KR100354172B1 - 환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 압력용기 내부에 증기발생기, 냉각재펌프가 설치되고, 증기 발생기 외측에 환형원통 형상의 가압기가 설치된 일체형원자로에 관한 것으로, 그 목적은 일체형원자로의 가압기 구조를 단순화하여 가압기의 제작을 용이하게 하며, 일체형 원자로의 증기발생기와 원자로 용기 사이에 환형 자기가압기를 설치하여 제어봉 구동축의 움직임에 의한 제어봉 안내관의 손상이 가압기의 밀봉특성을 상실시키는 위험성을 제거함으로써 원자로 운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로를 제공하는 것이다.

본 발명은 원자로 압력용기 내부에서 노심 상부에 상부안내 구조물이 위치하고, 상부안내구조물 측면에 증기발생기가 위치하며, 증기발생기 상부에 냉각재펌프가 배치되고, 압력용기 상부에는 자기가압기가 설치되며, 원자로 냉각재는 노심 하부에서 유입되어 노심을 지나면서 가열되어지고 노심을 지나 상부안내구조물과 냉각재펌프를 통하여 증기발생기 상부로 토출되고 증기발생기 상부에서 하부로 흐르면서 냉각되어지며 냉각된 냉각재는 다시 노심 하부로 유입되는 유동경로를 형성하며, 원자로 냉각재 계통의 압력은 자기가압기 상부에 형성된 다수 개의 구멍에 부착된 밀림관을 통하여 가압기 내부로 전달되며, 자기가압기 내부에 저장된 포화증기와 고압질소의 분압과 원자로 내부압력이 평형을 이루도록 하여 원자로의 천이운전에 의한 냉각재계통의 압력변화를 수용하는 일체형 원자로에 있어서, 상기 자기가압기의 기하학적 형상 및 위치를 환형원통 형상으로 제작하여 원자로 용기 내부에서 증기발생기의 외측에 위치하도록 설치함으로써, 가압기의 밀봉특성을 증가시켜 원자로 운전의 신뢰성을 향상시키고 핵연료 교체작업과 원자로 유지보수 작업을 수행할 때 가압기를 추출하지 않는 것을 특징으로 하는 환형원통 형상의 자기가압기를 설치한 일체형원자로를 제공함에 있다.

Description

환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로 {Integral Reactor with Hollow-Cylinder Type Self-Pressurizer}

본 발명은 환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로에 관한 것으로, 일체형 원자로의 증기발생기와 원자로 용기 사이에 환형 자기가압기를 설치함으로서 가압기의 구조를 단순하게 하고, 제어봉안내관의 손상이 가압기의 밀봉특성을 상실하게하는 위험성을 제거하며, 또한 핵연료 교체작업을 용이하게 하는 환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로에 관한 것이다.

일반적으로 가압기는 원자로의 천이운전시 원자로 계통에서 노심의 냉각재 비등을 방지하기 위하여 원자로 냉각재 계통의 압력을 일정하게 유지하도록 하는 장치로써, 분리형 원자로에서는 가압기를 원자로-증기발생기-원자로를 연결하는 1차냉각재 배관사이에 위치하도록 설치하여 원자로 내부의 압력변화를 배관을 통하여 가압기로 전달하고, 가압기 내부에 전열기 및 살수기를 장착하여 가압기 내부에서 발생하는 비등현상에 의한 포화증기를 이용하여 원자로 냉각재 계통의 압력을 조절함으로써 원자로 냉각재 계통의 압력 및 온도 변화에 의한 원자로 노심의 비등현상을 방지한다.그러나, 일체형원자로에서는 가압기와 증기발생기를 원자로 용기 내부에 설치하고, 가압기 상부에 설치된 다수개의 구멍에 부착된 1 차 밀림관과 가압기 내벽을 관통하여 설치되는 2차밀림관을 통하여 원자로 내부와 가압기 내부가 서로 압력이 전달되고, 가압기 내부공간에는 채워지는 포화증기와 질소가스 분압이 원자로 내부압력과 평형을 유지하도록 하는 자기가압기를 적용하여 원자로의 천이운전 과정에서 발생하는 냉각재 계통의 압력변화를 흡수하도록 하고 있다.

