KR20160078327A - 액체 금속 냉각 원자로, 그러한 원자로에서 산소의 열역학적 활성을 모니터링하기 위한 시스템, 및 산소의 열역학적 활성을 모니터링하는 방법 - Google Patents

액체 금속 냉각 원자로, 그러한 원자로에서 산소의 열역학적 활성을 모니터링하기 위한 시스템, 및 산소의 열역학적 활성을 모니터링하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력 공학에 관한 것으로서, 납 함유 액체 금속 냉각재를 갖는 발전소, 특히 고속 중성자로에서 사용될 수 있다. 냉각재에서의 산소의 열역학적 활성을 모니터링하기 위해 제안된 원자로 및 방법과 시스템은 원자로 용기의 "고온" 및 "저온" 영역에 위치한 상시 작동 산소 열역학적 활성 센서, 및 간헐적으로 작동하는 추가 센서를 구비하여, 어떠한 작동 체계에서도 액체 금속 냉각재 내에 설정된 산소의 열역학적 활성치를 유지하기 위해 지속적인 모니터링의 수행을 가능케 한다.

Description

액체 금속 냉각 원자로, 그러한 원자로에서 산소의 열역학적 활성을 모니터링하기 위한 시스템, 및 산소의 열역학적 활성을 모니터링하는 방법{LIQUID METAL COOLED NUCLEAR REACTOR, SYSTEM FOR MONITORING OXYGEN THERMODYNAMIC ACTIVITY IN SUCH REACTORS AND METHOD FOR MONITORING OXYGEN THERMODYNAMIC ACTIVITY}
본 발명은 원자력 발전에 관한 것으로서, 납 함유 액체 금속 냉각재를 갖는 발전소에 사용될 수 있고, 특히 일차 회로(primary circuit) 내에 공융 합금 44.5% Pb-55.5% Bi과 납을 각각 포함하는 무거운 액체 금속 냉각재(HLMC)를 갖는 고속 중성자 원자로에서 사용될 수 있다.
HLMC의 독특한 특징은 구조 재료에 대해 다소 부식성이 높다는 것이다.
이와 관련하여, 사용 중 발생하는 납 함유 액체 금속 냉각재 기술의 주요 목적은 다음과 같다:
- 납 함유 액체 금속 냉각재와 접촉해서 사용되는 구조 재료의 내식성의 보장; 및
- (발전소의 개별 섹션의 슬래그를 방지하기 위해) 냉각재 및 순환 경로 장치(circulating loop equipment )의 내부 표면 모두에 대해 필요한 순도를 제공.
HLMC 내에 용해된 산소의 농도가 HLMC와 접촉하여 작동하는 파이프 라인 및 설비의 표면의 부식 거동에 크게 영향을 미친다.
납과 비스무트는 철과 크롬에 비해 산소에 대한 친화력이 낮기 때문에 기판에 대해 부착력이 강한 다소 얇고(1-10μm) 치밀한 산소막들이 산소가 용해되어 있는 납 또는 납-비스무트 용융물(melt)과 접촉하는 강재 표면에 형성된다. 이러한 필름이 존재하는 경우, 구조 재료의 부식 저항을 크게 증가시킨다.
따라서, 현재, HLMC와 접촉하는 구조 재료의 보호를 위한 주요 방법은 재료 표면에 산화막을 형성하고 유지하는, 표면 산소 패시베이션(억제)이다.
이러한 막의 산화물 특성으로 인해 발전소 운용 중에 이들의 상태는 냉각재 내의 산소의 열역학적 활성의 레벨에 의해 주로 결정된다.
냉각재(납-비스무트, 납) 내의 용존 산소의 농도가 임계치 아래로 떨어지면, 구조용 강재의 신뢰성 있는 부식 방지가 제공되지 않는다.
반면, 냉각재 내에 산소의 양이 너무 크면 냉각재 내에 고상 산화물의 지나친 축적이 초래되므로 바람직하지 않다.
이 모든 것이 모든 설계 운전 모드에서 냉각재 내의 산소의 정해진 열역학적 특성의 유지를 지속적으로 모니터링하는 것을 필요로 한다.
