KR101034216B1

KR101034216B1 - 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치

Info

Publication number: KR101034216B1
Application number: KR1020090044204A
Authority: KR
Inventors: 서균렬
Original assignee: (주)필로소피아
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2011-05-12
Also published as: KR20100125147A

Abstract

본 발명은 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로 하부헤드와 노심 용융물의 모사부를 일체형으로 구성하여 열적 접촉저항과 용접부를 제거함으로써, 모사장치 운영의 안정성을 높인 동시에, 하반구 쉘의 내측 상부에 전열봉 삽입구를 연직으로 형성시켜 고열속을 전달하는 밴드 형태의 금속층 모사부와 하반구 쉘의 내측 하부에 전열봉 삽입구가 중심방향으로 방사형인 산화물층 모사부를 구비함으로써, 노심 용융물의 실제 열속분포 특성을 신뢰도 있게 모사할 수 있는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치에 관한 것이다.

본 발명은 중공의 반구형 몸체 내부에 전열봉을 삽입하기 위한 다수 개의 전열봉 삽입구가 형성되어 있는 반구 가열부와 상기 반구 가열부 상부의 가장자리를 따라 연결되는 원통형 연결링 및 중공의 원통형으로 형성되어 상기 연결링 상부에 연결되는 노심통 모사부를 포함하여 구성되되, 상기 반구 가열부는 원자로 용기의 하부헤드를 모사하는 하반구 쉘과, 상기 하반구 쉘 내부에서 상기 하반구 쉘과 일체형으로 구성되되, 몸체에 다수 개의 전열봉 삽입구가 형성되어 상기 다수 개의 전열봉 삽입구에 삽입되는 전열봉을 통해 생성되는 열을 이용하여 노심 용융물을 모사하는 용융물 모사부가 구성되는 것을 특징으로 하는 동시에, 상기 용융물 모사부는, 상기 하반구 쉘의 내부 상단부의 내경을 따라 밴드 형태로 형성되어, 내부에 연직으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구가 구비된 금속층 모사부와 상기 금속층 모사부 하부에 위치하며, 상기 하반구 쉘 내부 표면의 전반에 걸쳐 형성되어, 내부 에 상기 하반구 쉘의 중심방향으로 방사형으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구가 구비된 산화물층 모사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

원자로, 중대사고, 노심 용융물, 하부헤드, 산화물층, 금속층, 열속, ERVC(External Reactor Vessel Cooling), CHF(Critical Heat Flux)

Description

원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치{A simulator for high heat flux of the lower head of nuclear reactor vessel}

원자력 발전소의 운영에 있어 안전성의 가장 기본적인 목적은 "방사선에 의한 위험에 대응하여 효과적인 방어를 확립하고 유지하여 일반대중, 사회 및 자연환경을 보호하는 것이다."로 귀결된다. 이러한 안전성의 목적을 구현하기 위하여 원자로 설계시에 설계기준사고(Design Basis Accident, DBA)를 미리 가상함으로써 공학적 안전설비의 설계가 이루어지고 있다. 그러나 지극히 낮은 발생확률에도 불구하고 상기 언급한 설계기준사고를 넘어선 훨씬 심각한 수준의 중대사고가 또한 발 생될 수 있으며, 실제로도 1979년 미국의 TMI(Three Mile Island) 원자력 발전소 2호기에서 노심이 용융되는 중대사고가 발생한 전례가 있다.

