KR20100063541A - 원자로의 각형 핵연료 채널 - Google Patents

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Abstract

각형 핵연료 집합체가 장착되는 원자로의 각형 핵연료 채널이 개시된다.
상기 각형 핵연료 채널은 다수개의 핵연료와, 상기 다수개의 핵연료 중앙에 위치하는 중앙봉과, 상기 중앙봉의 하측 선단에 배치된 장착부재를 구비하는 각형 핵연료 집합체가 장착되는 각형 핵연료 채널에 있어서, 원자로의 그리드 프레이트에 고정되는 중공의 리셉터클; 및 상기 리셉터클에 나사결합되며, 상기 각형 핵연료 집합체의 장착부재가 안착되는 핵연료 어댑터를 구비하는 각형 유동관 집합체;를 포함하며, 상기 핵연료 어댑터는 상기 중앙봉의 선단이 관통설치되도록 중앙부에 형성된 장착구멍과, 상기 중앙봉의 선단 측에 설치된 하부 가이드가 안착되는 안착부와, 상기 장착부재의 하부 가이드로부터 상측으로 연장된 가이드 암과 접촉하도록 상기 안착부의 외측에서 상측으로 연장되되 상면에 상기 가이드 암이 끼워지는 슬롯이 형성된 연장부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 각형 핵연료 채널에 의하면, 각형 핵연료 집합체의 회전운동을 효과적으로 제한할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
연구용 원자로, 각형 핵연료 채널, 각형 유동관, 핵연료 어댑터, 유동 안정화 부재, 유동관 컵

Description

원자로의 각형 핵연료 채널{Polygonal Fuel Channel of Nuclear Reactor}
본 발명은 원자로에 장착되는 각형 핵연료 채널에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연구용 원자로의 각형 핵연료 채널에 장착되는 각형 핵연료 집합체의 회전운동 또는 회전진동을 효과적으로 억제할 수 있으며, 설치와 제거가 용이한 각형 핵연료 채널에 관한 것이다.
연구로에서 효율적인 연구를 위한 높은 중성자속을 얻기 위하여 여러 가지 핵연료 또는 노심모형이 개발되어 왔다. 연구로는 원형, 육각형 또는 다른 각형의 봉형이나, 판형의 핵연료를 사용하는데, 봉형 핵연료를 사용하는 연구로에는 TRIGA, 하나로(HANARO ; Hi-flux Advanced Neutron Application Reactor), NRU, MAPLE 등이 있다.
하나로와 MAPLE의 원자로 노심은 육각형 및 원형의 핵연료 집합체를 사용한다. 육각형 봉형 핵연료 집합체는 일 예로서 36개의 봉형 핵연료를 갖고 원형 봉형 핵연료 집합체는 일 예로서 18개의 봉형 핵연료를 갖는다. 육각형 또는 원형의 봉형 핵연료 집합체는 일반적으로 봉형 핵연료와 이를 지지하는 지지구조, 봉형 핵연료 집합체를 원자로 노심에 장전하여 고정하기 위한 고정구 등으로 구성된다. 또한, 연구로에서는 핵연료 집합체의 보호, 핵연료 장전의 편의성, 조사 실험 장치의 보호 등을 위하여 육각형 및 원형 유동관을 사용하며, 육각형의 핵연료 집합체는 육각형 유동관에 장전되고, 원형 핵연료 집합체는 원형 유동관에 장전된다.
이와 같은 원자로 노심의 한 형태가 도 1에 도시된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원자로 노심(10)은 반사체 용기 내벽(12)으로 둘러싸인 내부 공간에 있는 복수의 육각형 유동관(20) 안에 육각형의 봉형 핵연료 집합체(40)를 각각 장전하고 복수의 원형 유동관(20') 안에 원형 봉형 핵연료 집합체(40')를 각각 장전하여 구성한다. 한편, 육각형의 봉형 핵연료 집합체(40)는 도 2에 도시한 형태로 육각형 유동관(20)을 구비하는 육각 핵연료 채널(90)에 장전되며, 원형의 봉형 핵연료 집합체(40')의 경우에도 실질적으로 동일한 형태로 장전된다.
또, 원형 유동관(20') 둘레에는 상하 이동 가능하게 제어봉 또는 정지봉 형태의 중성자 흡수체(neutron absorber, 80)가 배치되고, 유동관(20, 20')과 핵연료 집합체(40, 40') 사이, 인접한 유동관(20, 20')들 사이, 그리고 유동관(20, 20')과 중성자 흡수체(80) 사이의 공간으로 물(냉각수)이 흐르도록 구성된다.
이때, 육각형 유동관(20)들은 수 밀리미터(mm)의 미리 정해진 간격(G)으로 서로 떨어져 있고, 유동관(20, 20')과 중성자 흡수체(80) 사이에도 구동을 위한 수 밀리미터의 간격이 유지된다.
즉, 원자로 노심(10)에는 여러 개의 채널이 매우 좁은 틈새를 유지하며 설치 되므로, 특히 각형의 핵연료 채널은 노심에 설치될 때 또는 제거할 때 주위의 다른 채널 때문에 회전할 수 없는 구조를 갖는다. 따라서, 채널 자체를 회전시키지 않고 하부에 별도의 회전체를 두어 각형 핵연료 채널을 설치하게 된다.
