KR100488244B1 - 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각 계통구조재료의 내부식성 향상을 위해 냉각수 내의 수소기체를 고 농도로 주입하는 격막구조설비와 저 농도로주입하는 장치 및 그러한 격막구조설비 및 장치를 이용한냉각수 내의 수소 기체 주입 방법 - Google Patents

가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각 계통구조재료의 내부식성 향상을 위해 냉각수 내의 수소기체를 고 농도로 주입하는 격막구조설비와 저 농도로주입하는 장치 및 그러한 격막구조설비 및 장치를 이용한냉각수 내의 수소 기체 주입 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압 경수형 원자력 발전소 1차 냉각 계통에 사용되는 금속 구조재료들의 부식 및 환경조장균열(ENVIRONMENTALLY ASSISTED CRACKING) 현상을 억제하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로 냉각 계통수내의 화학 환경 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 원자로 냉각 계통수내의 용존 수소 농도를 현재의 원자력 발전소 운전 조건인 냉각수 1 kg 당 수소 기체 부피 값으로서 25 ㎤/kg∼30 ㎤/kg(표준 온도 압력 기준)에 비해 ① 낮은 15㎤/kg 이하의 저 농도로 유지하면서 운전하는 장치 및 방법 또는 ② 높은 100㎤/kg 이상의 고 농도로 유지하면서 운전하는 장치 및 방법을 포함한다.

Description

가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각 계통 구조재료의 내부식성 향상을 위해 냉각수 내의 수소 기체를 고 농도로 주입하는 격막구조설비와 저 농도로 주입하는 장치 및 그러한 격막구조설비 및 장치를 이용한 냉각수 내의 수소 기체 주입 방법{MEMBRANE STRUCTURE ARRANGEMENT FOR HIGHER HYDROGEN-PARTIAL-PRESSURE CONTROL, APPARATUS FOR LOWER HYDROGEN-PARTIAL-PRESSURE CONTROL AND METHOD FOR CONTROLLING THE HYDROGEN-PARTIAL-PRESSURE USING SAID ARRANGEMENT AND APPARATUS TO SUPPRESS THE CORROSION AND ENVIRONMENTALLY ASSISTED CRACKING OF STRUCTURAL MATERIALS IN COOLING WATER OF PRESSURIZED WATER REACTORS}
본 발명은 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각 계통에 사용되는 금속 구조재료들의 부식 저하를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로 냉각 계통수 내의 수소 기체 주입 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자력발전소의 운전에서는 원자로 냉각 계통 구조 재료들의 부식을 최소화하기 위한 환원성 분위기의 수화학 조건을 유지하기 위해서 일정량의 수소 기체를 주입하고 있다. 만약 환원성 분위기가 형성되지 못하고 산화성 분위기가 형성된다면 냉각계통에는 부식 생성물의 형성 및 전달이 많아지게 되고, 이에 따라 더 많은 방사선량이 형성되게 되며, 원자로내의 반응도(reactivity)의 불균형도 유발할 수 있다. 또한, 원자력발전소의 고온 고압의 원자로 냉각수에서 발생하는 부식은 압력용기, 증기 발생기 전열관 및 급수 배관 등의 손상의 주요 원인이다. 이와 같은 산화성 분위기는 냉각수 자체의 방사선과의 반응을 통한 화학적 분해를 거쳐 생성된 산소 기체에 의해 형성될 수 있다. 또한 동일한 방사선과의 반응을 통해 과산화수소기(HO2·)의 라디칼(RADICAL)이 형성될 수 있는데, 이는 구조재료의 건전성에 매우 위협적인 화합물이다. 일정량 이상의 수소 기체의 주입은 상기한 냉각수의 분해를 통한 산소기체 및 과산화수소기 라디칼의 생성을 억제하여 냉각수내의 조건을 환원성 분위기로 유지하는 역할을 한다.
원자로 냉각수내 용존 수소 농도에 대해서는 현재 미국 전력연구소(Electric Power Research Institute)는 25 ㎤/kg∼50 ㎤/kg을 권고하고 있으며, 우리나라에서는 25 ㎤/kg∼30 ㎤/kg 의 용존 수소 농도를 현재 발전소 운전 조건으로 하고 있다. 원자력 발전소의 수명관리를 위하여 고온, 고압수 환경 하에서 부식에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 부식 및 환경조장균열 현상이 진행되는 특성들을 냉각수내의 용존 수소 농도에 따라 실험적으로 측정되었다.
