KR102546736B1 - 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법 - Google Patents

2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 2단 가열 및 냉각에 의한 열교환방식을 통해 자연대류 순환의 유량은 증가시키고 내부 압력은 낮출 수 있어 기존의 1단 열교환방식에 비해 냉각효율을 크게 향상시킬 수 있는, 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법을 제공함에 있다.

Description

2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법 {Reactor having 2 step heat exchange natural circulation cooling system and method for operating the same reactor}
본 발명은 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법에 관한 것으로, 원자로 이상 발생 시 운전원의 조작 없이도 피동적으로 과도 발생된 열을 냉각할 수 있도록 하되, 이러한 안전 조처를 위한 냉각 동작이 별도의 제어 지시 없이 원자로 구조 및 압력 등의 환경 조건 변화에 의해 완전 피동적으로 이루어질 수 있도록 하며, 더불어 기존의 원자로 안전계통에 비하여 좀더 간소한 구조로 이루어지는 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법에 관한 것이다.
원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 도 1은 일반적인 원자력 발전의 원리를 간략하게 도시하고 있다. 압력 용기(또는 원자로용기라고 칭함)내의 핵연료가 핵분열함에 의해 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 냉각재로 전달되며, 냉각재는 도 1에 진한 화살표로 표시된 바와 같이 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 냉각재가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기발생기로 전달되며, 증기발생기 내의 물은 열에너지에 의해 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의해 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 증기발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.
상술한 바와 같이 원자로에서는 엄청난 열에너지가 발생되며, 원자로에서 사고가 발생하여 정상적으로 작동하지 않을 경우 이 열에너지에 의해 원자로 시설 자체가 파괴되는 대형 사고가 발생할 위험성이 있다. 따라서 원자로에는 원자로의 손상이 발생했을 경우 원자로를 급속히 냉각해 주기 위한 다양한 안전계통들이 필수적으로 구비된다. 이러한 안전계통들은 원자로의 각부에 냉각재를 보충 공급하는 형태 및 냉각재를 적절한 유로를 따라 순환시켜 원자로의 각부로부터 열을 흡수하여 최종적으로는 외부의 히트 싱크(heat sink)에 버리는 형태로 이루어진다. 이 때, 원자로의 각부와 직접 접촉되었던 냉각재는 환경에 위험한 방사능 물질을 함유하고 있으므로, 이 냉각재 자체가 직접 외부로 배출되어서는 안되며, 단지 열만을 외부로 버릴 수 있도록 구성되어야 한다. 이와 같이 원자로 안전계통에서 외부의 히트 싱크에 열을 버리기 위한 열교환기를, 원자로 기술분야에서는 통상적으로 잔열 제거용 열교환기라고 칭하기도 한다.
상술한 바와 같은 잔열 제거용 열교환기에 있어서, 도 2와 같은 형태의 열교환기도 많이 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같이 잔열 제거용 열교환기는, 고온유체가 흐르는 유로(1)가 내부에 냉각재를 수용하는 풀(pool) 형태의 수조(2) 내에 구비된 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 구성을 통해 잔열 제거용 열교환기는, 유로(1) 내를 흐르는 고온유체로부터 수조(2) 내의 냉각재로 열이 전달됨으로써, 결과적으로 고온유체의 냉각이 이루어지게 된다. 고온유체의 열이 상기 유로(1) 주변의 냉각재로 전달됨에 있어서, 대류에 의한 열전달이 이루어지기도 하고, 또한 고온유체의 온도가 매우 높을 경우 상기 유로(1) 주변의 냉각재가 비등됨으로써 열전달이 이루어지기도 한다. 냉각재가 비등된다는 것은 냉각재가 고온유체로부터 그만큼의 증발열을 흡수했다는 것으로서, 대류 열전달에 비해 더욱 높은 효율로 열을 흡수할 수 있다. 한국특허등록 제1490177호("피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전", 2015.01.30.) 등에 잔열을 제거하기 위한 냉각계통이 구비되는 원자로 구성이 다양하게 개시되어 있다.
잔열제거는 원자로 손상 발생과 같은 사고 상황에서 최대한 신속하고 효율적으로 이루어져야 하는 것으로, 보다 냉각 효율을 높이고자 하는 요구는 항상 계속되어 왔다. 즉 기존의 안전계통보다 더욱 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 운전원의 별도 제어 조작을 필요로 하지 않고 완전 피동적으로 작동이 가능하며, 더불어 기존의 원자로 안전계통에 비하여 좀더 간소한 구조로 이루어지는, 원자로 안전계통에 대한 연구 개발은 지속적으로 이루어지고 있다.
1. 한국특허등록 제1490177호("피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전", 2015.01.30.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2단 가열 및 냉각에 의한 열교환방식을 통해 자연대류 순환의 유량은 증가시키고 내부 압력은 낮출 수 있어 기존의 1단 열교환방식에 비해 냉각효율을 크게 향상시킬 수 있는, 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로는, 원자로노심(151)을 수용하는 원자로용기(152), 증기관(154) 및 급수관(155)이 연결된 증기발생기(153)를 포함하여 이루어지는 원자로구동계통(150) 및 상기 원자로용기(152)를 수용하는 원자로단열용기(111)를 하부에 수용하는 원자로격납용기(110); 상기 원자로격납용기(110) 외측 상부에 배치되며, 격벽(121)에 의해 내부공간이 상하로 나뉘어 상측공간(V1) 및 하측공간(V2) 각각에 냉각수가 저장되되, 외부냉각수가 외부냉각수급수관(122)을 통해 유입되어 외부냉각수배수관(123)을 통해 배출되는 유로가 상기 하측공간(V2) 및 상기 상측공간(V1)을 순차적으로 통과하도록 배치되고, 상기 상측공간(V1) 내의 상기 유로 상에 상측외부냉각수열교환기(124)가 구비되고, 상기 하측공간(V2) 내의 상기 유로 상에 하측외부냉각수열교환기(125)가 구비되는 냉각수저장용기(120); 일단이 상기 원자로단열용기(111) 상부와 연통되고 타단이 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 원자로단열용기(111)에서 발생된 증기를 상기 상측공간(V1)으로 유통시키는 제1냉각수순환관(131), 일단이 상기 상측공간(V1) 상측에 배치되고 타단이 상기 하측공간(V2)과 연통되어 상기 상측공간(V1)에 수용된 냉각수 또는 증기의 응축수를 상기 하측공간(V2)으로 유통시키는 제2냉각수순환관(132), 일단이 상기 하측공간(V2) 하부와 연통되고 타단이 상기 원자로단열용기(111) 하부와 연통되어 상기 하측공간(V2)에 수용된 냉각수를 상기 원자로단열용기(111)로 유통시키는 제3냉각수순환관(133)을 포함하는 냉각수순환계통(130); 을 포함하여 이루어지는 원자로안전계통(100)을 포함할 수 있다.
