KR20190126931A

KR20190126931A - 혼합 급수 스퍼저 노즐들 및 원자로들에서 이를 사용하는 방법

Info

Publication number: KR20190126931A
Application number: KR1020197031834A
Authority: KR
Inventors: 에릭 피. 로에웬; 제임스 피. 시네스; 딘 디. 모리나로; 윌리엄 씨. 던; 로빈 디. 스프라그; 테론 디. 마샬; 조엘 피. 메리토
Original assignee: 지이-히타치 뉴클리어 에너지 어메리카스 엘엘씨
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-11-12
Also published as: PL3602573T3; JP2020512556A; CA3057986A1; KR102540974B1; US20200251232A1; FI3602573T3; EP3602573A2; WO2018182965A3; EP3602573B1; WO2018182965A2; US10566097B2; EP3602573A4; US12062459B2; US20180277265A1

Abstract

노즐들은 서로 다른 소스들로부터의 냉각수를 입구에서 서로 혼합함으로써 냉각수 아웃풋에서 차이가 발생하는 것을 방지한다. 서로 다른 소스들로부터의 유동들이 덮개에 덥히거나 혹은 다른 소스들로부터의 유동들 주변에 동심원으로 배열된 복수-경로 구성을 포함하는 서로 다른 유동 경로 구성들이 상기 노즐 내에서 사용될 수 있다. 선회 베인들이 상기 노즐 내에 설치되어 유체 유동을 혼합하거나 여과할 수 있다. 확산기들이 사용되어 유동을 수동적으로 빨아들이거나 가속하고, 제트 펌프와 같이 이들을 혼합할 수 있다. 노즐들은 보다 밀도가 높은 잔해와 유체 사이의 모멘텀 사치에 기초하여 상기 잔해를 포획하는 트랩 필터들과 같은 여과 시스템과 결합될 수 있다. 필터들은 자성, 접착 혹은 다공성 물질들을 사용하여 유동 경로를 블로킹하지 않으면서 잔해를 포획할 수 있다. 필터들은, 예를 들어, 막히는 경우 분리될 수 있으며, 이에 따라 상기 시스템 주변의 냉각수가 흐를 수 있다. 노즐들은 급수 스퍼저 어셈블리들에 다양한 방식으로 설치되어 냉각수를 복수의 노즐들에 분해할 수 있다.

Description

혼합 급수 스퍼저 노즐들 및 원자로들에서 이를 사용하는 방법

도 1은 예를 들어, ESBWR 압력 용기와 같은 관련된 원자로 압력 용기(10)의 단면도이다. 용기(10)는 노심 보호벽(14) 내에서 하나 혹은 그 이상의 핵연료 집합체들(1)을 측면으로 지지하는 노심판(18)을 포함한다. 노심 보호벽(14)은 강수관 고리(downcomer annulus)(4) 내에서 아래로 흐르는 하향류로부터 노심 및 핵연료 집합체들(1)을 통해 위로 흐르는 냉각수의 상향류를 분리한다. 노심판(18)은 노심 보호벽(14)을 지지하며, 지지 링 및 다리들(2)에 의해 지지될 수 있다. 상단 가이드(12)는 노심 보호벽(14)의 상단에 위치하며 노심 보호벽(14)에 볼트로 고정될 수 있다. 상단 가이드(12)는 핵연료 집합체들(1)에 대한 측면 지지를 제공하며 그 상단에 위치하는 격자 구조물일 수 있다. 상단 가이드(12)의 각 개구들은 4개의 핵연료 집합체들(1)에 대한 측면 지지 및 가이드를 제공할 수 있다(혹은 노심의 에지에 형성된 주변 개구들이라면, 2개 혹은 3개의 핵연료 집합체들(1)에 대한 측면지지 및 가이드를 제공). 하나 혹은 그 이상의 계측 튜브들(instrumentation tubes)(50) 및 제어 막대 드라이브들은 노심 내 상태를 제어하고 모니터하기 위해서 용기(10)의 바닥을 관통하여 연장될 수 있다.

액체 냉각수가 집합체들(1) 사이에서 끓으면서, 가열된 증기와 물의 혼합물이 상단 가이드(12)를 통해 위로 흐른다. 굴뚝(20)은 핵연료 집합체들(1)로부터 방출되는 활발한 증기/물 혼합물을 수용하며, 상기 증기/물 혼합물은 굴뚝(20) 내의 파티션들(21)을 통과하여 흐르는데, 이 파티션들(21)은 원자로(10)를 통해 위로 이동하는 이 가열된 냉각수 내에서 직교류를 제한하고 재순환 소용돌이를 위한 퍼텐셜을 최소화한다. 굴뚝(20)은 굴뚝 안전장치(23)에 의해 측면 방향으로 지지되는 굴뚝 헤드(22)를 통해서 반대 편 말단에 있는 증기 분리기(40)를 지지한다. 굴뚝(20)으로부터 방출된 후, 상기 증기/물 혼합물은 증기 분리기(40) 내부로 향하며, 증기 분리기들(40)을 통해 상승하는 상기 증기-물 혼합물로부터 액체 물이 분리된다. 증기 분리기들(40)로부터 증기는 증기 건조기들(41)을 향해 위로 흐르며, 여기에서 추가적으로 습기가 제거된다. 상기 분리되고 제거된 액체는 굴뚝(20)의 외벽과 용기(10)의 내벽 사이의 강수관 고리(4) 내부로 향한다. 증기 건조기들(41)로부터 방출된 상기 건조된 증기는 이후 전력 생산을 위한 주류(main stream) 라인들(3) 내부로 향한다.

