KR20220008908A - 핵 연료 조립체 저부 노즐을 위한 파편 여과 배열체 및 이를 포함하는 저부 노즐 - Google Patents

Abstract

원자로 내의 연료 조립체의 저부 노즐에 사용하기 위한 여과 배열체는 상부 표면, 저부 표면, 저부 표면과 상부 표면 사이에서 연장되고 배열체를 통해 저부 표면과 상부 표면 사이에서 연장되는 복수의 비원형 통로를 형성하는 대체로 사각형 그리드형 패턴으로 배열되는 복수의 수직 벽 부분, 및 복수의 통로의 각각의 통로를 대체로 가로질러 걸쳐 있도록 상부 표면과 저부 표면 사이에 각각 위치결정되는 복수의 제1 파편 필터를 포함한다.

Description

핵 연료 조립체 저부 노즐을 위한 파편 여과 배열체 및 이를 포함하는 저부 노즐

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 2019년 5월 22일자로 출원되고 발명의 명칭이 DEBRIS FILTERING ARRANGEMENT FOR NUCLEAR FUEL ASSEMBLY BOTTOM NOZZLE AND BOTTOM NOZZLE INCLUDING SAME인 미국 특허 출원 제16/419,620호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 원자로에 관한 것이고, 더 구체적으로는 가압수형 원자로(PWR)에 채용되는 것과 같은 핵 연료 조립체에서 사용하기 위한 저부 노즐을 위한 파편 여과 배열체에 관한 것이다.

원자로 냉각재 순환 시스템을 포함하는 구성요소의 제조와 후속 설치 및 수리 동안, 원자로 용기 및 다양한 동작 조건 하에서 그를 통해 냉각재를 순환시키는 그것의 연관된 시스템으로부터의 모든 파편의 제거를 보증하기 위해 부지런한 노력이 수행된다. 파편 제거를 보증하는 것을 돕기 위해 정교한 절차가 수행되지만, 경험에 따르면, 이러한 제거를 달성하는 데 사용되는 세이프가드에도 불구하고, 금속 칩 및 금속 입자 같은 일부 소량의 파편이 여전히 시스템 내에 은폐 상태로 남아 있다. 파편의 대부분은 금속 와이어, 칩 및 선삭물들로 구성되며, 이들은 증기 발생기 수리 또는 교체 또는 연료재장전 프로세스 동안의 유사한 유형의 플랜트 수정 후에 주요 시스템에 남을 가능성이 있다. 이러한 유형의 파편이 플랜트 동작 동안 연료 영역 내로 나아가지 않도록 보장하는 것이 바람직하다.

특히, 최하위 그리드에 포획된 파편으로 인한 연료 조립체 손상이 지금까지 여러 원자로에서 주목되었다. 파편이 플랜트가 시동될 때에 하위 코어 지지 플레이트 내의 냉각재 유동 개구로부터 연료 조립체 저부 노즐 유동 구멍을 통해 진입된다. 파편은 그리드의 "에그-크레이트(egg-crate)" 형상 셀 벽과 연료봉 튜브의 하위 단부 부분 사이의 공간 내에서 연료 조립체의 최하위 지지 그리드 내에 박히게 되는 경향이 있다. 손상은 연료 튜브의 외부와 접촉되는 파편의 프레팅(fretting)에 의해 야기되는 연료봉 튜브 천공을 포함한다. 파편은 또한 노즐 플레이트 구멍 내에 말려들 수 있고, 유동하는 냉각재는 파편이 선회되게 하고, 이것은 연료봉의 클래딩(cladding)을 절단하는 경향이 있다.

원자로로부터 파편의 제거를 수행하기 위해 여러 상이한 접근법이 제안되었고 시도되었다. 이들 접근법 중 다수는 Mayers 등에 허여된 미국 특허 제4,096,032호 및 Shallenberger 등에게 허여된 미국 특허 제4,900,507호에 설명되어 있으며, 이들은 다른 접근법을 예시한다. 또 다른 접근법은 노즐의 본체로부터 돌출하는 메시 스파이어(mesh spire)를 사용한다. 그러나, 이러한 설계는 연료봉과 간섭할 위험이 있고, 운송 및 조립 중에 손상될 가능성이 있는 파편 포획 특징부를 갖는다.