이러한 각형 핵연료 채널(90)의 종래기술에 의한 일 예에 대하여 도 2 내지 도 4를 참조하여 살펴본다.
먼저, 도 2 및 도 4를 참조하여 종래기술에 따른 육각형의 봉형 핵연료 집합체(40)의 구성을 살펴본다. 한편, 도 4의 육각형의 봉형 핵연료 집합체(40)의 구성은 원형의 봉형 핵연료 집합체(40')에도 실질적으로 동일하게 적용된다.
도 4의 육각형의 봉형 핵연료 집합체(40)는 중심의 중앙 봉(42) 둘레에 다수의 봉형 핵연료(70)가 묶인 구조이다. 구체적으로 살펴보면, 봉형 핵연료(70)는 하단과 상단이 각각 하부 지지판(bottom end plate, 58)과 이에 대응하도록 설치된 상부 지지판(top end plate, 미도시)의 구멍에 삽입되어 서로 일체로 묶여 있고, 중앙 봉(42)은 이들 핵연료(70) 다발의 가운데에 상하 이동 가능하게 삽입되어 있다. 중앙 봉(42)의 선단(44)에는 양쪽으로 돌기(46)가 형성되어 있다.
또한, 선단(44)의 둘레에는 하부 가이드(48)가 장착되고, 하부 가이드(48)의 외주에는 위쪽으로 연장되는 세 개의 하부 가이드암(50)이 형성되어 있다. 하부 가이드(48)와 하부 지지판(58) 사이의 중앙 봉(42) 둘레에는 예컨대 코일 스프링으로 이루어진 하부 지지 스프링(52)이 장착되고, 상부 지지판에는 상부 지지 스프링(미도시)이 장착된다.
이어서, 도 2 및 도 3을 참조하여 종래기술에 따른 육각형 유동관(20)을 구비하는 핵연료 채널(90)에 도 4의 육각형의 핵연료 집합체(40)가 장전된 구성을 설명한다. 한편, 도 2와 3의 육각형 유동관(20)의 구성은 원형 유동관(20')에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 도 3을 참조하여 육각형 유동관(20)이 설치된 핵연료 채널(90)에 대해 살펴본다. 육각형 유동관(20)은 상하로 뚫린 부재로서 유동관 어댑터(25)와 결합된 상태로 유동관 컵(30)의 상단에 끼워져 결합된다. 또한, 유동관 컵(30)의 중앙에는 봉형 핵연료 집합체(40)를 안착시키도록 핵연료 어댑터(31)가 용접되어 설치된다.
이때, 유동관(20)에 고정된 유동관 어댑터(25)과 유동관 컵(30)은 상대회전을 하므로 유동관 컵(30)을 회전시키면 유동관 컵(30)과 리셉터클(16)이 나사부(18)를 통하여 나사결합되면서 유동관 어댑터(25)가 리셉터클(16)과 접촉하여 안착된다.
한편, 핵연료 어댑터(31)의 상부에는 봉형 핵연료 집합체(40)의 하부 가이드(48)가 안착되도록 핀(33)이 돌출된 안착부(32)를 구비하고, 핵연료 어댑터(31)의 중앙에는 봉형 핵연료 집합체(40)의 선단(44)이 체결되는 체결 구멍(34)이 형성되어 있다.
또한, 유동관 컵(30)과 리셉터클(16)이 결합되는 나사부(18)의 하부에는 유동관 컵(30)과 리셉터클(16)이 나사결합될 때 풀림방지를 위하여 스프링 와셔 기능 을 하는 유동관 고정링(로크 링)(35)이 설치된다. 리셉터클(16)은 상하로 뚫린 관 형태의 부재로서, 하단이 그리드 플레이트(14)에 끼워지고 용접에 의해 고정되며, 리셉터클(16)의 내부에는 유량 조절용 오리피스(17)가 설치된다.
다음으로, 도 2를 참조하여 각형 핵연료 채널(90)에 육각형의 봉형 핵연료 집합체(40)를 장착하는 구성에 대해 살펴본다.
봉형 핵연료 집합체(40)를 유동관(20)에 삽입시키면, 봉형 핵연료 집합체(40)의 중앙 봉(42)의 선단(44)은 핵연료 어댑터(31)의 체결 구멍(34)에 결합된다. 좀더 상세히 설명하면, 봉형 핵연료 집합체(40)의 중앙 봉 선단(44)을 유동관 컵(30)의 체결 구멍(34)에 삽입하면 하부 스프링(52)이 압축된다. 이 상태에서, 중앙 봉(42)의 상부에 형성된 걸쇠 머리(미도시)를 그리퍼 등의 공구로 쥐고 중앙 봉(42)을 90도 회전시키면 중앙 봉 선단(44)의 돌기(46)가 체결 구멍(34)의 하부 홈에 맞물려 고정된다.
핵연료 어댑터(31)에는 복수 개의 핀(33)이 압입되어 상면으로 돌출되도록 형성되며, 이러한 핀(33)은 하부 가이드(48)에 찍혀 들어가 핵연료 집합체(40)의 회전운동이나 회전진동을 억제하도록 구성된다.
