KR102089237B1 - 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로는, 내부에 고온풀 및 저온풀을 포함하는 원자로 본체; 상기 저온풀 내에 배치된 노심; 상기 고온풀 내에 배치되어, 상기 노심에서 나온 고온의 액체소듐이 유입되는 유입 포트를 구비하는 중간열교환기; 및 상기 중간열교환기의 외측에 배치되어 상기 액체소듐의 유입 중에 고온풀의 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생을 억제하는 보텍스 코어 억제부;를 포함하고, 상기 보텍스 코어 억제부는 상기 액체소듐에 자기장을 인가하여, 상기 액체소듐 내 3차원적인 테일러 보텍스 구조(3-dimensional taylor vortex structure)를 해체시킬 수 있다.

Description

보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로{SODIUM-COOLED FAST REACTOR CAPABLE OF SUPPRESSING VORTEX CORE}
본 발명은 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부에서 자기장을 인가하여 중간열교환기 내에 고온의 액체소듐이 유입되는 중에 발생되는 보텍스 코어를 억제할 수 있는 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 관한 것이다.
풀형(Pool-type) 소듐냉각고속로(Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)은 열용량이 커 안정성(Stability)이 좋고, 일차 계통의 누설이 원자로 용기 내부에 제한되며, 배관 단축으로 경제성이 좋아 많이 채택하고 있는 타입이다.
한국원자력연구원에서 개발 중인 소듐냉각고속로의 구조는 고온풀과 저온풀이 분리되어 있는 구조이다.
풀형 소듐냉각고속로의 상부는 소듐이 공기와 직접 접촉하는 것을 막기 위해 아르곤 가스가 채워져 있다. 아르곤 가스로 채워진 부분은 갑작스런 온도변화에 의한 소듐의 팽창 및 수축 효과를 안전하게 감쇠하기 위한 공간으로 활용되며, 누설검출 장비를 설치하기 위한 공간으로도 활용된다.
풀형 소듐냉각고속로에서는 펌프 가동에 의해서 자유표면으로부터 아르곤 가스가 유입될 가능성이 존재한다. 아르곤 가스가 노심으로 유입되면 심각한 안전문제를 야기하는 것으로 알려져 있다. 구체적으로, 첫째, 많은 양의 가스가 노심 주변을 지나게 되면 원자로 반응도가 변화하여 출력이 변할 뿐만 아니라, 추가로 비등현상을 일으켜 기포를 발생시킨다. 둘째, 노심 주변에 발생한 기포는 냉각효과를 감소시켜 비정상적인 노심 온도 상승을 유발할 수 있다. 셋째, 정지계통(Shut down) 시스템에 사용되는 전자기 센서나 비등(Boiling) 발생을 확인하는 음향, 초음파 장비의 감지를 방해한다. 넷째, 펌프의 공동(Cavitation) 문제를 야기한다.
이에 따라서 소듐냉각고속로에서 보텍스 코어 현상 또는 기포 유입 현상을 방지할 수 있는 방안에 대하여 다양하게 연구되고 있다.
프랑스의 D. Tenchine 등(2010; 2012; 2014)은 기포 유입을 막기 위해 노심에 수직방향 배플을 설치하거나 자유표면과 펌프 흡입 임계 영역 주변에 플레이트를 설치하는 방법을 제안하였다.
또한, 일본의 Kimura 등(2008; 2010)은 축소모형 실험을 통해 보텍스 코어 발생 조건을 정량화하는 등 연구를 지속하고 있다.
한국원자력연구원의 김성오 등(2002)은 KALIMER 고온풀 자유액면 거동에 관한 수치해석 연구를 수행하여 물 모의 실험과 비교하였으나, 표면 와류에 의한 자유표면의 기포 유입 현상에 대해서는 연구가 충분히 수행되지 못하였기 때문에, 보텍스 코어 생성 및 억제에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시예에 따른 목적은 중간열교환기의 형상 변경 또는 구조물의 추가 없이 외부에서 자기장을 인가하여 중간열교환기에 소듐액체의 유입 시에 발생되는 3차원적인 테일러 보텍스 구조(3-dimensional taylor vortex structure)를 간단하게 파괴 또는 해체시킬 수 있는 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 전자기적 제어를 통하여 액체소듐의 유입 시에 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생 또는 유입 포트를 통한 보텍스 코어의 유입을 효과적으로 억제할 수 있는 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 액체소듐의 유입 시에 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생 또는 유입 포트를 통한 보텍스 코어의 유입을 효과적으로 억제함으로써, 원자로 본체의 상부에 충진된 아르곤 가스의 중간열교환기 또는 노심 내 유입을 원천적으로 억제할 수 있고, 노심 내 가스 유입에 의한 악영향을 예방하여 안정성을 향상시킬 수 있는 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로는, 내부에 고온풀 및 저온풀을 포함하는 원자로 본체; 상기 저온풀 내에 배치된 노심; 상기 고온풀 내에 배치되어, 상기 노심에서 나온 고온의 액체소듐이 유입되는 유입 포트를 구비하는 중간열교환기; 및 상기 중간열교환기의 외측에 배치되어 상기 액체소듐의 유입 중에 고온풀의 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생을 억제하는 보텍스 코어 억제부;를 포함하고, 상기 보텍스 코어 억제부는 상기 액체소듐에 자기장을 인가하여, 상기 액체소듐 내 3차원적인 테일러 보텍스 구조(3-dimensional taylor vortex structure)를 해체시킬 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 보텍스 코어 억제부는 상기 중간열교환기의 외측에서 상기 액체소듐에 대하여 적어도 하나의 방향으로 상기 자기장을 인가할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 보텍스 코어 억제부는 상기 중간열교환기에 구비된 유입 포트보다 상부에서 상기 보텍스 코어가 상기 유입 포트를 향하여 이동되는 경로를 형성하도록 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 보텍스 코어 억제부는 서로 다른 극성을 구비하는 복수 개의 자석을 포함하고, 상기 보텍스 코어 억제부에 의한 자기장의 비인가 시에 상기 복수 개의 자석 사이에서 상기 보텍스 코어가 상기 유입 포트를 향하여 이동될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 보텍스 코어 억제부는 복수 개의 자석을 포함하고, 상기 복수 개의 자석은 상기 중간열교환기의 길이방향을 따라서 또는 상기 중간열교환기의 중심으로부터 방사상 방향으로 서로 이격 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 고온풀 내에 복수 개의 중간열교환기가 배치되고, 상기 보텍스 코어 억제부는, 서로 다른 극성을 구비하는 복수 개의 자석을 포함하고, 각각의 자석은 각각의 중간열교환기의 외측에 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 중간열교환기 중 서로 인접하게 배치된 중간열교환기의 외측에는 서로 다른 극성을 구비하는 자석이 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 자기장은 상기 액체소듐의 보텍스 유동과 상호 작용을 통해서 유도 전류를 발생시키고, 상기 유도 전류 및 상기 자기장의 상호 작용에 의해서 전자기력 또는 로렌츠 힘이 생성되며, 상기 전자기력 또는 로렌츠 힘이 상기 액체소듐의 보텍스 유동에 반대되는 방향으로 작용될 수 있다.