이 때 상기 원자로안전계통(100)은, 상기 냉각수순환계통(130)을 통해 상기 원자로단열용기(111) 내로 유입된 냉각수가 증기 또는 냉각수의 형태로 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2)을 순차적으로 통과하면서, 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 및 상기 하측외부냉각수열교환기(125)와 2단에 걸쳐 열교환되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 냉각수저장용기(120)는, 상기 제2냉각수순환관(132)를 둘러싸도록 형성되되 하부가 개방되어 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 하부를 통해 유통가능하게 형성되는 물증기분리벽(126), 상기 상측공간(V1) 내에 배치된 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 증기를 분사하도록 상기 제1냉각수순환관(131) 타단 측에 구비되는 증기분사노즐(127)을 포함할 수 있다.
이 때 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측공간(V1) 상부로 모여 압력을 형성하고, 상기 상측공간(V1) 상부의 압력에 의해 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 물증기분리벽(126)의 하부로 유입되며, 유입된 냉각수에 의해 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 상승하여 상기 상측공간(V1) 상측에 배치된 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단으로 냉각수가 배출가능하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 접촉되어 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내를 유통하는 외부냉각수로 열이 흡수됨으로써 증기가 액상으로 응축되는, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열전달이 이루어질 수 있다.
또한 평상상태 시, 상기 증기관(154)에 구비된 증기관밸브(154v) 및 상기 급수관(155)에 구비된 급수관밸브(155v)가 개방되고, 상기 제1냉각수순환관(131)에 구비된 제1냉각수순환밸브(131v) 및 상기 제3냉각수순환관(133)에 구비된 제3냉각수순환밸브(133v)가 폐쇄되며, 사고상태 시, 상기 증기관밸브(154v) 및 상기 급수관밸브(155v)가 폐쇄되고, 상기 제1냉각수순환밸브(131v) 및 상기 제3냉각수순환밸브(133v)가 개방될 수 있다.
또한 상기 원자로안전계통(100)은, 일단이 잔열냉각관(141)을 통해 상기 증기발생기(153) 일측과 연결되고 타단이 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153) 타측과 연결되며, 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 순환유통되면서 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수로 잔열을 버리도록 형성되는 잔열냉각열교환기(140); 를 더 포함할 수 있다.
이 때 평상상태 시, 상기 잔열냉각관(141)에 구비된 잔열냉각밸브(141v) 및 상기 잔열귀환관(142)에 구비된 잔열귀환밸브(142v)가 폐쇄되며, 사고상태 시, 상기 잔열냉각밸브(141v) 및 상기 잔열귀환밸브(142v)가 개방될 수 있다.
또한 상기 원자로단열용기(111)는, 일단이 상기 원자로단열용기(111) 하부에 연결되고 타단이 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 개방되어 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체를 배출하는 단열용기기체배출관(112)이 구비될 수 있다.
이 때 평상상태 시, 상기 단열용기기체배출관(112)에 구비된 단열용기기체배출밸브(112v)가 폐쇄되며, 사고상태 시, 상기 단열용기기체배출밸브(112v)가 개방될 수 있다.
또한 본 발명의 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로의 작동방법은, 상술한 바와 같은 원자로의 작동방법에 있어서, 사고상태 시, 상기 제3냉각수순환관(133)을 통해 상기 하측공간(V2)에 수용된 냉각수가 상기 원자로단열용기(111)로 유입되어 상기 원자로구동계통(150)에서 발생된 열에 의해 증기로 변화하는 원자로발생열흡수단계; 상기 원자로단열용기(111) 내의 증기가 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 상기 상측공간(V1)으로 유입되는 1단열교환단계; 상기 상측공간(V1)에 유입된 증기로 인하여 상기 상측공간(V1) 내 압력이 증가하고 상기 하측공간(V2)으로부터 상기 원자로단열용기(111)로 냉각수가 배출됨에 따라 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 하측공간(V2)으로 유입되는 2단열교환단계; 를 포함할 수 있다.
또한 상기 1단열교환단계에서, 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 상기 상측공간(V1)으로 유입된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내의 외부냉각수와 열교환하며, 상기 2단열교환단계에서, 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 하측공간(V2)으로 유입된 냉각수 또는 증기의 응축수가 상기 하측외부냉각수열교환기(125) 내의 외부냉각수와 열교환할 수 있다.
또한 상기 냉각수저장용기(120)는, 상기 제2냉각수순환관(132)를 둘러싸도록 형성되되 하부가 개방되어 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 하부를 통해 유통가능하게 형성되는 물증기분리벽(126), 상기 상측공간(V1) 내에 배치된 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 증기를 분사하도록 상기 제1냉각수순환관(131) 타단 측에 구비되는 증기분사노즐(127)을 포함하며, 상기 1단열교환단계는, 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측공간(V1) 상부로 모여 압력을 형성하는 단계, 상기 상측공간(V1) 상부의 압력에 의해 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 물증기분리벽(126)의 하부로 유입되는 단계, 유입된 냉각수에 의해 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 상승하여 상기 상측공간(V1) 상측에 배치된 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단으로 냉각수가 배출되는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 1단열교환단계는, 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 접촉되는 단계, 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내를 유통하는 외부냉각수로 열이 흡수됨으로써 증기가 액상으로 응축되는, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열전달이 이루어지는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 원자로안전계통(100)은, 일단이 잔열냉각관(141)을 통해 상기 증기발생기(153) 일측과 연결되고 타단이 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153) 타측과 연결되며, 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 순환유통되면서 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수로 잔열을 버리도록 형성되는 잔열냉각열교환기(140); 를 더 포함하며, 상기 원자로의 작동방법은, 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 상기 잔열냉각관(141)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(140)로 유통되는 단계, 상기 잔열냉각열교환기(140) 내의 열교환매체가 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수와 열교환하여 잔열을 버리는 단계, 상기 잔열냉각열교환기(140) 내의 열교환매체가 상기 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153)로 귀환하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 원자로단열용기(111)는, 일단이 상기 원자로단열용기(111) 하부에 연결되고 타단이 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 개방되어 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체를 배출하는 단열용기기체배출관(112)이 구비되며, 상기 원자로의 작동방법은, 사고상태 시, 상기 원자로발생열흡수단계 이전에, 상기 단열용기기체배출관(112)을 통해 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체가 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 배출되는 기체배출단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 2단 가열 및 냉각에 의한 열교환방식을 통해 자연대류 순환의 유량은 증가시키고 내부 압력은 낮출 수 있는 큰 효과가 있다. 이에 따라 당연히 기존의 1단 열교환방식에 비해 냉각효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 기존의 잔열 제거용 열교환기 구성.
