KR970004417B1 - 연료봉 소다발 - Google Patents

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Abstract

내용없음.

Description

연료봉 소다발
제 1 도는 명확성을 위해 파손 및 분할된 부품과 함께 BWR 연료집합체의 정면도.
제 2 도는 제 1 도의 선 2-2을 취한 연료집합체의 확장된 상측 평면도.
제 3 도는 제 1 도의 선 3-3을 취한 연료집합체의 확장된 하측평면도.
제 4 도는 본 발명을 도시하는 제 1 도의 선 4-4를 취한 연료집합체의 단면도.
제 5 도는 제 1 도의 선 5-5을 취한 것을 제외하면 제 4 도와 유사한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 연료집합체12 : 외부유동채널
14 : 상단노즐16 : 하단노즐
18 : 레그20 : 벽
22 : 리브24 : 스터드
26 : 워터-크로스28 : 내부냉각제/감속제유동채널
30 : 격실34 : 시트부제
32 : 패널39 : 입구
40 : 출구42 : 연료봉
42A : 제 1 직경크기의 연료봉42B : 제 2 직경크기의 연료봉
44, 46 : 상측 및 하측타이판48 : 연료봉 소집합체
50 : 그리드52 : 갭
54 : 내부배열56 : 주변부 배열
본 발명은 일반적으로 원자로에 관한 것이며, 특히 비등-수형원자로 연료집합체용 또는 내에 연료봉 소-다발에 관한 것이다.
원자로에서, 많은 양의 에너지는 핵분열을 통해 방출된다. 이런 에너지는 연료봉 표면에 관해 냉각제를 통과함으로서 연료봉으로부터 통상 제거되는 열의 형태로 원자로의 연료체 또는 연료봉에서 소모되며 유용한 작업을 수행할 때 이용되도록 냉각제로부터 추출된다.
원자로에서, 연료봉은 연료집합체내에 함께 구성되며, 또한 자체 지속적인 분열 반응이 가능한 원자로심을 형성하기 위해서 매트릭스로 배열된다.
노심은 연료봉으로부터 열을 제거하기 위한 냉각제로서 그리고 중성자 감속제로서 작용하는 경우와 유동액체내에 침전된다. 비등수형 원자로(BWR)에서, 연료 집합체는 통상 4개 클러스터로 분류되며 각 클러스터는 원자로심의 반응도를 제어하기 위해서 삽입 가능한 제어봉을 집합체와 연결하였다.
제어봉 주위에 배열된 연료지합체의 각 클러스터는 이 기술분야에서 원자로심의 연료셀로서 통상 언급된다.
통상 BWR연료집합체는 N×N으로 배열되고 연료봉에 관해 평행하게 지지되는 연료봉 다발을 포함하며, N×N배열의 연료봉을 포위하는 일반적으로 직사각형 단면의 관형 외부유동채널을 포함한다.
외부유동채널은 연료집합체의 충분한 길이에 대해서 뻗으며 상단노즐에서 하단노즐을 연결하며 두개 노즐은 연료집합체의 일부를 형성하며, 하단노즐을 원자로심 지지판내에 설비되며 연료봉을 따라서 및 그 사이에 공간을 통해 외부유동채널내에 및, 상단노즐을 통해 연료집합체 외에 유동하는 냉각제용 입구로서 작용한다.
통상 BWR 연료집합체는 미합중국 특허 제4,560,532호에서 서술된다.
어떤 종류의 연료집합체에서, 연료봉 다발의 중심영역내에 연료봉은 불충분하게 감속될 것이며 과잉-농축될 것이다. 연료집합체의 중심영역을 통해 중성자-감속냉각제의 유동을 증가함으로서 위와같은 상태를 보정하기 위해서, 연료집합체의 중심영역은 그곳을 통해 유동하도록 중성자-감속 냉각제용 십자형 단면의 채널을 한정하기 위해서 중공 및 상호 연결되는 4개 방사상 패널을 포함하는 긴 워터-크로스를 제공한다.
이 워터-크로스는 내부공간을 4개 긴 격실으로 분류하도록 그리고 연료봉의 다발을 4개소 다발로 분류하도록 워토-크로스와 함께 공축으로 외부유동채널내에 배치되며 각 소다발은 4개 격실중의 하나에 배치된다.
각 소-다발의 연료봉은 상측타이판 및 하측 타이판 사이에 뻗으며 각 소다발의 연료봉은 단일 연료-봉 소집합체를 형성하기 위해서 상측 및 하측타이판에 연결된다.
