KR920007736B1 - 연료봉 및 연료봉 가압 밀봉 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

연료봉 및 연료봉 가압 밀봉 방법

제1도는 본 발명을 실시하는 연료봉 집합체가 적용되는 통상의 핵연료 집합체의 부분 단면 정면도.

제2도는 본 발명을 실시하는 연료봉 집합체의 확대 단면도.

제3도는 연료봉 내로의 가압 가스의 유입을 허용하기 위하여 축 통로를 갖는 종전 기술 단부 플러그의 단면도.

제4도는 평면부의 정면도를 도시하도록 단부 플러그가 제2도에 도시된 위치로부터 90도 회전하는 제2도에 도시한 연료봉 상단부 플러그의 확대 정면도.

제5도는 제4도의 선 5-5를 따라 취한 단면도.

제6도는 연료관의 상단부내에 부분 삽입된 단부 플러그를 도시하는 동시에 제4도의 선 6-6을 취한 단면도.

제7도는 단부 플러그의 하부 몸체부가 관 단부로 전체 삽입되는 동시에 상부 쇼울더부가 관단부와 접합하는 것을 도시하는 제6도와 유사한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 연료 집합체 14 : 가이드 딤블

38 : 핵연료 펠릿 40 : 피복체관

58 : 쇼울더부 60 : 몸체부

68 : 내부 부재 70 : 외부 부재

본 발명은 일반적으로는 원자로 용 연료 집합체에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 연료봉 내에 가압 가스를 밀봉하기 위한 개량된 단부 플러그를 갖는 핵연료봉에 관한 것이다.

당 기술에 잘 공지된 바와 같이, 연료봉의 내부가 가압 된다면 원자로의 전체 효율은 증진될 수 있으며 연료봉의 유효 수명이 신장될 수 있다.

가압 연료봉에 대한 개념은 해리 엠. 페라리에 의하여 공고된 미합중국 특허 제3,667,894호에 명세되며, 가열시에 연료봉 내부를 가압하기 위하여 가스를 발생하는 열분해 가능한 연료봉이 명세된다.

연료봉을 가압하는 또다른 방법은 제작중에 그 단부 플러그의 하나가 입구 가스 오리피스를 구비하여 연료봉이 가압하에서 불활성 가스로 채워진 후에 용접 밀페되는 방법이다. 이와 같은 단부 플러그의 일 형태는 던컨등에 의하여 공고된 미합중국 특허 제4,075,454호에 명세되어 있다. 던컨등에 의한 특허에는 단부 플러그가 방사상으로 신장하는 가스 입구 오리피스를 가져서 방법 내측과의 직접적인 유동 연결을 위하여 플러그의 중앙 영역(공동)으로 연결시킨다. 연료봉이 가압 가스로 채워진 후에 입구 오리피스는 단부 플러그가 연료봉의 단부에 용접되는 것과 같이 용접 퍼들로 밀봉 폐색된다.

플러그 중앙 공동의 가공이 고가인 외에도 피일-백 문제로 인하여 입구 오리피스를 밀봉하는 것은 매우 곤란하다. 부가적으로 말하여, 이와 같은 밀봉은 밀봉이 적절한가를 보증하기 위하여 시간 소비 및 고가의 검사 작업을 요구한다. 또다른 형태의 단부 플러그는 거스 밀봉 용접에 의하여 봉 가압 하기 위하여 단부 플러그의 감소된 직경부 상에 평탄부를 구비하는 것으로 명세되는 독일 연방공화국 제1,238,589호에 명시된다.

독일 연방공화국 특허의 단부 플러그에 대한 구조 및 작동과 유사한 또다른 단부 플러그는 플러그의 감소 된 직경부의 전체 축방향 높이로 신장하는 네개의 작고, 원주 방향으로 배치되며, 종방향으로 신장하는 홈을 갖는 감소 직경부를 갖는다.

감소 직경의 전체 길이로 신장하는 ＂가압＂평면 또는 홈을 갖는 단부 플러그는 연료관의 단부와 단부 플러그의 완전한 금속대 금속 접촉이 없기 때문에 거스 용접에 의하여 밀봉하는 것은 매우 곤란하며, 이때＂평면＂ 또는＂홈＂ 은 용접 작업중에 적절한 열 분산을 방해하여 관벽의 멜팅백(＂피일백＂)을 야기하는 보이드를 정의한다.

또한, 제작 단계중에 연료봉을 가압하는데에 사용되는 가장 통상 적인 단부 플러그 구조의 하나는 작은 축 보어가 구비된 단부 플러그를 도시하는 보이코 등의 미합중국 특허 제4,003,788호에 명세된다.

