KR0147358B1

KR0147358B1 - 열관 와류 완화기를 갖는 가압수형 원자로 시스템

Info

Publication number: KR0147358B1
Application number: KR1019890020587A
Authority: KR
Inventors: 콕-슈엔 로 루이스
Original assignee: 지.엘.더머; 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀
Priority date: 1989-01-03
Filing date: 1989-12-30
Publication date: 1998-10-01
Also published as: JP2839922B2; US4957693A; EP0377494A1; ES2050942T3; KR900012287A; EP0377494B1; JPH02226096A

Abstract

가압수형 원자로 시스템(1)은 제1잔열제거관(21)과 열관(11) 사이에 위치되는 원통형 도관의 형태로 된 와류완화기를 포함하고, 제1잔열제거관(21)은 펌프(23) 그리고 원자로 압력용기(3)로 뒤로 향하여 안내되는 제2잔열제거관(25)으로 안내된다. 원통형 도관은 열관(11)이 내경 D₁을 가지고, 제1잔열제거관(21)이 내경 D₂를 가지고, 원통형 도관 또는 스텝 노즐(33)이 길이 L과 내경 D₃를 갖는 크기이며; D₃/D₁은 최소한 0.55, D₃/D₂는 최소한 1.9, 그리고 L/D₃는 최소한 1.44이며, 그러므로써 열관(11)에서 형성된 와류에 의한 펌프(23)의 공동화가 방지되어진다.

Description

열관 와류 완화기를 갖는 가압수형 원자로 시스템

제1도는 본 발명의 와류완화기를 사용한 가압수형 원자로 시스템의 사시도.

제2도는 중간 루프의 작동상태를 예시하는 제1도의 가압수형 원자로 시스템의 정면도.

제3도는 필요한 상대적인 크기로 도시된 본 발명의 와류완화기의 단면도.

제4도는 제3도의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 원자로 압벽용기 9 : 냉관

11 : 열관 17 : 증기발생기

21 : 제1잔열제거관 23 : 펌프

25 : 제2잔열제거관 27 : 잔열제거기구

29 : 제1단부 31 : 제2단부

33 : 스텝노즐

본 발명은 원자로 압력용기에서 증기발생기까지 뜨거운 유체를 전달하는 열관을 포함하는 가압수형 원자로 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은 그 열관에 제공된 와류완화기와 잔열제거기구를 가지고 있다.

작업원의 실수, 장비의 오작동 그리고 원자로 냉각시스템에서 냉각제 유출로 인한 잔열 제거시스템(RHRS) 작동에 관한 사고가 빈번히 일어나고 있다.

보고된 사고중에 일부는 냉각시스템에서 냉각유체레벨이 너무 낮게 배출되었기 때문에 일어난 것이다.

원로자 냉각시스템(RCS)의 물의 레벨이 일정 수준이하로 떨어지면 와류가 형성되기 시작하고 잔열제거(RHR) 펌프가 공동화되거나 공기가 들어차게 된다.

RHR 펌프는 손상을 방지하기 위해 수동으로 정지시켜야 한다. 현 PWR 발전소에서 이들 펌프는 안전주입펌프이다. 따라서 붕괴열 제거 및 낮은 헤드안전 주입기능을 상실하여 RCS가 가열되고 잠재성 노심은 노출되어진다. 오랜 주기의 노심노출은 연료손상의 원인이 된다.

RHRS를 복원하거나 열제거의 또다른 방법(벌크보일링, 노심노출, 연료손상등)을 만들기에 필요한 시간 여유는 RCS 온도, 붕괴열비율(이는 원자로 트립으로부터 RHRS 고장 및 노심출력작동기록까지의 경과된 시간의 간격에 의존한다) 그리고 RCS 재고량에 따라 달라진다.

가장 불행한 사건중의 하나는 중간루프작동중 RHRS의 손실에 기인하는 것이다. 중간루프작동이란 RCS가 증기발생기 검사 또는 수선을 하기 위해 열관의 대략 중간레벨까지 부분적으로 배출하는 작동이다.

RHR 펌프는 지정된 흐름율에서 작동하며 RCS 재고량은 감소된다. 만약 RCS 재고량이 일정 레벨이하로 떨어지면(이는 RCS에 레벨여유가 거의 없기 때문에 신속하게 일어나게 된다) 와류가 형성되기 시작하고 RHR 펌프는 공동화되어 RHRS의 손실을 초래한다. 감소된 RCS 재고량은 벌크보일링 및 노심노출전에 RHRS를 회복하는데 필요한 시간을 감소시킨다.

