KR102097215B1 - 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함하는 원자력 발전소 시스템 - Google Patents

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silica gel
gel particles
reactor vessel
power plant
particle
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KR1020180133727A
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정용훈
최성민
윤종일
감동훈
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한국과학기술원
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Abstract

일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템은, 격납벽; 상기 격납벽 내부에 배치되는 원자로 용기; 상기 원자로 용기에 연결되고 상기 원자로 용기에서 발생하는 열을 흡수하고 증기를 배출하는 증기 발생기; 상기 격납벽의 내부에 설치되어 상기 증기의 분압을 감소시키고, 주위의 방사성 물질을 흡착하는 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함할 수 있다.

Description

실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함하는 원자력 발전소 시스템{NUCLEAR POWER PLANT SYSTEM COMPRISING PARTICLE BED WITH SILICA GEL PARTICLES}
아래의 설명은 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함하는 원자력 발전소 시스템에 관한 것이다.
원자력 발전소란, 원자로에서 연료인 원자의 핵분열에 의해 만들어진 열에너지로부터 전기를 생산하는 발전소이다.
일반적으로, 차세대 원자력발전소에서는 노심 용융 상황에서 노심물의 격납 건물 외부로의 누출을 막기 위해 원자로 용기 외벽 냉각에 의한 노심 용융물 노내 억류 기능(IVR-ERVC, In-vessel corium Retention through External Reactor Vessel Cooling) 혹은 압력 용기 파손 시 누출된 용융물을 식혀주는 장치인 코어 캐쳐 (Core Catcher) 개념이 포함되어 있다.
전자의 경우, 원자로 공동에서 원자로 고온관 하부 높이까지 채워진 냉각수의 자연대류에 의해 원자로 외벽을 냉각함으로써 원자로 용기파손을 막고 노심 용융물이 외부에 노출되지 않게 한다. 밀도차에 의해 원자로 내부의 용융물은 층을 이루고 원자로 하부의 수직 부분에서 가장 높은 열유속이 생성된다. 후자의 경우, 원자로 용기가 파손되어 누출된 용융물들을 냉각시키는 전략이다. 원자로 외벽 냉각과 코어 캐쳐 사용의 경우 사고 상황에 따라 선택적으로 활용한다.
한편, 노심 용융물 냉각 상황 시에는 이미 많은 양의 방사성 기체 혹은 이온들이 원자로에서 격납 건물 내부로 배출된다. 이 때, 격납 건물 상부의 스프레이에서 냉각수를 분사하고, 이 냉각수로 격납 건물 내부의 압력을 감소시키고 방사성 에어로졸을 제거한다. 격납 건물 내부로 방출된 방사성 이온들은 격납 건물 외부로 유출 시, 환경에 큰 영향은 물론 상대적으로 긴 반감기로 인해 오랜 시간 그 효과가 지속되는 위험성이 있다. 기존 원자력발전소에서 냉각수의 외부 방출 시에 사용되는 필터의 경우, 부피가 커서 처리하는데 2차적인 부담이 되고, 가격이 높은 문제점들이 있었다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함하는 원자력 발전소 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템은, 격납벽; 상기 격납벽 내부에 배치되는 원자로 용기; 상기 원자로 용기에 연결되고 상기 원자로 용기에서 발생하는 열을 흡수하고 증기를 배출하는 증기 발생기; 상기 격납벽의 내부에 설치되어 상기 증기의 분압을 감소시키고, 주위의 방사성 물질을 흡착하는 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함할 수 있다.
상기 입자 베드는, 상기 원자로 용기 및 증기 발생기 상측에서 상기 격납벽의 내벽의 둘레를 따라 일정한 간격으로 이격되어 복수개로 설치될 수 있다.
상기 입자 베드는, 내부를 통과하는 가열기를 포함할 수 있고, 상기 원자력 발전소 시스템은, 상기 원자로 용기의 일측에 설치되는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 설정 온도 이상일 경우, 상기 가열기를 구동하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 입자 베드는 상기 실리카 겔 입자가 표면에 노출되어 있는 복수개의 베드가 서로 이격되어 적층되는 구조를 갖고, 상기 증기는 복수개의 베드가 이격되어 있는 공간으로 유입될 수 있다.
상기 실리카 겔 입자는, 내부 코어; 상기 내부 코어를 감싸고 복수개의 공극; 상기 복수개의 공극 중 적어도 하나의 공극의 표면에 부착되는 실란 작용기; 및 상기 실란 작용기와 연결되고 방사성 물질을 흡착하기 위한 기능화 작용기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템은 냉각 유체를 통해 상기 원자로 용기에서 생성되는 노심 용융물을 냉각시킬 수 있는 냉각 장치; 상기 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 공급하기 위한 입자 공급 장치; 상기 냉각 장치의 일측에 설치되는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 제 1 설정 온도 이상일 경우, 상기 입자 공급 장치를 구동하여 상기 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 안내하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 장치는, 상기 원자로 용기의 외벽을 감싸고 상기 냉각 유체가 공급될 수 있는 수용벽을 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 입자 공급 장치를 통해 상기 실리카 겔 입자를 상기 수용벽 및 원자로 용기의 외벽 사이에 공급된 상기 냉각 유체로 안내할 수 있다.
