KR101406609B1 - 노심차압편차 개선을 위한 중수형 원자로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 노신차압편차를 개선하기 위한 중수형 원자로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로; 출구측과, 증기발생기와, 펌프 및 입구측으로 구성되는 복수의 유로와, 상기 유로들을 연결하고, 상기 원자로 내부를 관통하는 루프를 구성하여 1차 계통 냉각재를 상기 원자로 내부로 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛; 상기 루프의 일부 유로에 연결되는 가압기; 및 상기 루프의 모든 유로에 연결되어 1차 계통 냉각재의 일부가 유입 정화되고, 정화된 냉각재를 1차 계통 냉각재로 합류시키기 위한 정화계통유닛;을 포함하여 이루어진다.
즉 본 발명은 종전의 중수형 원자로와 같이 정화계통유닛이 연결된 유로와, 연결되지 않은 유로상에서 발생되는 노심차압편차를 없애 시스템 불안정으로 인한 노심 출력을 감발하여 운전할 필요가 없어 경제적인 손실을 줄일 수 있고, 정화계통유닛으로부터 유입되는 출구유량의 온도를 높여 입구피더관에 침전되는 마그네타이트의 침전량을 저감시켜 시스템의 노후화를 방지할 수 있는 중수형 원자를 제안하고자 한다.
즉 본 발명은 종전의 중수형 원자로와 같이 정화계통유닛이 연결된 유로와, 연결되지 않은 유로상에서 발생되는 노심차압편차를 없애 시스템 불안정으로 인한 노심 출력을 감발하여 운전할 필요가 없어 경제적인 손실을 줄일 수 있고, 정화계통유닛으로부터 유입되는 출구유량의 온도를 높여 입구피더관에 침전되는 마그네타이트의 침전량을 저감시켜 시스템의 노후화를 방지할 수 있는 중수형 원자를 제안하고자 한다.
Description
본 발명은 정화계통유닛에 의한 노심압력 강하로 인하여 발생되는 노심차압편차를 개선하기 위한 방안을 제시하여 시스템의 안정성을 향상시키고, 시스템의 노후화를 방지하고자 하는중수형 원자로에 관한 것이다.
일반적으로 중수형 원자로는 1차 계통과 2차 계통으로 나뉘어지며, 1차 계통은 4개의 유로(pass)로 구성되어 있으며, 각 유로는 출구헤더, 증기발생기, 펌프 및 입구헤더가 구비된다.
따라서 중수형 운전의 1차 계통은 원자로와, 각각 4기의 증기발생기, 펌프 및 입/출구헤더로 구성되며, 원자로 내에는 380개의 채널이 수평방향으로 위치해 있고, 각 pass은 96(380/4)개의 채널과 입/출구 헤드, 증기발생기, 펌프로 구성되어 있다.
각 유로에서의 96개 채널은 각각의 출구피더관(outlet feeder pipe)으로 연결되어 있고, 각 채널에서 가열된 냉각재는 피더관을 지나 출구헤더(outlet header)에서 모이게 된다.
출구헤드는 두 개의 출구관을 통해 증기발생기와 연결되어 있으며,1차 계통의 냉각재는 증기 발생기에서 2차 계통의 냉각재와 열교환을 통해 냉각되며, 1개의 연결관을 통해 펌프로 연결되며, 펌프에서 2개의 입구관을 통해 입구 헤드와 연결되며, 입구 헤드에서는 96개의 입구 피더관(inlet feeder pipe)을 통해 원자로 내부의 채널과 연결되어 있다.
원자로 내부에 위치한 채널은 12개의 bundle이 수평방향으로 직렬로 연결되어 있으며, bundle의 입구에 위치한 Inlet end fitting과 출구쪽에 위치한 outlet end fitting을 통해 채널이 지지되어 있다.
그리고 도 1에 도시된 바와 같이 중수형 원자로는 2개의 회로(Loop1 & Loop 2)와 4개의 패스(Pass 23, Pass 41, Pass 67 and Pass 85)로 구성되어 있으며, 냉각재 정화를 위한 정화계통과 시스템 압력 제어를 위한 가압기가 1차 계통에 연결되어 있는 구조를 갖고 있다.
4개의 Pass는 각각 95개의 채널과 함께, 각 채널의 입구, 출구에 각각 연결된 95개의 입구 피더관 (Inlet Feeder Pipe), 출구 피더관 (Outlet Feeder Pipe)과 각 1대의 증기발생기와 펌프로 구성되어 있다.
이 경우 2 개의 Loop뿐만 아니라, 각 Loop에 있는 2개의 Pass도 구조적으로 대칭적인 형태를 갖고 있다. 즉, 2개의 Loop와 4개의 Pass는 서로 유사한 열유동 특성을 갖도록 설계되어 있다. 따라서, 2개의 Loop 사이에, 혹은 4개의 Pass 사이에 열유동적인 특성의 차이가 어느 범위 이상으로 커지게 되면, CANDU 원자로의 초기 설계 특성에서 벗어나고 있다는 의미로서, 시스템을 정지(Trip)시키거나 알람(Alarm)을 울리게 하여 시스템의 이상여부를 체크하도록 되어 있다.
