KR790001719B1 - 원자로 노심 보호장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

원자로 노심 보호장치

제 1 도는 원자로의 입구 노즐 내에 위치한 다중 벤튜리 보호기를 도시한 원자로의 부분 단면도,

제 2 도 원자로의 입구 노즐의 부분 단면도,

제 3 도는 제 2 도에 도시한 입구 노즐의 측면도,

제 4 도는 다중 벤튜리 보호기를 도시한 것으로서, 그 상반부는 본 장치의 중심선에 대한 수직 단면을 나타낸 정면도이고, 그 하반부는 본 장치의 중심선에 대한 횡단면도,

제 5 도는 제 4 도에 도시한 벤튜리 보호기의 입구 단부의 정면도,

제 6 도는 제 4 도에 도시한 벤튜리 보호기의 출구 단부의 정면도,

제 7 도는 원자로의 도입관의 절단시 노심 배출 유량을 도시한 도표,

제 8 도는 원자로의 도입관의 절단시 연료봉 표면 온도를 도시한 도표,

제 9 도는 도입관의 절단 상태하에서 비상 냉각재의 주입시의 원자로에 대한 일시적인 재급수량을 도시한 도표이다.

본 발명은 원자로, 특히 냉각재 도입관의 파단(破斷) 상태하에서 원자로 노심(爐心)으로 부터 냉각재가 유출하는 것을 억제하기 위한 장치에 관한 것이다.

원자로의 작동중, 냉각재(통상, 물)은 원자로를 통하여 밀폐된 일차 루우프(loop) 내에 있는 증기 발생기로 압송된다. 그 압송된 냉각재가 원자로 노심을 통하여 상방으로 흐를때, 냉각재가 연료봉으로 부터 열을 흡수하게 되고, 이에 따라 가열된 냉각재는, 터어빈 발전기 구동에 사용되는 이차 회로에 그 열을 전달하는 증기 발생기로 순환된다. 상업적 규모의 원자로에서는, 냉각재는 약 150㎏/㎠의 압력으로 순환되며, 원자로 배출구에서의 그 온도는 약 310℃이다, 원자로 입구 노즐에 연결된 도관이 크게 파단되는 경우에는 원자로 쪽으로 정상적으로 흐르는 모든 냉각재는 도관 절단부로 부터 밖으로 배출되고, 따라서 원자로 입구노즐에 도달하지 않는다. 동시에, 원자로 내의 고압에 의해 그 내부의 냉각재가 입구 노즐을 통하여 역방향으로 흐르게 됨으로써 원자로를 진공으로 되게 한다. 그 이유는 원자로와 도입관의 절단부 사이에 냉각재의 흐름에 대하여 하등의 저지물이 없기 때문이다. 이러한 여건하에서는, 원자로는 단시간 내에 거의 모든 냉각재를 유실하게 되며, 연료봉은 원자로 제어봉이 즉각적으로 노심에 완전 삽입 되드라도 과열된다.

이러한 바람직하지 않은 상태들에 대해 원자로를 보호하기 위하여 비상 냉각재(통상, 붕산수)가 원자로 압력이 일정한 최소치 이하로 강하할 때 노심 내부에 신속히 주입된다. 원자로에 이와 같은 붕산수를 확실히 주입시키기 위한 여러가지 방법과 비상 노심 냉각장치가 개발되어 왔다. 그러나, 그러한 비상장치가 유용한 것들이라 하드라도, 주(主) 도입관이 파단된 상황에서는 비상 냉각재를 원자로 노심내부에 주입한 후에, 비상 냉각재는 즉시 냉각재의 주 흐름 통로를 따라 흐르고, 그와 같은 외측으로의 흐름을 저지하기 위한 여하한 저지물이나 기타 장치가 없기 때문에 입구노즐을 통해 도입관의 파단지점을 향하여 역방향으로 흐르게 된다.

