KR101499641B1

KR101499641B1 - 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치 및 시스템

Info

Publication number: KR101499641B1
Application number: KR20140023605A
Authority: KR
Inventors: 권태순; 김기환; 박현식; 배성원; 박유선
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-03-06
Also published as: FR3017982A1; CN104882169A; CN104882169B; US10043596B2; US20150243383A1; FR3017982B1

Abstract

격납건물의 내부와 연결되어 증기발생기의 열을 수냉방식을 이용하여 냉각시키기 위한 수냉열교환기, 상기 수냉열교환기를 내부에 포함하고, 증기발생기에서 발생된 주증기를 응축시키는 냉각수를 저장하기 위한 냉각수조, 상기 냉각수조와 연결되어 상기 냉각수조 내부의 상기 수냉열교환기에 의해 발생된 냉각수 증기가 유입되는 증발증기관, 상기 증발증기관과 연결되어 상기 증발증기관에 유입된 증기를 냉각하여 액화시키기 위한 공냉열교환기 및 상기 공냉열교환기에서 액화된 증기를 상기 냉각수조로 재충수시키기 위한 응축수회수관를 포함하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치.

Description

수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치 및 시스템{Air-Water Combined Cooling Passive Feedwater Device and System}

본 발명은 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치 및 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 수냉 방식 냉각에 의해 발생된 냉각수 증기를 공냉 방식으로 응축시킨 후, 이를 피동급수냉각 시스템의 열교환기 냉각수로 재충수하는 효율적인 냉각을 위한 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치 및 시스템에 관한 것이다.

전기로 구동되는 능동형 펌프로 구성된 안전계통을 구비한 경수로 사고 후 급수계통이 작동하지 않을 경우, 보조급수펌프를 작동하여 원자로의 잔열을 증기발생기를 통해 제거하고 있다. 반면에, 전기를 필요로 하지 않고 자연순환력에 의한 피동적 수단으로 원자로의 잔열을 증기발생기를 통해 제거하는 피동조조급수냉각 계통이 있다.

도 1을 참조하면, 종래 피동보조급수계통의 설계는 원자로격납건물 밖에 위치한 열교환기 냉각수조(PCCT)(1)의 냉각수가 끓기 시작하면 증발되는 증기(2)를 대기로 방출해 버리는 구조이므로, 열교환기 냉각수조(PCCT)(1)의 냉각수가 모두 증발한 이후에는 종래 피동보조급수계통의 냉각능력이 상실된다. 피동보조급수계통의 냉각시간은 통상 8시간 냉각능력 확보 기준으로 설계되었다. 그런데 후쿠시마 원전 사고 이후 원자로 냉각계통은 약 72시간 이상의 냉각능력 확보가 요구되고 있다.

종래 피동급수계통의 냉각시간을 기존 8시간에서 72시간 이상으로 대폭 연장시키기 위해서 피동급수계통의 냉각수조 체적을 몇 배 더 크게 설계해야 하므로 물탱크의 체적증가 뿐만 아니라 이를 지지해주는 지지구조물도 지진 등에 견디도록 견고하게 설계해야 하는 문제점들을 수반한다.

또한, 펌프를 사용하는 보조급수계통은 운전원의 실수, 전원상실, 펌프의 오작동 등에 의해 실패의 가능성이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 원자로 사고시에 증기발생기의 이차측에서 발생하는 증기를 응축하여 원자로 잔열을 피동적으로 냉각함으로써, 발전소 소 내외의 안전성과 경제성을 높일 수 있는 피동형 보조급수냉각계통의 개념이 제안되었으며, 일예로 한국등록특허 제0261752호 및 한국공개특허 제 2001-0076565호를 들 수 있는데, 이는 비등경수로의 수직형 격리응축기(Isolation condenser)와, 그 격리응축기와 열교환이 일어날 수 있는 냉각수를 포함하는 격리응축기 수조, 증기발생기와 상기 격리응축기를 연결하는 배관 및 보충수 탱크를 포함하고 있다.

그런데, 종래 경수로의 피동형 보조급수냉각시스템은 열교환기 냉각수조(PCCT)(1)의 냉각수가 모두 증발한 이후에는 피동보조급수계통의 냉각수조에 냉각수를 재보충해 주거나, 또는 종래의 냉각수조 보다 몇 배 더 크게 설계해야만 하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점으로 인해, 본 발명은, 피동급수계통의 냉각수조에서 증발하여 대기로 배출되는 증기를 냉각수조로 재충수시켜 냉각수 고갈 시간을 확대 연장시키는 수냉-공냉 복합 피동급수 장치 및 시스템을 제공하고자 한다.

