KR102286098B1

KR102286098B1 - 사용후연료저장조 냉각계통

Info

Publication number: KR102286098B1
Application number: KR1020200130225A
Authority: KR
Inventors: 남경호; 김태우
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-08-06

Abstract

본 발명은 사용후연료저장조 냉각계통에 관한 것으로, 냉각수를 수용하며, 사용후연료가 저장되는 저장수조; 사고 발생에 따른 상기 저장수조 내에서 발생되는 열을 제거하는 히트파이프; 상기 히트파이프에 결합되어 있는 열전소자; 및 상기 열전소자에서 발생되는 전원의 인가에 의해 상기 저장수조에 냉각수를 유입시키는 외부냉각수유입부를 포함하는 사용후연료저장조 냉각계통에 관한 것이다.

Description

사용후연료저장조 냉각계통{Coolling system for spent fuel pool}

본 발명은 사용후연료저장조 냉각계통에 관한 것이다.

원자력발전소에서는 사용후연료저장조에 위치한 사용후연료집합체에에서 발생하는 잔열을 사용후연료저장조 냉각계통 및 충수계통을 활용하여 제거하는 운전을 항상 수행하고 있다.

한편, 극한 지진이나 쓰나미 또는 장기 전원상실 사고 발생 등으로 사용후연료저장조 냉각계통 작동 불능 시에는 사용후연료에서 발생한 잔열이 적절히 제거되지 못하게 되는 문제가 발생하게 된다.

상기와 같이 사용후연료저장조 냉각계통 작동 불능 시 사용후연료에서 발생한 잔열이 적절히 제거되지 못함으로써 사용후연료저장조 수위는 점점 줄어 들게 된다.

잔열 미처리 및 수위 감소에 따라, 사용후연료 손상 및 용융이 발생하게 되는 문제가 발생하게 되며, 결국에는 수소 축적에 의한 사용후연료건물 폭발 및 핵분열생성물의 외부환경 방출 등의 문제가 발생하게 된다.

기존 원자력발전소에서는 사용후연료저장조 냉각계통이 이용 불가능한 경우를 대비하여 소화수 배관을 사용하거나 소방차 등 외부수원을 활용하여 사용후연료저장조를 보충하는 보충수 배관이 설치된 사용후연료저장조의 냉각 전략 사용되어 오고 있다.

하지만 소화수 배관을 사용하거나 소방차 등 외부수원을 활용한 장치의 경우 원자력발전소에 차량이 접근 불가한 사고나 상황이 발생하거나, 배관을 통해 별도의 보충수가 공급되지 못하는 상황이 발생할 경우 더 이상 사용후연료저장조 내로 냉각수 충수가 어렵다는 문제점이 발생하게 된다.

대한민국 등록특허 제10-1515712호(2015.04.27. 등록)

본 발명의 목적은 고장 혹은 전원 상실과 같은 사고 발생 시 사용후연료저장조 내 온도 및 수위를 일정하게 유지시킬 수 있는 효과적인 사용후연료저장조 냉각계통을 제공하는 것이다.

상기 히트파이프는, 상기 저장수조 내 냉각수의 열을 제거하기 위해 제1작동유체로 채워져 있는 제1공간; 및 상기 제1공간을 둘러싸고 있으며, 상기 제1작동유체와 상기 냉각수와의 온도구배 및 열전달을 위해 제2작동유체로 채워져 있는 제2공간으로 이루어져 있는 제1부분을 포함할 수 있다.

상기 제1작동유체는 액화질소를 포함하고, 상기 제2작동유체는 나노유체를 포함할 수 있다.

상기 히트파이프는, 상기 저장수조 외부에 위치하며, 상기 제1공간에 상기 제1작동유체를 공급하기 위한 제2부분; 및 상기 제1공간과 상기 제2부분을 연결시키는 제1연결배관을 더 포함하며, 상기 제2부분은 저장탱크로 이루어져 있을 수 있다.

상기 히트파이프는, 상기 제1연결배관에 위치하는 제1밸브를 더 포함하고, 상기 제1작동유체는, 사고 발생 시 상기 열전소자에서 발생되는 전원 인가에 따른 상기 제1밸브의 개방에 따라, 상기 제2부분으로부터 상기 제1공간으로 공급될 수 있다.

