KR100419318B1 - 써모사이펀을 이용한 액체금속로의 잔열제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 써모사이펀(Thermosyphon)을 이용하여 액체금속로의 피동형 잔열제거장치에 관한 것이며, 그 목적은 써모사이펀을 이용하여 격납용기로부터의 복사 열전달을 향상시킬 뿐만 아니라 배기 공기의 출구 온도를 상대적으로 낮출 수 있으며, 공기 유로내에 추가적인 구조물의 설치 없이도 향상된 잔열제거 장치를 제공함에 있다.

써모사이펀은 자연현상 즉, 증발과 응축과정에서 일어나는 증기압의 차이로 높은 증기압의 증발부로부터 낮은 증기압의 응축부로 증기가 이동하고 응축부에서 응축된 유체는 모세관 현상이나 중력 등의 외부 힘에 의하여 증발부로 이동하여 열전달 사이클을 이루는 열전달 장치이다.

본 발명은 격납부와 콘크리트벽 사이에 설치된 원자로에 있어서, 콘크리트벽과 격납용기사이에 써모사이펀을 설치하며, 상기 써모사이펀은 세로로 증발부를 형성하고, 그 상단에 경사지게 단열부를 연결하며, 이 단열부에서 세로로 응축부를 형성하는 것으로 구성되어있다.

Description

써모사이펀을 이용한 액체금속로의 잔열제거장치{Decay heat removal apparatus using the thermosyphon in the liquid metal reactor}

본 발명은 써모사이펀을 이용하여 액체금속로의 피동형 잔열제거장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 원자로의 열전달 작동 영역에 있는 공기 분리기(Air Separator)대신에 써모사이펀의 가열부를 설치하여 격납용기로부터의 복사 열전달을 향상시키고, 배기 공기의 출구 온도를 상대적으로 낮출 수 있으며 공기 유로내에 추가적인 구조물의 설치 없이도 잔열제거능력을 향상시키는 장치에 관한 것이다.

개념설계 개발이 진행중인 국내 첫 액체금속로의 안전등급 잔열제거 계통은 PSDRS(Passive Safety Decay Heat Removal System)인데 원자로 용기를 둘러싸고 있는 격납용기 외부를 공기의 자연순환에 의하여 냉각하는 방식으로서 공기 흐름의 구동력은 격납용기 외벽에 의하여 가열된 공기와 주변 공기와의 밀도 차이에 의하여 피동적으로 형성된다. 액체금속로의 PSDRS는 이와 같이 완전한 피동개념의 잔열제거 방식을 택함으로써 높은 작동 신뢰성과 외부 전원이나 운전원의 조치 없이도자연현상에 의하여 잔열을 제거하는 장점을 가졌다.

현재 국내에서 개발중인 액체금속로의 PSDRS는 도 4와 같이 원자로 용기외부에 쌓여진 격납용기를 통하여 원자로내의 잔열을 대기로 방출하는 기능을 수행한다[7]. PSDRS를 이루고 있는 주요 구조물로서 최외곽에는 콘크리트벽이, 그 안쪽에는 차가운 공기와 더운 공기 유로를 분리하는 공기 분리기. 그리고 격납용기 외벽이 있으며 공기의 유입, 출구는 꿀뚝형상으로 되어있다. PSDRS의 열전달 개념은 도 7과 같으며, 고온의 격납용기벽으로부터 공기 분리기에는 복사(Rad)로, 공기로는 대류(Conv1)로 열전달이 되며 공기 분리기와 공기사이에는 대류(Conv2)로 열전달이 이루어진다.

