KR20140025509A - 연료 채널 스페이서를 포함하는 비등수형 원자로 핵 연료 조립체 - Google Patents

연료 채널 스페이서를 포함하는 비등수형 원자로 핵 연료 조립체 Download PDF

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KR20140025509A
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코리 롱
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Abstract

비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2)는 베이스(4), 헤드(6), 베이스(4)와 헤드(6) 사이에서 길이방향으로 연장하는 연료봉들(8)의 번들, 연료봉들(8)의 번들을 감싸는 관형 연료 채널(14), 및 인접 요소로부터 연료 조립체(2)를 횡방향으로 이격시키기 위한 적어도 하나의 연료 채널 스페이서(22)를 포함한다. 본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 또는 각각의 연료 채널 스페이서(22)는 적어도 하나의 플레이트(38)를 가지는 지지체(34) 및 대응하는 플레이트(38)에 의해 지지되는 적어도 하나의 대응하는 판 스프링(36)을 포함하고, 상기 또는 각각의 플레이트(38)는 연료 채널(14)의 대응하는 측벽(26)에 고정된다.

Description

연료 채널 스페이서를 포함하는 비등수형 원자로 핵 연료 조립체{Nuclear fuel assembly for boiling water reactor comprising a fuel channel spacer}
본 발명은 베이스, 헤드, 베이스와 헤드 사이에서 길이방향으로 연장하는 연료봉들의 번들, 연료봉들의 번들을 감싸는 관형 연료 채널, 및 인접 요소로부터 연료 조립체를 횡방향으로 이격시키는 적어도 하나의 연료 채널 스페이서를 포함하는 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체에 관한 것이다.
비등수형 원자로(boiling water reactor)(이하의 설명에서는 BWR)에서, 연료 조립체들은 연료 조립체들의 2x2 배열로 나란히 배열된다. 연료 조립체들의 상측 단부들은 원자로 상측 코어 그리드(core grid)의 셀(cell) 내에 수용된다. 연료 조립체들은 핵 연료 조립체들 사이에서 단면-성형 제어봉(cross-shaped control rod)의 삽입을 허용하기 위해 연료 조립체들 사이의 간격, 및 셀 벽들과의 간격을 갖고 배열된다. 연료 조립체들 사이의 이들 간격들을 제어하는 것은 정상 동작에서 핵 반응을 위해 그리고 핵 반응을 감속하기 위해 제어봉의 삽입을 허용하는 것을 확실히 하기 위해 중요하다.
비등수형 원자로(BWR)용 핵 연료 조립체는 격자(lattice)에 배열되는 연료봉들을 길이방향으로 연장하는 연료봉들의 번들, 적어도 하나의 관형 수로 또는 번들 내의 일부 연료봉들을 대체하는 워터 로드(water rod), 연료봉들의 번들을 감싸는 관형 연료 채널, 및 연료 조립체의 길이방향 단부들에 있는 베이스 및 헤드를 포함한다.
US 4 851 187은 연료 채널의 코너에 걸쳐 고정하도록 되어 있는 지지체 및 이 지지체를 따라 연장하는 2개의 스프링들을 포함하는 연료 채널 파스너(fuel channel fastener)를 포함하는 핵 연료 조립체를 개시한다. 지지체는 연료 채널을 상측 타이 플레이트에 연결하기 위해 길이방향으로 연장하는 볼트에 의해 핵 연료 조립체의 상측 타이 플레이트에 나사 고정(screwing)된다. 각각의 스프링은 횡방향 스크루에 의해 지지체에 나사 고정되는 상측 단부 및 지지체의 슬롯에 슬라이드 가능한 하측 단부를 가진다. 연료 채널 파스너는 연료 채널을 상측 타이 플레이트에 고정하고 연료 채널을 인접한 핵 연료 조립체로부터 이격시키는 기능들을 결합한다.
기하학적으로 제어되고 높은 힘들을 견뎌야 하는 이와 같은 연료 채널 파스너는 고가로 얻어진다. 더욱이, 상측 타이 플레이트에 연결되는 손잡이를 이용하여 핵 연료 조립체의 취급 중 연료 채널 파스너가 구부러질 위험이 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 이격이 용이하고 신뢰성 있게 저가로 얻어질 수 있는 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 베이스, 헤드, 베이스와 헤드 사이에서 길이방향으로 연장하는 연료봉들의 번들, 연료봉들의 번들을 감싸는 관형 연료 채널, 및 인접 요소로부터 연료 조립체를 횡방향으로 이격시키는 적어도 하나의 연료 채널 스페이서를 포함하는 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체로서, 상기 또는 각각의 연료 채널 스페이서는 적어도 하나의 플레이트를 가지는 지지체 및 대응하는 플레이트에 의해 지지되는 적어도 하나의 대응하는 판 스프링을 포함하고, 상기 또는 각각의 플레이트는 연료 채널의 대응하는 측벽에 고정되는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체를 제안한다.
