KR20220064555A - 핵연료 집합체의 하부 지지격자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능한 이물질 여과 기능을 갖는 핵연료 집합체의 하부 지지격자에 관한 것이다.
본 발명의 핵연료 집합체의 하부 지지격자(100)는, 내측 격자 면(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)를 이루며, 상기 격자 셀(110)은, 4개의 내측 격자 면(111) 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉(10)을 지지하도록 형성된 스프링(120)과; 하측 개구단에서 종방향으로 일정 구간 범위(h1) 내에서 4개의 내측 격자 면에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉(10)의 주변을 감싸게 되는 네트 형상의 이물질 여과부(130)를 포함한다.
본 발명의 핵연료 집합체의 하부 지지격자(100)는, 내측 격자 면(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)를 이루며, 상기 격자 셀(110)은, 4개의 내측 격자 면(111) 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉(10)을 지지하도록 형성된 스프링(120)과; 하측 개구단에서 종방향으로 일정 구간 범위(h1) 내에서 4개의 내측 격자 면에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉(10)의 주변을 감싸게 되는 네트 형상의 이물질 여과부(130)를 포함한다.
Description
본 발명은 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 이용하여 제작이 가능한 이물질 여과 기능을 갖는 핵연료 집합체의 하부 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.
일반적으로 핵연료 집합체는 축방향으로 배치되는 다수의 연료봉과, 이 연료봉의 횡방향으로 마련되어 연료봉을 지지하게 되는 다수의 지지격자와, 지지격자와 고정되어 집합체의 골격을 구성하는 다수의 안내관과, 안내관의 상하단을 각각 지지하게 되는 상단고정체 및 하단고정체로 구성된다.
지지격자는 연료봉의 횡방향 움직임을 구속하고 축방향 움직임을 마찰력으로 억제하여 연료봉의 배열을 유지하게 되는 핵연료 집합체의 중요 부품 중에 하나이다. 이러한 지지격자는 원자로 타입과 설계에 따라서 모양과 개수가 차이가 있으나, 연료봉과의 조립 위치에 따라서 보호 지지격자, 하부 지지격자, 상부 지지격자, 및 중간 지지격자로 구분되며, 수직으로 교차하게 조립되는 다수의 격자판으로 이루어져 연료봉이 삽입 위치하게 되는 격자 셀을 제공하게 되는 구조는 동일하다.
특히 하부 지지격자는 지지격자들 중에서 최하단에 위치하여 하단고정체와 바로 인접하여 배치되며, 냉각수의 순환과정에서 냉각수와 함께 원자로 내로 유입된 이물질을 여과하는 기능이 요구될 수 있다.
원자로를 순환하게 되는 냉각수는 다양한 종류의 이물질이 혼입될 수 있으며, 이러한 이물질은 하단고정체의 유로를 통과하여 연료봉과 지지격자 사이에 고착되어 진동 및 프레팅 마모에 의한 연료봉의 손상을 유발할 수 있다.
냉각수에 혼입된 이물질을 여과하는 방법으로는 하부 지지격자에 이물질을 여과할 수 있는 기능을 부가하거나 하단고정체의 유로의 크기를 제한할 수 있으며, 또는 하단고정체의 유로와 이물질 여과 구조를 갖는 하부 지지격자를 복합적으로 사용하는 방법들이 사용되고 있다.
하단고정체의 유로의 크기를 제한하는 방법은 유로 면적의 감소로 인하여 냉각수의 압력강하가 증가하며, 이러한 냉각수의 압력강하는 핵연료 집합체의 수력 들림력(hydraulic uplift force)을 증가시켜 상단고정체의 눌림력을 크게 해야 하고 연료봉의 진동을 심화시킬 수 있으며, 냉각수의 횡방향 흐름을 유발시켜 프레팅 마모를 촉진하고 연료봉의 열을 충분히 흡수하지 못하는 여러 가지의 문제점이 발생될 수 있다.
하부 지지격자 자체에 이물질을 여과할 수 있는 필터링 기능을 추가하는 방법은 이물질 여과 성능을 높이면서도 상대적으로 압력 강하량을 줄일 수 있는 장점이 있으나, 구조가 복잡하고 제작이 어려워진다.
일반적으로 필터링 기능을 갖는 하부 지지격자는 격자 셀 내에서 연료봉을 탄성 지지하게 되는 격자 스프링과 연료봉의 수평 거동을 제한하기 위한 딤플과, 냉각수 중에 혼입된 이물질을 여과할 수 있는 이물질 여과부를 포함한다.
일반적으로, 격자 스프링, 딤플, 및 이물질 여과부는 각 격자 셀을 구성하는 지지격자 판재를 판금 가공하여 형성되며, 일반적으로 4면의 격자 셀 중에서 서로 대면하거나 이웃하는 두 면에 각각 격자 스프링이 마련되고 나머지 두 면에 복수 개의 딤플이 마련된다.
구체적으로, 지지격자의 제조 과정은 판금 가공된 각각의 내부 격자판과 외부 격자판을 별도로 마련된 용접지그에 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 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 하부 지지격자는 이물질 여과를 위한 구조가 적용되므로 형상설계 기술이 상당히 까다로우며, 설계 자유도에 많은 제약이 발생한다.
