KR101617299B1

KR101617299B1 - 고속 원자로

Info

Publication number: KR101617299B1
Application number: KR1020150013670A
Authority: KR
Inventors: 윤성환; 김상지; 구경회
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-05-02

Abstract

본 발명은 고속 원자로에 관한 것으로, 핵연료를 저장하는 노심과, 상기 노심의 측면으로부터 상측으로 연장되고, 상기 노심의 상측 일 지점에서 직경이 확장되며 고온의 일차 냉각재를 수용하는 고온 냉각재 수용부와, 상기 고온 냉각재 수용부의 직경이 확장된 부분을 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 상기 일차 냉각재를 외부에서 유입되는 이차 냉각재에 의해 냉각시키는 중간열교환기와, 상기 노심의 외주에 형성되어 노심 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 원통형의 제1 차폐체와, 상기 고온 냉각재 수용부의 상기 직경이 확장된 부분에 형성되는 원통형의 제2 차폐체를 포함하는 고속 원자로가 제공될 수 있다.

Description

고속 원자로{FAST NUCLEAR REACTOR}

본 발명은 고속 원자로에 관한 것으로, 중성자의 유출을 억제하기 위한 차폐체가 구비되는 고속 원자로에 관한 것이다.

일반적으로 고속로는 증식로의역할 뿐 아니라, 사용 후 핵연료의연소로로써 전 세계적으로 각광을 받고 있다. 그러나, 핵무기로 전용될 소지가 있는 감손우라늄 블랭킷의 사용은 규제를 받기 때문에 고속로의 활용 및 보급에 큰 제한이 되어왔다. 따라서 블랭킷이 제거된 고속로의 개발 및 도입에 큰 관심을 가지게 되었다.

고속증식로(Fast Breeder Reactor)는 전환비(Breeding Ratio)를 높이기 위해 노심 주위를 감손우라늄(Depleted Uranium) 블랭킷으로 감싸는 경우가 있다. 감손우라늄 블랭킷은 중성자 누설(Neutron Leakage)을 막고 플루토늄을 비롯한 핵분열성 핵종을 생산하여 핵연료의 효율성을높이는 장점이 있는 반면, 생산된 핵분열성핵종이 핵무기로 전용될 소지가 있다.

이와 같이 핵무기로 전용될 소지가 있는 감손우라늄 블랭킷을 제거해 핵확산 저항성을 향상시켰다. 그러나, 중성자 누설(Neutron Leakage)을 경감시키는 감손우라늄 블랭킷이 제거됨으로써, 감손우라늄 블랭킷 외곽에 소량의 추가 차폐체를배치하는 일반적 고속증식로와는 다른 차폐 설계 개념의 개발이 필요하다.

도 13은 블랭킷이 제거된 고속로의차폐 설계도인데, 고속로(10)의 차폐 설계에서 가장 중요한 부분은 중간열교환기(20,IHX; Intermediate Heat Exchanger)내 이차소듐냉각재의 방사화를방지하는 것이다.

상기 고속로(10)는 핵연료집합체(33)의 상부에는 가스 플레넘(32)이 형성되어 있고, 상기 핵연료집합체(33)의 하부에는 중성자의 반사율을 증가시켜 반응 속도를 향상시키기 위한 하부 반사체(34)가 형성되어 있다.

이때, 상기 가스 플레넘(32)의 상부에는 상부 차폐체(31)가 배치되고, 상기 하부 반사체(34)의 하부에는 하부 차폐체(35)가 형성되어 있으며, 상기 핵연료집합체(31)의 외부에는 측면으로의 중성자 유출을 방지하기 위한 반경 차폐체(36)가 형성되어 있다.

노심(30) 상부의 중성자 흐름을 차폐하기 위해 유효 노심(30)보다 많은 양의 B4C 상부 차폐체(31)가 필요하며, 이들 상부 차폐체(31)는 핵연료집합체 내에 포함되기 때문에 모든 핵연료집합체가 연소될 때마다 같이 교체되기 때문에 고속로(10)의 경제성에 심각한 문제를 야기한다.

공개특허공보 제10-2004-0100164호

본 발명의 일 목적은, 노심 주위로 유출되는 중성자의 유출을 방지하는데 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는, 핵연료를 저장하는 노심과, 상기 노심의 측면으로부터 상측으로 연장되고, 상기 노심의 상측 일 지점에서 직경이 확장되며 고온의 일차 냉각재를 수용하는 고온 냉각재 수용부와, 상기 고온 냉각재 수용부의 직경이 확장된 확장부를 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 상기 일차 냉각재를 외부에서 유입되는 이차 냉각재에 의해 냉각시키는 중간열교환기와, 상기 노심의 외주에 형성되어 노심 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 원통형의 제1 차폐체와, 상기 확장부에 형성되고, 상기 제1 차폐체의 상측에 구비되는 원통형의 제2 차폐체를 포함하는 고속 원자로가 제공될 수 있다.

