KR101540181B1 - 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연구용 원자로의 이차정지구동장치에 관한 것으로, 기존 상부설치 이차정지구동장치의 문제점으로 인식되던 노심의 가려짐 문제나 수조 상부에서 노심 안팎으로의 접근성 제약 등의 문제를 극복하여 노심 주변의 공간활용성을 향상시킬 수 있고, 이차정지구동장치에 대한 유지보수를 용이하게 수행할 수 있는 연구용 원자로 하부설치 이차구동장치를 제공한다. 이에 따른 본 발명의 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치는, 노심을 정지시키기 위한 이차정지봉과, 수조의 하부벽을 관통하여 노심 내의 이차정지봉과 연결되는 연장봉 집합체와, 연장봉 집합체와 연결되는 피스톤 유닛과, 수조의 하부벽 아래의 반응도제어장치실에 배치되며 정상운전시 수력에 의해 연장봉 집합체와 연결된 이차정지봉을 상승시키고 비정상운전시 수력 상실에 의해 이차정지봉과 연결된 연결구조물들을 함께 낙하시키는 구동력을 제공하는 수력실린더 집합체와, 수조의 하부벽 내부에 설치되며 연장봉 집합체를 밀봉하고 관통하며 안내하는 관통부 집합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치{Bottom-mounted second shutdown drive mechanism for research reactor}

본 발명은 연구용 원자로의 이차정지구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 상부설치 이차정지구동장치의 문제점으로 인식되던 노심의 가려짐 및 수조 상부에서 노심 안팎으로의 접근성 제약 등의 문제를 극복하여 노심 주변의 공간활용성을 향상시킬 수 있고, 이차정지구동장치에 대한 유지보수를 용이하게 수행할 수 있는 연구용 원자로 하부설치 이차구동장치에 관한 것이다.

연구용 원자로에 있어서 이차정지구동장치는 원자로의 정지를 위한 일차정지기능을 수행하는 제어봉구동장치와는 별개로 이중의 안전성을 확보하기 위하여 양자 택일적(대안적) 방식으로 적용되거나 독립적 방식으로 적용되는 구동장치이다.

종래의 이차정지구동장치는 정상운전 동안에는 이차정지봉을 수력시스템을 통해 노심 상부로 떠받힘 상태로 유지시키다가, 비정상 운전시 원자로 정지 신호에 의해 특정 시간 안에 노심 내부로 낙하시켜 원자로를 정지시키도록 한다.

도 1은 종래의 연구용 원자로 상부 측에 이차정지구동장치가 설치된 형태를 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 상부설치 이차정지구동장치의 상세구조를 보여주는 상세도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 연구용 원자로 상부설치 이차정지구동장치(10)는 이차정지봉(1), 이차정지봉 안내관(2), 운반차(3), 트랙(4), 수력실린더(5), 피스톤-피스톤봉 집합체(6), 설치 브래킷(7)을 포함하여 구성된다.

이차정지봉(Second shutdown rod; 1)은 운반차(3)에 연결되며 노심 바닥(Grid Plate; 22)에 수직으로 설치되는 이차정지봉 안내관(2)에 의해 안내된다.

그리고 운반차(3)는 연구용 원자로(20)의 상부 구조물(Upper Guide Structure; 9) 내부 벽에 부착되는 트랙(Track; 4)의 내부에 수용된 상태에서 상하방향으로 슬라이딩 이동가능하게 설치된다.

수력실린더(5)는 설치 브래킷(Mount Bracket; 7)을 매개로 하여 원자로(20)의 상부 구조물(9) 내부 벽면에 부착 설치되며, 상기 수력실린더(5) 내부에 배치되는 피스톤- 피스톤봉 집합체(6)는 운반차(3)와 연결된다.

이러한 수력실린더(5)는 내부로 수압이 공급될 수 있도록 외부에 있는 수압시스템(11)과 복수의 튜브 라인(12)을 통해 상호 연결된다. 이때 상기 수력실린더(5)는 수조수 안에 설치되기 때문에 별도의 압력 경계 또는 기밀 경계(Leak Tightness Boundary)로 설계되지 않는다.

이와 같은 구조를 갖는 종래의 상부설치 이차정지구동장치(10)는, 정상운전시 수력실린더(5)의 외면에 형성된 유동 입구로 유입되는 수압에 의해 이차정지봉(1)이 노심 상부 측으로 밀어 올려져서 떠받힘 상태로 유지된다.

이때, 이차정지봉(1)의 상승시 운반차(3)는 원자로(20)의 상부 구조물(9) 내부 벽에 부착된 트랙(4)에 의해 안내를 받게 되고, 피스톤-피스톤봉 집합체(6)는 수력실린더(5) 내부면을 통해 안내되면서 움직이게 된다.

원자로(20)의 정지가 요구되는 경우에는 수력실린더(5)의 유동 입구로 유입되는 수압을 상실시키게 된다. 이러한 경우 서로 연결된 이차정지봉(1), 운반차(3) 및 피스톤-피스톤봉 집합체(6)는 각각의 안내 구조물(2)(4)(5)에 의해 안내되면서 하부로 낙하하게 되고, 이차정지봉(1)을 노심 내부로 떨어뜨려 원자로(20)를 정지시키게 된다.

상술한 구성을 갖는 종래의 상부설치 이차정지구동장치가 적용된 연구용 원자로(20)에서는 이차정지봉(1)을 구동하는 구동부(수력실린더)를 비롯하여 이차정지봉(1)에 구동력을 전달할 수 있도록 연결되는 연결부(피스톤-피스톤봉 집합체, 트랙, 운반차 등)가 노심 상단부 이상의 위치에서 원자로의 내/외부에 배치되기 때문에 상기 구동부 및 연결부 등과 같은 다수의 구조물에 의해 노심이 가려지는 문제가 발생하고, 상기 구조물들과의 간섭으로 인한 노심 외부로부터 노심 내부로의 접근성에 많은 제약이 따르게 된다.

