KR101250474B1 - 연통효과를 이용하여 원자로 풀 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풀(pool)형 액체금속(Liquid Metal) 냉각 원자로의 피동형 안전등급 잔열제거계통(PDRC)의 안정적인 제열성능 확보 및 작동 신뢰성 향상 설계개념 개발에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 노심 출구지역에 수직 상방향으로 원자로 배럴을 설치하여 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX; sodium-to-sodium decay heat eXchanger)를 원자로 고온 소듐 풀(pool) 지역과 원자로 배럴(barrel)로 구분되는 고온 풀 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역에 배치하고, 노심 -> 고온 소듐 풀 -> 격리 환형공간 소듐 풀 -> 중간열교환기(IHX) -> 저온 소듐 풀 -> 노심으로 구성되는 과도기 순환유로상에 냉각기능을 부여하여, 열원(Heat Source)인 노심을 통과한 소듐 유동이 열침원(Heat Sink)인 DHX로 가는 유동 경로 상에서 원자로 배럴(barrel)이 연통효과(Chimney Effect)를 제공함으로써, 연통효과가 없는 종래기술에 비하여 1차 계통 원자로 냉각재 소듐의 노심 순환유량을 획기적으로 향상시켜 비상 잔열제거계통 성능을 향상할 수 있다.

Description

연통효과를 이용하여 원자로 풀 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템{Passive decay heat removal system for liquid metal cooled reactors with enhanced natural circulation capability of reactor pool using a chimney effect}

본 발명은 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 능동형 기기 또는 운전원의 개입 없이도 안정적인 작동을 수행하도록 개발된 풀(pool)형 소듐냉각 고속로의 피동형 풀(pool) 직접냉각 방식 안전등급 잔열제거 계통(PDRC)에 대하여, 정상 열제거기능 상실시 원자로심에서 발생하는 붕괴열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 원자로 배럴(barrel)을 이용하여 격리되는 원자로용기 내부의 환형공간에 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX; sodium-to-sodium decay heat eXchanger)를 배치함으로써, 연통효과를 이용하여 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 과도기 원자로 내부 소듐의 순환유량 형성시 원자로 배럴(barrel)을 활용한 연통효과에 의해 자연순환 수두차 형성이 강화되고, 또한, 고/저온 풀을 연통하는 순환 유로상에 DHX를 통한 냉각기능을 부여함으로써, 과도기 1차 계통 원자로 냉각재 소듐의 원활한 순환유량 형성에 의한 비상 잔열제거 성능 향상에 기여하도록 고안된 소듐냉각 고속로의 피동 안전등급 잔열제거계통 설계에 관한 것이다.

현재, 통상적으로 설계되는 대부분의 소듐냉각 고속로는, 노심-중간열교환기(IHX)-증기발생기(SG)로 연결되는 정상 열제거 경로의 기능 상실시 긴급 원자로 정지에 이은 노심의 붕괴열(decay heat) 제거를 위해서 안전등급 잔열제거계통을 이용하고 있다(참고문헌 [1], [2] 참조).

또한, 종래부터, 전 세계적으로 소듐냉각 고속로를 포함하는 다양한 종류의 액체금속 냉각 고속로(이하, '액체금속로'라 한다)에서는 안전성 강화를 목적으로 피동형 안전등급 잔열제거계통을 채택하여 왔으며, 이의 일환으로 풀형(pool type) 액체금속로의 잔열제거계통은 노심 출구 상부에 위치한 고온 풀(hot pool)의 열적 관성(Thermal Inertia)을 이용하여 계통의 열을 냉각재 루프의 자연순환에 의해 효과적으로 제거할 수 있도록 설계되어 있다(참고문헌 [2], [3], [5] 참조).

