KR20040041827A - 원자로 부수로의 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를갖는 지지격자체 - Google Patents

원자로 부수로의 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를갖는 지지격자체 Download PDF

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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

본 발명은 원자로 핵연료집합체에서 핵연료봉을 지지하는 지지격자체에 관한 것으로, 삼차원 열유동해석기법을 이용하여 과도한 압력강하를 방지하는 가운데 냉각재의 유동장에 지속적인 횡류유동을 발생시켜 핵연료봉과 냉각재 사이의 열전달 효율을 획기적으로 개선한 냉각수 혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체를 제공하기 위하여, 지지격자체를 구성하는 각 단위격자판의 상단에서 연장되어 격자판의 면을 기준으로 서로 반대방향으로 22.5°내지 27.5°범위에 속하는 굽힘각을 구비하며, 15.8% 내지 19.4%의 범위에 속하는 유로막힘율을 구비하며, 30°내지 50° 범위의 비틀림각을 갖는 한 쌍의 냉각재 유동혼합용 혼합날개를 갖도록 형성하여, 지속적인 횡류혼합을 유발함으로써 핵연료봉과 냉각재 간의 열전달을 증진시키고, 구비된 비틀림각에 의해 냉각재의 유동이 부드럽게 유도되어 압력손실을 감소시키는 효과를 갖는 냉각재 혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체를 제공한다.

Description

원자로 부수로의 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체{SPACER GRID WITH TWISTED SHAPE MIXING VANE FOR MIXING OF COOLANT IN A SUBCHANNEL OF NUCLEAR REACTOR}
본 발명은 원자로 핵연료집합체에서 핵연료봉을 지지하는 지지격자체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼차원 열유동해석기법을 이용하여 설계하여 압력손실을 감소시키면서도 냉각재와 핵연료봉 사이의 열전달효율을 더욱 개선시킨 냉각재 유동혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체에 관한 것이다.
일반적으로 원자로 내에서 균일한 간격을 유지하며 배열되어 있는 핵연료봉(125)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 예컨대 가로 14열, 세로 14열 (14×14)에서부터 가로 17열, 세로 17열 (17×17)과 같이 정사각형으로 배열되어종래의 통상적인 경수형 원자로용 핵연료집합체(101)를 형성하게 된다.
이러한 원자로용 핵연료집합체(101)는 다수의 격자판이 계란판 형상으로 용접되어 형성되는 다수의 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.
상기 지지격자체는, 세장형으로 형성되는 다수의 연료봉으로 구성되는 봉다발을 봉과 봉 사이의 간격을 유지함과 더불어 안정적으로 지지하기 위한 것으로서, 각각 병렬로 연속되는 다수의 단위격자판으로 이루어지는 다수의 격자판이 가로와 세로로 교차하도록 배열되어, 그 내부에 형성되는 다수의 연료봉셀에 각각 하나씩의 핵연료봉이 위치하도록 한 상태에서 각 연료봉이 간격을 유지한 채 지지되도록 구성된다.
한편, 핵연료집합체용 지지격자체는 연료봉의 간격유지 및 지지 역할 뿐만 아니라, 연료봉들에 의해 둘러싸인 즉, 원자로의 하부에서 유입되는 냉각재가 흐르는 공간이 되는 연료봉과 연료봉 사이의 부수로에서, 연료봉과 냉각재 사이의 열전달을 촉진시키는 역할을 수행하는데 대한 중요성이 점차 부각되고 있으며, 이와 같은 기조에 따라, 지지격자체를 구성하는 격자판의 각 단위격자판 상단에 다양한 형상의 혼합날개를 부착한 형태로 지지격자체가 제공되어, 부수로 내부를 흐르는 냉각재의 유동을 혼합함으로써 지지격자체 하류의 부수로 내에서의 열전달을 촉진하는 역할을 수행하도록 하고 있다.
이러한 개념이 도입된 지지격자체는 미합중국 특허 제4,728,489호(대한민국 특허 공고번호 제91-1978호), 미합중국 특허 제4,692,302호(대한민국 특허 공고번호 제91-7921호) 및 미합중국 특허 제4,803,043호 등에서 볼 수 있다.