이와 같은 노심(10)을 갖는 원자로를 운전하면, 핵연료에서 중성자와 함께 열이 발생한다. 이를 제거하기 위해, 냉각수를 냉각 펌프에 의해 원자로 노심(10) 하부로 유입시킨 후, 노심(10) 내부의 유동관(20, 20')에 장전된 봉형 핵연료 집합체(40, 40')를 거쳐 노심 상부로 배출하게 된다(그 역방향의 유동도 가능하다).
이때, 유동관(20, 20')의 내부를 통과하는 냉각수의 유동으로 인하여 봉형 핵연료 집합체(40,40')와 유동관(20, 20')에 유체유발진동(fluid induced vibration)이 발생할 가능성이 있다.
그러나, 종래기술에 의한 핵연료 채널(90)은 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 핵연료 채널(90) 내부에는 핵연료를 냉각하는 냉각수가 고속으로 상방향 또는 하방향으로 흐르므로 유체에 의한 진동 또는 회전진동이 발생할 수 있으며, 이로 인해 핵연료 집합체(40)를 핵연료 채널(90)에 단단히 고정할 필요가 있으다. 이를 위하여 종래기술의 경우 핵연료 채널(90)의 핵연료 어댑터(31)에 핵연료 집합체(40)를 장착시킨 상태에서 핀을 사용하여 고정하지만, 이러한 핀은 핵연료 집합체(40)의 하부 가이드(48)에 찍혀 들어가게 되므로 유체유발진동에 의해 노심(12)의 운전 중에 찍힌 부분이 확장되거나, 핵연료 집합체(40)의 탈착 과정에서 핀으로 여러번 고정을 하게 되면 찍힌 자리가 넓어지게 되므로 핵연료 집합체(40)의 회전운동이나 회전진동을 충분히 억제하는 기능을 할 수 없다.
특히, 핀이 핵연료 집합체(40)의 하부 가이드(48)와 결합되므로 핀과 핵연료 집합체(40)의 중심 사이에 충분한 거리를 확보할 수 없어 지지점 사이의 거리가 짧게 되고, 이로 인해 핵연료 집합체(40)의 회전운동이나 횡방향 거동을 충분히 억제할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 의한 핵연료 채널(90)은 리셉터클(16) 내부로 유입되는 유체에 와류가 발생되기 때문에 핵연료 집합체(40)를 회전시키려는 외력이 많이 발생 하게 된다. 따라서, 종래기술에 의한 핵연료 채널(90)은 핵연료 집합체(40)의 회전을 방지하기 위한 보강구조가 필요하지만, 전술한 바와 같이 핀이 찍힌 자리가 확장되는 등 핵연료 집합체(40)의 회전운동이나 회전진동을 충분히 억제하지 못한다는 문제점이 있다.
그리고, 종래기술에 의한 핵연료 채널(90)은 유동관 컵(30)과 유동관 어댑터(25)가 동일한 재료(일반적으로 지르코늄)로 이루어지므로 유동관 컵(30)이 유동관 어댑터(25) 내에서 상대회전할 때 발생하는 버(burr)나 열에 의해 상호간에 기계적인 접합(융착)이 발생하게 되고, 이로 인해 유동관 컵(30)을 리셉터클(16)에 장착하거나 분리하는 과정이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위해 안출된 것으로, 각형 핵연료 채널에 장착되는 핵연료 집합체의 회전진동이나 횡방향(회전방향) 거동을 최대한 억제할 수 있는 구조를 갖는 각형 핵연료 채널을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 각형 핵연료 집합체의 장착과 제거가 용이하면서도 안정적인 각형 핵연료 채널을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리셉터클 내부로 유입되는 냉각수의 와류 형성을 억제할 수 있는 각형 핵연료 채널을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 핵연료 집합체가 장착되는 핵연료 어댑터 부분에서 냉각수의 흐름을 안정화시킬 수 있는 각형 핵연료 채널을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 다수개의 핵연료와, 상기 다수개의 핵연료 중앙에 위치하는 중앙봉과, 상기 중앙봉의 하측 선단에 배치된 장착부재를 구비하는 각형 핵연료 집합체가 장착되는 각형 핵연료 채널에 있어서, 원자로의 그리드 프레이트에 고정되는 중공의 리셉터클; 및 상기 리셉터클에 나사결합되며, 상기 각형 핵연료 집합체의 장착부재가 안착되는 핵연료 어댑터를 구비하는 각형 유동관 집합체;를 포함하며, 상기 핵연료 어댑터는 상기 중앙봉의 선단이 관통설치되도록 중앙부에 형성된 장착구멍과, 상기 중앙봉의 선단 측에 설치된 하부 가이드가 안착되는 안착부와, 상기 장착부재의 하부 가이드로부터 상측으로 연장된 가이드 암과 접촉하도록 상기 안착부의 외측에서 상측으로 연장되되 상면에 상기 가이드 암이 끼워지는 슬롯이 형성된 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널을 제공한다.
