KR100193286B1 - 수용성 중성자 흡수 물질을 순환시키는 원자로 출력 제어방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수용성 중성자 흡수 물질을 순환시키는 원자로 제어 방법과 그 장치에 관한 것으로서, 원자로에서 수용성 중성자 물질로서 출력을 제어함에 있어서, 수용성 중성자 흡수 물질을 순환시키는 이중 큐브식 제어봉을 핵연료 집합체 사이에 한 개 또는 여러개 삽입하여 이 이중 튜브에 수용성 중성자 흡수 물질을 순환시킴으로써 이들의 농도 변화에 의하여 원자로 반응도를 조절하여 원하는 원자로 출력을 얻게함을 특징으로 한다.

Description

수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어방법과 그 장치

제1도는 본 발명에 따른 제어봉 제어장치의 개략도.

제2도는 본 발명의 1 실시예로서 횡단면으로 본 설치개념도.

제3도는 본 발명의 이중배관의 1 실시예로서 횡단면 개념도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 핵연료 집합체 2 : 배관

2a : 안쪽 배관 2b : 바깥쪽 배관

2c : 지지대 3 : 핵연료봉

4 : 제어봉 5 : 제어봉 탈착면

5a : 하반구 5b : 상반구

5c : 이중배관 5d : 구멍

5e : 구멍

본 발명은 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 제어방법과 그 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 원자력 발전소에서 원자로 출력 변동시 사용하는 방법으로 원자로 반응도 제어를 위해 원자로심에 제어봉을 삽입하는 대신 핵연료 집합체의 제어봉 삽입위치에 이중배관을 삽입하고, 이 이중배관내에 붕산수 등과 같은 수용자 중성자 흡수물질을 흐르게 하며, 이들 중성자 흡수물질의 농도변화에 의해 원자로 반응도를 조절하여 원하는 원자로 출력을 얻기 위한 것이다.

원자력 발전소에서 사용되는 제어봉은 B₄C 또는 은-인듐-카드뮴의 합금 등과 같은 고체 상태의 중성자 흡수 물질을 봉 형상으로 제작하고 이 제어봉을 원자로심에 삽입/인출하여 원자로심의 중성자 밀도를 조절하고 있다.

고체 제어봉을 원자로심에 삽입/인출하여 출력을 조절하는 방법은 중성자의 밀도를 효율적으로 변경시킬 수 있으나 빠른 삽입과 인출시, 원자로심 특히 축방향의 중성자 밀도가 상당히 왜곡될 수 있다.

이에 따라 출력의 국부적인 급격한 변화에 따라 핵연료봉에 악영향을 끼칠 가능성이 충분하므로,원자로 운전시에는 노심의 반응도 조절뿐만 아니라 원자로 출력분포(주로 축방향 출력)도 동시에 조절하여야 하며, 이를 위하여 기존의 원자력 반전소에서는 노심내 붕산수의 농도 조절이나 제어봉을 사용하고 있다.

그러나 원자로의 일일 부하 추종 운전에서와 같이 원자로 출력이 급격히 변하는 운전 모드에서는 원자로의 출력 조절반응도 조절은 주로 제어봉에 의존하고 있다.

이 경우 원자로심의 반응도 조절을 위하여 제어봉을 삽입하거나 인출할 경우 반응도가 높은 제어봉들은 원자로의 축방향 분포 제어를 위하여 사용되고, 반응도가 작은 제어봉들은 원자로심 반격 방향 분포를 제어하기 위하여 사용된다.

따라서 원자로의 반응도 보상을 위하여 제어봉을 인출하게 될 경우 출력 분포를 제어하기 위하여 다른 제어봉을 삽입해야 되는 등 반응도 및 출력 분포 조절 과정이 매우 복잡하게 된다. 또한 , 상기 제어봉의 구동 장치는 전기, 전자 방식을 사용하며 대단히 복잡하고 고가이나, 지속적인 원자로 출력 변동 운전시 제어봉 구동 장치의 마모와 관련된 문제등 유지 및 보수에 관심한 주의를 요하는 정밀 장치이다.

이를 해결하기 위하여 원자력 선진국에서는 다양한 방법으로 원자로의 출력을 변경할 수 있도록 지속적인 연구를 수행하고 있는 상황이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 이중배관 내를 흐르는 수용성 중성자 흡수재 수용액의 농도를 조절하여 원자로 출력 제어시, 원자로심의 출력변동시, 축방향 출력 분포의 안정성을 향상시키고, 장치의 설치와 운전 및 보수를 용이하게 함과 동시에, 경제적 부담감을 해소할 수 있는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어방법과 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 제어봉 장치는 정밀하게 가공된 제어봉 탈착면을 경계로 상부와 하부 2개 부분으로 분리되고, 상기 하부에는 10개 전후의 제어봉을 설치할 수 있으며, 필요에 따라 증감할 수 있다.

