원자로용기 벨트라인 열충격 보호방법과 열충격 보호판{Method for reducing thermal shock of reactor vessol beltline and a thermal sleeve}

본 발명은 원자로용기 벨트라인 열충격 보호방법과 열충격 보호판에 관한 것으로, 자세하게는 원자로용기 벨트라인의 내측에 열충격 보호판을 설치하여 강수부의 차가운 노심냉각수와 벨트라인 사이에 열충격 완충공간을 제공하여 열충격을 완화함으로써 원자로용기의 건전성을 증대시킴으로서 원자로 안전성을 증진시키는 열충격방법 및 열충격보호판에 관한 것이다.

일반적인 가압경수로 계통은 도 4에 도시된 바와 같이 원자로, 증기발생기, 원자로냉각재펌프 그리고, 가압기 등으로 이루어져, 상기 각 구성들을 연결하는 배관인 저온관(Cold Leg)과 고온관(Hot Leg)에 의해 하나의 냉각재 순환 회로(1차 계통)을 이루게 된다.

이러한 구성에 따라, 냉각재인 경수는 원자로 냉각재 펌프에 의해 도 4에 도 시된 바와 같은 원자로의 용기(1) 내로 들어가 원자로 내에 핵연료 다발인 노심(Core)(2)의 핵반응에 의해 발생되는 열에너지에 의해 고온으로 가열된 후, 원자로 출구노즐(3)에 연결된 고온관(4)을 통해 증기발생기를 순환하면서 증기발생기의 2차측 물(증기터빈 구동용)을 가열하여 증기로 변하게 한후 냉각되고, 온도가 낮아진 냉각재를 원자로 냉각재 펌프가 펌핑하여, 이어 원자로 입구노즐(5)에 연결된 저온관(6)을 통하여 다시 원자로 용기(1)내로 들어오도록 한다.

이러한 원자력 발전소를 설계하는데는 실제로 발생하기 어려운 가상사고까지 고려하는 바, 사전에 그 가상사고의 경위와 영향 등을 분석한 후, 그 결과에 따라 원자로 냉각재 계통이 비정상적인 상태가 되는 사고 발생시 노심에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 계통 즉, 안전계통을 추가함으로써 발전소의 안전성을 확보.유지한다.

원자력 발전소 설계시 고려되는 가상사고에는 원자로 냉각재 계통의 경계가 손상되어 냉각재가 계통 외부로 유출되는 사고를 냉각재상실사고라고 하며, 그 외 2차계통의 증기배관파손이나 급수배관파손 등의 사고를 비냉각재상실사고라 한다.

원자로에서 냉각재 상실사고나 비냉각재상실사고가 발생하면 원자로 노심을 냉각시키기 위하여 안전주입수를 외부에서 고압으로 원자로 용기 내부로 주입할 수 있는 안전장치가 설치되는데, 이것을 통상 안전주입계통의 비상노심냉각계통(Emergency Core Cooling System)이라고 한다.

비상노심냉각계통은 일반적으로 노심에 주입될 안전주입수를 가압상태로 저 장하는 피동안전주입탱크와 핵연료재장전수 저장탱크에 저장된 안전주입수를 감압상태인 원자로 냉각재 계통으로 주입하기 위한 안전주입펌프, 그리고 상기 탱크들과 펌프들로부터 원자로 냉각재 계통까지의 안전주입수 유로를 형성하는 안전주입관 등으로 구성된다. 이러한 비상노심냉각계통에 있어서, 원자로 용기 내부로 연결되어 직접 안전주입수를 토출하는 안전주입관은 통상 저온관의 수와 같은 갯수로 설치된다.

비상노심냉각계통에서 안전주입수를 원자로내로 유도하기 위한 안전주입수로에 있어서, 상기 안전주입관(7)의 끝에서 원자로 내로 안전주입수를 토출하는 부분을 안전주입노즐이라고 하는데, 최근 개발된 차세대원전인 신형경수로에서는 원자로 용기에 직접 부착한 직접용기주입노즐(Direct Vessel Injection Nozzle)(8) 이라고 한다. 참고로, 한국형표준원전과 같은 기존원자로의 안전주입노즐은 저온관의 상단에 설치된 저온관주입(Cold Leg Injection)(9) 개념이다.