도 3 및 도 4는 본 발명의 원자로의 평상상태.
도 5는 이상유동 열전달 현상의 원리.
도 6은 본 발명의 원자로의 사고상태.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 작동방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 본 발명의 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로
도 3 및 도 4는 본 발명의 원자로의 평상상태를 도시한 것으로, 먼저 도 3 및 도 4를 통해 본 발명의 원자로의 장치적 구성에 대하여 설명한다. 여기에서는 각부의 배치 및 연결관계에 중점을 두어 설명하되, 이후 [2]절의 작동방법 설명에서 각부의 역할에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 원자로는, 도 3에 도시된 바와 같이 기본적으로 원자로구동계통(150) 및 원자로안전계통(100)을 포함한다.
상기 원자로구동계통(150)은 원자로노심(151)을 수용하는 원자로용기(152), 증기관(154) 및 급수관(155)이 연결된 증기발생기(153)를 포함하여 이루어지는 것으로, 도 1로 설명된 바와 같은 일반적인 원자로구동계통과 구성이 동일하다. 즉 상기 급수관(155)을 통해 상기 증기발생기(153)로 유입된 열교환매체가 상기 원자로노심(151)에서 발생된 열을 흡수하여 고온 고압의 기체가 되며, 이 기체가 상기 증기관(154)을 통해 배출되어 외부에 구비된 발전기 터빈을 구동시키도록 이루어진다. 상기 증기관(154)에는 증기관밸브(154v)가, 상기 급수관(155)에는 급수관밸브(155v)가 구비되어, 평상상태 시에는 상기 증기관밸브(154v) 및 상기 급수관밸브(155v)가 개방됨으로써 정상적인 원자로 운용이 이루어지게 된다.
상기 원자로안전계통(100)은 사고 발생 시 동작하는 것으로, 사고가 발생하면 상기 증기관밸브(154v) 및 상기 급수관밸브(155v)가 폐쇄되며 상기 원자로안전계통(100)에 저장되어 있는 냉각수가 자연대류에 의해 순환하면서 상기 원자로구동계통(150)에서 발생된 열을 흡수하여 냉각한다. 일반적인 기존의 원자로안전계통 역시 사고 발생 시 냉각수를 이용하여 상기 원자로구동계통(150)을 냉각시키되 다만 기존에는 단지 1단 열교환에 의해서만 냉각이 이루어졌던 것과는 달리, 본 발명의 원자로안전계통(100)은 2단에 걸쳐 열교환이 일어나도록 함으로써 자연대류 순환의 유량을 증가시키고 내부압력을 낮추어 냉각효율을 훨씬 향상시킬 수 있다. 상기 원자로안전계통(100)은, 일단 크게 볼 때 원자로격납용기(110), 냉각수저장용기(120), 냉각수순환계통(130)을 포함하며, 여기에 잔열냉각열교환기(140)를 더 포함할 수 있다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 원자로격납용기(110)는 상기 원자로용기(152)를 수용하는 원자로단열용기(111)를 하부에 수용한다. 평상상태 시, 즉 사고가 발생하지 않고 원자로가 정상적으로 운영되고 있는 시점에서는, 상기 원자로격납용기(110), 상기 원자로단열용기(111) 내부는 기체(공기)가 채워져 있는 빈 공간이다. 이후 보다 상세히 설명하겠지만, 사고상태 시, 즉 사고가 발생한 시점에서는 냉각수가 상기 원자로단열용기(111) 내로 유입되어 상기 원자로용기(152)와 직접적으로 접촉함으로써 열을 흡수하게 되는데, 이 때 냉각수가 상기 원자로단열용기(111) 내로 원활하게 유입되기 위해서는 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체가 배출되는 것이 좋다. 이를 위해 상기 원자로단열용기(111)는, 일단이 상기 원자로단열용기(111) 하부에 연결되고 타단이 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 개방되어 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체를 배출하는 단열용기기체배출관(112)이 구비되는 것이 바람직하다. 물론 상기 단열용기기체배출관(112)에는 도시된 바와 같이 단열용기체배출밸브(112v)가 구비되며, 평상상태 시에는 상기 단열용기기체배출밸브(112v)가 폐쇄되며, 사고상태 시에는 상기 단열용기기체배출밸브(112v)가 개방되도록 형성된다.
상기 냉각수저장용기(120)는, 도시된 바와 같이 상기 원자로격납용기(110) 외측 상부에 배치되어 냉각수가 저장된다. 상기 냉각수저장용기(120)가 상부에 배치되어 있기 때문에 사고상태 시 냉각수는 수두차에 의하여 상기 원자로구동계통(150) 쪽으로 자연스럽게 흘러내려올 수 있게 된다. 한편 기존에도 이처럼 냉각수를 원자로격납용기 상부에 배치시켜 두었다가 사고가 발생하면 냉각수가 흘러내려와 원자로구동계통(150)을 냉각하도록 하는 시스템이 사용되어 왔다. 그러나 종래에는 냉각수 저장소가 단지 1개이거나 복수 개라 하더라도 병렬로 구비되어 있었으며, 즉 1단 열교환만이 일어나게 형성되었다. 그러나 본 발명에서는, 상기 냉각수저장용기(120)가 격벽(121)에 의해 내부공간이 상하로 나뉘어 상측공간(V1) 및 하측공간(V2) 각각에 냉각수가 저장되도록 하며, 각각의 공간에서 2단에 걸쳐 열교환이 일어나도록 형성된다.
