KR20100086804A

KR20100086804A - 내부격자의 교차영역에 삽입된 이동가능한 관형 스프링체를구비한 지지격자체

Info

Publication number: KR20100086804A
Application number: KR1020090006228A
Authority: KR
Inventors: 송기남
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-08-02
Also published as: KR100999871B1

Abstract

본 발명은 길이방향의 일단면을 따라 동일한 간격으로 이격되어 높이의 절반 길이로 수직하게 절개된 다수개의 슬릿을 구비한 장방형 판재형상의 단위격자판을 다수개 포함하고, 상기 각 단위격자판들이 상기 슬릿들 사이의 끼워맞춤을 통하여 서로 직교하도록 결합되어 다수개의 핵연료봉셀을 이루는 핵연료봉의 지지격자체에 관한 것으로서, 특히 90°의 등각도로 이격되어 길이방향을 따라 절개된 네 개의 슬롯을 구비하여 상기 단위격자판들의 교차영역으로 삽입되는 관형 스프링체를 포함하되, 상기 관형 스프링체의 슬롯의 길이는 상기 관형 스프링체가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이보다 길고, 상기 슬롯의 양단만이 서로 연결되어 상기 관형 스프링체가 지지격자체로부터 이탈되지 않고 상기 단위격자판의 높이방향을 따라 상하로 움직일 수 있는 지지격자체에 관한 것이다.

핵연료집합체, 지지격자체, 내부격자, 교차영역, 관형 스프링체, 프레팅 손상, 유동유발진동

Description

내부격자의 교차영역에 삽입된 이동가능한 관형 스프링체를 구비한 지지격자체{Space grid having movable pipe-shaped springs which are inserted into interior grid intersection regions}

도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체의 단면을 개략적으로 나타내는 평단면도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 일부를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체의 일부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 5는 종래 기술에 따른 핵연료봉을 지지하는 지지격자체의 단위격자판을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 핵연료집합체(100)는 핵연료봉(110)과 안내관(140)과 지지격자체(150)와 상단 고정체(120)와 하단 고정체(130)로 구성된다.

여기서, 상기 핵연료봉(110)은 지르코늄 합금 피복관 내부에 실린더 형상의 우라늄 소결체가 포함되고, 이러한 우라늄 소결체의 핵분열 반응에 의하여 고온의 열이 발생된다.

한편, 상기 안내관(140)은 원자로 노심의 출력을 조절하고 핵분열 반응을 정지시키기 위하여 상·하로 움직이는 제어봉의 통로로 이용되며, 상기 지지격자체(150)는 핵연료집합체의 구성부품 중 하나로 지지격자체의 각 격자에 있는 스프링(118) 및 딤플(119)이 핵연료봉(110)을 정해진 위치에 배열되도록 지지하는 기능을 갖고 있다.

상단 고정체(120)와 하단 고정체(130)는 노심 상·하부 구조물에 핵연료집합체(100)를 고정 및 지지하는 역할을 담당하며, 하단 고정체(130)에는 노심 내부를 부유하는 이물질을 여과하기 위한 여과장치(이물질여과기, 미도시)를 포함한다.

그리고, 상기 지지격자체(150)는 통상 지르코늄 합금으로 이루어지며, 핵연료봉(110)들을 지지하는 핵연료봉셀과 안내관(140)이 삽입되는 안내관셀들이 있으며, 핵연료봉셀은 두 면에서 각 1개씩 총 2개의 격자 스프링(118)과 상기 스프링들의 상·하측에 위치하되, 나머지 두 면에서 각 2개 씩 총 4개의 딤플(119)로 총 6개 지지점에서 핵연료봉(110)을 지지하고 있다. 그리고 상기 핵연료봉(110) 내부에는 실린더 형상의 이산화 우라늄 소결체가 장입되며, 냉각수는 4개의 핵연료봉(110)으로 둘러졌거나, 3개의 핵연료봉(110)과 1개의 안내관(140)으로 둘러싸인 부수로(sub channel, 115)를 통하여 축방향으로 노심 하부에서 상부로 빠르게 유동한다. 여기서, 부수로(115)는 핵연료봉(110)들로 둘러싸인 공간을 지칭하는 것으로 측면이 개방되어 있어서 유체가 자유로이 이웃된 유로로 이동할 수 있는 통로를 말한다.

한편 위와 같은 실린더 형상의 핵연료봉(110) 대신에, 도 6 및 도 7에서 도시하고 있는 바와 같이, 근래에는 환형 구조를 갖는 이중냉각 핵연료봉(10)에 관한 기술이 개발되고 있으며, 미국특허공보 제3,928,132호 및 제6,909,765에 이와 관련된 내용이 개시되어 있다.

