KR20090021469A - 연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개모양의 스프링을 가진 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자체에 관한 것으로서, 구체적으로는 프레팅 마모에 의한 연료봉 손상을 방지하는데 특징이 있는 스프링을 구비한 지지격자에 관한 것이다.

스트립, 딤플 및 스프링을 구비한 공지의 지지격자에 있어서,

본 발명에 의한 연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개 모양의 스프링을 가진 지지격자는 아래와 같은 스프링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

스트립은 일정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 일정 간격으로 판형 두께만큼의 폭을 갖는 슬롯이 형성되며, 종횡 각각 일정 간격으로 배열하여 상기 슬롯을 상호 결합함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획한다.

딤플은 상기 스트립의 격자면에 종횡 각각 일정한 방향으로 돌출되도록 상하 한 쌍씩 다수 형성된다.

스프링은 다수 형성되며, 상기 격자면에 형성된 한 쌍의 딤플 사이에 형성되고, 상기 딤플과 반대로 돌출되며, 일정한 탄성을 가지고 상기 딤플과 함께 핵연료봉을 지지한다.

본 발명에 의한 스프링은 상기 격자면의 중앙을 절개한 절개부의 양 측면으로부터 횡단면 상으로 보아 일정한 예각을 이루도록 형성된 판형의 평면부 및 연료봉과 선접촉하기 위하여 상기 평면부의 끝부분에서 격자면을 향하여 굽은 곡면형상 의 연료봉접촉부로 구성된다.

이러한 본 발명의 구성상의 특징으로부터 연료봉과 지지격자사이에 이중의 선접촉을 이루도록하는 동시에 이러한 스프링과 연료봉 사이의 선접촉은 초기부터 최대한 긴 선접촉이 형성되도록 하여 동일 마모 체적 대비 마모 깊이가 더욱 줄일 수 있었다.

핵연료집합체, 지지격자, 이중날개 모양, 스프링, 프레팅 마모, 유체유발진동

Description

연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개 모양의 스프링을 가진 지지격자 {Stable Support and Anti-Fretting Wear Spacer Grid with Double Wing Shape Spring}

본 발명은 핵연료집합체의 연료봉을 지지하는 지지격자체에 관한 것으로서, 구체적으로는 프레팅 마모에 의한 연료봉 손상을 방지하는데 특징이 있는 스프링을 구비한 지지격자에 관한 것이다.

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.

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 펠렛들을 수백개씩 다발 형태로 묶어서 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 장입하고 여기에 스프링과 헬 륨기체를 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 3]에 도시하였다. [도 1]은 일반적인 핵연료집합체의 모습을 나타내는 개략도이고, [도 2]는 지지격자를 위에서 바라본 평면도이며, [도 3]은 상기 지지격자를 상세히 나타내기 위한 절개사시도이다.

[도 1]을 참조하여 설명하면 상기 핵연료 집합체는 상단고정체(4), 하단고정체(5), 안내관(3) 및 지지격자(2)로 이루어지는 골격체와 상기 지지격자(2) 내에 장입되어 상기 지지격자(2)내에 형성된 스프링(6; [도 2] 및[도 3]참조) 및 딤플(7; [도 2] 및[도 3]참조)에 의하여 지지되는 상기 연료봉(1)으로 구성된다. 집합체 조립시 연료봉(1) 표면의 흠집을 방지하고 지지격자내 스프링(6)의 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.

[도 2] 및 [도 3]을 참조하여 설명하면 지지격자(2)는 다수의 연료봉(1)이 각각 장입될 수 있는 공간부를 구획하도록 스트립(얇은 금속판)이 각각 일정간격으로 형성된 슬롯(미도시)을 상호 결합하여 격자상으로 형성된다. 상기 지지격자는 상하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관(3)과 용접된다. 지지격자(2)에 의하여 구획되는 각각의 공간부에는 스프링(6) 및 딤플(7)이 규칙적으로 형성되어 있으며 상기 스프링(6) 및 딤플(7)이 연료봉(1; [도 1]참조)과 접촉함으로써 연료봉(1; [도 1]참조)들 간의 간격을 유지하고 정해진 위치에 배열되도록 하며 스프링(6)의 탄성에 의하여 연료봉(1)이 연고정 되도록 한다.

