KR20200089348A - 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 유로를 형성한 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유로홀을 나선형으로 형성하고 이웃하는 유로홀간 중첩되도록 하여 냉각수 흐름 경로를 복잡하게 구성함으로써 이물질 필터링 효율성을 높이고, 냉각수 유입 및 유출이 이루어지는 유입부 및 유출부 각각은 크기를 최대화하여 냉각수 압력 강하 방지를 통해 냉각수 유속이 저하되지 않도록 한 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체에 관한 것이다.
이를 위해, 복수의 유로홀을 형성하는 핵연료집합체의 하단고정체에 있어서, 상기 유로홀은, 하단고정체의 높이 방향으로 나선 방향으로 회전되면서 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체를 제공한다.

Description

나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체{A bottom nozzle of Nuclear Fuel Assembly formed spiral type flow hole}

본 발명은 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이물질 필터링 효율성을 높이면서도 냉각수 압력 강하 방지를 통해 냉각수 유속이 저하되는 것을 방지한 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체에 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 연료봉과, 이 연료봉의 횡방향으로 마련되어 연료봉을 지지하게 되는 다수의 지지격자(30)와, 이 지지격자(30)와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관(10) 및 지지격자(30)의 중심에 삽입되는 계측관(20)과, 안내관(10) 및 계측관(20)의 상하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체(40) 및 하단고정체(50)로 이루어진다.

핵연료 집합체를 구성하는 연료봉은 대략 200개 이상으로 이루어지며, 각 연료봉에는 농축된 우라늄이 일정 크기의 펠렛으로 성형되어 장입된다.

상단고정체(40)와 하단고정체(50)는 안내관(10)의 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 안내관(10)의 하단부를 고정 지지하고, 안내관(10)과 계측관(20)이 삽입되는 홀 및 냉각수가 공급되는 다수의 유로홀을 형성한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 상기 하단고정체(50)에 대하여 상세하게 살펴보도록 한다.

하단고정체(50)에는 안내관(10) 및 계측관(20)이 각각 연결되는 안내홀(51) 및 계측홀(52)과 냉각수 통과 구멍인 유로홀(53)이 형성된다.

이와 같은 구성에 의해 냉각수는 상기 유로홀(53)을 통해 연료봉 영역으로 유입되어 연료봉들 사이를 통과하면서 연료봉에서 발생되는 열을 냉각시킨다.

이때, 냉각수가 유로홀(53)을 통해 연료봉 영역으로 유입될 때, 냉각수 중에 잔존하는 이물질들 역시 냉각수와 동일한 경로로 연료봉 영역으로 함께 들어오게 된다.

즉, 원자로 가동 중에 냉각수와 함께 흐르는 여러 형태의 이물질은 유로홀(53)을 통과하여 핵연료집합체의 연료봉이 위치한 영역으로 유입되고, 연료봉과 연료봉 사이 또는 핵연료집합체 최하부 지지격자와 연료봉 사이에 끼일 수 있는 것이다.

크기가 비교적 큰 이물질이 유로홀(53)을 통해 냉각수와 같이 연료봉 사이로 유입되면, 이물질은 인접한 핵연료봉 피복관에 진동접촉하고, 그로 인해 핵연료봉 피복관을 기계적으로 마모시켜 상기 피복관을 손상시키게 된다.

이와 같이 핵연료봉에 손상을 입힐 수 있는 이물질의 종류는 절삭가공 후의 금속조각, 용접시 발생되는 찌꺼기, 볼트, 넛트, 못, 쇠톱조각 등 매우 다양하다.

핵연료봉의 피복관이 손상되면 연료봉내 핵물질의 핵반응으로 인하여 생성된 핵반응 생성물질들이 연료봉 피복관의 밖으로 유출되어 냉각수를 방사능 물질들로 오염시키고, 오염된 냉각수는 원자력 발전소의 일차 냉각 계통을 순환하면서 일차냉각수 전체를 오염시킨다.

이러한 문제점을 방지하기 위해 유로홀(53)은 원자로에서 발생하는 이물질을 여과하기 위해 그물망 형태 등 다양한 모양으로 설계가 되고 있는 실정이다.

하지만, 종래에는 이물질 필터링 효율을 높이기 위한 유로홀(53) 설계는 냉각수의 압력이 강하되어 냉각수 흐름이 원활하게 이루어지지 않고, 냉각수의 압력강하를 방지하기 위한 유로홀(53) 설계는 이물질 필터링 효율이 떨어지는 문제가 있다.