일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 의하면, 중간열교환기의 형상 변경 또는 구조물의 추가 없이 외부에서 자기장을 인가하여 중간열교환기에 소듐액체의 유입 시에 발생되는 3차원적인 테일러 보텍스 구조(3-dimensional taylor vortex structure)를 간단하게 파괴 또는 해체시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 의하면, 전자기적 제어를 통하여 액체소듐의 유입 시에 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생 또는 유입 포트를 통한 보텍스 코어의 유입을 효과적으로 억제할 수 있다.
일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 의하면, 액체소듐의 유입 시에 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생 또는 유입 포트를 통한 보텍스 코어의 유입을 효과적으로 억제함으로써, 원자로 본체의 상부에 충진된 아르곤 가스의 중간열교환기 또는 노심 내 유입을 원천적으로 억제할 수 있고, 노심 내 가스 유입에 의한 악영향을 예방하여 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 고온풀에 복수 개의 중간열교환기가 배치된 경우를 도시한다.
도 3은 중간열교환기의 외측에 보텍스 코어 억제부가 배치된 모습을 개략적으로 도시한다.
도 4는 중간열교환기 내 액체소듐의 유입 중에 자유표면에서 보텍스 코어가 발생되는 모습을 도시한다.
도 5(a) 및 (b)는 회전 중인 용기 내부 입자의 유적선 및 배수 후 시간에 따른 속도 벡터와 유선을 도시한다.
도 6은 3차원적인 테일러 보텍스 구조를 도시한다.
도 7 및 8은 도 3의 경우에 고온풀의 외측에 보텍스 코어 억제부가 배치된 모습을 개략적으로 도시한다.
도 9(a) 내지 (c)는 Hartmann 수에 따른 자유표면의 발달을 도시한다.
도 10은 Hartmann 수에 따른 배수 시간 동안 액체 높이 변화를 도시한다.
도 11은 Hartmann 수에 따른 배수 시간 동안 배수 속도 변화를 도시한다.
도 12(a) 내지 (f)는 Hartmann 수에 따른 속도 벡터 및 원주방향 와도를 도시한다.
도 13(a) 내지 (f)는 Hartmann 수가 4.5인 경우, 다양한 배수 시간에서 중앙 평면 및 자유표면 상의 무차원 전위를 도시한다.
도 14(a) 및 (b)는 Hartmann 수가 4.5인 경우, (a) 전기장 벡터 및 (b) 속도 및 자기장 사이의 벡터곱에 기초하여 다양한 배수 시간에서 전류 밀도의 벡터 플롯을 도시한다.
도 15(a) 내지 (e)는 Hartmann 수가 4.5인 경우, 다양한 배수 시간에 따른 자유표면 상의 3차원 전류 밀도 벡터를 도시한다.
도 16(a) 내지 (c)는 Hartmann 수에 따른 무차원 로렌츠 힘의 벡터 플롯을 도시한다.
도 17은 Hartmann 수에 따른 평균 무차원 로렌츠 힘의 시간 변화를 도시한다.
도 18(a) 내지 (f)는 Hartmann 수에 따른 축방향 속도 프로파일 및 선회 속도 프로파일을 도시한다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로의 구성을 개략적으로 도시하고, 도 2는 고온풀에 복수 개의 중간열교환기가 배치된 경우를 도시하고, 도 3은 중간열교환기의 외측에 보텍스 코어 억제부가 배치된 모습을 개략적으로 도시하고, 도 4는 중간열교환기 내 액체소듐의 유입 중에 자유표면에서 보텍스 코어가 발생되는 모습을 도시하고, 도 5(a) 및 (b)는 회전 중인 용기 내부 입자의 유적선 및 배수 후 시간에 따른 속도 벡터와 유선을 도시하고, 도 6은 3차원적인 테일러 보텍스 구조를 도시하고, 도 7 및 8은 도 3의 경우에 고온풀의 외측에 보텍스 코어 억제부가 배치된 모습을 개략적으로 도시한다.