한편, 원자력 발전소 건설은 천문학적인 건설비용이 투입되어야 하는 작업이기에 발전단가를 낮추기 위한 많은 방안들이 제시되었고, 그 결과 원자로의 출력을 기존의 것보다 증강시키는 방법이 채택되어 한국수력원자력이 신고리 3, 4호기에 채택한 APR1400과 같은 원자로들이 탄생하게 되었다. 그러나 출력이 증강된 원자로를 설계하는 것은 단순히 종래의 원자로보다 크기나 핵연료의 양을 늘이는 단순한 문제가 아니며, 특히 중대사고 측면에 있어서 기존 안전설비의 방어능력 한계를 뛰어넘어야 하는 기술적 문제를 안고 있다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위하여 AP1000과 같은 해외 신형로는 노심 용융시 원자로 용기 외벽을 냉각(External Reactor Vessel Cooling, ERVC)하고 원자로 용기 내부주입을 수행하여 노심 용융물이 원자로 용기 내에서 냉각(In-Vessel Retention, IVR)되도록 함으로써, 노심 용융물로 인한 원자로 용기의 파손을 방지하기 위한 전략을 채택하였으며, 국내에서도 또한 1999년에 APR1400 3단계 최적화 설계단계에서 이중격납건물 제거에 따른 안전성 보완을 위해 설계최적화 항목으로 원자로 용기 외벽냉각에 의한 노심 용융물 억류(IVR-ERVC) 설계 개념이 채택된 바 있다.

그러나 이러한 원자로 용기 외벽냉각에 의한 노심 용융물 억류의 설계 개념은 노심 용융과 관련된 열수력 현상들이 과도 이상유동(transient two-phase flow) 특성을 띠기 때문에 구현하는데 많은 어려움이 있다는 문제점이 있다.

즉, 현재 이러한 유동은 이론적으로 충분한 예측이 가능한 수준이 아니며, 따라서 실험에 의한 결과를 바탕으로 설계가 이루어져야 하나, 이 또한 노심 용융 모사가 원자로 용기 외벽에서의 열제거 상한값인 임계 열속(Critical Heat Flux, CHF)의 측정을 요구하기 때문에 모사장치가 충분한 열속을 갖도록 하면서 실제 상황에 근접한 형태를 갖도록 하는 점에 있어 많은 난제가 있는 실정이다.

특히 열원으로서의 전열봉은 그 출력에 있어서 한계가 있을 뿐만 아니라, 일정한 크기를 차지해야 하므로 원하는 출력을 얻을 수 있을 만큼의 수효로 모사장치의 내부에 배치할 수 없는 경우가 많으며, 설령 가능하다 할지라도 운영 중의 국부적인 과열과 열속 분포를 원하는 형태로 얻는 것에 있어서 또 다른 문제점이 발생하게 된다.

해외에서 수행한 실험의 대표적인 예로서, "Cheung F. B., Liu Y. C., CHF Experiments to Support In-Vessel Retention Feasibility Study for an Evolutionary ALWR Design, 1999, EPRI WO# 5491-01 PSU/ME-99-263J"에 따르면, 그 형태에 있어 원자로 용기 하부헤드에 재배치된 노심 용융물을 3차원 형태로 모사한 것이 아니라 원자로 용기 하부헤드의 중심부를 기준으로 2차원 슬라이스 형태로 일부만 모사 하였으며, 노심 용융물의 금속층과 산화물층을 별도로 모사하지 않았는데, 특히 상부 금속층에서의 전열봉의 배치가 원자로 하반구 내면에 수직인 방향으로 설치되어 있어 금속층의 열적 특성 모사가 불충분하였다. 또한, 전열봉이 삽입된 가열부와 모사된 원자로 용기 하반구가 별도로 제작된 후, 용접되어 결합되었기 때문에 고온에서는 용접부가 열응력을 견디지 못하게 되어 높은 열속의 모사에 있어 한계가 있었다.

