KR102341084B1 - 이물질 부착 방지 시스템이 구비된 원자로 피동무한 냉각 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로의 이상 발생시 운전원의 별도 조작이나 제어 및 외부 전원의 공급 없이 피동적으로 냉각수가 순환되어 자체적으로 무한 냉각 순환이 일어나는 원자로 피동무한 냉각 구조체의 외벽에 이물질이 부착번식하는 것을 방지하여 냉각성능을 유지할 수 있는 이물질 부착 방지 시스템이 구비된 원자로 피동무한 냉각 구조체에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간, 상기 에너지 방출공간과 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간, 상기 에너지 흡수공간의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 방출하는 에너지 전달공간, 상기 원자로 용기의 열을 상기 에너지 전달공간으로 전달하는 제1냉각유로, 상기 에너지 전달공간의 열을 외부로 방출하는 제2냉각유로 및 상기 에너지 전달공간 외부에 구비되며, 정화 처리된 해수가 충진되며, 상기 제2냉각유로와 열교환 하고, 상기 에너지 방출공간이 과열되면 외부 해수와 연통되는 외부 해수탱크를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체가 제공된다.

Description

이물질 부착 방지 시스템이 구비된 원자로 피동무한 냉각 구조체{Passive Colling System for Nuclear Reactor having Anti-Sticking System for Shell and Method for Operating the Same}

본 발명은 원자로의 이상 발생시 운전원의 별도 조작이나 제어 및 외부 전원의 공급 없이 피동적으로 냉각수가 순환되어 자체적으로 무한 냉각 순환이 일어나는 원자로 피동무한 냉각 구조체에 관한 것으로서, 그 외벽에 이물질이 부착번식하는 것을 방지하여 냉각성능을 유지할 수 있는 이물질 부착 방지 시스템이 구비된 원자로 피동무한 냉각 구조체에 관한 것이다.

원자력 발전은 핵분열시 발생되는 에너지를 이용해 터빈(52)을 운전하여 전기 에너지를 생산시키는 방식으로서, 발전과정에서 이산화탄소를 발생시키지 아니하며 적은 연료로서 막대한 전기를 생산할 수 있어 여러 국가에서 발전방식 중 하나로 채택 운용 되고 있다.

이러한 원자력 발전은 막대한 열이 발생함으로 인해 냉각이 필수적인데, 일반적인 원자력 발전은 도 1에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내의 원자로 노심(20)이 핵분열함에 따라 발생된 엄청난 열에너지가 원자로 용기(10) 내의 냉각제로 전달되며, 냉각제는 열교환기(30)에서 열을 교환한 뒤에 다시 원자로 용기(10) 내로 순환된다. 또한 상기 냉각제와는 독립된 경로로서 구동계통(50)의 물을 순환시키며, 상기 열교환기(30)에서는 상기 냉각제로부터 흡수한 열로서 구동계통(50)에 증기를 발생시기고, 이를 통해 터빈(52)을 돌려 발전기(54)로 전기에너지로 전환된 후에 다시 물로 응축되어 열교환기(30)로 순환되는 방식으로 이루어진다.

이러한 원자로에서는 엄청난 열에너지가 발생되며, 평상시에는 이러한 원자로의 열이 적절히 냉각되고 있지만, 예기치 못한 사고 등이 발생하여 원자로의 열이 적절히 냉각되지 않을 경우 원자로 시설 자체가 파괴되는 대형 사고가 발생할 수 있으며, 이는 시설의 유실 이외에도 주변환경의 방사능 오염을 야기할 수 있는 아주 위험한 상황을 초래할 수 있다.

따라서, 비상 상황시 원자로를 냉각시켜주기 위한 다양한 안전계통들이 필수적으로 구비된다. 이러한 안전계통들은 원자로의 각 부에 냉각제를 보충 공급하는 형태 및 냉각제를 적절하게 순환시켜 회수된 열을 히트싱크를 통해 외부로 방출하는 형태로 구비된다.

이러한 히트싱크는 내부의 냉각제의 누설 없이 열만을 배출하기 위한 열교환기 형태로 이루어지며, 이러한 열교환기는 해수나 강 등의 물 속에 잠겨 열교환 함으로써 열을 방출할수 있다.

이렇게 열교환기가 냉매(물)속에 잠긴 형태를 풀 보일링(Pool Boiling)이라 부르는데, 이러한 풀 보일링 방식의 열 교환은 열전달속도가 만족스럽지 않아 열을 방출하는 속도가 원자로가 열을 생성하는 속도보다 느릴 수 있으며, 그에 따라 전체 장비가 커져야 하는 문제점이 있다.

