KR101404955B1 - 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템 - Google Patents

액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템 Download PDF

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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

본 발명에 따른 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법은, 원자로공동 내의 원자로용기 외벽과 접하도록 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 제거하는 냉각재로 액체금속을 사용하고, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템{Method Of Nuclear Corium Cooling Using Liquid Metal in External Reactor Vessel Cooling System, And Nuclear Corium Cooling System Using The Same}
본 발명은 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물을 냉각수로 이용하는 원자로 외벽 냉각시스템에서 기존의 냉각수와 함께 액체금속으로 이루어진 냉각재를 원자로 외벽 냉각용으로 사용하므로 열적 안전 여유도를 높여, 원자로 외벽에 증기막이 형성되면서 발생하는 임계열유속 현상으로 인한 열 제거능력 제한 문제를 해결할 수 있는 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템에 관한 것이다.
원자로는 안정성 평가에 따라 설계된 각종 안전설비가 오작동하여 노심(reactor core) 냉각이나 반응도 제어가 적절히 이루어지지 않는 경우에 노심에 중대한 손상이 발생하는 중대사고가 발생하게 된다. 이러한 중대사고의 주요 현상으로는, 핵연료 피복재 산화로 인한 수소 발생과 폭발, 핵연료의 용융과 용융된 핵연료의 원자로용기 내 거동, 원자로용기 파손, 증기 폭발, 격납건물(Reactor Containment Building) 직접 가열, 노심 용융물-콘크리트 반응 및 격납건물 과압 등이 있는데, 특히 중대사고의 전체 피해 규모에 직접적으로 영향을 미치는 현상은 원자로의 용기가 파손된 이후에 주로 발생하는 격납건물의 파손이다. 이러한 중대사고의 여러 현상은 그 전개 과정이 대단히 불확실하고 복잡하므로 중대사고를 분석하거나 관리하는 데에 어려움이 많은 실정이다.
최근, 중대사고 발생시, 원자로의 용기 외벽을 침수시킴으로써 원자로용기 내부의 노심 용융물로부터 발생하는 붕괴열을 제거하여 원자로용기가 파손되는 것을 방지하는 원자로 외벽 냉각 기술이 원자로의 중대사고를 관리하는 주요 기술로 대두됨에 따라, 해외의 여러 경수로에서는 이러한 원자로 외벽 냉각 기술을 고려하여 설계에 반영하는 추세이다. 그 예로, 도 6에 도시된 미국 웨스팅하우스의 신형 경수로 AP1000에서의 원자로 외벽 냉각 방법을 들 수 있다.
이 방법에 따르면, 원자로의 노심이 용융되어 노심 용융물(125)이 생성되는 중대사고가 발생하는 경우 원자로공동(reactor cavity; 140)으로 냉각수를 투입하여 원자로공동(140)의 저면에서부터 1차측 배관(150) 접합부까지의 공간을 냉각수로 채워줌으로써 원자로의 외벽을 침수시킨다. 원자로공동(140)에 냉각수가 채워지면 채워진 냉각수의 압력에 의해 열 차폐체(130) 하부의 냉각수 입구(134)가 열리고, 이를 통해 냉각수가 열 차폐체(130) 내부로 유입되며, 내부로 유입된 냉각수는 자연대류현상에 의해 원자로용기(120)의 외벽을 따라 열 차폐체(130) 상부에 있는 냉각수 출구(135)를 통해 다시 원자로공동(140)으로 배출되게 된다.
다시 말해서, 원자로공동(140) → 냉각수 입구(134) → 열 차폐체(130) 내부 → 냉각수 출구(135) → 원자로공동(140)의 순으로 냉각수가 지속적인 자연 순환을 하며 원자로의 외벽을 냉각하게 된다.
이러한 원자로공동 침수에 의한 원자로 외벽 냉각 방법은 해외는 물론 국내에서도 대부분의 경수로에서 원자로의 외벽을 냉각하는 방법으로 채택되어 사용되고 있다. 또한, 상기 냉각수로는 비용 및 획득의 용이성을 고려하여 물을 이용하는 것이 일반적이다.
