KR101743910B1 - 수동형 원자로 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

원자로 정지 사고 시 가용 전력 없이 작동될 수 있는 수동형 냉각 성능이 구비된 원자로 냉각시스템이 개시된다. 일 실시예에서, 시스템은 핵 연료 노심을 가지는 원자로 용기 및 이와 유체 연결되는 증기발생기를 포함한다. 일차 냉각재는 원자로 용기와 증기발생기 사이의 유동 루프를 순환하고, 증기발생기의 이차 냉각재를 가열하고 증기를 생성한다. 증기는 수중 튜브 번들이 침수된 저장 냉각수가 담긴 열교환기로 흐른다. 증기는 열교환기에서 응축되고 증기발생기로 복귀하여 유동 폐루프를 형성하되, 이차 냉각재 유동은 가열 및 냉각 사이클로부터 밀도 변화에 의한 자연 중력으로 구동된다. 다른 실시예들에서, 냉각시스템은 수중 튜브 번들 열교환기를 이용하여 일차 냉각재를 직접 인출하고 냉각하도록 구성된다.

Description

수동형 원자로 냉각시스템{PASSIVE REACTOR COOLING SYSTEM}

본 출원은 2013년 5월 28일에 출원된 미국 가출원 번호 61/827,943호에 대하여 우선권을 주장하고, 그의 모든 내용은 참조로서 본 출원에 포함된다.

본 발명은 원자로에 관한 것으로, 특히, 정지 운전을 위한 수동형 냉각시스템을 가지는 원자로 및 원자로 격납시스템에 관한 것이다.

원자로의 격납은 핵분열이 수행되어 압력증기를 생산하는 원자력 발전소 증기 공급 설비(NSSS: nuclear steam supply system)과의 환경적 격리를 제공하는 인클로저(enclosure)로 정의한다. 상업적 원자로는 편의를 위해 가정할 수 있는 가장 심한 사고로부터 기인하는 온도와 압력을 견딜 수 있는 압력 유지 구조물 내에서 둘러싸여야 할 필요가 있다. 원자로와 그 격납에 대해 가정할 수 있는 가장 심한 에너지 방출사고는 두 가지 형태가 있을 수 있다.

우선, 냉각재 분실사고(LOCA: loss-of-coolant accident)가 따르는 사고는 격납공간에서 원자로 냉각재의 갑작스러운 방출로 인하여 원자력 발전소 증기 공급 설비(NSSS)로부터 대량의 열에너지의 급속한 방출을 포함한다. 갑자기 감압된 원자로 냉각재는 격렬하게 폭발하여 격납공간에서 압력 및 온도의 급격한 상승을 초래한다. 격납공간 내부는 공기와 증기가 혼합된다. 냉각재 분실사고(LOCA)는 원자로 냉각재를 운반하는 파이프의 갑작스러운 파손을 가정하여 신뢰성 있게 가정할 수 있다.

격납의 무결성에 대한 잠재적인 위험의 열과 관련된 다른 제2의 사고는 원자력 발전소 증기 공급 설비(NSSS)로부터의 모든 열 방출경로가 상실되어 원자로가 긴급 정지 ("scram")되는 시나리오이다. 발전소 정전이 이러한 경우이다. 원자로에서 생성된 붕괴열은 통제할 수 없는 압력 상승으로부터 원자로를 보호하기 위하여 제거되어야 한다.

최근에, 격납구조물은 또한 규제기관에 의해 항공기 충돌의 충격을 견디도록 요구된다. 격납구조물은 일반적으로 대규모의 철근콘크리트 돔으로 지어져서 냉각재 분실사고(LOCA)로 인한 내부압력을 견딘다. 격납구조물의 두꺼운 콘크리트 벽이 항공기 충격을 견딜 수 있다고 해도, 불행히도, 열에 대한 양호한 절연체여서, (열교환기 및 펌프를 이용하여) 불필요한 열을 외부 환경으로 방출하는 (압력상승을 최소화하거나 붕괴열을 제거하는) 펌핑 열 방출 시스템이 요구된다. 하지만, 이러한 열방출시스템은 펌프에 동력을 공급하는 강력한 전원(예를 들어, 외부 또는 지역 디젤 발전기)에 의존한다. 쓰나미로 인한 후쿠시마에서의 발전소 정전은 펌프에 의존하는 어리석음을 그대로 알려주는 것이다. 현재기술 수준에서의 상기 결점들에 대해 개선된 원자로 격납시스템이 요청되고 있다.

상기 격납 냉각 문제 외에도, 원자로는 정지된 후에도 계속하여 상당량의 열에너지를 발생시킨다. 도 20은 긴급정지 (즉, 제어봉 또는 기타 수단의 신속한 삽입에 의한 연쇄 반응의 돌발 중단)에 이은 경수로의 전형적인 발열 곡선을 도시한 것이다. 상기된 바와 같이, 현재 원자로 설계에 있어서, 원자로 붕괴열은 열에너지를 발전소에서 보관되는 적합한 냉각수원로 이송시키는 펌프 및 열교환기 시스템을 활용하는 발전소 잔류열 제거 (RHR) 시스템에 의해 제거된다. 도 20에 도시된 바와 같이, 원자로 붕괴열은 시간 경과에 따라 기하급수적으로 약화되지만 발생된 열이 제거되지 않는다면 여전히 원자로 안정성을 위협하는 정도로 상당하다 (후쿠시마 경우와 같이 원자로 열을 인출하는 펌프가 쓰나미로 인한 수위 상승으로 전동기가 침수되어 고장난 경우). 후쿠시마 재난은 극한의 환경 조건에서 강제 유동 (펌프 의존) 시스템의 취약성에 대한 냉철한 교훈을 제공하였다.

개선된 원자로 냉각 시스템이 요망된다.

본 개시에 의한 원자로 냉각 시스템은 상기된 바와 같이 가용 전력 공급이 필요한 펌프 및 전동기에 대한 임의의 의존성 및 단점 없이 원자로의 붕괴열을 방출하기 위한 완전 수동형 수단을 제공한다.

일 실시예에서, 냉각 시스템은 냉각 시스템을 통한 유동을 유도하기 위하여 전적으로 중력 및 가변 유체 밀도에 의존한다. 일 실시예에서, 이러한 중력 구동 시스템은 수중 번들 냉각 시스템 (SBCS)으로 구성되고 편의상 칭한다 (이러한 임의적 명명으로 어떠한 양태에서도 한정하는 것이 아니다). 냉각 시스템은 발전소의 랭킨 사이클을 통한 연료봉으로부터 정상적인 열 방출 경로가 상실되는 발전소 정전 또는 다른 가정된 사고 시나리오 경우에 원자로 일차 냉각재로부터 열을 수동적으로 인출하도록 설계된다.

일 실시예에서, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템은 내부에 핵 연료봉을 수용하고, 연료봉에 의해 가열되는 일차 냉각재가 담기는 원자로 용기, 및 원자로 용기와 유체 연결되고 액체 이차 냉각재가 담기는 증기발생기를 포함한다. 일차 냉각재는 원자로 용기 및 증기발생기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환하고, 일차 냉각재는 열을 상기 증기발생기의 이차 냉각재로 전달하고 이차 냉각재 증기를 생성한다. 열교환기는 저장 액체인 제3 냉각재 및 제3 냉각재에 침수되는 튜브 번들을 포함한다. 이차 냉각재는 중력 유동에 의해 수중 튜브 번들 및 증기발생기 사이의 제2 유동 폐루프를 순환한다. 이차 냉각재 증기는 증기발생기에서 인출되어 제2 유동 폐루프에서 튜브 번들로 유동되고, 응축되어 응축수를 형성하고, 응축수는 다시 상기 증기발생기로 흐른다.

또 다른 실시예에서, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템은 내부에 핵 연료봉을 수용하고, 연료봉에 의해 가열되는 일차 냉각재가 담기는 원자로 용기, 및 저장 냉각수 및 냉각수에 침수되는 튜브 번들을 포함하는 열교환기를 포함한다. 일차 냉각재는 중력 유동에 의해 수중 튜브 번들 및 원자로 용기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환하고, 일차 냉각재는 열을 열교환기의 저장 냉각수로 전달하고 원자로 용기로 다시 유동하기 전에 냉각된다.

또 다른 실시예에서, 정지 후 수동적 원자로 냉각 방법이 제공된다. 본 방법은, 핵 연료봉으로 원자로 용기의 일차 냉각재를 가열하는 단계; 이차 냉각재 증기를 생성하기 위하여 가열된 일차 냉각재로 증기발생기의 이차 냉각재를 가열하는 단계; 증기발생기에서 이차 냉각재 증기를 인출하는 단계; 인출된 이차 냉각재 증기를 압력 용기 내의 저장 냉각수에 침수된 튜브 번들로 유동시키는 단계; 이차 냉각재 응축수를 형성하기 위하여 이차 냉각재 증기를 응축시키는 단계; 및 이차 냉각재 응축수를 증기발생기로 복귀시키는 단계를 포함하고; 이차 냉각재 증기 및 응축수는 튜브 번들 및 증기발생기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환한다. 일 실시예에서, 본 방법은, 압력 용기의 냉각수를 이차 냉각재 증기로 가열하는 단계; 냉각수 일부를 증기 상으로 전환하는 단계; 압력 용기로부터 냉각수 증기를 인출하는 단계; 인출된 냉각수 증기를 히트싱크와 열적 유통되는 원자로 격납 용기에 부착되는 방열기 덕트로 유동시키는 단계; 냉각수 증기를 응축하는 단계; 및 저장 냉각수를 보충하기 위하여 응축된 냉각수를 상기 압력 용기로 복귀시키는 단계를 더욱 포함한다.

또 다른 정지 후 수동적 원자로 냉각 방법이 제공된다. 본 방법은, 핵 연료봉으로 원자로 용기의 일차 냉각재를 가열하는 단계; 원자로 용기에서 가열된 일차 냉각재 증기를 인출하는 단계; 가열된 일차 냉각재를 압력 용기 내의 저장 냉각수에 침수된 튜브 번들로 유동시키는 단계; 가열된 일차 냉각재를 더욱 낮은 온도로 냉각하는 단계; 및 냉각된 일차 냉각재를 원자로 용기로 복귀하는 단계를 포함하고, 일차 냉각재는 튜브 번들 및 원자로 용기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환한다. 일 실시예에서, 본 방법은, 압력 용기의 냉각수를 이차 냉각재 증기로 가열하는 단계; 냉각수 일부를 증기 상으로 전환하는 단계; 압력 용기로부터 냉각수 증기를 인출하는 단계; 인출된 냉각수 증기를 히트싱크와 열적 유통되는 원자로 격납 용기에 부착되는 방열기 덕트로 유동시키는 단계; 냉각수 증기를 응축시키는 단계; 및 저장 냉각수를 보충하기 위하여 응축된 냉각수를 압력 용기로 복귀시키는 단계를 더욱 포함한다.

다른 양태에 의하면, 본 발명은 열적 사고에 의해 격납 내부 분위기로 배출된 열을 방출하기 위하여 상기 구성의 단점을 극복하기 위한 원자로 격납시스템을 더욱 제공한다. 격납시스템은 일반적으로 강철 또는 다른 연성재질로 만들어지는 내부 격납용기와 외부 격납인클로저구조물(CES)을 포함하여, 이중벽 격납시스템을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 물이 채워진 환형체는 격납용기와 격납인클로저구조물 사이에 제공되어 환형의 냉각저수조를 제공한다. 격납용기는 “핀” 방법으로 용기에서 (실질적으로) 방사상으로 바깥쪽으로 연장되는 복수개의 길이 방향 열전달 핀을 포함 할 수 있다. 이로써, 격납 용기는 원자로에 대해 제1 구조 격납용기로 기능하는 것뿐만 아니라, 방열체 역할을 하는 환형저수조와 함께 열교환기로서 기능하도록 구성된다. 따라서, 본 명세서에 추가 설명되는 바와 같이, 격납용기는 LOCA 또는 원자로 긴급정지와 같은 열에너지 방출사고 시에 열을 발산하고 원자로를 냉각하기 위해 필요한 수동형(즉, 펌프가 없는) 방열시스템을 유리하게 제공한다.

