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KR100966854B1 - 부분잠김형 열교환기를 사용하는 소듐냉각 고속로의 완전 피동형 잔열제거계통 - Google Patents

부분잠김형 열교환기를 사용하는 소듐냉각 고속로의 완전 피동형 잔열제거계통 Download PDF

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KR100966854B1
KR100966854B1 KR1020090002904A KR20090002904A KR100966854B1 KR 100966854 B1 KR100966854 B1 KR 100966854B1 KR 1020090002904 A KR1020090002904 A KR 1020090002904A KR 20090002904 A KR20090002904 A KR 20090002904A KR 100966854 B1 KR100966854 B1 KR 100966854B1
Authority
KR
South Korea
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sodium
heat exchanger
pool
heat
decay
Prior art date
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Active
Application number
KR1020090002904A
Other languages
English (en)
Inventor
어재혁
이태호
한지웅
김성오
Original Assignee
한국원자력연구원
한국수력원자력 주식회사
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    • G21C1/03—Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders cooled by a coolant not essentially pressurised, e.g. pool-type reactors
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통은, 원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀과, 상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기를 통과하여 냉각된 저온의 소듐을 수용하되 상기 고온풀과 격리되어 있는 저온풀과, 소듐-소듐 붕괴열 교환기를 그 내부에 수용하도록 상기 고온풀과 저온풀의 경계면을 관통하여 수직으로 설치되되 그 상단은 상기 고온풀의 액위보다 높고 그 하단은 상기 저온풀에 대하여 관통된 지지통과, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐-공기 열교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기와 소듐-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프 및 정상운전상태에서 상기 저온풀의 소듐을 상기 원자로 노심을 거쳐 상기 고온풀로 양정하여 상기 고온풀의 액위가 상기 저온풀의 액위보다 높도록 그 액위차를 유지시키는 1차계통 펌프를 포함하고, 특히 정상운전상태를 기준으로 하여 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전열관의 일부는 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있으며, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 중 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있는 하단부의 표면에는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 한다.
완전 피동형 잔열제거계통, 부분잠김형 열교환기, 소듐-소듐 붕괴열 교환기, 소듐-공기 열교환기, 부분천공형 외피관, 튜브 쉬트형 전열관 연결부, 유동안내판

Description

부분잠김형 열교환기를 사용하는 소듐냉각 고속로의 완전 피동형 잔열제거계통{Fully passive decay heat removal system for Sodium cooled Fast Reactor with a partially-immersed decay heat exchanger}
본 발명은 원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀과, 상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기를 통과하여 냉각된 저온의 소듐을 수용하되 상기 고온풀과 격리되어 있는 저온풀과, 상기 고온풀과 저온풀의 경계면을 관통하여 수직으로 설치되되 그 상단은 상기 고온풀의 액위보다 높고 그 하단은 상기 저온풀에 대하여 관통된 지지통과, 원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 지지통 내부에 수용된 소듐-소듐 붕괴열 교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐-공기 열교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기와 소듐-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프 및 정상운전상태에서 상기 저온풀의 소듐을 상기 원자로 노심을 거쳐 상기 고온풀로 양정하여 상기 고온풀의 액위가 상기 저온풀의 액위보다 높도록 그 액위차를 유지시키는 1차계통 펌프를 포함하는 완전 피동형 잔열제거계통에 관한 것으로서, 특히 정상운전상태를 기준으로 하여 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전 열관의 일부는 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있고, 또한 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 중 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있는 하단부의 표면에는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통에 관한 것이다.
현재 개발되고 있는 소듐냉각 고속로는 노심(Reactor Core)-중간열교환기(IHX: Intermediate Heat eXchanger)-증기발생기(SG: Steam Generator)로 연결되는 정상 열제거 경로의 기능 상실이 일어났을 때, 긴급 원자로 정지에 따른 노심의 붕괴열(decay heat) 제거를 위해서 안전등급 잔열제거계통을 구비하고 있다.
지금까지 전세계적으로 소듐냉각 고속로를 포함하는 다양한 종류의 액체금속 냉각 고속로(이하, 액체금속로)에서는 안전성 강화를 목적으로 피동형 안전등급 잔열제거계통을 채택하여 왔으며, 이의 일환으로 풀형(pool type) 액체금속로의 잔열제거계통은 노심 출구 상부에 위치한 고온풀(hot pool)의 열적 관성을 이용하여 계통의 열이 냉각재 루프의 자연순환에 의해 효과적으로 제거될 수 있도록 설계되어 있다.
