KR20110115725A - Graphene/graphene oxide-dispersion coolants, using method of the same and nuclear corium cooling system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그라핀/그라핀-산화물 분산 냉각재의 이용방법 및 이를 이용한 원자로 노심 용융물 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 노심 용융물 냉각 시스템에서 냉각수에 나노물질(그라핀 또는 그라핀-산화물)이 분산된 냉각재를 냉각용으로 사용함으로써 냉각 능력을 향상시켜 성공적인 외벽 냉각 능력을 확보하여 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어져 원자력 안전성 확보에 기여하는 원자로 노심 용융물 냉각 시스템 및 이에 사용되는 나노물질(그라핀 또는 그라핀-산화물)에 관한 것이다.The present invention relates to a method of using a graphene / graphene-oxide dispersion coolant and a reactor core melt cooling system using the same. More particularly, the present invention relates to nanomaterials (graphene or graphene oxide) in cooling water in a reactor core melt cooling system. Reactor core melt cooling system and nanomaterials used to improve nuclear power safety by improving the cooling capacity by using this dispersed coolant for cooling to secure successful outer wall cooling capacity, thereby contributing to nuclear reactor safety during nuclear accident (Graphene or graphene-oxide).
Description
본 발명은 그라핀/그라핀-산화물 분산 냉각재의 이용방법 및 이를 이용한 원자로 노심 용융물 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 노심 용융물 냉각 시스템에서 냉각수에 나노물질(그라핀 또는 그라핀-산화물)이 분산된 냉각재를 냉각용으로 사용함으로써 냉각 능력을 향상시켜 성공적인 외벽 냉각 능력을 확보하여 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어져 원자력 안전성 확보에 기여하는 원자로 노심 용융물 냉각 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method of using a graphene / graphene-oxide dispersion coolant and a reactor core melt cooling system using the same. More particularly, the present invention relates to nanomaterials (graphene or graphene oxide) in cooling water in a reactor core melt cooling system. By using this distributed coolant for cooling, the reactor core melt cooling system improves the cooling capacity to secure successful outer wall cooling capacity, and the nuclear reactor core melts are stored in the furnace during a serious accident, thereby contributing to securing nuclear safety.
원자로는 안정성 평가에 따라 설계된 각종 안전 설비가 오작동하여 노심(reactor core) 냉각이나 반응도 제어가 적절히 이루어지지 않는 경우에 노심에 중대한 손상이 발생하는 중대사고가 발생하게 된다. 이러한 중대사고의 주요 현상으로는, 핵연료 피복재 산화로 인한 수소 발생과 폭발, 핵연료의 용융과 용융된 핵연료의 원자로 용기 내 거동, 원자로 용기 파손, 증기 폭발, 격납건물(reactor containment building) 직접 가열, 노심 용융물-콘크리트 반응 및 격납건물 과압 등이 있는데, 특히 중대사고의 전체 피해 규모에 직접적으로 영향을 미치는 현상은 원자로의 용기가 파손된 이후에 주로 발생하는 격납건물의 파손이다. 이러한 중대사고의 여러 현상은 그 전개 과정이 대단히 불확실하고 복잡하므로 중대사고를 분석하거나 관리하는 데에 어려움이 많은 실정이다.Nuclear reactor accidents can cause serious damage to the core if various safety equipment designed according to the stability assessment malfunctions and reactor core cooling or reactivity control is not properly performed. The main phenomena of these serious accidents include the generation and explosion of hydrogen from fuel cladding, the melting of fuel and the behavior of molten fuel in reactor vessels, reactor vessel failure, steam explosions, direct heating of reactor containment buildings, and cores. Melt-concrete reactions and containment overpressure, especially those that directly affect the overall damage scale of a major accident are the breakdown of containment, which occurs mainly after the reactor vessel is broken. These phenomena of serious accidents are difficult to analyze or manage serious accidents because the development process is very uncertain and complicated.
최근, 중대사고 발생시, 원자로의 용기 외벽을 침수시킴으로써 원자로 용기 내부의 노심 용융물로부터 발생하는 붕괴열을 제거하여 원자로 용기가 파손되는 것을 방지하는 원자로 외벽 냉각 기술이 원자로의 중대사고를 관리하는 주요 기술로 대두됨에 따라, 해외의 여러 경수로에서는 이러한 원자로 외벽 냉각 기술을 고려하여 설계에 반영하는 추세이다. 그 예로, 도 6에 도시된 미국 웨스팅하우스의 신형 경수로 AP1000에서의 원자로 외벽 냉각 방법을 들 수 있다. In recent years, in the event of a serious accident, the reactor outer wall cooling technology, which prevents the reactor vessel from breaking by removing the decay heat generated from the core melt inside the reactor vessel by submerging the outer wall of the reactor, has emerged as a major technology to manage the serious accident of the reactor. As a result, many light water reactors abroad tend to reflect the design of the reactor outer wall cooling technology. For example, the reactor outer wall cooling method in the new water reactor AP1000 of the Westinghouse in the United States shown in FIG.
이 방법에 따르면, 원자로의 노심이 용융되어 노심 용융물(125)이 생성되는 중대사고가 발생하는 경우 원자로 공동(reactor cavity; 140)으로 냉각수를 투입하여 원자로 공동(140)의 저면에서부터 1차측 배관(150) 접합부까지의 공간을 냉각수로 채워줌으로써 원자로의 외벽을 침수시킨다. 원자로 공동(140)에 냉각수가 채워지면 채워진 냉각수의 압력에 의해 열 차폐체(130) 하부의 냉각수 입구(134)가 열리고, 이를 통해 냉각수가 열 차폐체(130) 내부로 유입되며, 내부로 유입된 냉각수는 자연대류현상에 의해 원자로 용기(120)의 외벽을 따라 열 차폐체(130) 상부에 있는 냉각수 출구(135)를 통해 다시 원자로 공동(140)으로 배출되게 된다.According to this method, in the event of a serious accident in which the core of the reactor is melted to produce the
다시 말해서, 원자로 공동(140) → 냉각수 입구(134) → 열 차폐체(130) 내부 → 냉각수 출구(135) → 원자로 공동(140)의 순으로 냉각수가 지속적인 자연 순환을 하며 원자로의 외벽을 냉각하게 된다.In other words, the coolant has a continuous natural circulation and cools the outer wall of the reactor in the order of the
이러한 원자로 공동 침수에 의한 원자로 외벽 냉각 방법은 해외는 물론 국내에서도 대부분의 경수로에서 원자로의 외벽을 냉각하는 방법으로 채택되어 사용되고 있다.The reactor outer wall cooling method by the reactor cavity submersion is adopted and used as a method for cooling the outer wall of the reactor in most light water reactors as well as abroad.
