KR20220118653A - Passive Ex-vessel Water Flooding System - Google Patents

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KR20220118653A
KR20220118653A KR1020210022325A KR20210022325A KR20220118653A KR 20220118653 A KR20220118653 A KR 20220118653A KR 1020210022325 A KR1020210022325 A KR 1020210022325A KR 20210022325 A KR20210022325 A KR 20210022325A KR 20220118653 A KR20220118653 A KR 20220118653A
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KR
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reactor vessel
vessel
passive
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nuclear reactor
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KR1020210022325A
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Inventor
황일순
방인철
이민호
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울산과학기술원
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Abstract

The present invention relates to a passive guard vessel flooding system. More specifically, the passive guard vessel flooding system includes: a nuclear reactor vessel including nuclear fuel and lead-bismuth coolant; at least one lower pipe provided in a lower part of the nuclear reactor vessel, and receiving a flood from the outside due to a pressure difference with the outside; at least one upper pipe provided in an upper part of the nuclear reactor vessel, and discharging the flood as steam due to heat delivered from an outer wall of the nuclear reactor vessel; and a guard vessel housing the nuclear reactor vessel at a predetermined distance from the outer wall of the nuclear reactor vessel such that the flood introduced from the lower pipe can flow toward the upper pipe. Therefore, the present invention is capable of cooling an extremely heated nuclear reactor vessel.

Description

피동형 가드 베셀 충수 시스템 {Passive Ex-vessel Water Flooding System}Passive Ex-vessel Water Flooding System

본 발명은 피동형 가드 베셀 충수 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 해양 환경에 적용 가능한 피동형 안전계통을 구비하여 원자로의 전열을 안전하게 제거할 수 있는 피동형 가드 베셀 충수 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a passive type guard vessel filling system, and more particularly, to a passive type guard vessel filling system capable of safely removing heat from a nuclear reactor by having a passive safety system applicable to a marine environment.

원자로란 핵분열성 물질의 연쇄 핵분열 반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사능 동위원소 및 플루토늄 생산 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 의미한다. 원자로에서 핵분열 반응이 일어나면 방출된 에너지가 많은 열을 내면서 노심의 온도가 높아지게 되며 이를 적절히 냉각하지 않으면 원자로가 파손될 위험이 있는데, 냉각재는 원자로에서 발생하는 열에너지를 흡수하여 원자로 밖으로 운반하는 역할을 한다. A nuclear reactor refers to a device that can be used for various purposes, such as generating heat by artificially controlling the chain fission reaction of fissile materials, or producing radioactive isotopes and plutonium. When a nuclear fission reaction occurs in a nuclear reactor, the released energy generates a lot of heat and the temperature of the core increases. If it is not cooled properly, there is a risk of damage to the reactor.

현재 전 세계적으로 경수로 기반의 다양한 소형 모듈형 원자로 개발에 대한 다양한 연구가 진행 중인데, 소형 모듈형 원자로는 일반적으로 전기출력이 300MWe급 이하 원자로로 일컫는다. Currently, various studies on the development of various small modular reactors based on light water reactors are underway around the world. Small modular reactors are generally referred to as reactors with an electrical output of 300 MWe or less.

기존 경수로의 경우 냉각재 상실사고가 발생할 수 있고, 원자로 정지 후에 발생하는 붕괴열을 제거하기 위한 장치가 추가적으로 필요하다. 만약 냉각재 상실사고가 발생하면 핵연료가 공기 중에 노출되기 때문에 빠른 시간 안에 노심냉각 기능을 회복하지 못할 경우 노심이 용융되는 중대사고로 이어지게 된다.In the case of an existing light water reactor, an accident of loss of coolant may occur, and an additional device is required to remove the decay heat generated after the reactor is shut down. If the coolant loss accident occurs, since the nuclear fuel is exposed to the air, if the core cooling function is not restored within a short time, it will lead to a serious accident in which the core is melted.

