WO2023090744A1 - 이중벽단일통과-증기발생기 - Google Patents

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WO2023090744A1
WO2023090744A1 PCT/KR2022/017424 KR2022017424W WO2023090744A1 WO 2023090744 A1 WO2023090744 A1 WO 2023090744A1 KR 2022017424 W KR2022017424 W KR 2022017424W WO 2023090744 A1 WO2023090744 A1 WO 2023090744A1
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heat transfer
lead
barrel
fixing part
steam generator
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김지현
황일순
김병주
김태용
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울산과학기술원
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    • G21D5/04—Reactor and engine not structurally combined
    • G21D5/08—Reactor and engine not structurally combined with engine working medium heated in a heat exchanger by the reactor coolant
    • G21D5/12—Liquid working medium vaporised by reactor coolant

Definitions

  • the present invention relates to a steam generator for a nuclear reactor, and more particularly, to a double-walled single-pass steam generator for a lead-cooled fast reactor using lead or lead-bismuth as a coolant as one of the fourth generation nuclear reactors.
  • the present invention is to solve the above conventional problems, and the present invention can prevent corrosion of heat pipes due to lead or steam in a lead-cooled fast nuclear reactor using lead or lead-bismuth as a coolant, and A lead-cooled fast reactor that can improve the safety, soundness, and heat transfer efficiency of a lead-cooled fast reactor by minimizing the applied tensile stress and causing compressive stress to occur in the heat pipe to prevent corrosion or damage to the heat pipe.
  • a lead-cooled fast reactor that can improve the safety, soundness, and heat transfer efficiency of a lead-cooled fast reactor by minimizing the applied tensile stress and causing compressive stress to occur in the heat pipe to prevent corrosion or damage to the heat pipe.
  • a double-walled single pass-steam generator of a lead-cooled fast nuclear reactor includes a vessel having an inlet through which cooling water flows in and a steam outlet through which steam is discharged, respectively; a plurality of heat transfer pipes installed to pass through the inside of the vessel in a straight line in a vertical direction, and lead or lead-bismuth coolant flows therein; It is installed to separate the space between the inner circumferential surface of the container and the plurality of heat transfer pipes, the upper end is connected to the inner circumferential surface of the container from the upper side of the inlet, and the lower end is formed so that the cooling water introduced through the inlet is directed to the lower end of the container.
  • Each of the plurality of heat transfer tubes has an inner layer in which a lead or lead-bismuth coolant flows, and a helium (He) gas detecting a damaged state of the heat transfer tube between the inner layer and the inner layer spaced apart from the inner layer at a predetermined distance outside the inner layer. It may include an outer layer that forms a flowable void.
  • the inner surface of the inner layer is coated with an aluminum-forming austenitic steel or lead anti-corrosion functional material, or the entire inner layer is made of an aluminum-forming austenitic steel or lead anti-corrosion functional material, and the outer layer is coated with a 15-15Ti alloy or the entire outer layer is 15 - may be made of a 15Ti alloy.
  • the upper heat pipe fixing part has a honeycomb structure, and helium (He) gas introduced into or discharged from the air gap of the heat pipe can flow through a space formed in the upper heat pipe fixing part.
  • He helium
  • the lower heat pipe fixing part has a honeycomb structure, and helium (He) gas discharged from the air gap of the heat pipe or introduced into the air gap of the heat pipe can flow through a space formed in the lower heat pipe fixing part.
  • He helium
  • a plurality of heat exchange fins protruding may be formed on the outer surface of the barrel to perform heat exchange between the fluid rising along the inner space of the barrel and the cooling water descending along the outer space of the barrel while lowering the flow rate of the cooling water.
  • problems such as corrosion of the heat transfer tube of the steam generator, damage to the integrity of the heat transfer tube due to leakage of the primary and secondary systems, and reduction in heat transfer efficiency are solved by a double tube (double wall) design of the heat transfer tube, and a composite heat transfer tube made of different materials. It can be solved based on layer coating, various mechanical property reinforcing structures, and feedwater preheater design, and has the effect of improving the safety, soundness and heat transfer efficiency of lead-cooled fast reactors.
  • the heat transfer pipe has a double-walled structure of an inner layer coated with a lead corrosion-resistant functional material and an outer layer that can prevent corrosion due to steam on the outer surface, thereby preventing corrosion.
  • He It can respond to safety accidents by quickly detecting lead leakage due to damage to the heat pipe by flowing gas.
  • the possibility of breakage at the curved portion can be excluded through a single pass (Once Through) design in which the heat transfer pipe is installed in a straight line without a curved portion in the container.