CANDU 원자로의 SDS #2 계측 인자에는 냉각재 상실 등을 감지하기 위한 목적으로 노심 차압을 측정하도록 하고 있다. 즉, 정상운전 중일 때의 노심 차압값의 기준값인 1,320kPa에서 ±40kPa 이상 노심 차압값이 벗어나면 국부 과출력 보호 계통의 트립 설정치의 핸드 스위치를 위치 2로 변경하도록 되어 있다. 핸드 스위치를 위치 2로 변경하게 되면 국부 과출력 제한치가 122%에서 109.3%로 변경해서 운전해야 하므로, 원자로 출력운전 여유도 감소에 따른 출력감발 운전을 하게 되어 있다.
원자로에는 총 24개의 압력계가 각 헤더마다 3개씩 (G/H/J 채널) 설치되어 있으며, 입구 헤더의 고압 측정탭 (Hi호 Pressure Tap)과 출구모관의 저압 측정탭 (Low Pressure Tab)간의 압력 편차를 측정하도록 되어 있다. 각 G/H/J 채널에서 측정된 4개의 pass에 대한 노심차압 측정값 중 임의의 2개 pass에 대한 노심 차압 측정값이 130 kpa(d) 이상 차이가 발생하면 노심 차압 편차 경보를 발생하도록 되어 있다.
최근, 중수형 원자로의 Pass 간의 노심 차압 편차를 살펴보면, 도 2와 같이 4개의 pass 사이에 노심 차압의 편차가 점진적으로 증가하는 경향을 보이고 있으며, 4개의 pass 사이에서의 노심차압 중에서 최대값과 최소값의 차이가 0.13MPa(g)이상 발생하여 노심차압 편차경보가 발생하게 되었다. 앞서 언급한 바와 같이, CANDU 원자로는 4개 Pass가 구조적으로 대칭성을 갖고 있기 때문에, 노심 차압 편차가 많이 발생한다는 것은 시스템의 안전성을 저해하는 결과를 가져온다.
다만 대한민국 등록특허공보1990-0003610호(1990.05.26. 이하 ‘종래기술’이라 함.) 원자로에서 오염된 금속표면 제거방법이 개시되어 있어 원자로 1차 계통 표면이 철을 포함한 산화물로 인하여 오염된 것을 오염제거 수용액으로 제거하고 있지만, 이것만으로 각 유로에서 발생되는 노심차압편차를 감소시키는 데에는 한계가 있다.
따라서 상기한 바와 같이 각 유로에서 발생되는 노심차압편차를 감소시켜 시스템을 안정화시키고, 시스템의 노후화를 방지할 수 있는 중수형 원자로의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 우선 본 발명은 종래의 4개의 유로(Pass) 중에서 2개의 유로(Pass)에만 연결되어 있는 정화계통유닛을 4개의 유로(Pass)에 모두 연결하여 모든 유로(Pass)에 대해서 정화계통유닛의 출구유량이 유입되도록 하여 출구유량이 유입되는 1차 계통 냉각재의 온도가 4개 유로(Pass)에 대해서 동일하게 유지되도록 함으로써 각 유로상에서의 노심차압편차가 발생되지 않도록 하는 것을 하나의 목적으로 한다.
다음으로 본 발명은 종전의 중수형 원자로와 동일하게 2개의 Pass에만 정화계통유닛을 연결하는 시스템을 도입하되, 정화계통유닛이 연결된 유로에서의 노심압력 강하 현상을 방지하기 위해 출구헤더로부터 증기발생기로 유입되는 고온 냉각재의 일부를 바이패스관을 통하여 정화계통유닛의 출구유량과 합쳐지도록 바이패스시켜 정화계통유닛의 출구유량 온도를 출구유량이 합쳐지는 1차 계통 냉각재의 온도와 동일하게 유지시킴으로써 정화계통유닛이 연결되어 있는 2개의 유로(Pass)에서 노심압력 강하 현상을 방지하여 각 유로상에서 발생되는 노심차압편차를 없애는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
나아가 본 발명은 바이스패스관으로부터 정화계통유닛의 출구유량으로 바이패스되는 고온 냉각재의 유량을 일정한 범위로 한정하여 증기발생기 1차측과 2차측간의 열전달량을 일정하게 유지하면서도, 정화계통유닛의 출구유량 온도를 목적하는 온도까지 상승시킬 수 있어 보다 효율적인 시스템 운용을 보장하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
본 발명에 따른 노심차압편차를 개선하기 위한 중수형 원자로는 원자로; 출구측과, 증기발생기와, 펌프 및 입구측으로 구성되는 복수의 유로와, 상기 유로들은 연결하고, 상기 원자로 내부를 관통하는 루프를 구성하여 1차 계통 냉각재를 상기 원자로 내부로 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛; 상기 루프의 일부 유로에 연결되는 가압기; 및 상기 루프의 모든 유로에 연결되어 1차 계통 냉각재의 일부가 유입 정화되고, 정화된 냉각재를 1차 계통 냉각재로 합류시키기 위한 정화계통유닛;을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 각 유로의 출구측과 상기 증기발생기 사이에 연결되어 고온 냉각재의 일부를 상기 정화계통유닛의 출구유량과 합류되도록 