KR101313789B1

KR101313789B1 - 핵 반응로 및 핵 반응로의 냉각 방법

Info

Publication number: KR101313789B1
Application number: KR1020117013842A
Authority: KR
Inventors: 에릭 폴 영; 존 티. 그룸; 조세 엔. 주니어 레이즈
Original assignee: 뉴스케일 파워, 인크.
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2013-09-30
Also published as: CA2745703A1; CN102272856A; US20100124303A1; JP5759899B2; EP2366180B1; PL2366180T3; HK1204707A1; CN104299655B; US8437446B2; CA2745703C; EP2366180A1; CN102272856B; US8824619B2; CN104299655A; KR20110106852A; JP2012509465A; WO2010057193A1; US20130266111A1; ES2523958T3

Abstract

핵 반응로는 반응로 용기(52) 및 반응로 용기 내부에 장착된 반응로 하우징(20)을 포함하며, 반응로 하우징은 슈라우드(22) 및, 슈라우드 위에 위치된 상승부(24)를 포함한다. 핵 반응로는 상승부 주위에 가깝게 위치된 열교환기(35) 및, 슈라우드 안에 위치된 반응로 코어(6)를 더 포함한다. 증기 발생기 바이패스 장치는 제 1 냉각제의 보조 유동 경로를 반응로 코어에 제공하여 제 1 냉각제의 제 1 유동 경로를 상승부의 밖으로 그리고 슈라우드의 안으로 증대시키도록 구성되며, 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 열교환기 옆을 지나지 않으면서 반응로 하우징을 빠져나간다.

Description

핵 반응로 및 핵 반응로의 냉각 방법{Nuclear reactor and method of cooling nuclear reactor}

본 발명은 핵 반응로로부터 붕괴열을 제거하기 위한 시스템에 관한 것이다.

수동적인 작동 시스템(passive operating system)으로 설계된 핵 반응로에서, 핵 반응로의 안전한 작동이 적어도 일정한 미리 정해진 시간 주기 동안에 작업자의 개입 또는 감독 없이도 정상 작동하는 동안에, 또는 심지어는 비상 조건 동안에도 유지되는 것을 보장하도록, 물리학적 법칙이 채용된다. 핵 반응로 조립체(5)는 반응로 용기(2)로 둘러싸인 반응로 코어(reactor core, 6)를 구비한다. 반응로 용기(2)내의 물은 반응로 코어(6)를 둘러싼다. 반응로 코어(6)는 측부 둘레에서 반응로 코어(6)를 둘러싸는 슈라우드(shroud, 122)내에 위치된다. 물(10)이 핵분열 이벤트의 결과로서 반응로 코어(6)에 의해 가열될 때, 물(10)은 슈라우드(122)로부터 상승부(riser, 124) 밖으로 지향된다. 이것은 더 많은 물(10)이 반응로 코어(6) 안으로 유인되어 그에 의해 가열되는 결과를 초래하고, 이는 더 많은 물(10)을 슈라우드(122)로 유인한다. 상승부(124)로부터 나오는 물(10)은 냉각되고 환형부(annulus, 123)를 향하여 지향되며, 다음에 자연 순환을 통하여 반응로 용기(2)의 저부로 복귀된다. 가압 증기(11)는 물(10)이 가열될 때 반응로 용기(2)내에서 발생된다.

열교환기(35)는 터빈(32) 및 발전기(34)로 전기를 발전하기 위하여 제 2 냉각 시스템(30) 안에서 급수 및 증기를 순환시킨다. 급수(feedwater)는 열교환기(35)를 통과하고 과열 증기가 된다. 제 2 냉각 시스템(30)은 콘덴서(36) 및 급수 펌프(38)를 구비한다. 제 2 냉각 시스템(30)내의 증기 및 급수는 반응로 용기(2) 내의 물(10)로부터 격리됨으로써, 증기 및 급수가 서로 직접적으로 접촉하거나 또는 혼합되는 것은 허용되지 않는다.

반응로 용기(2)는 격납 용기(containment vessel, 4)에 의해 둘러싸인다. 격납 용기(4)는 반응로 용기(2)로부터의 물 또는 증기가 주변 환경으로 빠져나가는 것을 허용하지 않도록 설계된다. 증기 밸브(8)는 반응로 용기(2)로부터 격납 용기(4)의 상부 절반부(14)로 증기(11)를 배출시키도록 제공된다. 잠겨 있는 블로우다운(blowdown) 밸브(18)는 서브쿨링된 물(sub-cooled water)을 포함하는 억제 저수소(suppression pool, 12)로 물(10)을 배출시키도록 제공된다.

공급수 유동의 손실 동안에, 핵 반응로 조립체(5)는 반응로 코어(6)의 긴급 정지에 의해 응답하도록 설계되어, 격납 용기(4)를 범람시키거나 또는 반응로 용기(2)를 감압시킨다. 상기 2 가지중 후자의 응답은 핵 반응로 조립체(5)가 정지되고 연장된 기간 동안에 전기를 발전할 수 없게 한다. 더욱이, 냉각제가 반응로 용기(2)로부터 방출되는 냉각제 손실의 조건 동안에, 반응로 코어(6)를 통한 냉각제의 유동이 감소된다. 이것은 반응로 코어 온도를 소망의 레벨로 가져가는데 필요한 시간을 증가시킨다.

본 발명은 상기의 문제 및 다른 문제들을 해결하기 위한 것이다.

핵 반응로는 반응로 하우징, 반응로 하우징의 하부 부분에 위치된 반응로 코어 및, 반응로 하우징의 상부 부분 주위에 가깝게 위치된 열교환기를 포함하는 것으로 개시되어 있다. 제 1 냉각제는 상부 부분을 통해 반응로 하우징의 밖으로 유동하고, 제 1 냉각제는 하부 부분을 통해 반응로 하우징 안으로 유동한다. 핵 반응로는 하부 부분 및 상부 부분 중간에서 반응로 하우징 안에 제공된 통로를 더 포함하며, 통로는 제 1 냉각제의 보조 유동을 반응로 코어에 제공하여 반응로 하우징의 상부 부분 밖으로의 그리고 하부 부분 안으로 제 1 냉각제의 유동을 증대시킨다.

핵 반응로는 반응로 용기 및 반응로 용기 안에 장착된 반응로 하우징을 포함하는 것으로서 개시되어 있으며, 반응로 하우징은 슈라우드 및, 슈라우드 위에 위치된 상승부를 포함한다. 열교환기는 상승부 주위에 가깝게 위치되고, 반응로 코어는 슈라우드 안에 위치된다. 핵 반응로는 증기 발생기 바이패스 시스템을 더 포함하며, 상기 시스템은 제 1 냉각제의 보조 유동 경로를 반응로 코어로 제공하여 제 1 냉각제의 제 1 유동 경로가 상승부 밖으로 그리고 슈라우드 안으로 증대되도록 구성되며, 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 열교환기 옆을 지나지 않으면서 반응로 하우징을 빠져나간다.

핵 반응로의 냉각 방법이 개시된다. 제 1 냉각제는 상부에 있는 상승부 및 하부에 있는 슈라우드를 포함하는 반응물 하우징을 통하여 순환된다. 제 1 냉각제의 제 1 유동 경로는 상승부 주위에 가깝게 위치된 열교환기 옆을 지나가고, 제 1 냉각제는 하부에 있는 슈라우드에 진입한다. 냉각제 손실 사고(LOCA; loss of coolant accident) 또는 감압 이벤트가 검출되고, 제 1 냉각제의 유체 레벨은 상승부의 상부 아래로 감소된다. 제 1 냉각제의 제 1 유동 경로는 상승부를 증기로서 빠져나간다. 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 반응로 하우징에 제공된 보조 통로를 통해 순환되고, 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 열교환기 옆을 지나지 않으면서 반응로 하우징을 빠져나간다. 보조 유동 경로로부터의 제 1 냉각제는 하부 슈라우드에 진입하는 제 1 유동 경로로부터의 제 1 냉각제와 조합된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 본 발명의 바람직한 구현예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 보다 용이하게 명백해질 것이다.

