KR20040039010A - 핵연료 집합체용 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합지지격자체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 핵연료집합체의 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체에 관한 것으로서, 다수의 단위박판으로 구성되는 대응하는 형상의 두 박판을 맞대어 형성하여 각 단위격자판 내부의 일정부분에 노즐모양의 냉각재 통로를 형성시킨 다수의 내부격자판과, 다수의 단위박판으로 구성되는 하나의 박판과 이 박판의 폭에 대응하는 폭을 구비하는 평평한 박판을 맞대어 형성하는 4개의 외부격자판을 포함하는 냉각재 통로형 지지격자체에 있어서: 상기 각 냉각재 통로는 상기 각 단위격자판을 형성하는 두 단위박판 중 일측 단위박판의 상단부를 일정부분을 따내어 형성되는 하나 이상의 출구를 구비하며; 상기 각 단위박판의 돌출형성되는 연료봉과 접촉하는 스프링부의 양측면에 폭이 좁고 길이가 긴 좌우대칭의 슬롯을 구비하도록 구성하여, 냉각재의 흐름을 교차로 혼합시켜 연료봉으로부터 냉각재로의 열전달을 증가시키고, 횡방향 충격강성도를 향상시키며, 더불어 핵연료봉을 직접적으로 지지하는 부분의 스프링 특성을 현저히 개선하여 더욱 건전한 핵연료봉의 지지가 가능하도록 한 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공한다.

Description

핵연료 집합체용 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체 {SIDE-SLOTTED NOZZLE TYPE DOUBLE PLATE SPACER GRID FOR A NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}

본 발명은 원자로 핵연료집합체의 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료집합체내에서 냉각재의 흐름을 교차로 혼합시켜 연료봉으로부터 냉각재로의 열전달을 증가시키면서, 핵연료봉의 지지특성을 개선하여 핵연료봉의 진동 및 프레팅(fretting) 마멸현상을 억제을 억제하고, 횡방향 충격강성도를 향상시키며, 더불어 핵연료봉을 직접적으로 지지하는 부분의 스프링 특성을 현저히 개선하여 더욱 건전한 핵연료봉의 지지가 가능하도록 한 지지격자체에 관한 것이다.

일반적으로 원자로 내에서 균일한 간격을 유지하며 배열되어 있는핵연료봉(125)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 예컨대 가로 14열, 세로 14열 (14×14)에서부터 가로 17열, 세로 17열 (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 각각 지지하는 상·하단고정체(111,112), 그리고 지지격자체(110) 및 상·하단고정체(111,112)를 연결하여 핵연료집합체(101)의 기본적인 골격을 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 참조번호 110 으로 도시된 바와 같이, 격자판들에 형성된 절개된 틈을 이용하여 각각의 격자판(115 및 116)이 종횡으로 끼워져 교차점(117)을 형성하고, 형성된 교차점들을 용접한 후 가장 외곽을 또 다른 판(118)으로 둘러쌈으로써 만들어진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이렇게 형성된 지지격자체(110)는 내부에 다수의 단위 연료봉셀을 구비하게 되고, 각각의 연료봉셀에는 지지격자체를 형성하는 각 격자판(115)(116)에 형성되거나 각 격자판에 부착되는 비교적 탄성력이 있는 스프링(119)과 그 보다는 강성도가 훨씬 큰 단단한 딤플(120;dimple)이 존재하여, 이들이 한 쌍을 이루어 하나의 핵연료봉을 사방에서 지지하게 된다.

이와 같은 지지격자체(110)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 핵연료봉집합체를 형성함에 있어 핵연료봉(125)의 길이방향으로 다수 배열됨으로써, 핵연료봉을 그길이 방향으로 여러 지점에서 지지하는 이른바 다점 지지보 형태로 핵연료봉(125)을 지지하게 된다.

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

만일 지지격자체의 지지점 사이에서 핵연료봉(125)의 미끄러짐이 구속된다면 핵연료봉(125)은 지지격자체(110)의 지지점 사이에서 휘게 됨에 따라, 도 4에 도시된 바와 같은 상태에서, 핵연료봉(125) 사이의 일정한 연료봉 간격(냉각재 수로의 단면적)유지가 어려워지고, 부분적으로 감소 또는 증가되는 결과를 초래하게 된다.

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

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

이때 수로의 모양은 도 4에 도시된 바와 같은 형태와 유사하게 되어 있다.

