KR102631576B1 - 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로 - Google Patents

키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 자연순환으로 가동되는 원자로에서 노심냉각을 효율적으로 수행할 수 있으면서도 설계를 단순화할 수 있도록 하는, 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로를 제공함에 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성을 활용하여, 키르히호프 법칙을 유체의 자연순환유동에 적용함으로써 자연순환 우회유량을 사용자가 원하는 대로 적절하게 조절할 수 있는 원자로를 제공함에 있다.

Description

키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로 {Nuclear reactor having inner bypass path based on Kirchhoff's law}
본 발명은 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자연순환으로 가동되는 원자로에서 노심냉각을 효율적으로 수행할 수 있으면서도 설계를 단순화할 수 있도록 하는 원자로에 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 안전계통은 기본적으로 냉각수를 이용하여 대량의 열에너지를 빠르게 흡수하여 외부로 버리는 방식으로 이루어진다. 평상시에는 당연히 냉각수가 적절한 위치에 저장되어 있으며, 사고가 발생하면 냉각수가 필요한 경로를 통해 배출되어 냉각을 수행하게 된다. 이 때 원자로 손상 발생 시에는 방사능 유출 등으로 인하여 사람이 직접 제어하여 안전계통을 동작시켜야만 할 경우 치명적인 인명사고를 유발할 수 있으므로, 원자로의 안전계통은 굳이 사람이 제어하지 않아도 압력, 온도 등의 환경변화에 의하여 자연적으로 순환이 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 이처럼 자연순환을 도입한 원자로 안전계통 구조가 매우 다양하게 연구 개발되어 왔으며, 한국특허공개 제2021-0072363호("원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법", 2021.06.17., 이하 '선행문헌') 등에 자연순환 원자로 안전계통이 잘 개시되어 있다.
도 2는 종래의 자연순환 노심냉각 원자로용기의 개략도를 도시한 것으로서, 상기 선행문헌의 도면 일부를 발췌한 것이다. 도시된 바와 같이 원자로용기 내에 노심 및 증기발생기가 수용 배치된다. 평상시에는 노심에서 발생된 열에 의해 원자로용기 내의 냉각수가 가열되고, 냉각수에 의해 증기발생기에 열이 전달되어 원자로가 동작한다. 사고 발생 시 등과 같이 노심에서 과도한 열에너지가 발생하여 원자로용기 내부압력이 지나치게 증가할 경우, 원자로용기의 상측에 구비된 순환배출밸브(v1)가 열려 증기가 배출됨으로써 원자로용기 내부압력을 적절히 낮춰주도록 형성된다. 이처럼 원자로용기로부터 배출된 증기는 열을 잃으면 응축되어 냉각수 형태로 원자로용기 외부에 고여있게 되는데, 이러한 냉각수가 원자로용기 하측에 있는 순환유입밸브(v2)가 열려 원자로용기 내로 유입됨으로써 노심을 직접 냉각할 수 있다. 즉 원자로용기 내의 냉각수가 증기 형태로 배출되었다가, 냉각수 형태로 다시 유입되어 재순환되는 형태로서 자연순환으로 노심냉각이 이루어지게 된다. 즉 원자로용기에서의 자연순환 노심냉각은, 원자로용기 상측에 구비되는 순환배출밸브(v1) 및 하측에 구비되는 순환유입밸브(v2)를 이용하여 이루어진다고 보면 된다.
그런데 도 2에도 간접적으로 나타나 있는 바와 같이, 원자로용기에는 자연순환 노심냉각용 밸브들(v1)(v2) 이외에도 매우 많은 라인이 연결되어 있다. 실질적으로 원자로에서 사고 발생 시 원자로용기 내에 수용가능한 냉각수만으로는 충분한 냉각을 실현하기 어려우며, 따라서 외부에 매우 대량의 냉각수를 저장하여 두었다가 필요 시 원자로로 순환시켜 냉각을 수행하도록 하는 경우가 많다. 이처럼 외부에서 끌어오는 냉각수를 원활하게 순환시키기 위해, 원자로에는 상술한 자연순환 노심냉각용 밸브들(v1)(v2) 이외에 수많은 라인과 밸브들이 구비되는 것이다.
이처럼 자연순환을 이용한 원자로 안전계통 기술이 점점 발전함에 따라, 원자로용기의 설계가 과도하게 난해하고 복잡해지게 되는 문제가 있었다. 복잡한 설계 및 그에 따른 다량의 장치들은, 보다 정교하고 자유도높은 동작을 구현할 수 있다는 장점은 있다. 그러나 장치 자체 각각에서 고장이 발생할 수 있기 때문에 결과적으로 고장발생지점 자체가 늘어난다는 문제도 있고, 자칫하면 사고 발생 시 어느 장치에서 문제가 발생하였는지 찾아내기가 어려워 고장발생원인을 파악하기 어렵게 하는 불편함이 있다. 이에 따라 원자로용기 설계를 단순화할 필요성이 점차 요구되고 있다.
