KR20100035936A - 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치 - Google Patents

가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치에 관한 것으로서, 그 목적은 원자로의 압력용기 외주면에 다수개의 방열판을 다수개 갖는 방열부를 구비함과 아울러 압력용기와 노외냉각정 사이의 공간부에 알루미나(Al2O3)용융물을 저장한 저장부를 구비하여, 압력용기 외주면에서 방열이 신속하게 이루어질 수 있고 아울러 냉각정 바닥면이 개방됨에 따라 원자로 동공(cavity)의 냉각수가 냉각정으로 자연 순환하므로 노외냉각정의 표면에서 임계 열속(critical heat flux)을 방지할 수 있도록 한 것에 있으며, 이러한 목적은 압력용기의 외주면에 가압 고정되는 링으로 형성되되, 외주면에는 원주방향 일정간격 다수개의 방열판을 갖추어 용융물의 금속층으로부터 방열되는 열을 신속하게 방열가능하도록 구비되는 방열부와, 상기 압력용기와 노외냉각정 사이에 형성된 공간부에 재장전수조로부터 공급되는 냉각수에 대응되게 개방되어 상기 노외냉각정의 내부 표면에 흡착되는 것에 의해 기포 발생을 억제시키도록 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물이 저장되어 구비되는 저장부를 포함하여 이루어진 것에 의해 달성된다.
가압경수형 원자로, 임계열전달, 알루미나, 방열

Description

가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치{Pressurization light water style atomic reactor outer wall critical line inside prevention system}
본 발명은 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로의 외주면 표면적을 증대시킴과 아울러 노외냉각정의 내부 표면을 균등표면으로 하여 기포 발생을 억제시키는 것에 의해 임계열전달을 향상시킬 수 있도록 한 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 가압경수형 원자로는 중대 사고시 원자로 내의 핵연료 및 내부 구조물을 용융된 상태로 압력용기 하부에 쌓이게 된다.
이때 상기 압력용기 용융된 높은 온도의 핵연료(Corium 형태)에 노출되므로 압력용기 하부가 관통될 수 있으며, 이로 인하여 고준위 방사능의 핵연료가 외부로 유출되는 것에 의해 대형사고가 발생할 수 있다.
이와 같은 대형사고 발생은 심각한 경제적, 사회적 문제를 야기할 수 있으며, 이는 운전의 종말을 의미하므로 기필코 막아야 한다.
이를 대비하기 위해 상기 노심용융시 고준위의 방사성 물질이 압력용기를 관통하여 외부로 유출되는 것을 차단하기 위한 노내 구속(In-Vessel Retention;IVR)이라는 기술이 알려져 있다.
첨부된 도면 도 1은 상기한 종래의 일반적인 가압경수형 원자로를 도시한 개략적 단면도로서, 도시된 바와 같이 종래의 일반적인 가압경수형 원자로는 노심용융 발생시 압력용기 외벽의 냉각을 공간부에 주입된 냉각수에만 의존하고 있는 구조로 구성되어 있다.
살펴보면, 도시된 바와 같이 가압경수형 원자로(1)는 내부에 핵연료(C)가 수용되는 압력용기(2)와, 외측에 단열재(5)가 설치되는 노외 냉각정(4)과, 노심용융시 압력용기(2)의 열제거를 위한 냉각수가 흘러넘쳐 원자로 공동부(Reacter Cavity)(1)를침수하도록 되어 있다.
상기와 같은 냉각구조를 갖는 종래의 일반적인 가압경수형 원자로(1)는 원자로의 중대사고시 핵연료(C)가 원자로의 하부에 집적되면 핵연료(C)는 도 1에 도시된 바와 같이 용융된 핵연료층(C')(UO2)과 금속층(C'")(Zr, Fe)으로 분리된다.
즉, 금속층(C")은 용융된 핵연료층(C')의 성분에 비해 비중이 작으므로 용융된 핵연료층(C')의 상부에 층을 이루게 된다.
