원자로 다운커머 유동 편향기{NUCLEAR REACTOR DOWNCOMER FLOW DEFLECTOR}

본 발명은 수랭식 원자로, 더욱 구체적으로는 직접 용기 주입을 행하는 가압수형 원자로에 관한 것이다.

압력하에서 물로 냉각되는 원자로 발전 시스템의 주요 측면은, 유효 에너지의 생산을 위해 부수적 측면으로부터 분리되어 열 교환 관계를 이루는 폐쇄 회로를 포함한다. 주요 측면은 핵분열성 재료를 함유하는 복수의 연료 조립체로 구성되는 코어를 폐쇄하는 원자로 용기, 열 교환 증기 발생기 내의 주 회로, 가압기 및 펌프의 내부 체적 및 가압수를 순환시키기 위한 파이프를 포함하며, 상기 파이프는 펌프 및 증기 발생기의 각각을 독립적으로 원자로 용기에 연결한다. 증기 발생기, 펌프 및 용기에 연결되는 파이프의 시스템을 포함하는 주요 측면의 부품 각각이 주요 측면의 루프(loop)를 형성한다. 주요 측면은 또한 가압수의 체적 조정 및 화학적 조정을 위한 회로를 포함하는 보조 회로에 연결된다. 주 회로 상에서 분기되어 배열되는 이 보조 회로는 필요한 경우, 계량된 양의 물을 보충함으로써, 주 회로 내의 물의 양을 유지하고, 냉각수의 화학적 특성, 특히 원자로의 작동에 중요한 붕산 성분을 모니터링하는 것을 가능하게 한다. 물의 화학적 특성이 조절되는 기간 동안, 주 회로 내로 태핑(tapping)이나 주입(injection)을 실행하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 주입 또는 태핑 기간을 제외하고, 주요 측면에 대한 체적 또는 화학적 제어를 위한 회로가 아닌 보조 회로를 연결하는 밸브는 폐쇄된다. 그 후, 주요 측면은 이론적으로 분리되고 완전하게 밀봉되며, 결과적으로 주요 측면 내의 물의 양이 이론적으로 일정하게 된다.

그러나, 실제로 냉각수의 이러한 양은 원자로의 작동 동안의 불가피한 누설의 결과로서 감소하는 것으로 알려져 있다. 코어 내에서 냉각재의 레벨을 유지하는 것이 중요하며, 보충수가 필요한 경우, 일부 원자로 시스템 설계에 있어서는 직접 용기 주입 노즐을 통해 원자로 용기와 코어 배럴 사이의 다운커머 내의 원자로 용기 내로 직접 주입된다. 직접 용기 주입 노즐과 일렬로 코어 배럴에 부착된 편향기가 유입수를 다운커머 아래로 안내하여, 유입수가 방향을 전환하게 되는 용기의 바닥으로 안내되며, 하부 코어 지지 플레이트를 통해 코어까지 상승 안내된다. 직접 용기 주입 노즐을 통해 진입하는 유입수는 대략 50℉(10℃)이다. 직접 용기 주입 과도현상(direct vessel injection transient)에 앞서, 직접 용기 주입 유동 편향기는 대략 535℉(279℃)인 원자로 냉각 시스템 콜드 레그 온도와 일치하는 균일한 온도를 갖는다. 직접 용기 주입 과도현상의 초기에, 직접 용기 주입 유동 편향기 내측면은 거의 즉각적으로 50℉(10℃)로 냉각된다. 직접 용기 주입 과도현상의 결과로서, 유동 편향기는 급속한 냉각으로 인해, 상당량의 수축이 이루어진다. 직접 용기 주입을 행하는 기존의 설비에 있어, 유동 편향기는 상단 립(74) 바로 아래에서 직사각형 플레이트의 바닥까지 연장되는 기계가공된 그루브를 갖는 (고체) 직사각형 플레이트 또는 블록으로서 가장 잘 묘사될 수 있다. 기계가공된 그루브는 직접 용기 주입 유동을 압력 용기와 코어 배럴 사이의 원자로 압력 용기 코어 배럴 환형부 내로 방향 전환하여 하강시킨다.