유도하는 바이패스관이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명에 따른 노심차압편차를 개선하기 위한 중수형 원자로는 원자로; 출구측과, 증발발생기와, 펌프 및 입구측으로 구성되는 복수의 유로와, 상기 유로들 연결하여 상기 원자로 내부를 관통하는 루프를 구성하여 1차 계통 냉각재를 상기 원자로에 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛; 상기 루프의 일부 유로에 연결되는 가압기; 상기 루프의 일부 유로에 연결되어 1차 계통 냉각재의 일부가 유입 정화되고, 정화된 냉각재를 1차 계통 냉각재로 합류시키기 위한 정화계통유닛; 및 상기 유로의 출구측과 상기 증기발생기 사이에 연결되어 고온 냉각재의 일부를 상기 정화계통유닛의 출구유량과 합류되도록 유도하는 바이패스관;을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 바이패스관으로부터 상기 정화계통유닛의 출구유량으로 유입되는 고온 냉각재의 유량은 30kg/s ~ 40kg/s인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른중수형 원자로는 종전의 중수형 원자로와 같이 정화계통유닛이 연결된 유로와, 연결되지 않은 유로상에서 발생되는 노심차압편차를 없애 시스템 불안정으로 인하여 노심 출력을 감발하여 운전할 필요가 없어 경제적인 손실을 줄일 수 있고, 정화계통유닛으로부터 유입되는 출구유량의 온도를 높여 입구피더관에 침전되는 마그네타이트의 침전량을 저감시켜 시스템의 노후화를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 중수형 원자로를 나타내는 개통도
도 2는 최근 5년간 중수형 원자로의 노심차압변화 경향을 나타내는 그래프
도 3은 도 1의 중수형 원자로의 정화계통을 나타내는 흐름도
도 4는 도 1의 중수형 원자로에서 마그네타이트재분포 메커니즘을 나타내는 분포도
도 5는 도 1의 중수형 원자로에서 온도에 따른 마그네타이트의 용해도를 나타내는 용해도곡선
도 6은 본 발명에 따른 중수형 원자로를 나타내는 계통도
도 7은 본 발명에 따른 중수형 원자로에서 정화계통을 나타내는 흐름도
도 2는 최근 5년간 중수형 원자로의 노심차압변화 경향을 나타내는 그래프
도 3은 도 1의 중수형 원자로의 정화계통을 나타내는 흐름도
도 4는 도 1의 중수형 원자로에서 마그네타이트재분포 메커니즘을 나타내는 분포도
도 5는 도 1의 중수형 원자로에서 온도에 따른 마그네타이트의 용해도를 나타내는 용해도곡선
도 6은 본 발명에 따른 중수형 원자로를 나타내는 계통도
도 7은 본 발명에 따른 중수형 원자로에서 정화계통을 나타내는 흐름도
본 발명에 따른 노심차압편차를 개선하기 위한 중수형 원자로를 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세하게 설명하기로 한다.
본 명세서상에서 각 유로는 출구측(ROH)(출구피더관 및 출구헤더를 포함.), 증기발생기(B), 펌프(P) 및 입구측(RIH)(입구헤더 및 입구피더관을 포함.)이 각각 배관으로 연결되어 있으며, 또한 두 개의 유로(PA1)(PA3)가 배관을 통하여 원자로(10) 내부로 냉각재 순환을 위한 루프(L)를 형성하게 된다.
따라서 이하에서는 루프, 각 유로와, 각 유로와 루프들의 구성을 설명하면서 특별한 경우를 제외하고는 구성간의 연결을 위한 배관에 대하여 언급을 생략하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 노심차압편차를 개선하기 위한 중수형원자로(10)는 원자로(10); 출구측(ROH)과, 증기발생기(B)와, 펌프(P) 및 입구측(RIH)으로 구성되는 복수의 유로(PA)와, 상기 유로들(PA)을 연결하고, 상기 원자로(10) 내부를 관통하는 루프(L)를 구성하여 1차 계통 냉각재를 상기 원자로(10) 내부로 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛(20); 상기 루프(L)의 일부 유로(PA)에 연결되는 가압기(30); 및 상기 루프(L)의 모든 유로(PA)에 연결되어 1차 계통 냉각재의 일부가 유입 정화되고, 정화된 냉각재를 1차 계통 냉각재로 합류시키기 위한 정화계통유닛(40);을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 원자로(10)는 열을 제거하거나, 또는 연료봉의 출입을 위한 통로를 형성하는 다수의 채널이 구비되고, 상기 채널들로 1차 개통 냉각재를 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛(20)이 연결되어 루프(L)를 구성하게 된다.
