KR101967582B1 - 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치 - Google Patents

모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치에 관한 것으로, 실험 본체부; 상기 실험 본체부의 온도를 측정하는 계측 계통; 상기 실험 본체부에 전력을 공급하는 전력공급계통; 상기 실험 본체부에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급계통을 포함하며, 상기 실험 본체부는; 원자로를 모사한 반구체를 포함하는 원자로 유닛; 냉각수 유로를 사이에 두고 상기 반구체를 감싸고 있는 단열 유닛을 포함하며, 상기 반구체는 반구의 수평면의 중심에서 원주방향으로 배치되어 있으며, 서로 분리되어 있으며, 가열이 가능한 복수의 테스트 모듈을 포함한다.

Description

모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치{Modular type experimental apparatus for critical heat flux of exterior surface in nuclear reactor}
본 발명은 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치에 관한 것이다.
원자력발전소에서 중대사고 시 원자로 내 관리전략중 원자로용기 외벽냉각 성공여부는 매우 중요한 인자이다.
종래의 외벽냉각 실험장치는 2차원 임계열속 실험장치를 이용하였으며 중소형원자로의 원자로용기 외벽냉각 성공 가능성을 보였지만, 대형원자로의 경우 임계열속 실험 상관식 등을 적용함에 있어 충분한 보수성이 확인되지 않았고, 충분한 열적여유도 확보 되지 않아 외벽냉각의 성공여부는 미지수였다.
종래의 원자로 외벽냉각의 경우 2차원 임계열속 실험에서 각 실험 별로 유사한 각도별 임계열속 분포를 얻을 수 있었지만 기하형상이나 크기에 따른 한계점이 있다.
일본특허공개 제2012-57946호(2012년 3월 22일 공개)
따라서 본 발명의 목적은 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치에 있어서, 실험 본체부; 상기 실험 본체부의 온도를 측정하는 계측 계통; 상기 실험 본체부에 전력을 공급하는 전력공급계통; 상기 실험 본체부에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급계통을 포함하며, 상기 실험 본체부는; 원자로를 모사한 반구체를 포함하는 원자로 유닛; 냉각수 유로를 사이에 두고 상기 반구체를 감싸고 있는 단열 유닛을 포함하며, 상기 반구체는 반구의 수평면의 중심에서 원주방향으로 배치되어 있으며, 서로 분리되어 있으며, 가열이 가능한 복수의 테스트 모듈을 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 복수의 테스트 모듈은 동일한 형상일 수 있다.
상기 복수의 테스트 모듈은 상기 반구체의 외곽형상을 이루며, 상기 각 테스트 모듈은, 상면은 단부가 절단된 부채꼴 형상이며, 하부로 갈수록 단면적이 감소할 수 있다.
상기 복수의 테스트 모듈의 단부에 의해 둘러싸여 있는 반구체의 중심부는 비어있을 수 있다.
상기 반구체는 상기 복수의 테스트 모듈 사이에 위치하는 적어도 하나의 단열 모듈을 더 포함하며, 상기 단열 모듈은 비워져 있거나 단열체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 단열모듈은 단열체 물질로 이루어져 있으며, 상기 테스트 모듈과 상기 단열모듈은 동일한 외관 형상을 가지며, 각각 4개씩으로 이루어지며, 상기 테스트 모듈과 상기 단열모듈은 서로 번갈아가며 배치되어 있을 수 있다.
상기 원자로 유닛은, 전열봉을 더 포함하며, 상기 테스트 모듈에는 전열봉 수용홈이 형성되어 있으며, 상기 전력공급 계통은 상기 전열봉에 전력을 공급할 수 있다.
상기 전력공급계통은 상기 테스트 모듈 별로 상이한 온도가 되도록 상기 전열봉에 전력을 공급할 수 있다.
상기 원자로 유닛은 온도 프로브를 더 포함하며, 상기 테스트 모듈에는 온도 프로브 수용홈이 형성되어 있으며, 상기 계측 계통은 상기 온도 프로브를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
상기 전력공급계통은 반구체의 표면온도가 상기 반구 내부온도보다 높아지면 해당하는 상기 테스트 모듈에 삽입된 상기 전열봉에 전력을 공급을 중지할 수 있다.
