KR102548489B1 - 피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법 - Google Patents

피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피동냉각 설비에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 열을 발생하는 열원부; 상기 열원부보다 상부에 배치되고, 상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 피동으로 상기 매체의 열을 제거하는 피동냉각 장치; 및 상기 피동냉각 장치에서 일부 열이 제거되어 배출되는 상기 매체의 열을 제거하는 그라운드부를 포함하는, 피동냉각 설비가 제공될 수 있다.

Description

피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법{PASSIVE COOLING INSTALLATION, PASSIVE COOLING DEVICE AND PASSIVE COOLING METHOD}
본 발명은 피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법에 관한 것으로, 선박에 설치된 원자로를 피동냉각할 수 있는 피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법에 대한 발명이다.
후쿠시마 사고 이후, 원자력 시설의 피동냉각에 대한 설계 최적화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 피동냉각 설비는 원자로에 사고 등이 발생하는 경우, 원자로의 운전이 정지된 상태에서 노심에 남아있는 잔열을 제거하기 위한 설비이다. 이러한 피동냉각 설비는 노심의 잔열을 제거할 때 전원을 사용하지 않은 상태에서, 대략 3일 정도 운영될 수 있도록 설계된다.
원자로의 사고가 발생한 이후 약 3일 이후에 사용자가 원자로에 개입할 수 있게 제한하는 것이 세계적인 추세이다. 따라서 피동냉각 설비는 노심의 잔열을 3일 이상 제거할 수 있어야 한다.
이러한 피동냉각에 대한 설비는 육상에 설치된 원자로뿐만 아니라, 선박에 설치된 원자로에도 적용할 필요가 있다. 그런데, 선박의 경우, 육상에서보다 가혹한 환경에서 사고가 발생할 수 있기 때문에 사고 발생 후 3일이 경과한 경우에도 사용자의 개입이 어려울 수 있다.
한편, 최근 육상에 설치된 피동냉각 설비는 대부분 열원의 상부에 거대한 물탱크를 설치하는 구조이다. 이렇게 거대한 물탱크가 설치된 피동냉각 설비는 물탱크를 매우 높은 위치에 설치할 필요가 있어 진동 등이 쉽게 발생할 수 있는 선박에 설치하는 것이 쉽지 않다.
대한민국 등록특허 제10-1915977호 (2018.11.01.)
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 배경에서 발명된 것으로서, 3일 보다 장기간에 걸쳐 원자로의 노심 잔열을 제거할 수 있는 피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법을 제공하고자 한다.
또한, 자연순환 원리를 이용하여 유체구동력을 얻어 잔열을 제거할 수 있는 피동냉각 설비, 피동냉각 장치 및 피동냉각 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열을 발생하는 열원부; 상기 열원부보다 상부에 배치되고, 상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 피동으로 상기 매체의 열을 제거하는 피동냉각 장치; 및 상기 피동냉각 장치에서 일부 열이 제거되어 배출되는 상기 매체의 열을 제거하는 그라운드부를 포함하는, 피동냉각 설비가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전달되는 열을 공기에 의해 열교환하는 제1 피동 열교환기; 상부 및 하부가 개방되고, 상기 제1 피동 열교환기가 내부에 배치되는 내부 하우징; 상기 내부 하우징을 감싸도록 배치되고, 내부에 물이 수용되는 하우징; 상기 내부 하우징의 하부에 배치되며, 상기 하우징에서 물이 공급되어 수용되는 비등팟(Boiling Pot); 및 상기 비등팟 내부에 배치되고, 상기 제1 피동 열교환기를 거쳐 전달되는 열을 물에 의해 열교환하는 제2 피동 열교환기를 포함하는, 피동냉각 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 열원보다 상부에 피동냉각 장치를 배치하되, 피동냉각 장치가 자연 순환에 의한 구동력을 일으킬 수 있을 정도의 성능을 가지며, 대부분의 잔열을 수평 방향이나 하부에 배치된 그라운드부를 통해 제거될 수 있어, 자연 순환을 통해 열원인 노심의 잔열을 제거할 수 있다.
