KR20110104736A

KR20110104736A - 원자력 발전소용 나노유체 주입장치

Info

Publication number: KR20110104736A
Application number: KR1020100023809A
Authority: KR
Inventors: 허균영; 박상준; 방인철; 강명석; 지창현
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-09-23
Also published as: KR101100792B1

Abstract

본 발명은 원자로의 냉각재 상실사고(LOCA) 발생시 압력차에 의해 나노입자의 금속물질이 용융된 냉각용 나노유체가 자동 공급되어 원자로의 노심을 보다 신속하게 냉각시킬 수 있도록 함과 아울러 나노유체를 샘플링 가능하도록 하여 나노입자의 물리적 화학적 특성을 관찰할 수 있도록 한 것으로, 원자로의 저온관에 연결관을 매개로 일단이 기밀유지가능하게 연결되되, 내부에는 냉각재 상실사고(LOCA)시 공급되어 원자로를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 보조냉각수가 저장되고, 내주면 상부에는 외부와 관통된 연결홀이 형성되어 구비되는 안전주입탱크와, 상기 안전주입탱크의 연결홀에 설치되어 냉각재 상실사고(LOCA)에 대응되게 보조냉각수가 저온관측으로 공급되는 것에 의해 일단이 회동되어 개방 가능하도록 구비되는 개폐수단과, 상기 안전주입탱크의 외주면에 일단이 연결홀과 연통되게 연결되고, 타단은 저온관과 연결되는 연결관을 매개로 연결되되, 내부에는 나노입자의 금속물질이 용융된 냉각용 나노유체가 저장되어 구비되는 나노유체 저장탱크를 포함하여 구성된 것에 의해 달성된다.

Description

원자력 발전소용 나노유체 주입장치{A system for nano-fluid injection in nuclear power plants}

본 발명은 원자력 발전소용 나노유체 주입장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원자로의 냉각재 상실사고(LOCA: Loss Of Coolant Accident) 발생시 압력차에 의해 나노입자의 금속물질이 용융된 냉각용 나노유체가 자동 공급되어 원자로의 노심을 보다 신속하게 냉각시킬 수 있어 노심용융을 방지할 수 있도록 함과 아울러 나노유체를 샘플링 가능하도록 하여 나노입자의 물리적 화학적 특성을 관찰할 수 있도록 한 원자력 발전소용 나노유체 주입장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 가압경수형 원자로의 중대사고시 원자로 내의 핵연료 및 내부 구조물은 용융된 상태로 압력용기 하부에 쌓이게 된다.

이때 상기 압력용기는 용융된 높은 온도의 핵연료(Corium 형태)에 노출되므로 압력용기 하부가 관통될 수 있으며, 이로 인하여 고준위 방사능의 핵연료가 외부로 유출되는 것에 의해 대형사고가 발생할 수 있다.

냉각재 상실사고(LOCA)는 이러한 중대 사고를 발생시킬 소지가 있으며, 중대사고 발생시에는 심각한 경제적, 사회적 문제를 야기할 수 있다.

이를 대비하기 위해 원자로냉각재 계통과 함께 비상노심 냉각계통(ECCS: Emergency Core Cooling System)이 설치되는바, 상기한 비상노심 냉각계통(ECCS)은 원자력발전소의 배관 파손, 단절 등으로 냉각재가 유출되는 경우에 보조 냉각재를 투입하여 노심의 온도를 올라가는 것을 막아 노심용융을 방지한다.

이와 같이 구성된 원자로는 냉각재 상실사고(LOCA) 발생시 비상노심 냉각계통(ECCS)이 작동하게 된다.

원자로발전소의 배관 파단 및 단절 등으로 냉각재 상실사고(LOCA)가 발생시 비상노심 냉각계통(ECCS)에서 가장 먼저 안전주입탱크(SIT: Safety Injection Tank)가 작동한다. 안전주입탱크(SIT)는 비상노심 냉각계통(ECCS)의 주요 설비로서 45기압으로 가압된 탱크이며 탱크 안에는 냉각수가 들어있어 냉각재 상실사고(LOCA) 발생시 원자로를 냉각시키기 위해 신속히 냉각수를 공급한다.

