KR20180132188A - Method for manufacturing reactor vessel with sintered copper microporous coating and reactor vessel manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자로 용기의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 원자로 용기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로 용기의 외벽에 구리 입자 소결층을 형성시켜 냉각 효율을 향상시킨 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a reactor vessel and a reactor vessel manufactured thereby, and more particularly, to a method of manufacturing a reactor vessel by forming a sintered copper layer on an outer wall of a reactor vessel.
원전 중대사고 발생시 원자로 안의 핵연료 및 주위 구조물이 용융되어 노심 용융물이 원자로 내부에 생성된다. 노심 용융물에서는 지속적으로 열이 발생하고 방사성 물질인 핵분열 생성물이 방출되어 막대한 인명 피해와 재산 피해를 야기한다. 따라서 노심 용융물을 빠른 시간안에 잘 냉각시켜서 구조물의 파손, 방사성 물질인 핵분열 생성물이 방출을 최소화하여야 한다. In the event of a major nuclear accident, fuel and surrounding structures in the reactor are melted and core melt is generated inside the reactor. In core melts, heat is generated continuously and fissile products, which are radioactive materials, are released, resulting in enormous loss of life and property damage. Therefore, it is necessary to cool the core melt well in a short period of time to minimize the breakdown of the structure and the release of fissile products, which are radioactive materials.
열출력이 3000 MWt 이하인 원자로에서는 중력을 이용하여 원자로 격실에 냉각수를 채워 원자로 용기 외벽을 냉각수의 자연순환에 의해 냉각하여 노심 용융물을 노 내에 가두는 노 내 억제(In-Vessel Retention) 전략을 사용하고 있다. 그러나, 이 방법은 4000 MWt 정도의 출력이 높은 원자로에 대해서는 외벽 냉각에 의한 열 제거 능력이 떨어져 실제 적용 면에 있어 많은 불확실성이 있다고 알려져 있다.In nuclear reactors with a heat output of 3000 MWt or less, using an in-vessel retention strategy that fills the reactor compartment with cooling water by gravity, cooling the outer wall of the reactor vessel by the natural circulation of the cooling water, have. However, this method is known to have many uncertainties in practical applications due to the ability to remove heat by cooling the outer wall for a reactor with a power output of about 4000 MWt.
원자로의 출력이 높은 원자로에서 외벽 냉각에 의해 열제거가 안되는 경우에는 용융물 상부에 형성되는 금속 용융물 층에서 발생하는 열 집중 현상 등에 의해 노심 용융물이 원자로를 뚫고 외부로 방출될 수 있다. 원자로 격실 안에 이미 냉각수가 채워져 있으므로 방출된 노심 용융물과 냉각수의 접촉으로 인한 증기 폭발이 발생하여 원자로 격실이 파손되거나 또는 원자로 용기 및 관련 배관이 파손되어 격납용기의 기밀성이 훼손되고 이로 인해 방사성 물질이 격납용기 외부로 방출될 위험이 있다.If heat can not be removed by cooling the outer wall of a reactor with a high output of the reactor, the core melt may be discharged through the reactor due to the heat concentration phenomenon generated in the metal melt layer formed on the melt. Since the reactor compartment is already filled with cooling water, vapor explosion due to the contact between the discharged core melt and the cooling water may occur and the reactor compartment may be broken or the reactor vessel and related piping may be damaged, thereby impairing the airtightness of the containment vessel. There is a risk of being released outside the container.
본 발명은 원전 중대사고 발생시 원자로 내부에 생성되는 노심 용융물을 효과적으로 냉각하여 원자로 용기의 파손 및 방사성 물질의 방출을 방지하기 위한 코팅층 형성 방법 및 원자로 용기의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 원자로 용기를 제공하고자 함에 목적이 있다.The present invention provides a method of forming a coating layer, a method of manufacturing a reactor vessel, and a reactor vessel manufactured by the method, which effectively cools a core melt generated inside a reactor in the event of a nuclear accident, thereby preventing breakage of the reactor vessel and emission of radioactive materials There is a purpose in.
본 발명은 임계열유속을 향상시켜 원자로 용기 외벽의 열전달 효율을 증가시킬 수 있는 코팅층 형성 방법 및 원자로 용기의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 원자로 용기를 제공하고자 함에 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a method of forming a coating layer, a method of manufacturing a reactor vessel, and a reactor vessel manufactured by the method, which can increase the heat transfer efficiency of an outer wall of a reactor vessel by improving critical heat flux.
본 발명은 구리 입자를 함유하는 코팅제를 준비하는 단계(단계 1), 원자로 용기 외벽 표면에 상기 코팅제를 도포하는 단계(단계 2) 및 상기 코팅제를 소결하여 소결층을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하고, 상기 소결층은 요각 구멍(reentrant-type cavity)을 포함하는 원자로 용기 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a nuclear reactor comprising the steps of preparing a coating agent containing copper particles (step 1), applying the coating agent to the outer wall surface of the reactor vessel (step 2), and sintering the coating agent to form a sintered layer Wherein the sintered layer comprises a reentrant-type cavity.
상기 구리 입자는 평균 직경이 10 내지 67 ㎛일 수 있다.The copper particles may have an average diameter of 10 to 67 mu m.
상기 소결층은 두께가 78 내지 428 ㎛일 수 있다.The sintered layer may have a thickness of 78 to 428 탆.
상기 소결층은 다공도가 0.6 내지 0.7일 수 있다.The sintered layer may have a porosity of 0.6 to 0.7.
상기 구리 입자는 상기 코팅제 중량 100%에 대하여 70 내지 90 중량%로 함유될 수 있다. The copper particles may be contained in an amount of 70 to 90% by weight based on 100% by weight of the coating agent.
