KR101651466B1 - 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치 - Google Patents

연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치 Download PDF

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이권영
박기정
김성훈
박철
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프 고장사고 및 냉각재상실사고 시 관성바퀴, 중력노심냉각탱크, 플랩 밸브를 이용한 잔열제거 효과를 실험을 통해 검증하고 향후 연구용 원자로 설계에 실제로 적용할 수 있는 데이터를 효과적으로 확보할 수 있는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명에 따른 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치는, 수조 내에 설치되는 히터; 상기 히터의 하부에 설치되는 제1오리피스; 일차냉각계통 펌프의 정지시 상기 수조 내의 수조수가 일차냉각계통 배관을 거쳐 유입되는 관성 유동 모사탱크; 상기 관성 유동 모사탱크로 유입되는 수조수의 양을 조절하는 조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치{Verification test device for passive residual heat removal system of a research reactor}
본 발명은 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프 고장사고 및 냉각재상실사고 시 관성바퀴, 중력노심냉각탱크, 플랩 밸브를 이용한 잔열제거 효과를 실험을 통해 검증하고 향후 연구용 원자로 설계에 실제로 적용할 수 있는 데이터를 효과적으로 확보할 수 있는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치에 관한 것이다.
연구용 원자로는 수조수 자체가 최종 열 제거원이며, 사고 후 수조수를 충분히 유지하여 수일에 걸쳐 노심 잔열로 물이 증발되어도 노심이 항상 물에 잠겨있도록 유지되어야 한다.
특히, 일차냉각계통(Primary Cooling System; PCS) 펌프 고장사고로 인해 원자로가 정지하는 경우와 냉각재상실사고(Loss of Coolant Accident; LOCA)가 발생하는 경우에도 수조수가 충분히 유지되어 노심을 냉각시킬 수 있어야 한다.
한편, 최근에 개발된 연구용 원자로에는 판상 핵연료 사용이 많아지면서 핵연료의 체결에 유리한 노심하향유동이 고려되고 있다. 이 경우 노심에서 압력손실이 크기 때문에 펌프의 유효흡입수두를 만족시키기 위해 펌프 등 일부 기기 및 배관이 원자로보다 낮은 위치에 놓이게 된다.
만일 원자로보다 낮은 부분에서 파단 사고가 발생하면 사이펀 현상(Siphon phenomenon)에 의해 원자로 수조 내의 수조수가 지속적으로 유실되게 되어 노심이 공기 중에 노출되는 대형 사고로 이어질 수 있다.
이를 방지하기 위해 일차냉각계통 배관에 사이펀 브레이커(Siphon breaker)를 설치하여 배관 파단 사고 시 일정 한계 높이에서 공기가 유입되게 함으로써 사이펀 현상을 깨트려 원자로 수조의 수위가 원자로보다 높게 유지될 수 있도록 조치하고 있다.
노심하향유동을 갖는 연구용 원자로의 경우 일차냉각펌프가 정지된 후 노심에서 발생하는 잔열에 의해 하향 유동에서 자연대류가 발생하여 유동 방향이 상향으로 바뀌게 된다.
만일 원자로 정지 후 잔열이 큰 초기 냉각 구간에서 유동 전환이 발생한다면 순간적으로 유동이 멈추는 시점에서 핵연료가 손상될 수 있으며, 이를 방지하기 위해 노심에서 발생하는 잔열이 충분히 작아질 때까지 노심하향유동을 계속 유지해야 한다.
저용량 연구로에서는 노심 잔열이 작기 때문에 일차냉각펌프에 관성바퀴를 적용하여 그 관성력으로 짧은 시간 하향 유동을 유지시켜줄 수 있다. 하지만, 고용량 연구로에서는 노심 잔열이 커서 관성바퀴만으로 이 문제를 해결할 수 없다.
