KR20040082866A - 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스순환에 의한 증기발생기 전열관의 누설검사장치에 관한 것으로, 그 목적은 최근에 다양하게 개발되고 있는 일체형원자로에 내장되는 관류식(직관형, 나선형) 증기발생기 및 열교환기의 전열관 누설을 손쉽게 전열관에 장착된 오리피스를 제거하지 않고 전열관의 방사능 누설을 감지할 수 있으며 직경이 매우 작은 전열관에 대해서도 적용이 가능한 방사능 누설감지 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 원자로에서 일차냉각재가 전열관 밖으로 흐르는 전열관에 대해 순환전가스저장탱크에 저장된 가스를 전열관에 공급하여 이차냉각재유로로 순환시켜 순환후가스저장탱크에 저장하되, 순환후가스저장탱크 전단에 방사능측정기를 설치하여 순환된 가스의 방사능을 측정토록 장치구성함으로써 원자로 운전 중에 핵연료의 손상과 확산에 의해 생성된 방사능물질, 일차냉각재에 접하고 있는 니켈합금으로부터 생성된 코발트, 그리고 일차냉각재의 용존산소 및 질소로부터 생성되는 N¹⁶등과 같이 원자로에서 일차냉각재에 생성될 수 있는 방사능 물질이 순환된 가스에 포함되는지 그 여부를 탐지하여 누설전열관을 찾아내도록 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치{Leak detection device for once-through steam generator by using of gas circulation}

본 발명은 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치에 관한 것으로, 자세하게는 좁은 원자로내 공간을 효율적으로 이용하기 위해서 일차냉각재가 전열관의 밖으로 흐르고 이차냉각재가 전열관의 안쪽을 흐르는 직관형과 나선형 전열관 형태를 가진 관류식 증기발생기 및 열교환기로 이루어진 원자로를 가동하는 도중에 전열관의 파손여부를 조사하기 위한 누설검사장치에 관한 것이다.

현재까지 세계적으로 사용되고 있는 가압경수로에는 일차측이 전열관 내를 흐르고 이차측이 주로 전열관 밖을 흐르는 재순환식 U전열관형 증기발생기가 주로 사용되고 있다.

원자로에서 전열관은 방사능을 띈 일차냉각재와 방사능을 띄지 않은 이차냉각재의 경계를 구성하므로 전열관의 검사는 엄격히 규정되고 있다.

종래의 재순환식 U전열관형 증기발생기에서는 와전류 탐촉자를 전열관 튜브로 삽입하여 전열관의 결함을 조사하는 방법이 사용되고 있으며 부분적으로 초음파 탐상도 사용되고 있다.

한편 최근에는 증기발생기와 같은 주기기를 원자로내에 장착하여 안전성을 획기적으로 향상시킨 일체형원자로가 개발되고 있는데, 일체형원자로에 사용되는 관류식 직관형 혹은 나선형 증기발생기의 경우 현재까지 상용으로 가동이 되고 있는 것이 없는 실정이므로 일체형원자로에 내장되는 증기발생기에 대한 가동중검사를 실증한 것은 없다.

종래의 와전류탐상법이나 초음파탐상법으로 일체형원자로에 내장되는 관류식 증기발생기의 전열관 누설여부를 검사하는 것은 다음과 같은 기술적 어려움이 있다.

먼저, 이차측이 전열관의 내부를 흐르는 관류식 증기발생기에서는 유동안정성을 위해 각 전열관에 매우 작은 유로를 갖는 오리피스를 설치해야 한다.

하지만 검사를 위해 이러한 전열관에 대해 기존의 와전류검사법이나 초음파검사를 위한 탐촉자를 전열관에 삽입하기 위해서는 오리피스를 제거해야 하므로 기술적으로 어려움이 있다. 그리고 나선형 전열관의 경우 와전류 탐촉자를 삽입하는 것이 매우 어렵다. 또한, 종래의 와전류탐촉자나 초음파탐촉자를 전열관에 넣기 위해서는 전열관의 내경이 일정한 크기 이상이어야 한다.