따라서, 본 발명의 주목적은 유사시에 간단한 냉각재 과량 손실보호장치를 제공하기 위한 것으로서, 즉 안정한 온도 수준까지 노심 연료봉과 원자로 내부 구조물을 냉각시키는데 충분한 기간동안 노심내부의 충분한 용량의 일차 및 비상냉각재를 유지하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 위하여, 본 발명은 최소한 한 개의 입구 노즐과 출구 노즐을 가진 원자로 용기, 원자로 작동중에 발열하는 연료봉으로 이루어진 상기 원자로 용기 내의 노심 및 상기 연료봉에 의하여 발생되는 열을 제거하기 위하여 원자로 용기를 통과하여 냉각재를 순환시키기 위해 입구 및 출구 노즐에 연결된 도관으로 구성된 원자로에서 각 입구노즐에 흐름 억제수단이 배치되고 이 흐름억제 수단은 정상 유속으로 원자로 용기 내부로 흐르는 냉각재에 대하여는 비교적 낮은 저항을 부여하고, 역방향으로 흐르는 냉각재에는 매우 큰 저항을 줌으로써 도입관의 파단이 발생한 후에 원자로로 부터의 냉각재 역류를 제한시키도록 함을 특징으로 하는 원자로 노심 보호 장치를 제공한다. 이 장치는 정상적인 원자로 작동중에 원자로내로 냉각재가 흐르는 것을 방지하는 것이 아니라 원자로 입구 노즐에 연결된 도입관에서 파단이 일어날 때 입구 노즐을 통해 역류하는 것을 방지한다.

본 발명을 첨부된 도면에 따라 상술하면 하기와 같다. 이들 도면은 예시의 수단일 뿐이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

제 1 도에, 보울트 14에 의하여 유체밀폐 방식으로 고착된 뚜껑 12를 가진 원자로 용기 10를 비롯한 원자로의 일반적인 개요가 도시되어 있다. 턱부분 18이 형성되어 있고 상부 지지판 20에 의해 적소에 보지되어 있는 노심조(爐心槽) 16은 원자로 용기와 간격을 가지고 떨어져 있어서 이 원자로 용기의 거의 전체길이에 걸쳐 연장된 환상(環狀)의 냉각수 통로 22를 제공하게 된다. 하부 노심판 24와 상부 노심판 26은 노심조에 의해 지지되어 있고, 이들 노심판과 노심조에 의해 형성된 부분 28은 원자로의 노심을 이루는 연료 집합체(도시되지 않았음)를 수용하도록 설계되어 있다.

연료 집합체의 수 및 매연료 집합체당 연료봉의 갯수는 원자로에 따라 다르지만, 공지의 원자로에 있어서는 매 원료 집합체가 204개의 연료봉으로 구성된 193개의 연료집합체를 수용한다.

상부 지지판 20과 상부 노심판 26 사이의 공간에는 지지 어댑터(adapter) 30이 수용되어 있고, 제어봉 안내관 32가 제어봉 34를 둘러싸고 있으며, 이 제어봉은 제어봉 구동 기구 36에 의해 연료 집합체 내에서 상하 왕복적으로 구동된다. 원자로의 저부에는 구멍 40을 가진 하부 지지판 38이 설치되어 있다. 냉각재는 하나 또는 그 이상의 입구 노즐 42에 연결된 도입관 41을 통하여 원자로 내로 도입되고, 환상의 냉각수 통로 22를 통하여 원자로 용기 10의 저부로 흐른다. 다음, 그 흐름방향이 역전되고, 냉각재가 하나 또는 그 이상의 출구 노즐 44를 통하여 배출되기 전에, 구멍 40, 하부 노심판 24 및 적소에 배치된 연료 집합체를 경유하여, 펌프와 증기 발생기(도시안됨)를 포함하고 있는 1차 루우프(loop)로 흐른다.

다중 벤튜리(multi-venturi)장치 46이 입구 노즐 42 내에 설치되어 있고, 이 장치는 정규의 냉각제 유속(流速)하에 그리고 정규 방향으로는 비교적 적은 저항을 제공한다. 본 발명을 예시하기 위하여 나타낸 원자로는 원자로 용기와 일체로 형성된 4개의 입구 노즐 42를 포함하고 있으나, 본 발명은 여하한 갯수의 입구 노즐에도 동일하게 적용된다.

제 2 및 3 도는 전형적인 입구 노즐의 형태를 나타낸다.