이에 일반적으로 안전등급의 능동잔열제거계통을 설계에 반영하는데, 이 경우 일차냉각펌프의 운전 상태에 따라 잔열제거용 펌프의 운전점이 크게 달라져 계통설계가 쉽지 않고, 안전등급의 기기와 배관, 비상디젤발전기 등이 요구되어 많은 비용이 든다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위해, 본 출원인은 선출원된 한국 특허등록 제10-1445494호에서 중력노심냉각탱크(Gravity Core Cooling Tank; GCCT)를 활용한 연구로 피동형 잔열제거계통을 제안한 바 있다.
상기 특허등록공보에 개시된 내용에 의하면, 중력노심냉각탱크는 원자로 수조 옆에 위치한 작은 탱크로서 상부의 일부분이 대기에 노출되어 대기압 상태이며, 원자로의 하부 공동(Lower plenum)으로부터 나온 일차냉각계통 배관의 최상단에 잔열제거배관으로 연결되어 있다.
일차냉각펌프 가동 시 펌프가 흡입하는 힘에 의해 노심 차압에 해당되는 만큼 수위차가 발생될 때까지 중력노심냉각탱크의 수위는 낮아지고 탱크의 물이 잔열제거배관을 통해 원자로 수조로 이동하여 수조 수위는 약간 높아지게 된다.
원자로 정상 정지 시나 사고 시, 일차냉각펌프의 관성바퀴가 멈춘 후에도 원자로 수조와 중력노심냉각탱크 간의 수위차로 인해 자연적으로 노심하향유동이 계속 유지되면서 노심 잔열을 제거하고, 두 수위가 같아질 때 멈추게 된다.
이후 장시간 노심 냉각을 유지할 수 있도록 수조 내 일차냉각계통 배관에 있는 플랩 밸브(Flap valve)가 열리면서 자연대류로 노심 잔열이 수조수로 방출되도록 하였다.
한편, 일차냉각계통 펌프 고장 사고 시 노심을 안정적으로 냉각시키기 위한 피동잔열제거 방법은 앞에서 언급한 세 가지 과정에 의해 이루어진다.
즉, 첫 번째로 일차냉각계통 펌프가 정지한 후 초기에는 관성바퀴를 이용하여 노심하향 유동을 유지시키고, 두 번째로 중력노심냉각탱크의 수위를 이용하여 노심 차압에 의해 냉각 유동을 유지시켜 준다. 그리고, 세 번째로 장시간 노심 냉각을 유지할 수 있도록 수조 내 일차냉각계통 배관에 있는 밸브가 열리면서 자연대류로 노심 잔열이 수조수로 방출되도록 하여 노심을 충분히 냉각시킬 수 있다.
또 다른 사고의 경우로 냉각재상실사고 시 사이펀 브레이커에 의해 일정 한계 높이까지 수조수가 빠져나가게 되지만 노심에는 하향 유동이 계속 형성되어 냉각이 유지될 수 있다.
수조수가 빠지는 것이 정지하게 되면 이후에는 일차냉각계통 펌프 고장 사고의 경우와 마찬가지로 중력노심냉각탱크와 자연 대류를 이용해 노심 잔열을 제거하도록 하였다.
상기와 같은 종래의 노심 잔열제거 방법은 일련의 사고 대처 과정들이 모두 피동적으로 설계되었기 때문에 각 과정들이 원활하게 연결되어 노심 냉각을 지속적으로 유지할 수 있을지 확인할 필요가 있다.
그러나, 위와 같은 종래의 중력노심냉각탱크를 활용한 피동잔열제거 방법은 연구용 원자로에 실제 적용된 사례가 없고, 설계의 과정들이 실험보다는 컴퓨터 모사에 의해 계산된 결과를 바탕으로 이루어지고 있다.
따라서 상기 제안된 피동잔열제거계통을 실제 연구용 원자로 설계에 적용하기 전에 원자로 및 냉각계통을 모사한 실험 장치를 통해 각 잔열제거 과정들을 검증하는 것이 필요하다. 또한 향후 새로운 형태의 원자로를 개발하는데 있어 중요한 설계 자료로써 실험 결과를 확보하는 것도 중요하다고 할 수 있다.
