KR100951398B1 - 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통 - Google Patents

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Abstract

개시된 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통은 제열용 소듐 루프의 고온관에 의해 붕괴열 교환기와 연결되어 고온관을 통해 전달된 붕괴열을 외부로 방출하는 히트 파이프 열교환기 및 고온관에 의해 히트 파이프 열교환기와 연결되어 고온관을 통해 전달된 붕괴열을 외부로 방출하는 소듐-공기 열교환기를 포함할 수 있다. 이와 같은 잔열제거 계통에 의하면, 원자로의 안전에 위협이 되는 고온 상태에서는 히트 파이프 열교환기에 의해 피동 잔열제거 능력을 제공하고, 그 이하의 온도 이하에서는 소듐-공기 열교환기에 의하여 원하는 냉각 성능이 얻어지도록 조절할 수 있다.
액체금속로, 잔열제거, 히트 파이프, 붕괴열 교환기, 소듐-공기 열교환기

Description

히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통{System for removing decay heat having a heat exchanger with heat pipe}
본 발명은 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통에 관한 것으로, 특히 액체금속로 내의 붕괴열을 피동 방식으로 제거하기 위한 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통에 관한 것이다.
액체금속로는 고속 중성자에 의해 핵분열 반응을 일으켜 생산되는 에너지를 액체금속 냉각재로 흡수하여 증기 발생기에 전달하여 증기를 발생시키고, 이 증기를 이용하여 발전기를 움직여 전기를 생산하는 원자로이다.
최근의 액체금속로는 원자로 정지 후 노심에서 발생한 붕괴열(잔열)을 정상적으로 제거하는 경로인 증기 발생기가 그 기능을 상실하는 경우를 대비하여 자연 현상을 이용하여 노심의 붕괴열을 제거하는 피동 잔열제거 계통을 구비하고 있다.
도 1은 종래 액체금속로의 잔열제거 계통을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 액체금속로의 잔열제거 계통(10)은 풀(pool) 직접 냉각 방식으로, 붕괴열 교환기(11)와, 소듐-공기 열교환기(12) 및 제열용 소듐 루프(13)를 포함한다.
상기 붕괴열 교환기(11)는 고온 풀(15)의 고온 소듐 액위 이하에 위치하도록 설치되고, 상기 소듐-공기 열교환기(12)는 원자로 건물(미도시) 상부에 설치되며, 상기 붕괴열 교환기(11)와 소듐-공기 열교환기(12)는 제열용 소듐 루프(13)에 의하여 연결된다.
상기와 같은 구조에 의하면 원자로의 붕괴열이 유입되는 붕괴열 교환기(11)와 상기 붕괴열의 제거원인 소듐-공기 열교환기(12)의 높이차에 의해 형성되는 제열용 소듐 루프(13) 내부에서의 밀도차를 이용한 소듐의 자연 순환으로 계통의 열을 최종 열침원인 대기로 방출한다.
상기와 같은 구조의 계통에서는 소듐-공기 열교환기(12)로 유입되는 공기의 유입 및 배출 유로(16,17)에 댐퍼(damper;18)를 설치하여 이들의 공기량을 조절하고, 제열용 소듐 루프(13)에 밸브(valve;19)를 설치하여 소듐량을 조절함으로써, 제열용 소듐 루프(13) 내의 소듐 고화 방지 및 정상 운전 중 열 손실량을 조절한다.
따라서, 잔열제거 계통(10)의 전열 매질(소듐)이 전적으로 자연 순환에 의해 제열 기능을 수행하기는 하지만, 댐퍼(18)나 밸브(19) 등이 인위적으로 작동되므로 완전한 피동형 방식을 구현하지 못하여 잔열제거 계통(10)의 작동 신뢰성과 관련한 작동 안전성에 문제점이 있다.
도 2는 종래 액체금속로의 잔열제거 계통을 개략적으로 나타낸 또 다른 도면이다.
도 2를 참조하면, 액체금속로의 잔열제거 계통(20)은 공기 유입/배출 유 로(27,28)에 댐퍼가 설치되지 않고, 제열용 소듐 루프(25)에 밸브가 설치되지 않은 완전한 피동형 방식을 채택한 것이다.
상기 액체금속로의 잔열제거 계통(20)의 붕괴열 교환기(24)는 고온 풀(22)과 저온 풀(23)을 연통하도록 설치되는 수직 원형관(21) 내부의 저온 풀(23) 상부에 설치된다.