한국특허공개 제2021-0072363호("원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법", 2021.06.17.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자연순환으로 가동되는 원자로에서 노심냉각을 효율적으로 수행할 수 있으면서도 설계를 단순화할 수 있도록 하는, 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로를 제공함에 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성을 활용하여, 키르히호프 법칙을 유체의 자연순환유동에 적용함으로써 자연순환 우회유량을 사용자가 원하는 대로 적절하게 조절할 수 있는 원자로를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로(100)는, 냉각수를 수용하는 원자로용기(110); 상기 원자로용기(110) 내부 하측에 배치되는 원자로노심(120); 상기 원자로용기(110) 내부 측면에 배치되는 증기발생기(130); 상기 원자로용기(110) 내부에 구비되어 중심측의 원자로노심배치공간(V1) 및 가장자리측의 증기발생기배치공간(V2)을 구획하며, 하부가 개방되는 격벽(140); 상기 격벽(140) 상측에 형성되어 자연순환되는 냉각수가 통과되는 자연순환관(145); 상기 격벽(140) 상에서 상기 자연순환관(145) 하측에 형성되되, 냉각수의 자연순환 시 유동이 발생하지 않는 높이에 형성되는 우회유로관(150); 을 포함할 수 있다.
이 때 상기 원자로(100)는, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성을 이용하여, 상기 우회유로관(150)의 높이가 키르히호프 법칙에 의해 산출되어 결정될 수 있다.
또한 상기 원자로(100)는, 상기 원자로노심배치공간(V1) 하측의 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 의해 가열되어 상승하고, 상측의 냉각수가 외부로 열을 발산하여 냉각되어 상기 자연순환관(145)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러가 하강함으로써 냉각수의 자연순환이 이루어질 수 있다.
또한 상기 원자로(100)는, 냉각재 상실사고 발생 시, 상기 원자로노심배치공간(V1) 하측의 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 의해 가열되어 상승하고, 상측의 냉각수가 외부로 열을 발산하여 냉각되어 상기 우회유로관(150)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러가 하강함으로써 냉각수의 자연순환이 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 원자로(100)는, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성이 하기의 표 및 식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021083969417-pat00001
Figure 112021083969417-pat00002
(여기에서, Q : 질량유량, Rf : 유체흐름저항, ΔPh : 수두압력차, ΔPf : 흐름저항압력차, C : 흐름상수)
또한 상기 원자로(100)는, 냉각수의 자연순환에 상응하는 전기회로에서 키르히호프 법칙을 이용한 하기 전류관계식을 통해 i3 값이 0이 되는 R1, R3 값을 산출함으로써, 냉각수의 자연순환에서 상기 우회유로관(150)을 통과하여 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q3 값이 0이 되는 h1, h2 값을 산출할 수 있다.
Figure 112021083969417-pat00003
Figure 112021083969417-pat00004
Figure 112021083969417-pat00005
또한 상기 원자로(100)는, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성에 의해 키르히호프 법칙을 이용한 상기 전류관계식이 하기 유동관계식으로 변환되며, 하기 유동관계식을 통해 Q3 값이 0이 되는 h1, h2 값을 산출함으로써, 상기 우회유로관(150)의 높이가 키르히호프 법칙에 의해 산출되어 결정될 수 있다.
Figure 112021083969417-pat00006
Figure 112021083969417-pat00007
(여기에서, h1 : 원자로노심에서 우회유로관까지의 높이, h2 : 우회유로관에서 자연순환관까지의 높이, ρ1 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 우회유로관에서 원자로노심까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ2 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 원자로노심에서 우회유로관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, ρ3 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 자연순환관에서 우회유로관까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ4 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 우회유로관에서 자연순환관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, g : 중력가속도)
본 발명에 의하면, 자연순환으로 가동되는 원자로에서 냉각재 상실사고 발생 시, 원자로용기의 설계를 단순화하면서도 효과적으로 노심냉각을 수행할 수 있는 효과가 있다. 즉 본 발명에 의하면, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성을 활용하여, 키르히호프 법칙에 의하여 높이가 결정된 우회유로관을 형성함으로써, 원자로의 구성을 단순화하되 철저히 이론적인 계산에 기반하여 설계함으로써, 최소한의 구성으로도 최대한의 원하는 동작을 실현할 수 있도록 하는 큰 효과가 있다.