또한, 핵연료집합체에 포함되는 지지격자체에 장착되는 혼합날개의 설계기술에 관해서는 다음과 같은 논문에 기술되어 있다. 1998년도 대한기계학회 추계학술대회 논문집volumeB 에 실린 인왕기, 오동석, 황대현, 전태현의 " 지지격자 형상에 따른 봉다발 부수로의 난류유동 CFD분석" 및, 2000년 9월 Proceeding of The First National Congress on Fluid Engineering 에 실린 인왕기, 오동석, 전태현의 "CFD방법에 의한 핵연료다발의 유동전향날개 최적화"에는 혼합날개의 굽힘각에 대한 최적화기술이 기술되어 있으며, 2001년도 대한기계학회 춘계학술대회 논문집volumeE 에 실린 인왕기, 오동석, 전태현의 "핵연료다발 유동혼합날개 개발을 위한 CFD응용"에는 한국원자력연구소가 개발중인 세 가지 유동혼합날개의 유동특성이 비교분석되어 있다. 간략하게 설명하면, 각각 25 °, 35°및 40 °의 굽힘각을 구비한 유동혼합날개에 대하여 유동특성관점에서 비교한 결과가 기술되어 있다. 그러나, 이상에 기술된 바와 같은 핵연료집합체용 지지격자체에 부착되는 유동혼합용 혼합날개에 관한 분석과 설계는 주로 선회유동(swirl flow)을 유발하는 측면에 관해 중점을 두고 있을 뿐만아니라, 열전달에 미치는 영향은 직접적으로 규명되지 않았다.
이상에 기술된 바와 같은 핵연료집합체용 지지격자체에 부착되는 유동혼합용혼합날개는 지지격자체의 하류에서 유동의 난류강도를 증진시킴으로써 핵연료봉 표면과 유동하는 냉각재 사이의 열전달을 촉진하는 것으로 알려져 있으나, 이와 같은 열전달을 극대화 할 수 있도록 혼합날개의 형상을 최적화할 수 있는 기술은 아직 확립되어 있지 못한 상태이다.
본 발명의 발명자들은, 본 발명을 준비하는 과정에서, 실험과 수치해석적인 방법을 통해 혼합날개에 의한 열전달 증진에 영향을 미치는 인자들이 부수로 내의 선회유동, 횡류유동 및 난류강도 등이라는 것이 밝혀 졌다. 그러나 혼합날개의 설계에 관해 상기한 바와 같은 인왕기 등의 논문에 기술된 종래기술에서는 열전달에 영향을 미치는 주된 인자가 혼합날개로 인해 유발되는 선회유동이라는 전제 하에서 열전달에 관한 직접적인 해석 없이 선회유동만을 효과적으로 유발할 수 있는 설계기술을 제안하였다. 그러나, 본 발명의 준비과정에서 수행한 삼차원 열유동해석에서는 선회유동 보다는 횡류혼합과 난류강도가 미치는 영향이 더욱 크다는 것이 밝혀졌다. 아울러, 혼합날개로 인한 열전달 촉진효과의 반대급부로 압력강하가 고려되어야 함에도, 다시 말해 열전달은 촉진하되 과도한 압력강하를 방지하는 방향으로 설계가 이루어져야 함에도 불구하고 혼합날개의 형상이 열전달과 압력강하에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 혼합날개의 형상을 최적설계하는 기술은 아직 제안되지 않고 있는 실정이다.
