KR101588827B1 - 소형 원자력 발전소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소형 원자력 발전소에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수를 이용하여 증기를 냉각하지 않고 복수기 상단부에 구비된 가압기로 복수기 내부를 가압하여 복수를 하는 소형 원자력 발전소에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 소형 원자력 발전소는, 핵연료를 핵분열시켜 고온의 열을 발생하는 원자로와, 상기 원자로에서 발생한 고온의 열에 의해 내부의 물을 증기로 변환하는 증기발생기와, 상기 증기발생기에서 발생한 증기에 의해 회전하는 증기터빈과 상기 증기터빈 축에 연결되어 같이 회전하여 발전하는 발전기로 이루어지는 터빈/발전기, 및 상기 증기터빈을 회전시키고 난 증기를 고압에 의해 증기 온도의 물로 환원하여 상기 증기발생기에 다시 공급하는 복수기를 포함하여 구성된다.

Description

소형 원자력 발전소 {SMALL NUCLEAR POWER PLANT}
본 발명은 소형 원자력 발전소에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수를 이용하여 증기를 냉각하지 않고 복수기 상단부에 구비된 가압기로 복수기 내부를 가압하여 복수를 하는 소형 원자력 발전소에 관한 것이다.
원자력 발전소에서 원자력 발전의 원료로는 예를 들어 우라늄(U)을 이용한다.
이 우라늄은 원자량이 235와 238이 있는데, 이 중 우라늄 235가 핵분열 될 때 막대한 에너지가 발생하게 된다.
이것은 아인슈타인의 질량 에너지 등가 원리를 통해 이해할 수 있는데, 우라늄 235가 깨지면서 약간의 질량이 감소하고, 이 감소한 질량에 해당되는 양의 에너지가 발생하게 되는 것이다.
이처럼 질량을 에너지로 바꾸면, 지극히 소량의 물질로부터 아주 많은 에너지를 얻을 수 있다.
그러므로 우라늄 235가 연속적으로 핵분열을 일으키도록 하면, 아주 많은 열을 계속해서 얻을 수 있고, 여기에서 생기는 열로 증기를 생산하여 전기를 얻는 데 이용할 수 있다.
이렇게 전기를 생산하는 발전소를 원자력 발전소라 하고, 상기 원자력 발전소는 지금까지 경제성이나 안전성 및 환경보존성 등에 있어서 수력발전소나 화력발전소에 비해 우월한 운전 성능을 보이며, 중요한 전력생산수단으로 자리 잡아 왔다.
이와 같은 원자력 발전은 핵분열 물질의 핵분열 과정에서 발생하는 방사성 물질이 비정상적으로 누출되는 사고가 발생하면 대형 재해로 발전할 염려가 있으므로, 원자력 발전소의 안전성은 항상 최우선 과제로 다루어져 왔다.
이를 위해 원자로와 같은 주요 구성은 격납 건물 내부에 위치시키고 냉각매로 이용되는 물(이하 '제1물')과 증기로 이용되는 물(이하 '제2물')을 분리하여 서로 다른 경로를 통해 순환시키고 있는 바, 이를 도 1을 참고로 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 원자력 발전소의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 국내에서 이용되는 가압경수로(Pressurized Water Reactor, PWR) 방식의 원자력 발전소는 크게 원자로(2), 가압기(4), 증기발생기(6), 터빈/발전기(7) 및 복수기(8)를 포함하여 구성되고, 이중 원자로(2), 가압기(4), 증기발생기(6)는 안전을 위해 격납 건물(1) 내부에 위치한다.
상기 원자로(2)는 핵연료에서 핵분열을 통해 발생한 열로 제1물을 고온으로 가열한다.
이때 원자로(2)의 제어봉(3)은 열중성자를 잘 흡수하는 재료로 이루어지고, 원자로(2)의 노심에 넣었다 뺐다 하면서 핵연료의 반응을 조절한다.
가압기(4)는 핵분열 지속하는 원자로(2) 속의 온도가 더 올라가지 않도록(원자로 안의 제1물이 끊지 않도록) 고압 상태를 유지시켜 주고, 냉각재(제1물)의 완충 탱크 역할을 하며, 정상운전 중 원자로 냉각재의 팽창 및 응축 공간을 제공하고 압력을 일정하게 유지하여 과도 상태시 압력 변동을 억제한다.
증기발생기(6)는 고온 고압의 제1물을 제2물과 열 교환하여 증기를 발생시킨다.
터빈/발전기(7)는 증기발생기를 통하여 발생한 증기로 터빈(7a)이 회전하고, 터빈 축과 연결되어 있는 발전기(7b)의 축이 함께 회전을 하면서 전기를 만들게 된다.
