KR101535478B1 - 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 격납부의 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시키는 플레이트형 열교환기, 및 상기 일차계통유체의 순환유로를 형성하도록 상기 원자로냉각재계통을 상기 플레이트형 열교환기에 연결하거나 상기 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치된 증기발생기를 상기 플레이트형 열교환기에 연결하는 순환배관을 포함하고, 상기 플레이트형 열교환기는 상기 순환배관을 통해 공급된 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환시키도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널들을 구비하는 피동잔열제거계통과 이를 구비하는 원전을 개시한다.

Description

피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전{PASSIVE HEAT REMOVAL SYSTEM AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}
본 발명은 플레이트형 열교환기가 적용된 피동잔열제거계통과 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.
인쇄기판형 열교환기는 기술은 영국 Heatric 사(Patent : US 4665975, 1987)에서 개발되어 일반 산업분야에 매우 다양하게 이용되고 있다. 인쇄기판형 열교환기는 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)에 의한 조밀한 유로배치 및 확산접합 기술을 이용하여 열교환기의 판 사이의 용접을 없앤 구조의 열교환기이다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기는 고온 고압의 환경에 적용 가능하고, 고집적도와 우수한 열교환 성능을 갖추고 있다. 인쇄기판형 열교환기 고온 고압의 환경에 대한 내구성과 우수한 고집적도 열교환 성능 등의 장점으로 냉난방시스템, 연료전지, 자동차, 화학 공정, 의료기기, 원자력, 정보 통신 장비, 극저온 환경 등의 증발기, 응축기, 냉각기, 라디에이터, 열교환기, 반등기 등 매우 다양한 분야로 적용범위가 확대되고 있다.
그러나 종래의 인쇄기판형 열교환기는 이상 유동(two phase)이 발생하는 증발기 등의 분야에서는 운전조건이 제한된 범위에서 이용되어 왔다. 인쇄기판형 열교환기가 쉘&튜브(shell and tube)형 등 다른 형태의 열교환기에 비해 열전달 효율이 매우 우수함에도 불구하고 증기발생기나 격납건물냉각 열교환기로 광범위하게 사용되지 못했던 이유는 유로채널에서의 유동불안 문제 때문이었다.
일반적으로 유로채널(flow channel)로 구성된 증기발생기 또는 격납건물냉각 열교환기에서는 이상 유동(two phase)이 발생하는 영역에서 증기가 형성되면서 밀도가 급격히 증가하고, 이로 인한 밀도파가 유로방향의 앞뒤로 전파되어 유동이 불안해 진다. 단상영역과 이상영역의 압력강하 위상차가 서로 되먹임을 하며 유동불안을 증폭시키기 때문이다.
이러한 현상은 증기발생기와 같이 기동 혹은 다른 목적의 저출력운전모드로부터 정상운전범위까지 운전범위가 넓거나 격납건물냉각 열교환기와 같이 사고시 작동범위가 넓은 응용분야의 경우에는 특히 중요한 문제가 된다.
이러한 유동현상을 완화하고자 일반적 운전범위가 넓은 쉘&튜브(shell and tube) 형 증기발생기, 특히 튜브를 이차 유로로 이용하는 경우에는 튜브의 입구 영역에 유로저항을 크게 만들어 극복을 시도하고 있다. 그러나 단순히 유로면적을 줄이기만 하면 파울링(fouling) 문제 등을 유발할 수 있고, 이로 인해 장기간의 수명을 유지해야 하는 원자력 환경에는 적용이 제한될 수 있다. 본 발명에서 유로오염(fouling) 문제는 증기발생기나 격납건물냉각 열교환기를 장기간 운전하면서, 각종 불순물이 누적됨에 따라 유로 단면적이 좁아지거나 막혀 증기발생기나 열교환기로 공급되는 유량에 영향을 주는 현상을 의미하며, 입구 유로단면적이 작을수록 이러한 현상이 가속될 수 있다.
판형(plate type) 열교환기는 일반적으로 판을 압출하여 유로 채널을 형성하고, 판 사이를 개스킷을 사용하거나 일반 용접 또는 브레이징 용접을 사용하여 결합시킨다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기와 적용분야는 유사하나 압력이 낮은 저압 환경에서 더 많이 이용되고 있다. 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기 보다는 작고 쉘&튜브(shell and tube)형 열교환기 보다는 우수한 특성이 있다. 또한 인쇄기판형 열교환기에 비해서는 제작이 간편한 특성이 있다.
한편, 원자로는 안전계통의 구성방식에 따라 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형원자로와 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형원자로로 나뉜다. 또한, 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)가 원자로 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 국내 가압경수로)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다.
원전산업분야에서 피동잔열제거계통은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원전에서 사고가 발생하는 경우 원자로냉각재계통의 열(원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열)을 제거하는 계통으로 채용되고 있다(국내특허등록번호: 제10-0261752호, 제10-0419194호, 제10-1234570호)
피동잔열제거계통의 냉각수 순환 방식으로는 원자로 일차냉각수를 직접 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(AP1000: 미국 웨스팅하우스)과 증기발생기를 이용하여 이차냉각수를 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(SMART 원자로: 국내) 두 가지가 주로 사용되고 있으며, 일차냉각수를 탱크에 주입하여 직접 응축시키는 방식(CAREM:아르헨티나)도 일부 이용되고 있다.
또한 피동잔열제거계통의 열교환기(응축열교환기)의 외부를 냉각하는 방식으로는 대부분의 원자로에서 적용하고 있는 수랭식(water-cooled, AP1000)과, 일부 공랭식(air-cooled, WWER 1000:러시아)과 수-공랭식 병용 방식(IMR:일본)이 이용되고 있다. 피동잔열제거계통의 열교환기는 원자로로부터 전달받은 열을 비상냉각탱크 등을 통해 외부(최종 열침원)로 전달하는 기능을 수행하며, 열교환기 방식으로 열전달 효율이 뛰어난 증기 응축현상을 이용한 응축열교환기가 많이 채용되고 있다.
그러나 일반적으로 피동잔열제거계통은 일차냉각수(원자로냉각재계통) 또는 이차냉각수(증기발생기)를 이용하므로 일차계통 또는 이차계통과 압력경계로서의 역할을 수행하며, 또한 피동잔열제거계통의 열교환기는 일반적으로 격납건물 외부의 대기환경과 경계를 이루고 있으므로 압력경계가 손상되는 경우 일차냉각수 또는 이차냉각수가 대기 환경으로 방출될 수 있으므로 사고 시 압력경계를 유지하는 것은 매우 중요한 역할이다.
일반적으로 쉘 앤 튜브(shell & tube) 형태의 피동잔열제거계통 열교환기의 튜브 바깥쪽(shell side)에는 비상냉각수가 자연 순환되고, 튜브 안쪽(tube side)에는 일차냉각수 또는 이차냉각수가 자연 순환된다. 열교환에 의해 일차냉각수 또는 이차냉각수는 응축 및 냉각되고 비상냉각수는 증발 및 온도가 증가된다. 원자로냉각재계통과 이차계통은 높은 압력으로 운전되므로 피동잔열제거계통에 일반적인 쉘 앤 튜브(shell & tube) 형태의 열교환기를 적용하는 경우 두꺼운 튜브와 큰 유로를 적용해야 하므로 열전달 성능이 저하되어 열교환기 크기가 증가하고 설계 및 제작 비용이 상승하는 원인이 될 수 있다. 또한 종래의 shell & tube 형태 열교환기는 튜브 연결을 위한 많은 용접부를 포함하고 있어 정기적으로 용접부 검사 등의 유지보수 작업을 수행해야 하고, 유지보수 작업의 용이성을 고려하여 튜브의 직경을 크게 만들기 때문에 열교환기 크기가 증가하고 설계 및 제작 비용이 상승하는 원인이 될 수 있다.
