KR102076899B1 - Cooling system using nano-particle for nuclear power plant - Google Patents

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서정수
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Abstract

본 발명은 나노입자를 이용한 원자력 발전소의 냉각 시스템에 관한 것으로, 원자로; 상기 원자로를 감싸고 있는 구조물; 상기 원자로와 상기 구조물 사이에 위치하며, 상기 원자로와의 사이에서 제1공간을 형성하고 상기 구조물과의 사이에서 제2공간을 형성하는 단열부; 제1위치에서 상기 단열부에 연결되어 있는 제1플로팅 게이트; 상기 제1위치보다 높은 제2위치에서 상기 단열부에 연결되어 있는 제2플로팅 게이트; 및 상기 제1공간 및 상기 제2공간 중 적어도 어느 한 곳에 존재하며, 상기 제1공간 및 상기 제2공간의 냉각수흐름에 의해 나노입자를 배출하는 나노입자 배출부를 포함하는 것에 의해 달성된다.The present invention relates to a cooling system of a nuclear power plant using nanoparticles, the reactor; A structure surrounding the reactor; A heat insulating part disposed between the reactor and the structure, the first space forming a first space between the reactor and the second space between the structure and the structure; A first floating gate connected to the heat insulating part at a first position; A second floating gate connected to the heat insulating part at a second position higher than the first position; And a nanoparticle discharge part present in at least one of the first space and the second space and discharging the nanoparticles by cooling water flow of the first space and the second space.

Description

나노입자를 이용한 원자력 발전소의 냉각시스템{Cooling system using nano-particle for nuclear power plant}Cooling system using nano-particle for nuclear power plant

본 발명은 나노입자를 이용한 원자력 발전소의 냉각시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling system of a nuclear power plant using nanoparticles.

중대사고 발생 시 원자로 내의 핵연료 및 내부 구조물은 용융된 상태로 원자로 용기 하부에 쌓이게 된다. 이 때 원자로 용기는 용융된 고온의 용융물에 노출되어 하부가 관통되어 고준위의 용융물이 노외로 유출되는 대형사고가 발생할 수 있다.In the event of a serious accident, the nuclear fuel and internal structures within the reactor will melt and accumulate below the reactor vessel. At this time, the reactor vessel may be exposed to the molten hot melt and penetrate the lower portion to cause a large accident in which the high-level melt flows out of the furnace.

이를 방지하기 위하여 노내 구속-원자로용기 외벽냉각(In-vessel retention-external reactor vessel cooling: IVR-ERVC)이라는 기술이 사용된다. 본 기술에서는 원자로 용기의 외벽을 냉각수를 이용하여 냉각시키는데 냉각수의 냉각효율을 높이기 위한 기술이 개발되고 있다.To prevent this, a technique called in-vessel retention-external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) is used. In the present technology, a technology for increasing the cooling efficiency of the cooling water is developed to cool the outer wall of the reactor vessel using the cooling water.

한국 공개 제2011-0055072호(2011년 5월 25일 공개)Korean Publication No. 2011-0055072 (published May 25, 2011)

따라서 본 발명의 목적은 나노입자를 이용한 원자력 발전소의 냉각시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a cooling system of a nuclear power plant using nanoparticles.

상기 본 발명의 목적은 원자력 발전소의 냉각 시스템에 있어서, 원자로; 상기 원자로를 감싸고 있는 구조물; 상기 원자로와 상기 구조물 사이에 위치하며, 상기 원자로와의 사이에서 제1공간을 형성하고 상기 구조물과의 사이에서 제2공간을 형성하는 단열부; 제1위치에서 상기 단열부에 연결되어 있는 제1플로팅 게이트; 상기 제1위치보다 높은 제2위치에서 상기 단열부에 연결되어 있는 제2플로팅 게이트; 및 상기 제1공간 및 상기 제2공간 중 적어도 어느 한 곳에 존재하며, 상기 제1공간 및 상기 제2공간의 냉각수흐름에 의해 나노입자를 배출하는 나노입자 배출부를 포함하는 것에 의해 달성된다.An object of the present invention is a cooling system of a nuclear power plant, nuclear reactor; A structure surrounding the reactor; A heat insulating part disposed between the reactor and the structure, the first space forming a first space between the reactor and the second space between the structure and the structure; A first floating gate connected to the heat insulating part at a first position; A second floating gate connected to the heat insulating part at a second position higher than the first position; And a nanoparticle discharge part present in at least one of the first space and the second space and discharging the nanoparticles by cooling water flow of the first space and the second space.