이상과 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서,
본 발명의 목적은 삼차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes Analysis) 열유동 해석기법을 이용하여 원자로 부수로 내에서 지지격자체에 부착되는 혼합날개를 통과하는 냉각재의 유동과 난류열전달을 해석함으로써 열전달에 미치는 횡류유동, 선회유동 및 난류강도와 압력강하 등을 계산하고 그 결과를 분석하여, 과도한 압력강하를 방지하는 가운데 냉각재의 유동장에 지속적인 횡류유동을 발생시켜 핵연료봉과 냉각재 사이의 열전달 효율을 획기적으로 개선한 냉각수 혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체를 제공하는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 가압 경수로용 핵연료집합체의 일 예를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 비틀림 혼합날개의 일 실시예를 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 비틀림 혼합날개가 적용된 격자판의 일 예를 도시한 사시도,
도 4는 CFXTASCflow 범용 전산유체역학 코드를 사용한 본 발명에 따른 유동혼합날개의 시험방법에 대한 블럭도 및 각 단계에 상응하는 상태도를 도시한 도면,
도 5는 종래기술에 따른 유동혼합용 스플릿날개에 대한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 혼합날개에서 한 개의 날개에 대한 기본 형상을 도시한 개념도,
도 7은 지지격자체의 하류에 부착되는 혼합날개의 유형별 부수로 선회계수를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프,
도 8은 냉각재유동의 횡류계수를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프,
도 9는 핵연료집합체용 지지격자체의 부수로 내에서 축방향으로의 마찰계수 변화를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프,
도 10은 핵연료집합체용 지지격자체의 부수로 내에서 축방향으로의 난류강도변화를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프,
도 11은 핵연료집합체용 지지격자체의 부수로 내에서 축방향으로의 열전달계수의 변화를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프.
이를 실현하기 위한 본 발명은
연속되는 다수의 단위격자판으로 이루어지는 다수의 격자판을 종횡으로 교차배열하여, 내부에 핵연료봉을 지지하기 위한 다수의 연료봉셀이 계란판 형태로 형성되는 지지격자체에 있어서,
상기 각 단위격자판은 그 상단에서 연장되어 격자판의 면을 기준으로 서로 반대방향으로의 굽힘각을 갖는 한 쌍의 냉각재 유동혼합용 혼합날개를 구비하고; 상기 혼합날개는 그 끝단선이 각 단위격자판의 상단에지선과 평행한 기준선에 대하여 비틀림각을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체를 제공한다.
여기서, 상기 혼합날개는 22.5°내지 27.5°범위에 속하는 굽힘각 및 15.8% 내지 19.4%의 범위에 속하는 유로막힘율을 구비하며, 30°내지 50°범위의 비틀림각을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 비틀림각은 바람직하게 35。 내지 45。 의 각도 범위에 속하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부되는 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 비틀림 혼합날개의 일 실시예를 도시한 사시도로서, 두 개의 날개가 한 쌍을 이루어 하나의 단위격자판(10)에 부착되는 비틀림 혼합날개(20)의 형상을 도시하고 있다. 그리고, 도 3은 상기 도 2의 비틀림 혼합날개가 적용된 격자판의 일 예를 도시한 사시도로서, 각각 한 쌍의 비틀림 혼합날개(20)를 구비하는 다수의 단위격자판(10)으로 이루어지는 격자판(30)을 도시하고 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 비틀림각을 갖는 냉각재 혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체를 제공한다.
상기 비틀림 혼합날개(20)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 지지격자체를 구성하는 각 단위격자판(10)의 상단에서 연장되어 형성되는 것으로서, 두 개의 날개가 한 쌍을 이루어 격자판(30)의 면을 기준으로 서로 반대방향으로 굽혀진다. 그리고 하나의 단위격자판(10) 상에서 연장되는 두 비틀림 혼합날개(20)의 굽혀지는 방향은 서로 다르지만 각각 격자판 면에 대하여 22.5°내지 27.5°범위에 속하는 굽힘각(α)과 15.8% 내지 19.4%의 범위에 속하는 유로막힘률을 갖도록 형성되며, 그리고 상기 각 비틀림 혼합날개(20)의 끝단에지선이 각 단위격자판(10)의 상단에지선과 평행한 기준선에 대하여 30°내지 50° 범위의 비틀림각(γ)을 갖도록 형성된다. 여기서, 상기 비틀림각(γ)은 35°내지 45° 의 각도 범위에 속하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 비틀림 혼합날개는 기존의 유동혼합날개보다 우수한 유동특성 및 열전달특성을 갖도록 하기 위하여 연구하는 가운데, 비틀림각을 구비하여 효과적인 유동특성 및 열전달특성을 얻을 수 있다는 가정을 설정하고, 이에 따라 각각 상이한 비틀림각을 갖는 여러 유동혼합날개를 사전에 설계한 다음, 이렇게 설계된 여러 비틀림 혼합날개와 종래기술에 따른 스플릿 날개를 삼차원 열유동해석을 통해 비틀림각의 변화에 따른 열전달특성 및 유동특성을 분석하여 최적의 비틀림각을 갖는 혼합날개로 완성된 것이다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체의 발명 과정을 유동혼합 및 열전달특성의 관점에서 설명한다.