특히, 도 1을 참조하면, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래기술의 대용량 풀형 원자로의 경우에는, 원자로 용기 내부의 고온 소듐-풀 지역에 1차 계통 소듐과 제열용 중간루프 소듐간의 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX ; Decay Heat eXchanger)를 설치하고 원자로 상단에 소듐-공기 열교환기를 설치하여, 이 두 열교환기를 별도의 제열용 중간 소듐루프로 연결함으로써 열 유입원 및 열 제거원의 높이 차(20m 이상) 및 이로 인해 발생하는 소듐의 자연순환을 이용하여 원자로 용기 내부 1차 계통 냉각재의 열을 최종 열침원인 공기로 제거하는 풀 직접냉각(Direct Reactor Cooling ; DRC) 방식을 채택하고 있다(참고문헌 [1], [2], [5] 참조).

즉, 도 1에 나타낸 종래기술의 DRC 설계개념은, 기본적으로 노심 냉각의 주된 수단으로 풀에 담긴 DHX를 이용하는 것으로, 고온 풀 소듐은 DHX 입구로 유입되어 전열관 번들 지역을 통과하면서 냉각되고, 냉각된 1차 계통 소듐이 밀도차에 의해 고온 풀 하부에 모이게 되며, 노심의 핵연료 집합체(Fuel Assembly) 사이의 공간을 냉각된 소듐으로 채우면서 노심을 통과하는 소듐 냉각재를 반경 방향 전열과정에 의해 냉각한다.

또한, DHX를 통과하면서 냉각된 소듐이 노심 출구지역에서 가열된 1차 계통 소듐 냉각재와 직접 질량교환을 통해 혼합되면서 고온 풀로 유입되는 소듐의 온도를 낮추는 기능도 수행한다.

아울러, 종래기술의 DRC 설계개념에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 냉각 메커니즘을 "인터 래퍼 플로우(inter-wrapper flow)"라 칭한다.

그러나 도 2에 나타낸 바와 같은 종래기술의 인터 래퍼 플로우(inter-wrapper flow)는, 풀 내부의 다차원 현상에 대한 성능 입증을 위해 대규모 실험시설이 필요할 뿐만 아니라, 실험장치의 설계 및 결과의 적절한 활용을 위해서는 축소 실험장치로부터 유발되는 왜곡(distortion)에 대한 상세한 평가가 수반되어야 한다는 점에서 불확실성이 큰 설계개념이라고 할 수 있다.

따라서 이러한 종래기술의 불확실성을 극복하기 위하여, 종래에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 피동형 잔열제거계통을 채택한 풀(Pool)형 원자로를 대상으로(참고문헌 [3], [4] 참조), 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)를 설치할 수 있도록 원자로 풀 지역에 원자로 고/저온 소듐 풀을 연통시키는 수직 원형관을 설치하고, 1차 계통 펌프의 양정에 의해 형성되는 고온 풀과 저온 풀의 액위차를 이용하여 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)를 소듐과 직접 접촉하지 않도록 지지통(support barrel) 내부의 저온 풀 자유액면 상부에 설치함으로써, 정상운전 중에는 소듐과의 직접접촉을 원천적으로 차단하여 제열용 중간 소듐루프의 격리밸브 또는 소듐-공기 열교환기(AHX) 공기유로 입/출구의 댐퍼(damper) 없이도 정상운전중의 불필요한 열손실을 최소화할 수 있도록 설계하고 있다.

그러나 도 3에 나타낸 바와 같은 종래기술의 구성은, 정상 열제거원 기능 상실로 인해 원자로 및 1차 계통 펌프의 작동이 중지되는 경우의 원자로 풀 내부 소듐액위 상승 시에만 1차 계통 소듐과 열제거용 중간루프 소듐 사이의 활발한 대류 전열과정을 통해 계통의 열을 최종 열침원인 대기 중으로 방출할 수 있다.

이로 인해, 본격적인 냉각이 이루어지는 시점까지의 지연시간으로 인해 과도기 초기의 노심 냉각기능 제공이 불가능하고, 원자로용기의 파손 등으로 인해 원자로 풀 액위가 감소하는 경우에는 본연의 기능을 수행할 수 없다.

따라서 작동대기 기간을 포함하는 발전소 전체의 운전기간 동안에 예상되는 모든 유형의 사고에 대해 안정적인 열제거 성능을 발휘할 수 있는 방안 및 이를 포함하는 설계개념이 필수적이다.

