KR101513166B1 - 보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 이상 발생 시 별도의 제어 지시 없이 피동적으로 과도 발생된 열을 냉각할 수 있도록 형성되는 자기 냉각 피동 원자로에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 안전 계통이 완전 피동식으로 이루어짐으로써 원자로 손상 발생 시 별도의 제어 지시가 필요 없이 신속한 냉각이 이루어질 수 있도록 하며, 또한 소형 원자로에 적용하기 적합한 자기 냉각 피동 원자로를 제공함에 있다.

Description

보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로 {Self cooling passive reactor having sub heat exchange system}

본 발명은 원자로 이상 발생 시 별도의 제어 지시 없이 피동적으로 과도 발생된 열을 냉각할 수 있도록 형성되는 자기 냉각 피동 원자로에 관한 것이다.

원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 도 1은 일반적인 원자력 발전의 원리를 간략하게 도시하고 있다. 압력 용기(또는 원자로 용기라고 칭함)내의 핵연료가 핵분열함에 의하여 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 열교환매체로 전달되며, 열교환매체는 도 1에 진한 화살표로 표시된 바와 같이 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 열교환매체가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기 발생기로 전달되며, 증기 발생기 내의 물은 열에너지에 의하여 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의하여 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 증기 발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.

도 1은 원자력 발전의 주체가 되는 계통들만이 도시되었으나, 실제로는 원자로에는 필수적으로 안전 계통이 구비된다. 앞서 설명한 바와 같이 원자로가 작동할 때에는 매우 높은 열이 발생하게 되는데, 이러한 고열 환경은 매우 높은 위험성을 내포하여 원자로 손상 발생 시 대형 사고를 유발할 수도 있기 때문이다. 따라서 원자로의 손상이 발생했을 경우 원자로를 급속히 냉각해 주기 위한 안전 계통이 필수적으로 구비되어야만 하는 것이다. 도 2는 이러한 종래의 안전 계통의 다양한 예시를 도시하고 있다. (참고적으로 도 2의 원자로는 도 1의 원자로와 약간 다른 구성으로, 증기 발생기가 직접 압력 용기 내에 구비되는 형태이다.)

도 2에서 피동잔열제거(PRHR) 계통은 다음과 같이 동작한다. 원자로에 문제가 발생하였을 때 증기 발생기에서는 평상시보다 지나치게 고온 고압의 증기가 발생하게 된다. 평상시에는 증기 발생기에서 발생된 증기를 터빈으로 보내게 되는데, 이러한 원자로 문제 발생 시에는 이 증기를 터빈으로 보내는 대신 피동잔열제거(PRHR) 계통으로 우회시켜서 증기가 가진 과도한 열에너지를 제거하게 된다.

도 2에서 노심보충수탱크(CMT)는 다음과 같이 동작한다. 원자로 압력 용기에 손상이 생기면 압력 용기 내 열교환매체가 누출되며, 이에 따라 압력 용기 내 열교환매체의 수위가 낮아지게 된다. 그런데 이 열교환매체는 핵연료의 핵분열 시 발생되는 열에너지를 흡수해 주는 역할을 하기 때문에, 열교환매체의 수위가 어느 이하로 내려가 충분히 열에너지를 흡수해 주지 못할 경우 핵연료, 제어봉 등이 고온을 견디지 못하고 녹아버리는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 압력 용기 내 열교환매체의 누출이 발생하면 노심보충수탱크(CMT)에 수용되어 있던 보충수(즉 열교환매체)가 압력 용기 내로 공급되어 보충됨으로써 적정 수위를 유지할 수 있도록 해 준다.

도 2에서 안전주입펌프(SI pump)는 다음과 같이 동작한다. 앞서 설명한 바와 같이 원자로에 이상이 생길 경우 압력 용기에서 열교환매체가 누출되는데, 그 중 상당량이 고열로 인하여 증기 형태로 누출되게 된다. 이렇게 증기 형태로 누출된 열교환매체는 격납 용기의 천장, 벽면 등에 접촉하여 응축되며, 따라서 벽면을 타고 열교환매체가 흘러내려오게 된다. 안전주입펌프(SI pump)는 이처럼 누출 및 응축되어 벽면으로 흘러내리는 열교환매체를 모아서 다시 압력 용기로 재유입시켜 줌으로써, 노심보충수탱크(CMT)와 같이 압력 용기 내 열교환매체가 적정 수위를 유지할 수 있도록 해 준다.

이처럼 종래의 안전 계통 구성은 원자로 용기 내에 수용된 냉각수를 외부로 순환시키는 구성(ex. 피동잔열제거(PRHR) 계통 등), 외부에 별도 수용되어 있던 냉각수를 용기 내로 공급해 주는 구성(ex. 노심보충수탱크(CMT), 안전주입펌프(SI pump) 등) 등으로 이루어진다. 그런데 원자로 손상 발생과 같은 급박한 사고 순간에 이러한 안전 계통이 별도의 제어 지시를 받아야 작동이 이루어지도록 구성될 경우, 제어 계통의 손상으로 인하여 오작동이 발생함으로써 안전 계통이 제대로 작동하지 못하게 되거나, 또는 원자로 운전 실무자가 제시간에 제어 지시를 내리지 못하게 되는 등의 위험 요소가 많기 때문에, 안전 계통 구성은 피동식으로 이루어지는 것이 매우 바람직하다. 이러한 피동식 안전 계통 구성 기술은 미국특허공개 제2009-0129530호("PASSIVE EMERGENCY FEEDWATER SYSTEM"), 한국특허공개 제2009-0021722호("고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동원자로 공동 냉각장치"), 한국특허공개 제2002-0037105호("원자로보호용기와 압축탱크를 이용한 비상노심냉각 방법과 장치") 등과 같이 매우 다양하게 개시되어 있다.

한편 최근 소형 원자로에 대한 필요가 대두되고 있다. 국내와 같은 경우 인구 밀도가 높아 발전 시설에서 생산된 전력을 필요 지역까지 전송하는 것이 상대적으로 용이하지만, 사막 지대가 많은 국가 등과 같이 대지 면적에 비해 인구 밀도가 낮아 인구 집중 현상이 심한 경우에는 전송되는 과정에서의 전력의 과다 손실, 전력 전송 설비 비용 과다 상승 등과 같은 여러 문제가 있다. 따라서 이러한 환경에서는 초대형 발전 시설을 갖추어 전력을 분산 전송시키는 것보다는, 인구가 집중된 지역 근처에 소형의 발전 시설을 갖추는 것이 경제적으로 훨씬 유리하다.