한국 특허등록 제10-1445494호(2014.09.22)
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프 고장 사고와 냉각재상실사고 시 노심 냉각 대처 방법으로 개발된 연구로 피동잔열제거계통에 대한 설계상의 불확실성을 개선하기 위하여, 관성바퀴, 중력노심냉각탱크, 플랩 밸브를 이용한 잔열제거 효과를 실제 실험을 통해 검증하고 향후 연구용 원자로 설계에 적용할 수 있는 데이터를 효과적으로 확보할 수 있도록 한 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치는, 수조 내에 설치되는 히터; 상기 히터의 하부에 설치되는 제1오리피스; 일차냉각계통 펌프의 정지시 상기 수조 내의 수조수가 일차냉각계통 배관을 거쳐 유입되는 관성 유동 모사탱크; 상기 관성 유동 모사탱크로 유입되는 수조수의 양을 조절하는 조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 조절밸브는 일차냉각계통 펌프의 정지시 수조수가 관성 유동 모사탱크로 유입될 수 있도록 조절하는 3-way 밸브와, 상기 관성 유동 모사탱크로 유입되는 수조수의 양을 조절하는 스로틀 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치는 일차냉각계통 배관을 통해 수조와 연통되는 중력노심냉각탱크와, 중력노심냉각탱크를 관통하는 일차냉각계통 배관으로부터 분기되는 잔열제거배관을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 잔열제거배관에는 상기 잔열제거배관 크기의 효과를 보기 위한 제2오리피스가 설치될 수 있다.
아울러, 상기 잔열제거배관에는 일차냉각계통 배관으로부터 잔열제거배관으로의 수조수의 유입을 개폐하기 위한 개폐밸브가 설치될 수 있다.
또한, 상기 일차냉각계통 펌프 전단에는 냉각재상실사고 모사를 위한 냉각재상실사고 모사탱크가 설치될 수 있다.
이때, 상기 일차냉각계통 배관으로부터 분기된 일측에는 냉각재상실사고 모사탱크로의 수조수 유입을 개폐하도록 하는 개폐밸브가 설치될 수 있다.
또한, 상기 일차냉각계통 배관으로부터 분기된 일측에는 플랩 밸브를 모사하기 위한 솔레노이드 밸브 및 차압계가 설치될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 노심하향유동을 갖는 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프 고장 사고와 냉각재상실사고 시 기존 연구용 원자로에서의 피동잔열제거 방법들이 원활하게 연결되어 작동하는지에 대한 효과적인 실험적 검증을 수행할 수 있고, 새로운 연구용 원자로 설계에 실제 적용할 수 있는 설계 데이터를 효과적으로 확보할 수 있다.
둘째, 일차냉각계통 펌프의 전단 분기관에 연결 설치된 관성 유동 모사 탱크를 통해 일차냉각계통 펌프의 정지 시 노심하향유동을 유지하기 위한 최초 방안인 관성바퀴에 대한 관성 유동의 효과를 효과적으로 검증할 수 있다.
셋째, 기존의 노심하향유동 유지를 위한 두 번째 방안으로 개발된 중력노심냉각탱크에 의한 노심 냉각 효과를 검증할 수 있고, 장기 노심 냉각 방안으로 제안된 플랩 밸브를 이용한 자연 대류 효과를 실제 적용 가능한 수준으로 효과적으로 검증할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 개방형 노심하향유동 연구용 원자로의 사고 시 피동잔열제거계통을 검증할 수 있는 실험장치의 구성을 도시한 구성도.
도 2는 냉각재상실사고 시 피동잔열제거 효과를 검증할 수 있는 실험장치의 작동 예를 설명하기 위한 예시도.