일반적으로, 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 하부 지지격자의 제조방법은 앞서 설명한 것과 같이, 형상 설계에 많은 제약을 갖고 있으므로 EOL 조건에서 충분히 안정적이고 높은 강도를 가진 하부 지지격자를 구현하는데 한계가 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 것으로, 판금 및 용접 공정을 배제하고 설계 자유도를 높이고 제작 공정을 단순화할 수 있는 3D 프린팅을 활용하여 제작이 가능한 이물질 여과 기능을 갖는 핵연료 집합체의 하부 지지격자를 제공하고자 하는 것이다.
특히 본 발명은 원형의 그물 격자 형상의 이물질 여과 구조를 갖는 지지격자로 균일한 이물질 여과성능을 유지함과 동시에 이물질을 솔리드한 봉단마개로 유도하여 이물질에 의한 손상 최소화하는 핵연료 집합체의 하부 지지격자를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자는, 내측 격자 면을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice)를 이루며, 상기 격자 셀은, 4개의 내측 격자 면 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉을 지지하도록 형성된 스프링과; 하측 개구단에서 종방향으로 일정 구간 범위 내에서 4개의 내측 격자 면에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉의 주변을 감싸게 되는 네트 형상의 이물질 여과부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 이물질 여과부는, 두 개 이상의 동심원으로 이루어지는 제1리브와; 4개의 내측 격자 면에서 방사 방향으로 돌출되어 상기 제1리브와 교차되는 제2리브를 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 제1리브와 상기 제2리브는 개구 방향으로 곡선의 구배를 갖는다.
본 발명에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자는, 내측 격자 면을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice)를 이루며, 상기 격자 셀은, 4개의 내측 격자 면 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉을 지지하도록 형성된 스프링과; 하측 개구단에서 종방향으로 일정 구간 범위 내에서 4개의 내측 격자 면에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉의 주변을 감싸게 되는 네트 형상의 이물질 여과부를 포함하여, 판금 가공 및 용접 가공을 배제하고 설계 자유도가 높은 3D 프린팅을 활용하여 연료봉을 격자 셀의 중앙에서 강하고 균등하게 노심 수명말기(EOL)까지 유지할 수 있으며, 또한 각 격자 셀의 코너에 이물질이 집중되어 종래기술에서 하부 지지격자에서 발생되는 연료봉과 지지격자 사이에 고착된 이물질 프레팅에 의한 연료봉 손상(파단) 현상을 방지한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 사시 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 단위 격자 셀의 사시 구성도,
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 단면 구성도,
도 4는 도 2의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 저면에서 바라본 단면 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 단위 격자셀의 저면 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 단위 격자 셀의 사시 구성도,
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 단면 구성도,
도 4는 도 2의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 저면에서 바라본 단면 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 단위 격자셀의 저면 구성도.
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 하부 지지격자의 제조 공정 중의 판금가공 및 용접 공정을 배제하고 금속 3D 프린팅으로 제작이 가능한 하부 지지격자를 제공하고자 하는 것이며, 종래의 판금가공 및 용접 공정에 의해 제작되던 하부 지지격자의 형상 설계상에 제한을 해소하고 제조 공정을 단축할 수 있다.
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.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 사시 구성도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 단위 격자 셀의 사시 구성도이며, 도 3은 도 2의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 단면 구성도이며, 도 4는 도 2의 A-A 선을 따라서 절개된 핵연료 집합체의 하부 지지격자의 저면에서 바라본 단면 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료 집합체용 지지격자의 단위 격자셀의 저면 구성도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예의 핵연료 집합체용 하부 지지격자(100)는, 내측 격자 면(111)을 갖는 사각의 격자 셀(110)들이 정방형 격자(square lattice)(n×n) 구조를 갖는다. 각 격자 셀(110)은, 4개의 내측 격자 면(111) 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 연료봉(10)을 지지하도록 형성된 스프링(120)과; 하측 개구단에서 종방향(z축)으로 일정 구간(h1+h2) 범위 내에서 3개의 내측 격자 면(111)에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉(10)의 주변을 감싹 되는 네트 형상의 이물질 여과부(130)를 포함한다.
각 격자 셀(110)을 구성하는 4면의 격자 면(111)은 슬롯이나 홀이 형성되지 않은 판 형상(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)이 마련되는 것을 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 각 격자 셀(110)을 구성하는 4개의 격자 면은 전체가 폐쇄된 평면의 판상(solid plain plate)이므로, 충격 강도를 높이고 내진 성능을 향상시킬 수 있다.
스프링(120)은 각 격자 면(111)의 종방향(z축)으로 돌출 형성되어 연료봉(10)을 탄성 지지하게 되며, 바람직하게는, 각 격자 면(111)의 가운데에 마련된다. 이러한 스프링(120)은 종방향(z축)으로 연료봉의 표면과 면접촉이 이루어지도록 곡면을 갖는 접촉부를 포함하며, 이 접촉부는 연료봉(10)의 하부에 인입 형성된 연료봉 들림방지 홈(11)과 접촉한다. 이와 같은 접촉부는 연료봉 들림방지 홈(11)과 접촉이 이루어져 수력에 의한 연료봉 부양 시에 연료봉 들림을 방지한다.
