KR101551324B1 - 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프 - Google Patents

비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 원자로의 비상 상황 시 전력이 공급되지 않아도 노심에서 발생하는 열을 신속하고 원활하게 제거할 수 있도록 하는 히트파이프에 관한 것으로, 상기 히트파이프는 높은 열 전달 성능과 추가적인 에너지원이 필요 없는 피동(수동)형 냉각장치로서, 다양한 크기와 모양으로 활용할 수 있기 때문에 사용성이 우수하고, 특히 작동 유체의 상변화를 통해 가열부(증발부)의 열을 효과적으로 냉각부(응축부)에 전달할 수 있도록 형성되어 종전의 기포 발생에 따른 내구조 저하 문제를 현저하게 개선함은 물론 중성자를 제어하여 연료의 핵반응을 조절할 수 있도록 하는 제어봉 역할도 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프{Hybrid Control Rod Combined With Heat Pipe And Neutron-Absorbing Materials And, Heat Removal System Of Nuclear Reactor}
본 발명은 원자로의 비상 상황 시 전력이 공급되지 않아도 노심에서 발생하는 열을 신속하고 원활하게 제거할 수 있도록 하는 히트파이프에 관한 것으로, 상기 히트파이프는 높은 열 전달 성능과 추가적인 에너지원이 필요 없는 피동(수동)형 냉각장치로서, 다양한 크기와 모양으로 활용할 수 있기 때문에 사용성이 우수하고, 특히 작동 유체의 상변화를 통해 가열부(증발부)의 열을 효과적으로 냉각부(응축부)에 전달할 수 있도록 형성되어 종전의 기포 발생에 따른 내구조 저하 문제를 현저하게 개선함은 물론 중성자를 제어하여 연료의 핵반응을 조절할 수 있도록 하는 제어봉 역할도 가능한 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프에 관한 것이다.
일반적으로 제어봉(Control Rod)은 중성자를 흡수하기 쉬운 금속 하프늄(Hafnium), 카드뮴 및 붕소 등으로 형성되어, 원자로 노심에 삽입되면서 원자로의 핵반응에 의해 발생하는 중성자를 흡수하여 노심 내에서의 핵반응율을 제어하기 위한 제어장치이다.
또한, 상기 원자로 노심 내에서의 비정상적인 구동에 의해 원자로가 지나치게 과열되는 것을 방지하기 위해 통상적으로 핵반응에 의해 발생하는 열을 냉각시키기 위한 보조냉각 계통이 발전소에 장착된다.
따라서, 상기 비정상적인 구동이 과잉 핵반응에 의한 것일 경우 상기 원자로 노심의 내부로 다수의 제어봉이 동시에 삽입됨과 동시에 원자로 노심을 전체적으로 냉각시킬 수 있도록 다수의 냉각수단을 구동시켜 핵반응을 최소화시키며 과열된 열이 하강하도록 동작한다.
그러나, 원자로 사고시 밸브의 오작동, 냉각수 주입 파이프의 파단 등으로 원자로 노심에 냉각수가 공급되지 못할 경우 원자로 노심의 핵반응이 멈춘 후에 방출되는 중성자와 핵반응 생성물에 의한 잔열을 제거하지 못하는 문제점이 발생된다.
이에 종래에는 노심용융물 냉각장치로서, 주로 고온의 노심용융물을 냉각수로 직접 반응시키는 냉각장치가 제안된 바 있다(한국특허공개 제10-2005-0080668호, 원자로 용기를 관통한 노심용융물 냉각장치 및 그 방법).
그러나 이러한 냉각장치는 노심용융물에 직접적으로 냉각수를 공급하여 냉각시키는 방법은 효율성이 높은 반면, 밀폐된 공간에서 고온의 용융물과 냉각수가 직접 반응함으로써 급격한 증기 생성을 초래하여 증기폭발이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 매우 밀도가 높은 노심용융물 내부로 냉각수를 주입하기 위해서는 그만큼 높은 수압이 필요하므로 제한된 용적에서 수위 차이에 의한 중력으로 냉각수를 주입하기 위하여 노심용융물의 높이가 제한되므로, 노심용융물이 냉각되는 계통의 바닥면적을 넓게 하여야 한다.
