KR102152186B1 - 유압식 제어봉 구동장치 및 그를 이용하는 원자로 - Google Patents

유압식 제어봉 구동장치 및 그를 이용하는 원자로 Download PDF

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방인철
김인국
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 원자로의 제어봉을 유압식으로 제어하는 제어봉 구동장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치는, 중심부에 아래 방향으로 열린 공간이 형성되는 실린더형 상부 구동부; 및 상기 상부 구동부의 열린 공간을 향해 유압에 의해 상하방향으로 삽탈되고, 중공형 구조를 포함하는 원통형 하부 고정부;를 포함하고, 상기 하부 고정부는 내부에 상하 방향으로 단차가 있도록 형성된 계단식 구조의 유로를 하나 이상 포함하는 것이다.

Description

유압식 제어봉 구동장치 및 그를 이용하는 원자로{HYDRAULIC NUCLEAR REACTOR CONTROL ROD DRIVE AND NUCLEAR REACTOR USING THE SAME}
본 발명은, 원자로의 제어봉 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제어봉의 구동 및 위치계측이 가능한 형상과 그를 이용한 원자로에 관한 것이다.
원자력 기술분야에 널리 공지되어 있는 바와같이, 통상의 원자로는 농축 우라늄으로 제조된 다수의 연료봉을 연소(핵분열)시켜서 이때 발생하는 열로 증기를 발생시키고, 이 증기로 터빈 및 발전기를 회전시켜 전기를 생산하도록 구성되어 있다.
핵분열은 시간이 경과함에 따라 점차 가속화되는 속성이 있으므로, 지나친 핵분열로 인한 사고, 예를 들면 원자로의 멜트다운(Melt Down)을 방지하기 위해서는 원자로의 핵비등이탈율(Departure from Nucleate Boiling Rate) 및 국부출력밀도(Local Power Density)를 계속적으로 측정하고, 이를 근거로 연료봉의 연소속도를 제어하는 것이 필요하다.
연료봉의 연소속도를 제어하는 방법으로 일반적으로 붕소(Boron)로 제조된 제어봉이 사용되고 있다. 이 제어봉은 집합체의 형태로 연료봉 사이에 배열되며, 제어봉 구동장치에 의해서 수직방향 승강구동을 구현함이 일반적이다. 이와 같은 제어봉은 핵분열시 생성되는 중성자를 흡수하여 연료봉의 연소를 억제하는 역할을 수행하게 된다. 따라서, 제어봉이 하강하여 노심으로 깊이 진입할수록 연료봉의 연소속도는 저하되며, 제어봉이 상승하여 노심에서 빠져나올수록 연료봉의 연소속도는 증가하게 된다.
이러한 제어봉은 평상시 제어봉 구동장치의 래치에 의해서 미리 정해진 위치에 유지되도록 하며, 이때 제어봉 구동장치는 통전상태에 있게된다, 비상시에는 제어봉 구동장치로의 전류공급이 차단되며, 이에 따라 래치가 해제되어 제어봉을 노심의 바닥으로 낙하시킴으로써 핵분열이 더 이상 진행되지 않도록 하여 원자로의 가동을 중단시킨다. 이것을 원자로의 트립(Trip)이라고 부른다.
이와같이 제어봉은 그 위치에 따라 연료봉의 연소속도를 증감시키기도 하고 경우에 따라서는 원자로의 가동을 중단시키기도 하므로, 제어봉의 현재 위치를 정확히 검출하는 것은 원자로의 적절한 제어 및 사고의 방지를 위해서 극히 중요하다.
