KR101570080B1 - 원전 - Google Patents
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Abstract
사고 시 원전안전계통에서 발생하는 열을 사용해 스털링 엔진을 구동하고, 이 동력을 직접 이용하거나 전력을 생산해 안전계통에 동력을 제공함에 따라, 비상디젤발전기나 외부전력 없이도 안전계통을 작동시켜 피동안전계통과 같은 안전계통의 신뢰도를 향상시키고 경제성을 향상시킬 수 있는 원전이 개시된다.
Description
본 발명은 원전에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사고 시 원전안전계통에서 제거될 열을 원전안전계통의 작동에 재활용할 수 있는 원전에 관한 것이다.
원자력발전소(원전, Nuclear Power Plant)는 원자로에서 생성된 열을 이용하여 전기를 생산한다.
원자로에서 일어나는 대표적인 핵반응은 우라늄(U)-235(원자번호 92, 질량수 235)에 의한 핵분열이다. U-235에 중성자가 충돌하여 흡수되면 원자핵이 불안정해져서 2개의 작은 원자핵(핵분열 조각)으로 쪼개지고, 이 과정에서 평균적으로 약 2.5개의 중성자와 약 200 MeV(3.2×10-11J)의 에너지가 방출된다.
원자로의 특성을 안전성 관점에서 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 원자로가 운전됨에 따라 많은 양의 방사성 물질(핵분열생성물)이 핵연료봉 안에 축적된다.
둘째, 정상 운전 중인 원자로를 적절하게 냉각시키지 못하면, 방사성 물질을 외부와 차단하고 있는 방벽들이 손상되어 방사성 물질이 외부로 누출될 수 있다.
셋째, 원자로를 정지시키더라도, 핵분열생성물이 방사선을 방출하면서 에너지(붕괴열)가 상당히 높은 수준으로 발생하므로, 상당 시간 동안 지속적인 냉각이 필요하다.
안전성 관점에서 원자로의 특성을 살펴본 바와 같이, 운전 중인 원전은 원자로 내부에서 다량의 방사성 물질을 발생시키기 때문에, 원자력 개발 및 이용 측면에서 확고한 안전성의 확보가 매우 중요하다.
따라서, 원전은 사고를 사전에 예방하는 목적과 사고가 발생한다 하더라도 사고를 최소화시키는 목적 등의 안전계통들을 갖추고 있다.
한편, 오늘날까지 다중 방호설계개념에 의거하여 비상노심냉각계통(ECCS)과 같이 주로 능동적 안전기능을 채용한 대형경수로 노선이 정착되어 왔다.
하지만, 사고 발생(1979년에 일어난 TMI-2 발전소사고,1986년의 체르노빌-4 발전소사고, 2011년 후쿠시마 원전 사고 등)에 따른 안전규제의 강화, 환경오염(산성비, 온실효과 등), 선진국의 경제성장의 정체에 따른 전력수요증가율이 낮아짐에 따라 용도의 다양화, 수요의 개척 등을 겨냥하여 안전성이 높고, 운전·보수가 쉬운 원자로에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히 1986년의 체르노빌-4 발전소사고를 계기로 몇 가지 '피동적 안전성'을 강조한 혁신적인 중소형 원자로의 개념이 제안되었다.
피동적 안전성(passive safety)이라 함은 액체의 자연순환 또는 대기의 자연대류통풍, 물의 증발, 물질의 열팽창 또는 중력낙하, 물질중의 열복사, 축압(蓄壓)된 에너지 등 단순한 물리원리에 근거한 안전기능을 가진 특성을 말한다.
이러한 피동적 안전성을 적용한 피동안전계통들이 개발되고 있다.
상기 피동안전계통의 예로, 피동잔열제거계통 및 피동격납부냉각계통 등을 들 수 있다.
원전산업분야에서 피동잔열제거계통은 다양한 원전에서 사고가 발생한 경우 원자로냉각재계통의 열(원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열)을 유체 순환 방식 등에 의해 격납부의 외부로 제거하는 계통이다.
상기 피동잔열제거계통의 유체 순환 방식은 일반적으로 증기와 물의 밀도 차이에 의한 자연순환을 이용하며, 원자로냉각재계통의 일차냉각수를 직접 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(AP1000: 미국 웨스팅하우스)과, 증기발생기를 이용하여 이차냉각수를 순환시켜 간접적으로 원자로를 냉각하는 방식(SMART 원자로: 국내) 두 가지를 주로 사용하고 있으며, 일차냉각수를 탱크에 주입하여 직접 응축시키는 방식(CAREM:아르헨티나)도 일부 이용되고 있다.
또한, 피동격납부냉각계통은 다양한 원자로에서 냉각재상실사고나 증기관 파단사고 등의 발생으로 냉각수 또는 증기가 방출되어 격납부 내부의 압력이 상승하는 경우에, 격납부의 내부 증기를 응축시키고 대기를 냉각시켜 격납부의 건전성을 유지하는 계통이다.
상기 피동격납부냉각계통과 유사한 목적으로 사용되는 방식으로는 격납부로 방출된 증기를 감압탱크로 유도하여 응축시키는 감압탱크(suppression tank)를 이용하는 방식(상용 BWR, CAREM : 아르헨티나, IRIS : 미국 웨스팅하우스사 등), 철재격납용기를 적용하고 외벽을 냉각(스프레이, 공기)시키는 방식(AP1000: 미국 웨스팅하우스) 그리고 열교환기를 이용하는 방식(SWR1000 ; 프랑스 프라마톰 ANP, AHWR : 인도, SBWR : 미국 GE) 등이 이용되고 있다.
그러나, 기존의 피동안전계통에서 상기 격납부 외부로 제거되는 열은 격납부의 외부 환경으로 버려지고 있으므로, 이러한 폐열을 재활용하고자하는 노력이 필요하다.
또한, 피동안전계통은 비상교류전원이나 외부로부터의 전원공급이 없는 경우에도 자연력에 의해 구동되므로, 안전성 측면에서는 매우 우수하지만, 안전계통의 설계를 위한 구성 옵션이 매우 제한적이며, 계통의 구동력이 일반적으로 매우 작아 경제성이 감소할 가능성이 크다는 단점이 있다.
또한, 피동안전계통에서 열교환기의 경우, 예를 들면 열교환기의 내부 또는 외부 유체의 순환 유동이 주로 밀도 차에 의해 발생하는 자연순환에 의존하므로, 열교환 성능이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 피동안전계통에서 열교환기는, 두 유체 사이에 열전달이 이루어지는바, 예를 들면 물이나 공기 등과 같이 두 유체의 종류가 다르거나, 두 유체의 유동조건이 서로 다른 경우에, 열전달계수가 작은(물과 공기 중 공기의 열전달계수가 더 작음) 유체에 의해 열교환기의 크기가 결정되므로, 열교환기의 크기가 증가하게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 일 목적은, 피동안전계통에 스털링 엔진을 적용함에 따라, 사고 발생 시 격납부의 외부로 제거되는 열을 이용하여 동력을 생성하고, 생성된 동력을 원전안전계통의 작동에 재활용할 수 있는 원전을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 스털링 엔진에서 얻은 동력을 발전시켜 얻은 전력을 순환팬 및 순환펌프 등의 전원으로 공급함에 따라, 소규모 충전기 등 외부 전원의 공급 없이도 순환 유체에 순환 동력을 제공할 수 있는 원전을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 피동안전계통의 설계를 위한 구성 옵션이 매우 다양하고, 계통의 구동력 및 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 원전을 제공하는 것이다.
또한, 열교환기의 크기를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있는 원전을 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원전은, 원전의 사고 발생 시 원자로냉각재계통의 열 및 상기 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상의 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 원전안전계통; 상기 격납부의 외부로 제거되는 열을 전달받도록 열교환부를 구비하고, 상기 열교환부를 통해 전달받은 열에 의해 동력을 생성하는 실린더를 구비하는 동력생성부; 및 상기 격납부의 외부로 제거되는 열이 상기 동력생성부에 전달되도록, 상기 원자로냉각재계통과 상기 동력생성부 사이 또는 상기 격납부와 상기 동력생성부 사이에 열전달유체의 유로를 제공하는 열전달부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통의 열 또는 상기 원자로냉각재계통에서 상기 격납부로 전달되는 열을 제거하는 피동안전계통을 포함하고, 상기 피동안전계통은 공랭식 및 수랭식 열교환기 중 적어도 하나 이상의 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 열교환기는, 플레이트형 또는 쉘앤튜브형 열교환기일 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 유체는 공기, 냉각수, 증기, 및 공기와 증기 또는 냉각수와 증기가 혼합된 혼합유체 중 적어도 하나 이상의 유체일 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는, 작동기체가 내부에 각각 채워지며, 두 개의 실린더에 각각 별개의 독립된 공간으로 형성되거나, 한 개의 실린더 내부에 서로 구획된 공간으로 형성되는 고온부 및 저온부; 상기 두 개의 실린더 내부에 각각 이동가능하게 설치되거나, 상기 한 개의 실린더 내부에 서로 독립적으로 이동가능하게 설치되는 복수의 피스톤; 상기 고온부 및 상기 저온부에 채워진 작동기체가 서로 소통되도록, 상기 고온부 및 저온부를 연결하는 작동유로; 상기 피스톤의 동력을 전달받아 회전하는 회전부; 및 상기 피스톤의 동력이 상기 회전부에 전달되도록, 상기 피스톤 및 상기 회전부를 연결하는 연결부재를 포함하여, 회전운동에 의한 기계적 운동에너지를 생성할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는, 상기 작동유로에 설치되고, 상기 작동기체가 상기 고온부에서 상기 저온부로 이동할 때 상기 작동기체의 열을 저장하고, 상기 작동기체가 상기 저온부에서 상기 고온부로 되돌아올 때 상기 작동기체에 상기 저장된 열을 전달하는 재생열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는, 상기 회전부와 연결되어, 상기 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는, 상기 발전부에서 변환된 전기에너지를 충전하는 충전기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는, 상기 충전기에 충전된 전기에너지에 의해 초기 구동될 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는 스털링 엔진으로 마련될 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체순환에 의해 상기 원자로냉각재계통의 열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 격납부의 외부에 배치되고, 일차계통 및 이차계통 사이의 경계를 형성하는 증기발생기로부터 증기를 전달받아 상기 증기를 냉각 및 응축시키며, 응축된 냉각수를 상기 증기발생기로 전달하는 열교환기; 상기 격납부의 외부에 배치되고, 상기 열교환기를 내부에 수용하여 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환기를 통과하도록 안내하는 열교환용 케이싱; 및 상기 열교환용 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환용 케이싱의 내부로 유입되도록 상기 외부 대기를 강제 유동시키는 순환팬;을 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 열교환용 케이싱의 내부 또는 외부에 배치되고, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 증기발생기에서 발생된 증기가 상기 열교환기에 전달되도록, 상기 증기발생기 및 상기 열교환기를 연결하는 증기배관을 포함하고, 상기 증기배관은, 상기 증기발생기로부터 증기의 열이 상기 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며, 상기 동력생성부는, 상기 증기배관을 통해 흐르는 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 동력생성부는 상기 열교환기의 입구 측에 설치되고, 상기 순환팬은 상기 동력생성부와 상기 열교환기 사이에 배치될 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 열교환기에서 응축된 냉각수가 상기 증기발생기로 전달되도록, 상기 열교환기 및 상기 증기발생기를 연결하는 급수배관을 포함하고, 상기 급수배관은, 상기 열교환기로부터 응축된 냉각수의 열이 상기 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며, 상기 동력생성부는 상기 급수배관을 통해 흐르는 냉각수의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 상기 원자로냉각재계통의 열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 격납부의 외부에 배치되는 비상냉각수저장부; 상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되고, 일차계통 및 이차계통 사이의 경계를 형성하는 증기발생기로부터 증기를 전달받아 상기 비상냉각수저장부에 저장된 비상냉각수에 의해 상기 증기를 냉각 및 응축시키며, 응축된 냉각수를 상기 증기발생기로 전달하는 열교환기; 및 상기 열교환기에서 응축된 냉각수를 상기 증발발생기로 전달하는 급수배관에 설치되고, 상기 냉각수를 강제 유동시키는 순환펌프을 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 비상냉각수저장부의 외부 또는 내부에 배치되고, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환펌프를 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 열전달부는, 상기 증기발생기에서 발생된 증기가 상기 동력생성부를 경유하여 상기 열교환기로 전달되도록, 상기 증기발생기, 상기 동력생성부의 열교환부 및 상기 열교환기를 연결하는 증기배관을 포함하고, 상기 동력생성부는 상기 증기배관을 통해 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 비상냉각수저장부는, 상기 동력생성부의 열교환부와 열교환가능하게 연결하기 위한 비상냉각수열교환부를 마련하여, 상기 비상냉각수저장부에서 발생된 증기의 열이 상기 동력생성부로 전달될 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 열전달부는, 상기 증기발생기로부터 증기가 내부에 유입되도록, 일단부가 상기 증기발생기와 연결되고, 타단부가 상기 격납부의 내부로 연장되는 제1연결배관; 상기 격납부의 내부와 연통되며 상기 제1연결배관으로부터 배출되는 증기와 함께 상기 격납부의 내부 대기가 유입되도록, 일단부가 상기 제1연결배관과 근접하게 배치되고, 상기 증기 및 상기 격납부의 내부 대기가 혼합된 혼합유체가 상기 동력생성부로 전달되도록, 타단부가 상기 동력생성부와 연결되는 제2연결배관을 포함하고, 상기 피동잔열제거계통은, 상기 격납부의 내부 대기 순환을 유도하는 순환유도유닛을 구비하고, 상기 순환유도유닛은, 상기 제1연결배관의 타단부에 형성되고, 상기 증기를 상기 제2연결배관의 내부로 분사하여 상기 증기의 분사속도에 의해 상기 격납부의 내부 대기를 제2연결배관으로 유입시키는 분사노즐; 상기 제2연결배관의 일단부에서 상기 격납부의 내부를 향하여 상기 격납부의 내부 대기의 유입단면적이 점차적으로 넓어지도록 형성되어, 상기 격납부의 내부 대기의 유입을 안내하는 입구가이드를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통에서 상기 격납부의 내부로 전달된 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 피동격납부냉각계통을 포함하고, 상기 피동격납부냉각계통은, 원자로보다 더 높게 위치하도록 상기 격납부의 내부 또는 이의 외부에 배치되고, 원자로에서 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 발생 시 상기 증기관에서 상기 격납부의 내부로 방출되는 증기를 응축시키며 상기 격납부의 내부 대기를 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기보다 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되고, 내부에 저장된 비상냉각수에 의해 상기 열교환기로부터 전달되는 상기 격납부의 내부 대기를 냉각 및 응축시키며, 상기 비상냉각수를 상기 열교환기에 공급하는 비상냉각수저장부를 포함하고, 상기 비상냉각수저장부는, 상기 동력생성부가 장착되어 열교환되도록, 상단부에 비상냉각수열교환부를 구비하고, 상기 동력생성부는, 상기 비상냉각수열교환부를 통해 상기 비상냉각수의 열 또는 상기 비상냉각수에서 증발되는 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동격납부냉각계통은, 상기 열교환기의 상단부에 형성되는 입구헤더에 설치되고, 상기 격납부의 내부 대기가 상기 열교환기로 유입되도록, 상기 내부 대기를 강제 유동시키는 순환팬을 더 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동격납부냉각계통은, 상기 비상냉각수가 상기 열교환기로 전달되도록, 상기 비상냉각수저장부와 상기 열교환기를 연결하는 비상냉각수배관; 및 상기 비상냉각수배관에 설치되고, 상기 비상냉각수를 강제 유동시키는 순환펌프를 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 동력전달부를 구비하여 상기 순환펌프를 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환펌프를 구동시킬 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동격납부냉각계통은, 상기 격납부의 내부 대기가 상기 격납부의 외부에 배치된 열교환기로 전달되도록, 일단부가 상기 격납부의 내부와 연통되고 타단부가 상기 열교환기와 연결되는 제1격납부연결배관; 및 상기 열교환기에서 발생된 비응축성 가스 또는 응축된 냉각수가 상기 격납부의 내부로 전달되도록, 일단부가 상기 열교환기와 연결되고, 타단부가 상기 격납부의 내부와 연통되는 제2격납부연결배관; 상기 제1격납부연결배관의 일단부에 설치되어, 상기 격납부의 내부 대기를 상기 제1연결배관으로 강제 유동시키는 순환팬을 더 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동시킬 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통에서 전달된 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 피동격납부냉각계통을 포함하고, 상기 피동격납부냉각계통은, 원자로보다 더 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되고, 원자로에서 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 발생 시 상기 증기관에서 상기 격납부의 내부로 방출되는 증기를 응축시키며 상기 격납부의 내부 대기를 냉각시키는 열교환기; 상기 격납부의 외부에 배치되고, 상기 열교환기를 내부에 수용하여 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환기를 통과하도록 안내하는 열교환용 케이싱; 상기 격납부의 내부 대기가 상기 열교환기로 전달되도록, 일단부가 상기 격납부의 내부와 연통되고 타단부가 상기 열교환기와 연결되는 제1격납부연결배관; 및 상기 제1격납부연결배관의 일단부에 설치되고, 상기 격납부의 내부 대기를 상기 제1격납부연결배관의 내부로 강제 유동시키는 순환팬을 포함하고, 상기 제1격납부연결배관은, 상기 격납부의 내부로 전달되는 증기의 열이 상기 격납부의 외부에 배치된 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며, 상기 동력생성부는, 상기 열교환용 케이싱의 내부에 배치되고, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통에서 전달된 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 피동격납부냉각계통을 포함하고, 상기 피동격납부냉각계통은, 원자로보다 더 높게 위치하도록 상기 격납부의 내부에 배치되고, 원자로에서 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 발생 시 상기 증기관에서 상기 격납부의 내부로 전달되는 증기를 응축시키며 상기 격납부의 내부 대기를 냉각시키는 열교환기; 상기 격납부의 외부에 배치되고, 상기 격납부의 외부 대기가 내부를 통과하도록 안내하는 열교환용 케이싱; 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환기로 공급되도록, 일단부가 상기 격납부의 외부와 연통되고, 타단부가 상기 열교환기와 연결되는 제1외부대기연결배관; 및 상기 열교환기에서 발생되는 증기를 상기 열교환용 케이싱으로 방출되도록, 상기 열교환기 및 상기 열교환용 케이싱을 연결하는 제2외부대기연결배관; 상기 제1외부대기연결배관 또는 상기 열교환용 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 격납부의 외부 대기를 상기 열교환기 또는 상기 열교환용 케이싱의 내부로 강제 유동시키는 순환팬을 포함하고, 상기 제2외부대기연결배관은, 상기 열교환기에서 상기 열교환용 케이싱으로 전달되는 증기의 열이 상기 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며, 상기 동력생성부는, 상기 열교환용 케이싱의 내부 또는 외부에 배치되고, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동격납부냉각계통은, 상기 열교환기보다 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되고, 내부에 저장된 비상냉각수를 상기 열교환기로 공급하는 비상냉각수저장부를 더 포함하고, 사고 발생 시 상기 열교환기를 수랭식으로 냉각시킨 후, 공랭식으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 사고 후 상기 원자로냉각재계통과 상기 격납부 내부의 압력이 유사 평형 상태에 도달한 경우에 중력에 의해 냉각수를 안전 주입하는 피동안전주입계통을 포함하고, 상기 피동안전주입계통은, 상기 격납부 내부에 배치되는 제1냉각수저장부; 상기 제1냉각수저장부보다 낮게 위치하도록 상기 격납부의 내부에 설치되고, 내부에 냉각수를 저장하는 제2냉각수저장부; 상기 열교환기에서 응축된 냉각수가 상기 제1냉각수저장부에 전달되도록, 상기 열교환기와 상기 제1냉각수저장부를 연결하는 냉각수연결배관; 상기 제1냉각수저장부에 저장된 냉각수가 원자로의 내부로 안전 주입되도록, 상기 제1냉각수저장부와 상기 원자로를 연결하는 냉각수주입배관; 상기 제2냉각수저장부에 저장된 냉각수가 상기 제1냉각수저장부로 보충되도록, 상기 제1 및 제2냉각수저장부를 연결하는 냉각수보충배관; 및 상기 냉각수보충배관에 설치되고, 안전주입수 보충을 위한 냉각수를 강제 순환 유동시키는 안전주입수 보충 펌프를 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 안전주입수 보충 펌프를 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 원전안전계통은, 복수의 살수용 노즐이 이격 형성된 분배파이프를 구비하고, 사고 발생 시 상기 격납부의 내부 압력이 상승하는 경우에 상기 살수용 노즐로부터 중력에 의해 냉각수를 상기 격납부의 내부 대기 중으로 살수하여 상기 격납부의 내부 압력을 감소시키는 피동격납부살수계통을 포함하고, 상기 피동격납부살수계통은, 상기 격납부의 저면에 설치되는 제2냉각수저장부; 상기 격납부의 상부에 배치되는 살수저장부; 상기 제2냉각수저장부에 저장된 냉각수가 상기 살수저장부로 보충되도록, 상기 제2냉각수저장부 및 상기 살수저장부를 연결하는 살수보충배관; 및 상기 살수보충배관에 설치되고, 상기 살수보충용 냉각수를 강제 유동시키는 살수 보충 펌프를 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 살수 보충 펌프를 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 피동안전계통은, 상기 격납부의 저면 외부에 설치되는 제2냉각수저장부; 상기 열교환기보다 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되는 비상냉각수저장부; 상기 제2냉각수저장부에 저장된 냉각수가 상기 비상냉각수저장부로 보충되도록, 상기 제2냉각수저장부 및 상기 비상냉각수저장부를 연결하는 비상냉각수보충배관; 및 상기 비상냉각수보충배관에 설치되고, 상기 비상냉각수보충용 냉각수를 강제 유동시키는 비상냉각수 보충 펌프를 포함하고, 상기 동력생성부는, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 비상냉각수 보충 펌프를 구동할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따른 원전은, 상기 발전부로부터 생산된 전기를 충전하도록 충전기를 더 구비할 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 충전기에 충전된 전기에너지는 비상전원 또는 비상충전기의 전원 보충을 위해 상기 비상전원 또는 상기 비상충전기에 공급될 수 있다.
