KR101747784B1 - 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 수소혼합 유도방법에 관한 것이다. 상세하게는, 압축가스가 포함되어 있는 압축가스 저장용기, 상기 압축가스 저장용기와 일단에서 연결되는 배관부 및 상기 배관부의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 수소혼합 유도장치 및 상기 장치를 이용한 수소혼합 유도방법에 관한 것이다. 본 발명은 상기와 같은 장치를 통해 고밀도 압축가스를 수소를 포함하는 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 분사시킴으로써 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소구름을 빠르게 확산시킬 수 있어, 외부 전원이 차단된 상태에서도 사용 가능하다는 장점을 가지고 있다.
Description
본 발명은 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법에 관한 것이다. 상세하게는, 압축가스가 포함되어 있는 압축가스 저장용기, 상기 압축가스 저장용기와 일단에서 연결되는 배관부 및 상기 배관부의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부를 포함하며, 중대사고 발생시 격납건물 또는 격실 내 수소구름의 생성을 막는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치를 이용한 수소혼합 유도방법에 관한 것이다.
원자력발전소에서의 중대사고는 그 발생 가능성이 극히 희박하여 과거에는 원전의 설계나 안전성 분석에 제대로 반영되지 않고 있다가 미국의 스리마일 섬(Three Mile Island)의 원자력 발전소 2호기(TMI-2)에서 일어난 노심 용융사고와 체르노빌 원자력 발전소에서 발생한 폭발에 의한 방사능 누출사고와 같은 대형사고를 겪은 원자력산업계에서는 원전의 궁극적인 안전성 제고를 위해 심각하게 받아들여지게 되었다. 그 결과 기존의 심층방어원리에 입각한 공학적 안전설비 외에 설계기준을 초과하는 사고 즉, 중대사고에 대처할 부가적인 대책 마련의 필요성이 대두되었다.
중대사고란 원자력발전소를 설계하기 위해 고려한 기준사고보다 더 심각한 사고로서, 설계 안전성 평가 시 가정한 모든 수단으로도 적절한 노심 냉각이나 반응도의 제어가 불가능한 상태가 발생하여 노심의 심각한 손상을 초래함으로써 방사능 물질의 방출에 대비한 방어벽들의 건전성을 손상시킬 수 있는 사고라 정의할 수 있다. 이러한 중대사고를 관리하는 개념은 심층방어원리의 확장으로써, 기존의 보수적인 설계에 의해 생긴 안전 여유도(시간, 자원, 장비 등)를 최대한 활용하여 노심용융을 예방하고 완화시켜, 사고 결과의 심각성을 최소화시키는 것을 목표로 하고 있다. 그러나 중대사고시 예상되는 현상들이 매우 복잡하고 이들을 충분히 이해하기까지는 앞으로도 많은 연구가 요구되고 있으므로, 구체적으로 사고관리를 위한 설계 개선방안 등을 도출하기가 쉽지는 않다.
한편, 중대사고시 발생한 수소로 인한 격납건물의 건전성 위협은 원자력 발전소 2호기(TMI-2)사고에서 그 위험도가 입증되었다. 즉, 손상된 노심 용융물로부터 발생된 다량의 수소가 부분적으로 격납건물 안에서 연소되어 나타나는 수소거동 이 원자로 사고에서 중요한 부분으로 재인식되었다. 노심용융을 동반하는 중대사고시, 금속과 증기의 반응 및 노심 용융물과 콘크리트의 상호반응에 의해 수소와 일산화탄소 등 다량의 가연성 기체가 생성되며, 이들의 연소는 폭연에 의해 발생되는 정압 또는 폭발에 의해 발생되는 동압을 일으키고, 비산물의 발생과 온도와 압력의 상승에 따른 설비의 손상 등을 유발하여 격납건물을 손상시킬 우려가 있다. 또한, 이러한 가연성 기체의 연소는 핵분열생성물의 화학적 상태를 전환시키거나, 접착표면으로부터 핵분열생성물을 재 부유시킴으로써, 격납건물 외부의 대기로 방출되는 방사성 핵종의 양, 방출 시각 및 기간, 방출 특성에 영향을 미칠 수 있다. 이에, 중대사고를 막기 위해 격납건물 내의 수소발생으로 인한 폭발을 제어하는 것이 매우 중요하다.
격납건물 내의 수소의 생성원으로는 핵연료피복재인 지르코늄과 수증기의 산화반응, 원자로냉각재의 방사분해, 격납건물 안에 있는 각종 재질의 부식, 원자로냉각재 내에 함유된 용존 수소의 방출에 의한 것일 수 있다. 또한, 중대사고시에는 노심 용융물과 콘크리트의 상호반응으로 인해 콘크리트가 화학적으로 분해되면서 수증기와 이산화탄소가 방출되면 하기에 나타난 반응식 1과 같은 추가적인 반응이 일어난 결과, 가연성 기체인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 방출될 수 있다.