또한, 피동냉각 장치에 물이 있는 동안 물을 이용하여 노심의 잔열을 제거하고, 피동냉각 장치의 물이 모두 소진된 이후에도 내부 하우징의 내부를 유동하는 공기를 이용하는 공랭 방식으로 노심의 잔열을 제거할 수 있어, 초기부터 장기간 동안 피동냉각을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비의 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비에서 피동냉각 장치로 이동하는 매체가 동결되는 것을 방지하기 위한 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비의 피동냉각 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비의 피동냉각 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비(10)은, 열원부(100), 피동냉각 장치(200) 및 그라운드부(300)를 포함한다.
열원부(100)는 열이 발생되는 구성으로서 피동냉각 설비(10)의 냉각대상이다. 일 예로, 본 실시예에서의 열원부(100)는 원자로일 수 있다. 그리고 원자로의 내부에 노심이 배치될 수 있다. 이러한 원자로의 노심에서 발생된 열은 원자로에 포함된 증기발생기에서 열교환이 이루어지고, 증기발생기에서 증기를 발생시킬 수 있다.
그리고 증기발생기에서 생성된 증기는 증기터빈(400)을 거쳐 대부분의 열에너지를 잃고 복수기(500)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이렇게 열원부(100) 내부에서 열교환을 위해 열원부(100)는 열원 열교환기(110)를 포함할 수 있다.
피동냉각 장치(200)는, 열원부(100)가 사고에 의해 동작이 정지되는 경우에 열원부(100)로부터 열이 전달된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 경우, 열원부(100)에서 생성된 열은 증기의 형태로 증기터빈(400) 측으로 이동되지만, 열원부(100)에 사고가 발생하여 정지되는 경우, 피동냉각 장치(200) 측으로 이동될 수 있다.
이를 위해 사고가 발생하는 경우, 열원부(100)에서 배출되는 증기가 증기터빈(400) 측이 아닌 피동냉각 장치(200) 측으로 전환하기 위한 피동 밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 이러한 피동 밸브는 열원부(100)와 피동냉각 장치(200)를 연결하는 연결관(CP)에 설치될 수 있다.
여기서, 피동냉각 설비에서 열을 이송하는 매체는, 물일 수 있으며 온도에 따라 증기의 상태일 수 있다.
이때, 피동 밸브는, 전원이 공급되는 경우 열원부(100)에서 생성된 증기가 증기터빈(400) 측으로 이송되도록 폐쇄되며, 공급되는 전원이 차단되는 경우 열원부(100)에서 생성된 증기가 피동냉각 장치(200) 측으로 이송되도록 개방될 수 있다.
이러한 피동냉각 장치(200)는, 열원부(100)에서 발생된 열을 제거하기 위해 열원부(100)보다 상부에 배치되며, 자연 순환에 의한 구동력을 일으킬 수 있을 정도로 증기의 형태로 이송된 열을 제거할 수 있다.
즉, 피동냉각 장치(200)는 열원부(100)에서 발생된 열이 자연 대류 현상에 의해 이송될 수 있을 정도로 열원부(100)보다 상부에 배치될 수 있다.
열원부(100)에서 생성된 열은, 고온의 물이나 증기의 형태로 열원부(100)에서 배출되는데, 열원부(100)의 입구 측에 있는 물보다 밀도가 낮기 때문에 상부로 이동한다.
따라서 열원부(100)에서 생성된 열은 열원부(100)보다 상부에 배치된 피동냉각 장치(200) 측으로 이송될 수 있다.
열원부(100)에서 생성된 열은 피동냉각 장치(200)에서 일정 정도 이하로 냉각된다. 이를 위해 피동냉각 장치(200)에는 피동 열교환기(210)가 배치될 수 있다.
이때, 피동냉각 장치(200)에서 냉각된 물이나 증기는 상대적으로 밀도가 높아 상부에 배치된 피동냉각 장치(200)에서 하부로 이동함에 따라 그라운드부(300)를 거쳐 열원부(100)까지 이송될 수 있는 구동력이 발생될 수 있다.
즉, 피동냉각 장치(200)에서 냉각된 유체는 그라운드부(300) 측으로 자중에 의해 이동함에 따라 열원부(100), 피동냉각 장치(200) 및 그라운드부(300)를 순환할 수 있는 구동력이 발생할 수 있다.
