(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料集合体の燃料棒を支持する支持格子において、
内側壁を有する四角の格子セルが正方格子（ｓｑｕａｒｅ  ｌａｔｔｉｃｅ）構造をなし、
前記格子セルは、
前記内側壁において垂直方向に沿って固定端を持ち、前記固定端から水平方向に湾曲形成されて自由端を持って燃料棒を弾性支持する複数のばねと、
前記格子セルに対して垂直方向に設けられた複数の流路チャネルと、
前記格子セルの端部に冷却水流れの下流方向に突設された複数の混合翼とを含み、
前記ばね及び前記流路チャネルの高さは前記格子セルの高さと同一であることを特徴とする、核燃料集合体の支持格子。
【請求項２】
前記流路チャネルは前記格子セルの交差地点に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料集合体の支持格子。
【請求項３】
前記ばねは、前記格子セルを構成する４つの内側壁のうち、互いに直角方向に配置される２つの内側壁に設けられ、残りの２つの内側壁には、ばねと対面してそれぞれディンプルが設けられ、
前記ディンプルは、内側壁において垂直方向に沿って水平方向に湾曲形成され、両端が内側壁に固定される固定端を持つことを特徴とする、請求項１に記載の核燃料集合体の支持格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板金加工及び溶接加工を排除し、設計自由度の高い３次元印刷を用いて製作が可能な核燃料集合体の支持格子に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉で使用される核燃料は、濃縮されたウランを一定サイズの円筒状焼結体（ペレットに成形した後、多数の焼結体を被覆管内に装入することにより燃料棒に製造され、このような多数の燃料棒は、核燃料集合体を構成して原子炉の炉心に装填された後、核反応によって燃焼する。
【０００３】
一般的に、核燃料集合体は、軸方向に配置される多数の燃料棒と、この燃料棒の横方向に設けられて燃料棒を支持する多数の支持格子と、支持格子に固定されて集合体の骨格を構成する多数の案内管と、案内管の上下端をそれぞれ支持する上端固定体及び下端固定体から構成する。
【０００４】
支持格子は、燃料棒の横方向の動きを拘束し、軸方向の動きを摩擦力で抑えて燃料棒の配列を維持する核燃料集合体の重要な部品の一つである。このような支持格子は、原子炉のタイプと設計によって形状及び個数が異なるが、燃料棒との組立位置に応じて保護支持格子、下部支持格子、上部支持格子、及び中間支持格子に区分され、垂直に交差するよう組み立てられる多数の格子板から構成されることにより、燃料棒が挿入位置する格子セルを提供する構造は同一である。
【０００５】
特に、中間支持格子は、下部支持格子と上部支持格子との間に多数配置されて支持格子の大部分を占めており、核燃料集合体の骨格体を形成して核燃料の機械的特性を維持し且つ燃料棒を支持する役割と共に、ウラン焼結体から生成された熱が燃料棒（被覆管）を経て１次冷却水へよく伝達されるように混合する機能を行う。また、中間支持格子は、各燃料の耐震性能を決定する重要な構成であって、中間支持格子の動的衝撃強度は、核燃料の耐震性能の計算に含まれる主要な因子である。
【０００６】
具体的に、支持格子は、格子セル内で燃料棒を弾性支持する格子ばねと、燃料棒の水平挙動を制限するためのディンプルが設けられる。これらの格子ばねとディンプルは、各格子セルを構成する支持格子板材を板金加工して形成される。一般的に、４面の格子セルのうち、互いに対面する２面にそれぞれ格子ばねとディンプルが設けられ、各格子セル内の燃料棒は、２つの格子ばねによって弾性支持される。
【０００７】
支持格子の製造過程は、板金加工されたそれぞれの内部格子板と外部格子板を、別個に設けられた溶接治具に組み立てて固定した後、内部格子板の交差溶接部と内部／外部格子板との接合部及びスリーブ接合部にレーザービームを照射して母材を溶融させることにより接合するレーザー溶接が行われる。
【０００８】
一方、支持格子は、冷却水流れの下流方向に突設された混合翼（ｍｉｘｉｎｇ  ｖａｎｅ）が設けられ、この混合翼は、燃料棒の周辺を包み込む形状を有し、燃料棒周辺の冷却水の混合を用いた熱伝達を促進する役割を果たす。一般に、混合翼は、格子板の上端に延設され、冷却水の方向を変更及び混合するために所定の形状を有し、その大きさ、形状、曲げ角度及び位置に応じて冷却水の混合性能が決定される。
【０００９】
このように、従来の支持格子の製造過程は、板金工程や溶接工程などの一連の工程が多く、また、設計過程における耐震性能のための動的衝撃強度の確保技術、及び冷却水を混合するための混合翼などの形状設計技術が相当ややこしい。
【００１０】
従来技術の支持格子の製造工程は、安定化した技術であるが、前述したようにさまざまな段階の製造工程を経るので、支持格子の形状設計に多くの制約が発生する。特に、従来技術の支持格子は、支持格子板材を板金加工して格子ばねとディンプルを提供する。よって、各格子セル内に設計可能な格子ばねとディンプルの形状及び個数が制限されて設計自由度が制限される。
【００１１】
