KR101501463B1

KR101501463B1 - 원자로 냉각장치

Info

Publication number: KR101501463B1
Application number: KR20130123411A
Authority: KR
Inventors: 정욱철; 김용규; 감기술; 양인석
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-03-12

Abstract

본 발명의 원자로 냉각장치는 연료봉 및 상기 연료봉을 제어하는 제어봉이 내부에 위치하며, 내부에 가압수가 충진되고, 상기 가압수를 가압하는 가압기를 포함하는 원자로; 상기 원자로를 냉각하는 냉각부; 및 상기 냉각부로부터 열을 공급받아 증기를 발생시키는 증기발생기;를 포함하되, 상기 냉각부는 상기 원자로의 내부에 하부가 위치하고, 상기 가압수를 냉각하는 흡열부; 상기 흡열부로 냉각유체를 공급하는 액체상 이송관; 상기 흡열부에서 가열된 증기를 배출하는 증기상 이송관; 및 상기 증기상 이송관을 통해 상기 흡열부에서 가열된 증기를 공급받아 냉각되는 방열부; 를 포함한다.

Description

원자로 냉각장치{Cooling Apparatus for Reactor}

본 발명을 원자로를 냉각하는 장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 별도의 냉각부를 이용하여 가압수를 냉각하여 가압수가 외부로 유출입 되지 않는 원자로 냉각장치를 제공한다.

일반적으로 원자로는 핵폭발 때 순간적으로 방출되는 다량의 에너지가 목적하는 바에 따라 서서히 방출되도록 조절함으로써 핵에너지를 실생활에 활용할 수 있다.

보통의 화력로가 물질의 연소열을 이용하는데 반해 원자로는 핵분열반응의 결과 발생하는 질량결손 에너지를 이용하는 점에서 차이가 있다. 즉, 연소열에 의해 자동으로 연소가 확대되는 화력로와 달리 원자로는 연료의 핵분열 때에 방출되는 중성자를 매개체로 하여 핵분열을 지속하게 된다.

따라서, 원자로에서는 핵연료에 흡수되는 중성자수를 제어함으로써 핵연료의 연소를 조절하는데, 원자로 내의 핵분열을 지속시키기 위해서는 핵분열시 방출되는 중성자 중에서 다시 핵연료에 흡수되어 재차 핵분열을 일으키는 수가 최소한 1개 이상이어야 한다. 만약 그 수가 1일 때에는 핵분열반응은 감소하지도 증가하지도 않고 일정하게 유지되며, 이 상태를 원자로의 임계라고 한다.

또한, 그 수가 1을 초과할 때는 핵분열반응의 수도 점점 증가하게 되는데 이를 초임계상태라 하며, 그 반대의 경우를 미임계상태라 한다. 일반적으로 원자로를 일정한 출력으로 운전할 때는 이를 임계상태로 두거나 약간의 임계초과상태로 하여 여분의 중성자를 적당한 물질에 흡수시키는 방법을 취한다.

1회의 핵분열에서 방출되는 중성자수는 우라늄 235의 경우 평균 2개 정도이지만, 이들 모두가 재차 핵분열에 기여하는 것은 아니고 원자로 외부로의 누설, 또는 비핵분열성 물질에의 흡수 등에 의해 그 수가 감소하므로 원자로를 계속 운전하기 위해서는 이러한 중성자 손실을 최소로 해야만 한다.

원자로를 이용하여 전기를 생산하는 것을 원자력 발전이라고 하며, 상기 원자력 발전은 원자로에서 발생한 에너지로 물을 가열하고 이때 발생하는 증기를 이용하여 터빈 발전기를 가동시키는 원리이다.

도 1은 종래의 원자로 냉각장치의 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 원자로 냉각장치는 원자력 발전소는 크게 에너지를 발생시키는 원자로(10'), 냉각재를 공급하는 펌프(11'), 증기 발생을 위해 공급되는 급수를 증기로 변환시키는 증기발생기(20') 및 원자로 냉각 계통의 압력 및 체적 제어를 위한 가압기(12')로 구성되어 있다.

상기 원자로 냉각재 계통에는 냉각재를 순환시키기 위한 원자로 냉각 펌프(11')가 구비되어 있다.

즉, 종래의 원자로는 원자로(10') 내 가압수를 냉각 펌프(11')를 이용하여, 증기발생기로 보내 열을 방출하는 구조를 가진다.