여기서, 본 실시예에 따른 피동냉각 설비(10)이 선박에 설치되는 것을 일례로 들어 설명하면, 열원부(100)는 선박의 내부에 배치되며, 피동냉각 장치(200)는 선박의 외부에 배치될 수 있다.
특히, 피동냉각 장치(200)는 선박의 외부에 배치되되, 열원부(100)보다 높은 위치에 배치되도록 할 수 있다.
피동냉각 장치(200)가 선박의 외부에 배치되는 것은, 사고의 발생으로 열원부(100)의 동작이 정지될 때 피동냉각 장치(200)가 이용되기 때문에 선박의 내부 온도보다 선박의 외부 온도가 낮을 경우가 많기 때문이다.
또한, 피동냉각 장치(200)에 열원부(100)의 열이 직접적인 영향을 받지 않기 위함이다.
이러한 피동냉각 장치(200)는, 물을 이용하여 냉각하는 수랭 장치가 이용될 수 있고, 또는, 공기를 이용하여 냉각하는 공기냉각기가 이용될 수 있다. 또는, 필요에 따라 물과 공기를 모두 이용하여 냉각하는 냉각기가 이용될 수도 있다.
그라운드부(300)는 열원부(100)에서 발생된 열을 냉각시키기 위해 구비된다. 그라운드부(300)는 냉각을 위해 내부에 다량의 냉각수가 배치될 수 있으며, 피동냉각 장치(200)를 거쳐 일부 냉각된 열이 냉각될 수 있다.
그라운드부(300)는 별도로 구비되어 냉각수가 수용되는 냉각 탱크일 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 별도의 탱크가 구비되지 않고, 바다의 온도를 직접적으로 이용할 수 있다. 즉, 그라운드부(300)는 바다일 수 있다.
그라운드부(300)에는 열을 냉각하기 위한 그라운드 열교환기(310)가 배치되는데, 그라운드 열교환기(310)가 바다에 노출되어 해수와 직접 접촉되도록 배치된 상태로 열교환이 이루어질 수 있다.
예컨대, 선박의 경우, 그라운드 열교환기(310)가 외부로 노출되어 해수와 직접 접촉되어 해수에 의한 냉각이 이루어질 수 있다.
그라운드부(300)는 바다의 해수를 그대로 이용할 수 있으며, 해수의 온도를 이용하여 열원부(100)에서 배출되는 열을 냉각할 수 있다. 따라서 선박의 경우, 해수의 온도가 낮은 지역에서는 열원부(100)에서 발생된 열이 보다 효과적으로 냉각될 수 있다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 피동냉각 설비에서, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 경우, 열원부(100)와 피동냉각 장치(200) 사이를 연결하는 연결관(CP)은 사고에 대비하기 위해 상시적으로 물이 채워질 수 있다.
이러한 피동냉각 설비가 선박에 설치되는 경우 선박은 주변 온도가 영하인 지역으로 이동할 수 있고, 그에 따라 연결관(CP)이 외부로 노출되는 경우 연결관(CP) 내부의 물이 동결될 수 있다.
이렇게 연결관(CP)이 동결되는 경우, 연결관(CP)이 파손될 수 있는 위험이 있다. 연결관(CP)의 동결을 방지하기 위해 연결관(CP)에 전기열선을 설치하거나 열원부(100)의 열을 분기하여 연결관(CP)으로 분기할 수 있지만, 이는 경제성이 높지 않다.
그에 따라 연결관(CP)이 동결되는 것을 방지하기 위해, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 동안, 증기터빈(400)에서 복수기(500)로 배출되는 열을 연결관(CP)으로 공급할 수 있다. 이때, 증기터빈(400)에서 연결관(CP)으로 공급되는 열은 증기의 상태로 공급될 수 있다.
또한, 복수기(500) 내에 수용된 물이 상온이거나 높은 온도를 갖는 물이므로, 이를 제3 펌프(P3)를 이용하여 연결관(CP)으로 공급할 수 있다.
따라서 증기터빈(400)에서 배출되는 증기 또는 복수기(500) 내에 수용된 물을 연결관(CP)에 공급함에 따라 연결관(CP) 내의 물이 동결되는 것을 방지할 수 있다.
이때, 증기터빈(400)에서 연결관(CP)으로 증기를 공급하는 관에 체크밸브가 설치될 수 있고, 또한, 복수기(500)에서 연결관(CP)으로 물을 공급하는 관에 체크밸브가 설치될 수 있다.