본 발명에 의한 실시예에서, 원자로 격납시스템은 원자로를 수용하는 격납용기; 격납용기를 둘러싸는 격납인클로저구조물(CES); 및 격납공간에서 열에너지를 추출하기 위해 격납용기와 격납인클로저구조물 사이에 형성된 환형저수조를 포함한다. 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 발생한 경우, 격납용기에 의해 생성된 열이 상기 격납용기를 냉각하도록 작동하는 환형저수조로 전달된다. 실시예에서, 환형저수조는 격납용기를 냉각시키기 위한 물을 함유한다. 격납용기의 일부는 환형저수조에 배치되고 격납용기와 격납인클로저구조물 사이에서 연장되는 실질적으로 방사상인 열전달 핀(fin)을 포함하여 물이 채워진 환형저수조의 열 방출을 개선한다. 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 발생한 경우, 환형체의 물의 일부는 증발되어 수증기의 형태로 격납인클로저구조물을 통해 대기중으로 배출된다.

시스템의 실시예는 환형저수조에서 격납용기 둘레에서 원주방향으로 이격된 복수개의 수직유입 공기도관을 포함하는 보조 공기냉각시스템을 더 포함할 수 있다. 공기도관은 상기 환형저수조 및 격납인클로저구조물의 외부의 주변 공기와 유체 연통한다. 상기 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 발생하고 환형저수조의 물이 실질적으로 증발에 의하여 격감하는 경우, 공기냉각시스템은 저수조공간으로부터 외부환경으로의 통풍로를 제공하여 동작 가능하게 된다. 상기 통풍시스템은 무한정 지속적으로 격납용기를 냉각할 수 있는 제2의 시스템으로 간주될 수 있다.

다른 실시예에 의하면, 원자로 격납시스템은 원자로를 수용하는 격납용기; 상기 격납용기를 둘러싸는 격납인클로저구조물; 상기 격납용기를 냉각시키기 위하여 격납용기와 격납인클로저구조물 사이에 형성되고 물로 채워진 환형체; 및 상기 격납용기로부터 바깥쪽으로 돌출되고 상기 환형체에 위치한 복수개의 실질적인 방사상 핀을 포함한다. 상기 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 발생한 경우, 상기 격납용기에 의해 생성된 열이 격납용기의 외면 및 실질적으로 방사상의 핀과 직접 접촉을 통해 환형체의 물로 채워진 저수조로 전달되어 격납용기를 냉각시킨다. 일 실시예에서, 상기 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 발생하고 환형체의 물이 실질적으로 증발에 의하여 고갈되는 경우, 상기 공기냉각시스템은 외부 주위 공기를 상기 공기유입관을 통해 환형체로 끌어들여, 자연대류에 의하여 격납용기에서 생성된 열(시간에 따라 지수적으로 감소하는)을 냉각하도록 동작 가능하다. 상기 격납용기를 완전히 둘러싸는 환형구역의 물의 존재는 격납용기 내의 일관된 온도 분포를 유지하여 열에너지 방출사고 시에 격납용기의 변형을 방지한다.

다른 실시예에서, 원자로 격납시스템은 원자로를 수용하는 원통형 쉘을 포함하는 격납용기; 상기 격납용기를 둘러싸는 격납인클로저구조물; 상기 격납용기를 냉각시키기 위하여 상기 격납용기의 쉘과 상기 격납인클로저구조물 사이에 형성되고 물을 함유하는 환형저수조; 상기 격납용기로부터 환형체쪽으로 바깥쪽으로 돌출된 복수개의 외부 (실질적인) 방사상 핀; 및 환형저수조에서의 격납용기 주위에서 원주방향으로 이격되고, 상기 환형저수조 및 격납인클로저구조물의 외부의 주변 공기와 유체연통하는 복수개의 수직유입 공기도관을 포함하는 공기냉각시스템을 포함한다. 상기 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 발생한 경우, 상기 격납용기에 의해 생성된 열은 격납용기를 냉각시키는 내부 및 외부 핀과 함께 (실질적으로) 방사상의 격납벽을 통해 환형저수조에 전달된다.

본 발명에 따른 원자로 격납시스템의 장점 및 양상은 하기 사항을 포함한다:

격납 구조 및 시스템은 전술한 바와 같이 심각한 에너지 방출 사건이 수동적으로 (즉, 펌프, 밸브, 열교환기 및 모터와 같은 능동 소자에 의존함이 없이)억제될 수 있도록 구성된다;

격납 구조 및 시스템은 무한정 기간 동안(즉, 인간 간섭을 위한 시간 제한이 없음) 자동으로 작동한다;

격납 구조는 그의 주요한 기능(즉, 압력 및 방사성 핵종 (있다면) 보유 및 열 방출)을 상실함이 없이 충돌 비행기와 같은 발사체 충격에 견디도록 구성된 내부 및 외부 리브(핀)를 구비하여 강화된다; 및

격납 용기는 격납 구조를 통해 주요한 설비의 용이한 제거(또는 설치)를 허용하는 공급부를 구비한다.

본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징은 유사한 요소를 같게 분류하고 다음의 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 원자로 격납시스템의 일부를 형성하는 본 발명에 따른 1차 핀(fin)원자로 격납용기의 측입면도이며, 일부 핀의 하부는 부분적으로 파손되어 수직지지대와 원주리브가 부분적으로 공개된 도면이다.
도 2는 II-II선에 따른 횡단면도이다.
도 3은 도2의 III 부분의 상세도이다.
도 4는 도 1의 격납용기 및 상기 격납용기와 격납인클로저구조물 사이에 형성된 물로 채워진 환형저수조를 포함하는 외부 격납인클로저구조물(CES)을 도시한 원자로 격납시스템의 종단면도이다.
도 5는 격납용기와 격납인클로저구조물(CES)를 통과하는 종단면도이다.
도 6은 지면 위로 보이는 외부 격납인클로저구조물(CES)이 설치되는 원자로 격납시스템의 측입면도이다.
도 7은 그 평면도이다.
도 8은 원자로 격납시스템의 지면 아래 및 지면 위의 부분을 도시하는 도 7에서 VIII-VIII선에 따른 종단면도이다.
도 9는 내부에 수용되는 장치 및 격납용기의 추가적인 세부사항을 나타내기 위해 여러 가지 단면을 도시하는 제1원자로 격납용기의 측면도이다.
도 10은 그 평면도이다.
도 11는 도 10의 ΧI-ΧΙ선에 따른 종단면도이다.
도 12는 도 10의 XII-XII선에 따른 종단면도이다.
도 13은 도 9의 ΧIII-ΧIII선에 따른 횡단면도이다.
도 14는 도 9의 XIV-XIV선에 따른 횡단면도이다.
도 15는 도 9의 XV-XV선에 따른 횡단면도이다.
도 16은 보조 방열시스템을 나타내는 원자로 격납시스템의 부분적인 종단면도이다.
도 17은 격납용기의 (실질적인) 방사상의 핀들의 하부는 부분적으로 파손되어 수직지지대와 원주리브가 부분적으로 공개된, 격납용기의 등각도이다.
도 18은 격납용기의 쉘에 부착된 상단 및 하단 링헤더와 덕트를 도시하는 도 16의 열방출 시스템의 일부의 종단면도이다.
도 19는 원자로 격납시스템과 열에너지 방출사고 시에 열을 방출하고 격납용기를 냉각시키는 물로 채워진 환형저수조의 작동에 대한 일반화된 단면의 개략적인 도면이다.
도 20은 긴급정지 사고 후 경수로의 전형적인 발열 곡선을 보이는 그래프이다.
도 21은 본 발명에 의한 수중 번들 열교환기 (SBHX)개략도이다.
도 22는 원자로 냉각시스템 및 상응하는 원자로 노심 냉각 방법의 제1 실시예에 대한 개략도이다.
도 23은 원자로 냉각시스템 및 상응하는 원자로 노심 냉각 방법의 제2 실시예에 대한 개략도이다.
도 24는 원자로 용기 및 증기발생기를 통과하는 일차 및 이차 냉각재들 유동 개략도이다.
모든 도면은 개략적이며 반드시 축척대로는 아니다.

본 발명의 원리에 따른 실시예들의 설명은 전체 명세서의 한 부분으로 간주되는 첨부된 도면과 연계하여 해석되도록 한다. 여기에 개시된 본 발명의 실시예들의 설명에 있어서, 방향 또는 지향에 대한 어떠한 참조도 단지 설명의 편의를 위함이고 본 발명의 범위를 제한하는 어떠한 방법으로도 의도되어서는 아니 된다. '하부의', '상부의', '수평의', '수직의', '위로', '아래로', '위에', '아래에', '좌측의', '우측의', '상단' 및 '하단'뿐만 아니라 이들의 파생어(예를 들면, '수평으로', '아래쪽으로', '위쪽으로' 등)은 논의된 도면에서 개시되거나 도시된 대로 방향을 참조하는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 연관 용어들은 단지 설명의 편의를 위함이고, 명백하게 특정 방향을 나타내지 않는 한, 장치를 특정 방향으로 구성하거나 작용하는 것을 요구하지 않는다. 명백히 달리 기재되지 않는 한, '부착된', '첨부된', '연결된', '결합된', '상호연결된' 및 유사어는 뗄 수 있거나 견고한 부착 또는 그러한 관계뿐만 아니라 구조물들이 그 구조물들 사이의 개입구조물들을 통하여 직접적으로 또는 간접적으로 서로 고정되고 부착되는 관계를 참조한다. 게다가, 본 발명의 특징 및 이점은 바람직한 실시예들을 참고하여 도시된다. 따라서, 본 발명은 명백하게 단독으로 또는 특징들의 다른 조합으로 존재할 수 있는 특징들의 여러 가능한 비한정적 조합들을 예시하는 바람직한 실시예로 한정되어서는 아니된다.

도 1 내지 15를 참조하면, 본 발명에 따른 원자로 격납시스템(100)이 도시되어 있다. 시스템(100)은 일반적으로 격납용기(200)와 같은 내부격납구조물 및 외부 격납인클로저(enclosure)구조물(CES: containment enclosure structure)(300)을 포함하여, 집합적으로 격납용기-인클로저(enclosure)조립체(200-300)를 정의한다. 상기 격납용기(200)와 격납인클로저구조물(CES)(300)은 수직으로 연장되고 지향되며, 세로축(VA)을 정의한다.

실시예에서, 격납용기-인클로저조립체(200-300)은 적어도 부분적으로 지하의 노반에 매립되도록 구성된다(도 6 내지 8 참조). 격납용기-인클로저조립체(200-300)는, 상단기반매트(304)를 형성하는 슬래브로부터 상승하며 수직으로 연장하는 측벽(303) 및 하단슬래브(slab)(302)로 이루어지는 콘크리트 기초(301)에 의해 지지될 수 있다. 상기 측벽(303)은, 도시된 바와 같이, 격납 용기(200)를 원주상으로 둘러쌀 수 있다. 상기 격납용기(200)의 하단은 상기 측벽의 내측에 위치할 수 있다. 일부 실시예에서, (먼저 주입되어 굳어질 수 있는) 하단슬래브(302)상에 격납용기(200)를 배치한 후 측벽(303)을 주입할 수 있으며, 이로 인해, 상기 기초내에 격납용기(200)의 하단을 완벽하게 끼워 넣을 수 있다. 상기 측벽(303)은 일부 실시예에서 도시된 바와 같이 지면 아래에서 종료되어, 발사체 충격(예를 들어, 충돌 비행기 등)으로부터의 상기 격납용기-인클로저조립체(200-300)에 대한 추가적인 보호를 제공한다. 상기 기초(301)는 다각형(예를 들어, 사각형, 육각형, 원형 등)을 제한 없이 포함하여 평면도에서 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 격납용기(200)의 무게가 주로 격납용기가 놓여있는 하단슬래브(302)에 의해 지지되고, 상기 격납인클로저구조물(CES)(300)는 상기 기초(301)의 측벽(303)의 상단에 형성된 상단기반매트(304)에 의하여 지지될 수 있다. 용기 및 격납인클로저구조물(CES)의 다른 적정한 지지배치를 사용할 수 있다.