구체적으로 설명하자면, 본 발명에 의하면 자연순환 노심냉각을 수행하는 원자로용기에서, 평상시에는 냉각수가 자연순환관으로만 자연순환하고 키르히호프 법칙에 의하여 높이가 결정된 우회유로관으로는 순환하지 않음으로써 최상의 효율로 자연순환 노심냉각이 이루어질 수 있다. 한편 냉각재 상실사고가 발생하여 원자로용기 내의 냉각수 수위가 자연순환관 높이보다 내려가게 된다 할지라도, 우회유로관을 통해 냉각수의 자연순환이 이루어지게 되어 냉각재를 추가공급해주지 않아도 효과적인 자연순환 노심냉각이 이루어지게 된다. 이에 따라 종래에 자연순환 노심냉각을 위하여 냉각재 상실사고 발생 시 냉각재를 추가적으로 공급해주기 위하여 원자로용기에 구비되는 밸브들을 제거할 수 있어, 원자로용기 설계를 단순화할 수 있는 것이다.
자연순환을 이용하는 원자로 안전계통의 경우 적절한 조건에 맞추어 외부에서 냉각수를 끌어오고 순환시키기 위하여 워낙 많은 장치가 구비되기 때문에, 과도한 설계복잡성으로 인하여 운용편의성이 저하될 우려가 있다. 이에 따라 설계단순화에 대한 요구가 있어 왔는데, 본 발명에서는 바로 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 큰 효과가 있다.
도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 종래의 자연순환 노심냉각 원자로용기의 개략도.
도 3은 본 발명의 자연순환 노심냉각 원자로의 원자로용기.
도 4는 원자로용기에서 우회유로관 위치에 따른 유체흐름 비교.
도 5는 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 상사성.
도 6은 냉각재 상실사고 발생 시 본 발명의 자연순환 노심냉각 원자로의 원자로용기에서의 유체흐름.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 키르히호프 법칙에 기반한 우회유로관을 가지는 원자로를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 자연순환 노심냉각 원자로의 원자로용기를 도시한 것이다. 간략히 전체적으로 본 발명의 원자로(100)의 구성을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 원자로용기(110) 원자로노심(120), 증기발생기(130), 격벽(140)을 포함한다. 여기에서 냉각수가 자연순환으로 상기 원자로노심(120)을 냉각할 수 있도록 상기 격벽(140) 상에 자연순환관(145)이 구비된다. 여기에 더불어, 본 발명에서는 상기 격벽(140) 상에 우회유로관(150)이 더 구비되도록 하여, 냉각재 상실사고 발생 시에도 냉각수를 추가적으로 보충해주지 않고도 자연순환으로 상기 원자로노심(120)을 효과적으로 냉각할 수 있도록 한다.
먼저 상기 원자로용기(110) 상기 원자로노심(120), 상기 증기발생기(130)는, 일반적인 원자로의 구성과 동일하며, 따라서 여기에서는 간략하게만 설명하기로 한다. 상기 원자로용기(110 냉각수를 수용하는 밀폐용기 형태로서 형성된다. 상기 원자로노심(120)은 상기 원자로용기(110내부 하측에 배치되어 대량의 열에너지를 방출함으로써 상기 원자로(100)를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 한다. 상기 증기발생기(130)는 상기 원자로용기(110) 내부 측면에 배치되며, 열교환기 형태로 이루어진다. 도면 상에서는 생략되었으나 상기 증기발생기(130)에는 증기관 및 급수관이 구비된다. 간단히 상기 증기발생기(130)의 동작을 설명하면, 상기 원자로노심(120)에서 발생된 열에너지가 상기 원자로용기(110) 내의 냉각수를 가열하면, 냉각수에 잠겨있는 상태로 구비되는 상기 증기발생기(130)로 열이 전달된다. 급수관을 통해 상기 증기발생기(130)로 유입된 열교환매체(대부분의 경우 냉각수)는 이렇게 전달된 열을 흡수하여 증발하게 되며, 이에 따라 생성된 증기가 상기 증기발생기(130)에 연결된 증기관을 통해 배출된다. 이렇게 만들어진 증기는 고온 고압을 가지고 있어, 상기 원자로용기(110) 외부에 구비된 발전기 터빈을 회전시킴으로써 전력을 생산하게 된다.
다음으로 상기 격벽(140) 및 상기 자연순환관(145) 역시, 종래에 자연순환 노심냉각을 이용하는 원자로에서 사용되고 있는 구성이다. 다만 자연순환 노심냉각의 개념을 명확히 하기 위하여, 상술한 구성요소들보다는 좀더 상세하게 설명한다.
상기 격벽(140)은 상기 원자로용기(110) 내부에 구비되어 중심측의 원자로노심배치공간(V1) 및 가장자리측의 증기발생기배치공간(V2)을 구획하며, 하부가 개방된 형태로 형성된다. 이에 따라 개방된 상기 격벽(140)의 하부를 통해 상기 원자로노심배치공간(V1) 및 상기 증기발생기배치공간(V2) 간에 냉각수의 유동이 이루어질 수 있다.
상기 자연순환관(145)은 상기 격벽(140) 상측에 형성되어 자연순환되는 냉각수가 통과될 수 있도록 하는 역할을 한다. 실질적으로 자연순환이 이루어지게 하기 위해서는 (상기 격벽(140) 하부가 개방되어 있듯이) 단순히 상기 격벽(140) 상부가 개방되어 있도록 하기만 하여도 된다. 이러한 경우 상기 격벽(140)의 상부가 (비록 "관" 형태는 아니라 하더라도) 상기 자연순환관(145)에 해당하게 될 것이다. 그러나 자연순환이 보다 원활하게 이루어지기 위해서는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 격벽(140) 상부가 폐쇄된 형태로 형성되며, 폐쇄부에 가까운 위치에 상기 자연순환관(145)이 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 상기 자연순환관(145)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 유입된 냉각수가 폐쇄된 상기 격벽(140) 상부에 의하여 자연스럽게 전체 유량이 하측으로 흘러가도록 할 수 있다.