한국 등록특허 제 10-0261752호 한국공개특허 제 2001-0076565호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래 피동급수계통의 냉각수조에서 대기로 증발하는 냉각수 증기를 공기냉각열교환기로 냉각시켜 냉각수조로 재순환시켜 냉각수 고갈 시간을 확대 연장시킨 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치 및 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명은, 격납건물의 내부와 연결되어 증기발생기의 열을 수냉방식을 이용하여 냉각시키기 위한 수냉열교환기, 상기 수냉열교환기를 내부에 포함하고, 증기발생기에서 발생된 주증기를 응축시키는 냉각수를 저장하기 위한 냉각수조, 상기 냉각수조와 연결되어 상기 냉각수조 내부의 상기 수냉열교환기에 의해 발생된 냉각수 증기가 유입되는 증발증기관, 상기 증발증기관과 연결되어 상기 증발증기관에 유입된 증기를 냉각하여 액화시키기 위한 공냉열교환기 및 상기 공냉열교환기에서 액화된 증기를 상기 냉각수조로 재충수시키기 위한 응축수회수관을 포함할 수 있다.

상기 냉각수조는, 압력용기로 형성될 수 있다.

상기 공냉열교환기는, 상기 냉각수조에서 생성된 냉각수 증기를 상기 증발증기관으로부터 공급받아 외부로 열을 방출하기 위한 방열기(radiator)를 포함할 수 있다.

상기 공냉열교환기는, 수평 열교환 응축튜브로 형성될 수 있다.

상기 수평 열교환 응축튜브는, 열 방출 효율을 높이기 위한 냉각핀(Fin)을 구비한 열교환 튜브로 형성될 수 있다.

상기 공냉열교환기는, 비응축가스의 방출을 위한 배관이 형성될 수 있다.

상기 비응축가스의 방출을 위한 배관은, 상기 방열기의 최상부배관이 외부 대기에 개방될 수 있다.

상기 방열기는, 적어도 두개 이상의 수직배관과 적어도 두개 이상의 수평배관이 교차되어 형성될 수 있다.

상기 수평배관은, 상기 응축된 증기가 상기 응축수 회수관 방향으로 흐를 수 있도록 경사가 형성될 수 있다.

상기 수평배관은, 상기 경사에 의해 상기 응축된 냉각수가 응축수회수관에서 연장 형성된 수직배관으로 유입될 수 있다.

상기 응축수회수관은, 상기 응축수회수관으로 역류하는 것을 방지하기 위해 상기 응축수회수관의 배출구가 상기 수냉열교환기의 최상단 위치보다 아래에 위치할 수 있다.

본 발명은, 격납건물의 외부에 위치하며 격납건물의 내부와 연결되어 증기발생기의 열을 수냉방식을 이용하여 냉각시키기 위한 수냉열교환기, 상기 수냉열교환기를 내부에 포함하고, 상기 증기발생기에서 발생된 주증기를 응축시키는 냉각수를 저장하기 위한 격납건물의 외부에 위치한 냉각수조, 상기 냉각수조와 연결되어 상기 냉각수조 내부의 상기 수냉열교환기에 의해 발생된 냉각수 증기가 유입되는 증발증기관, 상기 증발증기관과 연결되어 상기 증발증기관에 유입된 증기를 냉각하여 액화시키기 위한 공냉열교환기, 상기 공냉열교환기에서 액화된 증기를 상기 냉각수조로 재충수시키기 위한 응축수회수관, 상기 공냉열교환기 외부에 형성되어 하나의 공기유입구와 하나의 공기배출구를 구비한 중공형의 배관으로, 상기 공냉열교환기 외부의 공기흐름을 유도하기 위한 공기유도덕트 및 상기 공기유도덕트의 내부에 설치되어 공기의 흐름을 강제적으로 발생시키기 위한 냉각공기송풍부를 포함하는 피동급수냉각 시스템으로, 상기 피동급수냉각 시스템은 상기 격납건물의 4분면에 각각 형성될 수 있다.

상기 냉각공기송풍부는, 상기 공기유도덕트 내부 상단에 위치할 수 있다.

