KR102608348B1 - 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 원자력 분야, 원자력발전소(NPP)의 안전을 보장하는 시스템과 관련되며, 노심 용융, 원자로 용기 파괴, 원전 밀폐공간으로의 용해 방출을 초래하는 중대 사고에 이용될 수 있으며, 원자로 노심 용융의 냉각을 위한 시스템의 일환으로 용융 트랩 본체 내부에 설치된 물 대 물 댐퍼를 사용하여 용해로 인한 열 제거의 효율을 높이고, 구조물의 신뢰성을 높여 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템의 신뢰성 향상을 도모할 수 있다.

Description

가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템

본 발명은 특히 원자력 분야, 원자력 발전소의 안전을 보장하는 시스템에 관련한 것으로, 특히 노심 용융, 원자로 용기의 파괴, 원자력 발전소의 격납 용기 공간으로부터 용융물이 유출되는 심각한 사고에 이용될 수 있는 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템에 관한 것이다.

가장 큰 방사선 위험은 노심 용융 사고로 인해 발생하는데, 이는 능동 및 수동 안전시스템과 정상 운전계통의 다양한 고장(기기 소자의 파괴)의 조합 또는 원자력 발전소의 완전 정전상태에서 발생할 수 있으며, 시간 간격 내에 전력공급이 불가능한 상태에서 발생할 수 있다. 이에 따라 노심의 비상 냉각을 보장하기 위한 원자력 발전소 설계가 요구된다.

이러한 사고에서는, 코리움이라 하는 노심 용융물이 노내 구조물 및 원자로 압력 용기를 용융시키면서 외부로 유출하여 그 잔류 발열에 의해, 방사능 물질의 외부 환경으로의 유출을 방지하는 마지막 장벽인 격납 용기의 완전성을 손상시킬 수도 있다.

상기 가능성을 배제하기 위해서는 원자로 압력 용기에서 유출된 노심 융해물을 포착한 다음, 노심 융해물의 모든 구성 재료가 완전히 결정화하기까지 지속적으로 냉각시킬 필요가 있다. 이 기능은 원자로 노심 용융물 포착 냉각 시스템에 의해 실행되고 원자로의 가혹 사고에서 원자로의 격납 용기 파손을 방지하고 방사선 영향에서 주민 및 환경을 보호한다.

이러한 가압수형 원자로 노심 용융물 포착 냉각 시스템[특허문헌 1]으로서, 원자로 용기의 바닥 아래에 설치되는 용융 트랩(melt trap:용융물 포착기)을 포함하고, 실란트를 사이에 두는 외벽과 내벽으로 구성된 다층형 용기의 형태로 냉각된 쉘(용기)을 구비하며, 상기 다층 용기에 배치된 용융물을 희석하는 충전제(필러;filler)가 알려져 있다.

그 같은 계통의 단점은 원자로 용기의 초과 압력과 용융 트랩 내 코륨의 유출과 섭취 마크의 수준차에 의해 발생하는 유체역동압력의 영향을 받아 원자로 용기 밖으로 코륨이 흘러나오는 용융 트랩의 설계 특성으로 인해 신뢰성이 낮다는 것이다. 트랩 본체의 기저부, 원뿔 및 토러스 부분에 열역학적 충격을 가하여 제한된 구역에서 고농도의 열을 발생시켜 트랩 본체의 하부가 과열되어 열역학적 작용에 의해 파괴될 수 있다.

다른 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템[특허문헌 2]으로는, 원자로 용기의 바닥 아래에 설치되는 용융 트랩을 포함하고 외벽과 내벽으로 구성된 다층형 용기의 형태로 냉각된 쉘을 장착하며, 외벽과 내벽 사이에 실란트가 있고 내부 층과 외부 층 사이에 베어링 리브가 있으며, 상기 다층 용기에 배치된 용융 희석용 충전제가 알려져 있다.

상기 선행기술인 특허문헌 2 계통의 단점은 원자로 용기의 초과 압력과 용융 트랩 내 코륨의 유출과 섭취 마크의 수준차에 의해 발생하는 유체역동압력의 영향을 받아 원자로 용기 밖으로 코륨이 흘러나오는 용융 트랩의 설계 특성으로 인해 신뢰성이 낮다는 것이다. 트랩 본체의 기저부, 원뿔 및 토러스 부분에 열역학적 충격을 가하여 제한된 구역에서 고농도의 열을 발생시켜 트랩 본체의 하부가 과열되어 열역학적 작용에 의해 파괴될 수 있다.