이러한 구조는 외부요인에 의해 냉각계통에 전원 공급이 중단될 경우, 냉각제를 순환시키는 펌프(11')의 작동중단으로 인해 원자로(10') 온도의 이상 상승이 발생하여 원자로 사고 발생 가능성이 있는 문제점이 있었다.

또한, 냉각제를 순환시키는 펌프 동력에 의해 발전 효율이 감소하는 문제점이 있었다.

대한민국공개특허 제 1994-0026975호 대한민국공개특허 제 2013-0026038호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 원자로 냉각장치는 종래의 펌프를 이용하여 강제 냉각제 순환 방식에서 탈피하여 자연순환식 냉각부를 이용함으로써 원자로의 신뢰성을 높일 수 있으며, 발전 효율을 증가할 수 있다.

또한, 상기 흡열부는 내부에 윅이 위치하고, 상기 윅은 상부가 개방되고, 중앙에 윅 중공부가 형성되는 원통형으로 제작되며, 다공질 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액체상 이송관은 상기 윅 중공부에 단부가 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 흡열부는 제1 흡열부와 제2 흡열부를 포함하되, 상기 액체상이송관은 2개의 관으로 분배되어, 상기 제1 흡열부와 상기 제2 흡열부로 냉각유체를 공급하며, 상기 증기상이송관은 상기 제1 흡열부와 상기 제2 흡열부에 연결된 2개의 관이 합쳐져 상기 방열부로 가열된 증기를 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원자로 냉각부는 복수개의 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 원자로 냉각장치는 자연순환식 냉각부를 포함함으로써, 냉각재를 순환시키기 위한 펌프가 불필요하여 원자로의 신뢰성 및 발전효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 원자로 내부의 가압수가 외부로 유출되지 않는 밀폐형 구조를 가짐으로써 사고 시 방사능 유출의 최소화가 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 원자로 냉각장치 개략도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자로 냉각장치 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각부 개략도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자로 냉각장치 개략도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자로 냉각장치 개략도.

본 발명의 원자로 냉각장치는 에너지를 발생시키는 원자로(10), 상기 원자로(10)를 냉각시키는 냉각부(20), 및 상기 냉각부(20)로부터 열에너지를 공급받는 증기발생기(30)를 포함한다.

상기 원자로(10)는 핵연료가 핵분열 과정을 통해서, 열에너지를 발생하며, 이때 발생하는 열에너지를 이용하여 가압수를 가열한다.

상기 냉각부(20)는 상기 원자로(10)에서 가열된 가압수로부터 열에너지를 공급받아, 공급되는 열에너지를 이용하여 액체상태의 냉각유체를 증기상태로 변환한다.

상기 증기발생기(30)는 상기 냉각부(20)의 냉각유체를 이용하여, 냉각유체의 열에너지로 급수를 가열하여 증기상태의 급수로 변환시키며, 증기상태의 급수를 증기터빈으로 공급하는 역할을 한다.

이하, 여러 가지 실시예를 바탕으로 본 발명의 원자로 냉각장치를 상세히 설명한다.

[제1 실시예]

도 2와 도 3을 이용하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자로 냉각장치에 대해서 설명한다.

상기 원자로(10)는 핵연료인 우라늄을 피복관으로 싼 원형막대형태인 연료봉(11) 및 상기 연료봉(11)을 제어하는 제어봉(12)이 내부에 위치하며, 상기 원자로(10)의 내부에는 가압수가 충진되어 있으며, 원자로 냉각 계통의 압력 및 체적 제어를 위해 상기 가압수를 가압하는 가압기(13)를 포함한다.

상기 냉각부(20)는 흡열부(100), 방열부(400), 액체상 이송관(200), 및 증기상 이송관(300)을 포함한다.

상기 흡열부(100)는 상기 원자로(10)의 내부에 위치하고, 상기 가압수의 열에너지를 흡수하는 역할을 한다.

상기 흡열부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 윅(101)을 경계로 아래쪽에 위치한 하부가 상기 원자로(10)의 내부에 위치하고, 윅(101)의 상부는 외부에 위치하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 흡열부(100)와 상기 원자로(10)가 접하는 부분은 가압수가 외부로 누출되지 않도록 밀봉되는 것은 당연하다.

또한, 상기 흡열부(100)는 원자로에서 발생된 열을 받아 증발된 증기상의 냉각유체를 방열부(400)로 이송시키기 위해서 내부에 윅(101)이 위치한다.

