KR20140019926A - 유체유발 고주파 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 격자판에 횡방향으로 형성된 슬롯(slot) 구조를 개선하여 축방향 와류에 의해 유체유발 진동을 저감할 수 있는 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것으로, 단위 격자셀을 구성하는 다수의 평판형 격자판(110)으로 구성되되, 상기 격자판(110)은 연료봉의 장입 방향에 대해 횡방향으로 형성된 장공부(111a)가 형성되며, 상기 장공부(111a)를 형성하는 테두리를 따라서 돌출 형성된 돌기부(P)가 마련됨으로써, 냉각수의 축방향 와류를 유도하여 격자판 사이의 유동 박리를 억제하며 이에 의한 압력 불균형을 완화시켜 유체유발 진동을 억제할 수 있으며, 특히 지지격자를 구성하는 격자판의 큰 형상의 변형 없이도 단순 성형 공정만으로 유체유발 진동을 저감할 수 있는 효과가 있다.

Description

유체유발 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자{Spacer grid of a nuclear fuel assembly to prevent flow-induced vibration}

본 발명은 유체유발 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자에 관한 것으로, 특히 격자판에 횡방향으로 형성된 슬롯 구조에 의한 유체유발 진동을 저감할 수 있는 핵연료 집합체의 지지격자에 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, 일반적으로 핵연료 집합체는 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉(10)과, 이 연료봉(10)의 횡방향으로 마련되어 연료봉을 지지하게 되는 다수의 지지격자(20)와, 이 지지격자(20)와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관(30)과, 안내관(30)의 상하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체(40) 및 하단고정체(50)로 이루어진다.

핵연료 집합체를 구성하는 연료봉(10)은 대략 200 개 이상으로 이루어지며, 각 연료봉(10)에는 농축된 우라늄이 일정 크기의 펠렛으로 성형되어 장입된다.

상단고정체(40)와 하단고정체(50)는 안내관의 상단과 하단을 각각 지지하기 위한 것으로, 상단고정체(40)는 핵연료 집합체의 하부를 통해 상부를 흐르는 냉각수의 수압에 의해 핵연료 집합체의 들림이 발생하는 것을 방지하도록 다수의 탄성체가 마련되어 핵연료 집합체의 상단부를 눌려서 고정하는 기능을 한다. 하단고정체(50)는 안내관의 하단부를 고정 지지하게 되며 냉각수가 공급되는 다수의 유로홀이 형성된다.

한편 지지격자(20)는 핵연료봉(10)의 축방향으로 다수개가 배치되며, 배치 위치와 기능에 따라서 중간 지지격자, 냉각수 혼합성능을 향상시키기 위한 혼합 지지격자, 이물질을 여과하기 위한 보호 지지격자로 구분될 수 있다.

도 2를 참고하면, 이러한 지지격자는 공통적으로 다수의 판형상의 격자판(strap)이 격자(lattice) 형상을 갖도록 조립되며, 구획된 각각의 격자셀(lattice cell) 내부에는 하나의 연료봉 또는 안내봉이 위치하게 된다.

구체적으로, 지지격자(20)는 구조물의 외곽 테두리를 구성하는 복수의 외부 격자판(21)과, 외부 격자판(21)의 내부에 격자 형태로 배치되어 고정되는 수평 격자판(22)과 수직 격자판(23)으로 구성된다.

이와 같이 구성된 지지격자(20)에 형성된 격자셀(20a)에는 연료봉이 삽입 위치하게 되며, 안내관이 삽입되는 안내관 격자셀(20b)이 마련된다.

지지격자와 연료봉의 조립은 단위 격자셀을 구성하는 격자판에 딤플과 스프링이 마련되어 연료봉을 탄성 지지하며, 지지격자와 안내관의 조립은 용접에 의해 고정되거나, 또는 슬리브를 매개로 하여 기계적으로 고정될 수 있다.

한편 핵연료 집합체에서 고연소도 핵연료를 개발하기 위하여 연료봉으로부터 냉각수로의 열전달을 촉진시키는 방법들이 제안되고 있으며, 이러한 열전달 촉진 방법으로는 혼합날개의 부착하거나 유로채널의 효율적인 구성 등과 같이 연료봉 주변을 흐르는 원자로 냉각수의 흐름을 개선하는 것이 주가 되고 있다.

그러나 이러한 열전달 촉진 방법은 연료봉 주변을 흐르는 냉각수가 더욱 큰 난류가 형성되도록 하는 것이어서 연료봉의 유체유발 진동의 원인이 된다.

예를 들어, 공개특허공보 제10-2011-0002430호(공개일자: 2011.01.07)는 스트랩들의 공진 진동을 회피하기 위하여 와류들의 위상을 달리하여 유체유발 진동을 최소화하기 위한 지지격자를 제안하고 있다.

