KR100918344B1 - 금속 수산화물이 혼합된 용융 금속을 쉽게 배출시키는고속로 증기발생기 배출 배관계통 - Google Patents

Abstract

배관 속의 금속 수산화물 혹은 금속 산화물이 무정형 결정(amorphous crystal)의 큰덩어리가 되어 굳어지기 전 혹은 굳어지는 과정에서 이의 금속 화합물의 덩어리를 매우 작은 크기로 파쇄 혹은 분산시켜 용융 금속과 함께 혼합시키므로써 유동 특성을 향상시키는 증기발생기의 배출 배관계통이 개시된다. 본 발명의 증기발생기의 배출 배관계통은 증기발생기와, 증기발생기의 전열관 손상으로 물 혹은 스팀이 누출되었을 때 용융금속과 물 혹은 스팀이 반응하여 덩어리 형태로 형성된 금속 화합물을 외부로 안내하는 이송배관과, 정현파 형태의 초음파를 발생하여 이송배관 내부를 유동하는 금속 화합물을 쉽게 이송시키는 초음파 발생유닛을 포함하여 구성된다. 따라서, 증기발생기에서 누출사고로 유입된 물과 소듐이 반응하여 형성된 30%-wt이하의 금속 화합물은 물 누출량 및 비정질 결정의 응집속도와 용윰금속의 유동에 따라 형성되는 덩어리의 크기가 다르지만 이송배관을 통과하는 동안 작은 크기로 파쇄됨과 아울러 펌핑효력을 지님으로서, 배관 내부의 유체 유동이 원활히 이루어지도록 할 수 있으며, 배관 막힘 현상에 따른 증기발생기 누출 사고에 대한 대처가 신속히 이루어져 고속로 안전성을 확보할 수 있다.

고속로, 증기발생기, 소듐, 물, 화합물, 소듐 수산화물, 소듐 산화물, 초음 파, 유동, 파쇄, 분산

Description

금속 수산화물이 혼합된 용융 금속을 쉽게 배출시키는 고속로 증기발생기 배출 배관계통{Outlet pipe system of steam generator of fast reactor to transfer easily the molten sodium with the sodium hydroxides}

본 발명은 증기발생기의 배출 배관계통에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 고속로 증기발생기의 전열관 손상으로 물 혹은 스팀이 용융금속으로 누출되어 화학반응 결과 생성된 고체상의 금속 화합물을 파쇄하고 이송배관 내면에서의 유체흐름 저항을 작게 하여 이송하는 용융금속의 유동을 원활하게 유지할 수 있는 증기발생기의 배출 배관계통에 관한 것이다.

고속로(고속 증식로 혹은 액체 금속로)는 발전하면서 우라늄 자원의 이용효율을 비약적으로 높일 수가 있는 원자로로서 현재 활발히 개발되고 있다.

증식을 가능케 하는 원자로는 현재 여러 개가 연구되고 있으나, 핵연료로서 우라늄과 플루토늄 혼합 산화물을 사용하고, 냉각재로서 액체금속 소듐을 사용하며, 감속재는 사용하지 않고 고속중성자에 의한 플루토늄의 핵분열을 이용하는 액체 금속로가 발전용 플랜트로서 실용화를 목표로 하고 있다.

한가지 실시예로 고속로(액체 금속로)는 냉각재로 액체상태의 소듐을 사용함 으로써, 고온과 저압으로 냉각계통을 운전할 수 있는 장점이 있으나, 소듐이 화학적으로 활성이 높아 물과의 화학적 반응을 통해 소듐 수산화물이나 또는 소듐 산화물과 같은 소듐 금속의 혼합물을 형성하여 냉각계통에서의 용융 소듐의 흐름을 방해하는 문제점을 가져오고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 배관 내부를 유동하는 용융 소듐과 물이 반응하여 형성된 소듐 화합물을 파쇄하여 배관의 유동특성을 유지할 수 있는 증기발생기의 배출 배관계통을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 배관 내부를 처리하는 작업이 필요 없어 시간 및 비용을 절감할 수 있는 증기발생기의 배출 배관계통을 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 원자로 노심으로부터 발생된 열을 전달받아 증기를 발생하는 증기발생기의 배출 배관계통으로써, 상기 증기발생기의 배출 배관계통은 이송배관 및 초음파 발생유닛을 포함하여 구성된다. 상기 이송배관은 상기 증기발생기에서 용융금속 및 물이 반응하여 무정형 결정(amorphous crystal)덩어리 형태로 형성된 금속 화합물을 외부로 배출할 수 있다. 그리고, 상기 초음파 발생유닛은 상기 이송배관에 장착되어 상기 이송배관 내부를 유동하는 상기 금속 화합물에 초음파를 발생하여 파쇄 혹은 분산할 수 있다.