이는, 사고가 발생했을 때, 열원부(100)에서 피동냉각 장치(200)로 증기가 공급될 때, 증기터빈(400)이나 복수기(500)로 증기가 이동되는 것을 방지하기 위함이다.
이때, 열원부(100)가 정상적으로 동작되는 경우에도 피동냉각 장치(200)는 연결관(CP)을 통해 공급되는 물의 온도를 냉각하여 배출할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 연결관(CP)이 동결되는 것을 방지하기 위해 피동냉각 장치(200)에는, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 동안, 증기터빈(400) 또는 복수기(500)에서 공급된 증기나 물이 공급될 수 있다.
따라서 피동냉각 장치(200)는, 증기터빈(400)이나 복수기(500)로부터 증기나 물이 공급되면, 공급되는 증기나 물의 온도를 냉각하여 배출할 수 있다.
복수기(500)는, 열원부(100)가 정상적으로 동작되는 동안 내부에 수용된 물을 제1 펌프(P1)를 이용하여 열원부(100)로 공급할 수 있다. 그리고 그라운드부(300)에서 복수기(500)에 설치된 복수 열교환기(510)로 공급되는 냉각수는 제2 펌프(P2)를 이용하여 공급될 수 있다.
따라서 복수기(500)에서는 그라운드부(300)에서 공급된 냉각수에 의해 증기터빈(400)에서 공급된 증기가 냉각될 수 있다.
다음으로, 도 3 및 도 4에 도시된 도면을 이용하여 피동냉각 장치(200)에 대해 보다 상세하게 설명한다.
피동냉각 장치(200)는, 연결관(CP)을 통해 공급된 증기나 물의 온도를 냉각할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 피동냉각 장치(200)는, 열원부(100)가 사고에 의해 동작이 정지되는 경우, 열원부(100)에서 발생하는 잔열을 제거하기 위해 구비되며, 이를 위해 열원부(100)에서 배출되는 증기를 연결관(CP)을 통해 공급받을 수 있다.
본 실시예에서, 피동냉각 장치(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 물과 공기를 모두 이용하여 증기를 냉각할 수 있다. 즉, 피동냉각 장치(200)는 수랭 방식 또는 공랭 방식으로 공급된 증기를 냉각할 수 있다.
이러한 피동냉각 장치(200)는, 제1 피동 열교환기(212), 제2 피동 열교환기(214), 하우징(220), 내부 하우징(230), 증기 챔버(240), 스프레이(250), 비등팟(Boiling Pot, 260) 및 팟 연결관(270)을 포함한다.
제1 피동 열교환기(212)는, 내부 하우징(230)의 내부에 배치되고, 내부 하우징(230)의 하부에서 외부 공기가 공급되어 공급된 공기를 이용하여 열을 냉각한다. 제1 피동 열교환기(212)는 공랭식 열교환기이다.
제2 피동 열교환기(214)는, 비등팟(260)의 내부에 배치되고, 비등팟(260)을 채운 물을 이용하여 열을 냉각한다. 이때, 비등팟(260)에는 하부에서 물이 공급되고, 제2 피동 열교환기(214)를 통해 열교환이 이루어지며, 열교환에 의해 비등팟(260)의 물이 증발될 수 있다. 이러한 제2 피동 열교환기(214)는 수냉식 열교환기이다.
하우징(220)은 상면이 개방되고 하면이 폐쇄된다. 그리고 하우징(220)은 내부에 물이 채워질 수 있는 중공을 갖는다. 이러한 하우징(220)에 채워진 물은 제2 피동 열교환기(214)에서 수냉식으로 열교환이 이루어질 수 있도록 비등팟(260)에 공급될 수 있다.
증기 이송관(222)은 하우징(220) 내부에 배치되고, 일단이 비등팟(260)에 배치되고, 타단이 증기 챔버(240)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 증기 이송관(222)은 비등팟(260)에서 발생된 증기를 증기 챔버(240)로 이송할 수 있다.
내부 하우징(230)은 하면과 상면이 개방되고 내부에 중공을 가질 수 있다. 내부 하우징(230)의 하단과 하우징(220)의 하단이 연결됨에 따라 내부 하우징(230)의 외면과 하우징(220)의 내면 사이에 물이 수용될 수 있는 공간이 형성될 수 있다.