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 유체유발진동의 원인이기도 하다.

핵연료봉의 유체유발 진동은 핵연료봉이 지지격자 스프링 또는 딤플과의 접촉면에서 서로 상대적으로 미끄럼 운동을 하게하며 이로부터 연료봉의 접촉면에 국부적인 마모가 발생하게 하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 프레팅 마모현상을 일으킨다. 즉 고연소 핵연료 개발을 위해 열적 성능을 향상시키는 방법이 한편으로는 핵연료봉의 손상을 촉진시키는 결과를 가져오는 것이다.

한편 연소가 진행됨에 따라 지지격자는 횡방향으로 조사성장을 하게 된다. 또한 연료봉은 원자로 내에서의 연소과정에서 반경방향의 크립, 즉 원자로 내의 냉각수 등의 높은 압력에 의하여 오그라드는 현상과 소결체의 팽창에 따른 반경방향의 확장 현상이 반복적으로 발생함에 따라 연료봉의 외경이 불규칙한 방향성을 갖게 되어 지지격자의 스프링/딤플과 연료봉간에 간극이 발생될 수 있는데 이러한 현상에 의하여 프레팅 마모현상은 더욱 심화된다.

이러한 프레팅 마모현상을 최소화하기 위하여 연료봉과 스프링/딤플간의 종방향 접촉길이를 길게 하거나 면접촉이 발생하도록 하여 프레팅 마모가 발생하더라도 동일 마모체적하에서 마모깊이를 최소화하는 방법들이 제안된 바 있다.

[도 4a] 및 [도 4b]는 종방향으로 선접촉의 길이가 늘어나도록 형성한 종래의 스프링을 구비한 지지격자를 개략적으로 나타낸 것으로서 현재 일반적으로 사용되고 있는 형태의 스프링이다.

상기 스프링은 연료봉과 선접촉을 하도록 평판형으로 형성되는 것이 마모를 최소화 하는 면에서는 이상적이다. 그러나 실제적으로는 [도 4a]에 도시된 바와 같이 핵연료봉 지지시에 탄성을 갖도록 판에 굴곡이 형성되어 있다. 따라서 연료봉과 지지격자 사이의 초기 접촉은 선접촉이 아닌 3점접촉이 형성되고 마모가 진행됨에 따라 선접촉으로 변해가도록 되어 있다. 이 때 초기 3점접촉에 의하여 연료봉의 프레팅 마모가 가속된다.

한편 연료봉과 면접촉이 발생하도록 하여 프레팅 마모를 최소화하려는 방법으로는 2002년 3월 6일에 출원된 '미합중국 등록특허 US6606369' 『Nuclear reactor with improved grid』(이하 선행기술이라 한다.)가 있다.

상기 선행기술은 [도 5a] 및 [도 5b]에 도시된 바와 같이 스프링(62)과 연료봉(1)의 접촉에 있어서 면접촉이 되도록 스프링(62)에 곡면을 형성하여 종래의 점접촉이나 선접촉 방식보다 유체유발진동에 의한 연료봉의 축방향 및 횡방향의 흔들림을 방지하는 것을 특징으로 한다.

그러나 상기 선행기술은 스프링(62) 및 딤플(72)이 연료봉(1)과 접촉하는 면을 연료봉의 곡률반경과 동일하게 형성하여 면접촉을 할 수 있도록 의도하였으나, 실제로는 지지격자(22)의 제조공차 및 고압의 냉각수에 의한 연료봉(1)의 진원도 변화 등에 의해 정확한 면접촉을 성립 또는 유지시키거나 연료봉의 연소과정 전체를 통하여 일정한 진원도 및 곡률반경을 유지시키는 것은 불가능하다.

