KR20190018050A - 원자력 시설의 회전 기기 - Google Patents

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히로유키 사토
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Abstract

케이싱(11); 및 케이싱(11)의 내부를 통과하는 방사성 핵종을 내포하는 1차 냉각 헬륨과 접촉하는 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)를 구비한 회전 기구를 구비하며, 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에는, 다결정 합금의 결정 입경을 조대화하여 실효 확산 계수를 작게 하여 이루어지는 단결정재를 포함하는 조대 결정 입경재를 채용했다. 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체와 접촉하는 회전 날개나 날개축을 구성하는 재료의 심부에 방사성 핵종이 확산 침투하는 것을 방지할 수 있어, 그 결과 유지 보수 비용의 저감을 실현하는 것이 가능하다.

Description

원자력 시설의 회전 기기 {ROTARY DEVICE FOR NUCLEAR POWER FACILITY}
본 발명은 원자력 시설에서의 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체의 순환로 내에 배치되는 원자력 시설의 회전 기기에 관한 것이다.
종래, 상기 원자력 시설로서는 예를 들어 특허 문헌 1에 기재된 원자력 플랜트가 있다.
이 원자력 플랜트는 고온 가스로와 열교환기 사이에서 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체로서의 1차 냉각 헬륨을 순환시키는 1차 냉각 회로, 및 열교환기와 발전 설비 사이에서 발전 작동 유체로서의 2차 냉각 헬륨을 순환시키는 2차 냉각 회로를 구비하고 있다.
이 원자력 플랜트에서는, 1차 냉각 회로를 순환하는 1차 냉각 헬륨에 의해 고온 가스로에서 생기는 열을 열교환기로 운반하고, 이 열교환기에서 2차 냉각 회로를 순환하는 2차 냉각 헬륨으로 1차 냉각 헬륨의 열을 이동시키고, 이 2차 냉각 헬륨으로 이동한 열을 발전 설비로 보내 발전에 제공하도록 되어 있다.
이러한 원자력 플랜트에 있어서, 통상적으로 1차 냉각 회로에 서큘레이터(회전 기기)를 배치하고, 1차 냉각 헬륨을 가속하여 순환시키도록 되어 있다.
일본 특개평 10-319169호공보
상기 원자력 플랜트의 서큘레이터에 있어서, 방사성 핵종을 내포하는 1차 냉각 헬륨과 접촉하는 회전 날개나 날개축에는 다결정 합금(통상 결정 입경재(粒徑材))이 이용되고 있기 때문에, 고온 가스로와 열교환기 사이에서 1차 냉각 헬륨을 순환시키기 위해 운전을 거듭하는 중에 1차 냉각 헬륨에 내포되는 방사성 핵종, 예를 들어 은(銀)이 회전 날개나 날개축을 구성하는 다결정 합금의 심부(深部)로 확산 침투한다.
즉, 종래의 원자력 플랜트에서의 서큘레이터에서는 다결정 합금의 심부에 확산 침투한 은으로부터의 감마선 등에 의한 작업자 피폭을 막기 위해 보수 점검 시 작업 시간의 제한을 두거나 원격 장치를 사용해야 하며, 그 결과 유지 보수 비용이 비싸지는 문제가 있으며, 이러한 문제를 해결하는 것이 종래의 과제가 되고 있었다.
본 발명은 상기 종래 과제에 주목하여 이루어진 것으로, 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체와 접촉하는 회전 날개나 날개축을 구성하는 재료의 심부에 방사성 핵종이 확산 침투하는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과, 유지 보수 비용의 저감을 실현하는 것이 가능한 원자력 시설의 회전 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
여기서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 재료에 대한 방사성 핵종의 확산이란, 열에 의해 재료의 원자와 방사성 핵종의 원자, 예를 들어 은(Ag)의 원자가 자리를 바꾸는 현상이며, 재료의 표면(S)으로부터 결정립(結晶粒)(C)의 경계선인 결정립계(結晶粒界)(Ca)로의 확산 속도는 결정립(C)의 중앙에 비해 빠르다는 것이 알려져 있다.
본 발명자들은 이러한 현상을 근거로 결정립의 입경(粒徑)을 크게 하거나 단결정화하여 단위 부피 중의 결정립(결정립계)의 수를 줄임으로써, 즉 확산 속도가 큰 입계의 면적을 감소시킴으로써, 확산에 의해 증가하는 단위 부피당 Ag 함유량을 줄일 수 있다는 것을 발견했다.
또한, 본 발명자들은 격자 확산 계수에도 주목하여, 이 격자 확산 계수가 Ni보다 작은 원소를 통상의 Ni기 합금에 대량으로 첨가(도핑)하여 격자 확산 계수를 작게 함(합금 조성을 바꿈)으로서도 확산량을 줄일 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 하기에 이르렀다.