또한, 기존의 원자로들은 비상상황 발생시 매뉴얼에 따른 작업원의 조작에 의해 작동하도록 이루어져 있는데, 대형 사고 발생시 조작원 또한 부상 또는 사망하거나 대피하여 조작할 조작원의 부재상태가 발생할 수도 있으며, 매뉴얼이 너무 복잡하여 숙지하기 어렵고 긴급상황 발생시 조작원의 조작실수에 의해 사고를 차단하지 못하게 되는 상황이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또 한편, 이러한 원자로들은 냉각을 위해 해수 또는 강물 등을 냉각제로 사용하며, 이러한 냉각제의 수급이 용이하도록 강가 또는 해안가에 설치되는데, 열교환되는 부분에 패각류나 해초류등이 부착되어 증식하게 되면 열교환 효율이 하락하게 되며 이를 관리하기 위해서는 지속적인 유지보수가 필요한 문제가 있다.

KR 10-1731817 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유지보수를 보다 간편하게 간소화 할 수 있으면서도 냉각성능을 유지할 수 있는 이물질 부착 방지 시스템이 구비된 원자로 피동무한 냉각 구조체 및 그 제어방법을 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간, 상기 에너지 방출공간과 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간, 상기 에너지 흡수공간의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 방출하는 에너지 전달공간, 상기 원자로 용기의 열을 상기 에너지 전달공간으로 전달하는 제1냉각유로, 상기 에너지 전달공간의 열을 외부로 방출하는 제2냉각유로 및 상기 에너지 전달공간 외부에 구비되며, 정화 처리된 해수가 충진되며, 상기 제2냉각유로와 열교환 하고, 상기 에너지 방출공간이 과열되면 외부 해수와 연통되는 외부 해수탱크를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체가 제공된다.

상기 외부 해수탱크는, 상기 에너지 방출공간의 과열에 따른 압력이 상승함에 따라 상기 외부 해수탱크를 외부 해수와 연통시키는 해수 순환부를 포함할 수 있다.

상기 해수 순환부는, 상기 외부 해수탱크에 구비되는 배출구, 상기 외부 해수탱크의 상기 배출구 하측에 구비되는 유입구, 작용되는 압력에 의해 상기 배출구를 개폐하도록 구비되는 제1밸브, 작용되는 압력에 의해 상기 유입구를 개폐하도록 구비되는 제2밸브 및 상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 제1밸브 및 제2밸브에 전달하는 압력전달관을 포함할 수 있다.

상기 에너지 방출공간의 압력이 설정압력 이상일 때 상기 압력전달관을 개방하는 개폐밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 개폐밸브가 개방되는 압력은 상기 에너지 방출공간이 과열상태일 때의 도달하는 압력일 수 있다.

상기 외부 해수탱크는, 해수에 잠기는 상태로 위치될 수 있다.

상기 외부 해수탱크 내부의 물을 정화처리하는 정화처리부를 더 포함할 수 있다.

상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 에너지 흡수공간으로 전달하는 압력평형관, 상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 전달공간으로 유동시키는 냉각제 분사관이 더 구비되고, 상기 제1냉각유로는, 원자로 용기 내 열을 흡수하는 제1열교환기, 상기 에너지 방출공간에 구비되며, 상기 제1열교환기에서 흡수한 열을 방출하는 제2열교환기를 포함하고, 상기 냉각제 분사관의 상측 끝단은 상기 제2열교환기에 상기 에너지 흡수공간의 냉각수를 분사하도록 될 수 있다.

상기 냉각제 분사관에서 상기 제2열교환기를 향하여 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기의 열을 흡수하면서 기화되며, 기화된 수증기는 상기 제2냉각유로에서 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달될 수 있다.

상기 제2냉각유로는, 상기 외부 해수탱크로부터 해수를 유입받아 상기 에너지 전달공간 내의 열을 흡수한 뒤, 열을 흡수한 해수는 다시 외부 해수탱크로 배출할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 외부 해수탱크내에 충진된 정화처리된 해수로서 원자로 용기의 열이 냉각되는 평시 냉각단계, 원자로 용기가 과열됨에 따라 에너지 방출공간의 압력이 상승되는 압력상승단계, 상기 에너지 방출공간의 압력이 설정된 압력에 도달하였을 때, 상기 외부 해수탱크가 외측의 해수와 연통되는 개방단계, 상기 외부 해수탱크가 개방됨에 따라, 상기 외부 해수탱크 내의 해수가 외부의 해수와 순환되는 해수 순환단계를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법이 제공된다.

상기 개방단계는, 상기 에너지 방출공간의 압력에 의해 제1밸브 및 제2밸브가 개방됨으로써, 상기 배출구와 유입구가 개방되는 단계일 수 있다.

상기 해수 순환단계는, 가열된 외부 해수탱크 내의 해수가 배출구를 통해 배출되며, 외부 해수탱크 외측의 해수가 유입구를 통해 유입되는 대류를 통해 순환되는 단계일 수 있다.

상기 개방단계에서, 외부 해수탱크가 개방되는 압력은, 상기 에너지 방출공간이 과열되었을 때 도달하는 압력일 수 있다.