본 발명은 외벽 표면에 구리 입자 소결층을 포함하고, 상기 소결층은 요각 구멍을 포함하는 원자로 용기를 포함한다.The present invention includes a sintered copper layer on the outer wall surface, and the sintered layer includes a reactor vessel including a wedge hole.
상기 구리 입자는 평균 직경이 10 내지 67 ㎛일 수 있다.The copper particles may have an average diameter of 10 to 67 mu m.
상기 소결층은 두께가 78 내지 428 ㎛일 수 있다.The sintered layer may have a thickness of 78 to 428 탆.
상기 소결층은 다공도가 0.6 내지 0.7일 수 있다.The sintered layer may have a porosity of 0.6 to 0.7.
본 발명의 실시 예를 따르는 코팅층 형성 방법 및 원자로 용기 제조 방법에 따르면, 원자로 용기 외벽의 냉각효율을 향상시키고 나아가 중대사고시 노심 용융물의 배출에 따른 방사능 유출 피해를 방지할 수 있다.According to the method for forming a coating layer and the method for manufacturing a reactor vessel according to an embodiment of the present invention, it is possible to improve the cooling efficiency of the outer wall of the reactor vessel and to prevent the damage of radiation leakage due to the discharge of the melt of the reactor core.
본 발명의 실시 예를 따르는 코팅층 형성 방법 및 원자로 용기 제조 방법에 따르면, 임계열유속과 비등열전달 계수가 현저히 증가하여 노심 용융시 열출력이 높은 원자로에 대해서도 노내 억제(In-Vessel Retention) 전략이 가능하다. According to the method for forming a coating layer and the method for manufacturing a reactor vessel according to the embodiment of the present invention, the critical heat flux and the boiling heat transfer coefficient are significantly increased, and an in-vessel retention strategy can be applied to a reactor having a high heat output during core melting .
도 1은 본 발명의 실시 예 1에 따라 형성된 요각 구멍을 포함하는 코팅층을 나타낸 SEM 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 형성된 요각 구멍을 포함하는 코팅층을 나타낸 SEM 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 형성된 코팅층의 임계열유속 및 비등열전달 계수를 각각 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예 및 비교 예를 따라 구리 기판의 외벽에 열속이 주어질 때의 비등 열전달 곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 있어서, 구리 기판의 외벽에 대해 열속이 가해지는 위치에 따라 비등 열전달을 측정하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로 용기를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예를 따르는 원자로 용기의 임계열유속 여유도를 나타낸 것이다.1 is a SEM plan view showing a coating layer including a relief hole formed according to Example 1 of the present invention.
2 is a SEM cross-sectional view of a coating layer comprising a reed hole formed in accordance with an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 and 4 are graphs respectively showing critical heat flux and boiling heat transfer coefficient of a coating layer formed according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 shows boiling heat transfer curves when heat flux is given to the outer wall of a copper substrate according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
Fig. 6 is a graph showing the boiling heat transfer measured according to the position where the heat flux is applied to the outer wall of the copper substrate in the embodiment of the present invention.
Figure 7 illustrates a reactor vessel in accordance with an embodiment of the present invention.
8 shows the critical heat flux margin of the reactor vessel according to the embodiment of the present invention and the comparative example.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings. In addition, "including" an element throughout the specification does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary.
본 발명은 구리 기판을 준비하는 단계(단계 A), 구리 입자를 함유하는 코팅제를 상기 구리 기판에 도포하는 단계(단계 B), 상기 코팅제를 소결하여 코팅층을 형성하는 단계(단계 C)를 포함하고, 상기 코팅층은 요각 구멍(reentrant-type cavity)을 포함하는, 구리 다공성 소결을 통한 코팅층 형성 방법을 제공할 수 있다.The present invention also provides a method of manufacturing a copper substrate, comprising the steps of preparing a copper substrate (step A), applying a coating agent containing copper particles to the copper substrate (step B), and sintering the coating agent to form a coating layer , And the coating layer may include a reentrant-type cavity. The present invention also provides a method for forming a coating layer by copper porous sintering.
이하 본 발명의 코팅층 형성 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the method for forming a coating layer of the present invention will be described in detail.
상기 단계 A에서, 구리 기판은 구리를 주성분으로 함유한 기판을 의미할 수 있다. 상기 구리 기판 표면을 연마한 후, 알코올이나 아세톤으로 세척 후 건조하여 준비할 수 있다.In the step A, the copper substrate may mean a substrate containing copper as a main component. The surface of the copper substrate may be polished, washed with alcohol or acetone, and dried.
상기 단계 B는, 구리 기판에 구리 입자 코팅층을 형성하기 위해 구리 입자를 함유하는 코팅제를 준비하여 도포하는 단계이다. 상기 코팅층은 구리 기판에 열속이 주어질 때 임계열유속 및 비등열전달 계수를 향상시킬 수 있다. Step B is a step of preparing and applying a coating agent containing copper particles to form a copper particle coating layer on a copper substrate. The coating layer can improve the critical heat flux and the boiling heat transfer coefficient when a heat flux is given to the copper substrate.
상기 코팅제는 구리 입자, 희석제, 결합제 등을 포함할 수 있고, 이를 제외한 나머지 부분은 물일 수 있다.The coating agent may include copper particles, a diluent, a binder, and the like, and the remaining portion may be water.