도 1은 종래의 가압 경수형 원전에서 용존 수소 농도를 25~30 ㎤/kg 으로 유지한 조건으로 운전했을 때 나타나는 원자로 냉각 계통의 금속 구조재료에서 나타나는 응력부식균열 현상을 개략적으로 나타낸 도식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 가압 경수형 원자력발전소에서 원자로 냉각수내의 용존 수소농도를 25 ~ 30 ㎤/kg으로 유지한 조건으로 운전했을 때는 고온 고압의 원전 환경과 부식 분위기가 결합되어 환경조장균열 현상의 대표적인 종류인 응력부식균열(stress corrosion cracking) 현상이 나타난다. 그러나 원자력 발전소의 수명 연장이나 안정적인 운전을 위해서는 이러한 응력부식균열 현상에 의한 구조 재료들의 취화를 감소시키거나 방지할 수 있도록 수화학 환경 조절을 통한 최적의 운전 조건이 요구된다.
도 2 및 도 3( T. Cassagne, B. Fleury, F. Vaillant, O. De Bouvier, P. Combrade, "An Update of the influence of hydrogen on the PWSCC of nickel base alloys in high temperature water", Proceedings of the 8th International Symposium on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Sytems-Water Reactors, Amelia Island, American Nuclear Society, 1997, Vol. 1, P.307. 참조)에 도시된 바와 같이, 원자력 발전소의 원자로 냉각계통의 온도 및 압력과 유사한 조건에서 증기발생기 전열관 또는 각종 노즐부의 주요한 재료로 사용되는 니켈계 합금 600에 대해서는 현재의 원자력 발전소의 원자로 냉각 계통수내의 용존 수소 농도가 25~30 ㎤/kg 영역의 조건일 경우에 응력부식균열 생성에 가장 민감하고 또한 생성된 균열의 성장 속도가 가장 빠른 것으로 나타나 전체 원자력 발전소 시스템에 가장 나쁜 영향을 미치는 수화학 운전 조건임을 알 수 있다. 이와는 대조적으로 현재의 운전 조건인 용존 수소 농도보다 좀더 낮거나 좀더 높은 조건을 유지하였을 경우에는 응력부식균열의 생성시간이 지연되며, 또한 생성된 균열의 성장 속도 또한 지연됨을 알 수 있다.
즉, 도 2 또는 도 3을 참조하면, 원자로 냉각수 내의 용존 수소 농도를 15 ㎤/kg 이하로 유지하거나, 원자로 냉각수 내의 용존 수소 농도를 100 ㎤/kg 이상으로 유지한다면, 현재의 운전 조건인 용존 수소 농도가 25~30 ㎤/kg 인 경우보다 원자력 발전소의 냉각 계통의 구조 재료의 수명 연장의 면에서 유리하다는 것을 알 수 있다.
그러나, 현재 운전 중인 원자력 발전소에서는 냉각수의 환원성 분위기를 형성하기 위하여 수 기압의 냉각수에 단순히 수소 기체를 운전 조건인 25~30 ㎤/kg 정도로 주입하고 난 후, 수소가 혼합된 냉각수를 150 기압 정도로 가압하는 방식을 채택하고 있다. 따라서, 이러한 방법 또는 장치는 원자력 발전소의 냉각 계통의 구조 재료의 수명 연장의 면에서 유리한 15 ㎤/kg 이하 또는 100 ㎤/kg 이상의 수소 농도를 제공할 수 없는 문제점이 있다.
