KR20180069257A - 핵연료봉 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉 지지격자에 관한 것으로, 복수 개의 스트립이 결합되어 덕트 형태의 단위격자 셀을 형성하고, 상기 단위격자 셀에 핵연료봉이 수용되어 지지되는 핵연료봉 지지격자에 있어서, 상기 스트립은 상기 단위격자 셀을 구획하도록 금속판 형태로 형성되는 구획부, 및 상기 구획부의 면에 형성되고 냉각재의 유동을 유도하도록 축 방향을 가로지르는 방향으로 비스듬하게 형성된 유동가이드부를 포함하여 유동가이드부에 의하여 냉각재의 회전유동을 유발시켜 냉각효율을 증대시키고, 핵연료봉을 지지하는 지지력을 증대시켜 스프링 및 딤플구조를 대체하는 효과가 있다.

Description

핵연료봉 지지격자 {NUCLEAR FUEL GRID ASSEMBLY}

본 발명은 핵연료봉 지지격자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 덕트 형태의 단위격자 셀에 핵연료봉을 수용하여 지지하고 냉각재를 통과시켜 핵연료를 냉각시키는 핵연료봉 지지격자에 관한 것이다.

일반적으로 원자로에 사용되는 핵연료집합체는 다수의 지지격자 그리고 하단고정체, 상단고정체, 안내관, 핵연료봉 등으로 구성되어 있다.

핵연료봉들은 핵연료집합체 내에 정방향으로 배열되며 지지격자체에 의해 고정되도록 이루어져 있다. 지지격자체는 좁고 얇은 판들로서 구성되어 있는데 이들이 서로 종횡으로 끼워지고 교차점에서 용접됨으로써 격자를 이루고 있다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면 핵연료봉(1)들을 받아들일 수 있는 다수의 정방형 단위격자 셀을 형성하고 있다. 지지격자체를 구성하는 종횡 스트립(2) 들에 의해 형성된 정방형 단위격자 셀 벽면에 위치한 스프링(2b)과 그 스프링의 반대편 벽면에 위치한 강성이 큰 딤플은 핵연료봉을 고정하도록 이루어져 있다. 또한 스트립(2)의 단부에는 회전유동 또는 와류를 발생시킬 수 있는 베인(2a)이 형성되어 있다.

여기서, 핵연료집합체 구조 안에서 핵연료봉을 지지하는 지지격자체의 스프링(2b) 및 딤플은 냉각재 유동, 지진 및 외부 충격과 같은 외부 영향에 의해 발생하는 축방향, 반경방향과 회전방향의 외력에 대해 핵연료봉 움직임을 억제하는 힘을 제공하도록 이루어져야 하며, 격자판으로 엮어진 지지격자체의 측면에 작용하는 외부 하중으로부터 정방형 단위격자셀의 형상을 지탱하도록 이루어져야 한다. 또한, 중성자조사에 의해서 핵연료봉을 지지하는 스프링력이 감소하여도 주기 말에서는 핵연료봉과 접촉하고 있을 정도의 최소한의 스프링력이 유지되도록 이루어져야 한다.

한편, 스프링력이 너무 크면 중성자 조사에 의한 핵연료봉의 축방향으로의 성장이 억제되어 핵연료봉을 휘게 함으로써, 부수로의 확보가 곤란하여 냉각성능이 저하될 수 있게 되고, 스프링력이 너무 약하면 중성자 조사에 의한 스프링력 완화에 의하여 핵연료봉을 지지하는 능력이 상실되어 궁극적으로는 연료봉 진동, 프레팅 마모 등을 야기하여 핵연료봉의 손상을 초래할 수 있게 된다.

일반적으로 원자로내 동력의 일부는 노심 내를 흐르는 냉각재에 유동을 발생시키는 에너지원으로 사용된다. 동력의 크기는 냉각재가 흐르는 유로의 수력적 저항의 크기에 의존하는데 유로의 형상이 냉각재 유동을 방해할 경우 많은 량의 동력이 필요하며, 유선형일 경우에는 작은 동력으로도 노심 내에서 일정한 냉각재 유동 혼합을 효과적으로 발생시키면서도 유동에 대한 수력적 저항이 작도록 형성하여야 한다.

