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KR19990082164A - 상부 덮개를 갖는 핵연료 어셈블리 - Google Patents

상부 덮개를 갖는 핵연료 어셈블리 Download PDF

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KR19990082164A
KR19990082164A KR1019980705889A KR19980705889A KR19990082164A KR 19990082164 A KR19990082164 A KR 19990082164A KR 1019980705889 A KR1019980705889 A KR 1019980705889A KR 19980705889 A KR19980705889 A KR 19980705889A KR 19990082164 A KR19990082164 A KR 19990082164A
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Abstract

본 발명은 연료 어셈블리용 상부 덮개(6)에 관한 것으로서, 이 연료 어셈블리용 상부 덮개(6)는 안내관(4)을 부착하는 구멍(8)과 물이 흐를 수 있도록 한 유수구(9)를 갖는 트랜스버스 어댑터 플레이트(6a)를 포함한다. 상부 덮개(6)의 어댑터 플레이트(6a)의 중앙에 위치한 유수구(9a)는 라운드 처리된 코너를 가진 삼각형이며 안내관(4)을 부착하는 일부 또는 전체 구멍(8)들의 주위에 균일하게 배치된다.

Description

상부 덮개를 갖는 핵연료 어셈블리
핵연료 어셈블리, 특히 가압수형 원자로용 연료 어셈블리(fuel assemblies for pressurized-water nuclear reactor)는 강체 구조에 의하여 서로 규칙적으로 이격된 평행 장치 내에 유지된 한 다발의 연료봉을 갖는다.
연료 어셈블리의 구조는 연료 어셈블리의 길이를 따라 분포되며, 연료봉을 다발로 수용하여 유지하는 셀(cell)을 규정하는 스페이서 그리드(spacer grid)로 구성된다.
이 다발 내부에 일부 연료봉 대신에 대체된 안내관들은, 그리드의 셀의 일부를 통과하여, 적당할 때, 그들이 유지되며 연료 어셈블리의 길이에 따라 분포된 그리드 상에 고정된다.
안내관들은 연료봉보다 더 길며 연료 어셈블리의 단부에서 연료봉 다발의 단부로부터 돌출한다. 연료 어셈블리의 구조는 구조의 안내관의 돌출 단부상에 고정된 노즐에 의하여 폐쇄된다.
일반적으로는 정사각형 단면인 직각의 각주(prismatic) 형상을 갖는 연료 어셈블리는 원자로의 코어 내부의 서비스 위치에 배치되어 그들의 세로축은 수직하다.
바닥 노즐로서 언급되며 연료 어셈블리가 안착된 연료 어셈블리의 하부에 위치된 연료 어셈블리의 단부 노즐은, 지지용 다리와, 안내관을 고정하는 구멍과 물이 통과하도록 한 구멍에 의하여 관통된 어댑터 플레이트를 갖는다.
어셈블리의 제 2 단부, 즉 상부 단부에 위치된 연료 어셈블리의 상부 노즐은, 특히 안내관들을 수용하여 고정하는 구멍과 물이 통과하도록 한 구멍에 의하여 관통된 트랜스버스 어댑터 플레이트(transverse adaptor plate)를 갖는다.
핵연료 어셈블리들의 성능을 개선하기 위하여, 어셈블리에 포함된 연료의 연소율을 가능한 한 증가시키며, 냉각수의 흐름이 원자로의 코어 내부에서 바닥으로부터 상부로 통과하는 어셈블리의 유압 작동(hydraulic operating) 조건을 개선하는 것이 바람직하다.
특히, 연료 어셈블리의 유압 성능을 개선하기 위하여, 냉각수가 노즐의 트랜스버스 어댑터 플레이트를 통과할 때, 투과성, 즉 구멍들이 있는 영역과 어댑터 플레이트의 고체 부분의 영역 사이의 비율을 가능한 한 가장 크게 얻도록 시도하므로써 냉각수의 열손실을 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다.