도 1 내지 15를 계속 참조 하면, 상기 격납구조물 용기(200)는 외경(D1)을 정의하는 원형 횡단면을 가지는 중공원통형 쉘(204), 상단헤드(206) 및 하단헤드(208)을 포함하는 연장된 용기일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 격납용기(200)(즉, 쉘 및 헤드들)는 쉽게 용접되는 적절한 강도와 연성의 금속판 및 봉재(예를 들어, 저탄소강)으로 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 저탄소강 쉘(204)은 적어도 1 인치의 두께를 가질 수 있다. 다양한 합금을 포함하는 상응하는 적합한 두께의 다른 적절한 금속 재료를 이용할 수 있다.

상기 상단헤드(206)는 상기 상단헤드의 하단 또는 바닥에 배치된 제1환형플랜지(flange)(212)와 상기 쉘의 상부 또는 상단에 배치된 제2접합환형플랜지(214)로 이루어진 플랜지조인트(210)를 통해 상기 쉘(204)에 부착될 수 있다. 상기 플랜지조인트(210)은, 상기 인접한 플랜지(212, 214)사이에서 이루어지는 원주상 연장환형 밀봉용접으로 조립 후 경우에 따라 더 밀봉 용접될 수 있는 볼트조인트일 수 있다.

상기 격납용기(200)의 상단헤드(206)는 구조적 강도(즉, 내압유지 및 외부충격저항)를 추가하기 위한 ASME (미국 기계 공학자 협회)의 돔 모양의 플랜지 및 접시형상의 헤드일 수 있다. 하지만 평평한 상단 헤드를 포함하는 다른 가능한 구성이 사용될 수 있다. 하단헤드(208)는 유사하게 돔 모양의 접시형상 헤드 또는 다른 가능한 실시예에서, 대안으로 평평할 수 있다. 격납용기 구조에 있어서, 하단헤드(208)는 쉘(204)의 직경과 일치하는 헤드의 일체형 직선플랜지(SF)를 통해 쉘(204)의 하부 또는 일단에 직접 용접될 수 있다. 일 실시예에서, 격납용기(200)의 바닥은 하단헤드(208)에 부착되는 리브(ribbed)지지대(208a) 또는 이와 유사한 구조를 포함하여, 여기에 추가 설명되는 바와 같이, 상기 기초(301)의 슬래브(302)에 격납용기를 안정시키고 수평화를 제공한다.

일부 실시예에서, 격납용기쉘(204)의 상단부분(216)은 격납용기(200)의 내부에서 장비, 연료 등을 이동시키는 극성 크레인(미도시)을 지지하고 수용하는 하우징을 형성하는 쉘의 직경방향으로 확대된 세그먼트일 수 있다. 이는 격납용기의 바로 안쪽 둘레에 크레인 액세스를 제공하고 격납용기(200)의 둘레에 매우 가깝게 장비를 배치 가능하게 하여 격납용기의 구조를 소형화한다. 한 구성에 있어서, 격납용기(200)의 지상부분은 버섯 모양의 구조와 유사할 수 있다.

가능한 일 실시예에서, 격납용기(200)의 확대된 상단부분(216)은 나머지 격납용기쉘(204)의 인접하는 하단부분(218)의 외경(D1)보다 큰 외경(D2)을 가질 수 있다. 비제한적인 예에 있어서, 상단부분(216)은 쉘(204)의 하단부분(218)의 직경(D1)보다 약 10피트 긴 직경(D2)을 가질 수 있다. 쉘(204)의 상단부분(216)은 격납용기(200)의 총 높이(H1)의 50% 미만의 작업허용공간으로 극성 크레인을 수용하도록 선택된 적절한 높이(H2)를 가질 수 있다. 비제한적인 예에 있어서, 격납용기(200)의 상부 약 10피트에는 격납용기의 총 높이(H1) 200피트에 비해 직경이 확장된 상단부분(216)이 형성될 수 있다. 격납용기(200)의 상단부분(216)은 격납용기의 상단헤드(206)에 플랜지 연결된 플랜지(214)의 상부끝단에서 종료될 수 있다.

일 실시예에서, 격납용기(200)의 직경이 확장된 상단부분(216)은 격납인클로저구조물(300)의 내경(D3)보다 작은 직경(D2)을 가져 (실질적으로) 방사상 간격 또는 제2환형체(330)를 제공한다 (예를 들어, 도 4 참조). 이는 격납인클로저구조물(300)에 발사체 충격 도래 시에 격납인클로저구조물(300)과 격납용기의 상단부분(216) 사이에 쿠션공간 또는 버퍼영역을 제공한다. 또한, 상기 환형체(330)는, 여기서 추가로 설명되는 바와 같이, 증기 및/또는 공기가 격납인클로저구조물(300)로부터 배출되도록 (격납인클로저구조물(300)의 쉘들과 격납용기(200)사이의) 제1환형체(313)와 격납인클로저구조물 돔(316)과 격납용기(200)의 상단헤드(206) 사이의 헤드공간(318) 사이에 유로를 크게 더 생성한다. 따라서, 제2환형체(330)는 돔(316)을 관통하는 통풍공(317)과 번갈아 유체연통하는 헤드공간(318)과 제1환형체(313)와 유체연통한다. 일 실시예에서, 상기 제2환형체(330)는 제1환형체(313)보다 (실질적으로) 작은 방사상 폭을 가진다.

도 1 내지 4를 참조하면, 격납인클로저구조물(300)은 방사상으로 이격되고 상호 연결되며 그들 사이의 환형공간에 설치된 일반 또는 철근 콘크리트(312)로 이루어진 2개의 동심의 쉘들(310(내부), 311(외부))에 의해 형성된 측벽(320)을 가진 몇몇 실시예에서의 이중벽 구조를 가질 수 있다. 상기 동심의 쉘들(310, 311)은 예를 들어, 제한 없이, 쉽게 용접되는 연성 금속판(예를 들면, 저탄소강)과 같은 어떤 적절히 견고한 재료로 제작될 수 있다. 다양한 합금을 포함하는 다른 적절한 금속 재료를 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 제한 없이, 상기 이중벽 구조의 격납인클로저구조물(300)은 여객기의 경우와 같은 고에너지 발사체의 충격을 견딜 충분한 능력을 보장하는 6피트 또는 그 이상의 콘크리트(312) 두께를 가질 수 있다.

격납인클로저구조물(300)은 격납용기쉘(204)을 제한하고 쉘(204)과 (실질적으로) 방사상으로 이격되어, 제1환형체(313)를 생성한다. 상기 환형체(313)는 일 실시예에 있어서 물로 채워져서 격납용기 내에서 열에너지 방출사고가 난 경우 격납용기(200)로부터의 열을 수용하여 방출하는 방열체를 생성할 수 있다. 이 물로 채워진 환형의 저수조는 일 실시예에서 바람직하게는 콘크리트 기초(301) 상에 있는 격납용기쉘(204)의 상부 둘레에 완전한 360도로 원주방향으로 연장된다. 도 4는 간결함을 위해 외부 (실질적으로) 방사성 핀(221) 없이 물이 채워진 환형체(313)의 단면을 보여준다. 일 실시예에서, 상기 환형체(313)는 하단끝단(314)의 기반매트(304)로부터 대략 격납인클로저구조물(300)의 동심의 쉘들(310, 311)의 상단끝단(315)까지 물이 채워져, 격납인클로저구조물(300)의 내부쉘(310)과 격납용기쉘(204)사이의 환형냉각수저수조를 형성한다. 이 환형저수조는 일부 실시예에서 알루미늄, 스테인리스 강 또는 부식 방지를 위한 적절한 방부제와 같은 적절한 부식 방지 재료로 코팅되거나 라이닝(lining)될 수 있다. 대표적인 예는, 제한 없이, 환형체(313)는 약 10 피트의 폭과 약 100 피트 높이일 수 있다.

일 실시예에서, 격납인클로저구조물(300)은 항공기 충돌 및 기타 사고발사체에 대하여 강화되도록 적절히 두껍고 보강된 강철돔(316)을 포함한다. 돔(316)은 강력한 플랜지조인트(319)에 의해 쉘들(310, 311)에 제거 가능하도록 고정될 수 있다. 일 실시예에서, 격납용기(200)는 지상에 노출된 부분이 격납인클로저구조물(300)에 의해 완전히 둘러싸이며, 격납인클로저구조물(300)은 바람직하게는 항공기의 위험 또는 그와 유사한 발사체에 대하여 격납용기에 대한 보호를 제공할 만큼 충분히 높아서 격납용기를 둘러싸는 환형체(313)내의 수괴(水塊)의 구조적 무결성을 보존한다. 일 실시예에서, 도시된 바와 같이, 격납인클로저구조물(300)은 기반매트(304)의 상단까지의 거리의 상당 부분까지 지면 아래로 수직 연장한다.

격납인클로저구조물(300)은 돔(316) 아래에 있는 헤드공간(318) 및 물로 채워진 환형체(313)와 유체연통하고 비로부터 보호되는 적어도 하나의 통풍공(317)을 포함하여 수증기로 하여금 흐르고, 새나가고, 대기 중으로 배출되도록 할 수 있다. 일 실시예에서 통풍공(317)은 돔(316)의 중앙에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 통풍공은 돔(316) 주위에서 (실질적으로) 방사상으로 이격될 수 있다. 통풍공(317)은 다른 실시예에서 짧은 구간의 파이핑(piping)에 의해 형성될 수 있는데, 증기로 하여금 격납인클로저구조물(300)로부터 새나가도록 하지만 물의 유입을 최소화하는 임의의 적절한 구성의 레인후드(rain hood)로 덮일 수 있다.

일부 가능한 실시예에서, 돔(316)과 격납용기(200)의 상단헤드(206) 사이의 헤드공간(318)은 충돌(추락)하는 발사체(예를 들면, 항공기 등)로부터 격납인클로저구조물 돔(316)에 가해지는 충격을 최소화하는 구조 또는 에너지흡수물질로 채워질 수 있다. 일 예로, 복수의 조밀하게 채워진 물결모양의 또는 주름잡힌 변형가능한 알루미늄 판이 헤드공간의 일부 또는 전체에 배치되어 돔(316)에 대한 충격력의 흡수 및 소산을 돕는 주름구역을 형성할 수 있다.

도 1 내지 5 및 8 내지 17을 주로 참조하면, 기반매트(304) 아래의 콘크리트 기초(301) 내의 격납용기(200)의 매립 부분은 외부특징 없이 평평한 쉘(204)을 포함할 수 있다. 하지만, 기반매트(304) 위의 격납용기쉘(204) 부분들은 축방향으로 (실질적으로) 격납용기-인클로저조립체(200-300)의 세로축(VA)에 평행하게 연장되는 길이방향의 외부의 (실질적으로) 방사상 리브(rib) 또는 핀(fin)(220)을 복수개 포함할 수 있다. 상기 외부 길이방향 핀(220)은 격납용기쉘(204)의 주변에서 원주방향으로 이격되어 격납용기로부터 (실질적으로) 외측으로 방사상으로 연장된다.

