KR20120029694A - 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상단부와 하단부가 막혀 있고, 내부에 공동(hollow)을 구비하며, 노심(2)의 내부에 설치되는 액체 제어봉(5); 하부에는 액체 중성자 흡수물질(10)을, 상부에는 불활성 기체를 저장하는 상부탱크(6); 액체 중성자 흡수물질(10)을 액체 제어봉(5)에 주입시키거나, 액체 제어봉(5)으로부터 제거하기 위해, 상부탱크(6)와 액체 제어봉(5) 사이에 설치된 펌프(7); 한쪽 단부가 상기 상부탱크(6)에 연결되고, 다른 쪽 단부는 액체 제어봉의 하부에 위치되도록 설치된 주입관(8); 및상부탱크(6)와 액체 제어봉(5) 사이에 연결된 기체유동관(9)을 구비한 액체 중성자 흡수 물질의 수위를 이용하여 노심의 반응도를 제어하는 장치에 관한 것이다.

Description

액체 수위를 이용한 반응도 제어장치{Reactivity control device of nuclear reactor by varing liquid level}

본 발명은 액체 중성자 흡수 물질의 수위를 이용하여 노심의 반응도를 제어하는 장치에 관한 것이다.

원자력발전소는 열출력을 조절하기 위해 노심의 반응도를 제어할 필요가 있고, 종래의 가압경수로는 노심의 반응도를 제어하기 위해 제어봉이나 붕산을 이용하고 있다.

제어봉을 이용한 노심의 반응도 제어는 중성자 흡수물질로 된 제어봉이 노심 상단에서부터 삽입되어 노심의 중성자를 흡수함으로써 노심에서 핵연료의 핵분열을 억제하는 방식으로 이루어진다. 제어봉에 의한 노심의 반응도 제어는 붕산에 의한 노심의 반응도 제어에 비해 제어봉의 삽입이나 인출 속도가 빨라 노심의 반응도를 빠르게 제어할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 원자로의 부분출력 운전중에는 제어봉이 노심 상부의 일부에만 삽입된 상태로 운전되어, 노심의 상부는 핵연료의 핵분열이 억제되어 출력이 낮고, 노심의 하부는 핵연료의 핵분열이 억제되지 않아 출력이 높게 된다. 이러한 상태로 원자로가 계속하여 운전될 경우, 핵분열이 주로 핵연료의 하부에서만 발생 되어, 노심 상부에는 핵분열 물질이 많이 남은 상태로 핵연료가 폐기되어, 핵연료의 비효율적인 사용을 발생시키는 문제점이 있다.

또한, 붕산을 이용하여 노심의 반응도를 제어할 경우, 붕산과 같은 중성자 흡수물질을 원자로의 냉각재에 혼합하여 사용하기 때문에, 노심의 반응도를 전체적으로 균일하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 붕산의 주입과 희석에 많은 시간이 필요하기 때문에, 노심의 반응도를 빠르게 제어할 필요가 있는 경우에는 붕산을 이용한 노심의 반응도 제어를 사용할 수 없고, 붕산을 이용한 노심의 반응도 제어는 붕산을 제거할 때 폐기물이 발생하는 문제점이 있다.

오늘날 발전설비에서 원자력발전소가 차지하는 비중이 점점 높아짐에 따라, 원자력발전소의 부분출력 운전에 대한 요구가 증대되고 있다. 따라서, 부분출력 운전중에도 노심 전체에서 균일한 축방향 출력 분포를 얻으면서, 노심의 반응도를 빠르게 제어할 수 있는 원자로 반응도 제어장치가 요구된다. 또한, 핵연료의 사용효율을 증가시킬 수 있는 반응도 제어장치가 요구된다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 액체 중성자 흡수물질의 수위를 이용하여 노심의 반응도를 제어하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치는 상단부와 하단부가 막혀 있고, 내부에 공동(hollow)을 구비하며, 노심의 내부에 설치되는 액체 제어봉; 하부에는 액체 중성자 흡수물질을, 상부에는 불활성 기체를 저장하는 상부탱크; 액체 중성자 흡수물질을 액체 제어봉에 주입시키거나, 액체 제어봉으로부터 제거하기 위해, 상부탱크와 액체 제어봉 사이에 설치된 펌프; 한쪽 단부가 상부탱크에 연결되고, 다른 쪽 단부는 액체 제어봉의 하부에 위치되도록 설치된 주입관; 및 상부탱크와 액체 제어봉 사이에 연결된 기체유동관을 구비한다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치의 바람직한 다른 실시예에서, 액체 제어봉이 2개 이상 배치되고, 주입관이 각각의 액체 제어봉(5)에 설치되며, 기체유동관이 각각의 액체 제어봉에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치의 바람직한 다른 실시예에서, 펌프는 상부탱크와 각각의 액체 제어봉 사이에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치가 2개 이상 설치될 수 있다.

