KR20220028263A - 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능하여 상부 또는 하부 지지격자에 적합한 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자에 관한 것이다.
본 발명의 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자는, 내측 격자 면(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)를 구성하여 각 격자 셀 내에 연료봉(10) 또는 안내관(30)과 조립이 이루어지는 인코넬의 지지격자로서, 상기 연료봉(10)이 조립되는 각 격자 셀(110)을 구성하는 4개의 내측 격자 면(111) 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉(10)과 접촉하여 연료봉(10)을 지지하는 스프링(120)과; 상기 안내관(30)이 조립되는 각 격자 셀(110)을 구성하는 4개의 내측 격자 면(111)과 접하여 일체로 구성되는 중공의 원통 형상의 슬리브(130)를 포함한다.

Description

핵연료 집합체의 인코넬 지지격자{Inconel spacer grid of a nuclear fuel assembly}

본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능한 핵연료 집합체에서 상단 지지격자와 하단 지지격자로 적합한 인코넬 지지격자에 관한 것이다.

원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 소결체(pellet)로 성형된 후에 다수의 소결체들을 피복관 내에 장입하여 연료봉으로 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들은 핵연료 집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소된다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면이다.

도 1을 참고하면, 일반적으로 핵연료 집합체는 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉(10)과, 이 연료봉(10)의 횡방향으로 마련되어 연료봉(10)을 지지하게 되는 다수의 지지격자(21)(22)(23)와, 지지격자(21)(22)(23)와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관(30)과, 안내관(30)의 상단과 하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체(40) 및 하단고정체(50)로 구성된다.

지지격자는 연료봉의 횡방향 움직임을 구속하고 축방향 움직임을 마찰력으로 억제하여 연료봉의 배열을 유지하게 되는 핵연료 집합체의 중요 부품 중에 하나이다. 이러한 지지격자(21)(22)(23)는 원자로 타입과 설계에 따라서 모양과 개수가 차이가 있으나, 연료봉과의 조립 위치에 따라서 최상단에 배치되는 상부 지지격자(21)와, 상부 지지격자(21)와 하부 지지격자(23) 사이에 배치되는 다수의 중간 지지격자(22)와, 최하단에 배치되는 하부 지지격자(23)로 구분될 수 있으며, 수직으로 교차하게 조립되는 다수의 격자판으로 이루어져 연료봉이 삽입 위치하게 되는 격자 셀을 제공하게 되는 구조는 동일하다.

한편, 지지격자 중에는 냉각수 흐름의 하류 방향으로 돌출 형성된 혼합 날개(mixing vane)가 추가될 수 있으며, 이 혼합 날개는 연료봉 주변을 감싸는 형태를 갖고 연료봉 주변의 냉각수 혼합을 통한 열전달을 촉진하는 역할을 하며, 이러한 기능을 갖는 지지격자를 혼합 지지격자로도 지칭한다.

또한 지지격자 중에는 하단 고정체와 인접하게 배치되어 연료봉을 지지하는 기능 이외에도 냉각수의 순환과정에서 냉각수와 함께 원자로 내로 유입될 수 있는 이물질(debris)을 여과하는 이물질 필터링 기능을 갖는 지지격자가 구비되며, 이러한 지지격자를 보호 지지격자(또는 이물질 여과용 지지격자)로도 지칭한다. 이러한 핵연료 집합체에 따라서는 하단 지지격자 자체에 필터링 구조가 적용되어 하단 지지격자와 보호 지지격자가 하나의 지지격자로 제공될 수 있으며, 또는 하단 지지격자와 별도로 이물질 여과 기능을 갖는 보호 지지격자가 따로 제공될 수 있다.

이러한 지지격자들은 일반적으로 지르코늄 합금(zircaloy)이 사용되며, 지르코늄은 부식에 강하고 중성자 흡수 단면적이 작아서 피복관 등에 널리 사용되고 있다.

이러한 지지격자는 격자 셀 내에서 연료봉을 탄성 지지하게 되는 스프링과 연료봉의 수평 거동을 제한하기 위한 딤플이 마련된다. 스프링과 딤플은 각 격자 셀을 구성하는 지지격자 판재를 판금 가공하여 형성되며, 일반적으로 4면의 격자 셀 중에서 서로 대면하는 두 면에 각각 격자 스프링이 마련되고 나머지 두 면에 복수 개의 딤플이 마련된다.

