KR20100032122A - Ｏｎ-ｌｉｎｅ 전열관 파손감지 기능을 갖는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기 - Google Patents

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Abstract

소듐 냉각 고속로용 헬리컬 코일형 증기발생기에서 열전달 효율이 높은 이중벽관 구조의 전열관과 전열관의 파손 여부를 on-line으로 실시간 감지할 수 있는 전열관 파손 감지부를 구비하는 증기발생기가 개시된다. 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관은 제1 재질로 형성된 내관, 상기 내관에 밀착 형성되며 제1 재질보다 열팽창률이 작은 제2 재질로 형성된 외관 및 상기 내관과 외관 사이에서 상기 전열관의 길이 방향을 따라 길게 형성되어 헬륨이 유동하는 복수개의 헬륨 유동홈을 포함하여 구성된다. 따라서, 증기발생기의 정상 운전 시 발생하는 내관과 외관의 온도차에 대해 내관과 외관이 동일하게 열팽창되므로, 내관과 외관 사이의 밀착도가 저하되지 않으며 열전달 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
소듐 냉각 고속로(sodium cooled fast reactor), 이중벽관(double wall tube), 헬리컬 코일형 증기발생기(helical coil steam generator), 실시간 on-line 전열관 파손감지 (on-line leak detection)

Description

Ｏｎ-ｌｉｎｅ 전열관 파손감지 기능을 갖는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기{STEAM GENERATOR FOR THE SODIUM COOLED FAST REACTOR WITH AN ON-LINE LEAK DETECTION SYSTEM}
본 발명은 고속로용 헬리컬 코일형 증기발생기에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 전열관의 열전달 효율을 향상시키고, 전열관의 파손 여부를 온라인으로 실시간 감지할 수 있으며, 전열관의 파손시 증기발생기 내의 압력상승을 완화시킬 수 있는 전열관 및 전열관의 파손 감지장치 그리고 증기발생기에 관한 것이다.
발전하면서 소비량 이상의 핵연료를 증식할 수 있는 원자로는 현재 여러 가지가 연구되고 있으나, 핵연료로서 우라늄과 플루토늄을 사용하고 냉각재로서 액체금속 소듐(Sodium)을 사용하며 감속재는 사용하지 않고 고속중성자에 의한 플루토늄의 핵분열을 이용하는 고속로(고속 증식로 또는 액체금속로)가 발전용 플랜트로서 실용화를 목표로 하고 있다.
냉각재로 액체상태의 소듐을 사용하는 고속로(sodium cooled fast reactor, SFR)는 증기발생기에서는 전열관(heat transfer tube)의 외부 셸(shell) 측에 흐르는 저압, 고온인 소듐으로부터 전열관 내부를 흐르는 고압, 저온의 물/증기로 열이 전달되며, 고온과 저압으로 냉각계통을 운전할 수 있는 장점이 있다.
한편, 기존의 고속로용 증기발생기에서 발생할 수 있는 문제점들을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 기존의 고속로용 증기발생기의 전열관으로는 주로 단일벽관이 사용되고 있으나, 소듐과 물의 누출 위험을 방지하기 위해서 이중의 관으로 형성된 이중벽관을 사용하기도 한다. 이중벽관의 경우 내관과 외관 사이에 기체가 채워지면 열전달 효율이 떨어지므로 이를 방지하기 위해 서로 밀착시키는 것이 중요하다. 그런데, 기존의 이중벽관은 내관과 외관이 동일한 재질로 형성되므로 고온의 소듐에 접촉되는 외관과 상대적으로 저온인 물에 접촉되는 내관의 열팽창 정도가 다르며, 이로 인해 내관과 외관 사이의 밀착도가 저하되고 열전달 효율이 저하되는 문제점이 있다. 특히, 이러한 열전달 효율 저하 문제는 내관과 외관 사이의 온도차가 클수록 심화된다.
또한, 증기발생기에서 전열관의 부식이나 열적 불균형으로 인해 전열관이 파손되어 균열이 발생하는 경우 고압의 물 또는 증기가 누출되어 소듐과 접촉되면서 화학적 반응에 의해 고온의 부식성 반응생성물과 다량의 수소가스가 생성되며 이로 인해 계통이 손상될 수 있다.
이러한 전열관의 파손을 감지하기 위한 방법들이 개시되어 있으며, 그 중에서 이중벽관을 사용하는 전열관의 파손을 감지하기 위한 한 방법으로서, 내관과 외관 사이에 길이방향으로 미세한 홈을 형성하고 홈에 주입된 헬륨가스의 압력변동을 이용하여 전열관의 파손 여부를 감지하는 방법이 있다. 이러한 헬륨가스를 이용한 파손 감지 방법은 증기발생기에 공용 헬륨 플레넘을 형성하고 공용 헬륨 플레넘 내의 가스의 성분을 분석하거나 압력변화를 측정하는 방법과 증기발생기 외부에서 헬륨가스의 성분을 분석하는 방법이 있다.
그러나 전자의 경우, 내관의 파손 시에는 해당 전열관을 폐쇄하여 누출을 차단할 수 있으나, 외관의 파손 시에는 파손된 전열관 별도로 격리할 수 없어 소듐이 공용 헬륨 플레넘으로 유입되면서 파손 감지 기능을 상실하는 문제점이 있다. 또한, 후자의 경우, 내관과 외관의 파손 모두의 경우에 대해 전열관을 격리시킬 수는 있으나 전열관이 모두 외부에 노출되므로 중대사고인 전열관 파단사고의 확률이 높아지는 문제점이 있다. 따라서 항상 on-line으로 전열관의 파손을 감지할 수 있는 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지 수단 또는 방법의 개발이 요구된다.
그리고 증기발생기는 상부에 소듐과 커버가스가 서로 접촉하는 자유액면이 형성되는데 자유액면이 요동함에 따라 고온의 소듐과 상대적으로 저온인 커버가스로 인해 전열관의 표면온도가 요동하게 되고 이는 전열관의 열피로를 발생시키는 원인이 된다. 특히, 기존의 증기발생기는 자유액면의 공간이 넓어 요동의 진폭이 크고 이로 인해 전열관의 열피로가 높은 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고속로용 헬리컬 코일형 증기발생기에서 열전달 효율이 높은 이중벽관 구조의 전열관을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전열관의 파손 여부를 on-line으로 실시간 감지할 수 있는 전열관 파손 감지부를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전열관의 파손 시 파손 감지부의 파손 감지 기능 상실을 방지할 수 있는 전열관 파손 감지부를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전열관의 파손으로 인해 소듐과 물이 반응이 발생하였을 때 비상조치가 수행되는 동안 증기발생기 내부의 압력상승을 완화할 수 있는 증기발생기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 증기발생기 상부의 자유액면의 요동에 의해 발생하는 전열관의 열피로 현상을 완화시킬 수 있는 증기발생기를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 열전달 효율이 높은 이중벽관 구조의 전열관이 개시된다. 소듐 냉각 고속로용 헬리컬 코일형 증기발생기용 이중벽관 구조의 전열관은 제1 재질로 형성된 내관, 상기 내관에 밀착 형성되며 제1 재질보다 열팽창률이 작은 제2 재질로 형성된 외관 및 상 기 내관과 외관 사이에서 상기 전열관의 길이 방향을 따라 길게 형성되어 헬륨이 유동하는 복수개의 헬륨 유동홈을 포함하여 구성된다.
실시예에서, 상기 내관과 상기 외관은 동심으로 삽입되어 압연 인발 공정으로 형성되며, 상기 내관과 상기 외관의 경계에 잔류응력이 형성되어 상기 내관과 상기 외관이 밀착된다.
실시예에서, 상기 제2 재질은 상기 제1 재질에 비해 10 내지 15% 정도 열팽창률이 작은 재질로 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 재질과 상기 제2 재질은 크롬 또는 몰리브덴 함량이 서로 다른 크롬몰리브덴강(Cr-Mo강)을 사용할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 전열관의 파손 여부를 on-line으로 실시간 감지할 수 있는 전열관 파손 감지부가 개시된다. 전열관 파손 감지장치는 내관 및 상기 내관보다 열팽창률이 작은 재질로 형성된 외관을 구비하고, 상기 내관과 상기 외관 사이에 형성되어 헬륨가스가 유동되는 헬륨 유동홈이 형성된 전열관, 상기 헬륨 유동홈과 연통되며 상기 전열관이 결합되는 하부 튜브시트를 관통하여 형성된 복수개의 감지홀, 상기 감지홀과 연결되어 상기 헬륨 유동홈의 헬륨가스가 유입되는 헬륨 플레넘 및 상기 헬륨 플레넘으로 유입되는 헬륨가스의 압력을 측정하여 상기 전열관의 파손여부를 감지하는 압력계를 포함하여 구성된다.