유동 편향기가 고체 블록으로서 특징지어질 수 있기 때문에, 용접부의 일 측면[즉, 필릿 용접의 "힐"(heel)]은 편향기의 블록 표면의 수축에 따르게 된다. 용접부의 "토우"(toe)는 코어 배럴의 외경과 접촉을 유지한다. 대략 580℉(304℃)인 코어 배럴의 평균 온도는 직접 용기 주입 과도현상 동안 직접 용기 주입 유동 편향기보다 현저하게 높다. 따라서, 직접 용기 주입 과도현상 동안, 용접부의 "쓰로트"(throat)는 상당량의 "전단 거동"(shear action)을 겪게 된다. 이러한 "전단 거동"은 직접 용기 주입 유동 편향기와 코어 배럴 사이의 차등 변형(differential strain)을 수용하는데 필요하다. 결과적으로, 용접부에 고 응력이 예상된다.

웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨(Westinghouse Electric Company LLC)에 의해 제공되는 에이피1000(AP1000) 원자로 설계와 같은 신규한 원자로 설계는 직접 용기 주입 시스템 과도현상의 발생 횟수 증가가 예상된다. 직접 용기 주입 연결부는 원자로 냉각재 시스템 파이프 파단에 의해 야기되는 사고의 부작용을 감소시키도록 사용된다. 직접 용기 주입 연결부를 사용하지 않는 설비에서는, 코어 보충수가 콜드 레그 배관을 통해 도입된다. 주 냉각재 루프 파이프의 파단은 안전 주입 유동의 유출을 야기할 것이다. 직접 용기 주입을 갖는 에이피 1000에 있어서, 주 냉각재 루프 배관의 파단은 어떠한 안전 주입 유출도 야기하지 않을 것이다.

직접 주입 노즐을 사용했던 이전의 설비는 안전 주입을 위해서만 직접 주입 노즐을 사용했던 2개의 루프 설비였다. 에이피 1000 상의 직접 용기 주입 노즐은 안전 주입용 코어 보충 탱크 및 인커테인먼트 재보급수 저장 탱크 배수 라인, 축적자, 및 셔트 다운 냉각 펌프에 연결된다. 이들 추가적인 연결부는 직접 용기 주입 노즐 및 편향기에 현저한 과도현상을 추가한다. 이들 과도현상은 유동 편향기를 코어 배럴에 부착하는 필릿 용접부의 불가피한 피로 수명을 야기할 수 있는 고 응력을 발생시킬 것으로 예상된다. 유동 편향기를 코어 배럴에 부착하는 현재의 용접 설계는 정합면의 고유한 "강성"(stiff) 특성으로 인해, 증가된 횟수의 주입 과도현상에 대한 유동 편향기와 코어 배럴의 상대적인 차등 확장을 수용하지는 않을 것이다.

따라서, 직접 용기 주입 과도현상 동안, 유동 편향기의 급속한 냉각에 의해 발생되는 응력을 더욱 잘 수용할 수 있는 코어 배럴 인터페이스에 대한 신규한 유동 편향기가 요구된다.

본 발명은 압력 용기를 갖는 원자로로서, 유체 유입 노즐이 압력 용기의 벽을 통해 연장되는 원자로를 제공함으로써 전술한 목적을 달성한다. 내부 지지 구조물은 압력 용기 입구 노즐의 내측면과 이격 대향되어 압력 용기 내에서 지지된다. 편향기는 입구 노즐과 일렬로, 내부 지지 구조물과 유체 입구 노즐 사이에 위치되어 입구 노즐을 통해 압력 용기 내로 유동하는 유체의 방향을 전환시킨다. 편향기는, 전면이 유체 입구 노즐에 대면하고 후면이 내부 지지 구조물에 대면하는 본체를 갖는다. 본체의 후면은, 돌출부에 인접한 본체의 후면과 내부 지지 구조물 사이에 간극이 존재하도록 내부 지지 구조물에 부착되는 적어도 하나의 돌출부를 구비한다. 바람직하게는, 돌출부는 완전 용입 용접(full penetration weld)으로 내부 지지 구조물에 용접되는 용접 처리부(weld preparation) 또는 "처리부"(prep)를 갖는다. 바람직하게는, 보강 용접(reinforcing weld)이 완전 용입 용접 위에 덧씌워진다. 가압수형 원자로에서, 내부 지지 구조물은 코어 배럴이다.