도 1 은 핵 파워 시스템을 도시한다.
도 2 는 내부 건조 격납 용기를 포함하는 핵 반응로 조립체를 도시한다.
도 3 은 비상 작동 동안에 도 2 의 핵 반응로 조립체를 도시한다.
도 4 는 비상 작동 동안에 증기 발생기 유동 바이패스 시스템을 포함하는 핵 반응로의 구현예를 도시한다.
도 5 는 정상 작동 조건 동안에 증기 발생기 유동 바이패스 시스템을 포함하는 핵 반응로의 구현예를 도시한다.
도 6a 는 정상 작동 조건 동안에 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 6b 는 동력 저하 작동 동안에 도 6a 의 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 7 은 관통 통로를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 8 은 밸브를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 9 는 하나 또는 그 이상의 격벽을 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 10 은 온도 활성화 통로를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 11 은 볼 체크 밸브(ball check valve)를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 12 는 제어 로드(control rod)에 의해 작동되는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 구현예를 도시한다.
도 13 은 제어 로드에 의해 작동되는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템의 대안의 구현예를 도시한다.
도 14 는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템을 이용하여 반응로 코어를 냉각하는 신규의 방법을 도시한다.

본원에 개시되거나 참조된 다양한 구현예들은 함께 출원중인 미국 출원 번호 11/941,024 에 기재된 특징들과 관련되거나 또는 조화되어 작동될 수 있으며, 상기 미국 출원은 본원에 참조로서 포함된다.

도 2 는 내부적으로 건조한 격납 용기(54)를 포함하는 핵 반응로 조립체(nuclear reactor assembly, 50)를 도시한다. 격납 용기(54)는 실린더 형상이고, 구형이거나, 돔형이거나, 또는 타원형의 상단부 및 하단부를 가진다. 전체 핵 반응로 조립체(50)는 효과적인 히트 싱크(heat sink)로서의 역할을 하는 저수조(16) 안에 잠길 수 있다. 저수조(16) 및 격납 용기(54)는 지면(9) 아래의 반응로 칸(7)에 위치될 수 있다. 격납 용기(54)는 용접될 수 있거나 또는 다르게 환경에 대하여 밀봉될 수 있어서, 액체 및 개스가 핵 반응로 조립체(50)로부터 이탈하거나 또는 그 곳에 진입하지 않는다. 격납 용기(54)는 그 어떤 임의의 외부 표면에 지지될 수 있다.

일 구현예에서, 격납 용기(54)는 하나 또는 그 이상의 장착 연결부(800)에 의해서 저수조(16) 안에 매달린다. 반응로 용기(52)는 격납 용기(54) 내부에 위치되거나 장착된다. 반응로 용기(52)의 내부 표면은 물과 같은, 액체 또는 냉각제(100)를 포함하는 젖은 환경에 노출될 수 있고, 외부 표면은 공기와 같은 건조 환경에 노출될 수 있다. 반응로 용기(52)는 스테인레스 스틸 또는 카본 스틸로 만들어질 수 있고, 클래딩(cladding)을 포함할 수 있고, 격납 용기(54) 안에 지지될 수 있다.

핵 반응로 조립체(50)는 레일 차량(rail car)에서 운반될 수 있도록 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 격납 용기(54)는 대략 4.3 미터의 직경 및 대략 17.7 미터의 높이(길이)로 구성될 수 있다. 반응로 코어(6)의 연료 보급은, 예를 들어 전체적인 핵 반응로 조립체(50)를 레일 차량 또는 해양으로 운반하고, 그것을 연료봉이 새로이 공급된 신규 핵 반응로 조립체 또는 재처리된(refurbished) 핵 반응로조립체로 교체함으로써 수행될 수 있다.

격납 용기(54)는 반응로 코어(6)를 엔캡슐레이션(encapsulation)시키고, 일부 조건에서는 반응로 코어(6)를 냉각시킨다. 그것은 상대적으로 작고, 높은 강도를 가지며, 전체적으로 작은 치수 때문에 통상적인 격납 설계의 압력보다 부분적으로 6 배 또는 7 배의 압력을 견딜 수 있다. 핵 반응로 조립체(50)의 제 1 냉각 시스템에서 파괴가 일어나면, 분열 생성물(fission products)이 환경으로 배출되지 않는다. 비상 상황하에서 붕괴 열(decay heat)이 핵 반응로 조립체(50)로부터 제거될 수 있다.

반응로 코어(6)는 물과 같은, 제 1 냉각제(100) 안에 잠기거나 또는 빠져 있는 것으로 도시되어 있다. 반응로 용기(52)는 냉각제(100) 및 반응로 코어(6)를 하우징한다. 반응로 하우징(20)은 반응로 하우징(20)의 하부 부분에서 슈라우드(shroud, 22)를 포함하고, 상부 부분에서 상승부(riser, 24)를 포함한다. 슈라우드(22)는 반응로 코어(6)를 그것의 측부 둘레에서 둘러싸고, 냉각제(100)의 자연 순환의 결과로서, 냉각제(100)를 반응로 용기(52)의 상부 절반부내에 위치된 상승부(24)를 통해 위로 지향시키는 (냉각제 유동(65,67 로 표시됨) 역할을 한다. 일 구현예에서, 반응로 용기(52)는 대략 2.7 미터의 직경이고, 13.7 미터의 전체적인 높이(길이)를 구비한다. 반응로 용기(52)는 주로 실린더 형상을 구비할 수 있으며 타원형이거나, 돔형이거나, 또는 구형의 상단부 및 하단부를 가진다. 반응로 용기(52)가 정상적으로는 작동 압력 및 온도에 있다. 격납 용기(54)는 내부에서 건조하고, 저수조(16)의 온도이거나 그에 가까운 벽 온도를 가지면서 대기 압력에서 작동할 수 있다.

격납 용기(54)가 실질적으로는 반응로 용기(52)를 둘러싸고, 격납 영역(44)으로서 식별된, 건조하거나, 비어있거나, 또는 개스 환경을 제공할 수 있다. 격납 영역(44)은 공기 또는 아르곤(Argonne) 또는 다른 불활성의 개스와 같은 다른 충전 개스의 일정량을 포함할 수 있다. 격납 용기(54)는 격납 영역(44)에 근접한 내측 벽 또는 내부 표면을 포함한다. 격납 영역(44)은 공기 대신에 또는 공기에 추가하여 개스 또는 개스들을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 격납 영역(44)은 대기 압력에서 또는 그 이하에서 유지되며, 예를 들어 부분적인 진공으로 유지된다. 격납 용기 안의 개스 또는 개스들은 반응로 용기(52)가 격납 영역(44) 안에 완전하거나 또는 부분적인 진공으로 위치되도록 제거될 수 있다.

정상 작동의 동안에, 반응로 코어(6) 안에서의 분열 이벤트(fission event)로부터의 열에너지는 냉각제(100)가 가열되게 한다. 냉각제(100)가 가열될 때, 그것은 밀도가 줄어들고 상승부(24)를 통하여 상승되는 경향이 있다. 냉각제(100)의 온도가 감소되면, 그것은 가열된 냉각제보다 상대적으로 밀도가 짙어지고 환형부(23)의 밖에서 주위로, 반응로 용기(52)의 저부로 그리고 슈라우드(22)를 통해서 위로 순환되어 다시 한번 반응로 코어(6)에 의해 가열된다. 이러한 자연적인 순환은 냉각제(100)(냉각제 유동(65)으로서 도시됨)가 열교환기(35)를 통해 순환되게 하여, 열을 도 1 의 제 2 냉각 시스템(30)과 같은 제 2 냉각제로 전달함으로써, 전기를 발전한다.

