WO2013089406A1 - 원자로 상부 구조물의 인양 샤클 - Google Patents

원자로 상부 구조물의 인양 샤클 Download PDF

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WO2013089406A1
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reactor
lifting
shackle
coupled
connection member
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손정대
김성환
김용규
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두산중공업 주식회사
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    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00—Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/02—Details of handling arrangements
    • G21C19/10—Lifting devices or pulling devices adapted for co-operation with fuel elements or with control elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C1/00—Load-engaging elements or devices attached to lifting or lowering gear of cranes or adapted for connection therewith for transmitting lifting forces to articles or groups of articles
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    • B66C1/34—Crane hooks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16G—BELTS, CABLES, OR ROPES, PREDOMINANTLY USED FOR DRIVING PURPOSES; CHAINS; FITTINGS PREDOMINANTLY USED THEREFOR
    • F16G15/00—Chain couplings, Shackles; Chain joints; Chain links; Chain bushes
    • F16G15/04—Quickly-detachable chain couplings; Shackles chain links with rapid junction means are classified according to the corresponding kind of chain
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    • F16G15/06—Shackles designed for attachment by joint pins to chain elements, e.g. D-shackles so called harp links; the D-chain links are classified according to the corresponding kind of chain
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to the structure of a shackle coupled to a hook to lift a reactor superstructure.
  • a nuclear reactor refers to a device that controls the chain reaction so that a large amount of mass defect energy released as a result of the chain fission reaction is used as a power to use the thermal energy generated from the nuclear fission. It is common to have an upper structure on top of the head of the reactor, and a lifting device is utilized to disassemble the upper structure and to move and reinstall the disassembled parts.
  • Reactor fuel replacement is usually done every 18 months, and during the nuclear fuel replacement period, the integral reactor superstructures are typically lifted and moved to temporary storage.
  • a hydroset having a shock absorbing function is coupled to a polar crane to prevent up and down vibration, and a lifting frame for fastening or disassembling with the other single hook of the hydroset.
  • Lineage shackles were used.
  • the APR 1400 integrated reactor superstructure must reduce the weight of the shackle due to the increase in the seismic acceleration, and due to the increase in the reactor head weight, Shackles may be considered.
  • One object of the present invention is to provide a lifting shackle having a more improved structure.
  • the lifting shackle of the reactor superstructure according to an embodiment of the present invention, the first member and the first extending to a predetermined thickness and length parallel to each other and having a top and a bottom, respectively Two members, an upper portion of the first member and the upper portion of the second member, the first connecting member fastened to the hook, and a hollow so as to be pinned with the reactor upper structure, respectively, the first member And a fastening portion formed at a lower portion of the second member and extending from the first connection member to the side ends of the first member and the second member at a predetermined curvature and protruding upwards to be applied to the first connection member. It includes a stress reducing portion formed on top of the first member and the second member to reduce the bending stress.
  • a maximum stress concentration portion is formed at both ends of the first connection member that meets the first member and the second member, and an extension line extending the uppermost end of the stress reduction portion and the maximum stress concentration portion.
  • the length of may be formed to be longer than the thickness of the first connection member.
  • the extension line may be formed to have a length corresponding to 1.15 times to 1.6 times the thickness of the first connection member.
  • the extension line may be formed to maintain a predetermined angle with respect to the direction in which the first member extends vertically.
  • the angle range may be formed to be 5 ° to 15 °.
  • the fastening part may be coupled to a tripod assembly having three legs which are formed to be adjustable in length, and one end of the tripod assembly may be coupled to the reactor upper structure.
  • the second member may further include a second connection member connecting the first member and the second member to each other under the first member and the second member.
  • the lifting shackle of the reactor upper structure related to at least one embodiment of the present invention configured as described above is formed so that each member constituting it has the maximum curvature, thereby reducing the stress concentrated in a specific portion.
  • the connecting member by minimizing the bending stress applied to the connecting member, it has a lower lifting weight and excellent lifting capacity than the existing shackle.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an integrated reactor superstructure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a conceptual diagram showing a coupling relationship of the support frame, the tripod assembly and the lifting shackle of the air plenum according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a tripod assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are perspective and sectional views of the lifting shackle according to one embodiment of the present invention.
  • 5 and 5b are state diagrams showing a stress concentration state of the lifting shackle shown in FIG.
  • nuclear reactors are devices that use the mass-depletion energy resulting from fission reactions. Unlike a thermal furnace in which combustion is automatically expanded by combustion heat, nuclear reactors perform nuclear fission reactions using neutrons, which are released during nuclear fission of fuel.
  • the nuclear fission reaction of a nuclear reactor can control the combustion of fuel by controlling the number of neutrons absorbed by the fuel.In order to continue nuclear fission in a nuclear reactor, at least one of the neutrons released during nuclear fission is absorbed by the fuel again to cause nuclear fission again. do. If the number is 1, the fission reaction remains constant, neither decreasing nor increasing, which is called the criticality of the reactor. In addition, when the number exceeds 1, the number of fission reactions gradually increases, which is called a supercritical state, and vice versa.