이러한 제어봉 구동장치는 발전소의 출력 조절 및 정지기능을 수행하는 역할을 담당하면서 정밀한 제어봉의 제어 및 안전한 발전소 정지기능을 수행할 수 있어야 한다. 제어봉을 제어하는 제어봉 구동장치에는 다양한 방식이 이용되곤 하였는데, 그 중 유압식 제어봉 구동장치는 유량 변화를 통해 제어봉 집합체의 상하구동과 낙하구동을 수행하는 장치로서, 정전사고시 펌프가 정지하여 안정적으로 발전소를 정지시킬 수 있어 다양한 연구소들에서 차세대 원전을 위한 적용을 위하여 개발이 진행되고 있다.
그러나 현재까지 연구된 유압식 제어봉구동장치들은 반복적으로 홈이 파여진 구조를 지니고 있어, 상하구동시 유로의 면적변화로 인한 유량과 압력의 요동현상이 발생하였고, 모든 위치에서 유량이 일정하게 유지되어 제어봉의 위치계측을 위한 추가적인 장비를 포함하여야 하는 문제가 있었다.
따라서, 유압식 제어봉 구동장치는 발전소에 적용하고 더 상용화되기 위해서 유량과 압력의 안전성 문제, 제어봉 위치계측을 위한 별도 장비를 구비해야 하는 문제 등이 해결되어야 할 필요가 있었다.
본 발명의 목적은, 상술한 유압식 제어봉 구동장치의 문제를 개선하고 원자로에 유압식 제어봉 구동장치를 적용하기 용이하도록 하는 연구의 연장선상에서, 새로운 제어봉 구동장치 설계를 도입하여 추가적인 제어봉 위치 파악을 위한 장비 없이도 정밀하게 제어봉 위치가 파악되면서 안정적인 원자로 구동을 가능하도록 하는 설계를 제안하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유압식 제어봉 구동장치를 이용하여 유량 조절을 통해 원자력 발전소의 출력을 제어하고 정지 기능을 수행할 수 있으면서, 동시에 유량의 변동이 급격하게 발생하지 않아 안정적인 유량 확보 및 압력제어가 가능한 차세대 유압식 제어봉 구동장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치는, 중심부에 아래 방향으로 열린 공간이 형성되는 실린더형 상부 구동부; 및 상기 상부 구동부의 열린 공간을 향해 유압에 의해 상하방향으로 삽탈되고, 중공형 구조를 포함하는 원통형 하부 고정부;를 포함하고, 상기 하부 고정부는 내부에 상하 방향으로 단차가 있도록 형성된 계단식 구조의 유로를 하나 이상 포함하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계단식 구조의 유로는 적어도 3 개 이상의 단을 포함하고, 상기 계단식 구조의 유로의 단 사이의 간격은 일정한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계단식 구조의 유로는, 50 개 내지 300 개의 구분되는 단을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계단식 구조의 유로의 단차는, 50 mm 내지 500 mm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 삽입될 때, 상기 상부 구동부와 상기 하부 고정부 사이에는 환형 유로가 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 삽입될 때, 상기 하부 고정부의 중공형 구조로 유체가 유입되어 상승 유동이 발생하고, 상기 하부 고정부와 상기 상부 구동부 사이 및 상기 하부 고정부의 계단식 구조의 유로에는 유체의 하강 유동이 발생하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때, 시간에 따른 유속의 변화 그래프는 단차 있는 형태로 상승 또는 하강하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때, 시간에 따른 유속의 변화 그래프는 피크 값을 가지지 않는 것(peak-free)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때, 제어봉의 위치에 따라 유량 및 유속이 상이한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어봉의 상승 또는 하강 위치 구동 시, 한 차례의 밸브 제어 만으로 제어봉의 위치 변화가 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부의 원통형 구조의 폭은 0.04 m 내지 0.06 m 이고, 상기 상부 구동부의 실린더형 열린 공간의 폭은 0.06 m 내지 0.09 m 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유압식 제어봉 구동장치에서 제어되는 유량은, 40 내지 120 kg/min 인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로 운전 방법은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용하는 것이고, 노심에 공급되는 냉각재의 유량을 조절하거나 추가적인 유로를 구비하여 독립적으로 유량을 제어함으로써 제어봉의 위치를 변화시키고 원자로 출력을 제어하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 포함하고, 노심에 공급되는 냉각재의 유량을 조절하거나 추가적인 유로를 구비하여 독립적으로 유량을 제어함으로써 제어봉의 위치를 변화시키고 원자로 출력을 제어하는 것이다.
