KR20030064634A - Direct vessel injection system for emergency core cooling water using vertical injection pipe, sparger, internal spiral threaded injection pipe, and inclined injection pipe - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A direct vessel injection system of an emergency core coolant using inner screw threads of a vertical injection leg, a sparger, and an injection hole and an inclined injection hole is provided to prevent a degradation phenomenon due to impingement, breakup, and bypass by using the gravity in an injection process. CONSTITUTION: A direct vessel injection type a pressurized water reactor, a boiling water reactor, and an advanced reactor(1) of a direct vessel injection method includes a direct vessel injection system of an emergency core coolant in order to permeate the cooling water of a safety injection leg(4) into a center of the reactor by adding a vertical leg(6) to a safety injection leg horizontal to a reactor vessel. The width of the vertical leg is equal to the width of the safety injection leg. A lower end portion of the vertical leg is installed at a position higher than an upper end portion of a cold leg(2).

Description

수직 주입관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통{DIRECT VESSEL INJECTION SYSTEM FOR EMERGENCY CORE COOLING WATER USING VERTICAL INJECTION PIPE, SPARGER, INTERNAL SPIRAL THREADED INJECTION PIPE, AND INCLINED INJECTION PIPE}DIRECT VESSEL INJECTION SYSTEM FOR EMERGENCY CORE COOLING WATER USING VERTICAL INJECTION PIPE, SPARGER, INTERNAL SPIRAL THREADED INJECTION PIPE, AND INCLINED INJECTION PIPE}

본 발명은 수직관, 스파져, 주입관 내부의 나사선, 경사 주입관과 원자로 상부 헤드에 설치된 안전 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입 방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형 비등경수형 혹은 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대거나 스파져(sparger)를 설치하거나 주입관 내부에 나사선을 설치해 안전 주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통 또한 침투를 강화하기 위하여 주입관을 원자로 측면이 아닌 원자로의 헤드에 설치한 비상노심냉각수 주입 계통 및 안전주입관이 원자로 용기벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통에 관한 것이다.The present invention relates to an emergency core coolant reactor direct injection system using a vertical pipe, a sparger, a screw thread inside an injection pipe, an inclined injection pipe, and a safety injection pipe installed at an upper head of the reactor, and more specifically, the safety injection water is a low temperature pipe. In pressurized water boiling boiling water type or new reactors having safety injection method of direct injection vessel, which is injected into the safety injection pipe installed separately from, the vertical pipe is added to the safety injection pipe horizontal to the reactor vessel. An emergency core coolant injection system, in which a sparger is installed or a screw thread inside the injection pipe, allows the coolant injected into the safety injection pipe to penetrate the core vertically in the vertical direction. The emergency core coolant injection system and the safety injection pipe installed have an angle on the reactor vessel wall. And it relates to an emergency core cooling water injection system to be installed is the injected cooling water penetration into the core at a predetermined angle.

원자핵을 연료로 사용하여 에너지를 생산하는 원자로 중에서, 특히, 핵연료의 핵반응에 의해 발생된 열에너지 운반매체인 냉각재로써 경수를 사용하고, 또 그 냉각재가 원자로 용기 내에서 비등하지 않도록 원자로 내부의 압력이 일정 크기 이상으로 유지되도록 하는 원자로를 가압형 경수로(Pressurized Water Reactor: PWR)라고 하고, 냉각재가 원자로 용기 내에서 비등하여 증기를 직접 생산하는 원자로를 비등형 경수로(Boiling Water Reactor: BWR)라고 한다.Among nuclear reactors that produce energy using nuclear nucleus as fuel, in particular, the use of hard water as a coolant, which is a heat energy carrier medium generated by nuclear reaction of nuclear fuel, and the pressure inside the reactor is constant so that the coolant does not boil in the reactor vessel. Reactors that are kept larger than their size are called Pressurized Water Reactors (PWRs), and reactors where the coolant boils in a reactor vessel to produce steam directly are called Boiling Water Reactors (BWRs).

이러한 가압형 경수로 혹은 비등형 경수로 원자력 발전소 설계 시에는 안전을 위해서 실제로 발생하기 어려운 가상사고까지 고려하는바, 이러한 가상사고 중에서 원자로 냉각재 계통의 경계가 손상되어 냉각재가 계통 외부로 유출되는 사고를 특히 냉각재 상실사고라고 한다.When designing such a pressurized light reactor or a boiling light reactor, a virtual accident that is difficult to occur in practice is considered. For these virtual accidents, the boundary of the reactor coolant system is damaged and the coolant flows out of the system. It is called a loss accident.

원자로에서 냉각재 상실사고가 발생되면, 핵연료봉 표면의 온도가 급상승하게 된다. 따라서, 원자로에는 이렇게 핵연료봉 표면 온도를 급상승시키는 냉각재 상실사고에 대비하여, 원자로 내의 냉각재가 상실되는 경우 비상 노심 냉각수를 외부에서 고압으로 원자로 용기 내부로 주입할 수 있는 공학적 안전설비 (Engineered Safety Features: ESF)가 설치되는데, 이것을 통상 비상 노심 냉각계통(Emergency Core Cooling System: ECCS)이라고 말한다.If a coolant loss occurs in the reactor, the temperature on the surface of the fuel rods will rise rapidly. Therefore, in the event of a coolant loss accident that causes the fuel rod surface temperature to rise rapidly, the reactor can be engineered with the safety of emergency core coolant from outside to high pressure into the reactor vessel. ESF) is installed, commonly referred to as Emergency Core Cooling System (ECCS).

원자로의 안전주입계통에서 원자로 노심으로 비상 냉각수를 주입하는 방법으로는 저온관 주입 (Cold Leg Injection: CLI)과 원자로용기 직접 주입 (Direct Vessel Injection: DVI)이 있다. 종래에는 안전주입 노즐이 각 저온관에 연결되어 안전주입수를 그 저온관을 통하여 주입하는 안전주입 선로가 사용되어 왔다. 기존의 저온관 주입 방식은 안전주입계통을 2개의 안전주입 선로(train)로 구성하여 각 안전주입선로에 고압 안전주입 펌프와 저압 안전주입 펌프를 배치하여 저온관이 파손되고 안전주입선로 중 1개가 작동되지 않는 경우에도 각각의 저온관으로 비상 노심 냉각수를 주입할 수 있도록 설계되어 있다. 그런데 원자력발전소에 대한 확률론적 안전성 분석 (Probabilistic Safety Assessment: PSA) 결과에 따르면 안전주입계통을 기계적 4-안전주입선로로 설계할 경우 2-안전주입선로의 경우에 비해 발전소의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.Emergency cooling water injection into the reactor core from the safety injection system of the reactor includes cold leg injection (CLI) and direct vessel injection (DVI). In the related art, a safety injection line has been used in which a safety injection nozzle is connected to each low temperature pipe to inject safety injection water through the low temperature pipe. The existing low temperature pipe injection method consists of two safety injection lines (train) and places high pressure safety injection pump and low pressure safety injection pump on each safety injection line so that the low temperature pipe is broken and one of the safety injection lines It is designed to inject emergency core coolant into each cold tube even when not in operation. However, according to the results of the Probabilistic Safety Assessment (PSA) for nuclear power plants, the design of the safety injection system as a mechanical four-safe injection line can significantly improve the safety of the power plant compared to the two-safe injection line. Turned out to be.

