[논문자료] 소듐 시험루프 내 고온 압력용기의 크리프-피로 건전성 평가

 

출처: 픽사베이

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한국원자력연구원(KAERI)이 2028년까지 건설 예정인 제4세대 소듐냉각 고속로(SFR)인 PGSFR (Prototype Gen IV Sodium-cooled Fast Reactor)의 특정 설계 인허가를 취득하는데 있어 원자로 정지 사고 시 안전하고 신뢰성 있는 잔열 제거 능력을 실증하는 것은 필수 요건이며 특히 2011년 발생한 후쿠시마 원전 사고 이후 그 중대사고 대비 잔열 제거 능력의 검증 중요성이 더욱 부각되고 있다. PGSFR의 붕괴열 제거를 위한 잔열제거계통 (Decay Heat Removal System : DHRS)은 그와 같은 중요성으로 인해 설계에서 안전 등급(Safety Grade) 으로 분류되어 있다. PGSFR에서 DHRS는 설계의 다양성 확보를 위해 피동형 잔열제거계통 (Passive DHRS)과 능동형 잔열제거계통(Active DHRS)으로 구성된다.

 

소듐대 공기 열교환기(sodium-to-air heat exchanger)에는 ADHRS에 설치되는 핀형(finned) 소듐대 공기 열교환기인 FHX(Finned-tube Sodiumto-Air Heat Exchanger)와 PDHRS에 설치되는 헬리컬형 소듐대 공기 열교환기인 AHX (Helical-coil Air Heat Exchanger)가 있으며, 여기서 FHX는 잔열 제거 기능이 전원상실 시에도 설계용량의 50% 잔열제거 기능을 수행하도록 설계된다. (1) 능동형 잔열제거열교환기인 FHX 의 열전달 및 유동특성 실험을 위해 KAERI 는 소듐 시험루프인 SELFA(Sodium Thermal-hydraulic Experiment Loop for Fin-type Sodium-to-Air heat exchanger) (2)를 구축할 예정이며, 본 연구는 이와 관련하여 SELFA 시험 루프 내에서 소듐의 열팽창 완충 역할을 하는 고온 압력용기인 팽창 탱크에 대해 고온설계 기술기준인 ASME Subseciton NH (3) 및 RCC-MRx (4)를 따라 크리프-피로 손상 평가를 거쳐 고온 구조 건전성을 평가하였다.

 

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201423261321466

본 연구에서는 제4세대 소듐냉각 고속로의 잔열 제거계통 내 설치되는 핀형 소듐대 공기 열교환기 (FHX) 기기의 성능시험 및 전산코드 검증을 위해 구축예정인 SELFA 시험루프 내 설치되는 고온 팽창탱크 압력용기에 대해 고온 크리프-피로 손상평가를 수행하였다. 정상상태 소듐 온도가 510°C인 팽창탱크 기기에 대해 고온 설계 기술기준인 미국의 ASME Subsection NH와 프랑스의 RCC-MRx를 따라 보수적으로 설정한 설계 과도조건에 대해 3D 유한요소 해석 기반 크리프-피로 손상평가를 수행하였다.

 

팽창탱크의 설계수명은 25년이며, 동수명 기간 중 1년에 20회씩 총 500회의 기동-정지를 하는 크리프-피로 설계하중 조건에 대해 크리 프-피로 건전성 평가를 수행하였다. 스테인리스 316L강 재질의 팽창탱크에 대해 고온 설계코드 평가를 수행한 결과 양 코드에서 모두 크리프-피로 손상은 무시할 수 있는 수준인 것으로 나타났 다. 피로 손상에서는 RCC-MRx가, 크리프 손상에서는 ASME-NH가 상대적으로 더 보수적인 결과를 나타냈지만 설계 수명 기간 동안 발생하는 크리프-피로 손상은 모두 여유있게 허용치 이내에 드는 것으로 평가되었다.

 

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  산업용 대형 압력용기  

산업용으로 많이 이용되는 대형 압력용기는 유체를 일정한 압력 이상으로 저장하는 저장조의 목적으로 많이 이용됩니다. 대형 및 산업용 압력용기는 가스 및 액체 저장, 증기발생기, 미생물 반응기, 열교환기 등의 목적으로 다양하며 유체의 성질, 상태, 용도에 따라 다양한 사양, 형태, 구조로 설계와 제작됩니다.

 

 

증기발생기용 압력용기 Steam Vessel

원자력발전 과 같은 증기가 발생 되는 공정에 사용 되는 용기로 고온과 고압을 동시에 버틸 수 있도록 제작된 특수 용기입니다.

증기발생기용 압력용기 Steam Vessel

 

 

외압시험용 압력용기 Pressure Test Vessel

외압시험은 압력이 걸린 압력용기에 시험하고자 하는 시편을 넣어 압력을 견딜 수 있는 지 측정 하는 장비로, 주로 압력이 가해지는 물속에서 사용하는 제품이나 부품 등의 시험에 사용됩니다.

외압시험용 압력용기  Pressure Test Vessel

 

반응용 압력용기 Bio Vessel

미생물을 이용한 산업분야인 식품, 의약, 효소산업 등 다양하게 적용할 수 있습니다. 미생물 반응조 의 용도로 비교적 낮은 압력에서 사용하며, 미생물의 반응을 위해 일정 온도 이상으로 유지할 수 있도록 제작 되었습니다.

 

반응용 압력용기  Bio Vessel

 

열교환기용 압력용기 Energy Vessel

두 개의 유체 간에 열을 주고받도록 하게 하는 장치를 말하며, 넓은 의미로 가열기, 냉각기, 응축기 등도 포함되며 열의 회수 및 저장 을 목적으로 하는 것을 열교환기라 하며, 발전소나, 공장 등에서 다양하게 사용 되는 제품입니다. 산업용으로 제작 & 사용 되지만 다른 시리즈와는 다르게 100ℓ 의 다소 작은 부피로 제작됩니다.

 

열교환기용 대형압력용기는 화학공업이나 반응 등 온도와 관련된 공정에 폭넓게 사용이 가능하며 냉각기나 가열기, 응축기, 증발기 등 다양한 용도로도 사용할 수 있습니다.

 

열교환기용 압력용기  Energy Vessel

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