그런데 종래에는 원자로의 대형화와 관련된 연구에 치중한 경향이 있었으며, 이에 따라 원자로의 안전 계통 역시 대형 원자로에 적합한 형태로 개발 및 사용되었다. 도 2의 예시에 나타난 피동잔열제거(PRHR) 계통, 노심보충수탱크(CMT), 안전주입펌프(SI pump) 구성 등도 사실상 대형 원자로에 적합한 형태이다. 그런데 이러한 대형 원자로에 적합한 안전 계통 구성을 소형 원자로에 적용할 경우, 설치 공간이 부족하거나 충분한 효율을 얻을 수 없는 등의 문제가 있어, 소형 원자로에 적용하기에 적합한 원자로의 안전 계통의 개발이 필요하다.

1. 미국특허공개 제2009-0129530호("PASSIVE EMERGENCY FEEDWATER SYSTEM") 2. 한국특허공개 제2009-0021722호("고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동원자로 공동 냉각장치") 3. 한국특허공개 제2002-0037105호("원자로보호용기와 압축탱크를 이용한 비상노심냉각 방법과 장치")

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 안전 계통이 완전 피동식으로 이루어짐으로써 원자로 손상 발생 시 별도의 제어 지시가 필요 없이 신속한 냉각이 이루어질 수 있도록 하며, 또한 소형 원자로에 적용하기 적합한 자기 냉각 피동 원자로를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로는, 원자로 노심(111); 상기 원자로 노심(111)에 하단부가 상하 이동 가능하게 삽입되는 원자로 출력 제어봉(112); 외부와 밀폐되도록 형성되어 냉각수를 수용하며, 상기 원자로 노심(111)이 최하측에 배치되고 상기 원자로 출력 제어봉(112) 상단부 일부가 외부로 노출되도록 상기 원자로 노심(111) 및 상기 원자로 출력 제어봉(112)이 그 내부에 구비되는 원자로 용기(113); 외부와 밀폐되도록 형성되어 내부가 진공으로 형성되며, 상기 원자로 용기(113)가 그 내부에 구비되는 안전 보호 용기(114); 수조 형태로 형성되어 냉각수가 수용되며, 상기 안전 보호 용기(114)가 냉각수 수중에 배치되도록 구비되는 냉각수조(115); 상기 원자로 용기(113) 내부에 구비되어, 상기 원자로 용기(113) 내 냉각수로부터 열을 전달받아 그 내부에 유통되는 열교환매체를 증발시켜 증기관(116a)으로 배출하여 터빈을 작동시키고, 터빈을 작동시킨 후 응축된 열교환매체를 급수관(116b)으로 공급받도록 이루어지는 증기 발생기(116); 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 개방 상태를 유지하도록 형성되는 증기관 안전 밸브(131), 상기 증기관 안전 밸브(131)에 의하여 작동되어 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기를 격리하는 보조 증기관 격리 밸브(132)와, 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의해 격리된 상기 증기관(116a) 내 증기를 우회시키는 보조 열교환기 밸브(133)와, 상기 보조 열교환기 밸브(133)를 통해 공급된 증기를 외부와 열교환시켜 잔열을 제거하여 상기 급수관(116b)으로 배출하는 보조 열교환기(134)를 포함하여 이루어지는 보조 열교환 계통(130); 을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 보조 열교환 계통(130)은, 증기관측 실린더(135a), 상기 증기관측 실린더(135a) 내에 수용되어 상기 증기관측 실린더(135a)의 연장 방향에 나란하게 상기 증기관측 실린더(135a)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성되는 증기관측 이동체(135b)를 더 포함하여 이루어져, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 일측 공간과 상기 증기관 안전 밸브(131)가 연통되고, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간과 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 연통되어, 상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되면 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 일측 공간의 압력이 상승하여 상기 증기관측 이동체(135b)가 이동됨으로써 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 폐쇄되어 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 격리되도록 형성될 수 있다.

이 때 상기 보조 열교환 계통(130)은, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간과 연통되도록 형성되어, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간 내 압력이 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 공간 내 유체를 배출시키는 증기관측 실린더 벤트 밸브(135c)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 보조 열교환 계통(130)은, 보조 열교환기측 실린더(136a), 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내에 수용되어 상기 보조 열교환기측 실린더(136a)의 연장 방향에 나란하게 상기 보조 열교환기측 실린더(136a)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성되는 보조 열교환기측 이동체(136b)를 더 포함하여 이루어져, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 일측 공간과 상기 증기관 안전 밸브(131)가 연통되고, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간과 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 연통되어, 상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되면 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 일측 공간의 압력이 상승하여 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)가 이동됨으로써 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 개방되어 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의해 격리된 상기 증기관(116a) 내 증기가 우회되어 상기 보조 열교환기(134)로 공급되도록 형성될 수 있다.

이 때 상기 보조 열교환 계통(130)은, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간과 연통되도록 형성되어, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간 내 압력이 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 공간 내 유체를 배출시키는 보조 열교환기측 실린더 벤트 밸브(136c)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 안전 계통이 완전 피동식으로 이루어짐으로써 원자로 손상 발생 시 별도의 제어 지시가 필요 없이 신속한 냉각이 이루어질 수 있도록 하여 사고 위험성을 최소화시켜 줄 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은, 종래와는 달리 안전 계통을 포함한 열교환 계통이 컴팩트한 구성으로 이루어짐으로써 원자로 부피를 크게 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이러한 효과에 따라 소형 원자로에 적용하기에 매우 적합하다는 큰 장점이 있다.

또한 본 발명은, 원자로 용기의 상부 및 하부에 역압 안전 밸브가 구비되어 있도록 하여, 원자로 이상 발생 시 별도의 제어 지시 없이도 역압 안전 밸브가 자동 개방되며 이에 따라 원자로 용기 내 과도 압력의 원인이 되는 증기를 배출하고 안전 보호 용기 내 수용된 냉각수가 원자로 용기로 유입되어 자연 순환이 이루어지도록 함으로써, 원자로 용기가 자연 순환에 의하여 냉각될 수 있도록 하는 큰 효과가 있다.

또한 본 발명은, 원자로 용기 내 증기 발생기에 연결되는 증기관 및 급수관에 연결되는 보조 열교환 계통을 가지도록 하여, 원자로 이상 발생 시 별도의 제어 지시 없이도 증기관으로 과도한 고온 고압의 증기가 배출되지 못하도록 기계적 밸브 구성에 의하여 자동 격리되도록 하며 또한 이 고온 고압의 증기를 보조 열교환기로 우회시켜 잔열을 제거하도록 함으로써, 원자로 이상 발생으로 인한 과도한 잔열을 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 큰 효과가 있다.