일 실시예에서, 돌출부는 본체의 후면의 외주 주위로 연장되는 기계가공된 릴리프를 포함하며, 내부 지지 구조물과 본체 중 하나 또는 다른 하나, 또는 양자를 통과하는 벤트 구멍을 구비할 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 편향기는 축 방향 그루브를 갖는 금속 블록으로서, 상기 그루브가 상기 금속 블록의 상단면 아래로부터 상기 금속 블록의 바닥까지 관통하여 연장되도록 금속 블록의 전면 내에 기계가공되는 금속 블록이다. 바람직하게는, 금속 블록의 외주는 실질적으로 둥글다. 다른 바람직한 실시예에서, 편향기의 후면은 편향기의 후면과 돌출부 사이에 유연성(flexibility)을 추가하기 위해 돌출부와 인접한 그루브를 갖는다. 바람직하게는, 그루브는 환형이고, 돌출부 내에서 본체 주위로 연장된다.

본 발명의 첨부된 도면을 참조하여 읽혀질 때, 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 추가적인 이해를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 원자로 시스템의 간략화된 개략도,

도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 원자로 용기 및 내부 구성요소에 대한 입 면 부분 단면도

도 3은 도 2의 선(Ⅲ-Ⅲ)을 따라 취해진 도 2의 원자로 용기의 상단 단면도(설명을 위해 직접 용기 주입 노즐의 원주방향 위치에서 취해진 하부 단면)

도 4는 도 2 및 도 3의 원자로 용기의 사시도,

도 5는 도 2에 단면으로 도시된 코어 배럴의 사시도로서, 압력 용기 노즐이 코어 배럴 상에 중첩되어 코어 배럴에 대한 압력 용기 노즐의 대응하는 배향을 상징적으로 나타내는 도면,

도 6은 원자로 용기의 4분면의 일부에 대한 사시도로서, 제 위치의 코어 배럴이 직접 용기 주입 노즐 및 단면의 유동 편향기를 도시하는 도면,

도 7은 본 발명의 유동 편향기의 전방 사시도,

도 8은 본 발명의 유동 편향기의 측면 및 후면 사시도,

도 9는 본 발명의 유동 편향기의 후면 사시 단면도,

도 10은 코어 배럴에 결합된 본 발명의 유동 편향기의 측면 사시 단면도,

도 11은 본 발명의 유동 편향기의 후면을 코어 배럴에 결합하도록 적용되는 용접 처리부의 일부에 대한 단면도.

이제 도면을 참조하여 보면, 도 1은 핵 코어(14)를 둘러싸는 폐쇄 헤드(12)를 갖는 대체로 원통형인 원자로 압력 용기(10)를 포함하는 간략화된 원자로 주요 시스템을 도시한다. 물과 같은 액체 원자로 냉각재는, 열 에너지가 흡수되어 전형적으로 증기 발생기로 언급되는 열 교환기(18)로 배출되는 코어(14)를 통해 펌프(16)에 의해 용기(10)로 펌핑되며, 여기서 열은 증기-구동식 터빈 발전기와 같은 이용 회로(utilization circuit; 도시되지 않음)로 전달된다. 그 후, 원자로 냉각재는 펌프(16)로 복귀되어 주 루프를 완성한다. 전형적으로, 복수의 전술된 루프는 원자로 냉각재 배관(20)에 의해 단일 원자로 용기(10)에 연결된다.