바람직하게, 상기 각형 유동관 집합체는, 각형 핵연료 집합체를 수용하는 중공 각형의 유동관과, 상기 유동관에 고정된 유동관 어댑터와, 상기 유동관 어댑터와 상대 회전하여 상기 리셉터클과 나사결합되면서 상기 유동관 어댑터를 상기 리셉터클과 접촉시키도록 상기 유동관 어댑터 내측에 설치되는 중공 원형의 유동관 컵과, 상기 유동관 컵 상측에 배치되며, 각형 핵연료 집합체의 장착부재가 안착되는 상기 핵연료 어댑터를 구비하며, 상기 유동관 컵이 상기 리셉터클과 나사결합될 때 상기 유동관은 하측으로 슬라이딩되도록 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 핵연료 어댑터는 상기 유동관 어댑터와 접합되며, 상기 유동관 컵은 상부에 외측으로 돌출된 회전턱을 구비하여, 상기 회전턱이 상기 유동관 어댑터의 내측 단턱과 상기 핵연료 어댑터의 외주면 하측 사이에서 회전하면서 상기 리셉터클과 나사결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 핵연료 어댑터의 안착부는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암의 개수와 동일한 개수의 안착 리브를 구비하며, 상기 연장부의 슬롯에 상기 핵연료 집합체의 가이드 암이 끼워질 때, 상기 안착 리브와 상기 핵연료 집합체의 가이드 암이 상하방향으로 동일 선상에 배치되도록 상기 슬롯의 위치가 결정될 수 있 다.
또한 바람직하게, 상기 핵연료 어댑터의 안착부는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암의 개수와 동일한 개수의 안착 리브를 구비하며, 상기 연장부에 형성된 슬롯은 상기 안착 리브의 연장선상에 배치될 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 연장부에 형성된 슬롯의 개수는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암의 개수의 2배이며, 동일한 간격으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 유동관 어댑터와 상기 유동관 컵은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 원자로의 각형 핵연료 채널은 상기 리셉터클의 내부에 유입되는 냉각수의 흐름을 직선화시키는 유동 안정화 부재;를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 유동 안정화 부재는 상하방향으로 다수개의 날개가 방사상으로 설치되는 방사형 유동 안정화 부재로 이루어지거나, 상하방향의 격자구조를 갖는 격자형 유동 안정화 부재로 이루어질 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 방사형 유동 안정화 부재의 날개 중 적어도 일부는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암과 상하방향으로 동일 선상에 배치될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각형 핵연료 집합체에 구비되는 장착부재의 가이드 암이 핵연료 어댑터의 슬롯에 끼워져 안착되므로 각형 핵연료 집합체의 회전운동이나 회전진동을 효과적으로 제한할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로, 종래기술의 경우 각형 핵연료 집합체의 하부 가이드가 핀에 의해 지지되므로 지지거리가 짧아 충분한 지지력을 가질 수 없을 뿐만 아니라 핀이 하부 가이드에 찍혀 고정되는 구조를 가지므로 냉각수의 유동 또는 탈착의 반복으로 인하여 찍힌 자리가 넓어져 회전방향의 유격이 발생할 가능성이 있으나, 본 발명의 경우에는 종래기술에 의한 핀 지지구조보다 큰 지지거리를 가지므로 회전운동이나 회전진동을 안정적이면서도 효과적으로 차단할 수 있게 되고, 각형 핵연료 집합체에 구비되는 장착부재의 가이드 암이 핵연료 어댑터의 상부에서 슬롯에 끼워져 안착되므로 각형 핵연료 집합체의 탈착을 반복하더라도 마모가 발생되지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 의한 경우 각형 핵연료 집합체의 회전운동이나 회전방향 진동을 효과적으로 제한할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 리셉터클에 유입되는 냉각수의 흐름을 직선화하는 유동 안정화 부재를 구비함으로써 각형 핵연료 채널 내부에서 냉각수의 흐름을 최대한 직선화 또는 안정화하는 것이 가능하여 각형 핵연료 집합체에 유체유발진동이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 핵연료 어댑터가 유동관 어댑터에 고정된 상태에서 유동관 컵을 회전시켜 리셉터클에 나사결합시키므로 핵연료 어댑터의 안착리브와 각형 핵연료 집합체에 구비된 장착부재의 가이드 암을 상하방향으로 동일선상에 배치하는 것이 가능하게 되어 냉각수가 안착리브와 가이드 암을 통과하면서 회전 유동 또는 난류가 발생하는 것을 효과적으로 차단할 수 있게 된다.
특히, 핵연료 어댑터의 안착 리브와 장착부재의 가이드 암이 상항방향으로 서로 동일선상에 배치되거나, 또는 핵연료 어댑터의 안착 리브 및/또는 장착부재의 가이드 암이 유로 안정화 부재의 날개와 상하방향으로 서로 동일선상에 배치되도록 슬롯의 위치나 개수를 설정함으로써 각형 핵연료 채널 내부에서 회전 유동 또는 난류가 발생하는 것을 최대한 억제하여 각형 핵연료 집합체의 회전진동을 최대한 차단할 수 있다는 효과가 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면 유동관 어댑터와 유동관 컵의 재질을 서로 다른 재질로 형성함으로써 유동관 컵이 유동관 어댑터 내에서 상대회전할 때 발생하는 버(burr)나 열에 의해 기계적인 접합(융착)이 발생하는 것을 방지할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 각형 핵연료 집합체의 회전진동 등을 최대한 억제할 수 있으면서도 각형 핵연료 집합체의 장착과 제거가 용이하다는 효과가 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 육각형 핵연료 채널에 육각형의 봉형 핵연료 집합체가 장착된 상태를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5에서 육각형의 봉형 핵연료 집합체가 장착되기 전의 육각형 핵연료 채널의 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 육각형 핵연료 채널 중 육각형 유동관 집합체를 도시한 것으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 단면도이며, 도 8은 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널에 장착되는 육각형의 봉형 핵연료 집합체를 도시한 단면도이다. 또한, 도 9는 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널의 핵연료 어댑터를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널의 유동관 컵을 도시한 사시도이며, 도 11은 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널의 방사형 유동 안정화 부재를 도시한 사시도이다.