따라서 경수로 기반 소형 모듈형 원자로의 경우 대형 경수로와 마찬가지로 원자로 정지 후 붕괴열 제거와 냉각재 상실사고 등을 대비하여 잔열제거계통, 안전주입계통 등 다양한 안전계통을 필요로 한다. Therefore, in the case of a light-water reactor-based small modular reactor, as in a large-scale LWR, various safety systems such as a residual heat removal system and a safety injection system are required to prepare for decay heat removal and coolant loss accidents after the reactor is shut down.

관련문헌 1은 다중 핵분열성층을 갖는 소형 모듈화 원자로 노심 및 이를 갖는 원자로에 관한 것으로, 노심의 크기를 조절하여 원하는 출력을 이루도록 제어할 수 있으나, 소형 원자로가 해양 플랜트, 선박 및 잠수함의 동력원으로 사용되기 위해 해양 환경에 적용 가능한 피동 안전계통에 대해 구비하고 있지 않으므로 안전계통을 운영하는데 추가적인 전력소모가 불가피한 한계가 있다.Related Document 1 relates to a small modular nuclear reactor core having multiple fissile layers and a nuclear reactor having the same. Because it does not have a passive safety system applicable to the marine environment, there is an unavoidable limit of additional power consumption to operate the safety system.

KR 10-1633493KR 10-1633493

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 별도의 전원공급 장치 및 펌프 없이 피동적(Passive)으로 또는 장기적으로 극도로 가열된 원자로 용기를 냉각시킬 수 있도록 외부와의 압력차에 의하여 외부로부터 충수가 유입되는 하부배관과 상기 원자로 용기의 외벽에서 전달된 열에 의하여 상기 충수가 증기로 배출되는 상부배관을 구비하는 피동형 가드 베셀 충수 시스템을 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and it is possible to cool the extremely heated reactor vessel passively or for a long time without a separate power supply device and a pump. An object of the present invention is to obtain a passive-type guard vessel filling system having an inlet lower pipe and an upper pipe in which the filling water is discharged as steam by the heat transferred from the outer wall of the reactor vessel.

또한, 본 발명의 목적은 상기 원자로 용기가 용융되어도 방사물질이 소정거리 이상으로 이동하지 않고, 이에 따라 사람들이 방사물질에 노출되는 피폭 사고가 발생되는 것을 차단할 수 있도록 상기 원자로 용기 내 상온에서 고체화되는 납-비스무스 냉각재를 포함하는 피동형 가드 베셀 충수 시스템을 제공하는 것이다.In addition, it is an object of the present invention to solidify at room temperature in the reactor vessel so that the radiation material does not move more than a predetermined distance even when the reactor vessel is melted, and thus can prevent the occurrence of an exposure accident in which people are exposed to the radiation material. It is to provide a passive guard vessel filling system comprising a lead-bismuth coolant.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 피동형 가드 베셀 충수 시스템은 핵연료와 납-비스무스 냉각재를 포함하는 원자로 용기, 상기 원자로 용기 하부에 하나 이상이 마련되고, 외부와의 압력차에 의하여 외부로부터 충수가 유입되는 하부배관, 상기 원자로 용기 상부에 하나 이상이 마련되고, 상기 원자로 용기의 외벽에서 전달된 열에 의하여 상기 충수가 증기로 배출되는 상부배관 및 상기 하부배관으로부터 유입된 상기 충수가 상기 상부배관 방향으로 움직일 수 있도록 상기 원자로 용기의 외벽으로부터 소정의 간격을 두고 상기 원자로 용기를 수용하는 가드 베셀을 제공한다.In order to achieve the above object, the passive guard vessel filling system of the present invention is a reactor vessel containing nuclear fuel and a lead-bismuth coolant, at least one is provided in the lower part of the reactor vessel, At least one introduced lower pipe, one or more is provided on the upper part of the reactor vessel, and the upper pipe through which the supplemental water is discharged as steam by the heat transferred from the outer wall of the reactor container, and the upper pipe and the supplemental water introduced from the lower pipe in the direction of the upper pipe Provided is a guard vessel accommodating the reactor vessel at a predetermined distance from the outer wall of the reactor vessel so as to be movable.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 외부와의 압력차에 의하여 외부로부터 충수가 유입되는 하부배관과 상기 원자로 용기의 외벽에서 전달된 열에 의하여 상기 충수가 증기로 배출되는 상부배관을 구비하고, 해양 플랜트, 선박 및 잠수함을 포함하는 구조물에 적용함으로써, 별도의 전원공급 장치 및 펌프 없이 피동적(Passive)으로 또는 장기적으로 극도로 가열된 원자로 용기를 냉각시킬 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, a lower pipe through which supplemental water is introduced from the outside due to a pressure difference with the outside and an upper pipe through which supplemental water is discharged as steam by heat transferred from the outer wall of the reactor vessel are provided, and an offshore plant, By applying to structures including ships and submarines, there is an effect that it is possible to cool the extremely heated reactor vessel passively or in the long term without a separate power supply device and a pump.