또 다른 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템[특허문헌 3]으로는, 원자로 용기의 바닥 아래에 설치되는 용융 트랩을 포함하고 외벽과 내벽으로 구성되는 다층기 용기의 형태로 냉각된 쉘을 장착하고, 외벽과 내벽 사이에 실란트가 있고 상기 다층 용기에 배치된 용융 희석용 충전제가 알려져 있다.

특허문헌 3 계통의 단점은 원자로 용기의 초과압력과 용융트랩 내 코륨의 유출과 섭취마크의 수준차에 의해 발생하는 유체역역학적 압력의 영향을 받아 원자로 용기 밖으로 코륨이 흘러나오는 용융트랩의 설계 특성으로 인해 신뢰성이 낮다는 것이다. 트랩 본체의 기저부, 원뿔 및 토러스 부분에 열역학적 충격을 가하여 제한된 구역에서 고농도의 열을 발생시켜 트랩 본체의 하부가 과열되어 열역학적 작용에 의해 파괴될 수 있다.

러시아 특허 번호 2576516, IPC G21C 9/016, 출원일: 2014년 12월 16일 러시아 특허 번호 2576517, IPC G21C9/016, 출원일: 2014년 12월 16일 러시아 특허 번호 2575878, IPC G21C 9/016, 출원일: 2014년 12월 16일

청구된 본 발명의 기술적 결과는 가압수형 원자로 노심 용융물의 포착 냉각 시스템의 신뢰성을 향상시키는 것이다.

청구된 본 발명으로 해결해야 할 문제는 용해로 인한 열 제거의 효율을 높이고 구조물의 신뢰성을 높이는 것이다.

본 발명의 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템에서는, 용융 트랩을 포함한 냉각수형 원자로 코어 용융 냉각 및 제한 시스템에 있어서, 상기 용융 트랩은 원자로 용기의 하부 헤드 밑에 장착되어 있으며; 용융 트랩 용기는 외부 용기와 내부 용기로 구성되어 있으며; 상기 외부 용기와 상기 내부 용기 사이에는 골재와 용융 희석 필러가 있으며; 상기 용융 희석 필러는 용융 트랩 용기의 내부에 위치하며; 상기 용융 트랩 용기 내부는 추가적으로 댐퍼를 수용하고; 상기 댐퍼는 중앙 쉘, 힘 리브, 경사진 플레이트, 및 고정장치를 포함하며; 상기 힘 리브는 중앙 쉘에 연결되며; 상기 경사진 플레이트는 힘 리브 사이에 위치하며; 상기 고정장치는 댐퍼를 용융 트랩 용기에 고정시키도록 구성되어 있다.

또한 본 발명의 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템에서는, 경사 댐퍼 판의 두께(h_plate)와 댐퍼 힘 리브의 두께(h_rib)가, 0.1h_rib <h_plate <1.0h_rib의 조건을 충족한다.

또한, 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템에서는 내부측으로부터 하부에 있는 용융 트랩의 본체가 몸체의 하부에 안착하는 내부 방사형 지지대를 가지고 있으며, 그 지지대와 연결되어 있다.

또한 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템에서는 케이스의 내부 방사형 지지대가 클램프를 통해 댐퍼에 연결되며, 방사형 지지대와 클램프는 각각 원형 또는 타원형 구멍을 구비하고 있다.

청구된 본 발명의 한 가지 특징은 중앙 맨틀, 중앙 맨틀에 연결된 베어링 리브, 베어링 리브 사이에 위치한 경사진 플레이트, 댐퍼를 용융 트랩의 몸체에 고정시키는 클램프 등으로 구성되는 용융 트랩의 몸체 내부에 설치된 댐퍼로 차체 트랩의 바닥을 파괴로부터 보호하는 것이다. 예를 들어 원자로 용기 바닥의 파편과 같은 노심 용융 및 비행 물체의 제트기에 의해, 또한 필러에 대한 용융 운동 에너지의 균일한 분포로 인해 노심 용융의 과열된 제트가 용기 하부에 위치한 필러 부분에 직접 영향을 미치지 않도록 수동형 수화 기계적 보호도 제공한다.

청구된 본 발명의 또 다른 독특한 특징은 댐퍼 틸티드 플레이트의 두께 h_plate가 댐퍼 베어링 리브의 두께와 다음 비율이라는 것이다: 0.1_hrib <h_plate <1.0h_rib, 여기서 능선은 댐퍼 베어링 리브의 두께로, 과열된 제트 노심 용융 프로의 효과적인 편향을 보장할 수 있다. 코어 용융물 과열 제트가 본체 하단 중앙 부분을 직접 접촉한다. 이 경우 리브의 두께가 작고, 예를 들어 10~30mm에 가까운 경우 1.0h_rib에 가까운 비율을 선택해야 하며, 그렇지 않으면 경사 플레이트는 코어 용융의 과열된 제트의 편향을 보장할 수 없게 된다.