복수기(8)는 전기를 만들고 난 증기를 냉각수(바닷물 또는 강물)와의 열 교환 방식에 의해 냉각시켜 제2물로 환원하고 이를 다시 증기발생기(6)로 보내게 된다.
제1물과 제2물의 흐름을 좀 더 설명하면, 냉각재펌프(5)에 의해 제1물은 원자로(2)를 통과하여 시계방향으로 순환하면서 가압기(4)와 증기발생기(6) 하단을 지나간다.
일반적으로 물은 100℃를 넘으면 끓어서 증기가 되는 바, 이를 방지하기 위해 가압기(4)를 통해 높은 압력을 가해서, 제1물이 증기로 변화하지 않고 증기발생기(6)까지 이동한다.
배관을 따라 증기발생기(6) 아래쪽 입구로 들어온 고온 고압의 제1물은 증기발생기(6) 안의 제2물과 분리되어 열 교환 방식으로 열을 가해 제2물을 증기로 만든다.
이처럼 가압경수로에서는 원자로(2)를 통과한 방사능을 띤 제1물과 증기발생기(6)의 제2물이 분리되어 있기 때문에 만약의 사고가 발생하여도, 방사능을 띤 제1물을 격납 건물(1) 안에 가둘 수 있도록 조치할 수 있어 안전하다.
한편, 증기발생기(6)에서 발생한 증기는 관을 따라 터빈(7a)으로 이동하여 발전기(7b)를 돌려 전기 에너지를 만들어 낸다.
이후 터빈(7a)을 돌리고 나온 증기는 복수기(8)로 이동하고, 복수기(8) 안의 증기는 냉각수펌프(9)를 통해 외부에서 들어온 차가운 냉각수가 흐르는 냉각관(11)에 의해서 다시 제2물로 변하여 주급수펌프(10)에 의해 증기발생기(6)에 다시 공급되어 순환된다.
즉, 종래에는 복수기(8)에서 증기를 복수할 때 냉각관(11)을 증기가 통과하면서 복수가 되도록 하는 구조여서, 현재의 원자력 발전소는 대량의 냉각수가 필수적으로 필요하여 대부분 바닷가나 강 근처에 세워야 하므로, 설치 장소에 제한이 있고, 원자로(2)의 제어봉(3), 터빈(7a), 냉각 기능이 동시에 고장이 난 경우 대책을 세우지 못하고 큰 화를 입을 우려가 있었다.
공개번호 제10-2014-0103273호(공개일자 2014년08월26일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 냉각수를 이용하여 증기를 냉각하지 않고 복수기 상단부에 구비된 가압기로 복수기 내부를 가압하여 복수를 함으로써 냉각수가 필요 없어 사막과 같은 장소에 구애받지 않고 원자력 발전소를 건설할 수 있고, 소형 원자력 엔진으로도 제작이 가능한 소형 원자력 발전소를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 제공하고자 하는 목적은 증기발생기로 원자로 주위를 감싸 열 손실을 최소화하고 이에 의해 원자로가 초고온화되는 것을 늦출 수 있으며, 하나의 원자로에 복수의 터빈을 구성하여 안정성을 더 향상시킬 수 있는 소형 원자력 발전소를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 소형 원자력 발전소는 핵연료를 핵분열시켜 고온의 열을 발생하는 원자로;
상기 원자로에서 발생한 고온의 열에 의해 내부의 물을 증기로 변환하는 증기발생기;
상기 증기발생기에서 발생한 증기에 의해 회전하는 증기터빈과, 상기 증기터빈 축에 연결되어 같이 회전하여 발전하는 발전기로 이루어지는 터빈/발전기; 및
상기 증기터빈을 회전시키고 난 증기를 고압에 의해 물로 환원하여 상기 증기발생기에 다시 공급하는 복수기;
를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 증기발생기는 원자로 주위를 감싸도록 구성되고,
상기 증기터빈은 복수 개로 이루어져 각각 증기로를 통해 하나의 증기발생기에 연결되며,
상기 증기로와 연결된 증기발생기의 각 출구에는 개폐수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원자로, 증기발생기, 증기터빈, 복수기, 증기로의 외부에 노출되는 외벽은 소정간격을 두고 2중으로 형성되어 그 사이의 공간에 진공층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수기는 복수기의 상부에 2개 이상 마련된 가압기에 의해 복수기 내부를 가압하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수기는 가압기에 의해 밀폐된 복수기 내부의 압력을 높인 후 증기를 복수기 내부에 강제로 유입시켜 물로 환원하거나, 증기유입부가 복수기 상부에 위치하여 증기가 복수기 내부로 유입되면 가압기에 의해 가압을 하여 증기를 물로 환원하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 냉각수를 이용하여 증기를 냉각하지 않고 복수기 상단부에 구비된 가압기로 복수기 내부를 가압하여 복수를 함으로써 냉각수가 필요 없어 사막과 같은 장소에 구애받지 않고 원자력 발전소를 건설할 수 있고, 소형 원자력 엔진으로도 제작이 가능하다.