또한, 본 발명은 상기 원자로 용기 내 상온에서 고체화되는 납-비스무스 냉각재가 구비됨으로써, 상기 원자로 용기가 용융되어도 방사물질이 소정거리 이상으로 이동하지 않고, 이에 따라 사람들이 방사물질에 노출되는 피폭 사고가 발생되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention is provided with a lead-bismuth coolant that solidifies at room temperature in the reactor vessel, so that even if the reactor vessel is melted, the radiation material does not move more than a predetermined distance, and thus people are exposed to the radiation material. It has the effect of preventing it from happening.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피동형 가드 베셀 충수 시스템의 구성도이다.
도 2는 임계열유속 현상을 표시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 피동형 가드 베셀 충수 시스템과 기 검증된 가압경수로의 성능을 비교한 그래프이다.
1 is a configuration diagram of a passive-type guard vessel filling system according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the critical heat flux phenomenon.
3 is a graph comparing the performance of a passive type guard vessel filling system and a previously verified pressurized water reactor according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, which may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple term.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피동형 가드 베셀 충수 시스템의 구성도이다. Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram of a passive-type guard vessel filling system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 보면, 본 발명의 피동형 가드 베셀 충수 시스템(100)은 원자로 용기(110), 하부배관(120), 상부배관(130) 및 가드 베셀(140)을 포함한다. Referring to FIG. 1 , the passive guard vessel filling system 100 of the present invention includes a reactor vessel 110 , a lower pipe 120 , an upper pipe 130 , and a guard vessel 140 .

보다 구체적으로, 상기 원자로 용기(110)는 핵연료와 납-비스무스 냉각재를 포함한다.More specifically, the reactor vessel 110 contains nuclear fuel and a lead-bismuth coolant.

핵연료는 핵분열을 통해 에너지를 생산하기 위하여 연료로 사용되는 물질이고, 우라늄 동위원소인 우라늄-235, 우라늄-238 및 플루토늄-239가 포함될 수 있다. 이러한 물질들은 산화물, 금속 및 액체 형태 중 하나로 형성될 수 있다. Nuclear fuel is a material used as a fuel to produce energy through nuclear fission, and uranium isotopes uranium-235, uranium-238, and plutonium-239 may be included. These materials can be formed in one of oxide, metallic and liquid forms.

또한, 상기 납-비스무스 냉각재는, 방사물질이 유출되지 않도록 고체화될 수 있다. 상기 원자로 용기(110)는 납-비스무스 냉각재를 포함할 수 있는데, 많은 종류의 냉각재 중에서 액체 형태의 상기 납-비스무스 냉각재를 쓰는 것은 녹는점이 123도에 달하기 때문에 상기 원자로 용기(110) 내부 온도는 약 300도 내외임으로 액체 형태로 유동성을 띄나, 20도 내외의 상온에 노출되는 순간 저절로 굳는 고체화가 되어 방사물질이 유출되지 않는 효과가 있기 때문이다.In addition, the lead-bismuth coolant may be solidified so that the radiating material does not leak out. The reactor vessel 110 may include a lead-bismuth coolant. Among many types of coolant, using the lead-bismuth coolant in liquid form has a melting point of 123 degrees, so the internal temperature of the reactor vessel 110 is It is liquid in liquid form at about 300 degrees Celsius, but when exposed to room temperature around 20 degrees, it solidifies by itself and has the effect of not leaking radiation.