본 발명에 의한 원자로의 각형 핵연료 채널은 일 예로서 도 1에 도시된 원자로의 노심에 장착될 수 있다. 이러한 각형 핵연료 채널이 원자로 노심에 설치된 구성은 종래기술과 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 각형 핵연료 채널은 육각형의 핵연료 채널에 대해 설명하지만, 육각형에만 한정되는 것은 아니고 핵연료의 형상에 따라 팔각형 등 다양한 변경이 가능할 것이다.
도 5 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 각형 핵연료 채널(100)에 대해 살펴본다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 각형 핵연료 채널(100)은 다수개의 핵연료가 묶인 구조의 육각형의 봉형 핵연료 집합체(이하, 본 명세서 및 청구범위에서는 간단히 '각형 핵연료 집합체'라고 함)(200)의 장착에 제공되며, 원자로의 그리드 프레이트(300)에 고정되는 중공의 리셉터클(160)과, 상기 리셉터클(160)에 나사결합되며, 상기 각형 핵연료 집합체(200)를 수용하는 각형 유동관 집합체(110)를 포함하여 구성된다.
먼저, 각형 핵연료 집합체(200)에 대하여 도 5 및 도 8을 참조하여 살펴본다.
본 발명에 의한 각형 핵연료 채널(100)에 장착되는 각형 핵연료 집합체(200)는 기본적으로 종래기술에 의한 각형 핵연료 집합체(도 4의 40)와 동일하다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 각형 핵연료 집합체(200)는 중심의 중앙봉(220) 둘레에 다수의 봉형 핵연료(210)가 묶인 구조이다. 구체적으로 살펴보면, 봉형 핵연료(210)는 하단과 상단이 각각 하부 지지판(bottom end plate, 240)과 이에 대응하도록 설치된 상부 지지판(top end plate, 미도시)의 구멍에 삽입되어 서로 일체로 묶여 있고, 중앙봉(220)은 이들 핵연료(210) 다발의 가운데에 상하 이동 가능하게 삽입되어 있다. 또한, 중앙봉(220)의 선단(221)에는 양쪽으로 돌기(222)가 형성되어 있다.
또한, 중앙봉(220) 하측의 선단(221)의 둘레에는 각형 핵연료 채널(100)의 각형 유동관 집합체(110)에 안착되는 장착부재(230)가 배치된다.
상기 장착부재(230)는 중앙봉(220)의 선단(221)에 대체로 평평하게 설치되는 하부 가이드(231)와, 상기 하부 가이드(231)로부터 상측으로 경사지게 연장된 가이드 암(232)과, 상기 가이드 암(232)의 외측에서 상측으로 연장되어 상기 하부 지지판(240)과 연결되는 연결암(233)을 구비한다. 이때, 상기 가이드 암(232)은 도 8 에 도시된 바와 같이, 3개의 가이드 암으로 이루어질 수 있으나, 그 개수는 설계사양에 따라 변경 가능하다.
또한, 하부 가이드(231)와 하부 지지판(240) 사이의 중앙봉(220) 둘레에는 코일 스프링 등으로 이루어진 하부 지지 스프링(250)이 장착되고, 도시되지 않은 상부 지지판에는 상부 지지 스프링(미도시)이 장착된다.
다음으로, 도 5 내지 도 7, 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 각형 핵연료 채널(100)의 구성에 대해 살펴본다.
본 발명에 의한 각형 핵연료 채널(100)은 전술한 바와 같이, 원자로의 그리드 프레이트(300)에 고정되는 중공의 리셉터클(160)과, 상기 리셉터클(160)에 나사결합되며, 각형 핵연료 집합체(200)를 수용하는 각형 유동관 집합체(110)를 포함하여 구성된다.
도 7을 참조하면, 각형 유동관 집합체(110)는, 각형 핵연료 집합체를 수용하는 중공 각형의 유동관(120)과, 상기 유동관(120)에 용접 등을 통해 고정되는 유동관 어댑터(130)와, 상기 유동관 어댑터(130)와 상대 회전하여 리셉터클(160)과 나사결합되면서 상기 유동관 어댑터(130)의 하면을 상기 리셉터클(170)의 상면과 접촉시키도록 상기 유동관 어댑터(130) 내측에 설치되는 중공 원형의 유동관 컵(140)과, 상기 유동관 컵(140) 상측에 배치되며, 각형 핵연료 집합체(200)에 구비되는 장착부재(230)가 안착되는 핵연료 어댑터(150)를 구비한다.