냉각수가 노즐의 어댑터 플레이트를 통과하기 위한 구멍들의 형상과 분포는, 노즐의 어댑터 플레이트 상에 어셈블리의 안내관(예를 들어 24개의 안내관)을 고정하며, 구멍 및 구멍을 규정하는 인대(ligament)의 분포를 어셈블리의 각 봉들이 인대를 마주하여 놓이도록 채택하므로써 어셈블리의 연료봉(예를 들어 264개의 연료봉)의 축방향 변위를 제한할 수 있는 방식으로 규정된다.
특히 연료 어셈블리의 상부 노즐의 어댑터 플레이트를 고려할 때, 유수구(water passage opening)들은 타원형이며 안내관용 통로 구멍(passage hole)들 사이에 삽입된다. 이들 타원형 구멍들은 안내관 통로들 사이에 삽입된 어댑터 플레이트 부분의 크기에 적합한 길이를 갖는다.
가변 치수형 타원형 구멍을 갖는 상기의 네트웍(network)은 어댑터 플레이트를 위한 매우 높은 투과도(degree of transparency)와 냉각수가 통과하는 구멍들의 균일 분포를 얻을 수 없다.
본 발명은 개선된 방식으로 생산된 상부 노즐을 갖는 핵연료 어셈블리에 관한 것이다.
도 1은 가압수형 원자로용 핵연료 어셈블리의 정면도.
도 2는 연료 어셈블리용 상부 노즐의 축방향 단면도.
도 3A는 종래 기술에 따른 연료 어셈블리용 상부 노즐의 어댑터 플레이트를 도시한 도 2의 3-3을 따른 평면도.
도 3B는 본 발명에 따른 연료 어셈블리의 어댑터 플레이트를 도시한 도 3A와 유사한 평면도.
그 결과 본 발명의 목적은, 다발을 이룬 길이에 분포되며 봉들이 통과하기 위한 셀을 규정하는 스페이서 어댑터(spacer adaptor)로 이루어진 구조에 의하여 유지된 한 다발의 연료봉과, 다발 형태로 몇 개의 봉들 대신에 사용되며 봉들보다 더 긴 안내관과, 안내관의 한 쪽 단부에 고정된 바닥 노즐과, 안내관의 다른 쪽 단부에 고정되며 안내관을 고정하는 구멍과 냉각수가 통과하는 구멍에 의하여 관통된 트랜스버스 어댑터 플레이트를 구비한 상부 노즐을 포함하는 핵연료 어셈블리를 제공하는 것이며, 이 연료 어셈블리는 상부 노즐의 어댑터 플레이트의 투과성을 증가시키므로써 어셈블리를 통과하는 원자로 냉각수의 열손실을 감소시킬 수 있다.
이 때문에, 어댑터 플레이트의 중앙에 배치된 상부 노즐의 어댑터 플레이트에 있는 유수구들은 라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형이며 안내관을 통과하는 구멍들 중 적어도 몇 개의 주위에 규칙적으로 분포된다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서 실시예에 제한을 두지 않고 그리고 종래 기술에 따른 연료 어셈블리의 상부 노즐의 어댑터 플레이트와 비교하여 본 발명에 따른 핵연료 어셈블리에 대해 설명할 것이다.
도 1은 전체에 걸쳐 도면부호 1로 표시한 가압수형 원자로의 연료 어셈블리를 나타낸 도면이다.
이 연료 어셈블리는, 다발의 길이에 분포된 스페이서 그리드(3)에 의하여 다발의 단면적에서 불규칙한 공간을 가지고 상호 평행한 장치내에 놓여 유지된 한 다발의 연료봉(2)을 포함한다.
스페이서 그리드(3)의 셀에 의하여 규정된 일부 위치에는 연료봉(2)보다 긴 안내관(4)들이 배치된다.
안내관(4)의 단부들은 다발을 이룬 연료봉(2)의 단부로부터 돌출한다.
연료 어셈블리의 스페이서 그리드(3)는 몇 가지 형태를 이루고 있는데, 그것은 안내관 상에 고정될 수 있는 방식으로 돌출되는 단부 그리드(3a, 3b)와 냉각제용 혼합 그리드를 구성하는 중간 그리드(intermediate grid)이다.