상기 외부냉각수유입부는, 상기 저장수조보다 상부에 위치하며, 냉각수를 수용하고 있는 외부냉각수탱크; 상기 외부냉각수탱크로부터 상기 저장수조로 냉각수를 공급하기 위한 제2연결배관; 및 상기 제2연결배관에 위치하는 제2밸브를 포함할 수 있다.

상기 냉각수의 공급은, 상기 열전소자에서 발생되는 전원 인가에 따른 상기 제2밸브의 개방에 따라, 상기 냉각수가 중력 낙하에 의해 상기 외부냉각수탱크로부터 상기 저장수조로 공급되며, 상기 제2밸브의 작동을 위한 전원레벨이 상기 제1밸브보다 높은 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면 고장 혹은 전원 상실과 같은 사고 발생 시 사용후연료저장조 내 온도 및 수위를 일정하게 유지시킬 수 있는 효과적인 사용후연료저장조 냉각계통이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 사용후연료저장조 냉각계통을 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 사용후연료저장조 냉각계통 중에서 히트파이프의 동작을 나타낸 순서도이고,
도 3은 본 발명의 사용후연료저장조 냉각계통 중에서 외부냉각수탱크로부터의 냉각수 유입을 나타낸 순서도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

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.

도 1은 본 발명에 따른 사용후연료저장조 냉각계통을 나타낸 것이다.

사용후연료저장조 냉각계통(1)은 저장수조(100), 히트파이프(200), 열전소자(300) 및 외부냉각수유입부(400)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 저장수조(100)는 냉각수가 일정수준 이상 채워져 있으며, 히트파이프(200) 및 열전소자(300)가 저장수조(100) 내 냉각수에 배치되어 있다.

도 1에서는 저장수조(100) 내 히트파이프(200)의 일부 및 열전소자(300)가 저장수조(100) 내 냉각수 속에 잠겨 있는 형태로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서 히트파이프(200)의 일부 및 열전소자(300)가 저장수조(100) 내 냉각수에 일부만 잠겨있는 상태로 나머지 일부는 공기 중에 모두 노출되어 있는 상태로 배치될 수도 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에서 히트파이프(200)는 사고 발생에 따른 상기 저장수조(100) 내에서 발생되는 열을 제거하기 위한 구성으로서, 제1부분(210), 제2부분(220), 제1연결배관(230) 및 제1밸브(240)를 포함한다.

도 1에 도시되어 있지는 않지만, 저장수조(100) 내 히트파이프(200)를 지지하기 위한 추가적인 지지대 및 가이드부가 더 설치되어 있을 수도 있다.

제1부분(210)은 저장수조(100) 내부에 위치하며, 저장수조 내 냉각수의 열을 제거하기 위해 제1작동유체(a)로 채워져 있는 제1공간(211) 및 상기 제1공간(211)을 둘러싸고 있으며, 제1작동유체(a)와 상기 저장수조 내 냉각수와의 온도구배 및 열전달을 위해 제2작동유체(b)로 채워져 있는 제2공간(212)을 포함한다.

제1부분(210)은 제1공간(211)을 제2공간(212)이 둘러싸고 있는 이중 레이어의 형태를 가지고 있으나 이에 한정되지 않는다.

본 발명에서 제2공간(212)은 제1공간(211)을 둘러싸고 있는 닫힌(Closed)형태를 나타내고 있으며, 이러한 제2공간(212) 내 제2작동유체(b)가 포함되어 있다. 제2공간(212) 내 포함되어 있는 제2작동유체(b)의 작동에 관해서는 아래 도 2을 통해 구체적으로 설명한다.

본 발명에서 제1작동유체(a)는 액화질소를 포함하고, 제2작동유체(b)는 나노유체를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 화학적으로 안정하고 충분한 열제거 성능을 가지고 있는 다른 유체를 사용할 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제2부분(220)은 저장수조(100) 외부에 위치하며, 제1부분(210) 내 제1공간(211)에 제1작동유체(a)를 공급하기 위한 구성이며, 저장탱크로 이루어져 있다. 다른 실시예에서 제2부분(220)은 저장탱크 대신 저수조와 같은 구성으로 되어 있을 수 있으며, 형태나 크기는 한정되지 않는다.

제1연결배관(230)은 제1부분(210) 내 제1공간(211)과 제2부분(220)을 연결하는 배관이며, 재질은 스테인리스 스틸 등으로 만들어 질 수 있다.

