KR101503271B1 - 일체형 히트파이프 - Google Patents

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김지현
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박성대
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명에 따르면, 원자로 용기의 내부로 삽입되어 원자로 용기 내부에 배치된 노심(10)의 잔열을 제거하기 위한 일체형 히트파이프에 있어서, 수평방향으로 배치된 고리형상으로 형성되며, 내부에는 냉각수가 순환되기 위한 환류공간부(111)가 둘레를 따라 연통되게 형성된 응축부(110); 상기 응축부(110)의 상부에 상하방향으로 위치하되, 하단이 상기 응축부(110)의 상단에 체결되면서 상기 환류공간부(111)에 연통되도록 상기 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격 이격되어 장착되며, 외부로부터 냉각수를 공급받아 상기 환류공간부(111)에 주입하는 복수 개의 구동축관(120); 및 상기 응축부(110)의 하부에 상하방향으로 위치하되, 내부에 저장된 작동유체(131)를 순환시키는 윅부(132)의 상부가 상단으로 돌출되게 배치되며, 돌출된 윅부(132)의 상부는 상기 응축부(110)의 하단에 관통삽입되면서 상기 환류공간부(111)의 내부로 돌출되게 체결되며, 상기 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격이격되어 설치되는 복수 개의 개별 히트파이프(130);를 포함하는 일체형 히트파이프를 개시한다.

Description

일체형 히트파이프{Integrated Heat Pipe}
본 발명은 일체형 히트파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로 용기의 내부로 삽입되어 원자로 용기 내부에 배치된 노심의 잔열을 제거하기 위한 일체형 히트파이프에 관한 것이다.
일반적으로 원자로 발전소에서 사고가 발생하고 일차계통을 통한 냉각수 공급이 중단된 경우에는 원자로 용기의 내부로 히트파이프를 삽입하여 노심에서 발생되는 잔열이 제거되도록 하고 있다.
또한, 다수 개의 히트파이프가 상기 원자로 용기에 삽입되도록 각 히트파이프의 상단에는 히트파이프를 승강시키기 위한 승강구동부가 배치되어, 상기 승강구동부의 승강구동에 따라 각 히트파이프는 원자로 용기의 내부로 안전하게 삽입될 수 있었다.
그러나, 대형의 원자로 용기인 경우 빠른 시간 내에 잔열을 제거할 수 있도록 다수 개의 히트파이프 및 각 히트파이프별 승강구동부가 배치되는데, 이와 같이 각 히트파이프가 개별적으로 각각의 승강구동부에 의해 하강하면서 원자로 용기의 내부로 삽입되는 방식으로 인해, 히트파이프의 승강구동 설비가 복잡해지고 제어방식이 난해해지는 문제점이 있었다.
또한, 상기 원자로 용기에 히트파이프가 삽입되지 않는 평상시의 경우에는 각 히트파이프 일자형으로 수직 배치된 상태로 삽입대기하기 때문에 각 히트파이프가 차지하는 대기공간이 방대해져 원자로 시설의 규모가 커지게 되는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제2013-0047871호(2013.05.09), 원자로의 잔열 제거 장치
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 원자로 용기에 배치된 노심에 삽입되는 각 개별 히트파이프가 고리형상으로 형성된 응측부에 의해 일체형으로 체결되어 하나의 승강구동부에 의해 다수 개의 히트파이프가 동시에 원자로 용기의 내부로 삽입되는 구조로 구비된 일체형 히트파이프를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일체형 히트파이프는, 원자로 용기의 내부로 삽입되어 원자로 용기 내부에 배치된 노심(10)의 잔열을 제거하기 위한 일체형 히트파이프에 있어서, 수평방향으로 배치된 고리형상으로 형성되며, 내부에는 냉각수가 순환되기 위한 환류공간부(111)가 둘레를 따라 연통되게 형성된 응축부(110); 상기 응축부(110)의 상부에 상하방향으로 위치하되, 하단이 상기 응축부(110)의 상단에 체결되면서 상기 환류공간부(111)에 연통되도록 상기 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격 이격되어 장착되며, 외부로부터 냉각수를 공급받아 상기 환류공간부(111)에 주입하는 복수 개의 구동축관(120); 및 상기 응축부(110)의 하부에 상하방향으로 위치하되, 내부에 저장된 작동유체(131)를 순환시키는 윅부(132)의 상부가 상단으로 돌출되게 배치되며, 돌출된 윅부(132)의 상부는 상기 응축부(110)의 하단에 관통삽입되면서 상기 환류공간부(111)의 내부로 돌출되게 체결되며, 상기 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격이격되어 설치되는 복수 개의 개별 히트파이프(130);를 포함한다.