반면 인쇄기판형 열교환기는 확산접합방식을 이용하므로 인쇄기판 사이에는 용접부가 포함되지 않아 인쇄기판에 대한 용접검사 등의 유지보수 작업이 요구되지 않고, 작은 열전달 유로를 이용하므로 고집적도의 열교환기의 구성이 가능하며, 두께가 얇아지고 압력경계를 유지하기는 것이 용이해지나, 인쇄기판형 열교환기의 이러한 고집적도의 특성은 유로저항을 증가시켜 자연대류의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
한편, 판형 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형 열교환기는 일반적으로 판을 압출하여 유로 채널을 형성하고, 판 사이를 개스킷을 사용하거나 일반 용접 또는 브레이징 용접을 사용하여 결합시킨다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기와 적용분야는 유사하나 압력이 낮은 저압 환경에서 더 많이 이용되고 있다. 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기 보다는 작고 쉘&튜브(shell and tube)형 열교환기 보다는 우수한 특성이 있다. 또한 인쇄기판형 열교환기에 비해서는 제작이 간편한 특성이 있다.
따라서, 원자로의 이러한 문제점을 극복하기 위해 플레이트형 열교환기를 피동잔열제거계통에 적용하는 것을 고려해 볼 수 있다.
본 발명의 일 목적은 플레이트형 열교환기의 적용 범위 한계를 극복하고, 플레이트형 열교환기를 적용함에 있어 발생하는 유동 불안 등의 문제를 해결한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 피동적인 방법으로 열교환 유체들의 압력 경계를 유지하면서 높은 열교환 효율을 통해 효과적으로 원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열을 제거할 수 있는 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 피동잔열제거계통은, 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 격납부의 내부 또는 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시키는 플레이트형 열교환기, 및 상기 일차계통유체의 순환유로를 형성하도록 상기 원자로냉각재계통을 상기 플레이트형 열교환기에 연결하거나 상기 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치된 증기발생기를 상기 플레이트형 열교환기에 연결하는 순환배관을 포함하고, 상기 플레이트형 열교환기는 상기 순환배관을 통해 공급된 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환시키도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널들을 구비한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 채널들은 이상(two phase) 유동에 의한 유동 불안정을 완화하도록, 입구 영역과 출구 영역을 연결하는 주열전달 영역의 유로저항보다 상기 입구 영역의 유로저항이 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.
상기 입구 영역은, 상기 주열전달 영역보다 작은 폭으로 형성되며, 유로의 길이를 연장시켜 직선형 유로보다 상대적으로 더 큰 유로저항을 구비하도록 형성될 수 있다.
상기 플레이트형 열교환기는, 상기 입구 영역과 상기 주열전달 영역 사이에 형성되고, 상기 입구 영역의 유로 크기에서 상기 주열전달 영역의 유로 크기까지 유로의 폭이 점차 증가하도록 형성되는 유로확대부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 채널들은, 상기 냉각 유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제1유로, 및 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 통과시키도록 형성되고 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환을 유도하도록 상기 제1유로와 교대로 배열되는 복수의 제2유로를 포함할 수 있다.
상기 피동잔열제거계통은, 상기 플레이트형 열교환기로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로와 상기 제2유로의 입구에 형성되는 입구 헤더, 및 상기 각 채널들을 통과한 상기 유체들을 모으도록 상기 제1유로와 상기 제2유로의 출구에 형성되는 출구 헤더를 더 포함할 수 있다.
상기 순환배관은, 상기 증기발생기의 출구에서 연장되는 주증기관에서 상기 이차계통유체를 공급받도록 상기 주증기관으로부터 분기되어 상기 제2유로의 입구에 연결되는 증기배관, 및 상기 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각된 상기 이차계통유체를 상기 증기발생기로 다시 순환시키도록 상기 증기발생기의 입구에서 연장되는 주급수관으로부터 분기되어 상기 제2유로의 출구에 연결되는 급수배관을 포함할 수 있다.
상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 내부 공간에 설치되고, 상기 제1유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키도록 상기 제1유로의 입구와 출구가 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 격납부의 외부와 통할 수 있다.
상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 외부 공간에 설치되고, 상기 증기배관과 상기 급수배관은 상기 격납부의 외부에서 상기 주증기관과 주급수관에 각각 연결될 수 있다.
상기 피동잔열제거계통은, 내부에 상기 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 상기 격납부의 외부에 설치되고, 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체로부터 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 상기 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부를 구비하는 비상냉각수저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 내부 공간에 설치되고, 상기 제1유로로 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각 유체를 통과시키도록 상기 제1유로의 입구와 출구가 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 비상냉각수저장부에 연결될 수 있다.
상기 플레이트형 열교환기는 적어도 일부가 상기 냉각 유체에 침지되도록 상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되고, 상기 증기배관과 상기 급수배관은 적어도 일부가 상기 비상냉각수저장부를 관통하여 상기 격납부의 외부에서 각각 상기 주증기관과 상기 주급수관에 연결될 수 있다.
상기 플레이트형 열교환기는 상기 제1유로로 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각 유체 및 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키도록 어느 일부가 상기 비상냉각수저장부에 침지되고, 상기 냉각 유체와 상기 대기 중 상기 이차계통유체와의 열전달에 의해 증발된 유체를 외부로 방출하도록 상단부가 상기 비상냉각수저장부를 관통하여 상기 비상냉각수저장부의 상부로 돌출될 수 있다.
상기 순환배관은, 상기 원자로냉각재계통에서 상기 일차계통유체를 공급받아 상기 플레이트형 열교환기로 전달하도록 적어도 일부가 상기 원자로냉각재계통과 상기 제2유로의 입구에 연결되는 증기배관, 및 상기 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각된 상기 일차계통유체를 상기 원자로냉각재계통으로 다시 주입시키도록 적어도 일부가 상기 제2유로의 출구와 상기 원자로냉각재계통에 연결되는 주입배관을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는 입구의 병목 현상을 완화하도록, 측면에서 상기 냉각 유체를 유입시켜 상기 채널들을 통과하는 냉각 유체와 합류시키는 개방형 유로를 구비할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 플레이트형 열교환기는 입구의 병목 현상을 완화하도록 복수개로 구비되며, 상기 플레이트형 열교환기의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 케이싱, 및 열전달 면적을 확장시키도록 상기 케이싱의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 냉각핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는, 확산접합에 의해 형성되며 광화학적 식각기술에 의해 조밀한 상기 채널들을 구비하는 인쇄기판형 열교환기일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는, 플레이트를 압출하여 상기 채널들을 형성하고, 플레이트들을 개스킷, 용접, 브레이징 용접 중 적어도 하나로 결합시킨 판형 열교환기일 수 있다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 피동잔열제거계통을 구비하는 원전을 개시한다. 원전은, 원자로냉각재계통, 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로냉각재계통의 외부를 감싸는 격납부, 및 사고 시 상기 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 원자로냉각재계통의 현열과 상기 노심의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 격납부의 내부 또는 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시키는 플레이트형 열교환기, 및 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 상기 원자로냉각재계통을 상기 플레이트형 열교환에 연결하거나 일차계통과 이차계통 사이의 증기발생기를 상기 플레이트형 열교환기를 연결하는 순환배관을 포함하고, 상기 플레이트형 열교환기는 상기 순환배관을 통해 공급된 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환시키도록 경계면의 양측에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널들을 구비한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 고집적도 열전달 성능과 고온 고압에 대한 내구성을 갖는 플레이트형 열교환기를 피동잔열제거계통에 적용할 수 있다. 본 발명에서 피동잔열제거계통의 플레이트형 열교환기에는 폐쇄형 유로와 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로가 선택적으로 도입되어, 냉각 유체 또는 대기를 원활히 순환시키고 배출시킬 수 있으며, 수랭식, 공랭식 또는 혼합식의 냉각 방식이 모두 적용될 수 있다.
