KR102534650B1 - 중소형원자로를 위한 다목적 공동 수조 기반 충수형 관리 시스템 - Google Patents

중소형원자로를 위한 다목적 공동 수조 기반 충수형 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

반응기용기(reactor vessel); 및 반응기용기를 둘러싸는 격납용기(containment vessel);를 포함하고, 상기 격납용기는 내벽에 형성된 복사열 차폐체;를 포함하고, 상기 반응기용기 및 격납용기 사이의 간극은 상압 상태 및 공기 분위기인 것을 특징으로 하는 원자로가 개시된다.

Description

중소형원자로를 위한 다목적 공동 수조 기반 충수형 관리 시스템{Multipurpose common-pool based flooding-type management system for small modular reactors}
중소형원자로를 위한 다목적 공동 수조 기반 충수형 관리 시스템에 관한 것이다.
중소형원자로는 대용량 발전 원자로에 대비되는 개념으로 열출력(또는 전기출력) 규모가 작고 동일 원자로를 복제하여 모듈개념으로 건설할 수 있는 원자로를 통칭한다. 안전성, 기술성, 활용성 등 여러 측면에서 주목을 받고 있으며 대용량 발전로를 도입하기 어려운 일부 국가에서 상용화할 목적의 신형원자로로 개발되고 있다.
이러한 중소형원자로는 여러 기술적 장점 및 활용성을 주목받고 있으며 기존의 대용량 원자로와 상대적인 비교대상이 되기도 한다. 일반적인 중소형원자로의 특성(장·단점)은 다음과 같다.
고유안전기술, 피동안전기술 등 신기술 접목이 용이하여 안전성 및 신뢰성이 높다. 공장에서 완전하게 제작·조립하여 현장으로 이동하여 직접설치 하므로 건설공기가 짧다. 소요 부지규모가 작으며 건설비용이 작아 비용투자의 위험성이 낮다. 용량규모가 작아 비상계획구역(Emergency Planning Zone)이 줄어든다. 모듈형 건설이 가능하므로 용량규모를 수요에 따라 조정할 수 있다. 국가 전력망이 빈약하거나 전력수요가 낮은 지역에 기저전력으로 사용할 수 있다. 경제성은 대용량 원자로에 비해 떨어지나 타 에너지원 대비 경쟁력을 가질 수 있다. 신기술이 접목되어 인허가제도(기준, 법규 등)가 미흡하고 기자재 하부구조산업이 형성되지 않아 공급성 문제가 있다.
중소형원자로 기술을 살펴보면, 뉴스케일 파워사(NuScale Power사)에서는 격납용기 진공기술 및 수조와 열 교환기를 이용한 사고 관리 시스템을 제시하고 있다.
격납용기 진공 기술은 정상운전 시 열손실을 최소화하고, 사고 시 수소연소 가능성을 배제하고 응축성능을 향상시키기 위해 격납용기의 간극(gap)을 진공상태로 유지하는 기술이다. 진공 조건은 전도와 대류에 의한 열손실을 배제할 수 있다는 장점을 가지지만 복사열전달에 의한 열손실 방지 관점에서는 취약한 문제가 있다. 정상운전 시, 원자로 압력용기 외벽의 온도는 약 260℃~330℃로 통상적으로는 복사열전달을 발생시키기에 낮은 온도이나, 중소형원자로의 출력이 수백 MW에 달한다는 점과 핵연료 교체주기가 18개월 이상인 점을 감안하면 복사열전달로 인한 열손실은 무시할 수 없다. 높이 15 m의 격납용기를 가지는 중소형원자로에 대한 전산유체역학 (CFD) 해석 수행 결과, 복사에 의한 열손실을 고려하지 않는 경우에는 매우 좋은 단열 효과를 보여주지만 복사열을 고려할 시 약 350 kW의 열손실이 발생하는 것을 알 수 있다 (도 1 참조). 이와 같이, 격납용기 진공기술은 정상운전 시 열손실을 최소화하기에는 한계가 있다. 또한, 진공도를 유지하기 위하여 항상 가동 중인 진공펌프를 요구하며 유지 보수 관점에서 관리 또한 어려워지므로 추가적인 비용이 발생하게 된다.
