KR101588183B1 - 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법 - Google Patents

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KR101588183B1
KR101588183B1 KR1020140138401A KR20140138401A KR101588183B1 KR 101588183 B1 KR101588183 B1 KR 101588183B1 KR 1020140138401 A KR1020140138401 A KR 1020140138401A KR 20140138401 A KR20140138401 A KR 20140138401A KR 101588183 B1 KR101588183 B1 KR 101588183B1
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이성재
송철화
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 선박에 사용되는 일체형 원자로에 있어서 자연순환 및 강제순환 모드의 용이 전환이 가능하게 함으로써 두 가지 모드를 모두 적용할 수 있도록 하여 원자로 운전 효율을 높이고, 또한 냉각재 순환펌프 배치 구성을 개선함으로써 원자로 내부 구조를 단순화하며 압력 손실을 저감할 수 있도록 하는, 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.

Description

복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법 {Dual mode circulation reactor and operating method for the reactor}
본 발명은 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박에 사용되는 일체형 원자로에 있어서 자연순환 및 강제순환 모드의 용이 전환이 가능하게 함으로써 두 가지 모드를 모두 적용할 수 있도록 하여 원자로 운전 효율을 높이고, 또한 냉각재 순환펌프 배치 구성을 개선함으로써 원자로 내부 구조를 단순화하며 압력 손실을 저감할 수 있도록 하는, 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 도 1은 일반적인 원자력 발전의 원리를 간략하게 도시하고 있다. 압력 용기(또는 원자로용기라고 칭함)내의 핵연료가 핵분열함에 의하여 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 냉각재로 전달되며, 냉각재는 도 1에 진한 화살표로 표시된 바와 같이 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 냉각재가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기발생기로 전달되며, 증기발생기 내의 물은 열에너지에 의하여 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의하여 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 증기발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.
도 1은 원자력 발전의 주체가 되는 계통들만이 도시되었으나, 실제로는 원자로에는 필수적으로 안전 계통이 구비된다. 앞서 설명한 바와 같이 원자로가 작동할 때에는 매우 높은 열이 발생하게 되는데, 이러한 고열 환경은 매우 높은 위험성을 내포하여 원자로 손상 발생 시 대형 사고를 유발할 수도 있기 때문이다. 따라서 원자로의 손상이 발생했을 경우 원자로를 급속히 냉각해 주기 위한 안전 계통이 필수적으로 구비되어야만 하는 것이다. 기존의 원자로에 적용되는 안전 계통 구성으로서, 원자로 용기 내에 수용된 냉각수를 외부로 순환시키는 구성(ex. 피동잔열제거(PRHR) 계통 등), 외부에 별도 수용되어 있던 냉각수를 용기 내로 공급해 주는 구성(ex. 노심보충수탱크(CMT), 안전주입펌프(SI pump) 등) 등이 있으며, 그 예시가 도 2에 도시되어 있다.
한편, 예전에는 최대한 많은 전력을 생산하기 위해서 대형의 원자로를 건설하였으나, 최근 인구 밀도가 낮은 지역에서의 전송 효율 저감 문제 등으로 인하여 소형 원자로의 사용 또한 크게 늘어나고 있다. 또한, 대형 선박 등에 구비되어 전력을 생산하는 원자로의 경우에는 특히 더욱 소형으로 이루어져야 한다. 이러한 소형 및 일체형 원자로는, 도 2에 도시된 바와 같이 압력용기 내에 증기발생기가 구비되는 형태로 이루어진다. 그런데, 이러한 소형 및 일체형 원자로에 대해서는, 종래의 대형 원자로에 적합하도록 연구 및 설계되어 온 여러 안전 계통들이 이러한 소형 및 일체형의 원자로에 적용하기에는 적합하지 않다. 특히 대형 선박 등에 구비되는 일체형 원자로에서는, 공간 확보 문제로 인하여 도 2에 도시된 바와 같은 PRHR, CMT, SI 등의 구조를 적용하는 것이 매우 어렵다. 이에 따라 소형 및 일체형 원자로에 최적화된 안전계통 구조에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다.
일체형 원자로는, 기본적으로 도 2에 도시된 바와 같이 압력용기 내에 원자로노심 및 증기발생기가 함께 구비되는 형태로 이루어지며, 이 때 압력용기 내에 채워져 있는 냉각재가 순환되면서 원자로노심의 냉각 및 증기발생기로의 열전달이 이루어지게 된다. 이러한 냉각재의 순환은 기본적으로는 냉각재 자체의 온도, 압력 등에 따른 밀도 변화로 인하여 자연적으로 이루어지게 되나, 필요 시 순환 펌프를 이용하여 강제적으로 순환 유동을 강화시키기도 한다.
