KR20170107998A - 원자로 및 원자로 코어의 단련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 분야는 원자력 산업이며, 이것의 구현으로 원자로(nuclear reactor, NR) 작동에서의 증가된 안전성을 가져온다. 본 발명은 액체 금속 냉각(liquid-metal-cooled, LMC) 원자로, 특히 가령, 공융 합금, 납 및 비스무트, 납 같은 액체 중금속 냉각재(heavy liquid metal coolant, HLMC)를 갖는 고속 중성자 원자로에 성공적으로 도입할 수 있다.
이 방법은 강의 페이스트 형성 특성에서 용인되지 않는 저하를 가져오는 고속 중성자의 손상 선량(dpa)을 추정하는 단계를 포함한다. 다음에, 원자로 에너지 생산량의 달성시, 냉각재의 유동 방향을 표준방향에서 역방향으로 변경하게 된다. 이후, 원자로 노심 요소를 어닐링하기 위한 허용 가능한 시간 기간을 설정하고, 전력 레벨을 제어하여 어닐링 모드의 온도를 설정하고 유지하며, 이는 설정된 시간 기간 내에서 하부 노심 섹션내 강의 페이스트 형성 특성을 복원하는데 충분하게 된다. 사전 설정된 어닐링 기간의 종료시에, 냉각재의 유동 방향은 역방향에서 표준방향으로 바뀌게 된다. 또한, 제안한 방법을 구현할 수 있는 원자로도 청구한다.

Description

원자로 및 원자로 코어의 단련 방법 {METHOD FOR ANNEALING A NUCLEAR REACTOR CORE, AND A NUCLEAR REACTOR}

본 발명의 분야는 원자력 산업, 특히 방사선에 노출된 구조 재료의 특성을 형성하는 페이스트(paste)를 회복시키는데 사용하는 공정이며, 이것의 구현으로 원자로(nuclear reactor, NR) 작동에서의 증가된 안전성을 가져온다. 본 발명은 액체 금속 냉각(liquid-metal-cooled, LMC) 원자로, 특히, 가령 공융 합금, 납 및 비스무트, 납 같은 액체 중금속 냉각재(heavy liquid metal coolant, HLMC)를 갖는 고속 중성자 원자로에 성공적으로 도입할 수 있다.

이들 HLMC 고속 중성자 원자로(연료 요소 피복관, 연료봉 격자체)의 노심은 HLMC에 노출되는 경우, 최대 650℃의 온도에서 내식성을 갖는 페라이트-마르텐사이트계 강(ferritic martensitic steel, FMS)으로 제조된다. 그러나, 이 강의 잘 알려진 단점 중 하나는 10 dpa(displacements per atom)를 초과하는 고속 중성자의 손상 선량(damaging dose)에 노출되는 경우, 저온 방사 취성(low-temperature radiation embrittlement, LTRE)의 경향이 있는 한편, 연료 사이클을 통한 손상 선량은 약 100 dpa인 점이다. 저온 방사 취성의 영향은 350-380℃ 미만의 방사 온도에서 발생하며, 경미한 변형 하에 제품의 취성 고장을 초래할 수 있는 강의 페이스트 형성 특성을 상실하게 된다. 이러한 고장 가능성은 재급유 동작, 및 그의 최종 연료 제거를 포함한 노심에서 연료 조립체의 재배치 동안 증가된다. 연료봉 피복재, 흡수봉 피복재 및 페라이트-마르텐사이트계 강으로 제조된 하부단 캡의 고장은 액체 중금속(납 및 비스무트) 냉각재(HLMC)를 갖는 선박 원자로의 노심의 작동 중에 관측된다.

따라서, 원자로 구조물의 취성을 가진 강의 사용으로 인해 원자로가 비상 정지되는 결과를 가져올 수 있다. 강의 페이스트 형성 특성을 회복하기 위해 방사 결함을 고온 어닐링하는 방법을 이용할 수 있으며, 이는 페라이트-마르텐사이트계 강 제품을 약 500℃의 온도까지 수 시간 동안 가열하는 것을 포함한다.

