KR100836076B1

KR100836076B1 - 부유형 원자로 비상 정지 시스템

Info

Publication number: KR100836076B1
Application number: KR1020060092463A
Authority: KR
Inventors: 김명현; 임재용
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-06-09
Also published as: KR20080027046A

Abstract

본 발명은 액체 금속을 냉각재로 사용하는 원자로에서의 비상 노심 정지 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제어봉 집합체를 일반 제어봉 집합체와는 달리 노심 하부에 위치시키고 제어봉집합체를 구동시키기 위해 연결된 금속 연결봉이나 제어봉 집합체 위에 액체 금속 냉각재보다 가벼운 부력체를 설치함으로써 노심을 비상정지 시켜야 할 시 제어봉 집합체의 움직임을 구속시키고 있는 연결봉의 잠금장치를 해제하는 것만으로도 부력체의 부력에 의해 노심 안으로 제어봉 집합체가 삽입이 자동으로 이루어짐으로서 원자로의 출력을 제어하여 정지시키는 방법에 대한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 중성자 흡수체(예를 들어 Dysprosium(디스프로슘), Gadolinia(가돌리니아), B₄C(보론 카바이드), 등)를 피복재내로 장전하여 봉 형태로 제작하며, 제어봉들을 여러 형태로 묶어 제어봉 집합체를 구성한다. 이때 제어봉 집합체는 정상운전시에는 중성자 흡수체가 노심에 장전되지 않도록 내부가 비어 있는 더미 금속관들이 상부에 위치하며, 더미 금속봉 밑으로 중성자 흡수체가 장전되는 상·하 이중 구조로 되어 있어 일반 핵연료 집합체보다 긴 형태로 제작한다. 제어봉 집합체를 구동하기 위해서 제어봉 집합체 상부와 원자로 용기 상부에 위치한 제어봉 집합체 구동 장치사이를 금속 봉으로 연결시키며, 더미 금속관만으로 제어봉 집합체 전체 를 액체 금속 냉각재 하에서 빠르게 띄울 수 없는 경우에는 추가적 인 부력체인 가스 탱크를 연결봉 상부에 위치시킨다. 즉, 정상 운전시에는 원자로의 제어봉 집합체 구동장치와 제어봉 집합체를 연결하는 금속봉을 제어봉 집합체 구동장치의 모터로 위치 조절함으로서 노심내로 장전되는 제어봉 집합체의 높이를 제어할 수 있으며, 이는 노심내 잉여 반응도를 제어하는 데 사용된다. 또한, 원자로 사고 발생시에는 제어봉 집합체 구동장치에서 금속 연결봉을 구동시키는 결속장치의 연결을 해지하여 더미 금속관이나 금속 연결봉에 연결된 부력체의 부력에 의해 빠른 속도로 제어봉 집합체를 노심내에 삽입시키는 데 사용한다.