본 발명에서는 지지격자체에 부착되는 혼합날개의 열수력학적 특성을 평가하기 위하여 혼합날개를 통과하는 난류유동에 대한 삼차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes Analysis)해석을 수행하는 범용 전산유체역학(CFD) 코드인 CFXTASC flow을 사용하였다.
도 4는 본 발명에 적용된 상기 범용 코드의 사용에 대한 블럭도 및 각 단계에 상응하는 상태도를 도시한 도면으로서, CFXTASC flow를 사용한 본 발명에 따른 유동혼합날개의 열수력적 특성평가 과정을 도식적으로 표현하고 있으며, 그 순서는 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 첫번째로 기하학적 형상구축과정을 수행하며, 두번째로 경계조건 처리과정을 수행하고, 세 번째로 계산격자 구성과정을 수행하며, 네번째로 해석과정을 수행하며, 마지막으로 결과가시화 처리과정을 수행하여, 최적화된 혼합날개에 대한 결론적 형상이 도출되도록 하였다.
도 5는 종래기술에 따른 유동혼합용 스플릿날개에 대한 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 혼합날개에서 한 개의 날개에 대한 기본 형상을 도시한 개념도이다.
이하, 이상과 같은 방법에 따른 혼합날개의 성능시험방법을 통해, 상용화되어 실제 사용되고 있는, 도 5에 도시한 바와 같은, 종래기술에 따른 혼합날개 중 하나인 스플릿날개(split vane)와, 본 발명에 따라 각각 서로 다른 비틀림각을 갖도록 설계한 본 발명에 따른 혼합날개를 포함하는, 도 2에 도시한 바와 같은 형태를 갖는, 네 종류의 비틀림 혼합날개(NJ15, NJ25, NJ35, NJ45)를 구비한 지지격자체의 성능을 비교한다.
그리고, 표 1에 종래기술에 따른 스플릿날개를 제외한 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 여러 종류의 비틀림 혼합날개에 대한 치수가 수록되어 있다.
표 1 및 도 6에서, α는 굽힘각이고, β는 유로막힘율(blockage ratio), γ는 비틀림각이며, 모든 경우에 유로막힘율은 일정하다.
즉, 상기 네 종류의 비틀림 혼합날개는 비틀림각에 따라 구분되며, 비틀림각의 차이에 따른 유로막힘율의 변동이 발생하지 않도록 폭 및 높이의 차이를 갖도록 형성된다.
여기서, 유로막힘률이란 혼합날개의 유동방향 투영면적을 전체 유동단면적으로 나눈 값으로 정의되며, 기존의 상용화된 혼합날개가 일반적으로 상기 표 1에 나타난 바와 같이 25°의 굽힘각과 17.6%의 유로막힘률을 갖기 때문에 이 값들에 기초하여 본 발명에 따른 혼합날개를 도출시킨 것이다.
그리고, 상기 굽힘각 및 유로막힘률은 각각 통상적으로 절대치의 10%인 ± 2.5도의 굽힘각 오차와 ± 1.76%의 유로막힘률 오차에 대해서는 이하의 해석결과로 얻은 비틀림각의 최적치가 적용되는 것이며, 따라서 각각 22.5°내지 27.5°의 범위에 속하는 굽힘각과, 15.8% 내지 19.4%의 범위에 속하는 유로막힘률을 갖는 경우에도, 이하의 해석결과에 따라 도출되는 비틀림각에 대한 최적치가 적용될 수 있는 것이다.
시험에 사용되는 지지격자체 즉, 병렬로 연속배열되는 다수의 단위격자판(10)으로 이루어지는 가로방향의 격자판(30) 및 세로방향의 격자판(30)을 교차배열하여 구성하는 지지격자체의 높이는 40mm 이고, 핵연료집합체에 다수로 구비되는 지지격자체 사이의 상하간격은 600mm 인 것을 기준으로 한다. 참고로, 상기 상하간격은 혼합날개의 성능에 영향을 미치지 않을 정도로 커서 큰 의미를 가지지는 않음을 밝혀둔다.
