KR101160773B1

KR101160773B1 - 원자로

Info

Publication number: KR101160773B1
Application number: KR1020110011506A
Authority: KR
Inventors: 김한곤; 천종; 이석호; 임상규
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-06-28

Abstract

냉각재 유동의 와류 및 유동박리를 방지하는 원자로가 개시된다. 원자로는, 원자로 용기, 상기 원자로 용기 내에 구비된 노심 배럴, 상기 노심 배럴을 향해 비상노심 냉각수를 주입하도록 상기 원자로 용기에 구비된 직접주입 노즐, 상기 노심 배럴 외주면에서 외측으로 돌출되고 상기 노심 배럴의 길이 방향을 따라 구비되고, 상기 직접주입 노즐과 마주보도록 구비된 주입연장 덕트 및 상기 주입연장 덕트의 하부에 구비되며 상기 노심 배럴 외주면에서 외부로 돌출 구비된 복수개의 스누버를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 스누버는 상기 원자로 용기의 러그와 요철 결합하여 상기 노심 배럴의 진동을 제한하는 역할을 한다.

Description

원자로{NUCLEAR REACTOR}

본 발명은 원자로의 강수부에서 냉각재 유동의 와류 및 유동박리를 감소시킨 원자로 내부 구조물을 구비하는 원자로에 관한 것이다.

가압경수형 원자로는 고유의 내재적 안전성을 보유하고 있음에도 불구하고, 극히 드문 일련의 안전사고들의 조합에 의해 원자로심이 손상되는 중대한 사고에 이를 수 있다. 원자로심이 손상될 가능성이 있는 사고들 중 가장 제한적인 사고는 원자로 냉각재 상실사고이다. 특정한 사고에 의해 원자로가 정지하였더라도 원자로 노심은 핵연료의 붕괴열에 의해 지속적으로 가열되므로 충분한 냉각이 유지되도록 냉각재를 공급해야 한다. 냉각재 상실사고는 원자로 노심으로 공급되어야 할 냉각재가 유실되는 사고이므로, 가압경수형 원자로는 이를 대비하기 위해 공학적 안전설비를 통해 외부로부터 비상노심 냉각수가 원자로심으로 공급되도록 설계되어 있다.

한편, 이러한 비상노심 냉각수의 공급방식은 주입위치에 따라 구분되는데, 저온관으로 주입하는 저온관 주입방식과 원자로 용기에 주입하는 직접 주입방식이 있다.

저온관 주입방식은 저온관이 파단되는 냉각재 상실사고가 발생한 경우 비상노심냉각수가 원자로심으로 공급되지 못하고, 저온관의 파단부를 통해 비상노심냉각수가 유출되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 가압경수형 원자로는 원자로 용기에 비상노심냉각수를 직접 주입하는 방식을 채택하고 있다.

한편, 직접 주입방식에서도 원자로 냉각재 파단사고 시, 원자로 용기에 직접 주입된 비상노심냉각수가 파단부로의 강한 횡유동에 의해 파단부로 우회되는 현상이 발생되는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위해 원자로 용기 직접 주입 위치에서부터 강수부까지 연장되는 주입연장 덕트를 노심 배럴에 설치하여 비상노심 냉각수가 우회되는 현상을 방지하는 기술이 개발되었다.

여기서, 주입연장 덕트는 냉각재 상실사고 등 비상노심냉각의 주입시에만 사용되는 설비인데, 원자로가 정상출력운전 중에는 원자로 순환펌프의 구동력에 의해 저온관과 강수부를 지나 원자로심으로 유입되는 주 유동의 흐름에 있어서, 냉각재 주유동과 주입연장 덕트의 돌출부위로 인해 원자로 노심으로 유입되는 주 유동의 양상이 와류 및 유동박리가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 이와 같이 주유동의 와류 및 박리가 발생하면 와류 및 유동박리로 인한 주기적 및 불규칙적인 수력하중이 노심 배럴에 전달되어 노심 배럴의 진동을 야기하는 문제가 있으며, 노심으로 유입되는 냉각재의 유동 분포가 균일하게 되지 못한다는 문제가 있다. 그리고 이러한 경우, 노심 배럴의 진동에 의해 수명이 저하되며, 원자로 노심의 반경방향 및 축방향 출력분포가 균일하지 않고, 노심 내의 핵연료 연소 불균형 및 노심 출력제어가 어려워지는 문제가 발생한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 강수부에서의 원자로 냉각재 유동에 있어서 와류 및 유동박리를 감소시킨 원자로를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 냉각재 유동의 와류 및 유동박리를 방지하는 원자로는, 원자로 용기, 상기 원자로 용기 내에 구비된 노심 배럴, 상기 노심 배럴을 향해 비상노심 냉각수를 주입하도록 상기 원자로 용기에 구비된 직접주입 노즐, 상기 노심 배럴 외주면에서 외측으로 돌출되고 상기 노심 배럴의 길이 방향을 따라 구비되고, 상기 직접주입 노즐과 마주보도록 구비된 주입연장 덕트 및 상기 주입연장 덕트의 하부에 구비되며 상기 노심 배럴 외주면에서 외부로 돌출 구비된 복수개의 스누버(snubber)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 스누버는 상기 원자로 용기의 러그와 요철 결합하여 상기 노심 배럴의 진동을 제한하는 역할을 한다.