예시적인 원자로 설계가 도 2에 더욱 상세하게 도시된다. 복수의 평행하는 수직 공통 연장 연료 조립체(22)로 구성된 코어(14)에 추가하여, 본 설명을 위해, 다른 용기 내부 구조물은 하부 내부체(24) 및 상부 내부체(26)로 나뉘어질 수 있다. 종래의 설계에 있어서, 하부 내부체는 용기 내에서 유동을 안내하는 것뿐만 아니라, 코어, 코어 구성요소 및 수단을 지지, 정렬 및 안내하도록 기능한다. 상부 내부체는 연료 조립체(22)(간략화를 위해 이 중 2개만 도시됨)에 대한 부수적인 구속부를 구속 또는 제공하고, 제어 로드(28)와 같은 수단 및 구성요소를 지지 및 안내한다.

도 2에 도시된 예시적인 원자로에서, 냉각재는 하나 이상의 입구 노즐(30)을 통해 용기(10)로 진입하고, 코어 배럴(32) 주변에서 하방으로 유동하며, 하부 플리넘(34)에서 180°로 회전하고, 하부 지지 플레이트(36) 및 연료 조립체(22)가 안착되는 하부 코어 플레이트(37)를 통해 그리고 상기 조립체를 통과하여 상기 조립체 주변에서 상향으로 지나간다. 일부 설계에 있어서, 하부 지지 플레이트(36) 및 하부 코어 플레이트(37)는 단일 하부 코어 지지 플레이트("36"과 동일 위치)로 통합되며, 이로써 별도의 하부 코어 플레이트(37)가 제거된다. 코어 및 주위 영역(38)을 통과하는 냉각재 유동은 대략 초당 20 피트의 속도로 분당 약 400,000 갤론으로, 전형적으로 크다. 결과적인 압력 강하 및 마찰력은 연료 조립체가 상승되도록 하는 경향이 있으며, 이 이동은 원형 상부 코어 플레이트(40)를 포함하는 상부 내부체에 의해 제지된다. 코어(14)를 빠져나가는 냉각재는 상부 코어 플레이트(40)의 하부를 따라 유동하며, 복수의 천공부(42)를 통해 상향으로 유동한다. 그 후, 냉각재는 하나 이상의 출구 노즐(44)을 향해 상향으로 그리고 반경 방향으로 유동한다.

상부 내측부(26)는 용기로부터 지지될 수 있으며, 상부 지지 조립체(46)를 포함한다. 부하는 주로 복수의 지지 컬럼(48)에 의해 상부 지지 조립체(46)의 상부 지지 플레이트(47)와 상부 코어 플레이트(40) 사이에서 전달된다. 지지 컬럼은 상부 코어 플레이트(40) 내의 천공부(42) 및 선택된 연료 조립체(22) 위에 정렬된다.

전형적으로 구동 샤프트(50) 및 중성자 흡수물질 로드의 스파이더 조립체(52)를 포함하는 직선적으로 이동 가능한 제어 로드(28)가 제어 로드 가이드 튜브(54)에 의해 상부 내부체(26)를 통해 안내되고, 또한 정렬된 연료 조립체(22) 내로 안내된다. 가이드 튜브는 상부 지지 조립체(46)에 고정적으로 결합되고, 상부 코어 플레이트(40)의 상단으로 스플릿 핀(56) 억지 끼워맞춤(force fit)에 의해 연결된다. 지지 컬럼(48)은 제어 로드 삽입 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 지진성 및 설계 기반 사고 조건하에서 가이드 튜브 변형 저지를 보조한다.

본 발명에 따라, 원자로 압력 용기(10)에는 보충 탱크로부터, 코어 배럴(32)과 압력 용기(10)의 내부 사이의 환형부(31)로 물을 연통시키는 직접 용기 주입 노 즐(58)이 제공된다. 유동 편향기(60)가 직접 용기 주입 노즐(58)의 출구와 일렬로 코어 배럴(32)의 외부에 용접되어, 유동 편향기(60) 상에 충돌하는 보충수가 하부 플리넘(34)을 향해 하향으로 방향 전환된다.

도 3은 정반대 방향의 2개의 직접 용기 주입 노즐(58), 및 2개의 증기 발생기 루프 각각에 대한 하나의 출구 노즐(44) 및 2개의 입구 노즐(30)을 갖는 원자로 용기를 도시하는 도 2의 선(Ⅲ-Ⅲ)을 따라 취해진 상단 단면도이다. 도 3에서, 원자로 용기(10)는 코어 배럴이 제거된 채로 도시된다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 직접 용기 주입 노즐의 원주방향 위치에서의 도 3의 단면은 설명을 위해, 도 2의 선(Ⅲ-Ⅲ)보다 낮은 위치에서 취해진다.

