KR100854553B1 - 가압수형 원자로를 위한 연료소자의 정렬장치 - Google Patents

Abstract

연료소자를 위한 정렬장치는 가압수형 원자로의 연료소자들이 상기 정렬장치에 의하여 비교적 간단하고 신속히 정렬되도록 구성되어야 한다. 이를 위해 연료소자를 위한 정렬장치는 본 발명에 따라 종 방향으로 뻗은 정렬체를 구비하고, 상기 정렬체의 측면들은 측방 금속판들로 이루어져 휴지위치로부터 종방향에 대해 수직한 방향으로 이동될 수 있으며, 상기 정렬체 측면들의 단면 치수들은 휴지위치에 있을 때를 기준으로 하여 연료소자의 대응 단면 치수들보다 사전에 정하여진 정격치만큼 작도록 결정된다.

정렬장치, 연료소자, 정렬체, 측방 금속판

Description

가압수형 원자로를 위한 연료소자의 정렬장치 {Aligning Device for Fuel Elements of a Pressurized Water Reactor}

본 발명은 가압수형 원자로를 위한 연료소자의 정렬장치에 관한 것이다.

핵공학 시설, 특히 원자력 발전소에서는 통상적으로 전기 에너지를 생산하기 위해 분열성 재료가 제어된 핵분열을 받는다. 그리고 상기 분열성 재료는 다수의 연료봉 내에 미리 유지되고, 그 연료봉 내에서 상기 재료는 예컨대 소위 펠릿 형으로 적당한 중공관들에 의해 둘러싸인다. 보통 다수의 이러한 연료봉이 합해져 한 연료소자를 이룬다.

하나의 원자력 발전소는 다수의 이러한 연료소자를 갖고, 상기 소자들은 실질적으로 종연장-직방형 또는 종연장-정방형으로 형성되어 노심에 배치된다. 그리고 상기 연료소자들은 노심에 있는 연료소자-저장틀 내에 서로 나란히 세워지는데, 인접하는 연료소자들은 비교적 작은 상호간의 간격을 가지도록 배치된다.

핵반응을 제어하기 위하여 다수의 이러한 연료소자들은 제어소자, 소위 제어봉 또는 조절봉을 구비하고, 상기 제어소자들은 연료소자 내에 수용된 제어봉 안내 관에 의해 연료소자 내에 도입된다. 제어봉을 포함하고 있지 않은 연료소자에서는 제어봉 안내관들이 소위 드로틀 체들(조절체들)에 의해 폐쇄되어 있다. 상기 드로틀 체들은 냉매 통과를 노심 전체에 걸쳐 균일하게 분포시키기 위해 필요하다.

원자로의 작동 시간이 경과함에 따라 연료소자 내에 수용된 핵연료는 소모되고, 그 결과 연료소자는 가끔씩 교체되어야 한다. 이를 위하여 소진된 연료소자들은 노심으로부터 연료소자-저장소로 이동되고, 사용되지 않은 신선한 또는 단지 부분적으로만 사용된 연료소자들은 연료소자-저장소로부터 노심 내로 옮겨진다. 연료소자들의 교체는 보통 여러 달, 특히 12 ~ 18 개월의 원자력 발전소의 가동 주기 후 행하여진다.

이를 위해서는 원자력 발전소의 가동을 중단하고 노심의 압력이 해제되도록 해야 한다. 압력용기 덮개를 철거하고 여러 내부 부품들을 배출시킴에 따라 노심은 상부로부터 접근가능하게 된다. 그런데 이러한 작업은 비워진 반응코어의 물 밀봉을 유지시키기 위해 원자로 수조를 만수시킨 상태에서 행하여진다.

연료소자 교체 중 생산 에너지의 강하를 가급적 최소한도로 유지하기 위해 사람들은 연료소자 교체 시간을 가급적 단시간에 수행하려 한다. 연료소자 교체를 위해서는 보통 기중기 같은 인상 장치로 구성된 소위 연료소자-화물기가 사용된다.