리브(220)는 제한없이 (1) 격납용기쉘(204)을 강화시킴, (2) 지진발생시 환형체(313)에 저장된 물이 세차게 튀는 것을 방지 및 (3) 격납용기 내의 유체/증기가 방출되는 상황에서 쉘(204)을 통해 전도에 의해 흡수된 열을 환형체(313)의 환경으로 발산하는 열전달 “핀(fin)”으로서 크게 작용하는 것을 포함하여 다수의 유리한 기능을 제공한다.

따라서, 열전달 효율을 극대화하기 위한 실시예에서, 길이방향 핀(220)은 격납용기(200)의 효과적인 열전달 표면(즉, 콘크리트 기초에 매립되지 않은 부분)을 덮는 물이 채워진 환형체(313)의 실질적으로 전체 높이에 대해 수직으로 연장되어, 여기서 추가 설명되는 바와 같이, 격납용기(200)로부터 열을 저수조로 전달한다. 일 실시예에서, 외부 길이방향 핀(220)은 격납용기(200)의 보다 긴 직경의 상단부분(216)의 아래쪽 또는 바닥에서 또는 그 근처에서 종단되는 상부 수평끝단(220a) 및 콘크리트 기초(301)의 기반매트(304)에서 또는 그 근처에서 종료되는 하부 수평끝단(220b)을 가진다. 일 실시예에서, 외부 길이방향 핀(220)은 격납용기의 쉘의 전체높이의 1/2과 같거나 큰 높이(H3)를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 길이방향 핀(220)의 상부 수평끝단(220a)은 격납용기(200) 또는 다른 구조에 영구적으로 부착(예로써, 용접)되지 않은 자유단이다. 길이방향 핀(220)의 하부 수평끝단(220b)의 적어도 일부는 격납용기쉘(204)의 외면에 용접된 수평원주리브(222)에 인접하여 접촉하고 그 위에 얹혀있어 길이방향 핀(220)의 무게를 지지하고 길이방향 리브투쉘(rib-to-shell) 용접에 대한 응력을 최소화할 수 있다. 원주리브(222)는 환형을 가지고 격납용기쉘(204)의 원주 주위에 완전하게 360도 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 원주리브(222)는 콘크리트 기초(301)의 기반매트(304)위에 위치하여 길이방향 핀(220)의 하중을 콘크리트 기초로 전달한다.

길이방향 핀(220)은 원주리브(222)의 주변 가장자리를 넘어 외부로 돌출한 측면 크기 또는 폭을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, 각 리브(220)의 하부 수평끝단(220b)의 내부 부분만이 원주리브(222)와 접촉한다. 다른 가능한 실시예에서, 원주리브(222)는 (실질적으로) 방사상으로 충분히 외부로 연장되어, 실질적으로 각 길이방향 핀(220)의 전체 하부 수평끝단(220b)은 원주리브(222)에 놓일 수 있다. 하부 수평끝단(220b)은 몇몇 실시예에서 원주리브(222)에 용접되어 길이방향 핀(220)을 더욱 강화하고 단단하게 할 수 있다.

외부 길이방향 핀(220)은 강철(예를 들어, 저 탄소강) 또는 격납용기쉘(204)의 외부로 길이 방향으로 연장된 측면들 중 하나에 각각 용접되는 합금들을 포함하는 다른 적절한 금속재료로 이루어질 수 있다. 각 리브(220)의 길이방향으로 연장된 대향 측면은 근접하여 위치하지만, 바람직하게는, 방열 핀으로 작용하는 리브의 열전달면을 최대화하기 위해, 격납인클로저구조물(300)의 내부쉘(310)의 안쪽에 영구적으로 부착되지 않는다. 실시예에서 외부 길이방향 핀(220)은 도시된 바와 같이 격납용기(200)의 더 큰 직경의 상단부분(216)을 넘어 (실질적으로) 방사상으로 외부로 연장된다. 대표적인 예로서, 제한없이, 철강리브(220)는 약 1 인치 두께를 가질 수 있다. 리브의 다른 적절한 두께를 적절하게 사용할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 리브(220)는 리브의 10 배 이상의 두께인 반경폭을 가지고 있다.

일 실시예에서, 길이방향 핀(220)은 도 2 내지 3 및 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 격납용기쉘(204)에 대해 경사각도 A1으로 배향되어 있다. 이 배향은 격납용기(200) 주위 360도로 확장되는 주름구역을 형성하여, 외부 격납인클로저구조물(300)과 협력하여 기능하여 발사체 충격에 대한 저항을 개선한다. 따라서, 격납인클로저구조물 쉘(310, 311)의 내부변형을 야기하는 충격은, 격납용기쉘(204)에 대해 90도로 배향된 리브에서 발생될 수 있는 내부 격납용기쉘(204)로의 직접 충격력 전달로 인한 내부 격납용기쉘(204)의 파괴없이, 프로세스 중 바람직하게 충격력을 분산시키는 길이방향 핀(220)을 휘게 한다. 다른 가능한 실시예에서, 격납인클로저구조물(300)의 구성 및 기타 요소들에 따라 격납용기쉘(204)에 대한 리브(220)의 수직배열이 적절할 수도 있다.

일 실시예에서, 도 6 내지 8을 참조하면, 발사체 충격에 대하여 외부 (실질적으로) 방사상 핀(220)에 의하여 보호되는 격납용기쉘(204) 부분은 지면 아래로 연장되어 지면 또는 지면 약간 아래의 발사체 충돌에 대해서 격납인클로저구조물(300)에 대한 보호를 제공한다. 따라서, 핀(220)의 하단이 종료되는 기초(301)의 수직으로 연장된 측벽(303)의 상단에 형성된 기반매트(304)는 수 피트(feet)의 지하에 위치되어 원자로 격납시스템의 충격저항을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에서, 격납용기(200)는 쉘(204)의 내면에 부착된 복수개의 원주방향으로 이격된 내부 (실질적으로) 방사상 핀(221)을 선택적으로 포함할 수 있다 (도 2 및 3에서 점선으로 표시). 내부핀(221)은 격납용기쉘(204)로부터 안으로 (실질적으로) 방사상으로 그리고 적절한 높이의 수직 길이 방향으로 연장된다. 일 실시예에서, 내부 (실질적으로) 방사상 핀(221)은 물로 채워진 환형체(313)의 높이와 실질적으로 동일한 높이를 가지며, 기반매트(304)로부터 대략 쉘(204)의 상단까지 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 제한없이, 내부핀(221)은 격납용기쉘(204)에 실질적으로 수직으로 배향될 수 있다. 다른 적절한 각도 및 경사방향이 이용될 수 있다. 내부핀은 격납압력사고(예를 들어, LOCA 또는 긴급정지)에서의 격납용기(200)내에서 내부압력증가 또는 외부충격(예를 들어, 발사체)에 대하여, 구조적으로 격납용기쉘을 강화하고 사용가능한 열전달 면적을 증가시키는 역할을 한다. 일 실시예에서, 제한없이, 내부핀(221)은 강철로 제작될 수 있다.

도 1 내지 15를 참조하면, 복수개의 수직구조지지대(331)는 격납용기쉘(204)의 외면에 부착되어 쉘(204)을 넘어 (실질적으로) 외부로 방사상으로 캔틸레버되는(다리나 다른 구조물을 떠받치는) 주변측면을 가지는 격납용기(200)의 직경방향으로 확대된 상단부분(216)을 지지한다. 지지대(331)는 격납용기쉘(204)의 둘레에서 원주방향으로 이격된다. 일 실시예에서, 지지대(331)는 예를 들어, 제한 없이, 격납용기쉘(204)의 외면에 용접되고 단면이 C자형인 부재(즉, 구조채널)인 강철 중공구조 부재로 형성될 수 있다. 상기 채널의 두 개의 평행한 레그(leg)는 스티치(stitch) 용접과 같은 연속 또는 간헐적 용접을 사용하여 각 지지대(331)의 높이에 따라 격납용기쉘(204)에 수직하게 용접될 수 있다.

극성크레인을 수용하는 격납용기의 보다 큰 직경의 상단부분(216)의 바닥/아래쪽으로부터 지지대(331)는 하향으로 수직하게 연장되고 그리고 지지대(331)의 상단끝단이 상기 바닥/아래쪽까지 용접될 수 있다. 지지대(331)의 하단끝단은 격납의 매립부분 근처의 콘크리트 기초(301)의 기반매트(304)와 맞물려 있는 원주리브(222)에 놓이거나 이에 용접될 수 있다. 지지대(331)는 크레인 및 격납용기(200)의 상단부분(216)으로부터의 정하중(靜荷重) 또는 중량이 기초로 전달되도록 지원한다. 일 실시예에서, 지지대의 내측 빈 공간은 콘크리트(철근의 유무에 관계없이)로 채워져 강화하는데 도움을 주고 정하중(靜荷重) 또는 중량을 지지하는데 더욱 도움을 줄 수 있다. 다른 가능한 실시예에서, 충전 또는 비충전 박스 빔, I-빔, 튜브형, 각도 등을 포함하는 다른 구조 강재의 형상들이 사용될 수 있다. 길이방향 핀(220)은 리브(220)로서의 열전달 역할보다는 오히려 구조적 역할을 제공하는 지지대(331)보다 (실질적으로) 방사상 방향으로 바깥으로 더 많이 연장될 수 있다. 특정 실시예에서, 리브(220)는 지지대(331)의 (실질적인) 반경폭의 적어도 2배인 (실질적인) 반경폭을 가진다.

도 11 내지 15는 내부에 도시된 장치를 구비하는 격납용기쉘(204)의 다양한 단면 (가로와 세로 모두)을 도시한다. 일 실시예에서, 격납용기쉘(204)은 Holtec 인터내셔널사(社)의 SMR-160과 같은 소형모듈반응기(SMR)의 일부일 수 있다. 상기 장치는 일반적으로 응축수저장소(wet well, 504)에 배치된 1차 냉각재를 순환하고 원자로 노심을 수용하는 원자로용기(500), 및 원자로에 유동적으로 결합되고 랭킨(Rankine) 발전사이클의 일부를 형성할 수 있는 2차 냉각재를 순환시키는 증기발생기(502)를 포함할 수 있다. 이러한 시스템은 2013년10월25일자 출원된 PCT 국제특허출원번호 PCT/US13/66777호에서 예시로 기술되고, 이는 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 다른 부속품 및 장치가 완전한 증기발생시스템을 생성하기 위해 제공될 수 있다.

보조 방열시스템

도 2 내지 3, 16 및 18을 주로 참조하면, 격납용기(200)는 보조 방열시스템(340)을 더욱 포함하고, 이는 방열기 덕트(610, HDD)의 독립 세트 또는 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 보조 방열시스템 (340) 및 연관 방열기 덕트(610)는 수동형 원자로 노심 냉각시스템의 일부를 구성하고 더욱 상세히 하기되고 도 22 및 23에 도시된다.