본 발명은 기존 제어봉과 본 발명에 의한 반응도 제어장치를 병행사용하여, 부분출력 운전중에 노심의 반응도를 빠르게 제어하고, 노심의 상,하부 출력편차를 감소시키는 효과가 있다. 또한, 핵연료의 축방향으로 균일한 연소도를 유지하여, 핵연료를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 제어봉을 사용하여 원자로의 부분출력 운전중에 노심의 축방향 출력분포를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치의 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 액체 제어봉과 종래 제어봉을 병행사용하여 원자로의 부분출력 운전중에 노심의 축방향 출력분포를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치의 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치의 사시도를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하였다.

도 1은 종래 제어봉(3)을 사용하여 원자로의 부분출력 운전중에 노심의 축방향 출력분포(4)를 나타낸다. 종래 가압경수로는 노심(2)의 반응도를 제어하기 위해 제어봉과 붕산을 사용한다. 제어봉(3)에 의한 노심(2)의 반응도 제어는 붕산에 의한 반응도 제어에 비해 제어봉(3)의 삽입/인출 속도가 빠르기 때문에, 빠른 반응도 제어가 가능하다. 그러나, 원자로의 부분출력 운전중에는 제어봉(3)이 노심(2)의 상부에만 일부 삽입된 상태로 운전되어, 제어봉(3)이 삽입된 노심(2)의 상부에서는 제어봉(3)이 중성자를 흡수하기 때문에 핵분열이 감소하여 출력이 낮고, 제어봉(3)이 삽입되지 않은 노심(2)의 하부에서는 제어봉(3)에 의한 중성자 흡수가 거의 발생하지 않기 때문에 출력이 높은 상태가 된다. 즉, 바꿔말하면 노심(2)의 축방향 출력분포(4)가 불균일하게 되고, 이러한 상태가 도 1에 나타나 있다. 노심(2)의 출력분포(4)가 불균일한 상태로 원자로를 계속하여 운전할 경우, 핵분열이 주로 핵연료의 하부에서만 발생하고, 상부에서는 핵분열 물질이 많이 남은 상태로 핵연료가 폐기되어 비효율적이다. 결국, 전력의 생산단가 및 원자로 유지비용을 증가시키게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치(1)의 사시도를 나타낸다. 본 발명에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치(1)는 액체 제어봉(5), 상부탱크(6), 펌프(7), 주입관(8), 및 기체유동관(9)을 구비한다.

본 발명에 따르면, 액체 제어봉(5)은 상단부와 하단부가 막혀 있고, 내부에 액체 중성자 흡수물질(10)을 주입하기 위한 내부공간, 즉 공동(hollow)을 구비한다. 또한, 액체 제어봉(5)의 직경 및 길이는 종래 가압경수로형 제어봉(3)과 같은 크기로 제작하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 액체 제어봉(5)은 종래 가압경수로형 핵연료 제어봉(3)의 안내관에 삽입되어 사용될 수 있다. 액체 제어봉(5)의 내부 압력을 원자로 냉각재 계통과 비슷하게 유지하고, 붕산과 같은 액체 중성자 흡수물질(10)의 비등을 방지하며, 액체 제어봉(5) 배관의 응력을 감소시키기 위해서, 노심(2)의 반응도를 제어하기 전에 액체 제어봉(5)의 내부공간은 헬륨과 같은 불활성 기체로 채워질 수 있다.

본 발명에 따르면, 상부탱크(6)는 하부에 액체 중성자 흡수물질(10)을 저장하고, 상부탱크(6)의 상부에는 불활성 기체를 저장한다. 또한, 노심(2)의 반응도를 제어할 필요가 있을 경우, 상부탱크(6)의 하부에 있는 액체 중성자 흡수물질(10)이 펌프(7)의 작동에 의해 주입관(8)을 따라 액체 제어봉(5)의 내부공간으로 주입된다. 이때, 액체 제어봉(5)의 내부공간에 있는 불활성 기체가 기체유동관(9)을 통해 상부탱크(6)의 상부로 전달될 수 있다.