상기 화물기는 반응로 독의 상부에 배치되는 해당 기중기 구조물에 의해 교체될 연료소자의 여러 부분 위치들에 접촉하여, 적절히 구성된 집게에 의한 수직 동작에 의해 연료소자-저장틀 또는 노심으로부터 연료소자를 인출할 수 있다. 그런데 상기 집게는 보통 연료소자와 제어봉을 개별적으로, 그리고 선택적으로는 연료소자와 제어봉을 공동으로 인양하여 옮겨 놓는 것이 가능하도록 형성되어 있다.

그러나 핵기술 시설, 특히 가압수형 원자로의 경우 연료소자의 교체시에는 연료봉에 작용하는 방사선, 온도, 압력 및 희유 가스와 같은 작업상의 영향으로 상기 연료봉들이 변형될 수 있다는 것이 문제점으로 지적된다.

이러한 변형은 어떤 경우에는 연료소자의 종방향으로의 절곡으로 나타나거나, 꼬임형으로서 종축에 대한 연료소자의 비틀림으로 나타날 수 있다.

상기와 같은 변형은 연료소자의 교체를 상당히 어렵게 하는 것으로서, 인접한 연료소자들이 연료소자의 교체시 서로 충돌할 수 있게 만든다. 연료소자를 수직으로 인출할 때 인접 연료소자들 사이에서 요구되는 간격이 몇몇 지점에서는 연료소자의 변형으로 인해 더 이상 존재하지 않기 때문에 이렇게 된다.

연료소자 교체시 그 소자들의 충돌은 각 연료소자들의 손상을 야기할 수 있다. 그 외에도 특히 노심의 빈 지점 내에 연료소자를 삽입하는 것이 인접하는 연료소자들의 변형으로 인해 성공하지 못할 수도 있다.

이 경우에는 보통 반복 시행에 의해 화물기를 여러 번 회전시키고 옆으로 이동시킴에 의해 연료소자를 노심 내에 삽입하게 된다. 이러한 방법은 보통 노심 내에 연료소자를 삽입하는 작업을 여러 번 반복하여 시도함에 따라 대단히 시간 낭비적이며, 그와 함께 생산차질이 장시간 발생하기 때문에 대단히 비용 집중적이다.

따라서 본 발명의 목적은 연료소자들을 비교적 간단히, 그리고 신속히 정렬시킬 수 있는 상기 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 있어서, 정렬장치는 종방향으로 뻗은 정렬체를 구비하고, 측방 금속판들로 구성된 상기 정렬체의 측면들은 휴지위치(상기 측방 금속판이 확장되어 있지 않은 상태)로부터 종방향에 대해 수직으로 이동될 수 있으며, 상기 정렬체의 측면들의 단면치수들은 휴지위치에 있을 때 기준 연료소자의 대응 단면 치수들 보다 사전에 정하여진 정격치만큼 작도록 선정되게 함으로써 달성된다.

이에 따라 본 발명은 연료소자의 교체 및 특히 연료소자를 노심의 빈 지점에 삽입하는 것이 정렬장치에 의한 연료소자의 형태 교정으로 인해 가능하도록, 변형된 연료소자는 해당 정렬장치에 의해 교정될 수 있을 것이라는 개념에 기초를 두고 있다. 따라서 하나의 새 연료소자의 삽입을 위해 인접한 연료소자를 빈 위치에 이동되게 하도록 상기 정렬장치는 연료소자-저장틀의 빈 지점에 위치될 수 있어야 한다.

인접한 연료소자가 변형된 경우에도 정렬장치가 간단하게 이것과 접촉하지 않고 빈 위치에 도입될 수 있게 하기 위하여, 상기 정렬장치의 단면은 해당 기준 연료소자의 단면보다 작아야 하는데, 그럼으로써 정렬장치가 노심에 삽입되는 때에 변형된 인접 연료소자와 충돌하지 않을 수 있다. 휴지 위치에 있어서 정렬장치에 구비된 정렬체의 단면 한정에 의해 정렬장치는 노심 내 빈 지점에 위치될 수 있다.

