KR100357828B1 - 일체형 원자로 상부구조물 - Google Patents

일체형 원자로 상부구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압 경수로형 원자로에서 원자로 상부 구조물을 일체에 가깝게 설계하여 핵연료 재장전시 원자로 용기덮개를 제거하는데 소요되는 시간을 단축시켜 발전소의 운전정지 기간을 단축시키고, 작업자의 방사선 피폭 량을 줄이도록 한 일체형 원자로 상부구조물에 관한 것이다.
종래의 원자로에서는 핵연료를 재장전하기 위하여 원자로 상부구조물을 제거하거나 설치하기 위하여는 다단계의 작업공정을 수행하여야 하므로 발전소의 운전정지기간이 매우 많이 소요되고 아울러 방사선에 피폭될 우려가 많았다.
본 발명에서는 가압 경수로형 원자로의 상부에 위치하며 내부에 다수의 제어봉 구동장치가 설치되고 핵연료 재장전시 분해하여 인양가능하도록 다수의 스터드볼트(111)에 의해 원자로 본체에 고정되는 원자로 용기덮개(110)을 포함하여 일체로 형성된 원자로 상부구조물(100)에 있어서, 상기 원자로 상부구조물(100)은 상기 원자로 덮개(110)의 위에 설치되는 환형 지지판(120)과; 상기 환형 지지판(120) 위에 설치되어 냉각공기 유동경로(133)를 형성하도록 외부격벽(131)과 내부격벽(132)으로 된 이중 원통 실린더형 구조물(130)과; 상기 이중 원통실린더형 구조물(130)을 형성하는 외부격벽(131)과 내부격벽(132)을 관통하여 실린더 외부의 찬 공기를 실린더 내부로 유입시키도록 하는 다수의 공기 흡입구(140) 및; 상기 실린더 내부로 유입된 공기가 상기 냉각공기 유동경로(133)로 유입되면서 제어봉구동장치(170)을 냉각하도록 하는 공기통로(134)와; 상기 이중 원통실린더형 구조물(130)의 상부에 설치되어 유사시 제어봉 구동장치(170)의 비산을 방지하도록 하는 비산물 방호판(150)과; 상기 비산물 방호판(150) 위에 설치되어 실린더 내부의 공기를 불어내도록 설치된 다수의 냉각팬(160)과; 상기 원자로 상부구조물(100)에 전력을 공급하며, 원자로 내에 설치된 계측기에서 나오는 신호전달 전선을 지지하도록 벽체(300)에 고정 설치되고, 필요시 벽체(300)쪽으로 인양되도록 설치된 케이블 설치부재(200)로 구성됨을 특징으로 하는 것임.

Description

일체형 원자로 상부구조물{An Integrated Head Area Design of a Nuclear Reactor}
본 발명은 일반적인 가압 경수로형 원자로에 관련된 것으로 보다 자세하게는 가압 경수로형 원자로 상부 구조물을 일체로 설계하여 핵연료 재장전(교체 및 재배치)을 위해 제거 또는 분리해야 하는 구조물의 개수를 줄이기 위한 구조물의 재배치와 관련된 일체형 원자로 상부구조물에 관한 것이다.
경수로형 원자력발전소의 경우 핵연료의 재장전을 위해서는 정기적으로 발전소의 운전을 정지시켜야 한다. 즉, 핵연료의 재장전을 위해서는 먼저 원자로용기 뚜껑을 열고 원자로 내부에 있는 오래된 핵연료 집합체를 새로운 핵연료 집합체로 교체하고, 나머지 핵연료들은 재배치시킨다.
이와 같은 작업을 위한 종래의 원자력발전소의 경우 원자로용기뚜껑을 열기 위해 다음과 같은 일련의 작업 단계를 거쳐야 하였다.
