KR920007742B1 - 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체
제1도는 본 발명을 실시하는 스파이더 조립체와 상부 노심 지지판과 함께 명확히 하기 위해 일부를 제거하고 수직으로 짧게 자른 연료 집합체를 도시하는 정면도 및 부분 단면도.
제2도는 스파이더 조립체의 확대된 정부 평면도.
제3도는 제2도의 선3-3을 따라 취한 스파이더 조립체의 단면도.
제4도는 스파이더 조립체의 중앙 허브와 베인-핑거 서브-유닛중 하나의 확대된 전개도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
14 : 스파이더 조립체 30 : 제어봉
32 : 중앙허브 34 : 베인
36 : 핑거 38 : 목 부분
40 : 나선부 42 : 코일 스프링
44 : 니플 46 : 보울트
48 : 슬롯 50 : 신장부
본 발명은 일반적으로 원자로에 관한 것이며, 특히 원자로 내에서 수직 이동을 위해 제어봉의 고정된 배열을 지지하도록한 제어봉 스파이더 조립체에 관한 것이다.
대부분의 원자로에서, 노심부는 연료 집합체라고 부르는 골격체에 의해 지지되며 그 속에 무리를 이루고 있다는 다수의 긴 연료 요소 혹은 봉을 포함하고 있다. 연료 집합체는 일반적으로 길며, 상하부에서 횡방향으로 뻗어 있는 노심 지지판으로 부터 지지를 받는다.
종래 설계에 따른 이들 연료 집합체는 안내 딤블에 부착되었으며 연료 집합체 길이를 따라 간격진 격자에 의해 조직된 배열로 유지되는 다수의 연료봉 및 중공관 또는 안내 딤블을 포함하고 있다.
이들의 대향 단부 상에는 정부 및 저부 노즐이 안내 딤블에 고정되어 있어서 전체 연료 집합체를 형성한다. 대부분의 원자로에서는 보통 물과 같은 유체 냉각재가 하부 노심판 내의 개구를 통해 열에너지를 수용하기 위해 모든 연료 집합체를 따라 상류한다.
노심내의 반응도를 제어하는 한가지 방법은 ＂제어봉＂이라고 부르는 중성자 흡수 소자 또는 봉을 사용하는 것이며, 상기 제어봉은 노심 지역 속으로 그리고 밖으로 이동하며, 잘 알려진 바와 같이 보론 카아바이드, 탄탈륨, 실버-인듐 및 카드뮴의 결합체등과 같은 높은 중성자 흡수 단면적을 갖는 물질로 구성된다.
연료 집합체에 관해 제어봉을 사용하는 하나의 일반적인 배열이 미합중국 특허 제4,326,919호에 서술되어 있으며, 상기 특허에는 스파이더 조립체로 부터 상단부에서 지지되는 제어봉을 도시하고 있으며, 스파이더 조립체는 반대로 연료 집합체의 중공 안내 딤블 내에서 제어봉을 수직 상하 운동(스테핑 작용이라고 부름)하기 위한 제어 구동 기구에 연결되어 있다. 스파이더 조립체는 중앙 허브에 관해 원주상으로 간격져 있고 그위에서 지지되는 다수의 방사상으로 신장된 베인(vane)을 포함하고 있다.
베인은 평탄한 금속판이며, 중앙 허브를 향해 외측단부로 부터 내외로 뾰족한 각판의 연부와 함께 위치되어 있다. 베인은 페난트와 유사한 모양을 가지고 있기 때문에 베인을 중앙 허브에 설치 하도록 충분한 축방향 높이와 길이를 갖는 내측 연부를 구비하고 있다. 핑거를 연결하는 원통형 제어봉은 베인 상에 설치되며, 일부의 베인은 하나의 핑거를 가지고 있으며, 다른 베인은 두개를 가지고 있다. 중앙 허브에 가장 가까이 있는 핑거들은 상이한 축방향 위치에서 베인을 중앙 허브상에 설치하고 페난트형 베인을 사용하기 때문에 더 멀리 있는 핑거보다 높이가 높다. 좀더 높은 위치에 있는 내측 핑거는 원자로의 상부 내측으로 올려질때 스파이더 조립체와 일선상에 있도록 해준다.