전술된 접근법의 일부는 적당하게 양호하게 동작하고 일반적으로 이들이 설계되었던 동작 조건의 범위 하에서 이들의 목적을 성취하지만, 원자로 내의 파편 여과의 문제점에 대한 개선된 해결책에 대한 요구가 여전히 존재한다. 새로운 접근법은 원자로의 구성요소의 기존의 구조 및 동작과 호환가능해야 하고, 원자로의 동작 사이클 전체에 걸쳐 효과적이어야 하며, 적어도 추가된 임의의 비용을 능가하는 전체적인 이익을 제공하여야 한다.

본 명세서에서 설명된 것과 같은 개념의 실시예는 가압수형 원자로(PWR)에서 사용되는 것과 같은 연료 조립체를 위한 개선된 파편 포획 특징부를 제공하고, 동시에 기존의 저부 노즐 설계에 비해 압력 강하를 최소화한다. 본 발명의 실시예는 또한 유동 통로를 유선화(streamline)하여 압력 손실 계수를 감소시키도록 설계되는 독특한 파편 포획 특징부를 이용한다. 상기 설계는 통상적인 동작 조건 중에 보여지는 표준 조건의 상업용 PWR 원자로와 연관된 더 높은 유량에서 특히 효과적이다.

하나의 양태로서, 원자로 내의 연료 조립체의 저부 노즐에서 사용되는 여과 배열체가 제공된다. 여과 배열체는 상부 표면; 저부 표면; 저부 표면과 상부 표면 사이에서 연장되고 배열체를 통해 저부 표면과 상부 표면 사이에서 연장되는 복수의 비원형 통로를 형성하는 대체로 사각형 그리드형 패턴으로 배열되는 복수의 수직 벽 부분; 및 복수의 제1 파편 필터로서, 각각의 파편 필터는 복수의 통로의 각각의 통로를 대체로 가로질러 걸쳐 있도록 상부 표면과 저부 표면 사이에 위치결정되는, 복수의 제1 파편 필터를 포함한다.

각각의 제1 파편 필터는 격자 구조물을 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하도록 크기결정되고 구성되는 격자 구조물로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물을 포함할 수 있다.

여과 배열체 바로 위 또는 여과 배열체 바로 아래에서 볼 때, 각각의 제1 파편 필터의 격자 구조물은 제1 사각형 그리드형 패턴을 형성하도록 배열될 수 있다.

적어도 하나의 제1 파편 필터는 아래에서 위로 좁아질 수 있다.

적어도 하나의 제1 파편 필터는 위에서 아래로 좁아질 수 있다.

여과 배열체는 복수의 통로의 각각의 통로를 대체로 가로질러 걸쳐 있도록 상부 표면과 제1 파편 필터 사이에 각각 위치결정되는 복수의 제2 파편 필터를 더 포함할 수 있다.

각각의 제1 파편 필터는 격자 구조물을 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하도록 크기결정되고 구성되는 격자 구조물로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물을 포함할 수 있으며, 각각의 제2 파편 필터는 격자 구조물을 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하도록 크기결정되고 구성되는 격자 구조물로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물을 포함할 수 있다.

여과 배열체 바로 위 또는 여과 배열체 바로 아래에서 볼 때, 각각의 제2 파편 필터의 격자 구조물은 제2 사각형 그리드형 패턴을 형성하도록 배열될 수 있다.

위에서 볼 때, 제2 사각형 그리드형 패턴은 제1 사각형 그리드형 패턴으로부터 소정 거리 오프셋될 수 있다.

적어도 하나의 제1 파편 필터는 아래에서 위로 좁아질 수 있으며, 적어도 하나의 제2 파편 필터는 아래에서 위로 좁아질 수 있다.

적어도 하나의 제1 파편 필터는 위에서 아래로 좁아질 수 있으며, 적어도 하나의 제2 파편 필터는 위에서 아래로 좁아질 수 있다.

다른 양태로서, 원자로 내의 연료 조립체에 사용하기 위한 저부 노즐 조립체가 제공된다. 저부 노즐 조립체는 대체로 직사각형 스커트 부분 및 대체로 직사각형 기부 부분에 결합되는 전술한 바와 같은 여과 배열체를 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징, 및 특성과 제조의 경제성 및 부품들의 조합 및 구조의 관련 요소들의 동작 및 기능의 방법은 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구항을 고려하면 더 명확해질 것이며, 이들 전부는 본 명세서의 일부를 형성하고, 유사 참조 번호는 여러 도면에서 대응하는 부분을 나타낸다. 그러나, 도면들은 예시 및 설명의 목적일 뿐이고, 본 발명의 제한들의 정의로서 의도되지 않는 점이 명백히 이해되어야 한다.

