KR100589829B1 - Ｃａｎｄｕ형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의마식을 감소시키기 위한 방법 - Google Patents

Ｃａｎｄｕ형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의마식을 감소시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CANDU형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인(12a, 12b)의 마식(磨蝕)을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 원자력발전소의 작동에 의해 야기된, 일차계통 내에 배치된 증기 발생기(20)의 열교환기용 관(22)의 일차측 내벽의 표면 거칠음을 분사 수단에 의한 처리에 의해 감소시킨다.

Description

ＣＡＮＤＵ형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의 마식을 감소시키기 위한 방법 {METHOD FOR REDUCING THE EROSION CORROSION IN CONNECTING LINES IN PRIMARY CIRCUIT OF A NUCLEAR POWER PLANT OF CANDU TYPE}
도 1은 CANDU형 원자력발전소의 개략적인 기본 구조.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
2: 원자로
4: 압력관
4a, 4b: 연결 단부
6: 핵연료요소
8: 가열 수단
10: 원통형 용기
12a, 12b: 연결 라인
14a: 유입구 모관
14b: 배출구 모관
20: 증기 발생기
22: 열교환기용 관
24: 냉각 매체
30: 감속재
본 발명은 CANDU형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의 마식을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다.
CANDU형 원자력발전소의 원자로 용기(칼란드리아)는 다수의 압력관(pressure or calandria tubes)을 포함하며, 상기 압력관의 내부에는 압력관의 종방향으로 핵연료요소가 삽입되고 가열 수단(중수)이 관류하게 된다. 각각의 압력관의 유입측 및 배출측은 연결 라인(feeder pipe)에 연결되며, 상기 연결 라인은 공통의 유입구 모관(inlet header)으로부터 뻗어나오거나, 공통의 배출구 모관(outlet header) 내로 이어진다. 이러한 연결 라인은 비교적 작은 내부 직경(대략 2.5cm)을 가지며 좁은 주변 상황으로 인해 비교적 작은 곡률 반지름을 갖는 다수의 굴곡부를 갖는다.
특히 배출측 연결 라인에서의 내부면에서는 마식으로 인해 야기될 수 있는 재료 이탈(material removal)이 관찰된다. 이러한 마식은 압력관의 배출구에서 특히 증기 기포 및 중수로 이루어진 이상혼합물이 배출됨으로써 야기된다. 이 경우, 작동 시간이 점점 더 지속되면서, 예컨대 연당 150㎛의 재료 이탈율에서 알 수 있듯이, 재료 이탈은 그와 더불어 나타나는 벽두께 감소로 인해 장치의 설계 수명이 다하기 전에 연결 라인의 교체가 요구될 수 있을 정도로 높은 값을 갖게 된다. 그 러나, 상기와 같은 연결 라인의 교체는 다수의 연결 라인 및 좁아진 설치 상황으로 인해 매우 복잡한 기술, 긴 작동 중단 시간, 그리고 높은 비용을 요구할 수도 있다.
본 발명의 목적은 복잡하지 않게 실행할 수 있고 연결 라인의 매우 높은 지속 수명을 달성하는, CANDU형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의 마식을 감소시키기 위한 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. CANDU형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의 마식을 감소시키기 위한 방법에서, 본 발명에 따라 열교환기용 관의 일차측 내벽에서 나타나며 부식 생성물의 증착에 의해 야기된 표면 거칠음은, 분사 수단, 바람직하게는 알갱이 형태로 존재하는 고체와 물로 이루어진 다상 혼합물에 의한 처리에 의해 감소된다.
미국 특허 제5,883,512호에는 분사 수단에 의해 열교환기용 관을 처리하는 기본 원리가 공지되어 있다. 그러나, 이와 같은 처리는 잡음 레벨을 감소시킴으로써 재료 손상의 조기 검출을 더욱 개선시키기 위해 단지 와류 탐상 검사(Eddy Current Testing)를 실행하기 전 준비 조처로 이용된다.