또한, 이와 같은 피동형 풀(pool) 직접 방식의 안전등급 잔열제거계통(PDRC)의 소듐-소듐 붕괴열 열교환기에서의 열전달 특성은, 넓은 풀(pool) 지역에 설치되는 DHX로 얼마나 많은 양의 고온 풀 소듐이 유입되느냐에 따라 그 전열 성능이 결정된다(참고문헌 [1], [2], [5] 참조).

따라서 비상 잔열제거와 관련하여, 설계기준을 만족시키기 위해서는 정상운전 모드를 포함하는 발전소 전 운전 기간 동안 DHX로의 안정적인 소듐냉각재 공급이 보장되어야 하나, 도 3에 나타낸 바와 같은 종래기술에 의한 DHX 설치방법으로는, 발전소 전 운전모드에 대하여 동일한 형태의 노심 통과 순환유량의 확보가 어렵고, 특히, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래기술에서는, DHX를 통해 냉각된 소듐이 노심을 냉각하는 메커니즘 자체에 대한 불확실성으로 인해, 비상 잔열제거계통의 안전적인 성능 확보를 위한 어떠한 대처방법 및 대처 설비도 제공하지 못하고 있다.

상기한 바와 같이, 종래기술에서 가장 시급하게 해결해야할 문제 중 하나는 원자로 정지 후 1차 계통 냉각재 펌프가 정지되지 않고 가동되는 경우의 완전 피동형 잔열제거계통(PDRC)의 작동성능이라고 할 수 있다.

이는 펌프 가동에 의해 고/저온 풀 액위가 유지되는 경우이므로, 이 경우에는 저온 풀 액위 상승이 불가능하여, 도 3에 나타낸 바와 같은 종래기술의 설계개념으로는 원활한 열제거기능 수행이 불가능하므로, 안전계통 본연의 기능 수행에 심각한 차질이 빚어질 수 있다.

따라서 고/저온 풀 액위차가 유지되는 경우에도 일정량의 열제거 기능이 제공될 수 있는 설계개념이 필요하나, 도 3에 나타낸 상기한 바와 같은 종래기술에서는 이와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능확보에 대하여 적절한 대비책을 기술하고 있지 못한 실정이다.

또한, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래기술의 설계개념에서도, DHX를 통과한 소듐이 노심을 냉각하는 메커니즘을 단순화하여 비상 잔열제거와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능을 확보해야 할 필요가 있다.

[ 참고문헌 ]

[1] Dueweke, M., et al., "Thermal-hydraulic investigations of the European Fast Reactor DHR (decay heat removal) system", Int. Meeting of the American Nuclear Society (ANS) and Nuclear Power and Technology Exhibit, San Francisco, CA (United States), 26-30 Nov, 1989

[2] B. Farrar, et al., "Fast reactor decay heat removal: approach to the safety system design in Japan and Europe", Nuclear Engineering and Design, Vol.193, pp.45-54, 1999

[3] 어재혁 외, "DESIGN AND APPLICATION OF A PASSIVE DHR SYSTEM IN KALIMER-600", NTHAS4: Fourth Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety Sapporo, Japan , November 28- December 1, 2004

[4] 한도희 외, "KALIMER-600 개념설계 보고서", 한국원자력연구원, KAERI/TR-3381/2007, 2007

[5] Y.I. Chang et al., "Advanced Burner Test Reactor Preconceptual Design Report", ANL-ABR-1 (ANL-AFCI-173), September 5, 2006

[6] Brochure, "European Fast Reactor, EFR," 1998

[7] S.C. Chetal, V. Balasubramaniyan, P. Chellapandi, P. Mohanakrishnan, C.P. Pillai, S. Raghupathy, T.K. Shanmugham, C. Sivathanu Pillai, "The design of the Prototype Fast Breeder Reactor", Nuclear Engineering and Design 236 (2006) 852-860, 2006