그러나 안전주입계통을 4-안전주입선로로 설계하고 저온관주입방식을 사용하면 저온관이 파단되는 대형 냉각재 상실 사고로 비상 전원 계통을 1-안전주입선로만 사용할 수 있을 경우 노심 냉각에 필요한 충분한 유량을 공급하려면 고압 안전주입펌프와 저압 안전주입펌프 각 4대가 필요하게 된다. 반면, 이 경우에 원자로용기 직접주입 방식을 사용하면 저온관 파단시 종전의 안전주입 용량보다 작은 용량의 펌프로도 계통을 구성할 수 있게 된다. 또한, 종래 비상 노심 냉각계통에서와 같이, 안전주입노즐이 저온관에 연결되면, 저온관 파단 사고시, 안전주입 노즐을 통해 원자로 노심 측으로 유입되어야 할 안전주입수가 저온관으로 역류하여 노심에 도달하지 못하는 문제가 생기게 된다. 즉, 안전주입 노즐을 통해 유입되는 안전주입수가 압력 차에 의해 저온관으로 역류하는 냉각재에 혼합되어 저온관의 파단 부분을 통해 동반 유출되기 때문에 안전주입수가 정작 노심에는 도달하지 못하게 되는 현상이 일어난다.However, if the safety injection system is designed as a four-safe injection line and the low-temperature pipe injection method is used, sufficient flow rate for core cooling is required when the emergency power system can only use the 1-safe injection line due to the loss of large coolant that breaks the low temperature pipe. The high pressure safety injection pump and the low pressure safety injection pump each need four. On the other hand, in this case, if the reactor vessel direct injection method is used, the system can be configured with a pump having a capacity smaller than the conventional safety injection capacity at the time of cold tube breakage. In addition, as in the conventional emergency core cooling system, when the safety injection nozzle is connected to the low temperature pipe, the safety injection water to be introduced into the reactor core side through the safety injection nozzle does not reach the core when the low temperature pipe breakage accident occurs. Problems arise. That is, since the safety injection water flowing through the safety injection nozzle is mixed with the coolant flowing back to the low temperature pipe due to the pressure difference, the safety injection water does not reach the core because the safety injection water flows out through the break portion of the low temperature pipe.

근래에는, 이러한 문제가 감안되어, 도 3에 비교 도시된 바와 같이, 안전주입관을 원자로 용기에 직접 연결하여 비상 노심 냉각수를 원자로 용기 내로 직접 유입시킴으로써, 저온관이 파단되더라도 안전주입수가 파단된 저온관을 통해 계통 외부로 유출되지 않는, 따라서, 안전주입수가 바로 노심 측으로 도달되게 하여 노심을 냉각시킬 수 있게 하는 방안이 제시되었다. 이렇게 안전주입관을 원자로 용기에 직접 연결하여 비상 노심 냉각수가 직접 원자로 용기 속으로 분사되게 하는 방식을 원자로용기 직접 주입방식이라고 한다.In recent years, such a problem has been considered, and as shown in FIG. 3, the safety injection pipe is directly connected to the reactor vessel and the emergency core cooling water is directly introduced into the reactor vessel, so that even if the low temperature tube is broken, the low temperature of the safety injection water is broken. It has been proposed to allow the safety injection to cool down the core so that it does not flow out of the system through the pipe and thus reaches the core side. In this way, the safety injection pipe is directly connected to the reactor vessel so that the emergency core cooling water is directly injected into the reactor vessel is called a reactor vessel direct injection method.

현재의 기술 개발 추세를 보면, 미국의 개량형 원자로인 System 80+TM에서는 4-안전주입선로 원자로용기 직접주입 방식으로 비상 노심 냉각 계통을 설계하고 있다. 미국 전력연구원(EPRI: Electric Power Research Institute)의 개량형 원자로 사업자설계요건문서(ALWR URD: Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document)에서도 비상 노심 냉각 계통의 안전주입 방식을 기존의 저온관 주입 방식에서 원자로 용기내 강수부로 직접 주입하는 방식으로 설계하도록 추천하고 있다. 이러한 추세에서 한국의 신형경수로 APR1400 설계에서도 비상 노심 냉각수 주입 방식으로 원자로용기 직접 주입방식을 채택하였다.In the current trend of technological development, the US advanced reactor, System 80 + , is designing an emergency core cooling system by direct injection of 4-safety injection reactor vessels. The Advanced Power Water Reactor Utility Requirements Document (ALWR URD) of the Electric Power Research Institute (EPRI) has also introduced the safety injection of the emergency core cooling system into the reactor vessel from the conventional low-temperature tube injection method. It is recommended to design by injecting directly into the precipitation part. In this trend, the reactor reactor direct injection method was adopted as the emergency core cooling water injection method in Korea's new water reactor APR1400 design.

그러나, 이와 같은 원자로용기 직접 주입방식에 있어서도 안전주입수가 유출될 가능성이 있다. 즉, 안전주입관이 저온관의 위쪽에 설치되면, 냉각재 유입관인 저온관이 파단될 경우에 안전주입관을 통해 주입되는 안전주입수가 원자로용기 내벽을 따라 이동하다가 파단된 저온관으로 역류하는 냉각재와 함께 저온관을 통하여 상당량 동반 유출될 우려가 있다. 그러나, 안전주입관이 저온관의 아래쪽에 설치되면, 이 안전주입관을 통해서 저온의 안전주입수가 고온고압상태의 원자로 용기에 급속히 유입되어 가압 열 충격(Pressurized Thermal Shock: PTS) 등이 발생하므로 원자로 용기(1)의 건전성 문제가 야기될 뿐만 아니라, 특히 안전주입관이 파단되는 경우 안전주입관을 통해 유출되는 냉각재의 양이 직접용기주입노즐(6)을 원자로 저온관 노즐(2) 위에 부착하는 경우보다 훨씬 많다는 문제점이 생기게 된다.However, even in such a reactor vessel direct injection method, there is a possibility that the safety injection water flows out. That is, when the safety injection pipe is installed above the low temperature pipe, when the low temperature pipe that is the coolant inlet pipe is broken, the safety injection water injected through the safety injection pipe moves along the inner wall of the reactor vessel and flows back to the broken low temperature pipe. In addition, there is a possibility that a significant amount of spillage through the low temperature pipe. However, when the safety injection pipe is installed under the low temperature pipe, the safety injection water at low temperature flows rapidly into the reactor vessel at high temperature and high pressure through the safety injection pipe, and thus pressurized thermal shock (PTS) is generated. Not only does the integrity of the container 1 occur, but the amount of coolant flowing out through the safety injection pipe, in particular when the safety injection pipe is broken, causes the direct container injection nozzle 6 to attach to the reactor cold tube nozzle 2. There are many more problems than that.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 미국 특허 공개번호 제 5135708호의 'Method of injection to or near core inlet'에서는 안전주입의 효과를 최대화할목적으로 원자로 용기 내부에 저온관 상부의 안전주입관으로부터 노심 지지대 하단까지 원통형 또는 관형의 안전주입 통로를 설치하는 방법을 공개하고 있다.In order to solve this problem, US Patent Publication No. 5135708, Method of injection to or near core inlet, aims to maximize the effect of safety injection, from the safety injection tube at the top of the cold tube inside the reactor vessel to the bottom of the core support. A method of installing a cylindrical or tubular safety injection passage is disclosed.