신규 구조 급수는 강수관 고리(4) 내로 흐르면서 주류 급수 라인(11)으로부터 수득된다. 상기 급수는 일반적으로 가열되어 있으나, 여전히 강수관 고리(4) 내의 건조기들(41) 및 증기 분리기들(40)로부터 전송된 액체 물에 비해 차갑다. 예를 들어, 라인(11)으로부터 들어오는 급수는, 원자로를 통한 재순환을 위해 건조기들(41) 및 증기 분리기들(40)로부터 강수관 고리(4) 내부로 흐를 때, 끓는 온도 부근에서 작동하는 물의 온도보다 화씨 100도 혹은 그 이상 더 차가울 수 있다. 라인(11)으로부터 급수를 균등하게 분배하기 위해서, 고리(4) 내에 분배 시스템이 사용되어 새 급수 유동(flow)을 균등하게 분배할 수 있다. 도 2a 및 2b는 새 급수 유동을 분배하기 위해 사용될 수 있는 관련된 급수 스퍼저 어셈블리들(24)의 평면도 및 정면도이다. 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 스퍼저 어셈블리(24)는 주류 급수 라인(11)에 연결되어 고리형 공간을 가로질러 물을 분배한다.

예시적인 실시예들은 원자로 냉각수와 같은 유체들을 혼합하는 데 사용될 수 있는 노즐들을 제공하는 것을 목적으로 한다.

예시적인 실시예에 따른 노즐들은 확산기 혹은 잘 혼합된 아웃풋을 위한 노즐 출구 내에서 함께 흐르는 서로 다른 유체 소스들로부터의 복수의 유동 경로들을 포함한다. 상기 서로 다른 유체 소스들은 분리되어 위치할 수 있으며, 예를 들어 상기 노즐에서 먼 급수 소스 및 상기 노즐이 담가진 강수관 고리 소스와 같이, 서로 다른 특징들의 유체들을 공급할 수 있다. 제1 소스로부터 유체를 동심원적으로 끌어당기는 내측 경로 및 외측 경로, 및 제2 소스로부터 유체를 끌어당기는 상단 경로 및 고리형 경로를 갖는 4-경로 구성을 포함한 몇몇 유동 경로 구성들이 사용될 수 있다. 선회 베인들은 상기 유동 경로들 중에서 하나 혹은 그 이상 및/또는 상기 확산 부분 내에서 예시적인 실시예에 따른 노즐들의 전체 길이에 존재하여 상기 유체 유동에 혼합 및 여과를 제공할 수 있다. 하나 혹은 그 이상의 확산기들은 상기 복수의 유체 소스들로부터의 유동을 빨아들이거나 가속하고 이를 혼합할 수 있는 형상을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 노즐들은 부품들 사이의 물질 방해 없이 하나의 집적된 디자인의 유동 경로들을 가질 수 있으며, 개별 부품들, 채널들 및 유동 경로들이 서로서로 적층되면서 부가적으로 제조되는 방법의 제품들일 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 노즐들은 선택적으로 분리될 수 있고 또한 만약 기능이 수행할 수 없거나 막히는 것을 피할 수 있는 여과 시스템들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 우회로 필터 시스템은 유체 유동을 방해하지 않으면서 보다 밀도가 높은 잔해와 유체 사이의 모멘텀 차이에 기초하여 잔해를 포획하는 트랩 필터들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 필터들은 확산기의 둘레 상에 형성된 자성, 접착 혹은 다공성 물질들을 포함할 수 있으며, 상기 확산기는 상기 물질들을 향해 바깥으로 원심력을 받는 잔해를 포획할 수 있다. 또한 상기 필터들은 유동 경로들에서 급격한 회전 혹은 방향 전환이 있는 곳에 설치되어 이러한 회전을 할 수 없는 잔해를 포획하는 잔해 트랩들을 갖는 모멘텀 필터들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 필터들은 상기 확산기와 결합될 수 있으며, 예를 들어 막힘과 관련된 문턱 압력에서와 같이 선택적으로 분리되는 경우, 상기 우회로 필터 시스템 근방의 새로운 유동 경로가 생성될 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 노즐들은 급수를 복수의 노즐들로 분배하는 급수 매니폴드(manifold) 혹은 스퍼저 어셈블리와 결합되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 입구 급수는 다양한 노즐 유동 도관들을 위한 제1 소스로 사용될 수 있으며, 증기 분리기 및/또는 건조기로부터 강수관 고리로 흐르는 물은 제2 소스로 사용될 수 있다. 노즐들은 상기 매니폴드 내에서 급수 유입으로부터 거리와 함께 유동 영역 혹은 공격 각도의 측면에서 다양할 수 있으며, 이에 따라 상기 스퍼저 어셈블리로부터의 유동을 균등하게 배분할 수 있다.

예시적인 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 자세히 설명함으로써 보다 명확해질 것이며, 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 부호를 부여하지만, 이는 단순히 설명을 위한 것이지 이들이 묘사하는 용어들을 한정하지는 않는다.
도 1은 관련 원자력 용기 및 내부 구조물을 도시한다.
도 2a는 급수 스퍼저 어셈블리의 개략적인 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 급수 스퍼저 어셈블리의 개략적인 정면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐의 개략적인 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 3의 스퍼저 노즐의 개략적인 상단 단면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐의 외측에 대한 사시도이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐의 사시도도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐의 개략적인 단면도이다.
도 8a는 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐 필터의 일 영역에 대한 사시도이다.
도 8b는 예시적인 실시예에 따른 도 8의 스퍼저 노즐 필터의 개략적인 단면도이다.