① 중량 콘크리트로 된 비산물(missile) 방호벽 제거 공정
② 제어봉 구동 장치 냉각을 위한 덕트(duct) 제거 공정
③ 내진 지지봉 제거 공정
④ 제어봉 구동 장치 상단부의 동력선 및 신호선 분리 공정
⑤ 원자로 상부 구조물 인양 삼각대 설치 공정
⑥ 원자로 상부에서 작업용 갑판(deck) 또는 벽체로 연결되는 케이블 설치대 및 케이블 제거 공정
⑦ 원자로 용기 수위 측정 계측선 제거 공정
이상과 같은 일련의 작업공정이 완료된 후 원자로 용기 뚜껑 조임 볼트(stud bolt)를 제거한 다음 원자로 상부 구조물은 별도의 저장 공간으로 이송되어 저장된다. 핵연료의 교체 및 재장전이 끝나면 위에서 설명한 작업순서를 역순으로 하여 원자로 상부구조물의 조립 작업이 이루어진다.
위에서 설명한 일련의 작업은 강한 방사선이 방출되는 지역에서 이루어지며, 이러한 작업에 소요되는 시간이 원자력 발전소의 정기 정비 기간에 영향을 주므로 핵연료 재장전에 소요되는 시간을 단축시키는 것은 원자력 발전소 설계자의 주요한과제가 되고 있다.
원자로 상부 구조물이 일체로 설계되면 앞에서 기술한 7 단계의 원자로 분해 작업공정은 다음과 같이 4 단계로 단축이 가능하다.
① 내진 지지봉 제거 공정
② 제어봉 구동 장치 상단부의 동력선 및 신호선 분리 공정
③ 원자로 상부에서 작업용 갑판(deck) 또는 벽체로 연결되는 케이블 설치대 및 케이블 제거 공정
④ 원자로 용기 수위 측정 계측선 제거 공정으로 작업을 단순화시킬 수 있다.
이와 같이 원자로 상부 구조물을 일체로 설계할 경우 핵연료 재장전 공정을 단축시킬 수 있으므로 원자력 발전소 설계자들은 일체화에 관련된 여러 가지 기술이 개발되고 있다.
1995년에 Meuschke 등이 출원한 미국 특허 제5384812호에서는 원자로 상부 구조물로부터 작업용 갑판으로 케이블을 연결하기 위한 케이블설치대를 제안하였다. 이 설치대의 특징은 갑판 아래로 케이블 설치대가 들어가는 구조로 되어 있다.
1998년에 Matteson이 출원한 미국 특허 제5715288호에서는 이전의 CE (Combustion Engineering)형 발전소의 설계 중 콘크리트 비산물 방호벽 등 기존 설계를 일부 개선한 상부 구조물을 제안하였다.
그러나 이 두 가지 설계의 경우 원자로 용기 뚜껑 상부와 제어봉 구동 장치에서 발생하는 열을 제거하기 위한 적절한 방법이 제시되지 않았으며, 작업공정이 용이하지 못하였다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 가압 경수로형 원자로에 있어서 앞에서 기술한 기존의 핵연료 재장전시 거쳐야 하는 원자로 상부 구조물 분해 단계를 줄여 발전소 정기 정비 기간을 단축시키고, 작업자의 방사선 피폭 선량을 줄이도록 하는 것을 목적으로 하는 것으로, 보다 자세하게는 원자로 상부 구조물을 가능한 한 단순화하여 일체로 설계함으로써 핵연료 재장전 기간 중 한 번의 인양 작업으로 원자로 상부 구조물을 들어올릴 수 있도록 설계한 일체형 원자로 상부구조물을 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 보다 무겁고 부피를 많이 차지하였던 콘크리트 등으로 제작된 비산물 방호판을 철판으로 대체하고 원자로 상부 구조물과 일체화하여 보다 효과적으로 비산물을 방호하면서 핵연료 재 장전시 상부 구조물의 분리 착탈이 용이하도록 하는 것이다.
또 다른 목적은 케이블 설치대를 장착하여 원자로 상부 구조물과 증기발생기 사이의 벽체를 통해 인입되는 전원 케이블 및 신호 전달 전선을 원자로 상부 구조물과 쉽게 연결할 수 있도록 하고, 핵연료 재장전 시에는 케이블 설치대를 들어올릴 수 있는 구조로 하여 핵연료 재장전 기중기(도면에 없음)가 원자로에 접근할 수 있도록 하는 것이다.
