KR940003796B1 - 원자로용 핵연료 집합체 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

원자로용 핵연료 집합체

제1도는 원자로의 내부를 종단면으로 나타내기 위하여 부분절개하여 도시한 용기벽 부분을 가지는 원자로의 부분도.

제2도는 제어 및 비제어 연료집합체의 분포상태를 도시하며 제1도에서 도시된 원자로심의 상단을 나타내는 개략도.

제3도는 본 발명을 구체화 하는 비제어연료집합체의 측면도.

제4도는 제3도의 비제어 연료집합체에 사용되는 구조부재 또는 결착봉의 단면도.

제5도는 본 발명을 구체화하는 비제어 연료집합체 골격의 측면도.

제6도는 제5도의 화살표 Ⅵ-Ⅵ 방향으로 도시한 비제어연료 집합체 골격의 개략 평면도.

제7도는 본 발명을 구체화 하는 비제어 연료집합체의 구조부재의 평면도.

제8도는 제7도의 선 Ⅷ-Ⅷ을 따라 도시한 부분 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 원자로 13 : 몸체

15 : 헤드 17, 19, 31 : 플랜지

21 : 보울트 23, 25 : 노즐

27 : 노심 29 : 노심배럴(barrel)

33 : 레지(ledge) 35, 61 : 연료집합체

37, 67 : 연료봉 39, 63 : 상단노즐

41, 65 : 저부노즐 43 : 안내딤블

45, 47 : 노심판 49 : 스파이더

51 : 가이드 53 : 컵형부재

57 : 기둥 59 : 구동봉

69 : 결착봉(구조부재) 70 : 너트

73 : 격자 75 : 벌지(bulge)

77 : 나사 81 : 피복관

83, 85 : 단부플러그 86 : 확장부

87 : 나선팁 89 : 구경

91 : 펠릿 93 : 스프링

95 : 힘 전달부재 101 : 골격부

103 : 셀 105 : 슬리이브

본 발명은 핵기술에 관한 것이며, 특히 전력을 공급하기 위한 원자로에 관한 것이다.

관례적인 원자로의 노심은 다수의 연료집합체를 포함하며, 각각의 연료집합체는 다수의 긴 연료봉과, 본질적으로 제어봉의 운동시 제어봉을 안내하는 것으로 사용되는 관 형태로 되어 있는 소위 다수의 "딤블"을 포함하고 있다.

또한 제어봉 안내딤블은 딤블이 연료집합체의 상단 및 저부노즐에 간직되기 때문에 각각의 연료집합체를 통합유니트로 병합하는 것으로 활용된다.

종래 원자로에 있어서, 모든 연료집합체는 제어봉 위치의 노심내부에서 사용되든지 또는 비 제어봉 위치의 노심내부에서 사용되든지에 상관없이 통상적으로 동일하다. 모든 연료집합체는 안내되는 제어봉이 존재하지 않는 노심위치에서 사용될지라도 딤블을 가지며, 딤블은 집합체를 통합 유니트로 속박하기에 적당하다.

본 명세서에 있어서 제어봉을 수용하는 연료집합체는 제어봉 위치에서 사용되는 제어 집합체로 설명되며, 이에 반하여 제어봉을 가지지 않는 연료집합체는 비 제8봉 위치에서 사용되는 비 제어 집합체로 설명된다.

본 발명은 실제장점이 제어 집합체와 다르게 비 제어 집합체를 구성하는 것에 의하여 얻어질 수 있다는 것을 인식하는 것으로부터 출발된다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "제어봉"은 세가지 종류의 봉, 즉 제어봉과 그레이봉과 물 변위봉을 가르키는 것으로 종래기술에서 이해될 수 있다.

세가지 형태의 봉은 스파이더상의 클러스터내에 고정된다. 통상적으로, 각각의 제어봉 또는 그레이봉 클러스터는 한 연료집합체와 관련되어 있는데 반하여 물 변위봉의 클러스터는 다수의 인접연료집합체에 공통적으로 존재한다.