상기 냉각수저장용기(120)의 2단 열교환이 일어날 수 있도록 하는 구성에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 냉각수저장용기(120)는 상술한 바와 같이 내부가 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2), 이렇게 상하로 배치된 2개의 공간으로 나뉜다. 또한 상기 냉각수저장용기(120)에는, 외부냉각수가 외부냉각수급수관(122)을 통해 유입되어 외부냉각수배수관(123)을 통해 배출되는 유로가 상기 하측공간(V2) 및 상기 상측공간(V1)을 순차적으로 통과하도록 배치된다. 더불어 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 상측공간(V1) 내의 상기 유로 상에 상측외부냉각수열교환기(124)가 구비되고, 상기 하측공간(V2) 내의 상기 유로 상에 하측외부냉각수열교환기(125)가 구비된다. 이후 보다 상세히 설명하겠지만, 사고상태 시 상기 냉각수저장용기(120)의 냉각수는 냉각수 또는 증기의 형태로 변화해 가면서 상기 원자로단열용기(111), 상기 상측공간(V1), 상기 하측공간(V2)을 순차적으로 통과하면서 자연대류에 의해 순환한다. 즉 상기 냉각수순환계통(130)을 통해 상기 원자로단열용기(111) 내로 유입된 냉각수가 증기 또는 냉각수의 형태로 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2)을 순차적으로 통과하는 것이다. 이 때 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2) 각각에 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 및 상기 하측외부냉각수열교환기(125)가 구비되어 있으므로, 냉각수는 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 및 상기 하측외부냉각수열교환기(125)와 2단에 걸쳐 열교환되게 되는 것이다.
상기 냉각수순환계통(130)은, 제1냉각수순환관(131), 제2냉각수순환관(132), 제3냉각수순환관(133)을 포함한다. 도 3은 도면이 지나치게 복잡하고 난해해지지 않도록 상기 냉각수순환계통(130)을 표시하지 않았으며, 도 4에 상기 냉각수순환계통(130)을 점선 둘레로 명확히 표시하였다.
상기 제1냉각수순환관(131)은 일단이 상기 원자로단열용기(111) 상부와 연통되고 타단이 상기 상측공간(V1) 내에 배치된다. 이에 따라 상기 원자로단열용기(111)에서 발생된 증기를 상기 상측공간(V1)으로 유통시킬 수 있게 된다. 상기 제1냉각수순환관(131)에는 제1냉각수순환밸브(131v)가 구비되어, 평상상태 시에는 상기 제1냉각수순환밸브(131v)가 폐쇄되어 있다가 사고상태 시에는 상기 제1냉각수순환밸브(131v)가 개방되어 자연대류 순환이 일어날 수 있게 된다.
상기 제2냉각수순환관(132)은 일단이 상기 상측공간(V1) 상측에 배치되고 타단이 상기 하측공간(V2)과 연통된다. 이에 따라 상기 상측공간(V1)에 수용된 냉각수 또는 증기의 응축수를 상기 하측공간(V2)으로 유통시킬 수 있게 된다. 상기 제2냉각수순환관(132)에는 별도의 밸브가 구비되지 않으며, 상기 제2냉각수순환관(132)에서의 냉각수 흐름에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
상기 제3냉각수순환관(133)은 일단이 상기 하측공간(V2) 하부와 연통되고 타단이 상기 원자로단열용기(111) 하부와 연통된다. 이에 따라 상기 하측공간(V2)에 수용된 냉각수를 상기 원자로단열용기(111)로 유통시킬 수 있게 된다. 상기 제3냉각수순환관(133)에도 상기 제1냉각수순환관(131)과 유사하게 제3냉각수순환밸브(133v)가 구비되어, 평상상태 시에는 상기 제3냉각수순환밸브(133v)가 폐쇄되어 있다가 사고상태 시에는 상기 제3냉각수순환밸브(133v)가 개방되어 자연대류 순환이 일어날 수 있게 된다.
상기 잔열냉각열교환기(140)는 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 순환유통되면서 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수로 잔열을 버리도록 형성되는 것이다. 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 상기 잔열냉각열교환기(140)로 순환될 수 있도록, 상기 잔열냉각열교환기(140)는, 일단이 잔열냉각관(141)을 통해 상기 증기발생기(153) 일측과 연결되고 타단이 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153) 타측과 연결된다.
앞서 설명한 상기 제1, 3냉각수순환관(131)(133)과 유사하게, 상기 잔열냉각관(141)에는 잔열냉각밸브(141v)가, 상기 잔열귀환관(142)에는 잔열귀환밸브(142v)가 구비되어, 평상상태 시에는 상기 잔열냉각밸브(141v) 및 상기 잔열귀환밸브(142v)가 폐쇄되어 있다가 사고상태 시에는 상기 잔열냉각밸브(141v) 및 상기 잔열귀환밸브(142v)가 개방되어 잔열제거가 일어날 수 있게 된다.
상기 냉각수저장용기(130)의 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2)을 연결하는 상기 제2냉각수순환관(132)에서의 냉각수 흐름에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 상측공간(V1)으로는 기본적으로 상기 원자로단열용기(111)로부터 유통되어 온 증기가 유입된다. 이 때 상기 원자로단열용기(111)에서 매우 고온 고압의 증기가 발생하기 때문에, 상기 상측공간(V1)에는 증기가 매우 빠르게 채워져 상당한 압력을 가지는 압력공간이 형성되게 된다. 본 발명에서는, 이러한 현상을 냉각수 순환에 보다 효율적으로 이용할 수 있도록, 상기 상측공간(V1)에 물증기분리벽(126)을 형성한다.
상기 물증기분리벽(126)은 도 3에 잘 도시된 바와 같이 상기 제2냉각수순환관(132)를 둘러싸도록 형성되되 하부가 개방되어 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 하부를 통해 유통가능하게 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측공간(V1) 상부로 모여 압력을 형성하게 된다. 그러면 상기 상측공간(V1) 상부의 압력에 의해 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 물증기분리벽(126)의 하부로 유입되며, 유입된 냉각수에 의해 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 상승하게 된다. 따라서 상기 상측공간(V1) 상측에 배치된 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단으로 냉각수가 배출되어, 결과적으로 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 상측공간(V1)에서 상기 하측공간(V2)으로 냉각수가 원활하게 흘러갈 수 있게 된다.