사고 발생에 따른 저장수조(100) 내 온도가 상승하게 되면, 제1연결배관(230)을 통해 제2부분(220)에 저장되어 있는 제1작동유체(a)가 제1부분(210) 내 제1공간(211)에 유입되게 된다. 이러한 제1작동유체(a)의 유입을 통해 저장수조(100) 내 냉각수의 온도가 낮아지게 된다.

제1밸브(240)는 제1연결배관에 위치하며, 열전소자(300)에서 발생되는 전원 인가에 따라 제1작동유체(a)가 제2부분(220)으로부터 제1연결배관(230)을 따라 제1부분(210) 내 제1공간(211)에 유입될 수 있도록 한다.

열전소자(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 저장수조(100) 내 히트파이프(200)에 결합되어 있는 형태로 설치되어 있을 수 있다. 열전소자(300)는 상업적으로 흔히 사용할 수 있는 제품을 사용할 수 있다.

도 1에 도시되어 있지는 않지만, 저장수조(100) 내 위치하며 히트파이프(200) 결합되어 있는 열전소자(300)를 지지하기 위한 추가적인 지지대 및 가이드부가 더 설치되어 있을 수도 있다.

본 발명에서 저장수조(100) 내 배치되어 있는 열전소자(300)를 통해 발생된 전기가, 히트파이프(200) 내 제1밸브(240) 및 외부냉각수유입부(400) 내 제2밸브(430)에 공급될 수 있다.

외부냉각수유입부(400)는 열전소자(300)에서 발생되는 전원의 인가에 의해 저장수조(100) 내로 냉각수를 유입시키게 된다.

도 1을 살펴보면, 외부냉각수유입부(400)는 외부냉각수탱크(410), 제2연결배관(420) 및 제2밸브(430)를 포함한다.

외부냉각수탱크(410)가 저장수조(100)보다 상부에 위치하며, 냉각수를 수용하고 있는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서는 저장수조(100)와 동일한 위치에 배치되어 있을 수도 있으며, 추가적인 펌프 구성을 통해 외부냉각수탱크(410)로부터 저장수조(100)로 냉각수가 유입되게 구성될 수도 있다.

제2연결배관(420)은 외부냉각수탱크(410)로부터 저장수조(100)로 냉각수를 공급하기 위한 배관이며, 재질은 스테인리스 스틸 등으로 만들어 질 수 있다.

도 1을 살펴보면, 외부냉각수탱크(410)가 저장수조(100)보다 상부에 위치하고 있기 때문에, 제2연결배관(420)을 따라 냉각수가 중력 낙차에 의해 직접적으로 저장수조(100)에 유입되나, 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서는 별도의 냉각수를 공급할 수 있는 펌프와 같은 추가 장치를 통해 저장수조(100) 내로 냉각수를 공급할 수도 있다.

제2밸브(430)는 제2연결배관(420)에 위치하며, 열전소자(300)에서 발생되는 전원 인가에 따라 냉각수가 외부냉각수탱크(410)로부터 제2연결배관(420)을 따라 저장수조(100)로 유입될 수 있도록 한다. 이와 관련된 외부냉각수유입부(400)를 통한 추가적인 냉각수 유입은 도 3에서 자세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 사용후연료저장조 냉각계통 중에서 히트파이프의 동작을 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명의 사용후연료저장조 냉각계통 중에서 외부냉각수탱크로부터의 냉각수 유입을 나타낸 순서도이다.

도 2를 살펴보면, 사고 발생에 따른 저장수조(100) 내 온도가 상승하게 되면, 저장수조(100) 내 배치되어 있는 열전소자(300)는 열에너지를 받아 충전이 이루어지게 된다.(S11)

이 때 열전소자(300)에 충전된 전원이 히트파이프(200) 제1밸브(240)에 인가되며, 이로 인해 제1밸브(240)가 개방되게 된다.(S12)

이 후 제1밸브(240)의 개방으로 인해 제2부분(220)에 저장되어 있던 제1작동유체(a)가 제1연결배관(230)을 통해 제1부분(210)의 제1공간(211)으로 유입된다.(S13)

제1공간(211)으로 유입되는 제1작동유체(a)는 화학적으로 안정되고, 충분히 저장수조(100) 내 열을 제거할 수 있는 액화 질소가 사용된다.

본 발명에서 히트파이프(200)는 제1공간(211)을 제2공간(212)이 둘러싸는 이중 레이어 구조로 되어 있으며, 이 때 제2공간(212)에 채워져 있는 제2작동유체(b)는 제1공간(211)에 채워져 있는 제1작동유체(a)와 저장수조(100) 내 냉각수와의 온도구배를 완화 시켜주면서 동시에 열전달을 빠르게 수행할 수 있는 나노 유체가 사용된다.