그러나, 이 방법은, 저온관 파단사고의 경우 안전주입수를 노심의 하단으로 직접 공급할 수는 있으나, 원자로 용기 밖의 안전주입관이 파단되는 사고가 발생되면, 사이펀 효과(siphon effect)에 의해 원자로 내의 냉각재가 원자로 용기 내의 냉각재 수위가 노심이 완전히 노출될 때까지 지속적으로 빠져나가기 때문에, 원자로 용기 속에서 노심의 용융을 방지해야할 냉각재의 양이 크게 부족하게 되는 심각한 결과를 초래하게 된다.However, this method can supply the safety injection water directly to the bottom of the core in the event of cold tube breakage, but if the safety injection pipe breaks out of the reactor vessel, the siphon effect will result in the siphon effect. Since the coolant is continuously drawn out of the coolant level in the reactor vessel until the core is fully exposed, there is a serious consequence of a significant shortage of coolant to prevent the core from melting in the reactor vessel.

또한 대한민국 특허 공보 제 10-0319068호의 '사이펀 효과 차단 및 증기유량과의 접촉을 차단하기 위한 원자로 내의 안전주입 선로'에는 냉각재 유입관인 저온관 파단 사고시, 그 저온관으로 유출되는 안전주입수의 양을 최소화하고 안전주입관을 통해 냉각재가 지속적으로 유출되게 하는 사이펀 효과를 차단하며 증기유량과의 접촉을 차단하기 위하여, 원자로의 저온관보다 높은 위치에 설치되고, 틈새를 가지고 결합되는 직접 주입노즐로서 이로부터 분사되는 안전주입수를 상기 원자로 입구노즐을 우회, 유도하여 원자로 용기의 하부공간으로 주입하는 안전주입 배관을구비하는 직접 주입노즐이 개시되어 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-0319068, 'Safe injection line in the reactor to block the siphon effect and the contact with the steam flow rate,' shows the amount of safety injection water flowing into the cold tube when the cold tube breakage, which is the coolant inlet pipe, occurs. It is a direct injection nozzle that is installed at a position higher than the low temperature pipe of the reactor and is connected with a gap to minimize the siphon effect that minimizes the coolant flow through the safety injection pipe and blocks the contact with the steam flow. Disclosed is a direct injection nozzle having a safety injection pipe for bypassing and inducing the safety injection water injected from the reactor inlet nozzle and injecting it into the lower space of the reactor vessel.

그러나, 이와 같은 노즐은 틈새를 통하여 사이펀 효과를 막는다고 되어 있으나 원자로 용기에서 저온관보다 더 낮은 위치에서 비상노심냉각수를 주입하는 안전주입관으로 인하여 사이펀 효과를 막기 어려우며, 또한 안전주입관이 노심과 너무 근접한 위치에서 냉각수를 분사하게 되어 가압 열 충격이 예상된다.However, such a nozzle is said to prevent the siphon effect through the gap, but it is difficult to prevent the siphon effect due to the safety injection pipe which injects the emergency core coolant at a lower position than the low temperature pipe in the reactor vessel. Pressurized heat shock is expected as the coolant is sprayed in too close a position.

이에 본 발명은 수직관, 스파져 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통을 이용하여 가압 열 충격과 사이펀 효과를 효과적으로 방지함을 그 목적으로 한다. 또한 본 발명은 비상 노심 냉각수 주입시 다량의 냉각수가 파단 부로 우회함으로 말미암아 노심으로 침투되지 못하는 단점을 보완하고자 수직직접주입을 통해 하향 방향 운동량을 증가시켜 원자로 강수부에서 증기에 의해 우회되지 않고 하부로 침투하는 안전주입수의 양을 증가시키는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to effectively prevent the pressurized heat shock and siphon effect by using a direct injection system of an emergency core coolant reactor vessel using a vertical pipe, a sparger, and an inclined injection pipe. In addition, the present invention is to increase the momentum in the downward direction through the vertical direct injection to compensate for the disadvantage that the large amount of coolant bypasses the break during the injection of emergency core coolant to increase the downward momentum through the vertical direct injection to the bottom without being bypassed by steam in the reactor precipitation section The purpose is to increase the amount of infiltrating safety injection water.

좀더 상세하게 본 발명의 원자로용기 수직직접주입 방법은 핵 증기 공급 계통(Nuclear Steam Supply System: NSSS)의 냉각재상실사고시 비상 노심 냉각수 직접 주입 방식을 사용하는 원자로에서 핵연료봉 온도를 적정 수준 이하로 유지시키기 위해 기존의 수평 주입 방식보다 더 효율적이고 안정적으로 안전주입수를 강수부(downcomer)를 통해 하부공동(lower plenum)으로 침투시키는 것을 목적으로 한다. 일반적으로 사용되는 원자로용기 직접 주입 방법에서는 수평으로 원자로용기 내에 주입된 냉각수가 원주 방향으로 유입하기 때문에 강수부 하부에서 수직으로 상승하는 증기에 의해 하부공동으로 침투하지 못하고 파단 부로 우회되는 양이 상당히 크다. 그러나 원자로용기 수직직접주입 방법은 안전주입수의 수직방향 운동량을 크게 증가시키고 수평방향으로 주입된 안전주입수가 강수부 내벽에 부딪쳐 원주방향으로 펼쳐지는 액막퍼짐(impingement) 현상이 일어나지 않기 때문에 안전주입수 우회에 의한 핵연료봉 노출 가능성을 크게 줄이는 것을 목적으로 한다.More specifically, the reactor direct injection method of the present invention is to maintain the temperature of the fuel rod temperature below an appropriate level in the reactor using the emergency core coolant direct injection method during the loss of coolant of the Nuclear Steam Supply System (NSSS). The objective is to infiltrate the safety injection water into the lower plenum through the downcomer more efficiently and stably than the conventional horizontal injection method. In the commonly used reactor vessel direct injection method, since the coolant injected into the reactor vessel horizontally flows in the circumferential direction, the amount of diverting to the breakage portion is not large due to the vertically rising steam from the lower portion of the precipitation portion. . However, the vertical direct injection method of the reactor vessel greatly increases the vertical momentum of the safety injection water and the safety injection water injected in the horizontal direction does not occur in the circumferential direction due to the impingement phenomenon that the circumferential direction does not occur. It aims to significantly reduce the likelihood of nuclear fuel rod exposure by bypass.

또한 본 발명은 신형경수로 APR1400에 적용되고 있는 원자로용기 직접 주입 계통에 응용·적용할 경우 원자로 안전성 확보에 큰 역할을 담당하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention is intended to play a major role in securing reactor safety when applied to the reactor vessel direct injection system applied to the new water reactor APR1400.

본 발명의 다른 목적 및 적용은 하기 발명의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 드러날 것이다.Other objects and applications of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description.