제어 집합체의 연료집합체 안내딤블은 관련 클러스터의 제어봉 배열을 정착시키며 관련 클러스터의 제어봉 배열에 비하여 한정적으로 사용되어진다.

각각의 연료집합체내의 안내딤블은 제어봉이 안내딤블내부 및 외부로 변위될 때 제어봉이 속박되지 않도록 정밀하게 위치선정 되어져야 한다.

비 제어 집합체는 제어집합체와 같이 제한되지 않기 때문에 제작과 설계에 따라 융통성을 가진다.

본 발명에 도달하는 과정에서, 본 발명은 제어집합체와 비 제어집합체 사이의 특정한 유사점이 고려되어져야 하는 반면에 개선된 원자로를 제공하는 장점을 제공할 수 있는 차이점이 고려되어져야 함을 알게 되었다.

그러므로, 비 제어집합체는 다음과 같은 점에서 제어집합체와 일치되어져야 한다.

즉, 두 형태의 집합체는, 1. 집합체들 사이의 단면을 최소화하기 위하여 저부에서 상단까지 동일 압력기울기를 가져야 하며, 2. 동일단면의 외피치수를 가져야 하며, 3. 동일한 방식으로 상부 및 하부 노심판에 접속되어야 하며, 4. 동일한 방식으로 연료충전기 그리퍼와 접속되어야 하며, 5. 집합체를 따라 실질적으로 동일한 위치에 위치결정된 지지격자를 가져야 하며, 6. 동일한 방법으로 냉각재 상실사고(LOCA)에 반응해야 하며 지지안전 조건을 충족시켜야 한다.

또한 비 제어 집합체는 최소한 다음과 같은 점에서 제어집합체와 일치하거나 유사하게 되지 않게할 필요가 있다.

즉, 1. 연료봉의 수와 간격을 동일하게 할 필요가 없으며, 2. 연료봉의 전체 또는 총 길이를 동일하게 할 필요가 없으며, 3. 비 제어집합체에서는 안내딤블을 필요로 하지 않으며, 4. 비 제어봉 위치에서 사용되는 집합체의 구조부재 또는 결착봉은 제어봉이 수용될 필요가 없으므로 제어봉 안내딤블보다 더 두꺼운 벽을 가질 수 있으며, 5. 비 제어집합체에 있어서, 구조부재는 제어봉 위치에 의하여 지시된 위치에 위치선정되기보다는 오히려 연료집합체 단면의 어떤 곳에서라도 위치 선정될 수 있으며, 6. 비제어집합체의 연료봉 및 구조부재의 수는 제어집합체의 연료봉 및 딤블의 수와 동일하지 않으며, 7. 비 제어집합체의 상단노즐에는 제어봉 클러스터의 스파이더를 수용하기 위하여 필요한 공간이 존재하지 않으므로 상단노즐의 수직치수는 긴 연료봉을 위한 여유를 제공하도록 축소될 수 있으며, 8. 비 제어 집합체의 상단노즐은 상단노즐에 제어봉 안내딤블을 부착하기 위하여 필요한 설비를 필요로 하지 않는다.

본 발명은 상기 서술된 제한과 한계의 평가에서부터 출발되며, 이 평가는 모든 연료집합체가 동일하게 되어 있는 종래 원자로를 능가하는 두드러진 특징을 가진 장점을 제공하는 동시에 동일하지 않는 제어 및 비제어 연료집합체를 사용하는 원자로를 창출하게 한다.

본 발명에 따르면, 본 발명은 비 제어집합체가 중공판 또는 피복형태로 된 구조부재를 가지는 원자로를 제공하며, 최소한 얼마간의 이들 중공관은 가연성 중성자 흡수재 또는 중성자 독성물질을 적재한다.

전형적으로, 중성자 흡수재는 고율의 붕소 10 또는 산화알루미늄 매트릭스의 탄화붕소(예를 들면 가연성 중성자 흡수재란 제하의 미합중국 특허 제4,566,989호 참조)를 적재할 수 있는 가돌리늄 화합물 또는 붕규산유리의 펠릿이 될 수 있다.

