KR20080031791A - 핵 원자로 연료 집합체 - Google Patents

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유리 알레신
제임스 에이. 스파로우
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

극히 불안정한 연료 관리를 지지하기 위하여 치수 안정성을 개선시킨 핵 연료 집합체로서, 제어봉 가이드 심블과 스페이서 그리도 지지 슬리브 사이에 제 2 조인트 부착을 추가함으로써 연료 골격의 횡적 강성이 향상시킨다.
핵 연료 집합체, 지지 그리드, 지지 글리브, 원자로 노심, 그리드 스트랩, 벌지 조인트

Description

핵 원자로 연료 집합체{NUCLEAR REACTOR FUEL ASSEMBLIES}
본 발명은 핵 원자로 연료 집합체에 관한 것이며, 특히 연장된 연소 싸이클 동안, 원자로 작동 중에 집합체가 아래로 휘는 크기를 감소시키는 강화된 골격을 갖는 핵 연료 집합체에 관한 것이다.
전형적인 핵발전 원자로는 핵 원자로 노심을 수용하는 원자로 용기를 포함한다. 원자로 용기로부터 방사형으로 내부로 이격되어 원통형 노심 배럴이 있으며, 배럴의 내부에는 형성기와 배플 시스템(이하 "배플 구조")가 있다. 이러한 배플 구조는, 원통형 배럴로부터 그 내부에 배열된 복수의 연료 집합체(16)에 의해 잘린 정사각형 모양의 계단형으로 형성된 원자로 노심(14)의 주변부로 전이를 허용한다.
원자로 노심은 길게 연장된 다수의 연료 집합체로 이루어진다. 각 연료 집합체는 핵분열재로 이루어지며, 열을 생산하기 위해 반응하는 다수의 핵연료봉을 포함한다. 각 연료 집합체의 연료봉은, 연료 집합체 길이를 축으로 하는 방향으로 이격되며 길게 연장된 복수의 제어봉 가이드 심블(thimble)에 부착된 복수의 그리드에 의하여, 조직적인 배열 내에 유지되어 있다. 제어봉 가이드 심블은 상부 노즐과 하부 노즐에 의해 상단부 및 하단부에 각각 유지되어 있다. 상부 및 하부 노즐, 제 어봉 가이드 심블, 매개 튜브 및 그리드는 서로 연관되어 부착되어 있으며, 원하는 간격으로 이격되어 평행하게 배열된 연료 집합체를 유지하는 구조적인 프레임웍(framework)인 연료 집합체 골격을 형성한다.
원자로의 작동 동안, 물 등의 냉각재용 유체는 대개 복수의 주입 노즐을 통해 원자로 용기로 펌핑된다. 냉각재용 유체는 원자로 용기와 노심 배럴 사이에 형성된 환형 영역을 통해 통과하며, 원자로 용기에 형성된 하부 플레넘 안으로 주입된 후, 원자로 노심의 연료 집합체를 통해 상향 통과하여, 노심 배럴을 통해 연장된 복수의 방출 노줄을 통해 용기로부터 방출된다. 연료 집합체의 연료봉에 의해 냉각재용 유체에 가해진 가열 에너지는, 유체를 통해 용기로부터 이송·방출된다. 노심 배럴의 구멍으로 인하여, 냉각재용 유체는 배럴과 배플 구조 사이에서 원자로 노심(14) 내보다 높은 압력에서 존재한다. 그러나, 노심 배럴과 함께 배플 구조는, 유체의 원자로 용기와 노심 배럴 사이의 환형 영역을 통한 하향 유동시에 연료 집합체로부터 냉각재를 격리한다.
상술한 바와 같이, 배플 구조는 원자로 노심의 연료 집합체를 둘러싼다. 대개, 배플 구조는 볼트로 결합된 플레이트로 이루어지며, 이러한 볼트가 느슨해짐에 따라, 배플 구조 플레이트 사이에 작은 갭을 만들게 된다. 이러한 일이 발생하는 경우에, 배플의 외부에 존재하는 노심 내부보다 높은 유체 압력에 의하여, 배플 구조를 통해 노심의 외부로부터 내부를 향하는 방사상의 방향으로 분출 작용이 발생한다. 소정의 원자로는, 사고시에 노심의 냉각을 허용하도록 의도적으로 구비시킨 슬롯과 구멍을 갖는 배플 구조를 갖는다. 느슨한 볼트에 의해 개방된 갭으로, 냉각 재용 유체는 배플 슬롯을 통해 노심으로 진입하여 유체 분출을 발생한다. 이러한 횡적인 수압은, 연료 집합체 그리드의 혼합 날개의 결과로서 노심을 통해 상향 상승하는 냉각재의 난류에 더하여 연료 집합체 구조에 작은 횡적 변형을 발생하게 된다.