상기 제2 차폐체의 하부에는 상기 제2 차폐체를 감싸는 제3 차폐체를 더 포함할 수 있다.

상기 중간열교환기의 하단에는 상기 중간열교환기로의 중성자 유입을 차단하는 제4 차폐체가 배치될 수 있다.

상기 제2 차폐체의 두께는 제1 차폐체의 두께보다 얇을 수 있으며, 상기 제2 차폐체는 상기 제1 차폐체의 상부에 형성될 수 있다.

상기 노심의 외주에는 노심 측면 지지체가 배치되고, 상기 노심 측면 지지체와 상기 제1 차폐체의 사이에 상기 고온 냉각재 수용부가 배치될 수 있다.

상기 원자로 용기와 고온 냉각재 수용부의 사이에는 상기 원자로 용기로 유출되는 냉각재를상기 노심에 공급하는 일차 펌프가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는, 핵연료를 저장하는 노심과, 상기 노심 주위에 형성되는 원통형의 차폐체와, 상기 노심의 외부에 배치되어 상기 노심으로부터 유출되는 일차 냉각재를 외부에서 유입되는 이차 냉각재에 의해 냉각시키는 중간열교환기, 및 상기 중간열교환기를 통과한 일차 냉각재를 수용하는 원자로 용기를 포함하고, 상기 차폐체는 상기 노심의 측면을 감싸면서 노심 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 제1 차폐체 및 상기 제1 차폐체와 일체로 형성되고, 제1 차폐체로부터 상부로 연장되어 노심 상측으로의 중성자 유출을 차단하는 제2 차폐체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 원자로가 제공될 수 있다.

상기 제2 차폐체의 하부 외주에는 제3 차폐체가 구비될 수 있고, 상기 중간열교환기의 하단에는 제4 차폐체가 구비될 수 있다.

상기 중간열교환기와 노심을 감싸고, 상기 노심으로부터 배출되는 냉각재와, 상기 중간열교환기로부터 배출되는 냉각재를 구분하는고온 냉각재 수용부를 더 포함할 수 있고, 상기 고온 냉각재 수용부는 상기 중간열교환기의 적어도 일부가 관통될 수 있다.

상기 제1 차폐체, 제2 차폐체 및 상기 고온 냉각재 수용부는 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 노심의 외부로 방출되는 중성자의 양을 줄일 수 있다.

또한, 중성자 유출을 억제함으로써 핵연료 집합체의 추가적인 차폐체 부분을 제거할 수 있어 핵연료집합체의 제작 단가를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 고속 원자로의 개략적인 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자로의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중간열교환기의 개략도이다.
도 6 내지 도 10은 도 4에서의 AA, BB, CC, DD, EE를 따르는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐체를 도입한 경우의 소듐방사화 분포도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예와 관련된 고속 원자로의 열전달계통을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 13은 종래의 고속 원자로의 개략도이다.
도 14는 종래의 고속 원자로에서의 소듐방사화 분포도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자로(100)의 구조에 대하여 살펴보기로 한다.

일반적으로 고속 연소로는초우라늄(TRU) 핵종에 대한 연소 기능을 갖는 소듐을 냉각재로 하는 고속 원자로(100)인데, 상기 소듐냉각 고속 원자로(100)는 증기발생기(160)에서의 소듐-물 반응 사고가 일차계통에 직접 영향을 주지 않도록 중간계통을 도입하는데, 중간계통을 원자로 내부에 포함하는 풀형(pool type)과, 원자로 외부에 배치한 루프형(loop type)이 있다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 풀형의 소듐냉각 고속로의 구성에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저, 원자로 용기(110)는 일차 열전달 계통의 압력 경계로써 운전 수명기간 동안 발생하는모든 온도, 압력, 그리고 하중 변화를 위한 지지 및 컨테이너 역할을 수행한다. 상기 원자로 용기(110)의 안전성 향상을 위해서 하부 헤드 영역에 연결된 노심 하부 지지체(135)을 제외하고는 어떠한 부착물이나 관통부를 허용하지 않는다.

원자로 용기(110)는 상측 내부 구조물(119), 원자로 노심(130), 일차 냉각재를 지지한다. 상측 내부 구조물(119)과 원자로 노심(130)의 하중은 노심 하부 지지체(135)를 통해서 원자로 용기(110)로 전해진다.

