KR20030054721A - 입술형 다목적 핵연료 지지격자체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 내에 장입되는 핵연료봉을 지지하기 위한 지지격자체에 관한 것으로, 그 목적은 종래 기술의 지지격자체(7)와는 달리 연료봉(8)과 지지격자 스프링(16)이나 딤플(15)간의 접촉을 등각의 면접촉이 되도록 하여 접촉력을 분산시키고 이로인해 첨두응력의 크기를 감소하며, 연료봉(8)의 진동현상을 완화함으로써 연료봉의 프레팅 마모 발생 가능성을 감소시키고, 스프링의 탄성거동 허용범위를 넓게 하여 잔류 스프링력이 연료봉을 건전하게 지지하며, 유동혼합날개에 의해 압력손실을 최소화함과 동시에 유동간섭을 최소화하고 이로 인해 냉각성능을 향상시킬 수 있는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체를 제공하는 것이다.

본 발명은 핵연료집합체(1)의 연료봉(8)을 지지하기 위하여 가로와 세로로 배열되고 중앙 개구부에 스프링이 형성되며, 상기 스프링의 상하부에 딤플이 형성된 복수의 지지격자판(12,13)으로 구성된 지지격자체(7) 있어서; 상기 지지격자판의 중앙개구부에 연료봉 방향으로 만곡을 이루고 돌출되고, 상/하부에 타원형상의 아치형 절개부가 형성되며, 격자판과 4점 연결/지지되어 면접촉되는 소금쟁이 스프링을 설치하고; 상기 소금쟁이 스프링 상/하부에 소금쟁이 스프링의 돌출방향과 반대되는 방향으로 돌출되어 만곡을 이루고, 상/하부에 타원형상의 아치형 절개부가 형성되며, 또다른 연료봉에 면접촉되는 장구형상의 딤플이 설치된 입술형 다목적 핵연료 지지격자체를 제공함에 있다.

Description

입술형 다목적 핵연료 지지격자체 {lips-type multi-purposed nuclear fuel assembly spacer grid}

본 발명은 원자로 내에 장입되는 핵연료봉을 지지하기 위한 지지격자체에 관한 것으로, 연료봉(8)과 지지격자 스프링의 접촉면이 등각의 굴곡면으로 기존의 격자체 스프링보다 넓은 면적이 접촉되어 안정된 지지건전성 유지와 구조상 스프링에 받는 부하를 격자면 전체에 받을 수 있도록 되어 있으며, 지지격자체 상부에 냉각수의 유체 접촉면적을 증가시킨 유동혼합날개가 부착되었고, 격자체 구조형상을 이용한 냉각수내의 이물질을 여과할 수 있는 기능을 가진 입술모양의 다목적 지지격자체에 관한 것이다.

도 1에서 일반적인 핵연료집합체를 개략적으로 도시하고 있다.

핵연료집합체 지지격자체의 역할은 각 격자에 있는 연료봉이 등간격으로 정해진 위치를 이탈하지 않도록 스프링 및 딤플이 연료봉(8) 및 안내관(5)을 지지하고 외부충격 등에 의한 변형이 발생하지 않도록 일정한 간격을 유지시켜 냉각수의 유로를 확보함으로서 노심의 냉각기능을 유지하는 기능을 갖고 있으며, 격자체 상단에 유동혼합날개를 부착하여 원자로 내의 냉각수 유체혼합 기능을 추가할 수 있고, 격자체의 구조적인 형상을 이용하여 이물질 여과기능이 가능하도록 그 기능을 부가할 수 있다. 이러한 기능들은 고연소도 및 무결함 핵연료 개발에 이용되고 있다. 고연소도 핵연료를 개발하기 위해서는 핵연료의 열적 성능을 제고하여야 하며, 일차적으로 고려하는 것이 연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 방법이다. 이를 위하여 지지격자체의 형상 변경이 주로 이루어지고 있는데, 예로써 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로 채널의 효율적인 구성 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 열적 성능의 제고를 위한 방법은 연료봉 주변 냉각수의 흐름을 더욱 큰 난류 흐름이 되도록 하는 것을 토대로 하고 있는 것이 대부분이며, 이는 연료봉 주변의 냉각수 흐름의 난류화로 인하여 연료봉이 진동할 수 있는, 즉 연료봉의 유체유발 진동의 원인이 된다. 연료봉의 유체유발 진동은 연료봉이 지지격자 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 서로 상대운동(미끄러짐)을 하게 하는 요인이 되고 이로부터 연료봉의 접촉면에 국부적인 마모가 발생하여 연료봉이 점진적으로 손상되는 "핵연료봉 프레팅 손상"을 일으키게 한다.