  • the control of the reactor is controlled by adjusting the number of neutrons by inserting or removing a material having a large neutron absorption cross-section such as cadmium or boron into the core, and also using a method of changing the amount of reflector or moderator.
  • an integrated reactor upper structure 100 may include a fan module 110, an upper module 120, a central module 130, and a lower module 140.
  • the fan module 110 is positioned above the reactor head, and a cooling fan 111, a lifting structure 112, and an air plenum 113 may be integrally formed.
  • the upper module 120 may be coupled to a lower portion of the air plenum 113.
  • the cooling fan 111 is a device that is installed to smoothly cool the inside of the reactor upper structure 100 to adjust the flow of air to be described later.
  • the lifting structure 112 may be formed of a tripod and a shackle, the tripod is for lifting the whole of the integrated superstructure 100 and the crane 300 is connected to the shackle connected to the top of the tripod to perform the lifting operation. Can be.
  • the air plenum 113 may be integrally formed while supporting the cooling fan 111 and the lifting structure 112.
  • a ring beam may be coupled to a lower portion of the air plenum 113 in a horizontal direction, and the upper module 120 may be coupled to a lower portion of the ring beam.
  • an upper shroud plate 121 is formed in a cylindrical shape so as to open up and down inside the upper module 120, and a predetermined distance along an inner circumferential surface of the upper shroud plate 121 to form an air passage.
  • An upper baffle 122 fixed to be spaced apart may be formed.
  • the central module 130 and the lower module 140 are formed with a central shroud plate 131, a central baffle 132, a lower shroud plate 141, and a lower baffle 142. same.
  • the central module 130 is preferably provided with an air inlet 135 to pass through both the central shroud plate 131 and the central baffle 132.
  • the shroud plates 121, 131, and 141 are formed to surround the outside of the baffles 122, 132, and 142 to serve as a cover for protecting a structure provided in each module.
  • the shroud plates 121, 131, and 141 and the baffles 122, 132, and 142 are vertically coupled such that one end is coupled to the upper portion of the upper module 120 and the other end is coupled to the lower portion of the lower module 140. It is preferable to be fixed to the support column 105 to be formed.
  • the support column 105 is a structure for supporting the reactor upper structure 100 in the vertical direction, the H beam may be utilized to maintain rigidity. It is preferable that a control rod driving device and a control rod are provided inside the lower baffle 142.
  • Air flow generated by the cooling fan 111 sucks air through the air inlet 135, and the sucked air is between the baffles 122, 132, and 142 and the shroud plates 121, 131, and 141.
  • By moving through the flow space of the control rod drive and the reactor head can be facilitated cooling.
  • the reactor superstructure 100 provided on top of the reactor head has a function of lifting the control rod drive and the reactor head when replacing the fuel.
  • the control rod driving device installed inside the lower module 140 is a device for inserting and withdrawing a control rod for controlling the nuclear reaction rate of the reactor core.
  • the control rod drive device may have a tube shape in which a honeycomb-shaped space is drilled so that a plurality of control rods can be inserted and separated.
  • the control rod regulates the nuclear reaction rate of the reactor core while flowing in the vertical direction while being inserted into the control rod drive.
  • the control rod drive device may be provided with a control rod position indicating sensor for detecting the position of the control rod, it may include a power source for driving the control rod.
  • the work related to the control rod driving device is often required, the replacement of power source for driving the control rod, repair and maintenance work, replacement of the control rod position sensor, repair and maintenance work, control rod position instruction
  • calibration may be performed.
  • the cooling fan 111, the lifting structure 112, and the air plenum 113 are separated and lifted first, and then the cable support unit provided thereunder. After dismantling and removing the baffles (122, 132, 142) and the shroud plate (121, 131, 141) had to be separated.
  • an integrated reactor head structure is used to integrally form the fan module 110, the upper module 120, the central module 130, and the lower module 140. Done.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a coupling relationship between a support frame, a tripod assembly, and a lifting shackle of an air plenum according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a tripod assembly according to an embodiment of the present invention.
  • 4A and 4B are a perspective view and a cross-sectional view of the lifting shackle according to an embodiment of the present invention
  • Figures 5 and 5B is a state diagram showing the stress concentration state of the lifting shackle shown in FIG.
  • the support frame 210 is formed to support the load of the air plenum 113.
  • Tripod assembly has three legs (Leg, 230) and a fastening body 220 formed on the upper, each leg 230 extends from the fastening body 220 to the support frame 210.
  • Legs 230 may each be formed to include a fastening nut 231 to be adjustable in the vertical direction. As the tightening nut 231 rotates, the length of the leg 230 may be adjusted. For this reason, the support frame 210 can be kept parallel with respect to a horizontal plane at the time of lifting. And the legs 230 are each formed rotatably around the fastening body 220.
