KR102371676B1 - 피동 잔열 제거 계통 - Google Patents

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문호림
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Abstract

피동 잔열 제거 계통은 노심 및 증기 발생기를 포함하는 일체형 원자로를 격납하는 격납 용기, 상기 격납 용기의 외면에 장착되며, 상기 증기 발생기와 연결된 열 교환기, 및 상기 격납 용기의 외면에 장착되어 상기 열 교환기를 커버(cover)하며, 상기 열 교환기의 하부 및 상부를 노출하는 냉각 증대 커버를 포함한다.

Description

피동 잔열 제거 계통{PASSIVE RESIDUAL HEAT REMOVAL SYSTEM}
본 기재는 피동 잔열 제거 계통에 관한 것이다.
일반적으로, 일체형 원자로의 피동 잔열 제거 계통은 일체형 원자로와 연결된 배관 파손 등의 원전 사고 발생 시 일체형 원자로의 냉각을 수행한다.
종래의 일체형 원자로의 피동 잔열 제거 계통은 일체형 원자로의 증기 발생기와 연결된 열 교환기 및 열 교환기가 잠긴 수조를 포함한다.
종래의 일체형 원자로의 피동 잔열 제거 계통은 원전 사고 발생 시 부력과 중력에 의한 자연력에 의존한다. 일체형 원자로의 증기 발생기로부터 발생된 증기가 열 교환기로 이동하여 수조의 냉각수에 의해 냉각되어 응축수로 응축되고, 이 응축수가 다시 증기 발생기로 이동하여 일체형 원자로의 냉각이 수행된다.
그런데, 종래의 피동 잔열 제거 계통의 작동으로 인해 수조의 냉각수가 증발되고 수조의 충수 없이 장기 냉각 단계로 들어가면, 수조의 냉각수가 전부 증발하여 열 교환기에서 공기에 의한 냉각이 이루어진다.
이와 같이, 종래의 피동 잔열 제거 계통은 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하면 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환되어 일체형 원자로에 대한 냉각 효율이 급격하게 저하되는 문제가 있다.
일 실시예는, 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하여 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환되더라도, 일체형 원자로에 대한 냉각 효율 저하가 최소화되어 일체형 원자로를 건전하게 유지하면서 안전하게 냉각시키는 피동 잔열 제거 계통을 제공하고자 한다.
일 측면은 노심 및 증기 발생기를 포함하는 일체형 원자로를 격납하는 격납 용기, 상기 격납 용기의 외면에 장착되며, 상기 증기 발생기와 연결된 열 교환기, 및 상기 격납 용기의 외면에 장착되어 상기 열 교환기를 커버(cover)하며, 상기 열 교환기의 하부 및 상부를 노출하는 냉각 증대 커버를 포함하는 피동 잔열 제거 계통을 제공한다.
상기 냉각 증대 커버는, 상기 열 교환기의 하부를 노출하는 커버 입구, 상기 열 교환기의 상부를 노출하는 커버 출구, 및 상기 커버 입구와 상기 커버 출구 사이를 연결하며, 상기 열 교환기를 커버하는 커버 몸체를 포함하며, 상기 커버 입구 및 상기 커버 출구는 상기 커버 몸체로부터 설정된 각도로 커브질 수 있다.
상기 격납 용기의 외면과 상기 커버 몸체가 형성하는 몸체 공간의 단면적은 상기 격납 용기의 외면과 상기 커버 입구가 형성하는 입구 공간의 단면적 대비 작을 수 있다.
상기 몸체 공간의 단면적은 상기 격납 용기의 외면과 상기 커버 출구가 형성하는 출구 공간의 단면적 대비 작을 수 있다.
상기 열 교환기 및 상기 냉각 증대 커버가 장착된 상기 격납 용기를 수납하며, 상기 격납 용기가 잠긴 냉각수를 포함하는 수조를 더 포함할 수 있다.