상기 냉각공기송풍부는, 상기 공기유도덕트 내부 하단에 위치할 수 있다.

상기 냉각공기송풍부는, 상기 공기유도덕트 내부 중간단에 위치할 수 있다.

상기 냉각공기송풍부는, 상기 공기유도덕트 내부 상단, 하단 및 중간단 중 적어도 둘 이상의 위치에 선택적으로 형성될 수 있다.

상기 공기유도덕트는, 상기 공기유입구가 지표면에 수평한 방향으로 연장 형성될 수 있다.

상기 냉각공기송풍부는, 공기의 흐름을 발생시키는 전동펜, 상기 전동펜을 구동시키기 위한 구동부를 포함할 수 있다.

상기 전동펜은, 적어도 3개 이상의 날개를 포함하며, 상기 전동펜은 상기 구동부가 구동되지 않을 경우 공기의 자연순환을 위해 상기 날개의 총 투영단면적이 상기 공기유도덕트 단면적의 1/3이하일 수 있다.

상기 구동부는, 모터로 구성될 수 있다.

대기로 증발되던 냉각수 증기를 자연순환 공냉열교환기로 응축시켜 냉각수조를 재충수 시킴으로 냉각수의 재충수로 인해 냉각수조의 냉각수 고갈 시간을 확대 연장시켜(예를 들어, 72시간 이상) 냉각시간을 길게 하여도 기존대비 냉각수조의 냉각수 용량을 증가시키지 않아도 가능할 수 있다.

냉각수 용량을 증가시킬 필요가 없어 적은 설비로 향상된 효과가 있으며, 이에따라 비용 절감 및 공정을 감소시킬 수 있다.

원자력발전소 소내외 전기의 공급에 관계없이 자연순환 공기냉각열교환기에 의한 공기냉각이 지속적으로 수행되고, 전원이 상실되어 전동펜이 정지하여도 별도의 전환기기의 작동없이 전동펜에 의한 강제순환 공기냉각에서 자연순환 공기 냉각으로 전환가능함으로 원자로의 사고시에도 냉각을 지속적으로 수행할 수 있다.

공냉열교환기를 냉각시키기 위한 공기유도덕트가 각각의 공기배출구를 구비하여, 하나의 공기배출구가 폐쇄될 경우, 서로 독립적으로 구동될 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 피동형 보조급수냉각 시스템이 도시된 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치가 도시된 수직단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템이 공냉열교환기를 확대하여 도시한 도면이다.
도 4 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템이 도시된 수직단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템이 도시된 수평단면도이다.
도 6(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 전동펜이 회전하는 경우가 도시된 도면이다.
도 6(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 전동펜이 회전하지 않는 경우가 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 냉각공기송풍부가 공기유도덕트 하단에 지표면과 수직 설치된 경우가 도시된 수직단면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 냉각공기송풍부가 공기유도덕트 하단에 지표면과 수평 설치된 경우가 도시된 수직단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 구동시간에 따른 원자로의 열부하를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 공냉열교환기의 열제거 용량에 따른 구동시간과 냉각수량(수위)를 나타낸 그래프이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 장치 및 시스템에 대해 상세하게 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당해 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.

본 발명은 격납건물의 외부에 위치하며 격납건물의 내부와 연결되어 증기발생기의 열을 수냉방식을 이용하여 냉각시키기 위한 수냉열교환기, 상기 수냉열교환기를 내부에 포함하고, 상기 증기발생기에서 발생된 주증기를 응축시키는 냉각수를 저장하기 위한 격납건물의 외부에 위치한 냉각수조, 상기 냉각수조와 연결되어 상기 냉각수조 내부의 상기 수냉열교환기에 의해 발생된 냉각수 증기가 유입되는 증발증기관, 상기 증발증기관과 연결되어 상기 증발증기관에 유입된 증기를 냉각하여 액화시키기 위한 공냉열교환기, 상기 공냉열교환기에서 액화된 증기를 상기 냉각수조로 재충수시키기 위한 응축수회수관, 상기 공냉열교환기 외부에 형성되어 하나의 공기유입구와 하나의 공기배출구를 구비한 중공형의 배관으로, 상기 공냉열교환기 외부의 공기흐름을 유도하기 위한 공기유도덕트 및 상기 공기유도덕트의 내부에 설치되어 공기의 흐름을 강제적으로 발생시키기 위한 냉각공기송풍부를 포함하는 피동급수냉각 시스템으로, 상기 피동급수냉각 시스템은 상기 격납건물의 4분면에 각각 형성된 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템을 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동보조급수냉각 장치의 수직단면도이다.

