KR100385838B1 - 저수위 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소의 원자로에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 원자력 발전소의 핵연료 재장전이나 보수시 냉각수의 수위를 낮추어 저수위 운전에 용이하도록 한 저수위 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조에 관한 것이다.

원자력 발전소는 일정기간 전출력 운전을 한 후 핵연료의 재장전을 위해 원자로 정지기간을 갖는데 원자로 정지기간 중에도 핵연료의 핵반응 특성상 일정량의 잔열이 계속해서 발생하게 되며 이러한 잔열의 제거를 위해 일반적으로 잔열제거계통 또는 정지냉각계통이 운전을 하여 열제거기능을 수행하도록 한다. 또한 증기발생기 U 튜브 검사 및 원자로 냉각재펌프 밀봉재(Seal)교체와 같은 기기의 점검 및 유지보수를 위하여는 저수위운전이 요구되며, 증기발생기의 보수나 점검을 위해서는 작업자가 내부에 들어가서 작업을 하여야 하므로 별도의 관로 차단을 위한 차단 댐프를 설치하여야 한다.

본 발명은 원자력발전소의 원자로에 핵연료 재장전작업과 동시에 증기발생기(200)와 부수되는 시설의 점검 및 유지보수 작업시 요구되는 저수위운전에 따른 수위의 극대화 및 원자로의 가열과 냉각시 열팽창에 따른 역학적 하중을 최대한 흡수하도록 증기발생기(200)의 출구측 노즐(210)의 각을 튜브시트 밑면을 기준으로 40도를 유지하도록 구성함을 특징으로 한다.

Description

저수위 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조{Nozzle configuration in S/G for Mid-loop operation enhancement}

본 발명은 원자력 발전소의 원자로에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 원자력 발전소의 핵연료 재장전이나 장치의 보수시 냉각수의 수위를 낮추어 저수위 운전에 용이하도록 한 저수위 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조에 관한 것이다.

원자로 냉각재 계통의 기기 배치는 도 1에 도시한 바와 같이 원자로(100)를 중심으로 두 개의 증기발생기(200)와 4개의 냉각재펌프(300)가 서로 대칭하게 배치된다. 원자로 지지구조물은 원자로(100)가 수직 중심선에 위치하도록 지지하지만 다른 기기들의 지지구조물은 원자로 냉각재계통의 가열, 냉각시 열팽창 방향으로 움직일 수 있는 구조로 되어 있어 열팽창에 따른 기기 및 배관에 미치는 하중을 최소화하도록 설계하여야 한다.

원자력 발전소는 일정기간 전출력 운전을 한 후 핵연료의 재장전을 위해 원자로 정지기간을 갖는다.

그러나 원자로 정지기간 중에도 핵연료의 핵반응 특성상 일정량의 잔열이 계속해서 발생하게 되며, 이러한 잔열의 제거를 위해 일반적으로 잔열제거계통 또는 정지냉각계통이 운전을 하여 열제거기능을 수행하도록 한다.

또한 증기발생기 U 튜브 검사 및 원자로 냉각재펌프 밀봉재(Seal)교체와 같은 기기의 점검 및 유지보수를 위하여 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 저수위운전이 요구되며, 증기발생기의 보수나 점검을 위해서는 작업자가 내부에 들어가서 작업을 하여야 하므로 별도의 관로 차단을 위한 노즐댐(220)을 설치하여야 한다.

저수위운전은 원자로 냉각재 계통의 수위가 원자로 용기 플랜지로부터 3feet 이하인 상태에서의 운전을 의미하며, 이때 수위상층부는 비응축성 기체인 공기로 채워져 있게 된다.

특히 원자로냉각재계통의 수위가 고온관 상단 이하인 상태에서의 운전을 부분충수운전(Mid-loop Operation)이라고 하며, 이런 부분충수운전 중에는 정지냉각계통(Shutdown Cooling System) 또는 잔열제거계통(Residual HeatRemoval System)의 펌프 흡입관(Suction Line)에 다량의 공기가 유입되거나 펌프 전원이 상실되면 정지냉각펌프의 기능이 상실될 수가 있다.

만약 장기간동안 정지냉각계통의 기능이 회복되지 못하고 적절한 원자로냉각재 보충(Makeup)이 이루어지지 않으면 노심내의 물은 비등하고 최악의 경우 노심노출(Core Uncovery)이 발생할 수 있다. 정지냉각계통의 흡입관으로 공기가 유입될 가능성은 원자로 냉각재계통의 수위가 낮거나 정지냉각펌프의 유량이 증가할수록 커진다.

