KR100447266B1 - 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로 - Google Patents

원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력 발전소의 원자로에 있어서, 원자로 용기와 내부 구조물을 연결하는 정렬키(Alignment Key)에 냉각재 유로 통공을 형성함으로써 상부 헤드부로 유입되는 저온의 냉각재 우회유량을 추가 형성하여 원자로 제어봉구동장치(CEDM)노즐과 원자로 용기 상부 헤드 배기구(Vent-Pipe)에서 발생되고 있는 1차 응력 부식균열(PWSCC)과 누설문제를 해소하도록 하는 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로에 관한 것이다.
정상 운전 중 원자로 용기 내부 기기들을 통해 노심 우회 유량을 형성하여 노심과 원자로 상부 헤드간 온도 차이를 감소시켜 원자로 용기 구조물의 건전성을 유지하는데, 원자로 용기 상부 헤드 표면의 온도가 높아 인코넬600(Inconel-600)재질을 사용하고 있는 원자로 제어봉구동장치(CEDM)노즐과 원자로 용기 헤드배기구(Vent-Pipe) 부분에서 1차 응력부식균열로 인해 균열과 누설이 발생하여 정비 또는 기기교체를 위해 원자력발전소를 일시 또는 장기간 정지해야하는 문제가 있다.
본 발명은, 원자로 용기와 노심 지지구조물을 연결하기 위해 방사상으로 다수 구비되는 정렬키(Alignment Key)를 포함하는 원자로에 있어서,
원자로 용기 상부 헤드에 구비되는 원자로 제어봉구동장치(CEDM) 노즐과 원자로 용기 상부 헤드 배기구(Vent Pipe)에서 발생되는 1차 응력부식균열(PWSCC)과 누설문제를 해소하기 위하여 원자로 냉각재 우회유량을 추가형성할 수 있도록, 냉각재 유로를 형성한 다수의 정렬키를 포함하는 것을 특징으로 하는 것으로서,
상기 정렬키(Alignment Key)는 냉각재 유로로서, 일측에 수직 방향으로 소정 크기의 다수의 유로 통공을 형성하는 것임.