PSDRS와 동 계통의 작동 특성을 이해하고 관련 계통 설계를 위한 방법론적인 PARS2 전산코드가 개발되어 있다[1]. 이와 같이 개념의 피동 잔열제거 계통은 원자로용기의 크기나 열전달의 형태에 있어서 설계에서 제한되는 한계나 열전달 기구의 한계성으로 인하여 주어진 감당할 수 있는 열전달 능력에 한계를 가지고 있다는 점에서 장애로 작용하기도 한다. 이러한 한계성을 극복하기 위하여 공기 유로에 복사 구조물의 추가로 설치하여 열전달을 향상시키기 위한 노력[2]등과 같은 연구와 노력이 경주되고 있다. 참고문헌 [2]의 경우는 PSDRS에 대한 열전달 양의 제한성을 극복하기 위하여 더운 공기 유로내에 복사 구조물을 설치하여 실질적으로 열전달 양을 증가시킨 연구 결과로서 이를 개념적으로 나타내면 도 5와 같다. 적절한 복사 구조물을 설치함으로써 상당한 열전달 증진을 이룰 수 있는 것으로 제시되었으며,이 경우 상기에서 기술한 PSDRS 개념에 비하여 새로운 열전달 경로인 복사 구조물과의 복사(Rad2) 경로의 추가로 열전달량이 증가된다.

본 발명은 종래 액체금속로의 PSDRS 구조물에 써모사이펀을 이용하여 추가적인 구조물의 설치 없이도 잔열제거 능력을 향상시키는 장치를 제공함에 그 목적이 있고, 또한 종래의 열전달 증진 방법인 복사 구조물을 이용하는 방법과 병행하여 사용함으로써 액체금속로의 피동형 잔열제거계통 열전달 능력을 더욱 증진시킬 수 있다.

종래 액체금속로의 PSDRS와 같은 액금로의 피동형 잔열제거계통에 피동개념으로 열전달이 이루어지는 써모사이펀을 적용하기 위하여 먼저 히트파이프와 써모사이펀의 특성을 파악하고 칼리머에 적용 가능 여부와 동 개념의 가능한 열전달 능력을 검토하였다. 현재 국내 개발중인 액체금속로의 PSDRS를 참조 경우로 하여 써모사이펀을 적용한 경우와 정상운전 및 과도상태에 대한 정량적 비교, 평가를 수행하였고, 해석 결과 전체 열전달량에 기여하는 비율에 있어서 복사와 대류의 비율이 서로 반대적인 결과를 보이고 있으며 전체 열전달량에 대한 써모사이펀 작동온도의 영향은 상대적으로 적음을 확인하였다.

본 발명은 액체금속로의 냉각설비에 있어서, 종래의 공기 분리기대신에 써모사이펀의 가열부를 설치하여 공기를 통하여 빠져나가는 열량이 줄어드는 결과로 인하여 출구 공기 온도가 10℃이상 줄어들었으며, 전체 열전달량의 비교에서 써모사이펀을 설치한 경우가 20∼40%의 열전달 증가됨으로 완성되었다.

도 1 은 써모사이펀을 적용한 PSDRS 개념도

도 2 는 써모사이펀을 이용한 PSDRS 열전달 개념도

도 3 은 써모사이펀을 적용한 PSDRS 평면 배치 개념도

도 4 는 국내 액체금속로 PSDRS 개념도

도 5 는 복사 구조물을 이용한 PSDRS 열전달 개념도

도 6 은 이상-폐쇄 써모사이펀 개념도

도 7 은 PSDRS 열전달 개념도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) 격납부 (Containment)

(2) 원자로 지지 콘크리트 (Reactor Support Concrete)

(3) 원자로 (Reactor vessel) (4) 격납용기 (Containment Vessel)

(5) 써모사이펀 (Thermosyphon) (6) 증발부 (Evaporator Section)

(7) 단열부 (Adiabatic Section) (8) 응축부 (Condenser Section)

(9) 단열재 (Insulator)

(10) 써모사이펀 히팅부 (Thermosyphon Heating Part)

(11) 공기 분리기(Air Separator)

(12) 복사 구조물 (Radiation Structure)

도 1은 써모사이펀을 적용한 PSDRS 개념도를, 도 2는 써모사이펀을 이용한 PSDRS 열전달 개념도를, 도 3은 써모사이펀을 적용한 PSDRS의 평면 배치 개념도를, 도 4는 칼리머 PSDRS 개념도를, 도 5는 복사 구조물을 이용한 PSDRS 열전달 개념도를, 도 6은 이상-폐쇄 써모사이펀 개념도를, 도 7은 PSDRS 열전도 개념도를 도시한 것으로, 본 발명의 구성은 격납부(1)와 콘크리트벽(2) 사이에 설치된 원자로(3)에 있어서, 콘크리트벽(2)과 격납용기(4)사이에 써모사이펀(5)을 설치하며, 상기 써모사이펀(5)은 세로로 증발부(6)를 형성하고, 그 상단에 경사지게 단열부(7)를 연결하며, 이 단열부(7)에서 세로로 응축부(8)를 형성하는 것으로 구성되어 있다.