<반응식 1>
Zr + 2H2O → ZrO2 + 2H2 + ΔH
Zr + CO2 → ZrO2 + C + ΔH
C + CO2 → 2CO + ΔH
한편, 세계의 각 원전별로 타설된 콘크리트의 종류에 따라서 용융 온도와 재질의 조성비가 각기 달라서 일산화탄소 등의 방출율도 각각 다르지만, 그 중 핵연료피복재와 수증기의 산화반응이 수소 발생의 가장 주요한 원인으로 작용한다.
연료 피복재의 온도가 증가하면 지르코늄은 증기와 산화반응을 일으키며 수소가 생성되게 된다. 이러한 핵연료피복재-수증기 산화반응의 경우, 온도와 매우 밀접한 관련이 있다. 즉, 1200℉(650℃) 이하에서는 수소가 거의 생성되지 않고, 1800℉(980℃)에서는 엄청난 산화반응이 일어나며, 2800℉(1540℃)에서는 자기-유지반응이 일어난다. 이 반응에서 발생되는 열은 원자로 정지 후에 나오는 붕괴열의 2∼3배나 되어 지르칼로이가 급격히 소진되고 노심이 과열되어 결국에는 노심의 형상을 와해시킨다. TMI-2 사고 기간 중에 생성된 수소의 약 75%는 10분간의 이러한 급격한 산화반응으로 인해 발생된 것으로 추정되고 있다.
이와 같이 지르코늄과 과열증기와의 화학반응 등과 같은 원인으로 인해 원자로 안에는 생성된 다량의 수소가 격납건물로 방출되어 점화된다면 격납건물 건전성의 위협으로 이어질 수 있다. 특히, 이 같이 한정된 공간에 수소가 축적되는 경우에 있어서, 격실 내의 수소 농도가 10% 이상이 되면 매우 작은 에너지를 인가하는 것만으로 폭발이 일어날 수 있어, 건물의 파손 및 인적 손상을 끼칠 수 있다. 따라서, 격실 내의 수소 농도를 효율적으로 감소시킬 수 있는 기술이 요구된다.
이러한 중대사고시 발생할 수 있는 격실 내의 수소폭발 가능성을 없애기 위해, 국내 원자력 발전소의 경우, 수소 제어 설비로 격실 내 수소 농도를 4% 이하로 낮추도록 하는 수소점화기 또는 수소 재결합기를 설치하고 있다.
수소 점화기는 수소를 강제로 산소와 결합시켜 물로 만들어, 수소의 농도를 제어하는 방식으로, 수소의 농도가 증가하면 수소-공기 혼합가스를 일정량을 모아 강제로 점화시켜 연소시키는 방식이다. 이때, 점화 방식은 수소 발생이 많고 농도가 상대적으로 높은 영역에서 사용되며, 수소 농도가 10 부피%로 상대적으로 낮은 영역에서는 재결합기 방식을 통해 수소의 가연 한계인 4 부피%로 낮추도록 하고있다.
이에 대한 예로, 대한민국 공개특허 제10-0309061호에서는 수소를 함유한 가스 혼합물 내의 수소를 처리할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것으로써, 흡기구와 배기구를 포함하는 하우징 가스 통로 상에 히터로 부분적으로 가열된 촉매베드에 의해 촉진된 수소의 재결합 반응으로 인해 발생된 열이 재결합 반응이 발생하는 영역에 인접하는 촉매로 전파되어 촉매베드 전체가 활성화됨으로써, 수소를 신속하게 처리할 수 있도록 된 구성이 기재되어 있다.
하지만, 상기와 같은 수소 점화기는 운전원의 작동이 요구되는 것으로, 반드시 전원에 연결되어 있어야 하므로 전원 공급이 중단되는 경우에는 작동이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 종래의 수소 제거 설비는 후쿠시마 원전 사고 이후 전기가 끊겨도 수소를 제거할 수 있는 설비의 필요성이 제기되었고, 이에 피동형 자동촉매 재결합기(Passive Autocatalytic Recombiner, PAR)’가 개발된 바 있다. 피동형 자동촉매 재결합기(PAR)는 전원이 없어 작동 가능한 장비로, 수소와 공기의 촉매반응이 발열반응이라는 점에 착안하여, 이때 발생된 열을 이용해 자연대류에 의해 외부의 에너지원 없이 작동하게 된다. 즉, 촉매체 표면에 수소와 공기의 촉매반응이 발생하면 물과 함께 열이 발생하게 되는데, 이러한 촉매반응이 지속적으로 발생하면 열이 계속 증가해 촉매체 표면의 기체에 열을 전달하고, 생성된 물은 증기로 변화를 하게 된다.
