KR20170128593A - 원자로, 특히, 액체 금속냉각식 콤팩트 원자로 - Google Patents

원자로, 특히, 액체 금속냉각식 콤팩트 원자로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로(1), 특히 액체 금속 냉각식 원자로에 관한 것으로서, 여기에서 고온 헤더(6)와 저온 헤더(7) 사이에는 분리 구조물(5)이 제공되어 있고, 상기 분리 구조물은 연료 조립체들의 헤더들의 격납을 위해서 상부(16)의 폭이 상대적으로 좁으며 코어의 활성 부분(4) 위치의 하부 요소(14)에서는 폭이 상대적으로 넓고, 상기 하부 요소(14)와 상부 요소(16) 사이에는 다양한 형상의 연결 요소(15)가 구비되고, 상기 분리 구조물(5)의 상부(16)와 원자로 용기(2) 사이에는 열교환기(11)들이 구비되며, 상기 열교환기들은 코어(4)로부터 나오는 고온의 1차 유체가 공급되도록 하기 위하여 수직 덕트(20)들에 의하여 연결 요소(15)에 맞물린다.

Description

원자로, 특히, 액체 금속냉각식 콤팩트 원자로
본 발명은 하나 이상의 1차 열교환기를 구비한 원자로, 특히 액체 금속냉각식 콤팩트 원자로에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은, 코어 내에서 발생한 열이 1차 유체(액체 금속)으로부터 2차 유체(물)로 전달되는 1차 열교환기가, 상기 코어도 수용하는 메인 원자로 용기 내부, 즉 "1차 시스템"이라고 호칭되고 내부에 원자로의 부품들이 구비되는 체적 안에 설치되는 원자로에 관한 것이다. 상기 코어를 격납하는 수력학적 분리 구조물은 고온 헤더라고 호칭되는 체적을 내부에, 그리고 저온 헤더라고 호칭되는 체적을 외부에 한정한다.
이탈리아 특허출원 MI2005A001752 및 MI2007A001685 에 개시된 형태의 원자로에서는, 실질적으로 원통형의 분리 구조물이 중앙의 고온 헤더 및 상기 고온 헤더를 둘러싸는 고리형의 저온 헤더를 한정하고, 상기 저온 헤더는 통합된 복수의 열교환 유닛들을 수용하며, 상기 열교환 유닛들 각각은 펌프와 1 내지 2개의 열교환기를 포함하며, 통합된 유닛 각각은 1차 유체를 위하여 특별히 제공되는 덕트를 통하여 고온 헤더로 연결되는 유입부를 구비한다.
그러나, 이와 같은 방안에 있어서는 상이한 구성을 갖는 열교환기들의 경우에서도 같이 일반적으로 결함이 없는 것이 아니며, 특히 1차 유체의 수로 시스템(canalization system)의 복잡성 및 공간들의 부적절한 활용으로 인하여 치수의 관점에서 그러하다. 펌프-열교환기 유닛들은 고온 헤더와 저온 헤더 사이의 분리 구조물 외부에 수용되어야 하지만, 상기 구조물은 통상적으로 상기 구조물의 중성자 차폐 요소들 및 코어를 격납하기 때문에 상대적으로 큰 직경을 갖는다. 따라서 상기 펌프-열교환기 유닛들은 원자로의 중앙에 대하여 주변의 위치에 설치되는데, 그 결과로 인하여 1차 시스템의 부품들 모두를 격납하는 원자로 용기의 직경이 증가하게 된다.
문헌 US2013/266111, EP0308691, 및 JPH06174871 에는 상측 부분의 직경이 작고 하측 부분의 직경이 큰 유용한 분리 구조물이 개시되어 있다. 이와 같은 방안에서는, 코어로부터 배출되는 냉각 유체가 분리 구조물 내부에서 상승하여 상측 에지로 향하며, 여기에서 방향이 상기 열교환기 유닛들에 대해 탑-다운 공급(top-down feed)으로 역전된다. 유사하게, 이 방안에도 결함이 없는 것이 아닌데, 예를 들어 유체 방향 역전의 구역의 복잡성과 블랭킷 가스 수반(blanket gas entraining)의 위험이 그것이며, 이것은 냉각 유체가 액체 금속인 경우에 코어 내에서의 뜻하지 않은 양 반응 삽입(positive reactivity insertions)을 유발할 수 있다.