도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(110)의 외부에는 일정한 간격으로 이격 형성되는격납 용기(115)가 배치된다. 상기 격납 용기(115)는 낮은 누설 및 일차 계통 경계를 둘러싸는 압력경계를 제공한다. 상기 격납 용기(115)는 상기 원자로 용기(110)의 누설 때문에 발생할 수 있는 방사성 물질의 유출을 막기 위한 구조물이다.

상기 원자로 용기(110)보다 약간 큰 격납 용기(115)는 원자로 용기(110)를 둘러싸고 있으며, 원자로 용기(110)와 격납 용기(115) 사이의 갭(gap,G, 도 6 참조)은 비활성 기체인 아르곤 가스로 채워진다. 상기 격납 용기(115)는 일차 냉각재와 커버 가스(cover gas)를 보호하는 기능을 수행한다.

상기 원자로 용기(110)와 격납 용기(115)의 상부에는 원자로 헤드(117)가 구비된다. 상기 원자로 헤드(117)는 중간열교환기(120,IHX: Intermediate Heat Exchanger), 일차 펌프(140) 등의 구성 요소의 기계적인 지지 역할을 한다. 상기 원자로 헤드(117)는 150℃ 이하의 낮은 온도에서사용할 수 있도록 설계된다.

한편, 상기 원자로 용기(110) 내에는 다양한 원자로 내부 구조물들이 배치되는데, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(110)의 내부에는 노심 하부 지지체(135,Core Support Structure), 입구 플레넘(133,Inlet Plenum), 노심 측면 지지체(137,Core Support Barrel), 고온 냉각재 수용부(170)와 같은 원자로 내부 구조물이 구비되어 있다.

이때, 상기 원자로 내부 구조물들은 노심(130)을 지지하고, 일차 냉각재 유동 경로를 제공하며 중간열교환기(120) 지지와 같은 기능을 제공한다.

상기 노심 하부 지지체(135)는 모든 원자로 운전 모드시에노심(130) 형상을 유지하기 위해서 원자로 노심(130) 집합체와내부 구조물의 지지 기능을 하고, 입구 플레넘(133)은 상부 그리드 판(133a), 측면 실린더(133b), 하부 그리드 판(133c)을 포함하여 이루어진다.(도 2 및 도 3 참조) 상기 상부 그리드 판(133a)은 측면 실린더(133b)를 통해서 하부 그리드 판(133c)과 결합된다. 노심(130) 집합체로부터의 모든 수직 방향 하중은 하부 그리드 판(133c)으로 전달된다. 입구 플레넘(133)의 주요 기능은 하나 이상의 일차 펌프로부터 일차 냉각재를 받아서 노심(130)으로 분배하는 것이다.

그리고, 상기 노심 측면 지지체(137)는 입구 플레넘(133)의 상부 그리드 판(133a)에 부착되어수직 방향으로 확장된 단일 실린더 형태로 되어 있다. 상기 노심 측면 지지체(137)의 주요 기능은 내부 구조물을 지지하고, 노심(130)으로부터 중간열교환기(120) 입구로 흐르는 고온 냉각재의 유동 경로를 제공하는 것이다.

또한, 상기 고온 냉각재 수용부(170)는 정상 및 과도 운전 조건에서고온의 일차 냉각재가 직접적으로 원자로 용기(110)에 접촉하는 것을 방지하도록 한다. 상기 고온 냉각재 수용부(170)는 원자로 내에서 고온의 냉각재(111)와 저온의 냉각재(112) 영역 사이에 냉각재 경계의 일부를 형성하는 기능을 한다.

따라서 고온 냉각재 수용부(170)는 고온 풀에 있는 냉각재(111)의 급속한 온도 변화로부터 원자로 용기(110)를 격리시킬 수 있으므로 원자로 용기(110)와 원자로 헤드(117), 격납 용기(115)에 부과되는 열하중을 최소화시킬 수가 있다.

고온 냉각재 수용부(170)는 원자로 배플 공간을 이루는 중요한 구성 요소이다. 원자로 배플 환형 공간은 정체된 냉각재의 열성층을제공하여 고온 풀(11)과 저온 풀(12) 사이의 열 전달을 최소화한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예와 관련된 열전달계통에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소듐냉각고속 원자로(100)는 삼원 합금(U-TRU-15%Zr) 및 이원합금(U-10%Zr)인 금속 핵연료를 구동연료로 사용한다. 이하에서는 소듐을 냉각재로 사용하는 풀형의 소듐냉각 고속 원자로에 대하여 도 12를 주로 참조하여 설명하기로 한다.

