KR102238185B1

KR102238185B1 - 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통

Info

Publication number: KR102238185B1
Application number: KR1020140022700A
Authority: KR
Inventors: 이정익; 이제경; 정화영
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2021-04-09
Also published as: KR20150101240A

Abstract

본 발명은 정지냉각 펌프의 작동에 필요한 전기를 안정적으로 공급할 수 있는 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통을 개시한다. 본 발명은 정지냉각 펌프, 정지냉각 열교환기, 터빈발전기와 외부 열교환기로 구성되어 있다. 정지냉각 펌프는 원자로를 냉각하는 원자로 냉각재를 순환시키는 원자로 냉각재 관로에 장착되어 있다. 정지냉각 열교환기는 원자로 냉각재와 초임계압 유체 관로를 통하여 순환되는 초임계압 유체 사이의 열교환을 위하여 원자로와 정지냉각 펌프 사이에 장착되어 있다. 터빈발전기는 정지냉각 열교환기와 연결되어 있고, 정지냉각 열교환기를 지난 고온 가스 상태의 초임계압 유체에 의하여 전기를 발전하여 정지냉각 펌프에 공급한다. 외부 열교환기는 터빈발전기를 지난 초임계압 유체를 냉각하여 정지냉각 열교환기로 보낼 수 있도록 초임계압 유체 관로에 장착되어 있다. 본 발명에 의하면, 원자로의 비정상 상태, 예를 들면 모든 전원 상실 시에도 정지냉각 펌프의 작동에 필요한 전기를 원자로 냉각제를 냉각시키는 초임계압 유체 사이클에 의하여 지속적으로 발전하여 안정적으로 공급함으로써, 원자로의 건전성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 초임계압 유체 사이클에 의하여 정지냉각 열교환기와 터빈발전기를 용이하게 소형화할 수 있으므로, 신규 원자력 발전소는 물론, 기존의 원자력 발전소에도 경제적으로 설치할 수 있는 효과가 있다.

Description

원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통{PASSIVE DECAY HEAT REMOVAL SYSTEM FOR NUCLEAR POWER PLANT}

본 발명은 원자력 발전소에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로의 비정상 상태 시 정지냉각 펌프의 작동에 필요한 전기를 원자로 냉각제를 냉각시키는 초임계압 유체 사이클(Supercritical pressure fluid cycle)에 의하여 지속적으로 발전하여 공급할 수 있는 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통에 관한 것이다.

원자력 발전소(Nuclear power plant, NPP)는 크게 원자로, 가압기, 증기발생기, 터빈발전기(Turbine generator), 복수기 등으로 구성되어 있으며, 이외에도 원자로의 사고에 대비하여 공학적 안전설비계통, 송배전계통, 계측제어계통, 보조계통들로 구성되어 있다. 원자로의 가동이 정지되어 노심의 핵분열이 멈춘 후에도 원자로 내에서는 이전에 만들어진 핵분열 생성물의 붕괴가 계속되면서 붕괴열이 발생된다. 원자로와 냉각계통이 정지되어 냉각이 불가능한 경우, 붕괴열을 제거하기 위해서는 붕괴열 제거계통(Decay heat removal system)의 작동이 필수적이다. 붕괴열 제거계통은 원자로의 정지 후에 남아 있는 잔열 또는 여열의 제거하는 잔열 제거계통이나 정지 냉각계통(Shutdown cooling system)이라 부르고도 있다.

한편, 붕괴열제거계통의 기본적인 세 가지 요소는 열을 냉각하기 위해 필요한 물과, 물을 공급해 줄 수 있는 펌프와, 펌프를 구동할 수 있는 전기이다. 전기는 정상 상태 시 외부 그리드의 전기를 사용하면 되지만, 비정상 상태 시에는 비상디젤발전기(Emergency diesel generator, EDG), 대체교류전원발전기(Alternate AC diesel generator, AAC-DG), 축전지(Battery) 등의 순으로 공급하게 된다. 붕괴열제거계통의 전원 공급에 차질이 발생되면, 붕괴열을 지속적으로 냉각시킬 수 없게 되어 노심이 용융되고, 핵분열 물질들이 밖으로 누출될 수 있다.