본 발명에 따르면 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치가 제공된다.
본 발명은 원자로 용기의 외벽 냉각능력을 실험적으로 입증함으로써, 핵연료가 녹는 중대사고가 발생하더라고 핵연료가 녹은 물질인 코리움(corium)을 충분히 냉각시켜 원자로 내에 가두어 둘 수 있어 원자로가 파손되지 않고, 또한 격납건물이 파손되는 것을 막아 대중으로 방사선 피폭되는 일이 없도록 하여 원전의 안전성을 대폭 향상시킬 뿐 아니라 일본 후쿠시만 원전처럼 중대사고가 발생하더라도 이를 예방할 수 있어 경제적 손실을 대폭 경감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 3차원 반구체를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 테스트 모듈을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 3차원 반구체의 평면도를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 3차원 반구체의 평면도를 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 테스트 모듈을 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 3차원 반구체를 나타낸 것이다.
본 발명은 원자력발전소에서 중대사고 원자로 내 관리전략중 원자로용기 외벽냉각 성공여부는 매우 중요한 인자임을 인식하고, 원자로 용기 외벽냉각능력을 실험적으로 입증하고 검증하기 위한 것이다. 종래의 실험장치에서의 기술적 한계를 극복하기 위해, 종래의 실험장치인 2차원 임계열속 실험장치에서 한 단계 나아가 대형 원자로 외벽냉각 3차원 임계열속 실험장치를 개발하였다.
원자력 발전소 중대사고시, 원자로 내 사고대처의 일환으로 사용되는 원자로용기 외벽 냉각 전략은 노심용융물의 외부 방출없이 사고를 종결시키는 것을 목적으로 한다. 즉, 노심용융물에서 발생하는 붕괴열을 원자로 용기의 파손없이 지속적으로 열을 제거해주는 것이다. 이를 위해 노심물질이 용융하는 중대사고 발생 시 원자로용기 건전성을 확보하기 위하여 원자로용기 외벽냉각을 수행하여 노심용융물을 원자로용기 내에 가두어 두고 냉각하는 방안이 있다. 이 방안이 성공하기 위해서는 노심용융물에서 원자로용기 하반구로 전달되는 열량이 원자로용기 외벽에서 완전히 제거될 수 있도록 냉각수가 원자로용기 외벽과 단열체 사이로 충분히 공급되고, 원자로용기 외벽에서의 열제거 상한값인 임계열속값이 충분히 커야 된다.
원자로 외벽냉각 열적여유도를 평가하기 위해서는 용융풀 내에서의 자연대류와 외벽 냉각 관련 임계열속 실험이 필요하다. 본 원자로 외벽냉각 임계열속 실험장치는 원자로 용기 하반구를 축소모사한 3차원 실험장치이며, 원자로 외벽 냉각 시 자연대류 수조 비등에 따른 임계열속을 측정한다.
또한 본 발명에서는 실험장치를 모듈식으로 제조하여 실제 원자력 발전소에서 일어날 수 있는 다양한 환경, 예를 들어 원자로 용기와 단열체간 유로가 좁은 부분이나 원자로 공동구조물과 간섭부분 등 복잡한 단열체 부분에 대한 임계열속을 정확히 측정할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 차이가 있을 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 3차원 반구체를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 테스트 모듈을 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 임계열속 실험장치에서 3차원 반구체의 평면도를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 실험장치(1)는 실험본체부(10), 계측계통(20), 전력공급계통(30) 및 냉각공급계통(40)을 포함한다.
실험본체부(10)는 원자로 유닛(100)과 단열 유닛(200)을 포함하며, 원자로 유닛(100)과 단열 유닛(200) 사이에는 유로가 형성되어 있다.
원자로 유닛(100)은 3차원 반구체(101), 전열봉(150) 및 온도 프로브(160)를 포함한다.
반구체(101)는 도 2와 같이 8개의 테스트 모듈(110)로 이루어져 있다. 각 테스트 모듈(110)은 도 3과 같이 상부면은 끝이 절단된 부채꼴 형상이며, 아래로 갈수록 폭이 좁아진다. 테스트 모듈(110)은 3차원 반구체(101)의 수평면의 중심을 대하여 원주방향으로 배치되어 있으며, 서로 인접하고 있다. 제1실시예에서 반구체(101)의 중심부는 비워져 있다.
