KR101947787B1 - 수소의 동심 제트를 이용한 수소혼합 유도 노즐장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소의 동심 제트를 이용한 수소혼합 유도 노즐장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법에 관한 것으로, 원자로 냉각재계통 가압기; 상기 가압기와 연결된 배관부; 상기 배관부에 배치된 안전감압밸브; 상기 배관부의 타단에 연결되고, 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부를 포함하고, 상기 노즐부는 상기 가압기로부터 수소를 방출하고, 상기 방출된 수소가 동심 제트를 형성하도록 함으로써, 동심형태의 수소제트를 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 분사시킴으로써 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소 구름을 빠르게 확산시킬 수 있고, 외부 전원이 차단된 상태에서도 사용 가능하다.
Description
본 발명은 수소의 동심 제트를 이용한 수소혼합 유도 노즐장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법 에 관한 것이다. 상세하게는, 원자로 냉각재계통 가압기 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부를 포함하는 수소혼합 유도 노즐장치에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 발전시설의 운영 중 발생할 수 있는 중대 사고로서, 원자로를 포함하고 있는 1차 계통의 냉각수 유출로 인한 원자로 냉각재 상실사고(LOCA; Loss Of Coolant Accident), 노심용융사고, 격납 용기의 파손 및 지진 사고 등을 들 수 있다.
이러한 중대 사고 발생 시에는 핵연료에 대한 냉각기능을 할 수가 없게 되어 원자로 내부 온도가 급격히 상승하게 되고, 이때, 원자로를 구성하고 있는 금속들은 주위의 수증기(물)와 반응하면서 여러 가지 독성가스를 방출하게 된다. 그 중 수증기와 지르코늄(Zr)이 반응하면서 다량의 수소가 발생되고, 다량의 수소가 원자로를 보호하는 격납용기 내부에 축적될 경우 작은 점화원에도 폭발에 이를 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 수소는 낮은 밀도를 갖게 되는데, 수소가 원자력발전소 격납용기 상부에 축적되어 농도가 증가하고 발화점 이상의 온도에 노출될 경우 폭발할 수 있으며, 이러한 폭발로 격납용기가 붕괴될 뿐 아니라, 최악의 경우에는 방사능 유출로 이어져 치명적인 문제를 야기하게 된다.
현재, 원자력발전 관련 법규에서는 상기한 중대 사고시에도 격실에서 수소의 순간 농도가 10%를 넘지 못하도록 규정하고 있다. 따라서, 이러한 수소 축적에 의한 사고를 방지하는 동시에 관련 법규를 만족시키기 위해, 원자력 발전 시설의 격납용기 내부에 점화기를 설치하여 방출되는 수소를 직접 연소시켜 제거하는 방법, 공기 중에 수소의 농도가 증가하면 수소-공기 혼합가스를 일정량을 모아 강제로 방출시키는 방법(filtered vent system), 격납용기 내부에 피동형 촉매 재결합기를 다수 설치하여 수소촉매 연소를 기반으로 수소를 제거하는 방법이 주로 사용되고 있다. 이 중 피동형 촉매 재결합기는 촉매판에 수소가 접촉하면 자동적으로 수소의 산화반응이 일어나 수소를 제거하기 때문에 운전원의 작동이 필요치 않으므로, 운전원의 작동이 요구되는 점화기와는 달리 전원이 상실된 경우에도 작동이 가능한 장점이 있어, 현재 원자력 발전시설에서 가장 널리 사용되고 있다.