일반적으로 열에너지는 원자로내 핵연료집합체(101) 내부의 각 위치에서 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)를 구성하는 격자판들이 종횡으로 교차하는 교차점 부근(123)을 흐르는 냉각재의 열 수용량은 그 외 지역을 흐르는 냉각재보다 낮게 되어, 이 구역은 자연적으로 냉각재의 온도가 낮은 이른바 저온구역이 된다.

따라서 이러한 저온구역의 존재는 전체적인 원자로의 열효율을 저하시키게 되고, 반대로 핵연료봉(125)과 가까운 고온구역에서는 핵연료봉(125) 주위에 국부적인 과열이 초래될 수 있어서 전반적인 핵연료집합체(101)의 건전성을 저해할 우려가 있다.

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

이러한 개념이 도입된 지지격자체는 미합중국 특허 제4,728,489호(대한민국 특허 공고번호 제91-1978호) 및 미합중국 특허 제4,692,302호(대한민국 특허 공고번호 제91-7921호)등에서 볼 수 있다.

이상의 특허에 나타난 발명은 지지격자체의 상부에 "혼합날개(mixing vane)" 또는 "베인(vane)"이라 부르는 냉각재 혼합용 날개를 부착하여, 도 3에 도시된 바와 유사한 형태로 종방향으로 흐르는 냉각재의 흐름에 횡방향 흐름을 부가적으로 갖게 함으로써 냉각재 수로간 또는 저온구역과 고온구역의 냉각재가 섞이게 하는 방법을 이용한다.

이와 같이 혼합날개를 만들어 냉각재를 섞는 방법은 크게 2가지로 나눌 수 있는데, 상대적으로 큰 날개를 만들어 핵연료봉의 길이 방향을 따라 아래에서 위로 흐르는 "축류(normal flow)"의 일부가 날개에 부딪쳐 굴절됨으로서 발생하게 되는 횡방향 유동(lateral fliw)을 유도하는 방법과, 앞서 언급한 교차점 부근에 바람개비 모양의 날개를 달아서 회전유동(swirl slow)을 유도하는 방법이 그것이다.

이러한 방법들은 원하는 효과를 크게 하면 할 수록 냉각재 압력강하를 가중시키는 문제와, 방법의 본질적인 문제로 그 효과의 최대화를 제한하는 문제가 있다. 즉 보다 많은 횡류나 회전유동을 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 부가적인 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, 지지격자체를 구성하는 격자판을 두겹의 박판을 겹쳐서 만들고, 박판과 박판 사이에 공간을 형성시켜서 냉각재가 통과할수 있는 통로를 만들되 이 통로의 입구와 출구를 길이 방향으로 기울어지게 형성함으로써 통로를 통과한 냉각재가 기울어진 각도 만큼 회전하는 회전유동을 발생시켜 열전달 효율을 향상시키는 방법이 있다.

이러한 후자의 방법은 미합중국 특허 제4,726,926호 및 미합중국 특허 제6,130,927호(대한민국 특허 제0265027호)에 기술되어 있다.

통상적으로, 이상에서 언급한 바와 같은, 혼합날개형 및 냉각재 통로형 혼합 지지격자체는 온도가 서로 다른 냉각재를 혼합시켜서 원자로의 열효율을 높이는 장점이 있지만 냉각재를 혼합시키기 위해 발생시킨 횡방향 유동에 의하여 핵연료봉이 지지격자체 내에서 흔들리는 이른바 진동현상을 유발하게 된다.

상기한 바와 같이 핵연료봉(125)은 지지격자체(110) 내에서 스프링(119)과 딤플(120)이라는 지지기구에 의하여 자체의 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 딤플)에서 피복관이 관통에 이르는 이른바 유체유발 진동에 의한 핵연료봉 프레팅 마모 손상을 초래할 수도 있다.

이러한 현상에 대한 상세한 설명은 미합중국 특허 제4702881호(대한민국 특허 공고번호 제94-3799호)에 기술되어 있다.

결국 혼합날개의 작용이 강력할 수록 냉각재의 혼합력이 강력해져서 원자로의 열효율을 높이는 장점이 있는 반면에 이에 비례하여 핵연료봉에 발생하는 진동의 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 지지에 관한 성능향상 방안과 지지격자체 자체의 횡방향 좌굴강도 증가 방안이다.