본 발명과 관련하여 일 예에 따르면, 상기 비상전원 또는 상기 비상충전기는 상기 원전안전계통의 작동 또는 상기 원전안전계통의 작동을 위한 밸브 개폐 또는 상기 원전안전계통의 모니터링을 위한 전원으로 사용될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 사고 시 원자로냉각재계의 열 및 상기 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상의 열을 격납부 외부로 방출시키는 과정에 일부를 회수하여, 원전안전계통에 스털링 엔진 등을 접목시켜 원전안전계통의 작동 등에 재활용할 수 있다.
또한, 원전안전계통과 스털링 엔진 등의 조합을 통해 여러 가지 장점을 얻을 수 있다.
첫째, 피동안전계통에 의해 제거되는 열을 스털링 엔진 등의 동력생성부에 공급하여 엔진을 구동시키고, 엔진 구동에 의해 발생된 동력 또는 이의 발전을 통해 전력을 생성함으로써, 비상디젤발전부 또는 외부전력 없이도 안전계통을 작동시켜, 안전계통의 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
둘째, 엔진의 동력을 팬이나 펌프 구동에 직접 이용하거나 발전을 통해 생성된 전력을 팬이나 펌프 등의 전원으로 활용함으로써, 유체를 강제 유동시켜 유체순환방식에 의해 열을 제거하는 피동안전계통에서 열교환기의 효율 및 성능을 높이며, 열교환기의 크기를 콤팩트(compact)하게 구성하여 경제성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 엔진의 동력 혹은 발전을 통해 생성된 전력을 피동안전주입계통의 안전주입수 보충 및 피동격납부살수계통의 살수 보충 및 피동잔열제거계통의 비상냉각수 보충에 활용하여, 피동안전계통의 안전성 향상에도 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 스털링 엔진을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비한 원전의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비한 원전의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제9실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제10실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제11실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 제12실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 13a는 정상 운전 시 본 발명의 제13실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 13b는 사고 발생 시 본 발명의 제13실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 작동을 보여주는 개념도이다.
도 14는 본 발명의 제14실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 15는 본 발명의 제15실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 16은 본 발명의 제16실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 17은 본 발명의 피동안전계통에 적용되는 스털링 엔진의 개념도이다.
도 17a는 본 발명에 따른 열교환부의 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 17b는 본 발명에 따른 열교환부의 또 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 18은 본 발명에 따른 스털링 엔진의 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 스털링 엔진을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비한 원전의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비한 원전의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제9실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제10실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제11실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 제12실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 13a는 정상 운전 시 본 발명의 제13실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 13b는 사고 발생 시 본 발명의 제13실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 작동을 보여주는 개념도이다.
도 14는 본 발명의 제14실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 15는 본 발명의 제15실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 16은 본 발명의 제16실시예에 관련된 스털링 엔진을 적용한 피동격납부냉각계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 17은 본 발명의 피동안전계통에 적용되는 스털링 엔진의 개념도이다.
도 17a는 본 발명에 따른 열교환부의 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 17b는 본 발명에 따른 열교환부의 또 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 18은 본 발명에 따른 스털링 엔진의 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
이하, 본 발명에 관련된 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 발명과 관련하여 본 명세서에서 기재된 용어에 대한 개략적인 설명을 정리하기로 한다.
1. 용어 정리
본 발명과 관련하여 '원자로'는 안전계통의 구성방식에 따라 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형 원자로와, 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형원자로로 나뉜다. 한편으로, 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기, 즉 증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등이 원자로 외부에 설치되는 분리형 원자로(예, 한국 가압경수로)와, 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형 원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다.
또한, 일반적으로 원자로용기(또는 분리형 원자로의 원자로냉각재계통)의 외부를 보호하는 격납구조물은, 강화콘크리트를 이용하여 제작 건설하는 경우 격납건물(또는 원자로건물)이라 지칭하며, 철재를 이용하여 제작 건설하는 경우 격납용기(소형인 경우 안전보호용기)라 지칭한다. 본 발명에서는 특별한 언급이 없는 한 격납건물, 원자로건물, 격납용기, 안전보호용기 등을 통칭하여 “격납부“라 지칭한다.
본 발명과 관련하여 종래의 피동안전계통에 사용되는 열교환기는 쉘 앤 튜브(shell and tube)형 열교환기 또는 응축기(SBWR : 미국 GE사 등)가 주로 적용되고 있으며, 자연순환에 의존한다.
본 발명과 관련하여 종래의 피동안전계통에서 열교환기(응축열교환기)의 외부를 냉각하는 방식으로는, 수랭식(water-cooled, 미국 AP1000), 일부 공랭식(air-cooled, 러시아 WWER1000), 및 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 응축열교환기를 채용할 수 있다.
본 발명과 관련하여 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 열교환기는 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, 반응기 등 매우 다양한 분야로 적용범위가 확대되고 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 일 예 중의 하나로 활용할 판형 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형(plate type) 열교환기는 일반적으로 판을 압출하여 유로 채널을 형성하고, 판 사이를 개스킷을 사용하거나 일반 용접 또는 브레이징 용접을 사용하여 결합시킨다. 이에 따라 상기 판형 열교환기는 인쇄기판형 열교환기와 적용분야는 유사하나 압력이 낮은 저압 환경에서 더 많이 이용되고 있다. 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기보다 작고 쉘 앤 튜브(shell and tube)형 열교환기보다 우수한 특성이 있다. 또한 인쇄기판형 열교환기에 비해서는 제작이 간편한 특성이 있다.
본 발명에서 플레이트형 열교환기라 함은, 특별한 언급이 없는 한, 일반적인 판형 열교환기와 인쇄기판형 열교환기뿐만 아니라 플레이트(판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우의 열교환기를 모두 포괄적으로 지칭한다.
본 발명에 관련하여 '스털링 엔진'은 Robert Stirling에 의해 개발(1816)된 외연기관으로 밀폐된 실린더 안에 기체를 단단히 가둬놓고 가열-팽창 냉각-수축 등의 행정에 따라 실린더를 구동하여 동력을 생산하는 기기이다.
스털링엔진은 실린더 및 피스톤의 구성에 방식에 따라 α형, β형, γ형, dual-acting 형 등으로 분류되며, 피스톤의 운동방식에 따라 기계적 구동형 스털링 엔진(Kinematic engine)과 자유피스톤 스털링 엔진 (FPSE, Free piston stirling engine) 등으로 분류될 수 있다.
스털링 엔진은 작은 온도차(예, 2℃)의 열로도 작동할 수 있으며, 이론 효율이 매우 높고, 내연기관에 비해 저소음 저진동이라는 장점이 있다.
이밖에 스털링 엔진은 태양열, 지열 등의 다양한 열원을 이용할 수 있고, 친환경 열원을 이용하는 경우 공해물질 배출이 적다는 장점이 있다.
2. 본 발명의 개요
본 발명에 따른 원전은, 사고 발생 시 원자로냉각재계통(일체형 원자로의 경우 원자로 일 수 있음)의 열 및 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상을 제거하는 원전안전계통과, 사고 발생 시 원전안전계통에 의해 제거되는 열을 이용하여 동력을 생성하는 동력생성부와, 원전안전계통과 동력생성부 사이에 열전달유체의 유로를 제공하는 열전달부를 포함한다.
상기 원전안전계통은, 사고 발생 시 원자로냉각재계통의 열 및 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상을 유체 순환에 의해 제거하는 피동안전계통을 포함할 수 있다.
상기 피동안전계통은, 원자로 노심의 잔열을 제거하기 위한 피동잔열제거계통과, 격납부 내부 압력 상승에 의한 피동격납부냉각계통을 포함할 수 있다.
상기 동력생성부는 고온의 열원(원전안전계통의 열원)으로부터 열을 받아들여 동력을 발생시키는 열 엔진일 수 있다.
상기 열 엔진은 고온의 열원으로부터 열을 받아들여(1단계) 이 열을 동력(일,work)으로 전환하고(2단계), 남은 열을 외부의 저온 열원(격납부의 외부 대기)으로 방출하여(3단계) 원상태로 복귀되는(4단계) 일련의 과정(1 cycle)을 반복한다.
또한, 상기 동력생성부는 가열 및 냉각을 통해 연속적인 동작이 가능한 스털링 엔진 일 수 있다.
상기 스털링 엔진은 실린더 내부에 고온부와 저온부를 구비하고, 작동기체가 상기 고온부와 저온부를 왕복하도록 2개의 피스톤을 사용함으로써, 연속적인 동작이 가능하다.
본 발명에서는 원전의 피동안전계통에 스털링 엔진 등의 동력생성부를 함께 적용하여 피동안전계통의 열에 의해 스털링 엔진을 구동하고, 엔진 동력을 직접 이용하거나 발전을 통하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
특히, 사고 시 원자로냉각재계통으로부터 현열과 잔열이 발생하며, 원자로 노심을 안전하게 유지하려면 원자로냉각재계통의 열을 제거해주어야 하는바, 본 발명에서 사고 시 제거해주어야 하는 원전의 열을 이용하여 동력 또는 전력을 생산할 수 있으므로 안전계통의 매우 유용한 구성 옵션으로 채용될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 스털링 엔진 등에서 생산되는 동력 또는 전력을 이용해 열전달계수가 작거나 순환 유동이 형성되기 어려운 유로에 팬 또는 펌프 등을 이용하여 강제 유동을 형성하도록 구성함에 따라, 두 유체 사이에 열전달 계수가 서로 다름으로 인해 열교환기 크기가 증가되는 문제점을 해소할 수 있다. 결과적으로, 열교환기의 크기를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.
한편, 더 나아가 열교환기가 소형화되는 경우에 격납부 내외부의 배치 및 구조 하중 문제가 크게 완화될 수 있다. 예를 들면, 사고 시 격납부 내부 압력을 감소시키기 위해 중력에 의해 작동하는 피동격납부살수계통을 원전에 적용하려면 원전 정상운전 중에 매우 많은 양의 물을 격납부 상부에 저장해 두어야 한다. 그러나 다량의 물을 격납부 상부에 저장하려면 많은 공간이 필요하고, 저장수로 인해 구조물에 큰 하중이 작용하므로, 현실적으로 장시간 사용가능한 수조를 설치하기는 매우 어렵다. 피동안전주입계통에도 이와 유사한 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제시한 피동안전계통과 결합된 스털링 엔진으로부터 생성되는 동력 및 전기를 피동격납부살수계통 또는 피동안전주입계통의 냉각수 보충을 위한 펌프의 전원으로 사용함에 따라, 냉각수 보충을 위한 수조 배치 및 구조 하중 문제를 쉽게 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 비상디젤발전기나 외부전원의 도움이 없이도 사고 시 자체내부에서 동력 또는 전기의 생산이 가능하므로 안전성을 향상시키는데 크게 기여할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 기술을 적용하면 사고 시 피동안전계통의 열과 스털링 엔진 결합 방식으로 생산되는 동력 또는 전기를 열교환기의 성능 향상, 피동안전계통의 냉각수 안전 주입 또는 살수 보충 또는 비상냉각수의 보충 및 안전계통의 작동에 필요한 전력 공급 수단 확보 등에 활용할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 실시예 별로 본 발명의 상세한 설명을 하기 전에 본 발명의 실시예에 공통적으로 적용되는 스털링 엔진에 대하여 먼저 살펴보기로 한다.
3. 본 발명의 피동안전계통에 적용되는
스털링
엔진
도 17은 본 발명의 피동안전계통에 적용되는 스털링 엔진(170)의 개념도이다.
스털링 엔진(170)은 고온부(1711), 저온부(1712) 및 두 개의 피스톤(1713,1714)으로 구성될 수 있다.
상기 고온부(1711) 및 저온부(1712)는 실린더(1710) 내부의 밀폐된 공간에 각각 형성되고, 고온부(1711)와 저온부(1712)에 각각 작동기체가 채워진다. 상기 스털링 엔진(170)은 경우에 따라 두 개의 실린더(1710) 내부에 고온부(1711) 및 저온부(1712)가 각각 별개로 형성되거나, 한 개의 실린더(1710) 내부에 고온부(1711)와 저온부(1712)가 서로 구획된 공간으로 형성될 수 있다.
도 17에 도시된 스털링 엔진(170)은 한 개의 실린더(1710) 내부에 두 개의 피스톤(1713,1714)이 각각 설치된 형태를 보여준다(Beta 방식).
여기서, 상기 스털링 엔진(170)은 두 개의 실린더에 두 개의 피스톤이 각각 한 개씩 설치되어 사용될 수 있다.
하지만, 도 17에 도시된 바와 같이 한 개의 실린더(1710) 내부에 두 개의 피스톤(1713,1714)이 독립적으로 움직이는 스털링 엔진(170)을 채용할 경우, 두 개의 실린더(1710)와 두 개의 피스톤(1713,1714)을 사용한 스털링 엔진(170)에 비해 구조가 매우 단순해지고, 고효율, 고신뢰성 및 저비용으로 제작가능한 장점이 있다.
스털링 엔진(170)의 구성을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실린더(1710)는 일측이 개구된 원통 형태의 실린더몸체(1710)와, 실린더몸체(1710) 내부에 고온부(1711)와 저온부(1712)를 구획하도록 고온부(1711)와 저온부(1712) 사이의 경계 위치에 배치되는 제1피스톤(1713)과, 제1피스톤(1713)과 이격되게 실린더몸체(1710)의 내부에 배치되는 제2피스톤(1714)를 포함할 수 있다.
상기 제1피스톤(1713) 및 제2피스톤(1714)은 작동기체에 의해 실린더몸체(1710) 내부를 따라 서로 독립적으로 이동될 수 있다.
스털링 엔진(170)은 실린더(1710)의 개구부 측과 이격되도록 회전가능하게 배치되는 회전부(1750,1760)와, 제1 및 제2피스톤(1713,1714)을 독립적으로 회전부(1750,1760)에 각각 연결하는 복수의 연결부재(1715b,1716b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2피스톤(1713,1714)은 각각 축방향으로 연장형성되는 연결로드(1715a,1716a)를 구비할 수 있다.
상기 연결부재(1715b,1716b)는, 별개로 분리형성된 제1연결부재(1715b)와 제2연결부재(1716b)를 구비하고, 제1연결부재(1715b)를 매개로 제1피스톤(1713)과 회전부(1750,1760)를 연결하고, 제2연결부재(1716b)를 매개로 제2피스톤(1714)과 상기 회전부(1750,1760)를 연결할 수 있다.
상기 제1연결부재(1715b)의 일단부는 제1피스톤(1713)의 연결로드(1715a)와 힌지 결합되고, 제1연결부재(1715b)의 타단부는 회전부(1750,1760)의 외주부 일측에 힌지 결합될 수 있다.
상기 제2연결부재(1716b)의 일단부는 제2피스톤(1714)의 연결로드(1716a)와 힌지 결합되고, 제2연결부재(1716b)의 타단부는 회전부(1750,1760)의 외주부 타측에 힌지 결합될 수 있다.
상기 제1연결부재(1715b)와 제2연결부재(1716b)는 회전부(1750,1760)의 외주부에 서로 다른 위상각으로 결합될 수 있다.
상기 제1연결부재(1715b) 및 제2연결부재(1716b)는 봉(ROD) 형태로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2연결부재(1715b,1716b)의 연결관계에 의하면, 제1 및 제2피스톤(1713,1714)의 왕복직선운동에너지를 회전부(1750,1760)에 독립적으로 전달하여 회전운동으로 전환시키며, 제1 및 제2피스톤(1713,1714)을 회전부(1750,1760)와 연결함에 따라 스털링 엔진(170)의 연속적인 동작을 구현할 수 있다.
상기 회전부(1750,1760)는 크랭크축으로 마련될 수 있으며, 플라이휠을 더 포함하여 회전운동의 안정화를 꾀할 수 있다.
상기 작동기체는 공기, 헬륨, 수소 중 어느 하나의 기체일 수 있다.
또한, 상기 고온부(1711)와 저온부(1712)는 작동유로(1717)에 의해 서로 연통되게 연결될 수 있다. 예를 들어, 작동유로(1717)의 일단부가 고온부(1711)와 연결되고, 작동유로(1717)의 타단부가 저온부(1712)와 연결되어, 작동기체가 작동유로(1717)를 통해 고온부(1711)에서 저온부(1712)로 이동하거나 저온부(1712)에서 고온부(1711)로 이동할 수 있다.
상기 스털링 엔진(170)은 재생열교환기(1740)(regenerator)를 더 포함할 수 있다.
재생열교환기(1740)는 스털링 엔진(170)의 성능 및 효율을 증가시키기 위한 구성요소이고, 고온부(1711)와 저온부(1712) 사이를 왕복하는 작동기체의 통로, 즉 작동유로(1717)에 위치할 수 있다.
상기 재생열교환기(1740)는 다음과 같은 2가지 요건을 갖추는 것이 바람직하다.
첫째, 재생열교환기(1740)는 고온부(1711)에서 저온부(1712)로 흐르는 열을 최대한 막아서 큰 온도차를 유지시키는 것이다.
둘째, 작동기체가 고온부(1711)에서 저온부(1712)로 갈 때, 재생열교환기(1740)가 작동기체의 열을 저장했다가, 작동기체가 다시 저온부(1712)에서 고온부(1711)로 올 때, 재생열교환기(1740)가 다시 작동기체에 열을 전달할 수 있도록 작동기체와 열교환을 잘해야 한다.
왜냐하면, 엔진의 효율이 고온부(1711)와 저온부(1712)의 온도차에 의해 결정되고, 저온부(1712)에서 고온부(1711)로 돌아온 가스를 재가열하지 않아야 성능을 극대화할 수 있기 때문이다. 이러한 점에서 재생열교환기(1740)는 엔진 성능과 가장 밀접한 관계를 가진다.
스털링 사이클 원리에 의한 스털링 엔진(170)의 기본 동작을 설명하면, 다음과 같다.
① 가열 : 작동기체가 주로 모여 있는 고온부(1711)를 가열하면 온도가 상승하면서 고온부 피스톤(이하, 제1피스톤(1713)이라 함)을 밀어내어 일(work) 또는 동력(power)를 생성한다.
② 팽창 : 계속해서 고온부(1711)의 온도가 상승하면서 제1피스톤(1713)을 밀어냄과 동시에, 저온부(1712)로 작동기체가 이동하여 저온부 피스톤(이하, 제2피스톤(1714)이라 함)을 밀어낸다. 이때 작동기체는 재생열교환기(1740)에 열을 저장하고 동시에 저온부(1712) 측 작동유로(1717)를 지나면서 냉각되기 시작한다.
③ 냉각 : 작동기체가 저온부(1712)로 계속 이동하면서 제2피스톤(1714)은 밀어내지만, 고온부(1711)의 작동기체가 부족해짐에 따라 제1피스톤(1713)은 원래 위치로 복귀하기 시작한다.
④ 압축 : 저온부(1712)에 작동기체가 주로 모이게 되면 작동기체의 온도가 낮아지고 서서히 압축되어 제2피스톤(1714)도 원래 위치로 복귀하면서 조금씩 고온부(1711)로 작동기체가 이동한다.
이와 같이 스털링 엔진(170)은 가열-팽창-냉각-압축 과정을 하나의 사이클로 하여 움직이며, 두 개의 피스톤(1713,1714)이 기구적으로 서로 연결됨에 따라, 회전부(1750,1760)를 회전시켜 연속적인 사이클 동작을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명에서는 스털링 엔진의 일부 형태에 대해 도시하였으나, 스털링 엔진을 제시한 방식으로 한정하는 것은 아니며, 다양한 형태의 스털링 엔진을 적용할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 스털링 엔진(170)은 원전안전계통에 의해 제거될 고온의 열원을 동력원으로 사용한다.
