KR100957052B1

KR100957052B1 - 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통

Info

Publication number: KR100957052B1
Application number: KR1020080024306A
Authority: KR
Inventors: 권태순; 송철화; 백원필
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2010-05-13
Also published as: KR20090099194A; JP2009222697A; JP5000586B2; US20090232267A1; EP2133884A1; US7983377B2; CN101540212A; EP2133884B1; CN101540212B

Abstract

본 발명은 가압경수로형 원자로의 고압안전주입펌프나 안전주입탱크로부터 공급되는 비상노심냉각수를 원자로용기의 강수부에 직접 주입하는 방식의 비상노심냉각계통에 관한 것으로서, 특히 대형 저온관 파단사고시 강한 강수부 횡 유동에 이끌려 비상노심냉각수가 원자로 밖으로 배출되는 비상노심냉각수 직접우회배출현상을 차단하기 위한 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통에 관한 것이다.

상기와 같은 본 발명은, 강수부에서 서로 마주보는 직접주입노즐과 노심배럴 외면에 설치되는 주입연장덕트 사이의 배관연결 부위를 완전히 제거하고, 직접주입노즐의 축선과 서로 마주보는 주입연장덕트 표면에 직접주입노즐로부터 분사되는 비상노심냉각수 취수용 구멍을 뚫어줌으로써 비상노심냉각수의 물 제트가 주입연장덕트 내부로 유입되는 구조의 수력적 연결방식을 채택함으로써 종래 기술에서 발생하였던 원자로 조립간섭 문제는 물론 직접주입계통의 배관 파단사고시 발생하는 입출구 역전현상을 방지하였으며, 이에 따라 원자로용기 내부의 냉각수 수위의 과도한 저하를 방지할 수 있는 새로운 구조의 비상노심냉각수 강수부 주입연장덕트 개념을 구현하였다.

비상노심냉각수, 주입연장덕트, 우회배출, 안전주입계통, 직접주입노즐

Description

노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통{Emergency Core Cooling System Having Core Barrel Extension Duct}

본 발명은 가압경수로형 원자로에 있어서, 고압안전주입펌프나 안전주입탱크로부터 공급되는 비상노심냉각수를 원자로용기 강수부에 직접 주입하는 방식의 비상노심냉각계통에 관한 것으로서, 특히 대형 저온관 파단사고시에 강한 강수부 횡 유동에 이끌려 비상노심냉각수가 원자로 밖으로 배출되는 비상노심냉각수 직접우회배출현상을 차단하기 위한 강수부 주입연장덕트 기술에 관한 것이다.

가압경수로형 원자로를 이용한 원자력 발전소는, 충분한 안전여유도를 고려하여 설계를 함에도 불구하고 예상과는 다르게 안전사고들이 발생될 수 있으며, 대량의 냉각수가 누수되는 안전사고시 비상노심냉각수가 충분하게 공급되지 못하면 원자로 노심이 과열 되어, 원자로가 손상되는 사고로 진행될 수 있게 된다. 가압경수로형 원자로는 이러한 냉각수 누수 사고시 노심을 냉각시키기 위하여, 비상노심냉각수가 외부로부터 공급되도록 고압안전주입펌프와 안전주입탱크가 각각 구비되 며 이러한 비상노심냉각수의 공급방식은 최종 주입노즐의 위치에 따라서 구분되는데, 주입노즐이 저온관에 위치하는 저온관 주입 방식과 원자로용기에 주입노즐이 위치하는 직접주입 방식이 있다.

비상노심냉각수의 공급방식 중 저온관 주입 방식은, 원자로 냉각재 순환계통의 순환펌프로부터 원자로용기 안으로 차가운 경수를 공급하는 배관에 해당되는 저온관에 연결된 주입관을 통하여 비상노심냉각수를 원자로 계통에 공급하는 방식을 말하는데, 파단된 저온관에 비상노심냉각수가 공급되는 경우 파단 부위로 비상노심냉각수가 모두 누출되어 원자로 노심냉각 효과를 기대하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 현재는 원자로용기에 비상노심냉각수를 공급하는 직접주입노즐(Direct Vessel Injection nozzle; DVI)을 설치하고, 이를 통하여 원자로용기와 노심을 지지하는 노심지지부 사이의 강수부로 직접 비상노심냉각수를 공급하는 원자로용기 직접주입 방식이 채택되고 있다.