상시 침수형 배치 및 열교환기를 이용한 사고 관리 기술을 살펴보면, 사고 발생 시 격납용기 외부의 상시침수 수조 및 수조 내 설치된 열교환기를 이용하여 내부의 잔열을 제거함으로써 장기 냉각 성능을 확보하는 기술이다. 이 기술은 피동적으로 장기 냉각 성능을 확보할 수 있다는 장점을 가지지만 18개월이라는 긴 연료교체주기 동안 물이 상시 금속 격납용기에 닿아 있어 정상운전 시의 열손실양을 증가시키며 (도 1 참조), 격납용기의 부식 및 노화를 가속하게 된다는 단점이 존재한다. 또한, 총 12개의 모듈이 하나의 수조에 경계 구분 없이 설치되어 있어 하나의 모듈에서 사고 발생 시 다른 모듈들의 운전에 영향이 불가피하게 가해진다. 또한, 열출력이 매우 낮은 중소형원자로의 경우 한정된 수조 내 냉각수가 모두 고갈되었을 때 공기 냉각만으로 잔열이 제거될 정도로 충분한 냉각 성능을 확보할 수 있지만 (도 2 참조), 더 높은 출력을 가지는 중소형원자로의 경우 위와 공기 냉각만으로는 충분한 냉각성능을 확보되지 않을 가능성이 존재한다. 붕괴열의 크기만 비교를 하였을 때, 도 3에 나타낸 바와 같이 열출력이 450 MWt로 커지는 경우, 원자로정지 30일 이후의 붕괴열의 크기는 약 2.6배 정도 높다 (운전기간을 보수적으로 무한운전기간으로 가정하는 경우). 즉, 이러한 열교환기 및 수조를 이용한 사고관리 시스템은 장기적 격납용기 수명 확보 및 더 높은 출력에서의 적용에는 한계가 있다.
본 발명의 일 측면에서의 목적은 혁신형 중소형원자로의 정상운전 시 열손실 최소화 및 사고 발생 시 장기 냉각성능을 확보할 수 있는 새로운 개념을 제시하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
반응기 용기(reactor vessel); 및 반응기 용기를 둘러싸는 격납 용기(containment vessel);를 포함하고,
상기 격납 용기는 내벽에 형성된 복사열 차폐체;를 포함하고,
상기 반응기 용기 및 격납 용기 사이의 간극은 상압 상태 및 공기 분위기인 것을 특징으로 하는 원자로가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
적어도 2개의 제1항에 따른 원자로가 위치하는 원자로 건물;을 포함하고,
상기 원자로 건물은 냉각수가 위치하는 공동 수조(common pool); 및 상기 공동 수조 외주면에 형성되고, 원자로를 위치시키기 위한 적어도 2개의 공동(cavity);을 포함하는 원자로 모듈화 시스템이 제공된다.
나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서
공동 수조의 냉각수를 이용하여 원자로 건물의 각 공동으로 비상주입을 수행하는 단계; 및
비상주입을 통해 격납 용기 외벽의 냉각이 수행되고, 반응기 용기에서 격납 용기의 간극으로 나오는 증기는 응축열전달을 통해 붕괴열이 외부의 냉각수로 전달되는 단계;를 포함하는 냉각재 유출 사고 조건에서 원자로 모듈화 시스템을 이용한 붕괴열 제거 방법이 제공된다.
더욱 나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
반응기 용기의 증기발생기와 보조 수조 내부의 피동잔열제거용 열교환기가 연결된 피동잔열제거계통을 통해 피동적으로 붕괴열을 제거하는 단계;를 포함하는 냉각재 유출이 없는 사고 조건에서 원자로 모듈화 시스템을 이용한 붕괴열 제거 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 원자로는 격납용기 내부에 반응기용기를 단열효과가 뛰어난 공기 층을 형성하며 감싸고 격납용기 내벽에는 알루미늄 기반의 교체형 복사열 차폐체를 포함함으로써 복사에 의한 추가 열손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 원자로 모듈화 시스템은 다목적 공동 수조를 포함하여 원자로 건물 내 중앙에 위치시키고 그 주변으로 중소형원자로 2개 이상 배치시키는 개념으로, 중소형원자로는 물이 없는 건식 조건의 지하 공동에 배치되어 정상운전 시 열손실을 최소화할 수 있다. 공동 수조 내 냉각수의 주요 역할은 정상운전 시 사용후핵연료의 관리 및 사고 상황 시 사고 발생한 원자로가 설치된 원자로 모듈 공동으로 비상 냉각수 충수로 구분되며, 충수된 냉각수는 금속 격납용기 외벽을 냉각하는 최종열침원으로서 작용하고 이를 통해 격납용기 내부에서 방출 증기의 응축이 이루어질 수 있다.
