KR101494372B1 - 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치 - Google Patents

피동형 스마트 히트파이프모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치 Download PDF

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윤석호
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Abstract

본 발명에서는 종래 사용후연료봉 저장조 냉각 시스템의 경우에 별도의 보조냉각시스템을 구비해야 하므로 비용이 고가이고, 전기 공급에 의해서만 가동될 수 있는 능동형이기 때문에 자연재해(지진 또는 태풍)로 인한 사고시 전기 공급이 중단될 경우에는 가동되지 못해, 폐연료봉 용융이 발생되고, 물 보유량의 손실이 발생되며, 사용후연료 저장조 내에서의 잠재적인 폐연료봉 파손, 및 환경 중으로의 방사능 방출을 야기시키는 문제점을 개선하고자, 사용후연료 저장조(100), 피동형 스마트 히트파이프모듈(200), 냉각탑(300)으로 구성됨으로서, 사고시 전기 공급이 중단되더라도 폐연료봉 용융 및 파손을 제거하도록 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통해 작동유체를 가동시킬 수 있고, 사용후연료 냉각조와 냉각탑 사이의 신속한 조립, 및 배치가 용이하며, 사용후연료 냉각조와의 접근시, 방사선 또는 화학적 분해에 대한 높은 저항도를 가질 수 있으며, 복수개의 히트 파이프를 1:1로 사용후연료 저장조에 설치하는 것을 대신해 동심의 2중 원형 튜브로 이루어진 복수루프구조를 생성시킬 수 있어, 사용후연료 저장조의 냉각 효율을 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있는 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

피동형 스마트 히트파이프모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치{THE APPARATUS OF BUBBLE JET HEAT PIPE IN COOLING SYSTEM OF SPENT FUEL POOL}
본 발명은 원자력발전소 사용후연료에서 발생하는 열을 제거하는데 기존의 펌프 열교환기를 사용하는 능동(ACTIVE) 방식을 탈피한 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치에 관한 것이다.
사용 후 연료로부터 발생되는 붕괴열은 저장조내의 물의 온도를 상승시키므로 이를 냉각시키기 위해서는 전원, 펌프, 열교환기 등으로 구성된 시스템이 항상 가동되어야 한다.
그러나 일본 후쿠시마 원전사고에서 보듯이. 발전소는 지진 후에 성공적으로 운전 정지되었지만, 뒤이은 쓰나미는 발전소가 원자로 및 사용후연료 저장조의 냉각을 담당하는 냉각 시스템에 전력을 공급할 수 없게 만들었다.
즉, 종래의 사용후연료 저장조의 냉각 시스템은 전원 공급에 의해서만 가동될 수 있는 능동형이기 때문에 사고시 전원 공급이 중단될 경우 냉각시스템의 기능상실로 이어진다.
이로 인해 사용후연료 저장조에 있는 물 보유량의 손실이 발생되고, 사용후연료 저장조 내에서의 잠재적인 폐연료봉 파손, 및 환경 중으로의 방사능 방출을 야기하였다.
