KR20060015859A

KR20060015859A - 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치

Info

Publication number: KR20060015859A
Application number: KR1020040064238A
Authority: KR
Inventors: 류정수; 조영갑; 윤두병; 박철
Original assignee: 한국원자력연구소
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2006-02-21
Also published as: KR100597727B1

Abstract

본 발명은 원자로용 곡판 핵연료 집합체를 유동관의 내부에서 안정되게 고정하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명은, 곡판 핵연료 집합체를 유동관의 상부에서 정중앙에 위치시키도록 된 상부 고정유닛과, 곡판 핵연료 집합체를 유동관의 하부에서 고정시키도록 된 하부 고정유닛 및, 곡판 핵연료 집합체가 유동관의 내부에서 고정 및 분리가 이루어지도록 하는 장탈착 유닛을 포함하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 원자로용 곡판 핵연료 집합체를 원자로의 노심(reactor core)에 용이하게 장전하고, 원자로의 가동중에는 노심 내부를 순환하는 유입 냉각수의 와류현상를 효과적으로 방지하여 유체유발진동에 의한 상기 핵연료 집합체의 상부 횡방향 진동을 억제하며, 냉각수 유동에 의해 발생할 수 있는 핵연료 집합체의 회전운동을 효과적으로 방지하여 안전한 원자로 가동을 이룰 수 있도록 개선된 효과가 얻어진다.

원자로, 곡판 핵연료 집합체, 핵연료 집합체 고정장치, 원자로의 노심(reactor core), 유동관

Description

원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치{LOCKING DEVICE FOR THE CURVED FUEL ASSEMBLY FOR THE REACTOR}

제 1도는 종래의 기술에 따른 봉형 핵연료 집합체의 고정장치를 도시한 분해도;

제 2도의 a),b)는 종래의 기술에 따른 봉형 핵연료 집합체의 고정장치를 도시한 구성도로서, a)도는 종단면도, b)도는 도 a)의 A-A선 단면도;

제 3도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에서 유동관을 제거한 상태의 외관 사시도;

제 4도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치의 종단면도;

제 5도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 중심 로드의 단면도;

제 6도의 a),b),c)는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 곡판 핵연료 집합체의 구성도로서,

a)도는 평면도, b)도는 외관사시도, c)도는 도b)의 B-B 선 단면도;

제 7도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 상부 고정 유닛과 장탈착 유닛을 도시한 구성도;

제 8도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 상부 가이드 커버를 도시한 외관 사시도;

제 9도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 상부 가이드의 구성도로서,

a)도는 외관 사시도, b)도는 평면도, c)도는 판스프링부 상세도;

제 10도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 하부 고정 유닛을 도시한 구성도;

제 11도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 하부 고정 유닛의 리셉타클을 도시한 구성도로서,

a)도는 부분 절개 사시도, b)도는 종단면도;

제 12도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 하부 가이드의 외관 사시도;

제 13도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 스파이더의 상세도로서,

a)도는 외관도, b)도는 절개 사시도, c)도는 작동 상태도;

제 14도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 중앙 로드 팁을 도시한 외관 사시도;

제 15도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 직선류 유도부재를 도시한 외관 사시도;

제 16도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 장탈착 유닛을 도시한 단면도;

제 17도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 걸쇠 머리의 구성도로서,

a)도는 외관 사시도, b)도는 일부 절개 사시도;

제 18도는 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 갖춰진 스프링 커버의 구성도로서,

a)도는 외관 사시도, b)도는 일부 절개 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1.... 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치

5.... 중심 로드(central rod) 7.... 중심 로드 팁

9.... 칼라 9a.... 칼라 핀

10... 곡판 핵연료 집합체 12.... 곡판 핵연료

14... 지지부재(stiffener) 16.... 간격유지 부재(spacer tube)

30.... 상부 고정유닛 32.... 상부 가이드커버

36.... 연장부 36a.... 오목홈

40.... 상부 가이드 44.... 날개

46.... 절개부 48.... 탄성 판스프링부

50.... 상부 가이드롤러 60.... 하부 고정유닛

62.... 리셉타클(receptacle) 64a.... 직경 축소부

64b...상부 원추면 64c.... 하부 원추면

70.... 하부 가이드 80.... 스파이더

82.... 공간 84.... 고정 홈

90.... 직선류 유도부재 100.... 유동관

120.... 장탈착 유닛 122.... 걸쇠 머리(grapple head)

126.... 스프링 커버 130.... 스프링

200.... 종래의 핵연료 집합체 220... 상부 가이드 스프링

230..... 유동관 232.... 리셉타클(receptacle)

234.... 스프링 236.... 중심 로드 팁

240.... 스파이더(spider) 242.... 홈

본 발명은 원자로용 곡판 핵연료 집합체를 유동관의 내부에서 안정되게 고정하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로용 곡판 핵연료 집합체를 원자로의 노심(reactor core)에 용이하게 장전하고, 원자로의 가동중에는 노심 내부를 순환하는 유입 냉각수의 와류현상를 효과적으로 방지하여 유체유발진동에 의한 상기 핵연료 집합체의 상부 횡방향 진동을 억제하며, 냉각수 유동에 의해 발생할 수 있는 핵연료 집합체의 회전운동을 효과적으로 방지하여 안전한 원자로 가동을 이룰 수 있도록 개선된 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 관한 것이다.