추가적인 또 하나의 목적은 원자로 용기 덮개 위에 외부격벽 및 내부격벽의 이중 구조로 된 공기 유동경로를 형성하여 원자로 용기 상부 및 제어봉 구동 장치에서 발생하는 열을 냉각팬을 사용하여 제거하도록 하여 제어봉 구동 장치의 전기 배선이 정해진 온도 이상으로 가열되지 않도록 하는 것이다.
도 1은 본 발명 일체형 원자로 상부 구조물의 설치상태를 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명 일체형 원자로 상부 구조물의 설치상태를 보여주는 정면도.
도 3은 본 발명 일체형 원자로 상부 구조물 평면도.
도 4는 본 발명 일체형 원자로 상부 구조물의 내부 구성상태를 보인 개략단면도.
도 5는 본 발명 일체형 원자로 상부 구조물 케이블 설치부재의 작동상태도로서,
(a)는 케이블 설치부재의 펼침상태이고, (b)는 인양 절첩상태임.
도 6은 본 발명 일체형 원자로 상부 구조물의 설치 가동상태 정면도 및 평면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 원자로 상부 구조물 110 : 용기덮개
111 : 스터드 볼트 120 : 환형 지지판
130 : 이중원통 실린더형 구조물 131 : 외부격벽
132 : 내부격벽 133 : 냉각공기 유동경로
140 : 공기흡입구 141 : 공기토출구
150 : 비산물 방호판 160 : 냉각팬
170 : 제어봉 구동장치 180 : 정비용 문
200 : 케이블 설치부재 201 : 케이블
210 : 케이블 설치대 220 : 케이블 설치대 경첩
230 : 케이블 설치대 지지봉 240 : 하부지지대
250 : 상부지지대 260 : 줄(string)
270 : 인양철선 280 : 권선기
300 : 벽체 310 : 인양삼각대
320 : 내진 지지봉
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가압 경수로형 원자로의 상부에 위치하며 내부에 다수의 제어봉 구동장치가 설치되고 핵연료 재장전시 분해하여 인양가능하도록 다수의 스터드볼트(111)에 의해 원자로 본체에 고정되는 원자로 용기덮개(110)을 포함하여 일체로 형성된 원자로 상부구조물(100)에 있어서, 상기 원자로 상부구조물(100)은 상기 원자로 덮개(110)의 위에 설치되는 환형 지지판(120)과; 상기 환형 지지판(120) 위에 설치되어 냉각공기 유동경로(133)를 형성하도록 외부격벽(131)과 내부격벽(132)으로 된 이중 원통 실린더형 구조물(130)과; 상기 이중 원통실린더형 구조물(130)을 형성하는 외부격벽(131)과 내부격벽(132)을 관통하여 실린더 외부의 찬 공기를 실린더 내부로 유입시키도록 하는 다수의 공기 흡입구(140) 및; 상기 실린더 내부로 유입된 공기가 상기 냉각공기 유동경로(133)유입되면서 제어봉구동장치(170)을 냉각하도록 하는 공기통로(134)와; 상기 이중 원통실린더형 구조물(130)의 상부에 설치되어 유사시 제어봉 구동장치(170)의 비산을 방지하도록 하는 비산물 방호판(150)과; 상기 비산물 방호판(150) 위에 설치되어 실린더 내부의 공기를 불어내도록 설치된 다수의 냉각팬(160)과; 상기 원자로 상부구조물(100)에 전력을 공급하며, 원자로 내에 설치된 계측기에서 나오는 신호전달 전선을 지지하도록 벽체(300)에 고정 설치되고, 필요시 벽체(300)쪽으로 인양되도록 설치된 케이블 설치부재(200)로 구성됨을 특징으로 한다.