이것은 특허 문서이므로, 이를 읽거나 이해할 때, 일반적으로 광범위한 해석의 원칙이 적용되어야 한다. 이 문서에 기재되고 도시된 모든 것들ㄹ은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 주제(subject matter)의 예시이다. 여기에 기재된 어떠한 특정 구조나 기능적 세부 사항들은 단순히 예시적인 실시예들이나 방법들을 제조하거나 사용하는 방법을 기재하기 위한 목적일 뿐이다. 여기에 구체적으로 기재되지 않은 몇몇 다른 실시예들은 청구항 범위 내에 속하며, 이에 따라 청구항들은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있고 여기에 개시된 실시예들에만 한정되도록 해석해서는 안 된다.

제1, 제2 등의 용어들이 다양한 구성 요소들을 기재하는 데 여기에서 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 이 용어들에 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 것과 구별하기 위해서만 사용된 것이다. 예를 들어, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 지칭할 수도 있으며, 이와 유사하게, 예시적인 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제2 구성 요소 역시 제1 구성 요소로 지칭될 수도 있다. 여기에 사용된 "및/또는"의 용어는 관련된 아이템들의 하나 혹은 그 이상의 어떠한 조합도 포함한다.

하나의 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합", "짝지어짐", "부착" 혹은 "고정"된다고 기재하는 경우, 이는 그 다른 구성 요소에 직접 연결 혹은 결합되거나 혹은 매개 구성 요소가 존재할 수도 있다. 이와는 반대로, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결" 혹은 "직접 결합"되는 것으로 기재된 경우에는, 어떠한 매개 요소들도 존재하지 않는다. 구성 요소들 사이의 관계를 기재하기 위해 사용하는 다른 단어들(예를 들어, "사이"와 "직접 사이", "인접"과 "직접 인접", 등)도 이와 같이 해석되어야 한다. 유사하게, "통신가능하게 연결"과 같은 용어는 중간의 장치들, 네트워크들 등을 포함하여 무선으로 연결되든지 혹은 아니든지, 두 개의 장치들 사이에 정보 교환의 모든 다양한 변형들을 포함한다.

여기에 사용된 바와 같이, "하나" 혹은 "상기"와 같은 단수 형태는, 예를 들어, "오직", "단수의" 및/또는 "한 개"와 같이 언어적으로 명백하게 단수만을 포함하는 경우가 아닌 한, 단수형뿐만 아니라 복수형도 포함한다. 또한 "포함한다"의 용어는 여기에 사용될 때, 언급된 특징들, 단계들, 작용들, 구성 요소들, 아이디어들 및/또는 부품들의 존재를 명시하는 것이지만, 하나 혹은 그 이상의 특징들, 단계들, 작용들, 구성 요소들, 아이디어들 및/또는 그룹들이 존재하거나 이들을 추가하는 것을 배제하지는 않는다.

이하에서 논의될 구조들 및 동작들은 도면에서 기술되거나 지적된 순서와 다를 수도 있다. 예를 들어, 두 개가 동작들 및/또는 도면들이 연속적으로 도시된 경우라도, 관련된 기능/작용들에 따라, 실제로는 동시에 혹은 때때로는 그 반대 순서로 실행될 수도 있다. 유사하게, 이하에 기재될 예시적인 방법들 내에서 개별적인 동작들은 반복적으로, 개별적으로 혹은 연달아 실행될 수 있으며, 이에 따라 이하에서 기대될 하나의 동작들 이외에, 순환 혹은 다른 일련의 동작들을 제공할 수도 있다. 이하에서 기재될 특징들 및 기능을 갖는 어떠한 실시예도 실행 가능한 어떠한 조합 내에서 예시적인 실시예들의 범위 내에 속할 수 있다.

발명자들은 원자로 내의 급수 및 증기 분리기/건조기 물의 서로 다른 유동들(flows)이 원자로 심을 통과하도록 흐르기 전에 잘 혼합되지 않을 수 있음을 알게 되었다. 이러한 부적절한 혼합은 서로 다른 온도 및/또는 화학 성질들을 갖는 물의 구별되는 유동들을 낳는 결과가 된다. 노심 보호벽이나 굴뚝 벽에 의해 형성되는 강수관 벽들과 같은 원자로 부품들은 서로 다른 냉각수 유동들에 노출되며, 이들은 서로 다른 위치들에서 지속적으로 냉각되고 가열되는 것으로부터 열적 스트레스 및 피로와 같은 것에 의해 순환 및 감손을 겪을 수 있다. 게다가, 만약 서로 다른 속성의 냉각수/감속제가 원자로 심을 통과하면, 원자로 중성자들이 서로 다른 묶음으로 크게 다양화될 것이고, 이는 노심의 불안정 및 비효율을 낳게 된다. 이에 따라, 발명자들은 원자로에서 내내 바람직하게는, 새 급수가 공급되자마자, 냉각수 내의 적절한 혼합 및 속성 일치의 필요성을 알게 되었다.

발명자들은 원자로 물의 여과가 단순히 잔해-핵연료(debris-fuel) 상호작용들에 따른 프레팅(fretting)이 발생하는 원자로 노심 내에서 뿐만 아니라, 원자로 내 모든 위치들에서 필요함을 알게 되었다. 하지만 필터들은 급수의 유동을 방해하거나, 혹은 이들이 물로부터 잔해를 함유하면서 상당한 압력 강하를 일으켜서는 안 된다. 이에 따라, 발명자들은 전체적인 노심 냉각수 유동에 충격을 주지 않는 방식의 추가적인 원자로 냉각수 여과의 필요성을 알게 되었다. 이하에 기재되는 예시적인 실시예들은 발명자들이 알게 된 이러한 문제 및 다른 문제들을 예시적인 실시예들에 의해 가능하게 된 독특한 방식으로 해결한다.