일 측에 따르면, 상기 주입연장 덕트는 단면이 C자 형태를 갖고, 상기 단면에서 상기 노심 배럴과 대향된 상면은 평편하게 형성되고, 상기 상면의 양쪽 측면은 곡면 형태를 가질 수 있다. 여기서, 상기 주입연장 덕트는 선대칭 형태를 갖고, 상기 양쪽 측면은 외측으로 볼록한 곡선 형태를 가질 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 스누버는 'ㄷ'자 형태의 단면 형상을 갖고, 상기 스누버의 길이 방향을 따라 상부 일부가 곡면 형태를 갖고 나머지 하부 부분은 다각형 단면 형상을 가질 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 스누버는 상기 노심 배럴의 둘레를 따라 등간격으로 복수개가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 스누버는 6개가 구비될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 주입연장 덕트 및 스누버로 인해 강수부에서 원자로 냉각재 유동이 와류 및 유동박리가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 요부를 확대 도시한 요부 사시도이다.
도 2는 도 1의 원자로의 단면 및 본 발명의 일 실시예에 따른 주입연장 덕트의 단면 형상을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스누버의 단면 형상을 나타낸 원자로의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스누버의 사시도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 요부를 확대 도시한 요부 사시도이고, 도 2는 도 1의 원자로에서 본 발명의 일 실시예에 따른 주입연장 덕트(30)의 단면 형상을 나타낸 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스누버(snubber)(40)의 단면 형상을 나타낸 원자로의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스누버(40)의 사시도이다.

도면을 참조하면, 가압경수로형 원자로는 크게 원자로 용기(10)와 원자로 용기(10) 내부에 구비되어 노심이 수용된 노심 배럴(12)로 이루어진다. 노심 배럴(12) 내부에는 핵연료봉이 장입되는 노심(Core)이 구비되고, 노심 배럴(12)은 원자로 용기(10)보다 소정 직경 작게 형성되며, 노심 배럴(12)과 원자로 용기(10) 사이의 이격된 공간은 강수부(16)가 형성된다.

원자로는 비상노심냉각수가 원자로 용기(10)에 직접 주입되는 방식으로, 원자로 용기(10) 일측에는 원자로에 비상노심냉각수를 주입하기 위한 직접주입 노즐(24)과 원자로의 정상운전 시 냉각수가 주입되는 다수의 저온관(Cold Leg)(22)이 구비되고, 저온관(22)을 통해 유입된 냉각수가 강수부(16)를 거쳐 노심을 지나는 동안 가열되어 증기발생기 쪽으로 유출되는 출구를 이루는 다수의 고온관(Hot Leg)(20)이 노심 배럴(12)과 연결되어 구비된다. 예를 들어, 원자로는 4개의 저온관(22)과 2개의 고온관(20)이 구비될 수 있다. 여기서, 원자로의 상세한 기술구성은 공지의 기술로부터 이해 가능하며 본 발명의 요지가 아니므로 자세한 설명 및 도시를 생략한다.

비상노심 냉각수가 원자로 용기(10)에 주입될 수 있도록 원자로 용기(10) 외벽 상부에는 직접주입 노즐(Direct Vessel Injection nozzle, DVI)(24)이 구비되고, 상기 직접주입 노즐(24)의 축선과 일치하도록 주입연장 덕트(30)가 노심 배럴(12) 외벽에 구비된다. 여기서 주입연장 덕트(30)는 노심 배럴(12)의 길이 방향을 따라 길게 형성되고, 비상노심 냉각수가 주입되는 입구(28)가 직접주입 노즐(24)과 마주보도록 형성된다. 그리고 직접주입 노즐(24)의 축선과 일치하게 주입연장 덕트(30)가 노심 배럴(12) 외벽에 설치되고, 원자로 용기(10)로 주입되는 비상노심 냉각수는 주입연장 덕트(30)의 입구(28)를 통해 강수부(16) 하단으로 이송될 수 있다.

여기서, 미설명 도면부호 26은 주입연장 덕트(30)의 덕트부(26)이다.

