KR20060087587A - 가압경수형 원자로용 핵연료다발 및 이러한 형태의핵연료다발들로 구성된 가압경수형 원자로의 코어 - Google Patents

가압경수형 원자로용 핵연료다발 및 이러한 형태의핵연료다발들로 구성된 가압경수형 원자로의 코어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압경수형 원자로용 연료 부재(4)에 관한 것이다. 축방향으로 연장되는 다수의 연료봉(10)은 서로 간격을 두고 배열되며 그리드형상인 다수의 사각 스페이서(12)로 유도된다. 사각 스페이서의 에지는 4개의 에지 웨브 부품(14a,b)에 의해 각각 형성된다. 적어도 하나의 스페이서(12)는 서로 상이하며 축방향을 기준으로 횡방향으로 상기 스페이서(12)의 평면상의 연료 부재(4)에 냉각수(K)를 흘려보내는 역할을 하는 힘(F)을 발생시키는데 사용되는 적어도 2개의 에지 웨브 부품(14a,b)을 포함한다. 결과적으로, 상기 연료 부재를 포함하는 코어(5)의 규칙적이고 예정된 변형이 이루어지며 상기 구성이 고려된다.

Description

가압경수형 원자로용 핵연료다발 및 이러한 형태의 핵연료다발들로 구성된 가압경수형 원자로의 코어 {FUEL ELEMENT FOR A PRESSURISED WATER NUCLEAR REACTOR AND CORE OF A PRESSURISED WATER NUCLEAR REACTOR MADE OF SAID FUEL ELEMENT}
본 발명은 가압경수형 원자로용 핵연료다발(fuel assembly) 및 이러한 형태의 핵연료다발을 사용하여 구성된 가압경수형 원자로 코어에 관한 것이다.
사용 기간에 걸쳐 가압 경수형 원자로의 핵연료다발들이 코어 내에서 이들의 위치에 따라 구부러져, 규칙적(systematic) 굽은 패턴이 전체 코어에 대해 형성될 수 있다는 것이 다양한 검사 결과로부터 공지되어 있다. 이러한 구부러짐은, 예를 들어, 방사선 조사에 의해 유도된 연료봉(fuel rod) 클래딩 튜브 또는 제어봉 가이드 튜브의 길이 증가 또는 열팽창시 이방성을 야기시키는 원인이 될 수 있다. 그러나 이러한 구부러짐에 대한 주요 원인은 특히 유동하는 냉각수 및 연료 어셈블리 사이의 상호 작용 및 코어 안팎으로의 냉각수 흐름의 불균일성으로 가정된다. 이러한 규칙적 구부러짐은 각각의 핵연료다발들 사이 또는 코어 및 핵연료안내구조물(core shroud)의 에지에 위치된 핵연료다발들 사이에서 코어내의 일정 포인트(다수가 공지되지 않음)에서 보다 큰 갭들을 형성하며, 상기 갭들은 감속재(Moderator) 로서 냉각제를 흘려보내는데 사용된다. 바람직하지 못한 환경에서, 이는 설계 제한에 영향을 미친다. 증가된 크기의 갭이 있는 이들 위치가 알려진다면, 이들 위치에서보다 낮은 전력 또는 첨가물(enrichment)로 핵연료다발 또는 연료봉을 신중히 사용함으로써, 감속 증가를 보상할 수 있다.
본 발명은 구부러짐이 발생하더라도 최적의 코어 설계가 허용되는 핵연료다발을 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 형태의 핵연료다발로 구성된 최적의 코어를 구체화시키는 것을 기초로 한다.
본 발명에 따라, 제 1 목적은 특허 청구항 제 1 항의 특징부를 갖는 핵연료다발에 의해 달성된다. 가압경수형 원자로에 대한 이러한 형태의 핵연료다발에서, 축방향으로 연장되는 다양한 연료봉이 서로 이격되고 각각의 경우에 4개의 에지 웨브에 의해 형성된 에지가 있는 다수의 그리드형 사각 스페이서로 유도되며, 적어도 하나의 스페이서는 상기 축방향에 대해 횡방향으로 상기 스페이서의 평면에서 핵연료다발상에 냉각수를 흘려보내는 역할을 하는 힘을 발생시키는 상이하게 설계된 적어도 2개의 웨브를 포함한다.