베인과 핑거는 분리된 부품으로 만들어지며, 다시 베인-핑거 서브-유닛을 형성하기 위해 서로 용접된다. 베인-핑거 서브-유닛은 다시 전체 유닛을 형성하기 위해 중앙 허브에 용접된다.
따라서 상기 스파이더 조립체를 제조하는 데는 몇몇 제조 단계 및 용접 작업이 필요하다는 것을 알수 있다. 추가로 각각의 용접부는 스테핑중 발생되는 여러가지 힘의 모멘트 뿐만 아니라 제어봉의 하중을 유지할 수 있는가 그리고 결함을 없는가를 확인하기 위해 검사 되어야 한다. 노심 설계자들은 계속해서 원자로의 전체 효율을 증가하고 안전을 위해 원자로의 좀더 적절한 제어 및 관리를 제공하도록 노력하고 있다.
이러한 목적을 위해 한 분야에서 변경 및 수정이 수행되거나 변경 및 수정이 필요한 부품 또는 다른 부품들을 또다른 분야에서 수행하는 것이 바람직하다. 변경이 필요한 분야중 하나가 적은수의 봉을 사용하지만 시제 크기는 증가된 봉을 갖는 최신 설계의 연료 집합체와 함께 사용하기 위한 새로운 제어봉을 개발하는 것이다.
예를들면 상기 언급한 미합중국 특허 제 4,326,919호에 도시된 연료 집합체에 사용되는 16개 제어봉의 각각은 약 7.5㎜의 직경을 가지고 있지만, 좀더 새로운 설계를 갖는 연료 집합체의 일부는 단지 약 22.5㎜의 직경을 갖는 연 8개의 제어봉을 필요로 한다.
따라서, 새로운 스파이더 조립체는 이와 같은 새롭고 더큰 봉들을 지지하는 것이 필요하며, 좀더 무거운 무게를 갖는 새로운 봉을 지지하고 스테핑 운동중 발생하는 큰 힘의 모멘트를 견딜수 있도록 구조적으로 강직해야 한다. 가격면에서도 그러한 새로운 스파이더 설계는 과거의 스파이더 조합체의 제조에 관한 제작, 용접 및 조립 단계 뿐만 아니라 용접 검사를 감소할 수 있어서 매우 바람직하다.
이들 조건을 만족하는 것이 본 발명의 목적이다. 따라서 중앙 허브와, 허브에 관해 원조상으로 간격져 방사상으로 뻗어 있는 다수의 베인과, 원자로의 제어봉을 연결하기 위해 각 베인에 연결된 다수의 핑거를 갖는 스파이더 조립체에 관한 본 발명은 핑거를 연결하고 있는 각 베인이 접속부를 갖지 않은 강직한 구조물의 서브-유닛을 형성하는 단일체의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기에 사용된 ＂단일체＂라는 용어는 각 베인-및-핑거 서브-유닛이 단일편으로서의 주형이거나 단일편으로 부터 수웨이지 된 것으로 만들어졌다는 것을 의미하기 때문에, 예를 들어 용접과 같은 것에 의해 서로 결합된 개개의 부품으로 구성되는 종래의 베인-및-핑거 구조와는 구별된다.
그러한 종래 구조와 비교해 볼때 본 발명에 따른 단일체 구조는 스파이더 조립체를 만드는데 필요한 시간과 공정수를 감소했으며 스테핑 운동중 일어나는 힘의 모멘트를 견디는 능력을 좀더 강화하기 위하여 본 발명을 실시하는 스파이더 조립체의 베인은 허브의 축방향에 관해 일정한 높이를 갖는 것이 바람직하다.
또한 모든 베인은 스파이더 조립체의 제조를 간단히 하기 위해 동일한 축방향 높이에서 허브상에 설치되는 반면, 동시에 허브에 좀더 가까이 있는 핑거를 좀더 멀리있는 핑거 위로 신장하게 하는 특징을 유지하여 스파이더 조립체가 원자로의 상부 내측과 일선상에 있게 하는 것을 돕는 것이 바람직하다.