이 때, 입계 확산 계수 및 격자 확산 계수의 양자를 포함하는 확산 계수로서 「실효 확산 계수」라는 문구를 이용하기로 했다.
본 발명은 원자력 시설에서의 내부에서 핵연료가 핵분열되는 고온 가스로와 열교환기 사이에서 방사성 핵종을 내포하는 일차 냉각 헬륨이 순환하는 순환로에 배치되는 원자력 시설의 회전 기기이며, 케이싱; 및 상기 케이싱 내에서 상기 케이싱의 내부를 통과하는 상기 방사성 핵종을 내포하는 상기 일차 냉각 헬륨과 접촉하는 회전 날개 및 날개축을 구비한 회전 기구;를 구비하며, 상기 케이싱 및 상기 회전기구 중 적어도 상기 회전 기구의 상기 회전 날개 및 날개축은 단결정재로 이루어지는 구성으로 하고 있다.
본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기에 있어서, 예를 들어 원자로 내에서 생긴 핵분열 생성물이나 노심(爐心) 구조 재료가 부식하여 생긴 방사성 부식 생성물 등의 방사성 핵종이 냉각 유체에 내포되어 케이싱 내부로 도입되어, 회전 기구의 회전 날개 및 날개축에 접촉 및 부착하더라도, 케이싱 및 회전 기구 중 적어도 회전 기구의 회전 날개 및 날개축이 다결정 합금(통상 결정 입경재)보다 실효 확산 계수를 작게 한 저실효 확산 계수 합금으로 이루어져 있으므로, 방사성 핵종이 회전 기구의 회전 날개 및 날개축의 심부까지 확산 침투하는 일이 적도록 억제할 수 있게 된다.
아울러, 케이싱 및 회전 기구 중 적어도 회전 기구의 회전 날개 및 날개축이 방사성 핵종에 거의 오염되지 않기 때문에, 시설 해체 시의 방사성 폐기물의 양을 저감시킬 수 있게 된다.
본 발명에서는 적어도 회전 날개나 날개축을 구성하는 재료의 심부에 방사성 핵종이 확산 침투하는 것을 방지할 수 있으므로, 유지 보수 비용의 저감을 실현하는 것이 가능하다는 매우 뛰어난 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 시설의 회전 기기가 구비된 원자력 플랜트의 냉각 회로를 나타내는 개략적인 구성 설명도이다.
도 2는 도 1의 회전 기기의 회전 기구 부위를 단면으로 하여 나타내는 측면 설명도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 원자력 시설의 회전 기기의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 원자력 시설의 회전 기기의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 다결정 합금의 표면 부근에서의 결정립 및 결정립계를 모형적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 도면을 바탕으로 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기의 일 실시예를 나타내며, 이 실시예에서는 본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기를 원자력 플랜트의 서큘레이터로 채용한 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 이 원자력 플랜트는 고온 가스로(1)와 열교환기(3) 사이에서 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체로서의 1차 냉각 헬륨을 순환시키는 1차 냉각 회로(순환로)(2) 및 열교환기(3)와 발전 설비(미도시) 사이에서 발전 작동 유체로서의 2차 냉각 헬륨을 순환시키는 2차 냉각 회로(4)를 구비하고 있다.
이 원자력 플랜트에서는 1차 냉각 회로(2)를 순환하는 1차 냉각 헬륨에 의해 고온 가스로(1) 내의 핵연료에서의 핵분열로 발생한 고온(약 950℃)의 열을 열교환기(3)로 운반하고, 이 열교환기(3)에서, 2차 냉각 회로(4)를 순환하는 2차 냉각 헬륨으로 1차 냉각 헬륨이 보유하는 열을 이동시키고, 이 2차 냉각 헬륨으로 이동한 열을 발전 설비로 보내 발전에 제공하도록 되어 있다.
이러한 원자력 플랜트에서 이용되는 서큘레이터(회전 기기)(10)는 고온 가스로(1) 및 열교환기(3) 사이의 1차 냉각 회로(2)에서, 2차 냉각 헬륨으로 열을 이동시킨 후의 1차 냉각 헬륨을 가속하여 고온 가스로(1)로 되돌리는 것으로서, 이 서큘레이터(10)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 도입구(11a) 및 배출구(11b)를 구비한 케이싱(11), 케이싱(11) 내에 수용된 임펠러(회전 날개)(12), 및 모터(13)를 구비하고 있다.
임펠러(12)는 모터(13)의 출력 샤프트(13a)(날개축)에 고정되어 이 출력 샤프트(13a)와 함께 회전 기구를 구성하며, 이 임펠러(12)는 모터(13)의 출력에 의해 회전하여, 케이싱(11)의 도입구(11a)로부터 내부로 도입되는 열교환기(3)로부터의 1차 냉각 헬륨을 가속하여 배출구(11b)로부터 고온 가스로(1)를 향해 배출하도록 되어 있다.
