KR100285096B1 - 냉각수 분배 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수를 스틸 수납 용기의 만곡된 표면을 따라 연장하는 분배 채널로 공급하기 위해서 교차하는 연속의 반경 방향 가이드 요소와, 복수의 원주 방향 컬렉터 요소및 컬렉터 박스를 사용하는 스틸 수납 용기의 외측 표면에 균일하게 걸쳐서 중력에 의해서 냉각수를 유입하기 위한 원자로 수납 용기용 자동 수납 냉각수 분배 장치에 관한 것이다. 냉각수는 분배 채널내의 복수의 웨어에 의해서 만곡된 표면에 걸쳐서 균일하게 분배된다.

Description

냉각수 분배 장치

제1도는 본 발명의 냉각수 분배 장치를 이용하는 원자력 발전소의 수동식 격납용기 냉각 장치를 부분 단면으로 도시한 측면도.

제2도는 본 발명의 냉각수 분배 장치에 사용되는 여러 요소 및 부품들의 일반적인 구조를 도시하는 강제 격납용기의 돔 부분의 평면도.

제3도는 본 발명의 냉각수 분배 장치에 사용되는 수집 박스중 하나의 확대 평면도.

제4도는 제3도의 IV-IV선 단면도.

제5도는 제3도의 V-V선 단면도.

제6도는 본 발명의 냉각수 분배 장치에 사용되는 분배 채널의 구조를 도시하는 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 강(鋼)제 격납용기 2 : 원자로

3 : 증기 발생기 4 : 돔형 천정부

5 : 외측 표면 13 : 강(鋼)제 가이드 요소

14 : 원주방향 수집 요소 15 : 수집 박스

16 : 분배 채널 17, 19 : V자형 웨어(weir)

20 : 분배 실린더

본 발명은 원자로에 관한 것으로, 특히 원자로와 증기 발생기 및 관련 장치를 수용하기 위해서 사용되는 강제 격납용기용 수동식 냉각 장치에 관한 것이다.

1991년 9월 17일자로 본 출원인에게 허여된 미합중국 특허 제 5,049,353 호에는, 수냉식 원자로에 사용되는 능동식 냉각 장치중 고장난 것이 있을 경우에 원자력 발전소의 강제 격납용기를 냉각시키는데 사용되는 수동식 격납용기 냉각 장치에 대해서 개시되어 있다. 또한, 상기 특허에 개시되어 있는 냉각 장치는 모든 노심 붕괴 열을 강제 격납용기로부터 안전하고 빠르게 제거함과 아울러 강제 격납용기내에 과도한 압력이 축적되는 것을 방지하기 위해서 수동 히트 싱크로서 사용될 수도 있다.

그리고, 전술한 미합중국 특허 제 5,049,353 호에 추가로 개시되어 있는 바와 같이, 수동식 격납용기 냉각 장치는 강제 격납용기와 콘크리트 차폐 구조물 사이에 공기가 자연적으로 순환할 수 있게 하며 또한 냉각수가 중력에 의해 공급되도록 함으로써 필요한 냉각과 히트 싱크를 제공한다. 주 능동식 원자로 냉각 장치중 고장난 것이 있는 경우 또는 사고가 발생한 경우에는, 원자로의 안전과 순서대로의 운전 정지를 할 수 있도록 하기에 충분한 냉각을 제공하기 위하여 수동식 격납용기냉각 장치를 이용할 수 있다.

수동식 격납용기 냉각 장치에 사용되는 중력공급방식의 냉각수는 강제 격납용기를 둘러싸고 있는 콘크리트 차폐 구조물의 지붕에 만들어진 대형(약 400,000 갤런)의 환상 탱크로부터 공급되는데, 경우에 따라서는 냉각수가 중력에 의해서 강제 격납용기 쉘의 외측 표면 전체에 걸쳐 흐를 수 있게 된다. 냉각수는 중력이라는 자연적인 힘에 의해서 공급되기 때문에, 필요한 냉각 효과를 제공하기 위해서 펌프 및 인간 조작자가 필요치 않다. 냉각수 저장 탱크는 수일 동안 필요한 냉각수를 제공하고, 그 후에 보충 냉각수를 탱크에 공급하거나, 또는 대개의 경우 강제 격납용기로부터 잔류 열을 제거하기에 충분한 공기 냉각을 제공할 수 있도록 설계된다.