이와 같은 배열에서는 우선 단부 플러그가 관상 피복체 단부에 가스 용접에 의하여 밀봉된 다음, 봉이 가압하의 가스가 축 보어를 통하여 봉으로 유입되는 가압 용접 챔버내에 배치된 후, 보어 개구부가 미합중국 특허 제3,683,148호, 제3,725,635호 및 제3,842,238호와 같은 것에 의하여 용융 폐색된다. 플러그 단부내의 가스 입구 개구부(통로)를 폐색하는데에 사용되는 방법은 개구부를 가로질러 용융을 산출하는 동시에 단시간(약2초) 용접 펄스에 의하여 밀봉도는 공지의 TIG용접이다.

이와 같은 용접작업동안, 일련의 액적으로써 용융재료는 단부를 밀봉하는 동시에 통로내로 신장하는 용접괴를 형성하기 위하여 아아.크＂브라스트＂에 의하여 통로내로 용융재료가 유입된다.

적절한 재료 유입이 통로벽에 용융되는 고통합성의 용접을 형성하였는가를 보증하는 것은 매우 곤란하다. 비파괴 기구에 의한 밀봉 용접의 검사는 매우 어려우며, 시간을 소비하는 과정이 동시에 신뢰성 및 유효성을 위하여 고가의 검사 장치가 요구된다. 부가적으로 말하면, 아아크에 의한 와류와 전극과의 접근은 용접이 분산된 텅스텐으로 오염될 가능성이 있다.

상기 문제들을 배제하는 것이 본 발명의 주요한 목적이며, 따라서 본 발명은 핵연료 및 가압 가스를 수용하기 위한 피복체관과, 핵연료 및 가압 가스를 수용하는 피복체관의 단부를 밀봉 폐색하기 위한 수단, 피복체관의 일단으로 삽입될 몸체부를 갖는 단부 플러그로 이루어지는 상기 단부의 하나와 결합되는 폐색 수단으로 구성됨에 있어서, 상기 몸체부가 피복체관의 상기 단부에 압력 밀착 관계 및 면-대-면 밀봉 접촉으로 고착되도록 하는 단면 배열 및 크기를 가지고, 상기 몸체부가 또한 몸체부의 내부 단부로부터 몸체부 외부 단부에서 일정간격을 이루는 외주상의 위치로 신장하며, 상기 가스 통로 제한 수단이 상기 몸체부관의 상기 단부에 부분적으로 삽입될 때 피복체관을 가압하기 위한 가스 입구 오리피스를 구비하며, 상기 몸체부가 완전 삽입 위치에 있을 때 상기 면-대-면 밀봉 접촉에 의하여 상기 가스 입구 오리피스를 밀봉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 양상으로써 본 발명은 상기 연료봉 집합체를 가압 및 밀봉하는 방법에 있어서, 단부 플러그의 상기 몸체부를 피복체관의 상기 단부로 부분 삽입하는 단계, 가압하에서 상기 가스 입구 오리피스를 통하여 피복체관 내로 유입 시키는 단계, 몸체부를 피복체관의 상기 단부내로 완전히 삽입하여 상기 가스 입구 오리피스를 밀봉하는 단계 및 피복체관에 단부 플러그를 밀봉 용접하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

하기에 상세히 명세된 양호한 실시예에서, 단부 플러그는 몸체부와 그에 인접하여 통합 형성되는 쇼울더부를 가지며, 상기 쇼울더부는 몸체부가 피복체관의 상기 단부에 완전히 삽입될 때 관과 단부 플러그 사이에서 접하는 레지를 형성하도록 몸체부보다 큰 단면적을 갖는다. 단부 플러그의 가스 통로 제한 수단은 단부 플러그의 내부 단부로부터 그 외부 단부에서의 상기 위치로 종방향으로 신장하는 단부상에 감소 주위 표면부, 즉, 평면으로써 양호한 실시예에 도시되며, 본원에 사용되는 ＂내부＂ 및 ＂외부＂라는 용어는 관내에서 서로에 관한 단부의 상대 위치를 언급하는 것이다.

상기로부터 본 발명을 실시하는 연료봉 집합체를 용접 또는 용융 폐색될 필요가 있는 가압 보어 등을 갖지 않으며, 가스 통로 제한 수단에 의해 구비되는 가스 입구 오리피스가 부분 삽입부의 피복체관내로의 완전 삽입후에 자동적으로 밀봉된다는 것을 알 수 있다.

