KR20080030978A

KR20080030978A - 원거리에서 핵연료집합체 상단의 해체 및 조립의 편의성을증대시킨 상단고정체구조

Info

Publication number: KR20080030978A
Application number: KR1020080024071A
Authority: KR
Inventors: 박남규; 김규태; 서정민; 이신호; 엄경보; 박준규; 김진선; 신규철; 이성기; 김일규; 최기성; 전경락
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2008-04-07
Also published as: KR100969934B1

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 상단고정체와 안내관의 체결구조에 관한 것으로 구체적으로는 상단고정체의 분리시에 발생하는 내부삽입관 본체의 회전을 방지하고 동시에 상단고정체와 안내관의 조립 및 해체의 편의성을 증대시키기 위한 상단고정체와 안내관의 체결구조에 관한 것이다.

본 발명은 유로판의 상부로부터 관통하는 상단고정체와 유로판 하부의 안내관과의 체결구조에 있어서 외곽안내기둥, 내부삽입관 머리, 내부삽입관 본체, 쐐기, 안내관을 포함한다.

외곽안내기둥은 중공원통형으로 형성되고, 하단외주면에 나사산이 형성된다.

내부삽입관 머리는 상단에 외경을 더 크게함으로써 형성된 단턱부를 구비하고, 하단 내주면에 나사산이 형성된다.

내부삽입관 본체는 상단 외주면에 나사산이 형성되고, 하단 외주면에 나사산이 형성된다.

쐐기는 중공원통형으로 형성되고, 하단에 중심축방향으로 일정한 길이만큼 연장성형한 걸림턱이 적어도 하나 이상 형성되며, 상단고정체와 안내관이 결합되는 경우 상기 내부삽입관 본체에 용접된다.

안내관은 상단에 상기 쐐기에 형성된 걸림턱을 수용할 수 있도록 상기 걸림턱의 모양, 개수 및 위치에 대응하는 걸림턱수용부가 형성된다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명은 내부삽입관상부머리 및 내부삽입관본체에 나사 가이드를 가공하여 원거리에서 해체/조립이 용이하다.

또한 본 발명은 상단고정체의 내부삽입관과 안내관의 연결 부분에 쐐기를 조립하여 일체형상단고정체를 분리할 경우, 회전에 의하여 발생하는 내부삽입관과 안내관의 풀림을 방지하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 회전부의 접촉면이 최소화되므로 상단고정체의 조립/분해가 용이하여 시간을 단축하는 효과가 있다.

핵연료집합체, 안내관, 상단고정체, 내부삽입관, 체결, 회전방지

Description

원거리에서 핵연료집합체 상단의 해체 및 조립의 편의성을 증대시킨 상단고정체구조{(Top nozzle assembly with improved release and coupling configuration in remote distance)}

본 발명은 핵연료집합체의 상단고정체와 안내관의 체결구조에 관한 것으로 구체적으로는 상단고정체의 분리시에 발생하는 내부삽입관 본체의 회전을 방지하고 동시에 상단고정체와 안내관의 조립 및 해체의 편의성을 증대 시키기 위한 상단고정체와 안내관의 체결구조에 관한 것이다.

원자로란 핵분열성 물질의 연쇄핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생 시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄의 생산, 또는 방사선장 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 말한다.

일반적으로 경수로 원전에서는 우라늄-235의 비율을 2∼5%로 높인 농축우라늄을 사용한다. 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠렛(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠렛들은 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 상부봉단마개를 용접하여 연료봉을 제조한다. 상기 연료봉은 최종적으로 핵연료집합체를 구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.

핵연료집합체의 일반적인 형상은 [도 1]에 도시되어 있다.