강제 격납용기의 외측 표면으로부터 가장 효율적으로 열 제거를 하기 위해서는, 수동 냉각수가 전체 표면에 걸쳐서 균일한 박막의 형태로 흐르도록 하여, 그표면상에 열점이 전혀 나타나지 않도록 함과 아울러 냉각수의 냉각 효과를 최대화시켜야 한다. 그러나, 강제 격납용기의 표면 전체에 걸쳐서 냉각수를 고르고 균일하게 분배시키는 것은 어려운데, 그 이유는 강제 격납용기의 돔이 곡면형 표면과 강제 표면을 갖는 타원형 돔이라는 것과, 또 2차 가공시에 강제 표면을 가급적 매끄럽게 가공하여도, 다수의 표면 요철과 거친 영역이 여전히 잔존하여서, 냉각수에 “채널(channel)” 현상을 야기시키거나 또는 냉각수가 표면 전체에 걸쳐 균일한 박막의 형태로 흐르는 것을 방해하기 때문이다. 이 표면 요철과 거친 영역은 소망하는 냉각수의 막 두께에 비해서 크다. 또한, “채널” 현상이 강제 격납용기의 표면근방에서 발생된다면, 격납용기의 측면 아래에서 채널 현상이 계속해서 발생되기 때문에, 효율적인 냉각이 이루어지지 않아서 열점이 형성될 수 있는 넓은 영역이 만들어진다는 점을 발견하였다.

강제 격납용기의 곡면형 표면상에 냉각수의 균일한 막을 제공하려는 것은 종래의 시도로 인하여 상당히 개선되었지만, 그 문제가 완전히 해결된 것은 아니었다. 그 문제를 해결하기 위한 시도중 하나로서, 전술한 미합중국 특허 제 5,049,353 호에 개시되어 있는 바와 같이 강제 격납용기의 외측 표면을 특수한 열전도성 습윤 아연계 도료로 피복하는 것이 있다. 도료로 피복하면 그것이 도포되지 않은 강제 표면에 비해서 냉각수의 흐름이 개선되긴 하였지만, 채널 현상과 열점은 여전히 발생하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 강제 격납용기 외부의 수동 냉각에 사용하기에 적합한 것으로서, 강제 격납용기의 전체 표면에 걸쳐서 냉각수의 균일한 박막을 제공하는 냉각수 분배 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 신뢰성 있고 소정 용적의 냉각수로부터 최대한의 냉각 효과를 제공할 수 있는 냉각수 분배 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 강제 격납용기의 상이한 크기 및 형상에 맞도록 조절하는 것이 간단하고 쉬워서, 강제 격납용기 표면의 제조 또는 2차 가공에 의한 변화에 대응할 수 있도록 된 냉각수 분배 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다음의 상세한 설명과 첨부 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.

이상과 같은 목적은 강제 격납용기의 돔의 곡면형 표면에 고정되고 돔 위에 저장된 냉각수원으로부터 반경방향 외향 및 하향으로 연장되는 복수의 가이드 요소와, 상기 곡면형 표면에 고정되고 반경방향 가이드 요소와 교차하는 복수의 원주방향 수집 요소를 제공함으로써 달성될 수 있다. 한쌍의 인접한 반경방향 가이드 요소와 한쌍의 인접한 원주방향 수집 요소 사이에는 수집 박스가 배치된다. 복수의 분배 채널이 강제 격납용기의 곡면형 표면에 고정되며 각 수집 박스를 따라서 그리고 그의 양측에서 연장된다. 각 분배 채널의 적어도 하나의 측벽에는, 분배 채널내에서 흐르는 냉각수를 강제 격납용기의 곡면형 외측 표면상으로 균일하게 분배시키기 위해서 복수의 웨어(weir)가 제공된다.