본 발명은 혼합 노즐들, 혼합 노즐들을 사용한 급수 스퍼저(sparger) 어셈블리들, 및 이들을 모두 사용하는 방법들에 관한 것이다. 본 발명에 대하여, 아래에서 논의되는 적은 수의 예시적인 실시예들 및 예시적인 방법들은 본 발명으로서 및/또는 이것과 연계되어 사용될 수 있는 서로 다른 구성들의 부분 집합을 단순히 예시한다.

도 2a는 고리(4)(도 1)와 같은 원자로의 강수관 고리 상부의 혹은 내부의 급수 라인(11)으로부터 분배된 급수에 대한 출구로서 복수의 예시적인 실시예들에 따른 스퍼저 노즐들(100)을 사용하는 관련된 급수 스퍼저 어셈블리(24)를 도시한다. 도 2b는 관련된 어셈블리(24)의 정면도 혹은 횡단면도이다. 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 어셈블리(24)는 급수 라인에서 고리형 공간 내에 적합한 아치 형상 혹은 반원 형상일 수 있다. 복수의 어셈블리들(24)은 전체 고리들 커버하는 데 사용될 수 있고 또한 어셈블리(24)는 강수관 고리 상에 혹은 이를 관통하여 크거나 혹은 작은 각도로 연장될 수 있다. 도 2a의 평면도에서 암시되는 바와 같이, 어셈블리(24)는 강수관의 둘레 부근에서 고리형 방향으로 연장될 수 있으며, 반면 예시적인 실시예에 따른 노즐들(100)은 방사 방향으로 90도 각도로 열릴 수 있다. 단수의 스퍼저 어셈블리(24)는 복수의 출구들 및/또는 노즐들(100)을 수용할 수 있으며, 이에 따라 주 급수 라인(11)으로부터 액체 냉각수가 강수관 고리를 통해 분배되도록 허용하여 상기 고리의 바닥에서 원자로 심 내부로 균등하게 공급될 수 있도록 한다.

도 3은 방사형 평면으로 도시된 도 2a 및 2b 내의 노즐(들)(100)로 사용될 수 있는 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐(100A)의 개략적인 단면 프로파일이다. 즉, 설치 시, 도 3에 표시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)은, 스퍼저 어셈블리가 페이지 내부로 연장된다고 할 때, 노심 보호벽 혹은 강수관 고리의 내면 혹은 다른 공간을 향할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐(100A)은 확산기(110) 내의 몇몇 구별되는 유동들을 수집한다. 이러한 유동들은 다양한 소스들로부터 비롯되며, 서로 다른 유동 특성들, 화학 특성들 및/또는 온도를 가지며, 노즐(100A)은 평균적 상태의 유동을 위해 이러한 유동들의 혼합을 향상시킨다.

예를 들어, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 네 개의 서로 다른 유체 경로들이 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A) 내의 확산기(110) 혹은 다른 곳에서 혼합될 수 있다. 중앙 도관(101)은 스퍼저 어셈블리나 혹은 상대적으로 차갑고 및/또는 낮은 에너지의 급수를 수용하는 다른 매니폴드(manifold)와 같은 소스로부터의 물을 노즐(100A)을 스퍼저 어셈블리에 연결시키는 노즐 도관(120)을 통해 끌어올린다. 중앙 도관(101)은 보다 작은 유동 영역을 가지져 도관(101)을 통한 유체 속도를 증가시켜, 확산기(110) 및/또는 전방-확산기(pre-diffuser)(111)를 통해 제트 펌프 효과를 발생시킨다. 중앙 도관(101)은 상단 유동 도관(102)으로부터 형성된 전방-확산기(111) 내부로 흐른다. 상단 유동 도관(102)은 노즐 도관(120)을 위로 관통하는 파이프나 튜브일 수 있다. 상단 도관(102)은 예를 들어, 증기 건조기 및/또는 증기 분리기로부터 분리되어 강수관으로 하강한 재순환된 뜨거운 액체와 같은 수직 유동을 잡아 방향을 변경시킬 수 있다. 전방-확산기(111) 내의 제트 펌프 효과에 의해서, 중앙 도관(101)으로부터의 중앙의 보다 빠른 유동이 상단 도관(102)으로부터의 보다 뜨거운 액체 유동을 전방-확산기(111)로 흡수하여 이들 두 유동이 혼합될 수 있다.

외측 도관(103)은 유사하게 중앙 도관(101)의 소스로부터 액체 물을 노즐 도관(120)을 통해 옮길 수 있다. 외측 도관(103)은 중앙 도관(101)보다 클 수 있으며, 많은 부피의 보다 차가운 급수를 옮길 수 있다. 선회 베인들(swirl vanes)(105)은 외측 도관(103) 내부에서 나선형 혹은 비틀린(twisted) 패턴을 형성할 수 있으며, 그 안의 유체 유동에 각 모멘텀을 공급하여 상기 물 유동의 표면 전단 영역(shear surface area)을 증가시킴으로써 그 혼합 및 확산기(110)로의 확장을 향상시킨다. 선회 베인들(105)에 의해 공급되는 회전 혹은 선회는 또한 유동-유도 진동을 감소시킨다. 외측 벤투리(venturi) 고리(104)는 선단 도관(102)과 동일한 소스로부터, 강수관으로 흐르는 상대적으로 더 뜨거운 물과 같은 액체 물을 모을 수 있다. 외측 도관(103)으로부터 보다 큰 외측의 유동은 액체를 벤투리 고리(104) 내부로 빨아들일 수 있으며, 확산기(110) 내에서 혼합될 수 있다.