상기 코팅제에 포함되는 구리 입자는 평균 직경이 10 내지 67 ㎛일 수 있다. 구리 입자의 평균 직경이 67 ㎛보다 크면 소결시 치밀화가 진행되지 않으며 고밀도의 구리 입자 코팅층을 형성하는 것이 곤란하다. 한편, 구리 입자의 평균 직경이 10 ㎛보다 작으면 구리 입자의 전체 표면적이 커지고, 그 결과 코팅제에 첨가해야 할 결합제의 양이 증가하여 소결 후 수축률이 커지는 문제점이 있다.The copper particles included in the coating agent may have an average diameter of 10 to 67 mu m. If the average diameter of the copper particles is larger than 67 탆, densification does not proceed during sintering and it is difficult to form a high-density copper particle coating layer. On the other hand, if the average diameter of the copper particles is less than 10 탆, the total surface area of the copper particles becomes large, and as a result, the amount of the binder to be added to the coating agent increases to increase the shrinkage ratio after sintering.
상기 구리 입자는 상기 코팅제 중량 100%에 대하여 70 내지 90 중량%로 함유될 수 있다. 70 중량% 미만에서는 소결시 수축률이 증대하여 정밀도가 저하될 수 있다. 또한, 90 중량% 초과에서는 상대적으로 결합제 및 물의 함유량이 감소하므로 코팅층의 형성이 불가능해지거나 코팅제의 조성이 불균일해질 수 있다. The copper particles may be contained in an amount of 70 to 90% by weight based on 100% by weight of the coating agent. If it is less than 70% by weight, the shrinkage ratio during sintering may increase and the precision may be lowered. On the other hand, when the content exceeds 90% by weight, the content of the binder and water is relatively decreased, so that the formation of the coating layer becomes impossible or the composition of the coating agent becomes uneven.
상기 구리 입자의 제조방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 수 분무법 또는 기체 분무법, 환원법, 분쇄법에 의해 제조된 것을 사용할 수 있다. The method for producing the copper particles is not particularly limited, and for example, those produced by a water spray method, a gas atomization method, a reduction method, or a pulverization method may be used.
상기 코팅제는 희석제를 포함할 수 있다. 상기 희석제는 뷰테인, 펜테인, 헥세인, 사이클로헥세인, 노네인, 데케인 또는 이들의 고급 동족체 및 코팅제를 포함할 수 있다. The coating may comprise a diluent. The diluent may include butane, pentane, hexane, cyclohexane, nonene, decane or higher class analogs and coatings thereof.
상기 코팅제는 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 구리 입자끼리 결합시키는 결합제로서 기능하고, 코팅제 내에 구리 입자를 균일하게 분산시키는 분산제로서 기능할 수 있다. 상기 결합제는, 예를 들면, 전분, 한천과 같은 유기물 및 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 수용성 나일론과 같은 수용성 수지 등을 들 수 있다. 상기 결합제의 함유량은 상기 코팅제 전체의 0.2 내지 5 중량%가 바람직하다. 0.2중량% 미만인 경우에는 코팅층을 구성하는 구리 입자끼리의 결합이 약하며, 5중량% 초과인 경우에는 소결한 후에 코팅층 내부의 다공도가 과도하게 증대한다. The coating may comprise a binder. The binder functions as a binder for binding the copper particles to each other and can function as a dispersing agent for uniformly dispersing the copper particles in the coating agent. Examples of the binder include organic materials such as starch and agar, and water-soluble resins such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidone (PVP) and water-soluble nylon. The content of the binder is preferably 0.2 to 5% by weight based on the total weight of the coating agent. When the content is less than 0.2% by weight, the bonding of the copper particles constituting the coating layer is weak. When the content is more than 5% by weight, the porosity of the coating layer increases excessively after sintering.
상기 코팅제 중에는 가소제, 산화방지제, 탈지촉진제, 계면 활성제 등의 각종 첨가물이 필요에 따라 첨가될 수 있다. Various additives such as a plasticizer, an antioxidant, a degreasing accelerator, and a surfactant may be added to the coating agent as needed.
상기 코팅제를 구리 기판에 도포시 소결에 의한 수축 분량을 예상하여 코팅층을 형성할 수 있다.When the coating agent is applied to the copper substrate, the coating layer can be formed in anticipation of the amount of shrinkage due to sintering.
상기 단계 C는, 상기와 같이 제조된 코팅제를 소결하여 구리 기판에 대하여 코팅층을 형성하는 단계이다. 소결로에서 소성시, 탈지공정을 수반하면서 소결이 이루어질 수 있다. The step C is a step of forming a coating layer on the copper substrate by sintering the coating agent prepared as described above. When sintering in a sintering furnace, sintering can be performed accompanied by a degreasing step.
상기 코팅층은 두께가 78 내지 428 ㎛일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 구리 기판을 통해 방출되는 열속의 각도, 강도에 따라 코팅층의 두께, 다공도 등이 상이하게 형성될 수 있다.The coating layer may have a thickness of 78 to 428 탆. In one embodiment, the thickness and the porosity of the coating layer may be different from each other depending on the angle and intensity of heat emitted through the copper substrate.
상기 코팅층은 내부에 요각구멍이 형성된 다공성 미세 요철구조를 가지며 평균 다공도가 0.6 내지 0.7일 수 있다. 상기 요각구멍은 핵비등 기포의 생성 빈도를 증가시킴으로써 열전달 계수를 향상시킬 수 있다. The coating layer has a porous micro concavo-convex structure in which a recessed hole is formed therein, and the average porosity may be 0.6 to 0.7. The recoil hole can improve the heat transfer coefficient by increasing the generation frequency of nucleated bubbles.
상기 다공도(ε)는 다음 식에 의해 구해진다.The porosity? Is obtained by the following formula.