원자로가 가동하고 있는 동안 단순히 방사능의 누설을 측정하여 원전 전체계통의 누설여부를 판단하는 기술은 상용로에 적용되고 있으나 원자로가 정지한 후에 일차냉각재에 포함된 방사능 물질의 반감기 기간 이내에 전열관의 누설여부 및 누설전열관의 위치를 정의하는 기술은 상용화되고 있지 못하다.

또한, Krypton-85와 같은 방사능가스를 압력용기에 채워서 누설을 검사하는 방법도 있으나 원자로에 장착된 증기발생기의 누설검사에는 적용할 수 없다.

이러한 방법은 방사능가스로 오염되기 쉬우므로 취급이 어려워 주로 소형이고 단품인 기밀용기의 누설검사에 사용된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 원자로에 사용되는 관류식(직관형, 나선형) 증기발생기 및 열교환기의 전열관 누설을 손쉽게 전열관에 장착된 오리피스를 제거하지 않고 전열관의 방사능 누설을 감지할 수 있으며 직경이 매우 작은 전열관에 대해서도 적용이 가능한 방사능 누설감지 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적은 원자로가 정지한 후에 인위적으로 가스를 순환시켜서 일차냉각재에 포함된 방사능 물질의 반감기 기간 이내에 전열관의 누설여부 및 누설전열관의 위치를 정의하는 장치를 제공함으로써 달성된다.

도 1은 본 발명 증기발생기의 전열관 누설검사장치의 계통구성도,

도 2는 본 발명 증기발생기의 가스공급관과 전열관 연결부 설명도,

도 3은 본 발명 모듈형 증기발생기의 전열관 누설검사장치 계통구성도,

도 4는 본 발명 모듈형 증기발생기 누설검사장치의 보호덮개 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 순환전 가스저장탱크 (2) : 가스차단밸브

(3) : 가스순환펌프 (4) : 압력계

(5) : 가스순환배관 (6) : 급수측 튜브시트

(7) : 가스공급관 연결장치 (8) : 전열관

(9) : 증기측 튜브시트 (10) : 전열관 오리피스

(11) : 벨로우즈 (12) : 방사능측정기

(13) : 순환후 가스저장탱크 (14) : 보호덮개

(15) : 모듈급수관 (16) : 모듈급수헤더

(17) : 모듈증기헤더 (18) : 모듈증기관

(19) : 원자로용기 (20) : 노심지지원통

(21) : 급수헤더 (22) : 증기헤더,

(23) : 일차냉각재유로 (24) : 증기발생기 용기

(25) : 밀봉링 (26) : 블라인드플랜지

(27) : 가스배관 연결플랜지

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 구성은 원자로에서 고온의 증기를 생산하는 관류식 증기발생기의 전열관 누설검사장치에 관한 것으로서 더 상세하게는 가스를 전열관내부로 순환시켜 전열관의 누설을 검사하는 장치로서 가스를 순환시키기 위한 기기와 방사능측정기로 구성된 장치로 구체적으로는 순환전의 가스를 저장하기 위한 순환전가스저장탱크(1)와 순환된 가스를 저장하는 순환후가스저장탱크(13), 순환된 가스의 방사능을 측정하는 방사능측정기(12)와 가스를 순환시키기 위한 가스순환배관(5) 및 가스공급관연결장치(7), 가스차단밸브(2) 및 압력계(4) 등으로 구성된 장치이다.

상기와 같이 구성된 장치를 이용하여 개별 전열관의 이차측 유로로 가스를 순환시킨 후 순환된 가스에 일차냉각재의 방사능물질 포함여부를 방사능측정기(12)로 측정하여 전열관의 누설여부를 식별하는 장치로, 이와 같은 본 발명의 장치는 전열관 밖으로 일차냉각재가 흐르고 전열관 안으로 이차냉각재가 순환되는 관류식 증기발생기의 전열관 누설검사에 적용이 가능하다.