지지격자의 스프링은 노심 내에서 장기간의 중성자 조사를 받으면 재료의 성질이 변화되어 스프링의 탄성력이 점진적으로 상실되게 된다. 이러한 결과는 연료봉(8)의 지지력 감소를 가져와 연료봉이 진동하게 되는 원인을 제공하게 된다. 이와 같은 진동은 연료봉(8)과 격자판의 연료봉 지지요소와의 접촉부위에서 연료봉의 프레팅(fretting) 마모손상을 유발하는데, 지금까지 이러한 요인으로 연료봉(8)이 천공되어 방사능 물질이 누출되었다는 사고가 여러 차례 보고된 적이 있었다. 이러한 연료봉의 프레팅 마모손상과 관련해 기하학적 측면에서의 중요한 요인은 접촉물질 상호간의 접촉형상인 것으로 알려지고 있다. 종래의 연료봉(8)과 스프링 또는 연료봉(8)과 딤플은 주로 점접촉 또는 선접촉을 하게 되는 형상을 가지고 있는데 프레팅 마모 관점에서 볼 때 선접촉 형상이 점접촉 형상보다 상대적으로 진동 억제성 및 마모 저항성이 큰 것으로 알려져 있다. 이것은 스프링 탄성력이 일정할 때 접촉면적이 증가하면 접촉압력의 첨두치가 감소하게 되어 연료봉(8)의 프레팅 마모손상을 억제하기 때문이다. 또한 초기의 스프링력을 설정할 때 중성자 조사에 의한 재료 성질변경을 고려하여 스프링 설계에 반영하여야 한다. 스프링력이 너무 작을 경우 연료봉의 지지건전성을 상실할 가능성이 있으며, 너무 클 경우는 연료봉을 지지격자체로 삽입할 때 과도한 마찰저항력으로 인하여 연료봉의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생할 수 있고, 원자로 운전중에 중성자 조사에 의한 연료봉의 길이방향성장을 적절히 수용할 수 없어서 연료봉이 휘게 되는 휨현상을 유발시킬 수 있다. 지지격자체(7)의 스프링과 딤플은 적정한 힘을 유지해야만 연료봉의 지지건전성을 확보할 수 있다.

한편, 노심내에서 연료봉(8)들은 불균일한 출력분포를 갖고 있는데 이로 인해 냉각수의 온도가 고온 연료봉(8) 주변에서는 증가하며 어떤 요인으로 연료봉 표면에서 국부적인 기포발생이 심해져 연료봉 표면을 덮게 되면 열전달 효율이 급격히 저하된다. 이러한 현상이 발생하면 가열면의 온도급등이 야기되어 연료봉(8) 또는 연료봉안의 우라늄 소결체(11)의 온도가 용융점까지도 도달할 수 있게 된다. 따라서, 지지격자체(7)의 또다른 기능으로서 도 3에 도시된 바와 같은 핵연료집합체(1)의 연료봉 주위를 흐르는 냉각수를 강제적으로 혼합시킴으로써 온도를 균일화시키고 연료봉(8) 표면의 열전달 성능을 향상시켜 핵비등이탈 현상을 억제하여 충분한 여유를 갖고 원자로를 안전하게 운전할 수 있도록 해주는 역할도 한다. 이를 위해 지지격자체(7)에 연료봉(8) 지지장치 외에 일반적으로 열전달 성능 향상을 위한 유동혼합장치를 부착하기도 한다. 유동혼합 방식으로 종래의 일반적인 것은 냉각수가 지지격자를 지날 때 강한 와류를 발생시킴으로써 수로간의 유동 혼합을 통한 온도 균일화를 촉진하는 방법이 있으며, 강제 회전유동을 일으켜 유동구조 수로내의 냉각수가 회전되면서 원심력에 의해 밀도가 큰 액체는 연료봉(8) 표면쪽으로 보내지고 밀도가 작은 기포는 유동의 회전 중심쪽으로 모이도록 하여 기포층에 의한 열전달 감소를 막아 연료봉(8)의 냉각성능을 향상시키도록 하는 방법 등이 있다. 이와 같은 회전유동혼합은 지지격자체(7)를 지나면서 와류혼합에 비해 상대적으로 서서히 감쇄되어가는 것으로 알려지고 있으며, 최근의 지지격자들은 이러한 회전유동의 발생에 초점을 두고 개발되고 있다. 과도한 유동혼합장치의 부착으로 인해 압력손실 문제가 대두되는데, 이러한 압력손실 증가는 펌프에 부하를 가중시켜 원자로에서 흐르는 냉각수의 유량을 감소시키는 문제를 발생시킨다. 따라서 유동혼합장치를 부착할 경우는 동일한 투영 면적에서 압력손실을 최소화하는 설계가 반드시 이루어져야 한다.