이것은 별도의 대용량의 시설이 필요하며, 더하여 노심용융물이 이동하기 위한 통로가 필요하다.
그러므로 노심용융물의 밀도를 낮추고, 유동성을 양호하게 하기 위해 많은 양의 희생콘크리트가 필요하다는 문제가 발생된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 원자로의 비상 상황 시 전력이 공급되지 않아도 노심에서 발생하는 열을 신속하고 원활하게 제거할 수 있도록 하는 히트파이프에 관한 것으로, 상기 히트파이프는 높은 열 전달 성능과 추가적인 에너지원이 필요 없는 피동(수동)형 냉각장치로서, 다양한 크기와 모양으로 활용할 수 있기 때문에 사용성이 우수하고, 특히 작동 유체의 상변화를 통해 가열부(증발부)의 열을 효과적으로 냉각부(응축부)에 전달할 수 있도록 형성되어 종전의 기포 발생에 따른 내구조 저하 문제를 현저하게 개선함은 물론 중성자를 제어하여 연료의 핵반응을 조절할 수 있도록 하는 제어봉 역할도 가능한 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상하 수직방향으로 길이를 갖으며 양단부가 밀폐된 중공관(110)의 내측 중앙에 인너 파이프(120)가 형성되도록 하되, 상기 인너 파이프(120)와 중공관(110)의 내외 공간에는 기체와 액체가 분리되면서 흐를 수 있도록 하는 중앙 단열부(100)와; 상기 인너 파이프(120)의 하단부에 대하여 다수개의 필렛(210)이 적층 결합되도록 하되, 상기 필렛(210)은 중앙에 통공(211)이 형성되고, 외주면에는 등간격으로 배열된 다수개의 가이드리브(212)가 돌출되도록 형성되며, 상기 가이드리브(212)들 사이 마다에는 통공(211)과 직교된 연통공(213)이 형성되어 가이드리브(212)로 하여금 구획된 공간이 증기 이송로(214)를 이루도록 하는 증발부(200)와; 상기 인너 파이프(120)의 상단부에 대하여 다수개의 날개핀(310)이 결합되도록 하되, 방사형으로 돌출된 다수개의 날개핀(310)의 하부에는 생성된 응축수가 인너 파이프(120)의 상단 개구공(121)을 통해 내주연으로 유입될 수 있도록 지지다리(311)가 형성되어 인너 파이프의 개구공(121) 내주연과 맞닿도록 하는 응축부(300)가; 구성되어 이루어진다.
이에, 상기 단열부(100)는 인너 파이프(120)의 내주연(내경)에 액체가 흐르도록 형성되고, 상기 인너 파이프(120)의 외주연(외경)과 중공관(110)의 내주연(내경) 사이 공간에는 기체가 이송되도록 구성된다.
이때, 상기 증발부(200)의 필렛(210)은 중앙부 통공(211)이 인너 파이프의 하단 개구공(122)과 일직선상을 이루도록 형성되어 자중에 의해 하향 이송된 응축수가 연통공(213)을 통해 배수되면 증기 이송로(214)에서 기화된 증기가 단열부(100)를 거쳐 응축부(300)로 순환하면서 열교환 사이클을 이루도록 구성된다.
이에, 상기 증발부(200)의 필렛(210)은 상하 길이방향으로 다수개가 적층됨에 있어서, 설계 사양을 포함한 취사선택에 따라 적층 갯수를 증감할 수 있도록 구성된다.
아울러, 상기 응축부의 날개핀(310)은 지지다리의 하부에 절곡면(311-1)이 형성되고, 상기 절곡면(311-1)은 인너 파이프의 상단 개구공(121)에 형성된 경사면(121-1)에 접합되도록 형성되어 날개핀으로 하여금 액화된 응축수가 인너 파이프의 상단 개구공(121)으로 원활하게 유입될 수 있도록 구성된다.