미국등록특허 제5,268,942호
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 사고시 전원 공급이 중단되더라도 사용후연료 저장조 냉각계통이 정상가동 될 수 있도록 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통해 작동유체를 순환시킬 수 있고, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이의 신속한 조립, 및 배치가 용이하며, 사용후연료 저장조와의 접근시, 방사선 또는 화학적 분해에 대한 높은 저항도를 가질 수 있으며, 복수개의 히트 파이프를 1:1로 사용후연료 저장조에 설치하는 것을 대신해 동심의 2중 원형 튜브로 이루어진 복수루프구조를 생성시킬 수 있는 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치는
사용후연료를 물속에 수용시킨 상태에서 피동형 스마트 히트파이프모듈로부터 전달된 작동유체를 통해 사용후연료를 포함하는 물을 냉각시키는 사용후연료 저장조(100)와,
사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 설치되어, 작동유체를 냉각탑까지 피동형으로 열전달시켜 사용후연료 저장조를 냉각시키는 피동형 스마트 히트파이프모듈(200)과,
사용후연료저장조 일측에 위치되고, 피동형 스마트 히트파이프모듈을 경사진 구조로 형성시킨 후, 피동형 스마트 히트파이프모듈의 응축시, 호리형상의 굴뚝을 통해 실외공기와 직접 접속시켜 냉각시키는 냉각탑(300)으로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 사고 시 전원 공급이 중단되더라도 폐연료봉 용융 및 파손을 제거하도록 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통해 작동유체를 가동시켜 무전원공급형 사용후연료 냉각조 피동형 냉각시스템을 구축시킬 수 있어, 무동력으로 안정성을 기존에 비해 80% 향상시키고, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이의 신속한 조립, 및 배치가 용이하여 시설 비용 절감 및 에너지낭비를 절감시킬 수 있으며, 사용후연료 저장조와의 접근시, 방사선 또는 화학적 분해에 대한 높은 저항도를 가질 수 있으며, 복수개의 히트 파이프를 1:1로 사용후연료 저장조에 설치하는 것을 대신해 동심의 2중 원형 튜브로 이루어진 복수루프구조를 생성시킬 수 있어, 사용후연료 저장조의 냉각 효율을 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프모듈 중 피동형 버블제트 히트파이프부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프모듈 중 트윈핀형 히트파이프부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 피동형 버블제트 히트파이프부의 외형 구성요소를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 트윈핀형 히트파이프부의 제2 핀형 발열부 외형둘레와 제2 핀형 응축부 외형둘레에 방사형상으로 복수개의 핀이 방사형구조로 형성된 것을 도시한 일실시예도,
도 7은 본 발명에 따른 트윈핀형 히트파이프부의 제2 핀형 발열부 외형둘레와 제2 핀형 응축부 외형둘레에 원주형상으로 복수개의 핀이 환형구조로 형성된 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 트윈핀형 히트파이프부의 제2 핀형 발열부 외형둘레와 제2 핀형 응축부 외형둘레에 사각판넬형상으로 복수개의 핀(224c)이 적층구조로 형성된 것을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 사용후연료저장조와 냉각탑 사이에 피동형 스마트 히트파이프모듈 중 피동형 버블제트 히트파이프부가 형성되어 사용후연료저장조를 피동형으로 냉각시키는 것을 도시한 실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 사용후연료저장조와 냉각탑 사이에 피동형 스마트 히트파이프모듈 중 트윈핀형 히트파이프부가 형성되어 사용후연료저장조를 피동형으로 냉각시키는 것을 도시한 일실시예도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 사용후연료 저장조(100), 피동형 스마트 히트파이프모듈(200), 냉각탑(300)으로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 사용후연료 저장조(100)에 관해 설명한다.
상기 사용후연료 저장조(100)는 폐연료봉을 물속에 수용시킨 상태에서 피동형 스마트 히트파이프모듈로부터 전달된 작동유체를 통해 폐연료봉을 포함하는 물을 냉각시키는 역할을 한다.
이는 콘크리트로 밀폐된 공간내부에 구성되고, 물속에 복수개의 폐연료봉을 수용시키도록 구성된다.
상기 사용후연료 저장조는 측면 일측에 피동형 스마트 히트파이프모듈이 연결되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 피동형 스마트 히트파이프모듈(200)에 관해 설명한다.
상기 피동형 스마트 히트파이프모듈(200)은 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 설치되어, 작동유체를 냉각탑까지 피동형으로 열전달시켜 사용후연료 저장조를 냉각시키는 역할을 한다.
이는 도 2에 도시한 바와 같이, 피동형 버블제트 히트파이프부(210), 트윈핀형 히트파이프부(220)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 피동형 버블제트 히트파이프부(210)에 관해 설명한다.