최근 이물질에 의한 핵연료 손상을 방지하기 위해 이물질 여과 장치를 핵연료집합체에 장착하고 있다. 원자로 노심내에 작은 볼트나 철사 등의 이물질이 빠른 유속의 냉각수와 함께 움직이면서 연료봉을 손상시키게 되는데 이를 방지하기 위해 주로 하단고정체(3)의 유로판에 여과장치를 부착하는 경우와 여과기능이 있는 지지격자체(7)를 별도로 최하단에 설치하는 방법을 사용한다. 지지격자체(7)를 이용한 이물질 여과장치는 스프링력이나 딤플의 기능보다는 유동의 간섭을 최소화하고 이물질이 격자체내에 포획될 수 있도록 설계하고 있다.

고연소도로 인해 핵연료의 사용기간이 연장되면서 지지격자에 대한 중성자 조사량이 증가하게 되는데 이는 재료의 성질변화로 인한 스프링력의 감소 문제가 더욱 중요하게 되므로 프레팅 마모손상 관점에서의 무결함 연료를 위해서는 연료봉 진동억제를 위한 스프링력의 보완 메카니즘이 절실하다. 고연소도의 경우 핵연료 농축도의 증가가 수반될 수 있고, 이는 일부의 연료봉(8)에서 평균 연료봉의 출력보다 출력이 상당히 커지는 출력첨두의 현상을 심화시켜 연료봉 표면에서 심각한 비등발생을 일으키므로 열전달률이 급격히 나빠지는 경우가 발생될 가능성이 높아진다. 따라서 종래의 지지격자보다 냉각성능이 우수한 지지격자의 개발이 요구된다. 또한, 압력손실 등의 기술적 측면과 제조성 측면을 고려한 이물질에 의한 연료봉 손상 방지장치가 필요하다.

상기한 바와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로,

본 발명의 목적은 종래 기술의 지지격자체(7)와는 달리 연료봉(8)과 지지격자 격자스프링(16)이나 딤플(15)간의 접촉을 등각의 면접촉이 되도록 하여 접촉력을 분산시켜 진동에 따른 연료봉의 프레팅 마모 발생 가능성을 감소시키고 스프링의 탄성거동 허용범위를 넓게 하여 잔류 스프링력이 연료봉을 건전하게 지지하도록 하는 지지격자체를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 스프링에 받는 부하를 상하 또는 좌우로만 받던 것을 사방으로 분산되도록 하여 접촉면에서 첨두응력의 크기를 감소시키며, 연료봉(8)에 작용하는 임의의 방향으로부터의 힘 또는 압력장의 변화에도 연료봉을 안정적으로 지지하며, 딤플의 일측 상부에 연장되도록 유동혼합날개를 형성하여 냉각수의 과도한 와류 및 강제 회전유동을 발생시키기 위해 부착되는 유동 혼합날개로 인한 압력 손실을 최소화하고 유동간섭을 최소화하며, 상기 유동혼합날개에 스푼형태의 굴곡을 주고, 기존의 날개보다 2배정도 크기를 이용하여 냉각수가 날개에 부딪치는 접촉면적을 최대화함으로서 유동혼합을 최대화하고 날개의 각도를 조절하고 날개의 수를 기존의 유동혼합날개가 부착된 지지격자체의 절반으로 줄여 압력손실을 최소화함으로서 냉각성능을 증가시키며, 딤플과 스프링이 아치형 절개부를 구비하도록 하여 냉각수의 측면 유로를 확보함으로써 이물질이 딤플과 스프링에 포획이 가능하게 하여 이물질에 의한 핵연료 손상을 최소화하는 지지격자체를 제공하는것이다.

도 1은 일반적인 핵연료집합체의 개략적 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 지지격자체를 도시한 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 지지격자체를 구성하는 가로 격자판과 세로격자판을 도시한 입면도.

도 4는 본 발명에 따른 지지격자체를 도시한 평면도 및 저면도.