본 발명의 이물질 부착 방지 시스템이 구비된 원자로 피동무한 냉각 구조체에 따르면 평시 냉각시 사멸 처리된 해수로서 냉각하므로, 외벽 및 냉각해수 출입구에 부착생물이 부착 및 번식하는 것이 방지될 수 있어 유지보수에서 보다 여유를 가질 수 있으며, 긴급한 상황시에는 외부의 해수와 열교환 될 수 있어 냉각성능의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 종래의 원자로를 간략하게 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체의 가동 전 또는 가동초기상태를 도시한 도면;
도 3은 도 2의 원자로의 피동무한냉각 구조체의 가동중 상태를 도시한 도면;
도 4는 이상유동 열전달 현상에 의해 냉각제 분사관(228)에서 분사된 물이 제2열교환기에서 증발된 후 제3열교환기에서 응축되는 모습을 도시한 도면;
도 5는 도 3의 원자로의 피동무한냉각 구조체가 더욱 가열되었을 때의 상태을 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법을 도시한 순서도 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 월자로의 피동무한 냉각 구조체의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체는 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 방출공간(110), 에너지 흡수공간(210) 및 에너지 전달공간(220)을 포함할 수 있다.

상기 에너지 방출공간(110)(Energy Release Space, ERS)는 원자로 구동계통(120)이 수용된다. 상기 원자로 구동계통(120)은 원자로 노심(124)이 수용된 원자로 용기(122) 및 상기 원자로 노심(124)에서 발생된 열을 이용하여 증기를 생성하며, 생성된 증기를 외부의 터빈(253)으로 순환시키기 위해 상기 원자로 용기(122)의 내부에 구비된 증기 발생기 및 유로 등을 포함 할 수 있다.

상기 에너지 흡수공간(210)(Energy Absorbing Space, EAS)는 냉각제가 수용되며, 상기 에너지 방출공간(110)과는 구획되되, 그 상측에서 상기 에너지 방출공간(110)과 연통되어 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상기 에너지 흡수공간(210)에 전달되도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 냉각제는 여러 종류가 적용될 수 있는데, 대표적으로 물일 수 있다.

상기 에너지 전달공간(220)(Energy Transfer Space, ETS)는 상기 에너지 방출공간(110) 및 에너지 흡수공간(210)과 격리되며, 특히, 상기 에너지 흡수공간(210)의 상측에 구비되고, 상기 에너지 방출공간(110)의 원자로 용기(122)에서 발생된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 전달하여 방열할 수 있도록 구비된다. 이러한 방열은 상기 제2공간(200)의 외벽을 통해 이루어질 수도 있다.

이 때, 상기 에너지 방출공간(110)은 제1공간(100)에 구비되며, 에너지 흡수공간(210)과 에너지 전달공간(220)은 제2공간(200)에 구비될 수 있다.

상기 제1공간(100)과 제2공간(200)은 서로 구획되며, 내폭성을 가지도록 콘크리트나 금속으로 그 외벽이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1공간(100)은 지중 또는 지상 등의 육지(L)에 설치되며, 상기 제2공간(200)은 바다(S)나 강 등 수중에 설치되거나 또는 물과 접하도록 설치될 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 선박 등의 운송수단 등에 설치될 수도 있는 등 다양한 장소에 설치될 수 있다.

이 때, 상기 에너지 전달공간(220)은 상기 제2공간(200)의 외벽과 접하도록 설치되어, 열전달을 통해 흡수한 열을 상기 제2공간(200)의 외측의 물로 전달하여 방열할 수 있도록 구비될 수 있다.

한편, 제1냉각유로(130)가 구비될 수 있다. 상기 제1냉각유로(130)는 상기 원자로 용기(122)의 열을 상기 에너지 전달공간(220)으로 전달하는 구성요소로서, 상기 원자로 용기(122)에서 열을 흡수하는 제1열교환기(132) 및 흡수한 열을 방열하는 제2열교환기(134), 그리고 상기 제1열교환기(132)와 제2열교환기(134)를 흐르는 열흡수매체를 상기 제1열교환기(132)와 원자로 용기(122)내로 순환하도록 안내하는 배관(136)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1열교환기(132)는 상기 원자로 용기(122) 내에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 열흡수매체는 여러가지 성분의 물질일 수 있으나, 대표적으로 물일 수 있다.

이 때, 상기 제1냉각유로(130)의 제1열교환기(132)는 전술한 원자로 구동계통(120)의 증기 발생기일 수 있으며 또는 상기 증기 발생기와는 별개의 구성요소일 수 있다. 즉, 상기 제1열교환기(132)가 원자로 구동계통(120)의 증기발생기인 경우에는 상기 제1냉각유로(130)의 배관(136)은 상기 원자로 구동계통(120)의 유로배관의 어느 지점에서 분기되거나 합류되도록 구비될 수 있다.

