KR101907428B1

KR101907428B1 - 고온수증기 산화성능 시험장치

Info

Publication number: KR101907428B1
Application number: KR1020170058080A
Authority: KR
Inventors: 임광영; 나연수; 이승재; 김윤호; 장훈; 유종성
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-12-06

Abstract

본 발명은 원자로의 중대사고를 모사하기 위하여 고온에서 수증기가 빠르게 흐르는 조건하에서 시편의 고온수증기 산화 저항성능 및 열충격 저항성을 평가하기 위한 고온수증기 산화성능 시험장치에 관한 것으로서, 물이 저장되는 물탱크; 물탱크로부터 물을 공급받아 수증기를 생성하는 수증기 생성유닛; 물탱크와 수증기 생성유닛을 연결하는 제1관로; 수증기 생성유닛에서 생성된 수증기가 유동하고 외주면에 밴드히터가 설치되는 제2 관로; 1 관로 및 제2 관로에 형성되는 불활성 가스 유입관; 제2 관로에 연결되어 내부에 수증기가 유동하고 하부적어도 일부에는 다수의 세라믹 볼이 채워지는 세라믹 튜브; 세라믹 튜브 하부 적어도 일부를 둘러싸고, 수증기를 제1 온도까지 가열하는 제1퍼니스; 세라믹 튜브 상측 적어도 일부를 둘러싸고, 제1 퍼니스에서 가열된 수증기를 제1 온도보다 높은 제2 온도까지 가열하는 제2 퍼니스; 세라믹 튜브를 통과한 수증기 및 불활성 가스가 배출되는 배출파이프를 포함하고, 제2 퍼니스 측 세라믹 튜브 내부에는 시편 장착을 위한 지그 및 홀더가 마련된다.

Description

고온수증기 산화성능 시험장치 {APPARATUS FOR TESTING OXIDATION PERFORMANCE IN HIGH TEMPERATURE WATER VAPOR ENVIRONMENT }

본 발명은 고온수증기 산화성능 시험장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 원자로의 중대사고를 모사하기 위하여 고온에서 수증기가 빠르게 흐르는 조건하에서 시편의 고온수증기 산화 저항성능 및 열충격 저항성을 평가하기 위한 고온수증기 산화성능 시험장치에 관한 것이다.

핵반응기를 구성하는 금속소재는 중수 또는 경수 등에 의해 냉각이 된다. 핵반응기를 구성하는 금속은 강한 방사능과 고온의 물 또는 증기에 노출되어 금속 산화물과 수소가스를 형성하는 산화반응 내지는 부식이 진행되기 마련이다. 보통 이러한 부식과정은 천천히 진행되고 모든 핵반응기에서 일반적으로 나타나게 된다. 다만, 특별한 상황, 예를 들어, 원전사고가 발생한 경우 냉각력이 급격히 낮아지거나 냉각이 되지 않고 온도가 매우 높은 상황에서는 부식은 악화된다.

핵연료 피복관 재료로서 지르칼로이 합금이 이용되고 있는데, 지르칼로이 합금은 고온에서 수분의 존재하에 산화하여 폭발성의 수소를 생성한다. 특히, 2011년 발생한 후쿠시마 원전사고 이래로 지르칼로이 산화반응에 대한 우려가 커져 해결방안이 요구되고 있고, 원자력산업분야에서는 중대사고시에도 핵연료의 안전성을 향상시키는 사고저항성 핵연료 소재의 개발 방안을 강구하고 있다. 이에, 사고저항성 핵연료 소재로써 다양한 소재들이 개발되어지고 있으며, 후보소재로는 실리콘 카바이드(SiC), 크롬 코팅 지르코늄 합금, 철계 합금 등 이 제시되었다. 이와 같은 사고저항성 핵연료 후보 소재는 중대사고시 고온산화에 의한 부식저항성능이 우수해야 하며, 핵연료의 안전성능을 확보해야 한다.

따라서, 중대사고를 모사하여 사고저항성을 갖는 핵연료 소재의 고온부식성능을 평가하기 위한 고온수증기 산화성능 시험장치가 필요하다.