상기 제어봉은 내부에 수용성 중성자 흡수물질의 수용액이 흐를 수 있도록 이중배관으로 되어 있으며, 원자로심의 핵연료 집합체에 삽입되어 있다. 또한 상기 제어봉의 하부는 압력에 견딜 있도록 곡면으로 설계되어 있으며, 내부배관의 외벽에는 적당한 간격으로 지지대가 설치되어 내부배관과 외부배관이 서로 지지할 수 있도록 설계되어 있다.

상기 제어봉 제어장치 상부에는 1개의 이중배관이 설치되어 있으며, 원자로 용기 상부덮개 또는 원자로 용기하부 등, 기타 적당한 곳에 가공되어 있는 구멍에 이중배관의 외부배관이 용접되어 외부의 중성자 흡수물질 수용액 공급장치 및 회수장치와 연결되도록 되어 있다.

상기 제어봉 제어장치 상부와 하부 사이에는 제어봉 탈착면이 위치하고 있으며, 상기 제어봉 탈착면은 정밀하게 가공된 금속면으로, 필요시 밀봉용 링을 설치할 수도 있으며, 이중배관의 내부배관과 연결될 수 있도록 내부배관 직경과 동일한 구멍이 내부배관 위치에 가공되어 있다. 상기 이중배관의 외부배관은 상부의 곡면부위에 가공되어 있는 구멍에 용접되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 일차 계통과 제어봉 내부의 압력차이에 별도의 밀봉장치를 설치하지 않고도 일차 계통과 출력 제어용액이 혼합되는 것을 방지할 수 있도록 밀봉 할 수 있다. 즉, 일차계통의 압력이 제어봉 내부의 압력보다 증가될 경우에는 이들 압력차로 인하여 발생하는 힘에 의하여 제어봉 탈착면은 상호 밀착하여 충분히 밀봉을 유지하게 된다.

또한, 상기 제어봉은 핵연료 집합체에 삽입되어 있으며, 필요시 일차계통이 가압되지 않는 상황에서도 제어봉 탈착면이 적절하게 접촉할 수 있도록 제어봉 하단부는 스프링(도시없음)에 의하여 상부로 다소의 힘을 받는다. 또한 제어봉은 필요시 핵연료 재 장전시에 쉽게 교체할 수 있다.

이하 발명의 실시예를 첨부도면에 연계시켜 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명의 제어봉 장치의 개략도, 즉, 원자로심 핵연료 집합체(1) 1개에 삽입되어 있는 제어봉(4)을 종단면으로 자른 형태를 도시한 것으로, 핵연료 집합체내의 모든 제어봉 삽입위치에 삽입되어 있으며, 현재 원자력 발전소에서 사용되는 고체 제어봉 제어다발과 같이 이웃하는 서로 다른 핵연료 집합체 1개의 제어봉 다발을 설치할 수 있다.

상기 제어봉 다발은 원자로 용기 상부덮개 또는 원자로 용기 하부에 형성된 구멍(도시없음)에 부착시킬 수 있으며, 이 부분을 통하여 수용성 중성자 흡수물질을 통과시킴으로써, 제어봉내의 중성자 흡수물질의 농도를 변화시킬 수 있다.

이때 상기 제어봉은 이중배관으로 되어 있으며, 내부공간을 통하여 수용성 중성자 흡수물질이 흐르고, 중성자 흡수물질의 흐르는 방향은 도시된 방향과 반대방향이 되어도 되며, 중성자 흡수물질은 지속적으로 흐르지 않고 단속적으로 흘러도 된다.

상기 이중배관은 핵연료 집합체에 영구적으로 설치할 수도 있으며, 필요에 의하여 핵연료 재장전시 이중배관을 교체할 수도 있다.

상기 제어봉 장치는 정밀하게 가공된 제어봉 탈착면(5)을 경계로 상하 2개 부분으로 분리되고, 하반구(5a)에는 제어봉 다발이 부착되며, 상반구(5b)에는 이중배관(5c)이 부착됨과 동시에, 상기 이중배관을 원자로 용기 상부덮개 또는 용기하부에 부착시키도록 되어 있다.

