KR20190127431A - 내부 공간 확보를 위한 대나무 모양의 플레넘을 가진 핵연료봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉에 관한 것으로서, 다수의 핵연료 펠렛(1)이 수용되는 튜브 형상의 피복관(110)과; 상기 피복관(110)의 양단을 각각 밀봉하게 되는 제1봉단마개(120) 및 제2봉단마개(130)와; 상기 피복관(110) 내에 형성된 플레넘에서 핵연료 펠렛(1)을 일정 위치로 유지하도록 상기 제1봉단마개(120)에 지지되어 핵연료 펠렛(1)을 탄성 지지하게 되는 압축스프링(140);을 포함하며, 상기 제1봉단마개(120)는 상기 피복관(110) 보다 더 큰 내경(d1>d2)을 갖고 상기 피복관(110)과 연통되며, 외주면에 마디(121)가 형성됨을 특징으로 한다.

Description

내부 공간 확보를 위한 대나무 모양의 플레넘을 가진 핵연료봉{Nuclear fuel rod with bamboo shape plenum adapted to increase internal volume thereof}

본 발명은 핵연료봉에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵분열과정에서 핵연료봉 내부에 발생되는 기체를 수용하기 위한 플레넘 공간과 봉단마개를 갖는 핵연료봉에 관한 것이다.

핵연료봉은 원통 형상을 갖는 지르코늄 합금의 피복관 내에 펠렛 형태의 소결체를 다수 장입하고 피복관의 양단을 봉단마개로 용접하여 밀봉 제작된다.

도 1은 종래기술에 따른 핵연료봉의 일부 단면 구성도이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래기술의 핵연료봉(10)은, 다수의 핵연료 펠렛(1)이 수용되는 튜브 형상의 피복관(11)과, 피복관(11)의 하단을 밀봉하게 되는 하부 봉단마개(12)와, 핵연료 펠렛(1)을 탄성 지지하게 되는 압축스프링(13)('플레넘 스프링'으로도 지칭함)이 삽입되어 피복관(11)의 상단을 밀봉하게 되는 상부 봉단마개(14)로 구성된다.

피복관(11)은 복수의 핵연료 펠렛(1)이 수용되는 용기 역할을 하며, 하단과 상단 개구부에는 밀봉을 위한 하부 봉단마개(12)와 상부 봉단마개(14)가 용접되어 밀봉되며, 이때 상부 봉단마개(14) 안쪽으로 압축스프링(13)이 삽입되어 핵연료 펠렛(1)을 탄성 지지한다.

핵연료봉(10) 내에는 핵연료 펠렛(1)이 수용되지 않는 빈 공간이 형성되며, 이러한 공간을 '플레넘(Plenum)'이라 한다. 플레넘은 원자로의 가동 중에 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체를 수용하는 역할을 한다. 종래기술에서는 상부 봉단마개(14)에 압축스프링(13)이 핵연료 펠렛(1)을 탄성 지지하도록 마련되어 플레넘이 형성된다.

플레넘은 원자로의 가동 중에 핵반응에 의해 필연적으로 생성되는 핵분열 기체를 수용하는 역할을 한다. 한편 원자로의 운전 동안에 발생되는 핵분열 기체에 의해 핵연료봉의 내부 압력이 증가하게 되며, 핵연료봉의 내부 압력이 원자로 노심의 압력보다 높아지는 경우에는 피복관에 과도한 인장응력이 발생하여 핵연료봉의 건전성을 침해할 우려가 있다. 따라서 핵연료봉의 설계 시에 피복관에 과도한 인장응력이 발생하지 않도록 핵연료봉의 내압을 제한하고 있다.

원자로의 출력을 높이는 경우에는 핵분열 기체의 발생이 증가하게 되며, 따라서 핵연료봉의 내압을 줄이기 위하여 플레넘을 충분히 확보하는 것이 원자력발전소의 경제성 향상을 위해 매우 중요하다.

예를 들어, 공개특허공보 제10-2008-0060805호에서는 봉단마개에 확장홈을 형성하고 공개특허공보 제10-2009-0021543호에서는 항아리형 스프링을 사용하여 핵연료봉의 내부 공간을 확보하는 것을 제안하고 있다. 다른 예로는 중성자속이 낮은 연료봉의 양 끝단에 환형 펠렛(annular pellet)을 사용하여 핵연료봉 내부의 공간을 확보하는 것을 제안하고 있다.

공개특허공보 제10-2008-0060805호(공개일자: 2008.07.02.) 공개특허공보 제10-2009-0021543호(공개일자: 2009.03.04.)