또한, 상기 에너지 방출공간(110)과 에너지 흡수공간(210)은 압력이 전달되도록 서로 연통될 수 있다. 이를 위해, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 상기 에너지 흡수공간(210)으로 전달하는 압력평형관(214)이 상기 제1공간(100)과 제2공간(200)을 걸쳐 형성될 수 있다. 이 때, 상기 압력평형관(214)의 제2공간(200)측 끝단은 상기 에너지 흡수공간(210)내에 위치될 수 있다. 또한, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수가 상기 압력평형관(214)을 타고 제1공간(100)으로 역류하지 않도록 상기 압력평형관(214)은 역 U자형으로 절곡되어 형성될 수 있으며, 그 절곡된 부분의 상단은 상기 에너지 흡수공간(210)의 상측단보다 높게 위치될 수 있다.

따라서, 상기 압력평형관(214)에 의하여 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되면 상승된 압력이 상기 에너지 흡수공간(210)에 전달될 수 있다. 즉, 상기 원자로 용기(122)가 과열되어 에너지 방출공간(110)의 온도가 상승하면, 상승된 온도에 의해 압력 또한 상승하며, 상승된 압력은 상기 압력평형관(214)에 의해 에너지 흡수공간(210)에 전달되어 상기 에너지 흡수공간(210)에 수용된 냉각수를 가압할 수 있다.

그리고, 냉각제 분사관(228)이 구비될 수 있다. 상기 냉각제 분사관(228)은 상기 압력평형관(214)에 의해 가압된 에너지 흡수공간(210)의 냉각수를 상기 에너지 전달공간(220)으로 안내하도록 구비될 수 있다.

한편, 상기 에너지 전달공간(220)은 포화증기압 냉각챔버(222) 및 기준기압챔버(224)를 포함할 수 있다.

상기 포화증기압 냉각챔버(222)는 상기 제2공간(200)의 외벽의 내측에 연접하도록 형성되고, 그 내부에 냉각수가 수용될 수 있다. 또한, 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)가 내부에 위치되며, 상기 냉각제 분사관(228)의 분사측 끝단이 상기 제2열교환기(134)에 냉각수를 스프레이 하도록 구비될 수 있다.

그리고, 상기 기준기압챔버(224)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 하측에 구비되고, 그 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 하측과 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수와 압력균형을 이루도록 공기가 채워지며, 내부공기가 외부로 누설되지 않도록 기밀이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 기준기압챔버(224) 내부의 공기의 압력이 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수를 지지하는 것이다.

따라서, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 압력이 상승되면 냉각수가 기준기압챔버(224)로 유입되고, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 압력이 하락되면 상기 기준기압챔버(224)의 냉각수가 상기 포화증기압 냉각챔버(222)로 밀려나가는 등, 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내의 압력에 따라 수위가 변할 수 있다.

그리고, 상기 에너지 전달공간(220)은 기준기압 구획격벽(226)을 포함할 수 있다. 상기 기준기압 구획격벽(226)은 상기 포화증기압 냉각챔버(222)와 기준기압챔버(224)를 구획하며, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)와 상기 기준기압챔버(224)의 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버(222)와 기준기압챔버(224)를 연통시키도록 구비될 수 있다.

한편, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)는 그 내부에 냉각수가 가득 찼을 때, 그 상측단에서 기압에 의한 공동이 발생되지 않을 수 있는 최대한 높은 높이로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수의 온도가 상승될 경우, 그 상측단에서 보다 쉽게 기화할 수 있다.

그리고, 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에 인접하여 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에서 쉽게 기화될 수 있다.

그리고, 제2냉각유로(230)가 구비될 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)는 상기 에너지 전달공간(220) 내에 구비되며, 상기 에너지 전달공간(220) 내의 열을 제2공간(200)의 외부의 해수나 강물 또는 대기로 방출할 수 있다. 본 실시예에서 해수라 칭하는 것은 바닷물은 물론 강물 등의 민물까지도 포함하는 의미일 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)는 상기 냉각제 분사관(228)에서 상기 제2열교환기(134)로 분사된 냉각수에서 흡수한 열을 다시 흡수하는 제3열교환기(232)를 포함할 수 있다.

상기 제2열교환기(134), 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내에 구비될 수 있다.

전술한 바와 같이, 포화증기압 냉각챔버(222)는 평상시에 그 내부에 냉각수가 가득 채워져 있지만, 냉각수의 온도가 상승될 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에서부터 기화되어 공동이 형성되며, 그에 따라 상기 제2열교환기(134), 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232)가 공동에 노출될 수 있다. 이 때, 상기 2열교환기, 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232) 주변의 공동은 포화증기압 상태일 수 있다.

이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각제 분사관(228)에서 상기 제2열교환기(134)에 냉각수를 점적상태로 분사(spray)하면, 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기(134)에서 열을 흡수하여 수증기로 증발한다. 이 수증기는 인근의 제3열교환기(232)에서 열을 빼앗겨 냉각되어 다시 물로 응축될 수 있다.

따라서, 물이 기화되는 기화열 및 기화된 수증기가 물로 응축되는 응축열을 통해 열을 흡수하거나 방출하는 것이다. 이렇게 냉각수의 기화와 응축에 의한 열전달 현상을 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)이라 부른다.