[8] Jae-Hyuk EOH, Ji-Woong HAN, Tae-Ho LEE, and Seong-O KIM, New design options free from a potential sodium freezing issue for a Passive DHR System of KALIMER, Nuclear Technology, Vol.170, pp.290-305 (2010)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 풀 내부의 다차원 현상에 대한 성능 입증을 위해 대규모 실험시설이 필요할 뿐만 아니라, 실험장치의 설계 및 결과의 적절한 활용을 위해서는 축소 실험장치로부터 유발되는 왜곡(distortion)에 대한 상세한 평가가 수반되어야 함으로 인해 불확실성이 큰 종래기술의 문제점을 해결하여, DHX를 통과한 소듐이 노심을 냉각하는 메커니즘을 단순화하여 비상 잔열제거와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능을 확보할 수 있는 새로운 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 정상 열제거원 기능 상실로 인해 원자로 및 1차 계통 펌프의 작동이 중지되는 경우의 원자로 풀 내부 소듐액위 상승 시에만 1차 계통 소듐과 열제거용 중간루프 소듐 사이의 대류 전열과정을 통해 열을 대기 중으로 방출할 수 있어 본격적인 냉각이 이루어지는 시점까지의 지연시간으로 인해 과도기 초기의 노심 냉각기능 제공이 불가능하고, 원자로용기의 파손 등으로 인해 원자로 풀 액위가 감소하는 경우에는 본연의 기능을 수행할 수 없었던 종래기술의 문제점을 해결하여, 작동대기 기간을 포함하는 발전소 전체의 운전기간 동안에 예상되는 모든 유형의 사고에 대해 안정적인 열제거 성능을 발휘할 수 있는 새로운 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 완전 피동 잔열 제거 계통PDRC(Passive Decay-heat Removal Circuit)에 기반한 액체금속냉각 원자로(liquid metal cooled reactors)의 피동 잔열 제거 시스템(Passive Decay-heat Removal system)에 있어서, 상기 원자로의 노심을 통과한 소듐이 유입되는 고온 소듐 풀과, 상기 고온 소듐 풀로부터 유입되는 소듐을 냉각하기 위한 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(sodium-to-sodium decay heat eXchanger ; DHX)와, 상기 고온 소듐 풀 내에 배치되고, 상기 고온 소듐 풀과 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기를 격리하여 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)을 형성하는 원자로 배럴(barrel)과, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기를 통과한 소듐이 유입되는 중간열교환기(Intermediate Heat Exchanger ; IHX)와, 상기 중간열교환기를 통과한 소듐이 유입되는 저온 소듐 풀과, 상기 소듐의 순환을 위한 펌프를 포함하고, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)의 출구에서 상기 중간열교환기(IHX)의 입구로의 횡방향 다차원 유동이 형성되어, 냉각에 의한 온도차 및 그에 따른 밀도차에 의해 냉각된 소듐이 상기 중간열교환기(IHX)의 입구로 유입되어, 상기 노심, 상기 고온 소듐 풀, 상기 격리 환형공간 소듐 풀, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기, 상기 중간열교환기, 상기 저온 소듐 풀, 상기 노심의 순서로 순환하는 과도기 순환유로 구조를 형성함으로써,

상기 고온 소듐 풀 및 상기 저온 소듐 풀을 연통하여 상기 노심을 통과하는 순환유량에 의해 상기 노심을 직접 냉각함으로써, 구조가 단순화되고 냉각성능의 불확실성을 감소시키며,

상기 원자로 배럴은, 열원(Heat source)인 상기 노심을 통과한 상기 소듐의 유동이 열침원(heat sink)인 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)로 이동하는 유동 경로 상에서 연통효과(chimney effect)를 제공함으로써, 연통효과가 없는 기존의 피동형 잔열제거계통에 비하여 소듐의 원활한 순환유량 형성에 의해 냉각성능을 향상시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템이 제공된다.