즉, 원전안전계통을 통해 사고 발생 시 격납부 외부로 제거될 열을 스털링 엔진(170)의 동력원으로 사용한 후 나머지 열이 격납부의 외부 환경으로 버려지는 것이다.
본 발명의 스털링 엔진(170)은 사고 발생 시 원전안전계통으로부터 고온의 열원을 전달받기 위해 열교환부(1720,1730)를 구비한다.
열교환부(1720,1730)는 원전안전계통으로부터 고온의 열원을 전달받기 위한 제1열교환부(1720)와, 스털링 엔진(170)에서 열을 외부 환경으로 방출시키기 위한 제2열교환부(1730)로 구성될 수 있다.
제1열교환부(1720)는 스털링 엔진(170)의 동력 생성을 위해 실린더(1710)의 고온부(1711)에 고온의 열원을 제공하고, 제2열교환부(1730)는 실린더(1710)의 저온부(1712)에서 열을 외부 환경으로 방출시킬 수 있다.
여기서, 상기 실린더(1710)의 저온부(1712)에서 열을 방출시키는 목적은 스털링 엔진(170)의 동작을 지속시키기 위함이다. 왜냐하면, 스털링 사이클 중 가열 및 팽창에 의해 두 피스톤(1713,1714)을 운동시킨 후, 실린더(1710)의 저온부(1712)에서 열을 방출시켜야 각 피스톤(1713,1714)의 위치를 다시 원래 위치로 되돌릴 수 있고 사이클을 다시 시작할 수 있기 때문이다.
상기 제1열교환부(1720) 및 제2열교환부(1730)는 실린더(1710)와 일체로 형성되거나, 실린더(1710) 외부에 각각 독립적으로 형성될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 열교환부(1720,1730)는 실린더(1710)의 작동유로(1717)에 일체로 형성된 복수개의 열교환핀(1721,1731) 일 수 있다.
도 17a는 본 발명에 따른 열교환부의 다른 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 17b는 본 발명에 따른 열교환부의 또 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
또한, 열교환부는 도 17a에 도시한 바와 같이 실린더(1710)의 외표면에 복수개의 열교환핀(1721a,1731a)을 일체로 형성하거나 도 17b에 도시한 바와 같이 실린더(1710) 내부에 유로(1721b,1731b)를 형성하는 형태 또는 실린더(1710) 외부를 열교환부 유로로 둘러싸는 형태(미도시) 또는 실린더(1710)와는 별도의 공간에 형성되는 형태(미도시)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 스털링 엔진(170)은 동력을 전기에너지를 변환하는 발전부(180)를 구비할 수 있다.
상기 발전부(180)는 회전부(1750,1760)와 기구적으로 연결되어 동력을 전달받는 회전자와, 회전자와 전기적인 상호 작용을 하는 고정자를 구비하여 운동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
상기 발전부(180)는 회전부(1750,1760)와 직접 혹은 별도의 동력전달수단(기어, 벨트, 체인 및 풀리 등을 구비할 수 있음)을 통해 연결되어, 동력을 전달받으므로 전기에너지를 생성할 수 있다.
상기 발전부(180)는 회전자와 고정자를 구비하여 전기적인 상호 작용에 의해 전기에너지를 생성할 수 있다.
또한, 상기 스털링 엔진(170)은 발전부(180)에서 생성된 전기를 저장하기 위해 발전부(180)에 충전기(190)를 직접 구비하거나 별도의 충전기(190)를 구비할 수 있다.
상기 충전기(190)에 전기에너지를 저장하는 경우에 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
상기 발전부(180)의 일 예로, 알터네이터(Alternator) 또는 모터 등으로 마련될 수 있다.
상기 충전기(190)는 충전가능한 이차전지(배터리) 일 수 있다.
상기 스털링 엔진(170)의 동력을 이용하여 발전부(180)를 통해 발전하고, 발전을 통해 충전기(190)에 전기에너지를 충전하는 경우에 사고 발생 시 충전기(190)를 이용하여 비상디젤발전기나 외부의 교류전원 등 외부의 도움 없이도 안전계통을 자체적으로 작동시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 스털링 엔진(170)은 초기 구동을 위해 기동장치를 별도로 마련하거나 충전기(190)의 전력을 이용해 시동되도록 구성될 수 있다.
상기 충전기(190)의 전기에너지는 사고 시 필수적인 피동안전계통의 작동(밸브) 및 모니터링 및 관리 등을 위한 비상 배터리 전원으로 이용될 수 있다.
이와 같이 스털링 엔진(170)의 전력을 활용하는 경우 사고 시 소요되는 원전의 비상전원(예, 비상 배터리)의 용량을 줄일 수 있어 경제성이 향상될 수 있다.
상기 스털링 엔진(170)은 외부에 동력전달부를 구비하여, 순환팬 및 순환펌프에 동력을 직접 전달할 수 있다.
상기 동력전달부는 각 부품을 연결하기 위한 링크류, 샤프트, 커플링 등을 포함할 수 있고, 회전부(1750,1760)의 회전동력을 전달하기 위한 벨트, 체인, 풀리 및 기어류 등을 더 포함할 수 있다.
상기 스털링 엔진(170)의 동력이 팬이나 펌프에 직접 이용될 경우에 상기 발전부(180) 및 충전기(190)는 생략될 수 있다.
도 17에 도시된 스털링 엔진(170)에 의하면, 사고 시 원전안전계통에서 제거해야 하는 열을 활용하여 동력 또는 전력을 자체적으로 생성할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 도 17에 도시된 스털링 엔진(170)은 엔진의 발전 효율을 높이기 위해 복수의 실린더(1710)를 구비할 수 있으며, 실린더(1710) 한 개 당 복수 개의 회전부(1750,1760) 및 발전부(180)를 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 17에 도시한 바와 같이 각각의 피스톤(1713,1714)은 연결부재(1715b,1716b)의 단부에서 T자 형태 또는 엘보우(ELBOW) 형태의 굽은 형태로 연장 형성된 멀티형 컨넥터(1715c)를 통해 복수의 발전부(180)와 연결될 수 있다.
따라서, 도 17에 도시된 스털링 엔진(170)에 의하면, 회전부(1750,1760)와 연동하여 두 대의 발전부(180)가 구동되므로, 그만큼 발전량을 배가시킬 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 스털링 엔진(1870)의 다른 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 18에 도시된 스털링 엔진(1870)은 프리-피스톤(1813,1814) 방식으로, 두 개의 움직이는 피스톤(1813,1814) 사이에 기계적인 연결을 제거하고 작동기체의 움직임에 의한 공진운동으로 두 피스톤(1813,1814)의 움직임을 연결할 수 있다.
도 18에 도시된 스털링 엔진(1870)은 리니어 알터네이터(Linear Alternator)와 연결될 경우 제2피스톤(1814)에 마그넷(1850)을 연결하여 코일(1880) 안에서 움직이도록 하여 아주 쉽게 엔진 출력을 전기적인 힘으로 바꿀 수 있고, 축이 돌출될 필요가 없으므로 고압 가스가 채워진 엔진에 있어서 회전부 주위의 실링(sealing) 문제도 전혀 생기지 않는다.
또한, 도 18에 도시된 스털링 엔진(1870)은 두 피스톤(1813,1814)에 측방향 힘을 발생시키지 않으므로, 두 개의 피스톤(1813,1814)은 측력(측방향 힘)이 없는 상태로 움직이게 되어 기계적 손실도 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참고하여 실시예 별로 상세하게 설명하기로 한다.
제1실시예
도 1은 본 발명의 제1실시예에 관련된 스털링 엔진(170)을 적용한 피동잔열제거계통(110) 및 이를 구비하는 원전(100)의 개념도이다.
도 1에 도시된 원전(100)은 일체형 원자로에 대하여 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 일체형 원자로에만 적용되는 것은 아니고 분리형 원자로에도 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 가압경수로에 한정되지 않으며, 가스로나 액체금속로 등을 포함한 다양한 형태의 원전에도 적용될 수 있다.
도 1의 제1실시예에서는 설명의 편의를 위하여 본 발명에서 개시하는 피동잔열제거계통(110) 및 이를 구비하는 원전(100)에 대하여 원자로냉각재계통(11)을 중심으로 대칭으로 도시하였다. 그리고, 제1실시예의 우측(화살표 A 방향)에는 원전(100)의 정상 운전시를 도시하고 좌측(화살표 B 방향)에는 원전(100)의 사고 발생 시 계통의 열전달유체의 흐름 경유 및 열전달 경로를 도시하였다. 이는 서로 대칭을 이루도록 도시된 이하의 다른 도면에서도 다른 설명이 없는 한 마찬가지이다.
원전(100)은 정상적인 운용과 사고 발생에 대비하여 원전(100)의 건전성을 유지하기 위한 다양한 안전계통들을 포함하고, 그 밖에 격납부(12) 등의 구조물을 포함한다.
격납부(12)는 방사성 물질의 누출을 방지하도록 원자로냉각재계통(11)의 외부에 상기 원자로냉각재계통(11)을 감싸도록 형성된다. 격납부(12)는 원자로냉각재계통(11)으로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종 방벽 역할을 한다.
원전(100)의 정상 운전시 주급수관(15)을 통해 급수계통(13)으로부터 증기발생기(17)로 급수가 공급되면, 증기발생기(17)는 노심(18)에서 전달된 열을 이용해 증기를 발생시킨다. 증기는 주증기관(16)을 통해 터빈계통(14)으로 공급되며, 터빈계통(14)은 공급받은 증기를 이용하여 전기를 생산한다. 주급수관(15)과 주증기관(16)에 설치되는 격리밸브(21)들은 원전(100)의 정상 운전시에는 개방되어 있으나, 사고 발생시에는 작동 신호에 의해 닫힌다.
원자로냉각재계통(11)의 내부에는 일차계통유체가 채워져 있으며, 일차계통유체는 노심(18)에서 전달받은 열을 증기발생기(17)를 통해 이차계통유체에 전달한다. 원전(100)의 일차계통이란 노심(18)으로부터 직접적으로 열을 전달받아 노심(18)을 냉각하는 계통이고, 이차계통이란 상기 일차계통과 압력경계를 유지하면서 상기 일차계통으로부터 열을 전달받아 전달받은 열을 이용해 전기를 생산하는 계통이다. 특히, 가압 경수형 원전(100)의 건전성을 위해 일차계통과 이차계통 사이에는 반드시 압력경계가 유지되어야 한다.
원자로냉각재계통(11)에는 일차계통유체를 순환시키기 위한 원자로냉각재펌프(19), 냉각재의 비등을 억제하고 운전 압력을 제어하기 위한 가압기(20)가 설치된다. 증기발생기(17)는 일차계통과 이차계통 경계에 배치되어 일차계통유체와 이차계통유체 사이의 열교환을 유도한다.
피동잔열제거계통(110)은 원전(100)에서 사고 발생시 원전(100)의 안전성을 확보하기 위한 핵심계통 중의 하나로, 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 노심(18)의 잔열을 제거하여 외부로 방출하는 계통이다.
이하에서는 먼저 피동잔열제거계통(110)의 구조에 대하여 설명하고, 이어서 원전(100)에서 사고 발생 시 피동잔열제거계통(110)의 작동에 대하여 설명한다.
피동잔열제거계통(110)은 열교환기(111), 순환배관(121)을 포함하며, 열교환용 케이싱(112), 순환팬(113) 및 동력생성부(170)를 포함할 수 있다.
열교환기(111)는 격납부(12)의 내부 또는 외부 중 적어도 한 곳에 설치될 수 있다. 열교환기(111)는 원자로냉각재계통(11)의 현열과 노심(18)의 잔열을 제거하도록 상기 현열과 잔열을 전달받은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 격납부(12)의 외부에서 유입된 냉각 유체와 열교환시킬 수 있다.
도 1에 도시된 열교환기(111)는 격납부(12)의 외부에 설치되며, 이차계통유체를 격납부(12) 외부의 냉각 유체와 열교환시키도록 이루어진다.
순환배관(121)은 일차계통유체 또는 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 원자로냉각재계통(11)을 열교환기(111)에 연결하거나 일차계통과 이차계통 사이의 증기발생기(17)를 열교환기(111)에 연결한다. 제1실시예에서는 이차계통유체의 순환유로를 형성하도록 증기발생기(17)와 열교환기(111)를 연결하는 순환배관(121)이 도시되어 있다.
열교환기(111)는 순환배관(121)을 통해 공급된 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각 유체와 압력경계를 유지하면서 열교환시키도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되며 상기 유체들을 서로 교대로 통과시키는 복수의 채널들을 구비한다.
채널들은 서로 다른 유체를 통과시키는 제1유로와 제2유로를 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.
제1실시예의 열교환기(111)는 이차계통유체의 순환을 이용하므로, 제2유로에는 이차계통유체가 흐르고, 제1유로를 흐르는 냉각 유체, 즉 격납부(12)의 외부 환경으로부터 유입되는 공기는 상기 이차계통유체를 냉각할 수 있다.
열교환기(111)의 각 입구와 출구에는 입구 헤더와 출구 헤더가 형성될 수 있다. 입구 헤더는 열교환기(111)로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로와 제2유로의 입구에 형성된다. 출구 헤더는 각 채널들을 통과한 유체들을 모으도록 제1유로와 제2유로의 출구에 형성된다. 열교환기(111)에 공급된 유체들은 제1유로를 통과하는 냉각 유체, 제2유로를 통과하는 일차계통유체 또는 이차계통유체를 포함한다. 특히, 제1실시예에 따른 피동잔열제거계통(110)에서 열교환기(111)에 공급된 유체들이란 냉각 유체와 이차계통유체이다.
제1실시예에서 제2유로의 입구 헤더와 출구 헤더는 압력경계 유지를 위해 구비될 수 있다. 그러나, 제1유로는 입출구가 격납부(12)의 외부환경 또는 열교환용 케이싱(112)의 내부에 개방되어 있는 구조이므로 제1유로의 입출구 유동을 원활하게 하기 위해 입구 헤더와 출구 헤더는 선택적으로 구비될 수 있다. 따라서, 제1유로에는 입구 헤더와 출구 헤더가 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 배치될 수 있다. 그리고, 제1유로의 입구 헤더는 제2유로의 출구 헤더와 인접하게 배치되고, 제1유로의 출구 헤더는 제2유로의 입구 헤더와 인접하게 배치될 수 있다.
순환배관(121)은 열교환기(111)로 이차계통유체를 공급하는 증기배관(121b)과 상기 열교환기(111)로부터 이차계통유체를 공급받는 급수배관(121a)을 포함한다.
증기배관(121b)은 증기발생기(17)의 출구에서 연장되는 주증기관(16)에서 이차계통유체를 공급받도록 상기 주증기관(16)으로부터 분기되어 상기 제2유로의 입구에 연결된다. 급수배관(121a)은 냉각 유체에 열을 전달하고 냉각 및 응축된 이차계통유체, 즉 냉각수를 증기발생기(17)로 다시 순환시키도록 상기 증기발생기(17)의 입구에서 연장되는 주급수관(15)으로부터 분기되어 상기 제2유로의 출구에 연결된다.
피동잔열제거계통(110)은 열교환기(111)를 격납부(12)의 외부 공기에 의해 냉각하기 위한 열교환용 케이싱(112)을 포함할 수 있다.
상기 열교환용 케이싱(112)은 격납부(12)의 외부에 설치된다. 또한, 상기 열교환용 케이싱(112)은 열교환기(111)의 외부를 감싸도록 내부에 형성된 수용공간을 제공한다.
상기 격납부(12)의 외부 대기가 열교환기(111)의 제1유로의 입구로 유입되도록, 상기 열교환용 케이싱(112)의 하단부에 입구가 형성된다. 또한, 일차계통유체 또는 이차계통유체가 열교환기(111)의 제2유로의 입구로 유입되도록 증기배관(121b)삽입용 관통홀이 열교환용 케이싱(112)의 측면 상부에 형성된다. 또한, 열교환기(111)에서 열교환된 격납부(12)의 외부 대기가 열교환용 케이싱(112) 외부로 배출되도록, 열교환용 케이싱(112)의 상단부에 출구가 형성된다.
상기 열교환용 케이싱(112)의 출입구는 중력방향으로 케이싱(112)의 상단부와 하단부에 각각 형성되므로, 케이싱(112)의 입구를 통해 유입된 격납부(12)의 외부대기가 열교환기(111)에서 일차계통유체 또는 이차계통유체의 열을 전달받아 밀도차 등에 의해 상승함에 따라 케이싱(112)의 출구로 빠져나가도록 한 것이다.
여기서, 상기 열교환용 케이싱(112)은, 격납부(12)의 외부 대기가 열교환기(111)의 제1유로를 통과하도록, 외부 대기를 안내한다.
또한, 상기 열교환용 케이싱(112)의 출구는 케이싱(112) 하단에 형성된 입구에 비해 단면적이 적어도 일부가 좁고 높이를 높게 하여, 굴뚝 효과에 의해 격납부(12) 외부 대기의 순환유량을 증가시킬 수 있다.
열교환기(111)는 열교환용 케이싱(112)의 내부에 수용되도록 설치될 수 있다. 이 경우 증기배관(121b)과 급수배관(121a) 중 적어도 하나의 배관 일부가 열교환용 케이싱(112)을 관통하여 격납부(12)의 내부에서 각각 상기 주증기관(16)과 상기 주급수관(15)에 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 열교환기(111)는 열교환용 케이싱(112)의 냉각 유체(격납부(12)의 외부 대기)를 이용하여 이차계통유체를 냉각한다(공랭식).
스털링 엔진(170)은, 격납부(12)의 외부 대기가 이동하는 유로, 즉 열교환기(111)의 제1유로의 출구 측에 설치될 수 있다.
격납부(12)의 외부 대기가 열교환용 케이싱(112)의 입구, 열교환기(111), 스털링 엔진(170), 순환팬(113) 및 열교환용 케이싱(112)의 출구로 이동될 수 있도록, 열교환용 케이싱(112)의 내부에 열교환기(111), 스털링 엔진(170) 및 순환팬(113)이 설치될 수 있다.
또한, 증기배관(121b)은, 증기발생기(17)에서 생성된 증기가 스털링 엔진(170)의 열교환부를 경유하여 열교환기(111)의 제2유로로 전달되도록, 증기발생기(17), 스털링 엔진(170)의 열교환부 및 열교환기(111)를 연통가능하게 연결한다.
순환팬(113)은 열교환용 케이싱(112)의 출구에 설치되어, 격납부(12)의 외부 대기를 강제 유동시켜 열교환용 케이싱(112)의 내부로 유입시킬 수 있다.
상기 스털링 엔진(170)은 동력을 생성하도록 실린더(1710)를 구비한다.
상기 실린더(1710)의 내부에 고온부(1711)와 저온부(1712)를 구비하고, 고온부(1711)와 저온부(1712)에 작동기체가 각각 채워진다.
열교환부는 제1열교환부(1720)와 제2열교환부(1730)를 구비한다.
제1열교환부(1720)는, 피동잔열제거계통(110)의 열, 즉 증기발생기(17)에서 생성된 증기의 열이 실린더(1710)의 고온부(1711)에 전달되도록, 증기배관(121b) 및 실린더(1710)의 고온부(1711)를 연결한다.
제1열교환부(1720)는 열교환면적의 확장을 위해 실린더(1710)의 고온부(1711)와 연결되는 작동유로(1717)에 일체로 형성된 제1열교환핀(1721)으로 마련될 수 있다. 제1열교환핀(1721)은 두께가 얇은 복수의 돌기가 이격 배치된 구조를 이룰 수 있다.
상기 제1열교환부(1720)는 별도의 열교환용 하우징(1722)의 내부에 설치될 수 있다.
증기배관(121b)은 상기 열교환용 하우징(1722)에 형성된 출입구에 연결될 수 있다.
예를 들어, 증기배관(121b)에서 증기가 열교환용 하우징(1722)의 입구를 통해 유입되고, 열교환용 하우징(1722)에 내장된 제1열교환부(1720)의 제1열교환핀(1721)과 증기가 열교환함에 따라 증기의 열이 열교환핀으로 전달된 후, 증기가 열교환용 하우징(1722)의 출구를 통해 증기배관(121b)으로 이동할 수 있다.
또한, 상기 제2열교환부(1730)는, 실린더(1710)의 저온부(1712)와 연결되는 작동유로(1717)에 일체로 형성된 제2열교환핀(1731)으로 마련될 수 있다.
상기 제2열교환부(1730)는 별도의 열교환용 하우징(1732)의 내부에 설치되거나 격납부의 외부 대기 중으로 노출될 수 있다.