여기서, 환형 구조를 갖는 이중냉각 핵연료봉(10)이 가지는 장점은, 환형으로 형성되는 소결체(11)와 내주연에 구비되는 내측 피복관(12)과 외주연에 구비되는 외측 피복관(13)으로 구성되기 때문에, 냉각수가 이중냉각 핵연료봉(10)의 외부뿐만 아니라 내부로도 흘러 이중으로 열전달이 이루어지게 됨으로써 이중냉각 핵연 료봉(10)의 표면 온도를 낮게 유지하고 핵연료의 중심온도 상승에 의한 연료 손상의 가능성을 낮추어 이중냉각 핵연료봉(10)의 안전 여유도를 증가시키면서 고연소도 및 고출력을 가능하게 한다는 것이다.

그러나, 이중냉각 핵연료봉(10)을 적용할 경우에도 기존의 가압 경수로형 노심에 구조적으로 양립하기 위해서는 핵연료집합체(100) 내의 노심 구조부품들, 예를 들면 안내관(140)의 위치를 변경할 수 없다는 구조적 제한을 수용해야만 하는 가운데 핵연료봉의 외경은 증가하였기 때문에, 이중냉각 핵연료봉(10)과 격자판 사이의 간극은 기존보다 상당히 좁아지게 될 수밖에 없게 된다. 예를 들어, 도 7과 같이 12×12 배열의 이중냉각 핵연료집합체 설계안에 따라 핵연료집합체를 구성하게 되면, 핵연료봉과 단위격자판 사이의 간극은 기존의 1.45 ㎜에서 약 0.39 ㎜ 정도로 감소하게 된다. 따라서, 핵연료봉과 단위격자판 사이의 좁은 간격으로 인하여, 지금까지 핵연료봉을 지지하기 위해서 단위격자판의 표면에 연료봉 지지구조를 형성하였던 기술은 이중냉각 핵연료봉의 경우에 적용하기가 곤란하다는 문제가 발생하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 출원인은 특허출원 제2007-0073545호로 "교차점 지지체를 이용한 이중냉각 핵연료봉의 지지격자체"에 관한 발명을 출원하였다. 상기 선행특허출원에는 다양한 실시예가 기재되어 있는데, 그 기본적인 개념은 도 8 내지 도 10에 도시되어 있는 일 실시예을 통하여 이해할 수 있다. 상기 실시예에서는 단면이 원형인 원통 형상의 튜브를 이용하여 핵연료봉의 지지체(40)를 만들고, 프레스 장치 등에 의해 90도 간격으로 배열된 슬릿부(41)를 소 성 가공하였다. 그리고 제1격자판(20)과 제2격자판(30)의 교차점 부근에 상기 지지체(40)를 삽입한 후 용접 등에 의해 결합시킴으로써, 각 격자판에 의해 둘러싸인 정사각형상의 공간에 이중냉각 핵연료봉(10)을 수용시켰다. 이러한 구성에 의하여 각 교차점에 삽입된 원형 단면의 지지체(40)의 외주면에는 이중냉각 핵연료봉(10)의 외경부가 직접 접촉되고, 지지체(40) 자체의 강성에 의하여 이중냉각 핵연료봉(10)을 안정되게 지지할 수 있게 되었다.

위와 같은 본 출원인의 선행특허출원은 이중냉각 핵연료봉과 단위격자판 사이의 간격이 좁다는 구조적 한계를 극복하고, 원통 형상의 튜브로 이루어진 지지체 자체의 강성을 이용하여 이중냉각 핵연료봉을 지지할 수 있다는 점에서 평가할만 하다. 선행특허출원에는 지지체의 모양이 원통 형상의 튜브 이외에 스프링이 구비된 사각 또는 원형 단면의 지지체에 관한 다양한 실시예가 개시되어 있는데, 특히 원통 형상의 튜브로 이루어진 지지체는 그 구조가 매우 간단하여 제작이 용이하다는 장점을 가진다.

그러나 위 원통 형상의 튜브로 이루어진 지지체를 내부격자의 교차점 부분에 결합시키는 구성을 실제로 핵연료집합체에 적용할 때에는, 기술적으로 해결해야 할 문제가 있는 것으로 보인다. 이는 원통 형상의 튜브인 지지체가 격자판에 삽입된 후 용접 등에 의하여 서로 견고하게 고정되면, 지지체의 표면에 별도의 스프링 구조가 만들어져 있지 않은 이상, 직교하는 두 개의 격자판과의 접합면으로 한정된 원통 형상 튜브의 사분면 자체가 스프링 역할을 수행하여야 한다는 구조에서 비롯된다. 특히 원통 형상 튜브의 지지체의 반경은 실제로는 수 mm 범위의 크기를 가지기 때문에, 격자판에 견고하게 고정된 지지체의 사분면은 상당히 높은 스프링 상수를 가지게 되고, 이에 따라 지지격자체의 핵연료봉셀에 장입된 핵연료봉은 강한 스프링력을 받게 된다.