상기 냉각 장치는, 상기 원자로 용기의 하측에 설치되어 상기 원자로 용기로부터 낙하하는 노심 용융물을 지지하고, 상기 냉각 유체가 공급될 수 있는 코어 캐쳐 구조를 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 입자 공급 장치를 통해 상기 실리카 겔 입자를 상기 코어 캐쳐 구조에 공급된 냉각 유체로 안내할 수 있다.
상기 실리카 겔 입자는, 자성 입자를 포함하는 내부 코어; 및 상기 내부 코어를 감싸는 복수개의 공극을 포함할 수 있고, 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템은, 상기 냉각 유체를 상기 냉각 장치로부터 상기 격납벽의 외부를 향하여 배출되는 경로 상에 설치되고, 상기 냉각 유체에 포함된 상기 실리카 겔 입자를 자성을 통해 포획하는 방사성 이온 필터링 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 방사성 이온 필터링 장치는, 상기 냉각 유체가 유입 및 토출되는 하우징; 상기 하우징 내부에 배치되는 내부 필터; 및 상기 하우징의 외부 둘레에 설치되어 상기 내부 필터에 자기장을 인가하기 위한 솔레노이드를 포함할 수 있다.
상기 입자 베드는, 서로 다른 종류의 실리카 겔 입자를 구비하는 제 1 입자 베드 및 제 2 입자 베드를 포함할 수 있고, 상기 제 1 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자는, 복수개의 공극 중 적어도 하나의 공극의 표면에 부착되는 실란 작용기 및 상기 실란 작용기와 연결되고 방사성 물질을 흡착하기 위한 기능화 작용기를 포함할 수 있고, 상기 제 2 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자의 복수개의 공극은 비어있을 수 있다.
상기 입자 공급 장치는, 상기 제 1 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 공급하기 위한 제 1 입자 공급 장치; 및 상기 제 2 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 공급하기 위한 제 2 입자 공급 장치를 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 제 2 설정 온도 이상일 경우, 상기 제 2 입자 공급 장치를 구동하여 상기 제 2 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 안내하고, 상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 제 2 설정 온도 미만일 경우, 상기 제 1 입자 공급 장치를 구동하여 상기 제 1 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 안내할 수 있다.
상기 입자 베드는, 상기 원자로 용기에 연결된 배관 부근에 설치될 수 있다.
일 실시 예의 원자력 발전소 시스템에 의하면, 실리카 겔 기반의 입자 베드를 사용하기 때문에 기존의 스프레이 시스템에 비해 유지 보수나 교체가 용이하고 비교적 저렴하며, 지속적인 전기 공급의 필요가 없어서 사고 시 전기가 공급되지 않은 상황에서도 정상적으로 작동할 수 있는 장점을 갖는다.
일 실시 예의 원자력 발전소 시스템에 의하면, 입자 베드의 설치 위치에 대한 제약이 없고, 실리카 겔의 수거 및 재사용이 용이하므로 원자력 발전소 후처리 시에도 상대적으로 적은 노력이 요구될 수 있다.
일 실시 예의 원자력 발전소 시스템에 의하면, 나노 크기의 다공성 실리카 겔을 사용함으로써 넓은 표면적과 흡착성으로 인해 증기를 빠른 시간 내에 흡착하는 동시에 방사성 물질을 효과적으로 포집할 수 있다.
일 실시 예의 원자력 발전소 시스템에 의하면, 실리카 겔 기반 입자를 냉각 유체에 살포함으로써 대응 전략의 열적여유도 확보 및 냉각 유체 내의 방사성 물질 포집이 가능하다. 또한, 실리카 겔 기반 입자 내부 코어 입자 종류 및 특정 작용기 종류에 따라 사고 조건에 최적화된 형상을 구성할 수 있다.
일 실시 예의 원자력 발전소 시스템에 의하면, 최종 방호벽 역할을 하는 격납 건물의 건전성을 확보할 수 있고, 동시에 대기중 및 냉각수 내의 방사성 물질을 포집/제거하여 외부 환경으로의 방사성 물질 누출을 최소화할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 블록도이다.
도 2은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 정면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 실리카 겔 입자를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 실리카 겔 입자의 복수개의 공극을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 입자 베드의 투시도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 평면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 입자 베드의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 구성을 도시하는 정면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 블록도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 구성을 도시하는 정면도이다
도 11은 일 실시 예에 따른 방사성 이온 필터링 장치의 단면도이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 방사성 이온 필터링 장치에 실리카 겔 입자가 포획되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 13는 추가적인 증기 발생이 없을 시, 시간에 따라 실리카 겔 입자 베드가 감당할 수 있는 증기 발생량을 계산한 결과이다.
도 14은 지속적인 증기 발생으로 격납건물 내부의 압력이 유지되는 경우, 시간에 따라 실리카 겔 입자 베드가 감당할 수 있는 증기 발생량을 계산한 결과이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 블록도이고, 도 2은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 정면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 실리카 겔 입자를 나타내는 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 실리카 겔 입자의 복수개의 공극을 나타내는 도면이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 평면도이고, 도 6은 일 실시 예에 따른 입자 베드의 투시도이고, 도 7는 일 실시 예에 따른 입자 베드의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템(1)은 격납벽(W), 원자로 용기(11), 증기 발생기(12), 냉각 장치(15), 입자 베드(13), 입자 공급 장치(17), 온도 센서(18), 및 제어부(16)를 포함할 수 있다.