상기 윅(101)은 다공질 모양으로 형성되어, 표면적이 넓어 빠르게 열을 전달할 수 있는 것이 바람직하다.

상술한 다공질 모양으로 형성된다는 것은 수 마이크로미터 정도의 크기의 복수개 기공이 천공되는 것을 뜻한다.

또한, 상기 윅(101)은 상부가 개방되고, 중앙에 중공부가 형성되는 원통형으로 제작된다.

상기 냉각유체는 상기 윅(101)을 통과하면서 액체상태에서 증기상태로 상태변화하게 된다.

좀 더 상세하게는, 상기 윅(101)은 공급된 액체상의 냉각유체가 상기 윅(101)을 통과하여 상기 윅(101)의 바깥면으로 이송되며, 상기 윅(101)의 바깥면으로 이송된 액체상의 냉각유체는 원자로에서 발생된 열이 전달됨에 따라 상변화 하여 증기상으로 상변화하게 된다.

이때, 상기 윅(101)을 경계로 한 흡열부(100)의 상부에는 증기상과 액체상의 냉각유체가 공존하게 되고, 상기 윅(101)의 바깥면에도 액체상과 증기상의 냉각유체가 공존하게 되므로 두 지점 간에는 열역학적 포화 증기압차가 발생하게 되며, 이 포화 증기압차를 이용하여 증기상의 작동유체가 방열부를 통과하여 다시 흡열부의 상부로 유입되게 된다.

이때, 상기 윅(101)의 바깥면에서 발생한 증기상의 냉각유체가 윅을 투과하여 상기 흡열부(100)의 상부로 직접 침투하는 것을 방지하기 위해 상기 윅(101)은 충분히 작은 크기의 미세기공을 가지도록 형성하여 충분한 크기의 모세관 압력차가 형성되도록 함이 바람직하다.

상기 액체상 이송관(200)은 상기 흡열부(100)로 냉각유체를 공급하는 역할을 한다.

상기 액체상 이송관(200)은 냉각유체가 공급되는 단부가 상기 윅(101)의 중공부에 위치하여, 상기 윅(101)에 직접적으로 냉각유체를 공급하여 열전달 효율을 극대화하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 윅(101)과 상기 액체상 이송관(200)의 단부의 거리가 상기 액체상 이송관(200)의 폭의 0.5~2배 이격되어 냉각유체가 균일하게 퍼지는 것을 바람직하다.

상기 증기상 이송관(300)은 상기 흡열부(100)에서 냉각유체가 상기 윅(101)을 통과하면서 가열되어 증기상태로 된 냉각유체를 배출하는 역할을 하며, 상기 흡열부(100)의 하부에 연결된다.

상기 방열부(400)는 상기 증기상 이송관(300)을 통해 증기상태로 된 냉각유체가 열에너지를 상기 증기발생기(30)로 공급하여 액체상태의 냉각유체로 변환된다.

상기 증기발생기(30)는 내부에 상기 방열부(400)가 위치하여, 공급된 급수가 상기 방열부(400)를 통해 가열되어 증기상태로 열적상태가 변화된다.

상기 증기발생기(30)는 상기 냉각부(20)에서 공급된 증기상태의 냉각유체를 이용하여, 냉각유체의 열에너지로 급수를 가열하여 증기상태의 급수로 변환시키며, 증기상태의 급수를 터빈 발전기로 공급하여, 터빈 발전기를 가동시켜 전기를 생산하게 된다.

상기 냉각부(20)는 상기 흡열부(100)에서 상기 윅(101)을 경계로 포화 온도차에 의해 발생하는 포화 증기압차에 의해서 냉각유체가 유동하게 되어, 별도의 모터가 불필요하며 자연순환식으로 작동하여 에너지효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

[제2 실시예]

도 4를 이용하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자로 냉각장치에 대해서 설명한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 원자로 냉각장치는 2개의 흡열부(100)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 상세하게는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자로 냉각장치는 상기 흡열부(100)가 제1 흡열부(110)와 제2 흡열부(120)를 포함한다.

또한, 상기 제1 흡열부(110)와 상기 제2 흡열부(120)에 냉각유체를 각각 공급하기 위해서, 상기 액체상 이송관(200)은 2개의 관으로 분배되어, 각각의 상기 제1 흡열부(110)와 상기 제2 흡열부(120)로 냉각유체를 공급한다.