한국특허공개 제2003-0039861호("일체형원자로 스마트의 자연순환운전을 위한 우회유로 및 피동 개폐장치", 이하 선행기술 1)에서는 상술한 바와 같은 원자로에서의 자연순환 및 강제순환의 전환이 가능하도록 하기 위한 구조가 개시된다. 상기 선행기술에서는, 원자로노심, 증기발생기 및 냉각재의 강제순환을 위한 순환펌프를 수용 또는 구비하는 압력용기에서, 냉각재가 순환펌프 쪽으로 흘러가는 유로 즉 강제순환 모드용 유로와 냉각재가 순환펌프를 지나지 않고 흘러감으로써 자연순환이 이루어질 수 있게 하는 우회유로가 이루어지게 구성하고, 이 사이에 압력차에 의해 개폐가 가능하도록 하는 피동개폐장치가 구비되도록 함으로써, 자연순환 및 강제순환의 모드 변경이 가능하도록 한다.
선행기술 1의 경우 개폐장치가 압력차에 의하여 작동되게 때문에 별도의 제어 지시가 불필요하다는 점에서 자연순환 및 강제순환 모드의 용이 전환이 가능하다는 장점이 있으나, 순환펌프가 원자로노심 및 증기발생기가 구비되는 압력용기 상에 구비됨으로써 순환펌프의 교체나 수리 등의 운용이 매우 어렵다는 문제가 있다. 이러한 순환펌프 운용의 문제를 해결하고자 한국특허공개 제2014-0021121호("외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프", 이하 선행기술 2)에서는 펌프가 외부에 구비되도록 하는 구성을 개시하고 있으나, 이 경우 외부순환유로가 따로 구성되어 선행기술 1의 유로 구성과는 전혀 상이해지기 때문에, 선행기술 1의 피동개폐장치 구성을 적용하는 것이 불가능하다.
이러한 여러 가지 문제로 인하여, 자연순환 및 강제순환의 모드 전환이 용이하게 이루어질 수 있으면서도 순환펌프가 원자로 외부에 배치되도록 하는, 일체형 원자로의 개선된 구조에 대한 요구가 꾸준히 있어 왔다.
1. 한국특허공개 제2003-0039861호("일체형원자로 스마트의 자연순환운전을 위한 우회유로 및 피동 개폐장치") 2. 한국특허공개 제2014-0021121호("외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프")
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일체형 원자로에 있어서 자연순환 및 강제순환 모드의 용이 전환이 가능하게 함으로써 두 가지 모드를 모두 적용할 수 있도록 하여 원자로 운전 효율을 높이고, 또한 냉각재 순환펌프 배치 구성을 개선함으로써 원자로 내부 구조를 단순화하며 압력 손실을 저감할 수 있도록 하는, 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합순환 일체형 원자로는, 냉각재가 수용되는 원자로용기(110), 상기 원자로용기(110) 내부 하측에 배치되는 원자로노심(111), 상기 원자로용기(110) 내부에 상기 원자로노심(111)을 둘러싸도록 배치되며 상하가 개방된 통 형상으로 형성되는 노심케이싱(112), 상기 원자로용기(110) 내부에 상기 노심케이싱(112) 측면을 둘러싸도록 배치되는 증기발생기(113)를 포함하여 이루어지는 구동계통과, 상기 원자로용기(110) 외부에 구비되는 순환펌프(120), 일측이 상기 순환펌프(120)와 연결되며 타측이 상기 원자로용기(110) 상측에 연결되는 토출측 순환배관(121), 상기 토출측 순환배관(121) 상에 구비되는 토출측 격리밸브(122), 일측이 상기 순환펌프(120)와 연결되며 타측이 하기의 상부이동기구(130) 상측을 관통하여 상기 노심케이싱(112) 내부와 연통되는 흡입측 순환배관(123), 상기 흡입측 순환배관(123) 상에 구비되는 흡입측 격리밸브(124)를 포함하여 이루어지는 순환계통과, 하부가 개방된 통 형상으로 형성되어 측면이 상기 노심케이싱(112) 측면과 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 맞물려 결합되는 상부이동기구(130), 상기 상부이동기구(130) 측면 상에 형성되는 다수 개의 통공(130a), 상기 상부이동기구(130)를 상측으로 밀어올리는 방향으로 복원력이 작동하도록 배치되는 복원탄성체(131)를 포함하여 이루어지는 전환계통을 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 원자로는, 자연순환운전 시, 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되고, 강제순환운전 시, 상기 통공(130a)이 상기 노심케이싱(112) 측면에 의해 폐쇄되도록 상기 상부이동기구(130)가 하강하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 전환계통은, 상하 방향으로 연장되는 봉 형상으로 형성되어 상기 상부이동기구(130) 상측을 관통하여 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 구비되는 주축부(132a), 상부가 개방된 통 형상으로 형성되어 상기 주축부(132a)와 평행하게 배치되는 수용부(132b), 상기 주축부(132a) 및 상기 수용부(132b)를 고정적으로 연결하는 연결부(132c)를 포함하여 이루어지는 이동부(132)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 토출측 격리밸브(122)는, 상기 토출측 순환배관(121) 출구를 개폐하며 상기 주축부(132a)의 일단과 연결되는 토출측 마개(122a), 일단이 상기 토출측 마개(122a) 하부에 고정되고 타단이 상기 상부이동기구(130) 상단에 고정되는 토출측 탄성체(122b)를 포함하여 이루어지고, 상기 흡입측 격리밸브(124)는, 상기 흡입측 순환배관(123) 입구를 개폐하는 흡입측 