KR20080060791A

KR20080060791A - 볼류트스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체

Info

Publication number: KR20080060791A
Application number: KR1020060135299A
Authority: KR
Inventors: 이진석; 박준규; 김규태; 서정민; 최준형; 박남규; 김윤호; 김정하
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-02
Also published as: KR100844470B1

Abstract

본 발명은 원자로에 사용되는 핵연료집합체의 들림을 방지하는 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것으로, 구체적으로는 핵연료집합체의 축방향 움직임에 대하여 최적의 누름력을 제공하며 매우 적은 밀착높이를 갖는 볼류트형 스프링을 사용하는 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것이다.

본 발명에 의한 상단고정체는 누름판, 유로판, 볼류트 스프링 및 외곽안내기둥을 구비한다.

상기 누름판은 원형의 누름판중앙관통구 및 상기 누름판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루는 4개의 원형 누름판외곽관통구가 형성되고, 상기 원자로의 삽입관에 의하여 지지된다.

또한 상기 유로판은 원형의 유로판중앙관통구 및 상기 유로판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루는 4개의 유로판외곽관통구가 형성되고, 유로판외곽관통구와 유로판중앙관통구에 각각 핵연료집합체의 안내관과 계측관이 각각 연결된다.

또한 상기 볼류트스프링은 상기 누름판의 누름판외곽관통구에 연결되어 지지되고, 상기 유로판외곽관통구에 연결되어 상기 유로판에 전달되는 핵연료집합체의 축방향 움직임을 제한한다.

또한 상기 외곽안내기둥은 상기 누름판외곽관통구에 적은 유격으로 삽입될 수 있는 직경을 가진 중공원통형으로 형성되고, 상단에는 몸체의 직경보다 큰 직경을 갖는 외곽걸이부를 구비하며, 상기 누름판외곽관통구와 상기 볼류트스프링의 중 앙을 관통하여 상기 유로판의 유로판외곽관통구에 고정되어 상기 유로판의 횡방향 움직임을 제한한다.

상기 구성을 통하여 본 발명에 의한 상단고정체는 상단고정체의 높이를 줄여 원자로의 연소에 직접적으로 필요한 연료봉의 길이를 증가시킬 수 있는 공간을 확보 할 수 있도록 한다.

핵연료집합체, 지지격자, 상단고정체, 볼류트스프링

Description

볼류트스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체 {Top nozzle assembly having volute spring in nuclear fuel assembly}

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도

도 3은 종래의 코일스프링을 사용한 상단고정체를 나타내는 절개도

도 4는 본 발명 실시예 1에 의한 상단고정체를 나타내는 분해사시도

도 5a는 본 발명 실시예 1에 의한 상단고정체를 나타내는 정면도

도 5b는 본 발명 실시예 1에 의한 압축된 상단고정체를 나타내는 정면도

도 6은 본 발명 실시예 2에 의한 상단고정체를 나타내는 분해사시도

도 7a는 본 발명 실시예 2에 의한 상단고정체를 나타내는 정면도

도 7b는 본 발명 실시예 2에 의한 압축된 상단고정체를 나타내는 정면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: 중앙안내기둥 22: 외곽안내기둥

23: 볼류트스프링 24: 유로판

25: 누름판

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

원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠렛(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠렛들을 수백개씩 다발 형태로 묶어서 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 상부봉단마개를 용접하여 연료봉을 제조한다. 상기 연료봉은 최종적으로 핵연료 집합체를 구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.

상기 핵연료 집합체 및 그 구성요소를 [도 1] 내지 [도 2]에 도시하였다. [도 1]은 일반적인 핵연료집합체의 모습을 나타내는 개략도이고, [도 2]는 지지격자를 위에서 바라본 평면도이다.

[도 1]을 참조하여 설명하면 상기 핵연료 집합체는 상단고정체(4), 하단고정체(5), 지지격자(2), 안내관(3), 계측관(6) 및 지지격자(2)로 이루어지는 골격체와 상기 지지격자(2) 내에 장입되어 상기 지지격자(2)내에 형성된 스프링 및 딤플에 의하여 지지되는 상기 연료봉(1)으로 구성된다. 집합체 조립시 연료봉(1) 표면의 흠집을 방지하고 지지격자내 스프링의 손상을 방지하기 위해 연료봉의 표면에 락커를 도포하여 골격체에 장입한 다음 상ㅇ하단 고정체를 부착하여 고정시킴으로써 원자력연료 집합체의 조립이 끝나고 완성된 집합체의 락커를 제거한 후 연료봉간의 간격, 뒤틀림, 전장, 치수 등을 검사하는 것으로 집합체 제조공정이 마무리된다.

