1. 웨스팅하우스형 원전용 개량핵연료 지지격자의 설계검토 본 세부과제가 소속된 한전원자력연료(주)에서 웨스팅하우스사와 공동개발하게 된 웨스팅하우스형 원전용 개량핵연료(이하 개량핵연료) 16X16형 및 17X17형에 채택할 지지 격자체에 대한 설계사항 및 구조적 특징을 분석하였다. 특히 핵연료의 성능에 큰 영향을 미치는 중간 지지격자에 대해서는 스프링 및 딤플의 구조적 설계특성을 상세히 검토하였으며 기계적 시험을 위한 자료를 생산하였다. 2. 지지격자체 기계적 시험개량핵연료의 중간 지지격자에 대한 기계적 성능을 검증하고 확보하고 있는
1. 웨스팅하우스형 원전용 개량핵연료 지지격자의 설계검토 본 세부과제가 소속된 한전원자력연료(주)에서 웨스팅하우스사와 공동개발하게 된 웨스팅하우스형 원전용 개량핵연료(이하 개량핵연료) 16X16형 및 17X17형에 채택할 지지 격자체에 대한 설계사항 및 구조적 특징을 분석하였다. 특히 핵연료의 성능에 큰 영향을 미치는 중간 지지격자에 대해서는 스프링 및 딤플의 구조적 설계특성을 상세히 검토하였으며 기계적 시험을 위한 자료를 생산하였다. 2. 지지격자체 기계적 시험개량핵연료의 중간 지지격자에 대한 기계적 성능을 검증하고 확보하고 있는 시험기술을 제고하기 위해 스프링/딤플 특성시험, 연료봉 프레팅마멸시험 및 지지격자체 충격시험을 수행하고 결과를 분석하였으며 웨스팅하우스사에서의 시험결과와 비교 평가하였다. 1) 개량핵연료 중간 지지격자 스프링/딤플 특성시험 하중-변위특성 시험은 핵연료집합체 내에서 핵연료봉이 지지하는 힘과 이를 위한 스프링 및 딤플의 변위를 구하기 위한 시험으로서 지지격자 관련 시험 중 매우 중요한시험이다. 이 시험에 대한 웨스팅하우스사의 방법을 검토하고 국내에서 해오고 있는Block Test와 In-Grid Test 방법과 비교함으로써 시험방법 및 결과의 신뢰성을 검증하였다. 특히 Block Test에서는 지지격자체 상태의 경계조건을 모사할 수 있는 간편한 시험방법을 개발하고자 하였으며, 이로부터 경계조건이 스프링/딤플의 특성에 미치는 영향에 대해서도 분석하고자 하였다. 2) 지지격자체 충격시험상온 및 고온 분위기에서 Full Size 중간 지지격자체에 대한 충격강도 및 충격특성을 구하기 위해 기존에 보유하고 있던 지지격자체 충격시험기를 개선하였다. 시험 결과로부터 지지격자체의 충격강도 및 특성에 영향을 미치는 지지격자체 설계 또는 제조 인자에 대해 검토하였으며 개량핵연료에 사용될 지지격자체의 충격강도가 설계기준에 적합한지를 평가하고자 하였다. 3) 핵연료봉 프레팅마멸 시험 핵연료봉 프레팅마멸이 주로 발생하는 중간 지지격자 스프링 및 딤플과 핵연료봉 사이의 프레팅마멸을 분석하기 위해 상온 공기중/수중 미끄럼마멸, 상온 공기 중 미끄럼/충격마멸 및 고온고압 수중 미끄럼/충격마멸 실험 등 3종의 실험을 수행하였다. 상온공기중/수중 미끄럼마멸시험에서는 개량핵연료 지지격자 스프링의 I자 형상에 따른 마멸특성과 하중 및 미끄럼 변위의 변화에 따른 마멸량 변화, 그리고 공기중 및 수중분위기에 따른 마멸량 차이 등을 분석하였다. 상온 미끄럼/충격마멸시험을 통해서는 접촉하중이 있는 경우와 스프링/딤플과 연료봉 사이에 틈새가 있는 경우 달라지는 마멸특성, 마멸기구 및 마멸량 등을 분석하고 접촉형상에 따른 영향을 평가하였다.한편, 원자로 내부의 분위기와 같은 고온고압의 수중조건 하에서 미끄럼/충격마멸 시험을 수행할 수 있는 시험기를 개발하고 시험함으로써 개량핵연료에 대해 웨스팅하우스사에서 캐나다 AECL에 의뢰하여 수행하고 있는 마멸실험 결과와의 비교분석하였다.이와 같은 일련의 마멸시험 과정 중 스프링/딤플의 표면에 나타난 마멸 궤적을 분석하였으며 마멸깊이를 저감할 수 있는 형상을 고찰하였다. 또한 마멸량을 분석할 수 있는 프로그램을 개발하고 많은 시험 데이터를 이용하여 수정 및 개선하였으며 마멸모델링에 사용할 수 있는 마멸저항성 평가 파라미터를 구하고자 하였다. 3. 개량핵연료 피복관의 후보재료인 Low Sn ZIRLO에 대한 부식 및 인장시험 수행 및 결과 분석 개량핵연료에서 피복관 및 지지격자판 재료로 새로이 채택한 Low Sn ZIRLO의 재료적 특성시험을 수행하여 신 재료에 대한 성능을 검증하였다. 이를 위한 시험으로서 Low Sn ZIRLO strip에 대한 상온 및 고온인장시험, 그리고 부식 시험을 수행하였다.상온 및 고온인장시험에서는 Low Sn ZIRLO의 기계적 특성 데이터베이스를 생산하였으며 부식시험에서는 360℃ water, 400℃ steam 및 360℃ 70ppm LiOH 수용액의 세가지 조건에서 시험하여 각각의 분위기에서 발생한 부식량을 상호비교 하고자 하였다. 한편, 내 부식성 향상을 위한 Sn 함량 저감의 효과를 파악하기 위해 Sn 함량에 따른내 부식성에 대해 분석하였다. 4. 웨스팅하우스사의 지지격자 개발절차 분석웨스팅하우스사에서의 지지격자의 개발과정에 수행하는 부품 및 핵연료집합체 단위의 시험 종류 및 시험체계에 대해 파악하였다. 이때, 웨스팅하우스사에서 수행하고 있는 screening test, scoping test 및 confirmatory test 각각에 대한 성격을 분석하였으며 각각의 시험에 필요한 시편의 형태 및 시험조건 등에 대해 분석하였다. 한편 지지격자스프링 및 딤플의 프레팅마멸 저항성을 분석하기 위해 웨스팅하우스사에서 캐나다 AECL에 의뢰하여 수행하는 고온고압 프레팅마멸 시험방법과 관련하여 현지에서의 기술토의도 수행하였다.