상기 제2열교환부(1730)가 별도의 열교환용 하우징(1732) 내부에 설치될 경우에, 별도의 열교환용 하우징(1732)은 비상냉각수저장부로부터 배관을 통해 비상냉각수를 공급받고 제2열교환부(1730)와 비상냉각수를 열교환함에 따라 실린더(1710)의 저온부(1712)로부터 전달되는 작동기체의 열을 격납부(12)의 외부로 방출할 수 있다.
이하, 피동잔열제거계통(110) 및 스털링 엔진(170)의 결합에 의한 작동을 설명하기로 한다.
도 1에서 서로 대칭적으로 도시한 도면의 좌측(B 화살표 방향)이 사고 발생시 피동잔열제거계통(110)의 상태를 나타낸다.
제1실시예에서 설명된 이차계통유체는 증기이며, 냉각유체는 격납부(12)의 외부 대기를 말한다.
원전(100)에서 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고(증기관파단사고 등) 등의 사고가 발생하면 피동잔열제거계통(110)이 작동된다.
즉, 주증기관(16)과 주급수관(15)에 설치된 격리밸브(21)들은 관련신호에 의하여 폐쇄된다. 그리고, 피동잔열제거계통(110)의 급수배관(121a)에 설치된 격리밸브(122)는 관련신호에 의해 개방되며, 상기 격리밸브(122)가 개방됨에 따라 이차계통유체의 유동에 의해 상기 급수배관(121a)에 설치된 체크밸브(123)도 개방된다. 이에 따라, 급수계통(13)으로부터 증기발생기(17)로 급수의 공급은 중단되고, 피동잔열제거계통(110) 내에서 이차계통유체가 순환한다.
이차계통유체는 급수배관(121a)과 주급수관(15)을 순차적으로 통과해 증기발생기(17)의 입구로 유입된다. 증기발생기(17)로 공급된 이차계통유체는 증기발생기(17)에서 원자로냉각재계통(11) 내부의 일차계통유체로부터 현열 및 노심(18)의 잔열을 전달받고, 이차계통유체의 온도는 상승하여 적어도 일부가 증발한다.
증기발생기(17)의 출구를 통해 유출된 이차계통유체는 주증기관(16) 및 피동잔열제거계통(110)의 증기배관(121b)을 따라 상승하여, 스털링 엔진(170)을 경유한다.
이때, 증기배관(121b)을 따라 흐르는 증기(이차계통유체)의 열은 스털링 엔진(170)(동력생성부)으로 전달된다. 스털링 엔진(170)은 제1열교환부(1720)를 통해 증기의 열을 전달받는다. 즉, 증기의 열이 제1열교환부(1720)와 열교환을 통해 실린더(1710)의 고온부(1711)로 전달된다.
스털링 엔진(170)의 실린더(1710)는 작동기체의 가열, 팽창, 냉각 및 압축 과정에 의해 구동됨에 따라 동력을 생성할 수 있다.
또한, 실린더(1710)의 피스톤을 구동시키고 남은 열은 실린더(1710)의 저온부(1712)로 방출된다. 실린더(1710)의 저온부(1712)는 제2열교환부(1730)와 열교환을 통해 열교환용 케이싱(112)의 내부를 따라 흐르는 격납부(12)의 외부대기 중으로 방출된다.
상기 실린더(1710)에서 생성된 동력은 회전부로 전달되어 회전운동에너지로 변환된다.
상기 스털링 엔진(170)에서 생성된 회전운동에너지는 회전부와 순환팬(113)을 연결하는 동력전달부에 의해 순환팬(113)의 회전축에 직접 전달될 수 있다.
상기 이차계통유체는 스털링 엔진(170)의 제1열교환부(1720)를 경유한 후, 열교환기(111)의 제2유로의 입구로 유입된다.
계속해서, 상기 이차계통유체는 열교환기(111)의 제1유로의 입구로 유입된 냉각 유체와 열교환하여 냉각 및 응축되어 하강하고, 다시 급수배관(121a)을 따라 이동하여 증기발생기(17)로 순환한다. 이차계통유체의 순환은 밀도차에 의한 자연 현상에 의하여 발생하는 것이므로, 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 노심(18)의 잔열이 충분히 제거되어 이차계통유체의 순환에 필요한 충분한 밀도차가 소멸될 때까지 이차계통유체의 순환은 계속된다. 여기서, 상기 스털링 엔진(170)을 경유하는 이차계통유체는 스털링 엔진(170)의 제1열교환부(1720)를 가열함에 따라, 스털링 엔진(170)이 구동되며, 스털링 엔진(170)에서 생성된 동력에 의해 순환팬(113)을 구동시킨다.
이와 같이 피동잔열제거계통(110)은 자연력에 의한 피동적인 방법으로 이차계통유체를 순환시키고, 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 노심(18)의 잔열을 제거할 수 있다. 또한, 열교환기(111)는 서로 다른 채널들로 이차계통유체와 냉각 유체를 통과시켜 열교환시키도록 이루어지므로 압력 경계의 손상을 방지할 수 있고, 미세 유로를 통해 충분한 열교환을 유도할 수 있다.
한편, 상기 열교환기(111)의 내부에서 이차계통유체로부터 냉각 유체로 열이 전달되면 냉각유체는 온도가 점차 상승하고 밀도가 감소하며 부력이 형성되어 열교환용 케이싱(112)의 입구, 열교환기(111), 케이싱(112) 출구로 자연대류에 의한 유동이 형성된다. 이때, 순환팬(113)이 작동함에 따라 격납부(12) 외부 대기의 순환 유동량이 증가한다.
본 발명의 제1실시예에 의하면, 원전(100) 사고 시 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 잔열을 이용하여 스털링 엔진(170)을 구동하여 동력을 얻거나 생성된 동력을 발전시켜 전기를 생산할 수 있다. 또한, 스털링 엔진(170)에서 얻은 동력 또는 전기로 순환팬(113)을 구동시켜 공랭식 열교환기(111)를 냉각시키기 위한 격납부(12)의 외부 대기 순환에 이용함에 따라 열교환기(111)의 성능 및 효율을 높일 수 있다.
또한, 사고 시 제거해주어야 하는 원자로냉각재계통(11)의 열을 이용하여 동력을 생산할 수 있어서 매우 유용한 구성옵션으로 채용될 수 있다.
또한, 스털링 엔진(170)에서 생산되는 동력을 이용하여 열전달계수가 작거나 순환 유동이 형성되기 어려운 유로에 순환팬(113) 등을 이용해 강제 유동을 형성하도록 구성하여 열전달 계수를 증가시킴으로써, 열교환기(111)의 크기를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다. 더 나아가 열교환기(111)가 소형화되는 경우 격납부(12) 내외부의 배치 및 구조 하중 문제가 크게 완화될 수 있다.
일반적으로 플레이트형 열교환기는 열전달 성능은 매우 우수하나 유로저항이 큰 단점이 있다. 스털링 엔진의 동력 또는 전력을 열교환기의 유체 순환 동력으로 이용하는 경우 유로 저항 증가 문제를 완화할 수 있다.
본 실시예와 같이, 공랭식 열교환기(111)를 적용할 경우 비상냉각수를 재보충해주지 않아도 되므로 반영구적으로 기능을 유지할 수 있어 안전성 측면에서 매우 유리하다.
제2실시예
도 2는 본 발명의 제2실시예에 관련된 스털링 엔진(270)을 적용한 피동잔열제거계통(210) 및 이를 구비하는 원전(200)의 개념도이다.
제2실시예에 따른 스털링 엔진(270)은 격납부(12)의 외부 및 열교환용 케이싱(212)의 외부에 설치된다. 기타 구성들은 상술한 제1실시예와 동일하거나 유사하므로, 설명의 명료성을 위하여 생략하도록 한다.
다만, 상기 스털링 엔진(270)이 열교환용 케이싱(212)의 외부 환경에 노출되는 경우에 작업자의 출입이 용이하므로, 유지 보수가 간편한 장점이 있다.
제3실시예
도 3은 본 발명의 제3실시예에 관련된 스털링 엔진(370)을 적용한 피동잔열제거계통(310) 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
제3실시예에 따른 스털링 엔진(370)은, 냉각유체가 유입되는 열교환기(311)의 제1유로 입구 측 및 열교환기(311)의 제2유로 출구 측에 설치될 수 있다. 열교환기(311)의 제2유로에 유입된 증기는 열교환기(311)의 제1유로에 유입된 격납부(12)의 외부 대기에 의해 냉각 및 응축되어 상기 제2유로의 출구 측에 수집되고, 수집된 냉각수는 급수배관(321a)을 따라 증기발생기(17)로 전달될 수 있다. 스털링 엔진(370)은 급수배관(321a)에 설치되고, 급수배관(321a)을 따라 흐르는 냉각수로부터 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다. 기타 구성들은 상술한 제1실시예와 동일하거나 유사하므로 설명의 명료성을 위하여 생략하도록 한다.
다만, 증기배관(321b)은 스털링 엔진(370)을 경유하지 않고 증기발생기(17)의 출구와 열교환기(311)의 제2유로의 입구를 연통가능하게 연결함으로써, 증기발생기(17)의 증기를 열교환기(311)로 전달한다.
또한, 급수배관(321a)은, 열교환기(311)에서 응축된 냉각수가 스털링 엔진(370)의 제1열교환부(1720)를 경유하여 증기발생기(17)로 순환되도록, 열교환기(311)의 제2유로의 출구, 스털링 엔진(370)의 제1열교환부(1720) 및 열교환기(311)의 제2유로의 출구를 연결한다.
또한, 순환팬(313)은 열교환기(311)의 제1유로 입구 측에 설치되고, 스털링 엔진(370)의 회전부와 순환팬(313)의 회전축을 연결하는 동력전달부(371)를 통해 동력을 전달받아 구동될 수 있다.
이차계통유체의 경로를 살펴보면, 증기발생기(17)의 출구에서 방출된 증기는 증기배관(321b)을 따라 상승하여 열교환기(311)의 제2유로의 입구로 유입되고, 열교환기(311)에서 격납부(12)의 외부 대기에 의해 냉각 및 응축되어 상기 제2유로를 따라 하강한다. 이어서, 열교환기(311)의 제2유로의 출구를 통해 빠져나온 냉각수는 급수배관(321a)을 따라 하강하여 스털링 엔진(370)의 제1열교환부(1720)를 경유하며, 상기 제1열교환부(1720)를 통해 전달되는 열에 의해 스털링 엔진(370)의 고온부(1711)를 가열한 다음, 상기 급수배관(321a)을 따라 증기발생기(17)의 입구로 순환된다.
격납부(12)의 외부 대기 경로를 살펴보면, 스털링 엔진(370)의 구동력을 전달받아 순환팬(313)이 구동하면서, 열교환용 케이싱(312)의 입구로 유입된 격납부(12)의 외부 대기는 스털링 엔진(370)의 제2열교환부(1730)를 통해 스털링 엔진(370)의 저온부(1712)와 열교환하여 상기 저온부(1712)를 냉각한다. 이어서 상기 격납부(12)의 외부 대기는 열교환기(311)의 제1유로의 입구로 유입되며, 이차계통유체의 열을 전달받아 온도가 상승하고, 상기 제1유로를 따라 상승하여 열교환기(311)의 제2유로의 출구를 통과하며 열교환용 케이싱(312)의 출구로 배출된다.
도 3에 도시된 스털링 엔진(370)은 열교환기(311)에서 급수배관(321a)을 따라 흐르는 냉각수의 열원을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
제4실시예
도 4는 본 발명의 제4실시예에 관련된 스털링 엔진(470)을 적용한 피동잔열제거계통(410) 및 이를 구비하는 원전(400)의 개념도이다.
제4실시예에 따른 스털링 엔진(470)은 열교환용 케이싱(412)의 외부 및 격납부(12) 외부에 설치되고, 스털링 엔진(470)에서 얻은 동력을 전기에너지로 변환하고 변환된 전기에너지를 이용하여 순환팬(413)을 구동시킬 수 있다. 상기 순환팬(413)은 열교환용 케이싱(412)의 출구 또는 입구(미도시)에 설치될 수 있다. 기타 구성들은 상술한 제2실시예와 동일하거나 유사하므로 설명의 명료성을 위하여 생략하도록 한다.
다만, 상기 스털링 엔진(470)은 발전부(480) 및 충전기(490)를 더 포함할 수 있다.
상기 발전부(480)는 회전부(1750,1760)와 연결되어 스털링 엔진(470)에서 얻은 동력을 전기에너지로 변환할 수 있다.
상기 충전기(490)는 스털링 엔진(470)의 동력으로부터 변환된 전기에너지를 배터리 등과 같은 에너지 저장수단에 저장한다.
본 실시예에 의하면, 스털링 엔진(470)에서 생성된 동력을 이용하여 전력을 생산할 수 있고, 이 전력으로 순환팬(413)을 구동시킴으로 제1실시예에서와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 스털링 엔진(470)에서 생산된 전력을 원전 사고 시 피동안전계통의 작동(특히, 밸브 등의 작동), 모니터링 및 관리를 위한 비상 배터리 전원에 활용할 수 있다. 더 나아가 스털링 엔진의 전력을 활용하는 경우 배터리 용량을 줄일 수 있어, 경제성이 향상된다.
제5실시예
도 5는 본 발명의 제5실시예에 관련된 스털링 엔진(570)을 적용한 피동잔열제거계통(510) 및 이를 구비하는 원전(500)의 개념도이다.
제5실시예에 따른 피동잔열제거계통(510)은 스털링 엔진(570)에서 생성된 동력을 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 열교환기(511)와 증기발생기(17) 사이의 순환 유체를 강제 유동시키기 위한 순환펌프(513)의 전원으로 사용할 수 있다. 제5실시예에서는 제1실시예와 동일하거나 유사한 구성에 대한 설명을 제1실시예로 갈음하기로 하고, 나머지 차이점에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 피동잔열제거계통(510)은 제1실시예의 공랭식 열교환기(511) 대신에 수랭식 열교환기(511)를 채용한다.
상기 수랭식 열교환기(511)는 비상냉각수저장부(512)의 내부에 저장된 비상냉각수에 의해 냉각될 수 있다.
비상냉각수저장부(512)는, 내부에 열교환기(511)가 침지되도록 비상냉각수를 저장하고, 비상냉각수저장부(512)의 상단부에 형성된 증기유출구(512a)를 포함할 수 있다.
상기 비상냉각수는 비상냉각수저장부(512)에서 열교환기(511)의 제2유로로 유입된 증기의 열을 받아 승온됨에 따라 증발될 수 있다.
상기 비상냉각수저장부(512)는 격납부(12)의 외부에 설치되고, 열교환기(511)의 냉각수가 중력에 의해 증기발생기(17)로 전달되도록, 비상냉각수저장부(512)가 원자로의 상단보다 더 높게 위치한다.
증기배관(521b)은, 증기발생기(17)의 증기가 스털링 엔진(570)의 제1열교환부(1720)를 경유한 후 열교환기(511)의 제2유로로 전달되도록, 증기발생기(17), 스털링 엔진(570)의 제1열교환부(1720) 및 열교환기(511)의 제2유로를 연결할 수 있다. 이때, 증기배관(521b)의 적어도 일부는 비상냉각수저장부(512)를 관통하여 열교환기(511)의 제2유로에 연결될 수 있다.
급수배관(521a)은, 열교환기(511)에서 냉각 및 응축된 냉각수가 순환펌프(513)를 경유하여 증기발생기(17)로 순환되도록, 상기 열교환기(511)의 제1유로의 출구, 순환펌프(513) 및 증기발생기(17)를 연결할 수 있다.
상기 순환펌프(513)는 급수배관(521a)에 설치되어, 열교환기(511)에서 응축된 냉각수를 열교환기(511)에서 증기발생기(17)로 강제 유동시킬 수 있다.
상기 급수배관(521a)에 순환펌프(513)와 병렬로 바이패스관을 별도로 구비하고, 상기 바이패스관에 체크밸브(514)를 구비하며, 순환펌프(513)가 작동하지 않는 경우 바이패스관을 따라 유동이 형성될 수 있다.
상기 스털링 엔진(570)은 비상냉각수저장부(512)의 외부 및 격납부(12)의 외부에 배치되며, 증기배관(521b)에 설치될 수 있다.
상기 스털링 엔진(570)은 사고 시 증기배관(521b)을 통해 전달되는 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
상기 스털링 엔진(570)에서 생성된 동력은 발전부(580)에서 전기에너지로 변환되고, 전기에너지에 의해 순환펌프(513)를 구동시킬 수 있다. 또한 잉여 전기에너지는 충전기(590)에서 충전될 수 있다.
상기 순환펌프(513)는 열교환기(511)와 증기발생기(17) 사이에 순환하는 순환 유체, 즉 열교환기(511)에서 응축된 냉각수에 동력을 제공함으로써, 열교환기(511)의 성능 향상 및 열교환기(511)의 크기를 줄일 수 있다.
이차계통유체의 이동경로를 살펴보면, 증기는 증기발생기(17)의 출구에서 증기배관(521b)을 따라 상승하고, 스털링 엔진(570)을 경유하면서 상기 스털링 엔진(570)의 제1열교환부(1720)를 통해 스털링 엔진(570)의 고온부를 가열한다. 스털링 엔진(570)을 경유한 후, 상기 증기는 열교환기(511)의 제2유로의 입구로 유입되고, 열교환기(511)의 제1유로로 유입된 비상냉각수와 열교환하여 냉각 및 응축되며, 순환펌프(513)의 동력에 의해 급수배관(521a)을 따라 하강하여 증기발생기(17)의 입구로 순환된다.
비상냉각수의 이동경로를 살펴보면, 비상냉각수는 열교환기(511)의 제1유로의 입구로 유입되고, 상기 열교환기(511)의 내부에서 전달되는 증기의 열에 의해 승온 또는 증발되며, 증발된 증기가 상기 제1유로의 출구를 통과하여 비상냉각수저장부(512)로 다시 순환되며, 비상냉각수저장부(512)의 온도가 상승하여 증발된 증기는 증기유출구(512a)를 통해 비상냉각수저장부(512)의 외부환경으로 빠져나간다.
여기서, 상기 비상냉각수저장부(512)의 냉각수를 냉각하기 위해 별도의 열교환기를 구비할 수 있다.
열교환기는 두 유체 사이에 열전달이 이루어지므로, 본 실시예와 같이 두 유체가 서로 다른 유체 및 다른 유동 조건을 갖는 경우에 두 유체의 열전달계수가 다르며, 이 중에 열전달계수가 작은 유체가 열교환기의 크기를 지배하는 인자가 되어 열교환기의 크기가 증가한다. 본 발명은 스털링 엔진에서 생산되는 동력 또는 전력을 이용해 열전달계수가 작거나 순환 유동이 형성되기 어려운 유로(본 실시예에서 증기가 유입되는 열교환기의 제2유로)에 순환펌프(513) 등을 이용해 강제 유동을 형성함에 따라 열전달 계수를 증가시킬 수 있고, 열교환기(511)의 크기를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.
제6실시예
도 6은 본 발명의 제6실시예에 관련된 스털링 엔진(670)을 적용한 피동잔열제거계통(610) 및 이를 구비하는 원전(600)의 개념도이다.
제6실시예에 따른 스털링 엔진(670)은 비상냉각수저장부(612)의 비상냉각수의 열 또는 비상냉각수의 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다. 제6실시예에서는 제5실시예와 동일하거나 유사한 구성에 대한 설명을 제5실시예로 갈음하기로 한다.
상기 비상냉각수저장부(612)는 상단부에 비상냉각수열교환부(612b)를 구비하여, 비상냉각수의 열 또는 비상냉각수의 증기의 열을 스털링 엔진(670)의 제1열교환부(1720)에 전달할 수 있다.
상기 스털링 엔진(670)의 제1열교환부(1720)가 비상냉각수열교환부(612b)를 통해 비상냉각수 속에 침지되거나 비상냉각수저장부(612) 내부에 설치될 수 있으며, 이 경우 비상냉각수의 열 혹은 비상냉각수의 증기의 열이 스털링 엔진(670)의 제1열교환부(1720) 및 실린더(1710)의 고온부(1711)로 전달될 수 있다.
또한, 상기 비상냉각수 및 비상냉각수의 증기는 비상냉각수저장부(612)에서 연장되는 비상냉각수열교환부(612b)(예, 배관)을 통해 비상냉각수저장부(612) 외부에 배치된 스털링 엔진(670)의 제1열교환부(1720)로 열전달할 수 있다.
상기 스털링 엔진(670)의 저온부(1712) 혹은 제2열교환부(1730)는 격납부의 외부 환경에 노출되어 냉각될 수 있다.
증기배관(621b)은, 증기발생기(17)의 증기가 열교환기(611)의 제2유로의 입구로 전달되도록, 증기발생기(17) 및 열교환기(611)의 제2유로의 입구를 연결할 수 있다. 이 경우 증기배관(621b)의 적어도 일부는 비상냉각수저장부(612)의 측면을 관통할 수 있다.
