KR20110095189A

KR20110095189A - 스플릿 스프링 프렛팅-방지 연료봉 지지 구조

Info

Publication number: KR20110095189A
Application number: KR1020110013751A
Authority: KR
Inventors: 폴 마르커스 에반스; 리차드 피. 브로더스; 마이클 앤소니 마진; 마이클 와인가드너; 아돌포 레파라즈
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: JP5769981B2; ES2486740T3; US20110200160A1; EP2365490B1; EP2365490A3; EP2365490A2; KR101722267B1; JP2011169899A

Abstract

연료봉을 지지하여 연료봉에 대해 8개의 공면상의 점 접촉 지지를 제공하는 셀의 각각의 벽상의 수직의 기다란 스플릿 스프링을 갖는 핵연료 집합체 그리드가 개시된다.

Description

스플릿 스프링 프렛팅-방지 연료봉 지지 구조{SPLIT SPRING ANTI-FRETTING FUEL ROD SUPPORT STRUCTURE}

본원발명은 일반적으로 원자로에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 그리드를 채용하는 연료 집합체를 갖는 원자로에 관한 것이다.

대부분의 수냉 원자로에 있어서, 원자로 코어는 많은 기다란 연료 집합체로 이루어져 있다. 가압수 원자로(PWR)에 있어서, 이들 연료 집합체는, 전형적으로, 연료 집합체의 복수의 기다란 심블 튜브에 부착되고 연료 집합체 길이를 따라 축방향으로 이격된 복수의 그리드에 의해 조직된 어레이로 유지된 복수의 연료봉을 포함한다. 전형적으로, 심블 튜브는 그안에 제어봉 또는 계측기(instrumentation)를수용하고 있다. 상부 및 저부 노즐은 연료 집합체의 반대 양단상에 있고 심블 튜브(thimble tube)의 단부에 고정되어 연료봉의 단부보다 조금 위 및 조금 아래로 뻗어있다.

당업계에 공지된 바와 같이, 그리드는 원자로 코어에서의 연료봉 사이 간격을 정확하게 유지하고 지지하여, 연료봉 측방을 지지하고 냉각재의 혼합을 유도한다. 통상의 그리드 설계의 일유형은 연료봉을 개별적으로 수용하고 있는 복수의 대략 정사각형 셀을 갖는 달걀 상자 구성을 함께 형성하는 복수의 인터리빙된 스트랩을 포함한다. 심블 튜브의 구성에 의존하여, 심블 튜브는 연료봉을 수용하는 셀과 동일한 크기의 셀에 수용되거나 또는 인터리빙된 스트랩에서 정의된 상대적으로 큰 심블 셀에 수용될 수 있다. 인터리빙된 스트랩은 심블 튜브로의 부착점을 제공하고, 그리하여, 연료 집합체의 길이를 따라 이격된 위치에의 위치결정을 가능하게 한다.

종래에는, 인터리빙된 스트랩은 연료봉이 통과하는 셀 각각이 하나 이상의 상대적 컴플라이언트 스프링 및 복수의 상대적 강체 딤플을 포함하도록 구성된다. 스프링 및 딤플은 인터리빙된 스트랩의 금속에 형성되고 그로부터 바깥으로 연료봉이 통과하는 셀 내로 돌출할 수 있다. 그때 각각의 연료봉의 스프링 및 딤플은 셀을 통하여 뻗어있는 대응하는 연료봉과 접촉한다. 그리드의 외부 스트랩은 함께 부착되고 주변으로 그리드의 내부 스트랩을 둘러싸서 그리드에 강도 및 강성을 갖게 하고 그리드의 주위 둘레에 개개의 연료봉 셀을 정의한다. 전형적으로 내부 스트랩은 각각의 교차부에서 웰딩 또는 브레이징되고(welded or braised) 또한 내부 스트랩은 집합체의 외부 둘레를 정의하는 주변 또는 외부 스트랩에 웰딩 또는 브레이징된다.

종래에는, 개개의 셀 레벨에서, 연료봉 지지는 상기한 바와 같은 강체 지지 딤플 및 플렉시블 스프링의 조합에 의해 제공됨이 통상적이다. 대각 스프링, "I" 형상 스프링, 캔틸레버드 스프링, 수평 및 수직 딤플 등을 포함하여, 사용되어 오고 있는 많은 다양한 스프링-딤플 지지 기하구조가 존재한다. 셀 당 스프링의 수도 달리 된다. 전형적인 배열은 셀 당 2개의 스프링 및 4개의 딤플이다. 딤플 및 스프링의 기하구조는 집합체의 수명 내내 충분한 봉 지지를 제공하도록 유의하여 결정될 필요가 있다.

방사 동안, 최초 스프링 힘은 스프링 재료 및 방사 환경에 의존하여 더 또는 덜 급속하게 풀린다. 또한 매우 높은 냉각재 압력 및 운전 온도의 결과로서 클래딩 직경도 변하고 봉 내부의 펠렛(pellet)도 덴시피케이션 및 스웰링에 의해 그 직경을 변화시킨다. 또한 외부 클래딩 직경은 산화물층의 형성으로 인하여 증가한다. 이들 치수적 재료적 속성 변동의 결과로서, 연료 집합체의 수명 내내 충분한 봉 지지를 유지하는 것이 매우 도전받고 있다.