이와같이 기존 원전에서 채택하고 있는 안전주입수의 저온관주입 개념이든 차세대 원전에서 채택하고 있는 원자로용기직접주입 개념이든 냉각재상실사고와 비냉각재상실사고시에 상대적으로 차가운 안전주입수가 원자로내로 주입되므로 말미암아 원자로용기(1)와 노심지지통(10) 사이의 환형공간인 강수부(Downcomer)(11)의 벨트라인(12) 내측면에도 차가운 물에 의한 영향이 미치게 된다.

원자로용기의 벨트라인은 노심에 의해 장기간 중성자속 환경에 노출되어 중성자 조사에 의한 재질의 취화로 취성한계온도(NDT, Non-Ductility Temperature)가 낮아지게 되는데 벨트라인의 건전성을 확보하기 위하여 어떤 경우에도 벨트라인의 내벽온도가 취성한계온도 이하로 내려가지 않도록 요구된다(참고문헌 1 참조).

원자로용기의 벨트라인은 몇 개의 두꺼운 판재를 맞대어 용접하여 제작되는데 벨트라인중 용접부분은 중성자 조사에 의하여 더 취성에 약한 곳으로서 사고시 주입되는 차가운 안전주입수에 의한 국부적 냉각에 의한 원자로용기 건전성에 영향이 크므로 말미암아 대부분의 벨트라인의 취성한계온도를 결정짓는 한계지점이기도 하다.

취성한계온도와 관련한 안전문제(Safety Issue)인 가압열충격(PTS, Pressurized Thermal Shock)은 원자로용기가 상대적으로 높은 압력하에서 벨트라인 부근에 안전주입수와 같은 상대적으로 차가운 물이 벨트라인에 접촉하여 벨트라인 내측벽 온도가 취성한계온도 이하로 내려가면 원자로용기의 건전성이 확보되지 않는다는 것이다.

이와같이 원자로용기가 상대적으로 높은 압력에서 안전주입수가 주입되는 사고에는 중소형 냉각재상실사고와 주증기배관사고가 있으며 특히, 주증기배관사고의 경우와 같이 계통 루프 중 한쪽이 정체되는 현상이 발생할 경우 원자로용기 강수부내에서 주입된 차가운 안전주입수가 강수부 내 물과 충분히 섞이지 못하고 벨트라인과 접촉할 가능성이 커지게 된다.

상기한 가압열충격을 해결하기 위한 방법에는 벨트라인의 재질의 조성중 중성자 조사에 취약한 성분을 최소화하여 취성한계온도를 낮추거나 아니면 정상 및 사고시 벨트라인에 접촉되는 물이 전체적 또는 국부적으로 취성한계온도보다는 높게 유지되도록 하는 것이 필요하다.

[참고문헌]

1. USNRC, 10CFR50 Appendix G: Fracture Toughness Requirements, 1995.12.

가압경수로형 원자로 용기에서 노심영역에 해당하는 환상의 띠인 벨트라인(Beltline) 영역은 노심에서 발생하는 높은 중성자속에 의하여 재료의 성질이 취화(Non-Ductility)되어 원자로가 가압된 상태에서 안전주입수와 같은 상대적으로 낮은 온도의 물이 벨트라인에 접촉하게 되면 그 내측 표면에 존재하고 있던 틈(Crack)이 성장하게 되어 원자로 용기가 파손되게 되는데 이에 대한 완화책이 필요하다.

더욱이, 최근 신형경수로에서 도입하고 있는 원자로용기직접주입(Direct Vessel Injeciton)방식은 상대적으로 차가운 안전주입수를 원자로용기 강수부에 직접주입하므로 말미암아 차가운 노심냉각수가 원자로용기 벨트라인에 직접 주입되어 벨트라인의 가압열충격(PTS, Pressurized Thermal Shock) 가능성이 매우 커지게 되어 이에 대한 대비책이 필요하다.