물론 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단이 냉각수에 잠겨있지 않는다 하더라도, 상기 제2냉각수순환관(132)으로 유입된 증기가 응축되어 응축수의 형태로 상기 상측공간(V1)에서 상기 하측공간(V2)으로의 냉각수 흐름이 실현될 수는 있다. 그러나 직접 냉각수의 형태로 흘러가는 것보다는 효율이 낮아질 것은 당연하며, 따라서 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단이 냉각수에 보다 오래 잠겨있을 수 있게 하는 것이 바람직하다. 상기 물증기분리벽(126)이 없을 경우, 압력공간이 차지하는 공간이 빠르게 늘어나기 때문에 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단이 보다 빨리 압력공간으로 노출되게 되겠지만, 상기 물증기분리벽(126)이 존재함으로써 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 높게 형성되는 상태를 보다 오래 유지할 수 있어, 냉각수 흐름의 효율이 보다 좋아지게 되는 것이다.
한편 앞서 설명한 바와 같이, 상기 냉각수저장용기(130)의 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2)에서는 순차적으로 2단에 걸쳐 열교환이 일어난다.
먼저 상기 하측공간(V2)에서 일어나는 열교환은 일반적인 열교환기의 기본적인 열교환원리에 따라 열교환이 일어난다. 기존의 대부분의 열교환기에서의 기본적인 열교환원리는, 외부와 격리된 유로 내에 열교환매체가 통과하도록 형성하고, 유로 벽면을 사이에 두고 유로 내부의 열교환매체가 유로 외부의 다른 열교환매체가 직접 서로 열교환을 함으로써 열전달이 일어나도록 하는 것이다. 즉 예를 들면, 유로 안에 저온의 냉각수가 흐르고 유로 밖에 고온의 공기가 흘러가도록 형성되어, 고온의 공기가 가지고 있는 열을 저온의 냉각수가 흡수하도록 이루어지는 식이다.
한편 상기 상측공간(V1)에서 일어나는 열교환은, 상기 하측공간(V2)에서 일어나는 열교환보다 먼저 이루어져야 하며 따라서 훨씬 더 많은 열을 보다 더 신속하고 효과적으로 흡수해야 한다. 따라서 기본적인 열교환원리보다 더욱 효율적인 열교환원리가 적용되는 것이 바람직한데, 본 발명에서는 바로 이를 위하여 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용한다.
도 5는 이상유동 열전달 현상 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이상유동 열전달 현상을 이용하는 열교환부의 경우, 고온의 열교환매체가 흐르는 방출용 튜브(도 5에서는 좌측 튜브), 저온의 열교환매체가 흐르는 흡수용 튜브(도 5에서는 우측 튜브), 그리고 이 두 튜브들에 다른 열교환매체(도 5에서는 냉각수이나, 물론 다른 액체여도 무방하다)를 분사해 주는 노즐, 이 세 가지를 기본적으로 필요로 한다.
방출용 튜브 내에는 고온의 열교환매체가 흘러가고 있으며, 흡수용 튜브 내에는 저온의 열교환매체가 흘러가고 있다. 기존의 열교환기의 경우에는 이러한 두 튜브를 밀착시켜 줌으로써, 튜브 벽면을 통해 고온측에서 저온측으로 열이 전달되도록 하였으나, 이상유동 열전달 현상을 이용하는 열교환부에서는 그렇게 하지 않고 두 튜브를 적절한 간격으로 이격시켜 둔다.
노즐은 방출용 튜브 측에 구비되어, 방출용 튜브로 냉각수를 분사해 준다. 냉각수가 분사되어 그 물방울들이 방출용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 냉각수 물방울들이 방출용 튜브 내의 고온의 열교환매체가 가지고 있는 열을 순간적으로 흡수하여 빠르게 증발하게 된다. 즉 방출용 튜브 외면에서는 냉각수 물방울들에 의하여 급격하게 많은 양의 증발열이 흡수됨으로써 급랭되는 현상이 일어나며(Tube outside: Quenching), 방출용 튜브 내부에서는 고온의 열교환매체가 냉각수 물방울들의 증발열로서 자신이 가지고 있던 열을 빼앗겨 방출하고 냉각되어 응축되는 현상이 일어난다(Tube inside: Condensation).
상술한 바와 같이 방출용 튜브 주변에서 냉각수는 모두 증발하여 증기 상태가 되는데, 이 증기는 방출용 튜브와 이격되어 배치되어 있는 흡수용 튜브와 접촉하게 된다. 이 때 흡수용 튜브에는 저온의 열교환매체가 흐르고 있기 때문에, 증기가 흡수용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 증기는 흡수용 튜브 내의 저온의 열교환매체로 순간적으로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 흡수용 튜브 외면에 맺히게 된다. 즉 흡수용 튜브 외면에서는 증기가 저온의 열교환매체로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 응축수가 되어 튜브 외면에 맺히거나 흘러내리는 현상이 일어나며(Tube outside: Condensing), 흡수용 튜브 내부에서는 저온의 열교환매체가 증기로부터 열을 흡수함으로써 증발되는 현상이 일어난다(Tube inside: Evaporation).
이와 같이 이상유동 열전달 현상에서는, 방출용 튜브 및 흡수용 튜브가 서로 이격되어 있되, 노즐에서 분사되는 별도의 열교환매체(도 5의 예시에서는 냉각수)가, 노즐에서 액체 상태로 분사되어 방출용 튜브 근처에서 증발되어 기체 상태가 되었다가 흡수용 튜브 근처에서 응축되어 다시 액체 상태로 되돌아오는 방식으로, 기상 - 액상의 두 상(two-phase)으로 변화해 가면서 열전달을 수행한다. 이러한 이상유동 열전달 방식은 기존의 열전달 방식에 비하여 훨씬 빠르고 효과적으로 열전달이 이루어지도록 한다는 연구가 최근 발표된 바 있다. 본 발명은 상기 상측공간(V1)에서 바로 이러한 이상유동 열전달 원리를 이용하여 냉각재의 열흡수가 이루어지도록 함으로써, 상기 훨씬 빠르고 효과적인 냉각을 실현할 수 있다. 다만 도 5의 이상유동 열전달 장치의 기본형태와 약간은 변경된 형태로서 이상유동 열전달 원리를 이용한다.