도 1 내지 3을 참조하여, 일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로(10)는 원자로 본체(100), 노심(200), 상부내부구조물(UIS; 300), 중간열교환기(IHX; 400), 펌프(500) 및 보텍스 코어 억제부(600)를 포함할 수 있다.
상기 원자로 본체(100)는 내부에 고온풀(HP) 및 저온풀(LP)을 포함할 수 있다. 이때, 고온풀(HP)은 노심(200)에서 나온 고온의 액체소듐이 위치되는 영역을 가리키고, 저온풀(LP)은 중간열교환기(400)를 거쳐서 나온 저온의 액체소듐이 위치되는 영역을 가리킨다.
또한, 원자로 본체(100) 내에서 상부에는 가스가 충진될 수 있다.
이때, 가스는 액체소듐이 공기와 직접 접촉하는 것을 막기 위한 것으로서, 예를 들어 아르곤 가스로 충진될 수 있다. 그리고 아르곤 가스로 채워진 부분은 갑작스런 온도변화에 의한 액체소듐의 팽창 및 수축 효과를 안전하게 감쇠하기 위한 공간으로 활용되며, 누설검출 장비를 설치하기 위한 공간으로도 활용될 수 있다.
다만, 고온의 액체소듐이 중간열교환기(400)의 유입 포트(도 6의 410)에 유입될 때 액체소듐의 자유표면으로부터 아르곤 가스가 중간열교환기(400)에 유입될 가능성이 존재하는데, 이에 대한 해결책이 이하에서 상술된다.
상기 원자로 본체(100) 내에서 하측에는 노심(200)이 배치될 수 있다.
상기 노심(200)은 원자로의 핵연료를 담고 있어, 핵분열을 통해 열을 생산하는 부분으로, 핵분열 시 생성된 중성자의 감속 및 흡수, 핵분열생성물의 처리, 핵분열로 발생한 열의 전달 및 제거가 일어나는 곳이다.
이때, 노심(200)은 저온풀(LP) 내에 배치되고, 노심(200)의 상부에는 고온풀(HP)이 배치될 수 있다.
상기 원자로 본체(100) 내에서 노심(200)의 상부에는 상부내부구조물(300)이 배치될 수 있다.
상기 상부내부구조물(300)은 노심(200)의 상부에서 노심 출구 유동 안내, 제어봉 안내관 지지 및 각종 계측센서의 지지 역할을 수행할 수 있다.
이때, 상부내부구조물(300)의 하부는 고온풀(HP)에 잠기고, 상부내부구조물(300)의 상부는 아르곤 가스와 같은 가스에 노출될 수 있다.
상기 원자로 본체(100) 내에서 상부내부구조물(300)의 외측, 또는 노심(200)의 일측 상부에는 중간열교환기(400)가 배치될 수 있다.
상기 중간열교환기(400)는 고온풀(HP) 내에 배치되어, 노심(200)에서 나온 고온의 액체소듐이 유입될 수 있다. 그리고 중간열교환기(400)에서 고온의 액체소듐이 열교환되어 저온의 액체소듐이 중간열교환기(400)로부터 배출되어 저온풀(LP)에 유입될 수 있다.
이때, 중간열교환기(400)의 상부는 아르곤 가스와 같은 가스에 노출되고, 중간열교환기(400)의 중앙부는 고온풀(HP)에 잠기고, 중간열교환기(400)의 하부는 저온풀(LP)에 잠길 수 있다.
특히, 도 3을 참조하여, 중간열교환기(400)의 외측면에는 고온의 액체소듐이 유입되는 복수 개의 유입 포트(410)가 구비될 수 있다. 이때, 복수 개의 유입 포트(410)는 중간열교환기(400)의 외측면에서 방사상 방향으로 이격 배치될 수 있다. 이에 의해서 중간열교환기(400)의 외측면에서 다방면으로 고온풀(HP)로부터 고온의 액체소듐이 유입될 수 있다.
도 1에는 원자로 본체(100)의 중앙에 상부내부구조물(300)이 배치되고, 상부내부구조물(300)의 외측에 하나의 중간열교환기(400)가 배치된 경우가 도시되었으나, 원자로 본체(100) 내에서 상부내부구조물(300) 및 중간열교환기(400)의 배치는 이에 국한되지 않고 다양하게 배치될 수 있다.
도 2를 참조하여, 고온풀(HP)의 중앙에 상부내부구조물(300)이 배치되고, 상부내부구조물(300)의 외측에 복수 개의 중간열교환기(400)가 배치될 수 있다. 여기에서는 상부내부구조물(300)의 외측에 총 4개의 중간열교환기(400)가 이격 배치된 것으로 도시되었으나, 중간열교환기(400)의 개수는 이에 국한되지 않고 다양한 수로 마련될 수 있음은 당연하다. 다시 말해서, 고온풀(HP) 내 상부내부구조물(300) 및 중간열교환기(400)의 배치는 노심(200)으로부터 나온 고온의 액체소듐이 상부내부구조물(300)을 통해서 중간열교환기(400)의 유입 포트(410)에 효과적으로 유입될 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
또한, 원자로 본체(100) 내에서 노심(200)의 타측 하부에는 펌프(500)가 배치될 수 있다.
상기 펌프(500)는 저온의 액체소듐을 중간열교환기(400)로부터 노심(200)으로 순환되게 할 수 있다.