도 2를 참조하면, 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템은 수냉열교환기(210), 냉각수조(220), 증발증기관(230), 공냉열교환기(240), 응축수회수관(250), 공기유도덕트(260) 및 냉각공기송풍부(270)을 포함할 수 있다.

격납건물(10)은 고온의 내부온도를 발생시키는 원자로를 보호하고 방사성물질이 격납건물 외부 대기로 배출되지 않도록 하며 격납건물(10)의 내부에 증기발생기(20)가 형성되어있으며, 증기발생기(20)는 냉각수조 내부의 수냉열교환기(210)에 의해 주증기가 응축되어 급수관(30)을 통해 유입되며, 증기관(40)을 통해 기화된 주증기가 배출된다. 상기 주증기는 증기발생기(20), 증기관(40), 수냉열교환기(210) 및 급수관(30)을 순환하는 냉각제 일 수 있다.

수냉열교환기(210)는 급수관(30)과 증기관(40) 사이에 연결되어, 증기관(40)을 통해 유입된 주증기를 응축시키기 위한 장치로, 상기 냉각수조 내부의 냉각수에 의해 주증기를 응축시킨다. 수냉열교환기(210)에서 응축된 주증기는 급수관(30)을 통해 다시 증기발생기(20)의 내부에 유입될 수 있다. 상기 냉각수를 사용하여 응축시키는 방법은 수냉방식으로, 냉각은 빠르나 냉각수조에 냉각수가 없을 경우, 냉각이 불가능한 단점이 있다.

냉각수조(220)는 냉각수가 저장되는 용기일 수 있다. 냉각수조(220)는 수냉열교환기(210)에서 발생된 열을 내부에 저장된 냉각수를 통해 냉각시키며, 이로 인해 상기 냉각수는 증발될 수 있다. 냉각수조(220)는 상부에 덮개가 형성되어 냉각수조(220)에서 발생된 증기가 외부 대기로 유출되지 않도록 할 수 있다. 냉각수조(220)는 일정 압력이상에서 사용 가능한 압력용기일 수 있다. 상기와 같은 구조로 인해 냉각수조(220)에서 발생된 증기는 외부로 유출되지 않고 증발증기관(230)으로 대부분 유입될 수 있다.

증발증기관(230)은 상기 냉각수조(220)에서 발생된 증기가 유입될 수 있다. 증발증기관(230)은 냉각수조(220)의 상부에 설치되어 공냉열교환기(240)와 연결되며, 냉각수조(220)에서 발생된 냉각수 증기의 압력에 의해 상기 냉각수 증기는 공냉열교환기(240)로 유입될 수 있다.

공냉열교환기(240)는 증발증기관(230)에서 유입된 냉각수 증기의 열을 외부로 방출하기 위한 방열기(radiator)일 수 있다. 방열기(radiator)는 외부로 열을 방출하기 위한 장치로, 이를 효율적으로 수행하기 위하여 표면적이 넓게 형성된 구조일 수 있다. 공냉열교환기(240)는 증발증기관(230)에서 증기가 유입될 수 있으나, 상기 증발증기관(230)에서 유입된 증기가 다량일 경우 공냉열교환기(240)의 설계압력이 매우 높아야 하며, 이러한 경우 안정성 및 제조비용의 문제가 생긴다.