이하, 본 발명에 따른 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치에 대한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 개방형 노심하향유동 연구용 원자로의 사고 시 피동잔열제거계통을 검증할 수 있는 실험장치의 구성을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치는, 수조(100) 내에 설치되는 히터(102)와, 히터(102)의 하부에 설치되는 제1오리피스(108)와, 일차냉각계통 펌프(112)의 정지시 수조(100) 내의 수조수가 일차냉각계통 배관(110)을 거쳐 유입되는 관성 유동 모사탱크(140)와, 관성 유동 모사탱크(140)로 유입되는 수조수의 양을 조절하는 조절밸브를 포함하여 구성된다.
수조(100)는 개방형 연구용 원자로를 모사할 수 있도록 상부가 개방된 형태의 개방형 수조 타입으로 구비된다.
즉, 수조(100)는 상부가 개방되어 벽으로 둘러싸인 형태를 가지며, 내부에는 연구용 원자로의 노심을 모사할 수 있도록 카트리지(Cartridge) 타입의 히터(102)가 구비된다.
그리고, 히터(102)의 하부 측에는 하부공동(Lower plenum)(107)이 형성된다.
이때, 하부공동(107)은 중력노심냉각탱크(120)를 가로지르며 관통되는 일차냉각계통 배관(110)과 연결된다.
그리고, 수조(100) 내에는 히터(102)가 완전히 잠기도록 수조수(냉각수)가 일정 수위를 이루며 저장된다.
한편, 수조(100)의 외부에는 히터(102)의 열유속(heat flux)을 조절할 수 있도록 상기 히터(102)에 전원을 공급하는 전원 공급기(106)가 설치된다.
그리고, 히터(102)에는 노심하향유동에 따른 노심의 냉각효과를 확인할 수 있도록 히터(102)의 상부 및 하부의 온도변화를 측정할 수 있는 3개의 열전대(103)가 부착된다.
이때, 열전대(103)는 2개 이상의 개수로 구비되어 히터(102)의 부착 고정될 수 있다.
아울러, 히터(102)로부터 일정거리 떨어진 상부 및 하부 공간에도 그 각각의 온도 변화를 측정하기 위한 열전대(104)(105)가 구비된다.
또한, 히터(102)의 하부 측에는 노심 차압을 모사할 수 있도록 제1오리피스(108)가 설치된다.
그리고, 연구용 원자로의 노심 상,하부 압력차 측정을 모사할 수 있도록 히터(102)의 상,하부 압력차를 측정할 수 있는 차압계(109)가 설치된다.
또한, 수조(100) 내에서 수조수의 높이 변화를 측정할 수 있도록 수위계(level gauge)(101)가 설치되고, 히터(102)의 하부 측 압력을 측정하기 위하여 압력계(111)가 설치된다.
한편, 히터(102)의 하부 측에 위치한 하부공동(Lower plenum)(107) 부분에는 노심 하부 측에 연결되는 일차냉각계통 배관을 모사할 수 있도록 일차냉각계통 배관(110)이 연결된다.
그리고, 히터(102)의 하부 측 하부공동(107) 부분과 연결되는 일차냉각계통 배관(110)에는 일차냉각계통 냉각재인 수조수를 순환시키며 노심하향유동을 유도할 수 있도록 일차냉각계통 펌프(112)가 설치된다.
또한, 일차냉각계통 펌프(112)의 후방 측 일차냉각계통 배관(110) 상에는 열교환 작용을 통해 수조(100) 내의 히터(102)로 정상 운전 때와 동일한 온도의 냉각수를 공급할 수 있도록 하는 열교환기(130)가 설치된다.
여기서, 상기 열교환기(130)는 냉각기(150)와 상호 연결되어 상기 냉각기(150)를 통해 공급되는 저온의 유체를 통해 고온의 수조수를 냉각시킨 후 수조(100) 내부로 제공하게 된다.
이때, 상기 열교환기(130)의 전방 및 후방 측에는 상기 열교환기(130)의 전방 및 후방 측의 냉각수 온도를 측정할 수 있도록 열전대(178)(179)가 구비된다.