그러나, 이와 같이 냉각수로 물을 이용하는 경우, 원자로 노심용융물(125)이 원자로용기(120)를 뚫고 원자로공동(140)으로 유출되거나 상기 원자로 노심용융물(125)에 의해 열차폐체(130) 및 원자로공동(140)의 물이 증발하여 원자로 외벽이 증기막으로 덮이게 되면 임계열유속 현상이 발생하면서 열 제거능력 제한을 야기하여 결국 원자로가 손상을 입어 노심용융물이 노외로 유출되는 사고가 발생하는 문제점이 있었다.
한국 공개특허공보 제2011-0037497호(2011.04.13), 원자로 용기의 외벽 냉각 장치 한국 공개특허공보 제2008-0112776호(2008.12.26), 가압경수형 원자로의 노심용융 방지를 위한 노외 냉각 구조
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 물을 냉각수로 이용하는 원자로 외벽 냉각시스템에서 냉각수 순환시스템과 함께 액체금속으로 이루어진 냉각재를 원자로 외벽 냉각용으로 사용하여 열적 안전 여유도를 높여, 원자로 외벽에 증기막이 형성되면서 발생하는 임계열유속 현상으로 인한 노심용융물이 노외로 유출되는 사고를 방지할 수 있는 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법은, 원자로공동 내의 원자로용기 외벽과 접하도록 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 물에서 수증기로 변하는 상변화에 의해 제거하는 것이 아닌 액체상태의 단상으로 열을 제거하고, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 액체금속은 상기 원자로공동보다 상부에 위치되어 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 피동안정계통방식인 중력을 이용한 충수전략을 채택함으로써 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할 수 있다.
그리고, 상기 액체금속이 저장되는 위치에서 액체상태로 유지되도록 하기 위하여 가열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액체금속은 상기 원자로공동 내부에 설치된 추가 차폐막과 상기 원자로 외벽과의 사이의 공간에 충수되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 원자로공동의 충수에 필요한 액체금속의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따른 원자로공동 상부에 설치되는 액체금속 저장탱크의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이들이 구조물 전체에 미치게 되는 하중을 줄일 수 있게 된다.
아울러, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽과의 사이에 제공되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이로 인하여, 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용하면서도 액체금속과 냉각수 사이의 열전달 면적을 증대시켜 효율적인 열제거가 가능하게 된다.
대안적으로, 앞서 설명한 추가 차폐막의 구성없이, 상기 액체금속은 상기 순환 냉각수와 함께 상기 원자로공동 내부로 충수되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수도 있다. 액체금속과 냉각수 사이의 밀도 차이에 의한 냉각수(상부)/액체금속(하부) 배치가 자연스럽게 형성되며, 이 경우에도 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용할 수 있는 반면 원자로 발전소에 추가 차폐막과 같은 새로운 구조물을 추가로 설치할 필요가 없으므로 설계를 단순화시킬 수 있게 된다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원자로 외벽의 냉각시스템은, 원자로용기; 일정한 간격을 두고 상기 원자로용기의 외벽을 둘러싸는 열차폐체; 및, 상기 열차폐체 및 상기 원자로용기를 내부에 구비하는 원자로공동;을 포함하여 이루어지고, 상기 원자로공동 내의 상기 원자로용기 외벽과 접하도록 액체금속이 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 물에서 수증기로 변하는 상변화에 의해 제거하는 것이 아닌 액체상태의 단상으로 열을 제거하고, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 원자로 외벽의 냉각시스템은, 상기 액체금속을 저장하기 위한 액체금속 저장탱크를 포함하고, 상기 액체금속 저장탱크는 상기 원자로공동보다 상부에 위치되어 상기 액체금속이 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 피동안정계통방식인 중력을 이용한 충수전략을 채택함으로써 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할 수 있게 된다.