원자로내 열 및 압력 그래디언트 및 정재파 및 와류 등의 다른 플로 방해자에 의해 유도되는 축방향 플로 및 횡방향 플로의 영향으로, 가느다란 몸체인 연료봉은 비교적 작은 진폭으로 계속 진동하고 있다. 봉이 적당하게 지지되지 않으면, 이러한 매우 작은 진동 진폭은 지지점과 클래딩 사이의 상대 운동의 결과를 초래할 수 있다. 비교적 작은 딤플 및 그리드 지지면상에 슬라이딩 봉에 의해 가해지는 압력이 충분하게 높으면, 클래딩 표면상의 작은 부식층은 마모에 의해 벗겨져 베이스 금속을 냉각재에 노출시킬 수 있다. 노출된 새로운 클래딩 표면상에 새로운 부식층이 형성됨에 따라, 그것도 결국 봉의 벽이 구멍날 때까지 마모에 의해 벗겨진다. 이러한 현상은 그리드 대 봉 프렛팅으로 알려져 있고 2006년에 그것은 PWR 원자로에서 연료 고장의 주된 원인이였다.

또한 집합체에서 지지 그리드의 또다른 중요한 기능은 최대 클래딩 온도를 감소시키도록 냉각재 혼합의 기능이다. 각각의 봉에 의해 발생된 열기는 균일하지 않기 때문에, 냉각재에서 열적 그래디언트가 존재한다. 연료 집합체의 설계에서 하나의 중요한 파라미터는 봉으로부터 냉각재로의 효율적인 열 전달을 유지하는 것이다. 단위 시간 당 제거된 열의 양이 더 높을수록, 발생되는 전력도 더 높다. 충분히 높은 냉각재 온도에서, 소정 시간에 클래딩 단위 면적 당 제거될 수 있는 열기의 레이트는 상당한 정도로 갑자기 감소한다. 이러한 현상은 핵비등 또는 DNB로부터의 편차(deviation)로 알려져 있다. 원자로 운전 파라미터 내라면, 냉각재 온도는 DNB 점에 도달할 것이고, 클래딩 표면 온도는 봉 내부에 발생된 열기를 배출하도록 급속하게 증가할 것이고, 급속한 클래딩 산화는 클래딩 고장의 결과를 초래할 것이다. DNB는 그것이 일어난나면 냉각재가 그 최대 온도인 점에서 발생하기 때문에, 집합체내 냉각재 혼합에 의해 최대 냉각재 온도를 감소시키는 것은 DNB 조건에 도달함이 없이 많은 양의 전력을 발생시킬 수 있게 한다. 통상적으로, 개선된 혼합은 그리드 구조의 다운 플로 사이드에서의 혼합 베인(vane)을 사용함으로써 달성된다. 혼합의 유효성은 연료봉에 대한 혼합 베인의 위치, 크기 및 형성에 의존한다.

그리드의 다른 중요한 기능은 기능을 상실함이 없이 예상 우발적 부하에서의 정규 운전 및 핸들링을 지탱할 수 있는 능력 및 봉에 발생된 열기를 배출하는데 이용될 수 있는 냉각재가 국소적으로 충분하지 않을 때 일어날 수 있는, 지지점과 연료봉 사이의 스팀 포켓의 형성으로 인한 연료봉상의 "핫 스폿"을 회피할 수 있는 능력을 포함한다. 스팀 포켓은 클래딩의 급속한 국소적 부식에 의해 고장점으로의 연료봉 과열을 야기시킨다.

코어를 가로질러 연료 집합체를 통하는 실질적으로 균형잡힌 냉각 플로를 유지하는 것은 실질적으로 균일한 열 전달을 유지하기 위해 소망될 수 있는 목적이다. 연료 집합체 설계에서의 임의의 변화는 압력 강하(pressure drop)를 변경시키고 연료 집합체의 다양한 유형간 코어를 통하는 플로 저항에서의 상대적 균형의 결과로 된다. 압력 강하를 축소시키는 그리드 설계에서의 변경은 그러한 변경이 연료 집합체 설계자로 하여금 연료 집합체간 압력 강하 평형을 복원할 다른 개선책을 도입하도록 하기 때문에 소망될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 그리드 스트랩 딤플 및 스프링은 격자 어레이에 핵연료봉을 위치시키도록 그리드 셀 위치내로 돌출한다. 딤플이 더 클수록 그리고 그것이 그리드 셀내로 더 돌출할수록, 딤플은 경도가 더 높다. 이러한 증가된 경도는 봉 적재 동안 연료봉이 긁히거나 쓸리는 결과를 초래할 수 있다. 또한 경도가 더 높은 딤플은 더 높은 연료봉 접촉 스트레스로 인하여 딤플 대 봉 프렛팅의 위험을 증가시킨다. 따라서, 딤플 설계자는 연료봉을 위치시키기에 충분한 경도를 제공하면서도 프렛팅에 대한 잠재력, 쓸림 및 긁힘을 줄이도록 경도를 최소화할 필요가 있다.

그러므로, 연료봉이 집합체내로 적재될 때 연료봉의 쓸림 또는 긁힘 잠재력이 덜한 개선된 연료봉 지지 및 효과적 열 전달을 발휘하는 개선된 그리드를 제공하는 것이 소망된다.