일반적으로 원자로에서 사용되는 핵연료 집합체는 원자로 노심 내부에 설치된 원통형 구조의 유동관(flow tube)내에 장전되는 구조를 갖는 것으로서, 핵연료와, 이를 지지하는 역할을 하는 지지구조체를 갖추며, 상기 핵연료 집합체를 원자로 노심에 장전 및 고정하기 위한 고정장치등을 포함한다.

도 1은 종래기술에 따른 국내 원자로의 핵연료 집합체의 일 예를 도시한 도면으로서, 핵연료 집합체와 유동관이 분리된 상태이다.

도 2의 a),b)는 도 1에 도시된 종래기술에 따른 핵연료 집합체와 유동관이 일체로 결합된 단면도이다.

상기와 같은 핵연료 집합체는 원자로의 운전중, 핵연료에서 열이 중성자와 함께 발생되며, 이러한 열은 냉각수에 의해서 제거되는 바, 상기 냉각수는 냉각펌프(미도시)에 의해서 원자로 노심의 하부로 유입된 후, 노심 내부의 유동관에 장전된 핵연료 집합체를 거쳐 열을 흡수한 다음, 노심상부로 순환 배출되고, 냉각기에서 냉각되어지는 흐름계통을 갖는다.

이와 같이 냉각수에 의해 핵연료 집합체의 열이 제거되는 과정에서, 유동관 내부를 통과하는 냉각수의 유동에 의해서 핵연료 집합체와 유동관에 유체유발진동(fluid induced vibration)이 발생할 가능성이 있다. 이러한 유체유발진동은 원자로의 안정된 가동에 큰 악영향을 준다는 점은 널리 알려진 사실이다.

따라서, 핵연료 집합체의 고정장치가 갖추어야 할 주요 요건은 우선 노심에 핵연료 집합체를 용이하게 장착 및 탈착할 수 있어야 하며, 노심 내부를 순환하는 냉각수 유동에 의해 발생할 수 있는 핵연료 집합체의 원치 않는 운동, 특히 진동 및 회전운동을 방지할 수 있어야 한다는 것이다.

즉, 이러한 핵연료 집합체의 고정장치는 냉각수 유동에 의한 핵연료 집합체의 진동을 최소화할 수 있는 구조로 설계되어야 하며, 구조적으로 건전하여 피로 파괴 또 는 항복에 의한 파괴의 가능성이 없어야 한다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 핵연료 집합체(200)는 봉형 핵연료로 구성되며, 핵연료 집합체(200)의 상부에는 유체유발진동에 의한 핵연료 집합체 상부의 흔들림을 방지하기 위한 선 형태의 상부 가이드 스프링(top guide spring)(220)이 설치되어 있다. 또한, 핵연료 집합체(200)의 하부에는 이를 유동관(230)의 리셉타클(receptacle)(232)에 고정하는데 필요한 스프링(234)과 중심 로드 팁(236)이 설치되어 있다.

따라서, 핵연료 집합체(200)를 유동관(230)의 내부에 장착시에는 도 2b)에 도시된 바와 같이, 핵연료 집합체(200)의 중심 로드 팁(central rod tip)(236)을 유동관(230)의 하부 리셉타클(232)에 마련된 스파이더(spider)(240)의 홈(242)내에 삽입하면, 상기 스프링(234)이 압축되며 그와 동시에 중심 로드 팁(236)을 90° 회전시키면, 상기 중심 로드 팁(236)이 스파이더(240)의 홈(242) 외곽 테두리에 걸려서 상부측으로 빠지지 않고 고정된다.

그리고, 종래의 핵연료 집합체(200) 상부에 설치된 상부 가이드 스프링(220)은 도 2a)에 도시된 바와 같이, 유동관(230)의 상부측 내면에서 탄성적으로 휘어져서 유동관(230)의 중앙에 핵연료 집합체(200)가 정위치하도록 3개소를 지지하고 있다.

상기 상부 가이드 스프링(220)은 선 형태로 이루어진 구조이고, 이는 핵연료 집합체(200)를 유동관(230)에 장전시, 그 탄성력에 의해서 유동관(230)의 내주면에 점접촉을 하므로 원자로의 가동중에는 상부 가이드 스프링(220)과 유동관(230)의 접촉 부분에서 마찰에 의한 마모가 발생할 가능성이 크다는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 핵연료 집합체(200)를 고정하기 위한 하부 고정기구는 단순히 중심 로드 팁(236)을 스파이더(240)의 홈(242)에 끼워 스프링(234)으로 탄력 지지하는 형태만을 갖춤으로써 냉각수의 유동에 의해 핵연료 집합체(200)가 유동관(230)의 내부에서 원주방향으로 회전운동을 하는 것을 효과적으로 방지할 수 없다는 문제점이 있었다.

