KR101490980B1 - 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구 - Google Patents

냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상측에 원자로에서 이송된 증기가 주입되기 위한 증기 주입관(110)이 설치되며, 내부에 냉각재가 수용되며, 하측에 상기 증기의 압력에 의해 상기 냉각재를 원자로로 배출되게 하는 냉각재 배출관(120)이 설치되는 냉각재 주입탱크(100); 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에서 상기 증기와 냉각재의 경계면에 설치되어 상기 증기와 냉각재의 열교환을 방지할 수 있는 단열체(200); 및 상기 냉각재 상에 부유되도록 설치되어 상기 단열체(200)를 지지하는 부유체(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)에 관한 것이다.

Description

냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구{A component of hermal-stratification protection }
본 발명은 고온 고압 환경 각종 시설에 냉각재를 보충하기 위한 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구에 관한 것이다.
고온 고압 환경이 발생하는 각종 시설에는 이를 냉각하기 위한 냉각재 탱크가 설치된다.
고온 고압 환경이 발생하는 각종 시설 중 원자력발전소(원전)는 원자로가 정지한 후에도 원자로 노심에서 상당시간 잔열이 발생되며, 이에 따라 원전에는 사고시 안전을 확보하기 위한 다양한 안전설비가 마련된다.
여러 안전 설비중에서 노심의 건전성을 확보하기 위한 주요 계통으로는 냉각재 탱크와 잔열제거계통이 있다. 냉각재 탱크는 원자로에 연결되는 배관 파단사고 등에 의해 원자로의 냉각재가 손실되는 경우 원자로에 냉각재를 보충해 주는 역할을 수행하며, 잔열제거계통은 원자로 노심이 정지한 후에 노심에서 발생하는 잔열을 제거해 주는 역할을 수행한다.
가압 경수형 원자로는 주요기기의 배치에 따라 분리형 원자로와 일체형 원자로로 나누어진다. 분리형 원자로는 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)가 원자로와 분리되어 외부에 설치되며 이들 사이에는 대형 배관이 설치된다. 분리형 원자로와는 다르게 일체형 원자로는 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되며 이들 기기를 연결하기 위한 대형 배관이 없다.
또한 일체형 원자로의 원자로 내부에는 주요기기가 수용되므로 원자로 내부 공간에는 다량의 냉각수가 존재한다. 이런 차이로 인해, 일체형 원자로와 대형 배관을 갖고 있는 분리형 원자로에서 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실사고가 발생하는 경우에 원자로 수위 등의 사고 거동은 크게 다른 경향을 보인다.
따라서 냉각재 상실사고에 대비한 냉각재 탱크 또한 이러한 거동 차이를 고려하여 설계되어야 한다. 분리형 원자로에서 대형 냉각재 상실사고가 발생하면 노심의 냉각재가 급격하게 손실되므로 냉각재 탱크에 의해 신속하게 냉각수를 보충해 주어야 한다. 그러나 일반적으로 일체형 원자로에서 냉각재 상실사고가 발생하면 원자로의 압력과 수위가 서서히 감소하므로 냉각재 탱크에 의해 서서히 냉각수를 보충해 주는 것이 바람직하다.
이와 관련된 기술로서, 본 출원인은 한국공개특허 제2014-0009835호의 원자로 격납건물과; 상기 원자로 격납건물 내부에 설치되는 원자로와; 제1안전주입배관 연통되는 안전주입배관에 의하여 상기 원자로에 연결되고, 내부에 물과 질소가스가 충전되며, 냉각재 상실사고의 발생으로 원자로 내부의 수위가 감소될 때 상기 제1안전주입배관을 통하여 원자로 내부로 물을 공급하는 안전주입탱크와; 제2안전주입배관에 연통되는 안전주입배관에 의하여 상기 원자로에 연결되고, 내부에 물이 저장되며, 냉각재 상실사고 또는 비냉각재 상실사고의 발생으로 원자로 내부의 수위가 감소될 때 상기 제2안전주입배관을 통하여 원자로 내부로 물을 공급하는 냉각재 주입탱크와; 상기 원자로의 내부에 설치된 증기발생기에 연결되는 급수관과 증기관에 연결되어 냉각재 상실사고 또는 비냉각재 상실사고가 발생되었을 때 원자로의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통;를 포함하는 원자로의 피동안전계통을 제시한 적이 있었다.