상기 피동형 버블제트 히트파이프부(210)는 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치되어, 사용후연료 저장조의 열원을 통해 버블제트(Bubble Jet)를 발생시키면서 작동유체를 냉각탑까지 피동형으로 전달시켜 사용후연료 저장조를 냉각시키는 역할을 한다.
이는 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 히트파이프몸체(211), 제1 위크(Wick)부(212), 제1 발열부(213), 제1 응축부(214)로 구성된다.
[제1 히트파이프몸체(211)]
상기 제1 히트파이프몸체(211)는 동심의 2중 원형 튜브로 이루어지고, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치되어, 각 기기를 지지하고 외압으로부터 보호하는 역할을 한다.
이는 도 5에서 도시한 바와 같이, 동심의 2중 원형 튜브로 이루어져, 하단부가 사용후연료 저장조에 형성되고, 상단부 냉각탑에 형성되어 구성된다.
여기서, 제1 히트파이프몸체가 동심의 2중 원형 튜브로 형성되는 이유는 도 5에서 도시한 바와 같이, 하단부에 제1 발열부가 형성되고, 제1 발열부 상단쪽으로 내부원통과 외부원통이 형성되며, 내부원통과 외부원통 사이에는 좁은 환형(narrow circular shape)의 틈이 생기게 되는데, 이 환형의 좁은 틈 사이에 작동유체를 핵비등(nucleate boiling)시켜 기포를 분출시킴으로서, 제1 발열부와 제1 응축부 사이에, 상단방향쪽으로 분출되는 버블제트(Bubble Jet)의 힘과 액체에서 기체로 기화된 작동유체 자체의 기화력를 발생시키기 위함이다.
이때 발생되는 상단방향쪽으로 분출되는 버블제트(Bubble Jet)의 힘과 액체에서 기체로 기화된 작동유체 자체의 기화력을 통해 제1 발열부와 제1 응축부 사이에 압력차가 발생되어 기화된 작동유체를 펌핑시키게 된다.
[제1 위크(Wick)부( 212)]
상기 제1 위크(Wick)부(212)는 제1 히트파이프몸체 내부 벽면에 형성되어 모세관 작용에 의해 기화된 작동유체를 제1 응축부에서 제1 발열부로 되돌려보내는 역할을 한다.
이는 동심의 2중 원형 튜브로 이루어진 제1 히트파이프몸체 내부 벽면에 금망, 발포제, 펠트(felt), 섬유, 소결금속으로 이루어진 다공성물질로 구성된다.
상기 제1 위크(Wick)부에서 생성되는 모세관 작용에 관해 설명한다.
상기 제1 위크(Wick)부에서의 증기압과 응축액의 압력 차이에 의하여 위크(Wick)부 내부에 고여 있는 응축액계면이 곡률을 이룬다.
이러한 곡률은 제1 응축부 끝단쪽으로 이동할수록 작아지고 제1 발열부 끝단으로 갈수록 증가한다.
상기 증기압력은 제1 발열부에서 최대가 되고 점차 감소하다가 제1 위크(Wick)부의 단열부에서 최소가 된다. 이후, 다시 제1 응축부까지 압력이 서서히 증가한다.
따라서, 증기유속은 제1 발열부에서 가속되면 제1 위크(Wick)부의 단열부에서 최대속도에 도달하고 다시 제1 응축부까지는 응축과정으로 인해 유속이 감속된다.
상기 응축압력은 응축이 활발한 제1 응축부에서 크며 액체가 상대적으로 양이 적은 제1 발열부에서는 응축압력이 작게 된다.
상기 제1 응축부의 이동은 증기와 응축액의 압력차이에 의한 계면곡률에 의하여 힘의 평형을 이루기 위해서 모세관 압력이 발생한다.
이때 발생된 모세관압력은 제1 응축부에 응축된 응축액을 제1 발열부로 진행시키는 힘으로 작용하게 된다.