방사선에 노출된 연료 조립체 케이스를 어닐링하기 위한 장치 (소련(USSR) 발명자 증명서 SU 1023817)가 공지되어 있으며, 이 장치는 냉각재로 채워진 케이스, 천공된 커버, 케이스 내부의 공정 챔버, 및 입구 튜브와 출구 튜브로 구성되고; 공정 챔버의 설계가 상부 및 하부에서 서로 연결된 수직 개방-상부 채널을 포함으로써, 이들 튜브는 서로 상이하며, 채널 내에는 전기 히터가 설치되고, 이에 따라 입구 튜브는 공정 챔버의 상부 테두리 상부에 배치되고, 출구 튜브는 히터의 상단 상부에 배치된다. 이러한 기술적 해결방안은 원자로 내에서 직접적인 어닐링을 방지할 수 있게 한다.

작동 조건 하에서 노심 냉각재의 가열 온도는 약 150℃이고, 평균 HLMC의 온도는 약 500℃이므로, 노심의 하부 섹션은 "차가운" 냉각재가 흘러감에 따라, 방사선 취성에 노출된다.

선박 원자로의 노심을 그의 언로딩 전에 납 및 비스무트 HLMC로 어닐링하기 위한 등온 고온 어닐링 방법이 제안되었다. 이 방법은 고온 수소 회수(high-temperature hydrogen recovery, HTHR) 방법과 유사하며, HLMC 유동에 주입된 수소 및 가스 혼합물에 의해 잉여량의 일산화납을 회수하는데 사용된다. 이 방법은 HLMC의 바람직한 온도 300-320℃로 배수된 증기 발생기(SG)를 이용하여 구현되었으며, 이는 1차 회로의 재순환 펌프의 작동 및 노심의 잔류 에너지 방출로 인해 노심 입구 및 출구에서 동일하였다. (B.F.　Gromov Sposob ochistki vnutrenney poverkhnosti stalnogo cirkulyacionnogo kontura s zhidkometallicheskim teplonositelem na osnove svintsa. [Method of Treatment of the Steel Recirculating Circuit Inner Surface Filled with Lead-Based Liquid Metal Coolant] International Invention Application No.　PCT/RU96/00219 of 08/06/1996, A.G.　Karabash "Khimiko-spectralny analiz i osnovy khimicheskoy tekhnologii zhidkometallicheskogo teplonositelya evtekticheskogo splava svinets-vismut". [Chemical Spectral Analysis and Engineering Chemistry Principles of Liquid Metal Coolant Based on Eutectic Lead-and-Bismuth Alloy], proceedings of the conference "Heavy Liquid Metal Coolants for Nuclear Technologies" (TZhMT-98), Volume　2, page　595, Obninsk, 1999, K.D. Ivanov, Yu.I. Orlov, P.N. Martynov. "Tekhnologiya svintsovo-vismutovogo teplonositelya na YaEU pervogo i vtorogo pokoleniya" [Lead-and-Bismuth Coolant Technology for NPP of the First and Second Generation], book of reports of the conference "Heavy Liquid Metal Coolants for Nuclear Technologies" (TZhMT-2003), Obninsk: Russian State Scientific Center: Institute of Physics and Power Engineering, 2003). 배수된 SG에 의한 제로 열 추출 및 HLMC의 높은 소비는, 300-320℃에서 1차 회로의 등온 모드를 안전하게 보호할 수 있게 한다. HTHR 모드의 종료시에, 시스템은 잔류 전력 방출의 추출 모드로 전환되고: 1차 회로의 재순환 펌프가 셧다운되며 (또는 펌프의 속도가 크게 감소하여, HLMC로 전달되는 에너지 양이 감소되며), SG는, 포화 온도에 상응하고 HLMC 온도를 초과하는 압력으로 외부 소스로부터 2차 회로에 증기를 공급함으로써 생성된 응축 액체로 채워졌다. 낮은 잔류 에너지 방출 레벨은 선박 HLMC 원자로의 작동 모드 동안 전형적인 것이며, 1차 회로의 재순환 펌프가 정지하는 즉시, 1차 회로의 열손실로 인해 HLMC 온도가 급속히 저하되는 결과를 가져왔다.

유닛을 냉각시키고 에너지 방출을 줄이기 위해 긴 시간 기간 동안 이 유닛을 셧다운시키는 것이 불가능하기 때문에, 높은 설비 가동률 인자(installed capacity utilization factor, ICUF) 및 높은 잔류 에너지 방출 레벨로 전력 NR에서 상기 모드를 구현하면, 전술한 바와 같이, 고온 방사 결함 어닐링 방법의 종료시에, 셧다운 냉각 모드로 다시 이행하는 것을 어렵게 하고, 상기 모드를 잠재적으로 위험에 처할 수 있게 한다. 이는 배수된 SG를 이용한 500℃에서 등온 모드로의 이행이 동적 공정이며, 1차 회로의 열손실을 초과하는 잔류 에너지 방출 전력에 의해 구동되기 때문에, 이는 가능한 한 빨리 노심의 과열을 방지할 수 있는 셧다운 냉각모드로의 이행을 나타내는 사실과 관련이 있다.