다음으로, 상기 하부배관(120)은 상기 원자로 용기(110) 하부에 하나 이상이 마련되고, 외부와의 압력차에 의하여 외부로부터 충수가 유입된다. 이때, 상기 하부배관(120)의 기본 상태는 상기 하부배관(120)을 통해서 충수되지 않도록 폐쇄된 상태이다. 상기 하부배관(120)은 특정 크기, 모양, 개수에 한정되지 않는다. Next, at least one of the lower pipes 120 is provided at the lower portion of the reactor vessel 110 , and supplemental water is introduced from the outside due to a pressure difference with the outside. At this time, the basic state of the lower pipe 120 is a closed state so as not to be filled through the lower pipe 120 . The lower pipe 120 is not limited to a specific size, shape, or number.

상기 피동형 가드 베셀 충수 시스템(100)은 가장 바람직하게 해양 플랜트, 선박 및 잠수함의 동력원으로 사용될 수 있고, 이에 따라 사용 환경이 바다 또는 강의 수면 아래일 수 있다. 즉, 상기 하부배관(120)이 개방되면 외부와의 압력차에 의하여 피동적(Passive)으로 충수가 유입될 수 있다. 이때, 상기 충수는 바닷물 또는 강물일 수 있다. 따라서 별도의 전원공급 장치 및 펌프 없이도 상기 원자로 용기(110) 하부에 마련된 상기 하부배관(120)으로 상기 충수가 자동적으로 유입됨으로 전원공급이 끊기거나, 선박이 전복되거나, 선박이 옆으로 쓰러지는 상황에서도 확실한 노심 냉각 및 잔열 제거가 가능하도록 하는 효과가 있다.The passive guard vessel filling system 100 may most preferably be used as a power source for offshore plants, ships and submarines, and thus the use environment may be below the surface of the sea or river. That is, when the lower pipe 120 is opened, supplemental water may be passively introduced by the pressure difference with the outside. In this case, the added water may be seawater or river water. Therefore, even in a situation in which the power supply is cut off, the vessel is overturned, or the vessel is collapsing sideways because the added water is automatically introduced into the lower pipe 120 provided in the lower part of the reactor vessel 110 without a separate power supply device and a pump. It has the effect of enabling reliable core cooling and removal of residual heat.

다음으로, 상기 상부배관(130)은 상기 원자로 용기(110) 상부에 하나 이상이 마련되고, 상기 원자로 용기(110)의 외벽에서 전달된 열에 의하여 상기 충수가 증기로 배출된다. 상기 상부배관(130)의 기본 상태는 상기 상부배관(130)을 통해서 상기 증기가 배출되지 않도록 폐쇄된 상태이다. 상기 상부배관(130)은 특정 크기, 모양, 개수에 한정되지 않는다. Next, one or more upper pipes 130 are provided on the upper portion of the reactor vessel 110 , and the added water is discharged as steam by the heat transferred from the outer wall of the reactor vessel 110 . The basic state of the upper pipe 130 is a closed state so that the steam is not discharged through the upper pipe 130 . The upper pipe 130 is not limited to a specific size, shape, and number.

또한, 상기 상부배관(130)에는 외부와의 압력차에 의하여 피동적(Passive)으로 충수가 유입되지 않고 오로지 상기 증기만이 배출될 수 있도록 해양 플랜트, 선박 및 잠수함을 포함하는 구조물에 설치될 수 있다. 이는 열전달 효율을 극대화시키기 위함이다. In addition, the upper pipe 130 may be installed in structures including offshore plants, ships and submarines so that only the steam can be discharged without passively flowing in due to a pressure difference with the outside. . This is to maximize heat transfer efficiency.

그리고 상기 상부배관(130)이 개방되면 상기 충수는 상기 원자로 용기(110)의 외벽에서 전달되는 열을 흡수한 후 상기 증기로 상변화될 수 있다. 그리고 일반적으로 뜨거운 증기는 아래에서 위로 상승하므로, 이 또한 별도의 전원공급 장치 및 펌프 등이 구비되지 않아도 피동적(Passive)으로 열을 흡수한 상기 증기가 외부로 배출될 수 있다. And when the upper pipe 130 is opened, the added water may absorb heat transferred from the outer wall of the reactor vessel 110 and then phase change into the vapor. In addition, since hot steam generally rises from the bottom, the steam passively absorbing heat may be discharged to the outside even if a separate power supply device and a pump are not provided.