또한 국내에서 수행하였던 실험으로, "오승종 외, 원자로 용기 내부 노심용융물 억류 기술 개발 및 한미 신형 가압경수로 적용, 2004, KHNP/TR.01NC05.C2004.EN3"에 따르면, APR1400 원자로 용기 하부헤드와 동일한 크기를 가지고 두께가 변화하는 전열체를 사용하여 산화물층과 금속층을 개별적으로 모사하였으나, 이 또한 기본적으로 1/4원호 구조의 2차원 형태를 가지고 있어 열속분포 모사의 근본적인 한계성이 있었으며, 단일 전열체에서 각부분의 두께에 따른 저항을 이용하여 열속이 조절되기 방식이기 때문에 금속층과 산화물층의 열속을 각기 제어할 수 없기 때문에, 국부적 열속분포의 제어에 있어 유동성이 없었다. 또한, 구조적으로는 발열부와 하부헤드가 개별적으로 구성되어 있었다. "김상백 외, 노내 노심용융물 냉각 실증 실험, 2002, KAERI/RR-2229/2001"에 따르면, 전열선을 다중으로 설치한 황동반구 내에 전열봉을 삽입하고 황동반구 외부를 구리반구로 둘러 싼 구조로서, 발열부가 3차원 형상으로 모사되었으나 노심 용융물의 금속층과 산화물층이 별도로 모사되지 않았고, 일체형도 아닌 구조였다.

즉, 원자로 노심 용융에 의한 중대사고를 모사하는 종래의 기술들은 원자로 하부헤드를 모사한 부분과 노심 용융물을 모사한 부분을 일체형으로 구성하지 않았는데, 이는 물리적으로 열적 접촉저항의 필연적 발생과 구조적으로는 용접부 혹은 특수접합을 필요로 하게 된다. 이들을 제작할 당시에는 수치제어 가공과 같은 방법을 사용하여 원하는 수준으로 정밀도를 맞출 수 있다 하더라도 노심 용융물 모사의 기본적 특성상 장치의 온도를 고열속에 의해 상승시키게 되면 가공시 발생한 잔류응력과 불균일한 열팽창에 의해 하부헤드 모사부와 노심 용융물 모사부간의 불균일 한 접촉이 증가할 뿐만 아니라, 균일한 열팽창이 일어난다 할지라도 그들 간의 틈새가 열팽창에 의하여 확대되는 문제점이 있다. 또한 하부헤드 모사부와 노심 용융물 모사부가 서로 용접으로 결합된 경우 서로 다른 재질로 인하여 고온으로 갈수록 열팽창 길이의 차이가 심해져서 결국 용접부 혹은 특수접합부의 파단을 불러 일으킬 수 있다. 설령 이들을 동일한 재질로 제작한다 할지라도, 용접봉의 재질과는 다를 수 밖에 없기에 용접부와 이들간의 고온으로 갈수록 심해지는 열팽창 길이의 차이는 극복될 수 없는 문제이다.