하지만, 원자로 중대 사고시, 핵연료로 이루어진 노심 용융물을 원자로 용기 내(노내)에 성공적으로 보존하기 위해서는 용융물로 이루어진 용융풀의 붕괴열로 인한 원자로 용기 하부에 가해지는 열적부하가 원자로 외벽 냉각시에 임계열유속값보다 충분히 (열적) 마진을 두고 작아야 하는데, 기존 외벽 냉각 시스템에 사용되는 물 냉각수에서는 임계열유속으로 불리는 열제거능력 한계점에 관하여 외벽으로부터 열유속과의 여유도가 충분하지 않은 문제점이 있었다.However, in order to successfully preserve the core melt made of nuclear fuel in the reactor vessel (in the furnace) in the event of a major reactor accident, the thermal load applied to the bottom of the reactor vessel due to the decay heat of the melt pool made of the melt is the critical heat flux value during the reactor wall cooling. It should be smaller enough with (thermal) margin, but there was a problem that the water cooling water used in the existing outer wall cooling system had insufficient margin with the heat flux from the outer wall with respect to the heat removal capacity limit called the critical heat flux.
이에 본 발명에서는 원자로 외벽 냉각 시스템의 능력을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 즉, 외벽 냉각의 성공 척도는 충분한 임계열유속 마진(가령, 50% 이상)을 확보하는 것이므로, 본 발명에서는 임계열유속 증진을 이룰 수 있는 원자로 외벽 냉각 시스템을 제공하고, 이에 사용되는 나노물질을 제공하도록 한다.Accordingly, the present invention aims to improve the capability of the reactor outer wall cooling system. That is, since the success measure of the outer wall cooling is to secure a sufficient critical heat flux margin (for example, 50% or more), the present invention provides a reactor outer wall cooling system capable of achieving a critical heat flux improvement, and to provide a nanomaterial used therein. do.
본 발명은 냉각수에 분산시켜 냉각재로 사용되는 나노물질의 용도에 관한 것으로, 상기 나노물질을 냉각수에 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 나노물질의 이용 방법을 제공한다.The present invention relates to the use of nanomaterials dispersed in cooling water and used as a coolant, and provides a method of using nanomaterials to disperse the nanomaterial in cooling water and use it as a coolant in a reactor outer wall cooling system.
여기서, 상기 나노물질은 냉각재 전체 부피 대비 10-5~1 부피% 비율로 분산된 것은 특징으로 한다.Here, the nano-material is characterized in that dispersed in a ratio of 10 -5 ~ 1% by volume relative to the total volume of the coolant.
또한, 상기 나노물질은 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)인 것을 특징으로 한다.In addition, the nanomaterial is characterized in that the graphene (graphene) or graphene oxide (graphene-oxide).
또한 본 발명은, 원자로 용기(10);와, 일정한 간격을 두고 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 둘러싸는 열 차폐체(20); 및 상기 열 차폐체(20) 및 상기 원자로 용기(10)를 내부에 구비하는 원자로 공동(30);을 포함하여 구성되는 원자로 외벽의 냉각 시스템에 있어서, 상기 시스템에 공급되는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템을 제공한다.In addition, the present invention, the
여기서, 내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40);와, 내부에 나노물질을 저장하는 나노물질 분산탱크(50);와, 일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입 배관(60,61);과, 일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 냉각수 주입 배관(60)과 연통되어 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하는 나노물질 주입 배관(70);과, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81);와, 상기 나노물질 주입 배관(70)에 구비되어, 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 분산되는 나노물질(51)의 흐름을 단속하는 나노물질 주입 밸브(90); 및 상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100);를 포함하여 구성되어, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 주입되는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 한다.Here, the
또한, 내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40);와, 내부에 나노물질(51)을 저장하는 나노물질 분산탱크(50);와, 일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입 배관(60,61);과, 일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 열 차폐체(20)의 내부와 연통되어 상기 열 차폐체(20)의 내부로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하는 나노물질 주입 배관(71);과, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81);와, 상기 나노물질 주입 배관(71)에 구비되어, 상기 열 차폐체(20)로 분산되는 나노물질의 흐름을 단속하는 나노물질 주입 밸브(90); 및 상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100);를 포함하여 구성되어, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 주입되어 상기 열 차폐체(20) 내부를 순환하는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, a
또한, 상기 나노물질(51)은 전체 냉각재 부피 대비 10-5~1 부피% 비율로 분산된 것은 특징으로 한다.In addition, the
또한, 상기 나노물질(51)은 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)인 것을 특징으로 한다.In addition, the
또한, 상기 나노물질 분산탱크(50)에 압축가스(52)가 주입되어 나노물질 주입 밸브(90)가 열리면 나노물질(51)을 가스압으로 밀어내는 것을 특징으로 한다.In addition, when the compressed
또한, 상기 압축가스(52)는 N2 가스인 것을 특징으로 한다.In addition, the compressed
또한, 상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 열 차폐체(20) 중 상기 원자로 용기(10)의 외벽 경사가 70°보다 크고 90°보다 작은 구간에 분사되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the other end of the nano-
또한, 상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 원자로 용기(10)의 외벽에 수직하게 분사되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the other end of the
또한, 상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단에는 분사노즐(Nozzle, 72)이 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the other end of the
또한, 상기 저수조(40)는 격납건물(1) 내부에 구비되는 핵연료 재장전수조(in-containment refueling water storage tank:IRWST)인 것을 특징으로 한다.In addition, the