각 노즐은 배출구 54로 분기하는 도입공 52를 가지고 있다. 냉각수 통로 22로의 흐름을 용이하게 하기 위하여, 배출구 단부를 예각으로 분기시켜서 둥근면 56을 형성한다. 입구 노즐 42는 인코넬(Inconel) 부착 돌기부 즉, 패드(pad) 50의 배치를 위하여 개조된 것이다. 이들 돌기부는 미리 인코넬 피복된 입구 노즐 내부에 완전히 용접 취부된다. 또한 이들 돌기부 즉, 패드는 원자로 용기 제작 과정 중에 입구 노즐 벽면에 일체로 형성될 수도 있다. 도시된 각 돌기부 즉, 패드 50은 동일 규격 및 구조로 되어 있고, 노즐길이의 거의 중간에 위치하며, 노즐 벽면으로 부터 내부로 돌출되어 있다. 돌기부 정면 58들은 동일면상에 있으며, 각 돌기부에는 노즐도입구에 다중 벤튜리 보호기의 설치에 이용되는 보울트(도시안됨)의 단부를 수용하기 위한 나사구멍 60이 설치되어 있다.

원자로에 냉각재를 공급하는 도입관 41에서의 극심한 파손 또는 파열은 통상 제 1 도에 도시한 바와 같은 절단으로 된다.

이와 같은 종류의 파열은 도입관의 축에 대하여 수직인면으로 도입관을 완전히 가로질러 절단된 톱니모양으로 나타내어 질 수 있다.

펌프로부터 연장되어 있는 도입관 단부는 원자로 외부 공간으로 냉각재를 자유 자재로 배출하게 된다.

원자로내의 냉각재는 항상 고압하에 있으므로, 그 흐름방향은 도입관의 타측 절단단부를 통하여 원자로 외부 공간으로 역류 및 방출된다. 최신식으로 설계된 장치들은 이러한 심한 악조건을 처리할 수 있게되어 있으나, 원자로내에 냉각재가 장시간 체류함에 의해, 원자로 노심을 구성하는 연료봉이 과열되거나, 또는 발생된 열을 전달하는 지각재의 부족으로 과도하게 손상을 입게되지 않도록 해야 한다.

입구 노즐 42에 설치하기 위한 다중 벤튜리 보호기 46은 고성능이며 보다 단순하고 신뢰성이 있고 저렴한 비상 노심냉각장치, 특히 후술하는 이점을 얻기 위하여 충분한 기간동안 원자로 내측에 냉각재를 효과적으로 체류케하는 보호기를 제공하기 위한 부단한 노력의 결과이다. 따라서 다중 벤튜리 보호기의 일차기능은, 정상적인 원자로 운전중에 안정 상태의 성능에 대해서는 거의 영향을 주지않고, 일시적인 냉각재 손실시에 입구 노즐을 통해 외측으로의 냉각재의 흐름 즉, 입구 노즐을 통해 역방향으로의 흐름에 큰 저항을 제공하기 위한 것이다.

제 4, 5 및 6 도는 상기 목적을 효과적으로 달성하기 위한 다중 벤튜리 보호기의 구조를 도시하고 있다.

7°의 확산 각을 가진 단일 벤튜리 장치는 소기의 성능을 달성할 수 있을 것으로 생각되어 왔으나, 원자로에 적용하기 위하여는 길이가 4.57m 이상인 벤튜리를 만들어야만 하는데, 이것은 곤란하다. 그러나 본 발명에 따라, 단일의 벤튜리 보호기 46에 평행하게 고효율의 벤튜리 64를 다수 설치하고, 또 원자로 용기의 입구 노즐 42에 그 장치를 매설함에 의해 4.57m 벤튜리와 동일한 고성능의 벤튜리가 얻어지고 그리하여 도입관의 절단의 영향으로부터 원자로 노심을 보호한다.

도시된 다중 벤튜리 보호기 46은 전장이 4.57m가 아니라 오히려 약 86.36cm로서, 입구 노즐 42 내부에 양호하게 설치되고, 원자로의 내부구조가 유동력(流動力)에 하등의 변화도 일으키지 않게된다.