따라서, 상기 증발증기관(230)에서 유입된 증기에 의해 공냉열교환기(240) 내부의 압력이 현저하게 상승되는 것을 방지하기 위하여 공냉열교환기(240)의 상부 배관중 일부(247)가 외부 대기에 개방될 수 있다. 상기와 같은 공냉열교환기(240)의 구성으로 압력이 과다한 증기 및 응축되지 못한 비응축 가스 중 일부가 공냉열교환기(240)의 대기 개방부(247)을 통해 외부 대기로 배출될 수 있다. 공냉열교환기(240)의 대기 개방부(247)에는 오리피스를 달아 대기개방 면적을 조정가능하게 구성 할 수 있다. 이하, 도 3을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 공냉열교환기(240)는 다수의 수직방향의 배관(243) 및 다수의 수평방향의 배관(245)이 교차되어 형성되고, 상기 다수의 수평방향의 배관(245)은 기울기를 가지게 되어, 공냉열교환기(240) 내부에서 액화된 냉각수 증기(응축수)는 수평방향의 배관을 따라 흐르면서 응축수회수관을 통해 냉각수조로 재충수될 수 있다. 상기 기울기는 상기 공냉열교환기(240) 내부에서 액화된 냉각수 증기(응축수)가 수평방향의 배관을 따라 흐르면서 응축수회수관으로 유입될 수 있도록 적당한 기울기(약 -3도 이상)를 갖는 것이 바람직하다. 상기 다수의 수평방향의 배관(245)은 외부와의 접촉면적을 넓히기 위해 다수의 돌기(Fin)를 구비할 수 있다. 수직방향의 배관(243)들 중 하나는 연장 형성되어 응축수회수관(250)과 연결될 수 있다. 상기 연장 형성되어 응축수회수관(250)과 연결된 수직방향의 배관(243)은 다수의 수평방향의 배관(245)의 기울기에 의해 상기 응축수가 유입될 수 있다.

상기 응축수회수관(250)은 공냉열교환기(240)에서 냉각수조(220) 방향으로 연장된 배관이다. 응축수회수관(250)은 냉각수조(220)에서 발생된 증기가 증발증기관(230)을 통해 공냉열교환기(240)로 유입될 때, 냉각수조(220)에서 발생된 증기가 응축수회수관(250)을 통해 공냉열교환기(240)로 유입되지 않도록 구성된다. 역류방지를 위해 응축수회수관(250)의 배출구가 냉각수조(220) 내부 냉각수의 최저 자유수면 아래에 위치하도록 구성될 수 있으며, 이는 응축수회수관(250) 내부에 위치한 냉각수의 수두(head)가 냉각수조(220)와 공냉열교환기(240)의 연결지점인 증발증기관(230)의 저항보다 더 크게 형성되어 응축수회수관(250)을 통해 상기 냉각수 증기가 공냉열교환기(240)로 역류되는 것을 방지할 수 있다. 상기 구성은 응축수회수관(250)의 배출구가 냉각수조(220) 내부 냉각수의 최저 자유수면보다 아래에 위치하는 구성이 될 수 있으며, 바람직하게는 냉각수조(220) 내부 냉각수의 최저 자유수면 보다 아래에 위치하는 구성이 될 수 있다. 응축수회수관(250)의 배출구가 냉각수조(220) 내부 냉각수의 최저 자유수면보다 위에 위치하는 경우, 수냉열교환기(210)에 의해 발생된 냉각수 증기는 응축수회수관(250)을 통해 상기 냉각수 증기가 공냉열교환기(240)로 역류될 수 있다.

공기유도덕트(260)는 공냉열교환기(240)를 냉각시킬 때, 자연순환 공기냉각의 효율을 더욱 높여줄 수 있다. 공기유도덕트(260) 내부에 공냉열교환기(240)가 위치하고, 공기유도덕트(260)는 공기유입구와 공기배출구가 각각 형성된 상하로 형성된 중공형의 배관 형상으로 격납건물의 외벽에 부합하는 형상일 수 있다. 상기 굴뚝의 구조와 공냉열교환기(240)의 열로 인해 공기유도덕트(260)의 내부는 연돌효과가 발생할 수 있으며, 이는 공기유도덕트(260)의 하부에서 공기유도덕트(260)의 상부로 공기의 흐름을 형성한다. 상기 연돌효과에 의해 발생된 상승기류로 인해 공냉열교환기(240)의 자연순환냉각은 더욱 신속해 질 수 있다.

냉각공기송풍부(270)는 구동부(273) 및 전동펜(275)를 포함하며, 공기유도덕트(260)의 통로 내부에 설치된 전동펜(275)으로, 공기유도덕트(260) 내부의 상승기류를 강제적으로 발생시킬 수 있다. 이는 자연적으로 발생되는 상승기류의 보다 많은 양의 공기가 흐를 수 있도록 하며, 이러한 구성으로 인해 공냉열교환기(240)의 냉각효율이 증대될 수 있다. 전동펜(275)은 구동부(273)에 의해 구동될 수 있으며, 구동부(273)는 모터일 수 있다. 이하 전동펜(275)은 도 6를 참조하여 하기에 더욱 상세하게 설명한다.