또한, 제어봉 탈착면(5)을 경계로 상반구와 하반구로 분리된 제어봉 제어장치는 중성자 흡수물질 수용액의 압력이 일차계통의 냉각수 압력보다 낮을 경우, 이들 상반구와 하반구는 일차 계통과 붕산수 압력차로 인하여 서로 밀착되며, 제어봉 탈착면이 충분히 매끄러우면 별도의 장치 없이도 이들의 압력차에 의해 발생되는 힘 때문에 밀봉상태를 유지하게 된다.

이들 장치들은 원자로심 내의 고온고압에 견딜 수 있도록 설계해야 하며, 중성자 흡수물질 수용액을 원자로 일차계통 압력보다는 낮으나, 충분히 높은 압력으로 가압하여 수용액의 비등을 방지해야 된다.

제2도는 본 발명의 1 실시예로서 횡단면으로 본 설치개념도를, 제3도는 본 발명의 이중배관의 1 실시예로서 횡단면 개념도를 도시한 것으로, 제2도에 도시된 작은 원은 핵연료봉(3)이며, 5개의 이중원은 제어봉(4)을 나타낸다.

상기 제어봉은 내부에 수용성 중성자 흡수물질의 수용액이 흐를 수 있도록 이중배관(2)으로 되어 있으며, 안쪽 배관(2a)으로 수용액이 흘러 들어가서 핵연료봉 하단부까지 흐른 후 이중배관의 바깥쪽 배관(2b) 안쪽을 통하여 원자로 압력 용기 외부로 회수된다.

이 경우 회수된 중성자 흡수 물질의 수용액은 다시 정제하여 사용 가능하며, 출력 제어시에만 단속적으로 수용액을 순환시키면 되므로 운전중 폐기물 발생량은 미미하다.

또한, 제어봉의 하부를 압력에 견딜 수 있도록 곡면으로 설계되어 있으며, 내부배관의 외벽에는 적당한 간격으로 지지대(2c)가 설치되어 있어서 내부배관과 외부배관이 서로 지지할 수 있도록 설계되어 있다.

반면 상반구(5b)에는 1개의 이중배관(5c)이 설치되어 있으며, 원자로 압력 용기 상부덮개 또는 원자로 용기하부에 가공되어 있는 구멍(도시없음)에 이중배관의 외부배관이 부착되어 외부의 중성자 흡수물질의 수용액 공급장치 및 회수장치와 연결된다.

제어봉 탈착면(5)은 정밀하게 가공된 금속면으로, 필요시 밀봉용 링을 설치할 수 도 있으며, 이중배관의 내부배관과 연결될 수 있도록 내부배관 위치에는 내부배관 직경과 동일한 구멍(5d)이 가공되어 있다.

또한, 상기 이중배관의 외부 배관과, 제어봉의 외부배관은 상반구 및 하반구의 곡면부위에 가동되어 있는 각각 구멍(5e)에 용접되어 있다.

또한 본 발명의 응용예로서, 제어봉 내부에 흐르는 출력 제어 용액의 흐르는 방향 및 용액의 종류 등은 바뀔 수 있으며, 핵연료 집합체에 삽입시키는 방식도 다양하게 바뀔 수 있다.

일차계통이 가압되지 않은 상황하에서 제어봉 탈착면을 적절히 접촉시킬 수 있는 방법으로 제어봉 하단부에 스프링을 설치하는 방식뿐만 아니라 다수개의 제어봉이 부착된 하반구를 스프링 등으로 지지하는 방법도 포함된다.

또한 핵연료 집합체에 삽입되는 제어봉의 개수도 10개로 한정되지 않고 필요에 따라서 임의로 변경이 가능하고, 제어봉 제어장치의 형상도 반구형뿐만 아니라 타원형등 압력에 견딜 수 있도록 설계될 수 있으며, 제어봉 탈착면의 밀봉을 보증하기 위하여 평면뿐만 아니라 곡면 가공(groove)과 같은 홈을 가공하여 설치하는 것도 포함된다.

이와 같이 본 발명은 운전 및 보수가 대단히 쉽도록 제어봉을 이중배관으로 설계하고, 상기 이중배관내를 흐르는 수용성 중성자 흡수재 수용액의 농도를 조절하여 원자로심의 중성자 밀도를 변경시키도록 되어 있어, 반응도 조절을 위하여 중성자 흡수 물질 수용액의 농도를 변화시켜도 축방향 출력 분포가 거의 일그러지지 않기 때문에 축방향 출력 분포 조절을 위하여 다른 제어 기능이 필요하지 않으며, 원자로 출력 제어시, 원자로심의 출력 변동시, 축방향 출력 분포의 안정성이 향상되고, 장치의 설치 및 운영 등이 기존 설비에 비해 특히 유리하며 안전하다.