도 5, 도 6, 도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 핵연료 어댑터(150)는, 각형 핵 연료 집합체(200)의 중앙봉(220)의 선단(221) 및 돌기(222)가 관통설치되도록 중앙부에 형성된 장착구멍(152)과, 각형 핵연료 집합체(200)에 구비되는 장착부재(230)의 하부 가이드(231)가 안착되는 안착부(153)와, 상기 장착부재(230)의 가이드 암(232)과 접촉하도록 상기 안착부(153)의 외측에서 상측으로 연장되되 상면에 상기 가이드 암(232)이 끼워지는 슬롯(155)이 형성된 연장부(154)를 구비하며, 상기 안착부(153)는 다수 개의 안착리브(153')를 통하여 연장부(154)와 연결된다. 또한, 장착구멍(152)의 상측 부분에는 각형 핵연료 집합체(200)에 구비되는 장착부재(230)의 하측으로 연장된 돌출부(234)가 안착되는 장착홈(151)이 형성된다.
상기 유동관 컵(140)은 상부에 외측으로 돌출된 회전턱(141)과 하측 외주연에 형성된 수나사부(142)를 구비한다. 이때, 상기 회전턱(141)이 상기 유동관 어댑터(130)의 내측 단턱(131)과 상기 핵연료 어댑터(150)의 외주면, 즉 연장부(154) 하측 사이에서 회전하면, 수나사부(142)가 리셉터클(160)의 암나사부에 나사결합된다.
구체적으로, 상기 유동관 컵(140)이 상기 유동관 어댑터(130)와 상대 회전하면서 리셉터클(160)과 나사결합될 때 유동관 어댑터(130) 및 이에 연결된 유동관(120)은 유동관 컵(140)의 회전턱(141)과 접촉하면서 하측으로 슬라이딩하게 된다. 한편, 도시되지 않은 회전공구의 일단을 도 10에 도시된 공구 장착홈(143)에 끼운상태에서 회전시키면 유도관 컵(140)의 회전이 가능하다.
이때, 상기 핵연료 어댑터(150)는 유동관 어댑터(130)와 용접 등을 통하여 접합되므로, 유동관(120)과 함께 하측으로 슬라이딩된다.
또한, 유동관 컵(140)과 리셉터클(160)이 결합되는 나사부의 하부에는 유동관 컵(140)과 리셉터클(160)이 나사결합될 때 풀림방지를 위하여 스프링 와셔 기능을 하는 유동관 고정링(로크 링)(145)이 설치될 수 있다.
그리고, 유동관 컵(140)이 유동관 어댑터(130) 내에서 상대회전할 때 발생하는 버(burr)나 열에 의해 이들 상호간에 기계적인 접합(융착)이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 유동관 어댑터(130)와 유동관 컵(140)은 서로 다른 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 일 예로서, 유동관 어댑터(130)을 통상적인 재질인 지르코늄으로 하는 경우 유동관 컵(140)의 재질을 표면경도가 높은 Waukesha 88로 선정하는 것이 가능하지만, 그 재질은 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 핵연료 어댑터(150)의 안착부(153)는 각형 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232)의 개수와 동일한 개수의 안착리브(153')를 구비할 수 있다. 도 8에서는 장착부재(230)의 가이드 암(232)이 3개 형성되고, 이에 대응하여 도 7(a) 및 도 9에서는 일 예로서 3개의 안착리브(153')가 형성되는 것으로 도시되어 있지만, 가이드 암(232)과 안착리브(153')의 개수는 설계사양에 따라 변경가능하다.
이때, 상기 연장부(154)의 슬롯(155)에 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232)이 안착되어 끼워질 때, 상기 안착리브(153')와 상기 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232)이 상하방향으로 동일 선상에 배치되도록 슬롯(155)의 위치가 결정되는 것이 바람직하다.
즉, 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153')와 장착부재(230)의 가이드 암(232)이 상항방향으로 서로 동일선상에 배치되도록 슬롯(155)의 위치나 개수를 설정함으로써 각형 핵연료 채널(100)의 유동관(120) 내부에서 회전 유동 또는 난류가 발생하는 것을 최대한 억제하여 각형 핵연료 집합체(200)의 회전진동을 최대한 차단할 수 있게 된다.
또한, 도 7(a) 및 도 9에 도시된 바와 같이, 핵연료 어댑터(150)의 연장부(154)에 형성된 슬롯(155)은 상기 안착리브(153')의 연장선상에 3개가 배치될 수 있으며, 안착리브(153')의 연장선상에 배치된 3개의 슬롯(155)들 중간에 3개의 슬롯(155)이 추가로 배치되는 것도 가능하다. 이와 같이, 핵연료 어댑터(150)의 연장부(154)에 형성된 슬롯(155)의 개수를 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232)의 개수의 2배이며, 동일한 간격으로 형성함으로써 가이드 암(232)이 핵연료 어댑터(150) 상에 두 가지 위치로 고정될 수 있어, 핵연료의 연소방향 등을 고려하여 각형 핵연료 집합체(200)의 설치 위치를 변경할 수 있게 된다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 각형 핵연료 채널(100)에 각형 핵연료 집합체(200)가 장착되는 구성에 대해 살펴본다.