지지체의 스프링력이 너무 작을 경우에는 핵연료봉을 정해진 위치로 지지할 수 없어 핵연료봉의 지지건전성을 상실할 가능성이 있는데, 이와 반대로 스프링력이 너무 클 경우에는 핵연료봉을 지지격자체로 삽입할 때 과도한 마찰 저항력으로 인하여 핵연료봉의 표면에 긁힘과 같은 흠이 발생할 수 있고, 원자로 운전 중 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장을 적절히 수용할 수 없어서 핵연료봉이 휘게 되는, 즉 핵연료봉의 휨 현상(Bowing)을 유발시킬 수 있다. 핵연료봉이 휘게 되면 인접한 핵연료봉들과 근접하거나 접촉하게 되어 연료봉사이의 냉각수 유로, 즉 부수로를 좁게 하거나 차단하게 되고, 이것은 연료에서 발생한 열을 효과적으로 냉각수로 전달하지 못하기 때문에 국부적으로 연료봉 온도가 높아지는 현상을 초래하게 되어, 핵연료의 출력을 감소시키는 주원인이 되는 핵비등 이탈(Departure from Nuclear Boiling, DNB)의 발생가능성이 높아진다.

또한 핵연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름은, 열적 성능의 제고를 위하여 핵연료봉 주변의 냉각수 흐름에 큰 난류유동(Turbulent Flow) 즉, 높은 레이놀드 수(Reynolds number)의 유동을 만드는 것이 보편적으로 알려져 있는데, 핵연료봉 주변 냉각수 흐름의 난류화는 핵연료봉의 유동유발진동(Flow Induced Vibration)을 일으키는 주원인이 된다. 이러한 유동유발진동은 핵연료봉이 격자체의 스프링 구조물과의 접촉면에서 미끄러지는 상대운동을 발생시키는 요인이 되며, 이로 인해 핵연료봉의 접촉면에 국부적인 마멸이 발생하여 핵연료봉이 점진적으로 손상되는 "핵연료봉 프레팅 손상"을 초래하게 된다. 특히 이러한 프레팅 마모는 스프링의 강성(stiffness) 혹은 스프링 상수가 클 경우에 더욱 심하게 일어나기 때문 에, 선행특허출원에 적용된 원통 형상 튜브의 지지체는 프레팅 마모에 취약하다는 문제를 가진다.

따라서 본 발명은 직교하는 두 개의 단위격자판의 교차영역에 삽입되는 관형 스프링체와 단위격자판 사이의 결합 구조를 새롭게 고안함으로써, 두 개의 단위격자판과의 경계면으로 한정되는 관형 스프링체의 사분면이 가지는 스프링 상수가 적절한 범위에 있도록 하는 것을 하나의 목적으로 한다.

또한 본 발명은 직교하는 두 개의 단위격자판의 교차영역에 삽입되는 관형 스프링체가 고정된 위치를 가지지 않고 단위격자판의 높이 방향을 따라 상하로 움직일 수 있도록 함으로써, 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장이 발생하거나 또는 냉각수 흐름에 의한 유동유발진동이 발생하여도, 핵연료봉과 관형 스프링체의 접촉면 사이의 상대운동이 최소한으로 일어나도록 하여 핵연료봉의 건전성을 장시간 동안 유지시킬 수 있도록 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 내부격자의 교차영역에 삽입된 이동가능한 관형 스프링체를 구비한 지지격자체는, 길이방향의 일단면을 따라 동일한 간격으로 이격되어 높이의 절반 길이로 수직하게 절개된 다수개의 슬릿을 구비한 장방형 판재형상의 단위격자판을 다수개 포함하고, 상기 각 단위격자판들이 상기 슬릿들 사이의 끼워맞춤을 통 하여 서로 직교하도록 결합되어 다수개의 핵연료봉셀을 이루는 핵연료봉의 지지격자체에 있어서, 특히 90°의 등각도로 이격되어 길이방향을 따라 절개된 네 개의 슬롯을 구비하여 상기 단위격자판들의 교차영역으로 삽입되는 관형 스프링체를 포함하되, 상기 관형 스프링체의 슬롯의 길이는 상기 관형 스프링체가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이보다 길고, 상기 슬롯의 양단만이 서로 연결되어 상기 관형 스프링체가 지지격자체로부터 이탈되지 않고 상기 단위격자판의 높이방향을 따라 상하로 움직일 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 관형 스프링체의 높이는 상기 단위격자판의 높이보다 작고, 상기 관형 스프링체가 삽입된 지점에 대응되는 위치의 단위격자판에는 홈이 형성될 수 있다.