더욱이, 종래의 상부설치 이차정지구동장치는 수력실린더(5)와 이 수력실린더에 수압을 공급해주는 외부의 수압시스템(11)이 복수의 튜브 라인(12)을 통해 상호 연결되기 때문에, 수조 내부 및 노심 밖의 연구 목적 공간을 가리거나 접근을 방해하게 되는 단점이 있다. 이로 인해 연구용 원자로에 있어서 확보되어야 할 노심 내부 및 주변 시험 공간이 현저하게 줄어들게 되어 연구용 원자로에 대한 연구 활용성 및 경제성이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

아울러, 종래의 상부설치 이차정지구동장치의 경우 노심 설계를 기준으로 수요 맞춤식 기기설계가 이루어지는 연구용 원자로 특성상 해당 구동장치에 대한 설계 여유도가 크게 줄어들어 설계에 많은 어려움이 따르게 되고, 구동부와 피구동부 모두가 수조수 안에 위치되어 유지보수가 필요한 경우 많은 어려움 있었으며, 이러한 유지보수를 위해서 복잡하고 특별하게 고안된 고가의 취급 도구가 요구되는 문제점이 있었다.

일본 특허공개 1987-096893호(1987.05.06) 중국 특허등록 100520982호(2009.07.29)

Sanghaun Kim. et al., "Reactor shutdown mechanism by top-mounted hydraulic system" Transactions of the korean nuclear society spring meeting May 17-18, 2012

본 발명은 상기한 제반의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 수조의 바닥 하부 측에 압력 경계 또는 기밀 경계를 가지는 수력실린더와, 수력실린더 내부에서 수력으로 구동되는 피스톤 유닛과, 수조의 하부 바닥을 관통하는 밀봉 구조 내부를 따라 설치되어 피스톤 유닛과 이차정지봉을 연결하는 연장봉 집합체와, 수력실린더 하단에 이차정지봉의 낙하에 따른 충격을 완충시키기 위한 밀봉구조를 갖는 완충실린더 집합체를 설치하여, 원자로의 정지를 위한 이차정지구동장치를 원자로의 상부에서 하부로 이동시켜 구성함으로써, 기존의 상부설치 방식의 경우보다 노심 안의 주변 공간을 더 많이 확보할 수 있고, 이차정지봉의 위치를 저비용/고효율적으로 자유로이 선정할 수 있으며(노심 설계에 대한 여유도 향상), 수조 상부에서 노심 안팎으로의 접근성을 높일 수 있고, 유지보수를 용이하게 할 수 있는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치를 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치는, 노심을 정지시키기 위한 이차정지봉과, 수조의 하부벽을 관통하여 노심 내의 이차정지봉과 연결되는 연장봉 집합체와, 연장봉 집합체와 연결되는 피스톤 유닛과, 수조의 하부벽 아래에 배치되며 정상운전시 이차정지봉을 수력에 의해 상승시키는 구동력을 제공하는 수력실린더 집합체와, 수조의 하부벽 내부에 설치되며 연장봉 집합체를 밀봉하고 관통하며 안내하는 관통부 집합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 수력실린더 집합체는, 피스톤 유닛이 외부에서 제공되는 수력에 의해 이동가능하게 설치되는 메인실린더와, 메인실린더의 하단에 결합되어 이차정지봉의 낙하에 따른 상기 피스톤 유닛의 낙하시 수력 및 스프링력에 의한 완충작용을 수행하는 완충실린더 유닛을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤 유닛은, 메인실린더 내부에 밀착되어 상하로 피스톤 작용을 수행하는 메인피스톤과, 메인피스톤 보다 작은 직경을 가지며 그 하단이 상기 메인피스톤과 결합되고 상단은 메인실린더의 상단을 관통하여 상부로 노출되도록 설치되는 피스톤봉과, 피스톤봉보다 작은 직경을 가지며 메인피스톤을 관통하여 피스톤봉의 하단부에 결합되는 피스톤봉 연장부를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 상기 피스톤봉은, 메인실린더의 상단부 내경보다 큰 직경을 가지며 메인피스톤과 결합되는 대경부와, 대경부 보다 작은 직경을 가지며 대경부의 상부측에 배치되는 소경부로 구성될 수 있다.

한편 상기 완충실린더 유닛은, 메인실린더의 하단에 결합되며 일측에는 펌프를 통해 가압된 수압이 유입되는 유입포트가 형성된 완충실린더와, 완충실린더의 내부에서 피스톤 작용을 수행하며 내측으로 피스톤봉 연장부가 관통하도록 설치되는 완충피스톤과, 완충피스톤의 하부에 배치되어 완충피스톤의 낙하시 완충 작용을 수행하는 완충스프링과, 완충실린더의 하단에 결합되며 그 하단에는 피스톤봉 연장부의 낙하시 압력에 의해 내부의 물을 배출하는 벤트 홀(vent hole)이 형성된 완충실린더캡과, 벤트 홀과 연결되며 벤트 홀을 통해 배출되는 물을 외부로 안내하는 완충튜브라인을 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 완충실린더와 완충실린더캡은 서로 착탈가능하게 결합되도록 구성할 수 있다.

그리고, 상기 완충튜브라인상에는 피스톤봉 연장부의 낙하시 완충튜브라인을 통해 빠져나가는 물의 양을 조절하여 완충량을 조절하는 완충조절밸브가 설치될 수 있다.