그러나 원자로용기 직접주입 방식에서도, 저온관 파단사고시 파단된 저온관을 향하는 강수부의 강한 횡유동에 비상노심냉각수가 이끌려 원자로용기 밖으로 비상노심냉각수가 배출되는 비상노심냉각수 직접우회 현상이 증가한다는 문제점이 있다. 이러한 비상노심냉각수 직접우회 현상을 방지하기 위한 종래의 기술은, 도 1a에서 도 1d까지 도시된 바와 같이, 도 1a의 강수부(140)의 노심배럴(100) 외면이나 도 1b의 노심배럴(100) 내부의 베플 영역에 주입연장덕트(110,110')를 설치하고, 직접주입노즐(120)과 강수부(140)를 가로질러 파이프(130)로 연결하는 방식이 있으 며, 또한 도 1c와 같이 강수부(240)의 노심배럴(200) 외면에 주입연장덕트(210)를 설치하고 직접주입노즐(220)과 강수부(240)를 가로질러 돌출노즐(230,230')로 상호연결하는 방식이 있다.

도 1a와 도 1b에 각각 도시된 미국특허 제5,377,242호(James D. Carlton et. al)나 미국특허 제5,135,708호(James D. Carlton et. al)에서와 같이, 파이프(130)를 이용하여 직접주입노즐(120)과 주입연장덕트(110,110')를 강수부(140)에서 연결하는 종래 방식은 원자로용기 강수부(140)의 틈이 좁기 때문에 연결부위의 설치가 어려우며, 원자로용기와 노심배럴의 조립시 돌출부위의 상호간섭 문제가 있다. 또한 이러한 종래 기술에 의하면, 대형 저온관(150) 파단사고시에는 비상노심냉각수를 강수부(140) 하부나 노심입구까지 효과적으로 주입시킬 수 있으나, 직접주입관 배관 자체가 파단되는 사고시에는 싸이펀 효과로 인하여 오히려 주입연장덕트(110,110')의 출구가 파단류의 흡입구로 역전되어 원자로용기 내부의 냉각수 수위가 주입연장덕트(110,110')의 길이만큼 더 낮아져 노심피복관의 온도가 급격하게 상승함으로써 안전규정을 통과할 수 없는 문제가 있음이 알려져 있다(대한민국 공개특허공보 10-2005-0022413).

이와 유사한 종래의 기술로는, 도 1c에 도시된 바와 같이, 직접주입노즐(220)과 주입연장덕트(210)를 강수부(240)에서 파이프로 직접연결하지 않고, 상호 돌출된 노즐(230,230')을 마주보게 배치하고 약간의 틈을 준 방식이 있다(대한민국 공개특허공보 10-2000-0074521). 그러나, 이러한 종래 기술 역시 강수부(240)로 돌출된 노즐(230,230') 부위가 원자로용기와 노심배럴(200)을 조립할 때 좁은 강수부(240)에서 상호 간섭을 발생시켜 조립을 어렵게 만들고, 원자로용기 하부에 설치된 중성자 감시캡슐의 정기적인 인출 검사시 사용하는 구멍과 돌출 노즐부위가 서로 겹쳐 작업을 불가능하게 만드는 문제가 있다. 또한, 직접주입배관계통의 파단사고시 주입연장덕트(210)의 상부 연결노즐 사이의 틈이 좁아 파단류의 흡입은 크지 않더라도 여전히 주입연장덕트(210)의 최저점 하부 출구가 흡입구로 역전되는 입출구 전환 현상을 일으키게 되며, 이로 인해 원자로용기 내부의 냉각수의 수위를 흡입구로 역전된 주입연장덕트(210)의 최저점 하부 출구 고도까지 현저히 떨어뜨리는 문제점이 있다.

이보다는 간단하게 직접주입노즐 출구를 90도 엘보(320)를 이용하여 수직으로 주입하는 기술도 있으나(대한민국 공개특허공보 10-2003-0064634), 90도의 수직 엘보(320)가 점유하는 공간이 거의 강수부(330) 틈(간극)과 같아 원자로용기(300)와 노심배럴(310)의 조립을 불가능하게 하며, 비상노심냉각수 우회실험결과 이러한 단순 수직주입은 오히려 비상노심냉각수의 직접우회비율이 훨씬 더 커서 열수력적 효과는 거의 없음이 밝혀졌다(NED Vol.225, "Effect of the yaw injection angle on the ECC bypass in comparison with the horizontal injection", T.S. Kwon et. al, 2003).