상기의 핵연료 집합체는 원자로의 운전중에 냉각수의 흐름에 의해 발생하는 수력들림력(hydraulic uplift force)을 받게 되어 부양되거나 진동을 하게 된다. 또한 온도의 상승에 의한 열팽창이나 장시간의 중성자 조사에 의한 핵연료 안내관의 조사성장 및 크립에 의한 축방향 길이변화가 발생한다.

상단고정체, 특히 상단고정체의 홀드다운 스프링은 이러한 축방향의 운동이나 길이 변화에 대해 핵연료집합체의 기계적 구조적 안정성을 지키기 위한 구성이다.

홀드다운 스프링은 집합체의 설계형태에 따라 몇 가지 형태를 가지는데, 일반적으로 표준형 핵연료집합체에는 코일형 스프링이 쓰인다.

종래의 핵연료집합체용 상단고정체를 [도 3]에 도시하였다. [도 3]은 종래의 코일형 스프링을 사용한 상단고정체를 나타내는 절개도이다.

종래의 상단고정체(4)는 핵연료집합체의 격자체(미도시)에 연결되어 핵연료집합체의 상하 움직임 하중을 받는 유로판(14), 원자로의 삽입관에 지지되는 누름판(15), 상기 누름판(15)에 의하여 지지되고 유로판(14)을 통하여 핵연료집합체의 하중을 받아 상하 움직임을 제한하는 코일형스프링(13), 핵연료집합체의 계측관과 연결되는 상단이 폐쇄된 중공원통형의 중앙안내기둥(11) 및 코일형스프링(13)의 중심골격을 이루는 중공원통형의 외곽안내기둥(12)을 주요 구성으로 한다.

상기 상단고정체는 상기 코일형스프링(13)에 의하여 핵연료집합체의 상하 움직임을 제한하고, 상기 외곽안내기둥(12)은 원자로의 삽입관(7)과 핵연료집합체(미도시)의 안내관을 연결하여 상부로부터 삽입되는 제어봉(미도시)이 상기 안내관(미도시)로 장입될 수 있도록 하며, 상기 중앙안내기둥(11)은 핵연료집합체의 계측관(미도시)과 연결되어 계측관의 하부로부터 삽입되는 계측장비(미도시)의 끝부분을 수용하게 된다.

한편 오늘날 핵연료의 개발은 고연소도 및 무결성을 목표로 추진되고 있다. 고연소도 핵연료를 개발하기 위해서 핵연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키는 방법들이 제안되고 있다. 이러한 열전달 촉진 방법으로는 혼합날개의 부착 및 이의 설계 변경 또는 유로채널의 효율적인 구성 등 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 것이 주가 되고 있다.

그러나 이러한 열전달 촉진을 위한 방법은 주로 핵연료봉 주변을 흐르는 냉각수가 더욱 큰 난류가 되도록 하는 것이어서 핵연료봉을 진동하게 하는 유체유발 진동의 원인이기도 하다. 이러한 유체유발진동은 상술한 수력들림력을 더욱 상승시킨다.

상단고정체의 스프링은 상술한 바와 같이 이러한 수력들림력에 의한 핵연료집합체의 상하 운동을 눌러 제한하게 된다. 따라서 상단고정체의 스프링은 핵연료봉으로부터 냉각수로의 열전달 효율을 개선하기 위한 근래의 기술에 따라 더 큰 누름력을 필요로 하게 되었다.

한편 핵분열이 지속됨에 따라 핵연료봉 및 안내관은 조사성장을 하게 된다. 따라서 한정된 원자로의 공간내에서 안내관의 성장으로 인하여 스프링은 압축되고 스프링의 탄성구간 즉 안내관의 운동 허용 길이가 감소하게 되어 스프링은 처음부터 조사성장에 의한 탄성구간을 감안하여 충분한 탄성 구간을 갖도록 형성하여야 한다.

상술한 필요에 따라 스프링의 누름력(탄성계수 K)를 증가시키기 위하여 스프링의 두께를 증가시키거나 충분한 탄성구간을 확보하기 위하여 스프링의 전체길이를 늘이는 방법을 생각할 수는 있다.