여기서, 상기한 시스템은, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)의 입구 노즐을 상기 원자로 배럴의 상단보다 낮게 설치하여, 상기 고온 소듐 풀 지역으로부터 유입된 소듐이 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX) 입구의 전열관으로 원활히 유입되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 시스템은, 상기 중간열교환기(IHX)의 입구 노즐을 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)의 출구 노즐의 하단보다 낮게 설치하여, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)를 통해 냉각된 소듐의 상기 중간열교환기(IHX) 입구 노즐로의 유입량을 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기한 시스템은, 상기 펌프가 정지하는 과도기 작동 모드에서, 상기 노심을 통과하는 고온의 소듐이 상기 원자로 배럴 내부를 따라 상승하여, 상기 원자로 배럴 상단을 넘어 상기 격리 환형공간 소듐 풀 지역에 위치한 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기로 유입되고, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)를 통과하면서 냉각된 소듐은 소듐 냉각재의 밀도 차이에 의해 상기 격리 환형공간 소듐 풀의 하부에 모이게 되어 국부적인 소듐 냉각재 성층화(Stratification)를 유도하며, 냉각에 의해 국부적으로 성층화된 상기 격리 환형공간 소듐 풀의 소듐 냉각재는, 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX)의 출구 노즐보다 낮은 위치에 그 입구노즐이 위치하는 상기 중간열교환기(IHX)에 유입되고, 그 후, 상기 소듐 냉각재는, 상기 중간열교환기(IHX)의 전열관 번들지역을 거쳐 상기 중간열교환기(IHX)의 출구를 통해 저온 풀로 유입되고, 상기 노심을 거쳐 상기 고온 소듐 풀 지역으로 다시 순환하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기한 시스템은, 상기 고온 소듐 풀 및 상기 저온 소듐 풀을 연통하여 상기 노심을 통과하는 순환유량에 의해 상기 노심을 직접 냉각함으로써, 구조가 단순화되고 냉각성능의 불확실성을 감소시키며, 상기 원자로 배럴은, 열원(Heat source)인 상기 노심을 통과한 상기 소듐의 유동이 열침원(heat sink)인 상기 DHX로 이동하는 유동 경로 상에서 연통효과(chimney effect)를 제공함으로써, 연통효과가 없는 기존의 피동형 잔열제거계통에 비하여 소듐의 원활한 순환유량 형성에 의해 냉각성능을 향상시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복잡하고 불확실성이 큰 노심냉각 메커니즘을 개선하고, 안정적인 노심 통과 순환유량 확보를 가능하도록 하는 설계개념의 개발을 통해, 발전소 전 운전기간 동안의 작동 신뢰성을 향상시키고, 안정적인 비상 잔열제거 성능을 확보할 수 있는 피동형 풀(Pool) 직접냉각 방식의 안전등급 잔열제거계통(PDRC) 및 그 설계방법을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 풀 내부의 다차원 현상에 대한 성능 입증을 위해 대규모 실험시설이 필요할 뿐만 아니라 실험장치의 설계 및 결과의 적절한 활용을 위해서는 축소 실험장치로부터 유발되는 왜곡에 대한 상세한 평가가 수반되어야 함으로 인해 불확실성이 컸던 종래기술의 문제점을 해결하여, DHX를 통과한 소듐이 노심을 냉각하는 메커니즘을 단순화하여 비상 잔열제거와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능을 확보할 수 있는 새로운 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 본격적인 냉각이 이루어지는 시점까지의 지연시간으로 인해 과도기 초기의 노심 냉각기능 제공이 불가능하고, 원자로용기의 파손 등으로 인해 원자로 풀 액위가 감소하는 경우에는 본연의 기능을 수행할 수 없었던 종래기술의 문제점을 해결하여, 작동대기 기간을 포함하는 발전소 전체의 운전기간 동안에 예상되는 모든 유형의 사고에 대해 안정적인 열제거 성능을 발휘할 수 있는 새로운 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술의 소듐냉각 고속로 풀 직접 냉각방식 잔열제거계통의 구성을 나타내는 도면으로, 종래의 DRC 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 종래기술의 DRC 시스템에서의 인터 래퍼 플로우(Inter-wrapper flow)의 기능 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 종래기술의 소듐냉각 고속로 풀 직접 냉각방식 잔열제거계통의 구성을 나타내는 도면으로, 종래의 PDRC 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 본 발명에 따른 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템의 IHX-DHX 연결 유로를 형성하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1에 나타낸 종래의 원자로 풀 직접 냉각방식 잔열제거계통의 작동유로망과 도 4에 나타낸 본 발명에 따른 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템의 작동유로망을 각각 비교하여 나타낸 도면이다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 연통효과를 이용하여 원자로 풀 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템의 상세한 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 정상 열제거 기능 상실시 원자로심에서 발생하는 붕괴열을 발전소 수명기간 동안의 모든 운전모드에 대하여 효과적으로 제거할 수 있도록 하기 위하여, 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX; sodium-to-sodium decay heat eXchanger)를 원자로 고온 소듐 풀 지역과 원자로 배럴(barrel)로 구분되는 고온 풀 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)에 배치한다.