즉, 하우징(220)의 내부에 구비된 중공은 내부 하우징(230)과 하우징(220)의 사이 공간일 수 있다.
이때, 내부 하우징(230)과 하우징(220)은 하단이 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
그리고 내부 하우징(230)의 내부는 상면 및 하면이 개방되고 내부에 중공을 가지는데, 하부에서 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
이렇게 내부 하우징(230)의 내부 형상이 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가짐에 따라 개방된 하면을 통해 내부로 유입된 공기가 상부로 이동할수록 점차 이동속도가 빨라질 수 있다.
이때, 내부 하우징(230)의 개방된 하면은 완전히 개방된 상태일 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 공기가 유동될 수 있는 구조이면 되므로, 완전히 개방되지 않을 수도 있다.
즉, 내부 하우징(230)의 하면은 복수 개의 공기 홀이 형성된 플레이트가 배치될 수 있다. 플레이트에 형성된 복수 개의 공기 홀은 공기의 원활한 유입을 위해 가급적 크게 형성될 수 있다.
내부 하우징(230)의 상단에 증기유입부(232)가 배치될 수 있다. 증기유입부(232)는 내부 하우징(230)의 상단에 배치되고, 내부 하우징(230)과 일체로 형성될 수 있다.
증기유입부(232)는 상부 및 하부가 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 그리고 이러한 증기유입부(232) 외주면에는 복수 개의 증기 관통홀(SH)이 형성될 수 있다.
증기 관통홀(SH)은 증기유입부(232)의 외부에서 내부로 증기가 유입되기 위해 형성된다. 그에 따라 증기유입부(232)의 내부로 유입된 증기는 증기유입부(232)의 상부로 배출될 수 있다.
증기 챔버(240)는, 내부 하우징(230)의 상단에 배치된다. 증기 챔버(240)는 내부 하우징(230)의 상단의 외주면을 감싸도록 배치되고, 상면 및 하면이 폐쇄된 형상을 가질 수 있다.
증기 챔버(240)의 상단은, 내부 하우징(230)의 상단에 배치된 증기유입부(232)의 상단에 결합될 수 있고, 증기 챔버(240)의 하단은, 내부 하우징(230)의 외주면에 결합될 수 있다.
이때, 증기 챔버(240)의 측면에는 복수 개의 챔버홀(242)이 형성될 수 있다. 따라서 증기 챔버(240)에는 복수 개의 챔버홀(242)을 통해 하우징(220)의 내부에 수용된 물이 유입될 수 있다.
증기 챔버(240)는 내부에 물이 수용된 상태에서, 증기 이송관(222)이 하부에 결합될 수 있다. 즉, 증기 챔버(240)에는 증기 이송관(222)을 통해 비등팟(260)에서 발생된 증기가 이송되어 유입될 수 있다.
이때, 증기 이송관(222)의 끝단은 증기 챔버(240)에 수용된 물에 잠길 수 있게 배치될 수 있다. 따라서 증기 이송관(222)을 통해 이송된 증기는 증기 챔버(240)에 배치된 물에 의해 일부가 응축될 수 있다.
증기 챔버(240)의 내측에 내부 하우징(230)의 증기유입부(232)가 배치되고, 그에 따라 증기 챔버(240)로 이동된 증기는 증기유입부(232)의 증기 관통홀(SH)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
증기 관통홀(SH)을 통해 배출되는 증기에 의해 내부 하우징(230)의 상부에서 동압을 형성하여 내부 하우징(230)의 상단의 정압을 떨어뜨릴 수 있다. 그에 따라 내부 하우징(230)의 하부에서 상부로 이동하여 내부 하우징(230)의 상부를 통해 외부로 빠져나가는 공기가 빠르게 외부로 배출될 수 있어 내부 하우징(230) 내부에서 공기의 유동을 보다 원활하게 할 수 있다.
스프레이(250)는 내부 하우징(230)의 내부에 배치될 수 있다. 스프레이(250)는 하우징(220)에 수용된 물을 공급받아 내부 하우징(230)에 분사할 수 있다. 여기서 스프레이(250)는 내부 하우징(230)의 상부에 배치될 수 있다.