이와 같은 기능을 수행할 수 있는 원자로 및 이를 포함하는 원자로 모듈화 시스템은 원자로 출력이 상대적으로 높은 중소형원자로의 정상운전 시 열손실을 최소화하여 발전소 효율을 증진시킬 수 있다. 또한, 사고 시 충수를 통해 사고가 난 원자로에 최종 열침원을 제공함으로써 사고 대응시간을 장기적으로 확보할 수 있어 원전의 안정성을 증진시킬 수 있다.
도 1은 기체형 격납용기 간극 충전재 별 열 손실량을 CFD-FLUENT를 활용하여 15 m (full height)의 2D symmetric 조건에서 계산된 그래프를 나타낸 것이고;
도 2는 미국 NuScale의 수조 및 열교환기를 이용한 사고관리 시스템의 예시를 나타낸 것이고;
도 3은 미국 NuScale의 원자로와 450 MWt 노심 열출력 원자로의 원자로정지 이후 붕괴열을 비교한 그래프이고;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로를 나타낸 모식도이고;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로를 나타낸 모식도이고;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로와 원자로 건물 내에 위치하는 공동 수조 및 공동의 구조를 나타내는 모식도이고;
도 7은 도 6에서 원자로 건물 내에 위치하는 공동 수조 및 공동의 a 방향의 단면도를 나타낸 것이고;
도 8은 도 6에서 원자로 건물 내에 위치하는 공동 수조 및 공동의 b 방향의 단면도를 나타낸 것이고;
도 9는 도 6에서 원자로 건물 내에 위치하는 공동 수조 및 공동의 c 방향의 단면도를 나타낸 것이고;
도 10은 냉각재 유출되는 사고 발생시 공동 수조를 활용한 비상주입의 일례를 모식도로 나타낸 것이고;
도 11은 시간에 따른 붕괴열 제거 과정을 모식도로 나타낸 것이고;
도 12는 냉각재 유출이 없는 사고 발생시 피동잔열제거계통을 이용하여 장기 냉각 성능을 확보하는 개념의 일례를 모식도로 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 측면에서
반응기용기(reactor vessel, 10); 및 반응기용기(10)를 둘러싸는 격납용기(containment vessel, 20);를 포함하고,
상기 격납용기(20)는 내벽에 형성된 복사열 차폐체(21);를 포함하고,
상기 반응기용기(10) 및 격납용기(20) 사이의 간극(30)은 상압 상태 및 공기 분위기인 것을 특징으로 하는 원자로(100)가 제공된다.
이때, 도 4 및 도 5에 본 발명의 일 측면에서 제공되는 원자로의 일례를 모식도로 나타내었으며,
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 측면에서 제공되는 원자로에 대해 상세히 설명한다.