하지만, 이때 발생한 수증기는 격납건물 상부에서 응축되어 물방울을 생성하고 이때 생성된 물방울이 피동형 자동촉매 재결합기(PAR) 내로 유입되어 촉매체를 적시게 될 뿐만 아니라, 촉매체의 표면을 타고 흘러내려 촉매체와 수소의 접촉면적을 감소시키고 촉매체의 온도를 떨어트려 촉매체의 반응을 감소시키는 문제를 가지로 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 20-0464123호에서는 물방울에 의한 수소 촉매반응이 저하되지 않도록 하는 피동형 자동촉매 재결합기(PAR) 가 개시된 바 있다. 상세하게는, 하단에 수소가스를 포함한 공기가 유입되는 유입구가 형성되고, 상단의 3면에 유입된 공기가 배출되는 배출구가 형성되며, 배출구로의 공기흐름을 유도하기 위하여 상기 3면에서 다른 1면측으로 경사진 가이드플레이트가 장착되는 커버체; 유입된 수소가스와 반응하여 수소를 제거하도록 커버체의 하단에 장착되는 허니컴 타입의 촉매체; 촉매체가 안착되고, 촉매체를 커버체의 하단에 착탈 가능하게 장착하는 촉매체 하우징 조립체;를 포함하고, 커버체의 상단에는 상부로부터 낙하하는 액체가 배출구를 통해 커버체 내부로 유입되는 것을 방지하도록 배출구가 형성된 3면 상에 설치되는 루프 플레이트가 구비되어 원자로 격납 용기에서 발생된 물방울이 장치 내부로 유입되지 않도록 한 바 있다.
하지만, 상기한 피동형 자동촉매 재결합기(PAR) 또한 단위시간당 제거할 수 있는 수소량이 매우 적기 때문에, 다수의 피동형 촉매 재결합기를 설치하더라도 수소가 방출되는 시기에 고농도의 수소구름이 생성되는 것을 방지할 수 없다는 한계를 가지고 있다.
한편, 상기와 같이 고농도의 수소구름이 생성되는 것을 막기 위해 종래의 경우, 격실 내에 팬 또는 살수장치를 통해 수소의 확산을 제어해 왔으나, 이와 같은 팬 또는 살수장치 또한, 펌프의 구동에 의해 작동되므로, 전원상실 사고시, 작동이 되지 않는다는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 발명에서는,
중대사고시 원자로 내에서 생성된 수소가 격납건물 내로 방출될 때, 전원 공급이 되지 않는 상태에서도 고농도의 수소구름이 생성되는 것을 막기 위한 방안으로, 압축가스를 이용하여 수소의 확산속도를 증가시키는 수소혼합 유도장치 및 상기 장치를 이용한 수소혼합 유도방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
압축가스가 포함되어 있는 압축가스 저장용기, 상기 압축가스 저장용기와 일단에서 연결되는 배관부 및 상기 배관부의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부를 포함하며, 중대사고 발생시 격납건물 또는 격실 내 수소구름의 생성을 막는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치를 제공한다.
또한 본 발명은,
격납건물 또는 격실 내 수소구름이 생성되는 사고시에,
상기 제1항의 수소혼합 유도장치 중 압축가스 저장용기의 압축가스를 상기 노즐부를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는, 수소혼합 유도방법을 제공한다.
나아가 본 발명은,
격납건물 또는 격실 내 수소구름이 생성되는 사고시에,
상기 구성의 수소혼합 유도장치 중 압축가스 저장용기의 압축가스를 상기 노즐부로 및 상기 노즐부에 연결된 펌프를 포함하는 살수장치를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는 수소혼합 유도방법을 제공한다.
본 발명은 중대사고시 발생할 수 있는 수소폭발 위험을 방지하기 위해, 격실 내 고농도로 밀집되어 있는 수소구름을 빠르게 확산시키기 위한 수소혼합 유도장치 및 상기 장치를 이용한 수소혼합 유도방법으로, 고밀도 압축가스를 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 분사시킴으로써, 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소구름을 빠르게 확산시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 본 발명의 수소혼합 유도 장치는 전원 공급 없이도 사용 가능하여, 중대사고시 외부 전원이 차단된 순간에서도 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명에 따른 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 포함하는 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 3a는 본 발명에 따른 수직형 노즐을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 모식도이고,
도 3b는 본 발명에 따른 고리형 노즐을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 모식도이고,
도 3c는 본 발명에 따른 십자형 노즐을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 모식도이고,
도 4는 종래의 펌프를 포함하는 살수장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 5는 본 발명에 따른 살수장치에 연결되어 있는 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 6은 본 발명에 따른 살수장치에 연결되어 있는 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 포함하는 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 포함하는 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 3a는 본 발명에 따른 수직형 노즐을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 모식도이고,
도 3b는 본 발명에 따른 고리형 노즐을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 모식도이고,
도 3c는 본 발명에 따른 십자형 노즐을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 모식도이고,
도 4는 종래의 펌프를 포함하는 살수장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 5는 본 발명에 따른 살수장치에 연결되어 있는 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 6은 본 발명에 따른 살수장치에 연결되어 있는 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 포함하는 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
본 발명에서 '수소구름'은 사고 발생시 격납건물 또는 격실 내에서 국부적 또는 전체적으로 수소가 고농도로 밀집되어 있는 상태를 의미한다.