한편, 수조(100)의 인접한 외측에는 하부공동(107)과 연결된 일차냉각계통 배관(110)이 관통되는 중력노심냉각탱크(120)가 구비된다.
중력노심냉각탱크(120)는 상부가 개방되고 전체 둘레가 벽으로 둘러싸인 형상을 가지며, 상기 개방된 상부를 통해 대기에 노출되어 대기압 상태로 유지된다.
이와 같은 중력노심냉각탱크(120)는 일차냉각계통 배관(110)을 통해 수조(100)와 연통되도록 구비되어, 일차냉각계통 배관(110)을 통해 냉각수의 이동이 이루어지도록 설치된다.
이때, 중력노심냉각탱크(120)의 깊이는 정상 운전시 노심 차압으로 인한 수위차에 여분을 두어 결정하는 것이 바람직하다.
아울러, 중력노심냉각탱크(120) 에는 상기 중력노심냉각탱크(120) 내의 수조수의 수위를 측정하기 위한 수위계(173)가 설치된다.
그리고, 중력노심냉각탱크(120)의 바닥면은 수조(100)의 바닥면보다 낮게 형성되는데, 이는 노심 차압에 의한 수두차 형성 이후 중력노심냉각탱크(120) 내의 잔열제거배관(170) 끝단이 계속 물에 잠겨 있게 하여 이를 통한 공기 유입을 막기 위함이다.
또한, 중력노심냉각탱크(120) 내부를 관통하는 일차냉각계통 배관(110)의 최상단에는 노심의 잔열제거를 모사할 수 있도록 상기 중력노심냉각탱크(120) 내부로 연결되는 잔열제거배관(170)이 설치된다.
이때, 잔열제거배관(170)은 중력노심냉각탱크(120) 내에 위치한 일차냉각계통 배관(110)으로부터 하향으로 분기되어 그 하단부가 중력노심냉각탱크(120)의 바닥면에 근접한 높이까지 연장되도록 형성된다.
그리고 잔열제거배관(170)의 하단 일부분은 일차냉각계통 펌프(112)의 가동 시에도 중력노심냉각탱크(120) 내의 냉각수에 의해 잠기도록 유지된다.
아울러 잔열제거배관(170)의 하단에는 잔열제거배관의 크기 효과를 모사하기 위하여 제2오리피스(175)가 설치된다.
이 경우 제2오리피스(175)를 통해 잔열제거배관(170)의 크기 및 중력노심냉각탱크(120)의 단면적 조절효과를 발휘하여 잔열제거 유량과 지속시간을 조절할 수 있다.
또한, 제2오리피스(175)의 상부 측 잔열제거배관(170) 상에는 중력노심냉각탱크(120) 내부로 유입되는 냉각수의 흐름을 개폐할 수 있도록 개폐 밸브(172)가 설치된다.
이때, 잔열제거배관(170)에는 상기 잔열제거배관(170) 내부를 통과하는 수조수의 유량을 측정하기 위한 유량계(174)가 설치된다.
따라서, 중력노심냉각탱크(120)가 갖추어 지지 않은 저용량 연구로의 피동잔열제거 성능을 검증할 경우 상기 개폐 밸브(172)를 잠근 상태에서 피동잔열제거 성능의 검증이 가능하도록 하였다.
한편, 본 발명의 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치에는 일차냉각계통 펌프(112)의 정지 사고시 일차냉각계통 펌프(112)의 관성바퀴에 의한 관성 유동(Coast down flow)을 모사할 수 있도록 관성 유동 모사탱크(Coast down simulation tank)(140)가 설치된다.
이러한 관성 유동 모사탱크(140)는 일차냉각계통 펌프(112) 전단에는 일차냉각계통 배관(110)으로부터 분기된 배관을 통하여 연결된다.
그리고, 관성 유동 모사탱크(140)로의 분기 배관에는 관성 유동 모사탱크(140)로 유입되는 수조수의 양을 조절할 수 있는 조절밸브가 설치된다.