종래의 대용량 풀형 원자로의 경우에는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 1차계통의 고온 소듐이 채워져 있는 고온풀(1) 내부에 제열용 중간 소듐루프(2)의 소듐이 흐르는 완전 잠김형(fully immersed-type) 열교환기(DHX: Dipped Heat eXchanger)(3)를 설치하고, 원자로 건물 상단에 소듐-공기 열교환기(AHX: Air Heat eXchanger)(4)를 설치하였다. 이에 따라 열유입원(즉, DHX)과 열제거원(즉, AHX) 사이에 형성된 20m 이상의 높이차에 의해 만들어지는 밀도차를 통하여, 별도로 마련되어 있는 제열용 중간 소듐루프(2) 내부에서 제열용 소듐이 자연순환을 함으로써 1차계통의 열을 최종 열침원인 공기로 제거하게 된다. 이러한 방식은 풀 직접 냉각(DRC: Direct Reactor Cooling)이라 한다.
하지만 이와 같은 풀 직접 냉각 방식의 설계개념은 정상운전 중에도 고온풀(1)과 소듐-공기 열교환기(4) 사이에 열교환이 지속적으로 이루어지기 때문에, 정상운전 중의 열손실을 방지하기 위하여 제열용 중간 소듐루프(2)에 별도의 격리 밸브(5)를 설치하거나 또는 소듐-공기 열교환기(4)로 유입되는 공기의 입/출구 배관에 댐퍼(6)를 설치하여 공기의 유량을 조절함으로써, 제열용 중간 소듐루프(2)의 소듐 고화방지 및 정상운전 중의 열손실량을 조절하도록 설계 및 운용된다. 따라서 제열용 중간 소듐루프(2)의 전열매질이 전적으로 자연순환에 의해 제열 기능을 수행하기는 하지만, 운전원(operator)의 개입에 의해서든 아니면 트립(trip) 신호에 의해서든 어떤 형태의 계통작동을 위한 개시 신호가 생산되고, 그에 따라 댐퍼(6) 또는 격리 밸브(5) 등의 구동부가 있는 능동형 기기들이 작동되도록 설계되어 있으므로, 엄밀히 말하면 완전한 피동형 계통이라고 보기 어렵다.
이와 같은 피동형 계통의 불완전성을 극복하기 위하여, 도 2에 도시되어 있 는 또 다른 종래기술에서는 풀형 액체금속로를 대상으로 하여 완전 피동형 잔열제거계통을 채택하였다. 이러한 완전 피동형 잔열제거계통은, 원자로 풀 지역에 원자로의 고온풀(10)과 저온풀(11)을 연통시키는 수직 원형관의 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(DHX support barrel)(12)을 설치하고, 1차계통 펌프(미도시)의 양정에 의해 형성되는 고온풀(10)과 저온풀(11)의 액위차를 이용하여 소듐-소듐 붕괴열 교환기(13)를 소듐과 직접 접촉하지 않도록 상기 지지통(12) 내부의 저온풀(11) 자유액면 상부에 설치하였다.
이에 따라 정상운전 중에는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(13)와 저온풀(11)의 소듐과의 직접접촉을 원천적으로 차단하여, 제열용 중간 소듐루프(15)의 격리밸브 또는 소듐-공기 열교환기(14) 공기유로 입/출구의 댐퍼 없이도 정상운전 중의 불필요한 열손실을 최소화할 수 있도록 설계하고 있다. 특히, 이와 같은 설계개념은 정상 열제거원 기능상실로 인해 원자로 및 1차계통 펌프의 작동이 중지되어 소듐의 액위가 상승하는 경우에 한하여, 1차계통 소듐과 제열용 중간 소듐루프(15) 사이의 활발한 대류 전열과정을 통해 계통의 잔열을 최종 열침원인 대기 중으로 방출하는 개념을 채택하고 있으므로, 완전한 피동개념인 동시에 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 대용량 원자로의 피동형 잔열제거계통의 구현을 가능하게 하고 있다.
그러나, 도 2에 도시된 종래기술은 완전한 피동 개념을 구현하기 위하여 소듐-공기 열교환기(14) 공기 유로에 댐퍼 등의 공기유량 조절 장치를 채택하고 있지 않으므로, 외부 공기의 온도가 영하로 내려가는 겨울철 또는 원자로 풀 소듐의 온 도가 200℃까지 내려가는 재장전 운전기간 동안(참고로 정상운전 중 원자로 풀 소듐 평균온도는 467℃)에는 제열용 중간 소듐루프의 소듐이 고화(solidification 또는 freezing)될 가능성이 내재되어 있다. 소듐의 융점은 약 98℃이므로, 설계 기준으로 채택하고 있는 외부 공기온도 -40℃가 소듐-공기 열교환기(14) 공기 유로에 유입될 경우에는 소듐-공기 열교환기(14)의 소듐 전열관 내부에서 소듐이 고화될 가능성이 높다. 이러한 종래기술에서는 제열용 중간 소듐루프(15) 내부, 특히 소듐-공기 열교환기(14)의 소듐 전열관 내부에서 고화가 일어나게 되면, 원자로 풀에서 최종 열침원인 대기 중으로의 자연순환 열제거 유로가 폐쇄되어 발전소 안전성에 심각한 영향을 주게 되므로, 작동대기 기간을 포함하는 발전소 전체 운전기간 동안에 제열용 중간 소듐루프의 소듐 고화를 방지할 수 있는 방안이 필수적으로 요구된다.