또한 본 발명은, 플레이트형 열교환기에서 기판의 폭과 높이를 자유롭게 선정하고 판의 수를 자유롭게 선택하여, 복수의 플레이트형 열교환기로 구성된 열교환기 집합체를 구비하는 피동잔열제거계통을 구성할 수 있다. 이에 따라 플레이트형 열교환기의 입구에서 병목 현상을 완화시킨 피동잔열제거계통을 구성할 수 있다.
또한 본 발명은, 공랭식 또는 혼합식의 냉각 방식 채택을 통해 피동잔열제거계통의 안전기능을 장기간(반영구적) 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전에서 사고 발생 후 시간이 경과한 사고 중기와 사고 후기의 개념도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 8 내지 도 14는 도 1 내지 도 7의 피동잔열제거계통에 선택적으로 적용될 수 있는 플레이트형 열교환기를 유로 개념도.
도 15는 도 1 내지 도 7의 피동잔열제거계통에 선택적으로 적용될 수 있는 복수의 플레이형 열교환기의 개념도.
도 16은 도 15에 도시된 복수의 플레이트형 열교환기의 배치 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 피동잔열제거계통 및 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 플레이트형 열교환기라 함은, 특별한 언급이 없는 한 일반적인 판형 열교환기와 인쇄기판형 열교환기뿐만 아니라 플레이트(판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우도 모두 포괄적으로 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동잔열제거계통(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 개념도이다.
도 1에 도시된 원전(10)은 일체형 원자로에 대하여 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 일체형 원자로에만 적용되는 것은 아니고 분리형 원자로에도 적용될 수 있다.
도 1에서는 설명의 편의를 위하여 본 발명에서 개시하는 피동잔열제거계통(100) 및 이를 구비하는 원전(10)에 대하여 원자로냉각재계통(12)을 중심으로 대칭으로 도시하였다. 그리고, 도 1의 우측에는 원전(10)의 정상 운전시를 도시하고 좌측에는 원전(10)의 사고 발생시를 도시하였다. 이는 서로 대칭을 이루도록 도시된 이하의 다른 도면에서도 다른 설명이 없는 한 마찬가지이다.
원전(10)은 정상적인 운용과 사고 발생에 대비하여 원전(10)의 건전성을 유지하기 위한 다양한 계통들을 포함하고, 그 밖에 격납부(11) 등의 구조물을 포함한다.
격납부(11)는 방사성 물질의 누출을 방지하도록 원자로냉각재계통(12)의 외부에 상기 원자로냉각재계통(12)을 감싸도록 형성된다. 격납부(11)는 원자로냉각재계통(12)으로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종 방벽 역할을 한다.
격납부(11)는 압력경계를 구성하는 재료에 따라 강화콘크리트로 구성하는 격납건물(또는 원자로건물이라 함)과 철재용기로 구성하는 격납용기와 안전보호용기로 나뉜다. 격납용기는 격납건물과 같이 저압으로 설계되는 대형용기이며, 안전보호용기는 설계압력을 증가시켜 소형으로 설계되는 소형용기이다. 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 격납부(11)라 함은, 격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등을 모두 포괄적으로 지칭한다.
원전(10)의 정상 운전시 주급수관(13a)을 통해 급수계통(13)으로부터 증기발생기(12b)로 급수가 공급되면, 증기발생기(12b)는 노심(12a)에서 전달된 열을 이용해 증기를 발생시킨다. 증기는 주증기관(14a)을 통해 터빈계통(14)으로 공급되며, 터빈계통(14)은 공급받은 증기를 이용하여 전기를 생산한다. 주급수관(13a)과 주증기관(14a)에 설치되는 격리밸브(13b, 14b)들은 원전(10)의 정상 운전시에는 개방되어 있으나, 사고 발생시에는 작동 신호에 의해 닫힌다.
원자로냉각재계통(12)의 내부에는 일차계통유체가 채워져 있으며, 노심(12a)에서 전달받은 열을 증기발생기(12b)에서 이차계통유체에 전달한다. 원전(10)의 일차계통이란 노심(12a)으로부터 직접적으로 열을 전달받아 노심(12a)을 냉각하는 계통이고, 이차계통이란 상기 일차계통과 압력경계를 유지하면서 상기 일차계통으로부터 열을 전달받아 전달받은 열을 이용해 전기를 생산하는 계통이다. 특히, 가압 경수형 원전의 건전성을 위해 일차계통과 이차계통 사이에는 반드시 압력경계가 유지되어야 한다.
원자로냉각재계통(12)에는 일차계통유체를 순환시키기 위한 원자로냉각재펌프(12c), 냉각재의 비등을 억제하고 운전 압력을 제어하기 위한 가압기(12d)가 설치된다. 증기발생기(12b)는 일차계통과 이차계통 경계에 배치되어 일차계통유체와 이차계통유체 사이의 열교환을 유도한다.
피동잔열제거계통(100)은 원전(10)에서 사고 발생시 원전(10)의 안전성을 확보하기 위한 핵심계통 중의 하나로, 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열을 제거하여 외부로 방출하는 계통이다.
이하에서는 먼저 피동잔열제거계통(100)의 구조에 대하여 설명하고, 이어서 원전(10)에서 사고 발생 시 피동잔열제거계통(100)의 작동에 대하여 설명한다.
피동잔열제거계통(100)은 플레이트형 열교환기(110), 순환배관(120)을 포함하며, 비상냉각수저장부(130)를 포함할 수 있다.
플레이트형 열교환기(110)는 격납부(11)의 내부 또는 외부 중 적어도 한 곳에 설치될 수 있다. 플레이트형 열교환기(110)는 원자로냉각재계통(12)의 현열과 노심(12a)의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 격납부(11)의 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시킨다.
도 1에 도시된 플레이트형 열교환기(110)는 격납부(11)의 외부에 설치되며, 이차계통유체를 격납부(11) 외부의 냉각 유체와 열교환시키도록 이루어진다.
순환배관(120)은 일차계통유체 또는 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 원자로냉각재계통(12)을 플레이트형 열교환기(110)에 연결하거나 일차계통과 이차계통 사이의 증기발생기(12b)를 플레이트형 열교환기(110)에 연결한다. 도 1에는 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 증기발생기(12b)와 플레이트형 열교환기(110)를 연결하는 순환배관(120)이 도시되어 있다.
플레이트형 열교환기(110)는 순환배관(120)을 통해 공급된 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각 유체와 압력경계를 유지하면서 열교환시키도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널(미도시)들을 구비한다.
채널들은 서로 다른 유체를 통과시키는 제1유로(미도시)와 제2유로(미도시)를 포함한다. 제1유로는 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 냉각 유체를 통과시키도록 복수개가 플레이트에 서로 이격되게 배열된다. 제2유로는 일차계통계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키도록 형성되고, 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환을 유도하도록 복수개가 상기 제1유로와 교대로 플레이트에 배열된다.