도 4 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템이 도시된 수직단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 공기유도덕트(260)은 하나의 공기유입구 및 하나의 공기배출구를 구비하며, 지표면과 수직한 방향으로 상하로 형성된 중공형의 배관으로, 공기유도덕트(260)의 하부에 상기 공기유입부가 형성되며, 공기유도덕트(260)의 상부에 상기 공기배출구가 형성된다. 공기유도덕트(260)의 내부에 적어도 하나 이상의 냉각공기송풍부(270)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 공기유입부는 공기유도덕트(260)의 하부에 지표면과 수평한 방향으로 형성될 수 있으며, 상기 수평방향의 공기유입부 내부에 냉각공기송풍부(270)가 형성될 수 있다. 상기 냉각공기송풍부(270)는 공기유도덕트(260)의 상단, 하단 및 중간단 중 어떤 곳이든 설치될 수 있으며, 공기유도덕트(260)의 하단에 설치되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되지 않는다. 냉각공기송풍부(270)가 공기유도덕트(260)의 하단에 설치될 경우, 상기 냉각공기송풍부(270)의 교체, 유지 및 보수가 용이해질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템을 나타낸 수평단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템은 격납건물(10) 외부에 4개로 분할하여 구성될 수 있다. 상기 다수의 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템은 다수의 냉각기를 사용함으로 인해 냉각의 효율을 증대시킬 수 있고, 사고로 인하여 일부 냉각기가 가동되지 않을 경우에도 냉각의 유지가 가능할 수 있다. 4개중 1개의 냉각기가 고장시 잔열의 약 100% 냉각능력 보유를 위해, 상기 4개의 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템은 하나당 격납건물(10) 내부의 원자로에서 방출되는 잔열의 33%이상을 냉각시키는 열제거 용량을 갖도록 구성할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 냉각공기송풍부의 동작을 도시한 도면이다.

도 6(a)를 참조하면, 냉각공기송풍부(270)는 전동펜(275) 및 구동부(273)를 포함할 수 있다. 냉각공기송풍부(270)는 공기유도덕트(260)의 통로 내부에 형성되며, 그 위치는 제한되지 않는다. 전동펜(275)은 구동부(273)에 의해 구동되며, 구동부(273)은 회전운동을 발생시키는 장치로, 모터일 수 있다. 전동펜(275)의 회전에 의해 공기유도덕트(260) 내부에서 발생하는 상승기류(k1)가 증대될 수 있다. 그러나, 원자로의 사고로 인해 전력이 수급되지 않을 경우, 상기 전동펜(275)이 회전되지 않을 수 있다. 이때, 전동펜(275)의 면적이 넓을 경우, 상승기류의 발생이 제한될 수 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 전동펜(275)의 면적을 최소화 할 수 있다.

도 6(b)를 참조하면, 전동펜(275)의 면적은 공기유도덕트(260) 내부에서 발생하는 자연상승기류(k2)의 통과를 최대화하기 위해, 전동펜(275)의 면적은 공기유도덕트(260)의 단면적의 1/3 이하로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기와 같은 구성으로 인해 본 발명에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템은 전력이 수급 될 경우, 전동펜(275)의 구동으로 강제순환을 가능하게 하며, 전력이 수급되지 않아 전동펜(275)의 구동이 되지 않을 경우, 자연순환을 가능하게 한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 냉각공기송풍부가 공기유도덕트 하단에 지표면과 수직 설치된 경우가 도시된 수직단면도이다.

도 7을 참조하면, 공기유도덕트(260) 내부에 공냉열교환기(240)가 위치하고, 공기유도덕트(260)는 공기유입구와 공기배출구가 각각 형성된 상하로 형성된 중공형의 배관 형상으로 격납건물의 외벽에 부합하는 형상일 수 있다. 공기유도덕트(260)는 공기유입구가 냉각수조(220)의 형상에 부합될 수 있도록 연장 형성되며, 상기 공기유입구는 지표면에 수직한 방향으로 설치될 수 있다. 또한, 냉각공기송풍부(270)는 상기 공기유입구에 설치 될 수 있고, 상기 공기유입구의 형상에 따라 냉각공기송풍부(270)는 지표면에 수직한 방향으로 설치될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 냉각공기송풍부가 공기유도덕트 하단에 지표면과 수평 설치된 경우가 도시된 수직단면도이다.