부가하여, 중성자 경제(neutron economy)를 최대화하기 위하여, 지르칼로이(Zircaloy)로부터 연료 집합체의 모든 구성 요소를 만들 것이 권장된다. 반대로, 연료 집합체를 지지하고 있는 원자로 용기 내부 구조는 대개 304 스테인레스강으로 만들어진다. 방사 성장 계수(radiation growth factors) 뿐 아니라 이러한 재료 사이의 열팽창의 차이가 횡적 변형을 발생하는 연료 집합체에 작용하는 힘에 더해진다. 이러한 변형의 전체 크기에 대한 상한은 오직 연료 집합체 사이의 횡적 틈의 합이다. 전체가 지르칼로이 구조를 갖는 집합체는 스테인레스강 또는 인코넬 구조를 갖는 것보다 이러한 변형이 생길 가능성이 더 큰데, 이는 지르칼로이가 더 낮은 탄성 계수를 갖으며, 방사되는 조건에서 스테일레스강 또는 인코넬 보다 높은 속도로 변형되는 경향이 있기 때문이다. 따라서, 전형적인 원자로 싸이클보다 적은 시간 후에 약간 아래로 휘어진 형태를 갖게 된다. 이러한 변형은 의도하지 않은 것인데, 그러한 변형이 연료의 재보급을 난해하게 하며, 집합체 사이의 고르지 못한 물의 갭으로 인해 국지적 전력 밀도에 미세한 변형을 초래하며, 그리고 봉의 삽입 제어를 불완전하게 하는 결과를 낳을 수도 있기 때문이다. 인접한 연료 집합체 사이의 근소한 횡적 틈의 크기는 연료 집합체 그리드의 외부 면적에 의해 결정된다. 연료 집합체의 휨에 있어서, 지르칼로이 그리드는 스테린레스강 또는 인코넬 그리드 와 비교하여 두 가지의 뚜렷한 차이가 있다. 첫째, 지르칼로이 그리드에 대한 초기 틈은 방사-유도된(irradiated induced) 횡적 성장에 대한 허용을 포함해야만 한다. 그렇지 않을 경우, 방사된 집합체 사이의 틈이 너무 작아져서, 연료의 재보급 동안 각각의 집합체를 꺼내거나 삽입하는 것이 어려워질 수 있다. 둘째, 스페인레스강 용기 내부 구조와 지르칼로이 그리드 사이의 상대 팽창은 작동 온도에서 틈이 실제적으로 증가하도록 하여(50 % 까지), 작동 동안 더 큰 휨의 공간을 허용한다.
집합체의 중간 수평면 근처에 하나 이상의 스페인레스강 또는 인코넬을 사용하여 휨을 줄이는 방법이 제안되어 왔다. 그러나, 비록, 이러한 그리드가 휨을 제한하기는 하지만, 두 가지 이유에서 권장할만하지 못하다. 첫째, 하나의 스페인레스강을 갖는 단일의 지르칼로이 그리드로의 교체만으로도 기생적인 중성자 흡수를 증가시킨다. 둘째, 스페인레스강 그리드의 하부 횡적 틈과 결합된, 지르칼로이 보다 강한 스페인레스 그리드의 횡적 강성은, 심한 난기류 또는 냉각재의 손실 등의 사고 상황과 관계되는 충격 하중이 스페인레스 그리드에 집중되게 함으로써, 매우 강한 그리드를 필요로 하게 한다.
원자로 작동의 효율성을 향상시키기 위하여 최근 채용되고 있는 연장된 연료 싸이클 연소 전략과 함께, 이러한 연료 집합체의 휨에 대한 고려가 증가되고 있다. 연료 집합체의 휨 현상은 연소 및 노심내 상주 시간의 증가로 커진다. 대개, 상술한 노심-내부 작동 환경, 즉 중성자 유동, 고온, 극히 불안정한 환경 등은 하중 계수(아래로 누르는 힘, 중력의 힘 등)와 함께 연료 집합체의 횡적 강성에 변화를 발생하며, 연료 집합체 변형을 형성하는데 기여하는 조건을 제공한다. 좀 더 적극적인 연료 관리, 즉 최대 연료 연소 및 노심-내부 상주 시간의 증가는 변형 내구성이 향상된 연료 집합체를 필요로 한다.
따라서, 연장된 연료 연소 싸이클 동안, 휨을 견디는 향상된 횡적 강성을 갖는 개선된 연료 집합체 구조가 요구된다.