상기와 같은 종래 기술에 의하면, 비상노심냉각수 주입관이 파단(DVI Line Break)되어 연장파이프의 최저점 하부 출구가 파단유동의 흡입구로 역전되면, 원자로 내부의 냉각수 수위는 지속적으로 낮아져 연장파이프의 최저점 하부 출구 또는 그 이하까지 이르게 되고, 냉각수 수위가 낮아지게 되면 원자로의 노심(Core)이 노출되는 사태를 유발함으로써 원자로 노심의 냉각에 치명적인 결과를 초래하게 된다.

이상과 같은 종래의 공통적인 기술적 문제점은, 직접주입노즐과 주입연장덕트를 강수부 영역에서 상호 연결시키는 연결구조물에 기인되는 것이 대부분이다. 따라서, 원자로용기와 노심배럴의 조립성을 향상시키고, 가동 중 검사 작업상의 구조물 간섭을 회피하며, 직접주입관배관 파단 사고시의 주입연장덕트의 입출구 역전 현상을 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 중성자감시캡슐의 인출구와 주입연장덕트 또는 돌출노즐 부위 사이의 간섭 등 제반 문제를 해결하기 위해서는 새로운 구조를 가지는 주입연장덕트의 개념이 요구된다.

가압경수로형 원자로에 있어서 비상노심냉각수를 원자로용기의 강수부에 직접주입하는 비상노심냉각수 직접주입방식에 요구되는 설계 사항으로는,

첫째, 비상노심냉각수 주입계통은 대형 저온관 파단사고시 발생되는 강수부에서의 고속증기 횡유동에 의하여 비상노심냉각수가 우회배출되는 현상을 차단함으로써 보다 많은 양의 비상노심냉각수를 강수부 하부를 통하여 노심입구로 공급할 수 있어야 하고,

둘째, 직접주입계통 배관이 파단되는 사고시에도 적용이 가능하도록 주입연장덕트의 최저점 하부 지점의 비상노심냉각수 주입 출구가 파단류의 흡입구로 역전되어 원자로용기의 냉각수 수위가 현저히 감소하는 현상이 발생하지 않아야 하며,

셋째, 강수부에 설치하는 주입연장덕트로 인해 횡유동 저항이 크게 증가되거나 유동유발진동이 크게 증가되면 안되고,

넷째, 주입연장덕트와 직접주입노즐의 연결부위가 강수부에서 원자로용기와 노심배럴의 조립 간섭을 발생시키지 않음과 동시에 중성자 감시캡슐의 인출구와도 상호 간섭을 일으키지 않아야 실제 적용이 가능하며, 원자로의 설계인증 및 운전중 계속 검사를 통과할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 저온관 파단사고시 발생되는 강수부에서의 고속증기 횡유동에 의하여 비상노심냉각수가 우회배출되는 현상을 차단하는 동시에 상기의 주입 연장덕트의 입출구 역전현상을 발생시키지 않음으로써 대형 냉각재 상실사고와 직접주입계통 배관의 파단사고시에도 적용이 가능한 주입연장덕트를 새로이 고안하되, 원자로 조립작업과 중성자 감시캡슐에 대한 주기적 검사작업에 간섭이 없을 뿐만 아니라, 횡유동 저항이 저감되는 구조를 갖는 주입연장덕트를 구비한 가압경수로형 비상노심냉각수 주입계통을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통은, 가압경수로형 원자로의 고압안전주입펌프나 안전주입탱크로부터 공급되는 비상노심냉각수를 원자로용기의 강수부에 직접 주입하는 방식의 비상노심냉각계통에 관한 것으로서, 특히 대형 저온관 파단사고시 강한 강수부 횡 유동에 이끌려 비상노심냉각수가 원자로용기 밖으로 배출되는 비상노심냉각수 직접우회배출현상을 차단하기 위한 강수부 주입연장덕트 기술에 관한 것이다.

상기와 같은 본 발명은, 강수부에서 서로 마주보는 직접주입노즐과 노심배럴 외면에 설치되는 주입연장덕트 사이의 배관연결 부위를 완전히 제거함으로써 종래 기술에서 발생하였던 원자로 조립간섭 문제는 물론 직접주입계통의 배관 파단사고시 발생하는 입출구 역전현상을 방지하였으며, 이에 따라 원자로용기 내부의 냉각수 수위의 과도한 저하를 방지할 수 있는 새로운 구조의 비상노심냉각수 강수부 주입연장덕트 개념를 구현하게 되었다.