실시예에서, 상기 감지홀과 상기 헬륨 플레넘을 연결하는 연결튜브에는 제1 밸브가 구비되고, 상기 제1 밸브는 상시 개방 상태(normally open)로 연결되며, 상기 전열관 파손 시 상기 연결튜브를 폐쇄할 수 있다.
실시예에서, 상기 헬륨 플레넘의 일측에는 상기 헬륨 플레넘을 선택적으로 가압 및 감압하기 위한 헬륨 탱크와 진공펌프가 구비된다. 그리고 상기 헬륨 플레넘과 상기 헬륨 탱크 및 상기 진공펌프 사이에는 제2 밸브가 구비되고, 상기 제2 밸브는 상시 폐쇄 상태(normally closed) 상태로 연결되되, 상기 헬륨 플레넘과 상기 헬륨 탱크 및 상기 진공펌프 사이를 이중으로 폐쇄하도록 구비된다.
실시예에서, 상기 하부 튜브시트에는 상기 전열관이 삽입 결합되는 복수개의 전열관홀이 형성되되, 상기 외관은 상기 하부튜브시트의 제1 면에 결합되고 상기 내관은 상기 전열관홀을 관통하여 상기 하부 튜브시트의 제2 면에 결합되며, 상기 전열관홀과 상기 내관 사이의 공간으로 상기 헬륨 유동홈이 연통되는 간극이 형성된다. 예를 들어, 상기 전열관홀은 상기 하부 튜브시트를 따라 방사상으로 배치되고, 상기 감지홀은 상기 전열관홀 각각과 연통되되 상기 하부 튜브시트의 직경 방향을 따라 측면과 연통되도록 형성되되, 상기 하부 튜브시트의 직경 방향을 따라 일직선상에 배치된 복수개의 전열관홀과 연통되는 복수개의 감지홀이 상기 하부 튜브시트의 서로 다른 깊이에 형성될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 이중벽관 구조의 전열관 및 전열관의 파손 여부를 on-line으로 실시간 감지할 수 있는 전열관 파손 감지부가 구비되며, 전열관의 파손 시 소듐과 물의 반응에 의한 증기발생기 내부 압력을 완화시킬 수 있는 증기발생기가 개시된다. 증기발생기는 내관 및 상기 내관보다 열팽창률이 작은 재질로 형성된 외관을 구비하는 이중벽관 구조의 전열관, 내부에 압력 버퍼공간이 형성되고 커버가스가 제공되 는 내부원통, 상기 내부원통의 외측에 상기 전열관이 코일 형태로 권선되어 형성된 전열관 코일부, 상기 전열관 코일부 하부에 구비되어 상기 전열관이 결합되는 하부 튜브시트의 일측에서 상기 전열관과 연결되며 상기 전열관의 파손 여부를 감지하는 파손 감지부 및 상기 내부원통 상부에 구비되어 상기 전열관 파손시 소듐과 물의 반응에 의한 압력 상승에 의해 파열되어 상기 전열관 코일부에서 발생하는 기체를 상기 압력 버퍼공간으로 유입시키는 파열판(rupture disk)을 포함하여 구성된다.
실시예에서, 상기 증기발생기는 상기 전열관 및 상기 전열관 코일부가 수용되는 외부원통, 상기 외부원통을 수용하는 메인 셸, 상기 메인 셸 상부에 구비되며 상기 전열관 코일부로 소듐이 유입되는 소듐 유입부가 형성된 상부 셸, 상기 상부 셸 상부에 구비되어 상기 전열관이 결합되는 상부 튜브시트, 상기 상부 튜브시트 상부에 구비되며 상기 상부 튜브시트를 통해 상기 전열관과 연결되어 상기 전열관에서 유출되는 증기가 유출되는 증기헤더, 상기 메인 셸 하부에 구비되며 상기 전열관 코일부에서 소듐이 유출되는 소듐 유출부가 형성된 하부 셸, 상기 하부 셸 하부에 구비되어 상기 전열관이 결합되는 하부 튜브시트 및 상기 하부 튜브시트 하부에 구비되며 상기 하부 튜브시트를 통해 상기 전열관과 연결되어 상기 전열관으로 급수를 제공하는 급수헤더를 포함하여 구성된다.
실시예에서, 상기 상부 셸 내부에서 상기 전열관 코일부 상부에는 소듐의 부피팽창을 흡수하기 위한 커버가스공간이 형성되고, 상기 커버가스공간 내부에는 커버가스가 충진되어 소듐과 커버가스가 접촉하는 자유액면이 형성된다. 그리고 상기 전열관의 열피로를 완화할 수 있도록 상기 외부원통은 상기 커버가스공간 내부 에서 상기 소듐의 자유액면보다 상부까지 연장되며, 상기 커버가스공간 내부에서 상기 전열관 외측을 둘러싸는 전열관 보호막이 구비된다. 여기서, 상기 전열관 보호막에서 상기 소듐에 침잠된 부분에는 상기 소듐이 상기 전열관 보호막 내외부로 유동되는 복수개의 소듐 유동홀이 형성되고, 상기 소듐 자유액면 상부에는 커버가스가 상기 전열관 보호막 내외부로 유동되는 복수개의 커버가스 유동홀이 형성될 수 있다.
실시예에서, 상기 내부원통 상부에는 상기 커버가스공간과 상기 압력 버퍼공간을 연통시키는 복수개의 압력유지홀이 형성될 수 있다.
실시예에서, 상기 외부원통과 상기 메인 셸 사이에는 셸 간극이 형성되고, 상기 셸 간극은 상기 소듐 유입부 및 상기 소듐 유출부와 연통되어 상기 소듐 유입부로 유입되는 소듐의 일부가 상기 셸 간극을 통해 바이패스되어 상기 증기발생기 표면에서 외부로 손실되는 열량을 보상할 수 있도록 형성될 수 있다.
실시예에서, 상기 전열관 코일부 상부 및 하부에는 소듐의 유량을 균일하게 유지시키고 상기 전열관을 지지하는 유량분배형 지지대가 구비된다. 예를 들어, 상기 유량분배형 지지대는 소듐의 유량을 균일하게 유동시키는 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 오리피스들이 형성되며, 상기 전열관 코일부로 유입되는 소듐 유량 및 유출되는 유량을 균일하게 유지시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 첫째, 내관보다 외관의 열팽창률이 10~15% 높은 재질로 형성된 이중벽관 구조의 전열관을 제공함으로써 내관과 외 관이 유사하게 열팽창되어 열전달 효율을 향상시킨다.
둘째, 내관과 외관 사이에서 전열관의 길이 방향을 따라 형성된 홈 내부로 헬륨가스를 유동시키고 각 홈을 하부 튜브시트를 통해 헬륨 플레넘으로 연결하여 헬륨가스의 압력 변동을 측정함으로써 on-line으로 전열관의 파손 여부를 실시간 감지할 수 있다.
셋째, 각 전열관은 헬륨 플레넘과 튜브 및 밸브로 연결하여 전열관 파손시 튜브를 폐쇄하거나 밸브를 폐쇄함으로써 소듐이 파손 감지부로 유입되는 것을 방지하고, 소듐 유입으로 인한 파손 감지부의 기능 상실을 방지할 수 있다.
넷째, 증기발생기 상부의 커버가스공간과 내부의 버퍼공간을 연통시키고 파열판을 구비함으로써 전열관 파손시 소듐과 물의 반응으로 인해 발생하는 수소가스가 버퍼공간으로 유출되면서 압력상승을 완화시킬 수 있다. 특히, 전열관이 권선되는 내부 공간을 활용할 수 있으며, 버퍼공간의 크기가 충분히 커서 전열관의 파손시 압력상승을 효과적으로 완화시킬 수 있다.