그러므로, 원자력 발전소의 냉각수 계통에 응력부식균열의 생성시간을 지연시키고, 생성된 균열의 성장 속도를 또한 지연시킬 수 있는 수소 농도를 원자력 발전소의 냉각 계통에 제공할 수 있는 장치 또는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 가압 경수형 원자력 발전소(PWR) 원자로 냉각 계통과 같이 290 oC 이상의 고온 고압 수화학 환경에서 구조 재료의 수명 연장을 위해 요구되는 내부식성 향상을 위해 원자로 냉각수에 수소를 주입하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가압 경수형 원자력 발전소(PWR) 원자로 냉각 계통과 같이 290 oC 이상의 고온 고압 수화학 환경에서 구조 재료의 수명 연장을 위해 요구되는 내부식성 향상을 위해, 냉각수 내에 수소를 고 농도로 또는 저 농도로 주입하기 위한 장치 또는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가압 경수형 원자력 발전소(PWR) 원자로 냉각 계통과 같이 290 oC 이상의 고온 고압 수화학 환경에서 구조 재료의 수명 연장을 위해 요구되는 내부식성 향상을 위해, 냉각수 내에 수소를 100 cm3/kg 이상의 고 농도로 또는 15 cm3/kg 이하의 저 농도로 주입하기 위한 장치 또는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 가압 경수형 원자력 발전소의 냉각 계통에 환원성 분위기를 제공하기 위한 장치에 있어서, 원자로 냉각 계통의 냉각수 배관 연결부와 수소 기체 주입부 사이에 배치되어 일정 압력 이상의 원자로 냉각수에 일정 농도로 수소가 선택적으로 투과하게 하는 격막부; 상기 격막부의 상부에서 상기 격막부를 기계적으로 지지하는 제 1 격막 지지부; 상기 격막부의 하부에서 상기 격막부를 기계적으로 지지하는 제 2 격막 지지부를 포함하고, 상기 제 1 격막 지지부 및 제 2 격막 지지부 각각은 상기 냉각수 내로 용이하게 수소 기체가 주입되도록 형성된 기공들이 골고루 분포되어 있는 다공 지지부와, 외부 밀봉을 위해 상기 다공 지지부의 둘레를 따라 형성되는 도금부를 포함하는 것을 특징으로 하는 격막구조설비에 의해 달성된다.
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또한, 상기 격막구조설비는 상기 격막부, 상기 제 1 격막 지지부와 상기 제 2 격막 지지부를 수용하고, 냉각수 배관 연결부와 수소 기체 주입부에 각각 연결되는 어댑터부와, 상기 어댑터부와 상기 격막 지지부 사이의 접촉면의 고압 밀봉을 위한 밀봉부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 격막부는 합성 수지(polymer), 팔라듐(Pd) 또는 팔라듐-은(Pd-Ag) 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공 지지부는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 또는 이들의 합금 중 어느 하나에 의해 형성되고, 상기 도금부는 금, 백금, 이리듐(Ir), 로디움(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 또는 레늄(Re) 중 어느 하나에 의해 형성되고, 상기 제 1 격막 지지부 및 제 2 격막 지지부의 상기 다공 지지부의 상기 기공은 상기 원자로 냉각수의 역류 압력을 견뎌낼 수 있도록 서로 엇갈려 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도금부의 두께는 0.01 μm 내지 300 μm 인 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 가압 경수형 원자력 발전소에서, 일정 압력 이상의 원자로 냉각수에 고 농도로 수소를 선택적으로 주입하는 방법으로서, 상기와 같은 격막구조설비를 제공하는 단계와, 상기 수소 기체 주입부에 연결되는 어댑터 쪽에서 수소 기체를 일정 기압 이상으로 가압하여 상기 격막구조설비를 통해 수소를 주입하는 단계를 포함하는, 상기 격막구조설비를 이용하여 고 농도로 수소를 선택적으로 주입하는 방법에 의해 달성된다.
상기 원자로 냉각수에 주입되는 수소의 상기 농도는 100 cm3/kg 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적은 냉각수가 공급되는 혼합 탱크부와, 상기 혼합 탱크에 수소 기체를 공급하기 위한 수소 기체 탱크부와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수 내의 용존 수소 농도를 측정하여 그 측정값을 상기 수소 기체 탱크부에 피드백시키는 측정부를 포함하는 가압 경수형 원자력 발전소의 냉각 계통에 환원성 분위기를 제공하기 위한 장치에 있어서, 상기 혼합 탱크부에 연결되고, 상기 측정부의 측정값을 피드백받는 불활성 기체 탱크부를 더 포함하여, 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 주입되는 일정 비율의 수소의 양을 상기 불활성 기체 탱크부에 의해 공급되는 불활성 기체로 대체함으로서 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 저 농도로 수소를 주입할 수 있는, 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 장치에 의해 달성된다.
그리고, 본 발명의 목적은 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 방법으로서, 냉각수가 공급되는 혼합 탱크부를 제공하는 단계와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 수소 기체를 공급하기 위해 상기 혼합 탱크부에 연결되는 수소 기체 탱크부를 제공하는 단계와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 불활성 기체를 공급하기 위해 상기 혼합 탱크부에 연결되는 불활성 기체 탱크부를 제공하는 단계와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수 내의 용존 수소 농도를 측정하는 단계와, 상기 측정 단계에 의해 측정된 값을 상기 수소 기체 탱크부와 상기 불활성 기체 탱크부에 피드백하는 단계를 포함하고, 상기 피드백 단계는 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 공급되는 수소 기체의 일정 비율을 대체할 불활성 기체의 양을 결정하는 단계를 더 포함하여, 가압 경수형 원자력 발전소의 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 방법에 의해 달성된다.