따라서, 상기한 금속층(C")은 핵연료층(C')의 성분에 비해 열전도도가 높으므로 원자로의 외벽 냉각시 금속층(C")의 외벽에서 임계열전달이 발생하게 되어 원자로의 냉각을 효과적으로 냉각시킬 수 없는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 원자로의 압력용기 외주면에 방열판을 다수개 갖는 방열부를 구비함과 아울러 압력용기와 노외냉각정 사이의 공간부에 냉각수의 유입에 따른 부력에 의해 바닥면에 개방가능하도록 알루미나(Al2O3)용융물을 저장한 저장부를 구비하여, 중대사고시 핵연료가 원자로의 하부에 집적되는 것에 의해 냉각수가 유입됨에 따른 방열부를 통하여 금속층에 대응되는 압력용기 외주면에서 방열이 신속하게 이루어질 수 있고 아울러 저장부의 바닥면에 개방됨에 따른 알루미나용융물이 유출되어 노외냉각정의 내부 표면을 균등표면으로 하여 기포 발생을 억제시키는 것에 의해 임계열전달을 향상시킬 수 있도록 한 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중대사고시 원자로의 하부에 용융 집적된 핵연료층(UO2)과 금속층(Zr, Fe)으로 분리된 핵연료가 수용되는 압력용기와, 외측에 단열재가 설치되는 노외냉각정과, 노심용융시 압력용기의 열제거를 위한 냉각수가 주입되는 공간부가 상기 압력용기와 노외냉각정 사이에 마련되어 냉각수를 채우기 위한 원자로 공동부와, 상기 노심용융시 압력용기의 외벽 열제거를 위한 냉 각수의 외부 공급을 위해 구비되는 재장전수조와, 상기 재장전수조의 냉각수가 공간부에 주입가능하도록 노외냉각정에 설치되는 인젝션노즐과, 상기 인젝션노즐을 통해 공간부쪽으로 공급된 냉각수가 원자로 공동부의 냉각수쪽으로 오버플로윙되도록 노외냉각정에 형성되는 개구부와, 상기 노외냉각정에 설치되며 개구부를 통해 오버플로윙된 냉각수에 의해 원자로 공동부의 냉각수 수위압과 노외냉각정의 수압에 따라 자동으로 개방되거나 폐쇄되는 플로팅 게이트가 포함되어 이루어진 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치를 구성함에 있어서, 상기 압력용기의 외주면에 가압 고정되는 링으로 형성되되, 외주면에는 원주방향 일정간격 다수개의 방열판을 갖추어 금속층으로부터 방열되는 열을 신속하게 방열가능하도록 구비되는 방열부와, 상기 압력용기와 노외냉각정 사이에 형성된 공간부에 재장전수조로부터 공급되는 냉각수에 대응되게 개방되어 상기 노외냉각정의 내부 표면에 흡착되는 것에 의해 기포 발생을 억제시키도록 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물이 저장되어 구비되는 저장부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치에 따르면, 원자로의 압력용기 외주면에 방열판을 다수개 갖는 방열부를 구비함과 아울러 압력용기와 노외냉각정 사이의 공간부에 냉각수의 유입에 따른 부력에 의해 바닥면에 개방가능하도록 알루미나(Al2O3)용융물을 저장한 저장부를 구비하여, 중대사고시 핵연료가 원자로의 하부에 집적되는 것에 의해 냉각수가 유입됨에 따른 방열부를 통하여 금속층에 대응되는 압력용기 외주면에서 방열이 신속하게 이루어질 수 있고 아울러 저장부의 바닥면에 개방됨에 따른 알루미나용융물이 유출되어 노외냉각정의 내부 표면을 균등표면으로 하여 기포발생을 억제시키는 것에 의해 임계열전달을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치의 일실시예를 들어 상세하게 설명한다.
우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
첨부된 도면 도 2는 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치가 구비된 가압경수형 원자로를 도시한 개략적 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치의 저장부를 도시한 확대단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치(100)는, 원자로(10)의 중대사고시 압력용기와 노외냉각정(14) 사이의 공간부(13)로 냉각수를 신속하게 유입시킬 수 있도록 구성된 가압경수형 원자로(10)에 핵연료(D)가 원자로(10)의 하부에 집적되는 것에 압력용기(12)의 상부층에 형성된 금속층(D")(Zr, Fe)으로 인하여 압력용기(12)의 상부층에 발생된 열을 외측으로 신속하게 방열시키도록 방열판(113)을 갖는 방열부(110)가 구비됨과 아울러 냉각수의 유입에 대응되게 바닥면에 개방되어 저장된 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물(A)이 유출됨으로 인하여 노외냉각정(14)의 내부 표면에 흡착되는 것에 의해 기포 발생을 억제시켜 임계열전달을 향상시키도록 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물(A)이 저장된 저장부(130)가 상기 공간부(130)에 구비되어 이루어진다.