청구된 본 발명의 또 다른 특징은 내측 하부에 있는 용융 트랩의 본체가 내측 방사형 지지대가 몸체 바닥에 놓여 있고 그 지지대와 연결되어 있어 트랩 본체의 방사형 열팽창을 보장하고 비대칭 시 몸체 밑바닥의 파괴 위험을 제거한다는 점이다. 환형, 섹터, 코드 지지대를 사용하는 것과는 대조적으로 하단은 선체 하단의 열팽창으로 추가적인 기계적 방사상 및 방위상 응력을 발생시켜 하단의 비설계적 변형을 초래하고 균열 형성과 구조물의 무결성을 위반하게 된다.

청구된 본 발명의 또 다른 독특한 특징은 신체의 내측 방사형 베어링은 래치를 통해 댐퍼에 연결되는 반면, 각 방사형 베어링과 고정기는 보증된 간극이 있는 원형 또는 타원형 구멍을 가지고 있어 고정기의 원형 또는 타원형 요소가 전단 및 찌그러짐뿐만 아니라, 또한 구부러짐. 예를 들어, 압착에 의해서도 에너지 흡수를 제공하는 핀, 핀, 샤프트 또는 파이프는 둥근 요소의 역할을 할 수 있다.

가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템의 신뢰성을 향상시키고,

청구된 본 발명은 용해로 인한 열 제거의 효율을 높이고 구조물의 신뢰성을 높일 수 있다. 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템의 일환으로 용융 트랩 본체 내부에 설치된 물 대 물 댐퍼를 사용하여 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 청구된 본 발명에 따라 만들어진 댐퍼와 주입구를 트랩에 설치한 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템을 보여주고 있다.

이하에 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은, 청구된 본 발명의 장치를 도시한 것으로서, 용융 트랩(2)을 포함하며, 원자로 바닥 아래에 설치되고 내부 및 외부 용기(4, 5)로 구성되며, 그 사이에 실란트(6), 용융물(3)을 희석하기 위해 필러(7)가 있으며, 용융물(3)을 트랩(2)의 내부 용기(4)에 배치하고, 용융물(3)의 트랩(2)의 내부 용기(4)에는 댐퍼(8)가 추가로 위치하며, 중앙 맨틀(9), 그 중앙 맨틀(9)에 연결된 베어링 리브(10), 그 베어링 리브(10) 사이에 위치한 경사 플레이트(경사판)(11), 댐퍼(8)를 용융물(3)의 트랩(2) 본체에 고정하는 클램프(12)로 구성된다.

원자로 용기가 파괴되는 순간 정수압과 과잉 압력의 작용으로 노심의 용융물(3)이 용융물(3)의 트랩(2)의 내부 용기(4)로 흘러들어오기 시작해 필러(충전재,7)와 접촉하게 된다. 상기 필러(7)는 트랩(2) 내에서 코륨 용융물(3)의 체적 에너지 방출을 제공하며, 용융물(3)의 트랩(2) 외층과 에너지 방출 코륨의 열교환 표면을 증가시키기 위해 코륨과 코륨의 추가적인 산화를 목적으로 하며, 또한 수축한다. 강층 위에 코륨의 연료-분수 상승 조건의 생성에 대한 기여하며, 필러(7)는 철, 알루미늄, 지르코늄의 산화물이 함유된 강철 및 산화물로 만들 수 있으며, 원통형 부분뿐만 아니라 하단 원뿔형 부피에도 코륨 재분배를 위한 채널이 있다.

강철과 산화물은 원통형 카세트로 조립된다. 일반적으로 필러(7)에는 트랩 본체 하단에 장착된 첫 번째 카세트(13)와 첫 번째 카세트(13) 위에 위치한 두 번째 카세트(14) 및 두 번째 카세트(14) 위에 설치된 세 번째 카세트(15)가 들어 있다. 세 번째 카세트(15)는 차례로 여러 개의 카세트가 서로 위로 쌓이는 형태로 구성될 수 있다.

베어링 리브(10) 사이에 위치한 댐퍼(8)의 경사진 플레이트(경사판)(11)는 베어링 리브(10) 사이의 각 세그먼트에 평행하게 1~5개씩 설치된다. 경사판(11)의 수가 5개를 초과하면 경사판(11) 두께가 필요한 경사각을 제공하도록 줄여야 하기 때문에 추가 재분배 효과를 주지 않으며, 이는 필러(7)를 향한 노심 과열 용융물(3)의 편향을 보장한다.