도 1의 플레이트형 열교환기(110)는 이차계통유체의 순환을 이용하므로, 제2유로에는 이차계통유체가 흐르고 제1유로를 흐르는 냉각 유체는 상기 이차계통유체를 냉각한다.
플레이트형 열교환기(110)의 각 입구와 출구에는 입구 헤더(111a, 112a)와 출구 헤더(111b, 112b)가 형성된다. 입구 헤더(111a, 112a)는 플레이트형 열교환기(110)로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로와 제2유로의 입구에 형성된다. 출구 헤더(111b, 112b)는 각 채널들을 통과한 유체들을 모으도록 제1유로와 제2유로의 출구에 형성된다. 플레이트형 열교환기(110)에 공급된 유체들은 제1유로를 통과하는 냉각 유체, 제2유로를 통과하는 일차계통유체 또는 이차계통유체를 포함한다. 특히, 도 1에 도시된 피동잔열제거계통(100)에서 플레이트형 열교환기(110)에 공급된 유체들이란 냉각 유체와 이차계통유체이다.
도 1에서 제2유로의 입구 헤더(111a)와 출구 헤더(111b)는 압력경계 유지를 위해 필수적으로 구비되어야 한다. 그러나, 제1유로는 입출구가 비상냉각수저장부 유체에 개방되어 있는 구조이므로 입출구 유동을 원활하게 하기 위해 입구 헤더(112a)와 출구 헤더(112b)는 선택적으로 구비될 수 있는 구조물이다. 따라서, 제1유로에는 입구 헤더(112a)와 출구 헤더(112b)가 구비되지 않을 수도 있고, 제1유로로부터 외부로 연장되는 형태의 입구안내구조물과 출구안내구조물 등으로 대체될 수도 있다.
냉각 유체와 이차계통유체는 서로 다른 방향으로 흐르면서 열교환하므로, 제1유로의 입구는 제2유로의 출구와 인접하게 배치되고, 제1유로의 출구는 제2유로의 입구와 인접하게 배치된다. 그리고, 제1유로의 입구 헤더(112a)는 제2유로의 출구 헤더(111b)와 인접하게 배치되고, 제1유로의 출구 헤더(112b)는 제2유로의 입구 헤더(111a)와 인접하게 배치된다.
순환배관(120)은 플레이트형 열교환기(110)로 이차계통유체를 공급하는 증기배관(121)과 상기 플레이트형 열교환기(110)로부터 이차계통유체를 공급받는 급수배관(122)을 포함한다.
증기배관(121)은 증기발생기(12b)의 출구에서 연장되는 주증기관(14a)에서 이차계통유체를 공급받도록 상기 주증기관(14a)으로부터 분기되어 상기 제2유로의 입구에 연결된다. 급수배관(122)은 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각된 이차계통유체를 증기발생기(12b)로 다시 순환시키도록 상기 증기발생기(12b)의 입구에서 연장되는 주급수관(13a)으로부터 분기되어 상기 제2유로의 출구에 연결된다.
피동잔열제거계통(100)은 비상냉각수저장부(130)를 포함할 수 있다.
비상냉각수저장부(130)는 내부에 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 격납부(11)의 외부에 설치된다. 비상냉각수저장부(130)는 일차계통유체 또는 이차계통유체로부터 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부(131)를 구비한다.
플레이트형 열교환기(110)는 적어도 일부가 상기 냉각 유체에 침지되도록 비상냉각수저장부(130)의 내부에 설치될 수 있다. 이 경우 증기배관(121)과 급수배관(122)은 적어도 일부가 비상냉각수저장부(130)를 관통하여 격납부(11)의 외부에서 각각 상기 주증기관(14a)과 상기 주급수관(13a)에 연결될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이 플레이트형 열교환기(110)가 비상냉각수저장부(130)의 냉각 유체에 완전히 침지되어 있는 경우, 플레이트형 열교환기(110)는 수랭식으로 비상냉각수저장부(130)의 냉각 유체(냉각수)를 이용하여 이차계통유체를 냉각한다.
다음으로, 사고 발생시 피동잔열제거계통(100)의 작동에 대하여 설명한다. 도 1에서 서로 대칭적으로 도시한 도면의 좌측이 사고 발생시 피동잔열제거계통(100)의 상태를 나타낸다.
원전(10)에서 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고(증기관파단사고 등) 등의 사고가 발생하면 주증기관(14a)과 주급수관(13a)에 설치된 격리밸브(13b, 14b)들은 관련신호에 의하여 폐쇄된다. 그리고, 피동잔열제거계통(100)의 급수배관(122)에 설치된 격리밸브(122a)는 관련신호에 의해 개방되며, 상기 격리밸브(122a) 개방에 의해 형성된 이차계통유체의 유동에 의해 상기 급수배관(121)에 설치된 체크밸브(122b)도 개방된다. 이에 따라, 급수계통(13)으로부터 증기발생기(12b)로 급수의 공급은 중단되고, 피동잔열제거계통(100) 내에서 이차계통유체가 순환한다.
이차계통유체는 급수배관(122)과 주급수관(13a)을 순차적으로 통과해 증기발생기(12b)의 입구로 유입된다. 증기발생기(12b)로 공급된 이차계통유체는 증기발생기(12b)에서 원자로냉각재계통(12) 내부의 일차계통유체로부터 현열 및 노심(12a)의 잔열을 전달받고, 이차계통유체의 온도는 상승하여 적어도 일부가 증발한다.
증기발생기(12b)의 출구를 통해 유출된 이차계통유체는 주증기관(14a) 및 피동잔열제거계통(100)의 증기배관(121)을 따라 상승하여 플레이트형 열교환기(110)의 제2유로로 유입된다. 플레이트형 열교환기(110)의 제1유로로는 비상냉각수저장부(130) 내부의 냉각 유체가 유입되며, 플레이트형 열교환기(110)에서는 이차계통유체로부터 냉각 유체로 열이 전달된다.
냉각 유체에 열을 전달한 이차계통유체는 냉각 및 응축되어 하강하고, 다시 급수배관(122)을 따라 이동하여 증기발생기(12b)로 순환한다. 이차계통유체의 순환은 밀도차에 의한 자연 현상에 의하여 발생하는 것이므로, 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열이 충분히 제거되어 이차계통유체의 순환에 필요한 충분한 밀도차가 소멸될 때까지 이차계통유체의 순환은 계속된다.
이차계통유체로부터 냉각 유체로 열이 전달되면 비상냉각수저장부(130) 내부의 온도는 점차 상승한다. 냉각 유체는 적어도 일부가 증발하여 개구부(131)를 통해 외부로 방출되며, 냉각 유체에 전달된 열도 외부로 방출된다.
이와 같이 피동잔열제거계통(100)은 자연력에 의한 피동적인 방법으로 이차계통유체를 순환시키고, 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열을 제거할 수 있다. 또한, 플레이트형 열교환기(110)는 서로 다른 채널들로 이차계통유체와 냉각 유체를 통과시켜 열교환시키도록 이루어지므로 압력 경계의 손상을 방지할 수 있고, 미세 유로를 통해 충분한 열교환을 유도할 수 있다.
이하에서는 피동잔열제거계통의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 개념도이다.
