KR20220156287A - 핵연료 집합체의 회전 타입의 안내관 삽입체 - Google Patents

핵연료 집합체의 회전 타입의 안내관 삽입체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경수로형 원자로의 핵연료 집합체에 마련된 안내관 내에 삽입되는 삽입체에 관한 것으로, 상세하게는, 핵연료 집합체의 중성자 선원 또는 운전 중에 발생되는 중성자속을 이용하여 Co-60과 같은 방사성동위원소를 생산하기 위한 타겟을 수용하게 되는 안내관 삽입체에 관한 것으로, 중공의 원통 형상으로서, 일측 선단에 곡면의 헤드캡(111)이 구비되고 중선자 선원 또는 방사성동위원소 생성을 위한 타겟(120)이 수용되는 하부 하우징(110)과; 커넥터 부재를 매개로 하여 상기 하부 하우징(110)과 연결되고 외주면에 관통 형성된 고정홀(152)이 형성된 중공의 원통 형상의 상부 피팅부(150)와; 상기 상부 피팅부(150)의 상측 개구부에 회동 가능하게 삽입되는 플런저(160)와; 상기 고정홀(152)에 배치되어 상기 플런저(160)의 회동 각도에 따라서 상기 고정홀(162)을 따라서 반경 방향으로 이동이 이루어지는 고정부재(170)를 포함한다.

Description

핵연료 집합체의 회전 타입의 안내관 삽입체{TWIST QUICK RELEASE TYPE COMPONENT INSERTED IN GUIDE TUBES OF A NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}
본 발명은 경수로형 원자로의 핵연료 집합체에 마련된 안내관 내에 삽입되는 삽입체에 관한 것으로, 상세하게는, 핵연료 집합체의 중성자 선원 또는 운전 중에 발생되는 중성자속을 이용하여 Co-60과 같은 방사성동위원소를 생산하기 위한 타겟을 수용하게 되는 안내관 삽입체에 관한 것이다.
방사성 동위원소인 Co-60은 5.2년의 반감기를 갖는 방사선 동위원소로서 강력한 감마선을 방출하여 라듐을 대신하여 싼값의 감마선원으로 널리 이용되고 있으며, 의료용 방사선치료, 산업용 비파괴검사 및 수위계, 식품류의 대량 소독이나 멸균 등과 같이 활용 범위가 넓고 수요가 많다.
일반적으로 방사성 동위원소는 연구용 원자로에서 많이 생산되는 것에 비하여 Co-60은 필요 중성자 조사기간이 길고 요구 중성자속이 높아 주로 상업용 원자로에서 생산되고 있다.
중수로 원자로에서는 원자로의 출력 안정성에 거의 영향을 주지 않으면서 잉여중성자 흡수하는 조절봉을 대신하여 Co-59 타겟의 사용이 가능하기 때문에, 중수로 기술의 원조국가인 캐나다에서 생산되는 Co-60이 전세계 수요의 대부분을 공급하고 있는 실정이다.
상업용 원자로의 대부분을 차지하는 가압경수로의 경우에는 기존 중수로에서의 Co-60 공급이 충분하여 생산에 이용되지 않았으나 기존 운전중인 중수로 원자로의 운전종료가 점차 도래함에 따라 경수로에서의 Co-60 생산 필요성이 높아져 가고 있다.
특허문헌1 : 등록특허공보 제10-1502414호(공고일자: 2015.03.13.)
이에 본 발명은 경수로형 원자로의 핵연료 집합체에 마련된 안내관 내에 삽입되는 삽입체에 관한 것으로, 상세하게는, 핵연료 집합체의 중성자 선원 또는 운전 중에 발생되는 중성자속을 이용하여 Co-60과 같은 방사성동위원소를 생산하기 위한 타겟을 수용하게 되는 안내관 삽입체를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 안내관 삽입체는, 중공의 원통 형상으로서, 일측 선단에 곡면의 헤드캡이 구비되고 중선자 선원 또는 방사성동위원소 생성을 위한 타겟이 수용되는 하부 하우징과; 커넥터 부재를 매개로 하여 상기 하부 하우징과 연결되고 외주면에 관통 형성된 고정홀이 형성된 중공의 원통 형상의 상부 피팅부와; 상기 상부 피팅부의 상측 개구부에 회동 가능하게 삽입되는 플런저와; 상기 고정홀에 배치되어 상기 플런저의 회동 각도에 따라서 상기 고정홀을 따라서 반경 방향으로 이동이 이루어지는 고정부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 플런저는 상기 상부 피팅부 내에서 축방향으로 연장되어 상기 고정부재와 접촉이 이루어지는 조작로드를 포함하며, 상기 조작로드는 중심축의 중심으로부터 둘레까지의 거리가 서로 다른 제1가이드면과 제2가이드면을 포함한다.