아울러, 상기 메인실린더의 상부 일측에는 피스톤봉의 상승 및 낙하시 메인실린더 내외부로 물을 유출입시켜 물이 상부의 원자로 수조로 유출입되는 유량이 최소한으로 순환되도록 하는 물순환용 포트가 형성될 수 있다.

또한, 상기 완충피스톤의 하단에는 완충실린더캡의 상단에 지지되며 내측으로 피스톤봉 연장부가 관통되는 완충실린더부싱이 설치되어 피스톤봉 연장부와 유량 갭(Flow Gap) 설계로 부드럽게 완충량을 조절할 수 있다.

이와 함께, 상기 메인실린더와 상기 완충실린더에는 외부의 상승(UP) 위치지시 압력 스위치와 하강(Down) 위치지시 압력 스위치와 각각 연결되는 상승 위치지시 압력 포트 및 하강 위치지시 압력 포트가 구비될 수 있다.

이때, 하강 위치지시 압력 포트는 동일 높이에 2개가 구비되어 서로 연결되도록 구성될 수 있다.

또는, 상기 완충실린더부싱의 외주면 일측에 상기 2개의 하강 위치지시 압력 포트 사이를 상호 연결하기 위한 연결유로가 형성될 수 있다.

여기서, 상기 2개의 하강 위치지시 압력 포트 중 어느 한편에는 물의 흐름을 개폐하는 개폐밸브가 설치될 수 있다.

또한, 수조의 하부벽과 수력실린더 집합체 사이에 설치되어 물의 상하 이동을 선택적으로 차단하는 시일밸브와, 피스톤 유닛과 연장봉 집합체를 전자석 작동방식으로 탈부착시키는 연결집합체를 더 설치하여 구성할 수 있다.

상기한 본 발명의 구성에 따르면 다음과 같은 다양한 효과를 얻을 수 있다.

1) 최초 설계된 연구용 원자로의 노심 공간 그대로 연구 목적을 위한 노심 공간을 확보 및 활용할 수 있다.

2) 기존 상부설치 이차구동장치의 단점으로 인식되던 수조 상부에서 노심 안팎으로의 접근성 제약 문제를 해결할 수 있다.

3) 수조의 바닥 하부 측에 위치한 반응도제어장치실 내에 하부설치 이차정지구동장치의 구동부를 설치하는 것이 가능해지기 때문에 이차정지구동장치 설치를 위한 또 다른 별도의 설치 공간이 요구되지 않는다.

4) 하부설치 이차정지구동장치의 구동부가 수조의 바닥 아래에 위치한 반응도제어장치실 내에 설치됨으로써, 비상시 연구용 원자로가 정지하였을 경우에도 상기 반응도제어장치실 내부로 쉽게 접근하여 장치의 구동 및 이상 유무를 쉽게 확인할 수 있고, 육안 검사를 포함한 유지보수가 용이한 장점이 있다.

5) 수력실린더 하부에 밀봉으로 연결된 완충실린더 집합체가 유동압식 완충시스템으로 구현됨으로써, 수력실린더의 유동 입구로 수력을 전달하는 수력시스템의 어떠한 구성과의 배치에 관계없이 피구동 구조물 집합체의 낙하 충격량을 원활하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

6) 수력실린더 내의 피스톤봉 상부에 연결되는 구조물들, 즉, 이차정지봉, 종속(제어형) 핵연료, 안내관, 연장봉 집합체, 기밀 경계 구조물들, 즉, 시일 밸브 집합체, 연결 집합체, 수조 하부벽에 매설된 관통부 집합체와, 구동장치 지지구조물 등을 하부설치 제어봉구동장치의 구조물들과 동일하게 설계, 제작, 설치할 수 있는 장점이 있다.

7) 기존 상부설치 이차정지구동장치의 경우와 달리 연구용 원자로 상부 구조물에 구동부 및 구동 전달을 위한 연결부가 존재하지 않기 때문에, 이들 구동부 및 연결부 등에 의한 간섭 및 접근성 제약이 전혀 없고, 노심 하부에서 수직 정렬된 피구동 구조물 집합체 구조로 인하여 단순한 취급 도구를 사용하여 피구동 구조물 집합체를 용이하게 유지보수할 수 있는 장점이 있다.

8) 기존의 상부설치 이차정지구동장치 구조에서는 노심 설계가 기초가 되는 수요 맞춤식 연구용 원자로 설계 특성상 제반기기에 대한 많은 설계 제약 문제가 따랐으나, 본 발명에 따른 하부설치 이차정지구동장치는 노심 설계와 공간에 대한 간섭이 적고 다분한 유동압식 완충시스템을 적용함으로써 해당 기기의 설계 여유도를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 연구용 원자로의 노심 상부에 이차정지구동장치가 설치된 모습을 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 상부설치 이차정지구동장치의 상세구조를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 연구용 원자로의 노심 하부에 이차정지구동장치가 설치된 모습을 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 노심 하부설치 이차정지구동장치의 상세구조를 보여주는 상세도.
도 5는 도 4에 도시된 수력실린더 집합체를 확대 도시한 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 수력실린더 집합체의 내부구조를 보여주는 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 수력실린더 집합체의 상측 부분을 확대 도시한 단면도.
도 8은 도 6에 도시된 수력실린더 집합체의 하측 부분을 확대 도시한 단면도.
도 9는 도 8에 도시된 수력실린더 집합체의 하강 위치지시 압력 포트 부분 확대 도시한 상세도.
도 10은 도 6의 D-D섹션 종단면도.