상기 냉각재 순환유닛(20)은 1차 계통 냉각재를 상기 원자로(10) 내부로 순환 공급하기 위해 상기 채널의 출구에 연결되는 출구측(ROH), 즉 상기 채널과 연결되는 출구피더관(미도시)과, 상기 출구피더관과 연결되는 출구헤더로 구성된다.
상기 출구헤더(ROH))는 상기 원자로(10) 내부를 통과한 고온의 1차 계통 냉각재를 2차 계통 냉각재와의 열교환을 통하여 터빈을 구동하는 증기발생기(B)에 연결된다.
상기 증기발생기(B)는 2차 계통 냉각재와 열교환된 1차 계통 냉각재를 입구측(RIH)으로 공급하기 위한 펌프(P)와 연결되어 1차 계통 냉각재를 입구측(RIH)으로 공급하게 된다.
상기 펌프(P)는 입구측(RIH), 즉 상기 채널과 연결되는 입구피더관(미도시)과, 상기 펌프(P)와 입구피더관을 연결하는 입구헤더로 구성되어 1차 계통 냉각재를 원자로(10) 내부로 공급하게 된다.
즉 상기 냉각재 순환유닛(20)은 상기 출구측(ROH)과, 증기발생기(B)와, 펌프(P) 및 입구측(RIH)으로 구성되는 4개의 유로(PA)가 구비되고, 이들 유로들 중에서 2개의 유로(PA)가 연결되어 상기 원자로(10) 내부를 관통하는 하나의 루프(L)를 형성하며, 또 다른 2개의 유로(PA)가 연결되어 상기 루프(L)와 대칭되도록 원자로(10) 내부를 관통하는 또 다른 하나의 루프(L)를 형성하게 된다.
따라서 중수형원자로(10)의 1차 계통은 4개의 유로와, 이들 유로 중 2개의 유로가 연결되는 2개의 루프로 구성되어 1차 계통 냉각재를 원자로(10) 내부의 채널을 통하여 순환 공급하여 원자로(10)의 온도를 낮추게 된다.
여기서, 상기 루프와 유로들은 도 6의 도시를 기준으로 상부에 위치하는 루프를 제1 루프(L1)라 하고, 하부에 위치하는 루프를 제2 루프(L2)라 정하고, 상기 각 루프(L1)(L2)에 의한 1차 계통 냉각재의 순환 방향에 따라 상기 제1 루프(L1)에서 좌측 유로를 제1 유로(PA1)라 하며, 우측 유로를 제2 유로(PA2)라고 하고, 상기 제2 루프(L2)에서 좌측 유로를 제3 유로(PA3)라 하고, 우측 유로를 제4 유로(PA4)라고 특정한다.
일반적으로 중수형원자로(10)에서 1차 계통은 냉각재 정화를 위한 정화계통유닛(40)과, 시스템 압력 제어를 위한 가압기(30)가 연결되도록 설계되고, 이 경우 상기 정화계통유닛(40)은 1차 계통 냉각재를 정화한 후, 1차 계통 냉각재를 다시 보내도록 구성되어 있다.
특히 도 1에 도시된 바와 같이 캔두형원자로(CANDU, CANada Deuterium Uranium)의 경우 상기한 바와 같이 2개의 루프(L1)(L2)와, 4개의 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)로 구성되며, 정화계통유닛(40)과 가압기(30) 시스템이 1차 계통에 연결되고, 4개의 유로 중에서 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에는 정화계통유닛(40)이 연결되며, 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)에는 정화계통유닛(40)이 연결되어 있지 않다.
상기 정화계통유닛(40)이 연결된 각 유로(PA1)(PA3)의 경우에는 1차 계통 냉각재 유량인 2100kg/s에 비해 상대적으로 아주 작은 유량인 약 11kg/s의 유량이 상기 제1 및 제3 유로의 펌프(P1)(P3)와 입구헤더(RIH2)(RIH6) 사이에 유입배관(43)이 연결되어 정화계통유닛(40)으로 보내진다.
이 경우 정화계통유닛(40)의 이온 교환 수지는 저온에서 작동이 가능하므로, 정화계통유닛(40)으로 유입된 소량의 정화유량 온도는(1차계통의 온도인 262도로 유입)은 이온 교환 수지의 작동을 위해 약 55도 까지 냉각된 후에 이온 교환 수지를 통과하도록 되어 있다.
또한, 이온 교환 수지를 통과한 약 55도의 저온 상태의 정화계통유닛(40)의 유량 일부(약 2.2 kg/s)는 가압기(30)의 수위를 조절하기 위한 목적으로 정화계통유닛(40)의 충수(feed) 유량으로 유입되며, 이를 제외한 정화계통유닛(40)의 유량은 1차 계통으로 유입되는 고온의 정화계통유닛(40)의 유량과 열교환을 통해, 약 210도까지 가열된 후에 1차 계통냉각재와 합류되도록 설계되어 있다.