본 발명은 열교환기용 관의 표면 거칠음 및 이와 더불어 나타나는 증기 발생기의 열 전달력의 감소에 의해, 연결 라인 내에서 나타나는 마식 및 작동 시간이 지속되면서 나타나는 내부 표면에서의 재료 이탈이 가속화된다는 인식에 기초를 두 고 있다.
작동 시간이 진행되면서 관찰된, 열교환기용 관의 내부 표면의 표면 거칠음의 증가는 일차계통의 주로 배출측 연결 라인에서 나타나는 마식에 의해 발생된다. 이러한 마식이 나타날 때 일차계통에서 사용되는 저합금 또는 비합금 탄소강-특히 배출측 연결 라인에서-이 침식되고 이온으로 존재하는 철 화합물이 형성되어, 가열 수단(중수) 내로 방출된다. 이러한 이온화된 철 화합물은 증기 발생기 내로 운반되어, 열교환기용 관의 내부 표면에 산화물로서 증착된다.
이러한 증착은 열교환기용 관의 내벽의 높은 표면 거칠음, 증착에 의한 약간의 횡단면 축소, 그리고 이에 따른 가열 수단 유량의 감소를 야기한다. 또한 그 결과로 증기 발생기의 열 전달력이 감소되고 이와 더불어 작동 시간이 지속되면서 증기 발생기의 배출측 및 원자로의 유입측에서 일차계통 내에서 순환하는 가열 수단(중수)의 온도가 높아지게 된다.
본 발명은 원자로 압력관의 배출구에서의 증기 기포를 배출측 연결 라인 내 마식에 큰 영향을 미칠 정도의 양으로 증가시키기 위해서는 2 내지 3℃의 비교적 작은 온도 상승으로도 충분하다는 인식에 기인한다.
본 발명에 따른 방법에 의해 이제 표면 거칠음을 형성하는 산화물 증착은 가열관의 구조와 상관없이 효과적으로 제거되고 열교환기용 관의 내부 표면의 표면 거칠음이 두드러지게 감소됨으로써 증기 발생기의 열전달력이 크게 증가된다. 이와 더불어 원자로의 유입측에서 온도 감소가 나타난다. 본 발명에 따른 조처에 의해 분사 처리 후에는 원료의 작동이 개시될 때의 온도값과 거의 일치하는 유입측 온도값이 달성될 수 있다.
또한 증기 발생기의 특수한 열전달력의 증가에 의해 이차측 증기계통 내 압력이 증가됨으로써 터빈 영역에서의 효율도 개선된다.
또한 분사 수단에 의한 처리와 더불어 실행되는 증착물의 제거에 의해, 그리고 열교환기용 관의 표면을 평탄화시킴으로써 와류 탐상 검사 또는 초음파 검사시 획득된 결과물의 효율이 개선될 뿐만 아니라, 감소된 마찰로 인해 열교환기용 관을 통해 가이드된 프로브의 마모가 적어짐, 즉 지속 수명이 더욱 높아진다.
본 발명에 따른 방법에 의해 증기 발생기의 신품 상태에 필적하는 열전달 용량(설계-열전달 용량)이 달성됨으로써, 원자력발전소의 고유의 설계 용량은 적어도 거의 복구된다.
본 발명의 또다른 장점은 열교환기용 관의 화학적 정제 또는 정화에 비해 훨씬 적은 부피의 이차 폐기물이 생긴다는 것이다. 화학적인 방법은 본 발명에 따른 방법의 폐기물 부피의 수배를 만들어낸다. 그럼으로써, 이러한 경우 나타나는 상당량의 이차 폐기물 소각을 위한 비용이 현저히 감소된다.