안내관(4)과 스페이서 그리드(3, 3a, 3b)로 구성되는 연료 어셈블리의 구조는 노즐(5, 6)에 의하여 그것의 단부에서 폐쇄된다. 연료 어셈블리가 그것의 서비스 위치에 있을 때 연료 어셈블리의 하부에 배치된 단부 노즐(5) 또는 바닥 노즐은 연료 어셈블리를 지지하기 위한 다리와 트랜스버스 어댑터 플레이트(5a)를 포함한다.
상부 노즐(6)은 어댑터 플레이트(6a)와 특히 원자로의 상부 코어 플레이트 아래에 연료 어셈블리를 유지하기 위한 스프링(7)이 고정되는 상부 베이스를 포함한다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료 어셈블리의 상부 노즐(6)은 어댑터 플레이트로서 언급되며 구멍이 뚫려 있는 트랜스버스 플레이트(6a)와, 베이스(6b)와, 어댑터 플레이트(6a)를 베이스(6b)에 연결하는 벽(enclosure;6c)을 포함한다.
어댑터 플레이트(6a)와, 벽(6c)과, 베이스(6b)는 연료 어셈블리의 단면적과 일치하는 정사각형의 단면적을 가지며 이것은 베이스가 정사각형인 각주 형상이다.
상부 노즐(6)의 베이스(6b)는 취급 수단으로 연료 어셈블리를 맞물어 잡기 위한 구멍과 위치 설정 핀 뿐만 아니라 연료 어셈블리를 유지하는 스프링을 고정하는 패드를 포함한다.
도 3A는 종래 기술에 따른 연료 어셈블리의 상부 노즐(6')의 어댑터 플레이트(6'a)를 도시한 평면도이다.
위에 벽(6'c)이 부착된 어댑터(6'a)에 일련의 원형 구멍(8')이 뚫려 있으며 그 각각에 안내관(4')의 단부가 고정된다. 안내관(4')의 단부들은 구멍(8')과 교통하는 리세스에서 크림핑(crimping)에 의하여 어댑터 플레이트에 상대 회전하는 식으로 잠기는 나사식 인서트(threaded insert)로 구멍(8')에 고정될 수 있으며 또한 잠길 수 있다.
어댑터 플레이트(6'a)는 정사각형이며 연료 어셈블리의 24개의 안내관을 고정하는 구멍(8')은 어댑터 플레이트의 측부에 평행한 몇 개의 열(raw)로 분포된다. 게다가 어댑터 플레이트(6'a)의 중앙에는 계측관(instrumentation tube)의 단부를 수용하는 구멍이 배치된다.
가능한 가장 작은 열손실을 가지고 어댑터 플레이트(6a')를 통과하도록 연료 어셈블리를 냉각하는 냉각수를 위하여, 일련의 원형 및 타원형의 유수구가 제공되며, 이들 유수구들은 안내관(4')을 고정하는 구멍(8')들 사이에 삽입된다.
어댑터 플레이트의 측부들 중 하나에 평행한 방향으로 정렬되며 4개의 상이한 길이를 갖는 타원형의 유수구(9')를 제공할 필요가 있다. 타원형 유수구(9')의 길이와 배치는 어댑터 플레이트(6'a)의 투과성, 다시 말하면 유수구(9')의 전체 표면적과 어댑터 플레이트의 표면적 사이의 비율을 증가시키는 방식으로 선택된다.
4개의 상이한 치수를 갖는 구멍과 복잡한 분포를 포함하는 어댑터 플레이트(6'a)에 구멍을 뚫는 작업은 어렵고 시간이 많이 소비된다.
게다가 안내관 고정 구멍 주위의 많은 영역은 구멍이 뚫리지 않으며 또한 각 봉들이 하나의 인대(ligament)를 바라보도록 어댑터 플레이트의 구멍들을 정렬하므로써 어셈블리의 봉들의 축방향 변위를 제한할 필요가 있기 때문에, 어댑터 플레이트의 투과성은 상대적으로 낮다. 추가로 어댑터 플레이트가 충분한 기계 강도를 가져야 한다면, 그것의 두께는 임의의 제한값 이하로 감소될 수 없다.
도 3B는 본 발명에 따른 연료 어셈블리의 상부 노즐(6)의 어댑터 플레이트(6a)를 나타낸 도면이다.