또한 본 발명은, 냉각수를 수용하는 냉각수 탱크가 안전 보호 용기 내에 구비되어 있도록 하여, 원자로 이상 발생 시 파열판이 파열됨으로써 냉각수가 원자로 용기에 직접 쏟아져 공급되도록 이루어짐으로써, 원자로 용기가 즉시 직접적으로 냉각될 수 있도록 하여 신속하게 위험에 대처할 수 있게 하는 큰 효과가 있다.

또한 본 발명은, 안전 보호 용기 상에 열교환기가 구비되어 있도록 하여, 원자로 이상 발생 시 발생하는 과도한 열에너지가 안전 보호 용기 상의 열교환기에 의하여 외부의 냉각수조 내 냉각수로 신속하게 열교환 배출될 수 있도록 함으로써, 단순한 구성임에도 매우 효과적으로 원자로 용기의 냉각을 달성할 수 있는 큰 효과가 있다.

도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 종래의 안전 계통의 다양한 예시.
도 3은 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로.
도 4는 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로의 작동 원리.
도 5는 역압 안전 밸브의 실시예.
도 6은 보조 열교환 계통의 실시예.
도 7은 파열 냉각수 탱크의 실시예.
도 8은 안전 보호 용기 상 열교환 계통의 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 자기 냉각 피동 원자로를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로를, 도 4는 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로의 작동 원리를 각각 도시하고 있다. 먼저 도 3 및 도 4를 통해 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로의 기본적인 구성 및 작동 원리를 설명한다.

본 발명의 자기 냉각 피동 원자로(100)의 동작 계통에 대하여 먼저 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로(100)의 동작 계통은, 원자로 노심(111), 원자로 출력 제어봉(112), 원자로 용기(113), 안전 보호 용기(114), 냉각수조(115), 증기 발생기(116)을 포함하여 이루어진다.

상기 원자로 노심(111)은 원자로의 중심부로서, 핵연료의 원자핵이 중성자와 결합해 둘로 쪼개지는 핵분열을 일으키며 열에너지가 발생되는 부분이다. 즉 일반적으로 상기 원자로 노심(111)이란 바로 원자로의 핵연료인 연료봉 다발을 일컫는다.

상기 원자로 출력 제어봉(112)은 상기 원자로 노심(111)에 하단부가 상하 이동 가능하게 삽입 구비된다. 상기 원자로 출력 제어봉(112)은 핵연료의 핵분열 정도를 조절하여 줌으로써, 즉 궁극적으로는 상기 원자로(100)의 출력 자체를 제어하는 역할을 하게 된다.

상기 원자로 용기(113)는 외부와 밀폐되도록 형성되어 상기 원자로 노심(111) 및 상기 원자로 출력 제어봉(112)을 수용한다. 상기 원자로 노심(111)은 상기 원자로 용기(113)의 최하측에 배치되며, 상기 원자로 출력 제어봉(112)은 상하 이동이 가능하도록 제어되어야 하기 때문에 상단부 일부가 상기 원자로 용기(113)의 외부로 노출되도록 구비된다. 이 때 상기 원자로 용기(113) 내에는 냉각수가 수용되어, 상기 원자로 노심(111)에서 발생되는 열에너지가 냉각수에 흡수되도록 한다. 냉각수는 상기 원자로 노심(111)에서 발생되는 열에너지를 흡수함으로써 상기 원자로 노심(111)을 냉각하는 역할을 할 뿐 아니라, 냉각수가 흡수한 열을 외부로 전달함으로써 궁극적으로 발전이 이루어지도록 하는 열교환매체의 역할을 한다(이에 대해서는 이하 증기 발생기(116) 부분에서 보다 상세히 설명한다).

상기 안전 보호 용기(114)는 외부와 밀폐되도록 형성되어 상기 원자로 용기(113)를 그 내부에 구비함으로써, 상기 원자로 용기(113)에서 발생되는 고열 및 방사능 등으로부터 외부를 차단 보호하는 역할을 한다. 상기 안전 보호 용기(114) 내부, 즉 상기 원자로 용기(113) 및 상기 안전 보호 용기(114) 사이는 진공으로 형성되어 효과적인 단열이 이루어질 수 있도록 한다.

상기 냉각수조(115)는 수조 형태로 형성되어 냉각수가 수용되며, 상기 안전 보호 용기(114)가 냉각수 수중에 배치되도록 구비된다. 상술한 바와 같이 상기 원자로 용기(113) 및 상기 안전 보호 용기(114) 사이 공간이 진공으로 되어 최대한 단열되도록 이루어진다 하더라도, 상기 원자로 용기(113)에서 발생하는 열에너지는 매우 엄청나기 때문에 (대류나 전도로 전달되는 열량 이외에도) 복사로 전달되는 열량 때문에 상기 안전 보호 용기(114)가 가열될 위험이 있다. 따라서 이 열에너지를 한 번 더 흡수하여 차단할 필요가 있는데, 상기 냉각수조(115)에 수용된 냉각수가 바로 이러한 열에너지의 흡수 및 상기 안전 보호 용기(114)의 냉각 역할을 하게 되는 것이다.

상기 증기 발생기(116)는 열교환기 형태로 형성되어 상기 원자로 용기(113) 내부에 구비된다. 상기 증기 발생기(116) 내부에는 열교환매체가 유통되며, 상기 증기 발생기(116) 주변의 상기 원자로 용기(113) 내 냉각수로부터 열을 전달받게 된다. 이에 따라 상기 증기 발생기(116) 내부에 유통되는 열교환매체는 열을 흡수하여 증발이 일어나게 되고, 이처럼 고온 고압의 기체 상태가 된 열교환매체는 증기관(116a)으로 배출되어 터빈을 작동시키게 된다. 터빈을 작동시킨 후 응축된 열교환매체는 다시 급수관(116b)을 통해 상기 증기 발생기(116)로 공급됨으로써 순환이 이루어진다. 상기 증기관(116a) 및 상기 급수관(116b)에는 각각 증기관 격리 밸브(116c) 및 급수관 격리 밸브(116d)가 구비되어, 비상사태 시에 외부와의 차단이 이루어지도록 한다.

이와 같이 정상적인 작동이 이루어지고 있을 때 상기 원자로 용기(113) 내부의 냉각수는 자연적으로 순환 대류를 한다. 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상기 원자로 노심(111)에서 발생된 열에너지가 냉각수로 흡수되면, 고온이 된 냉각수는 상승한다. 상기 원자로 노심(111)의 상측에 배치된 상기 증기 발생기(116)에 고온의 냉각수가 도달하면, 상기 증기 발생기(116) 내의 열교환매체와 고온의 냉각수가 열교환을 일으키게 된다. 즉 상기 증기 발생기(116) 내의 열교환매체가 고온의 냉각수로부터 열을 흡수하는 것이다. 따라서 고온의 냉각수는 상기 증기 발생기(116)를 지나면서 온도가 떨어지며 따라서 하강이 이루어지게 된다. 이렇게 하강한 냉각수는 다시 상기 원자로 노심(111)에서 발생된 열에너지를 흡수하게 되며, 따라서 도 3에 도시된 바와 같은 자연적인 순환 대류가 이루어지게 된다.