본 발명에 따르면 별도의 추가적인 장치를 구비함이 없이도 냉각재의 유량 혹은 독자적인 구조를 가지는 추가적인 유로를 구비하여 유량을 조절함으로써 원자력발전소 출력제어 및 정지기능을 수행할 수 있는 유압식 제어봉 구동장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 제안하는 유압식 제어봉 구동장치를 이용할 경우, 유량의 제어를 통해 제어봉의 위치를 추적할 수 있고, 동시에 유량의 변동이 급격하게 발생하지 않아 안정적인 유량 확보 및 압력제어가 가능한 정밀 제어 및 계측이 가능해지는 효과가 있다.
본 발명에서 제안하는 신개념 유압식 제어봉 구동장치에 따르면, 종래 제안되지 않았던 방식으로 제어봉 구동장치 설계를 제안함으로써 원자로를 더욱 안정적이고 안전하게 구동할 수 있게 되는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치의 상부 구동부 및 제어봉의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치의 하부 고정부의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 유압식 제어봉 구동장치의 구동 시, 상부 구동부와 하부 고정부가 결합된 형상 및 유체의 구동방향을 나타내는 개략도이다.
도 4(a) 내지 도 4(e)는, 본 발명의 비교예로서 종래의 방식에서 이용되던 유압식 제어봉 구동장치의 구조들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5(a)는, 본 발명의 비교예로서 종래의 방식에서 이용되던 유압식 제어봉 구동장치의 하부 고정부이고, 도 5(b)는, 종래의 방식에 따라 도 5(a)의 하부 고정부가 상부구동부에 결합된 그림을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용하여 제어봉 위치를 제어할 경우 유량 및 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 도 6의 그래프와 대비하기 위하여 제시된 그래프로서, 본 발명의 비교예로서 종래의 설계 방식에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용하여 제어봉 위치를 제어할 경우 유량 및 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 다른 설명이 없는 한, 각 도면에 제시된 동일한 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 발명의 범위를 설명된 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 출원을 통해 권리로서 청구하고자 하는 범위는 이들에 대한 모든 변경, 균등 물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
종래의 유압식 제어봉 구동장치들은 상부 구동부, 하부 고정부 또는 둘 다에 반복적인 홈이 파여진 구조를 지니고 있었다. 그러한 구조는, 제어봉의 상하 구동시에 유량과 압력의 요동현상을 발생하게 하였고, 모든 위치에서 유량이 일정하게 유지되기 때문에 제어봉의 위치 계측을 위한 추가적인 장비를 포함하여 원자로를 구동함이 일반적이었다.
본 발명에서 제안하는 설계 구조에 따르면, 이와 같은 종래의 제어봉 구동장치의 구조를 타파하고, 종래의 방식에 따를 경우에 발생하던 상술한 문제들을 모두 해소할 수 있다. 즉, 본 발명에서 제안하는 유압식 제어봉 구동장치는 유량과 압력의 요동현상이 없고, 추가적인 장비를 포함하지 않더라도 각각의 위치에서 유량이 다르게 형성되기 때문에 위치 제어봉 위치 계측을 위한 별도의 장비를 필요로 하지 않을 수 있다.
본 발명에서 제안하는 유압식 제어봉 구동장치는, 제어봉 구동장치의 하부고정부, 제어봉 구동장치의 상부구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 본 발명에서 제안되는 유압식 제어봉 구동장치에는 제어봉이 삽입되는 형태가 되어 원자로를 구동하게 될 수 있다.
