KR20160096126A - 고속 중성자로 및 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록 - Google Patents

고속 중성자로 및 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력 공학의 분야, 특히 액체 중금속 냉각식 고속 중성자로를 위한 착탈식 중성자 반사체 블록의 설계에 관한 것이다. 이 고속 중성자로는 액체 중금속 냉각식 연료봉으로 이루어지는 노심, 및 노심의 주위에 배치되는 중성자 반사체 블록을 포함하고, 중성자 반사체 블록은 케이싱을 포함하고, 케이싱은 블록들 사이의 공간으로부터 케이싱 내로 냉각제 흐름의 일부를 방향전환시키기 위한, 케이싱의 측벽 내의 하나 이상의 유입구, 케이싱 내에 장착되는 하나 이상의 수직 파이프 - 노심의 상부 경계 및 하부 경계를 통과하는 방향전환된 냉각제 흐름은 수직 파이프를 통해 케이싱의 저부로 유입됨 -, 및 블록들 사이의 공간 내에서 냉각제 흐름에 유압 저항을 생성시키기 위해 케이싱의 외면 상에서 유입구의 상측에 장착되는 조절 장치를 포함한다. 기술적 결과는 고속 중성자로의 가동 안전성 및 성능의 증가, 및 수증기 발생기의 열교환 표면의 감소이다.

Description

고속 중성자로 및 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록{FAST NEUTRON REACTOR AND NEUTRON REFLECTOR BLOCK OF A FAST NEUTRON REACTOR}
본 발명은 원자력 공학 분야, 특히 착탈식 중성자 반사체 블록을 포함하는 액체 중금속 냉각식 고속 중성자로에 관한 것이다.
종래 기술은 반사체 블록을 포함하는 액체 중금속 냉각식 고속 중성자로를 개시한다[참조: http://www.atomic-energy.ru/technology/36000], [특허 RU 2408094, 2012.12.27에 공개됨].
액체 중금속 냉각식 고속 중성자로의 반사체 블록 상에 다음의 요건이 부과된다. 반사체의 외부에 위치된 원자로 플랜트의 비착탈식 및 비-재장착식 셸(shell)의 중성자선 및 감마선으로부터의 보호; 반사체의 강 구조의 용적 에너지 방출이 연료봉의 것보다 2-3 배 이상 적고, 이 반사체 블록의 냉각을 위한 냉각제 흐름은 노심의 연료봉 부분으로부터 도래하는 냉각제와 혼합됨으로써 이 냉각제를 냉각시키므로, 반사체 블록을 통한 냉각제의 흐름을 최소화함, 기생적 중성자 포획을 감소시키기 위해 반사체 블록의 횡단면 내의 구조 재료의 함량을 최소화함.
현재, 소듐-냉각식 고속 중성자로를 가동하는 원자력 발전소(NPP)는, 반사체 블록이 3 개의 부품, 즉 헤드 섹션, 중간 부품, 및 섕크로 이루어지는 설계를 사용한다. 이러한 반사체 블록은 섕크와 함께 블록 냉각을 위한 냉각제를 공급하는 원자로 헤더(header)에 장착된다. 블록 내의 소듐 냉각제는 블록의 노심 공간 내로 설치되는 세척기를 이용하여 조절되고, 블록들 사이의 공간 내의 소듐-세척 냉각제는 바브(barb) 연결을 통해, 그리고 케이싱의 상부에서 세척기를 이용하여 섕크의 외부로 조절된다. 국부적 소듐 속도는 최대 8÷10 m/초까지 증가될 수 있고, 조절 유동 경로는 냉각제를 위한 작은 단면적으로 설계될 수 있으므로 위의 소듐 냉각제 내의 조절 구조는 모두 상당히 컴팩트하다.
액체 중금속 냉각식의 구조물 세척 속도의 상한 및 하한을 제공함으로써 액체 중금속 냉각식 원자로 플랜트의 열유력특성(thermohydraulics)을 개선하는 고속 중성자로 반사체 블록을 설계하는 것이다.
본 발명의 청구항의 기술적 결과는 노심 반경을 따라 냉각제 온도의 균등화에 의해 달성되는 연료 피복의 감소된 온도에 기초한 고속 중성자로의 가동 안전성의 향상, 및 노심 출구에서 증가된 냉각제 매체 혼합 온도(즉, 노심의 연료봉 부분을 통과한 냉각제의 온도, 및 반사체 블록을 통과한 냉각제의 온도를 증가시킴으로써 달성되는 반사체 블록을 통과한 냉각제의 온도)에 기초한 고속 중성자로의 성능의 향상이다.