열전달 계통은 주로 일차열전달계통(PHTS: Primary Heat Transfer System), 중간열전달계통(IHTS: Intermediate Heat Transfer System), 소듐-물반응 압력방출계통(SWRPRS: Sodium Water Reaction Pressure Relief System), 증기발생계통(SGS: Steam Generation System) 및 잔열제거계통 (RHRS: Residual Heat Removal System)으로 구성된다.

상기 일차열전달계통(PHTS)의 주요기능은 출력운전및 정상 정지운전 시에 일차 소듐(냉각재)을 원자로 노심(130)을 통해 순환시키고 노심(130)에서 생성된 열을 중간열전달계통으로 전달하는것이다. 또한, 일차열전달계통은 정상 운전과 사고시에 일차 소듐과 방사성 물질의 부주의한 방출을 막기 위한 방벽 기능을 수행하고, 일차 소듐과 커버 가스(cover gas)를 순환시키는 기능을 한다.

도 12를 참조하면, 일차열전달계통의 주요 기기는 일차 펌프(40), 중간열교환기(20,IHX: Intermediate Heat Exchanger)이고, 원자로의 풀(11,12) 내에 위치한다.

원자로 풀(11,12) 상부의 빈 공간은 일차 소듐과 물/공기 반응을 방지하기 위해서 비활성 기체로 채운다.

일차열전달계통은 모든 일차 소듐이 원자로 용기 내에 있는 풀 형으로 일차 소듐은 노심(30), 고온 풀(11), 중간열교환기(20), 저온 풀(12), 펌프(40), 그리고 노심(130)의 입구 플레넘(15)을 따라서 흐른다. 이때, 상기 중간열교환기(20)에는 소듐 유입구(21)와 소듐 유출구(22)가 형성되어 있으며, 내부 반응로(50)에 의해 고온 풀(11)과 저온 풀(12)이 구분된다.

정상 출력운전시에 고온 풀(11)의 소듐은 중간열교환기(20)를 통과한 후, 544.8℃에서 389.8℃로 냉각되어저온 풀(12)로 흐른다. 일차 펌프(40)는 저온 풀(12)의 소듐을 흡입하여 390.0℃의 소듐을 배관을 통해서 노심(130)의 입구 플레넘(15)으로 방출한다. 저온의 소듐은 노심(130) 내에서 위쪽으로 흐르며 545.0℃까지 가열되어 고온 풀(11)로 되돌아간다.

중간열전달계통이 증기발생기(60)를 통해 열제거가 가능할 경우, 일차열전달계통의 소듐은 자연 순환에 의해서 정상 운전과 같은 경로를 따라 순환한다. 그러나, 일차 펌프(40)가 소듐을 순환시키지 못할 경우, 노심(30) 붕괴열은냉각계통또는 붕괴열제거계통을 통해 제거된다.

두 개의 일차열전달계통 펌프의 주기능은 원자로 노심(130)을 통해 일차 소듐을 순환시키는 것이다. 일차 펌프(40)는 펌프의 흡입구에서 일차 소듐을 흡입하여 노심(30)의 입구 플레넘(15)으로 방출한다

중간열전달계통(IHTS)은 중간열교환기(120) 및 증기발생기(160)를 포함하여 이루어지는데, 정상 출력운전, 정지운전, 그리고 과도조건 동안 원자로 노심(30,130)에서 생성된 열을 전달받은 일차열전달계통의 중간열교환기(20,120)로부터 증기발생기(60,160)로 전달하는 기능을 수행한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예와 관련된 중간열교환기(120)내에서의 유동에 대하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 관련된 중간열교환기(120) 내에서의 냉각재의 흐름을 설명하기 위한 도면인데, 원자로 용기(110)에 수직 방향으로 설치된 중간열교환기(120) 내의 유동은 쉘(128)과 튜브(121)의 대향류 형태를 가진다. 원자로 붕괴열 제거능을향상시키기 위해서 일차열전달계통의 고온 소듐은 아래로, 중간열전달계통의 저온 소듐은 위로 흐르도록 설계된다.