[제1 발열부(213)]
상기 제1 발열부(213)는 사용후연료 저장조에 설치되고, 제1 히트파이프 몸체 하단에 위치되어 사용후연료 저장조의 열원을 통해 버블제트(Bubble Jet)를 발생시키면서 기화된 작동유체를 상단방향쪽으로 분출시키는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시한 바와 같이, 동심 2중 원형튜브로 이루어진 제1 히트파이프몸에 하단 일측에 원통형상으로 형성된다.
그리고, 사용후연료 저장조의 뜨거운 물을 열원으로 해서 버블제트를 발생시키면서 작동유체를 기화시킨다.
본 발명에 따른 냉각탑에 설치된 제1 응축부와 사용후연료 저장조에 설치된 제1 발열부 간의 열전달메카니즘은 풀 비등이 되도록 구성된다.
일예로, 제1 발열부 내에서 약 0.8기압 정도가 유지되어야 한다면, 작동유체 또한 0.8기압에서의 풀 비등 곡선을 얻어내도록 구성된다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 발열부는 사용후연료 저장조에 3°~60°경사각(θ)을 형성하면서 구성된다.
여기서, 제1 발열부가 사용후연료 저장조에서 3°~60°경사각을 형성시키는 이유는 열전달 성능에 영향을 미치기 때문이다.
즉, 제1 발열부의 경사각은 제1 위크부 내부의 작동유체의 모세관 압력에 영향을 주는 중요한 인자이므로 경사각에 의한 체적력을 계산해서 설계된다.
제1 발열부에 수직으로 작용하는 중력은 모세관 압력에 의한 작동유체의 순환을 방해한다. 이러한 제1 위크부 내부의 작동유체의 파이프 반경 방향으로 작용하는 체적력을 고려한 압력은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112014035427819-pat00001
여기서,
Figure 112014035427819-pat00002
은 작동유체의 밀도를 말하고, g는 중력을 말하며, dl은 제1 발열부의 내부단면도상에서 제1 위크부까지를 포함한 작동유체공간 지름을 말하고, dv는 제1 발열부의 작동유체공간 지름만을 말하며,
Figure 112014035427819-pat00003
는 다공성을 말하고,
Figure 112014035427819-pat00004
는 제1 발열부의 경사각을 말한다.
이때, 수학식 1에 길이방향으로 중력에 의한 영향을 고려하면 다음의 수학식 2과 같이 표현된다.
Figure 112014035427819-pat00005
여기서,
Figure 112014035427819-pat00006
은 작동유체의 밀도를 말하고, g는 중력을 말하며,
Figure 112014035427819-pat00007
는 제1 발열부의 평균유효길이를 말하며,
Figure 112014035427819-pat00008
는 제1 발열부의 경사각을 말한다.
제1 발열부는 제1 응축부에 모세관 압력 한계영역 내에 열원Q이 가해지는 경우에 작동유체가 순환되며 정상적으로 동작한다.
따라서 작동한계인 모세관 압력 한계(Capillary Limit)가 발생하는 최대열은 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112014035427819-pat00009
여기서,
Figure 112014035427819-pat00010
는 제1 발열부 내부 관벽과 작동유체 사이의 전단마찰응력을 말하고,
Figure 112014035427819-pat00011
은 제1 위크부를 통하여 귀환하는 액체의 마찰계수를 말하고,
Figure 112014035427819-pat00012
는 증기의 마찰계수를 말한다.
상온에서 사용되는 제1 발열부는 모세관 압력 한계 Qc.max를 최대 열전달 성능이라 한다.
최대 열전달성능을 초과하면 제1 발열부에서 작동유체가 펌핑되는 양보다 열부하로 증발되는 양이 많기 때문에 제1 발열부에서는 위크부 내에 작동유체가 없어지는 마름(dry-out)현상이 발생하여 액체에서 기체로 기화되는 잠열에 의한 열전달이 발생하지 않으므로, 제1 발열부의 내부 벽면의 온도가 급격하게 상승하게 된다.
