소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치{DEVICE FOR HEATING A SIMULATED CORE IN SODIUM COOLED FAST REACTOR SYSTEM}

본 발명은 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소듐 냉각 고속로 속의 용융 금속을 직접 가열하여 설치성과 가열 효율성을 향상시킬 수 있는 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치에 관한 것이다.

소듐 냉각 고속로, 소듐 취급시설, 그리고, 소듐(Na)을 포함하는 알칼리 금속(Li, K등), 소듐-포타슘(Na-K) 합금, 납-비스무스(Pb-Bi) 합금 및 납(Pb)을 다루는 시설에서 원자로 용기 또는 특정 형태를 가진 용기 속의 유체역학적 현상을 연구하기 위해서 모의 노심 역할을 하는 전기장치를 설치한다.

상기와 같은 모의 노심 역할을 하는 전기장치는 용기 속에 들어 있는 소듐을 가열하기 위해 히터를 설치하고, 상기 히터의 온도를 제어하여 가열한다. 그런데, 좁은 공간에서 큰 용량의 가열이 필요한 경우 히터의 개수가 많아야 하기 때문에 히터의 설치가 쉽지 않고, 가열 용량이 부족한 문제점이 야기된다. 또한, 상기 히터의 가열속도를 빠르게 하고, 가열 온도가 높은 경우 상기 히터의 고장이 야기될 수 있는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 설치가 용이한 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 가열효율이 우수하며 제어가 용이한 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 장기간 사용할 수 있으며 유지/보수가 용이한 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치는, 고온의 소듐(Na)을 포함하는 알칼리금속(Li, K등), 소듐-포타슘(Na-K) 합금, 납-비스무스(Pb-Bi) 합금 및, 납(Pb)을 포함하는 용융 금속을 사용하는 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치에 관한 것으로서, 상기 용융 금속 내에 설치되어 저전압의 고전류 전원으로 상기 용융 금속 자체를 가열하는 전극봉을 포함한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 전극봉은 단상 교류 전원을 인가받는다. 이때, 상기 단상의 교류 전원은 직류변환기에 의해 직류로 변환되는 변형예도 가능하다.

상기 전극봉은 가장 적은 거리의 전극 간격을 유지할 수 있도록 전원이 연결되며, 상기 전극봉으로 전원을 인가하는 전선은 전극봉의 전극판에만 연결됨으로써 상기 용융 금속내 도체성분을 가열한다. 이를 위해, 상기 전극봉의 외주면은 전원 이 상기 전극봉에만 연결되도록 절연체에 의해 감싸지며, 상기 절연체는, 상기 절연체와 동일 또는 다른 절연성 재질로 형성되는 보호막에 의해 보호되어 상기 용융 금속과 비 접촉되는 것이 좋다.

참고로, 상기 전극봉은 전선과 연결되는 전극판을 각각 구비하여 2개 마련되며, 상기 2개의 전극봉의 전극판은 각각 1개 이상 혹은 3개의 전선과 연결되되, 어느 한 전극판에 연결된 전선은 다른 전극판에 간섭되지 않게 설치된다. 이때, 상기 전극봉은 상기 용융 금속이 담지되는 용기의 하부에서 상부로 삽입되어 상기 용융 금속의 흐름을 간섭하지 않도록 적어도 2개 이상 혹은 6개 마련된다. 또한, 상기 전극봉과 모의 노심을 둘러싸도록 절연체로 형성되는 노심 지지용기를 마련하여, 상기 전극봉으로 전류가 최단거리로 흐르도록 유도한다.