도 3 은 비상 작동 동안에 도 2 의 핵 반응로 조립체를 도시한다. 비상 작동은 예를 들어 반응로 코어(6)의 과열 또는 반응로 용기(52)의 과도 압력 이벤트에 대한 응답을 포함할 수 있다. 일부 비상 작동의 동안에, 반응로 코어(6)는 냉각제(100)를 건조한 격납 용기(54)의 격납 영역(44) 안으로 배출시키도록 구성될 수 있다. 반응로 코어(6)의 붕괴열은 격납 용기(54)의 내표면(55)상의 냉각제(100)의 응축을 통해 제거될 수 있다. 격납 용기(54)가 저수조(16) 안에 잠길 수 있는 반면에, 격납 용기(54)의 내측 표면(55)은 비상 작동 또는 과도 압력 이벤트 이전에 완전하게 건조해질 수 있다.

유동 제한기(58) 또는 증기 벤트(steam vent)가 비상 작동 동안에 냉각제(100)를 격납 용기(54) 안으로 배출시키기 위하여 반응로 용기(52) 상에 장착될 수 있다. 냉각제(100)는 수증기와 같은 증기(41)로서 격납 용기(54) 안으로 배출될 수 있다. 유동 제한기(58)는 배관 또는 연결부들과 같은 그 어떤 간섭 구조물 없이, 반응로 용기(52)의 외측벽에 직접적으로 장착되거나 또는 연결될 수 있다. 증기(41)의 응축은 배기된 증기(41)가 압력을 격납 용기(54)에 더하는 것과 대략 같은 비율로 격납 용기(54)내의 압력을 감소시킬 수 있다.

증기(41)로서 격납 용기(54) 안에 배출되는 냉각제(100)는 격납 용기(54)의 내측 표면(55)상에서 액체로서 응축된다. 증기(41)가 액체 냉각제(100) 안으로 변환되면서, 증기(41)의 응축은 격납 용기(54) 안의 압력이 감소되게 한다. 충분한 양의 열이 격납 용기의 내측 표면(55) 상에서 증기(41)의 응축을 통해 핵 반응로 조립체(50)로부터 제거될 수 있어서 반응로 코어(6)로부터 붕괴 열의 제거를 관리한다. 일 구현예에서, 비상 작동에서조차도 반응로 용기(52)로부터 액체 냉각제(100)의 배출은 없다. 응축된 냉각제(100)는 격납 용기(54)의 저부로 하강하여 저수조로 모인다. 더 많은 증기(41)가 내측 표면(55) 상에서 응축되므로, 격납 용기(54)의 저부에 있는 냉각제(100)의 레벨은 점진적으로 상승한다. 증기(41) 안에 저장된 열은 격납 용기(54)의 벽을 통하여, 궁극적인 히트 싱크로서 작용하는 저수조(16) 안으로 전달된다. 격납 용기(54)의 저부에 위치한 냉각제(100) 안에 저장된 열은 내측 표면(55)상에서의 액체 대류 및 전도의 열 전달을 통하여 전달된다.

수증기 또는 증기(41)로부터 제거된 열은 차가운 격납 용기(54)의 내측 벽 상에서의 응축을 통하여 그리고 고온 냉각제로부터 내측 표면(55)으로의 자연 대류에 의하여 상대적으로 차가운 내측 표면(55)으로 전달될 수 있다. 열은 격납 용기 벽을 통한 전도에 의해서 그리고 격납 용기(54)의 외측 표면상에서의 자연 대류를 통해서 저수조(16)로 전달될 수 있다. 냉각제(100)는 반응로 코어(6)가 과열된 후에 그리고 비상 작동 동안에 핵 반응로 조립체(50) 안에 제한되어 유지된다. 저수조(16)로 전달된 열은 그 어떤 작동의 개입 없이도 3 일 또는 그 이상의 날 동안 적절한 수동적인 붕괴열 제어(passive decay heat removal)를 제공할 수 있다.

격납 용기(54)는 고압 유체가 반응로 용기(52)로부터 격납 용기(54)로 순간적으로 배출되는 주어진 결과를 가져오는 최대 압력을 견디도록 설계될 수 있다. 격납 용기(54) 내부의 압력은 대략 반응로 용기(52) 내부의 압력과 대략 평형화되도록 설계될 수 있어서, 압력 차이에 의해 야기되는 파괴 유동(break flow)을 감소시키고, 도 3 에 도시된 바와 같이 반응로 용기(52) 안의 냉각제 레벨(100A) 및 격납 용기(54) 안의 냉각제 레벨(100B)을 초래한다. 하부 밸브(57)들을 통하여 반응로 용기(52) 안으로 다시 유동하는데 필요한 유체 정역학적 구동력의 크기에 기인하여 냉각제 레벨(100B)은 냉각제 레벨(100A)에 대하여 상승되는 것으로 도시되어 있다. 냉각제 레벨(100A, 100B)들의 차이는 수증기 유동 밸브(58)의 감압에 기인하여 격납 용기(54)에 대한 반응로 용기(52) 안에서의 압력 차이 때문에 존재할 수도 있다. 도 3 은 냉각제 레벨(100A,100B)들이 냉각제 레벨들의 불균형에 의해 발생된 유체 정역학적 헤드(head)의 결과로서 평형화될 수 있다는 점을 나타낸다. 반응로 용기(52) 안의 냉각제 레벨(100A)은 반응로 코어(6)의 상부 위에 유지되어, 반응로 코어(6)가 항상 냉각제(100)로 덮혀있게 유지시킨다. 냉각제 레벨(100A)은 상승부(24)로부터 배출되는 증기 또는 수증기에 의해 유지되는데(냉각제 유동(42)으로서 도시되어 있음), 이것은 반응로 코어(6)를 통해 재순환되도록 반응로 용기(52)의 저부에 모이기 전에 반응로 용기(52)의 내측 표면(55)상에서 응축된다.

일단 적절하거나 또는 미리 결정된 냉각제 레벨(100A, 100B)의 조건이 달성된다면, 냉각제(100)가 격납 용기(54)로부터 다시 반응로 용기(52) 안으로 유동하는 것을 허용하도록 유동 밸브(57)가 제공될 수 있다. 유동 밸브(57)를 통하여 반응로 용기(52) 안으로 다시 진입하도록 허용된 냉각제(100)는 유동 제한기(58)를 통해 증기(41)로서 배출되었던 냉각제(100)를 다시 채운다. 유동 밸브(57)를 통한 냉각제(100)의 유동은 반응로 용기(52) 및 격납 용기(54) 안에서의 밸브 냉각제 유동 및 온도 차이로부터 초래되는 냉각제 레벨과 상이한 냉각제 밀도에 기인하여 수동 시스템(passive system)의 자연 순환을 통해 달성될 수 있다.

완전하거나 또는 완벽한 진공은 그것을 달성하거나 또는 유지하는 것이 상업적으로 또는 기술적으로 실제적이지 않을 수 있는 반면에, 부분적인 진공이 격납 용기(54) 안에서 발생될 수 있다. 따라서 본원에서의 진공에 대한 임의의 기준은 부분 진공 또는 완전한 진공인 것으로 이해된다. 일 구현예에서, 격납 영역(44)은 격납 개스를 통한 대류 및 전도 열 전달을 현저하게 감소시키는 진공 압력에서 유지된다. 예를 들어 격납 용기(54) 안에 진공을 유지함으로써, 격납 영역(44)으로부터 실질적으로 개스를 제거하는 것에 의하여, 내측 표면(55)상에서의 증기(41) 응축의 차후 비율 뿐만 아니라 초기 비율이 증가된다. 응축의 비율을 증가시키는 것은 격납 용기(54)를 통한 열 전달의 비율을 증가시킨다.

격납 영역(44)에서의 진공 손실의 경우에, 도입된 증기 또는 액체는 추가적인 수동의 안전 냉각 메카니즘을 제공하여 반응로 용기(52)와 격납 용기(54) 사이에서 자연 대류를 통해 열을 전달한다. 예를 들어, 열적 단열을 감소시키거나 또는 제거함으로써, 격납 용기(54)의 저부에 저수조(pool)를 이루는 응축 액체 냉각제(100)에 기인하여 비상 작동중에 반응로 용기(52)로부터의 보다 효율적인 열 전달이 이루어질 수 있다. 열은 반응로 용기(52)로부터 액체 냉각제(100)를 통하여 격납 용기(54)로 전달된다.

