KR20100114287A - 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉과 이를 제작하는 핵연료봉 제조방법 - Google Patents

환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉과 이를 제작하는 핵연료봉 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉과 이를 제작하는 핵연료봉 제조방법에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉은 중공 원통 형상으로 길이 방향을 따라 원형 단면을 가지는 외부 피복관과, 중공 원통 형상으로 상기 외부 피복관의 내경보다 작은 외경과 긴 길이를 가지며 상기 외부 피복관의 중공부에 평행하게 위치되는 내부 피복관과, 상기 외부 피복관 및 내부 피복관 사이에 형성되는 공간에 충전되어 핵분열로 에너지를 발생시키는 소결체와, 중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 외부결합부에 상기 외부 피복관의 일단이 결합하고 내주면 일단으로부터 단차지게 형성된 내부결합부에 상기 내부 피복관의 일단이 결합하여 상기 소결체의 유출을 방지하는 제 1봉단마개 및 중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 외부결합부에 상기 외부 피복관의 타단이 결합하고 내주면에 상기 내부 피복관의 타단이 결합하여 상기 소결체를 밀봉하는 제 2봉단마개를 포함하여 냉각수로의 열전도율을 높이고 핵연료봉의 제작이 용이하며 소결체의 밀봉효율을 증가시켜 산업적 효용성을 증가시키는 효과가 있다.
핵연료집합체, 이중냉각 핵연료봉, 환형 봉단마개, 소결체, 용접

Description

환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉과 이를 제작하는 핵연료봉 제조방법{Dual Cooled Fuel with a Ring-Shaped Plug And Manufacturing Method of the Same}
본 발명은 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉과 이를 제작하는 핵연료봉 제조방법에 관한 것으로서, 표준 가압 경수로형 원자력발전소의 대규모 출력증강에 필요한 이중 냉각 핵연료봉과 상기 핵연료봉의 용접에 직접 응용할 수 있는 핵연료봉 제조방법에 관한 것이다.
화력발전소를 가동하기 위해서 석유나 석탄이 필요하듯이 원자력발전소를 운영하기 위해서도 연료가 필요한데 이때 사용되는 연료가 원자력연료이다. 원자력연료로는 핵분열성 물질을 사용하게 되는데, 우선 핵분열성 물질을 소결체라고 부르는 세라믹 형태로 만들어 이를 금속튜브에 넣고 봉단마개로 밀봉하여 연료봉을 만든다. 그리고 이렇게 만들어진 다수개의 연료봉을 금속 구조물에 고정시켜 원자력연료집합체를 만들어 사용하게 된다. 연료봉 내부의 소결체가 핵분열 연쇄반응을 하여 열이 발생하게 되고 이렇게 생성된 열은 냉각수를 통해 이동하여 에너지로 사용된다.
종래의 연료봉은 실린더형으로써 하나의 중공 원통 형상의 피복관 내부에 소결체가 장입되어 형성되었다. 따라서 핵분열 연쇄반응을 통해 열이 발생 될 때, 냉각수와 접촉해 있는 소결체의 외주면과 가까운 곳에서 발생하는 열은 쉽게 냉각수로 전달되는 반면에 소결체의 중심부에서 발생하는 열은 빠르게 냉각수로 전달되지 않아 낮은 열전도율을 갖는 문제점이 있었다.