구체적으로, 노심(200)에서 나온 고온의 액체소듐이 중간열교환기(400)에서 열교환되어 저온의 액체소듐으로 되어 저온풀(LP)에 유입된 후에, 펌프(500)의 가동에 의해서 저온의 액체소듐이 저온풀(LP)로부터 노심(200)에 유입될 수 있다.
전술된 바와 같이, 고온의 액체소듐이 중간열교환기(400)의 유입 포트(410)에 유입될 때 액체소듐의 자유표면으로부터 아르곤 가스가 중간열교환기(400)에 유입되는 경우에, 저온풀(LP)에도 아르곤 가스가 유입되어, 결과적으로 펌프(500)의 가동에 의해서 노심(200)에도 아르곤 가스가 유입될 수 있다.
더 나아가서, 원자로 본체(100) 내에서 액체소듐이 순환하는 구조를 가지므로, 노심(200)으로부터 나온 고온의 액체소듐 내에도 아르곤 가스가 존재하여, 고온풀(HP) 내에도 아르곤 가스가 존재할 수 있다.
이러한 고온풀(HP) 또는 저온풀(LP) 내 아르곤 가스의 유입 현상은 도 4에 도시된 바와 같이 고온의 액체소듐이 고온풀로부터 유입 포트(410)를 통하여 유입될 때 고온의 액체소듐의 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)가 발생되기 때문이다.
특히, 도 5(a)를 참조하여, 아직 배수가 진행되지 않은 상태에서 용기 내부에서 회전 중인 입자의 유적선(pathline)을 보면, 자유표면의 입자가 보텍스 코어의 중심으로 빨려 들어가고 하강 흐름을 타고 용기의 바닥으로 강하하는 것을 볼 수 있다. 바닥으로 이동한 입자는 바닥벽을 타고 회전하면서 점점 측벽으로 이동하며 측벽 주변에 형성된 상승 흐름을 타고 나선형으로 회전하면서 다시 상층부로 이동하는 Ekman spiral suction 흐름을 보인다. 이러한 유동 특성은 배수 후 용기의 중심부에 강한 하강 기류를 형성하는데 도움을 줘 보텍스 코어 현상을 촉진시킨다.
또한, 도 5(b)를 참조하여, 배수 후, 시간에 따른 속도 벡터(대칭축 왼쪽)와 유선(대칭축 오른쪽)을 확인할 수 있다. 이때, 속도 벡터는 선회 속도 성분을 제외한 반경방향 속도와 축방향 속도를 나타낸다.
배수가 시작되면 중심에는 축방향 벡터성분이 바닥에서부터 자유표면 부근까지 전체적으로 분포하게 된다. 배수 초반부터 측벽 부근에는 원주방향으로 중심축을 가지는 복잡한 테일러 보텍스(Taylor vortex)가 형성되고 있다.
배수가 진행됨에 따라 중심부와 측벽 부근이 서로 다른 회전유동 구조를 가지게 되는데, 중심부에는 Ekman spiral 흐름의 영향으로 측벽 부근에서 유입된 입자들이 각운동량 보존에 의해 축방향 중심축을 가지는 강한 하강 선회류를 형성하며, 측벽 부근에서는 테일러 보텍스의 크기가 확대되며 주변 액체소듐을 원주방향으로 중심축을 가지는 테일러 보텍스 구조 속에 가두는 경향을 보이고 있다.
결국 포트로부터 발생하는 강한 하강 운동량이 용기의 중심부로만 전달되어 중심부에서 보텍스 코어가 포트 쪽으로 급격하게 빨려 들어가는 보텍스 코어 현상이 발생한다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 용기의 포트를 통해서 액체소듐과 같은 전도성 액체가 배수되면서 용기 내에 3차원적인 테일러 보텍스 구조(3-dimensional taylor vortex structure)가 생성될 수 있다.
이때, 3차원적인 테일러 보텍스 구조는 서로에 대하여 반대되는 방향으로 회전하는 테일러 보텍스 링이 적층된 구조로 마련될 수 있다.
또한, 적층된 테일러 보텍스 링들의 중앙을 관통하고 수직축으로 회전하는 강한 보텍스 유동(또는 와류 유동)이 공존한다. 배수가 진행됨에 따라서 이러한 적층된 링 구조가 혼란스러워지기는 하나, 배수가 종료될 때까지 원주방향 중심축을 따라서 회전하는 보텍스 구조가 계속 존재하면서 배수에 직접적으로 관여하지 않는 액체소듐과 같은 전도성 액체를 용기의 측벽에 가두는 것이 명확해진다. 이러한 3차원적인 테일러 보텍스 구조의 작용에 의해서, 용기의 유효 직경이 용기의 실제 직경보다 훨씬 작아진다.
또한, 이러한 현상에 기초하여, 중앙에 배치된 액체소듐과 같은 전도성 액체만이 급격하게 배수되고, 결론적으로 액체소듐과 같은 전도성 액체의 자유표면으로부터 보텍스 코어가 형성되게 되어, 포트를 통해서 보텍스 코어가 배출될 수 있다.
다시 도 3을 참조하여, 중간열교환기(400) 내에 고온의 액체소듐이 유입되는 경우에 고온의 액체소듐의 자유평면으로부터 보텍스 코어가 발생되고, 고온의 액체소듐 내에 3차원적인 테일러 보텍스 구조가 생성되어서, 유입 포트(410)를 통해서 보텍스 코어와 아르곤 가스가 함께 유입될 수 있다.
이와 같이 중간열교환기(400)의 외측에서 고온의 액체소듐 내에 형성되는 보텍스 코어는 보텍스 코어 억제부(600)에 의해서 제거 또는 억제될 수 있다.