이와 같이, 본 발명은 원자로의 비상 상황 시 전력이 공급되지 않아도 노심에서 발생하는 열을 신속하고 원활하게 제거할 수 있도록 하는 히트파이프에 관한 것으로, 상기 히트파이프는 높은 열 전달 성능과 추가적인 에너지원이 필요 없는 피동(수동)형 냉각장치로서, 다양한 크기와 모양으로 활용할 수 있기 때문에 사용성이 우수하고, 특히 작동 유체의 상변화를 통해 가열부(증발부)의 열을 효과적으로 냉각부(응축부)에 전달할 수 있도록 형성되어 종전의 기포 발생에 따른 내구조 저하 문제를 현저하게 개선함은 물론 중성자를 제어하여 연료의 핵반응을 조절할 수 있도록 하는 제어봉 역할도 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히트파이프의 개략적 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 증발부의 예시 확대도,
도 3은 본 발명에 따른 응축부의 예시 확대도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원자로 사고시 일차 계통으로 냉각수가 공급되지 않을 경우, 원자로 노심에 삽입되어 중성자를 흡수하여 핵반응을 제어하면서, 동시에 핵반응에 의해 가열된 상기 원자로 노심을 냉각시키도록 하는 히트파이프에 관한 것이다.
이러한 히트파이프는 크게 단열부(100), 증발부(200) 및 응축부(300)로 구성된다.
이에, 상기 단열부(100)는 상하 수직방향으로 길이를 갖으며 양단부가 밀폐된 중공관(110)의 내측 중앙에 인너 파이프(120)가 형성되도록 하되, 상기 인너 파이프(120)와 중공관(110)의 내외 공간에는 기체와 액체가 분리되면서 흐를 수 있도록 구성된다.
이때, 상기 단열부(100)는 인너 파이프(120)의 내주연(내경)에 액체가 흐르도록 형성되고, 상기 인너 파이프(120)의 외주연(외경)과 중공관(110)의 내주연(내경) 사이 공간에는 기체가 이송되도록 구성된다.
이에, 상기 증발부(200)는 상기 인너 파이프(120)의 하단부에 대하여 다수개의 필렛(210)이 적층 결합되도록 하되, 상기 필렛(210)은 중앙에 통공(211)이 형성되고, 외주면에는 등간격으로 배열된 다수개의 가이드리브(212)가 돌출되도록 형성되며, 상기 가이드리브(212)들 사이 마다에는 통공(211)과 직교된 연통공(213)이 형성되어 가이드리브(212)로 하여금 구획된 공간이 증기 이송로(214)를 이루도록 구성된다.
이때, 상기 증발부(200)의 필렛(210)은 중앙부 통공(211)이 인너 파이프의 하단 개구공(122)과 일직선상을 이루도록 형성되어 자중에 의해 하향 이송된 응축수가 연통공(213)을 통해 배수되면 증기 이송로(214)에서 기화된 증기가 단열부(100)를 거쳐 응축부(300)로 순환하면서 열교환 사이클을 이루도록 구성된다.
또한, 상기 증발부(200)의 필렛(210)은 상하 길이방향으로 다수개가 적층됨에 있어서, 설계 사양을 포함한 취사선택에 따라 적층 갯수를 증감할 수 있도록 구성된다.
이에, 상기 응축부(300)는 상기 인너 파이프(120)의 상단부에 대하여 다수개의 날개핀(310)이 결합되도록 하되, 방사형으로 돌출된 다수개의 날개핀(310)의 하부에는 생성된 응축수가 인너 파이프(120)의 상단 개구공(121)을 통해 내주연으로 유입될 수 있도록 지지다리(311)가 형성되어 인너 파이프의 개구공(121) 내주연과 맞닿도록 구성된다.
