KR102601029B1 - 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소 - Google Patents

피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소 Download PDF

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허선
문종설
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Abstract

본 발명은 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소에 있어서, 소형 모듈형 원자로; 상기 소형 모듈형 원자로를 수용하며 냉각수 수용공간이 형성되어 있는 수용조; 및 상기 수용조의 외부에 위치하며 냉각수를 수용하는 냉각수 저장조; 및 상기 수용조 내에 위치하며, 사고 발생에 의해 적어도 일부가 변형되어 상기 냉각수 저장조의 냉각수를 상기 냉각수 수용공간으로 공급하는 공급유닛;을 포함하는 원자력발전소에 관한 것이다.

Description

피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소{Nuclear power plant with passive supply of coolant water}
본 발명은 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소에 관한 것이다.
소형 모듈형 원자로(SMR)는 다수의 일체형 원자로 모듈로 구성되며, 각 원자로 모듈은 하나의 냉각수조에 침수된 상태로 운영되며, 이때 원자로 수조는 기존 사용원전의 사용후핵연료 냉각수조와 별도로 존재하며 1차계통 최종열제거원(Ultimate Heat Sink, UHS)으로 사용된다.
여기서, 1차 계통 최종열제거원은 원자로 사고 시, 1개월 이상 원자로를 냉각시켜 주게 된다.
하지만, 일반적인 냉각수조는 냉각수가 항상 채워져 있어야 했기 때문에, 정비 및 유지 보수가 불편한다. 구체적으로, 정비를 위해서는 소형 모듈형 원자로(SMR)를 별도의 장소로 이송해야 하는 불편함이 발생하였다. 또한, 장시간의 사고로 인하여 냉각수조 내 냉각수가 모두 증발하는 사고가 발생할 경우, 이에 대한 충분한 대비가 어렵다는 문제점이 있었다.
한국 특허등록 제10-1677978호(2016년 11월 15일 등록)
본 발명의 목적은 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소를 제공하는 것이다.
본 발명은 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소에 있어서, 소형 모듈형 원자로; 상기 소형 모듈형 원자로를 수용하며 냉각수 수용공간이 형성되어 있는 수용조; 및 상기 수용조의 외부에 위치하며 냉각수를 수용하는 냉각수 저장조; 및 상기 수용조 내에 위치하며, 사고 발생에 의해 적어도 일부가 변형되어 상기 냉각수 저장조의 냉각수를 상기 냉각수 수용공간으로 공급하는 공급유닛;을 포함하는 원자력발전소에 관한 것이다.
상기 소형 모듈형 원자로의 표면의 접촉상태는 상기 냉각수의 공급에 의해 공기접촉에서 냉각수접촉으로 전환될 수 있다.
상기 사고는 지진 또는 상기 소형모듈형 원자로의 온도 상승에 의한 것일 수 있다.
상기 소형모듈형 원자로는, 원자로 본체; 및 상기 원자로 본체와 결합되어 있으며, 상기 원자로 본체의 온도 상승에 의해 부피가 증가하는 열팽창 변형부;를 포함할 수 있다.
상기 열팽창 변형부는, 부피 증가에 의해 상기 공급유닛을 향해 연장되며, 상기 원자로 본체의 2배 내지 10배의 열팽창계수를 갖을 수 있다.
상기 공급유닛은, 상기 열팽창 변형부의 하부에 위치하며, 상기 부피가 증가한 상기 열팽창 변형부와 접촉되어 변형될 수 있다.
상기 공급유닛은, 상기 냉각수가 수용되어있는 유로 공간이 형성되어 있고, 상기 유로 공간의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 본체; 및 상기 유로 공간과 상기 냉각수 수용공간을 분리하는 제1변형체;를 포함하며, 상기 제1변형체는, 부피가 증가한 상기 열팽창 변형부에 의해 변형되어 상기 유로공간과 상기 냉각수 수용공간을 연결할 수 있다.
제1변형체는, 부피가 증가한 상기 열팽창 변형부와 접촉하는 커버; 및 상기 유로 공간 내에 위치하며, 상기 커버를 상기 열팽창 변형부를 향해 가압하고 있는 변형 가능한 가압수단을 포함할 수 있다.
상기 공급유닛은, 상기 냉각수가 수용되어있는 유로 공간이 형성되어 있고, 상기 유로 공간의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 본체; 및 상기 본체와 연결되어 있는 제2변형체;를 포함하며, 상기 제2변형체는, 일정수준 이상의 진동발생에 의해 변형되어 상기 유로 공간과 상기 냉각수 수용공간을 연결할 수 있다.