이 벤튜리의 길이와 갯수는 원자로의 규격에 따라 달라진다.

보호기 46은 410타입의 스테인레스 강(鋼)의 고체 주조물 62로 되어있고, 그의 외면은 그것이 설치되는 입구 노즐 42의 내면에 맞도록 정확히 기계가공된다. 그 주조물 62의 몸체에는 중금속 제 플랜지(flange)66이 있고, 또 입구 노즐 내에 그 보호기를 이동 자재하게 설치하는데 사용되는 보울트를 수용하기 위한 보울트 구멍 68이 보호기의 종방향으로 연장하여 있다. 각 보울트는 직경이 2.5cm, 길이가 30cm이며, 패드 즉, 돌기부 60에 나사로 부착된다. 이러한 배치와 그러한 보울트의 구조와 위치에 의해 원자로 용기노즐과 벤튜리 보호기의 원격제거 및 현장검사를 가능하게 한다. 이들 보울트는, 계통(system)의 과도부분에 발생하는 원자로 용기와 벤튜리 보호기 간의 차동(差動) 팽창을 허용하도록 설계되고, 또 150kg/㎠의 전체계통 압력(system pressure)을 받을 때도 적소에 벤튜리 보호기를 유지하기 위한 능력을 가지게 된다.

벤튜리 보호기의 구조가 벌집형태로 되어 있어 구조상에 야기되는 응력문제를 제거해 준다.

본 발명을 예시하기 위해 도시된 보호기에는, 서로 평행하게 배치된 19개의 벤튜리 64가 있으며, 전체 벤튜리 목부분

면적내 입구 흐름 면적의 비는 0.25이다. 이 벤튜리 면적비는 소정의 원자로가 요구되는 노심 유량과 온도 성능을 갖는데 최적이다. 고효율의 벤튜리가 사용되드라도, 안정 상태의 운전중에 이 장치의 영향에 대한 고려가 행해져야 한다. 각 벤튜리는 정상 운전중의 압력 손실을 최소한으로 하기 위해 둥글게된 입구 구조 67과 경사각 8°의 원추부 69를 갖도록 설계된다.

제 7, 8 및 9 도는 4개의 일차 루우프를 갖는 원자로 내에서 발생하는 작용을 도시하고 있다. 현재의 플랜트들은 입구 노즐내에 보호기가 설치되어 있지 않기 때문에 도입관 내에서 파단(破斷)이 발생하는 즉시, 일시적인 배출상태가 발생함과 동시에 입구 노즐로부터 역방향으로의 흐름이 발생한다. 제 7 도에서 점선으로 도시한 바와 같이 일시적인 배출(blow-down) 상태는 원자로에서의 냉각재의 순간적이고도 거의 완전한 배출을 초래하고 약간의 노심흐름의 역류가 그 일시 배출상태의 말기에 일어난다.

제 7 도에서의 실선은, 냉각재도입관의 면적이 0.25배로 감소된 본 발명의 다중 벤튜리 보호기를 입구 노즐 42에 설치한 때의 일시적인 배출상태를 나타내고 있다. 다중 벤튜리에 의해 제공되는 역류에 대한 저항은 우연한 도입관 절단시의 배출중 노심흐름에 지대한 영향을 준다는 사실은 분명하다. 벤튜리 보호기에 의한 흐름에 대한 저항은 원자로 용기와 노심조 사이의 냉각제 통로로부터 도입관절단부로의 흐름량을 감소시키며, 그 결과 노심흐름의 초기역류가 방지된다. 도면의 실선곡선은 흐름량 감소를 중단시키기 위해 냉각재 하향통로에서 장기간 정방향으로의 노심흐름과 장기간의 배출을 야기하고, 그 배출기간은 도시된 바와 같이 26초까지 연장됨을 분명히 나타내고 있다.