내부 용기(4)의 방사형 지지대(16)의 수는 3~10개의 범위에서 설정된다. 이 경우 충격 구역은 본체의 하부를 따라 재분배되지 않고 국부적으로 집중되어 파괴될 수 있기 때문에, 3개 미만의 내부몸체의 방사형 지지대(16)의 수는 충격의 운동 에너지를 흡수하는 효과적인 작업을 제공하지 못한다. 내부 용기(4)의 방사형 지지대(16)가 10개 이상이면 재분배 효과가 증가하지 않고, 베어링 리브(10)의 두께가 감소해 원자로 용기 바닥의 낙하 파편에서 발생하는 충격의 운동 에너지를 흡수·재분배하고 내부 용기(4)의 에너지를 흡수하는 능력에 부정적인 영향을 미친다.

댐퍼(8)는, 원자로 용기에서 필러(7)로 노심 용융물(3)의 배출 초기 단계에서 노심 용융물(3)과 비산되는 물체(원자로 용기 바닥의 파편, 용기 내 장치의 파편, 연료 집합체 파편, 열 보호 장치 위에 위치한 파편)에 의해 첫 번째 카세트(13)가 파괴되지 않도록 보호한다. 두 번째 카세트(14)와 세 번째 카세트(15)도 두 번째 카세트(14)에 직접 설치된 그것들로부터, 비산되는 물체에 의한 파괴로부터 보호한다.

예를 들어 30초 동안 60톤의 과열된 강철을 살포할 경우 댐퍼(8)의 생존성은 약 10초지만, 이 시간은 용융된 과열된 강철의 첫 번째 충격 유입을 첫 번째 카세트(13)에서 그 위에 안전한 용융 수준이 형성될 때까지 제한하고 용융물(3)의 운동 에너지의 일부를 두 번째 및 세 번째 카세트(14, 15)로 재분배하여 용융물(3)이 첫 번째 카세트(13)보다 레벨을 높여 용융물의 운동에너지와 비산 물체의 후속되는 직접 작용으로부터 보호한다.

용융 트랩에 댐퍼를 사용하면 댐퍼 평면에 의해 용융된 금속의 수력학적 편향으로 인해 에너지를 재분배하여 용융 제한 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

2: 용융 트랩
3: 용융물
4: 내부 용기
5: 외부 용기
6: 실란트(밀봉재)
7: 필러
8: 댐퍼
9: 중앙 맨틀
10: 베어링 리브
11: 경사진 플레이트(경사판)
12: 클램프
13,14,15: 카세트
16: 지지대

Claims (4)

1. 용융 트랩을 포함한 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템으로,
   상기 용융 트랩은 원자로 용기의 하부 헤드 밑에 장착되어 있으며;
   용융 트랩 용기는 외부 용기와 내부 용기로 구성되어 있으며;
   상기 외부 용기와 상기 내부 용기 사이에는 골재와 용융 희석 필러(filler)가 있으며;
   상기 용융 희석 필러는 용융 트랩 용기의 내부에 위치하며;
   상기 용융 트랩 용기 내부는 추가적으로 댐퍼를 수용하고;
   상기 댐퍼는 중앙 쉘, 힘 리브, 경사진 플레이트, 및 고정장치를 포함하며;
   상기 힘 리브는 중앙 쉘에 연결되며;
   상기 경사진 플레이트는 힘 리브 사이에 위치하며;
   상기 고정장치는 댐퍼를 용융 트랩 용기에 고정시키는,
   가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   h_plate는 상기 댐퍼의 경사진 플레이트의 두께를 의미하며, h_rib는 댐퍼 힘 리브의 두께를 의미하고, 댐퍼의 경사진 플레이트의 두께(h_plate)와 댐퍼 힘 리브의 두께(h_rib)간에 다음과 같은 비율인, 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템:
   0.1h_rib <h_plate <1.0h_rib
3. 제1항에 있어서,
   상기 용융 트랩의 내부측 하부에는 방사형 지지대를 가지고 있고;
   상기 방사형 지지대는 용기의 하부 헤드에 놓여져 연결되어 있는, 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   용기의 방사형 지지대는 고정장치로 댐퍼에 연결되며, 방사형 지지대와 고정장치는 각각 원형 또는 타원형 구멍이 있는, 가압수형 원자로 노심의 용융물 포착 냉각 시스템.