본 발명에 사용되는 수동식 격납용기 냉각 장치를 제1도에 예시하였는데, 이 냉각 장치는 하나 이상의 주 원자로 냉각 장치에 고장이나 문제가 발생했을 때 격납용기 설계 압력 및 온도가 과도해지지 않도록 강제 원자로 격납용기로부터 외부 환경으로 열을 제거하는데 사용되는 것이다.

제1도에 도시한 바와 같이, 수동식 격납용기 냉각 장치는 원자로(2)와 증기 발생기(3)를 둘러싸는 강(鋼)제 격납용기(1)를 포함한다. 이 강제 격납용기(1)는 구형상 또는 타원형상의 돔형 천정부(4)와 외측 표면(5) 및 원통형상 측벽(6)을 갖는다. 약 1800메가와트의 열을 발생시키고 가압수형 원자로(2)를 사용하는 전형적인 원자력 발전소에 있어서, 강제 격납용기의 원통형상 측벽(6)은 약 130피트(40m)의 직경을 가지며, 또 소요 내압에 견딜 수 있도록 약 1.625인치(4.13cm)의 강제 벽 두께를 가질 수도 있다.

콘크리트 차폐 구조물(7)이 강제 격납용기(1)의 외측 표면과 차폐 구조물(7)의 내측 표면 사이에 약 4.4피트(134.2cm)의 환상 간극을 두고 강제 격납용기(1)를 둘러싼다. 상기 천정부 근방의 차폐 구조물(7) 부위에는 공기 입구(8)가 반경방향으로 형성되어 있다. 공기 입구(8)는 루버(louver)를 구비하는 일련의 등간격으로 배치된 입구 개구로 구성되는 것이 바람직하다.

냉각수원(9)이 차폐 구조물(7)의 상부에 있는 환상 탱크내에 보유된다.

차폐 구조물(7)의 천정부(10)는 가열된 공기와 수증기의 배출을 제공하는 상측으로 연장된 중앙 굴뚝(11)을 갖는다. 중앙 굴뚝(11)은 가열된 공기의 고도를 증가시키는 역할을 함으로써 차폐 구조물(7)내 공기의 자연 순환을 향상시킨다. 또한, 굴뚝은 가열된 공기와 수증기가 공기 입구(8)내로 흡입되는 것도 방지한다. 일 실시예에 있어서, 굴뚝은 차폐 구조물의 천정부(10)위로 약 50피트(15m), 또는 강제 격납용기(1)의 천정부위로 약 65피트(19.5m)의 거리에 있다.

차폐 구조물(7)의 내벽 표면과 강제 격납용기(1)의 외벽 표면(5) 사이에는 강(鋼)제 공기 배플(12)이 배치되어, 강제 격납용기(1)와 차폐 구조물(7)의 사이에 한쌍의 환상 공기 스페이스(21)를 형성함으로써 공기 흐름이 효율적이고 능률적이 되도록 하여 격납용기(1)의 냉각을 향상시킨다. 제1도에 화살표로 표시한 바와같이, 외부의 순환 공기는 공기 입구(8)를 통하여 차폐 구조물(7)로 공급되어서, 외부 환상 스페이스(21)를 통하여 하향으로 흐르다가 내부 환상 스페이스(22)를 통하여 상향으로 흐르고, 그 다음에 강제 격납용기(1)의 외측 표면(5)을 지나서 중앙굴뚝(11)을 통해 방출된다.