본 발명에서는 강수부에서 직접주입노즐과 주입연장덕트 사이를 파이프나 돌출노즐을 이용하여 상호 기계적으로 직접연결하지 않고, 강수부 공간에서 서로 마주보는 비상노심냉각수 입출구를 개방하는 구성을 채택하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 주입연장덕트와 직접주입노즐 사이가 배관을 매개로 하여 기계적으로 연결되지는 않지만, 직접주입노즐의 축선과 서로 마주보는 주입연장덕트 표면에 직접주입노즐로부터 분사되는 비상노심냉각수 취수구를 뚫어줌으로써 비상노심냉각수의 물 제트가 주입연장덕트 내부로 유입되는 구조의 수력적 연결방식을 가진다는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.

고압안전주입펌프나 안전주입탱크로부터 공급되는 비상노심냉각수가 직접주입노즐을 통해 원자로용기 강수부에 주입될 때 형성되는 물 제트의 속도는 고속이므로, 별도의 연결배관이나 돌출노즐을 통해 직접주입노즐과 주입연장덕트를 기계적으로 연결시키지 않아도, 분사된 비상노심냉각수의 모멘텀에 의해 직접주입노즐과 주입연장덕트 사이의 강수부 공간을 가로질러 흐를 수 있는 제트류가 형성되고 따라서 직접주입노즐과 주입연장덕트는 수력적으로 연결된다. 또한 주입연장덕트 내부로 미처 다 들어가지 못하고 강수부로 떨어지는 비상노심냉각수의 일부도 여전히 원자로용기 강수부에 축적되므로 원자로노심의 냉각에 기여하게 된다.

결과적으로 본 발명은 비상노심냉각수가 주입되지 않는 정상적인 운전상태에서는 직접주입노즐과 주입연장덕트가 각각 강수부에 개방되어 있고, 비상노심냉각수가 주입 분사될 때에만 물 제트로 연결되기 때문에, 강수부에 존재하는 연결 구 조물로 인한 원자로용기 및 노심배럴 사이의 조립간섭 문제를 해결할 수 있으며, 원자로용기 강수부에 부착되며 주기적으로 인출되어 검사되는 중성자 감시캡슐의 인출구와 주입연장덕트 사이의 간섭문제도 원천적으로 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통은, 도 3에 도시된 바와 같이, 비상노심냉각수 직접주입계통의 배관 자체가 파단되는 사고시에는 비상노심냉각수의 물 제트가 존재하지 않으므로, 직접주입노즐과 주입연장덕트 사이의 수력적 연결부위는 자연적으로 그 연결이 끊기게 되고, 결과적으로 연결이 끊긴 강수부 영역의 냉각수만이 직접주입노즐을 통해 원자로용기 밖으로 배출된다.

따라서, 직접주입노즐과 주입연장덕트 사이가 파이프나 노즐에 의하여 기계적으로 연결된 종래의 기술에서는 원자로용기 밖으로 배출되는 냉각수의 흡입구가 주입연장덕트의 최하부 지점이 되지만, 본 발명에서는 냉각수의 배출 흡입구가 직접주입노즐 부위로 국한되므로 종래 기술에 비하여 주입연장덕트 길이만큼 흡입구 높이가 더 높아지는 효과를 가지게 된다. 배출 흡입구 높이가 더 높아진다는 것은 원자로용기 내부의 과도한 냉각수 수위저하를 방지하는데 크게 기여하는 구조적 장점을 가진다는 것을 의미한다.

또한, 본 발명에 따른 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통은, 도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 사각형 단면의 주입연장덕트의 측면을 경사지게 함으로써 강수부의 횡유동 저항을 저감시키도록 고안되었다. 저온관 제트 등의 횡 유 동 저항이 감소하면 유동진동 교란 요소의 크기가 감소한다.

따라서, 본 발명은 대형 저온관 파단사고시와 직접주입계통 배관 파단사고시 모두에도 적용 가능한 강수부 직접주입용 주입연장덕트를 구비한 가압경수로형 원자로 안전주입계통을 제공한다.

