KR910001978B1 - 일체 베인을 가진 지지 그리드 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

일체 베인을 가진 지지 그리드
제1도는 연료체 지지 그리드가 본 발명의 원리에 따라 일체의 유체유동 통제 베인을 가지는 연료 조립체 일부의 사시도.
제2도는 제1도의 연료체 지지 그리드의 개략적인 평면도.
제3도는 스템프하기 전에 제1도 및 2도의 연료체 지지 그리드의 제1유형 스트립에 관한 블랭크의 입면도.
제4도는 스탬프된 이후에 제3도의 스트립의 평면도.
제5도는 제4도의 스트립의 입면도.
제6도는 제2유형 스트립에 관한 블랭크로서 제3도와 유사한 도면.
제7도는 제2유형 스트립으로서 제4도와 유사한 도면.
제8도는 제2유형 스트립으로서 제5도와 유사한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 연료체 지지 그리드 12 : 연료체
14, 16 : 스트립 20, 22 : 유체유동 통제 베인
40 : 주변스트립
본 발명은 원자로에 관한 것으로서, 특히 증가된 열 전달에 따라 유체유동을 통제하는 일체의 유동 통제 베인을 가지는 용접된 연료체 지지 그리드에 의하여 원자로 내의 다발 또는 조립체에서 이격된 연료체의 지지에 관한 것이다.
원자로용 핵 연료 조립체는 다수의 용접된 스페이서 그리드, 하단부 맞춤부 및 상단부 맞춤부를 포함하는 구조물로써 유지된 연료체 또는 연료봉 어레이의 형태로서 일반적으로 제공된다. 가이드 딤볼(thimbles)은 하단부 맞춤부, 상단부 맞춤부 및 핵연료 조립체의 단부 중간에 있는 스페이서 그리드간에 구조적 완전성을 제공한다. 스페이서 그리드는 통상적으로 각각 16봉의 행과열을 이루는 핵연료봉의 어레이를 형성한다. 그러한 스페이서 및 지지 그리드는 미합중국 특허 제3,481,832호에 기술되어 있다.
단부 중간에서 핵연료체 또는 봉의 이격된 어레이를 지탱하는 전형적인 연료체 지지 그리드는 일반적인 사변형 또는 다각형 주변부를 포함한다. 주변부 내에서 다수의 연료체 격실 또는 셀은 교차지점에서 서로 결합되고 주변부에 용접된 제1 및 제2그리드 형성 부재 또는 스트립에 의해 형성된다. 연료체 지지 그리드의 그리드 형성 부재는 어레이의 다른 그리드 형성 부재와의 교차지점을 따라 폭의 일부가 슬롯이 형성되어 있으므로 교차지점에서 조립 및 결합되어서 소위 "달걀상자"형태를 이루게 된다. 원자로의 그리드를 통해 냉각 또는 완화 유체의 유동에 악영향을 끼치지 않고 양호한 강도 대 중량비를 제공하기 때문에 이러한 구조물이 이용되고 있다. 그리드 스트립은 전형적으로 격실내에서 연료체를 연결 및 지지하기 위한 돌출 스프링 및 아치를 포함한다. 따라서, 핵연료 조립체에서 각각의 핵연료봉 그리드 위치에 축방향, 측방향 및 회전방향 제한은 냉각제 유동, 지진 교란 또는 외부 충격으로 인한 핵연료봉 운동에 대비한다. 또한, 스페이서 그리드는 원자로에 연료체를 삽입하거나 제거하는 동안 측방향 안내로 작용한다. 격실 내부이 스프링 및 아치를 포함하여 연료 격자의 모든 소자는 그리드를 횡단하는 압력 강하를 최소로 하기 위하여 연료 냉각제 유동에 관하여 정렬된다.