첨부 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 파편 필터 저부 노즐을 포함하는 종래의 연료 조립체의, 부분적으로 단면도인 정면도이고, 조립체는 명확성을 위해 부품들이 분리된 상태로 수직으로 축소된 형태로 도시되어 있다.
도 2는 도 1의 연료 조립체의 종래의 파편 필터 저부 노즐의 등각도이다.
도 3은 도 2에 도시된 것과 같은 파편 필터 저부 노즐의 대체로 중앙 부분의 단면도이며, 연료봉 주위에 배치되고 유동 플레이트 상에 놓이는 지지 그리드의 스트랩(strap)과 함께 저부 노즐의 유동 플레이트 상에 배치된 예시적인 연료봉(단면으로 개략적으로 도시됨)을 함께 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 여과 배열체의 사시도이다.
도 5는 도 4의 선 5-5를 따라 절단되어 도시된 도 4의 여과 배열체의 다른 사시도이다.
도 6은 도 4의 여과 배열체의 평면도이다.
도 7은 도 6의 선 7-7을 따라 취한 도 4의 여과 배열체의 정단면도이다.
도 8은 도 6의 선 8-8을 따라 취한 도 4의 여과 배열체의 다른 정단면도이다.
도 9는 9로 나타낸 도 4의 여과 배열체의 대표적인 반복 유닛의 확대 사시도이다.
도 10은 도 9의 반복 유닛의 평면도이다.
도 11은 도 10의 선 11-11을 따라 취한 도 9의 반복 유닛의 정단면도이다.
도 12는 도 10의 선 12-12를 따라 취한 도 9의 반복 유닛의 정단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 다른 여과 배열체의 사시도이다.
도 14는 도 13의 선 14-14를 따라 절단되어 도시된 도 13의 여과 배열체의 다른 사시도이다.
도 15는 도 13의 여과 배열체의 평면도이다.
도 16은 도 15의 선 16-16을 따라 취한 도 13의 여과 배열체의 정단면도이다.
도 17은 17로 나타낸 도 13의 여과 배열체의 대표적인 반복 유닛의 확대 사시도이다.
도 18은 도 17의 반복 유닛의 평면도이다.
도 19는 도 18의 선 19-19를 따라 취한 도 17의 반복 유닛의 정단면도이다.

이하의 설명에서, 유사 참조 부호는 도면에 도시되는 여러 도면 전체를 통해 유사 또는 대응 부분을 표시한다. 또한, 이하의 설명에서, "전방", "후방", "좌측", "우측", "상향", "하향" 등과 같은 용어는 편의상 단어이고 한정 용어로서 해석되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다.

이제 도면을 참조하면, 도 1은 수직으로 축소된 형태로 표현되고 본 발명의 실시예가 채용될 수 있는 번호 10에 의해 전체적으로 표시되는 종래 기술의 연료 조립체의 정면도를 도시한다. 연료 조립체(10)는, 가압수형 원자로에서 사용되는 유형이고, 그 하위 단부에 미국 특허 제4,900,507호에 기재된 것과 같은 파편 필터 저부 노즐(12)을 포함하는 구조 골격을 갖는다. 저부 노즐(12)은 원자로(도시되지 않음)의 코어 영역 내의 하위 코어 지지 플레이트(14) 상에 연료 조립체(10)를 지지한다. 저부 노즐(12)에 추가하여, 연료 조립체(10)의 구조 골격은 또한 그 상위 단부에 상부 노즐(16)을 포함하고, 저부 노즐(12)과 상부 노즐(16) 사이에서 길이방향으로 연장되고 대향 단부에서 거기에 부착되는 다수의 안내 튜브 또는 심블(thimble)(18)을 포함한다.

연료 조립체(10)는 안내 심블(18)을 따라 축방향으로 이격되고 그에 장착되는 복수의 횡방향 그리드(20) 및 횡방향으로 이격되고 그리드(20)에 의해 지지되는 세장형 연료봉(22)의 구조화된 어레이를 더 포함한다. 또한, 조립체(10)는 그 중심에 위치되며 저부 노즐(12)과 상부 노즐(16) 사이에서 연장되고 거기에 장착되는 계기 튜브(instrumentation tube)(24)를 갖는다. 부품들의 이러한 배열에 의해, 연료 조립체(10)는 조립 부품을 손상시키지 않으면서 편리하게 핸들링될 수 있는 일체형 유닛을 형성한다.