또한 가스통로 제한 수단이 몸체부의 내부와만 공동으로 신장하여 몸체부의 외부 또는 나머지 주위 표면이 원활하고 비차단적으로 되도록 하기 때문에, 단부 플러그가 완전히 삽입될 때 외부는 대체로 완전한 면-대-면 접촉을 할 것이며 그로 인해 용접중에 버트-용접으로 부터의 열전도를 개선하고 종전 기술에서 나타나는 상기 피일-백 문제를 배제한다.

본 발명의 양호한 실시예는 첨부 도면을 참조로 하여 예시에 의하여 기술될 것이다.

하기 명세에서, 동일 참조 번호는 전체 도면을 통하여 동일 또는 대응부를 표시하며, ＂전방＂, ＂후방＂, ＂좌측＂, ＂우측＂, ＂상방＂, ＂하방＂등은 제한 용어로써 해석되지 않는 편의상의 단어로서 사용된다.

이제도면 특허 제1도를 설명하면, 집합체(10)은 원자로(도시않음)의 노심 영역내의 하부 노심판(도시않음)상에 집합체를 지지하기 위하여 하부 노즐(12)로 이루어지며, 다수의 제어봉 안내관 즉 딤블(14)는 하부 노즐 (12)로부터 상방향으로 종 방향으로 신장하며, 다수의 횡단 그리드(16)이 가이드 딤블(14)를 따라 배치되며 연료봉(18)과 같은 신장 연료봉의 조직 배역이 그리드(16)에 의해 지지되어 서로 횡방향으로 간격을 이루며 배치되어, 통합 조립체를 형성하기 위하여 가이드 딤블(14)의 상단부에 고착된 상단부 구조물 즉 상부 노즐(22)이 조립체 부품을 손상함이 없이 통상적으로 처리될 수있다.

상부 노즐(22)은 그외 주연으로부터 상방향으로 신장하는 동시에 하우징을 형성하는 측벽(26)을 갖는 횡방향의 어뎁터 평판(24)를 구비한다. 측벽(26)상의 환상 상부 플랜지(28)에 판상 스프링(30 : 제1도에 하나만 도시)에 적절히 클램프되어 열팽창등에 의한 연료 집합체 길이의 변화를 허용하면서 상방향 냉각수 유동중에 연료 집합체의 유압 상승을 방지하도록 통상의 방법으로 상부 노심판(도시않음)에 연결된다. 환상 플랜지(28)에 의한 개구부내에 방사상으로 신장하는 플루우크(34)를 갖는 통상의 봉 클러스터 집합에(32)가 배치되며, 상기 플루우크(34)는 제어봉 가이드 딤블(14)내에서 제어봉이 공지된 방법으로 상하 이동되도록 제어봉(36)의 상단부에 연결된다.

도면에 도시된 연료 집합체(10)은 제어봉 가이드 딤블이 배치되는 연료봉(18)의 사각 배열을 갖는 형태이다. 연료 집합체(10)을 형성하기 위하여 횡방향 그리드(16)이 가이드 딤블에 소정의 축방향 간격으로 배치되며, 연료봉(18)이 그리드(116)을 통하여 삽입되며, 하부 노즐(12)가 가이드 딤블(14)의 하단부에 적절히 고착된 다음 상부 노즐(22)가 가이드 딤블(14)의 상단부에 통상의 방법으로 고착된다. 제1도에 도시한 연료 집합체(10)은 통상적이며 단지 본 발명을 실시하는 연료봉(18 : 이하 연료봉 집합체라 한다. )이 적용될 수 있는 형태의 연료 집합체를 도시하는 것이다.

제2도에 도시한 바와 같이, 연료봉 집합체(18)은 관상 피복체 부재 즉 연료관(40)내에 단부끼리 연결하여 배치된 U-235로 농축된 UO₂와 같은 다수의 원통형 핵연료 펠릿(38)을 구비한다. 연료관(40)은 바람직하게 지르코늄 합금으로 제작되는 신장된 박벽관이다.

연료관(40)의 양단부는 연료관과 동일한 재료로 구성되는 상부 및 하부 단부 플러그에 의하여 폐색되어 연료관내의 가압 불활성 가스 뿐만 아니라 핵연료를 밀봉시킨다. 상단부 플러그(42)는 본 발명을 실시하며 하기에 보다 상세히 논의될 것이다.