상기 원자로 냉각수에 주입되는 수소의 상기 농도는 15 cm3/kg 이하인 것이 바람직하다.
이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 관한 하나의 실시예를 예시로서 설명한다.
우선 본 발명의 발명자는 원자력 발전소의 냉각수에 환원성 분위기를 제공할 목적으로 100 cm3/kg 이상의 고 농도로 수소를 냉각수에 주입하기 위해서는 기존의 방법을 대체할 장치가 필요함을 인식하였다. 앞에서도 언급하였듯이 기존의 수소 주입 방법은 수 기압의 냉각수에 단순히 수소 기체를 운전 조건인 25~30 ㎤/kg 정도로 주입하고 난 후, 150 기압 정도로 수소가 혼합된 냉각수를 가압하는 방식을 채택한다. 그러나, 본 발명은 150 기압 정도로 가압된 냉각수에 직접 수소를 주입하는 방식을 채택한다.
하지만, 본 발명의 발명자는 기존의 설비로는 그러한 방식을 실현하는 것이 불가능함을 인식하였다. 따라서, 본 발명의 발명자는 원자로 냉각수 내의 용존 수소 농도를 100 cm3/kg 이상의 고 농도로 유지하기 위하여 수소 기체를 선택적으로 투과시키는 격막구조설비를 발명하게 된 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예를 예시하는 격막구조설비가 도시된 것을 볼 수 있다. 도 4의 격막구조설비는 선택적으로 수소 기체를 투과시킬 수 있는 격막부(12), 냉각수 내로 수소 기체의 유동을 자유롭게 하면서 동시에 격막부 상·하부를 기계적으로 지지할 수 있는 제 1 격막 지지부(11) 및 제 2격막 지지부(13), 상기 어댑터부와 격막 지지부간의 접촉면의 고압 밀봉을 위한 밀봉부(14) 및 격막부(12), 제 1 격막 지지부(11)와 제 2 격막 지지부(13)를 수용하며 인접한 배관 연결부 및 수소기체 주입부에 연결되는 어댑터부(10, 15)를 포함된다.
상기 격막부(12)는, 특별히 수소 기체만을 선택적으로 잘 투과시키는 격막(membrane) 구조를 가지는 어떠한 물질이나 재료도 무방하며 고압 수화학 환경하에서 사용하기 위해서는 일정치 이상의 기계적 강도 및 수화학 환경에서의 내부식성이 요구되며, 현재까지 이와 같은 특성을 가지고 산업계에서 널리 사용되는 재료로는 합성 수지(polymer) 격막, 팔라듐(palladium), 팔라듐-은(palladium-silver, Pd-Ag) 합금 또는 이 합금을 활용하거나 개량한 다양한 형태의 소재들이 있다.
수소의 선택적 투과성을 좋게 하기 위해서 상기 격막부(12)는 그 두께가 얇아질 수밖에 없다. 따라서, 상기 격막 지지부(11, 13)는 그와 같은 격막부(12)의 기계적 강도의 손실을 보완해주면서 동시에 그 자체는 수소의 투과성에 영향을 미치지 않는 구조를 가지고 있어야 한다.
이와 같은 특성을 갖는 구조는, 도 5를 참조하면, 기계적으로 격막부(12)를 지지하면서 동시에 기체 투과는 용이하게 하기 위하여 지경 1mm 이하의 기공들이 골고루 분포되어 있는 다공 지지부(21) 및 격막 지지부(11, 13)를 외부와 밀봉시키기 위하여 상기 다공 지지부(21)의 둘레를 따라 형성된 도금부(20)를 포함하도록 격막 지지부(11, 13)를 구현함으로써 얻을 수 있다.
또한, 원자로 냉각수의 역류 압력을 견뎌내기 위해서 상기 제 1 격막 지지부 및 제 2 격막 지지부의 상기 다공 지지부의 상기 기공은 서로 엇갈려 형성되도록 제작될 수도 있다.
격막 지지부(11, 13)에 사용되는 재료로는 일정치 이상의 기계적 강도가 요구되면서 동시에 수화학 분위기에서의 비교적 우수한 내식성을 가진 것이 적합하다. 그러한 재료로는 합성수지, 금속, 무기재료 등을 들 수 있으며, 일반적으로 널리 사용되는 금속재료 중에서는 스테인레스강(또는 니켈계 합금 등)이 적합하다.