본 발명의 다른 측면에 의한 고온의 소듐(Na)을 포함하는 알칼리금속(Li, K등), 소듐-포타슘(Na-K) 합금, 납-비스무스(Pb-Bi) 합금 및, 납(Pb)을 포함하는 용융 금속을 사용하는 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치는, 상기 용융 금속이 수용되는 상기 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 부위에 설치되어, 상기 용융 금속을 직접 가열하는 전극봉 및, 상기 전극봉으로 저전압 및 고전류 전원을 인가하는 전원인가부를 포함한다. 본 실시예에 의하면, 상기 전극봉은 모의 노심의 상부 및 하부에 각각 마련되되 상기 용융 금속이 출입되는 복수의 삽입홀이 각각 관통 형성되는 제1 및 제2전극판과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2전극봉을 포함한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 고온의 소듐(Na)을 포 함하는 알칼리금속(Li, K등), 소듐-포타슘(Na-K) 합금, 납-비스무스(Pb-Bi) 합금 및, 납(Pb)을 포함하는 용융 금속이 담지된 원자로 용기 속에 융점이 낮은 용융 금속을 저전압 및 고전류의 전원이 인가되는 전극봉으로 직접 가열함에 따라, 종래와 같이 히터 설치를 위한 공간 확보가 불필요하다는 이점을 가진다.

둘째, 전극봉의 설치가 기존의 히터 설치에 비해 용이하여 제작 비용을 저감시킬 수 있다.

셋째, 전극봉이 용융 금속이 출입할 수 있는 복수의 삽입홀을 구비하는 전극판과 전기적으로 연결됨에 따라, 전극봉의 마련에도 용융 금속의 흐름이 저해되지 않는다.

넷째, 기존의 히터에 비해 가열 용량, 가열 시간, 가열 온도, 가열 속도 등의 제어가 용이하여, 유지/보수 비용 저감과 함께 장기간 사용할 수 있는 이점을 가진다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 모의 노심 가열장치(90)는 고온의 소듐(Na)을 포함하는 알칼리금속(Li, K등), 소듐-포타슘(Na-K) 합금, 납-비스무스(Pb-Bi) 합금, 납(Pb)을 포함하는 용융 금속이 수용되는 모의 노심(20) 내의 용융 금속을 직접 가열한다. 여기서, 상기 모의 노심(20)은 원자로 용기 혹은 특정 형태의 용기에 설치되며, 이하에서는, 본 실시예에 의한 모의 노심 가열장치(90)가 채용되는 모의 노심(20)이 전열제거계통이 적용된 소듐 냉각 고속 로(1)에 설치되는 것으로 예시한다.

우선, 상기 모의 노심(20)이 설치되는 소듐 냉각 고속로(1)의 기술구성은 하기와 같다.

상기 소듐 냉각 고속로(1)는 원자로 용기(10)의 하부 중심에 모의 노심(20)이 위치하며, 상기 모의 노심(20)의 외면을 감쌈과 아울러 모의 노심(20)의 상부로 소정 높이로 연장되는 노심 지지용기(30)가 마련된다. 여기서, 상기 노심 지지용기(30)는 절연체로 형성된다. 이때, 상기 모의 노심(20)과 절연체로 구성된 노심 지지용기(30)는 모두 원통형인 것으로 예시하였지만, 실제 노심과 유사한 형태의 육각 구조로 구성될 수도 있다. 그 외에도, 상기 노심 지지용기(30)의 외면에 대해 수직 연장되어 수평한 상태로 배치되는 환형의 격리판(40), 상기 격리판(40)의 가장자리에서 수직하게 상방으로 연장되어 상기 원자로 용기(10)의 내벽과 노심 지지용기(30)의 사이에 배치되는 원통형의 원자로배플(50)이 상기 원자로 용기(10) 내에 마련된다. 여기서, 상기 원자로 용기(10)는 모의 노심(20) 및 격리판(40)의 상부이자 원자로배플(50)의 내측에는 위치하는 고온풀(11)과, 상기 격리판(40)의 하부 및 원자로배플(50)과 원자로 용기(100)의 내벽 사이에 위치하는 저온풀(12)로 내부 공간이 구분된다.

