KR20130077598A - 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체 - Google Patents

핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핵연료 집합체의 고정 안정성을 개선하기 위한 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체에 관한 것으로, 핵연료 집합체의 상단을 고정하게 되는 상단고정체에 있어서, 사각 형상을 갖는 고정몸체(100) 상부면의 각 변에는 일측이 고정부재에 의해 고정되고 타측이 상기 고정몸체(100)의 상부면에 형성된 장공의 슬롯(122a) 내에 삽입되어 고정되는 판 형상의 누름스프링유닛(200)을 갖되, 상기 누름스프링유닛(200)은 두 개의 누름스프링부(210)(220)가 대향하여 위치하는 두 개의 고정부재에 의해 서로 반대로 마련됨으로써, 핵연료집합체에 가해지는 축방향 하중을 분산하여 균형있는 하중 분포를 가지며 핵연료 집합체의 기계적, 구조적 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체{Top nozzle assembly to reduce the fuel assembly bow}
본 발명은 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체에 관한 것으로, 특히 핵연료집합체에 가해지는 축방향 하중을 분산하여 균형있는 하중 분포를 갖는 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체에 관한 것이다.
원자로는 핵분열 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 핵분열에서 발생되는 열에너지를 동력으로 사용하기 위한 장치이다.
원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 펠렛(Pellet)으로 성형된 후에 다수의 펠렛들이 연료봉 내에 장입되어 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들이 핵연료 집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소가 이루어진다.
도 1을 참고하면, 일반적인 핵연료 집합체는 연료봉이 삽입되는 지지격자체(10)와, 이 지지격자체(10)와 고정되는 다수의 안내관(20)과, 이 안내관(20)의 상단에 체결되는 상단고정체(30)와, 안내관(20)의 하단에 체결되는 하단고정체(40)를 포함하며, 연료봉은 지지격자체(10)에 마련된 딤플 및 스프링에 의해 지지된다.
이와 같이 구성된 핵연료 집합체는 원자로 노심에 장전되어 핵반응이 이루어지며, 핵분열에 의해 핵연료봉에서 발생된 열은 원자로 내부로 유입된 냉각수가 하부노심판을 통과하여 핵연료봉을 따라서 상부로 흐르면서 열교환이 이루어진다.
따라서 원자로의 운전 중에 핵연료 집합체는 냉각수의 흐름에 의해 수력들림력(hydraulic uplift force)이 작용하여 부양되거나 진동이 발생할 수 있다. 또한 온도의 상승에 의한 열팽창이나 장시간의 중성자 조사에 의한 핵연료 피복관의 조사성장 및 크립(creep)에 의한 축방향 길이변화가 발생할 수가 있으며, 상단고정체(30)는 이와 같이 축방향의 하중을 지지하여 핵연료 집합체의 기계적, 구조적 안정성을 유지하는 기능을 한다.
일반적으로 핵연료 집합체의 상단고정체는 다수의 탄성체의 조합을 통해 핵연료 집합체에서 축방향으로 발생되는 하중을 지지하는 구조를 가지며, 탄성체로는 판스프링 또는 코일스프링이 이용되고 있다.
예를 들어, 미국 특허번호 제5,213,757호(특허일자: 1993.05.25)는 복수의 판형 누름스프링으로 이루어진 스프링 패키지를 갖는 원자로의 핵연료 집합체에서 스프링 패키지를 상부노즐부에 체결하는 방법을 제시하고 있다.
또한, 본 발명의 출원인은 공개특허공보 제10-2011-0087030호(공개일자: 2011.08.02)와 공개특허공보 제10-2011-0087032호(공개일자: 2011.08.02)에서는 누름 성능과 고정 안정성을 개선하기 위한 누름 판스프링 유닛과 이를 이용한 상단고정체 또는 그 제조방법 등을 제안하고 있다.
도 2는 종래기술에 따른 판스프링 유닛을 갖는 핵연료 집합체의 상단고정체를 보여주는 도면이며, 도 3은 종래의 핵연료 집합체의 상단고정체에 있어서 록킹핀에 의한 판스프링 유닛에 체결구조를 보여주는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 종래의 상단고정체는 안내관(미도시)이 하부에 고정되는 체결판(10)과, 체결판(10)의 테두리를 따라서 상방향으로 돌출 형성되는 두름판(20)과, 두름판(20)의 테두리 상부면에 마련되는 판스프링 유닛(30)으로 구성된다.
두름판(20)은 대각선 방향으로 두 코너에 상단에 록킹핀(30)에 의해 판스프링 유닛(30)의 일단을 고정하기 위한 스프링클램프(21)를 가지며, 테두리 상부면에는 판스프링 유닛(30)의 타측 단부가 끼워 조립되는 장공의 슬롯(22)이 형성된다.