Description

부유형 원자로 비상 정지 시스템{FLOATING-TYPE NUCLEAR REACTOR SHUTDOWN SYSTEM}

도 1은 액체금속 냉각 원자로에서의 본 발명의 적용방법에 대한 구조도

도 2는 본 발명에 사용되는 제어봉 집합체 단면도

도 3은 노심 내에서의 제어봉 집합체 움직임을 묘사한 단면도

도 4은 제어봉 집합체 구동을 위한 금속 연결봉 및 가스 탱크 단면도

도 5는 제어봉 집합체 구동장치에 대한 단면도

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 제어봉 (중성자 흡수체) 2 : 더미 금속관

3 : 금속 연결봉 4 : 가스 탱크

5 : 제어봉 집합체 구동장치 6 : 제어봉 피복재

7 : 제어봉 집합체 하부 연결체 8 : 제어봉 집합체 상부 연결체

9 : 핵연료 집합체 10 : 핵연료 집합체 지지대

11 : 가스 탱크 지지대 12 : 제어봉 구동 모터 및 기어

일반적으로 원자로의 안전장치는 사고의 위험성 때문에 다중성 및 다양성의 방법이 적용된 여러 가지 공학 안전 설비를 갖추고 있다. 특히 잉여 반응도를 증가시키는 사고 발생시 노심 비상정지 시스템은 노심의 용융 등 큰 사고로의 확산을 방지할 수 있는 중요한 설비중의 하나이다. 따라서 비상정지 시스템은 주로 안전성 확보를 위하여 다양성이 적용된 각기 다른 2가지 방법을 채택하고 있다. 예를 들어 가압형 경수로의 경우 클러스터 형태의 제어봉을 핵연료 집합체 가이드 봉으로 삽입하여 핵분열 중성자를 제어봉 내에 존재하는 중성자 흡수체에 흡수시킴으로서 원자로를 정지시킨다. 또한, 다른 원자로 정지 방법으로서 중성자 흡수체인 보론-10이 함유된 붕산수를 원자로 냉각수내에 용해시킴으로서 원자로를 제어할 수 있다. 하지만, 소듐 냉각 고속로와 같은 액체 금속로의 경우에는 가압형 경수로처럼 붕산수를 냉각재에 섞을 수 없기 때문에 다양성 대신에 다중성을 채택하여 동일한 형태의 제어봉 집합체를 각기 다른 방법으로 구동하는 비상정지 시스템을 사용한다. 예 를 들어 프랑스의 Super-Phenix 1 소듐 냉각 고속로의 경우에는 자기 및 전자기 방벙에 의한 Rack diver gear를 채택하고 있으며, 일본의 MONJU 원자로는 모터 구동 장치와 스프링 가속 장치가 적용된 각기 다른 구동장치를 통하여 비상정지 시스템을 가동시킨다. 즉, 동일한 형태의 제어봉 집합체를 원자로 용기 상부에서 노심으로 기계적으로 삽입하는 방법만 다른 것으로서 제어봉 집합체에 가해지는 힘의 방법은 동일하다고 할 수 있다.

이에 본 발명에서는 제어봉 집합체에 작용하는 힘을 기존의 원자로 용기 상부에서 중력에 의해 삽입하는 방법 외에 노심 하부에서 제어봉 집합체의 부력만으로 노심에 삽입되게 하는 방법을 제안함으로서 비상정지 시스템의 다양성을 취하고자 한다.

반응도가 증가하는 사고 발생시 원자로의 출력은 매우 빠른 속도로 증가하기 때문에 노심 비상정지 시스템은 가능한 빠르고 정확하게 작동하는 것이 원자로 안전상 매우 중요하다. 본 발명에서 제안한 부유형 원자로 비상 정지 시스템은 위의 요구사항을 만족하기 위해서 다음과 같은 항목이 검증되어야 한다. 첫 번째는 노심 비상 정지 시스템이 작동시 확실한 노심 출력 제어가 가능한가의 여부이다. 이는 일반 액체금속 냉각로에서 노심 제어를 위해 사용 중인 동일한 물질 및 제원을 갖는 제어봉 집합체를 사용함으로서 해결 가능하다. 두 번째는 부유형 제어봉 집합체의 작동 시간으로서 제어봉 집합체에 작용하는 부력이 약하여 노심에 삽입되는 시간이 빠르지 않는 경우 비상 정지 시스템으로서 사용할 수 없다. 따라서 본 발명에서는 부력의 증가를 위해 제어봉 집합체 설계시 중성자 흡수 물질 상부에 헬륨과 같은 비활성 가스를 충전할 수 있는 더미 금속관을 위치시키며, 더미 금속관만으로 부력이 부족할 경우 제어봉 집합체를 구동시키는 금속 연결봉에 유선형 형태의 가스 탱크를 추가시키는 방법을 채택하였다. 이와 같은 더미 금속관 및 가스 탱크를 이용하여 부력을 추가시키는 방법으로 제어봉 집합체를 구동시키는 본 발명은 유일한 형태의 비상 정지 시스템으로서 발명의 의의가 있다. 이와같이 본 발명은 사고 발생시 빠르고 정확하게 노심을 정지시킬 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 액체금속로에서 사용되는 부유형 비상정지 시스템을 제공하는데,

하부에 중성자 흡수체가 위치하며 상기 중성자 흡수체의 상부에는 상기 액체금속로의 냉각재보다 가벼운 물질이 담긴 금속관으로 이루어진 더미금속관을 포함하여이루어진 제어봉을 하나이상 포함하여 이루어지는 제어봉 집합체를 포함하며,

정상운전시에는 상기 제어봉집합체가 노심의 아래쪽에 위치하다가 비상시에는 부력에 의하여 상승하여 원자로의 출력을 제어하는 것일 수있다.