다공 지지부(21)를 포함하는 격막 지지부(11, 13)는 전체적으로 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 또는 이들의 합금 중 어느 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 상기 다공 지지부(21)의 둘레를 따라 형성되는 도금부는(20), 박막 밀봉층을 제공하기 위해, 전기화학적 방법, 플라즈마 용사방법, 화학증착법, 물리증착법, 이온주입법, 이온사출법 등의 방법에 의하여 금, 백금, 이리듐(Iridium, Ir), 로디움(Rhodium, Rh), 니켈(Nickel, Ni), 루테늄(Ruthenium, Ru), 오스뮴(Osmium, Os), 레늄(Rhenium, Re) 중 어느 하나로 도금하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 격막 지지부(11, 13)는 전체적으로 직경이 15 내지 50 mm 가 바람직하고, 상기 도금부(20)의 두께는 0.01㎛ 내지 300㎛ 인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
또한, 수소기체만을 선택적으로 잘 투과시키는 특성을 가지는 물질, 예를 들어 팔라듐-은 합금(분말) 등을 이용한 박막 도금 등을 활용하면, 상기 격막부(12)와 상기 격막 지지부(11, 13)는 일체형으로 제작될 수도 있다. 상기 격막부(12)와 상기 격막 지지부(11,13)은 원판의 형태를 갖는 것이 바람직하나, 수소 투과 면적을 증진시키기 위하여 곡면을 이룰 수도 있다.
상기한 밀봉부(14)는, 격막부(12)와 격막지지부(11, 13) 및 격막지지부(11, 13)와 어댑터부(10, 15) 사이에 발생할 수 있는 기계적인 간극에서의 수소기체 또는 냉각수의 누설을 막기 위한 것으로서 일반 고압 배관의 밀봉에 사용되는 어떠한 형태 및 재료도 가능하다. 예를 들어, 격막부(12)와 격막지지부(11, 13) 사이에 얇은 니켈, 금, 은 등의 박막 층을 제작하거나, 추가적인 구조부를 제작하여 구조부 표면에 상기 니켈, 금, 은 등의 도금을 시행하여 밀봉부로 사용할 수도 있다.
상기한 격막 구조 설비를 인접한 배관 연결부 및 수소기체 주입부에 연결하기 위한 장치의 한 예로서 어댑터부(10, 15)는 암나사 어댑터부(10)와 수나사 어댑터부(15)로 구성된다. 상기 어댑터부(10, 15)는 고압 유체 배관의 밀봉(Hermeticity), 절연(Electrical Isolation)이 필요한 장비의 부속품 등으로 널리 쓰인다. 고온(High Temperature), 저온(Cryogenic Temperature), 고압(High Pressure), 화학약품(Aggressive Chemicals) 등의 극한 환경 하에서 밀봉 및 절연 역할을 하며 반도체 공정 장비, 가속기, 노(Furnace), 여러 가지 측정 장비(Measurement Instrument) 등에서 부속품으로 사용된다. 따라서 본 발명에 사용되는 어댑터부는 상용으로 시판되는 종래의 어댑터를 사용하거나 목적에 따라 특수하게 제작하여 사용할 수 있다.
이와 같은 격막구조설비를 사용하면 원자로 냉각수 내의 용존 수소 농도를 100 cm3/kg 이상의 고 농도로 주입할 수 있다는 것을 본 발명의 발명자는 인식하였다. 즉, 150 기압 이상으로 가압된 냉각수에 상기 격막구조설비의 하나의 어댑터부는 냉각수에 그리고 다른 하나의 어댑터부는 수소 기체를 공급하는 수소 기체 탱크에 연결하고, 일정한 압력을 가하여 수소 기체에 대해 선택적 투과성을 갖는 격막구조설비를 통해 수소 기체를 냉각수에 공급하면, 기존의 운전 조건인 25 내지 30 cm3/kg 의 수소 농도를 뛰어 넘어 휠씬 높은 수소 농도를 냉각수에 제공할 수 있다는 것을 인식하였다.
구체적으로 상기 격막구조설비를 이용하여 100 cm3/kg 이상의 고 농도로 수소를 냉각수에 주입하는 방법을 설명하면, 다음과 같다. 가압 경수형 원자력 발전소에서, 일정 압력 이상의 원자로 냉각수에 고 농도로 수소를 선택적으로 주입하는 방법은, 냉각수 배관 연결부 및 수소 기체 주입부 사이에 배치되는, 수소 기체를 선택적으로 투과하는 격막부를 포함하는 격막구조설비를 제공하는 단계와, 상기 수소 기체 주입부에 연결되는 어댑터 쪽에서 수소 기체를 일정 기압 이상으로 가압하여 상기 격막구조설비를 통해 수소를 선택적으로 투과시킴으로써 고압의 냉각수에 주입하는 단계를 포함한다.