상기와 같이 비상냉각수에 의해 열교환기(611)를 냉각하는 경우, 비상냉각수의 열전달계수가 공기보다 더 크므로 공랭식 열교환기(611)에 비해 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
제7실시예
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 스털링 엔진(770)을 적용한 피동잔열계통(710) 및 이를 구비한 원전(700)의 개념도이다.
제7실시예에 따른 피동안전계통은 피동잔열제거계통(710) 및 피동격납부(12)냉각계통을 포함할 수 있다.
상기 피동안전계통은, 열교환기(711), 열교환용 케이싱(712), 제1연결배관(721a), 제2연결배관(721b), 순환유도유닛(730), 냉각수연결배관(724), 제1냉각수저장부(714) 및 급수배관(725)을 포함한다.
열교환기(711)는 격납부(12)의 외부에 설치될 수 있다. 상기 열교환기(711)는 열교환용 케이싱(712)의 내부에 수용되어 공랭식에 의해 냉각될 수 있다.
열교환용 케이싱(712)은 열교환기(711)를 감싸는 형태로 격납부(12)의 외부에 설치되고, 열교환용 케이싱(712)의 하단부에 입구가 형성되어 격납부(12)의 외부 대기가 케이싱(712) 내부로 유입되고, 열교환용 케이싱(712)의 상단부에 출구가 형성되어 격납부(12)의 외부 대기가 케이싱(712) 외부로 배출될 수 있다.
상기 열교환용 케이싱(712)의 출구에 순환팬(713)이 설치되어, 격납부(12)의 외부 대기가 열교환용 케이싱(712)의 내부로 강제 순환될 수 있다.
순환팬(713) 및 스털링 엔진(770)은 열교환기(711)의 제1유로의 출구 측 및 열교환기(711)의 제2유로의 입구 측에 설치될 수 있다.
순환팬(713) 및 스털링 엔진(770)은 열교환용 케이싱(712)의 내부에 설치될 수 있다.
순환팬(713)은 스털링 엔진(770)으로부터 동력을 전달받아 구동될 수 있다.
스털링 엔진(770)은 피동잔열제거계통의 열 및 피동격납부냉각계통의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
제1연결배관(721a)은, 증기발생기(17)의 증기를 스털링 엔진(770)으로 전달하기 위해, 하단부(일단부)가 증기발생기(17)의 입구에 연통되게 연결되고, 상단부(타단부)가 격납부(12)의 내부 대기와 연통되게 소정 높이(스털링 엔진(770)의 높이)까지 상방향으로 연장 형성된다.
제2연결배관(721b)은, 증기발생기(17)의 증기와 함께 격납부(12)의 내부 대기가 혼합된 혼합유체를 스털링 엔진(770)으로 전달하기 위해, 일단부가 격납부(12)의 내부에서 제1연결배관(721a)의 상단부와 수평방향으로 이격되게 분리 형성되고, 타단부가 스털링 엔진(770)의 제1열교환부(1720)와 연결될 수 있다.
상기 제2연결배관(721b)의 타단부는 스털링 엔진(770)을 경유하여 열교환기(711)의 제2유로의 입구로 연결될 수 있다.
순환유도유닛(730)은 분사노즐(731)과 입구가이드(732)를 구비하여, 격납부(12)의 내부 대기 순환을 강제 유동시킬 수 있다.
분사노즐(731)은 제1연결배관(721a)의 상단부에 형성되어, 제1연결배관(721a)을 따라 상승하는 증기를 고속으로 분사시킬 수 있다.
입구가이드(732)는 제2연결배관(721b)의 일단부에 형성되어, 분사노즐(731)로부터 분사된 증기와 격납부(12)의 내부 대기가 혼합된 혼합유체를 제2연결배관(721b)의 내부로 유입시킬 수 있다.
상기 입구가이드(732)는 제2연결배관(721b)의 일단부에서 제1연결배관(721a)의 상단부로 갈수록 격납부(12) 내부대기의 유입단면적이 점점 커지도록 형성될 수 있다. 이 경우 상기 혼합유체가 제1연결배관(721a)에서 제2연결배관(721b)으로 전달되기 쉽다.
상기 분사노즐(731)에서 제2연결배관(721b)으로 고속 분사되는 증기는 제트펌프의 원리에 의해 격납부(12)의 내부 대기가 입구가이드(732) 안쪽으로 유입되도록 할 수 있다. 이에 의해 입구가이드(732)를 통해 격납부(12)의 내부 대기의 순환을 향상시키며 격납부(12)의 내부 대기의 유속 및 유입량을 증가시킬 수 있다.
냉각수연결배관(724)은 열교환기(711)에서 응축된 냉각수 및 열교환기(711)에서 응축되지 않은 증기 또는 비응축성 가스 중 적어도 하나 이상을 격납부(12)의 내부로 전달하기 위한 배관이다.
상기 냉각수연결배관(724)의 일단부는 열교환기(711)의 제2유로의 출구 측과 연결되고, 냉각수연결배관(724)의 타단부는 격납부(12)의 내부와 연통되게 연결된다. 상기 열교환기(711)의 제2유로에 유입된 증기는 열교환기(711)의 제1유로로 유입되는 격납부(12)의 외부대기에 의해 냉각 및 응축되고, 응축된 냉각수 및 비응축성 가스는 냉각수연결배관(724)을 따라 격납부(12)의 내부로 전달된다.
제1냉각수저장부(714)는 상부의 적어도 일부가 개구될 수 있으며, 사고 초기에 증기발생기(17)로 공급할 냉각수를 저장하고, 열교환기(711)에서 응축된 냉각수를 증기발생기(17)로 공급하기 위해 저장하는 저장탱크이다.
제1냉각수저장부(714)는 열교환기(711)보다 더 낮게 위치하여, 열교환기(711)에서 냉각수가 중력에 의해 이동할 수 있다.
냉각수연결배관(724)의 타단부는 제1냉각수저장부(714)와 연결되어, 냉각수연결배관(724)을 따라 흐르는 냉각수가 제1냉각수저장부(714)로 낙하되어 저장될 수 있다.
냉각수연결배관(724)에 체크밸브(723)가 설치되어 유동이 역류하는 것을 억제할 수 있다.
냉각수연결배관(724) 및 제2연결배관(721b)에는 격리밸브가 개폐가능하게 설치될 수 있으며, 사고 시 작동신호에 의해 개방되거나 또는 격리가 필요한 경우 관련신호에 의해 폐쇄되게 할 수 있다.
제1냉각수저장부(714)에 저장된 냉각수는 증기발생기(17)의 급수로 활용될 수 있다.
급수배관(725)은, 일단부가 제1냉각수저장부(714)의 저면에 연통되게 연결되고, 타단부가 증기발생기(17)의 입구에 연통되게 연결된다.
제1냉각수저장부(714)는 원자로의 상단보다 더 높게 위치하고, 제1냉각수저장부(714)의 냉각수가 중력에 의해 급수배관(725)을 따라 하강하여 증기발생기(17)의 입구로 전달될 수 있다.
이차계통유체의 이동경로를 살펴보면, 증기발생기(17)의 이차계통유체는 노심의 열을 전달받아 증발하고, 증발된 증기는 제1연결배관(721a)을 따라 상승한다. 이어서, 증기가 제1연결배관(721a)의 상단부에 형성된 분사노즐(731)에 의해 입구가이드(732)의 내부로 분사된다. 분사된 증기의 유속에 의해 격납부(12)의 내부 대기가 입구가이드(732)의 내부로 유입되고, 상기 분사된 증기와 함께 격납부(12)의 내부 대기가 혼합된 혼합유체가 제2연결배관(721b)을 따라 스털링 엔진(770)의 제1열교환부(1720)로 전달된다. 스털링 엔진(770)의 제1열교환부(1720)를 경유하는 증기는 열교환기(711)의 제2유로 입구로 유입되고, 격납부(12)의 외부 대기에 의해 냉각 및 응축된다. 열교환기(711)에서 응축된 냉각수는 냉각수연결배관(724)을 따라 제1냉각수저장부(714)를 거쳐 증기발생기(17)로 전달된다.
격납부(12)의 외부 대기의 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 외부 대기는 순환팬(713)의 구동력에 의하여 열교환용 케이싱(712)의 하단 입구를 통해 케이싱(712) 내부로 유입되고, 유입된 외부 대기는 열교환기(711)의 제1유로에서 제2유로로 유입되는 증기로부터 열을 전달받아 상승하고, 스털링 엔진(770)의 제2열교환부(1730)를 통해 실린더(1710)의 저온부(1712)로부터 열을 전달받아 순환팬(713)을 경유하여 열교환용 케이싱(712)의 외부로 방출된다.
본 실시예에 따르면, 격납부(12) 내부에 순환유도유닛(730)을 도입하여 격납부(12) 내부의 대기를 피동잔열제거계통(710)의 증기와 함께 응축 및 냉각시킬 수 있고, 격납부(12) 내부의 대기 순환을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 순환유도유닛(730)은 일차계통 또는 이차계통을 이용한 피동잔열제거계통(710)과 통합되어 구성되거나, 자동감압계통의 증기를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.
도 7에 도시된 순환유도유닛(730)은 이차계통을 이용한 피동잔열제거계통(710)에 통합된 구성을 보여준다.
제8실시예
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 스털링 엔진(870)을 적용한 피동격납부냉각계통(810) 및 이를 구비한 원전(800)의 개념도이다.
도 8에 도시된 원전안전계통은 원자로냉각재계통(11)에서 격납부(12)의 내부로 전달되는 열을 제거하기 위한 피동격납부냉각계통(810) 및 냉각수를 원자로냉각재계통(11)에 안전하게 주입하기 위한 피동안전주입계통(840)을 포함한다.
냉각재 상실 사고 및 증기관 파단 사고 등 사고 발생 시 격납부(12) 내부로 증기가 방출되어 격납부(12)의 내부 대기 온도가 상승하고 내부 압력이 증가한다. 이러한 격납부(12)의 내부 대기의 온도 및 압력을 낮추기 위해 피동격납부냉각계통(810)은 다양한 설비를 구비할 수 있다.
예를 들면, 열교환기(811), 비상냉각수저장부(812), 제1냉각수저장부(841) 등을 구비한다.
열교환기(811)는 격납부(12) 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 열교환기(811)는 격납부(12)의 내부 대기를 흡입하여 냉각한 후 격납부(12)의 내부로 배출시킬 수 있다.
도 8에 도시된 열교환기(811)는 격납부(12)의 내부에 설치된 모습을 보여준다.
열교환기(811)는 수랭식 열교환기(811)일 수 있다. 열교환기(811)는 비상냉각수저장부(812)로부터 비상냉각수를 전달받아 격납부(12)의 내부대기를 냉각할 수 있다.
열교환기(811)는 상단부에 설치되는 입구안내부의 내부에 순환팬(813)을 구비할 수 있다. 상기 순환팬(813)은 격납부(12)의 내부 대기를 열교환기(811)의 제2유로 입구로 흡입한 뒤 제2유로의 출구로 배출시킴에 따라, 격납부(12)의 내부 대기 순환을 강제 유동시킬 수 있다. 이때 입구안내부의 상단부는 그 하단부에 비해 상대적으로 단면적이 좁게 형성되어 순환팬(813)을 장착하여, 격납부(12)의 내부 대기의 흡입유량을 증가시킬 수 있다. 입구안내부의 하단부는 그 상단부에서 하단부로 갈수록 점점 단면적이 넓어져서 유입된 격납부(12)의 내부 대기가 열교환기(811)의 제2유로의 입구로 골고루 분배될 수 있다.
비상냉각수저장부(812)는 격납부(12)의 외부에 설치된다. 비상냉각수저장부(812)는 비상냉각수를 내부에 저장한다. 비상냉각수저장부(812)는 열교환기(811)보다 더 높은 위치에 배치되어, 중력에 의해 비상냉각수가 열교환기(811) 내부로 공급될 수 있다. 비상냉각수저장부(812)는 열교환기(811)로부터 증발된 증기 또는 온도가 상승한 비상냉각수를 전달받아 냉각시킬 수 있다. 비상냉각수는 열교환기(811)로부터 열을 받아 증발될 수 있고, 이 경우 비상냉각수의 증기는 비상냉각수저장부(812)의 상단부에 형성된 증기유출구(812a)를 통해 배출될 수 있다.
열교환기(811) 및 비상냉각수저장부(812)는 순환배관(821)에 의해 연결될 수 있다. 순환배관(821)은 열교환기(811) 및 비상냉각수저장부(812) 사이를 순환하는 냉각유체의 유로를 형성한다. 순환배관(821)은 방출배관(821b) 및 공급배관(821a)으로 구성될 수 있다. 공급배관(821a)의 일단부는 비상냉각수저장부(812)의 저면에 연결되고, 공급배관(821a)의 타단부는 열교환기(811)의 제1유로의 입구에 연결된다. 이에 의해 비상냉각수가 공급배관(821a)을 따라 하강하여 열교환기(811)의 제1유로 입구에 골고루 분배된다. 공급배관(821a)의 적어도 일부에 격리밸브(822)가 설치되어, 공급배관(821a)을 따라 흐르는 비상냉각수의 유로를 개폐할 수 있다. 또한, 방출배관(821b)의 일단부는 열교환기(811)의 제1유로 출구에 연결되고, 방출배관(821b)의 타단부는 비상냉각수저장부(812)를 관통하여 비상냉각수저장부(812)의 내부와 연통되게 연결된다. 이에 의해, 비상냉각수가 열교환기(811)에서 격납부(12)의 내부 대기의 열을 전달받아 증발 또는 온도가 상승함에 따라 방출배관(821b)을 따라 상승하여 비상냉각수저장부(812)의 내부로 유입될 수 있다. 방출배관(821b)의 적어도 일부에 격리밸브(822)가 설치되어, 방출배관(821b)의 유로를 개폐할 수 있다.
순환유체의 이동경로를 살펴보면, 비상냉각수가 비상냉각수저장부(812)에서 공급배관(821a)을 통해 열교환기(811)의 제1유로 입구로 유입된 후 열교환기(811)에서 격납부(12)의 내부 대기로부터 열을 전달받아 가열 및 증발되며, 열교환기(811)에서 가열된 냉각수 또는 증발된 증기는 방출배관(821b)을 통해 비상냉각수저장부(812)로 순환된다. 순환유체는 순환에 필요한 충분한 밀도차가 소멸될 때까지 순환된다. 이 경우 비상냉각수저장부(812)의 냉각수가 고갈될 때까지 순환된다.
격납부(12)의 내부 대기의 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 내부 대기는 자연 대류에 의한 피동력과 순환팬(813)에 의한 순환동력에 의해 열교환기(811)의 입구안내부로 유입되고, 유입된 격납부(12)의 내부 대기는 열교환기(811)의 제2유로 입구로 분배되고, 제1유로의 입구로 유입되는 비상냉각수에 의해 냉각되어 응축되며, 응축된 냉각수는 아래로 낙하하여 제1냉각수저장부(841)에 저장된다. 그리고, 열교환기(811)의 제2유로를 따라 흐르면서 냉각된 비응축성 가스는 제2유로의 출구에서 격납부(12)의 내부 대기 중으로 방출된다. 이로써, 격납부(12)의 내부 대기는 순환유체로 열을 전달함으로써 냉각되며, 격납부(12)의 내부로 방출되는 증기가 응축됨으로써 격납부(12)의 내부 압력이 저감할 수 있다.
피동안전주입계통(840)은 냉각수회수배관(824), 제1냉각수저장부(841) 및 냉각수주입배관(842)을 포함할 수 있다.
제1냉각수저장부(841)는 내부에 냉각수를 저장하기 위한 저장공간을 구비하고, 열교환기(811)보다 더 낮은 위치에 배치되며, 상부의 적어도 일부가 개구될 수 있다.
제1냉각수저장부(841)에 저장되는 냉각수는, 사고 후 안전계통(미도시)이 작동되면서 원자로냉각재계통(11)과 격납부(12) 내부의 압력이 유사평형상태에 도달하면 중력에 의한 장기안전주입에 사용될 수 있다.
냉각수회수배관(824)은, 일단부가 열교환기(811)의 제2유로 출구에 연결되고, 타단부가 제1냉각수저장부(841)의 개구부와 연통가능하게 연결된다. 이에 의해 열교환기(811)에서 응축된 냉각수가 제1냉각수저장부(841)로 회수된다.
스털링 엔진(870)은 비상냉각수저장부(812)의 상단부에 장착되어, 비상냉각수의 열 및 비상냉각수의 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
스털링 엔진(870)의 제1열교환부(1720)는 비상냉각수저장부(812)의 상단부에 구비되는 비상냉각수열교환부(812b)를 통해 열을 전달받을 수 있다.
스털링 엔진(870)의 제1열교환부(1720)는 비상냉각수열교환부(812b)를 통해 비상냉각수저장부(812)의 내부로 삽입 설치되고, 비상냉각수 및 비상냉각수의 증기가 제1열교환부(1720)와 직접 접촉됨으로써 열교환을 통해 열전달이 가능하다.
또한, 스털링 엔진(870)의 제1열교환부(1720)는 비상냉각수저장부(812)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우 비상냉각수열교환부(812b)는 비상냉각수저장부(812)에서 외부로 연장형성된 배관으로 마련되어, 비상냉각수의 열 또는 비상냉각수의 증기의 열을 스털링 엔진(870)의 제1열교환부(1720)로 전달할 수 있다.
스털링 엔진(870)의 제2열교환부는 격납부(12)의 외부 환경으로 노출되어, 실린더의 저온부의 열을 방출시킬 수 있다.
스털링 엔진(870)의 동력은 발전부(880)에 의해 전기에너지로 변환되고, 발전부(880)의 전기에너지는 순환팬(813)을 구동하는데 사용될 수 있다. 또한 잉여 전기에너지는 충전기(890)에서 충전될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 냉각재상실사고가 발생하는 경우에는 피동안전주입계통(840)에 의해 안전주입이 이루어져 노심(18)을 포함한 원자로냉각재계통(11)의 수위가 유지된다.
또한, 스털링 엔진(870)을 통해 얻은 동력 또는 전력으로 순환팬(813)을 구동시켜 격납부(12)의 내부 대기 순환에 이용하는 경우에, 열교환기(811)로 유입되는 격납부(12) 내부 대기의 유속이 증가하여 열전달계수를 증가시키며, 비응축성가스의 영향 배제로 열교환기 성능이 향상되어 열교환기(811)의 축소가 가능하고, 격납부(12) 내부 설치 공간 및 하중 문제를 완화시킬 수 있다.
또한, 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 등의 격납부(12) 내부 압력이 상승하는 사고가 발생하는 경우에 피동안전주입계통(840)과 함께 피동격납부냉각계통(810)이 작동하여 격납부(12)의 내부 압력 상승을 방지할 수 있다.
제9실시예
도 9는 본 발명의 제9실시예에 관련된 스털링 엔진(970)을 적용한 피동격납부냉각계통(910) 및 이를 구비하는 원전(900)의 개념도이다.
도 9에 도시된 스털링 엔진(970)에서 생성된 동력은 발전을 통해 전기에너지로 변환된 후 순환펌프(913)를 구동시키기 위한 동력원으로 사용될 수 있다. 기타 구성들은 상술한 제8실시예와 동일하거나 유사하므로 설명의 명료성을 위하여 생략하도록 한다.
다만, 제9실시예에서는 열교환기(911)의 제2유로 입구가 격납부(12)의 내부 대기 중에 노출되므로, 도 8에 도시된 순환팬을 생략할 수 있다. 이 경우 자연 대류에 의한 피동력에 의해 격납부(12)의 내부 대기가 열교환기(911)의 제2유로 입구로 유입될 수 있다.
순환펌프(913)는 공급배관(921a)에 설치되어, 비상냉각수를 열교환기(911)의 제1유로 입구로 강제 순환시킬 수 있다. 순환펌프(913)의 하류 측 공급배관(921a)에 격리밸브(922)를 구비하여 비상냉각수의 유로를 개폐할 수 있다. 공급배관(921a)에 순환펌프(913)와 병렬로 바이패스관이 설치되어, 순환펌프(913)가 구동되지 않는 경우 비상냉각수가 순환펌프(913)의 상류 측에서 순환펌프(913)를 경유하지 않고 바이패스될 수 있다. 순환펌프(913)는 구동모터를 구비하여 구동모터에 의해 구동될 수 있다. 구동모터는 스털링 엔진(970)에서 생산되는 전기에너지 또는 충전기로부터 전력을 공급받아 구동될 수 있다.
제10실시예
도 10은 본 발명의 제10실시예에 관련된 스털링 엔진(1070)을 적용한 피동격납부냉각계통(1010) 및 이를 구비하는 원전(1000)의 개념도이다.