미합중국 특허 제4,560,532호에서 서술된 형태의 BWR 연료집합체에서 워터-크로스가 존재하기 때문에 액체냉각제가 미합중국 특허 제3,689,358호와 제3,802,423호에서 서술된 개방격자 디자인의 BWR 연료집합체에서보다도 "접착"될 수 있는 "냉각" 또는 "가열되지 않은" 벽 표면영역의 약 2배가 존재한다.
액체냉각제가 냉각기 벽 표면에 대해 부착하려는 경향이었기 때문에, 소다발의 내부내에 가열된 표면은 액체냉각제 때문에 비교적 냉각하게 된다.
가열된 표면위에 액체냉각제 필름이 건조할 때, 한계열유속(CHF) 문제점은 계속되는 애각제-유동 분배가 내부연료-봉 위치에서 어떤 형태의 BWR 연료집합체의 CHF특성을 저하시킨다는 점에 있어서 발생할 것이다.
이런 열수력효과는 봉 다발 집합체내에 비교하는 액체/기체 분포를 도시하는 R.T. 레헤이 및 다른 사람에 의해서 "비등수형 원자로의 열 수력"이란 명칭으로 1977 ANS 모노그래프에 관해 126페이지의 제4.42도에서 명백히 도시된다.
상기에서 묘사된 유동품질 윤곽선으로부터, 유동품질이 낮으면 낮을수록 액체함량이 더욱 높게 되며, 그 반대의 경우도 마찬가지인 것을 알 수 있다.
벽에 부착하기 위한 액체 및 내부에 축적하기 위한 기체의 성향은 상기 서술로부터 명백하게 되며 위와같은 상태가 시기상조의 건조(즉, 하위다발-출력레벨에서)를 야기시킬 수 있음을 쉽게 알 수 있다.
워터-크로스를 이용하는 BWR 연료집합체 디자인의 경우에서, 이런 감소는 최근에 완성된 CHF 시험을 기본으로 할 때 코너/측면 대 내부연료봉 위치에 대하여 수행할 때 약 15-20% 차이를 가진다.
위와 같은 변화는 내부피킹의 경우에 20%까지 연료다발의 임계출력수행을 감소한다.
본 발명의 주요 목적은 위와 같은 수행품위저하를 최소화 또는 제거하는 방법 및 수단을 제공하는 것이다.
따라서 본 발명은 한 소다발의 연료봉을 수용하기 위하여 내부유동채널의 긴 격실 각각으로 분류하는 중공 워터-크로스를 포함하는 외부관형 냉각제/감속제 유동채널을 가지는 BWR 연료집합체용 또는 내에 소-다발의 연료봉에 있으며, 상기 소다발의 연료봉은 제 1 직경크기의 연료봉 내부배열과, 제 2 직경크기의 연료봉 주변부배열을 형성하며, 상기 제 1 직경크기는 제 2 직경크기보다 더 작은 것을 특징으로 한다.
그러므로, 본 발명은 유동면적과 가열된 표면과 관련한 한계열유속(CHF)에 관한 제시된 열수력효과, 즉, 가열된 표면당유동면적이 크면 클수록, 열 전이 특성이 더욱 좋아지는 CHF 수행효과를 이용함으로서 목적에 이르른다.
본 발명은 어떤 효과를 그것의 주변부를 따라서 보다도 각 소다발의 내부에 더 작은 직경의 연료봉을 이용함으로서 워터-크로스를 가지는 BWR 연료집합체에 적응한다.
약 10-12%까지의 내부봉의 직경감소가 다발한계출력에서 약 15% 향상에 이르름을 알 수 있었다.
양호하게 연료봉의 내부배열은 내부, 중심에 위치되는 사각형태를 형성하며, 연료봉의 주변부배열은 내부형태를 포위하는 외부주변부에 위치되는 사각형태를 형성한다.
또한, 내부배열에 위치되는 연료봉은 더 작은 직경크기의 연료봉이며, 주변부 배열에 위치되는 유일한 연료봉은 더 큰 직경크기의 연료봉이다.
내부 및 주변부배열 내에 연료봉을 행렬로 서로 정렬된다.
본 발명의 양호한 실시예는 첨부된 도면에 관한 보기에 의해서 지금부터 서술될 것이다.
다음 서술에서, 유사한 참고문자는 여러개 도면을 통해 유사하거나 또는 같은 부품을 나타내며, "앞의", "뒤의", "좌의", "우의", "상향의", "하향의"와 같은 용어는 제한하는 용어로서 해석되지 않는 편리한 용어로서 이용된다.
지금부터 도면에 관해 참고하면, 특히, 제 1 도 내지 제 3 도에서, 연료집합체(10)는 비등수형 발전용원자로(BWR)에 이용하기 위한 것이다.