Description

원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로{A Reactor with increased cooling by-pass flow in reactor upper headparts}
본 발명은 원자력 발전소의 원자로 용기 상부 헤드의 냉각유량 확충에 관한 것으로서, 특히 원자로 용기와 내부 구조물을 연결하는 정렬키(Alignment Key)에 냉각재 유로를 형성함으로써 상부 헤드부로 유입되는 저온의 냉각재 우회유량을 추가 형성하여 원자로 제어봉구동장치(CEDM)노즐과 원자로 용기 상부 헤드 배기구(Vent-Pipe)에서 발생되고 있는 1차 응력 부식균열(PWSCC)과 누설문제를 해소하도록 하는 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로에 관한 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 원자로의 구성을 보이는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 통상의 원자로(100)는 핵연료를 장전하여 출력생산영역을 제공하고 다중의 보호벽으로 제 2방벽 역할을 하는 원자로 용기(110) 내부에 제어봉 구동장치노즐(120), 원자로 용기 상부배기구(130), 핵연료집합체 (140), 상부안내 구조물(150), 노심지지통(160), 정렬키(107) 등으로 구성되어 있다.
미설명 부호 (180)는 노심 슈라우드이다.
원자로 용기는 상부 헤드(111)와 하부몸체(112)로 구성되고, 상부 헤드(111)에는 제어봉 구동장치(CEDM)노즐(120), 사고시 기포제거의 자연순환을 위한 원자로 용기 헤드 배기구(130), 가열접점 열전대(HJTC)용 관통부 등 많은 관통구가 설치되어 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 원자로(100)의 우회유량 및 유로를 개략적으로 도시한 것으로서,
원자로 입구 노즐에서 핵연료 노심을 통과하여 출구노즐로 형성되는 원자로 주냉각재유로(10), 원자로 용기 내부 구성품의 건전성을 위하여 일정량의 냉각재를 사용하는 노심출구 우회유로(20), 노심 안내관 우회유로(30), 노심 슈라우드 환형 우회유로(40), 중앙 안내관 우회유로(50), 외경 안내관 우회유로(60), 정렬키 우회유로(70)를 도시한 것이고,
도 3은 종래 기술에서의 상기 정렬키(107)의 구성을 개략적으로 보이는 노심지지통(160)과 정렬키(107)를 발췌한 일부 절개 사시도이며, 도 4는 종래 기술에서의 정렬키(107)와 노심지지통(160) 등의 결합상태 사시도이며, 도 5는 도 2의 A부 확대도로서, 정렬키(107) 결합부의 상세 단면도이다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부 헤드(111)부로의 우회유량 및 유로에서 상기 정렬키(107)를 통한 냉각재 유량은 원자로 용기(110) 및 노심지지통(160) 등과의 결합부에 형성되는 클리어런스 유로(70)를 통과하는 미미한 것이었다.
한편, 상기 원자로 구성요소들의 재질은 중성자와 감마선에 견디고 높은 강도를 유지할 수 있는 탄소강으로 구성되어 있으나, 원자로 용기 상부 헤드 관통구 중 제어봉 구동장치(120) 노즐과 원자로 용기 헤드 배기구(130) 노즐은 1차 응력부식균열(PWSCC)에 취약한 인코넬 600(Inconel-600) 재질을 사용하고 있다.
일반적으로 원자력 발전소의 원자로설비에서 발생하는 1차 응력 부식균열의 주요 인자는 원자로 용기 제작과정에 생성되는 잔류응력, 미세조직(Micro structure)과 온도 등이다.
정상운전 중 원자로는 원자로 용기(110) 내부 기기들을 통해 노심 우회 유량을 형성하여 노심과 원자로 상부 헤드간 온도 차이를 감소시켜 원자로 용기 구조물의 건전성을 유지한다.
그러나 정상운전 중 원자로 용기의 상부 헤드로 상승하는 저온의 냉각재 우회유량이 적절치 않으면 상부 헤드 표면 근처의 냉각수 온도가 높아지게 되는데, 도 6은 이러한 현상을 보여주는 종래 기술에서의 상부 헤드 표면 근처의 냉각수 온도의 분포도로서, 상부 헤드 표면으로 고온수가 분포됨을 보여준다.
원자로 용기 상부 헤드 표면 근처의 높은 온도는 인코넬600(Inconel-600)재질을 사용하고 있는 원자로 제어봉 구동장치(CEDM)(120)노즐과 원자로 용기 헤드배기구(Vent-Pipe) 부분에서 1차 응력부식균열로 인한 균열과 누설을 발생시킨다.
이러한 1차 응력부식균열 문제를 해결하기 위해 신규 건설되는 원전에서는상기 제어봉 구동장치 노즐과 원자로 용기 헤드 배기구 노즐을 1차 응력부식균열에 강한 재질(Alloy-690TT)을 사용하나, 운전중인 원전에서는 단기적으로 계획예방정비 기간 중에 검사장비를 사용하여 예상 취약부위의 결함을 탐지하고 결함이 발견될 경우, 결감제거 및 재용접 등의 정비작업을 실시하고 정기적으로 노즐의 재질을 교체하기 위해 원자력 발전소를 일시 또는 장기간 정지시키고, 원자로 상부 헤드를 제작해야하는 등 상당한 비용과 기간이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서,
본 발명의 목적은, 원자로 용기와 내부 구조물을 연결하는 정렬키(Alignment Key)에 수직방향으로 소정 크기의 유로 통공을 다수개 구성, 설치하여,
원자력발전소의 정상운전기간 중 원자로 상부 헤드에 저온의 원자로 냉각재 우회유량을 추가 형성시켜줌으로써,
원자로 용기 상부 헤드 표면 근처의 온도를 낮추어 1차 응력부식균열에 취약한 원자로 제어봉 구동장치(CEDM)노즐과 원자로 용기 상부 헤드 배기구(재질: 인코넬 600) 및 원자로 용기의 건전성을 확보하도록 하는 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 종래 기술의 원자로의 단면 구성도,
도 2는 종래 기술에서의 원자로 용기 냉각재 우회유로를 보이는 단면도,
도 3은 종래 기술에서의 정렬키 및 노심지지통 발췌 일부 절개도.
도 4는 종래 기술에서의 정렬키와 노심지지통 등의 결합상태 사시도.
도 5는 도 2의 A부 확대도로서, 정렬키 결합부의 상세 단면도.
도 6은 종래 기술에서의 원자로 용기 상부 헤드 근처의 냉각수 온도 분포도.
도 7은 본 발명에 따른 원자로 용기 정렬키의 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 원자로 용기 정렬키의 조립부 발췌 상세 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 원자로 상부 헤드부 냉각재 우회유로를 보이는 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 상부 헤드 근처의 냉각수 온도 분포도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 원자로 107: 종래 기술의 정렬키