  • the coolant goes through a sufficient preheating process in the feedwater preheater before the steam exchanges heat, so that the heat exchange in the heat pipe part can be more stable and efficient. , it has the effect of mitigating thermal shock.
  • the double-walled single-pass steam generator design according to the present invention can be directly or indirectly used in other fields (eg, sodium fast reactor, etc.) that require excellent heat transfer effect and stability in the future.
  • other fields eg, sodium fast reactor, etc.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a double wall single pass-steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a double wall single pass-steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view and a perspective view showing the structure of a heat transfer pipe constituting a double wall single pass-steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of a feedwater preheater (Economizer) configured in a double wall single pass-steam generator according to an embodiment of the present invention.
  • Economizer feedwater preheater
  • the double wall single pass-steam generator includes a vessel 10, a plurality of heat transfer pipes 20, a barrel 60, an upper heat transfer tube fixing part ( 30), a lower heat transfer tube fixing part 40, and a heat transfer tube support plate 50.
  • the container 10 is formed in a vertically long cylindrical shape, and has an inlet 11 connected to a water supply pipe (not shown) for supplying cooling water to one side of the upper portion, and steam is discharged from the upper side of the inlet 11. Discharge ports 12 are formed respectively.
  • the steam outlet 12 is connected to a steam outlet pipe (not shown) to discharge steam generated inside the container 10 to the outside.
  • the minimum thickness of the vessel 10 is designed based on the internal pressure and the design stress intensity of the structural material, and can be designed by giving more than 10% margin to the ASME pressure vessel design minimum standard.
  • a plurality of heat transfer pipes 20 through which lead or lead-bismuth coolant flows are installed to pass through the inside of the container in a straight line in a vertical direction.
  • the length of the heat pipe 20 may be designed as a straight line of 2 to 6 m, but is not limited thereto.
  • the heat transfer pipe 20 has a double pipe structure, which will be described in more detail with reference to FIG. 3 below.
  • a cylindrical thermally conductive metal barrel 60 surrounds the outside of the heat transfer pipe 20 and separates the space between the inner circumferential surface of the container 10 and the plurality of heat transfer pipes 20. ) is installed.
  • the barrel 60 serves to preheat the cooling water introduced through the inlet 11 on the upper side of the container 10 while guiding it downward. More specifically, the barrel 60 has a predetermined distance (for example, up to 10 cm) from the inner circumferential surface of the container 10, and the upper end is connected to the inner circumferential surface of the container 10 from the upper side of the inlet 11 And, the lower end is formed so that the cooling water introduced through the inlet 11 is guided downward to form a chamber.
  • the barrel 60 guides the cooling water introduced through the inlet 11 to the lower side, and the heat of the fluid (steam) flowing upward along the outer surface of the heat transfer pipe 20 in the inner space of the barrel 60 is transferred to the barrel ( 60), it functions as a feed water preheater (Economizer) that preheats by passing it to the cooling water flowing downward from the outside.
  • Economizer feed water preheater
  • the thickness of the barrel 60 can be designed to be up to 3 cm.
  • the outer surface of the barrel 60 reduces the flow rate of the cooling water introduced through the inlet 11 while reducing the fluid rising along the inner space of the barrel 60 and the outer space of the barrel 60.
  • a plurality of heat exchange fins 62 may be formed to protrude to promote heat exchange with cooling water descending along the cooling water.
  • the heat exchange fin 62 may be formed in a flat plate shape, but may have an arbitrary shape other than this.
  • the upper heat pipe fixing part 30 is designed to securely support the upper portion of the plurality of heat pipe 20 at the top of the container 10, effectively enduring the load generated during operation of the nuclear power plant and the heat pipe It is preferable to have a honeycomb structure having a space in which the helium (He) gas flowing into (20) flows.
  • the upper heat pipe fixing part 30 may have a height of about 20 to 60 cm, but is not limited thereto.
  • the lower heat pipe fixing part 40 is designed to fixably support the lower part of the plurality of heat pipe 20 at the bottom of the container 10, and like the upper heat pipe fixing part 30, honey with a height of about 20 to 60 cm It may be made of a honeycomb structure. Accordingly, the helium (He) gas discharged through the lower end of the heat transfer tube 20 can flow through the space formed in the lower heat transfer tube fixing part 40 .
  • He helium
  • the heat exchanger support plate 50 is installed inside the barrel 60 and has a circular flat plate shape having a plurality of holes through which the plurality of heat exchanger tubes 20 are passed and supported while passing through the plurality of heat exchanger tubes inside the container 10. (20) is supported.