이때, 상기 단위격자판에 형성된 홈은 그 입구의 양쪽이 안으로 돌출된 "ㅗ" 자 형상일 수 있으며, 바람직하게는 상기 단위격자판에 "ㅗ" 자 형상으로 형성된 홈의 입구 양쪽의 돌출된 부분이 상호 연결된다.

한편 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 관형 스프링체의 높이가 상기 단위격자판의 높이보다 크도록 형성된다.

그리고, 상기 핵연료봉셀을 형성하는 단위격자판의 네 개의 면 중 서로 연결 된 어느 두 개의 면에는, 상기 핵연료봉셀의 내측으로 돌출된 딤플이 각각 형성될 수 있는데, 이때 상기 딤플은 상하로 두 개씩 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관형 스프링체의 상하부 모서리 또는 상기 딤플의 상하부 모서리 중 적어도 상기 핵연료봉셀의 내부를 향하는 모서리들이 라운딩 처리되어 있거나, 또는 상기 관형 스프링체의 상하부 모서리 또는 상기 딤플의 상하부 모서리가 상기 핵연료봉셀의 외부를 향하는 방향으로 절곡되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 지지격자체에 구비된 상기 관형 스프링체는, 그 길이방향에 수직한 단면의 형상이 원형을 이루도록 형성될 수 있다.

이때, 원형 단면을 가지는 상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이에는 핵연료봉의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면이 그 길이방향을 따라 각각 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 지지격자체에 구비된 상기 관형 스프링체는, 그 길이방향에 수직한 단면의 형상이 정사각형을 이루도록 형성되는 것도 가능하다.

이때, 정사각형 단면을 가지는 상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이의 평면에는 핵연료봉의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면이 그 길이방향을 따라 각각 형성되거나, 또는 상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이의 평면에는 볼록한 곡면이 그 길이방향을 따라 각각 형성된다.

한편 정사각형 단면을 가지는 상기 관형 스프링체는, 네 개의 슬롯들이 이에 인접한 평면의 중심을 향하여 내측으로 만곡된 아치 형상을 가지고, 상기 평면의 중간 부분에는 외측으로 돌출된 핵연료봉 지지부가 형성되도록 구성될 수도 있다.

이때, 상기 핵연료봉 지지부의 표면이 핵연료봉의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면으로 형성되는 것이 바람직하고, 아울러 상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이의 각각의 평면이 그 네 개의 모서리로부터 사전에 정해진 간격으로 이격된 가상의 윤곽선을 따라 절개된 형상을 가지되 상기 핵연료봉 지지부는 절개되어 남은 양쪽 슬롯의 중간 부분을 연결하는 다리 형상으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 직교하는 두 개의 단위격자판의 교차영역에 삽입되는 관형 스프링체가 그 슬롯의 양단만이 서로 연결된 구조에 의하여 지지격자체로부터 이탈되지 않도록 되어 있기 때문에, 두 개의 단위격자판과의 경계면으로 한정되는 관형 스프링체 사분면의 양측면에는, 단위격자판과 어떠한 접합구조도 가지지 않는 기다란 슬롯이 존재하게 되고, 따라서 상기 관형 스프링의 스프링 상수는 과도하게 높지 않은 적절한 범위를 가지게 된다.

또한 본 발명은, 두 개의 단위격자판과의 경계면으로 한정되는 관형 스프링체 사분면의 양측면에는 단위격자판과 어떠한 접합구조도 가지지 않는 기다란 슬롯이 존재하고, 또한 상기 슬롯의 길이는 상기 관형 스프링체가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이보다 길기 때문에, 본 발명의 관형 스프링체는 단위격자판 상에 고정된 위치를 가지지 않고 단위격자판의 높이 방향을 따라 상하로 움직일 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 지지격자체는 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 길이방향 성장이 발생하거나 또는 냉각수 흐름에 의한 유동유발진동이 발생하여도, 핵연료봉과 관형 스프링체의 접촉면 사이의 상대운동이 최소한으로 일어나도록 하여 핵연료봉의 건전성을 장시간 동안 유지시킬 수 있다는 장점을 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