본 발명은 공지된 방안들의 상기 결함들을 개결하고 구조 및 안전의 면에서 장점을 갖는 원자로, 특히 액체 금속냉각식 원자로를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적의 달성을 위하여 본 발명은 첨부된 청구항 1 에 기재된 원자로, 특히 액체 금속냉각식 원자로를 제공하는바, 이것의 부차적인 특징 및 플랜트 구성은 종속항에 기재되어 있다.
아래에서 본 발명은 하기의 첨부 도면들을 참조로 하는 비제한적이고 예시적인 실시예를 기준으로 하여 설명된다.
도 1 에는 본 발명에 따른 원자로의 개략적인 종단면도가 도시되어 있는바, 여기에는 복수의 펌프 및 열교환기가 도시되어 있다.
도 2 에는 도 1 에서 평면 II-II을 따라 취한, 원자로의 개략적인 부분 횡단면도가 도시되어 있다.
도 3 에는 도 1 의 원자로의 부분 평면도가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3 을 참조하면, 원자로(1)는 루프(roof; 3)에 의하여 덮인 메인 원자로 용기(2)를 포함하고, 그 내부에는 실질적으로 암포라(amphora)와 유사한 형상을 가진 수력학적 분리 구조물(5) 및 코어(4)가 격납되며, 상기 분리 구조물(5)은 내부에서 코어(4)의 1차 냉각 유체(8)가 순환하는 저온 헤더(7)와 고온 헤더(6)를 한정한다. 저온 헤더(7)는 수력학적 분리 구조물(5)과 메인 원자로 용기(2) 사이에 포함되는 영역(9)에 의해 형성되고, 따라서 고온 헤더(6) 주위에 배치된다.
메인 원자로 용기(2)는 내부에서 1차 냉각 유체(8)가 공급되는 열교환기(11)들 및 펌프(10)들을 수용하고, 상기 열교환기(11)들은 코어(4) 내에서 발생한 파워를 외부의 2차 회로(공지되어 있고, 도시되지 않음) 내에서 순환하는 2차 유체로 전달한다. 바람직하게는, 상기 1차 냉각 유체(8)가 액체 금속, 특히 예를 들면 납 또는 납-비스무스 공융물(lead-bismuth eutectic)과 같은 중 액체 금속이고, 2차 유체는 (1차 유체와의 열교환 동안에 증기화되는) 물이며, 따라서 열교환기(11)들은 증기 발생기들이다. 블랭킷 가스는 메인 원자로 용기(2) 내의 1차 냉각 유체(8) 위에 존재한다.
수력학적 분리 구조물(5) 내부에는 다양한 보조 장치들이 수용되어 있는바, 여기에는 계기 및 제어봉을 위한 지지 구조물 등이 포함되지만, 이들은 공지되어 있고 본 발명의 본질과 거리가 있기 때문에 설명의 명료화를 위하여 따로 기재하지 않는다.
수력학적 분리 구조물(5)은, 공지된 설계형태를 가지며 연료 요소(13)들을 지지하는 격자(12), 코어(4)의 수력학적 격납을 위한 것으로서 상기 구조물에 대한 중성자 손상을 허용가능한 한계로 감소시키기 위하여 상기 코어의 활성 부분으로부터 소정의 반경방향 거리를 두고 시작되어 적절한 형상을 갖는 하부 요소(14), 및 상기 하부 요소(14)와 상부 요소(16) 사이에서 예를 들어 원추형 또는 판형의 다양한 가능한 형상을 갖는 연결 요소(15)를 포함한다.
이 방안에 있어서, 중성자 차폐 기능은 연료 요소(13)들의 외측 링과 하부 요소(14) 사이에 개재된 액체 금속에 의해 달성되고, 공지된 방안에 있어서 분리 구조물과 코어 사이에 통상적으로 배치되는 차폐 요소들의 링들은 완전히 없어지거나 또는 개수가 감소된다.
상부 요소(16)는 외부가 실질적으로 원통형이고 가변적인 두께를 갖는 것으로서, 비활성 상부(17)에서 남아 있는 차폐 요소들(차폐 요소들이 완전히 없는 경우에는 연료 요소들의 외측 링)을 격납하고 이들을 반경방향에서 구속하도록 모델링된 내부 프로파일을 갖는다. 이로 인하여, 상부 요소(16)가 하부 요소(14)에 비하여 더 작은 반경방향 치수를 갖게 되는 결과로 된다.