연료집합체(10)는 연료집합체의 충분한 길이에 대하여 실제로 뻗으며 하단기부 또는 하단노즐(16)에 대해 상단 지지고정구 또는 상단노즐(14)을 연결하는 긴 관형 외부유동채널(12)을 포함한다.
외부유동채널(12)내에 냉각제 유동용 입구로서 작용하는 하단노즐(16)은 원자로 노심지지판(도시되지 않음) 내에 또는 사용제-연료푸울에 위치되는 연료저장 택내에 노즐을 안내하기 위한 레그(18)를 가진다.
지르칼로이로서 공지된 지르코늄합금으로 만들어지며 직사각형 단면의 외부유동채널(12)은 서로에 관해 직각으로 뻗는 4개 상호연결된 벽(20)으로 구성되며 각 벽은 그것의 내부표면에 관해 각 벽(20)의 축방향 단부 사이의 공간에 위치되는 수직렬로 다소 떨어져서 유지되는 다수의 구조리브(22)를 가진다.
벽(22)은 횡렬의 구조리브(22) 위에 외부유동채널(12)에 상측노즐(14)을 연결하기 위해 이용되는 부착스터드(24)를 위쪽으로 뻗도록 부착되었다.
제 1, 2, 4 및 5도에서 도시된 것과 같이, 연료집합체(10)는 일반적으로 10으로 표시되는 중공 워터-크로스를 포함한다.
워터-크로스(26)는 외부유동채널(12)을 4개로 분리된 긴 격실으로 나뉘도록 외부유동채널(12)을 통해 축방향으로 뻗으며, 일반적으로 십자형 단면적의 내부 냉각제/감속제 유동채널(28)을 한정한다.
워터-크로스(26)는 4개의 중공 방사상 패널(32)을 형성하기 위해서 시트부재의 외부 종방향 에이지를 따라서 설비 및 결합되는, 예를들어, 용접되는 4개의 긴 L-형 금속앵글 또는 시트부재(34)로 형성되며, 각 패널의 벽은 시트부재(34)의 패널-한정레그 부분에 형성되며 각 딤플에서 함께 결합되고, 즉 용접되는 딤플(36)을 내부로 돌출함으로서 서로에 관한 양호한 평행관계로 유지된다(제 4 도와 제 5 도 참조).
중공 워터-크로스(26)는 외부채널 벽(20)의 구조리브(22)에 접합되고, 즉 용접되는 각 패널의 외측단부를 가짐으로서 외부유동채널(12)의 벽(20)에 부착되며, 워터-크로스는 그 하단부에서 입구(39)와, 그 상단부에서 출구(40)를 가지며, 입구(39)와 출구(40)는 워터-크로스 내에 유동채널(28)과 연결된다.
외부유동채널(12) 내에 배치되는 것은 N×N으로 배열되는(예시된 실시예에서, N=8개 연료봉) 연료봉(42) 다발이며 워터-크로스(26)에 의해서 4개 균일한 소-다발로 분류되며 각 소-다발은 n×n개 연료봉(예시된 실시예에서, n=4)을 가진다.
각 소-다발의 연료봉(42)은 그대향단부에서 상단 및 하단타이판(44, 46)에 연결되며, 연료봉은 각 연료-봉 소-다발을 따라서 축방향으로 일정한 간격을 가지는 그리드(50)에 의해서 서로에 관해 평행관계로 지지된다.
타이판(44, 46)과 연결된 각 소-다발 연료봉(42)과 연료봉과 연결된 스페이서 그리드(50)는 외부유동채널(12) 내에 각 격실(30)에 위치되는 연료-봉 부집하체(48)를 형성한다.
각 연료-봉 소집합체(48)의 상단 및 하단타이판(44, 46)는 냉각제/감속제 유체가 소집합체에 유입 및 유출되도록 거기에서 한정되는 유동개구를 가진다. 연료집합체 내에 여러개 격실(30)은 격실 사이의 압력평형을 유지하도록 구조리브(22) 사이에 갭(52)을 통해 각 격실 사이에 유체의 유동이 이뤄지며, 결과적으로, 여러개 연료-봉 소집합체 사이에 열적 및 유체역학적 불안정성의 위험이 최소화된다.
지금까지 구체적으로 서술된 한도에 있어서, BWR 연료집합체(10)는 통상적인 것이다.
여기에서 규정되는 BWR 연료집합체의 서술은 이 기술분야에서 숙련된 사람이 본 발명을 이해하기에 충분한 것으로 여겨지나, 위와같은 BWR 연료집합체의 기본 구성에 관한 더 많은 정보가 필요하다면, 상기에서 언급된 미합중국 특허 제4,560,532호는 참조할 필요가 있다.