상기 원자로(100)는, 이와 같은 구성을 통하여, 상기 원자로노심배치공간(V1) 하측의 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 의해 가열되어 상승하고, 상측의 냉각수가 외부로 열을 발산하여 냉각되어 상기 자연순환관(145)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러가 하강함으로써 냉각수의 자연순환이 이루어지게 된다. 그런데, 사고가 발생하여 상기 원자로용기(110) 내의 냉각재가 상실되어 냉각수의 수위가 상기 자연순환관(145)보다 아래에 형성될 경우, 가열되어 상측으로 올라간 냉각수가 상기 자연순환관(145)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러들어갈 수 없게 된다. 이에 따라 자연순환 노심냉각이 이루어지지 못하게 되며, 따라서 종래에는 이러한 경우를 방지하기 위하여 냉각재가 상실될 경우 이를 보충해 주기 위한 냉각재 보충용 라인 및 냉각재 상실조건에서 개방되는 밸브가 상기 원자로용기(110)에 구비되도록 하였다. 도 2의 선행문헌에서 순환유입밸브(v2)가 바로 이러한 역할을 하는 것이다.
그러나 앞서도 설명한 바와 같이, 사고발생 시 냉각재 보충 이외에도 다양한 안전계통이 동작하여 다양한 방식으로 냉각동작을 수행하게 되며, 이를 위하여 상술한 라인 및 밸브 외에도 매우 복잡하고 많은 장치들이 구비된다. 이처럼 장치복잡성이 증가함에 따라 설계용이성이나 운용편의성 등이 떨어지게 되는 문제가 있어, 효과적인 냉각을 할 수 있으면서도 장치를 보다 단순화할 수 있는 방안이 모색되어 왔다.
본 발명의 우회유로관(150)이 바로 이를 위한 장치이다. 상기 우회유로관(150)은, 냉각재가 상실되더라도 자연순환 노심냉각이 이루어질 수 있도록, 상기 격벽(140) 상에서 상기 자연순환관(145) 하측에 형성된다. 따라서 냉각재 상실사고가 발생하여 상기 원자로용기(110) 내의 냉각수 수위가 다소 낮아진다 할지라도, 상기 우회유로관(150)을 통해 자연순환이 원활하게 이루어질 수 있게 된다. 구체적으로 설명하자면, 냉각재 상실사고 발생 시, 상기 원자로노심배치공간(V1) 하측의 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 의해 가열되어 상승하고, 상측의 냉각수가 외부로 열을 발산하여 냉각되어 상기 우회유로관(150)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러가 하강함으로써 냉각수의 자연순환이 이루어지게 된다.
그런데 여기에서, 상기 우회유로관(150)이 부적절한 위치에 구비될 경우, 평상시의 자연순환 중에 상기 우회유로관(150)을 통해 불필요한 유동이 발생할 우려가 있다. 도 4는 원자로용기에서 우회유로관 위치에 따른 유체흐름을 비교하여 도시한 것으로, 도 3과 달리 상기 우회유로관(150)이 부적절한 위치에 구비된 경우이다.
먼저 도 4 좌측도면과 같이 상기 우회유로관(150)이 지나치게 높게 구비되는 경우, 가열된 냉각수가 상기 자연순환관(145)에 도달할 때까지 상승하면서 충분히 냉각되어야 하는데, 상승 도중에 상기 우회유로관(150)을 만나면 충분히 냉각되지 않은 냉각수가 (연한 화살표로 표시된 바와 같이) 상기 우회유로관(150)을 통해 일부 빠져나가 버리게 된다. 즉 결과적으로 냉각수가 충분히 냉각되지 못한 상태로 상기 원자로노심(120)으로 흘러가게 되어, 상기 원자로노심(120)의 냉각효율이 떨어지게 된다.
한편 도 4 우측도면과 같이 상기 우회유로관(150)이 지나치게 낮게 구비되는 경우, 냉각된 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 도달할 때까지 하강한 후 상기 원자로노심(120) 근처에서 충분히 열을 흡수하여 가열되어야 하는데, 하강 도중에 상기 우회유로관(150)을 만나면 아직 상기 원자로노심(120)에 도달하지 않은 냉각수가 연한 화살표로 표시된 바와 같이) 상기 우회유로관(150)을 통해 일부 빠져나가 버리게 된다. 즉 결과적으로 상기 원자로노심(120)을 냉각하는 냉각수 유량이 부족해지게 되어, 역시 상기 원자로노심(120)의 냉각효율이 떨어지게 된다.
이 때 도 4를 살펴보면 상기 우회유로관(150)이 지나치게 높거나 낮을 때 냉각수가 리크(leak)되는 방향이 달라지는 것을 알 수 있다. 즉 상기 우회유로관(150)의 위치를 적절하게 결정한다면 상기 우회유로관(150)으로의 냉각수 리크가 발생하지 않는 지점이 존재할 것을 유추할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 우회유로관(150)이 바로 이러한 지점, 즉 냉각수의 자연순환 시 유동이 발생하지 않는 높이에 형성되도록 함으로써, 냉각재 상실사고 발생 시에는 상기 우회유로관(150)을 통해 자연순환 노심냉각이 원활하게 이루어질 수 있도록 함과 동시에, 평상시에는 상기 우회유로관(150)을 통과하는 유동이 발생하지 않도록 하여 상기 자연순환관(145)을 통해 이루어지는 자연순환 노심냉각에서의 냉각수 리크가 발생하지 않도록 한다.