도 1은 원자로용기 수직직접주입의 한 실시예의 개략도.1 is a schematic representation of one embodiment of a reactor vessel vertical direct injection.

도 2는 APR1400의 원자로용기 수직직접주입의 예상 단면도.2 is an expected cross-sectional view of a reactor vessel vertical direct injection of APR1400.

도 3은 저온관 주입 방식과 원자로용기 직접주입방식의 한 실시예의 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view of one embodiment of the cold tube injection method and the reactor vessel direct injection method.

도 4는 보호판을 이용한 DVI 수직주입방식의 한 실시예의 단면도로서 (a)는 원자로에 보호판이 설치된 사시도이며, (b)는 보호판의 일 실시예인 원판이 부착된 모습을 보여주는 부분 확대도.Figure 4 is a cross-sectional view of an embodiment of the DVI vertical injection method using a protective plate (a) is a perspective view of the protective plate is installed in the reactor, (b) is a partial enlarged view showing a state that the original plate is attached to the protective plate.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파져(sparger)를 이용한 DVI 수직주입방식을 보여주는 도면으로서, (a)는 스파져가 설치된 원자로의 하부에서 본 하면도이며, (b)는 스파져가 설치된 원자로의 상부에서 내려다본 상면도, (c)는 스파져의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도.5 is a view showing a DVI vertical injection method using a sparger according to an embodiment of the present invention, (a) is a bottom view of the reactor in which the sparger is installed, and (b) is a sparger (C) is a cross-sectional view schematically showing the cross section of the sparger from the top of the reactor where the reactor is installed.

도 6의 (a)는 DVI를 경사 주입하는 방식의 한 실시예의 단면도이며, (b)는 (a)의 경사 주입과의 비교를 위한 DVI 수평주입의 한 실시예의 단면도.Figure 6 (a) is a cross-sectional view of one embodiment of the method of inclining the DVI, (b) is a cross-sectional view of one embodiment of the DVI horizontal injection for comparison with the inclined injection of (a).

도 7은 안전주입수 주입관의 주입구 부에 나사선을 가공한 것을 보여주는 투시도.Figure 7 is a perspective view showing the processing of the screw thread inlet portion of the safety injection water injection pipe.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상냉각수 주입관(DVI관)을 원자로 상부 헤드에 설치한 상부도.8 is a top view of the emergency cooling water inlet pipe (DVI tube) installed in the reactor upper head according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접주입 방식 중 (a)수평 주입방식과 (b)수직 주입방식에 대한 다차원 유동 실험을 위하여 CFX 코드를 사용하여 강수부를 모사한 사시도.Figure 9 is a perspective view of the precipitation portion using the CFX code for the multi-dimensional flow experiment for the (a) horizontal injection method and (b) the vertical injection method of the direct injection method according to an embodiment of the present invention.

도 10은 도 9에 따른 강수부 모형에 따라 다차원 유동 실험을 행하여 (a)수평주입과 (b)수직주입의 하향속도 분포를 도시한 비교도.FIG. 10 is a comparison diagram illustrating a downward velocity distribution of (a) horizontal injection and (b) vertical injection by performing a multidimensional flow experiment according to the precipitation part model according to FIG. 9. FIG.

도 11은 다차원 유동 실험을 통한 수평 주입과 수직 주입의 등속면 분포도.11 is a constant velocity profile of horizontal and vertical injection through multi-dimensional flow experiments.

도 12은 다차원 유동 해석에 사용된 강수부 노즐들의 배치에 대한 개략도.12 is a schematic diagram of the arrangement of precipitation nozzles used in multidimensional flow analysis.

도 13은 도 12의 각 노즐들을 통해서 비상노심냉각수를 주입할 경우 DVI와 DVVI 방식의 안전주입관으로부터 높이에 따른 속도 분포를 비교한 그래프.FIG. 13 is a graph comparing speed distribution according to height from a safety injection pipe of a DVI and a DVVI method when injecting emergency core coolant through each nozzle of FIG. 12; FIG.

도 14는 도 13의 그래프를 종합한 (a)수평 방향 주입과 (b)수직 방향 주입의 속도 분포를 비교한 그래프.FIG. 14 is a graph comparing the velocity distribution of (a) horizontal injection and (b) vertical injection in which the graph of FIG. 13 is combined. FIG.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1:원자로2:저온관1: Reactor 2: Low temperature tube

3:저온관 주입 선로4:용기 직접주입관3: low temperature pipe injection line 4: container direct injection pipe

5:원자로 상부 헤드6:수직주입관5: Reactor top head 6: Vertical injection pipe

7:보호판8:강수부7: Protection board 8: Precipitation

9:고온관10:스파져9: high-temperature tube 10: sparger

이하, 본 발명에 의한 수직관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통 및 이러한 비상 노심 냉각수 주입관을 원자로 용기 상부 헤드에 설치한 원자로 용기 직접 주입계통에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a direct injection system of an emergency core coolant reactor vessel using a vertical pipe, a sparger, a screw thread inside an inlet and an inclined injection tube, and a reactor vessel direct injection system in which the emergency core coolant injection tube is installed on the upper head of the reactor vessel. It will be described in detail with reference to the accompanying drawings with respect to.

본 발명에 의한 수직관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통 및 이러한 비상 노심 냉각수 주입관을 원자로 용기 상부 헤드에 설치한 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형 또는 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대거나 스파져를 설치해 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하거나, 주입관에 나사선을 형성함으로써 주입수가 증기의 저항을 덜 받고 노심에 침투되도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통 및 안전주입관이 원자로 용기벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하거나 이러한 안전주입관을 원자로의 상부 헤드에 설치함으로써 주입수의 수직방향 운동량을 극대화하여 효과적으로 안전주입수를 주입하는 비상노심냉각수 주입 계통으로 이루어져 있다.Emergency core coolant reactor direct injection system using vertical pipe, sparger, threaded thread and inclined injection pipe according to the present invention, and safety injection water having such emergency core coolant injection pipe installed at the upper head of the reactor vessel are separate from the low temperature pipe. In pressurized water type, boiling water type or new type reactors with safety injection method of direct injection of reactor vessels installed in the safety injection pipe installed in the reactor, a vertical pipe is added to the safety injection pipe horizontally in the reactor vessel. The emergency core coolant injection system and safety injection pipe, which allow the coolant injected into the safety injection pipe to penetrate the core in the vertical direction or form a screw thread in the injection pipe, make the injection water less resistant to steam and penetrate the core. Coolant injected and installed at a certain angle on the core It is composed of an emergency core coolant injection system that effectively injects the safety injection water by maximizing the vertical momentum of the injection water by discharging or installing the safety injection pipe in the upper head of the reactor.

상기의 계통에 대하여 이하 좀더 상세하게 설명한다.The above system will be described in more detail below.

도 1은 안전주입수가 저온관(2)과 별개로 설치된 안전주입관(4)으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로(1)에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관(4)에 수직관(6)을 덧대어 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통을 보여준다.1 is a pressurized hard water type, boiling hard water type, or new reactor (1) having a safety injection method of the reactor vessel direct injection method in which safety injection water is injected into the safety injection pipe (4) installed separately from the low temperature pipe (2). In this case, a vertical core 6 is attached to a safety injection tube 4 horizontally in a reactor vessel, so that the emergency core coolant injection system allows the coolant injected into the safety injection tube to penetrate the core in the vertical direction.