도 10에 도시된 스털링 엔진(1070)에서 생성된 동력은 격납부(12)의 내부 대기 순환 및 격납부(12)로의 내부 대기 공급을 위한 순환팬(1013)을 구동시키는데 사용될 수 있다. 도 10에 도시된 격납부(12)는 격납부(12)의 외부에 설치된 모습을 보여준다. 기타 구성들은 상술한 제9실시예와 동일하거나 유사하므로 설명의 명료성을 위하여 생략하도록 한다.
다만, 제10실시예에서는 비상냉각수가 중력에 의해 격납부(12)로 공급되므로, 도 9에 도시된 순환펌프를 생략할 수 있다.
격납부(12)는 격납부(12)의 내부 대기를 전달받기 위해 제1격납부연결배관(1031)과 제2격납부연결배관(1032)을 구비할 수 있다.
제1격납부연결배관(1031)은, 일단부가 격납부(12)의 내부와 연통되게 연결되고, 타단부가 격납부(12)의 제2유로 입구에 연결될 수 있다. 이에 의해 격납부(12)의 내부 대기가 제1격납부연결배관(1031)을 따라 격납부(12)의 제2유로 입구로 유입될 수 있다.
제2격납부연결배관(1032)은, 일단부가 격납부(12)의 제2유로 출구에 연결되고, 타단부가 격납부(12)의 내부와 연통되게 연결될 수 있다. 이에 의해, 격납부(12)에서 냉각되어 응축된 냉각수가 격납부(12)의 내부에 배치된 제1냉각수저장부에 저장될 수 있다. 또한, 격납부(12)에서 비응축성 가스가 냉각된 후 격납부(12)의 내부 대기 중으로 방출될 수 있다.
순환팬(1013)은 제1격납부연결배관(1031)의 일단부에 설치되어, 격납부(12)의 내부 대기에 순환동력을 제공할 수 있다.
상기 순환팬(1013)은 스털링 엔진(1070)에서 생성된 동력을 직접 전달받거나 상기 동력을 이용하여 변환된 전기에너지를 공급받아 구동될 수 있다.
도 10에 도시된 순환팬(1013)은 상기 동력을 이용하여 변환된 전기에너지를 공급받아 구동되는 모습을 보여준다. 이 경우 상기 전기에너지는 충전기(1090)에 충전된 에너지이며, 충전기(1090)로부터 전기에너지를 공급받을 경우에 더욱 안정적인 전기공급이 가능하여 순환팬(1013) 작동의 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있다.
따라서, 순환팬(1013)을 이용하여 격납부(12)의 내부 대기에 순환 동력을 제공함에 따라, 열전달계수가 작은 피동격납부냉각계통(1010)의 격납부(12) 내부 유로쪽 열교환기의 크기 증가 문제 혹은 유로 저항 증가 문제 등을 해소할 수 있으며, 이에 따라 피동격납부냉각계통(1010)의 성능향상 및 소형화에 크게 기여할 수 있다.
제11실시예
도 11은 본 발명의 제11실시예에 관련된 스털링 엔진(1170)을 적용한 피동격납부냉각계통(1110) 및 이를 구비하는 원전(1100)의 개념도이다.
제11실시예에 따른 피동격납부냉각계통(1110)은 공랭식 열교환기(1111)를 이용하여 격납부(12)의 내부 대기를 냉각할 수 있다.
공랭식 열교환기(1111)는 열교환용 케이싱(1112)의 내부에 수용되게 설치될 수 있다.
열교환용 케이싱(1112)은 열교환기(1111)를 감싸는 형태로 이루어진다. 열교환용 케이싱(1112)의 하단부에 입구가 형성되고, 열교환용 케이싱(1112)의 상단부에 출구가 형성된다. 이에 의해 열교환용 케이싱(1112)은 격납부(12)의 외부 대기를 열교환기(1111)의 제1유로 입구로 안내한다. 또한, 열교환용 케이싱(1112)의 출구는 그 입구보다 상대적으로 단면적이 적어도 일부가 좁고 높이를 높게 하여, 굴뚝 효과에 의해 공랭식 열교환기(1111)의 냉각 성능을 높일 수 있다.
공랭식 열교환기(1111)는 수랭식 열교환기에 비해 별도의 냉각수 보충 없이 냉각유체, 즉 격납부(12)의 외부 대기를 무제한적으로 공급받아 사용가능한 장점이 있다.
공랭기 열교환기(1111)는 제1격납부연결배관(1131), 제2격납부연결배관(1132) 및 순환팬(1113)을 구비하여, 격납부(12)의 내부 대기를 전달받을 수 있다. 도 11에 도시된 제1 및 제2격납부연결배관(1131,1132), 순환팬(1113)은 상술한 제10실시예와 동일하거나 유사하므로 설명의 명료성을 위하여 생략하도록 한다.
다만, 제1격납부연결배관(1131)은 격납부(12)의 내부에서 스털링 엔진(1170)의 제1열교환부(1720)를 경유하여 열교환기(1111)의 제2유로 입구와 연결된다.
스털링 엔진(1170)은 열교환용 케이싱(1112)의 내부에 설치될 수 있다. 특히, 스털링 엔진(1170)은 열교환기(1111)의 제1유로 출구 측 및 열교환기(1111)의 제2유로 입구 측에 설치될 수 있다. 상기 제1유로의 출구 및 제2유로의 입구는 열교환기(1111)의 상단부에 위치한다.
스털링 엔진(1170)은 제1열교환부(1720)를 통해 제1격납부연결배관(1131)을 따라 흐르는 격납부(12)의 내부 대기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
순환팬(1113)은 스털링 엔진(1170)에서 생성된 동력을 직접 이용하거나 상기 동력의 발전을 통해 얻은 전력을 공급받아 구동될 수 있다.
도 11에 도시된 순환팬(1113)은 상기 동력의 발전을 통해 얻은 전력을 공급받아 구동되는 모습을 보여준다.
격납부(12) 내부 대기의 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 내부 대기는 순환팬(1113)에 의해 제1격납부연결배관(1131)을 따라 열교환기(1111)의 제2유로로 유입되고, 열교환기(1111)의 제1유로로 유입된 냉각유체, 즉 격납부(12)의 외부 대기에 의해 냉각되고 응축되며, 응축된 냉각수는 제2격납부연결배관(1132)을 따라 하강하여 격납부(12)의 내부에 배치된 제1냉각수저장부(1141)에 저장된 후, 격납부(12)의 내부와 원자로 내부의 압력이 평형을 이룰 때 원자로냉각재계통(11)에 안전주입될 수 있다. 열교환기(1111)의 제2유로에서 냉각되어 하강하는 비응축성 가스는 제2격납부연결배관(1132)을 따라 흐르다가 제2격납부연결배관(1132)에서 분기 형성된 분기관을 통해 격납부(12)의 내부 대기중으로 배출될 수 있다.
격납부(12) 외부 대기의 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 외부 대기는 열교환용 케이싱(1112)의 입구를 통해 열교환기(1111)의 제1유로 입구로 유입된다. 이어서, 열교환기(1111)의 제1유로에 유입된 격납부(12)의 외부 대기는 열교환기(1111)의 제2유로로 유입된 격납부(12) 내부 대기의 열을 전달받아 제1유로를 따라 상승한다. 계속해서 상승된 격납부(12)의 외부 대기가 제1유로의 출구를 통해 열교환기(1111)에서 배출되고, 스털링 엔진(1170)의 제2열교환부를 경유하여 열교환용 케이싱(1112)의 출구를 통해 격납부(12)의 외부 환경으로 배출된다.
상기 격납부(12)의 외부 대기 순환은 열교환기(1111)의 제2유로로 유입된 격납부(12)의 내부 대기의 열을 받아 밀도차에 의한 자연 현상에 의하여 발생한 것이므로, 상기 격납부(12)의 내부 대기의 열이 제거되어 순환유체의 순환에 필요한 밀도차가 소멸될 때까지 계속된다.
제12실시예
도 12는 본 발명의 제12실시예에 관련된 스털링 엔진(1270)을 적용한 피동격납부냉각계통(1210) 및 이를 구비하는 원전(1200)의 개념도이다.
도 12에 도시된 피동격납부냉각계통(1210)은 공랭식 열교환기(1211), 열교환용 케이싱(1212)을 포함한다.
도 12에 도시된 공랭식 열교환기(1211)는 격납부(12)의 내부에 설치되고, 격납부(12)의 외부 대기를 공급받아 격납부(12)의 내부 대기를 냉각할 수 있다. 공랭식 열교환기(1211)의 제2유로 입구 측에 입구안내부(1211a)가 격납부(12)의 내부로 단면적이 크게 형성되어, 격납부(12)의 내부 대기의 유입을 안내할 수 있다. 이때, 입구안내부(1211a)의 하부는 상단부보다 단면적이 좁게 형성되므로, 격납부(12)의 내부 대기 유입량을 증가시킬 수 있다. 또한, 열교환기(1211)의 제2유로 출구 측에 출구안내부(1211b)가 격납부(12)의 내부로 연장되게 형성되어, 격납부(12)의 내부 대기 유출을 안내할 수 있다.
도 12에 도시된 열교환용 케이싱(1212)은 격납부(12)의 외부에 설치되고, 열교환용 케이싱(1212)의 상단부와 하단부에 각각 출구 및 입구가 형성되어, 격납부(12)의 외부 대기가 열교환용 케이싱(1212)의 내부를 통과하여 이의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 열교환용 케이싱(1212)은 열교환기(1211)로부터 가열된 격납부(12)의 외부 대기를 전달받아 배출할 수 있다.
공랭식 열교환기(1211)는 격납부(12)의 외부 대기를 공급받기 위해 제1외부대기연결배관(1221a)을 구비한다. 제1외부대기연결배관(1221a)은, 일단부가 격납부(12)의 외부와 연통되게 연결되고, 타단부가 열교환기(1211)의 제1유로 입구에 연결될 수 있다. 이에 의해 격납부(12)의 외부 대기가 제1외부대기연결배관(1221a)을 따라 열교환기(1211)의 제1유로 입구로 유입될 수 있다.
또한, 공랭식 열교환기(1211)는, 열교환기(1211)에서 가열된 격납부(12)의 외부 대기를 열교환용 케이싱(1212)으로 전달하기 위해, 제2외부대기연결배관(1221b)을 구비한다. 제2외부대기연결배관(1221b)은, 일단부가 열교환기(1211)의 제1유로 출구에 연결되고, 타단부가 스털링 엔진(1270)의 제1열교환부(1720)를 경유하여 열교환용 케이싱(1212)의 내부와 연통되게 연결될 수 있다. 이에 의해, 열교환기(1211)에서 가열된 격납부(12)의 외부 대기가 스털링 엔진(1270)의 제1열교환부(1720)를 경유하여 열교환용 케이싱(1212)으로 전달될 수 있다. 이에 의해, 스털링 엔진(1270)은 제2외부대기연결배관(1221b)을 따라 흐르는 가열된 격납부(12)의 외부 대기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
순환팬(1213)은 제1외부대기연결배관(1221a)의 일단부에 설치되어, 격납부(12)의 외부 대기에 순환동력을 제공할 수 있다.
상기 순환팬(1213)은 스털링 엔진(1270)에서 생성된 동력을 직접 전달받거나 상기 동력을 이용하여 변환된 전기에너지를 공급받아 구동될 수 있다.
도 12에 도시된 순환팬(1213)은 스털링 엔진(1270)의 동력을 이용하여 변환된 전기에너지를 공급받아 구동되는 모습을 보여준다. 상기 전기에너지가 충전기에 충전된 후 순환팬(1213)에 공급되는 경우에 안정적인 전력 공급을 유지할 수 있다.
격납부(12) 내부 대기의 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 내부 대기는 열교환기(1211)의 입구안내부(1211a)를 거쳐 열교환기(1211)의 제2유로 입구로 유입되며, 열교환기(1211)의 제1유로로 유입된 격납부(12)의 외부 대기에 의해 냉각되어 응축되고, 응축된 냉각수는 격납부(12)의 내부에 설치된 제1냉각수저장부로 저장된다. 또한, 열교환기(1211)의 제2유로에서 냉각된 비응축성 가스는 제2유로의 출구에 형성된 출구안내부(1211b)를 통해 격납부(12)의 내부로 배출된다.
격납부(12) 외부 대기의 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 외부 대기는 순환팬(1213)에 의해 제1외부대기연결배관(1221a)으로 유입되고, 제1외부대기연결배관(1221a)을 따라 열교환기(1211)의 제1유로로 유입된다. 이어서, 열교환기(1211)의 제1유로로 유입된 격납부(12)의 외부 대기는 열교환기(1211)의 제2유로로 유입된 격납부(12)의 내부 대기로부터 열을 전달받아 승온되며 밀도차에 의해 제1유로를 따라 상승한다. 제1유로에서 가열된 격납부(12)의 외부 대기는 제1유로의 출구를 거쳐 제2외부대기연결배관(1221b)을 따라 스털링 엔진(1270)의 제1열교환부(1720)를 경유한 다음 열교환용 케이싱(1212)의 내부로 배출된다. 본 실시예에서는 순환유량 증가를 위해 열교환용 케이싱(1212)을 설치하였으나, 일반적인 덕트형태가 사용될 수 있으며, 반드시 설치하여야 하는 것은 아니다.
따라서, 스털링 엔진(1270)으로부터 동력 및 전력이 격납부(12)의 외부 대기를 열교환기(1211)의 내부로 순환시키는 동력원으로 사용되는 경우에, 열교환기(1211)의 내부로 유입되는 순환유체의 유입량이 증가됨에 따라 피동격납부냉각계통(1210)의 열을 신속하게 냉각할 수 있고, 결국 피동격납부냉각계통(1210)의 구동력이 증가하게 된다.
제13실시예
도 13a는 정상 운전 시 본 발명의 제13실시예에 관련된 스털링 엔진(1370)을 적용한 피동격납부냉각계통(1310) 및 이를 구비하는 원전(1300)의 개념도이고, 도 13b는 사고 발생 시 본 발명의 제13실시예에 관련된 스털링 엔진(1370)을 적용한 피동격납부냉각계통(1310) 및 이를 구비하는 원전(1300)의 작동을 보여주는 개념도이다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 피동격납부냉각계통(1310)은 혼합식 열교환기(1311) 및 비상냉각수저장부(1314)를 포함한다. 기타 구성은 제12실시예의 구성과 동일하거나 유사하므로, 설명의 명료성을 위해 생략하기로 한다.
도 13b에서 원자로냉각재계통(11)을 중심으로 왼쪽(화살표 B 방향)은 사고 초기 피동격납부냉각계통(1310)의 작동상태를 보여주고, 오른쪽(화살표 B' 방향)은 사고 후기 시 피동격납부냉각계통(1310)의 작동상태를 보여준다.
혼합식 열교환기(1311)는 격납부(12)의 내부에 설치되고, 물 및 공기에 의해 격납부(12)의 내부 대기를 냉각시킬 수 있다.
수랭식 혹은 공랭식 열교환기(1311)의 경우, 비상냉각수 혹은 격납부(12)의 외부대기가 열교환기(1311)의 제1유로로 유입되지만, 혼합식 열교환기(1311)의 경우 비상냉각수 및 격납부(12)의 외부대기가 열교환기(1311)의 제1유로로 선택적으로 유입될 수 있다.
또한, 비상냉각수 및 격납부(12)의 외부대기가 열교환기(1311)의 제1유로로 동시에 공급되어 열교환 성능을 증대시킬 수 있다. 하지만, 이 경우 열교환기(1311)의 제1유로를 비상냉각수유로 및 격납부(12) 외부 대기 유로로 분리 형성하여야 하므로, 열교환기(1311)의 크기가 증가할 수 있다.
혼합식 열교환기(1311)는 제1외부대기연결배관(1331)을 통해 격납부(12)의 외부 대기를 공급받을 수 있고, 제2외부대기연결배관(1332)을 통해 가열된 외부 대기를 열교환용 케이싱(1312)으로 전달할 수 있다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 열교환용 케이싱(1312)은 케이싱 상단부에 형성된 출구 측에 순환팬(1313)을 구비하여, 열교환용 케이싱(1312)을 통과하는 격납부(12)의 외부 대기에 순환 동력을 전달하므로, 도 12의 제1외부대기연결배관(1331)에 설치된 순환팬(1313)을 생략할 수 있다.
비상냉각수저장부(1314)는 격납부(12)의 외부에 열교환기(1311)의 상단부보다 더 높게 설치되어, 중력에 의해 비상냉각수가 열교환기(1311)의 제1유로 입구로 유입될 수 있다.
비상냉각수는 비상냉각수공급배관(1321a)에 의해 비상냉각수저장부(1314)에서 열교환기(1311)로 공급될 수 있다. 비상냉각수공급배관(1321a)의 일단부는 비상냉각수저장부(1314)의 저면에 연통가능하게 연결되고, 비상냉각수공급배관(1321a)의 타단부는 열교환기(1311)의 상단부와 연통가능하게 연결될 수 있다.
비상냉각수는 비상냉각수방출배관(1321b)에 의해 열교환기(1311)에서 격납부(12)의 외부로 배출될 수 있다. 비상냉각수방출배관(1321b)의 일단부는 열교환기(1311)의 하단부와 연통가능하게 연결되고, 비상냉각수방출배관(1321b)의 타단부는 격납부(12)의 외부와 연통되게 연결될 수 있다.
여기서, 상기 비상냉각수와 격납부(12)의 외부 대기가 열교환기(1311)로 선택적으로 공급되는 경우에 열교환기(1311)의 제1유로를 공유할 수 있다. 이 경우 비상냉각수는 열교환기(1311)의 상단부에서 제1유로를 따라 열교환기(1311)의 하단부로 이동할 수 있고, 격납부(12)의 외부 대기는 열교환기(1311)의 하단부에서 상기 제1유로를 따라 열교환기(1311)의 상단부로 이동할 수 있다.
순환팬(1313)은 열교환용 케이싱(1312)의 출구에 설치되고, 스털링 엔진(1370)의 동력을 전달받아 구동되거나, 스털링 엔진(1370)의 동력을 이용하여 발전된 전기에너지를 공급받아 구동될 수 있다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 순환팬(1313)은 스털링 엔진(1370)의 동력을 이용하여 발전된 전기에너지를 공급받아 구동되는 모습을 보여준다.
스털링 엔진(1370)은 제2외부대기연결배관(1332)에 설치되고, 제2외부대기연결배관(1332)을 따라 흐르는 가열된 격납부(12)의 외부대기의 열 또는 증발된 비상냉각수의 증기의 열을 전달받아 동력을 생성할 수 있다.
제13실시예에 따른 스털링 엔진(1370)에서 생성된 동력 및 발전을 통해 얻은 전력은 열교환용 케이싱(1312)의 출구에 설치된 순환팬(1313)을 구동시키는 데 사용됨에 따라, 외부의 도움 없이도 격납부(12)의 외부에서 열교환기(1311), 스털링 엔진(1370), 열교환용 케이싱(1312) 및 격납부(12)의 외부로 순환하는 격납부(12)의 외부 대기(순환유체)에 순환동력을 제공할 수 있다.
상기 스털링 엔진(1370)의 동력은 발전부(1380)에서 발전되어 전기에너지로 변환된 후 충전기(1390)에 충전될 수 있고, 충전된 전기에너지는 스털링 엔진(1370)의 시동 시 동력원으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 충전된 전기에너지는 피동격납부냉각계통(1310)의 작동을 위한 밸브 개폐 또는 피동격납부냉각계통(1310)의 모니터링을 위한 전원으로 사용될 수 있다.
사고 발생 초기에 비상냉각수의 이동경로를 살펴보면, 사고 발생 초기에 비상냉각수공급배관(1321a)에 설치된 격리밸브(1322)가 개방되고, 비상냉각수가 비상냉각수저장부(1314)에서 열교환기(1311)의 상단부에 형성된 제1유로 입구로 유입된다. 이어서, 열교환기(1311)의 제1유로로 유입된 비상냉각수는 열교환기(1311)의 제2유로로 유입된 격납부(12)의 내부 대기로부터 열을 전달받아 제1유로를 따라 하강하며, 비상냉각수방출배관(1321b)을 통해 격납부(12)의 외부로 배출된다. 상기 비상냉각수의 유로는 비상냉각수공급배관(1321a)의 격리밸브(1322)에 의해 개폐될 수 있다.
사고 발생 후 제어해야 하는 열량이 감소하는 사고 발생 후기에 격납부(12) 외부 대기의 이동경로를 살펴보면, 사고 발생 후 시간이 경과함에 따라 비상냉각수저장부(1314)에 설치된 수위센서(1314b)를 통해 비상냉각수의 양이 부족함을 감지한 경우 제1외부대기연결배관(1331)에 설치된 격리밸브(1333)가 개방되고, 격납부(12)의 외부 대기가 제1외부대기연결배관(1331)을 따라 열교환기(1311)의 하단부에 형성된 제1유로의 입구로 유입된다. 이어서, 열교환기(1311)의 제1유로로 유입된 격납부(12)의 외부 대기는 열교환기(1311)의 제2유로로 유입된 격납부(12)의 내부 대기로부터 열을 전달받아 제1유로를 따라 상승하며, 제2외부대기연결배관(1332)을 따라 스털링 엔진(1370)의 제1열교환부(1720)를 경유한 다음 열교환용 케이싱(1312)의 내부에 전달될 수 있다.
