KR20090021502A - 원통모양의 딤플을 갖는 이물질여과용 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체의 하단고정체에 위에서 이물질을 여과함으로써 핵연료봉의 손상을 방지하고 냉각수의 압력차를 감소시키는 이물질 여과장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 지지격자에 절개면을 형성시키고, 연료봉의 지지를 위한 원형의 딤플과, 냉각수에 포함되어 있는 이물질을 걸러내기 위한 아치형태의 이물질 여과체가 상기 절개면에 끼워지는 것을 특징으로 한다.

핵연료집합체, 하단고정체, 지지격자체, 이물질, 여과체, 압력강하

Description

원통모양의 딤플을 갖는 이물질여과용 지지격자 {Spacer Grid with Tubular Dimple for The Debris Filtering}

본발명은 핵연료집합체의 하단고정체 위에서 냉각수와 함께 하단고정체 유로구멍을 통하여 유입되는 이물질이 통과하지 못하도록 여과하며, 동시에 냉각수의 유로방향에 대하여 최소의 유량 저항단면을 갖음으로써 압력강하가 최소가 되도록 개발한 여과장치에 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 상부봉단마 개를 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 상ㅇ하단 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] 및 [도 3]을 참조하여 설명하면 지지격자(2)는 다수의 연료봉(1)이 각각 장입될 수 있는 공간부를 구획하도록 스트랩(얇은 금속판)이 각각 일정간격으로 형성된 슬롯을 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)이 연고정 되도록 한다.

이렇게 완성된 핵연료집합체는 원자로 내에서 핵분열에 의하여 열을 방출하게 되고 핵연료집합체로부터 발생하는 열은 냉각수에 의하여 흡수하게 된다. 냉각수는 원자로 냉각펌프에 의해 원자로 및 원자로 배관을 순환하며 핵연료집합체로부터 냉각수로의 열전달을 촉진한다.

한편 이러한 냉각수의 순환과정에서 냉각수와 함께 원자로 내로 유입된 이물질, 즉 배관 및 냉각 설비의 생산, 설치, 및 수리 중에 금속 입자, 칩(chip), 절삭편(shavings)과 같은 세편 및 파편을 포함하는 다양한 종류의 이물질이 냉각수속에 혼입될 수 있고 이들 이물질이 하단고정체의 유로구멍을 통과하여 연료봉과 지지격자사이에서 미세진동을 일으키며 연료봉의 피복관을 손상시키는 일이 발생하기도 한다. 이러한 연료봉의 피복관 손상은 방사능 물질이 냉각수에 노출되어 방사능 오염을 유발하며 방사능이 대기 중으로 누출되는 사고의 원인이 되기도 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 [도 4]에 도시된 바와 같이 하단고정체(11)의 유로구멍(12)의 크기를 제한하는 방법과 [도 5]와 같이 이물질 여과전용의 이물질 여과체 지지격자(13)를 사용하는 방법 또는 하단고정체 유로구멍과 이물질여과 지지격자를 복합적으로 사용하는 방법들이 사용되고 있다.

상기의 이물질 여과장치 중 하단고정체의 유로구멍 크기를 제한하는 방법은 비교적 간단한 방법으로 적용하기 쉬운 장점이 있으나 이물질 여과성능의 향상에 비하여 유로면적의 감소로 인하여 압력강하도 증가하는 단점이 있다. 냉각수의 압력이 강하되면 수력들림력(hydraulic uplift force)이 증가하여 상단고정체 스프링 의 누름력을 더 크게 하여야 하고, 핵연료봉의 진동을 더욱 심화시키거나 냉각수의 횡방향 흐름을 유발시켜 프레팅 마모를 촉진시키며, 연료봉으로부터 충분한 열을 흡수하지 못하는 단점들이 생긴다.