증기발생기 U튜브를 점검하는 동안 공기유입으로 인한 잔열제거 기능 상실 (Loss of Residual Heat Removal, loss of Decay Heat Removal, or Loss of Shut down Cooling) 가능성을 줄이고, 점검시 작업자의 방사능 피폭을 감소시키고, 원자로용기와 증기발생기를 동시에 유지 보수하여 발전소 이용성을 향상시키기 위하여 증기발생기 입구 및 출구 노즐에 노즐댐(nozzle Dams)(220)을 설치한다.노즐댐(220)을 설치하기 위해서는 먼저 수위를 고온관 중심수위(Mid-loop Level)까지 낮추고 양쪽 증기발생기 일차측에 있는 보수용 작업자 출입구(Manway)를 모두 연 후 노즐댐을 설치한다.

노즐댐의 설치가 끝나는 즉시 도 3과 같이 원자로 냉각재계통 수위를 원자로 용기 플랜지 근처까지 상승시켜 정지냉각계통의 흡입관에 공기유입으로 인한 잔열제거기능상실 가능성을 줄인다.

그러나 이러한 경우 원자로 냉각재 수위감소에 따라 정지냉각 펌프의 유효 흡입수두 감소로 인한 운전부담 및 펌프의 고장 가능성이 있으며, 원자로 냉각재계통의 가열, 냉각시 열팽창 방향으로 움직일 수 있는 구조로 되어 있는 점을 감안하여 열팽창에 따른 기기 및 배관에 미치는 하중을 최소화하도록 설계하여야 하는 어려움이 있다.

이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 안출된 본 발명에서 저수위운전시 원자로 냉각재 계통의 수위를 가능한 높게 유지하도록 하되 열팽창에 따른 역학적 지지구조의 문제를 원만히 해결하면서도 저수위 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명이 적용된 원전의 주요 구조물 배치상태 사시도.

도 2는 본 발명이 적용된 원전의 저수위 운전 개략 단면도.

도 3은 본 발명이 적용된 원전의 재장전 운전 개략 단면도.

도 4는 본 발명이 적용된 원전의 재장전 운전상태를 도시한 상세 단면도.

도 5는 본 발명과 종래의 출구측 노즐 각도 비교도.

도 6은 본 발명에 의한 댐프 설치부의 요부 확대 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 원자로용기 110: 고온관

120: 저온관 200: 증기발생기

210: 출구측 노즐 220: 노즐댐

300: 펌프 400: 압력조절기

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 원자력발전소의 원자로에 핵연료 재장전작업과 동시에 증기발생기와 부수되는 시설의 점검 및 유지보수작업시 요구되는 저수위운전에 따른 수위의 극대화를 위한 증기발생기의 출구측 노즐의 각을 튜브시트 밑면을 기준으로 40도를 유지하도록 구성함을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용된 원전의 주요 구조물 배치상태 사시도를 도시한 것으로 중앙에 원자로용기(100)가 위치하며, 양측으로는 증기발생기(200)가 각각 설치되어 있고 고온관(110)과 저온관(120)에 의해 상기 원자로용기(100)와 폐쇄관로로 연결되어 있다.

상기 저온관(120)에는 각각 물을 순환시켜주기 위한 펌프(300)가 구비되며 일차 측 고온관(110)에는 별도로 폐쇄관로내의 압력을 조절하도록 하는 가압기인 압력조절장치(400)가 설치되어 있다.

도 2는 본 발명이 적용된 원전의 저수위 운전 개략 단면도이고, 도 3은 본 발명이 적용된 원전의 재장전시 수위를 상승한 상태의 운전 개략 단면도를 도시한 것으로 이와 같은 원전의 가동중 원전의 핵연료 재장전시에는 원전의 운전을 정지시킴과 함께 증기발생기(200)의 점검이나 유지 보수 즉, 증기발생기 U 튜브(121) 검사 및 원자로 냉각재펌프 밀봉재(Seal)교체와 같은 기기의 점검 및 유지보수를 수행한다.

이와 같은 작업을 위해서는 작업자가 증기발생기(200)의 내부에 직접 들어가서 작업을 하여야 하므로 상기 증기발생기(200)과 연결되는 관로를 차단하기 위한 차단 노즐 댐(220)을 설치하여야 한다.

