KR830001636B1 - 핵 연료 집합체의 바이메탈 스페이서 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

핵 연료 집합체의 바이메탈 스페이서 장치

제1도는 본 발명에 의해 연관 작동토록 구성된 바이메탈 스페이서 장치를 구비한 핵연료 집합체의 사시도.

제2도는 본 발명에 의해 구성된 바이메탈 스페이서 장치의 핵연료 집합체 그리드의 부분 평면도.

제3도는 본 발명에 의해 구성된 바이메탈 스페이서 장치의 제1실시예를 도시한 확대 측면도.

제4도는 제3도의 바이메탈 스페이서 장치의 평면도.

제5도는 제3도의 5-5선으로 절단된 바이메탈 스페이서 장치의 단면도.

제6도는 본 발명에 의해 구성된 바이메탈 스페이서 장치의 제2실시예를 도시한 확대 측면도.

제7도는 제6도의 바이메탈 스페이서 장치의 평면도.

제8도는 본 발명의 제3실시예에 의해 구성된 바이메탈 스페이서 장치를 구비한 연료봉의 확대측면도.

제9도는 연료 집합체의 연료 매트릭스 주변을 한정짓는 최외부행에 위치한 연료봉의 평면도로서 본 발명의 제3실시예를 구비토록 선택된 연료봉의 위치를 도시.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연료 집합체 12 : 연료봉

14 : 제어봉 16,18,20 및 22 : 스페이서 그리드

24 : 주변스트립 26,28 : 내부 그리드부재

30,32 : 탱형 스프링 34,36,38,40 : 스테인레스강스트립

본 발명은 원자로 연료 집합체 그리드에 관한 것으로, 특히 원자로내에서 일어나는 연료 집합체의 보우잉을 방지토록 작동하는 바이메탈 스페이서 장치에 관한 것이다.

종래 기술로 이미 원자로심내에서 이용되는 여러 형태의 연료 집합체 그리드가 공지되었다. 그러나 이러한 여러 종래기술은 연료 집합체 그리드의 구조상에 있어서 현저한 차이점을 갖는다.

일반적으로, 연료 집합체 그리드는 두가지 중요한 기능을 갖는다. 첫째로, 상기 그리드는 각각의 연료봉을 측방향으로 지지토록 사용된다. 왜냐면, 연료봉은 자체의 구조적 특성에 의해 측방향 지지를 필요로 하기 때문이다. 다시 말하자면, 각 연료봉은 여러층으로 배치되는 다수의 연료 펠렛으로 구성되어 실제길이를 갖게된다. 따라서, 비록 연료 펠렛이 크래딩 튜브내에 일반적으로 적재된다 할지라도, 연료봉이 허용되지 않는 범위 즉 원자로 작동에 잠재적으로 악영향을 미칠 수 있는 범위까지 측방향으로 변위되지 않도록 할려면 이미 전술된 축방향 지지가 제공되어야 한다. 상기 연료봉은 예를들면, 연료 집합체내에 흐르는 냉각재에 의해 연료봉에 가해지는 힘 즉 연료봉의 단부상에 작용하는 압축 스프링력에 의해 측방향으로 변위된다.

둘째로, 연료 집합체 그리드는 연료봉 사이에 요구되는 일정한 공간을 제공하게 된다. 각 연료봉간의 적절한 공간 유지는 연료봉과 연료 집합체사이에 부적당한 공간이 존재함으로써 유인되는 과도출력 피크를 방지하고 연료봉과 연료 집합체 사이에 냉각재가 적절하게 흐를수 있게 하는데 있어서 아주 중요한 역활을 한다. 각 연료봉 사이에 흐르는 냉각재의 흐름 분포가 고르지 않게되면 과열을 일으키게 되어 결국은 연료 집합체내에 과열 점등을 나타내게 된다.

어떤 특수한 형태를 갖는 핵연료 집합체 그리드를 사용하고자 할때는, 상기 그리드의 지지 기능과 공간제공 기능이 연료 집합체로부터 연료봉을 제거하고 또한 이에 삽입하는 과정에 어떤 방해를 가하지 않도록 고려되어야 한다. 즉, 연료 집합체 그리드는 각 연료봉을 축방향으로 지지하고 연료봉이 연료 집합체 내에 배치될 때 이들 봉사이에 적절한 공간을 제공토록 작용하여야 하며, 또한 상기 그리드는 필요시 즉 연료 집합체에 연료봉을 삽입하게 이로부터 제거하고자 할때는 연료봉의 삽입 및 제거를 용이하게 할 수 있는 부수적인 기능을 갖추어야 한다.

요즈음, 연료 집합체 그리드의 연료봉 지지기능보다는 그리드 자체의 강도 개선에 많은 관심을 가지고 이를 개선시켜 왔다. 특히, 연료 집합체를 지진 하증에서도 지탱되게 할려면 연료 집합체 그리드에 대한 강도가 개선되어야 한다. 미합중국 특허공보 제4,058,436호에 공개된 바와같이, 지진 하중은 연료 집합체를 포함하는 원자로의 작동에 역효과를 가하는 심한 측방향 응력을 연료 집합체에 가하게 된다. 이러한 역효과는 상기에 언급된 미합중국 특허공보에 명백하게 설명되어 있다. 이와같이, 핵연료 집합체 그리드를 설계하는데 있어서 연료봉을 측방향으로 지지하고 연료봉들 사이에 적당한 공간을 제공해야 하는 것외에도 지진 하중에 의해 연료 집합체에 가해지는 충격도 또한 고려되어야만 한다.