기존 연구에서 안전주입탱크(SIT)에 나노입자를 넣음으로서 임계 열유속을 높여 냉각재 상실사고(LOCA) 발생시 핵연료가 용융되지 않도록 하는 아이디어가 제안되었다.

그러나 기존의 아이디어인 나노입자가 혼합된 안전주입탱크(SIT)는 몇 가지 문제점이 있다. 나노입자가 응집되지 않게 유지하기 위해서는 높은 산성도를 유지해야 한다. 하지만 기존의 안전주입탱크(SIT)는 높은 산성도일 경우 부식하게 된다. 이것을 방지하기 위해서는 코팅을 해야 하지만 거대한 안전주입탱크(SIT)를 코팅하는 것은 많은 비용이 든다.

또한, 종래의 일반적인 가압경수형 원자로의 안전주입탱크(SIT)는 상기한 바와 같이 내부압이 유지되도록 개방할 수 없는 밀폐타입으로 구성되는바, 나노입자의 금속물질이 용융된 비상노심냉각용 냉각수를 샘플링할 수 없어 나노입자의 금속물질이 시간 경과에 따른 물리적, 화학적 성질을 점검할 수 없는 구조적인 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 원자로냉각재 계통에 이상 발생시 비상용 냉각재가 저장된 안전주입탱크(SIT)가 개방됨과 동시에 개방되어 나노입자의 금속물질이 용융된 비상노심냉각용 냉각재를 공급 가능하도록 나노유체저장탱크를 구비하되, 내부를 높은 산성도에서 견딜 수 있는 티타늄으로 코팅하여 구비함으로써, 시간 경과에 따른 비상노심냉각용 냉각재에 용융된 나노 금속물질이 응집되는 것을 방지할 수 있어 원자로 냉각재 계통에 이상 발생으로 냉각수 상실에 따른 원자로를 보다 신속하게 냉각시킬 수 있도록 한 원자력 발전소용 나노유체 주입장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명의 또 다른 목적은, 내부를 높은 산성도에서 견딜 수 있는 티타늄으로 코팅하여 구비한 나노유체저장탱크의 일단을 개방 가능하도록 구성함으로써, 시간경과에 따른 나노입자의 금속물질이 용융된 비상노심냉각용 냉각재의 물리적, 화학적 성질을 점검 가능하도록 한 원자력 발전소용 나노유체 주입장치를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원자로 사고시 발생 할 수 있는 노심의 용융을 방지 가능하도록 한 장치에 있어서, 원자로를 경유하도록 배관된 저온관에 연결관을 매개로 일단이 기밀유지가능하게 연결되되, 내부에는 원자로 냉각재 계통으부터 공급되는 냉각재 상실사고(LOCA)시 공급되어 원자로를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 보조냉각수가 저장되고, 내주면 상부에는 외부와 관통된 연결홀이 형성되어 구비되는 안전주입탱크와, 안전주입탱크(SIT)의 연결홀에 설치되어 원자로 냉각재 계통으로부터 공급되는 냉각재 상실사고(LOCA)에 대응되게 안전주입탱크 안에 구비된 냉각재가 저온관측으로 공급되는 것에 의해 일단이 회동되어 개방 가능하도록 구비되는 개폐수단과, 상기 안전주입탱크의 외주면에 일단이 연결홀과 연통되게 연결되고, 타단은 저온관과 연결되는 연결관을 매개로 연결되되, 내부에는 안전주입탱크에 저장된 냉각재가 연결관을 통하여 저온관측으로 유입되는 것에 대응되게 개폐수단이 개방됨으로 인해 연결관측으로 공급되어 원자로를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 나노입자의 금속물질이 용융된 나노유체가 저장되어 구비되는 나노유체 저장탱크를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안전주입탱크의 내부는 저온관 내부의 압보다 낮은 압을 유지하고, 상기 나노유체 저장탱크의 내부는 높은 산성도를 유지하여 나노입자의 금속물질이 용융된 나노유체가 시간이 경과하더라도 응집되는 것을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치에 따르면, 원자로 냉각재 계통에 이상 발생시 비상용 냉각수가 저장된 안전주입탱크(SIT)가 개방됨과 동시에 나노입자의 금속물질이 혼합된 나노유체를 공급 가능하도록 나노유체저장탱크를 구비하되, 내부를 높은 산성도에서 견딜 수 있는 티타늄으로 코팅하여 구비함으로써, 시간 경과에 따른 나노유체의 나노 금속물질이 응집되는 것을 방지할 수 있어 원자로 냉각재 계통에 이상 발생으로 냉각재 상실 사고(LOCA)시 원자로를 보다 신속하게 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치가 구비된 원자로의 냉각 계통도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치가 작동된 상태를 도시한 도면이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치의 일실시예를 들어 상세하게 설명한다.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