즉, 본 발명을 원자로 출력 제어 목적으로 사용할 경우, 원자로심에서의 출력 분포가 반경 방향뿐만 아니라 축방향으로도 대단히 안정적이며, 특히 제논(Xe) 농도 변화로 인한 출력의 변화율을 최소화하여 핵연료의 건전성 확보에 매우 유리하다.

또한, 원자로심 축방향으로 중성자 흡수물질의 농도가 균일하기 때문에 기존의 중성자속 제어봉 인출/삽입에 의해 발생되는 중성자 속의 축방향 진동에 따라 부정적 요인을 제거할 수 있다.

또한, 본 발명은 별도의 특수장비 없이 수용량의 펌프 및 밸브등을 이용하여 제어봉내에 수용성 중성자 흡수재의 수용액이 흐르게 하므로, 경제성 및 원자로 이용률 향상을 도모할 수 있다.

또한, 원자로심의 말기에도 운전 및 보수가 용이하도록 이중배관으로 형성된 제어봉내에 수용성 중성자 흡수물질의 수용액이 아닌 순수증류수와 같은 중성자 감속재를 흐르게 할 수 있으므로 노심 말기에도 출력 제어 운전이 가능하고, 주기 말에도 노심내 반응도 흡수 물질을 최대한 줄일 수 있기 때문에 핵연료 연소도를 증가시킬 수 있으므로 핵연료 경제성의 향상도 기대되는 것이다.

Claims (8)

1. 원자로에서 수용성 중성자 물질로서 출력을 제어함에 있어서; 상기 원자로의 핵연료 집합체(1) 사이에 내/외부배관을 구비하는 이중튜브식 제어봉(4)을 단일 또는 다수개 삽입하고, 상기 내/외부배관을 구비하는 이중튜브식 제어봉(4)내에 수용성 중성자 흡수재 수용액을 흐르게 한 다음, 상기 수용성 중성자 흡수재 수용액의 농도를 조절하여 원자로 반응도 및 원자로 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 수용성성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어방법.
2. 원자로에서 수용성 중성자 물질로서 출력을 제어함에 있어서; 상기 원자로의 압력용기 외부에 위치한 중성자 흡수 물질 수용액 공급장치 및 회수장치와 일측이 연결되고, 내부배관과 외부배관을 구비하는 이중배관(5c)과, 상기 이중배관(5c)의 외부배관 일측이 곡면 부위에 가공된 구멍에 용접된 상반구(5b)와, 상기 이중배관(5c)의 내부배관과 외부 배관이 연결되고, 이중배관(5c)의 외부배관과 내부 배관이 연결되며, 원자로심의 핵연료 집합체(1)에 삽입되는 다수개의 제어봉(4)과, 상기 다수개의 제어봉(4)이 설치된 하반구(5a)와, 상기 상반구(5b)와 하반구(5a) 사이에 위치하고, 이중배관(5c)의 내/외부배관과 제어봉(4)의 외/내부배관이 서로 연결되도록 이중배관(5c) 및 제어봉(4)의 내부배관과 접촉되는 부위에 각각의 내부배관 직경과 동일한 직경의 구멍이 형성된 제어봉탈착면(5)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.
3. 제2항에 있어서; 상기 제어봉(4)의 하단부에 스프링을 설치하여 제어봉 탈착면(5)을 경계로 분리된 하반구(5a)를 상반구(5b)에 밀착ㆍ접촉시킨 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.
4. 제2항에 있어서; 상기 제어봉 탈착면(5)에 곡면가공 된 홈(groove)을 형성하여 제어봉 탈착면(5)의 밀봉을 증대시킨 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.
5. 제2항에 있어서; 상기 상반구(5b)에 부착된 이중배관(5c)의 외부배관을 원자로 용기 하부에 형성된 구멍에 부착시킨 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.
6. 제2항에 있어서; 상기 원자로의 핵연료 집합체(1)에 삽입되는 제어봉(4)의 내/외부배관을 외부에 위치한 중성자 흡수 물질 수용액 공급장치 및 회수장치에 직접 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.
7. 제2항에 있어서, 상기 상반구(5b)에 부착된 이중배관(5c)의 외부배관을 원자로 용기 상부덮개에 형성된 구멍에 부착시킨 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.
8. 제2항에 있어서; 상기 다수개의 제어봉(4)이 설치된 하반구(5a)를 스프링으로 지지하여 제어봉 탈착면(5)을 경계로 분리된 하반구(5a)를 상반구(5b)에 밀착ㆍ접촉시킨 것을 특징으로 하는 수용성 중성자 흡수물질을 순환시키는 원자로 출력 제어장치.