Vt : 코팅층의 체적V t : Volume of coating layer
mcp: 구리 입자의 중량m cp : weight of copper particles
ρcp: 구리 입자의 밀도(=8.96 g/cm3)ρ cp : density of copper particles (= 8.96 g / cm 3 )
상기 코팅층 형성시, 산소가 없는 조건에서 소결되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 감압하, 진공하 또는 고순도 질소나 아르곤과 같은 비산화성 대기로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 금속 산화에 따른 특성 악화를 방지할 수 있다. 소결 단계는 2단계 또는 그 이상으로 실시할 수 있다. 예를 들면, 소결 조건이 상이한 1차 소결과 2차 소결을 실시할 수 있다. 이러한 경우, 2차 소결의 소결 온도를 1차 소결의 소결 온도보다 높은 온도로 할 수 있다. 이에 따라 소결의 효율이 더욱 향상될 수 있다.At the time of forming the coating layer, it is preferable that sintering is performed under oxygen free conditions. For example, it is preferable to use a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon under a reduced pressure, in a vacuum or in high purity. This makes it possible to prevent deterioration of characteristics due to metal oxidation. The sintering step may be carried out in two or more stages. For example, the first sintering and the second sintering may be performed under different sintering conditions. In this case, the sintering temperature of the second sintering can be made higher than the sintering temperature of the first sintering. As a result, the efficiency of sintering can be further improved.
원자로 용기의 제조 방법Method of manufacturing reactor vessel
본 발명은 구리 입자를 함유하는 코팅제를 준비하는 단계(단계 1), 원자로 용기 외벽 표면에 상기 코팅제를 도포하는 단계(단계 2) 및 상기 코팅제를 소결하여 소결층을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하고, 상기 소결층은 요각 구멍(reentrant-type cavity)을 포함하는 원자로 용기 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method of manufacturing a nuclear reactor comprising the steps of preparing a coating agent containing copper particles (step 1), applying the coating agent to the outer wall surface of the reactor vessel (step 2), and sintering the coating agent to form a sintered layer Wherein the sintered layer comprises a reentrant-type cavity.
이하 본 발명의 원자로 용기 제조 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a reactor vessel of the present invention will be described in detail.
상기 단계 1은 원자로 용기 외벽에 구리 입자 소결층을 형성하기 위해 구리 입자를 함유하는 코팅제를 준비하는 단계이다. 상기 구리 입자 소결층은 원자로 용기 외벽의 임계열유속을 향상시켜 중대사고시 노심 용융물에서 발생된 붕괴열을 효과적으로 제거하기 위한 구성이다. Step 1 is a step of preparing a coating agent containing copper particles to form a sintered layer of copper particles on the outer wall of the reactor vessel. The copper sintered layer is a structure for effectively removing decay heat generated in the melt of the core core by improving the critical heat flux of the outer wall of the reactor vessel.
상기 코팅제는 구리 입자, 희석제, 결합제 등을 포함할 수 있고, 이를 제외한 나머지 부분은 물일 수 있다.The coating agent may include copper particles, a diluent, a binder, and the like, and the remaining portion may be water.
상기 코팅제에 포함되는 구리 입자는 평균 직경이 10 내지 67 ㎛일 수 있다. 구리 입자의 평균 직경이 67 ㎛보다 크면 소결시 치밀화가 진행되지 않으며 고밀도의 구리 입자 소결층을 형성하는 것이 곤란하다. 한편, 구리 입자의 평균 직경이 10 ㎛보다 작으면 구리 입자의 전체 표면적이 커지고, 그 결과 코팅제에 첨가해야 할 결합제의 양이 증가하여 소결 후 수축률이 커지는 문제점이 있다.The copper particles included in the coating agent may have an average diameter of 10 to 67 mu m. If the average diameter of the copper particles is larger than 67 탆, densification does not proceed during sintering, and it is difficult to form a high-density sintered copper layer. On the other hand, if the average diameter of the copper particles is less than 10 탆, the total surface area of the copper particles becomes large, and as a result, the amount of the binder to be added to the coating agent increases to increase the shrinkage ratio after sintering.
상기 구리 입자는 상기 코팅제 중량 100%에 대하여 70 내지 90 중량%로 함유될 수 있다. 70 중량% 미만에서는 소결시 수축률이 증대하여 정밀도가 저하될 수 있다. 또한, 90 중량% 초과에서는 상대적으로 결합제 및 물의 함유량이 감소하므로 소결층의 형성이 불가능해지거나 코팅제의 조성이 불균일해질 수 있다. The copper particles may be contained in an amount of 70 to 90% by weight based on 100% by weight of the coating agent. If it is less than 70% by weight, the shrinkage ratio during sintering may increase and the precision may be lowered. On the other hand, if it exceeds 90% by weight, the content of the binder and water is relatively decreased, so that the formation of the sintered layer becomes impossible or the composition of the coating agent becomes uneven.
상기 구리 입자의 제조방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 수 분무법 또는 기체 분무법, 환원법, 분쇄법에 의해 제조된 것을 사용할 수 있다. The method for producing the copper particles is not particularly limited, and for example, those produced by a water spray method, a gas atomization method, a reduction method, or a pulverization method may be used.
상기 코팅제는 희석제를 포함할 수 있다. 상기 희석제는 뷰테인, 펜테인, 헥세인, 사이클로헥세인, 노네인, 데케인 또는 이들의 고급 동족체 및 코팅제를 포함할 수 있다. The coating may comprise a diluent. The diluent may include butane, pentane, hexane, cyclohexane, nonene, decane or higher class analogs and coatings thereof.