  • Each leg 230 coupled to the fastening body 220 extends radially to maintain an angle of 120 degrees to each other.
  • the fastening body 220 is coupled to the fastening portion 251 of the lifting shackle 250 by the pin 240.
  • the fastening body 220 and the fastening part 251 may include holes 251a to allow the pins 240 to pass through, respectively.
  • the lifting shackle 250 extends to a certain thickness and length in parallel with each other, and includes a first member 252 and a second member 253 having upper and lower portions, respectively. do. At least a portion of the outer circumference of the first member 252 and the second member 253 is formed to have a predetermined curvature.
  • the lifting shackle 250 may be integrally formed by a casting method.
  • the members constituting the lifting shackle may be coupled to each other by a coupling means. That is, after arranging the first member 252 and the second member 253, the upper and lower portions may be coupled to each other using the connection member.
  • the coupling means may be a fastening method between the members by welding or screw.
  • first connection member 254 connects the upper portion of the first member 252 and the upper portion of the second member 253 to each other and is coupled to the hook of the polar crane.
  • the contact portion of the first connection member 254 coupled to the hook has a shape corresponding to the hook such that the surface contacting the hook is maximum.
  • a fastening part 251 is formed at a lower portion of the first member 252 and the second member 253 to allow the pin 240 to penetrate to be coupled to the fastening body 220.
  • a second connection member 255 may be further spaced apart from the first connection member 254 to connect the first member 252 and the second member 253 to each other. That is, lower portions of the first member 252 and the second member 253 may be connected to each other by the second connection member 255.
  • the second connection member 255 When the second connection member 255 is lifted by a hook coupled to the first connection member, the lower portion of the first member 252 and the second member 253 are mutually supported by the load of the air plenum 113. To prevent deformation towards That is, the second connection member 255 supports to prevent the lower portion of the first member 252 and the second member 253 from being deformed by an external force.
  • first member 252, the second member 253, and the first connecting member 254 form a U-shaped ring so that they can engage with the hook
  • second connecting member 255 is formed of the U-shaped ring.
  • the lower portion of the first member 252 and the second member 253 may be extended across the middle portion to prevent movement toward the inside or the outside of the U-shaped ring.
  • the second connection member is formed to connect the first member 252 and the second member 253 to each other under the first member 252 and the second member 253 so that the lifting tripod assembly is the first member. It also serves to prevent movement between and the second member.
  • Stress reduction parts 252a and 253a are formed to reduce stress generated by one side of the first connection member being struck.
  • the stress reduction portions 252a and 253a extend at a predetermined curvature from the first connection member 254 to the side ends of the members 252 and 253 and protrude upward.
  • the extension lines L1 and L2 extending the uppermost portions 252c and 253c of the stress reducing portions 252a and 253a and the maximum stress concentration portions 252b and 253b of the first connection member 254 are defined by the first member ( 252 is preferably formed to maintain a predetermined angle range a, i.e., 5 ° to 15 ° with respect to the direction in which it extends vertically. It was confirmed that the positions of the maximum stress concentration portions 252b and 253b are changed outside the angle range a.
  • the extension line may be a line extending from the maximum stress concentration part Max and the minimum stress concentration part Min to each other.
  • the top ends 252c and 253c of the stress reduction portions 252a and 253a may be any one of the minimum stress concentration portions Min of the lifting shackle.
  • the length d2 of the extension lines L1 and L2 is preferably 1.15 to 1.6 times the thickness d1 of the first connection member. If the length d2 of the extension lines L1 and L2 is 1.15 times or less than the thickness d1 of the first connection member, the cross-sectional area of the lifting shackle proportional to the length d2 of the extension lines L1 and L2 does not increase sufficiently. As a result, the stress is not reduced as much as desired. When the length d2 of the extension lines L1 and L2 becomes 1.6 times or more than the thickness d1 of the first connection member, the positions of the maximum stress concentration portions 252b and 253b of the lifting shackle may be changed. Not desirable
  • the length d2 of the extension lines L1 and L2 and the angle a between the extension lines L1 and L2 and the first member are obtained by analyzing the stress acting on the lifting shackle by computer simulation. As shown in FIGS. 5A and 5B, the first connection member 254 and the first member 252 when the extension lines L1 and L2 are within the range of the length d2 within the predetermined angular range a. ) Or the cross-sectional area is increased at the site where the second member 253 is in contact with each other to reduce the stress within a satisfactory design range.
  • the unit weight of the lifting shackle within the design range of the lifting shackle by minimizing the load per unit weight applied to the portion where the first connection member 254 and the first member 252 or the second member 253 contact each other.
  • the maximum limit load can be maximized.