도 4는 원자로 압력 용기의 사시도로서, 압력 용기 주위에서 정반대로 이격된 직접 용기 주입 노즐(58)의 외측면도를 제공하며, 2개의 입구 노즐(30) 및 출구 노즐(44)이 용기(10)의 외측면 상에 도시되는 반면, 제 2 출구 노즐이 용기의 내측으로부터 부분적으로 관측될 수 있는 원자로 압력 용기의 사시도이다. 2개의 대응하는 입구 노즐이 본 도면에서는 도시되지 않는다. 코어 배럴은 도 5에서 별도로 도시된다.

도 5에서, 원자로 압력 용기 입구 노즐(30), 출구 노즐(44)이 예시를 위해, 코어 배럴 상에 중첩되게 도시되어, 이들이 코어 배럴(32) 상에서 대응하는 노즐과 어떻게 쌍을 이루는지를 시각적으로 보여 주는 것을 보조한다. 유사하게, 직접 용기 주입 노즐(58) 역시 유동 편향기(60)에 인접하여 위치되는 것으로 도시된다. 코어 배럴(32)은 도 4에 도시된 원자로 압력 용기(10) 내에 안착되어 상부 리지(70) 상에 지지되는 플랜지(68)를 구비한다. 도 5에 도시된 코어 배럴(32)은 또한 압력 용기(10) 내에서 코어 배럴을 배향하기 위한 종래의 반경방향 키이(66)를 구비한다. 종래의 원자로 설비에 있어서와 같이, 코어 배럴(32)은 또한 표본 바스킷(62)을 구비하며, 이들 바스킷으로부터 원자로 용기 물질의 샘플이 복사 취성에 대한 검토를 위해 주기적으로 취해질 수 있다.

도 6은 코어 배럴 플랜지(68)가 압력 용기 리지(70) 상에 안착된 코어 배럴(32) 조립체 및 원자로 압력 용기(10)의 4분면의 일부 단면에 대한 사시도를 도시한다. 도 6은 본 발명의 편향기와 결합하는 직접 용기 주입 노즐(58)에 대한 우수한 관점을 제공한다.

도 7은 본 발명의 편향기(60) 플레이트에 대한 정면 사시도를 도시한다. 직접 용기 주입 유동 편향기는 상단 립(74) 바로 아래 전면(72)에 기계가공된 그루브(76)를 갖는 스테인리스 스틸과 같은 금속의 중공 실린더로서 특징지어질 수 있다. 그루브(76)는 상단 립으로부터 전면(72)의 바닥을 통해 하방으로 연장된다. 그루브(76)의 폭은 상단 립(74) 바로 아래의 높이에서, 압력 용기(10) 내의 직접 용기 주입 노즐(58)의 유동 직경과 조화를 이룬다. 그루브(76)는 노즐(58)로부터 유출되는 물의 방향을 전환하여, 코어 배럴과 압력 용기 사이의 환형부(31)를 통해 하방으로 코어 아래의 하부 플리넘(34)으로 유동시킨다.

도 8은 유동 편향기(60)의 측면 및 후면 사시도를 도시한다. 유동 편향기(60)의 후방부(78)는, 바람직하게는, 0.346"(0.88cm) 돌출하고 편향기의 후면(78)과 외접하는 기계가공된 릴리프(80)를 포함한다. 앞서 0.346"(0.88cm)으로 언급되고 도 11에 도시된 이격 거리(64)는 편향기의 중앙 후방 영역(78)과, 유동 편향기(60)가 코어 배럴(32)에 부착된 때 코어 배럴 사이의 거리이다. 기계가공된 릴리프(80)는 유동 편향기(60)를 배럴(32)에 연결하는 용접 사이에 유연성을 제공한다. 이러한 릴리프는 모든 용접 위치에 대해, 0.346"(0.88cm)에 의해 제공되는 유연성 오프셋이 일정한 것으로 간주될 수 있다는 것이 특이하다.