언급된 미합중국 특허공보에 전술된 바와같이, 연료 집합체 그리드의 강도는 원자로의 작동효율에 악영향을 끼치지 않도록 개선되는 것이 중요하다. 즉, 연료 집합체 그리드는 중성자 흡수율이그다지 크지 않으면서도 부가적으로 높은 강성을 제공하는 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 지르칼로이는 스테인레스강 또는 인코넬보다 적은 중성자 포획 단면적을 가지지만, 반면에 강도면에서는 스테인레스강이나 인코넬은 지르칼로이 보다 높은 강성을 갖는다는 점을 참작한 전술된 미합중국 특허 기술에 입각하여, 연료 집합체는 전체가 지르칼로이로 구성된 다수의 그리드와 전체가 스테인레스강으로 구성된 하나의 그리드가 서로 연관 작동토록 제공되었다.

전체가 지르칼로 이로 구성된 각각의 그리드는 그리드의 강도를 증가토록 작동하는 단일구조로 이용된다. 더우기, 전체가 지르칼로이로 구성된 그리드에 전체가 스테인레스강으로 구성된 그리드를 적절하게 결합시킴으로써 최대의 파쇄 강도를 갖는 것으로 특징지워지는 그리드를 이용함으로써, 연료 집합체는 지진 하증조건하에서 예상되는 심한 측방향 응력에 대항할 수 있는 충분한 강도를 갖게된다.

지진 조건하에서 측방향 응력이 가해지는 것외에도, 종래 형태의 그리드를 구비한 연료 집합체는 전체적인 원인에 대해서는 설명되지 않았지만 어떤 조건하에서 보우잉에 대한 반응을 나타내게 된다.

여기서 언급되고 있는 보우잉은 연료 집합체가 부분적으로 측방향으로 변위되는 것 즉 연료 집합체가 휘어지는 것을 의미한다. 비록 이러한 측방향 변위가 지진 하중에 의해 유인되지 않았다하더라도 연료 집합체의 이러한 보우잉은 지진하중에 의해 발생된 측방향으로의 변위와 찬가지로 바람직하지 못하다. 이러한 견지에서, 왜 이러한 연료 집합체의 보우잉이 바람직하지 않는가 하는 원인은 언급된 종래의 미합중국 특허공보에 밝혀져 있는 것과 근본적으로 동일하다. 다시 말하자면, 이러한 보우잉은 연료 집합체를 영구적으로 변형시키게된다. 더구나, 이러한 보우잉은 연료 집합체가 인접한 다른 연료 집합체에 충돌되어 또다른 역효과를 초래시킬 수 있는 정도로 심하게 될 수도 있다. 또한 상기의 보우잉이 원자로의 작동에 악영향을 끼치는 것과 마찬가지로 또 다른 여러 형태의 손상을 가져올 수도 있다.

결과적으로, 핵연료 집합체 그리드는 연료봉을 측방향으로 지지하고 또한 연료봉간에 필요한 공간을 효과적으로 제공하는 것 외에도 연료 집합체의 부분적인 보우잉을 방지하는 것과 마찬가지로 지진 하중 조건하에서 가해지는 여러 측방향 응력을 견딜수 있는 충분한 파쇄 강도를 갖는 연료 집합체를 제공할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 특히, 연료 집합체와 측방향으로의 허용변위를 초과하지 않도록 작용하는 그리드가 요구된다. 더우기, 상술된 목적을 충분히 만족시키는 이러한 그리드는 부가적으로 비교적 낮은 중성자 흡수 특성을 가져야 한다.

따라서. 본 발명은 원자로심에서 사용되는 연료 집합체와 상호 협동적으로 작동하는 새롭고도 개선된 바이메탈 스페이서 장치를 제공하는 것이 주목적이다.

본 발명의 다른 목적은 바이메탈 스페이서 장치가 연료 집합체와 상호 협동 작동하여 연료봉을 측방향으로 지지토록 작동하는 수단을 포함하는 이러한 바이메탈 스페이서 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 바이메탈 스페이서 장치가 연료 집합체와 상호 협동 작동하여 각각의 연료봉 사이에 적절한 공간을 제공토록 작동하는 수단을 포함하는 이러한 바이메탈 스페이서 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 바이메탈 스페이서 장치가 연료 집합체와 상호 협동 작동하여 지진하중 조건하에서 연료 집합체에 가해지는 측방향 응력에 대해 연료 집합체를 충분히 지지할 수 있는 개량된 파쇄강도를 갖는 이러한 바이메탈 스페이서 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 바이메탈 스페이서 장치가 연료 집합체와 상호 협동 작동하여 원자로내에서 향용되는 허용범위 이상의 보우잉의 반응에 대해 대항할 수 있는 이러한 바이메탈 스페이서 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비교적 낮은 중성자 흡수 특성을 갖는 이러한 바이메탈 스페이서 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비교적 저렴한 비용으로 제조되고 비교적 용이하게 실시될 수 있으며 또한 효과적이고 신뢰성 있는 작용을 제공하는 이러한 바이메탈 스페이서 장치를 제공하는 것이다.