상기 목적은 제1 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩, 및 제1 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩과 직교하여 위치되는 제2 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩을 갖는 개선된 핵연료 집합체 그리드에 의해 달성된다. 제1 및 제2 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩은 4개의 인접하는 스트랩의 각각의 세트의 교차가 셀을 정의하도록 규칙적 격자 패턴으로 정렬되고, 일부는 연료봉을 지지하고, 각각의 셀을 보더링하는 제1 및 제2 스트랩의 각각의 뻗음은 셀의 벽을 형성한다. 바람직하게는, 스트랩은 달걀 상자 패턴으로 그 교차부에서 인터리빙된다. 보더링 스트랩은 제1 및 제2 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩의 외주변을 둘러싸고 그 교차부에서 내부 스트랩과 붙는다. 연료봉을 지지하는 셀의 적어도 하나의 벽은 셀 내로 뻗는 수직으로 기다란 스프링을 갖는다. 수직으로 기다란 스프링은 스프링의 가장 뻗어있는 부분을 2개의 수직으로 배향된 리가먼트로 분리하는 수직 슬릿을 갖고, 리가먼트의 가장 뻗어있는 부분은 연료봉에 대하여 공면상의 2개의 점 접촉 지지를 제공하도록 2개의 방향에서 라운딩되어 있다.

일실시예에 있어서, 연료봉을 지지하는 셀의 각각의 벽은 동일한 고도에 있는 수직으로 기다란 스프링을 포함한다. 스프링은 연료봉에 대하여 8개의 공면상의 점 접촉 지지를 형성한다.

또다른 실시예에 있어서, 수직으로 기다란 스프링은 스프링이 뻗어있는 스트랩과 별개로 형성된다. 스프링은 스프링의 상부 및 하부 수직 단부에서 벽에 부착된다.

제3의 실시예에 있어서, 수직으로 기다란 스프링은 스프링이 뻗어있는 스트랩과는 별개로 형성된다. 스트랩은 스프링이 다른 연료봉을 지지하는 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗어있는 제2 스프링에 부착되는 벽에 상부 및 하부 개구부를 갖는다. 바람직하게는, 벽에서의 상부 및 하부 개구부는 수직 슬롯 또는 스트랩의 최상부 및 최하부에서의 노치이다.

바람직하게는, 리가먼트의 각각은 서로를 향하여 측방으로 뻗어있는 레그를 갖고 각각의 레그는 서로의 접촉에는 부족하게 멈춘다. 레그의 대향하는 양단은 셀 내로 조금 더 뻗어서 대응하는 셀을 통과하는 연료봉과의 접촉점이 레그상에 만들어진다.

또다른 실시예에 있어서, 셀 내로 뻗는 스프링의 하부는 벽의 대략 중간 높이에서 스트랩에 연결된다. 그후, 벽의 중간 높이 아래로 뻗는 스프링 부분은 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗는다. 바람직하게는, 수직 슬릿은 스프링의 최상부 또는 최하부로까지 뻗지는 않는다. 또다른 실시예에 있어서, 셀에서 연료봉을 지지하고 스프링이 뻗어있는 반대측 벽은 셀 내로 뻗어 스프링과 대향하는 적어도 하나의 딤플을 갖는다.

첨부도면과 결합하여 바람직한 실시예의 이하 설명으로부터 본원발명을 더욱 이해할 수 있다.

도 1은 종래의 가압수 원자로 연료 집합체 그리드의 평면도,
도 2는 본원발명의 연료봉 그리드를 채용하는 연료 집합체의 단면이 부분적으로 나타나 있고 명확성을 위해 부분들이 벗겨져 수직으로 축소된 형태로 예시되어 있는 입면도,
도 3은 연료봉을 지지하는 연료 집합체 그리드 셀의 벽에 웰딩된 본원 저항력을 갖는 스플릿 스프링의 사시도,
도 4는 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗어있는 제2 스프링으로 벽의 상단 및 하단에서의 노치를 통하여 상단부 및 하단부에 웰딩된 스프링을 갖는 도 3에 도시된 사시도상의 변화도,
도 5는 셀 벽에서의 상부 및 하부 슬롯을 통하여 인접 셀내로 뻗어있는 제2 스프링으로 상단부 및 하단부에 스프링이 웰딩되어 있는 도 4에 도시된 사시도상의 변화도,
도 6은 연료봉이 사이에 지지되어 있는 모든 4개의 벽상에 본원발명의 스프링을 채용하고 있는 연료봉 지지 셀의 사시도,
도 7은 도 6의 연료봉 지지 셀의 평면도,
도 8은 본원발명의 스프링의 뻗어있는 일부와 접촉하는 연료봉 일부의 측입면도,
도 9는 본원발명의 스프링의 또다른 실시예의 사시도,
도 10은 연료봉의 일부를 지지하고 있는 본원발명의 부가적 실시예의 스프링을 채용하는 연료봉 지지 셀의 사시도,
도 11은 도 10의 평면도,
도 12는 도 10에 예시된 셀의 하나의 벽의 정면도,
도 13은 도 12에 예시된 셀 벽의 측면도, 및
도 14는 본원발명의 또다른 실시예에 따른 연료봉 지지 셀 벽의 사시도.