바람직하게는 분사 수단으로서 기체/고체 혼합물이 사용된다. 그럼으로써, 제거 속도는 증가되고 분사 수단에 의한 분리가 쉬워진다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 열교환기용 관은 분사 처리 이전에 건조된 주변 공기의 진공화 및/또는 순환에 의해 건조된다. 이러한 건조 과정은 증착된 산화막의 부분적인 무결성 파괴를 초래하고 다단계 처리의 효율을 지지한다.
상기 기체/고체 혼합물에 의해 열교환기 관은 특히 5초 내지 10분 동안 처리 된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에서 기체단의 압력, 바람직하게는 질소 또는 공기의 압력은 기체/고체 혼합물에서 열교환기용 관 내로 유입될 때 예컨대 0.1 MPa(1 바아) 내지 1 MPa(10 바아)이다.
고체는 특히 알갱이형, 구형 및/또는 각진 입자로 이루어진다. 고체 부분은 또한 과립도 가질 수 있다. 특히 이러한 고체는 유리, 강옥, 금속, 금속 산화물, 세라믹 및/또는 열교환기용 관의 재료로 이루어진다.
또한 상이한 재료로 이루어진 고체의 혼합물이 사용될 수도 있다.
고체의 입자 직경은 바람직하게는 100 내지 1000㎛, 특히 150 내지 400㎛이다.
본 발명에 따른 방법에 의해서는 마식이 감소될 뿐만 아니라, 열 교환기의 열 전달력이 유지되고 열교환기용 관 내의 손상이 조기 검출된다는 장점이 달성된다.
본 발명은 CANDU형 원자력발전소의 기본 구조를 개략적으로 도시한 도면에 의해 더 자세히 설명된다.
도면에 따르면 CANDU형 원자력발전소의 원자로(2)-소위 칼란드리아-는 다수의, 통상적으로는 대략 400개의 압력관(4)을 포함하며, 개관의 용이함을 위해 개략적인 기본도에서는 상기 압력관(4) 중에서 단지 두 개만이 도시된다. 상기 압력관(4)은 핵연료요소(6)를 포함하며 가열 수단(8), 즉 중수(D2O)에 의해 관류된 다. 상기 압력관(4)은 원통형 용기(10) 내에서 그 종축에 대해 평행하게 설치되고 연결 단부(4a, 4b)에 의해 용기(10)의 정면에서 밖으로 돌출한다. 상기 연결 단부(4a, 4b)에서 상기 압력관(4)은 이에 상응하는 수의 유입측 및 배출측 연결 라인(12a, 12b)에 연결된다. 상기 유입측 연결 라인(12a)은 유입구 모관(14a)으로부터 뻗어나온다. 배출측 연결 라인은 배출구 모관(14b) 내로 이어진다. 상기 유입구 모관(14a)과 배출구 모관(14b) 사이에는 각각 하나의 증기 발생기(20)가 배치된다. 각각의 증기 발생기(20)는 U형으로 휘어진 다수의 열교환기용 관(22)을 포함하며, 상기 열교환기용 관(22)은 원자로(2) 내에서 생성된 열을 이차측 냉각 매체(24), 즉 경수(H2O)로 전달하고 상기 경수를 터빈 작동을 위해 증발시킨다.
또한 도면에서 추가로 감속재(30), 즉 중수(D2O)가 용기(10)를 관류한다는 사실을 알 수 있다.
핵연료요소(6)의 교체를 가능하게 하기 위해 실제로는 연결 라인(12a, 12b)은 기본도에 도시된 바와는 달리 정면이 아니라 측면의 압력관(4)에 연결된다. 따라서, 이러한 연결 라인은 비교적 작은 내부 직경(압력관의 출력 밀도에 따라 1.5 내지 3.5 인치)을 가지며 좁아진 설치 상황으로 인해 압력관(4)의 종축에 대해 횡방향으로 각각의 인접한 압력관(4)의 주변으로 가이드됨으로써 비교적 작은 반지름을 갖도록 휘어져야만 한다.