본 발명에 따른 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통은, 대형 저온관의 완전 파단시에는 비상노심냉각수 직접우회배출 현상을 방지하여 보다 많은 양의 비상노심냉각수가 노심의 냉각에 기여하도록 만들고, 비상노심냉각수 직접주입계통의 배관 파단시에는 주입연장덕트의 최하부 출구 지점에서 발생하는 입출구 역전 현상에 의한 강수부 냉각수의 현저한 수위 저하를 방지하는 효과를 가진다.

또한 본 발명은 종래의 사각형 단면의 주입연장덕트의 측면을 경사지게 함으로써 강수부의 횡유동 유발 유동저항을 감소시키며, 원자로 용기에 설치되는 직접주입노즐과 강수부 노심배럴에 설치되는 주입연장덕트 사이의 연결구조물을 제거한 결과 원자로 용기와 노심배럴 사이의 조립 간섭과 중성자 감시 캡슐의 인출 간섭을 배제한 비상노심냉각수 주입계통의 주입연장덕트 기술을 제공함으로써 원자로 안전성 및 안전규제 요건을 충분히 만족시킬 수 있게 된다.

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 노심배럴(12) 주입연장덕트(26)를 구비한 안전주입계통은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 비상노심냉각수를 원자로 용기(10)의 강수부(16)에 직접 주입하는 방식을 채택하고 있으며, 여기에서 가압경수로형 원자로는 크게 외부의 원자로 용기(10)와, 상기 원자로 용기(10) 보다 작은 직경으로 형성되어 원자로 용기(10)의 중심에 설치되는 노심배럴(12)로 구성된다. 또한, 노심배럴(12)의 내부에는 핵연료봉이 장입되는 노심(Core, 14)이 위치하며, 노심배럴(12)과 원자로 용기(10) 사이에는, 상기 노심배럴(12)과 원자로 용기(10)의 직경 차이로 인하여, 환형의 빈 공간인 강수부(16)가 형성된다. 그리고, 원자로 용기(10)에는 정상운전시에 원자로 냉각수 순환경로의 입구를 이루는 다수의 저온관(Cold Leg, 20)과, 상기 저온관(20)을 통해 유입되어 강수부(16)를 거쳐 노심(14)을 지나면서 가열된 냉각수가 증기발생기 쪽으로 흐르는 출구를 이루도록 노심배럴(12)에 연결되는 다수의 고온관(Hot Leg, 22)이 설치되어 있다. 본 발명의 실시예에 관한 도 4a 및 도 4b에는 4개의 저온관(20)과 2개의 고온관(22)이 구비되는 것으로 도시되어 있다.

본 발명에 따른 가압경수로형 원자로의 비상노심냉각계통은, 도 4a 및 도 6에 도시된 바와 같이, 원자로를 구성하는 원자로용기(10)의 상부에 부착되는 직접 주입노즐(24)과, 강수부(16)를 사이에 두고 상기 직접주입노즐(24)과 서로 마주보도록 노심배럴(12) 외면에 설치되는 비상노심냉각수 주입연장덕트(26)를 포함한다.

상기 주입연장덕트(26)의 외면에는, 직접주입노즐(24)의 축선과 만나는 점을 원점으로 하여, 상기 직접주입노즐 내경(D_DVI)의 약 2배 크기의 직경을 갖도록 관통 형성된 비상노심냉각수 취수구(28)가 구비된다. 이러한 본 발명의 구성에 의하면, 상기 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)(특히, 비상노심냉각수 취수구) 사이에는 어떠한 도관 구조물도 설치되지 않는다, 즉, 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26) 사이는 기계적으로 완전히 분리되어 있는 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 노심배럴(12) 주입연장덕트(26)를 구비한 안전주입계통에 의하면, 가압경수로형 원자로가 정상적으로 운전되어 직접주입노즐(24)로부터 비상노심냉각수가 공급되지 않는 때에는 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)는 열수력적으로 분리되어 있으며, 그 구조상 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26) 사이의 강수부(16)에는 아무런 도관 구조물이 존재하지 않아 원자로 용기(10)와 노심배럴(12) 사이의 조립 간섭과 중성자 감시 캡슐의 인출 간섭이 발생되지 않는다.

