내부구조물의 구조와 기능

원자로 내부구조물은 핵연료 집합체와 제어봉 집합체를 지지 및 정렬시키고, 제어봉 집합체의 동적 하중을 흡수함은 물론 이 구조물에 작용되는 여러 하중들을 원자로용기로 전달하며, 냉각재의 노심통과 및 노내 중성자속 감시설비를 안내할 수 있도록 설계되었다. 국내의 가압경수로는 Westinghouse사 (고리 1·2·3·4 호기, 영광 1·2 호기), Combustion Engineering사 (영광 3·4·5·6 호기, 울진 3·4·5·6 호기), Framatome사 (울진 1·2 호기) 형태이다. 다음은 이들 제작사에 따른 구조와 재료를 나타낸다.

Westinghouse 형태의 원자로

내부구조물은 크게 하부노심 지지구조 (lower core support structure), 상부노심 지지구조 (upper core support structure), 노심계측기 지지구조 (incore instrumentation support structure)와 같이 3 부분으로 나누어진다. 내부구조물에 사용되는 주요 재료는 304 및 316 계통의 스테인리스강 및 인코넬이다.

1. 하부노심 지지구조 (Lower Core Support Structure)

내부구조물 지지구조의 주요 부품은 그림 1과 같은 하부노심 지지구조이다. 하부노심 지지구조는 core barrel, core baffle, lower core plate and support columns, thermal shield, core support를 포함한다. Lower core plate에는 각 핵연료 집합체를 위한 유량분배 구멍이 있고, 자중에 의한 하중, 핵연료집합체의 스프링에 의한 하중, 제어봉 동적하중, 수압에 의한 하중, 지진에 의한 하중 등이 가해지고 있다. 지진, 냉각수의 cross flow, 진동 등에 의한 횡방향의 하중은 core barrel shell에 의해서 유지된다. Core barrel의 radial support system은 압력용기 벽에 열쇠와 열쇠구멍 연결부로 연결되어 있다. Core barrel의 radial과 axial 팽창은 허용되지만 횡방향으로의 움직임은 이러한 설계에 의하여 제한되어진다.

2. 상부 노심 지지 구조 (Upper Core Support Structure)

상부노심 지지구조는 upper support assembly와 support column과 guide tube assembly 사이의 upper core plate로 구성되어 있다. Support column이 upper support와 upper core plate사이의 기계적 하중을 전달한다. Guide load assembly가 control rod drive shaft와 control rod를 보호하고 안내한다. Upper core support assembly는 핵연료 재장전동안에는 제거되어지고 core barrel에 붙어있는 flat-sided upper core plate alignment pin으로 하부노심지지구조의 적당한 곳에 위치할 수 있다. 하부노심 지지구조, 상부노심 지지구조, 핵연료집합체, 제어봉 등의 정렬은 locating pin과 guidance arrangement에 의해서 이루어진다. 상부노심 지지구조는 upper core barrel flange와 upper core support assembly사이에 있는 원주형 스프링에 의해서 축방향 움직임을 제한한다. 냉각수의 cross flow, 지진, 진동 등에 의한 횡하중은 support column에 의해서 upper support와 upper core plate로 나누어진다. 상부노심 지지구조를 그림 2 나타내었다.

그림 1. Lower core support structure (core barrel assembly)

그림 2. Upper core support assembly

3. 노내계측기 지지구조 (Incore Instrumentation Support Structure)

노내계측기 지지구조는 열전대를 지지하고 움직이기 위한 upper system과 flux thimble을 움직이고 지지하기 위한 lower system으로 구성되어 있다.

Framatome 형태의 원자로

하부 및 상부노심 지지구조를 그림 3, 4에 나타내었는데 Westinghouse의 내부구조물과 구조가 같다.

그림 3. Lower core support assembly

그림 4. Upper core support assembly

Combustion Engineering 형태의 원자로

내부구조물은 크게 노심지지동체집합체와 상부안내구조물집합체 두 부분으로 구성되어 있다. 유동분배환이 냉각재 유로를 구성하는 부분으로 기능을 하지만 원자로 내부구조물과는 분리되어 있고 원자로용기의 하부헤드에 고정되어 있다. 내부구조물 부품배열은 그림 5와 같다.

그림 5. Reactor vertical arrangement

내부구조물 재료

내부구조물의 주요 재료는 Type 304 스테인리스강, bolts나 dowel pin의 경우 Type 316 스테인리스강, radial support key bolts의 경우에는 Inconel-750 등을 주로 사용하는데 원자로 노형에 따른 내부구조물 사용재료를 표 1과 표 2에 나타내었다.

표 1. Westinghouse reactor vessel internal materials

표 2. Combustion Engineering reactor vessel internal material

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