지금까지 상기 격막구조설비는 주로 100 cm3/kg 이상의 고 농도로 수소를 냉각수에 주입하기 위한 목적으로 설명되었지만, 그보다 낮은 농도로 냉각수에 수소를 주입할 때에 상기 격막구조설비의 사용을 배제하는 것은 아니다. 즉, 100 cm3/kg 농도 이하로 수소를 냉각수에 주입할 때에도 상기 격막구조설비를 사용할 수 있다.
다음으로 원자력 발전소의 냉각 계통의 내부식성의 향상을 위하여, 본 발명의 발명자는 냉각수에 15 cm3/kg 이하의 저 농도로 수소를 주입하기 위하여 도 6에 예시로서 도시된 장치를 발명하였다.
도 6을 참조하여 냉각수에 15 cm3/kg 이하의 저 농도로 수소를 주입하기 위한 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 6에 도시된 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 15 cm3/kg 이하의 저 농도로 수소를 주입하기 위한 장치는 제 1 기체 펌프부를 포함하는 수소 기체 공급을 위한 수소 기체 탱크부(31)와, 제 2 기체 펌프부를 포함하는 불활성 기체 공급을 위한 불활성 기체 탱크부(32)와, 수소 기체 조절 밸브 및 불활성 기체 조절 밸브 각각을 통해 상기 수소 기체 탱크부(31)와 상기 불활성 기체 탱크부(32)에 각각 연결되어 상기 공급된 수소 기체 및 불활성 기체와 냉각수의 혼합을 위한 혼합 탱크부(35)와, 상기 혼합 탱크로부터 원자로 냉각수 계통으로의 연결을 위한 연결부(41)와, 상기 연결부에 통해 주입되는 상기 혼합 탱크부(35)의 냉각수 내의 용존 수소 농도를 측정하여 그 측정값을 상기 수소 기체 탱크부(31) 및 불활성 기체 탱크부(32)에 피드백 시키는 측정부(36)와, 상기 측정부(36)의 측정값을 피드백 받아 상기 수소 기체 조절 밸브(34) 및 상기 불활성 기체 밸브(33) 각각을 조절함으로써 상기 혼합 탱크로의 수소 기체 및 불활성 기체의 주입량을 제어하는, 수소 기체 주입량 제어부(37) 및 불활성 기체 주입량 제어부(37')를 포함한다.
위에서 기체 주입량 제어부(37, 37')은 각각의 기체 탱크부(31, 32)와 별도로 설명되었지만, 기체 탱크부(31, 32)는 기체 주입량 제어부(37, 37')를 포함할 수도 있다.
기존의 원자력 발전소에서 사용되는 수소 주입 장치는 보통 수소 기체 탱크부만을 구비하나, 본 발명은 불활성 기체 탱크부를 더 구비하여, 수소가 냉각수에 주입될 수 있는 일정 비율의 양을 불활성 기체로 대체함으로서 탱크 내에 요구되는 기체의 총 압력을 유지하면서 통상의 수소 농도보다 더 낮은 농도로 냉각수 내로 수소를 주입할 수 있다.
또한 수소와 함께 냉각수로 주입되는 불활성 기체는 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등을 사용할 수 있으나, 헬륨(He)이 바람직하다.
위와 같은 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다. 즉, 수소 기체 탱크부(31)와 불활성 기체 탱크부(32)에서 공급되는 수소 기체와 불활성 기체는 각각 밸브(34, 33)를 통해 혼합 탱크부(35)로 공급된다. 이렇게 혼합 탱크부(35)에서 혼합된 냉각수는 연결부(41)의 밸브(39)를 통해 냉각 계통으로 공급되나, 그 이전에 용존 수소 농도 측정부(36)에서 혼합된 냉각수의 용존 수소 농도를 측정하고 그 측정값을 수소 기체 주입량 제어부(37) 및 불활성 기체 주입량 제어부(37')에 피드백시켜 밸브(34, 33)를 작동시킴으로써 원하는 수소 농도를 맞출 수 있다. 상기 혼합 탱크부(35)는 신규 설비를 추가할 수도 있으며, 기존 수소 주입용 냉각수 탱크를 사용할 수도 있다.