도 4 는 핵 반응로(40)의 구현예를 도시하며, 이것은 냉각제 손실 사고(loss of coolant accident;LOCA) 또는 과도 압력 이벤트와 같은, 비상 작동 동안에 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(steam generator flow by-pass assembly, 45)를 포함한다. 도 4 에 도시된 핵 반응로(40)는 도 2 및 도 3 에 도시된 핵 반응로 조립체(50)를 참조하여 설명되는 반면에, 특징들의 전부 또는 많은 것은 통상적인 파워 시스템 뿐만 아니라 도 1 을 참조하여 설명된 핵 파워 시스템에 적용될 수 있다.

반응로 하우징(20)은 반응로 용기(52) 내부에 장착되며, 반응로 하우징(20)은 슈라우드(shroud, 22) 위에 위치된 상승부(24) 및, 슈라우드(22)를 포함한다. 열교환기(35)는 대략 상승부(24) 주위에 위치된다. 반응로 코어(6)는 슈라우드(22) 안에 위치된다. 상승부(24)는 상부 부착 부재(41)에 의해 반응로 용기(52)에 부착되는 것으로 도시되어 있는 반면에, 슈라우드는 하부 부착 부재(43)에 의해 반응로 용기(52)에 부착되는 것으로서 도시되어 있다.

증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)는 제 1 냉각제의 보조 유동(48)을 반응로 코어(6)로 제공하여 제 1 냉각제(100)의 유동을 상승부(24)의 밖으로 그리고 슈라우드(22)의 안으로 증가시키도록 구성된다. 제 1 냉각제의 보조 유동(48)은 열교환기(35) 옆을 지나가지 않으면서 반응로 하우징(20)을 빠져나간다. 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)는 반응로 하우징(20)의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들을 통하여 유압 연결을 제공할 수 있다. 일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)는 상승부(24) 및 슈라우드(22) 중간에 위치된 환형부(도 1 의 123 참조)를 통하여 유압 연결을 제공한다.

반응로 하우징(20)의 상부 부분(예를 들어 상승부(24)) 밖으로의 냉각제 유동(42)은 증기를 포함하는데, 제 1 냉각제의 보조 유동(48)은 비등하는 물(boiling water)과 같은, 2 개 상(phase)의 냉각제의 혼합물을 포함한다. 상승부(24)를 빠져나가는 냉각제 유동(42)은, 정상 작동(예를 들어, 완전한 동력(full power)의 작동) 동안의 냉각제 유동(67)(도 2)과 비교하여, 질량 유량(mass flow rate)에 의한 더 적은 냉각제(100)를 포함할 수 있다. 따라서 보조 유동(48)은 손실 유량의 일부를 보충하는 역할을 함으로써, 슈라우드(22)로 진입하는 냉각제 유동(46)은 정상 작동 동안의 도 2 의 냉각제 유동(65)과 같은 유량으로 또는 그에 가까운 유량으로 증가된다.

정상 작동 조건 동안에 도 2 에 도시된 상승부(24)의 상부 또는 유출부의 위에 있는 냉각제 레벨(100N)과 대조적으로, 도 4 에 도시된 구현예에서 냉각제 레벨(100A)은 비상 작동 동안에 상승부(24)의 상부 아래에 도시되어 있다. 반응로 하우징(20)이 도 2 에 도시된 제 1 냉각제(100) 안에 완전히 잠겨있는데 반해, 반응로 하우징(20)은 도 4 에 도시된 바와 같이 냉각제(100) 안에 오직 부분적으로 잠겨 있다. 제 1 냉각제(100)의 레벨은, 증기 발생기의 바이패스(by-pass)가 발생할 때, 정상을 벗어난(off-normal) 작동, 일시 중지 또는 비상 작동 동안 뿐만 아니라 정상 작동 동안에도, 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)의 통로 위에 유지된다.

정상 작동 조건 동안에, 냉각제 유동(65)은 예를 들어 가압 물 반응로 설계(pressurized water reactor design; PWR)에서, 주로 또는 배타적으로 단일 상(phase)의 냉각제를 포함할 수 있다. 따라서, 단일 상의 냉각제의 유동은 냉각제 유동(65)으로서 반응로 코어(6)를 통하여, 그리고 냉각제 유동(67)으로서 상승부(24) 밖으로 순환된다 (도 2 및 도 5 참조). 이것은 반응로 코어(6)에 있는 연료 피복재(fuel cladding)의 표면에서 단일 상의 대류 열 전달을 제공한다.

도 4 에 도시된 바와 같이, LOCA 가 발생하고 냉각제 레벨(100A)이 상승부(24)의 상부 아래로 떨어질 때, 단일 상 냉각제의 유동이 중단될 수 있다. 압력 또는 온도의 변화에 의해서 포화 조건(saturation condition)이 초과되는 조건이 제공될 때, 상-변화(phase change) 열전달이 발생될 수 있다. 2 상(phase) 냉각제는 그것이 반응로 코어(6)를 통과할 때 전개될 수 있는데, 그것은 다음에 냉각제 유동(42)을 통하여 증기로서 반응로 하우징(20)을 빠져나갈 수 있으며, 증기는 반응로 용기(52)에 의해 내측벽상에서 응축된다. 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)를 통한 보조 유동(48)을 포함함으로써, 증기 발생기를 통하여 발생되는 열 전달에 더하여, 대류 열전달이 반응로 코어(6)에 제공된다.

LOCA 동안의 상승부(24) 안의 냉각제(100C)의 레벨은, 핵 반응로가 안정된 상태의 조건을 달성했을 때 반응로 하우징(20)의 외측(아래로 내려보내는 파이프(downcomer))상에 있는 냉각제 레벨(100A)과 대략 같다. 슈라우드(22)로 진입하는 냉각제 유동(46)이, 상승부(24)를 빠져나가는 냉각제 유동 및 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)를 빠져나가는 보조 유동(48)의 조합된 유량과 같을 때, 안정된 상태의 조건이 발생될 수 있다. 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)는 반응로 코어(6)의 위에 위치되어 연료봉을 통한 냉각제 유동을 최적화시킨다.

일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)는 반응로 하우징(20)의 상부 부분(예를 들어 상승부(24))과 하부 부분(예를 들어 슈라우드(22))의 중간에서 반응로 하우징(20)에 제공된 통로를 포함하며, 통로는 제 1 냉각제의 보조 유동(48)을 반응로 코어(6)로 제공하도록 구성되어, 반응로 하우징(20)의 상부 부분 밖으로 그리고 하부 부분 안으로 제 1 냉각제(100)의 유동을 증가시킨다. 따라서 제 1 냉각제의 보조 유동(48)은 반응로 하우징(20)의 상부 부분 주위에 가깝게 위치된 열교환기(35)를 우회한다.

증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)에 포함된 통로는 핵 반응로(40)의 전체 동력 작동 동안에 폐쇄될 수 있는 반면에, 비상 작동 과정 동안에는 상기 통로가 개방되도록 구성된다. 마찬가지로, 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)의 통로는 LOCA 또는 과도 압력 이벤트를 포함하는, 정지 또는 동력 저하(power down) 작동 동안에 개방되도록 구성될 수 있다. 일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(45)의 통로는 모든 작동 모드들 동안에 개방되게 유지되는 반면에, 보조 유동(48)은 핵 반응로(40)의 정상 작동 동안에 실질적으로 최소화되거나 제로로 감소된다.