단, 약 210도까지 가열된 정화계통유닛(40)의 유량은 1차 계통 냉각재와 합류되기 전에 약 55도의 배출(bleed) 유량과 합류된 후에 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 펌프(P1)(P3) 입구에서 1차 계통 냉각재와 합쳐져 합류하게 된다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이 캔두형원자로(10)의 정화계통유닛(40)의 구조는 정화계통유닛(40)으로 유입, 유출되는 정화유량은 1차 계통 냉각재에 비해 아주 작지만, 상대적으로 낮은 온도를 갖고 있기 때문에, 정화계통유닛(40)과 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 입구헤더(RIH2)(RIH6) 온도는 낮은 온도의 정화유량에 의해 영향을 받게 된다.
정화유량에 의한 1차 계통 냉각재 온도의 영향을 평가하기 위하여, 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 입구헤더(RIH2)(RIH6) 온도와, 정화계통유닛(40)이 연결되지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)의 입구헤더(RIH4)(RIH8) 온도를 비교하면 다음과 같다.
먼저 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 경우, 정화계통유닛(40)으로부터 11 kg/s의 정화유량이 157도의 온도로 1차 계통 냉각재로 보내지고, 1차 계통 냉각재에서는 2100 kg/s의 냉각재 유량이 262도의 온도로 정화유량과 합쳐진다고 볼 수 있다.
서로 다른 온도와 유량을 갖는 두 유량이 합쳐진 후의 유체 온도를 산출하기 위해, 다음과 같은 유량 가중 평균 온도를 구하였다.
단 
: 1차 계통 냉각재의 유량, 온도
상기 정화계통유닛(40)으로부터 회수되는 차가운 냉각재에 의한 영향을 평가하기 위해, 유량 가중 평균 온도를 구한 결과 정화계통유닛(40)의 유량과 합류된 후의 1차 계통 냉각재 온도는 정화계통유닛(40)의 유량과 합류되기 전의 온도인 262도보다, 약 0.6도 낮은 261.4도를 갖는다는 것을 알 수 있다.
즉, 정화계통유닛(40)과 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 입구헤더(RIH2)(RIH6) 온도는 261.4도로서, 정화계통유닛(40)과 연결되지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)의 입구헤더(RIH4)(RIH8) 온도보다 약 0.6도 낮은 온도를 갖는 것을 알 수 있다.
다음으로 마그네타이트 재분포 메커니즘을 살펴보면, 도 4는 1차 계통에서 마그네타이트가 용해(Dissolution)되고, 침전 (Deposition)되는 과정을 정성적으로 나타내고 있다.
고온의 냉각재가 흐르고 있는 출구피더관(Outlet Feeder)에서는 유동 가속화에 의한 마그네타이트의 용해 (Flow Accelerated Corrosion)가 발생하게 된다. 즉, 탄소강의 재질을 가진 출구피더관의 곡관에서는 유체가 국부적으로 가속화되는 부분이 발생하고, 이에 의해 출구피더관의 마그네타이트가 고온의 냉각재에 용해된다.
마그네타이트가 용해된 고온의 냉각재는 증기발생기(B)를 통과하면서 온도가 낮아지게 되며, 냉각재 온도와 함께 마그네타이트 용해도도 함께 감소하게 된다.
따라서, 도 4에 나타난 바와 같이, 증기발생기(B)의 하류(Cold Leg)와 입구피더관에서는 냉각재에 녹아있는 마그네타이트의 양이 냉각재의 용해도보다 많게 되어서, 냉각재에 녹아있던 마그네타이트의 침전이 발생하고, 침전된 마그네타이트는 증기발생기(B)의 하류와 입구피더관(Inlet Feeder)의 벽에 쌓이게 된다.
이러한 마그네타이트 용해도 특성으로 도 5는 마그네타이트의 용해도를 나타내고 있으며, 온도가 낮을수록 마그네타이트의 용해도는 감소하는 것을 알 수 있으며, 마그네타이트의 용해도는 pH가 높을수록 온도의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있다.
중수형원자로(10)의 경우, 1차 계통 냉각재의 pH 농도를 10.2 ~ 10.4 사이가 되도록 제어하고 있으므로, pH 10.25에 대한 곡선이 중수형원자로(10)에 대한 마그네타이트 용해도 곡선이라고 할 수 있다.
만약, 마그네타이트 용해 (Dissolution)가 일어나는 출구피더관에서 고온의 냉각재에 마그네타이트가 포화상태로 용해되어 있다고 가정한다면, 1차 계통 냉각재에 침전되는 마그네타이트의 전체 양은 출구헤더 온도와 입구헤더 온도에서의 마그네타이트 용해도의 차이로 표현될 수 있다.