써모사이펀의 개념에 대하여 검토하고 수행된 PSDRS에의 적용성 검토 결과는 다음과 같다.

써모사이펀이나 히트파이프는 자연현상 즉, 증발과 응축과정에서 일어나는 증기압의 차이로 높은 증기압의 증발부로부터 낮은 증기압의 응축부로 증기가 이동하고 응축부에서 응축된 유체는 모세관 현상이나 중력 등의 외부 힘에 의하여 증발부로 이동하여 열전달 사이클을 이루는 열전달 장치이다. 써모사이펀과 히트파이프의 차이는 응축된 유체를 증발부로 보내는 기구 개념의 차이라고 볼 수 있다. 즉, 히트파이프는 모세관 현상을 일으킬 수 있는 부분인 위크(Wick)나 적용되는 계통에서 제공하는 외력에 의하여 응축된 유체를 이동시킨다. 일반적으로 히트파이프는 중력의 위치에 구애를 받지 않고 작동유체의 표면장력에 의한 모세관 현상이나 원심력, 자기력 등을 이용함으로써 응축된 유체가 증발부로 자연적으로 채워지도록 하여 열전달의 순환사이클을 이루도록 한 것임에 비하여 써모사이펀은 위크(Wick)를 사용하지 않고 중력에 의하여 응축된 유체가 증발부로 이동하는 개념이다. 이와같은 개념이 액체금속로의 PSDRS에 적용될 경우 증발부와 응축부의 높이 차이가 상당할 것으로 예상되고 중력을 이용하는 구조이므로 히트파이프 보다는 써모사이펀이 우선 적용될 수 있는 개념으로 판단되지만, 히트파이프를 사용하여 3MWe 출력의 터빈으로부터 나온 증기를 응축시키는 건조냉각계통(Dry Cooling System)을 적용한 예[3]가 있음을 고려할 때 히트파이프의 적용도 염두에 두어야 한다. 참고문헌[3]의 경우 직경 5㎝ 최대 길이 22.9m인 히트파이프 140,000개를 사용하였으며 작동 유체는 겨울철에도 얼지 않고 작동할 수 있도록 암모니아를 채택하고 있다. 참고로 암모니아의 작동온도 범위는 -60℃∼100℃이다[4]. 이론상 히트파이프인 경우에 열전달 능력에 영향을 미치는 인자중 위크(Wick) 또는 모세관 현상에 의한 제한 사항이 최대 열전달량을 결정하는 경향을 보이고 있다[4]. 참고로 모세관 현상을 이용하는 위크(Wick)는 요구되는 최대 모세관 직경 d_pore는

로 나타나며 물 100℃인 경우 5m의 높이를 올라가기 위해서는 ∼5㎛직경이 필요하다. (d:직경[m], g:중력가속도[㎨], rho :밀도[㎏/㎥], sigma :표면장력[N/m],h:높이[m],

theta :접촉각[degree])

써모사이펀이나 히트파이프에 의한 열전달은 그 구조 및 작동 원리상 다른 기구보다는 우수한 특성이 몇 가지 있다. 이를 열거해 보면 다음과 같다.

·열전도성이 높다.

·표면온도가 균일하다.

·열응답성이 뛰어나다.

·흡열부(증발부)와 방열부(응축부)가 분리 가능하며 용기형태에 제약이 없다.

·구조가 간단하며 경량 compact 하다.

써모사이펀이나 히트파이프의 사용범위는 대부분 용기내부에 봉입되는 작동액체의 열적 안정성 및 제성질에 의하여 결정된다. 일반적으로 작동 온도 범위는 -200℃∼2000℃이며 작동액은 헬륨, 질소 물, 소듐, 그리고 은 등 다양하며 물의 경우 30℃∼200℃인 경우 적용된다. 이런 계통을 설계함에 있어서 적절한 작동액 선정, 작동액과 용기의 적합성, 그리고 열전달 한계 등에 대한 검토가 필요하다[4].