따라서 1차 계통 소듐펌프가 정지하는 과도기 작동 모드에서 노심을 통과하는 고온의 소듐이 원자로 배럴(barrel)을 타고 유동하여 원자로 배럴 상단을 넘어 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)에 위치한 DHX로 유입되고, DHX를 통과하면서 냉각된 소듐은 소듐 냉각재의 밀도 차이에 의해 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역의 하부에 모이게 되어 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역에서의 국부적인 소듐 냉각재 성층화(Stratification)를 유도한다.

또한, 이와 같이 냉각된 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역의 소듐 냉각재는, DHX 보다 낮은 위치에 그 입구가 위치하는 중간열교환기(IHX; Intermediate Heat Exchanger)를 거쳐 저온 풀로 유입된 후, 노심을 거쳐 고온 소듐 풀 지역으로 다시 순환하면서 노심 -> 고온 소듐 풀 -> 격리 환형공간 소듐 풀 -> 중간열교환기(IHX) -> 저온 소듐 풀 -> 노심"으로 구성되는 과도기 순환유로 구조를 형성한다.

이 과정에서, 원자로 배럴(barrel)은, 열원(Heat Source)인 노심을 통과한 소듐 유동이 열침원(Heat Sink)인 DHX로 가는 유동경로 상에서 연통효과(Chimney Effect)를 제공하게 되며, 그것에 의해, 연통효과가 없는 기존의 피동형 잔열제거계통(참고문헌 [1], [2], [6], [7] 참조)에 비해 과도기 1차 계통 원자로 냉각재 소듐의 원활한 순환유량 형성에 의한 계통 냉각성능 향상에 기여할 수 있다.

또한, 고온 소듐 풀 지역에 완전히 잠기는 DHX 설계개념으로 인해, 기존의 부분잠김형 DHX 설계개념(참고문헌 [8] 참조)과 비교할 때, 정상운전 중 DHX를 통한 PDRC 잔열제거 소듐루프 측으로의 충분한 열량 유입이 가능하므로, 소듐루프 내부의 소듐 고화방지가 가능하고, 이로 인한 피동형 잔열제거 계통의 작동 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.

따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 소듐냉각 고속로에 대한 새로운 형태의 피동형 잔열제거 시스템 및 그 설계개념을 제공할 수 있다.

계속해서, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 연통효과를 이용하여 원자로 풀 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템의 보다 상세한 내용에 대하여 설명한다.

즉, 본 발명은, 도 1에 나타낸 바와 같은 상기한 종래기술의 복잡하고 불확실성이 큰 노심 냉각 메커니즘을 개선하는 동시에, 도 3에 나타낸 바와 같은 상기한 종래기술의 안정적인 노심 통과 순환유량 확보를 가능하도록 하는 설계개념을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명자들은, 원자로 배럴(barrel)을 도입하여 이를 활용한 연통효과에 의해 노심을 통과하는 냉각재 자연순환유량의 형성을 강화하고, 고/저온 풀을 연통하는 순환 유로상에 DHX를 통한 냉각기능을 부여함으로써, 비상 잔열제거 성능 향상을 구현하였다.

더 상세하게는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX; sodium-to-sodium decay heat eXchanger)(41)를 원자로 고온 소듐 풀(42) 지역과 원자로 배럴(barrel)(43)로 구분되는 고온 풀 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)(44)에 배치한다.

