KR20160001495A - 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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최해섭
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Abstract

본 발명은 물탱크에 충전된 질소의 용해도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 경수로의 비상 냉각을 위해 안전주입탱크에 충전된 안전주입수와 같이 고압 탱크 내부 냉각수에 충전된 고압의 질소 용해도 측정이 가능한 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치 및 방법{Measuring device of Nitrogen Solubility for High-pressure Water Tank filled with Nitrogen and Measuring Method of the Same}
본 발명은 물탱크에 충전된 질소의 용해도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 경수로의 비상 냉각을 위해 안전주입탱크에 충전된 안전주입수와 같이 고압 탱크 내부 냉각수에 충전된 고압의 질소 용해도 측정이 가능한 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자력 발전소에는 원자로의 냉각재 상실사고 시 원자로를 비상 냉각시키기 위한 안전주입탱크가 구비된다. 안전주입탱크 내부에는 안전주입수가 충전되며, 원자로의 냉각재 상실사고 시 유량조절장치를 통해 안전주입수의 방출 유량을 수동적으로 조절하여 원자로에 공급한다.
안전주입탱크는 냉각재 상실사고 시 대량의 안전주입수(냉각수)를 원자로 용기로 주입하는 초기 재충수 과정동안 고 유량의 안전주입수를 원자로에 방출하고, 안전주입수가 원자로 노심 하부로부터 차오르기 시작하여 핵연료의 냉각이 이루어지는 재관수 과정에 도달하게 되면 저 유량의 안전주입수를 보다 오랜 시간 동안 원자로에 방출하게 된다. 안전주입탱크는 위와 같은 피동 유량 조절 특성을 통해 냉각수의 사용 효율을 높이고 원자력 발전소의 안전성을 증진시킨다.
이때 원자력 발전소의 안전주입탱크는 초기 고 유량의 안전주입수를 원자로에 방출시키기 위해 안전주입탱크 내부를 고압 질소를 이용하여 약 40기압으로 가압하도록 설계되어있다. 고압 질소로 가압된 안전주입탱크의 경우 탱크 내 안전주입수의 질소 용해도는 시간이 지남에 따라 서서히 증가하게 되는데, 안전주입탱크는 초기질소 가압 후 장기간 동안 가압된 상태를 유지하기 때문에 시간에 따라 다양한 질소 용해도 조건이 형성된다.
고압 질소로 가압된 안전주입탱크 내 안전주입수를 저압의 출구로 방출하게 되면, 용존 질소의 캐비테이션(cavitation, 계통 압력이 감소하여 포화 용해도가 낮아짐에 따라, 안전주입수에 용해되어 있는 질소가 기포 형태의 기체로 나오는 현상)이 발생하여 기체-액체상의 2상 유동이 형성된다. 일반적으로 배관 내에 2상 유동이 형성되면 배관을 통한 압력강하가 증가하게 된다. 따라서 용존 질소의 캐비테이션이 일정 수준 이상으로 발생할 경우, 유량조절장치 및 안전주입수 방출 배관에서의 압력강하가 증가되며, 이로 인해 안전주입수의 방출유량을 감소시켜 냉각재 상실사고 시 원자로 노심의 냉각 효율이 떨어질 가능성이 있다.
따라서 안전주입탱크는 용존 질소의 캐비테이션이 안전주입수의 방출 유량에 미치는 영향을 고려하여 설계해야 하기 때문에 용존 질소의 캐비테이션에 따른 안전주입수의 방출 유량을 시뮬레이션 하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 안전주입탱크의 진공실험을 수행하게 된다.
진공실험시설은 상술된 시뮬레이션을 수행하기 위한 시설로 원자력 발전소의 원자로에 적용되는 것과 동일한 안전주입탱크 및 유량조절장치를 구비하며, 진공실험시설의 안전주입탱크 내 안전주입수의 질소 용해도를 다양하게 변화시키면서 실험을 수행하게 된다.
그러나 종래에는 물속에 용해된 질소의 용해도 측정이 대기압 조건의 시료에서만 가능하기 때문에 상술된 40기압 이상의 고압 탱크 내 냉각수의 질소 용해도 측정에는 적용이 불가하여 안전주입탱크 내부의 질소 용해도의 측정이 불가능한 문제점이 있었다.