도 5는 본 발명에 따른 단위격자판을 도시한 정면도.

도 6은 본 발명에 따른 소금쟁이형 스프링을 도시한 정면도 사시도 및 평단면도.

도 7은 본 발명에 따른 유동혼합날개가 결합된 상부 딤플을 도시한 정면도, 평면도 및 좌/우 측면도.

도 8은 본 발명에 따른 하부 딤플을 도시한 정면도 및 저면도.

도 9는 본 발명에 따른 지지격자체의 단위셀과 교차격자를 도시한 사시도 및 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 핵연료집합체8 : 연료봉(fuel rod)

12,13 : 가로,세로격자판(strap)14 : 유동혼합날개

15 : 상부 딤플16 : 스프링

17 : 하부 딤플18 : 단위셀

20 : 딤플 굴곡부21 : 딤플연장부

23 : 등각굴곡부24 : 스프링 절곡부

25 : 가로지지보28 : 스프링 다리

29 : 창따기부35 : 슬릿

36,37: 좌우연장부40 : 세로지지보

45 : 단위격자판50: 지지격자체

이를 실현하기 위한 본 발명은,

다수의 핵연료봉으로 구성되는 핵연료봉 집합체를 지지하기 위해, 각각 다수의 단위격자판이 병렬로 연결되어 형성되며 각 단위격자판간의 연결부에는 상부 또는 하부로부터 절개된 소정길이의 슬릿이 형성되는 가로 및 세로격자판을 종횡으로 교차하도록 배열하여, 핵연료봉이 각각 하나씩 장입되어 위치하도록 하는 다수의 단위셀을 형성하는 지지격자체에 있어서,

상기 가로 및 세로 격자판을 구성하는 단위격자판은, 축방향으로 소정의 폭을 두고 평행하게 배열되는 두개의 세로지지보와, 상기 세로지지보의 각단에서 동일한 거리의 위치에 수평으로 각각 연장되어 상기 두 세로지지보를 연결하고 중앙에 직사각형으로 개구부를 형성하는 가로지지보를 포함한 구성의 지지부와;

상기 개구부 위치에 결합되는 것으로, 폭방향으로 연료봉의 외주면과 면접촉되도록 하는 곡률로 소정의 폭만큼 만곡되며 축방향으로 길게 형성되는 등각굴곡부와, 상기 등각굴곡부의 양측단을 경계로 각각 반대방향으로 절곡되어 소정의 폭만큼 연장되는 좌/우연장부와, 상기 좌연장부의 좌측단 및 우연장부의 우측단 각각의 상단 및 하단에서 측상방 및 측하방으로 더 연장되는 4개의 스프링 다리를 포함하여 구성되어, 상기 개구부의 양측절개선 각각의 상단부 및 하단부에 상기 스프링 다리가 각각 연결되어 결합되어 일측으로 돌출되는 소금쟁이형 스프링과;

상기 소금쟁이형 스프링 상/하부에 각각 결합되는 것으로, 폭방향으로 중앙에 연료봉의 외주면과 면접촉하도록 하는 곡률로 소정의 폭만큼 만곡 형성되는 딤플굴곡부와, 상기 딤플굴곡부의 양측단을 경계로 각각 반대방향으로 절곡 연장되는 좌/우 딤플연장부를 포함하여 구성되며, 상단 및 하단 절개선이 아치형을 이루도록 구비되어, 상기 소금쟁이형 스프링의 돌출방향과 반대되는 방향으로 돌출되는 상부 및 하부 딤플을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체를 제공한다.

또한, 상기 단위격자판은 최상단에 위치하는 상부 딤플의 일측 딤플연장부 상단에서 상부로 더 연장되는 유동혼합날개를 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 지지격자체를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 지지격자체를 구성하는 가로 격자판과 세로격자판을 도시한 입면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 지지격자체를 도시한 평면도 및 저면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 단위격자판을 도시한 정면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 소금쟁이형 스프링을 도시한 정면도 사시도 및 평단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 유동혼합날개가 결합된 상부 딤플을 도시한 정면도, 평면도 및 좌/우 측면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 하부 딤플을 도시한 정면도 및 저면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 지지격자체의 단위셀과 교차격자를 도시한 사시도 및 평면도이다.