스프레이(250)는 하우징(220)에 수용된 물이 일정 이하로 줄어들 때까지 동작할 수 있으며, 하우징(220)에 수용된 물의 수위가 낮아져 스프레이(250)로 물이 공급되지 않을 때까지 내부 하우징(230)에 물을 분사할 수 있다.
이렇게 스프레이(250)를 이용하여 내부 하우징(230)에 물을 분사함으로써, 제1 피동 열교환기(212)에서 공랭식으로 열교환이 이루어질 때의 효율을 높일 수 있다.
여기서, 스프레이(250)에는 피동 밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 피동 밸브는 전원이 공급되는 경우 스프레이(250)에서 물이 분사되지 않도록 차단하고 있다가, 전원이 차단되면 개방되어 스프레이(250)에서 물이 분사되도록 동작할 수 있다.
즉, 피동 밸브가 개방되면, 하우징(220)에 수용된 물이 자중에 의해 이동하여 스프레이(250)를 통해 내부 하우징(230)의 내부에 분사될 수 있다.
다시 말해, 피동 밸브에 공급되는 전원이 차단된다는 것은, 열원부(100)의 동작이 정지된 것으로, 열원부(100)의 동작 정지로 인해, 증기터빈(400) 및 복수기(500)를 통해 열원부(100)에서 발생하는 열을 더 이상 냉각할 수 없는 상태이다.
따라서 피동 밸브에 공급되는 전원이 차단되어 개방됨으로써, 피동냉각 장치(200)를 이용하여 열원부(100)에서 발생하는 잔열을 제거한다.
비등팟(260)은 내부 하우징(230)의 하부에 배치되고, 내부에 소정의 공간을 가질 수 있다. 비등팟(260)의 내부에 제2 피동 열교환기(214)가 배치될 수 있다.
제2 피동 열교환기(214)는 제1 피동 열교환기(212)를 거친 이후에 수냉식으로 열교환할 수 있다. 이를 위해 비등팟(260)은 내부에 물이 채워질 수 있으며, 하우징(220)에 수용된 물을 팟 연결관(270)을 통해 공급받을 수 있다.
이때, 팟 연결관(270)은 일단이 하우징(220)의 하부에 연결되고, 타단은 비등팟(260)의 하부에 연결된다. 따라서 하우징(220)에 수용된 물은 팟 연결관(270)을 통해 비등팟(260)의 하부로 공급될 수 있다.
또한, 비등팟(260)은 상부에 증기 이송관(222)이 연결된다. 증기 이송관(222)은 비등팟(260)에서 생성된 증기를 증기챔버로 이송한다.
비등팟(260)은 내부가 밀폐될 수 있으며, 하부에 배치된 팟 연결관(270)을 통해 물을 공급받을 수 있다.
따라서 제2 피동 열교환기(214)에서 열교환이 이루어짐에 따라 비등팟(260)에 수용된 물은 증발하여 증기가 발생할 수 있다. 이렇게 발생된 증기는 비등팟(260)의 상부에 연결된 증기 이송관(222)을 통해 증기 챔버(240)로 이송될 수 있다.
비등팟(260)에서 제2 피동 열교환기(214)를 통해 열교환되어 냉각된 이후 열원부(100)로 다시 열교환 매체가 이송될 수 있다.
또는, 제2 피동 열교환기(214)에서 열교환된 이후, 도 1에 도시된 바와 같이, 그라운드부(300)를 거쳐 재차 열교환이 이루어진 이후에 열교환 매체가 열원부(100)로 이송될 수 있다.
냉각핀(262)은, 비등팟(260)의 외주면을 감싸도록 배치된다. 이러한 냉각핀(262)은 제2 피동 열교환기(214)에 의해 열교환으로 인해 비등팟(260)의 물이 가열되어 증기를 발생시킬 수 있는데, 이때의 열을 외부로 전달하는 역할을 한다.
냉각핀(262)으로 전달된 열은 유동하는 공기에 의해 다시 열교환이 이루어질 수 있다. 즉, 냉각핀(262)은 하부에서 내부 하우징(230)의 내부로 유입되는 공기를 가열할 수 있어 공기의 부력(Buoyancy)을 증가시킬 수 있고, 그로 인해 내부 하우징(230)의 내부에서 공기가 보다 원활하게 유동할 수 있다.