これに関連し、炉心寿命の末期（ｅｎｄ  ｏｆ  ｌｉｆｅ、ＥＯＬ）条件で支持格子の衝撃強度が非常に低下することが報告されたことがある。よって、未来型核燃料の開発、及び高燃焼、長周期を考慮した有効燃料領域長さ１４ｆｔの核燃料の開発においても、ＥＯＬ条件での核燃料耐震性能及び機械的健全性の確保技術が必然的に要求される。このため、従来の支持格子の製造方法は、上述したように形状設計に多くの制約があるので、ＥＯＬ条件で十分に安定した高強度の支持格子を実現するのに限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】韓国公開特許２００３−００３８４９３号明細書（公開日：２００３年５月１６日）
【特許文献２】韓国特許第１０−０７７１８３０号明細書（公告日：２００７年１０月３０日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の問題点を改善しようとするもので、その目的は、板金及び溶接工程を排除し、設計自由度を高め、製造工程を単純化することができる３次元印刷を活用して製作が可能な核燃料集合体の支持格子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明に係る核燃料集合体の支持格子は、内側壁を有する四角の格子セルが正方格子（ｓｑｕａｒｅ  ｌａｔｔｉｃｅ）構造をなし、前記格子セルは、前記内側壁において垂直方向に沿って固定端を持ち、前記固定端から水平方向に湾曲形成されて自由端を持って燃料棒を弾性支持する複数のばねと、前記格子セルに対して垂直方向に設けられた複数の流路チャネルと、前記格子セルの端部に冷却水流れの下流方向に突設された複数の混合翼とを含む。
【００１５】
好ましくは、前記流路チャネルは、前記格子セルの交差地点に設けられ、より好ましくは、前記ばね及び前記流路チャネルの高さは、前記格子セルの高さと同一である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る核燃料集合体の支持格子は、内側壁を有する四角の格子セルが正方格子構造をなし、格子セルは、内側壁それぞれにおいて垂直方向に沿って固定端を持ち、この固定端から水平方向に湾曲形成されて自由端を持って燃料棒を弾性支持する複数のばねと、格子セルに対して垂直方向に設けられた複数の流路チャネルと、格子セルの端部に冷却水流れの下流方向に突設された複数の混合翼とを含み、板金加工及び溶接加工を排除し、設計自由度の高い３次元印刷を活用して構造を単純化しながらも衝撃強度を向上させ、圧力降下を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る核燃料集合体用支持格子の斜視構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って切開された核燃料集合体用支持格子の斜視構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る核燃料集合体用支持格子の平面構成図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る核燃料集合体用支持格子の平面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態で提示される特定の構造ないし機能説明は、単に本発明の概念による実施形態を説明するための目的で例示されたものであり、本発明の概念による実施形態は、様々な形態で実施できる。また、本明細書に説明された実施形態に限定されると解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更物、均等物ないし代替物を含むと理解されるべきである。
【００１９】
一方、本明細書で使用する用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに別の意味を有しない限り、複数の表現を含む。本明細書において「含む」または「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせの存在または付加可能性を予め排除しないと理解されるべきである。
【００２０】
本発明は、支持格子の製造工程中の板金加工及び溶接工程を排除し、金属３次元印刷で製作が可能な支持格子を提供しようとするものであり、従来の板金加工及び溶接工程によって製作されている支持格子の形状設計上の制限を解消し、製造工程を短縮することができる。
【００２１】
一般に、様々な金属３次元印刷装置が登場しており、例えば、ドイツのＣＯＮＰＣＥＰＴＬＡＳＥＲ社の３次元印刷装備は、製品の最大製作可能なサイズが２５０×２５０×２８０ｍｍ３であって、フルサイズ（ｆｕｌｌ−ｓｉｚｅ）の支持格子の製作が可能であり、粉末供給装置において一定の面積を有する粉末床に数十μｍの粉末層を敷き、レーザーまたは電子ビームを設計図面に従って選択的に照射した後、一層ずつ溶融させて積層する方式で製品の製造が行われるＰＢＦ（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｂｅｄ  Ｆｕｓｉｏｎ）方法が採用されている。一方、本発明の支持格子は、一般金属３次元印刷で採用している一般金属積層製造方式が採用でき、特定の方式に限定されるものではない。