격납벽(W)은, 원자력 발전소 시스템(1) 내외부를 차폐하여, 원자력 발전소 시스템(1) 외부로 방사성 물질이 배출되는 것을 방지할 수 있다.
원자로 용기(11)는, 격납벽(W) 내부에 배치되며, 내부에 핵연료가 수용될 수 있다. 한편, 원자력 발전소 시스템(1)에 중대 사고가 발생되면, 원자로 용기(11) 내부에는 노심 용융물(111)이 형성될 수 있다.
증기 발생기(12)는, 원자로 용기(11)의 측부로부터 연결되어 원자로 용기(11)에서 발생하는 열을 흡수하여 증기를 배출할 수 있다.
예를 들어, 노심 용융물(111)을 원자로 외벽 냉각 방식(ERVC, External Reactor Vessel Cooling)으로 냉각시킬 경우, 원자로 용기(11)의 외벽을 냉각시켜, 노심 용융물(111)을 원자로 용기(11)의 내부에 억류시킬 수 있고, 공동(152) 내부에서 원자로 고온관 하부 높이까지 채워진 냉각 유체의 자연대류에 의해 원자로 용기(11) 외벽을 냉각시킬 수 있다.
또한, 증기 발생기(12)는 원자로 용기(11)의 상부 부분에서 열을 흡수하여 증기를 외부로 방출함으로써, 열 밀도차에 의해 원자로 용기(11) 내부의 노심 용융물(111)은 층을 이루고 원자로 용기(11) 하부의 수직 부분에서 가장 높은 열유속이 생성될 수 있다. 위와 같은 열유속의 분포에 의해 자연대류가 이루어질 수 있으므로, 원자로 용기(11)의 파손을 막고 노심 용융물(111)이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
냉각 장치(15)는, 원자로 용기(11)에서 형성되는 노심 용융물(111)을 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 장치(15)는 외벽 냉각 방식으로 원자로 용기(11)의 외벽을 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 장치(15)는 중대 사고 발생 시, 냉각 유체를 공급하여 원자로 용기(11)의 냉각을 수행할 수 있다.
냉각 장치(15)는 수용벽(151), 열 차폐체(153), 냉각 유체 저장 탱크(156), 냉각 유체 공급 배관(154) 및 냉각 유체 공급 밸브(155)를 포함할 수 있다.
수용벽(151)은, 내부에 원자로 용기(11)를 수용하기 위한 공동(152)을 형성할 수 있다. 수용벽(151)은, 원자로 용기(11)의 하측을 감쌀 수 있다.
열 차폐체(153)는, 공동(152)에 구비되며, 원자로 용기(11)를 감싸도록 설치될 수 있다. 열 차폐체(153)는, 수용벽(151) 및 원자로 용기(11) 사이에 설치될 수 있다.
냉각 유체 저장 탱크(156)는, 내부에 냉각 유체를 저장할 수 있다. 냉각 유체 저장 탱크(156)의 일측에는 냉각 유체 공급 배관(154)에 연결될 수 있다.
냉각 유체 공급 배관(154)은, 냉각 유체 저장 탱크(156)에 연통될 수 있다. 냉각 유체 공급 배관(154)은 냉각 유체를 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153)로 안내할 수 있다.
냉각 유체 공급 밸브(155)는 냉각 유체 공급 배관(154)에 설치되어 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153) 내부로 공급되는 냉각 유체의 양을 조절할 수 있다.
입자 베드(13)는, 격납벽(W)의 내부에 설치되어 증기 발생기(12)에서 생성되는 증기의 분압을 감소시키고, 사고가 발생하여 원자로 용기(11) 외부로 방사성 물질이 노출되었을 경우, 방사성 기체 및 증기 속의 방사성 이온을 흡착할 수 있는 실리카 겔 입자(14)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 입자 베드(13)는 원자로 용기(11) 및 증기 발생기(12)의 상측에서 격납벽(W)의 내벽에 설치될 수 있다. 다른 예로, 입자 베드(13)는 원자로 용기(11)의 부근, 증기 발생기(12)의 부근 또는 원자로 용기(11)에 연결되는 배관의 부근에 설치될 수도 있다.
예를 들어, 입자 베드(13)는 냉각 유체 공급 배관(154) 부근에 설치되어 있을 수 있다.
실리카 겔 입자(14)는 입자 베드(13)에서 외부에 노출되어 있는 상태로 수용되어 있을 수 있다. 예를 들어, 실리카 겔 입자(14)는 중앙에 배치되는 내부 코어(141)와 내부 코어를 감싸는 복수개의 공극(143)과, 상기 복수개의 공극(143)을 감싸는 실리카 레이어(142), 복수개의 공극(143)에 형성되는 작용 물질(144)을 포함할 수 있다.
