KR102307564B1 - 냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통에 관한 것으로, 원자로 건물 내부에 위치하며 상기 원자로 건물에서 발생하는 증기를 냉각시키는 열교환기; 냉각수를 수용하며 상기 원자로 건물 외부에 위치하여 상기 열교환기에서 가열된 냉각수를 냉각시키는 응축냉각탱크; 상기 열교환기와 상기 응축냉각탱크 사이를 연결하며 냉각수가 이동하는 순환유로; 및 상기 순환유로로부터 분기되어 상기 원자로 건물 외부로 연장되어 있는 증기배출 유로를 포함한다.

Description

냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통{Containment cooling system having improved cooling performance}
본 발명은 냉각성능이 강화된 피동원자로건물냉각계통에 관한 것이다.
원자로건물 내부에서 발생하는 증기를 냉각시키기 위한 설비가 연구되고 있다.
기존 연구된 설비는 원자로건물 내부에 열교환기를 설치하고 외부의 냉각수조와 연결하여 열교환기에서 내부 발생한 증기가 응축되도록 설계되었다.
이러한 기존 연구된 설비는 증기 응축이 진행될수록 냉각수조의 냉각수 온도가 상승하여 냉각성능이 감소하는 문제가 있었다.
한국등록 제10-1502395호(2015년 3월 13일 공고)
따라서 본 발명의 목적은 냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통에 있어서, 원자로 건물 내부에 위치하며 상기 원자로 건물에서 발생하는 증기를 냉각시키는 열교환기; 냉각수를 수용하며 상기 원자로 건물 외부에 위치하여 상기 열교환기에서 가열된 냉각수를 냉각시키는 응축냉각탱크; 상기 열교환기와 상기 응축냉각탱크 사이를 연결하며 냉각수가 이동하는 순환유로; 및 상기 순환유로로부터 분기되어 상기 원자로 건물 외부로 연장되어 있는 증기배출 유로를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 순환유로는, 상기 응축냉각탱크와 상기 열교환기의 하부를 연결하는 제1유로; 및 상기 응축냉각탱크와 상기 열교환기의 상부를 연결하는 제2유로를 포함하며, 상기 증기배출 유로는 상기 원자로 건물 내부에서 상기 제2유로로부터 상부 방향으로 분기되어 있을 수 있다.
상기 증기배출 유로의 상기 원자로 건물 외부에서의 단부는 상기 응축냉각탱크의 냉각수 레벨보다 높을 수 있다.
상기 증기배출 유로의 상기 원자로 건물 외부에서의 단부는 상기 응축냉각탱크의 외부에 위치할 수 있다.
상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도측정부; 상기 제2유로를 개폐하며 상기 증기배출유로의 분기점과 상기 응축냉각탱크 사이에 위치하는 밸브를 더 포함하며, 상기 밸브는 상기 냉각수의 온도도 일정 수준 이상이 되면 상기 제2유로를 폐쇄할 수 있다.
상기 온도측정부는 상기 원자로 건물 내에 위치하는 상기 제1유로의 냉각수 온도를 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면 냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통이 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로건물냉각계통을 나타낸 것이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로건물냉각계통의 작동을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로건물냉각계통을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 원자로건물냉각계통을 나타낸 것이다.
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 1을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 피동원자로건물냉각계통을 설명한다.
원자로건물냉각계통(1)은 열교환기(10), 응축냉각탱크(20), 순환유로(30), 증기배출유로(40), 온도측정부(50) 및 밸브(60)를 포함한다.
열교환기(10)는 원자로 건물 내부에 있으며, 원자로 건물 내부에는 증기발생기와 원자로 등이 위치한다.
열교환기(10)는 수평 실린더 형태의 헤더 (Header pipe) 사이에 다수의 튜브가 꽂혀 있는 형태이다.
응축냉각탱크(20)는 원자로 건물 외부에 위치한다. 응축냉각탱크(20)는 냉각수를 수용하며, 대기로 개방되어 있다.
순환유로(30)는 열교환기(10)와 응축냉각탱크(20) 사이를 연결하며 냉각수를 순환시킨다.
순환유로(30)는 열교환기(10)의 하부와 응축냉각탱크(20)를 연결하는 제1유로(31) 및 열교환기(10)의 상부와 응축냉각탱크(20)를 연결하는 제2유로(32)를 포함한다.
증기배출유로(40)는 제2유로(32)로부터 상부방향으로 분기되어 형성되어 있다. 증기배출유로(40)의 단부는 원자로 건물의 외부에 위치하며 응축냉각탱크(20)의 냉각수보다 높게 위치한다.