도 5를 참조하면, 상기 중간열교환기(120)는 외부로부터 저온의 냉각재(127b)가 유입되는 중앙 실린더(121a)와, 상기 중앙 실린더(121a)의 상부 및 하부에는 각각 상부 튜브시트(129a) 및 하부 튜브시트(129b)가 배치되어 있다. 상기 상부 튜브시트(129a)의 윗 공간에는 상부 열교환기 플레넘(122)이 형성되고, 상기 하부 튜브시트(129b)의 하부 공간에는 하부 열교환기 플레넘(123)이 형성되어 있으며, 상기 상부 튜브시트(129a)와 하부 튜브시트(129b) 사이에 형성되는 다수의 튜브들(121)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 중간열교환기(120)에서의 냉각재의 흐름을 살펴보면, 상기 중간열교환기(120)의 냉각재 유입구(125)를 통해 고온의 일차 냉각재(127a)가 유입되어 고온의 일차 냉각재(127a)는 아래로 흐르고, 상기 중앙 실린더(121a)를 통하여 하부로 흐르던 저온의 이차 냉각재(127b)가 튜브(121)를 통해 상부로 흐르면서 상기 고온의 일차 냉각재(127a)와 대향류를 형성한다. 이와 같은 대향류에 의해 고온의 일차 냉각재(127a)의 온도가 낮아지게 되고, 낮아진 냉각재는 원자로 용기(110)로 유입된 후, 일차 펌프(140)에 의해 노심(130)에 다시 유입되는 순환 과정을 거치게 된다.

한편, 상기 상부 튜브시트(129a)는 중앙 실린더(121a), 외부 쉘(128)로부터 지지를 받아서 고정되어 있고, 상기 하부 튜브시트(129b)는 떠 있는 상태로 중간열교환기(120)의 튜브들(121)과 쉘(128) 구조 사이의 열적 부하를 완화시킨다.

이와 같이, 상기 중간열교환기(120)는 방사성을 띠는 일차 소듐을 격리시키고 방사성 소듐이 격납 건물 밖으로 유출되지 않도록 기계적인 방벽을 제공하는 것이다.

다시 도 12를 참조하면, 증기발생기(60) 및 급수계통에서 중간열전달계통에 의해 전달된 열로부터 생성된 증기는 증기발생기 배관(67)을 통해 터빈(70)으로 보내진다. 이때, 이차 펌프(65)에 의해 냉각재가 유입 배관(23) 및 유출 배관(24)를 순환하도록 되어 있으며, 상기 터빈(70)은 일측에 구비되어 있는 발전기(80)에 의해 구동되며, 복수기(90) 내의 응축수가 3차 펌프(95)에 의해 순환하도록 되어 있다.

소듐-물 반응 압력방출계통(SWRPRS: Sodium Water Reaction Pressure Relief System)은 증기발생기(60)에서 발생 가능한 소듐-물 반응 사고를 완화시키는 기능을 담당한다. 즉, 증기발생기 내부의 튜브 손상에 의한 소듐-물 반응에 의한 압력 증가의 영향을 완화시키기 위해서 압력 방출 및 가스 배출 기능을 담당한다.

그리고, 증기발생계통(SGS: Steam Generation System)은 중간 소듐의 열을 물/증기로 전달하여 과냉각수(sub-cooled water)를 과열 증기(superheated steam)로 변환하고, 정상 출력 운전 동안 터빈(70)에 요구되는 적절한 온도, 압력, 그리고 유량을 과열 증기에 제공한다. 증기발생계통은 증기발생루프로 구성된다.

모든 관련 장비가 정상적으로 작동할 때, 증기발생계통은 정상 및 과도 상태시에 원자로 냉각을 위해서 요구되는 온도까지 중간열교환계통의 소듐을 냉각한다.

상기 증기발생계통은 증기발생기(60) 내의 소듐-증기/물 압력경계가 파손되어 소듐-물 반응이 발생할 경우에 중간열교환기(20)에 악영향을끼치지 않도록 설계되어야 한다.

그리고, 잔열제거계통(RHRS: Residual Heat Removal System)은 발전소 정지와 사고시에 일차열전달계통에 부과되는잔열을 제거하는 역할을 한다. 100% 출력운전시 전반적인열전달 과정이 도 12에 도시되어 있다.

노심의 잔열제거는 증기발생기 급수계통의 복수기(90) 냉각, 피동형 안전등급 잔열제거계통(PDRC: Passive Decay Heat Removal Circuit) 및 능동형 비안전등급 잔열제거계통(IRACS: Intermediate Reactor Auxiliary Circuit System)을 통해서 이루어진다. PDRC는 노심 붕괴열 제거를 위해 원자로 풀에 소듐-소듐 붕괴열교환기(150,DHX)를 설치하고 별도의 제열용 소듐루프로 연결된 소듐-공기 열교환기(AHX)를 이용하여 소듐 및 공기의 자연순환에 의해 계통의 열을 최종 열제거원(heat sink)인 대기 중으로 방출시킨다.