상기 증기 발생기와 상기 열 교환기 사이를 연결하며 상기 증기 발생기로부터 발생된 증기를 상기 열 교환기로 이동시키는 유입 배관, 및 상기 열 교환기와 상기 증기 발생기 사이를 연결하며 상기 열 교환기에서 상기 증기로부터 응축된 응축수를 상기 증기 발생기로 이동시키는 회수 배관을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하여 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환되더라도, 일체형 원자로에 대한 냉각 효율 저하가 최소화되어 일체형 원자로를 건전하게 유지하면서 안전하게 냉각시키는 피동 잔열 제거 계통이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 피동 잔열 제거 계통의 격납 용기의 외면에 장착된 열 교환기 및 냉각 커버를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 피동 잔열 냉각 계통을 설명한다. 이하에서, 일 실시예에 따른 피동 잔열 냉각 계통은 원자로와 연결된 배관 파손 등의 원전 사고 발생 시 일체형 원자로의 피동 잔열 냉각을 수행하나, 이에 한정되지 않고 분리형 원자로의 피동 잔열 냉각을 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일체형 원자로(10)는 노심(11), 노심(11)과 이웃하는 증기 발생기(12), 노심(11) 및 증기 발생기(12)를 수납하는 원자로 용기(13)를 포함한다. 일체형 원자로(10)는 원전 운전을 위해 공지의 배관들 및 공지의 계통들이 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 피동 잔열 냉각 계통은 원전 사고 발생 시 일체형 원자로(10)의 냉각을 수행한다.
피동 잔열 냉각 계통은 격납 용기(100), 열 교환기(200), 냉각 증대 커버(300), 유입 배관(400), 회수 배관(500), 수조(600)를 포함한다.
격납 용기(100)는 일체형 원자로(10)를 격납한다. 격납 용기(100)는 실린더 형태 또는 캡슐 형태 등을 가질 수 있으며, 원자로 용기(13)를 둘러싸고 있다. 격납 용기(100)와 원자로 용기(13) 사이에는 기체 또는 액체가 채워져 원자로 용기(13)와 격납 용기(100) 사이의 열 전달을 증가시킬 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 격납 용기(100)는 수조(600)의 냉각수(610)에 잠겨 수면(WL) 아래에 위치하나, 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 도 1에 도시된 피동 잔열 제거 계통의 격납 용기의 외면에 장착된 열 교환기 및 냉각 증대 커버를 나타낸 도면이다. 도 2의 (A)는 열 교환기를 나타내며, 도 2의 (B)는 열 교환기를 커버한 냉각 증대 커버를 나타낸다.
도 1 및 도 2의 (A)를 참조하면, 열 교환기(200)는 격납 용기(100)의 외면(110)에 장착되며, 증기 발생기(12)와 연결된다. 열 교환기(200)는 격납 용기(100)와 함께 수조(600)의 냉각수(610)에 잠긴다. 원전 사고 발생 시 열 교환기(200)에는 증기 발생기(12)로부터 증기가 공급되며, 열 교환기(200)로 공급된 증기는 열 교환기(200)에서 열 교환기(200)를 둘러싸는 냉각수(610)와 열 교환에 의해 응축수로 응축되어 다시 증기 발생기(12)로 공급된다. 원전 사고 발생 시 일체형 원자로(10)의 증기 발생기(12)로부터 발생된 증기가 열 교환기(200)에서 응축수로 응축되어 다시 증기 발생기(12)로 공급됨으로써, 일체형 원자로(10)의 피동 잔열 냉각이 수행된다.
도 1 및 도 2의 (B)를 참조하면, 냉각 증대 커버(300)는 격납 용기(100)의 외면(110)에 장착되어 열 교환기(200)를 커버(cover)한다. 냉각 증대 커버(300)는 열 교환기(200)의 하부를 하측으로 노출하며, 열 교환기(200)의 상부를 상측으로 노출한다. 냉각 증대 커버(300)는 격납 용기(100)와 함께 수조(600)의 냉각수(610)에 잠긴다.