여기서, 내부 하우징(230)의 하부에서 공기가 유입되고, 내부 하우징(230)의 형상에 따라 상부로 공기가 이동하면서 공기의 유동 속도가 빨라지며 내부 하우징(230)의 상부를 통해 공기가 배출된다.
이 과정에서 제1 피동 열교환기(212)에서 열교환이 이루어지는데, 냉각핀(262)은 내부 하우징(230)의 하부에서 상부로 공기가 보다 원활하게 유동시키는 역할을 한다.
또한, 상기와 같이, 내부 하우징(230)의 내부에서 하부로부터 상부 방향으로 공기가 빠르게 이동함에 따라 스프레이(250)에서 분사된 물이 하중에 의해 바로 내부 하우징(230)의 하부로 떨어지지 않고, 내부 하우징(230)의 내부에 보다 오랜 시간 동안 머물 수 있다.
따라서 스프레이(250)에서 분산된 물이 내부 하우징(230) 내부에서 머무는 시간이 증가함에 따라 제1 피동 열교환기(212)에서의 열교환 효율이 높아질 수 있다.
본 실시예에서, 피동냉각 장치(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 연결관(CP)을 통해 열교환 매체가 공급되지 않는 경우에 하우징(220) 및 비등팟(260)의 내부에 물이 채워진 상태가 유지된다.
그리고 도 2에서와 같이, 증기터빈(400) 또는 복수기(500)로부터 증기나 높은 온도의 물이 연결관(CP)을 통해 공급받으면, 제1 피동 열교환기(212) 및 제2 피동 열교환기(214)에서 각각 열교환이 이루어질 수 있다.
여기서, 증기터빈(400) 또는 복수기(500)로부터 증기나 높은 온도의 물이 연결관(CP)을 통해 공급되는 것은 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 상태이므로, 스프레이(250)에 설치된 피동 밸브는 폐쇄된 상태가 유지된다. 즉, 스프레이(250)는 동작하지 않는다.
그리고 열원부(100)의 동작이 정지되는 경우(비상 정지 등), 열원부(100)에서 직접 열이 전달되며, 피동냉각 장치(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스프레이(250)가 동작하여, 제1 피동 열교환기(212)에서 공랭 방식으로 열교환이 이루어질 수 있고, 또한, 제2 피동 열교환기(214)에서 물에 의한 수냉식 열교환이 이루어질 수 있다.
스프레이(250)는 하우징(220)에 수용된 물이 일정 수준으로 수위가 낮아질 때까지 동작할 수 있다.
제2 피동 열교환기(214)는 하우징(220)에 수용된 물이 모두 소진되 비등팟(260) 내부의 물이 모두 증발될 때까지 열교환이 지속될 수 있다. 열원부(100)에 해당하는 노심은 사고 등에 의해 비상 정지된 상태에서도 지속적으로 잔열을 발생시키며, 시간이 지날수록 잔열은 감소할 수 있다.
따라서 열원부(100)가 정지된 초기에는, 스프레이(250)의 동작으로 제1 피동 열교환기(212)에서 이루어지는 공랭 방식의 열교환 효율을 높이고, 또한, 제2 피동 열교환기(214)를 통해 수랭 방식의 열교환이 이루어지도록 한다.
그리고 단계적으로 스프레이(250)의 동작이 정지되고, 하우징(220)의 물이 모두 소진될 때까지 제2 피동 열교환기(214)가 동작될 수 있다.
이는, 초기 일정 시간(약 3일) 동안 발생하는 열이 상대적으로 높기 때문이다. 여기서, 하우징(220)에 수용된 물은 노심에서 발생하는 잔열의 방출율이 노심 전체 출력의 약 1%가 될 때까지 제2 피동 열교환기(214)에서 열교환이 이루어질 수 있을 정도일 수 있다.
제1 피동 열교환기(212)는 공랭 방식으로 동작하므로, 스프레이(250)에서 물이 분사되지 않더라도 내부 하우징(230)의 하부에서 공급되는 공기에 의해 지속적으로 열교환이 이루어질 수 있다.