따라서, 정화계통유닛(40)이 연결되어 있지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)에 비하여, 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 입구헤더(RIH2)(RIH6) 온도는 약 0.6도 낮기 때문에, 출구헤더(ROH1)(ROH5) 온도와 입구헤더(RIH2)(RIH6) 온도 차이 증가와 함께 마그네타이트 용해도 차이는 증가하게 된다.
즉, 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에서의 마그네타이트의 침전량은 정화계통유닛(40)이 연결되지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)에 비하여 상대적으로 증가하게 된다.
도 5는 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에서의 마그네타이트 침전량의 상대적인 증가량을 나타내고 있다.
고온의 냉각재에 용해되어 있는 마그네타이트의 포화 정도는 정확히 측정할 수 없지만, 그 포화 정도에 따라서 정화계통유닛(40)에 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)는 정화계통유닛(40)이 연결되어 있지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)에 비해서 약 1.2% ~ 4.8% 상대적으로 많은 마그네타이트가 침전되는 것으로 나타난다.
즉, 정화계통유닛(40)으로부터 유입되는 차가운 정화유량에 의해서 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 입구헤더(RIH2)(RIH6) 온도는 감소하게 되고, 결과적으로 마그네타이트의 침전량을 증가시키게 된다.
따라서, 국내 및 국외의 모든 캔두(CANDU)형 원자로(10)에 대해서, 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 유동 저항 계수가 정화계통유닛(40)이 연결되지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)보다 상대적으로 증가하게 되며, 결국 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에서의 노심 압력 강하가 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)보다 상대적으로 크게 발생하게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같이 종전의 중수형원자로(10)에서 발생되는 노심차압편차를 개선하기 위해 2가지 실시례를 도입하고 있다.
먼저 도 6에 도시된 바와 같이 종전의 중수형원자로(10)에서 발생되는 노심차압편차를 개선하기 위한 제1 실시례는 다음과 같다.
본 발명에 따른 제1 실시례는 1차 계통 냉각재를 정화시키기 위해 정화계통유닛(40)을 4개의 유로, 즉 제1 내지 제4 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4) 모두에 연결함으로써, 정화계통유닛(40)이 연결된 유로와 연결되지 않은 유로상에서 유발되는 노심차압편차를 방지하고자 한다.
즉 상기 정화계통유닛(40)은 제1 내지 제4 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)의 펌프(P1)(P2)(P3)(P4)와 입구헤더(RIH2)(RIH4)(RIH6)(RIH8) 사이에 1차 계통 냉각재가 정화계통으로 유입되는 유입배관(43)이 연결되어, 1차 계통 냉각재의 일부 유량, 즉 11kg/s의 유량이 유입배관(43)을 통하여 정화계통으로 유입되고, 이렇게 유입된 일부 유량은 정화과정을 거친 후, 출구배관(41)을 통하여 각 유로의 입구측(RIH), 보다 정확하게는 펌프(P) 입구로 회수된다.
따라서 종전의 중수형원자로(10)에서 정화계통유닛(40)이 연결된 유로와 정화계통유닛(40)이 연결되지 않은 유로상에 발생하는 온도 차이와, 이에 의하여 유발된 노심차압의 편차를모든 유로에 정화계통유닛(40)을 연결하여 정화계통의 출구유량이 각 유로의 입구측(RIH)으로 동일하게 회수될 수 있도록 하여 정화계통유닛(40)이 연결된 유로와 연결되지 않은 유로상에서의 온도 차이를 없애 각 유로상에서 노심차압의 편차가 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편 이 경우 정화계통유닛(40)이 모든 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)에 연결되어 있어 정화계통유닛(40)의 출구유량이 회수되어 노심차압편차가 발생은 방지할 있으나, 정화계통유닛(40)으로부터 회수되는 출구유량의 온도가 낮고, 낮은 온도의 출구유량이 1차 계통 냉각재에 합류되는 경우 각 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)의 입구헤더(RIH2)(RIH4)(RIH6)(RIH8) 쪽의 온도 감소로 입구피더관에서 마그네타이트의 침전량이 증가되어 시스템이 불안정해지는 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 발명에서는 각 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)의 출구측(ROH), 보다 정확하게는 출구헤더(ROH1)(ROH5)(ROH7)(ROH9)와 증기발생기(B1)(B2)(B3)(B4) 사이를 지나는 약 300도인 고온 냉각재 일부를 정화계통유닛(40)의 출구유량으로 합류시키기 위한 바이패스관(50)이 더 구비되는 것이 바람직하다.
즉 도 7에 도시된 바와 같이 상기 바이패스관(50)은 각 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)의 출구헤더(ROH1)(ROH5)(ROH7)(ROH9)로부터 상기 증기발생기(B1)(B2)(B3)(B4)를 연결하는 배관으로부터 분기시켜 정화계통유닛(40)의 출구배관(41)과 연결함으로써 고온 냉각재 일부가 바이패스되어 출구유량과 합쳐지도록 함으로써 각 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)의 입구측(RIH)에서 1차 계통 냉각재의 온도를 상승시키게 된다.
