KR20140142569A

KR20140142569A - 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로

Info

Publication number: KR20140142569A
Application number: KR1020130064168A
Authority: KR
Inventors: 김상녕
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2014-12-12

Abstract

본 발명은 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 핵연료, 상기 핵연료의 하부에 위치하며, 핵연료를 고정하는 하부지지 구조체 및 상기 하부지지 구조체를 지지하는 금속 지지대를 포함하는 노심, 상기 노심을 수용하는 압력용기, 상기 압력용기를 수용하며, 외측에 단열재가 설치되는 노외 냉각정, 노심 용융시 상기 압력용기의 열제거를 위한 냉각수가 주입되며, 상기 압력용기와 상기 노외 냉각정 사이에 위치하는 공간부를 포함하는 원자로; 및 상기 원자로를 수용하며, 냉각수가 저장된 원자로 공동부;를 포함하는 가압경수형 원자로에 있어서, 상기 금속 지지대는 방사선을 방출하지 않으면서 탄소와 반응하는 제1 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 노심 용융물의 층상화에 영향을 미치는 탄소의 함유량을 감소시킴으로써 원자로의 중대사고에 의해 노심이 용융된 경우, 노심 용융물의 층상화를 방지하여 압력용기 상단의 외벽에서 열전도율이 급강하하는 핵비등이탈 현상을 유발하지 않아 원전의 중대사고 대처능력을 향상시킬 수 있다.

Description

노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로{Pressurized water reactor for preventing stratification of corium in the event of core melting}

본 발명은 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 원자로의 중대사고에 의해 노심이 용융된 경우, 노심 용융물의 탄소 함유량 감소를 통해 노심 용융물의 층상화를 방지하여 노심 용융물로부터 원자로 외벽까지 전달되는 열속을 균등하게 함으로써 압력용기 하부 상단의 외벽에 열속이 집중되는 현상을 방지하여, 열전도율이 급강하하는 핵비등이탈 현상을 유발하지 않음으로써 원자로의 안정성을 향상시키는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로에 관한 것이다.

가압경수형 원자로는 중대사고에 의해 노심이 용융될 경우, 원자로 내의 핵연료 및 내부 구조물을 포함하는 노심이 용융된 상태로 압력용기의 하부에 쌓이게 된다. 특히 노심 용융물(corium)은 비중이 낮은 금속층(피복재 또는 내부 구조물)과 비중이 높은 핵연료층(UO₂)이 상하로 분리되어, 노심 용융물의 층상화가 발생된다. 이때, 열전도율이 낮은 핵연료층에서 핵분열에 의해 생성된 열은 열전도율이 높은 금속층으로 이동하여, 상단층인 금속층으로 열이 집중(heat concentration)된다. 이 부분에 모인 열은 압력용기 하부 상단부분의 외벽까지 이동되고, 외벽 바깥쪽 냉각수의 온도를 급격히 상승시켜 비등에 의한 기포를 생성시키게 된다. 높은 열속으로 기포들은 막을 형성하고, 이러한 기포막에 의해 압력용기 하부 상단의 외벽에서 열전도율이 급강하하는 핵비등이탈(departure from nucleate boiling, DNB) 현상을 유발하게 된다.

이러한 핵비등이탈 현상으로, 상기 압력용기는 용융된 높은 온도의 핵연료에 노출되며, 임계열속으로 외부로의 열전달이 급속히 감소하므로 과열로 인해 관통될 수 있으며, 이에 따라 고준위 방사능의 핵연료가 외부로 유출되는 것에 의해 대형사고가 발생할 수 있다.