이와 같은 종래의 완전 피동형 풀 직접 방식의 안전등급 잔열제거계통(PDRC: Passive Decay heat Removal Circuit)의 제열용 중간 소듐루프에서의 소듐 고화 현상은, 정상운전 중 1차계통 소듐 풀로부터 제열용 중간 소듐루프의 소듐으로의 열전달이 소듐의 직접접촉을 배제하고 전적으로 복사전열 메커니즘에 의해서만 이루어지도록 고안되어 있으므로, 대류 또는 전도 전열저항에 비해 월등히 큰 값인 복사 전열저항의 영향으로 인해 외부 공기 조건에 따라서 제열용 중간 소듐루프 내의 소듐의 온도가 충분히 높아지지 않기 때문에 발생한다.
따라서 설계기준을 만족시키기 위해서는 정상운전 모드를 포함하는 발전소 전체 운전기간 동안 제열용 중간 소듐루프의 소듐의 고화를 방지할 만큼의 안정적인 전열량 공급이 확보되어야 한다. 그러나, 복사전열만으로는 정상운전 모드에서의 제열용 중간 소듐루프 내부의 소듐 고화방지 및 작동대기 모드에서의 냉각재 기본 순환유량의 형성을 위한 충분한 열량공급이 어렵고, 또한 원자로 내부구조물의 표면 방사율 및 복사전열 해석방법론 등에는 설계 불확실성이 크기 때문에 안전계통에 대한 작동 신뢰성이 현저히 저하되는 단점이 있다. 특히, 도 2의 종래기술은 외부 공기가 영하로 내려가는 경우와 발전소 재장전 운전온도(200℃)에서의 제열용 중간 소듐루프의 소듐 고화방지에 대한 어떠한 대처방법 및 대처설비도 제공하지 못하고 있다.
또한 종래기술에서 가장 시급하게 해결해야할 문제 중의 하나는 원자로 정지후 1차계통 펌프가 정지되지 않고 가동되는 경우의 완전 피동형 잔열제거계통(PDRC)의 작동성능이라고 할 수 있다. 이러한 경우는 펌프 가동에 의해 고온풀과 저온풀 사이의 액위차가 유지되기 때문에 저온풀의 액위 상승이 이루어지지 않으므로 완전 피동형 잔열제거계통(PDRC)의 원활한 제열기능 수행이 불가능하므로 안전계통 본연의 기능 수행에 심각한 차질이 빚어질 수 있다. 따라서 고온풀과 저온풀 사이에 액위차가 유지되는 경우에도 일정량의 제열기능이 제공될 수 있는 설계개념이 필요하지만, 종래기술에서는 이와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능확보에 대한 적절한 대비책을 기술하고 있지 못한 실정이다.
아울러 정상 열제거 기능이 상실되어 안전계통이 본격적으로 작동되는 과도기에는, 고온풀로부터 유입되는 월류(overflow) 소듐이 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(DHX support barrel) 내부에서 소듐-소듐 붕괴열 교환기 측으로 유입되지 못하고 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통과 소듐-소듐 붕괴열 교환기 외피관(DHX shroud) 사이의 환형공간에서 원치 않는 우회유량(bypass flow)으로 형성될 가능성이 있다. 이 경우 열제거에 활용되는 작동유체의 유량이 감소함에 따라 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 열제거 성능이 저하될 것으로 예상된다. 그러나, 종래기술에서는 과도기 및 정상운전 중 소듐-소듐 붕괴열 교환기를 경유하는 1차계통 순환유량 형성을 저해시키지 않고 압력손실도 감소시킬 수 있는 순환유로 구조에 대한 어떠한 대처방법이나 개선된 설계개념도 제공하지 못하고 있다.