따라서 상기 바이패스관(50)에 의하여 고온 냉각재 일부가 합류되어 각 유로(PA1)(PA2)(PA3)(PA4)의 입구헤더(RIH2)(RIH4)(RIH6)(RIH8)에서 온도를 상승시키게 되면, 입구피더관에서 마그네타이트의 침전량을 감소시키게 되어 시스템의 안정화를 도모할 수 있게 된다.
다만 도 7의 도시에는 각 루프의 제1 및 제3 유로만이 도시되어 있으나, 이를 확장하여 각 루프의 제2 및 제4 유로에도 출구헤더로부터 증기발생기를 연결하는 배관으로부터 분기시켜 정화계통유닛의 출구배관과 바이패스관을 연결함으로써 모든 유로에서 바이패스관을 도입하는 것이 가능하다.
다음으로 도 7에 도시된 바와 같이 종전의 중수형원자로(10)에서 발생되는 노심차압편차를 개선하기 위한 제2 실시례는 다음과 같다.
본 발명에 다른 제2 실시례는 상기한 바와 같이 종전의 중수형원자로(10)와 같이 정화계통유닛(40)이 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에 연결되고, 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)에는 정화계통유닛(40)이 연결되지 않은 상태에서 발생되는 노심차압편차를 방지하기 위해 상기 유로(PA1)(PA3)의 출구측(ROH), 즉 출구헤더(ROH1)(ROH5)와 상기 증기발생기(B1)(B3)사이를 이동하는 고온 냉각재의 일부를 상기 정화계통유닛(40)의 출구유량과 합류되도록 유도하는 바이패스관(50)이 더 구비된다.
따라서 상기 바이패스관(50)은 종전의 중수형원자로(10)와 같이 정화계통유닛(40)이 연결되는 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에서 각 유로의 입구측(RIH), 보다 정확하게는 입구헤드(RIH2)(RIH6)로 회수되는 정화계통유닛(40)의 출구유량과, 상기 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)의 출구측(ROH), 즉 출구헤더(ROH1)(ROH5)와 증기발생기(B1)(B3) 사이를 이동하는 고온 냉각재의 일부가 합쳐져 각 유로의 입구측(RIH), 즉 입구헤더(RIH2)(RIH6)에서 1차 계통 냉각재의 온도를 입구피더관으로 공급할 수 있게 된다.
이 경우 상기 바이패스관(50)은 출구헤더(ROH1)(ROH5)와 증기발생기(B1)(B3)를 연결하는 배관으로부터 분기시켜 정화계통유닛(40)의 출구배관(41)과 연결되도록 하여 고온 냉각재 일부가 정화계통유닛(40)의 출구유량으로 바이패스되어 합쳐짐으로써 각 유로의 입구측(RIH)으로 유입되는 출구유량의 온도는 1차 계통 냉각재의 온도, 즉 262도와 동일하게 유지된다.
따라서 각 유로(PA1)(PA3)의 입구피더관에서 마그네타이트의 침전량이 감소되고, 이에 의하여 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)에서의 노심 압력 강하 현상을 줄여 정화계통유닛(40)이 연결된 제1 및 제3 유로(PA1)(PA3)와 정화계통유닛(40)이 연결되지 않은 제2 및 제4 유로(PA2)(PA4)간의 노심차압편차를 없애 시스템의 안정화와 노후화를 방지할 수 있게 된다.
더 나아가 본 발명에서는 상기 제1 및 제2 실시례에서 바이패스관(50)에 의하여 정화계통유닛(40)의 출구유량으로 합류되는 고온 냉각재의 유량은 30kg/s ~ 40kg/s 범위로 한정되도록 하는 것이 바람직하다.
우선 상기 바이패스관(50)으로부터 정화계통유닛(40)의 출구유량으로 합류되는 고온 냉각재, 즉 바이패스 유량의 상한치인 40kg/s의 임계적 의의는 다음과 같다.
상기 출구헤더(ROH1)(ROH5)로부터 증기발생기(B1)(B3)로 유입되는 고온 냉각재는 2차측 냉각재와 열교환을통하여 2차측 터빈을 구동시키게 되는데, 이 경우 상기 바이패스관(50)을 통한 바이패스 유량이 다량인 경우 2차측 냉각재와 열교환을 수행할 고온 냉각재의 유량 부족으로 열효율이 떨어지는 문제가 발생될 수 있으므로 바이패스관(50)에 의하여 바이패스되는 고온 냉각재의 유량이 40kg/s를 초과하지 않도록 제한하여 일정한 열효율이 유지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 바이패스관(50)으로부터 정화계통유닛(40)의 출구유량으로 합류되는 고온 냉각재의 유량의 하한치인30kg/s의 임계적 의의는 다음과 같다.