또한, 본 발명의 목적은 기생적인 중성자 흡수를 증가시키지 않는 개선된 연료 집합체를 제공하는 것이다.
부가하여, 이러한 발명의 목적은 제조 비용을 실제적으로 증가시키지 않는 이러한 개선된 연료 집합체를 제공하는 것이다.
사고 및 집합체의 휨에 의해 발생되는 기타 상황 등을 취급하는데 있어서, 극히 불안정한 연료 관리(연소 및 노심-내부 상주 시간의 증가)를 유지하고, 봉 클 러스터 제어 집합체가 불완전하게 삽입될 가능성을 감소시키기 위하여, 연료 집합체의 치수 안정성을 향상시킴으로써, 본 발명의 상기 목적은 달성된다. 가이드 심블과 스페이서 그리드 지지 슬리브 사이에 추가의 벌지 조인트를 도입을 통해 연료 집합체 골격의 횡적 강성을 향상함으로써, 연료 집합체의 치수 안정성은 획득된다. 추가의 벌지는 벌지 조인트의 "자유 운동(free play)"을 감소시키며, 골격의 횡적 강성을 증가시킨다.
특히, 본 발명은 상부 노즐, 바닥 노즐 및 상부 노즐과 바닥 노즐 사이에서 길이방향의 축의 크기 내에 연장되며 길게 연장되며 이격된 복수의 제어봉 가이드 튜브를 갖는 연료 집합체를 제공한다. 축의 크기를 갖는 복수의 셀로부터 형성된 복수의 스페이서 그리드 각각은, 상부 노즐과 바닥 노즐 사이에서 이격된 직렬 배열 내에 배열된다. 제어봉 가이드 튜브는 복수의 셀 중 적어도 일부 상응하는 일부를 통해 연장된다. 제어봉 가이드 튜브는 또한, 축방향으로 이격된 2 개의 위치에서 제어봉 가이드 튜브가 통과하는 스페이서 그리드의 각 셀에, 기계적 또는 야금학적으로 부착된다.
바람직한 실시예에서, 지지 슬리브는, 복수의 스페이서 그리드 상에서 연장되는 제어봉 가이드 튜브가 통과하는 복수의 셀 중 상응하는 각 셀에 기계적 또는 야금학적으로 부착된다. 지지 슬리브는 지지 슬리브가 통과하는 셀의 위와 아래에서 주어진 거리만큼 연장되며, 적어도 그리드의 축의 크기의 위와 아래에서 약간 연장되는 축의 크기를 따라 제어봉 가이드 튜브를 에워싼다. 제어봉 가이드 튜브는 축의 방향으로 이격된 2 개의 위치에서, 상응하는 지지 슬리브에 기계적 또는 야금 학적으로 부착된다.
또한, 바람직한 실시예에서, 축방향으로 이격된 2 개의 위치는 셀의 축의 크기의 위와 아래에 각각 있게 된다. 제어봉 가이드 튜브와 상응하는 지지 슬리브 사이의 조인트는 축방향으로 이격된 2 개의 위치에서 벌지화(bulged)된다.
본 발명에 따른 이중 벌지 연결은, 연소 및 노심-내부 상주 시간의 증가를 갖는 극히 불안정한 연료 관리를 유지하기 위한 골격 및 연료 집합체의 횡적 강성에 상당한 개선을 제공한다. 이중 벌지 골격 설계는 다른 연료 집합체 특성(예를 들면, 압력 강하 등)에 역효과를 발생하지 않는다. 이러한 설계의 변형은 벌지 연결을 활용하는 PWR 또는 VVER 연료 집합체에 대하여 용이하게 수행될 수 있다.
이하의 설명에서, 참조 부호는 도면에서의 상응하는 부분을 지시하며, "전방", "후방", "좌측", "우측", "상향", "하향" 등은 편의를 위한 표현일 뿐 제한 하는 용어로서 사용되는 것은 아니다.
도면, 특히 도 1 및 도 2에서, 가압수형 원자로(PWR)는 참조 부호 10으로 지시된다. PWR(10)은 길게 연장된 복수의 연료 집합체(16)로 이루어진 핵 원자로 노심(14)을 수용하는 원자로 압력 용기(12)를 포함한다. 도 1에 상대적으로 적은 연료 집합체(16)가 도시된 것은 단지 단순화시키려는 의도일 뿐, 실제적으로 노 심(14)은, 도 2에 간략히 도시된 바와 같이, 많은 수의 연료 집합체(16)로 이루어진다.