  • the stress reducing units 252a and 253a formed in the first member 252 and the second member 253 may maximize the effect of the statically indeterminate beam resulting in the stress reduction for a specific region. . That is, by minimizing the stress applied to the maximum stress concentration portion between the first connecting member and the first member and the second member, the lifting force of the lifting shackle is increased while reducing the own load of the lifting shackle compared to the existing shackle. You can.
  • the lifting shackle of the reactor superstructure described above is not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, the embodiments may be selectively all or part of each of the embodiments so that various modifications can be made It can be configured in combination.
  • One embodiment of the present invention may be applied to a shackle that lifts a reactor superstructure.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클은, 서로 평행하게 일정 두께 및 길이로 연장되고 각각 상부와 하부를 구비하는 제1 멤버와 제2 멤버, 상기 제1 멤버의 상부와 제2 멤버의 상부를 서로 연결하고, 상기 후크에 체결되는 제1 연결 멤버와, 상기 원자로 상부 구조물과 핀결합할 수 있도록 중공을 구비하여 각각 상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부에 형성되는 체결부 및 상기 제1 연결 멤버로부터 상기 제1 멤버 및 제2 멤버의 측단에 이르기까지 일정 곡률로 연장되고 상부를 향하여 돌출되어, 상기 제1 연결 멤버에 가해지는 굽힘 응력을 감소할 수 있도록 상기 제1 멤버 및 제2 멤버의 상부에 형성되는 응력감소부를 포함한다.

Description

원자로 상부 구조물의 인양 샤클
본 발명의 일실시예들은 원자로 상부 구조물을 인양시키도록 후크에 결합되는 샤클의 구조에 관한 것이다.
일반적으로 원자로(nuclear reactor)는 연쇄핵분열반응의 결과 순간적으로 방출되는 다량의 질량결손 에너지가 방출되도록 연쇄반응을 제어하여 핵분열에서 발생하는 열에너지를 동력으로 사용하도록 하는 장치를 말한다. 원자로의 헤드부 상부에는 상부구조물이 구비되는 것이 일반적이며, 상부 구조물을 분해하고 분해된 각 부위를 이동시키고 다시 설치하기 위해 인양 장치가 활용된다.
원자로의 핵연료 교체는 보통 18개월 마다 이루어지며, 핵연료 교체기간 동안 일체형 원자로 상부구조물은 원자로 헤드를 인양하여 임시보관장소로 이동시키는 것이 일반적이다.
종래에도 이와 같은 작업을 하기 위해서 충격흡수 기능을 하는 하이드로셋(Hydro set)이 폴라 크레인(Polar Crane)에 결합되어 상하 방향 진동을 막아주고, 하이드로셋의 타단 싱글훅과 체결하거나 분해하기 위해 인양프레임계통 샤클을 사용하였다.
하지만, 기존 OPR 1000의 일체형 원자로 상부구조물에 비해 APR 1400 일체형 원자로 상부구조물은 지진가속도의 증가로 인하여 샤클의 중량을 감소시켜야 하며, 원자로헤드 중량증가로 인하여, 이와 같은 변경된 조건을 만족시킬 수 있는 새로운 샤클이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 보다 향상된 구조를 갖는 인양 샤클을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클은, 서로 평행하게 일정 두께 및 길이로 연장되고 각각 상부와 하부를 구비하는 제1 멤버와 제2 멤버, 상기 제1 멤버의 상부와 제2 멤버의 상부를 서로 연결하고, 상기 후크에 체결되는 제1 연결 멤버와, 상기 원자로 상부 구조물과 핀결합할 수 있도록 중공을 구비하여 각각 상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부에 형성되는 체결부 및 상기 제1 연결 멤버로부터 상기 제1 멤버 및 제2 멤버의 측단에 이르기까지 일정 곡률로 연장되고 상부를 향하여 돌출되어, 상기 제1 연결 멤버에 가해지는 굽힘 응력을 감소할 수 있도록 상기 제1 멤버 및 제2 멤버의 상부에 형성되는 응력감소부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 멤버 및 제2 멤버와 만나는 상기 제1 연결 멤버의 양단에 최대 응력 집중 부분이 형성되고, 상기 응력감소부의 최상단과 상기 최대 응력 집중 부분을 연장하는 연장선의 길이는 상기 제1 연결 멤버의 두께보다 길도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연장선은 상기 제1 연결 멤버의 두께에 비해 1.15배 내지 1.6배에 해당하는 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연장선은 상기 제1 멤버가 수직으로 연장되는 방향에 대하여 소정의 각도를 유지하도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 각도 범위는 5°내지 15°가 되도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 체결부는 길이조절가능하게 형성되는 세개의 다리를 구비하는 삼각대 조립체에 결합되고, 상기 삼각대 조립체의 일단은 상기 원자로 상부 구조물에 결합될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부에서 상기 제1 멤버와 제2 멤버를 서로 연결하는 제2 연결 멤버를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 원자로 상부 구조물의 인양 샤클은 이를 구성하는 각 멤버들이 최대한의 곡률을 갖도록 형성되어, 특정부분에 집중되는 응력을 감소시킬 수 있다.