대한민국 공개번호 특2000-0061665호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유로홀을 나선형으로 형성하여 이물질 필터링 효율성을 높이고, 냉각수가 유입되고 유출되는 유로홀의 유입부 및 유로홀의 유출부는 유로홀 중간부로부터 직경이 점점 확대되면서 형성되도록 함으로써 냉각수의 압력 강하를 방지하여 냉각수 흐름이 원활하게 이루어지도록 한 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체를 제공하고자 한 것이다,

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 복수의 유로홀을 형성하는 핵연료집합체의 하단고정체에 있어서, 상기 유로홀은, 하단고정체의 높이 방향으로 나선 방향으로 회전되면서 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체를 제공한다.

이때, 상기 유로홀은 타원형의 타공수단이 회전되면서 하단고정체의 높이 방향으로 승강되면서 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 냉각수가 유입되는 유로홀의 유입부와, 냉각수가 유출되는 유로홀의 유출부는 각각, 유로홀의 중간부로부터 점점 확대되면서 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 유로홀은 이웃하는 유로홀 간 중첩된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 유로홀을 나선형으로 형성함으로써, 이물질 필터링 효율성을 높일 수 있다.

즉, 유로홀이 나선형으로 형성됨으로써, 이물질이 유로홀을 지나는 과정에서 와류 등의 난류가 발생할 수 있어 이물질을 필터링 효율성을 높일 수 있는 것이다.

특히, 이웃하는 유로홀 간, 상기 유로홀들은 서로 중첩 공간이 발생함에 따라, 유로홀 상에서의 난류는 더 심하게 발생할 수 있어, 이물질 포집이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.

둘째, 냉각수가 유입되는 유로홀의 유출부 및 냉각수가 빠져나가는 유로홀의 유출부는 유로홀의 중간부로부터 각각 점점 확대되어 형성됨으로써, 상기 유입부 및 유출부의 크기는 최대화될 수 있다.

이에 따라, 냉각수 유입 및 유출시 압력이 강하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료집합체를 나타낸 도면
도 2a는 종래 기술에 따른 핵연료집합체의 하단고정체를 나타낸 사시도
도 2b는 종래 기술에 따른 핵연료집합체의 하단고정체를 나타낸 평면도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선형 유로홀을 형성한 핵연료집합체의 하단고정체를 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선형 유로를 형성한 핵연료집합체의 하단고정체의 요부를 나타낸 사시도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선형 유로를 형성한 핵연료집합체의 하단고정체의 요부를 나타낸 측단면도
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선형 유로를 형성한 핵연료집합체의 하단고정체의 유로홀에 대응되는 구조물의 요부를 나타낸 측면도
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선형 유로를 형성한 핵연료집합체의 하단고정체의 유로홀에 대응되는 구조물의 요부를 나타낸 평면도
도 8은 도 6의 A방향에서 나타낸 도면.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선형 유로를 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체(이하, '하단고정체'라 함)에 대하여 설명하도록 한다.

하단고정체(100)는 유로홀(200)을 나선형으로 형성하여 이물질 필터링 효율을 높이면서도, 냉각수 통과시 냉각수 압력이 강하되는 것을 방지하여 냉각수 흐름이 원활하게 이루어질 수 있도록 하였다.

이에 따라, 냉각수 흐름 및 이물질 필터링 효율성을 모두 높일 수 있다.

하단고정체(100)는 냉각수가 흘러 통과하는 유로홀(200)을 형성한다.

이때, 유로홀(200)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하단고정체의 높이 방향으로 나선형으로 형성된다.

이와 같이 유로홀(200)이 나선형으로 형성됨에 따라, 냉각수 통과시 와류 현상 등의 난류가 발생할 수 있어, 이물질 필터링에 대한 효율성을 높일 수 있다.

상기 유로홀(200)은 냉각수의 유입 방향으로부터, 유입부(210), 중간부(220), 유출부(230)로 구성될 수 있는데, 상기 유로홀(200)은 타원형의 타공수단 등이 회전되면서 타공시킨 나선형의 통공 형태로 이루어진다.

이와 같은 유로홀(200)은 하단고정체(100) 상에 복수로 형성되며, 이웃하는 유로홀(200) 간에 중첩되도록 형성된다.

이와 같이 나선형의 유로홀(200)이 서로 중첩됨에 따라, 유로홀(200)의 유로는 매우 복잡한 형태로 이루어진다.

이와 같이 유로홀(200)의 형태가 나선형으로 구성되되, 이웃하는 유로홀(200)과 일부 중첩됨에 따라, 유로홀(200)은 복잡한 구성을 제공하여 냉각수 흐름시 와류 등을 발생시킬 수 있다.