한편 상기 원자로 용기(113)에 손상이 발생하여 상기 원자로 용기(113) 내 냉각수가 누출되게 되면, 상기 원자로 노심(111)에서 발생된 열에너지를 충분한 양의 냉각수로 흡수하지 못하며, 따라서 상기 원자로 노심(111) 주변의 온도가 과도하게 상승하여 부품이 녹는 등 더 큰 손상이 발생하게 될 위험이 있다. 따라서 상기 원자로 용기(113)에 손상이 발생하여 냉각수의 누출이 일어났을 때, 상기 원자로 용기(113) 등을 신속하게 냉각해 주는 안전 계통의 구비가 필수적인 것이다.

이 때 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 안전 계통이 사람의 조작 등과 같은 별도의 제어 지시를 받아야만 작동하게 될 경우, 원자로 운전자가 자리를 비우거나 또는 그 자신이 상해를 입는 등의 문제로 인하여 사고 발생 시 제때 제어 지시를 내리지 못할 경우 사고 위험성이 엄청나게 확산되게 된다. 또한 전자 제어 등과 같은 자동 제어 동작이 이루어지는 시스템의 경우에도, 원자로 손상으로 인해 발생되는 고열로 인하여 시스템 손상이 발생함으로써 올바르게 동작하지 못할 위험성이 있다. 따라서 원자로 손상 및 냉각수 누출이 발생하였을 때 그 자체의 물리적 환경 변화에 따라 기계적으로 동작이 이루어지는 피동식 안전 계통이 구비되는 것이 반드시 필요한 것이다.

본 발명에서는 안전 계통(즉 원자로를 냉각하기 위한 장치들)이 완전 피동식으로 이루어짐으로써 원자로 손상 발생 시 별도의 제어 지시가 필요 없이 신속한 냉각이 이루어질 수 있도록 한다. 또한 본 발명의 자기 냉각 피동 원자로는 종래와는 달리 안전 계통을 포함한 열교환 계통이 컴팩트한 구성으로 이루어짐으로써 원자로 부피를 크게 줄일 수 있으며, 따라서 궁극적으로는 최근 그 수요가 점차 확대되어 가고 있는 소형 원자로에 적용하기에 매우 적합하다는 큰 장점이 있다.

본 발명의 자기 냉각 피동 원자로(100)에 구비되는 안전 계통은, 역압 안전 밸브(120), 보조 열교환 계통(130), 냉각수 탱크(140), 안전 보호 용기 상 열교환기(150) 등으로 이루어진다. 이러한 안전 계통이 피동적으로 작동함으로써, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 제어 지시 없이도 자연 순환 대류, 잔열 제거 등이 이루어짐으로써 완전한 자기 피동 냉각을 실현할 수 있다. 이하 본 발명의 안전 계통 각부의 구성 및 그 동작 원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 역압 안전 밸브(120)는 적어도 둘 이상 상기 원자로 용기(113)의 상부 일측면 및 최하단 벽체에 각각 구비된다. 상기 역압 안전 밸브(120)는, 상기 원자로 용기(113) 내압이 상기 원자로 용기(113) 외압보다 높으면 폐쇄되고, 상기 원자로 용기(113) 내압이 상기 원자로 용기(113) 외압보다 같거나 낮으면 개방되도록 형성된다.

원자로가 정상 작동되고 있을 때라면 상기 원자로 용기(113) 및 상기 안전 보호 용기(114) 사이의 공간은 진공으로 유지되고 있으므로, 상기 원자로 용기(113) 내압은 상기 원자로 용기(113) 외압(진공)보다 당연히 높으며, 즉 원자로 정상 작동 시에는 상기 역압 안전 밸브(120)는 항상 폐쇄 상태에 있게 된다. 원자로 손상으로 인하여 냉각수 누출이 발생하게 되면, 상기 원자로 용기(113) 및 상기 안전 보호 용기(114) 사이의 공간으로 냉각수가 유입되어 진공 상태가 유지되지 못하고, 상기 안전 보호 용기(114) 하부 공간에는 액체 상태의 냉각수가 채워지게 되고, 상기 안전 보호 용기(114) 상부 공간에는 (고열로 인하여 증발된) 기체 상태의 냉각수가 채워지게 된다. 물론 상기 원자로 용기(113) 내부 역시, 하측에는 액체 상태의 냉각수 일부가 잔존하며, 상측에는 기체 상태의 냉각수가 채워지게 된다. 이러한 상태가 되면 (상기 원자로 용기(113) 및 상기 안전 보호 용기(114) 사이의 공간의 압력이 진공으로부터 훨씬 상승함으로써) 상기 원자로 용기(113)의 내압은 상기 원자로 용기(113)의 외압이 같거나 낮아지게 되며, 이 때 상기 역압 안전 밸브(120)가 개방되게 된다.

이처럼 상기 역압 안전 밸브(120)가 개방되면, 도 4에 도시된 바와 같이 냉각수의 자연 대류 순환이 일어나게 된다. 상술한 바와 같이 상기 원자로 용기(113) 내부는, 하측에 액체 상태의 냉각수 / 상측에 기체 상태의 냉각수가 채워져 있으며, 이 기체 상태의 냉각수는 급격한 열에너지의 흡수 및 증발로 인하여 매우 고온 고압 상태이다. 이 때 상기 원자로 용기(113)의 상부 일측면 벽체에 구비된 상기 역압 안전 밸브(120)가 개방되면, 이 고온 고압의 기체 상태의 냉각수는 급속히 상기 원자로 용기(113) 외부, 즉 상기 원자로 용기(113) 및 상기 안전 보호 용기(114) 사이의 공간으로 빠져나가게 된다. 이와 같이 빠져나간 기체 상태의 냉각수는, 상기 안전 보호 용기(114)의 벽체를 통해 외부(상기 냉각수조(115) 내의 냉각수 등)로 열을 빼앗기게 되고, 따라서 상기 안전 보호 용기(114)의 벽체에 응축되어 다시 액체 상태로 변하여 상기 안전 보호 용기(114)의 하부 공간으로 모인다. 이 때 상기 원자로 용기(113)의 최하단 벽체에 구비된 상기 역압 안전 밸브(120)가 개방되어 있으므로, 상기 안전 보호 용기(114)의 하부 공간에 모여 있는 액체 상태의 냉각수는 상기 원자로 용기(113) 내부로 자유롭게 유통될 수 있게 된다.