대개 원통형 노심 배럴(18)은 원자로 용기(12)로부터 방사형으로 이격되어 내부를 향해 있다. 배럴(18)의 내부에는, 원통형 배럴(18)로부터 그 내부에 배열된 복수의 연료 집합체(16)에 의해 잘린 정사각형 모양의 계단형으로 형성된 원자로 노심(14)의 주변부로 전이를 허용하는 배플 시스템(이하 "배플 구조"(20))이 있다. 배플 구조(20)는 원자로 노심(14)의 연료 집합체(16)를 둘러싼다. 대개, 배플 구조(20)는 볼트(미도시)로 결합된 플레이트(22)로 이루어진다. 원자로 노심(14) 및 배플 구조(20)는 상부 및 하부 플레이트(24, 26) 사이에 개재되어, 노심 배럴(18)에 의해 지지받게 된다.
원자로 압력 용기(12)의 상단부는 복수의 제어봉 구동 장치(30)가 장착된 착탈가능한 반구형 밀폐 헤드(28)에 의해 밀폐식으로 봉입된다. 단순화를 위해, 많은 제어봉 구동 장치(3) 중 소수만이 도시되었다. 각각의 구동 장치(30)는 몇몇 연료 집합체(16)의 상부 및 내부에 봉클러스터 제어 장치(32)를 선택적으로 위치시킨다.
원자로 노심(14)의 연료 집합체(16)에서 수행되는 핵 융합 처리는, PWR(10)의 동작 동안 노심(14)를 통해 경수 등의 냉각재용 유체를 순환시킴으로써 제거되는 열을 생산한다. 상세하게는, 냉각재용 유체는 대개, 복수의 주입 노즐(34)(도 1에서 한 개만 도시됨)를 통해 원자로 가압 용기(12) 속으로 펌핑된다. 냉각재용 유체는 원자로 용기(12)와 노심 배럴(18)(및 노심 배럴 상의 열 차폐물(38)) 사이에 형성된 환형의 다운커머 영역(36)을 통해 하향 유동하여 원자로 용기(12)의 바닥에 도달한 후, 하부 노심 플레이트(26)와 원자로 노심(14)를 거쳐 180°전향하여, 원자로 노심(14)의 연료 집합체(16)를 통해 상향 유동하면서, 연료 집합체(16)의 열 에너지 전이에 의해 원자로 작동 온도로 가열된다. 가열된 냉각재용 유체는 노심 배럴(18)을 통해 연장된 복수의 방출 노즐(40)을 통해 원자로 용기(12)로부터 방출된다. 따라서, 연료 집합체(16)에 의해 냉각재용 유체에 가해진 열 에너지는 유체에 의해 원자로 압력 용기(12)로부터 이송·방출된다.
노심 배럴(18)의 압력 해제구(미도시)의 존재로 인하여, 냉각재용 유체는 배럴(18)과 배플 구조(20) 사이에서 원자로 노심(14) 내보다 높은 압력에서 존재한다. 그러나, 노심 배럴(18)과 함께 배플 구조(20)는, 유체의 원자로 용기(12)와 노심 배럴(18) 사이의 환형 영역(36)을 통한 하향 유동시에 연료 집합체(16)로부터 냉각재를 격리한다.
간단히 상술한 바와 같이, 원자로 노심(14)은 길게 연장된 다수의 연료 집합체(16)로 이루어진다. 도 3을 참조하여, PWR(10)에 사용되는 각 연료 집합체(16)는 기본적으로, 하부 노심 플레이트(26) 상에서 집합체를 지지하는 하부 단부 구조 또는 바닥 노즐(42) 및 바닥 노즐(42)로부터 상향 돌출되어 종적으로 연장된 다수의 가이드 튜브 또는 심블(44)(가이드 튜브와 가이드 심블은 여기서 동의어로 사용됨)을 포함한다. 집합체(16)는 또한, 가이드 심블(44)의 길이를 축으로 하는 방향으로 이격되어 부착되며, 통상적으로 횡적인 복수의 메인 지지 그리드(46)를 포함한다. 메인 지지 그리드(46)는 실제적으로 정연하게 종적으로 이격되며 조직적으로 이격된 배열 내에서, 복수의 길게 연장된 연료봉(48)을 지지한다. 부가하여, 각 집합 체(16)는 그 중심에 위치한 매개 튜브(50) 및 가이드 심블(44)의 상단부에 부착된 상단부 구조 또는 상부 노즐(52)을 포함한다. 부재들의 이러한 배열로, 연료 집합체(16)는 부재들의 집합을 손상시키는 일 없이 종래적으로 다룰 수 있는 일체화된 유닛을 형성한다.