붕괴열은 핵분열 생성물과 방사성을띠는 물질의 연속적인 붕괴 때문에 원자로 정지 후에도 원자로 내에서 발생한다. 붕괴열 제거를 위한 적절한 방법이 제공되지 않을 경우, 원자로 노심 구조물의 온도 증가에 의해 핵연료 피복관의 손상 사고가 발생하여 방사성을 띠는 핵분열 생성물이 냉각재로방출될 것이다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 차폐체를 구비하는 고속 원자로(100)에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자로(100)의 단면도인데, 이들 고속 원자로(100)는 핵연료를저장하는 노심(130)이 중앙에 배치되고, 상기 노심(130)의 측면으로부터 상측으로 연장되고, 상기 노심(130)의 상측 일 지점에서 직경이 확장되며 고온의 일차 냉각재(127a)를 수용하는 고온 냉각재 수용부(170)와, 상기 고온 냉각재 수용부(170)의 직경이 확장된 확장부(171)를 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 상기 고온의 일차 냉각재(127a)를 외부에서 유입되는 이차 냉각재(127b)에 의해 냉각시키는 중간열교환기(120)와, 상기 노심(130)의 외주에 형성되어 노심(130) 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 원통형의 제1 차폐체(191) 및 상기 확장부(171)에 상기 제1 차폐체(191)보다 얇은 두께를 갖도록 형성되고, 상기 제1 차폐체(191)의 상부에 형성되는 원통형의 제2 차폐체(192)를 포함한다.

상기 제2 차폐체(192)는 노심(130)의 상측에 배치되므로, 노심(130)의 측면을 감싸는 제1 차폐체(191)보다 두께가 얇도록 한다. 다만, 상기 제2 차폐체(192)의 하단부는 노심(130)과 가까운 위치에 있으므로 제2 차폐체(192)의 두께를 보완할 필요가 있으며, 상기 제2 차폐체(192)도 상기 확장부(171)에 형성된다.

이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제2 차폐체(192)의 하부에 상기 제2 차폐체(192)를 감싸는 제3 차폐체(193)를 더 배치하였다.

상기 제1 내지 제3 차폐체(191,192,193)는 노심(130)의 주위로 유출되는 중성자를 차단하기 위함이다. 상기 중간열교환기(120)에서는 1차 냉각재(111,127a)와 이차 냉각재(127b)의 열교환시에 이차 냉각재(127b)로 중성자가 유입될 수도 있다.

이를 방지하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 상기 중간열교환기(120)의 하단에 상기 중간열교환기(120)로의 중성자 유입을 차단하는 제4 차폐체(194)를 배치하였다. 이때, 상기 제1 내지 제3 차폐체(191,192,193)는 동심원을 갖도록 형성된다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고속 원자로는 노심(130)에 핵연료가 저장되고, 상기 노심(130) 주위에 원통형의 차폐체(190)가 형성되며, 상기 차폐체(190)의 외부에 배치되어 상기 원자로 용기(110) 내의 고온의 일차 냉각재(111)를 외부에서유입되는 이차 냉각재(127b)에 의해 냉각시키는 중간열교환기(120)와, 상기 중간열교환기(120)를 통과하여 온도가 낮아진 저온의 일차 냉각재(112)를 수용하는 원자로 용기(110)를 포함한다.

제2 실시예에서의 고속 원자로는 상기 제1 실시예에서와 구성은 동일하지만, 제1 차폐체(191), 제2 차폐체(192) 및 제3 차폐체(193)가 일체로 형성될 수 있는 점에서 상이하다. 나아가, 상기 고온 냉각재 수용부(170)와도 일체로 형성될 수 있다. 이와 같이, 다수의 장치들을 일체로 형성함으로써 제조 공정을 줄일 수 있다.

이때, 상기 일차 냉각재(111,112)는 원자로 용기(110)의 내부에 구비되는 냉각재를 의미하고, 이차 냉각재(127b)는 상기 중간열교환기(120)에 유입되어 상기 고온의 일차 냉각재(111)와 대향류를 형성하는 저온의 냉각재를 의미한다. 도 5에서는 상기 중간열교환기(120)로 유입되는 일차 냉각재(127a)가 아래로 흐르는 것이 도시되어 있다.

상기 차폐체(190)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 노심(130)의 측면을 감싸면서 노심(130) 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 제1 차폐체(191)와, 상기 제1 차폐체(191)로부터 상부로 연장되어 노심(130) 상측으로의 중성자 유출을 차단하는 제2 차폐체(192)를 포함한다.