모든 유동들은 확산기(110) 내에서 혼합되어, 낮은 에너지 유동들에 제트 펌프 효과를 공급할 수 있다. 도관들(101, 102, 103, 104)로부터의 유동들을 샌드위치 하는 것은 확산기(110) 내에서 혼합과 열전달을 향상시킨다. 확산기(110)는 선회 베인들(도시되지 않음)을 더 포함하여 유체 유동들의 표면 전단 영역을 증가시킴으로써 상기 유동들의 혼합을 도와준다. 외측 도관(103)으로부터의 보다 큰 유동 내에서 선회 베인들(105)에 의해 공급되는 선회와 같이, 상기 유동들의 어떠한 회전이나 터뷸런스도 혼합 및 상기 혼합된 유동들을 확산기(110)로부터 방출시키는 것을 향상시킨다. 확산기(110)는 도 3 및 4에서 화살표들로 표시된 바와 같이, 주변의 유체 내부로 흐르며, 잠재적으로 강수관 고리 내의 주변 유동을 향한 각도로 흐를 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)로부터의 유동은 잘 혼합될 수 있으며, 복수의 예시적인 실시예들에 따른 노즐들(100A) 사이에서 균등하게 분배될 수 있다. 이에 따라, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)은 급수 및 회귀 물이 서로 혼합되고 에너지들 및 화학 성질들을 평균화하고, 강수관 고리 내에서 온도 구배를 감소시키거나 그 내부에 흐르는 차가운/뜨거운 유동들을 분리시켜 원자로 심 내부로 향하게 하는 것을 향상시킬 수 있다.

발명자들은 동등하게 이질적인 급수 유동 및 가열된 물 소스들을 배분하는 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)과 보통의 열린 파이프를 ESBWR 강수관 고리 내에서의 온도와 조건들을 시뮬레이션 하여 모델링하였다. 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)로부터의 유동은 열린 파이프로부터의 유동에 비해 훨씬 고른 온도 구배를 생성하고, 주변 물탱크 온도와의 일반적인 평균화가 훨씬 더 빠름(수 피트 적게)을 보여준다. 나아가, 비혼합된 급수의 차가운 중앙 "기둥(plume)"이 상기 열린 파이프로부터 생성되어 거의 1 피트의 유동 동안 지속된 반면, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)로부터의 유동에는 그러한 중앙 기둥은 나타나지 않으며, 전반적으로 훨씬 더 빨리 혼합된다.

도 5는 노즐(100)의 외부를 보여주는 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐(100)을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상단 도관(102)은 노즐 도관(120)의 외측으로 연장되어 아래 방향 화살표로 표시된 유동에 도달하여 전송한다. 수집 깔때기(191)는 상단 도관(102)에 부착되어 훨씬 더 많은 유체를 모으고 이를 상단 도관(102) 내부로 가속시킨다. 물구멍 혹은 증기 분리기(도시되지 않음)가 수집 깔때기(191)와 함께 사용되어, 어떠한 2상(two-phase) 유동도 제거하며, 오로지 액체 물만이 예시적인 실시예에 따른 노즐(100)을 통해 흐르도록 할 수 있다. 또한, 물구멍 혹은 증기 분리기(도시되지 않음)가 노즐(100)의 내부에 사용되어 2상 유동을 감소시키며, 어떠한 가스들이나 보이드들도 액체 혼합물을 블로킹하거나 방해하지 못하도록 할 수 있다.

도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 복수의 예시적인 실시예들에 따른 노즐들(100)은 스퍼저 어셈블리(24) 상에 사용될 수 있다. 이러한 노즐들(100)은 모두 예시적인 실시예에 따른 노즐들(100A)과 동일하거나, 혹은 스퍼저 노즐들(100)은 다양할 수도 있다. 복수의 단순한 팔꿈치형 부분들이 원자로 용기(10)(도 1) 내의 것들과 유사한 굽은 반경을 갖는 파이프의 상단에 연결될 수 있다. 입구 노즐들(100)은 따라서 상기 원자로 용기 내로 공급되도록 보다 차가운 급수에 연결될 수 있다. 스퍼저 노즐들(100)은 역시 다양할 수 있으며, 예를 들어, 주 급수 라인(11)에 보다 가까운 노즐들(100)은 보다 작거나 상대적으로 작은 유동 영역을 갖고, 반면 어셈블리(24)의 말단들을 향하고 라인(11)으로부터 떨어진 노즐들(100)은 보다 크거나 더 큰 유동 영역을 갖는 것으로 다양할 수 있다. 이에 따라 보다 많은 유동 경로를 공급하여 급수의 손실에 의해 압력이 보다 낮아지게 함으로써 스퍼저 어셈블리(24)로부터의 액체 급수를 균등하게 배분할 수 있다. 또한 노즐들(100) 모두는 고리형 강수관 유동에 수직인 방사형 방향을 가질 수 있으며, 혹은 노즐들(100)은 서로 다르며 구별되는 각도들, 예를 들어, 양 방향 중 어떤 방향으로든 수직 방향으로부터 30도 떨어진 각도를 갖도록 설치될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)에 더하여 혹은 이를 대체하여, 복수의 서로 다른 노즐들(100) 디자인들이 역시 사용될 수 있다. 이에 따라, 예시적인 실시예에 따른 노즐들(100 또는 100A)은 모두 존재하는 급수 고리들 및/또는 새 급수 입구들과 함께 사용될 수 있다.

예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 다른 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐(100B)이 도 2a 및 2b의 노즐(100)로서 사용될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100B)은 선회 베인들 없이 오직 확장된 중앙 도관(101) 및 외측 벤투리 고리(104)만을, 즉 하나의 중앙의 보다 차가운 급수 도관과 하나의 외측의 보다 뜨거운 재순환된 물 도관만을 포함한다. 중앙 도관(101)으로부터의 급수를 위한 상기 확장된 유동 영역은 보다 적은 손실을 발생시키고 및/또는 확산기(111) 내로 보다 큰 유동 경로를 제공한다. 상기 보다 적은 손실 및 보다 큰 유동 영역 때문에, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100B)은 모든 예시적인 실시예들에 따른 노즐들(100)로부터의 유동에 비해 스퍼저 어셈블리(24)(도 2a 및 2b) 내에서 주 급수 라인(11)으로부터 보다 멀리 떨어진 위치들에 사용될 수 있다.