기존 경수로용 발전소에 사용되는 지지격자의 기본 형태는 미합중국 특허 제3,395,077호에서 제시되어 있으며, 격자판의 형태 및 스프링의 형상이 특별한 지지격자는 미합중국 특허 제4,426,355호, 제4,726,926호, 제4,803,043 및 제4,888,152호에서 제시되어 있다.

먼저, 미합중국 특허 제4,426,355호에 제시된 지지격자는 격자판 형상을 물결형으로 굴곡 형성함으로써 돌출된 격자판이 딤플 역할을 하도록 이루어져 있다. 미합중국 특허 제4,726,926에 제시된 지지격자는 얇고 좁은 판을 포개어 종횡으로 끼우고 중앙 교차점 부근을 용접함으로써 격자체를 형성하고, 격자판을 변형함으로써 부수로와 스프링, 딤플을 제공하고 있다. 미합중국 특허 제4,803,043호에 제시된 지지격자는 격자판 벽면에서 돌출된 스프링을 대각선 방향으로 위치시킴으로써 스프링의 유효길이를 증가시켰다. 미합중국 특허 제4,888,152호에 제시된 지지격자는 단면이 사각형인 덕트형으로 이루어져 덕트의 몸통 부분을 절개하고 서로 끼움으로써 옆으로 평행하게 배열된 구조로 형성되어 있다.

상기에서 언급된 지지격자는 대부분 격자판을 사용하는 구조로 이루어진 것으로, 이러한 격자판형 지지격자는 속도가 큰 부수로 가운데로 격자판들이 통과함에 따라 지지격자의 압력손실이 증가하는 단점이 있다. 상기에서 언급된 덕트형 지지격자는 부수로의 가운데를 격자판들이 통과하지 않으나, 강성이 높은 격자체 모서리가 핵연료봉을 지지하도록 구성됨에 따라 핵연료봉이 진동할 경우 핵연료봉이 손상될 가능성을 내포하고 있다.

원자로 노심은 중성자속 분포의 불균형으로 인해 봉별 출력 불균형이 존재한다. 높은 열출력을 갖는 핵연료봉에 인접한 부수로는 다른 이웃 부수로들에 비해 높은 엔탈피 상승을 갖는다. 엔탈피 상승이 높은 부수로는 출력이 증가함에 따라 다른 이웃 부수로에 비해 먼저 비등하며, 시간이 지남에 따라 핵비등을 거쳐 막비등 형태의 유동형상을 보인다. 부수로내의 냉각재 유동형상이 핵연료봉 표면에 기포막을 형성하는 막비등 유동에 도달하면 이 기포막은 핵연료봉에서 냉각재로의 열전달을 차단시킴으로써 핵연료봉 온도를 상승시킨다. 피복관 표면의 온도 상승은 피복관에서 국부적 열응력을 발생시키고 온도가 더욱 높아지면 피복관과 우라늄 소결체 온도가 용융점에 도달할 수도 있다. 현재 노심은 부수로 내에서 막비등이 발생하지 않도록 운전을 제한하고 있다. 이러한 현상은 일반적으로 핵비등 이탈로 정의되는데 이는 봉 간격, 계 압력, 열 출력, 냉각재 엔탈피 및 냉각재 온도에 영향을 받는다. 이러한 핵비등에 도달하지 않으며 높은 출력을 발생시키는 방안으로 원자로내의 냉각재 온도 분포를 균일하게 유지함으로써 국부적으로 냉각재가 높은 온도에 도달하는 것을 피함으로써 열출력을 최대화시키는 것인데 이를 위해 부수로 내 혹은 부수로 간의 냉각재 혼합을 증진시키는 것이다. 냉각재 혼합을 위해 일반적으로 격자판 상부에 일체형 유동혼합장치인 날개가 설치된다. 이 날개는 임의의 부수로로부터 이웃 부수로로 냉각재 혼합을 위해 반경방향 유동을 발생시키거나 부수로 내 혹은 핵연료봉 둘레로 회전류를 발생시키도록 이루어진다.

미합중국 특허 제4,879,090호는 날개의 일반적 형태에 대하여 제시하고 있으며, 미합중국 특허 제5,299,245호와 제5,110,539호 그리고 제5,440,599호는 다른 형태의 날개를 보여주고 있다. 미합중국 특허 제4,726,926호는 특별한 형태의 수로형상 혼합날개를 보여주고 있다.