또한, 직경이 서로 다른 두개의 피복관과 봉단마개로 구성된 핵연료봉에 있어서, 소결체를 밀봉하기 위하여 봉단마개와 피복관을 용접할 때, 내경이 좁은 피복관의 경우 용접토치가 피복관의 중공부로 접근할 수 없어 용접이 어렵다. 따라서, 용접토치가 접근할 수 있는 피복관의 내경에 많은 제약을 받는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 핵연료봉의 외부뿐만 아니라 내부로도 냉각수를 흐르게 하여 소결체의 열을 핵연료봉의 내부 및 외부로 빠르게 전달하여 열전도율이 높은 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 핵연료봉의 열 전달 면적이 증가함으로써 핵연료봉의 온도가 낮아져 소결체의 내부온도가 냉각수보다 높아짐으로써 발생하는 핵 비등 이탈 현상과 핵연료봉의 파손을 방지하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 핵연료봉은 핵연료집합체의 제한된 치수 조건에 의하여 내경이 결정되는데 직경이 다른 두 개의 피복관과 두 개의 봉단마개를 포함하는 핵연료봉의 용접에 있어서 제한된 치수 조건에 의해 내경이 좁아진 피복관과 봉단마개의 용접을 가능하게 하는 핵연료봉 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 핵연료봉의 제작뿐만 아니라 서로 다른 직경을 갖는 두 개의 튜브와 양쪽 환형의 마개로 구성되는 모든 부품 또는 산업기기에 응용 적용이 가능하며, 소결체의 밀봉효율을 높이고 용이하게 용접할 수 있어 산업현장에서의 효용성이 증가하는 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법은 중공 원통 형상인 제 1봉단마개의 내주면 일단에 단차지게 형성된 내부결합부로 중공 원통 형상인 내부 피복관의 일단을 삽입하여 용접하는 필렛용접 단계와, 상기 내부 피복관의 외주면에 소결체를 충전하는 소결체장입 단계와, 상기 소결체의 외주면을 중공 원통 형상인 외부 피복관으로 감싸되 상기 제 1봉단마개의 외주면 일단에 단차지게 형성된 외부결합부로 상기 외부 피복관의 일단을 삽입하며 용접하는 맞대기용접 단계 및 상기 내부 피복관의 타단과 제 2봉단마개의 내주면을 끝단용접 하고 상기 외부 피복관의 타단과 상기 제 2봉단마개의 외주면 일단에 형성된 외부결합부를 맞대기용접하는 마무리용접 단계를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 용접은 아크용접, 가스용접, 저항용접, 레이저빔용접, 전자빔용접 및 테르밋용접 중 어느 하나의 방법으로 이루어진다.
또한, 상기 아크용접은 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접일 수 있다.
또한, 상기 저항용접은 RPW(Resistance Pressure Welding) 용접일 수 있다.
또한, 상기 제 1봉단마개 및 제 2봉단마개는 외경이 상기 외부 피복관의 외경과 동일하다.
또한, 상기 제 1봉단마개는 내경이 상기 내부 피복관의 내경과 동일하게 형성된다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉은 중공 원통 형상으로 길이 방향을 따라 원형 단면을 가지는 외부 피복관과, 중공 원통 형상으로 상기 외부 피복관의 내경보다 작은 외경과 긴 길이를 가지며 상기 외부 피복관의 중공부에 평행하게 위치되는 내부 피복관과, 상기 외부 피복관 및 내부 피복관 사이에 형성되는 공간에 충전되어 핵분열로 에너지를 발생시키는 소결체와, 중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 외부결합부에 상기 외부 피복관의 일단이 결합하고 내주면 일단으로부터 단차지게 형성된 내부결합부에 상기 내부 피복관의 일단이 결합하여 상기 소결체의 유출을 방지하는 제 1봉단마개 및 중공 원통 형상으로 이루어지며 외 주면 일단으로부터 단차지게 형성된 외부결합부에 상기 외부 피복관의 타단이 결합하고 내주면에 상기 내부 피복관의 타단이 결합하여 상기 소결체를 밀봉하는 제 2봉단마개를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핵연료봉은 상기 소결체와 제 2봉단마개 사이에 설치되어 상기 소결체를 고정하는 압축 스프링을 더 포함한다.
더불어, 상기 핵연료봉은 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이에 상기 소결체에서 발생되는 열을 상기 외부 피복관과 내부 피복관으로 전달하는 충전기체를 더 포함한다.
이때, 상기 충전기체는 헬륨일 수 있다.
또한, 상기 제 1봉단마개 및 제 2봉단마개는 외주면 둘레를 따라 취급 장치에 결합되는 결합홈이 형성된다.
또한, 상기 제 1봉단마개 및 제 2봉단마개의 외부결합부의 두께는 상기 외부 피복관의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성된다.
또한, 상기 제 1봉단마개의 내부결합부의 두께는 상기 내부 피복관의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성된다.
또한, 상기 제 2봉단마개는 내경이 상기 내부 피복관의 외경과 동일하게 형성된다.