또한 상기 스프링(62)의 접촉부분이 이론상의 완전한 곡면을 이루지 못하는 경우 연료봉(1)과 불규칙한 선접촉 내지는 점접촉 등을 형성하게 되어 예측하지 못한 마모가 발생할 수도 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 연료봉과 지지격자사이에 동일 마모 체적 대비 마모 깊이 가 최소화 되도록 접촉형상을 구현하기 위하여 이중의 선접촉을 하는 수단을 제공하는 동시에 이러한 스프링과 연료봉 사이의 선접촉은 초기부터 최대한 긴 선접촉이 되도록 하는 수단을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 과제는 외팔보식 스프링이라는 본 발명의 구성상 강성의 보강이 필요하므로 연료봉 접촉부의 강성을 증가시키는 수단을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

스트립, 딤플 및 스프링을 구비한 공지의 지지격자에 있어서,

본 발명에 의한 연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개 모양의 스프링을 가진 지지격자는 아래와 같은 스프링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

스트립은 일정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 일정 간격으로 판형 두께만큼의 폭을 갖는 슬롯이 형성되며, 종횡 각각 일정 간격으로 배열하여 상기 슬롯을 상호 결합함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획한다.

딤플은 상기 스트립의 격자면에 종횡 각각 일정한 방향으로 돌출되도록 상하 한 쌍씩 다수 형성된다.

스프링은 다수 형성되며, 상기 격자면에 형성된 한 쌍의 딤플 사이에 형성되고, 상기 딤플과 반대로 돌출되며, 일정한 탄성을 가지고 상기 딤플과 함께 핵연료봉을 지지한다.

본 발명에 의한 스프링은 상기 격자면의 중앙을 절개한 절개부의 양 측면으 로부터 횡단면 상으로 보아 일정한 예각을 이루도록 형성된 판형의 평면부 및 연료봉과 선접촉하기 위하여 상기 평면부의 끝부분에서 격자면을 향하여 굽은 곡면형상의 연료봉접촉부로 구성된다.

또한 본 발명에 의한 스프링은 기저부슬롯을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 기저부슬롯은 상기 평면부와 지지격자면의 연결부위 일부를 절개하여 형성되며, 그 절개면의 넓이와 축방향의 길이에 따라 상기 스프링의 강성을 조절하는 역할을 한다.

또한 본 발명에 의한 스프링은 경사곡면부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 경사곡면부는 연료봉 장입시 긁힘 또는 충돌에 의한 연료봉 손상을 방지하기 위하여 연료봉접촉부 상하단의 모서리 및 인접하는 평면부의 모서리의 일부를 연결하도록 곡면형상으로 형성된다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

연료봉과 지지격자사이에 이중의 선접촉을 이루도록하는 동시에 이러한 스프링과 연료봉 사이의 선접촉은 초기부터 최대한 긴 선접촉이 형성되도록 하여 동일 마모 체적 대비 마모 깊이가 더욱 줄일 수 있었다.

또한 본 발명에 의한 지지격자는 연료봉접촉부의 상하단에 곡면경사부를 형 성함으로써 연료봉 장입시 마찰에 의한 간섭력을 최소화 할 수 있도록 하여 연료봉 초기 손상 및 스프링 영구변형 등을 최소화 하였다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우 상하좌우 등 방향을 나타내는 용어는 첨부된 도면을 기준으로 한다. 각 실시예를 통하여 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

한편, 지지격자의 격자구조에 의하여 구획된 개개의 공간부를 단위 격자셀이라 하고, 그 격자셀 내부의 일면을 격자면이라고 정의한다. 또한 어느 한 격자면을 종방향이라 정의한다면 그와 평행한 모든 격자면은 종방향 격자면이 되고, 상기 종방향의 격자면과 직각을 이루는 격자면은 횡방향의 격자면이라 한다. 또한 축방향이란 단위 격자셀의 길이 방향으로서 핵연료봉이 장입되는 방향을 말한다.