이러한 이상유동 열전달 방식은 전술한 풀 보일링(pool-boiling) 방식에 비해서 열전달 속도가 대략 20배 이상 우수한 것으로 평가되고 있다.

또한, 상기 제2냉각유로(230)는 제4열교환기(234)를 더 포함할 수 있다. 상기 제4열교환기(234)는 에너지 흡수공간(210)에 구비되며, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수를 냉각하도록 구비될 수 있다.

따라서, 상기 제2냉각유로(230)는 상기 에너지 전달공간(220)을 냉각함은 몰론, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수도 냉각할 수 있다.

이 때, 상기 제3열교환기(232)가 상측에 구비되며, 상기 제4열교환기(234)는 상대적으로 상기 제3열교환기(232)의 하측에 구비될 수 있다.

상기 제3열교환기(232)에서 흡수하는 열이 더 많으므로, 자연적으로 물이 제4열교환기(234)에서 상측의 제3열교환기(232) 측으로 흐르며, 그에 따라 상기 제4열교환기(234) 하측에서 물이 유입되고, 열을 흡수하여 가열된 물은 제3열교환기(232)의 상측으로 배출될 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)는 양 단, 즉 물의 유입단(236)과 출수단(238)이 제2공간(200)의 외부의 물과 연통될 수 있다. 따라서, 별도의 펌프 등이 반드시 구비될 필요없이 자연적인 대류현상에 의해 상기 제2냉각유로(230) 내의 물을 순환시킬 수 있다. 이 때, 유입단(236)은 상기 제4열교환기(234)의 하측에 구비되고, 출수단(238)은 상기 제3열교환기(232)의 상측에 구비될 수 있다.

그리고, 냉각제 주입관(242) 및 주입관 개폐밸브(244)가 구비될 수 있다.

상기 냉각제 주입관(242)은 상기 기준압력챔버(224)의 냉각수를 상기 에너지 방출공간(110)으로 유입시키도록 상기 제1공간(100)과 제2공간(200)을 거쳐 형성되는 배관일 수 있다. 그리고, 상기 주입관 개폐밸브(244)는 상기 냉각제 주입관(242)을 선택적으로 개폐하도록 구비될 수 있다.

상기 주입관 개폐밸브(244)는 평상시에는 폐쇄되어 있다가 상기 원자로 용기(122) 또는 에너지 방출공간(110)의 온도나 압력이 지나치게 상승되었다거나 또는, 상기 기준압력챔버(224)의 냉각수 수위가 지나치게 상승되어 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내에 공동이 형성되지 않는다던가 할 때에 개방될 수 있다.

상기 주입관 개폐밸브(244)가 개방된 경우, 상기 기준압력챔버(224) 내의 냉각수가 상기 에너지 방출공간(110)으로 흘러들며, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)의 하측 일부가 냉각수에 잠기게 됨으로써 상기 원자로 용기(122)를 냉각할 수 있다.

상기 주입관 개폐밸브(244)는 일정유량이 흐른 뒤에 다시 패쇄될 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 주입관 개폐밸브(244)에 작용하는 압력에 따라 기 설정된 압력이상 증가된 경우에 개방되며, 기 설정된 압력에 미치지 못하는 경우 폐쇄될 수도 있다. 또한, 상기 주입관 개폐밸브(244)는 상기 에너지 방출공간(110)의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우 개방되며, 기설정된 온도보다 낮은 경우 폐쇄되도록 구비될 수도 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)의 하측 임의의 장소에 순환유입밸브(126)이 구비될 수 있다. 상기 순환유입밸브(126)를 통해 상기 에너지 방출공간(110)으로 흘러든 냉각수가 원자로 용기(122) 내측으로 유입되어 상기 노심(124)을 직접 냉각시킬 수 있다.

또한, 상기 원자로 용기(122)의 상측에는 순환배출밸브(128)이 구비되어 상기 노심(124)의 열에 의해 기화된 냉각수가 상기 에너지 방출공간(110)으로 배출될 수 있다.

한편, 상기 제1냉각유로(130)는 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 높이기 위하여, 상기 제1냉각유로(130) 내의 수증기를 상기 에너지 방출공간(110) 내부로 선택적으로 배출시키는 증기방출밸브(138)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되는 시점을 인위적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되기 전에 이상유동 열전달 현상에 의한 냉각이 필요할 경우, 상기 증기방출밸브(138)가 개방되어 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 직접적으로 가압함으로써 전술한 이상유동 열전달 현상에 의한 냉각의 순환이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 상기 제2냉각유로(230)의 유입단(236) 및 출수단(238)은 상기 제2공간(200)의 외부로 개방되게 형성되어, 제2공간(200)의 외부의 물과 연통될 수 있다. 이때, 상기 유입단(236)은 상기 출수단(238)보다 하측에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제3열교환기(232)에 에서 가열된 해수는 대류현상에 의해 상기 출수단(238)로 배출되며, 그에 따라 상기 유입단(236)으로 차가운 외부의 해수가 유입될 수 있다.