일 예로서, 제어봉 구동장치의 하부 고정부는, 유체가 공급되는 입구, 외부에 계단식 구조를 포함한 피스톤 형태를 형성하도록 제시될 수 있다.
일 예로서, 제어봉 구동장치의 상부 구동부는 내부가 빈 실린더 형태로 구성되며, 하부 고정부와 상부 구동부가 결합될 때 서로의 간격에는 환형의 유로가 형성되도록 구성될 수 있다.
상기 제어봉은 유압식 제어봉구동장치의 상부구동부와 결합되어 상하 구동에 영향을 받아 위치가 제어될 수 있다. 또한, 일 측에는 구동장치의 구동조절을 위한 유량제어 시스템을 구비할 수도 있다. 일 예로서, 상기 유량제어부는 Servo-valve를 통해 유량제어를 수행하며 제어봉구동장치의 구동을 위한 유량을 하부 고정부를 통해 공급할 수 있다.
상기 유압식 제어봉 구동장치는 원자로 상부에 설치될 수 있으며, 상하로 구동되면서 노심 정지기능을 수행할 수 있다.
상기 하부 고정부와 상부 구동부가 결합될 때에는 상기 하부 고정부 외벽과 상부 고정부 내벽 사이에는 환형의 유로가 형성될 수 있다. 즉, 하부 고정부와 상부 구동부가 결합될 때에는 상기 환형의 유로와 상기 계단식 구조의 하부 고정부의 유로 두 가지가 모두 유체의 이동통로 역할을 할 수 있다. 즉, 유체는 하부 고정부의 중앙의 유로로 상승 흐름을 형성하며 이동하고, 상기 환형 유로 및 계단식 구조의 유로를 통하여 하강 흐름을 형성하며 이동하게 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치의 상부 구동부 및 제어봉의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치의 하부 고정부의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 유압식 제어봉 구동장치의 구동 시, 상부 구동부와 하부 고정부가 결합된 형상 및 유체의 구동방향을 나타내는 개략도이다.
아래에서는 도 1 내지 도 3을 참고하여, 본 발명에서 제안하는 유압식 제어봉 구동장치의 새로운 설계 개념과, 그를 이용한 유압식 제어봉 구동장치를 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치는, 중심부에 아래 방향으로 열린 공간이 형성되는 실린더형 상부 구동부; 및 상기 상부 구동부의 열린 공간을 향해 유압에 의해 상하방향으로 삽탈되고, 중공형 구조를 포함하는 원통형 하부 고정부;를 포함하고, 상기 하부 고정부는 상하 방향으로 단차가 있도록 형성된 계단식 구조의 유로를 하나 이상 포함하는 것이다.
본 발명에서는 상부 구동부와 그에 삽탈되는 하부 고정부를 포함하며, 하부 고정부는 상하 방향의 단차가 형성된 계단식 구조의 유로를 포함한다. 단차가 형성된 계단식 구조의 유로는 상기 하부 고정부의 특징적 구조로서, 제어봉의 위치에 따라 다른 유량을 형성하게끔 하는 특유의 구조가 된다. 상기 구조의 유로를 적용할 경우 본 발명의 유압식 제어봉 구동장치는 별도의 위치 계측을 위한 추가 장비를 필요로 하지 않게 될 수 있다.
상기 하부 고정부의 계단식 구조의 유로는 일 예에서 상기 하부 고정부의 내측에 형성될 수도 있으며, 다른 일 예에서는 상기 하부 고정부의 원통형 구조 외측에 형성되어 외부에서 보이는 구조로 형성될 수도 있다.
일 예로서, 본 발명의 하부 고정부는 원통형 구조일 수 있으며, 중공형 구조로 설계될 수 있다. 상기 하부 고정부의 중공형 구조로는, 유체가 상승하는 흐름이 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 하부 고정부의 계단식 구조의 유로로는 유체가 하강하는 흐름이 형성되는 것일 수 있다.