또한 연결멤버에 가해지는 굽힘응력을 최소화함으로써, 기존의 샤클에 비해 자중이 적게 나가면서도 인양하중능력이 뛰어나다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 원자로 상부구조물의 개략적인 구성을 나타내는 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에어 플레넘의 지지 프레임, 삼각대 조립체 및 인양 샤클의 결합관계를 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각대 조립체의 개념도.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인양 샤클의 사시도와 단면도.
도 5와 도 5b는 도 4에 도시한 인양 샤클의 응력 집중 상태를 도시한 상태도.
이하, 본 발명에 관련된 원자로 상부 구조물의 인양 샤클에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
일반적으로 원자로는 핵분열반응의 결과 발생하는 질량결손 에너지를 이용하는 장치이다. 연소열에의해 자동으로 연소가 확대되는 화력로와 달리 원자로는 연료의 핵분열 때에 방출되는 중성자를 매개체로 하여 핵분열 반응을 수행한다.
원자로의 핵분열 반응은 핵연료에 흡수되는 중성자수를 제어함으로써 핵연료의 연소를 조절할 수 있는데, 원자로 내의 핵분열을 지속시키기 위해서는 핵분열시 방출되는 중성자 중에서 다시 핵연료에 흡수되어 재차 핵분열을 일으키는 수가 최소한 1개 이상이어야 한다. 만약 그 수가 1일 때에는 핵분열반응은 감소하지도 증가하지도 않고 일정하게 유지되며, 이 상태를 원자로의 임계라고 한다. 또한 그 수가 1을 초과할 때는 핵분열반응의 수도 점점 증가하게 되는데 이를 초임계상태라 하며, 그 반대의 경우를 미임계상태라 한다.
일반적으로 원자로를 일정한 출력으로 운전할 때는 이를 임계상태로 두거나 약간의 임계초과상태로 하여 여분의 중성자를 제어봉에 흡수시키는 방법을 활용한다. 1회의 핵분열에서 방출되는 중성자수는 우라늄 235의 경우 평균 2개 정도이지만, 이들 모두가 재차 핵분열에 기여하는 것은 아니고 원자로 외부로의 누설, 또는 비핵분열성 물질에의 흡수 등에 의해 그 수가 감소하므로 원자로를 계속 운전하기 위해서는 이러한 중성자 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 중성자의 손실을 방지하기 위한 방법으로는 핵분열성 물질의 양을 증가시키거나 핵분열시 방출되는 고속중성자를 열중성자준위로 감속시켜 흡수확률을 높이는 방법, 노심외부로의 누설량을 최소화할 수 있도록 원자로의 크기를 충분히 크게 하는 방법, 그리고 다른 비핵분열성 물질에의 흡수를 최소로 하는 방법 등이 있다. 핵분열의 순간에 방출되는 중성자는 에너지가 높은 고속중성자로서 핵연료에 흡수될 확률이 극히 낮으므로, 이를 감속시켜 흡수확률을 높이는 것이 중요하다. 원자로의 제어는 카드뮴이나 붕소 등과 같이 중성자 흡수 단면적이 큰 재질을 노심 내에 집어넣거나 빼냄으로써 중성자수를 조절하여 제어하게 되며, 또한 반사체나 감속재의 양을 변화시키는 방법을 사용하기도 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 원자로 상부 구조물(100)은 팬 모듈(110), 상부 모듈(120), 중앙부 모듈(130), 하부 모듈(140)을 포함할 수 있다.
도 1 을 참조하면 상기 팬 모듈(110)은 원자로 헤드의 상부에 위치하되, 냉각팬(111), 리프팅 구조물(112), 에어 플레넘(113)이 일체로 형성될 수 있다. 상기 에어 플레넘(113)의 하부에는 상기 상부 모듈(120)이 결합될 수 있다. 상기 냉각팬(111)은 상기 원자로 상부구조물(100) 내부의 냉각을 원활하게 수행하기 위해 설치되는 장치로 후술하게 될 공기의 유동을 조절하게 된다. 상기 리프팅 구조물(112)은 삼각대와 쉐클로 형성될 수 있으며, 삼각대는 상기 일체형 상부구조물(100) 전체를 인양하기 위한 것이고 삼각대의 상부에 연결된 쉐클에는 크레인(300)이 연결되어 인양 작업을 수행할 수 있다. 상기 에어 플레넘(113)은 상기 냉각팬(111)과 상기 리프팅 구조물(112)을 지지하며 일체로 형성될 수 있다. 상기 에어 플레넘(113)의 하부에는 링 빔이 수평 방향으로 결합되어 구비되고 링 빔의 하부에는 상기 상부 모듈(120)이 결합될 수 있다.