사고 시 격납부(12)의 내부 대기 이동경로를 살펴보면, 격납부(12)의 내부 대기는 열교환의 상단부에 형성된 입구안내부를 통해 안내되어, 열교환기(1311)의 제2유로 입구를 통해 유입되며, 열교환기(1311)의 제1유로로 유입된 비상냉각수 또는 격납부(12)의 외부 대기에 의해 냉각되어 응축된다. 이어서 응축된 냉각수는 냉각수회수배관(1324)을 통해 제1냉각수저장부(1341)에 임시 저장된 다음, 원자로냉각재계통(11)과 격납부(12) 내부의 압력이 유사 평형상태에 도달 시 냉각수주입배관(1342)을 통해 원자로냉각재계통(11)에 안전하게 주입될 수 있다. 또한, 열교환기(1311)의 제2유로에서 냉각된 비응축성 가스는 별도의 공기배출배관을 통해 격납부(12)의 내부로 방출될 수 있다.
따라서, 제13실시예의 혼합식 열교환기에 의하면, 열부하가 많은 사고 초기에 냉각성능이 우수한 수랭식에 의해 열교환기를 작동시킨 후, 시간이 경과함에 따라 열부하가 감소하는 사고 후기에 비상냉각수의 부족을 감지하면 공랭식에 의해 열교환기(1311)를 작동시킴으로써, 비상냉각수를 재보충해주지 않아도 되며 열교환기(1311)의 크기를 감소시킬 수 있고, 반영구적으로 기능을 유지할 수 있어 안전성 측면에서 매우 유리하다. 또한, 공랭식 열교환기(1311)의 경우 공기의 열전달계수가 매우 작아 열교환기의 크기가 증가하는 단점이 있지만, 스털링 엔진(1370)의 동력 또는 전력을 외부 공기 순환에 이용함으로써 열교환기(1311)의 크기를 크게 줄일 수 있다.
제14실시예
도 14는 본 발명의 제14실시예에 관련된 스털링 엔진(1470)을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 14에 도시된 피동안전계통은 제2냉각수저장부(1451), 피동안전주입계통의 냉각수 보충을 위한 안전주입수 보충 펌프(1450) 및 냉각수보충배관(1453)을 더 포함할 수 있다. 도 14에 도시된 피동격납부(12)냉각계통(1410)의 구성은 도 8에 도시된 실시예의 구성과 동일하거나 유사하므로, 설명의 명료성을 위해 생략하도록 한다.
다만, 도 14에 도시된 피동격납부(12)냉각계통(1410)은 도 8에 도시된 순환팬을 생략할 수 있다.
제2냉각수저장부(1451)는 격납부(12)의 내부 저면에 설치되거나, 격납부(12)의 외부 저면에 설치될 수 있다.
도 14에 도시된 제2냉각수저장부(1451)는 격납부(12)의 내부 저면에 설치된 모습을 보여준다.
제2냉각수저장부(1451)는 내부에 냉각재 상실 사고 시 원자로냉각재계통(11)의 내부에 냉각수를 안전하기 주입하기 위한 안전주입수 보충용 냉각수를 저장할 수 있다.
제2냉각수저장부(1451)에 저장된 냉각수는 냉각수보충배관(1453)에 의해 제1냉각수저장부(1441)로 공급될 수 있다. 냉각수보충배관(1453)의 일단부는 제2냉각수저장부(1451)와 연통가능하게 연결되고, 냉각수보충배관(1453)의 타단부는 제1냉각수저장부(1441)에 연통가능하게 연결된다.
안전주입수 보충 펌프(1450)는 냉각수보충배관(1453)에 설치되고, 냉각수보충배관(1453)을 따라 흐르는 냉각수를 가압하여 제1냉각수저장부(1441)의 냉각수 부족 시 이를 보충할 수 있다.
냉각수보충배관(1453)의 상단부에 격리밸브(1454)가 설치되어, 냉각수의 보충량을 조절할 수 있다. 또한, 냉각수보충배관(1453)의 상단부에 체크밸브(1455)가 설치되어, 냉각수가 제1냉각수저장부(1441)로부터 제2냉각수저장부(1451)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
상기 안전주입수 보충 펌프(1450)는 스털링 엔진(1470)의 동력 및 엔진 동력의 발전을 통해 얻은 전력에 의해 구동될 수 있다. 이때, 스털링 엔진(1470)의 동력은 발전부(1480)에서 전기에너지로 변환된 후 충전기(1490)에 충전될 수 있으며, 이 경우 안전주입수 보충 펌프(1450)에 안정적인 전력을 공급할 수 있다.
따라서, 제14실시예에 따른 피동안전주입계통에 의하면, 사고 시 원자로냉각재계통과 격납부의 압력이 유사 평형 상태에 도달하는 경우에 격납부 내부로부터 중력에 의한 안전주입이 용이해 지는바, 장기 안전주입수 수원의 보충이 어려운 구성을 갖는 원전에서는 냉각수저장부의 냉각수 보충을 위해 스털링 엔진의 동력 또는 전력을 활용하여 안전주입계통의 성능을 반영구적으로 유지할 수 있다.
예를 들면, 냉각재 상실 사고 발생 시 원자로냉각재계통(11)에 냉각수를 안전 주입하기 위해 중력에 의해 작동하는 피동안전주입계통(1440)을 원전(1400)에 적용하려면 원전 정상운전 중에 매우 많은 양의 물을 격납부(12) 상부에 저장해 두어야 한다. 그러나 다량의 물을 격납부(12) 상부에 저장하려면 많은 공간이 필요하고, 저장수로 인해 구조물에 큰 하중이 작용하므로, 현실적으로 장시간 사용가능한 수조를 설치하기는 매우 어렵다.
따라서, 스털링 엔진(1470)에서 생산되는 전기를 피동안전주입계통(1440)의 냉각수 보충을 위한 설비에 사용하는 경우에 피동안전계통의 구현이 보다 용이해져 안전성 및 경제성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 스털링 엔진(1470)에 의해 생성된 동력 또는 전기에너지는 반드시 동일한 안전계통에 이용하지 않고, 다른 안전계통에 이용하도록 구성될 수도 있다.
제15실시예
도 15는 본 발명의 제15실시예에 관련된 스털링 엔진(1570)을 적용한 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 15에 도시된 피동안전계통은 제2냉각수저장부(1564) 및 피동격납부살수계통(1560)을 더 포함할 수 있다. 도 15에 도시된 피동격납부냉각계통(1510)의 구성은 도 8에 도시된 실시예의 구성과 동일하거나 유사하므로, 설명의 명료성을 위해 생략하도록 한다.
다만, 도 15에 도시된 피동격납부냉각계통(1510)은 도 8에 도시된 순환팬을 생략할 수 있다.
피동격납부살수계통(1560)은 사고 시 격납부(12)의 내부 압력이 상승하는 경우에 중력에 의해 냉각수를 살수하여 상기 격납부(12)의 내부 압력을 감소시키는 계통이며, 살수저장부(1561), 살수용 분배파이프(1562), 살수 보충 펌프(1565) 및 살수보충배관(1566)을 포함할 수 있다.
살수저장부(1561)는 격납부(12)의 내부 상단부에 복수 개로 설치되고, 피동격납부살수계통(1560)의 살수에 이용될 냉각수를 내부에 저장한다.
살수용 분배파이프(1562)는 적어도 일부가 살수저장부(1561)의 저면과 연통가능하게 연결되고, 살수저장부(1561)로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.
상기 살수용 분배파이프(1562)에 복수의 격리밸브(1567)가 설치되고, 분패파이프를 따라 흐르는 냉각수의 흐름을 개폐할 수 있다.
상기 살수용 분배파이프(1562)에 복수의 살수용 노즐이 이격되게 형성되고, 살수용 노즐을 통해 냉각수가 격납부(12)의 내부로 살수된다.
도 15에 도시된 제2냉각수저장부(1564)는 격납부(12)의 내부 저면에 설치되고, 피동격납부살수계통(1560)의 살수 보충을 위해 사용될 냉각수를 저장한다.
제2냉각수저장부(1564)에 저장된 냉각수는 살수보충배관(1566)에 의해 살수저장부(1561)로 공급될 수 있다. 살수보충배관(1566)의 일단부는 제2냉각수저장부(1564)와 연통가능하게 연결되고, 살수보충배관(1566)의 타단부는 살수저장부(1561)에 연통가능하게 연결된다.
살수 보충 펌프(1565)는 살수보충배관(1566)에 설치되고, 살수보충배관(1566)을 따라 흐르는 냉각수를 가압하여, 살수저장부(1561)의 냉각수 부족 시 이를 보충할 수 있다.
살수보충배관(1566)의 상단부와 하단부에 각각 격리밸브(1567)가 설치되어, 살수보충배관(1566)의 유로를 개폐할 수 있다. 또한, 살수보충배관(1566)의 하단부에 설치된 격리밸브(1567)와 살수 보충 펌프(1565) 사이에 체크밸브(1568)가 설치되어, 냉각수가 살수 보충 펌프(1565)로부터 제2냉각수저장부(1564)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
살수 보충 펌프(1565)는 스털링 엔진(1570)의 동력 및 엔진 동력의 발전을 통해 얻은 전력에 의해 구동될 수 있다. 이때, 스털링 엔진(1570)의 동력은 발전부(1580)에서 전기에너지로 변환된 후 충전기(1590)에 충전될 수 있으며, 이 경우 살수 보충 펌프(1565)에 안정적인 전력을 공급할 수 있다.
사고 시 살수 이동 경로를 살펴보면, 피동격납부살수계통(1560)의 격리밸브(1567)가 개방되어, 살수저장부(1561)에 저장된 냉각수가 분배파이프(1562)를 따라 이동하며, 살수용 노즐을 통해 격납부(12)의 내부로 살수된다. 이에 의해, 격납부(12)의 내부 대기가 냉각 및 응축되어 격납부(12)의 내부 압력이 감소된다.
시간이 경과함에 따라 상기 살수저장부(1561)의 냉각수가 점점 감소한다. 이때, 살수저장부(1561)에 설치된 수위센서(1561a)를 통해 살수저장부(1561)의 냉각수량을 감지한다. 살수저장부(1561)의 냉각수가 미리 정해진 위치에 도달한 경우 살수보충배관(1566)에 설치된 격리밸브(1567)를 개방한다. 이어서, 살수 보충 펌프(1565)를 가동하여 제2냉각수저장부(1564)에 저장된 살수 보충용 냉각수를 살수보충배관(1566)을 따라 이송하여 살수저장부(1561)에 보충한다.
사고 시 격납부 내부 압력을 감소시키기 위해 중력에 의해 작동하는 피동격납부살수계통을 원전에 적용하려면 원전 정상원전 중 매우 많은 양의 물을 격납부 상부에 저장해 두어야 한다. 그러나 다량의 물을 격납부 상부에 저장하려면 많은 공간이 필요하고, 저장수로 인해 구조물에 큰 하중이 작용하므로, 현실적으로 장시간 사용가능한 수조를 설치하기는 매우 어렵다.
따라서, 제15실시예에 따른 스털링 엔진(1570)의 동력 및 전력을 피동격납부살수계통(1560)의 살수 보충에 이용함에 따라, 많은 양의 냉각수를 외부 전원의 도움 없이도 살수저장부(1561)에 장시간 공급할 수 있다. 이에 의해, 열교환기에 비해 감압 및 방사성 물질의 제거 효율이 높은 살수 방식의 장점을 살릴 뿐만 아니라 피동 살수를 위한 많은 양의 냉각수 확보 및 살수저장부(1561)의 구조 하중 문제 등을 동시에 해결할 수 있다.
제16실시예
도 16은 본 발명의 제16실시예에 관련된 스털링 엔진(1670)을 적용한 피동격납부냉각계통(1610) 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 16에 도시된 피동격납부냉각계통(1610)은 제2냉각수저장부(1614), 비상냉각수보충배관(1615) 및 비상냉각수 보충 펌프(1613)를 더 포함한다. 기타 구성은 도 9에 도시된 피동격납부냉각계통(1610)의 구성과 동일하거나 유사하므로, 설명의 명료성을 위해 생략하도록 한다.
제2냉각수저장부(1614)는 격납부의 외부 저면에 설치되고, 비상냉각수저장부(1612)에 저장된 비상냉각수가 부족할 경우에 비상냉각수의 보충을 위해 사용되는 냉각수를 내부에 저장한다.
비상냉각수보충배관(1615)은, 일단부가 제2냉각수저장부(1614)의 내부에 연통가능하게 연결되고, 타단부가 비상냉각수저장부(1612)의 상단부에 연통가능하게 연결된다.
비상냉각수 보충 펌프(1613)는 비상냉각수보충배관(1615)에 설치되고, 비상냉각수보충배관(1615)을 따라 흐르는 냉각수를 가압하여, 비상냉각수저장부(1612)의 냉각수 부족 시 이를 보충할 수 있다.
비상냉각수보충배관(1615)의 중간부와 하단부에 각각 격리밸브(1616)가 설치되어, 비상냉각수의 보충 유로를 개폐할 수 있다. 또한, 비상냉각수보충배관(1615)의 하단부에 설치된 격리밸브(1616)와 비상냉각수 보충 펌프(1613) 사이에 체크밸브(1617)가 설치되어, 냉각수가 비상냉각수 보충 펌프(1613)로부터 제2냉각수저장부(1614)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
비상냉각수 보충 펌프(1613)는 스털링 엔진(1670)의 동력 및 엔진 동력의 발전을 통해 얻은 전력에 의해 구동될 수 있다. 이때, 스털링 엔진(1670)의 동력은 발전부(1680)에서 전기에너지로 변환된 후 충전기(1690)에 충전될 수 있으며, 이 경우 비상냉각수 보충 펌프(1613)에 안정적인 전력을 공급할 수 있다.
사고 발생 시 시간이 경과함에 따라 비상냉각수저장부(1612)에 저장된 비상냉각수가 점점 감소한다. 이때, 비상냉각수저장부(1612)에 설치된 수위센서(1612b)를 통해 비상냉각수저장부(1612)의 냉각수량을 감지한다. 비상냉각수저장부(1612)의 냉각수가 미리 정해진 위치에 도달한 경우 비상냉각수보충배관(1615)에 설치된 격리밸브(1616)를 개방한다. 이어서, 비상냉각수 보충 펌프(1613)를 가동하여 제2냉각수저장부(1614)에 저장된 비상냉각수 보충용 냉각수를 비상냉각수보충배관(1615)을 따라 이송하여 비상냉각수저장부(1612)에 보충한다.
따라서, 제16실시예에 따른 피동격납부냉각계통(1610)에 의하면, 스털링 엔진(1670)의 동력 및 전력을 피동격납부냉각계통(1610)의 비상냉각수 보충에 이용함에 따라, 제2냉각수저장부(1614)의 냉각수가 확보되는 한 많은 양의 냉각수를 외부 전원의 도움 없이도 비상냉각수저장부(1612)에 장시간 공급할 수 있다. 이에 의해, 피동잔열제거계통의 성능을 장기간 유지할 수 있다.
이상에서 설명된 피동안전계통 및 이를 구비한 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.