그리고, 수력직경(D h )은 11.468mm 이고, 핵연료봉의 직경(D)은 9.5mm 이며, 연료봉 중심 사이의 거리는 12.7mm 이다. 여기서, 수력직경은 4A/P로 정의되는 것으로서 A는 유동단면적이고 P는 단면에서 벽과 접하는 외곽선의 길이이며, 이 용어는 유체역학에서 비원형단면에 대해 통상적으로 쓰는 변수로서 마찰손실의 측면에서 이 단면과 동일한 손실을 가져오는 원형단면의 직경을 말하는 것이다.
그리고, 격자의존성 시험을 통해 해석에 필요한 최적격자수를 324,000개로 결정하였다. 여기서, 상기 격자는 미분방정식을 수치해석을 통해 계산하기 위해서 계산영역을 유한한 작은 영역들로 분할했을 때 분할된 개개의 메쉬(mesh)를 의미한다. 그리고, 격자의존성 시험이란 수치해석을 위한 격자의 수를 점진적으로 늘려가며 격자수가 증가해도 더 이상 해석결과가 변하지 않는 최소 격자수를 찾는 것으로서, 일반적으로 수치해석을 위해 분할한 격자의 수가 적은 경우에 격자의 수와 격자의 분포에 따라 계산결과가 바뀔 수 있으며 계산결과가 달라진다는 것은 수치해석을 통한 해석결과의 신뢰성이 의심된다는 것임에 따라, 이를 원천적으로 방지하기 위해 실시되는 것이다. 상기한 324,000개의 격자수는 위에 언급한 격자의존성 시험을 통해 얻어진 최적의 격자수에 해당하는 것으로서, 더 많은 격자를 사용하는 것도 무방하지만 계산시간이 불필요하게 증가한다는 점을 감안하여 결정된 것이다.
계산에 필요한 난류모델로는 예비계산을 통한 평가에서 계산시간에 비해 결과의 정확성이 우수한 것으로 인정된k-ε모델을 선택한다. 여기서,k-ε모델은 예비계산에서 3가지 난류모델을 사용하여 얻은 각각의 계산결과를 비교해 최적의 모델을 선택한 것이며,k-ε모델은 가장 널리 사용되는 난류모델의 한 종류로서 난류점성계수를 구하기 위해 난류운동에너지k와 난류운동에너지의 소멸률 ε에 관한 방정식을 각각 계산하는 방식의 모델을 말한다.
이상과 같이 정해지는 변수들을 상용코드에 적용하여 해석함으로써, 각각의 혼합날개에 대한 유동특성 및 열전달특성을 계산하게 되는 것이다.
본 발명에 따른 혼합날개의 유동특성 및 열전달특성에 관하여 좀 더 상세히 설명하기 위하여, 다음과 같은 전문용어를 또한 미리 정의한다.
유동혼합에 영향을 미치는 선회영향을 평가하기 위하여 선회계수(swirl factor:S M )를 수학식 1과 같이 정의한다.
여기서, r 은 냉각재 부수로의 중앙으로부터의 거리이고,R S 는 유효선회반경이며,U는 국소 축방향 속도성분이고,V lateral 은 접선방향 속도성분을 나타낸다.
또한, 인접 부수로 사이의 유동혼합에 미치는 횡류의 크기를 평가하기 위하여 횡류계수(cross-flow factor:F CM )를 수학식 2와 같이 정의한다.
여기서, s 는 연료봉간의 간격이고,V cross 는 국소 횡류속도성분이다.
그리고, 마찰로 인한 손실을 평가하기 위하여 마찰계수를 수학식 3과 같이 정의한다.
여기서,ΔP는 구간 내 압력손실이고,L은 구간의 길이이며,D h 는 수력직경이고, ρ는 유체의 밀도이다.
축방향의 난류강도(Tubulence Intensity)는 수학식 4와 같이 정의된다.