핵연료 스페이서 그리드는 핵연료봉을 위치시키도록 연료 집합체에서 사용된다. 핵연료봉을 정확하게 위치시키는 것은 원자로의 핵 코어의 적당한 핵 및 열 수력 성능을 보장하는데 결정적이다. 많은 종래의 스페이서 그리드는 많이들 연료봉을 지지하고 있는 복수의 대략 정사각 셀을 갖는 달걀 상자 격자를 형성하도록 함께 인터리빙되어 있는 곧은 그리드 스트랩으로 이루어져 있다. 그러한 종래의 연료 그리드(10)의 예는 도 1에서 볼 수 있다. 동등한 길이의 그리드 스트랩(12)의 이격된 평행 어레이는 동등한 길이의 제2 복수의 이격된 평행 그리드 스트랩(14)에 직교하여 위치가 정해지고 보더 스트랩(18; border strap )에 의해 둘러싸여 있는데, 스트랩의 각각은 그 교차부에서 웰딩되어 있다. 셀(16)은 연료봉을 지지하는 한편 셀(20)은 가이드 튜브 및 계측 튜브를 지지한다. 연료봉은 서로의 사이에 간격 또는 피치를 유지해야 하기 때문에, 연료봉을 지지하는 셀(16)을 보더링하는 위치의 이들 곧은 그리드 스트랩(12, 14)은 연료봉과 접촉하여 그들을 제 위치에 확고하게 보유하기 위해 셀(16)내로 돌출하도록 스트랩(12, 14)의 측면에 스탬핑되는 스프링(22) 및/또는 딤플(24)을 갖는다. 그리드 스트랩(12, 14)상의 스탬핑된 피처, 즉, 스프링(22) 및 딤플(24)은 연료 집합체를 따라 그리드의 탠덤(tandem) 어레이로 다른 그리드와 조합하여 고려될 때 연료봉을 고정하기 위한 충분한 힘이 유지되는 것을 보장하도록 주의깊은 설계 및 정확한 제조를 요구한다.

도 2를 보면, 참조부호(40)로 나타내어진 연료 집합체(40)의 입면도가 도시되어 있는데, 수직으로 축소된 형태로 나타내고 있다. 연료 집합체(40)는 가압수 원자로에서 사용되는 유형으로서, 기본적으로, 원자로 코어 영역에서의 하부 코어 플레이트(도시하지 않음)상에 연료 집합체를 지지하기 위한 하단 구조 또는 저부 노즐(42) 및 저부 노즐(42)로부터 윗방향으로 돌출하는 많은 길이방향으로 뻗어있는 가이드 심블 또는 튜브(44) 및 계측 심블(46)을 포함한다. 연료 집합체(40)는 본원발명에 따라 구축된 복수의 횡단 그리드(10)를 더 포함하고, 도 3 내지 도 14에 더 상세하게 부분적으로 도시되어 있다. 그리드(10)는 가이드 심블(44)을 따라/에 의해 축방향으로 이격/지지된다. 또한 연료 집합체(40)는 횡방향으로 이격되고 그리드(10)에 의해 조직된 어레이로 지지되는 복수의 기다란 연료봉(36)을 포함한다. 또한, 연료 집합체(40)는 그 중심에 위치한 계측 튜브(46) 및 가이드 심블(44)의 상단에 부착된 상단 구조 또는 노즐(48)을 갖는다. 부품의 그러한 배열로, 연료 집합체(40)는 부품 집합체를 손상시킴이 없이 편리하게 핸들링될 수 있는 통합 유닛을 형성한다.

상기한 바와 같이, 연료 집합체(40)에서의 연료봉(36) 및 그 어레이는 연료 집합체 길이를 따라 이격된 그리드(10)에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 각각의 연료봉(36)은 핵연료 펠렛(50)을 포함하고 봉(36)의 반대 양단은 상단 및 하단 플러그(52, 54)에 의해 둘러싸여 봉을 용접(hermetically) 밀봉한다. 흔히, 플리넘(plenum) 스프링(56)은 봉(36)내에 타이트 적층 관계로 펠렛을 유지하도록 상단 플러그(52)와 펠렛(50)의 사이에 배치된다. 핵분열성 물질로 이루어진 연료 펠렛(50)은 PWR의 반응력(reactive power) 생성을 맡고 있다. 물 또는 붕소 함유 물과 같은 액상 감속재/냉각재는 유용한 작업을 이뤄내기 위해 발생된 열기를 추출하기 위하여 코어의 연료 집합체를 통하여 위로 향해 펌핑된다.

핵분열 공정을 제어하기 위해, 많은 제어봉(58)은 연료 집합체(40)에서의 소정 위치에 위치하고 있는 가이드 심블(44)에서 상호 이동가능하다. 특히, 상부 노즐(48)은 제어 메카니즘(60)이 주지된 방식으로 제어봉(58)을 가이드 심블(44)에서 수직으로 이동시켜 연료 집합체(40)에서의 핵분열 공정을 제어하게 동작될 수 있도록 복수의 방사상으로 뻗어있는 플루크(fluke) 또는 아암(64)을 구비한 내부적으로 스레딩된 원통형 허브 부재(62)를 갖는 봉 클러스터 제어 메카니즘(60)과 연관된다.