도 5 는 정상 작동 조건 동안에 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(59)를 포함하는 핵 반응로의 구현예를 도시한다. 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(59)는 반응로 하우징(20)을 통한 개구 또는 통로를 포함한다. 예를 들어, 통로는 슈라우드(22)의 상단부(62)와 상승부(24)의 하단부(60)를 통하거나 또는 그 사이에 위치될 수 있다. 냉각제 유동(65)은 냉각제 유동(67)으로서 상승부(24)를 빠져나가기 전에 슈라우드(22) 안에 위치된 반응로 코어(6)를 통과한다. 정상 작동 동안에, 냉각제 유동(65)은 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(59)를 통하여 전혀 또는 거의 이탈하지 않는다. 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(59)를 통한 유량을 억제하거나 또는 감소시킴으로써, 냉각제의 최대 유동이 열교환기(35) 옆을 지나가서 반응로 코어(6)로부터 열을 제거한다. 따라서, 냉각제 유동(65)의 질량 유량은 냉각제 유동(67)의 질량 유량과 대략 같다.

도 6a 는 핵 반응로가 전체 동력에서 작동될 때와 같은 정상 작동 조건 동안에 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(69)의 구현예를 도시한다. 정상 작동 동안에, 핵 반응로는 반응로 시동, 반응로 정지 또는 다른 작동 조건들과 관련된 온도보다 통상적으로 높은 작동 온도를 발생시킨다. 열교환기(35)와의 상호 작용의 결과로서 냉각제(100) 안의 상이한 위치들에서 상이한 온도들이 발생될 수 있다 (도 4). 정상의 작동 온도에서, 냉각제 유동(65,67)은 실질적으로 도 2 및 도 5 와 관련하여 설명된 바와 같이 거동한다. 작동 온도 차이의 결과로서, 또는 다양한 구성 요소들의 열적 특성에서의 차이의 결과로서, 반응로 하우징(20)의 상이한 구성 요소들은 상이한 양의 열팽창을 겪을 수 있다. 예를 들어, 일부 구성 요소들은 상이한 재료, 성분 또는 양(예를 들어 두께)으로 만들어질 수 있어서, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 다른, 큰 정도로 팽창하거나 수축할 수 있다.

일 구현예에서, 슈라우드(22) 및 상승부(24)의 팽창 또는 수축의 방향은 반대 방향이다. 예를 들어, 상승부(24)가 반응로 용기(52)의 저부를 향하여 팽창하는 동안 (도 2), 슈라우드(22)는 반응로 용기(52)의 상부를 향하여 팽창한다. 이러한 관계는 상승부(24)의 하단부(60) 및 슈라우드(22)의 상단부(62)에서 각각 하방향 및 상방향을 향하는 화살표로 개략적으로 도시되어 있다. 반대 방향으로의 구성 요소들의 팽창은 상승부(24)를 상부 부착 부재(41)에 부착함으로써, 그리고 슈라우드(22)를 하부 부착 부재(43)에 분리되게 부착함으로써, 달성될 수 있다 (도 4).

슈라우드(22)의 상단부(62)에 있는 통로(63)는 상승부(24)의 하단부(60)에 있는 통로(61)와 어긋나있는 것으로 도시되어 있다. 슈라우드(22) 및 상승부(24)가 열적으로 팽창된 조건에 있으면서, 어긋난 통로(61,63)들은 선을 이루지 않음으로써, 냉각제 유동(65)은 전혀 또는 거의 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(69)를 통과하도록 허용되지 않는다.

도 6b 는 동력 저하(power down)의 작동 동안에 도 6a 의 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(69)의 구현예를 도시한다. 동력 저하 작동은 예를 들어 반응로의 정지, 반응로 이동(trip) 또는 SCRAM, LOCA 또는 과도 압력 이벤트를 포함할 수 있다. 동력 저하 작동 동안에, 반응로 용기(52)(도 2)내의 온도는 감소되는 경향이 있으며, 그것은 다양한 반응로 구성 요소들의 수축 또는 위축을 초래할 수 있다. 예를 들어, 상승부(24)가 반응로 용기(52)의 상부를 향하여 수축되는 동안 (도 2), 슈라우드(22)는 반응로 용기(52)의 저부를 향하여 위축된다. 이러한 관계는 상승부(24)의 하단부(60) 및 슈라우드(22)의 상단부(62)에서 상방향 및 하방향으로 지향된 화살표들에 의해 각각 개략적으로 도시되어 있다. 상승부(24) 및 슈라우드(22)는 동일한 온도 변화에 대하여 상이한 양으로 팽창 또는 수축할 수 있으며, 그러한 경우에 팽창 및 수축의 방향은 서로 상대적일 수 있다.

도 6b 를 참조하면, 슈라우드(22)의 상단부(62)에서 슈라우드(22)를 통하여 형성된 통로(63)는, 상승부(24)의 하단부(60)에서 상승부(24)를 통하여 형성된 통로(61)와 정렬된 것으로 도시되어 있으며, 냉각제의 보조 유동(48)이 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(69)를 통과하는 것을 허용한다. 슈라우드(22) 및 상승부(24)가 열적으로 수축된 조건에 있으면서, 함께 위치된 통로(61,63)들은 관통 통로를 형성하도록 정렬됨으로써, 보조 유동(48)이 냉각제 유동(42)과 조합된다. 일 구현예에서, 통로(61,63)는 반응로 용기(52) 안에서의 온도 변화에 기인하여 개방되는데, 슈라우드(22)와 상승부(24) 사이의 열팽창 비율의 차이는 통로(61,63)를 개방되게 한다. 보조 유동(48)의 유량은 온도 변화, 또는 통로(61,63)들 사이의 정렬의 정도, 또는 반응로 하우징(20) 안에 제공된 통로들의 수에 따라서 변화될 수 있다. 냉각제의 보조 유동(48)은 열교환기(35)를 통하거나 또는 그 옆으로 통과하지 않으면서 반응로 하우징(20)을 빠져나간다 (도 4).

도 7 은 관통 통로(70)를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(79)의 구현예를 도시한다. 관통 통로(70)는 상승부(24)의 하단부(60)와 슈라우드(22)의 상단부(62) 사이에 형성될 수 있다. 하단부(60) 및 상단부(62)는 서로 겹쳐지는 것으로 도시됨으로써, 보조 유동(48)은 관통 통로(70)를 통해 순환된다. 도 7 은 정지 또는 동력 저하 작동의 유동을 나타내는 것으로서 이해될 수 있으며, 여기에서 냉각제 유동(42)은 도 5 의 냉각제 유동(67)에 비교하여 감소된 유량을 제공한다. 도 5 에서, 핵 반응로(40)의 정상 작동 동안에, 냉각제 유동(65,67)은 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(59)로부터 보조 유동이 거의 또는 전혀 이탈되지 않도록 충분히 강할 수 있다. 상승부(24)를 통한 유동 경로는 정상 작동 동안에 저항이 가장 적은 경로를 제공할 수 있다.

정지 작동 또는 LOCA 동안에, 냉각제 유동(42)은 감소될 수 있고, 냉각제 유동(46)이 냉각제 유동(42)의 유량을 초과하므로 보조 유동(48)은 자연 대류를 통해서 관통 통로(70)를 빠져나가는 것이 허용될 수 있다. 일 구현예에서, 상승부(24)를 벗어난 제 1 냉각제의 냉각제 유동(42)의 유량 감소의 결과로서, 제 1 냉각제는 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(79)를 빠져나간다. 유량 감소는 그에 대응하여 와류의 양을 감소시키는데, 와류는 정상 작동 조건에서 관통 통로(70) 안에 형성되는 것으로서, 이는 냉각제가 증기 발생기 유동 바이패스 어셈블리(79)를 통해서 "끓어넘치는(boil over)" 것을 허용한다.

본원에 도시되고 설명된 다른 다양한 구현예들 뿐만 아니고 도 7 에 도시된 구현예에서, 제 1 냉각제의 보조 유동(48)은 냉각제의 자연 순환 또는 자연 대류에 기인하여 반응로 하우징(20)을 빠져나갈 수 있다. 냉각제의 2 개 상(phase)의 상태는 냉각제의 보조 유동(48)이 증기 발생기 유동 바이패스 시스템을 통과하는 것을 증진시킬 수 있는 반면에, 냉각제가 단일 상의 상태(예를 들어, 정상적인 작동 조건)에 있을 때는 냉각제의 전부 또는 대부분이 상승부(24)의 밖으로 빠져나갈 것이다. 반응로 코어(6)(도 5)를 수동적으로(passively) 냉각시키는 것은 모터들과 같이 움직이는 부품 또는 기계적인 부품들을 제공할 필요성을 감소시키거나 제거시킨다.