본 발명을 활용하면, 원자로 외벽 냉각 능력을 향상(약 2.8배 임계열유속 증진)하여 성공적인 외벽 냉각 능력을 확보할 수 있어, 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어질 수 있으므로 원자력 안전성 확보에 크게 기여할 수 있다.By utilizing the present invention, it is possible to secure a successful outer wall cooling ability by improving the outer wall cooling capacity of the reactor (approximately 2.8 times increase the critical heat flux), so that the nuclear fuel core melt can be stored in the furnace in the event of a serious accident, thus greatly contributing to securing nuclear safety. Can be.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도이며,
도 3은 도 2의 'A'부분을 확대설명하는 확대도이고,
도 4는 본 발명에서 실시한 시험 결과를 나타내는 것으로, 각 유체가 끓은 후에 히터 와이어 표면에 코팅된 모습을 보여주는 SEM 이미지 사진(좌측은 ×100, 우측은 ×10000, (a) 물, (b) Al2O3 나노물질 분산된 유체, (c) 그라핀이 분산된 유체, (d) 그라핀-산화물이 분산된 유체)이며,
도 5는 본 발명에서 사용되는 그라핀을 설명하기 위한 참고도이고,
도 6은 종래 기술에 따른 원자로 외벽 냉각 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a configuration diagram of a reactor outer wall cooling system according to a first embodiment of the present invention,
2 is a configuration diagram of a reactor outer wall cooling system according to a second embodiment of the present invention,
3 is an enlarged view illustrating an enlarged portion 'A' of FIG. 2,
Figure 4 shows the test results carried out in the present invention, SEM image showing the appearance of the coating on the heater wire surface after each fluid boiled (left side × 100, right side × 10000, (a) water, (b) Al 2 O 3 nanomaterial dispersed fluid, (c) graphene dispersed fluid, (d) graphene-oxide dispersed fluid),
5 is a reference diagram for explaining the graphene used in the present invention,
6 is a view for explaining a reactor outer wall cooling method according to the prior art.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be construed in a common or dictionary sense, and the inventors will be required to properly define the concepts of terms in order to best describe their invention. Based on the principle that it can, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It should be understood that there may be water and variations.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도이며, 도 3은 도 2의 'A'부분을 확대설명하는 확대도이고, 도 4는 본 발명에서 실시한 시험 결과를 나타내는 것으로, 각 유체가 끓은 후에 히터 와이어 표면에 코팅된 모습을 보여주는 SEM 이미지 사진(좌측은 ×100, 우측은 ×10000, (a) 물, (b) Al2O3 나노물질 분산된 유체, (c) 그라핀이 분산된 유체, (d) 그라핀-산화물이 분산된 유체)이며, 도 5는 본 발명에서 사용되는 그라핀을 설명하기 위한 참고도이고, 도 6은 종래 기술에 따른 원자로 외벽 냉각 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a schematic diagram of a reactor outer wall cooling system according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram of a reactor outer wall cooling system according to a second embodiment of the present invention, Figure 3 is' A 4 is an enlarged view illustrating the enlarged portion, and FIG. 4 shows the test results performed in the present invention, and SEM images showing the state in which the fluid is coated on the heater wire surface after boiling (left is × 100, right is × 10000) (a) water, (b) Al 2 O 3 nanomaterial dispersed fluid, (c) graphene dispersed fluid, (d) graphene-oxide dispersed fluid), and FIG. 5 is used in the present invention. Figure 6 is a reference for explaining the graphene, Figure 6 is a view for explaining a reactor outer wall cooling method according to the prior art.
먼저, 본 발명에서 사용되는 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)의 이용에 대해 설명한다.First, the use of graphene (graphene) or graphene oxide (graphene-oxide) used in the present invention will be described.
본 발명은 냉각수에 분산시켜 냉각재로 사용되는 나노물질의 용도에 관한 것으로, 상기 나노물질을 냉각수에 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 나노물질의 이용 방법을 제공한다.The present invention relates to the use of nanomaterials dispersed in cooling water and used as a coolant, and provides a method of using nanomaterials to disperse the nanomaterial in cooling water and use it as a coolant in a reactor outer wall cooling system.
여기서, 상기 나노물질은 냉각재 전체 부피 대비 10-5~1 부피% 비율로 분산된 것은 특징으로 하고, 상기 나노물질은 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)인 것을 특징으로 한다.Here, the nanomaterial is characterized in that dispersed in a ratio of 10 -5 ~ 1% by volume relative to the total volume of the coolant, the nanomaterial is characterized in that the graphene (graphene) or graphene oxide (graphene-oxide).
이하에서, 냉각수는 일반적으로 원자로 냉각에 사용되는 물을 지칭하며, 냉각재는 상기 물에 나노물질이 분산된 것을 지칭한다.Hereinafter, the cooling water generally refers to water used for cooling the reactor, and the coolant refers to the dispersion of nanomaterials in the water.
즉, 본 발명은 원자로 외벽 냉각 시스템에 사용되는 냉각재로서 냉각수(물)에 나노물질이 분산된 것을 사용한다.That is, the present invention uses a material in which nanomaterials are dispersed in cooling water (water) as a coolant used in a reactor outer wall cooling system.
본 발명의 실시에서 사용되는 대표적인 나노물질은 그라핀(graphene), 그라핀 산화물(graphene-oxide)이 있으며, Al2O3도 가능하다.Representative nanomaterials used in the practice of the present invention are graphene (graphene), graphene oxide (graphene-oxide), Al 2 O 3 is also possible.
상기 그라핀(graphene)은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 격자구조를 이루면서 만들어진 2차원구조 탄소동소체를 일컫는다. 그라핀은 흑연과 유기화합물을 만들기 위한 접미사(-ene)가 합쳐진 합성어로, 연필심으로 흔히 사용되는 흑연(graphite)은 수없이 많은 그라핀이 겹쳐져서 만들어진 다층구조이다.The graphene refers to a two-dimensional carbon allotrope made by forming carbon lattice structures in a honeycomb shape. Graphene is a compound word that combines graphite and suffix (-ene) to make organic compounds. Graphite, which is commonly used as a pencil core, is a multi-layered structure made by overlapping numerous graphenes.