하부 단부 플러그(44)는 거스 용접등에 의하여 적소에 고착되는 통상의 구조로 이루어진다. 플리넘 챔버(46)은 연료관 내에서 연료 펠릿(38) 더미의 일단과 상부 단부 플러그(42)와 같은 인접 단부 플러그 사이에 형성된다. 플리너 챔버(46)내에서 펠릿(38)과 상부단부 플러그(42) 사이에 배치된 헬리컬 스프링(48)은 하부단부 플러그(44)에 반하여 펠릿(38)을 적소에 밀착 유지하는 기능을 한다.

상기 기술된 바와 같이, 연료봉 집합체(18)은 내부 가압된다. 가압하에서 불활성 가스가 연료관(40)내로 유입될 수 있는 방법은 상부 단부 플러그(42)의 신규 설계 및 배열에 의하여 결정되지만, 단부 플러그(42)를 논의 하기 전에 제3도에 도시된 단부 플러그(50)과 같은 종래 기술 단부 플러그를 검토함으로써 그 장점을 보다 분명하게 이해할 수 있으며 보다 양호하게 감지할 수 있을 것이라 믿는다.

이와 같은 통상의 단부 플러그(50)은 상기의 미합중국 특허 제4,003,788호에 명세된 형태이다. 본래, 이 것은 감소 직경을 갖는 하부 몸체부(54), 상부 몸체부(52) 및 연료봉의 내부로부터 외부로 유체 연결을 마련하기 위하여 하부 몸체부를 통해 신장하는 축 보어(56)으로 이루어진다. 사용중에 하부 몸체부(54)는 연료관(도시않음)의 단부로 압착 고착되며 거스 용접으로 연료관의 단부에 단부 플러그를 고착하도록 버트 접합된다.

가압 용접 챔버에서, 불활성 가스가 축 보어(56)을 통하여 연료관 내로 유입되는 다음 보어의 단부가 용접에 의하여 밀봉된다.

제4도 내지 제7도에 도시한 바와 같이 본 발명을 실시하는 단부 플러그(42)는 그를 통해 신장하는 축 보어를 갖지 않는다. 보다 상세히 설명하면, 단부 플러그(42)는 연료관(40)의 내경보다 큰 직경을 갖는 해드부(58)의 상부 쇼울더를 구비하는 통합구조로 이루어지며, 하부 원통 몸체부(60)은 몸체부가 연료관(40으 단부에 압착-접합으로 설치될 수 있도록 관(40)의 내경보다 약간 큰 직경을 갖는다. 도시된 보다 양호한 실시예에서, 쇼울더부(58)의 직경은 대체로 과(40)의 외경과 동등하며 쇼울더부와 하부 몸체부(60)의 직경 차이는 대략 연료관(40)의 벽 두께와 동일하여 그 배열이 플러그(42)가 연료관(40)의 상단부내로 압착될 때 쇼울더부(58)의 하부연부에 의한 레지부(62)가 관(40)의 상부연부(64)와 버트 접합을 형성하도록 한다.

단부 플러그(42)의 하부 몸체부(60)은 바람직하게 원통형 몸체부로부터 단편을 제거함으로써 형성된 평면부(66)을 구비한다. 평면부(66)은 몸체부(60)의 하연부에서 개시하여 하부몸체부의 약 중간부까지 상방향으로 신장한다. 참조로써, 평탄부(66)을 포함하는 하부 몸체부(60)의 단부는 본원에서 내부 부재(68)로서 언급되지만 하부 몸체부의 나머지 부분 즉, 평면부와 상부 쇼울더부(58) 사이의 부분은 외부부재(70)으로 언급된다.

양호한 실시예에서, 평면부(66)의 수평현의 길이는 대략 하부 몸체부(60)의 반경과 동일하며, 평면부의 측 방향 높이는 대략 하부 몸체부(60)의 축 방향 높이의 절반이다. 이들 두 차원은 단지 설계상의 선택이며 본 발명에 필수적인 것은 아니다.

또한, 하부 몸체부(60)의 내부 부재(68) 및 외부 부재(70)은 바람직하게도 동일하며 일정한 직경을 갖는다.

제6도 및 제7도에 양호하게 도시한 바와 같이, 평면부(66)의 상부연부와, 외부 부재(70)의 인접 하부 연부 사이로 신장하는 천이 표면(72)가 수직으로부터 대략 25도의 경사각으로 경사진다.