특정 실시예들에 따르면, 핵 연료 조립체는 다음과 같은 특징들 중 하나 또는 수개를 포함할 수 있다:
- 상기 또는 각각의 플레이트는 측벽에 용접되고;
- 상기 또는 각각의 플레이트는 연료 채널의 측벽에 리벳 고정되고;
- 상기 또는 각각의 플레이트는 측벽에 나사 고정되고;
- 상기 또는 각각의 플레이트는 단일 플레이트-리벳 및/또는 스크루에 의해 측벽에 고정되고
- 각각의 스프링은 플레이트에 스냅-핏되고;
- 스프링은 플레이트에 제공되는 각각의 슬롯에 각각 슬라이드 가능하게 수용되는 2개의 끝 부분들을 가지며;
- 지지체는 2개의 측벽들의 교차부에서 코너에 끼워 맞춰지는, 각각의 플레이트는 각각의 측벽에 고정되는, 직각의 2개의 플레이트들을 포함하고;
- 2개의 플레이트들은 하나의 부품이고;
- 지지체는 연료 채널의 상측 단부 앞에서 끝난다.
본 발명 및 그것의 이점들은 단지 예를 통해 주어진 설명을 읽고,다음의 도면을 참조하는 것에 의해 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체를 도시하는 개략 측면 입면도이고;
도 2는 스페이서 및 스톱들(stops)을 도시하는 도 1의 핵 연료 조립체의 개략 상면도이고;
도 3은 스페이서 및 스톱을 도시하는 도 1의 연료 조립체의 상측 단부의 측면도이고;
도 4는 도 3의 IV-IV에 따른 스페이서의 횡단면도이고;
도 5는 도 3의 V-V에 따른 스톱 및 스페이서의 횡단면도이고; 및
도 6 내지 도 8은 본 발명의 변형예들을 도시하는 도 3의 것과 유사한 도면들이다.
도 1은 비등수형 원자로(boiling water reactor; BWR)용 핵 연료 조립체(2)를 나타낸다. 이 연료 조립체(2)은 길이 방향(L)을 따라 연장한다.
이와 같은 연료 조립체는 냉각재가 동작 중 상향으로 흐르는 원자로의 코어(core) 내에서 수직으로 배향되는 길이 방향(L)으로 배치되도록 의도된다. 다음에, 용어들 "하측(lower)" 및 "상측(upper)"은 원자로 내에서 연료 조립체(2)의 위치를 가리킨다. 연료 조립체(2)는:
- 베이스(4),
- 헤드(6),
- 베이스(4)와 헤드(6) 사이에서 길이방향으로 연장하는 핵 연료봉들(8)의 번들,
- 번들에서 적어도 하나의 연료봉을 대체하고 베이스(4)를 헤드(6)에 연결하는 관형 수로(10),
- 길이 방향(L)을 따라 이격되어 있고 연료봉들(8)을 길이방향으로 및 횡방향으로 유지하는 복수의 스페이서 그리드들(12); 및
- 연료봉들(8)의 번들을 감싸고 베이스(4) 및 헤드(6)에 고정되는 관형 연료 채널(14)을 포함한다.
연료 채널(14)의 일부만이 도 1에 도시된다.
각각의 연료봉(8)은 적층된 핵 연료 펠렛들로 충전되고 그것의 단부들에서 단부 플러그들(end plugs)에 의해 폐쇄되는 관형 클래딩(tubular cladding)을 포함한다. 연료봉들(8)의 번들은 전체-길이 연료봉들 및 부분-길이 연료봉들을 구비한다. 부분-길이 연료봉들은 전체-길이 연료봉들보다 짧다.
헤드(6)는 상측 타이 플레이트(16) 및 연료 조립체(2)를 취급하기 위해 상측 타이 플레이트(16)에 견고하게 연결되는 손잡이(18)를 포함한다. 상측 타이 플레이트(16)는 길이 방향(L)으로 연장하는 볼트들(20)에 의해 연료 채널(14)에 연결된다. 볼트들(20)은 도 1에 일점 쇄선들로 개략적으로 도시된다.