연료 집합체(16)의 각 연료봉(48)은 핵 연료 펠릿(54)을 포함하며, 각 연료봉의 대향 단부는 상부 및 하부 플러그(56, 58)에 의해 폐쇄되어 봉을 밀폐식으로 봉입한다. 통상적으로, 펠릿을 연료봉(48) 내에 긴밀하게 적층된 직렬 배열 내에 유지하기 위하여, 플레넘 스프링(60)이 상단부 플러그(56) 및 펠릿(54) 사이에 개재된다. 핵 분열재로 이루어진 연료 펠릿(54)은 PWR(10)의 노심(14) 내의 열을 발생하는 반응 전력(reactive power)의 생성에 기여한다. 상술한 바와 같이, 냉각재용 유체는, 유용한 작업의 생산을 위해 노심 내부에서 생성된 열을 추출하기 위하여 노심(14)의 각 연료 집합체(16)를 통해 상향 펌핑된다.
핵분열 처리를 제어하기 위하여, 각 봉클러스터 제어 장치(32)의 다수의 제어봉(62)은 연료 집합체(16)의 소정의 위치에서 가이드 심블(44) 상에서 이동가능하다. 그러나, 모든 연료 집합체(16)가 봉클러스터 제어 장치(32) 및 그와 연동되는 제어 봉(62)을 갖는 것은 아니다. 그러나 대개, 제어봉을 수용하는 연료 집합체는 연동되는 제어봉을 갖지 않는 노심 내의 다른 연료 집합체와 동일한 설계로 이루어진다. 특히, 각 봉클러스터 제어 장치(32)는 상응하는 연료 집합체(16)의 상부 노즐(52)과 연동된다. 제어 장치(32)는 방사형으로 연장된 복수의 암(66)으로 내부로 연결된 원통형 부재(64)를 포함한다. 제어 장치(32)가 가이드 심블(44)의 제어 봉(62)을 수직적으로 이동하기 위하여 작동가능 하도록, 각 암(66)(플루크(fluke)로 또한 알려진)이 하나 이상의 제어봉(62)에 상호연결되며, 그로 인하여, 잘 알려진 방식으로 연료 집합체(16)의 핵분열 처리를 제어한다.
도 4는 평방 17 × 17의 연료 집합체에 대한 메인 지지 그리드(46)의 평면도를 도시한다. 메인 지지 그리드(46)는 계란 포장 상자의 구조에 배열하여 용접 등으로 연결시킨 복수의 삽입형 내부 및 외부 스트랩(76, 78)을 포함하며, 이러한 스트랩에 의해 그 대향 단부에 복수의 중공 셀(74)을 형성한다. 비록 17 × 17의 집합체가 도시되긴 하였지만, 본 발명의 요지를 적용함에 있어서, 집합체 내의 연료 부재의 수 또는 집합체의 기하학적 배열에 의해 영향을 받지 않는다. 도 4에 도시된 직교형 부재(76, 78)을 형성하는 그리드의 스트랩은 실제적으로 설계상 동일하다. 그러나, 가이드 튜브 및 매개 튜브 위치를 수용하기 위하여, 그리드 스트랩(76) 일부의 설계는 다른 그리드 스트랩(76)과 다르고, 또한 그리드 스트랩(78) 일부의 설계는 다른 그리드 스트랩(78)과 달라야 한다. 도 4의 참조 부호 82는 가이드 튜브와 장치 심블에 부착되는 셀들을 지시하며, 참조 부호 84는 연료 부재를 지지하는 잔여 셀을 지시한다. 도 4에 도시되지는 않았지만, 제어봉 가이드 튜브 또는 심블 및 매개 심블을 지지하는 셀(82)에는 지지 슬리브가 제공된다. 지지 슬리브는 기계적 또는 야금학적 중 어느 하나에 의해 셀(82)의 벽에 부착된다. 기계적 부착은 예를 들면, 기기적 결합(interference fit) 또는 파스너를 포함하며, 야금학적인 부착은 용접 또는 브레이징 또는 접점면이 융해되는 기타 유사 처리에 의해 달성된다. 그리드(46)를 튜브 또는 심블(44)에 부착하기 위하여, 제어봉 가이드 튜브 또는 매개 심블은 지지 슬리브 내에 고정되어 슬리브에 야금학적으로 결합되거나 또는 기계적으로 부착된다.