본 발명에 따르면, 펌프(7)는 상부탱크(6)에 있는 액체 중성자 흡수물질(10)을 액체 제어봉(5)에 주입하거나, 액체 제어봉(5)으로부터 액체 중성자 흡수물질(10)을 제거하는 동력을 제공한다. 이러한 펌프(7)는 노심(2)의 반응도를 제어할 필요가 있을 경우 소정의 입력된 신호에 따라 자동으로 또는 수동으로 작동될 수 있다. 바람직하게는, 상부탱크(6)와 펌프(7)는 종래 제어봉(3)의 구동장치가 위치되는 원자로 헤드 등에 위치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 주입관(8)은 한쪽 단부가 상부탱크(6)에 연결되고, 다른 쪽 단부가 액체 제어봉(5)에 액체 중성자 흡수물질(10)을 주입하거나 제거하기 위해 액체 제어봉(5)의 하부에 위치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기체유동관(8)은 바람직하게는 상부탱크(6)의 상부와 액체 제어봉(5)의 상부에 설치된다. 액체 중성자 흡수물질(10)을 액체 제어봉(5)에 주입할 경우, 기체유동관(8)은 액체 제어봉(5)의 상부에 존재하는 불활성 기체를 압력차에 의해 상부탱크(6)의 상부로 전달한다.

도 3은 본 발명에 따른 액체 제어봉(5)과 종래 제어봉(3)을 병행사용하여 원자로의 부분출력 운전중에 노심(2)의 축방향 출력분포(4)를 나타낸다. 본 발명에 따른 반응도 제어장치(1)를 종래 제어봉(3)과 병행하여 사용함에 따라, 노심(2)의 반응도를 빠르게 제어할 수 있고, 부분출력 운전중에도 균일한 노심의 축방향 출력분포(4)를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치(1)의 사시도를 나타낸다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 1개의 상부탱크(6)와 1개의 펌프(7)에 2개 이상의 액체 제어봉(5)이 배치될 수 있고, 각각의 액체 제어봉(5)에 주입관(8)이 설치되며, 기체유동관(9)도 각각의 액체 제어봉(5)에 연결된다. 일반적으로, 종래 한국표준형원전의 경우 4개 또는 12개의 제어봉(3)이 모여 하나의 제어봉(3) 집합체를 구성하고, 노심(2)의 반응도를 제어할 경우 이러한 제어봉(3) 집합체에 의해 반응도가 제어된다. 따라서, 이러한 실시예는 액체 제어봉(5)의 집합체를 구성하여 종래 한국표준형원전에 쉽게 설치될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치(1)의 사시도를 나타낸다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 1개의 상부탱크(6)에 2개 이상의 액체 제어봉(5)이 배치되고, 1개의 상부탱크(6)와 각각의 액체 제어봉 사이에 펌프(7)가 설치될 수 있다. 또한, 각각의 액체 제어봉(5)에 주입관(8)과 기체유동관(9)이 설치된다. 각각의 액체 제어봉(5)마다 1개씩 설치된 펌프(7)에 따라, 각각의 유체 제어봉(5)에 주입되는 액체 중성자 흡수물질(10)의 주입량을 개별적으로 조절할수 있다. 이에 의해, 보다 균일한 축방향 출력분포(4)를 얻을 수 있고, 부분 출력운전중에 필요한 출력을 보다 효율적으로 제어할 수 있다.

상기에서 언급된 반응도 제어장치(1)는 요구되는 원자력 부분출력에 따라 2개 이상 설치될 수 있다.

1 ----- 반응도 제어장치, 2 ----- 노심,
3 ----- 제어봉, 4 ----- 축방향 출력분포,
5 ----- 액체 제어봉, 6 ----- 상부탱크,
7 ----- 펌프, 8 ----- 주입관,
9 ----- 기체유동관, 10 ----- 액체 중성자 흡수물질.

Claims (4)

1. 상단부와 하단부가 막혀 있고, 내부에 공동(hollow)을 구비하며, 노심(2)의 내부에 설치되는 액체 제어봉(5);와
   하부에는 액체 중성자 흡수물질(10)을, 상부에는 불활성 기체를 저장하는 상부탱크(6);와
   상기 액체 중성자 흡수물질(10)을 상기 액체 제어봉(5)에 주입시키거나, 상기 액체 제어봉(5)으로부터 제거하기 위해, 상기 상부탱크(6)와 상기 액체 제어봉(5) 사이에 설치된 펌프(7);와
   한쪽 단부가 상기 상부탱크(6)에 연결되고, 다른 쪽 단부는 상기 액체 제어봉의 하부에 위치되도록 설치된 주입관(8); 및
   상기 상부탱크(6)와 상기 액체 제어봉(5) 사이에 연결된 기체유동관(9);을 구비한 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 액체 제어봉(5)이 2개 이상 배치되고, 상기 주입관(8)은 각각의 액체 제어봉(5)에 설치되며, 상기 기체유동관(9)이 각각의 액체 제어봉(5)에 연결되는, 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 펌프(6)는 상기 상부탱크(6)와 각각의 액체 제어봉(5) 사이에 설치되는 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치.
   
4. 제1항 내지 제3항에 중 어느 한 항에 있어서 상기 반응도 제어장치가 2개 이상 설치되는 액체 수위를 이용한 반응도 제어장치.

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