도 4의 모식도로 나타낸 본 발명의 일 측면에서 제공되는 원자로(100)의 일례를 참조하여 설명하면, 특히 중소형원자로로서 반응기용기(10) 및 반응기용기(10)를 둘러싸는 격납용기(20)를 포함하는 원자로가 제공된다. 반응기용기(10)는 실린더 형상 또는 캡슐 형상일 수 있고, 반응기용기(10) 저부 부분에 반응기코어(11)가 위치할 수 있다. 반응기코어(11)는 수년간의 주기에 걸쳐 발생할 수 있는 제어된 반응을 발생시키기 위한 핵분열성 물질의 양을 포함할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이 반응기코어(11) 내에 핵분열 속도를 제어하도록 제어봉이 채용될 수 있다. 제어봉은 은, 인듐, 카드뮴, 보론, 코발트, 하프늄, 디즈프로쥼, 가돌리듐, 사마륨, 에르븀 및 유로퓸 또는 이들의 합금 및 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 증기발생기(12)가 반응기용기(10) 내부에 형성되어 있으며 핵분열 반응으로 발생한 열을 전달 받고, 전달 받은 열을 이용하여 다량의 증기를 생성할 수 있다. 상기 반응기용기(10) 상부에는 릴리프 밸브(relief valve, 13)가 위치하고, 반응기용기(10) 내부의 압력을 조절하여 과압을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5의 모식도로 나타낸 본 발명의 일 측면에서 제공되는 원자로(100)의 일례를 참조하여 설명하면, 상기 격납용기(20)는 반응기용기(10)를 둘러싸고 실린더 형상 또는 캡슐 형상을 가질 수 있으며, 일반적으로 격납용기로 사용되는 금속 재질일 수 있다. 상기 격납용기(10)와 반응기용기(10) 사이의 간극(gap, 30)은 상압 상태 및 공기 분위기인 것이 바람직하다. 이는 상압의 기체로 충전된 것일 수 있다. 상기 간극(30)을 상압 상태 및 공기 분위기로 유지함으로써 별도의 진공 유지를 위한 설비가 요구되지 않는다. 또한, 상기 격납용기(20)의 내벽에 정상운전 시 통상적으로 고온으로 유지되는 높이까지 (통상적으로 일체형 증기발생기 입구 측) 복사열 차폐가 가능한 방사율이 낮은 (약 0.04) 교체 가능한 복사열 차폐체(21)를 설치한다. 복사열 차폐체(21)를 통해 간극(30)에서 발생하는 공기의 대류에 의한 추가 열손실을 종래 기술과 비교했을 때 약 82% 수준으로 낮춰주는 역할을 수행할 수 있다 (도 1 참조). 이때, 설치된 복사열 차폐체(21)는 핵연료재장전 시, 간단히 유지보수 가능하여 효율적으로 사용할 수 있다.
여기서 상기 복사열 차폐체(21)는 알루미늄 계열의 금속으로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 상압 상태는 1.0 atm 내지 1.2 atm의 압력 범위일 수 있으나, 일반적으로 고려되는 상압 범위일 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 측면에서
적어도 2개의 원자로(100)가 위치하는 원자로 건물(200);을 포함하고,
상기 원자로 건물(200)은 냉각수가 위치하는 공동 수조(common pool, 210); 및 상기 공동 수조(210) 외주면에 형성되고, 원자로(100)를 위치시키기 위한 적어도 2개의 공동(cavity, 220);을 포함하는 원자로 모듈화 시스템(1000)이 제공된다.
이때, 도 6 내지 도 9에 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 원자로 모듈화 시스템(1000)의 일례를 모식도 및 단면도로 나타내었으며,
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 원자로 모듈화 시스템(1000)을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 혁신형 중소형원자로의 정상운전 시 열손실 최소화 및 사고 발생 시 장기 냉각성능을 확보할 수 있는 새로운 개념안으로서, 전술한 바와 같은 원자로(100)와 원자로 건물(200) 내에 위치하는 냉각수를 포함하는 다목적 공동 수조(210)를 제시한다. 이는, 정상운전 시 개별적인 단열 및 사용후핵연료 관리 기능을 수행할 수 있으며 사고 시에는 원자로의 장기 냉각성능을 확보하는 공동의 역할을 함께 수행한다.
전술한 원자로(100)의 주요 역할은 2가지로서 정상운전 시 반응기용기(10)로부터 손실되는 열 차폐 역할 및 냉각수 상실 사고 시 방출된 증기를 응축시켜 잔열을 제거하는 역할로 구분된다. 상기 원자로(100)는 내부에 반응기용기(10)를 단열효과가 뛰어난 공기 층을 형성하며 감싸고, 반응기용기(10)를 둘러싸는 격납용기(20)의 내벽에는 복사에 의한 추가 열손실을 방지하기 위한 알루미늄 기반의 교체형 복사열 차폐체(21)가 추가로 존재한다. 이러한 복사열 차폐체는 방사선에 의한 열차폐 성능 감소 가능성을 고려하여 점검 시 쉽게 교체가 가능하도록 설계한다.