도 8을 참조하면, 공기유도덕트(260) 내부에 공냉열교환기(240)가 위치하고, 공기유도덕트(260)는 공기유입구와 공기배출구가 각각 형성된 상하로 형성된 중공형의 배관 형상으로 격납건물의 외벽에 부합하는 형상일 수 있다. 공기유도덕트(260)는 냉각수조 상측에 지표면과 수평한 방향으로 연장형성된 공기유입구가 형성될 수 있다. 또한, 냉각공기송풍부(270)는 상기 공기유입구에 설치 될 수 있고, 상기 공기유입구의 형상에 따라 냉각공기송풍부(270)는 지표면에 수평한 방향으로 설치될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 구동시간에 따른 원자로의 열부하를 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 사고발생 초기 원자로의 내부에 고온의 열이 발생하고, 상기 고온의 열로 인해 다량의 열부하가 발생된다. 상기 열부하는 초기에 열제거 용량이 큰 수냉방식의 냉각시스템에 의해 빠르게 냉각될 수 있으며, 열방출이 약화되는 사고 후반기는 열제거 용량이 수냉방식보다는 작지만 냉각수 고갈문제가 없어 거의 무한시간 냉각이 가능한 공냉방식으로 냉각시켜 열교환기의 과도한 체적의 증가를 방지하면서 필요한 냉각능력을 동시에 확보할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 공냉열교환기(240)의 열제거 용량에 따른 구동시간과 냉각수량(수위)를 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 기존 방식의 피동보조급수냉각계통으로 증기발생기 열을 냉각수조의 수냉열교환기로 냉각시킬 때, 사고발생 이후 X1 시점부터 냉각수조의 냉각수 기화가 시작되어 약 8시간에 도달하면 냉각수가 모두 증발되어 냉각수조가 고갈되게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템은 기화된 냉각수를 공냉 방식을 통해 응축시켜, 냉각수조로 재충수시키게 되어, 냉각수의 고갈시간을 연장시킬 수 있으며, 상기 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 공냉열교환기의 증기 응축 용량 증가에 따라 냉각수의 고갈시간을 더욱 연장시킬 수 있으며, 최소 72시간 이상의 고갈시간을 가질 수 있다. 만약 기존 방식의 피동보조급수냉각계통에서 냉각수조로부터 대기로 배출되는 증기를 100% 모두 응축시켜 냉각수조로 재순환시키면 냉각수 수위는 전혀 감소하지 않음을 의미하며, 72 시간 이상의 수준의 냉각시간 용량을 갖기 위해서는 공냉열교환기가 적정한 수준의 증기응축 용량을 보유하면 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템의 구성이 가능함을 나타내고 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 피동급수계통의 냉각수조로부터 대기로 방출되는 냉각수 증기를 공냉열교환기로 응축시켜 재충수시키므로 냉각수의 고갈에 따른 기존 피동급수계통의 8시간 냉각시간을 72시간 이상으로 대폭 확대할 수 있다. 즉, 종래의 피동급수계통의 냉각수조의 체적을 몇 배 더 크게 설계하지 않고도 냉각시간을 72시간 이상으로 대폭 확대할 수 있다. 따라서, 피동급수계통의 냉각수조 체적 증가 문제와, 냉각수조의 체적 증가에 따른 원자로 보조건물의 벽체두께 증가 문제를 동시에 해결할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 기존 피동급수계통의 고압압력경계와 공기냉각 열교환기 계통의 압력경계가 완전히 분리되어 공기냉각 열교환기 계통의 열전달면적 증가에 따른 기존 피동급수계통의 고압압력경계 파손 가능한 부위의 증가가 전혀 없다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 공냉열교환기의 작동이나 정지에 필요한 밸브나 펌프 등의 제어기기가 전혀 필요없이 구성되어, 해당기기의 고장 가능성이 전혀 발생하지 않는다. 원자력 발전소 소내외의 전원 공급이 가능한 상황에서 작동되는 강제 순환 공기냉각 펜은 전력이 수급되지 않아 정지되면, 펜의 회전날개 사이의 개방면적으로 냉각 공기가 자연순환되는 구조로 되어 있어서, 능동/피동 전환제어기기가 필요하지 않다.