상기 제1플로팅 게이트는 상기 원자로의 하부에 위치할 수 있다.The first floating gate may be located under the reactor.

상기 나노입자 배출부는 상기 제1플로팅 게이트에 결합되어 있을 수 있다.The nanoparticle outlet may be coupled to the first floating gate.

상기 제1플로팅 게이트는 상기 제1공간을 향한 제1면과 상기 제2공간을 향한 제2면을 가지며, 상기 나노입자 배출부는 상기 제2면에 결합되어 있을 수 있다.The first floating gate may have a first surface facing the first space and a second surface facing the second space, and the nanoparticle discharge portion may be coupled to the second surface.

상기 제1플로팅 게이트는 상기 냉각수흐름에 의해 상기 제1공간을 향해 오픈되며, 상기 제2플로팅 게이트는 상기 냉각수흐름에 의해 상기 제2공간을 향해 오픈될 수 있다.The first floating gate may be opened toward the first space by the coolant flow, and the second floating gate may be opened toward the second space by the coolant flow.

상기 나노입자 배출부는 메쉬형태의 본체와; 상기 본체의 내부에 위치하며 상기 나노입자를 포함하는 나노입자 블록을 포함할 수 있다.The nanoparticle discharge portion and the main body of the mesh form; Located inside the main body may include a nanoparticle block including the nanoparticles.

상기 나노입자는 ZnO2, Al2O3 또는 ZrO2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The nanoparticles may include at least one of ZnO 2, Al 2 O 3, or ZrO 2.

상기 나노입자 블록은 복수개로 마련되어 있을 수 있다.The nanoparticle block may be provided in plurality.

본 발명에 따르면 나노입자를 이용한 원자력 발전소의 냉각시스템이 제공된다.According to the present invention, a cooling system of a nuclear power plant using nanoparticles is provided.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 나타낸 것이고,
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템에서 나노입자 배출부를 자세히 나타낸 것이고,
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템의 운전을 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 나타낸 것이다.1 shows a cooling system of a nuclear power plant according to a first embodiment of the present invention,
2 is an enlarged view of a portion A of FIG. 1,
Figure 3 shows in detail the nanoparticle discharge portion in the cooling system of the nuclear power plant according to the first embodiment of the present invention,
4 and 5 show the operation of the cooling system of the nuclear power plant according to the first embodiment of the present invention,
6 shows a cooling system of a nuclear power plant according to a second embodiment of the present invention,
7 shows a cooling system of a nuclear power plant according to a third embodiment of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.The accompanying drawings are only examples as illustrated in order to more specifically describe the technical idea of the present invention, and thus the spirit of the present invention is not limited to the accompanying drawings. In addition, the accompanying drawings may be exaggerated differently from the actual size and the like to explain the relationship between the components.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 설명한다.A cooling system of a nuclear power plant according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템에서 나노입자 배출부를 자세히 나타낸 것이다.1 illustrates a cooling system of a nuclear power plant according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of a portion A of FIG. 1, and FIG. 3 is cooling of the nuclear power plant according to the first embodiment of the present invention. The nanoparticle exhaust in the system is shown in detail.

냉각시스템(1)은 원자로(10), 구조물(20), 단열부(30), 플로팅 게이트(41, 42) 및 나노입자 배출부(50)를 포함한다.The cooling system 1 includes a reactor 10, a structure 20, a thermal insulation 30, floating gates 41, 42 and nanoparticle exhaust 50.

구조물(20)은 원자로(10)를 둘러싸고 있으며, 단열부(30)는 원자로(10)와 구조물(20) 사이에 위치한다.The structure 20 surrounds the reactor 10 and the thermal insulation 30 is located between the reactor 10 and the structure 20.