상기 코팅제는 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 구리 입자끼리 결합시키는 결합제로서 기능하고, 코팅제 내에 구리 입자를 균일하게 분산시키는 분산제로서 기능할 수 있다. 상기 결합제는, 예를 들면, 전분, 한천과 같은 유기물 및 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 수용성 나일론과 같은 수용성 수지 등을 들 수 있다. 상기 결합제의 함유량은 상기 코팅제 전체의 0.2 내지 5 중량%가 바람직하다. 0.2중량% 미만인 경우에는 소결층을 구성하는 구리 입자끼리의 결합이 약하며, 5중량% 초과인 경우에는 소결한 후에 소결층 내부의 다공도가 과도하게 증대한다. The coating may comprise a binder. The binder functions as a binder for binding the copper particles to each other and can function as a dispersing agent for uniformly dispersing the copper particles in the coating agent. Examples of the binder include organic materials such as starch and agar, and water-soluble resins such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidone (PVP) and water-soluble nylon. The content of the binder is preferably 0.2 to 5% by weight based on the total weight of the coating agent. When the content is less than 0.2% by weight, the bonding of the copper particles constituting the sintered layer is weak. When the content is more than 5% by weight, the porosity of the sintered layer increases excessively after sintering.
상기 코팅제 중에는 가소제, 산화방지제, 탈지촉진제, 계면 활성제 등의 각종 첨가물이 필요에 따라 첨가될 수 있다. Various additives such as a plasticizer, an antioxidant, a degreasing accelerator, and a surfactant may be added to the coating agent as needed.
본 발명의 실시 예를 따르는 원자로 용기의 제조 방법은 상기와 같이 제조된 코팅제를 원자로 용기 외벽에 도포하고 소결로에서 소성하여 소결층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 코팅제 도포시 원자로 용기 외벽의 형성 각도에 따라 소결에 의한 수축 분량을 예상하여 소결층을 형성할 수 있다. 소결로에서 소성시, 탈지공정을 수반하면서 소결이 이루어질 수 있다. A method of manufacturing a reactor vessel according to an embodiment of the present invention includes applying the coating agent prepared as described above to an outer wall of a reactor vessel, and firing the sintered body in a sintering furnace to form a sintered layer. The sintered layer can be formed in anticipation of the amount of shrinkage due to sintering depending on the forming angle of the outer wall of the reactor vessel. When sintering in a sintering furnace, sintering can be performed accompanied by a degreasing step.
상기 소결층은 두께가 78 내지 428 ㎛일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 노심용융물의 붕괴열이 방출되는 열속의 각도, 강도에 따라 소결층의 두께, 다공도 등이 상이하게 형성될 수 있다.The sintered layer may have a thickness of 78 to 428 탆. In one embodiment, the sintered layer may have different thicknesses, porosities and the like depending on the angle and intensity of the heat in which the decay heat of the core melt is emitted.
상기 소결층은 내부에 요각구멍이 형성된 다공성 미세 요철구조를 가지며 평균 다공도가 0.6 내지 0.7일 수 있다. 상기 요각구멍은 핵비등 기포의 생성 빈도를 증가시킴으로써 열전달 계수를 향상시킬 수 있다. The sintered layer has a porous micro concavo-convex structure having a reentrant hole formed therein, and an average porosity of 0.6 to 0.7. The recoil hole can improve the heat transfer coefficient by increasing the generation frequency of nucleated bubbles.
상기 다공도(ε)는 다음 식에 의해 구해진다.The porosity? Is obtained by the following formula.
Vt : 소결층의 체적V t : Volume of the sintered layer
mcp: 구리 입자의 중량m cp : weight of copper particles
ρcp: 구리 입자의 밀도(=8.96 g/cm3)ρ cp : density of copper particles (= 8.96 g / cm 3 )
상기 소결층 형성시, 산소가 없는 조건에서 소결되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 감압하, 진공하 또는 고순도 질소나 아르곤과 같은 비산화성 대기로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 금속 산화에 따른 특성 악화를 방지할 수 있다. 소결 단계는 2단계 또는 그 이상으로 실시할 수 있다. 예를 들면, 소결 조건이 상이한 1차 소결과 2차 소결을 실시할 수 있다. 이러한 경우, 2차 소결의 소결 온도를 1차 소결의 소결 온도보다 높은 온도로 할 수 있다. 이에 따라 소결의 효율이 더욱 향상될 수 있다.At the time of forming the sintered layer, it is preferable that sintering is performed under oxygen free conditions. For example, it is preferable to use a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon under a reduced pressure, in a vacuum or in high purity. This makes it possible to prevent deterioration of characteristics due to metal oxidation. The sintering step may be carried out in two or more stages. For example, the first sintering and the second sintering may be performed under different sintering conditions. In this case, the sintering temperature of the second sintering can be made higher than the sintering temperature of the first sintering. As a result, the efficiency of sintering can be further improved.
원자로 용기 Reactor vessel
본 발명의 실시 예를 따르는 원자로 용기는 원자로 용기 외벽 표면에 구리 입자 소결층을 포함하고, 상기 소결층은 요각 구멍을 포함한다.A reactor vessel according to an embodiment of the present invention includes a copper particle sintered layer on the outer wall surface of a reactor vessel, and the sintered layer includes a yaw hole.