즉, 그라핀은 탄소 원자로 이루어진 단층으로, 물에 분산된 단층 그라핀은 열 전도도가 5200 W/mK로 매우 높은 것으로 알려져 있으며, 또한, 그라핀-산화물은 탄소, 수소 및 산소의 화합물로 흑연(graphite)의 단층 구조이다.That is, graphene is a monolayer composed of carbon atoms, and monolayer graphene dispersed in water is known to have a very high thermal conductivity of 5200 W / mK. Graphene-oxide is a compound of carbon, hydrogen, and oxygen. graphite) single layer structure.
즉, 도 5에서 보듯이, 그라핀은 탄소 원자로 이루어진 얇은 층으로 이들이 복수 개 겹쳐서 반데르발스힘(Van der waal's force)으로 연결되어 있는 것이 흑연에 해당한다.
That is, as shown in Figure 5, the graphene is a thin layer made of carbon atoms are a plurality of them are overlapping and connected by Van der waal's force (Van der waal's force) corresponds to graphite.
본 발명에서 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)을 냉각수에 분산시켜 냉각재로 사용되는 기능 및 작용을 설명한다.In the present invention, the graphene (graphene) or graphene oxide (graphene-oxide) is described in the function and action used as the coolant by dispersing in the cooling water.
먼저, 끓음 열 전달에서 임계열유속(critical heat flux, CHF)은 유체 등이 끓는 동안에 상의 변화가 발생하는 현상의 열적 한계를 의미한다. 가령, 물을 끓이기 위해 사용되는 금속 표면에 발생하는 거품 같은 것이다. 이는 급속하게 열전달 계수를 감소시켜 열적 표면의 국부적 과열을 발생시키게 된다.First, critical heat flux (CHF) in boiling heat transfer refers to a thermal limit of a phenomenon in which a phase change occurs while a fluid or the like is boiling. For example, bubbles that occur on metal surfaces used to boil water. This rapidly decreases the heat transfer coefficient, resulting in local overheating of the thermal surface.
그러므로, 원자로 중대사고시, 핵연료로 이루어진 노심 용융물을 원자로 용기 내(노내)에 성공적으로 보존하기 위해서는 용융물로 이루어진 용융풀의 붕괴열로 인한 원자로 용기 하부에 가해지는 열적부하가 원자로 외벽 냉각시에 임계열유속값보다 충분한 (열적) 마진을 두고 작아야 한다. Therefore, in order to successfully preserve the core melt made of nuclear fuel in the reactor vessel (in the furnace) in the event of a major accident, the thermal load applied to the bottom of the reactor vessel due to the decay heat of the melt pool made of the melt is the critical heat flux value during the reactor wall cooling. It should be small with more (thermal) margin.
하지만, 종래의 원자로 외벽 냉각 시스템에 사용되는 물 냉각수에서는 임계열유속으로 불리는 열제거 능력 한계점에 관하여 외벽으로부터 열유속과의 여유도가 충분하지 않아 문제되었고, 본 발명에서는 외벽냉각 능력을 향상시키고자 외벽냉각을 성공적으로 이룰 수 있는 충분한 임계열유속 마진(가령, 50% 이상)을 확보하기 위해, 즉, 임계열유속을 증진시키고자 한다.However, in the water cooling water used in the conventional reactor outer wall cooling system, there is a problem that there is not enough margin with the heat flux from the outer wall with respect to the heat removal capacity limit point called the critical heat flux. In the present invention, the outer wall cooling is performed to improve the outer wall cooling capacity. In order to secure sufficient critical heat flux margin (e.g., 50% or more) to achieve this successfully, i.e., to improve the critical heat flux.
이에 본 발명에서는 냉각수(물)에 그라핀(graphene), 그라핀 산화물(graphene-oxide) 또는 Al2O3를 분산시킨 냉각재의 기능 및 작용을 검토하여 원자로 냉각 시스템에 활용하고자 한다.
Therefore, in the present invention, the function and action of the coolant dispersed in graphene (graphene), graphene oxide (graphene-oxide) or Al 2 O 3 in the cooling water (water) will be utilized in the reactor cooling system.
- 냉각재 성능 확인 시험-Coolant performance verification test
상기 그라핀(graphene), 그라핀 산화물(graphene-oxide) 또는 Al2O3를 분산시킨 냉각재의 성능을 확인하고자 시험(modified Hummers method)을 실시하였다.In order to confirm the performance of the graphene (graphene), graphene oxide (graphene-oxide) or Al 2 O 3 coolant dispersion was carried out a test (modified Hummers method).
(1) 시험군 및 대조군(1) test group and control group
본 시험에서는, 대조군으로, (1) 물, (2) Al2O3 나노유체, 그리고, 시험군으로, (3) 그라핀 나노유체, (4) 그라핀-산화물 나노유체 를 준비하였다.In this test, (1) water, (2) Al 2 O 3 nanofluid, and (3) graphene nanofluid and (4) graphene-oxide nanofluid were prepared as test groups.
상기 Al2O3 나노유체는 알루미나 나노입자를 물에 분산시킨 것으로, 알루미나 나노입자는 100nm보다 작고, 열전도도는 490 W/mK 에 해당한다. 나아가, Al2O3 는 전체 나노유체의 0.001V%(0.001 부피%) 비율로 분산된 것을 사용한다.The Al 2 O 3 nanofluid is obtained by dispersing alumina nanoparticles in water. The alumina nanoparticles are smaller than 100 nm and have thermal conductivity of 490 W / mK. Further, Al 2 O 3 is used in a dispersion of 0.001V% (0.001% by volume) of the total nanofluid.
상기 그라핀 및 그라핀-산화물 나노유체는 흑연에서 제조된다. 흑연 파우더 입자의 크기는 45㎛보다 작고, 열전도도는 5200 W/mK 에 해당한다. 나아가, 그라핀 및 그라핀-산화물은 각각 전체 나노유체의 0.001V% 비율로 분산된 것을 사용한다.
The graphene and graphene-oxide nanofluids are prepared from graphite. The size of the graphite powder particles is smaller than 45 μm, and the thermal conductivity corresponds to 5200 W / mK. Furthermore, graphene and graphene-oxide are each dispersed at a ratio of 0.001V% of the total nanofluid.