냉각 증대 커버(300)는 커버 입구(310), 커버 출구(320), 커버 몸체(330)를 포함한다.
커버 입구(310)는 열 교환기(200)의 하부를 하측으로 노출한다. 커버 입구(310)는 커버 몸체(330)로부터 외측 방향으로 설정된 각도로 커브져 있다. 커버 입구(310)는 수평 방향으로 열 교환기(200)와 비중첩한다.
커버 출구(320)는 열 교환기(200)의 상부를 상측으로 노출한다. 커버 입구(310)는 커버 몸체(330)로부터 외측 방향으로 설정된 각도로 커브져 있다. 커버 출구(320)는 수평 방향으로 열 교환기(200)와 비중첩한다.
커버 입구(310)와 커버 출구(320)는 유체의 유입 및 출입을 원활히 하기 위해 일정한 각도를 가지고 외측 방향으로 꺾여 있으며, 이때의 커버 입구(310) 및 커버 출구(320)의 각 각도는 커버 몸체(330) 대비 0도를 초과한다. 일례로, 커버 입구(310) 및 커버 출구(320)의 각 각도는 커버 몸체(330) 대비 1도 내지 89도일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
커버 몸체(330)는 커버 입구(310)와 커버 출구(320) 사이를 연결하며, 열 교환기(200)를 커버한다. 커버 몸체(330)는 수평 방향으로 열 교환기(200)와 중첩한다.
냉각 증대 커버(300)는 커버 입구(310) 및 커버 출구(320)를 제외한 나머지 부분은 열 교환기(200)로 들어오는 유체의 유동을 차단하기 위해 열 교환기(200)를 감싸는 형태를 가진다.
커버 몸체(330)와 격납 용기(100)의 외면(110) 사이의 제1 거리(L1)는 커버 입구(310)와 격납 용기(100)의 외면(110) 사이의 제2 거리(L2) 및 커버 입구(310)와 격납 용기(100)의 외면(110) 사이의 제3 거리(L3) 대비 짧다.
이로 인해, 격납 용기(100)의 외면(110)과 커버 몸체(330)가 형성하는 몸체 공간(S1)의 수평 방향으로 단면적은 격납 용기(100)의 외면(110)과 커버 입구(310)가 형성하는 입구 공간(S2)의 수평 방향으로 단면적 대비 작다. 또한, 격납 용기(100)의 외면(110)과 커버 몸체(330)가 형성하는 몸체 공간(S1)의 수평 방향으로 단면적은 격납 용기(100)의 외면(110)과 커버 출구(320)가 형성하는 출구 공간(S3)의 수평 방향으로 단면적 대비 작다.
냉각 증대 커버(300)가 격납 용기(100)의 외면(110)에 장착되어 열 교환기(200)의 하부 및 상부를 노출하여 커버함으로써, 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하여 수조(600)의 냉각수(610)가 비등 증발하여 열 교환기(200)의 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환되더라도, 냉각 증대 커버(300)에 의해 열 교환기(200)가 위치하는 몸체 공간(S1)의 단면적이 입구 공간(S2)의 단면적 및 출구 공간(S3)의 단면적 대비 작기 때문에, 입구 공간(S2)으로 유입된 차가운 공기가 열 교환기(200)가 위치하는 몸체 공간(S1)을 통과할 때 유속이 증가되어 열 교환기(200)에 대한 열 제거 효율이 향상된다.
즉, 냉각 증대 커버(300)의 몸체 공간(S1)의 유체 유동 단면적이 입구 공간(S2) 및 출구 공간(S3)의 유체 유동 단면적 대비 작기 때문에, 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하여 냉각 매체가 냉각수(610)에서 공기로 전환되더라도, 열 교환기(200)가 위치하는 몸체 공간(S1)을 통하는 유체의 유속이 향상되어 냉각 매체 전환에 따른 냉각 효율 저하가 최소화된다.