다섯째, 상부 외부원통을 커버가스공간까지 높이고, 전열관 보호막을 구비함으로써 커버가스공간 내에서 소듐 자유액면의 요동을 억제하고, 자유액면의 요동으로 인한 전열관의 열피로를 효과적으로 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
증기발생기
이하, 도 1를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 냉각 고속로용 증기발생기에 대해 간략하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 소듐을 냉각재로 사용하는 고속로(sodium cooled fast reactor, SFR)용 증기발생기(100)는 중간 열교환기로부터 소듐(sodium)을 수용하고 소듐의 열을 이용하여 동력 발생용 고압 증기를 발생시킨다. 즉, 헬리컬 코일형 증기발생기(100)는 전열관(heat transfer tube)(105) 다발이 헬리컬 코일 형태로 권선된 전열관 코일부(115)가 구비되고, 상기 전열관(105)의 외측으로 고속로의 노심에서 가열된 소듐이 유동하고 상기 전열관(105) 내측으로는 물이 유동하면서 저압, 고온인 소듐으로부터 고압, 저온의 물로 열이 전달되어 증기가 발생된다. 상기 전열관(105)은 물이 유동하는 유로가 되면서 물과 소듐을 서로 격리시킨 상태에서 열전달이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
본 실시예서는 액체 상태의 소듐을 이용한 증기발생기에 대해 설명하나, 본 발명이 이에 한정되거나 제한되지 않으며, 열 용량이 우수하면서도 액체 상태에서 원활한 유동 특성을 가지는 여러 활성 금속물질을 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 증기발생기(100)는 크게 상기 전열관 코일부(115)가 수용되는 원통 형태의 메인 바디(101)와 상부 헤더부(102) 및 하부 헤더부(103)로 구분할 수 있다.
상세하게는, 상기 메인 바디(101)는 내부원통(inner shroud)(112)과 외부원통(outer shroud)(113) 및 상기 외부원통(113)을 수용하는 메인 셸(main shell)(111)로 이루어지고, 상기 전열관 코일부(115)는 상기 내부원통(112) 외주면을 따라 전열관(105) 다발이 헬리컬(helical) 형태로 권선된다. 상기 상부 헤더부(102)는 소듐 유입부(123)가 형성된 상부 셸(121)과 상부 튜브시트(upper tube-sheath)(122) 및 증기헤더(106)를 포함하여 구성된다. 상기 하부 헤더부(103)는 소듐 유출부(133)가 형성된 하부 셸(131)과 하부 튜브시트(upper tube-sheath)(132) 및 급수헤더(107)를 포함하여 구성된다.
상기 메인 셸(111)은 상기 증기발생기(100)의 외관을 형성하고, 상기 내부원통(112)과 상기 외부원통(113)은 상기 전열관 코일부(115)를 수용하여 상기 전열관(105)을 보호하고 소듐의 유로를 한정하여 소듐과 물 사이의 열교환이 이루어지는 공간을 한정한다. 특히, 상기 내부원통(112)은 상기 전열관(105)을 코일 형태로 권선할 수 있는 최소 반경으로 형성되며, 상기 내부원통(112) 내측에 형성되는 소정 체적의 공간은 상기 전열관(105)의 파손 시 소듐과 물의 반응에 의한 압력 상승을 완화시키는 압력 버퍼공간(104)이 된다.
상기 압력 버퍼공간(104) 내부에는 커버가스가 충진되고, 예를 들어, 상기 커버가스는 아르곤가스(Ar)가 사용된다.
상기 전열관 코일부(115)는 상기 내부원통(112) 외주면을 따라 수평에 대해 소정 각도 경사지게 권선되되 복수개의 전열관(105) 열이 중첩되게 권선된다. 예를 들어, 상기 내부원통(112)에서 가까운 쪽에서부터 홀수 열의 전열관(105)은 시계 방향으로 권선되고 짝수 열의 전열관(105)은 반시계 방향으로 권선될 수 있다.
상기 전열관(105)의 상단부는 상기 상부 튜브시트(122)를 관통하여 상기 증 기헤더(106)와 연통되도록 상기 상부 튜브시트(122)에 결합되고, 상기 전열관(105)의 하단부는 상기 하부 튜브시트(132)를 관통하여 상기 급수헤더(107)와 연통되도록 상기 하부 튜브시트(132)에 결합된다.
상기 소듐 유입부(123) 및 상기 소듐 유출부(133)는 상기 전열관 코일부(115)와 연통되도록 형성되며, 상기 소듐 유입부(123)로 유입된 고온의 소듐은 상기 내부원통(112)과 상기 외부원통(113) 사이의 상기 전열관 코일부(115)로 유입되고 상기 전열관 코일부(115)에서 상기 전열관(105) 다발을 타고 하부로 하강하면서 상기 전열관(105) 내부의 물을 가열시키고 하부의 상기 소듐 유출부(133)를 통해 유출된다. 그리고 상기 급수헤더(107)로 유입된 물은 상기 전열관(105)을 통해 상승하는 동안 상기 전열관 코일부(115) 에서 소듐에서 공급받는 열에 의해 과열증기 상태로 가열되어 상기 증기헤더(106)에서 유출된다.
한편, 상기 증기헤더(106) 및 상기 급수헤더(107)에는 상기 전열관(105)의 검사 및 파손된 전열관(105)을 플러깅(plugging) 하기 위한 검사포트들(inspection ports)(161, 171)이 구비된다.
상부 헤더부
이하, 도 2를 참조하여, 상기 상부 헤더부(102)에 대해 상세하게 설명한다. 참조적으로 도 2는 도 1의 증기발생기(100)에서 상부 헤더부(102)의 종단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 상부 헤더부(102)는 상기 상부 셸(121)과 상기 상부 튜브시트(122) 및 상기 소듐 유입부(123)와 상기 증기헤더(106)가 구비된다.
상기 전열관(105)의 상단부는 상기 상부 튜브시트(122)에 결합되며, 상기 전열관 코일부(115)와 상기 상부 튜브시트(122) 사이에서 상기 전열관(105)을 지지하기 위한 상부 전열관 지지부(530) 및 상부 전열관 연결부(510)가 형성된다. 상기 상부 전열관 연결부(510)는 상기 전열관 코일부(115)가 끝난 부분의 전열관(105)이 소정의 휨반경(bending radius)으로 벤딩되어 상기 상부 튜브시트(122)에 결합되며, 상기 상부 전열관 지지부(530)는 상기 전열관 코일부(115)에서 상부 방향으로 유량분배형 상부지지대(531)와 제1 지지대(532)와 제2 지지대(533)가 순차적으로 구비되어 상기 상부 전열관 연결부(510)를 지지한다.
상세하게는, 상기 유량분배형 상부지지대(531)와 상기 제1 지지대(532) 사이에 상기 상부 전열관 연결부(510)는 휨반경 r1으로 벤딩된 제1 벤딩부(511)가 형성되고, 상기 제1 지지대(532)와 상기 제2 지지대(533) 사이에서는 휨반경 r2로 두번 벤딩된 제2 벤딩부(512)가 형성되며, 상기 제2 지지대(533)를 지난 후에는 직선화된 직선부(513)가 형성되어 상기 상부 튜브시트(122)에 결합된다. 예를 들어, 상기 제1 벤딩부(511)는 휨반경 r1 이 520㎜이고 상기 전열관 코일부(115)가 끝나는 부분에서 상기 유량 분배형 상부지지대(531)에 대해 60°로 벤딩되며 상기 제1 지지대(532)를 수직으로 통과한 후 상기 제2 벤딩부(512)는 휨반경 r2 가 600㎜이고 수평선에 대해 45°로 두번 벤딩된다.
상기 상부 튜브시트(122)는 상기 전열관(105)이 관통하여 결합 가능한 복수개의 홀이 형성되고, 상기 전열관(105)이 상기 상부 튜브시트(122)를 관통하여 결합되되, 상기 상부 튜브시트(122)의 하부에서는 상기 전열관(105)의 외관만 용접에 의해 고정되고 상기 상부 튜브시트(122)를 관통하여 반대쪽인 상부에서는 상기 전열관(105)의 내관 및 외관이 모두 용접으로 고정된다. 상기 상부 셸(121)은 상기 메인 셸(111)에 결합되며, 상기 전열관 코일부(115)와 연통되도록 일측에 상기 소듐 유입부(123)가 형성되고, 상부에 상기 상부 튜브시트(122)와 상기 증기헤더(106)가 구비된다.
상기 상부 셸(121) 내측에는 상기 상부 전열관 연결부(510)를 수용하는 상부 내부원통(242)과 상부 외부원통(243) 및 전열관 보호막(241)이 구비되고, 상기 상부 셸(121) 내측에는 소듐의 부피팽창을 흡수하기 위한 커버가스공간(250)이 형성된다.
상기 상부 셸(121)은 상기 메인 셸(111) 상부에 장착되고 상부의 셸 용접부(211)에서 용접에 의해 결합된다. 여기서, 상기 외부원통(113), 외부원통 연결부(244) 및 상기 상부 외부원통(243)은 상기 상부 셸(121)이나 상기 메인 셸(111)에 용접 등에 의해 고정되지 않으며 접촉된 상태로 단순히 장착되는 구조를 갖는다. 예를 들어, 상기 상부 셸(121)은 내측에 결합돌기(212)가 형성되고 상기 외부원통 연결부(244)는 상기 결합돌기(212)에 대응되는 돌기가 형성되며, 상기 결합돌기(212) 상에 상기 상부 외부원통 연결부(244)가 거치되는 형태로 장착된다.