도 1 을 참조하면 상기 상부 모듈(120)의 내부에는 상하가 개방되도록 원통형으로 형성되는 상부 슈라우드 플레이트(121)와, 공기의 유로를 형성하기 위해 상기 상부 슈라우드 플레이트(121)의 내주면을 따라 소정 간격으로 이격되도록 고정되는 상부 배플(122)이 형성될 수 있다. 상기 중앙부 모듈(130)과 상기 하부 모듈(140)도 상기 상부 모듈(120)과 마찬가지로 중앙부 슈라우드 플레이트(131) 및 중앙부 배플(132), 하부 슈라우드 플레이트(141) 및 하부 배플(142)이 형성됨은 같다. 다만, 상기 중앙부 모듈(130)에는 상기 중앙부 슈라우드 플레이트(131)와 상기 중앙부 배플(132)을 모두 관통하도록 공기 유입부(135)가 구비되는 것이 바람직하다.
도 1 을 참조하면 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141)는 상기 배플(122, 132, 142)의 외부를 감싸도록 형성되어 각 모듈의 내부에 구비되는 구조물을 보호하기 위한 커버 역할을 수행한다. 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141)와 상기 배플(122, 132, 142)은 일단이 상기 상부 모듈(120)의 상부에 결합되고 타단이 상기 하부 모듈(140)의 하부에 결합되도록 수직 방향으로 형성되는 서포트 칼럼(105)에 고정되는 것이 바람직하다. 상기 서포트 칼럼(105)은 상기 원자로 상부구조물(100)을 수직 방향으로 지지하기 위한 구조물로 강성 유지를 위해 H빔이 활용될 수 있다. 상기 하부 배플(142)의 내부에는 제어봉 구동장치와 제어봉이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 냉각팬(111)에 의해 발생한 공기 유동은 상기 공기 유입부(135)를 통해 공기를 흡입하고 흡입된 공기는 상기 배플(122, 132, 142)과 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141) 사이의 유동 공간을 통해 이동하도록 하여 제어봉 구동장치와 원자로 헤드의 냉각을 용이하게 할 수 있다.
원자로 헤드의 상부에 구비되는 상기 원자로 상부구조물(100)은 핵연료를 교체할 때 제어봉 구동장치와 원자로헤드를 인양하는 기능을 갖는다. 상기 하부 모듈(140)의 내부에 설치되는 제어봉 구동장치는 원자로 노심의 핵반응 속도를 조절하기 위한 제어봉을 삽입하고 인출하도록 하는 장치이다. 상기 제어봉 구동장치는 다수개의 제어봉이 삽입되고 이탈될 수 있도록 허니컴 형태의 공간이 천공되는 튜브 형태일 수 있다. 제어봉은 제어봉 구동의 내부에 삽입된 상태로 상하 방향으로 유동하면서 원자로 노심의 핵반응 속도를 조절한다. 상기 제어봉 구동장치에는 제어봉의 위치를 감지하기 위한 제어봉 위치지시센서가 구비될 수 있고, 제어봉을 구동하기 위한 동력원이 포함될 수 있다.
상기 원자로 상부구조물(100)에서 제어봉 구동장치와 관련된 작업이 요구되는 경우가 많은데, 제어봉 구동 위한 동력원의 교체, 수리 및 유지 보수 작업, 제어봉 위치지시센서의 교체, 수리 및 유지 보수 작업, 제어봉 위치지시센서의 설치시 캘리브레이션(calibration) 작업 등이 이에 해당될 수 있다. 종래에는 이러한 제어봉 구동장치와 관련된 작업을 수행하기 위해 상기 냉각팬(111), 상기 리프팅 구조물(112)과 상기 에어 플레넘(113)을 차례로 분리하여 먼저 인양하고, 그 아래에 구비되는 케이블 지지유닛을 해체하여 제거한 후 상기 배플(122, 132, 142)과 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141)를 분리해야 했다. 이처럼 상기 원자로 상부구조물(100)의 개별적인 구성장치를 하나하나 분해하여 분리 또는 제거를 하는 작업은, 첫째, 작업 시간과 노동력이 많이 소모되어 비효율적이고, 둘째, 구성장치를 분해하는 과정에서 구성품이 변형되거나 파손될 위험이 있으며, 셋째, 분해 과정에서의 구성품의 변형 또는 파손에 의해 제어봉 구동장치와 관련된 작업을 완료한 후 다시 조립하는 과정에서 결합이 어려운 문제가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 상기 팬 모듈(110), 상기 상부 모듈(120), 상기 중앙부 모듈(130), 상기 하부 모듈(140)을 일체로 형성하는 일체형 원자로 상부구조물(IHA, Integrated headassembly)을 활용하게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에어 플레넘의 지지 프레임, 삼각대 조립체 및 인양 샤클의 결합관계를 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 삼각대 조립체의 개념도이며, 도 4a와 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인양 샤클의 사시도와 단면도이고, 도 5와 도 5b는 도 4에 도시한 인양 샤클의 응력 집중 상태를 도시한 상태도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 에어 플레넘(113)의 하중을 지지하도록 지지 프레임(210)이 형성된다. 삼각대 조립체는 세 개의 다리(Leg, 230)와 상부에 형성되는 체결바디(220)를 구비하고 있으며, 각 다리(230)는 체결바디(220)로부터 지지 프레임(210)까지 연장된다.