상기 보텍스 코어 억제부(600)는 중간열교환기(400)의 외측에 배치될 수 있다.
이때, 보텍스 코어 억제부(600)는 중간열교환기(400)에 구비된 유입 포트(410)보다 상부에서 보텍스 코어가 유입 포트(410)를 향하여 이동되는 경로를 형성하도록 배치될 수 있다.
또한, 보텍스 코어 억제부(600)는 영구자석 또는 전자석 등과 같이 다양한 종류 또는 다양한 형상의 자석으로 마련되어, 고온의 액체소듐에 대하여 자기장을 인가할 수 있다. 이때, 보텍스 코어 억제부(600)의 배치 또는 구성은 고온의 액체소듐에 대하여 자기장을 인가할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
예를 들어, 보텍스 코어 억제부(600)는 서로 다른 극성을 구비하는 복수 개의 자석(610)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 중간열교환기(400)의 인접한 외측에는 N극을 갖는 자석(610)이 배치되고 중간열교환기(400)로부터 멀리 위치된 외측에는 S극을 갖는 자석(610)이 배치될 수 있다. 다시 말해서, N극을 갖는 자석(610) 및 S극을 갖는 자석(610)이 중간열교환기의 중심으로부터 방사상 방향으로 이격 배치될 수 있다.
이때, 보텍스 코어 억제부(600)는 중간열교환기(400)의 길이방향에 대하여 수직하는 방향으로 또는 유입 포트(410)와 마주보는 방향으로 자기장을 인가할 수 있다.
특히, 중간열교환기(400)의 외측에서 복수 개의 자석(610)은 액체소듐의 유입 포트(410)를 통한 유입 중에 발생된 보텍스 코어가 유입 포트(410)를 향하여 이동되도록 이격 배치될 수 있다. 다시 말해서 보텍스 코어 억제부(600)에 의한 자기장의 비인가 시에 복수 개의 자석(610)이 이격된 공간이 보텍스 코어의 이동 경로가 될 수 있다. 반면, 보텍스 코어 억제부(600)에 의한 자기장의 인가 시에 복수 개의 자석(610)이 이격된 공간에 보텍스 코어가 존재하지 않을 수 있다.
또한, 보텍스 코어 억제부(600)는 중간열교환기(400)의 길이방향을 따라서 서로 이격 배치된 복수 개의 자석(610)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 중간열교환기(400)의 인접한 외측에는 N극을 갖는 복수 개의 자석(610)이 서로 이격 배치되고 중간열교환기(400)로부터 멀리 위치된 외측에는 S극을 갖는 복수 개의 자석(610)이 이격 배치될 수 있다.
이때, 복수 개의 자석(610) 중 일부는 고온풀(HP)의 외측에 배치될 수 있으며, 예를 들어 고온의 액체소듐의 자유표면보다 상부에 배치될 수 있다. 다시 말해서, 복수 개의 자석(610) 중 일부가 자유표면을 사이에 두고 이격 배치될 수 있다.
특히, 도 7 및 8을 참조하여, 보텍스 코어 억제부(600)는 서로 다른 극성을 구비하는 복수 개의 자석(610)을 포함하고, 각각의 자석(610)은 각각의 중간열교환기(400)의 외측에 배치될 수 있다.
이때, 보텍스 코어 억제부(600)는 고온풀(HP)의 외측에 배치될 수 있다.
구체적으로, 제1 자석은 제1 중간열교환기와 인접한 고온풀(HP)의 외측에서 제1 중간열교환기의 유입 포트보다 상부에 배치되고, 제2 자석은 제2 중간열교환기와 인접한 고온풀(HP)의 외측에서 제2 중간열교환기의 유입 포트보다 상부에 배치되고, 제3 자석은 제3 중간열교환기와 인접한 고온풀(HP)의 외측에서 제3 중간열교환기의 유입 포트보다 상부에 배치되고, 제4 자석은 제4 중간열교환기와 인접한 고온풀(HP)의 외측에서 제4 중간열교환기의 유입 포트보다 상부에 배치될 수 있다.
또한, 제1 중간열교환기와 제2 중간열교환기가 서로 인접하게 배치된 경우, 제1 자석 및 제2 자석은 서로 다른 극성을 구비할 수 있고, 제3 중간열교환기와 제4 중간열교환기가 서로 인접하게 배치된 경우, 제3 자석 및 제4 자석은 서로 다른 극성을 구비할 수 있다.
예를 들어, 제1 자석이 N극을 갖는 경우 제2 자석은 S극을 갖고, 제3 자석이 N극을 갖는 경우 제4 자석은 S극이 될 수 있고, 제1 자석과 제3 자석은 서로 마주보도록 배치되고, 제2 자석과 제4 자석은 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
전술된 바와 같이 보텍스 코어 억제부(600)는 고온풀(HP)의 외측에 다양한 형태로 배치되어, 고온풀(HP) 내의 고온의 액체소듐에 대하여 자기장을 인가할 수 있다.
또한, 보텍스 코어 억제부(600)는 경우에 따라서 고온풀(HP) 내의 고온의 액체소듐에 대하여 자기장을 인가하는 방향 또는 세기를 선택적으로 조절할 수 있다.
이와 같이 보텍스 코어 억제부(600)에서 고온의 액체소듐에 대하여 자기장을 인가할 경우, 자기장은 액체소듐의 보텍스 유동(vortex flow)과 상호 작용을 통해서 유도 전류를 발생시키고, 유도 전류 및 자기장의 상호 작용을 통해서 전자기력 또는 로렌츠 힘이 생성될 수 있다.