한편, 상기 노심 용융물의 층상화에 영향을 미치는 요인은 탄소의 함유량 및 산화정도 등이 있는 것으로 알려져 있다. 특히, APR+ 급 (1,400 MWe급)의 대형 가압경수형 원자로의 경우, B₄C 제어봉을 사용하여 노심 용융물의 탄소함유량이 층상화를 유발하기에 충분하기 때문에 더욱 문제가 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원자로의 중대사고에 의해 노심이 용융된 경우, 노심 용융물의 탄소 함유량 감소를 통해 노심 용융물의 층상화를 방지하여 압력용기 상단의 외벽에서 열전도율이 급강하하는 핵비등이탈 현상을 유발하지 않음으로써 원전의 중대사고 대처능력을 향상시키는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 핵연료, 상기 핵연료의 하부에 위치하며, 핵연료를 고정하는 하부지지 구조체 및 상기 하부지지 구조체를 지지하는 금속 지지대를 포함하는 노심, 상기 노심을 수용하는 압력용기, 상기 압력용기를 수용하며, 외측에 단열재가 설치되는 노외 냉각정, 노심 용융시 상기 압력용기의 열제거를 위한 냉각수가 주입되며, 상기 압력용기와 상기 노외 냉각정 사이에 위치하는 공간부를 포함하는 원자로; 및 상기 원자로를 수용하며, 냉각수가 저장된 원자로 공동부;를 포함하는 가압경수형 원자로에 있어서, 상기 금속 지지대는, 방사선을 방출하지 않으면서 탄소와 반응하는 제1 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로가 제공된다.

이때, 상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속으로 이루어진 코팅층을 포함하는 것일 수 있다.

그리고, 상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속이 내부에 매설되어 있는 것일 수 있다.

그리고, 상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속을 1 내지 99 중량%를 포함하는 것일 수 있다.

그리고, 상기 제1 금속은, 비중이 9 내지 11인 금속 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상일 수 있다.

그리고, 상기 금속 지지대는, 밀도가 8 내지 12인 제2 금속을 더 포함하되, 상기 제2 금속은, 상기 제1 금속과 합금을 형성하는 것일 수 있다.

한편, 상기 압력용기는, 상기 핵연료의 핵반응 속도를 제어하는 제어봉을 더 포함하는 것일 수 있다.

이때, 상기 제어봉은 탄소를 함유하는 제어봉일 수 있으며, 이러한 탄소를 함유하는 제어봉은 B₄C 제어봉일 수 있다.

본 발명에 따르면, 노심 용융물의 층상화에 영향을 미치는 탄소의 함유량을 감소시킴으로써 원자로의 중대사고에 의해 노심이 용융된 경우, 노심 용융물의 층상화를 방지하여 압력용기 하부 상단의 외벽에서 열전도율이 급강하하는 핵비등이탈 현상을 유발하지 않아 원전의 중대사고 대처능력을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 일반적인 가압경수형 원자로의 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 종래의 일반적인 가압경수형 원자로의 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 종래기술의 문제점과 관련하여 도 1을 참조하면, 일반적인 가압경수형 원자로는 중대사고에 의해 노심이 용융될 수 있는데, 이 경우 원자로 내의 핵연료 및 내부 구조물을 포함하는 노심이 용융된 상태로 압력용기에 쌓이게 된다. 이때, 탄소의 함유량이 많아질수록 상기 노심 용융물의 층상화에 더욱 큰 영향을 미치게 된다. 즉, 노심 용융물(corium)은 비중이 낮은 금속층(피복재 또는 내부 구조물)과 비중이 높은 핵연료층(UO₂)의 상하로 분리된다.

이때, 열전도율이 낮은 핵연료층에서 핵분열에 의해 생성된 열은 열전도율이 높은 금속층으로 이동하여, 상단층인 금속층으로 열이 집중(heat concentration)된다. 이러한 현상으로 인해 상기 압력용기는 관통될 우려가 있으며, 이에 따라 고준위 방사능의 핵연료가 외부로 유출되는 것에 의해 대형사고가 발생할 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 가압경수형 원자로에 대해서 도 2를 참조하여 설명하면, 핵연료(11), 상기 핵연료(11)의 하부에 위치하며, 핵연료를 고정하는 하부지지 구조체(12) 및 상기 하부지지 구조체(12)를 지지하는 금속 지지대(13)를 포함하는 노심, 상기 노심을 수용하는 압력용기(14), 상기 압력용기(14)를 수용하며, 외측에 단열재(17)가 설치되는 노외 냉각정(15), 노심 용융시 상기 압력용기(14)의 열제거를 위한 냉각수가 주입되며, 상기 압력용기(14)와 상기 노외 냉각정(15) 사이에 위치하는 공간부(16)를 포함하는 원자로; 및 상기 원자로를 수용하며, 냉각수가 저장된 원자로 공동부(18);를 포함하는 가압경수형 원자로(10)에 있어서, 상기 금속 지지대(13)는, 방사선을 방출하지 않으면서 탄소와 반응하는 제1 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로(10)가 제공된다.