[도 1]을 참조하여 설명하면 상기 핵연료집합체는 상단고정체(4), 하단고정체(5), 지지격자(2), 안내관(3), 계측관(6)으로 이루어지는 골격체와 상기 지지격자(2) 내에 장입되어 상기 지지격자(2)내에 형성된 스프링(미도시) 및 딤플(미도시)에 의하여 지지되는 연료봉(1)으로 구성된다. 집합체 조립 시 연료봉(1) 표면의 흠집을 방지하고 지지격자내 스프링의 손상을 방지하기 위해 연료봉의 표면에 락커를 도포하여 골격체에 장입한 다음 상/하단 고정체를 부착하여 고정시킴으로써 핵연료집합체의 조립이 끝나고 완성된 집합체의 락커를 제거한 후 연료봉의 간격, 뒤틀림, 전장, 치수 등을 검사하는 것으로 집합체 제조공정이 마무리 된다.

[도 2]에 도시된 바와 같이 상단고정체(4)는 누름판(8), 누름스프링(43), 내부삽입관(45), 외곽안내기둥(44) 및 유로판(7)으로 구성이 되어 있다.

[도 1] 및 [도 2]를 참조하여 설명하면 상기 상단고정체(4)의 내부삽입관(45)은 안내관(3)과 연결되어 핵연료 집합체를 원자로 내에 견고하게 고정시킬 수 있도록 구성되어 있으며 핵연료의 연소 중에도 핵연료의 구조적 안정성을 확보하게 한다.

한편 상단고정체(4)와 안내관(3)은 해체 및 재조립이 가능하도록 연결되는데, 이것은 상단고정체를 해체하여 연료봉을 추출하는 경로를 확보하기 위한 것이다. 저장조 내에서 수행되는 상단고정체(4)의 해체는 방사능의 피해를 최대한 차단하기 위해 작업자는 원거리에서 작업을 하여야 한다. 따라서 원거리에서 해체와 조립이 가능하도록 상단 고정체와 안내관의 체결 구조를 설계하여야 한다.

일반적으로 사용되는 안내관과 상단고정체의 연결방식을 [도 2] 및 [도 3]에 도시하였다. 안내관(3)과 상단고정체(4)의 체결방식은 [도 2]에 도시된 것처럼 내부삽입관(45)의 하단부(451)에 수나사를 가공하고 [도 3]에 도시된 것처럼 안내관 나사부(31)의 안쪽으로 암나사를 가공하여 나사체결방식에 의하여 안내관과 내부삽입관을 결합함으로써 상단고정체(4)와 안내관(3)이 연결된다.

외곽안내기둥(44)의 하부에는 수나사가 가공되어, 유로판(7)과 나사 체결후 외곽안내기둥(44)의 나사 끝단부와 유로판(7)을 국부적으로 용접하여 외곽안내기둥(44)의 회전을 방지한다. 또한 내부삽입관(45)의 풀림 방지를 위해 내부삽입관(45)의 헤드 부분을 반경 방향으로 국부적으로 눌러(crimping) 외곽안내기둥(44)과 접촉시키며, 특정 힘 이상으로 상기의 헤드 부분에 토크를 가하여야 해체가 가능하도록 하였다.

하지만 이렇게 결합이 이루어진 상태에서 상단고정체의 내부삽입관(45)을 회전시켜 분리해낼 때, 내부삽입관(45)의 바깥쪽 면과 외곽안내기둥(44)의 안쪽 면과의 거리가 매우 가깝기 때문에 동심도가 맞지 않거나 면과 면 사이에 이물질이 삽 입되어 고착되면 나사의 회전이 어렵게 된다. 즉 접촉면에 의해 발생하는 마찰열로 인해 스테인레스 스틸 재질의 내부삽입관(45)과 외곽안내기둥(44)이 상온 용접(cold welding)의 효과로 서로 용착되어 나사 풀림이 불가능하게 된다.

상기와 같은 문제점을 보완하기 위한 발명으로 미국특허등록 제4702883호「Reconstitutable fuel assembly having removable upper stops on guide thimbles」와 미국특허등록 제4687630호「Top nozzle and guide thimble joint structure in a nuclear fuel assembly」이 있다.