상기 고온 풀과 상기 저온 풀 사이에는 1차계통펌프(미도시)의 양정에 의해 원자로의 정상 운전 중에는 항시 일정한 액위차가 유지된다.
따라서, 정상 운전 중에 발생하는 붕괴열의 경우, 복사 방식에 의하여 고온 풀의 열이 붕괴열 교환기로 흡수된다.
상기 붕괴열 교환기(24)는 제열용 소듐 루프(25)에 의하여 원자로 건물 상부(미도시)에 설치된 소듐-공기 열교환기(26)와 연결되어 높이차에 의한 밀도차에 의해 복사 방식으로 흡수한 붕괴열을 소듐-공기 열교환기(26)로 전달하여 외부로 방출되게 한다.
한편, 원자로의 작동 중단시에는 1차계통펌프의 작동 기능이 상실되어 고온 풀(22)과 저온 풀(23) 간의 액위차가 사라지면서 고온 풀(22)의 소듐이 붕괴열 교환기(24)에 직접 접촉하게 되어, 붕괴열 교환기(24)는 대류 방식에 의해 고온 풀(22)의 소듐으로부터 열을 흡수할 수 있다.
따라서, 대류 방식에 의하여 열을 흡수한 붕괴열 교환기(24)는 높이차에 의한 밀도차를 이용하여 열을 전달하는 제열용 소듐 루프(25)를 통해 흡수한 붕괴열을 소듐-공기 열교환기(26)에 전달하여 외부로 방출되게 한다.
즉, 종래의 잔열 제거 계통은 원자로(미도시)의 정상 운전 시 복사에 의한 전열 과정을 통해 잔열을 외부로 방출하고, 1차계통펌프의 작동 중단 시 대류에 의한 전열 과정을 통해 잔열을 외부로 방출한다.
이와 같은 구조는 댐퍼나 밸브 등과 같은 인위적인 수단을 제거함으로써 완전한 피동형 방식을 구현했다는 장점은 있으나, 공기의 온도가 감소하거나 제열용 소듐 루프의 온도가 감소하면 소듐 루프 내에 액체 소듐의 응고가 발생하여 안전 기능 유지에 중요한 열 제거 기능을 상실하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 잔열제거 계통의 작동 안전성을 향상시키고, 열 제거율을 조절할 수 있는 개선된 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통은 붕괴열 교환기로부터 전달된 열을 히트 파이프 열교환기에 의하여 완전 피동으로 공기 냉각을 하고, 댐퍼가 설치된 소듐-공기 열교환기에 의하여 냉각률을 조절할 수 있다.
이를 위해 상기 액체 금속로의 잔열 제거 계통은 원자로 내의 붕괴열을 흡수하는 붕괴열 교환기와, 제열용 소듐 루프의 고온관에 의해 상기 붕괴열 교환기와 연결되어 상기 고온관을 통해 전달된 상기 붕괴열을 외부로 방출하는 히트 파이프 열교환기 및 고온관에 의해 상기 히트 파이프 열교환기와 연결되어 상기 고온관을 통해 전달된 상기 붕괴열을 외부로 방출하는 소듐-공기 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 히트 파이프 열교환기는 상부에 제1 배출구가 형성되고, 하부에 제1 유입구가 형성된 냉각부 및 고온부가 상하로 구획되며, 일측이 상기 고온부에, 타측이 상기 냉각부에 배치되는 히트 파이프를 구비할 수 있다.
상기 히트 파이프의 내부에는 원하는 작동 온도를 제공할 수 있도록 특정 압력의 특정 작동 유체가 충진될 수 있다.
예를 들어 NaK를 작동유체로 사용하면 27~727 범위에서 히트 파이프가 동작할 수 있도록 제작할 수 있으므로 액체금속로의 잔열제거를 위해 유용한 작동유체가 된다.
상기 소듐-공기 열교환기는 상부에 제2 배출구가 형성되고, 하부에 제2 유입구가 형성되며, 상기 제2 배출구 및 상기 제2 유입구에는 댐퍼가 설치될 수 있다.
상기 히트 파이프에 의하여 상기 고온부에서 상기 냉각부로 전달되는 상기 붕괴열은 상기 원자로가 정상 상태인 경우 전도에 의할 수 있다.
상기 원자로가 정상 상태인 경우, 상기 고온부의 온도는 미리 설정된 상기 작동 유체의 끓는점 이하일 수 있다.
상기 원자로가 정상 상태를 벗어나 온도가 상승한 경우, 상기 댐퍼의 개방이 조절되어 외부 공기에 의한 상기 소듐-공기 열교환기 내로 전달된 상기 붕괴열을 냉각할 수 있다.