한편, 상기 증기발생기의 배출 배관계통은 내부에 상기 용융금속 및 금속 화합물을 별도로 저장하기 위한 저장탱크를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 이송배관에는 상기 금속 화합물 및 용융금속이 혼합하여 형성된 혼합물이 이송될 수 있다.

그리고, 상기 초음파 발생유닛은 상기 증기 발생기에서 상기 금속 화합물의 무게비율이 약 30%-wt이하에서 구동하는 것이 좋다. 그 이상에서는 용윰금속내의 금속 화합물의 농도가 높아 덩어리가 크거나 덩어리의 비율이 높아 파쇄효과가 작아 파쇄되지 않거나 분산시키지 못하여 유동 밀도 및 점도가 높아 상기 혼합물을 배출시키기가 어렵다. 그러나 금속 화합물의 화합물 종류의 비율 정도에 따라 유체 유동 특성이 차이가 있을 수 있기 때문에 이에 국한되는 것은 아니다.

상기 물은 상기 증기발생기와 연결된 물 공급관을 통해 공급될 수 있으며, 상기 물 공급관의 일단은 증기발생기의 전열관 내부로 공급되도록 할 수 있다.

또한, 상기 증기발생기의 배출 배관계통은 상기 용융금속의 양을 측정하는 수위 측정계를 더 포함할 수 있으며, 이러한 상기 수위 측정계를 통해 상기 증기발생기에 저장된 상기 용융금속의 양을 측정하여 공급되는 양을 조절할 수 있다.

더불어 상기 증기발생기의 배출 배관계통은 상기 증기발생기에 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 가스 공급유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 아르곤 가스를 통해 상기 증기발생기의 내측면에 상기 금속 화합물이 달라붙는 것을 차단할 수 있다. 본 발명의 상기 초음파 발생유닛은 초음파를 발생할 수 있으며, 상기 용융금속은 용융 소듐 또는 리튬(Li), 칼륨(K)등을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 원자로가 소듐 냉각 고속로일 경우, 본 발명의 증기발생기의 배출 배관계통은 용융소듐 및 상기 용융소듐과 물이 반응하여 생성한 소듐 화합물을 저장하는 저장탱크와, 상기 증기발생기의 전열관 일측에 연결되어 무정형 결정(amorphous crystal) 물질로 이루어진 덩어리 형태로 형성된 상기 소듐 화합물인 소듐 수산화물 또는 소듐 산화물을 외부로 안내하는 이송배관 및 상기 이송배관에 장착되어 상기 이송배관 내부를 유동하는 상기 소듐 화합물을 제거시키기 위해 초음파를 제공하는 초음파 발생유닛을 포함하여 구성된다.

본 발명에서 상기 소듐 대신 다른 금속인 리튬(Li), 칼륨(K)등과 같이 원소 주기율표 상에서 1족에 해당되는 금속인 경우에는 이의 금속 수산화물 또는 금속 산화물일 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 용융금속과 물이 반응하여 형성된 금속 화합물이 유동하는 이송배관에 초음파를 가해 무정형 결정(amorphous crystal)인 덩어리 형태의 금속 화합물을 작은 크기로 파쇄 또는 분산할 수 있어 이송배관의 유동 특성을 양호하게 유지하는 효과가 있다.

또한, 초음파 발생유닛의 장착 위치 및 개수를 적절히 조절하여 이송배관으로 유입된 여러 금속 화합물 덩어리를 고르게 파쇄할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고속로 증기발생기의 전열관 손상으로 누출 사고가 발생하였을 때, 소듐과 물이 반응하여 형성된 소듐 화합물에 초음파를 가하여 신속하게 작은 크기로 파쇄 및 분산함으로써, 소듐 화합물에 의해 배관이 막히는 현상을 방지할 수 있어 고속로 운전성 및 안전성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 실시예서는 용융금속으로 소듐을 적용할 수 있으나, 이에 한정되거나 제한되지 않으며, 열 용량이 우수하면서도 액체 상태에서 원활한 유동 특성을 가지는 여러 활성 금속물질을 사용할 수 있음은 물론이다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 증기발생기의 배출 배관계통에 대한 전체적인 구성을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 1은 본 발명의 증기발생기의 배출 배관계통을 설명하기 위한 나타내는 구성도이다. 그리고 도 1은 실제 고속로에 구비된 증기발생기의 배출 배관계통에서 일어나는 현상을 나타내기 때문에 초음파 세기와 개수를 조절하면 고속로 외에 다른 원자로 또는 다양한 플랜트 장치에서도 본 발명을 응용할 수 있을 것이다.

