KR20110130447A - 피벗 딤플링된 그리드를 갖는 핵 연료 어셈블리 - Google Patents

피벗 딤플링된 그리드를 갖는 핵 연료 어셈블리 Download PDF

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Abstract

원자로 작동 동안 핵 연료봉 릭킹의 감수성을 감소시키도록, 도그본 형상의 윈도우 컷아웃(66, 68, 70) 및 쿨런트 플로우에 수직인 에지(72)들의 레이디어스 코인닝을 사용하는 소프트 피벗 딤플(28,30) 핵 연료 어셈블리 그리드. 레이디어스 코인닝은 연료봉이 딤플의 플랫 봉 접촉 섹션에 대해 레이디어싱된 에지 위로 평활하게 트랜지션하도록 허용한다. 대칭적인 "도그 본" 형상은 봉 로딩 동안 딤플이 피벗팅하는 것을 인에이블링하고, 그것은 딤플과 연료봉 사이에 개선된 정렬을 초래하며 그로써 스크래칭을 최소화한다. "도그 본" 형상은 또한 일반적인 딤플보다 더 부드러워지도록 큰 접촉 영역 딤플을 허용하고, 그것은 원자로 작동 동안 접촉 응력 및 프레팅 웨어을 감소시킨다.

Description

피벗 딤플링된 그리드를 갖는 핵 연료 어셈블리{NUCLEAR FUEL ASSEMBLY WITH PIVOT DIMPLED GRIDS}
본 발명은 일반적으로 핵 원자로들에 관한 것이고, 그리고 더 상세하게, 개선된 그리드를 갖는 연료 어셈블리를 구비한 임의 핵 원자로에 관한 것이다.
대개의 워터 쿨링된 핵 원자로들에서, 원자로 코어는 다수의 일롱게이팅된 연료 어셈블리들로 구성된다. 가압수형 핵 원자로(PWR)들에서, 이들 연료 어셈블리들은 연료 어셈블리 길이를 따라 축방향으로 이격되고 연료 어셈블리의 복수의 일롱게이팅된 딤블(thimble) 튜브들에 부착된, 복수의 그리들에 의해 조직화된 에레이에서 홀딩되는 복수의 연료 봉들을 일반적으로 포함한다. 딤블 튜브들은 그 안에 제어 봉들 또는 인스트루먼테이션(instrumentation)을 일반적으로 수용한다. 탑 및 바닥 노즐들이 연료 어셈블리의 마주하는(opposite) 단부들 상에 있고, 그것들은 연료 봉들의 단부들 위로 아래로 가볍게 뻗는 딤블 튜브들의 단부들에 대해 안전하다.
관련된 기술분야에서 알려진 바와 같은 그리드들이 스페이싱을 정확하게 유지하고 원자로 코어에서 연료 봉들 사이에 지지하도록 사용되고, 연료 봉들에 측면 지지를 제공하고, 쿨런트의 믹싱을 유도한다. 종래의 그리드 설계의 일 유형은 그 안에 연료 봉들을 개별적으로 허용하는 복수의 거친 스퀘어 셀들을 갖는 에그-크레이트 구성을 함께 형성하는 복수의 인터리빙된 스트랩들을 포함한다. 딤블 튜브들의 구성에 따라, 딤블 튜브들은 그 안에 연료 봉들을 수용하는 것들과 동일한 크기로된 셀들에서, 또는 인터리빙된 스트랩들에서 형성된 상대적으로 더 큰 딤블에서 수용된다. 인터리빙된 스트랩들은 딤블 튜브들에 부착 지점들을 제공하고, 따라서 연료 어셈블리의 길이를 따라 이격된 위치들에서 그것들의 포지셔닝을 인에이블링한다.
연료 봉들이 통과하는 셀들 각각이 하나 또는 그 이상의 상대적으로 컴플라이언트(compliant)한 스프링들 및 복수의 상대적으로 리지드(rigid)한 딤플들을 포함하도록 스트랩들이 구성된다. 스프링들 및 딤플들이 인터리빙된 스트랩들의 메탈에서 형성될 수 있고, 그것으로부터 연료 봉들이 통과하는 셀들 내로 바깥으로 돌출할 수 있다. 각각의 연료 봉 셀의 스프링들 및 딤플들이 셀을 통해 뻗는 상응하는 연료 봉을 그때 접촉한다. 그리드의 외부 스트랩들이 함께 부착되고, 그리드에 대해 단단히 힘을 전달하고 그리드의 페리미터(perimeter) 주변에 개별적인 연료 봉 셀들을 형성하도록 그리드의 내부 스트랩들을 주변적으로 둘러싼다. 내부 스트랩들은 일반적으로 각각의 인터섹션에서 용접되거나 또는 브레이징되고 내부 스트랩들은 또한 어셈블리의 외부 페리미터를 형성하는 주변 또는 외부 스트랩들에 대해 용접되거나 브레이징된다.