이처럼 상기 원자로 노심(111)에서 발생된 열에너지를 흡수한 냉각수가 증발되어 고온 고압의 기체 상태로 상기 원자로 용기(113)의 상부 일측면에 배치된 상기 안전 역압 밸브(120)로 배출되고, 배출된 냉각수가 열을 빼앗겨 응축되어 (상대적으로) 저온 저압의 액체 상태로 상기 원자로 용기(113) 최하단에 배치된 상기 안전 역압 밸브(120)로 유입되는 과정이 반복된다. 즉 상기 원자로 노심(111)은 도 4에 도시된 바와 같이, (상기 역압 안전 밸브(120)의 개방을 통한) 냉각수의 자연 대류 순환에 의하여 효과적으로 냉각될 수 있게 되는 것이다.

도 5는 역압 안전 밸브의 실시예로서, 도 5(A)는 상기 역압 안전 밸브(120)의 기본 실시예 구성을 도시하며, 도 5(B)는 기본 실시예 구성에 보조적인 구성이 더 부가된 부가 실시예 구성을 도시한다.

도 5(A)는 상기 역압 안전 밸브(120)의 기본 실시예이다. 도 5(A)에 도시된 바와 같이, 상기 역압 안전 밸브(120)는 기본적으로 밸브체 수용부(121), 밸브체(122), 고정부(123), 탄성체(124)를 포함하여 이루어진다.

상기 밸브체 수용부(121)는 일측 바닥면이 개방되며 타측 바닥면이 폐쇄된 실린더 형상으로 형성된다. 이 때 도시된 바와 같이 상기 밸브체 수용부(121)의 폐쇄된 바닥면이 상기 원자로 용기(113)의 벽체 쪽을 향하게 된다.

상기 밸브체(122)는 상기 밸브체 수용부(121)와 결합되어 상기 원자로 용기(113) 벽체에 형성된 구멍(113a)을 실제로 개방 또는 폐쇄하는 부품으로, 이동부(122a), 마개부(122b), 연결부(122c)를 포함하여 이루어진다. 상기 이동부(122a)는 상기 밸브체 수용부(121) 내에 수용되어, 상기 밸브체 수용부(121)의 연장 방향에 나란하게 상기 밸브체 수용부(121)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성된다. 상기 마개부(122b)는 상기 밸브체 수용부(121) 외측에 배치되며, 상기 원자로 용기(113) 벽체에 형성된 구멍(113a)에 상응하는 형태로 형성되어 상기 구멍(113a)을 개방 또는 폐쇄한다. 상기 연결부(122c)는 상기 이동부(122a) 및 상기 마개부(122b)를 고정 연결하는 역할을 하며, 따라서 상기 이동부(122a)가 움직임에 따라 상기 마개부(122b) 역시 동일하게 상대 이동을 하게 된다.

상기 고정부(123)는 상기 원자로 용기(113) 벽체에 상기 밸브체 수용부(121)를 고정적으로 결합한다. 이 때 상기 고정부(123)의 몸체에는 유체가 유통 가능한 적어도 하나 이상의 통공(123a)이 형성됨으로써, 상술한 바와 같이 상기 역압 안전 밸브(120)의 개방 시 상기 원자로 용기(113)의 내부-외부가 연통되어 (기체 또는 액체 상태의) 냉각수가 자유롭게 유통될 수 있게 한다.

상기 탄성체(124)는 상기 밸브체 수용부(121)의 폐쇄면 및 상기 이동부(122a) 사이에 개재되는데, 복원력에 의하여 상기 이동부(122a)가 상기 밸브체 수용부(121)의 폐쇄면 쪽으로 이동되도록 구비된다. 즉, 원자로 정상 작동 시(상기 역압 안전 밸브(120) 폐쇄 시)에는 상기 탄성체(124)는 원래 형상보다 인장되어 있는 상태가 되어 있다. 다만 상기 원자로 용기(113)의 내압이 외압보다 높기 때문에 발생되는, 상기 마개부(122b)를 외측으로 미는 힘이 상기 탄성체(124)의 복원력보다 강하기 때문에 상기 역압 안전 밸브(120)는 폐쇄 상태를 유지할 수 있다. 반면 원자로 손상 시에는, 상기 원자로 용기(113)의 내압이 외압과 같거나 낮아지게 되는 바, 상기 마개부(122b)를 외측으로 미는 힘이 약해지며, 따라서 상기 탄성체(124)의 복원력이 더 강해지게 된다. 따라서 상기 탄성체(124)가 원래의 형상으로 되돌아가는 수축 변형을 일으키게 되는데, 이에 따라 상기 이동체(122a)가 상기 밸브체 수용부(121) 폐쇄면 쪽(즉 상기 원자로 용기(113) 벽체 쪽)을 이동한다. 이 때 상기 마개부(122b)는 상기 이동체(122a)와 동일하게 상대 이동을 하므로 원래의 위치보다 상기 원자로 용기(113) 안쪽으로 이동하게 되며, 따라서 상기 역압 안전 밸브(120)의 개방이 이루어지게 되는 것이다.

더불어 상기 역압 안전 밸브(120)는, 상기 밸브체 수용부(121)의 폐쇄면 및 상기 이동부(122a) 사이의 공간에 유체를 유입 또는 배출시켜 상기 밸브체 수용부(121)의 폐쇄면 및 상기 이동부(122a) 사이의 공간 내 압력을 조절하는 유체 입출관(125)을 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 즉 외부에서 상기 유체 입출관(125)을 통해 유체를 유입 또는 배출시키는 조작을 해 줌으로써 보조적으로 더 개방 및 폐쇄 제어를 할 수 있다.

한편 상기 구멍(113a)은 도 5(A)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 원자로 용기(113) 외측을 향할수록 단면적이 좁아지는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 마개부(122b)는 상기 구멍(113a)에 상응하는 형태로 이루어지는데, 이와 같이 됨으로써 상기 원자력 용기(113) 내부에서 미는 힘이 작용할 때 상기 마개부(122b)가 상기 구멍(113a)에 걸리게 되어, 미는 힘 때문에 상기 마개부(122b)가 외부로 빠져버리지 않고 폐쇄 상태를 유지할 수 있게 된다.