본 발명은 기존 연구용 원자로의 노심 상부설치 이차정지구동장치에 대한 여러 문제점을 개선하기 위하여 압력경계 또는 기밀경계를 가지는 수력실린더 집합체 내측에 수력으로 구동되는 피스톤 유닛과 수력실린더 집합체 하부에 밀봉되어 연결된 완충실린더 유닛으로 구성된 이차정지구동장치를 연구용 원자로의 하부 측으로 이동시켜 노심 내부를 비롯한 노심 상부 측 공간 활용성과 노심 설계 및 상기 구동장치의 설계 여유도를 높일 수 있고, 이차정지구동장치에 대한 유지보수 작업을 용이하게 수행할 수 있는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 연구용 원자로의 하부에 이차정지구동장치가 설치된 모습을 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 도시된 하부설치 이차정지구동장치의 상세구조를 보여주는 사시도이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치(100)는, 연구용 원자로(102)의 노심(104) 부근에 배치되는 이차정지봉(110)과, 수조의 하부벽(106)을 상향 관통하여 이차정지봉(110)과 연결되는 연장봉 집합체(130)와, 수조의 하부벽(106) 아래에 배치되어 수력에 의해 이차정지봉(110) 및 이와 연결된 연장봉 집합체(130)를 상승 구동시키는 수력실린더 집합체(150)를 포함하여 구성된다. 여기서, 수력실린더 집합체(150)의 구동에 필요한 수압은 수조의 하부벽(106) 하부 측에 위치한 수력시스템(200)을 통해 제공된다.

이차정지봉(110)은 원자로(102)의 노심(104) 부근에 배치되어 원자로(102)의 2차 정지 기능을 수행하게 된다. 이러한 이차정지봉(110)은 정상운전시 외부에서 제공되는 수력에 의해 연구용 원자로(102)의 노심(104) 상부 측에 위치하였다가, 비정상운전시 수력의 상실에 의해 낙하하여 노심(104) 내부로 삽입됨으로써 원자로의 이차정지 기능을 수행하게 된다.

도 3에 도시된 연구용 원자로(102)에 있어서, 좌측 (A)의 모습은 원자로의 정지시시 이차정지봉(110)이 노심(104) 안으로 완전히 삽입된 상태를 나타내고, 우측의 (B)의 모습은 원자로의 정상운전시 이차정지봉(110)이 수력에 의해 상부로 완전히 들어 올려져 이차정지봉(110)이 노심(104) 상부로 올려진 상태를 보여주고 있다.

연장봉 집합체(130)는 이차정지봉(110)과 수력실린더 집합체(150) 내부의 피스톤 유닛(140) 사이를 연결해주는 피구동 구조물로서, 그 하단부는 반응도제어장치실(R) 안에 배치되는 수력실린더 집합체(150)의 피스톤 유닛(140)과 연결되고, 그 상단부는 수조 하부벽(106)을 관통하여 노심(104) 부근의 이차정지봉(110)과 연결된다.

상기 연장봉 집합체(130)는 수조의 하부벽(106) 및 원자로(102)의 내부를 상향으로 관통하는 연장봉(132)를 포함한다. 또한, 이차정지봉(110)의 하단에는 종속 핵연료 집합체(Follower Fuel Assembly; FFA)(112)가 연결되고, 연장봉(132)의 상단 및 종속 핵연료 집합체(112)의 하단은 어댑터(adaptor)(134)를 통해 상호 분리가능하게 연결된다.

수력실린더 집합체(150)는 수조의 하부벽(106) 아래에 위치된 반응도제어장치실(R) 내부에 배치되어 외부의 수력시스템(200)과 복수의 튜브라인(L)을 통해 상호 연결된다.

이러한 수력실린더 집합체(150)는 이차정지봉(110)을 구동하는 구동부의 기능을 수행하게 되며, 원자로의 정지신호가 인가되면 수력시스템(200)으로부터 수압을 상실시켜 피스톤 유닛(140)으로부터 이차정지봉(110)까지 연결된 피구동부를 낙하시켜 이차정지봉(110)을 노심(104) 안으로 삽입시킴으로써 원자로를 정지시키도록 한다.

여기서 수조의 하부벽(106) 부분에는 상기 수조에 저장된 수조수(냉각수)가 외부로 누출되지 않도록, 그리고 이차정지봉(110)과 수력실린더 집합체(150)의 피스톤 유닛(140) 사이를 연결하는 연장봉 집합체(130)가 관통하여 움직일 수 있도록 밀봉 구조를 갖는 관통부 집합체(170)가 설치된다.

이와 같이 관통부 집합체(170)는 수조의 하부벽(106)과 원자로(102)의 사이를 비롯하여 수조의 하부벽(106)과 이를 관통하는 연장봉 집합체(130) 사이, 및 수조의 하부벽(106)과 수력실린더 집합체(150) 사이를 견고하게 밀폐함으로써 수조의 내외부 사이에 압력경계 또는 기밀경계를 형성하게 된다.

아울러, 수력실린더 집합체(150)의 상부 측에는 이차정지구동장치(100)의 유지보수시 수조 내의 수조수가 하부로 이동되는 것을 막아 이차정지구동장치(100)의 유지보수를 용이하게 할 수 있도록 하기 위한 시일밸브(seal valve)(180)가 구비된다.

이러한 시일밸브(180)는 노심(104)에서 수직정렬된 이차정지봉(110), 종속 핵연료 집합체(112) 등의 피구동 구조물 집합체와 수조 하부의 반응도제어장치실(R)에 설치된 수력실린더 집합체(150)를 포함하는 구동부 집합체를 서로 분리할 경우 수조수가 하부로 이동되는 것을 차단함으로써 장치에 대한 유지보수 작업을 용이하게 한다.