개선된 가압수형 원자로 시스템은 독립적인 RHR 시스템을 가지고 있지않다는 점에서 종래의 PWR 설계와는 다르다. 그러한 개선된 시스템의 한예가 1986년 1월 10일 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국특허 제4,769,209호에 서술되어 있다.

종래의 붕괴열 제거기능은 그러한 개선된 시스템에서 폐기냉각 시스템을 형성하기 위해 폐기연료냉각기능과 결합되어졌다. 그러한 결합의 한가지 장점은 개선된 가압수형 원자로 시스템의 폐기연료 냉각시스템이 폐기연료를 매몰지에서 냉각시킬 수 있게 하고 붕괴열 제거가 동시에 또는 따로 행해질 수 있다는 것이다.

두개의 동일한 펌프와 열교환기 트레인을 상호교환하여 사용할 수 있기 때문에 RHR용량 여유조건이 충족된다. 또다른 장점은 펌프가 더 이상 안전주입펌프가 아니라도 무방하다는 점이다.

그러나 종래의 발전소에서 중간루프작동과 관련된 RHR 냉각손실 문제는 여전히 개선된 가압수로 시스템에 나타났다. 개선된 시스템에서 증기발생기의 검사 및 수선은 열관의 물레벨이 일정수준까지 배수되는 것을 필요로 했다.

중간루프 작동이 진행되는 동안 붕괴열 제거펌프는 열관으로부터 물을 흡입하기 때문에 열관의 레벨이 너무 낮아 와류를 초래하고 펌프를 공동화시켜 종래의 PWR 발전소와 유사한 결과를 초래하였다.

본 발명의 목적은 시스템의 펌프속으로 공기도입이나 공동화를 초래하는 와류를 제거하거나 최소화하는 가압수로에서 펌프를 가지는 붕괴열 제거시스템을 제공하는 것이다.

가압수형 원자로 시스템은 원자로 압력용기 최소한 하나의 증기발생기, 원자로 압력용기에서 증기발생기로 뜨거운 유체를 배출하기 위한 열관과 증기발생기에서 원자로 압력용기로 차거운 물을 되돌려주는 최소한 하나의 냉관, 그리고 그속에 완류완화기를 갖는 잔열제거기구를 포함하고 있다.

잔열제거기구는 제1도관, 펌프, 제2도관 그리고 관련밸브와 기구를 포함하고 있다. 제1도관은 열관에서 펌프로 배출되는 유체를 운반하는 반면 제2도관은 펌프로부터 유체를 원자로 압력용기의 내부로 되돌려준다.

원통형 도관의 형태로 된 스텝노즐은 열관과 제1잔열제거관을 상호 연결하며, 열관과 제1도관에 상대적인 특정크기를 가지고 있어서 잔열제거 시스템의 펌프를 공동화시키는 와류의 형성을 방지해준다.

펌프에 공기가 들어차거나 공동화를 초래하는 와류를 제거하거나 최소화하기 위해 스텝노즐은 제1잔열제거관과 열관 사이에 위치되며, 그 직경을 열관의 직경으로 나눈 값이 최소한 0.55이며, 그 직경을 제1잔열제거관의 직경으로 나눈 값이 최소한 1.9이다. 스텝노즐의 길이는 또한 특정크기를 가지고 있어서 그 길이를 직경으로 나눈 값이 최소한 1.44이어야 한다.

본 발명은 가압수형 원자로에서 붕괴열 제거시스템의 펌프에 공기가 들어차거나 공동화를 초래하는 와류를 제거하는 장점을 가지고 있다.

본 발명은 단지 예로서 도시된 부수도면을 참고로한 양호한 실시예의 하기 설명으로부터 좀더 명백하게 될 것이다.

제1도 및 2도에서 가압수형 원자로 시스템(1)은 제거 가능한 헤드부(5)와 본체부(7)를 갖는 원자로 압력용기(3)를 포함하고 있다. 원자로 압력용기(3)는 그의 본체부(7)의 벽(13)을 통해 일체로 형성된 최소한 하나의 냉각제 유입수단 또는 냉관(9)과 최소한 하나의 냉각제 유출수단 또는 열관(11)을 가지고 있다.

원자로 압력용기(3)는 그의 헤드부(5)를 관통하는 제어수단(15)의 위치에 주로 의존하여 열을 발생하는 다수의 핵연료 소자를 갖는 노심(도시안됨)을 내장하고 있다. 노심에서 발생된 열은 잘 알려진 바와같이 냉관(9)을 통해 들어가는 냉각제에 의해 노심으로부터 열관(11)을 통해 배출된다.