여기서, 상기 금속 지지대(13)는, 원자로의 정상적인 가동시에는 상기 하부지지 구조체(12)를 지지하고 있으나, 중대사고의 발생으로 인해 노심이 용융될 때 함께 용융됨으로써 노심 용융물에 포함된다. 이때, 상기 노심 용융물에는 일정량의 탄소가 포함되어 있는데, 이러한 탄소는, 상기 금속 지지대(13)에 포함된 방사선을 방출하지 않으면서 탄소와 반응하는 상기 제1 금속의 용융물과의 물리적 또는 화학적결합을 통해 제어된다.

이때, 상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속으로 이루어진 코팅층을 포함하는 것일 수 있으며, 또는 상기 제1 금속이 내부에 매설되어 있는 것일 수 있지만 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속을 1 내지 99 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 상기 범위의 함량을 포함함으로써, 노심 용융시 상기 제1 금속에 의해 탄소가 제어된 노심 용융물의 탄소의 함유량이 0.01 중량% 이하로 제어되어, 상기 노심 용융물의 층상화가 발생하지 않게 된다.

그리고, 상기 금속 지지대는, 밀도가 8 내지 12인 제2 금속을 더 포함하되, 상기 제2 금속은, 상기 제1 금속과 합금을 형성하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 제2 금속은, 상기 제1 금속과 합금을 형성함으로써, 상기 제1 금속의 비중조절을 통해, 노심용융물의 층상화 방지에 기여할 수 있다.

한편, 상기 압력용기는, 상기 핵연료의 핵반응 속도를 제어하는 제어봉을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어봉은 열중성자를 잘 흡수하는 재료로 피복된 봉상의 형태로, 원자로의 노심에 삽입 및 인출시키면서 핵연료의 반응도를 조절하는 작용을 하는 것을 말한다.

이때, 상기 제어봉은 탄소를 함유하는 제어봉일 수 있으며, 이는 B₄C 제어봉일 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.

한편, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 가압경수형 원자로 11: 핵연료
12: 하부지지 구조체 13: 금속 지지대
14: 압력용기 15: 노외 냉각정
16: 공간부 17: 단열재
18: 원자로 공동부

Claims

핵연료, 상기 핵연료의 하부에 위치하며, 핵연료를 고정하는 하부지지 구조체 및 상기 하부지지 구조체를 지지하는 금속 지지대를 포함하는 노심, 상기 노심을 수용하는 압력용기, 상기 압력용기를 수용하며, 외측에 단열재가 설치되는 노외 냉각정, 노심 용융시 상기 압력용기의 열제거를 위한 냉각수가 주입되며, 상기 압력용기와 상기 노외 냉각정 사이에 위치하는 공간부를 포함하는 원자로; 및
상기 원자로를 수용하며, 냉각수가 저장된 원자로 공동부;를 포함하는 가압경수형 원자로에 있어서,
상기 금속 지지대는, 방사선을 방출하지 않으면서 탄소와 반응하는 제1 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제1항에 있어서,
상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속으로 이루어진 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제1항에 있어서,
상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속이 내부에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제1항에 있어서,
상기 금속 지지대는, 상기 제1 금속을 1 내지 99 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속은, 비중이 9 내지 11인 금속 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상인 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제1항에 있어서,
상기 금속 지지대는, 밀도가 8 내지 12인 제2 금속을 더 포함하되,
상기 제2 금속은, 상기 제1 금속과 합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제1항에 있어서,
상기 압력용기는, 상기 핵연료의 핵반응 속도를 제어하는 제어봉을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제7항에 있어서,
상기 제어봉은 탄소를 함유하는 제어봉인 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.
제8항에 있어서,
상기 탄소를 함유하는 제어봉은 B₄C 제어봉인 것을 특징으로 하는 노심 용융시 노심 용융물의 층상화를 방지하는 가압경수형 원자로.