전술한 바와 같이, 조립체(10) 내의 그 어레이 내의 연료봉(22)은 연료 조립체 길이를 따라서 이격된 그리드(20)에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(22)은 핵 연료 펠릿(26)을 포함하고, 그 대향 단부에서 상위 및 하위 단부 플러그(28, 30)에 의해 폐쇄된다. 펠릿(26)은, 상위 단부 플러그(28)와 펠릿 적층체(pellet stack)의 상부 사이에 배치된, 플리넘 스프링(plenum spring)(32)에 의해 그 적층체에 유지된다. 핵분열 물질로 구성된 연료 펠릿(26)은 원자로의 반응 파워(reactive power)를 생성하는 역할을 한다. 물 또는 붕소를 함유한 물 같은 액체 감속재/냉각재가 하위 코어 플레이트(14) 내의 복수의 유동 개구(도면 부호가 없음)를 통해 연료 조립체까지 상향으로 펌핑된다. 연료 조립체(10)의 저부 노즐(12)은 유용한 일(useful work)의 생성을 위해 내부에서 발생되는 열을 추출하기 위해 조립체의 연료봉(22)을 따라 냉각재 유동을 통과시킨다.

핵분열 프로세스를 제어하기 위해서, 다수의 제어봉(34)이 연료 조립체(10) 내의 미리결정된 위치에 위치된 안내 심블(18) 내에서 왕복 이동가능하다. 구체적으로는, 상부 노즐(16) 위에 위치결정된 봉 클러스터 제어 기구(36)가 제어봉(34)을 지지한다. 제어 기구는 복수의 반경방향 연장 플루크(fluke) 또는 아암(38)을 갖는 내부 나사산형 원통형 부재(37)를 갖는다. 각각의 아암(38)은, 제어 기구(36)가 안내 심블(18)에서 제어봉을 수직으로 이동시켜 연료 조립체(10)에서의 핵분열 프로세스를 모두 잘 알려진 방식으로 제어하도록 동작가능하게 제어봉(34)에 상호연결된다.

전술한 바와 같이, 최하위 그리드(20)에 또는 그 아래에 포획된 파편으로 인한 연료 조립체 손상이 문제가 되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이러한 손상의 발생을 방지하기 위해, 이러한 파편이 저부 노즐 유동 구멍을 통과하여 연료 다발 영역에 도달하는 것을 방지하는 것이 매우 바람직하다.

이제 도 2를 참조하면, 종래의 저부 노즐(12)은 대체로 직사각형 스커트 부분(skirt portion)(44)으로부터 연장되는 복수의 코너 레그(corner leg)(42) 형태의 지지 수단을 포함한다. 코너 레그(42)는 하위 코어 플레이트(14) 상에 연료 조립체(10)를 지지한다. 저부 노즐(12)은 스커트 부분(44)에 용접 등에 의해 적절하게 부착되는 대체로 직사각형 평면 플레이트(46)를 더 포함한다. 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 종래의 저부 노즐(12)은 복수의 이격된 유동 구멍(48)을 갖는 플레이트(46)를 갖는다. 유동 구멍(48)은 손상-크기 파편을 "걸러내도록" 크기결정된다. 이러한 설계는 플레이트(46) 및 연료 조립체(10)를 통한 유동 또는 압력 강하에 그리 큰 영향을 미치지 않으면서 이러한 여과를 수행하도록 의도된다.