상기 소듐 유입부(123)는 원자로(미도시)로 연결되는 유입노즐(231)과 상기 전열관 코일부(115)로 연결되는 유입구(233) 및 상기 유입노즐(231)과 상기 유입구(233) 사이에서 소듐이 유동하는 유입유로(232)를 포함하여 구성된다.
예를 들어, 상기 소듐 유입부(123)는 도 5에 도시한 바와 같이 2개의 유입노 즐(231)이 구비된다.
상기 유입유로(232)에는 소듐의 유입 유량을 균일하게 유지시키기 위해서 유입유량분배부(234)가 구비된다. 예를 들어, 상기 유입유로(232)에는 2개의 유입유량분배부(234)가 구비된다.
여기서, 상기 유입구(233)는 상기 제1 지지대(232)와 상기 유량분배형 상부지지대(231) 사이에 형성되며, 상기 외부원통(133)과 상기 외부원통 연결부(244) 사이에 소정 직경을 갖는 일정 길이의 로드 복수개가 소정 간격으로 용접됨으로써 상기 외부원토(113)과 상기 외부원통 연결부(244)를 연결시키는 역할을 하며, 용접된 복수개의 로드 사이의 간격으로 소듐이 유입된다.
한편, 상기 유량분배형 상부지지대(231)는 상기 전열관(105)을 지지할 뿐만 아니라 상기 전열관 코일부(115)로 소듐이 균일하게 유입되도록 분배하는 역할을 한다. 즉, 상기 소듐 유입부(123)로 유입된 소듐은 상기 상부 헤더부(102)에 구비된 상기 제1 지지대(532)와 상기 유량분배형 상부지지대(531) 사이를 통과하면서 상기 전열관 코일부(115)로 균일하게 분배되어 유입된다.
상기 유입구(233) 하부에서는 상기 외부원통(113)과 상기 메인 셸(111)이 소정 간격 이격되어 셸 간극(116)이 형성된다. 상기 셸 간극(116)은 상기 유입구(233)로 유입되는 소듐의 일부가 상기 셸 간극(116)으로 유입되어 하부의 상기 소듐 유출부(133)로 유출되도록 바이패스 시킴으로써 상기 증기발생기(100) 표면에서 외부로 손실되는 열량을 보상하게 된다. 여기서, 상기 셸 간극(116)은 상기 유입구(233)에서 하부의 상기 소듐 유출부(133)까지 연통되도록 형성되되, 상기 유입 구(233) 하부에 인접한 소정 구간과 상기 소듐 유출부(133) 상부에 인접한 소정 구간에서는 상기 메인 셸(111)이 밀착되도록 상기 외부원통(113)이 외측으로 확장되며 상기 셸 간극(116)이 축소된 구간이 형성된다.
상기 상부 내부원통(242)은 상기 상부 전열관 연결부(510)의 형태에 따라 직경이 축소되는 형태를 갖고 상단부가 상기 상부 튜브시트(122)에 결합된다.
상기 커버가스공간(250)은 상기 전열관(105)이 상부에 형성된 소정 체적의 빈 공간으로서, 상기 유입구(233)로 유입되는 소듐이 상기 제1 지지대(532)와 상기 전열관(105) 사이의 미세한 틈을 통해 상기 커버가스공간(250)으로 유입된다. 상기 커버가스공간(250) 내부에는 커버가스가 충진되므로 소듐과 커버가스가 접촉하는 자유액면(251)이 형성된다. 여기서, 상기 커버가스공간(250) 상부 일측에는 소듐 정화계통 연결부(215)가 구비되며, 상기 커버가스공간(250)으로 유입되는 소듐은 상기 소듐 정화계통 연결부(215)를 통해 소듐 정화계통으로 유입되고 상기 자유액면(251)은 상기 소듐 정화계통 연결부(215)의 높이에 형성된다.
상기 커버가스공간(250)에서 상기 전열관(105)의 열피로를 완화시키기 위해 상기 상부 외부원통(243)을 상기 자유액면(251)보다 상부까지 연장되게 형성하고 상기 전열관(105)의 외측에는 상기 전열관 보호막(241)이 구비된다. 상기 상부 외부원통(243)과 상기 전열관 보호막(241)은 상기 자유액면(251)의 요동을 완화시킴으로써 상기 전열관(105)의 표면온도를 비교적 균일하게 유지시키고 온도 요동을 완화시킨다.
상기 전열관 보호막(241)에서 소듐에 침잠되는 부분에는 소듐이 상기 전열관 보호막(241)을 통해 내부의 상기 전열관(105)과 외부의 상기 커버가스공간(250)으로 서로 유동할 수 있도록 복수개의 소듐 유동홀(247)이 형성된다. 또한, 상기 전열관 보호막(241)에서 상기 자유액면(251) 상부에는 상기 전열관 보호막(241)의 내외부로 커버가스가 유동할 수 있도록 복수개의 커버가스 유동홀(246)이 형성된다.
상기 상부 내부원통(242) 상부에는 상기 전열관(105) 파손 시 파열되어 압력 상승을 완화시키는 파열판(rupture disk)(140)이 구비된다. 상기 파열판(140)은 상기 커버가스공간(250)과 상기 압력 버퍼공간(104)을 연통시키도록 구비되며, 상기 커버가스공간(250)에서 상기 자유액면(251) 상부에 대응되는 위치에 구비된다.
상기 파열판(140)은 상기 전열관(105)의 파손 시 소듐과 물의 반응에 의해 상기 증기발생기(100) 내부의 압력이 상승하여 소정 압력에 도달하면 상기 파열판(140)이 파열되면서 상기 증기발생기(100) 내부의 가스를 상기 압력 버퍼공간(104)으로 유출시킴으로써 상기 증기발생기(100) 내부의 압력 상승을 완화시키며, 비상조치(예를 들어, 증기방출밸브(미도시)나 급수차단밸브(미도시)의 작동)가 수행되기까지 시간을 확보하는 역할을 한다.
여기서, 상기 파열판(140)이 파열되는 압력은 상기 증기발생기(100)가 운전되는 동안 상기 파열판(140)이 예상치 못하게 파열되는 것을 방지하기에 충분하게 높게 설정되며, 상기 전열관(105)의 파손 시에는 지체 없이 파열될 수 있도록 충분하게 낮게 설정된다.
또한, 상기 상부 내부원통(242) 상부에는 상기 커버가스공간(250)과 압력 버퍼공간(104)을 연통시키는 복수개의 압력 유지홀(245)이 형성된다. 상기 압력 유 지홀(245)은 상기 파열판(140)보다 상부에 형성되어 상기 커버가스공간(250)과 상기 압력 버퍼공간(104) 내부의 압력을 균일하게 유지시키는 역할을 한다.
한편, 상기 커버가스공간(250) 상부에 대응되는 상기 상부 셸(121) 일측에는 상기 커버가스공간(250)으로 커버가스를 공급하기 위한 커버가스 유입구(252)와 커버가스 유출구(253) 및 커버가스 공급부(255)가 구비된다. 또한, 도시하지는 않았으나, 상기 커버가스공간(250) 내부에서 일측에는 온도센서와 수위센서 등이 설치될 수 있다.
하부 헤더부
이하, 도 3을 참조하여, 상기 하부 헤더부(103)에 대해 상세하게 설명한다. 참조적으로 도 3은 도 1의 증기발생기(100)에서 상기 하부 헤더부(103)의 종단면도이고, 원 내부에 도시된 도면은 소듐 유출구(333)의 요부 확대도이다.
도 3을 참조하면, 상기 전열관(105)의 하단부는 상기 하부 튜브시트(132)에 결합되며, 상기 전열관 코일부(115)와 상기 하부 튜브시트(132) 사이에서 상기 전열관(105)을 지지하기 위한 하부 전열관 지지부(540) 및 하부 전열관 연결부(520)가 형성된다. 상기 하부 전열관 연결부(520)는 상기 전열관 코일부(115)가 끝난 부분의 전열관(105)이 소정의 휨반경으로 벤딩되어 상기 하부 튜브시트(132)에 결합되며, 상기 하부 전열관 지지부(540)는 상기 전열관 코일부(115)에서 하부 방향으로 유량분배형 하부지지대(541)와 제3 지지대(542)가 구비되어 상기 하부 전열관 연결부(520)를 지지한다.