도 6은 써모사이펀의 일반적인 개념을 나타낸 것으로 이상-폐쇄(Two-Phase Closed)써모사이펀이다. 흡열부를 통하여 열이 가해지면 증발부에서 작동액이 증발하고 증기압의 차이에 의하여 증기는 단열부를 통과하여 응축부로 이동하게 된다. 이동한 증기는 응축부에서 응축하고 응축잠열은 방열부를 통하여 열이 빠져나간다. 응축된 유체는 중력에 의하여 용기의 벽을 통하여 흘러내리고 단열부를 지나 증발부로 다시 돌아가 한 사이클을 이루게 된다. 히트파이프나 써모사이펀을 이용한 열교환기의 열전달 실험결과에 의하면 가능한 열속크기는 0.32∼32.0 kW/m²이며 전체 열전달 계수의 크기는 30∼100W/m²-℃로 나타났다[5,6].

도 1은 써모사이펀을 적용한 PSDRS의 개념도를 나타내었으며 열전달 개념을 도 2에 나타내었다. 써모사이펀만을 제외하면 열전달 기구가 현재의 PSDRS의 그것과 동일한 개념으로 볼 수 있다. 따라서 정상상태시 격납용기로부터 빠져나가는 열량은 격납용기 벽으로부터 써모사이펀 외벽으로 전달되는 복사(Rad)와 공기로 전달되는 대류(Conv1)의 합으로 나타난다. 써모사이펀의 가능한 열속 범위를 PSDRS에 적용할 경우 최근의 칼리머 설계자료를 사용하여 계산하면 열전달 양은 0.11∼11.0 MW으로 산정된다. 이는 현재의 PSDRS로 감당하는 잔열 제거능력의 범주에 들고 있다는 것을 의미한다. 따라서 써모사이펀의 가능한 열전달 능력은 칼리머 뿐만 아니라 더 큰 용량의 액체금속로 잔열 제거에도 적용 가능한 것으로 판단된다. 도 3은 써모사이펀을 적용한 PSDRS의 평면 배치 개념의 한가지 방안을 나타낸 것으로 전체 배열중 일부만 도시하였다. 써모사이펀의 증발부와 응축부를 연결하는 부분이 단열부인데 단열부는 배관 외벽이 단열재로 쌓여 있어서 외부와의 열교환이 이루어지지 않으며 아래 방향으로는 작동 액체가, 위 방향으로는 작동액 증기가 이동할 수 있도록 적당한 기울기를 가진 통로 역할을 담당한다.

PSDRS의 경우와 써머사이펀을 사용한 PSDRS의 경우를 정성적으로 비교하기 위하여 PARS2 코드[1]를 사용하였으며, 써모사이펀 외벽이 일정 온도 조건으로 작동함으로 일정 온도 경계조건을 공기 분리기 영역에 할당함으로써 써모사이펀을 모사할 수 있도록 논리를 추가하였다. 그리고 일차계통의 자연순환은 고려하지 않고 단지 원자로 용기내의 소듐 챈널에 대한 사용자 입력으로 온도분포를 가정하여 평가하였다.

써모사이펀을 사용하는 경우 열침원 역할을 하는 곳에서의 온도변화는 전체 열전달량에는 큰 차이를 보이지 않고 있음을 알 수 있었다. 참조 경우에는 정상운전과 과도상태의 경우 격납용기 벽으로부터의 전체 열전달에서 복사보다는 대류에 의한 열전달이 더 비중을 차지하는 것으로 나타났으나, 써모사이펀을 사용한 경우는 이와는 반대의 경향으로서 대류보다는 복사에 의한 열전달이 주된 경로가 됨을 알 수 있었다.

참조 경우 어떤 상태이든 격납용기를 통하여 전달된 열량은 모두 공기에 의하여 열제거가 되지만 써모사이펀을 사용하는 경우는 전체 열전달량 중 일부만이 공기를 통하여 빠져나가는 것으로 나타났다. 공기에 의한 열제거량의 크기는 출구 공기의 온도에 직접 영향을 주어 공기에 의한 열제거량이 많은 참조의 경우에 온도가 상대적으로 높은 것을 알 수 있다. 공기의 온도의 변화는 유량에 영향을 주어 써모사이펀을 사용하는 경우에는 유량이 약간 감소되어 나타났다.