도 5(B)는 상기 역압 안전 밸브(120)의 다른 실시예로서, 도 5(A)의 기본 실시예에 부가 구성이 더 형성된다. 이 실시예에서는 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(113)의 벽체 일부가 각각 구멍(113a) 및 부가 구멍(113b)이 형성된 이중 벽체를 형성하며, 상기 역압 안전 밸브(120)는 밸브체 수용부(121), 밸브체(122), 고정부(123), 탄성체(124)와 더불어, 안내부(126), 부가 밸브체(127), 부가 탄성체(128)를 더 포함한다. 도 5(B)의 실시예에서는 상기 원자로 용기(113) 벽체 일부가 이중 벽체를 형성하도록 함으로써, 만일의 경우 상기 역압 안전 밸브(120) 때문에 누출이 발생하게 될 위험성을 낮추어 준다.

상기 안내부(126)는 상기 마개부(122b)의 상기 연결부(122c)가 연결된 반대측 면에 돌출 형성된다. 즉 상기 안내부(126)는 상기 원자로 용기(113) 내측 방향을 향해 돌출된 형태가 된다.

상기 부가 밸브체(127)는 상기 안내부(126)에 안내되어 상기 원자로 용기(113)의 이중 벽체에 형성된 상기 부가 구멍(113b)을 개방 또는 폐쇄하는 부품으로, 삽입부(127a), 부가 마개부(127b)를 포함하여 이루어진다. 상기 삽입부(127a)는 상기 안내부(126)에 삽입되어 상기 안내부(126)의 연장 방향에 나란하게 상기 안내부(126)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성된다. 상기 부가 마개부(127b)는 상기 부가 구멍(113b)에 상응하는 형태로 형성되어 상기 부가 구멍(113b)을 개방 또는 폐쇄한다. 이 때 상기 부가 구멍(113b)은 상기 원자로 용기(113) 외측을 향할수록 단면적이 좁아지는 형태로 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 구멍(113a)의 형태상의 이점과 동일하므로 설명은 생략한다.

상기 부가 탄성체(128)는 상기 마개부(122b) 및 상기 부가 마개부(127b) 사이에 개재되는데, 복원력에 의하여 상기 부가 마개부(127b)가 상기 마개부(122b) 쪽으로 이동되도록 구비된다. 상기 부가 탄성체(128)의 역할은 상기 탄성체(124)의 역할과 유사하므로 설명은 생략한다.

상기 보조 열교환 계통(130)은, 원자로 손상 발생 시 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 지나치게 고온 고압이 되어 배출되는 것을 막고 잔열을 제거하기 위하여 구비된다. 도 6은 보조 열교환 계통의 실시예를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 상기 보조 열교환 계통(130)은, 증기관 안전 밸브(131), 보조 증기관 격리 밸브(132), 보조 열교환기 밸브(133), 보조 열교환기(134)를 포함하여 이루어진다.

상기 증기관 안전 밸브(131)는 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 개방 상태를 유지하도록 형성된다. 이와 같은 동작을 실현하는 안전 밸브의 구성은 일반적으로 널리 알려져 있으므로 상세한 구성의 설명은 생략한다.

상기 보조 증기관 격리 밸브(132)는 상기 증기관 안전 밸브(131)에 의하여 작동되어 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기를 격리하게 된다. 상기 증기관(116a)에는 앞서 설명한 바와 같이 비상사태 시 증기 배출을 중단하기 위하여 증기관 격리 밸브(116c, 도 3 참조)가 원래 구비되는데, 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)는 이와 유사한 역할을 하는 것으로 상기 증기관 격리 밸브(116c)가 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)의 역할을 겸하도록 이루어져도 무방하다.

상기 보조 열교환기 밸브(133)는 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의해 격리된 상기 증기관(116a) 내 증기를 우회시킨다. 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의하여 상기 증기관(116a)이 격리되었을 때 이 증기가 배출될 통로가 없으면 상기 증기관(116a) 내 압력이 과도하게 상승하여 파손될 수 있다. 따라서 상기 보조 열교환기 밸브(133)는 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 폐쇄됨과 동시에 반드시 개방되도록 구성되어야 한다.

상기 보조 열교환기(134)는 상기 보조 열교환기 밸브(133)를 통해 공급된 증기를 외부와 열교환시켜 잔열을 제거하여 상기 급수관(116b)으로 배출해 준다. 이 때 상기 보조 열교환기(134)는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 냉각수조(115) 내 냉각수에 배치되도록 하는 것이 바람직하다.

즉 종합하면, 상기 증기관(116a) 내 증기 압력이 미리 결정된 압력 이상으로 높아지면, 상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되는 동작 / 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 폐쇄되는 동작 / 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 개방되는 동작이 동시에 일어난다. 이에 따라 상기 증기관(116a) 내 증기는 터빈으로 공급되는 대신 상기 보조 열교환기(134)로 우회되어 유통됨으로써, 상기 냉각수조(115) 내 냉각수와 열교환함으로써 잔열을 제거하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 세 가지 밸브의 동작이 동시에 이루어지게 하기 위한 구성은 여러 가지로 설계될 수 있겠으나, 여기에서는 도 6의 실시예의 구성으로 설명한다. 도 6의 실시예에 도시된 바와 같이, 상기 보조 열교환 계통(130)은 증기관측 실린더(135a) 및 증기관측 이동체(135b)를 더 포함하여 상기 증기관 안전 밸브(131)와 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)의 동작을 동기화하고, 또한 보조 열교환기측 실린더(136a) 및 보조 열교환기측 이동체(136b)를 더 포함하여 상기 증기관 안전 밸브(131)와 상기 보조 열교환기 밸브(133)의 동작을 동기화한다. 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 증기관측 이동체(135b)는 상기 증기관측 실린더(135a) 내에 수용되어, 상기 증기관측 실린더(135a)의 연장 방향에 나란하게 상기 증기관측 실린더(135a)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성된다. 이 때, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 일측 공간과 상기 증기관 안전 밸브(131)가 연통되고, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간과 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 연통되도록 이루어진다.

따라서 상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되면, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 일측 공간의 압력이 상승하여 상기 증기관측 이동체(135b)가 이동됨으로써, 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 폐쇄되어 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 격리될 수 있게 되는 것이다.

이 때 상기 보조 열교환 계통(130)은, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간과 연통되도록 형성되어, 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간 내 압력이 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 공간 내 유체를 배출시키는 증기관측 실린더 벤트 밸브(135c)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 증기관측 실린더 벤트 밸브(135c)가 없을 경우 상기 증기관측 이동체(135b)가 이동 시 상기 타측 공간 내 압력이 높아짐으로써 이동이 원활하게 이루어지지 못할 수 있으므로, 상기 증기관측 실린더 벤트 밸브(135c)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 보조 열교환기측 이동체(136b)는 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내에 수용되어, 상기 보조 열교환기측 실린더(136a)의 연장 방향에 나란하게 상기 보조 열교환기측 실린더(136a)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성된다. 이 때, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 일측 공간과 상기 증기관 안전 밸브(131)가 연통되고, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간과 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 연통되도록 이루어진다.