또한 상기 케이블 설치부재(200)는 케이블 설치대 경첩(220)에 의해 벽체(300)에 설치되며, 상기 경첩(220)을 중심으로 원운동을 하는 케이블 설치대(210)와; 상기 케이블 설치대(210)를 지지하도록 일 측은 상기 케이블 설치대(210)의 하부에 결합되고, 타측은 벽체(300)의 하부지지대(240)에 결합된 케이블 설치대 지지봉(230)과; 상기 케이블 설치대 지지봉(230)의 하부 분리 후 케이블 설치대(210)의 인양시 상기 케이블 설치대 지지봉(230)이 소정의 범위 내에서만 움직일 수 있도록 상기 케이블 설치대(210)와 상기 지지봉(230) 사이를 연결하는 줄(string)(260)과; 상기 케이블 설치대(210)의 상부 선단부와 상부지지대(250) 사이에 설치되어 상기 케이블 설치대(210)를 필요시 인양하도록 하는 인양철선(270) 및 상기 인양철선(270)을 감거나 풀어서 케이블 설치대(210)의 자세를 변화시키는 권선기(280)를 구비하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명을 구성하는 주요 부품들을 보여주는 일체형 원자로 상부 구조물의 사시도이고, 도 2는 정면도로서 일체형 상부 구조물(100)을 구성하는 원자로 용기덮개(110), 환형 지지판(120), 외부 격벽(131), 내진 지지봉(320), 케이블 설치대(210), 냉각팬(160), 인양 삼각대(310)를 보여주고 있다.
반구 형태의 원자로 용기 덮개(110)위에는 환형 지지판(120)이 설치되고, 상기 환형 지지판(120) 위에는 도 4와 같이 외부격벽(131)과 내부격벽(132)으로 이루어진 원형 실린더 형태의 이중 원통 실린더형 구조물(130)이 놓여진 형태로서 상기 외부격벽(131)과 내부격벽(132)의 사이에는 공기 유동경로(133)가 형성되도록 한 것이다. 상기 외부격벽(131)의 상부에는 비산물 방호판(150)이 설치되어 있으므로 제어봉 구동 장치(170)가 비산되어 주변의 구조물에 손상을 주는 것을 방지하도록 되어 있다. 또한 외부격벽(131)의 아래 부분에는 정비용 문(180)을 설치하여 운전 중 또는 정비 기간 중에 내부격벽(132) 안에 설치되어 있는 제어봉 구동 장치(180) 및 원자로 용기 덮개(110)에 설치되는 부품 및 신호 전달 계통을 점검할 수 있도록 한다.
일체형 원자로 상부 구조물에는 지진 상태에서도 안전성을 확보하기 위하여 다수의 내진 지지봉(320)이 장착된다. 상기 내진 지지봉(320)들은 일체형 원자로 상부 구조물(100)과 벽체(300)를 연결하여 지진 등으로 인하여 원자로가 흔들려도 원자로 상부 구조물(320)이 자체 중량으로 인하여 옆으로 넘어지는 것을 방지한다.
도 3은 일체형 원자로 상부 구조물(100)의 평면도로서 냉각팬(160) 및 인양 삼각대(310)의 배치를 보여주고 있다. 원자로 용기 덮개(110)에는 다수의 스터드 볼트(111)가 설치되어 있으며, 원자로 상부 구조물(100)을 들어올리기 전에 스터드 볼트(111)들, 내진 지지봉(320)들, 그리고 두 개의 케이블 설치대(210)를 일체형 원자로 상부 구조물(100)과 분리시켜야 한다. 여기서 케이블 설치대(210)는 원자로 상부 구조물에 전력을 공급하고, 원자로 내에 설치된 계측기에서 나오는 신호전달전선 케이블을 벽체(300) 쪽으로 잇는 다리 역할을 하는 구조물이다.