액체 금속 냉각재를 가지는 원자로, 냉각재 레벨 아래의 코어, 증기 발생기, 순환 펌프 및 냉각재 내에 침지되어 용기의 측정 유닛과 접속되어 있는 단일 제어 요소로 산소의 열역학적 활성을 주기적으로 측정하여 액체 금속 냉각재의 상태를 모니터링하는 시스템을 포함하는 원자력 발전소가 공지되어 있다. [참고문헌: P.N.　Martynov, R.Sh.　Askhadullin, A.A.　Simakov et al. Development of an Automated System of Monitoring, Forecasting and Control of the State of the Lead-Bismuth (Lead) Coolant and Surfaces of the Nuclear Power Plant Circuit, proceedings of the third interdisciplinary scientific and practical conference "Heavy Liquid Metal Coolants in Nuclear Technologies." Obninsk. September 15-19, 2008, 2 volumes. Obninsk: RF SSC-IPPE, 2010. V.　1. PP. 128-136]).
하지만, 이러한 연구결과가 늘 객관적이지는 않은데, 그 이유는 다양한 프로세스 조건 하에서 회로의 여러 부분에서의 산소의 열역학적 활성의 참값을 제공하고, 원전 회로의 "저온(cold)" 섹션에서의 슬래깅(slagging)과 산화물 상 결정화(oxide phase crystallization)를 유발하고, 원전 회로의 "고온(hot)" 섹션에서의 구조 재료의 내면 상의 산화물 보호 코팅의 파괴를 일으키기 때문이다.
따라서, 순환 액체 금속 냉각재를 구비한 원전의 안정적이고 안전한 동작을 위해서는, 일정 수준으로 냉각재 내에서의 산소의 열역학적 활성을 유지하고, 그 파라미터의 신뢰성 있고 정확한 모니터링을 제공하는 것이 필요하다.
또한, 전체 원자력 발전소의 동작 모드를 변경(파워, 냉각재 유량의 변화)시켜 온도의 함수로 산소의 열역학적 활성에 대해 적시 정보를 획득하는 것이 관행이었으나, 이는 매우 바람직하지 않다.
본 발명의 기술적 목적은 액체 금속 냉각재에서의 산소의 정해진 열역학적 활성의 신뢰성 있는 모니터링을 보장하고, 원자력 발전소의 모든 설계 작동 조건 하에서 이를 유지하는 것이다.
본 발명의 기술적 효과는 원자로 유로 내에서의 액체 금속 냉각재의 물리적 화학적 프로세스에 대한 지속적이고 신뢰성 있는 정보의 획득이 가능하므로 원자로 작동의 신뢰성을 증가시키는 것이다.
위와 같은 효과는, 냉각제 레벨 아래에 코어를 구비한 용기, 증기 발생기, 순한 펌프 및 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템을 포함하는 액체 금속 냉각재를 갖는 원자로에 있어서, 상기 모니터링 시스템은 원자로 내에 위치하며 측정 유닛에 접속된 제어 요소를 포함하며, 상기 시스템 제어 요소는 원자로 압력 용기의 중앙 및 외주부에 위치한 산소 열역학적 활성 센서를 포함하고, 액체 금속 냉각재 층 내에 검출 소자, 및 액체 금속 냉각재 레벨의 위에 위치하며 상기 냉각재 안으로의 주기적으로 침지되도록 구성된 추가 산소 열역학적 활성 센서를 포함하는, 원자로를 창조함으로써 얻을 수 있다.
산소 열역학적 활성 센서의 개수는 상황에 따라 다르다; 그 개수가 증가하면 측정 정확도는 좋아진다. 하지만, 그 센서의 설치는 원자로 용기의 무결성 손상(impaired integrity) 에 관련되기 때문에, 적어도 두 개의 산소 열역학적 활성 센서가 설치되며, 상기 산소 열역학적 활성 센서의 검출 소자가 상기 액체 금속 냉각재 층에 있는 것이 바람직하다. 그중 하나는 냉각재가 코어를 벗어나는 원자로 용기의 "고온(hot)" 중앙부에 있고, 다른 하나는 용기의 주변부에 있다.
상기 냉각재 레벨 위에 위치한 추가 산소 열역학적 센서가 간헐적으로 작동하므로, 추가 산소 열역학적 센서는 냉각재 층에 그 센서의 검출 소자를 침지하기 위한 수직 이동 장치를 구비한다.