개별적인 셀 레벨에서, 연료 봉 지지는 위에서 언급된 바와 같은 리지드 지지 딤플들 및 플렉시블 스프링들의 조합에 의해 일반적으로 제공된다. 다이애거널(diagonal) 스프링들, "I" 형상의 스프링들, 캔틸레버(cantilevered) 스프링들, 수평 및 수직 딤플들 등을 포함하는, 사용되어온 또는 현재 사용 중인 스프링-딤플 지지 지오메트리에 대한 많은 변형들이 있다. 셀 당 스프링들의 수 역시 다양하다. 일반적인 배열은 셀 당 두개의 스프링들 및 네개의 딤플들이다. 딤플들 및 스프링들의 지오메트리는 어셈블리의 수명을 통해 충분한 봉 지지를 제공하도록 신중하게 판단될 필요가 있다.
이레이디에이션(irradiation) 동안, 최초 스프링 포스(force)는 스프링 소재 및 이레이디에이션 환경에 따라 더 또는 덜 빠르게 릴랙스한다. 클래딩 직경 역시 매우 높은 쿨런트 압력의 결과로서 변화하고, 작동 온도 및 봉 내부의 펠릿들 역시 치밀화(densification) 및 스웰링(swelling)에 의해 그것들의 직경을 변경한다. 외부 클래딩 직경 역시 산화 레이어의 형성 때문에 증가한다. 이들 디멘셔널(dimentional) 및 소재 특징들의 변경들의 결과로, 연료 어셈블리의 수명을 통해 충분한 봉 지지를 유지하는 것은 매우 도전적이다.
원자로 내의 열 및 압력 변화도(gradient)들에 의해 유도된 축방향 플로우 및 크로스플로우의 효과, 및 스탠딩 웨이브들 및 에디(eddies)들과 같은, 다른 플로우 디스터번스 하에서, 슬렌더 바디들인 연료봉들은 상대적으로 작은 진폭들로 계속적으로 바이브레이팅한다. 만일 봉이 적합하게 지지되지 않는다면, 이러한 매우 작은 바이브레이션 진폭은 지지 지점들 및 클래딩 사이의 상대 운동(relative motion)을 이끌 수 있다. 만약 상대적으로 작은 딤플 및 그리드 지지 표면들 상의 슬라이딩 봉에 의해 가해진 압력이 충분히 높다면, 클래딩의 표면 상의 작은 부식 레이어가 마모(abrasion)에 의해 제거될 수 있고, 그것은 쿨런트에 대해 비금속을 노출시킬 수 있다. 새로운 부식 레이어가 노출된 프레쉬 클래딩 표면 상에 형성됨에 따라, 결국 봉의 벽이 천공될 때까지 그것 역시 마모에 의해 제거된다. 이러한 현상은 부식 프레팅(fretting)으로 알려져 있고, 2006년에 그것은 PWR 원자로들에서 연료 실패들의 주요한 원인이었다.
지지 그리드 역시 어셈블리에서 또 다른 중요한 기능을 제공하고, 그것은 최대 쿨링 온도를 감소시키는 쿨런트 믹싱이다. 각각의 봉에 의해 발생된 열이 균일하지 않기 때문에, 쿨런트에서 열 변화도들이 있다. 연료 어셈블리들의 설계에서 한 가지 중요한 파라미터는 봉들로부터 쿨런트로의 효율적인 열 전달을 유지하는 것이다. 단위 시간 당 제거된 열의 양이 높아질수록, 발생되는 파워도 높아진다. 충분히 높은 쿨런트 온도들에서, 주어진 시간에서 클래딩 영역의 단위 당 제거될 수 있는 열의 비율은 현저한 방법으로 갑자기 감소한다. 이러한 현상은 핵 끓음(nuleate boiling) 또는 DNB로부터의 편차로 알려져 있다. 만약 원자로 작동의 파라미터들 내에, 쿨런트 온도가 DNB의 지점에 도달한다면, 클래딩 표면 온도는 봉 내부에 발생된 열을 진공화(evacuate)하도록 급속히 증가할 것이고 급속한 클래딩 산화는 클래딩 실패를 이끌 것이다. DNB가 연료 실패들을 방지하도록 회피되는 것이 필요하다는 점은 명백하다. DNB는, 만약 그것이 발생한다면, 쿨런트가 그것의 최대 온도에 있는 지점에서 발생하기 때문에, 어셈블리 내의 쿨런트 믹싱에 의해 최대 쿨런트 온도를 감소시키는 것이 DNB 조건들에 도달함 없이 파워의 더 큰 양들의 발생을 허용한다는 것이 뒤따른다. 일반적으로, 개선된 믹싱은 그리드 구조의 다운플로우 측면에서 믹싱 베인(vanes)들을 사용하는 것에 의해 획득된다. 믹싱의 효과는 연료봉에 관련된 믹싱 베인의 형상, 크기, 및 위치에 의존한다.