미합중국 특허 제3,764,470호에서는 평행하게 이격된 핵연료체 사이의 통로에서 냉각 유체를 재통제하는 유동 트워스터, 혼합베인 또는 유체유동 통제 베인이 기술되어 있다. 상기 트위스터는 대향한 두쌍의 나사선과 다른 그리드 부재를 수용하는 한쌍의 슬롯을 형성하기 위하여 그 자체가 접혀진 "U"의 자유 단부와의 교차면에서 하나의 그리드 부재에 지탱한 U형 금속박판이다. 상기 트위스터의 목적은 냉각 유체를 인접한 핵연료봉을 향해 내측으로 그리고 핵 연료봉 둘레를 나선형으로 통제하는데 있다. 그러한 이용의 바람직함 및 이론은 미합중국 특허 제3,764,470호의 "발명의 배경"에 설명되어 있다. 그와 동일한 배경이 본 발명에서도 적용될 수 있다.
본 발명의 원리에 따라 제공된 유체유동 통제 베인 또는 "혼합 베인"은 스트립과 일체로 되고, 또한 그리드를 위해 개량된 강도, 조립 및 핵연료 조립체 재구성중에 그리드에 개량된 피해 저항성 및 미합중국 특허 제3,764,470호의 별개의 "트위스터"에 의해 이미 제공된 유형의 개량된 수력학적 성능을 제공한다. 유체유동 통제 베인이 일체로 되어 있는 주요한 장점은 원자로에서 순환되는 유동 분류 내에서 부품 또는 파편이 원자로의 내부에 피해를 줄 정도로 헐겁게 되지 않는다는 데 있다. 게다가, 본 발명의 일체의 유체유동 통제 베인에 관한 특정한 설계 형태는 베인 자체가 "내포"되어 있기 때문에 일체의 유체유동 통제 베인에 따라 종래 그리드에 비해 강도가 증가된 그리드를 제공하고, 또한 각각의 직사각형 스트립이 서로 쌍으로 교차하도록 각각의 스트립을 부착시키는 강력한 수단을 제공한다.
본 발명에 의해 제공된 장점은 전형적인 달걀상자 형으로 조립되어 있지만 2개의 직사각형 스트립에 의해 형성된 교차지점의 각각에 대해 적어도 3지점에서 교차하는 스트립을 가지는 스페이서 그리도 조립체에서 달성된다. 단지 2개의 다른 유형의 개별적인 스트립이 그리드의 내부 면적을 만드는데 요구되지만, 가이드 딤블 또는 가이드 튜브를 수용하는 특별한 핵연료봉 지지 형상 또는 특별한 셀을 만들기 위해 추가 유형이 두 기본 유형과 양립할 수 있게 만들어질 수 있다. 유동 통제 베인의 부위에서 교차하는 주어진 스트립에 위치하는 하나, 둘 또는 세 장소에 후술하는 방법대로 임의로 용접시킬 수 있다.
신규의 일체의 유동 통제 베인을 가지는 본 발명의 원리에 따라 제작된 그리드는 조립중에, 지진 및 다른 비정상 상태중에, 원자로이 정상 작동중에, 그리고 원자로(재구성)에서 작동 주기가 끝난후 핵연료 조립체의 수선중에 다른 그리드 구조에 비해 월등히 우수한 성능을 제공한다.
조립중에 스트립 형상이 스탬프되므로, 베인을 형성하고 위치를 정하기 위하여 어떠한 수동 또는 다른 지주조립체 굽힘을 필요로 하지 않는다. 따라서, 조립이 저렴하게 된다. 일체의 유동 통제 베인읜 특별한 형상 때문에, 유동은 종래 형태로 굽어진 혼합 베인을 지나가는 것보다 조립중에 더욱 용이하게 핵연료봉 지지 스프링 및 아치를 지나간다. 게다가 그리드의 특정한 구조와, "내포된" 일체의 유체유동 통제 베인 때문에, 용접부의 더욱 용이하게 접근하고, 스트립에 베인을 일체로 부착시킨 영역에서 하나를 사용하기 위해 선택한다면 가장 접근하기 어려운 또는 중간 용접부에서 어려움이 줄어든다. 베인이 일체로 되고 스트립 모서리를 지나 돌출하지 않고 스트립의 정상 폭내에 "내포"되어 있기 때문에 유동 통제 베인은 사용중에 그리고 핵연료 조립체의 조립중에 종래 일체 베인의 돌출 유형보다 피해를 적게 받게 된다.
