KR20080034464A - 가압수형원자로를 위한 연료 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가압수형원자로를 위한 연료 어셈블리(2)에 관한 것으로서, 길이 방향(4)으로 연장된 다수 개의 연료봉들(6)이 축 방향으로 서로 분리된 복수 개의 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)에서 가이드되고, 상부 영역(Ⅱ)의 스페이서들(8-Ⅱ)은 길이 방향(4)에 대해 수직인 횡 방향(16, 18)으로 하부 영역(Ⅰ)의 스페이서들(8-Ⅰ)보다 더 낮은 유동 저항을 갖는다.

Description

가압수형원자로를 위한 연료 어셈블리{FUEL ELEMENT FOR A PRESSURIZED WATER NUCLEAR REACTOR}
본 발명은 가압수형원자로를 위한 연료 어셈블리에 관한 것이다.
다수의 조사 결과들로부터 가압수형원자로의 연료 어셈블리들이 사용 기간 동안 휘어진다는 점이 알려져 있다. 이것의 이유는 열적 팽창의 이방성 또는 방사능 라디에이션에 의해 유도된 제어봉 또는 연료봉 피복 튜브(fuel rod cladding tube)들의 길이 증가를 포함할 수 있다. 최악의 시나리오에 따르면, 이러한 편향들은 제어봉들의 비활동성 또는 연료 어셈블리들을 변경하는 것에 있어서의 문제점을 야기할 수 있다. 코어의 특정 위치들에서의 시스템적 편향(systematic deflection)들로 인하여, 개별적인 연료 어셈블리들 사이, 또는 코어의 에지 및 코어 인클로저 상에 배치된 연료 어셈블리들 사이의 확장된 또는 감소된 틈들이 특정 장소(비록 많은 경우에 있어 미지의 장소이지만)에 형성될 수 있고, 상기 틈들은 연료-감속재(moderator) 비율에 영향을 준다.
실제의 그러한 편향 또는 변형은 도 7의 다이어그램에 도시된다. 이러한 다이어그램에서, mm로 측정된 편향 d의 범위는 예를 들어, 방사선에 쬔 18×18 연료 어셈블리에 대하여 생성된 것으로서, 더 낮은 봉 리테이너 플레이트(rod retainer plate)로부터 m로 측정된 연료 어셈블리의 높이 h에 대해 적용된다. 도면은 해당하는 편향이 본질적으로 C형 굴곡 편향(기본 모드)임을 보여주고, 이러한 C형 굴곡 편향(기본 모드)은 더 높은 차수 모드를 가진 편향에 특정 정도로 중첩되고, 본질적으로 차상위 모드는 S형 편향의 형태를 갖는다. 이러한 편향의 정도를 감소시키기 위하여, 당업계는 연료 어셈블리들을 물리적으로 보다 안정적인 방식으로 설계하고 억압력(suppression force)들을 감소시키고자 시도한다.
대안적으로, WO 2005/059924 A2는 상이하게 설계된 에지 패널들을 사용함으로써 연료 어셈블리들 상에 작용하는 힘들에 의도적으로 영향을 주어, 편향에 불구하고 코어의 최적 설계를 가능케 하는 것을 제안하였다.
따라서 본 발명의 목적은 감소된 편향을 나타내는 연료 어셈블리를 제공하는 것이다.
전술한 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징들을 가진 연료 어셈블리에 의하여 해결된다. 그러한 연료 어셈블리에서, 길이 방향으로 연장된 복수 개의 연료봉들은 축 방향으로 분리된 대다수의 스페이서들에 삽입되고, 그에 의하여 상부 영역의 스페이서들은 하부 영역의 스페이서들보다 축 방향에 수직인 횡 방향으로 더 낮은 유동 저항(횡류 저항(cross-current resistance))을 갖는다.
본 발명은 연료 어셈블리의 길이 방향 또는 축 방향으로 흐르는 냉각수가 본질적으로 전술한 연료 어셈블리의 횡류 성분들의 C형 굴곡 편향에 의해 영향받는다는 것을 관찰한 것에 기초한다. 수직 방향에 수직으로 진행하는 횡류 성분들은 연료 엘리먼트의 하부 영역에 존재하고, 즉, 흐르는 냉각수의 방향으로부터 보았을 때 편향의 범위, 즉, 이상적인 수직선으로부터의 이탈이 횡류 성분들에 반대로 증가하는 영역에 존재하고, 상기 횡류 성분들은 최대 편향 위의 영역에서 감소하는 편향으로 인하여 적응한다.