그리고, 상기와 같은 종래의 하부 고정기구에서는 유입 냉각수의 와류(turbulant flow)현상를 효과적으로 차단할 방안이 고안되어 있지 않음으로서 핵연료 집합체(200)에 유체유발진동을 유발하는 단점이 있고, 원자로의 가동을 불안정하게 하는 문제점을 갖는 것이었다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 원자로용 곡판 핵연료 집합체를 노심에 안전하게 고정하고, 노심 내부를 순환하는 냉각수에 의해서 발생하는 유체유발진동에 의한 핵연료 집합체 상부의 횡방향 진동을 억제하며, 유동관의 내부에서 흐르는 냉각수의 와류 유동을 효과적으로 방지시킴으로써 핵연료 집합체의 회전운동을 방지하여 안정된 원자로의 가동을 이룰 수 있도록 개선된 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 핵연료 집합체가 유동관의 중앙에 위치하도록 안정적으로 지지하되, 유동관의 상부 내면에서 마모가 일어나지 않아서 항상 정확한 상태로 핵연료 집합체를 지지하고, 부속품의 손상을 방지하도록 된 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치를 제공함에도 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 원자로용 곡판 핵연료를 유동관의 내측에 고정하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 있어서,

상기 곡판 핵연료 집합체의 상부측에 고정되는 다수개의 상부 가이드 날개들이 상기 유동관의 내면에 지지되어 탄성 판스프링 역할을 수행하고, 상기 곡판 핵연료 집합체를 유동관의 정중앙에 위치시키도록 된 상부 고정유닛;

상기 곡판 핵연료 집합체의 하부측에 고정되어 유동관에 끼워지는 하부 가이드가 판형상의 다수의 날개를 갖추어 상기 곡판 핵연료 집합체의 원주방향 회전에 대해 회전저항을 부여하고, 상기 하부 가이드의 하부측에 위치한 스파이더가 상기 곡판 핵연료 집합체의 중심 로드 팁을 끼워 고정하는 하부 고정유닛; 및

상기 곡판 핵연료 집합체의 중심 로드 상부에 끼워지고, 상기 중심 로드 팁이 스파이더의 홈에 끼워 고정되도록 하는 탄성 복원력을 부여하는 스프링을 구비하여 상기 곡판 핵연료 집합체가 유동관의 내부에서 고정 및 분리가 이루어지도록 하는 장탈착 유닛;을 포함하여 원자로의 가동시에 핵연료 집합체의 진동 및 회전운동을 방지하고, 부품의 손상을 방지하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고정장치가 적용된 곡판 핵연료 집합체의 구성도이고, 도 4는 곡판 핵연료 집합체가 유동관의 내측에 장착된 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치(1)는 곡판 핵연료 집합체(10)의 상부측에 상부 고정유닛(30)을 구비하여 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내부에 장착되는 경우, 유동관(100)의 정중앙에 위치시키도록 된다.

그리고, 본 발명은 곡판 핵연료 집합체(10)의 하부측에 하부 고정유닛(60)을 구비하여 유동관(100)의 하부 내측에서 곡판 핵연료 집합체(10)를 고정시킬 뿐만 아니라, 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 냉각수에 의해서 원주방향으로의 회전에 대해 회전저항을 부여하도록 된다.

또한, 본 발명은 상기 곡판 핵연료 집합체(10)의 중심 로드(5) 상단에 스프링(130)을 구비하여 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내부에서 장탈착이 이루어지도록 하는 구조이다.

상기에서 곡판 핵연료 집합체(10)는 도 5에 도시된 바와 같은 중심 로드(central rod)(5)와, 도 6에 도시된 바와 같은 곡판 핵연료(12), 지지부재(stiffener)(14) 및, 간격유지 부재(spacer tube)(16)등을 포함한다.

상기 곡판 핵연료 집합체(10)는, 긴 막대형의 중심 로드(5)를 갖고, 상기 중심 로드(5)의 상단은 숫나사부(5a)를 형성하며, 하단은 양측으로 돌기(7a)를 형성한 중심 로드 팁(7)을 형성한다. 그리고, 상기 중심 로드 팁(7)의 상부측으로는, 직경이 크게 형성된 칼라(collar)(9)가 칼라 핀(9a)에 의해서 고정된다.

그리고, 상기 중심 로드(5)에는 도 6에 도시한 바와 같은 곡판 핵연료(12)가 끼워지는 바, 상기 곡판 핵연료(12)는 곡률 반경이 다른 6개의 곡판(curved plate)으로 구성된 핵연료를 사용하며, 각각의 곡판 핵연료(12)는 120° 간격으로 배치된 3개의 지지부재(14)에 의하여 고정된다. 상기 지지부재(14)들은 도 6c)에 도시된 바와 같이, 곡판 핵연료(12)의 길이를 따라서 길게 연장하여 지지하는 구조이다.

이와 같은 곡판 핵연료(12)들 사이 공간(P)에는 핵연료(12)에서 발생하는 열을 제거하는 냉각수가 흐르게 된다. 상기 지지부재(14)는 곡판 핵연료 집합체(10)의 중앙에 위치된 원기둥형의 간격유지 부재(16)에 끼워져서 연결되어 있다. 또한, 상기 간격유지 부재(16)는 그 중앙에 구멍(16a)을 형성하여 상기 중심 로드(5)가 구멍(16a)으로 끼워지는 경우, 대략 반경 0.1mm 공차로 끼워져서 핵연료 집합체(10)를 지지할 수 있도록 구성된다.