즉, 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계 열속 방지장치(100)는, 중대사고시 원자로(10)의 하부에 집적되는 것에 의해 핵연료층(D')(UO2)과 금속층(D")(Zr, Fe)으로 분리된 핵연료(D)가 수용되는 압력용기(12)와, 외측에 단열재(15)가 설치되는 노외냉각정(14)과, 노심용융시 압력용기(12)의 열제거를 위한 냉각수가 주입되는 공간부(13)가 상기 압력용기(12)와 노외냉각정(14) 사이에 마련되어 냉각수를 채우기 위한 원자로 공동부(11)와, 상기 노심용융시 압력용기(12)의 외벽 열제거를 위한 냉각수의 외부 공급을 위해 구비되는 재장전수조(18)와, 상기 재장전수조(18)의 냉각수가 공간부(13)에 주입가능하도록 노외냉각정(14)에 설치되는 인젝션노즐(17)과, 상기 인젝션노즐(17)을 통해 공간부(13)쪽으로 공급된 냉각수가 원자로 공동부(11)의 냉각수쪽으로 오버플로윙되도록 노외냉각정(14)에 형성되는 개구부(16)와, 상기 노외냉각정(14)에 설치되며 개구부(16)를 통해 오버플로윙된 냉각수에 의해 원자로 공동부(11)의 냉각수 수위압과 노외냉각정(14)의 수압 에 따라 자동으로 개방되거나 폐쇄되는 플로팅 게이트(19)가 포함되어 이루어진 가압경수형 원자로(10)의 상기 압력용기(12)의 외주면에 가압 고정되는 링으로 형성되되, 외주면에는 원주방향 일정간격 다수개의 방열판(113)을 갖추어 금속층(D")으로부터 방열되는 열을 신속하게 방열가능하도록 구비되는 방열부(110)와, 상기 압력용기(12)와 노외냉각정(14) 사이에 형성된 공간부(13)에 재장전수조(18)로부터 공급되는 냉각수에 대응되게 개방되어 상기 노외냉각정(14)의 내부 표면에 흡착되는 것에 의해 기포 발생을 억제시키도록 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물(A)이 저장되어 구비되는 저장부(130)를 포함하여 이루어진다.
이하에서 상기한 방열부와 저장부에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기한 방열부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 압력용기(12)의 외주면을 관통시켜 중대사고시 원자로(10)의 하부에 집적되는 것에 의해 형성된 금속층(D")(Zr, Fe)에 대응되는 외주면에 가압 걸림되어 고정되는 방열용고정링(111)과, 상기 방열용고정링(111)의 외주면에 사각형상의 판으로 형성되어 원주방향으로 일정간격 용접방식에 의해 고정된 다수개의 방열판(113)으로 이루어진다.
상기한 저장부(130)는, 공간부(13)로 냉각수가 유입되는 것에 대응되게 부력체가 상승함에 따른 저장통(131)의 유출홀을 막음하고 있는 개폐부재(133)가 개방되어 저장된 나노입자의 알루미나용융물(A)이 유출가능하도록 구성된다.
