KR950001734B1 - 내식성 그리드를 구비한 연료집합체 - Google Patents

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내용 없음.

Description

내식성 그리드를 구비한 연료집합체

제1도는 규칙적으로 배열된 공지의 스페이서 그리드를 구비한 종래기술의 연료집합체에서 관찰되는 방사성 연료요소의 지르코늄합금 피복면상에서의 산화물층의 두께변화를 도시하는 선도.

제2도는 본 발명의 그리드로 이루어진 가압수형원자로용 연료집합체의 개략도.

제3도는 2개의 플레이트베드로 구성된 상부 그리드의 개략도로서, 본 발명의 연료집합체에 사용되는 핀의 배열을 도시한 도면.

제4도는 제3도에 도시된 것과 같은 2개의 플레이베드를 구비한 상부혼합그리드에 있어서 핀의 배열을 도시하는 등각사시도.

제5도는 본 발명의 연료집합체에 형성된 상부그리드의 플에이트 배열을 도시한 정면단면도.

제6도는 제5도의 평면도.

제7도는 본 발명에 의한 연료집합체용 셀을 구획하는 그리드의 플레이트와 단일 베드간의 교차부를 도시한 확대도.

제8도는 본 발명의 연료집합체에 있어서 하부그리드의 2개의 측벽에 형성된 돌출부를 도시한 등각사시도.

제9도는 제8도의 IX-IX선 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연료집합체 5 : 가이드튜브

6, 7, 8, 9 : 하부그리드 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 : 상부그리드

21, 22 : 평행베드 24 : 혼합핀

27 : 연료요소 33, 34 : 돌출부

본 발명은 원자로내에 배치되어 있는 연료집합체를 포함하고 있는 노심을 통하여 냉각액이 상방으로 순환하도록 구성된 원자로용 연료집합체에 관한 것이다. 각 연료집합체는 핵연료 펠릿을 금속제 연료피복관에 넣고 기밀뚜껑을 덮어서 만든 한 묶음의 연료요소로 구성된다. 이러한 연료요소는 타이로드(tire rod)와 이 타이로드를 따라 이격배치된 스페이서 그리드에 의해 상호접속된 엔드피이스를 가진 강성구조물에 지지되어 있다. 또 연료요소는 소정의 간격으로 배치된 스페이서 그리드에 의해서 정사각형망의 교점에 배치되어 있다.

본 발명은 지르코늄게 합금으로 제조한 금속피복관을 가진 연료요소를 구비한 가압수형원자로(PWR) 용 연료집합체로서 특히 적합하다.

상술한 형태의 연료집합체의 그리드에 의하면 몇가지 독특한 기능이 발휘된다. 즉 상기 연료집합체의 그리드는 핵분열성 물질을 함유하는 연료요소를 측방향으로 지지하여 고정시킨다. 또한 상기 그리드는 취급중이나, 지진발생시 또는 작업중의 사고로 연료집합체에 과도한 충격이 가해지는 것을 방지하는 기능을 한다. 한편, 이들 그리드는 노심을 통하여 상방으로 순환하는 냉각액류를 혼합시킨다. 이와 같은 냉각액의 혼합은 , 핵분열성 물질을 함유하는 연료요소에 의해 방출된 열을 최적의 조건하에 규칙적으로 연속 추출하고 냉각액의 국부적인 온도상승으로 인하여 그 냉각액이 국부적으로 비등하는 것을 방지하는데 있어서 매우 중요하다. 냉각액을 충분히 혼합하면 그것을 혼합하지 않을때 보다 냉각액의 엔탈피가 전반적으로 상승하여 노심에서 횡방향으로 균일하게 분포되며, 그 결과 노심으로부터 최대의 열출력이 얻어질 뿐만 아니라 국부적인 비등현상을 피할 수 있다.