한편, 도 5는 도 4에 도시된 하부설치 이차정지구동장치에 있어서 수력실린더 집합체를 확대 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 수력실린더 집합체의 내부구조를 보여주는 단면도이다. 또한, 도 7은 도 6에 도시된 수력실린더 집합체의 상측 부분을 확대 도시한 단면도이고, 도 8은 도 6에 도시된 수력실린더 집합체의 하측 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 수력실린더 집합체(150)는 메인실린더(151)와, 메인실린더(151) 내부에서 피스톤 작용을 수행하는 피스톤 유닛(140)과, 피스톤 유닛(140)의 낙하에 따른 완충작용을 수행하는 완충실린더 유닛(160)을 포함한다.

메인실린더(Main cylinder)(151)의 내부에는 피스톤 운동을 하는 피스톤 유닛(140)이 구비된다. 그리고, 상기 피스톤 유닛(140)의 상승에 따른 스트로크(stroke)를 제한할 수 있도록 메인실린더(151)의 최상단부 내경과 피스톤 유닛(140)의 외경 사이에는 일정 수준의 단차가 형성된다.

피스톤 유닛(140)은 메인실린더(151)의 내에 수용되어 외부로부터의 수력 공급 또는 상실에 따라 메인실린더(151) 내에서 피스톤 운동을 수행한다.

그리고, 상기 피스톤 유닛(140)의 상단부는 메인실린더(151)의 상단 밖으로 노출되어 연장봉 집합체(130)와 연결된다.

이에 따라, 피스톤 유닛(140)의 상승 또는 낙하시 이와 연동하여 연장봉 집합체(130)가 상하 운동하게 된다.

이때, 피스톤 유닛(140)과 연장봉 집합체(130)는 서로 착탈 가능한 구조로 연결되어 필요 시 피스톤 유닛(140)과 연장봉 집합체(130)를 연결집합체(185)로 자유롭게 분리 또는 결합하여 유지보수작업을 용이하게 수행할 수 있다.

이와 같은 피스톤 유닛(140)은 원자로의 비정상운전시 외부로부터의 수력 공급이 차단되어져 된 원자로의 자중에 의해 낙하하여 메인실린더(151)의 하부 측에 위치하게 되고, 외부로부터 수력 공급이 이루어지는 정상운전시에는 메인실린더(151) 내부로 공급되는 수압에 의해 상승하게 되어 상단부의 이차정지봉(110)을 노심 상부로 떠받혀 올려지도록 구동된다.

완충실린더 유닛(160)은 메인실린더(151)의 하단에 밀봉된 상태로 연결되며, 상승된 상태의 피스톤 유닛(140)이 수력 상실에 의해 하방으로 낙하하는 경우 이를 기계적 완충 방식 및 유동압적 완충방식으로 완충하도록 한다.

한편, 피스톤 유닛(140)은 메인실린더(151) 내주면에 미궁(Labyrinth) 유체윤활 방식으로 밀착된 상태에서 상하 피스톤 운동을 수행하는 메인피스톤(main piston)(141)과, 상기 메인피스톤(141)의 상부에 결합되는 피스톤봉(piston rod)(142)과, 상기 메인피스톤(141)의 하부로 연장된 피스톤봉 연장부(145)를 포함하여 구성된다.

피스톤봉(142)은 메인피스톤(141)보다 작은 직경을 가지도록 형성되며, 상기 피스톤봉(142)의 하단은 메인피스톤(141)의 상단에 안착되어 기계적으로 멈추어지도록 설치되고, 상단은 메인실린더(151)의 상단을 관통하여 상부로 노출되게 설치된다.

이러한 피스톤봉(142)은 메인실린더(151)의 최상단부 내경보다 큰 직경을 가지는 대경부(143)와, 상기 대경부(143)보다 작은 직경을 가지는 소경부(144)로 구성되며, 상기 대경부(143)의 하단은 메인피스톤(141)의 상단과 결합되고, 상기 소경부(144)의 상단은 메인실린더(151)의 상단 밖으로 노출되어 어댑터(146)를 통해 연장봉 집합체(130)의 하단과 착탈가능하게 연결된다.

여기서, 피스톤봉(142)의 상단에는 볼(147)을 매개로 한 잠금기능을 가지는 어댑터(146)가 피스톤봉(142)의 소경부(144) 상단과 핀(148)을 통해 체결 고정된다. 이때, 어댑터(146)와 피스톤봉(142)의 소경부(144) 사이는 스프링(148a)을 통해 탄성적으로 지지되어 볼(147)을 매개로 하여 연장봉(132)과 잠금기능을 수행하도록 되어 있는 한편 상기 어댑터(146)의 외부 둘레에는 자석에 붙는 커버(149)가 결합되어, 연결집합체(185)의 전자석 작동에 의해 커버(149)가 아래로 당겨져서 볼(147)을 매개로 한 잠금을 풀어 연장봉(132)의 하단과 분리할 수 있게 된다.

상기와 같이 피스톤봉(142)의 대경부(143) 외경을 메인실린더(151)의 상단부 내경보다 크게 형성하게 됨에 따라, 피스톤봉(142)이 일정거리만큼 상승 후 피스톤봉(142)의 대경부(143) 부분이 메인실린더(151)의 상단부에 걸려 더 이상의 상승이 억제된다.

이와 같이 메인실린더(151)의 상단부 내경과 피스톤봉(142)의 외경 차에 의한 기계적 멈춤 기능을 둠으로써, 피구동 구조물 집합체(이차정지봉, 연장봉 집합체, 피스톤 유닛)가 외부에서 제공되는 수력에 의해 상부로 들어 올려진 후 상기한 메인실린더(151)와 피스톤봉(142)의 직경 차에 따른 기계적 멈춤 위치에서 수력에 의해 떠받힘 힘이 유지된다.