  • a plurality of heat transfer pipe support plates 50 are arranged vertically at predetermined intervals. Three heat transfer pipe support plates 50 may be installed in the vertical direction in a 2 m long heat pipe 20, and each time the length of the heat exchanger pipe 20 increases by 50 cm, the heat pipe support plate (50) can be added one by one.
  • the heat transfer tube support plate 50 supports the middle portion of the plurality of heat transfer tubes 20 inside the container 10, vibration of the heat transfer tubes 20 can be prevented. In particular, in the upper portion of the heat transfer tubes 20 where more vibration occurs It is possible to secure the mechanical soundness of the steam generator by mainly preventing vibration.
  • the heat transfer pipe 20 is composed of a double walled structure of an inner layer 21 and an outer layer 22 disposed outside the inner layer 21 at a predetermined distance, and the inner layer ( 21) and the outer layer 22, it is possible to detect leakage of lead into the secondary system due to damage to the heat transfer pipe 20 by allowing the helium (He) gas to flow along the gap between the outer layer 22.
  • He helium
  • the heat transfer pipe 20 has an inner layer 21 in which lead or lead-bismuth coolant flows, and is spaced apart from the inner layer 21 at a predetermined distance on the outside of the inner layer 21 to form a contact with the inner layer 21 It includes an outer layer 22 forming an air gap 23 between which helium (He) gas, which detects a damaged state of the heat transfer pipe 20, flows.
  • the gap 23 may be formed at a distance between the inner layer 21 and the outer layer 22, that is, the gap 23 is 10 to 100 ⁇ m.
  • Helium (He) gas circulates through the air gap 23, and the helium (He) gas flows in through a ventilation hole (not shown) formed on the upper side of the heat pipe 20 in the upper heat pipe fixing part 30. After being formed, it flows downward along the heat pipe 20 and can be discharged to the lower heat pipe fixing part 40 through a ventilation hole (not shown) formed on the lower side of the heat pipe 20.
  • the helium (He) gas is introduced from the lower heat pipe fixing part 40 through a ventilation hole (not shown) formed on the lower side of the heat pipe 20, flows upward along the heat pipe 20, and then flows upward along the heat pipe 20 It may be discharged to the upper heat pipe fixing part 30 through a ventilation hole (not shown) formed on the upper side of the ).
  • the helium (He) gas flowing downward or upward along the heat pipe 20 and then flowing into the lower heat pipe fixing part 40 or the upper heat pipe fixing part 30 is collected to measure radiation, pressure change, temperature change , Breakage of the heat transfer pipe 20 can be quickly detected by measuring the gas dryness change.
  • the total thickness of the heat transfer pipe 20 may be 1 to 3 mm, but is not limited thereto.
  • the inner surface of the inner layer 21 may be coated with an aluminum-forming austenitic steel or lead anti-corrosion functional material, or the entire inner layer 21 may be made of an aluminum-forming austenitic steel or lead anti-corrosion functional material.
  • the outer layer 22 may be coated with a 15-15Ti alloy having high mechanical strength and corrosion resistance by steam, or the entire outer layer may be made of a 15-15Ti alloy.
  • cooling water When cooling water is introduced through the inlet 11 at the top of the container 10 through a water supply pipe (not shown), the cooling water flows downward along the chamber formed between the inner surface of the container 10 and the outer surface of the barrel 60, and then , After flowing into the inside of the lower end of the container 10 through the open lower end of the barrel 60, it exchanges heat with the lead or lead-bismuth coolant of the heat transfer pipe 20 while rising.
  • the heat of the fluid rising along the outer surface of the heat transfer pipe 20 in the inner space of the barrel 60 is transferred to the cooling water flowing from the outside of the barrel 60 to the lower side through the barrel 60 and the heat exchange fin 62. Since the coolant is preheated by the transfer, heat exchange can be performed stably and efficiently in the heat transfer pipe 20 part.
  • Cooling water heat-exchanged while rising along the outer surface of the heat transfer pipe 20 is phase-converted into steam and discharged to the outside of the container 10 through the steam outlet 12 .
  • the heat transfer pipe 20 is installed to pass through the lower end of the vessel 10 in a straight line from the upper end to the lower end of the vessel 10 without any curved parts, it is possible to eliminate the possibility of breakage at the curved part.
  • the present invention can be applied to double-walled single-pass steam generators used in lead-cooled fast reactors using lead or lead-bismuth as a coolant.