상기 일체형원자로에 사용하는 자기가압형 가압기는 원자로 압력용기 내부의 상부공간에 설치하며, 분리형 원자로의 가압기에서 사용하는 전열기 및 살수기를 사용하지 않고 가압기 내부에 채워지는 고압의 질소가스를 사용한다. 정상 운전시 일체형원자로의 내부에는 냉각재가 완전히 채워지는 것이 아니고, 가압기 내부에 고압 질소가스가 채워지며 냉각재의 온도에 따라 냉각재의 체적과 질소가스의 압력이 변화함으로써 원자로의 압력을 조절하도록 되어 있다.

현재 설계된 대표적인 일체형원자로는 상용발전소의 분리형원자로와 달리 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 증기발생기(36`), 가압기(10), 냉각재 펌프(20`)가 원자로 용기(42`) 내부에 설치되어 있어 원자로의 안전성을 향상시키도록 되어 있었다. 즉, 원자로 상단 중앙에는 가압기(10)가 설치되고, 상기 가압기(10) 아래에 상부안내구조물(38`)과 원자로 노심(40`)이 위치하며, 가압기 상부에는 원자로 노심의 핵분열 반응도를 조절하는 제어봉 구동장치(22`)가 설치되고, 제어봉안내관(18`)이 가압기의 2차공간(14`)과 상부안내구조물(38`)을 관통하도록 되어 있었다. 또한 원자로노심(40`)의 핵반응 상태를 계측하기 위한 노심계측기가 통과하는 노심계측기 안내관(16`)이 가압기의 2차공간(14`)과 상부안내구조물(38`)을 관통하고 설치되어 있다.

상기 가압기 내부에는 가압기의 내부온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각기(11`)가 가압기 외벽과 가압기 내벽(15`) 사이의 1차공간(13`)에 설치되고, 원자로 상부와 가압기의 1차공간(13`)은 가압기 외벽에 형성된 구멍에 부착된 1차 밀림관(17`)으로 연결되어 있으며, 1차공간(13`)과 2차공간(14`)은 가압기 내벽(15`)을 관통하여 설치된 2차 밀림관(12`)을 통하여 연결된다.원자로 노심(40`)에서 방출되는 열을 2차 계통에 전달하는 2차 냉각재는 원자로 외부에 형성된 급수노즐(36`)로 연결디고, 원자로 용기 내부에서는 증기발생기(36`)와 급수노즐(26`) 사이에는 다수개의 짧은 튜브들을 연결시켜 2차 냉각재를 증기발생기로 공급하고 또한 증기를 외부로 방출하도록 되어 있다.원자로 냉각재는 원자로 노심(40`)의 하부에서 유입되어 노심(40`)을 지나면서 가열되어지고, 노심을 지나 상부안내구조물(38`), 냉각재펌프(20`)를 통하여 증기발생기 상부로 토출되고, 증기발생기(36`)의 상부에서 하부로 냉각재가 흐르면서 냉각되어지며, 냉각된 냉각재는 다시 노심(40`)하부로 유입되는 유동경로를 형성하므로 냉각재는 원자로 용기(42`) 내부에서만 순환되는 유동경로를 형성한다. 원자로 용기 내부의 냉각재 계통의 압력은 자기가압기 상부에 형성된 다수 개의 구멍에 부착된 1차밀림관(17`)과 가압기 내벽(15`)을 관통하여 설치된 2차밀림관(12`)을 통하여 가압기(10) 내부로 전달되며, 가압기 내부에 저장된 포화증기와 고압질소의 분압과 원자로 내부압력은 1차밀림관(17`)과 2차밀림관(12`)을 통하여 상호 평형을 이루도록 하여 가압기가 원자로 냉각재 계통의 각종 천이운전을 수용하며, 가압기의 체적은 원자로 내부에 채워지는 냉각재 체적의 25～30%를 수용할 수 있도록 하여 원자로 내부의 냉각재가 초기의 냉각상태에서 정상운전 상태로 가열되었을 때 팽창되는 냉각재 체적을 가압기가 흡수하도록 하고 또한 가압기 내부에 충전되는 질소의 분압과 냉각재 포화 증기압이 평형을 유지하도록 한다.