그러나 종래기술은 냉각재주입탱크에 저장된 냉각재가 증기의 압력에 의해 원자로 내부로 냉각재를 공급하는데, 냉각재 주입탱크에서 증기와 냉각재가 서로 열교환되는 열성층화 현상이 발생함으로써, 증기가 냉각재를 가압하는 가압력이 저하되어 냉각재 주입탱크의 냉각재 배출량이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 상술한 문제점을 해결하기 위한 다양한 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구의 개발이 필요한 실정이다.
한국공개특허 제2014-0009835호(2014.01.23)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 냉각재 주입탱크에서 증기와 냉각재가 서로 열교환되는 열성층화 현상을 최대한 방지하여 증기의 가압에 의해 외부로 배출되는 냉각재의 유출량이 저하되는 것을 방지할 수 있는 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 상측에 원자로에서 이송된 증기가 주입되기 위한 증기 주입관(110)이 설치되며, 내부에 냉각재가 수용되며, 하측에 상기 증기의 압력에 의해 상기 냉각재를 원자로로 배출되게 하는 냉각재 배출관(120)이 설치되는 냉각재 주입탱크(100); 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에서 상기 증기와 냉각재의 경계면에 설치되어 상기 증기와 냉각재의 열교환을 방지할 수 있는 단열체(200); 및 상기 냉각재 상에 부유되도록 설치되어 상기 단열체(200)를 지지하는 부유체(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단열체(200)는 둘레면과 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면 사이에 제1이동공간(201)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부유체(300)는 상기 냉각재 상에 다수개가 촘촘히 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부유체(300)는 하면이 개구되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 상기 단열체(200)의 상면 또는 하면에 설치되어 상기 부유체(300)로 전달되는 상기 증기의 압력을 완충하는 충격방지체(400);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충격방지체(400)는 둘레면과 상기 냉각재 탱크(100)의 내면 사이에 제2이동공간(401)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 상기 증기가 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면에 직접 접촉되어 열손실이 일어나는 것이 방지되도록 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면을 둘러싸는 열차단체(500); 및 상기 냉각재 탱크(100)가 보온되도록 상기 냉각재 주입탱크(100)의 외면을 둘러싸는 보온체(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열차단체(500)는 내부에 진공공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보온체(600)는 상기 냉각재 주입탱크(100)의 외면을 둘러싸며 단열재로 이루어지는 제1보온부재(610)와, 상기 제1보온부재(610)의 외면을 둘러싸며 상변화물질로 이루어지는 제2보온부재(620)와, 상기 제2보온부재(620)를 둘러싸며 단열재로 이루어지는 제3보온부재(630)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구는 냉각재 탱크의 내부에서 증기와 냉각재의 경계면에 설치되어 증기와 냉각재의 열교환을 방지할 수 있는 단열체를 포함하여 구성됨으로써, 냉각재 탱크에서 증기와 냉각재가 서로 열교환되는 열성층화 현상을 최대한 방지하여 증기의 가압에 의해 외부로 배출되는 냉각재의 유출량이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구의 개략도
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구의 개략도
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구의 냉각재 탱크, 열차단체, 보온체 단면도
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 열차단체의 단면도
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 보온체의 단면도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 원자로에 냉각재 상실사고가 발생할 때, 원자로로 냉각재를 보충하기 위한 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 냉각재 주입탱크(100), 단열체(200), 부유체(300)를 포함하여 구성된다.
상기 냉각재 주입탱크(100)은 원자로로 냉각재를 보충하기 위한 구성으로, 상측에 증기 주입관(110)이 설치되며, 내부에 냉각재가 수용되며, 하측에 냉각재 배출관(120)이 설치된다.
상기 증기 주입관(110)은 상기 냉각재 주입탱크(100)의 상측과 원자로를 서로 연통하며, 원자로에서 이송된 증기가 주입되게 하는 역할을 한다.
좀 더 상세하게, 상기 증기 주입관(110)으로 증기가 주입되는 원리에 대해 설명하자면, 원자로에서 냉각재 상실 사고가 발생하면 원자로의 내부압력이 감소하게 되는데, 원자로의 내부압력과 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부압력 차이에 의해 원자로에서 이송된 증기가 상기 증기 주입관(110)으로 증기가 주입되어 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에 수용된 냉각재가 가압된다.
이 때, 상기 증기는 고온 고압의 질소증기가 이용될 수 있으며, 상기 증기는 상기 증기 주입관(110)과 연결된 증기공급기(미도시)에 의해 주입될 수 있다.
상기 냉각재 배출관(120)은 상기 냉각재 주입탱크(100)의 하측과 원자로를 서로 연통하며, 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에 수용되어 상기 증기의 압력에 의해 가압된 상기 냉각재를 원자로로 배출되게 하는 역할을 한다.