상세하게는, 상기 유량분배형 하부지지대(541)와 상기 제3 지지대(542) 사이에 상기 하부 전열관 연결부(520)는 휨반경 r3으로 벤딩된 제3 벤딩부(521)가 형성되고, 상기 제3 지지대(542)와 상기 하부 튜브시트(132) 사이에서는 휨반경 r4로 두번 벤딩된 제4 벤딩부(522)가 형성되어 상기 하부 튜브시트(132)에 결합된다. 예를 들어, 상기 전열관(105)은 상기 전열관 코일부(115)가 끝나는 부분에서 휨반경 r3 이 520㎜ 및 이고 상기 유량 분배형 하부지지대(541)에 대해 60°로 벤딩되어 제3 벤딩부(521)가 형성되고, 상기 제3 지지대(542)를 수직으로 통과한 후 상기 제2 벤딩부(512)와 마찬가지로 휨반경 r4 가 600㎜이고 수평선에 대해 52°로 두번 벤딩되어 제4 벤딩부(522)가 형성된다.
상기 하부 튜브시트(132)는 상기 전열관(105)이 관통하여 결합 가능한 복수개의 전열관홀(321, 도 10 참조)이 형성되고, 상기 전열관(105)은 상기 전열관홀(321)에 삽입되어 상기 하부 튜브시트(132)를 관통하도록 결합된다. 여기서, 상기 전열관(105)은 상기 하부 튜브시트(132)의 상부에서 외관만 용접에 의해 고정되고 상기 하부 튜브시트(132)를 관통하여 반대쪽의 하부에서는 상기 전열관(105)의 내관 및 외관이 모두 용접으로 고정된다.
상기 하부 셸(131)은 상기 메인 셸(111)에 결합되며, 상기 전열관 코일부(115)와 연통되도록 일측에 상기 소듐 유출부(133)가 형성되고, 하부에 상기 하부 튜브시트(132)와 상기 급수헤더(107)가 구비된다.
상기 하부 셸(131) 내측에는 상기 하부 전열관 연결부(520)를 수용하는 하부 내부원통(342)이 구비되고, 상기 하부 셸(131) 내측에는 소듐의 부피팽창을 흡수하 고 소듐을 수용하는 소듐 플레넘(plenum)(350)이 형성된다.
상기 하부 내부원통(342)은 상기 하부 전열관 연결부(520)의 형태에 따라 직경이 축소되는 형태를 갖고 상단부가 상기 하부 튜브시트(132)에 결합된다.
상기 소듐 플레넘(350) 하부에는 유출밸브(315)가 구비된다. 예를 들어, 상기 소듐 플레넘(350) 외주연부를 따라 90° 간격으로 4개의 유출밸브(315)가 구비된다. 여기서, 상기 제3 지지대(542)와 상기 전열관(105) 사이의 미세한 틈으로 소듐이 유출되며 이와 같이 유출되는 소듐은 상기 소듐 플레넘(350)에서 포집되어 상기 유출밸브(315)를 통해 주배관으로 유입되며, 상기 소듐 플레넘(350)으로 유입된 소듐을 주 배관으로 유동시킴으로써 상기 소듐 플레넘(350)의 소듐이 과냉각되어 성층류가 발생하는 것을 방지한다.
상기 소듐 유출부(133)는 원자로(미도시)로 연결되는 유출노즐(331)과 상기 전열관 코일부(115)로 연결되는 유출구(333) 및 상기 유출노즐(331)과 상기 유출구(333) 사이에서 소듐이 유동하는 유출유로(332)를 포함하여 구성된다.
예를 들어, 상기 소듐 유출부(133)는 도 6에 도시한 바와 같이 2개의 유출노즐(331)이 구비된다.
상기 유출유로(332)에는 소듐의 유출 유량을 균일하게 유지시키기 위해서 유출유량분배부(334)가 구비된다. 예를 들어, 상기 유출유로(332)에는 2개의 유출유량분배부(334)가 구비된다.
여기서, 상기 유출구(333)는 상기 유량분배형 하부지지대(241)와 상기 제3 지지대(242) 사이의 해당하는 상기 외부원통(113)을 관통하여 소듐이 유출될 수 있 도록 복수개의 홈이 형성된다. 상세하게는, 도 3의 원 내부의 도면에 도시한 바와 같이, 상기 유량분배형 하부지지대(241)와 상기 제3 지지대(242) 사이에서 길이 방향을 따라 길게 슬릿(335)이 형성되며, 상기 외부원통(113)의 원주를 따라 복수개의 슬릿(335)이 소정 간격으로 형성된다. 한편, 상기 유량분배형 하부지지대(541)는 상기 전열관(105)을 지지할 뿐만 아니라, 상기 전열관 코일부(115)의 소듐 유동분포를 균일하게 유지시키는 역할을 한다. 즉, 상기 전열관 코일부(115)에서 유출되는 소듐은 상기 유량분배형 하부지지대(541)와 상기 제3 지지대(543) 사이를 통과하면서 상기 유출구(333)로 균일하게 분배되어 유출된다.
전열관 지지부
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예들에 따른 전열관 지지부들에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 4는 도 1의 증기발생기(100)에서 Ⅰ-Ⅰ 선에 따른 상부 튜브시트(122)의 횡단면도이고, 도 5는 도 1의 증기발생기(100)에서 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 유량분배형 상부지지대(531)의 횡단면도이고, 도 6은 도 1의 증기발생기(100)에서 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 유량분배형 하부지지대(541)의 횡단면도이고, 도 7은 도 1의 증기발생기에서 전열관 코일 지지대(555)의 일부를 도시한 정면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 상부 튜브시트(122)는 상기 전열관(105)이 관통하여 결합 가능한 복수개의 홀이 형성되고, 상기 상부 내부원통(242)이 상기 상부 튜브시트(122)에 용접으로 고정된다. 또한, 상기 상부 및 하부 튜브시트(122, 132)는 상기 증기발생기(100)의 상부 및 하부에 각각 구비되어 상기 전열관(105)가 고정되며 상기 전열관 코일부(115)를 지지할 뿐만 아니라 상기 전열관(105)와 상기 급수헤더(105) 및 상기 증기헤더(107)를 연통시키는 역할을 한다.
도 5를 참조하면, 상기 유량분배형 상부지지대(531)는 상기 전열관(105)이 관통되는 복수개의 전열관 관통홀(552) 및 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 오리피스(551)들이 형성될 수 있다. 상기 유량분배형 상부지지대(531)는 상기 오리피스(551)를 통과하는 동안 소듐의 유량을 일정하게 하여 상기 전열관 코일부(115)로 소듐이 균일하게 유입되도록 분배하는 역할을 한다.
한편, 상기 유량분배형 상부지지대(531)는 상기 내부원통(112)과 상기 외부원통(113)에 의해 지지되고, 상기 제1 및 제2 지지대(533)는 상기 외부원통(113)과 상기 외부원통 연결부(244) 및 상기 전열관 보호막(241)에 의해 지지된다.
도 6을 참조하면, 상기 유량분배형 하부지지대(541)는 상기 유량분배형 상부지지대(531)와 실질적으로 동일한 형상을 갖는다. 상기 유량분배형 하부지지대(541)는 상기 전열관(105)이 관통하는 복수개의 전열관 관통홀(553)과 소듐의 유량을 일정하게 유지시키기 위한 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 유량분배 오리피스(554)가 형성된다.
한편, 상기 유량분배형 상부지지대(531)와 상기 유량분배형 하부지지대(541) 사이에서 상기 전열관 코일부(115) 내부에는 상기 전열관 코일부(115)를 지지하는 전열관 코일 지지대(555)가 구비된다.
도 7을 참조하면, 상기 전열관 코일 지지대(555)는 상기 증기발생기(100)의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 구비되며, 상기 증기발생기(100)의 직경 방향을 따라 구비된다. 또한, 상기 전열관 코일 지지대(555)는 상기 전열관(105)이 상기 전열관 코일 지지대(555)를 관통하는 형태로 권선되도록 상기 전열관(105)이 삽입 관통되는 복수개의 전열관 코일홀(556)이 형성된 전체적으로 플레이트 형태를 갖는다.
여기서, 상기 전열관 코일 지지대(555)는 복수개의 서브 플레이트(557)로 형성되며, 상기 서브 플레이트(557)에는 반원형의 홈이 형성되어 2개의 서브 플레이트(557)가 결합되어 하나의 전열관 코일홀(556)을 형성한다. 상기 서브 플레이트(557)는 도 7에 도시한 바와 같이 서로 볼트(558)로 체결된다.