그리드의 다른 중요한 기능들은 기능을 손실함 없이 예측되는 사고 로드(loads)들에서의 핸들링 및 정상 작동을 지탱하고, 충분한 쿨런트가 봉에서 발생된 열을 진공화하는 것이 국부적으로 이용가능하지 않을 때 초래될 수 있는 연료 봉들과 지지 지점들 사이의 스팀 포켓의 형성으로인한 연료 봉들 상의 "핫 스팟(hot spots)들"을 회피하는 능력을 포함한다. 스팀 포켓들은 클래딩의 급속한 국부화된 부식에 의해 실패의 지점 위로 열료 봉의 가열을 야기한다.
코어를 가로질러 연료 어셈블리들을 통해 밸런싱된 쿨링 플로우를 유지하는 것은 균일한 열 전달을 유지하기 위해 소망되는 목적이다. 연료 어셈블리 설계에서 임의 변경들은 압력 강하를 변화시킬 수 있고 연료 어셈블리들의 다양한 유형들 가운데 코어를 통한 플로우 레지스턴스에서의 상대적 밸런스에 영향을 줄 수 있다. 압력 강하를 감소시키는 그리드 설계에서의 변경들은 그러한 변경들이 연료 어셈블리 설계자가 연료 어셈블리들 사이의 압력 강하 이퀼리브리엄(equilibrium)을 복구하는 다른 개선들을 도입하는 것을 가능하게 하기 때문에 소망될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 그리드 스트랩 딤플들 및 스프링들은 격자 어레이에 핵 연료 봉을 위치시키도록 그리드 셀 위치 내로 돌출한다. 딤플이 더 높아질수록 그것은 그리드 셀 내로 더 돌출하고, 딤플은 더 단단해진다. 이러한 증가된 단단함은 봉 로딩 동안 스크래칭된 또는 갤링된(galling) 연료 봉들을 초래한다. 더 단단한 딤플은 또한 더 높은 연료 봉 접촉 응력(contact stresses)들로 인해 딤플-봉 프레팅의 리스크를 증가시킨다. 그러므로 딤플 설계자는 연료 봉을 위치시키는 충분한 단단함을 제공하지만, 그러나 스크래치들, 갤링 및 프레팅을 감소시키도록 단단함을 최소화하는 것이 필요하다.
따라서 효율적인 열 전달을 나타내는 개선된 그리드 및 연료 봉들이 어셈블리에 로딩될 때 연료 봉들을 덜 스크래칭 또는 갤링하는 개선된 연료봉 지지를 제공하는 것이 소망된다. 많은 제조 이점들을 가지는 그러한 개선된 그리드를 제공하는 것이 또 다른 본 발명의 목적이다.
본 발명의 목적은 효율적인 열 전달을 나타내는 개선된 그리드 및 연료 봉들이 어셈블리에 로딩될 때 연료 봉들을 덜 스크래칭 또는 갤링하는 개선된 연료봉 지지를 제공하는 것이다. 많은 제조 이점들을 가지는 그러한 개선된 그리드를 제공하는 것이 또 다른 본 발명의 목적이다.
앞서 언급한 목적들이 제 1 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들 및 제 1 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들에 대해 직교로 위치되는 제 2 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들을 갖는 개선된 핵 연료 어셈블리 그리드에 의해 획득된다. 제 1 및 제 2 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들이 각각의 셀을 보더링하는 제 1 및 제 2 스트랩들의 각각의 뻗음이 셀의 벽을 형성하고 일부가 연료 봉을 지지하는 셀을 네개의 인접한 스트랩들의 각각의 세트의 인터섹션이 형성하도록 규칙적인 패턴으로 정렬된다. 바람직하게, 스트랩들은 에그-크레이트 패턴에서의 그것들의 인터섹션에서 인터리빙된다. 보더링 스트랩은 제 1 및 제 2 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들의 외부 페리미터를 둘러싸고, 그것은 내부 스트랩들을 갖는 인터섹션들에서 부착된다. 연료 봉들을 지지하는 셀들 중 적어도 하나의 벽은 셀의 벽에서 "도그 본(dog bone)" 형상의 컷아웃으로부터 벽으로부터 셀 내로 뻗는 딤플을 가진다.
일 실시예에서, 딤플은 연료 봉이 그리드로 로딩될 때 연료 봉을 접촉하는 업스트림 및 다운스트림 에지들을 가지고, 업스트림 및 다운스트림 에지들은 봉이 로딩되거나 또는 언로딩됨(unloaded)에 따라 봉과의 임의 갑작스런 표면 접촉을 갖는 것을 회피하도록 연료 봉으로부터 먼 방향으로 라운딩된다. 라운딩된 에지들은 레이디어스 코인닝(radius coining)에 의해 형성된다. 바람직하게 제 1 및 제 2 복수의 스트랩들은 트랩의 일롱게이팅된 디멘션을 따라 뻗는 축방향 디멘션을 가지고, "도그 본" 형상의 컷아웃은 축방향 디멘션과 병렬로 뻗는다.
