KR820001574B1 - 핵연료 집합체내의 가연성 독물봉 착탈장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

핵연료 집합체내의 가연성 독물봉 착탈장치

제1도는 전형적인 스파이더(spider)와 가연성 독물봉의 결합을 보인 부분절개 정면도.

제2도는 본 발명의 원리에 따른 핀(pin)의 일부를 보인 단면도.

제3도는 본 발명을 특징지우는 스파이더의 일부분에 핀을 설치하는 것을 보인 부분단면도.

제4도는 본 발명에 따라 가연성 독물봉을 제거하는 것을 보인 부분 단면도이다.

본 발명은 원자로 핵연료집합체에 관한 것으로, 특히 핵연료집합체의 스파이더에 가연성 독물봉(burna-ble poison rods)을 설치하거나 스파이더로 부터 제거하기 위한 장치에 관한 것이다.

핵과정(nuclear process)으로 부터 유용한 동력을 얻기 위하여는 연속적인 에너지 생성반응이 지속될 수 있는 물리적인 형태로서 핵분열성 우라늄 또는 적당한 다른 물질의 충분한 농축을 할 필요가 있었다. 이러한 집합체 또는 원자로심은 핵분열 반응으로 생성된 열을 작동유체(作動流體)에 전달한다. 때때로 이러한 목적을 위하여 고속으로 노심을 경유하여 유동하는 가압수(加壓水)가 이용된다.

원자로심 내에서 발생되는 열, 진동 및 동방사선이 주위 환경을 오염시키므로 노심의 구조적인 완벽성이 매우 중요시 된다. 따라서 가압수형 원자로심은 직원 통형 구조로 배열되는 여러집단의 핵연료집합체로 구성된다. 더우기 각 핵연료 집합체는 서로 일정한 간격을 두고 평행하게 배설되는 약 2백개의 세장한 핵연료봉으로 구성된다. 이들 각 핵연료봉에는 우라늄이 원자로용 핵분열성 연류로서 제공되는 다량의 원통형 이산화 우라늄 펠릿(pellet)이 장입되어 있다.

이들 핵연료집합체는 핵연료봉으로서만 제한되지 않고 다른 다수의 구성부품으로 구성된다. 예를 들어, 노심내의 온도와 중성자 선속상태를 관측하기 위한 계기관(計器管), 핵연료집합체의 구성부품들을 안정화시키기 위한 단부고정체 및 핵연료봉 격자체와 원자로 노심내에서 핵분열 유도 중성자의 선택적인 흡수에 의하여 원자로로부터 출력을 조절하기 위한 제어봉 및 제어봉안내튜우브는 핵연료집합체 구조의 일부를 구성한다.

분명하게도 중성자 분배는 원자로 노심내의 장소에 따라서 다양하다. 즉 노심의 둘레가까이에서는 중성자생성 우라늄의 농축이 노심의 중심에서 보다 낮기 때문에 노심의 중심에 대하여 중성자 밀도가 낮은 것을 예상할 수 있다. 노심둘레의 중성자는 이들이 노심의 중심으로부터 "이탈"(escape)할수 있는 것보다 용이하게 노심의 표면을 통하여 노심으로 부터 이탈할 수 있으며, 더우기 노심표면 가까이에서 중성자 농축도가 줄어드는 경향이 있었다. 노심의 특정 부분내에서의 열발생이 그 부분내의 중성자 밀도에 관계되므로 노심주변에서 보다 노심의 중심에서 고온이 발생하는 경향이었다. 노심내의 상이한 지역에서의 국부적인 최고 온도발생경향은 여러가지 이유에서 바람직하지 못하다. 근본적으로 노심은 소정의 온도 이상으로 과열되지 않는 노심작동을 하도록 설계된다. 만약 노심온도가 노심내의 몇 군데 국부지역에서 형성된다면 노심의 전반적인 축열 잠재능력은 확인될 수 없다. 이는 노심의 어느 한 장소의 온도가 최대 설계온도까지 도달되는 제한된 지역 또는 과열점에서 설계 온도이상초과 되지않도록 하기 위하여 낮은 값으로 유지되어야 하는 결과를 가져온다.