본 발명에서, 상기 냉각수저장용기(120)는, 상기 상측공간(V1) 내에 배치된 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 증기를 분사하도록 상기 제1냉각수순환관(131) 타단 측에 구비되는 증기분사노즐(127)을 포함한다. 이에 따라 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 접촉되어 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내를 유통하는 외부냉각수로 열이 흡수됨으로써 증기가 액상으로 응축되도록 함으로써 열전달이 일어나게 된다. 이 때 상기 상측외부냉각수열교환기(124)가 도 5의 예시에서의 흡수용 튜브, 상기 증기분사노즐(127)이 도 5의 예시에서의 노즐에 해당한다. 도 5의 예시에서의 방출용 튜브에 직접적으로 해당하는 장치는 상기 상측공간(V1) 내에 없다고 볼 수 있다. 그러나 상기 원자로단열용기(111)에서 발생되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사되는 증기는, 말하자면 방출용 튜브를 지나면서 만들어진 "고온의 증기" 역할을 하게 되며, 이 증기가 흡수용 튜브 역할을 하는 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 외부에 접촉되어 응축된다(기상 → 액상). 상기 상측공간(V1) 내에 채워진 냉각수와 합쳐지게 된다. 한편 상기 상측공간(V1) 내에 채워진 냉각수는 순환을 통해 상기 원자로단열용기(111) 쪽으로 흘러가며, 여기에서 다시 증발하여 증기가 되어 상기 상측공간(V1)으로 흘러가 분사된다(액상 → 기상). 즉 상기 원자로단열용기(111)가 조금 떨어져 있는 방출용 튜브 역할을 한다고 볼 수 있으며, 흡수용 튜브 역할을 하는 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 입장에서는 충분히 원활한 이상유동 열교환에 의한 열전달이 일어나게 된다.
이처럼 본 발명에서는, 상기 냉각수저장용기(120) 내의 공간이 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2)으로 나뉨으로써 2단 열교환을 통한 원자로 냉각이 실현되게 한다. 특히 상기 상측공간(V1)에서는 이상유동 열전달원리를 이용하여 열교환이 이루어지게 함으로써 신속하고 효율적인 냉각이 이루어지게 하며, 상기 하측공간(V2)에서는 기본적인 열전달원리를 이용하기는 하되 외부냉각수가 상기 하측공간(V2)부터 통과하게 함으로써 외부냉각수의 온도가 가장 낮은 상태에서 열교환이 이루어지게 함으로써 역시 상당히 효율적인 냉각이 이루어지게 한다.
이처럼 2단 열교환이 이루어지게 함으로써, 1단 열교환에 비해 자연대류 순환의 유량이 증가되고 내부 압력은 낮출 수 있어, 종래에 비해 훨씬 효과적인 원자로 냉각을 실현할 수 있게 된다.
[2] 본 발명의 2단 열교환에 의한 자연순환 냉각계통을 가지는 원자로의 작동방법
[1]절에서 본 발명의 원자로의 각부 배치 및 연결관계를 설명하면서 대략적으로 냉각수 흐름을 설명하였으나, [2]절에서는 단계적으로 보다 명확하게 냉각수 흐름을 설명한다. 도 6은 본 발명의 원자로의 사고상태를 도시한 것으로, 도 6을 통해 사고상태 시 본 발명의 원자로에서의 냉각수 흐름을 통한 상기 원자로의 작동방법을 단계적으로 설명한다.
본 발명의 원자로의 작동방법은, 크게 볼 때 원자로발생열흡수단계, 1단열교환단계, 2단열교환단계로 이루어진다. 상기 원자로발생열흡수단계에서는 냉각수가 상기 원자로단열용기(111) → 상기 상측공간(V1)으로 흘러가고, 상기 1단열교환단계에서는 냉각수가 상기 상측공간(V1) → 상기 하측공간(V2)으로 흘러가고, 상기 2단열교환단계에서는 냉각수가 상기 하측공간(V2) → 상기 원자로단열용기(111)로 흘러가서 순환이 이루어진다.
상기 원자로발생열흡수단계에서는, 상기 제3냉각수순환관(133)을 통해 상기 하측공간(V2)에 수용된 냉각수가 상기 원자로단열용기(111)로 유입되어 상기 원자로구동계통(150)에서 발생된 열에 의해 증기로 변화한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 냉각수저장용기(120)가 상기 원자로단열용기(111)보다 높은 곳에 위치하고 있기 때문에, 냉각수는 수두차에 의하여 상기 원자로단열용기(111)로 자연스럽게 흘러내려오게 된다. 사고발생 초기에는 원자로단열용기(111) 내부의 기체가 빠르게 고온이 되며 이에 따라 상당한 고압이 되므로, 수두차를 이기고 역방향으로 기체가 상기 냉각수저장용기(120) 쪽으로 흘러들어올 수도 있다. 그러나 상기 원자로단열용기(111) 내부의 압력이 증가하면(이후 설명될 일련의 단계를 통해) 상기 냉각수저장용기(120) 내의 압력도 증가하게 되므로, 수두차 뿐만 아니라 압력까지 더해짐으로써 초기의 과도기를 지나면 냉각수는 결국 상기 원자로단열용기(111)로 흘러들어올 수 있게 된다. 이러한 초기 과도기 시간을 보다 줄여줄 수 있도록, 상기 원자로발생열흡수단계 이전에, 상기 단열용기기체배출관(112)을 통해 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체가 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 배출되는 기체배출단계가 수행되는 것이 바람직하다.
상기 1단열교환단계에서는, 상기 원자로단열용기(111) 내의 증기가 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 상기 상측공간(V1)으로 유입된다. 이 때 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 상기 상측공간(V1)으로 유입된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내의 외부냉각수와 열교환하게 된다. 한편 앞서 설명한 바와 같이, 상기 냉각수저장용기(120)에 상기 물증기분리벽(126) 및 상기 증기분사노즐(127)이 구비되는 경우, 상기 1단열교환단계는 다음과 같은 단계들을 거쳐 냉각수 흐름 및 열교환이 일어나게 된다.
상기 1단열교환단계에서의 냉각수 흐름은 다음과 같이 이루어진다. 먼저 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측공간(V1) 상부로 모여 압력을 형성한다. 다음으로 상기 상측공간(V1) 상부의 압력에 의해 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 물증기분리벽(126)의 하부로 유입된다. 마지막으로 유입된 냉각수에 의해 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 상승하여 상기 상측공간(V1) 상측에 배치된 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단으로 냉각수가 배출되어, 상기 상측공간(V1) → 상기 하측공간(V2)으로의 냉각수 흐름이 이루어지게 된다.