상기한 바와 같이, 봉의 클래딩 표면과 연료봉을 지지하는 그리드 셀의 측벽 사이의 접촉 면적의 설계는 클래딩에 상처를 남김이 없이 유해 진동에 대항하여 봉을 고정시키기에 충분한 힘이 존재하는 것을 보장하는데 결정적이다. 전통적으로, 스페이서 그리드 내 연료 봉의 지지는 2개의 수직으로 이격된 딤플 및 2개의 방향의 각각에서의 하나의 대향하는 스프링으로 6개 지점 접촉 지지 구조의 결과로 되는 구성을 사용하여 성취된다. 이 개념상에서의 많은 변형에도 불구하고, 프렛팅(fretting) 야기된 봉 고장에 일관적으로 면역성을 갖는 설계를 구하는 것은 어렵다고 판명되어 왔다. 최근의 플로 루프 테스팅은 공면상의(coplanar) 지지(즉, 소정 그리드 셀 내에서 동일한 축방향 고도에서의 지지)가 더욱 프렛팅 방지 봉 지지 시스템을 제공할 것이라고 나타내 오고 있다. 부가적으로, 소정 셀에서의 6개 이상의 접촉점이 프렛팅으로의 부가적 마진을 제공할 것이라고 이론화되어 오고 있다. 다양한 실시예가 도 3 내지 도 14에 예시되어 있는 본원발명은 그리드 셀에서 8개의 접촉점을 제공하는 한편 공면 봉 지지 시스템을 유지하고 있다. 일련의 실시예에 있어서, 베이스 스트랩은 지진/LOCA(냉각재 상실 사고) 용도로 그리드 구조의 강도를 제공하는 한편, 부착된 스프링은 봉 지지 구조를 제공한다. 또다른 일련의 실시예에 있어서, 본원발명의 스플릿 스프링(split spring)은 베이스 스트랩과 일체로 된 부분이다. 그러므로, 본원발명은 베이스 스트랩에 일체로 된 스플릿 스프링 및 별개지만 베이스 스트랩에 부착 또는 포획된 스플릿 스프링의 2개의 주된 카테고리로 세분될 수 있다. 본원발명의 실시예의 각각은 동일한 기본 스플릿 스프링 구성을 이용한다.

본원발명의 개념은 2개의 메인 컴포넌트, 즉, 그리드 셀의 벽(28)을 형성하는 베이스 스트랩(12/14) 및 베이스 스트랩(12-14)에 일체로 되어 있거나 별개로 부착될 수 있는 스플릿 스프링(26)을 채용하는 것이다. 본원발명의 실시예의 각각은 도 9 및 도 14에 관하여 기술될 스프링 설계상 변형이 있을 수는 있지만 도 3에 도시된 바와 동일한 기본 스플릿 스프링(26)을 이용한다. 도 3은 달걀 상자 구성으로 직교 스트랩(12, 14)을 인터리빙하도록 채용되는 슬릿(30)을 제외하고는 고체인 베이스 스트랩(12/14)을 도시하고 있다. 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 연료봉을 지지하는 셀의 벽상의 스프링은 스프링(26)의 상부 및 하부(32)에서 셀 벽(28)에 저항용접(resistance welding)된다. 스프링(26)에서의 중앙의 기다란 수직 슬릿(38)은 상부 웰드(32) 아래에 이격된 지점으로부터 하부 웰드(32) 위의 이격된 위치로까지 뻗어있다. 실질적으로 수직 슬릿은 연료봉 지지 셀 내로 돌출하는 스프링 중앙부에 걸쳐 뻗어있다. 그러므로 중앙의 수직 슬릿(38)은 스프링의 중앙 수직 부분을 2개의 리가먼트(34; ligament)로 나누고, 2개의 리가먼트는 연료봉에 대하여 스프링 당 2개의 점 지지 접촉을 제공하도록 수평 및 수직 양 방향으로 라운딩되어 있다. 이러한 구성은 전체 베이스 스트랩이 지진/LOCA 부하를 실어나르도록 사용될 수 있으므로 높은 크러시 강도를 제공한다. 도 4는 본원발명의 또다른 실시예를 예시하고 있는데, 스트랩(12/14)의 양면상의 백 투 백 스프링 피처(26)가 32에서 함께 웰딩될 수 있어서 그들이 벽(28)에서의 노치(66)간 수직 뻗음 사이에서 포획될 수 있도록 스트랩(12/14)의 상부 및 저부에 잘라내버린 노치(66)가 베이스 스트랩에 구비되어 있다. 이러한 실시예는 적재 동안 웰딩 스프링 구조가 길게 늘어져 있으므로 더욱 연성 스프링 구조 및 압력 강하에서의 감소를 제공한다.

도 5는 베이스 스트랩(12/14)에 잘라낸 기다란 슬롯(68)을 갖는 또다른 베이스 스트랩 구성을 예시하고 있다. 슬롯(68)은 스프링 피처(26)가 32에서 함께 웰딩되도록 제공되어, 도 4에 도시된 것과 마찬가지로 더욱 연성 스프링 구조를 제공한다. 도 5에 예시된 실시예는 그것이 혼합 베인을 부착할 위치를 제공하고 또한 도 4에 예시된 구성보다 더 높은 크러시 강도를 제공하기 때문에 소망될 수 있다. 스프링은 도 4에 예시된 바와 같이 베이스 스트랩에 저항용접되거나 도 5에 예시된 바와 같이 인접 셀에서의 대향하는 스프링으로 저항용접되지만, 예컨대 리벳 또는 볼트 등의 기계적 커넥션과 같은 다른 형태의 부착이 사용될 수 있음을 인식해야 한다.