열교환기(11)들은 완전히 저온 헤더(7) 안에 배치되고, 수력학적 분리 구조물(5)의 원통형 상부(16) 주위에서 원주방향으로 이격된다. 각각의 펌프-열교환기 유닛(21)은 연결 요소(15)에 맞물리고, 열교환기(11)들과 일체를 이루는 원통형 요소(19)와 연결 요소(15) 사이에는 적절한 밀봉 장치(18)(공지된 것이므로 간명화를 위해 도시되지 않음)가 제공되며, 원통형 요소(19)는 코어로부터 나오는 고온의 1차 냉각 유체(8)가 펌프-열교환기 유닛(21)을 통과하는 통로가 되는 덕트(20)를 한정한다. 그 결과, 상부 요소(16) 내부의 체적은 실질적으로 일정하며, 이로써 코어의 계기 및 제저 시스템에 유체로 인하여 유발되는 진동 위험이 없게 된다.
원통형 요소(19)의 맞물림을 위하여 구멍이 형성된 부분을 제외하고, 하부 요소(14) 및 연결 요소(15)는 축대칭을 이루거나, 또는 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 덕트(20) 가까이에서 반경방향으로 더 많이 연장된 부분(22)들과, 저온 헤더(7)를 위하여 더 폭넓은 체적(24)을 형성하도록 반경방향으로 적게 연장된 부분(23)들이 구비될 수 있는데, 메인 원자로 용기(2)와 상기 부분(23)들 사이에는 일반적으로 25a, 25b, 및 25c 으로 표시된 다른 부품들이 설치될 수 있으며, 이 부품들로서는 액체 금속을 위한 예열 시스템과 퍼징(purging)용 부품들, 그리고 잔류 파워 배출 시스템의 열교환기들을 예로 들 수 있으나, 이들은 본 발명의 일부를 형성하는 것이 아닌 공지된 구성이기 때문에 따로 도시되지 않았다. 연결 요소(15)에서는, 상기 반경방향으로 더 많이 연장된 부분(22)들이 (도 2 에서 처럼) 평면에서 볼 때, 원주방향으로 미리 정해진 간격으로 서로 이격되어 떨어진 로브들 처럼 보일 수 있다.
수력학적 분리 구조물(5)은, 공지된 방안에 따라서, 원자로의 루프의 상측 부분 또는 원자로 용기의 하측 부분에 적절히 지지될 수 있다.
도 1 및 도 3 에 도시된 방안에서, 수력학적 분리 구조물(5)은 커버(26)에 의하여 원자로의 루프(3)에 의해 지지된다. 또한, 펌프-열교환기 유닛들도 커버(26)에 의지한다. 또 다른 커버(27)는 고온 헤더(6)를 덮으며, 연료 교체 작업을 수행하기 위하여 분리될 수 있다.
본 발명의 장점은 아래와 같은 설명으로부터 명확히 이해될 것이다:
- 원자로의 1차 회로가 콤팩트한 시스템이다.
- 수력학적 분리 구조물(5)의 차폐 요소들의 링들이 완전히 없게 되거나 또는 그것의 개수가 감소하며, 이로써 코어의 반경방향 구속의 기계적 강도 및 경제성의 측면에서 유리하게 된다.
- 상기 차폐 요소들의 링들의 제거시, 교체될 부품들의 개수가 감소하고, 수행되어야 할 유지보수 작업이 단순화되며, 원자로 정지시간이 감소한다.
- 열교환기들의 반경방향 배치가 수력학적 분리 구조물(5)의 최대 크기에 의하여 제한되는 것이 아니라, 그보다 상대적으로 더 작은 직경을 갖는 상기 분리 구조물(5)의 상부 요소(16)에 의하여만 제한된다.
- 열교환기들에 대한 공급은 분리 구조물로부터 반경방향으로 이탈하는 덕트를 필요로 하지 않고 또한 공지된 방안에서 고찰되는 바와 같이 상부 요소(16) 위로부터 이루어지는 것이 아니라, 펌프-열교환기 유닛(21)에 공급하는 덕트(20)의 원통형 요소(19)와 연결 요소(15) 사이에 있는 밀봉 장치(18)를 통해 수직으로 수행된다.