하지만 종래의 가압열충격을 해결하기 위한 방법 중 가압열충격을 해결하기 위한 재질 조성 개선은 이미 그 한계에 있는 상황이며, 또한 벨트라인에 접촉하는 물의 온도가 취성한계온도를 상회하도록 조절하는 것도 어디까지나 사고시 원자로계통내에서 일어나는 열수력현상에 맞물린 것이어서 한계가 있는 방안이 될 수밖에 없다.

이 문제를 해결하기 위하여 위에서 제시된 두가지 방안 외에 추구하고 있는 방안을 조사하였지만 관련된 개념은 확인되지 않고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 모든 원자로의 원자로용기 벨트라인을 가압열충격 문제에서 보호하기 위하여 강수부의 차가운 냉각수와 벨트라인 사이에 열충격 완충공간을 제공하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 원자로용기 벨트라인이 급격한 온도변화를 겪지 않도록 함으로써 원자로용기의 건전성을 높여 원자로 안전성을 증진시키도록 벨트라인 내측에 설치되는 열충격 보호판을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 경수로형 원자로의 원자로용기 벨트라인 내측벽 둘레방향으로 열충격 완충부를 설치하여 강수부의 물과 벨트라인 내측벽이 직접접촉하지 않도록 함으로써 가압열충격을 완화시켜 벨트라인의 건전성을 높이는 방법을 특징으로 하는 원자로용기 벨트라인 열충격 보호방법을 제공함으로써 달성된다.

상기 열충격 완충부는 원주방향으로 형성된 홈 구조가 상하로 일정간격으로 배열된 구조로 이루어져 열변형 흡수 및 진동에 대응하도록 구성한 판으로 이루어진 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 열충격 완충부는 열변형 흡수 재질로 이루어져 가압열충격을 완화시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 경수로형 원자로의 원자로용기 벨트라인 내측벽 둘레방향으로 고정설치되어 열변형을 흡수하고 진동을 저감하는 열충격보호판으로 구성되어 강수부의 물과 벨트라인 내측벽이 직접접촉하지 않도록 한 것을 특징으로 하는 원자로용기 벨트라인 열충격 보호판을 제공함으로써 달성된다.

상기 열충격보호판은 열변형 흡수를 위해 원주방향으로 상하로 다수개가 배열되어 형성된 얕은 오목 홈과;

상기 일정 개수의 얕은 오목 홈 사이에 설치되어 벨트라인에 억지끼움되도록 깊은 오목 홈으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 열충격보호판은 열변형 흡수 및 벨트라인에 억지끼움되도록 원주방향으로 상하 다수개가 배열되어 형성된 얕은 오목 홈;이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 열충격보호판은 변형 흡수를 위해 원주방향으로 형성된 홈이 상하로 20cm에서 50cm 간격으로 배열되어 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 열충격보호판은 변형 흡수 및 벨트라인에 억지끼움되도록 원주방향으로 형성된 얕은 오목 홈이 상하로 10cm에서 20cm 간격으로 촘촘히 배열되어 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 열충격보호판은 상하부 끝단이 벨트라인에 고정설치한 방지턱에 억지끼움되어 고정토록 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 열충격보호판의 재질은 부식에 강한 Stainless Steel(SS316) 재질로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 모든 원자로의 원자로용기 벨트라인을 가압열충격 문제에서 보호하기 위하여 강수부의 차가운 냉각수와 벨트라인 사이에 열충격 완충공간을 제공하기 위하여 원자로용기 벨트라인 내측에 열충격 보호판을 설치하여 벨트라인이 급격한 온도변화를 겪지 않도록 함으로써, 원자로용기가 상대적으로 높은 압력으로 유지되는 상황에서 안전주입수가 주입시 강수부에서의 물온도가 낮아지게 되고 혼합경향에 따라서는 국부적으로는 낮은 온도가 형성되어도 원자로용기 벨트라인 내측에 설치된 열충격 보호판에 의하여 벨트라인에 직접 접촉하는 것을 방지됨으로써 가압열충격을 완화시켜 벨트라인의 건전성을 높여준다는 효과가 있다.