그리고, 메인실린더(151)의 상부 일측에는 메인피스톤(141)의 상승시 메인실린더(151)의 외부로 물을 배출하여 물을 순환시키기 위한 물순환용 포트(152)가 구비된다. 즉, 메인피스톤(141)의 상승시 메인실린더(151)와 피스톤봉(142)의 틈 사이의 유량이 메인실린더(151)의 가장 위쪽에 배치된 상기 물순환용 포트(152)를 통해 대부분 배출되도록 함으로써 상부의 원자로 수조로 유출입되는 유량이 최소한으로 유동 순환이 이루어지도록 구성된다.

피스톤봉 연장부(145)는 피스톤봉(142)보다 작은 직경을 가지도록 형성되며, 상기 피스톤봉 연장부(145)의 상단이 메인피스톤(141)의 내부를 관통한 상태에서 피스톤봉(142)의 대경부(143) 하단에 결합되도록 형성된다.

한편, 완충실린더 유닛(160)은, 메인실린더(151)와 결합되는 완충실린더(161)와, 완충실린더(161)의 내부에서 피스톤 운동을 수행하는 완충피스톤(162)과, 완충피스톤(162)의 낙하시 충격을 흡수하는 완충스프링(163)과, 메인실린더(151)의 하단에 결합되는 완충실린더캡(164)과, 완충실린더캡(164)의 하단에 연결되는 완충튜브라인(165)을 포함하여 구성된다.

완충실린더(161)는 메인실린더(151)의 하단에 착탈가능하게 결합되며, 상기 완충실린더(161)와 메인실린더(151)는 상호 간에 완전한 밀폐구조를 갖도록 견고하게 밀봉된다.

그리고, 상기 완충실린더(161)의 상부 외주면 일측에는 외부에서 펌프(미도시)를 통해 가압된 수압이 유입되는 유입포트(161a)가 형성된다.

이때, 상기 유입포트(161a)와 인접된 완충실린더(161)의 내측에는 완충피스톤(162)의 둘레를 감싸는 형태로 실린더링(166)이 고정된다.

상기 실린더링(166)은 유입포트(161a)로 유입되는 수압이 완충실린더(161) 측으로 내려가는 것을 차단하게 된다.

따라서, 정상운전시 상기 유입포트(161a)를 통해 유입되는 수압의 힘에 의해 메인피스톤(141)이 상승되어 이차정지봉(110)이 노심(104) 상부로 떠받혀 올려질 수 있도록 구동된다.

완충피스톤(162)은 중앙부 직경이 그의 상부 및 하부 직경보다 크게 형성되어 상기 완충피스톤(162)의 중앙부가 완충실린더(161)의 내주면과 접하게 되고, 완충피스톤(162)의 상부 및 하부는 완충실린더(161)의 내주면과 소정간격 이격된 형태로 형성된다.

그리고 완충피스톤(162)의 내측으로는 피스톤봉 연장부(145)가 관통하도록 설치되며 상기 완충피스톤(162)의 하부 둘레에는 상기 완충피스톤(162)의 완충작용을 수행하는 완충스프링(163)이 설치된다.

이때, 상기 완충스프링(163)은 상하방향으로 개방된 형태의 원통형 스프링커버(167) 내에 취부되는데, 상기 스프링커버(167)의 상단에 완충스프링(163)의 상단이 고정된다.

따라서, 완충피스톤(162)이 상승시 상기 완충스프링(163)이 길이방향으로 늘어나 상승됨에 따라 스프링커버(167)가 상기 완충스프링(163)과 함께 상승하게 되고, 완충피스톤(162)이 낙하될 경우 상기 스프링커버(167)가 완충스프링(163)을 하방으로 눌러 탄성 압축시키면서 상기 완충스프링(163)에 의한 피스톤의 완충작용이 수행된다.

완충실린더캡(164)은 완충실린더(161)의 하단에 착탈가능하게 결합되며, 완충실린더캡(164)의 내부에 소정의 유량이 저장될 수 있는 공간부가 형성된다.

그리고, 상기 완충실린더캡(164)의 하단부 중앙에는 피구동 구조물이 연결된 피스톤봉 연장부(145)의 하강에 따른 압력에 의해 상기 완충실린더캡(164) 내에 저장된 유량이 외부로 빠져나가게 되는 벤트 홀(vent hole)(164a)이 형성된다.

상기 벤트 홀(164a)에는 완충튜브라인(165)이 연결되어 피스톤봉 연장부(145)의 하강에 따른 압력에 의해 완충실린더캡(164) 내부에 저장된 물이 상기 좁은 벤트 홀(164a)과 완충튜브라인(165)을 통해 빠져나가면서 유동압식 완충작용을 수행하게 된다.

이때, 상기 완충튜브라인(165)의 일측에는 상기 완충튜브라인(165)을 통해 빠져나가는 물의 양을 조절함으로써 완충량을 조절할 수 있는 완충조절밸브(168)가 설치된다.

아울러 완충피스톤(162)의 하단부에는 완충실린더부싱(169)이 설치되는데, 상기 완충실린더부싱(169)은 완충실린더캡(164)의 상단에 지지되는 한편 그의 내측으로 피스톤봉 연장부(145)가 관통하여 설치된다. 이때 상기 피스톤봉 연장부(145)와 상기 완충실린더부싱(169)과의 유량 갭(Flow Gap) 설계로 완충량 또한 조절할 수 있다.

그리고 완충실린더(161)와 완충실린더캡(164)은 상호 간에 견고한 밀폐구조를 가지도록 결합된다. 이때, 상기 완충실린더(161)와 완충실린더캡(164)은 볼트(164b) 및 너트(164c)를 통해 착탈가능하게 결합함으로써 차후 결합부위를 분리하여 유지보수를 용이하게 수행할 수 있다.