따라서 제1 피동 열교환기(212)는 별도의 공급이 이루어지지 않더라도 열원부(100)에서 발생되는 열을 지속적으로 제거할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 피동냉각 설비
100: 열원부 110: 열원 열교환기
200: 피동냉각 장치 210: 피동 열교환기
212: 제1 피동 열교환기 214: 제2 피동 열교환기
220: 하우징 222: 증기 이송관
230: 내부 하우징 232: 증기 유입부
240: 증기 챔버 242: 챔버홀
250: 스프레이
260: 비등팟 262: 냉각핀
270: 팟 연결관
300: 그라운드부 310: 그라운드 열교환기
400: 증기터빈
500: 복수기 510: 복수 열교환기
CP: 연결관
P1: 제1 펌프 P2: 제2 펌프
P3: 제3 펌프
SH: 증기 관통홀

Claims (22)

  1. 열이 발생되는 열원부;
    상기 열원부보다 상부에 배치되고, 상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 피동으로 상기 매체의 열을 제거하는 피동냉각 장치; 및
    상기 피동냉각 장치에서 일부 열이 제거되어 배출되는 상기 매체의 열을 제거하는 그라운드부를 포함하고,
    상기 그라운드부는,
    상기 피동냉각 장치에서 배출되는 상기 매체가 자중에 의해 하강하여 유입되도록 상기 피동냉각 장치 및 상기 열원부보다 하측에 배치되고,
    상기 열원부에서 배출되는 상기 매체의 밀도는 상기 그라운드부로 유입되는 상기 매체의 밀도보다 더 낮고,
    상기 피동냉각 장치는,
    상기 열원부에서 상기 매체에 의해 전달되는 열을 공기에 의해 열교환하는 제1 피동 열교환기;
    상기 제1 피동 열교환기를 거쳐 상기 매체에 의해 전달되는 열을 물에 의해 열교환하는 제2 피동 열교환기;
    상단 및 하단이 개방되고, 하부에서 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가지며, 상기 제1 피동 열교환기가 내부에 배치된 내부 하우징;
    상기 내부 하우징을 감싸도록 배치되고, 내부에 물이 수용되는 하우징; 및
    상기 내부 하우징의 하부에 배치되고, 내부에 상기 제2 피동 열교환기가 배치되며, 상기 하우징에 수용된 물을 공급받는 비등팟(Boiling Pot)을 더 포함하는,
    피동냉각 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원부에서 열에 의해 생성된 증기를 공급받아 구동하는 증기터빈을 더 포함하고,
    상기 열원부는 정상적으로 동작할 때, 상기 증기터빈으로 증기를 공급하고,
    상기 열원부는 비상 정지될 때, 발생된 열을 상기 매체를 통해 상기 피동냉각 장치로 열을 전달하는,
    피동냉각 설비.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증기터빈이 구동되고 배출되는 증기는 상기 열원부와 상기 피동냉각 장치를 연결하는 연결관으로 공급되는,
    피동냉각 설비.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 증기터빈에서 배출되는 증기를 공급받아 응축하는 복수기; 및
    상기 복수기의 응축된 물을 상기 열원부와 상기 피동냉각 장치를 연결하는 연결관으로 공급하는 펌프를 더 포함하는,
    피동냉각 설비.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 피동냉각 장치는,
    상기 내부 하우징의 상단에 상기 내부 하우징을 감싸도록 배치된 증기 챔버; 및
    상기 제2 피동 열교환기에 의해 상기 비등팟의 내부에서 발생된 증기를 상기 증기 챔버로 이송하는 증기 이송관을 더 포함하는,
    피동냉각 설비.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 증기 챔버에는 내부에 상기 하우징에 수용된 물이 일부 유입되는 챔버홀이 형성된,
    피동냉각 설비.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 내부 하우징의 상부에는 상기 증기 챔버의 증기가 상기 내부 하우징의 내부로 이동되는 증기 관통홀이 형성된,
    피동냉각 설비.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 피동냉각 장치는,
    상기 내부 하우징의 내부에 배치되고, 상기 하우징에 수용된 물을 상기 제1 피동 열교환기에 물을 분사하는 스프레이를 더 포함하는,
    피동냉각 설비.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 피동냉각 장치는,
    상기 비등팟의 외주면을 감싸도록 배치된 냉각핀을 더 포함하는,
    피동냉각 설비.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
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