또한, 격납건물의 4분면에 각각 설치된 냉각시스템으로 인해 서로 독립적인 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템으로 구동되어, 하나의 공기배출구가 폐쇄되어 하나의 냉각시스템이 구동되지 않을 경우, 또 다른 냉각시스템은 독립적으로 구동될 수 있다.

210: 수냉열교환기
220: 냉각수조
230: 증발증기관
240: 공냉열교환기
250: 응축수회수관
260: 공기유도덕트
270: 냉각공기송풍부
273: 구동부
275: 전동펜

Claims

격납건물의 내부와 연결되어 증기발생기의 열을 수냉방식을 이용하여 냉각시키기 위한 수냉열교환기;
상기 수냉열교환기를 내부에 포함하고, 상기 증기발생기에서 발생된 주증기를 응축시키는 냉각수를 저장하기 위한 냉각수조;
상기 냉각수조와 연결되어 상기 냉각수조 내부의 상기 수냉열교환기에 의해 발생된 냉각수 증기가 유입되는 증발증기관;
상기 증발증기관과 연결되어 상기 증발증기관에 유입된 증기를 냉각하여 액화시키기 위한 공냉열교환기;
상기 공냉열교환기에서 액화된 증기를 상기 냉각수조로 재충수시키기 위한 응축수회수관;
상기 공냉열교환기 외부에 형성되어 공기유입구와 공기배출구를 구비한 중공형의 배관으로, 상기 공냉열교환기 외부의 공기흐름을 유도하기 위한 공기유도덕트; 및
상기 공기유도덕트의 내부에 설치되어 공기의 흐름을 강제적으로 발생시키기 위한 냉각공기송풍부를 포함하는 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 냉각수조는,
압력용기로 형성되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 공냉열교환기는,
상기 냉각수조에서 생성된 냉각수 증기를 상기 증발증기관으로부터 공급받아 외부로 열을 방출하기 위한 방열기(radiator)를 포함하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 공냉열교환기는,
수평 열교환 응축튜브로 형성되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 4에서,
상기 수평 열교환 응축튜브는,
열 방출 효율을 높이기 위한 냉각핀(Fin)을 구비한 열교환 튜브로 형성되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 공냉열교환기는,
비응축가스의 방출을 위한 배관이 형성되어 있는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 3에서,
상기 공냉열교환기는, 비응축가스의 방출을 위한 배관을 포함하며,
상기 비응축가스의 방출을 위한 배관은,
상기 방열기의 최상부배관이 외부에 개방되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 3에서,
상기 방열기는,
적어도 두개 이상의 수직배관과 적어도 두개 이상의 수평배관이 교차되어 형성되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 8에서,
상기 수평배관은,
상기 냉각수 증기가 상기 응축수 회수관 방향으로 흐를 수 있도록 경사가 형성된 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 9에서,
상기 수평배관은,
상기 경사에 의해 상기 응축된 냉각수가 응축수회수관에서 연장 형성된 수직배관으로 유입되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 10에서,
상기 응축수회수관은,
상기 응축수회수관으로 역류하는 것을 방지하기 위해 상기 응축수회수관의 배출구가 상기 수냉열교환기의 최상단 위치보다 아래에 위치하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 냉각공기송풍부는,
상기 공기유도덕트 내부 상단에 위치하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 냉각공기송풍부는,
상기 공기유도덕트 내부 하단에 위치하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 냉각공기송풍부는,
상기 공기유도덕트 내부 중간단에 위치하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 냉각공기송풍부는,
상기 공기유도덕트 내부 상단, 하단 및 중간단 중 적어도 둘 이상의 위치에 선택적으로 형성되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 공기유도덕트는,
상기 공기유입구가 지표면에 수평한 방향으로 연장 형성되는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1에서,
상기 냉각공기송풍부는,
공기의 흐름을 발생시키는 전동펜;
상기 전동펜을 구동시키기 위한 구동부를 포함하는 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 17에서,
상기 전동펜은,
적어도 3개 이상의 날개를 포함하며, 상기 전동펜은 상기 구동부가 구동되지 않을 경우 공기의 자연순환을 위해 상기 날개의 총 투영단면적이 상기 공기유도덕트 단면적의 1/3이하인 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 17에서,
상기 구동부는,
모터로 구성된 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.
청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피동급수냉각 시스템은 상기 격납건물의 4분면에 각각 형성된 수냉-공냉 복합 피동급수냉각 시스템.