또한, 상기 제 2봉단마개는 상기 외부결합부에 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이로 충전기체를 삽입할 수 있는 슬릿이 형성된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉에 의하면, 핵연료봉을 서로 다른 직경을 갖는 두 개의 피복관과 봉단마개로 구성하여 핵연료봉의 외주면 바깥뿐만 아니라 내부로도 냉각수가 흐르게 하여 소결체에서 발생하는 열 에너지를 냉각수를 통해 빠르게 전달하여 열전도율을 높이는 효과가 있다.
또한, 핵연료봉과 냉각수가 접촉하는 면적의 증가로 인해 소결체에서 발생하는 열을 냉각수로 빠르게 이동시켜 핵연료봉의 온도를 낮춤으로써, 핵 비등 이탈 현상과 핵연료봉의 파손을 방지하는 효과가 있다.
또한, 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 핵연료봉 제작방법에 의하면, 내경이 좁은 피복관과 봉단마개를 용접하는 핵연료봉의 제작이 용이하고 소결체의 밀봉효율을 증가시키는 효과가 있다.
더불어, 핵연료봉의 제작뿐만 아니라 서로 다른 직경을 갖는 두 개의 튜브와 환형의 마개를 용접하는 모든 산업현장에서 사용이 가능하여 산업적 효용성이 증가하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉이 사용된 핵연료봉 집합체를 나타내는 도이고, 도 2는 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉의 사시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉의 단면도이다.
본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉은 도 1에 도시된 바와 같이, 핵연료 집합체(1)를 구성하는 하나의 단위로써, 보통 수십 개 내지 수백 개의 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)이 하나의 상기 핵연료 집합체(1)를 형성하고, 이렇게 형성된 백 수십여 개의 상기 핵연료 집합체(1)가 원자로 장치에 장착되어 에너지를 생성한다.
또한, 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 후술할 제 1봉단마개(110) 및 제 2봉단마개(120)의 일단과 후술할 외부 피복관(130) 및 내부 피복관(131)의 양끝단이 용접에 의해 결합되어, 후술할 소결체(133)를 밀봉하게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 제작방법을 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법의 블록도이고, 도 6은 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법 중 필렛용접 단계를 나타내는 도이며, 도 7은 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법 중 맞대기용접 단계를 나타내는 도이다. 또한, 도 8은 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법 중 마무리용접 단계를 나타내는 도이고, 도 9는 본 발명에 따른 제 2봉단마개에 슬릿을 형성시킨 예를 보여주는 도이며, 도 10은 종래의 이중냉각 핵연료봉의 단면도이다.
본 발명에 일 실시예에 따른 핵연료봉 제작방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 필렛용접 단계(S110), 소결체장입 단계(S120), 맞대기용접 단계(S130) 및 마무리용접 단계(S140)로 이루어져 있다.
상기 필렛용접 단계(S110)는 도 6에 도시된 바와 같이, 중공 원통 형상인 제 1봉단마개(110)의 내주면 일단에 단차지게 형성된 내부결합부(113)로 중공 원통 형상인 내부 피복관(131)의 일단을 삽입하여 용접하는 단계이다.
이때, 상기 제 1봉단마개(110)의 상기 내부결합부(113)에 형성된 내부결합단(113a)의 깊이는 상기 내부 피복관(131)의 두께와 동일하고, 내부결합편(113b)의 직경은 상기 내부 피복관(131)의 외경과 동일하게 형성된다.
즉, 상기 내부 피복관(131)의 일단이 상기 제 1봉단마개(110)의 내부결합단(113a)까지 삽입되며, 상기 내부 피복관(131)과 제 1봉단마개(110)가 맞닿는 경계를 필렛용접한다.
만일 상기 내부 피복관(131)의 두께가 얇을 경우 용접에 의한 용융으로 상기 내부 피복관(131)에 천공이 우려되므로 상기 제 1봉단마개(110)의 입구부분에 덧살을 가공하여 용접 시 상기 덧살 부분의 용융으로 접합할 수 있도록 한다.
상기 소결체장입 단계(S120)는 상기 필렛용접 단계(S110) 후 상기 제 1봉단마개(110)와 결합한 상기 내부 피복관(131)의 외주면으로 소결체(133)를 충전하는 단계이다. 이때, 상기 소결체는 우라늄, 플루토늄, 토륨 등과 같은 핵연료이다.