한편 지지격자에서 냉각수에 의한 진동은 지지격자의 구조나 형상 등에 영향을 받으며, 특히 지지격자를 구성하는 사각의 단면을 갖는 격자판이 유동상에 놓일 경우에 그 크기와 유체의 종류, 속도에 따라서 유동 박리 및 와류 방출이 발생되며 이는 격자판의 상하면의 압력 불일치을 유발하여 진동을 촉진시키게 된다.

또한 유체로 인해 발생된 진동이 지지격자의 고유 진동수 영역으로 근접할 경우에 지지격자의 피로 파괴를 유발할 수 있으며, 이는 제품의 품질 성능 유지에 불리하다.

구체적으로 살펴보면, 도 3은 종래기술에 따른 지지격자 중에서 보호 지지격자를 보여주는 사시도로써, 다수의 격자판으로 구성되어 마련된 하나의 격자셀만을 보여주고 있으며, 도 4는 도 3의 지지격자의 정면도이다.

도 3을 참고하면, 보호 지지격자(60)는 지지격자들 중에서 하단고정체와 가장 인접하여 배치되는 것으로, 격자판(61)에서 절곡 또는 만곡되어 돌출 형성되는 딤플(62)과 이물질 여과부(63)가 마련되며, 딤플(62)은 돌출 형성되어 격자셀 내에서 연료봉을 지지하게 되며, 도시되지는 않았으나 격자판에는 연료봉을 탄성 지지하기 위한 스프링이 마련될 수 있다.

이물질 여과부(63)는 냉각수의 순환과정에서 냉각수와 함께 원자로 내로 유입될 수 있는 이물질(debris)을 여과하는 역할을 하며, 따라서 보호 지지격자는 이물질여과용 지지격자로도 지칭된다.

하단고정체의 유로홀을 통해 냉각수가 공급되는 과정에서 냉각설비 또는 배관설비의 생산, 설치, 또는 수리 과정에서 발생된 금속입자, 칩(chip), 또는 절삭편(shavings)과 같은 이물질이 하단고정체의 유로홀을 통해 냉각수와 함께 혼입될 수 있다. 이러한 이물질들은 냉각수와 함께 혼입되는 경우에 피복관을 손상시킬 수 있으며, 따라서 이물질들이 냉각수와 함께 핵연료 집합체 안쪽으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 하단고정체와 가장 인접하여 배치되는 보호 지지격자에는 이물질을 여과하기 위한 이물질 여과부가 마련된다.

도 4를 참고하면, 격자판(61)에 마련되는 딤플(62)과 이물질 여과부(63)는 격자판에서 돌출 형성된 구조를 가짐과 함께 횡방향으로 절개되어 형성된 장공부(62a)(63a)를 갖는다.

그러나 이와 같은 장공부(62a)(63a)는 그 장공부(62a)(63a)를 형성하게 되는 사각 단면을 갖는 테두리(62b)로 인하여 유체유발 진동이 발생할 수 있다.

즉, 사각 단면을 갖는 테두리(62b)가 유동상에 놓일 경우에 유동 박리 및 와류 방출이 이루어지게 되며, 이는 격자판 사이의 압력 불일치를 유발시켜 진동을 촉진시키게 되며, 특히 유체유발 진동이 지지격자의 고유 진동수 영역으로 근접할 경우에 지지격자의 피로 파괴를 일으킬 수가 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 격자판에 횡방향으로 형성된 장공의 슬롯 구조를 개선하여 축방향 와류에 의해 유체유발 진동을 저감할 수 있는 핵연료 집합체의 지지격자를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 각 단위 격자셀을 구성하는 다수의 평판형 격자판으로 구성되되, 상기 격자판은 연료봉의 장입 방향에 대해 횡방향으로 형성된 장공부가 형성되며, 상기 장공부를 형성하는 테두리를 따라서 돌출 형성된 돌기부에 의해 제공된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 돌기부는 상기 장공부의 상측 테두리를 따라서 형성되며, 보다 바람직하게는, 상기 격자판의 양면으로 돌출 형성되되, 곡면 또는 절곡 형성되어 반복된 패턴을 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 장공부는 연료봉을 지지하기 위한 격자판에서 절곡 또는 만곡되어 돌출 형성되는 딤플, 스프링 또는 이물질 여과부를 형성하기 위한 절개홈인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 지지격자는, 연료봉을 지지하거나 이물질을 여과하기 위하여 마련되는 딤플, 스프링, 또는 이물질 여과부를 갖는 평판형의 격자판에 있어서, 장공의 슬롯을 구성하는 테두리에 격자판의 수직 방향으로 돌출 형성된 돌기부가 마련됨으로써, 냉각수의 축방향 와류를 유도하여 격자판 사이의 유동 박리를 억제하며 이에 의한 압력 불균형을 완화시켜 유체유발 진동을 억제할 수 있으며, 특히 지지격자를 구성하는 격자판의 큰 형상의 변형 없이도 단순 성형 공정만으로 유체유발 진동을 저감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면,
도 2는 일반적인 지지격자의 평면도,
도 3은 종래기술에 따른 지지격자를 보여주는 사시도,
도 4는 도 3의 지지격자의 정면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지지격자를 우측 상부에서 바라본 사시도,
도 6은 도 4의 지지격자를 우측 하부에서 바라본 사시도.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 핵연료 집합체의 지지격자는, 각 단위 격자셀을 구성하는 다수의 평판형 격자판(110)으로 구성되되, 상기 격자판(110)은 연료봉의 장입 방향에 대해 횡방향으로 형성된 장공부(111a)가 형성되며, 상기 장공부(111a)를 형성하는 테두리를 따라서 돌출 형성된 돌기부(P)가 마련되는 것을 특징으로 한다.