온도측정부(50)는 원자로 건물 내부에 위치하며 제1유로(31)에 흐르는 냉각수의 온도를 측정한다.
밸브(60)는 제2유로(32) 상에 위치하는데 증기배출유로(40)와의 분기점과 응축냉각탱크(20) 사이에 위치한다. 따라서 밸브(60)가 폐쇄되어도 제2유로(32)와 증기배출유로(40)의 연통은 유지된다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 제1실시예에 따른 원자로건물냉각계통의 작동을 설명한다.
도 2와 같이 사고 등으로 원자로 건물 내에 증기가 발생하면 발생된 증기는 열교환기(10)와 접촉하여 응축된다. 응축을 통해 열에너지를 전달하고 응축수가 된다. 이에 의해 원자로 건물 내의 온도와 압력이 감소한다.
증기에 비하여 응축수는 비부피(Specific volume)가 매우 작기에 압력 해소에 매우 효과적이다. 이때, 응축량은 원자로건물에서 열교환기(10) 내부 냉각재로 전달되는 열전달량에 비례하며, 열전달량은 원자로건물 증기와 열교환기(10) 내부 냉각재 간의 온도차이 그리고 내부 냉각재의 순환 유량에 비례한다.
증기의 응축에 의해 원자로건물로 방출되는 증기형태의 냉각재로 인하여 발생할 수 있는 원자로건물의 과압이 방지된다.
밸브(60)는 오픈 상태이며 냉각수는 응축냉각탱크(20), 제1유로(31), 열교환기(10) 및 제2유로(32)를 거치면서 순환한다.
자연순환이 발생할 수 있도록 응축냉각탱크(20)의 냉각수 수위는 제2유로(32)의 단부보다 높게 형성된다.
이 단계에서의 증기 응축에 대해 다시 설명하면 다음과 같다.
열교환기(10) 내부 냉각재(저온)와 원자로건물 내부(고온) 간의 온도차이로 인하여 열교환기(10) 내부 냉각재로 열전달이 이루어진다. 열교환기(10)를 통해 열전달이 이루어지기에, 열교환기(10) 및 출구 측과 이어진 배관 내 유체 온도는 응축냉각탱크(20) 내 온도보다 충분히 높아지고 그에 따라 응축냉각탱크(20) 내부보다 밀도가 감소하게 된다. 밀도차에 의하여 자연순환이 이루어지고, 그에 따라 유량이 형성되어 열교환 성능이 강화된다. 자연순환에 의해 열교환기(10)를 통해 전달받은 열에너지는 응축냉각탱크(20)로 전달되고 수온의 지속적 증가를 가져오며, 그에 따라 열교환기(10)를 통한 열제거율은 지속적으로 감소한다.
이 단계에서는 냉각수의 온도가 높지 않아, 증기배출유로(40)로 배출되는 냉각수 내지 증기는 없거나 매우 미미하다.
원자로건물 냉각계통(1)은 외부 구동력이 없어 응축냉각탱크(20)에 냉각계통을 제공할 수 없고, 그에 따라 응축냉각탱크(20)의 수온은 시간에 따라 지속적으로 상승하다가 포화온도에 근접하게 되면 증발이 시작되면서 수온이 일정하게 유지된다.
응축냉각탱크(20)의 수온상승은 원자로건물로부터 열을 전달받는 열교환기(10) 내부 유체의 온도상승을 가져오고, 그에 따라 원자로건물 증기와 열교환기(10) 내부 냉각재 간의 온도 차이는 계속 감소하게 되어, 원자로건물로부터 제거되는 열량은 지속적으로 줄어든다. 즉, 원자로건물 냉각계통(1)은 시간에 따라 냉각성능이 감소하는 한계점이 있으며, 응축냉각탱크(20)의 수온이 포화온도에 도달할 때에 냉각성능이 최소화되어 감압기능의 정상적 작동이 어려울 수 있다.
이후 계속해서 열교환이 이루어져 냉각수의 온도가 포화온도보다 낮은 일정수준(예를 들어 85℃) 이상으로 올라가면 도 3과 같이 증기배출유로(40)를 통해 냉각수 내지 증기가 배출된다.
열교환기(10) 출구 측의 고온 액상 유체는 주로 수직배관에서 발생하는 현저한 수두압 감소로 인한 순간기화 (Flashing)의 형태로 증기화되어 증기배출유로(40)를 통해 원자로건물 밖 대기로 배출된다.