열관은 뜨거운 냉각유체를 증기발생기(17)로 운반하며, 여기서 에너지를 제공하기 위한 증기가 발생되며, 이미 사용된 또는 차거운 냉각유체는 다시 냉관(9)에 의해 압력용기(3)로 되돌아온다.

예시된 실시예에서, 두개의 증기발생기(17)가 하나의 원자로 압력용기(3)에 연결되어 있으며, 단일 열관이 원자로 압력용기(3)에서 나와 각각의 증기발생기(17)에 도달되며, 한쌍의 냉관(9)은 각각의 증기발생기(17)에 원자로 압력용기(3)로 되돌아간다. 그러나 또다른 열관 및 냉관 설비들이 사용될 수도 있다.

제2도에 도시된 중간루프의 작동중, 원자로 압력용기(3)의 헤드부(5)와 제어수단(15)은 도시되어 있지 않으며, 잔열제거시스템(19)을 통해 열관(11)으로부터 냉각제의 연속 순환에 의해 잔열제거가 수행된다.

상기 잔열제거시스템(19)은 열관(11)에서 펌프(23)까지 배출관 또는 제1잔열제거관(21)과 원자로 압력용기(3)의 내부와 연결되는 펌프(23)에서부터 복귀관 또는 제2잔열제거관(25)을 가지고 있다.

이는 상기 중간루프의 작동중 펌프(23)의 공동화가 열관(11)내의 유체와류로 인하여 제1잔열제거관(21)에서 일어날 수 있기 때문에 구비되어야 한다.

본 발명에 따라서 잔열제거기구(27)는 제1잔열제거관(21) 즉, 펌프(23)까지 유로에서 열관내의 유체 공동화를 배제하도록 제공된다. 예시된 바와같이 원통형 열관(11)은 제1직경 D₁(제3도)을 가지고 있다.

제1원통형 잔열제거관(21)은 열관으로부터의 유체를 수용하도록 제1단부(29)와 펌프(23)까지 연결된 제2단부(31)를 가지고 있다. 제2잔열제거관(25)은 펌프를 원자로 압력용기(3)에 연결해준다.

원통형 도관의 형태로 된 스텝노즐(33)은 열관내에 형성된 배출 오리피스(35)에서 열관(11)을 제1잔열제거관(21)의 제1단부(29)에 연결시키고, 열관(11)에서 제1잔열제거관(21)까지 유체의 흐름을 제공하기 위해 연결되어 있다.

열관(11)으로부터의 유체에 의해 발생되는 와류로 인한 펌프(23)의 공동화를 방지하거나 최소화하기 위해 열관(11), 스텝노즐(33) 그리고 제1잔열제거관(21)의 내경은 열관에서 형성된 와류의 운동량을 감소시키고 펌프(23)의 공동화 및 공기유입을 방지하도록 와류를 분쇄하기에 충분하도록 설정된 상대적인 크기를 가지고 있어야 한다.

제3도 및 제4도에 잘 나타나있듯이, 열관(11)은 설정된 내경 D₁을 가지고 있는 반면 제1잔열제거관(21)은 설정된 내경 D₂를 가지고 있다. 역시 실린더형태로 된 스텝노즐(33)은 특정 길이와 직경을 가지고 있다.

스텝노즐(33)의 내경 D₃은 열관(11)의 내경 D₁에 대해 상대적인 값을 가지고 있어야 하며, D₁/D₃이 0.55보다 크거나 같도록 해야 한다. 다시말해 D₃/D₁≥0.55로 해야한다.

추가로 스텝노즐(33)의 내경 D₃은 제1잔열제거관(21)의 내경에 대해서도 상대적인 값을 가져야 하며, D₃/D₂가 1.9보다 크거나 같도록 해야한다. 다시말해 D₃/D₂≥1/9로 해야한다.

열관(11) 및 제1잔열제거관(21)이 특정한 상대적 직경을 갖도록 한 것에 추가하여 공동화를 방지하거나 최소화하기 위해 스텝노즐(33)은 그 내경 D₃에 상대적으로 설정된 길이 L을 가지고 있어야 한다.

스텝노즐(33)의 길이 .L은 L/D₃가 1.44보다 크거나 같도록 해야한다(즉, L/D₃≥1.44). 하기 크기는 본 발명에 따라 사용할 수 있는 상대적인 크기를 예시한다.