도 5는, 4 개의 스트랩(76, 78)에 의해 형성된 셀(82)에 가이드 심블(44)이 통과하는 것을 도시한다. 도 5의 종래 기술의 구성에서는, 슬리브는 야금학적으로 셀(82)의 벽에 부착되며, 약 0.5 내지 1.0 인치(1.27 내지 2.54 ㎝)의 상대적으로 작은 거리만큼 셀 아래로 연장된다. 비록, 연장된 길이가 어느 정도 다를 수는 있으나, 중성자 경제가 역으로 영향을 받는 정도가 되지는 않도록 하는 것이 바람직하다. 가이드 심블(44)은 하부 벌지(70)를 통해 슬리브에 부착되며, 동일한 부착이 가이드 심블 그리드 셀의 교차점에서도 실행된다.
이러한 발명은 사고 및 집합체의 휨에 의해 발생되는 기타 상황 등을 취급하는데 있어서, 극히 불안정한 연료 관리(연소 및 노심-내부 상주 시간의 증가)를 유지하기 위한 연료 집합체의 치수 안정성을 향상시키며, 봉 클러스터 제어 집합체가 불완전하게 삽입될 가능성을 감소시킨다. 연료 집합체의 치수 안정성은, 도 6에 도시된 바와 같이, 가이드 심블과 스페이서 그리드 지지 슬리브 사이에 추가의 벌지 조인트로 골격의 횡적 강성을 개선함으로써 향상된다. 본 발명에 의하면, 지지 슬리브(68)는 그리드(46) 위로 약 0.5 내지 2 인치(1.27 내지 5.08 ㎝)의 짧은 길이만큼 연장된다. 비록, 연장된 길이가 어느 정도 다를 수는 있으나, 중성자 경제가 역으로 상당한 영향을 받지는 않을 정도로 하는 것이 바람직하다. 추가적인 벌지(80)가 슬리브(68)의 연장된 부분(86)에 제공된다. 제어봉 가이드 심블(44)의 벌지 위치에 다이를 삽입한 후 팽창시켜, 제어봉 가이드 심블 벽과 지지 슬리브 벽을 팽창하여 벌지 조인트를 형성함으로써, 다른 벌지 연결과 동일한 방식으로 벌지가 형성된다. 추가의 벌지(80)는 벌지 조인트에서 "자유 운동"을 감소시킨다. 테스트 결과, 이중 벌지의 고안은 골격의 횡적 강성을 40% 증가시킨 것이 확인되었다. 지지 슬리브의 하부 부분(68) 및 지지 슬리브의 상부 부분(86)은 2 개의 개별적인 슬리브로 만들어질 수 있고, 이때 각각의 경우는 모두 본 발명의 고안에 속하며, 그리드 셀 벽에 야금학적으로 부착될 수 있다. 편의상, 도 5 및 도 6에 도시되지는 않았지만, 도 4로부터, 상부면으로부터 연장되는 혼합 날개를 갖는 연료봉을 지지하는 각 그리드 셀(74)을 인지할 수 있다. 상부 벌지가 혼합 날개에 의해 간섭받지 않도록, 지지 슬리브의 길이는 제어봉 가이드 심블이 통과하는 인접한 셀에서 연장된다. 개별적인 상부 및 하부 슬리브(68, 86)가 적용될 때, 상부 벌지(80)가 만들어지는 슬리브가 잘못된 사이즈로 용접되는 실수를 피하기 위하여, 하부 슬리브를 동일한 양만큼 연장할 것이 또한 권장된다. 따라서, 본 발명에 따라 슬리브의 길이를 증가시켜야 하는 3 가지 이유가 존재하는데, i) 가이드 심블의 지지되는 길이를 증가시키기 위하여, ii) 그리드 날개와 제 2 벌지(80) 사이에서 접하게 될 가능성을 제거하기 위하여, iii) 개별적인 상부 및 하부 슬리브가 적용될 때 발생할 수 있는 제조상 실수를 줄이기 위함이다.
그에 따라, 이중 벌지의 연결은 연소 및 노심-내부 상주 시간의 증가를 갖는 극히 불안정한 연료 관리를 지원하기 위한, 골격 및 연료 집합체의 횡적 강성에 상당한 이점을 제공한다. 이중 벌지 골격 설계는 예를 들면 압력 강하 등과 같이 다른 연료 집합체의 특성에 역효과를 발생하지 않는다. 이러한 설계의 변형은 벌지 연결을 활용하는 PWR 또는 VVER 연료 집합체에 대하여 용이하게 수행될 수 있다.
연료 집합체의 변형 내구성은 연료 집합체의 횡적 강성에 좌우된다. 연료 집합체의 횡적 강성은 다발화된 연료봉의 강성과 골격의 강성이 결합된 것이다.