상기 더미금속관의 상부에는 제어봉의 부력을 증가시키기 위한 헬륨으로 충만된 가스탱크를 더 포함하는데, 상기 가스탱크는 냉각재의 흐름을 방해하지 않기 위해 유선형으로 형성되며 그 내부에는 금속냉각재의 하중을 견디기 위하여 벌집모 양으로 구성되어 수평방향으로 가스탱크를 지지하는 가스탱크지지대(11)를 하나이상 포함하는 것일 수 있다.

상기 냉각재는 납합금이며 상기 더미금속관에는 헬륨가스가 충전되는 것일 수 있다.

상기 제어봉 집합체의 하부에는 상기 제어봉들을 고정시키는 제어봉 집합체 하부연결체(7)가 형성되는데, 냉각재가 지나갈 수 있도록 그물구조를 가지며 상기 제어봉 집합체 하부연결체의 면적은 상기 제어봉집합체의 면적보다 커서 상기 제어봉 집합체가 노심에 삽입될 때 더 이상의 상승을 방지하는 것일 수 있다.

상기 액체금속로의 냉각재는 노내로 삽입된 후 노심하부로 보내지고 노심 상부를 통하여 노를 빠져나가도록 하여 비상시 상기 비상정지 시스템의 운동방향과 일치하는 것일 수 있다.

원자로 비상 정지 시스템의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 크게 더미 금속관이 장착된 제어봉 집합체, 가스 탱크가 장착된 금속 연결봉, 부력을 억제하기 위한 제어봉 집합체 구동 장치와 같은 3가지 기기에 대한 개념을 정의한다.

본 발명에서 제시한 비상 정지 시스템의 작동 방법 및 각 기기의 역할은 다음의 도면을 참고로 하여 자세하게 설명할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제안한 부유형 비상 정지 시스템을 적용한 액체 금속로 단면도로서 개략적인 제원 및 형태는 다음과 같다. 냉각재로는 소듐 파이어나 중간 열교환기를 없애기 위해 납합금 냉각재를 사용하고, 원자로 사고시 납합금 냉각재 의 자연 순환을 통해 붕괴열을 제거할 수 있도록 원자로 용기는 매우 긴 형태로 제작한다. 증기 발생기를 통해 냉각된 액체 금속 냉각재는 원자로 용기 중간위치에서 노내로 삽입된 후 냉각재 유도 수로를 통해 노심 하부로 보내지고, 노심을 관통하면서 가열된 후 원자로 용기 상부에 있는 고온 수로관을 통해 증기 발생기로 향한다. 중성자 흡수체(1)는 핵연료 집합체 지지대 하부에 위치하고, 노심으로의 자연스러운 삽입을 위해 중성자 흡수체(1)위에는 속이 빈 금속관인 더미 금속관(2)이 위치한다. 이 중성자 흡수체(1)와 더미 금속관(2)이 상하로 연결되어 제어봉 집합체를 이루며, 제어봉 집합체는 금속 연결봉(3)을 통하여 원자로 용기 상부에 있는 제어봉 집합체 구동 장치(5)에 연결된다. 제어봉 집합체의 부력을 증가시키기 위해 금속 연결봉(3)에는 속이 비어 있는 가스 탱크(4)가 연결된다.