지지격자의 제조 과정은 판금 가공된 각각의 내부 격자판과 외부 격자판을 별도로 마련된 용접 지그에 조립하여 고정한 후에 내부 격자판의 교차용접부와 내부/외부 격자판의 접합부 및 슬리브 접합부를 레이저 용접(Laser Welding) 또는 용가재를 이용한 경남땜(Brazing)에 의해 접합하며, 이후 외부 격자판의 용접 과정에서 발생된 용접 비드를 연삭 가공하는 일렬의 과정을 거쳐 제작된다.

이와 같이 종래의 지지격자의 제조과정은 판금 공정과 용접 공정 등의 일련의 공정들이 많으며, 또한 설계과정에서 내진 성능을 위한 동적 충격강도를 확보하기 위한 형상 설계 기술이 상당히 까다롭다.

종래기술의 지지격자 제조공정은 안정화된 기술이지만, 앞서 설명한 것과 같이 여러 단계의 제조공정을 거치므로 지지격자 형상 설계에 많은 제약이 발생한다. 특히 종래기술의 지지격자는 지지격자 판재를 판금 가공하여 격자 스프링과 딤플을 제공하게 되며, 따라서 각 격자 셀 내에 설계 가능한 격자 스프링과 딤플의 개수가 제한되어 설계 자유도가 제한된다.

이와 관련하여 노심수명의 말기(end of life, EOL) 조건에서 지지격자의 충격강도가 매우 저하됨이 보고된 바가 있으며, 따라서 미래형 핵연료 개발 및 고연소, 장주기를 고려한 유효연료영역길이 14ft의 핵연료 개발에서도 EOL 조건에서의 핵연료 내진성능 및 기계적 건전성 확보 기술이 필연적으로 요구되며, 이에 종래의 지지격자의 제조방법은 살펴본 바와 같이 형상 설계에 많은 제약을 갖고 있으므로 EOL 조건에서 충분히 안정적이고 높은 강도를 가진 지지격자를 구현하는데 한계가 있다.

특허문헌1 : 공개특허공보 특2003-0038493호(공개일자: 2003.05.16.) 특허문헌2 : 등록특허공보 제10-0771830호(공고일자: 2007.10.30.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 인코넬을 재료로 하는 3D 프리팅에 의해 제작이 이루어져 종래의 판금 공정으로 제작이 불가하나 유로 단면적을 증가하여 압력강하를 최소화하고 연료봉의 지지력을 확보할 수 있는 핵연료 집합체의 상단 지지격자와 하단 지지격자에 적합한 인코넬 지지격자를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자는, 내측 격자 면을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice)를 구성하여 각 격자 셀 내에 연료봉 또는 안내관과 조립이 이루어지는 인코넬의 지지격자로서, 상기 연료봉이 조립되는 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 격자 면 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉과 접촉하여 연료봉을 지지하는 스프링과; 상기 안내관이 조립되는 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 격자 면과 접하여 일체로 구성되는 중공의 원통 형상의 슬리브를 포함한다.

바람직하게는, 상기 스프링은, 상기 격자 면에 일체로 고정되는 반원통 형상이되, 종방향으로 바깥으로 볼록한 형상을 갖는다.

바람직하게는, 상기 스프링은 서로 이웃하는 격자 셀을 구획하는 격자판을 기준으로 하여 좌우 대칭된 위치에 형성된다.