한편, 메인실린더(151) 및 완충실린더(161)의 각각의 외주면에는 실린더 내부의 압력 변화를 감지하여 이차정지봉(110)의 상승 및 낙하 상태를 외부에서 용이하게 확인할 수 있도록 유량의 출입이 이루어지는 상승 위치지시 압력 포트(153) 및 하강 위치지시 압력 포트(161b)가 구비된다.

이때, 상기 상승 위치지시 압력 포트(153)는 외부에 배치된 상승 위치지시 압력 스위치(미도시)와 연결되고, 하강 위치지시 압력 포트(161b)는 외부의 하강 위치지시 압력 스위치(미도시)와 각각 연결된다.

예컨대, 피스톤봉(142)의 상승 시 메인실린더(151)와 피스톤봉(142) 사이의 유압이 메인실린더(151)의 상승 위치지시 압력 포트(153)를 통해 전달되어 외부에 있는 상승 위치지시 압력 스위치를 작동시키는 것에 의해 이차정지봉(110)의 상승을 외부에서도 쉽게 파악하는 것이 가능하다.

아울러, 상기 하강 위치지시 압력 포트(161b)는 이차정지봉(110)의 낙하에 따른 유동압식 완충작용을 수행하는 기능도 하게 된다. 즉, 이차정지봉(110)의 상승이 이루어진 상태에서 메인실린더(151) 내부로 제공되는 수압이 상실되어 이차정지봉(110)이 낙하될 경우, 완충실린더(161)와 완충피스톤(162) 사이의 틈새에 있던 물을 하강 위치지시 압력 포트(161b)를 통해 외부로 밀어내면서, 동시에 완충실린더캡(164) 내부의 물을 피스톤봉 연장부(145)의 하강 위치지시 압력으로 벤트 홀(164a) 및 완충튜브라인(165)을 통해 외부로 밀어내어 수력에 의한 완충작용을 수행할 수 있다.

한편, 도 9는 도 8에 도시된 수력실린더 집합체의 하강 위치지시 압력 포트 부분 확대 도시한 상세도이고, 도 10은 도 6의 D-D섹션 종단면도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 완충실린더(161)에 구비되는 하강 위치지시 압력 포트(161b)는 동일 높이에 좌우로 2개가 구비되어 서로 연결된 구조를 갖는다.

이때, 완충실린더부싱(169)의 외주면상에는 좌,우측 2개의 하강 위치지시 압력 포트(161b) 사이를 상호 연결하는 연결유로(169a)가 형성된다.

그리고 상기 2개의 하강 위치지시 압력 포트(161b) 중 어느 한편에는 좌,우측 하강 위치지시 압력 포트(161b) 사이로 유동하는 물의 흐름을 개폐할 수 있도록 개폐밸브(190)가 설치된다.

이때, 상기 개폐밸브(190)는 일측 하강 위치지시 압력 포트(161b)가 배치된 완충실린더(161) 상에 설치되어 스프링(192)을 통해 탄성적으로 지지된다.

이와 같은 개폐밸브(190)의 작동을 살펴보면, 완충피스톤(162)의 상승시 개폐밸브(190)를 누르고 있던 힘이 제거됨에 따라 스프링(192)의 탄성력에 의해 개폐밸브(190)가 상승되어 하강 위치지시 압력 포트(161b)를 개방하게 되고, 완충피스톤(162)의 하강시 스프링(192)이 탄성 압축되면서 개폐밸브(190)가 하강하여 하강 위치지시 압력 포트(161b)를 폐쇄하게 된다.

상술한 구성을 갖는 본 발명의 하부설치 이차정지구동장치(100)는, 기존 노심의 상부영역에 설치되던 상부설치 이차정지구동장치에 있어서 노심 상부영역에 배치되는 구동장치, 구동을 위한 연결부 및 수력시스템과의 연결을 위한 수많은 튜브라인들을 제거할 수 있게 되어, 노심 안팎의 연구 목적 활용공간을 더 많이 확보할 수 있고, 기존 상부설치 이차정지구동장치의 문제점으로 인식되던 노심으로의 접근성 뿐만 아니라 이에 따른 노심 설계 및 상기 구동장치 설계상의 제약문제를 완전하게 극복할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 하부설치 이차정지구동장치는 연구용 원자로의 수조 내부에 위치하던 기존의 상부설치 이차정지구동장치와 달리 피스톤 유닛과 수력실린더 집합체, 완충실린더 집합체 등이 수조 밖의 하부에 모두 위치되기 때문에 수조 내부에 있을 때보다 유지보수 작업이 매우 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.

또한, 기존의 일반적인 수요 맞춤식 연구용 원자로에 있어서 노심 설계의 특성상 노심 주변 공간상의 설계 제약이 많으나, 본 발명의 하부설치 이차정지구동장치를 연구용 원자로에 적용하게 되면 연구용 원자로에 있어 노심 설계 여유도 증가와 공간에 대한 간섭이 배제되는 효과를 얻을 수 있고, 이차정지구동장치의 완충을 위한 유동압식 완충시스템을 부가적으로 더 적용함에 따라 해당 기기에 대한 설계 여유도를 더욱 더 높일 수 있는 장점이 있다.