본 발명은, 압축가스가 포함되어 있는 압축가스 저장용기, 상기 압축가스 저장용기와 일단에서 연결되는 배관부 및 상기 배관부의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부를 포함하며, 중대사고 발생시 격납건물 또는 격실 내 수소구름의 생성을 막는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소혼합 유도장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1에 나타나 있는 바와 같이 본 발명의 수소혼합 유도장치(100)는, 상기 압축가스 저장용기(11), 상기 배관부(12) 및 상기 노즐부(13)을 포함할 수 있다.
상기 수소혼합 유도장치(100)는 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 위치할 수 있으며, 상기 격납건물 또는 격실 내에 수소가 유입되면 압축가스 저장용기 내부의 압축가스를 방출시켜, 수소를 빠르게 확산시킬 수 있어, 중대사고시 원자로 격납건물 내부에 형성된 수소구름(미도시)의 형성을 제어할 수 있다.
이때, 상기 압축가스는 수소보다 분자량이 큰 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 격납건물로 이동하여 온 수소가 격실 내에서의 상승운동 및 국부적으로 농축되어 나타나는 수소구름의 생성을 막기 위한 것이다.
즉, 수소보다 밀도가 높은 압축가스를 격납건물 내 상부에서 분사하여 수소와 혼합시킴으로써, 수소의 부력을 줄여주며, 상기 수소가 격납건물 상부로 올라가는 것을 막고 빠르게 확산시킬 수 있다. 또한, 상기 밀도가 높은 압축가스는 수소와의 혼합을 유도하여, 종래의 밀도가 낮은 수소가 격실 내에서 상승하면서 순간적으로 고농도가 되는 것을 막을 수도 있다.
또한, 상기 압축가스는 난연성 가스일 수 있다.
예를 들어, 질소(N2)가스 또는 아르곤(Ar)가스와 같은 불활성 가스일 수 있고, 또한 난연성 가스인 이산화탄소(CO2)가스 일 수 있다.
하지만, 상기 압축가스가 이에 제한된 것은 아니며, 수소보다 밀도가 높고, 난연성인 성질을 가진 다른 가스가 압축가스로 사용될 수도 있다.
한편, 상기 압축가스는 저장용기와 일단에서 연결되는 배관부(12) 및 상기 배관부(12)의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격실 또는 격납건물 내에 위치하는 상기 노즐부(13)를 통하여 격납건물 및 격실 내로 분사될 수 있다,
원자력발전소 노심손상을 포함하는 중대사고시 원자로 내에서 발생된 수소가 원자로 냉각장치 파단부 혹은 가압기의 감량 밸브를 통하여 격납건물로 제트 형태로 방출될 수 있으며, 이때 발생된 수소가스는 격실의 벽면과 충돌하게 되면 운동량의 대부분을 손실되며, 상기 수소가스는 격납건물 내 대기와 비교하여 밀도가 낮아, 부력에 의해 플룸(plume)형태로 격실의 상부로 상승하게 된다. 이때, 상부로 향하는 수소는 확산되지 않고 국부적으로 고농도일 수 있으며, 상기 고농도 수소는 폭발을 일으킬 수도 있다.
따라서, 중대사고시 발생하는 수소가 격납건물 내로 이동될 때, 상기 압축가스 저장용기 내에 저장되어 있는 압축가스를 상기 배관부(12) 및 상기 노즐부(13)를 통해 격납건물 내로 분사시킴으로써, 격납건물 내 수소를 빠르게 확산시킬 수 있다. 이를 통해 수소의 농도가 순간적으로 높아지는 것을 막을 수 있으며 궁극적으로 고농도 수소의 발생에 의한 수소 폭발을 방지할 수도 있다.
이때, 상기 압축가스를 외부로 배출하는 상기 노즐부(13)는 수소를 포함하고 있는 상기 격납건물 또는 격실 내에 위치하여야 수소가 밀집된 곳에 분사시킬 수 있으나, 상기 배관부(12)의 타단에 연결되어 있는 상기 압축가스 저장용기(11)는 격납건물 또는 격실 외부에 위치할 수도 있다.
또한, 상기 압축가스 저장용기를 통해 방출되는 상기 압축가스의 방출 유무 또는 방출량은 차단밸브(14)를 상기 배관부(12)에 위치시켜 조절할 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니며, 상기 가스의 방출유무 또는 방출량을 조절할 수 있는 다른 수단을 사용할 수 있다.
한편, 상기 노즐부(13)에 사용되는 노즐은 수직형 노즐(131), 고리형 노즐(132) 및 십자형 노즐(133)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 형태를 포함할 수 있다.
이러한 상기 노즐부(13)의 형태는 상기 격실 내에 발생된 수소와 압축가스의 혼합을 위하여 압축가스를 수평방향 또는 수직방향으로 분사하기 위해 설계된 것일 수 있다. 즉, 상기 압축가스가 상기 노즐부(13)을 통해 수평 또는 수직방향으로 분사됨으로써, 수소가스 제트의 운동량이 수소 플룸에 더해져 수소 플룸이 상승하려는 운동량을 줄이고 난류확산을 증가시켜 수소의 혼합을 유도할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 노즐부에 사용되는 노즐의 형태를 도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3a는 본 발명에 따른 수직형 노즐(131)을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 것이다.