상기 발명은 내부삽입관이 없이 외곽안내기둥의 머리 부분을 분리하여, 분리된 상부머리부분에 나사를 가공해 분리 시에 접촉면을 최소화 시키고자 하였다. 즉 외곽안내기둥의 하부 수나사부와 안내관 하부의 암나사부의 체결부 외에 외곽안내기둥 상부의 나사체결부가 추가로 존재하게 된다.

따라서 상기의 상단고정체를 해체하기 위해 외곽안내기둥의 상부머리 나사를 회전시켜 분리할 경우, 외곽안내기둥과 외곽안내기둥의 상부머리가 나사 연결되어 있기 때문에 외곽안내기둥의 하부에 체결되어진 외곽안내기둥과 안내관의 나사결합이 풀릴 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 이유로 외곽안내기둥 하부의 나사가 회전에 의하여 풀리지 않도록 외곽안내기둥에 별도의 쐐기장치를 마련하였으나 조립/분리과정이 번거롭다는 문제점이 있었다.

한편, 본 출원인에 의하여 기 출원 된 10-2007-0086066 "내부삽입관 회전 방 지장치가 설치된 해체조립이 용이한 상단고정체와 안내관의 체결구조"는 상단고정체를 조립한 후 해체시 내부삽입관이 풀리지 않도록 회전방지 장치를 설치하였으나, 내부삽입관본체 및 내부삽입관 상부머리의 끝단에 나사부가 존재하여 원거리에서 조립하는데 어려움이 발생할 수 있다. 즉 가이드 역할을 하는 도입부가 없이 나사를 체결하여야 하므로 두 부품간의 동심을 맞추지 못하면 나사체결이 어려울 수 있다.

본 발명은 내부삽입관 상부머리를 내부삽입관 본체에 나사체결된 상태에서 상단고정체를 분리하기 위해 내부삽입관 상부머리를 제거할 때 내부삽입관 본체가 안내관으로부터 분리되지 않는 수단을 제공하면서도, 동시에 방사능에 노출되지 않도록 원거리에서 핵연료집합체의 상단을 해체하거나 조립할 때의 편리성을 증대시키는 체결구조를 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

또한 상기 내부삽입관 본체의 하단에 형성된 나사산의 상부에는 외주면의 일정부분을 원주방향을 따라 평면으로 깍아 하나 이상의 회전방지면이 형성되고, 상기 유로판의 유로구멍 하단 내주면에는 상기 회전방지면과 횡단면 모양이 상응하는 공간부가 형성된 회전방지면을 구비할 수 있다.

또한 상기 내부삽입관 머리 하단에는 내부삽입관 머리의 타 부분보다 내경을 크게 형성한 나사도입부가 더 형성되고, 상기 내부삽입관 본체 상단에는 내부삽입관의 타 부분보다 외경을 작게 형성한 나사안내부가 더 형성될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

또한 본 발명은 회전부의 접촉면이 최소화되므로 상단고정체의 조립ㅇ분해가 용이하여 시간을 단축하는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 '상하좌우' 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다.

본 실시예는 전체적으로 외곽안내기둥(441), 내부삽입관(450), 유로판(700), 안내관플랜지(300)이 그 주요 구성요소이다. 본 발명 즉 유로판(700)을 관통하여 안내관플랜지(300)과 체결되는 외곽안내기둥(441) 및 내부삽입관(450)의 체결구조와 관련이 없는 상단고정체의 구성요소인 누름판과 누름스프링에 관하여는 상세한 설명을 생략한다.

먼저 [도 4]를 참고하여 외곽안내기둥(441)을 설명한다.

외곽안내기둥(441)은 중공의 원통형상으로 윗면과 아랫면이 개방되어져 있으며, 하단 외주면에는 유로판(700)과의 체결을 위해 수나사부(442)가 형성되어 있다.