이와 같은 장치로 15 cm3/kg 이하의 저 농도로 수소를 냉각수에 주입하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 방법은, 냉각수가 공급되는 혼합 탱크부를 제공하는 단계와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 수소 기체를 공급하기 위해 상기 혼합 탱크부에 연결되는 수소 기체 탱크부를 제공하는 단계와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 불활성 기체를 공급하기 위해 상기 혼합 탱크부에 연결되는 불활성 기체 탱크부를 제공하는 단계와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수 내의 용존 수소 농도를 측정하는 단계와, 상기 측정 단계에 의해 측정된 값을 상기 수소 기체 탱크부와 상기 불활성 기체 탱크부에 피드백하는 단계를 포함하고, 상기 피드백 단계는 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 공급되는 수소 기체의 일정 비율을 대체할 불활성 기체의 양을 결정하는 단계를 포함한다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 가압 경수형 원자력발전소 원자로 냉각 계통수내의 용존 수소 농도 조절 장치 및 방법에 의하면, 냉각 계통의 금속 구조재료의 부식에 의한 환경조장균열의 발생 및 성장을 감소시킨다. 현재 가압 경수형 원전의 안전성과 수명을 저해하는 주요 원인은 니켈계 합금으로 제작된 원자로압력용기의 노즐, 증기발생기 전열관 재료 및 배관 용접부 등의 환경조장균열로 인한 손상이다. 본 발명을 통하여 원전 수명에 핵심적인 상기 부품을 보다 장기간 안정적으로 사용할 수 있게 할 수 있으며, 이로 인한 원자력 발전소 부품 소재들의 수명을 길어지게 할 수 있으며, 나아가 원전의 안전성 향상과 장수명화에 큰 기여를 할 수 있다.
또한 원자력 발전소의 운전 중 핵연료 재장전시에는 수소를 모두 제거하는 운전과정을 거치게 되는데, 본 발명에서 제안한 용존 수소 농도 조절 장치 및 방법 중에 용존 수소 농도를 15 ㎤/kg 이하로 유지하는 방법을 따르게 되면 냉각수 내의 수소량이 감소하게 되어, 핵연료 재장전 시 수소 제거를 위한 운전 과정에 소요되는 시간을 감소시켜 전체 핵연료 재장전 시간을 감소시키게 되고, 결국 이 운전 과정에 소요되는 비용 절감을 초래해 전체적으로 발전소 운전의 경제성 향상에 긍정적 효과를 가져올 수 있다.
도 1은 종래의 가압 경수형 원자력발전소(Pressurized Water Reactor, PWR) 수화학 환경에서 나타나는 금속구조재료에서의 응력부식균열 현상에 대한 개략도.
도 2는 360℃ 수중에서 용존 수소량 변화에 따른 니켈계 합금 600의 응력부식균열의 생성시간 변화에 대한 측정 그래프.
도 3은 360℃ 수중에서 용존 수소량 변화에 따른 니켈계 합금 600의 응력부식균열의 성장속도 변화에 대한 측정 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 일례에 따른 선택적 수소 기체 주입을 위한 격막 구조 설비의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 일례에 따른 선택적 수소 기체 주입을 위한 격막 구조 설비의 격막 지지부의 평면도.
도 6은 본 발명의 실시 일례에 따른 불활성 기체 및 수소 기체 주입을 위한 설비도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 암나사 어댑터부 11: 제 1 격막지지부
12: 격막부 13: 제 2 격막지지부
14: 밀봉부 15: 수나사 어댑터부
20: 도금부 21: 다공 지지부
31: 수소기체 탱크부 32: 불활성기체 탱크부
33: 불활성 기체 조절밸브부 34: 수소 기체 조절밸브부
35: 혼합 탱크부 36: 용존 수소 농도 측정부
37: 수소 기체 주입량 제어부 37': 불활성 기체 주입량 제어부
38: 혼합 냉각수 조절밸브부
39: 원자로 냉각수 주입 조절 밸브부 40 : 혼합 냉각수 주입연결부
41: 원자로 냉각수 주입 연결부
100: 증기발생기 전열관튜브 110: 주 입계 응력부식균열
120: 부 입계 응력부식균열

Claims (13)

  1. 가압 경수형 원자력 발전소의 냉각 계통에 환원성 분위기를 제공하기 위한 장치에 있어서,
    원자로 냉각 계통의 냉각수 배관 연결부와 수소 기체 주입부 사이에 배치되어 일정 압력 이상의 원자로 냉각수에 일정 농도로 수소가 선택적으로 투과하게 하는 격막부;
    상기 격막부의 상부에서 상기 격막부를 기계적으로 지지하는 제 1 격막 지지부;
    상기 격막부의 하부에서 상기 격막부를 기계적으로 지지하는 제 2 격막 지지부를 포함하고,
    상기 제 1 격막 지지부 및 제 2 격막 지지부 각각은 상기 냉각수 내로 용이하게 수소 기체가 주입되도록 형성된 기공들이 골고루 분포되어 있는 다공 지지부와, 외부 밀봉을 위해 상기 다공 지지부의 둘레를 따라 형성되는 도금부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 격막구조설비.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 격막부, 상기 제 1 격막 지지부와 상기 제 2 격막 지지부를 수용하고, 냉각수 배관 연결부와 수소 기체 주입부에 각각 연결되는 어댑터부와, 상기 어댑터부와 상기 격막 지지부 사이의 접촉면의 고압 밀봉을 위한 밀봉부를 더 포함하는, 격막구조설비.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 격막부는 합성 수지(polymer), 팔라듐(Pd) 또는 팔라듐-은(Pd-Ag) 합금 중 어느 하나로 이루어진, 격막구조설비.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 다공 지지부는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe) 또는 이들의 합금 중 어느 하나에 의해 형성되고, 상기 도금부는 금, 백금, 이리듐(Ir), 로디움(Rh), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 또는 레늄(Re) 중 어느 하나에 의해 형성되는, 격막구조설비.