도 6은 모든 4개의 벽상에 스플릿 스프링(26)을 갖는 연료봉 지지 셀(16)을 도시하고 있는데, 그안에 지지되는 연료봉(36)을 위한 8개의 공면상의 점 접촉 지지를 제공한다. 그러나, 도 6에 예시된 8개 지점 지지가 바람직하더라도, 스플릿 스프링(26)은 도 14에 관하여 기술될 딤플과 조합하여 채용될 수도 있고, 그 조합도 채용될 수 있음을 인식해야 한다. 예컨대, 도 6에 예시된 8개의 공면상의 점 지지가 바람직하더라도, 스플릿 스프링이 2개의 대향하는 벽상에 채용되고 다른 2개의 벽상에는 스플릿 스프링 및 대향하는 딤플 또는 딤플들이 채용될 수 있다. 도 7은 도 6에 예시된 8개의 지점 지지의 평면도를 도시하고 있고 도 8은 2개의 방향으로 라운딩되어 있는 리가먼트 표면으로 인하여 연료봉(36)과 리가먼트(34)가 접촉하는 지점의 측면도이다.

도 9는 중앙 슬릿(38)이 리가먼트(34)의 중앙 영역의 위와 아래에서 확대되어 윈도 컷아웃(70)을 형성하고 있는 스프링(26)의 또다른 실시예를 도시하고 있다. 중앙 슬릿(38)은 스프링의 중앙부를 통하여 계속 2개의 측방으로 뻗어있는 레그(72)를 정의하고, 레그(72)는 서로 대향하고 벽(28)으로부터 스프링(26)의 가장 먼 뻗음을 형성하여 2개의 연료봉 접촉 위치를 제공한다. 측방으로 뻗어있는 레그(72)는 리가먼트(34)가 교대로 더욱 연성 스프링을 제공할 수 있게 한다. 도 3 내지 도 5 및 도 9에 예시된 실시예는 각각이 전통적인 2개의 딤플 및 스프링 구성 대신에 공면상의 봉 지지를 갖는다는 점에서 마찬가지임을 인식해야 한다. 또한, 개념들의 각각은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 지점 지지를 허용하는 2 방향 곡률 반경을 갖는다.

도 10 내지 도 13은 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이 베이스 스트랩에 부착되는 별개의 스프링 대신에 스플릿 스프링(26)이 베이스 스트랩(12/14)에 일체로 되어 있는 것으로 동일 개념의 다른 변형을 도시하고 있다. 도 10은 그안에 연료봉(36)이 지지되어 있는 하나의 연료봉 지지 셀(16)의 사시도이다. 공면상의 스플릿 스프링(26)은 셀 벽(28)의 하부 반쪽으로부터 셀(16) 내로 뻗어있고 셀 벽의 상부 반쪽에 걸쳐서는 방향을 역으로 하여 인접 연료 지지 셀(16) 내로 뻗어있다. 스플릿 스프링은 벽의 저부에서, 중간 높이 위치에서 그리고 벽의 상부에서 그리드 벽(28)에 연결된다. 도 10에 예시된 실시예의 평면도가 도 11에서 제공되고, 하나의 벽(28)의 정면도가 도 12에 도시된다. 슬롯(74)은 압력 강하를 줄여 스트레인 완화를 제공하는 역할을 한다. 도 13에 예시된 측면도에서는 2개의 인접 연료봉 지지 셀(16)내로 뻗어있는 스플릿 스프링(26)이 분명하게 나타나 있다. 이전의 실시예에서와 같이, 리가먼트(34)는 양 방향으로의 곡률 반경을 갖는다. 도 10 내지 도 13에 도시된 실시예는 부품 수가 더 적기 때문에 제조를 간소화하고 그 설계는 재료의 3개의 두께를 편입하지 않기 때문에 더 적은 압력 강하를 제공한다. 또한, 이러한 구성은 그리드와 연료봉 사이의 8개의 공면상의 접촉점을 제공한다. 이러한 구성으로, 연료봉 지지는 인접 그리드 셀상의 다른 고도에서 유지되고, 압력 강하를 더 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 그러나, 이러한 스트랩은 스트랩의 높이가 양 스프링을 수용해야 하기 때문에 도 3 내지 도 9에 제시된 설계보다 더 커야 한다.

도 14는 전통적인 "2개의 딤플 및 하나의 스프링" 개념을 갖는 스플릿 스프링을 편입하고 있는 대안의 구성을 도시하고 있다. 다른 실시예에서와 같이, 스프링 리가먼트(34)는 2개의 방향으로 라운딩되어 점 지지를 제공하고 딤플은 마찬가지로 라운딩되어 공면상은 아니더라도 지지의 8개 점을 제공할 수 있다.