일 구현예에서, 상단부(62)와 하단부(60)의 겹쳐진 부분 사이의 거리는 핵 반응로(40)의 온도 변화와 함께 증가되거나 또는 감소된다. 반응로 온도의 감소 동안에, 힘(F1, F2)이 상승부(24) 및 슈라우드(22)의 단부(60,62)들에 작용하여 관통 통로(70)의 크기를 증가시키고 보조 유동(48)의 증가를 제공할 수 있다. 반응로 온도의 증가 동안에, 단부(60,62)들 사이의 겹쳐진 부분 사이의 거리가 감소되므로 관통 통로(70)의 크기가 감소될 수 있어서, 보조 유동(48)이 감소되거나 또는 정지되는 결과를 가져온다. 보조 유동(48)의 유량은 반응로 온도의 변화 및 관통 통로(70)의 유량 또는 크기의 관련된 변화와 함께 변할 수 있다.

도 8 은 슈라우드(22)의 상단부(62) 및 상승부(24)의 하단부(60)에 가까이 위치된 밸브(80)를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(89)을 도시한다. 보조 유동(48)은 도 7 의 설명과 관련하여 유사하게 유동하는 것이 허용되는 반면에, 밸브(80)는 단일 방향에서 냉각제의 보조 유동(48)의 방향을 제한하도록 제공될 수 있다. 일 구현예에서, 밸브(80)는 반응로 하우징(20) 안으로부터 반응로 하우징(20) 밖으로의 냉각제의 보조 유동(48)의 방향을 제한하는 단향성 밸브(unidirectional valve)이다. 일 구현예에서, 밸브(80)는 항상 개방되어 있고, 보조 유동(48)의 유량은 냉각제 유동(42,46) 또는 냉각제 유동(65,67)의 유량에 의해 지배된다 (도 5). 다른 구현예에서, 밸브(80)는 예를 들어 정지 작동 또는 반응로 긴급 정지(reactor scram)의 검출시에 작동되어(예를 들어 개방되어), 밸브(80)는 정상 (예를 들어 전체 동력) 반응로 작동 동안에 폐쇄된다.

도 9 는 하나 또는 그 이상의 격벽(90)들을 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(99)의 일 구현예를 도시한다. 격벽(90)을 통한 보조 유동(48)은 도 4 내지 도 8 에 도시된 구현예들과 관련하여 위에 설명된 것과 유사하게 작동하거나 기능할 수 있다. 예를 들어, 핵 반응로(40)의 정상적인 작동 동안에, 보조 유동(48)은 하나 또는 그 이상의 격벽(90)을 통해 전혀 또는 거의 통과되는 것이 허용되지 않을 수 있다. 정지 작동의 경우에, 격벽(90)을 통한 보조 유동(48)이 이루어질 수 있거나 또는 증가될 수 있다.

일 구현예에서, 하나 또는 그 이상의 격벽(90)들이 피봇을 중심으로 회전하여 개방되거나 폐쇄된다. 격벽(90A)은 폐쇄 위치에서의 격벽을 나타내는 반면에, 격벽(90B)은 개방 위치에서의 격벽을 나타낸다. 하나 또는 그 이상의 격벽(90)들은 냉각제 유동(42,46)의 유량에 따라서 개방되거나 또는 폐쇄될 수 있는데, 이는 유량이 하나 또는 그 이상의 격벽(90)들에 압력(P1,P2)을 가할 수 있기 때문이다. 압력(P1,P2) 사이의 유량 또는 압력 편차가 충분히 크다면, 하나 또는 그 이상의 격벽(90)들이 폐쇄될 수 있고, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(99)을 통한 냉각제의 유동을 억제한다. 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(99)은 스프링과 같은 복원 메카니즘을 더 포함할 수 있으며, 복원 메카니즘은 유량이 어떤 미리 결정된 쓰레숄드 아래로 강하했을 때 하나 또는 그 이상의 격벽(90)들을 개방 위치로 복원시킨다. 일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(99)은 축소형 루버 또는 격벽(miniature louver or baffles)을 가진 스크린(screen)을 포함하여 비등하는 냉각제의 통과를 허용하지만, 단일 상(phase) 냉각제의 통과를 억제하거나 제한한다.

도 10 은 온도 활성화 통로(100)를 구비하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(109)의 구현예를 도시한다. 통로(100)는 반응로 용기(52) 안의 온도 변화에 기인하여 개방되도록 구성될 수 있다 (도 4). 일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(109)은 통로 위에 위치된 바이메탈 덮개(bimetallic cover)를 포함하며, 여기에서 바이메탈 덮개는 상이한 열팽창 비율 또는 특성들을 가진 재료들을 포함한다. 일 구현예에서, 통로는 상승부(24)와 슈라우드(22) 사이에 형성된다. 온도 활성화 통로(100)의 제 1 단부는 반응로 하우징(20)에 고정될 수 있거나 또는 부착될 수 있다 (도 4). 상이한 열 팽창 특성들에 기인하여, 반응로 온도가 감소되면서 온도 활성화 통로(100)의 제 2 단부는 힘(Fo)으로써 반응로 하우징(20)으로부터 굽혀질 수 있다. 따라서 반응로 하우징(20)을 통한 통로가 형성될 수 있어서 보조 유동(48)이 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(109)을 빠져나가는 것을 허용한다.

반응로 온도가 증가하면, 온도 활성화 통로(100)는 이완되거나 또는 뒤로 굽혀질 수 있어서 (도면 번호 100A 로 도시된) 통로를 덮으며 보조 유동(48)이 반응로 하우징(20)으로부터 빠져나가는 것을 감소시키거나 또는 정지시킨다.

도 11 은 볼 체크 밸브(ball check valve, 110)를 포함하는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(119)의 구현예를 도시한다. 볼 체크 밸브(110)는 2 방향 방식(bi-direction sense)으로 움직일 수 있어서, 하나의 위치에서 보조 유동(48)이 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(119)을 통과하는 것을 허용하는 반면에, 제 2 위치에서 (예를 들어, 도면 번호 110A 로 표시됨) 보조 유동(48)이 반응로 하우징(20) 밖으로 배출되는 것을 제한하거나 또는 억제한다.

증기 발생기 유동 바이패스 시스템(119)은 복귀 스프링(115)을 포함할 수 있고, 복귀 스프링은 볼 체크 밸브(110)를 개방된, 제 1 위치를 향하여 강제한다. 복귀 스프링(115)에 의해 가해지는 힘의 양은 예를 들어 정지 조건 동안에 냉각제의 보조 유동(48)에 기인하는 힘을 초과할 수 있다. 정상 작동 동안에, 냉각제 유동(65)에 기인한 유량(도 5)은 복귀 스프링(115)에 의해 가해지는 힘을 극복할 수 있고, 볼 체크 밸브(110)를 폐쇄된, 제 2 위치(110A)에 배치할 수 있다. 다른 구현예에서, 볼 체크 밸브에 있는 볼의 중량은 볼 체크 밸브(110)의 하방향 힘을 제공하여, 복귀 스프링(15)에 대한 필요성을 대체한다.

다른 구현예에서, 스프링은 도 11 에 도시된 것 대신에, 볼 체크 밸브(110)의 저부에 가까이 위치된다. 스프링은 정상 작동 동안에 온도 증가에 기인하여 팽창함으로써, 볼 체크 밸브(110)를 폐쇄된 제 2 위치(110A)를 향해 강제한다. 스프링은 동력 저하 조건에서 온도 감소에 기인하여 수축됨으로써, 볼 체크 밸브(110)를 개방된 제 1 위치를 향하여 강제한다.