본 발명의 증기발생기의 배출 배관계통(100)은 증기발생기(110), 이송배관(120), 초음파 발생유닛(130) 및 가스 공급유닛(140)을 포함하여 구성된다.

상기 증기발생기(110)는 용융금속(10)을 수용하는 공간을 제공하며, 상기 물은 상기 용융금속(10)과 열전달하여 스팀 형태로 변화되고, 이후 외부로 방출된다.

상기 증기발생기(110)의 공간에서는 상기 용융금속(10)과 물이 반응하여 무정형 결정(amorphous crystal)의 덩어리 형태의 금속 화합물이 저장된다. 상기 용융금속(10)이 소듐일 경우에는, 상기 금속 화합물은 상기 소듐 및 물이 화학 반응 하여 생성된 소듐 산화물 또는 소듐 수산화물이며, 다른 활성 금속인 리튬(Li), 칼륨(K)인 경우에도 이의 금속 수산화물 및 산화물이 형성된다.

이러한 상기 소듐 산화물 및 소듐 수산화물은 상기 용융금속(10)과 혼합된다. 일반적으로 고체상이 있는 유체는 점도와 밀도가 높은 특성을 가지고 있으므로, 상기 소듐 산화물 및 소듐 수산화물이 상기 이송배관(120)을 따라 이송될 경우에는 큰덩어리 형태에서 작은 크기의 무정형 결정(amorphous crystal) 형태로 파쇄 혹은 분산하는 것이 필요하다.

본 발명에서는 상기 증기발생기(110)에 상기 소듐 산화물 및 소듐 수산화물이 대량으로 생성될 경우에 상기 증기발생기(110)에서 이들을 제거함으로써 원활한 유동 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 증기발생기(110)의 일측에는 상기 물을 공급하기 위한 물 공급관(160)이 연결된다. 상기 물 공급관(160)을 통해서 상기 증기발생기(110)의 전열관 내부 공간으로 상기 물을 공급시킬 수 있다.

상기 이송배관(120)은 상기 용융금속(10)과 함께 상기 증기발생기(110)의 일측에 형성되어 상기 용융금속(10) 및 물이 반응하여 무정형 결정(amorphous crystal)인 덩어리 형태로 형성된 상기 금속 화합물을 이송한다. 이러한 상기 이송배관(120)은 상기 증기발생기(110)에 용접 결합되는 것이 바람직하다.

상기 초음파 발생유닛(130)은 상기 이송배관(120)에 장착되며, 구체적으로 상기 초음파 발생유닛(130)은 상기 이송배관(120)의 외벽 표면에 장착된다.

상기 초음파 발생유닛(130)은 초음파를 발생하여 상기 이송배관(120)으로 유 입된 상기 금속 화합물을 파쇄 혹은 분산시킬 수 있다. 즉, 초음파의 공동현상에 의해 초음파의 에너지가 상기 이송배관(120)을 흐르는 상기 용융금속으로 전달되고, 상기 용융금속이 순간적으로 기포를 생성하고 소멸하는 과정을 통해 기포와 인접한 상기 금속 화합물이 파쇄되도록 할 수 있다.

이러한 상기 초음파 발생유닛(130)은 상기 이송배관(120)을 따라 복수 개가 배치될 수 있으며, 각각의 이송배관들의 간격은 상기 이송배관(120) 내부를 유동하는 상기 용융금속(10) 및 금속 화합물의 유동속도의 1/2 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 초음파 발새유닛(130)은 상기 증기발생기(110)와 이송배관(120)의 연결부위에 치우치게 위치되어, 상기 이송배관(120)으로 유입되는 시점에서부터 상기 금속 화합물을 파쇄 혹은 분산시키는 것이 좋다.

상기 가스 공급유닛(140)은 상기 증기발생기(110)로 아르곤(Ar) 가스를 공급할 수 있다. 이러한 상기 아르곤 가스는 상기 증기발생기(110)의 내측면에 상기 용융금속(10)으로 인한 금속 산화물이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 상기 가스 공급유닛(140)은 상기 저장탱크(150)로도 연결되어 상기 아르곤 가스를 공급할 수 있다.