  7. 제 1 항 있어서, 상기 제 1 격막 지지부 및 제 2 격막 지지부의 상기 다공 지지부의 상기 기공은 상기 원자로 냉각수의 역류 압력을 견뎌낼 수 있도록 서로 엇갈려 형성되어 있는, 격막구조설비.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 도금부의 두께는 0.01 μm 내지 300 μm 인, 격막구조설비.
  9. 가압 경수형 원자력 발전소에서, 일정 압력 이상의 원자로 냉각수에 고 농도로 수소를 선택적으로 주입하는 방법으로서,
    제 1 항 또는 제 3 항에 따른 격막구조설비를 제공하는 단계와,
    상기 수소 기체 주입부에 연결되는 어댑터 쪽에서 수소 기체를 일정 기압 이상으로 가압하여 상기 격막구조설비를 통해 수소를 주입하는 단계를 포함하는,
    상기 격막구조설비를 이용하여 고 농도로 수소를 선택적으로 주입하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 원자로 냉각수에 주입되는 수소의 상기 농도는 100 cm3/kg 이상인, 상기 격막구조설비를 이용하여 고 농도로 수소를 선택적으로 주입하는 방법.
  11. 냉각수가 공급되는 혼합 탱크부와, 상기 혼합 탱크부에 수소 기체를 공급하기 위한 수소 기체 탱크부와, 상기 혼합 탱크부의 냉각수 내의 용존 수소 농도를 측정하여 그 측정값을 상기 수소 기체 탱크부에 피드백시키는 측정부를 포함하는 가압 경수형 원자력 발전소의 냉각 계통에 환원성 분위기를 제공하기 위한 장치에 있어서,
    상기 혼합 탱크부에 연결되고, 상기 측정부의 측정값을 피드백받는 불활성 기체 탱크부를 더 포함하여, 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 주입되는 일정 비율의 수소의 양을 상기 불활성 기체 탱크부에 의해 공급되는 불활성 기체로 대체함으로서 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 저 농도로 수소를 주입할 수 있는, 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 장치.
  12. 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 방법으로서,
    냉각수가 공급되는 혼합 탱크부를 제공하는 단계와,
    상기 혼합 탱크부의 냉각수에 수소 기체를 공급하기 위해 상기 혼합 탱크부에 연결되는 수소 기체 탱크부를 제공하는 단계와,
    상기 혼합 탱크부의 냉각수에 불활성 기체를 공급하기 위해 상기 혼합 탱크부에 연결되는 불활성 기체 탱크부를 제공하는 단계와,
    상기 혼합 탱크부의 냉각수 내의 용존 수소 농도를 측정하는 단계와,
    상기 측정 단계에 의해 측정된 값을 상기 수소 기체 탱크부와 상기 불활성 기체 탱크부에 피드백하는 단계를 포함하고,
    상기 피드백 단계는 상기 혼합 탱크부의 냉각수에 공급되는 수소 기체의 일정 비율을 대체할 불활성 기체의 양을 결정하는 단계를 더 포함하여,
    가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 원자로 냉각수에 주입되는 수소의 상기 농도는 15 cm3/kg 이하인, 가압 경수형 원자력 발전소의 원자로 냉각수에 저 농도로 수소를 주입하는 방법.
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