또한 증기발생기가 하나의 압력용기로 분리된 경우뿐만 아니라 분리된 모듈로 구성되어 일체형원자로에 내장된 증기발생기에서 단위 모듈의 전열관 누설감지 및 증기를 사용하지 않는 열교환기의 전열관 누설감지도 가능한 장치이다.

원자로 일차냉각재에는 크게 세 가지 원인에 의해 방사능물질이 발생한다.

첫째, 핵연료피복관의 손상이나 확산에 의해서 냉각재에 나오는 제논과 같은방사능물질이 있다.

둘째, 원자로 내부구조물에 많이 사용되는 인코넬 및 스테인레스 합금에 포함되어 있는 니켈(Ni)이 조사를 받아 생성되는 코발트(Co⁵⁸, Co⁶⁰)가 있다. 최근 개발 중인 일체형원자로에 내장된 증기발생기는 중성자조사에 의해 이차측에서 방사능물질이 생성되는 것을 방지하기 위해 티타늄합금으로 설계된다.

셋째, 용존산소 혹은 질소가스로부터 생성되는 N¹⁶이 있다. 이중에서 N¹⁶은 반감기가 짧기 때문에 핵연료가 장전된 상태나 가동중인 경우에 검사매체로 사용할 수 있으며 코발트의 경우 반감기가 수 십일이므로 원자로 가동중 및 정지 후 수 십일 동안은 검사매체로 활용할 수 있다.

전열관의 안쪽으로 이차냉각재가 흐르는 경우에는 전열관에서 나온 이차냉각재의 방사능을 조사할 수 있지만 전열관 밖으로 이차냉각재가 흐르는 경우에는 누설 전열관을 찾아낼 수가 없다.

기존의 상용원자로의 증기발생기처럼 전열관 밖으로 이차냉각재가 흐르는 경우에는 단순히 누설여부를 알아낼 수 있지만 누설 전열관을 찾아 낼 수는 없다.

하지만 전열관에 미세한 누설이 있는 경우 일차측 방사능이 누출되는 경우, 상기 본 발명의 구성을 사용하여 각 전열관에 불활성 가스를 순환시켜 가스에 묻어 나오는 방사능을 검출하여 각 전열관의 누설여부를 결정하고 및 누설 전열관을 찾아낼 수 있다.

물론 아주 미세한 양의 방사능이 가스에 묻어 있어도 감지될 수 있다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

이차냉각재가 전열관의 안쪽을 흐르는 관류식 증기발생기의 전열관에 대해 누설검사를 수행하기 위한 발명으로서 그 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 순환전의 가스를 저장하기 위한 순환전가스저장탱크(1)와 순환된 가스를 저장하는 순환후가스저장탱크(13), 순환된 가스의 방사능을 측정하는 방사능측정기(12)와 가스를 순환시키기 위한 가스순환배관(5) 및 가스공급관연결장치(7), 가스차단밸브(2) 및 압력계(4) 등으로 구성되어 있다.

상기 구성에 의해 개별 전열관의 이차측 유로로 가스를 순환시킨 후 순환된 가스에 일차냉각재의 방사능물질 포함여부를 방사능측정기(12)로 측정하여 전열관의 누설여부를 식별하게 된다.

상기와 같이 구성된 장치에 의해 누설여부가 검사되어지는 전열관을 가진 증기발생기는 외부를 이루는 증기발생기용기(24)와, 증기발생기용기(24) 내부에 장치된 다수의 전열관(8)과, 다수로 구성된 전열관의 하부를 지지하는 급수측튜브시트(6)와, 상부를 지지하는 증기측튜브시트(9)로 구성된다.