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

지지격자체의 횡방향 좌굴강도의 약화는 지지격자체를 형성함에 있어서 스프링과 딤플을 형성시키기 위하여 판금(stemping) 등으로 잘려 나가는 부분이 커짐에 따른 횡방향 충격에 저항하는 유효 단면적의 감소와 종횡으로 교차하는 각 격자판들의 교차점의 용접부위에 대한 용접품질에 기인한다.

한편, 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.

더우기, 상기한 미합중국 특허 제4,726,926호에 기술된 바와 같은 이중격자판 구조 형태의 지지격자체의 경우는 각 격자판에서 냉각재 통로를 형성하기 위하여 핵연료봉 쪽으로 돌출시킨 부분이 스프링의 역할을 담당하게 된다.

이와 같은 경우의 스프링은 길이방향 양쪽 끝단 뿐만아니라 양측단까지 고정된 형태로 양단지지보 형태의 스프링보다도 강성도가 상당히 커서 이용 가능한 스프링 탄성변위영역이 거의 없게 되어 실제로 스프링과 대항 개념인 딤플로 불리게 된다.

이와 같은 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.

이상의 문제점을 해소하기 위하여, 미합중국 특허출원번호 제09/862,383(대한민국 특허출원번호 제2001-14474호)에 기술된 바와 같은 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체가 본 발명의 발명자들에 의해 제안된 바 있다.

상기 발명은 미합중국 특허 제6,130,927호(대한민국 특허 제0265027호)에서 언급한 바와 같은 저온구역과 고온구역에 있는 냉각재를 혼합시키기 위한 냉각재 통로(노즐)의 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 제공하고 있다.

더불어, 지지격자체를 구성하는 격자판에서 잘려나가는 부분이 없도록 하여 유효단면적의 감소가 전혀 없기 때문에 지지격자체 자체의 횡방향 좌굴강도가 증가됨으로써 핵연료집합체의 열유체 및 기계강도 측면에서의 효율성을 향상시키며, 그리고 기존의 이중판 지지격자체판의 단점으로 대두되는 스프링의 탄성영역을 극대화하고 연료봉과 접촉하는 부위의 접촉면과 접촉부의 수를 늘림으로써 한층 유연하게 핵연료봉을 지지할 수 있게 할 뿐만 아니라, 기존의 지지격자체와 같이 탄성 변위량을 스프링 하나에만 의존하지 않도록 함으로써 탄성 변위량이 단일 스프링을 사용하는 경우보다 증대되어 상대적으로 강성도가 클 수 밖에 없는 냉각재 통로형 지지격자체의 스프링의 단점을 극복하고자 하였다.

그러나, 이와 같은 지지격자체에서도 핵연료봉을 지지하는 스프링으로서의 성능 측면에서는 여전히 문제점이 남아있는 것으로 알려지고 있다. 여러 시도에도 불구하고 상기 냉각재 통로형 지지격자체의 스프링은 역시 단일 스프링에 비해 강성이 클 수밖에 없어서 자칫 핵연료봉의 조사성장을 구속하여 핵연료봉에 휨을 발생시킬 가능성이 남아있고, 핵연료봉을 탄성적으로 지지하는 탄성범위가 작아서 지지격자체 제작중, 핵연료봉 장전중 혹은 연소중의 조사영향으로 스프링의 특성을 잃어버릴 가능성이 여전히 상당히 크게 된다. 이와 같이 지지격자체의 스프링 기능이 상실되면 핵연료봉에 발생하는 유해한 진동을 흡수할 수 있는 기능이 상실되므로 냉각재 유동으로 발생하는 진동에 의해 핵연료봉에 심각한 문제가 유발될 가능성이 여전히 남아 있는 실정이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서,

본 발명의 목적은 기존의 냉각재 통로형 지지격자체에서와 같이 저온구역과 고온구역에 있는 냉각재를 혼합시키는 냉각재 통로(노즐)의 기능을 보장하면서 핵연료봉을 지지하는 스프링의 기능을 현저히 개선함으로써 원자로내에서 유체유발 진동에 의한 핵연료봉 프레팅 마멸 손상의 발생을 저감하도록 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공하는데 있다.