공지된 형태의 각종 연료집합체는 일정한 간격으로 배치된 스페이서 그리드를 가지며, 상술한 기능을 수행한다. 가압수형원자로에 사용되는 종래의 핵연료집합체는 통상적으로 그 상부로부터 하부까지 등간격으로 배치된 그리드를 구비하고 있다. 프랑스 특허출원 제 84 18 645호에서는 이와 같은 형태의 연료집합체에 관하여 기술하고 있는데, 이에 의하면 강성구조물은 가이드튜브 등의 장방형요소와 그 가이드튜브를 따라 이격배치된 복수개의 그리드에 의하여 서로 연결된 2개의 엔드피이스를 구비하여 연료요소다발의 지지셋을 형성하고, 상기 연료요소는 정사각형망의 교점에 배치된다. 그리드의 종류에는 여러 가지가 있으며, 그중 중간 그리드는 측방향 충격에 견딜 수 있도록 설계된 것으로서 연료집합체를 따라 냉각액의 흐름에 와류를 발생시키는 핀을 구비하고 있고, 하부그리드 및 상부그리드는 연료요소를 고정하는 것으로 중간그리드에 비해 냉각액의 압력강하를 더욱 저감시킨다.

상술한 방식에 의하면 여러 가지의 문제점을 해결할 수 있다. 그러나 본 발명자는 연료요소의 지그코늄계 합금 피복물이 특수한 것일 경우에는 연료요소의 하부에서보다 그 상부에서 많은 부식이 발생하는 것을 알 수 있었다.

냉각액의 온도와 각 연료요소에 의해 국부적으로 발산되는 열출력에 따라서는 국부적인 부식현상이 발생하는 점과, 노심상부에서의 냉각액의 온도가 반드시 노심하부의 온도보다 높다는 것은 공지된 사실이다.

당업자라면, 상술한 2가지 인자, 즉 냉각액의 온도와 노심에서 국부적으로 발산되는 열출력이 연료요소의 상부 및 하부간에 부식량의 불균형을 초래하는 원인이 된다는 것을 알수 있을 것이나, 이러한 현상은 방지할 수 없는 것이라고 단정해 버릴 것이다.

본 발명의 목적은 개량된 원자로용 연료집합체를 제공하는데 있으며, 특히 연료요소상부에서의 부식을 저감시키는 연료집합체를 제공하는데에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해서는, 먼저 상술한 현상을 다시 분석하고, 종래기술에서는 알려지지 않은 상부의 부식을 가속화시키는 다른 원인을 찾아내야 한다. 이와 같은 분석에 의하면 연료요소의 표면에 피복된 산화물층이 부식으로 인하여 벗겨지고 연료요소와 그것을 둘러싸고 있는 가압수간에 열교환이 이루어져서 부식이 심화된다는 가설을 세울 수 있다. 그리고, 온도가 높은 연료요소의 상부에서는 그 하부에서보다 산화물층이 두께가 급속히 증가되기 때문에 부식현상이 더욱 심해진다.

상술한 분석은 피복층을 따라 복수의 개소에서 방사제 연료요소의 피복면에 피복된 산화물층의 두께를 측정함으로써 증명되었다. 이러한 측정은 와류프로우브에 의하여 행하였다. 측정결과에 의하면, 산화물층 두께는 바닥으로부터 상부로 갈수록 상당히 증가되는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 연료피복의 하나를 40,000 MWj/tu이상으로 연소시켰을 경우, 피복층의 두께는 하단부에서는 약 18㎛이고 상단부에서는 50㎛에 이르는 것으로 판명되었다. 또한, 본 발명자는 연료요소가 원자로내에 있는 동안 금속과 산화물간의 접면온도가 상승함에 따라 산화물의 두께도 증가한다는 사실을 알 수 있었다. 그리하여 상단부에서 산화물층의 두께가 증가하면 금속과 산화물간의 접면온도가 증가하고 그로 인하여 산화물의 생성이 가속화된다.

이와 같은 연료요소 상부에서의 부식증가 현상을 완화시키기 위하여, 본 발명자는 연료요소의 상부에서 각 연료요소와 냉각액, 즉 가압수형원자로에서의 가압수간에 열교환을 촉진시키는 방법을 강구하였다.