상기 맞대기용접 단계(S130)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 소결체(133)의 외주면을 중공 원통 형상인 외부 피복관(130)으로 감싸되, 상기 제 1봉단마개(110)의 외주면 일단에 단차지게 형성된 외부결합부(111)로 상기 외부 피복관(131)의 일단을 삽입하며 용접하는 단계이다.
이때, 상기 제 1봉단마개(110)의 상기 외부결합부(111)에 형성된 외부결합단(111a)의 깊이는 상기 외부 피복관(130)의 두께와 동일하고, 외부결합편(111b)의 직경은 상기 외부 피복관(130)의 내경과 동일하게 형성된다.
즉, 상기 외부 피복관(130)의 일단이 상기 제 2봉단마개(120)의 외부결합단(111a)까지 삽입되며, 상기 외부 피복관(130)과 제 1봉단마개(110)가 맞닿은 경계를 맞대기용접한다.
상기 마무리용접 단계(S140)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 내부 피복 관(131)의 타단과 제 2봉단마개(120)의 내주면인 내부결합면(123)을 끝단용접하는 단계와 상기 외부 피복관(130)의 타단과 상기 제 2봉단마개(120)의 외주면 일단에 형성된 외부결합부(121)를 맞대기용접하는 단계가 연속된 순서로 진행된다.
또한, 상기 제 2봉단마개(120)의 외부결합부(121)에 형성된 외부결합단(121a)의 깊이는 상기 외부 피복관(131)의 두께와 동일하고, 상기 제 2봉단마개(120)의 내경은 상기 내부 피복관(131)의 외경과 동일하게 형성된다.
즉, 상기 내부 피복관(131)의 타단이 상기 제 2봉단마개(120)의 일단의 내주면으로 완전히 삽입되어 상기 제 2봉단마개(120)의 타단의 끝과 맞닿게 되는데, 상기 내부 피복관(131)과 제 2봉단마개(120)가 맞닿는 경계를 끝단용접하고, 상기 외부 피복관(130)의 타단이 상기 제 2봉단마개(120)의 제 2외부결합단(121a)까지 삽입되며, 상기 외부 피복관(130)과 제 2봉단마개(120)가 맞닿은 경계를 맞대기용접한다. 이때, 상기 끝단용접과 맞대기용접의 순서는 변경될 수 있다.
상기 용접으로는 아크용접, 가스용접, 저항용접, 레이저빔용접, 전자빔용접 및 테르밋용접 중 어느 하나 이상의 방법으로 제작할 수 있으며, 상기 아크용접은 TIG(Tungsten Inert Gas)용접으로, 상기 저항용접으로는 RPW(Resistance Pressure Welding)용접으로 제작할 수 있다.
더불어, 상기 내부 피복관(131)의 길이는 도 8에 도시된 바와 같이, L - d1 + S1 - a 로 형성되고, 상기 외부 피복관(130)의 길이는 L - d1 - d2 + S2 + S3로 형성된다.
이때, L은 상기 제 1봉단마개(110)와 제 2봉단마개(120)의 양끝단까지의 거리, 즉 본 발명에 따른 핵연료봉 제작방법에 의해 제작되는 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100) 전체의 길이고, d1은 상기 제 1봉단마개(110)의 길이이며, d2는 상기 제 2봉단마개(120)의 길이이다.
또한, S1은 상기 제 1봉단마개(110)와 상기 내부 피복관(131)을 결합하기 위해 가공한 내부결합편(113b)의 길이이고, S2는 제 1봉단마개(110)와 상기 외부 피복관(130)을 결합하기 위해 가공한 외부결합편(111b)의 길이이며, S3는 제 2봉단마개(120)의 외부결합부(121)와 상기 외부 피복관(130)을 결합하기 위해 가공한 외부결합편(121b)의 길이이다.
더불어 a는 상기 제 2봉단마개(120)의 중공부로 상기 내부 피복관(131)이 삽입되었을 때 끝단용접을 위해 상기 내부 피복관(131)을 상기 제 2봉단마개(120)의 끝단보다 짧게 하기 위한 길이로써 용접조건에 따라 그 길이를 결정할 수 있다.