상기 본 발명의 유압식 제어봉 구동장치의 구조의 특수성을 비교하기 위하여 종래에 이용되던 유압식 제어봉 구동장치들의 구조를 다음과 같이 제시한다.
도 4(a) 내지 도 4(e)는, 본 발명의 비교예로서 종래의 방식에서 이용되던 유압식 제어봉 구동장치의 구조들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5(a)는, 본 발명의 비교예로서 종래의 방식에서 이용되던 유압식 제어봉 구동장치의 하부 고정부이고, 도 5(b)는, 종래의 방식에 따라 도 5(a)의 하부 고정부가 상부구동부에 결합된 그림을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4(a) 내지 도 4(e)와 도 5(a) 및 도 5(b)를 참고해보면, 종래에 이용되던 유압식 제어봉 구동장치의 경우, 하부 고정부, 상부 구동부 또는 둘 다에 양각 또는 음각 형태로 형성된 패턴의 홈들이 반복적으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래의 유압식 제어봉 구동장치들은 일정한 패턴이 반복되는 Grooved cylinder 혹은 구멍(patterned holes)을 포함하는 형태로 제안되어 왔다. 이러한 구조의 제어봉 구동장치들은 상부구동부의 위치에 따라 유체가 흐르는 유로의 단면적이 반복적인 형태로(좁거나 넓은 유로를 형성하며) 변화하게 된다.
이와 같은 기존의 유압식 제어봉 구동장치에서 제어봉의 상승위치 구동을 예로 들어 설명하면, 유로의 단면적이 가장 넓은 지점에 위치해 있던 상부 구동부가, 입구 밸브 제어를 통하여 유량이 증가되면, 그 증가된 유량으로 인해 내부 압력이 증가하게 된다. 내부 압력이 증가되면 외부 압력 간의 차이로 인해 상승 구동력이 발생하게 된다. 상승 구동력으로 인해 상부 구동부가 상승되면서, 이 때 유로 단면적이 일순간 감소하게 되면서 내부 압력이 급격히 증가하는 형태(그래프의 피크 (peak) 값)로 나타나게 된다. 그 후에 밸브 제어를 통하여 유량을 감소시키면 다음 스텝에서 제어봉이 정지하게 되는 구조이다.
반면, 본 발명에서 제안하는 유압식 제어봉 구동장치의 경우, 입구 밸브 제어를 통해 유량이 증가되면, 증가된 유량으로 인하여 내부 압력이 상승하게 되고, 외부 압력과의 차이로 인해 상승 구동력이 발생하는 것은 상술한 비교예의 경우와 동일하다. 그러나 본 발명의 경우 이 때, 상부 구동부가 상승하더라도 반복적 패턴의 유로가 형성되어 있지 않기 때문에 유로의 단면적이 급격히 감소되지 않는다. 다만, 유량에 의해 발생하게 된 압력은 계단식 구조의 유로의 증가된 단면적으로 인하여 점진적으로 감소하게 된다. 또한, 계단식 구조의 유로가 존재하기 때문에 비교예의 경우와 달리 밸브를 제어함으로써 유량을 감소시킬 필요가 없으며, 다음 스텝 위치에서 제어봉은 자연히 정지하게 된다. 즉, 계단식 구조 유로의 존재로 인하여 밸브의 구동이 두 번 필요로 되지 않아 구동 방법의 단순화, 간편화를 도모할 수 있으며, 제어봉의 이동 과정에서 유량과 압력을 측정해 보면 피크(peak)값이 나타나지 않는다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용하여 제어봉 위치를 제어할 경우 유량 및 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 도 6의 그래프와 대비하기 위하여 제시된 그래프로서, 본 발명의 비교예로서 종래의 설계 방식에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용하여 제어봉 위치를 제어할 경우 유량 및 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
상기 도 6과 도 7을 대비해 보면, 상술한 구조상의 차이가 제어봉의 위치 이동 과정에서 유량 및 압력으로 어떻게 드러나는지 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계단식 구조의 유로는 적어도 3 개 이상의 단을 포함하고, 상기 계단식 구조의 유로의 단 사이의 간격은 일정한 것일 수 있다.