본 발명은 단지 예로써 주어진 부수 도면을 참고로한 양호한 실시예의 하기 설명으로부터 좀더 명백하게 될 것이다.
하기 설명에서 동일한 참고 번호는 도면 전체를 통해 동일하거나 상응하는 부분을 지시하며,＂전방＂, ＂후방＂, ＂좌측＂, ＂우측＂, ＂상향＂, ＂하향＂ 및 그와 같은 용어는 편리상 사용된 것이지 제한적인 용어로 생각해서는 안된다.
도면 특히 제1도는 연료 집합체(10), 연료 집합체(10)위를 가로질러 설치된 상부 노심 지지판(12), 그리고 본 발명을 실시하는 개선된 스파이더 조립체(14)등을 전부 결합 시킨 것을 도시하고 있다.
연료 집합체(10)는 기본적으로 원자로(도시안됨)의 노심 지역내에 있는 하부 노심판(도시안됨) 상에 결합체를 지지하기 위한 하단 구조물 또는 저부 노즐(16)과 저부 노즐로부터 종방향으로 상향 돌출된 다수의 안내관 또는 딤블(18)과, 안내 딤블(18)을 따라 축방향으로 간격진 다수의 횡방향 격자(20)와, 집합체의 중심에 위치한 기구관(24)과, 집합체 성분에 아무런 손상을 주지 않고 종래와 같이 취급될수 있도록 완전한 집합체를 형성하기 위해 안내 딤블(18)의 상단에 부착된 상단 구조물 또는 정부 노즐(26)등으로 구성되어 있다. 연료 집합체(10)는 본 발명의 부분을 형성하지 않으므로 여기서 더 상세히 설명하지는 않겠다.
종래와 같은 상부 노심 지지판(12)은 연료 집합체(10)의 정부를 가로질러서 신장되어 있을 뿐만 아니라 다른 연료 집합체(도시안됨)의 정부를 가로질러 신장되어 있다. 노심판(12)은 냉각재가 노심을 통해 상류할 수 있도록 다수의 냉각재 흐름 통로(제1도에 단지 하나만 도시됨)를 가지고 있다. 이들 통로 또는 개구중 최소한 일부는 제어봉(30)이 노심판 통로를 통해 연료 집합체(10)의 안내 딤블(18)속으로 삽입될 수 있게하기 위해 안내 딤블(18)과 축방향으로 일선상에 있다.
제어봉(30)의 상단부에 연결되어 있는 것은 스파이더 조립체(14)이며, 상기 조립체는 종래의 구동기구(도시안됨)에 의해 안내 딤블(18)내에서 수직 운동을 위해 제어봉을 지지한다. 제1도에서 스파이더 조립체는 제어봉(30)이 안내 딤블(18) 속으로 완전히 삽입 되었을때 안착하는 위치인 노심판 위에 설치된 것으로 도시 되었지만, 다른 배열을 갖는 스파이더 조립체(14)가 이용될수도 있으며, 이때 스파이더 조립체(14)는 노심판의 저부와 연료 집합체의 정부 사이에 위치 된다는 것을 알아야 한다.
이제 제2도, 3도 및 4도를 참고하면, 스파이더 조립체(14)는 중앙 허브(32)와, 허브(32)로부터 방사상 외부로 뻗어 있는 다수의 베인(34)과, 제어봉(30)의 상단부와 연결하기 위해 베인(34) 상에 있는 다수의 핑거(36)로 구성되어 있다.
중앙 허브(32)는 긴 원통형 관의 형태가 바람직하며, 상기관은 일체로 형성된 단단한 상부 목 부분(38)을 가지고 있으며, 공지된 기술에서 잘 알려져 있는 바와 같이 사용시 제어봉과 함께 집합체를 상하로 이동시키는데 사용되는 원자로의 구동기구(도시안됨)에 연결하기 위해 내부 나선부(40)를 포함하고 있다. 관형 허브(32)는 관의 하단부에 활주할 수 있게 지지되는 니플(44)과 목부분(38)의 내면 사이에 부분적으로 압축되어 간직되는 코일 스프링(42) 형태인 하중 흡수 기구를 가지고 있다.