마개(124a), 상기 흡입측 마개(124a) 하단으로부터 하측으로 연장 형성되며 상기 수용부(132b)에 수용 배치되는 지지축(124c), 일단이 상기 수용부(132b) 끝단에 고정되고 타단이 상기 지지축(124c) 끝단에 고정되는 흡입측 탄성체(124b)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 복합순환 일체형 원자로의 동작 방법은, 상술한 바와 같이 구성된 원자로를 작동하는 방법으로서, 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되는 단계; 냉각재가 상기 통공(130a)을 통해 배출되어 상기 원자로용기(110) 상측에서 냉각된 후 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 통공(130a)으로 배출되어 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 자연순환운전 단계와, 상기 순환펌프(120)가 작동하여 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력이 상승하는 단계; 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력 상승에 의하여 상기 토출측 격리밸브(122)가 개방되며, 상기 상부이동기구(130)가 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄되는 단계; 상기 토출측 격리밸브(122)에서 배출된 냉각재가 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 노심케이싱(112) 내 압력이 상승하는 단계; 상기 노심케이싱(112) 내 압력 상승에 의하여 상기 흡입측 격리밸브(122)가 개방되는 단계; 냉각재가 상기 흡입측 순환배관(123)으로 흡입되어 상기 순환펌프(120)에 의한 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 강제순환운전 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또는 본 발명의 복합순환 일체형 원자로의 동작 방법은, 상술한 바와 같은 상기 이동부(132)를 포함하여 구성된 원자로를 작동하는 방법으로서, 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되는 단계; 냉각재가 상기 통공(130a)을 통해 배출되어 상기 원자로용기(110) 상측에서 냉각된 후 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 통공(130a)으로 배출되어 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 자연순환운전 단계와, 상기 순환펌프(120)가 작동하여 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력이 상승하는 단계; 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력 상승에 의하여 상기 토출측 격리밸브(122)가 개방되며, 상기 상부이동기구(130)가 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄되며, 상기 이동부(132)의 하강에 의하여 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방되는 단계; 상기 토출측 격리밸브(122)에서 배출된 냉각재가 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 흡입측 순환배관(123)으로 흡입되어 상기 순환펌프(120)에 의한 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 강제순환운전 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 자연순환 및 강제순환을 번갈아 수시로 운전하는 일체형 원자로에 있어서, 상부이동기구의 개방 및 폐쇄가 이루어짐에 따라 자연순환 및 강제순환 모드를 매우 용이하게 전환할 수 있게 함으로써 원자로의 운전 효율을 훨씬 향상할 수 있는 큰 효과가 있다. 특히 자연순환 및 강제순환 모드 간 전환이 압력차에 의하여 별도의 제어 지시 없이도 피동적으로 이루어질 수 있게 함으로써, 운전 편의성을 크게 향상하는 효과도 있다.
또한 본 발명에 의하면, 강제순환 모드일 때 작동되는 냉각재 순환펌프가 원자로 외부에 배치되게 함으로써, 원자로용기 내부 구조를 훨씬 단순화할 수 있는 효과가 있다. 이처럼 원자로용기 내부 구조의 단순화로 인하여, 냉각재 순환펌프의 교체나 수리 등이 훨씬 용이해지며, 더불어 자연순환 모드를 주 운전 모드로 할 경우에는 유동 저항이 줄어듦으로 인하여 압력 손실을 저감하고 운전 효율을 향상하는 효과 또한 얻을 수 있다. 물론 이와 같이 구조의 단순화 및 운용 편의성 향상을 통해, 원자로의 생산 및 운용에 있어서의 비용도 훨씬 절감할 수 있는 경제적 효과 또한 있다.
도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 종래의 안전 계통의 다양한 예시.
도 3은 본 발명의 복합순환 일체형 원자로의 실시예.
도 4는 본 발명의 원자로 상부이동기구의 한 실시예의 상세도.
도 5는 자연순환운전 시 본 발명의 원자로에서의 냉각재 흐름.
도 6은 자연순환운전 시 본 발명의 상부이동기구 상태도 및 냉각재 흐름.
도 7은 과도상태운전 시 본 발명의 원자로에서의 냉각재 흐름.
도 8은 과도상태운전 시 본 발명의 상부이동기구 상태도 및 냉각재 흐름.
도 9는 강제순환운전 시 본 발명의 원자로에서의 냉각재 흐름.