상기 냉각수 수용공간 내의 냉각수를 외부로 배출시키는 배수장치; 및 상기 냉각수 수용공간 내의 냉각수 수위가 일정수준 이상이면, 상기 냉각수 수용공간에 붕소를 공급하는 붕소공급장치;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 단면도를 나타낸 것이고,
도 2는 도 1의 “A”를 확대하여 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 작동을 나타낸 순서도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 작동을 나타낸 것이고,
도 5는 도 4의 “B”를 확대하여 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 다른 작동을 나타낸 순서도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 다른 작동을 나타낸 것이고,
도 8은 도 7의 “C”를 확대하여 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 “A”를 확대하여 나타낸 것이다.
피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소(10)는 소형 모듈형 원자로(100), 지지유닛(200), 공급유닛(300), 수용조(400), 냉각수 저장조(500) 및 냉각수 공급배관(600)을 포함한다.
소형 모듈형 원자로(100)는 원자로 본체(110) 및 열팽창 변형부(120)을 포함한다.
평상시의 소형 모듈형 원자로(100) 표면의 접촉상태는 공기접촉이나, 사고 발생에 의해 냉각수 저장조(500)로부터의 냉각수 공급이 이루어지면 냉각수 접촉으로 전환된다. 여기서 사고는 지진 또는 소형 모듈형 원자로(100)의 온도 상승에 의한 것이다.
열팽창 변형부(120)는 원자로 본체(110)와 결합되어 있으며, 원자로 본체(110)의 온도가 상승하면, 원자로 본체(110)로부터 열이 전도되어 부피가 증가한다.
열팽창 변형부(112)는 부피 증가에 의해 공급유닛(130)을 향해 길이방향으로 연장될 수 있다.
열팽창 변형부(120)는 원자로 본체(110)의 1배 내지 20배, 바람직하게는 1배 내지 15배 또는 2배 내기 15배, 보다 바람직하게는 2배 내지 10배의 열팽창계수를 가질 수 있다. 여기서 본체는 원자로 등을 둘러싼 “용기”를 말한다.
열팽창 변형부(120)는 용접 또는 열접합(납땜)을 통해 원자로 본체(110)와 결합된다.
지지유닛(200)은 수용조(400) 내에서 소형 모듈형 원자로(100)를 지지하고 고정시킨다. 도 1에서는 격자 형태의 지지유닛(200)이 개별 소형 모듈형 원자로(100)를 지지 및 고정하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 이제 한정되지 않으며, 지지유닛(120)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
공급 유닛(300)은 수용조(400) 내 위치하며, 사고 발생에 의해 일부가 변형되어 냉각수 저장조(700)의 냉각수를 냉각수 공급배관(800)을 통해 냉각수 수용공간으로 공급하게 된다.
도 2를 참조하면, 공급 유닛(300)은 본체(310), 제1변형체(320) 및 제2변형체(330)를 포함한다.
공급 유닛(300)은 냉각수가 수용되어 있는 유로 공간과 수용조(400) 내 냉각수 수용공간을 분리하게 된다.
본체(310)는 유로 공간의 일부를 둘러싸고 있으며, 제2변형체(330)와 연결되어 있고, 일부분이 제1변형체(320)와 접하고 있다. 본 실시예에서 본체(310)는 상부의 일부분이 함몰되어 있는 원기둥 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 본체(310)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
제1변형체(320)는 커버(321) 및 가압수단(322)을 포함한다.
커버(321)는 유로 공간 내에 위치하며, 유로 공간 내 냉각수가 냉각수 수용공간으로 빠져나가지 않도록 일부가 본체(310)와 접하고 있다. 본 실시예에서 커버(321)의 형태는 길이가 수평방향으로 연장된 사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 커버(321)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
가압수단(322)은 유로 공간(B) 내에 위치하며, 커버(321)를 열팽창 변형부(120)를 향해 가압할 수 있는 변형 가능한 구성으로 이루어져 있다. 본 실시예에서 가압수단(412)은 스프링으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 부유체와 같이 커버(321)를 열팽창 변형부(120)를 향해 가압할 수 있는 구성이면 가능하다.
제2변형체는(330)는 냉각수가 수용되어있는 유로 공간에 형성되어 있으며, 유로 공간의 일부를 둘러싸고 있고, 일정수준 이상의 진동 발생에 의해 변형된다. 다른 실시예에서 제2변형체(330)는 일정 수준 이상의 진동 발생에 의해 개방 및 폐쇄 가능한 도어일 수도 있다.
수용조(400)는 소형 모듈형 원자로(100)를 수용하며 냉각수 수용공간이 형성되어 있으며, 대략 정육면체로 마련될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 수용조(400)는 배수장치(410) 및 붕소공급장치(420)를 포함한다.