각각의 구조부재는, 냉각재가 독성물질을 원자로 구석구석에 분포하도록 하는 것을 예방하고 중성자 흡수제가 냉각재와 함께 접촉하는 것으로부터 보호하기 위하여 밀봉된다.

예를 들면, 붕소 또는 가돌리늄과 같은 중성자 흡수물질은 연료사이클시 흡수물질이 일정한 시간내에 소손을 완료하도록 저농축도로 사용된다.

예를 들면 가연성 중성자흡수재는 3년 사이클중의제1차년 동안 소손되어질 수 있다.

소손이 완료되면 더 이상 중성자는 흡수되지 않는다. 그러므로, 가연성 중성자 흡수재는 연료의 반응도가 높을때인 사이클의 초기에 효력을 발생하게 된다. 이것과는 달리, 제어봉은 원자로 수명시 변환되는 물질의 양이 제어봉의 효율을 현저하게 감소시키지 않도록 고농축도의 중성자-흡수물질을 사용한다.

비 제어연료집합체의 구성시, 거기에는 저부노즐과 구조부재와 격자를 포함하는 골격이 준비된다.

구조부재는 부재가 저부노즐에 간직되어 있는 저부에서 단부 플러그를 갖는다.

초기에, 구조부재는 상단에서 개방된채로 있다.

구조부재들은 각각의 격자 아래 및 위쪽에서 벌지되어진다.

그다음 중성자 흡수재 펠릿과 펠릿을 유지하기 위한 스프링은 최소한 일부의 구조부재내에 삽입된다.

배출과 가열과 불활성가스의 충전 후, 단부플러그는 각각의 구조부재의 상부단부에 간직된다.

그다음 연료봉은 골격내부로 삽입되며, 상단노즐은 구조부재상에 탑재되어 고정된다.

비 제어연료집합체의 구조부재는 제어집합체의 구조부재로 제공된 딤블보다 더 큰 벽두께를 가지고 있다.

전형적으로, 제어집합체의 딤블은 1.2mm의 외경과, 1.1mm의 내경과, 0.05mm의 벽두께를 가지는 반면에, 비 제어집합체의 구조부재는 1.2mm의 OD(외경)와, 1.06mm의 ID(내경)와, 0.07mm의 두께를 가진다.

비 제어집합체의 구조부재는 제어집합체의 구조부재보다 실질적으로 더 적은수를 가진다.

전형적으로, 17×17=289개의 총 설치 위치를 가지는 제어집합체에는 24개의 딤블과, 1개의 구조관과, 26개의 연료봉이 존재한다.

동일수의 설치위치를 가지며 본 발명을 구체화하는 비 제어집합체에는 단지 8개의 구조부재와, 1개의 구조관과, 280개의 연료봉이 존재한다.

이와 같이, 비제어집합체에서 연료봉의 수를 증가시키는 것의 효과는 전체 연료집합체에 대한 실제연료길이를 22cm 증가시키는 것에 상당한다.

연료사이클 비용은 1.2% 감소된다.

KW/m는 약 6% 감소되며, 개선된 신뢰성을 야기하는 펠릿-피복 교호작용(PCI)마진은 증가된다. 또한 KW/m의 감소는 과열되는 곳에서의 설계한계와 냉각재의 실용유동 사이의 마진을 증가시킨다.

핵연료로 채워진 중공 실린더인 결착봉을 사용하는 원자로 핵연료다발을 설비하는 것은 널리 공지되어 있다. 이들 형태의 결착봉은 결착봉이 원자로의 가동시 불균일하게 되어 노즐로부터 풀려지게 된다는 점에서 문제점을 안고 있다.

본 발명에 일치하는 구조부재는 비 제어 연료집합체의 구조적인 통합이 확고하게 유지되어 있도록 더욱더 균일하게 되어 있다.

본 발명의 양호한 실시예를 첨부도면에 관하여 예로써 서술하면 다음과 같다.