판스프링 유닛(30)은 세 개의 스프링(31)(32)(33)으로 구성될 수 있으며, 제1스프링(31)은 일측 단부가 슬롯(22) 내에 삽입되는 제1경부(31a)를 가지며, 제2스프링(32)은 제1스프링(31) 하단에 위치하여 제1경부(31a)에 의해 고정되며, 제3스프링(33)은 일측 단부가 슬롯(22) 내에 삽입되는 제2경부(33a)를 가지며 제1경부(31a)가 관통하는 경부삽입홈이 형성된다.
슬롯(22) 내에 삽입되는 판스프링 유닛(30)의 제1,2경부(31a)(33a)의 선단부는 슬롯(22)에 끼워 조립됨으로써 슬롯(22)을 따라서 전후 가동이 가능하다.
도 3을 참고하면, 이러한 제1,2,3스프링(31)(32)(33)은 록킹핀(30)에 의해 두름판(20)의 스프링클램프(21)에 고정되며, 스프링클램프(21)에 조립된 록킹핀(30)은 제1,2,3스프링(31)(32)(33)을 고정한 상태에서 두름판(20)과 점용접(W)에 의해 고정된다.
그러나 이와 같은 종래의 핵연료 집합체의 상단고정체는 두름판(20) 상부의 대각선 방향으로 마련된 두 개소의 스프링클램프(21)에서 판스프링 유닛(30)을 고정 지지하게 되며, 따라서 핵연료 집합체의 상단은 스프링클램프가 위치하는 두 코너를 통해서만 하중이 전달되는 구조이다.
미국 특허번호 제5,213,757호(특허일자: 1993.05.25) 공개특허공보 제10-2011-0087030호(공개일자: 2011.08.02) 공개특허공보 제10-2011-0087032호(공개일자: 2011.08.02)
본 발명은 이와 같이 종래의 핵연료 집합체의 누름 판스프링 유닛을 이용한 상단고정체에 있어서, 상단고정체의 2개소로 집중되는 하중을 분산하여 균형있는 하중 분포를 갖도록 하여 핵연료 집합체의 기계적, 구조적 안정성을 높일 수 있는 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체는, 핵연료 집합체의 상단을 고정하게 되는 상단고정체에 있어서, 사각 형상을 갖는 고정몸체 상부면의 각 변에는 일측이 고정부재에 의해 고정되고 타측이 상기 고정몸체의 상부면에 형성된 장공의 슬롯 내에 삽입되어 고정되는 판 형상의 누름스프링유닛을 갖되, 상기 누름스프링유닛은 두 개의 누름스프링부가 대향하여 위치하는 두 개의 고정부재에 의해 서로 반대로 마련됨으로써 달성된다.
바람직하게는 상기 누름스프링부는, 상기 슬롯 내에 삽입되는 경부를 갖는 최소한 두 개 이상의 판형 스프링으로 이루어져 하나의 고정부재에 의해 고정이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 고정몸체는 안내관이 고정되는 체결판과; 상기 체결판의 테두리를 따라서 상방향으로 돌출 형성되며, 상부면에 각 코너에 상기 고정부재가 조립되는 스프링클램프가 마련되고 각 변의 상부면에는 상기 슬롯이 형성되는 두름판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 핵연료 집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체는 사각 형상을 갖는 고정몸체 상부면의 각 변에는 일측이 고정부재에 의해 고정되고 타측이 상기 고정몸체의 상부면에 형성된 장공의 슬롯 내에 삽입되어 고정되는 판 형상의 누름스프링유닛을 갖되, 상기 누름스프링유닛은 두 개의 누름스프링부가 대향하여 위치하는 두 개의 고정부재에 의해 서로 반대로 마련됨으로써, 상단고정체의 네 코너에서 하중이 작용하도록 함으로써 종래와 비교하여 상단고정체의 2개소로 집중되는 하중을 분산하여 균형있는 하중 분포를 가지며 핵연료 집합체의 기계적, 구조적 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면,
도 2는 종래의 핵연료 집합체에 있어서 상단고정체를 보여주는 도면,
도 3은 종래의 핵연료 집합체의 상단고정체에 있어서 록킹핀에 의한 판스프링 유닛에 체결구조를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 상단고정체를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 상단고정체의 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 상단고정체의 평면도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 핵연료 집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체는, 사각 형상을 갖는 고정몸체(100) 상부면의 각 변에는 일측이 고정부재에 의해 고정되고 타측이 상기 고정몸체(100)의 상부면에 형성된 장공의 슬롯(122a) 내에 삽입되어 고정되는 판 형상의 누름스프링유닛(200)을 갖되, 상기 누름스프링유닛(200)은 두 개의 누름스프링부(210)(220)가 대향하여 위치하는 두 개의 고정부재에 의해 서로 반대로 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 고정몸체(100)는 하부에 다수의 안내관이 고정되는 체결판(110)과; 이 체결판(110)의 테두리를 따라서 상방향으로 돌출 형성되며, 상부면의 각 코너에 고정부재가 조립되는 스프링클램프(121)가 마련되고 각 변의 상부면에는 슬롯(122a)이 형성되는 두름판(120)으로 구성될 수가 있다.