따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 작동유체의 선정과 제1 위크부의 설계시, 사용온도와 열부하를 고려하여 설계된다.
상기 수학식 3을 다시 정리하면 다음과 같은 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112014035427819-pat00013
여기서, 첫번째 항이 메리트(merit)수로 제1 발열부의 작동온도에 따른 작동유체 선정기준이 된다.
본 발명에 따른 작동유체 선정 기준이 되는 메리트 수는 다음의 수학식 5와 같이 표시된다.
Figure 112014035427819-pat00014
상기 수학식 4에서 두번째 항은 제1 발열부의 코일형 모양과 제1 위크부의 설계에 관한 수식이며, 세번째 항은 제1 위크부의 세공 크기에 의한 모세관 압력과 제1 발열부 기울기에 의한 중력의 영향을 나타낸 수식이다.
이처럼, 본 발명에 제1 발열부는 수학식 4를 통해 제1 발열부의 작동온도에 따른 작동유체, 제1 위크부의 설계, 제1 위크부의 세공 크기에 의한 모세관 압력과 제1 발열부 기울기에 의한 중력을 고려해서 설계된다.
본 발명에 따른 작동유체는 극저온용(0~150°K)인 헬륨, 아르곤, 니트로겐 중 어느 하나가 선택되어 구성되거나, 또는 저온용(150~750°K)인 물, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 암모니아, 프레온 중 어느 하나가 선택되어 구성되거나, 또는 고온용(750~3000°K)인 캐슘(Caesium), 소듐(Sodium), 리듐(Lithium) 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
[제1 응축부(214)]
상기 제1 응축부(214)는 "U"자 형상으로 이루어져 냉각탑에 경사진 구조로 설치되고, 제1 히트파이프 몸체 상단에 위치되어 제1 발열부로부터 공급받은 기화된 작동유체를 응축시켜 열에너지를 방출시키는 역할을 한다.
이는 도 5 및 도 9에서 도시한 바와 같이, 동심 2중 원형튜브로 이루어진 히트파이프 끝단이 "U"자형상으로 이루어져 형성된다.
여기서 동심 2중 원형튜브로 이루어진 히트파이프 끝단이 "U"자형상으로 형성시키는 이유는 버블이 시계방향 또는 반시계방향의 2중 원형튜브로 분배되어 흘러간 후, "U"자형 튜브 관에서 양쪽의 기화된 저온 작동유체가 응축되어 저온의 에너지를 방출시키기 위함이다.
그리고, 응축된 작동유체가 중력차에 의해 다시 제1 발열부로 전달되도록 하기 위해, 복수개의 "U"자형 튜브 출력단에 동심 2중 원형튜브가 연결되어 구성된다.
둘째, 본 발명에 따른 트윈핀형 히트파이프부(220)에 관해 설명한다.
상기 트윈핀형 히트파이프부(220)는 사용후연료 저장조와, 냉각탑 사이에 경사진 구조로 형성되고, 사용후연료 저장조의 열원을 복수개의 핀(fin)으로 전달받아 작동유체를 기화시키면서 압력차에 의해 냉각탑으로 복수개의 핀(fin)을 통해 열을 방출하면서 열전달시키는 역할을 한다.
이는 제2 히트파이프몸체(221), 제2 위크(Wick)부(222), 제2 핀형 증발부(223), 제2 핀형 응축부(224)로 구성된다.
여기서, 본 발명에 따른 제2 핀형 증발부와 제2 핀형 응축부가 경사구조로 형성된다. 그 이유는 수평인 상태에서는 작동유체가 기화상태로 변환되더라도 열유동이 없는데 비해, 경사진 구조에서는 작동유체가 기화상태로 변환되어, 압력차와 중력차에 의해 열유동이 활발해지기 때문에 경사진 구조로 형성시킨다. 이때, 바람직한 경사각도는 45°로 설정된다.