상기 댐퍼가 최대로 개방된 상태에서도 상기 온도가 계속 상승하는 경우, 상기 전달된 붕괴열에 의해 상기 작동 유체는 상기 히트 파이프의 내부에서 순환하면서 증발 및 응축을 반복하여 상기 제1 유입구를 통해 유입된 공기에 의하여 냉각될 수 있다.
상기 고온관은 상기 히트 파이프 열교환기의 고온부에 연결될 수 있다.
본 발명의 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통에 의하면, 제열용 소듐 루프에 댐퍼가 설치된 소듐-공기 열교환기 및 히트 파이프 열교환기를 설치하 여, 원자로의 안전에 위협이 되는 고온 상태에서는 히트 파이프 열교환기에 의해 피동 잔열 제거 능력을 제공하고, 상기의 온도 이하에서는 소듐-공기 열교환기에 의하여 원하는 냉각 성능이 얻어지도록 조절할 수 있다.
따라서, 열손실을 최소화하고, 소듐 고화 등을 방지하여 원자로의 작동 안전성을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통(100)은 붕괴열 교환기(DHX;110)와, 히트 파이프 열교환기(HPAHX;130)와, 소듐-공기 열교환기(AHX;150) 및 제열용 소듐 루프의 고온관(120)을 포함할 수 있다.
상기 붕괴열 교환기(110)는 원자로(미도시) 내의 붕괴열을 흡수할 수 있다.
상기 히트 파이프 열교환기(130)는 상기 제열용 소듐 루프의 고온관(120)에 의하여 상기 붕괴열 교환기(110)와 연결될 수 있다.
원자로로부터 상기 붕괴열 교환기(110)에 흡수된 붕괴열은 밀도차를 이용하는 상기 제열용 소듐 루프의 고온관(120)을 통해 상기 히트 파이프 열교환기(130)로 전달될 수 있다.
즉, 붕괴열 교환기(110)와 히트 파이프 열교환기(130)는 설치되는 높이에 차 이가 있어 고온의 붕괴열은 밀도차에 의한 열전달 경로인 제열용 소듐 루프의 고온관(120)을 통해 온도가 낮은 히트 파이프 열교환기(130)로 전달될 수 있다.
상기 히트 파이프 열교환기(130)는 고온부(133) 및 냉각부(132)로 구획될 수 있으며, 상기 고온부(133)에 일측이 접촉하고, 타측이 상기 냉각부(132)에 노출되는 히트 파이프(heat pipe;131)가 내부에 설치될 수 있다.
상기 고온부(133)는 상기 히트 파이프 열교환기(130)의 하부에 형성되며, 열전달 매개체인 소듐으로 채워져 있으므로, 상기 고온부(133)에 연결된 제열용 소듐 루프의 고온관(120)을 통해 상기 고온의 붕괴열이 상기 고온부(133)로 전달될 수 있다.
상기 냉각부(132)는 상기 고온부(133)의 상부에 형성되며, 상기 냉각부(132)의 상부에는 제1 배출구(135)가 형성되고, 하부에는 제1 유입구(134)가 형성될 수 있다.
도 4는 도 3의 히트 파이프의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 히트 파이프(131)는 특정의 작동 유체(131a)를 내부에 함유하고 있으며, 폐쇄된 공간을 가지는 열전달 기구일 수 있다.
상기 히트 파이프(131)는 상기 작동 유체(131a)의 물질과 그 압력에 따라 특정한 온도에서 끓는점을 가지도록 설계할 수 있으므로 특정 온도에서 피동적으로 열을 수송할 수 있다.
상기 히트 파이프(131) 중 고온부(133)에 접촉하는 부분에서는 작동 유체(131a)의 비등에 의해 기체(A)가 발생하여 냉각부(132)에 노출되어 있는 부분으 로 열(Q)을 수송하고, 냉각부(132)에서는 상기 수송된 열(Q)이 외부로 방출됨과 더불어 상기 기체(A)가 응축되어 다시 액체화된 작동 유체(L;131a)가 고온부(133)로 되돌아올 수 있다.
즉, 상기 히트 파이프(131)의 작동 유체(131a)는 증발과 응축 과정을 반복하면서 히트 파이프(131)의 내부를 순환하여 고온부(133)의 열(Q)을 냉각부(132)로 수송하여 외부로 방출할 수 있다.