유동 구멍(48)의 직경은 도 3의 플레이트(46)의 부분 단면도에 도시되는 바와 같이 최하위 지지 그리드(20)에 전형적으로 포획되는 크기의 파편의 통과를 허용하지 않는다. 파편이 이들 플레이트 유동 구멍(48)을 통과할 정도로 충분히 작은 경우, 유동 구멍(48)의 직경은 지지 그리드(20)의 셀을 통한 비점유 공간의 최대 단면 치수보다 작기 때문에 파편은 또한 그리드(20)를 통과할 가능성이 높다. 이러한 비점유 공간은 전형적으로 그리드(20)를 구성하는 상호배치된 스트랩(interleaved strap)에 의해 형성되는 인접하는 코너에서 발견된다. 파편이 그리드 공간을 통과할 정도로 충분히 작은 것을 보증함으로써, 종래의 파편 필터 저부 노즐(12)은 이에 의해 파편-기인 연료봉 고장에 대한 잠재성을 상당히 감소시킨다. 그러나, 그 의도된 목적에 대해 대체로 적합하지만, 종래의 파편 필터 저부 노즐(12)은 0.200" 이하의 최소 치수를 갖는 파편이 통과하는 것을 허용하고 여전히 개선 여지를 갖는다.

본 발명의 실시예는 일반적으로 도 1 내지 도 3의 종래의 파편 필터 저부 노즐(12)의 플레이트(46)를 종래의 플레이트(46)에 비해 더 낮은 압력 강하를 생성하며 또한 여과 능력을 개선하는 배열체로 대체한다. 추가로, 본 발명의 실시예는 기존의 연료 조립체 저부 노즐의 압력 강하에 조화되도록 조정될 수 있는 여과 배열체를 제공한다.

본 발명의 실시예가 개선되는 종래의 배열체에 대해서 이와 같이 설명되었으며, 이제 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 개선된 여과 배열체(100)의 예시적인 실시예를 여과 배열체(100) 및 그 일부의 다양한 대표적인 모습을 도시하는 도 4 내지 도 12와 관련하여 설명할 것이다.

먼저 도 4 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 개선된 여과 배열체(100)의 대표적인 부분의 다양한 도면이 도시된다. 배열체(100)는 전체적으로 사용시 용접 또는 다른 적합한 기구 또는 기구들을 통해 스커트 부분(44)(도 1 내지 도 3과 관련하여 이미 설명되었고 도 7 및 도 8에 개략적으로 도시됨)과 같은 스커트 부분에 결합되도록 구성되는 대체로 평면 구조로서 형성된다. 배열체(100)는 저부 표면(102), 저부 표면(102)에 평행하게 배치되는 상부 표면(104), 및 저부 표면(102)과 상부 표면(104) 사이에서 높이(h₁)로 연장되는 복수의 수직 벽 부분(106)을 포함한다. 아마도 도 6의 평면도에 가장 잘 도시되는 바와 같이, 벽 부분(106)은 대체로 배열체(100)를 통해서 저부 표면(102)과 상부 표면(104) 사이에서 연장되는 복수의 비원형 통로(108)를 형성하는 대체로 사각형 그리드형 패턴으로 배열된다. 벽 부분(106)이 교차하는 그리드형 패턴의 영역(110)은 배열체(100)를 통해 수직으로 연장되고 그 위에 위치결정된 대응하는 연료봉의 단부 부분 아래에 중심설정되도록 각각 위치결정되는 선택적인 유동 구멍(112)(즉, 모따기를 갖는 벤투리(venturi) 또는 직선형 구멍)(예를 들어, 제한 없이, 약 0.020" 내지 약 0.200"의 범위의 직경을 가짐)의 형성을 제공하도록 일반적으로 약간 두꺼워진다. 본 명세서에서 사용될 때, "그리드형"은 그리드의 패턴과 유사한 방식으로 배치되는 요소의 배열을 지칭하기 위해 사용된다. 각각의 벤투리 유동 구멍(112)은 그를 통과하는 유체의 바람직하지 않은 난류 및/또는 압력 강하를 최소화하도록 테이퍼형 입구 및 출구를 포함할 수 있다. 지금까지 설명된 여과 배열체(100)의 일반적인 구조는 강성 구조를 제공하면서, 이에 의해 방해받을 가능성이 있는 냉각재 유동의 영역을 대체로 최소화한다는 것이 이해되어야 한다.