이와 같이 이루어진 곡판 핵연료 집합체(10)는 유동관(100)의 내부에 끼워지는 경우 상부 고정유닛(30)을 통하여 정중앙에 위치하여 고정된다.

도 7에는 상부 고정유닛(30)과 장탈착 유닛(120)이 도시되어 있다.

상기 상부 고정유닛(30)은 상부 가이드커버(32), 상부 가이드(40) 및 상부 가이드롤러(50)들을 포함한다.

핵연료 집합체(10)가 노심(reactor core)에 장전된 상태에서 냉각수가 핵연료 집합체(10)의 내부, 즉 곡판 핵연료(12)의 사이사이 공간(P)을 흐르게 되면 유체유발진동에 의하여 핵연료 집합체(10)가 진동하게 된다. 따라서 곡판 핵연료 집합체(10)의 상부 고정유닛(30)에는 이를 효과적으로 방지하는 기능이 있어야 한다.

따라서, 본 발명에서 구비된 상부 고정유닛(30)은 중심 로드(5)의 상부측에, 그리고 이후에 설명되어지는 장탈착 유닛(120)의 하부측에 상부 가이드커버(32)를 구비 하며, 이는 도 8에 도시된 바와 같이, 중심 로드(5)에 결합되기 위하여 중앙에 구멍(34)을 형성하고, 상기 핵연료 집합체(10)의 지지부재(14)와 동일하게 곡판 핵연료(12)의 원주방향으로 120° 간격으로 배치된 연장부(36)들을 갖는 구조이다.

상기 상부 가이드커버(32)는 상기 이후에 설명되어지는 장탈착 유닛(120)의 스프링(130)의 하단을 지지하는 역할을 하며, 이를 위하여 상기 중심 로드(5)가 관통하는 구멍(34)보다 직경이 확대된 안착홈(34a)을 상부면에 형성한다. 또한, 상기 연장부(36)의 하부에는 각각 3개의 오목홈(36a)이 설치되어, 그 하부측에 위치하는 상부 가이드(40)의 상단 모서리(42)가 끼워 결합됨으로써 진동에 의해 상부 가이드(40)의 탄성 판스프링부(48)가 움직이는 경우, 유동관(100)의 반경방향으로 안내하는 역할을 하게 된다.

한편, 상부 가이드(40)는 도 9에 도시된 바와 같이, 곡판 핵연료(12)의 원주방향으로 120° 간격으로 배치된 날개(44)들을 포함하고, 상기 날개(44)들에는 각각 절개부(46)를 형성하여 각각 탄성 판스프링부(48)를 형성하며, 이러한 탄성 판스프링부(48)들이 제작 공차와 진동 에너지를 흡수할 수 있도록 구성되어 있다.

그리고, 각각의 탄성 판스프링부(48)의 상단에는 상부 가이드롤러(50)들이 회전가능하도록 장착되어 있으며, 상부 가이드롤러(50)는 유동관(100)의 내측에 핵연료 집합체(10)의 장전시, 유동관(100)의 내면에 대해 3방향에서 접촉하여 지지함으로써 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 정중앙에 위치되도록 하고, 유동관(100)의 내면과 핵연료 집합체(10)의 외면이 직접적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다.

이러한 상부 가이드롤러(50)는 유동관(100)의 내주면에 접촉하여 상하로 이동하는 경우, 유동관(100)의 내주면과의 사이에서 구름 접촉을 하게 됨으로써 마찰 또는 마모를 없게 하여 유동관(100) 또는 상부 가이드(40)의 파손이 없도록 한다.

또한, 상기 상부 가이드(40)의 날개(44)들은 도 9a)에서 도시된 바와 같이, 그 하단 모서리에 각각 오목홈(44a)들을 형성하며, 상기 곡판 핵연료(12)를 지지하는 지지부재(14)의 상단 모서리가 각각 대응하여 그 내측으로 끼워지도록 되어 있다.

도 10에는 본 발명의 실시예에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치(1)에서 핵연료 집합체(10)의 하부를 고정하기 위한 하부 고정유닛(60)이 도시되어 있다.

상기 하부 고정유닛(60)은 유동관(100)의 하부 내측으로 끼워지는 원통형 구조의 리셉타클(receptacle)(62), 그 내측에 끼워지는 하부 가이드(bottom guide)(70), 스파이더(80), 직선류 유도부재(90)등을 포함하고, 중심 로드(5)의 하단을 형성하는 중심 로드 팁(7)이 끼워지는 구조이며, 상기 구성요소들의 구조 및 기능은 다음과 같다.

상기 리셉타클(62)은 도 11a),b)에 도시된 바와 같이, 원통형의 구조를 갖추어 상기 유동관(100)의 하부 내측에 끼워 결합되거나, 또는 도 10에서와 같이, 그 하단에 직접 용접등으로 연결되는 구조이다. 이러한 리셉타클(62)은 그 내면에 직경 축소부(64a)를 갖추고, 그 상,하부측으로는 상기 직경 축소부(64a)를 향하여 경사진 상부 원추면(64b)과 하부 원추면(64c)을 갖는다.

그리고, 상기 상부 원추면(64b)에는 이후에 설명되어지는 하부 가이드(70)가 삽입 되는 오목홈(66)들이 각각 형성되고, 직경 축소부(64a)에는 중심 로드 팁(7)을 고정하는 스파이더(80)가 배치되며, 상기 스파이더(80)의 하방으로 하부 원추면(64c)에는 직선류 유도부재(90)가 배치되는 구조이다.