도 3a에 나타난 바와 같이, 직선형이 관 표면에 수 밀리미터(mm)의 구멍이 다수 형성된 형태일 수 있으며 끝이 막혀있는 다공성 형태의 노즐일 수 있다. 상기 수직형 노즐(131)은 격실 내 수소구름(미도시) 중심에 수직방향으로 위치하여, 수소구름(미도시)의 중심부로부터 방사방향으로 노즐 구멍을 통해 고속의 압축가스를 방출시켜 수소구름(미도시)을 팽창 혹은 확산시킬 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 고리형 노즐(132)을 포함하는 수소혼합 유도장치를을 나타낸 것이다.
도 3b에 나타난 바와 같이, 직경이 수 미터(m)인 원형 고리 모양의 관에 수 밀리미터(mm)의 노즐 구멍이 다수 형성된 형태일 수 있다. 상기 고리형 노즐(132)은 수소 방출 격실 혹은 수소구름이 이동하는 경로에 있는 격실에서 격실의 가장자리를 둘러싸는 형태일 수 있으며, 격실 내 수소 플룸을 애워싸 상기 노즐 구멍에서 방출되는 기체의 난류 제트 유동에 의해 수소 플룸의 난류확산을 증폭시킬 수 있다.
도 3c는 본 발명에 따른 십자형 노즐(133)을 포함하는 수소혼합 유도장치를 나타낸 것이다.
도 3c에 나타난 바와 같이, 상기 노즐은 십자 형태로 서로 엇갈려 장착된 직관의 표면에 수 밀리미터(mm)의 노즐 구멍이 다수 형성된 형태일 수 있다. 상기 십자형 노즐(133)은 수소가 방출되는 격실의 상부 천정에 설치될 수 있어, 수소구름의 상부에서 하향 기체 제트 유동에 의해 수소구름(미도시)의 난류 확산을 증폭시킬 수 있다.
그러나 상기 노즐부(13)의 형태는 이에 제한된 것이 아니며, 상기 격실 내 발생된 수소와 잘 혼합될 수 있도록 하는 다른 형태가 사용될 수도 있다.
이에, 본 발명의 수소혼합 유도 장치는 상기와 같이 고밀도 압축가스를 수소를 포함하는 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 분사시킴으로써 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소구름을 빠르게 확산시킬 수 있어, 외부 전원이 차단된 상태에서도 사용 가능한 장점을 가지고 있다.
한편, 본 발명의 수소혼합 유도장치(100)는, 상기 배관부(12)에서 상기 압축가스 저장용기(11) 및 상기 노즐부(13) 사이에 위치하는 벤투리관(15) 및 이에 연결된 수조(16)를 더 포함할 수도 있으며, 이를 도 2에 개략적으로 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기 배관부(12)에서 상기 압축가스 저장용기(11) 및 상기 노즐부(13) 사이에 위치하는 벤투리관(15) 및 이에 연결된 수조(16)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 벤투리관(15)은 상기 수조(16)의 물을 상기 배관부(12) 내로 유입하여 혼합하기 위한 것으로, 상기 벤투리관(15)의 압력차에 의해 상기 수조(16)에서 흡입된 물은 미세 액적 형태로 압축가스와 함께 노즐부(12)를 통하여 격실 내에 제트 형태로 방출될 수 있다. 이때 방출되는 상기 미세 액적은 수소의 혼합을 유도하거나 수소가 수증기와 같이 방출되는 경우 수증기의 부분적 응축을 유도함과 동시에 응축에 의해 야기되는 부압에 의해 수소의 혼합을 촉진시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 수소혼합 유도장치는 펌프를 포함하는 살수장치(200)를 더 포함할 수도 있다. 종래의 살수장치(200)는 물에 높은 압력을 걸어 노즐에서 물을 분사되는 장치로, 상기 살수장치(200)를 도 4를 통해 개략적으로 나타내었다.
도 4에 나타난 바와 같이, 상기 살수장치(200)는 물을 저장하는 냉각수 저장소(21), 상기 물을 배출시키기 위한 펌프(22), 열교환기(23) 및 노즐(13)을 포함할 수 있다. 상기 살수장치(200)는 다량의 물을 포함하고 있는 냉각수 저장소(21)와 상기 노즐(13) 사이에 펌프(22)를 설치하여, 상기 냉각수 저장소 내부의 물을 노즐을 통해 격납건물 또는 격실 내에 분사하기 위한 장치이다. 이러한 종래의 살수장치(200)는 화재 및 가연성 가스의 확산을 위하여 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내의 설치되어 있는 설비일 수 있다. 하지만, 종래의 살수장치(200)의 경우, 상기 펌프(22)에 의해 작동하기 때문에 외부 전원이 차단된 경우 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다.