여기서, 상기 개별 히트파이프(130)는, 상기 노심(10)에 삽입되는 제어봉과 대응되는 외경을 가지며, 각 개별 히트파이프(130)의 상호 이격 배치된 위치는 상기 노심(10)에 형성된 복수 개의 제어봉 삽입공(11)의 상호 이격 배치된 위치와 대응되게 배치되어, 상기 개별 히트파이프(130)는 상기 제어봉 삽입공(11)에 각각 삽입되면서 상기 노심(10)의 잔열을 제거할 수 있다.
또한, 상기 구동축관(120)은, 상기 구동축관(120)의 상부에 배치되어 상하로 승강구동되는 승강구동부에 타단이 체결되어, 상기 승강구동부의 승강구동에 따라 일체형 히트파이프를 상하로 이동시켜 상기 개별 히트파이프(130)를 상기 제어봉 삽입공(11)으로부터 삽입 또는 탈거시킬 수 있다.
또한, 상기 개별 히트파이프(130)의 작동유체(131)는, 물(H2O), 냉매, 수은(mercury), 리튬(Lithium), 또는, FliBe(LiF-BeF2) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 개별 히트파이프(130)의 외부를 형성하는 용기부(133)는, 인코넬(Inconel) 600 또는, 몰리브데넘 합금(Molybdenum alloy) 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 개별 히트파이프(130)의 윅부(132)는, 탄소섬유(Carbon fiber), 구리(Copper), 탄화규소(SiC) 또는, 탄화붕소(B4C) 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 구동축관(120)을 통해 공급되는 냉각수는 물(H2O)일 수 있다.
한편, 상기 개별 히트파이프(130)의 일측에는, 주름진 형상으로 형성되면서 개별 히트파이프(130)를 일정각도로 절곡시키는 절곡부(134)가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 일체형 히트파이프에 의하면,
첫째, 각 개별 히트파이프가 고리형상으로 형성된 응축부에 의해 일체형으로 체결되어 하나의 승강구동부에 의해 다수 개의 히트파이프가 동시에 원자로 용기의 내부로 삽입되므로, 히트파이프의 승강구동 설비가 간소해지고 제어방식이 단순해지는 효과를 제공한다.
둘째, 각 개별 히트파이프에 구비된 윅부는 상부가 각 개별 히트파이프의 상단으로 돌출되게 배치되면서 상기 응축부에 형성된 환류공간부의 내부로 돌출되게 체결되므로, 상기 환류공간부에 주입되는 냉각수에 의해 각 개별 히트파이프의 냉각효율을 극대화할 수 있다.
셋째, 응축부의 상단에 체결되는 구동축관은 일체형 히트파이프를 승강구동시키는 승강구동부에 체결됨과 동시에 외부로부터 냉각수를 공급받아 상기 환류공간부에 주입하므로, 상기 응축부에 필요한 냉각수를 공급하기 위한 별도의 냉각수 공급계통이 불필요하며 이로 인해 냉각시스템의 구조가 간소해지는 장점이 있다.
넷째, 각 개별 히트파이프의 일측에는 주름진 형상으로 형성되면서 개별 히트파이프를 일정각도로 절곡시키는 절곡부가 구비됨에 따라, 원자로 용기에 히트파이프가 삽입되지 않는 평상시의 경우에는 각 개별 히트파이프를 절곡시켜 배치시킬 수 있기 때문에 개별 히트파이프가 차지하는 대기공간을 최소화할 수 있다.