수소와 공기의 혼합기체는 피동형 촉매 재결합기의 챔버 내부에 설치되는 촉매판 위를 층류유동 형태로 흐르게 되며 촉매판과 접촉하는 수소 분자만이 산소와 결합하게 된다. 기체가 촉매판을 흐르면서 수소농도차에 의한 확산에 의하여 지속적으로 촉매판과 수소가 접촉하게 되며 이로 인해 지속적으로 수소의 산화반응이 일어나게 된다. 그러나 층류유동의 분자확산 속도는 매우 느리기 때문에 촉매판의 상부로 갈수록 수소제거율은 낮아지게 된다. 또한 촉매판의 길이를 길게 형성하여 수소와 접촉되는 면적을 증가시키는 경우에는 마찰저항이 증가하여 굴뚝효과에 의한 챔버로의 혼합기체 유입량이 줄어들 수 있으며, 촉매판의 표면적 증가로 인해 촉매로 사용되는 백금의 사용량이 늘어나게 되어 제작비용이 상승할 수 있다.
따라서, 기존의 피동형 촉매 재결합기는 단위 시간당 제거할 수 있는 수소량에 한계를 가질 수 밖에 없고, 더 많은 수소를 제거하기 위하여 격납건물에 과다하게 많은 수를 설치하거나, 길이 또는 부피가 큰 대용량의 촉매판이 적용되도록 설계가 이루어져야 하는 문제점이 있다.
한편, 최근 들어 피동형 촉매 재결합기의 구조를 개선하여 수소 제거의 성능을 높이기 위한 기술의 개발이 활발히 진행되어, 다수의 특허문헌에 공개가 된 바 있다.
예컨대, 국내등록 제10-0309061호 '수소가스를 함유한 공기의 처리장치' 는 수소를 함유한 가스 혼합물 내의 수소를 확실하고 안전하게 처리할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것으로써, 흡기구와 배기구를 포함하는 하우징 가스통로 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.
그러나, 상기 특허문헌은 고농도의 수소가 존재하는 영역에 설치되는 경우 혹은 상기 장치가 설치 곳으로 고농도의 수소 혼합 기체가 이동하는 경우 의도하지 않은 수소연소 혹은 폭발이 발생할 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 중대사고시 발생할 수 있는 수소폭발 위험을 방지할 수 있는 수소의 동심 제트를 이용한 수소혼합 유도 노즐장치 및 이를 이용한 수소혼합 유도방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
원자로 냉각재계통 가압기; 상기 가압기와 연결된 배관부; 상기 배관부에 배치된 안전감압밸브; 상기 배관부의 타단에 연결되고, 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부를 포함하고, 상기 노즐부는 상기 가압기로부터 수소를 방출하고, 상기 방출된 수소가 동심 제트를 형성하도록 하여 주위 공기와의 혼합을 유도하는 수소혼합 유도 노즐장치를 제공한다.
또한 본 발명은,
수소가 격실 또는 격납건물 내로 방출되는 사고 시에 발생되는 수소를 노즐부를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는 수소혼합 유도방법에 있어서, 상기 노즐부를 통해 방출된 수소는 상기 노즐부에서 멀어질수록 전단면적이 증가하는 수소혼합 유도방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 수소혼합 유도 노즐장치 및 상기 장치를 이용한 수소혼합 유도방법은 중대사고시 발생할 수 있는 수소폭발 위험을 낮출 수 있다. 격납건물 내의 공기 및 수증기와 혼합을 유도함으로써 국소적으로 격납건물 내 격실에서 높은 농도의 수소구름이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 배관 끝 단에 중대사고 시 방출되는 수소제트를 동심제트로 변환할 수 있는 노즐을 설치함으로써, 제트의 전단면적을 증가시키고 이로 인하여 수소의 난류제트 및 난류 부력제트의 혼합을 증진시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
또한, 본 발명의 수소혼합 유도 노즐장치는 전원 공급 없이도 사용 가능하여, 중대사고시 외부 전원이 차단된 순간에서도 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소혼합 유도 노즐장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 노즐부에서 수소제트의 확산 현상을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 노즐부에서 수소제트의 확산 현상을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은, 원자로 냉각재계통 가압기 및 안전감압 밸브; 상기 안전감압 밸브와 연결된 배관부; 상기 배관부의 타단에 연결되고, 원자로 격납건물 내 격실에 위치하는 노즐부를 포함하고, 상기 노즐부는 상기 가압기로부터 수소를 방출하고, 상기 방출된 수소가 동심 제트를 형성하도록 하여 주위 공기와의 수소혼합을 유도하는 수소혼합 유도 노즐장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소혼합 유도 노즐장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 나타나 있는 바와 같이 본 발명의 수소혼합 유도 노즐장치는, 상기 가압기(110), 상기 가압기(110)와 연결된 배관부(120), 상기 배관부(120)에 배치된 안전감압밸브(130), 상기 배관부(120)의 타단에 연결되고, 격납건물 내 격실에 위치하는 노즐부(140)를 포함할 수 있다. 도 1는 노즐부(140)의 단면이 도시되어 있다.