상기와 같은 장치구성을 이용하여 측정하고자 하는 특정 전열관(8)의 상하부에 가스공급관연결장치(7)가 삽입된 상태에서의 누설검사를 하는 방법은 다음과 같다.

방사능을 띈 일차냉각재는 전열관(8) 밖의 일차냉각재유로(23)를 통해 흐른다.

방사능에 오염되지 않은 이차냉각재는 급수헤더(21)에서 각 전열관(8)으로 분배되어 유동불안정성을 방지하기 위한 전열관 오리피스(10)를 지나 전열관(8)을 지나면서 증기로 모여 다시 증기헤더(22)에서 합쳐진다.

전열관(8)의 누설검사를 수행할 전열관의 양쪽 입구에 가스순환배관과 전열관 연결장치(7)를 도 2와 같이 고정한다.

밀봉링(25)은 누설을 방지하기 위한 목적이며 필요시 가스공급관연결장치(7)와 전열관(8) 사이에 부분적인 실리콘 밀봉을 사용할 수도 있다.

가스순환배관(5)을 각 전열관(8)에 연결하기 위해서는 배관에 유연성을 갖는 벨로우즈(11)나 이와 유사한 장치가 부착되어 있어야 한다.

순환전가스저장탱크(1) 출구와 순환된가스저장탱크(13) 입구에 있는 가스차단밸브(2)를 열고 가스순환펌프(3)를 가동하여 가스를 순환시킨다.

이 때 일차측냉각재는 채워져 있는 상태이며 일차측방사능 누설을 돕기 위해 일차측을 미세하게 가압 할 수도 있다.

순환된 가스의 방사능을 방사능측정기(12)로 측정하여 방사능 존재 여부로 전열관(8)의 누설여부를 판단할 수 있다.

하나의 전열관(8)에 대해 누설검사를 수행한 후에 다시 다른 전열관(8)으로 가스공급관연결장치(7)를 옮겨서 다시 마찬가지 방법으로 누설을 검사한다.

이 때 방사능측정기(12)는 직접연결해도 되나 도 1에서와 같이 우회유로를 형성해둠으로써 편의성을 도모할 수 있다.

가스순환펌프(3)를 사용하지 않고 순환전가스저장탱크의 가스압력을 이용하여 가스를 순환시킬 수도 있다.

가스 이외의 유체의 경우에는 저항이 커서 순환시키는 것이 어렵고 가스에 비해 단점이 많지만 가스와 동일한 방법으로 사용하는 것은 가능하다.

이하는 모듈로 구성된 증기발생기의 단위 모듈 전열관의 누설검사에 관한 설명이다.

일체형원자로에는 증기발생기가 원자로에 내장된다.

따라서 공간적 활용성을 높이기 위해 증기발생기를 여러 개의 단위 증기발생기로 나누고 각 단위증기발생기에서도 몇 개의 모듈로 나누어 설계된다.

예를 들면 증기발생기는 12개의 작은 단위 증기발생기로 구성되고 하나의 단위증기발생기는 6개의 모듈로 구성되며 하나의 모듈에는 수십 개의 전열관이 연결되어 있는 형태이다.

이 경우에는 단위 모듈에 대해 누설검사를 수행하고 누설이 있는 경우 단위 모듈을 밀봉하게 된다.

이러한 형태의 증기발생기에서 전열관의 누설검사를 위한 구성은 도 3에서보는 것과 같이 순환전가스저장탱크(1), 가스차단밸브(2), 압력계(4), 가스순환배관(5), 가스공급관연결장치(7), 방사능검출장비(12), 순환된가스저장탱크(13)로 구성되어 전술한 개별 전열관에 직접 순환가스를 공급하여 누설을 검사하는 장치 구성과 동일하다.

상기와 같은 구성을 가진 장치를 사용하여 누설을 검사하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

일차측유로는 원자로용기(19)와 노심지지원통(20) 사이에 위치한 증기발생기의 전열관(8) 사이로 흐른다.