또한, 상기 증기상 이송관(300)은 상기 제1 흡열부(110)와 상기 제2 흡열부(120)에 각각 연결된 2개의 관이 합쳐져 상기 방열부(400)로 가열된 증기를 공급한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 원자로 냉각장치는 2개의 흡열부(100)를 포함하여, 좀 더 효율적으로 열에너지를 상기 원자로(10)로부터 공급받을 수 있는 장점이 있다.

하지만, 본 발명의 원자로 냉각장치는 2개의 흡열부(100)를 포함하는 것에 한정되는 것이 아니라 3개 이상의 흡열부(100)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 냉각부(20)는 3개의 흡열부(100)를 포함할 경우, 상기 액체상 이송관(200)은 3개의 관으로 분배되고, 상기 증기상 이송관(300)은 3개의 관이 합쳐지는 것은 당연하다.

[제3 실시예]

도 5를 이용하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자로 냉각장치에 대해서 설명한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 원자로 냉각장치는 복수개의 냉각부(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각부(20)는 제1 냉각부(21)와 제2 냉각부(22)를 포함하며, 각각의 냉각부(20)는 동일한 구성을 가지며, 각각의 방열기(400)에 증기발생기(30)가 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 원자로 냉각장치는 복수개의 냉각부(20)를 구비함으로써, 하나의 냉각부(20)가 파손되더라도 다른 냉각부(20)가 작용하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

하지만, 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자로 냉각장치는 상기 제1 냉각부(21)와 상기 제2 냉각부(22)의 방열부(400)가 하나의 증기발생기(30) 내부에 위치하여 열에너지를 공급할 수도 있다. (미도시)

따라서, 본 발명의 원자로 냉각장치는 펌프가 불필요하는 자연순환식으로 구성되어, 발전효율을 증가시킬 수 있으며, 연료봉에 의해서 가열되는 가압수가 외부로 유출입하지 않아 원자로의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상기한 서술한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10 : 원자로 11 : 연료봉
12 : 제어봉 13 : 가압기
20 : 냉각부 21 : 제1 냉각부
22 : 제2 냉각부
30 : 증기발생기
100 : 흡열부 101 : 윅
110 : 제1 흡열부
120 : 제2 흡열부
200 : 액체상액체상 이송관
300 : 증기상 이송관
400 : 방열부

Claims

원자로를 냉각하는 원자로 냉각장치에 있어서,
연료봉 및 상기 연료봉을 제어하는 제어봉이 내부에 위치하며, 내부에 가압수가 충진되고, 상기 가압수를 가압하는 가압기를 포함하는 원자로; 상기 원자로를 냉각하는 냉각부; 및 상기 냉각부로부터 열을 공급받아 증기를 발생시키는 증기발생기;를 포함하되,
상기 냉각부는
상기 원자로의 내부에 하부가 위치하고, 상기 가압수를 냉각하는 흡열부;
상기 흡열부로 냉각유체를 공급하는 액체상 이송관;
상기 흡열부에서 가열된 증기를 배출하는 증기상 이송관; 및
상기 증기상 이송관을 통해 상기 흡열부에서 가열된 증기를 공급받아 냉각되는 방열부;를 포함하며,
상기 흡열부는 내부에 윅이 위치하고, 상기 윅은 상부가 개방되고, 중앙에 중공부가 형성되는 원통형으로 제작되며, 다공질 모양으로 형성되며,
상기 윅을 경계로 한 흡열부의 상부에는 증기상과 액체상의 냉각유체가 공존하게 되고, 상기 윅의 바깥면에도 액체상과 증기상의 냉각유체가 공존하게 되므로 두 지점 간에는 열역학적 포화 증기압차가 발생하게 되며, 이 포화 증기압차를 이용하여 증기상의 작동유체가 방열부를 통과하여 다시 흡열부의 상부로 유입되며,
상기 액체상 이송관은 상기 윅의 중공부에 단부가 위치하며,
상기 윅과 상기 액체상 이송관의 단부의 거리가 상기 액체상 이송관의 폭의 0.5~2배 이격되는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각장치.
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삭제
제1항에 있어서,
상기 흡열부는 제1 흡열부와 제2 흡열부를 포함하되,
상기 액체상이송관은 2개의 관으로 분배되어, 상기 제1 흡열부와 상기 제2 흡열부로 냉각유체를 공급하며,
상기 증기상이송관은 상기 제1 흡열부와 상기 제2 흡열부에 연결된 2개의 관이 합쳐져 상기 방열부로 가열된 증기를 공급하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 원자로 냉각장치는 복수개의 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각장치.