본 발명은 블록형 노심 초고온가스로의 냉각압력용기 구조에 관한 것으로, 그 목적은 상용 경수로에서 검증된 압력용기 재질인 SA-508/533 강을 블록형 노심 초고온가스로의 압력용기 재질로 사용할 수 있도록 압력용기 온도를 SA-508/533의 허용온도인 371℃ 이내로 유지하기 위한 냉각압력용기 구조를 제공하는 데 있다.본 발명의 구성은 원자로 압력
용기(2) 내벽과 일정 간격을 가지고 내부에 위치한 노심지지배럴(3)의 내부에 위치한 흑연구조물로 이루어지고, 입구배관(1)을 통해 원자로 냉각재인 헬륨을 공급하여 블록형노심(4)을 냉각한 후 출구덕트(20)로 배출토록 구성된 블록형노심 초고온가스로의 냉각구조에 있어서,입구배관(1)을 통해 공급되는 냉각재를 상기 흑연구조물의 내부에 형성된 입구플레넘(13), 상승유로(12) 및 상부플레넘(14)으로 구성된 냉각재유로를 통해 공급함으로써 고온의 헬륨 냉각재와 원자로압력용기의 직접 접촉을 방지토록 한 구조를 특징으로 한다.

본 발명은 블록형 노심 초고온가스로의 냉각압력용기 구조에 관한 것으로, 자세하게는 상용 가압경수로에서 검증된 재질을 압력용기 재료로 사용하기 위하여 압력용기 운전온도를 낮추도록 한 구조에 관한 것이다.

배경기술

고온가스로는 고온가스냉각로라고도 말하는데 연료로서 핵연료를 열에 강한 탄소와 탄화규소로 피복한 피복 입자연료를 사용하고, 감속재와 노 내 구조재는 열에 강한 흑연을 사용하며, 헬륨을 원자로냉각재로 하고 있어 원자로에서 발생한 열을 이용하여 다른 형식의 원자로에서는 얻을 수 없는 800℃ 이상의 높은 출구온도의 가스를 얻을 수 있고, 안전성도 우수하다. 이 때문에 원자로에서 발생하는 고온의 열을 산업용 열원, 배열을 이용한 증기 터빈 발전, 지역난방 등 다목적으로 이용할 수 있다.
이러한 고온가스로는 주로 영국, 미국, 독일에서 개발되어 왔다.
이러한 고온가스냉각로에 사용되는 연료의 한 형식으로 블록형연료가 있는<dp type="SOFT" n="3">데, 다공(多孔)블록형과 핀 인 블록형이 있다. 다공블록형은 봉상의 연료스틱을 길이방향으로 평행하게 여러 개의 구멍을 뚫은 흑연블록에 삽입한 것으로 일부의 구멍은 냉각재유로로 사용된다.
핀 인 블록형은 흑연블록의 연료공 중에 연료콤팩트를 흑연슬리브에 넣은 연료봉을 냉각재유로에 삽입하는 방식이다.
상기한 바와 같은 블록형 노심 고온가스로의 기존 구조는 고온의 냉각재에 압력용기가 직접 노출되는 구조이다.
구체적으로, 도 1은 종래의 블록형 노심 고온가스로 입구유로 개념을 나타낸 도면이고 도 2는 종래의 블록형 노심 고온가스로의 수평 중간 단면을 나타낸 도면인데, 도시된 바와 같이 입구배관(1)의 바깥 영역에서 공급된 490℃의 고온의 헬륨 냉각재는 원자로압력용기(2)와 노심지지배럴(3) 사이에 설치된 냉각재상승채널(5) 통하여 노심 상부 영역으로 공급된다.

노심을 통과하면서 냉각재는 850℃로 가열된 후 출구덕트(20)를 통하여 에너지변환 계통으로 보내지는 구조로 이루어진다.

도 1, 2 중 미설명 부호 4는 블록형노심, 6은 상부단열재, 7은 상부반사체, 8은 내부 반사체, 9는 외부반사체, 10은 영구반사체, 11은 하부반사체이다.