이 경우 조절밸브는 3-way 밸브(142)와 스로틀 밸브(Throttle valve)를 포함하여 구성된다.
3-way 밸브(142)는 관성 유동 모사탱크(140)로 수조수를 유입시키기 위한 일차냉각계통 펌프(112)의 전단 분기 지점에 설치되며, 일차냉각계통 펌프(112)의 정지 시 관성 유동 모사탱크(140)로 수조수가 유입될 수 있도록 조절한다.
또한, 스로틀 밸브(144)는 3-way 밸브(142)와 관성 유동 모사탱크(140) 사이의 배관 상에 설치되며, 관성 유동 모사탱크(140)로 유입되는 수조수의 양을 조절하도록 한다.
한편, 본 발명의 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치에는 냉각재상실사고를 모사할 수 있도록 냉각재상실사고 모사탱크(LOCA simulation tank)(160)가 설치된다.
이때, 냉각재상실사고 모사탱크(160)는 일차냉각계통 펌프(112) 전단에서 일차냉각계통 배관(110)으로부터 분기된 배관과 연결되도록 설치된다.
또한, 냉각재상실사고 모사탱크(160) 측으로 수조수가 유입될 수 있도록 일차냉각계통 배관(110)으로부터 분기된 배관 상에는 냉각재상실사고 모사탱크(160) 내부로 수조수가 유입되는 것을 개폐하도록 하는 개폐 밸브(162)가 설치된다.
아울러, 수조(100) 내의 일차냉각계통 배관(110)의 일측으로부터 분기된 배관 상에는 수조(100) 내에서 자연대류 형성을 위한 기존의 플랩 밸브를 모사할 수 있도록 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)(114)와 차압계(116)가 설치된다.
이때, 상기 차압계(116)는 솔레노이드 밸브(114) 양 단 사이의 차압을 측정하게 되며, 상기 차압계(116)를 통해 측정된 차압이 설계 차압과 동일할 경우 솔레노이드 밸브(114)를 개방시켜 노심하향유동을 갖는 자연대류를 형성하도록 한다.
도면의 미설명 부호 176은 일차냉각계통 펌프(112) 또는 냉각재상실사고 모사 탱크(160) 측으로 유동하는 수조수의 유량을 측정하기 위한 유량계이다.
이하, 상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치의 작동방법을 설명하기로 한다.
우선, 연구용 원자로 일차냉각계통 펌프 고장 사고를 모사하기 위하여, 일차냉각계통 펌프(112)를 정지시키고 상기 일차냉각계통 펌프(112)의 전단에 구비된 3-way 밸브(142) 및 스로틀 밸브(144)를 조절하여 수조(100) 내의 수조수를 관성 유동 모사탱크(140)로 보내주게 된다.
이 과정은 실제 원자로에서 일차냉각계통 펌프(112)에 설치된 관성바퀴를 모사한 것이며, 관성 유동 모사탱크(140)의 크기와 스로틀 밸브(144)의 개방도를 조절하여 관성 유동 모사탱크(140)로 유입되는 수조수의 양을 조절함으로써 관성 유동이 형성되는 시간에 따른 유동 특성을 검증할 수 있다.
그리고, 상기와 같은 과정을 통해 최적의 관성 유동 시간이 결정됨에 따라, 실제 일차냉각계통 펌프(112)에 요구되는 관성 바퀴의 크기를 설계할 수 있는 데이터를 효과적으로 확보할 수 있다.
아울러, 상기와 같은 과정에서, 일차냉각계통 배관(110)을 통과하는 유량 변화를 측정하는 것을 비롯하여, 차압계(109)를 이용하여 히터(102)의 상,하부 압력차를 측정하고, 열전대(103)를 이용하여 히터(102)의 온도 변화를 측정함으로써, 실제 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프 고장 사고 시 노심 차압, 노심 온도 변화에 따른 최초 피동잔열제거 과정을 효과적으로 검증할 수 있다.