이와 같이 기존의 일체형원자로에서 사용되어지고 있는 가압기(10)는 원자로 배치에서 원자로 노심(40`) 상부에 설치되므로, 원자로 노심에서 핵연료를 교체작업을 수행할 때에는 매번 가압기(10)를 먼저 추출하고, 핵연료를 교체한 후, 다시 가압기(10)를 설치하는 번거로움이 있었다.

또한, 원자로 내부에 설치되는 가압기(10)는 1차밀림관(17`)을 제외한 모든 경계영역에서 밀봉상태를 유지하도록 설계되어야 하므로 가압기의 덮개와 바닥판에는 제어봉 안내관(18`)과 노심계측기 안내관(16`)을 밀봉용접으로 부착하도록 되어 있으나, 도 3 에 도시된 바와 같이 가압기(10) 덮개에는 많은 수의 제어봉 구동장치(22`) 및 노심계측기 노즐(24`)이 설치되고, 가압기 2차공간(14`)에는 많은 제어봉 안내관(18`)과 노심계측기 안내관(16`)이 가압기(10)를 관통하여 설치되어 가압기 2차공간(14`)의 단면은 벌집과 같은 복잡한 형상으로 구성되므로, 가압기의 덮개와 바닥판에서 제어봉안내관(18`)과 노심계측기 안내관(16`)을 밀봉용접으로 작업하기가 곤란하며, 가압기 내부에 위치하는 밀봉용접 부분은 가동중 검사를 수행하기가 곤란하였다.

또한, 가압기 2차공간(14`)에 저장되는 냉각재의 저장용량은 제어봉 안내관(18`)과 노심계측기 안내관(16`)이 차지하는 체적만큼 감소하므로, 필요한냉각재의 용량을 확보하기 위하여 가압기(10)의 길이를 상대적으로 길게 즉, 가압기의 체적을 크게 하여야 하며, 이에 따라 매우 긴 제어봉 연장축을 사용해야 하는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 원자로-가압기-증기발생기를 연결하는 배관이 형성되지 않는 일체형원자로의 가압기 구조를 단순화하여 가압기의 제작을 용이하게 하며, 일체형 원자로의 증기발생기와 원자로 용기 사이에 환형 자기가압기를 설치하여 제어봉 구동축의 움직임에 의한 제어봉 안내관의 손상이 가압기의 밀봉특성을 상실시키는 위험성을 제거함으로써 원자로 운전의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로를 제공하는 것이다.