필요하다면, 본 발명에 의한 유체유동 통제 베인은 그리드 구조물의 상류 및 하류측 두곳에 설치될 수도 있다.
지진의 경우나 또는 다른 지정상 상태중에 본 발명에 의한 유동 통제 베인의 성능은 베인이 "내포"되어 있고 돌출하지 않기 때문에 측방향 하중에 대해 저항력을 제공한다. 그리드 보강은 얇은 단면의 전장이 유체유동 통제 베인의 형상에 의하여 각각의 코너에서 축소된다는 사실에 일부 기인한다. 이것은 연료체 셀의 한 측면에서 각각의 코너가 베인으로 보강되기 때문이다.
따라서, 축소된 스트립 단면이 측방향 하중에 대해 종래 구조로 달성된 저항력과 동일한 저항력을 제공할 것이다. 축소된 단면 이득은 다른 분야에도 이용될 수 있다. 예를들면, 더 얇은 단면은 지진으로 인한 피해에 대해 주어진 강도 또는 주어진 저항력을 위해 더 낮은 압력 강하를 초래하거나 또는 압력강하를 초래하지 않는 직경이 더 큰 연료체를 사용할 수 있게 할 것이다.
다른 방법으로서, 주어진 재료의 종래 그리드 구조로부터, 스트립의 단면을 유지하면서 본래 더 약하나 보다 경제적인 재료로 된 본 발명으로 변경시킬 수 있다. 상기 구조로 인한 구조적 개선은 열등한 재료 성질을 상쇄할 것이다.
정상 작동중에, 유체유동 통제 베인은 연료체 셀의 개방 또는 코너 지역에서 밀집 지역까지 양호한 혼합을 제공한다. 이러한 혼합은 미합중국 특허 제3,764,470호에 기술된 이유 때문에 양호한 열전달 및 양호한 "열적 가장자리"를 부여한다. 이것은 주어진 요구 그리드 강도에 대한 스트립의 축소된 단면 때문에 허용가능한 압력강하로 달성된다. "내포된"일체의 유동 통제 베인은 종래 용접 덩어리 치수보다 더 작게할 수 있으므로서 종래 그리드보다 압력 강하를 더 낮게 한다. 게다가, 종래 그리드 구조물에서 2개의 사변형 스트립의 교차면에서 용접 형태는 본 발명에 의한 베인의 교차지점에 필요한 용점에 비해 더큰 유동 제한 및 불필요한 난류를 제공한다. 또한, 일체의 유동 통제 베인이 종래에 제시된 유동제어 표면의 급격한 굽힘이 없이, 다른 방법으로 그 경우가 되는 것보다 그리드를 가로 질러 더 낮은 압력강하가 본 발명의 "내포된"베인에 의해 만들어진다.
핵연료 조립체의 재구성중에, 개별적인 연료 체가 조립체에서 제거되어 재삽입될 수 있다. 종래 형태에서와 같이, 스트립 모서리 밖으로 돌출하는 개개의 혼합 베인은 재삽입 공정중에 연료체의 첨두가 먼저 그리드로 접근할때 구부러질 수 있다. 이러한 굽힘은 더 깊은 삽입을 방해할 수 있거나, 다음 작동중에 재삽입된 연료체 또는 인접한 연료체에 접촉할 수 있다. 그러한 접촉은 연료체 피복관을 지역적으로 미모시키고 갈라지게 할 수 있다. 또한, 종래 베인의 굽힘이 지나치면, 상기 베인은 원자로의 순환하는 유체속에서 파손될 수 있고, 파편이 일어날 수 있다. 그러한 파편은 작동하는 원자로에서 연료체를 갈라지게 하는 일반적인 원인이다. 본 발명의 "내포"된 베인은 재구성중에 연료체로 인한 피해를 받지 않는 기하형태를 제공함으로써 다음 작동중에 접촉 또는 파편의 염려를 제거한다.