또한, 상기한 장점을 극대화하기 위하여 본 발명은 상대적으로 강성도가 큰 노즐형 스프링의 단점을 극복함과 더불어 기존의 스프링 딤플 조합형 지지격자체와 같이 탄성 변위량을 스프링 하나에만 의존하지 않도록 하는 장점을 유지할 수 있게 함으로써 탄성 변위량이 한층 증대되는 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 가압 경수로용 핵연료집합체의 일 예를 도시한 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 핵연료집합체의 지지격자체를 부분 도시한 사시도,

도 3은 도 1에 도시된 지지격자체에서 핵연료봉이 장착된 하나의 연료봉셀을 부분 도시한 정면도 및 그 평면도,

도 4는 도 1에 도시된 지지격자체에서 냉각재 통로가 되는 부수로를 설명하기 위해 핵연료봉이 각각의 연료봉셀에 장입된 2×2 배열의 지지격자체를 부분 도시한 평면도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 5×5 배열의 이중판 노즐형 지지격자체의 사시도,

도 6은 도 5에 도시된 지지격자체에서 최 외곽의 외부격자판을 제외한 사시도,

도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 혼합날개를 구비한 5×5 배열의 이중판 노즐형 지지격자체의 사시도,

도 8은 도 5에 도시된 지지격자체를 구성하는 단위박판 중 상부에 냉각재 통로용 출구가 형성되지 않은 단위박판을 도시한 사시도,

도 9는 도 5에 도시된 지지격자체를 구성하는 단위박판 중 상부에 냉각재 통로용 출구가 형성된 단위박판을 도시한 사시도,

도 10은 도 7의 지지격자체를 구성하는 단위박판 중 상부에 냉각재 통로용 출구가 형성되지 않은 단위박판의 상단에 두 개의 유동혼합용 혼합날개가 구비된 단위박판의 일 예를 도시한 사시도,

도 11은 도 7의 지지격자체를 구성하는 단위박판 중 상부에 냉각재 통로용 출구가 형성되지 않은 단위박판의 상단에 한 개의 유동혼합용 혼합날개가 구비된 단위박판의 다른 일 예를 도시한 사시도,

도 12는 도 9에 도시된 냉각재 통로용 출구가 형성된 단위박판으로 구성된 내측의 박판과 외측의 평평한 판을 맞대어 형성한 외부격자판의 일 예를 도시한 사시도,

도 13은 변형된 냉각재 통로용 출구가 형성된 단위박판으로 구성된 내측의 박판과 외측의 평평한 판을 맞대어 형성한 외부격자판의 일 예를 도시한 사시도,

도 14는 도 8 내지 도 11에 도시된 본 발명에 따른 측면 절개형 단위박판과 절개된 측면의 슬롯이 없는 기존의 이중판 노즐형 지지격자체에 적용되는 단위박판의 스프링특성을 만능시험기로 시험하여 얻은 하중 대 변위 곡선을 비교하여 도시한 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101: 핵연료집합체110, 310: 지지격자체

115, 116: 내부격자판316, 318: 격자판

117: 교차부위 118, 320: 외부격자판

119: 격자스프링120: 딤플(dimple)

125, 325: 핵연료봉315: 슬롯

330: 회전유동형 혼합날개335: 횡류발생형 혼합날개

355, 356: 출구410: 평판

361, 365, 366: 밀폐형 단위박판362, 421, 422: 출구구비형 단위박판

이를 실현하기 위하여 본 발명은,

맞대어진 두 단위박판으로 구성되어 출구와 입구를 갖는 노즐형 냉각재 통로가 내부에 형성되는 다수의 단위격자판으로 이루어지는 다수의 격자판을 교차시켜 다수의 연료봉셀을 형성하는 냉각재 통로형 지지격자체에 있어서,

상기 각 단위박판은 연료봉과 접촉하도록 돌출된 스프링부의 양측면에 길이방향으로 관통된 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체를 제공한다.