다만 본 발명에 따른 지지격자체(10)의 실시예를 설명함에 있어서, 상기 지지격자체(10)가 길이방향의 일단면을 따라 동일한 간격으로 이격되어 높이의 절반 길이로 수직하게 절개된 다수개의 슬릿을 구비한 장방형 판재형상의 단위격자판(100,100')을 다수개 포함하고, 상기 각 단위격자판들(100,100')이 상기 슬릿들 사이의 끼워맞춤을 통하여 서로 직교하도록 결합됨으로써 다수개의 핵연료봉셀(20) 을 이루는 구성은 앞서 설명한 종래기술과 크게 다르지 않으므로, 본 발명의 특징적인 구성을 보다 명확히 설명한다는 측면에서 종래기술에 이미 개시되어 있는 내용에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 11은 본 발명에 따른 지지격자체(10)에 있어서, 내부격자, 즉 지지격자체(10)의 최외곽을 둘러싸는 격자판 안쪽에 배치된 단위격자판(100,100')들이 이루는 격자(도 13 참조)의 교차영역에 삽입된 관형 스프링체(200)의 구조를 상세히 보여주는 사시도이다. 본 발명에 따른 지지격자체(10)는, 도 11에 잘 나타나 있듯이, 90°의 등각도로 이격되어 길이방향을 따라 절개된 네 개의 슬롯(210)을 구비한 관형 스프링체(200)가 상기 단위격자판들(100,100')의 교차영역에 삽입된 구조를 가진다. 바람직하게는 상기 관형 스프링체(200)의 길이방향을 수직으로 절개하는 단면들의 중심과 상기 단위격자판의 교차점(130)이 동일선상에 있도록 한다. 이때, 상기 관형 스프링체(200)의 슬롯의 길이(L)는 상기 관형 스프링체(200)가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이(H')보다 길도록 형성되어 있으며, 상기 슬롯(210)의 양단만이 서로 연결된 구조에 의하여 상기 관형 스프링체(200)가 지지격자체(10)로부터 이탈되지 않도록 되어 있다. 다만, 도 11에 보여진 것처럼, 관형 스프링체(200)를 단위격자판들(100,100')의 교차영역에 삽입시키기 위하여, 관형 스프링체(200)에 형성된 슬롯(210)의 일단이 개방되어 있기 때문에, 삽입 후에는 개방된 일단을 용접 등의 방법을 통하여 막아야 한다.

이러한 구성에 의하면, 두 개의 단위격자판(100,100')과의 경계면으로 한정 되는 관형 스프링체(200) 사분면의 양측면에는, 단위격자판(100,100')과 어떠한 접합구조도 가지지 않는 기다란 슬롯(210)이 존재하기 때문에, 슬롯(210) 부분이 단위격자판(100,100')과 용접되어 높은 스프링 상수를 가졌던 종래기술에 비하여, 상기 관형 스프링(200)은 이보다 낮은 적절한 수준의 스프링 상수를 가질 수 있게 된다.

또한 위와 같은 관형 스프링(200)과 단위격자판(100,100')의 결합 구조에 의하면, 상기 관형 스프링체(200)의 슬롯의 길이(L)가 상기 관형 스프링체(200)가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이(H')보다 길기 때문에, 관형 스프링체(200)는 상기 단위격자판(100,100')의 높이방향을 따라 상하로 움직일 수 있다. 이 또한 본 발명의 중요한 특징인데, 상하로 움질일 수 있는 핵연료봉(30)의 지지구조는 핵연료봉(30)과 지지구조체(즉, 본 발명의 관형 스프링체)의 접촉면 사이의 상대운동을 최소한도로 억제함으로써 프레팅 손상에 강하다는 장점을 가진다.

관형 스프링체(200)의 슬롯(210)의 길이(L)가 상기 관형 스프링체(200)가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이(H')보다 길도록 형성된다는 조건을 만족시키는 한, 관형 스프링체의 높이(h)는 단위격자판의 높이(H)보다 길거나 또는 짧은 것 모두 가능하다.

만일 상기 관형 스프링체의 높이(h)가 상기 단위격자판의 높이(H)보다 작으면, 도 11에 도시된 것과 같이, 상기 관형 스프링체(200)가 삽입된 지점에 대응되는 위치의 단위격자판(100,100')에 오목하게 파인 홈(110)을 형성한다. 따라서 이 러한 경우에 상기 슬롯의 길이(L)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 단위격자판(100,100') 상하의 홈(110)의 바닥변 사이의 수직 길이(H')보다 길다. 상기 단위격자판(100,100')에 형성된 홈(110)은 그 입구의 양쪽이 안으로 돌출된 "ㅗ" 자 형상으로 만들 수도 있는데, 이는 상기 단위격자판(100,100')에 "ㅗ" 자 형상으로 형성된 홈(110)의 입구 양쪽의 돌출된 부분을 용접 등의 방법에 의하여 상호 연결하기 용이하도록 하기 위함이다. 도 11에는 단위격자판(100,100')의 하부에 형성된 "ㅗ" 자 형상의 홈(110)의 입구가 용접에 의하여 연결된 모습이 그 예로서 나타나 있다. 슬롯(210)의 양단이 서로 연결되어 있기 때문에 홈(110)의 입구를 반드시 막을 필요는 없으나, 관형 스프링체(200)가 지지격자체(10)로부터 이탈되는 위험을 확실히 방지하기 위한 안전장치라는 측면에서는 유리한 점이 있다.