안전주입관(4)은 저온관(2)의 상부에 위치하는데, 이는 종래 기술에서 설명하였듯이 안전주입관이 저온관보다 하부에 설치되는 경우에는 안전주입관이 파단되는 사고가 일어나면 오히려 안전주입관으로 냉각수가 유출될 위험이 있으므로 이를 막기 위함이다. 본 계통의 원자로 용기는 일반적인 수평직접 주입과 원자로 외부에서는 동일한 계통을 사용하며 원자로 내부에서는 수평과 달리 수직 주입 형태의 구조물을 더 갖고 있는 형태인데, 이러한 수직관(6)은 그 폭이 안전주입관의 폭과 거의 같고, 상기 수직관의 하단의 위치는 저온관의 상단보다 위이다. 수직관(6)의 폭이 안전주입관(4)의 폭과 거의 같음으로 인하여 안전주입수의 유입압력이 수직관에 의해서 더 상승하지 않으므로 안전주입수 유입이 수월해진다. 만약 수직관의 폭이 안전주입관의 폭이나 강수부의 폭에 비해서 작게 되면, 수직관을 통해 사이펀 효과에 의한 냉각수의 유출이 있을 수 있는바 수직관의 폭은 안전주입관의 폭과 거의 같도록 한 것이다. 수직관의 길이는 수직관의 하단의 위치가 저온관의 상단에 미치지 않는 범위에서 다양할 수 있다. 수직관의 하단이 저온관의 상단 위치보다 낮을 경우에는 냉각수가 노심에 너무 근접한 위치에서 유입되어 가압 열 충격이 일어날 수 있으며, 또한 안전주입관의 파단 사고 시에는 냉각수를 공급해야할 안전주입관을 통해서 원자로용기내의 냉각수의 수위가 수직주입관의 하부보다 더 낮아질 때까지 유출되며, 저온관을 통해 유입되는 냉각수까지 안전주입관으로 유출될 수 있어, 유출이 더 많이 일어나게 되므로 노심의 냉각수의 수위가 낮아져 노심의 냉각이 제대로 되지 않아 위험하다.Safety injection pipe (4) is located in the upper portion of the low temperature pipe (2), which, as described in the prior art, when the safety injection pipe is installed below the low temperature pipe, if the safety injection pipe breaks accident occurs rather than the safety injection pipe This is to prevent the coolant because of the risk of leakage. The reactor vessel of this system uses the same system as the normal horizontal direct injection and the outside of the reactor, and has the structure of the vertical injection type differently from the horizontal inside the reactor, and the vertical pipe 6 has a width of the safety injection pipe. It is almost equal to the width of, and the position of the bottom of the vertical tube is above the top of the cold tube. Since the width of the vertical pipe 6 is about the same as the width of the safety injection pipe 4, the inflow pressure of the safety injection water is not increased further by the vertical pipe, so that the safety injection water is easily introduced. If the width of the vertical pipe is smaller than the width of the safety injection pipe or the width of the precipitation section, there may be leakage of coolant due to the siphon effect through the vertical pipe so that the width of the vertical pipe is approximately equal to the width of the safety injection pipe. It is. The length of the vertical tube may vary in a range where the position of the bottom of the vertical tube does not reach the top of the cold tube. If the bottom of the vertical pipe is lower than the top of the low temperature pipe, the coolant may flow from too close to the core and pressurized heat shock may occur. Also, in the event of a breakdown of the safety injection pipe, the safety injection pipe must be supplied. The coolant in the reactor vessel is discharged until the water level is lower than the lower part of the vertical injection pipe, and the coolant flowing through the low temperature pipe can flow into the safety injection pipe, so that more leakage occurs, so the water level in the core is lowered. The core is not cooled properly and is dangerous.

도 2는 APR1400의 원자로용기 수직직접주입의 예상 단면도로서 수직관을 덧댄 안전주입관이 설치된 높이 등을 볼 수 있도록 전체 원자로의 모습과 치수를 도시한 본 발명에 의한 원자로의 한 예시이다.FIG. 2 is an example of the reactor vessel vertical direct injection of the APR1400, which is an example of the reactor according to the present invention showing the shape and dimensions of the entire reactor so that the height of the safety injection pipe with a vertical pipe installed thereon can be viewed.

도 3은 저온관 주입 방식과 원자로용기 직접주입방식의 한 실시예의 단면도로서 직접주입 방식의 안전주입관(4)과 종래 기술에 의한 저온관에 연결된 안전주입 선로(3)를 보여준다. 도 3을 보면 알 수 있듯이 저온관에 안전주입 선로가 연결되는 경우에 저온관 파단사고시 안전주입수가 원자로 용기로 들어가지도 못하고 파단부위에서 흘러나오는 것을 알 수 있다. 그에 비해서 직접주입 방식은 그러한 위험이 없다.3 is a cross-sectional view of an embodiment of a cold tube injection method and a reactor vessel direct injection method, showing a safety injection pipe 4 of a direct injection method and a safety injection line 3 connected to a low temperature pipe according to the prior art. As can be seen from Figure 3, when the safety injection line is connected to the low temperature pipe, it can be seen that the safety injection water flows out of the break site without entering the reactor vessel during the cold tube breakage accident. In comparison, the direct injection method does not have such a risk.

도 4는 보호판(protection disk)을 이용한 원자로 용기 직접 주입의 수직주입방식의 한 실시예의 단면도로서 (a)는 보호판이 설치된 원자로의 사시도이며, (b)는 보호판의 일 실시예인 원판이 부착된 모습을 보여주는 부분 확대도이다. 도 4의 (a)를 보면 수직관(6)의 입구에 보호판(7)을 부착하여 증기의 저항을 최소화하고 안전주입수의 노심 침투를 극대화하기 위한 것이다. 이 판(7)은 냉각재 상실 사고시에 냉각되지 않은 노심의 열로 인하여 다량의 증기가 발생하여 비상 노심 냉각수의 유입에 저항하는바 이러한 증기의 저항을 최소화하고 안전주입수의 노심 침투를 극대화하기 위해서 수직관의 입구에 설치한다. (b)는 이러한 보호판의 일 실시예로서 원추형의 판을 3개의 연결선을 통하여 수직관의 입구에 설치한 형상을 보여준다. 이러한 원추형 형태의 판을 이용함으로서 증기의 저항으로 인한 주입수의 강수부 하강 방해를 최소화 할 수 있다.Figure 4 is a cross-sectional view of an embodiment of the vertical injection of the reactor vessel direct injection using a protection disk (a) is a perspective view of a reactor with a protective plate, (b) is a view attached to the original plate of an embodiment of the protective plate Is a partial enlarged view. Referring to Figure 4 (a) is to attach the protective plate 7 to the inlet of the vertical pipe (6) to minimize the resistance of the steam and to maximize the core penetration of the safety injection water. This plate (7) resists the inflow of emergency core coolant due to the heat of the uncooled core in the event of loss of coolant, which can be used to minimize the resistance of the steam and maximize the core penetration of the safety injection. Install at the entrance of straight pipe. (b) shows a shape in which the conical plate is installed at the inlet of the vertical pipe through three connecting lines as an example of such a protective plate. By using such a conical plate, it is possible to minimize the disturbance of the downfall of the injection water due to the resistance of the steam.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파져(sparger)를 이용한 수직주입방식을 보여주는 도면으로서, (a)는 스파져가 설치된 원자로의 하부에서 본 하면도이며, (b)는 스파져가 설치된 원자로의 상부에서 내려다본 상면도, (c)는 스파져의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.5 is a view illustrating a vertical injection method using a sparger according to an embodiment of the present invention, (a) is a bottom view of the reactor in which the sparger is installed, and (b) is a sparger Top view from above of the installed reactor, (c) is a cross-sectional view schematically showing the cross section of the sparger.