도 7은 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐(100C)을 도시하며, 이는 확산기(110) 대신에 필터 확산기(116)를 포함하는 것을 제외하고는, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100A)과 유사하다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 노즐(100C)은 출구 쪽에 형성된 복수의 여과 요소들(117, 118)을 갖는 필터 확산기(116)를 포함한다. 필터 확산기(116)는 막히거나 바람직하지 않은 압력 강하를 유발하는 경우, 유체가 상기 여과 요소들을 돌아 흐를 수 있도록 하는 우회로(119)를 더 포함한다. 예를 들어, 우회로(119)는 필터 여과기(116)의 말단이 분리되어 외부로 연장되도록(화살표들에 의해 표시된 바와 같이) 하는 리프트-오프 기구일 수 있으며, 이에 따라 도관들(101, 102, 103, 104)로부터의 유체가 상기 리프트-오프 기구에 의해 생성되는 고리형 갭을 통해 흐르고 상기 여과 요소들을 피할 수 있다. 유사하게, 우회로(119)는 상기 말단이 상기 유동 경로로부터 아래로 회전하도록 허용하는 릴리즈(release) 및/또는 여과 요소들을 통과함이 없이 필터 확산기(116)로부터 유체의 새로운 유동 경로를 생성하는 릴리즈 밸브를 갖는 힌지일 수 있다. 우회로(119)는 여과 블로킹과 관련된 문턱 힘에서 상기 여과 요소들과 함께 말단을 풀어주는 예를 들어, 스프링, 엑츄에이터 및/또는 릴리즈 래치일 수 있다. 물론 예시적인 실시예들에 있어서, 우회로(119)가 사용되지 않을 수도 있고, 혹은 매우 높은 후방압력 문턱을 갖는 우회로(119)가 사용될 수도 있으며, 주변 유동과 연관된 충분한 압력으로 여과 막힘이 발생할 경우, 유체 유동은 도관들(104 혹은 심지어 102)의 후면으로 방향을 전환시킬 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 여과 요소들은 유동 날개들(flow vanes)(115)을 갖는 방향 전환 필터(117) 및/또는 원심 분리기(118)를 포함할 수 있다. 원심 분리기(118)는 고리형 자석 혹은 자석 타일들, 다공성 및/또는 확산기(116)의 레이저 소결 내표면들로부터 생성된 접착 부재, 및/또는 어떠한 다른 잔해-트랩 장벽일 수 있다. 도관(103) 내의 날개들(105)과 조합을 이룰 수 있는 유동 날개들(115)이 필터 확산기(116)를 통한 상기 조합된 유체 유동들에 선회를 제공함에 따라서, 원자로 내부에 흔한 금속성 입자들 및 필라멘트들과 같은 보다 무겁고/밀집한 잔해가 추가적인 구심 가속도가 없다면 증가된 질량 때문에 상기 유동 내에서 방사형으로 외측으로 이동할 것이다. 상기 잔해가 상기 선회하는 유체 유동 내에서 바깥으로 밀려나, 원심 분리기(118)에 근접하거나 이와 접촉할 수 있으며, 이에 따라 자성 인력, 물리적 결합(entanglement) 및/또는 화학적 접착을 통해 상기 잔해가 포획될 수 있다. 상기 잔해는 이에 따라 원심 효과를 통해 확산기(116)의 외측 에지에서 필터(118) 내에 혹은 그 상에 수용될 수 있으며, 유체는 확산기(116)의 가운데에서 흐를 수 있다.

방향 전환 필터(117)는 확산기(116)의 전체 유동 경로 혹은 출구에 걸쳐 연장될 수 있으며, 확산기(116)를 통과하는 모든 액체를 여과할 수 있다. 혹은 방향 전환 필터(117)는 예시적인 실시예에 따른 노즐(100C)의 입구에서 개별 유동 경로들(103 및/또는 101) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 제작을 통해, 다공성 혹은 메시 필터(117)가 유동 경로들(103, 101)의 기저에 존재할 수 있다. 경로들(103, 101)의 시발점 근처에 낮게 위치하는 필터(117)의 블로킹 혹은 다른 비기능성(non-functionality)이 생기면, 우회로(119)가 노즐(100C) 전체를 들어 올려 급수가 소스로부터 바로 주변 유동 및 우회로 필터(100C)로 흐르도록 할 수 있다.

방향 전환 필터(117)는 메시, 스크린 혹은 유기 매트릭스를 포함한 어떠한 종류의 필터도 포함할 수 있다. 혹은, 방향 전환 필터(117)는 도 8a 및 8b에 도시된 모멘텀 트랩 필터(117)일 수도 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 모멘텀 트랩 필터(117)는 여러 치수들로 연장되며 우회하지만 열려 있고 큰 유동 경로들(175)을 생성하는 계단식 혹은 톱니 모양의 플레이트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유동 경로들(175)은 하나의 높이에서 긴 길이만큼 연장될 수 있으며, 그러고 나서 수직 방향으로 짧게 방향 전환을 하고 다시 연장될 수 있다.