다발화된 연료봉의 강성은 단지 연료봉의 기하학적 배열과 스페이서 그리드 탄력에 좌우된다. 그러나, 그리드의 탄력은 노심-내부 방사 동안 감소되며, 다발화된 연료봉의 강성도 저하된다. 집합체의 횡적 강성에 있어서, 애즈-빌트(as-built) 탄력을 증가시키는 것은 장기적인 이점을 제공하지 않는다.
골격의 강성은 가이드 심블의 수, 위치 및 기하학적 배열과 상호 작동 능력에 좌우된다. 골격의 강성은 방사 동안 크게 변화하지 않는다. 가이드 심블의 수, 위치 및 기하학적 배열은 대개 노심 내부 설계에 의해 규정되며, 현존하는 핵 발전소에 대한 변경이 될 수 없다. 상술한 바와 같이, 가이드 심블은 스페이서 그리드에 의해 서로 연결된다. 대개, 스페이서 그리드 설계는 가이드 심블(44)과의 접점을 제공하기 위한 지지 슬리브(68)을 포함한다. 특히, 지지 그리드 및 가이드 심블이 지르칼로이 및 인코넬과 같이 야금학적으로 결합하기 어려운 유사하지 않은 재료로 만들어질 경우, 기계적인 연결을 위한 공간을 제공하기 위하여 지지 슬리브가 필요하다. 슬리브는 마찰력(기기적 결합), 용접 및 벌지 연결을 활용하여 가이드 심블에 부착될 수 있다. 골격의 횡적 강성은 이러한 연결에 상당히 좌우된다. 따라서, 골격의 강성을 향상시키는 적절한 방법은 가이드 심블과 스페이서 그리드 슬리브간의 연결을 개선한다.
전통적으로, 많은 연료 집합체의 설계는 가이드 심블을 스페이서 그리드 슬 리브에 연결하기 위하여 벌지 확장 조인트를 활용한다. 상술한 바와 같이 가이드 심블의 각 스페이서 그리드 위치에 상응하는 스페이서 그리드 슬리브를 연결하기 위하여 대개 하나의 벌지가 사용된다. 벌지 연결 "자유 운동"은 골격의 횡적 강성을 감소하는 것으로 알려져 있다.
골격의 횡적 강성은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112007071261187-PAT00001
알파는 가이드 튜브 연결 계수, NGT는 가이드 튜브와 매개 튜브의 수, IGT는 가이드 튜브 또는 매개 튜브 관성 모멘트, a는 가이드 튜브의 중심으로부터 휨 주축까지의 거리이며, FGT는 가이드 튜브 단면 영역이다.
단일의 벌지 연결을 위한 가이드 심블 연결 계수는 약 0.3이다. 벌지 연결의 "자유 운동"이 상당히 감소될 수 있음이 주목된다. 그러나, 제조상 제한(예를 들면, 가능한 제조 방법) 및 설계 제한(예를 들면, 압력 강하 제한)을 고려할 때, 이러한 개선을 제공하는 기술적 선택사항은 제한된다.
골격의 횡적 강성을 향상하기 위하여, 본 발명은, 도 6에 도시된 바와 같이, 가이드 심블을 스페이서 그리드에 연결하기 위하여, 제 1 벌지로부터 적절히 이동된 제 2 벌지를 도입한다. 도 7에 도시된 횡적 강성 테스트 결과에 의해, 골격의 강성이 개선된 것이 확인된다. 이러한 개선의 결과로서, 골격의 강성은 40% 증가되었다(가이드 심블 연결 계수는 0.42 증가됨).
따라서, 이중 벌지 연결은, 연소 및 노심-내부 상주 시간의 증가를 갖는 극히 불안정한 연료 관리를 유지하기 위한 골격 및 연료 집합체의 횡적 강성에 상당한 개선을 제공한다. 이중 벌지 골격 설계는 다른 연료 집합체 특성(예를 들면, 압력 강하 등)에 역효과를 발생하지 않는다. 이러한 설계의 변형은 벌지 연결을 활용하는 PWR 또는 VVER 연료 집합체에 대하여 용이하게 수행될 수 있다.
본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서, 다양한 변형과 변경이 가능하다. 상기 실시예는 볼 발명을 제시하려는 것일 뿐 본 발명이 이러한 실시예에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 실시예보다는 첨부된 청구에 의해 제시되며, 청구의 범위 및 그와 동일한 의미 내에서 만들어진 다양한 변형은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 간주한다.