도 12 는 제어 로드(125A,125B)에 의해 작동된 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)의 구현예를 도시한다. 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)은 반응로 하우징(20)에 부착된 하나 또는 그 이상의 벤트 또는 밸브(120)들을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)은 슈라우드(22) 및 상승부(24) 중간의 반응로 하우징(20)에 부착된다.

제어 로드(control rod, 도면 번호 125B 로 식별됨)들이 반응로 코어(6)로부터 제거될 때, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)이 작동되거나 또는 폐쇄될 수 있어서, 보조 유동은 거의 또는 전혀 반응로 하우징(20)을 빠져나가는 것이 허용되지 않는다. 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)은 예를 들어 핵 반응로(40)의 정상 작동 또는 전체 동력 작동 동안에 폐쇄될 수 있다. 제어 로드(도면 번호 125A 로 표시됨)들이 반응로 코어(6) 안으로 삽입될 때, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)이 작동될 수 있거나 또는 개방될 수 있어서, 보조 유동이 반응로 하우징(20)을 빠져나가는 것이 허용된다. 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)은 예를 들어 핵 반응로(40)의 정지 작동 또는 동력 저하 작동 동안에 개방될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 센서들은 제어 로드(125A,125B)들이 언제 반응로 코어(6)로 삽입되거나 또는 제거되는지를 판단할 수 있고 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(129)을 작동시키는 신호를 송신할 수 있다.

도 13 은 제어 로드(control rod, 135A,135B)에 의해 작동되는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(139)의 대안의 구현예를 도시한다. 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(139)은 하나 또는 그 이상의 제어 로드들을 포함할 수 있으며, 제어 로드들은 작동을 위해서 철회되었을 때 바이패스 시스템의 유동 경로를 차단하고, 동력 저하 조건들 동안에 삽입되었을 때 보조 유동(48)에 대한 개방 통로를 제공하도록 설계된다. 제어 로드(135A,135B)들의 위치는 제 1 냉각제의 보조 유동이 반응로 하우징(20)을 통하여 통과하는 것을 허용하거나 또는 방지한다. 일 구현예에서, 증기 발생기 유동 바이패스 시스템(139)은 슈라우드(22) 및 상승부(24)의 중간에서 반응로 하우징(20)에 부착된다.

하나 또는 그 이상의 스위치 또는 센서들은 언제 제어 로드들이 반응로 코어(6)에 삽입되거나 (135A) 또는 그로부터 제거되는지를 결정할 수 있다.

도 14 는 증기 발생기 유동 바이패스 시스템을 이용하여 반응로 코어를 냉각시키는 신규한 방법을 도시한다. 그 방법은 도 1 내지 도 13 에 도시된 다양한 구현예들과 함께 작동될 수 있지만, 그에 의해 제한되는 것이 아니라는 점이 이해될 수 있다.

우선, 반응로 하우징 안에서 슈라우드의 상부 단부와 상승부의 하부 단부 사이에 제공된 보조 통로를 통하여 제 1 냉각제의 보조 유동 경로가 핵 반응로 안에 형성된다.
단계(140)에서 제 1 냉각제는 반응로 하우징을 통해 순환되는데, 여기에서 제 1 냉각제의 제 1 유동 경로는 상승부 주위에 가깝게 위치된 열교환기를 통과하도록 형성되고, 제 1 냉각제는 하부 슈라우드에 진입한다.

상기 단계(140) 이후의 단계(150)에서, 검출기(미도시)가 냉각제 사고 손실(loss of coolant accident; LOCA) 또는 감압 이벤트(depressurization event)를 검출한다. 이렇게 검출된 LOCA 또는 감압 이벤트는 냉각제 또는 반응로 용기내의 압력을 감소시킨다.

상기 단계(150) 이후의 단계(160)에서, 제 1 냉각제의 유체 레벨(level)은 상승부의 상부 아래로 감소되는데, 제 1 냉각제는 증기로서 상승부를 빠져나간다. 일 구현예에서, 증기로서 상승부를 빠져나가는 제 1 냉각제는, 반응로 하우징 안에 있는 보조 통로를 통해 순환되는 제 1 냉각제의 보조 유동 경로의 제 1 냉각제와 조합되기 전에, 액체 냉각제로서 응축된다. (위에 설명된 바와 같이, 보조 통로는 반응로 하우징 안에서 슈라우드의 상부 단부와 상승부의 하부 단부 사이에 형성된다.)

상기 단계(160) 이후의 단계(170)에서, 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 반응로 하우징 안에 제공된 보조 통로를 통해 제 1 냉각제가 순환되게 하는데, 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 제 1 냉각제가 열교환기 옆을 통과하지 않으면서 반응로 하우징을 빠져나가게 한다. 일 구현예에서, 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 제 1 냉각제가 보조 통로 양측에서의 유체 정역학적 힘의 차이에 기인하여 보조 통로를 통해 순환되도록 형성된다.

상기 단계(170) 이후의 단계(180)에서, 보조 유동 경로로부터의 제 1 냉각제는 하부 슈라우드에 진입하는 제 1 유동 경로로부터의 제 1 냉각제와 조합된다.

일 구현예에서, 핵 반응로의 냉각제에서 용해될 수 있는 화학적 첨가제가 핵 반응로의 제 1 냉각제와 조합되어, 냉각제의 핵 및 화학적 특성들을 개질화(modify)한다. 제 1 냉각제 재고의 손실이 검출되고, 제 1 냉각제의 유체 수위가 감소됨으로써 공칭의 유동 경로가 중단되거나 또는 감소된다. 증기의 발생은 코어 영역에서 발생되고, 증기로서 상승부를 빠져나간다. 제 1 냉각제에 있는 휘발성 첨가제가 코어에서는 농축되지 않으며, 비휘발성 첨가제가 없는 냉각제는 응축이 관찰되는 영역들에 모인다. 제 1 냉각제는 반응로 하우징 안에 제공된 통로를 통해 순환되는데, 첨가제가 없는 냉각제는 증가된 농도의 첨가제를 가진 냉각제와 조합되어, 냉각제 증기의 혼합을 제공하고 농축 과정을 완화시킨다. 반응로 하우징 안에서 슈라우드의 상부 단부와 상승부의 하부 단부 사이에 형성된 보조 통로를 통하여 제 1 냉각제의 보조 유동 경로를 순환시키는 것은 반응로 하우징 안에서 제 1 냉각제에 있는 비휘발성 첨가제의 농도를 감소시킨다.

여기에 제공된 구현예들이 주로 가압된 물 반응로에 관해서 설명되었지만, 구현예들이 여기에 설명된 다른 유형의 핵 파워 시스템 또는 보다 일반적으로는 임의의 다른 일체화된 수동 반응로 설계에 적용될 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 구현예들 또는 변형예들은 비등하는 물 반응로 또는 보다 일반적으로 다른 일체화된 수동 반응로 설계와 함께 작동될 수 있도록 만들어질 수도 있다.

여기에 설명된 다른 비율 및 값 뿐만 아니라, 격납 용기 안으로의 냉각제의 배출 비율, 냉각제가 액체로 농축되는 비율 및, 격납 용기 내의 압력의 상승 비율은 오직 하나의 예로서만 제공된다. 다른 비율들 및 값들이 핵 반응로의 전체 축척 또는 축척 모델의 구성과 같은 실험을 통해 결정될 수 있다.

본 발명의 원리는 바람직한 구현예를 통하여 설명되고 도시되었지만, 본 발명이 그러한 원리로부터 벗어나지 않으면서 구성 및 상세 내용에서 변형될 수 있다는 점은 당업자에게 명백하다. 첨부된 청구항의 사상 및 범위내에서 모든 변형예 및 수정예들이 청구된다.