열관(11)의 내경 D₁=78.74cm(31인치); 제1잔열제거관(21)의 내경 D₂=22.23cm(8.85인치); 스텝노즐(33)의 내경 D₃=43.38cm(17.08인치) 스텝노즐(33)의 길이 L=62.48cm(24.6인치)

상기 조건이 충족되었을 때 시험결과는 제1잔열제거관(21)이 스텝노즐(33)과 열관(11)을 구별하지 못했으며, 열관(11)이 입구(37)를 통해 원자로 용기에서의 유체를 수용하고 출구(39)를 통해 증기발생기로 유체를 배출하는데 적합하다는 것을 보여주었다.

잔열 제거시스템에서 특정 크기의 스텝노즐(33)을 사용함에 의해 펌프(23)의 공동화나 공기 유입이 최소화되거나 제거되었다.

이러한 특정한 크기를 사용하는 원칙은 두가지 면에서 이루어졌다.

a) 스텝노즐은 열관과 일체로 되어있다.

따라서 주어진 유체흐름율에서 와류의 형성에 중요한 영향을 갖는 변수로서 물 재고량이 증가된다.

b) 스텝노즐은 제1잔열제거관보다 더 높은 속도를 부여한다.

따라서 주어진 유체흐름율에서 와류의 형성에 중요한 영향을 갖는 또다른 변수로서 프로우드수(Froude number)가 스텝노즐에서 더 작다.

상술한 개선된 와류완화기는 새롭게 건설되는 가압수형 원자로 시스템에 사용될 수도 있고 기존 설비를 개조하여 사용할 수도 있다.

완류완화기가 기존의 원자력 발전소를 개조하여 사용할 때 제1잔열제거관(21)은 그 접속부에서 열관(11)으로부터 분리시켜야 한다.

그대신 스텝노즐(33)이 열관(11)과 제1잔열제거관(21) 사이에 삽입되어(41)로 지적된 바와같이 각각에 용접되어야 한다.

이러한 스텝노즐의 여분길이를 수용하기 위해 제1잔열제거관(21)은 잔열제거시스템의 잔여루팅도관에 따라서 짧아지거나 짧아지지 않게 된다.

Claims

원자로 압력용기(3)와, 최소한 하나의 증기발생기(17)와, 원자로 압력용기(3)에서 증기발생기(17)로 뜨거운 유체를 배출하기 위한 열관(11)과 증기발생기(17)로부터 차거운 유체를 원자로 압력용기(3)로 되돌려주는 최소한 하나의 냉관(9)을 갖는 열관와류를 완화하기 위한 가압수형 원자로 시스템에 있어서, 열관(11)으로부터의 유체를 수용하기 위한 제1단부(29)와 제2단부(31)를 갖는 제1잔열제거관(21)과, 원자로 압력용기(3)에 연결된 제2잔열제거관(25)과; 제1잔열제거관(21)의 제2단부(31)를 제2잔열제거관(25)에 상호연결시키는 펌프(23)와, 원통형 도관의 형태로 열관(11)과 제1잔열제거관(21)을 상호연결하여 열관(11)에 내의 유체에 형성된 와류의 운동량을 감소시키고 펌프의 공동화와 공기도입을 방지하도록 와류를 분쇄하기에 충분한 직경과 길이를 갖는 스텝노즐(33)로 구성되는 잔열제거기구(27)를 갖는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로 시스템.
제1항에 있어서, 열관(11)이 내경 D₁을 가지고, 제1잔열제거관(21)이 내경 D₂를 가지고 스텝 노즐(33)은 내경 D₃와 길이 L을 가지며, D₃/D₁은 최소한 0.55, D₃/D₂는 최소값 1.9, 그리고 L/D₃는 최소한 1.44인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템.
제1항에 있어서, 열관(11)의 내경 D₁이며, 제1잔열제거관(21)은 내경 D₂, 열관(11)으로부터의 유체를 수용하기 위한 제1단부(29), 그리고 제2단부(31)를 가지고 있으며; 제2잔열제거관(25)은 원자로 압력용기(3)에 연결되었으며; 펌프(23)는 제1잔열제거관(21)의 제2단부(31)와 제2잔열제거관(25)을 상호연결하며; 내경 D₃와 길이 L을 갖는 스텝노즐(33)은 D₃/D₁≥0.55, D₃/D₂≥1.9, 그리고 L/D₃≥1.44로 되도록 열관(11)과 제1잔열제거관(21)의 제1단부(29)를 상호연결시키는 것을 특징으로 하는 원자로 시스템.