Abstract

본 발명은 납 또는 증기로 인한 전열관의 부식을 방지할 수 있고, 납냉각 고속 원자로의 안전성, 건전성 및 열전달 효율을 증진시킬 수 있는 납냉각 고속 원자로의 이중벽단일통과-증기발생기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 납냉각 고속 원자로의 이중벽단일통과-증기발생기는, 상부에 냉각수가 유입되는 유입구와 증기가 배출되는 증기배출구가 각각 형성되어 있는 용기; 상기 용기 내부를 상하방향으로 일직선으로 관통하도록 설치되며, 내부에 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 복수의 전열관; 상기 용기의 내주면과 상기 복수의 전열관 사이의 공간을 분리하도록 설치되며, 상단이 상기 유입구의 상측에서 용기의 내주면에 연결되고, 하단이 개방되게 형성되어 상기 유입구를 통해 유입되는 냉각수를 용기의 하단부로 유도하면서 예열하는 열전도성 금속 재질의 배럴(barrel); 상기 용기의 상부에서 상기 복수의 전열관의 상부를 지지하는 상부전열관고정부; 상기 용기의 하부에서 상기 복수의 전열관의 하부를 지지하는 하부전열관고정부; 및, 상기 배럴의 내측에 설치되어 상기 복수의 전열관을 지지하는 전열관 지지판;을 포함한다.

Description

이중벽단일통과-증기발생기
본 발명은 원자로의 증기발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제4세대 원자로 중 하나로서 납, 또는 납 - 비스무스를 냉각재로 사용하는 납냉각 고속 원자로의 이중벽단일통과-증기발생기에 관한 것이다.
납 냉각 고속 원자로에서 사용되는 증기발생기는 기존 경수로와 다르게 납을 냉각재로 사용하며 납으로 인한 심각한 부식 현상이 일어난다. 특히 납 환경에서 기존 구조재료는 액체금속 취화(Liquid Metal Embrittlement)가 일어나며 납과 같은 액체금속이 금속 표면에 노출되어 있는 결정립계(Grain boundary)를 통해 침투하기 때문에 주로 인장응력(Tensile Stress)이 발생하는 기존 경수로의 전열관처럼 설계할 경우 결정립계가 늘어나기 때문에 납이 더 많이 침투할 수 있고, 따라서 액체금속취화가 더 활발하게 일어나게 된다.
또한 증기발생기 설계가 목표하고 있는 소형모듈원자로(Small modular reactor) 개념을 바탕으로 노심 핵연료를 장수명, 또는 전수명 무교체로 운용할 필요가 있으므로 장기간 동안 부식을 방지할 수 있어야 함과 동시에 기계적으로 원자로 내부의 환경에서 견딜 수 있어야 한다. 예기치 못한 현상으로 인해 전열관이 파손됐을 경우 심각한 문제가 생길 가능성이 있다. 납 냉각 고속 원자로는 주로 풀(Pool) 형태의 구조를 가지기 때문에 발전의 효율이 떨어진다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 납, 또는 납 - 비스무스를 냉각재로 사용하는 납냉각 고속 원자로에 있어서 납 또는 증기로 인한 전열관의 부식을 방지할 수 있고, 전열관에 걸리는 인장응력을 최소화하면서 압축응력(Compressive Stress)이 전열관에 발생하게 하여 전열관의 부식이나 손상을 방지할 수 있도록 함으로써 납냉각 고속 원자로의 안전성, 건전성 및 열전달 효율을 증진시킬 수 있는 납냉각 고속 원자로의 이중벽단일통과-증기발생기를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 납냉각 고속 원자로의 이중벽단일통과-증기발생기는, 상부에 냉각수가 유입되는 유입구와 증기가 배출되는 증기배출구가 각각 형성되어 있는 용기; 상기 용기 내부를 상하방향으로 일직선으로 관통하도록 설치되며, 내부에 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 복수의 전열관; 상기 용기의 내주면과 상기 복수의 전열관 사이의 공간을 분리하도록 설치되며, 상단이 상기 유입구의 상측에서 용기의 내주면에 연결되고, 하단이 개방되게 형성되어 상기 유입구를 통해 유입되는 냉각수를 용기의 하단부로 유도하면서 예열하는 열전도성 금속 재질의 배럴(barrel); 상기 용기의 상부에서 상기 복수의 전열관의 상부를 지지하는 상부전열관고정부; 상기 용기의 하부에서 상기 복수의 전열관의 하부를 지지하는 하부전열관고정부; 및, 상기 배럴의 내측에 설치되어 상기 복수의 전열관을 지지하는 전열관 지지판;을 포함한다.