구체적으로, 중간열교환기(400)의 유입 포트(410)를 통해서 액체소듐이 유입되는 중에 서로에 대하여 반대되는 방향으로 회전하는 테일러 보텍스 링이 적층된 구조를 갖는 3차원적인 테일러 보텍스 구조가 생성되므로, 보텍스 코어 억제부(600)에 의해서 일정한 방향 및 일정한 세기로 자기장이 인가되더라도, 유도 전류, 또는 전자기력 또는 로렌츠 힘 또한 3차원적인 테일러 보텍스 구조 내에서 서로 다른 방향으로 생성될 수 있다. 이와 같이 보텍스 코어 억제부(600)는 일정한 방향 및 일정한 세기로 액체소듐에 대하여 자기장을 인가할 수 있다.
특히, 유도 전류 및 자기장의 상호 작용을 통해서 생성된 전자기력 또는 로렌츠 힘은 3차원적인 테일러 보텍스 구조에서 액체소듐의 보텍스 유동에 반대되는 방향으로 작용될 수 있다. 이에 의해서 액체소듐의 보텍스 유동이 지연되거나 제거될 수 있다. 결국 이러한 보텍스 코어 억제부(600)의 작용에 의해서 중간열교환기(400) 내 액체소듐의 유입 중에 발생된 3차원적인 테일러 보텍스 구조가 파괴 또는 해체될 수 있다.
전술된 바와 같이 중간열교환기(400) 내에 액체소듐이 유입되는 중에 액체소듐의 자유표면으로부터 생성되는 테일러 보텍스 구조를 파괴 또는 해체시킬 수 있는 방향으로 전자기력 또는 로렌츠 힘을 발생시킬 수 있다면 인가된 자기장의 방향 또는 보텍스 코어 억제부(600)의 배치는 다양하게 될 수 있다. 다시 말해서, 보텍스 코어 억제부(600)는 중간열교환기(400)의 외측에서 액체소듐에 대하여 적어도 하나의 방향 또는 전방향으로 자기장을 인가할 수 있음은 당연하다.
또한, 도면에는 복수 개의 자석(610)의 고정 구조에 대하여 구체적으로 도시되지는 않았으나, 복수 개의 자석(610)은 중간열교환기(400)의 외측에 또는 고온풀(HP)의 외측에서 별도의 고정 부재에 장착될 수 있음은 당연하다.
따라서 일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로(10)는 외부에서 자기장을 인가하여 액체소듐 내에서 발생되는 전자기력 또는 로렌츠 힘을 제어함으로써, 다시 말해서 전자기적 제어를 통하여, 액체소듐이 중간열교환기(400) 내에 유입되면서 생성되는 3차원적인 테일러 보텍스 구조를 파괴 또는 해체하여, 액체소듐의 자유표면으로부터 보텍스 코어의 발생 또는 유입 포트(410)를 통한 보텍스 코어 및 아르곤 가스의 유입을 근본적으로 억제할 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 보텍스 코어 형상 및 보텍스 코어에 대한 자기장의 영향을 확인하는 실험 결과에 대하여 설명된다.
도 9(a) 내지 (c)는 Hartmann 수에 따른 자유표면의 발달을 도시한다.
도 9(a) 내지 (c)를 참조하여, Hartmann 수(
Figure 112018054377289-pat00001
; 점성력과 전자기력의 비)가 0.45, 4.5인 경우 내부 속도장의 큰 차이점은 발견되지 않는다. 용기의 중심부에서는 축방향으로 회전하면서 하강하는 흐름이 나타나며, 중심부를 제외한 영역에서는 복잡한 형태의 테일러 보텍스 구조가 형성되어 재순환 흐름을 만든다.
Ha 수가 45까지 증가하면 Lorentz force에 의해 강한 억제력이 작용한다. 중심부의 축방향 하강 선회류와 테일러 보텍스 구조에 의한 재순환 유동이 완전히 억제되어 보텍스 코어 현상이 나타나지 않으며, 오직 출구에서 큰 속도의 배출 유동만이 관찰된다.
도 10은 Hartmann 수에 따른 배수 시간 동안 액체 높이 변화를 도시한다.
도 10을 참조하여, 자기장이 인가된 경우에는 대략 8τ0에서 수위 감소 속도에 급격한 변화를 보이지 않고, 자기장이 인가되지 않을 때 수반되는 보텍스 코어 배출이 발생한다.
Ha 수가 45인 경우에는 Ha 수가 0인 경우에 비해서 10% 더 빠른 수위 감소를 보인다. Ha 수가 증가함에 따라서, 수위 감소 속도는 증가한다.
그러나, Ha 수가 4.5보다 큰 경우, 수위 감소 속도는 Ha 수 변화에 의해서 영향을 받지 않고, 수위는 거의 선형으로 감소한다.
도 11은 Hartmann 수에 따른 배수 시간 동안 배수 속도 변화를 도시한다.
무차원 배수 속도는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112018054377289-pat00002
이때,
Adrain은 포트의 단면적이고,
ρ l 은 액체의 밀도이고,
Figure 112018054377289-pat00003
은 순간 배수 유량이다.
우선, 자기장이 인가되지 않는 경우, 보텍스 코어가 배출되는 대략 8τ0에서 배수 속도가 급격히 감소하고, 22τ0까지 계속 감소된다. 이어서, 배수 속도의 변동이 30τ0까지 반복된다. 이는 보텍스 코어가 포트를 통해서 배출되면서 단속적인 깨짐에 의한 것으로 파악된다.