특히 본 발명에서는, 이러한 조건을 만족시키는 상기 우회유로관(150)의 적절한 위치를 정확하게 산출하기 위하여, 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성을 이용하여, 상기 우회유로관(150)의 높이가 키르히호프 법칙에 의해 산출되어 결정되도록 한다. 이하에서 상기 우회유로관(150)의 높이를 결정하는 과정을 구체적으로 상세히 설명한다.
도 5는 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 상사성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5 상측도면의 전기회로는 도 3에 도시된 상기 원자로용기(110), 즉 상기 격벽(140) 상에 상기 자연순환관(145) 및 상기 우회유로관(150)이 모두 형성되어 있는 구조에서의 유체(냉각수)순환과 상응한다. 즉 전기회로에서의 전압 E는 유체순환에서의 수두압력차 ΔP에 상응하고, 전류 i는 질량유량 Q에 상응하고, 저항 R은 흐름저항 Rf에 상응한다. 즉 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성이 하기의 표와 같이 정의될 수 있다. 또한 유체흐름 관련 변수들 간의 관계는 식 1과 같이 나타난다.
Figure 112021083969417-pat00008
Figure 112021083969417-pat00009
… (식 1)
(여기에서, Q : 질량유량, Rf : 유체흐름저항, ΔPh : 수두압력차, ΔPf : 흐름저항압력차, C : 흐름상수)
도 5 상측도면 및 하측도면을 비교하면서 좀더 상세히 설명하자면, 원자로노심에서 우회유로관까지의 높이 h1에 해당하는 수두압력차 ΔPh,1은 전원 E1에 해당하며, 우회유로관에서 자연순환관까지의 높이 h2에 해당하는 수두압력차 ΔPh,3는 전원 E1에 해당한다. 저항 R1은 흐름저항 Rf,1에 해당하는데, 이 때 식 1을 참조하면 이는 흐름저항압력차 ΔPf,1에 상응하게 되며, 저항 R2, R3도 마찬가지로 ΔPf,2, ΔPf,3에 상응한다. 한편 전류 i1은 원자로노심에서 우회유로관으로 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q1에, 전류 i2는 우회유로관에서 자연순환관으로 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q2에, 전류 i3는 우회유로관을 통과하여 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q3에 각각 상응하게 된다. 이후 상세히 설명되겠지만 미리 설명하자면, 본 발명은 궁극적으로 Q3가 0이 되는 지점을 찾기 위한 것이며, Q3가 0이 된다면 이 부분에서의 흐름저항압력차 ΔPf,2는 의미가 없어지기 때문에 실질적으로 ΔPf,2 값은 중요하게 고려할 필요가 없다.
한편 전기회로의 경우 R1, R3 등은 저항소자의 특성값으로서 결정되지만, 유체흐름의 경우 이에 상응하는 흐름저항 값은 흐름을 이루는 유체의 물성값, 유체가 흐르는 공간크기나 형상 등 다양한 요소와 연관된다. 특히 이 경우 흐름저항과 직접적으로 관련이 있는 밀도 값이 상당히 중요하게 고려되어야 할 요소이다. 도 5 하측도면에서, 우측의 전기회로에 상응하는 도 3의 실제 유체순환의 일부가 도시되어 있다. 유체순환에서는 가열 및 냉각이 유체의 흐름 진행에 따라 연속적으로 이루어지며 유체의 밀도는 온도에 영향을 받기 때문에, 각 지점마다의 냉각수 밀도는 모두 다르게 나올 것이다. 다만 구간별로 평균밀도를 구함으로써 실제 값에 근접하면서도 좀더 계산을 간소화할 수 있다. 도 5 하측도면 우측의 유체순환 도면에는, 이와 같이 평균밀도를 계산하는 구간이 표시되어 있으며, 이는 좌측의 전기회로 도면에 표시된 것과 대응된다. 구체적으로 설명하자면, ρ1은 증기발생기배치공간(V2)에서 냉각되어 우회유로관(150)에서 원자로노심(120)까지 하강하는 냉각수 평균밀도이고, ρ2는 원자로노심배치공간(V1)에서 가열되어 원자로노심(120)에서 우회유로관(150)까지 상승하는 냉각수 평균밀도이다. ρ3는 증기발생기배치공간(V2)에서 냉각되어 자연순환관(145)에서 우회유로관(150)까지 하강하는 냉각수 평균밀도이고, ρ4는 원자로노심배치공간(V1)에서 가열되어 우회유로관(150)에서 자연순환관(145)까지 상승하는 냉각수 평균밀도이다. 즉 상기 우회유로관(150)을 기준으로 볼 때 ρ1, ρ2는 아래쪽, ρ3, ρ4는 위쪽의 평균밀도들이며, 상기 격벽(140)으로 구획된 공간을 기준으로 볼 때, ρ1, ρ3는 증기발생기배치공간(V2), ρ2, ρ4는 원자로노심배치공간(V1)의 평균밀도들이다.
여기에서, 상기 우회유로관(150) 높이를 제외한 상기 원자로(100)의 각부 사양은 미리 결정되어 있고, 냉각수의 유동특성도 미리 알려져 있다. 또한 상술한 바와 같이 본 발명에서는 상기 우회유로관(150)을 통과하여 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q3 값이 0이 되게 하고자 한다는 조건도 설정되어 있다. 즉 상기 원자로(100)에서 냉각수의 자연순환(도 5 하측도면)에 상응하는 전기회로(도 5 상측도면)에서, 키르히호프 법칙을 이용하여 (Q3에 상응하는) i3 값이 0이 되는 R1, R3 값을 산출한다면, 냉각수의 자연순환에서 상기 우회유로관(150)을 통과하여 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q3 값이 0이 되는 h1, h2 값도 구할 수 있을 것이다.
도 5 상측도면의 전기회로에서 키르히호프 법칙을 이용하면, 하기 식 2와 같은 전류관계식을 얻을 수 있다.