이제, 연료봉 집합체를 조립하는 방법이 제2도, 제6도 및 제7도를 특정히 참조로 하여 간략하게 명세될 것이다. 하부 단부 플러그(44)가 연료관(40)의 하부 단부에 용접되며, 연료 펠릿(38)이 연료관내에 배치되며, 헬리컬 스프링(46)이 연료 펠릿 더미 상부에 배치된 다음, 상부 단부 플러그(42)가 연료관(40)의 상단부로 축 위치로 부분적으로 압착되어 하부몸체부(60)의 내부 부재(68)만이 연료관(40)내에 배치되고 그 상부의 평면부(66)이 연료관(40)의 내벽과 플러그(42)의 하부 몸체부(60) 사이에서 관 (40) 내로의 불활성 가스 유입을 위한 외부 개구 공극(74)를 형성한다. 부분적으로 삽입된 단부 플러그(42)와 함께 연료봉 집합체는 가압 용접 챔버내에 배치되어 관이 공극(74)를 통하여 관내로 유입되는 불활성 가스로 가압된 다음, 공극(74)가 배제되고 금소-대-금속 밀봉 접촉이 하부 몸체부(60)의 외부부재(70)과 관(40)의 내벽 사이에 형성되도록 단부 플러그(42)가 완전히 삽입된다.

이와 같은 완전 설치 위치에서, 상부 쇼울더부(58)의 하부연부(62)와 관(40)의 상부 연부(64) 사이에 형성된 버트 접합은 용접에 의하여 밀봉된다.

Claims (9)

1. 핵 원료 및 가압 가스를 수용하는 피복체관의 단부를 밀봉 폐색하기 위하여 피복체관의 단부로 삽입될 몸체부를 갖는 단부 플러그로 이루어지는 상기 단부의 적어도 하나와 결합되는 수단과 핵 연료 및 가압 가스를 수용하기 위한 피복체관으로 이루어지는 핵 연료봉에 있어서, 상기 몸체부(60)이 피복체관(40)의 상기 단부내로 입착 접합 관제및 면-대-면 밀봉 접촉으로 고착되도록 하는 단면적 배열 및 크기를 가지며, 상기 몸체부(60)이 또한 몸체부의 내부 단부로부터 몸체부 외부 단부에서 간격을 이루는 그 외주상의 위치로 신장하는 가스 통로 제한 수단(66)을 가지며, 상기 가스 통로 제한 수단이 상기 몸체부가 관의 상기 단부에 부분적으로만 설치될 때 피복체관을 가압하도록 가스 입구 오리피스(74)를 구비하며, 상기 몸체부가 완전 삽입위치에 배치될 때 상기 단부가 상기 면-대-면 밀봉 접촉으로 상기 가스 입구 오리피스를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 연료봉.
2. 제1항에 있어서, 상기 단부 플러그(42)가 상의 몸체부(60)에 인접하여 그에 통합 형성된 쇼울더부를 구비하며, 상기 쇼울더부(58)이 피복체관(40)의 인접 단부(64)에 접하는 레지부(62)를 형성하도록 상기 몸체부 보다 큰 단면적을 가져서, 상기 몸체부가 피복체관의 상기 단부에 완전히 삽입될 때 피복체관(40)과 단부 플러그 사이에 버트-접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료봉.
3. 제2항에 있어서, 상기 버트-접합이 용접에 의하여 밀봉되는 것을 특징으로 하는 연료봉.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 쇼울더부(58)이 피복체관(40)의 외경과 대체로 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 연료봉.
5. 제4항에 있어서, 상기 몸체부(60)이 대체로 원통형이며 그 측 방향을 통하여 대체로 일정한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 연료봉.
6. 제5항에 있어서, 상기 몸체부(60)이 내부 부재(68)과 외부 부재(70)을 가지며, 상기 가스통로 제한 수단 (66)이 상기 내부 부재(68)의 내부 단부로부터 상기 외부 부재로 종 방향으로 신장하는 상기 내부 부재(68)의 감소된 외주 표면부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료봉.
7. 제6항에 있어서, 상기 감소 외주 표면부가 상기 내부 부재(68)의 외주상에 형성된 평면부(66)인 것을 특징으로 하는 연료봉.
8. 제7항에 있어서, 상기 단부 플러그(42) 및 상기 피복체관(40)이 지르코늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료봉.
9. 연료봉을 가압하여 밀봉하기 위한 방법에 있어서, 단부 플러그(42)의 몸체부(60)을 피복체관(40)의 단부내로 부분 삽입하는 단계, 가압하의 가스를 가스 입구 오리피스(74)를 통하여 피복체관내로 유입시키는 단계, 상기 몸체부를 피복체관의 상기 단부내로 완전 삽입하여 상기 가스 입구 오리피스(74)를 밀봉하는 단계 및 단부 플러그를 피복체관에 밀봉 용접시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료봉 가압 밀봉 방법.

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