바람직하게는, 상기 플런저는 상기 상부 피팅부의 축방향으로 탄성 지지되는 탄성체를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 상기 플런저는 반경 방향으로 돌출 형성되어 선단이 상기 상부 피팅부의 내주면과 접하게 되는 가이드 돌기를 더 포함한다.
본 발명에 따른 핵연료 집합체의 안내관 삽입체는, 중공의 원통 형상으로서, 일측 선단에 곡면의 헤드캡이 구비되고 중선자 선원 또는 방사성동위원소 생성을 위한 타겟이 수용되는 하부 하우징과; 커넥터 부재를 매개로 하여 상기 하부 하우징과 연결되고 외주면에 관통 형성된 고정홀이 형성된 중공의 원통 형상의 상부 피팅부와; 상기 상부 피팅부의 상측 개구부에 회동 가능하게 삽입되는 플런저와; 상기 고정홀에 배치되어 상기 플런저의 회동 각도에 따라서 상기 고정홀을 따라서 반경 방향으로 이동이 이루어지는 고정부재를 포함하여, 종래의 핵연료 집합체의 구조를 변경하지 않으면서도 안내관 내에 타겟(또는 중성자 선원)의 축방향 위치가 견고히 고정될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체의 단면 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체 상단의 사시 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체 상단의 분해 사시 구성도,
도 4는 도 2의 A-A 선의 단면 구성도,
도 5는 도 4의 B-B 선의 단면 구성도,
도 6의 (a)(b)는 각각 상단고정체에 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체의 설치 전과 후를 보여주는 단면 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 발명의 안내관 삽입체는 경수로용 핵연료 집합체의 안내관을 활용하여 방사성동위원소를 생성하게 되는 타겟봉일 수 있다. 예를 들어, 표준형 경수로 중 APR1400 타입의 원자로의 경우 노심 내 93개의 제어봉집합체를 삽입할 수 있으며 각 제어봉집합체는 12발 혹은 4발의 제어봉을 가지고 있다. APR1400 타입의 노심 내 전체 핵연료 집합체 수는 241개이며 핵연료 집합체 당 4개의 안내관을 가지고 있어 제어봉집합체가 삽입되는 안내관과, 소스봉의 장전에 필요한 안내관을 제외하더라도 일부 비어있는 잉여 안내관이 존재하며, 본 발명의 안내관 삽입체는 핵연료 집합체의 잉여 안내관 내에 장전됨을 특징으로 한다. 이하 "잉여 안내관"은 제어봉집합체 또는 소스봉이 삽입되지 않는 안내관을 지칭한다. 한편, 소스봉은 핵연료 집합체에 장전된 후에 삽입관(insert tube)에 의해 가압되어 원자로의 가동 중에 충분한 누름력을 확보할 수 있으나, 잉여 안내관에 적용되는 삽입관은 상하 개방되어 안내관 삽입체를 충분히 눌려줄 수 없는 문제점이 있다. 이에 본 발명은 핵연료 집합체의 잉여 안내관을 활용하기 위하여 안내관 삽입체의 충분한 누름력을 확보할 수 있는 수단을 제공하는 것을 특징으로 하며, 이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체의 단면 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 안내관 삽입체(100)는, 하부 하우징(110)과, 하부 하우징(110) 내에 삽입되는 조사 타겟(120)과, 커넥터 부재(130)(140)를 매개로 하여 하부 하우징(110)과 연결되는 상부 피팅부(150)와, 상부 피팅부(150)의 상측 개구부에 회동 가능하게 삽입되는 플런저(160)와, 플런저(160)의 회동 각도에 따라서 상부 피팅부(150)의 바깥으로 돌출되어 상단고정체에 고정이 이루어지는 고정부재를 포함한다.
하부 하우징(110)은 중공의 원통 형상으로서, 일측 선단에 곡면의 헤드캡(111)이 마련되며, 이 헤드캡(111)은 하단 개구부를 밀폐하여 냉각재 유입을 방지하고 유속으로부터 타켓봉 조립체를 보호하는 역할을 한다.
조사 타겟(120)은 방사성동위원소를 생성하기 위한 타겟을 포함하며, 예를 들어, CO-60 방사성동위원소를 생성하기 위한 Co-59 타겟일 수 있다. 이러한 조사 타겟은 단일 또는 이중 구조의 캔(can) 또는 캡슐(capsule)을 포함할 수 있다.