도 10은 강제순환운전 시 본 발명의 상부이동기구 상태도 및 냉각재 흐름.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 복합순환 일체형 원자로 및 그 동작 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 복합순환 일체형 원자로의 실시예이다. 도 3을 통해 본 발명의 복합순환 일체형 원자로의 구성을 설명한다. 본 발명의 복합순환 일체형 원자로는, 도 3에 도시된 바와 같이 원자로용기(110) 등을 포함하여 이루어지는 구동계통과, 순환펌프(120) 등을 포함하여 이루어지는 순환계통과, 상부이동기구(130) 등을 포함하여 이루어지는 전환계통을 포함하여 이루어진다. 여기에서 상기 구동계통은 기존의 일체형 원자로에서의 구동계통과 유사하게 이루어지되, 순환계통 및 전환계통에 있어서 기존의 일체형 원자로와는 상이한 구성으로 이루어짐으로써, 자연순환운전 및 복합순환운전 간의 모드 전환이 용이하게 함과 동시에 순환펌프의 교체, 수리 등의 운용이 용이해지도록 한다.
상기 구동계통은, 기본적으로 냉각재가 수용되는 원자로용기(110) 내에 원자로 구동을 위한 여러 장치들(즉 전력 생산에 관계되는 장치들)이 모두 수용 구비되도록 이루어진다. 상기 원자로용기(110) 내부 하측에 원자로노심(111)이 배치되며, 상기 원자로노심(111)에서의 핵반응에 의하여 발생되는 열이 냉각재로 흡수되어 냉각재가 가열된다. 상기 원자로용기(110) 내부에는 또한 상기 원자로노심(111)을 둘러싸도록 배치되며 상하가 개방된 통 형상으로 형성되는 노심케이싱(112)이 구비되며, 또한 증기발생기(113)가 상기 원자로용기(110) 내부에 상기 노심케이싱(112) 측면을 둘러싸도록 배치된다. 이에 따라, 상기 원자로노심(111)에 의하여 가열된 냉각재가 상기 증기발생기(113) 내를 유통하는 열교환매체에 열을 전달하며, 상기 증기발생기(113) 내 열교환매체가 증발되어 생성된 증기가 외부의 터빈을 회전시킴으로써 전력의 생산이 이루어진다.
상기 순환계통에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 원자로에서, 강제순환운전에 사용되는 순환펌프(120)는 도시된 바와 같이 상기 원자로용기(110) 외부에 구비된다. 기존의 원자로에서는 순환펌프가 원자로용기 내에 구비되는 경우가 많았는데, 이러한 경우 순환펌프를 교체하거나 수리하기 위해서는 원자로 자체를 정지시켜야 하며 또한 이 과정에서 방사능 물질을 함유하는 원자로용기 내 냉각재가 누출될 가능성이 있는 등 여러 어려움이 있었다. 그러나 본 발명에서는 상기 순환펌프(120)가 원자로용기(110) 외부에 구비되도록 하고 있어, 기존의 운용 상의 문제들을 일시에 해결할 수 있다.
상기 순환펌프(120)에는 토출측 순환배관(121) 및 흡입측 순환배관(123)이 구비되어 상기 원자로용기(110)에 연결됨으로써, 상기 원자로용기(110) 내 냉각재를 강제순환시킬 수 있도록 이루어진다. 보다 상세히 설명하면, 상기 토출측 순환배관(121)은, 일측이 상기 순환펌프(120)와 연결되며 타측이 상기 원자로용기(110) 상측에 연결되며, 상기 토출측 순환배관(121) 상에는 토출측 격리밸브(122)가 구비된다. 또한 상기 흡입측 순환배관(123)은, 일측이 상기 순환펌프(120)와 연결되며 타측이 하기의 상부이동기구(130) 상측을 관통하여 상기 노심케이싱(112) 내부와 연통되도록 이루어지며, 상기 흡입측 순환배관(123) 상에는 구비되는 흡입측 격리밸브(124)가 구비된다. 더불어 상기 순환펌프(120)의 순환동작을 보다 원활하게 하기 위하여 상기 흡입측 순환배관(123) 상에 가압기(125)가 더 구비될 수 있다.
상기 전환계통은, 상부이동기구(130) 및 복원탄성체(131)를 포함하여 이루어진다. 상기 상부이동기구(130)는 하부가 개방된 통 형상으로 형성되어 측면이 상기 노심케이싱(112) 측면과 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 맞물려 결합되는데, 상기 상부이동기구(130)의 측면 상에는 다수 개의 통공(130a)이 형성된다. 즉 상기 상부이동기구(130)가 상승하면 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되고, 상기 상부이동기구(130)가 하강하면 상기 노심케이싱(112) 측면에 의해 상기 통공(130a)이 가려짐으로써 폐쇄되도록 이루어지는 것이다. 본 발명에서는, 자연순환운전 시, 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄된다. 또한 강제순환운전 시, 상기 통공(130a)이 상기 노심케이싱(112) 측면에 의해 폐쇄되도록 상기 상부이동기구(130)가 하강하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방된다. (각 운전 모드의 상세한 설명 및 상기 상부이동기구(130)의 상승 또는 하강 동작에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.)