도 7은 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로 용기를 포함하는 원자로를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 원자로 용기(10), 상기 원자로 용기와 이격되도록 상기 원자로 용기를 수용함으로써 원자로 공동(15)를 형성하는 차폐용기(20), 및 상기 원자로 용기 및 차폐용기를 수용하는 격납용기(30)를 포함하고, 상기 원자로 공동과, 상기 격납용기 및 차폐 용기 사이에는 냉각수(2)가 배치된다. Figure 7 illustrates a reactor comprising a reactor vessel in accordance with an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, there is shown a nuclear reactor including a
상기 원자로 용기 외벽은 구리와 같은 금속 재질로 형성될 수 있으며, 원자로 용기의 하부는 아래로 볼록한 반구 형상으로 이루어질 수 있다. 원자로 용기 외벽에 형성된 소결층(11)은 상기 원자로 공동과, 상기 격납용기 및 차폐 용기 사이에 배치된 냉각수(2)가 원자로 용기(10)의 외벽을 통하여 전달되는 열을 흡수하여 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각하는 것을 돕는다. The outer wall of the reactor vessel may be formed of a metal such as copper, and the lower portion of the reactor vessel may be formed as a downward convex hemispherical shape. The sintered layer 11 formed on the outer wall of the reactor vessel absorbs the heat transmitted through the reactor cavity and the outer wall of the
중대사고 발생시, 노심 용융물의 높은 붕괴열로 인해 외벽 냉각 시 냉각수가 비등하게 되고 비등 한계점인 임계열유속 지점까지 도달할 경우, 냉각에 실패할 수 있다. 나아가 임계열유속에 도달할 경우 열전달 표면이 비등에 의해 생성되는 증기로 뒤덮여 효과적인 열전달이 불가능할 수 있으며, 따라서 최악의 경우 원자로 압력용기가 파손되어 내부의 고 방사능을 띄는 노심 용융물이 유출될 수 있다.In the event of a major accident, cooling may fail if the cooling water boils during the cooling of the outer wall due to the high decay heat of the core melt and reaches the threshold critical heat flux point, the boiling point. Furthermore, when the critical heat flux is reached, the heat transfer surface may be covered with steam generated by boiling, and effective heat transfer may not be possible. In the worst case, the reactor pressure vessel may be broken and the core melt with high radioactivity inside may be leaked.
본 발명의 실시 예를 따라 형성된 소결층은 원자로용기 외벽의 임계열유속과 비등열전달 계수를 증가시켜 노심 용융물에서 발생하는 붕괴열의 양이 임계열유속을 넘지 않도록 한다. 또한, 40년 이상의 원자로 가동기간 동안 원자로 용기 외벽 표면으로부터 입자 탈착을 방지하여 내구성과 장기 신뢰성을 높일 수 있다.The sintered layer formed according to the embodiment of the present invention increases the critical heat flux and boiling heat transfer coefficient of the outer wall of the reactor vessel so that the amount of decay heat generated in the core melt does not exceed the critical heat flux. In addition, it is possible to prevent desorption of particles from the outer surface of the reactor vessel during the operation period of the reactor for more than 40 years, thereby improving durability and long-term reliability.
상기 구리 입자 소결층을 구성하는 구리 입자는 평균 직경이 10 내지 67 ㎛일 수 있다. 구리 입자의 평균 직경이 67 ㎛보다 크면 소결시 치밀화가 진행되지 않아 고밀도의 구리 입자 소결층을 형성하는 것이 곤란하다. 한편, 구리 입자의 평균 직경이 10 ㎛보다 작으면 구리 입자의 전체 표면적이 커지고, 소결 후 수축률이 커지는 문제점이 있다.The copper particles constituting the sintered copper layer may have an average diameter of 10 to 67 탆. If the average diameter of the copper particles is larger than 67 탆, densification does not proceed during sintering, and it is difficult to form a sintered layer of high density copper. On the other hand, if the average diameter of the copper particles is less than 10 탆, the total surface area of the copper particles becomes large and the shrinkage ratio after sintering becomes large.
상기 소결층은 두께가 78 내지 428 ㎛일 수 있다. 상기 원자로용기 외벽에 형성되는 소결층은 노심용융물의 붕괴열이 방출되는 열속이 많은 영역에 더 두껍게 형성될 수 있다.The sintered layer may have a thickness of 78 to 428 탆. The sintered layer formed on the outer wall of the reactor vessel may be formed thicker in a region where the decay heat of the core melt is released and the heat flux is large.
상기 소결층은 내부에 요각구멍이 형성된 다공성 미세 요철구조를 가지며 평균 다공도가 0.6 내지 0.7일 수 있다. 상기 요각구멍은 핵비등 기포의 생성 빈도를 증가시킴으로써 열전달 계수를 향상시킬 수 있다.The sintered layer has a porous micro concavo-convex structure having a reentrant hole formed therein, and an average porosity of 0.6 to 0.7. The recoil hole can improve the heat transfer coefficient by increasing the generation frequency of nucleated bubbles.
상기 다공도(ε)는 다음 식에 의해 구해진다.The porosity? Is obtained by the following formula.