Figure 112021083969417-pat00010
… (식 2)
이 때 상술한 바와 같이 (Q3에 상응하는) i3 값이 0이 된다는 조건인 하기 식 3을 적용하면 하기 식 4를 얻을 수 있다.
Figure 112021083969417-pat00011
… (식 3)
Figure 112021083969417-pat00012
… (식 4)
여기에서, 앞서의 표 및 식 1로 설명한 바와 같은 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성에 의해, 상술한 키르히호프 법칙을 이용한 상기 전류관계식이 하기 유동관계식으로 변환될 수 있다.
Figure 112021083969417-pat00013
… (식 5)
Figure 112021083969417-pat00014
… (식 6)
(여기에서, h1 : 원자로노심에서 우회유로관까지의 높이, h2 : 우회유로관에서 자연순환관까지의 높이, ρ1 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 우회유로관에서 원자로노심까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ2 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 원자로노심에서 우회유로관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, ρ3 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 자연순환관에서 우회유로관까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ4 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 우회유로관에서 자연순환관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, g : 중력가속도)
식 6에 대하여 보다 상세히 살펴보면, 식 6의 윗줄은 식 4에 상응하는 것이다. 즉 전류흐름 및 유체흐름의 상사성을 이용하여, 식 4 즉 전기회로에서의 [전압들 간의 비와 저항들 간의 관계]가 식 6의 윗줄 즉 유체순환에서 [수두압력차들 간의 비와 흐름저항압력차들 간의 관계]로 변환된 것이다. 한편 식 6에서 흐름저항압력차들은 식 6의 아랫줄과 같이 계산될 수 있는데, 식 6의 아랫줄에 h1, h2가 나타난다. 이 때 밀도 ρ 및 중력가속도 g는 알고 있는 값이고, 식 6의 좌변인 수두압력차들 간의 비 값 역시 알고 있는 값이므로, 식 6을 이용하여 h1, h2를 계산해 낼 수 있게 되는 것이다.
이러한 과정을 거쳐 상기 유동관계식을 통해 Q3 값이 0이 되는 h1, h2 값을 산출함으로써, 결론적으로 상기 우회유로관(150)의 높이가 키르히호프 법칙에 의해 산출되어 결정될 수 있게 된다. 이러한 상기 우회유로관(150)의 높이는 원자로의 사양에 따라 유일하고 명확하게 한 지점으로 결정될 수 있으며, 상술한 바와 같은 방법을 통해 어떤 원자로에서든 산출해낼 수 있다. 즉, 기존의 원자로에도 본 발명을 적용하고자 한다면, 상기 격벽(140) 상에서 해당 원자로의 사양을 고려하여 상술한 바와 같은 방법으로 산출된 높이에 상기 우회유로관(150)을 뚫어주기만 하면 된다. 즉 본 발명은 자연순환으로 동작하는 원자로라면, 기존에 사용되고 있는 원자로에도 얼마든지 용이하게 적용할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 우회유로관(150)은 항상 개방되어 있다 하더라도, 냉각수의 자연순환에 상응하는 전기회로에서 키르히호프 법칙을 이용하여 상기 우회유로관(150)을 통해 흘러가는 냉각수 유량이 0이 되도록 그 높이를 결정해 줌으로써, 상기 원자로(100)에서 평상시 자연순환 노심냉각 과정에서 상기 우회유로관(150)을 통한 냉각수 리크가 발생하지 않게 된다. 즉 평상시에는 마치 상기 우회유로관(150)이 없는 것과 같이 상기 자연순환관(145)만을 통한 원활한 자연순환이 이루어지게 되는 것이다.
한편 냉각재 상실사고가 발생하게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각수의 수위가 상기 자연순환관(145)보다 상당히 아래쪽으로 내려가게 되어 평상시와 같은 냉각수의 자연순환은 이루어질 수 없음이 당연하다. 그러나 이렇게 되면 수두압력차 등이 모두 달라지므로 도 5와 같은 상사성은 당연히 깨지게 되고, 그렇다면 이 상태에서는 상기 우회유로관(150)을 통해 흘러가는 냉각수 유량은 0이 되지 않음이 당연하다. 그러나 평상시의 자연순환 냉각수 상승 시와 마찬가지로, 냉각수가 상기 원자로노심(120)에서 상기 우회유로관(150)까지 상승하면서 냉각되며, 냉각되어 밀도가 높아진 냉각수는 상기 우회유로관(150)을 통과하여 하강하게 되어, 상기 우회유로관(150)을 통한 새로운 자연순환이 원활하게 이루어지게 된다.
이처럼 본 발명에 의하면, 냉각재가 상실되었을 때 냉각재를 보충해주지 않아도 자연순환 노심냉각이 원활하게 이루어질 수 있다. 이에 따라 냉각재를 보충해 주기 위하여 필요하였던 라인이나 밸브 등을 원천적으로 삭제할 수 있으며, 이와 같은 장치단순화를 통해 설계용이성 및 운용편의성 등을 크게 향상시킬 수 있다.
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 : 원자로
110 : 원자로용기
120 : 원자로노심
130 : 증기발생기
140 : 격벽
145 : 자연순환관
150 : 우회유로관