상기 1단열교환단계에서의 열교환은 다음과 같이 이루어진다. 먼저 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 접촉된다. 다음으로 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내를 유통하는 외부냉각수로 열이 흡수됨으로써 증기가 액상으로 응축된다. 즉 상기 상측외부냉각수열교환기(124)가 앞서 설명한 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에서의 흡수용 튜브 역할을 하게 되어, 매우 효율적인 열전달이 이루어지게 된다.
상기 2단열교환단계에서는, 상기 상측공간(V1)에 유입된 증기로 인하여 상기 상측공간(V1) 내 압력이 증가하고 상기 하측공간(V2)으로부터 상기 원자로단열용기(111)로 냉각수가 배출됨에 따라 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 하측공간(V2)으로 유입된다. 이 때 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 하측공간(V2)으로 유입된 냉각수 또는 증기의 응축수가 상기 하측외부냉각수열교환기(125) 내의 외부냉각수와 열교환하게 된다.
이렇게 상기 하측공간(V2)으로 유입된 냉각수는 상기 원자로발생열흡수단계를 통해 상기 원자로단열용기(111)로 유입되며, 이에 따라 상기 원자로발생열흡수단계로부터 다시 상기 1단, 2단열교환단계가 순차적으로 수행되어 자연대류 순환에 의한 원자로 냉각이 원활하게 이루어지게 된다.
한편 상기 원자로안전계통(100)이 상기 잔열냉각열교환기(140)를 더 포함하는 경우, 상기 원자로의 작동방법은 상술한 자연대류 순환 2단 열교환에 의한 냉각과정과 더불어, 다음과 같은 단계들을 통하여 잔열제거과정이 더 이루어질 수 있다.
먼저 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 상기 잔열냉각관(141)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(140)로 유통된다. 다음으로 상기 잔열냉각열교환기(140) 내의 열교환매체가 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수와 열교환하여 잔열을 버리게 된다. 다음으로 상기 잔열냉각열교환기(140) 내의 열교환매체가 상기 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153)로 귀환한다. 이렇게 귀환한 열교환매체는 상기 증기발생기(153)에서 다시 열을 흡수하여, 다시 상기 잔열냉각관(141)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(140)로 유통됨으로써, 상기 증기발생기(153) 및 상기 잔열냉각열교환기(140) 사이에서 열교환매체가 순환 유통되면서 자연스럽게 잔열 제거가 이루어지게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 원자로안전계통
110 : 원자로격납용기
111 : 원자로단열용기
112 : 단열용기기체배출관 112v : 단열용기기체배출밸브
120 : 냉각수저장용기
V1 : 상측공간 V2 : 하측공간
121 : 격벽
122 : 외부냉각수급수관
123 : 외부냉각수배수관
124 : 상측외부냉각수열교환기
125 : 하측외부냉각수열교환기
126 : 물증기분리벽
127 : 증기분사노즐
130 : 냉각수순환계통
131 : 제1냉각수순환관 131v : 제1냉각수순환밸브
132 : 제2냉각수순환관
133 : 제3냉각수순환관 133v : 제3냉각수순환밸브
140 : 잔열냉각열교환기
141 : 잔열냉각관 141v : 잔열냉각밸브
142 : 잔열귀환관 142v : 잔열귀환밸브
150 : 원자로구동계통
151 : 원자로노심
152 : 원자로용기
153 : 증기발생기
154 : 증기관 154v : 증기관밸브
155 : 급수관 155v : 급수관밸브

Claims (16)

  1. 원자로노심(151)을 수용하는 원자로용기(152), 증기관(154) 및 급수관(155)이 연결된 증기발생기(153)를 포함하여 이루어지는 원자로구동계통(150) 및
    상기 원자로용기(152)를 수용하는 원자로단열용기(111)를 하부에 수용하는 원자로격납용기(110);
    상기 원자로격납용기(110) 외측 상부에 배치되며, 격벽(121)에 의해 내부공간이 상하로 나뉘어 상측공간(V1) 및 하측공간(V2) 각각에 냉각수가 저장되되,
    외부냉각수가 외부냉각수급수관(122)을 통해 유입되어 외부냉각수배수관(123)을 통해 배출되는 유로가 상기 하측공간(V2) 및 상기 상측공간(V1)을 순차적으로 통과하도록 배치되고,
    상기 상측공간(V1) 내의 상기 유로 상에 상측외부냉각수열교환기(124)가 구비되고, 상기 하측공간(V2) 내의 상기 유로 상에 하측외부냉각수열교환기(125)가 구비되는 냉각수저장용기(120);
    일단이 상기 원자로단열용기(111) 상부와 연통되고 타단이 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 원자로단열용기(111)에서 발생된 증기를 상기 상측공간(V1)으로 유통시키는 제1냉각수순환관(131),
    일단이 상기 상측공간(V1) 상측에 배치되고 타단이 상기 하측공간(V2)과 연통되어 상기 상측공간(V1)에 수용된 냉각수 또는 증기의 응축수를 상기 하측공간(V2)으로 유통시키는 제2냉각수순환관(132),
    일단이 상기 하측공간(V2) 하부와 연통되고 타단이 상기 원자로단열용기(111) 하부와 연통되어 상기 하측공간(V2)에 수용된 냉각수를 상기 원자로단열용기(111)로 유통시키는 제3냉각수순환관(133)을 포함하는 냉각수순환계통(130);
    을 포함하여 이루어지는 원자로안전계통(100)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 원자로안전계통(100)은,
    상기 냉각수순환계통(130)을 통해 상기 원자로단열용기(111) 내로 유입된 냉각수가 증기 또는 냉각수의 형태로 상기 상측공간(V1) 및 상기 하측공간(V2)을 순차적으로 통과하면서, 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 및 상기 하측외부냉각수열교환기(125)와 2단에 걸쳐 열교환되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 냉각수저장용기(120)는,
    상기 제2냉각수순환관(132)를 둘러싸도록 형성되되 하부가 개방되어 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 하부를 통해 유통가능하게 형성되는 물증기분리벽(126),
    상기 상측공간(V1) 내에 배치된 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 증기를 분사하도록 상기 제1냉각수순환관(131) 타단 측에 구비되는 증기분사노즐(127)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측공간(V1) 상부로 모여 압력을 형성하고, 상기 상측공간(V1) 상부의 압력에 의해 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 물증기분리벽(126)의 하부로 유입되며, 유입된 냉각수에 의해 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 상승하여 상기 상측공간(V1) 상측에 배치된 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단으로 냉각수가 배출가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 접촉되어 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내를 유통하는 외부냉각수로 열이 흡수됨으로써 증기가 액상으로 응축되는, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
  6. 제 1항에 있어서,
    평상상태 시, 상기 증기관(154)에 구비된 증기관밸브(154v) 및 상기 급수관(155)에 구비된 급수관밸브(155v)가 개방되고, 상기 제1냉각수순환관(131)에 구비된 제1냉각수순환밸브(131v) 및 상기 제3냉각수순환관(133)에 구비된 제3냉각수순환밸브(133v)가 폐쇄되며,