본원발명의 연료봉 지지 설계는 전통적인 "2개의 딤플 및 하나의 스프링" 봉 지지 시스템에 비하여 많은 이점을 제공한다. 예컨대, 본원발명의 설계는 봉에 대한 피벗 점을 제공하여, 전통적인 "2개의 딤플 및 하나의 스프링" 구성에 의한 회전 구속 대신에, 플로 유도된 진동 동안 봉이 회전하도록 허용한다. 이것은 "2개의 딤플과 스프링" 구성의 회전 저항에 의해 견뎌지는 진동 에너지 대신에, 봉이 그 에너지를 소산시키게 한다. 나아가, 셀의 중간 아래의 스플릿은 2개의 스프링이 셀의 각각의 면상에서 봉을 효과적으로 지지하게 한다. 이것은 소정 셀에서 봉 지지의 8개 점의 결과로 된다. 이러한 8개 점 접촉 봉 지지 시스템은 그리드의 평면에서의 직교하는 방향으로 봉이 이동할 수 있는 양을 제한함으로써 효과적인 그리드 셀 크기를 제한하도록 도울 것이고, 부가적인 프렛팅 마진을 제공할 것이다. 또한, 봉의 축을 따르는 스프링상의 곡률 반경은 연료봉이 종래의 스프링 또는 딤플의 에지와 같은 하드 에지에 충격을 주지 못하게 하여 설계의 프렛팅 내성을 증가시킬 것이다. 스프링상의 굽은 표면 뿐 아니라 2개의 접촉점을 갖는 것은 봉 적재 동안 연료봉상에 미미한 쓸림 볼 및 더 경미한 긁힘의 결과를 초래할 것이다. 딤플 코킹은 어떤 설계에서는 이슈가 되어 왔고, 흔히 입는 상처는 딤플 표면이 완전히 플랫인 것은 아니다라는 것을 나타낸다. 본원발명의 봉 지지 피처의 굽은 본성으로, 봉에 직각이지 않은 지지 구조에 대한 어떠한 우려도 제거된다.

부착된 스프링을 갖는 베이스 스트랩을 사용하는 것은 제조 공정을 상당히 간소화한다. 종래 스트랩의 많은 것들은 매우 복잡한 형성 피처를 갖고 있다. 형성되는 스트랩의 그러한 높은 퍼센티지를 갖는 스트랩은 치수적 안정성을 유지하기가 어려운 경향이 있다. 본원발명의 설계로, 베이스 스트랩 및 별개의 스프링 둘다는 용이하게 제조되고 검사될 수 있는 간단한 형태의 피처이다. 베이스 스트립 재료 및 스프링 재료 둘다 동시에 다이내로 공급되고 후속적으로 하나의 연속 공정으로 펀칭 및 웰딩되는 프로그레시브 다이 스탬핑 공정에 의해 제조 공정은 더 간소화될 수 있다. 베이스 스트랩의 사용은 지진/LOCA 고려를 위한 그리드의 부가적 크러시 강도를 제공한다. 별개의 스프링을 위한 재료의 두께는 소망의 스프링 강성을 달성하기 위해 최적화될 수 있다. 나아가, 도 4 및 도 5에 예시된 개념은 스프링의 강성을 줄여 그리하여 봉 적재 동안 봉 긁힘 및 쓸림 볼 생성도 최소화하는 수단을 제공한다. 별개의 스프링은 스프링과 베이스 스트랩간 차별적 성장 속성을 활용하기 위해 다른 합금, 다른 그레인 방향 또는 다른 처리(즉, 증가된 양의 냉 작업)를 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 차별적 성장은 그것이 높은 번업에서 그리드와 연료봉간 갭을 최소화하는데 사용될 수 있으므로 유익하다. 도 9에 도시된 실시예의 경우에 있어서, 봉 접촉면의 움직임을 제공하여 더욱 연성 스프링의 결과로 하기 위해 스프링의 리가먼트가 교대할 수 있으므로 다른 실시예와는 다른 메카니즘에 의해 스프링 강성이 얻어진다. 베이스 스트랩에 일체인 스프링(도 10 내지 도 13)의 경우에, 하나의 부품만이 연루되므로 제조는 더욱 간소화된다.

본원발명의 특정 실시예가 상세하게 설명되었지만, 본원 개시의 전반적인 교시에 비추어 다양한 변형 및 대안이 전개될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 예시일 뿐이고 본원의 범위를 제한하는 것을 의미하는 것은 아니다. 본원의 범위는 첨부된 청구항 발명 및 그 모든 균등물의 너비로 주어지는 것이다.

10 그리드 48 상부 노즐
12 그리드 스트랩 50 연료 펠렛
14 직교하는 그리드 스트랩 52 상부 연료봉 단부 플러그
16 연료봉 셀 54 하부 연료봉 단부 플러그
18 보더 스트랩 56 플리넘 스프링
20 가이드 튜브 셀 58 제어봉
22 스프링 60 봉 클러스터 제어 메카니즘
24 딤플 62 드라이브 봉 허브
26 스플릿 스프링 64 플루크
28 셀 벽 66 베이스 스트랩의 노치
30 인터리빙된 슬릿 68 베이스 스트랩의 기다란 슬롯
32 저항 웰드 70 스프링 윈도
34 스프링 리가먼트 72 측방 레그
36 연료봉 74 일체 스프링의 아우터 슬롯
38 수직 스프링 슬릿
40 연료 집합체
42 저부 노즐
44 가이드 튜브
46 계측 심블