11 : 원자로냉각재계통
12 : 격납부
13 : 급수계통
14 : 터빈계통
15 : 주급수관
16 : 주증기관
17 : 증기발생기
18 : 노심
19 : 냉각재펌프
20 : 가압기
100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600 : 원전
110,210,310,410,510,610 : 피동잔열제거계통
810,910,1010,1110,1210,1310,1610 : 피동격납부냉각계통
710, 1410,1510 : 피동안전계통
840,940,1040,1140,1240,1340,1440,1540,1640 : 피동안전주입계통
1560 : 피동격납부살수계통
111,211,311,411,511,611,711,811,911,1011,1211,1311,1411,1511,1611 : 열교환기
1211a,1311a : 입구안내부
1211b,1311b : 출구안내부
112,212,312,412,712,1112,1212,1312 : 열교환용 케이싱
512,612,812,912,1012,1314,1412,1512,1612 : 비상냉각수저장부
612b,812b,912b,1012b,1412b,1512b,1612b : 비상냉각수열교환부
512a,612a,812a,912a,1012a,1412a,1512a,1612a,1314a,1612a : 증기유출구
113,213,313,413,613,713,813,1013,1113,1213,1313,1513 : 순환팬
513,913,1452,1565,1613 : 순환펌프
121,221,321,421,521,621,821,921,1021,1221,1321,1421,1521,1621 : 순환배관
121a,221a,321a,421a,521a,621a,725 : 급수배관
821a,921a,1021a,1221a,1321a,1421a,1521a,1621a : 공급배관
121b,221b,321b,421b,521b,621b : 증기배관
821b,921b,1012b,1221b,1321b,1421b,1521b,1621b : 방출배관
21,122,222,322,422,522,622,722,726,822,922,1022,1033,1034,1133,1134,1222,1322,1333,1422,1522,1562a,1567,1616,1622 : 격리밸브
123,223,323,423,514,614,523,623,723,823,923,1023,1423,1523,1568,1617,1623 : 체크밸브
824,924,1024,1124,1224,1324,1424,1524,1624 : 냉각수회수배관
721a : 제1연결배관
721b : 제2연결배관
724 : 냉각수연결배관
730 : 순환유도유닛
731 : 분사노즐
732 : 입구가이드
1031,1131 : 제1격납부연결배관
1032,1132 : 제2격납부연결배관
1331 : 제1외부대기연결배관
1332 : 제2외부대기연결배관
714,841,941,1041,1141,1241,1341,1441,1541,1641 : 제1냉각수저장부
842,942,1042,1142,1242,1342,1442,1542,1642 : 냉각수주입배관
1561 : 살수저장부
1314b,1441a,1561a,1612b : 수위센서
1562 : 분배파이프
1563 : 살수용 노즐
1451,1564,1614 : 제2냉각수저장부
1566 : 살수보충배관
1614 : 비상냉각수보충배관
170,270,370,470,570,670,770,870,970,1070,1170,1270,1370,1470,1570,1670,1870 : 스털링 엔진(동력생성부)
1710,1810 : 실린더
1711,1811 : 고온부
1712,1812 : 저온부
1713,1813 : 제1피스톤
1714,1814 : 제2피스톤
1715a,1716a : 연결로드
1715b,1815 : 제1연결부재
1716b,1816 : 제2연결부재
1715c,1716c : 컨넥터
1717,1817 : 작동유로
1720,1820 : 제1열교환부
1721,1722 : 제1열교환핀
1722 : 유로
1730,1830 : 제2열교환부
1731,1732 : 제2열교환핀
1740,1840 : 재생열교환기
1750,1760 : 회전부
1850 : 마그넷
171,271,371,771 : 동력전달부
180,480,580,680,880,980,1080,1180,1280,1380,1480 : 발전부
1880 : 코일
190,490,590,690,890,990,1090,1190,1290,1390,1490 : 충전기
12 : 격납부
13 : 급수계통
14 : 터빈계통
15 : 주급수관
16 : 주증기관
17 : 증기발생기
18 : 노심
19 : 냉각재펌프
20 : 가압기
100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600 : 원전
110,210,310,410,510,610 : 피동잔열제거계통
810,910,1010,1110,1210,1310,1610 : 피동격납부냉각계통
710, 1410,1510 : 피동안전계통
840,940,1040,1140,1240,1340,1440,1540,1640 : 피동안전주입계통
1560 : 피동격납부살수계통
111,211,311,411,511,611,711,811,911,1011,1211,1311,1411,1511,1611 : 열교환기
1211a,1311a : 입구안내부
1211b,1311b : 출구안내부
112,212,312,412,712,1112,1212,1312 : 열교환용 케이싱
512,612,812,912,1012,1314,1412,1512,1612 : 비상냉각수저장부
612b,812b,912b,1012b,1412b,1512b,1612b : 비상냉각수열교환부
512a,612a,812a,912a,1012a,1412a,1512a,1612a,1314a,1612a : 증기유출구
113,213,313,413,613,713,813,1013,1113,1213,1313,1513 : 순환팬
513,913,1452,1565,1613 : 순환펌프
121,221,321,421,521,621,821,921,1021,1221,1321,1421,1521,1621 : 순환배관
121a,221a,321a,421a,521a,621a,725 : 급수배관
821a,921a,1021a,1221a,1321a,1421a,1521a,1621a : 공급배관
121b,221b,321b,421b,521b,621b : 증기배관
821b,921b,1012b,1221b,1321b,1421b,1521b,1621b : 방출배관
21,122,222,322,422,522,622,722,726,822,922,1022,1033,1034,1133,1134,1222,1322,1333,1422,1522,1562a,1567,1616,1622 : 격리밸브
123,223,323,423,514,614,523,623,723,823,923,1023,1423,1523,1568,1617,1623 : 체크밸브
824,924,1024,1124,1224,1324,1424,1524,1624 : 냉각수회수배관
721a : 제1연결배관
721b : 제2연결배관
724 : 냉각수연결배관
730 : 순환유도유닛
731 : 분사노즐
732 : 입구가이드
1031,1131 : 제1격납부연결배관
1032,1132 : 제2격납부연결배관
1331 : 제1외부대기연결배관
1332 : 제2외부대기연결배관
714,841,941,1041,1141,1241,1341,1441,1541,1641 : 제1냉각수저장부
842,942,1042,1142,1242,1342,1442,1542,1642 : 냉각수주입배관
1561 : 살수저장부
1314b,1441a,1561a,1612b : 수위센서
1562 : 분배파이프
1563 : 살수용 노즐
1451,1564,1614 : 제2냉각수저장부
1566 : 살수보충배관
1614 : 비상냉각수보충배관
170,270,370,470,570,670,770,870,970,1070,1170,1270,1370,1470,1570,1670,1870 : 스털링 엔진(동력생성부)
1710,1810 : 실린더
1711,1811 : 고온부
1712,1812 : 저온부
1713,1813 : 제1피스톤
1714,1814 : 제2피스톤
1715a,1716a : 연결로드
1715b,1815 : 제1연결부재
1716b,1816 : 제2연결부재
1715c,1716c : 컨넥터
1717,1817 : 작동유로
1720,1820 : 제1열교환부
1721,1722 : 제1열교환핀
1722 : 유로
1730,1830 : 제2열교환부
1731,1732 : 제2열교환핀
1740,1840 : 재생열교환기
1750,1760 : 회전부
1850 : 마그넷
171,271,371,771 : 동력전달부
180,480,580,680,880,980,1080,1180,1280,1380,1480 : 발전부
1880 : 코일
190,490,590,690,890,990,1090,1190,1290,1390,1490 : 충전기
Claims (31)
- 원전의 사고 발생 시 원자로냉각재계통의 열 및 상기 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상의 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 원전안전계통;
상기 격납부의 외부로 제거되는 열을 전달받도록 열교환부를 구비하고, 상기 열교환부를 통해 전달받은 열에 의해 동력을 생성하는 실린더를 구비하는 동력생성부; 및
상기 격납부의 외부로 제거되는 열이 상기 동력생성부에 전달되도록, 상기 원자로냉각재계통과 상기 동력생성부 사이 또는 상기 격납부와 상기 동력생성부 사이에 열전달유체의 유로를 제공하는 열전달부를 포함하고,
상기 동력생성부는,
작동기체가 내부에 각각 채워지며, 두 개의 실린더에 각각 별개의 독립된 공간으로 형성되거나, 한 개의 실린더 내부에 서로 구획된 공간으로 형성되는 고온부 및 저온부;
상기 고온부 및 상기 저온부에 채워진 작동기체가 서로 소통되도록, 상기 고온부 및 저온부를 연결하는 작동유로; 및
상기 작동유로에 설치되고, 상기 작동기체가 상기 고온부에서 상기 저온부로 이동할 때 상기 작동기체의 열을 저장하고, 상기 작동기체가 상기 저온부에서 상기 고온부로 되돌아올 때 상기 작동기체에 상기 저장된 열을 전달하는 재생열교환기를 더 포함하는 원전. - 제1항에 있어서,
상기 원전안전계통은, 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통의 열 또는 상기 원자로냉각재계통에서 상기 격납부로 전달되는 열을 제거하는 피동안전계통을 포함하고, 상기 피동안전계통은 공랭식 및 수랭식 열교환기 중 적어도 하나 이상의 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제2항에 있어서,
상기 열교환기는, 플레이트형 또는 쉘앤튜브형 열교환기인 것을 특징으로 하는 원전. - 제2항에 있어서,
상기 유체는 공기, 냉각수, 증기, 및 공기와 증기 또는 냉각수와 증기가 혼합된 혼합유체 중 적어도 하나 이상의 유체인 것을 특징으로 하는 원전. - 제1항에 있어서,
상기 동력생성부는,
상기 두 개의 실린더 내부에 각각 이동가능하게 설치되거나, 상기 한 개의 실린더 내부에 서로 독립적으로 이동가능하게 설치되는 복수의 피스톤;
상기 피스톤의 동력을 전달받아 회전하는 회전부; 및
상기 피스톤의 동력이 상기 회전부에 전달되도록, 상기 피스톤 및 상기 회전부를 연결하는 연결부재를 포함하여, 회전운동에 의한 기계적 운동에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 원전. - 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 동력생성부는,
상기 회전부와 연결되어, 상기 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제7항에 있어서,
상기 동력생성부는,
상기 발전부에서 변환된 전기에너지를 충전하는 충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제8항에 있어서,
상기 동력생성부는, 상기 충전기에 충전된 전기에너지에 의해 초기 구동되는 것을 특징으로 하는 원전. - 제1항에 있어서,
상기 동력생성부는 스털링 엔진으로 마련되는 것을 특징으로 하는 원전. - 원전의 사고 발생 시 원자로냉각재계통의 열 및 상기 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상의 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 원전안전계통;
상기 격납부의 외부로 제거되는 열을 전달받도록 열교환부를 구비하고, 상기 열교환부를 통해 전달받은 열에 의해 동력을 생성하는 실린더를 구비하는 동력생성부; 및
상기 격납부의 외부로 제거되는 열이 상기 동력생성부에 전달되도록, 상기 원자로냉각재계통과 상기 동력생성부 사이 또는 상기 격납부와 상기 동력생성부 사이에 열전달유체의 유로를 제공하는 열전달부를 포함하고,
상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체순환에 의해 상기 원자로냉각재계통의 열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고,
상기 피동잔열제거계통은,
상기 격납부의 외부에 배치되고, 일차계통 및 이차계통 사이의 경계를 형성하는 증기발생기로부터 증기를 전달받아 상기 증기를 냉각 및 응축시키며, 응축된 냉각수를 상기 증기발생기로 전달하는 열교환기;
상기 격납부의 외부에 배치되고, 상기 열교환기를 내부에 수용하여 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환기를 통과하도록 안내하는 열교환용 케이싱; 및
상기 열교환용 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환용 케이싱의 내부로 유입되도록 상기 외부 대기를 강제 유동시키는 순환팬;을 포함하고,
상기 동력생성부는, 상기 열교환용 케이싱의 내부 또는 외부에 배치되고, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제11항에 있어서,
상기 피동잔열제거계통은, 상기 증기발생기에서 발생된 증기가 상기 열교환기에 전달되도록, 상기 증기발생기 및 상기 열교환기를 연결하는 증기배관을 포함하고,
상기 증기배관은, 상기 증기발생기로부터 증기의 열이 상기 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며,
상기 동력생성부는, 상기 증기배관을 통해 흐르는 증기의 열을 전달받아 동력을 생성하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제11항에 있어서,
상기 동력생성부는 상기 열교환기의 입구 측에 설치되고,
상기 순환팬은 상기 동력생성부와 상기 열교환기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 원전. - 제11항에 있어서,
상기 피동잔열제거계통은, 상기 열교환기에서 응축된 냉각수가 상기 증기발생기로 전달되도록, 상기 열교환기 및 상기 증기발생기를 연결하는 급수배관을 포함하고,
상기 급수배관은, 상기 열교환기로부터 응축된 냉각수의 열이 상기 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며,
상기 동력생성부는 상기 급수배관을 통해 흐르는 냉각수의 열을 전달받아 동력을 생성하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제1항에 있어서,
상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 상기 원자로냉각재계통의 열을 제거하는 피동잔열제거계통을 포함하고,
상기 피동잔열제거계통은,
상기 격납부의 외부에 배치되는 비상냉각수저장부;
상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되고, 일차계통 및 이차계통 사이의 경계를 형성하는 증기발생기로부터 증기를 전달받아 상기 비상냉각수저장부에 저장된 비상냉각수에 의해 상기 증기를 냉각 및 응축시키며, 응축된 냉각수를 상기 증기발생기로 전달하는 열교환기; 및
상기 열교환기에서 응축된 냉각수를 상기 증발발생기로 전달하는 급수배관에 설치되고, 상기 냉각수를 강제 유동시키는 순환펌프;
을 포함하고,
상기 동력생성부는, 상기 비상냉각수저장부의 외부 또는 내부에 배치되고, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제15항에 있어서,
상기 열전달부는, 상기 증기발생기에서 발생된 증기가 상기 동력생성부를 경유하여 상기 열교환기로 전달되도록, 상기 증기발생기, 상기 동력생성부의 열교환부 및 상기 열교환기를 연결하는 증기배관을 포함하고,
상기 동력생성부는 상기 증기배관을 통해 증기의 열을 전달받아 동력을 생성하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제15항에 있어서,
상기 비상냉각수저장부는, 상기 동력생성부의 열교환부와 열교환가능하게 연결하기 위한 비상냉각수열교환부를 마련하여, 상기 비상냉각수저장부에서 발생된 증기의 열이 상기 동력생성부로 전달되는 것을 특징으로 하는 원전. - 제11항에 있어서,
상기 열전달부는,
상기 증기발생기로부터 증기가 내부에 유입되도록, 일단부가 상기 증기발생기와 연결되고, 타단부가 상기 격납부의 내부로 연장되는 제1연결배관;
상기 격납부의 내부와 연통되며 상기 제1연결배관으로부터 배출되는 증기와 함께 상기 격납부의 내부 대기가 유입되도록, 일단부가 상기 제1연결배관과 근접하게 배치되고, 상기 증기 및 상기 격납부의 내부 대기가 혼합된 혼합유체가 상기 동력생성부로 전달되도록, 타단부가 상기 동력생성부와 연결되는 제2연결배관;
을 포함하고,
상기 피동잔열제거계통은, 상기 격납부의 내부 대기 순환을 유도하는 순환유도유닛을 구비하고,
상기 순환유도유닛은,
상기 제1연결배관의 타단부에 형성되고, 상기 증기를 상기 제2연결배관의 내부로 분사하여 상기 증기의 분사속도에 의해 상기 격납부의 내부 대기를 제2연결배관으로 유입시키는 분사노즐;
상기 제2연결배관의 일단부에서 상기 격납부의 내부를 향하여 상기 격납부의 내부 대기의 유입단면적이 점차적으로 넓어지도록 형성되어, 상기 격납부의 내부 대기의 유입을 안내하는 입구가이드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전. - 원전의 사고 발생 시 원자로냉각재계통의 열 및 상기 원자로냉각재계통에서 격납부로 전달된 열 중 적어도 하나 이상의 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 원전안전계통;
상기 격납부의 외부로 제거되는 열을 전달받도록 열교환부를 구비하고, 상기 열교환부를 통해 전달받은 열에 의해 동력을 생성하는 실린더를 구비하는 동력생성부; 및
상기 격납부의 외부로 제거되는 열이 상기 동력생성부에 전달되도록, 상기 원자로냉각재계통과 상기 동력생성부 사이 또는 상기 격납부와 상기 동력생성부 사이에 열전달유체의 유로를 제공하는 열전달부를 포함하고,
상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통에서 상기 격납부의 내부로 전달된 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 피동격납부냉각계통을 포함하고,
상기 피동격납부냉각계통은,
원자로보다 더 높게 위치하도록 상기 격납부의 내부 또는 이의 외부에 배치되고, 원자로에서 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 발생 시 상기 증기관에서 상기 격납부의 내부로 방출되는 증기를 응축시키며 상기 격납부의 내부 대기를 냉각시키는 열교환기; 및
상기 열교환기보다 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되고, 내부에 저장된 비상냉각수에 의해 상기 열교환기로부터 전달되는 상기 격납부의 내부 대기를 냉각 및 응축시키며, 상기 비상냉각수를 상기 열교환기에 공급하는 비상냉각수저장부;
를 포함하고,
상기 비상냉각수저장부는, 상기 동력생성부가 장착되어 열교환되도록, 상단부에 비상냉각수열교환부를 구비하고,
상기 동력생성부는, 상기 비상냉각수열교환부를 통해 상기 비상냉각수의 열 또는 상기 비상냉각수에서 증발되는 증기의 열을 전달받아 동력을 생성하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제19항에 있어서,
상기 피동격납부냉각계통은,
상기 열교환기의 상단부에 형성되는 입구헤더에 설치되고, 상기 격납부의 내부 대기가 상기 열교환기로 유입되도록, 상기 내부 대기를 강제 유동시키는 순환팬;
을 더 포함하고,
상기 동력생성부는, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제19항에 있어서,
상기 피동격납부냉각계통은,
상기 비상냉각수가 상기 열교환기로 전달되도록, 상기 비상냉각수저장부와 상기 열교환기를 연결하는 공급배관; 및
상기 공급배관에 설치되고, 상기 비상냉각수를 강제 유동시키는 순환펌프;
를 포함하고,
상기 동력생성부는, 동력전달부를 구비하여 상기 순환펌프를 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환펌프를 구동시키는 것을 특징으로 하는 원전. - 제19항에 있어서,
상기 피동격납부냉각계통은,
상기 격납부의 내부 대기가 상기 격납부의 외부에 배치된 열교환기로 전달되도록, 일단부가 상기 격납부의 내부와 연통되고 타단부가 상기 열교환기와 연결되는 제1격납부연결배관; 및
상기 열교환기에서 발생된 비응축성 가스 또는 응축된 냉각수가 상기 격납부의 내부로 전달되도록, 일단부가 상기 열교환기와 연결되고, 타단부가 상기 격납부의 내부와 연통되는 제2격납부연결배관;
상기 제1격납부연결배관의 일단부에 설치되어, 상기 격납부의 내부 대기를 상기 제1격납부연결배관으로 강제 유동시키는 순환팬;
을 더 포함하고,
상기 동력생성부는, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동시키는 것을 특징으로 하는 원전. - 제1항에 있어서,
상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통에서 전달된 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 피동격납부냉각계통을 포함하고,
상기 피동격납부냉각계통은,
원자로보다 더 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되고, 원자로에서 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 발생 시 상기 증기관에서 상기 격납부의 내부로 방출되는 증기를 응축시키며 상기 격납부의 내부 대기를 냉각시키는 열교환기;
상기 격납부의 외부에 배치되고, 상기 열교환기를 내부에 수용하여 상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환기를 통과하도록 안내하는 열교환용 케이싱;
상기 격납부의 내부 대기가 상기 열교환기로 전달되도록, 일단부가 상기 격납부의 내부와 연통되고 타단부가 상기 열교환기와 연결되는 제1격납부연결배관; 및
상기 제1격납부연결배관의 일단부에 설치되고, 상기 격납부의 내부 대기를 상기 제1격납부연결배관의 내부로 강제 유동시키는 순환팬;
을 포함하고,
상기 제1격납부연결배관은, 상기 격납부의 내부로 전달되는 증기의 열이 상기 격납부의 외부에 배치된 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며,
상기 동력생성부는, 상기 열교환용 케이싱의 내부에 배치되고, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제1항에 있어서,
상기 원전안전계통은, 사고 발생 관련신호에 따라 작동하여 유체 순환에 의해 상기 원자로냉각재계통에서 전달된 열을 상기 격납부의 외부로 제거하는 피동격납부냉각계통을 포함하고,
상기 피동격납부냉각계통은,
원자로보다 더 높게 위치하도록 상기 격납부의 내부에 배치되고, 원자로에서 냉각재상실사고 또는 증기관 파단사고 발생 시 상기 증기관에서 상기 격납부의 내부로 전달되는 증기를 응축시키며 상기 격납부의 내부 대기를 냉각시키는 열교환기;
상기 격납부의 외부에 배치되고, 상기 격납부의 외부 대기가 내부를 통과하도록 안내하는 열교환용 케이싱;
상기 격납부의 외부 대기가 상기 열교환기로 공급되도록, 일단부가 상기 격납부의 외부와 연통되고, 타단부가 상기 열교환기와 연결되는 제1외부대기연결배관; 및
상기 열교환기에서 발생되는 증기를 상기 열교환용 케이싱으로 방출되도록, 상기 열교환기 및 상기 열교환용 케이싱을 연결하는 제2외부대기연결배관;
상기 제1외부대기연결배관 또는 상기 열교환용 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 격납부의 외부 대기를 상기 열교환기 또는 상기 열교환용 케이싱의 내부로 강제 유동시키는 순환팬;
을 포함하고,
상기 제2외부대기연결배관은, 상기 열교환기에서 상기 열교환용 케이싱으로 전달되는 증기의 열이 상기 동력생성부로 전달되도록, 상기 동력생성부의 열교환부를 경유하며,
상기 동력생성부는, 상기 열교환용 케이싱의 내부 또는 외부에 배치되고, 동력전달부를 구비하여 상기 순환팬을 직접 구동하거나, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 순환팬을 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제24항에 있어서,
상기 피동격납부냉각계통은,
상기 열교환기보다 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되고, 내부에 저장된 비상냉각수를 상기 열교환기로 공급하는 비상냉각수저장부를 더 포함하고, 사고 발생 시 상기 열교환기를 수랭식으로 냉각시킨 후, 공랭식으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 원전. - 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원전안전계통은, 사고 후 상기 원자로냉각재계통과 상기 격납부 내부의 압력이 유사 평형 상태에 도달한 경우에 중력에 의해 냉각수를 안전 주입하는 피동안전주입계통을 포함하고,
상기 피동안전주입계통은,
상기 격납부 내부에 배치되는 제1냉각수저장부;
상기 제1냉각수저장부보다 낮게 위치하도록 상기 격납부의 내부에 설치되고, 내부에 냉각수를 저장하는 제2냉각수저장부;
상기 열교환기에서 응축된 냉각수가 상기 제1냉각수저장부에 전달되도록, 상기 열교환기와 상기 제1냉각수저장부를 연결하는 냉각수연결배관;
상기 제1냉각수저장부에 저장된 냉각수가 원자로의 내부로 안전 주입되도록, 상기 제1냉각수저장부와 상기 원자로를 연결하는 냉각수주입배관;
상기 제2냉각수저장부에 저장된 냉각수가 상기 제1냉각수저장부로 보충되도록, 상기 제1 및 제2냉각수저장부를 연결하는 냉각수보충배관; 및
상기 냉각수보충배관에 설치되고, 안전주입수 보충을 위한 냉각수를 강제 순환 유동시키는 안전주입수 보충 펌프;
를 포함하고,
상기 동력생성부는, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 안전주입수 보충 펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원전안전계통은, 복수의 살수용 노즐이 이격 형성된 분배파이프를 구비하고, 사고 발생 시 상기 격납부의 내부 압력이 상승하는 경우에 상기 살수용 노즐로부터 중력에 의해 냉각수를 상기 격납부의 내부 대기 중으로 살수하여 상기 격납부의 내부 압력을 감소시키는 피동격납부살수계통을 포함하고,
상기 피동격납부살수계통은,
상기 격납부의 저면에 설치되는 제2냉각수저장부;
상기 격납부의 상부에 배치되는 살수저장부;
상기 제2냉각수저장부에 저장된 냉각수가 상기 살수저장부로 보충되도록, 상기 제2냉각수저장부 및 상기 살수저장부를 연결하는 살수보충배관; 및
상기 살수보충배관에 설치되고, 살수보충용 냉각수를 강제 유동시키는 살수 보충 펌프;
를 포함하고,
상기 동력생성부는, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 살수 보충 펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제15항 내지 제17항, 제19항 내지 제22항, 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피동안전계통은,
상기 격납부의 저면 외부에 설치되는 제2냉각수저장부;
상기 열교환기보다 높게 위치하도록 상기 격납부의 외부에 배치되는 비상냉각수저장부;
상기 제2냉각수저장부에 저장된 냉각수가 상기 비상냉각수저장부로 보충되도록, 상기 제2냉각수저장부 및 상기 비상냉각수저장부를 연결하는 비상냉각수보충배관; 및
상기 비상냉각수보충배관에 설치되고, 비상냉각수보충용 냉각수를 강제 유동시키는 비상냉각수 보충 펌프;
를 포함하고,
상기 동력생성부는, 상기 동력을 전기에너지로 발전하도록 발전부를 구비하여 상기 전기에너지에 의해 상기 비상냉각수 보충 펌프를 구동하는 것을 특징으로 하는 원전. - 제11항, 제15항, 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전부로부터 생산된 전기를 충전하도록 충전기를 더 구비하는 원전. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 충전기에 충전된 전기에너지는 비상전원 또는 비상충전기의 전원 보충을 위해 상기 비상전원 또는 상기 비상충전기에 공급되는 것을 특징으로 하는 원전. - 제30항에 있어서,
상기 비상전원 또는 상기 비상충전기는 상기 원전안전계통의 작동 또는 상기 원전안전계통의 작동을 위한 밸브 개폐 또는 상기 원전안전계통의 모니터링을 위한 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 원전.
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