자 흡수 튜브를 설치할 수 있게 되어 조사시 핵연료의 선출력을 조절하는데 여유를 가질 수 있도록 할 뿐만 아니라, 연구용 원자로 조사공에서의 핵연료 위치 결정에 여유를 갖도록 하는 것이다.

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

Claims (7)

1. 연구용 원자로 내에서 핵연료 조사시험을 위한 캡슐에 관한 것으로서,

   양단이 개구 형성된 캡슐외통과;

   조사핵연료가 있는 조사시험용 핵연료봉을 포함하여 구성되어 상기 캡슐외통 내부에 삽입되는 하나 이상의 핵연료봉 어셈블리와;

   상기 핵연료봉 어셈블리의 위치가 캡슐외통 내에서 고정되도록 캡슐외통의 상/하부에 삽입되는 상/하부 지지튜브와;

   상기 캡슐외통 상/하단에 각각 결합되는 상/하단 엔드플레이트 및 상/하단 엔드플레이트 덮개와;

   복수개의 냉각수 유동공이 관통 형성된 하부 가이드와, 이 하부 가이드에 각각의 일단부가 결합되어 방사상으로 돌출 형성되는 3개의 하부 가이드 핀으로 구성되어, 상기 하단 엔드플레이트 하부에 설치되어 캡슐의 요동을 방지하는 하부 가이드부와;

   상기 하단 엔드플레이트와 상기 하부 가이드부의 하부 가이드 사이에 위치하도록 설치되어 캡슐하중을 완화시키는 하부 가이드 스프링과;

   상/하 결합링과, 등간격으로 상기 상/하부 결합링에 양단이 각각 결합되는 6개의 상부 가이드 스프링으로 구성되어 상단 엔드플레이트 위에 설치되는 상부 가이드 스프링 어셈블리와;

   상기 상단 엔드플레이드 위의 중심부에 설치되는 상부 가이드와;

   상기 상부 가이드 상부에 설치되어, 캡슐의 해체를 방지하고 상부 가이드 스프링 어셈블리를 구속하며, 상기 상부 가이드 스프링 어셈블리의 유격을 제한하는 그래플 헤드 록;

   상기 그래플 헤드 록의 상부에 설치되고, 원자로 외부의 캡슐 취급기구에 연결하여 캡슐을 조사공에 장착 및 탈착할 수 있도록 하는 그래플 헤드와;

   일단에 원자로 조사공의 고정장치에 결합되는 로드팁을 구비하며, 상기 하부가이드, 하부 가이드 스프링, 하단 엔드플레이트, 핵연료봉 어셈블리, 상단 엔드플레이트, 상부 가이드, 그래플 헤드 록 및 그래플 헤드가 동일 축상에 위치하도록 각각의 중심부를 순차적으로 관통하도록 설치되는 중심지지봉과;

   상기 하부 가이드 스프링의 유격을 한정하기 위해 중심지지봉의 로드팁 상부 소정위치에 결합되는 칼라 및 이 칼라의 상부에 결합되는 부싱과;

   상기 그래플 헤드 내부로 돌출하는 상기 중심지지봉의 일단에 체결되는 그래플 헤드 클램핑 너트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 핵연료봉 어셈블리는 하부 하우징과,

   상기 하부 하우징에 하단이 결합되는 3개의 하우징 지지봉과,

   3개의 결합구멍과 3개의 설치구멍이 축방향으로 관통형성되며 결합구멍을 통해 상기 하우징 지지봉에 결합되는 냉각블록과,

   상기 냉각블록에 형성된 설치구멍을 통해 하부 하우징에 하단이 각각 결합되며 조사시편이 내장되는 3개의 조사시험용 핵연료봉과,

   상기 각 조사시험용 핵연료봉의 상단이 삽입·설치되고, 상기 하우징 지지봉의 상단부가 관통하도록 결합되는 상부 하우징과,

   상기 상부 하우징 위로 돌출하는 상기 하우징 지지봉의 상단에 체결되어 조사시험용 핵연료봉을 고정하는 하우징 너트 및

   상기 각 조사시험용 핵연료봉의 상부에 설치되어 상부 하우징과의 사이에서 조사성장에 의한 치수변화를 수용하는 홀드다운 스프링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 핵연료봉 어셈블리는 상/하부 하우징과 동일한 외경을 구비하며, 상기 상/하부 하우징 사이에 설치되어, 연구용 원자로의 노심특성에 따라 조사공에서 핵연료의 선출력을 조절할 수 있는 여유도를 제공하는 중성자 흡수 튜브를 추가로 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 가이드의 저면에는 조사공 내부의 고정장치와 접촉시 마찰로 인한 고정장치의 손상을 최소화하기 위하여 알루미늄 재질의 하부 가이드 안착링이 부착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 중심지지봉은 로드팁 상부 소정위치에 칼라를 결합하기 위한 테이퍼가공부가 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 칼라는 내경이 중심지지봉의 외경과 동일한 원통형으로 형성되며, 그 하단면에서부터 소정의 높이까지 절개된 다수의 슬릿을 구비하는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 하단 엔드플레이트는 외주면에 120°간격으로 3개의 제1하부 가이드 핀 고정홈이 형성되며, 상기 하단 엔드플레이트 덮개는 외주면에 120°간격으로 3개의 제2하부 가이드 핀 고정홈이 형성되고;

   상기 제1 및 제2하부 가이드 핀 고정홈은 조립시 위치가 일치되며, 일치된 고정홈 각각의 내부에는 상기 하부 가이드부를 구성하는 각 하부 가이드 핀의 상측 일단부가 안착되어 소정의 범위 내에서 상하 및 왕복 이동이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 핵연료 조사시험용 무계장캡슐.