본 발명에 따른 지지격자체(50)는 연료봉(8)이 등간격으로 정해진 위치를 이탈하지 않도록 지지하기 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이 각각 소금쟁이형 스프링(16)과 상부 및 하부 딤플(15)(17)을 구비하는 단위격자판(45)이 다수개 병렬로 연결되어 형성되며, 각 단위격자판(45) 간의 연결부에는 상부 또는 하부로부터 절개된 소정길이의 슬릿(35)이 형성되는 가로 및 세로 격자판(12)(13)을 종횡으로 직교하도록 배열하여, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이 내부에 다수의 정방형 단위셀을 형성하도록 하고, 상기 단위셀 내부에 핵연료봉(8)이 각각 하나씩 장입되어 위치하도록 구성된다.

도 5 내지 도7에 도시한 바와 같이, 상기 가로 및 세로 격자판(12)(13)을 구성하는 본 발명에 따른 단위격자판(45)은 크게 뼈대 역할의 지지부와, 이 지지부의 중앙에 형성된 개구부에 위치하는 소금쟁이형 스프링(16)과, 상기 지지부의 상/하단부 즉 소금쟁이형 스프링(16)의 상하부에 각각 위치하도록 결합되는 상부 및 하부 딤플(15)(17)과, 상기 상부 딤플(15)의 상부절개선 일측에서 상방으로 더 연장되는 유동혼합날개(14)를 포함하여 이루어진다.

참고로, 상기 소금쟁이형 스프링(16)은, 곤충류에 속하며 6개의 다리 중에서 길이가 짧은 앞다리를 제외한 4개의 다리가 몸체를 중심으로 좌우 전후방으로 길게 뻗은 형태적 특징을 가지는 소금쟁이와 형태적 유사성을 가짐에 따라 소금쟁이형 스프링으로 정의하였다.

상기 지지부는 축방향으로 소정의 폭을 두고 평행하게 배열되는 두개의 세로지지보(40)와, 상기 세로지지보(40)의 상하 각단에서 동일한 거리의 위치에서 수평으로 각각 연장되어 상기 두 세로지지보(40)를 연결하고 중앙에 직사각형의 개구부를 형성하는 가로지지보(25)를 포함하여 구성된다. 또한 상기 지지부에 형성되는 개구부의 상하 위치에는 각각 상부/하부로 개방된 상/하 개방부가 형성된다.

상기 소금쟁이형 스프링(16)은 상기 지지부의 중앙에 형성되는 개구부 위치에 결합되는 것으로, 폭방향으로 연료봉의 외주면과 면접촉되도록 하는 곡률로 소정의 폭만큼 만곡되며 축방향으로 길게 형성되는 등각굴곡부(23)와, 이 등각굴곡부(23)의 양측단을 경계로 각각 반대방향으로 절곡되어 소정의 폭만큼 연장되는 좌/우연장부(36)(37)와, 상기 좌연장부(36)의 좌측단 및 우연장부(37)의 우측단 각각의 상단 및 하단에서 측상방 및 측하방으로 더 연장되는 4개의 스프링 다리(28)를 포함하여 구성된다. 4개로 구비되는 상기 스프링 다리(28)가 각각 상기 개구부의 양측방절개선의 최상단 및 최하단에 연결되어 소금쟁이형 스프링(28)이 지지부와 결합하게 되고, 이에 따라 4점 지지구조를 갖게 되며, 상기 지지부의 면을 기준으로 일측방으로 돌출하게 된다.

상기 상부 및 하부 딤플(15)(17)은 상기 소금쟁이형 스프링(16) 상/하부 위치에 각각 결합되는 것으로, 폭방향으로 중앙에 연료봉(8)의 외주면과 면접촉하도록 하는 곡률로 소정의 폭만큼 만곡 형성되는 딤플굴곡부(20)와, 상기 딤플굴곡부(20)의 양측단을 경계로 각각 반대방향으로 절곡 연장되는 좌/우 딤플연장부(21)를 포함하여 구성된다.

상기 상부 및 하부 딤플(15)(17)은 각각의 상단 및 하단 절개선의 정면형상이 아치형을 이루도록 구비되며, 상기 소금쟁이형 스프링(16)의 돌출방향과 반대되는 방향으로 돌출하게 된다.

상기 소금쟁이형 스프링(16)의 등각굴곡부(23)의 곡률은 연료봉과 정확한 면접촉을 유도하여 연료봉의 진동 및 외부충격에 지지건전성이 유지되도록 하기 위하여 연료봉의 곡률보다 미세하게 큰 정도로 형성된다. 즉, 연료봉이 장입되기 전의 등각굴곡부(23)의 곡률은 연료봉(8)보다 미세하게 조금 크지만 실제 연료봉(8)이 장입되면 스프링 면이 눌려 연료봉과 곡률반경이 일치하게 된다.