(2) 시험 방법(2) test method
본 시험에서는 사각형상의 용기에 히터 와이어(니켈-크롬)를 설치하고, 용기 내부에 상기 대조군 또는 시험군을 넣은 후에 히터 와이어를 전기 장치에 연결된 상태로 가열하여 상기 대조군 또는 시험군을 끓이는 방식을 사용하며, 하기의 식 (1) 및 식 (2)에 의해 상기 (1) 내지 (4) 유체의 임계열유속값(CHF값, q'')을 산정한다.In this test, a heater wire (nickel-chromium) is installed in a rectangular container, and the control or test group is placed inside the container, and then the heater wire is heated while being connected to an electric device to boil the control or test group. The critical heat flux values (CHF values, q ") of the fluids (1) to (4) are calculated by the following equations (1) and (2).
식 (1) Formula (1)
식 (2) Formula (2)
(여기서, Rw = 히터 와이어의 저항, V = 측정된 전압, I = 측정된 전류, Rs = 히터 와이어 저항을 제외한 시스템 저항, D = 히터 와이어의 지름, L = 히터 와이어의 길이)
(Where R w = resistance of heater wire, V = measured voltage, I = measured current, R s = system resistance excluding heater wire resistance, D = diameter of heater wire, L = length of heater wire)
(3) 시험 결과(3) test result
상기 (2)에서 산정된 임계열유속값을 [표 1]에 나타낸다.The critical heat flux values calculated in the above (2) are shown in [Table 1].
상기 [표 1]에서 보듯이, 물(distilled water)의 임계열유속(CHF)은 950kW/m2, Al2O3 나노유체는 2400kW/m2, 그라핀 나노유체는 1750kW/m2, 그라핀-산화물 나노유체는 2650kW/m2 로 측정되었으며, 그라핀-산화물 나노유체의 임계열유속(CHF)이 가장 크게 나타났음을 알 수 있다.As shown in Table 1, the critical heat flux (CHF) of distilled water is 950 kW / m 2 , Al 2 O 3 nanofluid is 2400 kW / m 2 , graphene nanofluid is 1750 kW / m 2 , and graphene. -The oxide nanofluid was measured at 2650kW / m 2 , and it can be seen that the critical heat flux (CHF) of the graphene-oxide nanofluid was the largest.
나아가, 도 4에서, 각 유체가 끓은 후에 히터 와이어 표면에 코팅된 모습을 보여주는 SEM 이미지 사진(좌측은 ×100, 우측은 ×10000, (a) 물, (b) Al2O3 나노물질 분산된 유체, (c) 그라핀이 분산된 유체, (d) 그라핀-산화물이 분산된 유체)에서 알 수 있듯이, Al2O3 나노물질 및 그라핀 계열 물질들은 히터 와이어 표면으로 부착(coating)이 일어나는 것을 알 수 있다.Furthermore, in FIG. 4, SEM images showing the appearance of the coating on the heater wire surface after boiling each fluid (× 100 on the left, × 10000 on the right, (a) water, (b) Al 2 O 3 nanomaterial dispersed Fluid, (c) graphene-dispersed fluid, and (d) graphene-oxide-dispersed fluid), Al 2 O 3 nanomaterials and graphene-based materials do not adhere to the heater wire surface. I can see what happens.
그리고, 도 4에서 보듯이 그라핀 계열 물질들의 코팅은 규칙적인 다공성 구조를 띠는 것을 알 수 있다.And, as shown in Figure 4 it can be seen that the coating of the graphene-based material has a regular porous structure.
이러한 시험 결과를 본 발명이 활용되는 원자로 외벽 냉각 시스템에 적용해보면, 탄소계 그라핀 및 그라핀 산화물들은 물속에 분산되어, 용융풀의 붕괴열이 원자로 용기 하부에 가해질 때, 외벽으로부터 열유속의 증가와 함께 물은 비등(boiling)을 일으키게 되며, 이러한 비등이 일어날 경우 물속에 분산되어 있는 그라핀 계열 물질들은 원자로 외벽 표면으로 부착(coating)이 일어나게 된다. 이러한 코팅은 도 4에서 보듯이 규칙적인 다공성 구조를 띠며, 그라핀의 높은 열전도도(5200w/mK) 및 다공성 구조에 기인한 비등효율 및 방열효율이 크게 증가하여 임계열유속값이 물을 냉각수로 사용하는 경우보다 약 2.8배 정도 증가하게 된다.Applying these test results to the reactor wall cooling system in which the present invention is utilized, carbon-based graphene and graphene oxides are dispersed in water so that when the heat of collapse of the molten pool is applied to the bottom of the reactor vessel, the heat flux is increased from the outer wall. Water causes boiling, and when such boiling occurs, graphene-based materials dispersed in the water are coated with the outer wall of the reactor. This coating has a regular porous structure as shown in Figure 4, the boiling heat and heat dissipation efficiency due to the high thermal conductivity (5200w / mK) of the graphene and the porous structure is greatly increased, so that the critical heat flux value uses water as the cooling water. It is about 2.8 times higher than that.
즉, 원자로 외벽 냉각 시스템에 냉각수로 물에 그라핀 또는 그라핀-산화물이 분산된 냉각재를 사용하게 되면 임계열유속값이 훨씬 커지게 되어 외벽 냉각 능력이 확보되게 되므로 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어져서 원자력 안전성 확보에 크게 기여할 수 있다.In other words, the use of coolant dispersed in water as a coolant in the reactor outer wall cooling system, the critical heat flux value becomes much larger, and the outer wall cooling capacity is secured. This can greatly contribute to securing nuclear safety.
나아가, 열전도도는 임계열유속(CHF)값에 크리티컬하게 영향을 미치는 것은 아닌 것으로 판단된다. 즉, Al2O3 나노물질 분산된 유체의 열전도도가 그라핀이 분산된 유체보다 열전도도가 약 10배 정도 작았으나, CHF 값은 반대로 Al2O3 나노물질 분산된 유체가 그라핀이 분산된 유체보다 크게 나왔기 때문이다.
Furthermore, it is determined that the thermal conductivity does not critically affect the critical heat flux (CHF) value. That is, the thermal conductivity of the Al 2 O 3 nanomaterial dispersed fluid was about 10 times lower than that of the graphene dispersed fluid, but the CHF value was reversed, whereas the graphene was dispersed in the Al 2 O 3 nanomaterial dispersed fluid. Because it came out bigger than the fluid.