상기 복수의 전열관 각각은, 내부에 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 내층과, 상기 내층의 외측에 내층과 일정 거리 이격되어 내층과의 사이에 전열관의 손상 상태를 감지하는 헬륨(He) 가스가 유동하는 공극을 형성하는 외층를 포함할 수 있다.
상기 내층의 내면은 알루미늄 형성 오스테나이트강 또는 납의 부식방지 기능성 재료로 코팅되거나 내층 전체가 알루미늄 형성 오스테나이트강 또는 납의 부식방지 기능성 재료로 이루어지고, 상기 외층은 15 - 15Ti 합금으로 코팅되거나 외층 전체가 15 - 15Ti 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 상부전열관고정부는 허니콤 구조로 이루어지며, 상부전열관고정부에 형성되는 공간을 통해 상기 전열관의 공극으로 유입되거나 전열관의 공극으로부터 배출되는 헬륨(He) 가스가 유동할 수 있다.
상기 하부전열관고정부는 허니콤 구조로 이루어지며, 하부전열관고정부에 형성되는 공간을 통해 상기 전열관의 공극으로부터 배출되거나 전열관의 공극으로 유입되는 헬륨(He) 가스가 유동할 수 있다.
상기 배럴의 외면에 냉각수의 유속을 저하시키면서 배럴의 내측 공간을 따라 상승하는 유체와 배럴의 외측 공간을 따라 하강하는 냉각수와의 열교환을 수행하는 복수의 열교환핀(fin)이 돌출되게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 증기발생기의 전열관의 부식, 1차 및 2차계통 누설로 인한 전열관의 건전성 손상, 열전달 효율 감소 등의 문제점들을 전열관의 이중관(이중벽) 설계와, 전열관의 각기 다른 재료로 이루어지는 복합층 코팅, 다양한 기계적 특성 강화 구조물 및 급수 예열기 설계를 바탕으로 해결할 수 있으며 납냉각 고속 원자로의 안전성, 건전성 및 열전달 효율을 증진시킬 수 있는 효과가 있다.
즉, 전열관은 내면이 납의 부식방지 기능성 재료로 코팅된 내층과, 외면이 증기로 인한 부식을 방지할 수 있는 외층의 이중벽 구조로 이루어져 부식을 방지할 수 있으며, 내층과 외층 사이의 공극을 통해 헬륨(He) 가스를 유동시켜 전열관의 손상에 따른 납 누설을 신속하게 감지하여 안전사고에 대처할 수 있다.
그리고 전열관이 용기 내에서 굴곡진 부분없이 일직선형으로 관통하게 설치되는 단일통과(Once Through) 설계를 통해 굴곡진 부분에서의 파단 가능성을 배제할 수 있다.
또한 전열관의 외부의 압력이 전열관의 내부의 압력보다 높은 역증기발생기(Inverted Steam Generator) 설계를 통해, 전열관에 인장응력이 걸리지 않고 압축응력(Compressive Stress)이 걸리게 함으로써 결정립계가 넓어지지 않게 되어, 결과적으로 납이 재료로 침투하기 어려워져 재료의 액체금속취화, 즉 재료의 부식을 방지할 수 있는 효과도 있다.
또한 용기 내부에 설치되는 배럴에 의한 급수 예열기(Economizer) 설계를 통해 증기가 열을 교환하기 전에 급수 예열기에서 냉각수가 충분한 예열과정을 거치게 되어 전열관 부분에서의 열교환이 보다 안정적이고 효율적으로 이루어질 수 있게 되며, 열충격도 완화할 수 있는 효과가 있다.
이러한 본 발명에 따른 이중벽단일통과-증기발생기 설계는 향후 우수한 열전달 효과 및 안정성을 고려해야하는 다른 분야(예를 들어 Sodium Fast Reactor 등)에도 직, 간접적으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽단일통과-증기발생기의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽단일통과-증기발생기의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽단일통과-증기발생기를 구성하는 전열관의 구조를 나타낸 횡단면도 및 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽단일통과-증기발생기에 구성된 급수 예열기(Economizer) 구성을 나타낸 사시도이다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 납냉각 고속로 환경에 기반한 이중벽단일통과-증기발생기에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중벽단일통과-증기발생기는 용기(10)와, 복수의 전열관(20), 배럴(barrel)(60), 상부전열관고정부(30), 하부전열관고정부(40), 전열관 지지판(50)을 포함한다.