고로, 본 발명에 의해, 연료 집합체가 원자로심 내에서 사용될때 연료 집합체와 상호 협동 작용토록 설계되고 연료 집합체의 노심내보우잉을 방지토록 작동하는 새롭고도 개선된 바이메탈 스페이서 작치가 제공된는 본 발명에 의한 바이메탈 스페이서 장치는 다수의 스테인레스강 스트립이 부착되는 지르칼로이 주변그리드를 구비한다. 상기의 다수 스테인레스강 스트립은 주변 그리드의 외부표면에 장착되며, 이들 각 스테인레스강 스트립은 사실상 주변 그리드의 주축에 대해 수직으로 연장되는 주축을 갖는다. 원자로 운전동안, 상기의 다수 스테인레스강 스트립은 전체가 지르칼로이로 구성된 주변 그리드보다 더욱 큰 범위로 바깥쪽으로 팽창된다. 이러한 팽창된 상태에서, 다수의 스테인레스강 스트립은 원자로내에서 연료집합체에 가해지는 보우잉에 대해 효과적으로 대항할 수 있는 견고한 스프링으로 작용하게 된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 바이메탈 스페이서 수단은 다수의 스테인레스강 스트립이 부착되는 전체가 지르칼로이로 구성된 주변 그리드를 포함한다. 그러나 상기 경우에 있어서 다수의 스테인레스강 스트립은 주변 그리드에 대해 사실상 팽행하게 연장되는 스테인레스강 스트립의 주축을 갖도록 주변 그리드의 외면에 부착된는. 또한 여기서 다수의 주변 스트립은 이미 전술된 바와같은 기능을 갖게된다. 다시 말하자면, 원자로 운전동안, 다수의 스테인레스강 스트립은 연료 집합체의 보우잉을 허용 범위내에서 제한하기 위한 견고한 스프링과 유사하게 작용한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 지르칼로이 크래딩을 갖는 어떤 선정된 연료봉은 스테인레스강 스트립을 구비한다. 스테인레스강 스트립이 구비되도록 선택된 이러한 봉은 연료 집합체의 연료 매트릭스 주변을 한정짓는 최외부 연료봉의 행에 모두 위치한다. 상기 스테인레스강 스트립은 외부로 팽창되기 위해 연료봉상에 위치된다. 이 경우에 있어서, 스테인레스강 스트립은 전술된 두 경우의 스테인레스강 스트립과 동일한 방식으로 작용한다. 다시말하자면, 원자로 운전동안, 상기스트립은 팽창되어 원자로내에서 일어나는 연료 집합체의 보우잉을 허용 범위내에서 저항할 수 있는 견고한 스트링 특성을 갖게된다.

제1도는 본 발명에 따라 구성된 바이메탈 스페이서 장치를 구비한 연료 집합체(10)를 도시하고 있다.

본 발명의 목적은 핵연료 집합체의 구조적 특성에 관한 것이 아니라 핵연료 집합체와 상호 작동하는 바이메탈 스페이서 장치의 구조적 특성 및 작동 모드에 관한 것이므로, 핵연료 집합체(10)의 구조적 특성을 도시한 제1도는 본 발명을 이해하는데 별반 도움이 되지 않는다. 그러나 제1도는 연료 집합체가 다수의 연료봉(12)을 포함할뿐 아니라 다수의 연료 집합체 스페이서 그리드(16),(18),(20) 및 (22)와 연관됨을 정확하게 도시하고 있다. 연료 집합체(10)의 구조적 특성 및 작동 모드에 대해 더욱 정확하게 이해할려면 종래 기술에 포함되는 연료 집합체를 참조하여야 한다.

본 발명의 양호한 실시예에 따라 제1도에 도시된 연료 집합체 스페이서 그리드(16),(22)는 종래의 구조를 가지지만, 중간에 위치한 두개의 연료 집합체 그리드(18),(20)는 본 발명에 따라 구성된 바이메탈 스페이서 장치의 구조를 갖는다. 그러나 도시된 4개의 스페이서 그리드(16),(18),(20) 및 (22)는 내부 구조면에 있어서는 실제로 유사하다. 하지만, 구조상의 외형적 특징에 있어서는 스페이서 그리드(18),(20)는 기본적으로 상기의 스페이서 그리드(16),(22)와 차이점을 갖는다.