상기 원자로배플(50)의 높이는 정상운전상태에서 상기 고온풀(11)의 용융 금속 액위(X)보다 높도록 하여 고온풀(11) 내의 고온의 소듐이 저온풀(12)로 흘러 들어가는 것을 방지한다. 또한, 노심 지지용기(30)의 높이는 고온풀(11)의 용융 금속 액위(X)보다 낮도록 하여 고온풀(11) 내에서 노심 지지용기(30)의 외주면측 공 간에도 항상 고온의 용융 금속이 채워진 상태를 유지하도록 한다.

상기 노심 지지용기(30)의 외주면과 원자로배플(50)의 내주면 사이에는 정상 열제거 시스템의 구성요소인 다수의 중간열교환기(Intermediate heat exchanger, IHX)(60)가 소정의 배열규칙에 따라 배치되며, 저온풀(12)의 용융 금속을 모의 노심(20)을 거쳐 고온풀(11)로 양정하는 1차계통펌프(61)가 소정의 배열규칙에 따라 배열된다. 이에 따라, 상기 소듐 냉각 고속로(1)의 정상운전중에 고온풀(11)과 저온풀(12) 각각의 용융 금속 액위(X)(Y) 사이의 액위차(Z)가 항상 일정수준 이상으로 유지된다.

여기서, 상기 중간열교환기(60)는 2개가 1조로 구성되고, 각 조별로 원자로 용기(10)의 외부에 위치하는 증기발생기(Steam generater)(62)와 연결되어 정상운전시 모의 노심(20)에서 발생된 열을 제거한다. 또한, 상기 중간열교환기(60)와 증기발생기(62)를 연결하는 연결배관(63) 상에 격리밸브(64)가 설치되어, 정상 열제거 시스템에 장애가 발생한 경우에 내부의 융용 금속의 흐름을 차단할 수 있도록 구성된다.

그리고, 상기 원자로배플(50) 내측면과 인접한 고온풀(11) 가장자리에 수직원형관(70)이 설치된다. 참고로, 상기 수직원형관(70)은 3개 내외로 설치됨이 좋다. 이러한 수직원형관(70)은 자체의 하단이 저온풀(12)과 연통되어, 상기 1차계통펌프(61)의 양정에 의해 내부의 액위가 저온풀(12)의 액위(Y)와 동일하게 유지된다. 또한, 상기 수직원형관(70) 자체의 상단은 원자로배플(50)과 마찬가지로 소듐 냉각 고속로(1)의 정상운전시 고온풀(11)의 용융 금속 액위(X)보다 높게 연장된다.

한편, 상기 수직원형관(70) 내의 용융 금속과 비 접촉되도록 상기 수직원형관(70)의 상부를 통해 소듐-공기 열교환기(80)가 진입되어 설치되며, 상기 소듐-공기 열교환기(80)는 원자로 용기(10)의 상부를 덮는 원자로헤드(13)를 관통하여 원자로 용기(10)의 상부로 연장되어 소듐-공기 열교환기(80)와 연결된 제열용 소듐-루프(81)와 연결된다. 이에 따라, 상기 원자로 용기(10) 내부에서 상기 소듐-공기 열교환기(80)를 통해 흡수한 열을 소듐-공기 열교환기(80)를 통해 대기로 방출하게 된다.

즉, 상기 소듐-공기 열교환기(80)는 제열용 소듐-루프(81)에 의해 전달된 고온풀(11)의 열을 소듐-공기 열교환기(80) 하부의 입구로부터 유입받아 열교환한 후 소듐-공기 열교환기(80) 상부의 출구(82)를 통해 배출하는, 외부공기를 이용한 직접적인 열제거가 이루어지는 소듐 냉각 고속로(1)의 사례인 것이다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 소듐 냉각 고속로(1)의 모의 노심(20)을 구성하는 모의 노심 가열장치(90)에 대해 자세히 설명한다.

우선, 상기 모의 노심 가열장치(90)는 전극봉(100)과 전원인가부(200)를 포함한다.