100 : 하부설치 이차정지구동장치
102 : 연구용 원자로
104 : 노심 106 : 수조 하부벽
110 : 이차정지봉 112 : 종속 핵연료 집합체
130 : 연장봉 집합체 132 : 연장봉
134 : 어댑터 140 : 피스톤 유닛
141 : 메인피스톤 142 : 피스톤봉
143 : 대경부 144 : 소경부
145 : 피스톤봉 연장부 150 : 수력실린더 집합체
151 : 메인실린더 152 : 물순환용 포트
153 : 상승 위치지시 압력 포트 160 : 완충실린더 유닛
161 : 완충실린더 161a : 유입포트
161b :하강 위치지시 압력 포트 162 : 완충피스톤
163 : 완충스프링 164 : 완충실린더캡
164a : 벤트 홀 165 : 완충튜브라인
168 : 완충조절밸브 169 : 완충실린더부싱
169a : 연결유로 170 : 관통부 집합체
180 : 시일밸브 185 : 연결 집합체
190 : 개폐밸브 200 : 수력시스템

Claims (14)

1. 노심(104)에 배치되는 이차정지봉(110);
   수조의 하부벽(106)을 관통하여 상기 노심(104) 내의 이차정지봉(110)과 연결되는 연장봉 집합체(130);
   상기 연장봉 집합체(130)와 연결되는 피스톤 유닛(140);
   상기 수조의 하부벽(106) 아래에 배치되며, 정상운전시 상기 이차정지봉(110)을 수력에 의해 상승시키는 구동력을 제공하는 수력실린더 집합체(150);
   상기 수조의 하부벽(106) 내부에 설치되며 상기 연장봉 집합체(130)를 밀봉하고 관통하며 안내하는 관통부 집합체(170);를 포함하되,
   상기 수력실린더 집합체(150)는,
   상기 피스톤 유닛(140)이 외부에서 제공되는 수력에 의해 이동가능하게 설치되는 메인실린더(151)와;
   상기 메인실린더(151)의 하단에 결합되어 상기 이차정지봉(110)의 낙하에 따른 상기 피스톤 유닛(140)의 낙하시 수력 및 스프링력에 의한 완충작용을 수행하는 완충실린더 유닛(160);을 포함하는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 유닛(140)은,
   상기 메인실린더(151) 내부에 밀착되어 상하로 피스톤 작용을 수행하는 메인피스톤(141)과;
   상기 메인피스톤(141) 보다 작은 직경을 가지며, 그 하단이 상기 메인피스톤(141)과 결합되고 상단은 상기 메인실린더(151)의 상단을 관통하여 상부로 노출되도록 설치되는 피스톤봉(142)과;
   상기 피스톤봉(142)보다 작은 직경을 가지며, 상기 메인피스톤(141)을 관통하여 상기 피스톤봉(142)의 하단부에 결합되는 피스톤봉 연장부(145);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 피스톤봉(142)은,
   상기 메인실린더(151)의 상단부 내경보다 큰 직경을 가지며 상기 메인피스톤(141)과 결합되는 대경부(143)와;
   상기 대경부(143) 보다 작은 직경을 가지며 상기 대경부(143)의 상부측에 배치되는 소경부(144);로 구성된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
5. 제3항에 있어서, 상기 완충실린더 유닛(160)은,
   상기 메인실린더(151)의 하단에 결합되며, 일측에는 펌프를 통해 가압된 수압이 유입되는 유입포트(161a)가 형성된 완충실린더(161)와;
   상기 완충실린더(161)의 내부에서 피스톤 작용을 수행하며, 내측으로 상기 피스톤봉 연장부(145)가 관통하도록 설치되는 완충피스톤(162)과;
   상기 완충피스톤(162)의 하부에 배치되어 상기 완충피스톤(162)의 하강시 완충 작용을 수행하는 완충스프링(163)과;
   상기 완충실린더(161)의 하단에 결합되며, 그 하단에는 상기 피스톤봉 연장부(145)의 하강시 압력에 의해 내부의 물을 배출하는 벤트 홀(vent hole)(164a)이 형성된 완충실린더캡(164)과;
   상기 벤트 홀(164a)과 연결되며 상기 벤트 홀(164a)을 통해 배출되는 물을 외부로 안내하는 완충튜브라인(165);을 포함하는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 완충실린더(161)와 상기 완충실린더캡(164)은 서로 착탈가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 완충튜브라인(165)상에는 상기 피스톤봉 연장부(145)의 하강시 상기 완충튜브라인(165)을 통해 빠져나가는 물의 양을 조절하여 완충도를 조절하는 완충조절밸브(168)가 설치된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
8. 제3항에 있어서, 상기 메인실린더(151)의 상부 일측에는 상기 피스톤봉(142)의 상승 및 낙하시 상기 메인실린더(151) 내외부로 물을 출입시켜 물이 순환되도록 하는 물순환용 포트(152)가 형성된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
9. 제5항에 있어서, 상기 완충피스톤(162)의 하단에는 상기 완충실린더캡(164)의 상단에 지지되며 내측으로 상기 피스톤봉 연장부(145)가 관통되는 완충실린더부싱(169)이 설치된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 메인실린더(151)와 상기 완충실린더(161)에는 외부의 상승 위치지시 압력 스위치와 하강 위치지시 압력 스위치와 각각 연결되는 상승 위치지시 압력 포트(153) 및 하강 위치지시 압력 포트(161b)가 구비된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 하강 위치지시 압력 포트(161b)는 동일 높이에 2개가 구비되어 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 완충실린더부싱(169)의 외주면 일측에는 상기 2개의 하강 위치지시 압력 포트(161b) 사이를 상호 연결하기 위한 연결유로(169a)가 형성된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
    
13. 제11항에 있어서, 상기 2개의 하강 위치지시 압력 포트(161b) 중 어느 한편에는 물의 흐름을 개폐하는 개폐밸브(190)가 설치된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
    
14. 제1항에 있어서,
    상기 수조의 하부벽(106)과 상기 수력실린더 집합체(150) 사이에 설치되어 물의 상하 이동을 선택적으로 차단하는 시일밸브(seal valve)(180)와;
    상기 피스톤 유닛(140)과 연장봉 집합체(130)를 전자석 작동방식으로 탈부착시키는 연결집합체(185);가 더 설치된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 하부설치 이차정지구동장치.
    

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