한편 상기 관형 스프링체의 높이(h)가 상기 단위격자판의 높이(H)보다 크면, 도 12에 도시된 것과 같이, 단위격자판(100,100')에 별도의 홈을 형성할 필요는 없다. 따라서 지지격자체(10)의 구조는 위의 경우에 비하여 간단하고, 핵연료봉(30)을 지지하는 접촉면적은 상대적으로 더 크다는 장점이 있다. 다만 지지격자체(10)의 전체 높이가 다소 높아지기 때문에 원자로 내부를 흐르는 냉각수의 압력강하가 다소 클 수는 있다.

추가적으로 상기 핵연료봉셀(20)을 형성하는 단위격자판(100,100')의 네 개의 면 중 서로 연결된 어느 두 개의 면에는 상기 핵연료봉셀(20)의 내측으로 돌출된 딤플(120)이 각각 형성될 수 있다. 상기 딤플(120)의 역할은 핵연료봉(30)이 인 접한 핵연료봉셀(20) 쪽으로 과도하게 접근하는 것을 방지하는 것이다. 이때 상기 딤플(120)은, 핵연료봉(30)에 작용하는 스프링력의 균형을 고려하여 단위격자판(100,100')의 상하로 두 개씩 형성되는 것이 바람직하다. 도 13은 도 11에 나타난 단위격자판(100,100')과 관형 스프링체(200)의 결합구조가 5×5의 배열을 갖는 핵연료봉셀(20)에 적용되었을 경우를 예로 하여 도시한 것이고, 도 14의 평면도는 핵연료봉셀(20)에 장입된 핵연료봉(30)이 네 개의 관형 스프링체(200)와 네 개의 딤플(120)에 의하여 탄성지지되는 것을 보여준다.

아울러, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 관형 스프링체(200)의 상하부 모서리 또는 상기 딤플(120)의 상하부 모서리 중 적어도 상기 핵연료봉셀(20)의 내부를 향하는 모서리들이 라운딩 처리되어 있거나, 또는 상기 관형 스프링체(200)의 상하부 모서리 또는 상기 딤플(120)의 상하부 모서리가 상기 핵연료봉셀(20)의 외부를 향하는 방향으로 절곡되어 있을 수 있다. 물론 관형 스프링체(200)의 상하부 모서리 또는 딤플(120)의 상하부 모서리의 양측을 모두 라운드 처리하는 것도 가능하다. 이는 핵연료봉(30)을 핵연료봉셀(20) 내부로 장입할 때 핵연료봉의 표면에 긁힘이 발생하거나 또는 냉각수 흐름에 따른 유동유발진동에 의한 프레팅 마모의 가능성을 줄일 수 있고, 또한 지지격자체(10)를 통과하는 냉각수의 압력저항을 줄일 수 있다는 점도 유리하기 때문이다.

그리고 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 관형 스프링체(200)의 길이방향에 수직한 단면의 전체적인 형상은 크게 원형과 정사각형으로 나누어진다. 물론 원형과 정사각형 이외에 정팔각형 등도 가능하겠지만, 가공의 용이상과 효율성 등을 고려한다면 위 두 가지 형상이 현실적이라 할 수 있다. 이러한 관형 스프링체(200,200')의 다양한 형상에 대해서는 도 16 내지 도 19를 참조하여 상세히 설명될 것인데, 상기 관형 스프링체(200,200')가 단위격자판(100,100')의 교차영역에 결합되는 구조는 앞서 설명한 내용과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

관형 스프링체(200)의 길이방향에 수직한 단면의 전체적인 형상이 원형을 이루는 경우는 도 11 내지 도 14에 잘 나타나 있으며, 이의 변형예로서 도 16은 원형 단면을 가지는 상기 관형 스프링체(200)의 네 개의 슬롯(210)들 사이에 핵연료봉(30)의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면(220)이 그 길이방향을 따라 각각 형성된 경우를 보여준다. 이러한 변형예의 경우, 상기 오목한 곡면(220)이 핵연료봉(30)과 접촉하여 탄성지지하는 부분이 된다.

관형 스프링체(200')의 길이방향에 수직한 단면의 전체적인 형상이 정사각형을 이루는 변형예는 도 17 내지 도 18에 나타나 있다. 정사각형 단면의 관형 스프링체(200')에 구비되는 슬롯(210')들은 정사각형 기둥 길이방향의 네 모서리를 따라 형성되고, 따라서 핵연료봉(30)을 지지할 부분은 정사각형 기둥 길이방향의 네 면이 된다.