일 실시예에서, "도그 본" 형상의 컷아웃은 양쪽 단부에서 로브를 갖는 센트럴 봉을 포함하는 전통적 "도그 본" 형상의 센트럴 컷아웃, 센트럴 컷아웃을 향해 마주하는 로브를 통하여 봉을 따라 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함하는 상부 컷아웃, 및 센트럴 컷아웃을 향해 마주하는 로브를 통하여 봉을 따라 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함하는 하부 컷아웃으로, 셀의 벽의 높이를 따라 이격된 관계로 적층되어 있는 3개의 이격된 컷아웃을 포함한다. 바람직하게, 딤플은, 측면 뷰에서, 페데스탈(pedestal) 위에서 뻗어나온 플랫폼을 상부에 갖는 페데스탈이다.
본 발명의 레이디어스 코인닝은 연료봉이 딤플의 플랫 봉 접촉 섹션에 대해 레이디어싱된 에지 위로 평활하게 트랜지션하도록 허용한다. 또한, 대칭적인 "도그 본" 형상은 봉 로딩 동안 딤플이 피벗팅하는 것을 인에이블링하고, 딤플과 연료봉 사이에 개선된 정렬을 초래한다.
본 발명의 또 다른 이해는 첨부된 도면들과 관련해서 읽혀질 때 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 얻어질 수 있고, 여기서:
도 1은 종래의 연료 어셈블리 그리드를 갖는 가압수형 원자로의 탑 평면도이고;
도 2는 본 발명의 연료 봉 그리드를 사용하는 연료 어셈블리의 부분적으로 섹션에서의 정면도이고, 어셈블리는 명백함을 위해 이탈된 부분들을 갖는 수직으로 축소된 형태로 도시되며;
도 3은 두개의 수직으로 적층된 딤플들을 나타내는 그리드 스트랩 벽의 측면도이고;
도 4는 도 3에서 도시된 딤플들의 평면도이고;
도 5a는 상응하는 그리드 셀 내로 로딩되는 연료 봉을 막 마주치려 하는 도 3 및 4의 딤플들 중 하나의 스키매틱 뷰이며;
도 5b는 딤플을 맞물리도록 향상됨을 구비한 연료 봉을 갖는 도 5a의 스키매틱 일러스트레이션이다.
도 5c는 딤플을 지나 로딩된 연료봉 팁을 갖는 도 5a 및 5b에서 도시된 배열의 스키매틱 일러스트레이션이다.
핵 연료 스페이서 그리드들이 핵 연료 봉들을 위치시키도록 연료 어셈블리들에서 사용된다. 핵 연료 봉들을 정확하게 위치시키는 것은 원자로의 핵 코어의 적합한 핵 및 서모-하이드롤릭(thermo-hydraulic) 성능을 보장하는 데 있어서 중요하다. 이상적인 핵 연료 스페이스 그리드는:
1. 제조하기가 단순하고 저렴해야 하고;
2. 연료 봉 재구성 및 연료 봉들의 용이한 로딩을 허용해야 하며;
3. 연료 어셈블리의 수명 이상으로 연료 어셈블리 지오메트리를 유지해야 하고;
4. 더 낮은 압력 강하 설계이어야 하며, 또한 쿨런트 믹싱 및 열 전달을 촉진해야하고; 그리고
5. 낮은 중성자 흡수체들이어야 한다.
많은 종래의 스페이서 그리드들은 다수가 연료 봉들을 지지하는 복수의 거친 스퀘어 셀들을 갖는 에그-크레이트 구성을 형성하도록 함께 인터리빙된 스트레이트 그리드 스트랩들로 구성된다. 그러한 종래의 연료 그리드(10)의 일 예는 도 1에서 발견될 수 있다. 동일한 길이의 그리드 스트랩(12)들의 이격된, 병렬 어레이가 동일한 길이의 제 2 복수의 이격된, 병렬 그리드 스트랩(14)들에 대해 직교로 위치되고 그것들의 인터섹션들에서 용접되는 스트랩들의 각각을 갖는 보더 스트랩(18)에 의해 인서클링된다. 셀(16)들은 연료 봉들을 지지하는 반면에 셀(20)들은 가이드 튜브들 및 인스트루먼테이션 튜브를 지지한다. 연료 봉들이 서로 간에 스페이싱 또는 피치를 유지해야만하기 때문에, 연료 봉들을 지지하는 셀(16)을 보더링하는 위치들에서의 이들 스트레이트 그리드 스트랩(12, 14)들은 연료 봉들과 접촉하고 위치에서 단단히 그것들을 홀딩하도록 셀(16)들 내로 돌출하는 스트랩(12, 14)들의 측면들에서 스탬핑된 스프링(22)들 및/또는 딤플(24)들을 가진다. 그리드 스트랩(12, 14)들 즉, 스프링(22)들 및 딤플(24)들 상의 스탬핑된 특징들은 연료 어셈블리를 따라서 그리드들의 탠덤(tandem) 어레이에서의 다른 그리드들과의 조합에서 고려될 때 충분한 포스가 연료 봉들을 보호하도록 유지됨을 보장하도록 신중한 설계와 정밀한 제조를 요구한다.