우선, 미합중국 특허 제5,299,245호에 제시된 혼합날개는 끝이 분리된 날개형으로서 부수로 안에 4개가 존재하며, 부수로의 냉각재를 회전시키는 역할을 하도록 이루어져 있다. 그러나 이 혼합날개는 부수로 안에 존재하는 날개가 냉각재 유동을 방해함에 따라 혼합날개에 의한 압력손실이 증가하는 문제점을 내포하고 있다. 미합중국 특허 제5,110,539호에 제시된 혼합날개는 끝이 분리된 날개형으로 한 부수로 안에 2개가 존재하며 부수로의 냉각재를 회전시키는 역할을 하도록 형성되어 있다. 그러나, 혼합을 증진시키기 위해 최적화된 날개는 핵연료 조립 시 삽입되는 핵연료봉에 의해 손상을 받을 수 있는 문제점이 있다. 미합중국 특허 제5,440,599호에 제시된 혼합날개는 날개를 옆에서 지지하는 형상으로 부수로 안에 한쌍이 존재하며, 부수로 중심의 냉각재를 이웃 부수로 쪽으로 이동시키는 역할을 하도록 이루어져 있다. 그러나 이 혼합날개를 통해 나온 횡류는 부수로 중앙을 통해 흐르는 주류와 충돌함에 따라 주류에 의해 횡류 진행이 방해받게 되고 냉각재 혼합 효과가 감소되는 문제점이 있다. 미합중국 특허 제4,726,926호에 제시된 혼합날개는 끝이 휜 수로형으로 봉과 봉 사이의 간극 수로에서의 냉각재를 부수로 중심으로 이동시키는 역할을 한다. 그러나 이 혼합날개를 통해 나온 냉각재는 마주보는 혼합날개로부터 유출되는 냉각재와 서로 충돌함에 따라 회전유동에 의한 냉각재 혼합 효과가 감소된다. 냉각재 혼합 날개는 대부분 격자판형 격자체 상부 교차점에 위치하고 있다. 교차점에는 용접부가 존재하며 상부 교차점에 위치한 날개는 용접부의 영향에 의해 냉각 효과가 떨어진다.

그러므로 핵연료봉의 지지력을 강화시키고, 회전 유동에 의한 냉각재의 혼합 효과를 증가시키는 핵연료봉 지지구조를 개발할 필요가 증가하고 있다.

대한민국등록특허공보 제0330355호(2001.03.14.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 핵연료봉 지지격자가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로 냉각재의 회전유동을 강화시키는 핵연료봉 지지격자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 핵연료봉 지지격자는 복수 개의 스트립이 결합되어 덕트 형태의 단위격자 셀을 형성하고, 상기 단위격자 셀에 핵연료봉이 수용되어 지지되는 핵연료봉 지지격자에 있어서, 상기 스트립은 상기 단위격자 셀을 구획하도록 금속판 형태로 형성되는 구획부, 및 상기 구획부의 면에 형성되고 냉각재의 유동을 유도하도록 축 방향을 가로지르는 방향으로 비스듬하게 형성된 유동가이드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 핵연료봉 지지격자에 의하면, 유동가이드부에 의하여 냉각재의 회전유동을 유발시켜 냉각효율을 증대시키고, 핵연료봉을 지지하는 지지력을 증대시켜 스프링 및 딤플구조를 대체하는 효과가 있다.

도 1a은 종래의 핵연료봉 지지격자에 대한 사진,
도 1b는 종래의 핵연료봉 지지격자과 핵연료봉을 결합시킨 상태의 사진,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 지지격자의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 지지격자를 이루는 스트립의 배치에 대한 사시도,
도 4는 본 발명에서 하나의 구획부에 복수 개의 유동가이드부가 형서된 상태에 대한 사시도,
도 5는 냉각재의 회전유동 방향을 설명하기 위한 상측면도,
도 6은 볼록가이드부로만 구성된 단위격자 셀의 경우의 상측면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 지지격자는, 단위격자 셀(10)을 포함하고, 상기 단위격자 셀(10)은 복수 개의 스트립(100)을 포함하며, 상기 스트립(100)은 구획부(110) 및 유동가이드부(120)를 포함한다.

