KR102193037B1 - 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 건물을 피동으로 냉각 시킬 수 있는 원자로 건물 피동 냉각 시스템을 마련하는 방법에 있어서, 상기 원자로 건물 외부에 작동유체가 저장되는 저장탱크를 마련하는 단계; 상기 원자로 건물 내부에 내부열교환기를 마련하는 단계; 상기 저장탱크와 상기 내부열교환기를 연결하는 순환라인을 마련하는 단계; 상기 저장탱크, 내부열교환기 및 상기 순환라인이 서로 연결되어 폐루프를 형성하며, 상기 작동유체는 피동적으로 상기 폐루프 내에서 순환한다. 상기 저장탱크와 연결되어 있는 외부열교환기를 마련하는 단계; 상기 내부열교환기보다 높은 위치에 형성되며, 상기 순환라인에 연결되는 보조 저장탱크를 마련하는 단계; 및 상기 폐루프 내부를 진공상태로 만든 후 상기 작동유체를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 작동유체를 주입하는 단계에서, 상기 작동유체는 상기 폐루프의 부피에 대응하는 부피로 주입되며, 이후 상기 작동유체 중 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 원자로건물 피동 냉각 시스템을 마련하는 방법에 관한 것이다.

Description

폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템{CLOSED LOOP-TYPE PASSIVE COOLING SYSTEM FOR NUCLEAR REACTOR BUILDING}

본 발명은 포화상태 작동유체를 이용하는 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템에 관한 것이다.

기존 원자로건물 피동냉각계통(PCCS)은 사고 발생 시, 냉각재 유출에 의한 에너지를 원자로건물 내부 열교환기를 통해 외부에 설치되어 있는 수조로 전달하고, 이 후 대기를 통해 방출하는 시스템이다.

이러한 원자로건물 피동냉각계통(PCCS)은 개방형 루프(Open-Loop)로 구성되어 있는데, 루프 내부에는 냉각수가 작동유체로 채워져 있다. 작동유체는 원자로건물 내부에서 발생된 고온, 고압의 혼합기체의 열을 전달 받아 끓게 되며, 기체 상태로 루프 내부를 순환하게 된다. 시간이 지날수록 수조에 채워진 작동유체가 가열되어 증발하게 되며, 대기를 통한 열을 배출하는 메커니즘에 의해 작동된다.

사고 발생 초기에는 작동유체가 단상의 상태를 유지하면서 가열되기 때문에 루프 내부 유량이 잘 형성되지 않다가, 이 후 100℃ 인근에서 작동유체가 끓기 시작하면서 2상 유동이 형성되어 루프 내부 유량이 증가하고 원자로건물 내부에서 발생되는 열을 제거하게 된다.

하지만, 이러한 개방형 루프(Open-Loop)는, 시간이 지날수록 작동유체의 외부 방출이 많아짐으로써 작동유체의 재고량이 감소하고, 재고량 상실에 따른 냉각수 증발의 지연효과도 상실되는 문제점이 발생하게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1456170호 (2014년 10월 23일 등록)

본 발명의 목적은 포화상태 작동유체를 이용하는 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 원자로건물을 피동으로 냉각시킬 수 있는 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템에 있어서, 상기 원자로건물 외부에 위치하며 작동유체가 저장되는 저장탱크; 상기 원자로건물 내부에 위치하는 내부열교환기; 및 상기 저장탱크와 상기 내부열교환기를 연결하는 순환라인을 포함하고, 상기 저장탱크, 내부열교환기 및 상기 순환라인은 서로 연결되어 있는 폐루프를 형성하며, 상기 폐루프를 순환하는 상기 작동유체가 포화상태를 유지하는 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템에 관한 것이다.

상기 작동유체는 피동적으로 상기 폐루프 내에서 순환할 수 있다.

일단이 상기 저장탱크 내부에 타단이 상기 저장탱크 외부에 위치하는 외부열교환기를 더 포함하며, 상기 외부열교환기가 상기 저장탱크로 전달된 열을 대기를 통한 공기 냉각에 의해 냉각시킬 수 있다.

상기 내부열교환기보다 높은 위치에 형성되고, 상기 순환라인과 연결되어 있으며, 내부에 상기 작동유체가 채워져 있지 않은 빈 공간이 마련되어 있는 보조저장탱크를 더 포함하며, 상기 보조저장탱크가 상기 작동유체의 순환에 따른 급격한 압력 상승을 방지할 수 있다.

상기 작동유체는, 상기 폐루프를 진공상태로 만든 뒤 주입될 수 있다.