두름판(120)은 네 코너 모두에 스프링클램프(121)가 마련되며, 각 코너의 스프링클램프(121)에는 각각의 고정부재에 의해 제1,2누름스프링부(210)(220)의 일단부가 고정된다.
본 발명에서 고정부재는 누름스프링부를 관통하여 두름판(120)에 삽입되는 록킹핀에 의해 제공될 수 있으며, 이러한 록킹핀은 점용접에 의해 두름판에 고정되어 누름스프링부 일단을 고정될 수 있으며 이는 종래기술과 동일하다(도 3참고).
두름판(120)의 네 코너에는 동일한 구조의 누름스프링유닛(200)이 마련되며, 각 누름스프링유닛(200)은 두 개로 이루어진 제1,2누름스프링부(210)(220)가 서로 대향하여 위치하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 본 발명에 있어서, 제1누름스프링부(210)는 슬롯(122a) 내에 삽입되는 제1경부(211a)를 갖는 제1스프링(211)과; 제1스프링(211) 하단에 위치하여 상기 제1경부(211a)에 의해 고정되는 제2스프링(212)과; 슬롯(122a) 내에 삽입되는 제2경부(213a)를 가지며, 제1경부(211a)가 관통하는 경부삽입홈(213b)이 형성된 제3스프링(213)으로 구성되어, 상기 제1,2,3스프링은 하나의 고정부재에 의해 고정이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 3개의 판스프링으로 구성된 누름스프링부는 스프링의 탄성변형 변위에 따라서 제1스프링과 함께 제3스프링이 선택적으로 작용함으로써 원자로의 운전조건에 따라서 누름여유도를 최소로 유지하여 원자로의 운전 중 상단고정체가 핵연료 집합체에 과도한 대항력을 가하는 것을 방지할 수 있으면서도 원자로의 작동 중에 핵연료 집합체의 길이 변화에 따라서 적절한 누름력을 제공할 수 있다.
본 실시예에서는 3개의 판스프링으로 구성된 누름스프링부를 예시하였으나, 최소한 두 개 이상의 판스프링으로 구성되어 두 개의 판스프링이 탄성 변형 구간(변위)에 따라서 다른 탄성계수를 갖도록 하여 동일한 작동이 이루어질 수가 있다.
제2누름스프링부(220)는 제1누름스프링부(210)와 동일한 구조이되, 제1누름스프링부(210)와는 반대로 배치된다.
한편, 본 발명에서 누름스프링유닛(200)은 두 개의 누름스프링부로 구성됨에 따라서, 인접하는 누름스프링들 사이의 간섭을 방지하기 위하여 누름스프링부의 폭은 종래와 비교하여 작게 설정될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 핵연료 집합체의 상단고정체는, 서로 대향하여 배치되도록 두 개의 누름스프링부로 이루어진 누름스프링유닛이 사각 형상을 갖는 두름판(120) 테두리 상부면에 동일하게 마련되어 각 코너의 스프링클램프에서 고정되는 구조이므로, 두름판(120)의 네 코너 모두에 하중이 작용하게 되어 종래와 비교하여 하중이 분산되어 균형있는 하중 분포를 갖는다.
또한, 종래와 비교하여 상대적으로 각각의 단위 누름스프링부에 작용하는 하중이 작아지므로 단위 누름스프링부에 요구되는 탄성력에 대한 설계 자유도가 높으며, 핵연료 집합체에 과도한 대항력을 가해지는 것을 방지하고 적절한 누름력이 작용하도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 고정몸체 110 : 체결판
120 : 두름판 121 : 스프링클램프
122a : 제1슬롯 122b : 제2슬롯
200 : 누름스프링유닛 210 : 제1누름스프링부
220 : 제2누름스프링부

Claims (3)

  1. 핵연료 집합체의 상단을 고정하게 되는 상단고정체에 있어서,
    사각 형상을 갖는 고정몸체 상부면의 각 변에는 일측이 고정부재에 의해 고정되고 타측이 상기 고정몸체의 상부면에 형성된 장공의 슬롯 내에 삽입되어 고정되는 판 형상의 누름스프링유닛을 갖되,
    상기 누름스프링유닛은 두 개의 누름스프링부가 대향하여 위치하는 두 개의 고정부재에 의해 서로 반대로 마련되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 누름스프링부는,
    상기 슬롯 내에 삽입되는 경부를 갖는 최소한 두 개 이상의 판형 스프링으로 이루어져 하나의 고정부재에 의해 고정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정몸체는
    안내관이 고정되는 체결판과;
    상기 체결판의 테두리를 따라서 상방향으로 돌출 형성되며, 상부면의 각 코너에 상기 고정부재가 조립되는 스프링클램프가 마련되고 각 변의 상부면에는 상기 슬롯이 형성된 두름판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 휨 감소를 위한 상단고정체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230099816A (ko) 2021-12-28 2023-07-05 한전원자력연료 주식회사 핵연료 집합체의 상단고정체 조립 및 분해 장비

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