한편, 노심 배럴(12)은 원자로 순환펌프의 구동력으로 이송되는 냉각재 유동의 주기적인 유동 하중에 의해 구조적인 진동이 증가할 수 있는데, 이러한 진동을 방지하기 위해서 스누버(40)가 노심 배럴(12) 하부 외측에 구비된다. 상기 스누버(40)는 원자로 용기(10)의 러그와 요철의 조합 형태로 결합되어 원자로 용기(10)와 노심 배럴(12)의 원주방향 진동 및 뒤틀림에 의한 진동을 최소화 한다.

주입연장 덕트(30)는 노심 배럴(12)의 길이 방향을 따라 수직방향으로 길게 연장형성된다. 주입연장 덕트(30)는 단방향의 단면(즉, 도 2에 도시한 바와 같이) 형상이 대략 ㄷ 자 형상을 갖고, 마주하는 양쪽 측면이 모두 바깥쪽으로 볼록한 곡면 형상을 가질 수 있다. 또는, 주입연장 덕트(30)는 양쪽 측면이 모두 안쪽으로 오목한 곡선형 등 구조물에 작용하는 외부유동 변화를 최소화하는 유선형 설계를 가질 수 있다.

주입연장 덕트(30)의 하부에는 스누버(40)가 구비된다. 스누버(40)는 원자로 용기(10) 외벽에 설치된 러그와 결합하여 고정되도록 노심 배럴(12)에 반경방향을 따라 복수개가 구비되며, 예를 들어, 등간격으로 6개가 구비될 수 있다.

스누버(40)는 노심 배럴(12)의 길이 방향을 따라 수직방향으로 연장 형성된다. 또한, 스누버(40)는 길이 방향의 단면 형상이 대략 c자 형상을 갖고, 마주보는 양쪽 변 중에서 상부에 위치한 변(41)은 바깥쪽으로 볼록한 곡선 형태를 갖고 하부에 위치한 변(43)은 각지게 형성될 수 있다. 이러한 스누버(40)의 형상은 강수부(16) 하부에서의 냉각재 주 유동과의 상호작용에 의해 외부 유동의 변화를 최소화한다.

그리고 주입연장 덕트(30)와 스누버(40)에서 곡면으로 형성된 위치는 원자로의 정상운전 중 냉각재 유동과 상호작용하는 부분이다. 즉, 상기 곡선형 부분(41)이 유선형으로 형성되어 있어서 유동저항이 최소화되므로 냉각재 유동에서 와류 및 유동박리가 감소한다. 그리고 노심으로 유입되는 냉각재 유동을 보다 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한, 노심 유동 분포를 보다 균일하게 분포시키므로 노 내 핵연료를 균형적으로 연소할 수 있으며, 노심출력을 보다 손쉽게 제어 가능하다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 원자로 용기
12: 노심 배럴
16: 강수부
20: 고온관
22: 저온관
24: 직접주입 노즐
26: 덕트부
28: 주입연장 덕트 입구
30: 주입연장 덕트

Claims

원자로 용기;
상기 원자로 용기 내에 구비된 노심 배럴;
상기 노심 배럴을 향해 비상노심 냉각수를 주입하도록 상기 원자로 용기에 구비된 직접주입 노즐;
상기 노심 배럴 외주면에서 외측으로 돌출되고 상기 노심 배럴의 길이 방향을 따라 구비되고, 상기 직접주입 노즐과 마주보도록 구비된 주입연장 덕트; 및
상기 주입연장 덕트의 하부에 구비되며 상기 노심 배럴 외주면에서 외부로 돌출 구비된 복수개의 스누버;
를 포함하고,
상기 스누버는 상기 원자로 용기의 러그와 요철 결합하여 상기 노심 배럴의 진동을 제한하는 원자로.
제1항에 있어서,
상기 주입연장 덕트는 단면이 C자 형태를 갖고,
상기 단면에서 상기 노심 배럴과 대향된 상면은 평편하게 형성되고, 상기 상면의 양쪽 측면은 곡면 형태를 갖는 원자로.
제2항에 있어서,
상기 주입연장 덕트는 선대칭 형태를 갖고, 상기 양쪽 측면은 외측으로 볼록한 곡선 형태를 갖는 원자로.
제1항에 있어서,
상기 스누버는 'ㄷ'자 형태의 단면 형상을 갖고,
상기 스누버의 길이 방향을 따라 상부 일부가 곡면 형태를 갖고 나머지 하부 부분은 다각형 단면 형상을 갖는 원자로.
제4항에 있어서,
상기 스누버는 상기 노심 배럴의 둘레를 따라 등간격으로 복수개가 구비된 원자로.
제5항에 있어서,
상기 스누버는 6개가 구비된 원자로.