본 발명에 따른 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자는, 내측 격자 면을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자를 구성하여 각 격자 셀 내에 연료봉 또는 안내관과 조립이 이루어지는 인코넬의 지지격자로서, 연료봉이 조립되는 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 격자 면 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 연료봉과 접촉하는 스프링과, 안내관이 조립되는 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 격자 면과 접하여 일체로 구성되는 중공의 원통 형상의 슬리브를 포함하여, 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 활용하여 구조를 단순화하면서도 기계적인 강도를 확보하여 상부 지지격자 또는 하부 지지격자에 적합한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 핵연료 집합체를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인코넬 지지격자의 사시 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인코넬 지지격자의 평면 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인코넬 지지격자의 격자 셀 유닛에 대한 일부 단면 구성도,
도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 충격시험 결과를 보여주는 그래프.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 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 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 지지격자의 제조 공정 중의 판금가공 및 용접 공정을 배제하고 인코넬을 소재로 하는 금속 3D 프린팅으로 제작이 가능한 인코넬 지지격자를 제공하고자 하는 것이며, 종래의 판금가공 및 용접 공정에 의해 제작되던 지지격자의 형상 설계상에 제한을 해소하고 제조 공정을 단축할 수 있다. 니켈-크롬 합금인 인코넬은 지르코늄 합금보다 중성자 흡수가 높으나 강도에서 우수하여 핵연료 집합체의 기계적 강도를 높일 수 있는 장점이 있다. 특히, 상부 지지격자와 하부 지지격자는 핵연료 집합체의 상단과 하단에 위치하게 되므로 중성자 흡수가 높은 재료가 사용되어도 무방하며, 이에 본 발명은 상부 또는 하부 지지격자로 적합한 인코넬 지지격자를 제안하고자 하는 것이다.

일반적으로 다양한 금속 3D 프린팅 장치가 나와 있으며, 예를 들어, 독일의 CONPCEPTLASER사의 3D 프린팅 장비는 제품의 최대 제작 가능한 사이즈가 250×250×280㎣ 로서 풀사이즈(full-size)의 지지격자의 제작이 가능하며, 분말 공급 장치에서 일정한 면적을 갖는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라서 선택적으로 조사한 후에 한층 한층씩 용융시켜 적층하는 방식으로 제품 제조가 이루어지는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식이 사용되고 있다. 한편 본 발명의 지지격자는 일반 금속 3D 프린팅에서 채용하고 있는 일반 금속 적층제조 방식이 채용될 수 있으며 특정 방식에 한정되는 것은 아니다.

이러한 금속 3D 프린팅은 형태에 대한 설계 자유도가 높으며, 전체가 단일 성형(single-piece)으로 제작이 가능하여 기계적 성능이 우수한 장점이 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인코넬 지지격자의 사시 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인코넬 지지격자의 평면 구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인코넬 지지격자의 격자 셀 유닛에 대한 일부 단면 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예의 인코넬 지지격자(100)는, 내측 격자 면(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)를 구성하며, 각 격자 셀(110)은 연료봉(10)은 연료봉(10)이 직접 조립되거나 슬리브(130)를 매개로 하여 안내관(30)과 조립된다.

한편, 핵연료 집합체는 계측장비가 장입되는 별도의 계측관이 부가될 수 있으며, 이러한 계측관은 일반적으로 지지격자의 중앙에 배치될 수 있으나, 본 발명에서는 안내관과 계측관을 구분하지 않고 안내관으로 통칭하여 설명한다. 또한 핵연료 집합체에 따라서 따라서 안내관의 배치 또는 숫자는 다양하게 변형될 수 있다.

연료봉(10)과 조립이 이루어지는 격자 셀(110)은 4개의 내측 격자 면(111) 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 연료봉(10)과 접촉하여 연료봉(10)을 지지하게 되는 스프링(120)을 포함한다.

특히 도 4에 예시된 것과 같이, 스프링(120)은 격자 면(111)과 일체로 고정되는 반원통 형상을 가지며, 종방향(z축)으로 바깥으로 볼록한 형상을 갖고 연료봉(10)과 접촉(just contact)하여 연료봉(10)을 지지한다. 스프링(120)은 가운데 보다는 상단(121)과 하단(122)이 좁아지도록 구배를 가짐으로써 연료봉(10)의 표면 스크래치 손상을 최소화할 수 있고, 스프링(120)의 대략 가운데서 연료봉(10)과 접촉이 이루어져 연료봉(10)이 지지된다.

각 격자 셀(110)을 구성하는 4면의 격자 면(111)은 전체가 폐쇄된 판상(solid plate)이며, 각 격자 셀(110)의 각 내측 격자 면(111)은 종방향으로 돌출 형성된 스프링(120)이 구비된다. 참고로, 도 2에서 단위 격자 셀(110)은 4면의 격자 면(111)의 내측 면과 외측 면 모두에 스프링(120)을 보여주고 있으며, 각 격자 면(111)의 외측 면은 해당 단위 격자 셀(110)과 바로 인접한 격자 셀의 내부 격자 면에 해당됨을 이해하여야 한다. 특히, 도 4를 참고하면, 스프링(120)은 서로 이웃하는 격자 셀을 구획하는 격자판(112)을 기준으로 하여 좌우 대칭된 위치에 형성된다.