종래의 이중냉각 핵연료봉은 도 10에 도시된 바와 같이, 외부용접부(13a, 13b)와 내부용접부(14a, 14b) 위치 네 곳을 용접하여야 한다. 이때, 상기 외부용접부(13a, 13b)는 외부튜브(13)의 외부에서 용접하므로 통상적인 용접방법을 적용하 는 데에 어려움이 없지만 상기 내부용접부(14a, 14b)는 내부튜브(14)의 중공부로 용접토치를 삽입하여 용접을 해야 하는데 상기 내부튜브(14)의 내경이 좁을 경우 용접토치의 접근이 어려워 용접을 할 수 없었다.
따라서 상기 내부 피복관(131)은 길이를 길게 형성하여 끝단용접을 함으로써 용접토치가 중공부로 삽입하지 않고 외부에서 용접할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉은 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1봉단마개(110), 제 2봉단마개(120), 외부 피복관(130), 내부 피복관(131) 및 소결체(133)를 포함한다.
상기 제 1봉단마개(110)는 중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 후술할 외부결합부(111)에 상기 외부 피복관(130)의 일단이 결합하고, 내주면 일단으로부터 단차지게 형성된 후술할 내부결합부(113)에 상기 내부 피복관(131)의 일단이 결합하여 상기 소결체(133)의 유출을 방지한다.
또한, 상기 제 1봉단마개(110)는 외경이 상기 외부 피복관(130)의 외경과 동일하고, 내경이 상기 내부 피복관(131)의 내경과 동일하며, 이때, 상기 제 1봉단마개(110)의 외경은 후술할 외부결합부(111)를 제외한 넓은 외경을 말하고, 내경은 후술할 내부결합부(113)를 제외한 좁은 내경을 말한다.
상기 제 1봉단마개(110)는 외부결합부(111), 내부결합부(113) 및 결합홈(115)이 형성된다.
상기 외부결합부(111)는 상기 외부 피복관(130)과 결합되는 부분으로써 외부결합단(111a)과 외부결합편(111b)으로 이루어진다.
상기 외부결합단(111a)은 상기 제 1봉단마개(110)의 외주면의 끝부분 외경의 가공에 의해 치수가 줄어들어 형성된 단으로써 상기 외부 피복관(130)의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성되어 상기 외부 피복관(130)의 일단과 결합한다.
상기 외부결합편(111b)은 상기 제 1봉단마개(110)의 외주면에 단이 형성되면서 상기 제 1봉단마개(110)의 외경 보다 작은 외경을 가지는 외주면으로써 상기 외부 피복관(130)의 내경과 같은 직경으로 형성되어 상기 외부 피복관(130) 일단의 내주면과 결합한다.
상기 내부결합부(113)는 상기 내부 피복관(131)과 결합되는 부분으로써 내부결합단(113a)과 내부결합편(113b)으로 이루어진다.
상기 내부결합단(113a)은 상기 제 1봉단마개(110)의 내주면의 끝부분 내경의 가공에 의해 치수가 확장되어 형성된 단으로써 상기 내부 피복관(131)의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성되어 상기 내부 피복관(131)의 일단과 결합한다.
상기 내부결합편(113b)은 상기 제 1봉단마개(110)의 내주면에 단이 형성되면서 상기 제 1봉단마개(110)의 내경보다 큰 외경을 가지는 내주면으로써 상기 내부 피복관(131)의 외경과 같은 직경으로 형성되어 상기 내부 피복관(131) 일단의 외주면과 결합한다.
상기 결합홈(115)은 상기 제 1봉단마개(110)의 외주면 둘레를 따라 형성되어 다수개의 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)이 핵연료 집합체(1)로 결합될 때 취급 장치에 결합되는 홈이다.
상기 제 2봉단마개(120)는 중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 후술할 외부결합부(121)에 상기 외부 피복관(130)의 타단이 결합하고, 내주면에 상기 내부 피복관(131)의 타단이 결합하여 상기 소결체(133)를 밀봉한다.
또한, 상기 제 2봉단마개(120)는 외경이 상기 외부 피복관(130)의 외경과 동일하고, 내경이 상기 내부 피복관(131)의 외경과 동일하며, 이때, 상기 제 2봉단마개(120)의 외경은 후술할 외부결합부(121)를 제외한 넓은 외경으로서 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)의 외경으로서 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)의 외경을 형성한다.
상기 제 2봉단마개는 외부결합부(121), 내부결합면(123), 결합홈(125) 및 경우에 따라 슬릿(127)이 형성된다.