첨부된 도면 도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치가 구비된 원자로의 냉각 계통도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치가 작동된 상태를 도시한 도면이다.

원자력 발전소용 나노유체 주입장치(100)는 원자로(10)를 경유하도록 배관된 저온관(20)에 연결관(112)을 매개로 일단이 기밀유지가능하게 연결되되, 내부에는 냉각재 상실사고(LOCA)시 공급되어 원자로를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 보조냉각수(A)가 저장되고, 내주면 상부에는 외부와 관통된 연결홀(113)이 형성되어 구비되는 안전주입탱크(110)와, 상기 안전주입탱크(110)의 연결홀(113)에 설치되어 원자로 냉각재 상실사고(LOCA)에 대응되게 보조냉각수(A)가 저온관(20)측으로 공급되는 것에 의해 일단이 회동되어 개방 가능하도록 구비되는 개폐수단(130)과, 상기 안전주입탱크(110)의 외주면에 일단이 연결홀(113)과 연통되게 연결되고, 타단은 저온관(20)과 연결되는 연결관(112)을 매개로 연결되되, 내부에는 안전주입탱크(110)에 저장된 보조냉각수(A)가 연결관(112)을 통하여 저온관(20)측으로 유입되는 것에 대응되게 개폐수단(130)이 개방됨으로 인해 연결관(112)측으로 공급되어 원자로(10)를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 나노입자의 금속물질이 용융된 나노유체(B)가 저장되어 구비되는 나노유체저장탱크(150)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기한 안전주입탱크(110)의 내부는 저온관 내부의 압보다 낮은 45기압을 유지하고, 상기 나노유체저장탱크(150)의 내부는 높은 산성도를 유지하여 나노입자의 금속물질이 시간이 경과하더라도 응집되는 것을 방지하면서 샘플링이 가능하도록 대기압으로 유지된다.

이하에서 상기한 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치(100)의 안전주입탱크(110)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 저온관(20)에 연결관(112)을 매개로 연결되고 내부에는 냉각재 상실사고(LOCA)시 저장된 보조냉각수(A)를 공급 가능하도록 구비된다.

즉, 상기한 안전주입탱크(110)는 저면은 제1체크밸브(111)가 설치된 연결관(112)의 타단과 용접과 같은 방법으로 연통되게 홀(114)이 형성되고, 내부에는 보조냉각수(A)를 저장시킬 수 있도록 밀폐되되, 내주면 상부에는 개폐수단(130)에 의해 개폐되는 연결홀(113)이 형성되어 구비된다.

상기한 개폐수단(130)은, 안전주입탱크(110)의 연결홀(113)을 항상 폐쇄시킨 상태를 유지하도록 안전주입탱크(110)의 내부에 설치되어 보조냉각수(A)가 연결관(112)을 통하여 저온관(20)측으로 공급되는 것에 대응되게 상기 연결홀(113)을 개방시킬 수 있도록 구성된다.