다섯째, 각 개별 히트파이프의 상호 이격 배치된 위치는 노심에 형성된 복수 개의 제어봉 삽입공의 상호 이격 배치된 위치와 대응되게 배치되어, 상기 노심에 각 개별 히트파이프를 삽입하기 위한 별도의 삽입공을 형성할 필요가 없으므로, 노심의 설계변경없이 기존의 원자로 시스템에 그대로 적용하여 냉각설비로 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 히트파이프가 원자로 용기에 구비된 노심에 삽입되는 구성을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 히트파이프의 구성을 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 히트파이프(100)는, 원자로 용기에 배치된 노심(10)에 삽입되는 각 개별 히트파이프(130)가 고리형상으로 형성된 응축부(110)에 의해 일체형으로 체결되어 하나의 승강구동부에 의해 다수 개의 히트파이프가 동시에 원자로 용기의 내부로 삽입되는 구조로 구비된 일체형 히트파이프로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 응축부(110), 구동축관(120) 및 개별 히트파이프(130)를 포함하여 구비된다.
먼저, 상기 응축부(110)는 하부에 체결되는 각 개별 히트파이프(130)를 응축시켜 냉각시키는 구성요소로서, 수평방향으로 배치된 고리형상으로 형성되며 내부에는 냉각수가 순환되기 위한 환류공간부(111)가 연동되게 형성된다.
여기서, 상기 고리 형상으로 형성되되 원형 고리(환형), 삼각 고리, 사각 고리 등 다양한 고리 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 내부에 형성된 환류공간부(111)의 내부를 순환하는 냉각수의 원활한 유동을 고려하면 상기 환류공간부(111)의 내부는 원형 고리의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 응축부(110)는 상부면에 복수 개의 구동축관(120)이 체결되고 하부면에는 복수 개의 개별 히트파이프(130)가 체결됨에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 히트파이프(100)의 각 구성을 일체화시키는 기능을 제공한다.
상기 구동축관(120)은, 상부가 승강구동부에 체결되어 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 히트파이프(100)를 승강구동시킴과 동시에, 하부가 상기 응축부(110)의 상부면에 체결되어 응축부(110)에 냉각수를 공급하는 구성요소로서, 상기 응축부(110)의 상부에 상하방향으로 위치하되, 하단이 상기 응축부(110)의 상단에 체결되면서 환류공간부(111)에 내부가 연통되도록 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격 이격되어 장착되며, 원자로 일차계통에 설치된 저수조(IRWST) 등과 같은 외부 수원으로부터 냉각수를 공급받아 상기 환류공간부(111)의 내부로 주입한다.
여기서, 도면에는 도시되지 않았으나 구동축관(120)의 상단은, 구동축관(120)의 상부에 배치되어 상하로 승강구동되는 승강구동부에 체결되어, 상기 승강구동부의 승강구동에 따라 일체형 히트파이프(100)를 상호로 이동시켜 상기 개별 히트파이프(130)를 노심(10)의 제어봉 삽입공(11)으로부터 삽입 또는 탈거되도록 한다.
또한, 도면에는 상기 응축부(110)의 상부에 4개의 구동축관(120)이 체결되는 것을 예시하였으나, 이에 국한되는 것은 아니며 일체형 히트파이프(100)의 크기 및 중량을 고려하여 3개 이하 또는 5개 이상의 구동축관(120)이 구비될 수도 있다. 그러나, 각 구동축관(120)은 균일한 힘으로 응축부(110)을 수평방향으로 승강시킬 수 있도록 응축부(110)의 상부위치에서 상호 균일한 이격거리로 배치되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 응축부(110)의 상단에 체결되는 구동축관(120)은 일체형 히트파이프(100)를 승강구동시키는 승강구동부에 체결됨과 동시에 외부로부터 냉각수를 공급받아 상기 환류공간부(111)에 주입하므로, 상기 응축부(110)에 필요한 냉각수를 공급하기 위한 별도의 냉각수 공급계통이 불필요하며 이로 인해 냉각시스템의 구조가 간소해지는 효과를 구현할 수 있다.