하단고정체와 함께 이물질여과 지지격자를 사용하는 경우는 이물질 여과성능을 높이면서 상대적으로 압력강하량은 작다는 장점이 있으나 제조과정에서 지지격자의 슬롯들에 형성되어지는 딤플이나 이물질 여과체를 구비시키기 위해서는 지지격자의 일정부분을 잘라내거나 붙이거나 구부리거나 하는 번거로움 있다는 단점이 있다.

상술한 이물질여과 지지격자를 사용하는 예로는 1985년 8월 8일에 출원된 '미국 등록특허 US4652425'「Bottom grid mounted debris trap for a fuel assembly」(이하 선행기술이라 한다.)가 있다.

[도 5]를 참조하여 설명하면, 상기 선행기술은 지지격자체의 최하부의 지지격자(13)에 핵연료봉의 하단봉단마개(14)를 지지하는 딤플(15)을 단위 격자셀을 이루는 4개의 격자면에 각각 구성하여 핵연료봉의 지지와 함께 이물질이 핵연료집합체 내의 유효구간으로 유입되는 것을 방지하는 것이다.

이물질의 유입을 방지하기 위하여 좀 더 복잡한 딤플 구조를 구성하거나 단면적을 넓혀 이물질이 통과할 수 있는 단면적을 줄일 수는 있다. 그러나 냉각수의 압력강하는 축방향으로 바라본 격자체의 단면적에 비례하게 되므로 딤플의 구조를 무조건 복잡하게 하거나 단면적의 넓이를 증가시킬 수는 없는 것이다.

본 발명을 통하여,

첫째, 이물질여과 지지격자에 장착된 연료봉을 지지하는 딤플(dimple)과 냉각수에 포함된 이물질을 걸러내기 위한 이물질 여과체의 형상을 최적화하고 효과적으로 배치하여 종래기술보다 통과 가능한 이물질의 크기를 작게 제한하며 동시에 연료봉의 하부봉단마개를 지지하는 기능을 유지하고 압력강하량을 최소로 하는 것을 해결하고자 한다.

둘째, 지지격자에 딤플이나 이물질 여과체를 형성시키기는 제조 공정을 간단하게 하는 것을 해결하고자 한다.

본 발명에 따른 원통모양의 딤플을 갖는 이물질여과용 지지격자는,

일정 간격마다 슬롯이 형성된 스트랩을 종횡 방향으로 상호 교차하여 상기 슬롯을 상호 삽입함으로써 격자형 공간을 이루도록 형성되고, 상기 슬롯을 중심으로 양옆에 절개부가 형성되어 있는 지지격자와

중공원통형으로 형성되고, 상기 종방향 및 횡방향 스트랩의 교차점을 중심으로 이웃하는 절개부에 삽입되는 딤플 및

4개의 볼록부와 4개의 오목부가 교호적으로 나타나는 중공 십자형통으로 형 성되고, 상기 종방향 및 횡방향 스트랩의 교차점을 중심으로 이웃하는 절개부에 상기 볼록부의 끝부분이 삽입되는 이물질 여과체를 구비하는 원통모양의 딤플을 과제 해결 수단으로 한다.

첫째, 이물질여과 지지격자에 최적화된 형상의 딤플과 이물질 여과체를 효과적으로 배치함으로써 종래기술보다 통과 가능한 이물질의 크기를 작게 제한하며, 동시에 연료봉의 하부봉단마개를 지지하는 기능을 유지하면서도, 압력강하량은 종래기술과 동등하거나 우수하다는 효과가 있다.

둘째, 단순한 끼임만으로 충분한 체결이 가능하기 때문에 이물질여과지지격자에 딤플이나 이물질 여과체를 형성시키기는 제조 공정이 간단하다는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 것으로써,

본 발명에 의한 이물질여과 지지격자는 스트랩(110)(120)과 딤플(200)과 이물질 여과체(300)로 이루어져 있다.

상기 이물질여과 지지격자는 수개의 가로방향 스트랩(얇은 금속판)(110)과 세로방향 스트랩(120)이 교차하여 격자공간을 만들게 되고, 상기 격자공간에 연료봉 등이 삽입되고 하부봉단마개 등이 위치한다.