그러나 저온관(20)이 완전히 파단되는 사고가 발생되는 경우에는, 직접주입노즐(24)을 통하여 주입되는 비상노심냉각수의 물 제트속도가 안전주입탱크가 주입하는 동안에는 약 22m/sec정도, 고압안전주입펌프가 주입하는 동안에는 약 1.6m/sec 정도의 높은 속도에 이르게 되고, 이러한 정도의 물 제트속도를 가지는 비상노심냉각수의 수평 관성력은 직접주입노즐(24)로부터 강수부(16)를 가로질러 상기 직접주입노즐(24)과 마주보는 주입연장덕트(26)의 비상노심냉각수 취수구(28)로 비상노심냉각수가 들어가도록 만들기에 충분하게 된다. 따라서 비상노심냉각수가 주입되는 동안에만 형성되는 물 제트가 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)를 열수력적으로 연결시키게 된다.

주입연장덕트(26) 안으로 주입된 비상노심냉각수는 중력과 비상노심냉각수의 유동 모멘텀에 의해 강수부(16) 하부로 흘러내릴 수 있다. 대형 냉각재 상실사고시 주입연장덕트(26)속에서 강수부(16) 하부로 흘러내리는 비상노심냉각수는 덕트의 벽면에 의하여 강수부(16)의 고속 횡유동으로부터 보호받게 된다. 또한 주입연장덕트(26) 내부로 미처 다 들어가지 못하고 강수부(16)로 떨어지는 비상노심냉각수가 일부 존재하더라도, 주입연장덕트(26)로 들어가지 못한 비상노심냉각수는 원자로 용기(10)의 강수부(16)에 축적되므로 원자로노심의 냉각에 여전히 기여하게 된다.

그리고 직접주입노즐(24)에 연결된 배관이 파단되는 사고가 발생된 경우에는, 파단된 직접주입노즐(24)로는 비상노심냉각수가 주입되지 않으므로 비상노심냉각수의 물 제트는 형성되지 않지만, 오히려 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)가 열수력적으로 분리되어 있기 때문에 직접주입노즐(24) 부근 강수부(16) 영역의 냉각수만이 파단류로 흘러 나가게 된다는 바람직한 결과를 가져오게 된다.

즉 직접주입관 배관 자체가 파단되는 사고시에도 직접주입노즐(24)과 주입연 장덕트(26)가 여전히 연결되어 있으면 싸이펀 효과로 인하여 오히려 주입연장덕트(26)의 최저점 하부 출구가 파단류의 흡입구로 역전됨으로써 원자로용기(10) 내부의 냉각수 수위를 주입연장덕트(26)의 길이만큼 더 현저히 낮추게 되는데, 본 발명은 주입연장덕트(26)의 최저점 하부 출구가 흡입구로 역전되는 현상이 발생하지 않고 주입연장덕트(26) 길이만큼 더 높은 고도인 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)가 마주보는 지점에서 파단류의 유출이 이루어진다.

따라서, 본 발명에서의 원자로용기(10) 냉각수 수위는 종래와 같이 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)를 기계적 배관으로 연결시킨 구조보다 훨씬 높은 수준의 강수부 수위를 유지할 수 있으며, 이에 따라 강수부와 노심 사이의 수위 차이에 의해 강수부에서 노심으로 흐르는 냉각수의 양이 증가함으로써 원자로 노심냉각에 보다 효과적이게 된다.

도 4a에 도시된 본 발명의 안전주입계통은, 직접주입노즐(24)과 저온관(20)의 사잇각(α)이 직접주입노즐(24)과 고온관(22)의 사잇각보다 작은 평면상의 배치를 보여주고 있으며, 도 4b에 도시된 본 발명의 안전주입계통은 직접주입노즐(24)과 고온관(22)의 사잇각(β)이 직접주입노즐(24)과 저온관(20)의 사잇각보다 작은 평면상의 배치를 보여주고 있다.

본 발명에 있어서 직접주입노즐(24)과 주입연장덕트(26)를 연결하는 축선이 저온관(20) 및 고온관(22)과 각각 이루는 각도는, 상기 도 4a와 도 4b에 각각 도시된, 직접주입노즐(24)과 저온관(20)의 사잇각(α)보다 작고 또한 직접주입노즐(24) 과 고온관(22)의 사잇각(β)보다 작은 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 저온관(20)과 고온관(22)이 이루는 각도가 60도인 경우에 대해서 설명한다. 도 4a의 α각과 도 4b의 β각 사이는 원자로용기 밖에서 수직(상하방향)으로 움직이는 노외감시기의 이동경로이다. 따라서, 주입연장덕트(26)의 폭과 이웃한 고온관(22) 노즐까지의 거리를 고려한 α각의 최대는 15도 이하가 바람직하며, β각의 최대는 35도 이하가 바람직하다.