방열기 덕트(610)는 격납용기쉘(204)의 원주 둘레에서 원주방향으로 이격된 복수의 내부 길이방향 덕트(341) (예를 들면 유동 도관)를 포함한다. 덕트(341)는 수직 방향으로 세로축(VA)에 평행하게 연장되고, 일 실시예에서, 쉘(204)의 내면에 부착된다. 덕트(341)는 강철과 같은 금속소재로 제작될 수 있으며, 쉘(204)의 내부에 용접된다. 하나의 가능한 구성에 있어서, 제한없이, 덕트(341)는 채널의 평행한 레그들 또는 파이프/튜브들이 자신의 전체 높이에 대해서 각각 쉘(204)에 심(seam)용접되어, 밀봉된 수직 유동관을 정의하도록 위치된 수직으로 배향된 C자형 구조채널(단면에 있어서) 또는 파이프/튜브의 하프-섹션으로 이루어질 수 있다. 따라서 본 실시예에서 방열기 덕트 내의 유체 (액체 또는 증기 상)는 원자로 격납 용기 (200)와 직접 접촉하여 용기를 통해 환형 저수조 (일차 환형체(313))에 있는 물에 열 전달을 최대화하고, 상기 물은 원자로 격납 용기(200) 및 방열기 덕트에 대한 히트싱크를 형성한다. 덕트(341)에서 운반되는 유체가 내부 격납용기쉘(204)의 적어도 일부와 접촉하여 열을 물로 채워진 환형체(313)에 전달하는 한, 다른 적절한 형상 및 구성의 방열기 덕트(341)가 제공될 수 있다.

기타 가능하지만 덜 바람직하게 허용되는 실시예들에서, 방열기 덕트(341)는 완전 튜브형 벽의 유동 도관(예를 들면 반-단면 (half-section)보다는 원주방향의 튜브 또는 파이프 완전 단면)으로 형성될 수 있고, 이들은 내부 격납 용기 쉘 (204)에 용접될 수 있다. 이들 유형의 구성에서, 덕트(341)에서 전달되는 유체는 먼저 원자로 격납 용기 쉘(204)에 덕트 벽을 통해 간접적으로 열을 전달한 후 물이 채워진 환형체(313)로 전달한다.

덕트를 통해 흐르는 유체를 냉각하기 위해 필요한 열전달표면적에 따라 임의의 적절한 수의 덕트(341)와 그 배치가 제공될 수 있다. 덕트(341)는 격납용기쉘(204)의 내부에 균일하게 또는 불균일하게 이격될 수 있고, 일부 실시예에서, 그룹화된 덕트 클러스터가 격납용기의 주위에 원주방향으로 분배될 수 있다. 덕트(341)는 덕트에 의해 운반되는 유체의 유령과 열전달을 고려하여 임의의 적절한 단면 치수를 가질 수 있다.

덕트(341)의 개방된 상단(341a) 및 하단(341b)은 각각 공통상단 입구 링헤더(343) 및 공통하단 출구 링헤더(344)와 유체적으로 연통된다. 상기 환형링헤더(343, 344)는 수직방향으로 이격되고 격납용기(200) 내부에서 적절한 높이로 위치되어, 제1환형체(313)에서 외부 길이방향 핀(220)을 가지는 격납용기 부분들에 의하여 정의된 활성화 열전달구역에서, 덕트(341)내에 수직적으로 흐르는 유체와 격납용기의 쉘(204)사이의 열전달을 최대화한다. 열전달을 위해 물로 채워진 제1환형체(313)를 이용하기 위하여, 상하부링헤더(343, 344) 각각은 환형체의 상단과 하단에 가까이에 근접하는 격납용기쉘(204)의 내부에 위치할 수 있다.

일 실시예에서, 링헤더(343, 344) 각각은 도시된 방법으로 격납용기쉘(204)의 내면에 직접 용접되는 도시된 만곡 강관(steel pipe)의 반 단면들로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 링헤더(343, 344)는 임의의 적절한 수단에 의해 쉘(204)의 내부에 부착되고 쉘(204)의 내부에 의해 지지된 아치형으로 휘어진 파이프의 완전 단면으로 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 방열시스템(340)은 격납용기(200) 내부의 수괴로부터 생성될 수 있는 증기의 공급원(source)와 유체적으로 연통되어 원자로 노심으로부터 방사성물질의 붕괴열을 방출한다. 덕트(341)로 둘러싸인 격납표면은 열전달면 역할을 하여, 덕트내의 증기의 잠열을 외부 길이방향 핀(220) 및 물로 채워진 환형체(313)를 통해 냉각을 위하여 격납용기(200)의 쉘(204)로 전달한다. 동작 시에, 증기는 입구 링헤더(343)에 들어가 헤더를 관통하는 덕트(341)의 개방 입구 단부에 분배된다. 증기는 덕트(341)에 들어가 격납용기쉘(204) 내부의 높이를 따라 아래로 흐르고 증기(수증기)로부터 액체로의 상변화를 겪는다. 응축된 증기는 덕트내에서 중력에 의해 아래쪽으로 배출되어 하부 링헤더(344)에 의해 수집되고, 일 실시예에서 또한 바람직하게 하부 링헤더(344)로부터 중력에 의해 증기의 공급원으로 귀환된다. 위의 과정에서 펌프는 포함되지 않거나 필요하지 않은 것에 유의해야 한다.

소정의 실시예들에서, 하나 이상의 방열기 덕트(610) 세트 또는 어레이가 제공되고 용기에 의해 형성되는 격납 공간 내부에서 내부 격납 용기(200)의 내면에 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

보조 공기 냉각시스템

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 어떤 이유로 제1환형체(313)에 저장된 물이 열반응기 관련 사고(예를 들어, LOCA 또는 원자로의 긴급정지) 중에 격감된다면, 2차 또는 백업 수동형 공기 냉각 시스템(400)이 제공되어 격납용기(200)의 자연 대류에 의한 공기 냉각을 시작한다. 도 8을 참조하면, 공기 냉각 시스템(400)은 제1환형체(313)에서 격납용기(200) 주위에서 원주방향으로 이격된 복수개의 수직 유입 공기도관(401)으로 이루어질 수 있다. 각 공기도관(401)은 격납인클로저구조물(300)의 측벽(320)을 관통하는 유입구(402)를 포함하며 외부 대기로 개방되어 주위의 냉각공기를 끌어들인다. 유입구(402)는 바람직하게 격납인클로저구조물의 측벽(320)의 상단근처에 위치한다. 공기도관(401)은 환형체(313)내에서 수직 아래로 연장되며 기초의 기반매트(304)위로 짧은 거리(예를 들어, 약 1피트)를 두고 종료되어, 공기가 도관의 개방된 바닥 끝단으로부터 새나가도록 한다.

공기도관(401)을 이용하여, 자연대류 냉각공기흐름경로가 환형체(313)와 연동하여 구축된다. 제1환형체(313)의 냉각저장수가 열 관련 사고 도중 증발에 의하여 격감하는 경우, 환형체 내부의 공기가 격납용기(200)에 의해 지속적으로 가열될 것이므로 공기냉각은 자연대류에 의하여 자동적으로 시작된다. 가열된 공기는 제1환형체(313)에서 상승하고, 제2환형체(330)를 통과하고, 헤드공간(318)에 진입하여 통풍공(317)을 통해 격납인클로저구조물(300)의 돔(316)을 빠져 나온다 (도 8의 방향흐름 화살표 참조). 상승하는 가열된 공기는 공기도관(401)을 통해 외부의 공기를 아래로 끌어내리기에 충분할 만큼 제1환형체(313)의 하단을 향하여 공기압력의 감소를 가져오고, 이로 인해 가열된 격납용기(200)를 냉각시키는 자연공기순환패턴을 계속 형성할 수 있다. 유리하게는, 이 수동형 공기냉각시스템 및 순환은 무한정 시간 동안 계속되어 격납용기(200)를 냉각시킬 수 있다.

제1환형체(313)은 격납용기(200) 내부에서 생성된 열에 대한 궁극적인 열 흡수원 역할을 하는 것을 유의해야 한다. 이 환형저수조의 물 또한 본질적으로 동일한 온도에서 모든 크레인 수직지지대(331)의 온도를 유지하는 역할을 하여 (앞서 설명한 대로), 격납용기(200)의 보다 큰 상단부분(216)에 장착되는 크레인 레일(rail)의 수평도를 항상 보장한다.

열교환기로서 원자로 격납시스템(100)의 운영은 도 19를 먼저 참조하여 간략하게 설명하기로 한다. 본 도면은 시스템에 의해 실행되는 활성 열 전달 및 방출의 과정을 설명하는데 있어서, 명확하게 하기 위해, 본 명세서에 기재된 모든 부속물 및 구조 없이 원자로 격납시스템(100)을 단순화시킨 도식적 표현이다.

냉각재 분실사고(LOCA)의 경우, 고 에너지 유체 또는 액체 냉각재(일반적으로 물일 수 있다)가 격납용기(200)에 의해 형성된 격납환경으로 유출된다. 상기 액체는 순간적으로 증기로 되며, 상기 증기는 격납용기 내부의 공기와 혼합되어 격납용기(200) 측벽 또는 쉘(204)의 내면으로 이동한다 (격납용기의 쉘은 환형체(313)의 물로 인해 보다 차가우므로). 그러면, 증기는 격납구조체금속으로 자신의 잠열을 상실함으로써 수직 쉘 측벽상에서 응축하며, 상기 격납구조체금속은 차례로 길이방향 핀(220) 및 환형체 내의 쉘(204)의 노출 부분을 통해 열을 환형체(313)의 물로 방출한다. 환형체(313)의 물은 가열되고 결국 증발하여, 환형체에서 상승하여 제2환형체(330), 헤드공간(318) 및 최종적으로 통풍공(317)을 통해 격납인클로저구조물(300)로부터 대기중으로 나가는 증기를 형성한다.

환형체(313)의 저수조가 격납용기 환경의 외부에 배치되므로, 일부 실시예에서 물의 증발 손실을 보상하기 위해, 사용 가능한 경우, 저장된 물은 외부수단을 사용하여 용이하게 보충될 수 있다. 하지만, 보충수가 제공되지 않거나 사용 가능하지 않은 경우, 환형체(313)의 물기둥의 높이가 내려가기 시작한다. 환형체(313)에서 수위가 내려감에 따라 격납용기(200) 또한 환형체에서 공기를 수위 위로 가열하기 시작하여, 상승하여 격납인클로저구조물(300)로부터 수증기와 함께 통풍공(317)을 통해 배출되는 공기중으로 열의 일부를 방출할 수 있다. 공기유입관(401)의 개방된 바닥 끝단 (예를 들어, 도 8 참조)이 흘수선 위로 노출되도록 수위가 충분히 하강하면, 외부의 신선한 주변 공기가 상기 설명한 바와 같이 공기도관(401)으로부터 안으로 빨려 들어가 격납용기(200)를 지속적으로 냉각하는 자연대류공기순환패턴을 시작한다.

일 실시예에서, 충분한 방열을 보장하는데 필수적이지는 않지만, 환형체(313)에 물 보충을 위하여 격납인클로저구조물(300)을 통해 공급부(예컨대, 물 유입선)가 제공된다. 저장된 물이 일단 고갈(deplete)되면 격납용기가 모든 열을 공기 냉각만을 통해 방출할 수 있도록 격납용기(200)에서 생성된 붕괴열이 충분히 감쇄하도록 이 환형저수조에 저장된 수괴의 치수가 결정된다. 격납용기(200)는 바람직하게는 신속하게 열에너지를 방출함으로써 격납용기 내부의 (그 설계 한계 내에서) 증기혼합물의 압력과 온도를 제한하기에 충분한 열방출 능력을 갖는다.