Claims (11)

  1. 냉각수를 수용하는 원자로용기(110);
    상기 원자로용기(110) 내부 하측에 배치되는 원자로노심(120);
    상기 원자로용기(110) 내부 측면에 배치되는 증기발생기(130);
    상기 원자로용기(110) 내부에 구비되어 중심측의 원자로노심배치공간(V1) 및 가장자리측의 증기발생기배치공간(V2)을 구획하며, 하부가 개방되는 격벽(140);
    상기 격벽(140) 상측에 형성되어 자연순환되는 냉각수가 통과되는 자연순환관(145);
    상기 격벽(140) 상에서 상기 자연순환관(145) 하측에 형성되되, 냉각수의 자연순환 시 유동이 발생하지 않는 높이에 형성되는 우회유로관(150);을 포함하는 원자로(100)로서,
    상기 원자로(100)는,
    전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성을 이용하여, 상기 우회유로관(150)의 높이가 키르히호프 법칙에 의해 산출되어 결정되는 것을 특징으로 하는 원자로.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 원자로(100)는,
    상기 원자로노심배치공간(V1) 하측의 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 의해 가열되어 상승하고, 상측의 냉각수가 외부로 열을 발산하여 냉각되어 상기 자연순환관(145)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러가 하강함으로써 냉각수의 자연순환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 원자로(100)는,
    냉각재 상실사고 발생 시,
    상기 원자로노심배치공간(V1) 하측의 냉각수가 상기 원자로노심(120)에 의해 가열되어 상승하고, 상측의 냉각수가 외부로 열을 발산하여 냉각되어 상기 우회유로관(150)을 통해 상기 증기발생기배치공간(V2)으로 흘러가 하강함으로써 냉각수의 자연순환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 원자로(100)는,
    전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성이 하기의 표 및 식과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 원자로.
    Figure 112023129207886-pat00015