한국 등록특허 제10-1255588호 "원자로의 잔열 제거 장치 및 그 방법"은 냉각탱크부에 저장되는 냉각수의 양에 따라 수냉식, 수냉식과 공냉식의 병용방식, 공냉식으로 전환할 수 있는 열교환부를 구비하고 있다. 한국 등록특허 제10-1250474호 "연통효과를 이용하여 원자로 풀 자연순환 성능을 강화한 액체금속냉각 원자로의 피동형 잔열제거시스템"은 노심 출구지역에 수직 상방향으로 설치되어 있는 원자로 배럴(Barrel)과, 원자로 고온 소듐 풀(Pool) 지역과 원자로 배럴로 구분되는 고온 풀 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역에 배치되어 있는 소듐-소듐 붕괴열 열교환기(Sodium-to-sodium decay heat exchanger)를 구비하고 있다. 원자로 배럴은 과도기 순환유로 상에 냉각기능을 부여하여 노심을 통과한 소듐 유동이 붕괴열 열교환기로 가는 유동경로 상에서 원자로 배럴이 연통효과(Chimney effect)를 제공한다. 한국 등록특허 제10-1297101호 "원자로의 잔열 제거 장치"는 증기발생기보다 높은 위치에 배치되는 냉각수 저장부와, 냉각수 저장부의 냉각수가 증기로 변환되어 방출되는 증기방출부와, 증기와를 열교환에 의하여 물로 냉각하여 냉각수 저장부로 보내는 격납용기를 포함하고 있다. 격납용기는 외부 대기에 의하여 냉각할 수 있어 전원 공급 및 능동형 기기의 작동이 불필요하게 된다.

상기한 바와 같은 붕괴열제거계통은 자연 순환 현상, 예를 들어 액체의 자연순환 또는 대기의 자연대류통풍, 물의 증발 등을 이용하여 냉각을 실시하는 피동적 안전성(Passive safety)을 토대로 하고 있어 설계기준사고의 발생 시 어떠한 능동기기 또는 운전원의 개입 없이도 계통안전성을 충분히 확보할 수 있도록 설계되고 있으나, 계측장비 등에 대하 전원 공급은 여전히 해결하지 못하고 있다. 또한, 중력을 이용하기 위해서는 높은 높이차가 확보되어야만 하며, 기존에 건설된 원자로에 적용하기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 붕괴열제거계통의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 원자로의 비정상 상태 시 정지냉각 펌프의 작동에 필요한 전기를 원자로 냉각제를 냉각시키는 초임계압 유체 사이클에 의하여 지속적으로 발전하여 공급할 수 있는 새로운 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 정지냉각 열교환기와 터빈발전기를 용이하게 소형화할 수 있는 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통이 제공된다. 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통은, 원자로를 냉각하는 원자로 냉각재를 순환시키는 원자로 냉각재 관로에 장착되어 있는 정지냉각 펌프와; 원자로 냉각재와 초임계압 유체 관로를 통하여 순환되는 초임계압 유체 사이의 열교환을 위하여 원자로와 정지냉각 펌프 사이에 장착되어 있는 정지냉각 열교환기와; 정지냉각 열교환기와 연결되어 있고, 정지냉각 열교환기를 지난 고온 가스 상태의 초임계압 유체에 의하여 전기를 발전하여 정지냉각 펌프에 공급하는 터빈발전기와; 터빈발전기를 지난 초임계압 유체를 냉각하여 정지냉각 열교환기로 보낼 수 있도록 초임계압 유체 관로에 장착되어 있는 외부 열교환기를 포함한다.

본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통은, 원자로의 비정상 상태, 예를 들면 모든 전원 상실(Station black out) 시에도 정지냉각 펌프의 작동에 필요한 전기를 원자로 냉각제를 냉각시키는 초임계압 유체 사이클에 의하여 지속적으로 발전하여 안정적으로 공급함으로써, 원자로의 건전성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 초임계압 유체 사이클에 의하여 정지냉각 열교환기와 터빈발전기를 용이하게 소형화할 수 있으므로, 신규 원자력 발전소는 물론, 기존의 원자력 발전소에도 경제적으로 설치할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통의 구성을 나타낸 계통도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통(10)은 원자로(20)를 냉각하기 위한 정지냉각 펌프(30)를 구비한다. 정지냉각 펌프(30)는 원자로 냉각재를 원자로(20)의 내외로 순환시키는 원자로 냉각재 관로(40)에 장착되어 있다. 원자로 냉각재 관로(40)는 원자로(20)와 정지냉각 펌프(30)의 흡입부(32) 사이에 배관되어 있는 고온관(42)과, 정지냉각 펌프(30)의 토출부(34)와 원자로(20) 사이에 배관되어 있는 저온관(44)으로 구성되어 있다. 원자로(20)의 정지 시 정지냉각 펌프(30)가 작동되어 원자로(20)로부터 원자로 냉각재 관로(40)를 통하여 원자로 냉각재를 순환시키게 된다.

본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통(10)은 정지냉각 열교환기(50)를 구비한다. 정지냉각 열교환기(50)는 원자로 냉각재와 초임계압 유체(Supercritical pressure fluid) 사이의 열교환을 위하여 원자로(20)와 정지냉각 펌프(30)의 흡입부(32) 사이의 원자로 냉각재 관로(40)에 장착되어 있다. 정지냉각 열교환기(50)는 원자료 냉각재의 통로를 형성하는 외관(52)과, 외관(52) 안에 초임계압 유체의 통로를 형성하도록 장착되어 있고 초임계압 유체를 순환시키는 초임계압 유체 관로(60)와 연결되어 있는 내관(54)을 구비하는 이중관식 열교환기로 구성되어 있다. 초임계압 유체는 초임계 이산화탄소(Co₂)로 이루어진다. 초임계 이산화탄소는 액체와 기체의 성질을 모두 가진 이산화탄소이다. 이산화탄소의 임계 온도는 31.04도, 임계 기압(atm)은 72.8이라 비교적 쉽게 초임계 상태로 만들 수 있다.