여기서, 상기 슬롯은 0.35 mm 내지 0.8 mm의 폭 범위 및 12mm 내지 16 mm 의 길이 범위에 속하는 치수를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부되는 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 5×5 배열의 측면 절개형 이중판 노즐형 지지격자체의 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 지지격자체에서 최 외곽의 외부격자판을 제외한 사시도로서, 도 5 및 도 6에 도시된 지지격자체는 설명을 목적으로 중앙에 하나의 핵연료봉이 장입된 형태로 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 측면 절개형 이중판 노즐형 지지격자체(310)는 연속되는 다수의 단위박판(361)(362)으로 이루어진 대응하는 형상의 두 박판을 맞대어 형성하여 대응하는 형상의 두 단위박판(361)(362)이 형성하는 각 단위격자판 내부에 출구와 입구를 갖는 노즐모양의 냉각재 통로를 형성시킨 다수의 격자판(316)과, 상기 격자판을 형성하는 다수의 단위박판(362)으로 이루어진 하나의 박판과 이 박판의 폭에 대응하는 폭을 구비하는 평판(410)을 맞대어 형성하는 4개의 외부격자판(320)을 포함하여 구성되는 것으로서, 상기 다수의 격자판(316)을 소정의 배열규칙에 따라 종횡으로 교차시키고, 상기 종횡으로 교차시킨 다수의 격자판(316)을 상기 외부격자판(320)이 사방에서 둘러싸는 형태로 배열하여, 그 내부에 핵연료봉(325)을 지지하기 위한 다수의 연료봉셀이 계란판 형태로 형성되도록 지지격자체(310)를 구성하게 된다.

상기 다수의 격자판(316)을 구성하는 다수의 단위격자판의 경계부위에는 상단 또는 하단에서 각각 수직 하방 또는 수직상방으로 연장되는 결합용 절개부(미도시)를 구비하며, 결합용 절개부(미도시)를 사용하여 가로와 세로로 배열한 상태에서 교차부위를 용접하고, 격자판(316)과 외부격자판(320)이 접촉하게 되는 부분을 외부격자판(320)의 외측에서 시임 용접하여, 각각 핵연료봉(325)이 위치하게 될 다수의 연료봉셀을 구비하도록 지지격자체를 구성한다. 여기서, 상기 교차부위의 용접은 당해 기술분야에 널리 알려진 TIG용접, 전자빔 용접 또는 레이저빔 용접 등과 같은 용접방법으로 수행될 수 있다.

또한, 격자판(316) 및 외부격자판(320)을 형성하기 위하여 맞대어지는 박판과 박판, 또는 박판과 평판의 맞닿는 면을 모두 연속 용접하여 우수한 횡방향 좌굴강도를 얻도록 한다.

상기 각 단위박판(361)(362)은 두 단위박판이 겹쳐져 하나의 단위격자판을 형성했을 때 내부에 출구와 입구를 갖는 하나의 노즐형 냉각재 통로를 형성하게 되며, 각각 냉각재 통로 단면적의 절반씩에 해당하는 형상을 갖도록 형성되는 것으로서, 냉각재 통로의 상류측, 즉 단위박판의 하단부분에 냉각재 통로의 입구를 형성하기 위해 일정단면적을 갖도록 형성되고, 점차 그 단면적이 증가하여 핵연료봉과 접촉하게 되는 스프링부에서 최대 통로단면적을 갖도록 형성한 후, 다시 점차 단면적이 감소하여 하류 끝단, 즉 단위박판(361)(362)의 상단부분에서 통로단면적이 영(0)이 되어, 단위격자판 형성시 두 단위박판의 상단에지선이 상호 접촉하도록 하는 형상으로 형성된다.

상기 각 냉각재 통로는 상기 각 단위격자판을 형성하는 두 단위박판(361)(362) 중 일측 단위박판(362)의 상단부를 일정부분을 따냄으로써 형성되는 하나 이상의 출구(355)를 구비한다. 참고로, 도 5 및 도 6에 도시된 지지격자체(310)에는 대칭형으로 형성된 2개의 출구(355)를 구비하는 형태의 단위박판(362)을 포함하여 구성되어 있다. 이하에서, 상기한 바와 같이 냉각재 통로용 출구를 갖는 단위박판을 출구구비형 단위박판(362)으로, 출구가 구비되지 않는 단위박판을 밀폐형 단위박판(361)으로 용어를 정의하여 사용한다.

즉, 상기 격자판(316)을 구성하는 각 박판은 출구구비형 단위박판(362)과 밀폐형 단위박판(361)이 교대로 배열되도록 이루어지며, 두 박판이 겹쳐질 때 서로 다른 단위박판이 하나의 단위격자판을 형성하도록 겹쳐지는 것이 바람직하며, 따라서, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 하나의 격자판(316)상에서 인접하는 단위격자판에 형성되는 출구의 방향이 서로 반대가 되도록 반복되게 배열된다.

그리고, 상기 각 단위박판(361)(362)은 연료봉(325)과 접촉하도록 돌출되는 스프링부의 양측면에 형성되는 길이방향으로 관통된 좌우대칭의 슬롯(315)을 구비한다.