다음으로, 상기 가드 베셀(140)은 상기 하부배관(120)으로부터 유입된 상기 충수가 상기 상부배관(130) 방향으로 움직일 수 있도록 상기 원자로 용기(110)의 외벽으로부터 소정의 간격을 두고 상기 원자로 용기(110)를 수용한다.Next, the guard vessel 140 is spaced a predetermined distance from the outer wall of the reactor vessel 110 so that the appended water introduced from the lower pipe 120 can move in the direction of the upper pipe 130 , and the reactor vessel (110) is accepted.

즉, 상기 가드 베셀(140)은 특정 크기, 형태에 한정되지 않고, 사고 시 극도로 가열된 상기 원자로 용기를 냉각시킬 수 있는 상기 충수의 유량이 확보될 수 있을 만큼 상기 원자로 용기(110)의 외벽으로부터 소정의 간격을 둘 수 있다.That is, the guard vessel 140 is not limited to a specific size and shape, and the outer wall of the reactor vessel 110 is sufficient to ensure a flow rate of the added water capable of cooling the extremely heated reactor vessel in the event of an accident. may be spaced at a predetermined distance from

한편, 본원발명은 상기 상부배관(130)과 하부배관(120) 중 적어도 하나의 개폐를 제어하는 제어부(150)를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the present invention may further include a control unit 150 for controlling the opening and closing of at least one of the upper pipe 130 and the lower pipe 120 .

여기서, 상기 제어부(150)는, 상기 원자로 용기(110)의 온도에 따라 사고발생여부를 판단하고, 사고 발생 시 폐쇄되어 있던 상기 상부배관(130)과 하부배관(120)을 개방하는 것을 특징으로 한다. Here, the control unit 150 determines whether an accident has occurred according to the temperature of the reactor vessel 110, and opens the upper pipe 130 and the lower pipe 120 that were closed at the time of the accident. do.

즉, 상기 제어부(150)는 상기 원자로 용기(110)가 용융되어 핵연료가 드러나는 냉각재 상실사고 또는 냉각계통 고장사고 등으로 상기 원자로 용기(110)의 외벽의 온도가 기 설정된 온도 이상을 신속하게 확인할 수 있고, 사고가 발생한 것으로 판단할 수 있다.That is, the control unit 150 can quickly determine whether the temperature of the outer wall of the reactor vessel 110 is above a preset temperature due to a loss of coolant accident in which the reactor vessel 110 is melted and nuclear fuel is exposed or a cooling system failure accident, etc. and an accident may have occurred.

가장 바람직하게, 상기 제어부(150)는 사고 발생 시 폐쇄되어 있던 상기 상부배관(130)과 하부배관(120)을 동시에 개방하는 것을 특징으로 한다. Most preferably, the control unit 150 simultaneously opens the upper pipe 130 and the lower pipe 120 that were closed when an accident occurs.

본 발명에 의하면, 해양 플랜트, 선박 및 잠수함을 포함하는 구조물에 적용함으로써 별도의 전원공급 장치 및 펌프 없이 피동적(Passive)으로 또는 장기적으로 극도로 가열된 원자로 용기를 냉각시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, by applying to structures including offshore plants, ships, and submarines, there is an effect that it is possible to cool the extremely heated reactor vessel passively or in the long term without a separate power supply device and a pump.

그리고 상기 원자로 용기(110) 내 상온에서 고체화되는 납-비스무스 냉각재가 구비됨으로써, 상기 원자로 용기(110)가 용융되어도 방사물질이 소정거리 이상으로 이동하지 않고, 이에 따라 사람들이 방사물질에 노출되는 피폭 사고가 발생되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.In addition, since a lead-bismuth coolant that solidifies at room temperature is provided in the reactor vessel 110 , the radiation material does not move beyond a predetermined distance even when the reactor vessel 110 is melted, thereby exposing people to the radiation material It has the effect of preventing accidents from occurring.