발전소 정전이 발생한 경우, 노심은 강제로 “긴급 정지(scram)”로 들어가며, 수동형노심냉각시스템은 노심의 붕괴열을 여기서 이미 설명한 방열시스템(340)의 상단 입구 링헤더(343)으로 향하는 증기의 형태로 방출한다 (예를 들어, 도 16 및 18 참조). 내부길이방향덕트(341)의 네트워크를 통해 아래로 흐르는 상기 증기는 방열덕트 내 둘러싸인 격납용기쉘(204)의 내부 표면과 접촉하고, 격납구조체금속으로 자신의 잠열을 상실함으로써 응축하며, 상기 격납구조체금속은 차례로 길이방향 핀(220)에 의해 열전달이 지원되어 열을 환형체(313)의 물로 방출한다. 환형저수조(제1환형체(313))의 물은 가열되어 결국 증발한다. 격납용기(200)는 현열(顯熱)가열, 그리고 증발과 공기냉각의 조합, 그리고 최종적으로 본 명세서에서 설명된 자연대류공기냉각만으로 환형체로 열을 방출한다. 상술한 바와 같이, 원자로 격납시스템(100)은 일단 환형체(313)의 유효 저장수가 완전히 고갈되면, 공기냉각만으로 붕괴열을 방출하기에 충분하도록 설계되고 구성된다.

전술한 두 시나리오에 있어서, 대체 수단들이 이용 가능하여 발전소가 다시 정상 상태로 될 때까지 열방출은 무한정 지속될 수 있다. 시스템이 무한정 작동하는 것뿐만 아니라 상기 작동은 어떠한 펌프의 사용이나 운영자의 개입 없이 완전히 수동적이다.

수동형 원자로 냉각 시스템

본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 원자로 정지 (예를 들면 "긴급정지") 시에 펌프 및 전동기에 대한 어떠한 의존 및 단점 없이 원자로의 붕괴열을 방출하도록 수동형 중력-구동 원자로 냉각 시스템이 제공된다. 일 실시예에서, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템(600)은 도 21-23에 대략 도시된 기기들을 포함하는 수중 번들 (submerged bundle) 냉각 시스템(602)(SBCS)을 포함한다.

수중 번들 냉각 시스템(602)은 바람직하게는 폐루프 가압 유동시스템으로 3종의 주요 부품들 또는 서브-시스템, 즉 (i) 수중 번들 열교환기(620)(SBHX), (ii) 격납구조물 내벽과 내적 연결된 독립 세트 또는 어레이의 방열기 덕트(610)(HDD) (상세히 상기됨), 및 (iii) 본원에서 더욱 설명되는 바와 같이 과열기 또는 원자로 압력 용기(500)를 가지는 증기발생기(502)를 포함한다. 증기 및 응축수 유로는 하기되는 바와 같이 이들 기기 간에 설정된다. 수중 번들 냉각 시스템(602)은 가용 전력원 부재 시에 무한 연속될 수 있도록 증기발생기의 이차 증기를 활용하여 폐루프 프로세스에서 원자로 정지 시에 연료봉에 의해 발생되는 열에너지를 인출하도록 구성된다.

증기발생기(502)는 본원에 전체가 참조로 통합되는 2013년4월25일자 출원된 국제 PCT 출원번호 PCT/US13/38289에 더욱 완전히 기재된다. 본원에 기재되고 도 11, 12, 및 24에 도시된 바와 같이, 증기발생기(502)는 수중 번들 열교환기(620)와 유사하게 수직 배향되고 축 방향 연장된다. 증기발생기(502)는 중력-구동 수동형 흐름 수단에 의해 일차 냉각재로부터 원자로의 붕괴열을 인출하도록 구성되는 수직 적층 배열된 일조의 튜브형 열교환기들로 구성된다.

발전소 터빈-발전기(T-G) 세트에 의해 생성되는 가용 전력원이 있는 원자로 및 발전소 정상 운전 시에 원자로 용기 및 증기발생기를 통과하는 일차 냉각재 (액체수) 및 이차 냉각재 (액체 급수 및 증기)의 순환 유동 루프가 도 24에 도시된다. 유체 연결되는 증기발생기(502) 및 원자로 용기(500) 사이 일차 냉각재 흐름은 본 설명 목적으로 제1 유동 폐루프를 형성한다. 일 실시예에서, 일차 냉각재 흐름은 핵 연료봉(501)에 의해 원자로 용기(500)에서 가열될 때 냉각재 온도 및 상응하는 밀도 변화에 따라 중력-구동되고, 이어 증기발생기(502)에서 냉각되어 랭킨 사이클의 이차 냉각재 루프로 열 전달되어 터빈-발전기 세트를 돌린다. 일차 냉각재 밀도 변경에 따라 생긴 압력수두(예를 들면 가열--저밀도 및 냉각--고밀도)는 유동 방향 화살표로 표기된 바와 같이 원자로 용기-증기 발생 용기 시스템을 통해 유동 또는 순환을 유도한다.

일반적으로 제1 유동 폐루프에 있어서, 일차 냉각재는 핵 연료봉(501)에 의해 가열되고 상향관 기둥(224)에서 상향 유동된다. 원자로 용기(500)에서 나온 일차 냉각재는 원자로 용기(500) 및 증기발생기(502) 사이 일차 냉각재 유체 커플링(273)을 통과하여 흘러 증기발생기로 유입된다. 일차 냉각재는 중앙 위치된 상향관 파이프(337)에서 증기발생기 상부에 있는 가압기(380)로 상향 유동된다. 일차 냉각재는 방향을 바꾸어 증기발생기(502) 튜브 측을 통해 하향 유동하여 유체 커플링(273)을 통해 환형 하향관(222)으로 유입되어 원자로 용기(500)로 복귀함으로써 일차 냉각재 유동 루프를 완성한다.

증기발생기(502)는 3종의 수직 적층된 열전달 섹션 -- 바닥부에서 상부로 예열기 섹션(351), 증기발생기 섹션(352), 및 과열기 섹션(350) (참고, 예를들면 도 11, 12, 및 24)을 포함한다. 이차 냉각재는 증기발생기(502) 용기의 쉘측에 흐른다. 랭킨 사이클의 터빈-발전기(T-G) 세트로부터 액체 급수 형태로 이차 냉각재는 예열기 섹션(351) 바닥부에서 증기발생기로 유입되어 증기발생기 섹션(352)을 통해 상향 유동되어 증기로 전환된다. 증기는 과열기 섹션(350)으로 상향 유동되어 과열 조건에 이른다. 여기에서, 과열된 증기가 인출되고 T-G 세트로 흘러 전력을 생산한다.

이제 도 21-23을 참조하면, 수중 번들 열교환기(620)는 압력 용기(621)를 포함하고, 이는 길이방향 축 LA을 형성하고 내부 캐비티(626) 및 쉘의 반대측 단부들(624, 627)에서 대향 상부 및 바닥부 헤드들(622, 623)을 형성하는 중공 원통형 쉘(625)을 가진다. 헤드들(622, 623)은 임의의 적합한 타입 및 구성일 수 있고, 평탄형, 구형, 반-구형 등을 포함한다. 내부 캐비티(626)는 상부 및 바닥부 헤드들(622, 623) 사이에 완전히 연장된다. 압력 용기(621)는 축방향으로 연장된 형상이고 도시된 바와 같이 일 실시예에서 수직 배향되어 중력 흐름이 촉진된다. 바람직하게는, 열교환기(620)는 격납구조물(200) 내부 용기(202) 내부에 원자로 용기(500) 위에 및 증기발생기(502)에 상대적으로 가까이 장착되고 배치된다. 열교환기(620) 및 증기발생기(502)와의 근접 결합으로 증기 및 응축수 배관부 길이(도 11 및 13 참고)를 최소화하고 수평 공간을 보존함으로써 원자로 용기(500), 증기발생기(502), 및 열교환기를 수용하기 위한 격납 용기(200)의 직경을 최소화할 수 있다. 열교환기 무게를 적당히 지지할 수 있도록 바람직하게는 용기에서 구조용 강재 및/또는 콘크리트 플랫폼 또는 대 (floor)로 임의의 적합한 구조적 기반(650)이 제공되어 내부 격납 용기(200)로부터 열교환기(620)를 장착하고 지지한다.

보류 또는 저장(예를 들면 부피) 냉각수 W (액체)은 열교환기 압력 용기(621)에 담기고 본원에서 더욱 설명되는 바와 같이 원자로 정지 사고 시 이차 냉각재 냉각을 위한 히트싱크로 작용한다. 따라서, 냉각수 W는 정지 시에 이차 냉각재의 초기 온도보다 낮은 초기 온도를 가지는 제3 냉각재의 히트싱크로 기능한다.

수중 번들 열교환기 (620)는 상대적으로 대형 원통형 압력 용기(621)일 수 있고 도 21에 도시된 바와 같이 내부에 배치되는 비교적 소형 열교환기 튜브 번들(630)을 수용한다. 일 실시예에서, 제한되지 않고, 압력 용기(621)는 외경이 대략 10피트이고 높이는 대략 20피트일 때 내부에 수용되는 튜브 번들(630)은 단면이 원형이고 직경이 대략 4피트이고 높이는 압력 용기 높이보다 작다. 기타 적합한 치수들이 제공될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서 튜브 번들(630)은 실질적으로 압력 용기(621)의 전체 캐비티(626)를 채우지 않는다.

바람직하게는, 튜브 번들(630)은 상단부(624) 및 헤드(622)보다 바닥 단부(627) 및 헤드(623)에 더욱 가까이 배치된다 (예를 들면 도 21 참고). 이러한 배치로서 튜브 번들(630)이 실질적으로 대부분 또는 바람직하게는 모든 높이에서 압력 용기(621)에 보관된 액체 저장수 W에서 수중 체류하는 것을 보장한다. 따라서, 일부 실시예들에서 튜브 번들(630)은 모든 측면 및 부품들에서 액체 응축수에 완전히 둘러싸이고 침수된다. 튜브 번들(630)은 열교환기 압력 용기(625)의 바닥부 헤드(623)로부터 상승되고 이격되어 번들 아래에 충분한 수위를 제공하여 튜브 번들 아래 용기 쉘측에서 유동을 가능하게 한다. 튜브 번들 조립체(630)를 고정하기 위하여 압력 용기(625) 내부에서 임의의 적합한 구조적 지지체 및 브라킷의 배열이 적용될 수 있다.

압력 용기(621)는 증기발생기(502)로부터 예상되는 증기 및 운전 압력을 견딜 수 있는 임의의 적합한 금속으로 제작된다. 일부 실시예들에서, 압력 용기(621)는 부식 저항 재료로 형성될 수 있고 예컨대 제한되지 않지만 스테인리스강이다. 다른 내부식성 금속 재료가 적용될 수 있다.

튜브 번들(630)은 압력 용기(621)의 캐비티(626)에 배치된다. 하나의 비-제한적 구성에서, 튜브 번들(630) 조립체는 상부 튜브 시트(632)를 형성하는 유입구 유동 플리넘(631), 바닥부 튜브 시트(634)를 형성하고 상부 튜브 시트와 이격되는 배출구 유동 플리넘(633), 및 상부 및 바닥부 튜브 시트들 사이에 연장되고 유체 연결되는 복수의 튜브들(635)을 포함한다. 튜브 시트들(632, 634) 각각은 복수의 유동 개구들(636, 637)을 포함하고 이들은 유입구 및 배출구 유동 플리넘들(631, 633) 및 튜브들(635)과 각각 유체 연통된다. 작동 및 유로 설명에서, 흐름은 유입구 유동 플리넘(631)으로 들어가 개구들(636)을 통하여 튜브들(635) 일단으로 흐르고, 개구들(637)을 통해서 튜브들(635) 반대 단부에서 배출구 플리넘(633)으로 흘러, 배출구 플리넘에서 유출된다.