본 발명은 원자로 건물을 피동으로 냉각시킬 수 있는 원자로 건물 피동 냉각 시스템을 마련하는 방법에 있어서, 상기 원자로 건물 외부에 작동유체가 저장되는 저장탱크를 마련하는 단계; 상기 원자로 건물 내부에 내부열교환기를 마련하는 단계; 상기 저장탱크와 상기 내부열교환기를 연결하는 순환라인을 마련하는 단계; 상기 저장탱크, 내부열교환기 및 상기 순환라인이 서로 연결되어 폐루프를 형성하며, 상기 작동유체는 피동적으로 상기 폐루프 내에서 순환한다. 상기 저장탱크와 연결되어 있는 외부열교환기를 마련하는 단계; 상기 내부열교환기보다 높은 위치에 형성되며, 상기 순환라인에 연결되는 보조 저장탱크를 마련하는 단계; 및 상기 폐루프 내부를 진공상태로 만든 후 상기 작동유체를 주입하는 단계를 포함하는 원자로건물 피동 냉각 시스템을 마련하는 방법에 관한 것이다.

상기 작동유체를 주입하는 단계에서, 상기 작동유체는 상기 폐루프의 부피에 대응하는 부피로 주입되며, 이후 상기 작동유체 중 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 포화상태 작동유체를 이용하는 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템의 단면도이고,
도 2는 도 1의‘A’를 확대한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템의 동작을 나타낸 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공하는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템에 관하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템의 단면도이고, 도 2는 도 1의‘A’를 확대한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템(10)은 저장탱크(100), 내부열교환기(200), 순환라인(300), 외부열교환기(400) 및 보조저장탱크(500)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템(10)은 원자로 건물에 복수개가 마련될 수 있다. 바람직하게는 원자로건물의 4분면에 각각 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 원자로건물에 하나의 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템(10)만 구성될 경우, 사고에 따른 파손 시 원자로건물의 냉각을 수행할 수 없어 다수의 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템(10)의 구성을 통해 일부가 기능을 상실한 경우에도 이를 대비할 수 있다.

저장탱크(100) 및 내부열교환기(200)는 순환라인(300)에 의해 서로 연결되어 있으며, 폐루프(Closed-Loop)를 형성한다. 즉 작동유체는 외부 대기에 노출되지 않는 것이다.

작동유체는 피동적으로 폐루프 내에서 순환(유동)하며, 작동유체가 2상(Two-Phase)으로 공존하는 ‘포화상태’를 유지하게 된다. 본 발명에서 ‘포화상태’는 폐루프 내 작동유체가 액체(Liquid)와 증기(Vapor)가 서로 공존하는 2상(Two-Phase)을 의미한다.

작동유체는 폐루프 내의 비응축기체(Non-Condensible Gas)를 제거한 뒤 주입한다. 진공상태의 공간에 작동유체를 충전시켜주면 작동유체는 ‘포화상태’를 유지하게 된다. 고압의 탱크 혹은 고압의 챔버에 보관된 작동유체를 폐루프에 연결하여 충전할 수 있으며, 필요시 축압기, 고압펌프 등을 활용하여 작동유체를 주입할 수도 있다. 폐루프 전체 부피의 일부분에 대응되는 작동유체를 주입하기 위해 유량계와 자동제어밸브를 활용할 수도 있다. 혹은 계산된 목표 압력만큼 작동유체를 주입한 뒤, 충전을 정지하는 방법을 이용할 수도 있다.

저장탱크(100)는 원자로건물 외부에 위치하며, 작동유체가 내부에 저장되어 있다. 작동유체는 물보다 끓는점이 낮은 물질로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 휘발성이 강한 에탄올을 포함할 수 있다.

내부열교환기(200)는 원자로건물 내부에 위치하는 배관으로, 적어도 일부가 지표면과 수직한 방향으로 형성되며, 원자로건물 내부의 열을 전달 받게 된다. 내부열교환기(200)는 순환라인(300)과 연결되어 있어 내부에 포함된 작동유체의 순환(유동)이 가능하며, 원자로건물 내부의 열을 흡수하고 순환라인(300)을 따라 저장탱크(100)로 열을 전달하게 된다.

내부열교환기(200)는 원자로건물 내부의 압력을 견딜 수 있는 열교환기 튜브 집합체 구조일 수 있다. 원자로건물 내 내부열교환기(200)가 튜브 집합체 구조로 형성되어 있지 않을 경우, 원자로건물 내부의 압력 또는 내부열교환기(200) 내 작동유체의 압력(기화에 따른)에 의해 파손될 수 있다. 이에 내부열교환기(200)는 원활한 열 교환을 위해 열전도성이 높은 금속으로 형성된 열교환기 튜브 집합체 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

순환라인(300)은 파이프형의 압력배관으로 구성되는 것이 바람직하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 순환라인(300)은 저장탱크(100) 및 내부열교환기(200)를 연결하는 배관이며, 작동유체의 유로이다. 순환라인(300)은 원자로건물의 외벽을 관통하여 내부열교환기(200)와 저장탱크(100)를 연결한다.