마지막으로, 열전달 증진효과를 비교하기 위하여 열유속이 일정할 경우에, 혼합날개의 포함유무에 따른 Nusselt 수 비를 수학식 5와 같이 정의하며, 이 식을 사용하여 다섯가지 형상(NJ15, NJ25, NJ35, NJ45 및 스플릿 날개)의 혼합날개에 대하여 비교한다.
여기서, T 는 온도이고, 하첨자b는 냉각재의 벌크(bulk)온도이며, 하첨자 w 는 연료봉의 표면온도를 나타내고, 하첨자0은 혼합날개가 없는 경우를 나타낸다.
이상과 같이 수학식으로 정의되는 지표들을 통해 유동특성 및 열전달특성과 관련한 특성들은 이하에 설명되는 바와 같이 계산값을 근거로 한 첨부된 여러 그래프들을 참조하면 쉽게 알 수 있게 된다.
도 7은 지지격자체의 하류에 부착되는 혼합날개의 유형별 부수로 선회계수를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프이다. 도 7을 참조하면, NJ15의 경우 선회가 가장 잘 일어나고, 비틀림각이 가장 큰 NJ45의 경우 가장 작게 유발됨을 알 수 있으며, 약 10D h 까지 선회계수가 급격하게 변하다가 그 이후로는 직선적으로 감소함을 알 수 있다.
도 8은 냉각재유동의 횡류계수를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 약 4D h 에서 NJ25, NJ35, NJ45 및 스플릿 날개인 경우 횡류유동발생이 급격하게 저하됨을 알 수 있으며, 약 7 내지 10D h 에서 인접부수로 간의 와류가 소멸되고 발생되는 횡류유동이 최대치에 도달한 다음, 그 이후로는 점차 감소하는 경향을 보임을 알 수 있다. 더불어, 20D h 이후로 스플릿 날개와 NJ15 및 NJ25 는 횡류 발생이 어려움을 알 수 있고, 반대로 NJ45인 경우 횡류유동이 가장 잘 발생되는 것을 알 수 있으며, 이 결과로부터 혼합날개의 비틀림각이 횡류발생에 대하여 효과적임을 알 수 있게 된다.
도 9는 핵연료집합체용 지지격자체의 부수로 내에서 축방향으로의 마찰계수 변화를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 다섯종류의 혼합날개에 대한 마찰계수는 거의 비슷한 경향을 보이고 있으며, 냉각재유동이 지지격자체와 혼합날개를 지나칠 때 급격한 변화를 일으킨다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터, 혼합날개에 의한 유로막힘율이 일정한 경우 그 기하학적 형상이 다르다 하더라도 혼합날개에 대한 마찰계수의 변화는 무시할 수 있는 수준임을 알 수 있다.
도 10은 핵연료집합체용 지지격자체의 부수로 내에서 축방향으로의 난류강도변화를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 난류강도의 변화는 다섯종류의 혼합날개를 구비하는 각각의 지지격자체에서 비슷한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 약 3D h 에서 NJ45 인 경우에 난류강도가 가장 크게 나타나고, 약 5D h 에서 스플릿 날개인 경우에 난류강도가 가장 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 그리고, 약 10D h 이후로는 NJ45 인 경우에 난류강도가 나머지 혼합날개에 비하여 높은 값을 갖는 것을 알 수 있다.
도 11은 핵연료집합체용 지지격자체의 부수로 내에서 축방향으로의 열전달계수의 변화를 다섯가지 유형의 혼합날개를 적용한 각각의 경우에 대하여 비교도시한 그래프이다. 도 11을 참조하면, 20D h 까지 강제혼합에 의한 열전달은 도 7에 도시한 바와 같은 난류강도의 변화와 비슷한 경향으로 나타남을 알 수 있다. 그리고, NJ45가 대부분의 영역에서 가장 높은 열전달계수를 보임을 알 수 있으며, 20D h 이후에서 NJ15, NJ25 및 스플릿 날개는 열전달증진이 어렵다는 것을 또한 도 11을 참조하면 알 수 있고, 더불어 NJ35가 점진적으로 NJ45의 열전달계수에 접근해 간다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 횡류의 발달과정과 비슷하게 나타남을 또한 확인 할 수 있다.