더불어, 상기 원자로 모듈화 시스템(1000)에서는 다목적 공동 수조(210)를 도입한 것으로서 원자로 건물(200) 내에 매우 큰 수조를 중앙에 위치시키고 원자로(100)를 2기 이상 주위로 배치하는 개념을 제시한다. 원자로(100)는 물이 없는 건식 조건의 지하 공동(220)에 배치하여 정상운전 시 열손실을 최소로 할 수 있도록 한다. 다목적 공동 수조(210) 내 냉각수의 주요 역할은 정상운전 시 사용후핵연료의 관리 및 사고 상황 시 사고 발생한 원자로가 설치된 2기 이상의 원자로로 구성되는 모듈이 위치하는 공동(220)으로 비상 냉각수 충수로 구분된다. 충수된 냉각수는 격납용기(20) 외벽을 냉각하는 최종열침원으로서 작용하며 이를 통해 격납용기(20) 내부에서 방출 증기의 응축이 이루어진다.
구체적으로, 상기 공동(220)은 건식 조건으로 유지되는 것이 바람직하다. 개별적으로 형성된 공동(cavity, 220)은 침수 조건이 아닌 건식(dry) 조건으로 유지되어 종래 기술에서 발생하던 물에 의한 추가적 열손실 및 부식 등을 방지할 수 있다. 또한, 상기 공동(220)은 2개 이상인 것이 바람직하고, 3개 이상인 것이 더욱 바람직하며, 4개 이상인 것이 바람직하고, 5개 이상인 것이 바람직하며, 6개 이상인 것이 바람직하다. 일례로, 공동 수조(210)를 육각기둥 형태로 구성하고, 공동 수조의 각 일면에 공동(220)을 형성시켜 6개의 공동(220)을 구성할 수 있다.
또한, 상기 원자로 건물(200)은 공동 수조(210) 외주면에 형성되고, 공동 수조(210)와 관으로 연결되며 냉각수가 위치하는 보조 수조(Auxiliary pool, 230)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 보조 수조(230)는 개별 공동(220) 사이에 형성될 수 있다. 일례로, 상기 보조 수조(230)를 6개의 개별적으로 구성된 공동(220) 사이에 각각 형성하여 6개로 구성할 수 있다.
상기 보조 수조(230)는 반응기용기(10) 내부의 증기발생기(12)와 연결된 피동잔열제거용 열교환기(231)를 포함할 수 있다. 증기발생기(12)에서 피동잔열제거용 열교환기(231)가 연결된 피동잔열제거계통을 구성하게 되고, 이는 냉각재 유출이 없는 사고 발생 시 자연순환에 의해 피동적으로 붕괴열을 제거할 수 있다.
또한, 상기 원자로 건물(200)은 공동 수조(210) 상부에 증기를 응축시키기 위한 공랭식 열교환기(240)를 포함할 수 있다. 원자로 건물(200) 상부에 설치되는 공랭식 열교환기(240)를 통해 공동(220)에서 비등으로 발생한 증기를 공기 냉각하여 공동 수조(210)로 재수집하여 사고 대응 시간을 획기적으로 확보할 수 있다.
나아가, 상기 공동 수조(210)는 상부(211) 및 하부(212)로 구분되고, 상기 상부(211)는 냉각수가 위치하는 지상부이고, 상기 하부(212)는 냉각수와 사용후핵연료가 위치하는 지하부일 수 있다. 사용후핵연료를 공동 수조(210) 내 지하에 위치한 하부(212)에 저장시키며 정상운전 조건에서는 공동 수조(210) 내 모든 냉각수가 사용후핵연료를 냉각하는 용도로 사용되므로 대기 노출 가능성이 현저히 낮다.