이에 따라, 냉각수 흐름시, 냉각수에 포함된 이물질 필터링이 효과적으로 이루어질 수 있다.

상기 유로홀(200)의 형태에 대하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다,

하단고정체(100) 상에 유로홀(200)을 형성하기 위해서는 상기한 바와 같이 타원형의 타공수단을 회전시키면서 하단고정체(100)의 높이 방향으로 승강시키는데, 도 6은 나선형의 유로홀(200)을 형성시킴에 따라 발생한 구조물이다.

이를 통해 알 수 있듯이, 유로홀(200)은 하단고정체(100)의 상,하 방향으로 나선형을 형성함을 이해할 수 있다.

이때, 냉각수(200)가 유입되는 유입부(210)와 유출부(230)는 도면상(도 5) 상,하부에 위치되는데, 상기 유입부(210)와 유출부(230)는 도 6을 통해 알 수 있듯이, 유로홀(200)의 중간부(220)를 기준으로 각각 점점 확대되어 형성된다.

이에 따라, 유로홀(200)의 중간부(220)에서 와류가 발생하더라도, 유입부(210)와 유출부(230)의 크기는 최대화된 상태이므로 냉각수가 유로홀(200) 통과시 압력이 강하되는 현상은 발생하지 않는다.

특히, 도 6 및 도 7을 통해 알 수 있듯이, 유로홀(200)의 유입부(210)와 유출부(230)는 이웃하는 유로홀(200)의 유입부(210)와 유출부(230) 간 서로 일부 중첩 구성되므로, 상기 유입부(210) 및 유출부(230)의 크기는 더욱 최대화된다.

이에 따라, 냉각수 유입 및 유출시 압력이 강하되는 일은 발생하지 않으므로, 냉각수 유속이 떨어지는 일은 발생하지 않는다.

한편, 유로홀(200)의 중간부(220) 역시 이웃하는 유로홀(200)의 중간부(220)와 중첩된다.

도 8은 도 6에 도시된 구조물을 일측에서 나타낸 도면으로서, 유로홀(200)의 중간부(220)에 대응되는 구조물의 중간부(M)가 양측으로 볼록하게 돌출 형성됨에 따라, 유로홀(200)의 중간부(220)는 이웃하는 유로홀(200)의 중간부(220)와 서로 중첩됨을 의미한다.

이와 같은 유로홀(200)의 중간부(220)는 도 7에 도시된 바와 같이, 유로홀(200) 중간부(220)에 대응되는 구조물(M)이 이웃하는 유로홀(200) 중간부 구조물(M)과 중첩되어 있음을 나타내고 있는바, 유로홀(200)의 중간부(220)는 서로 중첩됨을 이해할 수 있다.

이와 같은 구성에 의해, 냉각수는 유입부(210)를 통해 유로홀(200) 중간부(200)로 유입된 후, 복잡한 유로홀 경로를 따라 지나가고, 이 과정에서 와류 등의 난류가 발생하면서 이물질은 걸러진다.

이후, 냉각수는 유로홀(200)의 중간부(220)에서 확대된 유출부(230)를 통해 빠져나가게 된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나선형 유로홀을 형성한 핵연료집합체의 하단고정체는 유로홀을 나선형으로 형성하고 이웃하는 유로홀 간 냉각수 흐름 경로를 중첩시킨 구성을 적용하였으며, 유로홀의 유입부 및 유출부 크기를 최대화하였다.

이에 따라, 냉각수 유속은 그대로 유지하면서도 이물질 필터링 효율을 극대화할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 하단고정체 200 : 유로홀
210 : 유입부 220 : 중간부
230 : 유출부 M : 구조물의 중간부

Claims (4)

1. 복수의 유로홀을 형성하는 핵연료집합체의 하단고정체에 있어서,
   상기 유로홀은,
   하단고정체의 높이 방향으로 나선 방향으로 회전되면서 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유로홀은 타원형의 타공수단이 회전되면서 하단고정체의 높이 방향으로 승강되면서 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   냉각수가 유입되는 유로홀의 유입부와, 냉각수가 유출되는 유로홀의 유출부는 각각, 유로홀의 중간부로부터 점점 확대되면서 형성된 것을 특징으로 하는 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 유로홀은 이웃하는 유로홀 간 중첩된 것을 특징으로 하는 나선형 유로홀을 형성한 핵연료 집합체의 하단고정체.

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