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態に係る核燃料集合体用支持格子の斜視構成図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿って切開された核燃料集合体用支持格子の斜視構成図、図３は本発明の実施形態に係る核燃料集合体用支持格子の平面構成図である。以下の説明において、垂直方向は図面上のｚ軸方向に該当し、水平方向はｘ−ｙ平面を意味する。
【００２４】
図１乃至図３を参照すると、本実施形態の支持格子１００は、内側壁１１１を有する四角の格子セル１１０が正方格子（ｓｑｕａｒｅ  ｌａｔｔｉｃｅ）（（ｎ×ｎ））構造で配置されて互いに外接して固定され、各格子セル１１０は、垂直方向（ｚ軸方向）に複数のばね１２０と複数の流路チャネル１３０と複数の混合翼１４０が一体に形成される。
【００２５】
好ましくは、ばね１２０及び流路チャネル１３０の高さは格子セル１１０の高さＨと同一である。
【００２６】
格子セル１１０は、スロットやホールが形成されていない板状（ｓｏｌｉｄ  ｐｌａｔｅ）であり、各格子セル１１０は、湾曲するように突設された複数のばね１２０が備えられる。好ましくは、各ばね１２０は、内側壁１１１において垂直方向に沿って固定端１２１を持ち、この固定端１２１から水平方向（ｘ−ｙ平面）に湾曲形成された自由端１２２を持つ。好ましくは、ばね１２０は、略半円筒状の横断面を持ち、１８０°以上の円弧角θを持つ。
【００２７】
特に図３を参照すると、各格子セル１１０は、正方形を有する４つの内側壁１１１に垂直方向に沿って水平方向（ｘ−ｙ平面）に湾曲形成された４つのばね１２０が設けられ、各内側壁１１１からの各ばね１２０の最大高さは、格子セル１１０の中心から同じ半径ｒに位置し、その半径を直径「Ｄ２」によって定義すると、対向するばね１２０間の距離である直径Ｄ２は、燃料棒１０の外径Ｄ１よりは小さい（Ｄ２＜Ｄ１）。よって、燃料棒１０はばね１２０によって弾性支持される。
【００２８】
このように構成された本発明の支持格子は、正方格子セル内での４つのばねが等角（９０°）で設けられ、燃料棒１０を等方的に弾性支持しながら冷却水の混合機能を同時に行うことが可能であり、このような各格子セル内に等角で配置される複数のばねの配置は、従来の板金や溶接のみでは実現が不可能であったが、設計自由度の高い３次元印刷を活用して容易に製作が可能である。
【００２９】
流路チャネル１３０は、格子セル１１０に沿って垂直方向に一体に形成され、好ましくは中空の円筒状を有し、格子セル１１０の交差地点に設けられる。このような流路チャネル１３０は、格子セル１１０に垂直方向に一体に構成されて冷却水との接触面積を大きくして熱交換効率を高めることができ、特に、格子セル１１０の交差地点に配置されて全体的に正方形の構造を持つ支持格子における応力集中を分散させることができ、側面対角線方向（ｄｉａｇｏｎａｌ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に対する衝撃特性を高めることができる。
【００３０】
混合翼１４０は、格子セル１１０の端部から冷却水流れの下流方向に突設され、本実施形態において、混合翼１４０は、格子セル１１０の上端に設けられることを示している。このような混合翼１４０は、格子セル１１０の上端に一定の角度をもって配置され、横流混合と回転流動混合を誘導し、位置によって互いに異なる形状と角度を持つ多数の混合翼が備えられ得る。
【００３１】
図４は本発明の他の実施形態に係る核燃料集合体用支持格子の平面構成図であって、先立って実施形態と同じ構成についての重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
【００３２】
図４を参照すると、本実施形態の支持格子２００は、各格子セルを構成する４つの内側壁のうち、互いに直角方向に配置される２つの内側壁にばね２２１が設けられ、残りの２つの内側壁にはばね２２１と対面してそれぞれディンプル２２２が設けられる。
【００３３】
ばね２２１は、先立って実施形態と同様に内側壁において垂直方向に沿って固定端を持ち、固定端から水平方向に湾曲形成されて自由端を持つ。一方、ディンプル２２２は、内側壁において垂直方向に沿って水平方向に湾曲形成されるが、両端が内側壁に固定される固定端を持つ。
【００３４】
本実施形態において、支持格子のコーナーの角Ｒは、曲面状の面取り面を有し、このような構成は、核燃料集合体において隣接して配置される支持格子間のコーナーの角における干渉を最小限に抑えることができ、従来技術での板金加工による支持格子の製作ではこのような構造を持つ支持格子の実現が難しかったが、３次元印刷によって容易に実現が可能である。
【００３５】
図面符号２３０と２４０はそれぞれ流路チャネルと混合翼を示す。
【００３６】
以上で説明した本発明は、前述した実施形態及び添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な置換、変形及び変更が可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであろう。
【符号の説明】
【００３７】
１００    支持格子
１１０    格子セル
１２０    ばね
１３０    流路チャネル
１４０    混合翼
【図１】
0006868135.tif 000002
【図２】
0006868135.tif 000003
【図３】
0006868135.tif 000004
【図４】
0006868135.tif 000005