KR102649447B1 - 내부유동 조절가능한 소형모듈형반응기 및 이를 이용한 소형모듈형반응기의 내부유동 조절방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부유동 조절가능한 소형모듈형반응기 및 이를 이용한 소형모듈형반응기의 내부유동 조절방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 내부유동을 조절가능한 소형모듈형반응기는, 하부 반구를 포함하는 원자로 용기; 상기 원자로 용기 내에 위치하는 노심; 상기 원자로 용기 내에 위치하며 상기 노심의 상부에 위치하는 증기발생기; 상기 노심의 하부로부터 상기 하부 반구를 향해 돌출되어 있으며, 돌출길이의 조절이 가능한 유동조절부를 포함하며, 상기 증기발생기에서의 열교환을 통해 냉각된 냉각수는 자연순환을 통해 상기 하부 반구로 내려와 상기 유동조절부를 거친 후 상기 노심으로 공급된다.

Description

내부유동 조절가능한 소형모듈형반응기 및 이를 이용한 소형모듈형반응기의 내부유동 조절방법{Small modular reactor having property of controlling internal flow and method of controlling internal flow in small modular reactor}

본 발명은 자연순환 방식에서 내부유동을 조절가능한 소형모듈형반응기 및 이를 이용한 소형모듈형반응기의 내부유동 조절방법에 관한 것이다.

SMR(small modular reactor)에서의 냉각수는 강제순환 또는 자연순환의 방식으로 반응기 내부에서 순환한다.

강제순환 방식에서는 펌프를 이용하여 냉각수를 순환시킨다. 강제순환에서는 노심하부에 플로우 스커트를 설치하여 노심으로 유입되는 냉각수가 수평적으로 고르게 배분되도록 한다.

반면, 자연순환 방식에서는 플로우 스커트를 사용할 수 없어, 냉각수의 내부유동을 조절하기 어렵다.

한국 등록 제10-1872700호(2018년 7월 2일 공고)

따라서 본 발명의 목적은 자연순환 방식에서 내부유동을 조절가능한 소형모듈형반응기 및 이를 이용한 소형모듈형반응기의 내부유동 조절방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 내부유동을 조절가능한 소형모듈형반응기에 있어서, 하부 반구를 포함하는 원자로 용기; 상기 원자로 용기 내에 위치하는 노심; 상기 원자로 용기 내에 위치하며 상기 노심의 상부에 위치하는 증기발생기; 상기 노심의 하부로부터 상기 하부 반구를 향해 돌출되어 있으며, 돌출길이의 조절이 가능한 유동조절부를 포함하며, 상기 증기발생기에서의 열교환을 통해 냉각된 냉각수는 자연순환을 통해 상기 하부 반구로 내려와 상기 유동조절부를 거친 후 상기 노심으로 공급되는 것에 의해 달성된다.

상기 유동조절부는, 동심원 형태로 배치된 링형태의 다수의 유동판을 포함하며, 상기 각 유동판은 돌출길이의 조절이 독립적으로 가능할 수 있다.

상기 유동조절부는, 상기 유동판의 바깥쪽에 링형태로 고정되어 있는 고정판을 더 포함하며, 상기 고정판의 돌출길이는 상기 유동판의 최대 돌출길이보다 길 수 있다.

상기 유동판의 돌출길이는 냉각수가 평평한 유동면을 가지고 상기 노심으로 공급되도록 조절될 수 있다.

상기 본 발명의 목적은 소형모듈형반응기의 내부유동을 조절하는 방법에 있어서, 상기 소형모듈형반응기는, 하부 반구를 포함하는 원자로 용기; 상기 원자로 용기 내에 위치하는 노심; 및 상기 원자로 용기 내에 위치하며 상기 노심의 상부에 위치하는 증기발생기를 포함하며, 상기 소형모듈형반응기를 기동하는 단계; 및 상기 소형모듈형반응기를 정상운전하는 단계를 포함하며, 상기 소형모듈형반응기에서의 냉각수는 자연순환하며, 상기 소형모듈형반응기의 기동 및 정상운전에 따라 상기 하부 반구에서 상기 노심으로 공급되는 냉각수의 유동흐름을 조절하는 것에 의해 달성된다.

상기 소형모듈형반응기는, 상기 노심의 하부로부터 상기 하부 반구를 향해 돌출되어 있으며, 돌출길이의 조절이 가능한 유동조절부를 더 포함하며, 상기 유동흐름의 조절은 상기 유동조절부를 통해 수행될 수 있다.

상기 유동조절부는, 동심원 형태로 배치된 링형태의 다수의 유동판을 포함하며, 상기 각 유동판은 돌출길이의 조절이 독립적으로 가능할 수 있다.

상기 각 유동판의 돌출길이의 조절은, (1) 운전단계 및 (2) 상기 노심 상부에서의 유속을 기초로 수행될 수 있다.