따라서 상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되면, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 일측 공간의 압력이 상승하여 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)가 이동됨으로써, 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 개방되어 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의해 격리된 상기 증기관(116a) 내 증기가 우회되어 상기 보조 열교환기(134)로 공급될 수 있게 되는 것이다.

이 때 상기 보조 열교환 계통(130)은, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간과 연통되도록 형성되어, 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간 내 압력이 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 공간 내 유체를 배출시키는 보조 열교환기측 실린더 벤트 밸브(136c)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 보조 열교환기측 실린더 벤트 밸브(136c)가 없을 경우 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)가 이동 시 상기 타측 공간 내 압력이 높아짐으로써 이동이 원활하게 이루어지지 못할 수 있으므로, 상기 보조 열교환기측 실린더 벤트 밸브(136c)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 파열 냉각수 탱크(140)는, 상기 안전 보호 용기(114) 상단부에 구비되어 냉각수를 수용한다. 이 때 상기 파열 냉각수 탱크(140)는, 하면에 파열판(141)이 형성되어 상기 안전 보호 용기(114) 내 압력이 미리 결정된 기준 이상이 되면 상기 파열판(141)이 파열되어 수용된 냉각수를 상기 원자로 용기(113)로 공급하도록 형성된다. 즉 종래에는 상기 원자로 용기(113)에서 누출이 발생되면 상기 원자로 용기(113) 내로 냉각수를 보충하여 주는 방식으로 냉각을 꾀하는 것이 일반적이었는데(노심보충수탱크(CMT) 구성이 바로 이러한 예이다), 상기 파열 냉각수 탱크(140)는 이와는 전혀 상이하다. 상기 파열 냉각수 탱크(140)의 냉각수는 상기 원자로 용기(113) 내로 공급되는 것이 아니라, 상기 원자로 용기(113) 외면으로 쏟아지게 된다. 원자로 손상으로 인한 과열이 발생되면 당연히 상기 원자로 용기(113) 몸체 자체도 역시 가열되어 고온이 되게 되는데, 이처럼 상기 파열 냉각수 탱크(140)에서 배출된 냉각수가 상기 원자로 용기(113)에 뿌려짐으로써, 신속하고 즉각적으로 상기 원자로 용기(113) 몸체를 냉각해 줄 수 있게 되는 것이다.

도 7은 파열 냉각수 탱크의 실시예를 도시하고 있는데, 먼저 도 7(B)에 도시된 바와 같이 상기 파열 냉각수 탱크(140)는 하면에 상기 파열판(141)이 구비된 별도의 함체 형태로 형성되어 상기 안전 보호 용기(114) 상단부에 구비되도록 할 수 있다. 그러나 이와 같이 할 경우 별도의 함체를 상기 안전 보호 용기(114)에 고정시켜야 하는 등의 제작 과정이 불편할 수 있으므로, 상기 파열 냉각수 탱크(140)는 도 7(A)와 같은 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 7(A)의 실시예에서 상기 파열 냉각수 탱크(140)는, 상기 안전 보호 용기(114)의 내부 공간을 상하로 분리하는 격벽(142)을 포함하여 이루어져, 상기 안전 보호 용기(114) 벽면 일부 및 상기 격벽(142)에 의해 냉각수 수용 공간을 형성하도록 이루어진다. 즉 상기 안전 보호 용기(114) 벽면 일부 및 상기 격벽(142)이 상기 파열 냉각수 탱크(140)를 형성하는 것이다. 물론 이 때에는 상기 파열판(141)이 상기 격벽(142) 상에 구비되도록 한다. 상기 파열 냉각수 탱크(140)가 이러한 구성으로 이루어짐으로써 그 제작이 매우 간편하고 설치 과정이 간소화될 수 있다.

상기 안전 보호 용기 상 열교환기(150)는, 상기 안전 보호 용기(114)의 벽체에 구비되어, 상기 안전 보호 용기(114) 내 열에너지를 상기 냉각수조(115) 내 냉각수와 열교환시켜 배출시키는 역할을 한다. 상기 파열 냉각수 탱크(140)가 상기 원자로 용기(113)의 외면에 직접 뿌려짐으로써 상기 원자로 용기(113) 자체를 냉각하였듯이, 상기 안전 보로 용기 상 열교환기(150)는 상기 안전 보호 용기(114) 자체를 보다 효과적으로 냉각하는 역할을 한다. 물론 이와 같이 상기 안전 보호 용기(114) 자체가 냉각됨으로써 원자로 손상으로 인하여 발생된 과열이 보다 효율적으로 제거될 수 있음은 물론이다.

상기 안전 보호 용기 상 열교환기(150)의 구체적인 구성은 매우 다양하게 실현될 수 있다. 물론 상기 안전 보호 용기 상 열교환기(150)는, 필수적으로 상기 안전 보호 용기(114)의 벽체 내측 또는 외측에 밀접 구비되며, 상기 냉각수조(115)와 연통되어 상기 냉각수조(115) 내의 냉각수가 유통되는 유로(151)를 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 유로(151)는, 상기 안전 보호 용기(114)와 별도의 부품으로 형성되어 상기 안전 보호 용기(114)에 부착 구비되도록 이루어질 수도 있고, 또는 상기 안전 보호 용기(114) 일부가 함몰된 형태로서 상기 안전 보호 용기(114)와 일체화되어 형성될 수도 있다. 전자의 경우 상기 안전 보호 용기(114)에 별도의 부품을 더 부착하는 것이므로 부품 수 및 조립 공정이 늘어나는 단점이 있는 반면 기존의 제품에도 용이하게 적용할 수 있다. 후자의 경우 부품 수 및 조립 공정의 증가가 전혀 없다는 장점이 있는 반면 상기 안전 보호 용기(114) 측면 형상 자체가 달라져야 하므로 제작 공정이 일부 난해해질 소지는 있다.

도 8은 안전 보호 용기 상 열교환 계통의 여러 실시예들을 도시하고 있다. 도 8(A)의 실시예는 상기 유로(151)가 사행 구조(turning structure)로 형성되는 예시를, 도 8(B)의 실시예는 상기 유로(151)가 서로 평행하게 배치되는 다수 개의 튜브를 포함하여 이루어지는 예시를, 도 8(C)의 실시예는 상기 유로(151)가 상기 안전 보호 용기(114)의 측면을 둘러싸는 다수 개의 링 형태의 튜브를 포함하여 이루어지는 예시를, 도 8(D)의 실시예는 상기 유로(151)가 상기 안전 보호 용기(114)의 측면을 둘러싸는 나선 형태로 이루어지는 예시를 각각 도시하고 있다. 물론 도 8의 예시로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상기 안전 보호 용기(114)의 벽면에 구비되어 상기 냉각수조(115) 내 냉각수를 유통시켜 상기 안전 보호 용기(114)를 직접 냉각할 수 있는 구성이기만 하면 상기 유로(151)의 형태는 어떻게 이루어져도 무방하다.