도 2에 도시된 것과 같이, 연료 조립체(2)는 인접 요소, 즉 핵 연료 조립체들(2) 및/또는 일점 쇄선(24)으로 도시된 원자로 상측 코어 그리드의 벽들로부터 연료 채널(14)을 횡방향으로 이격시키기 위해 연료 채널(14)의 상측 단부에 배치되는 연료 채널 스페이서들(22)를 포함한다.
연료 채널(14)은 사각형 단면을 가지며 코너들(28)에서 교차하는 4개의 측벽들(26)을 포함한다. 연료 채널(14)은 상측 단부에 제공되는 삼각형 보강 앵글 브라켓들(angle brackets; 30)을 포함하고, 각각의 앵글 브라켓들(30)은 2개의 인접 측벽들(26) 사이에서 횡방향으로 연장한다.
손잡이(18)는 2개의 코너들(28) 사이에서 대각선으로 연장하고 볼트들(20)은 상기 2개의 코너들(28)에 제공되는 앵글 브라켓들(30)을 통해 길이 방향(L)으로 연장한다.
연료 조립체(2)는 2개의 다른 대각선으로 마주하는 코너들(28) 중 하나 위에 끼워 맞춰지는 하나의 스페이서(22)를 포함한다. 대안으로, 연료 조립체(2)는 2개의 스페이서들(22)를 포함할 수 있고, 각각은 2개의 다른 대각선으로 마주하는 코너들(28) 중 하나에 끼워 맞춰진다. 필요하다면, 연료 조립체(2)는 각각의 코너(28)에 하나의 스페이서(22)를 포함할 수 있다.
연료 조립체(2)는 측벽들(26)에 고정되는 스톱들(stops; 32)을 더 포함한다. 연료 조립체(2)는 스페이서(22)에 의해 점유되지 않는 코너(28)에 인접한 각각의 측벽(26) 위에 하나의 스톱(32)을 포함한다.
스페이서(22)는 도 3 내지 도 5를 참조하여 더 상세히 기재될 것이다.
스페이서(22)는 지지체(34) 및 2개의 별개의 판 스프링들(36)을 포함한다.
지지체(34)는 코너 피스(corner piece)의 형상을 가지며 지지체(34)에 V-형상 단면을 부여하는 직각의 2개의 플레이트들(38)을 포함한다.
도 3에 나타낸 것과 같이, 각각의 플레이트(38)는 연료 채널(14)의 상측 에지(39)의 높이에서 또는 아래에서 위쪽을 향해 끝난다. 플레이트들(38)은 상측 에지(39)로부터 위쪽으로 돌출하지 않는다.
도 5에 나타낸 것과 같이, 각각의 플레이트(38)는 측벽(26)의 외측면 위에 배치되고 리벳팅(reveting)에 의해 측벽(26)에 고정된다. 각각의 플레이트(38)는 플레이트(38) 및 길이 방향(L)에 직교하는 고정 방향(F)에서 플레이트(38) 및 대응하는 측벽(26)의 고정 구멍(42, 43)을 통해 연장하는 하나의 단일 플레이트-리벳(40)에 의해 리벳 고정된다. 대안으로, 각각의 플레이트(38)는 하나 이상의 플레이트-리벳(40), 예컨대 2개의 플레이트- 리벳들(40)에 의해 고정될 수 있다.
지지체(34)는 단일 부품(single piece)이고 2개의 플레이트들(38)은 하나의 부품으로 일체로 만들어진다. 지지체(34)는 바람직하게는 금속 조각으로 만들어진다.
각각의 스프링(36)은 길이방향으로 신장되고 각각의 플레이트(38)를 따라 연장한다. 각각의 스프링(36)은 대응하는 플레이트(38)에 의해 개별적으로 지지된다.
도 4에 나타낸 것과 같이, 각각의 스프링(36)은 플레이트(38)에 형성된 슬롯들(46)에 스냅-핏되는 2개의 끝 부분들(44) 및 플레이트(38)로부터 멀리 튀어 나오는 중간 부분(48)을 가진다. 각각의 끝 부분(44)은 대응하는 슬롯(46)에서 길이방향으로 슬라이드 가능하다.
각각의 플레이트(38)는 그것의 외측면 위에 길이방향으로 연장하는 홈(50)을 포함한다. 각각의 슬롯(46)은 플레이트(38)의 두께 내에서 길이방향으로 홈(50)을 연장시킨다. 각각의 슬롯(46)은 막혀 있다.