도 4 내지 도 8을 계속 참조하면, 여과 배열체(100)는 각각의 특정 통로(108)를 형성하는 벽 부분(106) 사이에서 각각의 통로(108)를 대체로 가로질러 걸쳐 있도록 각각의 통로(108) 내에 각각 위치결정되는 복수의 파편 필터(120)를 더 포함한다. 각각의 파편 필터(120)는 대체로 격자 구조물(122)로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물(또는 다른 적합한 3차원 배열체)로서 형성되고, 격자 구조물은 그를 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하여 압력 강하를 최소화하고, 또한 미리결정된 크기(예컨대, 제한 없이, 약 0.040" 내지 0.100"의 범위)보다 더 큰 파편이 격자 구조물(122)에 의해 형성된 복수의 개구(124)를 통과하는 것을 방지하도록 크기결정되고 구성된다. 본 개념의 예시적인 실시예에서, 약 0.005" 내지 약 0.075"의 범위 내의 (수평 방향으로 측정된) 폭과 약 0.010" 내지 0.100"의 범위 내의 (수직 방향으로 측정된) 두께를 갖는 격자 구조물이 채용되었지만, 다른 치수의 격자 구조물이 본 개념의 범주로부터 벗어남이 없이 채용될 수 있다.

각각의 파편 필터(120)는 저부 표면(102)과 대체로 일치할 수 있거나 그로부터 상방에 위치될 수 있는 그의 기부(126)로부터 상부 표면(104)에 또는 그 아래에 배치될 수 있는 정점 부분(128)까지 상향으로 높이(h₂)로 연장된다. 즉, 각각의 파편 필터(120)는 표면(102 또는 104) 중 어느 것도 넘어서 돌출하지 않고, 따라서 여과 배열체(100)의 높이(h₁)보다 더 작거나 최대 그와 동일한 높이(h₂)를 갖도록 저부 표면(102)과 상부 표면(104) 사이에 위치결정된다. 본 명세서의 예시적인 실시예에서 "팁 업(tip up)" 배향(즉, 아래에서 위로 좁아짐)인 것으로 도시되었지만, 각각의 파편 필터는 대안적으로 개시된 개념의 범주로부터 벗어남이 없이 "팁 다운(tip down)" 배향(즉, 위에서 아래로 좁아짐)으로 배향될 수 있음을 이해하여야 한다.

본 개념의 예시적인 실시예에서, 약 0.250" 내지 약 0.600"의 범위 내의 높이(h₂)를 갖는 파편 필터(120)가 채용되었지만, 다른 높이가 본 개념의 범주로부터 벗어남 없이 채용될 수 있다. 따라서, 도 6에 도시되는 배열체(100)의 평면도에서 볼 때, 각각의 파편 필터(120)(도 6에서 3개만이 대체로 표시됨)는 도면에서 외향으로(즉, 주변 벽 부분(106) 사이에서 지면으로부터 상향으로) 연장된다. 도 6의 평면도로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 각각의 파편 필터(120)를 형성하는 격자 구조물(122)은 배열체(100)를 통한 냉각재의 일반적인 유동에 대해 평행한 방향에서 볼을 때 사각형 그리드형 패턴을 형성하도록 형성된다. 본 개념의 예시적인 실시예에서, 약 0.250" × 0.250" 내지 약 1.000" × 1.000"의 범위의 그리드 치수가 채용되었지만, 다른 크기가 본 개념의 범위로부터 벗어남 없이 채용될 수 있다. 이러한 그리드형 패턴은 평면형이 아니고, 대신에 단일 평면 내에 배치되지 않도록 3차원 방식으로 "왜곡"되거나 "신장"된다는 것이 이해되어야 한다.

이러한 예시적인 실시예를 설명하는 것을 보조하기 위해, 그 벽 부분(106)을 형성하는 단일 통로(108) 및 파편 필터(120)의 확대도가 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.

다른 예시적인 실시예에 따른 여과 배열체(200)의 다른 예시적인 실시예가 도 13 내지 도 16에 도시되어 있고, 이의 확대된 반복 유닛이 도 17 내지 도 19에 도시되어 있다. 여과 배열체(200)는 여과 배열체(100)와 유사한 배열체이기 때문에, 유사한 요소는 전술한 바와 동일한 도면부호를 사용하여 식별되며, 따라서 여과 배열체(200)에 의해 다시 상세히 설명되지 않을 것이다.