본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통(10)은 초임계압 유체 관로(60)를 통하여 연결되도록 정지냉각 열교환기(50)의 하류에 장착되어 있는 터빈발전기(70)를 구비한다. 정지냉각 열교환기(50)는 초임계압 유체 관로(60)를 통하여 초임계압 유체를 터빈발전기(70)에 보낸다. 터빈발전기(70)는 터빈(72)과 발전기(74)로 구성되어 있다. 터빈(72)은 정지냉각 열교환기(50)를 지난 고온 가스 상태의 초임계압 유체에 의하여 회전 운동된다. 발전기(74)는 터빈(72)의 회전에 의하여 발전하도록 터빈(72)과 연결되어 있다. 발전기(74)는 전기를 정지냉각 펌프(30)에 공급하도록 전력선(76)에 의하여 정지냉각 펌프(30)와 연결되어 있는 발전기(74)에서 발전되는 전기는 정지냉각 펌프(30)에 공급되어 정지냉각 펌프(30)를 작동시킨다.

또한, 터빈(72)은 고온 가스 상태의 초임계압 유체를 외부 열교환기(80)를 거쳐 펌프(90)로 보낸다. 고온 가스 상태의 초임계압 유체는 외부 열교환기(80)에서 냉각되어 펌프(90)로 보내진다. 외부 열교환기(80)는 수냉식, 공냉식, 수냉식과 공냉식의 병용 방식 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 펌프(90)는 외부 열교환기(80)에서 냉각된 초임계압 유체를 정지냉각 열교환기(50)로 보내 순환시킨다.

이와 같이 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통(10)은 정지냉각 펌프(30)가 터빈발전기(70)의 발전에 의하여 생산되는 전기에 의하여 작동되어 원자로(20)의 붕괴열을 냉각시킴으로써, 모든 전원 상실 시에도 원자로(20)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 한편, 붕괴열이 정지냉각 펌프(30)의 지속적인 운전에 의하여 실시되면, 냉각계통의 부하가 감소되어 피동적으로 냉각계통의 제어가 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통(10)은 초임계 이산화탄소를 사용하여 원자로 냉각재를 냉각하는 초임계 이산화탄소 사이클(100)로 구성되어 낮은 온도 범위와 낮은 열출력에서도 높은 열효율로 안전한 운전이 가능하다. 또한, 초임계 이산화탄소 사이클(100)을 구성하는 정지냉각 열교환기(50)와 터빈발전기(70)는 소형화가 용이하다. 즉, 초임계 이산화탄소는 증기를 사용하는 기존의 발전 시스템보다 발전 효율을 30% 이상 높일 수 있고, 발전기의 크기를 75% 이하로 줄일 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통(10)은 신규 원자력 발전소는 물론, 기존의 원자력 발전소에도 큰 경제적 부담 없이 설치할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 피동 붕괴열 제거계통 20: 원자로
30: 정지냉각 펌프 40: 원자로 냉각재 관로
50; 정지냉각 열교환기 60: 초임계압 유체 관로
70: 터빈발전기 80: 외부 열교환기
90: 펌프 100: 초임계 이산화탄소 사이클

Claims

원자로를 냉각하는 원자로 냉각재를 순환시키는 원자로 냉각재 관로에 장착되어 있는 정지냉각 펌프와;
상기 원자로 냉각재와 초임계압 유체 관로를 통하여 순환되는 초임계압 유체 사이의 열교환을 위하여 상기 원자로와 상기 정지냉각 펌프 사이에 장착되어 있는 정지냉각 열교환기와;
상기 정지냉각 열교환기와 연결되어 있고, 상기 정지냉각 열교환기를 지난 고온 가스 상태의 초임계압 유체에 의하여 전기를 발전하여 상기 정지냉각 펌프에 공급하는 터빈발전기와;
상기 터빈발전기를 지난 초임계압 유체를 냉각하여 상기 정지냉각 열교환기로 보낼 수 있도록 상기 초임계압 유체 관로에 장착되어 있는 외부 열교환기와,
상기 외부 열교환기와 상기 정지냉각 열교환기 사이에 배치되어, 상기 외부 열교환기를 통해 냉각된 초임계압 유체를 상기 정지냉각 열교환기로 보내 초임계압 유체 사이클을 순환시키는 펌프를 포함하되,
상기 정지냉각 펌프와 전기선으로 연결된 터빈발전기는, 상기 원자로의 비정상 상태 시, 상기 정지냉각 펌프의 작동에 필요한 전기를 상기 전기선을 통해 상기 정지냉각 펌프로 공급하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통.
제1항에 있어서,
상기 초임계압 유체는 초임계 이산화탄소로 이루어지는 원자력 발전소의 피동 붕괴열 제거계통.