도 8b에 도시된 단면도에 도시된 바와 같이, 유동 경로(175)에 보다 길게 연장된 후 생성되는 모멘텀은 그 긴 연장의 말단에서 루트 트랩(route trap)(170) 내에 잔해(17)를 포획하는 데 사용될 수 있다. 잔해(17)는 경로들(175)을 통과하여 흐르는 유체보다 더 질량이 크고 밀도도 높으므로, 필터(117) 내에서 갑작스러운 방향 변화 및/또는 높이 변화가 생기면, 잔해(17)는 유동 경로(175)를 순회하는 유체와 함께 구부러진 곳으로 이동하는 대신에, 너무나 큰 모멘텀을 가짐에 따라 트랩(170) 내로 이동하게 된다. 모멘텀 트랩들(170)은 트랩(170) 내부로 통과하는 잔해(17)를 추가적으로 포획하고 열린 유동 경로(175)로 되돌아가는 것을 방지하는 자성, 다공성 및/또는 접착성 물질들을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 유체는 상대적으로 쉽게 열린 유동 경로들(175)을 관통하여 필터(117) 바깥으로 이동할 수 있는 반면, 보다 질량이 큰 잔해는 열린 유동 경로들(175)을 방해하지 않고 트랩들(170) 내에 포획될 수 있다.

원심 분리기(118) 및/또는 방향 전환 필터(117)는 보수 간격동안 세정되거나 혹은 우회로(119)의 작동 및/또는 예시적인 실시예에 따른 노즐(100C)을 제거를 통해 모듈식으로 교체될 수 있다. 원심 분리기(118) 및 모멘텀 필터(117)가 예시적인 실시예에 따른 노즐(100C)을 통해 유체 유동을 심각하게 블로킹하거나 압력 강하를 일으키지 않으면서 잔해를 포획하거나 보유할 수 있다 하더라도, 어떠한 필터도 막히거나 작동불능(부피가 큰 잔해나 고장 상태에 맞닥뜨리는 경우와 같이)이 되는 순간, 우회로(119)가 작동하여 작동 불능인 필터들에 의해 방해받지 않고 유체가 강수관 고리 내로 직접 흐르도록 할 수 있다. 그러한 우회로 역시 필터들이 세정되거나 교체되는 보수 간격동안 리셋될 수도 있다.

예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐들(100)은 예를 들어, 실질적으로 방사성 물질이 되거나, 녹거나, 부러지거나, 방사성 입자들을 보유/접착되는 것과 같이, 물리적 속성들이 실질적으로 변화하지 않으면서 원자로 환경에 잘 적응할 수 있는 탄성 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 오스테나이트 스테인리스 강(austenitic stainless steels) 304 또는 316, XM-19, 지르코늄 합금들, 니켈 합금들, 합금 600(Alloy 600) 등과 같은 몇몇 알려진 구조적 물질들이 예시적인 실시예에 따른 노즐들(100)의 부품들의 어떠한 요소들로도 선택될 수 있다. 연결 구조물들 및 직접-접촉하는 요소들이 서로 다른 호환 가능한 물질들이 오염되는 것을 방지하기 위해서 선택될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐들(100)은 주조 및/또는 몰딩과 같은 방법을 통해 단일 부분으로 제조될 수 있으며, 이에 따라 복잡성을 감소시키고, 또한 선회 베인들 혹은 도관들과 같은 개별 부품들이 분리되거나 느슨해지는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐들(100)은 가장 단순하면서 가운데 형성되는 부품으로부터 각 부품들을 연속적으로 쌓아 올리고, 추가적인 외측 부품들을 이에 용접함으로써 추가적인 제조를 통해 제작될 수도 있다.

도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 스퍼저 노즐들(100)은 강수관 고리 내의 어셈블리(24) 상에 설치되거나, 혹은 보수 정지 혹은 공장 생산 중에 설치될 수 있다. 즉, 예시적인 실시예에 따른 노즐들(100)은 BWR과 같이 현존하는 원자로들의 개보수들(retrofits)로 사용할 수 있으며, 또한 ESBWR과 같이 새로이 설치되는 플랜트들에 새로운 노즐들로 사용될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따른 노즐들은 예를 들어, 바요넷 피팅(bayonet fitting), 스웨즈락 피팅(Swagelok fittings), 탱(tangs), 나사 및/또는 용접점과 같은 현존하는 결합 구조물들을 통해 어셈블리(24)를 갖는 노즐 도관(120)에 상대적으로 쉽게 설치될 수 있다. 그러한 결한 구조물들은 또한 예시적인 실시예에 따른 노즐들(100)에 대한 용이한 제거/검사를 가능하게 하거나, 이들에 대한 세정 및 필터 교체도 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 복수의 서로 다른 예시적인 실시예들에 따른 노즐들(100)은, 예를 들어 다양한 디자인들을 갖는 노즐들(100A, 100B, 100C)을 갖는 단일 어셈블리(24) 내에 사용될 수 있으며, 혹은 원자로가 갖춰야 할 기초 조건들 하에서, 서로 다른 위치들 및 유동 각도들을 가질 수 있다.

예시적인 실시예들 및 방법들이 기재된 바, 당해 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자라면 상기 예시적인 실시예들은 다양하게 변형될 수 있으며, 이하 청구항들의 범위에 여전히 속하면서도 통상적인 실험을 통해 변형 또는 대체 가능할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예들이 비등 타입(boiling type) 원자로들에서 볼 수 있는 정제수를 사용하는 것으로 기재되고 있으나, 다양한 타입의 플랜트들, 노심 구성들 및 유체 냉각수들이 단순히 적절한 치수를 맞추거나 예시적인 실시예들에 따른 물질 선택을 통해서, 청구항들의 범위에 속하면서도 예시적인 실시예들 및 방법에 적용될 수 있다. 그러한 변형들은 청구항들의 범위를 벗어나지 않는 것으로 간주되어야 한다.