도 2에 관해 언급할 때, 도시된 수직으로 축소된 형태로 표현되고 참조부호(40)에 의해 일반적으로 지시되는 연료 어셈블리의 정면도가 있다. 연료 어셈블리(40)는 가압수형 원자로에서 사용되는 유형이고, 원자로 코어 영역에서의 더 낮은 코어 플레이트(미도시) 상의 연료 어셈블리를 지지하기 위한 하부 단부 구조 또는 바닥 노즐(42), 및 바닥 노즐(42)로부터 상향으로 돌출하는 다수의 종방향으로 뻗는 가이드 딤블들 또는 튜브(44)들을 기본적으로 포함한다. 어셈블리(40)는 또한 본 발명에 부합해서 구성되고 도 3,4 및 5에서 더 상세하게 부분적으로 도시되는 복수의 횡방향 그리드(10)들을 포함한다. 그리드(10)들은 가이드 딤블(44)들을 따라 축방향으로 이격되고 그것에 의해 지지된다. 어셈블리(40)는 또한 그리드(10)들에 의해 조직화된 어레이에서 횡방향으로 이격되고 지지되는 복수의 일롱게이팅된 연료 봉(36)들을 포함한다. 또한 어셈블리(40)는 그것의 센터에 위치되는 인스트루먼테이션 튜브(46) 및 가이드 딤블(44)들의 상부 단부들에 부착되는 상부 단부 구조 또는 노즐(48)을 가진다. 부분들의 그러한 배열과 함께, 연료 어셈블리(40)는 어셈블리의 부분들을 손상시킴 없이 종래적으로 핸들링되는 것이 가능한 일체화된 유닛을 형성한다.
위에서 언급된 바와 같이, 연료 봉(36)들 및 어셈블리(40)에서 그것의 어레이는 연료 어셈블리 길이를 따라서 이격된 그리드(10)들에 의해 서로 이격된 관계로 홀딩된다. 각각의 연료 봉(36)은 핵 연료 펠릿(50)들을 포함하고, 봉(36)들의 마주하는 단부들은 봉을 밀폐하도록 상부 및 하부 단부 플러그(52, 54)들에 의해 둘러싸여진다. 일반적으로, 플레넘 스프링(56)이 봉(36) 내에 타이트한, 적층된 관계로 펠릿들을 유지하도록 상부 단부 플러그(52)와 펠릿(50)들 사이에 배치된다. 핵분열성 물질로 구성되는 연료 펠릿(50)들은 PWR의 무효 전력(reactive power)을 생성하는데 책임이 있다. 수분 또는 수분-함유 보론과 같은 리퀴드 모더레이터/쿨런트가 유용한 작업의 생산을 위해 그 안에 발생된 열을 추출하도록 코어의 연료 어셈블리들을 통해 상향으로 펌핑된다.
핵분열 프로세스를 제어하기 위해, 다수의 제어 봉(58)들이 연료 어셈블리(40)에서 미리결정된 위치들에 위치된 가이드 딤블(44)들에서 서로 이동가능하다. 구체적으로, 제어 메커니즘(60)이 모든 잘 알려진 방법으로 가이드 딤블(44)들에서 제어 봉(58)들을 수직으로 이동하고 그로써 연료 어셈블리(40)에서 핵분열 프로세스를 제어하는 것이 작동가능하도록 탑 노즐(48)은 복수의 방사상으로 뻗는 플루크들 또는 아암(64)들을 갖는 내부로 스레딩된 원통형 부재(62)를 구비한, 그것과 연관된 봉 클러스터 제어 메커니즘(60)을 가진다.
앞서 언급된 바와 같이 연료 봉들 및 봉들의 클래딩 표면을 지지하는 그리드 셀들의 측면벽들 사이의 접촉 영역의 설계는 클래딩에 흠집을 남기는 것 없이 유해한 바이브레이션들에 대항해 봉들을 보호할만큼 충분한 포스가 있는 것을 보장하는 것이 중요하다. 그러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 원자로 작동 동안 압력 강하를 최소화하고 연료 봉 릭킹의 감수성을 감소시키도록 "도그 본" 형상의 윈도우 컷아웃 및 쿨런트 플로우에 대해 수직인 에지들의 레이디어스 코인닝을 사용하는 소프트 피벗 딤플 그리드 설계를 제공한다. 레이디어스 코인닝 특징은 연료 봉 스크래칭/갤링을 유도하는 역사적으로 챔퍼링된 딤플 에지들과 공통인 일반적인 가공-경화된/양각된(raised) 물질을 제거한다. 레이디어스 코인닝은 연료 봉이 딤플의 플랫 봉 접촉 섹션에 대해 레이디어싱된 에지 위로 평활하게 트랜지션하는 것을 가능하게 한다. 대칭적인 "도그 본" 형상 특징은 딤플에게 봉 로딩 동안 피벗팅할 더 많은 기회를 주고, 이것은 딤플과 연료 봉 간에 개선된 정렬을 초래하며 그로써 스크래칭을 최소화한다. "도그 본" 형상은 또한 일반적인 딤플보다 더 소프트하도록 큰 접촉 영역 딤플을 허용하고, 그것은 원자로 작동 동안 접촉 응력들 및 프레팅 웨어(wear)를 감소시킨다.