상기 전열관 코일 지지대(555)의 상부와 하부는 각각 상기 유량분배형 상부지지대(531)와 상기 유량분배형 하부지지대(541)에 고정되며, 상기 내부원통(112)의 외주면과 상기 외부원통(113)의 내주면에는 상기 전열관 코일 지지대(555)가 끼워져서 고정될 수 있는 홈(미도시)이 형성된다.
그리고 상기 내부원통(112)에 형성된 홈(미도시)에 하나의 서브 플레이트(557)를 장착하고 상기 서브 플레이트(557)의 전열관 홀(556)에 상기 전열관(105)을 장착한 다음 다른 서브 플레이트(557)를 상기 전열관 홀(556)에 맞게 장착하여 상기 볼트(558)로 체결한다. 이와 같이 반복적으로 상기 서브 플레이트(557)와 상기 전열관(105)을 순차적으로 장착하고 체결한 후 최종 서브 플레이트(557) 외측에 상기 외부원통(113)을 설치한다. 그리고 상기와 같이 형성된 상기 전열관 코일 지지대(555)의 상부 및 하부에 각각 상기 유량분배형 상부지지대(531) 와 상기 유량분배형 하부지지대(541)를 설치함으로써 상기 전열관 코일 지지대(555) 및 상기 전열관 코일부(115)를 형성할 수 있다.
전열관
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽관(double wall) 구조의 전열관(105)에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관(105)의 요부 사시도로서, 하부에 배치된 도면은 상기 전열관(105)의 단면도이고, 원 내부에 배치된 도면은 상기 전열관(105)에서 헬륨 유동홈(153)의 확대도이다.
도 8을 참조하면, 상기 전열관(105)은 내관(151)과 외관(152)이 밀착되게 형성되되 상기 내관(151)과 상기 외관(152)의 재질이 상이한 이중벽관 구조를 가지며, 상기 내관(151)과 상기 외관(152) 사이에 상기 전열관(105)의 길이 방향을 따라 헬륨가스가 유동하는 헬륨 유동홈(153)이 형성된다.
상기 헬륨 유동홈(153)은 상기 내관(151)의 외측면 또는 상기 외관(152)의 내측면에 형성된 그루브(groove)이다. 예를 들어, 상기 헬륨 유동홈(153)은 상기 외관(152)을 제작하는 공정에서 상기 외관(152) 내측면에 요입 형성된 그루브로서, 상기 외관(152) 내주면을 따라 4개의 헬륨 유동홈(153)이 형성된다. 상기 헬륨 유동홈(153)은 그 내부 공간을 따라 헬륨가스가 유동하며 상기 전열관(105)의 파손 여부를 감지하기 위한 후술하는 전열관 파손 감지부(400, 도 9 참조)와 연통된다.
여기서, 이중벽관 구조의 전열관(105)은 상기 내관(151)과 상기 외관(152)이 밀착되지 않고 틈이 발생하게 되면 상기 헬륨 유동홈(153) 내의 헬륨가스가 유출되면서 상기 내관(151)과 상기 외관(152) 사이에 채워지게 되므로 열전달 효율이 저하될 수 있다. 이러한 문제점이 발생하는 것을 방지하기 위해 상기 전열관(105)은 상기 내관(151)과 상기 외관(152)이 밀착되도록 상기 외관(152)에 상기 내관(151)을 동심으로 삽입한 후 압연인발을 이용하여 형성하며, 상기 내관(151)과 상기 외관(152)의 경계(interface)에 10 내지 15MPa 정도의 잔류응력이 형성되도록 형성한다.
한편, 상기 증기발생기(100)에서 소듐의 유입온도는 520℃이고 유출온도는 335℃ 이며, 급수 온도는 230℃이고 유출되는 증기의 온도는 490℃인데, 이러한 상기 증기발생기(100)의 운전조건에서 상기 전열관(105)은 물에 접촉하는 상기 내관(151)과 소듐에 접촉하는 상기 외관(152) 사이에 온도차가 크게 발생하게 된다. 상기 전열관(105)은 열팽창에 의해 상기 내관(151)과 상기 외관(152) 사이의 밀착도가 저하되는 것을 방지할 수 있도록 상기 외관(152)의 열팽창률이 상기 내관(151)의 열팽창률보다 작은 재질로 형성된다. 예를 들어, 상기 외관(152)은 상기 내관(151)보다 10 내지 15% 정도 열팽창률이 높은 재질로 형성된다.
예를 들어, 상기 전열관(105)은 크롬몰리브덴강(Cr-Mo강)으로 형성될 수 있으며, 상기 내관(151)은 2¼Cr-1Mo강, 상기 외관(152)은 9Cr-1Mo강으로 형성할 수 있다. 또는, 상기 내관(151)은 9Cr-1Mo강, 상기 외관(152)은 12Cr강으로 형성하는 것도 가능하다. 이러한 재질로 형성된 전열관(105)은 상기 내관(151)과 상기 외관(152)의 온도차가 55℃ 정도일 때 열전달 효율이 상온에서와 비슷하다.
한편, 상기 전열관(105)의 안정성 여부를 시험하기 위해서 상기 내관(151)과 상기 외관(152)의 온도가 550℃로 유지된다고 했을 때, 상기 내관(151)과 상기 외관(152)의 열팽창률 차이로 인해 상기 전열관(105)에 발생하는 응력은 ANSYS를 이용하여 산출한 이론 값이 11.2MPa 정도로 상기 전열관(105)의 항복강도(yield stress)보다 매우 낮아 안전함을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면 상기 전열관(105)은 상기 증기발생기(100)의 정상 운전 시 상기 내관(151)과 상기 외관(152)이 열팽창되는 정도가 유사하므로, 상기 내관(151)과 상기 외관(152)이 밀착된 상태를 유지하게 되어 상기 전열관(105)의 열전달 효율이 저하되는 것을 방지한다.
전열관 파손 감지부
이하, 도 9와 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관 파손 감지부(400)의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다. 여기서, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관 파손 감지부(400)의 구성도이고, 도 10은 도 1의 증기발생기(100)에서 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 하부 튜브시트(132)의 횡단면도이고, 하부에 배치된 도면은 하부 튜브시트(132)의 횡단면도에서 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 하부 튜브시트(132)의 종단면도이다.
도 9를 참조하면, 전열관 파손 감지부(400)는 상기 하부 튜브시트(132)를 통해 상기 헬륨 유동홈(153)과 연통되어 헬륨가스가 유입되는 헬륨 플레넘(411)과 상기 헬륨 플레넘(411)으로 유입되는 헬륨가스의 압력을 측정하여 상기 전열관(105) 의 파손 여부를 감지하는 압력계(416)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 전열관 파손 감지부(400)와 상기 헬륨 유동홈(153)을 연통시키기 위해서 상기 하부 튜브시트(132)에는 상기 전열관(105)이 삽입 결합되는 복수개의 전열관홀(321) 및 상기 헬륨 유동홈(153)과 연결될 수 있도록 상기 전열관홀(321)과 연통되는 복수개의 감지홀(322)이 형성되고, 상기 감지홀(322)과 상기 헬륨 플레넘(411)을 연결시키는 복수개의 연결튜브(405)가 구비된다.
상기 전열관홀(321)은 하나의 전열관홀(321)에 하나의 전열관(105)이 삽입되어 결합되도록 형성되고, 상기 감지홀(322)은 상기 전열관홀(321)과 상기 헬륨 플레넘(411)을 독립적으로 연통시키도록 상기 전열관홀(321)과 상기 감지홀(322)이 일대일로 대응되도록 형성된다. 예를 들어, 상기 전열관홀(321)은 상기 하부 튜브시트(132)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배치된다.
상기 전열관(105)은 상기 하부 튜브시트(132)의 상단에서 상기 외관(152)이 결합되며, 상기 내관(151)은 상기 전열관홀(321)에 삽입되어 상기 하부 튜브시트(132)를 관통하여 상기 하부 튜브시트(132) 하단에 결합된다. 여기서, 상기 내관(151)의 외주면과 상기 전열관홀(321)의 내주면 사이는 소정 간격 이격되어 전열관 간극(154)이 형성되고, 상기 전열관 간극(154)은 상기 헬륨 유동홈(153)과 연통되어 상기 전열관 간극(154) 내로 헬륨가스가 유입된다.
상기 헬륨 유동홈(153)에서 상기 전열관 간극(154) 내로 유입된 헬륨가스는 상기 감지홀(322)과 상기 연결튜브(405)를 통해 상기 헬륨 플레넘(411)으로 유입된다.