플레이트형 열교환기(210)는 제1유로로 비상냉각수저장부(230) 내부의 냉각 유체와 격납부(21) 외부의 대기를 통과시키도록 어느 일부가 상기 비상냉각수저장부(230)의 냉각 유체에 침지된다. 플레이트형 열교환기(210)는 냉각 유체와 대기 중 이차계통유체와의 열전달에 의해 증발된 유체를 외부로 방출하도록 상단부가 비상냉각수저장부(230)를 관통하여 상기 비상냉각수저장부(230)의 상부로 돌출되게 형성될 수도 있다. 기타 구성은 도 1에서 설명한 바와 유사하다.
플레이트형 열교환기(210)는 도 1에 도시된 플레이트형 열교환기(210)에 비하여 상대적으로 길게 형성되어, 상기 플레이트형 열교환기(210)에서 열교환하는 유체들에 수랭식과 공랭식의 열교환 환경을 제공할 수 있다.
도 2의 원전(20)은 좌우가 대칭적으로 도시되어 있으며, 우측은 정상 운전 상태를 나타낸 것이고 좌측은 사고 발생 초기를 나타낸 것이다.
냉각재상실사고 등의 사고가 발생하면 증기발생기(22b)의 출구에서 방출된 이차계통유체는 주증기관(24a) 및 증기배관(221)을 통해 플레이트형 열교환기(210)의 제2유로 입구로 유입된다. 사고 발생 초기에는 비상냉각수저장부(230) 내부에 냉각 유체가 충분히 저장되어 있고, 플레이트형 열교환기(210)의 적어도 일부가 냉각 유체에 침지되어 있으며, 수랭식 열교환 성능이 공랭식에 비해 현저하게 크기 때문에 이차계통유체는 수랭식의 냉각 방식에 의해 냉각된다.
플레이트형 열교환기(210)에서 냉각되어 제2유로의 출구로부터 배출된 이차계통유체는 급수배관(222) 및 주급수관(23a)을 통해 다시 증기발생기(22b)로 순환되며, 지속적인 순환을 통해 원자로냉각재계통(22)의 현열 및 노심(22a)의 잔열을 제거한다.
도 3은 도 2에 도시된 피동잔열제거계통(200) 및 이를 구비하는 원전(20)에서 사고 발생 후 시간이 경과한 사고 중기와 사고 후기의 개념도이다.
도 3에서 대칭인 도면을 중심으로 좌측은 사고 중기를 나타내고 우측은 사고 후기를 나타낸다.
먼저 좌측의 사고 중기를 나타내는 도면을 참조하면, 사고 초기에 비하여 비상냉각수저장부(230)의 냉각 유체가 증발하여 수위가 감소했음을 확인할 수 있다. 비상냉각수저장부(230)의 냉각 유체 수위가 낮아짐에 따라 플레이트형 열교환기(210)의 제1유로로는 비상냉각수저장부(230)의 냉각 유체와 격납부(21) 외부의 대기가 유입되어 수랭식과 공랭식의 혼합 방식으로 이차계통유체를 냉각한다.
다음으로 우측의 사고 후기를 나타내는 도면을 참조하면, 사고 중기에 비하여 비상냉각수저장부(230)의 냉각 유체가 대부분 증발하여 수위가 더욱 감소했음을 확인할 수 있다. 이에 따라 플레이트형 열교환기(210)의 제1유로로는 격납부(21) 외부의 대기가 유입되어 공랭식의 방식으로 이차계통유체를 냉각한다.
이와 같이 형성되는 플레이트형 열교환기(210)는 비상냉각수저장부(230)에 저장된 냉각 유체의 수위와 사고 발생 후 시간 경과에 따라 냉각 방식이 달라질 수 있다. 이는 노심(22a)의 잔열이 사고 발생 후 시간이 경과함에 따라 급격히 감소하는 특성을 이용한 것이다. 수랭식, 수랭식과 공랭식이 혼합된 혼합식, 공랭식의 냉각 방식을 순차적으로 채택하여 잔열 감소에 따라 적절한 냉각방식으로 전환되도록 구성하여 냉각 효율을 높이고 냉각 지속성을 유지할 수 있다. 이에 따라 피동잔열제거계통(200)은 지속적으로 원자로냉각재계통(22)의 현열 및 노심(22a)의 잔열을 제거할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 개념도이다. 도 4에서 대칭적으로 도시된 도면의 우측은 원전(30)의 정상 운전시를 나타내고, 좌측은 원전(30)의 사고 발생시를 나타낸다.
피동잔열제거계통(300)은 도 1 내지 도 3에 도시된 피동잔열제거계통(100, 200)과 달리 비상냉각수저장부 없이 공랭식의 냉각 방식만으로 이차계통유체를 냉각한다.
플레이트형 열교환기(310)의 제1유로로는 격납부(31) 외부의 대기가 유입되고, 제2유로로는 증기발생기(32b)에서 공급된 이차계통유체가 유입된다. 각각의 유로를 통과하는 이차계통유체로부터 대기로 열이 전달되고, 대기는 플레이트형 열교환기(310)의 외부로 방출된다. 이에 따라, 원자로냉각재계통(32) 및 노심(32a)으로부터 전달된 현열과 잔열은 외부 대기로 배출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 개념도이다.
플레이트형 열교환기(410)는 격납부(41)의 내부 공간에 설치되고, 비상냉각수저장부(430)는 격납부(41)의 외부에 설치된다. 플레이트형 열교환기(410)는 제1유로로 비상냉각수저장부(430) 내부의 냉각 유체를 통과시키도록 제1유로의 입구와 출구가 각각 격납부(41)를 관통하는 연결배관(441, 442)에 의해 비상냉각수저장부(430)에 연결된다.
이차계통유체는 주증기관(44a)과 증기배관(421)을 통해 플레이트형 열교환기(410)의 제2유로로 공급되고, 비상냉각수저장부(430)에서 플레이트형 열교환기(410)의 제1유로로 공급된 냉각 유체와 열교환한다. 이에 따라 이차계통유체는 수랭식 냉각 방식에 의해 냉각된다. 이차계통유체와 냉각 유체 모두 플레이트형 열교환기(410)를 지속적으로 순환한다.
비상냉각수저장부(430)의 냉각 유체는 연결배관(441)을 통해 플레이트형 열교환기(410)로 공급되나 이차계통유체와 서로 구분되는 유로를 통해 흐르므로 플레이트형 열교환기(410)에서 압력 경계가 손상되지 않는다. 비상냉각수저장부(430)의 냉각 유체는 플레이트형 열교환기(410)를 순환하면서 이차계통유체로부터 열을 전달 온도가 상승하며, 연결배관(442)을 통해 다시 비상냉각수저장부(430)로 유입된다. 비상냉각수저장부(430)의 냉각 유체는 온도가 상승하면 증발되어 전달받은 열을 외부로 배출한다.
연결배관(441, 442)에 설치된 격리밸브(441a, 442a)와 체크밸브(441b)는 평상시 개방되어 있으며, 유지 보수를 위해 필요한 경우에만 닫힌다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통(500) 및 이를 구비하는 원전(50)의 개념도이다.
플레이트형 열교환기(510)는 격납부(51)의 내부 공간에 설치되고, 비상냉각수저장부(530)는 설치되지 않는다. 플레이트형 열교환기(510)는 제1유로로 격납부(51) 외부의 대기를 통과시키도록 제1유로의 입구와 출구가 격납부(51)를 관통하는 연결배관(541, 542)에 의해 상기 격납부(51) 외부와 통한다.