도면에서 도시된 장치는 돔형헤드(15)와 반구형기부를 가지는 통상의 원통형몸체(13) 형태의 압력용기를 포함하는 원자로(11,제1도)이다.

몸체(13)와 헤드(15)는 보울트(21)에 의하여 맞물려 내압기밀 밀봉되어 있는 플랜지(17,19)를 가진다.

몸체(13)는 냉각재를 위한 입구노즐(23)과 출구노즐(25)를 가진다.

몸체(13)의 저부부분에는 노심배럴(29)을 몸체(13)의 플랜지(17)상의 레지(33)에서부터 현수하는 플랜지(31)를 가지는 노심배럴(20)에 의하여 둘러싸여 있는 노심(27)이 존재한다.

노심(27)은 다수의 연료집합체(35)를 가지며, 각각의 연료집합체는 상단노즐(39)과, 저부노즐(41)과, 연료집합체를 통합유니트로 결합하고 상단 및 저부노즐에 종래방식으로 간직되어 있는 다수의 안내딤블(43)을 포함하고 있다.

또한 각각의 연료집합체(35)는 연료봉(37)을 동시에 유지하고 있는 격자(도시하지 않음)를 가진다.

연료집합체(35)는 노심배럴(29)에 의하여 지지되어 있는 상부 및 하부 노심판(45,47)사이에 고정된다. 제어봉(도시하지 않음)은 각각의 연료집합체(35)의 딤블(41)내부 및 외부로 변위될 수 있다.

각각의 집합체(35)와 조합된 제어봉은 스파이더(49)에서부터 클러스터내에 현수된다.

제어봉은 상부노심판(45) 위쪽에 있는 가이드(51)내에서 변위될 수 있다.

가이드(51)의 조립체는 원자로의 상부내부로서 설명될 수 있다.

가이드는 컵형 부재를 배럴플랜지(31)위에서 현수하고 있는 플랜지(55)를 가지는 통상의 컵형부재(53) 내에 지지된다.

또한 부재(53)은 상부노심판(45)과 부재사이에 뻗어있는 기둥(57)에 의하여 지지된다.

제어봉 클러스터는 헤드(15) 위쪽에 있는 기구(도시하지 않음)에 의하여 작동되는 구동봉(5)에 의하여 상부 또는 하부로 제각기 변위될 수 있다.

또한, 노심(27)은, 본 발명을 구체화하며 제어봉이 조합되어 있지 않는 연료집합체(61,제1도,제3도)를 포함한다.

각각의 집합체(61)는 상단노즐(63)과, 저부노즐(65)과, 노즐(65,63) 사이에 끼워 넣어져 있는 연료봉(67)과 상단 및 저부노즐에 간직되어 있는 구조부재 또는 결착봉(69,제4도)을 포함하고 있다.

각각의 구조부재(69)는 제3도에서 도시된 바와 같이 상단노즐에 너트(70)에 의하여 간직될 수 있으며, 저부노즐(65)에서부터 연장되는 나사상에 나선으로 맞물려질 수 있다.

결착봉(69)은 집합체(61)를 통합 유니트로 결합한다.

또한 집합체에는 상단 및 저부노즐에 간직된 계기를 위한 중앙관(71)이 존재한다.

그러한 중앙관(도시하지 않음)은 역시 각각의 종래 연료집합체(35)내에 포함되어 있다.

연료봉(67)과 구조부재(69)는, 각각의 격자(73)의 양 사이드에 인접한 구조부재상에 형성된 벌지(75,제8도)에 의하여 냉각재의 힘에 의한 세로변위에 대항하여 간직되는 격자(73)에 의하여 함게 유지된다.

냉각재는 대표적으로 15.25m/sec의 고속으로 유동되며, 대표적으로 140kg/cm²의 고압하게 유지된다.

구조부재(69)는 종래 연료집합체(35)의 딤블(43)보다 본질적으로 더 큰 두께를 가지며, 각각의 집합체(61)의 구조부재(69)는 각각의 집합체(35)의 딤블보다 실질적으로 더 적은수를 가지고 있다.