상기 유동조절부는, 상기 기동단계에서보다 상기 정상운전 시에 상기 각 유동판의 돌출길이 간의 편차가 클 수 있다.

상기 유동조절부는, 상기 정상운전 시에 상기 동심원의 중심부에 가까울수록 상기 유동판의 돌출길이가 길 수 있다.

본 발명에 따르면 자연순환 방식에서 내부유동을 조절가능한 소형모듈형반응기 및 이를 이용한 소형모듈형반응기의 내부유동 조절방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형반응기의 단면도이고,
도 2는 도 1의 A부분의 확대도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 반응기의 유동판을 나타낸 것이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 반응기에서 유동판의 작동을 나타낸 것이고,
도 5 및 도 6은 유동판의 돌출길이 변화에 따른 냉각수의 내부유동을 시뮬레이션한 결과이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.

펌프가 없이 부력 및 중력에 의한 자연순환에 의존하는 SMR에서는 내부 유동의 첫 출발점이자 동력원인 노심(핵연료 다발)에서의 발생열이 냉각수에 원활하게 전달되어 부력을 발생시키고 내부 유로를 통한 상승을 작동하게 함에 있어, 강제순환펌프와 조합을 이루는 플로우 스커트 역할을 할 수 있는 자연순환 조건하의 최적의 유로를 구현할 수 있는 방법이 필요하다. 이때 노심의 핵연료 집합체가 각 구역마다 온도가 다르므로 노심 하부 냉각수의 부력 생성에 미치는 영향이 달라 노심하부에서 노심을 지나 노심 상부로 유로가 형성될 때 최대한 유로평준화를 구현할 필요성이 있다. 본 발명에서는 노심 하부에서 유로의 조절을 통해 노심의 각 부분으로 공급되는 냉각수의 유로를 최적화한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형반응기의 단면도이고, 도 2는 도 1의 A부분의 확대도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 반응기의 유동판을 나타낸 것이다.

소형모듈형반응기(1)는 원자로 용기(10), 노심(20), 증기발생기(30) 및 유동조절부(40)을 포함한다.

도시하지는 않았지만 소형모듈형반응기(1)는 냉각수의 흐름을 조절하기 위한 쉬라우드 및/또는 라이저를 더 포함할 수 있다. 또한 노심(20)의 반응도를 제어하기 위한 제어봉 등을 더 포함할 수 있다.

도시하지는 않았지만, 유동조절부(40)를 구동시키는 구동부, 구동부를 제어하는 제어부 및 유동조절부(40)를 지지하는 지지부를 더 포함할 수 있다. 이 때 유동조절부(40)는 냉각수 흐름을 방해하지 않도록 마련된다.

용기(10)의 최하부에는 하부 반구(11)가 형성되어 있다. 노심(20)을 거치면서 온도가 상승한 냉각수는 증기발생기(30)의 상부로 이동한다. 이후 냉각수는 증기발생기(30)에서 열교환하여 냉각된 후, 노심(20)의 측면, 하부 반구(11) 및 유동조절부(40)를 순차적으로 거친 후 다시 노심(20으로 공급된다.

유동조절부(40)는 고정판(41)과 유동판(42a, 42b, 42c)를 포함한다.

고정판(41)과 유동판(42a, 42b, 42c)은 링 형태이며, 유동판(42a, 42b, 42c)은 하부 반구(11)를 향한 돌출길이가 독립적으로 조절된다.

고정판(41)은 유동판(42a, 42b, 42c)의 최대 돌출길이보다 길게 형성되어 있다.

유동판(42a, 42b, 42c)은 도 3과 같이 직경이 서로 다른 링 형태이며, 동심원 형태로 배치되어 있다. 유동판(42a, 42b, 42c)의 높이는 서로 동일하거나 다를 수 있다.

소형모듈형반응기(1)는 별도의 제어부 및 센서를 더 포함할 수 있다. 센서를 통해 확인한 유량데이터 및/또는 온도 데이터 등을 기초로 제어부는 각 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이를 조절하여 노심(10)으로 공급되는 냉각수가 평평한 유동면을 갖도록 조절한다.

이에 한정되지 않지만 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이는 노심 상부(B 영역)에서 각 부분에서의 유속을 측정하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 중앙쪽(도 4b의 C 영역)의 유속이 빠르다면 중앙쪽의 유동판(42c)의 돌출길이를 증가시키고 외곽(도 4b의 D 영역)의 유동판(42a, 42b)의 돌출길이는 감소시킬 수 있다. 돌출길이가 길어진 중앙쪽 유동판(42c)에 의해 유로가 길어져 중앙 쪽의 유속이 감소한다.

도 4a 및 도 4b를 참조하여 유동판의 작동을 설명한다.

유동조절부(40)는 유속에 따라 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출높이에 변화를 주어 노심(10)에 공급되는 냉각수가 최대한 평평한 유동면을 이루게 한다.