본 발명은 제열용 중간 소듐루프에 별도의 격리 밸브를 설치하거나 또는 소듐-공기 열교환기로 유입되는 공기의 입/출구 배관에 댐퍼를 설치하지 않아 운전원의 개입 여지를 배제하면서도, 원자력 발전소 전체 운전기간 동안의 제열용 중간 소듐루프 내 소듐의 고화 가능성을 포함하는 모든 종류의 작동 신뢰성 저해 요인을 원천적으로 배제하고 과도기 작동 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 소듐냉각 고속로의 완전 피동형 잔열제거계통을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통은, 원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀과, 상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기를 통과하여 냉각된 저온의 소듐을 수용하되 상기 고온풀과 격리되어 있는 저온풀과, 상기 고온풀과 저온풀의 경계면을 관통하여 수직으로 설치되되 그 상단은 상기 고온풀의 액위보다 높고 그 하단은 상기 저온풀에 대하여 관통된 지지통과, 원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 지지통 내부에 수용된 소듐-소듐 붕괴열 교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐-공기 열교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기와 소듐-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프 및 정상운전상태에서 상기 저온풀의 소듐을 상기 원자로 노심을 거쳐 상기 고온풀로 양정하 여 상기 고온풀의 액위가 상기 저온풀의 액위보다 높도록 그 액위차를 유지시키는 1차계통 펌프를 포함하고, 특히 정상운전상태를 기준으로 하여 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전열관의 일부는 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있으며, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 중 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있는 하단부의 표면에는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 저온풀에 잠겨 있는 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전열관의 길이는 전체 유효 전열관 길이의 1/3 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관은 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 하단부보다 길게 연장 형성되고, 상기 외피관의 연장된 부분은 배플 컷 형태로 형성될 수 있다.
여기에서 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 하단부보다 길게 연장 형성된 외피관의 하단이 원자로 분리판의 중간 부분에 위치하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 소듐 하향 유로관과 전열관을 연결하는 전열관 연결부가 상기 소듐 하향 유로관의 외경과 동일한 튜브 쉬트로 형성될 수 있다.
아울러 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 상부에 형성된 전열관 입구 직하부에는, 정상 열제거 기능 상실시 상기 지지통을 월류하는 고온풀의 소듐 흐름을 상기 전열관 입구로 유도하는 유동안내판이 더 구비될 수 있다.
상기 유동안내판은 정상 열제거 기능 상실시 상기 지지통 내부를 차오르는 저온풀의 소듐이 통과할 수 있는 공간을 상기 지지통과 상기 외피관 사이에 형성하는 것이 바람직한데, 본 발명의 실시에에서 상기 유동안내판은 상기 지지통과 상기 외피관 사이에 형성된 환형공간에 끼워지는 천공된 링 플레이트로 구성된다.
종래기술에서의 완전 피동형 잔열제거계통은 제열용 중간 소듐루프의 격리밸브 또는 소듐-공기 열교환기로 유입되는 공기유로 입/출구의 댐퍼 등을 제거하여 피동성을 강화하긴 했으나, 외부 공기가 영하로 내려가거나 발전소 재장전 운전 기간동안 원자로 풀 소듐의 평균 온도가 200℃까지 하강하는 경우에는 제열용 중간 소듐루프에서의 소듐 고화 가능성이 매우 높아지기 때문에 안전계통의 작동대기 신뢰성을 확보하기 어려웠다.
이에 반해 본 발명에 따른 부분잠김형 소듐-소듐 붕괴열 교환기(partially-immersed DHX)의 구성은 정상운전중 제열용 중간 소듐루프로 전달되는 전열 메커니즘을 근본적으로 개선하여 소듐 고화방지에 필요한 만큼의 충분한 전열량을 확보할 수 있도록 하기 때문에, 원자력 발전소 전체 운전기간 동안 제열용 중간 소듐루프 에서의 소듐 고화 가능성을 감소시켜 소듐 고화로 인한 열제거 루프의 기능상실 가능성을 최소화함으로써 궁극적으로 안전계통의 작동 대기상태의 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 부분잠김형 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 채택에 따라 파생되는 저온풀 지역에서의 국부적인 소듐 과냉각 현상을 방지하기 위하여, 소듐-소듐 붕괴열 교환기 배치와 관련된 설계개선을 이루었다. 특히, 과도기 원자로 소듐 냉각재 풀에서의 순환유량 형성과 관련하여 유로 형상을 최적화함으로써 정상운전상태 뿐만 아니라 과도기에서도 안정적인 열제거 성능을 확보할 수 있게 되었다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거계통(100)이 적용된 소듐냉각 고속로의 구성을 보여주는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거계통(100)의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시되어 있는 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거계통(100)은, 원자로 노심(110)에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀(120)과, 상기 고온풀(120)의 소듐과 열교환하는 중간 열교환기(112)와, 상기 중간 열교 환기(112)를 통과하여 냉각된 저온의 소듐을 수용하되 상기 고온풀(120)과 격리되어 있는 저온풀(130)과, 상기 고온풀(120)과 저온풀(130)의 경계면을 관통하여 수직으로 설치되되 그 상단은 상기 고온풀(120)의 액위보다 높고 그 하단은 상기 저온풀(130)에 대하여 관통된 지지통(140)과, 원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 지지통(140) 내부에 수용된 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)보다 높은 위치에 설치되는 소듐-공기 열교환기(160)와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)와 소듐-공기 열교환기(160)를 연결하는 제열용 중간 소듐루프(170) 및 정상운전상태에서 상기 저온풀(130)의 소듐을 상기 원자로 노심(110)을 거쳐 상기 고온풀(120)로 양정하여 상기 고온풀(120)의 액위가 상기 저온풀(130)의 액위보다 높도록 그 액위차를 유지시키는 1차계통 펌프(180)를 포함하고 있다.