온도측정부(50)에서 측정한 냉각수의 온도가 일정 수준 이상이면 밸브(60)가 폐쇄되어 열교환기를 거친 고온의 액상 유체는 증기배출유로(40)로 공급된다. 이에 의해 열교환기(10) 출구로 빠져나오는 고온의 액상 유체가 다시 응축냉각탱크(20)로 들어가지 못하게 한다. 이로써 응축냉각탱크(20)의 수온은 포화온도보다 낮은 온도를 유지할 수 있다. 그에 따라 응축냉각탱크(20)로부터 열교환기(10)로 진입하는 유체의 온도가 충분한 수준의 과냉각상태를 유지할 수 있어, 원자로건물 열제거율을 높게 유지할 수 있다.
부수적으로, 본 발명에서 고안된 증기배출유로(40)를 통해 열교환 효율을 떨어뜨리게 할 수 있는 계통 내 존재하는 비응축가스들의 배기가 원활히 이루어질 수 있게 함으로써, 열교환 효율을 극대화하는 효과를 얻을 수 있다.
온도측정부(50)의 온도에 따라 밸브(60)를 온오프하는 구성은 공지의 기술을 채용하여 구현할 수 있다.
증기배출유로(40)로 공급된 냉각수 내지 증기는 응축냉각탱크(20)의 냉각수가 아닌 외부 대기 등으로 배출되기 때문에 냉각수의 온도 상승이 억제된다. 이후 온도측정부(50)에서 측정한 냉각수의 온도가 일정 수준 이하가 되면 다시 밸브(60)가 오픈된다.
이상의 과정의 거치면서 응축냉각탱크(20)의 냉각수 온도 상승이 억제되어 냉각 성능이 향상되고 냉각 유지 시간이 증가한다.
이상의 냉각을 통해 본 발명에 따른 원자로건물 냉각계통(1)은 "설계기준사고 발생시 24시간 내에 원자로건물 압력을 첨두압력(Peak pressure)의 50% 이하로 감압하여야 한다."는 설계요건을 만족시킬 수 있다.
도 4를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 피동원자로건물냉각계통을 설명한다.
제2실시예에서는 온도측정부(50)가 응축냉각탱크(20)에 설치되어 있다. 다른 실시예에서는 온도측정부(50)는 열교환기(10)와 증기배출유로(40) 사이의 제2유로(32) 상에 위치할 수 있다.
또한, 제2실시예에서는 증기배출유로(40)의 단부가 응축냉각탱크(20)의 외부에 위치한다.
도 5를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 원자로건물냉각계통을 설명한다.
제3실시예에서는 증기배출유로(40)에도 밸브(70)가 형성되어 있다. 두 개의 밸브(60, 70)는 어느 하나가 오픈되면 다른 하나는 오프되는 형태로 운전될 수 있다.
또 다른 실시예에서는 제2유로(32)와 증기배출유로(40)가 3-way 밸브로 연결될 수 있다.
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 (6)

  1. 냉각성능이 강화된 원자로건물냉각계통에 있어서,
    원자로 건물 내부에 위치하며 상기 원자로 건물에서 발생하는 증기를 냉각시키는 열교환기;
    냉각수를 수용하며 상기 원자로 건물 외부에 위치하여 상기 열교환기에서 가열된 냉각수를 냉각시키는 응축냉각탱크;
    상기 열교환기와 상기 응축냉각탱크 사이를 연결하며 냉각수가 이동하는 순환유로; 및
    상기 순환유로로부터 분기되어 상기 원자로 건물 외부로 연장되어 있는 증기배출 유로를 포함하며,
    상기 순환유로는,
    상기 응축냉각탱크와 상기 열교환기의 하부를 연결하는 제1유로; 및
    상기 응축냉각탱크와 상기 열교환기의 상부를 연결하는 제2유로를 포함하며,
    상기 증기배출 유로는 상기 원자로 건물 내부에서 상기 제2유로로부터 상부 방향으로 분기되어 있으며,
    상기 증기배출 유로의 상기 원자로 건물 외부에서의 단부는 상기 응축냉각탱크의 냉각수 레벨보다 높으며,
    상기 증기배출 유로의 상기 원자로 건물 외부에서의 단부는 상기 응축냉각탱크의 외부에 위치하며,
    상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도측정부;
    상기 제2유로를 개폐하며 상기 증기배출유로의 분기점과 상기 응축냉각탱크 사이에 위치하는 밸브를 더 포함하며,
    상기 밸브는 상기 냉각수의 온도도 일정 수준 이상이 되면 상기 제2유로를 폐쇄하는 원자로건물냉각계통.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 온도측정부는 상기 원자로 건물 내에 위치하는 상기 제1유로의 냉각수 온도를 측정하는 원자로건물냉각계통.
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