도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 상부 헤드에서 직접 주입하는 방식과 스파져를 이용해 주입하는 방식을 결합한 실시예이다. 비상냉각수가 주입되는 위치에 환형관을 설치하여 강수부내에 골고루 살수되도록 하기 위한 것이다.5 (a) and 5 (b) illustrate an embodiment in which a method of directly injecting the upper head of a reactor and a method of injecting using a sparger are combined according to an embodiment of the present invention. It is to install the annular tube in the position where the emergency cooling water is injected so that it can be evenly sprayed in the precipitation part.

도 5의 (c)는 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 스파져(10)를 설치해 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통을 개시한다.5 (c) is a pressurized hard water type, boiling hard water type, or a new reactor having a safety injection method of a reactor container direct injection method in which safety injection water is injected into a safety injection pipe installed separately from a low temperature pipe, The sparger 10 is installed in a horizontal safety injection pipe to disclose an emergency core coolant injection system for allowing the coolant injected into the safety injection pipe to penetrate the core in the vertical direction.

도 6은 냉각수를 경사 주입하는 방식의 한 실시예의 단면도이다. 본 발명은 도 6의 (a)에서 보이듯이 비상 노심 냉각수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형 또는 신형 원자로에 있어서, 안전주입관이 원자로 용기 벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통을 개시한다. 각도 θ는 0°를 초과하고 90° 미만인 범위에서 변할 수 있으며, 각도 θ가 커질수록 안전주입수의 노심으로의 침투가 효과적이 된다. 다만, 원자로의 구조물은 매우 복잡하여 이러한 경사 각도의 구조물이 첨가되기는 어려울 수 있으며, 이런 경우에는 수평 또는 수직으로 안전주입관이 통과하는 구조물을 설치하고 그 안의 안전주입관, 즉 실질적으로 안전주입수가 흐르는 배관에만 경사를 주는 방법으로 본 발명을 실행할 수 있다.6 is a cross-sectional view of an embodiment of a method of inclined injection of cooling water. According to the present invention, in the pressurized hard water type, boiling hard water type or new type reactor having the reactor vessel direct injection method in which the emergency core cooling water is injected into the safety injection pipe installed separately from the low temperature pipe, as shown in FIG. An emergency core coolant injection system is disclosed in which a tube is installed at a constant angle on the reactor vessel wall to allow injected coolant to penetrate into the core at a constant angle. The angle θ may vary in a range of more than 0 ° and less than 90 °, and the larger the angle θ, the more effective the penetration of the safety injection into the core. However, the structure of the reactor may be very complicated and it may be difficult to add such a structure at an inclined angle. In this case, a structure in which the safety injection pipe passes horizontally or vertically is installed and the safety injection pipe therein, that is, the substantially safety injection water is installed. The present invention can be practiced by tilting only the flowing piping.

도 6의 (b)는 (a)와 비교하기 위하여 종래 방식의 냉각수 수평 주입방식의 한 실시예의 단면도를 보여준다. 도면에 표시된 안전주입수의 흐름을 보면 알 수 있듯이, 수평으로 주입한 경우에 원자로 하부의 노심에까지 다다르기 전에 안전주입수가 퍼짐으로써 그 온도가 상승하여 노심을 냉각시키는 안전주입수의 역할을 수행하는데 있어서는 수평 주입방식보다 본 발명에 의한 경사 주입 방식이 우수함을 볼 수 있다.Figure 6 (b) shows a cross-sectional view of one embodiment of a conventional cooling water horizontal injection method in order to compare with (a). As can be seen from the flow of the safety injection water shown in the drawing, the safety injection water spreads before reaching the core bottom of the reactor in the case of horizontal injection, and its temperature rises to play a role of the safety injection water cooling the core. In the inclined injection method according to the present invention can be seen that the horizontal injection method is superior.

도 7은 안전주입수 주입관의 주입구 부에 나사선을 가공한 것을 보여주는 3차원도이다. 도 7과 같이 안전주입수의 주입구 부분에 나사선을 가공하면 주입되는 물이 회전함으로써, 총기류에서 총알이 발사될 때 회전하면서 발사되면 공기의 저항을 덜 받는 것과 같이, 증기의 저항을 덜 받음으로써 노심의 침투를 효과적으로 할 수 있다.7 is a three-dimensional view showing that a screw thread is processed in the inlet portion of the safety injection water injection pipe. As shown in FIG. 7, when the thread is machined in the inlet portion of the safety injection water, the injected water rotates, and when the bullet is fired while the bullet is fired from the firearm, the air is subjected to less resistance of steam, such as less air resistance. Can effectively penetrate the.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상냉각수 직접주입관을 원자로 상부 헤드에 설치한 모습을 보여주는 상부도이다.8 is a top view showing a state in which the emergency coolant direct injection pipe is installed in the upper head of the reactor according to an embodiment of the present invention.

비상냉각수 주입관을 종래 기술처럼 용기의 측면에 설치하지 않고, 원자로 용기의 상부헤드에 설치함으로써 주입되는 냉각수의 수직방향 운동량을 극대화하는 효과를 줄 수 있다. 도 8에서 볼 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 헤드에 설치된 주입관은 수평의 직접주입관에 수직관을 덧댄 형상이다. 직접주입관을 원자로 상부 헤드에 설치하는 것은 본 발명의 다른 구조들, 즉 수직관, 스파져, 경사주입관, 내부 나사선과 결합되어 적용될 수 있어 그 효용이 높다.Rather than installing the emergency coolant inlet tube on the side of the container as in the prior art, it is possible to maximize the vertical momentum of the injected coolant by installing the upper head of the reactor vessel. As can be seen in Figure 8 the injection tube installed in the upper head according to an embodiment of the present invention is a shape of a vertical tube to the horizontal direct injection tube. The installation of the direct injection pipe in the upper head of the reactor can be applied in combination with other structures of the present invention, that is, vertical pipe, sparger, inclined injection pipe, internal thread, and its utility is high.