본 발명은 핵연료봉 내에서 핵분열 기체가 수용되는 플레넘을 충분히 확보할 수 있는 구조를 갖는 핵연료봉을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료봉은, 다수의 핵연료 펠렛이 수용되는 튜브 형상의 피복관과; 상기 피복관의 양단을 각각 밀봉하게 되는 제1봉단마개 및 제2봉단마개와; 상기 피복관 내에 형성된 플레넘에서 핵연료 펠렛을 일정 위치로 유지하도록 상기 제1봉단마개에 지지되어 핵연료 펠렛을 탄성 지지하게 되는 압축스프링;을 포함하며, 상기 제1봉단마개는 상기 피복관보다 더 큰 내경(d1>d2)을 갖고 상기 피복관과 연통되며, 외주면에 마디가 형성됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1봉단마개는 상기 피복관과 연통되는 개구단에 상기 압축스프링의 일단이 지지되는 플랜지부가 형성된다.

본 발명에 따른 핵연료봉은, 핵연료 펠렛이 수용되는 피복관의 플레넘을 형성하게 되는 봉단마개가 피복관보다 더 큰 내경(d1>d2)을 갖고 스프링이 차지하는 부피를 감소시키며 상기 피복관과 연통되고 외주면에 마디가 형성됨으로써, 종래기술과 비교하여 핵연료봉의 큰 구조적인 변경이 없이도 핵분열 가스의 기체를 수용할 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 핵연료봉의 일부 단면 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉의 일부 단면 구성도.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명은 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.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉의 일부 단면 구성도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 핵연료봉(100)은, 다수의 핵연료 펠렛(1)이 수용되는 튜브 형상의 피복관(110)과, 피복관(110)의 양단을 각각 밀봉하게 되는 제1봉단마개(120) 및 제2봉단마개(130)와, 피복관(110) 내에 형성된 플레넘에서 핵연료 펠렛(1)을 일정 위치로 유지하도록 제1봉단마개(120)에 지지되어 핵연료 펠렛(1)을 탄성 지지하게 되는 압축스프링(140)을 포함한다.

바람직하게는, 제1봉단마개(120)는 내부에 소정의 내경(d1)을 갖는 빈공간(120a)이 형성되며, 제1봉단마개(120)는 피복관(110)의 내경(d2) 보다 더 큰 내경(d1>d2)을 갖는다. 보다 바람직하게는, 제1봉단마개(120)는 내압에 함몰되는 것을 방지할 수 있는 다수의 마디(121)가 외주면에 형성된다.

바람직하게는, 제1봉단마개(120)는 피복관(110)과 연통되는 개구단에 압축스프링(140)의 일단이 지지되는 플랜지부(122)가 형성된다.

이러한 제1봉단마개(120)는 피복관(110)과 연통된 플레넘을 가지며, 따라서 종래기술과 비교하여 핵분열 가스의 기체를 수용할 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있다.

특히, 핵연료봉(110)의 길이(L)는 일정하게 유지하면서도, 플레넘 스프링(압축 스프링)(140)의 길이(L1)를 줄이면서 제1봉단마개(120)의 길이(L2)를 길게 설계하여 핵분열 가스를 수용할 수 있는 빈공간을 충분히 확보할 수 있다. 관련하여 봉단마개가 피복관과 동일한 내경(d1=d2)을 갖는 경우에도 핵연료봉의 내압이 약 1.6% 감소되는 것을 확인하였다.

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 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

110 : 피복관 120 : 제1봉단마개
121 : 마디 122 : 플랜지부
130 : 제2봉단마개 140 : 압축스프링

Claims (2)

1. 다수의 핵연료 펠렛이 수용되는 튜브 형상의 피복관과;
   상기 피복관의 양단을 각각 밀봉하게 되는 제1봉단마개 및 제2봉단마개와;
   상기 피복관 내에 형성된 플레넘에서 핵연료 펠렛을 일정 위치로 유지하도록 상기 제1봉단마개에 지지되어 핵연료 펠렛을 탄성 지지하게 되는 압축스프링;을 포함하며,
   상기 제1봉단마개는 상기 피복관보다 더 큰 내경(d1>d2)을 갖고 상기 피복관과 연통되며, 외주면에 마디가 형성됨을 특징으로 하는 핵연료봉.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1봉단마개는 상기 피복관과 연통되는 개구단에 상기 압축스프링의 일단이 지지되는 플랜지부가 형성됨을 특징으로 하는 핵연료봉.

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