제2도는 스페이서 그리드(16),(18),(20), 및 (22)의 내부 구조을 도시하고 있다. 제2도에 도시된 바와 같이, 스페이서 그리드(16)는 제1도에 도시된 연료 집합체(10)와 협동적으로 연관되는 4개의 모든 스페이서 그리드(16),(28),(20) 및 (22)의 내부구조를 대표하며 또한 다수의 주변 스트립(24)을 포함하고 있다. 상기 스트립(24)의 각 단부는 사각형 구조를 이루기 위해 적절하게 연결되어서, 연료 집합체(10)의 외부 단면적 크기와 동일한 크기를 갖게된다. 적당수의 제1세트의 내부 그리드 부재(26)는 스페이서 그리드에 평행하게 연장되는 두면을 포함하는 한쌍의 제1주변 스트립(24)사이에서 제1방향으로 평행하게 연장된다.

부가적으로, 적당수의 제2세트의 내부 그리드 부재(28)는 제2방향으로 평행하게 연장되며, 또한 스페이서 그리드(16)에 평행하게 연장된 다른 두면을 포함하는 한쌍의 제2주변 스트립 사이에서 전술된 제1방향에 대해 수직을 이룬다.

제2도에서 용이하게 인지할 수 있는 바와같이, 달걀 바구니 형태와 유사한 배치를 갖는 스페이서 그리드를 제공하기 위해 제1세트의 내부 그리드 부재(26)는 제2세트의 내부 그리드 부재(28)에 적절하게 끼여진다. 제1세트의 내부 그리드 부재(26)는 안쪽으로 돌출한 여러 탱(tang)형 스프링(30)을 포함한다. 이와 유사하게, 제2세트의 내부 그리드 부재(28)에도 또한 안쪽으로 돌출한 다수의 탱형 부재가 구비된다. 종래의 기술로 공지된 방식에 있어서, 제1세트의 그리드부재(26)와 제2세트의 그리드 부재(28)는 다수의 격실을 규정토록 작용하여 상기 격실에 지지되는 연료봉 또는 제어봉을 수용하는데 적절한 계란 바구니 형태를 갖게된다. 특히, 종래 기술로 이미 공지된 바와같이, 전술된 탱형 스프링(30),(32)은 다음에 설명되는 바와같이 제어봉(14) 또는 연료봉(12) 둘레에 스프링 편향력을 가하게 된다. 즉, 각 연료봉(12) 및 제어봉(14)의 주변 둘레는 내부 그리드 부재(26),(28)의 선택된 부분과 탱형 스프링(30),(32)과 함께 여러점에서 계합된다. 이러한 봉들의 계합 효과는 탱형 스프링(30),(32)이 내부 그리드 부재(26),(28)계합부와 관련하여 이중효과, 즉 연료봉(12)과 제어봉의 측면을 지지하고 또한 제1세트 내부 그리드 부재(26)와 제2세트의 내부 그리드 부재(28)간의 상호 교차에 의해 형성되는 각각의 격실내에 제어봉(14)과 연료봉(12)을 위한 공간을 제공하므로써 각각의 연료봉(12)와 제어봉(14)간에 요구되는 공간을 제공하게 된다. 연료봉(12)과 제어봉(14)을 측면 지지하고 상기 봉들을 위한 공간을 제공하는 격실은 연료 집합체(10)내에 냉각수가 적절하게 흐를수 있게 한다. 최종적으로, 도시된 실시예에 따라, 각각의 주변 스트립(24)에는 물결형 테두리 부분이 제공되고, 탱형 스프링(30),(32)은 각각의 내부 그리드부재(26),(28)의 평면으로부터 밖으로 휘어진 형태를 갖는다. 하지만, 상기의 탱형 스프링(30),(32)은 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 다른 형태로 구성될 수도 있다. 더우기, 주변 스트립(24)도 또한 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 다른 여러 배치를 가질수 있다.

요약적으로, 스페이서 그리드(16),(18),(20) 및 (22)에 관련되는 탱형 스프링(30),(32)과 내부 그리드 부재(26),(28)와 주변 스트립(24)의 중요성을 이들 각각의 구조에 있는 것이 아니라 이들로부터 요구되는 기능 즉, 연료봉(12)과 제어봉(14)을 측면 지지하고 이들 봉틀간의 적절한 공간을 제공하는 기능에 있는 것이다.

상기에 상술된 목적을 위해, 본 발명의 실시예가 도시되어 있는 제3도 내지 제5도를 참조하여 바이메탈 스페이서 장치를 포함하는 스페이서 그리드(18),(20)를 설명하면 다음과 같다. 다음 설명에서도 이해되겠지만, 상기 바이메탈 스페이서 장치는 전술된 목적을 달성하기 위해 상기에 전술된 스페이서 그리드(16)와 동일한 내부 구조로 구성되어 연료봉(12)과 제어봉(14)을 측면 지지하고 또한 연료봉(12)과제어봉(14)사이에 적절한 공간을 제공하는 수단으로 이용된다. 제3도 내지 제5도에 도시된 본 발명의 실시예에 따라 전체가 지르칼로 이로이뤄지고 물결 모양의 배치를 갖는 주면 스트립(24)은 전술되지 않은 다수의 스테인레스강 스트립(34)과 협동적으로 결합된다. 양호하게, 스테인레스 강스트립(34)은 비교적 높은 열팽창 계수를 갖는 300계열 스테인레스 강으로 구성된다. 여기서 300계열 스테인레스강이란 스테인레스강 재질에 따라 분류된 명명법으로 산업계에 널리 알려져 있다.