원자로(10)와 단열부(30) 사이의 공간은 제1공간을 형성하고, 단열부(30)와 구조물(20) 사이의 공간은 제2공간을 형성한다.The space between the reactor 10 and the heat insulating portion 30 forms a first space, and the space between the heat insulating portion 30 and the structure 20 forms a second space.

단열부(30)에는 복수의 관통공(31, 32)이 형성되어 있다. 제1관통공(31)은 가장 낮은 위치에 형성되어 있으며, 제2관통공(32)은 상부에 형성되어 있다.The plurality of through holes 31 and 32 are formed in the heat insulating part 30. The first through hole 31 is formed at the lowest position, and the second through hole 32 is formed at the upper portion.

플로팅 게이트(41, 42)는 단열부(30)에 고정되어 있으며, 힌지결합 등을 통해 관통공(31, 32)을 개방/폐쇄 시킬 수 있다.The floating gates 41 and 42 are fixed to the heat insulating part 30, and may open / close the through holes 31 and 32 through hinge coupling or the like.

플로팅 게이트(41, 42)는 평소에는 관통공(31, 32)을 폐쇄시키고 있다. 하부에 위치한 제1플로팅 게이트(41)는 제1관통공(31)을 자중에 의해 폐쇄시키고 있으며, 단열부(30)의 안쪽에 고정되어 제1공간에 위치하고 있다. 상부에 위치한 제2플로팅 게이트(42)는 제2관통공(32)을 자중에 의해 폐쇄시키고 있으며, 단열부(30)의 바깥쪽에 고정되어 제2공간에 위치하고 있다.The floating gates 41 and 42 usually close the through holes 31 and 32. The first floating gate 41 located at the lower portion closes the first through hole 31 by its own weight and is fixed to the inside of the heat insulating part 30 and positioned in the first space. The second floating gate 42 located above is closing the second through hole 32 by its own weight, and is fixed to the outside of the heat insulating part 30 and positioned in the second space.

제1플로팅 게이트(41)는 판상으로 마련되어 있으며, 제1공간을 향한 제1면(41a)과 제2공간을 향한 제2면(41b)을 가진다.The first floating gate 41 is provided in a plate shape and has a first surface 41a facing the first space and a second surface 41b facing the second space.

나노입자 배출부(50)는 제1플로팅 게이트(41)의 제2면(41b)상에 위치하고 있다. The nanoparticle discharge part 50 is positioned on the second surface 41b of the first floating gate 41.

나노입자 배출부(50)는 본체(51)와 나노입자블록(52)으로 이루어져 있다. 본체(51)는 냉각수가 드나들 수 있는 메쉬형태이며, 이에 한정되지 않으나, 스테인리스 스틸로 만들어 질 수 있다. 본체(51)는 제1플로팅 게이트(41)에 고정되어 있으며, 고정방법은, 이에 한정되지 않으나, 용접을 통해 고정되어 있을 수 있다.Nanoparticle discharge unit 50 is composed of a main body 51 and the nanoparticle block (52). The main body 51 is in the form of a mesh into which the coolant can enter, but is not limited thereto, and may be made of stainless steel. The main body 51 is fixed to the first floating gate 41, and the fixing method is not limited thereto, but may be fixed by welding.

나노입자 블록(52)은 본체(51) 내부에 위치하며 복수개로 마련되어 있다. 나노입자 블록(52)은 메쉬보다 커서 본체(51)의 외부로 유출되지 않는다. 나노입자 블록(52)은 나노입자가 뭉쳐진 형태로, 나노입자는 ZnO2, Al2O3 또는 ZrO2 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 나노입자 블록(52)은 이들 나노입자를 물리적 힘으로 압축시키거나, 별도의 바인더를 사용하여 만들 수 있다.Nanoparticle block 52 is located in the main body 51 is provided in plurality. The nanoparticle block 52 is larger than the mesh and does not flow out of the main body 51. The nanoparticle block 52 is in the form of agglomerated nanoparticles, the nanoparticles may be at least one of ZnO2, Al2O3 or ZrO2. Nanoparticle block 52 can be made by compressing these nanoparticles with a physical force, or using a separate binder.