위와 같은 사안에 따라 40기압 이상의 고압으로 가압된 대형 안전주입탱크(높이: 12미터, 직경: 2.7 미터) 내부 냉각수의 질소 용해도를 정확하게 측정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2014-0018670호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 원자력 발전소의 안전주입탱크와 같은 고압 탱크 내부 냉각수의 질소 용해도를 측정할 수 있는 질소 용해도 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 질소 용해도 측정 장치는, 우라늄 표적 집합체의 장입 및 인출 장치는, 고압의 질소가 충전된 물탱크 내부 냉각수의 질소 용해도를 측정하기 위한 장치에 있어서, 상기 물탱크로부터 일정량의 냉각수를 유입 받아 저장하는 측정탱크; 상기 측정탱크에 저압의 초기질소를 공급하는 초기질소 공급라인; 상기 초기질소 및 상기 측정탱크로 유입된 냉각수에서 용출된 질소의 온도를 측정하기 위해 상기 측정탱크 내부 상측의 온도를 측정하는 제1 온도계; 상기 측정탱크로 유입된 냉각수의 온도를 측정하기 위해 상기 측정탱크 내부 하측의 온도를 측정하는 제2 온도계; 상기 측정탱크 내부의 압력을 측정하는 압력계; 및 상기 측정탱크로 유입된 냉각수의 수위를 측정하는 수위계; 를 포함한다.
본 발명의 질소 용해도 측정 방법은, 고압의 질소가 충전된 물탱크 내부 냉각수의 질소 용해도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 측정탱크에 1~2기압의 초기질소를 충전하는 단계; 상기 초기질소의 온도 및 압력을 측정하여 상기 초기질소의 몰수를 산출하는 단계; 상기 물탱크의 냉각수를 상기 측정탱크에 공급받고, 상기 측정탱크로 공급된 냉각수에 용해된 질소 중 포화 용해된 질소를 초과하는 나머지 질소를 용출시켜 냉각수와 용출 질소를 분리하는 단계; 상기 초기질소와 상기 용출 질소가 혼합된 질소기체의 온도, 압력 및 부피를 측정하여 용출 질소의 몰수 및 몰랄농도를 산출하는 단계; 상기 냉각수의 온도 및 압력을 측정하여 상기 냉각수에 용해된 용해 질소의 몰수 및 몰랄농도를 산출하는 단계; 및 상기 용출 질소의 몰랄농도 및 상기 용해 질소의 몰랄농도를 이용하여 상기 물탱크의 냉각수에 용해된 질소의 몰랄 농도를 산출하는 단계; 를 포함한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치 및 방법은 대형 고압 탱크 내부 냉각수의 질소 용해도(몰랄 농도)를 측정할 수 있는 효과가 있고, 원자력 발전소의 안전주입탱크를 시뮬레이션하기 위한 진공실험시설에 적용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 질소 용해도 측정 장치 개략도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 질소 용해도 측장 장치 공정개략도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 질소 용해도 측정 방법 순서도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치(이하 '측정 장치')에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 측정 장치(200)의 개략도가 도시되어 있다.
측정 장치(200)는 고압의 질소 가스가 충전된 물탱크 내부 냉각수의 질소 용해도를 측정하기 위한 장치로, 측정 대상인 물탱크(100)는 상술한 바와 같이 원자력 발전소 내 안전주입탱크일 수 있다. 물탱크(100)의 내부에는 냉각수(W)가 구비되며, 고압의 질소가 충전됨에 따라 냉각수(W)에는 질소가 용해될 수 있다. 물탱크(100)는 냉각수를 원자로에 방출하기 위한 방출라인(120) 및 방출라인(120)의 개폐를 위한 방출밸브(125)를 포함한다. 또한, 물탱크(100) 내부에는 방출라인(120)의 개방 시 냉각수(W)의 유량을 제어하기 위한 유량조절장치(150)가 구비된다.