이차냉각재는 모듈급수관(15)을 통해 모듈급수헤더(16)로 공급되고 모듈급수헤더에서 각 전열관(8)으로 배분된다.

전열관 오리피스(10)를 지나 각 전열관(8)에서 증기가 된 후에 모듈증기헤더(17)에서 모여서 모듈증기관(18)을 지나 원자로 밖으로 나가게 된다.

이 경우에는 개별 전열관에 접근하는 것이 불가능하므로 단위 모듈에 가스를 순환시켜서 각 모듈에서 누설전열관의 존재여부를 판단하고 누설이 있는 경우 단위 모듈을 밀봉한다.

가스순환배관(5)은 전열관(8)에 연결되지 않고 모듈급수관(15)과 모듈증기관(18)에 연결된다.

특히, 이러한 증기발생기에서는 도 3에서 보는 것과 같이 오리피스(10)가 원자로내에 있고 구조상 제거 및 재설치를 하는 것이 불가능하므로 기존의 탐상방법을 적용할 수가 없다.

이 경우에는 방사능이 밖으로 나오는 것을 차단하고 이차측의 누설을 방지하기 위하여 도 4와 같이 보호덮개(14)가 가스순환배관과 모듈관의 연결장치가 하나의 집합체로 구성된다.

검사를 수행하고 있는 모듈은 가스배관연결플랜지(27)를 통해 가스순환배관(5)과 연결하고 검사를 수행하지 않는 모듈은 블라인드플랜지(26)로 밀봉한다.

하나의 모듈에 대한 검사를 완료한 후에 검사하지 않은 모듈의 블라인드플랜지(26)를 제거하고 가스순환배관(5)과 연결하여 검사를 수행한다.

이 경우에도 가스 순환을 위한 가스순환펌프(3)를 별도로 설치하지 않고 순환전 가스저장탱크(1)의 압력을 이용하여 가스를 순환시키는 것도 가능하다.

<본 발명의 변형 예, 응용 예>

본 발명에서는 원자로 가동중에 생성되는 방사능이 누설되는 것을 검출하기 위해서 가스를 순환시키는데 비해 가스대신 액체를 순환시키는 것은 본 발명의 변형이라 할 수 있다.

액체를 순환시키는 경우 가스에 비해 저항이 크기 때문에 단점이 많으나 누설을 감지할 수는 있다.

본 발명에서 가스를 순환시키기 위해 펌프를 사용하는데 펌프를 사용하지 않고 가스저장탱크의 압력차를 이용하여 가스를 순환시키는 것도 동일한 발명에 포함된다.

대부분의 원자로는 동력을 얻기 위해서 증기를 생산하며 증기를 생산하기 위한 증기발생기가 있으나 노형이나 원자로의 목적에 따라서는 증기를 생산하지 않고 단순히 일차냉각재와 이차냉각재의 열교환을 하는 경우가 있다.

이 때 열교환기의 전열관에 대한 검사도 동일한 개념과 방법을 적용할 수 있으므로 본 발명의 변형이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 누설검사에 적용할 경우 검사가 매우 짧은 시간 이내에 수행될 수 있으므로 상대적으로 방사능 조사가 심한 지역에서의 작업시간을 단축할 수 있다는 장점과,

유동안정성을 위해 설치한 오리피스를 제거할 필요성이 없으므로 증기발생기 자체에 대한 작업이 필요 없고, 와전류 탐촉자나 초음파 탐촉자가 들어가지 않는 직경이 매우 작은 전열관에 대한 검사가 가능하다는 장점과,

종래 상용원자로에서는 방사능을 띈 일차냉각수가 전열관 내를 흐르므로 이방법을 적용할 수 없지만 일체형원자로에 많이 사용되는 관류형 증기발생기에서는 방사능을 띈 일차냉각재가 전열관 밖을 흐르므로 전열관에 누설이 있는 경우 각 전열관에서 방사능의 누설을 검사할 수 있다는 장점과,