상부 피팅부(150)는 하나 또는 복수 개의 커넥터 부재(130)(140)를 매개로 하부 하우징(110)와 연결되며, 상측 개구단에 반경 방향(radial direction)으로 돌출 형성된 걸림단(151)이 형성되어 핵연료 집합체의 상단 고정체에 걸림단(151)이 안착되어 안내관 내에 안내관 삽입체(100)가 삽입 위치하게 된다.
플런저(160)는 상부 피팅부(150)의 상단 개구부를 통해 내삽되어 축방향으로 회동이 가능하다.
안내관 삽입체(100)는 일정 길이(L1)를 가지며, 바람직하게는, 핵연료 집합체의 유효 노심 높이(active core height)의 가운데에 조사 타겟(120)이 위치하도록 안내관 삽입체(100)의 길이(L1)가 결정되며, 또한 조사 타겟(120)이 배치되는 구간 길이(L2) 역시도 유효 노심 높이의 1/2의 높이에 위치하도록 조사 타겟(120)의 구간 길이(L2)도 적절히 결정됨이 바람직하다.
특히 본 발명은 플런저(160)의 회동 조작에 의해 회동 각도와 연동하여 상부 피팅부(150)를 직접 상단고정체에 고정하기 위한 고정수단을 포함하며, 이하에서는 관련 도면을 참고하여 고정수단을 중심으로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체 상단의 사시 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체 상단의 분해 사시 구성도이며, 도 4는 도 2의 A-A 선의 단면 구성도이며, 도 5는 도 4의 B-B 선의 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 상부 피팅부(150)는 중공의 원통 형상으로, 상측 개구단에 돌출 형성된 걸림단(151)이 형성되며, 외주면에 관통 형성된 고정홀(152)이 형성된다.
플런저(160)는 상부 피팅부(150)의 상측 개구단에 조립되는 것으로, 상부 피팅부(150)에 회동 가능하게 조립된다. 구체적으로, 플런저(160)은 헤드(161)와, 헤드(161)의 하단에서 축방향으로 연장되어 고정부재(170)와 접촉이 이루어지는 조작로드(162)를 포함한다.
특히 도 5를 참고하면, 조작로드(162)는 중심축의 중심으로부터 둘레까지의 거리(r1)(r2)가 서로 다른 제1가이드면(162a)과 제2가이드면(162b)을 포함한다. 본 실시예에서 제1가이드면(162a)은 중심으로부터 일정 반경(r1)을 갖는 곡면을 가지며, 제2가이드면(162b)은 중심으로부터 일정 거리(r2)에 형성된 수직면을 예시하고 있다. 따라서 조작로드(162)의 회전 위치에 따라서 고정부재(170)는 제1가이드면(162a) 또는 제2가이드면(162b)과 접하여 상부 피팅부(150)의 고정홀(152)의 바깥으로 돌출되거나 고정홀(152)의 안쪽으로 인입된다. 한편, 본 실시예에서 제1가이드면(162a)과 제2가이드면(162b)은 각각 곡면과 수직면에 의해 제공되나 이에 한정되는 것은 아니고, 상부 피팅부(150)의 회전 각도와 연동하여 고정부재(170)의 돌출량을 조정할 수 있는 범위 내에서 다양한 형태에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어, 조작로드는 횡단면에 타원형일 수 있다. 도시되지 않았으나, 고정부재(170)는 고정홀(152)에서 돌출된 상태에서 원위치로 복귀(고정홀 안쪽으로 인입)하기 위한 리턴 조작력을 제공할 수 있는 스프링이 추가될 수 있다.
조작로드(162)는 하단에서 수직으로 연장되어 상부 피팅부(150)의 몸체를 관통하는 연장부(163)가 구비될 수 있으며, 연장부(163)는 하단에 엔드플레이트(164)가 구비되고 엔드플레이트(164)와 상부 피팅부(150)를 탄성 지지하는 탄성체(165)가 구비되어 플런저(160)는 상부 피팅부(150)의 축방향으로 탄성적으로 지지될 수 있다.
바람직하게는, 조작로드(162)는 반경 방향으로 돌출 형성되어 선단이 상부 피팅부(150)의 내주면과 접하게 되는 가이드 돌기(166)를 더 포함하며, 가이드 돌기(166)는 플런저(160)의 회전 조작 시에 플런저(160) 상단이 편심되지 않고 회전축 상에서 원활히 회전이 이루어질 수 있도록 안내하는 역할을 한다.