110: 원자로 용기 111: 상부 헤드
112: 하부몸체 120: 제어봉 구동장치
130: 상부 헤드 배기구 140: 핵연료 집합체
150: 상부 안내구조물 160: 노심 지지통
170: 본 발명에 따른 정렬키 171: 유로 통공
180: 노심 슈라우드
상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로는,
원자로 용기와 노심 지지구조물을 연결하기 위해 방사상으로 다수 구비되는 정렬키(Alignment Key)를 포함하는 원자로에 있어서,
원자로 용기 상부 헤드에 구비되는 원자로 제어봉구동장치(CEDM) 노즐과 원자로 용기 상부 헤드 배기구(Vent Pipe)에서 발생되는 1차 응력부식균열(PWSCC)과 누설문제를 해소하기 위하여 원자로 냉각재 우회유량을 추가형성할 수 있도록, 냉각재 유로를 형성한 다수의 정렬키를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 정렬키(Alignment Key)는 냉각재 유로로서, 일측에 수직 방향으로 소정 크기의 다수의 유로 통공을 형성함을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 정렬키(Alignment Key) 일측에 형성되는 수직방향 유로 통공은 1 ~ 2인치 직경으로 2 ~ 4개를 형성함이 바람직하다.
이하 본 발명의 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로에 대한 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 정렬키의 구성을 보이는 사시도이며, 도 8은 도 7의 조립 상세도이다.
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상부 헤드부 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로는,
원자로 용기(110)와 노심 지지구조물을 연결하기 위해 방사상으로 다수 구비되는 정렬키(Alignment Key)를 포함하는 원자로에 있어서,
원자로 용기(110) 상부 헤드(111)에 구비되는 원자로 제어봉구동장치(CEDM) 노즐과, 원자로 용기 상부 헤드 배기구(Vent Pipe)에서 발생되는 1차 응력부식균열(PWSCC)과 누설문제를 해소하기 위하여 원자로 냉각재 우회유량을 추가형성할 수 있도록 냉각재 유로를 형성한 다수의 정렬키(Alignment Key)(170)를 포함하는 것이다.
방사상으로 다수 구비되는 상기 정렬키(170)는 냉각재 유로로서, 일측에 수직 방향으로 소정 크기의 다수의 유로 통공(171)을 형성하되, 상기 통공은 1 ~ 2인치 직경으로 2 ~ 4개를 형성함이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 원자로 상부 헤드(111)부 냉각재 우회유량 유로를 개략적으로 도시한 것으로서, 도시된 바와 같이, 정렬키(170)의 냉각재 유로 통공(171)을 통한 유로(1), 노심지지통(160) 플랜지면에 뚫려있는 원자로 용기재질 감시시편 액세스용 홀을 통한 유로(2), 핵연료 집합체 안내관에서 가이드튜브를 통해 상부 안내구조물로 유동하는 유로(3) 상부안내구조물(150) 지지판의 플로우홀(Flow Holes)을 통한 유로(4)의 4가지 입구 경로와,
원자로 용기 상부 헤드 냉각 후 1개의 원자로 용기 출구노즐 근처 상부 안내구조물(150) 지지판의 멀티 플로우홀을 통한 출구유로(5)를 보여준다.
도 10은 본 발명에 따른 상부 헤드 표면(111)의 냉각수 온도 분포도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 유로 통공(171)을 형성한 정렬키(170)를 채택한 본 발명에서는 고온의 냉각수가 상부 헤드(111) 표면으로 근접되지 않고, 중심 공간에서 산포되어 상부 헤드(111) 표면 근처의 냉각수 온도분포가 도 6에 도시된 종래 기술에 비하여 현저히 낮게 형성되었다.
이와 같이 본 발명은 원자로 용기와 내부구조물을 연결하는 각 정렬키에 냉각재 유로가 되는 통공(171)을 다수 형성함으로써,
각 정렬키(170)의 유로 통공(171)을 통하여 원자로 상부 헤드(111) 근처의 냉각수의 유동량을 증가시켜 원자로 용기 헤드 내부의 표면 근처에서 냉각수 온도를 표준원전의 경우 622℉에서 578℉로 낮춤으로써 원자로 용기 상부 헤드의 노즐부분에서 1차 응력 부식에 의한 균열현상과 누설문제의 발생가능성을 현저히 감소시키게 된다.
본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실제예 및 도면에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로는,
원자력 발전소의 정상 운전 중 원자로 용기 내부에 구비되는 각 정렬키(Alingnment Key)에 수직 방향으로 1 ~ 2 인치 직경의 2 ~ 4 개의 유로 통공을 통하여 우회유량을 증가시켜 운전할 경우, 원자로 상부 헤드 표면 근처의 냉각수 온도를 622℉에서 578℉로 낮추어 줌으로써,
원자로 제어봉구동장치(CEDM) 노즐 및 원자로 용기 상부 배기구(Vent Pipe)노즐의 설계수명을 4배 이상 증가시켜 균열과 누설을 방지하고, 원자로 용기 상부 헤드에 구비되는 기기의 건전성 및 안전성 확보를 통한 경제성의 제고뿐만 아니라 원전의 운전효율성을 향상시키는 것으로서 매우 유용한 가치를 갖는 기술이다.

Claims (3)

  1. 상부 헤드(111)와 하부 몸체(112)가 결합된 원자로용기(110)에 방사상으로 다수개 구비되어 상부안내 구조물(150)과 노심지지통(160)을 연결하여 지지하는 정렬키(107)를 포함하는 원자로에 있어서,
    상기 정렬키(107)는, 그 일측에 수직방향으로 상기 상부헤드(111)에 구비되는 제어봉 구동장치 노즐(120)과 원자료용기 헤드 배기구(130)로 냉각재의 우회유량을 추가시키는 1 ~ 2인치 직경으로 2 ~ 4개의 유로 통공(171)이 형성된 것을 특징으로 원자로 상부 헤드부의 냉각 우회유량을 증가시킨 원자로.
  2. 삭제
  3. 삭제
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JPH07159563A (ja) * 1993-12-06 1995-06-23 Toshiba Corp 液体金属冷却型原子炉
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