또한, 상기 리셉타클(62)의 내측에 끼워 고정되는 하부 가이드(70)는 도 12에 도시된 바와 같이, 그 중앙에는 중심 로드(5)가 관통하여 끼워지는 구멍(72)이 형성되고, 곡판 핵연료(12)를 지지하는 지지부재(14)의 방향과 일치하는 120° 간격으로 배치된 3개의 날개(74)들을 갖도록 설계되어 있다.

또한, 상기 하부 가이드(70)의 날개(74)는 그 상부면에 각각 오목홈(74a)들을 형성하고, 이들 오목홈(74a)에는 도 4에서 상세도로 도시된 바와 같이, 지지부재(14)의 하단 모서리가 대응하여 끼워지는 구조이다. 그리고, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 하부 가이드(70)의 날개(74)는 그 중간 외측 모서리가 리셉타클(62)의 상부 원추면(64b)에 형성된 3개의 오목홈(66)에 끼워지는 형태로 되어 있어, 냉각수 유동에 의해 상기 하부 가이드(70) 및 이에 연결된 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내부에서 원주방향으로 회전하는 것을 방지하도록 설계되어 있다.

그리고, 상기 하부 가이드(70)는 3개의 날개(74) 하단 모서리보다 그 길이가 짧게 형성된 오목 단턱(78)을 형성하는 바, 이는 상기 하부 가이드(70)를 관통하여 하단으로 연장되는 중심 로드(5)에 고정되는 칼라(9)가 위치되는 공간이다.

그리고, 상기 리셉타클(62)은 핵연료 집합체(10)를 장전할 수 있도록 그 내측에 스파이더(spider)(80)를 구비하는 바, 상기 스파이더(80)는 도 13에 도시된 바와 같이, 중앙에는 상기 중심 로드(5)의 하단 중심 로드 팁(7)이 관통하여 끼워지는 공 간(82)이 형성되고, 상기 공간(82)의 내측에는 중심 로드 팁(7)의 양측 돌기(7a)가 삽입되어 회전되면, 걸려서 상부로의 인출이 방지되는 고정 홈(84)이 형성된다.

이러한 스파이더(80)는 3개의 날개(86)가 핵연료 집합체(10)의 장전시 하부 가이드(70)의 날개(74)와 같은 방향으로 정렬되며, 각각의 날개(86)들은 리셉타클(62)의 안쪽에 용접으로 고정된다.

이러한 스파이더(80)는 그 날개(86)들이 각각 하부 가이드(70)의 3개의 날개(74)들에 일치하여 밀착하도록, 즉 하부 가이드(70)의 날개(74)들 하단 모서리에 연이어서 스파이더(80)의 날개(86)들의 상단 모서리들이 밀착하도록 리셉타클(62)에 용접등으로 연결되어진다.

한편, 상기와 같은 스파이더(80)에 결합되어지는 중심 로드 팁(7)은 도 14에 도시된 바와 같이, 그 양측으로 돌기(7a)들이 형성되며, 이 돌기(7a)들이 스파이더(80)의 고정 홈(84)에 삽입 및 고정됨으로써, 상기 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내측에 장착되는 경우, 이를 축방향으로 고정하도록 되어 있다.

그리고, 상기 하부 고정유닛(60)은 상기 스파이더(80)의 하부측에 직선류 유도부재(90)를 구비하는 바, 이는 유동관(100)의 하단으로 부터 유입하여 곡판 핵연료(12)들의 사이 공간(P)으로 흐르는 냉각수에 직진성을 부여하기 위한 것으로서, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 스파이더(80)의 날개(86)에 일치하는 3개의 날개(92)들을 갖추고, 그 날개들은 리셉타클(62)의 하부 원추면(64c)에 그 외측 모서리들이 용접등으로 일체로 연결되어 있다(도 11b 참조).

이와 같이 상기 직선류 유도부재(90)의 날개(92) 방향은 스파이더(80)의 3개 날개 (86)와 일치하도록 구성됨으로써 상기 직선류 유도부재(90)는 냉각수에 직진성을 부여하여 곡판 핵연료(12)의 입구에서 발생할 수 있는 냉각수의 원주방향으로의 유속 불균일을 개선하고 유체유발진동을 줄이는 역할을 하는 것이다.

그리고, 본 발명은 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내부에서 고정 및 분리가 이루어지도록 하는 장탈착 유닛(120)을 구비한다.

상기 장탈착 유닛(120)은 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 끼워지는 중심 로드(5)의 상부에 위치되는 걸쇠 머리(122), 스프링 커버(126) 및, 스프링(130)등을 포함한다.

그리고, 상기 장탈착 유닛(120)은 중심 로드(5)에 스프링(130) 및 스프링 커버(126)를 끼운 상태에서 걸쇠 머리(122)를 중심 로드(5)의 상단에 나사결합시킨 다음, 점 용접(spot welding)등으로 일체로 고정한 구조이다.