이상과 같은 해석결과에 따르면, 비틀림 혼합날개이 22.5°내지 27.5°범위에 속하는 굽힘각(α)과 15.8% 내지 19.4% 범위에 속하는 유로막힘률을 갖는 가운데, 30°내지 50°범위의 비틀림각(γ)을 구비할 때 향상된 유동특성 및 열전달특성을 보임을 알 수 있으며, 35。 내지 45。 의 각도 범위에 속하는 비틀림각(γ)을구비할 때 더욱 바람직한 특성을 보임을 알 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 냉각재 혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체는, 핵연료집합체에서 핵연료봉들로 둘러싸여 형성되는 부수로 내에서 혼합날개를 지나치는 냉각재의 삼차원 열유동해석을 통해 혼합날개의 형상변화가 열전달계수와 마찰계수에 미치는 영향을 속도와 압력분포, 선회계수 및 횡류계수, 난류강도 등을 통하여 검토함으로써 최적화된 혼합날개를 구비한다. 즉, 지지격자체를 구성하는 각 단위격자판의 상단에서 각각 연장되는 두 개의 혼합날개를 서로 반대방향으로 구부리고 인접 부수로 방향으로 부가적인 비틀림각을 갖도록 형성함으로써 지속적인 횡류혼합을 유발하여 핵연료봉과 냉각재 간의 열전달을 증진시키고, 구비된 비틀림각에 의해 냉각재의 유동이 부드럽게 유도되어 압력손실을 감소시키는 효과를 갖는다.
이상과 같은 효과는, 본 발명의 연구 과정에서 설계한 NJ15, NJ25, NJ35, NJ45 및 상용화된 종래기술에 따른 스플릿 날개를 대상으로 하는, 상기한 삼차원 열유동해석기법을 사용한 성능비교를 통해, 도 11에 도시한 바와 같이, 각각 35。와 45。의 최대 비틀림각을 갖는 본 발명에 따른 NJ35와 NJ45가 종래기술의 혼합날개인 스플릿 날개 보다 우수한 성능을 갖게 되며, 이들을 사용할 경우의 마찰계수는 도 9와 같이 다른 경우와 큰 차이를 나타내지 않아 전반적으로 우수한 성능이 갖게 되고, 도 8에 도시한 바와 같이 비틀림각이 냉각재가 흐르는 부수로 내에서횡류유동을 효과적으로 유발한다는 것을 확인함으로써 입증된다.
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 (5)

  1. 연속되는 다수의 단위격자판으로 이루어지는 다수의 격자판을 종횡으로 교차배열하여, 내부에 핵연료봉을 지지하기 위한 다수의 연료봉셀이 계란판 형태로 형성되는 지지격자체에 있어서,
    상기 각 단위격자판은 그 상단에서 연장되어 격자판의 면을 기준으로 서로 반대방향으로의 굽힘각을 갖는 한 쌍의 냉각재 유동혼합용 혼합날개를 구비하고; 상기 혼합날개는 그 끝단선이 각 단위격자판의 상단에지선과 평행한 기준선에 대하여 비틀림각을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합날개는 22.5°내지 27.5°범위에 속하는 굽힘각 및 15.8% 내지 19.4%의 범위에 속하는 유로막힘율을 구비하며, 30°내지 50°범위의 비틀림각을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 비틀림각은 35° 내지 45° 의 각도 범위에 속하는 것을 특징으로 하는냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체.
  4. 연속되는 다수의 단위격자판으로 이루어지는 다수의 격자판을 종횡으로 교차배열하여, 내부에 핵연료봉을 지지하기 위한 다수의 연료봉셀이 계란판 형태로 형성되는 지지격자체에 있어서,
    상기 각 단위격자판은 그 상단에서 연장되어 격자판의 면을 기준으로 서로 반대방향으로 22.5°내지 27.5°범위에 속하는 굽힘각을 구비하며, 15.8% 내지 19.4%의 범위에 속하는 유로막힘율을 구비하며, 22.5°내지 27.5°범위의 비틀림각을 갖는 한 쌍의 냉각재 유동혼합용 혼합날개를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 비틀림각은 35°내지 45°의 각도 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 냉각재 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체.
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