즉, 첨부도면 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기한 저장부(130)는 공간부(131)에 고정 설치되어 상기 재장전수조(18)로부터 냉각수가 상기 공간부(13)로 공급되는 것에 대응되게 저장된 나노입자의 알루미나용융물(A)이 유출가능하도록 바닥면 중앙부는 유출홀(131a)이 형성된 저장통(131)과, 상기 저장통(131)의 바닥면에 형성된 유출홀(131a)을 개폐가능하도록 일단은 저장통(131)의 바닥면에 힌지축을 매개로 회동가능하게 구비되는 러버재질의 개폐부재(133)와, 상기 개폐부재(133)의 타단에 일단이 연결되고 타단은 저장통(131) 내측 상부에 고정된 지지핀(131b)에 권회되어 구비되는 개폐용와이어(135)와, 상기 개폐용와이어(135)의 타단을 일단에 고정 연결시키되, 중간부는 상기 저장통(131)의 일측 내벽에 근접되어 고정된 회동용고정핀(131c)에 회동가능하게 구비되고 타단은 상기 저장통(131)의 외주면에 형성된 연통홀(131d)을 관통하여 돌출되게 구비되는 회동바(137)와, 상기 회동바(137)의 타단에 고정되어 공간부(13)로 냉각수가 유입됨에 따른 수위가 상승되는 것에 대응되게 부력에 의해 상승가능하도록 밀폐되어 중공으로 구비되는 부력체(139)로 이루어진다.
여기서, 상기한 저장통(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 일단이 상기 저장통(130)에 용접방식에 의해 고정되고, 타단은 노외냉각정(14)에 고정된 고정브라켓(도면부호 생략)을 매개로 하여 고정 구비된다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치(100)를 가압경수로형 원자로(10)에 설치한 후 원자로에 중대사고가 발생하 게 되면, 첨부된 도면 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 원자로(10)의 압력용기(12)의 내부 핵연료(D)는 금속층(D")(Zr, Fe)이 상부에 형성되고 하부에는 용융된 핵연료층(D')이 분리형성됨에 따른 상기 금속층(D")에서 발생된 고온의 열은 상기 압력용기(12)의 외주면에 구비되는 방열부(110)에 의해 방열됨과 동시에 재장전수조(18)에 저장된 냉각수가 인젝션노즐(17)을 통하여 공간부(13)측으로 신속하게 유입된다.
상기 공간부(13)로 냉각수가 지속적으로 유입되므로 인하여 압력용기(12)와 노외냉각정(14) 사이에 구비된 저장부(130)의 부력체(139)는 냉각수 수위의 상승으로 부력을 받아 냉각수의 상승에 대응되게 상승하게 된다.
이로 인하여 상기 부력체(139)와 연결된 회동바(137)가 회동용고정핀(131C)을 기준으로 회동 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회동바(137)의 좌측단은 하향되고 우측단은 상승된다.
상기 회동바(137)의 회동으로 인하여 상기 회동바(137)에 연결된 개폐용와이어(135)가 저장통(131)의 상부측으로 당김되면, 상기 저장통(131)의 유출홀(131a)을 막음하고 있는 개폐용와이어(135)에 연결된 개폐부재(133)가 힌지축으로 축으로 상향 회동하여 상기 저장통(131)의 유출홀(131a)을 개방시키게 된다.
상기 저장통(131)의 유출이 개방됨에 따른 저장된 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물(A)이 상기 유출홀(131a)을 통하여 공간부(13)로 유츨되는 것에 의해 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물(A)은 노외냉각정(14)의 내부 표면에 흡착된 다.