[도 6a] 내지 [도 6e]에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예는 지지격자의 격자면 마다 형성된 이중날개모양의 스프링(63)이 그 주요 구성 요소이다. [도 6a]는 본 실시예의 이중날개모양 스프링이 형성된 하나의 격자면을 나타내며, [도 6b]는 상기 격자면의 측면을 나타내고, [도 6c]는 본 이중날개모양의 스프링의 이해를 돕기 위하여 상기 격자면을 비스듬이 바라본 사시도이고, [도 6d]는 본 격자면의 P-P' 부분([도 6a]참조)을 잘라 본 단면도 이며, [도 6e]는 상기 스프링이 형성된 단위 격자셀 내에 핵연료봉이 가상적으로 장입된 상태를 위에 서 바라본 모습이다.

본 실시예에 의한 스프링(63)은 [도 6a]에 도시된 바와 같이 연료봉접촉부(631), 평면부(632), 경사곡면부(633) 및 기저부슬롯(64)으로 구성되어 있다.

[도 6a] 및 [도 6d]를 참조하여 평면부(632) 및 연료봉접촉부(631)를 설명한다. 평면부(632)와 연료봉접촉부(631)은 스프링(63)의 주요 구성요소로서 격자면 상에 형성되어 있는 한쌍의 딤플(7)의 사이를 종방향으로 긴 직사각형으로 절개한 면에 형성된다. 또한 스프링(63)은 딤플(7)의 돌출방향과 반대로 돌출되도록 형성된다.

평면부(632)는 탄성을 갖도록 얇은 판형으로 형성되며, [도 6d]에 도시된 바와 같이 횡단면 상으로 보아 격자면 중앙의 절개부 양 측면으로부터 격자면과 일정한 예각을 이루도록 형성된다. 이 때 평면부(632)와 격자면이 이루는 각이 너무 크면 스프링(63)의 강성이 커지기 때문에 최대 45ㅀ를 넘지 않는 것이 바람직하다. 한편 [도 6a]에 도시되 바와 같이 평면부(632)의 상단 및 하단은 연료봉의 장입시 충돌 및 긁힘을 방지하기 위하여 둥글게 처리하는 것이 바람직하다.

연료봉접촉부(631)은 평면부(632)의 끝에서 연장되도록 형성되며, [도 6d]에 도시된 바와 같이 연료봉과 선접촉하기 위하여 상기 평면부의 끝부분에서 격자면을 향하여 굽은 판형의 곡면으로 형성된다.

[도 6b] 및 [도 6c]를 참조하여 경사곡면부(633)를 설명한다.

경사곡면부(633)는 [도 6c]에 도시된 바와 같이 연료봉접촉부(631)의 상하단으로부터 인접하는 평면부의 모서리까지의 공간을 감싸는 곡면으로 형성된다. 이러한 경사곡면부(633)는 [도 6b]에서 알 수 있는 바와 같이 종방향으로 일정한 각을 갖도록 형성되어 있으므로 연료봉의 장입시 긁힘 또는 충돌에 의한 연료봉 손상을 방지하는 역할을 하게 된다.

[도 6c]를 참조하여 기저부슬롯(634)을 설명한다.

기저부슬롯(634)은 평면부(632)와 지지격자면의 연결부위 일부를 절개한 절개부를 말한다. 기저부슬롯(634)는 평면부(632)와 격자면이 연결되는 부분의 총 길이를 줄여주는 역할을 하게 되며 동시에 평면부(632)의 일부를 잘라냄으로써 평면부(632)의 강성을 줄여주는 역할을 하게 된다. 따라서 기저부슬롯(634)의 종방향 길이와 횡방향 넓이를 필요에 맞게 조절하여 형성함으로써 원하는 스프링(63)의 강성을 얻을 수 있다.

한편 딤플(7)은 기존에 공지된 것과 동일한 구성으로 되어 있어 상세한 설명을 생략한다.