또한 종래의 기술들은 노심 용융물의 금속층과 산화물층을 모사하는 데 있어서 이들간의 열속분포 특성이 고려되지 않거나 혹은 유연성 없이 고려되는 문제점이 있었다. 이는 열속분포 특성의 왜곡을 유발하여 원자로 외부냉각(ERVC)시 원자로 하부헤드 표면에서의 기포 유동 양상, 핵비등 이탈(DNB), 그리고 드라이 아웃(dryout)과 같은 주요 물리적 현상들이 어떻게 시작되어 전개될 것인지를 충분히 모사할 수 없을 수도 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 원자로 하부헤드와 노심 용융물의 모사부를 일체형으로 구성하여 열적 접촉저항과 용접부를 제거함으로써, 모사장치 운영의 안정성을 높인 동시에, 하반구 쉘의 내측 상부에 전열봉 삽입구를 연직으로 형성시켜 고열속을 전달하는 밴 드 형태의 금속층 모사부와 하반구 쉘의 내측 하부에 전열봉 삽입구가 중심방향으로 방사형인 산화물층 모사부를 구비함으로써, 노심 용융물의 실제 열속분포 특성을 신뢰도 있게 모사할 수 있는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 중공의 반구형 몸체 내부에 전열봉을 삽입하기 위한 다수 개의 전열봉 삽입구가 형성되어 있는 반구 가열부와 상기 반구 가열부 상부의 가장자리를 따라 연결되는 원통형 연결링 및 중공의 원통형으로 형성되어 상기 연결링 상부에 연결되는 노심통 모사부를 포함하여 구성되되, 상기 반구 가열부는 원자로 용기의 하부헤드를 모사하는 하반구 쉘과, 상기 하반구 쉘 내부에서 상기 하반구 쉘과 일체형으로 구성되되, 몸체에 다수 개의 전열봉 삽입구가 형성되어 상기 다수 개의 전열봉 삽입구에 삽입되는 전열봉을 통해 생성되는 열을 이용하여 노심 용융물을 모사하는 용융물 모사부가 구성되는 것을 특징으로 하는 동시에, 상기 용융물 모사부는, 상기 하반구 쉘의 내부 상단부의 내경을 따라 밴드 형태로 형성되어, 내부에 연직으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구가 구비된 금속층 모사부와 상기 금속층 모사부 하부에 위치하며, 상기 하반구 쉘 내부 표면의 전반에 걸쳐 형성되어, 내부에 상기 하반구 쉘의 중심방향으로 방사형으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구가 구비된 산화물층 모사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치를 제공함에 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치에 의하면, 하반구 쉘과 용융물 모사부를 일체형으로 구성함으로써, 장치 내부의 열이 열적 접촉저항에 의해 외부 냉각재로의 열전달이 저하되는 것을 막아 장치의 과도한 온도 상승을 막는 동시에 가열부와 하부헤드 간의 용접부를 제거하여 종래의 모사장치에서 고온에 의한 열응력으로 용접부가 파괴되는 문제를 제거하여 모사장치 운영의 안정성 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한, 열전달 모사부의 구성에 있어, 전열봉 삽입구를 연직으로 형성한 밴드 형태의 금속층 모사부와 그 하단에 전열봉 삽입구가 하반구 쉘의 중심방향으로 방사형으로 형성된 산화물층 모사부를 구비하여 금속층 모사부의 열속을 산화물층 모사부의 열속보다 강하게 형성시킴으로써, 노심 용융물의 실제 열속분포 특성을 신뢰도 있게 모사할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 모사장치를 구성하는 반구 가열부의 단면 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 모사장치의 결합 상태를 보여주는 단면 사시도이며 도 3은 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 모사장치의 구석을 보여주는 분리 사시도로서, 서로 연관지어 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 중공의 반구형 몸체 내부에 전열봉을 삽입하기 위한 다수 개의 전열봉 삽입구(150)가 형성되어 있는 반구 가열부(100)와 상기 반구 가열부(100) 상부의 가장자리를 따라 연결되는 원통형 연결링(200) 및 중공의 원통형으로 형성되어 상기 연결링(200) 상부에 연결되는 노심통 모사부(300)를 포함하여 구성되되, 상기 반구 가열부(100)는 원자로 용기의 하부헤드를 모사하는 하반구 쉘(110)과, 상기 하반구 쉘(110) 내부에서 상기 하반구 쉘(110)과 일체형으로 구성되되, 몸체에 다수 개의 전열봉 삽입구(150)가 형성되어 상기 다수 개의 전열봉 삽입구(150)에 삽입되는 전열봉을 통해 생성되는 열을 이용하여 노심 용융물을 모사하는 용융물 모사부(120)가 구성되는 것을 특징이며, 이러한 일체형 구성은 용융물 모사부(120)에서 발산되는 열을 간극과 같은 열적 접촉저항부 없이 하반구 쉘(110)에 전달 가능하게 하므로, 하반구 쉘(110) 표면에서의 고열속을 얻기 위해 용융물 모사부(120)의 온도를 과도하게 올리지 않아도 되어 전열봉의 안정적인 운영이 가능하고 또한 용접부 혹은 특수접합을 필요로 하지 않으므로 모사장치 운영시 발생할 수 있는 용접부의 파단 혹은 특수접합부의 분리에 의한 모사장치의 손상을 방지하여 모사장치 운영의 안정성을 향상시켜 준다.