상기 연결 라인(12a, 12b)은 탄소강으로 이루어지고 두드러진 마식을 나타낸다. 마식은 특히 압력관(4)의 개별 배출구에 연결되는 연결 라인(12b) 내에서 나 타난다. 왜냐하면, 이 지점에서 마식을 야기하는 증기 기포 부분이 매우 높은 부분을 차지하기 때문이다. 이와 같은 마식의 정도는, 이와 더불어 나타나는 벽 두께 감소에 의해 수명 단축이 일어날 수 있을 만큼 높을 수 있다.
상기 연결 라인(12a, 12b)의 내부 표면으로부터 분리된 재료는 일차계통 라인 시스템의 나머지 지점에, 특히 열교환기용 관(22) 내에 증착되어, 가열 수단의 유량을 점차적으로 감소시킨다. 이러한 가열 수단의 유량이 감소됨과 더불어 압력관(4)의 유입구(4a)에서 가열 수단(8)의 온도가 상승되며, 상기 온도 상승은 작동 시간이 여러 해 지속되면서 소수의 섭씨 온도(2 내지 5℃)에 달하게 된다. 이와 같은 비교적 작은 온도 상승만으로도 압력관(4) 및 상기 압력관(4)의 배출구(4b) 내에 함유된 증기 기포량을, 특히 배출측 연결 라인(12b) 내에서 마식에 대해 불리한 작용-원자로 작동에 대해 작용하는 다른 부정적인 효과(압력 감소, 경감)와 더불어-을 미칠 정도로 증가시키기에 충분하다.
본 발명에 따라 이제 분사 수단에 의한 열교환기용 관(22)의 처리에 의해 증기 발생기(20) 내 열 전달량의 개선이 이루어지며, 그 결과 압력관(4)의 개별 유입구(4a)에서 온도 저하가 나타나고 증기 발생 용량 부분이 감소되면서 특히 배출구측 연결 라인(12b)의 마식에 의한 제거율이 감소된다.
본 발명에 의해 복잡하지 않게 실행할 수 있고 연결 라인의 매우 높은 지속 수명을 달성하는, CANDU형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인의 마식을 감소시키기 위한 방법이 제공된다.

Claims (11)

  1. CANDU형 원자력발전소의 일차계통 내 연결 라인(12a, 12b)의 마식을 감소시키기 위한 방법으로서,
    상기 원자력발전소의 작동에 의해 야기된, 일차계통 내에 배치된 증기 발생기(20)의 열교환기용 관(22)의 일차측 내벽의 표면 거칠음을 분사 수단에 의한 처리에 의해 감소시키는,
    마식 감소 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 수단으로서 기체/고체 혼합물을 사용하는,
    마식 감소 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기용 관(22)을 우선 건조하고나서, 기체/고체 혼합물로 처리하는,
    마식 감소 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열교환기용 관(22)을 진공화하여 건조하는,
    마식 감소 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 열교환기용 관(22)의 건조를 위해 건조된 공기를 사용하는,
    마식 감소 방법.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체/고체 혼합물에 의한 처리 지속 시간이 5초 내지 10분이 되도록 구성된,
    마식 감소 방법.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기용 관(22) 내로 유입될 때 기체/고체 혼합물의 가스 압력이 0.1 MPa(1바아) 내지 1MPa(10 바아)가 되도록 구성된,
    마식 감소 방법.
  8. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체가 알갱이형 입자, 구형 입자 및 각진 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 입자인,
    마식 감소 방법.
  9. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체가 유리, 강옥, 금속, 특수강, 세라믹 및 상기 열교환기용 관(22)의 재료와 동일한 재료로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고체를 포함하는,
    마식 감소 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 입자의 직경이 100 내지 1000㎛가 되도록 구성된,
    마식 감소 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 입자의 직경이 150 내지 400㎛가 되도록 구성된,
    마식 감소 방법.
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