그리고, 상기 액체금속 저장탱크는 상기 액체금속을 액체상태로 유지되도록 하기 위하여 가열장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원자로 외벽의 냉각시스템은 상기 열차폐체와 상기 원자로공동의 외벽 사이에 설치된 추가 차폐막을 포함하고, 상기 액체금속은 상기 추가 차폐막과 상기 원자로용기 외벽과의 사이의 공간에 충수되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 원자로 공동의 충수에 필요한 액체금속의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따른 원자로 공동 상부에 설치되는 액체금속 저장탱크의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이들이 구조물 전체에 미치게 되는 하중을 줄일 수 있게 된다.
아울러, 상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽 사이에 상기 순환 냉각수가 제공되어, 상기 액체금속에 의해 제거된 열이 상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽과의 사이에 제공되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이로 인하여, 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용하면서도 액체금속과 냉각수 사이의 열전달 면적을 증대시켜 효율적인 열제거가 가능하게 된다.
대안적으로, 앞서 설명한 추가 차폐막의 구성없이, 상기 액체금속은 상기 순환 냉각수와 함께 상기 원자로공동 내부로 충수되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수도 있다. 액체금속과 냉각수 사이의 밀도 차이에 의한 냉각수(상부)/액체금속(하부) 배치가 자연스럽게 형성되며, 이 경우에도 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용할 수 있는 반면 원자로 발전소에 추가 차폐막과 같은 새로운 구조물을 추가로 설치할 필요가 없으므로 설계를 단순화시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 액체금속을 이용한 원자로 외벽 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 외벽 냉각시스템에 의하면, 물을 냉각수로 이용하는 원자로 외벽 냉각시스템에서 냉각수와 함께 액체금속을 사용하므로 열적 안전 여유도를 높여, 원자로 외벽에 증기막이 형성되면서 발생하는 임계열유속 현상으로 인한 노심용융물이 노외로 유출되는 사고를 방지할 수 있다.
그리고, 액체금속이 저장 및 공급되는 위치를 원자로공동의 위치보다 높게 설정함에 의하여, 피동안정계통방식인 중력을 이용한 충수전략을 채택함으로써 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할 수 있다.
또한, 상기 액체금속이 상기 원자로공동 내부에 설치된 추가 차폐막과 상기 원자로 외벽과의 사이의 공간에 충수되도록 구성하여, 원자로공동의 충수에 필요한 액체금속의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따른 원자로공동 상부에 설치되는 액체금속 저장탱크의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이들이 구조물 전체에 미치게 되는 하중을 줄일 수 있게 된다.
아울러, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽과의 사이에 제공되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성함에 의하여, 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용하면서도 액체금속과 냉각수 사이의 열전달 면적을 증대시켜 효율적인 열제거가 가능하게 된다.
대안적으로, 앞서 설명한 추가 차폐막의 구성없이, 상기 액체금속이 상기 순환 냉각수와 함께 상기 원자로공동 내부로 충수되도록 구성하여, 액체금속과 냉각수 사이의 밀도 차이에 의한 냉각수(상부)/액체금속(하부) 배치가 자연스럽게 형성되며, 이 경우에도 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용할 수 있는 반면 원자로 발전소에 추가 차폐막과 같은 새로운 구조물을 추가로 설치할 필요가 없으므로 설계를 단순화시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 개괄적인 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도,
도 4a 및 도 4b는 제1실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과,
도 5a 및 도 5b는 제2실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과, 및
도 6은 종래 기술에 따른 원자로 외벽 냉각 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 개괄적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도이며, 도 4a 및 도 4b는 제1실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과이며, 도 5a 및 도 5b는 제2실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과이며, 도 6은 종래 기술에 따른 원자로 외벽 냉각 방법을 설명하기 위한 도면이다.
액체금속을 냉각재로 사용하는 기본 시스템 구조
액체금속을 냉각재로 사용하는 원자로 외벽 냉각 시스템을 실시예로 설명한다.
본 발명에 따른 시스템은 원자로용기(10)와 일정한 간격을 두고 상기 원자로용기의 외벽을 둘러싸는 열차폐체(20), 및 상기 열차폐체(20) 및 상기 원자로용기(10)를 내부에 구비하는 원자로공동(30)을 기본적으로 포함하여 이루어진다.