나노입자 블록(52)의 개수, 크기 및 형상은 나노입자가 녹는 시간 및 배출되는 시간 등을 감안하여 다양하게 변경될 수 있다.The number, size, and shape of the nanoparticle blocks 52 may be variously changed in view of the melting time and the discharging time of the nanoparticles.

이하 도 4 및 도 5를 참조하여 원자력 발전소의 냉각시스템의 운전을 설명한다.Hereinafter, the operation of the cooling system of the nuclear power plant will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

중대사고 등 사고 발생 시 원자로(10)의 냉각을 위해 냉각수가 제2공간으로 공급된다. 구조물(20)의 하부에서부터 냉각수가 채워지고 점차 수위가 증가한다. 냉각수가 제1플로팅 게이트(41)에 닿으면 제1플로팅 게이트(41)가 제1공간으로 열리면서 제1관통공(31)이 개방된다. 이후 냉각수 수위가 더 증가하면 제2플로팅 게이트(42)가 제2공간으로 열리면서 제2관통공(32)이 개방된다. 이후 냉각수는 도 4에 표시한 방향과 같이 원자로(10)로부터의 열에 의해 자연순환하면서 제1공간과 제2공간을 순환하면서 원자로(10)를 냉각한다.In the event of a serious accident, cooling water is supplied to the second space for cooling the reactor 10. Cooling water is filled from the bottom of the structure 20 and the water level gradually increases. When the coolant reaches the first floating gate 41, the first floating gate 41 opens to the first space, and the first through hole 31 is opened. Then, when the coolant level further increases, the second floating gate 42 opens to the second space, and the second through hole 32 opens. Thereafter, the cooling water cools the reactor 10 while circulating the first space and the second space by natural circulation by heat from the reactor 10 as shown in FIG. 4.

이 때, 도 5와 같이 제1관통공(31)을 통해 상부로 이동하는 냉각수는 나노입자 배출부(50)를 지나게 된다. 즉, 냉각수는 메쉬형태의 본체(51)를 통과하여 나노입자 블록(52)과 접촉 후 다시 본체(51) 외부로 유출된다. 이 과정에서 냉각수에 나노입자 블록(52)의 나노입자가 녹으면서, 냉각수는 나노입자 냉각수가 된다. 나노입자 냉각수는 포함하고 있는 나노입자에 의해 열전달 성능이 향상되어 원자로(10) 냉각 효율이 증가하며, 임계열유속이 증가하여 원자로(10)의 건전성이 향상된다.At this time, as shown in FIG. 5, the cooling water moving upward through the first through hole 31 passes through the nanoparticle discharge unit 50. That is, the coolant passes through the main body 51 in the mesh form and contacts the nanoparticle block 52 and then flows out of the main body 51 again. In this process, the nanoparticles of the nanoparticle block 52 are dissolved in the cooling water, and the cooling water becomes the nanoparticle cooling water. The nanoparticle cooling water improves the heat transfer performance by the nanoparticles contained therein, thereby increasing the reactor 10 cooling efficiency and increasing the critical heat flux, thereby improving the health of the reactor 10.

특히 나노입자 배출부(50)가 위치하는 제1관통공(31)은 가장 유속이 빠른 부분이며, 제1관통공(31) 주변에서는 난류유동이 활발하여 나노입자 블록(52)으로부터의 나노입자 방출이 활발히 이루어진다.In particular, the first through-hole 31 in which the nanoparticle discharge unit 50 is located is the fastest flow rate, the turbulent flow around the first through-hole 31 is active, the nanoparticles from the nanoparticle block 52 Release is actively carried out.

이와 같은 나노입자 배출부(50)를 통한 나노입자 배출은 펌프와 같은 별도의 장치 없이 피동적으로 이루어지며, 나노입자 배출은 매우 안정적으로 이루어진다.The nanoparticle discharge through the nanoparticle discharge unit 50 is made passively without a separate device such as a pump, nanoparticle discharge is made very stable.

본 발명에서 나노입자 배출부(50)의 개수 및 설치 위치는 다양하게 변화할 수 있다.In the present invention, the number and installation position of the nanoparticle discharge unit 50 may vary.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 나타낸 것이다.6 shows a cooling system of a nuclear power plant according to a second embodiment of the present invention.