일 실시예에서, 튜브 번들(630)의 튜브들(635)은 도시된 바와 같이 축방향으로 연장되고 수직 배향된다. 기타 배향 예컨대 수평, 및 수평 및 수직 사이 유각도 가능하다. 튜브들(635)은 제한되지 않지만 직선, 만곡 예컨대 나선형 (예를들면 도 21 참고) 또는 다른 만곡 구성, 또는 기타 적합한 형상을 포함한 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 튜브들은 동일 표면적을 가지는 직선 튜브들 높이가 필요하지 않은 가용 열전달 표면적을 최대화할 수 있는 만곡 형상을 가질 수 있다. 임의의 적합한 직경 튜브들 및 튜브 배열/패턴이 적용될 수 있다. 예를들면, 단일 또는 다중 튜브 열(635)이 제공될 수 있고; 개수는 적어도 부분적으로 열교환기(620)의 열전달 요건에 따라 달라진다. 일 실시예에서, 튜브 번들(630)은 단면이 대략 원형일 수 있다.

튜브들(635)은 적용에 따라 적합한 열전도성을 가지는 임의의 적합한 바람직한 내부식성 금속으로 형성될 수 있다. 일부 비-제한적 튜브 재료 예시로는 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 내부식성 강합금, Inconel®, Monel® 또는 기타 등을 포함한다.

유입구 및 배출구 유동 플리넘(631, 633) 각각은 압력 경계를 형성하는 임의의 적합한 형상의 실질적으로 중공 외부 몸체 및 개방 내부 플리넘을 포함한다. 튜브 시트들(632, 634)은 임의의 적합한 두께 및 평탄 및 만곡(예를 들면 플리넘이 파이프 섹션 형상인 경우) 및 평면도에서 (예를 들면 둥근 단면 튜브 번들에 대하여는 원형)을 포함하는 평면 형상을 가진다. 튜브 시트 및 플리넘은 임의의 적합한 내부식성 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있고, 일부 예시로는 튜브들 (635)에 대하여 가능한 재료로 상기된 바와 같다.

수중 번들 열교환기(620)는 도 22 및 23에 도시된 적합한 증기 및 응축수 배관(603)으로 증기발생기(502), 원자로 용기(500), 및 방열기 덕트(610)와 다양하게 유체적으로 상호 연결되고 결합된다. 배관(603)은 도면들에 도시된 유로를 형성하도록 구성된다. 임의의 적합한 배관 타입 및 재료가 배관(603)에 적용되며 이는 부분적으로 배관부가 응축수 또는 증기를 이송하는지 및 예상 온도 및 압력에 따라 다르다. 일부 실시예들에서, 예를 들면 제한되지 않고, 배관은 바람직하게는 내부식성 금속 예컨대 스테인리스강 또는 강합금으로 제작된다. 적합한 배관 및 관련 부속 구조물 예컨대 밸브의 선택 및 설계는 당업자 영역에 속한다. 특히, 도 22 및 23에 도시된 유로 설정에는 펌프가 포함되지 않고 중력으로 구동된다.

원자로 냉각 시스템(600) 작동이 간략하게 기술될 것이다. 터빈발전기에서 발전이 중지되고 정상적인 비-안전 능동 시스템이 소용없는 가정된 원자로 정지 사고 예컨대 발전소 정전 또는 유사한 사고에서, 메인 증기 및 메인 급수 차단 밸브들 (미도시)이 먼저 폐쇄되어 증기발생기(502)를 랭킨 사이클의 외부-격납 발전부와 차단시킨다. 따라서, 차단 밸브들은 증기발생기(502)에서 터빈-발전기 (T-G) 세트로 증기 유동 및 T-G 세트에서 회수되는 증기발생기로의 급수 회복을 차단하고, 이는 당업자에게 자명한 방식이므로 추가 설명되지 않는다. 과잉 증기가 먼저 대기 중에 처분된 후 메인 차단 밸브들이 폐쇄될 수 있다. 메인 차단 밸브들을 폐쇄하면 원자로 노심 냉각 시스템(600)이 활성된다. 냉각 시스템(600)을 활용하는 2가지 가능한 작동 시나리오 또는 방법이 개시되고 더욱 상세히 설명되고, 이는 정지 사고 시에 붕괴열을 제거하기 위하여 수중 번들 냉각 시스템(602)을 이용하여 수동적으로 (예를 들면 전력 부재) 계속하여 원자로를 냉각한다.

도 22에 도시된 원자로 냉각을 위한 제1 작동 시나리오 또는 방법에서, (현재 정지된 원자로에서 발생되는 잔류 붕괴열에 의해) 증기발생기 용기의 상반부 쉘측에서 증기발생기(502)로부터 생성된 증기가 인출되어 수중 번들 열교환기(620)로 이송되어 수중 번들 열교환기(620)의 튜브들(635) 내부에서 응축된다(도 21 참고). 응축 증기는 수중 번들 열교환기 압력 용기(621)의 쉘측에 보관되고 튜브 번들(630)을 둘러싸는 부피 또는 저장수 W (제3 냉각재)에 잠열을 방출한다.

일 실시예에서, 튜브 번들(630)은 열교환기(620) 내부에서 저장수 W에 완전히 침수되어 물은 증기 응축을 위한 튜브들(635) 외부 냉매를 제공한다. 일 실시예에서, 튜브 번들(630)은 바람직하게는 수중 번들 열교환기(620) 축 중심선과 일치하는 길이방향 축 LA 인근에 위치할 수 있어 튜브 번들은 모든 측면에서 균등하게 물 W로 둘러싸여 번들의 모든 튜브들(635)이 균일하게 냉각된다. 그러나 다른 튜브 번들 장착 위치도 가능하다. 증기 유입 및 회수된 응축수 유출은 전력 또는 또 다른 작동 동력원에 의존하지 않고 밸브, 배관, 또는 기타 유동 제어 장치 (예를들면 오리피스 등)의 적합한 설계에 의해 수동적으로 제어되고 유지된다.

열교환기 튜브 번들(630)의 튜브 측에 있어서, 증기발생기(502)에서 인출되는 증기는 임의의 지점에서 열교환기 압력 용기(621)에 진입한다. 일 실시예에서, 증기 유입구 배관(603)은 압력 용기 쉘(625)을 측방으로 관통하고 배관은 열교환기 압력 용기(621) 내부에서 유체 연결되는 튜브 번들(630)의 유입구 플리넘(631)을 향하여 연장된다. 다른 증기 유입구 지점들 예컨대 제한되지 않지만 상부 헤드(622)를 통하는 것이 가능하다.

이어 튜브 번들(630)의 하부 플리넘(633)에서 회수된 응축수는 순전히 자연 중력 유동에 의해 배관(603)을 통해 증기발생기(502) 쉘측으로 복귀한다. 응축수 배출구 배관(503)은 대체로 열교환기 압력 용기(621) 바닥부(627)를 향한 인근 또는 근처에 배치되고 수중 번들 열교환기(620)에 공급되는 증기발생기 증기의 인출 포인트(예를 들면, 과열기 섹션(350))보다 낮은 주입 포인트 (예를들면 예열기 (351) 섹션)에서 증기발생기(502)로 다시 도입된다. 제2 유동 폐루프는 증기발생기(502) 및 수중 번들 열교환기(620) 튜브측(예를 들면 튜브 번들(630)) 사이에 설정된다. 적합한 배관이 압력 용기(621) 내부에 하부 플리넘(633) 및 용기 쉘(625) 사이에 형성되어 증기발생기(503)와 연결되는 응축수 배출구 배관(503)과 결합될 수 있다.

도 22에 도시된 제1 작동 시나리오 또는 방법을 참조하면, (튜브 번들(630) 튜브 측의 응축수와는 유체적으로 격리되고 분리되는) 수중 번들 열교환기 압력 용기(621) 쉘 측의 튜브들(635) 외부에 있는 저장수 W는 튜브 번들 내부의 응축 증기에 의해 가열되어 열은 물로 전달된다. 물 W는 원자로 정지 사고 시에 이차 냉각재 냉각을 위한 히트싱크로 작동한다. 따라서, 물 W는 제3 냉각재로서 기능하고 초기 온도는 정지 시에 이차 냉각재의 초기 온도보다 낮다. 물 W는 원자로 정지 과정에서 점차 가열된다. 일정 시간 후, 물 W는 비점에 이르고 저장수 일부는 증기로 전환된다. 증기는 상부 헤드(622) 아래 압력 용기(621)의 수위 L 위에 형성되는 증기 공간에 누적된다.

튜브 번들(630) 내부에서 이차 냉각재 증기를 응축시키기 위한 냉각 유체를 제공하는 저장수 W (제3 냉각재)를 냉각하기 위하여, 쉘 측의 누적 증기를 인출하여 적합한 배관(603)을 통해 상세히 상기된 보조 방열 시스템(340)의 방열기 덕트(610)로 이송한다. 증기는 방열기 덕트(610)를 통과하고 기 설명된 방식으로 응축된다. 특히, 환형 저수조 (일차 환형체(313))에 있는 물의 온도는 제3 냉각재 증기 온도보다 낮아 제3 냉각재 증기 응축을 위한 히트싱크를 형성하여 열은 저수조로 전달된다. 이후 응축수는 적합한 배관(603)을 거쳐 수중 번들 열교환기(620)로 돌아가고 압력 용기 (621) 쉘측으로 진입되어 저장수 W로 재도입된다. 이러한 냉각 시스템은 실질적으로 수위 유지에 조력하여 튜브 번들(630)은 수위 L 아래 물 W에 침수된다. 이러한 시스템은 방열기 덕트(610)를 이용하여 증기 및 응축수의 제3 유동 폐루프를 더욱 형성하여 수중 번들 열교환기(620) 튜브측 및 증기발생기(502)에 형성되는 제2 유동 폐루프와 차별되고 차단되는 증기를 응축한다. 요약하면, 본원에 기재된 제1 및 제2 유동 폐루프는 각각 일차 냉각재 및 이차 냉각재를 냉각한다. 제3 유동 폐루프는 수중 번들 열교환기(620) 냉각 유체 (예를들면 저장수 W로 형성되는 물 히트싱크)를 냉각하고 튜브 번들(630)에 대하여 간접적으로 이차 냉각재의 냉각에 기여한다.

도 23에 도시된 원자로 냉각을 위한 대안적 제2 작동 시나리오 또는 방법에서, 원자로 용기(500) 중의 일차 냉각재는 원자로 붕괴열에 의해 증기발생기(502)에서 계속 생성되는 증기를 이용하지 않고 수중 번들 열교환기(620)에 의해 직접 냉각된다. 본 과정에서, 증기 및 급수 차단 밸브들이 일단 폐쇄되면, 원자로 압력 용기의 상향관 기둥(224) ("열관")으로부터 뜨거운 일차 냉각재는 배관(603)을 거쳐 수중 번들 열교환기(620)의 튜브 번들(630) 튜브측으로 직접 이송된다(도 23 및 24 참고). 일차 냉각재는 튜브들(635) 내부에서 하향 유동하면서 도 22에서와 극히 유사한 방식으로 열을 수중 번들 열교환기(620)의 쉘측 물 W에 방출함으로써 냉각된다. 차이점은 이러한 전체 냉각 과정 및 또한 원자로 용기(500)를 순환할 때 일차 냉각재는 언제나 실질적으로 액체 상태로 유지된다는 것이다. 이러한 냉각으로 수중 번들 열교환기(620) 유입구에서의 뜨거운 일차 냉각재 및 열교환기 배출구에서의 차가운 일차 냉각재 간의 밀도 차이로 발생되는 부력 수두로 인하여 자연 순환 흐름이 발생된다. 더욱 차가운 일차 냉각재가 적합한 배관(603)을 통해 이송되고 원자로 용기(500) 환형 하향관(222) 영역("냉관")에 재-도입된다. 노심의 열을 열교환기 내의 쉘측 물 W에 방출하도록 적합한 자연 순환 흐름이 존재하여 일차 냉각재를 열교환기로 이송하기 위하여 원자로 용기(500)에 대하여 더욱 상승된 수중 번들 열교환기(620) 및 배관(603) 크기를 설계한다.