상기의 이물질여과 지지격자를 구성하는 가로ㅇ세로 방향의 스트랩(110)(120)에 대하여 설명한다. 이는 [도 6]에 도시되어 있다.

[도 6]을 참조하여 설명하면,

가로방향 스트랩(110)은 수개의 슬롯 및 절개면이 형성되어 있다.

상기 절개면 중 스트랩의 상부로부터 스트랩 높이의 반 정도의 위치까지 절개 된 슬롯a(112)는 후술할 세로방향 스트랩(120)과의 체결을 위한 것으로 일정간격으로 위치한다. 상기 일정간격이라 함은 지지격자에 삽입되는 핵연료봉의 일정한 배열 거리와 같다.

그리고 상기 슬롯a(112)를 중심으로 양 부분에 또 다른 절개면인 절개면b(114)가 형성되어 있다. 이는 후술할 딤플(200)과 이물질 여과체(300)의 결합을 위한 것으로 가로방향 스트랩(110) 상부로부터 절개 되어져 상기의 슬롯a(112)보다는 조금 더 길게 세로 방향으로 절개 되어 있고, 슬롯a(112)와 절개면b(114)의 간격은 후술할 딤플의 반지름, 이물질 여과체(300)의 볼록한 부분의 양 끝의 길이의 반과 같다.

이물질여과 지지격자의 세로방향 스트랩(120)은 가로방향 스트랩(110)과 같은 형상으로 이루어져 있으며, 슬롯a'(122), 절개면b'(124)가 형성되어 있다.

상기 슬롯a'(122), 절개면b'(124)는 가로방향 스트랩(110)의 슬롯a(112)와 절개면b(114)와 대응되는 절개면의 크기와 길이를 갖되, 각각의 절개면들은 하부로부터 스트랩의 중심 방향으로 절개되어져 있다.

다음으로 딤플(200)에 대하여 설명한다.

딤플(200)은 앞에서 설명하였듯 지지격자의 격자공간에 삽입되는 연료봉의 하부봉단마개를 지지하기 위한 역할을 하는 것으로써, [도 7]에 도시되어 있다.

상기 딤플(200)은 중공의 원통형상으로 상기 가로방향 스트랩(110)(혹은 세로방향 스트랩(120))에 형성 되어 있고, 슬롯a(112)(혹은 슬롯a'(122))를 기준으로 양옆에 위치하는 절개면b(114)(혹은 절개면b'(124))의 거리만큼을 지름으로 하고, 원통의 높이는 이물질 여과체(300)와 함께 지지격자의 동일한 절개면에 끼워졌을 때도 스트랩의 높이보다 낮게 형성되어 있다.

다음은 이물질 여과체(300)에 대하여 설명한다.

상기 이물질 여과체(300)는 앞에서 설명하였듯 냉각수에 들어있는 이물질들이 하단고정체를 통하여 핵연료집합체의 내부로 들어가지 못하도록 하는 역할을 하는 것으로써, [도 8]에 도시되어 있다.

상기 이물질 여과체(300)는 상기 딤플(200)과 같은 직경과 높이를 갖는 중공의 원통을 외부면에서 90ㅀ간격으로 4방향에서 원의 중심방향으로 힘을 가하여 4개의 아치(arch)형상을 가진 십자가의 형태이다.

상기의 가로ㅇ세로 방향의 스트랩(110)(120), 딤플(200) 그리고 이물질 여과체(300)의 결합과정을 [도 9]을 참조하여 설명하면,

가로방향 스트랩(110)의 슬롯a(112)를 중심으로 양옆의 절개면b(114)에 이물 질 여과체(300)가 끼워지고, 그 위쪽으로 딤플(200)이 끼워진다. 그리고 세로방향스트랩(120)의 슬롯a'(122)가 가로방향 스트랩(110)의 슬롯a(112)에 끼워지고, 앞에서 설명된 딤플(200)과 이물질 여과체(300), 세로방향 스트랩(120)의 형상으로 인하여 가로방향 스트랩(110)에 끼워져 있는 딤플(200)과 이물질 여과체(300)가 세로방향 스트랩(120)의 절개면b'(124)에 끼워지게 된다.