이러한 방식으로 설계되는 핵연료다발의 결과로서, 각각의 인접한 핵연료다발들의 에지 웨브들 사이 또는 외부 핵연료다발의 에지 웨브와 핵연료안내구조물 사이에 냉각수를 흐르게 하는 핵연료다발상에 가해지는 힘은, 에지 웨브들의 설계 구성에 따라 좌우되며 핵연료다발상에 비대칭적으로 적용된다. 축방향을 기준으로 횡방향으로 가해지는 힘의 결과는 에지 웨브들의 설계 구성 때문인 것으로 공지되었으며, 결과적으로 유체-구조물 상호작용의 결과로서 발생하는 변형은 원하는 방식으로 예정되게 영향을 미칠 수 있다. 이러한 방식으로 핵연료다발의 원하는 구부러짐 및 또한 이러한 형태의 핵연료다발들로 구성된 코어 또는 코어의 서브영역의 원하는 굽은 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 큰 워터 갭들이 설정되는 위치들이 사전에 공지되어, 대응되게 낮은 전력의 핵연료다발들이 신중히 사용될 수 있다. 이런 방식으로 신뢰성있게 코어 설계 파라미터를 따를 수 있다.
본 발명은 스페이서의 평면에서 핵연료다발에 영향을 미치는 힘은, 실질적으로 스페이서 사이 및 핵연료다발내의 갭에서 냉각수의 상이한 흐름 속도로 인해 발생되는 압력차에 의해 야기된다는 것을 기초로한다. 이러한 압력차는 에지 웨브에서의 간단한 설계 조치(measure)에 의해서 영향을 받을 수 있어, 인접한 워터 갭에서 핵연료다발 사이에서 야기되어 원하는 방식으로 핵연료다발상에 영향을 미치는 알짜힘(net force)에 영향을 미치는 압력차를 쉽게 설정할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 2개가 상이하게 설계된 에지 웨브들은 서로 대향되게 놓여, 핵연료다발상에는 핵연료다발의 축방향에 대해 횡방향으로 연장되고 다른 2개의 에지 웨브들이 동일하게 설계된 경우 이들 2개의 에지 웨브들에 대략 수직인 알짜힘이 발생된다. 다른 2개의 마주하는 에지 웨브들이 상이하다면, 알짜힘은 에지 웨브들에 대해 비스듬하게 연장될 수 있고, 이 경우, 비스듬한 각도는 설계 구성에 따라 설정될 수 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 구성에서, 2개가 상이하게 설계된 에지 웨브들은 이들이 상이한 개수, 형상 및/또는 배열의 개구부들을 가진다는 사실에 의해 상이하다.
선택적 또는 부가적으로, 2개가 상이하게 설계된 에지 웨브에 대해 다른 혼합 또는 편향 베인(deflecting vane)을 갖는 것이 가능하다. 이는 마찬가지로, 갭과 핵연료다발 사이에 발생하는 압력차의 비대칭을 발생시키며, 이경우 형성되는 횡방향 힘은 원하는 방식으로 핵연료다발의 구부러짐에 영향을 미치는 범위 및 방향은 유지된다.
본 발명의 바람직한 구성에서, 적어도 하나의 스페이서는 핵연료다발의 중심영역에 배열된다. 이는 구부러짐에 특히 효과적으로 영향을 미치며, 이는 상기 중심 영역에서 핵연료다발에 영향을 미치는 횡방향 힘이 최대 범위로 구부러지는 범위에 영향을 미치기 때문이다.
본 발명의 또다른 목적은 특허 청구항 제 6 항의 특징을 갖는 코어에 의해 달성된다. 이러한 특징에 따라, 본 발명에 따른 핵연료다발은 축방향을 기준으로 횡방향으로 상기 핵연료다발들상에 영향을 미치는 힘이 적어도 서로 대략 평행한 방식으로 상기 형태의 코어에 배열된다. 이는 가장큰 워터 갭의 위치를 명확히 하정하고 단일 방향으로 영향을 미치는 원하는, 대칭 구부러짐을 산출한다.
다른 에지 영역에서 핵연료다발 보다 낮은 전력을 갖도록 작용하는 힘으로부터 떨어져 있는 코어의 에지 영역에 핵연료다발이 배열되는 것이 바람직하다. 이런 방식으로 큰 워터 갭의 영역에서 발생하는 보다 큰 감속(moderation)을 보상하는 것이 가능하다.
본 발명의 추가적인 설명을 위해, 도면에 도시된 실시예를 참조한다.
도 1은 본 발명에 따른 개략적 단면도의 형태로 가압경수형 원자로의 코어를 나타낸다;
도 2는 개략적인 개략도로 상기 코어의 세로방향 섹션을 나타낸다;
도 3은 인접한 핵연료다발들 부근에서의 개략적 부분도로, 이들중 하나는 본 발명에 따라 설계된다.