정상운전과 과도상태에 대한 참조 경우 대비 써모사이펀을 사용한 경우에서의 전체 열전달량 증가는 상당한 양인 것으로 확인되어 PSDRS가 실제로 필요한 과도상태시 써모사이펀을 적용한 PSDRS의 열제거가 더욱 효과적이라는 것을 알 수 있었다.

써모사이펀의 응축(방열)부의 외부 열전달이 강제 대류나 냉각수 방식인 경우는 그 크기가 문제가 되지 않지만 PSDRS에서는 응축부까지도 피동개념인 자연대류에 의하여 열전달이 이루어져야하므로 예상되는 대략적 크기를 평가할 필요가 있다. 층류와 난류의 경우에 대한 자연대류 상관식인 ChurchillChu 상관식[8]을 사용하여 응축부 외기의 열전달 계수로 적용하여 평가한 결과 예상되는 시설의 규모는 상용 발전소에 적용된 경우[3]와 비교할 때 비교적 현실성 있는 크기로 판단되었다.

본 발명은 액체금속로의 냉각설비에 있어서, 종래의 공기 분리기대신에 써모사이펀의 가열부를 설치하므로 공기를 통하여 빠져나가는 열량이 줄어드는 결과로 인해 출구 공기 온도가 10℃이상 줄어들며 요구되는 열전달량이 커지는 과도상태에서 그 차이는 더욱 커졌다. 따라서 서모사이편의 열전달 능력은 액체금속로의 피동잔열제거계통의 성능을 최대 20∼40% 증진시킬 수 있는 매우 효율적인 장치이며, 피동형 액체금속로의 출력은 잔열제거 설비의 용량에 의하여 그 최대 크기가 현실적으로 제한되고 있는 바, 본 발명을 사용함으로 더 큰 용량의 피동형 액체금속로를 설계할 수 있는 효과가 있다.

<Subscripts>

conv1: 격납용기 외벽에서 공기에 전달되는 대류

conv2: 써모사이펀 외벽에서 공기에 전달되는 대류

pore: Wick(망)에 있는 틈(구멍)

rad: 격납용기 외벽에서 공기분리기나 써모사이펀 외벽으로의 복사

<참고문헌>

1. 심윤섭 외2, PSDRS의 잔열제거 특성 분석,KNS'98 춘계학술발표회 논문집,pp.653-659, 1998

2. Y.S. Sim et al, Heat Transfer Enhancement by Structures for An AirChannel of LMR Decay Heat Removal, Nuclear Engineering and Design, 199, pp. 167-186, 2000

3. A.S. Rovertson and E.C. Cady, Heat Pipe Dry Cooling for Electrical Generating Stations, Proceedings of the 4th Int. Heat Pipe Conf., 7-10 Sep. 1981, London, UK, pp. 745-758

4. P.D. Dunn and D.A. Reay, Heat Pipes, 3rd Edition, Pergamon Press, 1982

5. Y. Lee and U. Mital, A Two-Phase Closed Thermosyphon, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 15, pp. 1695-1707, 1972

6. Y. Lee and A. Bedrossian, The Characteristics of Heat Exchangers Using Heat Pipes or Thermosyphons, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 21, pp. 221-229, 1978

7. 한도회 외33, KALIMER 예비 개념설계 보고서, KAERI/TR-1636/2000, 한국원자력연구소

8. Adrian Bejan, Convection Heat Transfer, John Wiley Sons, 1984

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 서모사이펀을 이용하여 격납부(1)와 콘크리트벽(2) 사이에 설치된 원자로(3)에서 발생된 내부의 열을 외부로 배출하는 장치에 있어서,

   콘크리트(2)벽과 격납용기(4)사이에 써모사이펀을 설치하되, 써모사이펀은 세로로 증발부(6)를 형성하고, 상기 증발부(6)의 상단에 경사지게 단열부(7)를 연결하며, 이 단열부(7)에서 세로로 응축부(8)를 연결시킨 구조를 특징으로 하는 써모사이펀(5)을 이용한 액체금속로 잔열제거 장치.