이렇게 개선된 설계의 상세가 도 9 및 도 10에 도시된다. 도 9는 편향기(60)의 단면에 대한 사시도를 도시한다. 더욱 큰 유연성을 제공하는 편향기(60)의 후면(78)과 외접하는 그루브(82)가 기계가공된 릴리프 돌출부(80)의 내측만 볼 수 있다. 도 9는 또한 편향기(60)의 후면과 코어 배럴(32) 사이에 형성될 수 있는 보이드 체적 압력을 완화하기 위해 본 발명의 실시예에 통합될 수 있는 벤트 구멍(90)을 도시한다.

편향기(60)의 후면(78) 상에 제공되는 기계가공된 릴리프(80)는 도 10에서 가장 잘 관측될 수 있는 용접 이음부(86)에 인접하여 유연성을 제공하며, 도 10은 코어 배럴(32)에 부착된 유동 편향기(60)의 측면 사시도를 도시한다. 기계가공된 릴리프(80)를 코어 배럴(32)에 부착하는 용접이 완전 용입 용접으로서 "86"으로 도시된다. 기계가공된 릴리프에 의해 제공된 이러한 유연성은 직접 용기 주입 유체 과도현상(transient)에 후속하여 코어 배럴(32)에 대한 유동 편향기(60)의 열적 차등 확장을 수용할 필요가 있다. 이렇게 기계가공된 릴리프(80)는 2개의 강성 부재, 즉 코어 배럴과 편향기 사이의 유연성 지지 또는 연결의 도입부로서 설명될 수 있다. 따라서, 유동 편향기(60)의 원통형 벽부(외경)의 수축에 의해 발생되는 열적 변형(thermal strain)의 일부는 벤딩에 있어 편향기의 벽의 0.50"(1.27cm) 폭(63)(도 11에 도시됨)에 의해 수용될 수 있다. 편향기의 기계가공된 후면(78) 및 기계가공된 릴리프(80)는 상기 릴리프(80)가 결합되는 코어 배럴(32)의 곡률과 정합하도록 그 윤곽이 정해진다는 점을 인지해야 한다.

비록 다른 용접 처리부 형상이 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 하지만, 릴리프(80)용 완전 용입 용접 처리부(84)가 기계가공된 J-그루브 용접 처리부로서 도 11에 도시된다. 바람직하게는, 용접은 상기 용접이 코어 배럴과 접촉하는 유동 편향기의 외주 주위에서 완전하게 연장된다. 비록, 본 실시예는 유동 편향기를 코어 배럴에 고정하기 위해 용접을 사용하지만, 편향기를 코어 배럴에 결합하는 다른 형태가 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. J-그루브 용접 처리부에서의 완전 용입 용접을 코어 배럴(32)에 용접한 후, 0.346"(0.88 cm) 오프셋(80)의 벽 두께는 대략 0.50"(1.27cm)일 것이다. J-그루브 용접이 완료된 후에, 0.25"(0.64cm) 보강 용접(88)이 완전 용입 용접 주위에 사용될 수 있다. 최종 용접 형상이 도 10에 도시된다.

따라서, 유동 편향기(60)의 개선된 설계는 유동 편향기와 배럴(32) 사이의 이음부가 직접 용기 주입 과도현상 동안, 정합 인터페이스에서 유동 편향기와 코어 배럴의 상대적인 차등 확장을 수용한다.

비록, 본 발명의 특정 실시예가 상세하게 기술되었지만, 이러한 상세에 대한 다양한 변형 및 변경예들이 개시내용의 전체 교시의 관점에서 발전될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 유동 편향기는 직접 용기 주입 노즐이 아니라, 압력 용기에 대한 임의의 입구 노즐과 결합 관계로 사용될 수 있다. 추가적으로, 개시된 치수는 예시적이며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 예시적인 것으로만 인정되어야 하며, 첨부된 특허청구범위의 전체 범위 및 그의 임의의 그리고 모든 등가물에 의해 주어지는 본 발명의 범주를 제한하려는 것은 아니다.