상기 장탈착 유닛(120)에 갖춰진 걸쇠 머리(122)는 핵연료 집합체(10)를 노심에 장전 및 탈착하기 위한 것으로, 핵연료 장전기구(미도시)를 사용하여 상기 걸쇠 머리(122)를 잡은 후 핵연료 집합체(10)를 상하로 이동시키거나 회전시킬 수 있도록 되어 있다. 이는 도 17a),b)에 도시된 바와 같이, 내부에는 핵연료 장전기구(미도시)와의 연결을 위한 장착 홈(124a)이 형성되고, 중심 로드(5)의 상단 숫나사부(5a)에 나사결합하기 위한 암나사부(124b)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 걸쇠 머리(122)의 하부측에 위치되는 스프링 커버(126)는 도 18에 도시된 바와 같이, 그 내부에 스프링(130)이 설치되는 공간(128)을 형성하며, 도 16에서와 같이 중심 로드(5)에 끼워져서 스프링(130)의 상단을 지지한다.

또한, 상기 스프링(130)은 그 상단이 스프링 커버(126)의 공간(128)에 의해, 그 하단은 상부 가이드커버(32)의 안착홈(34a)에 의하여 고정되며, 상기 핵연료 집합체(10)의 중심 로드 팁(7)을 스파이더(80)에 삽입하여 하방으로 누르면, 상기 스프링(130)이 압축되며, 그 상태에서 중심 로드 팁(7)을 90° 회전시키면, 중심 로드 팁(7)이 스파이더(80)의 고정 홈(84)에 걸려진다.

이때, 스프링(130)은 그 탄성 복원력에 의해서 걸쇠 머리(122)에 대해 상부 가이드커버(32)를 하향으로 밀게 되고, 이는 상부 가이드(40)를 통해 중심 로드(5)에 끼워진 상기 핵연료 집합체(10)를 하향으로 밀어서 하부 가이드(70)가 유동관(100)에 결합된 리셉타클(62)에 의해 지지되도록 함으로써 핵연료 집합체(10)가 그 축방향으로 움직이지 않고, 축방향으로의 운동 또는 진동을 완충하고 방지하도록 되는 것이다.

미설명 부호 (150)은 유동관(100)을 원자로의 노심에 고정하기 위한 체결수단들이며, 나사 체결로 변경할 수 있는 부분이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치(1)는 유동관(100)의 내부에 핵연료 집합체(10)를 장착하고자 하는 경우, 아래의 순서를 통하여 이룰 수 있다.

먼저, 핵연료 집합체에 대한 조립과정으로서 도 5에 도시된 바와 같은 중심 로드(5)상에 상부로 부터 하부 가이드(70)를 끼우면, 상기 하부 가이드(70)는 그 하단이 중심 로드(5)에 고정된 칼라(9)에 의해서 지지된다. 그리고, 그 상부측으로 핵연료 집합체(10)의 간격유지 부재(16)를 끼우게 되며, 그 상부측으로 상부 가이드 (40)를 끼우고, 상부 가이드커버(32)를 끼워 상부 고정유닛(30)을 결합시킨다.

그리고, 그 상부측으로 중심 로드(5)에 스프링(130)과 스프링 커버(126)들을 끼우고, 걸쇠 머리(122)를 중심 로드(5)의 상단에 고정시킨다.

이와 같은 상태에서 핵연료 장전기구(미도시)를 사용하여 상기 걸쇠 머리(122)를 잡은 후, 유동관(100)의 내측으로 삽입하고, 하부 가이드(70)의 외측 모서리들이 리셉타클(62)의 오목홈(66)들에 결합하도록 끼운 다음, 상기 핵연료 집합체(10)의 중심 로드 팁(7)을 스파이더(80)에 삽입하여 하방으로 누르면, 상기 스프링(130)이 압축되며, 그 상태에서 중심 로드 팁(7)을 고정홈(84)내에서 90° 회전시키면, 중심 로드 팁(7)이 스파이더(80)의 고정 홈(84)에 걸려진다.

이러한 과정에서 스파이더(80)와 직선류 유도부재(90)는 리셉타클(62)에 각각 용접등으로 고정된 상태이기 때문에 별도의 조립이 불필요하다.

상기와 같이 본 발명에 따른 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치(1)는 상부 고정유닛(30)에 마련된 상부 가이드(40)의 날개 3개 모두가 탄성 판스프링 역할을 수행하여 안정적으로 핵연료 집합체 상부의 횡방향 흔들림 및 진동을 억제할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 상부 가이드롤러(50)들은 유동관(100)의 내부에서 그 축방향으로 변위가 발생되어도 유동관(100)의 내면에 대해 점접촉이 아닌 구름 접촉을 하므로 마찰 또는 마모가 최소화되어 부품의 손상 또는 파손을 방지한다.

또한, 본 발명은 하부 고정유닛(60)에서 하부 가이드(70)의 날개를 3개로 하고 리셉타클(62)의 오목홈도 3개로 하여 맞물리도록 함으로써 유동관(100)의 하단으로 부터 내측으로 유입되어지는 냉각수의 유체유발진동에 기인한 상기 핵연료 집합체(10)의 축방향 회전운동을 효과적으로 방지하도록 되어 있다.