여기서, 원자로공동 내의 상기 원자로용기 외벽과 접하도록 액체금속이 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 제거하고, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성된다.
본 발명에 적용될 수 있는 액체금속으로서 갈륨(gallium)을 포함한다. 액체금속인 갈륨 물질 그 자체는 당업자에게 알려진 것에 해당하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 액체금속은 별도의 액체금속 저장탱크(50)에 저장된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 액체금속 저장탱크(50)는 상기 원자로공동(30)보다 상부에 위치되도록 설치된다. 이는 상기 액체금속이 중력에 의해 상기 원자로공동(30) 내부로 제공되도록 하기 위함인데, 본 발명은 이와 같이 피동안정계통방식인 중력을 이용한 충수전략을 채택함으로써 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할 수 있게 된다. 비록 도시되지는 않았지만, 상기 액체금속 저장탱크(50)에는 가열장치가 구비되어 있어 상기 액체금속을 액체상태로 유지시키는 기능을 수행한다.
또한, 원자로 외벽의 냉각 시스템은 일반적으로, 내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40)와, 일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입배관(60,61)과, 일단은 상기 액체금속 저장탱크(50)와 연통되고 타단은 상기 원자로공동(30) 또는 열 차폐체(20) 내부공간과 연통되어 상기 액체금속의 이동 통로를 형성하는 액체금속 주입배관(70)을 포함한다.
그리고, 동 시스템은, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81)와, 상기 액체금속 주입배관(70)에 구비되어, 액체금속의 주입 흐름을 단속하는 액체금속 주입밸브(90), 및 상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100)를 포함하여 구성된다.
원자로 외벽 냉각 시스템은 국내 신형 경수로인 APR1400의 원자로 외벽을 냉각하기 위한 시스템을 예를 들 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 저수조(40), 냉각수 주입배관(60,61), 액체금속 저장탱크(50), 액체금속 주입배관(70) 및 냉각수 펌프(100)를 포함하여 구성된다.
상기 저수조(40)에는 노심이 용융되는 중대사고시에 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각해주기 위한 냉각수(물)이 저장되는데, 격납건물(1)의 내부에 구비되는 핵연료 재장전수조(in-containment refueling water storage tank:IRWST)를 저수조(40)로 사용하면 추가의 저수조 설비 없이도 기존의 설비를 이용하여 냉각 시스템을 구성할 수 있다.
상기 냉각수 주입배관(60,61)은 일단이 저수조(40)에 연결되고 타단은 원자로 공동(30)의 하부 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결될 수 있다.
즉, 제1냉각수 주입배관(60)은 원자로 공동(30)의 하부에 연결되어 원자로 공동(30)이 채워진 후에 비로소 상기 열 차폐체(20)의 내부로 냉각재가 유입되어 자연대류현상에 의해 자연 순환을 하게 된다.
이러한 단점을 보완하고자, 제2냉각수 주입배관(61)이 상기 열 차폐체(20)의 하부에 직접 연결되어 신속하게 원자로 외벽을 냉각할 수 있도록 하는 방식도 가능하다. 본 방법에서는 자연대류현상이 발생하기 전에 강제로 냉각수를 주입하는 것이므로 원자로 공동(30)이 다 채워질 때까지 지속적으로 강제로 냉각수를 주입해야 한다. 나아가, 원자로 공동(30)을 채우지 않고, 즉, 자연대류현상은 전혀 이용하지 않고 강제로 계속 냉각수를 주입하는 경우에도 활용 가능하다.
상기 냉각수 펌프(100)는 냉각수 주입배관(60,61)의 경로 상에 구비되어 저수조(40)에 저장된 냉각수를 강제로 펌핑하여 냉각수를 공급해 준다.
상기 액체금속 저장탱크(50)는 노심이 용융되는 중대사고시에 원자로용기(10)의 외벽을 냉각해주기 위한 액체금속(51)이 저장되는데, 상기 액체금속(51)은 갈륨 등을 포함할 수 있다.