상기 제2 히트파이프몸체(221)는 원통형의 관 구조로 이루어지고, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치되어, 각 기기를 지지하고 외압으로부터 보호하는 역할을 한다.
이는 SUS 316L, 또는 구리(Copper)로 구성된다.
상기 제2 위크(Wick)부(222)는 제2 히트파이프몸체 내부 벽면에 형성되어 모세관 작용에 의해 기화된 작동유체를 제2 핀형 응축부에서 제2 핀형 증발부로 되돌려보내는 역할을 한다.
이는 금망, 발포제, 펠트(felt), 섬유, 소결금속 등의 다공성물질로 이루어진다.
그리고, 모세관 자용에 의해 작동유체를 제2 핀형 응축부에서 제2 핀형 증발부로 환류시키고, 제2 핀형 증발부 전체에 작동유체를 분배시킨다.
상기 작동유체는 포화온도가 150℃~395℃인 써멕스(Thermex)(다우텀(Dowtherm A : 바이페닐(Biphenyl(C12H10)))), 다이페닐로사이드(Diphenyloxide)(C12H10O)), 나프탈렌 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 제2 핀형 증발부(223)는 사용후연료 저장조에 설치되고, 제2 히트파이프몸체 하단에 위치되어 사용후연료 저장조의 열원을 복수개의 핀(fin)으로 전달받아 작동유체를 기화시켜 상단방향쪽으로 분출시키는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시한 바와 같이, 방사형상으로 복수개의 핀(223a)이 방사형구조로 형성되거나, 또는 도 7에 도시한 바와 같이, 원주형상으로 복수개의 핀(223b)이 환형구조로 형성되거나 또는, 도 8에 도시한 바와 같이, 사각판넬형상으로 복수개의 핀(223c)이 적층구조로 형성된다.
상기 제2 핀형 응축부(224)는 냉각탑에 설치되고, 제2히트파이프 몸체 상단에 위치되어 기화된 작동유체를 응축시켜 복수개의 핀(fin)을 통해 열에너지를 방출시키는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시한 바와 같이, 방사형상으로 복수개의 핀(224a)이 방사형구조로 형성되거나, 또는 도 7에 도시한 바와 같이, 원주형상으로 복수개의 핀(224b)이 환형구조로 형성되거나 또는, 도 8에 도시한 바와 같이, 사각판넬형상으로 복수개의 핀(224c)이 적층구조로 형성된다.
이처럼, 본 발명에 따른 제2 핀형 증발부와 제2 핀형 응축부에 복수개의 핀이 형성됨으로서, 사용후연료 저장조에서 생성된 열에너지 일부를 핀을 통해 흡수시키고, 냉각탑에서 핀을 통해 방열시킬 수가 있어, 사용후연료 저장조를 냉각시키는 시간과 공간영역을 기존에 비해 70% 향상시킬 수가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 냉각탑(300)에 관해 설명한다.
상기 냉각탑(300)은 사용후연료 저장조 일측에 위치되고, 피동형 스마트 히트파이프모듈을 경사진 구조로 형성시킨 후, 피동형 스마트 히트파이프모듈의 응축시, 호리형상의 굴뚝을 통해 실외공기와 직접 접속시켜 냉각시키는 역할을 한다.
이는 피동형 스마트 히트파이프모듈의 응축시, 실외공기와 직접 접속시켜 열에너지를 방출시켜 냉각시키는 일종의 열교환장치이다.
상기 냉각탑은 열교환 방식에 의해 향류형모드와 직교류형모드로 나누어 구성된다.
그리고, 통풍방식에 따라 자연통풍식모드와 강제통풍식모드로 구성된다.
본 발명에서는 호리형상의 굴뚝으로 형성된 강제통풍식모드로 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 피동형 버블제트 히트파이프를 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 사용후연료 저장조 내부 일측에 피동형 스마트 히트파이프모듈이 설치된다.