이에, 상기 수소혼합 유도장치를 종래의 살수장치(200)에 연결시킴으로써, 종래의 살수장치(200)를 작동되지 않는 전원상실사고 시에 상기 압축가스를 종래의 노즐(13)을 통하여 방출할 수 있다. 즉, 상기에 전술한 바와 같은 기체 제트의 난류 혼합을 통하여 수소의 확산을 증진시킬 수 있다.
이에 대한 예로, 도 5에서는 살수장치를 포함하는 수소혼합 유도장치(100)를 개략적으로 나타내고 있다.
도 5에 나타난 바와 같이, 상기 수도혼합 유도장치(100)의 배관부에 종래의 살수장치를 연결하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 펌프(22) 및 압축가스 저장용기(11) 상부로 체크밸브를 설치하여, 상기 냉각수 저장소(21)의 물이 상기 압축가스 저장용기(11)로 역류되는 것을 차단할 수 있고, 또한, 상기 압축가스가 상기 살수장치의 펌프(22)로 역류되는 것을 차단할 수 있다. 하지만, 상기 역류를 차단하기 위한 수단이 이에 제한된 것은 아니며, 상기와 같이 역류를 차단하는 역할을 할 수 있는 다른 수단을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 살수장치를 포함하는 수소혼합 유도장치(100)는 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 더 포함하여 사용할 수 있으며 상기 구성을 포함하는 수소혼합 유도장치(100)을 도 6을 통해 개략적으로 나타내고 있다.
도 6에 나타난 바와 같이 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 더 포함하는 수소혼합 유도장치(100)의 상기 가스방출 배관부에 종래의 살수장치을 연결하여 사용할 수도 있다. 이에, 종래의 살수장치를 작동시킬 수 없는 전원상실사고 시에 상기 압축 가스의 방출 및 상기 벤투리관을 통과하여 나온 미세 액적이 살수노즐을 통하여 방출됨으로써 상기 압축가스의 제트 혼합 뿐만 아니라 액적이 격납건물 내 수증기를 응축시켜 국소적으로 부압을 형성하고 이로 인해 유도되는 유동에 의하여 수소의 혼합을 증진시킬 수도 있다.
한편, 본 발명은
격납건물 또는 격실 내 수소구름이 생성되는 사고시에,
상기 제1항의 수소혼합 유도장치 중 압축가스 저장용기의 압축가스를 상기 노즐부를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는, 수소혼합 유도방법을 제공한다.
이때, 상기 압축가스는 수소보다 분자량이 큰 가스를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 격납건물로 이동하여 온 수소가 격실 내에서의 상승운동 및 국부적으로 농축되어 나타나는 수소구름의 생성을 막기 위한 것일 수 있다.
즉, 수소보다 밀도가 높은 압축가스를 격납건물 내 상부에서 분사하여 수소와 혼합시킴으로써, 수소의 부력을 줄여주며, 상기 수소가 격납건물 상부로 올라가는 것을 막고 빠르게 확산시킬 수 있다. 또한 상기 밀도가 높은 압축가스는 수소와의 혼합을 유도하여, 종래의 밀도가 낮은 수소가 격실 내에서 상승하면서 순간적으로 고농도가 되는 것을 막을 수도 있다.
또한, 상기 압축가스는 난연성 가스일 수 있다. 예를 들어, 질소(N2)가스 또는 아르곤(Ar)가스와 같은 불활성 가스일 수 있고, 또한 난연성 가스인 이산화탄소(CO2)가스 일 수 있다.
하지만, 상기 압축가스가 이에 제한된 것은 아니며, 수소보다 밀도가 높고, 나연성인 성질을 띄는 다른 가스가 압축가스로 사용될 수도 있다.
한편, 상기 압축가스는 상기 압축가스 저장용기(11)와 일단에서 연결되는 배관부(12) 및 상기 배관부(12)의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격실 또는 격납건물 내에 위치하는 상기 배관부(12) 및 상기 노즐부(13)를 통하여 격납건물 또는 격실 내로 분사될 수 있다,
한편, 상기 압축가스 저장용기(11)를 통해 방출되는 상기 압축가스의 방출 유무 또는 방출량은 차단밸브(14)를 상기 배관부(12)에 위치시켜 조절할 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니며, 상기 가스의 방출 유무 또는 방출량을 조절할 수 있는 다른 수단을 사용할 수 있다.
이때, 상기 압축가스는 상기 노즐부(13)을 통해 수평 또는 수직방향으로 분사됨으로써 수소가스 제트의 운동량이 수소 플룸에 더해져 수소 플룸이 상승하려는 운동량을 줄이고 난류확산을 증가시켜 수소의 혼합을 유도할 수 있다.
한편, 상기 수소혼합 유도 방법은 고밀도 압축가스를 수소를 포함하는 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 분사시킴으로써 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소구름을 빠르게 확산시킬 수 있어, 외부 전원이 차단된 상태에서도 사용 가능한 장점을 가지고 있다.
