KR102661958B1

KR102661958B1 - 원자로

Info

Publication number: KR102661958B1
Application number: KR1020210060897A
Authority: KR
Inventors: 임상규; 김용학; 이도환; 이상원; 허선
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2024-04-26
Also published as: KR20220153379A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 원자로는 노심을 포함하는 원자로 용기, 원자로 용기의 내벽을 따라 설치된 전열관을 포함하는 증기 발생기, 전열관에 냉각수를 공급하는 수관, 전열관과 수관 사이에 설치된 유량 제한기를 포함하고, 유량 제한기는 냉각수가 이동하는 공간을 제공하는 본체, 본체 내에 일정한 간격을 두고 설치되며 각각 복수의 관통 구멍을 가지는 복수의 다공판을 포함한다.

Description

원자로{NUCLEAR REACTOR}

본 발명은 원자로에 관한 것으로, 특히 유량 제한기를 포함하는 원자로에 관한 것이다.

소형 모듈형 원자로는 기존 원자로와 달리 증기 발생기와 원자로심이 하나의 용기 내에 일체형으로 설계된다. 소형 모듈형 원자로의 증기 발생기는 충분한 열전달 면적을 확보함은 물론 소형 원자로 용기 내에 증기 발생기 전열관이 위치하기 위해 헬리컬 코일 형태의 증기 발생기 전열관 설계를 채택하고 있다.

소형 모듈형 원자로는 원자로심을 통과한 고온수가 노심 상부로 이동되어 헬리컬 코일 전열관 외부 표면으로 흐르게 설계된다.

헬리컬 코일 전열관 상부에서 하부로 유동하면서 노심의 열을 증기발생기로 전달하고, 다시 노심 하부로 유입되는 구조를 가진다. 헬리컬 코일 전열관 내부는 증기 발생을 위한 급수가 공급된다. 전열관 하부로부터 급수가 공급되며 급수 유동이 전열관 상부로 이동되는 과정에서 열전달에 의해 증기로 변환된다.

이러한, 소형 모듈형 원자로의 헬리컬 코일 증기 발생기는 운전 영역 중 특정한 원자로 출력, 유체의 입구 온도 및 입구 유량조건에서 밀도파 유동 불안정성(density-wave flow instability)이 발생한다. 특히 원자로의 기동(start-up)시 밀도파 유동 불안정성이 발생하고, 이를 방지하기 위해서, 각각의 전열관 입구에 유량 제한기가 설치된다.

각 입구에 설치되는 유량 제한기는 각각의 좁은 전열관 입구에 볼트 타입 혹은 용접 형태로 고정 설치되고, 각각의 유량 제한기가 하나의 판에 부착되는 형태로 설계된다.

이러한 형태의 유량 제한기 설계는 장기간 운전에 따라 유량 제한기와 튜브 내의 좁은 유로에 슬러지 등 이물질이 점착되어 급수 유동을 방해할 수 있는 문제가 있으며, 각각의 유량 제한기가 구조적 건전성의 문제 혹은 이물질의 충돌에 의해 이탈되어 전열과 내부로 돌아다니며 전열관의 구조적 건전성에 문제가 발생할 가능성이 있다.

또한, 용접 형태의 경우 정비시 각 유량 제한기 및 헬리컬 코일 전열관의 건전성 검사가 어렵다.

따라서, 본 발명은 소형 모듈형 원자로의 증기 발생기에 밀도파 유동 불안정성을 방지하고, 유량 제한기 및 헬리컬 코일 전열관 검사가 용이하며 구조적으로 건전성을 확보할 수 있는 유량 제한기를 제공하는 것이다.

상기 관통 구멍은 다공판의 일면에 대해서 수직한 제1 방향으로 관통할 수 있다.

상기 전열관과 상기 유량 제한기 사이에 위치하는 노즐을 더 포함하고, 급수 노즐은 상기 수관으로부터 상기 전열관으로 갈수록 상기 급수 노즐의 폭이 증가할 수 있다.

상기 복수의 다공판 중 상기 급수 노즐과 가장 인접한 제1 다공판은 상기 제1 방향으로 관통하는 제1 관통 구멍, 다공판의 일면에 대해서 경사지게 형성된 제2 관통 구멍을 포함할 수 있다.