50. 핵 반응로 조립체 54. 격납 용기
800. 장착 연결부 6. 반응로 코어
52. 반응로 용기 100. 냉각제

Claims

반응로 용기;
상기 반응로 용기 내부에 장착된 반응로 하우징;
상기 반응로 하우징의 하부 부분에 위치된 반응로 코어;
상기 반응로 하우징의 상부 부분 주위에 가까이 위치된 열교환기로서, 제 1 냉각제는 상기 반응로 하우징의 상부 부분을 통해 상기 반응로 하우징의 밖으로 유동하고, 상기 제 1 냉각제는 상기 반응로 하우징의 하부 부분을 통해 상기 반응로 하우징 안으로 유동하는, 열교환기; 및,
상기 반응로 하우징의 하부 부분과 상기 반응로 하우징의 상부 부분의 중간에서 상기 반응로 하우징에 제공된 통로로서, 상기 반응로 하우징의 상부 부분 밖으로 그리고 상기 반응로 하우징의 하부 부분 안으로 상기 제 1 냉각제의 유동을 증대시키기 위하여, 상기 통로를 통하여 유동하고 상기 반응로 코어를 통과하는 제 1 냉각제의 보조 유동을 상기 반응로 코어에 제공하게끔 구성된, 통로;를 구비하는, 핵 반응로.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 냉각제의 보조 유동은 상기 열교환기를 바이패스(bypass)하는, 핵 반응로.
제 1 항에 있어서,
냉각제 손실 사고 동안에, 상기 반응로 하우징의 상부 부분 밖으로의 제 1 냉각제 유동은 증기를 포함하고, 상기 제 1 냉각제의 보조 유동은 2 개 상(phase)의 냉각제의 혼합물을 포함하는, 핵 반응로.
제 1 항에 있어서,
상기 통로는 상기 핵 반응로의 전체 동력 작동(full power operation) 동안에 폐쇄되거나 또는 축소되는, 핵 반응로.
제 4 항에 있어서,
상기 통로는 정지 작동(shut-down operation) 동안에 개방되도록 구성되는, 핵 반응로.
제 5 항에 있어서,
상기 정지 작동은 냉각제 손실 사고 또는 과도 압력 이벤트(over-pressurization event)를 포함하는, 핵 반응로.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 냉각제의 수위는 전체 동력 작동 동안에 상기 반응로 하우징의 상부 부분의 유출부 위에 있고, 상기 제 1 냉각제의 수위는 정지 작동 동안에 상기 유출부 아래에 있는, 핵 반응로.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 냉각제의 수위는 정지 작동 동안에 상기 통로 위에 유지되는, 핵 반응로.
반응로 용기;
상기 반응로 용기 내부에 장착되는 반응로 하우징으로서, 상기 반응로 하우징은 상기 반응로 용기의 하부 부분에 위치된 슈라우드(shroud) 및, 상기 슈라우드 위에서 상기 반응로 용기의 상부 부분에 위치된 상승부(riser)를 구비하고, 상기 반응로 하우징은 제 1 냉각제가 상기 슈라우드의 하부 단부에서 도입되고 상기 상승부의 상부 단부에서 배출될 수 있게 하는 제 1 유동 경로를 형성하는, 반응로 하우징;
상기 상승부(riser)의 주위에 가까이 위치된 열교환기;
상기 슈라우드 안에 위치된 반응로 코어; 및,
상기 상승부의 밖으로 그리고 상기 슈라우드 안으로의 상기 제 1 냉각제의 상기 제 1 유동 경로를 증대시키기 위하여, 상기 반응로 코어를 통과하는 상기 제 1 냉각제의 보조 유동 경로를 제공하도록 상기 슈라우드의 상부 단부와 상기 상승부의 하부 단부 사이에 구성된, 증기 발생기 유동 바이패스 장치;를 구비하고,
상기 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 제 1 냉각제가 상기 열교환기 옆을 지나지 않으면서 반응로 하우징을 빠져나가도록 형성되는, 핵 반응로.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 냉각제의 보조 유동 경로는 상기 보조 유동 경로의 양측에서의 유체 정역학적 힘의 차이에 기인하여 상기 제 1 냉각제가 상기 반응로 하우징을 빠져나갈 수 있도록 형성되는, 핵 반응로.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 냉각제는 상기 상승부 밖으로의 상기 제 1 냉각제의 상기 제 1 유동 경로의 비율 감소의 결과로서 반응로 하우징을 빠져나가는, 핵 반응로.
제 11 항에 있어서,
상기 증기 발생기 유동 바이패스 장치(steam generator flow by-pass device)는 하나 이상의 격벽(baffle)을 포함하는, 핵 반응로.
제 12 항에 있어서,
상기 하나 이상의 격벽들은 피봇 주위를 회전하여 개방 또는 폐쇄되는, 핵 반응로.
제 11 항에 있어서,
상기 증기 발생기 유동 바이패스 장치는 일방향 밸브(unidirectional valve)를 포함하는, 핵 반응로.
제 9 항에 있어서,
상기 증기 발생기 유동 바이패스 장치는 냉각제 손실 사고 또는 감압 이벤트(depressurization) 동안에 냉각제가 상기 반응로 하우징을 빠져나가는 통로를 형성하는, 핵 반응로.
제 15 항에 있어서,
상기 통로는 상기 반응로 용기 안의 온도 변화에 기인하여 개방되는, 핵 반응로.
제 16 항에 있어서,
상기 증기 발생기 유동 바이패스 장치는 상기 통로 위에 위치된 바이메탈 덮개(bi-metallic cover)를 포함하고, 상기 바이메탈 덮개는 상이한 열팽창 특성들을 가진 재료들을 포함하는, 핵 반응로.
제 15 항에 있어서,
상기 슈라우드와 상기 상승부 사이의 열팽창 비율의 차이는 상기 통로가 개방되게 하는, 핵 반응로.
제 18 항에 있어서,
상기 상승부 및 상기 슈라우드는 상기 반응로 용기에 분리되어 부착되는, 핵 반응로.
반응로 하우징에 있는 슈라우드의 상부 단부와 상승부의 하부 단부 사이에 제공된 보조 통로를 통하여 제 1 냉각제의 보조 유동 경로를 핵 반응로 안에 형성하는 단계;
상기 반응로 하우징을 통하여 상기 제 1 냉각제를 순환시키는 단계로서, 상기 제 1 냉각제의 제 1 유동 경로는 제 1 냉각제가 상기 상승부(riser) 주위에 가까이 위치된 열교환기 옆을 통과하도록 형성되고, 제 1 냉각제는 상기 슈라우드 안으로 진입하는, 제 1 냉각제의 순환 단계;
냉각제 손실 사고 또는 감압 이벤트(depressurization event)에 근거하여, 상기 제 1 냉각제의 유체 레벨을 상기 상승부의 상부 아래로 감소시키는 단계로서, 상기 제 1 냉각제는 증기로서 상기 상승부를 빠져나가는, 단계;
상기 제 1 냉각제의 유체 레벨이 상기 상승부의 상부 아래로 감소된 것에 근거하여, 상기 반응로 하우징내에 제공된 상기 보조 통로를 통한 보조 유동 경로에서 제 1 냉각제를 순환시키는 단계로서, 상기 제 1 냉각제가 상기 열교환기 옆을 지나가지 않으면서 상기 반응로 하우징을 빠져나가도록 상기 보조 유동 경로가 이루어지는, 단계; 및,
상기 보조 유동 경로로부터의 제 1 냉각제를, 상기 슈라우드에 진입한 상기 제 1 유동 경로로부터의 제 1 냉각제와 조합하는 단계;를 포함하는, 핵 반응로의 냉각 방법.
제 20 항에 있어서,
증기로서 상기 상승부를 빠져나가는 상기 제 1 냉각제는 상기 보조 유동 경로의 상기 제 1 냉각제와 조합되기 전에 액체 냉각제로서 응축되는, 핵 반응로의 냉각 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 보조 유동 경로의 상기 제 1 냉각제는 상기 보조 통로의 양측에서의 유체 정역학적 힘의 차이에 기인하여 상기 보조 통로를 통해서 순환되는, 핵 반응로의 냉각 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 보조 통로를 통한 상기 제 1 냉각제의 보조 유동 경로에서의 순환은 상기 반응로 하우징내의 상기 제 1 냉각제에 있는 비휘발성 첨가제의 응축을 감소시키는, 핵 반응로의 냉각 방법.