상기 추가 산소 열역학적 센서는 원자로 용기의 중앙부의 냉각재 레벨 위에 위치하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 고상 전해질이 산소 열역학적 활성 센서로서 사용된다.
본 발명의 기술적 효과는, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템으로서, 원자로 내에 위치하고 측정 유닛에 접속된 제어 요소를 포함하며, 상기 제어 요소는 원자로 압력 용기의 중앙 및 외주부에 위치한 산소 열역학적 활성 센서를 포함하고, 액체 금속 냉각재 층 내 검출 소자, 및 액체 금속 냉각재 레벨의 위에 위치하며 상기 냉각재 안으로의 주기적으로 침지되도록 구성된 추가 산소 열역학적 활성 센서를 포함하는, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템의 창조에 의해 얻을 수 있다.
적어도 두 개의 산소 열역학적 활성 센서가 설치되며, 상기 산소 열역학적 활성 센서의 검출 소자가 상기 액체 금속 냉각재 층에 있는 것이 바람직하다.
상기 냉각재 레벨 위에 위치한 추가 산소 열역학적 센서가 수직 이동 장치를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 추가 산소 열역학적 센서는 원자로 용기의 중앙부의 냉각재 레벨 위에 위치하는 것이 바람직하다.
고상 전해질이 산소 열역학적 활성 센서로서 사용되는 것이 바람직하다.
상기 센서들은 350-650 ℃, 최대 1.5　MPa의 압력, 최대 100℃의 열충격, 및 최대 1.0　m/sec의 냉각재 유량의 Pb 또는 Pb-Bi 멜트의 가혹한 충격 조건에서 신뢰성 있게 작동한다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 산소 열역학적 활성 센서들의 동작은 고상 산화물 전해질에 기반한 갈바닉 농담차 전지(galvanic concentration cell)을 가지고 전기화학적 방법에 기초한다. 이러한 센서들은 전력공학 분야에서 다양한 물질들의 산소 함량을 결정하고, 화학 및 자동차 산업에서 가스 중의 산소를 모니터링하고, 금속 및 반도체 기술에서 금속 멜트 내에서의 산소를 모니터링하기 위해 사용되는 것으로 알려져 있다.
본 출원인은 또한, 청구항 제1항에 따른 액체 금속 냉각재를 갖는 원자로 내에서 산소 열역학적 활성을 모니터링하는 방법으로서, 상기 방법은 냉각재 내에서의 산소 열역학적 활성의 측정을 이용하고, 판독을 측정 유닛으로 전송하며, 원자로 용기의 "고온" 중앙부 및 "저온" 주변부에서 지속적으로 측정이 수행되고, 간헐적으로 원자로의 "고온" 중앙부에서 산소 열역학적 활성이 추가적으로 측정되는, 방법을 본 발명의 권리범위로 청구한다.
산소 열역학적 활성의 추가 측정은 원자로의 중앙부에서 월 1회 또는 2회 수행된다.
첨부된 도면을 본 발명을 도시하고 있으며,
도 1은 액체 금속 냉각재에서의 산소의 열역학적 활성을 모니터링하기 위한 시스템을 구비한 원자로를 나타내며,
도 2는 M-40A and OK-550 발전소에서 납-비스무트 냉각재 온도에 대한 산소 열역학적 활성 센서(OAS)의 판독 의존성을 보여주는 그래프이다.
액체 금속 냉각재를 가지는 원자로는, 냉각재 레벨 아래에 코어(2)가 있는 용기(1)를 포함하며, 센서 채널(4)을 구비한 차폐 플러그(3)가 상기 코어 위에 위치한다. 원자로 용기(1)는 증기 발생기(5)와 순환 펌프(6)를 더 포함하고, 보호 가스가 그 상부에 위치한다.
냉각재 내의 산소의 열역학적 활성을 모니터링하는 시스템은, 원자로 용기(1)의 "고온(hot)" 중앙부의 차폐 플러그(3)의 채널(4) 내에 액체 금속 냉각재 층에 위치한 검출 소자(8)가 설치된 영구 산소 열역학적 활성 센서(7)를 포함한다. 상기 센서(7)는 공통 측정 유닛(미도시)에 접속된다.
상기 모니터링 시스템의 산소 열역학적 활성 센서(9)는 센서 (9)는 원자로 용기(1)의 "저온(cold)" 외주부에 액체 금속 냉각재 층에 위치한 검출 소자(10)를 갖는다. 검출 소자(9)는 상기 공통 측정부(미도시)에 접속된다.