"도그 본" 형상은 또한 펀치에서 더 많은 물질이 사용되는 것을 허용하고, 그것은 다이 펀치의 보다 작은 응력 및 웨어를 초래하며, 형성 동안 딤플을 배치시킬 필요가 있는 로드를 감소시키기 때문에, 제조 동안 다이 펀치의 힘을 증가시키고, 따라서 제조 비용을 감소시킨다. 윈도우가 딤플 프로파일 레이디어스의 형태로 컷아웃되고, 그것은 원자로 작동 동안 더 낮은 접촉 응력들로 인해 딤플-봉 웨어의 최소화를 초래하기 때문에, "도그 본" 형상은 딤플-봉 접촉과 연관된 딤플의 단단함을 감소시킨다.
본 발명의 딤플 설계(26)가 스트랩(12, 14)들 중 하나 또는 둘 모두에 적용될 수 있다는 점이 인정되어야 함에도, 본 발명의 소프트 피벗 딤플 그리드 설계를 포함하는 그리드 스트랩(12)의 일부가 도 3에서 도시된다. 두개의 그러한 딤플(28, 30)들이 셀 벽(32) 상에 위치된 단일 셀(16)의 폭으로 도시된다. 딤플 배열(28, 30)은 셀(16)의 벽(32)에서 "도그 본" 형상 컷아웃으로부터 벽(32)으로부터 셀(16) 내로 뻗는다. 딤플 배열(28, 30)의 "도그 본" 형상의 컷아웃은 세개의 이격된 컷아웃(66, 68, 70)들을 바람직하게 포함한다. 세개의 이격된 컷아웃들이 둘 중 어느 하나의 단부에서 로브를 갖는 센트럴 봉(34)을 포함하는 전통적 "도그 본" 형상에서 센트럴 컷아웃(66)을 갖는 셀(16)의 벽(32)의 높이를 따라 이격된 관계로 적층된다. 상부 컷아웃(68)은 봉(34)을 따라 그리고 센트럴 컷아웃(66)을 마주하는 로브(38)들을 통해 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함한다. 하부 컷아웃(70)은 봉(34)를 따라 그리고 센트럴 컷아웃(66)을 향해 마주하는 로브(38)들을 통해 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함한다. 바람직하게 연료 봉을 접촉하는 수평 에지(72)들은 연료 봉이 딤플(28, 30)에 접촉할 때 연료 봉으로부터 벤딩하고 연료 봉의 에지에 평활 트랜지션을 프리젠팅하는 라운딩된 에지(72)를 생성하도록 레이디어스 코인닝된다.
도 4는 상부 딤플(30)의 프로파일을 나타내는 셀 벽(32)의 탑 뷰이다.
도 5는 봉의 팁이 딤플(30)과 맞물리고, 그것을 따라서 슬라이딩되며 그것 위로 지나감에 따라 딤플(30)을 갖는 측면 뷰로부터 셀(16) 및 그것의 인터섹션으로 로딩되는 연료 봉을 나타내는 일련의 스키매틱들이다. 딤플(30)의 스키매틱 측면도가 도시됨에도 딤플(28)이 동일한 방법으로 수행될 것이라는 점이 인정되어야만 한다. "F"는 어셈블리에서 봉을 로딩하도록 연료 봉(36)에 인가되는 포스를 나타낸다. 도 5a에서 봉(36)은 정지 상태로 도시되는 딤플에 접근하도록 나타난다. 도 5b에서 연료 봉(36)은 딤플(30)의 페데스탈 레그(78)에 의해 지지되는 상부 또는 플랫폼(76)에 맞물리고, 연료 봉 상의 압력을 감소시키고 봉을 스크래칭 또는 갤링하는 것을 회피하도록 연료 봉(36)에 접촉하는 측면 상의 플랫폼을 하향 피벗팅한다. 도 5c에서 페데스탈(76)은 연료 봉(36)의 팁이 연료 봉(36)의 측면벽 클래딩의 라인에 일치하도록 지나감에 따라 수평 방향으로 리터닝한다. 레이디어스 코인닝(72)이 구체적으로 나타나지 않음에도, 그것의 형태는 해당 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 이해될 수 있다.