작용 물질(144)은 복수개의 공극(143) 중 적어도 하나 이상의 공극(143)의 표면에 부착되어, 방사성 물질을 흡착할 수 있다. 예를 들어, 작용 물질(144)은 공극(143)의 표면에 부착되는 실란 작용기(1442), 상기 실란 작용기(1442)와 연결되고 방사성 물질을 흡착하기 위한 기능화 작용기(1443) 및 실란 작용기(1442)와 기능화 작용기(1443)를 연결하는 연결체(1441)를 포함할 수 있다.
방사능 물질은 기능화 작용기(1443)에 의하여 작용 물질(144)의 중심(143a)에 인접한 위치에 포획될 수 있다. 기능화 작용기(1443) 하나 당 복수 개의 방사성 물질 입자가 흡착될 수 있으며, 구체적으로, 방사성 물질은 기능화 작용기(1443)를 둘러싸는 형태로, 흡착될 수 있다.
기능화 작용기(1443)는, 포획하고자 하는 상기 방사성 물질의 종류에 따라 선택 가능할 수 있다. 예를 들어, 기능화 작용기(1443)는, Prussian blue, 황산 바륨(barium sulfate), AMP-PAN(ammonium molybdophosphate-polyacrylonitrile), 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, PSS (polystyrene sulfonate), PAA (polyacrylic acid), Sodium polyacrylate 중에서 적어도 하나의 물질 또는 이들의 조합을 포함하도록 선택될 수 있다.
구체적으로, Prussian blue의 경우, Cs 제염에 특화될 수 있다. 황산 바륨 (barium sulfate)의 경우, Sr, Co, Ni 제염에 특화될 수 있다. AMP-PAN (ammonium molybdophosphate-polyacrylonitrile)의 경우, Co, Sr, Cs 제염에 특화될 수 있다. 3-mercaptopropyltriethoxysilane 및 3-aminopropyltriethoxysilane의 경우에, Cu, Zn, Cr, Ni 제염에 특화될 수 있다. PSS의 경우, 물질 표면을 음전하로 변화시킬 수 있다. PAA의 경우 음전하를 띈다. Sodium polyacrylate의 경우, 용매의 부피보다 200-300 배 많은 양을 녹일 수 있어서, 나노 크기의 표면에 작용기로 활용하기에 유리하다.
나노 크기의 실리카 겔 입자(14)에 의하면, 넓은 표면적과 흡착성으로 증기를 빠른 시간내에 흡착하는 동시에 방사성 물질을 효과적으로 포집할 수있으며, 비등 가열면의 열적 여유도를 증진시킬 수 있다.
예를 들어, 실리카 겔 입자(14)는 노심 용융물(111)을 냉각하기 위한 냉각 장치(15)의 냉각 유체에 공급되어 열적 여유도 확보와 냉각수 내의 방사성 물질의 포집을 동시에 달성할 수 있다.
예를 들어, 입자 베드(13)는 가열기(131)를 포함할 수 있다. 가열기(131)는 발열을 통해 입자 베드(13)에 수용된 실리카 겔 입자(14)의 표면에 흡착된 수분의 양을 조절하여 실리카 겔 입자(14)의 재사용을 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 입자 베드(13)는 복수개로 형성되어 도 5와 같이 격납벽(W)의 내부 둘레를 따라 서로 이격된 상태로 설치될 수 있다.
예를 들어, 복수개의 입자 베드(13) 각각은 도 7a와 같이, 실리카 겔 입자가 표면에 노출되어 있는 복수개의 베드가 이격된 상태로 적층되어 있는 형상을 가질 수 있다. 위의 구조에 의하면, 복수개의 입자 베드(13)를 통과하는 증기가 적층된 베드 사이의 공간으로 유입될 수 있기 때문에, 증기 흐름의 방해를 최소화하는 동시에 증기와 접촉하는 표면적을 증가시킬 수 있다.
다른 예로, 도 7b와 같이 복수개의 베드가 더 촘촘한 간격으로 더 많이 적층되어 있는 입자 베드(13)가 격납벽(W)의 내벽을 따라 설치될 수 있다. 다시 말하면, 이격된 상태로 복수개로 적층된 입자 베드(13)의 단위 유닛(23)이 적층 방향과 직교하는 방향으로 이격 배치될 수 있다. 이를 통해, 증기 분압을 더 빠르게 감소시킬 수 있고, 증기와 접촉하는 표면적을 극대화시킬 수 있다. 예를 들어, 단위 유닛(23)이 이격된 간격은 입자 베드(13)가 적층된 간격보다 클 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 증기 흐름이 단위 유닛(23) 사이의 이격된 간격으로 상대적으로 원활하게 유입되면서 1차적으로 증기 분압을 감소시키고, 유입된 증기 흐름이 입자 베드(13)가 적층된 간격으로 추가적으로 유입되면서 2차적으로 증기 분압을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 구조를 통하여 단계적으로 증기의 유동 속도에 적합한 유로의 단면 및 표면적의 크기를 제공하는 것이 가능하다.
입자 공급 장치(17)는 노심 용융물(111)의 형성 또는 누출에 따른 중대 사고 발생시 입자 베드(13)에 수용된 실리카 겔 입자(14)를 냉각 장치(15)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 입자 공급 장치(17)는 입자 공급 배관(171) 및 입자 공급 밸브(172)를 포함할 수 있다.