한편, 본 발명의 수소혼합 유도방법은, 상기 배관부(12)에서 상기 압축가스 저장용기(11) 및 상기 노즐부(13) 사이에 위치하는 벤투리관(15) 및 이에 연결된 수조(16)를 통하여, 상기 수조(16)에서 흡입된 물을 미세 액적 형태로 노즐부로 이동시켜, 상기 압축가스와 함께 격실 내에 제트 형태로 방출시킬 수도 있다. 이때 방출되는 상기 미세 액적은 수소의 혼합을 유도하거나 수소가 수증기와 같이 방출되는 경우 수증기의 부분적 응축을 유도함과 동시에 응축에 의해 야기되는 부압에 의해 수소의 혼합을 촉진시킬 수도 있다.
또한 본 발명은
격납건물 또는 격실 내 수소구름이 생성되는 사고시에,
상기 살수장치(200)를 포함하는 수소혼합 유도장치(100) 중 압축가스 저장용기(11)의 압축가스를 상기 노즐부(13)를 통하여 격납건물 또는 격실 내로 방출시키는 단계를 포함하는 수소혼합 유도방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 수소혼합 유도방법을 상세히 설명한다.
이때, 상기 살수장치(200)는 물을 저장하는 냉각수 저장소(21), 상기 물을 배출시키기 위한 펌프(22), 열교환기(23) 및 노즐(13)을 포함할 수 있다. 상기 살수장치(200)는 다량의 물을 포함하고 있는 냉각수 저장소(21)와 상기 노즐(13) 사이에 펌프(22)를 설치하여, 상기 냉각수 저장소 내부의 물을 노즐을 통해 격납건물 또는 격실 내에 분사할 수 있다.
상기 수소혼합 유도방법은 종래의 살수장치(200)에 수소혼합 유도장치를 연결시켜, 상기 압축가스를 종래의 노즐(13)을 통하여 방출할 수도 있다. 이를 통해 전원상실 사고시에도 상기에 전술한 바와 같은 기체 제트의 난류 혼합을 통하여 수소의 확산을 증진시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 수소혼합 유도장치의 상기 배관부(12)를 종래의 살수장치에 연결하여 상기 압축가스를 방출할 수도 있다.
이때, 상기 펌프(22) 및 압축가스 저장용기(11) 상부로 체크밸브(24)를 설치하여, 상기 냉각수 저장소(21)의 물이 상기 압축가스 저장용기(11)로 역류되는 것을 차단하고, 또한, 상기 압축가스가 상기 살수장치의 펌프(22)로 역류되는 것을 차단할 수도 있다. 하지만, 상기 역류를 차단하기 위한 수단이 이에 제한된 것은 아니며, 상기와 같이 역류를 차단하는 역할을 할 수 있는 다른 수단을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 살수장치를 포함하는 수소혼합 유도장치(100)에 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 더 포함시켜, 상기 압축가스 및 상기 벤투리관을 통과하여 나온 미세 액적이 노즐부(13)를 통하여 방출될 수 있다. 이를 통해, 상기 압축가스의 제트 혼합 뿐만 아니라 액적이 격납건물 내 수증기를 응축시켜 국소적으로 부압을 형성하고 이로 인해 유도되는 유동에 의하여 수소의 혼합을 증진시킬 수도 있다.
이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
수소가 방출되고 있는 것을 가정하는 원자력 발전소의 격납건물에 본원발명의 도 3a에 따른 수소혼합 유도장치를 설치하였다. 설치 후 이산화탄소가 충진된 압축가스 저장용기(11)의 차단밸브(14)를 열어 노즐(131)을 통하여 이산화탄소를 격납건물로 주입하였다.
<실시예 2>
수소가 방출되고 있는 것을 가정하는 원자력 발전소의 격납건물에 본원발명의 도 3b에 따른 수소혼합 유도장치를 설치하였다. 설치 후 이산화탄소가 충진된 압축가스 저장용기(11)의 차단밸브(14)를 열어 노즐(132)을 통하여 이산화탄소를 격납건물로 주입하였다.
<실시예 3>
수소가 방출되고 있는 것을 가정하는 원자력 발전소의 격납건물에 본원발명의 도 3c에 따른 수소혼합 유도장치를 설치하였다. 설치 후 이산화탄소가 충진된 압축가스 저장용기(11)의 차단밸브(14)를 열어 노즐(133)을 통하여 이산화탄소를 격납건물로 주입하였다.
<실시예 4>
수소가 방출되고 있는 것을 가정하는 원자력 발전소의 격납건물에 본원발명의 도 2에 따른 수소혼합 유도장치를 설치하였다. 설치 후 이산화탄소가 충진된 압축가스 저장용기(11)의 차단밸브(14)를 열어 노즐(13)을 통하여 이산화탄소 및 물을 격납건물로 주입하였다.
<실시예 5>
수소가 방출되고 있는 것을 가정하는 원자력 발전소의 격납건물에 본원발명의 도 5에 따른 수소혼합 유도장치를 설치하였다. 설치 후 이산화탄소가 충진된 압축가스 저장용기(11)의 차단밸브(14)를 열어 노즐(13)을 통하여 이산화탄소을 격납건물로 주입하였다.