한편, 상기 에너지 전달공간(230) 및 에너지 흡수공간(210)을 이루는 제2공간(200)은 전술한 바와 같이 냉각을 위해 해수와 접하도록 구비될 수 있다.

즉, 제2공간(200)의 건설 또는 설치 위치가 해안가 또는 강변 등에 건설되어 대량의 물과 상시적으로 접하도록 구비될 수 있다. 이러한 물에는 부착생물의 씨앗이나 유생등이 포함되어 있을 수 있으며, 이러한 씨앗이나 유생등의 이물질이 제2공간(200)의 외벽등에 부착되어 번식할 수 있다.

따라서, 이러한 씨앗이나 유생 등의 이물질이 부착 및 번식하는 것을 방지하는 이물질 부착방지 시스템(300)이 구비될 수 있다.

상기 이물질 부착방지 시스템(300)은 외부 해수탱크(310) 및 압력전달관, 제1밸브 및 제2밸브를 포함할 수 있다.

상기 제2공간(200)의 외측에는 외부 해수탱크(310)가 구비될 수 있다. 상기 외부 해수탱크(310)는 상기 제2공간(200)의 에너지 전달공간(220)()의 열을 외부로 방출하는 제2냉각유로(230)에 해수 또는 민물이 공급되도록 상기 제2공간(200)의 외측에 접하도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 외부 해수탱크(310) 내에 충진된 해수는 상기 제2공간(200)의 외측과 접하며, 상기 제2냉각유로(230)와 연통되어 열교환 하도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 외부 해수탱크(310)는 해수(또는 강물)과 직접 접하거나 잠기도록 설치될 수 있다.

이 때, 상기 외부 해수탱크(310)내에 충진된 해수는 정화처리된 해수일 수 있다.

여기서, 정화처리된 해수란, 해수 내에 패각류의 알이나 유생, 또는 해조류 등의 씨앗 등이 사멸 처리된 해수를 뜻할 수 있다.

일반적으로 해수내에는 패각류의 알이나 유생, 해조류의 씨앗등이 광범위하게 퍼져 있어, 해수에 항시 접촉된 부분에 이러한 부착생물들이 부착증식할 수 있는데, 이러한 부착생물들이 증식하게 되면, 상기 제2냉각유로(230)의 유입단(236) 또는 출수단(238)이 폐색되되어 유로가 막히게 된다던가 또는 제2공간(200)의 외벽에서의 해수의 흐름이 원할하지 못하게 되어 방열효율이 저감될 수 있다.

따라서, 이러한 부착생물의 부착증식을 예방하기 위하여, 상기 외부 해수탱크(310)내에는 사멸처리된 해수를 충진 시킴으로써 부착생물의 부착 및 증식을 예방할 수 있다.

이러한, 사멸처리를 위하여, 상기 외부 해수탱크(310)에는 별도의 정화처리부(340)가 구비될 수 있다. 이러한 정화처리부(340)는 물을 전기분해함으로써 해수의 사멸처리를 유도할 수도 있으며, 여타 다른 수단을 통해 해수를 사멸처리할 수도 있다. 물론, 이에 한정되지 아니하며, 상기 외부 해수탱크(310)에 유입되는 해수를 사멸처리하거나 또는 필터링하는 기구가 구비될 수도 있을 것이다.

따라서, 평상시 냉각때에는 상기 외부 해수탱크(310) 내의 해수로서 냉각을 하게 되는데, 만약에 사고 등이 발생하여 원자로가 과열되면 상기 외부 해수탱크(310) 내의 해수만으로는 적절한 냉각이 힘든 상황이 발생될 수 있다.

따라서, 상기 원자로 용기(122)가 과열된 경우에는 상기 외부 해수탱크(310)내의 해수와 상기 외부 해수탱크(310) 외부의 해수를 연통시켜, 상기 외부 해수탱크(310)의 내부의 해수를 배출시키고, 외부의 차가운 해수를 유입시켜 냉각을 도모할 수 있다.

이를 위해, 상기 외부해수탱크는 해수 순환부(320)를 포함할 수 있다. 상기 해수 순환부(320)는 상기 에너지 방출공간(110)의 과열에 의해 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승하면, 상기 외부 해수탱크(310)를 외부 해수와 연통시키도록 구비될 수 있다.

상기와 같은 해수 순환부(320)는, 배출구(322), 유입구(324), 제1밸브(326) 및 제2밸브(328) 및 압력전달관(332)을 포함할 수 있다.

상기 배출구(322)는, 상기 외부 해수탱크(310)에 구비되며, 상기 외부 해수탱크(310) 내부와 외부가 연통되도록 형성되어 상기 외부 해수탱크(310) 내부의 해수가 외부로 흘러나가도록 구비될 수 있다.