    Figure 112023129207886-pat00016

    (여기에서, Q : 질량유량, Rf : 유체흐름저항, ΔPh : 수두압력차, ΔPf : 흐름저항압력차, C : 흐름상수)
  6. 제 5항에 있어서, 상기 원자로(100)는,
    냉각수의 자연순환에 상응하는 전기회로에서 키르히호프 법칙을 이용한 하기 전류관계식을 통해 i3 값이 0이 되는 R1, R3 값을 산출함으로써,
    냉각수의 자연순환에서 상기 우회유로관(150)을 통과하여 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q3 값이 0이 되는 h1, h2 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 원자로.
    Figure 112021083969417-pat00017

    Figure 112021083969417-pat00018

    Figure 112021083969417-pat00019

  7. 제 6항에 있어서, 상기 원자로(100)는,
    전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성에 의해 키르히호프 법칙을 이용한 상기 전류관계식이 하기 유동관계식으로 변환되며, 하기 유동관계식을 통해 Q3 값이 0이 되는 h1, h2 값을 산출함으로써,
    상기 우회유로관(150)의 높이가 키르히호프 법칙에 의해 산출되어 결정되는 것을 특징으로 하는 원자로.
    Figure 112021083969417-pat00020

    Figure 112021083969417-pat00021

    (여기에서, h1 : 원자로노심에서 우회유로관까지의 높이, h2 : 우회유로관에서 자연순환관까지의 높이, ρ1 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 우회유로관에서 원자로노심까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ2 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 원자로노심에서 우회유로관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, ρ3 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 자연순환관에서 우회유로관까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ4 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 우회유로관에서 자연순환관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, g : 중력가속도)
  8. 제 1항에 의한 원자로(100)의 설계방법에 있어서,
    a) 상기 원자로노심(120)에서 가열되어 상승한 냉각수가 상기 자연순환관(145)을 통해 상기 증기발생기(130)로 흘러가 열을 전달하면서 냉각되어 하강하여 상기 원자로노심(120)으로 되돌아오는 자연순환 및 상기 우회유로관(150)을 통한 우회유동을 포함하는 유체순환에 상응하는 전기회로가 도출되는 단계;
    b) 도출된 상기 전기회로에서 키르히호프 법칙을 이용한 전류관계식을 통해 상기 우회유로관(150)을 통과하여 흘러가는 냉각수의 질량유량 Q3에 대응되는 전류 i3 값이 0이 되는 R1, R3 값이 산출되는 단계;
    c) 전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성에 의해 키르히호프 법칙을 이용한 상기 전류관계식이 유동관계식으로 변환되는 단계;
    d) 상기 유동관계식을 통해 Q3 값이 0이 되는 원자로노심에서 우회유로관까지의 높이 h1, 우회유로관에서 자연순환관까지의 높이 h2 값이 산출되어 상기 우회유로관(150) 높이가 결정되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로의 설계방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 a) 단계는,
    전기회로에서의 전류흐름 및 유체순환에서의 유체흐름 간의 상사성이 하기의 표 및 식과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 원자로의 설계방법.
    Figure 112023078394460-pat00022

    Figure 112023078394460-pat00023

    (여기에서, Q : 질량유량, Rf : 유체흐름저항, ΔPh : 수두압력차, ΔPf : 흐름저항압력차, C : 흐름상수)
  10. 제 9항에 있어서, 상기 b) 단계에서,
    상기 전류관계식은 하기의 식인 것을 특징으로 하는 원자로의 설계방법.
    Figure 112023078394460-pat00024

    Figure 112023078394460-pat00025

    Figure 112023078394460-pat00026

  11. 제 10항에 있어서, 상기 d) 단계에,
    상기 유동관계식은 하기의 식인 것을 특징으로 하는 원자로의 설계방법.
    Figure 112023078394460-pat00027

    Figure 112023078394460-pat00028

    (여기에서, h1 : 원자로노심에서 우회유로관까지의 높이, h2 : 우회유로관에서 자연순환관까지의 높이, ρ1 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 우회유로관에서 원자로노심까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ2 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 원자로노심에서 우회유로관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, ρ3 : 증기발생기배치공간에서 냉각되어 자연순환관에서 우회유로관까지 하강하는 냉각수 평균밀도, ρ4 : 원자로노심배치공간에서 가열되어 우회유로관에서 자연순환관까지 상승하는 냉각수 평균밀도, g : 중력가속도)
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