상기 전극봉(100)은 상기 모의 노심(20) 내의 용융 금속에 설치되어, 저전압의 고전류 전원으로 상기 용융 금속 자체를 직접 가열한다. 즉, 상기 전극봉(100)은 소듐(Na)과 같은 도체 성분을 구비하는 용융 금속을 전기적으로 가열하는 것이다. 이러한 전극봉(100)은 상기 모의 노심(20)의 상부(21)와 하부(22)에 각각 하나씩 설치되며, 충분한 길이를 가지는 전선에 의해 후술할 전원인가부(200)와 연결 되어 용융 금속을 가열한다. 이때, 상기 전극봉은 상기 절연체인 노심 지지용기(30)에 의해 지지되므로, 전류가 최단거리로 인가될 수 있으며, 적어도 2개 이상 혹은 6개 마련될 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 모의 노심(20)의 상부(21) 및 하부(22)에 각각 설치된 전극봉(100)을 제1 및 제2전극봉(110)(120)으로 각각 지칭하며, 상기 제1 및 제2전극봉(110)(120)과 후술할 전원인가부(200)를 각각 연결시키는 전선을 제1 및 제2전선(111)(121)으로 각각 지칭하여 설명한다. 여기서, 상기 제1 및 제2전선(111)(121)은 적어도 1개 이상 혹은 3개로 마련될 수 있다.

도 2에 상기 모의 노심(20)의 상부에 마련되는 제1전극봉(100)이 구체적으로 도시된다. 도 2를 참고하면, 상기 제1전극봉(100)은 상기 모의 노심(20)의 상부에 마련된 제1전극판(112) 상에 복수개 관통 형성되는 제1삽입홀(113)에 삽입되어 마련된다. 여기서, 상기 제1전극판(112)의 제1삽입홀(113)에 삽입되어 마련되는 제1전극봉(100)은 상기 제1전선(111)과 연결되는 제1 및 제2연결배선(114)(115), 이 제1 및 제2연결배선(114)(115)과 연결되는 제1삽입홀(113) 외부의 제1전선(111)을 절연시키는 제1절연체(116), 상기 제1절연체(116)가 상기 용융 금속과 비접촉되도록 보호하는 제1보호막(117)으로 구성된다. 이때, 상기 제1보호막(117)은 제1절연체(116)와 동일하거나 다른 절연성 재질로 형성된다.

이때, 상기 제1전선(111)과 연결되는 제1 및 제2연결배선(114)(115)은 상기 제1삽입홀(113) 내에서 제1전극판(112)과 전기적으로 연결됨으로써, 용융 금속을 가열한다. 즉, 상기 제2전선(111)으로부터 인가되는 전원이 상기 제1전극봉(110) 에 의해 제1전극판(112)에만 인가되는 것이다.

참고로, 상기 제1전극판(112)은 실제 모의 노심(20)의 구조에서 비가열부에 해당하는 부분으로써 상기 비가열부의 높이 즉, 상기 제1전극판(112)의 높이(H1)는 조절 가능하다. 이러한 제1전극판(112)의 높이(H1)에 의해 제1전극봉(100)의 체적 또는 높이가 조절될 수 있다. 또한, 상기 복수의 제1삽입홀(113)은 여러개의 모의 노심(20)이 설치될 경우의 유체역학적 차압을 형성하여 모의 노심(20) 사이를 흐르는 유체의 흐름 저항을 제어할 수 있도록, 상기 제1전극판(112) 상에 노즐 대신에 복수개 형성된다.

한편, 상기 제1전극판(112) 상에 복수의 제1전선(111)을 연결하여 복수개의 제1전극봉(100)을 형성하는 것이 바람직하나, 본 실시예에서는 3개의 제1전선(111)이 연결된 3개의 제1전극봉(100) 만을 예시한다. 이때, 상기 제1전극봉(110)은 가장 적은 거리의 전극 간격을 유지할 수 있도록 전원이 연결되는 구조를 가짐이 바람직하다.