상기 용기(10)는 상하로 긴 원통형으로 이루어지며, 상부 일측에 냉각수를 공급하는 급수관(미도시)과 연결되는 유입구(11)가 형성되고, 상기 유입구(11)보다 상측에 증기가 배출되는 증기배출구(12)가 각각 형성되어 있다. 증기배출구(12)는 증기배출관(미도시)과 연결되어 용기(10) 내부에서 발생한 증기를 외부로 배출한다.
용기(10)의 최소 두께는 내부 압력, 구조재료의 설계응력강도값(Design Stress Intensity)을 기반으로 설계되며, ASME 압력용기 설계 최소 기준에 여유도를 10% 이상 주는 것으로 설계할 수 있다.
상기 용기(10)에는 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 복수의 전열관(20)이 용기 내부를 상하방향으로 일직선으로 관통하도록 설치된다. 단일통과(Once Through) 설계를 위해 전열관(20)의 길이는 2~6 m 직선으로 설계될 수 있지만, 이에 한정하지는 않는다. 상기 전열관(20)은 이중관 구조로 이루어지는데, 이에 대해서는 아래에 도 3을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
용기(10)의 내부 공간에는 전열관(20)의 외측을 둘러싸면서 용기(10)의 내주면과 복수의 전열관(20) 사이의 공간을 분리하는 원통형으로 된 열전도성 금속 재질의 배럴(barrel)(60)이 설치된다. 상기 배럴(60)은 용기(10) 상부의 유입구(11)를 통해 유입된 냉각수를 하측으로 유도하면서 예열하는 기능을 한다. 좀 더 구체적으로, 상기 배럴(60)은 용기(10)의 내주면과 소정의 간격(예를 들어 최대 10 ㎝)을 가지며, 상단이 상기 유입구(11)의 상측에서 용기(10)의 내주면에 연결되고, 하단이 개방되게 형성되어 상기 유입구(11)를 통해 유입되는 냉각수를 하측으로 유도하는 챔버를 형성한다.
이와 같이 배럴(60)은 유입구(11)를 통해 유입되는 냉각수가 하측으로 유도하며, 배럴(60)의 내측 공간에서 전열관(20)의 외면을 따라 상측으로 흐르는 유체(증기)의 열을 배럴(60)의 외측에서 하측으로 흐르는 냉각수에 전달하여 예열하는 급수 예열기(Economizer)의 작용을 하게 된다.
이러한 배럴(60)에 의한 급수 예열기(Economizer) 설계를 통해서 증기가 열을 교환하기 전에 급수 예열기에서 충분한 예열과정을 거치게 되어 전열관(20) 부분에서 열교환이 보다 안정적이고 효율적으로 이루어질 수 있게 되며, 열충격도 완화할 수 있는 이점이 있다. 배럴(60)의 두께는 최대 3 ㎝로 설계될 수 있다.
또한 도 4에 도시한 것과 같이 배럴(60)의 외면에는 유입구(11)를 통해 유입된 냉각수의 유속을 저하시키면서 배럴(60)의 내측 공간을 따라 상승하는 유체와 배럴(60)의 외측 공간을 따라 하강하는 냉각수와의 열교환을 증진시키는 복수의 열교환핀(fin)(62)이 돌출되게 형성될 수 있다. 상기 열교환핀(62)은 평판 형태로 이루어질 수 있지만, 이와 다른 임의의 형태를 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상부전열관고정부(30)는 용기(10)의 상부에서 복수의 전열관(20)의 상부를 고정되게 지지하도록 된 것으로, 원전 운전 중 발생하는 하중을 효과적으로 견디면서 상기 전열관(20) 내로 유입되는 헬륨(He) 가스가 유동하는 공간을 갖는 허니콤 구조(Honeycomb Structure)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상부전열관고정부(30)는 대략 20~60 ㎝의 높이를 가질 수 있지만, 이에 한정하지는 않는다.
또한 하부전열관고정부(40)는 용기(10)의 하부에서 복수의 전열관(20)의 하부를 고정되게 지지하도록 된 것으로, 상부전열관고정부(30)와 마찬가지로 대략 20~60 ㎝의 높이의 허니콤 구조(Honeycomb Structure)로 이루어질 수 있다. 따라서 전열관(20)의 하단부를 통해 배출되는 헬륨(He) 가스가 하부전열관고정부(40)에 형성되는 공간을 통해 유동할 수 있게 된다.