보울트(46)는 니플(44)의 내벽에 있는 개구를 통해 그리고 코일 스프링(42)을 통해 축방향으로 뻗어 있으며, 목부분(38)과는 나선 결합된다. 이러한 배열로 보울트(46)를 회전함에 의해 압력, 즉 스프링(42)의 힘이 조정된다. 니플(44)의 하단부는 노심판(12)의 정부 표면에 있는 깊지 않은 공동(도시안됨)에 안착되도록 하여 제어봉(30)이 노심판의 노심판 개구(28)와 안내 딤블(18)과 적절히 일선상에 있게 한다.
잘 알려진 바와 같이 그러한 흡수 기구의 1차 목적은 제어봉이 안내 딤블로 완전히 삽입 되었을때 스파이더 조립체(14)가 노심판(12)의 정부를 속박함에 따른 연료 노심판의 하중 충격을 방지하는 것이다. 제4도에서 알수 있는 바와 같이 관형 허브(32)는 그 벽을 통해 뻗어 있는 원주상으로 간격진 다수의 수직 슬롯(48)을 가지고 있으며, 상기 슬롯(48)은 모두 관의 동일한 축방향 높이에 있는 것이 바람직하다.
제2도의 양호한 실시예에 도시된 것은 4개의 베인(34)이며, 이들 각각은 서로 연결된 두개의 핑거를 가지고 있다. 베인(34)은 선형 바의 형태이며, 반면 핑거(36)는 돔형 상단부를 갖는 긴 실린더의 형태를 갖는다. 각 핑거(36)의 직경은 주어진 베인-핑거 서브-유닛 상의 어떤 두 핑거 사이에 뻗어 있는 베인 부분의 횡방향 두께 보다 더 크다는 것을 알아야 한다.
구조적인 강직성을 최대화 하고 제조 가격을 감소하기 위해 두개의 연결된 핑거(36)를 갖는 각 베인(34)은 단편 구조를 갖는 서브-유닛으로 구성된다. 그러한 베인-핑거 서브-유닛을 제조하는 양호한 방법은 잘 알려진 기술에 따라 도시된 바와 같은 모양을 만들기 위해 바 스톡(stick)을 기계 가공하는 것이다.
각 베인-핑거 서브-유닛의 내향 단부에는 신장부(50)(제4도)를 가지고 있으며, 상기 신장부(50)는 허브(32)의 한 슬롯(48) 속으로 꽉 끼워 지도록 하여 브레이징과 같은 적당한 방법으로 강직하게 결합되도록 허브 상에 베인-핑거 서브-유닛을 적절히 위치시킬 수 있는 크기를 가지고 있다.
슬롯으로 인하여 브레이징 작업중 발생한 개스들을 대기로 이탈하게 하기 때문에 적당한 용접이 쉽게 수행될 수 있다. 베인-핑거 서브-유닛이 허브(32)에 브레이즈 되기전 또는 후(보통전)에 각 핑거(36)의 하단부는 제어봉의 상단부를 연결하기 위해 내부에 나선 구멍을 뚫게 된다. 상술한 바와 같이 스파이더 조립체(14)를 제조하는데는 단지 몇몇 단계가 필요하며, 종래의 스파이더 조립체를 만드는 것보다 실제 간편해 졌다는 것을 알 수 있다.
다시 제2도는 양호한 실시예에 도시된 바와 같이 베인(34)은 중앙 허브(32)의 원주상에 약 90도씩 떨어져 간격져 있기 때문에 서로 직경상 대향하고 있는 베인을 통해 뻗어 있는 수직 평면은 서로 직각 관계에 있다. 각 베인(34)에 연결된 두개의 핑거(36)는 간격져 있다. 즉 하나의 핑거(외측핑거)는 베인의 외측 단부에 위치하며, 다른 하나 또는 내측 핑거는 외측 핑거와 허브(32) 사이에 위치되어 있다.
제2도 및 4도에 잘 나타나 있는 바와 같이, 허브(32)에 관한 외측 및 내측 핑거(36)의 관계는 그들의 수직축이 허브(32)의 수직축 뿐만 아니라 서로 평행하게 되어 있으며, 어느 한 베인에 연결된 내측 및 외측 핑거의 수직축은 허브의 수직축과 동일 평면에 놓여있도록 되어 있다.