도 1에 따라, 단면에서 사각형인 다수의 핵연료다발들(4)로 구성된 코어(5)가 코어 배럴(2)에 고정된 핵연료안내구조물(3)내에 배열된다. 상기 도면은 코어 중앙을 통한 개략적 단면도이다. 중앙에서 전체 코어(5)는 오른쪽으로 구부러져, 왼쪽 에지에 위치된 핵연료다발들(4a)과 왼쪽에 위치된 핵연료안내구조물(3) 사이의 큰 워터 갭(6a)으로 유도되는 것을 볼 수 있다. 오른쪽 에치에 위치된 핵연료다발들(4b)과 핵연료안내구조물(3) 사이의 워터 갭(6b)은 대응되게 감소된다. 다라서 전체 코어(5)는 오른쪽 에지를 향해, 도면에서 매우 개략적으로 도시된 규칙적 굽힘부를 갖는다. 이는 핵연료다발(4)의 적어도 일부에 가해지며 코어(5)내의 핵연료다발(4)의 위치(i, j)에 대응하는 크기와 관련하여 서로 상이할 수 있으나, 서로 적어도 대략 평행하게 유도된 힘(Fi,j)에 의해 야기된다. 명료성을 위해, 도면에는 위치(4,8), (6,6), (7,4) 및 (13,7)에서 핵연료다발(4)상에 영향을 미치는 힘(Fi,j)만이 도시된다.
코어(5)의 바람직한 구성에서, 갭(6a)에서의 증가된 감속을 보상하기 위해, 영향을 미치는 힘(Fi,j)으로부터 떨어진 에지 영역에 배열된 핵연료다발들(4a)에 대해 다른 에지 영역에서의 핵연료다발(4b) 보다 낮은 전력을 갖는 것이 가능하다.
코어(5)에 제공되는 상태는 도 2에 도시된 세로방향 섹션에서 보다 명확히 볼 수 있다. 상기 세로방향 섹션으로부터 핵연료다발들(4)은 각각의 핵연료다발들(4) 사이의 갭(6c) 폭(b)상에 거의 영향을 미치지 않는, 동일하게 향하는 C-형상 굽힘부를 갖는다는 것을 볼 수 있다. 다른 말로, 갭 폭(b)은 핵연료다발(4)의 전체 길이에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지되며 새로운, 구부러지지 않은 핵연료다발들의 초기 상태에서 제공되는 갭 폭에 대략 대응한다. 그러나, 핵연료다발(4)의 규칙적인 구부러짐은 에지에 위치된 핵연료다발(4a) 및 핵연료안내구조물(3) 사이에서 증가된 워터 갭(6a) 및 핵연료안내구조물(3)과 오른쪽 에지에 위치된 핵연료다발(4b) 사이에 대응하게 감소된 워터 갭(6b)으로 유도된다.
축방향에서 볼 수 있듯이, 각각의 경우, 다양한 연료봉(10)이 사각의 그리드형 스페이서(12)에 유도된 핵연료다발(4)에 배열된다. 명료성을 위해, 스페이서(12)는 매우 개략적으로만 도시되며, 연료봉(10)은 왼쪽 핵연료다발(4a)에서만 개략적으로 간단하게 도시된다.
인접한 핵연료다발(4-1, 4+1)과 함께 스페이서 영역에 있는 핵연료다발(4)이 도 3에 도시된다. 도면에서, 중간 핵연료다발(4)은 본 발명에 따라 설계되며, 스페이서(12), 서로 상이하게 설계된 대향 에지 웨브(14a,14b)를 포함한다. 실시예 에서, 에지 웨브(14a)는 스무쓰-월(smooth-walled), 즉, 개부부가 제공되지 않으며, 각각의 단부 측면은 인접한 핵연료다발들(4, 4-1)의 에지 웨브들(14b-1, 14a) 사이에서 갭(6c)으로 유도되며 아래로부터 흐르는 냉각수(K)를 보다 더 유도하는 혼합 베인(16)을 포함한다. 이러한 갭(6c)에서, 냉각수(K)가 가속되어, 갭(6c)에서 설정된 속도(Vg,a), 및 각각 스페이서(12) 및 스페이서(12-1) 내부의 속도(Vi,a) 및 속도(Vi,b-1)를 고려하여, 압력차가 누적되어, 핵연료다발(4)상에 영향을 미치는 힘(Fa) 및 핵연료다발(4-1)상에 영향을 미치는 힘(Fb-1)이 발생된다(베르누이 효과).
상기 도면은 인접한 에지 웨브들(14a, 14b-1) 이 동일하게 설계된 상태를 나타낸다. 이는 2개의 힘(Fa, Fb-1)의 크기가 동일해지게 하여, 스페이서(12)의 규칙적 구조가 주어지고 대향 에지 웨브들(14a, 14b) 사이에서 유입 조건이 크게 변화되지 않는다고 가정하여, 결과적으로 스페이서(12)의 평면에서 핵연료다발(4)상에 영향을 미치는 힘들이 서로 보상된다.