외곽안내기둥(441)의 상단에는 외곽안내기둥(441)의 다른 부분에 비해 직경이 큰 형상으로 되어 있다. 직경차이로 인하여 생기는 걸림턱(444)은 [도 2]에 도시된 바와 같이 누름판(8)이 걸림턱에 걸려 스프링(43)의 확장을 제한하는 역할을 하게 한다.

또한 외곽안내기둥(441)의 상단 외주면에는 원주방향을 따라 일정간격으로 배치되는 크림핑홈(445)이 형성되어 있다. 크림핑홈(445)는 종방향으로 일정한 길이를 갖도록 홈이 형성된다. 크림핑홈(445)의 자세한 용도는 이하 내부삽입관(450) 설명부분에서 상세히 설명한다.

[도 5]를 참조하여 내부삽입관(450)을 설명한다. 내부삽입관(450)은 내부삽인관 머리(456)와 내부삽입관 본체(451)로 구성되어 있다.

상기 내부삽입관 머리(456)는 중공원통형의 형상을 하고 있으며, 내부삽입관본체(451)의 상단부에 체결되는 구성이다.

내부삽입관 머리(456)의 상단은 내부삽입관 머리(456)가 후술할 내부삽입관 본체(451)와 결합한 후 외곽안내기둥(441)에 삽입되는 경우 완전히 삽입되지 못하도록 외경이 다른 부분에 비하여 더 크게 형성된 걸림턱(459)이 형성되어 있다.

내부삽입관 머리(456)의 중앙 내주면에는 암나사부(458)가 형성되어 있다. 이 암나사부(458)는 후술할 내부삽입관 본체(451)의 상단에 형성된 수나사부(452)와 나사결합을 하기 위한 부분이다.

내부삽입관 머리(456)의 하단에는 내경이 내부삽입관 머리(456)의 다른 부분보다 내경을 더 크게 형성하여 내부삽입관 본체(451)와 결합하는 경우에 내부삽입관 본체(451)의 상단이 더 용이하게 삽입될 수 있도록 하는 나사도입부(457)가 형성된다.

또한 내부삽입관 머리(456)에 형성된 걸림턱(459)의 최대반경부분의 하단에는 내부삽입관 머리(456)의 본체와 일정한 거리를 두고 공간부를 형성하고 있는 얇은 막형태의 구조로서 크림핑막(460)이 형성되어 있다. 내부삽입관(450)이 이후 외곽안내기둥(441)의 내부로 삽입되고 고정되는 경우에 크림핑막(460)의 일정부분을 크림핑홈(445; [도 4]참조)으로 크림핑(crimping)시켜 나사 풀림을 방지하게 된다.

내부삽입관 본체(451)는 외곽안내기둥(441)보다 긴 중공의 원통형상으로 형성되어 있으며, 상기 외곽안내기둥(441)과 같이 윗면과 아랫면이 개방되어져 있다. 이 후 상술한 내부삽입관 머리(456)와 결합되어 외곽안내기둥(441)의 내부공간에 삽입되므로 내부삽입관 본체(451)의 외경은 외곽안내기둥(441)의 내경보다 같거나 작아야 한다.

내부삽입관 본체(451)의 상단에는 나사안내부(453)가 형성되어 있다. 나사안내부(453)는 후술할 내부삽입관 머리(456)에 형성되어 있는 나사도입부(457)의 내부로 삽입이 개시되어 본체(451)에 형성된 수나사부(452)와 내부삽입관상부머리(456)의 암나사부(458)가 원거리에서의 작업에 의하여도 체결이 용이하도록 하는 역할을 한다.

한편, 상기 내부삽입관본체(451) 하단 외주면에는 후술할 안내관플랜지(300)와 결합하기 위한 하단수나사부(454)가 형성되어 있다. 한편 하단수나사부(454)는 내부삽입관 본체(451)가 내부삽입관 머리(456)와 결합한 후 외곽안내기둥(441)의 내부로 삽입되는 경우 후술할 안내관플랜지(300)와 체결되기 위하여 외곽안내기둥(441)의 아래로 돌출된다.