정사각형 형상을 갖는 어댑터 플레이트(6a)가 노즐의 벽(6c)에 고정된다.
안내관(4)의 단부를 고정하는 24개의 구멍(8)은 종래 기술에 따른 어셈블리의 안내관(4')을 고정하는 24개의 구멍(8')의 배치와 유사하게 배치한다.
어댑터 플레이트(6a)를 통과하는 냉각수용 구멍(9)은 가변 형상이다.
어댑터 플레이트(6a)의 중앙에서, 유수구(9a)는 모두 동일하며 라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 형상을 갖는다. 라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 형상의 구멍(9a)은 연료 어셈블리의 8개의 안내관(4)과 중앙에 있는 계측관을 고정하는 구멍(8) 주위에 규칙적으로 분포된다.
어댑터 플레이트(6a)의 중앙에서, 안내관(4)을 고정하는 구멍의 8개의 위치가 연료 어셈블리의 계측관의 중앙 위치에 놓여 있으며 라운드 처리된 코너(9a)를 갖는 하나의 완전한 열로 된 삼각형 형상의 구멍들로 둘러싸인다.
연료 어셈블리의 안내관(4)을 고정하는 16개의 다른 구멍(8)들은, 어댑터 플레이트(6a)의 외부를 향하여 위치되며, 라운드 처리된 코너(9a)를 갖는 삼각형 구멍에 의하여 단지 부분적으로만 둘러싸인다.
벨트(6c)가 부착된 4개의 외부 가장자리를 따른 어댑터 플레이트(6a)의 주위에는 2개의 상이한 길이를 갖는 타원형 구멍(9b, 9c)들이 관통된다.
어댑터 플레이트(6a)의 구멍 뚫기 작업은, 유수구를 구성하는 원형 구멍(9d, 9e)에 의하여 어댑터 플레이트의 각 코너에서 완료된다.
대부분은 어댑터 플레이트의 중앙에 위치한 라운드 처리된 코너(9a)를 갖는 삼각형 구멍 형태로 그리고 보완적으로 타원형(9b, 9c) 및 원형(9d, 9e)의 형태로 어댑터 플레이트(6a)에 구멍을 뚫으므로써, 단지 타원형의 유수구만을 포함하는 종래 기술에 따른 플레이트의 투과성과 비교하여 실제로 개선된 냉각수에 대한 어댑터 플레이트의 투과도를 얻을 수 있다.
어댑터 플레이트에는, 냉각제가 어댑터 플레이트를 통과할 때 냉각제의 열손실을 감소시키는 것과 충분한 기계 강도를 갖는 어댑터 플레이트를 얻는 것을 가장 적절하게 타협하는 방식으로 구멍이 뚫린다.
특히 어댑터 플레이트에 구멍을 배치하는 것은 정사각형 형상을 갖는 플레이트의 대각선에 대하여 완전히 대칭적이며 그 결과 균일한 응력 분포가 얻어진다.
그리하여 플레이트의 투과성, 즉 유수구의 전체 면적을 증가시킬 수 있으며, 플레이트의 두께를 감소시킬 수 있어 만족할 만한 기계 강도를 얻는다.
그리하여 유수구와 어댑터 플레이트의 전체 표면 온도를 5%까지 증가시킬 수 있으며 열손실을 제한하도록 어댑터 플레이트의 두께를 감소시킬 수 있다.
유수구의 더 양호한 배치와 더 우수하게 개선된 형상, 그리고 어댑터 플레이트의 두께 감소 때문에, 냉각수가 통과할 때 어댑터 플레이트가 냉각수에 제시하는 유압 저항(hydraulic resistance)은 7%까지 감소된다.
도 2 및 3B에서 알 수 있는 바와 같이, 중앙에 놓인 계측관과 이 관을 둘러싸는 구멍(9a)이 있는 어댑터 플레이트의 영역 전체에 걸친 어댑터 플레이트(6a)의 중앙에는 캐비티(cavity) 또는 싱크(sink;10)가 제공된다. 그리하여 노즐의 높이를 약간 감소시킬 수 있으며 어셈블리 내로 삽입된 봉 다발을 수용할 수 있다.