참고로, 종래기술에서는 연료봉을 탄성 지지하기 위한 스프링 이외에 딤플의 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 견고히 지지가 가능하여 조심수명의 말기(EOL)까지 연료봉(10)을 격자 셀(110)의 중앙에 견고히 위치시킬 수 있다.
또한 이러한 구조를 갖는 본 발명의 하부 지지격자는 균등하게 4방향에서 스프링이 연료봉을 지지할 수 있으므로, 종래기술에서와 같은 딤플 구조를 배제할 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 이물질 여과부(130)는 하측 개구단에서 종방향(z축)으로 일정 구간(h1+h2) 범위 내에서 형성되며, 4개의 내측 격자 면에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉의 주변을 감싸게 되는 네트 형상을 갖는다. 한편, 이물질 여과부(130)는 하측 개구단으로부터 스프링(120) 보다는 아래 구간까지만 형성됨이 바람직하다.
바람직하게는, 이물질 여과부(130)는, 두 개 이상의 동심원으로 이루어지는 제1리브(131)와, 4개의 내측 격자 면에서 방사 방향으로 돌출되어 제1리브(131)와 교차되는 제2리브(132)를 포함한다.
동심원으로 구성되는 제1리브(131) 사이의 간격과, 방사형을 갖는 복수 개의 제2리브(132) 사이의 간격은 압력 강하 감소와 여과 이물질의 사이즈를 고려하여 적절히 결정될 수 있다.
바람직하게는, 제1리브(131)와 제2리브(132)는 하단 개구 방향으로 곡선의 구배를 갖는다. 특히 도 3을 참고하면, 제1리브(131)와 제2리브(132)는 해단 개구단에서 일정 구간(h1)에서 곡선의 구배를 갖는 것을 보여주고 있으며, 이러한 곡선의 구배는 냉각수의 흐름을 고려하여 적절한 곡률의 구배를 갖는 것이 바람직하다.
딤플을 없애므로써 전체적으로 하부 지지격자의 높이의 축소에 의한 압력강하 감소 효과가 있으며, 연료봉의 내부 길이를 증가시킬 수 있어서 봉내압(Rod Inner Pressure: RIP)의 마진 확보에 유리하다.
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.
100 : 하부 지지격자
110 : 격자 셀
111 : 격자 면 120 : 스프링
130 : 이물질 여과부 131 : 제1리브
132 : 제2리브
111 : 격자 면 120 : 스프링
130 : 이물질 여과부 131 : 제1리브
132 : 제2리브
Claims (3)
- 핵연료 집합체의 연료봉을 지지하게 되는 하부 지지격자에 있어서,
내측 격자 면을 갖는 사각의 격자 셀들이 정방형 격자(square lattice)를 이루며,
상기 격자 셀은,
4개의 내측 격자 면 각각에 종방향으로 돌출 형성되어 상기 연료봉을 지지하도록 형성된 스프링과;
하측 개구단에서 종방향으로 일정 구간 범위 내에서 4개의 내측 격자 면에서 횡방향으로 돌출되어 연료봉의 주변을 감싸게 되는 네트 형상의 이물질 여과부를 포함하는 핵연료 집합체의 하부 지지격자. - 제1항에 있어서, 상기 이물질 여과부는,
두 개 이상의 동심원으로 이루어지는 제1리브와;
4개의 내측 격자 면에서 방사 방향으로 돌출되어 상기 제1리브와 교차되는 제2리브를 포함하는 핵연료 집합체의 하부 지지격자. - 제2항에 있어서, 상기 제1리브와 상기 제2리브는 개구 방향으로 곡선의 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 하부 지지격자.
Priority Applications (1)
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| KR1020200150741A KR102460094B1 (ko) | 2020-11-12 | 2020-11-12 | 핵연료 집합체의 하부 지지격자 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115206557A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-18 | 中国核动力研究设计院 | 一种基于空间曲面通道的燃料组件下管座及过滤组件 |
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| JP2002323585A (ja) * | 2001-04-26 | 2002-11-08 | Toshiba Corp | 燃料集合体 |
| KR20100076465A (ko) | 2008-12-26 | 2010-07-06 | 한전원자력연료 주식회사 | 연료봉 들림 방지 미늘을 가진 이물질여과용 하부지지격자 |
| KR102117496B1 (ko) * | 2019-10-14 | 2020-06-01 | 한전원자력연료 주식회사 | 단순 형상 구조를 갖는 핵연료 집합체의 지지격자 |
-
2020
- 2020-11-12 KR KR1020200150741A patent/KR102460094B1/ko active IP Right Grant
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| CN115206557A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-18 | 中国核动力研究设计院 | 一种基于空间曲面通道的燃料组件下管座及过滤组件 |
| CN115206557B (zh) * | 2022-07-07 | 2024-01-30 | 中国核动力研究设计院 | 一种基于空间曲面通道的燃料组件下管座及过滤组件 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102460094B1 (ko) | 2022-10-31 |
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