Vt : 소결층의 체적V t : Volume of the sintered layer
mcp: 구리 입자의 중량m cp : weight of copper particles
ρcp: 구리 입자의 밀도(=8.96 g/cm3)ρ cp : density of copper particles (= 8.96 g / cm 3 )
이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
<실시 예1> ≪ Example 1 >
구리 기판을 샌드 페이퍼(Sand Paper) 600그릿(Grit)으로 샌딩한 후, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)로 15분 동안 초음파 처리(sonication) 하였다. 상기 구리 기판을 증류수로 세척하고 압축공기로 건조시켰다. 평균 입자 크기가 67 ㎛인 구리 분말을 뷰테인과 5:1의 중량비로 혼합한 코팅제를 상기 평면 구리 기판 상에 균일하게 도포하였다. 상기 코팅제가 도포된 구리 기판을 100 ℃의 핫 플레이트(hot plate) 위에 10분 동안 올려놓고 뷰테인을 증발시켜 구리 분말을 건조시켰다. 건조된 구리 기판을 소결로에 넣은 후 소결로에 아르곤을 불어 넣으며 1000 ℃에서 10분 동안 소결시켰다. 상기 구리 기판 상의 코팅제를 소결하여 두께가 78 ㎛, 120 ㎛, 200 ㎛, 296 ㎛, 360 ㎛, 428 ㎛이 되도록 코팅층을 형성한 후, 노에서 자연 냉각시켰다. 소결로의 온도가 100 ℃ 이하로 내려가면 구리 기판을 꺼내어 5 % 아세트산에 5분 동안 초음파 처리한 다음 증류수로 헹구어 압축공기로 건조시켰다. The copper substrate was sanded with 600 grit of sand paper and sonicated for 15 minutes with isopropyl alcohol. The copper substrate was washed with distilled water and dried with compressed air. A coating agent prepared by mixing copper powder having an average particle size of 67 탆 in a weight ratio of 5: 1 with Butaine was uniformly coated on the planar copper substrate. The copper substrate coated with the coating agent was placed on a hot plate at 100 DEG C for 10 minutes and the butane was evaporated to dry the copper powder. The dried copper substrate was placed in a sintering furnace, and argon was blown into the sintering furnace and sintered at 1000 ° C. for 10 minutes. The coating agent on the copper substrate was sintered to form coating layers having thicknesses of 78 탆, 120 탆, 200 탆, 296 탆, 360 탆 and 428 탆, followed by natural cooling in a furnace. When the temperature of the sintering furnace dropped below 100 ° C, the copper substrate was taken out and ultrasonicated in 5% acetic acid for 5 minutes, rinsed with distilled water and dried with compressed air.
<실시 예2> ≪ Example 2 >
상기 실시 예1에서 구리 분말의 평균 입자 크기가 25 ㎛인 것을 제외하고, 상기 실시 예1과 동일한 조건에서 반응을 수행하였다. The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the average particle size of the copper powder in Example 1 was 25 탆.
<실시 예3> ≪ Example 3 >
상기 실시 예1에서 구리 분말의 평균 입자 크기가 10 ㎛인 것을 제외하고, 상기 실시 예1과 동일한 조건에서 반응을 수행하였다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the average particle size of the copper powder in Example 1 was 10 占 퐉.
<실시 예4> <Example 4>
평균 입자 크기 67 ㎛의 구리 분말을 뷰테인과 5:1의 중량비로 혼합한 코팅제를 구리 기판 상에 균일하게 도포하였다. 소결로에서 상기 구리 기판 상의 코팅제를 소결하여 두께가 296 ㎛인 코팅층을 형성한 후, 노에서 냉각시켰다. 소결 공정 후, 상기 구리 기판을 5 % 아세트산, 이어서 초음파 처리 욕조에서 아세톤으로 세척한 다음 증류수로 헹구어 구리 기판을 코팅하였다. 그 후, 수평 표면 상부로 열속을 가하였다. A coating agent prepared by mixing copper powder having an average particle size of 67 탆 in a weight ratio of 5: 1 with butaine was uniformly coated on a copper substrate. The coating agent on the copper substrate was sintered in a sintering furnace to form a coating layer having a thickness of 296 탆, followed by cooling in a furnace. After the sintering process, the copper substrate was washed with acetone in 5% acetic acid, then in an ultrasonic treatment bath, and then rinsed with distilled water to coat the copper substrate. Thereafter, heat was applied to the top of the horizontal surface.
<실시 예5> ≪ Example 5 >
상기 실시 예4에서 코팅층의 두께가 360 ㎛인 것을 제외하고, 상기 실시 예4와 동일한 조건에서 반응을 수행하였다.The reaction was carried out under the same conditions as in Example 4, except that the thickness of the coating layer was 360 탆 in Example 4.
<실시 예6> ≪ Example 6 >
상기 실시 예4에서 코팅층의 두께가 428 ㎛인 것을 제외하고, 상기 실시 예4와 동일한 조건에서 반응을 수행하였다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 4 except that the thickness of the coating layer was 428 탆 in Example 4.
<비교 예1> ≪ Comparative Example 1 &
코팅되지 않은 구리 기판을 준비하였다. An uncoated copper substrate was prepared.
<실험 예1> <Experimental Example 1>
실시 예 4에 의한 코팅으로 수 많은 요각 구멍 (reentrant-type cavity)이 형성된 것을 도 1, 2에 나타내었다. 구리 입자를 소결하는 방식으로 표면 코팅하기 때문에 구리 입자가 단단하게 고착됨을 알 수 있었다.The formation of a number of reentrant-type cavities by the coating according to Example 4 is shown in Figs. It was found that the copper particles were firmly adhered because the surface was coated by sintering the copper particles.
<실험 예2> <Experimental Example 2>
상기 실시 예 1 내지 3에 따라 코팅된 구리 기판의 임계열유속(CHF) 및 비등열전달 계수를 비교 예1과 비교하여 도 3, 4에 나타내었다. 임계열유속 및 비등열전달 계수가 최대로 증가되는 입자크기 및 두께는 각각 67 ㎛와 296 ㎛인 것을 알 수 있었다.The critical heat flux (CHF) and the boiling heat transfer coefficient of the coated copper substrate according to Examples 1 to 3 were compared with those of Comparative Example 1, and are shown in Figs. It was found that the particle size and thickness which maximized the critical heat flux and boiling heat transfer coefficient were 67 ㎛ and 296 ㎛, respectively.
<실험 예3><Experimental Example 3>
상기 실시 예4에 의해 코팅된 구리 기판의 수평 표면 상부로 열속이 주어질 때 비등열전달 곡선을 비교 예1과 비교하여 도 5에 나타내었다. 코팅을 한 경우가 임계열유속은 약 2배 정도 증가하고 비등열전달 계수도 3 ~ 8배 증가하는 것을 알 수 있었다.The boiling heat transfer curve when the heat flux is given above the horizontal surface of the copper substrate coated by Example 4 is compared with Comparative Example 1 and is shown in FIG. The critical heat flux increased by about 2 times and the boiling heat transfer coefficient increased by 3 ~ 8 times when the coating was applied.