먼저 정화계통유닛(40)의 출구유량에 의하여 1차 계통 배관에서의 마그네타이트의 침전을 방지하기 위해서 정화계통유닛(40)의 출구유량의 온도가 증기발생기(B)의 출구유량 온도, 즉 정화계통유닛(40)의 출구배관(41)과 연결되는 부위에서의 1차 계통의 냉각재 유량의 온도, 즉 262도와 동일한 값을 가져야 한다.
이는 바이패스관(50)으로부터 고온 냉각재의 파이패스 유량이 너무 소량인 경우에는 정화계통유닛(40)의 출구유량의 온도를 목적하는 온도까지 높일 수 없어 여전히 노심차압편차가 발생하는 문제가 있기 때문이다.
따라서, 위의 조건을 만족하는 바이패스관(50)에 의한 바이패스 유량의 최소 유량값을 Mass Average Temperature 방법으로 계산하면,
상기 정화계통유닛(40)으로 바이패스관(50)을 통한 바이패스 유량은 최소 30kg/s의유량이 필요하다는 결론을 얻을 수 있게 된다.
즉 상기 바이패스관(50)에 의한 바이패스 유량은 증기발생기(B)에서 수행되는 2차측 냉각재와 고온 냉각재와의 열교환을 통한 열효율을 일정하게 유지함과 동시에, 정화계통유닛(40)의 출구유량 온도를 목적하는 온도까지 상승시킬 수 있는 범위, 즉 30kg/s ~ 40kg/s 범위로 한정되도록 하는 것이 바람직하다.
다만 상기 바이패스관(50)에 의한 바이패스 유량의 상한치와 하한치는 1차 계통 냉각재의 유량 온도가 달라지거나, 또는 각 루프를 통하여 원자로(10)를 순환 공급되는 1차 계통 냉각재의 유량이 다른 경우, 또는 다른 조건들 하에서 가변이 가능하다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 노심차압편차를 개선하기 위한 중수형원자로를 설명함에 있어 특정 형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
L :루프 PA :유로
ROH :출구측 RIH :입구측
B : 증기발생기 P : 펌프
10 : 원자로 20 : 냉각재 순환유닛
30 : 가압기 40 :정화계통유닛
41 : 출구배관 43 : 유입배관
50 :바이패스관
ROH :출구측 RIH :입구측
B : 증기발생기 P : 펌프
10 : 원자로 20 : 냉각재 순환유닛
30 : 가압기 40 :정화계통유닛
41 : 출구배관 43 : 유입배관
50 :바이패스관
Claims (4)
- 원자로(10);
출구측(ROH))과, 증기발생기(B)와, 펌프(P) 및 입구측(RIH)으로 구성되는 복수의 유로(PA)와,
상기 유로들(PA)을 연결하여 상기 원자로(10) 내부를 관통하는 루프(L)를 구성하여 1차 계통 냉각재를 상기 원자로(10) 내부로 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛(20);
상기 루프(L)의 일부 유로(PA)에 연결되는 가압기(30); 및
상기 루프(L)의 모든 유로(PA)에 연결되어 1차 계통 냉각재의 일부가 유입 정화되고, 정화된 냉각재를 1차 계통 냉각재로 합류시키기 위한 정화계통유닛(40);를 포함하고,
상기 각 유로(PA)의 출구측(ROH)과 상기 증기발생기(B) 사이에 연결되어 고온 냉각재의 일부를 상기 정화계통유닛(40)의 출구유량과 합류되도록 유도하는 바이패스관(50)이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 노심차압편차 개선을 위한 중수형원자로.
- 삭제
- 원자로(10);
출구측(ROH)과, 증발발생기(B)와, 펌프(P) 및 입구측(RIH)으로 구성되는 복수의 유로(PA)와,
상기 유로들(PA)을 연결하여 상기 원자로(10) 내부를 관통하는 루프(L)를 구성하여 1차 계통 냉각재를 상기 원자로(10)에 순환 공급하기 위한 냉각재 순환유닛(20);
상기 루프(L)의 일부 유로(PA)에 연결되는 가압기(30);
상기 루프(L)의 일부 유로(PA)에 연결되어 1차 계통 냉각재의 일부가 유입 정화되고, 정화된 냉각재를 1차 계통 냉각재로 합류시키기 위한 정화계통유닛(40); 및
상기 유로(PA)의 출구측(ROH))과 상기 증기발생기(B) 사이에 연결되어 고온 냉각재의 일부를 상기 정화계통유닛(40)의 출구유량과 합류되도록 유도하는 바이패스관(50);
을 포함하여 이루어진 노심차압편차를 개선하기 위한 중수형원자로.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 바이패스관(50)으로부터 상기 정화계통유닛(40)의 출구유량으로 유입되는 고온 냉각재의 유량은 30kg/s ~ 40kg/s인 것을 특징으로 하는 노심차압편차 개선을 위한 중수형원자로.
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2012
- 2012-12-03 KR KR1020120139232A patent/KR101406609B1/ko active IP Right Grant
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