도면을 간단화하기 해제, 제3도에서는 단지 4개의 스테인레스강 스트립(34)만 구비한 주변 스트립(24)을 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 양호한 실시예에서는 8개의 스테인레스강스트립이 서로 일정한 간격으로 주변 스트립에 부착된다. 하지만, 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 더 많은 또한 더 적은 수의 스테인레스강 스트립(34)이 각각의 주변 스트립(24)에 부착될 수도 있다. 사용되는 스테인레스강스트립(34)의 정확한 갯수는 주변 스트립(24)의 길이에 따라 결정되며 또한 차후에 상세히 설명되겠지만 스테인레스강 스트립(34)으로부터 얻어야하는 스프링력의 크기에 따라 결정된다.

스테인레스강 스트립(34)은 적절한 부착 수단을 통해 주변 스트립(24)에 협동적으로 결합되지만, 본 발명의 양호한 실시예에서 스테인레스강 스트립(34)은 제5도에 도시된 방식에 따라 주변 스트립에 부착된다. 즉 주변 스트립(24)은 여러쌍의 개구(도시안됨)을 포함한다. 주변 스트립에 형성된 개구의 쌍의 수는 주변 스트립(24)에 부착되는 스테인레스강 스트립(34)갯수의 적어도 2배 이상이 된다. 특히, 여러쌍의 개구(도시안됨)는 서로 일정한 간격으로 나란히 배열되어 각쌍의 열을 이루고 있는 개구를 구비한 주변스트립의 각각의 수직 연장 연부를 따라 적적하게 형성된다. 더구나, 주변 스트립(24)은 스테인레스강 스트립을 수용할 수 있는 포켓형 리세스를 포함한다.

제5도에서 인지할 수 있는 바와같이, 각 스테인레스강스트립(34)은 다음과 같은 방법으로 주변스트립(24)에 조립 부착된다. 즉, 스테인레스강 스트립(34)의 단부(34a),(34b)는 각쌍의 최외부 개구(도시안됨)를 통해 삽입된다. 그런후, 스테인레스강스트립(34)의 단부(34a),(34b)는 주변 스트립(24)의 수직 연장 중심선을 향해 안쪽으로 굽혀진다. 이러한 굽힘 작업에서, 스테인레스강 스트립(34)의 단부(34a),(34b)는 각쌍의 다른 개구(도시안됨)내로 삽입된다. 각쌍의 다른 개구내로 삽입된 스테인레스강 스트립 단부(34a),(34b)의 팁은 주변 스트립(24)과 나란하게 위치한 스테인레스강 스트립(34)의 내면에 접촉 연결된다. 따라서, 스테인레스강스트립을 주변스트립에 아주 효과적으로부 착시키고자 하는 목적은 스테인레스강 스트립 단부(34a),(34b)의 팁을 스테인레스강 스트립몸체에 용접시킴으로써 달성된다. 이와같은 용접은 매우 용이하게 실시된다. 왜냐면, 스테인레스강 부재를 스테인레스강 부재에 용접하게 되므로 스테인레스강 부재를 지르칼로이 부재에 용접코자 하는 어려움을 피할수 있기 때문이다.

제3도 내지 제5도에 도시된 실시예의 특수한 바이메탈 스페이스 장치의 작동 모드와 본 발명에 따라 구성된 일반적인 바이메탈 스페이서 장치의 작동 모드에 대해 전술 하기에 앞서, 연료 집합체의 보우잉범위는 원자로내에 배치되는 연료 집합체(10)의 갯수와 연료집합체(10)사이에 존재하는 공간의 함수로서 주어짐을 우선적으로 인식하는 것이 바람직하다. 이전에 이미 전술된 바와같이, 연료 집합체에 작용하여 보우잉을 생성시키는 하중 예를들면 연료접합체 지지스프링에 의해 연료 집합체(10) 상에 가해지는 축방향 압축력은 냉각수 흐름에 의해 연료 집합체(10)에 가해지는 측방향 유압력 등등을 포함한다. 지르칼로이 연료 집합체 구조물의 크리프에서 유도되는 방사선도 결합된 이러한 힘은 연료 집합체(10)의 보우잉을 생성시킨다. 더구나, 길이가 길면 길수록 연료 집합체는 더욱 심하게 보우잉 된다. 원자로심내에 위치한 연료 집합체의 보우잉은 원자력 발전소의 축소를 요구하게 되고 또한 보우잉된 즉 굽은 연료 집합체에 연료를 재공급코자 할때 여러 문제점을 야기시키게 된다. 따라서, 연료 집합체의 보우잉을 방지하는 것은 아주 바람직함을 인지할 수 있다. 연료 집합체의 보우잉을 방지하는 한 방법으로는 보우잉이 일어날 수 있는 연료 집합체간의 유용한 공간을 가능한한 범위까지 축소시키는 것을 들수 있다. 본 발명에서는 연료 집합체의 공간을 줄임으로써 연료 집합체의 보우잉을 방지하기 위해 바이메탈 스페이서 장치가 이용된다.

