일반기술

원자로 부수로의 냉각제 혼합을 위한 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체

일반적으로 원자로 내에서 균일한 간격을 유지하며 배열되어 있는 핵연료봉은 정사각형으로 배열되어 종래의 통상적인 경수형 원자로용 핵연료집합체를 형성하게 된다. 이러한 원자로용 핵연료집합체는 다수의 격자판이 계란판 형상으로 용접되어 형성되는 다수의 지지격자체, 상하부에서 회부 하중을 각각 지지하는 상하단고정체 그리고 지지격자체 및 상하단고정체를 연결하여 핵연료집합체의 기본적인 골격을 형성하는 안내관 등의 구조재와, 핵분열하여 열을 발생하는 우라늄 소결체를 지르칼로이 피복관 내에 담고있는 핵연료봉 등으로 구성되어 있다. 핵연료집합체용 지지격자체는 연료봉의 간격유지 및 지지역할 뿐만 아니라 원자로의 하부에서 유입되는 냉각제가 흐르는 공간이 되는 연료봉과 연료봉 사이의 부수로에서 연료봉과 냉각재 사이의 열전달을 촉진시키는 역할을 수행하는데 대한 중요성이 점차 부각되고 있으며, 이와 같은 기조에 따라 지지격자체를 구성하는 격자판의 각 단위격자판 상단에 다양한 형상의 혼합날개를 부착한 형태로 지지격자체가 제공되어, 부수로 내부를 흐르는 냉각재의 유동을 혼합함으로써 지지격자체 하류의 부수로 내에서의 열전달을 촉진하는 역할을 수행하도록 하고 있다. 이러한 핵연료집합체용 지지격자체에 부착되는 유동혼합용 혼합날개는 지지격자체의 하류에서 유동의 난류강도를 증진시킴으로써 핵연료봉 표면과 유동하는 냉각제 사이의 열전달을 촉진하는 것으로 알려져 있으나, 이와 같은 열전달을 극대화할 수 있도록 혼합날개의 형상을 최적화할 수 있는 기술은 아직 확립되어 있지 않다. 이에 본 기술은 삼차원 RANS 열유동 해석기법을 이용하여, 과도한 압력강하를 방지하는 가운데 냉각재의 유동장에 지속적인 횡류유동을 발생시켜 핵연료봉과 냉각재 사이의 열전달 효율을 획기적으로 개선한 냉각수 혼합용 비틀림 혼합날개를 갖는 지지격자체를 제공한다.핵연료집합체에서 핵연료봉들로 둘러싸여 형성되는 부수로 내에서 혼합날개를 지나치는 냉각재의 3차원 열유동해석을 통해 혼합날개의 형상변화가 열전달계수와 마찰계수에 미치는 영향을 속도, 압력분포, 선회계수, 횡류계수, 난류강도 등을 통하여 검토함으로써 최적화된 혼합날개를 구비하고 있다. 즉, 지지격자체를 구성하는 각 단위격자판의 상단에서 각각 연장되는 두 개의 혼합날개를 서로 반대방향으로 구부리고 인접 부수로 방향으로 부가적인 비틀림각을 갖도록 형성되어 있다.지속적인 횡류혼합을 유발하여 핵연료봉과 냉각재 간의 열전달을 증진시키고, 구비된 비틀림각에 의해 냉각재의 유동이 부드럽게 유도되어 압력손실을 감소시킬 수 있다.