이 경우, 1차 계통 소듐펌프(45)가 정지하는 과도기 작동 모드에서 노심(46)을 통과하는 고온의 소듐이 원자로 배럴(43)을 타고 유동하여, 원자로 배럴(43) 상단을 넘어 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)(44) 지역에 위치한 DHX(41)로 유입된다.

또한, DHX(41)를 통과하면서 냉각된 소듐은 소듐 냉각재의 밀도 차이에 의해 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)(44) 지역의 하부에 모이게 되고, 결과적으로 국부적인 소듐 냉각재 성층화(Stratification)를 유도하게 된다.

이와 같이 냉각에 의해 국부적으로 성층화된 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)(44) 지역의 소듐 냉각재는, DHX(41)의 출구노즐보다 낮은 위치에 그 입구가 위치하는 중간열교환기(IHX; Intermediate Heat Exchanger)(47)에 입구노즐을 통해 유입된다.

그 후, 소듐 냉각재는, IHX(47)의 전열관 번들지역을 거쳐 저온 풀(48)로 유입되고, 노심(45)을 거쳐 고온 소듐 풀(42) 지역으로 다시 순환하게 된다.

즉, 상기한 바와 같은 과정을 통하여, 도 5에 나타낸 바와 같이, "노심(46) -> 고온 소듐 풀(42) -> 격리 환형공간 소듐 풀(44) -> 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX) -> 중간열교환기(IHX)(47) -> 저온 소듐 풀(48) ->노심(46)"으로 구성되는 과도기 순환유로 구조를 형성한다.

이때, 고온 소듐 풀(42)과 원자로 배럴(43)로 구분되는 고온 풀 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)(44) 내부에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, DHX(41)의 출구에서 IHX(47)의 입구로의 횡방향 다차원 유동이 형성되면서 냉각에 의한 온도차이 및 그에 따른 밀도차에 의해 냉각된 소듐이 IHX(47)의 입구지역으로 유입된다.

여기서, 도 6을 참조하면, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같은 본 발명의 과도기 순환유로 구조는, 노심 핵연료 집합체에서의 반경 방향 전열 메커니즘에 의한 냉각을 실시하는 도 6a에 나타낸 종래기술의 유로망 구조와 비교할 때, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 고/저온 풀을 연통하여 노심을 통과하는 순환유량에 의해 노심을 직접 냉각한다는 측면에서 그 구조가 매우 단순화되고 냉각성능에서의 불확실성을 감소시킬 수 있다.

아울러, 이러한 과정에서, 원자로 배럴(43)은, 열원(Heat source)인 노심(46)을 통과한 소듐 유동이 열침원(heat sink)인 DHX(41)로 가는 유동 경로 상에서 연통효과(chimney effect)를 제공하게 된다.

따라서 상기한 바와 같은 본 발명의 과도기 순환유로 구조는, 연통효과가 없는 기존의 국외 노형에서의 피동형 잔열제거계통(참고문헌 [1], [2], [7] 참조)에 비하여, 과도기 1차 계통 원자로 냉각재 소듐의 원활한 순환유량 형성에 의해 계통 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 정량적으로는, 원자로 배럴 설치로 인한 연통효과에 의해 약 36%의 노심 순환유량 증가 효과가 있는 것으로 분석되었다.

아울러, 상기한 바와 같은 구성에 따르면, 고온 소듐 풀 지역에 완전히 잠기는 DHX 설계개념에 의해, 도 3에 나타낸 종래기술의 부분 잠김형 DHX 설계개념(참고문헌 [8] 참조)과 비교할 때, 정상운전 중 DHX를 통한 PDRC 잔열제거 소듐루프 측으로의 충분한 열량 유입이 가능하다.

또한, 그것에 의해, 소듐루프 내부의 소듐 고화방지가 가능하고, 이로 인한 피동형 잔열제거계통의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 도 1 내지 도 3에 나타낸 종래기술의 단점을 보완하여 도출된 본 발명의 새로운 구조 및 배치 특성을 통하여, 정상운전 및 과도기를 포함하는 전 운전모드에 대한 피동 안전등급 잔열제거계통의 작동 신뢰성 및 열제거 성능을 획기적으로 향상시켜 안전성 증진 효과를 얻을 수 있다.