배수장치(410)는 냉각수 수용공간으로부터 냉각수를 제거해야 할 상황이 발생한 경우, 냉각수 수용공간으로부터 냉각수를 외부로 배출시킨다. 본 실시예에서는 배수장치(410)가 수용조(400) 내부에 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서 배수장치(410)는 수용조(400) 외부에 설치되어 있거나, 냉각수 수용공간 내 설치되어 있을 수 있다.
붕소공급장치(420)는 냉각수 수용공간 내의 냉각수 수위가 일정수준 이상이 되면 냉각수 수용공간에 붕소를 공급한다. 본 실시예에서는 붕소공급장치(420)가 수용조(400) 내부에 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서 붕소공급장치(420)는 수용조(400) 외부에 설치되어 있거나, 냉각수 수용공간 내 설치되어 있을 수 있다.
냉각수 저장조(500)는 수용조(400)의 외부에 위치하고 냉각수를 수용하고 있으며, 냉각수 공급배관(600)을 통해 수용조(400) 내로 냉각수를 공급한다.
도시되어 있지는 않지만, 냉각수 상실과 같은 사고 발생 시 냉각수 저장조(500) 내로 추가적인 냉각수를 공급할 수 있는 냉각수 공급장치가 더 설치되어 있을 수도 있다.
냉각수 공급배관(600)은 냉각수 저장조(500)로부터 공급유닛(300)의 유로 공간으로 냉각수를 공급한다.
도시되어 있지는 않지만, 냉각수 저장조(500)로부터 공급유닛(300)의 유로 공간으로 공급되는 냉각수량을 조절할 수 있는 냉각수 공급배관밸브가 더 설치되어 있을 수도 있다.
도 3 및 도 5를 통해 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 작동에 관하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 작동을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 작동을 나타낸 것이고, 도 5는 도 4의 “B”를 확대하여 나타낸 것이다.
사고 발생에 의해 소형 모듈형 원자로(100)의 원자로 본체(110)의 온도가 올라가게 된다. (S10)
도 4의 (b)를 참조하면, 소형 모듈형 원자로(100)의 원자로 본체(110)의 온도가 올라가면, 원자로 본체(110)와 결합되어 있는 열팽창 변형부(120)에 원자로 본체(110)로부터 열이 전도되어 열팽창 변형부(120)의 부피가 증가하며, 공급유닛(400)을 향해 길이 방향으로 연장된다. (S20)
이후, 도 5에 도시되어 있듯이, 열팽창 변형부(120)의 부피 증가에 따라 공급유닛(300)의 제1변형체(320)를 하부방향으로 가압하게 된다. 이러한 열팽창 변형부(120)의 가압에 의해 가압수단(322)의 변형이 일어나고, 제1변형체(320)의 커버(321)가 하부로 이동하게 된다.
제1변형체(320)의 커버(321)가 하부로 이동하게 되면, 유로 공간과 냉각수 수용공간을 연결하는 제1연결유로(P1)가 형성되며, 유로 공간으로부터 제1연결유로(P1)를 따라 냉각수 수용공간으로 냉각수가 유입된다. (S30)
도 4의 (c)를 참조하면, 제1연결유로(P1)의 형성에 의해 유로 공간 내 냉각수가 제1연결유로(P1)를 통해 냉각수 수용공간(A)으로 유입됨에 따라 수용조(400)는 냉각수로 채워지게 된다. (S40) 이러한 냉각수 공급에 의해 소형 모듈형 원자로(100)의 표면의 접촉상태가 공기접촉에서 냉각수접촉으로 전환된다.
수용조(400)에 공급된 냉각수는, 냉각수 저장조(500)를 통해 공급유닛(300)의 유로 공간에 공급된 냉각수이며, 유로 공간에서 제1연결유로(P1)를 통해 냉각수 수용공간으로의 유입에 의해 공급된 것이다..
추가적으로, 붕소 주입이 필요할 경우 수용조(400) 내 붕소공급장치(420)를 통해 냉각수 수용공간 내에 붕소를 공급한다. 붕소 공급은 냉각수 수용공간 내의 냉각수 수위가 일정수준 이상이 되면 붕소공급장치(420)를 통해 피동적으로 이루어진다.
도 6 및 도 8을 통해 본 발명의 일실시예에 따른 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소의 다른 작동에 관하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 다른 작동을 나타낸 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력발전소의 다른 작동을 나타낸 것이고, 도 8은 도 7의“C”를 확대하여 나타낸 것이다.
도 7의 (b)를 참조하면, 지진과 같은 일정수준 이상의 진동이 발생(S10′)하게 되면, 공급유닛(300)의 제2변형체(330)의 변형이 발생된다. (S20′) 여기서 제2변형체(330)의 변형은 일부가 파괴되거나 깨지는 것을 의미한다.