다리(230)들은 각각 상하방향으로 길이조절가능하게 죔너트(231)를 포함하여 형성될 수 있다. 죔너트(231)가 회전함에 따라 다리(230)의 길이가 조절될 수 있다. 이로 인해, 인양시 지지 프레임(210)을 수평면에 대하여 평행하게 유지할 수 있다. 그리고 다리(230)는 각각 체결바디(220)를 중심으로 회동가능하게 형성된다.
체결바디(220)에 결합되는 각 다리(230)들은 서로 120도의 각을 유지하도록 방사형으로 연장된다.
체결바디(220)는 핀(240)에 의해 인양 샤클(250)의 체결부(251)와 결합된다. 이 때 체결바디(220)와 체결부(251)는 각각 핀(240)이 관통할 수 있게 홀(251a)을 포함할 수 있다.
도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이, 인양 샤클(250)은 서로 평행하게 일정 두께 및 길이로 연장되고, 상부와 하부를 각각 구비하는 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)를 포함한다. 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 외주는 적어도 일부가 일정 곡률을 갖도록 형성된다.
인양 샤클(250)은 주물(Casting) 공법에 의해 일체로 형성될 수 있다. 이와 달리 인양 샤클을 구성하는 각 부재들이 결합수단에 의해 서로 결합될 수 있다. 즉,제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)를 배치한 후, 상부와 하부를 연결 멤버를 이용하여 서로 결합시킬 수 있다. 이 때의 결합수단은 용접이나 스크류에 의한 부재간의 체결방법이 사용될 수 있다. 그러나, 인양 샤클(250)을 구성하는 각 부재들 간의 결합력을 높이기 위해서는 주물 공법을 이용하여 인양 샤클(250)을 일체로 형성함이 바람직하다.
제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 상부는 제1 연결 멤버(254)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제1 연결 멤버(254)는 제1 멤버(252)의 상부와 제2 멤버(253)의 상부를 서로 연결하고, 폴라 크레인의 후크에 결합된다. 후크에 결합되는 제1 연결 멤버(254)의 접촉부위는 후크와 접촉하는 면이 최대가 되도록 후크에 대응하는 형상으로 이루어진다.
그리고, 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 하부에는 체결바디(220)와 결합할 수 있도록 핀(240)이 관통할 수 있게 형성되는 체결부(251)가 형성된다.
또한, 제1 연결 멤버(254)로부터 이격되어, 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)를 서로 연결하는 제2 연결 멤버(255)가 더 형성될 수 있다. 즉, 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 하부는 제2 연결 멤버(255)에 의해 서로 연결될 수 있다. 제2 연결 멤버(255)는 제1 연결 멤버에 결합된 후크에 의해 인양될 때, 에어 플레넘(113)의 하중에 의해 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 하부가 서로를 향하여 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 제2 연결 멤버(255)는 외부에서 작용하는 힘에 의하여 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 하부가 변형되는 방지하도록 이를 지지하는 역할을 한다.
다시 말하면, 제1 멤버(252), 제2 멤버(253) 및 제1 연결 멤버(254)가 후크와 결합할 수 있도록 U자형 고리를 형성하는데, 제2 연결 멤버(255)는 U자형 고리의 중간 부분을 가로질러 연장되어 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 하부가 U자형 고리의 내측 또는 외측을 향하여 이동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제2 연결 멤버는 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)의 하부에서 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)를 서로 연결하도록 형성되어 인양시 삼각대 조립체가 제1 멤버와 제2 멤버 사이로 이동하는 것을 방지하는 역할도 한다.
제1 멤버(252) 및 제2 멤버(253)의 상부에 제1 연결 멤버(254)에 가해지는 굽힘 응력(제1 연결 멤버가 상부로 당겨질 때, 제1 멤버나 제2 멤버의 하중에 의해 상기 제1 연결 멤버의 일측이 쳐짐으로써 발생하는 응력)을 감소할 수 있도록 형성되는 응력감소부(252a, 253a)가 형성된다. 응력감소부(252a, 253a)는 제1 연결 멤버(254)로부터 각 멤버들(252, 253)의 측단에 이르기까지 일정 곡률로 연장되고 상측을 향하여 돌출된다.