상기 계단식 유로의 단 사이의 간격은 제어봉의 상승 또는 하강 구동을 얼마나 정밀하게 제어하고 싶은지에 따라서 변형 설계될 수 있다. 다만, 상기 단은 적어도 3 개 이상 구비되어야 제어봉의 각 단계 설계 시 의미가 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계단식 구조의 유로는, 50 개 내지 300 개의 구분되는 단을 포함하는 것일 수 있다.
상기 계단식 구조의 유로는 3개 이상 더 많게는 50개, 또는 원자로의 크기에 따라 300개 까지도 구분되는 단을 포함하도록 설계될 수 있다. 다만, 상기 계단식 구조의 유로의 구분되는 단은 필요에 따라 더 많은 단으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계단식 구조의 유로의 단차는, 50 mm 내지 500 mm 인 것일 수 있다.
상기 단차는 일 예로서, 바람직하게는 50 mm 내지 500 mm로 제안될 수 있지만, 본 발명에서 단차의 길이는 설계 상의 필요에 따라 더 좁게 또는 더 넓게 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 삽입될 때, 상기 상부 구동부와 상기 하부 고정부 사이에는 환형 유로가 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 삽입될 때, 상기 하부 고정부의 중공형 구조로 유체가 유입되어 상승 유동이 발생하고, 상기 하부 고정부와 상기 상부 구동부 사이 및 상기 하부 고정부의 계단식 구조의 유로에는 유체의 하강 유동이 발생하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때, 시간에 따른 유속의 변화 그래프는 단차 있는 형태로 상승 또는 하강하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때, 시간에 따른 유속의 변화 그래프는 피크 값을 가지지 않는 것(peak-free)일 수 있다.
이는 상술한 것과 같이 본 발명에서 제안하는 특유의 하부 고정부의 단차있는 유로로 인한 결과이다. 시간에 따른 유속의 변화 그래프는 앞서 도 6에서 설명한 바 있으며, 이는 도 7과 비교할 때, 그 차이가 더욱 뚜렷하게 드러나는 것이다.
즉, 상술한 구조로 인하여 안정적인 유량 변화를 유지할 수 있고, 이는 원자로의 제어봉 구동장치의 내구성과 불안정성 문제를 완화시키는데 도움이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때, 제어봉의 위치에 따라 유량 및 유속이 상이한 것일 수 있다.
하부 고정부가 상부 구동부 내부로 상하 구동할 경우 제어봉의 위치에 따라 상하로 단차있게 형성된 계단식 구조의 유로로 인해 유로의 단면적이 변화하게 된다. 따라서, 이는 유량 및 유속의 변동을 야기하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어봉의 상승 또는 하강 위치 구동 시, 한 차례의 밸브 제어 만으로 제어봉의 위치 변화가 가능한 것일 수 있다.