스프링(36) 및 슬롯들(46)은 중간 부분(48)을 플레이트(38)를 향해 바이어싱하여 스프링(36)이 탄성적으로 변형될 수 있게 구성되고, 그것에 의해 끝 부분들(44)은 다른 것으로부터 멀리 슬롯들(46) 내에서 슬라이드한다.
도 2에 나타낸 것과 같이, 연료 조립체(2)는 스페이서(22)가 끼워 맞춰지는 코너(28)의 범위를 정하는 측벽들(26)에 고정되는 2개의 스톱들(32)을 포함한다. 각각의 스톱(32)은 스페이서(22)로부터 떨어져서 측벽(26)에 고정된다.
도 3 내지 도 5에 나타낸 것과 같이, 각각의 스톱(32)은 스톱(32) 및 측벽(26)을 통해 연장하는 단일 스톱-리벳(52)에 의해 대응하는 측벽(26)에 리벳 고정된다. 대안으로, 각각의 스톱(32)은 하나 이상의 스톱-리벳(52), 예컨대 2개의 스톱-리벳(52)들에 의해 리벳 고정된다.
각각의 스톱(32)은 강성이고 측벽(26)과 마주하는 벽과의 최소 간격을 보장하고 따라서 동일한 측벽(26) 위에 제공되는 스프링(36)의 과응력을 방지한다.
지지체(34)의 플레이트들(38)은 앵글 브라켓(angle bracket; 30)에 고정되는 지지체(34) 없이 연료 채널(14)의 측벽들(26)에만 고정된다. 지지체(34)는 상측 타이 플레이트(16)에의 연료 채널(14)의 고정과는 별개로 연료 채널(14)에 고정된다. 따라서, 연료 조립체(2)의 취급으로 인해 구부러지고, 손상되고 및/또는 변위되는 것이 방지된다. 지지체(34)는 저가로 용이하게 제조될 수 있다.
지지체(34)는 연료 채널(14)의 코너(28)에 끼워 맞춰지고 2개의 수직 방향들 중 하나로 각각 연장하는 2개의 플레이트-리벳들(40)에 의해 견고하게 고정된다. 이것은 신뢰할만한 고정을 보장한다. 코너 피스(corner piece)로서 성형되는 지지체(34)는 대응하는 코너(28)에서 연료 채널(14)을 더욱 보강한다.
리벳팅에 의한 고정 지지체(34)는 용접 면에서 연료 채널(14)의 금속과 호환성이 없는 금속으로 지지체(34)를 제공하는 것을 허용한다. 따라서 지지체(34)에 사용되는 금속은 연료 채널(14)의 것보다 낮은 가격의 금속일 수 있다. 연료 채널(14)은 보통 지르코늄 합금으로 만들어지고 한편 지지체(34)의 금속은 예를 들어 스테인레스강일 수 있다.
리벳팅은 단순하고 경제적으로 지지체(34)를 고정하게 한다. 리벳팅은 연료 채널(14)의 측벽들(26)에 리벳팅 구멍들(43)을 제공하는 것만을 필요로 한다.
대안의 실시예에 있어서, 지지체(34)는 횡방향으로 상기 플레이트(38)로 그리고 길이 방향(L)으로 각각의 플레이트(38) 및 대응하는 측벽(26)을 통해 연장하는 적어도 하나의 스크루에 의해 측벽들(26)에 나사 고정(screwing)될 수 있다. 유사하게, 각각의 스톱(32)은 스톱(32)에 스크루-관통 구멍을 갖는 측벽(26) 및 대응하는 측벽(26)에 나사 고정될 수 있다.
도 6의 실시예는 플레이트들(38)을 측벽들(26)에 고정하기 위한 수단이 도 2 내지 도 5의 것과 다르다. 더욱 상세하게는, 각각의 플레이트(38)는 연료 채널(14)의 측벽(26)에 용접된다.
각각의 플레이트(38)는 플레이트(38)의 에지들(54)을 따라 측벽(26)에 용접된다. 도시된 실시예에 있어서, 용접 이음부들(56)은 상기 에지를 따라 부분적으로 연장하는 각각의 용접된 에지(54)를 따라 부분적으로 연장한다. 용접 이음부(56)는 연속적이다. 대안으로, 그것은 불연속적일 수 있다.
도시된 것과 같이, 스톱들(32)은 또한 스톱들(32)의 에지들을 따라 부분적으로 연장하는 용접 이음부들(56)에 의해 측벽들(26)에 용접된다.