이때, 상기 제1 차폐체(191)와 제2 차폐체(192)의 사이에는 고온 냉각재 수용부(170)가 배치되는데, 상기 고온 냉각재 수용부(170)는 상기 노심(130)의 외주로부터 원통형으로 형성되고, 노심(130)의 상측 일 지점부터는 직경이 확대된 상태로 형성된다. 상기 고온 냉각재 수용부(170)의 직경이 확대된 부분에는 중간열교환기(120)가 관통된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 차폐체(191)의 하부에는 상기 제2 차폐체(192)를 감싸는 제3 차폐체(193)가 형성된다.

이때, 상기 제1 내지 제3차폐체(191,192,193)는 상기 고온 냉각재 수용부(170)에 의해 구분되거나, 고온 냉각재 수용부(170)와 일체로 형성될 수도 있다.

이와 같이, 상기 차폐체(190)를 노심(130)의 주위에 형성하게 되면, 상기 노심(130)의 측면 뿐만 아니라, 제2 차폐체(192)에 의해 노심(130)의 상부로의 중성자 유출을 방지할 수 있게 된다.

한편, 소듐이나 납-비스무트 등 금속을 냉각재로 사용하는고속 원자로(100)는 중간열교환계통 배관이 통과하는 증기발생기 격실 내부의 작업량이 많기 때문에 작업자의 선량률을 최소화시켜야 한다. 증기발생기 격실 내부의 선원은 중간열교환기(160)에서 방사화된 이차 냉각재이므로, 원자로 용기 내부에 차폐체를 설치하여 중간열교환기 내부의 이차 냉각재가 방사화되지 않도록 해야 한다.

이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 중간열교환기(120)의 하단에는 상기 중간열교환기(120)로의 중성자 유입을 차단하기 위한 제4 차폐체(194)가 배치될 수 있는데, 상기 제4 차폐체(194)는 상기 중간열교환기(120)를 감싸므로 중간열교환기 차폐체로 명명할 수도 있다. 또는, 상기 중간열교환기(120)의 하단에 배치되므로, 엔드 캡(end cap)으로 명명할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 중성자의 유출에 의한 방사화를 최소화하기 위하여 중간열교환기(120)의 하단에도 차폐체를 설치하였다.

이때, 상기 제1 내지 제4 차폐체(191,192,193,194)는 B4C를 주성분으로 하는데, 보다 구체적으로는 B4C: 70%, 스테인리스 스틸(SS316): 10%, 소듐: 5% 및 기타 성분으로 구성될 수 있으며, 이는 일 실시예일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 중간열교환기(120)와 노심(130)을 감싸고, 상기 노심(130)으로부터 배출되는냉각재와, 상기 중간열교환기(120)로부터 배출되는냉각재를 구분하는 고온 냉각재 수용부(170)를 포함하는데, 상기 고온 냉각재 수용부(170)는 상기 중간열교환기(120)의 적어도 일부가 관통 형성된다. 이를 위하여 상기 고온 냉각재 수용부(170)에는 슬롯(slot)이 형성된다.

상기 노심(130)의 외주에는 노심 하부 지지체(135)가 배치되고, 상기 노심 하부 지지체(135)와 상기 제1 차폐체(191)의 사이에 상기 고온 냉각재 수용부(170)가 형성되며, 상기 원자로 용기(110)와 고온 냉각재 수용부(170)의 사이에는 상기 원자로 용기(110)로 유출되는 냉각재를 상기 노심(130)에 공급하는 일차 펌프(140)가 배치되고, 상기 원자로 용기(110)와 고온 냉각재 수용부(170)의 사이에는 붕괴열교환기(150)가 형성되어 있다. 상기 붕괴열교환기(150)는 상기 중간열교환기(120)에 부과되는 잔열을 제거하는 기능을 수행한다.

도 6 내지 도 10은 도 4에서의 AA, BB, CC, DD, EE를 따르는 단면도를 도시한 것이다.

도 6 내지 도 10을 참조하면, 상기 중간열교환기(120)는 고온 냉각재 수용부(170)를 관통하여 형성되는 것을 알 수 있고, 일차 펌프(140) 및 붕괴열교환기(150)는 고온 냉각재 수용부(170)의 외부에 배치되고, 원자로 용기(110) 내에 배치되는 것을 알 수 있다.

또한, 노심 측면 지지체(137)는 외벽(196)과 내벽(197)으로 이루어져 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐체를 도입한 경우의 소듐방사화 분포도이고, 도 14는 종래의 고속 원자로에서의 소듐방사화 분포도인다.