본 발명의 특징 및 장점은 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
스트립의 폭 범위안에서 "내포된"교차하는 일체의 유체유동 통제 베인을 포함하는 본 발명의 연료체 지지 그리드(10)가 제1도에 도시되어 있다. 제1도에서, 연료체 또는 연료봉(12)은 실예를 보이기 위해 하나의 연료셀 내에 위치해 있다. 지지 그리드 자체는 제2도에서 수평 및 평행으로 도시된 제1유형 스트립(14)과, 제2도에서 수직 및 평행으로 도시된 제2유형 스트립(16)으로 만들어진다.
스트립(14,16)은 스탬프된 스트립이고, 주석, 철, 크롬 및 니켈의 백분율이 낮은 지르코늄의 합금에 관한 보통 명칭인 지르칼로이(zircaloy)가 바람직하다. 공지된 다른 그리드 재료는 인커낼(Inconel) 및 AM-350이다.
제1유형 스트립(14)은 제4도 및 제5도에 도시되어 있다. 스탬프하기전 스트립 블랭크(14a)가 제3도에 입면도로 도시되어 있다. 블랭크(14a)는 "달걀상자"관계로서 교차하게될 제2유형 스트립을 수용하기 위해 규칙적으로 이격된 상류측 한계 모서리를 따라가는 슬롯(18)을 포함한다. 스트립 블랭크(14a)의 대향 모서리에는 주유동 통제 베인(20a)과 부유동 통제 베인(22a)이 되는 부위가 있다. 2개의 주유동 통제 베인(20a)을 각각 분리하는 슬롯(24a)이 슬롯(18)과 일렬로 정렬되어 있고, 2개의 부유동 통제 베인(22a)을 각각 분리하는 V-커트(26a)가 각각 슬롯(18)가 일렬로 정렬되어 있다.
지르칼로이 스트립 블랭크(14a)가 제3도 및 제4도에 도시된 제1유형 스트립을 만들기 위해 타출될때, 제4도 및 제5도에 도시된 바와같이 슬롯(24a) 및 V-커트(26a)에 의해 제각기 분리된 일체의 주유동통제베인(20a,22a)으로 최종 형성된다.
제6도 내지 제8도는 제6도가 제2유형 스트립 블랭크(16b)를 도시하고 일체의 유체유동 통제 베인(20b,22b)이 하류측 모서리를 따라 V-커트(26b) 및 슬롯(28)에 의해 형성된다는 점을 제외하면 제3도 내지 제5도와 일치한다. 제2유형 스트립(16)은 제1유형 스트립(14)과 협동하여 쌍으로 교차하여 슬롯식으로 결합하면서 그리드를 형성하는 제1 및 제2사변형 스트립을 제공한다. 일체의 유체유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)은 각기 태브(30)를 제공하는 용접 재료를 가진다. 태브(30)를 제공하는 용접재료는 스트립의 교차선에서 슬롯(18)의 어느 한면에서 슬롯(28)에 대향한 스트립(16)의 바닥 모서리에 위치하게 된다.
다시 제2도로 돌아가면, 본 발명의 연료체 지지 그리드는 그리드의 한 측면에 있는 스트립이 2개의 사변형 스트립(14,16)에 의해 형성된 각각의 교차면에 대하여 3지점에서 교차하기 때문에 종래 스페이서 그리드 형태의 기하와는 다른 기하를 가진다. 작동중에, 도시된 스페이서 그리드는 보통 일체의 유체유동 통제 베인을 갖는 그리드 측면에 하류측에 있게되는 방향을 취하게 된다. 그러나, 적절한 순환을 요구하고 또는 하중 저항력을 더욱 개선시키고자 한다면, 스트립(14,16)의 기하는 그리드 셀의 상류측 및 하류측 말단에서 일체의 유체유동 통제 베인(20,22)으로 형성되어 조립될 수 있도록 만들어질 수 있다.