즉, 상기 구획부(110) 및 상기 유동가이드부(120)로 이루어진 상기 스트립(100)이 복수 개 결합되어 상기 단위격자 셀(10)을 형성한다.

한편, 도 2에서는 4개의 상기 단위격자 셀(10)이 형성된 본 발명의 핵연료봉 지지격자가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 아니한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 구획부(110)는 사각형의 금속판 형태로 형성되되, 상기 구획부(110)의 면에 상기 유동가이드부(120)가 형성된다.

이때, 복수 개의 상기 구획부(110)는 서로 맞대어 접합되어 핵연료봉(20)을 수용 가능하도록 덕트 형태의 상기 단위격자 셀(10)을 형성한다. 즉, 사각형의 금속판 형태인 복수 개의 상기 구획부(110)의 양쪽 측단부가 서로 맞대어 접합(용접)되면 정다각기둥 형태의 상기 단위격자 셀(10)이 형성되고, 상기 단위격자 셀(10)의 축 방향(이하 축 방향이라 한다.)으로 핵연료봉(20)이 수용 가능해진다.

한편, 본 실시예에서는 상기 핵연료봉(20)을 지지하도록 종래의 핵연료봉 지지격자와 같이 상기 구획부(110)에 딤플(도면 미기재) 또는 스프링(도면 미기재)을 더 구비시키는 것도 가능하다.

또한, 본 실시예에서 상기 단위격자 셀(10)은 상기 구획부(110)를 가로세로 서로 수직하게 맞대어 접합(용접)시켜 정사각기둥의 형태로 형성되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 유동가이드부(120)는 볼록가이드부(121)와 오목가이드부(123)를 포함한다. 이때, 상기 유동가이드부(120)는 축 방향을 가로지르는 방향으로 비스듬하게 기울어져 형성된다.

상기 볼록가이드부(121)는 상기 구획부(110)에서 돌출되게 형성되고, 상기 오목가이드부(123)는 상기 구획부(110)에서 오목하게 함입되어 형성된다.

한편, 본 실시예에서는 상기 구획부(110)의 한쪽 면에는 상기 볼록가이드부(121)가 돌출되어 형성되는 동시에 그 이면에는 상기 오목가이드부(123)가 함입되어 형성되도록 상기 구획부(110)를 압연 가공하였으나, 이에 한정되지 않고, 판 형태의 상기 구획부(110)에 돌출된 리브 형태의 부재를 접합시켜 상기 볼록가이드부(121)를 형성하는 것도 가능하고, 판 형태의 상기 구획부(110)를 기계가공에 의하여 홈을 파서 상기 오목가이드부(123)를 형성시키는 것도 가능하다.

한편, 상기 스트립(100)은 도 3과 같이 상기 구획부(110) 상에 하나의 상기 유동가이드부(120)를 형성시키는 것은 물론, 도 4와 같이 하나의 상기 구획부(110) 상에 복수 개의 상기 유동가이드부(120)를 형성시키는 것도 가능하다.

도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료봉 지지격자의 조립 및 효과를 설명하면, 상기 구획부(110) 및 상기 유동가이드부(120)로 이루어진 상기 스트립(100)을 복수 개 용접하여 하나의 덕트 형태의 상기 단위격자 셀(10)이 형성된다.

이때, 상기 유동가이드부(120)가 기울어진 방향이 일정하도록 배치하여 용접하면, 덕트 형태의 상기 단위격자 셀(10)의 내주면에는 일정한 방향으로 기울어진 상기 유동가이드부(120)가 형성된다.

도 5를 참조하면, 덕트 형태의 상기 단위격자 셀(10)에 핵연료봉(20)이 수용되면, 상기 단위격자 셀(10)의 내부에 유입된 냉각재는 상기 구획부(10)와 상기 유동가이드부(120) 및 상기 핵연료봉(20)으로 둘러싸인 공간을 따라 흐르게 된다. 이때, 상기 유동가이드부(120)가 비스듬하게 기울어져 형성되어 있으면, 냉각재 또한 상기 유동가이드부(120)의 기울어진 방향을 따라 비스듬하게 흐르게 되고, 원기둥 형태로 형성된 상기 핵연료봉(20)의 외주면을 따라 이동하면서 회전 유동이 발생하게 된다. 이는 종래 핵연료봉 지지격자가 단순히 와류를 유발시키도록 스트립의 단부에 베인을 설치한 것에 비하여 상기 단위격자 셀(10)을 통과하는 과정에서 지속적으로 회전 유동이 발생하여 냉각 성능을 대폭 향상시킬 수 있다.