상기 냉각재는 원자로를 냉각하기 위한 것으로, 붕산액이 이용될 수 있다.
상기 단열체(200)는 단열성 있는 재질로 이루어지며, 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에서 상기 증기와 냉각재의 경계면에 설치되어 상기 증기와 냉각재의 열교환을 방지할 수 있게 하며, 상기 증기의 압력을 받아서 상기 냉각재로 전달하는 역할을 한다.
상기 부유체(300)는 상기 냉각재 상에 부유되도록 설치되어 상기 단열체(200)를 지지하여 상기 단열체(200)가 상기 냉각재에 입수되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 냉각재 주입탱크(100)의 내부에서 증기와 냉각재의 경계면에 설치되어 증기와 냉각재의 열교환을 방지할 수 있는 단열체(200)를 포함하여 구성됨으로써, 냉각재 주입탱크(100)에서 증기와 냉각재가 서로 열교환되는 열성층화 현상을 최대한 방지하여 증기의 가압에 의해 외부로 배출되는 냉각재의 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 상기 단열체(200)는 상기 단열체(200)의 둘레면과 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면 사이에 제1이동공간(201)이 형성될 수 있다.
상기 제1이동공간(201)은 상기 단열체(200)가 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에서 상하방향으로 이동할 때, 상기 단열체(200)의 둘레면과 상기 냉각재 탱크(100)의 내면의 간섭을 최소화하는 역할을 한다.
또한, 상기 제1이동공간(201)은 상기 증기와 냉각재의 열교환이 이루어지게 함으로써, 상기 증기와 냉각재의 밀도 차이가 과도하게 커져서 상기 증기의 압력에 의해 원자로로 유입되는 냉각재가 원자로로 과도하게 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이 때, 상기 단열체(200)의 상측에는 상기 증기와 냉각재의 열교환에 의해 생성된 응축액이 위치한다.
또한, 상기 부유체(300)는 상기 냉각재 상에 다수개가 촘촘히 설치될 수 있다.
이에 따라, 상기 부유체(300)가 다수개로 설치됨으로써, 상기 증기의 압력이 상기 부유체(300)들의 일부로 집중되더라도 다른 부유체(300)로 분산시킬 수 있다.
또한, 상기 부유체(300)는 하면이 개구될 수 있다.
이 때, 상기 부유체(300)는 하면이 상기 냉각재에 잠기면서 내부에 공기가 수용되는데, 상기 증기의 압력에 의해 내부에 수용된 공기가 상기 냉각재를 간접적으로 밀어내며, 상기 부유체(300)의 하면이 상기 냉각재를 직접적으로 밀어내어 파손되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
<실시예 1>
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 충격방지체(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 충격방지체(400)는 상기 단열체(200)의 상면 또는 하면에 설치되어 상기 부유체(300)로 전달되는 상기 증기의 압력을 완충하는 역할을 한다.
즉, 상기 충격방지체(400)는 상기 부유체(300)로 상기 증기의 압력이 바로 전달되면 상기 부유체(300)가 파손될 수 있는데, 상기 부유체(300)로 전달되는 상기 증기의 압력을 완충하여 상기 부유체(300)가 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 상기 충격방지체(400)는 둘레면과 상기 냉각재 탱크(100)의 내면 사이에 제2이동공간(401)이 형성된다.
상기 제2이동공간(401)은 상기 제1이동공간(201)과 동일한 역할을 한다.
도 2에는 상기 충격방지체(400)가 상기 단열체(200)의 상면에 설치된 실시예가 도시되었으나 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
<실시예 2>
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구의 냉각재 주입탱크, 열차단체, 보온체 단면도, 도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 열차단체의 단면도, 도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 보온체의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 냉각재 주입탱크(100)의 내면과 외면을 각각 둘러싸는 열차단체(500)와 보온체(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열차단체(500)는 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부로 유입된 증기와 상기 냉각재 탱크(100)의 내부에 수용된 냉각재가 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면에 직접 접촉되어 열손실이 일어나는 것이 방지되도록 냉각재 주입탱크(100)의 내면을 둘러싼다.
상기 보온체(600)는 상기 냉각재 주입탱크(100)가 보온되도록 상기 냉각재 탱크(100)의 외면을 둘러싼다.
상기 보온체(600)는 내열성의 보온재질로 형성되며, 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부 열이 외부로 전달되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이 때, 상기 보온체(600)는 상기 냉각재 주입탱크(100)의 외면에 접착될 수 있고, 상기 냉각재 주입탱크(100)의 외면에 용접될 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예 2에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는 원자로로 유입된 증기의 열과 냉각재의 열이 외부로 전달되는 것을 방지하여 열손실이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 열차단체(500)는 내부에 진공공간이 형성될 수 있다.