따라서 모든 원자로 출력은 노심의 중심부에 중성자 밀도를 감소시키고 노심 주변에는 중성자 밀도를 증가시키는 경우에 증가될 수 있을 것이다. 이와 같이 노심에 출력 분배를 평형하게(Flattening) 유지시키므로 노심은 중성자밀도, 온도 및 출력이 노심의 중심부에서 최고에 도달하게 되었을 경우 보다도 많은 출력을 생성할수 있는 것이다. 이러한 "평형"출력분배를 이루기 위하여 종래에는 연료집합체내에 가연성 독물봉을 삽입하는 것이 보통이었다.

통상적으로, 가연성 독물봉은 중성자를 많이 흡수할 수 있는 물질로 충전된튜우브로 구성되에 있다.

예를 들어, 이러한 목적을 위하여 알루미나 매트릭스(alumina matrix)에 탄화붕소를 소결분산시킨 것이 적당하다.

노심내의 물질에 의하여 이와 같은 방법으로 흡수된 중성자는 핵분열 및 출력발생과정으로 부터 효과적으로 회수된다. 그리고 노심내의 출력분산을 "평형"화 하기위하여 가연성 독물봉이 노심의 중심부에 위치하는 핵연료집합체에 집중된다.

또한 다수의 포착하기 어려운 효과에 따라 노심의 특정설계 또는 작동구조가 국부적으로 상당히 큰 중성자 밀도부를 형성케한 원자로심의 다른 부분에 가연성 독물봉을 집중시키도록 제안될 수 있다.

원자로 노심내의 오염 환경에도 불구하고 핵연료집합체는 이들 성질이 다른 구조적인 구성부품 모두를 지지 하여야 할 뿐만 아니라 이 핵연료집합체는 신속하고 용이하게 분해될 수 있어야 한다.

이를테면, 핵연료집합체는 작동중인 노심에 노출된 후 방사능 작용을 하여야 한다. 이 방사능은 매우 강렬하기 때문에 검사나 보수는 적당한 방사선차폐물의 뒤에서 원격조절할 수 있는 장치로서만이 가능하게 성취될 수 있다.

따라서 분해공정은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소비되므로 견고하면서 용이하게 분해되지 않는 구조가 상업적으로 매우 중요시되었다.

많은 핵연료조립체에 사용된 가연성 독물봉을 이러한 구조의 일부이다.

일반적으로 종래에 가연성 독물봉은 핵연료봉의 종방향에 대하여 평행한 방향으로 이동 이동될 수 있도록 착설된다. 다수의 아암(arm)이 방사상으로 배설된 허브(hub)의 형태인 "스파이더"는 핵연료집합체가 그에 결합된 가연성 독물봉과 함께 평형을 이루어 종방향으로 이동될수 있도록 한다. 또한 이 운동은 출력평형의 필요성에 따라 원자로심에서 부터 가연성 독물봉을 작업자가 원자로에 삽입하거나 원자로로부터 회수할 수 있도록 이루어진다.

또한 완전히 소모된 가연성 독물봉은 제거되어야 하는데 이는 적당한 방사선차폐로 형성한 하나의 통에 포장되어 적당한 장소에 폐기시키도록 운반된다.

운반용 통의 부피를 줄이기 위하여 스파이더로 부터 각각의 독물봉을 분리하는 것이 바람직하다.

그러나, 스파이더로부터 가연성 독물봉을 제거한다는 것을 복잡하고 여러가지 이유에서 잠재적인 위험성을 내포하고 있다. 방사선 조사된 독물봉은 노심에서 충분한 방사선조사를 받은 후이므로 내부 가스압력이 생성되어 있다. 가연성 독물봉이 장입된 튜우브는 방사선조사로 매우 부서지기 쉽게된다. 일반적으로 이 가연성 독물봉은 나선고정구로서 각 스파이더 아암에 연결되어 있는데, 이와 같은 경우 스파이더로부터 독물봉을 제거하기 위하여 제안된 대부분의 기술을 전단하거나 톱질에 의한 것이었다. 독물봉을 톱질하여 잘라내는 것은 독물봉내의 가스압력 때문에 매우 조심스럽게 다루어야 하나 톱질과정에서 방사능을 가진 조각이 있게 된다. 전단은 이러한 문제점을 광범위하게 극복하나 취급이 거칠어 바람직하지 못하다. 따라서 이러한 방법으로 스파이더에 가연성 독물봉을 결합시키기 위한 적당한 수단을 위한 필요성이 원자로 심 주위환경에 대하여 입증되었으나 스파이더로 부터 이들 독물봉을 간단하고 신속하면서 정교하게 분리시킬 필요성이 있다.