이어서, 관성 유동 모사탱크(140) 내부로 수조수가 지속적으로 유입되어 수조수가 다 차게 될 경우, 즉, 관성바퀴에 의해 노심하향유동이 유지되는 잔열제거 효과가 발휘된 후에는, 원자로 수조와 중력노심냉각탱크 사이의 수위 차이로 인하여 노심하향유동이 계속 유지되면서 노심 잔열을 제거하게 된다.
이 경우, 중력노심냉각탱크(120)의 수위가 수조(100)의 수위와 같아질 때까지 자연적으로 히터(102)에서 하향 유동이 유지된다.
이와 같이 중력노심냉각탱크(120)의 수위와 시간을 측정하여 중력노심냉각탱크(120) 내의 수조수의 거동을 확인하고, 관성 유동 효과 후의 히터(102) 상,하부의 차압과 온도변화를 측정하여 중력노심냉각탱크(120)의 피동잔열제거 효과를 검증할 수 있다.
그런 다음에, 상기 중력노심냉각탱크(120)에 수조수가 차게 되면 노심에서의 하향 유동이 정지하게 되고 이후에 일차냉각계통 배관에 설치되어 있는 플랩 밸브가 열려 자연대류에 의해 노심에서 상향 유동으로 바뀌게 된다.
만약 원자로 정지 후 잔열이 큰 초기 냉각 구간에서 유동 전환이 발생한다면 순간적으로 유동이 멈추는 시점에서 핵연료가 손상될 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해 노심에서 발생하는 잔열이 충분히 작아질 때까지 노심 하향 유동을 계속적으로 유지해야 하며 자연대류에 의해 상향 유동으로 바뀌게 되는 시간과 유동 특성을 정확하게 예측해야 한다.
따라서, 자연 대류에 의한 노심의 피동잔열제거 효과를 검증하기 위하여 일차냉각계통 배관(110)의 분기관에 설치된 솔레노이드 밸브(114)의 전,후단 차압을 차압계(116)를 통해 측정하고, 그 측정된 차압에 따라 솔레노이드 밸브(114)를 개방하여 수조(100) 내에서 자연 대류가 형성될 수 있도록 조성하게 된다.
이 경우, 실제 연구용 원자로의 일차냉각계통에는 2 개의 플랩 밸브가 설치되어 있고 일차냉각계통 펌프가 정지한 후에 차압이 1 KPa이 되면 열리도록 설계하고 있다.
본 발명에서는 일차냉각계통 배관(110) 상에 설치된 솔레노이드 밸브(114)의 개도 시점을 달리하여 이것이 자연 대류 형성에 미치는 영향을 검증할 수 있다.
한편, 도 2는 연구용 원자로의 냉각재상실사고 시 피동잔열제거 효과를 검증하는 실험장치의 작동 예를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 연구용 원자로의 냉각재상실사고 시의 피동잔열제거 효과를 검증하기 위해, 먼저, 일차냉각계통 펌프(112)의 전단에 설치된 3-way 밸브(142)와 스로틀 밸브(144)를 모두 닫아 관성 유동 모사탱크(140) 내부로 수조수의 유입이 이루어지지 않도록 한다.
그런 다음, 냉각재상실사고 모사 탱크(160) 측로 연결된 배관에 설치된 개폐 밸브(162)를 개방함으로써, 수조(100) 내의 수조수가 일차냉각계통 배관(110)을 통해 냉각재상실사고 모사 탱크(160)로 유입되어 빠져나가도록 한다.
이 경우, 사이펀 브레이커(Siphon braker)에 의해 수조수 유실이 중지되는 것을 모사하기 위하여 냉각재상실사고 모사 탱크(160) 내부로 유입된 수조수의 수위가 일정 높이가 되면 개폐 밸브(162)가 자동으로 닫히도록 설계하였다.