제3도 내지 제5도에 도시된 바이메탈 스페이서 장치의 실시예에 따라 연료 집합체간의 공간을 효과적으로 제거하는 방법과 같다. 스페이서 그리드(18),(20)가 연료 집합체(10)를 통하여 순환하는 냉각재에 의해 가열될때, 스페이서 그리드(18),(20)의 주변 스트립(24)에 부착된 스테인레스강 스트립은 견고한 스프링을 형성하기 위해 상기 그리드(18),(20)의 주변으로부터 바깥쪽 즉 측방향으로 팽창하게 된다. 스테인레스강스트립(34)이 완전히 팽창되어 인접한 연료집합체(10)간의 공간을 차지하게 되면, 연료집합체가 측방향으로 움직일 수 있는 공간이 제거된다.

따라서, 본 발명의 바이메탈 스페이서 장치는 연료 집합체(10)의 보우잉을 방지하게 된다. 300계열 스테인레스강 중에서 제조된 2인치(5.08cm)의 길이를 갖는 스테인레스강스트립(34)은 약 0.09인치(0.2286cm)정도 측방향으로 팽창하게 된다. 원자로 노심이 생각되면, 스테인레스강스트립(34)은 주변 스트립(24)에 대한 처음 위치, 즉 주변 스트립에 병행하는 위치로 귀환되므로, 스테인레스강 스트립(34)은 새로운 연료 집합체(10)을 교체하는데 어떤 방해점을 나타내지 않는다.

본 발명에 따라 구성된 제2실시예의 바이메탈 스페이서 장치, 즉 제6도 및 제7도에 도시된 실시예에 따라 중앙에 위치한 두개의 스페이스 그리드(제1도에 도시된 스페이서 그리드(18),(20)의 주변 스트립(24)에는 다수의 스테인레스강스트립(36)이 각각 구비되어 있다. 스테인레스강 스트립(36)은 제5도 내지 제6도에 도시되고 지금껏 전술된 스테인레스강 스트립(34)과 유사하다. 즉, 상기 스트립(34)과 유사한 스테인레스강 스트립(36)은 300계열 스테인레스 강중에서 선택된 스테인레스강 물질로 양호하게 각각 제조된다.

그러나, 상기 스트립(36)은 전술된 스테인레스강스트립(34)보다 실제로 길이가 길다. 특히, 제6도에서 알수 있는 바와같이 다수의 스테인레스강 스트립(36)은 서로서로 동일한 간격으로 위치하며 또한 상기의 스트립(34)의 경우에서 처럼 주변 스트립(24)의 가로축에 수직으로 연장되기보다는 주변 스트립(24)의 가로축에 대해 평행하게 연장된다.

도면의 간단화를 위해 도면에 도시되지는 않았지만, 다수의 스테인레스강 스트립(36)은 스테인레스강 스트립(34)이 주변 스트립(24)에 부착되는 것과 동일한 방식으로 주변 스트립(24)에 양호하게 부착된다. 상기 스트립(34)을 주변 스트립(24)에 부착시키는 방법은 이미 전술되었으며 또한 제5도에 도시되어 있다. 즉, 제6도에 도시된 바와같이 단지 2개만을 포함한 다수의 스테인레스강 스트립(36)은 쌍으로 이뤄진 개구(도시안됨)중 첫번째 개구를 통해 각각 삽입되는 각각의 단부(36a),(36b)를 구비하고 있다. 상기 개구(도시안됨)을 통해 삽입된 다음, 스트립(36)의 단부(36a),(36b)는 주변 스트립(24)의 단부에 대해 안쪽 즉 주변 스트립(24)으로부터 멀어지는 쪽으로 굽어진다.

다음, 스트립 단부(36a),(36b)의 팁은 상기의 쌍으로 이뤄진 개구(도시안됨)중 다른 개구를 통해 각각 삽입되어 스트립(36)의 팁이 상기 스트립(36)의 몸체에 접착될 수 있게 위치된다. 이 다음, 스트립(36)을 주변 스트립(24)에 효과적으로 부착시키기 위해 스트립(36)의 팁을 스트립(36)의 몸체에 용접시킨다.

상기 스테인레스강스트립(34)의 경우와 같이, 스테인레스강 스트립(36)과 스테인레스강 스트립 몸체와의 용접은 지르칼로이에 대한 스테인레스강의 용접이 아니라 스테인레스강에 대한 스테인레스강의 용접이기 때문에 용이하게 실시된다. 제6도에 도시된 주변 스트립에 한쌍의 스테인레스강 스트립이 도시되어 있다 하더라도, 필요시에는 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 여러 갯수의 스트립(36)이 이용될 수 있다. 그러나, 각각의 주변 스트립(24)에 부착되는 스테인레스강 스트립(36)의 갯수를 결정하는데 있어서, 선택된 갯수의 스트립(36)팽창성이 연료 집합체의 보우잉을 방지할 수 있는 능력을 보유토록 고려되어야 한다. 최종적으로, 본 발명의 제3도 내지 제5도의 경우와 같이, 주변 스트립(24)은 상기 스트립(36)을 수용하는 포켓용 리세스를 구비하고 있다.