또한, 상기 공동 수조(210)는 공동(220)에 냉각수를 주입하기 위한 능동형 밸브(active valve, 213) 및 피동형 밸브(passive valve, 214)를 포함할 수 있고, 상기 공동 수조(210)는 보조 수조(230)에 냉각수를 주입하기 위한 능동형 밸브(213)를 포함할 수 있다. 상기 능동형 밸브(213)는 삼방향 밸브로 구성될 수 있고, 능동형 밸브(213)를 통해 연결되어 개별 공동(220)으로 냉각수를 주입하기 위한 라인(213a) 및 보조 수조(230)로 냉각수를 주입하기 위한 라인(213b)을 포함할 수 있다. 또, 상기 피동형 밸브(214)를 통해 연결되어 개별 공동(220)으로 냉각수를 주입하는 라인(214a)을 포함할 수 있다. 이와 같이 능동형 밸브(213)와 피동형 밸브(214)를 구성함으로써 냉각재가 유출되는 사고에 의한 전원상실 시에는 피동형 밸브(214)를 통해 개별 공동(220)으로 냉각수를 동일하게 주입시킬 수 있고, 전원이 있는 경우에는 사고가 발생한 모듈 쪽의 능동형 밸브(213)를 작동하여 사고 발생 모듈에 대해서만 냉각을 진행할 수 있다.
정상운전 조건에서 가장 중요한 요소는 반응기용기(10)로부터 나오는 열손실량을 최소화하고 사용후핵연료가 대기에 노출이 되지 않게 하는 것이다. 본 발명에서 제시하는 원자로(100) 및 이를 포함하는 원자로 모듈화 시스템(1000)에서는 2개 이상의 원자로(100)가 위치한 개별 공동(220)은 건식 조건으로 유지되어 열손실을 증가시키는 물이 없으므로 단열 효과가 뛰어나며 격납용기(20) 내부에는 방사율이 매우 낮은 알루미늄 기반 열복사 차폐체(21)가 존재하여 열복사에 의한 열손실을 효율적으로 차단 가능하다. 사용후핵연료는 공동 수조(210) 내 지하에 위치한 하부(212)에 저장되며 정상운전 조건에서는 공동 수조(210) 내 모든 냉각수가 사용후핵연료를 냉각하는 용도로 사용되므로 대기 노출 가능성이 현저히 낮다.
이하에서는 사고 조건에서 상기 원자로 모듈화 시스템(1000)을 이용한 붕괴열 제거 방법에 대해 상세히 설명한다.
사고 조건에서 가장 중요한 요소는 붕괴열을 안정적으로 제거하여 장기 냉각 성능을 확보하는 것이다. 본 발명에서는 냉각재 유출 유무, 전원상실 유무 등에 따른 다양한 사고 시나리오에 대하여 장기 피동냉각 성능을 확보할 수 있는 기술이다. 기본적으로 비상주입 시 다중성을 확보하기 위하여 피동형과 능동형으로 작동하는 밸브를 설치하며 개별 공동으로의 비상주입은 공동 수조와 보조 수조 두 곳에서 모두 주입이 가능하도록 한다.
먼저, 본 발명의 다른 일 측면에서
공동 수조의 냉각수를 이용하여 원자로 건물의 각 공동으로 비상주입을 수행하는 단계; 및
비상주입을 통해 격납용기 외벽의 냉각이 수행되고, 반응기용기에서 격납용기의 간극으로 나오는 증기는 응축열전달을 통해 붕괴열이 외부의 냉각수로 전달되는 단계;를 포함하는 냉각재 유출 사고 조건에서 상기의 원자로 모듈화 시스템을 이용한 붕괴열 제거 방법이 제공된다.
상기 냉각재 유출 사고 조건은 일례로 반응기용기의 파손, 전원상실에 따른 과압방지밸브 동작 등의 사고 조건일 수 있다. 이러한 냉각재 유출 사고의 경우, 격납용기(20) 사이의 간극(30)으로 증기형태가 빠져나오게 된다. 붕괴열 제거를 위하여 공동 수조(210)의 냉각수를 이용하여 각 원자로(100)가 위치한 개별 공동(220)으로 비상주입을 수행하게 된다 (도 10 참조). 전원상실 시에는 피동형 밸브(214)를 통해 모든 공동(220)에 물이 동일하게 주입된다. 전원이 있는 경우에는 사고가 발생한 원자로(100)가 위치하는 공동(220) 쪽의 능동형 밸브(213)를 작동하여 사고가 발생한 모듈(공동에 위치하는 원자로의 구성)에 대해서만 냉각을 진행한다.