상기와 같은 구성의 물탱크(100)는 고압 질소가 충전됨에 따라 약 40기압 이상으로 가압되며, 고압의 물탱크(100) 내부에 저장된 냉각수의 질소 용해도를 측정하기 위한 본 발명의 측정 장치(200)는 다음과 같은 구성을 갖는다.
도시된 바와 같이 측정 장치(200)는 측정탱크(210), 냉각수 공급라인(220), 초기질소 공급라인(230), 제1 온도계(241), 제2 온도계(242), 압력계(243), 수위계(245), 분사부(250) 및 배수라인(260)을 포함한다.
측정탱크(210)는 물탱크(100) 내부의 냉각수(W)를 공급받아 저장하기 위한 구성으로 통상의 저장 탱크의 구성이 적용될 수 있다.
냉각수 공급라인(220)은 물탱크(100)의 냉각수(W)를 측정탱크(210)에 공급하기 위한 구성으로 상류단이 물탱크(100) 내부에 연통되며 하류단이 측정탱크(210) 내부에 연통될 수 있다.
초기질소 공급라인(230)은, 측정탱크(210)에 냉각수(W)가 공급되기 전에 측정탱크(210) 내부에 약 1.5기압의 초기질소가스를 공급하여 측정탱크(210) 내부를 대기압 조건으로 형성하기 위해 구비된다. 초기질소 공급라인(230)은 상류단이 질소가스 공급부(미도시)에 연결되고, 하류단이 측정탱크(210)의 내부에 연통된다. 초기질소 공급라인(230) 상에는 초기질소 공급라인(230)의 개폐를 위한 초기질소 공급밸브(235)가 구비된다.
도 2를 참조하면, 초기질소가 충전된 대기압 상태의 측정탱크(210)에 약 40기압의 질소가 용해된 냉각수(W)가 공급되면(도 2a), 고압 상태에서 용해되어 있던 질소 중 일부(대기압 상태의 포화 용해도를 초과하는 질소)가 용출됨에 따라 측정탱크(210)의 하측(A2)에는 질소가 포화상태로 용해된 냉각수(W)가 저장되고, 상측(A1)에는 상기 초기질소 및 용출 질소가 혼합된 질소 기체가 저장된다.(도 2b)
이때 측정 장치(200)는 측정탱크(210)에 공급되는 냉각수(W)의 질소 용출 속도를 빠르게 하기 위해 분사부(250)가 구비된다. 분사부(250)는 냉각수(W) 공급 시 측정탱크(210) 내부에 스프레이 분사되도록 하여 질소 용출 속도를 높이게 되며, 이를 위해 분사부(250)는 분사라인(251) 및 스프레이 노즐(252)을 포함하여 구성된다. 분사라인(251)은 측정탱크(210) 내부에 구비되며, 상류단이 냉각수 공급라인(220)의 하류단에 연통되며, 스프레이 노즐(252)이 분사라인(251) 상에 복수개 형성되어 분사라인(251)으로 공급된 냉각수(W)가 측정탱크(210) 내부에 스프레이 분사되도록 구성된다.
제1 온도계(241)는 상기 초기질소 및 질소 기체의 온도를 측정하기 위해 측정탱크(210)의 상측에 구비된다.
제2 온도계(242)는 냉각수(W)의 온도를 측정하기 위해 측정탱크(210)의 하측에 구비된다.
압력계(243)는 측정탱크(210) 내부의 압력을 측정하기 위해 측정탱크(210) 상에 구비된다.
수위계(245)는 냉각수(W)의 수위(부피)를 측정하기 위한 구성으로 측정탱크(210) 상에 구비된다.
상기와 같은 제1 온도계(241), 제2 온도계(242), 압력계(243), 수위계(245)의 구성을 통해 초기질소의 온도와 압력, 질소 기체의 온도와 압력, 냉각수의 온도와 압력 등을 측정하게 되고, 이에 따라 초기질소의 몰수, 용출 질소의 몰수 및 몰랄농도, 용해 질소의 몰농도 및 몰랄농도를 산출하여 최종적으로 물탱크(100) 내부 냉각수에 용해된 질소의 총 몰랄농도(용해도) 산출이 가능하다. (세부적인 측정 방법은 후술하기로 한다.)
배수라인(260)은 질소 용해도 측정이 완료된 후 측정탱크(210) 내부의 냉각수(W)를 배출하기 위해 구성되며, 배수라인(260) 상에는 배수라인(260)의 개폐를 위한 배수밸브(265)가 구비된다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치(200)를 이용한 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 우선 측정탱크(210)에 충전된 초기질소를 측정하는 단계(S10)를 수행한다. 초기질소 측정 단계(S10)는, 초기질소 공급밸브(235)를 개방하여 측정탱크(210)에 약 1.5 기압의 초기질소를 충전하고, 제1 온도계(241) 및 압력계(243)를 이용하여 초기질소의 온도와 압력을 측정한다. 초기질소의 온도, 압력 및 측정탱크(210)의 부피를 바탕으로 아래 이상기체방정식을 이용하여 초기질소의 몰수(