이처럼 본 발명에서는, 상기 상부이동기구(130)의 상승 또는 하강 동작만으로 자연순환운전 및 강제순환운전 간의 모드 전환이 용이하게 이루어지게 할 수 있다. 특히 본 발명에서는 이러한 운전 모드의 전환이 용이할 뿐만 아니라 상술한 바와 같이 순환펌프(120)가 원자로용기(110) 외부에 배치되게 함으로써 교체, 수리 등과 같은 운용에서의 편의성 또한 향상시키는 바, 전반적으로 원자로 운전 효율을 훨씬 향상할 수 있다.
한편 상술한 바와 같이 상기 상부이동기구(130)는 운전 모드의 전환에 따라 상승 또는 하강하게 되는데, 상기 복원탄성체(131)는 상기 상부이동기구(130)를 상측으로 밀어올리는 방향으로 복원력이 작동하도록 배치됨으로써 상기 상부이동기구(130)의 상승이 원활하게 이루어지게 한다. 상기 복원탄성체(131)의 배치는 다양하게 이루어질 수 있는데, 한 예시로서 도 3에 도시된 바와 같이 상기 복원탄성체(131)의 일단은 상기 상부이동기구(130)의 내부 상측에, 타단은 (상기 상부이동기구(130) 상측을 관통하여) 상기 노심케이싱(112) 내에 배치되는 상기 흡입측 순환배관(123)에 각각 고정되도록 할 수 있다. 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상기 복원탄성체(131)의 양단이 상기 상부이동기구(130) 측면 및 상기 노심케이싱(112) 측면에 각각 연결되게 하는 등과 같이 다양한 설계 변경이 가능하다.
도 4는 본 발명의 원자로 상부이동기구의 한 실시예의 상세도를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 상기 상부이동기구(130)가 상승하면 상기 통공(130a)의 개방에 의해 자연순환운전이 이루어지며, 이 때에는 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되어야 하고, 반대로 상기 상부이동기구(130)가 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄될 경우에는 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방되어 강제순환운전이 이루어져야 한다. 이와 같은 동작이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위해, 상기 상부이동기구(130)를 포함하는 전환계통은 도 4와 같은 구성으로 이루어질 수 있다.
도 4의 실시예에서, 상기 전환계통은 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)의 개폐가 서로 연계되어 이루어질 수 있도록 하기 위한 이동부(132)를 더 포함하여 이루어진다. 상기 이동부(132)는, 상하 방향으로 연장되는 봉 형상으로 형성되어 상기 상부이동기구(130) 상측을 관통하여 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 구비되는 주축부(132a), 상부가 개방된 통 형상으로 형성되어 상기 주축부(132a)와 평행하게 배치되는 수용부(132b), 상기 주축부(132a) 및 상기 수용부(132b)를 고정적으로 연결하는 연결부(132c)를 포함하여 이루어진다. 즉 사익 연결부(132c)에 의하여 상기 주축부(132a)가 하강하면 상기 수용부(132b)도 하강하고, 반대의 동작도 마찬가지가 되는 것이다. 이와 같이 이루어진 상기 이동부(132)가 각 격리밸브들에 적절히 연결됨으로써, 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124) 간의 연계 개폐 동작이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
이 때 상기 토출측 격리밸브(122)는, 상기 토출측 순환배관(121) 출구를 개폐하며 상기 주축부(132a)의 일단과 연결되는 토출측 마개(122a), 일단이 상기 토출측 마개(122a) 하부에 고정되고 타단이 상기 상부이동기구(130) 상단에 고정되는 토출측 탄성체(122b)를 포함하여 이루어진다. 또한 상기 흡입측 격리밸브(124)는, 상기 흡입측 순환배관(123) 입구를 개폐하는 흡입측 마개(124a), 상기 흡입측 마개(124a) 하단으로부터 하측으로 연장 형성되며 상기 수용부(132b)에 수용 배치되는 지지축(124c), 일단이 상기 수용부(132b) 끝단에 고정되고 타단이 상기 지지축(124c) 끝단에 고정되는 흡입측 탄성체(124b)를 포함하여 이루어진다.
요약하자면, 도 4의 실시예에서는 상기 토출측 격리밸브(122)는 상기 주축부(132a)에 연결되고, 상기 흡입측 격리밸브(124)는 상기 수용부(132b)에 연결되며, 상술한 바와 같이 상기 주축부(132a) 및 상기 수용부(132b)는 상승 또는 하강이 동일하게 이루어진다. 따라서 상기 이동부(132)의 상승 또는 하강에 따라, 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)에 있어서, 한쪽이 개방되면 다른 한쪽도 개방되며 반대의 동작도 마찬가지가 됨으로써, 격리밸브들 간 개폐 연계가 매우 용이하게 이루어지는 것이다.