입자 공급 배관(171)은, 중대 사고 발생시, 입자 베드(13)로부터 냉각 장치(15)의 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153) 내부로 실리카 겔 입자(14)를 안내하여 상기 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153) 내부에 공급되는 냉각 유체에 실리카 겔 입자(14)를 주입할 수 있다.
입자 공급 밸브(172)는, 입자 공급 배관(171)에 설치되어 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153) 내부로 공급되는 실리카 겔 입자(14)의 양을 조절할 수 있다.
온도 센서(18)는, 원자로 용기(11)의 일측에 배치되어 온도를 계측할 수 있다.
제어부(16)는 온도 센서(18)로부터 계측되는 온도가 설정된 임계 온도 이상일 경우, 원자로 용기(11) 내부에 노심 용융물(111)이 형성된 것으로 결정하여 냉각 유체 공급 밸브(155)를 구동하여 냉각 유체를 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153) 내부로 공급함으로써, 노심 용융물(111)을 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(16)는 입자 공급 밸브(172)를 구동하여 실리카 겔 입자(14)를 냉각 유체로 주입함으로써 하향 곡면 형상의 비등가열면의 열적 여유도를 확보하고, 동시에 냉각 유체내의 방사성 물질을 포집할 수 있다.
예를 들어 제어부(16)는 가열기(131)를 구동하여 실리카 겔 입자(14)의 표면에 흡착된 수분의 양을 조절할 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 입자 베드의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 1 내지 2에 도시된 원자력 발전소 시스템(1)과 다른 방식으로 노심 용융물(111)을 냉각할 수 있는 원자력 발전소 시스템(3)의 구성을 확인할 수 있다.
예를 들어, 원자력 발전소 시스템(3)은 원자로 용기(11), 격납벽(W), 냉각 장치(35), 입자 베드(13), 온도 센서(18) 및 제어부(16)를 포함할 수 있다.
냉각 장치(35)는, 원자로 용기(11)에서 형성되는 노심 용융물(111)을 냉각시킬 수 있다. 냉각 장치(35)는, 예를 들어 코어 캐쳐(core catcher) 방식으로 노심 용융물(111)을 냉각시킬 수 있다. 코어 캐처 방식이란, 원자로 용기(11) 파손시 누출되는 노심 용융물(111)을 냉각시키는 방식을 말한다.
냉각 장치(35)는 수용벽(351), 코어 캐쳐 구조(353), 냉각 유체 저장 탱크(356), 냉각 유체 공급 배관(354) 및 냉각 유체 공급 밸브(355)를 포함할 수 있다.
수용벽(351)은, 내부에 원자로 용기(11)를 수용하기 위한 공동(352)을 형성할 수 있다. 수용벽(351)은, 원자로 용기(11)의 하측을 감쌀 수 있다.
코어 캐쳐 구조(353)는 원자로 용기(11)의 하측에 설치될 수 있다. 코어 캐쳐 구조(353)는, 냉각 유체 공급 배관(354)에 연통될 수 있다.
냉각 유체 저장 탱크(356)는, 내부에 냉각 유체를 저장할 수 있다. 냉각 유체 저장 탱크(356)의 일측에는 냉각 유체 공급 배관(354)에 연결될 수 있다.
냉각 유체 공급 배관(354)은, 냉각 유체 공급 배관(354)은 냉각 유체 저장 탱크(356)에 수용된 냉각 유체를 코어 캐쳐 구조(353)로 안내할 수 있다.
냉각 유체 공급 밸브(355)는 냉각 유체 공급 배관(354)에 설치되어 코어 캐쳐 구조(353)로 공급되는 냉각 유체의 양을 조절할 수 있다.
입자 공급 장치(37)는 노심 용융물(111)의 형성 또는 누출에 따른 중대 사고 발생시 입자 베드(13)에 수용된 실리카 겔 입자(14)를 냉각 장치(35)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 입자 공급 장치(37)는 입자 공급 배관(371) 및 입자 공급 밸브(372)를 포함할 수 있다.
입자 공급 배관(371)은, 중대 사고 발생기, 입자 베드(13)로부터 냉각 장치(35)의 코어 캐쳐 구조(353)로 실리카 겔 입자(14)를 안내하여 코어 캐쳐 구조(353)로 공급되는 냉각 유체에 실리카 겔 입자(14)를 주입할 수 있다.
입자 공급 밸브(372)는, 입자 공급 배관(371)에 설치되어 수용벽(351) 또는 열 차폐체(153) 내부로 공급되는 실리카 겔 입자(14)의 양을 조절할 수 있다.
온도 센서(18)는 원자로 용기(11) 또는 코어 캐쳐 구조(353)의 일측에 설치되어 온도를 계측할 수 있다.