본 발명의 목적은 고려중인 분야에 잘 알려진 기술적 해결방안의 결점이 없는 노심 어닐링 방법을 개발하는 데 있다.

본 발명의 구현으로 특히, 다음과 같은 기술적 결과를 가져오게 된다:

- 고온 방사 결함 어닐링의 증가된 안전성 및 강(steel), 특히 원자로 노심의 페라이트-마르텐사이트계 강 섹션의 페이스트 형성 특성 복원;

- 고온에서 방사 결함을 어닐링하고, 강, 특히 원자로 내에서 직접 원자로 노심의 페라이트-마르텐사이트계 강 섹션의 페이스트 형성 특성을 복원할 수 있는 가능성;

- 고온 방사 결함의 어닐링 및 강, 특히 원자로 노심의 페라이트-마르텐사이트계 강의 페이스트 형성 특성 복원의 낮은 비용;

- 보다 우수한 강의 페이스트 형성 특성, 특히 그의 재급유 전에 NR 노심의 페라이트-마르텐사이트계 강 품목의 상기 특성으로 인해, 원자로 재급유 과정에서 사고 위험의 완화; 및

- 원자로 노심의 강 섹션의 페이스트 형성 특성을 복원하고, 필요시 재급유 기간 이외의 작동 시간 동안 고온에서 방사 결함을 어닐링할 수 있는 가능성.

다음의 발명 특징은 위에 열거한 기술적 결과를 달성하는데 기여한다.

제안한 노심 어닐링 방법은, 예를 들어 노심, 하나 이상의 증기 발생기(steam generator, SG), 및 하나 이상의 1차 회로용 전기 구동식 축류 재순환 펌프를 포함하는 LMC 원자로에 적용된다.

원자로 노심 어닐링 방법을 제안한다. 이 방법은 강, 특히 페라이트-마르텐사이트계 강의 페이스트 형성 특성에서 용인되지 않는 저하(unacceptable degradation)를 가져오는 고속 중성자의 손상 선량(dpa)을 추정하는 단계를 포함한다. 다음에, 원자로의 상응하는 에너지 생산량이 달성되는 즉시, 가령, LMC에서 냉각재의 유동 방향을 변경하여, 표준방향(하부에서 상방으로)을 역방향(상부에서 하방으로)으로 변경할 필요가 있다. 그러면, 시스템은 어닐링 모드로 이행되고, 가령, LMC 의 경우 450℃(최소)의 온도에서 고온 냉각재로서, 취성 강(brittled steel)으로 제조된 요소를 포함하는 노심의 하부 섹션을 통해 유동한다. 다음에, 원자로 노심 요소를 어닐링하고 하부 노심 섹션 내 강의 페이스트 형성 특성을 복원하기에 충분한 어닐링 모드에 대한 허용 가능한 시간 기간을 설정하게 된다. 이후, 사전 설정된 시간 기간 내에서 하부 노심 섹션 내 강의 페이스트 형성 특성을 복원하는데 필요한 온도와 같거나 그보다 높은 온도를 설정하게 된다. 온도가 너무 높거나 낮은 경우는, 내구성을 각각 조절하여 온도를 재설정하게 된다. 필요시, 원자로 전력 레벨과 냉각재 소비량을 제어하여 사전 설정된 시간 기간 내에서 사전 설정된 온도를 유지하게 된다. 사전 설정된 어닐링 기간의 종료시에, 가령, LMC의 경우, 역방향(상부에서 하방으로)에서 표준방향(하부에서 상방으로)으로 냉각재의 유동 방향을 변경하게 된다.

LMC 원자로의 제안한 설계는 노심, 하나 이상의 증기 발생기(SG), 및 하나 이상의 1차 회로용 전기 구동식 축류 재순환 펌프를 포함한다. 또한, 재순환 펌프의 전기 구동은 재순환 펌프의 회전을 역방향으로 전환하고 회전 주파수를 제어할 수 있게 하는 전원 회로를 포함한다.