따라서, 상기 노외냉각정(14) 내부 표면는 균등표면이 되고 그로 인하여 상기 노외냉각정(14) 내부 표면에 발생되는 기포를 억제시킬 수 있어 임계열전달을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 가압경수형 원자로를 도시한 개략적 단면도
도 2는 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치가 구비된 가압경수형 원자로를 도시한 개략적 단면도
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치의 저장부를 도시한 확대단면도
도 4는 본 발명에 따른 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치의 사용상태를 도시한 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 ; 가압경수형 원자로 11 ; 공동부
12 ; 압력용기 13 ; 공간부
14 ; 노외냉각정 15 ; 단열재
16 ; 개구부 17 ; 인젝션노즐
18 ; 재장전수조 19 ; 플로팅 게이트
100 ; 임계열속 방지장치 110 ; 방열부
111 ; 방열용고정링 113 ; 방열판
130 ; 저장부 131 ; 저장통
133 ; 개폐부재 135 ; 개폐용와이어
137 ; 회동바 139 ; 부력체

Claims (3)

  1. 중대사고시 원자로(10)의 하부에 용융 집적된 핵연료층(D')(UO2)과 금속층(D")(Zr, Fe)으로 분리된 핵연료(D)가 수용되는 압력용기(12)와, 외측에 단열재(15)가 설치되는 노외냉각정(14)과, 노심용융시 압력용기(12)의 열제거를 위한 냉각수가 주입되는 공간부(13)가 상기 압력용기(12)와 노외냉각정(14) 사이에 마련되어 냉각수를 채우기 위한 원자로 공동부(11)와, 상기 노심용융시 압력용기(12)의 외벽 열제거를 위한 냉각수의 외부 공급을 위해 구비되는 재장전수조(18)와, 상기 재장전수조(18)의 냉각수가 공간부(13)에 주입가능하도록 노외냉각정(14)에 설치되는 인젝션노즐(17)과, 상기 인젝션노즐(17)을 통해 공간부(13)쪽으로 공급된 냉각수가 원자로 공동부(11)의 냉각수쪽으로 오버플로윙되도록 노외냉각정(14)에 형성되는 개구부(16)와, 상기 노외냉각정(14)에 설치되며 개구부(16)를 통해 오버플로윙된 냉각수에 의해 원자로 공동부(11)의 냉각수 수위압과 노외냉각정(14)의 수압에 따라 자동으로 개방되거나 폐쇄되는 플로팅 게이트(19)가 포함되어 이루어진 가압경수형 원자로(10)용 외벽 임계열속 방지장치를 구성함에 있어서,
    상기 압력용기(12)의 외주면에 가압 고정되는 링으로 형성되되, 외주면에는 원주방향 일정간격 다수개의 방열판(113)을 갖추어 금속층(D")으로부터 방열되는 열을 신속하게 방열가능하도록 구비되는 방열부(110)와;
    상기 압력용기(12)와 노외냉각정(14) 사이에 형성된 공간부(13)에 재장전수 조(18)로부터 공급되는 냉각수에 대응되게 개방되어 상기 노외냉각정(14)의 내부 표면에 흡착되는 것에 의해 기포 발생을 억제시키도록 나노입자의 알루미나(Al2O3)용융물(A)이 저장되어 구비되는 저장부(130);를
    포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열부(110)는, 상기 압력용기(12)의 외주면을 관통시켜 중대사고시 원자로(10)의 하부에 집적되는 것에 의해 형성된 금속층(D")(Zr, Fe)에 대응되는 외주면에 가압 걸림되어 고정되는 방열용고정링(111)과, 상기 방열용고정링(111)의 외주면에 사각형상의 판으로 형성되어 원주방향으로 일정간격 용접방식에 의해 고정된 다수개의 방열판(113)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저장부(130)는, 상기 저장부(130)는 공간부(131)에 고정 설치되어 상기 재장전수조(18)로부터 냉각수가 상기 공간부(13)로 공급되는 것에 대응되게 바 닥면이 개방되어 저장된 나노입자의 알루미나용융물(A)이 가능하도록 바닥면 중앙부는 유출홀(131a)이 형성된 저장통(131)과, 상기 저장통(131)의 바닥면에 형성된 유출홀(131a)을 개폐가능하도록 일단은 저장통(131)의 바닥면에 힌지축을 매개로 회동가능하게 구비되는 러버재질의 개폐부재(133)와, 상기 개폐부재(133)의 타단에 일단이 연결되고 타단은 저장통(131) 내측 상부에 고정된 지지핀(131b)에 권회되어 구비되는 개폐용와이어(135)와, 상기 개폐용와이어(135)의 타단을 일단에 고정 연결시키되, 중간부는 상기 저장통(131)의 일측 내벽에 근접되어 고정된 회동용고정핀(131c)에 회동가능하게 구비되고 타단은 상기 저장통(131)의 외주면에 형성된 연통홀(131d)을 관통하여 돌출되게 구비되는 회동바(137)와, 상기 회동바(137)의 타단에 고정되어 공간부(13)로 냉각수가 유입됨에 따른 수위가 상승되는 것에 대응되게 부력에 의해 상승가능하도록 밀폐되어 중공으로 구비되는 부력체(139)로 이루어진 것을 특징으로 하는 가압경수형 원자로용 외벽 임계열속 방지장치.
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