이렇게 발생되는 외부 냉각 공기의 자연적인 통풍에 의해서 격납용기를 냉각하는 것은, 원자로(2) 내측의 주 냉각 장치중 하나에 일시적인 고장이나 문제가 발생했을 때 대처하기에 층분하지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명은 냉각수를 차폐 구조물(7)의 천정부(10)에 위치한 중력공급방식의 냉각수원(9)으로부터 강제 격납용기(1)의 외측 표면(5)으로 공급하는 보충수 냉각 장치에 관한 것이다. 냉각수가 초기에는 직접적인 열 전달에 의해서 외측 표면(5)을 냉각할 것이다. 냉각수의 온도가 상승되면 증발되어서, 상측으로 흐르는 냉각 공기의 스트림(stream)이 된다. 이것은, 강제 격납용기(1)의 외측 표면을 적절한 예상 열유속에서 통상적인 물의 끓는 점보다 훨씬 낮은 온도로 냉각시키는 증발 냉각 작용을 야기한다. 그령게 되는 이유는, 냉각 공기가 외측 표면(5)상으로 확산될 수 있음으로 인하여, 표면(5)을 떠나는 수증기의 분압이 낮아져서, 가열된 냉각수의 포화 온도를 낮추기 때문이다.

차폐 구조물(10)의 천정부에 있는 냉각수원(9)으로부터 냉각수를 방출시키는 의도는 수일간에 걸쳐서 냉각 능력을 발휘하도록 하기 위한 것이며, 그 후에는 냉각수원을 보충시켜야 할 것이다.

제2도에는 냉각수를 강제 격납용기(1)의 돔형 천정부(4)의 곡면형 표면상으로 분배시키기 위한 장치의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 냉각수는 저장탱크(9)로부터 공급되며, 파이프를 통해서 돔형 천정부(4)의 중앙에 배치된 슬롯구비형 분배 실린더(20)내로 방출된다. 분배 실린더(20)의 슬롯은 분배 실린더(20)가 경사지거나 오정렬되더라도 각각의 슬롯으로부터의 냉각수 흐름이 거의 균일하게 되도록 하는 크기를 갖는다. 제2도에 도시한 바와 같이, 돔형 천정부(4)의 곡면형 표면에는 복수의 강제 가이드 요소(13)가 용접되는데, 이들은 중앙의 분배 실린더(20)로부터 반경방향 외향 및 하향으로 연장되어, 돔형 천정부(4)에 8개의 파이 형상의 세그먼트 또는 부분을 형성한다.

강판으로 이루어진 복수의 원주방향 수집 요소(14)가 돔형 천정부(4)로부터 하방으로 내려오는 중도의 장소에서 돔형 천정부(4)의 외측 표면(5)에 용접된다. 수집 요소(14)는 돔형 천정부(4)의 전 둘레에 걸쳐서 연장되며 반경방향 가이드 요소(13)와 교차한다. 한쌍의 인접한 가이드 요소(13)와 한쌍의 인접한 원주방향 수집 요소(14)의 사이에는 수집 박스(15)가 배치되어, 반경방향 가이드 요소(13) 사이에서 돔형 천정부(4)위로 흐른 다음에 원주방향 수집 요소(14)에 수집되어서 수집 박스(15)로 배향되는 냉각수를 수납한다. 냉각수는 수집 박스(15)내로 흐른 다음에, 수집 박스(15)를 따라서 그리고 그의 양측에서 연장하고 강제 격납용기(1)의 만곡된 외측 표면(5)에 고정되어 있는 복수의 분배 채널(16)로 다시 분배된다.