외부열교환기(400)는 일단이 저장탱크(100) 내부에 타단이 저장탱크(100) 외부에 위치한다. 본 발명의 일실시예에서의 외부열교환기(400)는 저장탱크(100)에 배치되어 있는 다수의 히트파이프 열교환기로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서는 특정의 작동유체를 내부에 포함하고 있으며, 폐쇄된 공간을 가지는 열전달 기구를 사용할 수도 있다. 외부열교환기(400)는 원활한 열 교환을 위해 열전도성이 높은 금속으로 구성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

보조저장탱크(500)는 내부열교환기(200)보다 높은 위치에 형성되어 있으며, 순환라인(300)과 연결되어 있고, 내부에 작동유체가 채워져 있지 않은 빈 공간이 마련되어 있다. 보조저장탱크(500) 내에서의 빈 공간(Free Volume)은, 원자로건물 내부에서 유입되는 열의 유입에 따라 폐루프 내에서 순환(유동)하는 작동유체의 압력이 급격히 상승하는 것을 방지하는 완충 역할을 수행하게 된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템의 동작을 나타낸 것이다.

원자로 운전 중 또는 사고 발생 시 원자로건물 내부의 온도가 올라가면 열교환기(200)에 열이 전달된다. 작동유체는 폐루프 내에서 2상(Two-Phase)의 ‘포화상태’를 유지하고 있기 때문에, 미소량의 열이 유입되더라도 비등(Boiling)이 활발하게 발생되기 때문에 유량이 증가하게 된다.

원자로건물 내부에 위치하고 있는 내부열교환기(200)가 원자로건물 내부의 증기열을 흡수하여 원자로건물 내부의 고온증기를 냉각시키며, 이때 내부열교환기(200) 내부에 ‘포화상태’를 유지하고 있는 작동유체가, 폐루프를 이루고 있는 순환라인(300)을 따라 저장탱크(100) 쪽으로 순환(유동)하게 된다. 폐루프 내에서 순환(유동)하고 있는 작동유체는 ‘포화상태’를 유지하며, 유량이 증가하게 된다.

내부열교환기(200), 순환라인(300) 및 저장탱크(100)를 따라 원자로건물 내부에서 흡수된 열이 외부열교환기(400)에 의해 대기를 통한 공기 냉각에 의해 냉각된다. 외부열교환기(400)의 대기를 통한 공기 냉각에 의해 저장탱크(100) 내 작동유체가 다시 액상으로 응축되며, 수두(head) 차이에 의해 폐루프(Closed-Loop)를 형성하고 있는 순환라인(300)을 통해 내부열교환기(200) 쪽으로 순환(유동)하게 된다.

순환(유동)과정에서 보조저장탱크(500)에 의해, 폐루프 내 열의 유입에 따른 압력상승을 방지하게 된다. 즉 보조저장탱크(500) 내부에는 작동유체가 채워져 있지 않은 빈 공간(Free Volume)이 마련되어 있어, 순환라인(300)을 통해 저장탱크(100)로 유입되는 작동유체의 압력이 급격히 상승하는 것을 방지하는 완충 역할을 수행하게 된다. 이와 같이 폐루프를 통한 원자로건물 피동 냉각 시스템(10)을 통하여 원자로건물은 피동적으로 냉각된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 폐루프형 원자로건물 피동 냉각 시스템은 폐루프 형성에 따른 다양한 작동유체의 사용 및 냉각수 재고량 상실도 방지할 수 있으며, 폐루프 내 작동유체가 포화상태를 유지함으로써 냉각 성능이 향상된다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 원자로 건물을 피동으로 냉각 시킬 수 있는 원자로 건물 피동 냉각 시스템을 마련하는 방법에 있어서,
   상기 원자로 건물 외부에 작동유체가 저장되는 저장탱크를 마련하는 단계;
   상기 원자로 건물 내부에 내부열교환기를 마련하는 단계;
   상기 저장탱크와 상기 내부열교환기를 연결하는 순환라인을 마련하는 단계; 상기 저장탱크, 내부열교환기 및 상기 순환라인이 서로 연결되어 폐루프를 형성하며, 상기 작동유체는 피동적으로 상기 폐루프 내에서 순환한다.
   상기 저장탱크와 연결되어 있는 외부열교환기를 마련하는 단계;
   상기 내부열교환기보다 높은 위치에 형성되며, 상기 순환라인에 연결되는 보조 저장탱크를 마련하는 단계; 및
   상기 폐루프 내부를 진공상태로 만든 후 상기 작동유체를 주입하는 단계를 포함하며,
   상기 작동유체를 주입하는 단계에서,
   상기 작동유체는 상기 폐루프의 부피에 대응하는 부피로 주입되며,
   이후 상기 작동유체 중 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 원자로건물 피동 냉각 시스템을 마련하는 방법.
7. 삭제

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