상기 가입기에 설치되는 안전감압밸브(130), 배관부(120) 및 노즐부(140)로 구성되는 안전감압 시스템은 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 위치할 수 있으며, 상기 안전감압 시스템을 통해 수소가 유입되면 상기 노즐부(140)를 통해 수소를 동심제트 형태로 방출시켜, 수소제트의 전단 면적을 증가시키고 이로 인해 수소의 난류제트 및 난류 부력제트의 혼합을 증진시킴으로써, 중대사고시 원자로 상기 격납건물 또는 격실 내부에 형성된 수소 구름의 농도를 현저히 낮출 수 있다.
이때, 상기 노즐부(140)를 통해 방출되는 수소의 동심제트는, 동심원 형상 또는 콘형 형상일 수 있다.
일반적으로 배관의 끝단에서 방출되는 난류 제트는 환형이며 난류 전단력이 미치는 영역은 제트의 가장자리 표면에 국한된다. 특히, 중대사고시 안전감압장치를 통해 방출되는 수소는 초기 운동량에 의한 제트 유동을 형성하지만 운동량이 소멸되면 부력제트로 변하게 된다. 이와 같은 수소제트를 격납건물 대기와의 혼합을 유도하기 위해 배관 끝단에 동심제트로 변환하기 위한 노즐을 설치하여 수소제트의 전단면적을 증가시키고 이로 인하여 수소의 난류제트 및 난류 부력제트의 혼합을 증진시킬 수 있다.
한편, 상기 수소제트는 원자로 냉각재계통 가압기(110); 상기 가압기(110)와 연결된 배관부(120); 상기 배관부(120)에 배치된 안전감압밸브(130); 상기 배관부(120)의 타단에 연결되고, 수소를 포함하고 있는 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부(140)를 포함하고, 상기 노즐부(140)는 상기 가압기(110)로부터 외부로 수소를 방출하는 방출구(141) 및 상기 방출구(141)의 중앙에 배치된 확산부(142)를 통하여 격납건물 및 격실 내로 분사될 수 있다,
원자력발전소 노심손상을 포함하는 중대사고시 원자로 내에서 발생된 수소가 원자로 가압기(110)의 안전감압밸브(130)를 통하여 격납건물로 제트 형태로 방출될 수 있으며, 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 상부로 이동될 때, 상기 노즐부(140)를 통해 수소를 동심제트 형태로 방출시켜, 수소제트의 전단 면적을 증가시키고 이로 인해 수소의 난류제트 및 난류 부력제트의 혼합을 증진시킴으로써, 격납건물 내 수소를 빠르게 확산시킬 수 있다. 이를 통해 수소의 농도가 순간적으로 높아지는 것을 막을 수 있으며 궁극적으로 고농도 수소발생에 의한 수소 폭발을 방지할 수도 있다.
도 2는 도 1의 A 부분을 도시한 것이다.
상기 노즐부(140)형태는 상기 격실 내에 존재하는 공기 및 이미 방출된 수증기와 동심형태의 수소제트와의 혼합을 위해 수평방향으로 분사하기 위해 설계된 것일 수 있다.