제2도와 제3도와 제4도에 도시한 바와 같이, 분배 채널(16)은 수집 박스(15)의 양측에 부착된 4개의 평행 채널을 포함한다. 상기 채널의 길이는 점차 증가한다. 수집 박스(15)의 양 측에 설치되는 4개의 평행 채널(16)은 하나의 제조 요소로 분류할 수 있는데, 이 제조 요소의 일 단부는 수집 박스(15)에 부착되고 타단부는 격납용기상에 지지된다. 분배 채널(16)은 수집 박스(15)의 양 측에 4개를 한 단위로 하여 제조되며, 각각의 분배 채널(16)에서 연속적이고 균일한 냉각수의 흐름을 보장하기에 충분한 경사를 제공하기 위해서 현장에서 조절을 행할 수 있게하는 브라켓(19)에 의하여 외측 표면에 고정되는 것이 바람직하다. 격납용기(1)상의 지지물은 분배 채널(16)에 과도한 응력을 야기시킴이 없이도 가압 또는 차동 온도로 인한 격납용기(1)의 성장을 허용한다. 제3도에 도시한 바와 같이 수집 박스(15)의 전방 벽에는 하나의 분배 채널(16)이 부착된다. 수집 박스(15)의 벽을 절제함으로써 형성되는 일련의 V자형 웨어(weir)(17)에 의해서 수집 박스(15)로부터 모든 분배 채널(16)로 냉각수가 유출된다. 이러한 구조에 따르면 각 분배 채널(16)내로 냉각수가 균일하게 흐를 수 있게 된다. 각 분배 채널(16)의 일 측벽에는 복수의 V자형 웨어(18)가 제공되는데, 이 웨어들은 서로 등간격으로 이격되어 있으며, 분배 채널(16)내에 수용된 냉각수를 원주방향 수집 요소(14)의 바로 아래에서 강제 격납용기(1)의 곡면형 외측 표면(5)상으로 분배한다.

반경방향 가이드 요소(13)와 원주방향 수집 요소(14)와 수집 박스와 분배 채널의 구조를 강제 격납용기(1)의 곡면형 표면의 하방으로 차례로 반복 설치하여서, 냉각수의 균일 박막이 강제 격납용기(1)의 외측 표면(5) 전체를 덮도록 한다. 분배 채널(16)의 측벽에 형성된 V자형 웨어(18)는 그 위로 넘쳐 흐르는 냉각수를 상방으로방출시키며, 그럼으로써 외측 표면(5)이 최대한으로 덮히도록 한다. 수집박스(15)의 웨어(17)를 수집 박스(15)에 볼트 고정시켜서, 분배 채널(16)에 대한 냉각수의 최종 정렬과 균일한 분배가 얻어지게 하는 것이 바람직하다. 본 출원인의 입장에서 냉각수의 흐름을 제어하기 위한 목적으로 V자형 웨어(17, 18)를 사용하는 것을 선호하지만, 경우에 따라서는 다른 형상의 웨어를 사용하는 것도 가능하다.

Claims (9)

1. 냉각수를 격납용기의 곡면형 표면상에 분배하기 위한 장치에 있어서, (a) 냉각수원과; (b) 상기 곡면형 표면에 고정되고 상기 냉각수원으로부터 반경방향 외향 및 하향으로 연장하는 복수의 가이드 요소와; (c) 상기 곡면형 표면에 고정되고 상기 반경방향 가이드 요소와 교차하는 복수의 원주방향 수집 요소와; (d) 한쌍의 인접한 반경방향 가이드 요소와 한쌍의 인접한 원주방향 수집 요소 사이에 각기 배치되는 복수의 수집 박스와; (e) 각각의 상기 수집 박스를 따라서 그리고 그의 양 측에서 연장하며 상기 곡면형 표면에 고정되는 복수의 분배 채널과; (f) 상기 분배 채널내에 수납된 냉각수를 상기 곡면형 표면상으로 분배하기 위해서 상기 분배 채널의 적어도 하나의 측벽에 형성되는 복수의 웨어를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각수원은 상기의 곡면형 표면위에 설치된 슬롯구비형 분배 실린더인 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가이드 요소는 8개인 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 수집 박스는 8개인 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 수집 박스의 측벽은 냉각수를 상기 분배 채널로 분배하기 위해서 웨어를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 웨어는 조절가능한 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 분배 채널의 각각에 4개의 웨어가 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 웨어는 V자형인 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 분배 채널은 상기 곡면형 표면에 대하여 조절가능한 것을 특징으로 하는 냉각수 분배 장치.