상기 유입구(324)는 상기 외부 해수탱크(310)에 구비되며, 상기 외부 해수탱크(310) 내부와 외부가 연통되도록 형성되어 상기 외부 해수탱크(310) 외부의 해수가 상기 외부 해수탱크(310) 내부로 유입되도록 구비될 수 있다. 이를 위해 상기 유입구(324)는 상기 배출구(322)의 하측에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 배출구(322)는 상기 외부 해수탱크(310)의 상측에 구비되고, 상기 유입구(324)는 상기 외부 해수탱크(310)의 하측에 구비될 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)와 열교환으로 가열된 상기 외부 해수탱크(310) 내의 해수는 상측 배출구(322)를 통해 배출되고, 배출된 해수만큼 하측의 유입구(324)를 통해 차가운 해수가 유입되는 대류현상을 이용하여 별도의 동력 없이도 해수의 교환을 이룰 수 있다.

또한, 상기 배출구(322)를 개폐하는 제1밸브(326)와 상기 유입구(324)를 개폐하는 제2밸브(328)가 구비될 수 있다. 상기 제1밸브(326)와 제2밸브(328)는 작용되는 압력에 의해 개폐되도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)에 압력이 작용되지 아니하면 상기 배출구(322) 및 유입구(324)는 폐쇄된 상태를 유지하고, 상기 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)에 압력이 작용되면 상기 배출구(322) 및 유입구(324)를 개방하도록 구비될 수 있다.

한편, 상기 압력전달관(332)은 일단은 상기 에너지 방출공간(110)에 위치되고, 타단은 상기 제1밸브(326)와 제2밸브(328)에 각각 연결되어 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 상기 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)에 전달하도록 구비될 수 있다.

또한, 상기 압력전달관(332)에는 개폐밸브(334)가 구비될 수 있다. 상기 개폐밸브(334)는 상기 압력전달관(332)에 작용되는 압력이 설정압력 미만일 때에는 폐색된 상태를 유지하여 압력이 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)에 전달되지 아니하도록 하고, 상기 압력전달관(332)에 작용되는 압력이 설정압력 이상일 때에는 개방되어 상기 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)에 압력이 전달되도록 한다. 압력이 전달된 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)는 개방되어 상기 배출구(322) 및 유입구(324)가 개방되어 해수가 순환될 수 있다.

이 때, 상기 개폐밸브(334)가 개방되는 설정압력은 상기 에너지 방출공간(110)이 과열상태일 때 도달하는 압력일 수 있다.

따라서, 평상시 냉각할 때에는 상기 배출구(322) 및 유입구(324)가 닫힌 상태에서 상기 외부 해수탱크(310) 내 저장된 정화처리된 해수로서 냉각하며, 사고 등이 발생하여 과열된 상태일 때에는 상기 배출구(322) 및 유입구(324)가 개방되어 대량의 해수로서 냉각할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 형태에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법에 대해 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법은, 평시 냉각단계(S110), 압력 상승단계(S120), 개방단계(S130)(S130) 및 해수 순환단계(S140)를 포함할 수 있다.

상기 평시 냉각단계(S110)는, 원자로가 정상적으로 운전 중에 냉각되는 단계로서, 상기 원자로 용기(122)의 열이 에너지 전달공간(220)으로 전달되며, 상기 에너지 전달공간(220)의 열은 제2냉각유로(230)를 통해 상기 외부 해수탱크(310) 내의 해수와 열교환 하여 냉각되는 단계이다.

상기 압력상승단계(S120)는, 예기치 못한 사고 등에 의해 원자로가 정상운전되지 못하며 상기 원자로 용기(122)가 과열됨에 따라 상기 원자로 용기(122)가 위치된 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승하는 단계이다. 상기 외부 해수탱크(310)의 용량이나 온도에 따라 다르지만, 원자로 용기(122)가 과열되는 상황이라면 상기 외부 해수탱크(310)에 담긴 해수만으로는 냉각성능이 부족할 수도 있다.

상기 개방단계(S130)는, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되어 설정된 압력에 도달하였을 때, 상기 외부 해수탱크(310)가 외측의 해수와 연통시켜 순환시킴으로써, 해수의 용량을 무한대로 증가시킬 수 있어 원자로 용기(122)의 과열에 적절하게 대처할 수 있다.

즉, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 증가됨에 따라 상기 개폐밸브(334)가 개방되어 상기 압력전달관(332)이 개방되며, 그에 따라 상기 제1밸브(326) 및 제2밸브(328)가 개방되어 상기 배출구(322) 및 유입구(324)가 개방될 수 있다.

상기 개방단계(S130)에서 배출구(322) 및 유입구(324)가 개방됨에 따라 상기 외부 해수탱크(310) 내 가열된 물은 배출구(322)로 배출되며, 배출된 양만큼의 해수가 상기 유입구(324)로 유입됨으로써 대류에 의한 해수의 순환이 일어나는 해수 순환단계(S140)가 수행될 수 있다.