- 나노물질이 분산된 냉각수를 냉각재로 사용하는 시스템-System using coolant with dispersed nano materials as coolant
물에 그라핀(graphene), 그라핀 산화물(graphene-oxide) 및 Al2O3 중 어느 하나를 분산시킨 냉각재를 사용하는 원자로 외벽 냉각 시스템을 실시예로 설명한다.An embodiment of a reactor outer wall cooling system using a coolant in which any one of graphene, graphene oxide, and Al 2 O 3 is dispersed in water will be described.
본 발명은 원자로 용기(10);와, 일정한 간격을 두고 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 둘러싸는 열 차폐체(20); 및 상기 열 차폐체(20) 및 상기 원자로 용기(10)를 내부에 구비하는 원자로 공동(30);을 포함하여 구성되는 원자로 외벽의 냉각 시스템에 있어서, 상기 시스템에 공급되는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템을 제공한다.The present invention includes a reactor vessel (10); and a heat shield (20) surrounding the outer wall of the reactor vessel (10) at regular intervals; And a reactor cavity (30) having the heat shield (20) and the reactor vessel (10) therein, wherein the cooling material supplied to the system includes nanomaterials (51). It is to provide a cooling system of the outer wall of the reactor, characterized in that the dispersion is used as a coolant of the reactor outer wall cooling system.
즉, 본 발명은 전체 시스템의 구성과는 무관하게 상술한 시험의 결과를 활용하여 그라핀 또는 그라핀-산화물이 분산된 물을 냉각재로 사용하는 시스템은 모두 본 발명에 해당할 수 있다.In other words, regardless of the configuration of the entire system, the system using the graphene or graphene-oxide-dispersed water as the coolant may correspond to the present invention by utilizing the results of the above test.
나아가, 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 설명하도록 하겠다.
Furthermore, the present invention will be described with reference to specific examples.
(1) 제1실시예(1) First embodiment
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도를 나타내는 것이다.1 is a block diagram of a reactor outer wall cooling system according to a first embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 제1실시예는, 원자로 용기(10);와, 일정한 간격을 두고 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 둘러싸는 열 차폐체(20); 및 상기 열 차폐체(20) 및 상기 원자로 용기(10)를 내부에 구비하는 원자로 공동(30);을 포함하여 구성되는 원자로 외벽의 냉각 시스템에 있어서, 내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40);와, 내부에 나노물질을 저장하는 나노물질 분산탱크(50);와, 일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입 배관(60,61);과, 일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 냉각수 주입 배관(60)과 연통되어 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하는 나노물질 주입 배관(70);과, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81);와, 상기 나노물질 주입 배관(70)에 구비되어, 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 분산되는 나노물질(51)의 흐름을 단속하는 나노물질 주입 밸브(90); 및 상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100);를 포함하여 구성되어, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 주입되는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템을 제공한다.According to a first embodiment of the present invention, a reactor vessel (10); and a heat shield (20) surrounding the outer wall of the reactor vessel (10) at regular intervals; And a reactor cavity (30) having the heat shield (20) and the reactor vessel (10) therein, comprising: a reservoir (40) for storing cooling water therein; and , Nanomaterial dispersion tank 50 for storing the nanomaterial therein; and one end is connected to the reservoir 40 and the other end is connected to the lower portion of the reactor cavity 30 or the heat shield 20, the reservoir Cooling water injection pipes (60, 61) for forming a passage in which the coolant of the 40 is injected into the reactor cavity (30) or the heat shield 20; and one end is in communication with the nanomaterial dispersion tank (50) And the other end is in communication with the coolant injection pipe 60 to form a passage for dispersing the nanomaterial 51 into the coolant injection pipe 60; and a nanomaterial injection pipe 70; and the coolant injection pipe 60 61, the reactor cavity 30 or the heat shield 20 Cooling water injection valves (80,81) for intermittent flow of the cooling water injected into; and the nanomaterial 51 provided in the nanomaterial injection pipe (70), dispersed in the cooling water injection pipe (60) A nano material injection valve 90 for intermittent; And at least one pump (100) provided on the cooling water supply system including the water reservoir (40) and the cooling water injection pipe (60, 61) to pump the cooling water. 61) provides a cooling system of the outer wall of the reactor, characterized in that the