이때, 상기 응축부의 날개핀(310)은 지지다리의 하부에 절곡면(311-1)이 형성되고, 상기 절곡면(311-1)은 인너 파이프의 상단 개구공(121)에 형성된 경사면(121-1)에 접합되도록 형성되어 날개핀으로 하여금 액화된 응축수가 인너 파이프의 상단 개구공(121)으로 원활하게 유입될 수 있도록 구성된다.
다시 말해, 본 발명은 원자로에 발생할 수 있는 비상 상황 시, 전력이 공급되지 않아도 노심에서 발생하는 열을 제거할 수 있는 피동 냉각장치로써 사용 가능한 히트파이프에 관한 것이다.
이에 본 발명의 히트파이프는 작동 유체의 상변화를 통해 가열부(증발부)의 열을 효과적으로 냉각부(응축부)에 전달할 수 있는 것으로, 높은 열 전달 성능과 추가적인 에너지원이 필요 없는 수동 장치라는 장점과 더불어 다양한 크기와 모양으로 활용할 수 있기 때문에 원자로 외에 각종 산업과 우주 항공 분야에 널리 적용할 수 있는 특징이 있다.
부연하자면 원자로에 사용되는 연료는 연료봉 어셈블리(Fuel Assembly) 형태로 반응로에 사용하게 되는데 이에 제어봉은 중성자를 흡수하여 반응을 제어하도록 형성된다.
이때, 제어봉은 재료의 성격이 중요한 것으로, 본 발명은 제어봉의 재료를 그대로 사용하여 제어봉의 역할을 유지함과 동시에 형태를 히트파이프 형태로 바꾸어 피동 냉각의 효과를 얻을 수 있도록 형성된다.
즉, 종래의 히트파이프는 크게 3개의 구성으로 이루어져 있는데, 이 중 심지(wick) 구조물은 모세관 현상을 이용하여 중력이 존재하지 않거나 증발이 상단부에서 일어나 바닥에서 응축된 액체가 중력을 거슬러 상단부로 돌아가야 할 경우에 물을 이동시키는 역할을 수행하게 된다.
그러나, 본 발명의 히트파이프는 수직 환경에서의 가열이 하단부에서 일어나는 경우라도 심지(wick) 구조물을 제거한 상태에서 사용할 수 있도록 형성된다.(통상 이러한 히트파이프의 형태를 열사이폰[Thermosyphon]이라 함)
이에, 통상의 열사이폰(Thermosyphon) 구조의 경우에는 심지(wick) 구조물을 사용하지 않지만 몇 가지 단점이 존재하는 바, 첫째는 기체와 유체의 통로가 같아 발생하는 불안정성이고, 둘째는 액체가 끓을 때 발생하는 기포(bubble)에 의해 주변 관 내에 충격이 가해져 내구도가 취약해지는 현상이다.
이를 보다 자세히 설명하면, 종래의 윅(Wick) 구조가 없는 히트파이프(써모사이폰)의 경우에는, 증발부에서는 액체 상태의 작동 유체의 비등 현상이 발생하여 증기가 응축부로 상승하게 되고, 응축부에서는 증발한 증기가 냉각에 의해 응축 현상이 발생하여 응축된 액체가 다시 증발부로 벽을 타고 내려오게 된다.
따라서, 증발부와 응축부 사이에서는 상승하는 증기와 하강하는 액체의 작용으로 인해 불안정성이 증가하게 되고, 이는 히트파이프의 성능 저하 및 비산한계(entrainment limitation) 등과 같은 작동 한계의 원인이 된다.
이를 방지하기 위하여 본 발명은 증발부와 응축부 사이의 통로를 외부와 내부의 통로로 나누어 즉, 중공관(110)과 인너 파이프(120)로 나누어 증기는 외부로 흐르게 하고 응축된 액체는 날개핀(및 절곡면을 통해)에 의해 인너 파이프의 내부 통로로 흐르도록 유도함으로써, 히트파이프의 중앙부(2중관 형태의 내외부 분할통로)에서 상술한 기체, 액체의 이송 통로를 분리 구획하게 된다.