상기의 발명의 상세한 설명은 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당업자에게 있어서 명백한 사실이다. 따라서 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.The above detailed description of the invention is only for exemplifying the present invention, but it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited. Therefore, simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

(실시예)(Example)

비상 냉각수를 저온관이 아닌 안전주입관으로 직접 주입 방식(Direct Vessel Injection: DVI)중 기존의 수평 주입과 안전주입관 주입 중에서도 수직관을 덧대어 주입하는 직접 수직 주입(Direct Vessel Vertical Injection: DVVI)을 비교하는 실험을 수행하였다. 실험 결과는 DVI에 의한 주입 방법론에 대한 수평 주입과 수직주입의 정성적인 다차원 유동 해석 결과를 통해 나타나는데, 이러한 결과는 간단한 모형에 의존하고 실험적 연구 결과의 뒷받침이 없는 단순한 코드해석이기는 하나, 실제로 다차원 유동 형태가 강수부에서 어떻게 나타나는지에 대해서는 충분히 고려할 만큼의 정보를 제공한다. 다차원 유동 해석에 사용된 CFX 코드는 잘 알려진 다차원 열유체 해석도구이며 도 9와 같이 간단하게 강수부를 모사한 형태를 통해 해석을 수행하였다. 이러한 해석의 조건은 3차원 유동, 직교좌표계에서의 난류 유동 조건이며, 비압축성 유체를 적용하였고, 중력 효과를 고려하였으며, 액체에 의한 단상 유동만을 고려하였다. 계통의 압력은 대기압이며, 계통 온도는 350K, 안전주입수의 온도는 288K로 설정하였으며, 개별 주입속도는 12m/s로 설정하였다.Direct Vessel Vertical Injection (DVVI) that directly injects the vertical pipe among the existing horizontal injection and safety injection pipe injection in the direct vessel injection (DVI) method. An experiment comparing the was performed. Experimental results are shown through qualitative multidimensional flow analysis of horizontal and vertical injection for the injection methodology by DVI. These results are simple multi-dimensional flows, although they depend on simple models and are not supported by experimental studies. Provide enough information to consider how the shape appears in the precipitation section. The CFX code used for the multi-dimensional flow analysis is a well-known multi-dimensional thermofluid analysis tool, and the analysis was performed by simply simulating the precipitation part as shown in FIG. 9. The conditions of this analysis are three-dimensional flow, turbulent flow conditions in the Cartesian coordinate system, incompressible fluid is applied, the gravitational effect is considered, and only liquid phase flow is considered. The system pressure was atmospheric pressure, the system temperature was set at 350K, the safety injection water temperature was set at 288K, and the individual injection speed was set at 12m / s.

도 9의 (a)수평 주입 방식과 (b) 수직 주입 방식의 두 형상에 대한 안전주입수의 벡터 분포는 도 10과 같으며 수직방향 주입의 경우 하향 속도 분포가 더 분명하고 넓다는 것을 알 수 있다.The vector distribution of the safety injection water for the two shapes of (a) the horizontal injection method and (b) the vertical injection method of FIG. 9 is the same as that of FIG. 10, and the downward velocity distribution of the vertical injection method is clearer and wider. have.

도 11은 초기 안전주입수의 주입속도를 12m/s라고 할 경우 유동장 내에서 동일한 속도 영역(2.5m/s, 5m/s)이 나타나는 면을 나타내고 있는데 (a)는 수평주입시 동일한 속도 2.5m/s를 나타내는 영역이며, (b)는 수직주입시 동일한 속도 2.5m/s를 나타내는 영역이며, (c)는 수평주입시 동일한 속도 5m/s를 나타내는 영역이며, (d)는 수직주입시 동일한 속도 5m/s를 나타내는 영역이며, (e)는 수평주입시 동일한 속도 10m/s를 나타내는 영역이며, (f)는 수직주입시 동일한 속도 10m/s를 나타내는 영역이다. 수직주입과 수평주입의 차이는 이러한 (a),(c),(e)와 (b),(d),(f)의 등속 면을 비교 검토할 경우 더욱 분명하게 나타난다. 즉 수직주입의 경우는 고속의하향방향 속도 분포가 넓게 자리하고 있다는 것이다. 특히 유동장 내의 안전주입수가 5m/s인 지점의 넓이는 (c)과 (d)를 보면 알 수 있듯이 수직 주입시 더욱 크게 나타나며 이것은 안전주입수의 노심 침투 효과를 극대화 할 수 있는 방법임을 알 수 있다.Fig. 11 shows a surface where the same velocity range (2.5 m / s, 5 m / s) appears in the flow field when the initial injection speed of the safety injection water is 12 m / s. / s is the area where (b) shows the same speed 2.5m / s during vertical injection, (c) is the area that shows the same speed 5m / s during horizontal injection, and (d) is the same when vertical injection It is an area | region which shows the speed 5m / s, (e) is an area | region which shows the same speed 10m / s at the time of horizontal injection, and (f) is an area | region which shows the same speed 10m / s at the time of vertical injection. The difference between vertical injection and horizontal injection is more apparent when comparing the constant velocity planes of (a), (c), (e) and (b), (d), and (f). That is, in the case of vertical injection, the high velocity downward velocity distribution is widely located. In particular, as shown in (c) and (d), the area of the safety injection number in the flow field with 5 m / s appears to be larger during vertical injection, which is a way to maximize the core penetration effect of the safety injection water. .

안전주입수의 수평 방향과 수직 방향 주입에 대한 해석은 궁극적으로 개별 주입관의 우회를 파악하고 비교해야만 그 성능에 대한 평가가 가능하다.The analysis of the horizontal and vertical injections of the safety injection water ultimately can only be assessed for its performance by identifying and comparing the bypass of individual injection pipes.

도 12는 해석에 사용된 강수부 노즐들의 배치와 저온관의 파단 부에 대한 개략도를 보여주며 도 13은 각 개별 DVI관(DVI 1,2,3,4)으로부터의 높이에 따른 속도 분포를 보여준다. 도13의 (a)는 DVI 1에서 수평주입(DVI 1)과 수직주입(DVVI 1)시 높이에 따른 속도 분포를 나타내며, (b)는 DVI 2에서 수평주입(DVI 2)과 수직주입(DVVI 2)시 높이에 따른 속도 분포를 나타내며, (c)는 DVI 3에서 수평주입(DVI 3)과 수직주입(DVVI 3)시 높이에 따른 속도 분포를 나타내며, (d)는 DVI 4에서 수평주입(DVI 4)과 수직주입(DVVI 4)시 높이에 따른 속도 분포를 나타낸다. 속도가 최고를 가리키는 지점이 DVI에 의한 안전주입수의 주입 지점이며, 높이 약 5.5m 지점에 저온관 파단부가 존재하고 있다. 도 14는 수평 주입과 수직주입으로 주입방식이 다른 각 관에서의 속도분포이다. 도 14의 (a)는 수평 방향 주입시 각 관에서의 속도 분포이며, (b)는 수직 방향 주입시 각 관에서의 속도 분포이다. 도 14의 (a)수평방향 주입의 경우 주입관의 위치에 따라 파단 부에서의 속도 차가 크게 나타나며, (b)수직방향 주입의 경우 파단 부에서의 속도 차가 크게 나타나지 않은 상태로 노심으로 침투된다는 것을 보여준다.FIG. 12 shows the arrangement of the precipitation nozzles used in the analysis and a schematic of the breakage of the cold tube and FIG. 13 shows the velocity distribution along the height from each individual DVI tube (DVI 1,2,3,4). . Figure 13 (a) shows the velocity distribution according to the height at the time of horizontal injection (DVI 1) and vertical injection (DVVI 1) in DVI 1, (b) is the horizontal injection (DVI 2) and vertical injection (DVVI) in DVI 2 2) shows the velocity distribution according to the height at time, (c) shows the velocity distribution according to the height at horizontal injection (DVI 3) and vertical injection (DVI VI) in DVI 3, and (d) indicates the horizontal distribution (in DVI 4). It shows the velocity distribution according to the height of DVI 4) and vertical injection (DVVI 4). The point where speed is the highest is the injection point of safety injection by DVI, and there is a cold tube break point at about 5.5m in height. 14 is a velocity distribution in each tube in which the injection method is different from horizontal injection and vertical injection. (A) is a velocity distribution in each tube at the time of horizontal injection, (b) is a velocity distribution in each pipe at the time of vertical injection. 14 (a) the horizontal injection shows a large difference in speed at the break according to the position of the injection tube, and (b) the vertical injection infiltrates into the core without a large difference in speed at the fracture. Shows.