고정부재(170)는 상부 피팅부(150)의 고정홀(152)에 구비되어 플런저(160)의 회동 각도에 따라서 고정홀(152)을 따라서 돌출되거나 인입되며, 조작로드(162)의 가이드면(162a)(162b)과 직접 접촉하게 되는 볼부재(171)와, 볼부재(171)에서 돌출 형성된 고정돌기(172)를 포함한다. 볼부재(171)는 조작로드(162)의 가이드면(162a)(162b)과 넓은 면적으로 갖고 접촉이 가능한 범위 내에서 그 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
도 6의 (a)(b)는 각각 상단고정체에 본 발명의 실시예에 따른 안내관 삽입체의 설치 전과 후를 보여주는 단면 구성도이다.
도 6의 (a)를 참고하면, 일반적인 핵연료 집합체의 상단고정체(10)는 외곽안내기둥(11) 내에 삽입 위치하는 내부삽입관(12)의 하단이 안내관과 직접 체결되며, 내부삽입관(12)의 상단은 상부나사(13)에 의해 고정된다. 한편, 상부나사(13)는 내경에 인입 형성된 요홈(13a)이 형성된다.
다음으로 도 6의 (b)에 도시된 것과 같이, 상단고정체(10)의 안내관 내에 안내관 삽입체를 삽입한 후에 플런저(160)를 회전시키면, 조작로드(162)가 회전하면서 고정부재(170)는 조작로드(162)의 제1가이드면(162a)과 접하면서 상부 피팅부(150)의 고정홀(152)(도 3 참고) 바깥으로 돌출되면서 고정돌기(172)가 요홈(13a)에 삽입되어 안내관 삽입체는 상단고정체(10)에 직접 고정되어 상방향으로 움직임이 제한된다.
한편, 안내관 삽입체의 인출 시에는 플런저(160)를 다시 90ㅀ만큼 회전시키게 되면, 고정부재(170)는 조작로드(162)의 제2가이드면(162b)과 대면하여 고정홀(152)의 안쪽으로 인입이 가능하여 안내관 삽입체의 인출이 가능하다. 참고로, 도 6의 (b)에서 도면부호 14와 15는 각각 누름판과 누름스프링이다.
이러한 본 발명의 안내관 삽입체는, 상단고정체의 안내관에 취부되는 삽입관에 영향을 받지 않고 핵연료 집합체에 안내관 삽입체를 삽입 및 고정할 수 있으며, 또한 단순한 구조로 인하여 안내관 삽입체의 장전 및 인출이 간편하다.
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. 예를 들어, 본 실시예에서는 방사성동위원소를 생성하기 위한 타겟봉을 예시하여 설명하였으나, 본 발명의 안내관 삽입체는 중성자 선원을 수용되는 중성자 선원봉에도 동일하게 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.
110 : 하부 하우징 120 : 조사 타겟
130, 140 : 커넥터 부재 150 : 상부 피팅부
160 : 플런저 162 : 조작로드
162a : 제1가이드면 162b : 제2가이드면
165 : 탄성체 166 : 가이드돌기
170 : 고정부재 171 : 볼부재
172 : 고정돌기

Claims (4)

  1. 중공의 원통 형상으로서, 일측 선단에 곡면의 헤드캡이 구비되고 중선자 선원 또는 방사성동위원소 생성을 위한 타겟이 수용되는 하부 하우징과;
    커넥터 부재를 매개로 하여 상기 하부 하우징과 연결되고 외주면에 관통 형성된 고정홀이 형성된 중공의 원통 형상의 상부 피팅부와;
    상기 상부 피팅부의 상측 개구부에 회동 가능하게 삽입되는 플런저와;
    상기 고정홀에 배치되어 상기 플런저의 회동 각도에 따라서 상기 고정홀을 따라서 반경 방향으로 이동이 이루어지는 고정부재를 포함하는 핵연료 집합체의 안내관 삽입체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플런저는 상기 상부 피팅부 내에서 축방향으로 연장되어 상기 고정부재와 접촉이 이루어지는 조작로드를 포함하며, 상기 조작로드는 중심축의 중심으로부터 둘레까지의 거리가 서로 다른 제1가이드면과 제2가이드면을 포함하는 핵연료 집합체의 안내관 삽입체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플런저는 상기 상부 피팅부의 축방향으로 탄성 지지되는 탄성체를 더 포함하는 핵연료 집합체의 안내관 삽입체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플런저는 반경 방향으로 돌출 형성되어 선단이 상기 상부 피팅부의 내주면과 접하게 되는 가이드 돌기를 더 포함하는 핵연료 집합체의 안내관 삽입체.
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