외부의 대기는 자연순환에 의해 연결배관(541, 542)을 통해 플레이트형 열교환기(510)로 유입되고 제1유로를 따라 유동한다. 이에 따라 제2유로를 따라 유동하는 이차계통유체는 공랭식으로 냉각된다.
격납부(51)의 외부에서 유입되는 대기는 연결배관(541, 542)을 통해 플레이트형 열교환기(510)로 공급되나 이차계통유체와 서로 구분되는 유로를 통해 흐르므로 플레이트형 열교환기(510)에서 압력 경계가 손상되지 않는다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동잔열제거계통(600) 및 이를 구비하는 원전(60)의 개념도이다.
피동잔열제거계통(600)은 도 1 내지 도 6에서 설명한 피동잔열제거계통(600)과 달리 일차계통유체를 이용하여 원자로냉각재계통(62)의 현열 및 노심(62a)의 잔열을 제거하도록 이루어진다. 비상냉각수저장부(630)는 격납부(61)의 외부에 설치되고, 플레이트형 열교환기(610)는 상기 비상냉각수저장부(630)의 냉각 유체에 침지된다.
순환배관(620)은 증기배관(621)과 주입배관(622)을 포함한다.
증기배관(621)은 원자로냉각재계통(62)에서 일차계통유체를 공급받아 플레이트형 열교환기(610)로 전달하도록, 적어도 일부가 격납부(61)를 관통하여 원자로냉각재계통(62)과 제2유로의 입구에 연결된다. 주입배관(622)은 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각된 일차계통유체를 원자로냉각재계통(62)으로 다시 주입시키도록, 적어도 일부가 격납부(61)를 관통하여 제2유로의 출구와 원자로냉각재계통(62)에 연결된다.
플레이트형 열교환기(610)의 제1유로로 비상냉각수저장부(630)의 냉각 유체가 흐르고, 제2유로로 일차계통유체가 흘러 수랭식의 냉각이 이루어지며, 피동잔열제거계통(600)은 일차계통유체를 순환시켜 원자로냉각재계통(62)의 현열 및 노심(62a)의 잔열을 제거할 수 있다.
일차계통유체와 냉각 유체는 서로 구별되는 유로를 흐르므로, 피동잔열제거계통(600)은 압력 경계를 손상시키지 않고 열교환을 유도할 수 있다. 압력 경계가 손상되지 않는 한, 플레이트형 열교환기(610)는 도시한 바와 달리 격납부(61)의 내부에 설치될 수도 있다. 또한, 도 1 내지 도 6의 이차계통유체 대신 일차계통유체의 순환 구조를 채택할 수도 있다.
이상에서 피동잔열제거계통의 구조와 자연 순환에 의한 피동잔열제거계통의 작동을 설명하였으나, 실제로 플레이트형 열교환기가 피동잔열제거계통에 적용되는 경우에는 이상(two pahse) 유동 영역에서의 유동 불안 문제, 열교환기 입구에서의 병목 현상 등의 문제가 발생하므로 이를 개선하는 것이 필요하다. 이하에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 본 발명에서 제안하는 플레이트형 열교환기의 구조에 대하여 설명한다.
이하에서의 설명은 제1유로와 제2유로를 구분하지 않고 설명할 수도 있으며, 설명하는 바가 대기 제1유로와 제2유로 중 어느 하나에만 한정되는 것으로 명시하지 않는 한, 제1유로에서 설명하는 바는 제2유로에도 적용될 수 있고, 제2유로에서 설명하는 바는 제1유로에도 적용될 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 7에서 설명한 피동잔열제거계통(100, 200, 300, 400, 500, 600)에 적용될 수 있는 플레이트형 열교환기(710)의 구체적인 구조에 대하여 설명한다.
도 8 내지 도 14는 도 1 내지 도 7의 피동잔열제거계통(100, 200, 300, 400, 500, 600)에 선택적으로 적용될 수 있는 플레이트형 열교환기(710)를 유로 개념도이다.
플레이트형 열교환기(710)에 인쇄기판형 열교환기의 제작기법을 적용하는 경우, 광화학적 식각 기술에 의해 조밀한 유로배치가 가능하며 확산 접합 기술을 이용하여 열교환기의 판 사이의 용접을 제거할 수 있는 구조를 갖으며, 또한 일반적인 판형 열교환기도 조밀한 유로배치가 가능하다. 플레이트형 열교환기(710)는 격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 도 1 내지 도 7 참조)의 대기와 비상냉각수저장부(130, 230, 430, 630, 도 1 내지 도 3, 도 5, 도 7 참조)의 냉각 유체를 열교환 시키며, 압력 경계를 유지하면서 유체들의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되는 채널(715, 716)들을 구비한다.
채널(715, 716)들은 냉각 유체를 통과시키는 제1유로(715), 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2유로(716)를 포함하며, 각각의 채널(715, 716)은 제1유로(715)와 제2유로(716) 중 어느 하나에 해당한다.
제1유로(715)와 제2유로(716)의 형태는, 일 방향으로만 냉각 유체 또는 대기가 통과하고 상기 일 방향의 반대 방향으로만 일차계통유체 또는 이차계통유체가 통과하는 형태의 폐쇄형 유로일 수 있다.
제2유로(716)와 달리 제1유로(715)는 상기 일 방향과 교차하는 방향으로도 냉각 유체 또는 대기가 통과하는 형태의 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로일 수도 있다. 냉각 유체 또는 대기가 통과하는 제1유로는, 상대적으로 긴 길이의 플레이트형 열교환기(710)에서 공랭식 또는 공랭식과 혼합식의 냉각을 위해 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로를 선택적으로 채용할 수 있다. 그러나, 제2유로(716)의 경우 개방형 유로를 채용하면 압력 경계가 손상되므로 개방형 유로를 적용할 수 없다.
먼저 도 8을 참조하면, 도시된 플레이트형 열교환기(710)는 냉각 유체가 흐르는 제1유로(715)의 단면을 나타낸 것이다. 플레이트형 열교환기(710)는 입구 영역(710a), 주열전달 영역(710b) 및 출구 영역(710c)을 포함한다. 입구 영역(710a)은 플레이트형 열교환기(710)에 공급된 냉각 유체를 각각의 제1유로(715)로 분배하는 영역이며, 주열전달 영역(710b)은 냉각 유체와 일차계통유체, 냉각 유체와 이차계통유체 사이에 실질적인 열교환이 이루어지는 영역이고, 출구 영역(710c)은 열교환을 마친 유체들을 각각의 제1유로(715)로부터 모아 방출하는 영역이다. 주열전달 영역(710b)은 입구 영역(710a)과 출구 영역(710c)을 연결하며, 상기 입구 영역(710a)과 출구 영역(710c)의 사이에 형성된다.
냉각 유체의 온도는 일차계통유체나 이차계통유체의 온도보다 낮으므로, 냉각 유체는 플레이트형 열교환기(710)를 통과하면서 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체로부터 열을 전달받아 온도가 상승한다. 냉각 유체의 온도가 상승하면 밀도가 감소하므로 플레이트형 열교환기(710) 내에서 냉각 유체는 상승하게 된다.
다음으로 도 9를 참조하면, 유로들은 이상(two phase) 유동에 의한 유동 불안정을 완화하도록, 입구 영역(710a)과 출구 영역(710c)을 연결하는 주열전달 영역(710b)의 유로 저항보다 입구 영역(710a)의 유로저항이 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
유로저항을 상대적으로 크게 만드는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으나, 도 9에 도시된 플레이트형 열교환기(710)는 주열전달 영역(710b)의 유로보다 입구 영역(710a)에서의 유로가 작은 폭으로 형성되어 길게 연장되는 방식을 채택하였다.