다시 도 1을 참조하면, 유입 배관(400)은 증기 발생기(12)와 열 교환기(200) 사이를 연결한다. 유입 배관(400)은 증기 발생기(12)의 상부와 열 교환기(200)의 상부 사이를 연결하나, 이에 한정되지는 않는다. 원전 사고 발생 시 유입 배관(400)은 증기 발생기(12)로부터 발생된 증기를 열 교환기(200)로 이동시킨다.
회수 배관(500)은 열 교환기(200)와 증기 발생기(12) 사이를 연결한다. 회수 배관(500)은 열 교환기(200)의 하부와 증기 발생기(12)의 하부 사이를 연결하나, 이에 한정되지는 않는다. 원전 사고 발생 시 회수 배관(500)은 열 교환기(200)에서 증기로부터 응축된 응축수를 다시 증기 발생기(12)로 이동시킨다.
수조(600)는 열 교환기(200) 및 냉각 증대 커버(300)가 장착된 격납 용기(100)를 수납한다. 수조(600)는 냉각수(610)를 포함하며, 냉각수(610)의 수면(WL) 아래에는 열 교환기(200) 및 냉각 증대 커버(300)가 장착된 격납 용기(100)가 잠긴다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 상술한 일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통의 효과를 설명한다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 원전 사고 발생 시 일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통의 작동으로 인해 수조(600)의 냉각수(610)가 비등 증발(BE)되어 수면(WL)이 하강하고, 수조(600)의 충수 없이 장기 냉각 단계로 들어가면, 수조(600)의 냉각수(610)가 전부 증발하여 열 교환기(200)에서 공기(CA)에 의한 냉각이 이루어진다. 즉, 일 실시예에 따른 피동 잔열 계통의 열 교환기(200)의 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환된다.
이때, 냉각 증대 커버(300)에 의해 열 교환기(200)가 위치하는 몸체 공간(S1)의 단면적이 입구 공간(S2)의 단면적 및 출구 공간(S3)의 단면적 대비 작기 때문에, 열 교환기(200)의 하부를 노출하는 입구 공간(S2)으로 유입된 차가운 공기(CA)가 열 교환기(200)가 위치하는 몸체 공간(S1)을 통과할 때 유속이 증가되어 열 교환기(200)에 대한 열 제거 효율이 향상된다. 즉, 냉각 증대 커버(300)의 몸체 공간(S1)의 유체 유동 단면적이 입구 공간(S2) 및 출구 공간(S3)의 유체 유동 단면적 대비 작기 때문에, 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하여 냉각 매체가 냉각수(610)에서 공기(CA)로 전환되더라도, 열 교환기(200)가 위치하는 몸체 공간(S1)을 통하는 유체인 공기(CA)의 유속이 향상되어 냉각 매체 전환에 따른 냉각 효율 저하가 최소화된다.
원전에 배관 파단 등의 사고가 발생하여 전기를 생산하는 터빈 발전기에 의한 정상적인 노심(11) 냉각이 이루어지지 않게 되면, 노심(11)에서 발생하는 잔열을 제거하기 위해 증기 발생기(12)에서 발생한 증기를 격납 용기(100)에 부착된 피동 잔열 제거 계통의 열 교환기(200)로 보내기 위해 유입 배관(400)으로 우회시킨다. 이후, 증기는 열 교환기(200)에서 외부 냉각수(610)와의 열 교환을 통해 응축되고 응축수는 회수 배관(500)을 통해 증기 발생기(12)로 돌아가 노심(11)에서 발생하는 열 제거에 활용된다. 지속적으로 잔열 제거가 이루어지면 외부 수조(600)의 냉각수(610)는 결국 온도가 상승하여 비등 증발(BE)하여 수면(WL)이 하강하여 수위가 감소된다. 냉각이 지속되는 상황에서 재충수가 이루어지지 못하게 되면, 냉각수(610)는 모두 증발하게 되고 열 교환기(200) 냉각 방식은 수냉에서 공랭으로 전환된다. 냉각수(610)로부터 공기(CA)로 냉각 매체가 바뀌게 되면 열 교환기(200)에 의한 냉각 효율이 급격하게 떨어지는데, 냉각 증대 커버(300)에 의해 열 교환기(200)를 중심으로 한 유체 유동 단면적이 줄어들어 냉각 증대 커버(300)의 커버 입구(310)로 유입된 차가운 공기가 빠른 속도로 커버 몸체(330)를 통해 커버 출구(320)로 빠져나가 열 제거 효율이 상승한다.