청구된 기술적 결과는 고속 중성자로가 액체 중금속 냉각식 연료봉으로 이루어지는 노심, 및 상기 노심의 주위에 배치되는 중성자 반사체 블록을 포함하고, 상기 중성자 반사체 블록은 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱은 상기 블록들 사이의 공간으로부터 상기 케이싱 내로 냉각제 흐름의 일부를 방향전환시키기 위한, 상기 케이싱의 측벽 내의 하나 이상의 유입구, 상기 케이싱 내에 장착되는 하나 이상의 수직 파이프 - 상기 노심의 상부 경계 및 하부 경계를 통과하는 방향전환된 상기 냉각제 흐름은 상기 수직 파이프를 통해 상기 케이싱의 저부로 유입됨 -, 및 상기 블록들 사이의 공간 내에서 상기 냉각제 흐름에 유압 저항을 생성시키기 위해 상기 케이싱의 외면 상에서 상기 유입구의 상측에 장착되는 조절 장치(throttling)를 가짐으로써 달성된다.
청구된 기술적 결과는 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록이 케이싱을 포함하고, 케이싱은 블록들 사이의 공간으로부터 케이싱 내로 냉각제 흐름의 일부를 방향전환시키기 위한, 케이싱의 측벽 내의 하나 이상의 유입구, 케이싱 내에 장착되는 하나 이상의 수직 파이프 - 방향전환된 냉각제 흐름은 수직 파이프를 통해 케이싱의 저부로 유입됨 -, 및 블록들 사이의 공간 내에서 냉각제 흐름에 유압 저항을 생성시키기 위해 케이싱의 외면 상에서 유입구의 상측에 장착되는 조절 장치를 가짐으로써 달성된다.
냉각제는 반사체 블록들 사이를 통과하고, 다음에 케이싱 벽 내의 30 개의 개구 및 수직 파이프를 통해 노심의 하부 경계(노심 입구) 및 상부 경계(노심 출구) 사이에서 유동하고, 따라서, 냉각제 자체 내의 방사선의 흡수에 기인되어, 그리고 이온화 방사선 흡수에 관련된 반사체 블록의 강 구조 방출 에너지의 냉각 프로세스에서 냉각제 흐름 경로를 따른 일관된 가열에 기인되어, 냉각제는 3 회 더 가열된다. 그러므로, 높은 국부적 냉각제 유동 속도를 가진 조절 장치를 사용하는 대신, 냉각제 흐름은 더 긴 유동 경로로 방향전환되고, 여기서 반사체 블록 케이싱 내부의 냉각제 흐름 경로의 방향전환부(turn)에 의해, 그리고 더 긴 유동 경로를 따르는 마찰 손실에 의해 더 높은 유압 저항이 달성된다. 동시에, 반사체 블록의 유압 저항이 증가되고, 반사체 블록과 연료봉은 유압 원자로 플랜트의 주 회로 내에서 평행하게 연장되고, 즉 노심 내에서 대체적인 유압차는 이것에 대응한다. 그러므로, 더 큰 냉각제 유동 속도가 노심의 연료봉 부분으로 안내된다. 이것에 의해 노심 반경을 따른 증가되는 냉각제 온도의 균등화가 보장된다.
노심 및 반사체 블록을 통해 흐르는 냉각제의 온도 균등화는 노심의 연료봉 내로 유입되는 냉각제 흐름을 증대시킴으로써 연료 피복의 최대 온도(고온점 온도)를 감소시킬 수 있다. 이것은 액체 중금속 냉각식 고속 중성자로에서 연료 피복을 위한 성능 기준의 결정에서 주요 제한 요인 중 하나이다.
더욱이, 본 발명의 특정의 실시형태에서, 수직 파이프는 노심의 상부 경계의 상측에서 케이싱에 연결된다.
더욱이, 본 발명의 특정의 실시형태에서, 중성자 반사체 블록의 케이싱은 마르텐사이트-페라이트 구조강으로 제작된다.
더욱이, 본 발명의 특정의 실시형태에서, 중성자 반사체 블록은 섕크를 더 포함한다.
도 1은 연료봉의 3각형 배열을 위한 원자로 노심 요소의 배치를 도시하고;
도 2는 반사체 블록(종단면도)을 도시한다.
도 1에 도시된 요소 배치를 가진 고속 중성자로는 연료봉(2)으로 이루어지는 노심(1), 및 주로 납 또는 납과 비스머스의 공정인 액체 중금속 냉각제를 포함한다. 노심(1)은 하부 경계(H1; 노심 입구) 및 상부 경계(H2; 노심 출구)를 갖는다. 중성자 반사체 블록(3)은 노심(1)의 주위에 배치된다. 이것은 중성자 누출을 감소시키고, 중성자를 노심(1)으로 복귀시키도록 설계된다.