특히 본 발명은 정상운전상태를 기준으로 하여 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 유효 전열관 길이(L)의 일부는 상기 저온풀(130)의 소듐에 잠겨 있는 것을 특징으로 한다. 종래기술에서는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관(154)이 저온풀(130) 소듐과 완전 격리되도록 배치되어 있으므로, 복사전열에 의한 소량의 열량만이 제열용 중간 소듐루프(170)로 전달되었다. 따라서 본 발명에서는 제열용 중간 소듐루프(170) 내부에서의 소듐 고화방지를 포함하는 작동대기 성능의 근본적인 향상을 위해서, 도 4와 같이 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 열중심(thermal center)을 하향조정하여 유효 전열관의 일부를 저온풀(130) 소듐과 직접 접촉하도록 그 수직배치를 최적화하였다. 이에 따라 복사 전열저항에 비해 월등히 작은 대 류 또는 전도 전열저항에 의해 원자로 저온풀(130) 소듐으로부터 제열용 중간 소듐루프(170)로의 전열량이 증가된다.
이와 같이 부분잠김형 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 설계개념을 적용하는 경우에는, 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 유효 전열관의 일부가 저온풀(130) 소듐과 직접 접촉하면서 전도 또는 대류 전열 메커니즘에 의해 효과적인 전열이 이루어지게 된다. 특히 본 발명의 실시예에서는, 저온풀(130) 소듐 영역에 잠기는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 유효 전열관의 잠김길이를 전체 유효 전열관 길이(L)의 1/3이 되도록 구성하였다. 이 경우 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 열중심(thermal center)이 하방향으로 이동하면서 제열용 중간 소듐루프(170)의 소듐-공기 열교환기(160)와 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 사이의 열중심 차이는 약 0.6m 정도 증가하고, 이와 반대로 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)와 노심(110) 사이의 열중심 차이는 약 0.6m 정도 감소하게 된다. 이와 같은 열중심 거리 변화와 관련한 과도성능을 분석해 보면, 약 1.0 m 이하의 열중심 차이 변화는 전체적인 완전 피동형 잔열제거계통의 장기냉각 거동에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
한편 정상운전 중에 저온풀(130) 소듐 영역에 잠긴 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관(154) 영역을 살펴보면, 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 외피관(DHX shroud)(158)에 의해 반경방향으로 격리되는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 하부 정체 공간에 있는 저온풀(130)의 소듐은 정상운전 중에도 소듐-소듐 붕괴 열 교환기(150)의 전열관(154)에 의하여 지속적으로 열제거가 이루어지고 있어 국부적으로 과냉각될 가능성이 높고, 궁극적으로는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 내부를 흐르는 소듐의 유선 방향으로 매우 낮은 소듐 온도가 형성될 수 있다.
따라서 본 발명에서는, 저온풀(130) 소듐 영역에 잠기는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 외피관(158) 내부에서의 소듐의 국부적인 과냉각을 방지하기 위해서, 정상운전 중 저온풀(130) 소듐에 잠기는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관 잠김길이에 해당하는 만큼의 소듐-소듐 붕괴열 교환기 외피관(158)이 부분적으로 천공되어 있는 부분천공 외피관(partially-perforated shroud)을 적용하였다.
이를 통해 정상운전 기간 동안에도, 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140)의 내부와 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 외피관(158)에 의해 형성되는 환형공간에 있는 과냉각되지 않은 저온풀(130)의 소듐이, 천공된 외피관(158)을 통과하여 소듐에 잠겨있는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 외피관(158) 내부의 전열관(154)과 접촉한 후 다시 저온풀(130) 영역으로 원활히 순환될 수 있게 된다.