일 실시예에 따른 피동 잔열 제거 계통은, 별도의 복잡한 장치 또는 능동 계통의 추가 없이 열 교환기(200)의 하부 및 상부를 노출하는 냉각 증대 커버(300)를 포함함으로써, 잔열 제거 계통 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환되더라도, 유체 유동 단면적 감소에 따른 유체 유속 증가를 이용해 냉각 효율 저하를 감소시키기 때문에, 어떠한 상황에서도 원자로 용기(13)를 건전하게 유지하면서 안전하게 노심(11)을 냉각시킬 수 있다.
이상과 같이, 원전 사고 발생 시 장기 냉각 단계로 진입하여 냉각 방식이 수냉에서 공랭으로 전환되더라도, 열 교환기(200) 및 냉각 증대 커버(300)를 포함함으로써, 일체형 원자로(10)에 대한 냉각 효율 저하가 최소화되어 일체형 원자로(10)를 건전하게 유지하면서 안전하게 냉각시키는 피동 잔열 제거 계통이 제공된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
일체형 원자로(10), 증기 발생기(12), 격납 용기(100), 열 교환기(200), 냉각 증대 커버(300)

Claims (6)

  1. 노심 및 증기 발생기를 포함하는 일체형 원자로를 격납하는 격납 용기;
    상기 격납 용기의 외면에 장착되며, 상기 증기 발생기와 연결된 열 교환기; 및
    상기 격납 용기의 외면에 장착되어 상기 열 교환기를 커버(cover)하며, 상기 열 교환기의 하부 및 상부를 노출하는 냉각 증대 커버
    를 포함하며,
    상기 냉각 증대 커버는,
    상기 열 교환기의 하부를 노출하며, 상기 열 교환기와 수평 방향으로 비중첩하는 커버 입구;
    상기 열 교환기의 상부를 노출하며, 상기 열 교환기와 수평 방향으로 비중첩하는 커버 출구; 및
    상기 커버 입구와 상기 커버 출구 사이를 연결하며, 상기 열 교환기와 수평 방향으로 중첩하여 상기 열 교환기를 커버하는 커버 몸체
    를 포함하며,
    상기 커버 입구 및 상기 커버 출구는 상기 커버 몸체로부터 외측 방향으로 설정된 각도로 커브지며(curved),
    상기 격납 용기의 외면과 상기 커버 몸체가 형성하는 몸체 공간의 단면적은 상기 격납 용기의 외면과 상기 커버 입구가 형성하는 입구 공간의 단면적 및 상기 격납 용기의 외면과 상기 커버 출구가 형성하는 출구 공간의 단면적 대비 작은 피동 잔열 제거 계통.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 열 교환기 및 상기 냉각 증대 커버가 장착된 상기 격납 용기를 수납하며, 상기 격납 용기가 잠긴 냉각수를 포함하는 수조를 더 포함하는 피동 잔열 제거 계통.
  6. 제1항에서,
    상기 증기 발생기와 상기 열 교환기 사이를 연결하며, 상기 증기 발생기로부터 발생된 증기를 상기 열 교환기로 이동시키는 유입 배관; 및
    상기 열 교환기와 상기 증기 발생기 사이를 연결하며, 상기 열 교환기에서 상기 증기로부터 응축된 응축수를 상기 증기 발생기로 이동시키는 회수 배관
    을 더 포함하는 피동 잔열 제거 계통.
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