Abstract▼
1. Check of the design of the advanced fuel for the Westinghouse type plantsAnalyzed were the design and structural features of the 16X16 and 17X17 spacer grids of the advanced fuel for the Westinghouse type plants (hereinafter "the advanced fuel"). Especially, the springs and dimples of the mid gr
1. Check of the design of the advanced fuel for the Westinghouse type plantsAnalyzed were the design and structural features of the 16X16 and 17X17 spacer grids of the advanced fuel for the Westinghouse type plants (hereinafter "the advanced fuel"). Especially, the springs and dimples of the mid grids were investigated in detail. The tests for evaluating the performance of the grids were prepared and the relevant documentation for the tests were carried out. 2. Mechanical tests of the mid grids Spring/dimple characterization tests, fuel rod fretting wear tests and crush tests of the grid assemblies were conducted to verify the mechanical performance. The test results were compared with those produced by the Westinghouse company to verify and improve the domestic test technology and equipments. 1) Spring/dimple characterization tests for the mid grids of the advanced fuel Tests to acquire the force-displacement relationship of the springs and dimples are very important for the fuel design since it gives the support capability of the fuel rods in a fuel assembly. The Westinghouse technology was studied and compared with the relevant test technology in Korea such as the block test and the In-Grid tests. In particular, it was intended to develop a new simple method of the block test, that could simulate the appropriate boundary conditions of the grid assembly. The results were compared with those of the Westinghouse company to verify the test methods as well as the reliability. It was also tried to analyze the influence of the boundary conditions on the characterization result. 2) Impact tests of spacer grid assembly Impact tester was amended and improved to accommodate the full size spacer grid under the room and the high temperature environment. The design and fabrication parameters that affected the crush strength and characteristic were considered. It has been tried to verify that the crush strength fulfilled the design requirement. 3) Fuel rod fretting wear tests Three different fuel rod fretting wear tests were carried out for the mid grids: the sliding wear tests under the air/water environment at room temperature, the sliding/impact wear tests under the air environment at room temperature and the sliding/impact wear tests under the air/water environment of high temperature and highpressure. From the sliding wear tests under the air/water environment at room temperature, investigated were the wear characteristic of the I-shape spring, the variation of wear volume, area and depth corresponding to the variation of the contact force and displacement, as well as to the variation of the environment. From the sliding/impact wear tests under the air environment at room temperature, the variation of the wear characteristic, mechanism, and the wear volume, area and depth corresponding to the variation of the supporting condition (i.e., positive contact force or gap existence) are analyzed. The influence of the contact shape was also evaluated. On the other hand, a high temperature and high pressure wear machine has been developed to conduct the fretting wear tests with the in-reactor condition. Test results with this machine were compared with the AECL (Atomic Energy Canada Limited)'s results. In every test, wear traces on the fuel tubes were evaluated, from which the contact shapes that can reduce the wear severity were discussed. An algorithm was developed to improve the wear volume calculation. 3. Corrosion and tensile tests and evaluation of the new candidate material for the fuel cladding of the advanced fuel, Low Sn ZIRLO Material characterization tests were carried out to verify the performance of the new candidate material for the fuel cladding as well as the spacer grids of the advanced fuel, Low Sn ZIRLO. Corrosion and tensile tests were done using the Low Sn ZIRLO strip. Mechanical characterization database was acquired by the tensile tests under the room and high temperature. From the corrosion tests, three different environments were applied: 360℃ water, 400℃ steam 및 360℃ 70ppm LiOH. The environment that caused the least corrosion on the Low Sn ZIRLO was investigated. The influence of the Sn content on the corrosion effect has also been studied. - xiv - 4. Analysis of the spacer grid development procedure in the Westinghouse company Studied were the test methods and procedures for the fuel component and assembly conducted in the Westinghouse company. Especially, the purposes of the screening test, the scoping test and the confirmatory tests were investigated in detail. For instance, the specimen and test condition for each test were considered. Technical discussion on the AECL's fretting wear tests was also done with the engineers of the AECL during the project.
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