그리고, 하부 고정유닛(60)에서 스파이더(80) 날개를 3개로 하면서 동시에 이에 일치하도록 직선류 유도부재(90)의 날개를 3개로 구성하여 유체유발진동의 주요한 원인인 와류를 억제할 수 있고, 직선류(laminar flow)를 효과적으로 유입시킬 수 있는 것이다.

또한, 상기 핵연료 집합체(10)의 상부측에 장탈착 유닛(120)을 배치하고, 그 내부에 갖춰진 스프링(130)을 통하여 상기 핵연료 집합체(10)를 하부 고정유닛(60)의 리셉타클(62)에 고정할 수 있도록 하여 상기 핵연료 집합체(10)의 축방향 진동을 효과적으로 완충하고, 억제할 수 있는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위에 속한다 할 것이다. 특히, 구성 부품의 재질, 단순한 형상 및 치수 변경등은 모두 본원 발명의 권리범위내에 포함되는 것은 명백한 것이다.

상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 원자로용 곡판 핵연료 집합체를 노심에 안전하게 고정하고, 노심 내부를 순환하는 냉각수에 의해서 발생하는 유체유발진동에 의한 핵연료 집합체 상부의 횡방향 진동을 효과적으로 억제할 수 있다.

그리고, 유동관의 내부에서 흐르는 냉각수의 와류 유동을 효과적으로 방지시킴으로써 핵연료 집합체의 회전운동을 방지하여 안정된 원자로의 가동을 이룰 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 핵연료 집합체가 유동관의 중앙에 위치하도록 안정적으로 지지하고, 유동관의 상부 내면에서 마모가 최소화되도록 함으로써 항상 정확한 위치에서 핵연료 집합체를 지지하고, 부속품의 손상을 방지하도록 된 효과가 얻어지는 것이다.

Claims

원자로용 곡판 핵연료(12)를 유동관(100)의 내측에 고정하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치에 있어서,

상기 곡판 핵연료 집합체(10)의 상부측에 고정되는 다수개의 상부 가이드(40)의 날개들이 상기 유동관(100)의 내면에 지지되어 탄성 판스프링 역할을 수행하고, 상기 곡판 핵연료 집합체(10)를 유동관(100)의 정중앙에 위치시키도록 된 상부 고정유닛(30);

상기 곡판 핵연료 집합체(10)의 하부측에 고정되어 유동관(100)에 끼워지는 하부 가이드(70)가 판형상의 다수개의 날개를 갖추어 상기 곡판 핵연료 집합체(10)의 원주방향 회전에 대해 회전저항을 부여하고, 상기 하부 가이드(70)의 하부측에 위치한 스파이더(80)가 상기 곡판 핵연료 집합체(10)의 중심 로드 팁(7)을 끼워 고정하는 하부 고정유닛(60); 및

상기 곡판 핵연료 집합체(10)의 중심 로드(5) 상부에 끼워지고, 상기 중심 로드 팁(7)이 스파이더(80)의 홈에 끼워 고정되도록 하는 탄성 복원력을 부여하는 스프링(130)을 구비하여 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내부에서 고정 및 분리가 이루어지도록 하는 장탈착 유닛(120);을 포함하여 원자로의 가동시에 핵연료 집합체의 진동 및 회전운동을 방지하고, 부품의 손상을 방지하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제1항에 있어서, 상기 상부 고정유닛(30)은 중심 로드(5)의 상부측에, 그리고 상기 장탈착 유닛(120)의 하부측에 상부 가이드커버(32)를 구비하며;

상기 상부 가이드커버(32)의 하부측에는 다수의 탄성 판스프링부(48)를 형성하는 상부 가이드(40)가 배치되며; 그리고,

상기 각각의 탄성 판스프링부(48)의 상단에는 상부 가이드롤러(50)들이 회전가능하도록 장착되어 유동관(100)의 내주면과의 사이에서 구름 접촉을 하게 됨으로써 마찰 또는 마모가 발생하지 않도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제2항에 있어서, 상기 상부 가이드커버(32)는 중심 로드(5)가 관통하는 구멍(34)보다 직경이 확대된 안착홈(34a)을 상부면에 형성하여 상기 장탈착 유닛(120)의 스프링(130)의 하단을 지지하고, 연장부(36)의 하부에는 각각 3개의 오목홈(36a)이 설치되어, 그 하부측에 위치하는 상부 가이드(40)의 상단 모서리(42)가 끼워 결합됨으로써 진동에 의해 상부 가이드(40)의 날개가 움직이는 경우, 유동관(100)의 반경방향으로 안내하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제2항에 있어서, 상기 상부 가이드(40)는 곡판 핵연료(12)의 원주방향으로 120° 간격으로 배치된 날개(44)들을 포함하고, 상기 날개(44)들에는 각각 절개부(46)를 형성하여 각각 탄성 판스프링부(48)를 형성함으로써 제작 공차와 진동 에너지를 흡 수할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 상부 가이드커버(32)의 연장부(36)와 상기 상부 가이드(40)의 날개(44)들은 서로 일치하여 결합하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제4항에 있어서, 상기 상부 가이드(40)의 날개(44)들은 그 하단 모서리에 각각 오목홈(44a)들을 형성하며, 곡판 핵연료(12)를 지지하는 지지부재(14)의 상단 모서리가 각각 대응하여 그 내측으로 끼워지도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제1항에 있어서, 상기 하부 고정유닛(60)은 유동관(100)의 하부 내측으로 끼워지는 원통형 구조의 리셉타클(receptacle)(62);