본 발명은 원자로 압력용기 내부에서 노심 상부에 상부안내 구조물이 위치하고, 상부안내구조물 측면에 증기발생기가 위치하며, 증기발생기 상부에 냉각재펌프가 배치되고, 압력용기 상부에는 자기가압기가 설치되며, 원자로 냉각재는 노심 하부에서 유입되어 노심을 지나면서 가열되어지고 노심을 지나 상부안내구조물과 냉각재펌프를 통하여 증기발생기 상부로 토출되고 증기발생기 상부에서 하부로 흐르면서 냉각되어지며 냉각된 냉각재는 다시 노심 하부로 유입되는 유동경로를 형성하며, 원자로 냉각재 계통의 압력은 자기가압기 상부에 형성된 다수 개의 구멍에 부착된 밀림관을 통하여 가압기 내부로 전달되며, 자기가압기 내부에 저장된 포화증기와 고압질소의 분압과 원자로 내부압력이 평형을 이루도록 하여 원자로의 천이운전에 의한 냉각재계통의 압력변화를 수용하는 일체형 원자로에 있어서, 상기 자기가압기의 기하학적 형상 및 위치를 환형원통 형상으로 제작하여 원자로 용기 내부에서 증기발생기의 외측에 위치하도록 설치함으로써, 가압기의 밀봉특성을 증가시켜 원자로 운전의 신뢰성을 향상시키고 핵연료 교체작업과 원자로 유지보수 작업을 수행할 때 가압기를 추출하지 않는 것을 특징으로 하는 환형원통 형상의 자기가압기를 설치한 일체형원자로를 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명에서의 환형 자기가압기를 설치한 일체형원자로의 단면예시도

도 2 는 대표적인 일체형원자로의 구성을 보인 단면예시도

도 3 은 도 2 의 원자로에서 원자로 덮개 부분의 평면배열 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 기존의 자기가압기 (11) : 냉각기

(12) : 2차 밀림관 (13) : 1차공간

(14) : 2차공간 (15) : 가압기 내벽

(16) : 노심계측기 안내관 (17) : 1차 밀림관

(18) : 제어봉 안내관 (20) : 냉각재 펌프

(22) : 제어봉 구동장치 (24) : 노심계측기 노즐

(26) : 증기 노즐 (28) : 급수 노즐

(30) : 스터드 볼트 (32) : 질소가스 주입 노즐

(34) : 냉각기 노즐 (36) : 증기발생기

(38) : 상부안내구조물 (40) : 원자로 노심

(42) : 원자로 용기 (43) : 원자로 덮개

(45) : 중앙덮개 (50) : 환형 자기가압기

도 1 은 본 발명에서의 환형 자기가압기(50)를 설치한 일체형원자로의 단면예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 환형원통 형상의 자기가압기(50)의 기하학적 위치가 증기발생기(36) 외측과 원자로용기(42) 내측사이에 설치하여 제어봉안내관(18)과 노심계측기 안내관(16)이 가압기를 관통하지 않고 원자로 노심(40)에 연결되도록 되어 있다.즉, 원자로 압력용기 상단 중앙에 제어봉구동장치(22) 및 노심 계측기 노즐(24)이 설치되며, 상기 제어봉구동장치(22) 및 노심 계측기 노즐(24)과 연결되어 제어봉 안내관(18) 및 노심계측기 안내관(16)이 각각 설치되고, 상기 제어봉 안내관(18) 및 노심계측기 안내관(16)이 각각 관통되는 상부안내구조물(38)이 원자로 압력용기 내부에 위치하는 노심(40)상부에 설치되며, 상기 원자로 압력용기(42) 중앙에 설치되는 상부안내구조물(38) 및 원자로 노심(40)이 위치하는 부위의 외측에 증기발생기(36)가 설치되고, 상기 증기발생기(36) 상부에 냉각재 펌프(20)가 설치되며, 상기 증기발생기(36)와 원자로 덮개(43)에 설치된 급수노즐(28) 및 증기노즐(26)에 연결하여 2차냉각수의 급수배관 및 증기배관이 설치되어, 급수노즐 및 급수배관을 통해 증기발생기(36)내로 2차 냉각수가 공급되고, 공급된 2차냉각수는 증기발생기(36)를 지나면서 가열된 다음 증기로 변환되어 증기노즐(26)과 연결된 증기배관을 통하여 원자로 용기 외부로 방출되며, 상기 노심하부로 유입되는 1차 냉각수는 노심(40)을 지나면서 가열되어 상부안내구조물(38), 냉각재펌프(20)를 통해 증기발생기(36) 상부로 토출되며, 상기 증기발생기(36) 상부로 토출된 1차 냉각수는 다시 증기발생기(36)의 상부에서 하부로의 이동에 의해 냉각되어 노심 하부로 재유입됨과 동시에, 자기가압기내에 저장된 포화증기와 고압질소의 분압이 원자로 내부 압력과 상호 평형을 이루도록 구성된 일체형원자로에 있어서, 원자로 내에 설치된 증기발생기의 외측에 원자로 둘레를 따라 환형상을 구비하는 자기가압기(50)를 설치하여, 제어봉안내관과 노심계측기 안내관이 가압기를 관통하지 않도록 되어 있다. 이때, 상기 자기가압기의 체적은 원자로 압력용기 내부 상단에 원자로 내부에 채워지는 냉각재 체적의 25~30% 를 구비한다.