상기 전열관 지지판(50)은 상기 배럴(60)의 내측에 설치되며, 상기 복수의 전열관(20)이 통과하면서 지지되는 다수의 구멍을 갖는 원형의 평판 형태로 되어 용기(10) 내측에서 복수의 전열관(20)을 지지한다. 전열관 지지판(50)은 복수개가 상하로 소정의 간격을 두고 배열되는데, 2m 길이의 전열관(20)에는 상하방향으로 3개가 설치될 수 있으며, 전열관(20)의 길이가 50 ㎝ 늘어날 때 마다 전열관 지지판(50)은 1개씩 추가될 수 있다.
전열관 지지판(50)이 용기(10) 내측에서 복수의 전열관(20)의 중간 부분을 지지함으로써 전열관(20)의 진동을 방지할 수 있는데, 특히 진동이 더 많이 발생하는 전열관(20) 상부 부분에서 진동을 중점적으로 방지하여 증기발생기의 기계적 건전성을 확보할 수 있다.
도 3에 도시한 것과 같이, 전열관(20)은 내층(21)과, 상기 내층(21)의 외측에 일정 거리 이격되게 배치된 외층(22)의 이중벽(Double Walled) 구조로 이루어지며, 내층(21)과 외층(22) 사이의 공극을 따라 헬륨(He) 가스가 유동할 수 있도록 하여 전열관(20) 손상으로 인한 납의 2차계통으로의 누설을 감지할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 전열관(20)은 내부에 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 내층(21)과, 상기 내층(21)의 외측에 내층(21)과 일정 거리 이격되어 내층(21)과의 사이에 전열관(20)의 손상 상태를 감지하는 헬륨(He) 가스가 유동하는 공극(23)을 형성하는 외층(22)를 포함한다. 상기 공극(23)은 내층(21)과 외층(22) 사이의 간격, 즉 공극(23)은 10~100 ㎛로 형성될 수 있다.
상기 공극(23)을 통해서 헬륨(He) 가스가 순환 유동하게 되는데, 헬륨(He) 가스는 상부전열관고정부(30)에서 전열관(20)의 상단 측면에 형성된 통기공(미도시)을 통해서 유입된 후 전열관(20)을 따라 하측으로 유동하다가 전열관(20)의 하단 측면에 형성된 통기공(미도시)을 통해서 하부전열관고정부(40)로 배출될 수 있다. 물론 이와 반대로 헬륨(He) 가스는 하부전열관고정부(40)에서 전열관(20)의 하단 측면에 형성된 통기공(미도시)을 통해서 유입된 후 전열관(20)을 따라 상측으로 유동하다가 전열관(20)의 상단 측면에 형성된 통기공(미도시)을 통해서 상부전열관고정부(30)로 배출될 수도 있을 것이다. 이와 같이 전열관(20)을 따라 하측 또는 상측으로 유동하다가 하부전열관고정부(40) 또는 상부전열관고정부(30) 내로 흘러 들어간 헬륨(He) 가스를 채집하여 방사선을 측정하고, 압력 변화, 온도 변화, 기체 건도 변화를 측정함으로써 전열관(20)의 파손을 신속하게 감지할 수 있다.
전열관(20)의 전체 두께는 1~3 ㎜로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 상기 내층(21)의 내면은 알루미늄 형성 오스테나이트강 또는 납의 부식방지 기능성 재료로 코팅되거나 내층(21) 전체가 알루미늄 형성 오스테나이트강 또는 납의 부식방지 기능성 재료로 이루어질 수 있다. 또한 상기 외층(22)은 증기에 의한 부식 저항성이 있으며 높은 기계적 강도를 가지고 있는 15 - 15Ti 합금으로 코팅되거나 외층 전체가 15 - 15Ti 합금으로 이루어질 수 있다.
이러한 증기발생기는 다음과 같이 작동한다.
급수관(미도시)을 통해 냉각수가 용기(10) 상부의 유입구(11)를 통해 유입되면, 냉각수는 용기(10)의 내면과 배럴(60)의 외면 사이에 형성된 챔버를 따라서 하측으로 유동한 다음, 배럴(60)의 개방된 하단부를 통해서 용기(10)의 하단부 내측으로 유입된 후 상승하면서 전열관(20)의 납 또는 납-비스무스 냉각재와 열교환하게 된다.
이 때, 배럴(60)의 내측 공간에서 전열관(20)의 외면을 따라 상승하는 유체의 열이 배럴(60)과 열교환핀(62)을 통해 배럴(60)의 외측에서 하측으로 유동하는 냉각수로 전달되어 냉각수가 예열되므로 전열관(20) 부분에서 열교환이 안정적이고 효율적으로 이루어질 수 있다.