특히 단순한 본 발명의 유리한 실시예에서, 횡 방향으로부터 관찰한 상부 영역의 스페이서들의 에지 패널들이 하부 영역의 스페이서들의 에지 패널들보다 더 작은 표면을 커버하도록, 에지 패널들에 의해 형성된 에지를 갖는 스페이서는 상부 및 하부 영역의 스페이서들의 상이한 횡류 저항들을 달성한다. 그리하여, 상부 영역에서 스페이서들의 현저히 감소된 횡류 저항이 야기된다.
부가하여, 본 발명의 부가적인 바람직한 실시예는 복수 개의 교차 내부 패널들로부터 설계된 스페이서에서, 횡 방향으로부터 관찰된 상부 영역의 내부 패널들은 하부 영역의 내부 패널들보다 더 작은 표면을 커버한다는 특징을 제공한다. 이러한 조치를 사용하여, 상부 영역의 스페이서들의 "투명성(transparency)"은 하부 영역의 스페이서들의 "투명성"에 대하여 부가적으로 증가된다.
기본적으로, 더 작은 표면 커버는 상부 영역의 스페이서들의 에지 패널들 및/또는 내부 패널들의 높이가 하부 영역의 스페이서들의 에지 패널들 및/또는 내부 패널들의 높이보다 더 작다는 사실로부터 야기될 수 있다.
대안적으로, 또는 전술한 내용에 보충하여, 상부 영역의 에지 패널들, 그리고 가능하다면 내부 패널들은 하부 영역의 스페이서들의 에지 패널들 및 내부 패널들에 존재할 수 있는 개구들보다 더 큰 개구들을 포함한다. 그러나, 기본적으로, 상부 영역의 에지 패널들 그리고 가능하다면 내부 패널들만이 배타적으로 개구들을 구비하는 또다른 실시예가 고려될 수 있다.
본 발명의 부가적인 설명은 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 개략적인 기본 도면으로 편향된 연료 어셈블리를 나타낸다.
도 2, 도 3은 부분적인 개략 사시도로 본 발명에 따른 하부 및/또는 상부 영역의 스페이서들을 도시한다.
도 4는 또한 개략도로 상부 영역의 스페이서를 도시한다.
도 5, 도 6은 단순화된 부분적 사시도로 하부 및/또는 상부 영역의 스페이서들을 도시한다.
도 7은 편향 d가 연료 어셈블리의 높이 h에 대해 적용되는 다이어그램이다.
도 1에 따르면, 가압수형원자로의 연료 어셈블리(1)에서 축 방향 또는 길이 방향(4)으로 연장된 복수 개의 연료봉들(6)은 축 방향으로 분리된 대다수의 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)에 삽입되고, 가압수형원자로의 연료 어셈블리(1)는 동작 조건에서 탄성 부분 및 사용 시간이 커짐에 따라 증가적으로 유연해지는 부분으로 구성된 C형 굴곡 편향의 형태를 가진 변형을 포함한다.
연료 어셈블리(2)가 케이스에 둘러싸이지 않기 때문에, 연료 어셈블리(2) 상에 흐르는 냉각수(K)는 연료 어셈블리(2)의 인접한 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ) 사이의 인접한 연료 어셈블리들 안으로 상향으로 흐를 수 있고, 냉각수의 목적하는 수평 상호교환(cross-exchange)이 가능하게 된다.
(거울 대칭으로 역전된) C 편향 연료 어셈블리(2)의 형태의 연료 어셈블리(2)에서, 시스템적 횡류들(Q)이 연료 어셈블리의 아치형으로 인해 생성되고, 상부 영역 Ⅱ에서 생성된 횡류들(Q)에 의해 하부 영역 Ⅰ에서 반대로 된다. 하부 영역 Ⅰ에서 형성된 횡류들이 연료 어셈블리(2) 상에 힘을 가하여, 이러한 하부 영역에서의 편향의 양을 감소시키고, 반대 방향의 횡류들(Q)은 편향 증가를 생성하여, 실제로 도 7을 사용하여 전술한 C자 호형 편향의 중첩은 S-형 변형의 형태를 취한다.