비상주입이 이루어지면 격납용기(20) 외벽의 냉각이 이루어지며, 반응기용기(10)에 격납용기(20) 간극(30)으로 빠져나오는 증기는 응축열전달을 통해 붕괴열을 외부의 냉각수로 전달한다. 응축수는 간극(30) 하부로 수집되며 특정 높이에 위치한 재순환밸브(미도시)를 통해 원자로용기 내부로 다시 들어갈 수 있어 원자로용기 내부 노심 수위는 일정하게 유지된다. 비상주입된 냉각수는 초기에는 현열(Sensible heat)을 통해 수위 감소 없이 붕괴열을 제거할 수 있으며 포화온도 도달 시 비등이 발생하게 되면서 수위가 점차 감소하게 된다. 하지만, 수위가 감소할수록 붕괴열 제거 효율이 감소하므로 장기냉각 성능을 확보하기 위해서 도 11에 나타낸 바와 같이 비등으로 발생한 증기를 다시 응축시켜 재수집함으로써 장기 냉각 성능을 확보할 수 있다. 증기의 응축은 도 5에 나타낸 바와 같이 원자로 건물(200) 상부에 설치된 공랭식 열교환기(240)를 통해 비등으로 공동(220)을 빠져나간 증기를 응축시켜 공동 수조(210)의 수위를 회복 혹은 공동(220)으로 수집하여 다시 수위를 회복하는 방법을 사용한다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서
반응기용기의 증기발생기와 보조 수조 내부의 피동잔열제거용 열교환기가 연결된 피동잔열제거계통을 통해 피동적으로 붕괴열을 제거하는 단계;를 포함하는 냉각재 유출이 없는 사고 조건에서 상기의 원자로 모듈화 시스템을 이용한 붕괴열 제거 방법이 제공된다.
상기 냉각재 유출이 없는 사고 조건은 일례로 주증기관 파단사고, 주급수상실사고 등의 사고 조건일 수 있다. 이러한 냉각재 유출이 없는 사고의 경우, 붕괴열의 제거는 원자로(100)의 증기발생기(12)에서 보조 수조(230) 내부의 피동잔열제거용 열교환기(231)가 연결된 피동잔열제거계통을 통해 자연순환에 의하여 피동적으로 제거된다. 보조 수조(230) 내 냉각수는 전달받은 붕괴열에 의해 비등이 발생하게 되며 수위가 감소하게 된다. 이때, 공동 수조(210)와 능동형 밸브(215)로 연결되어 있는 관을 통해 공동 수조(210)로부터 추가적인 냉각수를 공급받을 수 있다. 보조 수조(230) 내 냉각수 수위가 유지되면 장기적으로 냉각을 유지할 수 있다. 비등으로 발생한 증기는 원자로 건물(200)의 공기 냉각을 통해 공동 수조(210)로 재수집하여 사고 대응 시간을 획기적으로 확보할 수 있다.
본 발명은 정상운전 조건에서 반응기용기(10)와 격납용기(20) 사이 간극(30)을 상압 상태 및 공기 분위기로 유지하여 기존 기술 대비 핵연료 교체주기 동안 어떠한 추가적인 유지기술이 요구되지 않으며, 교체가 가능한 알루미늄 기반의 열복사 차폐체(21)를 설치 격납건물(20)의 내벽에 설치하여 공기의 대류로 인해 증가한 열손실을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에서 제시하는 공동 수조(210)를 중심으로 개별 공동(220)에 2개 이상의 원자로(100)를 배치하는 기술은 정상운전 시 비침수 조건으로 운영한다는 점에서 기존 기술 대비 열손실 및 부식 관점에서 장점을 가지며, 각 모듈이 구분된 공간에 위치한다는 점에서 하나의 모듈 사고가 주변 모듈에 영향을 미치던 기존 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
이는 단일 모듈 사고 시, 충분한 양의 냉각수를 사고가 발생한 모듈에 지속적으로 공급이 가능하도록 하여 종래 기술의 중소형원자로보다 높은 노심 열출력에도 장기 냉각 성능을 확보할 수 있다.