등록특허공보 제10-0747170호 (등록일자: 2007.08.01)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원자로의 중대사고시에 1500℃ 이상의 고온에서 핵연료 관련 소재가 노출되는 분위기를 모사하여 수증기에 의한 소재의 고온산화 특성을 평가하고 관련 손상기구를 고찰하기 위한 장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고온수증기 산화성능 시험장치는, 물이 저장되는 물탱크; 상기 물탱크로부터 물을 공급받아 수증기를 생성하는 수증기 생성유닛; 상기 물탱크와 수증기 생성유닛을 연결하는 제1 관로; 상기 수증기 생성유닛에서 생성된 수증기가 유동하고 외주면에 밴드히터가 설치되는 제2 관로; 질소 또는 불활성 가스가 제어밸브를 통해 선택적으로 유입되도록 제1 관로 및 제2 관로에 형성되는 질소 또는 불활성 가스 유입관; 상기 제2 관로에 연결되어 내부에 수증기가 유동하고 하부 적어도 일부에는 다수의 세라믹 볼이 채워지는 세라믹 튜브; 상기 세라믹 튜브 하부 적어도 일부를 둘러싸고, 수증기를 제1 온도까지 가열하는 제1 퍼니스; 상기 세라믹 튜브 상측 적어도 일부를 둘러싸고, 제1 퍼니스에서 가열된 수증기를 제1온도와 같거나 또는 높은 제2 온도까지 가열하는 제2 퍼니스; 상기 세라믹 튜브를 통과한 수증기 및 질소 또는 불활성 가스가 배출되는 배출파이프를 포함하고, 제2퍼니스 측 세라믹 튜브 내부에는 시편 장착을 위한 지그 및 홀더가 마련된다.

바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온수증기 산화성능 시험장치는 수증기에 열의 효율적인 제공과 열충격 완화를 위해 상기 제1 온도는 1300℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고온수증기 산화성능 시험장치에 따르면, 원자로의 중대사고의 모사를 위하여 최대 운전온도 1800℃까지 가동할 수 있으며, 가스 또는 수증기의 유량속도를 최대 300cm/s까지 제어할 수 있고 고온산화에 대하여 내구성을 가지는 장치를 제공한다.

본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고온수증기 산화성능 시험장치의 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 고온수증기 산화성능 시험장치의 상면도,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에"연결되어"있다거나"접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에"직접 연결되어"있다거나 또는"직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉"~사이에"와"바로~사이에" 또는"~에 인접하는"과"~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는"포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에 일 실시예에 따른 고온수증기 산화시험장치는 물이 저장되며 가압이 가능한 물탱크(10)를 구비한다. 물탱크(10)로부터 펌프 등을 이용하여 배출되는 물은 물탱크(10)의 배출구에 연결되는 제1 관로(120)를 통해 흐른다.

제1 관로(120)는 수증기 생성유닛(20)에 연결된다. 제1 관로(120)에는 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)가 마련되어 물의 유량을 측정하고 정량의 물이 수증기 생성유닛(20)으로 흐르도록 제어하고, 수증기 생성유닛(20)은 수증기를 생성한다.

또한, 제1 관로(120)에는 질소 또는 불활성가스 탱크(도시되지 않음)로부터 질소 또는 불활성 가스를 제공하는 질소 또는 불활성가스 유입관(40)이 마련된다. 질소 또는 불활성가스 유입관(40)에는, 선택적으로 정량의 물에 혼합시킬 수 있도록 제어밸브가 구비되어 개폐되며, 질량유량제어기(MFC)가 구비되어 유입되는 질소 또는 불활성가스의 정량 제어 및 측정이 가능하다.

수증기 생성유닛(20)은 공급받은 물을 이용하여 수증기를 생성하고 수증기 생성유닛(20)의 배출구측에는 질량유량제어기(MFC)가 구비되어 배출되는 수증기 양의 측정 및 정량 제어가 될 수 있다. 수증기 생성유닛(20)은, 수증기의 유량속도가 최대 300cm/s까지, 바람직하게는, 200 cm/s 내지 230 cm/s로 유지되도록 하는 용량 및 사양을 가진다. 또한, 수증기 생성유닛(20)의 배출구는 제2 관로(130)와 연결된다.

제2 관로(130)에는 수증기 생성유닛(20)에서 생성된 수증기가 유동하며, 제2관로(130)의 적어도 일부에는 수증기의 응축방지를 위한 밴드히터(30)가 외주면에 설치된다. 밴드히터(30)는 제2 관로(130)를 유동하는 수증기의 응축방지를 위해 200℃ 내지는 300℃ 가 유지되도록 가열한다.

또한, 제2 관로(130)에는 질소 또는 불활성가스 탱크(도시되지 않음)로부터 질소 또는 불활성 가스를 제공하는 질소 또는 불활성가스 유입관(40)이 마련된다. 질소 또는 불활성가스 유입관(40)에는, 선택적으로 정량의 수증기에 혼합시킬 수 있도록 제어밸브가 구비되어 개폐될 수 있으며, 질량유량제어기(MFC)가 구비되어 유입되는 질소 또는 불활성가스의 정량 제어 및 측정이 가능하다. 제2 관로(112)의 재질은 광휘소둔(bright annealed) STS 316L 이상의 재질이 사용되어야 한다.

제2 관로(130)는 지면에 대해 수직하게 부설되는 세라믹 튜브(70)에 연결된다.