따라서, 상기 외부 해수탱크(310) 내의 해수의 온도가 순환에 의해 하락하게 되며, 그에 따라 에너지 전달공간(220)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있어 에너지 방출공간(110) 및 원자로 용기(122)의 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 제1공간 110: 에너지 방출공간
120: 원자로 구동계통 122: 원자로 용기
124: 노심 130: 제1냉각유로
132: 제1열교환기 134: 제2열교환기
136: 배관 138: 증기방출밸브
200: 제2공간 210: 에너지 흡수공간
220: 에너지 전달공간 222: 포화증기압 챔버
224: 기준기압챔버 226: 기준기압 구획격벽
228: 냉각제 분사관 230: 제2냉각유로
212: 제3열교환기 234: 제4열교환기
236: 유입단 238: 출수단
242: 냉각제 주입관 244: 주입관 개폐밸브
300: 이물질 부착방지 시스템
310: 외부 해수탱크 322: 배출구
324: 유입구 326: 제1밸브
328: 제2밸브 332: 압력전달관
334: 개폐밸브 340: 정화처리부

Claims (14)

1. 원자로 노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간;
   상기 에너지 방출공간과 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간;
   상기 에너지 흡수공간의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 방출하는 에너지 전달공간;
   상기 원자로 용기의 열을 상기 에너지 전달공간으로 전달하는 제1냉각유로;
   상기 에너지 전달공간의 열을 외부로 방출하는 제2냉각유로;
   상기 에너지 전달공간 외부에 구비되며, 정화 처리된 해수가 충진되며, 상기 제2냉각유로와 열교환 하고, 상기 에너지 방출공간이 과열되면 외부 해수와 연통되는 외부 해수탱크;
   및 상기 에너지 방출공간의 과열에 따른 압력이 상승함에 따라 상기 외부 해수탱크를 외부 해수와 연통시키는 해수 순환부;
   를 포함하며,
   상기 해수 순환부는,
   상기 해수 순환부는,
   상기 외부 해수탱크에 구비되는 배출구;
   상기 외부 해수탱크의 상기 배출구 하측에 구비되는 유입구;
   작용되는 압력에 의해 상기 배출구를 개폐하도록 구비되는 제1밸브;
   작용되는 압력에 의해 상기 유입구를 개폐하도록 구비되는 제2밸브;
   상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 제1밸브 및 제2밸브에 전달하는 압력전달관;
   을 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 방출공간의 압력이 설정압력 이상일 때 상기 압력전달관을 개방하는 개폐밸브를 더 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 개폐밸브가 개방되는 압력은 상기 에너지 방출공간이 과열상태일 때의 도달하는 압력인 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 외부 해수탱크는, 해수에 잠기는 상태로 위치되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
7. 제1항에 있어서,
   상기 외부 해수탱크 내부의 물을 정화처리하는 정화처리부를 더 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
8. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 에너지 흡수공간으로 전달하는 압력평형관;
   상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 전달공간으로 유동시키는 냉각제 분사관이 더 구비되고,
   상기 제1냉각유로는,
   원자로 용기 내 열을 흡수하는 제1열교환기;
   상기 에너지 흡수공간에 구비되며, 상기 제1열교환기에서 흡수한 열을 방출하는 제2열교환기;
   를 포함하고,
   상기 냉각제 분사관의 상측 끝단은 상기 제2열교환기에 상기 에너지 흡수공간의 냉각수를 분사하도록 구비되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
9. 제8항에 있어서,
   상기 냉각제 분사관에서 상기 제2열교환기를 향하여 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기의 열을 흡수하면서 기화되며, 기화된 수증기는 상기 제2냉각유로에서 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제2냉각유로는,
    상기 외부 해수탱크로부터 해수를 유입받아 상기 에너지 전달공간 내의 열을 흡수한 뒤, 열을 흡수한 해수는 다시 외부 해수탱크로 배출하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
11. 외부 해수탱크내에 충진된 정화처리된 해수로서 원자로 용기의 열이 냉각되는 평시 냉각단계;
    원자로 용기가 과열됨에 따라 에너지 방출공간의 압력이 상승되는 압력상승단계;
    상기 에너지 방출공간의 압력이 상기 에너지 방출공간이 과열되었을 때 도달하는 압력에 도달하였을 때, 상기 외부 해수탱크가 외측의 해수와 연통되는 개방단계;
    상기 외부 해수탱크가 개방됨에 따라, 상기 외부 해수탱크 내의 해수가 외부의 해수와 순환되는 해수 순환단계;
    를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 개방단계는,
    상기 에너지 방출공간의 압력에 의해 제1밸브 및 제2밸브가 개방됨으로써, 상기 외부 해수탱크의 배출구와 유입구가 개방되는 단계인 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 해수 순환단계는,
    가열된 외부 해수탱크 내의 해수가 배출구를 통해 배출되며, 외부 해수탱크 외측의 해수가 유입구를 통해 유입되는 대류를 통해 순환되는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 제어방법.
14. 삭제

Images