여기에서 대부분의 소듐-소듐 붕괴열 교환기 외피관(158)의 표면은 비천공형으로 구성하고 단지 저온풀(130) 소듐 영역에 잠기는 부분만을 천공함으로써, 과도기에 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140)을 월류(overflow)한 고온풀(120) 소듐 유량의 일부가 부분천공 외피관(158)을 통해 불필요하게 손실되어 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 열교환 성능이 악화되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 부분잠김형 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)를 사용함에 따라, 앞서 기술한 국부적인 소듐 과냉각 방지를 위하여 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관(154) 형상을 도 5b와 같이 개선하였다.
즉, 도 5a에 도시되어 있는 종래의 전열관(24) 형상은, 소듐-소듐 붕괴열 교환기(13)의 소듐 하향 유로관(sodium flow downcomer)(20) 하단에 반구 형상의 챔버(22)가 결합되어 있고, 상기 챔버(22)에 전열관(24)이 연결되어 있는 구성을 가지고 있었다. 따라서 종래에는 소듐-소듐 붕괴열 교환기(13) 지지통의 내부와 소듐-소듐 붕괴열 교환기(13)의 외피관(26)에 의해 형성되는 환형공간의 유로가 상기 반구 형상의 챔버(22)에 의하여 상당 부분 간섭을 받게 되어 있었다.
이에 비하여, 본 발명에 따른 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)는 전열관(154) 하부의 소듐 챔버를 전열관 분배/연결을 위한 튜브 쉬트(tube sheet)의 형태의 전열관 분배부(distributor)(155)로 변경하여, 소듐의 환형공간 유로를 침해하지 않고 저온풀(130) 공간으로 소듐이 직접 방출될 수 있도록 하였다. 이에 따라 유동 면적의 감소로 인한 압력손실은 최소화되고, 소듐 유동 정체에 의한 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 하부 소듐의 과냉각 및 국부적인 소듐고화 현상이 근본적으로 방지된다. 이와 같은 전열관 분배부(155) 구조의 개선은 기존의 반구형 챔버(22) 형태에 비해 열팽창 등에 의한 응력을 감소시킬 수 있으므로 중간 열교환기(112) 등과 같은 정상운전 중의 사용 기기에 비해 상대적으로 온도 변화가 심한 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관(154) 설계에 더 적절하다고 할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기 외피관(158) 하부를 전열관(154) 하단에서 절단하지 않고 원통형으로 길게 제작하여, 일종의 유동 배플(flow baffle)에 해당하는 배플 컷(baffle cut) 형태로 구성할 수 있다(B/C로 표시된 부분). 이에 따라 과도기에 고온풀(120) 영역으로부터의 월류에 의해 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 쪽으로 유입되는 고온의 소듐이 전체 전열관 영역을 거친 후에 저온풀(130) 소듐 영역으로 원활히 방출될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 그 표면이 천공되어 있지 않은 외피관(158) 하부의 배플 컷 부분은, 상기 튜브 쉬트의 형태의 전열관 분배부(155) 직하부에서부터 시작되어 저온풀(130) 영역인 원자로 분리판의 중간 부분까지 연장되도록 구성되어 있다.
특히, 본 발명은 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 소듐 하향 유로관(152)과 전열관 연결부(155)를 튜브 쉬트(tube sheet)의 형태로 하여 소듐의 유동저항이 최소화되도록 설계될 수 있기 때문에, 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 하부에 일체형으로 연결되는 외피관(158) 연장부분의 길이를 원자로 내부구조물의 전반적인 배치 및 저온풀(130) 소듐 유동에 저해되지 않는 범위 내에서 충분히 길게, 예를 들면 외피관(158)의 하단이 원자로 분리판의 중간 부분에 위치하도록 설계한다면, "저온풀-DHX 입구-DHX 전열관 영역-DHX 출구영역-저온풀"로 이어지는 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140) 내부에서의 냉각재 국부순환유동을 위한 충분한 밀도차 제공이 이루어져 적절한 전열성능의 확보가 가능해진다.