이와 같이 구성한 상태에서, 전술된 종래기술에서 언급한 방법과 같은 과정에 의해 일차냉각계통 펌프 고장 사고의 경우와 마찬가지로 중력노심냉각탱크 및 자연 대류를 이용하여 노심 잔열을 제거하는 피동잔열제거 효과를 효과적으로 검증할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치를 이용하게 되면, 노심하향유동을 갖는 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프 고장 사고와 냉각재상실사고 시 기존 연구용 원자로에서의 피동잔열제거 방법들이 원활하게 연결되어 작동하는지에 대한 효과적인 실험적 검증을 수행할 수 있고, 새로운 연구용 원자로 설계에 실제 적용할 수 있는 설계 데이터를 효과적으로 확보할 수 있다.
특히, 일차냉각계통 펌프(112)의 전단 분기관에 연결 설치된 관성 유동 모사 탱크(140)를 통해 일차냉각계통 펌프의 정지 시 노심하향유동을 유지하기 위한 최초 방안인 관성바퀴에 대한 관성 유동의 효과를 효과적으로 검증할 수 있다.
또한, 본 발명의 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치를 이용하게 되면, 기존의 노심하향유동 유지를 위한 두 번째 방안으로 개발된 중력노심냉각탱크에 의한 노심 냉각 효과를 검증할 수 있고, 장기 노심 냉각 방안으로 제안된 플랩 밸브를 이용한 자연 대류 효과를 실제 적용 가능한 수준으로 효과적으로 검증할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100: 수조 101,173 : 수위계
102 : 히터 103,104,105,178,179 : 열전대
106 : 전원 공급기 107 : 하부공동
108 : 제1오리피스 109,116 : 차압계
110 : 일차냉각계통 배관 111 : 압력계
112 : 일차냉각계통 펌프 114 : 솔레노이드 밸브
120 : 중력노심냉각탱크 130 : 열교환기
140 : 관성 유동 모사탱크 142 : 3-way 밸브
144 : 스로틀 밸브 150 : 냉각기
160 : 냉각재상실사고 모사탱크
162,172 : 개폐 밸브 170 : 잔열제거배관
174,176 : 유량계 175 : 제2오리피스

Claims (8)

  1. 일차냉각계통 펌프(112)의 정지시 수조(100) 내의 수조수가 일차냉각계통 배관(110)을 거쳐 유입되는 관성 유동 모사탱크(140);
    상기 관성 유동 모사탱크(140)로 유입되는 수조수의 양을 조절하는 조절밸브;를 포함하며,
    상기 조절밸브는,
    상기 일차냉각계통 펌프(112)의 정지시 수조수가 상기 관성 유동 모사탱크(140)로 유입될 수 있도록 조절하는 3-way 밸브(142)와;
    상기 관성 유동 모사탱크(140)로 유입되는 수조수의 양을 조절하는 스로틀 밸브(144);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일차냉각계통 배관(110)을 통해 상기 수조(100)와 연통되는 중력노심냉각탱크(120)와;
    상기 중력노심냉각탱크(120)를 관통하는 일차냉각계통 배관(110)으로부터 분기되는 잔열제거배관(170);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 잔열제거배관(170)에는 제2오리피스(175)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 잔열제거배관(170)에는 상기 일차냉각계통 배관(110)으로부터 상기 잔열제거배관(170)으로의 수조수의 유입을 개폐하기 위한 개폐밸브(172)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 일차냉각계통 배관(110)으로부터 분기된 일측에는 솔레노이드 밸브(114) 및 차압계(116)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치
  7. 제1항에 있어서, 상기 일차냉각계통 펌프(112)의 전단에는 냉각재상실사고 모사를 위한 냉각재상실사고 모사탱크(160)가 설치된 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 냉각재상실사고 모사탱크(160)로의 수조수 유입을 개폐하는 개폐밸브(162)가 설치되는 것을 특징으로 하는 연구용 원자로 피동잔열제거계통 검증실험장치.

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