특허권

물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체

상품번호 2025070914415677
출원번호 10-2017-0007180
등록번호 10-1859524
출원인 한전원자력연료주식회사
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본 발명은 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 핵연료집합체의 상단고정체와 연료봉이 일정 간격을 유지하도록 하기 위한 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 물결형태의 유로판을 구비하는 핵연료집합체용 상단고정체(100)는, 핵연료집합체용 상단고정체로서, 하부에 형성되고 안내관 연결을 위한 안내관 결합부(104), 계측관 연결을 위한 계측관 결합부(106) 및 냉각수의 유동을 위한 복수의 유로홀(108)을 구비하는 유로판(102)을 포함하고, 유로판(102)의 하부면에는, 유로판(102) 하측에 배치되는 연료봉(10)과의 간극 유지를 위하여 유로판(102)의 제1 방향으로 반원형의 컷아웃부(110)가 형성되고, 반원형의 컷아웃부(110)는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 일정 간격 이격되어 나란히 형성되는 것을 특징으로 한다.

원자로란 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루

토늄의 생산 또는 방사선장 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 말한다.

일반적으로 경수로 원전에서는 우라늄-235의 비율을 2~5%로 높인 농축우라늄을 사용한다. 원자로에서 사용되는

핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠렛(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠렛들을 수 백 개씩 다발 형태로 묶어서 지르칼로이 피복관에 진공상태에서 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를넣은 후 상부봉단마개를 용접하여 연료봉을 제조한다. 이와 같이 제조된 연료봉은 최종적으로 핵연료집합체를구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.

핵연료집합체는 원자로 내에서 핵분열에 의하여 열을 방출하고 핵연료집합체로부터 발생하는 열은 냉각수에 의하여 흡수된다. 냉각수는 원자로 냉각펌프에 의해 원자로 및 원자로 배관을 순환하며 핵연료집합체로부터 냉각수로의 열전달을 촉진한다.

이와 같은 핵연료집합체(1)가 도 1에 도시되어 있다. 핵연료집합체(1)는 상단고정체(2), 하단고정체(4), 지지격자(6), 안내관(8)과 계측관(12) 및 지지격자(6)로 이루어지는 골격체, 지지격자(6) 내에 장입 및 지지되는 연료봉을 포함한다. 지지격자(6)는 핵연료집합체(1)에서 상하 10개 내지 13개 정도로 배열되며 4m 길이의 안내관8)과 용접된다. 핵연료집합체(1)의 조립은 연료봉을 골격체에 장입한 뒤 상단고정체(2) 및 하단고정체(4)를 부착하여 고정함으로써 완료된다. 요컨대, 핵연료집합체(1)는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 지지격자(6) 및 안내관(8)에 의해 상단고정체(2)와 하단고정체(4) 사이에서 연료봉이 일정 간격을 유지하도록 설치되어 있다.

도 2a, 2b, 3a 및 3b에는 일반적인 상단고정체(2)가 도시되어 있다. 상단고정체(4)은 유로판(24)을 포함하고,유로판(24)은 계측관이 결합되는 계측관결합홀(26), 안내관이 결합되는 안내관결합홀(22) 및 냉각수가 유동하는유로홀(28)을 포함한다. 원자로 가동 중 핵연료집합체(1)는 냉각수의 흐름에 의해 수압상향력(hydraulic uplift force)이 작용하여 부양되거나 진동이 발생할 수 있고, 또한, 온도의 상승에 의한 열팽창이나 장시간의 중성자조사에 의한 핵연료 피복관의 조사성장 및 크립(creep)에 의한 축방향 길이변화가 발생할 수가 있는데, 상단고정체(2)는 축방향의 하중을 지지하여 핵연료집합체의 기계적, 구조적 안정성을 유지하는 기능을 한다.

한편, 통상적으로, 핵연료 하단부분에 이물질로 인한 손상을 방지하기 위해 연료봉 단부에는 장형 봉단마개가 사용된다. 장형 봉단마개를 사용하면 연료봉의 내부공간이 좁아지게 되며, 내부공간을 확보하기 위해서는 연료봉의 길이가 길어져야 한다. 그러나 원자로의 내부구조 또는 핵연료를 장전하는 공간은 변하지 않기 때문에 핵연료집합체의 총 길이 또한 변하지 않는다. 반면, 중성자에 조사되는 연료봉의 길이방향 성장을 수용하고, 연료봉의 휨이 발생하지 않도록 하기 위해 연료봉과 상단고정체 간의 간격이 필수적으로 확보되어야 한다.

따라서, 핵연료집합체(1)의 길이가 변경되지 않는 조건하에서 연료봉의 길이를 신장시키며, 연료봉의 조사성장을 수용하기 위한 상단고정체 구조의 설계가 필요하다

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