본 발명은, 연료집합체의 상부에 위치한 상부 그리드를 연료 집합체의 하부에 위치한 하부 그리드보다 좁은 간격으로 배치하고, 상기 상부 그리드를 통하여 순환하는 냉각액(가압수)을 종래 기술의 상부 그리드에 의한 것보다 더욱 강하게 혼합시키도록 된 상술한 형태의 연료집합체를 제공한다.

또한 본 발명에 의하면, 연료집합체의 상부에서 냉각액이 양호하게 혼합되기 때문에 연료집합체의 상부에 위치한 연료요소 피복면에서 부식현상이 발생하는 것을 지연시킬 수 있고, 원자로를 양호한 조건으로 작동하는데에 지장이 없을 정도로 압력강하를 유지할 수 있다. 연료집합체의 상부에서 산화물의 생성이 지연되더라도 그 하부에 악영향을 주지는 않는다.

또, 본 발명은 상부그리드에는 핀을 형성시키고 하부그리드에는 핀을 형성시키지 않은 연료집합체를 제공한다. 연료집합체의 상단에 근접배치된 맨 끝의 그리드에도 핀을 형성시키지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은 예를 들면 프랑스 특허출원 제86 02 501호에 기재된 바와 같이 보다 가벼운 구성의 상부그리드를 제공하는데에 있다. 이러한 그리드는 하나의 주변벨트와 적어도 2열의 평행플레이트로 구성되며, 1열의 플레이트는 다른열의 플레이트와 각도를 이루어서 연료요소의 통로용 셀을 구획하고, 상기 2열의 평행플레이트는 연료집합체의 길이방향을 따라 이격배치된 적어도 2개의 베드내에 분포되고, 상기 플레이트는 2개의 베드내에서 각각 다른 방향으로 배치된 반분핀을 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도의 곡선은 연료요소 피복관 표면의 산화지르코늄의 두께분포를 나타내는 것으로, 이 두께분포는 공지된 연료집합체의 길이방향 측정위치에 따라 변화한다. 또 제1도는 브레이스를 따라 일정한 간격으로 배치되는 종래기술의 그리드를 도시한다.

연료요소의 하단부와 연료요소의 측정부간의 거리는 x축에 나타내고, 산화물층의 측정두께는 y축에 나타낸다. 연료요소를 따라 길이방향으로 배치된 그리드의 위치는 제1도에서 수직봉 A내지 H로 표시하였는바, 여기서 그리드 A는 연료집합체의 하단부, 즉 연료요소의 하부뚜껑에 가장 가깝게 위치하고 있다.

본 발명자가 행한 측정에 의하여 얻어진 제1도의 곡선에 의하여 다음과 같은 사실을 알 수 있다.

-산화물층은 연료집합체의 하부에 위치한 그리드 사이에서 보다 그리드 E와 H 사에서가 더 두껍다.

-산화물층의 두께는 그리드의 바로 위 지역의 피복요소상에서 측정한 것보다 그리드 자체의 전방 및 그것의 바로 아래지역에서 측정한 것이 더 두껍다.

-또한, 그리드의 위치에 따라 본 발명자가 측정한 바에 의하면, 상기 효과는 그리드 상류의 10 내지 30cm 부근에서도 관측되었고, 산화물층의 두께는 그리드 사이의 공간에 위치한 피복요소의 표면에서 점차 두꺼워지고, 그리드간극의 중간지점 약간 뒤에서 최고에 도달하며, 가장 두꺼운 부위는 F와 G 사이이다.

제2도는 가이드튜브(5) 등과 같은 장방형 요소에 의해 연결된 하단부(3)와 상단부(4)를 포함하는 외피로 이루어진 연료집합체를 개략적으로 도시한다.