제3도와 4도에서 알수 있는 바와 같이, 베인(34)의 형태와 관계는, 각 베인의 내측 핑거와 허브(32) 사이에 뻗어 있는 부분(제1 또는 내측 베인부) 및 베인의 외측 핑거와 내측 핑거 사이에 뻗어 있는 부분(제2 또는 외측 베인부)이 동일 수직 평면내에 위치하며, 또한 평면도상에서 각각 직각으로 되어있다.
또한 제1베인부의 상연부 및 하연부는 제2베인부의 상연부 및 하연부에 관해 동일 선상에 있다. 더우기 각 상부 및 하부 동일선상 연부는 서로 평행이다. 어떤 주어진 베인상의 사각 베인부는 관련 핑거를 서로 연결하며, 핑거들을 중앙 허브에 뿐만 아니라 서로에 관해서도 적절한 관계 있도록 유지하며, 따라서 스테핑(Stepping) 작용중 일어나는 상당한 힘의 모멘트를 받을때 스파이더 조립체(14)의 변형을 방지해 준다.
특히 제4도를 참고하면 또한 베인의 상연부 위에 있는 내측 핑거의 축방향 높이는 베인의 상연부 위에 있는 외측 핑거의 축방향 높이보다 더 높다는 것을 알 수 있다. 상기 외측 핑거위에 있는 내측 거의 신장부는 스파이더 조립체가 원자로의 상부 내측과 적절한 선상에 있도록 하는데 도움을 준다.

Claims (9)

  1. 중앙 허브와, 허브에 관해 원주상으로 간격져 방사상으로 뻗어 있는 다수의 베인과, 제어봉을 연결하기 위해 각 베인과 연결된 다수의 핑거로 구성 되었으며, 원자로내에서 수직 운동을 하는 다수의 제어봉을 지지하기 위한 스파이더 조립체에 있어서, 핑거(36)를 구비하고 있는 각 베인(34)은 접속부를 갖지 않은 강직한 구조물의 서브-유닛을 형성하는 단일체 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 허브(32)는 관형이며, 또한 허브에 관해 원주상으로 간격져 있고 관형 허브의 종측에 평행하게 뻗어 있는 다수의 슬롯(48)을 벽에 형성하고 있으며, 각각의 베인(34)은 슬롯(48)중 하나에 확고히 안착되는신장부(50)를 단부에 가지고 있어서 베인을 다른 베인에 관해 적절한 관계로 위치되게 하며, 각각의 슬롯(48)은 관련 베인을 허브에 결합하는 것을 용이하게 하기 위해 관형 허브내의 공간과 연통되어 있는 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 각 핑거(36)는 긴 원통형 모양을 가지며, 각 베인(34)상의 핑거(36)는 관형 허브(32)의 종축에 관해 그리고 서로에 관해 평행한 종축을 가지며, 각 베인상의 핑거와 관형 허브인 종축은 공동 평면상에 있는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 각각 연결된 두 개의 핑거(36)를 갖는 4개의 베인(34)이 있는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 4개의 베인(34)은 90도 각도로 떨어져 간격져 있는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  6. 제4항 또는 5항에 있어서, 각 베인(34)은 두개의 핑거(36)중 베인의 외측 단부에 설치된 제1핑거와 제1핑거와 허브(32)사이에 위치한 제2핑거(36)를 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 각 베인(34)은 허브(32)와 제2핑거 사이에 뻗어 있는 제1선형부와, 제1핑거와 제2핑거 사이에 뻗어 있는 제2선형부를 가지고 있으며, 두 개의 선형 베인부는 서로에 관해 동일 선상에 있는 상연부와 서로에 관해 동일선상에 있는 하연부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 각 베인(34)상의 두 개의 핑거(36)는 베인의 상연부 위로 돌출되어 있으며, 제2핑거는 제1핑거보다 좀더 높이 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 각 핑거(36)는 관련 베어(34)의 횡방향 두께보다 더큰 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 연료 집합체용 스파이더 조립체.
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