또한 원자로용기의 가압열충격의 문제는 원자로용기의 재질 개선을 통한 취성한계온도를 낮추거나 아니면 사고시 안전주입수나 계통내 물이 벨트라인에 접촉할 때 가능성있는 가장 낮은 온도를 평가하고 이를 취성한계온도보다는 높다는 것을 입증하는 것으로 대처하고 있는 실정인데, 종래 원자로용기의 재질 개선이나 계통내에서 일어나는 열수력현상은 가압열충격 문제해결에 있어서 한계성있는 접근 방법으로 판단되었다. 하지만 본 발명에서 제시된 원자로용기 벨트라인 보호판에 의한 가압열충격 문제 완화는 그 신뢰성이 확인될 경우 거꾸로 원자로용기 재질 요건이나 계통내에서 일어나는 열수력현상에 대한 제한성 완화에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 최근 개발되는 신형경수로는 모두 설계수명이 60년을 목표로 하고 있는 상황에서 원자로용기 벨트라인의 중성자 조사에 의한 취성은 더욱 더 커질 것이며 이에 따른 가압열충격에 대한 문제도 기존 원전보다는 더 심각한 상황에 직면할 수 있다는 것을 고려할 때 본 발명에서 제시한 열충격 보호판은 원자로용기 벨트라인에 관련된 인허가 문제 해결에 직접적인 도움이 될 것으로 판단된다.

또한 본 발명은 모든 형태의 경수로 원자로에서 원자로용기의 벨트라인에 적용할 수 있는 장치로서 중성자속 환경속에서 취화된 벨트라인의 가압열충격 문제를 완화시켜주므로써 원자로의 안전성을 높이는데 기여할 것으로 판단되며, 이러한 개념은 현재 국내.외에서 개발중인 신형원자로에도 그 적용성이 클 것으로 판단되는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열충격 보호판이 설치된 원자로 종단면모식도인데, 도시된 바와 같이 본 발명은 모든 원자로의 원자로용기 벨트라인을 가압열충격 문제에서 보호하기 위하여 강수부의 차가운 냉각수와 벨트라인 사이에 열충격 완충공간을 제공하기 위하여 원자로용기(1) 벨트라인(12) 내측에 열충격 보호판(13)을 설치하여 벨트라인(12)이 급격한 온도변화를 겪지 않도록 하였다.

원자로용기(1)가 상대적으로 높은 압력으로 유지되는 상황에서 안전주입수가 원자로방식에 따라 안전주입관(7)과 연결된 직접주입노즐(8)로 직접주입되거나 또는 저온관주입(9)을 경유 저온관(6)을 통해 원자로용기(1) 내부로 주입되면 강수부(11)에서의 물온도가 낮아지게 되고, 혼합경향에 따라서는 국부적으로는 낮은 온도가 형성될 수 있다. 이와 같은 낮은 온도의 물이 원자로용기(1) 벨트라인(12) 내측에 설치된 열충격 보호판(13)에 의하여 벨트라인(12)에 직접 접촉하는 것을 방지함으로써 벨트라인의 건전성을 높여주게 된다.

즉, 원자로의 원자로용기(1) 벨트라인(12)을 가압열충격 문제에서 보호하기 위하여 강수부(11)의 차가운 냉각수와 벨트라인(12) 사이에 열충격 완충공간을 제 공하기 위하여 원자로용기 벨트라인(12) 내측에 열충격 보호판(13)을 설치하여 벨트라인이 급격한 온도변화를 겪지 않도록 하였다.

도 2는 본 발명의 한 실시에에 따른 열충격 보호판의 개념도인데, 도시된 바와 같이 벨트라인(12) 내측)에 열충격 보호판(13)이 설치된 것을 상세히 나타내고 있다.

열충격 보호판(13)은 크게 방지턱(14)과 깊은 오목 홈(15)의 억지끼워 맞춤에 의하여 벨트라인 내측벽에 고정되고 열변형 흡수를 위하여 원주방향의 얕은 홈(16)을 주었다. 이는 열변형 흡수뿐 아니라 상대적으로 얇은 원통형 열충격 보호판의 길이방향 및 원주방향의 강도를 높임으로써 진동에 강하고 또한 지지도 용이하게 하였다. 여기서 얇은 원통형 열충격 보호판의 두께는 3~5mm 정도이고, 얕은 홈(16)은 약 5mm정도, 깊은 홈(15)은 약 10mm 정도 깊이를 가진다.