이하에서는 본 발명의 원자로에서의 자연순환운전 시, 과도상태운전 시, 강제순환운전 시의 각부 동작, 상태 및 냉각재 흐름을 통해 본 발명의 원자로의 동작 방법을 상세히 설명한다.
도 5는 자연순환운전 시 본 발명의 원자로에서의 냉각재 흐름을, 도 6은 자연순환운전 시 본 발명의 상부이동기구 상태도 및 냉각재 흐름을 각각 도시하고 있다. 자연순환운전 시에는, 상술한 바와 같이 상기 상부이동기구(130)가 상승한 상태가 된다.
자연순환운전 시에는, 먼저 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며, 이에 따라 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄된다. 이 상태에서는 도 5 및 도 6의 화살표로 표시된 바와 같이 냉각재가 상기 통공(130a)을 통해 배출되며, 이렇게 배출된 냉각재는 상기 원자로용기(110) 상측에서 냉각되며, 온도가 낮아지면 밀도가 높아지므로 자연히 하강하게 된다. 이와 같이 하강한 냉각재는 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되며, 사익 노심케이싱(112) 하측에는 상기 원자로노심(111)이 배치되어 있으므로, 냉각재는 상기 원자로노심(111)을 통과하며 다시 가열된다. 이와 같이 냉각재가 가열되면 온도가 높아져서 밀도가 다시 낮아지므로, 가열된 냉각재는 상기 원자로용기(110) 상측을 향해 상승하게 되며, 결국 상기 통공(130a)으로 배출되어 순환이 이루어지게 된다.
도 7은 과도상태운전 시 본 발명의 원자로에서의 냉각재 흐름을, 도 8은 과도상태운전 시 본 발명의 상부이동기구 상태도 및 냉각재 흐름을 각각 도시하고 있다. 과도상태운전이란, 자연순환운전에서 강제순환운전으로 넘어가거나 또는 그 반대의 경우, 즉 전환되는 과정에 있는 상태에서의 운전을 말하는 것이다. 이 때에는 상기 상부이동기구(130)가 완전히 상승하거나 완전히 하강한 상태가 아닌 중간 상태이며, 각 격리밸브들 역시 둘다 개방 또는 둘다 폐쇄된 상태가 아닌 중간 상태에 있게 된다.
즉 과도상태운전 시에는 순환펌프(120)의 강제적인 유동 유도에 의한 강제순환과, 냉각재의 온도에 따른 밀도차에 의하여 자연히 발생되는 자연순환이 혼합되어 일어나며, 이 때 순환배관들, 원자로용기 등 각부 압력차에 의하여 자연순환운전 모드 또는 강제순환운전 모드 쪽으로 완전한 전환이 이루어지게 된다.
도 9는 강제순환운전 시 본 발명의 원자로에서의 냉각재 흐름을, 도 10은 강제순환운전 시 본 발명의 상부이동기구 상태도 및 냉각재 흐름을 각각 도시하고 있다. 강제순환운전 시에는, 상술한 바와 같이 상기 상부이동기구(130)가 하강한 상태가 되는데, 자연순환운전 시 상기 상부이동기구(130)가 상승한 상태에서 강제순환운전으로 전환되는(즉 상기 상부이동기구(130)가 하강하는) 과정은 다음과 같이 이루어진다.
먼저 상기 순환펌프(120)가 작동하여 상기 토출측 순환배관(121)으로 냉각재가 공급됨으로써 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력이 상승한다. 그러면 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력 상승에 의하여 상기 토출측 격리밸브(122)가 개방되며, 상기 토출측 순환배관(121)에서 토출되는 냉각재에 의하여 상기 상부이동기구(130)가 밀려내려감으로써 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄된다. 이후 냉각재가 하강하는 과정은 자연순환운전 시 냉각재의 하강과 유사하게 이루어지는데, 즉 상기 토출측 격리밸브(122)에서 배출된 냉각재는 상기 원자로용기(110) 내 냉각재에 비하여 온도가 낮기 때문에 밀도가 높으며, 따라서 자연히 하강한다. 하강한 냉각재는 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되며, 가열된 냉각재는 상기 노심케이싱(112) 내에서 상승하게 된다.
자연순환운전 시에는 상기 노심케이싱(112) 상부에서 상기 상부이동기구(130) 통공(130a)이 개방되어 있기 때문에 상승한 냉각재가 자연히 통공(130a)을 통해 상기 노심케이싱(112) 밖으로 배출될 수 있으나, 강제순환운전 시에는 상기 상부이동기구(130) 통공(130a)이 폐쇄되어 있기 때문에 상기 노심케이싱(112) 내 압력이 상승한다. 이와 같은 상기 노심케이싱(112) 내 압력 상승에 의하여 상기 흡입측 격리밸브(122)가 개방되면, 냉각재가 상기 흡입측 순환배관(123)으로 흡입되어 상기 순환펌프(120)에 의한 순환이 이루어지게 된다.