도 2는 제어봉 집합체의 단면도로서 스테인레스 스틸 계열의 금속으로 제작된 피복관(6)을 제어봉 집합체 하부 연결체(7)와 제어봉 집합체 상부 연결체(8)가 고정시키는 형태로 제작된다. 각각의 제어봉은 중성자 흡수체(1)를 피복관(6)이 감싸고 있는 형태로 제작되거나 합금재질의 봉으로 제작된다. 중성자 흡수체(1)는 제어봉 집합체가 노심 삽입시 전체 핵연료 높이를 감당할 수 있는 높이로 장전된다. 중성자 흡수체(2) 위로는 헬륨 가스와 같은 가볍고 비활성인 가스가 충전되어 제어봉의 부력을 증가시킨다. 제어봉 집합체를 구성하는 제어봉의 개수는 원자로의 출력이나 제어봉 집합체의 개수에 따라 원자로를 비상정지 시킬 수 있는 수량으로 조정되어 장전된다. 제어봉 집합체 하부 연결체(7)는 냉각재가 지나갈 수 있도록 그물 구조 형태로 제작되며 각 그물 구조 지지체에 피복관(6)이 용접되어 고정된다. 또한, 제어봉 집합체 하부 연결체(7)는 제어봉 집합체 면적보다 크게 제작되어 제어봉 집합체가 노심에 삽입될 시 핵연료 집합체 지지대(10)에 걸려 더 이상 제어봉 집합체가 상승하지 못하도록 한다. 제어봉 집합체 상부 연결체(8)는 피복관(6)을 고정시켜 주는 역할이외에도 금속 연결봉(3)과 연결되는 체결체가 존재하며, 체결체는 암나사 형태의 제작되어 금속 연결봉(3)의 수나사 형태의 하부부분과 단단히 결속된다.

도 3은 제어봉 집합체의 작동 방법을 묘사한 도식으로서 도 3의 (가)도는 정상운전시 제어봉 집합체가 노외에 존재한 상태를 묘사한 것이며, 도 3의 (나)도는 제어봉 집합체가 노심에 삽입된 상태를 묘사한 그림이다. (가)도에서 묘사한 정상 운전 시에는 금속 연결봉(3)에 의해 부력을 억제당한 제어봉 집합체는 핵연료 집합체(9)와 동일한 높이에서 위치하며, 이 때 노심내 제어봉 집합체 위치에는 헬륨 가스와 스테인레스 스틸로 구성된 더미 금속관(2)만이 존재하여 반응도 손실을 가능한한 감소시킨다. 또한, 중성자 흡수체(1)의 위치는 핵연료 집합체 지지대(10) 밑에 위치하여 제어봉의 역할을 가능한한 억제시킨다. 하지만, (나)도에서 나타난 것처럼 제어봉 집합체가 노내에 삽입된 경우에는 더미 금속관(2)은 부력에 의해 노외로 밀려나고 중성자 흡수체(1)가 노내에 위치하여 주변 핵연료 집합체로부터의 중성자를 흡수하여 원자로를 정지시킨다. 도 2의 설명에서와 같이 제어봉 집합체 하부 연결체(7)는 핵연료 집합체 지지대(10)에 결속되어 제어봉 집합체가 노내에 완전히 삽입된 이후에는 제어봉 집합체의 움직임을 억제한다.

제어봉 집합체의 노심내 삽입시간은 다음과 같은 원자로를 가정하여 계산한 경우 0.4 초로서 매우 빠르게 삽입됨을 확인할 수 있었다. 가정에 사용된 원자로는 가상의 원자로로서 납합금 냉각재가 사용되며, 핵연료 집합체의 높이는 약 1 미터, 제어봉 집합체의 길이는 약 2.2 미터이다. 제어봉은 제어봉 집합체에 17 x 17 배열 형태로 장전되어 총 289개로 구성되며, 각각 중성자 흡수체의 장전 높이는 1.2 미터, 헬륨 가스의 장전높이는 1 미터로 가정하였다. 각각의 납합금 냉각재의 밀도, 중성자 흡수체, 스테인레스 스틸, 헬륨 가스의 부피 및 질량으로 얻어낸 제어봉 집합체 전체의 밀도를 이용하여 제어봉 집합체에 작용하는 중력 및 부력을 계산한 후 제어봉 집합체의 이동거리를 이용하여 이동시간을 계산하였다.