도 5는 케이블 설치부재(200)의 자세한 구성상태를 보여주고 있다. 케이블 설치부재(200)는 케이블 설치대(210), 상부 지지대(250), 권선기(280), 인양 철선(270), 케이블 설치대 지지봉(230), 줄(260), 케이블 설치대 경첩(220), 그리고 하부 지지대(240)로 구성되며, 상부 지지대(250)와 케이블 설치대 경첩(220), 그리고 하부 지지대(240)는 벽체(300)에 고정되어 있다. 원자로에 핵연료를 재장전하기 위하여 원자로 용기 덮개(110)를 들어올릴 때 케이블 설치대(210)는 도 5의 (b)에서와 같이 들어올려진 상태로 둔다. 핵연료의 재장전이 끝난 후 다시 원자로 상부 구조물(100)을 도 5의 (a)와 같은 상태로 복귀시킨 상태에서 케이블 설치대(210)는 도시된 바와 같이 거의 수평한 상태가 된다. 케이블 설치대(210)의 자세는 상부지지대(250)에 설치되어 있는 권선기(280)를 이용하여 인양 철선(270)을 감거나 풀어주어 조절하는 구조이다. 케이블 설치대(210)가 수평 상태로 되면 케이블 설치대 지지봉(230) 하단부와 하부 지지대(240)는 핀 또는 볼트로 고정된다.
도 4는 일체형 상부 구조물 중 원자로 용기 덮개(110)의 윗부분 단면을 개략적으로 보여주고 있다. 상부 구조물의 내부에 있는 다수의 제어봉 구동 장치(170)와 원자로 용기 덮개(110) 중 외부 격벽(132)으로 감싼 부분에서는 많은 열이 발생하며, 이를 방출시켜야 제어봉 구동 장치(170)의 전기 장치가 제대로 작동할 수 있다.
따라서 일체형 상부 구조물(100)의 내부는 냉각팬(160)에 의해 외부의 냉각 공기가 흡입되면서 제어봉 구동장치(170)가 설치된 내부격벽(132)의 중심부에 형성된 공기통로(142)를 통하여 냉각공기가 이동되면서 상기 제어봉 구동장치(170)에서 발생하는 열을 강제 냉각시키게 되며, 상기 냉각공기는 외부격벽(131)과 내부격벽(132)의 사이에 형성된 냉각공기 유동경로(133)를 통하여 공기토출구(141)로 배출된다.즉, 도 4에서 화살표는 냉각 공기의 유동 경로(133)를 보여주는 것으로, 냉각팬(160)의 작동에 의해 상부 구조물의 외부격벽(131)과 내부격벽(132) 사이에 있던 공기를 구조물의 외부로 화살표 방향으로 불어내도록 되어 있으며, 이로 인하여 공기 흡입구(140)를 통해 화살표 방향으로 찬 공기가 유입된다. 이렇게 유입된 찬 공기는 아래 방향으로 흘러서 제어봉 구동 장치(170)의 주변 공기통로(142)를 통해 흐르면서 제어봉 구동 장치(170)에서 발생한 열을 흡수한 다음 원자로 용기 덮개(110)에서 발생한 열을 흡수한 후 외부 격벽(131)과 내부격벽(132) 사이의 공간을 통해 위로 이동한다. 이렇게 이동한 공기는 냉각팬(160)에 의해 강제적으로 상부 구조물 밖으로 공기 토출구(141)를 통해 토출된다. 이렇게 강제적으로 찬 공기를 원자로 상부 구조물 내로 유동시킴으로써 온도에 민감한 제어봉 구동 장치(170)의 전기 코일 등이 정해진 온도 이하로 유지되도록 하는 것이다.
도 6은 본 발명의 일체형 원자로 상부 구조물의 설치 가동상태 정면도 및 평면도로서 원자로 내에 설치된 계측기에서 나오는 신호전달전선인 케이블(201)이 가설된 상태를 도시한 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은 원자로 상부 구조물(100)을 가능한 한 일체로 설계함으로써 핵연료 재정전을 위해 원자로 용기 덮개(110)를 제거할 때 이전의 복잡한 다단계 공정에 비해 비교적 단순한 몇 단계 공정으로 신속하게 작업이 이루어 질 수 있도록 한 것이다.