전열관(20)의 외면을 따라 상승하면서 열교환된 냉각수는 증기로 상변환하여 증기배출구(12)를 통해 용기(10)의 외부로 배출된다.
한편, 상술한 것과 같이 용기(10) 내측으로 냉각수가 유입되어 전열관(20)의 냉각재와 열교환하여 증기가 발생하는 동안, 전열관(20)의 내층(21)과 외층(22) 사이의 공극(23)으로는 헬륨(He) 가스가 유동하게 된다. 전열관(20) 내부를 따라 유동하는 헬륨(He) 가스를 채집하고, 방사선, 압력 변화, 온도 변화, 기체 건도 변화를 측정함으로써 전열관(20)의 파손을 신속하게 감지한다.
이와 같은 본 발명의 증기발생기는 전열관(20)이 굴곡진 부분 없이 용기(10)의 상단부에서 하단부를 일직선형으로 관통하도록 설치되므로, 굴곡진 부분에서의 파단 가능성을 없앨 수 있다.
또한 전열관(20)의 외부의 압력이 전열관(20)의 내부의 압력보다 높은 역증기발생기(Inverted Steam Generator) 설계를 통해, 전열관(20)에 인장응력이 걸리지 않고 압축응력(Compressive Stress)이 걸리게 함으로써 결정립계가 넓어지지 않게 되고, 결과적으로 납이 재료로 침투하기 어려워져 재료의 액체금속취화, 즉 재료의 부식을 방지할 수 있는 이점이 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 납, 또는 납 - 비스무스를 냉각재로 사용하는 납냉각 고속 원자로에 사용되는 이중벽단일통과-증기발생기에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 상부에 냉각수가 유입되는 유입구와 증기가 배출되는 증기배출구가 각각 형성되어 있는 용기;
    상기 용기 내부를 상하방향으로 일직선으로 관통하도록 설치되며, 내부에 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 복수의 전열관;
    상기 용기의 내주면과 상기 복수의 전열관 사이의 공간을 분리하도록 설치되며, 상단이 상기 유입구의 상측에서 용기의 내주면에 연결되고, 하단이 개방되게 형성되어 상기 유입구를 통해 유입되는 냉각수를 용기의 하단부로 유도하면서 예열하는 열전도성 금속 재질의 배럴(barrel);
    상기 용기의 상부에서 상기 복수의 전열관의 상부를 지지하는 상부전열관고정부;
    상기 용기의 하부에서 상기 복수의 전열관의 하부를 지지하는 하부전열관고정부; 및,
    상기 배럴의 내측에 설치되어 상기 복수의 전열관을 지지하는 전열관 지지판;
    을 포함하는 이중벽단일통과-증기발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전열관 각각은, 내부에 납 또는 납 - 비스무스 냉각재가 유동하는 내층과, 상기 내층의 외측에 내층과 일정 거리 이격되어 내층과의 사이에 전열관의 손상 상태를 감지하는 헬륨(He) 가스가 유동하는 공극을 형성하는 외층를 포함하는 이중관으로 된 이중벽단일통과-증기발생기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내층의 내면은 알루미늄 형성 오스테나이트강 또는 납의 부식방지 기능성 재료로 코팅되거나 내층 전체가 알루미늄 형성 오스테나이트강 또는 납의 부식방지 기능성 재료로 이루어지고, 상기 외층은 15 - 15Ti 합금으로 코팅되거나 외층 전체가 15 - 15Ti 합금으로 이루어진 이중벽단일통과-증기발생기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 상부전열관고정부는 허니콤 구조로 이루어지며, 상부전열관고정부에 형성되는 공간을 통해 상기 전열관의 공극으로 유입되거나 전열관의 공극으로부터 배출되는 헬륨(He) 가스가 유동하는 이중벽단일통과-증기발생기.
  5. 제6항에 있어서, 상기 하부전열관고정부는 허니콤 구조로 이루어지며, 하부전열관고정부에 형성되는 공간을 통해 상기 전열관의 공극으로부터 배출되거나 전열관의 공극으로 유입되는 헬륨(He) 가스가 유동하는 이중벽단일통과-증기발생기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배럴의 외면에 냉각수의 유속을 저하시키면서 배럴의 내측 공간을 따라 상승하는 유체와 배럴의 외측 공간을 따라 하강하는 냉각수와의 열교환을 수행하는 복수의 열교환핀(fin)이 돌출되게 형성된 이중벽단일통과-증기발생기.
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