또한, 증기발생기로 원자로 주위를 감싸 열 손실을 최소화하고 이에 의해 원자로가 초고온화되는 것을 늦출 수 있으며, 하나의 원자로에 복수의 터빈을 구성하여 안정성을 더 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 원자력 발전소의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 원자력 발전소의 구성을 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 원자력 발전소의 구성을 나타내는 개략적인 측면도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다.
도시된 바와 같이 소형 원자력 발전소는 원자로(110), 증기발생기(120), 터빈/발전기(130), 복수기(140) 및 가압기(160)를 포함하여 구성된다.
원자로(110)는 우라늄 235와 같은 핵연료를 핵분열시켜 고온의 열을 발생한다.
증기발생기(120)는 상기 원자로(110)의 주위를 감싸는 형태로 구성되어 원자로(110)에서 발생한 고온의 열에 의해 내부의 물을 증기로 만들어 터빈/발전기(130)의 증기터빈(130a)으로 보낸다.
상기 증기발생기(120)의 외벽은 도 2의 원형 확대도에 도시된 바와 같이 소정간격을 두고 제1외벽(120a)과 제2외벽(120b)으로 이중으로 형성하고, 그 사이의 공간(122)을 진공 상태로 만들어 진공층을 형성함으로써 외부에 뺏기는 열손실을 최대한 줄인다.
상기 증기터빈(130a)은 상기 증기발생기(120)와 증기로(170)를 통해 연결되어 증기발생기(120)에서 발생한 증기에 의해 회전하고, 이때 증기터빈(130a) 축과 연결되어 있는 발전기(130b)의 축이 함께 회전을 하면서 발전기(130b)에서 전기를 만들게 된다.
이때 증기발생기(120)와 증기로(170)의 연결부(증기발생기 배출구측)에는 증기터빈(130a)의 고장이나 수리시 증기를 차단하기 위한 개폐수단(150)이 구비된다.
또한, 상기 증기터빈(130a)은 다수 개로 구성되며 각 증기터빈(130a)의 축은 각 발전기(130b)의 축과 연결된다.
이와 같이 증기터빈(130a)을 2개 이상의 다수로 구성하는 이유는 1대의 증기터빈이 고장나더라도 다른 증기터빈이 정상 동작하여 원자로(110)가 초고온화되는 되는 것을 방지함으로써 사고나 발전에 문제가 없도록 하기 위해서이다.
예를 들어 4개의 증기터빈(130a)을 동작하는 중에 1개의 증기터빈(130a)이 고장나는 경우, 그 고장난 증기터빈으로 향하는 증기로(170)의 개폐수단(150)을 차단하여 증기가 공급되지 않도록 한 상태에서 그 고장난 증기터빈(130a)을 정지시킨다.
또한, 발전열량이 초과될 경우에 원자로(110)에 구비된 제어봉으로 원자력 발전량을 조절하면 된다.
상기 증기터빈(130a)을 회전시키고 나온 증기는 복수기(140)에 공급된다.
상기 복수기(140)는 상부에 가압기(160)를 다수 구비하여 이 가압기(160)에 의해 가압을 해서 복수기 내부의 압력을 높임으로써 증기를 물로 환원한다.
상기 가압기(160)는 도 1에 나타낸 종래의 가압기(4)와 같은 기능을 하는 것으로 복수기(140) 내부에 고압을 유지하여 물로 환원할 수 있도록 한다.
예를 들어 증기터빈(130a)을 회전시키고 나온 증기가 100기압에서 250℃인 경우, 가압기(160)로 복수기(140)에 압력을 가해 복수기(140) 내부의 압력이 200기압이 되면 250℃의(시간 경과에 따른 자연적인 온도 하강을 무시하는 경우) 물로 환원된다.
삭제
상기 증기터빈(130a)에서 복수기(140)에 증기를 공급하여 복수하는 방식은 2가지이다.
첫째는 가압기(160)에 의해 밀폐된 복수기(140) 내부의 압력을 높인 후 증기를 복수기(140) 내부에 강제로 유입시켜 물로 환원하는 방식이다.