상기 일체형으로 제작되는 반구 가열부(100)의 재질은 구리, 주석, 아연, 스테인레스 스틸 및 철로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 한 가지 물질, 또는 둘 이상의 합금 중에서 선택하여 제작할 수 있으며, 구리 혹은 구리가 포함된 재질은 열전달 특성이 우수하여 일반적으로 선호되고, 그 외에 녹 발생문제와 같은 경우에는 스테인레스 스틸이 선호된다.

실제 제작에 있어서는, 재료를 구리로 하되 그 밀도를 조정할 필요가 있으면 단조 과정을 거쳐서 밀도를 증가시킬 수 있다. 이후 전체적 모양을 중실의 반구모양으로 절삭 또는 연마한 후에 내부의 구조물들은 컴퓨터수치제어(CNC)선반에서 가공한다.

또한, 상기 용융물 모사부는 상기 하반구 쉘(110)의 내부 상단부의 내경을 따라 밴드 형태로 형성되어, 내부에 연직으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구(150)가 구비된 금속층 모사부(122)와 상기 금속층 모사부(122) 하부에 위치하며, 상기 하반구 쉘(110) 내부 표면의 전반에 걸쳐 형성되어, 내부에 상기 하반구 쉘(110)의 중심방향으로 방사형으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구(150)가 구비된 산화물층 모사부(124)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 금속층 모사부(122)와 상기 산화물층 모사부(124)가 서로 상이한 형상으로 형성된 이유는 실제 원자로 노심 용융물이 상부의 금속층과 하부의 산화물층으로 나누어지기 때문이다. 노심은 크게 핵연료와 그에 관련된 구조물로 나누어 볼 수 있는데, 핵연료는 UO₂와 같은 산화물이 주성분이며, 피복재와 같은 구조물들은 지르칼로이와 금속으로 구성된다. 중대사고가 발생하여 노심이 용융하면 원자로 용기 하부헤드로 흘러내려서 산화물과 금속층이 혼합된 반구형태의 풀(pool)을 형성하게 된다. 그러나 용융된 상태의 노심 조성물들은 유동성을 가지기 때문에 대류운동을 하면서 밀도가 높은 우라늄이 포함된 산화물들은 노심 용융물의 하부로 이동하게 되고, 지르칼로이와 같이 금속성분들은 상대적으로 산화물에 비해 밀도가 낮아 노심 용융물의 상부 로 이동하여 집중되게 된다. 이렇게 두 개의 층으로 노심 용융물이 나누어지게 되면, 하층의 산화물층에서 발생하는 붕괴열이 열전도가 상대적으로 큰 상층의 금속층를 따라 상대적으로 더 큰 열속으로 원자로 하부헤드 외부로 발산되는 현상을 모사하기 위한 것이다. 특히, 상기 금속층 모사부(122)의 전열봉 삽입구(150)가 연직방향으로 형성된 이유는, 전열봉이 방출하는 열속의 대부분은 전열봉의 측면으로 나가기 때문에 이러한 열속의 발산 방향을 상기 하반구 쉘(110)에서의 열속발산 방향에 일치시킴으로써, 전열봉의 열속을 효율적으로 이용 가능하여 금속층의 상대적 고열속 모사가 용이해진다. 즉, 실제 노심 용융물의 금속층과 산화물층의 이중적 열속분포 특성을 살려 모사의 신뢰도가 향상되는 것이다.

상기 금속층 모사부(122)와 상기 산화물층 모사부(124) 사이에는, 소정 깊이의 열전달 차단홈(140)이 형성되어, 상기 금속층 모사부(122)에서 상기 산화물층 모사부(124)로의 열전달을 차단하는 것을 특징으로 하는데,이는 전술한 상대적으로 더 높은 금속층의 열속모사를 유지시키기 위한 수단으로서, 일반적으로 절삭공구를 위치시켜 절삭하기에 용이한 위치는 아니나, 상기 컴퓨터 수치제어 선반에서 5축가공으로 절삭이 가능하다.