Claims

적어도 하나가 원자로용 급수이며 서로 구별되는 냉각수 소스들로부터 시작되는 복수의 유동 도관들; 및
내부에 형성된 상기 복수의 유동 도관들을 결합하는 확산기를 포함하는, 원자로 내에서 사용될 수 있는 급수 노즐.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유동 도관들은 상기 확산기로부터 떨어진 냉각수 소스에 연결되고, 상기 적어도 하나의 유동 도관들은 상기 확산기를 둘러싸는 냉각수 소스에 연결된 급수 노즐.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 유동 도관들은,
제1 냉각수 소스에서 시작되는 내측 중앙 도관;
제2 냉각수 소스에서 시작되는 상단 유동 도관;
상기 내측 중앙 도관을 둘러싸며 상기 제1 냉각수 소스에서 시작하는 외측 중앙 도관; 및
상기 제2 냉각수 소스에서 시작하며 상기 확산기 내에 형성된 고리형 개구를 포함하는 급수 노즐.
제 3 항에 있어서, 상기 외측 중앙 도관은 이를 통과하여 흐르는 냉각수를 선회시킬 수 있는 적어도 하나의 선회 베인을 포함하는 급수 노즐.
제 3 항에 있어서, 상기 내측 중앙 도관은 그 말단에서 전방-확산기 내로 열리며, 상기 상단 유동 도관은 상기 전방-확산기에서 끝나는 급수 노즐.
제 3 항에 있어서, 상기 내측 중앙 도관, 상기 상단 중앙 도관, 상기 외측 중앙 도관, 및 상기 고리형 개구는 상기 확산기 내의 말단에서 서로 동심원을 이루는 급수 노즐.
제 1 항에 있어서, 상기 확산기에 부착되는 우회 가능한 필터 시스템을 더 포함하는 급수 노즐.
제 7 항에 있어서, 상기 우회 가능한 필터 시스템은 상기 확산기의 전체 개구를 가로질러 연장되는 적어도 하나의 모멘텀 필터 및 상기 확산기의 둘레에 늘어선 원심 분리기를 포함하는 급수 노즐.
제 8 항에 있어서, 상기 원심 분리기는 상기 확산기의 둘레에 늘어선 자성 물질을 포함하며, 상기 확산기는 상기 확산기를 통과하는 냉각수를 선회시켜 잔해를 상기 자성 물질로 몰아갈 수 있도록 하는 적어도 하나의 선회 베인을 포함하는 급수 노즐.
제 8 항에 있어서, 상기 모멘텀 필터는 그 내부의 방향 전환점들에서 잔해 트랩들을 갖는 유동 경로들을 포함하는 급수 노즐.
제 8 항에 있어서, 상기 우회 가능한 필터 시스템은 상기 확산기와 연속적으로 형성되어, 문턱 압력에 도달할 때까지 냉각수가 상기 우회 가능한 필터 시스템을 통과해야만 하며, 상기 우회 가능한 필터 시스템 근방의 새로운 유동 경로는 상기 문턱 압력에서 열릴 수 있는 급수 노즐.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 유동 도관들은 상기 노즐 내부에 부가적으로 제조되는 급수 노즐.
급수 입구; 및
급수를 수용할 수 있으며, 각각이
적어도 하나는 상기 급수이며 서로 구별되는 냉각수 소스들로부터 시작되는 복수의 유동 도관들; 및
내부에 형성된 상기 복수의 유동 도관들을 결합하는 확산기를 포함하는 복수의 스퍼저 노즐들을 구비하는, 원자로 내에서 사용하기 위한 스퍼저 어셈블리.
제 13 항에 있어서, 상기 구별되는 냉각수 소스들은 상기 급수 입구 및 강수관 고리를 포함하는 스퍼저 어셈블리.
제 13 항에 있어서, 상기 복수의 유동 도관들은,
제1 냉각수 소스에서 시작되는 내측 중앙 도관;
제2 냉각수 소스에서 시작되는 상단 유동 도관;
상기 내측 중앙 도관을 둘러싸며 상기 제1 냉각수 소스에서 시작하는 외측 중앙 도관; 및
상기 제2 냉각수 소스에서 시작하며 상기 확산기 내에 형성된 고리형 개구를 포함하는 스퍼저 어셈블리.
제 13 항에 있어서, 상기 각 스퍼저 노즐들은 상기 확산기에 부착되는 우회 가능한 필터 시스템을 더 포함하며,
상기 우회 가능한 필터 시스템은 상기 확산기의 전체 개구를 가로질러 연장되는 적어도 하나의 모멘텀 필터 및 상기 확산기의 둘레에 늘어선 원심 분리기를 포함하는 스퍼저 어셈블리.
제 16 항에 있어서, 상기 원심 분리기는 상기 확산기의 둘레에 늘어선 자성 물질을 포함하며, 상기 확산기는 상기 확산기를 통과하는 냉각수를 선회시켜 잔해를 상기 자성 물질로 몰아갈 수 있도록 하는 적어도 하나의 선회 베인을 포함하는 스퍼저 어셈블리.
제 16 항에 있어서, 상기 모멘텀 필터는 그 내부의 방향 전환점들에서 잔해 트랩들을 갖는 유동 경로들을 포함하는 스퍼저 어셈블리.
제 16 항에 있어서, 상기 우회 가능한 필터 시스템은 상기 확산기와 연속적으로 형성되어, 문턱 압력에 도달할 때까지 냉각수가 상기 우회 가능한 필터 시스템을 통과해야만 하며, 상기 우회 가능한 필터 시스템 근방의 새로운 유동 경로는 상기 문턱 압력에서 열릴 수 있는 스퍼저 어셈블리.
제 13 항에 있어서, 상기 복수의 유동 도관들은 상기 급수 입구에서 멀리 떨어질수록 점점 더 증가하면서 커지는 유동 영역들을 갖는 스퍼저 어셈블리.