도 3을 참고하면, 상기 모의 노심(20)의 하부에 마련되는 제2전극봉(120)이 자세히 도시된다. 도 3의 도시와 같이, 상기 제2전극봉(120)은 상술한 제1전극봉(100)과 마찬가지로, 상기 제2전선(121)을 통해 인가되는 전원을 제2전극판(122)에만 인가시키도록 구성되어, 상기 용융 금속을 가열한다.

이를 위해, 상기 제2전극봉(120)은 상기 제2전선(121)과 연결되는 제3 및 제4연결배선(124)(125), 제2삽입홀(123) 외부의 제2전선(121)을 절연시키는 제2절연체(126), 그리고, 상기 제2절연체(126)와 동일하거나 다른 절연성 재질로 형성되어 상기 제2절연체(126)를 용융 금속과 비접촉시키는 제2보호막(127)을 포함하여, 제2전극판(122)의 제2삽입홀(123)에 삽입되어 마련된다. 이때, 상기 제2전극판(122)의 높이(H2)가 비가열부에 해당된다. 참고로, 상기 제2전극봉(120) 또한, 제1전극봉(100)과 마찬가지로 3개인 것으로 예시하나, 이에 한정되지 않는다.

이상과 같은 구성에 의해, 상기 제1 및 제2전극봉(120)은 모의 노심(20)을 구성함과 아울러, 용융 금속을 직접 가열할 수 있게 된다. 이때, 상기 제1 및 제2전극봉(110)(120)에 인가되는 전원의 조절로 상기 제1 및 제2전극봉(120)의 가열 용량, 시간 및 속도 등을 제어할 수 있다.

참고로, 상기와 같은 구성을 가지는 제1 및 제2전극봉(110)(120)은 도 1의 도시와 같이, 상기 원자로 용기(10)의 하부에서 상부로 삽입하여 용융 금속의 흐름을 방해하지 않도록 함이 바람직하다. 뿐만 아니라, 상기 제1 및 제2전극봉(110)(120)의 제1 및 제2전극판(112)(122)상에 복수개 마련되더라도 그들의 전선(111)(121)이 다른 전극판(112)(122)에 간섭되지 않도록 설치됨은 당연하다.

상기 전원인가부(200)는 상기 전극봉(100)에 저전압, 고전류의 전원을 인가하는 것으로서, 3상(210)의 트랜스포머(220)를 사용하며, 2차측은 단상 교류전원(230)을 형성시킨다. 한편, 본 실시예에서는 상기 전원인가부(200)가 3상(210)의 트랜스포머(220)와, 단상 교류전원(230)을 이용하여 교류전원을 상기 제1 및 제2전극봉(110)(120) 상에 전달하는 것으로 설명한다. 그러나, 도 4의 도시와 같이, 상기 제1 및 제2전극봉(110)(120)과 단상 교류전원(230)의 사이에 직류변환기(240)를 설치하여, 저전압, 고전류의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 연결할 수도 있 음은 당연하다. 이때, 상기 전원인가부(200)가 도 1 및 도 4와 같이 상기 제1 및 제2전극봉(120)에 교류 또는 직류로 전원을 인가함에 따른 차이는 타 장치에 공급되는 전원에 영향을 고려하여 적절히 선택될 수 있는 선택사항일 뿐, 어느 하나로 한정되지 않음은 당연하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 소듐 냉각 고속로의 모의 노심 가열장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 상부 전극봉을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면,

도 3은 하부 전극봉을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면, 그리고,

도 4는 직류변환기에 의해 직류 변환된 전원이 전극봉이 인가되는 변형예를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1: 소듐 냉각 고속로 10: 원자로 용기

20: 모의 노심 90: 모의 노심 가열장치

100: 전극봉 110: 제1전극봉

120: 제2전극봉 200: 전원인가부