Ha 수가 45인 경우에는 용기 내 남아 있는 액체의 감소된 포텐셜 에너지에 의해서 배수 속도가 선형으로 감소되는 것을 보인다.
Ha 수가 0.45 및 4.5인 경우에는 배수 속도가 12τ0까지 감소하나, Ha 수가 0인 경우보다 훨씬 크다. 보텍스 코어가 발생되는 모든 경우에 전체 배수 시간 동안 배수 속도의 상당한 변동을 연속적으로 나타낸다. Ha 수가 0.45 및 4.5인 경우에는 보텍스 코어의 배출이 12τ0 주위에서 짧게 드러난 후에 사라진다. 이는, 보텍스 코어의 배출 시 포트 안에 가스가 직접 빨려 들어가지는 않았으나, 배수 유량이 심하게 방해받는다는 것을 의미한다. 따라서, 액체 추진 엔진에서 연료 공급 시스템의 유량에 대한 상당한 불안정성이 발생할 수 있다.
도 12(a) 내지 (f)는 Hartmann 수에 따른 속도 벡터 및 원주방향 와도를 도시한다.
도 12(a) 내지 (f)를 참조하여, Ha 수가 45인 경우, 테일러 보텍스 구조가 배수 초반 단계에서 약하게 나타나고, 배수가 진행됨에 따라서 거의 사라진다. 그리고 포트 근처에서만 큰 속도가 검출된다. Ha 수가 0.45 및 4.5인 경우에는 용기 내에서 원주방향 축을 기준으로 회전하는 보텍스 구조가 생성되고, 이는 Ha 수가 0인 경우와 거의 유사하다.
용기 내 유동 구조는 도입된 자기장에 의해서 유도된 전류 및 도입된 자기장에 의해서 생성된 전자기력, 즉 로렌츠 힘으로 인하여 인가된 자기장의 강도에 의해 상당히 영향을 받게 된다. 이때, 힘은 도입된 자기장 및 유도 전류에 대하여 수직하는 방향으로 된다. 또한, 유도 전류는 인가된 자기장 및 하전 입자의 속도 모두에 대하여도 수직하는 방향으로 된다. 따라서, 전류 및 자기장 사이의 벡터곱으로 되는 로렌츠 힘은 연속적으로 하전 입자를 감속시킨다.
도 13(a) 내지 (f)는 Hartmann 수가 4.5인 경우, 다양한 배수 시간에서 중앙 평면 및 자유표면 상의 무차원 전위를 도시한다.
전위의 공간 구배는 전기장 벡터(electric field intensity vector)의 일부이고, 용기 내 생성된 전류의 일 부분을 포함한다. 따라서, 도 11(a) 내지 (f)에 도시된 전위 분포로부터, 배수가 진행됨에 따라서 전기장의 공간 구배로부터의 전류가 더 약화될 것으로 예측될 수 있다.
도 14(a) 및 (b)는 Hartmann 수가 4.5인 경우, (a) 전기장 벡터 및 (b) 속도 및 자기장 사이의 벡터곱에 기초하여 다양한 배수 시간에서 전류 밀도의 벡터 플롯을 도시하고, 도 15(a) 내지 (e)는 Hartmann 수가 4.5인 경우, 다양한 배수 시간에 따른 자유표면 상의 3차원 전류 밀도 벡터를 도시한다.
도 14(a) 및 (b)를 참조하여, Ha 수가 4.5인 경우에, 배수가 진행됨에 따라서 전기장 벡터의 공간 구배로부터의 전류 벡터 및 속도와 자기장 사이의 벡터의 외적이 바닥으로부터 멀리 위치된 평면 2R 상에 표현된다. 전술된 바와 같이, 전기장으로부터 전류의 세기는 지속적으로 감소한다. 반면, 속도-자기장 외적에 의해 유도된 전류는 12τ0까지 더 강해지고, 그런 다음에 점차 감소된다. 또한 두 개의 전류 성분의 절대 크기는 상당히 다르다. 전기장에 의한 전류는 대략적으로 유도 전류의 1/000이다. 유도 전류가 중심부로부터 용기의 측벽을 향하는 동안, 전기장으로부터의 전류는 반대되는 방향으로 향한다.
참고로, 도 15(a) 내지 (e)를 참조하여, Ha 수가 4.5인 경우에, 배수가 진행됨에 따라서 자유표면 상에서 전류 밀도가 표현되고, 대략 12τ0에서 전류 밀도가 최대로 된다.
도 16(a) 내지 (c)는 Hartmann 수에 따른 무차원 로렌츠 힘의 벡터 플롯을 도시한다.
도 16(a) 내지 (c)를 참조하여, 배수가 진행됨에 따라서 세 개의 다른 Hartmann 수에 대하여 바닥면으로부터 멀리 위치된 평면 2R 상에서 무차원 로렌츠 힘의 벡터가 표현된다. 비교를 위해서 각각의 경우에 동일한 벡터 스케일이 적용된다.
도 16(a)에 도시된 바와 같이, Ha 수가 0.45인 경우에는 다른 경우에 비해서 매우 작은 로렌츠 힘이 생성되고, 벡터를 현재 스케일로는 분별할 수 없다.
도 16(b)에 도시된 바와 같이, Ha 수가 4.5인 경우에는 초기 용기의 회전 방향과 반대되게, 로렌츠 힘이 시계 방향으로 작용하는 것을 알 수 있다. 도시된 전류 밀도로부터, 로렌츠 힘이 대략 12τ0에서 최대화된다.