즉, 상기한 개폐수단(130)은 안전주입탱크(110)에 형성된 연결홀(113)을 씰링시키면서 보조냉각수(A) 공급에 따른 내압이 나노유체저장탱크(150)측으로 이동할 수 있도록 외주면은 씰링홈(도면부호 생략)이 원주방향으로 형성되고 중앙부는 관통홀(131a)이 형성되어 구비되는 씰링부재(131)와, 상기 씰링부재(131)의 일면 일단에 힌지핀(132)을 매개로 일단이 회동하는 것에 의해 관통홀(131a)을 개폐시킬 수 있도록 구비되는 개폐판(133)과, 상기 개폐판(133)의 타단에 연결바(134)를 매개로 연결되어 보조냉각수(A)의 수위에 대응되게 개폐판(133)을 회동시킬 수 있도록 구비되는 부력체(135)로 이루어진다.

상기한 나노유체저장탱크(150)는 일단은 안전주입탱크(110)에 연결되고 타단은 저온관(20)과 연결되는 연결관(112)에 연결되어 상기 개폐수단(130)의 개폐판(133)이 개방되는 것에 의해 안전주입탱크(110)의 내부 압력이 유입됨에 따른 저장된 냉각용 나노유체(B)를 자동 공급시켜 원자로를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 구성된다.

즉, 상기한 나노유체 저장탱크(150)는 상기 안전주입탱크(110)의 외주면에서 상기 연결홀(113)과 연통되게 용접과 같은 방법으로 일단이 고정 연결되는 유도관(152)과, 상기 유도관(152)의 타단을 상면에 용접에 의해 고정 연결시키되 내부는 나노입자의 금속물질이 용융된 나노유체(B)를 저장시켜 구비되는 저장탱크(153)와, 상기 저장탱크(153)의 저면에 일단이 연결되고 타단은 중간에 제2체크밸브(151)를 구비하여 연결관(112)에 연결되는 것에 의해 상기 보조냉각수(A)가 안전주입탱크(110)로부터 유출시 저장된 나노유체(B)를 연결관(112)측으로 유출 가능하도록 구비되는 안내관(154)으로 구성된다.

또한, 상기한 저장탱크(153)의 상면에는 시간 경과에 따른 냉각용 나노유체(B)의 상태 유무를 확인할 수 있도록 개폐 가능한 마개(155)가 더 구비된다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 원자력 발전소용 나노유체 주입장치가 설치된 원자로에 냉각재 상실사고(LOCA)가 발생되면, 첨부된 도면 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 저온관(20)의 압력이 안전주입탱크(110)의 내부압(45기압) 이하로 떨어지게 된다.

상기 저온관(20)의 내압이 안전주입탱크(110)의 내압 이하로 떨어지게 되면, 안전주입탱크(110)에 저장된 보조냉각수(A)는 연결관(112)을 통하여 저온관(20)측으로 공급된다.

상기 안전주입탱크(110)에 저장된 보조냉각수(A)가 유출되는 것에 의해 수위가 낮아짐으로 인해 개폐수단(130)의 부력체(135)는 하향이동 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 안전주입탱크(110)의 내부 바닥면측으로 내려가게 된다.

상기 부력체(135)의 하향이동으로 개폐수단(130)의 개폐판(133)이 힌지핀(132)을 축으로 회동하여 안전주입탱크(110)의 연결홀(113)을 개방시키게 된다.

상기 연결홀(113)의 개방으로 안전주입탱크(110)의 내압이 압력차에 의해 나노유체저장탱크(150)의 유도관(152)을 통하여 대기압 즉 1기압의 내압을 갖는 저장탱크(153)로 유입되고, 그로 인하여 저장탱크(153)에 저장된 나노입자의 금속물질이 용융된 냉각용 나노유체(B)는 안내관(154)을 통하여 저온관(112)측으로 공급된다.

따라서, 상기 안전주입탱크(110)에 저장된 보조냉각수(A)와 함께 저장탱크(153)에 저장된 냉각용 나노유체(B)가 함께 원자로(10)를 경유하는 저온관(20)측으로 이송되므로 인해 원자로(10)는 신속하게 냉각되어 대형사고를 방지할 수 있게 된다.