각각의 종래 연료집합체(35)의 딤블에 의하여 점유되는 설치 위치에 상당하는 각각의 집합체(61)의 남은 설치위치는 결정된 집합체(61)의 연료봉에 의하여 점유된다.

예를 들면 연료집합체(35)에는 대표적으로 24개의 딤블이 존재하며, 집합체(61)에는 단지 8개의 구조부재와 남은 위치에서의 16개의 추가 연료봉이 존재한다.

하부노즐(65)은 몇 안 되는 부분품, 특히 저부노즐의 저부단부에 구조부재를 간직하기 위한 나사(77,제5도)를 가지는 것을 제외하고는 종래 연료집합체(35)의 저부노즐과 통상적으로 유사하다.

상단노즐(63)은 본 발명에 일치하는 연료집합체(61)가 연료집합체와 조합되는 제어봉을 가지지 않으므로 상단노즐이 스파이더(49,제1도)와 같은 스파이더를 위한 공간을 필요로 하지 않기 때문에 종래 연료집합체(35)의 상단노즐(39)보다 더 작은수직 높이(또는 길이)로 될 수 있다.

제4도를 참고하면, 구조부재(69)는 단부플러그(83,85)에 의하여 양대향단부에서 밀봉된 피복관(81)을 포함한다. 관(81)은 단부플러그(83)을 수용하기 위하여 상단에서 확장부(86,제8도)를 가진다.

단부플러그(83)는 너트(70,제3도)를 수용하기 위하여 나선 팁(87)을 가진다.

저부의 단부플러그(85)는 저부노즐(65)에서부터 나사(77,제5도)가 나선으로 맞물려 있는 테이퍼된 축방향 구경(89)을 가진다.

가연성 중성자-흡수재 펠릿(91)은 다른것들이 비어있는채로, 남겨진 최소한 일부의 구조부재의 관(81)내에 겹쳐져 쌓여 있다.

펠릿(91)의 더미위쪽에는 펠릿(91)의 더미 꼭대기에 있는 원통형 힘 전달부재(95)와 상부단부플러그(83) 사이에서 부분압축상태하에 유지되는 스프링(93)이 있는 공간이 존재한다.

가연성 중성자 흡수재는 연료사이클의 초기동안 미소한 잔여 중성자흡수 능력에 이를때까지 소손된다.

연료집합체(61)의 제작에 있어서, 먼저 구조부재(69)의 관(81)을 포함하는 골격부(101,제5도,제6도)가 형성되며, 각각의 관은 비어 있으며 단지 저부에서만 플러그(85)에 의하여 밀폐되어 있고 그 상부단부는 개방되어 있다.

중공관(81)은 저부노즐에 부착된 계기관(71)을 가지는 저부노즐(65)에 간직된다.

그 다음 격자(73)는 각각의 관(81)을 각각의 격자(73)내에 형성된 셀(103)배열의 하나를 통하여 통과시킴에 따라 관을 따라 일정한 간격을 둔 위치에서 관(81)상에 고정된다.

각각의 셀(103)은 장방형 횡단면을 이루지만 관련셀 아래 및 위쪽으로 단거리로 뻗어있는 환형 슬리이브(105,제7도,제8도)와 함께 정렬되어 있다.

각각의 관(81)은 다수의 격자의 제각기 축방향으로 일렬 정열된 셀(103)내에 있는 슬리이브(105)를 통하여 연장되며, 슬리이브(105)와 마찰성 있게 맞물려 있다. 각각의 관(81)과 관이 뻗어있는 슬리이브(105)는 각각의 격자(73) 아래 및 위쪽에서 벌지 공구에 의하여 벌지(75)를 산출하기 위하여 외부로 벌지된다.