이 때, 응력감소부(252a, 253a)의 최상단(252c, 253c)과 제1 연결 멤버(254)의 최대 응력 집중 부분(252b, 253b)를 연장하는 연장선(L1, L2)이 제1 멤버(252)가 수직으로 연장되는 방향에 대하여 소정의 각도 범위(a) 즉, 5°내지 15°를 유지하도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 각도 범위(a) 외에서는 최대 응력 집중 부분(252b, 253b)의 위치가 변경되는 것을 확인하였다. 여기서 연장선은 앞서와 달리 표현하면, 최대 응력 집중 부분(Max)과 최소 응력 집중 부분(Min)을 서로 연장하는 선이 될 수 있다. 응력감소부(252a, 253a)의 최상단(252c, 253c)은 인양 샤클의 최소 응력 집중 부분(Min)들 중 어느 한 부분이 될 수 있다.
또한, 상기 연장선(L1, L2)의 길이(d2)는 제1 연결 멤버의 두께(d1)의 1.15 배 내지 1. 6 배가 되는 것이 바람직하다. 연장선(L1, L2)의 길이(d2)가 제1 연결 멤버의 두께(d1)의 1. 15배 이하에서는 연장선(L1, L2)의 길이(d2)에 비례하는 인양 샤클의 단면적이 충분히 늘어나지 않기 때문에 응력이 원하는 만큼 감소되지 못한다. 그리고, 연장선(L1, L2)의 길이(d2)가 제1 연결 멤버의 두께(d1)의 1.6 배 이상이 되게 되면 인양 샤클의 최대 응력 집중 부분(252b, 253b)의 위치가 변경될 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
상기한 연장선(L1, L2)의 길이(d2) 및 상기 연장선(L1, L2)과 제1 멤버와의 각도(a)는 인양 샤클에 작용하는 응력을 컴퓨터 시뮬레이션으로 해석하여 도출된 결과로서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 연장선(L1, L2)이 상기 소정의 각도 범위(a) 내에서 상기 길이(d2)의 범위 내에 있을 때 제1 연결 멤버(254)와 제1 멤버(252) 또는 제2 멤버(253)가 서로 접촉하는 부위에서 단면적이 늘어나 응력이 만족할 만한 설계 범위 이내로 감소하게 된다. 즉, 제1 연결 멤버(254)와 제1 멤버(252) 또는 제2 멤버(253)가 서로 접촉하는 부위에 가해지는 단위 중량당 하중을 최소화시켜 인양 샤클의 설계범위 내에서 인양 샤클의 단위 중량당 한계 하중을 최대화시킬 수 있다.
이와 같이, 제1 멤버(252)와 제2 멤버(253)에 형성된 응력 감소부(252a, 253a)는 특정 영역에 대한 응력 감소를 가져오는 부정정보(statically indeterminate beam)의 효과를 극대화시킬 수 있다. 즉, 제1 연결멤버와 제1 멤버 및 제2 멤버 사이의 최대 응력 집중 부분분에 가해지는 응력을 최소화시킴으로써, 기존의 샤클에 비해 인양 샤클의 자체 하중을 줄이면서 인양 샤클의 구조물 인양력을 상승시킬 수 있다.
상기와 같이 설명된 원자로 상부 구조물의 인양 샤클은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예들은 원자로 상부 구조물을 인양하는 샤클에 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 구조물 인양을 위한 후크에 결합되는 샤클에 있어서,
    서로 평행하게 일정 두께 및 길이로 연장되고 각각 상부와 하부를 구비하는 제1 멤버와 제2 멤버;
    상기 제1 멤버의 상부와 제2 멤버의 상부를 서로 연결하고, 상기 후크에 체결되는 제1 연결 멤버;
    상기 원자로 상부 구조물과 핀결합할 수 있도록 중공을 구비하여 각각 상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부에 형성되는 체결부; 및
    상기 제1 연결 멤버로부터 상기 제1 멤버 및 제2 멤버의 측단에 이르기까지 일정 곡률로 연장되고 상부를 향하여 돌출되어, 상기 제1 연결 멤버에 가해지는 굽힘 응력을 감소할 수 있도록 상기 제1 멤버 및 제2 멤버의 상부에 형성되는 응력감소부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤버 및 제2 멤버와 만나는 상기 제1 연결 멤버의 양단에 최대 응력 집중 부분이 형성되고,
    상기 응력감소부의 최상단과 상기 최대 응력 집중 부분을 연장하는 연장선의 길이는 상기 제1 연결 멤버의 두께보다 긴 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연장선은 상기 제1 연결 멤버의 두께에 비해 1.15배 내지 1.6배에 해당하는 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연장선은 상기 제1 멤버가 수직으로 연장되는 방향에 대하여 소정의 각도를 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각도 범위는 5°내지 15°인 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 체결부는 길이조절가능하게 형성되는 세개의 다리를 구비하는 삼각대 조립체에 결합되고,
    상기 삼각대 조립체의 일단은 상기 원자로 상부 구조물에 결합되는 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부에서 상기 제1 멤버와 제2 멤버를 서로 연결하는 제2 연결 멤버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 상부 구조물의 인양 샤클.
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