스테인레스강스트립(36)의 작동 모드는 이미 전술된 스테인레스강 스트립(34)과 사실상 동일하다. 즉, 스테인레스강 스트립(36)이 구비된 스페이스그리드(18),(20)가 집합체(10)을 통해 순환하는 냉각재에 의해 가열될때, 각각의 열팽창 계수를 갖는 스테인레스강스트립(36)은 그리드(18),(20)의 주변 스트립으로 부터 멀어지는 방향즉 바깥쪽으로 팽창하게 된다.

그리드(18),(20)의 주변 립스립이 300계열 스테인레스강보다 낮은 열 팽창계수를 갖는 지르칼로이로 제조되는 한, 주변 스트립(24)은 스테인레스강 스트립(36) 보다 적게 바깥쪽으로 팽창하게 된다. 전술된 열팽창이 이뤄지면 스테인레스강 스트립(36)은 견고한 스프링 특성을 지나게 된다. 스테인레스강 스트립(36)이 완전히 팽창하게 되면, 이들 스테인레스강 스트립은 연료 집합체(10) 사이에 존재하는 공간을 완전히 채우게 된다. 따라서 연료집합체가 움직일 수 있는 공간이 없어지므로 연료 집합체의 보우잉이 방지된다. 원자노심이 냉각되면, 스테인레스강 스트립(36)은 상기 그리드(18),(20)의 주변 스트립에 대해 이들 처음위치로 귀환되므로, 연료집합체를 재공급하는데 따르는 아무런 문제도 야기치 않는다.

본 발명에 따라 구성된 제3실시예의 바이메탈 스페이서 장치를 제8도 및 제9도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 제3실시예의 바이메탈 스페이서 장치는 구조상에 있어서 이미 전술된 다른 두 실시예의 바이메탈 스페이서 장치와는 전혀 다르다. 즉, 이러한 제3실시예의 바이메탈 스페이서 장치는 제8도에 도시된 스테인레스강 스트립(38),(40)과 같은 다수의 스테인레스강 스트립을 이용한다. 그러나, 상기의 스테인레스강 스트립(38),(40)은 이미 전술된 두 실시예의 스테인레스강 스트립(34),(36) 처럼 스페이서 그리드(18),(20)의 주변스트립(24)에 부착되지 않는다. 더우기, 스테인레스강 스트립(34),(36)과 같이 300계열 스테인레스강 중에서 선택된 스테인레스강 물질로 양호하게 제조된 스테인레스강 스트립(38),(40)은, 제9도에 도시된 바와같이, 연료 집합체의 둘레를 한정하는 연료 집합체(10)의 최외부행에 위치한 연료봉에서 일부 선택된 연료봉(42)에 부착된다.

제3실시예의 바이메탈 스페이서 장치의 형태에 따라, 제9도에 도시된 바와같이 연료 집합체(10)의 연료 매트릭스 주변 둘레에 동일한 간격으로 적절하게 위치한 총 8개의 연료봉(42)이 양호하게 사용된다. 더구나, 이러한 연료봉(42)은 양호하게 수정된 연료봉(12)형태를 갖는다. 즉, 스테인레스강 스트립(38),(40)이 부착되는 연료봉의 어느 한쪽 부분에는 연료펠렛이 채워진다. 최종적으로, 전술된 바와같이, 스테인레스강 스트립(38)과 스테인레스강 스트립, 즉 밴드(40)는 제1도에 도시된 그리드(18),(20) 즉 중앙의 두 스페이서 그리드 사이에 위치한 연료봉부분에 양호하게 부착된다. 따라서, 스테인레스강 그리드(38),(40)는 연료 집합체(10)의 보우잉을 방지토록 스페이서 그리드(18),(20)와 상호 작용한다. 이를 위해, 한 셋트의 스테인레스강 스트립(38),(40)은 각각의 스페이서 그리드(18),(20)에 나란하게 상기 연료봉(42)상에 장착되거나, 또는 임의적으로 단지 한 셋트의 스테인레스강 스트립(38),(40)은 상기 스트립(38),(40)이 스페이서 그리드(18),(20) 사이에 배치되고 또한 그리드(18),(20)에 대해 동일한 간격으로 위치되도록 연료봉(42)상에 장착되도록 이용된다.

각 연료봉(42)이 제공된 스테인레스강 스트립(38),(40)의 셋트의 수에 관계없이, 본 발명에 따른 제3실시예의 바이메탈 스페이서 수단의 기능은 동일하다. 즉, 제3실시예의 기능도 또한 전술한 본 발명의 두 실시예 각각의 기능과 동일한 기능으로 연료 집합체의 보우잉을 방지하게 된다. 이러한 점에서, 스테인레스강 스트립(38)은 본 발명의 바이메탈 스페이서 장치의 제1실시예의 스테인레스강 스트립(34)과 대체로 동일하게 작동한다. 즉 스테인레스강 스트립(38)은 전체가 지르칼로이로 피복된 연료봉 둘레에 부착되어 연료집합체(10)의 연료 매트릭스 주변상에 외부적으로 위치되고 또한 관련되는 연료 집합체(10)의 수직축에 평행하게 즉 관련되는 연료봉의 수직축에 평행하게 연장되는 주축을 각각 갖게 된다.