여기서, 상기 외관(152)이 상기 하부 튜브시트(132)에 용접된 외관 용접부(325)와 상기 내관(151)이 상기 하부 튜브시트(132)에 용접된 내관 용접부(326)에 의해 상기 전열관 간극(154)이 외부와 밀폐되므로 상기 전열관 간극(154)으로 유입된 헬륨가스가 상기 증기발생기(100) 내부나 상기 급수헤더(107)로 유출되는 것을 방지하고 상기 감지홀(322)로 유입되도록 한다.
특히, 상기 전열관 간극(154)과 상기 감지홀(322)이 연통되는 부분과 인접한 하부에서는 상기 전열관 간극(154)을 차폐시키는 실링부(324)가 형성된다. 예를 들어, 상기 실링부(324)는 상기 내관(151)의 직경을 확장시켜 상기 전열관홀(321) 내벽에 밀착되도록 형성할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 전열관(105)은 복수개의 헬륨 유동홈(153)이 형성되므로 상기 전열관 간극(154)을 형성함으로써 상기 헬륨 유동홈(153)에서 유입되는 헬륨가스를 하나의 감지홀(322)로 유입시킬 수 있으며, 상기 하부 튜브시트(132) 및 상기 감지홀(322)의 구조가 복잡해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 전열관 간극(154)을 상기 감지홀(322) 위치까지만 형성함으로써 상기 전열관 간극(154)에서 상기 감지홀(322)로 유입되는 헬륨가스의 유량에 변동이 발생하는 것을 최소화하며, 상기 전열관 파손 감지부(400)에서 측정 오차가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 상기 감지홀(322)은 상기 하부 튜브시트(132)의 직경 방향으로 형성되어 상기 하부 튜브시트(132)의 측면과 연통되도록 형성된다. 또한, 상기 감지홀(322)의 수가 많으므로 상기 감지홀(322)의 직경을 확보하고 상 기 감지홀(322)이 서로 간섭되는 것을 방지하기 위해서 상기 감지홀(322)은 서로 다른 깊이에 형성될 수 있다. 즉, 일정 개수의 전열관홀(321)이 상기 하부 튜브시트(132)의 직경 방향을 따라 일직선상에 배치되고, 상기 일직선상에 배치된 전열관홀(321)과 연통되는 감지홀(322)은 상기 하부 튜브시트(132)의 깊이 방향을 따라 순차적으로 깊이가 깊어지거나 낮아지도록 형성된다. 도 10에서 점선 직선으로 표현된 바와 같이, 상기 감지홀(322)은 서로 동일한 위치에서 깊이만 다르게 형성될 수 있다. 그리고 상기 전열관홀(321) 및 상기 감지홀(322)은 상기 하부 튜브시트(132)의 중심점을 기준으로 점대칭이 되도록 형성된다.
여기서, 도 10에서 미설명 도면부호 323은 상기 전열관홀(321)과 상기 감지홀(322)을 연통시키는 연결홀(323)이다.
상기 연결튜브(405)는 상기 하부 튜브시트(132) 외측면에 구비되어 상기 감지홀(322)과 연통되도록 형성되며, 상기 각 감지홀(322)을 상기 헬륨 플레넘(411)에 연결한다.
상기 연결튜브(405)에는 제1 밸브(415)가 구비되며, 상기 전열관 파손 감지부(400)에서 상기 전열관(105)의 파손을 감지하면 상기 제1 밸브(415)가 파손된 전열관(105)과 연결된 연결튜브(405)를 폐쇄함으로써 해당 전열관(105)을 폐쇄한다. 여기서, 상기 제1 밸브(415)는 파손된 전열관(105)을 독립적으로 폐쇄할 수 있도록 상기 각 연결튜브(405)마다 구비된다. 또한, 상기 헬륨 유동홈(153)에서 상기 헬륨 플레넘(411)으로 헬륨가스가 유입될 수 있도록 개방 상태(normally open)로 연결된다.
상기 헬륨 플레넘(411) 일측에는 상기 헬륨 플레넘(411)을 선택적으로 가압 및 감압하기 위한 헬륨 탱크(412)와 진공펌프(413)가 구비된다.
상기 헬륨 플레넘(411)과 상기 헬륨 탱크(412) 및 상기 진공펌프(413) 사이에는 제2 밸브(414)가 구비되며, 상기 제2 밸브(414)는 상시 폐쇄 상태(normally closed) 상태로 연결된다. 특히, 상기 제2 밸브(414)는 상기 헬륨 플레넘(411)과 상기 헬륨 탱크(412) 및 상기 진공펌프(413) 사이를 이중으로 폐쇄하도록 구비된다.
여기서, 상기 전열관 파손 감지부(400)에 구비되는 상기 헬륨 플레넘(411)의 수는 상기 압력계(416) 등의 기기의 민감도 및 고장확률 등을 고려하여 결정된다.
한편, 대기압에서 소듐의 비등점은 883℃이므로 상기 전열관(105) 외측은 대기압보다 약간 높은 압력이고, 상기 전열관(105) 내부는 증기가 발생되므로 대략 16.5㎫ 정도로 고압이다. 상기 헬륨 유동홈(153) 내에 제공되는 헬륨가스는 대략 2㎫ 정도의 압력으로 유지되므로, 그리고 상기 외관(152)이 파손되면 헬륨가스가 소듐 쪽으로 누출되면서 상기 헬륨 유동홈(153) 내의 압력이 강하되고, 상기 내관(151)이 파손되면 고압의 증기가 상기 헬륨 유동홈(153)으로 유입되면서 압력이 상승하게 된다. 따라서 상기 전열관 파손 감지부(400)는 상기 헬륨 유동홈(153)을 통해 상기 헬륨 플레넘(411)으로 유입되는 헬륨가스의 압력 변화를 측정함으로써 상기 전열관(105)의 파손 여부를 감지할 수 있다.
이하에서는 상기 전열관 파손 감지부(400)의 동작에 대해 간략하게 설명한다.
먼저, 상기 전열관 파손 감지부(400)에서 상기 헬륨 플레넘(411)으로 유입된 헬륨가스의 압력변화를 측정함으로써 상기 전열관(105)의 파손 여부를 감시하고, 상기 전열관(105)의 파손이 감지되면 파손된 전열관(105)의 상부와 하부를 각각 플러깅(plugging)한다. 상기 전열관(105)의 플러깅은 상기 급수헤더(107) 및 상기 증기헤더(106)에 구비된 검사포트(161, 171)들을 통해서 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 밸브(415)를 폐쇄하여 파손된 전열관(105)에 연결된 연결튜브(405)를 폐쇄한다. 또는, 상기 파손된 전열관(105)에 연결된 연결튜브(405) 자체를 용접함으로써 폐쇄하는 것도 가능하다.
다음으로, 상기 파손된 전열관(105) 내부에 커버가스를 충진시킨다.