도 4는 도 2의 헬륨 가스가 들어간 더미 금속관만으로 충분한 부력을 못 얻을 경우 금속 연결봉(3)에 연결하는 가스 탱크(4)를 묘사한 그림이다. 가스 탱크(4)는 더미 금속관(2)과 같이 헬륨 가스로 충전되며, 냉각재 흐름을 가능한 방해하지 않도록 유선형으로 제작한다. 또한, 가능한 부력을 크게 주기 위하여 가스 탱크(4)는 스테인레스 스틸로 얇게 제작되며, 액체 금속 냉각재의 하중에 견딜 수 있도록 탱크 내부에는 벌집모양의 가스 탱크 지지대(11)이 위치한다.

도 5는 제어봉 집합체 구동 장치를 나타내는 도식으로 일반 제어봉 집합체 구동 장치와 크게 다르지 않다. 단, 일반적인 제어봉 집합체 구동 장치와 반대로 제어봉 집합체를 노심에 삽입시 금속 연결봉(3)을 끌어 올리고 노심에서 인출할 때에는 밀어 넣는 방식으로 운영된다. 즉, 정상 운전시 제어봉 집합체 구동 모터 및 기어(12)를 이용하여 제어봉의 움직임을 콘트롤함으로서 노심내의 잉여 반응도를 제어하거나 제어봉 집합체를 노심 하부에 구속시키는 데 이용한다.

본 발명의 목적인 노심 비상 정지가 필요한 시점에는 제어봉 집합체 구동 모터 및 기어(12)에 작용하는 전기적인 힘을 제거하거나 제어봉 집합체 구동 모터 및 기어(12)의 위치를 변화시킴으로서 금속 연결봉(3)에 가해진 힘을 제거하여 제어봉 집합체의 부력이 작동하도록 한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 액체금속 냉각 원자로에서 냉각재의 높은 밀도와 가벼운 형태의 제어봉 집합체의 특징을 조합하여 부력만으로 제어봉 집합체 구동이 가능하도록 하는 노심 비상 정지 방법이다. 이는 원자로 안전성을 강조하는 신형 원자로의 개발 목표에 발맞추어 액체금속 냉각 원자로에서 확보하기 어려운 노심 비상 정지 방법의 다양성을 꾀하는 발명으로서 두 가지 이상의 노심 비상 정지 방법을 요구하는 원자로 설계 기준에 대한 해결책으로 제시할 수 있다.

Claims

액체금속로에서 사용되는 부유형 비상정지 시스템으로서,

하부에 중성자 흡수체가 위치하며 상기 중성자 흡수체의 상부에는 상기 액체금속로의 냉각재보다 가벼운 물질이 담긴 금속관으로 이루어진 더미금속관을 포함하여이루어진 제어봉을 하나이상 포함하여 이루어지는 제어봉 집합체를 포함하며,

정상운전시에는 상기 제어봉집합체가 노심의 아래쪽에 위치하다가 비상시에는 부력에 의하여 상승하여 원자로의 출력을 제어하며

상기 더미금속관의 상부에는 제어봉의 부력을 증가시키기 위한 헬륨으로 충만된 가스탱크를 더 포함하는데, 상기 가스탱크는 냉각재의 흐름을 방해하지 않기 위해 유선형으로 형성되며 그 내부에는 금속냉각재의 하중을 견디기 위하여 벌집모양으로 구성되어 수평방향으로 가스탱크를 지지하는 가스탱크지지대(11)를 하나이상 포함하는, 부유형 비상정지 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 냉각재는 납합금이며 상기 더미금속관에는 헬륨가스가 충전되는 것을 특징으로 하는, 부유형 비상정지 시스템
제1항에 있어서, 상기 제어봉 집합체의 하부에는 상기 제어봉들을 고정시키 는 제어봉 집합체 하부연결체(7)가 형성되는데, 냉각재가 지나갈 수 있도록 그물구조를 가지며 상기 제어봉 집합체 하부연결체의 면적은 상기 제어봉집합체의 면적보다 커서 상기 제어봉 집합체가 노심에 삽입될 때 더 이상의 상승을 방지하는 것을 특징으로 하는, 부유형 비상정지 시스템
제1항에 있어서, 상기 액체금속로의 냉각재는 노내로 삽입된 후 노심하부로 보내지고 노심 상부를 통하여 노를 빠져나가도록 하여 비상시 상기 비상정지 시스템의 운동방향과 일치하는 것을 특징으로 하는, 부유형 비상정지 시스템.