이상에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 원자력 발전소 예방정비 기간 중 원자로 상부 구조물의 제거에 복잡한 다단계의 공정이 수반됨으로 인하여 작업자 방사선 피폭량 증가, 운전 정지로 인한 경제적인 손실 등의 피해를 입혀온 종래의 원자로 상부 구조물의 설계에 대하여,
원자로 상부 구조물을 단순한 몇 개의 부품으로 나누어 일체로 설계하여 단순한 몇 단계의 공정으로 원자로 상부 구조물의 제거가 신속하게 이루어 질 수 있게 하고, 원통형 이중 격벽 구조의 냉각 공기 유동 경로를 설치하여 냉각 공기를 강제로 순환시켜 중요 부품이 일정 온도 이하로 유지될 수 있게 함으로써, 불필요한 작업을 줄여 원자로의 운전 정지 기간을 단축하고, 작업자의 방사선 피폭량을 감소시키게 된다.
따라서 본 발명은 원자력 발전소의 경제적인 운전은 물론 세계적으로 그 규제가 강화되고 있는 작업자의 방사선 피폭 선량 저감을 위해서도 매우 유용한 기술이다.

Claims (3)

  1. 가압 경수로형 원자로의 상부에 위치하며 내부에 다수의 제어봉 구동장치가 설치되고 핵연료 재장전시 분해하여 인양가능하도록 다수의 스터드볼트(111)에 의해 원자로 본체에 고정되는 원자로 용기덮개(110)을 포함하여 일체로 형성된 원자로 상부구조물(100)에 있어서,
    상기 원자로 상부구조물(100)은 상기 원자로 덮개(110)의 위에 설치되는 환형 지지판(120)과;
    상기 환형 지지판(120) 위에 설치되어 냉각공기 유동경로(133)를 형성하도록 외부격벽(131)과 내부격벽(132)으로 된 이중 원통 실린더형 구조물(130)과;
    상기 이중 원통실린더형 구조물(130)을 형성하는 외부격벽(131)과 내부격벽(132)을 관통하여 실린더 외부의 찬 공기를 실린더 내부로 유입시키도록 하는 다수의 공기 흡입구(140) 및;
    상기 실린더 내부로 유입된 공기가 상기 냉각공기 유동경로(133)유입되면서 제어봉구동장치(170)을 냉각하도록 하는 공기통로(142)와;
    상기 이중 원통실린더형 구조물(130)의 상부에 설치되어 유사시 제어봉 구동장치(170)의 비산을 방지하도록 하는 비산물 방호판(150)과;
    상기 비산물 방호판(150) 위에 설치되어 실린더 내부의 공기를 불어내도록 설치된 다수의 냉각팬(160)과;
    상기 원자로 상부구조물(100)에 전력을 공급하며, 원자로 내에 설치된 계측기에서 나오는 신호전달 전선을 지지하도록 벽체(300)에 고정 설치되고, 필요시 벽체(300)쪽으로 인양되도록 설치된 케이블 설치부재(200)로 구성됨을 특징으로 하는 일체형 원자로 상부구조물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 설치부재(200)는
    케이블 설치대 경첩(220)에 의해 벽체(300)에 설치되며, 상기 경첩(220)을 중심으로 원운동을 하는 케이블 설치대(210)와;
    상기 케이블 설치대(210)를 지지하도록 일 측은 상기 케이블 설치대(210)의 하부에 결합되고, 타측은 벽체(300)의 하부지지대(240)에 결합된 케이블 설치대 지지봉(230)과;
    상기 케이블 설치대 지지봉(230)의 하부 분리 후 케이블 설치대(210)의 인양시 상기 케이블 설치대 지지봉(230)이 소정의 범위 내에서만 움직일 수 있도록 상기 케이블 설치대(210)와 상기 지지봉(230) 사이를 연결하는 줄(string)(260)과;
    상기 케이블 설치대(210)의 상부 선단부와 상부지지대(250) 사이에 설치되어 상기 케이블 설치대(210)를 필요시 인양하도록 하는 인양철선(270) 및 상기 인양철선(270)을 감거나 풀어서 케이블 설치대(210)의 자세를 변화시키는 권선기(280)를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 일체형 원자로 상부구조물.
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