각형 핵연료 집합체(200)를 유동관(120)에 삽입시키면, 각형 핵연료 집합체(200)의 중앙봉(220)의 선단(221)은 핵연료 어댑터(150)의 장착구멍(152)에 결합된다. 이를 구체적으로 설명하면, 각형 핵연료 집합체(200)의 중앙봉(220)의 선단(221)을 핵연료 어댑터(150)의 장착구멍(152)에 삽입하면 스프링(250)이 압축된 다. 이 상태에서, 중앙봉(220)의 상부에 형성된 걸쇠 머리(미도시)를 그리퍼 등의 공구로 쥐고 중앙봉(220)을 90도 회전시키면 중앙봉 선단(221)의 돌기(222)가 장착 구멍(152)의 하부 홈에 맞물려 고정된다. 이때, 장착부재(230)의 돌출부(234)는 핵연료 어댑터(150)의 장착홈(151)에 안착되고, 장착부재(230)의 가이드 암(232)은 핵연료 어댑터(150)의 슬롯(155)에 끼워져 안착 지지된다. 따라서, 본 발명에 의한 핵연료 집합체(200) 장착구조는 종래기술에 의한 핀 지지구조보다 큰 지지거리를 가지므로 각형 핵연료 집합체(200)의 회전운동이나 회전진동을 안정적이면서도 효과적으로 차단할 수 있게 되고, 각형 핵연료 집합체(200)의 탈착을 반복하더라도 종래와 같은 마모가 발생되지 않게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 원자로의 각형 핵연료 채널(100)은 도 5 내지 도 7, 도 11에 도시된 바와 같이 리셉터클(160)의 내부에 유입되는 냉각수의 흐름을 직선화 내지 평탄화시키는 유동 안정화 부재(170)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 유동 안정화 부재(170)를 통하여 각형 핵연료 채널(100) 또는 유동관(120) 내부에서 냉각수의 흐름을 최대한 직선화 또는 안정화하는 것이 가능하여 각형 핵연료 집합체(200)에 유체유발진동이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
이러한 유동 안정화 부재(170)는 도 11에 도시된 바와 같이, 중공 원통(171)의 주변에 상하방향으로 다수개의 날개(172)가 일정한 각도마다 방사상으로 설치되는 방사형 유동 안정화 부재(170)로 이루어질 수 있다.
이러한 방사형 유동 안정화 부재(170)의 날개(172) 중 적어도 일부는 유동 흐름의 직선화 효과를 충분히 갖기 위하여 상기 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232) 및/또는 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153')와 상하방향으로 동일선상에 배치될 수 있다. 이와는 달리, 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232)와 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153')가 서로 엇갈려 배치되는 경우, 즉 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153')의 연장선 상에 위치하지 않는 3개의 슬롯(155)에 가이드 암(232)이 안착되는 경우에는 방사형 유동 안정화 부재(170)의 6개의 날개(172) 중 3개는 핵연료 집합체(200)의 가이드 암(232)과 상하방향으로 동일선상에 배치되고, 나머지 3개는 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153')와 상하방향으로 동일선상에 배치되도록 하는 것도 가능하다.
이와 같이, 방사형 유동 안정화 부재(170)의 날개(172), 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153') 및 장착부재(230)의 가이드 암(232) 중 적어도 일부가 동일선상에 배치되도록 슬롯(155)을 배치함으로써 핵연료 집합체(200)의 회전진동 또는 횡방향이나 회전운동을 최대한 억제할 수 있게 된다.
그리고, 방사형 유동 안정화 부재(170)의 상측 외주부에는 유량 조절용 오리피스(175)가 일체로 설치될 수 있다.
한편, 종래기술에 의한 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 핵연료 어댑터(31)가 유동관 컵(30)에 용접되어 있으므로 유동관 컵(30)의 회전각도에 따라 핵연료 어댑터(31)의 리브의 위치가 변경되므로 종래기술의 핵연료 채널에 본 발명에 의한 유동 안정화 부재가 적용된다 하더라도 날개와 가이드 암의 일치가 되지 않아 충분한 유로 평탄화 효과를 기대할 수 없다. 그러나, 본 발명에 의한 경우에는 전술한 바와 같이, 핵연료 어댑터(150)가 유동관 어댑터(130)에 회전방향으로는 고정된 상태에서 유동관 컵(140)을 회전시켜 리셉터클(160)에 나사결합시키므로 방사형 유동 안정화 부재(170)의 날개(172)가 핵연료 어댑터(150)의 안착리브(153') 및/또는 각형 핵연료 집합체(200)에 구비된 장착부재(230)의 가이드 암(232)과 상하방향으로 동일선상에 배치하는 것이 가능하게 되며, 이에 따라 회전 유동 또는 난류가 발생하는 것을 효과적으로 차단할 수 있게 된다.
한편, 도 11에서는 방사형 유동 안정화 부재(170)에 대해서 도시하였지만, 이러한 유동 안정화 부재(170)의 날개(172) 사이를 구획하는 상하방향의 격벽을 갖는, 즉 격자구조를 갖는 격자형 유동 안정화 부재를 통하여 유동의 평탄화 내지 직선화를 구현할 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.