상술한 바와 같이 압력차만에 의하여 격리밸브들의 개방 및 폐쇄가 이루어지게 할 수도 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 전환계통에 이동부(132)가 더 구비되어 있음으로써 격리밸브들 간 연계 동작이 보다 원활하게 이루어지게 할 수 있다. 이러한 경우 강제순환운전 시 각부 동작은 다음과 같이 이루어진다.
먼저 상기 순환펌프(120)가 작동하여 상기 토출측 격리밸브(122)가 개방되고, 상기 상부이동기구(130)가 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄되는 단계까지는 앞서의 과정과 동일하다. 다만 이 때, 상기 토출측 격리밸브(122)의 개방에 따라 사익 이동부(132)도 하강하게 되며, 상기 이동부(132)의 하강에 의하여 상기 흡입측 격리밸브(124)가 이 단계에서 미리 개방된다. 이후 냉각재가 하강했다가 상기 원자로노심(111)에서 가열되어 상기 노심케이싱(112) 내에서 재상승하였을 때, 상기 노심케이싱(112) 내 압력이 충분히 높아지지 않더라도 이미 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방되어 있는 상태이기 때문에 냉각재가 원활히 상기 흡입측 순환배관(123)으로 흡입되어, 상기 순환펌프(120)에 의한 순환이 보다 원활하게 이루어진다.
한편 이와 같이 강제순환운전이 이루어지고 있는 상태에서 상기 순환펌프(120)가 정지하면, 상기 토출측 순환배관(121)에서 냉각재가 토출되지 않으므로 상기 상부이동기구(130)를 눌러주는 힘이 작용하지 않는다. 그러면 상기 복원탄성체(131)의 복원력에 의하여 상기 상부이동기구(130)가 자연히 상승하여 자연순환운전으로 전환이 이루어지는 것이다.
이와 같이 본 발명에서는, 단시 상기 순환펌프를 작동시키거나 정지시키는 것만으로 자연순환운전 및 강제순환운전 간의 전환이 매우 용이하고 자유롭게 이루어진다. 즉 본 발명에서는 순환펌프의 동작 또는 정지에 따라 자연히 발생되는 각부 간 압력차를 이용하여 각부의 동작이 이루어지므로, 격리밸브들을 별도로 개폐하는 제어 지시 등을 전혀 필요로 하지 않으며, 따라서 운용 편의성이 극대화되는 것이다. 특히 본 발명의 원자로는, 순환펌프를 원자로용기 외부에 배치시키면서도 이러한 순환모드의 용이 전환이 가능하도록 구성되어, 순환펌프의 교체 또는 수리 등과 같은 운용이 훨씬 용이해지는 장점 또한 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명에서는, 이와 같이 순환펌프가 원자로용기 외부에 배치되게 함으로써, 종래에 원자로용기 내 냉각재가 흘러가는 영역에 순환펌프가 배치되어 흐름 저항을 높임으로써 유동 특성을 불량하게 하였던 문제 또한 해결하여, 냉각재 유동이 훨씬 원활하게 이루어지게 함으로써 궁극적으로는 원자로 운전 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
110: 원자로용기 111: 원자로노심
112: 노심케이싱 113: 증기발생기
120: 순환펌프
121: 토출측 순환배관 122: 토출측 격리밸브
122a: 토출측 마개 122b: 토출측 탄성체
123: 흡입측 순환배관 124: 흡입측 격리밸브
124a: 흡입측 마개 124b: 흡입측 탄성체
124c: 지지축 125: 가압기
130: 상부이동기구 130a: 통공
131: 복원탄성체
132: 이동부 132a: 주축부
132b: 수용부 132c: 이동부

Claims (5)

  1. 냉각재가 수용되는 원자로용기(110), 상기 원자로용기(110) 내부 하측에 배치되는 원자로노심(111), 상기 원자로용기(110) 내부에 상기 원자로노심(111)을 둘러싸도록 배치되며 상하가 개방된 통 형상으로 형성되는 노심케이싱(112), 상기 원자로용기(110) 내부에 상기 노심케이싱(112) 측면을 둘러싸도록 배치되는 증기발생기(113)를 포함하여 이루어지는 구동계통과,
    상기 원자로용기(110) 외부에 구비되는 순환펌프(120), 일측이 상기 순환펌프(120)와 연결되며 타측이 상기 원자로용기(110) 상측에 연결되는 토출측 순환배관(121), 상기 토출측 순환배관(121) 상에 구비되는 토출측 격리밸브(122), 일측이 상기 순환펌프(120)와 연결되며 타측이 하기의 상부이동기구(130) 상측을 관통하여 상기 노심케이싱(112) 내부와 연통되는 흡입측 순환배관(123), 상기 흡입측 순환배관(123) 상에 구비되는 흡입측 격리밸브(124)를 포함하여 이루어지는 순환계통과,
    하부가 개방된 통 형상으로 형성되어 측면이 상기 노심케이싱(112) 측면과 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 맞물려 결합되는 상부이동기구(130), 상기 상부이동기구(130) 측면 상에 형성되는 다수 개의 통공(130a), 상기 상부이동기구(130)를 상측으로 밀어올리는 방향으로 복원력이 작동하도록 배치되는 복원탄성체(131)를 포함하여 이루어지는 전환계통
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합순환 일체형 원자로.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 원자로는
    자연순환운전 시, 상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되고,