상기 정사각형 기둥 길이방향의 네 면, 즉 관형 스프링체(200')의 네 개의 슬롯(210')들 사이의 평면에는 핵연료봉(30)의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면(220')이 그 길이방향을 따라 각각 형성된다. 이는 도 16에 도시된 구성과 유사하다.

또한 상기 정사각형 단면의 관형 스프링체(200')는 네 개의 슬롯(210')들 사이의 평면에 볼록한 곡면(230)이 그 길이방향을 따라 각각 형성되는 구성을 가질 수도 있다. 이는 마치 정사각형 단면의 관형 스프링체(200')와 원형 단면의 관형 스프링체(200)가 혼합된 것과 같은 형상이라고 표현할 수 있다.

위와 같이 정사각형 기둥 길이방향의 네 모서리를 따라 곡면(220',230)을 형성하는 구성은, 관형 스프링체(200,200')의 두께가 서로 동일하다고 가정할 때, 원형 단면의 관형 스프링체(200)의 스프링 상수보다 작은 스프링 상수를 갖는다는 특성을 가진다. 이는 원주면만으로 접촉면이 형성된 경우보다는, 평면 위에 돌출된 곡면(220',230)이 접촉면을 이룰 때 상기 돌출된 곡면(220',230)과 평면 사이의 경계면에 외력이 집중되어 변형이 보다 쉽게 일어나기 때문이다.

한편 정사각형 단면을 가지는 상기 관형 스프링체(200')는, 도 19에 나타난 것처럼, 네 개의 슬롯(210')들이 이에 인접한 평면의 중심을 향하여 내측으로 만곡된 아치 형상을 가지고, 상기 평면의 중간 부분에는 외측으로 돌출된 핵연료봉 지지부(240)가 형성되도록 구성될 수도 있는데, 이때 상기 핵연료봉 지지부(240)의 표면은 핵연료봉(30)의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면(242)으로 형성되는 것이 바람직하다. 아울러 상기 관형 스프링체(200')의 네 개의 슬롯(210')들 사 이의 각각의 평면이 그 네 개의 모서리로부터 사전에 정해진 간격으로 이격된 가상의 윤곽선을 따라 절개된 형상을 가지되 상기 핵연료봉 지지부(240)는 절개되어 남은 양쪽 슬롯(210')의 중간 부분을 연결하는 다리 형상으로 형성되는 더욱 바람직하다. 이러한 형상은, 단위격자판의 표면에 스프링(118)이 형성된 도 5의 종래기술과 핵연료봉 지지부(240)의 구조에 있어서는 유사하다고 볼 수 있다. 이러한 도 19의 구성은 핵연료봉 지지부(240)가 네 개의 가지에 의하여 지지되어 있는 종래의 스프링(118)의 구조를 갖기 때문에 그 스프링 특성 역시 종래와 유사하고, 따라서 많은 연구자료가 축적되어 있기 때문에 빠른 시간안에 실제 지지격자체에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

이상 본 발명을 특정의 실시형태와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의하여 나타난 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 핵연료집합체를 개략적으로 나타내는 정면도.

도 2는 종래 기술에 따른 핵연료집합체의 단면을 개략적으로 나타내는 평단면도.

도 3은 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 평면도.

도 4는 종래 기술에 따른 핵연료집합체에 적용되는 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도.

도 5는 종래 기술에 따른 핵연료봉을 지지하는 지지격자체의 단위격자판을 개략적으로 나타내는 사시도.

도 6은 이중냉각 핵연료봉의 단면을 개략적으로 나타내는 평단면도.

도 7은 이중냉각 핵연료집합체의 단면을 개략적으로 나타내는 평단면도.

도 8은 이중냉각 핵연료집합체에 적용된 원통 형상의 튜브 지지체에 대한 사시도.

도 9는 도 8의 원통 형상의 튜브 지지체가 적용된 지지격자체의 평면도.

도 10은 도 8의 원통 형상의 튜브 지지체가 적용된 지지격자체의 사시도.

도 11은 본 발명에 따른 지지격자체를 이루는 단위 격자체와 관형 스프링체의 결합구조의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 12는 본 발명에 따른 지지격자체를 이루는 단위 격자체와 관형 스프링체의 결합구조의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 13은 도 11의 단위 격자체와 관형 스프링체의 결합구조로 이루어진 5×5 지지격자체를 보여주는 사시도.

도 14는 도 13의 지지격자체 중 하나의 핵연료봉셀의 지지구조를 보여주는 평면도.

도 15는 본 발명에 따른 지지격자체에 구비된 관형 스프링체와 딤플의 상하부 모서리의 가공 상태를 개략적으로 보여주는 단면도.