그 외의 사항들로, 상기 다수의 전열봉 삽입구(150)는 삼각격자 배열로 형성되는 것을 특징으로 하는데, 상기 금속층 모사부(122)와 상기 산화물층 모사부(124)의 크기를 감소시키며, 고른 열속분포를 얻을 수 있는 방법이다. 현실적인 한계상 상기 열전봉 삽입구(150)의 구멍 간에는 최소한의 거리가 필요한데, 삼각격자 배열인 경우에는 사각격자 배열의 경우보다 전열봉의 배치가 조밀하면서 더 고 르게 되어 방출되는 열속 또한 더 고른 형태를 보인다. 또한 조밀한 배열로 인해 그만큼 상기 금속층 모사부(122)와 산화물층 모사부(124)의 부피를 감소시키게 되므로, 이는 곧 상기 하반구 쉘(110)의 중심부에 열속이 불필요하게 집중하는 것을 막아주는 역할을 한다.

또한 모사장치 운영시 안전상의 이유와 관련하여 산화물층 모사부(124)의 중앙부에는 원형의 하부공동(160)이 형성되어, 모사장치 내부로 냉각재가 유입되는 경우, 유입된 냉각재를 수용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는데, 이는 만약의 경우에 모사 실험 도중 외부의 냉각재가 상기 반구 가열부(100)의 하단으로 전열봉 전극의 높이 이상으로 유입된다면 전열봉 전극부에서 단락이 발생하여서 안전상의 문제를 유발시키는 경우를 대비하기 위함이다. 그러므로 안전을 위하여 상기 반구 가열부(100)의 최하단부에는 전열봉 배치를 피하고, 냉각재를 일시 수용가능한 공간을 만들 필요가 있는데, 상기 산화물층 모사부(124)의 최저부에 상기 하부공동(160)을 형성하여 상기 반구 가열부(100)내로 유입된 냉각재가 일시적으로 머무를 수 있는 공간을 구비하게 되면, 이러한 냉각재는 내부 고열로 인해 증발하여 없어지므로 모사장치의 운영시 안전성이 향상된다.

도 2와 도 3에 도시된 전체적 조립관계와 같이, 연결링(200)을 상기 반구 가열부(100)에 용접 결합한 후에, 중공의 원통인 노심통(310)과 지지대(320)로 구성된 노심통 모사부(300)와 상기 연결링(200)을 볼트로 체결하여 내부 구성부를 완성한다. 여기서 상기 연결링(200)을 상기 하반구 쉘(110)의 상부에 부착하는 방법은 용접으로써, 그 이유는 볼트와 같은 기계적 결합을 위해서는 상기 하반구 쉘(110)의 두께를 크게 하거나 상기 금속층 모사부(120)에 형성된 전열봉 삽입구(150)의 배치를 상기 하반구 쉘(110)과 거리를 두어야 하기 때문이다. 이러한 경우들은 모두 상기 금속층 모사부(120)에서 발산하는 열속분포를 왜곡할 가능성이 존재한다.

하부 평판(420)은 막대 형태의 판 혹은 상기 하부 평판(420) 성형 시 막대 형태의 판이 돌출되도록 제작하여서 단열체 몸체(410)의 최하면의 중심부에 위치하도록 결합하여 단열체 모사부(400)를 조립 한 후에, 중공형의 원통인 외벽통(310)에 상기 내부 구성부를 지지하기 위한 지지홈(520)과 냉각재의 방출 통로 역할을 하는 순환출구(530)들을 구성된 외벽 모사부(500)와 상기 단열체 모사부(400)를 볼트를 체결하여 연결해 외부 구성부를 완성한다. 또한 상기 외벽 모사부(500)의 상부에 형성된 다수의 순환출구(530)들은 상기 단열체 몸체(410)와 상기 하부 평판(420) 사이로 유입된 냉각유체가 외부로 빠져 나가는 출구의 역할을 하기 위해 형성된 것이다. 상기 지지대(320)는 단순히 구조물을 올려놓기 위한 목적뿐만 아니라 원자로의 저온관 또는 고온관에 대한 모사물의 의미를 갖고 있다. 따라서 본 실시예에서는 지지의 편의를 위하여 상기 지지대(320)의 단면이 사각형의 형태를 하고 있으나, 그 단면을 원형 등으로 제작할 수도 있다. 그리하여 상기 내부 구성부의 상기 지지대(320)를 상기 외부 구성부의 지지홈(520)에 맞추어 올려놓아 전체적인 조립을 완료한다.