정상운전 상태에서는 유속의 변화가 없으나, 정지 상태에서 정상운전으로 가기 위해서는 과도 상태에 노심(10)의 위치마다 온도가 변하고 그에 따라 냉각수의 온도가 달라지고 유속도 달라져서 노심(10)에 들어오기 전에 그 유동상태가 변화한다.

통상 정지상태에서 출력운전을 정상상태까지 가기 위해서는 2일 정도의 시간이 걸리는데, 본 발명에서는 유동조절부(40)를 가변하여 정지상태에서 정상상태까지 최적의 유로를 형성한다.

기동상태에서는, 도 4a와 같이 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이의 편차가 크지 않고 정상상태에서는 도 4b와 같이 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이의 편차가 클 수 있다. 특히 정상상태에서는 동심원의 중심부로 갈수록 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이가 길어질 수 있다.

정지상태에서 원자로의 운전을 시작하여 정상상태에 이르기까지는 1시간에 약 3%의 출력 상승을 수행하게 되며 이때 노심(10)의 발생열이 냉각수의 온도 상승 및 부력에 의한 원자로 상층부로의 상승유로를 형성하게 된다. 초기 기동상태에서는 노심의 전반에 걸쳐 고른 온도 분포를 이루게 되어 노심하부로 유입되는 냉각수의 온도와 유속이 하부 구조물의 벽저항에 크게 영향을 받는 최외곽(D 영역)의 유로가 상대적으로 낮을 가능성이 크므로 외곽의 유동판(42a)의 돌출길이는 나머지 유동판(42b, 42c)과 유사하거나 보다 낮도록 한다. 출력이 상승함에 따라 노심(10)의 각 부위의 온도변화가 생기고 그로 인한 유속의 변화에 따라 유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이를 조절한다.

최종적으로 정상상태 출력운전으로 도달하게 되면 유동평준화 조절부의 모양은 고정되며, 통상의 핵연료 주기에서 노심(10)의 중앙부가 가장 높은 온도분포를 보이므로 중앙부에서의 유로저항을 크게 하기 위해 중심부의 유동판(42c)의 돌출길이를 가장 크게 하고, 외곽으로 갈수록 유동판(42b, 42c)의 돌출길이가 순차적으로 낮아지도록 한다.

유동판(42a, 42b, 42c)의 돌출길이 분포를 변화시키면 냉각수의 유동형태가 조절되는 것은 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.

도 5 및 도 6은 유동판의 돌출길이 변화에 따른 냉각수의 내부유동을 시뮬레이션한 결과이다.

도 5는 기동 시의 내부유동을 모사한 것이고, 도 6은 정상운전 시의 내부유동을 모사한 것이다.

모사 조건은 다음과 같다.

초기 기동(출력상승 구간), 정상상태(100% 출력운전 구간)

초기기동은 크게 3가지 모양(노심하부)으로 출력상승구간을 다시 3가지 조건으로 나눠서 해석, 그 후 최종 정상상태 100% 출력운전구간 해석

도 5 및 도 6을 보면 초기기동/정상운전 및 유동판의 돌출길이 분포에 따라 내부유동이 상이함을 확인할 수 있다.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 소형모듈형반응기의 내부유동을 조절하는 방법에 있어서,
   상기 소형모듈형반응기는,
   하부 반구를 포함하는 원자로 용기;
   상기 원자로 용기 내에 위치하는 노심; 및
   상기 원자로 용기 내에 위치하며 상기 노심의 상부에 위치하는 증기발생기를 포함하며,
   상기 소형모듈형반응기를 기동하는 단계; 및
   상기 소형모듈형반응기를 정상운전하는 단계를 포함하며,
   상기 소형모듈형반응기에서의 냉각수는 자연순환하며,
   상기 소형모듈형반응기의 기동 및 정상운전에 따라 상기 하부 반구에서 상기 노심으로 공급되는 냉각수의 유동흐름을 조절하며,
   상기 소형모듈형반응기는,
   상기 노심의 하부로부터 상기 하부 반구를 향해 돌출되어 있으며, 돌출길이의 조절이 가능한 유동조절부를 더 포함하며,
   상기 유동흐름의 조절은 상기 유동조절부를 통해 수행되며,
   상기 유동조절부는,
   동심원 형태로 배치된 링형태의 다수의 유동판을 포함하며,
   상기 각 유동판은 돌출길이의 조절이 독립적으로 가능한 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제5항에 있어서,
   상기 각 유동판의 돌출길이의 조절은,
   (1) 운전단계 및 (2) 상기 노심 상부에서의 유속을 기초로 수행되는 방법.
9. 제5항에 있어서,
   상기 유동조절부는,
   상기 기동단계에서보다 상기 정상운전 시에 상기 각 유동판의 돌출길이 간의 편차가 큰 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 유동조절부는,
    상기 정상운전 시에 상기 동심원의 중심부에 가까울수록 상기 유동판의 돌출길이가 긴 방법.