    강제순환운전 시, 상기 통공(130a)이 상기 노심케이싱(112) 측면에 의해 폐쇄되도록 상기 상부이동기구(130)가 하강하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방되는 것을 특징으로 하는 복합순환 일체형 원자로.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전환계통은
    상하 방향으로 연장되는 봉 형상으로 형성되어 상기 상부이동기구(130) 상측을 관통하여 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 구비되는 주축부(132a), 상부가 개방된 통 형상으로 형성되어 상기 주축부(132a)와 평행하게 배치되는 수용부(132b), 상기 주축부(132a) 및 상기 수용부(132b)를 고정적으로 연결하는 연결부(132c)를 포함하여 이루어지는 이동부(132)를 더 포함하여 이루어지며,
    상기 토출측 격리밸브(122)는, 상기 토출측 순환배관(121) 출구를 개폐하며 상기 주축부(132a)의 일단과 연결되는 토출측 마개(122a), 일단이 상기 토출측 마개(122a) 하부에 고정되고 타단이 상기 상부이동기구(130) 상단에 고정되는 토출측 탄성체(122b)를 포함하여 이루어지고,
    상기 흡입측 격리밸브(124)는, 상기 흡입측 순환배관(123) 입구를 개폐하는 흡입측 마개(124a), 상기 흡입측 마개(124a) 하단으로부터 하측으로 연장 형성되며 상기 수용부(132b)에 수용 배치되는 지지축(124c), 일단이 상기 수용부(132b) 끝단에 고정되고 타단이 상기 지지축(124c) 끝단에 고정되는 흡입측 탄성체(124b)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합순환 일체형 원자로.
  4. 제 1항에 의한 원자로를 작동하는 방법으로서,
    상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되는 단계; 냉각재가 상기 통공(130a)을 통해 배출되어 상기 원자로용기(110) 상측에서 냉각된 후 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 통공(130a)으로 배출되어 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 자연순환운전 단계와,
    상기 순환펌프(120)가 작동하여 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력이 상승하는 단계; 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력 상승에 의하여 상기 토출측 격리밸브(122)가 개방되며, 상기 상부이동기구(130)가 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄되는 단계; 상기 토출측 격리밸브(122)에서 배출된 냉각재가 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 노심케이싱(112) 내 압력이 상승하는 단계; 상기 노심케이싱(112) 내 압력 상승에 의하여 상기 흡입측 격리밸브(122)가 개방되는 단계; 냉각재가 상기 흡입측 순환배관(123)으로 흡입되어 상기 순환펌프(120)에 의한 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 강제순환운전 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합순환 일체형 원자로의 동작 방법.
  5. 제 3항에 의한 원자로를 작동하는 방법으로서,
    상기 통공(130a)이 노출되어 개방되도록 상기 상부이동기구(130)가 상승하며 상기 토출측 격리밸브(122) 및 상기 흡입측 격리밸브(124)가 폐쇄되는 단계; 냉각재가 상기 통공(130a)을 통해 배출되어 상기 원자로용기(110) 상측에서 냉각된 후 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 통공(130a)으로 배출되어 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 자연순환운전 단계와,
    상기 순환펌프(120)가 작동하여 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력이 상승하는 단계; 상기 토출측 순환배관(121) 내 압력 상승에 의하여 상기 토출측 격리밸브(122)가 개방되며, 상기 상부이동기구(130)가 하강하여 상기 통공(130a)이 폐쇄되며, 상기 이동부(132)의 하강에 의하여 상기 흡입측 격리밸브(124)가 개방되는 단계; 상기 토출측 격리밸브(122)에서 배출된 냉각재가 하강하는 단계; 냉각재가 상기 노심케이싱(112) 하측으로 유입되어 상기 원자로노심(111)을 통과하며 가열되는 단계; 가열된 냉각재가 상승하여 상기 흡입측 순환배관(123)으로 흡입되어 상기 순환펌프(120)에 의한 순환이 이루어지는 단계;를 포함하여 이루어지는 강제순환운전 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합순환 일체형 원자로의 동작 방법.
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