그 내측에 끼워지는 하부 가이드(bottom guide)(70);

그 하부측의 스파이더(80); 그리고,

그 하부측의 직선류 유도부재(90);등을 포함하고,

상기 중심 로드(5)의 하단을 형성하는 중심 로드 팁(7)이 스파이더(80)의 고정 홈(84)에 끼워지도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제7항에 있어서, 상기 리셉타클(62)은 상기 유동관(100)의 하부 내측에 끼워 결합되거나, 그 하단에 직접 용접등으로 연결되는 구조이고;

그 내면에 직경 축소부(64a)를 갖추고, 그 상,하부측으로는 상기 직경 축소부(64a)를 향하여 경사진 상부 원추면(64b)과 하부 원추면(64c)을 형성하며;

상기 상부 원추면(64b)에는 하부 가이드(70)가 삽입되는 오목홈(66)들이 각각 형성되고;

상기 직경 축소부(64a)에는 중심 로드 팁(7)을 고정하는 스파이더(80)가 배치되며; 그리고,

상기 스파이더(80)의 하방 하부 원추면(64c)에는 직선류 유도부재(90)가 배치되는 구조임을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제7항에 있어서, 상기 하부 가이드(70)는 그 중앙에 중심 로드(5)가 관통하여 끼워지는 구멍(72)이 형성되고;

상기 곡판 핵연료(12)를 지지하는 지지부재(14)의 방향과 일치하는 120°간격으로 배치된 3개의 날개(74)들을 갖추며;

상기 날개(74)는 그 상부면에 각각 오목홈(74a)들을 형성하여 곡판 핵연료(12)의 지지부재(14)의 하단 모서리가 대응하여 끼워지고; 그리고

상기 하부 가이드(70)의 날개(74)는 그 중간 외측 모서리가 리셉타클(62)의 상부 원추면(64b)에 형성된 3개의 오목홈(66)에 끼워져서 냉각수 유동에 의해 핵연료 집합체(10)가 유동관(100)의 내부에서 원주방향으로 회전하는 것을 방지하도록 구성 됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제7항에 있어서, 상기 스파이더(80)는 그 중앙에 상기 중심 로드(5)의 하단 중심 로드 팁(7)이 관통하여 끼워지는 공간(82)이 형성되고;

상기 공간(82)의 내측에는 중심 로드 팁(7)의 양측 돌기(7a)가 삽입되어 회전되면, 걸려서 상부로의 인출이 방지되는 고정 홈(84)이 형성되며; 그리고,

3개의 날개(86)들은 상기 리셉타클(62)의 안쪽에 용접으로 고정되는 구성임을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제1항에 있어서, 상기 하부 고정유닛(60)은 상기 스파이더(80)의 하부측에 직선류 유도부재(90)를 추가 포함하여 상기 유동관(100)의 하단으로 부터 유입하여 곡판 핵연료(12)들의 사이 공간(P)으로 흐르는 냉각수에 직진성을 부여하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제11항에 있어서, 상기 직선류 유도부재(90)는 상기 스파이더(80)의 날개(86)에 일치하는 날개(92)들을 갖추고, 그 날개들은 리셉타클(62)의 하부 원추면(64c)에 그 외측 모서리들이 용접등으로 일체로 연결되며; 그리고

상기 직선류 유도부재(90)의 날개(92) 방향은 스파이더(80)의 3개 날개(86)와 일치하도록 구성되어 상기 곡판 핵연료(12)의 입구에서 발생할 수 있는 냉각수의 원주방향으로의 유속 불균일을 개선하고 유체유발진동을 줄이도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제1항에 있어서, 상기 장탈착 유닛(120)은 상기 곡판 핵연료 집합체(10)가 끼워지는 중심 로드(5)의 상부에 위치되는 걸쇠 머리(122);

상기 걸쇠 머리(122)의 하부측에 위치된 스프링 커버(126); 및,

상기 스프링 커버(126)내에서 상단이 지지되고, 그 하단은 상기 상부 가이드커버(32)의 내측에서 지지되는 스프링(130); 등을 포함하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.
제13항에 있어서, 상기 스프링(130)은 상기 핵연료 집합체(10)의 중심 로드 팁(7)을 스파이더(80)에 삽입하여 하방으로 누르면 압축되며, 그 상태에서 중심 로드 팁(7)을 90° 회전시키면, 중심 로드 팁(7)이 스파이더(80)의 고정 홈(84)에 걸려지고; 그리고

상기 스프링(130)은 압축상태의 그 탄성 복원력에 의해서 걸쇠 머리(122)에 대해 상부 가이드커버(32)를 하향으로 밀게 되고, 상부 가이드(40)를 통해 중심 로드(5)에 끼워진 상기 핵연료 집합체(10)를 하향으로 밀어서 하부 가이드(70)가 유동관(100)에 결합된 리셉타클(62)에 의해 지지되도록 함으로써 핵연료 집합체(10)가 그 축방향으로 움직이지 않고, 축방향으로의 운동 또는 진동을 완충하고 방지하도록 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 곡판 핵연료 집합체의 고정장치.