또한, 종래 히트파이프에서는 관로 상 일정 구간에서 끓어 오른 기포의 생성과 파괴가 응축과 기화 중 발생되어 히트파이프 관 자체 내구성에 부담을 가하게 되지만, 본 발명은 중앙부에 형성된 중공관과 인너 파이프(2중관 형태)로 하여금 증발부와 응축부가 분리 구획되어 응축 후 기화가 개별 존에서 이루어져 버블 현상 즉, 기포 발생을 최대한 억제하는 바, 이는 히트파이프 관 자체에 가해지는 충격을 최소화할 수 있는 특징이 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 ... 단열부 110 ... 중공관
120 ... 인너 파이프 121 ... 상단 개구공
121-1 ... 경사면
122 ... 하단 개구공 200 ... 증발부
210 ... 필렛 211 ... 통공
212 ... 가이드리브 213 ... 연통공
214 ... 증기 이송로 300 ... 응축부
310 ... 날개핀 311 ... 지지다리
311-1 ... 절곡면

Claims (5)

  1. 상하 수직방향으로 길이를 갖으며 양단부가 밀폐된 중공관(110)의 내측 중앙에 인너 파이프(120)가 형성되도록 하되, 상기 인너 파이프(120)와 중공관(110)의 내외 공간에는 기체와 액체가 분리되면서 흐를 수 있도록 하는 중앙 단열부(100)와;
    상기 인너 파이프(120)의 하단부에 대하여 다수개의 필렛(210)이 적층 결합되도록 하되, 상기 필렛(210)은 중앙에 통공(211)이 형성되고, 외주면에는 등간격으로 배열된 다수개의 가이드리브(212)가 돌출되도록 형성되며, 상기 가이드리브(212)들 사이 마다에는 통공(211)과 직교된 연통공(213)이 형성되어 가이드리브(212)로 하여금 구획된 공간이 증기 이송로(214)를 이루도록 하는 증발부(200)와;
    상기 인너 파이프(120)의 상단부에 대하여 다수개의 날개핀(310)이 결합되도록 하되, 방사형으로 돌출된 다수개의 날개핀(310)의 하부에는 생성된 응축수가 인너 파이프(120)의 상단 개구공(121)을 통해 내주연으로 유입될 수 있도록 지지다리(311)가 형성되어 인너 파이프의 개구공(121) 내주연과 맞닿도록 하는 응축부(300)가;
    구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단열부(100)는 인너 파이프(120)의 내주연(내경)에 액체가 흐르도록 형성되고, 상기 인너 파이프(120)의 외주연(외경)과 중공관(110)의 내주연(내경) 사이 공간에는 기체가 이송되도록 하는 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 증발부(200)의 필렛(210)은 중앙부 통공(211)이 인너 파이프의 하단 개구공(122)과 일직선상을 이루도록 형성되어 자중에 의해 하향 이송된 응축수가 연통공(213)을 통해 배수되면 증기 이송로(214)에서 기화된 증기가 단열부(100)를 거쳐 응축부(300)로 순환하면서 열교환 사이클을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 증발부(200)의 필렛(210)은 상하 길이방향으로 다수개가 적층됨에 있어서, 설계 사양을 포함한 취사선택에 따라 적층 갯수를 증감할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 응축부의 날개핀(310)은 지지다리의 하부에 절곡면(311-1)이 형성되고, 상기 절곡면(311-1)은 인너 파이프의 상단 개구공(121)에 형성된 경사면(121-1)에 접합되도록 형성되어 날개핀으로 하여금 액화된 응축수가 인너 파이프의 상단 개구공(121)으로 원활하게 유입될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 비상 상황 시 원자로 노심의 열 제거를 위한 히트파이프.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102501198B1 (ko) * 2021-08-18 2023-02-21 한국원자력연구원 냉각성능의 안정성이 향상된 코어캐처

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