종래 기술의 이러한 문제점이나 다른 문제점들은 본 발명에 의하여 해결된다. 특히, 핀은 가연성 독물봉의 횡방향 단부의 일측단에 고정된다. 이 핀은 독물봉을 고려하여 스파이더 아암에 형성된 구멍에 삽입된다. 스파이더 아암에 독물봉을 고정하기 위하여 적당한 수단이 제공된다.

예를 들어 이러한 목적을 위하여는 스파이더 아암의 인접부에 핀을 고정시키도록 핀의 단부를 팽경(upsetting : 膨徑)시키는 것이 적합하다. 본 발명의 특징에 따라서 가연성 독물봉은 제어봉의 종축선과 이에 결합된 핀에 일치하는 방향으로 힘을 인가하므로서 스파이더 아암으로 부터 분리된다.

이 힘은 스파이더 아암으로 부터 핀을 압압할 수 있는 충분한 크기의 힘이다. 전형적으로 이 종방향힘은 스파이더 아암에 대하여 팽경부를 압압하게 되고 핀이 내장된 스파이더 아암의 구멍을 통하여 핀의 팽경부가 발취될 수 있게 하는 것이다.

이와 같은 경우 비록 상당한 힘이 스파이더 아암의 구멍을 통하여 핀을 압압할 수 있도록 가하여 진다하여도 이 힘은 핀에 대하여 종방향으로 가하여져야만 한다. 이러한 본 발명의 특징은 가연성 독물봉을 압압 하므로서 독물봉이 부스러지거나 거친 취급으로 손상되는 위험성을 배제할 뿐만 아니라 독물봉이 스파이더로부터 톱질되어 절단되는 경우 상당히 많은 방사능을 띈 조각이 나오는 것을 피할수 있는 것이다.

보다 많은 장점들이 본 발명의 실제를 통하여 부수적으로 나타난다. 예를 들어 종래 기술의 특징인 나선형고정구에 비하여 제조비용이 비교적 저렴하다는 것이다. 더우기 연결부는 핵원자로심의 온도에도 충분히 견딜수 있다. 예를 들어 가연성 독물봉단부 플러그의 지르칼로이 핀(Zircaloy pin)에 대한 스파이더 아암(주로 스테인레스 강으로 만들어짐)의 비교적 큰 열팽창은 다른 수단으로 보상되어야 할 불필요한 축상의 변형을 일으킨다. 그러나 본 발명에 있어서는 스파이더 아암을 방사상 방향으로 이완시킴으로서 이 지역의 불필요한 일적 변형력을 일으킬 기회를 줄이도록 할수 있다. 이러한 자동적으로 변형력을 완화하지 않고는 그밖에 다른 열적으로 유발된 힘은 핀이 전단되게 하고 가연성 독물봉이 원자로 노심내에서 불필요하게 이완된 상태로 되어 버리는 것이다.

본 발명을 첨부된 예시도면에 의하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명을 보다 명확히 이해하기 위하여 도시된 것이다.

도시한 바와 같이, 스테인레스강, 또는 이와 유사한 재질로 된 스파이더(10)의 중간에는 종축선(12)을 가신 원통형 허브(hub)(11)가 착설되어 있다. 이 스파이더(10)는 종축선(12)에 수직인 평면으로 허브(11)로 부터 방사상으로 연장한 다수의 스파이더 아암을 가진다. 설명을 간단히 하기 위하여 도면중 제1도에는 평면적으로 보인 스파이더 암(13)(14)(15)(16)(17)(20)(21)만이 도시되어 있다.

한 집단의 가연성 독물봉(22)(23)(24)(25)(26)(27)(30)이 각 스파이더 아암에 취부되어 있다.

이들 모든 가연성 독물봉은 가늘고 긴 튜우브로 구성되는데 이들 각 종축선은 허브(11)의 종축선(12)과 평행하게 배향된다.