Figure pat00001
)를 구한다.
Figure pat00002
다음으로 측정탱크(210)에 물탱크(100)에 저장된 고압의 질소가 용해된 냉각수를 공급하는 단계(S20)를 수행한다.
동일한 온도 조건에서 물에 용해될 수 있는 최대 질소의 양(즉, 포화 질소 용해도)은 물의 압력에 비례하여 증가한다. 섭씨 20도, 1기압 물의 포화 질소 용해도를 기준으로 10기압 및 40기압 물의 포화 질소 용해도는 각각 10배 및 40배 증가한다. 바꾸어 말하면, 고압의 냉각수를 저압 탱크로 주입하게 되면, 저압 상태의 포화 질소 용해도를 초과하는 용존 질소는 냉각수로부터 용출되어 기체 상태로 변환되고, 나머지 질소는 냉각수에 포화 용해된 상태로 존재하게 된다.
따라서 물탱크(100)에 저장된 고압의 냉각수를 저압의 측정탱크(210)에 주입하게 되면, 냉각수의 전체 용존 질소 중 일부는 기체 상태로 용출되어 측정탱크(210)의 상부에 존재하고, 나머지는 측정탱크(210) 하부의 냉각수에 포화 용해된 상태로 존재한다.
다음으로 측정탱크(210) 내부의 질소를 측정하는 단계(S30)를 수행한다. 측정탱크(210) 내부의 질소는 초기질소, 용출 질소 및 용해 질소로 구분됨에 따라 측정탱크(210) 상측에 위치한 초기질소와 용출 질소를 합한 질소 기체를 측정하는 단계(S31) 및 측정탱크(210)의 하측에 위치한 냉각수에 포화 용해된 용해 질소를 측정하는 단계(S32)로 구분될 수 있다.
냉각수 주입 후, 측정탱크(210) 상부 기체 영역에 존재하는 질소 기체의 몰수는 다음과 같이 질소 기체의 온도, 압력, 부피 측정값을 바탕으로 아래 이상기체방정식을 통해 구한다.
Figure pat00003
이 때, 주입되는 냉각수의 양은 측정탱크(210)의 약 1/2 높이 정도 즉 측정탱크(210) 부피의 50%가 적당하며, 질소의 용출 속도를 높이기 위해 스프레이 노즐(252)을 통해 고압의 냉각수를 측정탱크(210)에 주입한다. 또한, 질소 기체의 부피(
Figure pat00004
)는, 아래식으로 계산되며,
Figure pat00005
냉각수의 부피(
Figure pat00006
)는 수위계(245)를 이용하여 측정한다.
냉각수 주입 후의 질소 기체의 몰수에서 초기질소의 몰수를 뺌으로써, 용출 질소의 몰 수(
Figure pat00007
)는, 아래의 식에 의해 산출되며,
Figure pat00008
상기 용출 질소의 몰랄농도는, 아래의 식에 의해 산출된다.
Figure pat00009
위 냉각수의 부피(
Figure pat00010
)는 측정탱크(210)에 주입된 총 냉각수 질량으로써, 측정탱크(210) 하부에 존재하는 냉각수의 질량과 같다. 따라서 냉각수의 부피(
Figure pat00011
)는 측정탱크(210) 하부의 냉각수 부피에 냉각수의 밀도를 곱하여 구한다.(
Figure pat00012
) 냉각수의 부피는 수위계(245)를 통해 측정한 냉각수 수위에 측정탱크(210)의 단면적을 곱하여 구할 수 있고, 냉각수의 밀도는 측정탱크(210)의 압력 측정값 및 냉각수 온도 측정값으로부터 구할 수 있다.
측정탱크(210) 하부의 냉각수에 용해된 상태로 존재하는 용해 질소는 냉각수에 포화 상태로 용해되어 있기 때문에 용해 질소의 몰 농도 및 몰랄 농도는 다음과 같이 헨리의 법칙(Henry's Law)을 통해 구할 수 있다.
Figure pat00013
마지막으로, 상기와 같이 산출된 용출 질소의 몰랄농도 및 용해 질소의 몰랄농도를 통해 물탱크(100)로부터 추출한 냉각수에 용해된 질소의 용해도를 산출하는 단계(S40)를 수행한다.
Figure pat00014
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 물탱크 120 : 토출라인
125 : 토출밸브 150 : 유량제어장치
200 : 측정 장치 210 : 측정탱크
220 : 냉각수 공급라인 225 : 냉각수 공급밸브
230 : 초기질소 공급라인 235 : 초기질소 공급밸브
241 : 제1 온도계 242 : 제2 온도계
243 : 압력계 245 : 수위계
250 : 분사부 251 : 분사라인
252 : 스프레이 노즐
260 : 냉각수 배수라인 265 : 냉각수 배수밸브