상기 등각굴곡부(23)의 중심부에 축방향으로 길고 폭방향으로 좁은 창따기부(29)가 형성된다. 상기 창따기부(29)의 형성으로 연료봉 표면과 등각굴곡부(23) 사이에 미량이라도 유체가 고립됨으로써 국부적인 열전달 억제함에 의한 핵비등이탈이 일어나지 않도록 한다.

상기 소금쟁이형 스프링(16)의 각 스프링 다리(28)에는 상기 좌/우연장부(36)(37)의 절곡방향과 반대방향으로 다시 절곡되는 절곡부(24)를 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 절곡부(24)는 상기 지지부의 면을 기준으로 상기 등각굴곡부(23)의 돌출방향과 반대측으로 돌출하게 된다. 또한, 상기 상기 절곡부(24)의 굽힘각도를 조절함으로써 연료봉에 대한 지지력을 조절할 수 있다.

상기 소금쟁이형 스프링(16)의 상단 절개선 및 하단 절개선, 즉 등각굴곡부(23)와 좌/우연장부(36)(37) 및 상부 양측에서 연장되는 두 스프링다리(28)의 연결된 상단 절개선과, 등각굴곡부(23)와 좌/우연장부(36)(37)및 하부 양측에서 연장되는 두 스프링 다리(28)의 연결된 하단절개선의 정면형상이 상호 대칭의 아치형으로 각각 형성된다. 다시 말해, 상단 절개선은 위로 오목하고, 하단 절개선은 아래로 오목한 아치형으로 형성된다.

상기와 같이 형성됨에 따라, 도 4b에 도시된 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 소금쟁이형 스프링(16)은 평단면 형상은 아랫입술 모양으로 형성되고, 상부 및 하부 딤플의 평단면 형상은 윗입술 모양으로 형성된다. 또한, 상기 소금쟁이형 스프링(16)과 상부 및 하부 딤플(15)(17)의 돌출방향이 서로 반대임에 따라, 서로 다른 연료봉을 지지하며, 이로 인해 평면 또는 저면에서 관찰할 경우, 전체적으로 입술형상을 구비하게 된다.

상기 유동혼합날개(14)는 도 9에 도시된 바와 같이 상기 소금쟁이형 스프링(16)과 동일한 방향으로 돌출되도록 상기 상부 딤플(15)의 일측 딤플연장부(21)의 상단절개선에서 상부로 더 연장되면서 점진적으로 만곡되어 연료봉측이 오목한 스픈형상으로 형성된다. 도 7c 및 7d에 도시된 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 유동혼합날개(14)의 지지부의 면에 대한 굽힘각도는 90°를 넘지 않는 것이 바람직하다. 즉, 최상단부 법선과 축방향의 수직선 사이의 각이 예각으로 형성된다.

또한, 상기 유동혼합날개(14)는, 도 9b에 도시된 바와 같이, 최상단부 절개선의 평면형상이 연료봉(8)의 반경보다 큰 반경의 호에 대응하도록 형성되어 연료봉의 장입시에 연료봉의 표면이 긁히는 것을 방지하도록 한다.

본 발명에 따른 지지격자체(50)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 다수의 단위격자판(45)이 병렬로 연결되어 형성되는 가로 및 세로 격자판(12,13)을 종횡으로 배열하여 구성되고, 지지격자체(50) 내부에는 4개의 단위격자판(45)으로 둘러싸이는 다수의 정방형 단위셀이 형성되며, 상기 단위셀 내부에 각각 하나씩의 핵연료봉이 장입되어 지지되는 것이다.

상기 각 단위격자판(45)에 형성되는 소금쟁이형 스프링(16)과 딤플(15)(17)의 돌출방향이 서로 반대임에 따라, 도 9에 도시한 바와 같은 상기 단위셀 내부에는 이를 형성하는 4개의 단위격자판(45) 중, 인접하는 2개의 단위격자판으로부터 소금쟁이형 스프링(16)이 단위셀의 중심을 향해 돌출하고, 나머지 두 단위격자판으로부터 각각 상부 및 하부 딤플(15)(17)이 단위셀 중심으로 돌출하여 장입되는 연료봉(8)을 전체적으로 6점지지하게 된다.