1000 : 원자로 모듈화 시스템
100 : 원자로
10 : 반응기용기
11 : 반응기코어
12 : 증기발생기
13 : 릴리프 밸브
20 : 격납용기
21 : 복사열 차폐체
30 : 간극
200 : 원자로 건물
210 : 공동 수조 (common pool)
211 : 상부
212 : 하부
213 : 능동형 밸브
214 : 피동형 밸브
220 : 공동 (cavity)
230 : 보조 수조 (auxiliary pool)
231 : 피동잔열제거용 열교환기
240 : 공랭식 열교환기

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 적어도 2개의 원자로가 위치하는 원자로 건물;을 포함하고,
    상기 원자로는 중소형 원자로로서, 반응기용기(reactor vessel); 및 반응기용기를 둘러싸는 격납용기(containment vessel);를 포함하고,
    상기 반응기 용기(10)는 내부에 핵분열성 물질을 포함하는 반응기 코어; 및 증기 발생기;를 포함하고,
    상기 격납용기는 내벽에 형성된 복사열 차폐체;를 포함하고,
    상기 반응기용기 및 격납용기 사이의 간극은 상압 상태 및 공기 분위기이고,
    상기 원자로 건물은 냉각수가 위치하는 공동 수조(common pool); 및 상기 공동 수조 외주면에 형성되고, 원자로를 위치시키기 위한 적어도 2개의 공동(cavity);을 포함하고,
    상기 공동 수조는 상부 및 하부로 구분되고, 상기 상부는 냉각수가 위치하는 지상부이고, 상기 하부는 냉각수와 사용후핵연료가 위치하는 지하부인, 원자로 모듈화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공동은 건식 조건으로 유지되는 것인 원자로 모듈화 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 원자로 건물은 공동 수조 외주면에 형성되고, 공동 수조와 관으로 연결되며 냉각수가 위치하는 보조 수조를 포함하는 원자로 모듈화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 수조는 반응기용기 내부의 증기발생기와 연결된 피동잔열제거용 열교환기를 포함하는 원자로 모듈화 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 원자로 건물은 공동 수조 상부에 증기를 응축시키기 위한 공랭식 열교환기를 포함하는 원자로 모듈화 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 상압 상태는 1.0 atm 내지 1.2 atm의 압력 범위인 것을 특징으로 하는 원자로 모듈화 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 공동 수조는 공동에 냉각수를 주입하기 위한 능동형 밸브(active valve) 및 피동형 밸브(passive valve)를 포함하는 원자로 모듈화 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 공동 수조는 보조 수조에 냉각수를 주입하기 위한 능동형 밸브를 포함하는 원자로 모듈화 시스템.
  12. 공동 수조의 냉각수를 이용하여 원자로 건물의 각 공동으로 비상주입을 수행하는 단계; 및
    비상주입을 통해 격납용기 외벽의 냉각이 수행되고, 반응기용기에서 격납용기의 간극으로 나오는 증기는 응축열전달을 통해 붕괴열이 외부의 냉각수로 전달되는 단계;를 포함하는 냉각재 유출 사고 조건에서 제4항의 원자로 모듈화 시스템을 이용한 붕괴열 제거 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 붕괴열 제거 방법에서 증기의 응축에 의해 형성되는 응축수는 간극 하부로 수집되고 수집된 응축수를 재순환하여 반응기용기 내부의 수위를 유지하는 붕괴열 제거 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 원자로 모듈화 시스템에서 원자로 건물은 공동 수조 상부에 증기를 응축시키기 위한 공랭식 열교환기를 포함하고,
    상기 붕괴열 제거 방법에서 비상주입된 냉각수가 포화온도에 도달하여 비등으로 발생하는 증기는 공랭식 열교환기를 통해 재응축시켜 재수집하는 것을 특징으로 하는 붕괴열 제거 방법.
  15. 반응기용기의 증기발생기와 보조 수조 내부의 피동잔열제거용 열교환기가 연결된 피동잔열제거계통을 통해 피동적으로 붕괴열을 제거하는 단계;를 포함하는 냉각재 유출이 없는 사고 조건에서 제7항의 원자로 모듈화 시스템을 이용한 붕괴열 제거 방법.
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