Claims

제1 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩; 및
연료봉을 지지하는 4개의 인접하는 스트랩의 각각의 세트의 교차가 셀을 정의하도록 상기 제1 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩과 직교하여 위치되고 규칙적 격자 패턴으로 정렬된 제2 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩;을 포함하고,
각각의 셀을 보더링하는 상기 제1 및 제2 스트랩의 각각의 뻗음은 상기 셀의 벽을 형성하고, 상기 연료봉을 지지하는 상기 셀의 적어도 하나의 벽은 상기 셀 내로 뻗는 수직으로 기다란 스프링을 갖고, 상기 수직으로 기다란 스프링은 상기 스프링의 가장 뻗어있는 부분을 2개의 수직으로 배향된 리가먼트로 분리하는 수직 슬릿을 갖고, 상기 리가먼트의 가장 뻗어있는 부분은 상기 연료봉에 대하여 공면상의 2개의 점 접촉 지지를 제공하도록 2개의 방향에서 라운딩되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 연료봉을 지지하는 상기 셀의 각각의 벽은 상기 연료봉에 대하여 8개의 공면상의 점 접촉 지지를 형성하도록 동일한 고도에 있는 수직으로 기다란 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 수직으로 기다란 스프링은 상기 스프링이 뻗어있는 스트랩과 별개로 형성되고 상기 스프링의 상부 및 하부 수직 단부에서 상기 벽에 부착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 수직으로 기다란 스프링은 상기 스프링이 뻗어있는 스트랩과는 별개로 형성되고 상기 스트랩은 상기 스프링이 다른 연료봉을 지지하는 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗어있는 제2 스프링에 부착되는 벽에 상부 및 하부 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제4 항에 있어서,
상기 벽에서의 상기 상부 및 하부 개구부는 수직 슬롯인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제4 항에 있어서,
상기 벽에서의 상기 상부 및 하부 개구부는 스트랩의 최상부 및 최하부에서의 노치인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 리가먼트의 각각은 서로를 향하여 측방으로 뻗어있는 레그를 갖고 각각의 레그는 서로의 접촉에는 부족하게 멈추고 상기 셀 내로 조금 더 뻗어서 대응하는 셀을 통과하는 연료봉과의 접촉점이 상기 레그상에 만들어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 셀 내로 뻗는 상기 스프링의 하부는 상기 벽의 중간 높이에서 상기 스트랩에 연결되고 그후 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 수직 슬릿은 상기 스프링의 최상부 또는 최하부로까지 뻗지는 않는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
제1 항에 있어서,
상기 셀에서 연료봉을 지지하고 스프링이 뻗어있는 반대측 벽은 상기 셀 내로 뻗어 상기 스프링과 대향하는 적어도 하나의 딤플을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체 그리드.
적어도 하나의 스페이서 그리드를 갖는 핵연료 집합체로서,
제1 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩; 및
연료봉을 지지하는 4개의 인접하는 스트랩의 각각의 세트의 교차가 셀을 정의하도록 상기 제1 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩과 직교하여 위치되고 규칙적 격자 패턴으로 정렬된 제2 복수의 이격된 평행한 기다란 스트랩;을 포함하고,
각각의 셀을 보더링하는 상기 제1 및 제2 스트랩의 각각의 뻗음은 상기 셀의 벽을 형성하고, 상기 연료봉을 지지하는 상기 셀의 적어도 하나의 벽은 상기 셀내로 뻗는 수직으로 기다란 스프링을 갖고, 상기 수직으로 기다란 스프링은 상기 스프링의 가장 뻗어있는 부분을 2개의 수직으로 배향된 리가먼트로 분리하는 수직 슬릿을 갖고, 상기 리가먼트의 가장 뻗어있는 부분은 상기 연료봉에 대하여 공면상의 2개의 점 접촉 지지를 제공하도록 2개의 방향에서 라운딩되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 연료봉을 지지하는 상기 셀의 각각의 벽은 상기 연료봉에 대하여 8개의 공면상의 점 접촉 지지를 형성하도록 동일한 고도에 있는 수직으로 기다란 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 수직으로 기다란 스프링은 상기 스프링이 뻗어있는 스트랩과 별개로 형성되고 상기 스프링의 상부 및 하부 수직 단부에서 상기 벽에 부착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 수직으로 기다란 스프링은 상기 스프링이 뻗어있는 스트랩과는 별개로 형성되고 상기 스트랩은 상기 스프링이 다른 연료봉을 지지하는 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗어있는 제2 스프링에 부착되는 벽에 상부 및 하부 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제14 항에 있어서,
상기 벽에서의 상기 상부 및 하부 개구부는 수직 슬롯인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제14 항에 있어서,
상기 벽에서의 상기 상부 및 하부 개구부는 스트랩의 최상부 및 최하부에서의 노치인 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 리가먼트의 각각은 서로를 향하여 측방으로 뻗어있는 레그를 갖고 각각의 레그는 서로의 접촉에는 부족하게 멈추고 상기 셀 내로 조금 더 뻗어서 대응하는 셀을 통과하는 연료봉과의 접촉점이 상기 레그상에 만들어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 셀 내로 뻗는 상기 스프링의 하부는 상기 벽의 중간 높이에서 상기 스트랩에 연결되고 그후 인접 셀 내로 반대 방향으로 뻗는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 수직 슬릿은 상기 스프링의 최상부 또는 최하부로까지 뻗지는 않는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.
제11 항에 있어서,
상기 셀에서 연료봉을 지지하고 스프링이 뻗어있는 반대측 벽은 상기 셀 내로 뻗어 상기 스프링과 대향하는 적어도 하나의 딤플을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체.