유동 통제 베인의 2지점 교차는 개별적인 스트립(14,16)의 도시된 형상에 의해 달성된다. 명백하게도, 스트립의 추가 유형을 형성하여 필요하면, 핵연료 조립체의 구조적 성분을 수용하는 특별한 연료봉 지지 형태 또는 특별한 셀을 가진 그리드 형태를 만들기 위하여 스트립(14,16)과 연관시켜 이용할 수 있다. 스트립(14,16)은 외부로 돌출하지 않는 주변 스트립(40)에 맞물려서 용접된다. 유동 통제 베인(20,22)의 어떤 부분은 주변부내에서 사각형태를 유지하기 위하여 절단되어 있을 것이다.
2접촉점중 단지 2개만이 제2도에서 용접부(32)로 도시된 바와같이 각각의 교차면에서 용접될 수 있다. 다른 방법으로서, 제3용접부(34)가 강도를 더하기 위해 제공될 수 있다. 세번째 방법은 완성된 구조물을 형성하기 위하여 제3용접부(34)를 사용하는 경우에만 존재한다. 다시 말하면, 도시된 실시예의 용접부(32)는 유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)이 각각의 스트립(14,16)에 일체로 부착된 지역에서 멀리 떨어진 다수쌍이 일체의 유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)의 모서리의 교차지점에 위치하게 될 것이다. 용접부(34)의 위치에 관하여 언급한 일체 부착지역은 스트립(14,16)이 조립될때 커트(26a) 및 슬롯(24a)의 기부에 위치한다. 전형적으로 용접부(32)는 텅스텐 활성 가스 용접 작용에 의해 태브(30)에서 형성되고, 용접부(34)는 전자빔 또는 레이저 용접에 의해 형성된다. 제1유형 스트립 및 제2유형 스트립을 사변형 교차 관계로 조립함에 있어서, 고체 제1유형 스트립이 180°로 회전되고, 교체 제2유형 스트립이 180°로 회전된다. 이것은 그리드의 하류측에서 사인형 대각선 형태를 만든다.
종래 연료체 지지 그리드와 "내포된"일체의 유체유동 통제 베인을 가진 본 발명이 연료체 지지 그리드와 모의 실험하기 위하여 고안된 선택된 내부 그리드 부분의 모델의 강도 시험에서, 동일한 스트립 높이 및 동일한 스트립 두께로된 종래 그리드 구조물에 비해 본 발명의 구조물의 강도가 적어도 63% 개량되었다. 이러한 63%가 개량된 강도 특징은 그리드의 한 측면에서만 혼합 베인을 가진 샘플과, 3가지 교체 용접 형태중 2가지에서 획득되었다. 연료체 지지 스프링 및 아치는 어떠한 샘플에도 포함되지 않았다. 모조 그리드의 시험은 그리드 구조물에 스프링 및 아치가 있음이 표준 그리드 구조물보다 해롭지 않는 것으로 나타냈다.