상기 제1 관통 구멍은 상대적으로 상기 다공판의 중심과 인접하고, 제2 관통 구멍은 상대적으로 상기 다공판의 가장자리와 인접할 수 있다.

상기 급수 노즐 내에 설치된 허니콤 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 급수 노즐 내에 설치되며, 냉각수가 이동하는 방향으로 긴 판형의 안내 날개를 더 포함하고, 안내 날개는 냉각수가 이동하는 방향에 수직한 방향으로 일정한 간격을 두고 복수로 배치될 수 있다.

상기 다공판은 다공판의 중심으로부터 다공판의 가장자리로 갈수록 관통 구멍의 크기가 증가할 수 있다.

상기 전열관은 헬리컬 코일일 수 있다.

본 발명에 따른 유량 제한기를 포함하는 원자로를 이용하면, 증기 발생기에 밀도파 유동 불안정성의 발생을 최소화할 수 있고 균일한 유량을 공급할 수 있다.

또한, 필요에 따라서 교체 가능하도록 설치됨으로써, 보수 및 수리가 용이하고, 유량 제한기 및 헬리컬 코일 전열관 검사가 용이하며 구조적으로 건전성을 확보할 수 있는 유량 제한기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 제한기의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 유량 제한기에 포함된 다공판의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 다공판의 개략적인 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 조절기의 개략적인 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 개략적인 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로(1000)는 용기(100), 용기(100) 내에 수용된 노심(110) 및 증기 발생기(120)를 포함한다.

용기(100)는 상하가 반구인 캡슐 형태로, 용기(100)는 반구를 각각 포함하는 상부(11)와 하부(13)를 포함한다.

상부(11) 및 하부(13)는 분리 가능하게 결합될 수 있다. 상부(11)의 하부(13)의 상단에는 플랜지(17)가 형성되고, 플랜지(5)는 스터드 볼트(stud bolt)(20)를 통해서 가능하게 결합될 수 있다.

하부(13)에는 노심(110)이 위치하며, 노심(110)은 핵연료 집합체이다. 노심(110)은 제어봉 집합체 연장축(control element assembly extension shaft) 안내관(113)을 통해서, 격납 용기 밖에 위치하는 제어봉 구동 장치(도시하지 않음)가 연결될 수 있다.

하부(13)는 증기 발생기(120)가 설치되며, 증기 발생기(120)는 용기의 내벽을 따라 설치될 수 있다. 증기 발생기(120)는 노심(110)에서 발생되는 열과 열교환에 의해 증기를 생성하여 배출시킨다.

증기 발생기(120)는 외부에 설치된 급수 계통과 연결된 수관과 노심(110)에서 발생된 열교환에 의해서 생산되는 증기가 이동하여 외부의 터빈 계통과 연결되는 증기관으로 이루어지는 전열관을 포함한다. 전열관은 헬리컬 코일 전열관일 수 있다.

수관을 통해서 증기 발생기(120)로 공급된 급수는 전열관 내부에서 열전달을 통해서 증기가 되고, 증기는 증기관을 통해서 터빈 계통으로 공급되어, 제너레이터에 연결된 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

한편, 급수 계통과 연결된 수관과 전열관 사이에는 유량 제한기(300)가 설치될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 제한기의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2의 유량 제한기에 포함된 다공판의 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 다공판의 개략적인 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 제한기는 급수 노즐(31)과 수관(32) 사이에 위치하며, 이들 사이를 연결한다.

급수 노즐(31)은 수관(32)으로부터 멀어질수록 폭이 증가하는 형태를 가질 수 있다. 급수 노즐(31)의 전면에는 전열관(33)과 연결되는 튜브 시트(tube sheet)(34)가 결합될 수 있다.

급수 노즐(31)의 입구에는 제1 플랜지(35)가 형성되어 있으며, 수관(32)의 배출구에도 제2 플랜지(36)가 형성되어 있으며, 제1 플랜지(35)와 제2 플랜지(36)는 스터드 볼트(37)를 통해서 결합될 수 있다.