이 경우, 서큘레이터(10)의 케이싱(11) 및 회전 기구 중 적어도 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)는 다결정 합금(통상 결정 입경재)보다 실효 확산 계수를 낮춘 저실효 확산 계수 합금, 즉 용융 금속을 응고시킬 때의 냉각 속도를 늦추거나, 혹은 열처리를 실시함으로써 결정 입경을 조대화(粗大化)하여 실효 확산 계수를 작게 한 조대 결정 입경재(粗大結晶粒徑材)로 이루어진다.
이 때, 서큘레이터(10)의 케이싱(11) 및 회전 기구 중 적어도 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에, 용융 금속을 일 방향으로부터 응고시킴으로써 단결정화하여 실효 확산 계수를 작게 한 단결정재(單結晶材)를 이용할 수 있다.
이 실시예에 따른 서큘레이터(10)에서는, 고온 가스로(1) 내에서 생긴 핵분열 생성물이나 노심 구조 재료가 부식하여 생긴 방사성 부식 생성물 등의 방사성 핵종이 1차 냉각 헬륨에 내포되어 케이싱(11)의 내부로 도입되어, 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에 접촉 및 부착하더라도, 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)가 다결정 합금(통상 결정 입경재)보다 실효 확산 계수를 작게 한 조대 결정 입경재나 단결정재로 이루어져 있으므로, 방사성 핵종이 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)의 심부까지 확산 침투하는 일이 적도록 억제할 수 있게 된다.
그 결과, 유지 보수 비용의 저감을 도모할 수 있게 되며, 아울러 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)가 방사성 핵종에 거의 오염되지 않기 때문에, 시설 해체 시의 방사성 폐기물의 양을 저감시킬 수 있게 된다.
이에, 서큘레이터(10)의 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에 다결정 합금(통상 결정 입경재)을 이용한 경우의 방사성 핵종 함유량과 상기 조대 결정 입경재를 이용한 경우의 방사성 핵종 함유량을 비교한 결과, 도 3의 그래프에 나타내는 바와 같이, 다결정 합금(통상 결정 입경재)을 이용한 경우에는 방사성 핵종이 표면으로부터 깊숙하게 확산 침투하는데 반해, 조대 결정 입경재를 이용한 경우에는 방사성 핵종이 심부까지 확산 침투하지 않는다는 것을 알 수 있다.
특히, 실효 확산 계수를 다결정 합금(통상 결정 입경재)의 1/100으로 저감시킨 단결정재를 이용한 경우에는 심부의 방사성 핵종 함유량이 1/10으로 저감되어 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 이 실시예에 따른 서큘레이터(10)에서는 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)의 심부에 방사성 핵종이 확산 침투하는 것을 방지할 수 있다는 것을 실증할 수 있었다.
상기 실시예에서는 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)가 다결정 합금(통상 결정 입경재)보다 실효 확산 계수를 작게 한 조대 결정 입경재나 단결정재로 이루어지는 경우를 나타냈으나, 다른 실시예로서, 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에 Ni보다 격자 확산 계수가 작은 원소를 Ni에 첨가하여 이루어지는 격자 확산 계수 저감재를 이용할 수 있는 것 외에, 또 다른 실시예로서, 실효 확산 계수를 작게 하여 이루어지는 단결정재를 포함하는 조대 결정 입경재와 Ni보다 격자 확산 계수가 작은 원소를 Ni에 첨가하여 이루어지는 격자 확산 계수 저감재를 조합한 것을 이용할 수 있다.
이에, 서큘레이터(10)의 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에 다결정 합금(통상 결정 입경재)을 이용한 경우의 방사성 핵종 함유량과 상기 다른 실시예에 따른 격자 확산 계수 저감재를 이용한 경우의 방사성 핵종 함유량을 비교한 결과, 도 4의 그래프에 나타내는 바와 같이, 다결정 합금(통상 결정 입경재)을 이용한 경우에는 방사성 핵종이 표면으로부터 깊숙하게 확산 침투하고 있는 반면, 격자 확산 계수 저감재를 이용한 경우에는 방사성 핵종이 심부까지 확산 침투하고 있지 않는 것을 알 수 있다.
따라서, 이 실시예에 따른 서큘레이터(10)도 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)의 심부에 방사성 핵종이 확산 침투하는 것을 방지할 수 있다는 것을 실증할 수 있었다.
상기 실시예에서는 본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기를 원자력 플랜트의 서큘레이터로 채용한 경우를 예로 들어 설명했으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 핵연료 재처리 시설이나 연료 가공 시설에서의 원심식 서큘레이터(펌프)나 축류식 서큘레이터(펌프), 증기 터빈, 가스 터빈, 가스 압축기로 채용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 회전 기구의 임펠러(12) 및 출력 샤프트(13a)에만 다결정 합금보다 실효 확산 계수를 작게 한 저실효 확산 계수 합금을 채용한 구성으로 하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 구성으로서, 케이싱(11)에도 다결정 합금보다 실효 확산 계수를 작게 한 저실효 확산 계수 합금을 이용할 수도 있다.