그러나 스프링의 최소길이는 상술한 탄성범위 내에서의 핵연료집합체의 상하운동을 허용하기 위한 탄성구간의 길이에 스프링의 밀착에 의하여 더 이상 스프링으로서 작용할 수 없는 밀착길이를 더한 길이가 되며, 핵연료집합체에 있어서 한정된 원자로의 길이 내에서 연소에 직접적으로 필요한 핵연료봉의 길이는 최대한 보장되어야 하는 면에서 스프링의 길이는 최소화되어야 하는 면에서, K를 증가시키기 위하여 무한정 스프링의 두께를 두껍게 하여 스프링 밀착길이를 늘이거나 탄성구간을 증가시키기 위하여 스프링의 길이를 늘일 수는 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 스프링의 밀착에 의한 스프링 역할을 하지 못하는 밀착길이를 줄임으로써 전체적인 스프링의 길이를 줄이는 수단을 제공하는데 있다.

또한 상기 밀착길이를 줄이더라도 스프링의 허용응력기준, 즉 외부 스트레스에 대하여 견디는 강성을 충분히 확보하며 동시에 핵연료집합체의 수력들어올림력에 의한 하중을 충분히 견딜 수 있는 수단을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 과제는 상기 과제에 의하여 종래의 비하여 큰 누름력에 의하여 스프링이 휘어지지 않도록 방지하는 수단을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

본 발명에 의한 상단고정체는 누름판, 유로판, 볼류트 스프링 및 외곽안내기둥을 구비한다. 나아가 중앙안내기둥을 더 구비할 수 있다.

또한 상기 외곽안내기둥은 상기 누름판외곽관통구에 적은 유격으로 삽입될 수 있는 직경을 가진 중공원통형으로 형성되고, 상단에는 몸체의 직경보다 큰 직경을 갖는 외곽걸이부를 구비하며, 상기 누름판외곽관통구와 상기 볼류트스프링의 중앙을 관통하여 상기 유로판의 유로판외곽관통구에 고정되어 상기 유로판의 횡방향 움직임을 제한한다.

또한 상기 중앙안내기둥은 상기 유로판의 외곽안내기둥이 연결된 측의 유로판중앙관통구에 연결된다.

한편 본 발명에 의한 상단고정체는 누름판, 유로판, 볼류트스프링 및 중앙안내기둥을 구비할 수 있다.

상기 누름판은 원형의 누름판중앙관통구 및 상기 누름판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루며 4개의 원형 누름판외곽관통구가 형성되고, 상기 원자로의 삽입관에 의하여 지지된다.

또한 상기 유로판은 원형의 유로판중앙관통구 및 상기 유로판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루며 4개의 유로판외곽관통구가 형성되고, 유로판외곽관통구와 유로판중앙관통구에 각각 핵연료집합체의 안내관과 계측관이 각각 연결된다.

또한 상기 중앙안내기둥은 상기 누름판중앙관통구에 적은 유격으로 삽입될 수 있는 직경을 가진 중공원통형으로 형성되고, 상단에는 몸체의 직경보다 큰 직경을 갖는 중앙걸이부를 구비하며, 상기 누름판중앙관통구를 관통하여 상기 유로판의 유로판중앙관통구에 고정되어 상기 유로판의 횡방향 움직임을 제한한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 '상하좌우' 등 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.

한편, 축방향이란 핵연료집합체의 길이 방향으로서 핵연료봉이 장입되는 방향을 말한다.

이하 [도 4]를 참조하여 본 발명의 실시예 1을 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 1은 지지격자체의 상부에 형성되는 누름판(25), 유로판(24), 볼류트 스프링(23), 외곽안내기둥(22) 및 중앙안내기둥(21)로 구성되어 있다.

누름판(25)은 중앙에 원형의 누름판중앙관통구(251)가 형성되어 있다. 또한 4개의 원형 누름판외곽관통구(252)가 서로 인접하는 누름판외곽관통구(252)끼리 상기 누름판중앙관통구(251)를 중심으로 90°의 각을 이루도록 상기 누름판중앙관통구(251)의 주위에 형성된다.

유로판(24)은 중앙에 원형의 유로판중앙관통구(241)가 형성되어 있다. 또한 4개의 원형 유로판외곽관통구(242)가 서로 인접하는 유로판외곽관통구(242)끼리 상기 유로판중앙관통구(241)를 중심으로 90°의 각을 이루도록 상기 유로판중앙관통구(241)의 주위에 형성된다.