원자로의 용량에 따라 수 백개에서 수 천개에 해당되는 개별 전열관에 대해 전체적으로 와전류탐상이나 초음파탐상과 같은 세부적인 검사를 하지 않고 어느 전열관에 누설이 있는지 매우 쉽고 간편하게 알아낼 수 있다는 장점과,

와전류나 초음파 탐상이 곤란한 경우에는 본 발명의 방법만을 적용하여 밀봉이 필요한 누설전열관을 찾아내는 것이 가능하다는 장점과,

특히, 본 방법으로 수천개의 전열관 중에서 누설전열관을 파악한 후에 누설이 있는 전열관에 대해 와전류탐상 및 초음파탐상을 적용하는 것도 효과적이고 경제적인 방법이라는 장점과,

가스를 사용하기 때문에 방사능에 오염되어도 압축을 하면 부피가 매우 작아지기 때문에 폐기물을 처리하는 것이 용이하다는 장점과,

본 발명의 경우 전열관에 배관으로 가스를 공급하는 형태이므로 대부분의 장비는 원자로에서 멀리 떨어진 곳에 두고 작업을 할 수 있으므로 작업자가 방사능지역에서 작업하는 시간이 작다는 장점과,

본 발명은 개별 전열관에 대해 적용할 수도 있지만 몇 개의 전열관이 모여서 모듈을 형성하는 형태의 증기발생기에 적용이 가능하다는 장점과,

다수의 전열관이 모여서 하나의 모듈을 형성하고 다수의 모듈이 하나의 증기발생기를 형성하는 경우 누설이 있는 모듈을 찾아내는데 사용할 수 있다는 등등의장점이 있어서 산업상 이용이 크게 기대되는 유용한 발명이다.

Claims (7)

1. 원자로에서 일차냉각재가 전열관 밖으로 흐르는 전열관에 대해 순환전가스저장탱크에 저장된 가스를 전열관에 공급하여 이차냉각재유로로 순환시켜 순환후가스저장탱크에 저장하되, 순환후가스저장탱크 전단에 방사능측정기를 설치하여 순환된 가스의 방사능을 측정토록 장치구성함으로써 원자로 운전 중에 핵연료의 손상과 확산에 의해 생성된 방사능물질, 일차냉각재에 접하고 있는 니켈합금으로부터 생성된 코발트, 그리고 일차냉각재의 용존산소 및 질소로부터 생성되는 N¹⁶등과 같이 원자로에서 일차냉각재에 생성될 수 있는 방사능 물질이 순환된 가스에 포함되는지 그 여부를 탐지하여 누설전열관을 찾아내도록 구성한 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전열관은 원자로의 증기발생기에 설치된 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.
3. 제 1항 또는 2항중 어느 한항에 있어서,

   상기 전열관이 개별 전열관으로 구성된 증기발생기일 경우, 개별 전열관의 입구쪽과 출구쪽에 가스공급관연결장치를 삽입하여 직접 가스순환배관을 연결구성한 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.
4. 제 1항 또는 2항중 어느 한항에 있어서,

   상기 전열관이 몇 개의 전열관이 합쳐져서 모듈로 구성된 증기발생기일 경우, 모듈급수관과 모듈증기관에 연결되는 단위모듈에 가스공급관연결장치를 삽입하여 가스순환배관을 연결구성한 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 단위모듈에 삽입되는 가스공급관연결장치와 이를 고정하고 안내하는 보호덮개(14)를 일체의 집합체형태로 구성한 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 순환전가스저장탱크에서 공급되는 가스는 가스순환펌프를 사용하여 공급하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 순환전가스저장탱크에서 공급되는 가스는 순환전가스저장탱크의 자체 압력에 의해서 공급토록 구성한 것을 특징으로 하는 가스순환에 의한 관류식 증기발생기의 누설검사장치.