문제점

상기한 도 1, 2에 나타난 종래의 냉각재 입구유로는 490℃ 이상의 고온의 헬륨 냉각재가 원자로압력용기(2)와 접하는 구조로 이루어져 있어서, 원자로압력용<dp type="SOFT" n="4">기(2) 온도가 상용 경수로의 압력용기 재질인 SA-508/533의 허용온도를 초과하기 때문에 종래의 블록형 노심 고온가스로는 고온 내열강 재질인 9Cr-1Mo-V 재질을 압력용기 후보재로 채택하고 있다.
하지만 고온 내열강은 실제 원자로압력용기로 제작된 사례가 없을뿐더러 조사특성자료 확보, 용접절차 확립 및 재료의 수급 등 많은 연구개발이 요구되므로 중단기적으로 적용되기 어렵다는 문제점이 있다.
특히 본원 발명에서 개발하고자하는 원자로는 출구온도가 950℃인 초고온가스로로서, 이 경우 입구온도의 동반상승에 따라 상용경수로 압력용기를 사용하기 위해서는 새로운 설계 구조가 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 사용 경수로에서 검증된 압력용기 재질인 SA-508/533 강을 블록형 노심 초고온가스로의 압력용기 재질로 사용할 수 있도록 압력용기 온도를 SA-508/533 강의 허용온도인 371℃ 이내로 유지하기 위한 냉각압력용기 구조를 제공하는 데 있다.

해결과제

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 원자로 압력용기 내벽과 일정 간격을 가지고 내부에 위치한 노심지지배럴의 내부에 위치한 블록형노심 상부에 위치한 상부반사체와, 블록형노심 안쪽에 위치한 내부반사체와, 블록형노심 바깥 둘레쪽에 위치한 외부반사체와, 외부반사체 바깥 둘레쪽에 위치한 영구반사체와, 블록형
노심 하부에 위치한 하부반사체로 이루어진 흑연구조물로 이루어지고, 입구배관을 통해 원자로 냉각재인 헬륨을 공급하여 블록형노심을 냉각한 후 출구덕트로 배출토록 구성된 블록형노심 초고온가스로의 냉각구조에 있어서, 입구배관을 통해 공급되는 냉각재를 상기 흑연구조물의 내부에 형성된 입구플레넘, 상승유로 및 상부플레넘으로 구성된 냉각재유로를 통해 공급함으로써 고온의 헬륨 냉각재와 원자로압력용기의 직접 접촉을 방지토록 한 구조를 제공함으로써 달성된다.
상기 입구플레넘은 하부반사체 내에 형성되어 입구배관을 통해 공급된 냉각재를 팽창 및 확산시키도록 환형공간으로 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 상승유로는 하부에 형성된 하부플레넘과 상부에 형성된 상부플레넘 간을 연결하도록 영구반사체 내부에 다수의 구멍을뚫어 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 상부플레넘은 상부반사체 내에 형성되되, 입구플레넘에서 발생된 유동의 불균일성을 완화하기 위하여 2개 이상의 상승유로가 합해지는 혼합공동과, 혼합공동을 통과한 냉각재를 다시 나누어 노심 입구와 연결시키는 2개 이상의 슬릿을 포함하여 형성한 것을 특징으로 한다.

본원 발명은 원자로 압력용기 내벽과 일정 간격을 가지고 내부에 위치한 노심지지배럴의 내부에 위치한 흑연구조물을 통해 냉각재를 공급하고, 또한 원자로 압력용기를냉각하는 추가적인 냉각방법을 제공함으로써 블록형 노심초고온가스로 압력용기의 운전온도를 상용경수로에서 검증된 SA-508/533 재질의 허용온도 이내로 유지할 수 있게 되어 기존 상용경수로의 설계방법을 적
용한압력용기의설계/제작을가능하게한다는장점을가진유용한발명으로산업상그이용이 크게 기대되는 발명이다.
본고는 한국원자력연구원, 한국수력원자력 주식회사 김민환, 임홍식, 이원재, 장종화의 발표자료를 요약한 것이다.