상기된 원자로 냉각을 위한 제1 및 제2 방법들 모두에 있어서, 수중 번들 열교환기(620) 캐비티(626) 내의 물 W의 수량은 바람직하게는 붕괴열 발생이 최고인 가정된 원자로 정지 사고 초기 단계에서 쉘측 물의 현열 가열을 통해 (일차 냉각재를 거쳐) 원자로 노심의 붕괴열을 제거하기에 충분한 정도이다. 이는 부분적으로 수중 번들 열교환기 압력 용기(621)의 저장 부피 및 크기를 규모를 적합하게 조정하여 달성될 수 있다.

격납구조물의 원자로 냉각 시스템(600) 및 공기 냉각 시스템(400)의 작동상 상호 작용을 간략하게 기술할 것이다. 상기된 바와 같이, 열교환기(620) 튜브 번들(630) 내부에서 증기 응축에 사용되지 않은 나머지 열은 저장수 W를 가열함으로써 열교환기 쉘 측에서 증기를 생성한다. 이러한 쉘측 증기는 방열기 덕트(610)로 이동되고 증기는 잠열을 격납구조물(예를 들면 내부 격납 용기(200))로 방출하여 응축된다. 격납 용기(200)는 열을 본원에서 기술된 수동형 원자로 격납 보호 시스템의 격납구조물 및 격납 인클로저 구조물(300) 사이 환형체(313) 내의 물 (및 궁극적으로는 최종 히트싱크 또는 대기)로 방출한다. 이후 방열기 덕트(610)에서 응축된 증기는 회수 매니폴드 (도 16 및 18에 도시된 하단 출구 링 헤더(344))로 배출되고 이는 순전히 중력에 의해 응축수를 수중 번들 열교환기(620)로 복귀시킨다. 내부 격납 용기(200) 및 외부 격납 인클로저 구조물(300) 사이 환형체(313)에 저장된 냉각수가 증발되면, 노출된 내부 격납 용기(200)는 이제 환형체(313)를 채우는 공기를 가열하여 자연 대류로서 열을 방출한다. 새로운 공기 공급은 일차 환형체 (313) (예를 들면 도 16 및 전술된 설명 참고)에서 격납 용기(200) 주위로 원주방향으로 이격된 유입 공기 도관(401) (흡입에 의함)에 의해 제공된다. 환형체(313)의 모든 물이 증발되면, 격납 용기(200)는 계속하여 공기 냉각만으로 열을 방출한다. 지연된 수 냉각 (원자로 붕괴열의 상당량을 제거) 이후 공기 냉각으로 모든 붕괴열이 제거된다. 수중 번들 냉각 시스템(602)은 폐루프 자연 유동시스템이므로, 냉각 프로세스는 무한히 연속된다.

상기 두 방법들의 변형 및 조합은 무전력 원자로 정지 사고시 원자로를 수동적으로 냉각시키는데 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

상기의 설명 및 도면은 몇 가지 예시적인 시스템을 나타내고 있지만, 다양한 추가, 변경 및 치환이 첨부된 특허청구범위의 균등물의 기술적 사상 및 범위의 이탈 없이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 특히, 본 발명은 기술적 사상 또는 본질적인 특징을 벗어나지 않고, 다른 형태, 구조, 배치, 비율, 크기 및 다른 요소, 재질 및 구성 요소와 함께 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다 또한, 본 명세서에 설명되는 방법/프로세스에서 많은 변형이 이루어질 수 있다. 당업자는 본 발명이 본 발명의 원리에서 벗어남 없이 특정환경 및 동작가능 요구사항에 특히 적응되는 구조, 배치, 비율, 크기, 재질 및 구성요소의 많은 변경을 통해 사용될 수 있으며, 또한 본 발명의 실시에 사용될 수 있음을 더 이해할 것이다. 따라서, 현재 개시된 실시예들은 모든 측면에서 제한적이지 않으면서 예시적인 것이며, 전술한 설명 또는 실시예에 한정되지 않고 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정의되는 발명의 범위를 가지는 것으로 고려되어야 한다. 오히려 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 균등물의 범위에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 수 본 발명의 다른 변형과 실시예를 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

Claims (21)

1. 수동형 원자로 정지 냉각 시스템으로서,
   핵 연료 노심(nuclear fuel core)을 수용하고, 상기 연료 노심에 의해 가열되는 일차 냉각재가 담기는 원자로 용기;
   상기 원자로 용기와 유체 연결되고 액체 이차 냉각재가 담기는 증기발생기;
   상기 원자로 용기와 증기발생기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환하고, 열을 상기 증기발생기의 상기 이차 냉각재로 전달하여 이차 냉각재 증기를 생성하는 상기 일차 냉각재;
   저장 액체인 제3 냉각재 및 상기 제3 냉각재에 침수되는 튜브 번들을 포함하는 열교환기; 및
   중력 유동에 의해 상기 튜브 번들과 상기 증기발생기 사이의 제2 유동 폐루프를 순환하는 상기 이차 냉각재를 포함하되;
   상기 이차 냉각재 증기는 상기 증기발생기로부터 인출되어 상기 제2 유동 폐루프에서 상기 튜브 번들로 유동되고, 응축되어 응축수를 형성하고, 상기 응축수는 다시 상기 증기발생기로 유동되고,
   상기 응축 이차 냉각재 증기는 열을 상기 열교환기 내의 상기 저장 액체인 제3 냉각재로 전달하여 제3 냉각재 증기를 생성하고,
   상기 원자로 용기, 증기발생기, 및 열교환기는 공통적으로 금속재 원자로 격납 용기 내부에 배치되며,
   상기 제3 냉각재 증기는 상기 열교환기로부터 인출되어 제3 유동 폐루프에서 방열기 덕트 어레이로 유동되고, 응축되어 액체 제3 냉각재를 형성하고, 상기 액체 제3 냉각재는 다시 상기 열교환기로 유동됨으로써, 상기 저장 액체인 제3 냉각재가 보충되고,
   상기 방열기 덕트는 상기 금속재 원자로 격납 용기의 쉘에 일체로 부착되고, 상기 제3 냉각재 증기는 열을 상기 방열기 덕트를 통해 상기 금속재 원자로 격납 용기의 상기 쉘로 전달하고 액체 제3 냉각재로 응축되는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 응축수가 상기 증기발생기로 복귀되는 지점보다 더 높은 지점에서 상기 증기발생기로부터 증기가 인출되는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 원자로 용기, 증기발생기, 및 열교환기는 모두 수직 연장 형상인, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제4항에 있어서,
   상기 원자로 격납 인클로저를 포위하는 물이 담기는 저수조를 더 포함하며, 상기 저수조 내의 상기 물의 온도는 상기 제3 냉각재 증기의 온도보다 낮아 상기 제3 냉각재 증기를 응축시키기 위한 히트싱크를 형성하는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 저수조는 환형상이고 상기 원자로 격납 용기와 외부 격납 인클로저 구조물 사이에 형성되는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
11. 수동형 원자로 정지 냉각 시스템으로서,
    핵 연료 노심을 수용하고, 상기 연료 노심에 의해 가열되는 일차 냉각재가 담기는 원자로 용기;
    저장 냉각수 및 상기 냉각수에 침수되는 튜브 번들을 포함하는 열교환기; 및
    중력 유동을 통해 상기 튜브 번들과 상기 원자로 용기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환하는 상기 일차 냉각재를 포함하되;
    상기 일차 냉각재는 열을 상기 열교환기의 상기 저장 냉각수로 전달하고 상기 원자로 용기로 다시 유동되기 전에 냉각되고,
    상기 일차 냉각재는 열을 상기 열교환기의 상기 저장 냉각수에 전달하여 증기를 생성하고,
    상기 증기는 상기 열교환기로부터 인출되어 제2 유동 폐루프에서 방열기 덕트 어레이로 유동하고, 응축되고, 다시 상기 열교환기로 유동됨으로써, 액체 상으로 상기 저장 냉각수를 보충하고,
    상기 방열기 덕트는 금속재 원자로 격납 용기에 일체로 부착되고, 상기 증기는 열을 상기 방열기 덕트를 통해 상기 금속재 원자로 격납 용기에 전달하고 응축되며,
    상기 원자로 용기 및 상기 열교환기는 공통적으로 상기 금속재 원자로 격납 용기 내부에 배치되는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제11항에 있어서,
    상기 원자로 격납 인클로저를 포위하는 물이 담기는 저수조를 더 포함하고, 상기 저수조의 상기 물의 온도는 상기 증기의 상기 온도보다 낮아 상기 증기의 응축을 위한 히트싱크를 형성하는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
17. 제16항에 있어서,
    상기 저수조는 환형상이고 상기 원자로 격납 용기와 외부 격납 인클로저 구조물 사이에 형성되는, 수동형 원자로 정지 냉각 시스템.
18. 정지 후 원자로의 수동적 냉각 방법으로서,
    핵 연료 노심으로 원자로 용기 내의 일차 냉각재를 가열하는 단계;
    상기 가열된 일차 냉각재로 증기발생기의 이차 냉각재를 가열하여 이차 냉각재 증기를 생성하는 단계;
    상기 증기발생기로부터 상기 이차 냉각재 증기를 인출하는 단계;
    상기 인출된 이차 냉각재 증기를 압력 용기 내의 저장 냉각수에 침수된 튜브 번들로 유동시키는 단계;
    상기 이차 냉각재 증기를 응축시켜 이차 냉각재 응축수를 형성하는 단계;
    상기 이차 냉각재 응축수를 상기 증기발생기로 복귀시키는 단계;
    상기 압력 용기의 상기 냉각수를 상기 이차 냉각재 증기로 가열하는 단계;
    상기 냉각수의 일부를 증기 상으로 전환시키는 단계;
    상기 압력 용기로부터 상기 냉각수 증기를 인출하는 단계;
    상기 인출된 냉각수 증기를 히트싱크와 열적 유통되는 원자로 격납 용기에 부착된 방열기 덕트로 유동시키는 단계;
    상기 냉각수 증기를 응축시키는 단계; 및
    상기 저장 냉각수를 보충하기 위하여 상기 응축된 냉각수를 상기 압력 용기로 복귀시키는 단계;를 포함하고;
    상기 이차 냉각재 증기 및 응축수는 상기 튜브 번들과 증기발생기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환하는, 정지 후 원자로의 수동적 냉각 방법.
19. 삭제
20. 정지 후 원자로의 냉각 방법으로서,
    핵 연료 노심으로 원자로 용기 내의 일차 냉각재를 가열하는 단계;
    상기 원자로 용기로부터 상기 가열된 일차 냉각재 증기를 인출하는 단계;
    상기 가열된 일차 냉각재를 압력 용기 내의 저장 냉각수에 침수된 튜브 번들로 유동시키는 단계;
    상기 가열된 일차 냉각재를 냉각시켜 해당 일차 냉각재의 온도를 낮추는 단계;
    상기 냉각된 일차 냉각재를 상기 원자로 용기로 복귀하는 단계;
    상기 압력 용기의 상기 냉각수를 이차 냉각재 증기로 가열하는 단계;
    상기 냉각수 일부를 증기 상으로 전환시키는 단계;
    상기 압력 용기로부터 상기 냉각수 증기를 인출하는 단계;
    상기 인출된 냉각수 증기를 히트싱크와 열적 유통되는 원자로 격납 용기에 부착된 방열기 덕트로 유동시키는 단계;
    상기 냉각수 증기를 응축시키는 단계; 및
    상기 저장 냉각수를 보충하기 위하여 상기 응축된 냉각수를 상기 압력 용기로 복귀시키는 단계;를 포함하고,
    상기 일차 냉각재는 상기 튜브 번들과 원자로 용기 사이의 제1 유동 폐루프를 순환하는, 정지 후 원자로의 수동적 냉각 방법.
21. 삭제

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