그 외에 도 2와 도 3에 예시된 구성요소들 이외에도 ICI 노즐(In-Core Instrument nozzle)이나 전단 키(shear key)와 같은 요소들이 원자로 용기 하부헤 드에서의 열수력 현상을 모사하기 위한 축척법(scaling method)의 선택 등에 따라서 추가여부가 결정될 수 있다.

이렇게 전체적 결합이 완성되면, 모사장치를 냉각재가 들어 있는 수조 속에 상기 지지대(320)가 있는 높이로 침지시킨 후, 모사장치 내부의 전열봉에 전류를 가하여 모사장치 외벽의 온도를 높이게 된다. 온도가 상승하게 되면 상기 반구형 쉘(110)의 외부에 기포들이 점차적으로 넓은 면을 형성하게 되고, 종국에는 상기 반구형 쉘(110)의 외부 전체가 기포들로 둘러 싸이게 되어 냉각재로의 열전달이 급격히 저하되는 임계열유속(CHF)에 이르게 되면 일반적으로 모사는 완료된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경을 할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 모사장치를 구성하는 반구 가열부의 단면 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 모사장치의 결합 상태를 보여주는 단면 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 원자로 용기 하부헤드 모사장치의 구석을 보여주는 분리 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 반구 가열부 110 : 하반구 쉘

120 : 용융물 모사부 122 ; 금속층 모사부

124 : 산화물층 모사부 140 : 열전달 차단홈

150 : 전열봉 삽입구 200 : 연결링

300 : 노심통 모사부 400 : 단열체 모사부

500 : 외벽 모사부

Claims

중공의 반구형 몸체 내부에 전열봉을 삽입하기 위한 다수 개의 전열봉 삽입구가 형성되어 있는 반구 가열부와;

상기 반구 가열부 상부의 가장자리를 따라 연결되는 원통형 연결링; 및

중공의 원통형으로 형성되어 상기 연결링 상부에 연결되는 노심통 모사부;를 포함하여 구성되되,

상기 반구 가열부는 원자로 용기의 하부헤드를 모사하는 하반구 쉘과, 상기 하반구 쉘 내부에서 상기 하반구 쉘과 일체형으로 구성되되, 몸체에 다수 개의 전열봉 삽입구가 형성되어 상기 다수 개의 전열봉 삽입구에 삽입되는 전열봉을 통해 생성되는 열을 이용하여 노심 용융물을 모사하는 용융물 모사부가 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반구 가열부는,

구리, 주석, 아연, 스테인레스 스틸 및 철로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 한 가지 물질, 또는 둘 이상의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 용융물 모사부는,

상기 하반구 쉘의 내부 상단부의 내경을 따라 밴드 형태로 형성되어, 내부에 연직으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구가 구비된 금속층 모사부와;

상기 금속층 모사부 하부에 위치하며, 상기 하반구 쉘 내부 표면의 전반에 걸쳐 형성되어, 내부에 상기 하반구 쉘의 중심방향으로 방사형으로 형성된 다수 개의 전열봉 삽입구가 구비된 산화물층 모사부;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치.
제 3 항에 있어서,

상기 금속층 모사부와 상기 산화물층 모사부 사이에는 열전달 차단홈이 형성되어, 상기 금속층 모사부에서 상기 산화물층 모사부로의 열전달을 차단하는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 다수개의 전열봉 삽입구는,

삼각격자 배열로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치.
제 3 항에 있어서,

상기 산화물층 모사부의 중앙부에는 원형의 하부공동이 형성되어, 모사장치 내부로 냉각재가 유입되는 경우, 유입된 냉각재를 수용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 원자로 용기 하부헤드 고열속 모사장치.