바람직하게, 제2 관로(130)와 세라믹 튜브(70)의 연결부위에 실링을 위하여 스테인리스강 재질의 캡이 연결부위를 감싸도록 배치될 수 있다. 세라믹 튜브(70)는, 바람직하게는, 고온에서 안정한 고순도 99.7% 이상의 알루미나(Al2O3)로 구성될 수 있다.

세라믹 튜브(70)는 고온 산화환경 조성을 위하여 수증기를 가열하는 제1 퍼니스(50) 및 제2 퍼니스(60)의 중심부를 관통하여 설치된다. 제1 퍼니스(50)는 세라믹 튜브(70)의 하측에 배치되고, 제2 퍼니스(60)는 세라믹 튜브(70)의 상측에 배치된다.

제1 퍼니스(50)는 예열부로서, 최대 1,800℃, 바람직하게는, 1,300℃까지 가열할 수 있는 가열부재를 포함하여 구성된다. 제1 퍼니스(50) 내부에 온도측정을 위한 열전대(thermocouple)가 설치되고, PID 제어방식으로 정밀한 온도 제어가 가능하며, 자동 온도조절기능을 포함한다. 바람직하게, 적어도 하나 이상의 1 mm 두께를 갖는 B 타입 열전대를 이용하여 온도 제어가 가능할 수 있다.

제2 퍼니스(60)는 장치의 최대온도인 대략 1,800℃로 가열되는 시험영역을 제공하는 것으로서, 바람직하게, MoSi2또는 W 재질의 가열부재를 포함하여 구성된다.

가열부재는 제2 퍼니스(60) 길이방향 전체에 걸쳐 형성된다. 제2 퍼니스(60) 내측에는 열전대(thermocouple)가 설치되고, 열전대를 이용한 PID 방식의 자동 온도조절기능을 포함한다. 바람직하게, 적어도 하나 이상의 1 mm 크기의 열전대를 이용하여 온도 제어가 가능할 수 있다.

제1 퍼니스(50) 중심부를 통과하는 세라믹 튜브(70)의 하단 내부에는 복수의 세라믹 볼(72)이 배치된다. 세라믹 볼(72)은, 바람직하게, 완전 안정화된 지르코니아(Fully Stabilized Zirconia) 또는 알루미나일 수 있다. 이는, 균질하게 가열된 수증기가 시험영역에 도달할 수 있도록 하고 수증기의 예열을 수행한다.

제2 퍼니스(60)를 통과한 세라믹 튜브(70)에는 실링을 위한 캡이 부착되며, 수증기 또는 수증기 및 질소 또는 불활성가스 혼합물은 연결된 배출파이프를 통해서 처리된다.

제2 퍼니스(60)를 통과하는 세라믹 튜브(70) 내측에는 시편을 장착할 수 있는 지그 및 홀더가 구비된다. 지그 및 홀더는 고온산화에 내구성이 있는 세라믹 소재로써 산화물 또는 질화물 또는 붕화물 또는 탄화물 재질로 형성되며, 대략 지름 20 mm, 높이 100 mm 크기의 시편까지 장착이 가능하도록 형성된다. 또한, 시편 설치와 제거를 위하여 시편 및 지그를 튜브(70) 내부에서 탈착이 가능하도록 자동 리프팅 장치가 포함된다.

본 발명에 따르면, 전술한 산화성능 시험장치는 프레임(150)에 장착될 수 있다. 프레임(150)은 적어도 두개의 수평플레이트(152)와 적어도 두개의 수직플레이트(154)를 포함하며, 프레임(150)의 일측에는 각 구성의 온도 등의 표시 및 제어를 위하여 제어보드(160)가 형성된다.

프레임(150)의 하측에 형성된 수평플레이트(152)에는, 이동이 용이하도록 바퀴(156)가 부착되어 지지될 수 있다.

또한, 제1 퍼니스(50) 및 제2 퍼니스(60)의 높이조절이 가능하다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 이를 위하여 프레임(150)의 일측에는 둘 이상의 지지바아(162)가 형성될 수 있다. 각 지지바아(162)에는 지지바아(162) 상을 활주가능한 네 개의 슬리브(164)가 고정된다. 두개의 슬리브(164)는 제1 고정부재(166)에 의해 제1 퍼니스(50)와 연결되고, 다른 두 개의 슬리브(164)는 제2 고정부재(168)에 의해 제 2 퍼니스(60)와 연결된다. 두 지지바아(162)의 사이에는 프레임(150)에 고정되고 모터(170)에 의해 자체 축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 수직바아(172)가 형성된다. 수직바아(172)는 제1 고정부재(166)에 의해 제1 퍼니스(50)에 연결되어 수직바아(172)의 회전에 의해 제1 퍼니스(50)의 높낮이가 조절될 수 있고, 마찬가지로, 수직바아(172)는 제2 고정부재(168)에 의해 제2 퍼니스(60)에 연결되어 수직바아(172)의 회전에 의해 제2 퍼니스(60)의 높낮이가 조절될 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

고온 산화성능을 시험하기 위해서, 대략 1800℃ 온도에서 대략 230 cm/s 이상의 빠른 유속의 흐름에 따른 산화량의 차이를 확인하기 위해서는 튜브(70) 안에서 수증기에 열을 최대한 크게 공급해야 한다. 대략 230 cm/s의 속도를 가지는 수증기의 예열이 충분히 되지 않으면 1800℃의 시험부에서 수증기에 의한 온도저하가 발생될 뿐만 아니라 온도저하에 따른 유속의 차이도 발생하기 때문에 수증기 예열은 필수적이다.