중성자 반사체 블록(3)은 블록들 사이의 공간으로부터 케이싱 및 복귀 헤더(51) 내로 냉각제 흐름(6)의 일부를 방향전환시키기 위한 적어도 하나의 유입구(5)를 측벽 내에 구비하는 강 케이싱(4), 및 적어도 하나의 수직 파이프(7)를 포함하고, 이 수직 파이프(7)를 통해 방향전환된 냉각제 흐름(6)이 케이싱(4)의 저부로 진입하고, 상기 파이프는 용접에 의해 헤더(51)에 연결된다. 수직 파이프(7)는 반사체 블록의 길이방향의 축선을 따라 설치될 수 있고, 또는 그 길이방향의 축선에 대해 비틀림될 수 있다. 조절 장치(8)는 케이싱(4)의 외면 상에 유입구(5)로부터 반사체 블록 유출구까지 장착된다. 이것의 설계는 블록들 사이의 공간의 수직 부분 내에서 방향전환된 냉각제 흐름을 위한 상당한 유압 저항(hydraulic resistance)을 생성함으로써 블록들 사이의 공간으로부터 케이싱(4) 내로의 냉각제 흐름을 증가시키고, 여기서 조절 장치(8) 내의 냉각제 속도는 세척된 케이싱(4) 벽 상의 침식/부식을 감소시키도록 2÷2.5 m/초를 초과하지 않는다. 바람직한 실시형태에서, 조절 장치(8)는 케이싱(4) 벽에 일면이 용접된 피복 강 플레이트를 포함하고, 상기 플레이트는 그 하부의 냉각제 흐름을 개선시키기 위해 케이싱 벽 표면으로부터 단차를 이루거나 파형을 이룬다. 피복 플레이트는 절단부의 폭 및 길이를 설정함으로써 피복 플레이트의 하측에서 유동하는 냉각제의 유속을 조절하기 위해 슬롯을 구비한다. 하나의 반사체 블록의 피복 플레이트의 외면은 인접하는 반사체 블록의 피복 플레이트의 외면에 접촉되거나 이 외면으로부터 이격된다. 조절 장치(8)의 성능을 증가시키기 위해, 피복 플레이트는 반사체 블록들 사이의 모든 간극을 차폐하기 위해 노심 상부 경계(H2)의 상측에서 반사체 블록의 각각의 케이싱(4) 벽 상에 설치된다. 조절 장치(8)의 피복 플레이트의 하측의 반사체 블록 케이싱(4) 벽은 이 플레이트의 하측의 냉각제 흐름을 증대시키기 위해 테이퍼를 이룰 수 있다. 이 반사체 블록은 원자로 베이스에 장착되는 섕크(9)를 더 포함한다. 마르텐사이트-페라이트 구조강은 액체 중금속 냉각제 매체 내에서 사용되는 경우에 내식성을 갖고, 높은 중성자 조사(irradiation)의 조건 하에서 우수한 가소성 특성을 유지하므로, 바람직한 실시형태는 마르텐사이트-페라이트 구조강으로 제작된 반사체 블록 케이싱(4)을 가질 수 있다. 노심(1)의 하부 경계(H1)와 상부 경계(H2) 사이를 더 많은 중성자속이 통과하고, 냉각제 흐름 경로는 개구가 반사체 블록의 케이싱을 따라 상방으로 옵세트되는 경우에 증가되므로, 파이프(7) 연결부에서 용접부의 조사 취화를 감소시키기 위해, 노심(1)의 하부 경계(H1)와 상부 경계(H2) 사이에 장착하는 대신 노심(1)의 상부 경계(H2)의 상측에서 케이싱(4) 내에 수직 파이프(7)를 장착하는 것이 바람직하다. 반사체 블록 케이싱(4)은 사용되는 연료봉(2)의 배열에 따라 삼각형, 정사각형, 육각형 또는 다른 임의의 형태의 단면을 가질 수 있다.
가동 모드
연료봉(2)을 구비하는 연료 집합체가 고속 중성자로 노심(1) 내에 장전된다. 중성자 반사체 블록(3)은 케이싱(4)의 측벽 내의 유입구(5)가 노심(1)의 상부 경계(H2)의 상측에 위치되도록 노심(1)의 주위에 배치된다. 따라서, 노심(1)의 상부 경계(H2)를 통과하는 냉각제 흐름(6) 부분은 개구(5)와 헤더(51)를 통해 블록들 사이의 공간으로부터 반사체 블록 케이싱(4) 내로 유입된다. 즉, 이것은 저부로부터 상부까지 블록들 사이의 동시 발생되는 냉각제 흐름으로부터 90° 선회된다. 다음에, 또 한번 90° 선회시킴으로써 방향전환된 흐름(6)은 노심(1)의 상부 경계(H2)를 통과하는 수직 파이프(7)를 통해 케이싱(4)의 저부를 향해 하류로 유동한다. 다음에, 냉각제 흐름(6)은 180° 선회되고, 케이싱(4) 내의 상류로 유동하여 노심(1)의 하부 경계(H1) 및 상부 경계(H2)를 통해 반사체 블록 케이싱(4)을 벗어난다.