본 발명에서는 상승 또는 하강 위치 이동을 원할 때, 한 차례의 밸브 제어를 통해 제어봉이 운동을 시작하면, 단차있게 형성된 계단식 구조의 유로의 존재로 인하여, 운동을 멈추는 단계에서는 밸브의 제어를 필요로 하지 않게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 고정부의 원통형 구조의 폭은 0.04 m 내지 0.06 m 이고, 상기 상부 구동부의 실린더형 열린 공간의 폭은 0.06 m 내지 0.09 m 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유압식 제어봉 구동장치에서 제어되는 유량은, 40 내지 120 kg/min 인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에서는 상술한 유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로의 운전 방법, 제어봉의 상 하부 위치 구동을 통한 원자로 운전 방법에 대하여 제안한다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로 운전 방법은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용하는 것이고, 노심에 공급되는 냉각재의 유량을 조절하거나 추가적인 유로를 구비하여 독립적으로 유량을 제어함으로써 제어봉의 위치를 변화시키고 원자로 출력을 제어하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측에서는 이러한 장치들을 포함하는 신개념의 원자로를 제안한다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 유압식 제어봉 구동장치를 포함하고, 노심에 공급되는 냉각재의 유량을 조절하거나 추가적인 유로를 구비하여 독립적으로 유량을 제어함으로써 제어봉의 위치를 변화시키고 원자로 출력을 제어하는 것이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 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 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10. 상부 구동부
20. 제어봉
30. 하부 고정부
40. 계단식 구조의 유로
50. 작동 유체의 유동방향
60. 환형 유로

Claims (14)

  1. 중심부에 아래 방향으로 열린 공간이 형성되는 실린더형 상부 구동부; 및
    상기 상부 구동부의 열린 공간을 향해 유압에 의해 상하방향으로 삽탈되고, 중공형 구조를 포함하는 원통형 하부 고정부;를 포함하고,
    상기 하부 고정부는 상하 방향으로 단차가 있도록 형성된 계단식 구조의 유로를 하나 이상 포함하는 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계단식 구조의 유로는 적어도 3 개 이상의 단을 포함하고,
    상기 계단식 구조의 유로의 단 사이의 간격은 일정한 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계단식 구조의 유로는, 50 개 내지 300 개의 구분되는 단을 포함하는 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계단식 구조의 유로의 단차는, 50 mm 내지 500 mm 인 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 삽입될 때,
    상기 상부 구동부와 상기 하부 고정부 사이에는 환형 유로가 형성되는 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 삽입될 때,
    상기 하부 고정부의 중공형 구조로 유체가 유입되어 상승 유동이 발생하고,
    상기 하부 고정부와 상기 상부 구동부 사이 및 상기 하부 고정부의 계단식 구조의 유로에는 유체의 하강 유동이 발생하는 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때,
    시간에 따른 유속의 변화 그래프는 단차 있는 형태로 상승 또는 하강하는 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때,
    시간에 따른 유속의 변화 그래프는 피크 값을 가지지 않는 것(peak-free)인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하부 고정부가 상기 상부 구동부의 열린 공간으로 상하 구동할 때,
    제어봉의 위치에 따라 유량 및 유속이 상이한 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    제어봉의 상승 또는 하강 위치 구동 시,
    한 차례의 밸브 제어 만으로 제어봉의 위치 변화가 가능한 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하부 고정부의 원통형 구조의 폭은 0.04 m 내지 0.06 m 이고,
    상기 상부 구동부의 실린더형 열린 공간의 폭은 0.06 m 내지 0.09 m 인 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유압식 제어봉 구동장치에서 제어되는 유량은, 40 kg/min 내지 120 kg/min 인 것인,
    유압식 제어봉 구동장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 유압식 제어봉 구동장치를 이용하는 것이고,
    유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로 운전 방법.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 유압식 제어봉 구동장치 및 제어봉을 포함하고,
    노심에 공급되는 냉각재의 유량을 조절하거나 추가적인 유로를 구비하여 독립적으로 유량을 제어함으로써 제어봉의 위치를 변화시키고 원자로 출력을 제어하는,
    유압식 제어봉 구동장치를 이용한 원자로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130044228A (ko) * 2010-03-12 2013-05-02 뱁콕 앤드 윌콕스 뉴클리어 오퍼레이션즈 그룹, 인크. 원자로용 제어봉 구동기구

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130044228A (ko) * 2010-03-12 2013-05-02 뱁콕 앤드 윌콕스 뉴클리어 오퍼레이션즈 그룹, 인크. 원자로용 제어봉 구동기구

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김인국 외 1명, 대한기계학회 2018년도 학술대회(KSME18-Fr18B007), pp.2941-2944(2018.12.31.) 1부.* *

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