도 7 및 도 8은 양축면에 슬롯(315)이 구비된 본 발명의 실시예에 따른 이중판 노즐형 지지격자체(310)를 구성하는 밀폐형 단위박판(361) 및 출구구비형 단위박판(362)을 각각 도시한 사시도로서, 도 7 및 도 8을 참조하면, 각 단위박판(361)(362)의 양측면에 형성되는 슬롯(315)의 이해가 용이하고, 또한 밀폐형 단위박판(361) 및 출구구비형 단위박판(362) 형상을 더욱 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 외부격자판(320)을 제외하면, 각 격자판(316)을 구성하는 다수의 단위박판(361)(362)으로 구성되는 각 박판은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 두 종류의 단위박판(361)(362)의 조합만으로, 도 5 및 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 측면 절개형 이중판 노즐형 지지격자체(310)의 형성이 가능하다는 것을 알 수 있다.

상기 단위박판(361)(362)의 스프링부 양측면에 형성되는 슬롯(315)은 기존의 냉각재 통로형 이중판 지지격자체와는 달리, 단일판을 이용한 지지격자체에 적용되는 양단지지보 형태의 스프링에 근접할 정도로 스프링 특성을 향상시켜, 핵연료봉(325)에 의한 횡방향 하중이 가해질 때 핵연료봉을 감싸듯이 지지하는 형태가 되어 마모저항성이 큰 지지격자체를 제공할 수 있게 된다.

상기 슬롯(315)은 0.35 mm 내지 0.8 mm의 폭 범위에, 바람직하게는 0.3mm 내지 0.6 mm의 폭 범위에 속하도록 형성하며, 그리고 12mm 내지 16 mm의 범위에 속하는 길이를 갖도록 형성되며, 이 때 본 발명이 이루고자하는 스프링특성을 포함하는 최적의 성능을 구현할 수 있게 된다.

한편, 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 지지격자체를 도시한 사시도로서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 실시예를 구성하는 밀폐형 단위박판에서 여장되는 혼합날개를 더 구비한 5×5 배열의 이중판 노즐형 지지격자체를 도시하고 있다. 또한, 도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 바와 같은 실시예의 지지격자체를 구성하는 단위박판의 예를 도시한 사시도로서, 도 7에 도시한 밀폐형 단위박판(361)의 상단에서 연장되는 회전유동형 혼합날개(330)와 횡류발생형 혼합날개(335)의 조합을 구비한 밀폐형 단위박판(365)과, 역시 도 7에 도시한 밀폐형 단위박판(361)의 상단에서 연장되는 회전유동형 혼합날개(330)를 구비한 단위박판(366)을 각각 도시하고 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 지지격자체는 냉각재 혼합에 대한 효율을 극대화하기 위하여, 자체의 상단에서 연장되는 혼합날개(330)(335)를 구비한 밀폐형 단위박판(365)(366)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 밀폐형 단위박판(365)(366)에 형성되는 혼합날개는 인접한 연료봉셀 간의 횡방향유동을 발생시키기 위한 횡류발생형 혼합날개 및 격자판 간의 교차부위에 회전유동을 발생시키기 위한 회전유동형 혼합날개 중 어느 한 종류 또는 두 종류의 조합 형태로 적용될 수 있다. 즉, 한 종류의 혼합날개가 독립적으로 하나씩 구비되거나, 도 10에 도시한 바와 같이 두 종류의 혼합날개가 모두 구비될 수 있으며, 도시하진 않았지만 동일한 종류의 두 혼합날개를 구비하는 단위격판이 사용될 수 있다.

다시 말해, 두 종류의 혼합날개(330)(335)를 함께 구비하는 도 10의 단위박판(365) 및 회전유동형 혼합날개(330)만 적용된 도 11에 도시된 단위박판(366)과 도 8에 도시된 바와 같은 냉각재 통로용 출구(355)를 구비하는 단위박판(362)의 조합으로 도 9에 도시된 본 발명의 두번째 실시예에 따른 지지격자체를 구성할 수 있게 된다.