본 발명을 실시하는 설비는 제 4 도와 5도를 참고로 하여 지금부터 서술될 것이다.
상기 도면에서 도시된 바와같이, 각 4개 연료-봉 소다발은 두개 다른 직경크기의 연료봉(42)으로 구성되며, 이와 같은 연료봉은 제1직경크기를 가지는 연료봉(42A)의 내부 베일(54)과, 제 2 직경크기를 가지는 연료봉(42B)의 주변부배열(56)을 이루며, 내부배열(54)의 연료봉(42A)은 주변부배열(56)의 연료봉(42B)보다 더 작은 직경이다.
양호하게, 내부배열(54)의 연료봉(42A)은 주변배열(56)의 연료봉(42B)과 비교할 때 직경이 약 10-12% 더 작다.
제 4 도 및 5도에서 도시된 것과 유사하게, 연료봉(42)은 내부배열(54)에 속하는 4개 연료봉(42A)이 내부 또는 중심에 사각형태로 배열되며 주변부배열(56)에 속하는 12개 연료봉(42B)이 외부 또는 주변부에 내부 배열을 포위하는 사각형태로 배열되는 실제로 사각형 전체배열을 형성한다.
내부사각형태에 존재하는 유일한 연료봉이 제 1 또는 감소된 직경크기의 연료봉(42A)이며, 외부사각형태에 존재하는 유일한 연료봉이 제 2 또는 더 큰 직경크기의 연료봉(42B)인 것을 유의해야 할 것이다.
요약컨대, 본 발명은 워터-크로스를 포함하는 BWR 연료집합체의 새로운 디자인에 이르기 위한 서술된 열-수력효과를 이용하며, 이와 같은 디자인이 주변부 봉 위치에 의해서 나타나는 "냉각벽"으로 인해 워터-크로스를 가지는 종례 BWR 연료집합체 본래의 CHF 수행에 관한 제한을 완화하기 위해서 내부 및 주변부 봉위치에 대한 연료봉의 다른 직경크기를 이용하는 것은 특이하다.
양호하게, 본 발명을 실시하는 각 소다발에서 내부연료봉(42A)의 봉 직경은 주변부연료봉(42B)의 직경보다 약 10-12% 이하이다.
워터-크로스를 가지는 BWR 연료지합체의 CHF 수행에 대한 실험적 증거는 코너와 축방향봉이 내부봉에 관하여 상당히 우수한 수행(한계 출력에 있어서 10-15% 이상)을 나타내는 것을 입증하였다.
본 발명은 내부봉에 대하여 봉에 대한 유동영역을 증가하며, 그것에 의해서 열전도를 향상시키며 동시에 더 작은 직경 봉을 통해 출력 비율을 감소시킨다.
표준연료집합체 디자인 접근 방법은 총 발생된 연료집합체 출력이 동일하도록 축방향/코너 연료봉의 농축을 증가하기 위해서 이용될 수 있다.
이와 같은 독특한 연료집합체의 요소는 축방향/코너봉의 레벨에 대해 상부봉의 CHF 수행을 증가함으로서 우수한 (약 10%) CHF 수행을 가지는 연료집합체에 이르른다.

Claims (7)

  1. 소다발의 연료봉(42) 하나를 수용하기 위하여 내부유동채널(12)을 긴 격실(30) 각각으로 분류하는 중공 워터-크로스(26)를 포함하는 외측관형 냉각제/감속제 유동채널(12)을 가지는 BWR 연료집합체(12)용 또는 내에 소다발 연료봉(42)에 있어서, 상기 소다발의 연료봉(42)은 제 1 직경크기의 연료봉(42A)의 내부배열(54)과, 제 2 직경크기의 연료봉(42B)의 주변부 배열(56)을 형성하며, 상기 제 1 직경크기는 상기 제 2 직경크기보다 작은 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부배열(54)의 연료봉(42A)은 내부, 중심에 위치되는 사각형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내부배열(54)에 위치되는 유일한 연료봉은 제 1 직경크기를 가지는 연료봉(42A)인 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 주변부배열(56)의 연료봉(42B)은 내부배열(54)의 연료봉(42A)을 포위하는 외부, 주변부에 위치되는 사각형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 주변부배열(56)에 위치되는 유일한 연료봉은 상기 제 2 직경크기를 가지는 연료봉(42B)인 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 및 주변부배열(54, 56) 내에 연료봉(42)은 행렬로 서로 정렬되는 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 배열(54)의 연료봉(42A)은 상기 주변부배열(56)의 연료봉(42B)과 비교하여 직경 크기가 10 내지 12퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는 연료봉 소다발.
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