상기 노즐부(140)는 상기 가압기(110)로부터 외부로 수소를 방출하는 방출구(141) 및 방출구(141)의 중앙에 배치된 확산부(142)를 포함할 수 있다. 이는 격납건물 내의 대기와 상기 노즐부(140)를 통해 방출되는 수소제트의 혼합을 증진시키기 위해 상기 수소제트의 형태를 동심제트로 변환하여 전단면적을 증가시키기 위한 형태로 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 또한, 상기 노즐부(140)는 상기 상기 확산부(142)와의 사이에서 방출구(141)를 형성하는 분사갓(143)을 포함할 수 있다. 상기 분사갓(143)은 상기 확산부(142)를 둘러싸도록 형성됨으로써 상기 방출구(141)를 통해 방출된 수소가 동심 제트를 형성하도록 할 수 있다.
상기 확산부(142)의 단면적은 상기 방출구(141)의 내부에서 외부로 갈수록 증가하는 형태일 수 있다. 또한, 상기 방출구(141)는 상기 배관부(120)로부터 멀어질수록 외경이 증가할 수 있다. 또한, 상기 확산부(142)의 외부면은 상기 방출구(141)의 외경을 따라 배치될 수 있다.
상기 확산부(142) 및 분사갓(143)은 콘형 일 수 있으며, 서로 동심을 이루며 배열되고 동심제트를 위해 구조적으로 서로 분리되어 배치될 수 있다.
동심을 이루는 방출영역을 형성하기 위한 확산부(142) 및 분사갓(143)은 서로에 대해 동심을 이루며 배열될 수 있으며, 상기 확산부(142)는 상기 분사갓(143)에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 방출구(141)를 통해 동심형태의 수소제트를 격실 내 대기 중으로 수평 혹은 수직 방향으로 방출하여, 수소와 대기의 혼합을 증대시켜 방출되는 수소의 농도를 낮출 수 있다.
상기 노즐부(140)는 본 기술분야에서 일반적으로 사용하는 재료로 제작된 것일 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 확산부(142)는 상기 노즐부(140)의 다른 구성과 연결됨으로써 고정될 수 있다. 예를 들어, 상기 확산부(142)는 상기 분사갓(143)과 핀(pin), 나사 및 기타 연결부재에 의해 연결될 수 있다.
도 3은 도 2의 노즐부(140)에서 수소제트의 확산을 구체적으로 보이기 위한 그림이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 방출되는 수소제트는 방출구(141) 및 확산부(142)를 거치면서 수소제트의 가강자리 표면적이 넓어지게 되고 이로인해 전단력이 미치는 영역이 넓어져 수소 구름의 난류 확산을 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 수소혼합 유도 노즐장치는 상기와 같이 동심제트 형태의 수소제트를 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내 대기중으로 분사시킴으로써 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소 구름을 빠르게 확산시킬 수 있으며, 외부 전원이 차단된 상태에서도 사용 가능한 장점을 가지고 있다.
본 발명은, 수소가 격실 또는 격납건물 내로 방출되는 사고 시에 발생되는 수소를 노즐부(140)를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는 수소혼합 유도방법에 있어서, 상기 노즐부(140)를 통해 방출된 수소는 상기 노즐부(140)에서 멀어질수록 전단면적이 빠르게 증가하는 수소혼합 유도방법을 제공한다. 이때, 상기 노즐부(140)는 앞서 설명한 수소혼합 유도 노즐장치에서의 노즐부(140)일 수 있다.
구체적으로, 상기 수소가 격실 또는 격납건물 내로 방출되는 사고 시에 발생되는 수소를 상기 노즐부(140)를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계는 가압기(110) 및 안전감압밸브(130)를 통해 방출될 수 있다.