본 발명에 구비되는 주입연장덕트(26)의 구성을 도 5a를 참조하여 보다 자세히 설명하면, 상기 주입연장덕트(26)의 최저점 하부는 열려 있는 형상이고, 최상부 뚜껑은 막힌 형상을 갖되 원자로의 충수시 가스의 배출이 가능하도록 에어벤트 홀(30)이 뚫려 있으며, 직접주입노즐(24)과 마주보는 축선상의 주입연장덕트(26)의 표면에는 마주보는 직접주입노즐(24) 내경의 2배 정도의 크기를 갖는 비상노심냉각수 취수구(28)가 관통 형성되어 있는 형상을 갖는다.

비상노심냉각수 취수구의 직경(D_DUCT)은 직접주입노즐(24) 제트의 퍼짐과 유속이 작은 경우 제트가 중력에 의해 휨 정도를 고려하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 직접주입노즐(24)의 내경(D_DVI)보다 약 2배 정도로 크게 함으로써 비상노심냉각수가 주입연장덕트(26) 내부로 보다 잘 유입되도록 한다.

도 5a로부터 알 수 있듯이, 상기 주입연장덕트(26)의 양 측면에는, 횡 방향에 대해 약 45도로 경사진 경사부(32)를 구비하도록 하며, 이에 따라 횡 측면이 90 도로 형성된 종래의 주입연장덕트(26) 보다 강수부(16) 횡유동 저항을 감소시킬 수 있게 된다.

상기 주입연장덕트(26)가 노심배럴(12)의 표면으로부터 원자로 용기(10) 쪽으로 돌출되는 높이(h)는, 도 6의 강수부(16)의 직경방향 틈새(Gap) 길이의 약 3/25∼7/25 범위로 제한시키는 것이 바람직하다. 이는 주입연장덕트(26)가 노심배럴(12)의 표면으로부터 원자로 용기(10) 쪽으로 돌출되는 높이(h)가 원자로 용기(10)의 상부 정렬 키 부분의 최소 내경(R_KEY) 및 도 4a의 고온관(22) 부분의 원자로 내경(R_HL)보다 작아야만 원자로 용기(10)와 노심배럴(12) 사이에 조립간섭이 발생하지 않으며, 중성자 감시캡슐의 인출작업시 상호간섭을 일으키지 않게 되기 때문이다.

따라서 상기와 같은 본 발명의 주입연장덕트(26)의 단면 모양을 살펴보면, 강수부(16)로 돌출된 바깥표면 곡률반경은 노심배럴(12) 반지름(R)과 주입연장덕트(26) 높이(h)의 합(R+h)과 같으며, 양 측면은 45도로 경사진 사다리꼴과 유사한 형상의 단면을 갖게 된다.

도 5b와 같이, 상기와 같은 본 발명의 주입연장덕트(26)의 수직단면상에서 유로면적은 노심배럴(12)의 원주방향으로의 폭과 길이의 곱이 되며, 직접주입노즐(24)의 유효 단면적과 같거나 큰 것이 바람직하다. 이와 함께 주입연장덕트(26)의 높이(h)를 강수부(16)의 직경방향 틈새(Gap) 길이의 약 3/25~7/25 범위로 제한시키는 조건을 모두 고려하면, 노심배럴(12)의 원주방향으로의 주입연장덕트(26)의 폭이 되는 중심각 Φ는 최소 20도에서 최대 약 35도 범위가 적당하다.

상기 주입연장덕트(26)의 노심배럴(12)에서의 설치고도 및 길이는, 원자로 용기(10)의 직접주입노즐(24)과 마주보는 지점으로부터 시작하여 저온관(20) 및 고온관(22)의 수평 고도보다 아래인 강수부(16)의 하부까지 노심배럴(12)의 외면을 따라 연장되도록 한다.

또한, 상기 주입연장덕트(26)의 최저점의 고도(도 6에서 길이 B)는 저온관(20)의 중심축선을 기준으로 한 강수부(16) 하부로의 길이로 볼 때, 대형 냉각재상실 사고시 파단 저온관(20) 주변의 강수부(16)에서 형성되는 강력한 파단 흡입류에 의하여 주변의 냉각수가 휩쓸려 나가게 된다는 점을 고려하여, 주입연장덕트(26)의 출구의 최저점 하부 고도는 저온관(20)의 설치고도 보다 더 낮은 강수부(16) 하부까지 연장해야 하며, 바람직하게는 저온관(20) 중심축선으로부터 강수부(16) 하부방향을 따라 상기 저온관 내경(D_CL)의 약 2∼4배 낮은 고도까지 연장하여 설치해야 비상노심냉각수의 직접우회를 방지하는데 효과적이다.