제1도에 도시된 그리드와 유사한 열개의 그리드 샘플을 포함하는 시험에서 강도가 개량된 것으로 판명되었다. 모든 샘플은 일체의 유체유동 통제 베인에서 멀리 떨어진 그리드의 측면이나 또는 상류측에 있는 스트립 교차지점에서 용접덩어리를 가졌다. 용접은 텅스텐 불활성 가스 용접이었다. 샘플 A 및 B는 제2도에 도시된 바와같이 베인을 서로 부착시키기 위하여 제공된 용접부(32)에 용접하므로써, 제1유형 및 제2유형 스트립의 각쌍에서 교차하여 슬롯식으로 결합하는 제1 및 제2스트립을 함께 부착시킨다. 샘플 A 및 B는 제2유형 스트립과 평행한 방향으로 하중을 받았다. 샘플 C 및 D는 샘플 A 및 B와 동일하나 하중 방향이 직각이었다. 샘플 E는 샘플 A 및 B와 유사하나 딤블을 포함하여 서로 이격된 2셀을 포함하였다. 샘플 F는 샘플 직각으로 가해진 하중을 갖는 E와 동일하다. 샘플 E 및 딤블을 포함하는 그리드 셀(제1도의 용접부(32))에서 베인 용접이 없었다. 샘플 G 및 H는 스트립과 일체 접속 지역(제1도의 용접부(34))에 인접하여 일체의 유체유동 통제 베인의 교차점에서 전자빔 용점을 가졌으나 그외에는 샘플 A 및 B와 동일하였다. 샘플 I 및 J는 하중이 직각으로 적용되는 샘플 G 및 H와 동일하였다. 샘플 J의 경우에, 하류측에서 하나의 전자빔 용접이 생략되었다. 모든 그리드는 가능한 정도까지 동일한 치수였다.
[표 1]
Figure kpo00001
종래 그리드에 비해 본 발명의 그리드 및 일체의 유체유동 통제 베인에서는 명백한 강도 개선이 획득되었다. 가능한 제3용접 형태는 시험하지 않았는데(제1도의 용접부(34)에서만 용접), 이러한 그리드 유형에서도 강도 개선이 예상된다.

Claims (6)

  1. 다각형 주변부(40)와, 상기 주변부에 서로 부착되어 교차하며 슬롯식으로 결합되어 그리드를 형성하는 제1스트립(14) 및 제2스트립(16)의 쌍에 의하여 형성된 다수의 연료체 격실을 포함하며, 연료체 단부 중간에서 유체유동이 가능하게 이격된 관계로 다수의 핵 연료체(12)를 지지하기 위한 연료체 지지 그리드(10)에 있어서, 교차하며 슬롯식으로 결합된 두쌍의 스트립(14,16)에 의하여 형성된 다수의 격실을 포함하며, 상기 격실은 실질적으로 연속한 평탄 평면을 형성하도록 교차하는 스트립의 인접 베인과 교차하며 각각의 스트립 평면에서 굴곡을 이루는 인접한 각각의 일체의 유체유동 통제 베인을 갖는 두쌍의 상기 스트립(14,16)의 각 인접 모서리를 따라 서로 교차하여 용접된 두쌍의 일체의 유체유동 통제 베인을 갖는 것을 특징으로 하는 연료제 지지 그리드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모든 일체의 유체유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)은 상기 연료체 사이의 유체유동 방향에 대하여 상기 스트립의 하류측 모서리상에 있고 각각의 스트립에 대하여 일체로 부착된 베인 영역에서 떨어진 다수쌍의 일체의 유체유동 통제 베인의 모서리는 대체로 사인곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 연료체 지지 그리드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스트립(14,16)과 상기 일체의 유체유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)은 스탬프된 지르칼로이로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료체 지지 그리드.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 스트립(14,16)에 대하여 일체로 부착된 베인 영역에서 멀리 떨어진 다수쌍의 일체의 유체유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)의 모서리 교차지점에 용접부(32)가 있는 것을 특징으로 하는 연료체 지지 그리드.
  5. 제1항에 있어서, 각각의 스트립(14,16)에 대하여 일체로 부착된 베인영역에 인접한 다수쌍의 일체의 유체유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)의 모서리 교차지점에 용접부(34)가 있는 것을 특지응로 하는 연료체 지지 그리드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용접부(32,34)는 각각의 스트립에 대하여 일체로 부착된 베인영역에 인접하고 또한 멀리 떨어진 다수쌍의 일체의 유체유동 통제 베인(20a,20b,22a,22b)의 모서리 교차지점에 있는 것을 특징으로 하는 연료체 지지 그리드.
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