이에 더불어 교정력이 인접 연료소자에 작용할 수 있도록 하기 위하여 상기 정렬장치는 이동 가능한 측방 금속판들을 구비하게 된다. 상기 금속판들은 정렬체를 둘러싸며, 그 전측면들에 인접한 연료소자들의 변형을 교정할 수 있다. 이를 위하여 서로 대향하는 두 측방 금속판들이 휴지위치로부터 정렬장치의 횡방향으로 이동함에 따라 정렬체의 단면은 변경, 특히 정렬을 위해 확대될 수 있다.

그리고 상기 정렬장치는 자신에 인접하는 두 연료소자 사이에서 상기 소자들과 접촉 이동함에 따라 협착될 때에는 횡방향의 양쪽으로 지지된다. 정렬될 연료소자들 자체는 정렬장치로부터 먼 쪽에서는 그 측면에 인접하는 연료소자들에 의하여 지지된다.

비교적 연료소자의 변형이 큰 경우에도 정렬장치가 빈 지점에 삽입될 수 있도록 정렬장치의 정격치는 바람직하게는 16 mm이다.

정렬체의 한 측벽이 정렬장치에 대하여 이동 가능하도록 하기 위하여, 하나의 측방 금속판에는 바람직하게는 수 개의 안내날개를 할당하고, 상기 안내날개들을 통해 측방 금속판들은 할당된 이동볼트들에 의해 정렬장치에 고정된다. 상기 안내날개는 바람직하게 종방향으로의 이동볼트의 운동을 종방향에 대해 수직인 측방 금속판의 운동으로 변환시키도록 배치된다.

측방 금속판의 이동을 정렬장치의 종축에 대해 수직되는 정밀한 방향이 되도록 보장하고, 측방 금속판에서의 측벽의 고정에 대한 충분한 안정성을 확보하기 위하여 상기 측방 금속판은 바람직하게는 하나의 부가부에 수 개의 안내홈들을 갖고, 상기 안내홈들은 측방 금속판의 종방향에 대해 수직으로 뻗으며, 또한 상기 홈들 내로는 정렬장치의 지지틀 내에 고정되어 안내되는 하나의 할당 지지볼트가 각각 맞물린다.

정렬장치의 측방 금속판들을, 그리고 특히 전체 측방 금속판들도 공동으로 연료소자의 교정 과정시 이동 가능하도록 유지하기 위하여 안내날개에 할당된 이동볼트들은 바람직하게는 고정장치를 통하여 서로 연결되어 있고, 상기 고정장치는 정렬장치의 종방향을 따라 유압적으로 또는 기계적으로 이동될 수 있게 한다.

이러한 배치의 경우 여러 측방 금속판들의 정렬동작은 고정장치의 동작을 통해 제어될 수 있다.

정렬과정이 연료소자에 있어서 반복될 수 있고, 노심의 빈 지점으로부터 정렬장치를 꺼내거나 삽입할 때 정렬장치의 정렬체가 휴지위치에 있을 때 인접하고 있는 연료소자와의 충돌을 피할 수 있도록, 벌림(확장) 동작을 감시하기 위한 표시 장치를 배치하는 것이 바람직하다.

정렬장치의 고정장치를 접근 가능하게 유지하고 상기 장치를 특히 이동시킬 수 있도록, 그리하여 정렬 과정을 수행할 수 있도록 하기 위해서 상기 고정장치는 바람직하게는 상기 정렬장치의 가동성 두부와 연결된다. 상기 정렬장치의 두부의 이동에 의해 정렬과정이 제어되고 수행될 수 있다.

화물기는 정렬장치를 노심 내에 위치시키기 위해 사용될 수 있고, 정렬과정이 화물기에 의해 수행될 수 있도록 하기 위하여 정렬장치의 두부는 기준 연료소자의 연료소자 두부와 동일한 치수로 선정하는 것이 바람직하다. 이러한 치수 결정에 따라 화물기의 집게를 위한 정렬장치는 연료소자와 서로 조화적으로 이루어진다.