<실험 예4> <Experimental Example 4>
상기 실시 예4에 의해 코팅된 구리 기판과 비교 예1에 의한 구리 기판에 열속이 가해지는 각도를 90°, 135°, 180° 로 변화시켜 열유속을 측정하여 도 6에 나타내었다. 표면에 코팅을 한 경우가 임계열유속과 비등열전달 계수 모두 현저히 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히 임계열유속은 수평 표면 하부(180°)로 열속이 가해지는 경우에도 1.4 MW/m2 정도가 되는 것을 알 수 있었다.The heat flux was measured by changing the angles at which the heat fluxes were applied to the copper substrate coated with Example 4 and the copper substrate according to Comparative Example 1 at 90, 135 and 180 degrees, respectively. It can be seen that both the critical heat flux and the boiling heat transfer coefficient increase remarkably when the surface is coated. Especially, the critical heat flux is about 1.4 MW / m 2 even when the heat flux is applied to the lower surface of the horizontal surface (180 °) I could.
<실험 예 5> <Experimental Example 5>
상기 실시 예4 및 비교 예1에 의한 방식을 실제 APR1400 원자로에 적용한 결과를 도 8에 나타내었다. 열속이 가해지는 각도(90°내지 180°)에 따른 임계열유속을 비교한 결과, 모든 측정 각도에서 소결층을 포함하는 원자로의 임계열유속이 높은 것으로 확인되었다.The results obtained by applying the system of Example 4 and Comparative Example 1 to actual APR1400 reactors are shown in FIG. As a result of comparing the critical heat flux according to the angle (90 ° to 180 °) at which the heat flux is applied, it is confirmed that the critical heat flux of the reactor including the sintered layer is high at all measurement angles.
상기 실험 예를 통하여, 구리 기판에 구리 입자를 소결 코팅한 경우, 소결 코팅하지 않은 경우에 비해 임계열유속과 비등열전달 계수가 현저히 증가하는 것을 알 수 있었다. 이를 원자로 용기에 적용할 경우, 노심이 용융되는 중대사고발생시 본 발명의 실시 예에 따라 원자로 외벽에 코팅된 구리 입자 소결층을 통해 노심 용융물을 신속하게 냉각시켜 원자로 용기의 용융파손을 방지하고 원전 안전성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.From the above experimental results, it can be seen that the critical heat flux and the boiling heat transfer coefficient are remarkably increased when the copper particles are sinter coated on the copper substrate, compared with the case without the sinter coating. According to the embodiment of the present invention, when the reactor core is applied to a reactor vessel, the reactor core is rapidly cooled through the sintered copper layer coated on the outer wall of the reactor to prevent the reactor vessel from being melted and broken, Can be improved.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다. The present invention is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, it should be understood that various changes, substitutions, alterations, and alterations can be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims, something to do.
1: 노심 용융물
2: 냉각수
10: 원자로 용기
11: 소결층
15: 원자로 공동
20: 차폐용기
30: 격납용기1: core melt
2: Cooling water
10: Reactor vessel
11: Sintered layer
15: Reactor joint
20: Shielding container
30: Containment vessel
Claims (9)
원자로 용기 외벽 표면에 상기 코팅제를 도포하는 단계(단계 2); 및
상기 코팅제를 소결하여 소결층을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하고,
상기 소결층은 요각 구멍(reentrant-type cavity)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 제조 방법.
Preparing a coating agent containing copper particles (step 1);
Applying the coating agent to the reactor vessel outer wall surface (step 2); And
And sintering the coating to form a sintered layer (step 3)
Wherein the sintered layer comprises a reentrant-type cavity.
상기 구리 입자는,
평균 직경이 10 내지 67 ㎛인 것을 특징으로 하는 원자로 용기 제조 방법.
The method according to claim 1,
The copper particles may be,
And an average diameter of 10 to 67 mu m.
상기 소결층은,
두께가 78 내지 428 ㎛인 것을 특징으로 하는 원자로 용기 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sintered layer comprises:
And a thickness of 78 to 428 占 퐉.
상기 소결층은,
다공도가 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 원자로 용기 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sintered layer comprises:
And a porosity of 0.6 to 0.7.
상기 구리 입자는,
상기 코팅제 중량 100%에 대하여 70 내지 90 중량%로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 용기 제조 방법.
The method according to claim 1,
The copper particles may be,
Wherein the coating agent is contained in an amount of 70 to 90% by weight based on 100% by weight of the coating agent.
상기 소결층은 요각 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 용기.
And a copper particle sintered layer on the outer wall surface,
Wherein the sintered layer comprises a yaw angle hole.
상기 구리 입자는,
평균 직경이 10 내지 67 ㎛인 것을 특징으로 하는 원자로 용기.
The method according to claim 6,
The copper particles may be,
And an average diameter of 10 to 67 mu m.
상기 소결층은,
두께가 78 내지 428 ㎛인 것을 특징으로 하는 원자로 용기.
The method according to claim 6,
Wherein the sintered layer comprises:
And a thickness of 78 to 428 占 퐉.
상기 소결층은,
다공도가 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 원자로 용기.
The method according to claim 6,
Wherein the sintered layer comprises:
And a porosity of 0.6 to 0.7.
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|---|---|---|---|
| KR1020170068275A KR102023032B1 (en) | 2017-06-01 | 2017-06-01 | Method for manufacturing reactor vessel with sintered copper microporous coating and reactor vessel manufactured by the same |
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