<실시예 6>
수소가 방출되고 있는 것을 가정하는 원자력 발전소의 격납건물에 본원발명의 도 6에 따른 수소혼합 유도장치를 설치하였다. 설치 후 이산화탄소가 충진된 압축가스 저장용기(11)의 차단밸브(14)를 열어 노즐(13)을 통하여 이산화탄소 및 물을 격납건물로 주입하였다.
11: 압축가스 저장용기
12: 배관부
13: 노즐부
14: 차단밸브
15: 벤투리관
16: 수조
21: 냉각수 저장소
22: 펌프
23: 열교환기
24: 체크밸브
100: 수소혼합 유도장치
200: 살수장치
300: 격납건물
12: 배관부
13: 노즐부
14: 차단밸브
15: 벤투리관
16: 수조
21: 냉각수 저장소
22: 펌프
23: 열교환기
24: 체크밸브
100: 수소혼합 유도장치
200: 살수장치
300: 격납건물
Claims (19)
- 냉각수 저장소를 포함하는 격납건물 또는 격실 내 수소구름의 생성을 막는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치에 있어서,
압축가스가 포함되어 있는 압축가스 저장용기,
상기 압축가스 저장용기와 일단에서 연결되는 배관부,
상기 배관부의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 배치되어 상부방향으로부터 하부방향으로 다수의 구멍이 형성되어 압축가스를 방출시키는 수직형 노즐부,
상기 배관부 중 상기 압축가스 저장용기 및 상기 노즐부 사이에 연결된 벤투리관,
상기 벤투리관에 연결된 수조,
일단이 상기 냉각수 저장소와 연결되고, 타단이 상기 배관부 중 상기 벤투리관이 위치하는 부분 및 상기 수직형 노즐부 사이에 연결되는 냉각수 배관부, 및
상기 냉각수를 상기 냉각수 배관부에 공급하기 위한 펌프를 포함하고,
상기 벤투리관이 상기 배관부와 연결된 부분에서 상기 압축가스 저장용기의 가스 및 상기 수조의 물이 1차 혼합되고,
상기 냉각수 배관부의 타단 및 상기 배관부가 연결되는 부분에서 상기 1차 혼합된 가스 및 물과, 상기 냉각수 저장소의 냉각수가 2차 혼합되며, 냉각수를 분사하거나, 수조의 물, 압축가스 및 냉각수를 혼합 분사하거나, 수조의 물 및 압축가스를 혼합 분사하여, 중대사고 발생시 격납건물 또는 격실 내 수소구름의 생성을 막는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치.
- 제1항에 있어서, 상기 압축가스는 수소보다 분자량이 큰 난연성 가스인 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 수직형 노즐부는 사고시 방출되는 고농도의 수소구름의 중심부에 위치되어 상기 압축가스는 상기 수직형 노즐부에서 수평방향으로 분사되는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치.
- 제1항에 있어서, 상기 압축가스 저장용기는 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실의 내부 또는 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치.
- 제1항에 있어서, 상기 수소혼합 유도장치는 전원 공급 없이 사용되는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도장치.
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- 삭제
- 삭제
- 격납건물 또는 격실 내 수소구름이 생성되는 사고시에,
상기 제1항, 제2항, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 수소혼합 유도장치 중 압축가스 저장용기의 압축가스를 상기 수직형 노즐부를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는 수소혼합 유도방법.
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- 제12항에 있어서, 상기 압축가스는 물과 함께 상기 수직형 노즐부를 통해 방출되는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도방법.
- 제16항에 있어서, 상기 물은 상기 배관부와 연결된 벤투리관 및 이에 연결된 수조를 통해 노즐부로 유입되며, 상기 수직형 노즐부에서 상기 압축가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 수소혼합 유도방법.
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150182615A KR101747784B1 (ko) | 2015-12-21 | 2015-12-21 | 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150182615A KR101747784B1 (ko) | 2015-12-21 | 2015-12-21 | 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101747784B1 true KR101747784B1 (ko) | 2017-06-19 |
Family
ID=59279163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150182615A KR101747784B1 (ko) | 2015-12-21 | 2015-12-21 | 압축가스 분사를 이용한 수소혼합 유도장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101747784B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778458C1 (ru) * | 2022-03-10 | 2022-08-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ обеспечения безопасности обращения с газогенерирующими устройствами, содержащими химически активные материалы |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012225823A (ja) * | 2011-04-21 | 2012-11-15 | Shimizu Corp | 原子力発電施設における水素爆発防止方法および設備 |
| JP2012233728A (ja) | 2011-04-28 | 2012-11-29 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | 原子力発電プラント及びその窒素ガス供給方法 |
| KR101504605B1 (ko) * | 2013-12-05 | 2015-03-24 | 동국대학교 경주캠퍼스 산학협력단 | 원자력발전소 폭발 충격파 저감장치 |
-
2015
- 2015-12-21 KR KR1020150182615A patent/KR101747784B1/ko active IP Right Grant
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| JP2012225823A (ja) * | 2011-04-21 | 2012-11-15 | Shimizu Corp | 原子力発電施設における水素爆発防止方法および設備 |
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