제어부(16)는 온도 센서(18)로부터 계측되는 온도가 설정된 임계 온도 이상일 경우, 노심 용융물(111)이 누출된 것으로 결정하여 냉각 유체 공급 밸브(355)를 구동하여 냉각 유체를 코어 캐쳐 구조(353)로 공급함으로써, 노심 용융물(111)을 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(16)는 입자 공급 밸브(372)를 구동하여 실리카 겔 입자(14)를 코어 캐쳐 구조(353) 내의 냉각 유체로 주입함으로써 하향 평면 형상의 비등가열면의 열적 여유도를 확보하고, 동시에 냉각 유체 내의 방사성 물질을 포집할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 블록도이고, 도 10은 일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템의 구성을 도시하는 정면도이고, 도 11은 일 실시 예에 따른 방사성 이온 필터링 장치의 단면도이고, 도 12는 일 실시 예에 따른 방사성 이온 필터링 장치에 실리카 겔 입자가 포획되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 도 1 내지 도 8에 도시된 원자력 발전소 시스템(1, 3)과 다른 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템(4)의 구성을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 원자력 발전소 시스템(4)은, 원자로 용기(11), 격납벽(W), 냉각 장치(15), 입자 베드(43), 입자 공급 장치(47), 방사성 이온 필터링 장치(49), 온도 센서(18) 및 제어부(46)를 포함할 수 있다.
입자 베드(43)는 서로 다른 종류의 실리카 겔 입자를 구비하는 제 1 입자 베드(43a) 및 제 2 입자 베드(43b)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 입자 베드(43a) 및 제 2 입자 베드(43b)에 구비되는 실리카 겔 입자(14, 14')는 내부 코어(141)에 배치되는 자성 입자를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 자성 입자는 마그네타이트(Fe3O4)로 구성될 수 있고, 이는 강 자성체에 해당하기 때문에, 외부 자기장을 통하여 강한 자기력을 띌 수 있다
제 1 입자 베드(43a)에 구비되는 실리카 겔 입자(14)는, 복수개의 공극(143) 중 적어도 하나의 공극(143)의 표면에 부착되는 실란 작용기(1442)와, 실란 작용기(1442)와 연결되고 방사성 물질을 흡착하기 위한 기능화 작용기(1443) 및 실란 작용기(1442)와 기능화 작용기(1443)를 연결하는 연결체(1441)를 포함할 수 있다.
제 2 입자 베드(43b)에 구비되는 실리카 겔 입자(14')의 복수개의 공극은 비어있을 수 있다. 다시 말하면, 제 2 입자 베드(43b)는, 작용 물질(144)을 포함하지 않을 수 있다.
입자 공급 장치(47)는, 제 1 입자 공급 장치(47a) 및 제 2 입자 공급 장치(47b)를 포함할 수 있다.
제 1 입자 공급 장치(47a)는, 제 1 입자 베드(43a)에 구비된 실리카 겔 입자(14)를 냉각 장치(15)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제 1 입자 공급 장치(47a)는 제 1 입자 베드(43a) 및 냉각 장치(15) 사이를 연결하는 제 1 입자 공급 배관(471a) 및 제 1 입자 공급 배관(471a)의 유동을 제어하는 제 1 입자 공급 밸브(472a)를 포함할 수 있다.
제 2 입자 공급 장치(47b)는, 제 2 입자 베드(43b)에 구비된 실리카 겔 입자(14')를 냉각 장치(15)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제 2 입자 공급 장치(47b)는 제 2 입자 베드(43b) 및 냉각 장치(15) 사이를 연결하는 제 2 입자 공급 배관(471b) 및 제 2 입자 공급 배관(471b)의 유동을 제어하는 제 2 입자 공급 밸브(472b)를 포함할 수 있다.
방사성 이온 필터링 장치(49)는, 냉각 장치(15)의 일측에 구비될 수 있다. 방사성 이온 필터링 장치(49)는, 격납벽(W)의 내부에 배치될 수 있다. 방사성 이온 필터링 장치(49)는, 냉각 유체가 냉각 장치(15)로부터 격납벽(W)의 외부를 향하여 배출되는 경로 상에 설치될 수 있다. 방사성 이온 필터링 장치(49)는, 자성을 이용하여 냉각 유체에 포함된 실리카 겔 입자(14, 14')를 포획할 수 있다.
방사성 이온 필터링 장치(49)는 적어도 하나 이상의 이온 필터부(491)와, 냉각 장치(15)로부터 이온 필터부(491)로 연결되는 유입 배관(492)과, 유입 배관(492)의 유동을 제어하는 유입 밸브(493)와, 이온 필터부(491)로부터 격납벽(W) 외부로 냉각 유체를 안내하는 토출 배관(494) 및 토출 배관(494)의 유동을 제어하는 토출 밸브(495)를 포함할 수 있다.
이온 필터부(491)는 냉각 유체를 수용하는 하우징(4911), 냉각 유체가 유입되는 유입부(4911a), 냉각 유체가 토출되는 토출부(4911b), 내부 필터(4912) 및 솔레노이드(4913)를 포함할 수 있다.
내부 필터(4912)는, 하우징(4911)의 내부에 배치될 수 있다. 내부 필터(4912)는 예를 들어, 페라이트(Ferrite) 물질일 수 있다. 실시 예에서 내부 필터(4912)의 형상은 제한되지 않는다.
솔레노이드(4913)는, 내부 필터(4912)에 자기장을 인가할 수 있다. 예를 들어, 솔레노이드(4913)는, 하우징(4911)의 외측에 감길 수 있다. 솔레노이드(4913)는, 제어부(46)에 의해 전류를 공급받을 수 있다.