일단 골격부(101)가 조립되면, 가연성 중성자-흡수재 펠릿(91)은 최소한 일부의 관(81)내부로 삽입되며, 뒤이어 힘 전달블록(95)과 스프링(93)이 삽입된다. 그다음 관(81)은 배기되고 불활성 가스로 충전되며, 플러그(83)는 각각의 관의 상단에 부착되어 용접된다. 최종적으로 연료봉(67)은 격자(73)의 관련셀(103)을 통하여 삽입되며, 상단노즐(63)은 구조부재(69)에 간직된다. 이로써 집합체(61)는 완성되며, 적당한 위치의 노심(17)내부로 적재될 수 있다.

제2도는 노심(17)내의 연료집합체(35,61)의 분포상태를 도시하며, 집합체(35)는 문자로 표시된 제어봉위치(107)내에 배치되어 있으며, 본 발명을 구체화하는 집합체(61)는 문자로 표시되지 않은 비 제어봉 위치(109)내에 배치되어 있다.

Claims (6)

1. 상단노즐과, 저부노즐과, 상기 노즐 사이에 뻗어 있는 다수의 연료봉과, 선결된 배열의 연료봉을 지지하는 다수의 횡격자와, 상단 및 저부노즐과 함께 통합유니트를 형성하도록 상기 상단 및 저부노즐을 중간연결하는 긴 구조부재-상기 격자는 긴 구조부재의 세로로 일정한 간격을 두고 긴 구조부재상에 지지되며-를 포함하는, 원자로심내의 비 제어봉 위치에서 사용하기 위한 연료집합체에 있어서, 연료집합체는 제어봉 안내딤블이 없으며, 상기 구조부재(69)는 최소한 일부부재가 가연성 중성자-흡수물질(91)을 적재하는 중공결착봉으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로용 핵 연료집합체.
2. 제1항에 있어서, 각각의 중공결착봉(69)은 결착봉의 대향단부상에 밀봉적으로 배치된 단부플러그(83, 85)를 가지며, 상기 단부플러그는 제각기 상기 상단노즐(63)과 상기 저부노즐(65)에 간직되는 것을 특징으로 하는 원자로용 핵 연료 집합체.
3. 노심 내부의 제어봉 위치에 배치된 다수의 제어 연료집합체와, 비 제어봉 위치에 배치된 최소한 하나의 비 제어연료집합체-각각의 제어 및 비 제어 연료집합체는 상단노즐과, 저부노즐과, 노즐 사이에 뻗어있는 연료봉과, 연료봉의 세로로 일정한 간격을 두고 있고 선결된 배열의 연료봉을 지지하는 횡격자와, 상단 및 저부노즐과 함께 통합 유니트를 형성하도록 상기 상단 및 저부노즐을 중간연결하고 상기 격자를 지지하는 긴 구조부재로 구성되며, 각각의 제어연료집합체의 구조부재는 제어봉을 변위시킬 수 있도록 하기 위한 안내딤블로 구성되며-로 구성되는 원자로에 있어서, 상기 비 제어 연료집합체(61)는 제어봉 안내딤블이 없으며, 비 제어연료집합체의 구조부재(69)는 최소한 일부가 가연성 중성자 흡수물질(91)을 적재하는 중공결착봉으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
4. 제3항에 있어서, 각각의 상기 중공결착봉(69)은 결착봉의 대향단부상에 밀봉적으로 배치된 단부플러그(83,85)를 가지며, 상기 단부플러그는 제각기 비 제어 연료집합체(61)의 상기 상단노즐(63)과 상기 저부노즐(65)에 간직되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 결착봉은 제각기 제어 연료집합체(35)의 제어봉 안내딤블(43)의 벽 두께보다 더 큰 벽두께를 가지는 것을 특징으로 하는 원자로.
6. 제5항에 있어서, 비 제어 연료집합체(61)의 결착봉은 어떠한 한 제어연료집합체의 안내딤블보다 더 적은 수를 가지며, 상기 비 제어 연료집합체는 연료집합체마다 안내딤블보다 더 적은 결착봉 수만큼 어떠한 제어 연료집합체보다 더 많은 연료봉(67)을 가지는 것을 특징으로 하는 원자로.

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