도 8에 도시되어 있듯이, 제2변형체(330)의 변형으로 인해 유로 공간과 냉각수 수용공간을 연결하는 제2연결유로(P2)가 형성되며, 유로 공간으로부터 제2연결유로(P2)를 따라 냉각수 수용공간으로 냉각수가 유입된다. (S30′)
도 7의 (c)를 참조하면, 제1연결유로(P1)의 형성에 의해 유로 공간 내 냉각수가 제2연결유로(P2)를 통해 냉각수 수용공간으로 이동하게 되며, 수용조(400)는 냉각수로 채워지게 된다. (S40′) 이러한 냉각수 공급에 의해 소형 모듈형 원자로(100)의 표면의 접촉상태가 공기접촉에서 냉각수접촉으로 전환된다.
수용조(400)에 공급된 냉각수는, 냉각수 저장조(500)를 통해 공급유닛(300)의 유로 공간에 공급된 냉각수이며, 유로 공간에서 제2연결유로(P2)를 통해 냉각수 수용공간으로의 유입에 의해 공급된 것이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소는 상시 냉각수가 채워져 있어야 하는 기존 원자력발전소에 비해, 소형 모듈형 원자로의 정비 용이성이 증가하고, 피동적인 냉각수 공급으로 인한 부식 방지에 따른 건전성 유지가 용이해지며, 추가적인 냉각수 주입 및 붕소주입을 통한 원자력발전소의 안전성을 높일 수 있게 된다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 피동적으로 냉각수를 공급하는 원자력발전소에 있어서,
    소형 모듈형 원자로;
    상기 소형 모듈형 원자로를 수용하며 냉각수 수용공간이 형성되어 있는 수용조; 및
    상기 수용조의 외부에 위치하며 냉각수를 수용하는 냉각수 저장조; 및
    상기 수용조 내에 위치하며, 사고 발생에 의해 적어도 일부가 변형되어 상기 냉각수 저장조의 냉각수를 상기 냉각수 수용공간으로 공급하는 공급유닛;을 포함하고,
    상기 소형모듈형 원자로는,
    원자로 본체; 및
    상기 원자로 본체와 결합되어 있으며, 상기 원자로 본체의 온도 상승에 의해 부피가 증가하는 열팽창 변형부;를 포함하는 원자력발전소.
  2. 제1항에서,
    상기 소형 모듈형 원자로의 표면의 접촉상태는 상기 냉각수의 공급에 의해 공기접촉에서 냉각수접촉으로 전환되는 원자력발전소.
  3. 제1항에서,
    상기 사고는 지진 또는 상기 소형모듈형 원자로의 온도 상승에 의한 것인 원자력발전소.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 열팽창 변형부는,
    부피 증가에 의해 상기 공급유닛을 향해 연장되며,
    상기 원자로 본체의 2배 내지 10배의 열팽창계수를 갖는 원자력발전소.
  6. 제1항에서,
    상기 공급유닛은,
    상기 열팽창 변형부의 하부에 위치하며,
    상기 부피가 증가한 상기 열팽창 변형부와 접촉되어 변형되는 원자력발전소.
  7. 제1항에서,
    상기 공급유닛은,
    상기 냉각수가 수용되어있는 유로 공간이 형성되어 있고,
    상기 유로 공간의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 본체; 및
    상기 유로 공간과 상기 냉각수 수용공간을 분리하는 제1변형체;를 포함하며,
    상기 제1변형체는,
    부피가 증가한 상기 열팽창 변형부에 의해 변형되어 상기 유로공간과 상기 냉각수 수용공간을 연결하는 원자력발전소.
  8. 제7항에서,
    제1변형체는,
    부피가 증가한 상기 열팽창 변형부와 접촉하는 커버; 및
    상기 유로 공간 내에 위치하며, 상기 커버를 상기 열팽창 변형부를 향해 가압하고 있는 변형 가능한 가압수단을 포함하는 원자력발전소.
  9. 제1항에서,
    상기 공급유닛은,
    상기 냉각수가 수용되어있는 유로 공간이 형성되어 있고,
    상기 유로 공간의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 본체; 및
    상기 본체와 연결되어 있는 제2변형체;를 포함하며,
    상기 제2변형체는,
    일정수준 이상의 진동발생에 의해 변형되어 상기 유로 공간과 상기 냉각수 수용공간을 연결하는 원자력발전소.
  10. 제1항에서,
    상기 냉각수 수용공간 내의 냉각수를 외부로 배출시키는 배수장치; 및
    상기 냉각수 수용공간 내의 냉각수 수위가 일정수준 이상이면, 상기 냉각수 수용공간에 붕소를 공급하는 붕소공급장치;를 더 포함하는 원자력발전소.
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