도 11 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐 설계 개념이 적용되었을 때의 소듐방사화 분포와 종래의 경우를 MCNP6[3] 전산코드로 해석한 결과를 나타내는 그림이다. 파랑색 계통에서 붉은색 계통으로 변할수록 방사화된 소듐의 양이 많은 것을 의미한다.

도 11을 참조하면, 중간열교환기의 주변이 파란 색으로 분포되어 있고, 노심의 바로 인접한 부분은 다소 낮지만 녹색 계통으로 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 반면, 도 14를 참조하면, 차폐체가 없기 때문에 중간열교환기에서의 방사화된 소듐이 도 11에서보다 많은 것을 알 수 있고, 노심 외주에서도 노랑 계통으로 분포되어 있는 것으로 보아 도 11에서보다 방사화된 소듐이 많은 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과를 볼 때 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원자로에서 소듐이 방사화되는 양을 획기적으로 줄일 수 있음을 알 수 있다.

Claims

핵연료를 저장하는 노심
상기 노심의 측면으로부터 상측으로 연장되고, 상기 노심의 상측 일 지점에서 직경이 확장되며 고온의 일차 냉각재를 수용하는 고온 냉각재 수용부
상기 고온 냉각재 수용부의 직경이 확장된 확장부를 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 상기 일차 냉각재를 외부에서 유입되는 이차 냉각재에 의해 냉각시키는 중간열교환기
상기 노심의 외주에 형성되어 노심 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 원통형의 제1 차폐체
상기 확장부에 형성되고, 상기 제1 차폐체의 상측에 구비되는 원통형의 제2 차폐체를 포함하는 고속 원자로.
제1항에 있어서,
상기 제2 차폐체의 하부에는 상기 제2 차폐체를 감싸는 제3 차폐체를 더 포함하는것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제2항에 있어서,
상기 중간열교환기의 하단에는 상기 중간열교환기로의 중성자 유입을 차단하는 제4 차폐체가 배치되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제1항에 있어서,
상기 제2 차폐체의 두께는 제1 차폐체의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제3항에 있어서,
상기 제2 차폐체는 상기 제1 차폐체의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제1항에 있어서,
상기 노심의 외주에는 노심 측면 지지체가 배치되고, 상기 노심 측면 지지체와 상기 제1 차폐체의 사이에 상기 고온 냉각재 수용부가 배치되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제6항에 있어서,
상기 원자로 용기와 고온 냉각재 수용부의 사이에는 상기 원자로 용기로 유출되는 냉각재를상기 노심에 공급하는 일차 펌프가 형성되는 것을 특징으로하는 고속 원자로.
핵연료를 저장하는 노심
상기 노심 주위에 형성되는 원통형의차폐체
상기 노심의 외부에 배치되어 상기 노심으로부터 유출되는 일차 냉각재를 외부에서 유입되는 이차 냉각재에 의해 냉각시키는 중간열교환기 및
상기 중간열교환기를 통과한 일차 냉각재를 수용하는 원자로 용기를 포함하고,
상기 차폐체는,
상기 노심의 측면을 감싸면서 노심 측면으로의 중성자 유출을 차단하는 제1 차폐체 및
상기 제1 차폐체와 일체로 형성되고, 제1 차폐체로부터 상부로 연장되어 노심 상측으로의 중성자 유출을 차단하는 제2 차폐체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제8항에 있어서,
상기 제2 차폐체의 하부 외주에는 제3 차폐체가 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제9항에 있어서,
상기 중간열교환기의 하단에는 제4 차폐체가 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제8항에 있어서,
상기 중간열교환기와 노심을 감싸고, 상기 노심으로부터 배출되는 냉각재와, 상기 중간열교환기로부터 배출되는 냉각재를 구분하는고온 냉각재 수용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제11항에 있어서,
상기 고온 냉각재 수용부는,
상기 중간열교환기의 적어도 일부가 관통되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제11항에 있어서,
상기 제1 차폐체, 제2 차폐체 및 상기 고온 냉각재 수용부는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제8항에 있어서,
상기 노심의 외주에는 노심 측면 지지체가 배치되고, 상기 노심 측면 지지체와 상기 제1 차폐체의 사이에 고온 냉각재 수용부가 배치되는 것을 특징으로 하는 고속 원자로.
제14항에 있어서,
상기 원자로 용기와 상기 고온 냉각재 수용부의 사이에는 상기 원자로 용기로 유출되는 냉각재를상기 노심에 공급하는 일차 펌프가 형성되는 것을 특징으로하는 고속 원자로.