즉, 종래기술의 잔열제거계통은, 기본적으로 노심 냉각의 주된 수단으로 인터 래퍼 플로우(Inter-wrapper flow)를 활용하므로 풀 내부의 다차원 현상에 대한 성능 입증을 위해 대규모 실험시설이 필요할 뿐만 아니라, 실험장치의 설계 및 결과의 적절한 활용을 위해서는 축소 실험장치로부터 유발되는 왜곡(distortion)에 대한 상세한 평가가 수반되어야 한다는 점에서 완전 피동 개념의 불확실성이 큰 설계 개념이라고 할 수 있다.

이에 반해, 본 발명에 따른 연통효과를 이용한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열제거 설계개념은, 복잡하고 불확실성이 큰 노심 냉각 메커니즘을 개선하고 안정적인 노심 통과 순환유량 확보를 가능하도록 하는 것으로서, 발전소의 전 운전기간 동안에 예상되는 모든 종류의 설계기준 사고를 대비할 수 있도록 작동 신뢰성을 향상시키고, 안정적인 비상 잔열제거 성능을 확보할 수 있는 피동형 풀(Pool) 직접냉각 방식의 안전등급 잔열제거계통(PDRC) 설계개념이다.

특히, 원자로 내부구조물의 단순화 및 성능상의 최적화를 구현하여 정상운전뿐만 아니라 과도기의 안정적인 열제거 성능에도 기여할 수 있다.

즉, 지금껏 종래기술에서는 피동형 안전등급 잔열제거계통의 노심 냉각 메커니즘과 관련하여 안전성과 작동 신뢰성에 대한 막연한 주장만을 제기해 왔으나, 본 발명은 상기한 바와 같은 구성을 통하여 보다 구체적인 설계개념과 함께 그 근거를 제시하였으므로, 중요한 의미를 가지는 것이라 할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 연통효과를 이용하여 원자로 풀 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열 제거시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

41. 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(DHX) 42. 고온 소듐 풀
43. 원자로 배럴 44. 격리 환형공간 소듐 풀
45. 펌프 46. 노심
47. 중간열교환기(IHX)

Claims (5)

1. 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템에 있어서,
   원자로 배럴;
   상기 원자로 배럴 내부의 상기 원자로의 노심을 통과한 소듐이 유입되는 고온 소듐 풀; 및
   상기 고온 소듐 풀로부터 소듐을 유입하고, 유입된 상기 소듐을 냉각하기 위한 소듐-소듐 붕괴열 열교환기를 포함하고,
   상기 원자로 배럴은, 내부에 별도의 미리 결정된 높이의 배럴을 포함하여 상기 고온 소듐풀의 일부를 격리하여 격리 환형공간 소듐 풀을 형성하며,
   상기 소듐-소듐 붕괴열 열 교환기는, 상기 격리 환형공간 소듐 풀 내에 배치되는 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기는
   소듐을 유입하기 위한 입구 노즐; 및
   냉각된 소듐을 배출하기 위한 출구 노즐을 포함하고,
   상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기의 입구 노즐은 상기 원자로 배럴의 상단보다 낮게 위치하는 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템은,
   입구 노즐을 통해 상기 냉각된 소듐을 유입하는 중간열 교환기를 더 포함하고,
   상기 중간열 교환기의 입구 노즐은 상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기의 출구 노즐보다 낮게 위치하는 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기는 상기 고온 소듐 풀 내에 전부 잠기도록 배치되는 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 소듐-소듐 붕괴열 열교환기는 냉각시킨 소듐 및 상기 소듐 냉각재를 상기 격리 환형공간 소듐 풀로 배출하고,
   상기 중간열 교환기는 상기 소듐 냉각제를 유입하여 저온 소듐 풀로 배출되는 액체금속냉각 원자로의 피동 잔열 제거 시스템.
   

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