도 1은 종래기술에 따른 연구로 노심의 평면도이다.
도 2는 도 1의 연구로 노심에서, 육각형 핵연료 채널에 육각형의 봉형 핵연료 집합체가 장착된 상태를 나타낸 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 육각형 핵연료 채널을 도시한 것으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 육각형의 봉형 핵연료 집합체의 개략도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 육각형 핵연료 채널에 육각형의 봉형 핵연료 집합체가 장착된 상태를 나타낸 단면도.
도 6은 도 5에서 육각형의 봉형 핵연료 집합체가 장착되기 전의 육각형 핵연료 채널의 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 육각형 핵연료 채널 중 육각형 유동관 집합체를 도시한 것으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 단면도.
도 8은 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널에 장착되는 육각형의 봉형 핵연료 집합체를 도시한 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널의 핵연료 어댑터를 도시한 사시도.
도 10은 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널의 유동관 컵을 도시한 사시도.
도 11은 본 발명에 의한 육각형 핵연료 채널의 방사형 유동 안정화 부재를 도시한 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100... 각형 핵연료 채널 110... 각형 유동관 집합체
120... 유동관 130... 유동관 어댑터
140... 유동관 컵 145... 유동관 고정링
150... 핵연료 어댑터 151... 고정홈
152... 장착구멍 153... 안착부
154... 연장부 155... 슬롯
160... 리셉터클 170... 유동 안정화 부재
175... 오리피스 200... 각형 핵연료 집합체
210... 핵연료 220... 중앙봉
221... 중앙봉의 선단 222... 중앙봉의 돌기
230... 장착부재 250... 하부 스프링
300... 그리드 프레이트

Claims (10)

  1. 다수개의 핵연료와, 상기 다수개의 핵연료 중앙에 위치하는 중앙봉과, 상기 중앙봉의 하측 선단에 배치된 장착부재를 구비하는 각형 핵연료 집합체가 장착되는 각형 핵연료 채널에 있어서,
    원자로의 그리드 프레이트에 고정되는 중공의 리셉터클; 및
    상기 리셉터클에 나사결합되며, 상기 각형 핵연료 집합체의 장착부재가 안착되는 핵연료 어댑터를 구비하는 각형 유동관 집합체;를 포함하며,
    상기 핵연료 어댑터는 상기 중앙봉의 선단이 관통설치되도록 중앙부에 형성된 장착구멍과, 상기 중앙봉의 선단 측에 설치된 하부 가이드가 안착되는 안착부와, 상기 장착부재의 하부 가이드로부터 상측으로 연장된 가이드 암과 접촉하도록 상기 안착부의 외측에서 상측으로 연장되되 상면에 상기 가이드 암이 끼워지는 슬롯이 형성된 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각형 유동관 집합체는
    각형 핵연료 집합체를 수용하는 중공 각형의 유동관과,
    상기 유동관에 고정된 유동관 어댑터와,
    상기 유동관 어댑터와 상대 회전하여 상기 리셉터클과 나사결합되면서 상기 유동관 어댑터를 상기 리셉터클과 접촉시키도록 상기 유동관 어댑터 내측에 설치되는 중공 원형의 유동관 컵과,
    상기 유동관 컵 상측에 배치되며, 각형 핵연료 집합체의 장착부재가 안착되는 상기 핵연료 어댑터를 구비하며,
    상기 유동관 컵이 상기 리셉터클과 나사결합될 때 상기 유동관은 하측으로 슬라이딩 되는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 핵연료 어댑터는 상기 유동관 어댑터와 접합되며,
    상기 유동관 컵은 상부에 외측으로 돌출된 회전턱을 구비하여, 상기 회전턱이 상기 유동관 어댑터의 내측 단턱과 상기 핵연료 어댑터의 외주면 하측 사이에서 회전하면서 상기 리셉터클과 나사결합되는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료 어댑터의 안착부는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암의 개수와 동일한 개수의 안착 리브를 구비하며,
    상기 연장부의 슬롯에 상기 핵연료 집합체의 가이드 암이 끼워질 때, 상기 안착 리브와 상기 핵연료 집합체의 가이드 암이 상하방향으로 동일 선상에 배치되도록 상기 슬롯의 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핵연료 어댑터의 안착부는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암의 개수와 동일한 개수의 안착 리브를 구비하며,
    상기 연장부에 형성된 슬롯은 상기 안착 리브의 연장선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연장부에 형성된 슬롯의 개수는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암의 개수의 2배이며, 동일한 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 유동관 어댑터와 상기 유동관 컵은 서로 다른 재질로 형성되는 것을 특 징으로 하는 각형 핵연료 채널.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리셉터클의 내부에 유입되는 냉각수의 흐름을 직선화시키는 유동 안정화 부재;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유동 안정화 부재는 상하방향으로 다수개의 날개가 방사상으로 설치되는 방사형 유동 안정화 부재로 이루어지거나, 상하방향의 격자구조를 갖는 격자형 유동 안정화 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방사형 유동 안정화 부재의 날개 중 적어도 일부는 상기 핵연료 집합체의 가이드 암과 상하방향으로 동일 선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로의 각형 핵연료 채널.
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