한편 [도 5]의 확대부분에 도시된 바와 같이 내부삽입관 본체(451)의 하부에는 원형모양의 플랜지형태 중 일부분을 깍아 원주방향을 따라 평평한 면을 형성한 회전방지면(455)이 형성되어 있다. 회전방지면(455)은 공구면과의 접촉성을 증대시켜 공구에 의한 회전력을 충실히 전달하게 하며, 후술할 회전방지부(711; [도 8]참조)와 대응하여 내부삽입관(450)이 회전하는 것을 방지하는 역할을 하기도 한다. 이에 관하여는 유로판(700) 구성에 관한 부분에서 보다 상세히 설명한다.

[도 6]을 참조하여 안내관플랜지를 설명한다.

본 실시예에 있어서의 안내관플랜지는 쐐기(200)와 체결되는 구조이다.

쐐기(200)는 중심축 방향 길이가 짧은 중공원통형으로 형성되어 있다. 쐐 기(200)의 하단에는 걸림턱(201)이 형성된다. 걸림턱(201)은 쐐기(200)의 하단에 쐐기(200) 나머지 부분의 길이보다 더 길게 형성하는 식으로 형성된다. 또한 걸림턱(201)의 수는 하나 이상 형성할 수 있으나 제조상의 문제점 또는 내구성 문제로 인하여 1 또는 2 정도의 수로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 쐐기(200)는 안내관플랜지(300)와 내부삽입관본체(451)가 체결된 후 쐐기(200)가 내부삽입관본체(451)에 용이하게 용접되도록 하기 위해서 내부삽입관본체(451)와 동일한 재질의 자재를 사용하여 형성한다. 쐐기(200)가 내부삽입관 본체(451)에 용접되는 경우에는 내부삽입관 머리(456)와 내부삽입관본체(451)를 분리하기 위하여 나사체결방식의 역으로 내부삽입관 머리(456)를 회전시킬때 내부삽입관본체(451)가 회전하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 안내관플랜지(300) 상부 외주면 일부에는 공구접촉부(301)가 형성되어 있는데, 공구접촉부(301)는 공구와의 접촉성을 증대시켜 미끄럼 없이 회전력을 전달시킨다.

본 실시예에서의 유로판은 공지의 유로판과 거의 동일하지만 상술한 바와 같이 회전방지면(455)과 횡방향 단면 모양이 대응하는 회전방지부(711)를 형성하여 체결시에 회전방지면(455)과 회전방지부(711)의 모양이 서로 맞닿아 내부삽입관(450)이 임의로 회전하는 것을 방지하도록 하는 면에서 차이가 있다. 회전방지에관한 구조는 필수 구성요소는 아니다. 한편 [도 9]에 회전방지구성에 관한 또 다른 예를 도시하였다. [도 9]에 도시된 바와 같이 상술한 회전방지면(455a)은 면이 형 성되는 개수를 임의로 형성할 수 있으며, 회전방지부(711a) 또한 회전방지면(455a)과 대응하여 내주면을 가공함으로써 또 다른 회전방지에 관한 구성을 형성할 수 있다.

이하 [도 7]을 참조하여 본 실시예에 의한 작용을 설명한다. [도 7]에는 본 실시예에 의한 외곽안내기둥(441), 내부삽입관 본체(451), 내부삽입관 머리(456), 유로판(700) 및 안내관플랜지(300)가 결합된 모습을 나타내고 있다.

먼저 본 실시예의 결합과정을 설명하면 다음과 같다.

외곽안내기둥(441)은 누름스프링(미도시)과 유로판(700)에 체결된다. 내부삽입관본체(451)와 안내관플랜지(300) 사이에 쐐기(200)를 위치시키고 나사체결을 한 후, 쐐기(200)와 내부삽입관 본체(451)를 용접한다. 안내관플랜지(300)와 연결되고, 쐐기(200)가 용접된 내부삽입관 본체(451)를 외곽안내기둥(441)에 삽입한후, 내부삽입관 머리(456)를 내부삽입관 본체(451)에 체결하여 조립을 완성한다.