다음으로, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 설치된 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통해, 작동유체를 냉각탑까지 피동형으로 열전달시켜 사용후연료 저장조를 냉각시킨다.
끝으로, 냉각탑에서 피동형 스마트 히트파이프모듈을 경사진 구조로 형성시킨 후, 피동형 스마트 히트파이프모듈의 응축시, 호리형상의 굴뚝을 통해 실외공기와 직접 접속시켜 냉각시킨다.
[피동형 버블제트 히트파이프부(210)의 동작과정]
먼저, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 히트파이프몸체(211)가 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치된다.
다음으로, 제1 발열부(213)에서 사용후연료 저장조의 열원을 통해 버블제트(Bubble Jet)를 발생시키면서 기화된 작동유체를 상단방향쪽으로 분출시킨다.
다음으로, 냉각탑에 설치된 제1 응축부(214)에서 "U"자 형상의 끝단에서 제1 발열부로부터 공급받은 기화된 작동유체를 응축시켜 열에너지를 방출시킨다.
끝으로, 제1 위크(Wick)부에서 모세관 작용에 의해 기화된 작동유체를 제1 응축부에서 제1 발열부로 되돌려보낸다.
[트윈핀형 히트파이프부(220)의 동작과정]
먼저, 도 10에 도시한 바와 같이, 제2 히트파이프몸체(221)가 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치된다.
다음으로, 제2 핀형 증발부(223)에서 사용후연료 저장조의 열원을 복수개의 핀(fin)으로 전달받아 작동유체를 기화시켜 상단방향쪽으로 분출시킨다.
다음으로, 제2 핀형 응축부(224)에서 기화된 작동유체를 응축시켜 복수개의 핀(fin)을 통해 열에너지를 방출시킨다.
끝으로, 제2 위크(Wick)부(222)에서 모세관 작용에 의해 기화된 작동유체를 제2 핀형 응축부에서 제2 핀형 증발부로 되돌려보낸다.
1 : 사용후연료 저장조 냉각 장치 100 : 사용후연료 저장조
200 : 피동형 스마트 히트파이프모듈 300 : 냉각탑

Claims (7)

  1. 사용후연료를 물속에 수용시킨 상태에서 피동형 스마트 히트파이프모듈로부터 전달된 작동유체를 통해 사용후연료를 포함하는 물을 냉각시키는 사용후연료 저장조(100)와,
    사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 설치되어, 작동유체를 냉각탑까지 피동형으로 열전달시켜 사용후연료 저장조를 냉각시키도록 피동형 버블제트 히트파이프부(210)로 이루어진 피동형 스마트 히트파이프모듈(200)과,
    사용후연료저장조 일측에 위치되고, 피동형 스마트 히트파이프모듈을 경사진 구조로 형성시킨 후, 피동형 스마트 히트파이프모듈의 응축시, 호리형상의 굴뚝을 통해 실외공기와 직접 접속시켜 냉각시키는 냉각탑(300)으로 구성되는 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치에 있어서,
    상기 피동형 버블제트 히트파이프부(210)는
    동심의 2중 원형 튜브로 이루어지고, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치되어, 각 기기를 지지하고 외압으로부터 보호하는 제1 히트파이프몸체(211)와,
    제1 히트파이프몸체 내부 벽면에 형성되어 모세관 작용에 의해 기화된 작동유체를 제1 응축부에서 제1 발열부로 되돌려보내는 제1 위크(Wick)부(212)와,
    사용후연료 저장조에 설치되고, 제1 히트파이프 몸체 하단에 위치되어 사용후연료 저장조의 열원을 통해 버블제트(Bubble Jet)를 발생시키면서 기화된 작동유체를 상단방향쪽으로 분출시키는 제1 발열부(213)와,
    "U"자 형상으로 이루어져 냉각탑에 경사진 구조로 설치되고, 제1 히트파이프 몸체 상단에 위치되어 제1 발열부로부터 공급받은 기화된 작동유체를 응축시켜 열에너지를 방출시키는 제1 응축부(214)로 구성되는 것을 특징으로 하는 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치.