아울러 본 발명은 정상 열제거기능 상실 사고시의 과도기 성능에 있어서, 원자로 냉각재인 소듐의 순환유량 형성이 원활하게 이루어 질 수 있도록, 고온 풀(120)로부터 월류하는 소듐이 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관 입구(156) 영역으로 원활히 흘러들어가도록 유도하는 유동안내판(Flow guide plate)(190)을 더 구비할 수 있다(도 7 참조). 이때 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 상부의 전열관 입구(156) 직하부에 설치되는 상기 유동안내판(190)은, 도 8과 같이 지지통(140)과 외피관(158) 사이에 형성된 환형공간에 끼워지는 천공된 링 플레이트로 설계될 수 있으며, 이에 따라 원자로 1차계통 펌프(180) 정지시 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140) 내부로 차 올라오는 저온풀(130) 소듐이 유동안내판(190)을 통과하여 고온풀(120) 액위 부근까지 원활히 상승하여 월류 형성에 지장을 주지 않게 된다. 상기 유동안내판(190)의 형상은 도 8에 도시된 천공된 링 플레이트 뿐만 아니라, 상기 지지통(140) 내부를 차오르는 저온풀(130)의 소듐이 통과할 수 있는 공간을 상기 지지통(140)과 상기 외피관(158) 사이에 형성하는 다른 형상, 예를 들면 마치 우산살과 같이 지지통(140)과 외피관(158)을 연결하는 다수의 판재로 이루어진 유동안내판(190)을 적용하는 것도 가능하다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 부분잠김형 열교환기를 사용하는 소듐냉각 고속로의 완전 피동형 잔열제거계통(100)의 작동 개념을 도시한 도면이다.
도 9a는 정상운전상태를 나타내는 것으로서, 저온풀(130) 소듐은 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 유효 전열관 길이(L)의 1/3 부분까지 채워져 있고, 고온풀(120) 소듐은 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140) 외부에 위치한다. 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 유효 전열관 길이(L)에 해당하는 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140)의 외부 대부분은 풀 버퍼영역(pool buffer region)에 둘러싸여 있으며, 정상운전 중에는 저온풀(130) 소듐이 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 부분천공 외피관(158)을 통해 저온풀(130) 지역으로 국부적인 순환을 지속한다. 특히 본 발명은 저온풀(130) 소듐이 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 유효 전열관 길이(L)의 일부, 바람직하게는 1/3 부분까지 채워져 있기 때문에, 정상운전 중에도 일정량의 열이 제열용 중간 소듐루프(170)를 거쳐 대기중으로 방출됨으로써 제열용 중간 소듐루프(170) 내부에서의 지속적인 정방향 소듐 유동이 형성된다.
도 9b는 정상 열제거기능 상실 사고시의 과도기에 있어서 고온풀(120)의 월류가 일어나기 이전의 작동상태를 보여준다. 정상운전 중에는 저온풀(130) 소듐과 부분적으로 접촉하고 있었던 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관(154)은 1차계통 펌프(180) 정지와 함께 상승하는 소듐 액위에 의해 저온풀(130) 소듐과 직접 접촉하게 된다. 그리고 고온풀(120) 영역에 둘러싸여 있는 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140)의 내주면으로부터 유입되는 열속(heat flux)에 의해 소듐-소듐 붕괴열 교환기 지지통(140) 내주면과 소듐-소듐 붕괴열 교환기 외피관(158) 외주면으로 이루어지는 환형공간에 채워져 있는 소듐이 가열되고, 이에 따라 환형공간 내의 가열된 소듐과 소듐-소듐 붕괴열 교환기 전열관(154) 영역의 차가운 소듐 사이의 밀도차에 의해 국부적인 소듐 유동이 형성되면서 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)로의 월류 이전에도 지속적으로 열제거가 수행된다.
도 9c는 정상 열제거기능 상실 사고시의 과도기에 있어서 고온풀(120)의 월류가 일어난 이후의 작동상태를 보여준다. 이때에는 고온풀(120) 소듐의 팽창에 의 한 고온 소듐의 월류에 의해 고온 소듐이 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 안쪽으로 직접 유입되면서 본격적인 열제거 기능이 이루어진다. 고온풀(120)로부터 넘어온 월류 소듐이 지지통(140) 내부의 소듐 냉각재와 혼합되면서 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150) 안쪽으로 유입되는데, 이때 소듐-소듐 붕괴열 교환기(150)의 전열관 입구(156)로의 유동을 유도하는 유동안내판(190)이 설치되어 있기 때문에 고온풀(120)과 저온풀(130) 사이의 원활한 유동 경로가 확보된다.
이상 본 발명을 특정의 실시형태와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의하여 나타난 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 피동형 풀 직접 냉각방식의 잔열제거계통에 대한 개략도.
도 2는 종래기술에 따른 완전 피동형 풀 직접 냉각방식의 잔열제거계통에 대한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거계통이 적용된 소듐냉각 고속로의 구성을 보여주는 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 종래기술과 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거계통의 열중심의 차이를 비교하여 보여주는 개략도.
도 5a는 도 2에 도시된 종래기술에 따른 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 구성을 보여주는 단면도.
도 5b는 본 발명에 따른 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 구성을 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 부분천공형 외피관의 일 실시예에 대한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 소듐냉각 고속로에서의 배치를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 적용된 유동안내판의 일 실시예를 도시한 사시도.
도 9a는 정상 열제거기능이 유지될 때의 작동상태를 도시한 도면.