상기 외부결합부(121)는 상기 외부 피복관(130)과 결합되는 부분으로써 외부결합단(121a)과 외부결합편(121b)으로 이루어진다.
상기 외부결합단(121a)은 상기 제 2봉단마개(120)의 외주면의 끝부분 외경의 가공에 의해 치수가 줄어들어 형성된 단으로써 상기 외부 피복관(130)의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성되어 상기 외부 피복관(130)의 타단과 결합한다.
상기 외부결합편(121b)은 상기 제 2봉단마개(120)의 외주면에 단이 형성되면서 상기 제 2봉단마개(120)의 외경 보다 작은 외경을 가지는 외주면으로써 상기 외부 피복관(130)의 내경과 같은 직경으로 형성되어 상기 외부 피복관(130) 타단의 내주면과 결합한다.
상기 내부결합면(123)은 상기 내부 피복관(131) 타단의 외주면의 일부와 결합되는 상기 제 2봉단마개(120)의 내주면을 말한다.
상기 결합홈(125)은 상기 제 2봉단마개(120)의 외주면 둘레를 따라 형성되어 다수개의 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)이 상기 핵연료 집합체(1)로 결합될 때 취급 장치에 결합되는 홈이다.
상기 슬릿(127)은 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 외부 피복관(130)과 내부 피복관(131) 사이로 충전기체를 삽입할 때 이를 보다 용이하게 실시할 수 있도록 상기 외부결합부(121)에 형성시킬 수 있는 것으로, 상기 슬릿(127)은 하나 이상 일 수 있다.
이때, 상기 충전기체는 헬륨(He)이고, 상기 소결체(133)와 함께 밀봉되어 일정한 압력을 유지하며 상기 소결체(133)에서 발생하는 열을 상기 외부 피복관(130)과 내부 피복관(131)에 전달한다.
상기 외부 피복관(130)은 중공 원통 형상으로 길이 방향을 따라 원형 단면을 가지는 관으로 지르코늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
상기 내부 피복관(131)은 중공 원통 형상으로 상기 외부 피복관(130)의 내경보다 작은 외경과 긴 길이를 가지며, 상기 외부 피복관(130)의 중공부에 평행하게 위치된다.
상기 소결체(133)는 상기 외부 피복관(130)과 내부 피복관(131) 사이에 형성되는 공간에 충전되어 핵분열로 에너지를 발생한다.
한편, 본 발명에 따른 핵연료봉은 압축 스프링(미도시)과 충전기체(미도시)가 더 포함될 수 있다.
상기 압축 스프링(미도시)은 상기 소결체(133)와 제 1봉단마개(110) 또는 제 2봉단마개(120) 사이에 설치되어 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100) 내의 소결체를 고정한다. 즉, 상기 압축 스프링(미도시)은 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)의 운송, 취급시 상기 외부 피복관(130)과 내부 피복관(131) 사이에 장입되어 있는 상기 소결체(133)가 여분의 공간에 의해 이동하는 것을 방지한다.
상기 충전기체(미도시)는 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100)의 상기 외부 피복관(130)과 내부 피복관(131) 사이에 충전되어 상기 외부 피복관(130)의 외주면 바깥과 상기 내부 피복관(131)의 내주면 안쪽으로 흐르는 냉각수의 압력 때문에 생기는 피복관의 압축응력을 완화시키고, 상기 소결체(133)에서 발생되는 열을 상기 외부 피복관(130)과 내부 피복관(131)으로 전달한다.
이때, 상기 충전기체(미도시)는 헬륨(He)을 사용할 수 있는데 상기 핵연료봉(100)이 제 1봉단마개(110) 및 제 2봉단마개(120)와 상기 외부 피복관(130) 및 내부 피복관(131)의 용접으로 밀봉되기 전에 헬륨(He)를 가압 상태로 상기 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉(100) 내에 주입한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉과 이를 제작하는 핵연료봉 제조방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기 술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉이 사용된 핵연료봉 집합체를 나타내는 도.
도 2는 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉의 일 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉의 다른 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법의 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법 중 필렛용접 단계를 나타내는 도.
도 7은 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법 중 맞대기용접 단계를 나타내는 도.
도 8은 본 발명에 따른 핵연료봉 제조방법 중 마무리용접 단계를 나타내는 도.