제2실시예에서는 제2플로팅 게이트(42)에도 나노입자 배출부(50)가 설치되어 있다.In the second embodiment, the nanoparticle discharge part 50 is also provided in the second floating gate 42.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 원자력 발전소의 냉각시스템을 나타낸 것이다.7 shows a cooling system of a nuclear power plant according to a third embodiment of the present invention.

제3실시예에서는 나노입자 배출부(50)가 단열부(30)의 내부 벽면에 추가로 설치되어 있다.In the third embodiment, the nanoparticle discharge part 50 is additionally installed on the inner wall surface of the heat insulating part 30.

다른 실시예에서 나노입자 배출부(50)는 구조물(20)에 고정되어 있거나, 단열부(30)의 외부 벽면에 설치되어 있을 수도 있다.In another embodiment, the nanoparticle outlet 50 may be fixed to the structure 20 or may be installed on an outer wall of the heat insulation 30.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described embodiments are examples for explaining the present invention, but the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to carry out the present invention by various modifications therefrom, the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

Claims (8)

원자력 발전소의 냉각 시스템에 있어서,
원자로;
상기 원자로를 감싸고 있는 구조물;
상기 원자로와 상기 구조물 사이에 위치하며, 상기 원자로와의 사이에서 제1공간을 형성하고 상기 구조물과의 사이에서 제2공간을 형성하는 단열부;
제1위치에서 상기 단열부에 연결되어 있는 제1플로팅 게이트;
상기 제1위치보다 높은 제2위치에서 상기 단열부에 연결되어 있는 제2플로팅 게이트; 및
상기 제1공간 및 상기 제2공간 중 적어도 어느 한 곳에 존재하며, 상기 제1공간 및 상기 제2공간의 냉각수흐름에 의해 나노입자를 배출하는 나노입자 배출부를 포함하며,
상기 나노입자 배출부는 메쉬형태의 본체와;
상기 본체의 내부에 위치하며 상기 나노입자를 포함하는 나노입자 블록을 포함하는 냉각시스템.In a cooling system of a nuclear power plant,
nuclear pile;
A structure surrounding the reactor;
A heat insulating part disposed between the reactor and the structure, the first insulating portion forming a first space between the nuclear reactor and the structure, and a second space formed between the nuclear reactor and the structure;
A first floating gate connected to the heat insulating part at a first position;
A second floating gate connected to the heat insulating part at a second position higher than the first position; And
Is present in at least one of the first space and the second space, and includes a nanoparticle discharge unit for discharging the nanoparticles by the cooling water flow of the first space and the second space,
The nanoparticle discharge portion and the main body of the mesh form;
Cooling system comprising a nanoparticle block located within the body and containing the nanoparticles. 제1항에서,
상기 제1플로팅 게이트는 상기 원자로의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.In claim 1,
And the first floating gate is located below the reactor. 제2항에서,
상기 나노입자 배출부는 상기 제1플로팅 게이트에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.In claim 2,
And the nanoparticle outlet is coupled to the first floating gate. 제3항에서,
상기 제1플로팅 게이트는 상기 제1공간을 향한 제1면과 상기 제2공간을 향한 제2면을 가지며,
상기 나노입자 배출부는 상기 제2면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.In claim 3,
The first floating gate has a first surface facing the first space and a second surface facing the second space,
And the nanoparticle outlet is coupled to the second surface. 제4항에 있어서,
상기 제1플로팅 게이트는 상기 냉각수흐름에 의해 상기 제1공간을 향해 오픈되며,
상기 제2플로팅 게이트는 상기 냉각수흐름에 의해 상기 제2공간을 향해 오픈되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.The method of claim 4, wherein
The first floating gate is opened toward the first space by the coolant flow,
And the second floating gate is opened toward the second space by the coolant flow. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노입자는 ZnO2, Al2O3 또는 ZrO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.The method of claim 1,
The nanoparticles cooling system, characterized in that it comprises at least one of ZnO2, Al2O3 or ZrO2. 제1항에 있어서,
상기 나노입자 블록은 복수개로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.The method of claim 1,
Cooling system, characterized in that the nanoparticle block is provided in plurality.
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