테스트 모듈(110)에는 전열봉 수용홈(111)과 온도 프로브 수용홈(112)이 형성되어 있다. 전열봉 수용홈(111)에는 전열봉(150)이 수용되며 온도 프로브 수용홈(112)에는 온도 프로브(160)가 수용된다.
테스트 모듈(110) 각각은 전열봉(150)을 통해 가열되며 서로 다른 온도로 가열될 수 있다.
각 테스트 모듈(110)은 전도성이 좋은 재질, 예를 들어 구리로 이루어져 있을 수 있다.
제1실시예에서 테스트 모듈(110)은 동일한 형태로 마련되어 있으나, 다른 실시예에서는 서로 다른 형태일 수 있다. 또한 테스트 모듈(110)의 개수는 8개에 한정되지 않는다.
단열 유닛(200)은 유로를 사이에 두고 원자로 유닛(100)을 수용하도록 마련되어 있다. 단열 유닛(200)의 재질은 스테인레스 스틸일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
계측 계통(20)은 온도 프로브(160)에 연결되어 있으며, 제1부분(110)과 제2부분(120)의 온도를 측정한다. 계측 계통(20)이 별도의 온도 프로브에 연결되어 반구체(101) 외부 표면의 온도를 더 정밀하게 측정하거나, 냉각수의 온도와 유량을 측정하는 것도 가능하다. 또한 다른 실시예에서는 계측 계통(20)이 온도 외에 압력 등을 측정할 수도 있다.
전력공급계통(30)은 전열봉(150)에 전원을 공급하여 각 테스트 모듈(110)을 원하는 온도에 이르게 한다. 특히 테스트 모듈(110)은 서로 분리되어 있어 테스트 모듈(110) 별로 서로 다른 온도가 되도록 할 수 있다.
냉각수공급계통(40)은 유로에 냉각수를 공급한다. 도시하지는 않았지만 냉각수공급계통(40)은 냉각수조 등을 포함할 수 있으며, 실험 도중 기화된 냉각수를 응축하는 설비 등을 포함할 수 있다.
도시하지는 않았지만 실험장치(1)는 별도의 제어부, 사용자 조작부 및/또는 디스플레이부 등을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 실험장치(1)를 이용한 임계열속실험 방법에 대해 설명한다.
반구체(101)에 전열봉(150)과 온도프로부(160)를 설치하고 각각 전력공급 계통(30)과 계측 계통(20)에 연결한다.
이와 함께, 냉각수 공급 계통(40)을 통해 유로에 냉각수를 공급 및 순환시킨다.
전열봉(150)을 이용해 각 테스트 모듈(110)을 원하는 온도로 올리면서 표면온도, 임계열속 등을 측정한다.
전력공급계통(30)은 반구체(101)의 표면온도가 반구체(101) 내부온도보다 높아지면 해당하는 테스트 모듈에 삽입된 상기 전열봉에 전력을 공급을 중지시킬 수 있다. 전열봉(150)의 건전성을 유지하기 위해 전열봉(150)의 표면 온도의 상한값을 990℃로 설정할 수 있다.
이 때 각 테스트 모듈(110) 별로 서로 다른 온도로 제어할 수 있어, 원자로 용기와 단열체간 유로가 좁은 부분이나 원자로 공동구조물과 간섭부분 등 복잡한 단열체 부분에 대한 임계열속을 정확히 측정할 수 있다. 즉 국부적인 임계열속현상을 정확히 측정할 수 있는 것이다.
도 4를 참조하여 제2실시예를 설명한다.
제2실시예에 따른 반구체(101)는 4개의 테스트 모듈(110)과 4개의 단열 모듈(120)을 포함한다. 각 테스트 모듈(110)과 단열 모듈(120)은 동일한 외관을 가지고 있으며, 서로 교대로 배치되어 있다. 단열 모듈(120)은 일반적인 단열체 재질로 마련될 수 있다. 다른 실시예에서는 4개의 단열 모듈(120) 중 적어도 일부는 빈 공간으로 이루어져 있을 수 있다.