상기 작동 유체(131a)는 Nak로 이루어질 수 있는데, 상기 NaK를 작동 유체(131a)로 사용하면, 통상의 액체금속로에서 발생하는 붕괴열의 온도 범위를 포함할 수 있는 27~727℃ 이내의 범위에서 히트 파이프(131)가 동작하도록 제작할 수 있다.
상기 소듐-공기 열교환기(150)는 상기 고온관(120)에 의하여 히트 파이프 열교환기(130)의 고온부(133)에 연결될 수 있다.
상기 소듐-공기 열교환기(150)는 상부에 제2 배출구(151)가 형성되고, 하부에 제2 유입구(152)가 형성될 수 있으며, 상기 제2 배출구(151) 및 상기 제2 유입구(152)에는 공기의 양을 조절하기 위한 댐퍼(153)가 개폐 조절 가능하게 설치될 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 3의 붕괴열 교환기의 설치 위치를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통(200)에서 붕괴열 교환기(110)는 소듐으로 채워진 고온 풀(160) 내에 잠겨 원자로의 붕괴열을 대류 방식으로 흡수할 수 있다.
도 6을 참조하면, 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통(300)에서 붕괴열 교환기(110)는 수직 원형관(170)에 의하여 구획되어 액위차를 갖는 고온 풀(180) 및 저온 풀(190) 중 저온 풀(190) 상부에 설치됨으로써 저온 풀(190)을 채우는 소듐과 직접 접촉되지 않을 수 있다.
따라서, 붕괴열 교환기(110)는 정상 상태의 경우 수직 원형관(170)을 통해 고온 풀(180)로부터 복사 형태로 열을 흡수하고, 정상 상태를 벗어나 고온 풀(180)의 소듐이 수직 원형관(170)을 넘어 저온 풀(190)의 소듐과 혼합된 경우 대류 방식에 의하여 열을 흡수할 수 있다.
상기와 같은 구조의 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통은 다음과 같이 동작할 수 있다.
원자로 내에서 발생된 붕괴열은 상기한 바와 같이 붕괴열 교환기(110)에 흡수될 수 있다.
상기 붕괴열 교환기(110)에 흡수된 붕괴열은 제열용 소듐 루프의 고온관(120)을 통해 히트 파이프 열교환기(130) 및 소듐-공기 열교환기(150)로 순차적으로 전달될 수 있다.
상기 히트 파이프 열교환기(130)로 전달된 열은 그 온도에 따라 히트 파이프(131)의 동작을 좌우할 수 있다.
예컨대, 히트 파이프(131) 내의 작동 유체(131a)의 끓는점이 400℃가 되도록 압력을 설정한 경우, 고온부(133)로 전달된 붕괴열의 온도가 400℃ 이하라면, 고온부(133)에 접촉한 히트 파이프(131)를 통해 냉각부(132)로 전달되는 열은 작동 유 체(131a)의 증발 및 응축 과정이 아닌 전도에 의할 수 있다.
상기 전도에 의해 전달된 열은 히트 파이프(131)로부터 제1 유입구(134)를 통해 유입된 공기로 방출되어 냉각부(132) 상부의 제1 배출구(135)를 통해 외부로 방출될 수 있다.
이 경우, 고온관(120)을 통해 소듐-공기 열교환기(150)로 열이 전달되는데, 정상 운전 조건에서는 잔열 제거 계통을 통한 열 제거가 필요없어 댐퍼(153)를 동작시키지 않고 원자로를 운전할 수 있다.
만일, 원자로 풀의 1차 계통의 온도가 정상 범위를 벗어나 상승하게 되면, 붕괴열 교환기(110)를 통해 전달되는 열량이 증가하게 되어 제열용 소듐 루프의 고온관(120) 및 고온부(133)의 온도도 증가하게 된다.
이때에는 소듐-공기 열교환기(150)의 제2 배출구(151) 및 제2 유입구(152)에 설치된 댐퍼(153)를 개방하여 외부 공기에 의한 증가 열을 제거할 수 있고, 따라서 제열용 소듐 루프의 고온관(120) 내에서 자연 순환이 활성화됨으로써 붕괴열 교환기로부터 전달된 열을 지속적으로 제거할 수 있다.
만일, 상기 댐퍼(153)를 완전 개방하여 소듐-공기 열교환기(150)를 최대 냉각률로 유지한 상태에서도 제열용 소듐 루프의 고온관(120) 내의 온도가 계속 상승할 만큼 원자로 풀에서 붕괴열 교환기(110)로 전해지는 열이 증가하는 이상 상태에 도달하면, 히트 파이프(131)가 작동할 수 있다.