볼류트스프링(23; volute spring)은 소용돌이 모양의 스프링을 말하는 것으로서 공지의 것을 사용한다. 다만 볼류트스프링(23)의 최소 직경이 후술할 외곽안내기둥(22) 보다는 커야 하고 바람직하게는 누름판(25)의 누름판외곽관통구(252)의 직경과 비슷하게 형성되어야 한다.

외곽안내기둥(22)은 상기 누름판외곽관통구(252)에 적은 유격으로 삽입될 수 있는 직경을 가진 중공원통형으로 형성된다. 또한 외곽안내기둥(22)의 상단에는 몸체의 직경보다 큰 직경을 갖는 외곽걸이부(221)를 구비하여 누름판(25)의 누름판외곽관통구(252)를 통하여 삽입이 되는 경우 외곽걸이부(221)는 상기 누름판외곽관통구(252)를 통과하지 못하도록 하는 작용을 한다.

중앙안내기둥(21)은 상단이 폐쇄된 중공원통형으로 형성된다.

[도 5a] 및 [도 5b]를 참조하여 실시예1의 연결관계 및 작용을 설명하면,

누름판(25)은 원자로에 형성된 삽입관(미도시; [도 3]참조)에 의하여 지지된다.

또한 유로판(24)은 유로판외곽관통구(242)와 유로판중앙관통구(241)에 각각 핵연료집합체의 안내관(미도시)과 계측관(미도시)이 각각 연결된다.

또한 볼류트스프링(23)은 누름판(25)의 누름판외곽관통구(252)에 연결되어 지지되고, 유로판외곽관통구(242)에 연결되어 유로판(24)에 전달되는 핵연료집합체(미도시)의 축방향 움직임을 제한한다.

또한 외곽안내기둥(22)은 누름판외곽관통구(252)와 볼류트스프링(23)의 중앙을 관통하여 유로판(24)의 유로판외곽관통구(242)의 상부에 고정되며 상단에 형성된 걸이부(221)에 의하여 볼류트스프링(23)의 최대 길이를 제한하며 유로판(24)의 횡방향 움직임을 제한한다. 이 후 원자로의 가동 중 중성자 수의 조절을 위한 제어봉(미도시)이 원자로의 삽입관(미도시)를 통하여 삽입이 되면 외곽안내기둥(22)의 내부 공간을 통하여 핵열료집합체의 하부인 지지격자체(미도시)의 골격 중 하나인 안내관(미도시)으로 장입된다.

또한 중앙안내기둥(21)은 유로판(24)의 상부 유로판중앙관통구(241)에 연결되어 이 후 원자로의 하부에서 삽입되는 계측장비가 지지격자의 골격을 이루고 있는 계측관을 지나 중앙안내기둥(21)에 이르게 된다.

[도 5b]를 참조하여 설명하면, 원자로의 가동 시 지지격자체가 들어올려지는 경우에는 유로판(24)이 밀려올라가고 그에 따라 중앙안내기둥(21)과 외곽안내기 둥(22)이 유로판(24)과 함께 밀려올라가게 된다. 이 때 중앙안내기둥(21)은 누름판(25)의 중앙에 형성된 누름판중앙관통구(251)를 통과하여 누름판(25)과 부??히는 것을 방지하며 외곽안내기둥(22)은 원자로에 형성된 삽입관(미도시) 내부에서 유로판(24)의 움직임에 따라 상하운동을 하게 된다.

이하 [도 6]을 참조하여 본 발명의 실시예 2를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 2은 지지격자체의 상부에 형성되는 누름판(25), 유로판(24), 볼류트스프링(23) 및 중앙안내기둥(31)로 구성되어 있다.

본 실시예 2는 실시예 1과 비교하여 보면 구성면에서 거의 동일하다. 다만 실시예 1의 외곽안내기둥(22; [도 4] 참조) 구성이 없으며 중앙안내기둥(31)의 구성이 실시예 1의 중앙안내기둥(21; [도 4]참조)과 차이가 있다.

실시예 2에 의한 중앙안내기둥(31)은 실시예 1의 중앙안내기둥(21; [도 4]참조)에 비하여 길이가 길며 그 상단에 몸체보다 직경이 큰 걸이부(311)가 형성되어 있다.