본 발명에 의하여 달성되는 이점들은 상기한 정렬장치에 의해 가압수형 원자로의 연료소자들은 간단하고도 비교적 신속한 방식 및 방법으로 정렬될 수 있고, 상기 소자에 존재하는 변형들은 정렬될 수 있으며, 이에 따라 연료소자들을 노심 내에 삽입해보려는 반복적인 시도로 인한 시간 손실이 없기 때문에 연료소자들을 노심 내에 삽입하는 것이 비교적 신속히 가능하게 된다는 것에 있다.

그럼으로써 원자력 발전소의 보수 주기 중 교체될 모든 연료소자들의 교환을 위한 시간 및 그로 인한 생산성 저하 시간이 감소된다.

본발명에 따른 정렬장치의 추가적인 이점은 연료소자가 정렬장치에 의해 그 전체 길이에 걸쳐 정렬될 수 있기 때문에, 정렬될 연료소자들에 의한 국부적인 변형이 없다는 것에 있다. 휴지위치에서 벌림 동작을 수회 반복함에 따라 연료소자들이 충분히 정렬되기까지 정렬 과정은 임의로 자주 반복될 수 있다.

정렬장치는 특히 자체의 활동 성분들이 순수히 기계적 방법으로 또한 보조 에너지의 공급 없이도 동작하도록 설계될 수도 있다.

정렬장치의 두부를 연료소자 두부와 동일한 치수로 정함에 따라 연료소자-화물기는 수송 및 정렬 과정의 수행을 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 노심 및 원자로 수조에는 정렬장치의 작동을 위한 추가적인 인프라 구조물이 필요하지 않게 된다.

그 위에 정렬장치는 그 치수 크기로 인하여, 특히 연료소자 - 프레임내의 빈 위치를 일시적으로 점유할 때 장소 점유체 모양으로 소위 연료소자 - 또는 지지 댐으로서 사용되기에도 적합하다. 정렬장치의 단면의 적절한 치수 결정에 의하여 상승 및 하강 시 연료소자와 정렬장치 사이의 마찰력은 특히 적절하게 억제된다.

도 1은 가압수형 원자로의 노심의 평면도.

도 2는 정렬장치의 종단면도.

도 3은 도 2에 따른 정렬장치의 종단면도의 일부를 확대한 단면도.

도 4는 도 2에 따른 정렬장치의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 상세한 설명>

1 : 연료소자 2 : 연료봉

6 : 정렬장치 8 : 정렬체

10 : 두부 12 : 족부

14 : 측방 금속판 16 : 안내날개

17 : 지지볼트 18 : 이동볼트

19 : 안내홈 20 : 보강립

22 : 지지 플랩 24 : 왕복체

본 발명의 실시예를 도면에 따라 상세히 설명한다. 모든 도면에서 동일한 부 재는 동일한 도면 번호로 표시되어 있다.

도 1에는 연료소자(1)들을 구비한 가압수형 원자로 노심의 개략적인 평면도가 도시되어 있는데, 상기 연료소자(1)는 다수의 연료봉(2)을 포함하고 있다. 그리고 도 1로부터 알 수 있는 것처럼 상기 연료소자(1)들은 서로 비교적 작은 간격으로 배치되고, 길이방향으로 노심 내에 직립해 있다.

연료소자(1)들을 정렬하기 위함은 물론 그 측벽에 있는 변형부를 교정하기 위한 연료소자(1)를 위한 정렬장치(6)가 도 2에 도시되어 있다. 특히 인접한 연료소자(1)들이 변형되었을 때에는 가압수형 원자로의 노심의 빈 곳에 정렬장치를 위치시킬 수 있을 수 있도록 상기 정렬장치의 치수는 정하여져 있다. 따라서 상기 정렬장치(6)는 휴지위치에 있을 때 상기 연료소자(1)보다 작은 단면을 갖도록 그 단면 치수가 정해져 있다.