본 발명은 도 4는 본 발명이 적용된 원전의 재장전 운전상태를 도시한 상세 단면도이다.

도 5는 본 발명의 주요 부분인 증기발생기(200)의 입구측 고온관(110)과 출구측 노즐(210)을 도시한 단면도로서 음선으로 도시한 종래의 출구측 노즐을 설계 변경하여 실선으로 도시한 바와 같이 출구측 노즐(210)을 변경하여 도시한 것이다.

즉, 증기발생기(200)의 출구측 노즐(210)의 설치각도를 변경하여 줌으로서 요구되는 저수위운전에 따른 수위의 극대화한 것으로 출구측 노즐(210)의 각을 튜브시트 밑면(205)을 기준으로 40도를 유지하도록 구성한다.

이와 같이 함으로서 원자로 냉각재펌프 흡입관과 RCP 펌프 지지구조물의 수직기둥 사이의 간섭이 최소화 되도록 하면서도 최소 수위를 상승시켜 본 발명의 목적을 달성하도록 하는 것이다.

즉 원자로냉각재펌프 지지구조물의 수직기둥의 폭을 4인치 정도 감소시킨 만큼 그에 대한 보완으로 두께가 1.5인치 정도 증가시켜 원자로냉각재펌프 지지구조물의 강성도를 변경시키지 않는 설계를 얻을 수 있다.

이와 같은 상태에서 수위를 낮추면 종래의 장치보다 훨씬 높은 수위를 유지할 수 있으며, 아울러 증기발생기 입구 및 출구 노즐에 노즐댐(nozzle Dams)(220)을 설치하기가 용이하다.

상기 노즐댐(220)을 설치하기 위해서는 먼저 수위를 고온관 중심수위(Mid-loop Level)까지 낮추고 양쪽 증기발생기 일차측에 있는 보수용 작업자 출입구(Manway)를 모두 연 후 노즐댐(220)을 설치한다.

도 6는 본 발명의 요부 확대 단면도로서 노즐댐(220)을 설치한 상태를 도시한 부분 단면도이다.

노즐댐(220)의 설치가 끝나는 즉시 원자로 냉각재계통 수위를 원자로 용기 플랜지 근처까지 상승시켜 정지냉각계통의 흡입관에 공기유입으로 인한 잔열제거기능상실 가능성을 줄인다.

도 3은 부분충수운전에서 노즐댐을 설치한 후 수위를 상승시켰을 때의 배치도이며, 이 상태에서 증기발생기는 보수를 수행하고 원자로는 연료재장전 작업을 수행하도록 한다.

이와 같이 하므로서 원자로 냉각재 주배관의 중심선이 싱글노즐댐 최하단의 간격을 8인치 이상으로 확보하는 것이 가능해졌으며, 이는 한국 표준형 원전에 비하여 1인치 이상 증가하여 잔열제거 계통의 기능상실 가능성을 현저하게 감소시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 저수위 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조에 의하면, 증기발생기의 몸체밑면에 장착된 출구측 노즐의 경사각을 튜브시트 밑면(205)을 기준으로 40도의 각도로 유지하므로써, 원자로의 기기보수 및 점검에 따른 저수위운전과정에서 냉각재 계통의 수위를 한국 표준형 원전에 비하여 1인치 증가한 8인치 이상으로 확보하는 것이 가능해져, 원전운전에 따른 냉각효율성이 증대됨과 아울러, 저수위 운전에 따른 작업의 신뢰성이 증대되는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 원자로용기(100)의 몸체측면에 고온관(110)과 저온관(120)을 통해 증기발생기(200)와 냉각재펌프(300)가 각각 연결되면서, 증기발생기(200)의 몸체하부에 출구측노즐(210)로부터 분기되는 U튜브(121)를 통해 각각의 냉각재펌프(300)가 연결된 원자로 냉각재 계통에 있어서,

   증기발생기(200)의 몸체하부측에 구비된 출구측 노즐(210)의 경사각을 튜브시트 밑면(205)을 기준으로 40도의 각도로 유지하여, 원자로의 기기보수 및 점검에 따른 저수위운전과정에서 출구측 노즐(210)의 경사각에 상응하는 만큼 원자로 냉각재 계통의 수위를 상승시킨 것을 특징으로 하는 운전신뢰성을 갖는 원자로 증기발생기의 노즐구조.