가연성 독물봉(30)으로 상세히 도시한 바와 같이 독물봉의 외측면은 중공형 튜우브(31)로 형성되어 있다. 이 우튜브(31)의 종방향 하단부는 개방단부에 용착 또는 그밖의 방법으로 고정시킨 플러그(plug)(32)로 밀폐되어 있다. 튜우브(31)내에는 플러그(32)로 지지되는 다수의 짧은 원통형 가연성 독물 펠릿(pellets)(33)이 적층되어 있다. 다수의 적층펠릿(33)은 마지막으로 적층된 펠릿(33)과 중공형 튜우브(31)의 상측개방단에 고정된 플러그(35)사이에 탄력설치한 스프링(34)에 의하여 모두 종방향으로 압압된다.

제3도에서는 플러그(35)에 원주부(37)를 전입시키기 위하여 경사부(36)이 형성되어 있는 것을 보이고 있다. 중공형 튜우브(31)의 내경은 원주부의 외경에 꼭 맞도록 되어 있다.

도시한 바와 같이, 원주부(37)에는 중공형 튜우브(31)의 횡방향 단부에 계합되는 방사상 돌출견부(40)이 형성되어 있다. 본 발명의 실시형태에 있어서는 중공형 튜우브(31)의 직경이 그의 횡방향 단부의 외측으로 연장된 플러그(35)의 노출된 원주부(41)와 튜우브의 외측면 사이가 매끈하게 되도록 원주부(41)직경과 같게 되어있다. 견부(40)으로 부터 종방향으로 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 횡방향 플랜지(42)는 플러그(35)의 노출된 원주부(41)에서 끝나있다.

지주(支柱)(43)은 횡방향 플랜지(42)의 중심부로 부터 종방향으로 돌출되어 있다. 지주(43)를 형성하는 동체는 단일 금속재로 구성되어 있다. 그러나 이 지주(43)에는 지주길이의 약 반에 해당하는 길이의 종방향 구멍(44)이 상부로 부터 형성되어 있다.

제2도는 스파이더 아암(46)에 설치되기 전의 지주(45)를 보인 것이다. 이와 같이 지주(45)의 자유단부로 부터 지주의 약 반에 해당하는 길이만큼 뚤려있는 구멍(47)도 역시 그 저면이 얕은 원추형인 것을 제외하고는 일반적인 원추형으로 되어있다.

이로써 지주(45)가 스파이더 아암(46)에 집수되는 것임을 알수 있다. 이를 위하여 스파이더 아암(46)에는 지주(45)의 종축선및 가연성 독물봉(제2도에서는 도시하지 않았음)의 종축선과 실제로 일치하는 종축선(51)을 가진 원주형 통로(50)이 형성되어 있다.

본 발명의 특정에 따라서는 통로(50)내의 확장된 요구(52)가 형성된다. 이 요구(52)는 다만 지주(45)의 구멍(47)의 일부분과 중첩될수 있도록 되어 있는 것이 중요하다.

재두원추형 표면(53)이 통로(50)의 요구(52)와 구멍(54)사이에 형성되어 있다. 제2도에서 보인 바와 같이, 구멍(54)의 내경은 통로(50)내에 삽입되는 지주(53)의 외경보다 약간 크다.

작동시, 지주(45)가 통로(50)내로 삽입된다.

지주는 재두원추형 표면(53)의 윤곽과 확장된 요구(52)에 맞추어지도록 하이드로포밍(hydrofrming),기계적인 플레어링(flaring) 또는 다른 적당한 수단으로 기계 가동되어 변형되면서 제3도에서 도시한 바와 같이 독물봉을 제거하기 위한 "취약점"(weak point)이 형성된다. 이와 같은 방법으로 가연성 독물봉은 경비가 들거나 용착고정등과 같은 취급의 곤란없이 스파이더 아암에 고정된다.

더우기 스파이더 아암과 가연성 독물봉에 사용된 재질은 상이한 금속으로 되어있다. 그러나 재두원추형 표면(55)은 열팽창계수가 상이한 재질의 효과를 경감시키는 테이퍼형 표면으로 형성된다.

전형적으로 온도가 상승하면 스테인레스 강의 스파이더 아암은 지르클로이로된 독물봉의 단부측 플러그(35)보다 축방향으로 더욱 팽창한다. 이와 같은 방법으로 그밖에 생성된 측상의 변형력은 부품간의 방사상 이완으로 경감된다.