위와 같은 결합과정을 통하여 생성된 수개의 격자공간 중 하나의 격자공간에 연료봉의 하부봉단마개가 삽입된 것을 [도 10]과 [도 11]에 도시하였다.

[도 10]과 [도 11]을 참조하여 설명하면, 격자공간(500)의 각 모서리에 위치한 4개의 딤플(200)은 냉각수 유로방향에 대하여 동일한 평면에 위치함으로써 연료봉의 하부봉단마개(400)를 동일한 축방향 위치에서 지지한다. 또한 동일평면에 위치한 4개의 이물질 여과체(300)는 동일 평면을 4개의 아치로 분할함으로써 통과할 수 있는 이물질의 크기를 제한하는데 효율적인 배치이다.

[도 10]과 같은 이물질여과 지지격자는 이전보다 통과이물질 크기를 최소 48%이상 감소시킬 수 있으며, 압력강하량도 종래기술과 동등하거나 우수한 것으로 평가된다.

게다가 간단하게 구성요소를 끼워 넣기만 하면 되는 것이기 때문에 제작 시에 번거로움이 덜하며 간편하다.

본 발명은 반드시 상기의 장치들에 한정되지 않는다. 비슷한 작용을 하는 장 치를 사용하더라도 같은 결과가 나올 수 있다. 본 발명에서 도시한 것은 본 발명의 기술적 사상을 담고 있는 일 실시예에 불과하다.

도 1 - 일반적인 핵연료집합체를 나타내는 개략도

도 2 - 일반적인 지지격자를 나타내는 평면도

도 3 - 일반적인 지지격자를 나타내는 절개사시도

도 4 - 종래의 유로구멍의 크기를 제한하는 하단고정체를 나타내는 사시도

도 5 - 종래의 이물질여과 지지격자를 나타내는 평면도

도 6 - 본 발명에 따른 하부지지격자의 종ㅇ횡방향 스트랩을 나타낸 사시도

도 7 - 본 발명에 따른 딤플을 나타낸 사시도

도 8 - 본 발명에 따른 이물질 여과체를 나타낸 사시도

도 9 - 본 발명에 따른 스트랩, 딤플 및 이물질 여과체의 결합과정을 나타낸 사시도

도 10 - 본 발명에 따른 스트랩, 딤플 및 이물질 여과체의 결합이 이루어진 모습을 나타낸 평면도

도 11 - 본 발명에 따른 스트랩, 딤플 및 이물질 여과체의 결합이 이루어진 모습을 나타낸 사시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 가로방향 스트랩 112 : 슬롯a

114 : 절개면b 120 : 세로방향 스트랩

122 : 슬롯a' 124 : 절개면b'

200 : 딤플 300 : 이물질 여과체

400 : 하부봉단마개 500 : 격자공간

Claims (3)

1. 일정 간격마다 슬롯이 형성된 스트랩을 종횡 방향으로 상호 교차하여 상기 슬롯을 상호 삽입함으로써 격자형 공간을 이루도록 형성되고, 상기 슬롯을 중심으로 양옆에 절개부가 형성되어 있는 지지격자;

   상기 종방향 및 횡방향 스트랩의 교차점을 중심으로 이웃하는 절개부에 삽입되는 딤플; 및

   상기 종방향 및 횡방향 스트랩의 교차점을 중심으로 이웃하는 절개부에 삽입되는 이물질 여과체; 를 구비하는 원통모양의 딤플을 갖는 이물질여과 지지격자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 딤플은 원통 형상인 것을 특징으로 하는 원통모양의 딤플을 갖는 이물질여과 지지격자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이물질 여과체는 4개의 볼록부와 4개의 오목부가 교호적으로 나타나는 중공 십자형 통으로 형성된 것을 특징으로 하는 원통모양의 딤플을 갖는 이물질여과 지지격자.

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