본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기의 구성은 상기 실시예의 구성으로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 회전 기구의 회전 날개가 블레이드일 수도 있는 것 외에, 회전 기구에 터빈 디스크나 베어링이나 실링 부재가 포함될 수도 있다.
본 발명의 제1 형태는, 원자력 시설에서의 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체의 순환로 내에 배치되는 원자력 시설의 회전 기기로서, 케이싱; 및 상기 케이싱 내에서 상기 케이싱의 내부를 통과하는 상기 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체와 접촉하는 회전 날개 및 날개축을 구비한 회전 기구;를 구비하며, 상기 케이싱 및 상기 회전 기구 중 적어도 상기 회전 기구의 상기 회전 날개 및 상기 날개축은 다결정 합금(통상 결정 입경재)보다 실효 확산 계수를 작게 한 저실효 확산 계수 합금으로 이루어지는 구성으로 하고 있다.
본 발명의 제2 형태에 있어서, 상기 저실효 확산 계수 합금은 상기 다결정 합금의 결정 입경을 조대화하여 실효 확산 계수를 작게 하여 이루어지는 단결정재를 포함하는 조대 결정 입경재인 구성으로 하고 있다.
본 발명의 제3 형태에 있어서, 상기 저실효 확산 계수 합금은 Ni보다 격자 확산 계수가 작은 원소를 Ni에 첨가하여 이루어지는 격자 확산 계수 저감재인 구성으로 하고 있다.
본 발명의 제4 형태에 있어서, 상기 저실효 확산 계수 합금은 상기 다결정 합금의 결정 입경을 조대화하여 실효 확산 계수를 작게 하여 이루어지는 단결정재를 포함하는 조대 결정 입경재와 Ni보다 격자 확산 계수가 작은 원소를 Ni에 첨가하여 이루어지는 격자 확산 계수 저감재를 조합한 것인 구성으로 하고 있다.
본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기에 있어서, 원자력 시설에는 원자로를 구비한 원자력 플랜트 외에, 핵연료 재처리 시설이나 연료 가공 시설이 포함된다.
또한, 본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기에 있어서, 회전 기기에는 원심식 서큘레이터(펌프)나 축류식 서큘레이터(펌프) 외에, 증기 터빈, 가스 터빈, 가스 압축기가 포함된다.
또한, 본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기에 있어서, 방사성 핵종을 내포하는 냉각 유체에는 헬륨이나 물이나 나트륨을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 원자력 시설의 회전 기기에 있어서, 예를 들어 원자로 내에서 생긴 핵분열 생성물이나 노심 구조 재료가 부식하여 생긴 방사성 부식 생성물 등의 방사성 핵종이 냉각 유체에 내포되어 케이싱 내부로 도입되어, 회전 기구의 회전 날개 및 날개축에 접촉 및 부착하더라도, 케이싱 및 회전 기구 중 적어도 회전 기구의 회전 날개 및 날개축이 다결정 합금(통상 결정 입경재)보다 실효 확산 계수를 작게 한 저실효 확산 계수 합금으로 이루어져 있으므로, 방사성 핵종이 회전 기구의 회전 날개 및 날개축의 심부까지 확산 침투하는 일이 적도록 억제할 수 있게 된다.
아울러, 케이싱 및 회전 기구 중 적어도 회전 기구의 회전 날개 및 날개축이 방사성 핵종에 거의 오염되지 않기 때문에, 시설 해체 시의 방사성 폐기물의 양을 저감시킬 수 있게 된다.
1: 고온 가스로
2: 1차 냉각 회로(순환로)
10: 서큘레이터(회전 기기)
11: 케이싱
12: 임펠러(회전 날개)
13: 모터
13a: 출력 샤프트(날개축)

Claims (1)

  1. 원자력 시설에서의 내부에서 핵연료가 핵분열되는 고온 가스로와 열교환기 사이에서 방사성 핵종을 내포하는 일차 냉각 헬륨이 순환하는 순환로에 배치되는 원자력 시설의 회전 기기이며,
    케이싱; 및
    상기 케이싱 내에서 상기 케이싱의 내부를 통과하는 상기 방사성 핵종을 내포하는 상기 일차 냉각 헬륨과 접촉하는 회전 날개 및 날개축을 구비한 회전 기구;를 구비하며,
    상기 케이싱 및 상기 회전기구 중 적어도 상기 회전 기구의 상기 회전 날개 및 날개축은 단결정재로 이루어지는 원자력 시설의 회전 기기.
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