여기서, 상기 파손된 전열관(105)에 커버가스를 충진시킬 때 추적이 가능한 물질을 선택적으로 혼입하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소듐 냉각 고속로용 증기발생기를 설명하기 위한 종단면도;
도 2는 도 1의 증기발생기의 상부 헤더부를 설명하기 위한 종단면도;
도 3은 도 1의 증기발생기의 하부 헤더부를 설명하기 위한 종단면도;
도 4는 도 1의 증기발생기에서 Ⅰ-Ⅰ 선에 따른 상부 튜브시트의 횡단면도;
도 5는 도 1의 증기발생기에서 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 유량분배형 상부지지대의 횡단면도;
도 6는 도 1의 증기발생기에서 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 유량분배형 하부지지대의 횡단면도;
도 7은 도 1의 증기발생기에서 전열관 코일 지지대를 설명하기 위한 정면도;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽관 구조의 전열관을 설명하기 위한 요부 사시도;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관 파손 감지부의 구성 및 동작을 설명하기 위한 구성도;
도 10은 도 9의 전열관 파손 감지부에서 하부 튜브시트를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1의 증기발생기에서 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 하부 튜브시트의 횡단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 증기발생기 101: 메인 바디
102: 상부 헤더부 103: 하부 헤더부
104: 압력 버퍼공간 106: 증기헤더
105: 전열관 107: 급수헤더
111: 메인 셸(main shell) 112: 내부원통(inner shroud)
113: 외부원통(outer shroud) 115: 전열관 코일부
116: 셸 간극 121: 상부 셸(upper shell)
122: 상부 튜브시트(upper tube-sheath) 123: 소듐 유입부
131: 하부 셸(lower shell)
132: 하부 튜브시트(lower tube-sheath) 133: 소듐 유출부
140: 파열판(rupture disk) 151: 내관
152: 외관 153: 헬륨 유동홈
154: 전열관 간극 161, 171: 검사포트
211: 셸 용접부 212: 결합돌기
215: 소듐 정화계통 연결부 231: 유입노즐
232: 유입유로 233: 유입구
234: 유입유량분배부 241: 전열관 보호막
242: 상부 내부원통 243: 상부 외부원통
244: 외부원통 연결부 245: 압력 유지홀
246: 커버가스 유동홀 247: 소듐 유동홀
250: 커버가스공간 251: 자유액면
252: 커버가스 유입구 253: 커버가스 유출구
255: 커버가스 공급부 315: 유출밸브
321: 전열관홀 322: 감지홀
323: 연결홀 324: 실링부
325: 외관 용접부 326: 내관 용접부
331: 유출노즐 332: 유출유로
333: 유출구 334: 유출유량분배부
335: 슬릿 342: 하부 내부원통
350: 소듐 플레넘(plenum) 400: 전열관 파손 감지부
405: 연결튜브 411: 헬륨 플레넘
412: 헬륨 탱크 413: 진공펌프
414, 415: 밸브 416: 압력계
510, 520: 전열관 연결부 511, 512, 521, 522: 벤딩부
513: 직선부 530, 540: 전열관 지지부
531, 541: 유량분배형 지지대 532, 533, 542: 지지대
551, 553: 유량분배 오리피스 552, 554: 전열관 관통홀
555: 전열관 코일 지지대 556: 전열관 코일홀
557: 서브 플레이트 558: 볼트
r1, r2, r3, r4: 전열관 휨반경(bending radius)

Claims (20)

  1. 고속로용 증기발생기의 전열관에 있어서,
    제1 재질로 형성된 내관;
    상기 내관에 밀착 형성되며 제1 재질보다 열팽창률이 작은 제2 재질로 형성된 외관; 및
    상기 내관과 외관 사이에서 상기 전열관의 길이 방향을 따라 길게 형성되어 헬륨이 유동하는 복수개의 헬륨 유동홈;
    을 포함하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내관과 상기 외관은 동심으로 삽입되어 압연 인발 공정으로 형성되며, 상기 내관과 상기 외관의 경계에 잔류응력이 형성되는 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재질은 상기 제1 재질에 비해 10 내지 15% 정도 열팽창률이 작은 재질인 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 재질과 상기 제2 재질은 크롬 또는 몰리브덴 함량이 서로 다른 크롬몰리브덴강(Cr-Mo강)인 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관.
  5. 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치에 있어서,
    내관 및 상기 내관보다 열팽창률이 작은 재질로 형성된 외관을 구비하고, 상기 내관과 상기 외관 사이에 형성되어 헬륨가스가 유동되는 헬륨 유동홈이 형성된 전열관;
    상기 헬륨 유동홈과 연통되며 상기 전열관이 결합되는 하부 튜브시트를 관통하여 형성된 복수개의 감지홀;
    상기 감지홀과 연결되어 상기 헬륨 유동홈의 헬륨가스가 유입되는 헬륨 플레넘; 및
    상기 헬륨 플레넘으로 유입되는 헬륨가스의 압력을 측정하여 상기 전열관의 파손여부를 감지하는 압력계;
    를 포함하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 감지홀과 상기 헬륨 플레넘을 연결하는 연결튜브에는 제1 밸브가 구비되고,
    상기 제1 밸브는 상시 개방 상태(normally open)로 연결되며, 상기 전열관 파손 시 상기 연결튜브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 헬륨 플레넘의 일측에는 상기 헬륨 플레넘을 선택적으로 가압 및 감압하기 위한 헬륨 탱크와 진공펌프가 구비된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 헬륨 플레넘과 상기 헬륨 탱크 및 상기 진공펌프 사이에는 제2 밸브가 구비되고,
    상기 제2 밸브는 상시 폐쇄 상태(normally closed) 상태로 연결되되, 상기 헬륨 플레넘과 상기 헬륨 탱크 및 상기 진공펌프 사이를 이중으로 폐쇄하도록 구비된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 하부 튜브시트에는 상기 전열관이 삽입 결합되는 복수개의 전열관홀이 형성되되, 상기 외관은 상기 하부튜브시트의 제1 면에 결합되고 상기 내관은 상기 전열관홀을 관통하여 상기 하부 튜브시트의 제2 면에 결합되며,
    상기 전열관홀과 상기 내관 사이의 공간으로 상기 헬륨 유동홈이 연통되는 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전열관홀은 상기 하부 튜브시트를 따라 방사상으로 배치되고,
    상기 감지홀은 상기 전열관홀 각각과 연통되되 상기 하부 튜브시트의 직경 방향을 따라 측면과 연통되도록 형성되되, 상기 하부 튜브시트의 직경 방향을 따라 일직선상에 배치된 복수개의 전열관홀과 연통되는 복수개의 감지홀이 상기 하부 튜브시트의 서로 다른 깊이에 형성된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기의 전열관 파손 감지장치.
  11. 내관 및 상기 내관보다 열팽창률이 작은 재질로 형성된 외관을 구비하는 이중벽관 구조의 전열관;
    내부에 압력 버퍼공간이 형성되고 커버가스가 제공되는 내부원통;
    상기 내부원통의 외측에 상기 전열관이 코일 형태로 권선되어 형성된 전열관 코일부;
    상기 전열관 코일부 하부에 구비되어 상기 전열관이 결합되는 하부 튜브시트의 일측에서 상기 전열관과 연결되며 상기 전열관의 파손 여부를 감지하는 파손 감지부; 및
    상기 내부원통 상부에 구비되어 상기 전열관 파손시 소듐과 물의 반응에 의 한 압력 상승에 의해 파열되어 상기 전열관 코일부에서 발생하는 기체를 상기 압력 버퍼공간으로 유입시키는 파열판(rupture disk);
    를 포함하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전열관 및 상기 전열관 코일부가 수용되는 외부원통;
    상기 외부원통을 수용하는 메인 셸;
    상기 메인 셸 상부에 구비되며 상기 전열관 코일부로 소듐이 유입되는 소듐 유입부가 형성된 상부 셸;
    상기 상부 셸 상부에 구비되어 상기 전열관이 결합되는 상부 튜브시트;
    상기 상부 튜브시트 상부에 구비되며 상기 상부 튜브시트를 통해 상기 전열관과 연결되어 상기 전열관에서 유출되는 증기가 유출되는 증기헤더;
    상기 메인 셸 하부에 구비되며 상기 전열관 코일부에서 소듐이 유출되는 소듐 유출부가 형성된 하부 셸;
    상기 하부 셸 하부에 구비되어 상기 전열관이 결합되는 하부 튜브시트; 및
    상기 하부 튜브시트 하부에 구비되며 상기 하부 튜브시트를 통해 상기 전열관과 연결되어 상기 전열관으로 급수를 제공하는 급수헤더;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부 셸 내부에서 상기 전열관 코일부 상부에는 소듐의 부피팽창을 흡수하기 위한 커버가스공간이 형성되고, 상기 커버가스공간 내부에는 커버가스가 충진되어 소듐과 커버가스가 접촉하는 자유액면이 형성된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외부원통은 상기 커버가스공간 내부에서 상기 소듐의 자유액면보다 상부까지 연장된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 커버가스공간 내부에서 상기 전열관 외측을 둘러싸는 전열관 보호막이 더 구비된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전열관 보호막에서 상기 소듐에 침잠된 부분에는 상기 소듐이 상기 전열관 보호막 내외부로 유동되는 복수개의 소듐 유동홀이 형성되고, 상기 소듐 자유액면 상부에는 커버가스가 상기 전열관 보호막 내외부로 유동되는 복수개의 커버가스 유동홀이 형성된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 내부원통 상부에는 상기 커버가스공간과 상기 압력 버퍼공간을 연통시키는 복수개의 압력유지홀이 형성된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 외부원통과 상기 메인 셸 사이에는 셸 간극이 형성되고,
    상기 셸 간극은 상기 소듐 유입부 및 상기 소듐 유출부와 연통되어 상기 소듐 유입부로 유입되는 소듐의 일부가 상기 셸 간극을 통해 바이패스되는 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 전열관 코일부 상부 및 하부에는 소듐의 유량을 균일하게 유지시키고 상기 전열관을 지지하는 유량분배형 지지대가 더 구비된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 유량분배형 지지대는 소듐의 유량을 균일하게 유동시키는 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 오리피스들이 형성된 것을 특징으로 하는 소듐 냉각 고속로용 증기발생기.
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