본 발명에서 상기 초음파 발생유닛(130)은 상기 금속 화합물의 무게비율이 약 30%-wt이하의 농도에서 구동하도록 하여 상기 이송배관(120) 내부를 흐르는 상기 용융금속(10) 및 금속 화합물의 유동을 원활하게 한다. 여기서, 상기 금속 화합물의 무게비율이라 함은, 상기 용융금속(10)내의 금속 화합물의 비율을 의미한다.

도 2는 도 1의 I 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 증기발생기(110)의 일측에는 이송배관(120)이 장착된다. 여기서, 상기 이송배관(120)은 상기 증기발생기(110)에 용접 결합하여 장착될 수 있으나, 그 결합형태가 한정되거나 제한되지는 않으며, 수밀성이 확보된 나 사 결합 또는 억지 끼움 등을 통해서도 장착될 수 있음은 물론이다.

상기 이송배관(120)의 외벽 표면에는 초음파를 발생하는 초음파 발생유닛(130)이 결합된다. 구체적으로, 상기 초음파 발생유닛(130)은 초음파를 생성하는 초음파 발생부(132) 및 상기 초음파 발생부(132)와 상기 이송배관(120)을 연결하여 상기 초음파를 상기 초음파 발생부(132)로부터 상기 이송배관(120)으로 전달하는 초음파 전달부(134)를 포함한다.

여기서, 상기 증기발생기(110)에 저장된 용융금속은 온도가 매우 높은 편이므로 상기 초음파 전달부(134)는 음향 특성이 우수한 금속 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 상기 초음파 발생부(132)를 통해 생성된 초음파의 주파수가 상기 이송배관(120)의 공명주파수와 동일하거나 비슷한 주파수를 사용하는 것이 효과적이다.

이하, 도 3을 참조하여 초음파에 의해 금속 화합물을 파쇄 및 분산하는 장면을 설명하면 다음과 같다.

증기발생기(110)에서 용융금속(10)과 물이 반응하여 생성된 금속 화합물(30)을 별도의 저장소로 이송하기 위해 상기 증기발생기(110)에는 이송배관(120)이 연결된다. 여기서, 상기 금속 화합물(30)의 크기가 크면, 상기 이송배관(120)의 통로를 차단하게 되어 상기 용융금속(10)의 유동을 방해한다.

한편, 상기 초음파 발생유닛(130)은 상기 이송배관(120) 내부를 유동하는 상기 금속 화합물(30)로 초음파(131)를 가해주어 덩어리 형태의 상기 금속 화합 물(30)을 작은 크기의 분말 형태로 파쇄 또는 분산시킨다.

도 4를 참조하여, 도 1의 Ⅱ 부분에서 초음파에 의해 금속 화합물인 비정형 결정(amorphous crystal)을 파쇄 혹은 분산되는 장면을 설명하면 다음과 같다.

증기발생기(110)에서 형성된 비정형 결정(amorphous crystal)의 덩어리 형태의 금속 화합물(30)을 별도의 저장탱크로 이송하는 이송배관(120)의 외벽 표면에는 복수 개의 초음파 발생유닛(130)이 장착될 수 있다. 여러 개의 상기 초음파 발생유닛(130)을 통해 초음파(131)를 상기 금속 화합물(30)로 가해줌으로써, 상기 이송배관(120)을 유동하는 상기 금속 화합물(30)은 시간이 경과함에 따라 더 작은 크기로 파쇄될 수 있다.

이때, 상호 이웃하는 상기 초음파 발생유닛(130)간의 간격은 상기 이송배관(120)을 유동하는 상기 금속 화합물(30)이 함유된 용융금속(10)의 유동속도와 일정한 관계를 이룬다. 이를 식으로 표현하면 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, D[m]는 이웃하는 초음파 발생유닛 사이의 간격이며, V[㎧]는 이송배관을 유동하는 유체의 속도이다. 즉, 상기 초음파 발생유닛(130) 사이의 간격(D)은 상기 이송배관(120)을 유동하는 유체 유동속도(V)의 1/2 이하가 되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 유체는 상기 금속 화합물(30)을 함유한 상기 용융금속(10) 을 의미한다.