따라서, 반사체 블록 케이싱(4) 내의 방향전환된 냉각제 흐름(6)의 제안된 유압 회로는 반사체 블록을 통과하는 냉각제의 가열을 향상시킬 수 있고, 혼합 구역 내에서 노심(1) 반경을 따르는 냉각제 가열 온도의 균등화를 가능하게 한다. 즉, 반사체들 사이를 통과한 냉각제 흐름의 일부가 노심(1)의 상부 경계(H2)와 하부 경계(H1) 사이를 3회 통과함에 따라 연료봉을 통과한 냉각제 흐름과 반사체 블록을 통과한 냉각제 흐름은 혼합되고, 따라서 이것은 냉각제 내의 방사선을 흡수함으로써, 그리고 반사체 블록(3) 강 구조로부터 에너지가 방출될 때 일관된 가열에 의해 3 회 더 많이 가열된다. 노심(1) 반경을 따르는 온도 프로파일을 균등화하는 경우, 노심(1)의 상부 경계(H2)의 상측의 매체 혼합 온도도 증가된다. 매체 혼합 온도는 노심(1)의 연료봉을 통과한 냉각제 흐름과 반사체 블록(3)을 통과한 냉각제 흐름이 혼합될 때 도달되는 온도이다. 이러한 균등화는 반사체 블록(3)을 통과한 냉각제의 상승하는 온도에 기인되어 실행된다. 노심(1)의 상부 경계(H2)에서 냉각제 매체 혼합 온도를 증가시킴으로써, 원자로 플랜트의 성능이 증대되고, 즉 노심(1)의 동일한 열적 출력에서 터빈(명확한 도시를 위해 생략됨) 내의 2차 회로 냉각제를 통한 출력은 증대될 수 있다. 2차 회로의 동일한 유속에서 물의 엔탈피는 증대된다. 노심(1) 출구에서 매체 혼합 온도를 증가시킴으로써, 동일한 2차 회로 출력(명확한 도시를 위해 생략됨)에서 수증기 발생기의 열교환 표면은 감소될 수 있다.

Claims (6)

  1. 액체 중금속 냉각식 연료봉을 포함하는 노심, 및 상기 노심의 주위에 배치되는 중성자 반사체 블록들을 포함하는 고속 중성자로로서, 상기 중성자 반사체 블록은 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱은 상기 블록들 사이의 공간으로부터 상기 케이싱 내로 냉각제 흐름의 일부를 방향전환시키기 위한, 상기 케이싱의 측벽 내의 하나 이상의 유입구, 상기 케이싱 내에 장착되는 하나 이상의 수직 파이프 － 상기 노심의 상부 경계 및 하부 경계를 통과하는 방향전환된 상기 냉각제 흐름은 상기 수직 파이프를 통해 상기 케이싱의 저부로 유입됨 －, 및 상기 블록들 사이의 공간 내에서 상기 냉각제 흐름에 유압 저항을 생성시키기 위해 상기 케이싱의 외면 상에서 상기 유입구의 상측에 장착되는 조절 장치(throttling device)를 갖는, 고속 중성자로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수직 파이프는 상기 노심의 상부 경계의 상측에서 상기 케이싱에 연결되는, 고속 중성자로.
  3. 케이싱을 포함하는 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록으로서,
    상기 케이싱은 블록들 사이의 공간으로부터 상기 케이싱 내로 냉각제 흐름의 일부를 방향전환시키기 위한, 상기 케이싱의 측벽 내의 하나 이상의 유입구, 상기 케이싱 내에 장착되는 하나 이상의 수직 파이프 － 방향전환된 상기 냉각제 흐름은 상기 수직 파이프를 통해 상기 케이싱의 저부로 유입됨 －, 및 상기 블록들 사이의 공간 내에서 상기 냉각제 흐름에 유압 저항을 생성시키기 위해 상기 케이싱의 외면 상에서 상기 유입구의 상측에 장착되는 조절 장치를 갖는, 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수직 파이프는 상기 노심의 상부 경계의 상측에서 상기 케이싱에 연결되는, 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 중성자 반사체 블록의 케이싱은 마르텐사이트-페라이트 구조강으로 제조되는, 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 중성자 반사체 블록은 섕크를 더 포함하는, 고속 중성자로의 중성자 반사체 블록.
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