또한, 하나의 상기 구획부(110)에 복수 개의 상기 유동가이드부(120)를 형성시키는 경우에는 상기 단위격자 셀(10) 내부를 통과하는 냉각재의 흐름을 더욱 강력하게 유도시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 구획부(110)의 한쪽 면에는 상기 볼록가이드부(121)가 돌출되어 형성되는 동시에 그 이면에는 상기 오목가이드부(123)가 함입되어 형성되도록 상기 구획부(110)를 압연 가공하여, 하나의 생산과정 만으로 양쪽 면에 상기 유동가이드부(120)를 형성시켜 생산 비용을 감소시키고 생산 시간을 단축시킨다.

또한, 상기 볼록가이드부(121)를 접합시키거나, 상기 오목가이드부(123)를 깎아서 형성시키는 경우에 비하여 균일한 상기 스트립(100)을 생산할 수 있어 내구성을 확보할 수 있고, 불량률을 감소시킬 수 있다.

한편 도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵연료봉 지지격자가 도시되어 있다. 본 실시예에서는 유동가이드부(120`)가 구획부(110`)에서 돌출되도록 형성되고, 상기 유동가이드부(120`)는 핵연료봉(20`)과 서로 접촉지지된다.

즉, 상기 핵연료봉(20`)과 접촉지지 가능하도록 상기 구획부(110`)의 폭(W)의 절반((1/2)W)과 핵연료봉의 반지름(R)의 차이((1/2)W-R)만큼 상기 유동가이드부(120`)를 돌출시키면, 상기 유동가이드부(120`)와 상기 핵연료봉(20`)이 서로 접촉된다.

그 결과 상기 유동가이드부(120`)에 의하여 상기 핵연료봉(20`)이 접촉지지되므로, 종래의 핵연료봉 지지격자에서 핵연료봉의 지지력을 향상시키기 위하여 딤플 및 스프링을 추가로 구비하던 것과 달리 상기 유동가이드부(120`)가 지지력을 향상시키는 역할까지 동시에 수행하므로, 부품 수 감소를 통한 생산 효율 증대 및 부품의 하자 발생 가능성을 감소시키는 효과가 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 단위격자 셀
20, 20` : 핵연료봉
100 : 스트립
110, 110` : 구획부
120, 120` : 유동가이드부
121 : 볼록가이드부
123 : 오목가이드부

Claims (7)

1. 복수 개의 스트립이 결합되어 덕트 형태의 단위격자 셀을 형성하고, 상기 단위격자 셀에 핵연료봉이 수용되어 지지되는 핵연료봉 지지격자에 있어서,
   상기 스트립은,
   상기 단위격자 셀을 구획하도록 금속판 형태로 형성되는 구획부; 및
   상기 구획부의 면에 형성되고, 냉각재의 유동을 유도하도록 축 방향을 가로지르는 방향으로 비스듬하게 형성된 유동가이드부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 유동가이드부는,
   냉각재의 유동을 유도하도록 상기 구획부에서 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 유동가이드부는,
   핵연료봉과 접촉지지 가능하도록 상기 구획부의 폭(W)의 절반과 핵연료봉의 반지름(R)의 차이((1/2)W-R)만큼 돌출된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 유동가이드부는,
   냉각재의 유동을 유도하도록 상기 구획부에서 오목하게 함입되어 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 유동가이드부는,
   냉각재의 유동을 유도하도록 상기 구획부에서 볼록하게 벤딩되어 형성된 볼록가이드부; 및
   상기 볼록가이드부의 이면에 형성된 오목가이드부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   
6. 제1항에 있어서,
   복수 개의 상기 스트립이 서로 맞닿게 연결되어 상기 단위격자 셀이 형성되되, 냉각재의 유동 방향을 일정하게 유지시키도록 상기 단위격자 셀의 내주면에 형성된 상기 유동가이드부의 형성 방향이 일정한 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 스트립은,
   상기 유동가이드부가 복수 개 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 지지격자.
   

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