도 2로부터 알 수 있는 바와 같이 상기 정렬장치(6)는 정렬체(8) 및 두부(頭部, 10)와 족부(足部, 12)로 구성되어 있는데, 상기 정렬장치(6)가 노심 내에 또는 연료소자-저장틀 내에 위치될 수 있도록 상기 정렬장치(6)는 그 외부 윤곽들이 상기 연료소자(1)와 유사하게 형성되어 있다. 연료소자(1)를 정렬할 수 있도록 하기 위하여 상기 정렬장치(6)의 정렬체(8)는 종방향으로 뻗어있고, 상기 정렬체(8)의 측면들은 종방향에 대해 수직인, 다시 말하면 휴지위치로부터 측방향으로 이동 가능한 측방 금속판들(14)로 구성되어 있다.

그리고 상기 정렬체(8)의 측면의 단면치수는 상기 측방 금속판들(14)이 휴지위치에 있을 때 상기 연료소자(1)의 치수보다 소정의 정격치만큼 작게 선택되도록 그 치수가 정해져 있다. 그리고 상기 측방 금속판들(14)의 측방향 이동에 의하여 상기 정렬체(8)의 단면은 확대 조절될 수 있다.

정렬과정에서 상기 정렬체(8)의 측방 금속판들(14)을 이동 가능하게 유지하기 위해 도 3의 대략적인 상세 도면에서 알 수 있는 것처럼, 측방 금속판들(14)에는 수개의 안내날개(16)가 할당되고 상기 안내날개들(16)을 통하여 상기 측방 금속판들(14)은 배치된 이동볼트(18)에 의해 정렬장치(6)에 고정되며, 상기 안내날개들(16)은 종방향으로의 이동볼트(18)의 운동을 종방향에 수직되는 측방 금속판들(14)의 운동으로 변환하도록 형성되어 있다.

그리고 상기 안내날개들(16)은 상기 측방 금속판들(14)과 연결된 보강립(20) 내에 도입되어 있다.

정렬과정에서 상기 측방 금속판들(14)의 운동은 정렬장치(6)의 종방향에 대한 직각 방향을 따라 가급적 직선 방향으로 진행시키고 상기 측방 금속판들(14)을 정렬장치(6)에 충분히 안정되게 고정시키기 위하여, 각 이동 가능한 측방 금속판들(14)에는 수 개의 안내홈(19)이 배치되어 있고, 상기 안내홈들(19)은 정렬체(8)의 종방향에 대해 수직 방향으로 뻗어 있으며, 상기 안내홈들(19) 내로는 지지플랩(22)에 고정된 한 개의 할당 지지볼트(17)가 각각 맞물려 있다.

정렬장치(6)의 측방 금속판들(14), 그리고 특히 전체 측방 금속판들(14)이 공동으로 연료소자(1)의 정렬과정시 이동 가능하도록 유지하기 위하여, 이동볼트들(18)을 위한 전체 지지플랩(22)들은 왕복체(24)를 통해 서로 연결되어 있으며, 상기 왕복체(24)는 측방 금속판들(14)에 대한 휴지위치로부터 외측인 정렬장치(6)의 종방향으로 유압적으로 또는 기계적으로 이동될 수 있다.

따라서 특히 (유압)펌프 이동 또는 기계적 이동 방식으로 정렬체(8)의 종방향으로 두부(10)의 선택적 작동(인상 또는 하강)에 의해 필요한 동력이 야기되게 함으로써 방향 전환이 이루어질 수 있다.

두부(10)에서 인상 및 인하 운동(연료소자 집게를 인상 및 하강)을 수회 반복함에 의해, 지지 안내 케이싱 내의 가동축을 통하여 중앙에 배치된 인상 실린더와 연결된 인상 하강 펌프가 작동된다. 인상 하강 실린더에 의해 연결봉들을 통해 왕복체(24)들이 작동된다.