실시예 1Example 1

실험조건 및 실험방법Experimental conditions and methods

원자로 용기(110)의 건전성을 위협하는 요인은 크게 두 가지가 있다. 하나는 원자로 용기(110)의 용융 및 용발(ablation)과 관련된 인자이다. 원자로 용기(110) 내벽의 온도가 높아 계속적으로 녹아내릴 경우, 원자로 용기(110)의 두께는 감소하게 되고 이는 건전성 상실로 이어질 수 있다. 이는 고온에 의한 상기 가드 베셀(140) 충수 전략의 실패를 의미하며, 상기 원자로 용기(110)의 온도, 구체적으로는 가장 고온일 것으로 예상되는 내용 용융물들과 접하는 상기 원자로 용기(110)의 내벽의 온도 분석의 필요성을 제시한다.There are two major factors that threaten the soundness of the reactor vessel 110 . One is a factor related to melting and ablation of the reactor vessel 110 . If the temperature of the inner wall of the reactor vessel 110 is high and continuously melts, the thickness of the reactor vessel 110 may decrease, which may lead to loss of soundness. This means that the guard vessel 140 filling strategy fails due to high temperature, and the temperature of the reactor vessel 110, specifically, the inner wall of the reactor vessel 110 in contact with the contents melts expected to be the highest. It presents the need for temperature analysis.

두 번째 요인으로는 냉각능력(Coolability) 상실에 따른 잔열 제거 불가 및 이에 따른 원자로 용기(110) 용융으로 인한 건전성 상실이다. 상기 원자로 용기(110) 외벽에서의 냉각능력(Coolability)은 임계열유속(Cretical Heat Flux, CHF)이라는 현상에 의해 제한될 수 있다. The second factor is the inability to remove residual heat due to loss of cooling capacity and loss of integrity due to melting of the reactor vessel 110 . Coolability at the outer wall of the reactor vessel 110 may be limited by a phenomenon called Critical Heat Flux (CHF).

도 2는 임계열유속(CHF) 현상을 표시한 그래프이다. 도 2를 보면, 비등표면에서 열유속(CHF)이 일정 수준 이상으로 증가할 경우, 가열면이 기포에 의해 뒤엎이고 이는 가열면에서의 작동 유체 상변화를 동반한 효율적인 핵비등에서, 가열면을 덮은 증기막의 전도 및 복사를 통해 주변의 작동유체로 열을 전달하는 비효율적인 막비등으로 천이되게 된다. 여기서, 상기 비등표면은 상기 충수가 상기 증기로 상변화되는 상기 원자로 용기(110) 외벽이다. 2 is a graph showing a critical heat flux (CHF) phenomenon. Referring to FIG. 2 , when the heat flux (CHF) at the boiling surface increases above a certain level, the heating surface is overturned by air bubbles, which is the vapor covering the heating surface in efficient nuclear boiling accompanied by a phase change of the working fluid on the heating surface. It is transitioned to inefficient membrane boiling, which transfers heat to the surrounding working fluid through conduction and radiation of the membrane. Here, the boiling surface is the outer wall of the reactor vessel 110 in which the charged water is phase-changed into the vapor.

이러한 핵비등으로부터 막비등으로의 천이는 열전달 능력의 커다란 감소를 야기하게 되고, 이는 열전달 계수의 감소로 표현될 수 있다. 하기 [수학식 1]인 뉴턴의 쿨링 법칙을 생각해 볼 때, 일반적으로 q 가, 즉 출력이 변수로 작용하는 경우에는 열전달 계수 h 가 감소하게 되면, 면적 A 는 동일하므로, 온도차에 해당하는 ΔT 가 증가하게 된다. 따라서 임계열유속(CHF) 현상 이후에는 가열면의 온도가 수천도에 이르기까지 크게 증가하게 되고, 이는 냉각능력의 상실로 표현된다. 이를 통해 우리는 원자로 용기 외벽에서 비등열전달 현상을 그 열유속에 초점을 맞추어 분석할 필요가 있다.This transition from nucleate boiling to membrane boiling causes a large decrease in the heat transfer capacity, which can be expressed as a decrease in the heat transfer coefficient. When considering Newton's cooling law, which is the following [Equation 1], in general, when q is, that is, when the output acts as a variable, when the heat transfer coefficient h decreases, the area A is the same, so ΔT corresponding to the temperature difference is will increase Therefore, after the critical heat flux (CHF) phenomenon, the temperature of the heating surface greatly increases up to several thousand degrees, which is expressed as a loss of cooling ability. Through this, we need to analyze the boiling heat transfer phenomenon in the outer wall of the reactor vessel by focusing on the heat flux.