본 발명에 따라, 적어도 2개의 스페이서(12)의 에지 웨브, 예를 들어, 서로 상이하게 설계되는 에지 웨브(14a) 및 대향 에지 웨브(14b)가 제공되며, 예시적으로, 점선으로 도시된 개구부(18) 및 유입 영역에 존재하지 않는 혼합 베인에 의해 도면에 도시된다. 서로 선택적으로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있는 이들 조치들은, 스페이서(12, 12+1) 사이의 갭(6c)에서의 속도(Vg,b)와 핵연료다발(12)의 내부에서 감소되는 속도(Vi,b) 사이에 압력차가 설정되게 하여, 핵연료다발(12)상에서 한쪽 측면상에 가해지는 힘(Fb)이 맞은편 측면상에서 가해지는 상반되게 향하는 힘(Fa) 보다 작다. 따라서, 이러한 핵연료다발(4)의 제어된 구부러짐을 유도하는 알짜힘(F = Fa - Fb)은 상기 스페이서(12)의 영역에서 핵연료다발에 영향을 미친다.
에지 웨브(14a+1)에서, 오른쪽 갭(6c)의 변경된 흐름 조건을 고려하여 핵연료다발(12)상에 영향을 미치는 힘(Fa)에 상응하지 않는 힘(Fa+1)은 핵연료다발(12+1)상에 영향을 미친다. 핵연료다발(12+1)상에서 왼쪽에 영향을 미치는 알짜힘을 형성하기 위해, 도면에는 도시되지 않은 오른쪽 에지 웨브에는 에지 웨브(14b)에 도시된 조치들과 유사하게 핵연료다발(12+1)의 내부와 갭 사이의 압력차를 감소시키기 위한 수단이 제공된다. 하나의 평면, 예를 들어 코어의 중심 평면에 위치된 모든 스페이서가 스페이서(12)와 동일한 방식으로 구성된다면(이 경우, 도면에 도시된 것과 반대로 에지 웨브(14b-1)의 경우, 에지 웨브(14b)과 동일한 방식으로 설계될 필요가있다), 왼쪽에 영향을 미치는 힘이 모든 핵연료다발들상에 가해져, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 관련하여 미러-대칭형인 코어의 규칙적 구부러짐이 형성된다.
코어로의 상이한 유입 조건 및 코어로부터의 유출 조건을 고려하여, 소정의 경우, 코어의 핵연료다발의 위치 또는 핵연료다발에서의 스페이서의 수에 따라 상이하게 설계되는 비대칭 스페이서, 즉, 하나의 핵연료다발에 제공되는 다수의 비대칭 스페이서에 대한 비용은 가변이어서, 코어내에서의 위치에서 국부적 조건으로 조절되는 방식으로 구부러짐은 규칙적으로 영향을 받는다.

Claims (7)

  1. 가압경수형 원자로용 핵연료다발(4)로서,
    상기 핵연료다발(4)은 축방향으로 연장되는 다양한 연료봉(10)이 서로 이격되고 각각의 경우에 4개의 에지 웨브(14a,b)에 의해 형성된 에지가 있는 다수의 그리드형 사각 스페이서들(12)로 유도되며, 적어도 하나의 스페이서(12)는 상기 축방향에 대해 횡방향으로 상기 스페이서(12)의 평면에서 상기 핵연료다발(4)상에 냉각수를 흘려보내는 역할을 하는 힘(F)을 발생시키도록 적어도 2개의 상이하게 설계된 에지 웨브(14a,b)를 포함하는, 가압경수형 원자로용 핵연료다발.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 상이하게 설계된 에지 웨브(14a,b)는 서로 대향되게 놓여있는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 핵연료다발.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2개의 상이하게 설계된 에지 웨브(14a,b)는 상이한 개수, 형상 및/또는 배열의 개구부들(18)을 가짐으로써 구별되는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 핵연료다발.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 상이하게 설계된 에지 웨브(14a,b)는 상이한 혼합 베인(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 핵연료다발.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스페이서(12)는 상기 핵연료다발(4)의 중심 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 핵연료다발.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 따른 다수의 핵연료다발(4)을 갖는 가압경수형 원자로의 코어(5)로서,
    축방향에 대해 횡방향으로 상기 핵연료다발(4)상에 영향을 미치는 힘들(F)이 서로 적어도 대략 평행한 방식으로 배열되는, 가압경수형 원자로의 코어(5).
  7. 제 6 항에 있어서,
    영향을 미치는 힘으로부터 떨어진 코어(5)의 에지 영역에 배열된 상기 핵연료다발(4)은 상기 다른 에지 영역에 이는 핵연료다발(4, 4b) 보다 낮은 전력을 갖는 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로의 코어(5).
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