단일 파편 필터(120)를 이용하는 여과 배열체(100)와 대조적으로, 여과 배열체(200)는 위 또는 아래에 위치결정되는 제2 파편 필터(220)를 포함하고, 일반적으로 파편 필터(120)로부터 약 0.050" 내지 약 0.250"의 범위에서 수직으로(전형적으로 네스팅(nesting) 유형의 배열체에서) 이격되어, 향상된 파편 여과를 제공한다. 도 13 내지 도 19에 도시되는 예시적인 실시예에서, 제2 파편 필터(220)는 파편 필터(120)와 유사한 형상 및 구조이고 따라서 마찬가지로 대체로 격자 구조물(222)로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물(또는 다른 적합한 3차원 배열체)로서 형성되며, 격자 구조물은 그를 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하여 압력 강하를 최소화하도록 크기결정되고, 또한 미리결정된 크기(예컨대, 제한 없이, 약 0.010" 내지 0.100"의 범위)보다 더 큰 파편이 격자 구조물(222)에 의해 형성되는 복수의 개구(224)를 통과하는 것을 방지하도록 크기결정되고 구성된다. 본 개념의 예시적인 실시예에서, 약 0.005" 내지 약 0.075"의 범위 내의 (수평 방향으로 측정된) 폭과 약 0.010" 내지 0.100"의 범위 내의 (수직 방향으로 측정된) 두께를 갖는 격자 구조물이 채용되었지만, 다른 치수의 격자 구조물이 본 개념의 범주로부터 벗어남이 없이 채용될 수 있다.

각각의 제2 파편 필터(220)는 저부 표면(102)으로부터 상향으로 이격되는 그의 기부(226)(도 19)로부터 상부 표면(104)에 또는 그 아래에 배치될 수 있는 정점 부분(228)까지 상향으로 높이(h₃)로 연장된다. 즉, 파편 필터(120) 및 파편 필터(220)의 조합된 이중 층 구조는 파편 필터(120 또는 220) 중 어느 것도 표면(102 또는 104) 중 어느 하나를 넘어 돌출하지 않도록 저부 표면(102)과 상부 표면(104) 사이에 위치결정된다. 본 개념의 예시적인 실시예에서, 약 0.125" 내지 약 0.600"의 범위 내의 높이(h₃)를 갖는 제2 파편 필터(220)가 채용되었지만, 다른 높이가 본 개념의 범주로부터 벗어남 없이 채용될 수 있다. 도 15의 평면도 및 도 18의 확대 평면도로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 각각의 제2 파편 필터(220)를 형성하는 격자 구조물(222)은 마찬가지로 배열체(200)를 통한 냉각재의 일반적인 유동에 대해 평행한 방향에서 볼 때 사각형 그리드형 패턴을 형성하도록 형성된다. 본 개념의 예시적인 실시예에서, 약 0.250" × 0.250" 내지 약 1.000" × 1.000"의 범위의 그리드 치수가 채용되었지만, 다른 크기가 본 개념의 범위로부터 벗어남 없이 채용될 수 있다.

도 18 및 19에 도시되는 바와 같이, 제2 파편 필터(220)는 각각의 격자 구조물(122 및 222)의 그리드가 대체로 서로 양분되도록 "x" 및 "y"의 양 방향으로 대체로 거리(d)로 측방향으로 오프셋된다. 이러한 오프셋은 단순히 제1 파편 필터(120)와 함께 제2 파편 필터(220)를 사용함으로써 제공되는 것을 넘어 훨씬 더 향상된 파편 포획 능력을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예는 첨가식 제조 공정을 통해 제조되었다. 따라서, 배열체(100 또는 200)의 일부 또는 전부는 단일의 일체형 요소로서 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 직접 금속 레이저 용융이 인코넬® 재료로부터 본 발명의 실시예를 형성하는 데 채용되었다. 그러나, 다른 적합한 방법 및/또는 재료(예를 들어, 제한 없이, 스테인리스강, 티타늄)가 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이 채용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 제시된 본 발명은 저부 노즐의 본체/지지 구조물 내에 안전하게 수용되어 이에 의해 대체로 차폐될 수 있는 파편 포획 미세 메시 스파이어 특징부를 통합하면서 저부 노즐의 본체/지지 구조물 내의 유동 면적을 최대화하는 유선형 유동 설계를 통합하는 완전히 새롭고 신규한 설계라는 것이 이해되어야 한다. 이러한 배열체는 현재의 저부 노즐 설계에서 작은 유동 구멍에 의해 주로 구동되는 압력 강하에 악영향을 미치지 않으면서 효과적인 파편 포획 특징을 허용한다. 진보된 미세 메시 스파이어 파편 여과 저부 노즐 설계에 의해, 첨가식 제조 공정은 각각의 원하는 저부 노즐 설계 특징: 파편 포획, 낮은 압력 강하, 및 강건한 설계가 기존의 종래의 제조 공정을 사용하여 쉽게 달성될 수 없는 하나의 진보된 저부 노즐 설계로 모두 통합되도록 허용한다. 이와 같이, 진보된 미세 메시 스파이어 파편 여과 저부 노즐 설계는 핵 연료 설계에서 사용되는 완전히 새롭고 신규한 설계이다.