솔레노이드(4913)에 전류가 인가되면, 내부 필터(4912)에 자기장이 인가되어, 실리카 겔 입자(14, 14')가 내부 필터(4912)에 포획될 수 있다. 한편, 실리카 겔 입자(14)는, 자성에 의해 원자력 발전소 시스템(4) 내부에 표류하는 방사성 이온 물질을 흡착할 수 있다. 결과적으로, 솔레노이드(4913)에 전류가 인가되면, 방사성 이온 물질이 흡착된 실리카 겔 입자(14)가 내부 필터(4912)에 포획됨으로써, 방사성 이온 물질이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다.
반대로 솔레노이드(4913)에 인가되는 전류를 차단하면, 내부 필터(4912)에 인가되는 자기장이 차단되어, 방사성 이온 물질이 흡착된 실리카 겔 입자(14)가 내부 필터(4912)로부터 분리될 수 있다. 따라서, 솔레노이드(4913)에 전류를 선택적으로 인가함으로써, 원자력 발전소 시스템 관리자는 방사성 이온 물질을 쉽게 제거할 수 있고, 실리카 겔 입자(14, 14')를 다시 회수할 수 있다.
제어부(46)는 온도 센서(18)로부터 계측되는 온도가 제 1 설정 온도 이상일 경우, 원자로 용기(11) 내부에 노심 용융물(111)이 형성된 것으로 결정하여 냉각 유체 공급 밸브(155)를 구동하여 냉각 유체를 수용벽(151) 또는 열 차폐체(153) 내부로 공급함으로써, 노심 용융물(111)을 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(46)는, 온도 센서(18)에서 계측되는 온도가 제 2 설정 온도 이상일 경우, 제 2 입자 공급 장치(47b)를 구동하여 제 2 입자 베드(43b)에 구비된 실리카 겔 입자(14')를 냉각 장치(15)로 안내할 수 있다.
예를 들어, 제어부(46)는 온도 센서(18)에서 계측되는 온도가 제 2 설정 온도 미만일 경우, 제 1 입자 공급 장치(47a)를 구동하여 제 1 입자 베드(43a)에 구비된 실리카 겔 입자(14)를 냉각 장치(15)로 안내할 수 있다.
위의 구조에 의하면, 중대 사고 발생시, 작용 물질(144)이 없는 실리카 겔 입자(14')를 먼저 냉각 유체에 살포함으로써 냉각 유체의 열 전달 성능을 증진시킬 있고, 이후 냉각 유체가 제 2 설정 온도 미만으로 충분히 냉각된 이후 작용 물질(144)을 구비하는 실리카 겔 입자(14)를 냉각 유체에 살포함으로써, 냉각된 상태에서 방사성 물질의 포집 성능이 최적화된 실리카 겔 입자(14)는 효과적으로 냉각 유체의 방사성 이온 물질을 흡착할 수 있다.
다른 예로, 제어부(46)는 온도 센서(18)에서 계측되는 온도에 관계없이 작용 물질(144)을 구비하는 실리카 겔 입자(14)를 냉각 유체에 살포할 수도 있다.
도 13은 추가적인 증기 발생이 없을 시, 시간에 따라 실리카 겔 입자 베드가 감당할 수 있는 증기 발생량을 계산한 결과이고, 도 14는 지속적인 증기 발생으로 격납건물 내부의 압력이 유지되는 경우, 시간에 따라 실리카 겔 입자 베드가 감당할 수 있는 증기 발생량을 계산한 결과이다.
도 13 내지 도 14을 참조하면, 실리카 겔 기반 입자 베드(13) 설계에 있어 실리카 겔의 분량에 따른 격납건물 내부 차지 부피와 사고 진행 결과를 계산한 결과를 확인할 수 있다.
먼저, 입자 베드(13)상에 구비되는 실리카 겔 입자의 양을 각각 1 ton, 10 ton, 100 ton 또는 1,000 ton으로 설정하였을 경우, 각각의 경우에서 실리카 겔 입자의 부피와 오염 물질 내에서 실리카 겔 입자가 차지하고 있는 부피의 비율을 계산한 결과가 아래의 표 1에 나타나 있다.
Figure 112018108973315-pat00001
도 13a 내지 도 13d를 참조하면, 중대 사고 발생 이후 추가적인 증기 발생이 없을 경우, 증기가 형성되는 압력의 크기 별로 시간에 따라 입자 베드가 감당할 수 있는 증기 발생량을 계산한 결과를 확인할 수 있다.
도 14a 내지 14d를 참조하면, 중대 사고 발생 이후에 지속적인 증기의 발생으로 격납 건물 내부의 압력이 유지되는 경우, 증기가 형성되는 압력의 크기 별로 시간에 따라 입자 베드가 감당할 수 있는 증기 발생량을 계산한 결과를 확인할 수 있다.