도 9b는 정상 열제거기능 상실 사고시의 과도기에 있어서 고온풀의 월류가 일어나기 이전의 작동상태를 도시한 도면.
도 9c는 정상 열제거기능 상실 사고시의 과도기에 있어서 고온풀의 월류가 일어난 이후의 작동상태를 도시한 도면.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
100: 완전 피동형 잔열제거계통
110: 노심 112: 중간 열교환기
120: 고온풀 130: 저온풀
140: 지지통 150: 소듐-소듐 붕괴열 교환기
152: 소듐 하향 유로관 154: 전열관
155: 전열관 분배부 156: 전열관 입구
158: 외피관 160: 소듐-공기 열교환기
170: 제열용 중간 소듐루프 180: 1차계통 펌프
190: 유동안내판
L: 유효 전열관 길이
B/C: 배플 컷(Baffle Cut)

Claims (11)

  1. 원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀과, 상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기를 통과하여 냉각된 저온의 소듐을 수용하되 상기 고온풀과 격리되어 있는 저온풀과, 상기 고온풀과 저온풀의 경계면을 관통하여 수직으로 설치되되 그 상단은 상기 고온풀의 액위보다 높고 그 하단은 상기 저온풀에 대하여 관통된 지지통과, 원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 지지통 내부에 수용된 소듐-소듐 붕괴열 교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐-공기 열교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기와 소듐-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프 및 정상운전상태에서 상기 저온풀의 소듐을 상기 원자로 노심을 거쳐 상기 고온풀로 양정하여 상기 고온풀의 액위가 상기 저온풀의 액위보다 높도록 그 액위차를 유지시키는 1차계통 펌프를 포함하는 완전 피동형 잔열제거계통에 있어서,
    정상운전상태를 기준으로 하여 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전열관의 일부는 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있고, 또한 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 중 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있는 하단부의 표면에는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온풀에 잠겨 있는 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전열관의 길이는 전체 유효 전열관 길이의 1/3 인 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관은 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 하단부보다 길게 연장 형성되고, 상기 외피관의 연장된 부분은 배플 컷 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 하단부보다 길게 연장 형성된 외피관의 하단이 원자로 분리판의 중간 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 소듐 하향 유로관과 전열관을 연결하는 전열관 연결부가 상기 소듐 하향 유로관의 외경과 동일한 튜브 쉬트인 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 상부에 형성된 전열관 입구 직하부에는, 정상 열제거 기능 상실시 상기 지지통을 월류하는 고온풀의 소듐 흐름을 상기 전열관 입구로 유도하는 유동안내판이 구비된 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유동안내판은 정상 열제거 기능 상실시 상기 지지통 내부를 차오르는 저온풀의 소듐이 통과할 수 있는 공간을 상기 지지통과 상기 외피관 사이에 형성하는 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유동안내판은 상기 지지통과 상기 외피관 사이에 형성된 환형공간에 끼워지는 천공된 링 플레이트인 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  9. 원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀과, 상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기를 통과하여 냉각된 저온의 소듐을 수용하되 상기 고온풀과 격리되어 있는 저온풀과, 상기 고온풀과 저온풀의 경계면을 관통하여 수직으로 설치되되 그 상단은 상기 고온풀의 액위보다 높고 그 하단은 상기 저온풀에 대하여 관통된 지지통과, 원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 지지통 내부에 수용된 소듐-소듐 붕괴열 교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐-공기 열교환기와, 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기와 소듐-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프 및 정상운전상태에서 상기 저온풀의 소듐을 상기 원자로 노심을 거쳐 상기 고온풀로 양정하여 상기 고온풀의 액위가 상기 저온풀의 액위보다 높도록 그 액위차를 유지시키는 1차계통 펌프를 포함하는 완전 피동형 잔열제거계통에 있어서,
    정상운전상태를 기준으로 하여 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 유효 전열관의 일부는 상기 저온풀의 소듐에 잠겨 있고, 또한 상기 소듐-소듐 붕괴열 교환기의 외피관 상부에 형성된 전열관 입구 직하부에는 정상 열제거 기능 상실시 상기 지지통을 월류하는 고온풀의 소듐 흐름을 상기 전열관 입구로 유도하는 유동안내판이 구비된 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유동안내판은 정상 열제거 기능 상실시 상기 지지통 내부를 차오르는 저온풀의 소듐이 통과할 수 있는 공간을 상기 지지통과 상기 외피관 사이에 형성하는 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 유동안내판은 상기 지지통과 상기 외피관 사이에 형성된 환형공간에 끼워지는 천공된 링 플레이트인 것을 특징으로 하는 부분잠김형 열교환기를 사용하는 완전 피동형 잔열제거계통.
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