도 16(c)에 도시된 바와 같이, Ha 수가 45인 경우에는 배수 초반 동안에 시계 방향으로 매우 큰 전자기력이 작용한다. 이러한 효과에 의해서, 용기 내 회전하는 유동이 매우 급격하게 감속되고, 용기 내 액체의 선회 모션(swirl motion)이 거의 사라진다. 따라서, 자기장과 속도 사이의 벡터곱에 의해서 생성된 전류가 거의 유도되지 않고, 배수 초반 동안 큰 로렌츠 힘이 작용한 후에 로렌츠 힘은 거의 나타나지 않는다.
도 17은 Hartmann 수에 따른 평균 무차원 로렌츠 힘의 시간 변화를 도시한다.
도 17을 참조하여, 다른 Hartmann 수에 대하여 바닥으로부터 멀리 위치된 평면 2R에서 평균 무차원 로렌츠 힘이 배수 시간에 따라서 모니터링되었다.
Ha 수가 0.45 및 4.5인 경우에는 로렌츠 힘은 배수 기간의 대부분에 걸쳐서 거의 일정하게 유지된다.
반면, Ha 수가 45인 경우에는 배수 초반 동안 큰 로렌츠 힘이 작용하고, 7τ0까지 지속적으로 감소하고, 20τ0까지 일정한 수준에 이른다. Ha 수가 45인 경우에 7τ0 및 20τ0 사이의 로렌츠 힘은 Ha 수가 4.5인 경우보다 낮은 크기로 된다. Ha 수가 10배로 증가할 때, 배수 시에 로렌츠 힘은 100배로 증가한다. 이는 로렌츠 힘이 자기장에 의해 유도된 전류 밀도 및 도입된 자기장 강도의 곱에 의해서 결정되고, 유도 전류의 크기가 외부에서 도입된 자기장 세기에 비례하기 때문이다.
도 18(a) 내지 (f)는 Hartmann 수에 따른 축방향 속도 프로파일 및 선회 속도 프로파일을 도시한다.
도 18(a) 내지 (f)를 참조하여, 바닥으로부터 멀리 위치된 평면 2R 상에서 축방향 및 선회 속도 프로파일이 다른 Ha 수에 따라서 플롯될 수 있다.
Ha 수가 0인 경우와 비교해서, Ha 수가 0.45인 경우, 로렌츠 힘이 약하게 작용하고 상당한 차이를 보이지 않는다.
그러나, Ha 수가 4.5인 경우 로렌츠 힘에 의해서 중심부 근처에서 약간 감소된 선회 속도가 발견된다.
매우 큰 로렌츠 힘이 작용하는 Ha 수가 45인 경우에는 선회 속도 프로파일이 완전히 사라진다. 중심부에서 이러한 선회 모멘텀의 사라짐에 의해서, 테일러 보텍스 구조가 용기 내에서 발생되지 않고, 축방향 속도가 변동되지 않게 된다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
10: 소듐냉각고속로
100: 원자로 본체
200: 노심
300: 상부내부구조물
400: 중간열교환기
500: 펌프
600: 보텍스 코어 억제부
610: 자석
HP: 고온풀
LP: 저온풀

Claims (8)

  1. 보텍스 코어의 억제가 가능한 소듐냉각고속로에 있어서,
    내부에 고온풀 및 저온풀을 포함하는 원자로 본체;
    상기 저온풀 내에 배치된 노심;
    상기 고온풀 내에 배치되어, 상기 노심에서 나온 고온의 액체소듐이 유입되는 유입 포트를 구비하는 중간열교환기; 및
    상기 중간열교환기의 외측에 배치되어 상기 액체소듐의 유입 중에 고온풀의 자유표면으로부터 보텍스 코어(vortex core)의 발생을 억제하는 보텍스 코어 억제부;
    를 포함하고,
    상기 보텍스 코어 억제부는 상기 액체소듐에 자기장을 인가하여, 상기 액체소듐 내 3차원적인 테일러 보텍스 구조(3-dimensional taylor vortex structure)를 해체시키고,
    상기 보텍스 코어 억제부는, 상기 유입 포트보다 상부에서 상기 중간열교환기에 인접한 외측에 배치되고 N극 및 S극 중 어느 하나의 극을 갖는 자석 및 상기 유입 포트보다 상부에서 상기 중간열교환기로부터 멀리 위치된 외측에 배치되고 N극 및 S극 중 다른 하나의 극을 갖는 자석을 포함하고,
    상기 자석은 자기장의 비인가 시 상기 N극 및 S극 중 어느 하나의 극 및 다른 하나의 극 사이에 상기 자유표면으로부터 상기 유입 포트를 향하는 보텍스 코어의 이동 경로가 규정되도록 배치되는 소듐냉각고속로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보텍스 코어 억제부는 상기 중간열교환기의 외측에서 상기 액체소듐에 대하여 적어도 하나의 방향으로 상기 자기장을 인가하는 소듐냉각고속로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온풀 내에 복수 개의 중간열교환기가 배치되고, 상기 복수 개의 중간열교환기 중 서로 인접하게 배치된 중간열교환기의 외측에는 서로 다른 극성을 구비하는 자석이 배치되는 소듐냉각고속로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기장은 상기 액체소듐의 보텍스 유동과 상호 작용을 통해서 유도 전류를 발생시키고, 상기 유도 전류 및 상기 자기장의 상호 작용에 의해서 전자기력 또는 로렌츠 힘이 생성되며, 상기 전자기력 또는 로렌츠 힘이 상기 액체소듐의 보텍스 유동에 반대되는 방향으로 작용되는 소듐냉각고속로.
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