본원에서는 LMC에 노출된 경우, LMC 및 HLMC 원자로(가령, 공융 납-비스무트 합금, 납 등의 액체 중금속 냉각제를 사용하는 원자로)의 환경 하에서, 최대 650℃의 온도 범위를 갖는 내식성 페라이트-마르텐사이트계 강(ferritic martensitic steel, FMS)을 포함하는 강의 페이스트 형성 특성을 복원하기 위해, 노심의 엔지니어링 재료에 대한 고온 방사 결함의 어닐링과 관련된 기술적 해결방안을 제안한다.

제안한 원자로 노심 어닐링 방법은 전기 구동식 축류 재순환 냉각재 펌프를 구비한 LMC 원자로에 적용된다.

비등온 모드(non-isothermal mode) 및 상대적으로 낮은 전력 레벨인 경우, 축류 펌프에 의해 고온에서 원자로 노심을 어닐링하기 위해, 펌프 구동용 전기 전원 회로를 전환하여 펌프의 회전 방향을 변경하는 것이 가능하다. 그로 인해, 노심을 통해 유동하는 냉각재의 방향이 바뀐다. 이 경우, 증기 발생기 하류의 "차가운" 냉각재가 노심 출구로 공급되고, 450℃ 온도의 고온 냉각재가 취성 강제 요소를 지닌 노심의 하부 섹션을 통해 유동한다. 이는 강의 페이스트-형성 특성이 복원되는 결과를 가져온다. 이러한 고온 어닐링 방법을 실행하기 위해 SG를 배수할 필요가 없으므로, 어닐링 모드 및 원자로 셧다운의 종료시에, 잔류 방출 에너지가 제거된다. 따라서, 이러한 어닐링 모드는 안전한다. 펌프가 역방향으로 회전하는 경우, 펌프 습식 단부의 수력 효율이 감소되므로, 동일한 펌프 회전 수(회전 주파수)에서, 펌프가 정방향으로 회전하는 경우보다 냉각재 소비량 역시 줄어들게 된다. 이는 상대 전력이 상대 소비량을 초과하는 어닐링 모드를 지원하고, 낮은 원자로 전력으로 하부 노심 섹션에서 냉각재 온도를 450℃로, 즉, 보다 안전한 환경을 유지하게 된다. 이 오프-설계 모드는 오래 지속되지 않으므로, 펌프의 수명을 단축시키지 않는다.

Claims (5)

1. 하나 이상의 노심, 하나 이상의 증기 발생기, 및 하나 이상의 1차 회로용 전기 구동식 축류 재순환 펌프를 포함하는 원자로에 적용되는 원자로 노심 어닐링 방법에 있어서,
   강의 페이스트-형성 특성에서 용인되지 않는 저하(unacceptable degradation)를 가져오는 중성자의 손상 선량(damaging dose)의 값을 추정하는 단계와;
   원자로 에너지 생산량의 상응하는 값에서 냉각재의 유동 방향을 표준방향(하부에서 상방으로)에서 역방향(상부에서 하방으로) 변경하는 단계와;
   하부 노심 섹션내 취성 강제 요소(brittled steel element)를 고온 냉각재로 어닐링한 다음, 사전 설정된 시간 기간 내에서 하부 노심 섹션내 강의 페이스트 형성 특성을 복원하기에 충분한 어닐링 모드 및 온도의 허용 가능한 기간을 설정하는 단계와;
   온도가 너무 높거나 낮은 경우, 시간 기간을 각각 설정한 다음, 온도를 재설정하는 단계와;
   원자로 전력을 제어하여 상기 사전 설정된 시간 기간 내에서 온도를 유지하고, 어닐링 공정의 종료시에, 어닐링 모드를 종료하고, 냉각재의 방향을 역방향(상부에서 하방으로)에서 표준방향(하부에서 상방으로)으로 변경하는 단계를 포함하는 원자로 노심 어닐링 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 고온 냉각재는 450℃ 이상의 온도에서 상기 하부 노심 섹션을 통해 유동하는 원자로 노심 어닐링 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 사전 설정된 시간 기간 내에서 상기 사전 설정된 온도를 유지하기 위해, 상기 어닐링 모드에서 냉각재 소비를 제어하는 것을 필요로 하는 원자로 노심 어닐링 방법.
4. 노심, 하나 이상의 증기 발생기, 및 재순환 펌프의 회전 방향을 변경하기 위한 전원 공급 회로를 구비하는 하나 이상의 1차 회로용 전기 구동식 축류 재순환 펌프를 포함하는 LMC 원자로.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 전기 구동식 재순환 펌프는 회전 주파수를 제어할 수 있도록 전원 공급 회로를 구비하는 LMC 원자로.