즉, 원자로 상단 중앙에는 중앙덮개(45)가 설치되고, 상기 중앙덮개 하부에 상부안내구조물(38)과 원자로노심(40)이 위치하며, 상기 중앙덮개(45)에는 원자로 노심의 핵분열 반응도를 조절하는 제어봉구동장치(22) 및 원자로노심(40)의 핵반응 상태를 계측하기 위한 노심계측기노즐이 설치되고, 상기 상부안내구조물(38)을 관통하여 제어봉안내관(18) 및 노심계측기가 통과하는 노심계측기 안내관(16)이 설치되어 있다.

이와 같이 제어봉안내관(18)과 노심계측기 안내관(16)이 상부안내구조물(39)을 관통하지만 상부안내구조물(38)은 밀봉특성이 요구되는 구조물이 아니므로 제어봉 안내관(18)의 균열에 의하여 밀봉특성이 상실되는 위험성, 밀봉용접의 어려움, 그리고 밀봉용접 부분에 대한 가동중 검사 등의 제약조건이 없다.

상기 중앙덮개(45)와 상부안내구조물(38)의 외측에는 증기발생기(36)에 2차냉각수를 공급하고 고온고압의 증기를 배출하는 급수배관 및 증기배관을 배치하며, 상기 급수배관 및 증기배관은 원자로 덮개(43)를 관통하여 급수노즐(28)과 증기노즐(26)에 연결되고, 상기 증기발생기(36)의 외측에는 환형의 자기가압기(50)가 설치되어 있다.즉, 2차 계통의 냉각재는 급수노즐(26)과 증기노즐(36)을 통해 통해 증기발생기(36)내로 순환되고, 1 차 냉각재는 노심(40)-상부안내구조물(38)- 냉각재펌프(20)-증기발생기(36)-노심(40)으로 순환하도록 되어 있다.

상기 환형 자기가압기(50) 내부에는 가압기의 내부온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각기(11)가 원자로 덮개를 관통하여 가압기 외벽과 가압기 내벽(15) 사이의 1차 공간(13)에 설치되고, 상기 가압기의 1차 공간(13)은 가압기 외벽상단에 형성된 다수개의 구멍과 이 구멍에 삽입된 1차 밀림관(17)을 통하여 원자로 내부와 압력이 전달되도록 연결되며, 가압기 내벽(15)을 관통하여 설치된 2차 밀림관(12)에 의해 2차공간(14)과 연결된다. 이때, 상기 2차공간(14)에는 원자로 덮개(43) 상부에 설치된 질소가스주입노즐(32)과 연결되고, 상기 냉각기(11)는 원자로 덮개(43)를 관통하여 냉각기노즐(34)에 연결된다. 즉, 환형 원통형상의 자기가압기(50)의 내부 상부에 형성된 다수개의 구멍에 부착된 1차 밀림관(17)을 통하여 원자로 내부의 냉각재 압력이 가압기 내부로 전달되고, 이로 인해 상호간의 압력이 평형을 이루도록 되어 있다.

이와 같이, 본 발명은 원통형상의 환형 자기가압기(50)를 증기발생기(36) 외측과 원자로용기(42) 내측사이에 즉, 원자로용기(42)내부에서 증기발생기(36) 외측에 위치하도록 설치되므로, 원자로용기(42)의 상부 형상이 바깥으로 돌출된 구조를 가지고 있다.