이하 [도 6e]를 참조하여 본 실시예에 의한 작용을 설명한다.

핵연료봉(1)은 본 실시예에 의한 스프링(63)이 형성된 단위격자셀에 장입되는 경우 연료봉접촉부(631)와 접촉하며 [도 6b]에 도시된 바와 같이 경사곡면부(633)와 평면부(632) 상하단의 둥근 모서리는 연료봉의 손상을 방지하는 역할을 한다.

장입이 된 이후에는 연료봉접촉부(631)의 굴곡형상과 연료봉접촉부(631)의 상하단에 형성되어 있는 경사곡면부(633)는 핵연료집합체 전 수명기간 동안 핵연료봉(미도시)과 연료봉접촉부(631)의 선접촉 형상이 유지되도록 연료봉접촉부(631)의 강성을 높여 형상이 변형되는 것을 방지한다. 이 때 평면부(632)는 연료봉접촉부(631)를 지지하는 동시에 지지격자와 연료봉접촉부(631)의 사이에서 탄성을 부여하게 된다.

지지격자의 각 단위격자셀 내에는 상기와 같은 2개의 날개모양의 스프링(63)과 4개의 딤플(7)이 형성되어 있어 총 8군데(하나의 스프링에서 2개의 선접촉이 이루어짐)에서 연료봉과 점 또는 선 접촉을 하면서 연료봉의 움직임을 제한한다.

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 지지격자로 구현될 수 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도이다.

도 2는 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 3은 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도이다.

도 4a는 종래의 선접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 사시도이다.

도 4b는 종래의 선접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 5a는 종래의 면접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 사시도이다.

도 5b는 종래의 면접촉 방식 연료봉 지지격자를 나타내는 평면도이다.

도 6a는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 격자면을 나타내는 정면도이다.

도 6b는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 격자면을 나타내는 측면도이다.

도 6c는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 격자면을 나타내는 사시도이다.

도 5d는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 격자면을 나타낸는 단면도이다.

도 6e는 본 발명에 의한 스프링이 형성된 단위 격자셀을 나타내는 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

631: 연료봉접촉부 632: 평면부

633: 경사곡면부 634: 기저부슬롯

Claims (3)

1. 일정 길이를 갖는 판형으로 형성되고, 일정 간격으로 판형 두께만큼의 폭을 갖는 슬롯이 형성되며, 종횡 각각 일정 간격으로 배열하여 상기 슬롯을 상호 결합함으로써 다수의 단위 격자셀을 구획하는 스트립;

   상기 스트립의 격자면에 종횡 각각 일정한 방향으로 돌출되도록 상하 한 쌍씩 형성된 다수의 딤플; 및

   상기 격자면에 형성된 한 쌍의 딤플 사이에 형성되고, 상기 딤플과 반대로 돌출되며, 일정한 탄성을 가지고 상기 딤플과 함께 핵연료봉을 지지하는 다수의 스프링:을 구비한 지지격자에 있어서,

   상기 스프링은 상기 격자면의 중앙을 절개한 절개부의 양 측면으로부터 횡단면 상으로 보아 일정한 예각을 이루도록 형성된 판형의 평면부 및 연료봉과 선접촉하기 위하여 상기 평면부의 끝부분에서 격자면을 향하여 굽은 곡면형상의 연료봉접촉부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개 모양의 스프링을 가진 지지격자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스프링은 상기 평면부와 지지격자면의 연결부위 일부를 절개하여 형성되는 강성조절용 기저부슬롯을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개 모양의 스프링을 가진 지지격자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 스프링은 연료봉 장입시 긁힘 또는 충돌에 의한 연료봉 손상을 방지하기 위하여 연료봉접촉부 상하단의 모서리 및 인접하는 평면부의 모서리의 일부를 연결하는 곡면형상의 경사곡면부:를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료봉 안정지지 및 프레팅 마모방지를 위한 이중날개 모양의 스프링을 가진 지지격자.

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