도 9는 본 발명에 따른 제 2봉단마개에 슬릿을 형성시킨 예를 보여주는 도.
도 10은 종래의 이중냉각 핵연료봉의 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 핵연료 집합체
100 : 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉
110 : 제 1봉단마개 111, 121 : 외부결합부
111a, 121a : 외부결합단 111b, 121b : 외부결합편
113 : 내부결합부 113a : 내부결합단
113b : 내부결합편 115, 125 : 결합홈
120 : 제 2봉단마개 123 : 내부결합면
127 : 슬릿 130 : 외부 피복관
131 : 내부 피복관 133 : 소결체
S110 : 필렛용접 단계 S120 : 소결체장입 단계
S130 : 맞대기용접 단계 S140 : 마무리용접 단계
10 : 이중냉각 핵연료봉 13a, 13b : 외부용접부
14a, 14b : 내부용접부

Claims (15)

  1. 중공 원통 형상인 제 1봉단마개의 내주면 일단에 단차지게 형성된 내부결합부로 중공 원통 형상인 내부 피복관의 일단을 삽입하여 용접하는 필렛용접 단계;
    상기 내부 피복관의 외주면에 소결체를 충전하는 소결체장입 단계;
    상기 소결체의 외주면을 중공 원통 형상인 외부 피복관으로 감싸되, 상기 제 1봉단마개의 외주면 일단에 단차지게 형성된 외부결합부로 상기 외부 피복관의 일단을 삽입하며 용접하는 맞대기용접 단계; 및
    상기 내부 피복관의 타단과 제 2봉단마개의 내주면을 끝단용접하고, 상기 외부 피복관의 타단과 상기 제 2봉단마개의 외주면 일단에 형성된 외부결합부를 맞대기용접하는 마무리 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접은 아크용접, 가스용접, 저항용접, 레이저빔용접, 전자빔용접 및 테르밋용접 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 아크용접은 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접인 것을 특징으로 하는 핵연 료봉 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 저항용접은 RPW(Resistance Pressure Welding) 용접인 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1봉단마개 및 제 2봉단마개의 외경이 상기 외부 피복관의 외경과 동일한 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1봉단마개는 내경이 상기 내부 피복관의 내경과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조방법.
  7. 중공 원통 형상으로 길이 방향을 따라 원형 단면을 가지는 외부 피복관;
    중공 원통 형상으로 상기 외부 피복관의 내경보다 작은 외경과 긴 길이를 가 지며, 상기 외부 피복관의 중공부에 평행하게 위치되는 내부 피복관;
    상기 외부 피복관 및 내부 피복관 사이에 형성되는 공간에 충전되어 핵분열로 에너지를 발생시키는 소결체;
    중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 외부결합부에 상기 외부 피복관의 일단이 결합하고, 내주면 일단으로부터 단차지게 형성된 내부결합부에 상기 내부 피복관의 일단이 결합하여 상기 소결체의 유출을 방지하는 제 1봉단마개; 및
    중공 원통 형상으로 이루어지며 외주면 일단으로부터 단차지게 형성된 외부결합부에 상기 외부 피복관의 타단이 결합하고, 내주면에 상기 내부 피복관의 타단이 결합하여 상기 소결체를 밀봉하는 제 2봉단마개를 포함하는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 핵연료봉은 상기 소결체와 제 1봉단마개 또는 제 2봉단마개 사이에 설치되어 상기 소결체를 고정하는 압축 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 핵연료봉은 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이에 상기 소결체에서 발생되는 열을 상기 외부 피복관과 내부 피복관으로 전달하는 충전기체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 충전기체는 헬륨인 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1봉단마개 및 제 2봉단마개는 외주면 둘레를 따라 취급 장치에 결합되는 결합홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1봉단마개 및 제 2봉단마개의 외부결합부의 두께는 상기 외부 피복관의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1봉단마개의 내부결합부의 두께는 상기 내부 피복관의 외경과 내경 사이의 두께와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 2봉단마개는 내경이 상기 내부 피복관의 외경과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
  15. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 2봉단마개는 상기 외부결합부에 상기 외부 피복관과 내부 피복관 사이로 충전기체를 삽입할 수 있는 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 환형마개가 형성된 이중냉각 핵연료봉.
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