    사고상태 시, 상기 증기관밸브(154v) 및 상기 급수관밸브(155v)가 폐쇄되고, 상기 제1냉각수순환밸브(131v) 및 상기 제3냉각수순환밸브(133v)가 개방되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 원자로안전계통(100)은,
    일단이 잔열냉각관(141)을 통해 상기 증기발생기(153) 일측과 연결되고 타단이 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153) 타측과 연결되며, 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 순환유통되면서 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수로 잔열을 버리도록 형성되는 잔열냉각열교환기(140);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
  8. 제 7항에 있어서,
    평상상태 시, 상기 잔열냉각관(141)에 구비된 잔열냉각밸브(141v) 및 상기 잔열귀환관(142)에 구비된 잔열귀환밸브(142v)가 폐쇄되며,
    사고상태 시, 상기 잔열냉각밸브(141v) 및 상기 잔열귀환밸브(142v)가 개방되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 원자로단열용기(111)는,
    일단이 상기 원자로단열용기(111) 하부에 연결되고 타단이 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 개방되어 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체를 배출하는 단열용기기체배출관(112)이 구비되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  10. 제 9항에 있어서,
    평상상태 시, 상기 단열용기기체배출관(112)에 구비된 단열용기기체배출밸브(112v)가 폐쇄되며,
    사고상태 시, 상기 단열용기기체배출밸브(112v)가 개방되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  11. 제 1항에 의한 원자로의 작동방법에 있어서,
    사고상태 시,
    상기 제3냉각수순환관(133)을 통해 상기 하측공간(V2)에 수용된 냉각수가 상기 원자로단열용기(111)로 유입되어 상기 원자로구동계통(150)에서 발생된 열에 의해 증기로 변화하는 원자로발생열흡수단계;
    상기 원자로단열용기(111) 내의 증기가 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 상기 상측공간(V1)으로 유입되는 1단열교환단계;
    상기 상측공간(V1)에 유입된 증기로 인하여 상기 상측공간(V1) 내 압력이 증가하고 상기 하측공간(V2)으로부터 상기 원자로단열용기(111)로 냉각수가 배출됨에 따라 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 하측공간(V2)으로 유입되는 2단열교환단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 작동방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 1단열교환단계에서, 상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 상기 상측공간(V1)으로 유입된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내의 외부냉각수와 열교환하며,
    상기 2단열교환단계에서, 상기 제2냉각수순환관(132)을 통해 상기 하측공간(V2)으로 유입된 냉각수 또는 증기의 응축수가 상기 하측외부냉각수열교환기(125) 내의 외부냉각수와 열교환하는 것을 특징으로 하는 원자로의 작동방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 냉각수저장용기(120)는,
    상기 제2냉각수순환관(132)를 둘러싸도록 형성되되 하부가 개방되어 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 하부를 통해 유통가능하게 형성되는 물증기분리벽(126),
    상기 상측공간(V1) 내에 배치된 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 증기를 분사하도록 상기 제1냉각수순환관(131) 타단 측에 구비되는 증기분사노즐(127)을 포함하며,
    상기 1단열교환단계는,
    상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측공간(V1) 상부로 모여 압력을 형성하는 단계,
    상기 상측공간(V1) 상부의 압력에 의해 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수가 상기 물증기분리벽(126)의 하부로 유입되는 단계,
    유입된 냉각수에 의해 상기 물증기분리벽(126) 내의 수위가 상승하여 상기 상측공간(V1) 상측에 배치된 상기 제2냉각수순환관(132)의 일단으로 냉각수가 배출되는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 작동방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 1단열교환단계는,
    상기 제1냉각수순환관(131)을 통해 유통되어 상기 증기분사노즐(127)에서 분사된 증기가 상기 상측외부냉각수열교환기(124)에 접촉되는 단계,
    상기 상측외부냉각수열교환기(124) 내를 유통하는 외부냉각수로 열이 흡수됨으로써 증기가 액상으로 응축되는, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열전달이 이루어지는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 작동방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 원자로안전계통(100)은,
    일단이 잔열냉각관(141)을 통해 상기 증기발생기(153) 일측과 연결되고 타단이 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153) 타측과 연결되며, 상기 상측공간(V1) 내에 배치되어 상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 순환유통되면서 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수로 잔열을 버리도록 형성되는 잔열냉각열교환기(140);
    를 더 포함하며,
    상기 원자로의 작동방법은,
    상기 증기발생기(153) 내의 열교환매체가 상기 잔열냉각관(141)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(140)로 유통되는 단계,
    상기 잔열냉각열교환기(140) 내의 열교환매체가 상기 상측공간(V1) 내의 냉각수와 열교환하여 잔열을 버리는 단계,
    상기 잔열냉각열교환기(140) 내의 열교환매체가 상기 잔열귀환관(142)을 통해 상기 증기발생기(153)로 귀환하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 작동방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 원자로단열용기(111)는,
    일단이 상기 원자로단열용기(111) 하부에 연결되고 타단이 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 개방되어 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체를 배출하는 단열용기기체배출관(112)이 구비되며,
    상기 원자로의 작동방법은,
    사고상태 시,
    상기 원자로발생열흡수단계 이전에,
    상기 단열용기기체배출관(112)을 통해 상기 원자로단열용기(111) 내의 기체가 상기 원자로격납용기(110) 내 공간으로 배출되는 기체배출단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 작동방법.
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