모니터링 시스템의 추가적인 산소 열역학적 활성 센서 (11)가 액체 금속 냉각재의 레벨 위에 위치하며, 수직 이동 장치(13)(그 용도에 적합한 임의의 디자인을 가짐)를 사용하여 냉각재 레벨 아래에 있는 그 검출 소자(12)의 주기적인 운동을 허용하도록 설계되어 있다. 센서 (11) (미도시)가 또한 공통 측정 수단에 접속된다.
상기 추가 센서(11)에 의한 산소의 열역학적 활성의 측정 주기는 개별적으로 실험에 의해 결정하며, 평균 월 2회이다.
산소 열역학적 활성 모니터링 시스템을 구비한 원자로가 동작하고, 모니터링 방법은 다음과 같이 수행된다:
코어(3)에서 가열된 용융 냉각재가 펌프 (6)에 의해 생성된 압력하에서 증기 발생기 (5)로 공급되어 상기 코어의 열을 수증기로 변환한다. 원자로의 동작 중에, 원자로 용기 (1)의 "고온"과 "저온" 영역에서 산소의 열역학적 활성 수치가 산소 열역학적 활성 센서(7, 9)를 사용하여 결정된다. 측정 결과는 단일 측정 유닛으로 전송된다. 그 다음 산소의 열역학적 활성의 온도 의존성이 결정되고, 일람표 상의 값과 비교되고, 이는 액체 금속 냉각재의 상태, 예를 들어, 구조용 강재와의 상호작용의 결과로 생긴 냉각재 내에서의 불순물의 존재에 대해 결론을 도출할 수 있게 한다.
만일 측정된 파라미터가 설정값에서 벗어나는 경우, 상기 냉각재에 용해된 산소의 농도는 사전에 회로에 공급되거나 또는 상기 냉각재로부터 결정화되어 상기 필터 상에 축적되어 형성된 냉각재 성분 산화물들의 용해에 의해 유지된다.
따라서, 모든 설계 모드의 동작에서 냉각제 내의 산소의 설정된 열역학적 활성의 유지의 지속적인 모니터링이 수행된다.
상기한 바와 같이, 발전소의 작동 중에, 냉각재 내의 산소의 열역학적 활성은, 한편으로는 구조 재료의 표면상에 산화물 부동태 막, 즉 그 내식성을 유지하고, 다른 한편으로는, 비등 회로(non-isothermal circuit )의 모든 부분에서 원자로 회로 요소의 내면에 슬래그의 침착을 방지하는 범위이어야 한다.
액체 금속 냉각제를 가지는 순환 회로를 구비한 원자로의 장기 운전시, 냉각재에 용해된 산소는 냉각재 성분에 비해 더 큰 산소 친화도를 가지는 용융물(melt)(철, 크롬)로 확산되는 구조 재료 성분의 불순물의 결합을 위해 지속적으로 소비된다.
이는 산화물 보호 코팅이 부식되기 시작할 때의 값까지 용해 산소의 농도를 저하시키고, 부식의 급격한 증가가 발생한다. 따라서, 납을 기반으로 하는 액체 금속 냉각제를 가지는 순환 회로의 동작 품질을 나타내는 중요한 파라미터 중 하나는 지속적으로 모니터링되어야 하는 용융물(melt)에 용해된 산소의 열역학적 활성이다.
본 발명에 따르면, 영구 센서의 고장 또는 고장이 의심되는 경우, 열역학적 산소 활성 센서(11)(모니터링 및 백업 기능을 가짐)에 의해 측정이 수행된다. 측정 센서 (7 및 9)의 판독 값과 비교하기 위한 또는 고장시 산소의 열역학적 활성을 측정하기 위한 측정이, 간헐적으로, 예를 들어 월 1~2 회 수행된다.
따라서, 원자로 운전의 신뢰성이 증가하고, 그 유로에서의 물리적 화학적 프로세스에 대해 획득한 정보의 정확도가 증가한다. 원자로 압력 용기의 "고온" 및 "저온" 부분 내에 영구 산소 열역학적 활성 센서들을 설치하고 간헐적 작동의 추가 산소 열역학적 활성 센서의 활용은 또한 원자로 작동 모드 변경이라는 관행 없이 실시간 데이터를 획득할 수 있게 한다.