유량 제한기(300)는 제1 프랜지(35)와 제2 플랜지(36) 사이에 설치되어, 제1 플랜지(35)와 제2 플랜지(36) 사이를 연결하는 스터드 볼트(37)에 의해서 고정될 수 있다. 유량 제한기(300)의 양쪽 단부는 제1 플랜지(35)와 제2 플랜지(36)의 일면과 접촉하여 지지될 수 있다.

유량 제한기(300)는 스터드 볼트(37)로 인해서 제1 플랜지(35)와 제2 플랜지(36) 사이에서 가압되어 고정되므로, 필요에 따라서 용이하게 착탈 가능하다.

유량 제한기(300)는 제1 플랜지(35)와 제2 플랜지(36) 사이에 위치하며, 이들 사이의 간격을 일정하게 유지하는 본체(301), 본체(301) 내에 설치되는 복수의 다공판(302)을 포함한다.

다공판(302)은 유체가 이동하는 방향으로 일정한 간격을 두고 다단으로 설치될 수 있다. 도 2에서는 4개의 다공판(302)을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라서 4개 보다 적게 또는 많이 설치될 수 있다. 설명의 편의상, 이하에서는 제1 다공판(41), 제2 다공판(42), 제3 다공판(43) 및 제4 다공판(44)이라 한다.

제1 다공판(41) 내지 제4 다공판(44)에는 복수의 관통 구멍(47)이 형성되어 있다. 도 3을 참조하면, 관통 구멍(47)은 일정한 간격을 두고 배치될 수 있으며, 다공판의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 관통 구멍(47)의 지름이 증가할 수 있다. 도 3에는 제4 다공판(44)을 도시하였으나, 제1 내지 제3 다공판도 동일하게 형성될 수 있다.

유체를 균일한 양으로 급수 노즐에 전달하기 위해서, 동일한 시간 내에 동일한 유량의 유체가 지나갈 수 있도록, 상대적으로 유속이 느린 다공판(302)의 가장자리에는 관통 구멍(47)의 크기를 크게 형성하고, 상대적으로 유속이 빠른 다공판(302)의 중심에는 관통 구멍(47)의 크기를 작게 형성할 수 있다.

유속이 가장자리로 갈수록 느리고, 중심으로 갈수록 빨라지므로 가장자리로 갈수록 관통 구멍의 크기를 증가시키고, 중심으로 갈수로 관통 구멍의 크기를 줄여 비슷한 유량이 통과될 수 있도록 한다.

제1 다공판(41) 내지 제3 다공판(43)에 형성된 관통 구멍(47)은 유체의 직선 흐름을 유도하기 위해서 다공판의 일면에 대해서 수직한 방향으로 관통될 수 있다.

그리고, 급수 노즐(31)로 공급되는 마지막 다공판이 제4 다공판(44)은 제4 다공판(44)의 일면에 대해서 수직하게 관통하는 제1 관통 구멍(4)과 일면에 대해서 기울어져 관통하는 제2 관통 구멍(7)을 포함한다.

제1 관통 구멍(4)은 상대적으로 제4 다공판(44)의 중심에 인접하게 위치하고, 제2 관통 구멍(7)은 상대적으로 제4 다공판(7)의 가장자리에 인접하게 위치한다.

제2 관통 구멍(7)은 급수 노즐(31)의 폭이 증가하는 각도와 유사한 각도로 기울어질 수 있다. 이처럼, 제2 관통 구멍(7)을 기울여 형성하면, 제4 다공판(44)에서 배출되는 유체가 급수 노즐(31) 내부 공간에 균일하게 공급될 수 있도록 한다.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에서는 유량 조절기(300)를 설치하여 수관으로부터 유입되는 냉각수인 유체가 다공판을 통과하면서 급수 노즐에 공급되는 유체의 유동이 안정적이면서 평탄화되게 공급된다.

헬리컬 코일을 형성하는 각각의 전열관의 길이는 증기 발생기 배치에 따라서 다르게 형성되어, 전열관에 유입되는 급수의 분포가 평탄하지 않을 수 있으나, 본 발명에서는 유량 조절기(300)를 설치함으로써 각각의 전열관으로 공급되는 유동이 일정하게 공급된다.

이처럼, 일정한 유량을 전열기로 유입시키면, 유동의 분포가 더욱 평탄화되고 이로 인해서 증기 발생기의 열전달이 균일하다.