따라서 스파이더 아암이 플러그(35)보다 방사상으로 더욱 팽창되므로 지주 (43)의 변형된 부분과 원추형표면(53) 사이의 원추형 개면(界面)은 축방향의 하측으로 이동하게 된다. 이 두 부분은 축방향과 방사상방향으로 긴밀히 접속되어 있으나 지주(45)의 변형력이 다른 요인으로 생성된 변형력에 비하여 실질적으로 감소된다. 따라서, 비록 견고한 연결이 원자로 가동 온도범위 전체에 걸쳐 유지된다하여도 가연성 독물봉의 분리를 용이하게 하여주는 예상된 "취약점"이 있기 마련이다.

제4도는 본 발명의 다른 특징을 보이고 있다. 도시한 바와 같이, 플러그(56)이 가연성 독물봉(57)의 일단을 밀폐한다. 이 플러그(56)은 그 종축선이 가연성 독물봉(57)의 종축선(61)과 일치하는 지주(60)을 가진다. 지주(60)의 절반 길이로 구멍(62)가 종방향으로 연장되어 있다. 도시한 바와 같이, 이 구멍(62)은 그에 인접한 지주(60)의 일부외경이 스파이더 아암(65)의 확장된 요구(64)에 지지되게 하는 확장 요입부를 형성하도록 그 반정도의 길이부가 팽경되어 있다.

구멍(62)에는 작은 직경의 구멍(66)과의 사이에 재두원 추형경사면(63)이 형성되어 있으며 작은 직경의 구멍(66)은 원추부분(67)으로 막혀있다.

본 발명의 특징에 따라서, 맨드렐(mandrel)(70)이 화살표(71)방향의 구멍 (62)으로 압압된다. 세장 금속재 축봉으로 된 맨드렐(70)의 직경은 작은 직경의 구멍(66)의 직경보다 약간 작다. 맨드렐(70)의 종축선은 가연성 독물봉(57)의 종축선(61)과 일치된다. 전단이나 톱질을 하지 않고도 스파이더 아암(65)로 부터 가연성 독물봉(57)를 제거하기 위하여는 맨드렐(70)을 화살표(71)방향으로 압압하므로서 지주(60)을 작은 직경의 요구(72)로 압출되어 스파이더아암(65)로부터 지주(60)을 분리시킬수 있는 것이다. 도시하지 않았지만, 한집단이 맨드렐을 하나의 판체에 입설하여 이를 스파이더에 착설된 각 가연성 독물봉의 각 구멍에 일치시켜 삽입하고 독물봉을 그 스파이더로부터 한번 작동으로 모두 압압하여 분리시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 스파이더로 부터 각 가연성 독물봉을 전단하거나 톱질하여 분리하게되는 종래의 복잡하고 비용이 들며 번거로운 과정을 피할수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 핵연료집합체내의 가연성 독물봉을 제거하고 설치하는 장치에 있어서, 스파이더(10)를 다수의 아암(13,14,15,16,17,20,21,65)으로 구성하고 그 내부로 적어도 하나 이상의 구멍을 천설하되 확장요구(52,64)와 직경이 작은 요구(54,72)를 형성시켜 확장요구로 부터 경사진 직립재두 원추면(53,63)을 형성시키고, 가연성 독물봉(22,23,24,25,26,27,30)을 횡방향단부로 이루어진 튜우브(31), 튜우브의 횡방향 단부에 계합되는 방사상 돌출견부(40)로 이루어진 원주부(37)에 진입하도록 경사부(36)를 가진 플러그(35)와 견부의 중심부로 부터 종방향으로 돌출한 지주(43)(45)들로 형성시키되, 지주에는 그의 길이의 약 2/1에 해당하는 길이의 종방향 구멍(62)을 천설하며 동시에 지주의 변형력으로 스파이더의 확장요구(52) 및 직경이 작은 요구(66)와 재두원추면(55)을 형성시켜 스파이더 구멍에 대하여 독물봉이 종방향으로 이동하면서 일탈 가능하게 고정되고 스파이더와 일체식 구조체를 이루게한 핵연료 집합체내의 가연성 독물봉 착탈장치.

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