따라서 레이디어스 코인닝은 봉 로딩 동안 접촉 응력들을 감소시키고, 딤플 "도그 본" 윈도우 형상은 봉 로딩 동안 피벗팅하는 것을 허용하고, 그 모두는 갤링 및 스크래칭을 최소화한다. "도그 본" 윈도우 컷아웃이 형성된 딤플 프로파일의 레이디어스에 적용될 때, 그것은 딤플의 강성(rigidity)을 감소시키는 것을 초래하고, 딤플-봉 접촉과 관련된 웨어를 최소화한다. "도그 본" 형상의 부가적인 혜택들은:
그것이 다이 펀치의 힘을 증가시키고, 다이 인서트의 수명을 연장시킬 것이며;
영역이 프로파일 레이디어스가 시작하는 "도그 본" 형상의 단부들에 의해 감소되기 때문에 딤플을 배치시킬 필요가 있는 로드를 감소시키고; 그리고
스트랩-스트랩 용접의 존(zone)에 영향을 주는 열로부터의 거리를 증가시키고, 그것은 딤플의 와아핑(warping) 또는 콕킹(cocking)과 같은 딤플 상의 열적 영향을 최소화한다는 점이다.
연료 봉의 축에 대해 직교인 연료 봉과의 접촉에서 딤플의 에지들의 레이디어스 코인닝은 물질의 에지들을 라운딩하는 작업 피스 두께에서의 감소를 갖는 물질을 배치하도록 익스트림 포스를 사용하고, 연료 봉 스크래칭을 유도하는 역사적으로 챔퍼링된 딤플 에지들과 공통인 일반적인 가공 경화된/양각된 물질을 제거하는 프로세스이다.
본 발명의 소정 실시예들이 상세하게 설명되는 반면에, 이들 세부사항들에 관한 다양한 수정들 및 대안들이 본 개시의 전체적인 교시의 관점에서 전개될 수 있다는 점이 해당 기술분야의 당업자에 의해 인정될 것이다. 예를 들어, 바람직한 실시예는 가압수형 원자로 연료 어셈블리를 위한 개선된 그리드에 관한 것인 반면에, 본 발명의 원칙들은 비등수형 원자로(boiling water reactor)에도 역시 적용될 수 있다. 부가적으로 바람직한 실시예가 두개의 이격된, 적층된 딤플(28,30)들을 사용함에도 두개의 딤플들이 수정된 "도그 본"으로부터 뻗는 단일 일롱게이팅된 딤플로 결합될 수 있고, 딤플이 더 높을수록 그것이 그리드 셀 내로 더 돌출하고 딤플이 더 단단해짐에도 다른 보상들이 소망되는 수준으로 단단함을 템퍼링하도록 사용될 수 있다는 점이 인정되어야만 한다. 따라서, 개시된 소정 실시예들은 단지 설명적이고 부가된 청구항들 및 임의 그리고 모든 그것의 등가물의 숨결이 주어지는 본 발명의 범위를 한정하지 않는 것으로 의도된다.
10: 그리드
12: 스트랩들의 제 1 병렬 어레이
14: 스트랩들의 제 2 병렬 어레이
16: 연료 봉 셀들
18: 보더 스트랩
20: 가이드 딤블 셀들
22: 스프링들
24: 딤플들
26: "도그 본" 딤플
28: 하부 딤플
30: 상부 딤플
32: 셀 벽
34: 센트럴 봉
36: 연료 봉들
38: 로브
40: 연료 어셈블리
42: 바닥 노즐
44: 가이드 딤블들
46: 인스트루먼테이션 튜브
48: 탑 노즐
50: 연료 펠릿들
52: 상부 단부 플러그
54: 하부 단부 플러그
56: 플레넘 스프링
58: 제어 봉들
60: 봉 클러스터 제어 메커니즘
62: 메커니즘 허브
64: 플루크들
66: 센트럴 컷아웃
68: 상부 컷아웃
70: 하부 컷아웃
72: 수평 에지들
76: 플랫폼
78: 페데스탈

Claims (18)

  1. 제 1 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들; 및
    상기 제 1 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들에 직교하여 위치되고, 각각의 셀을 보더링하는 제 1 및 제 2 스트랩의 각각의 뻗음이 상기 셀의 벽을 형성하고 일부가 연료 봉을 지지하는 셀을 네개의 인접한 스트랩들의 각각의 세트의 인터섹션이 형성하도록 규칙적인 패턴으로 정렬된 제 2 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들;을 포함하고,
    연료 봉들을 지지하는 상기 셀들의 적어도 하나의 벽은 상기 셀의 상기 벽에서의 "도그 본" 형상의 컷아웃으로부터 상기 벽으로부터 상기 셀 내로 뻗는 딤플 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플 배열은 상기 연료 봉이 상기 그리드로 로딩될 때 상기 연료 봉에 접촉하는 다운스트림 에지를 가지고, 상기 다운스트림 에지는 상기 연료 봉으로부터 먼 방향으로 라운딩되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 라운딩된 에지는 레이디어스 코인닝에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 딤플 배열은 상기 연료 봉으로부터 먼 방향으로 라운딩되는 업스트림 에지를 가지는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 연료 봉의 축에 직교인 상기 연료 봉에 접촉하는 상기 딤플 배열의 상기 에지들의 모두가 상기 연료봉으로부터 먼 방향으로 라운딩되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 복수의 스트랩들은 상기 스트랩들의 상기 일롱게이팅된 디멘션을 따라 뻗는 축 디멘션을 가지고, 상기 "도그 본" 형상의 컷아웃은 상기 축 