도 16은 본 발명의 실시예에 적용된 원형 단면의 관형 스프링체의 변형예를 보여주는 사시도.

도 17은 본 발명의 지지격자체에 적용된 정사각형 단면의 관형 스프링체의 일 실시예를 보여주는 사시도.

도 18은 본 발명의 지지격자체에 적용된 정사각형 단면의 관형 스프링체의 다른 실시예를 보여주는 사시도.

도 19는 본 발명의 지지격자체에 적용된 정사각형 단면의 관형 스프링체의 또 다른 실시예를 보여주는 사시도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10: 지지격자체 20: 핵연료봉셀

30: 핵연료봉

100,100': 단위격자판 110: 홈

120: 딤플 130: 단위격자판들의 교차점

200,200': 관형 스프링체 210,210': 슬롯

220,220': 오목한 곡면 230: 볼록한 곡면

240: 핵연료봉 지지부 242: 핵연료봉 지지부의 오목한 곡면

H: 단위격자판의 높이

H': 관형 스프링체가 삽입된 지점에서의 단위격자판의 높이

h: 관형 스프링체의 높이

L: 관형 스프링체에 형성된 슬롯의 길이

Claims

길이방향의 일단면을 따라 동일한 간격으로 이격되어 높이의 절반 길이로 수직하게 절개된 다수개의 슬릿을 구비한 장방형 판재형상의 단위격자판을 다수개 포함하고, 상기 각 단위격자판들이 상기 슬릿들 사이의 끼워맞춤을 통하여 서로 직교하도록 결합되어 다수개의 핵연료봉셀을 이루는 핵연료봉의 지지격자체에 있어서,

90°의 등각도로 이격되어 길이방향을 따라 절개된 네 개의 슬롯을 구비하여 상기 단위격자판들의 교차영역으로 삽입되는 관형 스프링체를 포함하되, 상기 관형 스프링체의 슬롯의 길이는 상기 관형 스프링체가 삽입된 지점에서의 상기 단위격자판의 높이보다 길고, 상기 슬롯의 양단만이 서로 연결되어 상기 관형 스프링체가 지지격자체로부터 이탈되지 않고 상기 단위격자판의 높이방향을 따라 상하로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 1에 있어서,

상기 관형 스프링체의 높이는 상기 단위격자판의 높이보다 작고, 상기 관형 스프링체가 삽입된 지점에 대응되는 위치의 단위격자판에는 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 2에 있어서,

상기 단위격자판에 형성된 홈은 그 입구의 양쪽이 안으로 돌출된 "ㅗ" 자 형상인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 3에 있어서,

상기 단위격자판에 "ㅗ" 자 형상으로 형성된 홈의 입구 양쪽의 돌출된 부분이 상호 연결된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 1에 있어서,

상기 관형 스프링체의 높이는 상기 단위격자판의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 1에 있어서,

상기 핵연료봉셀을 형성하는 단위격자판의 네 개의 면 중 서로 연결된 어느 두 개의 면에는, 상기 핵연료봉셀의 내측으로 돌출된 딤플이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 6에 있어서,

상기 딤플은 상하로 두 개씩 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 6에 있어서,

상기 관형 스프링체의 상하부 모서리 또는 상기 딤플의 상하부 모서리 중 적어도 상기 핵연료봉셀의 내부를 향하는 모서리들이 라운딩 처리되어 있거나, 또는 상기 관형 스프링체의 상하부 모서리 또는 상기 딤플의 상하부 모서리가 상기 핵연료봉셀의 외부를 향하는 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

상기 관형 스프링체의 길이방향에 수직한 단면의 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 9에 있어서,

상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이에는 핵연료봉의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면이 그 길이방향을 따라 각각 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 관형 스프링체의 길이방향에 수직한 단면의 형상이 정사각형인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 11에 있어서,

상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이의 평면에는 핵연료봉의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면이 그 길이방향을 따라 각각 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 11에 있어서,

상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이의 평면에는 볼록한 곡면이 그 길이방향을 따라 각각 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 11에 있어서,

상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들은 이에 인접한 평면의 중심을 향하여 내측으로 만곡된 아치 형상을 가지고, 상기 평면의 중간 부분에는 외측으로 돌출된 핵연료봉 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 14에 있어서,

상기 핵연료봉 지지부의 표면이 핵연료봉의 곡률에 대응하는 곡률을 가진 오목한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.
청구항 15에 있어서,

상기 관형 스프링체의 네 개의 슬롯들 사이의 각각의 평면이 그 네 개의 모서리로부터 사전에 정해진 간격으로 이격된 가상의 윤곽선을 따라 절개된 형상을 가지되, 상기 핵연료봉 지지부는 절개되어 남은 양쪽 슬롯의 중간 부분을 연결하는 다리 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 지지격자체.