즉, 제열용 소듐 루프의 고온관(120) 및 고온부(133)의 온도가 작동 유체(131a)의 끓는점에 도달하게 되면, 히트 파이프(131)의 고온부(133) 측 내부에서 는 기체가 발생하여 히트 파이프(131) 내부를 따라 상승하게 되고, 상승된 기체는 냉각부(132)에서 제1 유입구(134)를 통해 유입된 공기로 열을 전달하고 응축되어 고온부(133) 측으로 흘러 내리게 된다.
이때, 고온부(133)의 온도가 계속 작동 유체(131a)의 끓는점 이상으로 유지되면, 히트 파이프(131) 내의 자연 순환이 계속 유지되어 더 많은 열이 제거될 수 있다.
상기와 같은 구조의 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통에 의하면, 원자로의 안전에 위협이 되는 고온 상태에서는 히트 파이프 열교환기를 통해 피동 잔열 제거 능력을 제공할 수 있고, 그 이하의 온도에서는 소듐-공기 열교환기를 통해 냉각 성능을 얻을 수 있도록 조절이 가능하여 열손실 최소화 및 소듐 고화 방지를 이룰 수 있다.
도 1은 종래 액체 금속로의 잔열 제거 계통을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래 액체 금속로의 잔열 제거 계통을 개략적으로 나타낸 또 다른 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 파이프 열교환기를 구비한 잔열제거 계통을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 히트 파이프의 동작을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5 및 도 6은 도 3의 붕괴열 교환기의 설치 위치를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200,300... 잔열 제거 계통 110... 붕괴열 교환기
120... 제열용 소듐 루프의 고온관 130... 히트 파이프 열교환기
131... 히트 파이프 132... 냉각부
133... 고온부 150... 소듐-공기 열교환기
153... 댐퍼 160,180... 고온 풀
170... 수직 원형관 190... 저온 풀

Claims (8)

  1. 제열용 소듐 루프의 고온관에 의하여 붕괴열 교환기의 붕괴열을 전달받아 상기 붕괴열을 외부로 방출하는 히트 파이프 열교환기; 및
    상기 고온관에 의해 상기 히트 파이프 열교환기와 연결되어 상기 고온관을 통해 전달된 상기 붕괴열을 외부로 방출하는 소듐-공기 열교환기를 포함하는 잔열제거 계통.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트 파이프 열교환기는 상부에 제1 배출구가 형성되고, 하부에 제1 유입구가 형성된 냉각부 및 소듐으로 채워진 고온부가 상하로 구획되며, 일측이 상기 고온부에 접촉하고, 타측이 상기 냉각부에 노출되도록 배치되는 히트 파이프를 구비한 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 히트 파이프의 내부에 충진된 작동 유체는 NaK인 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 히트 파이프에 의하여 상기 고온부에서 상기 냉각부로의 열전달은 상기 고온부의 온도가 작동 유체의 끓는점 미만인 경우 전도에 의하는 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 소듐-공기 열교환기는 상부에 제2 배출구가 형성되고, 하부에 제2 유입구가 형성되며, 상기 제2 배출구 및 상기 제2 유입구에는 댐퍼가 설치되되,
    상기 댐퍼가 최대로 개방된 상태에서도 온도가 계속 상승하는 경우, 상기 전달된 붕괴열에 의해 작동 유체는 상기 히트 파이프의 내부에서 순환하면서 증발 및 응축을 반복하여 상기 제1 유입구를 통해 유입된 공기에 의하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 고온관은 상기 히트 파이프 열교환기의 고온부에 연결되는 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
  7. 소듐이 채워진 고온부 및 상부에 제1 배출구가 형성되고 하부에 제1 유입구가 형성된 냉각부가 상하로 구획되고, 상기 고온부에 접촉되고 상기 냉각부에 노출되도록 히트 파이프가 설치된 히트 파이프 열교환기를 포함하되,
    상기 히트 파이프 열교환기는 제열용 소듐 루프의 고온관에 의해 붕괴열 교환기와 상기 고온부가 연결되어 상기 고온관을 통하여 전달된 상기 붕괴열 교환기 의 붕괴열을 상기 히트 파이프에 의해 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 히트 파이프에 의한 상기 붕괴열의 방출은 상기 붕괴열의 온도에 따라 전도 또는 상기 히트 파이프 내부에 충진된 작동 유체의 증발 및 응축 과정의 반복에 의하는 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 잔열제거 계통.
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