원자로 내에 이와 같이 냉각재가 비교적 장시간 체류하는 것은 연료봉 표면이 안정한 저온으로 유지됨으로써, 제어봉과 비상 냉각재가 운전 중지 상태의 조건에 있는 원자로 노심 내부에 다시 주입될 수 있을 때까지 연료봉을 보호한다는 중요성이 있다. 제 8 도의 점선곡선에 의해 도시한 바와 같이, 입구 노즐내에 벤튜리 보호기나 다른 형태의 보호기가 없는 원자로에서는 사고 발생중에 연료봉 온도가 925℃가 되는 경우가 발생할 수도 있고 이때에는 지르칼로이(zircaloy) 연료봉이 이미 650℃에서 손상을 입게 된다.

제 8 도의 실선 곡선은 본 발명을 이용함으로써 도입관 파단발생후 최초 4초중에 연료봉 표면온도가 400℃에서 325℃로 강하되고, 다음 장시간에 걸쳐 비교적 일정하게 유지됨을 나타내고 있다. 이 온도 강하는 노심 내에서 냉각재가 비교적 장시간 체류하는데 직접적으로 기여하고, 이러한 장기 체류는 입구 노즐 42에 다중 벤튜리 보호기 46을 설치함으로써 달성된다.

통상의 원자로에서, 감지장치가 원자로 냉각재의 압력강하는 감지하는 즉시, 축압기(accumulator)가 원자로 용기의 상부 부분에 비상 냉각재를 주입한다. 이 때, 원자로 내의 분배장치(distributor)가 상부 뚜껑 지역으로 부터 원자로 용기 내에 위치한 노심에 비상 냉각재를 공급한다. 입구 노즐에 벤튜리보호기를 사용하는 경우에 생기는 바람직한 잇점들을 고려할때, 입구 및 출구노즐 42와 44의 상부 및 그들 사이에 위치한 입구 70을 통하여 축압기로 부터의 비상 냉각재의 공급량에 맞추어 원자로 용기를 개조할 수 있다.

그러므로, 원자로의 정상부로부터 또는 몇몇 구조에서와 같이 입구를 통해서 보다는 오히려 축압기에서 냉각재 통로 공간내로 직접 주입이 이루어진다. 입구 노즐 내에 다중 벤튜리 보호기가 설치되어 도입관이 파단된 조건하에 입구 노즐을 통하여 역방향으로 축압기로 부터의 냉각재의 흐름에 대해 저항이 발생하게 된다. 이와 같은 작용은 노심에 있어서의 안전하고 낮은 온도로 연료봉을 유지하기 위한 냉각재의 효용가치를 보증한다.

일시적인 재흐름량은 흐름제한기의 유무와 관련하여 도입관 파단부에 대하여 측정되었다. 그 파단 부분을 포함한 이들 일시적 역류량은 압력 강하와 입구 노즐에서의 회수 가능한 손실량을 변화시킨다.

제 9 도의 곡선은 일시적인 재흐름량을 나타내며, 또 표시된 바와 같이 다중 벤튜리보호기가 입구 노즐에 위치된 경우에 노심 흐름량의 배가(倍加)현상이 발생함을 나타내고 있다. 흐름제한기를 통하여 압력을 강하시킴으로써 야기되는 냉각수 통로의 압력조절에 의하여 흐름량이 높아지게 된다.

벤튜리 목부분 면적대 입구 면적의 비 0.25는 7,000hp로 부터 8,000hp로의 펌핑력 증가를 필요로 하는 만큼 압력 손실을 발생시킨다.

Claims (1)

1. 최소한 한개의 입구 노즐과 출구 노즐을 가진 원자로 용기, 원자로 작동중에 발열하는 연료봉으로 이루어진 상기 원자로 용기내의 노심 및 상기 연료봉에 의하여 발생되는 열을 제거하기 위하여 원자로 용기를 통과하여 냉각재를 순환시키기위해 입구 및 출구 노즐에 연결된 도관으로 구성된 원자로에 있어서, 각 입구 노즐(42)에 흐름 억제 수단(46)을 설치하고, 이 흐름 억제 수단(46)은 정상유속으로 원자로 용기(10)내부로 흐르는 냉각재에 대하여는 비교적 낮은 저항을 부여하고, 역방향으로 흐르는 냉각재에는 매우 높은 저항을 줌으로써 도입관(41)의 파단이 발생한 후에 원자로부터의 냉각재 역류를 제한시키도록 함을 특징으로 하는 원자로 노심 보호장치.

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