Figure pat00001
Figure pat00001

즉, 본원발명의 신뢰성을 입증하기 위해서는 원자로 용기(110)의 건전성과 관계된 원자로 용기(110) 내벽 온도, 그리고 냉각능력의 한계와 관련된 원자로 용기(110) 외벽 열유속을 분석해야한다. 분석 또한 이 두 변수에 초점을 맞추어 진행되었다.That is, in order to prove the reliability of the present invention, it is necessary to analyze the temperature of the inner wall of the reactor vessel 110 related to the soundness of the reactor vessel 110 and the heat flux of the outer wall of the reactor vessel 110 related to the limit of the cooling capacity. The analysis was also conducted focusing on these two variables.

가드 베셀 충수 시스템의 냉각 가능성을 평가하기 위해 1차원 집중 용량법(Lumped Capacitance Method; LCM)을 활용한 내부 MATLAB 코드를 활용하였다. To evaluate the cooling potential of the guard vessel filling system, an internal MATLAB code using the one-dimensional lumped capacity method (LCM) was utilized.

우선, 각종 물성치나 상수 등을 입력하고 초기값 추정을 통해 열전달 계수와 관련된 무차원 수를 계산한다. 이를 바탕으로 벌크 열전달 계수를 계산한 후 온도를 계산한다. 이후, 계산된 온도로 다시 무차원 수들을 계산하고, 이 과정은 계산된 온도 값이 수렴 기준 이하로 내려갈 때 까지 반복된다. First, various physical properties or constants are input, and a dimensionless number related to the heat transfer coefficient is calculated by estimating the initial value. Based on this, the bulk heat transfer coefficient is calculated and then the temperature is calculated. Thereafter, dimensionless numbers are again calculated using the calculated temperature, and this process is repeated until the calculated temperature value falls below the convergence criterion.

이렇게 전체적인 온도가 계산되고 전체 시스템의 열량 균형을 계산하고 나면 각 세부 층인 상기 원자로 용기의 내부 구조물이 녹은 경금속(light metal) 층, 핵연료가 녹은 oxide 층, 납-비스무스 냉각재 층) 에 대한 계산을 수행하게 된다. After the overall temperature is calculated and the calorific balance of the entire system is calculated, calculations are performed for each detailed layer, the light metal layer in which the internal structure of the reactor vessel is melted, the oxide layer in which the nuclear fuel is melted, and the lead-bismuth coolant layer). will do

각 층별 계산에서는 수직방향 열유속 및 온도의 편차를 고려할 수 있도록 상관식을 작성하였다. 하기 [수학식 2]는 전체적인 시스템의 열 균형을 계산하는 식이고, 하기 [수학식 3]은 경금속 층에서의 열 균형을 계산하는 식이다.In the calculation of each layer, a correlation formula was prepared to take into account the vertical heat flux and temperature deviation. The following [Equation 2] is an equation for calculating the thermal balance of the overall system, and [Equation 3] is an equation for calculating the thermal balance in the light metal layer.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 납-비스무스 냉각재 층에서의 열 균형은 그 구조를 고려해 볼 때, 자연대류가 일어나기 힘든, 상부가열 하부 및 측면 냉각의 경우이므로, 이를 열전달 핀으로 근사하여 계산되었다. The heat balance in the lead-bismuth coolant layer was calculated by approximating it with heat transfer fins, since natural convection hardly occurs in the case of top heating and bottom and side cooling considering its structure.

원자로 용기(110) 내벽과 외벽간의 열전달은 하기 [수학식 4]로 계산되었다. The heat transfer between the inner wall and the outer wall of the reactor vessel 110 was calculated by the following [Equation 4].