본 실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템은 국내 신형 경수로인 APR1400의 원자로 외벽을 냉각하기 위한 시스템이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 저수조(40), 냉각수 주입배관(60,61), 나노물질 분산탱크(50), 나노물질 주입배관(70) 및 냉각수 펌프(100)를 포함하여 구성된다.Reactor outer wall cooling system according to this embodiment is a system for cooling the reactor outer wall of the APR1400, a new domestic light water reactor, as shown in Figure 1, the
상기 저수조(40)에는 노심이 용융되는 중대사고시에 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각해주기 위한 냉각수(물)이 저장되는데, 격납건물(1)의 내부에 구비되는 핵연료 재장전수조(in-containment refueling water storage tank:IRWST)를 저수조(40)로 사용하면 추가의 저수조 설비 없이도 기존의 설비를 이용하여 냉각 시스템을 구성할 수 있다.The
상기 냉각수 주입배관(60,61)은 일단이 저수조(40)에 연결되고 타단은 원자로 공동(30)의 하부 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결된다. One end of the cooling water injection pipe (60, 61) is connected to the
즉, 제1냉각수 주입배관(60)은 원자로 공동(30)의 하부에 연결되어 원자로 공동(30)이 채워진 후에 비로소 상기 열 차폐체(20)의 내부로 냉각재가 유입되어 자연대류현상에 의해 자연 순환을 하게 된다.That is, the first cooling
이러한 단점을 보완하고자, 본 발명에서는 제2냉각수 주입배관(61)이 상기 열 차폐체(20)의 하부에 직접 연결되어 신속하게 원자로 외벽을 냉각할 수 있도록 하는 방식도 가능하다. 본 방법에서는 자연대류현상이 발생하기 전에 강제로 냉각수를 주입하는 것이므로 원자로 공동(30)이 다 채워질 때까지 지속적으로 강제로 냉각수를 주입해야 한다. 나아가, 원자로 공동(30)을 채우지 않고, 즉, 자연대류현상은 전혀 이용하지 않고 강제로 계속 냉각수를 주입하는 경우에도 활용 가능하다.In order to compensate for this disadvantage, in the present invention, the second cooling
상기 냉각수 펌프(100)는 냉각수 주입배관(60,61)의 경로 상에 구비되어 저수조(40)에 저장된 냉각수를 강제로 펌핑하여 냉각수를 공급해 준다.The cooling water pump 100 is provided on the path of the cooling
상기 나노물질 분산탱크(50)는 노심이 용융되는 중대사고시에 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각해주기 위한 냉각수(물)에 분산되는 나노물질(51)이 저장되는데, 상기 나노물질(51)은 그라핀, 그라핀-산화물 및 Al2O3 중 어느 하나일 수 있다.The
나아가, 상기 나노물질(51)은 전체 냉각재 부피 대비 10-5~1 부피% 비율로 분산되는 것이 바람직하다.Further, the
또한, 상기 나노물질 분산탱크(50)에 압축가스(52)가 주입되어 나노물질 주입 밸브(90)가 열리면 나노물질(51)을 가스압으로 밀어내는 방식에 의해 나노물질(51)을 냉각수(물)에 분산시키는 방법을 사용하나, 이에 제한된 것은 아니며 어떠한 방법이든 사용 가능하다. 본 발명에서 상기 압축가스(52)는 N2 가스를 사용하나, 이 또한 제한된 것은 아니며 기타 다양한 가스가 사용될 수 있다.In addition, when the compressed
상기 나노물질 주입배관(70)은 일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 냉각수 주입 배관(60)과 연통되어 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하게 된다.One end of the
이와 같이 저수조(40), 냉각수 주입배관(60,61), 냉각수 펌프(100), 나노물질 분산탱크(50) 및 나노물질 주입배관(70)은 원자로 공동(30) 및 열 차폐체(20) 내부를 경유하여 나노물질(51)이 분산된 냉각수(물)인 냉각재를 공급하는 공급 계통을 형성하여, 노심이 용융되어 노심 용융물(11)이 형성되는 중대 사고가 발생하게 되면, 저수조(40)의 냉각수를 냉각수 주입배관(60)을 통하여 공급하고, 냉각수 주입배관(60)에는 나노물질 주입배관(70)을 통해 나노물질(51)이 분산되어 형성된 냉각재를 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)에 주입하여 냉각재가 열 차폐체(20)와 원자로 용기(10) 사이에서 자연대류현상(또는 강제펌핑)에 의해 순환하도록 하여 나노물질(51)이 원자로 공동(30)의 외벽에 코팅되어 임계열유속 증진 메커니즘으로 작용하게 하면서 노심 용융물(11)을 냉각하게 된다.As such, the
냉각수 주입배관(60,61)의 경로 중 냉각수 펌프(100)의 출구 측에는 냉각수 주입밸브(81)가 구비되어 냉각수 주입배관(60,61)을 통하여 공급되는 냉각수의 흐름을 단속하며, 저수조(40)의 출구 측에도 냉각수 주입밸브(80)가 구비되어 저수조(40)에서 냉각수 주입배관(60,61)으로 공급되는 냉각수의 흐름을 단속한다.A cooling
또한, 나노물질 주입배관(70)의 경로 중 나노물질 주입밸브(90)가 구비되어 나노물질 주입배관(70)을 통하여 분산되는 나노물질(51)의 흐름을 단속한다.In addition, a nano
또한, 참고로 도 3에 도시된 바와 같이, 국내 신형 경수로 APR1400은 원자로 용기(10)의 하부에 다수의 노내 계측관(12)이 설치되어 열 차폐체(20)의 저면 중심부를 수직으로 관통하여 열 차폐체(20)의 외부로 연장되어 있으므로, 제2냉각수 주입배관(61)이 열 차폐체(20)의 하부에 연결되는 경우에는 제2냉각수 주입배관(61)을 다수 분기하여, 분기된 각 관의 일단이 노내 계측관(12)과의 간섭을 피하여 열 차폐체(20)의 저면 둘레를 따라 배치되어 열 차폐체(20)의 저면을 상부 방향으로 수직 관통하도록 설치하는 것이 바람직하다.