용접에 의한 지지체(34)는 신뢰 가능하고 경제적이고 지지체(34)에 의해 연료 채널(14)의 효율적인 보강을 보장한다. 지지체(34)는 이 경우에 용접 면에서 연료 채널(14)의 금속과 호환 가능한 금속으로 만들어진다. 연료 채널(14)은 보통 지르코늄 합금으로 만들어지고 지지체(34)는 예를 들어 지르코늄 또는 티타늄 합금이다.
도 7의 실시예는 스톱들(32)이 지지체(34)에 형성되고 플레이트(38)와 하나의 부품으로 만들어지는 점에서 도 2 내지 도 6의 것과 다르다. 지지체(34)는 플레이트(38)로부터 각각 연장하는 2개의 아암들(60)을 포함하고 각각의 스톱(32)은 아암(60)의 자유단에서 형성된다. 하나의 아암(60)만이 도 7에 도시된다.
지지체(34)와 일체인 스톱들(32)은 하나의 동작으로 스페이서(22)의 고정을 허용한다. 스페이서(22)는 연료 채널(14)을 더욱 보강한다. 지지체(34)의 고정은 도 7에 도시된 것과 같은 리벳팅에 의해 작업되고 대안으로 이전에 기재된 것과 같이 나사 고정 또는 용접에 의해 작업된다.
도 8의 실시예는 코너(28)에 끼워 맞춰지는 코너 피스의 형상을 갖는 스페이서가 상기 측벽들(26)의 교차부에서 코너(28)에 인접한 하나의 각각의 측벽(26)에 각각 고정되는 2개의 별개의 개개의 평탄 스페이서들(22)에 의해 대체되는 점에서 도 2 내지 도 7의 것과 다르다.
각각의 스페이서(22)는 단일 플레이트(38)로 형성되는 지지체(34) 및 플레이트(38)에 형성되는 슬롯들(46)에 스냅-핏되는 끝 부분들(44)을 가지는 스프링(36)을 포함한다. 도 8의 각각의 연료 스페이서(22)는 도 2 내지 도 5의 연료 채널 스페이서(22)의 반부(half)에 대응한다.
각각의 스페이서(22)의 지지체(34)는 위에 기재한 것과 같은 리벳팅, 나사 고정 및/또는 용접에 의해 대응하는 측벽(26)에 고정된다.
스페이서(22)로부터 떨어져 있는 스톱(32)은 각각의 측벽(26) 위에 제공된다. 대안으로, 각각의 스톱(32)은 플레이트(38)에 의해 하나의 부품으로 만들어지고 상기 도 8에 점선들로 도시된 플레이트(38)로부터 연장하는 아암(60)의 단부에 형성된다.

Claims (10)

  1. 베이스(4), 헤드(6), 상기 베이스(4)와 상기 헤드(6) 사이에서 길이방향으로 연장하는 연료봉들(8)의 번들, 상기 연료봉들(8)의 번들을 감싸는 관형 연료 채널(14), 및 인접 요소로부터 연료 조립체(2)를 횡방향으로 이격시키기 위한 적어도 하나의 연료 채널 스페이서(22)를 포함하는 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2)로서,
    상기 또는 각각의 연료 채널 스페이서(22)는 적어도 하나의 플레이트(38)를 가지는 지지체(34) 및 상기 대응하는 플레이트(38)에 의해 지지되는 적어도 하나의 대응하는 판 스프링(leaf spring; 36)을 포함하고, 상기 또는 각각의 플레이트(38)는 상기 연료 채널(14)의 대응하는 측벽(sidewall; 26)에 고정되는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 플레이트(38)는 측벽(26)에 용접되는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 플레이트(38)는 상기 연료 채널(14)의 측벽(26)에 리벳 고정되는(reveted), 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 플레이트(38)는 측벽(26)에 나사 고정되는(screwed), 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 플레이트(38)는 단일 플레이트-리벳(single plate-rivet; 40) 및/또는 스크루(screw)에 의해 상기 측벽(26)에 고정되는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 스프링(36)은 상기 플레이트(38)에 스냅-핏되는(snap-fitted), 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 플레이트(38)에 제공되는 각각의 슬롯(46)에 각각 슬라이드 가능하게 수용되는 2개의 끝 부분들(44)을 가지는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(34)는 2개의 플레이트들(38)을 직각으로 포함하고, 상기 지지체(34)는 2개의 측벽들(26)의 교차부에서 코너(28)에 끼워 맞춰지고, 각각의 플레이트(38)는 각각의 측벽(26)에 고정되는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 2개의 플레이트들(38)은 하나의 부품(one piece)인, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체(34)는 상기 연료 채널(14)의 상측 단부 앞에서 끝나는, 비등수형 원자로용 핵 연료 조립체(2).
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