도 5에서 예시하는 것과 같이, 격자판(110)은 전체적으로 평판형으로써, 연료봉을 지지하기 위한 딤플(111)이 마련되며, 이물질을 여관하기 위한 이물질 여과부(112)가 마련될 수 있음은 종래기술과 동일하며, 연료봉을 탄성 지지하게 되는 스프링이 부가될 수 있다.

스프링을 포함하여 이러한 딤플(111) 또는 이물질 여과부(112)는 격자판(110)에서 절곡 또는 만곡되어 돌출 형성되며, 격자판(110)에는 이러한 구조를 제공하기 위하여 절개홈에 의한 장공부(111a)를 갖는다.

본 발명에서 이러한 장공부(110a)는 연료봉의 장입방향에 대해 대체로 횡방향으로 형성되는 것으로, 냉각수의 유속 방향과 직각을 이룬다.

특히 본 발명에서 격자판(110)에 형성된 장공부(111a)의 테두리를 따라서 격자판(110)에 대해 연직방향으로 돌출 형성된 돌기부(P)가 형성되며, 본 실시예에서 돌기부(P)는 딤플(111)의 형성된 상측 장공부에만 돌기부가 형성됨을 보여주고 있으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없으나, 바람직하게는, 장공부(111a)의 상측 테두리를 따라서 형성될 수 있다.

바람직하는 돌기부(P)는 격자판(110)의 테두리를 따라서 양면으로 돌출 형성되되, 곡면 또는 절곡 형성되어 반복된 패턴을 가짐으로써 냉각수 흐름의 방해물로써 기능하여 축방향 와류를 유도하게 된다.

본 실시예에서 격자판(110)의 장공부(111a)에 형성된 돌기부(P)는 딤플(111) 상단의 장공부에만 형성된 것을 보여주고 있으나, 격자판에 절개된 절개홈을 갖도록 마련될 수 있는 스프링 또는 이물질 여과부을 포함하여, 이와는 별도로 격자판에 형성되는 장공부 테두리에 형성될 수 있음은 자명하게 이해될 수 있다.

이와 같이 평판형상의 격자판에 사각의 단면을 갖는 장공부의 테두리를 따라서 냉각수의 유속 방향과 직각을 이루면서 방해물로써 기능하는 돌기부가 마련됨으로써 냉각수의 축방향 와류를 유도하여 유동 박리를 억제하며 이에 따른 압력 불일치를 완화함으로써 유체유발 진동을 억제할 수 있다.

다른 한편으로, 이러한 돌기부는 격자판 자체의 큰 구조적인 형상의 변형이 없이도 프레스 등의 단순 성형 공정에 의해 제공할 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.

10 : 핵연료봉 20 : 지지격자체
30 : 안내관 40 : 상단고정체
50 : 하단고정체 60 : 보호 지지격자
61 : 격자판 62, 111 : 딤플
63, 112 : 이물질 여과부
111a : 장공부 P : 돌기부

Claims (4)

1. 핵연료 집합체에서 연료봉을 지지하도록 마련되는 지지격자에 있어서,
   상기 지지격자는 각 단위 격자셀을 구성하는 다수의 평판형 격자판으로 구성되되,
   상기 격자판은 연료봉의 장입 방향에 대해 횡방향으로 형성된 장공부가 형성되며, 상기 장공부를 형성하는 테두리를 따라서 돌출 형성된 돌기부가 마련되는 것을 특징으로 하는 유체유발 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자.
2. 제1항에 있어서, 상기 돌기부는 상기 장공부의 상측 테두리를 따라서 형성되는 것을 특징으로 하는 유체유발 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 돌기부는 상기 격자판의 양면으로 돌출 형성되되, 곡면 또는 절곡 형성되어 반복된 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 유체유발 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자.
4. 제1항에 있어서, 상기 장공부는 연료봉을 지지하기 위한 격자판에서 절곡 또는 만곡되어 돌출 형성되는 딤플, 스프링 또는 이물질 여과부를 형성하기 위한 절개홈인 것을 특징으로 하는 유체유발 진동을 저감하기 위한 핵연료 집합체의 지지격자.

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