인상 하강 실린더의 말단 지점에는 작동소자들이 있고, 그 소자들을 통해 인상 하강 운동의 방향은 기계적으로 전환 조절될 수 있으며, 그리하여 추가의 인상 하강 운동에서 벌림 과정 또는 정렬 과정은 반복된다.

연료소자(1)를 변위시킬 수 있는 연료소자-화물기(탑재기)가 정렬장치(6)를 수송하고 정렬과정을 제어하는데 이용될 수 있도록 하기 위해, 두부(10)는 연료소자(1)의 두부와 동일한 치수로 이루어진다.

연료소자(1)의 비교적 큰 변형의 경우에도 정렬체(8)를, 그리고 그와 함께 정렬장치(6) 역시 노심의 빈 지점에 위치시킬 수 있게 하기 위해, 정격치의 크기는 바람직하게는 16 mm이다. 상기 정렬체(8)의 단면 치수들을 보다 명료하게 보여주기 위하여 도 4에 정렬장치(6)의 단면도를 도시하였다.

반면에 점선으로 표시된 외곽선은 측방 금속판들(14)이 정렬과정의 수행을 위해 소정의 정격치 만큼 외측으로 이동된 위치를 표시하는 것이며, 이에 따라 이 부분에서는 정렬을 위해 요구되는 단면 확대가 행하여지게 되는 것이다.

Claims (7)

1. 종방향으로 뻗어 있는 정렬체(8)를 포함하되,

   상기 정렬체(8)는 그 측면(측벽)들이 측방 금속판들(14)로 이루어지고,

   상기 측방 금속판들(14)에 의하여 정해지는 상기 정렬체(8)의 단면 치수들은 휴지위치에 있을 때 기준되는 연료소자(1)의 해당 단면 치수들보다 사전에 정하여진 정격치 만큼 작으며,

   상기 측방 금속판들(14)의 종방향 전체 길이는 상기 정렬체(8)의 종방향 전체 길이와 동등하고,

   그리고 상기 측방 금속판들(14)은 휴지위치로부터 종방향에 대해 수직한 방향으로 이동될 수 있도록 구성되고, 이에 따라 상기 정렬체(8)의 단면 치수들이 확장됨으로써 상기 연료소자(1)가 그 전체 길이에 걸쳐 교정되는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.
2. 제1항에 있어서, 사전에 정하여진 상기 정격치는 16 mm인 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정렬장치의 이동 가능한 상기 측방 금속판들(14)에는 적어도 하나 이상의 안내날개(16)가 할당되어 있고, 상기 안내날개(16)들을 통하여 상기 측방 금속판들(14)은 할당된 이동볼트들(18)에 의해 지지구조물에 고정되어 있으며, 그리고 상기 안내날개(16)는 종방향으로의 이동볼트(18)의 운동을 종방향에 대해 수직인 측방 금속판(14)의 운동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 이동 가능한 측방 금속판들(14)의 부가부에는 각각 수 개의 안내홈들(19)이 배치되어 있고, 상기 안내홈들(19)은 정렬체의 종방향에 대해 수직으로 뻗어 있으며, 그리고 상기 안내홈들(19) 내로는 지지틀에 고정된 하나의 할당 지지볼트(17)가 각각 맞물려 있는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 측방 금속판들(14)의 안내날개들(16) 중 어느 하나에 배치된 이동볼트들(18)은 고정장치를 통해 서로 연결되어 있고, 그리고 상기 고정장치는 상기 측방 금속판들(14)에 대한 휴지위치로부터 정렬장치(6)의 종방향으로 유압적으로 또는 기계적으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 정렬장치(6)의 고정장치는 정렬장치의 종방향 가동 두부(10)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 정렬장치(6)의 두부(10)는 상기 기준되는 연료소자(1)의 연료소자 두부와 동일한 치수를 구비하는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 연료소자를 위한 정렬장치.

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