이와 같이 저수조(40), 냉각수 주입배관(60,61), 냉각수 펌프(100), 액체금속 저장탱크(50) 및 액체금속 주입배관(70)은 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20) 내부를 경유하여 액체금속 및 냉각수를 공급하는 공급 계통을 형성하여, 노심이 용융되어 노심 용융물(11)이 형성되는 중대 사고가 발생하게 되면, 저수조(40)의 냉각수를 냉각수 주입배관(60)을 통하여 공급하고, 액체금속 주입배관(70)을 통해 액체금속(51) 냉각재를 원자로공동(30) 또는 열 차폐체(20)에 주입하여 자연대류현상에 의해 순환하도록 하면서 액체금속(51)이 노심 용융물(11)을 냉각하게 된다.
냉각수 주입배관(60,61)의 경로 중 냉각수 펌프(100)의 출구 측에는 냉각수 주입밸브(81)가 구비되어 냉각수 주입배관(60,61)을 통하여 공급되는 냉각수의 흐름을 단속하며, 저수조(40)의 출구 측에도 냉각수 주입밸브(80)가 구비되어 저수조(40)에서 냉각수 주입배관(60,61)으로 공급되는 냉각수의 흐름을 단속한다.
또한, 액체금속 주입배관(70)의 경로 중 액체금속 주입밸브(90)가 구비되어 액체금속 주입배관(70)을 통하여 주입되는 액체금속(51)의 흐름을 단속한다.
한편, 도 1에 도시된 각 구성요소들의 위치 및/또는 배치는 이해를 돕기 위하여 예시적으로 도시된 것에 불과하며, 가령 액체금속 저장탱크(50)는 원자로공동(30)보다 상부에 위치하면 족하므로 격납건물(1) 내 어디에 위치 및 설치될 수 있음에 유의하여야 한다.
제1실시예
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도로서, 도 1의 A 부분의 일부를 확대하여 본 실시예에 대한 이해를 높이고자 한다.
본 실시예에 의한 원자로 외벽의 냉각시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 열차폐체(20)와 원자로공동(30)의 외벽 사이에 설치된 추가 차폐막(21)을 더 포함한다. 액체금속(51)은 상기 추가 차폐막(21)과 상기 원자로용기(10) 외벽과의 사이의 공간에 충수되도록 구성된다.
이러한 추가 차폐막(21) 구성에 의하여, 원자로 공동의 충수에 필요한 액체금속의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따른 원자로 공동 상부에 설치되는 액체금속 저장탱크의 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이들이 구조물 전체에 미치게 되는 하중을 줄일 수 있는 효과를 얻게 된다.
그리고, 추가 차폐막(21)과 원자로공동(30) 외벽 사이에 저수조(40)로부터 공급된 순환 냉각수가 제공되어, 액체금속(51)에 의해 제거된 열이 추가 차폐막(21)과 원자로공동(30) 외벽과의 사이에 제공되는 순환 냉각수로 최종 열전달된다.
이로 인하여, 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용하면서도 액체금속과 냉각수 사이의 열전달 면적을 증대시켜 효율적인 열제거가 가능한 효과가 얻어진다.
본 실시예에 의한 구성에 의한 유동장 및 온도장에 대한 해석을 수행하였으며, 이는 도 4a 및 도 4b에 각각 나타나 있다. 도 4a 및 도 4b는 제1실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과이다.
도 4a에서의 온도장 해석에서와 같이, 유동장 내 최대온도와 평균온도가 초기온도(100도)에 비해 높지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 도 4b에서의 속도장 해석에서는 액체금속 내에 유동장이 형성되는 것을 알 수 있다.
제2실시예
앞서 설명한 제1실시예에 의한 원자로 외벽의 냉각시스템은 별도의 추가 차폐막(21)을 포함하고 있었다. 그러나, 대안적으로, 앞서 설명한 추가 차폐막의 구성없이 동 시스템이 구성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도를 나타내며, 도 5a 및 도 5b는 동 실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과를 각각 나타낸다.