즉, 원자로용기 강수부는 정상운전이나 사고시 상당한 속도의 유동이 일어나는 곳으로서 유동에 의한 진동도 최소화할 수 있도록 하여야 하는데, 본 발명에서 제시한 상하로 20cm에서 50cm 간격으로 배열된 얕은 오목홈과 깊은 오목홈, 그리고 방지턱에 의한 지지는 원자로 정지 및 가동에서 일어날 수 있는 온도변화에 의한 길이 및 원주방향의 열변형 흡수와 강수부에서의 유동저항을 최소화하고, 열충격 보호판의 강도를 보강하게 된다.

상기에서 밸트라인에 열충격 보호판(13)의 오목홈이 억지끼워지게 되는 원리는 밸트라인 자체는 오목홈이 끼워지는 별다른 홈을 가공 할 수 없는 재질이어서, 깊은 오목홈의 삽입력에 의해 억지끼움되게 된다.

또한 본 발명의 열충격 보호판(13)은 부식등을 최소화할 수 있는 재질을 선정해야 하는데 이는 기존 원자로용기의 주재질인 탄소강과는 열변형 차이가 발생할 수 있어서 열변형 흡수가 고려되는 재질을 사용해야 한다. 이러한 재질로 본 발명은 부식에 강한 Stainless Steel (SS316)과 같은 재질로 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열충격 보호판의 변형 개념도인데, 도시된 바와 같이 원자로의 원자로용기 벨트라인을 가압열충격 문제에서 보호하기 위하여 강수부의 차가운 냉각수와 벨트라인 사이에 열충격 완충공간을 제공하기 위하여 원자로용기 벨트라인 내측에 열충격 보호판을 설치하여 벨트라인이 급격한 온도변화를 겪지 않도록 하였는데, 도 3에 도시된 변형된 예의 열충격 보호판(17)은 방지턱(14)과 억지끼워 맞춤에 의하여 벨트라인 내측벽에 고정되고 열변형 흡수를 위하여 원주방향의 얕은 오목 홈(16)을 상하로 촘촘히 10cm에서 20cm간격으로 배열하였고, 얕은 오목 홈은 약 5mm정도로 형성하였다. 이는 열변형 흡수뿐 아니라 상대적으로 얇은 원통형 열충격 보호판의 길이방향 및 원주방향의 강도를 높임으로써 진동에 강하고 또한 지지도 용이한 개념이다.

상기에서 10cm에서 20cm간격으로 배열한 이유는 얕은 오목홈으로 지지되는 경우는 벨트라인과의 밀착성이 양호해질 수 있도록 하기위해 깊은 오목홈에 비해 상대적으로 촘촘하게 배열하였다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열충격 보호판이 설치된 원자로 종단면모식도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시에에 따른 열충격 보호판의 개념도이고,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열충격 보호판의 변형 개념도이고,

도 4는 종래의 일반적인 원자로 종단면모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 원자로 용기(Reactor Vessel)

(2) : 노심(Core)

(3) : 원자로 출구노즐(Reactor Outlet Nozzle)

(4) : 고온관(Hot Leg)

(5) : 원자로 입구노즐(Reactor Inlet Nozzle)

(6) : 저온관(Cold Leg)

(7) : 안전주입관(Safety Injection Line)

(8) : 직접주입노즐(Direct Vessel Injection Nozzle)

(9) : 저온관주입(Cold Leg Injection)

(10) : 노심지지통(Core Barrel)

(11) : 강수부(Downcomer)

(12) : 벨트라인(Beltline)

(13) : 열충격 보호판(Thermal Sleeve)

(14) : 방지턱(Clamp)

(15) : 깊은 홈

(16) : 얕은 홈(Groove)

(17) : 변형된 열충격 보호판