또한, 상기 상부 딤플(15)에서 연장되는 유동혼합날개(14)는, 그 끝단의 돌출방향이 동일한 단위격자판상의 소금쟁이형 스프링(16)과 같은 방향임에 따라 인접 단위셀에 장입되는 연료봉(8)을 향하게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 지지격자체(50)는 도 4a에 도시한 바와 같이, 위에서 보면 상부 딤플(15) 및 소금쟁이형 스프링(16)의 접촉면이 연료봉을 지지한 상태에서 연료봉의 곡률반경과 일치하도록 되어 있으며, 유동혼합날개(14)는 상부 딤플(15)의 일측에서 인접 단위셀을 향하도록 위치하고 있다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 아래에서 보면 하부 딤플(17) 및 소금쟁이형 스프링(17)의 접촉면이 마찬가지로 연료봉을 지지한 상태에서 연료봉의 곡률반경과 일치하도록 되어 있음을알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 지지격자체의 단위셀(18)을 도시한 것으로, 연료봉(8) 장착시 상부 및 하부 딤플(15)(17)과 스프링(16)의 접촉상태를 확인할 수 있으며, 도 9d에 도시한 도면을 참고하면 유동혼합날개에 의한 냉각수의 유로 변경방향을 알 수 있다. 상기 유동혼합날개를 구비함에 따라 유체의 강제혼합을 통한 냉각성능을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 상부 딤플(15)의 하단절개선(32)과 상기 하부 딤플(17)의 상단절개선(31)이 아치형으로 구비됨에 따라, 지지격자체(50) 내부의 압력강하량이 축소되며, 종래기술의 지지격자체(50)에서 흔히 볼수 있는 하부 딤플의 하부에 위치하는 하단부 가로지지보가 없음에 따라 유체의 유동에 의해 지지격자체의 하부를 통해 이물질이 유입될 경우, 이물질의 포획이 가능하게 된다.

상기 소금쟁이형 스프링의 등각굴곡부(23)가 상하로 길게 형성됨에 따라 연료봉(8) 접촉면적을 상하로 길게 형성하여 연료봉의 축방향 지지력을 보완하고 연료봉 지지건전성의 유지가 용이하며, 등각굴곡부(23)를 통해 전달되는 부하가 소금쟁이 다리모양으로 구비되는 4개의 스프링 다리(28)를 통해 단위격자판(45) 전체에 고르게 분산되게 된다.

이상과 같은 본 발명에 따른 입술형 다목적 지지격자체를 제공함에 따라, 소금쟁이형 스프링과 상부 및 하부 딤플이 각각 연료봉과 등각의 면접촉을 통하여 원자로의 운전중 발생할 수 있는 노내환경의 변화로 인해 발생할 수 있는 임의의 방향에 대한 하중에 대하여 안정적인 연료봉의 지지가 가능하게 할 수 있으며, 특히 연료봉이 스프링의 접촉면적이 증대됨에 따라 연료봉의 진동시 프레팅 마모손상에 대한 저항성의 증대를 포함하여 연료봉의 지지건전성이 더욱 확대된다.

또한, 4개의 스프링 다리가 소금쟁이 다리모양의 구조를 하고 있으며 각각 절곡부가 형성되어 적정수준으로 스프링력을 용이하게 조절할 수 있으며, 스프링의 탄성범위가 확장되는 효과가 있다.

더욱이 소금쟁이형 스프링의 상/하단 절개선이 아치형으로 형성되어 부하를 받을 경우 비틀림력이 격자에 전달되게 함으로써 등각굴곡부를 통해 전달되는 힘이 단위격자판의 사방으로 고루 전달되므로서 부하를 상쇄시키는 역할을 할 수 있다.

또한 등각굴곡부에 창따기부를 구비함에 따라 연료봉으로부터의 열전달 억제로 인한 핵비등이탈의 발생을 방지할 수 있는 효과와, 지나치게 커질 수 있는 스프링력을 조절할 수 있으며, 그로 인해 핵연료의 장전 및 인출시 과도한 힘이 요구되지 않도록 되어 있으며 핵연료봉의 표면에 손상을 입힐 가능성이 줄어들어 손상부위로 인한 부식 발생을 방지하여 연료봉의 수명 단축을 예방할 수 있게 된다.