명세서의 일부를 구성하며 여기에 병합된 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시하며, 위에서의 일반적인 설명 및 이하의 실시예의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 요지를 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 핵 원자로의 부분적 단면 및 정면을 도시하는 도면이고;
도 2는 도 1의 2-2선을 따라 절단한 간략화된 확대 평면도이며;
도 3은 본 발명에 따라 개선된 횡적 강성을 갖는 골격을 적용하는 연료 집합체 중 하나에 대한 부분적 단면 및 정면을 도시하는 도면이고;
도 4는 본 발명의 지지 그리드 중 하나의 실시예의 정면도이며;
도 5는, 종래 기술에서 제어봉 가이드 튜브를 지지 슬리브에 고정하는 수단을 도시하는 것으로, 제어봉 가이드 튜브와 지지 슬리브가 연장되는 하나의 셀을 도시하는 연료 집합체 그리드의 일부를 도시하는 사시도이고;
도 6은 본 발명의 지지 슬리브와 제어봉 가이드 튜브 사이의 개선된 연결을 도시하는 도 3에 도시된 연료 집합체 그리드 셀의 사시도이며; 그리고
도 7은 횡적 힘(표준화된)을 나타내는 수직축 및 횡적 변위(표준화된)를 나타내는 수평축을 갖는 본 발명에 의해 제공되는 개선된 횡적 강성을 도시하는 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : PWR(가압수형 원자로)
12 : 압력 용기
14 : 노심
16 : 연료 집합체
18 : 노심 배럴
20 : 배플 구조
42 : 연료 집합체 바닥 노즐
44 : 가이드 심블
46 : 그리드
48 : 연료봉
52 : 연료 집합체 상부 노즐
62 : 제어봉
68 : 지지 슬리브
70 : 하부 벌지
74 : 그리드 셀
80 : 추가의 상부 벌지
82 : 가이드 튜브 셀

Claims (9)

  1. 상부 노즐;
    바닥 노즐;
    길게 연장되며 이격된 복수의 제어봉 가이드 튜브로서, 상기 상부 노즐과 바닥 노즐 사이에서 길이방향의 축의 크기 내에 연장되며, 상기 상부 노즐의 제 1 단부와 상기 바닥 노즐의 제 2 단부에 각각 부착되는 제어봉 가이드 튜브; 및
    상기 상부 노즐과 하부 노즐 사이에서 이격된 직렬 배열 내에 배치되며, 축의 크기를 갖는 복수의 셀로부터 각각 형성된 복수의 스페이서 그리드로서, 상기 제어봉 가이드 튜브는 상기 복수의 셀 중 적어도 일부의 상응하는 셀을 통해 연장되며, 그리고, 축방향으로 이격된 2 개의 위치에서, 상기 제어봉 가이드 튜브가 통과하는 스페이서 그리드의 각 셀에, 상기 제어봉 가이드 튜브가 기계적 또는 야금학적으로 부착되는 스페이서 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스페이서 그리드 상에서 상기 제어봉 가이드 튜브가 관통하여 연장하는 복수의 셀 중 상응하는 각 셀에, 기계적 또는 야금학적으로 각각 부착되며 관통하는 셀의 위와 아래로 특정 길이만큼 연장되며 상기 제어봉 가이드 튜브를 에워싸는 지지 슬리브를 더 구비하며, 상기 제어봉 가이드 튜브는 상기 축방향으로 이격된 2 개의 위치에서 상응하는 상기 지지 슬리브에 기계적 또는 야금학적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 축방향으로 이격된 2 개의 위치는, 상기 셀의 축의 위와 아래에 각각 있는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어봉 가이드 튜브는, 상기 축방향으로 이격된 2 개의 위치에서, 벌지(bulges)에 의해 지지 슬리브에 각각 부착되는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스페이서 그리드는 적어도 상기 셀 중 일부의 상면으로부터 연장되는 혼합 날개를 포함하며, 상기 이격된 2 개의 위치 중 상부 위치에 있는 벌지는 상응하는 제어봉 튜브가 부착되는 그리드용 혼합 날개 위의 높이에 있는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 특정 거리는 0.5 내지 2.0 인치(1.27 내지 5.08 ㎝) 인 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 슬리브는 상부 지지 슬리브 및 하부 지지 슬리브를 포함하며, 상기 상부 지지 슬리브는 상응하는 그리드 셀의 상부 부분에 부착되며, 상기 하부 지지 슬리브는 그리드 셀의 하부 부분에 부착되는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 지지 슬리브와 하부 지지 슬리브는 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀은 계란 포장 상자 패턴을 형성하는 삽입형의 스트랩 격자로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 핵 원자로용 연료 집합체.
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