본 발명의 특정 실시예에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 개시내용의 전체 교시들을 고려하여, 이 세부사항들에 대한 다양한 변형들과 대안들이 개발될 수 있음을 통상의 기술자라면 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 단지 예시적이며 첨부된 청구범위 및 그 임의의 및 모든 등가물의 전체 범위를 부여하고자 하는 본 발명의 범주를 제한하지 않는다.

Claims (13)

1. 원자로 내의 연료 조립체의 저부 노즐에 사용하기 위한 여과 배열체이며, 여과 배열체는
   상부 표면;
   저부 표면;
   저부 표면과 상부 표면 사이에서 연장되고 배열체를 통해 저부 표면과 상부 표면 사이에서 연장되는 복수의 비원형 통로를 형성하는 대체로 사각형 그리드형 패턴으로 배열되는 복수의 수직 벽 부분; 및
   복수의 제1 파편 필터로서, 각각의 파편 필터는 복수의 통로의 각각의 통로를 대체로 가로질러 걸쳐 있도록 상부 표면과 저부 표면 사이에 위치결정되는, 복수의 제1 파편 필터를 포함하는 여과 배열체.
2. 제1항에 있어서, 각각의 제1 파편 필터는 격자 구조물을 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하도록 크기결정되고 구성되는 격자 구조물로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물을 포함하는 여과 배열체.
3. 제2항에 있어서, 여과 배열체 바로 위 또는 여과 배열체 바로 아래에서 볼 때, 각각의 제1 파편 필터의 격자 구조물은 제1 사각형 그리드형 패턴을 형성하도록 배열되는 여과 배열체.
4. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 제1 파편 필터는 아래에서 위로 좁아지는 여과 배열체.
5. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 제1 파편 필터는 위에서 아래로 좁아지는 여과 배열체.
6. 제1항에 있어서, 복수의 통로의 각각의 통로를 대체로 가로질러 걸쳐 있도록 상부 표면과 제1 파편 필터 사이에 각각 위치결정되는 복수의 제2 파편 필터를 더 포함하는 여과 배열체.
7. 제6항에 있어서, 각각의 제1 파편 필터는 격자 구조물을 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하도록 크기결정되고 구성되는 격자 구조물로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물을 포함하며,
   각각의 제2 파편 필터는 격자 구조물을 통한 냉각재 유동에 관한 저항을 최소화하도록 크기결정되고 구성되는 격자 구조물로 형성되는 중공 피라미드 또는 중공 원추형 구조물을 포함하는 여과 배열체.
8. 제7항에 있어서, 여과 배열체 바로 위 또는 여과 배열체 바로 아래에서 볼 때, 각각의 제2 파편 필터의 격자 구조물은 제2 사각형 그리드형 패턴을 형성하도록 배열되는 여과 배열체.
9. 제8항에 있어서, 위에서 볼 때, 제2 사각형 그리드형 패턴은 제1 사각형 그리드형 패턴으로부터 소정 거리 오프셋되어 있는 여과 배열체.
10. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 제1 파편 필터는 아래에서 위로 좁아지며, 적어도 하나의 제2 파편 필터는 아래에서 위로 좁아지는 여과 배열체.
11. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 제1 파편 필터는 위에서 아래로 좁아지며, 적어도 하나의 제2 파편 필터는 위에서 아래로 좁아지는 여과 배열체.
12. 원자로 내의 연료 조립체에 사용하기 위한 저부 노즐 조립체이며, 저부 노즐 조립체는
    대체로 직사각형 스커트 부분; 및
    대체로 직사각형 기부 부분에 결합되는 제1항에 따른 여과 배열체를 포함하는 저부 노즐 조립체.
13. 원자로 내의 연료 조립체에 사용하기 위한 저부 노즐 조립체이며, 저부 노즐 조립체는
    대체로 직사각형 스커트 부분; 및
    대체로 직사각형 기부 부분에 결합되는 제6항에 따른 여과 배열체를 포함하는 저부 노즐 조립체.

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