또한, 상부 딤플에 연결되도록 구비되는 스푼형태의 유동혼합날개를 구비함에 따라 각 단위셀 내에서 유체를 유동방향을 횡방향으로 이동시켜줌으로서 냉각수의 효과적인 혼합이 가능하도록 하며, 상부 딤플 및 하부 딤플의 상/하단 절개선의 형상이 아치형으로 형성됨에 따라 유체의 압력강하를 감소시키는 효과를 가질 뿐 아니라, 지지격자체 하단으로부터 유입되는 유체의 흐름변화를 유도하고 유체 속에섞여 있을 수 있는 이물질을 유도하여 딤플과 소금쟁이형 스프링사이에서 포획하 수 있게 됨에 따라, 이는 이물질에 의한 연료봉의 손상을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명은 특정의 실시예를 기준으로 도시하고 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상과 그 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 관련업계의 통상지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있다.

Claims (9)

1. 다수의 핵연료봉으로 구성되는 핵연료봉 집합체를 지지하기 위해, 각각 다수의 단위격자판이 병렬로 연결되어 형성되며 각 단위격자판간의 연결부에는 상부 또는 하부로부터 절개된 소정길이의 슬릿이 형성되는 가로 및 세로격자판을 종횡으로 교차하도록 배열하여, 핵연료봉이 각각 하나씩 장입되어 위치하도록 하는 다수의 단위셀을 형성하는 지지격자체에 있어서,

   상기 가로 및 세로 격자판을 구성하는 단위격자판은, 축방향으로 소정의 폭을 두고 평행하게 배열되는 두개의 세로지지보와, 상기 세로지지보의 각단에서 동일한 거리의 위치에 수평으로 각각 연장되어 상기 두 세로지지보를 연결하고 중앙에 직사각형으로 개구부를 형성하는 가로지지보를 포함한 구성의 지지부와;

   상기 개구부 위치에 결합되는 것으로, 폭방향으로 연료봉의 외주면과 면접촉되도록 하는 곡률로 소정의 폭만큼 만곡되며 축방향으로 길게 형성되는 등각굴곡부와, 상기 등각굴곡부의 양측단을 경계로 각각 반대방향으로 절곡되어 소정의 폭만큼 연장되는 좌/우연장부와, 상기 좌연장부의 좌측단 및 우연장부의 우측단 각각의 상단 및 하단에서 측상방 및 측하방으로 더 연장되는 4개의 스프링 다리를 포함하여 구성되어, 상기 개구부의 양측절개선 각각의 상단부 및 하단부에 상기 스프링 다리가 각각 연결되어 결합되어 일측으로 돌출되는 소금쟁이형 스프링과;

   상기 소금쟁이형 스프링 상/하부에 각각 결합되는 것으로, 폭방향으로 중앙에 연료봉의 외주면과 면접촉하도록 하는 곡률로 소정의 폭만큼 만곡 형성되는 딤플굴곡부와, 상기 딤플굴곡부의 양측단을 경계로 각각 반대방향으로 절곡 연장되는 좌/우 딤플연장부를 포함하여 구성되며, 상단 및 하단 절개선이 아치형을 이루도록 구비되어, 상기 소금쟁이형 스프링의 돌출방향과 반대되는 방향으로 돌출되는 상부 및 하부 딤플을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 소금쟁이형 스프링의 등각굴곡부에는 축방향으로 길고 폭방향으로 좁은 창이 형성되는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 소금쟁이형 스프링의 각 스프링 다리에는 상기 좌우연장부의 절곡방향과 반대방향으로 다시 절곡되는 절곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 절곡부는 기저부를 기준으로 등각굴곡부의 반대측으로 돌출하는 것을특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 소금쟁이형 스프링은 등각굴곡부와 좌/우연장부 및 상부 양측에서 연장되는 두 스프링다리의 연결된 상단절개선과, 등각굴곡부와 좌/우연장부 및 하부 양측에서 연장되는 두 스프링다리의 연결된 하단절개선의 정면형상이 상호 대칭의 아치형으로 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
6. 제 1 항에 있어서;

   상기 단위격자판은 최상단에 위치하는 상부 딤플의 일측 딤플연장부 상단에서 상부로 더 연장되는 유동혼합날개를 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
7. 제 6 항에 있어서;

   상기 유동혼합날개는 상기 소금쟁이형 스프링과 동일한 방향으로 돌출되도록 점진적으로 절곡형성되어 스픈형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 유동혼합날개의 상단부 법선과 축방향의 수직선 사이의 각은 예각인 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 유동혼합날개는 상단부의 평면형상이 연료봉의 반경보다 큰 반경의 호에 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 입술형 다목적 핵연료 지지격자체.