도 3에서 확인되는 바와 같이, 제1실시예와는 달리 액체금속(51)은 저수조(40)로부터의 순환 냉각수와 함께 원자로공동(30) 내부에 충수되도록 구성된다.
이러한 구성에 의하면, 액체금속과 냉각수 사이의 밀도 차이에 의하여 자연스럽게 냉각수가 상부에 위치되며 액체금속은 하부에 위치되게 되어 액체금속에 의해 제거된 열이 냉각수로 최종적으로 전달된다.
이 경우에도 마찬가지로 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 원자로 발전소에 추가 차폐막과 같은 새로운 구조물을 추가로 설치할 필요가 없으므로 설계를 단순화시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.
본 실시예에 의한 구성에 의한 유동장 및 온도장에 대한 해석을 동일하게 수행하였으며, 이는 각각 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 도 5a 및 도 5b는 제2실시예에 있어서의 유동장내 온도 및 속도 해석결과를 나타낸다.
도 5a에서의 온도장 해석에 의하면, 추가 차폐막(21) 구성을 포함하는 제1실시예에 비하여 최고온도 및 평균온도가 높은 것을 확인할 수 있다.
아울러, 도 5b에서의 속도장 해석에 의하면 제1실시예에 대한 경우와 마찬가지로 액체금속 내에 유동장이 형성되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.
10 : 원자로용기
20 : 열 차폐체
21 : 추가 차폐막
30 : 원자로공동
40 : 저수조
50 : 액체금속 저장탱크
60,61 : 제1,2냉각수 주입배관
70 : 액체금속 주입배관
80,81 : 냉각수 주입밸브
90 : 액체금속 주입밸브
100 : 펌프
110 : 증기발생기

Claims (12)

  1. 원자로 외벽 냉각방법으로서,
    원자로공동 내의 원자로용기 외벽과 접하도록 액체금속이 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 제거하고 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되되,
    상기 액체금속은 상기 원자로공동 내부에 설치된 추가 차폐막과 상기 원자로 외벽과의 사이의 공간에 충수되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속은 상기 원자로공동보다 상부에 위치되어 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속이 저장되는 위치에서 액체상태로 유지되도록 하기 위하여 가열되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 액체금속에 의해 제거된 열은 상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽과의 사이에 제공되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체금속은 상기 순환 냉각수와 함께 상기 원자로공동 내부로 충수되어, 상기 액체금속에 의해 제거된 열이 밀도차에 의하여 상기 액체금속 상부에 위치하게 되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  7. 원자로 외벽의 냉각시스템에 있어서,
    원자로용기;
    일정한 간격을 두고 상기 원자로용기의 외벽을 둘러싸는 열차폐체; 및
    상기 열차폐체 및 상기 원자로용기를 내부에 구비하는 원자로공동;
    을 포함하여 이루어지고,
    상기 원자로공동 내의 상기 원자로용기 외벽과 접하도록 액체금속이 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 제거하고, 상기 액체금속에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되되,
    상기 열차폐체와 상기 원자로공동의 외벽 사이에 설치된 추가 차폐막을 포함하고, 상기 액체금속은 상기 추가 차폐막과 상기 원자로용기 외벽과의 사이의 공간에 충수되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 액체금속을 저장하기 위한 액체금속 저장탱크를 포함하고, 상기 액체금속 저장탱크는 상기 원자로공동보다 상부에 위치되어 상기 액체금속이 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 액체금속 저장탱크는 상기 액체금속을 액체상태로 유지되도록 하기 위한 가열장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각시스템.
  10. 삭제
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽 사이에 상기 순환 냉각수가 제공되어, 상기 액체금속에 의해 제거된 열이 상기 추가 차폐막과 상기 원자로공동 외벽과의 사이에 제공되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각시스템.
  12. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체금속은 상기 순환 냉각수와 함께 상기 원자로공동 내부로 충수되어, 상기 액체금속에 의해 제거된 열이 밀도차에 의하여 상기 액체금속 상부에 위치하게 되는 상기 순환 냉각수로 최종 열전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각시스템.
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