그 결과 본 발명에 따른 연료 어셈블리는 종래 기술에 따른 연료 어셈블리보다 더 양호한 유압 동작을 나타내며 그것의 수명 전체에 걸쳐 더 양호한 연소비를 얻을 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예로만 제한되지 않는다.
그리하여 연료 어셈블리의 상부 노즐의 어댑터 플레이트의 주위에 있는 구멍은 기재된 형상 및 분포 이외의 형상 및 분포를 갖는 것도 고려될 수 있다.
라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 구멍의 크기는 최대 투과성을 보장하기 위하여 안내관 고정 구멍 주위에 위치된 어댑터 플레이트의 부품들의 크기에 따라 최적화된다.
설명한 그리고 도시한 실시예에서, 어댑터 플레이트의 중앙에 위치된 안내관 고정용 구멍의 각각은 라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 형상의 8개의 유수구에 의하여 둘러싸인다. 물론 삼각형으로 형상화된 구멍들의 다른 개수 및 분포를 고려할 수도 있다.
게다가 상부 노즐의 어댑터 플레이트의 새로운 구멍 뚫기에 의하여 청구된 장점과 어댑터 플레이트의 두께 감소 및 노즐의 새로운 치수화에 의하여 얻어진 다른 장점들을 결합시킬 수도 있다.
본 발명은 유수구로 뚫린 어댑터 플레이트를 포함하는 상부 노즐에 의하여 폐쇄된 구조를 포함하는 임의의 핵연료 어셈블리에 적용한다.

Claims (6)

  1. 다발의 길이에 분포되며 봉(2)이 통과하도록 셀을 규정하는 스페이서 그리드 어댑터(3, 3a, 3b)로 구성된 구조에 의하여 유지된 한 다발의 연료봉(2)과, 이 다발 내부에 일부 연료봉(2) 대신에 대체되며 이 봉들보다 더 긴 안내관(4)과, 안내관(4)의 한 쪽 단부에 고정된 바닥 노즐(5)과, 안내관(4)의 다른 쪽 단부에 고정되며 안내관(4)을 고정하는 구멍(8)과 유수구(9)에 의하여 관통된 트랜스버스 어댑터 플레이트(6a)를 구비한 상부 노즐(6)을 포함하는 핵연료 어셈블리에 있어서,
    어댑터 플레이트(6a)의 중앙에 배치된 상부 노즐(6)의 어댑터 플레이트(6a)에 있는 유수구(9a)는 라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 형상을 가지며 안내관(4)을 고정하는 적어도 몇 개의 구멍(8)들 주위에 규칙적으로 분포되는 것을 특징으로 하는 핵연료 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 어댑터 플레이트(6a)의 주위에 배치된 유수구(9b, 9c)는 직사각형 형상을 가지며 두 가지 상이한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유수구(9)는 정사각형인 상부 노즐(6)의 어댑터 플레이트(6a)의 코너에 인접하여 배치된 원형 구멍(9d, 9e)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 어셈블리.
  4. 고정용 구멍(8)이 상부 노즐(6)의 어댑터 플레이트(6a)의 단면적을 통과하여 분포되어 있는 24개의 안내관(4)과 중앙에 놓인 하나의 계측관을 포함하는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 핵연료 어셈블리에 있어서,
    라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 형상의 유수구(9a)는 어댑터 플레이트(6a)의 중앙에 위치한 8개의 안내관 고정 구멍(8) 주위에 그리고 중앙에 놓인 계측관 주위에 규칙적으로 배치된 것을 특징으로 하는 핵연료 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상부 노즐(6)의 어댑터 플레이트(6a)의 중앙에 위치한 안내관용 고정 구멍(8)의 각 주위에 그리고 중앙에 놓인 계측관 주위에, 라운드 처리된 코너를 갖는 삼각형 형상의 8개의 유수구(9a)가 배치되며 그리고 규칙적으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 어셈블리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 노즐(6)의 어댑터 플레이트(6a)의 두께는 종래 형태의 연료 어셈블리의 상부 노즐의 어댑터 플레이트(6'a)의 두께에 비하여 감소된 것을 특징으로 하는 핵연료 어셈블리.
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