더불어, 상기 구동축관(120)에 공급되는 냉각수는 바람직하게는 물(H2O)을 이용할 수 있으며, 본 발명에 속하는 기술분야에서 냉각수로 이용되는 다양한 성분의 유체를 적용할 수도 있다.
상기 개별 히트파이프(130)는, 원자로 용기의 내부에 배치된 노심(10)에 삽입되면서 노심(10)의 잔열을 흡수하여 응축부(110)의 냉각수를 가열함으로써 냉각시키는 구성요소로서, 상기 응축부(110)의 하부에 상하방향으로 위치하되, 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 저장된 작동유체(131)를 순환시키는 윅부(Wick, 132)의 상부가 상단으로 돌출되게 배치되며, 돌출된 윅부(132)의 상부는 상기 응축부(110)의 하단에 관통삽입되면서 환류공간부(111)의 내부로 돌출되게 체결되며, 응축부(110)의 둘레를 따라 일정간격 이격되어 복수 개가 설치된다.
여기서, 상기 환류공간부(111)의 내부로 돌출된 윅부(132)의 상부는 외부면을 둘러싸는 커버수단을 통해 내부가 밀폐됨으로써 개별 히트파이프(130)의 작동유체(131)가 환류공간부(111)의 내부로 누출되지 않도록 구비되되, 상기 커버수단은 열전달 물질로 이루어져 냉각수와 작동유체(131) 간의 열전달 효율이 감소되지 않게 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 개별 히트파이프(130)는 노심(10)에 삽입되는 제어봉과 대응되는 외경을 가지며, 각 개별 히트파이프(130)의 상호 이격 배치된 위치는 상기 노심(10)에 형성된 제어봉 삽입공(11)의 상호 이격 배치된 위치와 대응되게 배치되어, 각 개별 히트파이프(130)는 구동축관(120)에 의한 하강구동에 의해 제어봉 삽입공(11)에 각각 삽입되면서 상기 노심(10)의 잔열을 제거하도록 구비된다. 이와 같이, 노심(10)에 각 개별 히트파이프(130)를 삽입하기 위한 별도의 삽입공을 형성할 필요가 없으므로 노심(10)의 설계변경없이 기존의 원자로 시스템에 그대로 적용하여 냉각설비로 이용될 수 있다.
더불어, 상기 개별 히트파이프(130)의 내부에 저장된 작동유체(131)는 물(H2O), 냉매, 수은(mercury), 리튬(Lithium), 또는, FliBe(LiF-BeF2) 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 상기 개별 히트파이프(130)의 외부를 형성하는 용기부(133)는 인코넬(Inconel) 600 또는, 몰리브데넘 합금(Molybdenum alloy) 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 윅부(132)는, 탄소섬유(Carbon fiber), 구리(Copper), 탄화규소(SiC) 또는, 탄화붕소(B4C) 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개별 히트파이프(130)의 일측에는, 주름진 형상으로 형성되면서 개별 히트파이프(130)를 일정각도로 절곡시키는 절곡부(134)가 구비되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 절곡부(134)는 상기 용기부(133)와 윅부(132)가 함께 주름관과 같은 형상으로 절곡된 부위를 의미하며, 도면에는 상기 절곡부(134)가 일부의 개별 히트파이프(130)에만 형성된 것을 예시하였으나 이에 국한되는 것은 아니며 응축부(110)에 체결되는 각 개별 히트파이프(130)마다 설치될 수도 있다.
또한, 상기 절곡부(134)는 절곡되는 각도 및 절곡반경을 고려하여 개별 히트파이프(130) 상에서 형성되는 범위가 달라질 수 있으며, 개별 히트파이프(130)의 전체범위에 걸쳐 형성되거나 복수의 부위에 형성됨으로써 다중 절곡된 형상으로 형성될 수도 있다.