참고로, 종래기술에서는 연료봉을 탄성 지지하기 위한 스프링 이외에 연료봉의 위치를 규제하기 위하여 별도의 구조물(딤플)이 요구되었으나, 본 발명은 3D 프린팅에 의해 제작이 이루어지므로, 단위 격자 셀을 구성하는 4개의 내부 격자 면 모두에 스프링이 마련된다. 따라서 본 발명은 연료봉을 4방향에서 스프링이 균등하게 지지가 가능하여 노심수명의 말기(EOL)까지 연료봉(10)을 격자 셀(110)의 중앙에 견고히 위치시킬 수 있다.

또한 이러한 구조를 갖는 본 발명의 인코넬 지지격자는 균등하게 4방향에서 스프링이 연료봉을 지지할 수 있으므로, 종래기술에서와 같은 연료봉의 위치 규제를 위한 딤플 구조를 배제할 수 있다. 한편, 지지격자에서 딤플을 배제함으로써 스프링(120)의 상단 및 하단 구간의 높이를 줄일 수 있으므로, 전체 지지격자의 높이의 축소에 의한 압력강하 감소 효과가 있으며, 연료봉의 내부 길이를 증가시킬 수 있어서 봉내압(Rod Inner Pressure: RIP)의 마진 확보에 큰 기여를 할 수 있다.

슬리브(130)는 중공의 원통 형상을 갖고 안내관(또는 계측관 포함)(30)과 조립이 이루어지며, 이러한 슬리브(130)는 3D 프린팅 제작 과정에서 격자 셀(110)을 구성하는 4개의 내측 격자 면(111)과 각각 접하여 일체로 구성된다. 바람직하게는, 슬리브(130)의 상단과 하단은 격자 셀(110) 보다는 더 길다.

도 3을 참고하면, 슬리브(130)가 위치하게 되는 해당 격자 셀(110)을 구성하는 4개의 격자판(112)에 대해 외접하는 것으로 도시되어 있으나, 해당 격자 셀(110)의 격자판(112)에 대해 내접할 수도 있다.

한편, 슬리브(130)는 안내관(30)과 용접 또는 벌지(bulge) 가공하여 조립될 수 있으며, 또는 서로 나사 결합하여 체결될 수도 있다.

도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 실시예(웨스팅하우스형 원전용 HIPER17 상부 지지격자)와 비교예에 대한 충격시험 결과를 보여주는 그래프로서, (a)는 충격 속도(Impact Velocity)와 충격력(Impact Force) 사이의 관계를 보여주고 있으며, (b)는 충격 속도(Impact Velocity)와 강성(Stiffness) 사이의 관계를 보여주고 있다.

도 5의 (a)(b)를 참고하면, 비교예에서는 초반에 좌굴되어 충격강도와 강성이 급격히 떨어지는 반면에 본 실시예는 비교예와 대비하여 강도가 상당히 큰 것을 확인할 수 있다.

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 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 연료봉 30 : 안내관
110 : 격자 셀 120 : 스프링
130 : 슬리브

Claims (3)

1. 내측 격자 면을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice)를 구성하여 각 격자 셀 내에 연료봉 또는 안내관과 조립이 이루어지는 인코넬의 지지격자로서,
   상기 연료봉이 조립되는 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 격자 면 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉과 접촉하여 연료봉을 지지하는 스프링과;
   상기 안내관이 조립되는 각 격자 셀을 구성하는 4개의 내측 격자 면과 접하여 일체로 구성되는 중공의 원통 형상의 슬리브를 포함하는 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자.
2. 제1항에 있어서, 상기 스프링은, 상기 격자 면에 일체로 고정되는 반원통 형상이되, 종방향으로 바깥으로 볼록한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자.
3. 제1항에 있어서, 상기 스프링은 서로 이웃하는 격자 셀을 구획하는 격자판을 기준으로 하여 좌우 대칭된 위치에 형성됨을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 인코넬 지지격자.

Images