이에 효율적으로 열을 전달하기 위한 세라믹 볼(72)이 튜브(70) 하단에 위치하고 예열되어 수증기에 열을 충분히 공급해야 하고 또한 열을 충분히 공급하기 위해 튜브(70)의 길이가 1000 mm이상 되어야 한다. 게다가, 수증기 생성유닛(20) 및 밴드히터(30)에서 공급되는 수증기의 온도가 최대 350℃라고 가정 하더라도 1800℃와의 온도 차이는 1450℃이며, 급격한 온도차이에 의한 열팽창계수 차이로 인해 세라믹 튜브(70)가 파열되는 문제가 발생한다. 이러한 온도차이 발생 및 온도저하 문제를 극복하기 위해 튜브(70) 하단에 1300℃까지의 예열부 내지는 제1 퍼니스(50)를 제공하여 열충격을 완화시키고 230 m/s의 빠른 유속을 가지는 수증기에 열을 효율적으로 공급하는 효과를 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 물탱크 20 : 수증기 생성유닛
30 : 밴드히터 40 : 질소 또는 불활성가스 유입관
50 : 제1 퍼니스 60 : 제2 퍼니스
70 : 세라믹 튜브 72 : 세라믹 볼
80 : 배출파이프 120 : 제1 관로
130 : 제2관로 150 : 프레임
152 : 수평플레이트 154 : 수직플레이트
156 : 바퀴 160 : 제어보드
162 : 지지바아 164 : 슬리브
166 : 제1 고정부재 168 : 제2 고정부재
170 : 모터 172 : 수직바아

Claims

물이 저장되며 가압이 가능한 물탱크;
상기 물탱크로부터 물을 공급받아 수증기를 생성하는 수증기 생성유닛;
상기 물탱크와 수증기 생성유닛을 연결하는 제1 관로;
상기 수증기 생성유닛에서 생성된 수증기가 유동하고 외주면에 밴드히터가 설치되는 제2 관로;
질소 또는 불활성 가스가 제어밸브를 통해 선택적으로 유입되도록 제1 관로 및 제2 관로에 형성되는 질소 또는 불활성 가스 유입관;
상기 제2 관로에 연결되어 내부에 수증기가 유동하고 하부 적어도 일부에는 다수의 세라믹 볼이 채워지는 세라믹 튜브;
상기 세라믹 튜브 하부 적어도 일부를 둘러싸고, 수증기를 열의 효율적 제공과 세라믹튜브의 열 충격 완화를 위해 1300℃인 제1 온도까지 가열하는 제1 퍼니스;
상기 세라믹 튜브 상측 적어도 일부를 둘러싸고, 제1 퍼니스에서 가열된 수증기를 제1 온도보다 높은 제2 온도까지 가열하는 제2 퍼니스;
상기 세라믹 튜브를 통과한 수증기 및 질소 또는 불활성 가스가 배출되는 배출파이프;
제2 퍼니스 측 세라믹 튜브 내부에 시편 장착을 위하여 마련되는 지그 및 홀더;
상기 제1퍼니스 및 제2퍼니스 측면에 수직 기둥 형태로 평행하게 설치되는 두 개의 지지바아;
상기 제1퍼니스 및 제2퍼니스가 수직으로 층을 이루게 배치되도록 지지바아와 제1퍼니스 및 제2퍼니스를 연결시키면서 지지하되, 제1퍼니스와 제2퍼니스가 상하 이동될 수 있게 상기 두 개의 지지바아를 타고 수직으로 승강 활주 가능하도록 지지바아를 감싸는 형태로 설치되는 복수개의 슬리브;
상기 복수개의 슬리브와 제1 및 제2퍼니스를 각각 고정 연결시키는 제1고정부재 및 제2고정부재;
상기 두 개의 지지바아 사이에 수직으로 회전 가능하게 설치되는 수직바아; 및,
상기 수직바아를 회전시킴으로써 제1 및 제2퍼니스를 승강시키는 모터;로 구성됨으로써, 제한된 공간 내에서 제한된 용적을 가지는 제1 및 제2퍼니스를 승강시켜, 고온수증기 상태가 최대한 유지 가능한 고온수증기 산화성능 시험장치.
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