도 12 및 도 13은 상기 두 실시예에 모두 적용될 수 있는 외부격자체(320)를 도시한 사시도이다. 이상에서 설명한 두 실시예에 모두 적용가능한 것으로서, 도 7 및 도 8, 또는 도 8, 도 10 및 도 11에 도시된 단위박판(361)(362)(365)(366)들을 적절히 배열하여 만들어진 도 6 또는 도 9와 같이 배열된 다수의 격자판(316)(318)과 결합하여 지지격자체를 구성하는, 상기 외부격자판(320)은 지지격자체(310)의 내부에 위치한 연료봉셀과 가장자리에 위치하는 연료봉셀간의 핵연료봉 지지성능차가 발생하지 않도록, 도 12 및 도 13에 도시한 바와 같은 외부격자판(320)을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 외측격자판(320)은 다수의 출구구비형 단위박판(421)(422)으로 형성되는 내측의 박판과 외측의 평판(410)으로 구성되는 것으로서, 부연하면 내측의 박판은 모두 하나 이상의 냉각재 통로 출구(355)(356)를 구비하는 출구구비형 단위박판(421)으로 이루어진다. 즉, 도 12에 도시한 바와 같이, 두 개의 출구(355)를 구비한 단위박판(421)으로 이루어지거나, 도 13에 도시한 바와 같이, 변형된 하나의 출구(356)를 구비하는 또 다른 형태의 밀폐형 단위박판(422)으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 구성함과 더불어, 상기한 바와 같은 외부격자판들(320)에 형성되는 냉각재 통로는 내부에 위치하는 격자판(316)(318)들에 구비되는 냉각재 통로와 비교하여 절반의 단면적을 갖기 때문에, 스프링의 성능 뿐 아니라 핵연료봉을 기준으로 볼 때 유동성능도 내부에 위치한 연료봉셀인지 가장자리에 위치한 연료봉셀인지와 관계없이 사방에서 대칭성이 보장된다.

이상과 같은 본 발명에 따른 지지격자체(310)를 구성하는 내부의 격자판(316)(318) 및 외부격자판(320)은 판금(stamping)으로 형성되는 박판을 사용하고, 그 재질은 주석, 철, 크롬, 니켈의 지르코늄 합금인 지르칼로이(Zircaloy)를 사용하는 것이 바람직하며, 더불어 일반적으로 지지격자체의 재료로 사용하는 인코넬(Inconel)을 사용하는 것도 가능하다.

상기 격자판(316)(318) 및 외부격자판(320)은 0.25mm 내지 0.40㎜ 의 범위에속하는 두께를 구비하며, 상기 각 단위박판(361)(362)(365)(366)은 7mm 내지 10㎜ 의 폭 범위에 속하는 스프링부의 좌·우 양단 지지점간 거리를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 14는 도 7, 도 8, 도 10 및 도 11에 도시된 양측면에 관통된 슬롯(315)을 구비하는 본 발명에 따른 측면 절개형 단위박판과 절개된 슬롯을 구비하지 않는 기존의 이중판 노즐형 지지격자체에 적용되는 단위박판의 스프링특성을 만능시험기로 시험하여 얻은 하중 대 변위 곡선을 비교하여 도시한 그래프이다. 여기서, 슬롯 1형 및 슬롯 2형은 모두 본 발명에 따른 측면 절개형 단위박판에 관한 것으로, 구비되는 슬롯의 길이에 따라 구분된 것이다. 즉, 슬롯 1형은 형성되는 슬롯의 길이가 상대적으로 짧고 슬롯 2형은 형성되는 슬롯의 길이가 상대적으로 긴 것이다.

본 발명에 따른 측면 절개형 단위박판을 사용한 경우 단위박판들의 형태에 관계없이 동일한 스프링 특성을 갖는 것으로 나타났으며, 측면에 슬롯이 없는 경우 보다 낮은 강성을 갖고 있는 것으로 나타났다. 측면에 슬롯(315)이 있는 경우 슬롯의 형상에 따라 변위 대 하중선도의 기울기로 나타나는 스프링 강성과 변위 대 하중이 선형적으로 변하는 이른바 탄성구간을 넓힐 수 있음을 실험에 의해 얻음으로서 폭이 좁고 길이가 긴 슬롯(315)을 구비하는 본 발명의 지지격자체(310)가 스프링특성 측면에서 우수함을 보이고 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체는 두 단위박판을 겹쳐서 지지격자체를 구성하는 각 단위격자판을 구성하되, 겹쳐진 두 단위박판의 일정부분에 냉각재 통로를 형성시키고 이를 이용하여 저온의 냉각재와 고온의 냉각재를 혼합하여 열효율을 향상시킴과 동시에, 냉각재 통로에서 최대 단면적을 갖는 부분을 핵연료봉과 접촉하여 지지하는 스프링부로 사용하므로써, 결국 지지격자체 내부의 각 연료봉셀내에서 핵연료봉을 사방에서 스프링으로 지지하도록 함으로써, 진동에 의한 핵연료봉의 일 방향의 변위를 하나의 스프링에 의존하여 지지하는 종래의 홑판으로 구성된 지지격자체보다 더욱 안정적으로 핵연료봉을 지지할 수 있는 특징이 있다.