이와 같이 상기 이송배관(120)을 유동하는 상기 용융금속(10) 및 금속 화합물(30)의 유동속도에 맞추어 초음파를 가해주면, 유체 유동속도의 주기 피크에 초음파를 부가하는 것이 되어 상기 용융금속(10) 및 금속 화합물(30)이 상기 이송배관(120)의 내측면에 달라붙는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 이송배관(120)에 설치되는 상기 초음파 발생유닛(130)은 상기 이송배관(120)의 길이에 비례하여 그 개수를 다양하게 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 초음파 발생유닛에서 발생되는 초음파는 양쪽 상(phase)이 있는 15~30kHz의 정현파를 사용하며, 초음파 센서 배열에서 홀수 배열과 짝수 배열 순서를 교대로 강약을 조절하되 배출되는 방향의 배열 순으로 초음파 센서에 가하는 에너지의 세기를 조절하여 파쇄 및 분산효과 이외에도 펌핑효과를 부가적으로 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 증기발생기의 배출 배관계통을 설명하기 위한 나타내는 구성도이다.

도 2는 도 1의 Ⅰ 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.

도 3는 도 2에서 초음파에 의해 금속 화합물을 파쇄하는 장면을 나타내는 작동도이다.

도 4는 도 1의 Ⅱ 부분에서 초음파에 의해 금속 화합물이 파쇄 또는 분산되는 장면을 나타내는 작동도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 배출 배관계통 110: 증기발생기

120: 이송배관 130: 초음파 발생유닛

132: 초음파 발생부 134: 초음파 전달부

140: 가스 공급유닛 150: 저장탱크

160: 물 공급관

Claims (16)

1. 원자로 노심으로부터 발생된 열을 전달받아 증기를 발생하는 증기발생기의 배출 배관계통에 있어서,

   상기 증기발생기에서 용융금속 및 물이 반응하여 덩어리 형태로 형성된 금속 화합물을 외부로 안내하는 이송배관; 및

   상기 이송배관에 장착되어, 상기 이송배관 내부를 유동하는 상기 금속 화합물을 파쇄 또는 분산시키기 위해 초음파를 제공하는 초음파 발생유닛;

   을 포함하는 증기발생기 배출 배관계통.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이송배관에는 상기 금속 화합물이 분산된 상태에서 상기 용융금속이 혼합되어 형성된 혼합물이 이송되는 것을 특징으로 하는 증기발생기 배출 배관계통.
3. 제2항에 있어서,

   상기 초음파 발생유닛은 상기 증기발생기에서 상기 용융금속내의 상기 금속 화합물의 무게비율이 30%-wt이하의 농도에서에 도달하면 구동되는 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
4. 제1항에 있어서,

   상기 이송배관은 상기 증기발생기에 용접 결합된 것을 특징으로 하는 증기발 생기 배출 배관계통.
5. 제1항에 있어서,

   상기 초음파 발생유닛은 상기 이송배관의 외벽 표면에 부착된 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
6. 제5항에 있어서,

   상기 초음파 발생유닛은 상기 이송배관에 용접 결합된 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
7. 제5항에 있어서,

   상기 초음파 발생유닛은 복수 개로 이루어진 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
8. 제7항에 있어서,

   상기 초음파 발생유닛의 간격은 상기 이송배관을 통해 이송되는 상기 금속 화합물 및 용융 금속 유동속도의 1/2이하인 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
9. 제1항에 있어서,

   상기 용융금속은 원소 주기율표에서 소듐, 리튬, 칼륨을 포함하는 1족 원소의 금속 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
10. 제9항에 있어서,

    상기 금속 화합물은 금속 수산화물 및 금속 산화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
11. 제1항에 있어서,

    상기 초음파 발생유닛은 상기 증기발생기와 상기 이송배관의 연결부위에 치우치게 위치하는 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
12. 제1항에 있어서,

    상기 초음파 발생유닛은

    상기 초음파를 생성하는 초음파 발생부; 및

    상기 초음파 발생부와 상기 이송배관 사이를 연결하여 상기 초음파를 상기 이송배관으로 전달하는 초음파 전달부;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
13. 제1항에 있어서,

    상기 이송배관과 연결되어 상기 금속 화합물 및 용융 금속을 별도로 저장하 는 저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.
14. 제1항에 있어서,

    상기 초음파의 주파수는 양쪽 상(phase)이 있는 정현파를 사용하여 15 내지 30kHz인 것을 특징으로 하는 증기발생기 배출 배관계통.
15. 제1항에 있어서,

    상기 초음파의 주파수는 상기 이송배관의 공명주파수와 동일하거나 비슷한 것을 특징으로 하는 증기발생기 배출 배관계통.
16. 제1항에 있어서,

    상기 원자로는 고속로인 것을 특징으로 하는 증기발생기의 배출 배관계통.

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