연료 어셈블리(2)의 상부 영역(Ⅱ)에서 생성된 이러한 횡류는 결과적으로 불안정한 거동을 일으키는데, 그 이유는 횡류의 정도가 증가함에 따라 횡류에 의해 연료 어셈블리(2) 상에 가해진 힘들이 편향 증가와 함께 증가하기 때문이다.
그리하여 본 발명은 상부 영역(Ⅱ)에 제공된 스페이서들(8-Ⅱ)이 하부 영역(Ⅰ)에서 배치된 스페이서들(8-Ⅰ)보다 더 낮은 유동 저항으로 횡류를 견딘다는 것이 고려된다면, 상부 영역(Ⅱ)에서 형성된 힘들의 양 및 결과적인 불활성 경향 및 유연성 있는 변형을 형성하는 것이 감소될 수 있다는 아이디어에 기초한다. 즉, 이러한 횡류들에 의해 생성된 힘들이 더 낮은 편향을 형성하기 때문에 하부 스페이서들(8-Ⅰ)에서, 횡류들에 대한 더 높은 저항이 유리한 반면, 스페이서들(8-Ⅱ) 상에서 상부 영역 Ⅱ에 가해진 횡 방향 힘들은 편향의 양에 대한 영향을 최소화하기 위하여 가능한 한 낮아야 한다.
도 1은 상부 영역(Ⅰ)과 하부 영역(Ⅱ) 사이의 경계가 연료 어셈블리(2)의 정확히 중간에 있지 않아, 9개의 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)을 사용하는 실시예에서, 5개의 더 낮은 스페이서들(8-Ⅰ)은 하부 영역(Ⅰ)에 할당되고, 나머지 4개의 스페이서들(8-Ⅱ)은 상부 영역(Ⅱ)에 할당되는 상황을 도시한다. 하부 영역(Ⅰ)과 상부 영역(Ⅱ) 사이의 경계는 연료 어셈블리마다 설비 타입에 따라 상이하고, 대략 최대 편향의 영역에 배치되어야 한다.
도 2에 따르면, 하부 영역(Ⅰ)의 스페이서(8-Ⅰ)는 복수 개의 교차 내부 패널들(10)로부터 구성된다. 스페이서(8-Ⅰ)의 에지는 에지 패널(12)에 의해 형성된다. 교차 내부 패널들(10) 및 에지 패널들(12)은 정사각형 그리드 셀들(14)을 형성하고, 정사각형 그리드 셀들(14)을 통해 연료봉들(6)이 진행한다. 도면의 단순화된 표현에서, 연료 어셈블리들의 저장 포지셔닝을 위하여 내부 패널들(10) 및 에지 패널들(12) 상에 배열된 너브(nub)들 및 스프링 엘리먼트들, 그리고 필요하다면 존재하는 기존의 가이드 또는 트위스트 베인(twist vane)들 또는 이중 벽 스페이서들에서 축 방향으로 진행하는 전류 채널들은 간략화를 위하여 도시되지 않았다.
도면은 하부 영역의 스페이스(8-Ⅰ)의 에지 패널들(12) 및 내부 패널들(10)이 폐쇄되는 것, 즉, 아무런 접근 개구를 포함하지 않는 것을 보여주고, 하부 영역의 스페이스(8-Ⅰ)의 에지 패널들(12) 및 내부 패널들(10)은 각각의 횡 방향(16, 18)에서 이러한 방식으로 관찰할 때 큰 표면을 커버하고, 높은 유동 저항을 나타내어, 수직으로 흐르는 냉각수는 흐르는 냉각수에 대한 에지 패널들 중 하나의 경사 또는 구부러짐에 의해 생성된 연료 어셈블리의 편향의 결과로서 높은 횡 방향 힘, 이러한 편향을 보상하려고 시도하는 수직 방향 힘을 발휘한다.
반면, 도 3에서, 상부 영역의 스페이서(8-Ⅱ)는 통상적인 동일한 높이로 개구부들(20)을 갖는 내부 패널들(10) 및 에지 패널들(12) 양자 모두를 제공하고, 개구부들(20)은 스페이서(8-Ⅰ)(도 2)에 대하여 횡 방향으로 더 낮은 유동 저항을 야기하며, 또한 스페이서(8-Ⅱ)에서 냉각수의 횡류를 허용하여, 냉각수에 의해 스페이스(8-Ⅱ) 상에 가해진 횡 방향 힘들은 대응하여 감소할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에 대한 대안으로, 도 4에 따른 상부 영역의 스페이서(8-Ⅱ)의 더 낮은 커버리지 퍼센트가 또한 달성될 수 있고, 그 결과 내부 및 에지 패널들(10 및 12)의 높이(h-Ⅱ)가 감소된다. 감소된 높이(h-Ⅱ)가 더 높은 높이(h-Ⅰ)를 가진 하부 영역의 스페이서(8-Ⅰ)(점선으로 표시)를 이용하여 도면에 도시된다.