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  5. 제1항에 있어서, 상기 피동형 스마트 히트파이프모듈(200)은
    사용후연료 저장조와, 냉각탑 사이에 경사진 구조로 형성되고, 사용후연료 저장조의 열원을 복수개의 핀(fin)으로 전달받아 작동유체를 기화시키면서 압력차에 의해 냉각탑으로 복수개의 핀(fin)을 통해 열을 방출하면서 열전달시키는 트윈핀형 히트파이프부(220)로 구성되는 것을 특징으로 하는 피동형 스마트 히트파이프 모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 트윈핀형 히트파이프부(220)는
    원통형의 관 구조로 이루어지고, 사용후연료 저장조와 냉각탑 사이에 경사진 구조로 설치되어, 각 기기를 지지하고 외압으로부터 보호하는 제2 히트파이프몸체(221)와,
    제2 히트파이프몸체 내부 벽면에 형성되어 모세관 작용에 의해 기화된 작동유체를 제2 핀형 응축부에서 제2 핀형 증발부로 되돌려보내는 제2 위크(Wick)부(222)와,
    사용후연료 저장조에 설치되고, 제2 히트파이프몸체 하단에 위치되어 사용후연료 저장조의 열원을 복수개의 핀(fin)으로 전달받아 작동유체를 기화시켜 상단방향쪽으로 분출시키는 제2 핀형 증발부(223)와,
    냉각탑에 설치되고, 제2히트파이프 몸체 상단에 위치되어 기화된 작동유체를 응축시켜 복수개의 핀(fin)을 통해 열에너지를 방출시키는 제2 핀형 응축부(224)로 구성되는 것을 특징으로 하는 피동형 스마트 히트파이프모듈을 통한 사용후연료 저장조 냉각 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101703710B1 (ko) 2015-11-18 2017-02-23 (주)이엔이티 히트파이프를 이용한 사용후 핵연료 피동 냉각시스템
CN106653106A (zh) * 2017-01-19 2017-05-10 华南理工大学 一种核电站乏燃料水池多级长距离非能动热管冷却系统
KR20240063329A (ko) 2022-11-03 2024-05-10 한국수력원자력 주식회사 사용 후 핵연료 피동냉각장치 및 피동냉각방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0147796B1 (ko) * 1992-06-30 1998-08-17 딘 칸 사행형 히트 파이프 열교환기 및 그 제조방법과 공기 조화 시스템에서의 제습 증가를 위한 열교환기의 사용 방법
KR101036685B1 (ko) * 2009-03-31 2011-05-23 공상운 버블젯을 이용한 루프형 히트파이프
JP2014035195A (ja) * 2012-08-07 2014-02-24 Toshiba Corp 使用済み燃料プール冷却システムおよび使用済み燃料プール冷却方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0147796B1 (ko) * 1992-06-30 1998-08-17 딘 칸 사행형 히트 파이프 열교환기 및 그 제조방법과 공기 조화 시스템에서의 제습 증가를 위한 열교환기의 사용 방법
KR101036685B1 (ko) * 2009-03-31 2011-05-23 공상운 버블젯을 이용한 루프형 히트파이프
JP2014035195A (ja) * 2012-08-07 2014-02-24 Toshiba Corp 使用済み燃料プール冷却システムおよび使用済み燃料プール冷却方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101703710B1 (ko) 2015-11-18 2017-02-23 (주)이엔이티 히트파이프를 이용한 사용후 핵연료 피동 냉각시스템
CN106653106A (zh) * 2017-01-19 2017-05-10 华南理工大学 一种核电站乏燃料水池多级长距离非能动热管冷却系统
KR20240063329A (ko) 2022-11-03 2024-05-10 한국수력원자력 주식회사 사용 후 핵연료 피동냉각장치 및 피동냉각방법

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