또한, 저장탱크의 내부만을 티타늄의 코팅시켜 구비하게 되므로, 장치 구성에 있어서 비용 또한 절감시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 ; 나노유체 주입장치
110 ; 안전주입탱크
130 ; 개폐수단
150 ; 나노유체 저장탱크

Claims

원자로의 대형사고시 발생되는 노심의 용융을 방지 가능하도록 한 장치에 있어서,
원자로(10)를 경유하도록 배관된 저온관(20)에 연결관(112)을 매개로 일단이 기밀유지가능하게 연결되되, 내부에는 원자로 냉각재 계통으로부터 공급되는 냉각재 상실사고(LOCA)시 공급되어 원자로를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 보조냉각수(A)가 저장되고, 내주면 상부에는 외부와 관통된 연결홀(113)이 형성되어 구비되는 안전주입탱크(110)와;
상기 안전주입탱크(110)의 연결홀(113)에 설치되어 냉각재 상실사고(LOCA)에 대응되게 보조냉각수(A)가 저온관(20)측으로 공급되는 것에 의해 일단이 회동되어 개방가능하도록 구비되는 개폐수단(130)과;
상기 안전주입탱크(110)의 외주면에 일단이 연결홀(113)과 연통되게 연결되고, 타단은 저온관(20)과 연결되는 연결관(112)을 매개로 연결되되, 내부에는 안전주입탱크(110)에 저장된 보조냉각수(A)가 연결관(112)을 통하여 저온관(20)측으로 유입되는 것에 대응되게 개폐수단(130)이 개방됨으로 인해 연결관(112)측으로 공급되어 원자로(10)를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 나노입자의 금속물질이 용융된 나노유체(B)가 저장되어 구비되는 나노유체 저장탱크(150)를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 나노유체 주입장치.
제1항에 있어서,
상기 안전주입탱크(110)의 내부는 저온관(20) 내부의 압보다 낮은 압을 유지하고, 상기 나노유체 저장탱크(150)의 내부는 높은 산성도를 유지하여 나노입자의 금속물질이 용융된 냉각용 나노유체(B)가 시간이 경과하더라도 응집되는 것을 방지하고 샘플링이 가능하도록 대기압으로 구성된 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 나노유체 주입장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 개폐수단(130)은 안전주입탱크(110)에 형성된 연결홀(113)을 씰링시키면서 보조 냉각수(A) 공급에 따른 내압이 나노유체 저장탱크(150)(150)측으로 이동할 수 있도록 외주면은 씰링홈이 원주방향으로 형성되고 중앙부는 관통홀(131a)이 형성되어 구비되는 씰링부재(131)와, 상기 씰링부재(131)의 일면 일단에 힌지핀(132)을 매개로 일단이 회동하는 것에 의해 관통홀(131a)을 개폐시킬 수 있도록 구비되는 개폐판(133)과, 상기 개폐판(133)의 타단에 연결바(134)를 매개로 연결되어 보조냉각수(A)의 수위에 대응되게 개폐판(133)을 회동시킬 수 있도록 구비되는 부력체(135)로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 나노유체 주입장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 나노유체 저장탱크(150)는 상기 안전주입탱크(110)의 외주면에서 상기 연결홀(113)과 연통되게 용접과 같은 방법으로 일단이 고정 연결되는 유도관(152)과, 상기 유도관(152)의 타단을 상면에 용접에 의해 고정 연결시키되 내부는 나노입자의 금속물질이 용융된 나노유체(B)를 저장시켜 구비되는 저장탱크(153)와, 상기 저장탱크(153)의 저면에 일단이 연결되고 타단은 중간에 제2체크밸브(151)를 구비하여 연결관(112)에 연결되는 것에 의해 상기 보조냉각수(A)가 안전주입탱크(110)로부터 유출시 저장된 냉각용 나노유체(B)를 연결관(112)측으로 유출가능하도록 구비되는 안내관(154)으로 구성된 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 나노유체 주입장치.
제4항에 있어서,
상기 저장탱크(153)의 상면에는 시간 경과에 따른 냉각용 나노유체(B)의 상태 유무를 확인할 수 있도록 개폐가능한 마개(155)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 원자력 발전소용 나노유체 주입장치