본 발명의 응용은 액체 금속 냉각재를 갖는 원자로 강재 순환 회로의 수명을 연장할 수 있고, 슬래그 침착을 방지하고, 상기 순환 회로 내에 부착된 필터 유닛의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2의 그래프는 납-비스무트 냉각재의 온도에 대한 산소 열역학적 활성 센서(OAS)의 판독 의존성을 나타내는 본 발명의 예시로서, 서로 다른 원자력 발전소의 납-비스무트 순환 회로 내에서의 산소 열역학적 활성에 대한 센서의 세부적인 판독을 나타낸다.

Claims (12)

  1. 냉각제 레벨 아래에 코어를 구비한 용기, 증기 발생기, 순한 펌프 및 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템을 포함하는 액체 금속 냉각재를 갖는 원자로에 있어서,
    상기 모니터링 시스템은 원자로 내에 위치하며 측정 유닛에 접속된 제어 요소를 포함하며, 상기 시스템 제어 요소는 원자로 압력 용기의 중앙 및 외주부에 위치한 산소 열역학적 활성 센서를 포함하고, 액체 금속 냉각재 층 내에 검출 소자, 및 액체 금속 냉각재 레벨의 위에 위치하며 상기 냉각재 안으로의 주기적으로 침지되도록 구성된 추가 산소 열역학적 활성 센서를 포함하는, 원자로.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 두 개의 산소 열역학적 활성 센서가 설치되며, 상기 산소 열역학적 활성 센서의 검출 소자가 상기 액체 금속 냉각재 층에 있는, 원자로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각재 레벨 위에 위치한 상기 추가 산소 열역학적 센서가 수직 이동 장치를 구비한, 원자로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 추가 산소 열역학적 센서는 원자로 용기의 중앙부에 위치하는, 원자로.
  5. 제1항에 있어서,
    고상 전해질이 산소 열역학적 활성 센서로서 사용되는, 원자로.
  6. 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템으로서,
    원자로 내에 위치하고 측정 유닛에 접속된 제어 요소를 포함하며, 상기 제어 요소는 원자로 압력 용기의 중앙 및 외주부에 위치한 산소 열역학적 활성 센서를 포함하고, 액체 금속 냉각재 층 내 검출 소자, 및 액체 금속 냉각재 레벨의 위에 위치하며 상기 냉각재 안으로의 주기적으로 침지되도록 구성된 추가 산소 열역학적 활성 센서를 포함하는, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 두 개의 산소 열역학적 활성 센서가 설치되며, 상기 산소 열역학적 활성 센서의 검출 소자가 상기 액체 금속 냉각재 층에 있는, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각재 레벨 위에 위치한 상기 추가 산소 열역학적 센서가 수직 이동 장치를 구비한, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 추가 산소 열역학적 센서는 원자로 용기의 중앙부에 위치하는, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    고상 전해질이 산소 열역학적 활성 센서로서 사용되는, 원자로 액체 금속 냉각재 상태 모니터링 시스템.
  11. 제1항에 따른 액체 금속 냉각재를 갖는 원자로 내에서 산소 열역학적 활성을 모니터링하는 방법으로서, 상기 방법은 냉각재 내에서의 산소 열역학적 활성의 측정을 이용하고, 판독을 측정 유닛으로 전송하며, 원자로 용기의 "고온" 중앙부 및 "저온" 주변부에서 지속적으로 측정이 수행되고, 간헐적으로 원자로의 "고온" 중앙부에서 산소 열역학적 활성이 추가적으로 측정되는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 산소 열역학적 활성의 추가 측정은 원자로의 중앙부에서 월 1회 또는 2회 수행되는, 방법.


KR1020167007245A 2013-11-12 2014-05-08 액체 금속 냉각 원자로, 그러한 원자로에서 산소의 열역학적 활성을 모니터링하기 위한 시스템, 및 산소의 열역학적 활성을 모니터링하는 방법 KR101797093B1 (ko)

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PCT/RU2014/000331 WO2015072886A1 (ru) 2013-11-12 2014-05-08 Ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, система для контроля термодинамической активности кислорода в таких реакторах и способ контроля термодинамической активности кислорода

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