- 수력학적 분리 구조물(5)의 연결 요소(15)와 하부 요소(14)의 로브 형상으로 인하여, 메인 원자로 용기(2)에 대하여 연결 요소(15)와 하부 요소(14)의 반경방향으로 적게 연장된 부분(23)들 사이에 폭넓은 자유 체적(24)들이 형성되어 원자로의 더 많은 보조 부품(25)들이 설치될 수 있게 된다.
- 수력학적 분리 구조물(5)의 연결 요소(15)와 하부 요소(14)의 로브 형상 및 이에 대응되는 커버(26)의 로브 형상으로 인하여, 원자로의 보조 부품(25)들을 분리할 필요없이 수력학적 분리 구조물(5)의 교체가 가능하게 된다.
마지막으로, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 여기에서 설명되고 도시된 원자로에 대해 수많은 변형 및 변경이 가해질 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 코어(core; 4)의 냉각을 위하여 내부에서 1차 유체(8)가 순환하는 원자로(1), 특히 액체 금속냉각식 원자로(liquid-metal-cooled nuclear reactor)로서,
    상기 원자로는 상기 코어 위에 있는 고온 헤더(hot header; 6) 및 분리 구조물(separation structure; 5)에 의하여 상기 고온 헤더로부터 분리되어 고온 헤더(6)를 둘러싸고 있는 저온 헤더(cold header; 7)를 포함하고, 또한 상기 원자로는 2차 유체에 의하여 상기 1차 유체 유체로부터 열을 제거하기 위한 적어도 하나의 열교환기(11), 특히 증기 발생기를 포함하며,
    상기 분리 구조물(5)은 상기 코어(4) 주위에 배치된 하부 요소(14) 및 상기 코어(4) 위에 배치된 상부 요소(16)를 포함하고, 상기 상부 요소(16)는 하부 요소(14)에 대하여 작은 반경 치수를 가지며 또한 연결 요소(15)에 의해서 하부 요소(14)에 결합되고,
    상기 연결 요소(15)에는, 코어(4)로부터 배출되는 고온의 1차 유체를 열교환기들에 공급하기 위하여 원자로 용기(2)와 상기 분리 구조물(5)의 상부(16) 사이에 위치한 적어도 하나의 열교환기(11)에의 연결을 위해서 수직 덕트(20)가 연장되는 통로가 되는 관통부(28)가 구비되고,
    상기 분리 구조물(5)의 상부 요소(16)와 연결 요소(15)가 코어(4), 특히 연료 조립체(13)들의 비활성인 상측 부분(upper part; 17)의 반경방향 구속(radial constraint)을 수행하는 것을 특징으로 하는, 원자로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리 구조물(5)의 상부 요소(16)와 하부 요소(14) 사이의 연결 요소(15)는 플레이트인, 원자로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기(11)에의 공급을 위한 수직 덕트(20)들은, 분리 구조물(5)의 하부 요소(14) 및 연결 요소(15)의 국지적인 반경방향 연장에 의해 형성되는 로브(lobe; 22)들에 만들어진 관통부(28)들과 맞물리는, 원자로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분리 구조물(5)의 연결 요소(15) 및 하부 요소(14)의 로브 형상으로 인하여, 상기 원자로 용기(2)에 대하여 연결 요소(15)와 하부 요소(14)의 반경방향으로 적게 연장된 부분(23)들 사이에, 원자로의 보조 부품(auxiliary component; 25)들의 설치를 위한 자유 체적(free volume; 24)이 형성되는, 원자로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리 구조물(5)의 상부 요소(16) 내에 격납된 1차 유체는 실질적으로 고여있는(stagnant), 원자로.
  6. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 유체(8)는 액체 금속, 특히 예를 들어 납과 같은 중 액체 금속(heavy liquid metal)이고, 상기 2차 유체는 증기 발생기인 열교환기(11) 내에서 증기로 되는 물인, 원자로.
  7. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    하부 요소(14)는 코어(4)의 수력학적 격납(hydraulic containment)의 요소로서 작용하고, 코어의 활성 부분으로부터 반경방향으로, 즉 미리 정해진 반경방향 거리를 두고 떨어져 이격된, 원자로.
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