연료집합체는 하부그리드(6)(7)(8)(9)와 상부그리드(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)를 구비하고, 연료집합체(1)의 상반부에 위치한 인접 상부그리드간의 거리는 그 하반부에 위치한 인접 하부그리드 사이의 거리보다 좁다. 도면에 도시한 연료집합체는 7개의 상부그리드와 4개의 하부그리드로 구성되지만, 그리드의 수가 한정되어 있는 것은 아니다.

도면에 도시한 것과 같이 7개의 상부그리드를 설치하면 연료집합체 상부에서의 냉각액의 혼합이 종래기술의 연료집합에서보다 원활하게 이루어지고, 원자로에서 발생되는 열출력 및 냉각액의 출력온도도 상승하게 되므로, 피복물의 온도가 낮아져서 해당부분이 산화물층 두께의 성장이 둔화된다. 그리하여, 제1도에 도시한 그리드 E와 H 사이의 연료요소의 부식이 지연된다.

본 발명의 일실시예에 있어서는, 상부그리드의 수를 배가시켰으며, 연료요소는 예를 들면 25cm의 간격을 두고 축방으로 배치된 그리드에 의해 고정된다.

제3도는 본 발명에 의한 연료집합체에 있어서 상부그리드의 한 종류를 개략적으로 도시한다. 이 상부그리드는 연료요소를 일정한 간격을 두고 파지하는 플레이트(23)로 된 2개의 평행베드(21)(22)로 구성된다. 플레이트(23)에는 지지기능과 유체흐름의 혼합기능을 겸하는 혼합핀(24)이 부착되어 있다.

제4도는 2개의 베드(21)(22)를 가진 혼합그리드를 도시한다. 이들 베드는 로우드(25)에 의해 연결되는 것으로, 서로 다른 2개의 방향으로 장착된 플레이트(26)로 구성된다. 제3도 및 제4도에 도시한 플레이트의 베드는 연료요소(27)의 수용셀이 2개의 베드에 속하는 플레이트에 의해서만 완전히 구획되는 점에서 미흡하다.

상부그리드는 프랑스 특허출원 제86 02 501호에 개시된 형태의 것을 사용할 수도 있고, 기타 그리드도 본 발명의 연료집합체용으로 사용할 수 있다.

제5도 및 제6도는 단일베드를 가지는 상부그리드의 일실시예를 도시한 것으로, 그리드(30)를 가이드튜브에 고정하기 위한 고정날개(31)를 도시하는 도면이다.

그리드(30)는 플레이트(35)의 각 표면상에 2가지의 높이로 위치한 보스(33)(34)의 돌출부와 연료요소(32)를 지지하는 기능을 한다. 또, 그리드는 예들 들면 프랑스 특허출원 제84 16 803호에 기재된 형태의 핀(36)으로 연료집합체를 통하여 상방으로 흐르는 냉각액의 흐름에 난류를 발생시킨다.

그리드의 강성을 더욱 증가시키기 위해서는, 적어도 일정한 수의 플레이트를 길이방향 강성절곡부(38)를 가지는 돌출부(37)로 연장시키는 것이 바람직하다.

제7도는 본 발명의 연료집합체에 사용되는 하부그리드의 평면도이다. 이들 하부그리드는 슬롯(41) (제8도)이 천공된 2세트의 플레이트(40)로 구성된다. 플레이트는 일단 조립된 후 예를 들면 전자총에 의해서 용접(42) 고정된다. 그후 상기 플레이트는 프레스가공에 의해 양면에 돌출부가 형성되고, 이들 돌출부는 제7도에서 셀(43)(44)로 나타낸 2개의 인접한 요부를 이룬다. 또, 상기 돌출부는 제7도에 도시한 연료요소(45)등과 같은 핵분열성 물질의 연료요소를 측방향으로 지지한다.