도 5 및 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 조절기의 개략적인 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 조절기는 수관(32) 및 급수 노즐(31), 수관(32)과 급수 노즐(31) 사이에 연결된 유량 조절기(300)를 포함하고, 유량 조절기(300)는 복수의 다공판(300)을 포함한다.

급수 노즐(31)의 내부 공간에는 허니콤 부재(400)가 더 설치될 수 있다. 허니콤 부재(400)는 X, Y, Z 방향으로 뻗은 3차원 망사형 그물 구조를 가진다.

이처럼, 허니콤 부재(400)를 설치하면 전열기로 유입되는 유동의 분포를 더욱 평탄화시켜 증기 발생기에 균일한 열전달이 되는 효과가 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 조절기는 수관(32) 및 급수 노즐(31), 수관(32)과 급수 노즐(31) 사이에 연결된 유량 조절기(300)를 포함하고, 유량 조절기(300)는 복수의 다공판(300)을 포함한다.

급수 노즐(31)의 내부 공간에는 안내 날개(Guide Vane)(401)가 설치될 수 있다. 안내 날개(401)는 냉각수가 흐르는 방향으로 길게 뻗은 판형 부재일 수 있으며, 냉각수가 흐르는 방향에 수직한 방향으로 일정한 간격을 두고 복수로 설치될 수 있다.

안내 날개(401)는 급수 노즐(31)의 중심에 위치하는 중심 날개(401a)는 냉각수가 흐르는 방향과 나란한 수평면을 가지고, 중심 날개(401a)보다 급수 노즐의 내면에 인접할수록 급수 노즐(31)의 내면을 따라 휘어진 곡면을 가진 곡면 날개(401b)가 배치될 수 있다.

이처럼, 안내 날개(401)를 설치하면 전열기로 유입되는 유동의 분포를 더욱 평탄화시켜 증기 발생기에 균일한 열전달이 되는 효과가 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

31: 급수 노즐 32: 수관
100: 용기 110: 노심
120: 증기 발생기 300: 유량 조절기
302: 다공판 302a: 곡면 날개
400: 허니콤부재 401: 안내 날개
401a: 중심 날개 401b: 곡면 날개

Claims

노심을 포함하는 원자로 용기,
상기 원자로 용기의 내벽을 따라 설치된 전열관을 포함하는 증기 발생기,
상기 전열관에 냉각수를 공급하는 수관,
상기 전열관과 상기 수관 사이에 설치되며 상기 냉각수가 이동하는 공간을 제공하는 본체, 상기 본체 내에 일정한 간격을 두고 설치되며 각각 복수의 관통 구멍을 가지는 복수의 다공판을 포함하는 유량 제한기,
상기 전열관과 상기 유량 제한기 사이에 위치하는 급수 노즐
을 포함하고,
상기 급수 노즐은 상기 수관으로부터 상기 전열관으로 갈수록 상기 급수 노즐의 폭이 증가하며,
상기 복수의 다공판 중 상기 급수 노즐과 가장 인접한 제1 다공판은 상기 제1 방향으로 관통하는 제1 관통 구멍, 상기 다공판의 일면에 대해서 경사지게 형성된 제2 관통 구멍을 포함하는 원자로.
제1항에서,
상기 관통 구멍은 상기 다공판의 일면에 대해서 수직한 제1 방향으로 관통하는 원자로.
삭제
삭제
제1항에서,
상기 제1 관통 구멍은 상대적으로 상기 다공판의 중심과 인접하고,
상기 제2 관통 구멍은 상대적으로 상기 다공판의 가장자리와 인접한 원자로.
제1항에서,
상기 급수 노즐 내에 설치된 허니콤 부재를 더 포함하는 원자로.
제1항에서,
상기 급수 노즐 내에 설치되며, 상기 냉각수가 이동하는 방향으로 긴 판형의 안내 날개를 더 포함하고,
상기 안내 날개는 상기 냉각수가 이동하는 방향에 수직한 방향으로 일정한 간격을 두고 복수로 배치되어 있는 원자로.
제1항에서,
상기 다공판은 상기 다공판의 중심으로부터 상기 다공판의 가장자리로 갈수록 상기 관통 구멍의 크기가 증가하는 원자로.
제1항에서,
상기 전열관은 헬리컬 코일인 원자로.