Claims (8)

  1. 고압의 질소가 충전된 물탱크 내부 냉각수의 질소 용해도를 측정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 물탱크로부터 일정량의 냉각수를 유입 받아 저장하는 측정탱크;
    상기 측정탱크에 저압의 초기질소를 공급하는 초기질소 공급라인;
    상기 초기질소 및 상기 측정탱크로 유입된 냉각수에서 용출된 질소의 온도를 측정하기 위해 상기 측정탱크 내부 상측의 온도를 측정하는 제1 온도계;
    상기 측정탱크로 유입된 냉각수의 온도를 측정하기 위해 상기 측정탱크 내부 하측의 온도를 측정하는 제2 온도계;
    상기 측정탱크 내부의 압력을 측정하는 압력계; 및
    상기 측정탱크로 유입된 냉각수의 수위를 측정하는 수위계;
    를 포함하는, 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정 장치는,
    상기 물탱크와 상기 측정탱크를 연통하는 냉각수 공급라인;
    상기 측정탱크 내부에 구비되되, 상류단이 상기 냉각수 공급라인의 하류단에 연통되는 분사라인; 및
    상기 냉각수 공급라인에서 공급된 냉각수를 상기 측정탱크 내부에 스프레이 분사하도록 상기 분사라인 상에 구비되는 스프레이 노즐;
    을 포함하는, 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 장치.
  3. 고압의 질소가 충전된 물탱크 내부 냉각수의 질소 용해도를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    측정탱크에 1~2기압의 초기질소를 충전하는 단계;
    상기 초기질소의 온도 및 압력을 측정하여 상기 초기질소의 몰수를 산출하는 단계;
    상기 물탱크의 냉각수를 상기 측정탱크에 공급받고, 상기 측정탱크로 공급된 냉각수에 용해된 질소 중 포화 용해된 질소를 초과하는 나머지 질소를 용출시켜 냉각수와 용출 질소를 분리하는 단계;
    상기 초기질소와 상기 용출 질소가 혼합된 질소기체의 온도, 압력 및 부피를 측정하여 용출 질소의 몰수 및 몰랄농도를 산출하는 단계;
    상기 냉각수의 온도 및 압력을 측정하여 상기 냉각수에 용해된 용해 질소의 몰수 및 몰랄농도를 산출하는 단계; 및
    상기 용출 질소의 몰랄농도 및 상기 용해 질소의 몰랄농도를 이용하여 상기 물탱크의 냉각수에 용해된 질소의 몰랄 농도를 산출하는 단계;
    를 포함하는, 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 초기질소 몰수는, 아래의 식에 의해 산출되는,
    Figure pat00015

    고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 질소기체의 몰수는, 아래의 식에 의해 산출되며,
    Figure pat00016

    상기 용출 질소의 몰수(
    Figure pat00017
    )는, 아래의 식에 의해 산출되고,
    Figure pat00018

    상기 용출 질소의 몰랄농도는, 아래의 식에 의해 산출되는,
    Figure pat00019

    고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 용해 질소의 몰농도 및 몰랄농도는, 헨리의 법칙을 통한 아래의 식에 의해 산출되는,
    Figure pat00020

    고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 물탱크 내부의 냉각수에 용해된 질소의 몰랄농도는, 아래의 식에 의해 산출되는,
    Figure pat00021

    고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법.
  8. 제 3항에 있어서,
    질소 용해도 측정 방법은,
    상기 물탱크의 냉각수를 상기 측정탱크에 공급 시 공급되는 냉각수의 부피는 상기 측정탱크 부피의 40~60% 인, 고압 질소 충전 물탱크의 질소 용해도 측정 방법.
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