제7,8,9도에 도시한 그리드는 셀의 각 표면에 하나의 보스를 구비하고 있다. 제8도 및 제9도에서는 셀(43)에 대응하는 보스를 참조번호(46)로 나타낸다. 2개의 표면상의 보스는 서로 다른높이로 형성되어 있다. 따라서, 핵분열성물질(45)의 각 요소는 4개의 보스와의 영구접촉에 의해서 측방향으로 지지된다. 각각의 보스(40)는 벽면이 가이드튜브(48)에 의해 점유되는 경우(제7도)를 제외하고는 보스(47)와 반대방향으로 배향되어 있다. 하부그리드는 핀을 구비하고 있지 않으므로, 유체흐름의 혼합에는 별로 기여하지 못하고 극히 미세한 압력강하만을 유발시킬 뿐이다.

본 발명은 상술한 실시예에서만 한정되는 것은 아니며, 그리드가 직사각형이 아닌 다각형 단면을 가지도록 된 것, 하부그리드에도 혼합핀을 형성시키는 것, 및 상부그리드 및 /또는 하부그리드가 서로 다른 것도 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (4)

1. 감속 및 냉각용 가압수를 수용하는 용기를 구비하고, 상기 용기내에는 노심이 위치하고, 노심에는 가압수가 상방으로 유통하고, 서로 인접한 복수개의 핵연료집합체를 구비한 원자로에 있어서, 핵연료집합체는 연료요소다발과 강성구조물로 구성되고, 상기 연료요소다발은 복수개의 연료요소로 이루어지고, 각각의 연료요소는 상단부와 하단부를 가진 지르코늄계 관상피복물과, 그 내부의 핵연료물질로 구성되고, 상기 강성구조물은 상기 연료요소의 다발을 평행하게 유지 및 지지하는 것으로, 타이로드에 의해 서로 연결된 상부엔드피이스 및 하부엔드피이스와 타이로드를 따라 이격배치된 복수개의 그리드를 가지며, 상기 복수개의 그리드는 상부그리드세트와 하부그리드세트로 구성되고, 상기 상부그리드세트는 연료그리드의 상부에 위치한 상부그리드를 가지며, 또한 상기 상부그리드세트는 서로 제1의 소정거리를 두고 등간격으로 배치된 것으로 상기 그리드를 가로지르는 가압수흐름을 혼합하기 위한 제1의 흐름혼합수단을 가지며, 상기 하부그리그세트는 연료그리드의 하부에 위치한 하부그리드를 가지고, 또한 상기 하부그리드세트는 제1의 소정거리보다 넓은 제2의 소정거리를 두고 등간격으로 배치된 것으로 상부그리드의 제1의 흐름혼합수단보다 비효율적으로 가압수를 혼합하는 제2의 흐름혼합수단을 가지는 구성을 취하므로서, 상부그리드의 구성에 의해 그 상단부에서의 지그코늄계 관상피복의 부식을 억제하고, 연료요소의 피복관의 상단부와 가압수간의 열교환량의 증가로 인하여 발생하는 상기 피복관의 상단부와 하단부간의 온도구배를 감소시키는 것을 특징으로 하는 내식성 그리드를 구비한 연료집합체.
2. 제1항에 있어서, 상기 상부그리드세트의 상부그리드는 흐름혼합핀을 가지고, 상기 하부그리드세트의 하부그리드는 흐름혼합핀을 가지지 않으며, 상기 핵연료집합체는 상부그리드세트와 상부엔드피이스 사이에 위치하는 핀을 가지지 않는 최상부그리드를 구비하는 것을 특징으로 하는 내식성 그리드를 구비한 연료집합체.
3. 제1항에 있어서, 상부그리드간의 제1의 소정거리는 15 내지 30cm인 것을 특징으로 하는 내식성 그리드를 구비한 연료집합체.
4. 제1항에 있어서, 상부그리드는 하나의 주변벨트와 적어도 2열의 평행플레이트를 가지며, 일열의 플레이트는 다른열의 플레이트와 각도를 이루어서 그들 사이에 연료요소용 통로셀을 구획하고, 상기 평행플레이트는 연료집합체의 길이방향으로 이격된 적어도 2개의 베드내에 배치되는 것으로서 베드간에 서로 다른방향을 취하는 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 내식성 그리드를 구비한 연료집합체.

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