디멘션과 병렬로 뻗는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 딤플 배열의 상기 "도그 본" 형상의 컷아웃은, 양쪽 단부에서 로브를 갖는 센트럴 봉을 포함하는 전통적 "도그 본" 형상의 센트럴 컷아웃, 상기 센트럴 컷아웃을 향해 마주하는 로브를 통하여 상기 봉을 따라 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함하는 상부 컷아웃, 및 상기 센트럴 컷아웃을 향해 마주하는 로브를 통하여 상기 봉을 따라 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함하는 하부 컷아웃으로, 상기 셀의 상기 벽의 높이를 따라 이격된 관계로 적층되어 있는 3개의 이격된 컷아웃을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 딤플 배열은 제 1 및 제 2 딤플들을 포함하고, 상기 제 1 딤플은 상기 센트럴 컷아웃과 상기 상부 컷아웃 사이에 형성되며, 상기 제 2 딤플은 상기 센트럴 컷아웃과 상기 하부 컷아웃 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  9. 제 1항에 있어서,
    측면도에서 상기 딤플 배열은 페데스탈 위에서 뻗어나온 플랫폼을 상부에 갖는 상기 페데스탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리 그리드.
  10. 핵 연료 봉들의 이격된, 병렬 어레이를 따라 이격된, 텐덤 어레이로 배열된 복수의 그리드들을 갖는 핵 연료 어셈블리로서, 상기 그리드들 중 적어도 하나는:
    제 1 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들; 및
    상기 제 1 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들에 직교하여 위치되고, 각각의 셀을 보더링하는 제 1 및 제 2 스트랩의 각각의 뻗음이 상기 셀의 벽을 형성하고 일부가 연료 봉을 지지하는 셀을 네개의 인접한 스트랩들의 각각의 세트의 인터섹션이 형성하도록 규칙적인 패턴으로 정렬된 제 2 복수의 이격된, 병렬, 일롱게이팅된 스트랩들;을 포함하고,
    연료 봉들을 지지하는 상기 셀들의 적어도 하나의 벽은 상기 셀의 상기 벽에서의 "도그 본" 형상의 컷아웃으로부터 상기 벽으로부터 상기 셀 내로 뻗는 딤플 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 딤플 배열은 상기 연료 봉이 상기 그리드로 로딩될 때 상기 연료 봉을 접촉하는 다운스트림 에지를 가지고, 상기 다운스트림 에지는 상기 연료 봉으로부터 먼 방향으로 라운딩되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 라운딩된 에지는 레이디어스 코인닝에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 딤블 배열은 상기 연료 봉으로부터 먼 방향으로 라운딩되는 업스트림 에지를 가지는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 연료 봉의 축에 대해 직교인 상기 연료 봉과 접촉하는 상기 딤플 배열의 상기 에지들의 모두는 상기 연료 봉으로부터 먼 상기 방향으로 라운딩되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 복수의 스트랩들은 상기 스트랩들의 상기 일롱게이팅된 디멘션을 따라 뻗는 축 디멘션을 가지고, 상기 "도그 본" 형상의 컷아웃은 상기 축 디멘션과 병렬로 뻗는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 딤플 배열의 상기 "도그 본" 형상의 컷아웃은, 양쪽 단부에서 로브를 갖는 센트럴 봉을 포함하는 전통적 "도그 본" 형상의 센트럴 컷아웃, 상기 센트럴 컷아웃을 향해 마주하는 로브를 통하여 상기 봉을 따라 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함하는 상부 컷아웃, 및 상기 센트럴 컷아웃을 향해 마주하는 로브를 통하여 상기 봉을 따라 나누어진 전통적 "도그 본" 형상의 하프를 포함하는 하부 컷아웃으로, 상기 셀의 상기 벽의 높이를 따라 이격된 관계로 적층되어 있는 3개의 이격된 컷아웃을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 딤플 배열은 제 1 및 제 2 딤플들을 포함하고, 상기 제 1 딤플은 상기 센트럴 컷아웃과 상기 상부 컷아웃 사이에 형성되며, 상기 제 2 딤플은 상기 센트럴 컷아웃과 상기 하부 컷아웃 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
  18. 제 10항에 있어서,
    측면도에서 상기 딤플 배열은 페데스탈 위에서 뻗어나온 플랫폼을 상부에 갖는 상기 페데스탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 연료 어셈블리.
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