위와 같은 히트파이프(200)의 이중 레이어 구조 및 제1작동유체(a)와 제2작동유체(b)의 동작에 의해 저장수조(100) 내 발생되는 열을 지속적으로 제거할 수 있게 되며, 결과적으로는 저장수조(100) 내 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 효과를 발생시키게 된다.

도 3을 살펴보면, 사고 발생에 따른 저장수조(100) 내 온도가 상승하게 되면, 저장수조(100) 내 수위가 감소하게 된다. 이러한 상황에서 열전소자(300)는 저장수조(100) 내 온도 상승에 따라 열에너지를 받아 충전이 이루어지게 된다.(S21)

이 때 열전소자(300)에 충전된 전원이 외부냉각수유입부(400) 제2밸브(430)에 인가되며, 이로 인해 제2밸브(430)가 개방되게 된다.(S22)

이 후 제2밸브(430)의 개방으로 인해 외부냉각수탱크(410)에 저장되어 있던 냉각수가 제2연결배관(420)을 통해 저장수조(100)로 유입된다.(S23)

저장수조(100) 내로 추가적인 냉각수가 유입됨으로 인해, 수위가 감소되었던 저장수조(100) 내 수위가 일정하게 유지되고, 사용 후 연료손상 및 용융이 발생하게 되는 문제를 사전에 예방하고, 결국에는 수소 축적에 의한 사용후 연료건물 폭발 및 핵분열생성물의 외부환경 방출 등의 문제가 발생하지 않게 된다.

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.

Claims

사용후연료저장조 냉각계통에 관한 것으로,
냉각수를 수용하며, 사용후연료가 저장되는 저장수조;
사고 발생에 따른 상기 저장수조 내에서 발생되는 열을 제거하는 히트파이프;
상기 히트파이프에 결합되어 있는 열전소자; 및
상기 열전소자에서 발생되는 전원의 인가에 의해 상기 저장수조에 냉각수를 유입시키는 외부냉각수유입부를 포함하며,
상기 히트파이프는,
상기 저장수조 내 냉각수의 열을 제거하기 위해 제1작동유체로 채워져 있는 제1공간; 및
상기 제1공간을 둘러싸고 있으며, 상기 제1작동유체와 상기 냉각수와의 온도구배 및 열전달을 위해 제2작동유체로 채워져 있는 제2공간으로 이루어져 있는 제1부분을 포함하는 사용후연료저장조 냉각계통.
삭제
제1항에서,
상기 제1작동유체는 액화질소를 포함하고,
상기 제2작동유체는 나노유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후연료저장조 냉각계통.
제1항에서,
상기 히트파이프는,
상기 저장수조 외부에 위치하며, 상기 제1공간에 상기 제1작동유체를 공급하기 위한 제2부분; 및
상기 제1공간과 상기 제2부분을 연결시키는 제1연결배관을 더 포함하며,
상기 제2부분은 저장탱크로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 사용후연료저장조 냉각계통.
제4항에서,
상기 히트파이프는,
상기 제1연결배관에 위치하는 제1밸브를 더 포함하고,
상기 제1작동유체는,
사고 발생 시 상기 열전소자에서 발생되는 전원 인가에 따른 상기 제1밸브의 개방에 따라,
상기 제2부분으로부터 상기 제1공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 사용후연료저장조 냉각계통.
제5항에서,
상기 외부냉각수유입부는,
상기 저장수조보다 상부에 위치하며, 냉각수를 수용하고 있는 외부냉각수탱크;
상기 외부냉각수탱크로부터 상기 저장수조로 냉각수를 공급하기 위한 제2연결배관; 및
상기 제2연결배관에 위치하는 제2밸브를 포함하는 사용후연료저장조 냉각계통.
제6항에서,
상기 냉각수의 공급은,
상기 열전소자에서 발생되는 전원 인가에 따른 상기 제2밸브의 개방에 따라,
상기 냉각수가 중력 낙하에 의해 상기 외부냉각수탱크로부터 상기 저장수조로 공급되며,
상기 제2밸브의 작동을 위한 전원레벨이 상기 제1밸브보다 높은 것을 특징으로 하는 사용후연료저장조 냉각계통.