입구 영역(710a)의 유로(715a)는 직선형 유로보다 상대적으로 큰 유로저항을 구비하도록 지그재그 형태로 형성되어 주열전달 영역(710b)에 연결된다. 구체적으로는 입구 영역(710a)의 유로가 플레이트형 열교환기(710)의 길이 방향과 폭 방향으로 교대로 반복적으로 연결되어 주열전달 영역(710b)까지 연장되는 형태로 형성된다. 입구 영역(710a)의 유로저항을 주열전달 영역(710b)의 유로저항보다 크게 형성함에 따라 이상(two phase) 유동에서의 유동 불안 발생 확률을 감소시킬 수 있다.
유로확대부(715b)는 입구 영역(710a)과 주열전달 영역(710b) 사이에 형성되고, 입구 영역(710a)의 유로 크기에서 주열전달 영역(710b)의 유로 크기까지 연장 방향을 향해 유로의 폭이 점차 증가하도록 형성된다. 유로확대부(715b)를 지나면서 유로저항은 상대적으로 작아지고, 이후의 주열전달 영역(710b)과 출구 영역(710c)의 유로에서는 상대적으로 작은 유로저항이 유지된다.
도 10 내지 도 12b는 입구와 출구에 각각 헤더를 구비하는 플레이트형 열교환기(710)의 개념도이다.
먼저, 도 10을 참조하면 플레이트형 열교환기(710)에는 유체를 각각의 유로로 분배하는 입구 헤더(712a)와 각각의 유로로부터 유체를 모으는 출구 헤더(712b)가 설치될 수도 있다. 격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 도 1 내지 도 7 참조) 내부에 플레이트형 열교환기가 설치되는 경우 입구 헤더(712a)와 출구 헤더(712b)는 압력경계손상을 방지하기 위해 필수적으로 설치되어야 하는 구조물이나, 격납부 외부에 설치되는 경우에는 필수적으로 설치되어야 하는 구조물은 아니며, 설치되지 않을 수도 있고 입출구 유동을 원활하게 하기 위한 유로안내구조물로 대치될 수도 있다.
입구 헤더(712a)는 유로의 입구에 설치되어 비상냉각수저장부(130, 230, 430, 630, 도 1 내지 도 3, 도 5, 도 7 참조)로부터 공급된 냉각 유체 또는 격납부의 외부에서 공급된 대기를 각각의 제1유로(715)에 분배시킨다. 그리고, 출구 헤더(712b)는 제1유로(715)의 출구에 설치되어 제1유로(715)를 통과한 냉각 유체를 모아 비상냉각수저장부로 회수시키거나 외부 방출시킨다.
입구 헤더(712a)와 출구 헤더(712b)의 설치 위치는 플레이트형 열교환기(710)의 설계에 따라 달라질 수 있다. 특히 플레이트형 열교환기(710)에 인쇄기판형 열교환기의 제작 기법을 적용하는 경우 광화학적 식각 방법에 의해 제조되므로 채널(715, 716)의 구조를 자유롭게 선택할 수 있고, 일반 판형 열교환기도 유로구성이 매우 자유로우므로, 입구 헤더(712a)와 출구 헤더(712b)의 위치도 달라질 수 있다.
도 11 내지 도 12b를 참조하면 입구 헤더(711a, 712a)와 출구 헤더(711b, 712b)가 각각 플레이트형 열교환기(710)의 측면에 설치되고, 각각의 유로(715, 716)들은 입구 영역(710a)과 출구 영역(710b)에서 절곡되거나 곡선 유로를 형성하여 입구 헤더(711a, 712a) 또는 출구 헤더(711b, 712b)까지 연장된다.
입구 영역(710a)에서 유로(715, 716)의 연장 방향과 출구 영역(710c)에서 유로(715, 716)의 연장 방향은, 도 11에 도시된 바와 같이 동일한 방향일 수도 있고, 도 12a 및 도 12b에 도시한 바와 같이 서로 반대 방향일 수도 있으며, 이는 피동잔열제거계통의 설계에 따라 달라질 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 각각 플레이트형 열교환기(710)의 제1유로(715)와 제2유로(716)를 도시한 것이다. 제1유로(715)에서는 냉각 유체 또는 외부의 대기가 통과하면서 열을 전달받아 온도가 상승하거나 증발하여 밀도가 감소하고, 제2유로(716)에서는 일차계통유체 또는 이차계통유체가 통과하면서 상기 냉각 유체 또는 대기에 열을 전달해 온도가 하강하거나 응축되어 밀도가 증가한다.
도 13 및 도 14는 각각 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로를 구비하는 플레이트형 열교환기(710)의 유로 개념도이다.
도 13을 참조하면, 플레이트형 열교환기(710)는 유체들의 압력 경계를 유지하면서 입구에서의 병목 현상을 완화하도록 측면에서 냉각 유체 또는 대기를 유입시켜 제1유로를 통과하는 냉각 유체 또는 대기와 합류시키는 개방형 유로를 구비한다. 그리고 도 14를 참조하면, 플레이트형 열교환기(710)는 주열전달 영역(710b)의 일부에만 개방형으로 유로가 형성되는 부분 개방형 유로를 구비한다.
개방형 유로 또는 부분 개방형 유로를 구비하는 플레이트형 열교환기(710)는 상기 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로를 형성하는 종방향 유로(715)와 횡방향 유로(717)를 포함한다. 종방향 유로(715)는 플레이트형 열교환기(710)의 상단부의 입구 영역(710a)과 하단부의 출구 영역(710c)을 연결한다. 횡방향 유로(717)는 입구의 병목 현상을 완화하도록 플레이트형 열교환기(710)의 양 측면부에 형성되는 입구와 출구를 통해 냉각 유체 또는 대기를 유입 및 유출시키며 종방향 유로(715)와 교차하도록 형성된다.
특히, 개방형 유로가 형성되는 플레이트형 열교환기(710)는 대기만으로 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 공랭식 전용의 피동잔열제거계통을 형성할 수 있다. 그리고 부분 개방형 유로가 형성되는 플레이트형 열교환기(710)는 대기와 냉각 유체로 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 혼합식(수랭과 공랭의 혼합)의 피동잔열제거계통을 형성할 수 있다. 공랭식 또는 혼합식의 방식으로 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 플레이트형 열교환기(710)는 상대적으로 긴 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
부분 개방형 유로가 형성되는 플레이트형 열교환기(710)는 냉각률에 제한이 있는 원자로냉각재계통(12, 22, 32, 42, 52, 62, 도 1 내지 도 7 참조)의 과냉각 문제를 완화하기 위한 것으로, 부분 개방형 유로는 사고 초기 수랭식으로 작동함에 따라 냉각 유체의 순환은 원활하게 하고, 대기의 유입에 의한 추가적인 냉각률 증가를 억제하기 위해 구성된 것이다.
본 발명의 플레이트형 열교환기(710)에서 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로는 냉각 유체 또는 대기를 통과시키는 제1유로(715)에만 형성될 수 있다. 제2유로(716)는 압력 경계가 손상되는 것을 방지하기 위해 폐회로를 순환해야하기 때문이다.
도 15는 도 1 내지 도 7의 피동잔열제거계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 도 1 내지 도 7 참조)에 선택적으로 적용될 수 있는 복수의 플레이형 열교환기(815)의 개념도이다.