상기 진공공간은 냉각재 주입탱크(100)의 내부로 주입된 증기의 열과 냉각재 탱크(100)의 내부에 수용된 냉각재의 열이 냉각재 주입탱크(100)의 내면을 둘러싸는 열차단체(500)에 의해 외부로 전달되는 것도 방지하는 역할을 한다.
이에 따라, 상기 열차단체(500)는 냉각재 주입탱크(100)의 내부로 주입된 증기의 열과 냉각재 주입탱크(100)의 내부에 수용된 냉각재의 열의 손실을 더욱 방지할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보온체(600)는 제1보온부재(610), 제2보온부재(620), 제3보온부재(630)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1보온부재(610)는 상기 냉각재 주입탱크(100)의 외면을 둘러싸며, 단열재 재질로 이루어진다.
상기 제2보온부재(620)는 상기 제1보온부재(610)를 둘러싸며, 상변화물질로 이루어진다.
여기에서 상변화물질이란, 온도에 따라, 액체상태에서 고체상태로, 고체상태에서 액체상태로 변화면서, 열을 저장(잠열)하거나 방출(방열)하는 자동 온도 조절 기능성 물질을 말한다.
또한, 상변화물질은 n-paraffin, poly ethylene glycol, Na2S04 10H20, Na2HP04 12H20, Zn(NO3)2 6H2O, Na2S3O3 5H20, NaCH3COO3H2O 중 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 이 중 잠열이 제일 높은 Na2HP04 12H20로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제3보온부재(630)는 상기 제2보온부재(620)를 둘러싸는 구성으로, 단열재 재질로 이루어진다.
이에 따라, 상기 보온체(600)는 내부에 상변화물질이 구비됨으로써, 상기 냉각재 탱크(100)의 내부 온도 변화를 최대한 저지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 본 발명에 따른 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구
100 : 냉각재 주입탱크
110 : 증기 주입관
120 : 냉각재 배출관
200 : 단열체
201 : 제1이동공간
300 : 부유체
400 : 충격방지체
401 : 제2이동공간
500 : 열차단체
600 : 보온체
610 : 제1보온부재
620 : 제2보온부재
630 : 제3보온부재

Claims (9)

  1. 상측에 원자로에서 이송된 증기가 주입되기 위한 증기 주입관(110)이 설치되며, 내부에 냉각재가 수용되며, 하측에 상기 증기의 압력에 의해 상기 냉각재를 원자로로 배출되게 하는 냉각재 배출관(120)이 설치되는 냉각재 주입탱크(100);
    상기 냉각재 주입탱크(100)의 내부에서 상기 증기와 냉각재의 경계면에 설치되어 상기 증기와 냉각재의 열교환을 방지할 수 있는 단열체(200); 및
    상기 냉각재 상에 부유되도록 설치되어 상기 단열체(200)를 지지하는 부유체(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각재 주입탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  2. 제1항에 있어서, 상기 단열체(200)는
    둘레면과 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면 사이에 제1이동공간(201)이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  3. 제1항에 있어서, 상기 부유체(300)는
    상기 냉각재 상에 다수개가 촘촘히 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  4. 제3항에 있어서, 상기 부유체(300)는
    하면이 개구되는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는
    상기 단열체(200)의 상면 또는 하면에 설치되어 상기 부유체(300)로 전달되는 상기 증기의 압력을 완충하는 충격방지체(400);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  6. 제5항에 있어서, 상기 충격방지체(400)는
    둘레면과 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면 사이에 제2이동공간(401)이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000)는
    상기 증기가 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면에 직접 접촉되어 열손실이 일어나는 것이 방지되도록 상기 냉각재 주입탱크(100)의 내면을 둘러싸는 열차단체(500); 및
    상기 냉각재 주입탱크(100)가 보온되도록 상기 냉각재 탱크(100)의 외면을 둘러싸는 보온체(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  8. 제7항에 있어서, 상기 열차단체(500)는
    내부에 진공공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
  9. 제7항에 있어서, 상기 보온체(600)는
    상기 냉각재 주입탱크(100)의 외면을 둘러싸며 단열재로 이루어지는 제1보온부재(610)와, 상기 제1보온부재(610)의 외면을 둘러싸며 상변화물질로 이루어지는 제2보온부재(620)와, 상기 제2보온부재(620)를 둘러싸며 단열재로 이루어지는 제3보온부재(630)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각재 탱크에서 열성층화 방지 기구(1000).
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