도 5 및 도 6에 따른 실시예에서, 하부 영역의 스페이서들(8-Ⅰ) 및 상부 영역의 스페이서들(8-Ⅱ) 양자 모두는 에지 패널들(12)에서 개구들(20-Ⅰ 및 20-Ⅱ)을 구비하고, 그에 의하여 이러한 경우 상부 영역의 스페이서(8-Ⅱ)의 개구들(20-Ⅱ)의 표면들은 하부 영역의 스페이서(8-Ⅰ)의 개구부들(20-Ⅰ)의 표면보다 더 크다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시예들에 부가하여, 내부 패널들(10)은 또한 개구부들을 구비할 수 있고, 그에 의하여 이러한 경우에도 또한 하부 영역의 스페이서의 내부 패널들에 제공된 개구부들은 상부 영역의 스페이서(8-Ⅱ)의 내부 패널들에 제공된 개구부들보다 더 작다.

Claims (7)

  1. 가압수형원자로를 위한 연료 어셈블리(2)로서,
    길이 방향(4)으로 연장된 복수 개의 연료 어셈블리들(6)이 축 방향으로 분리된 복수 개의 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)을 통해 진행되고, 그에 의하여 상부 영역(Ⅱ)의 스페이서들(8-Ⅱ)은 길이 방향(4)에 대해 수직인 횡 방향(16, 18)으로 하부 영역(Ⅰ)의 스페이서들(8-Ⅰ)보다 더 낮은 유동 저항을 갖는,
    연료 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)의 측방향 에지는 에지 패널들(12)에 의해 형성되고, 그에 의하여 횡 방향(16, 18)으로 관찰한 상기 상부 영역(Ⅱ)의 상기 스페이서들(8-Ⅱ)의 에지 패널들(12)은 하부 영역(Ⅰ)의 스페이서들(8-Ⅰ)의 에지 패널들(12)보다 더 작은 표면을 커버하는,
    연료 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)은 복수 개의 교차 내부 패널들(10)로부터 구성되고, 그에 의하여 횡 방향(16, 18)에서 관찰한 상기 상부 영역(Ⅱ)의 상기 스페이서들(8-Ⅱ)의 내부 패널들(10)은 상기 하부 영역(Ⅰ)의 상기 스페이서들(8-Ⅰ)의 내부 패널들(10)보다 더 작은 영역을 커버하는,
    연료 어셈블리.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 영역(Ⅱ)의 스페이서들(8-Ⅱ)만이 배타적으로 개구부들(20)을 구비한 에지 패널들(12)을 포함하는,
    연료 어셈블리.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    에지 패널들(12)을 구비한 모든 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)은 개구부들(20)을 포함하고, 그에 의하여 상기 상부 영역(Ⅱ)의 상기 스페이서들(8-Ⅱ)의 에지 패널들(12)의 개구부들(20)의 총 표면은 상기 하부 영역(Ⅰ)의 상기 스페이서들(8-Ⅰ)의 에지 패널들(12)의 개구부들(20)의 총 표면보다 더 큰,
    연료 어셈블리.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 영역(Ⅱ)의 스페이서들(8-Ⅱ)만이 배타적으로 개구부들(20)을 포함한 내부 패널들(10)을 구비하는,
    연료 어셈블리.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 패널들(10)을 구비한 모든 스페이서들(8-Ⅰ, 8-Ⅱ)은 개구부들(20)을 포함하고, 그에 의하여 상기 상부 영역(Ⅱ)의 상기 스페이서들(8-Ⅱ)의 내부 패널들(10)의 개구부들(20)의 총 표면은 상기 하부 영역(Ⅰ)의 상기 스페이서들(8-Ⅰ)의 내부 패널들(10)의 개구부들(20)의 총 표면보다 더 큰,
    연료 어셈블리.
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