그리고, 본 발명의 이중판 노즐형 지지격자체는 양측면에 절개되어 형성된 슬롯을 구비하는 측면 절개형 단위박판을 사용하여 구성됨으로써 종래기술에 따른 이중판 노즐형 지지격자체의 장점을 유지하면서 단점중의 하나로 알려진 과도한 스프링강성을 감소시킴으로써 전체적으로 핵연료의 건전성 측면에서 유리한 효과를 갖는 것이다. 즉, 지지격자체를 구성하는 각 단위박판에서 핵연료봉을 직접적으로 지지하는 스프링부의 강성을 완화하고 선형 탄성영역을 넓힘으로써, 핵연료봉을 보다 안정적으로 지지하게 할 뿐 아니라, 핵연료집합체 제조시 핵연료봉을 지지격자체에 장입하는 과정에서 발생하기 쉬운 스프링부의 손상을 방지함으로써, 궁극적으로 원자로내에서 핵연료봉의 프레팅 손상을 억제하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 14에 도시된 그래프는 이중판 노즐형 지지격자체의 스프링특성 시험결과를 나타낸 곡선으로서, 스프링의 특성을 나타내는 강성도는 변위-하중 선도의 기울기로 나타나게 된다. 도시된 바를 참고하면, 슬롯을 형성시키지 않은 기존의 이중판지지격자체의 스프링부는 강성이 크고 변위가 커짐에 따라 변곡점을 갖는 특징을 나타냈으나, 본 발명에 따른 지지격자체와 같이 슬롯을 구비하는 경우, 슬롯의 형태에 따라 강성이 줄어들면서 기울기가 직선으로 나타나는 탄성영역이 점점 커지게 되는 등, 본 발명에 따른 지지격자체의 스프링특성이 바람직한 방향으로 개선되는 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있는 것이다.

비록, 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부되는 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 (7)

1. 맞대어진 두 단위박판으로 구성되어 출구와 입구를 갖는 노즐형 냉각재 통로가 내부에 형성되는 다수의 단위격자판으로 이루어지는 다수의 격자판을 교차시켜 다수의 연료봉셀을 형성하는 냉각재 통로형 지지격자체에 있어서,

   상기 각 단위박판은 연료봉과 접촉하도록 돌출된 스프링부의 양측면에 길이방향으로 관통된 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체
2. 제 1항에 있어서,

   상기 슬롯은 0.35 mm 내지 0.8 mm의 폭 범위 및 12mm 내지 16 mm 의 길이 범위에 속하는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 격자판은 출구구비형 단위박판과 밀폐형 단위박판이 교대로 배열되는 두 박판으로 구성되며, 두 박판이 겹쳐질 때 서로 다른 단위박판이 하나의 단위격자판을 형성하는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체.
4. 제 3항에 있어서,

   지지격자체의 외부를 둘러싸는 외부격자판은 다수의 출구구비형 단위박판으로 형성되는 내측의 박판과 외측의 평판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 격자판 및 외부격자판은 0.25mm 내지 0.40㎜ 의 두께 범위에 속하고, 상기 각 단위박판은 7mm 내지 10㎜ 의 폭 범위에 속하는 스프링부의 좌·우 양단 지지점간 거리를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 밀폐형 단위박판은 각각 그 상부에서 연장되는 하나 이상의 냉각재 유동 혼합용 혼합날개를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 각 혼합날개는 인접한 연료봉셀 간의 횡방향유동을 발생시키기 위한 횡류발생형 혼합날개 및 격자판 간의 교차부위에 회전유동을 발생시키기 위한 회전유동형 혼합날개 중 어느 한 종류 또는 두 종류의 조합인 것을 특징으로 하는 측면 절개형 이중판 노즐형 냉각재 혼합 지지격자체.