이와 같이 본 발명의 환형 자기가압기의 기하학적인 위치가 원자로 노심의 상단 부분에 위치하지 않고, 증기발생기 외측과 원자로용기 내측사이에 위치하도록 되어 있고, 원자로-가압기-증기발생기가 배관으로 연결되지 않으므로 핵연료 교체작업을 수행할 경우, 가압기를 추출할 필요가 없으며 이로인해 원자로 운전성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 제어봉안내관과 노심계측기 안내관이 가압기를 관통하지 않으므로, 그 구조를 단순화 할 수 있으며, 이로 인해 제작이 용이하고, 가동중 유지보수성 및밀봉성이 향상됨과 동시에, 원자로 용량에 적합하게 기존의 가압기보다 그 크기를 소형화 할 수 있으며, 이에 따라 제어봉 연장축의 길이를 짧게 할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (2)

1. 원자로 압력용기 내부 상단에 원자로 내부에 채워지는 냉각재 체적의 25~30% 의 체적을 구비하는 자기가압기가 설치되고, 원자로 압력용기 상단 중앙에 제어봉구동장치 및 노심 계측기 노즐이 설치되며, 상기 제어봉구동장치 및 노심 계측기 노즐과 연결되어 제어봉 안내관 및 노심계측기 안내관이 각각 설치되고, 상기 제어봉 안내관 및 노심계측기 안내관이 각각 관통되는 상부안내구조물이 원자로 압력용기 내부에 위치하는 노심상부에 설치되며, 상기 원자로 압력용기 중앙에 설치되는 상부안내구조물 및 원자로 노심이 위치하는 부위의 외측에 증기발생기가 설치되고, 상기 증기발생기 상부에 냉각재 펌프가 설치되며, 상기 증기발생기와 원자로 덮개에 설치된 급수노즐 및 증기노즐에 연결하여 2차냉각수의 급수배관 및 증기배관이 설치되어, 급수노즐 및 급수배관을 통해 증기발생기내로 2차 냉각수가 공급되고, 공급된 2차냉각수는 증기발생기를 지나면서 가열된 다음 증기로 변환되어 증기노즐과 연결된 증기배관을 통하여 원자로 용기 외부로 방출되며, 상기 노심하부로 유입되는 1차 냉각수는 노심을 지나면서 가열되어 상부안내구조물, 냉각재펌프를 통해 증기발생기 상부로 토출되며, 상기 증기발생기 상부로 토출된 1차 냉각수는 다시 증기발생기의 상부에서 하부로의 이동에 의해 냉각되어 노심 하부로 재유입됨과 동시에, 자기가압기내에 저장된 포화증기와 고압질소의 분압이 원자로 내부 압력과 상호 평형을 이루도록 구성된 일체형원자로에 있어서;

   상기 자기가압기는 원자로 내에 설치된 증기발생기의 외측에 원자로 둘레를 따라 환형상을 구비하며 설치되고,

   내벽에 의해 가압기 내부가 1,2차공간으로 분리되며,

   상기 1차 공간내에 가압기의 내부온도를 일정하게 유지시키기 위한 냉각기가 원자로 덮개를 관통하여 설치됨과 동시에,

   상기 가압기의 1차공간은 가압기 외벽상단에 형성된 다수개의 구멍과 이 구멍에 삽입된 1차 밀림관을 통하여 원자로 상부와 연결되고, 가압기 내벽을 관통하여 설치된 2차 밀림관에 의해 2차공간에 연결되며,

   상기 냉각기 및 2차공간은 원자로 덮개 상부에 설치된 냉각기노즐 및 질소가스주입노즐과 각각 연결된 것을 특징으로 하는 환형원통 형상의 자기가압기가 설치된 일체형원자로.
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