더불어 상기 안전 보호 용기 상 열교환기(150)는, 사행 구조 또는 서로 평행한 튜브들로 이루어지는 상기 유로(151) 사이에 개재 구비되는 다수 개의 핀(152)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 8에서는 도 8(A), 도 8(B)의 실시예에 상기 핀(152)이 구비되는 예시를 도시하고 있다. 물론 도 8(C), 도 8(D)의 실시예에도 상기 핀(152)을 구비하는 것이 얼마든지 가능하다. 상기 핀(152)이 구비되면 상기 유로(151) 내에 유통되는 냉각수의 열교환이 보다 원활하게 이루어지게 된다.

본 발명은 상기한 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.

110: (본 발명의) 자기 냉각 피동 원자로
111: 원자로 노심 112: 원자로 출력 제어봉
113: 원자로 용기 114: 안전 보호 용기
113a: (원자로 용기 벽체의) 구멍
113b: (원자로 용기 벽체의) 부가 구멍
115: 냉각수조 116: 증기 발생기
116a: 증기관 116b: 급수관
116c: 증기관 격리 밸브 116d: 급수관 격리 밸브
120: 역압 안전 밸브 121: 밸브체 수용부
122: 밸브체 122a: 이동부
122b: 마개부 122c: 연결부
123: 고정부 123a: 통공
124: 탄성체 125: 유체 입출관
126: 안내부 127: 부가 밸브체
127a: 삽입부 127b: 부가 마개부
128: 부가 탄성체
130: 보조 열교환 계통
131: 증기관 안전 밸브 132: 보조 증기관 격리 밸브
133: 보조 열교환기 밸브 134: 보조 열교환기
135a: 증기관측 실린더 135b: 증기관측 이동체
135c: 증기관측 실린더 벤트 밸브
136a: 보조 열교환기측 실린더 136b: 보조 열교환기측 이동체
136c: 보조 열교환기측 실린더 벤트 밸브
140: 파열 냉각수 탱크
141: 파열판 142: 격벽
150: 안전 보호 용기 상 열교환기
151: 유로 152: 방열핀

Claims (5)

1. 원자로 노심(111);
   상기 원자로 노심(111)에 하단부가 상하 이동 가능하게 삽입되는 원자로 출력 제어봉(112);
   외부와 밀폐되도록 형성되어 냉각수를 수용하며, 상기 원자로 노심(111)이 최하측에 배치되고 상기 원자로 출력 제어봉(112) 상단부 일부가 외부로 노출되도록 상기 원자로 노심(111) 및 상기 원자로 출력 제어봉(112)이 그 내부에 구비되는 원자로 용기(113);
   외부와 밀폐되도록 형성되어 내부가 진공으로 형성되며, 상기 원자로 용기(113)가 그 내부에 구비되는 안전 보호 용기(114);
   수조 형태로 형성되어 냉각수가 수용되며, 상기 안전 보호 용기(114)가 냉각수 수중에 배치되도록 구비되는 냉각수조(115);
   상기 원자로 용기(113) 내부에 구비되어, 상기 원자로 용기(113) 내 냉각수로부터 열을 전달받아 그 내부에 유통되는 열교환매체를 증발시켜 증기관(116a)으로 배출하여 터빈을 작동시키고, 터빈을 작동시킨 후 응축된 열교환매체를 급수관(116b)으로 공급받도록 이루어지는 증기 발생기(116);
   상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 개방 상태를 유지하도록 형성되는 증기관 안전 밸브(131), 상기 증기관 안전 밸브(131)에 의하여 작동되어 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기를 격리하는 보조 증기관 격리 밸브(132)와, 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의해 격리된 상기 증기관(116a) 내 증기를 우회시키는 보조 열교환기 밸브(133)와, 상기 보조 열교환기 밸브(133)를 통해 공급된 증기를 외부와 열교환시켜 잔열을 제거하여 상기 급수관(116b)으로 배출하는 보조 열교환기(134)를 포함하여 이루어지는 보조 열교환 계통(130);
   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 보조 열교환 계통(130)은
   증기관측 실린더(135a),
   상기 증기관측 실린더(135a) 내에 수용되어 상기 증기관측 실린더(135a)의 연장 방향에 나란하게 상기 증기관측 실린더(135a)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성되는 증기관측 이동체(135b)
   를 더 포함하여 이루어져,
   상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 일측 공간과 상기 증기관 안전 밸브(131)가 연통되고,
   상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간과 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 연통되어,
   상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되면 상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 일측 공간의 압력이 상승하여 상기 증기관측 이동체(135b)가 이동됨으로써 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)가 폐쇄되어 상기 증기관(116a)으로 배출되는 증기가 격리되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 보조 열교환 계통(130)은
   상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간과 연통되도록 형성되어,
   상기 증기관측 이동체(135b)에 의해 분리된 상기 증기관측 실린더(135a) 내 타측 공간 내 압력이 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 공간 내 유체를 배출시키는 증기관측 실린더 벤트 밸브(135c)
   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 보조 열교환 계통(130)은
   보조 열교환기측 실린더(136a),
   상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내에 수용되어 상기 보조 열교환기측 실린더(136a)의 연장 방향에 나란하게 상기 보조 열교환기측 실린더(136a)의 내측 벽면을 따라 슬라이딩 이동 가능하도록 형성되는 보조 열교환기측 이동체(136b)
   를 더 포함하여 이루어져,
   상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 일측 공간과 상기 증기관 안전 밸브(131)가 연통되고,
   상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간과 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 연통되어,
   상기 증기관 안전 밸브(131)가 개방되면 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 일측 공간의 압력이 상승하여 상기 보조 열교환기측 이동체(136b)가 이동됨으로써 상기 보조 열교환기 밸브(133)가 개방되어 상기 보조 증기관 격리 밸브(132)에 의해 격리된 상기 증기관(116a) 내 증기가 우회되어 상기 보조 열교환기(134)로 공급되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 보조 열교환 계통(130)은
   상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간과 연통되도록 형성되어,
   상기 보조 열교환기측 이동체(136b)에 의해 분리된 상기 보조 열교환기측 실린더(136a) 내 타측 공간 내 압력이 미리 결정된 압력 이상이 되면 개방되어 공간 내 유체를 배출시키는 보조 열교환기측 실린더 벤트 밸브(136c)
   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보조 열교환 계통을 갖는 자기 냉각 피동 원자로.

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