이와 같이 수평 주입과 수직 주입의 비교에 대한 연구결과는 수직 주입이 수평주입에 비해 안전주입수의 노심 침투를 향상시킴으로써 성능과 안전성 면에서 우수함을 보여준다.As such, the results of the comparison between the horizontal injection and the vertical injection show that the vertical injection is superior in performance and safety by improving the core penetration of the safety injection compared to the horizontal injection.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 수직관, 스파져, 주입관 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통 및 이러한 주입관을 원자로 용기의 상부 헤드에 설치한 직접 주입 계통에 의하면, 비상 노심 냉각수를 원자로 노심 내로 주입할 때에 중력을 이용하는 피동주입형 방식을 채택하고 있으므로 비상 노심 냉각수 주입 후 원자로용기 강수부에서 발생하는 액막퍼짐(impingement), 분산(breakup), 우회(bypass)와 같은 열수력 현상에 의한 원자로용기 직접 주입 계통의 성능 저하를 방지하고, 기존의 수평 주입 방식보다 더 효율적이고 안정적으로 비상 노심 냉각수를 하부공동으로 침투시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the direct injection system of the emergency core coolant reactor vessel using the vertical pipe, the sparger, the thread of the injection pipe and the inclined injection pipe of the present invention, and the direct injection system having such an injection pipe installed on the upper head of the reactor vessel. According to the present invention, since a driven injection type using gravity is used to inject emergency core coolant into the reactor core, impingement, breakup, and bypass generated in the reactor vessel precipitation part after the emergency core coolant is injected. It is possible to prevent the performance of the reactor vessel direct injection system due to the thermal hydraulic phenomenon such as), and to penetrate the emergency core cooling water into the lower cavity more efficiently and stably than the conventional horizontal injection method.

본 발명은 또한 원자력 발전소 계통의 안전성 증대와 더불어 경제성에 있어서도 중요한 역할을 한다. 발전소의 수명이 다하는 순간까지 전혀 사용되지 않는 경우가 대부분인 공학적 안전 설비(ESF: Engineered Safety Feature)를 크게 설계하는 것은 경제적인 면에서 매우 불리한데, 본 발명에 의하면 상대적으로 적은 비상 노심 냉각수 주입 양으로도 안정성의 확보가 가능하므로 설계시 필요 이상으로 큰 용량을 차지하는 장치의 크기를 줄일 수 있어 초기 건설비용 저감 효과를 가져올 수 있다.The invention also plays an important role in economics as well as increasing the safety of the nuclear power plant system. Large design of engineered safety features (ESFs), which are often not used at the end of a plant's life, is economically disadvantageous. According to the present invention, a relatively small amount of emergency core coolant injection It is possible to secure the stability of the road can reduce the size of the device occupying a larger capacity than necessary in the design can bring the initial construction cost reduction effect.

또한 본 발명은 현재 국제적으로 개발중인 제4세대(Generation IV) 원자력시스템에서의 사용이 가능하다.In addition, the present invention can be used in the Generation IV nuclear power system currently under development internationally.

Claims (8)

안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입(Direct Vessel Injection)방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서,In pressurized water type, boiling water type, or new reactor having safety injection method of direct vessel injection method, in which safety injection water is injected into safety injection pipe installed separately from low temperature pipe, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대어 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통.Emergency core coolant injection system that allows the coolant injected through the safety injection pipe to penetrate the core in the vertical direction by adding a vertical pipe to the safety injection pipe that is horizontal to the reactor vessel. 제 1항에 있어서, 상기 수직관은 그 폭이 안전주입관의 폭과 거의 같고, 상기 수직관의 하단의 위치는 저온관의 상단보다 위인, 비상노심냉각수 주입 계통.The emergency core cooling water injection system according to claim 1, wherein the vertical pipe has a width approximately equal to the width of the safety injection pipe, and the position of the bottom of the vertical pipe is above the top of the cold pipe. 제 1항에 있어서, 상기 수직관의 입구에 보호 판을 부착하여 증기의 저항을 최소화하고 안전주입수의 노심 침투를 극대화하는, 비상노심냉각수 주입 계통.The emergency core cooling water injection system according to claim 1, wherein a protection plate is attached to the inlet of the vertical pipe to minimize the resistance of the steam and maximize the core penetration of the safety injection water. 제 3항에 있어서, 상기 보호 판은 상기 수직관의 입구와 일정한 간격을 두고 연결 설치되는 중앙부가 볼록한 원추형의 판인 것을 특징으로 하는, 비상노심냉각수 주입 계통.The emergency core cooling water injection system according to claim 3, wherein the protection plate is a convex conical plate which is connected to the inlet of the vertical pipe at regular intervals. 제 1항에 있어서, 상기 수직관의 주입구 내부 면에 나사선을 가공하여 주입되는 안전주입수가 회전하도록 하는, 비상노심냉각수 주입 계통.According to claim 1, Emergency core cooling water injection system for rotating the safety injection water injected by processing the thread on the inner surface of the inlet of the vertical pipe. 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서,In a pressurized water, boiling water, or new reactor having a safety injection method of direct injection of the reactor vessel into which safety injection water is injected into a safety injection pipe installed separately from a low temperature pipe, 상기 안전주입관을 통해 주입된 안전주입수는 하부 원주면에 다수개의 통공을 구비하는 환형관 형태의 스파져(sparger)를 통해 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통.The safety injection water injected through the safety injection pipe is an emergency core coolant injection system to penetrate the core in the vertical direction through a sparger (sparger) of the annular tube form having a plurality of holes in the lower circumferential surface. 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서,In a pressurized water, boiling water, or new reactor having a safety injection method of direct injection of the reactor vessel into which safety injection water is injected into a safety injection pipe installed separately from a low temperature pipe, 안전주입관이 원자로 용기벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통.An emergency core coolant injection system in which a safety injection pipe is installed at a constant angle on the reactor vessel wall to allow injected coolant to penetrate into the core at a constant angle. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전주입관은 원자로 용기의 상부 헤드에 설치되는 것을 특징으로 하는, 비상노심냉각수 주입 계통.The emergency core cooling water injection system according to any one of claims 1 to 7, wherein the safety injection pipe is installed at an upper head of the reactor vessel.
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