본 실시예에 의한 체결구조를 해체하는 방법은 상술한 결합과정과 역순으로 진행된다.

먼저 내부삽입관상부머리(456)를 회전 시켜 내부삽입관본체(451)와 분리해 낸다. 그리고 외곽안내기둥(441), 유로판(700), 누름 스프링(미도시), 누름판(미도시)으로 구성된 일체형 상단고정체를 핵연료집합체로부터 분리한다.

이와 같은 해체 과정에서 내부삽입관 머리(456)와 내부삽입관 본체(451)와의 해체 시에 내부삽입관 본체(451)의 하단나사부(454)와 안내관 암나사부(310)의 나사결합이 풀릴 수 있다. 이때 내부삽입관본체(451)에 용접 체결된 쐐기(200)에 형성된 쐐기걸림턱(201)이 안내관플랜지(300) 상부에 형성된 걸림턱수용부(302)와 고정되어 있어 내부삽입관본체(451)가 안내관플랜지(300)로부터 풀리는 것을 방지하게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 상단고정체와 안내관의 체결구조로 구현될 수 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도이다.

도 2는 종래의 상단고정체를 나타내는 단면도이다.

도 3은 종래의 안내관을 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 외곽안내기둥을 나타내는 절개사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 내부삽입관을 나타낸 절개사시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 쐐기와 안내관플랜지를 나타내는 사시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 상단고정체와 안내관의 체결모습을 나타낸 절개사시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 유로판의 일부를 나타내는 절개사시도이다.

도 9는 본 발명에 따른 내부삽입관의 회전방지면과 이에 대응하는 유로판을 나타내는 배면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200: 쐐기 201: 쐐기걸림턱

300: 안내관플랜지 301: 공구접촉부

302: 걸림턱수용부 441: 외곽안내기둥

444: 누름판걸림턱 450: 내부삽입관

451: 내부삽입관 본체 453: 나사안내부

455: 회전방지면 456: 내부삽입관 머리

457: 나사도입부 459: 걸림턱

711, 711a: 회전방지부

Claims

유로판의 상부로부터 관통하는 상단고정체와 유로판 하부의 안내관과의 체결구조에 있어서,

중공원통형으로 형성되고, 하단외주면에 나사산이 형성된 외곽안내기둥;

상단에 외경을 더 크게함으로써 형성된 단턱부를 구비하고, 하단 내주면에 나사산이 형성된 내부삽입관 상부머리;

상단 외주면에 나사산이 형성되고, 하단 외주면에 나사산이 형성된 내부삽입관 본체;

중공원통형으로 형성되고, 하단에 중심축방향으로 일정한 길이만큼 연장성형한 걸림턱이 적어도 하나 이상 형성되며, 상단고정체와 안내관이 결합되는 경우 상기 내부삽입관 본체에 용접되는 쐐기;

상단에 상기 쐐기에 형성된 걸림턱을 수용할 수 있도록 상기 걸림턱의 모양, 개수 및 위치에 대응하는 걸림턱수용부가 형성된 안내관:을 포함하는 상단고정체와 안내관의 체결구조.
제1항에 있어서,

상기 내부삽입관 본체의 하단에 형성된 나사산의 상부에는 외주면의 일정부분을 원주방향을 따라 평면으로 깍아 하나 이상의 회전방지면이 형성되고,

상기 유로판의 유로구멍 하단 내주면에는 상기 회전방지면과 횡단면 모양이 상응하는 공간부가 형성된 회전방지면을 구비하는 상단고정체와 안내관의 체결구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 내부삽입관 머리 하단에는 내부삽입관 머리의 타 부분보다 내경을 크게 형성한 나사도입부가 더 형성되고,

상기 내부삽입관 본체 상단에는 내부삽입관의 타 부분보다 외경을 작게 형성한 나사안내부가 더 형성된 상단고정체와 안내관의 체결구조.