(a), (b), (c) 및 (d)는 각각 복수의 플레이트형 열교환기(810)의 평면도, 좌측면도, 정면도, 우측면도를 나타낸 것이다. 복수의 플레이트형 열교환기(810)는 각각 케이싱(813)에 의해 감싸지며, 케이싱(813)에는 열전달 면적 확장을 위한 냉각핀(813)이 설치된다.
일차계통유체 또는 이차계통유체는 증기배관(821)을 통해 각각의 플레이트형 열교환기(810)로 분배되고, 각각의 플레이트형 열교환기(810) 내에서는 입구 헤더(811a)에 의해 각각의 제2유로(미도시)로 분배된다. 제2유로를 통과한 일차계통유체 또는 이차계통유체는 출구 헤더(811b)에 의해 모이고 다시 주입배관(일차계통유체 순환방식) 또는 급수배관(822, 이차계통유체 순환방식)에서 합류한다. 냉각 유체 또는 대기도 입구 헤더(812a)에 의해 각각의 제1유로(미도시)로 분배되고, 제1유로를 통과한 냉각 유체 또는 대기는 출구 헤더(812b)에 의해 모인다. 단, 앞에서 설명한 바와 같이 바와 같이 격납부 외부에 열교환기를 설치하는 경우에는 입출구헤더(812a, 812b)는 필수적인 구조물은 아니다.
도 16은 도 15에 도시된 복수의 플레이트형 열교환기(910)의 배치 개념도이다.
(a)를 참조하면, 복수의 플레이트형 열교환기(910)는 횡으로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며, 비상냉각수저장부(930)의 내부에 배치될 수 있다.
(b)를 참조하면, 복수의 플레이트형 열교환기(910)는 격자 형태로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며, 비상냉각수저장부(930)의 내부에 배치될 수 있다.
이상에서 설명된 피동잔열제거계통 및 원전은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10 : 원전 11 : 격납부
12 : 원자로냉각재계통 100 : 피동잔열제거계통
110 : 플레이트형 열교환기 120 : 순환배관
130 : 비상냉각수저장부

Claims (19)

  1. 입구의 병목 현상을 완화하도록 복수개로 구비되고, 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 격납부의 내부 또는 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시키는 플레이트형 열교환기;
    상기 플레이트형 열교환기의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 케이싱;
    열전달 면적을 확장시키도록 상기 케이싱의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 냉각핀; 및
    상기 일차계통유체의 순환유로를 형성하도록 상기 원자로냉각재계통을 상기 플레이트형 열교환기에 연결하거나, 상기 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치된 증기발생기를 상기 플레이트형 열교환기에 연결하는 순환배관을 포함하고,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 순환배관을 통해 공급된 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환시키도록, 플레이트에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널들을 구비하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널들은 이상(two phase) 유동에 의한 유동 불안정을 완화하도록, 입구 영역과 출구 영역을 연결하는 주열전달 영역의 유로저항보다 상기 입구 영역의 유로저항이 상대적으로 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입구 영역은, 상기 주열전달 영역보다 작은 폭으로 형성되며, 유로의 길이를 연장시켜 직선형 유로보다 상대적으로 더 큰 유로저항을 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입구 영역과 상기 주열전달 영역 사이에 형성되고, 상기 입구 영역의 유로 크기에서 상기 주열전달 영역의 유로 크기까지 유로의 폭이 점차 증가하도록 형성되는 유로확대부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널들은,
    상기 냉각 유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제1유로; 및
    상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 통과시키도록 형성되고, 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환을 유도하도록 상기 제1유로와 교대로 배열되는 복수의 제2유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로와 상기 제2유로의 입구에 형성되는 입구 헤더; 및
    상기 각 채널들을 통과한 상기 유체들을 모으도록 상기 제1유로와 상기 제2유로의 출구에 형성되는 출구 헤더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 순환배관은,
    상기 증기발생기의 출구에서 연장되는 주증기관에서 상기 이차계통유체를 공급받도록 상기 주증기관으로부터 분기되어 상기 제2유로의 입구에 연결되는 증기배관; 및
    상기 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각된 상기 이차계통유체를 상기 증기발생기로 다시 순환시키도록 상기 증기발생기의 입구에서 연장되는 주급수관으로부터 분기되어 상기 제2유로의 출구에 연결되는 급수배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 내부 공간에 설치되고, 상기 제1유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키도록 상기 제1유로의 입구와 출구가 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 격납부의 외부와 통하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 외부 공간에 설치되고, 상기 증기배관과 상기 급수배관은 상기 격납부의 외부에서 상기 주증기관과 주급수관에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  10. 제7항에 있어서,
    내부에 상기 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 상기 격납부의 외부에 설치되고, 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체로부터 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 상기 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부를 구비하는 비상냉각수저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 내부 공간에 설치되고, 상기 제1유로로 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각 유체를 통과시키도록 상기 제1유로의 입구와 출구가 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 비상냉각수저장부에 연결되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 적어도 일부가 상기 냉각 유체에 침지되도록 상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되고,
    상기 증기배관과 상기 급수배관은 적어도 일부가 상기 비상냉각수저장부를 관통하여 상기 격납부의 외부에서 각각 상기 주증기관과 상기 주급수관에 연결되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 제1유로로 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각 유체 및 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키도록 어느 일부가 상기 비상냉각수저장부에 침지되고, 상기 냉각 유체와 상기 대기 중 상기 이차계통유체와의 열전달에 의해 증발된 유체를 외부로 방출하도록 상단부가 상기 비상냉각수저장부를 관통하여 상기 비상냉각수저장부의 상부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 순환배관은,
    상기 원자로냉각재계통에서 상기 일차계통유체를 공급받아 상기 플레이트형 열교환기로 전달하도록 적어도 일부가 상기 원자로냉각재계통과 상기 제2유로의 입구에 연결되는 증기배관; 및
    상기 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각된 상기 일차계통유체를 상기 원자로냉각재계통으로 다시 주입시키도록 적어도 일부가 상기 제2유로의 출구와 상기 원자로냉각재계통에 연결되는 주입배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 입구의 병목 현상을 완화하도록, 측면에서 상기 냉각 유체를 유입시켜 상기 채널들을 통과하는 냉각 유체와 합류시키는 개방형 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는, 확산접합에 의해 형성되며 광화학적 식각기술에 의해 조밀한 상기 채널들을 구비하는 인쇄기판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는, 플레이트를 압출하여 상기 채널들을 형성하고, 플레이트들을 개스킷, 용접, 브레이징 용접 중 적어도 하나로 결합시킨 판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  19. 원자로냉각재계통;
    방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로냉각재계통의 외부를 감싸는 격납부; 및
    사고 시 상기 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고,
    상기 피동잔열제거계통은,
    입구의 병목 현상을 완화하도록 복수개로 구비되고, 상기 원자로냉각재계통의 현열과 상기 노심의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 격납부의 내부 또는 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시키는 플레이트형 열교환기;
    상기 플레이트형 열교환기의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 케이싱;
    열전달 면적을 확장시키도록 상기 케이싱의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 냉각핀; 및
    상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록, 상기 원자로냉각재계통을 상기 플레이트형 열교환에 연결하거나 일차계통과 이차계통 사이의 증기발생기를 상기 플레이트형 열교환기를 연결하는 순환배관을 포함하고,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 순환배관을 통해 공급된 상기 일차계통유체 또는 상기 이차계통유체를 상기 냉각 유체와 압력 경계를 유지하면서 열교환시키도록, 경계면의 양측에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널들을 구비하는 것을 특징으로 하는 원전.
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