이때, 상기 노즐부(140)는 방출구(141) 및 확산부(142)를 포함하는 콘형의 형상일 수 있으며, 이와 같은 형상을 가짐으로써 격납건물 대기와 혼합될 수 있는 전단면적을 확대함으로써 수소혼합을 증진시키고 격납건물 상부로 올라가면서 수소구름의 체적을 증가시켜 상부에 형성된 수소구름의 농도를 낮출 수 있다.
한편, 상기 수소제트는 원자로 냉각재계통 가압기(110); 상기 가압기(110)와 연결된 배관부(120); 상기 배관부(120)에 배치된 안전감압밸브(130); 상기 배관부(120)의 타단에 연결되고, 격납건물 또는 격실 내에 위치하는 노즐부(140)를 포함하고, 상기 노즐부(140)는 상기 가압기(110)로부터 외부로 수소를 방출하는 방출구(141) 및 상기 방출구(141)의 중앙에 배치된 확산부(142)를 통하여 격납건물 또는 격실 내로 분사될 수 있다.
한편, 상기 가압기(110)를 통해 방출되는 상기 수소제트의 방출 유무 또는 방출량은 안전감압밸브(130)를 상기 배관부(120)에 위치시켜 조절할 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니며, 상기 수소제트의 방출 유무 또는 방출량을 조절할 수 있는 다른 수단을 사용할 수 있다.
이때, 상기 수소제트는 상기 노즐부(140)을 통해 수평 혹은 수직 방향으로 분사됨으로써 수소제트의 운동량 확산을 촉진시킬 수 있도록 동심 형태의 수소 제트를 형성함으로써 난류확산을 증가시켜 수소의 혼합을 유도할 수 있다.
한편, 상기 수소혼합 유도 방법은 동심형태의 수소제트를 원자력 발전소의 격납건물 또는 격실 내에 대기 중으로 분사시킴으로써 원자력 발전소의 중대사고시 발생할 수 있는 고농도의 수소 구름을 빠르게 확산시킬 수 있으며, 외부 전원이 차단된 상태에서도 사용 가능한 장점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
110: 가압기
120: 배관부
130: 안전감압밸브
140: 노즐부
141: 방출구
142: 확산부
143: 분사갓
120: 배관부
130: 안전감압밸브
140: 노즐부
141: 방출구
142: 확산부
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- 수소가 격실 또는 격납건물 내로 방출되는 사고 시에 발생되는 수소를 수소혼합 유도 노즐장치의 노즐부를 통하여 격실 또는 격납건물 내로 방출시키는 단계를 포함하는 수소혼합 유도방법에 있어서,
상기 수소혼합 유도 노즐장치는
원자로 냉각재계통에서 발생하는 수소가 모이는 원자로 냉각재계통 가압기;
상기 가압기와 연결되어 상기 모인 수소가 이동하는 배관부;
상기 배관부에 배치된 안전감압밸브;
상기 배관부의 타단에 연결되고, 원자로의 격납건물 또는 격실 내에 위치하여, 수소를 격납건물 또는 격실로 방출하는 노즐부를 포함하고,
상기 노즐부는 상기 가압기로부터 격납건물 또는 격실 내로 수소를 방출하는 방출구 및 상기 방출구의 중앙에 배치된 확산부를 포함하여, 상기 방출된 수소가 동심 제트를 형성하며 격납건물 또는 격실 내 대기와 혼합되도록 하는 피동형 수소혼합 유도 노즐장치이고,
상기 확산부의 단면적은 상기 방출구의 내부에서 외부로 갈수록 증가하고,
상기 방출구는 상기 배관부로부터 멀어질수록 외경이 증가하고,
상기 확산부의 외부면은 상기 방출구의 외경을 따라 배치되고,
상기 노즐부를 통해 방출된 수소는 동심 제트를 형성하여 상기 노즐부에서 멀어질수록 전단면적이 증가함으로써 방출되는 소수의 농도가 낮아지는 피동형 수소혼합 유도방법.
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