이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1a 내지 도1d 는 종래기술에 따른 비상노심냉각계통을 개략적으로 도시한 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 대형 저온관 파단사고시의 주입연장덕트의 비상노심냉각수 주입과 직접우회현상 차단 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 직접주입배관 파단사고시의 원자로 용기 파단류 흡입구 위치 개념도,

도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 일실시예에 따른 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통의 평면도 및 종단면도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 주입연장덕트의 상세 구조도,

도 6은 본 발명의 일시시예에 따른 비상노심냉각수 주입연장덕트를 구비한 가압경수로형 원자로의 종단면구조를 개략적으로 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 원자로 용기 12: 노심배럴

14: 노심 16: 강수부

20: 저온관 22: 고온관

24: 직접주입노즐 26: 주입연장덕트

28: 비상노심냉각수 취수구 30: 에어벤트 홀

32: 경사부

α: 직접주입노즐과 저온관의 사잇각

β: 직접주입노즐과 고온관의 사잇각

Φ: 주입연장덕트의 폭이 되는 노심배럴의 원주방향으로의 중심각

R_HL: 고온관 부분의 원자로 용기 내경

h: 주입연장덕트의 돌출높이

D_DUCT: 비상노심냉각수 취수용 구멍의 직경

R_KEY: 원자로 용기의 상부 정렬 키 부분의 최소 내경

D_DVI: 직접주입노즐의 내경

D_CL: 저온관의 내경

B: 저온관 중심선으로부터 주입연장덕트의 최저점의 거리(고도)

Gap: 강수부의 틈새 길이

Claims

저온관 및 고온관을 포함하는 냉각계통이 구비된 원자로 용기 내에 배치된 노심배럴을 향하여 비상노심냉각수의 물 제트를 분사하는 직접주입노즐과, 상기 직접주입노즐과 마주보도록 상기 노심배럴의 외면에 설치된 주입연장덕트를 구비하는 안전주입계통에 있어서,

상기 직접주입노즐로부터 분사되는 물 제트가 상기 주입연장덕트의 내부로 유입되도록, 상기 직접주입노즐과 마주보는 상기 주입연장덕트의 표면과 직접주입노즐의 축선이 만나는 점을 원점으로 하여, 상기 주입연장덕트의 표면에 비상노심냉각수 취수구가 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제1항에 있어서,

상기 비상노심냉각수 취수구의 직경은 상기 직접주입노즐 내경의 2배인 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제1항에 있어서,

상기 주입연장덕트의 최저점 하부는 열려 있는 형상이고, 최상부 뚜껑은 막 힌 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제3항에 있어서,

상기 주입연장덕트의 최상부 뚜껑에 원자로의 충수시 가스의 배출이 가능하도록 하는 에어벤트 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제1항에 있어서,

상기 주입연장덕트가 상기 노심배럴의 표면으로부터 상기 원자로 용기를 향하여 돌출되는 높이는, 상기 원자로 용기의 상부 정렬 키 부분의 최소 내경(R_KEY) 및 상기 고온관 부분의 원자로 용기 내경(R_HL)보다 작은 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제1항에 있어서,

상기 주입연장덕트가 상기 노심배럴의 표면으로부터 상기 원자로 용기를 향 하여 돌출되는 높이는, 상기 원자로 용기와 상기 노심배럴 사이에 형성된 환형 공간인 강수부의 직경방향 틈새 길이의 3/25∼7/25 인 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제1항에 있어서,

상기 주입연장덕트의 양 측면에는 횡 방향에 대해 45도로 경사진 경사부가 구비되는 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제1항에 있어서,

상기 주입연장덕트는, 상기 원자로 용기의 직접주입노즐과 마주보는 지점으로부터 시작하여 상기 저온관 및 고온관의 수평 고도보다 아래인 강수부의 하부까지 상기 노심배럴의 외면을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.
제8항에 있어서,

상기 주입연장덕트의 출구는 상기 저온관 중심축선으로부터 상기 강수부 하부방향을 따라 상기 저온관 내경의 2∼4배 낮은 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 노심배럴 주입연장덕트를 구비한 안전주입계통.