[도 7a]를 참조하여 연결관계 및 작용을 설명하면, 전체적인 연결관계 및 작용은 실시예 1과 거의 동일하나 실시예 1에서 볼류트스프링(23)의 최대 길이를 제한하고 또한 상단고정체의 좌우 흔들림을 방지하는 구성이 외곽안내기둥(22; [도 4]참조)이었다면 본 실시예 2에서는 중앙안내기둥(31)이 그 역할을 담당하게 된다. 즉, 중앙안내기 둥은 누름판(25)의 중앙에 형성된 누름판중앙관통구(311)을 통하여 삽입되고 유로판(24)의 중앙에 형성된 유로판중앙관통구(241)의 상단에 고정되어, 걸이부(311)이 누름판(25)의 상단에 걸리게 함으로써 볼류트스프링(23)의 최대 길이를 제한하고 또한 누름판(25)이 좌우로 흔들리지 않도록 지지하는 역할을 한다.

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 상단고정체로 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 스프링이 밀착에 의한 스프링 역할을 하지 못하게 되는 최소 스프링 길이인 밀착길이를 줄임으로써 전체적인 스프링의 길이를 줄이도록 구성되어 있어 한정된 원자로의 길이 내에서 연소에 직접적으로 필요한 연료봉을 위한 공간의 길이를 더 확보할 수 있도록 한다.

또한 본 발명은 상기와 같이 밀착길이를 줄이더라도 스프링의 허용응력기준, 즉 외부 스트레스에 대하여 견디는 강성을 충분히 확보하며 동시에 핵연료봉의 수력들어올림력에 의한 하중을 충분히 견딜 수 있는 누름력을 제공하도록 구성되어 있는바 핵연료집합체의 수명기간 전체를 통하여 핵연료집합체의 건전한 상하 지지 및 수직운동의 제한을 하게 된다.

Claims

원자로의 삽입관에 의하여 지지되어 핵연료 집합체를 눌러 핵연료 집합체의 상하운동을 제한하는 상단고정체에 있어서,

원형의 누름판중앙관통구 및 상기 누름판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루는 4개의 원형 누름판외곽관통구가 형성되고, 상기 원자로의 삽입관에 의하여 지지되는 누름판;

원형의 유로판중앙관통구 및 상기 유로판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루는 4개의 유로판외곽관통구가 형성되고, 유로판외곽관통구와 유로판중앙관통구에 각각 핵연료집합체의 안내관과 계측관이 각각 연결되는 유로판;

상기 누름판의 누름판외곽관통구에 연결되어 지지되고, 상기 유로판외곽관통구에 연결되어 상기 유로판에 전달되는 핵연료집합체의 축방향 움직임을 제한하는 볼류트스프링; 및

상기 누름판외곽관통구에 적은 유격으로 삽입될 수 있는 직경을 가진 중공원통형으로 형성되고, 상단에는 몸체의 직경보다 큰 직경을 갖는 외곽걸이부를 구비하며, 상기 누름판외곽관통구와 상기 볼류트스프링의 중앙을 관통하여 상기 유로판의 유로판외곽관통구에 고정되어 상기 유로판의 횡방향 움직임을 제한하는 외곽안내기둥; 을 구비하는 볼류트스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체.
제1항에 있어서,

상기 유로판의 외곽안내기둥이 연결된 측의 유로판중앙관통구에 연결되는 중앙안내기둥을 더 구비하는 볼류트스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체.
원자로의 삽입관에 의하여 지지되어 핵연료 집합체를 눌러 핵연료 집합체의 상하운동을 제한하는 상단고정체에 있어서,

원형의 누름판중앙관통구 및 상기 누름판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루는 4개의 원형 누름판외곽관통구가 형성되고, 상기 원자로의 삽입관에 의하여 지지되는 누름판;

원형의 유로판중앙관통구 및 상기 유로판중앙관통구를 중심으로 90°의 각을 이루는 4개의 유로판외곽관통구가 형성되고, 유로판외곽관통구와 유로판중앙관통구에 각각 핵연료집합체의 안내관과 계측관이 각각 연결되는 유로판;

상기 누름판의 누름판외곽관통구에 연결되어 지지되고, 상기 유로판외곽관통구에 연결되어 상기 유로판에 전달되는 핵연료집합체의 축방향 움직임을 제한하는 볼류트스프링; 및

상기 누름판중앙관통구에 적은 유격으로 삽입될 수 있는 직경을 가진 중공원통형으로 형성되고, 상단에는 몸체의 직경보다 큰 직경을 갖는 중앙걸이부를 구비하며, 상기 누름판중앙관통구를 관통하여 상기 유로판의 유로판중앙관통구에 고정되어 상기 유로판의 횡방향 움직임을 제한하는 중앙안내기둥; 을 구비하는 볼류트 스프링을 사용한 핵연료집합체용 상단고정체.