도 13 내지 도 14을 참조하면, 목표 사고 조건에 따른 최적의 실리카 겔 입자 양을 고려하여 시스템을 설계할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (13)

  1. 격납벽;
    상기 격납벽 내부에 배치되는 원자로 용기;
    상기 원자로 용기에 연결되고 상기 원자로 용기에서 발생하는 열을 흡수하고 증기를 배출하는 증기 발생기;
    상기 격납벽의 내부에 상기 원자로 용기 및 증기 발생기 상측에서 상기 격납벽의 내벽의 둘레를 따라 일정한 간격으로 이격되어 복수개로 설치되어 상기 증기의 분압을 감소시키고, 주위의 방사성 물질을 흡착하는 실리카 겔 입자와, 내부를 통과하는 가열기를 구비하는 입자 베드;
    상기 원자로 용기의 일측에 설치되는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 설정 온도 이상일 경우, 상기 가열기를 구동하는 제어부를 포함하는 원자력 발전소 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 베드는 상기 실리카 겔 입자가 표면에 노출되어 있는 복수개의 베드가 서로 이격되어 적층되는 구조를 갖고,
    상기 증기는 복수개의 베드가 이격되어 있는 공간으로 유입되는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리카 겔 입자는,
    내부 코어;
    상기 내부 코어를 감싸고 복수개의 공극;
    상기 복수개의 공극 중 적어도 하나의 공극의 표면에 부착되는 실란 작용기; 및
    상기 실란 작용기와 연결되고 방사성 물질을 흡착하기 위한 기능화 작용기를 포함하는 원자력 발전소 시스템.
  6. 격납벽;
    상기 격납벽 내부에 배치되는 원자로 용기;
    상기 원자로 용기에 연결되고 상기 원자로 용기에서 발생하는 열을 흡수하고 증기를 배출하는 증기 발생기;
    상기 격납벽의 내부에 설치되어 상기 증기의 분압을 감소시키고, 주위의 방사성 물질을 흡착하는 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드;
    냉각 유체를 통해 상기 원자로 용기에서 생성되는 노심 용융물을 냉각시킬 수 있는 냉각 장치;
    상기 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 공급하기 위한 입자 공급 장치;
    상기 냉각 장치의 일측에 설치되는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 제 1 설정 온도 이상일 경우, 상기 입자 공급 장치를 구동하여 상기 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 안내하는 제어부를 더 포함하는 원자력 발전소 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는, 상기 원자로 용기의 외벽을 감싸고 상기 냉각 유체가 공급될 수 있는 수용벽을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 입자 공급 장치를 통해 상기 실리카 겔 입자를 상기 수용벽 및 원자로 용기의 외벽 사이에 공급된 상기 냉각 유체로 안내하는 원자력 발전소 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    상기 원자로 용기의 하측에 설치되어 상기 원자로 용기로부터 낙하하는 노심 용융물을 지지하고, 상기 냉각 유체가 공급될 수 있는 코어 캐쳐 구조를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 입자 공급 장치를 통해 상기 실리카 겔 입자를 상기 코어 캐쳐 구조에 공급된 냉각 유체로 안내하는 원자력 발전소 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리카 겔 입자는,
    자성 입자를 포함하는 내부 코어; 및
    상기 내부 코어를 감싸는 복수개의 공극을 포함하고,
    상기 원자력 발전소 시스템은,
    상기 냉각 유체를 상기 냉각 장치로부터 상기 격납벽의 외부를 향하여 배출되는 경로 상에 설치되고, 상기 냉각 유체에 포함된 상기 실리카 겔 입자를 자성을 통해 포획하는 방사성 이온 필터링 장치를 더 포함하는 원자력 발전소 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 방사성 이온 필터링 장치는,
    상기 냉각 유체가 유입 및 토출되는 하우징;
    상기 하우징 내부에 배치되는 내부 필터; 및
    상기 하우징의 외부 둘레에 설치되어 상기 내부 필터에 자기장을 인가하기 위한 솔레노이드를 포함하는 원자력 발전소 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 입자 베드는,
    서로 다른 종류의 실리카 겔 입자를 구비하는 제 1 입자 베드 및 제 2 입자 베드를 포함하고,
    상기 제 1 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자는, 복수개의 공극 중 적어도 하나의 공극의 표면에 부착되는 실란 작용기 및 상기 실란 작용기와 연결되고 방사성 물질을 흡착하기 위한 기능화 작용기를 포함하고,
    상기 제 2 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자의 복수개의 공극은 비어있는 원자력 발전소 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 입자 공급 장치는,
    상기 제 1 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 공급하기 위한 제 1 입자 공급 장치; 및
    상기 제 2 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 공급하기 위한 제 2 입자 공급 장치를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 제 2 설정 온도 이상일 경우, 상기 제 2 입자 공급 장치를 구동하여 상기 제 2 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 안내하고,
    상기 온도 센서에서 계측되는 온도가 제 2 설정 온도 미만일 경우, 상기 제 1 입자 공급 장치를 구동하여 상기 제 1 입자 베드에 구비된 실리카 겔 입자를 상기 냉각 장치로 안내하는 원자력 발전소 시스템.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 입자 베드는,
    상기 원자로 용기에 연결된 배관 부근에 설치되는 원자력 발전소 시스템.
KR1020180133727A 2018-11-02 2018-11-02 실리카 겔 입자를 구비하는 입자 베드를 포함하는 원자력 발전소 시스템 KR102097215B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005283153A (ja) * 2004-03-26 2005-10-13 Mitsubishi Electric Corp トリチウムサンプラ
KR101717384B1 (ko) * 2015-12-31 2017-03-16 한국과학기술원 자성 나노 입자, 이를 이용하는 방사성 물질 제거 장치 및 시스템
JP2018119821A (ja) * 2017-01-24 2018-08-02 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 原子力発電プラント

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