스테인레스강 스트립(38)의 작동 모드에 따라, 연료 집합체(10)를 따라 흐르는 냉각재의 열 운반에 의해 스테인레스강 스트립은 바깥쪽 즉 봉(42)외부 표면으로부터 멀어지는 쪽으로 열적으로 팽창하게 된다. 이러한 작동에서, 스테인레스강 스트립(38)은 견고한 스프링 특성을 갖게 된다. 스트립(38)이 팽창되면, 상기 스트립(38)은 인접한 연료 집합체(10)들 사이에 위치한 공간을 메우게 된다.

결과적으로, 이는 연료 집합체가 이동할 수 있는 공간을 제공하지 않을 뿐 아니라 연료 집합체(10)의 보우잉이 생성될 수 있는 공간을 제공하지 않게 된다. 원자로 노심이 냉각되면, 스테인레스강 스트립(38)은 이들 처음 위치 즉 스트립들이 연료봉(42)의 외부표면에 사실상 접촉된 위치로 복귀된다. 이들이 처음 위치로 복귀됨으로써, 상기봉(42)은 연료 집합체(10)의 연료 교체를 효과적으로 실시가능케 한다. 스테인레스강 스트립(38)은 전체가 지르칼로이로 구성된 인접한 스페이서 그리드(18),(20)와 지르칼로이로 피복된 연료봉들 보다 상당히 큰 범위로 열팽창되는데, 이는 지르칼로이의 열팽창 계수가 300계열 스테인레스강의 열팽창 계수와 서로 다르기 때문이다.

스테인레스강 스트립(38),(40)을 연료봉(42)에 부착시킬 수 있는 적절한 부착방법이 사용될 것이다. 이를 위해, 스테인레스강 스트립(38)은 용접에 의해 각 밴드(40)에 적절하게 부착되는 각각의 단부를 구비하고 있다. 스테인레스강 구조로 이뤄진 밴드(40)는 연료봉(42)을 원주상으로 에워싼다.

따라서, 본 발명에 의해 원자노심에서 사용되는 연료 집합체와 아주 적합하게 협동적으로 결합 작동하는 새롭고 개선된 바이메탈 스페이서 장치가 제공된다. 더구나, 본 발명의 바이메탈 스페이서 장치는 연료 집합체와 상호 협동적으로 작동할때 연료봉들을 측방향으로 지지토록 작동하는 수단을 포함한다. 부가적으로 본 발명에 의한 바이메탈스페이서 장치는 연료집합체와 상호 협동적으로 작동할때 예정된 허용 한계를 초과하는 연료집합체의 보우잉에 대해 대항할 수 있도록 작용한다. 또한 본 발명의 바이메탈 스페이서 장치는 비교적 낮은 중성자 흡수 경향을 나타낸다는 점에서 특징지워진다. 더구나, 본 발명에 의한 바이메 탈스페이서 장치는 사용이 비교적 간편하고 제조비용이 싸며 또한 효과적이고 신뢰성 있는 작동을 제공한다.

발명의 여러 실시예가 도시된 바와같이, 본 발명은 본 발명의 사상과 영역에 벗어남이 없이 이 분야에 숙련된 자에 의해 수정 변경될 수 있다.

Claims (1)

1. 원자로 노심내에서 사용되고 한정된 외면을 갖는 연료 집합체는 다수의 연료봉과 적어도 하나 이상의 연료 집합체 스페이서 그리드를 포함하고, 상기 연료 집합체 스페이서 그리드는 주변 수단과 상기 주변수단과 구조적으로 연관되는 제1내부 그리드 부재와 제2내부 그리드 부재를 포함하며, 상기 주변 수단은 다수의 연료봉을 에워싸는 폐쇄된 주변 구조를 형성하여 연료 집합체의 외면을 한정짓도록 작용하는 단부를 구비한 지르칼로이로 제조된 다수의 주변 스트립을 포함하며, 상기 제1내부 그리드 부재는 다수의 연료봉을 측방향으로 지지토록 작동하며, 상기 제2내부 그리드 부재는 각각의 연료봉 사이에 적절한 공간을 제공토록 작동하는데 있어서, 상기 연료 집합체는 연료 집합체의 노심내 보우잉을 방지토록 주변 수단과 관련 작동하는 스페이서 장치를 구비하며, 상기 스페이서 장치는 지르칼로이보다 높은 열팽창 계수를 갖는 물질로 제조된 다수의 스테인레스강 스트립을 포함하며, 상기 다수의 스테인레스강 스트립은 연료 집합체의 외면에 비교적 밀착된 상태에 놓여진 제위치와 연료 집합체의 외면에 대해 비교적 측방향으로 이동되어 연료집합체 외면에 인접해 있는 공간을 차지하는 제위치 사이에서 열적으로 팽창되어 연료집합체의 보우잉을 방지토록 서로 일정한 간격으로 상기의 주변스트립에 부착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 바이메탈 스페이서 장치.

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