둘째는 증기 유입부가 복수기(140) 상단에 위치하여 증기가 복수기 내부로 유입되면 가압기(160)에 의해 가압을 하여 물로 환원하는 방식이다.
상기 둘째 방식은 가압시 증기가 복수기(140) 내부로 유입되는데 방해가 되지 않을 때 사용할 수 있다.
이와 같이 하여 복수기(140)에 의해 환원된 물은 다시 증기발생기(120)에 공급되어 순환된다.
이때 물을 증기발생기(120) 쪽으로 배출하는 복수기(140)의 배출구측에는 복수기 내부의 온도를 측정하는 온도계(미도시)와, 터빈/발전기(130)의 회전에 의해 발생하여 온도계에 전달되는 감소시키는 진동감소부재(미도시)를 더 구비하여 고진동으로 인한 온도계의 파손을 방지할 수도 있다.
또한, 상기 복수기(140)는 가벼우면서도 표면에 형성된 TiO₂산화피막의 화학적 안정성에 기인한 뛰어난 내식성을 갖는 Ti나 Ti 합금 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같이 상단에 가압기(160)가 구비된 복수기(140)는 화력 발전소에도 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 원자로(110), 증기터빈(130a), 복수기(140), 증기로(170) 등의 외부에 노출되는 외벽은 도 2에 나타낸 증기발생기(120)처럼 외벽을 2중으로 해서 그 사이에 진공층을 형성함으로써 열손실을 줄인다.
이와 같은 소형 원자력 발전기(100)는 지하 100m 이상의 깊이에 설치하고 터빈/발전기(130)에서 발생한 전기만 전력 케이블 등을 이용해 지상으로 보냄으로써 방사능 유출을 방지할 수 있다.
이와 같이 복수기(140) 내부에 가압을 하여 증기를 200℃ 이상의 물로 환원한 후 다시 증기발생기(120)에 공급하면 종래 해수(냉각수)에 의해 60℃ 물을 냉각할 때보다 훨씬 더 높은 열에너지 보존 효율을 갖게 되고, 별도의 냉각수가 없어도 되므로 초소형 원자력 발전소의 건설이 가능해지며, 바닷가가 아닌 사막에도 건설이 가능하다.
즉, 가압에 의해 200℃ 이상의 물을 증기발생기(120)에 공급함으로써 종래 60℃ 물로 냉각하여 증기발생기(120)에 공급할 때보다, 증기발생기(120)에서 더 적은 열에너지로 증기를 발생할 수 있어 더 높은 열에너지 보존 효율을 갖게 된다.
또한, 이러한 가압 복수의 원리를 적용하여 소형화하면 원자력 엔진이 된다.
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이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100: 원자력 발전소 110: 원자로
120: 증기발생기 130: 터빈/발전기
130a: 증기터빈 130b: 발전기
140: 복수기 150: 개폐수단
160: 가압기 170: 증기로

Claims (8)

  1. 핵연료를 핵분열시켜 고온의 열을 발생하는 원자로;
    상기 원자로에서 발생한 고온의 열에 의해 내부의 물을 증기로 변환하는 증기발생기;
    상기 증기발생기에서 발생한 증기에 의해 회전하는 증기터빈과, 상기 증기터빈 축에 연결되어 같이 회전하여 발전하는 발전기로 이루어지는 터빈/발전기; 및
    상기 증기터빈을 회전시키고 난 증기를, 2개 이상 마련된 가압기를 이용하여 고압으로 가압해서 물로 환원하고 이를 상기 증기발생기에 다시 공급하며 Ti나 Ti 합금 재질로 이루어진 복수기; 를 포함하되,
    상기 증기발생기는 원자로 주위를 감싸도록 구성되고,
    상기 증기터빈은 복수 개로 이루어져 각각 증기로를 통해 하나의 증기발생기에 연결되며, 상기 증기로와 연결된 증기발생기의 각 출구에는 개폐수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 원자력 발전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원자로, 증기발생기, 증기터빈, 복수기, 증기로의 외부에 노출되는 외벽은 소정간격을 두고 2중으로 형성되어 그 사이의 공간에 진공층이 형성되는 것을 특징으로 하는 소형 원자력 발전기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수기는 가압기에 의해 밀폐된 복수기 내부의 압력을 높인 후 증기를 복수기 내부에 강제로 유입시켜 물로 환원하거나, 증기유입부가 복수기 상부에 위치하여 증기가 복수기 내부로 유입되면 가압기에 의해 복수기 내부를 가압하여 증기를 물로 환원하는 것을 특징으로 하는 소형 원자력 발전기.
  7. 삭제
  8. 삭제
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