상기와 같은 절곡부(134)의 구성으로 인해, 원자로 용기에 일체형 히트파이프(100)가 삽입되지 않는 평상시의 경우에는 절곡부(134)를 이용하여 각 개별 히트파이프(130)를 절곡시켜 배치시킬 수 있기 때문에 개별 히트파이프(130)가 차지하는 대기공간을 최소화할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 히트파이프(100)의 각 구성 및 기능에 의해, 각 개별 히트파이프(130)가 고리형상으로 형성된 응축부(110)에 의해 일체형으로 체결되어 하나의 승강구동부에 의해 다수 개의 히트파이프(130)가 동시에 잔열이 발생되는 노심(10)의 내부로 삽입되므로, 히트파이프의 승강구동 설비가 간소해지고 제어방식이 단순해지는 효과를 제공한다.
또한, 각 개별 히트파이프(130)에 구비된 윅부(132)는 상부가 각 개별 히트파이프(130)의 상단으로 돌출되게 배치되면서 상기 응축부(110)에 형성된 환류공간부(111)의 내부로 돌출되게 체결되므로, 상기 환류공간부(111)에 주입되어 순환되는 냉각수에 의해 각 개별 히트파이프(130)에 의한 냉각효율을 극대화할 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 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...노심 11....제어봉 삽입공
100...일체형 히트파이프 110...응축부
111...환류공간부 120...구동축관
130...개별 히트파이프 131...작동유체
132...윅부 133...용기부
134...절곡부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 원자로 용기의 내부로 삽입되어 원자로 용기 내부에 배치된 노심(10)의 잔열을 제거하기 위한 일체형 히트파이프에 있어서,
    수평방향으로 배치된 고리형상으로 형성되며, 내부에는 냉각수가 순환되기 위한 환류공간부(111)가 둘레를 따라 연통되게 형성된 응축부(110);
    상기 응축부(110)의 상부에 상하방향으로 위치하되, 하단이 상기 응축부(110)의 상단에 체결되면서 상기 환류공간부(111)에 연통되도록 상기 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격 이격되어 장착되며, 외부로부터 냉각수를 공급받아 상기 환류공간부(111)에 주입하는 복수 개의 구동축관(120); 및
    상기 응축부(110)의 하부에 상하방향으로 위치하되, 내부에 저장된 작동유체(131)를 순환시키는 윅부(132)의 상부가 상단으로 돌출되게 배치되며, 돌출된 윅부(132)의 상부는 상기 응축부(110)의 하단에 관통삽입되면서 상기 환류공간부(111)의 내부로 돌출되게 체결되며, 상기 응축부(110)의 둘레를 따라 일정 간격이격되어 설치되는 복수 개의 개별 히트파이프(130);를 포함하되,
    상기 개별 히트파이프(130)는, 상기 노심(10)에 삽입되는 제어봉과 대응되는 외경을 가지며, 각 개별 히트파이프(130)의 상호 이격 배치된 위치는 상기 노심(10)에 형성된 복수 개의 제어봉 삽입공(11)의 상호 이격 배치된 위치와 대응되게 배치되어, 상기 개별 히트파이프(130)는 상기 제어봉 삽입공(11)에 각각 삽입되면서 상기 노심(10)의 잔열을 제거하는 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 구동축관(120)은, 상기 구동축관(120)의 상부에 배치되어 상하로 승강구동되는 구동부에 타단이 체결되어, 상기 구동부의 승강구동에 따라 일체형 히트파이프를 상하로 이동시켜 상기 개별 히트파이프(130)를 상기 제어봉 삽입공(11)으로부터 삽입 또는 탈거시키는 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 개별 히트파이프(130)의 작동유체(131)는, 물(H2O), 냉매, 수은(mercury), 리튬(Lithium), 또는, FliBe(LiF-BeF2) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 개별 히트파이프(130)의 외부를 형성하는 용기부(133)는, 인코넬(Inconel) 600 또는, 몰리브데넘 합금(Molybdenum alloy) 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 개별 히트파이프(130)의 윅부(132)는, 탄소섬유(Carbon fiber), 구리(Copper), 탄화규소(SiC) 또는, 탄화붕소(B4C) 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 구동축관(120)을 통해 공급되는 냉각수는 물(H2O)인 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
  8. 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 히트파이프(130)의 일측에는, 주름진 형상으로 형성되면서 개별 히트파이프(130)를 일정각도로 절곡시키는 절곡부(134)가 구비된 것을 특징으로 하는 일체형 히트파이프.
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