단열 모듈(120)을 사용하면 인접한 테스트 모듈(110)의 영향을 감소시켜 각 테스트 모듈(110)별로 임계열속을 더욱 정확히 측정할 수 있다.
이상 설명한 반구체(101)는 다양하게 변형가능하며, 이를 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 5를 참조하여 제3실시예를 설명한다.
제3실시예에 따른 반구체(101)는 중심에 중심 단열 모듈(130)을 더 포함한다. 중심 단열 모듈(130)은 길게 연장된 원기둥 형태이다. 중심 단열 모듈(130)은 단열 모듈(120)과 동일한 재질로 마련될 수 있다.
도 6을 참조하여 제4실시예를 설명한다.
제4실시예에 따른 반구체(101)의 테스트 모듈(110)의 상부면은 온전한 부채꼴 형태이다. 제4실시예에서도 단열 모듈(120)을 포함할 수 있으며, 단열 모듈(120)은 테스트 모듈(110)과 동일한 외관을 가질 수 있다.
도 7을 참조하여 제5실시예를 설명한다.
제5실시예에 따른 반구체(101)는 테스트 모듈(110)을 둘러싸고 있는 반구 단열체(140)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 의한 원자로 외벽냉각 3차원 임계 열속 실험장치는 대형 원자로 외벽냉각능력이 열적여유도를 충분히 확보하고 있는지 여부를 확인할 수 있다. 이는 원자력발전소에서 중대사고 원자로 내 관리전략중 원자로용기 외벽냉각능력을 실험적으로 입증하고 검증하므로써, 대형원자로의 안전성을 확보할 수 있다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 모듈 타입의 원자로 외벽 냉각 임계열속 실험장치에 있어서,
    실험 본체부;
    상기 실험 본체부의 온도를 측정하는 계측 계통;
    상기 실험 본체부에 전력을 공급하는 전력공급계통;
    상기 실험 본체부에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급계통을 포함하며,
    상기 실험 본체부는;
    원자로를 모사한 반구체를 포함하는 원자로 유닛;
    냉각수 유로를 사이에 두고 상기 반구체를 감싸고 있는 단열 유닛을 포함하며,
    상기 반구체는 반구의 수평면의 중심에서 원주방향으로 배치되어 있으며, 서로 분리되어 있으며, 가열이 가능한 복수의 테스트 모듈을 포함하며,
    상기 반구체는 상기 복수의 테스트 모듈 사이에 위치하는 적어도 하나의 단열 모듈을 더 포함하며,
    상기 단열 모듈은 비워져 있거나 단열체 물질로 이루어진 실험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 테스트 모듈은 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 실험장치.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 테스트 모듈은 상기 반구체의 외곽형상을 이루며,
    상기 각 테스트 모듈은,
    상면은 단부가 절단된 부채꼴 형상이며,
    하부로 갈수록 단면적이 감소하는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 테스트 모듈의 단부에 의해 둘러싸여 있는 반구체의 중심부는 비어있는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단열모듈은 단열체 물질로 이루어져 있으며,
    상기 테스트 모듈과 상기 단열모듈은 동일한 외관 형상을 가지며, 각각 4개씩으로 이루어지며,
    상기 테스트 모듈과 상기 단열모듈은 서로 번갈아가며 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  7. 제6항에서,
    상기 원자로 유닛은,
    전열봉을 더 포함하며,
    상기 테스트 모듈에는 전열봉 수용홈이 형성되어 있으며,
    상기 전력공급 계통은 상기 전열봉에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  8. 제7항에서,
    상기 전력공급계통은 상기 테스트 모듈 별로 상이한 온도가 되도록 상기 전열봉에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원자로 유닛은 온도 프로브를 더 포함하며,
    상기 테스트 모듈에는 온도 프로브 수용홈이 형성되어 있으며,
    상기 계측 계통은 상기 온도 프로브를 이용하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  10. 제9항에서,
    상기 전력공급계통은 반구체의 표면온도가 상기 반구체 내부온도보다 높아지면 해당하는 상기 테스트 모듈에 삽입된 상기 전열봉에 전력을 공급을 중지하는 것을 특징으로 하는 실험장치.
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