Figure pat00004
Figure pat00004

외벽에서의 비등열전달은 하기 [수학식 5]의 일반적인 Rosenow 상관식을 사용하여 모사되었다.Boiling heat transfer at the outer wall was simulated using the general Rosenow correlation equation in [Equation 5] below.

Figure pat00005
Figure pat00005

실험결과Experiment result

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 피동형 가드 베셀 충수 시스템(100)과 기 검증된 가압경수로의 성능을 비교한 그래프이다. 성능 분석에 앞서 방법론의 옳음을 보이기 위해 검증된 가압경수로의 결과를 도출하였고, 이는 검정색 그래프(Reference)로 표시되었다. 본원발명 일실시예에 따른 결과는 빨간색 그래프(Benchmark)로 표시되었다. 3 is a graph comparing the performance of the passive-type guard vessel filling system 100 and the verified pressurized light water reactor according to an embodiment of the present invention. Prior to the performance analysis, the results of the verified pressurized water reactor were derived to show the correctness of the methodology, and this was displayed as a black graph (Reference). The results according to an embodiment of the present invention are displayed as a red graph (Benchmark).

도 3에서 볼 수 있듯이 검증된 가압경수로와 본원발명의 일실시예의 결과값이 유사한 결과값을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 피동형 가드 베셀 충수 시스템에 대한 신뢰성이 증명되었다.As can be seen in FIG. 3 , it can be confirmed that the verified pressurized water reactor and the result value of an embodiment of the present invention show similar result values. Therefore, the reliability of the passive guard vessel filling system according to an embodiment of the present invention was proved.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

100.. 피동형 가드 베셀 충수 시스템
110.. 원자로 용기
120.. 하부 배관
130.. 상부 배관
140.. 가드 베셀
150.. 제어부
100.. Passive guard vessel filling system
110.. Reactor Vessel
120.. Bottom piping
130.. Top piping
140.. Guard Vessel
150.. Controls

Claims (3)

핵연료와 납-비스무스 냉각재를 포함하는 원자로 용기;
상기 원자로 용기 하부에 하나 이상이 마련되고, 외부와의 압력차에 의하여 외부로부터 충수가 유입되는 하부배관;
상기 원자로 용기 상부에 하나 이상이 마련되고, 상기 원자로 용기의 외벽에서 전달된 열에 의하여 상기 충수가 증기로 배출되는 상부배관; 및
상기 하부배관으로부터 유입된 상기 충수가 상기 상부배관 방향으로 움직일 수 있도록 상기 원자로 용기의 외벽으로부터 소정의 간격을 두고 상기 원자로 용기를 수용하는 가드 베셀;을 포함하는 피동형 가드 베셀 충수 시스템.
a reactor vessel containing nuclear fuel and lead-bismuth coolant;
a lower pipe provided at least one lower part of the reactor vessel and through which supplemental water is introduced from the outside by a pressure difference with the outside;
an upper pipe provided at least one upper portion of the reactor vessel, and through which the added water is discharged as steam by the heat transferred from the outer wall of the reactor vessel; and
and a guard vessel accommodating the reactor vessel at a predetermined distance from the outer wall of the reactor vessel so that the filling water introduced from the lower pipe can move in the direction of the upper pipe.
제 1항에 있어서,
상기 상부배관과 하부배관 중 적어도 하나의 개폐를 제어하는 제어부;를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 원자로 용기의 온도에 따라 사고발생여부를 판단하고, 사고 발생 시 폐쇄되어 있던 상기 상부배관과 하부배관을 개방하는 것을 특징으로 하는 피동형 가드 베셀 충수 시스템.
The method of claim 1,
Further comprising; a control unit for controlling the opening and closing of at least one of the upper pipe and the lower pipe;
The control unit is
A passive type guard vessel filling system, characterized in that determining whether an accident has occurred according to the temperature of the reactor vessel, and opening the closed upper pipe and lower pipe when the accident occurs.
제 1항에 있어서,
상기 납-비스무스 냉각재는,
방사물질이 유출되지 않도록 고체화되는 것을 특징으로 하는 피동형 가드 베셀 충수 시스템.
The method of claim 1,
The lead-bismuth coolant comprises:
A passive-type guard vessel filling system, characterized in that it is solidified so that the radiation material does not leak out.
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