In addition, as shown in FIG. 3, the domestic new water reactor APR1400 has a plurality of
(2) 제2실시예(2) Second Embodiment
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템의 구성도를 나타내는 것이다.2 and 3 show the configuration of the reactor outer wall cooling system according to a second embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 제2실시예는, 원자로 용기(10);와, 일정한 간격을 두고 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 둘러싸는 열 차폐체(20); 및 상기 열 차폐체(20) 및 상기 원자로 용기(10)를 내부에 구비하는 원자로 공동(30);을 포함하여 구성되는 원자로 외벽의 냉각 시스템에 있어서, 내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40);와, 내부에 나노물질(51)을 저장하는 나노물질 분산탱크(50);와, 일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입 배관(60,61);과, 일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 열 차폐체(20)의 내부와 연통되어 상기 열 차폐체(20)의 내부로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하는 나노물질 주입 배관(71);과, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81);와, 상기 나노물질 주입 배관(71)에 구비되어, 상기 열 차폐체(20)로 분산되는 나노물질의 흐름을 단속하는 나노물질 주입 밸브(90); 및 상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100);를 포함하여 구성되어, 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 주입되어 상기 열 차폐체(20) 내부를 순환하는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템을 제공한다.According to a second embodiment of the present invention, a reactor vessel (10); and a heat shield (20) surrounding the outer wall of the reactor vessel (10) at regular intervals; And a reactor cavity (30) having the heat shield (20) and the reactor vessel (10) therein, comprising: a reservoir (40) for storing cooling water therein; and A nano
본 실시예에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템은 국내 신형 경수로인 APR1400의 원자로 외벽을 냉각하기 위한 시스템이며, 도 2에 도시된 바와 같이, 저수조(40), 냉각수 주입배관(60,61), 나노물질 분산탱크(50), 나노물질 주입배관(71) 및 냉각수 펌프(100)를 포함하여 구성된다.Reactor outer wall cooling system according to this embodiment is a system for cooling the reactor outer wall of the APR1400, a new domestic light water reactor, as shown in Figure 2, the
본 제2실시예는 상기 제1실시예와 비교할 때, 나노물질 주입배관(71)이 냉각수 주입배관(60,61)에 연통되지 않고 직접 열 차폐체(20)의 내부로 연통된다는 차이가 있고, 나머지 구성요소 및 작동은 동일하므로 차이점에 해당하는 사항을 중점적으로 설명하도록 하겠다.Compared with the first embodiment, the second embodiment has a difference in that the
상기 나노물질 주입배관(71)은 일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 열 차폐체(20)의 내부와 연통되어 상기 열 차폐체(20)의 내부로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성한다. 즉, 제2실시예에서는 나노물질(51)을 직접 열 차폐체(20)의 내부에 순환하는 냉각수(물)에 분산하는 방법을 사용하게 된다.One end of the
여기서, 상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 열 차폐체(20)를 관통하여 설치되되, 상기 원자로 용기(10)의 하부 중 외벽 경사가 70°보다 크고 90°보다 작은 구간에 분사되도록 설치되는 것이 바람직하며, 상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 원자로 용기(10)의 외벽에 수직하게 분사되도록 설치되는 것이 바람직하다.Here, the other end of the nano-
원자로 용기(10)의 하부는 통상 반구 형상으로 되어 있으며, 원자로 용기(10)를 도 3에서와 같이 단면으로 고려하면 원자로 용기(10)의 하부 외벽 각 지점의 경사도는 0~90°로 분포된다. 원자로 용기(10)의 최하단의 경사도가 0°이고, 반원의 최상부의 경사도가 90°에 해당한다. 이 중에서 사고시 열유속(열부하)이 가장 높은 부분은 원자로 용기(10)의 하부 중 외벽 경사가 70~90°인 부분이므로 이 부분에 나노물질(51)이 분사되도록 하는 것이 바람직하며, 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 원자로 용기(10)의 외벽에 수직하게 분사되어 나노물질(51)이 원자로 용기(10)의 외벽에 코팅되기 용이하도록 하는 것이 바람직하다.The lower portion of the
즉, 도 3의 B 부분 확대도에서 알 수 있듯이, 원자로 용기(10) 외벽 중 c점의 제3접선(L3)에서 알 수 있듯이 c점의 기울기는 0°이고, b점의 제2접선(L2)에서 알 수 있듯이 b점의 기울기는 90°에 해당하여, 원자로 용기(10) 외벽 기울기는 0°~90°까지 분포됨을 알 수 있다.That is, as can be seen from the enlarged view of the portion B of FIG. 3, as indicated by the third tangent line L3 of point c of the outer wall of the
나아가, a점에서의 원자로 용기(10) 외벽의 기울기는 70°이며, b점에서 원자로 용기(10) 외벽의 기울기는 90°에 해당하므로, 사고시 열유속(열부하)이 가장 높은 부분은 원자로 용기(10)의 하부 중 외벽 경사가 70~90°인 부분이므로 이 부분에 나노물질(51)이 분사되도록 하는 것이 바람직하다.Further, since the inclination of the outer wall of the
또한, 상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단에는 분사노즐(Nozzle, 72)이 구비되는 것이 바람직하다.In addition, the other end of the
이와 같이 저수조(40), 냉각수 주입배관(60,61), 냉각수 펌프(100), 나노물질 분산탱크(50) 및 나노물질 주입배관(71)은 원자로 공동(30) 및 열 차폐체(20) 내부를 경유하는 냉각수(물)에 상기 열 차폐체(20) 내부로 나노물질(51)을 분산한 냉각재를 공급하는 공급 계통을 형성하여, 노심이 용융되어 노심 용융물(11)이 형성되는 중대 사고가 발생하게 되면, 저수조(40)의 냉각수를 냉각수 주입배관(60)을 통하여 공급하고, 나노물질 주입배관(71)을 통해 나노물질(51)이 상기 열 차폐체(20)로 직접 분산되어 형성된 냉각재가 열 차폐체(20)와 원자로 용기(10) 사이에서 자연대류현상(또는 강제 펌핑)에 의해 순환하도록 하여 나노물질(51)이 원자로 공동(30)의 외벽에 코팅되어 임계열유속 증진 메커니즘으로 작용하게 하면서 노심 용융물(11)을 냉각하게 된다.
As such, the
원자로에서 노심이 용융되는 중대사고가 발생하면 핵연료와 구조물로 구성된 노심 용융물은 원자로 용기의 하부에 재비치되어 노심 용융풀을 형성하고, 노심 용융물의 붕괴열로 인한 고온과 화학 반응을 통하여 원자로 용기가 파손되어 원자로 용기의 외부로 다량의 방사성 물질이 노출될 수 있다.In the event of a serious accident that the core melts in the reactor, the core melt composed of nuclear fuel and structures is relocated to the lower part of the reactor vessel to form a core melt pool, and the reactor vessel is damaged through high temperature and chemical reactions due to the heat of collapse of the core melt. This can expose a large amount of radioactive material out of the reactor vessel.
이와 같은 사고의 방지를 위해, 본 발명의 제2실시예(제1실시예의 경우는 나노물질(51)이 공급되는 위치만 상이할 뿐 나머지는 동일함)에 따른 원자로 외벽 냉각 시스템을 가동하여 원자로의 외벽을 냉각하는 방법을 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.In order to prevent such an accident, the reactor outer wall cooling system according to the second embodiment of the present invention (in the case of the first embodiment, only the location where the
중대사고가 감지되면, 냉각수 주입밸브(80,81)을 모두 개방하고 냉각수 펌프(100)를 가동하여 저수조(40)에 저장되어 있는 냉각수(물)를 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 공급하게 되며, 상기 열 차폐체(20)와 원자로 용기(10) 사이를 따라 순환하는 냉각수(물)에 나노물질(51)을 분산시킨 냉각재가 순환되도록 한다(S1).When a serious accident is detected, the cooling
상기 S1 단계에서 냉각재가 열 차폐체(20)의 하부에 구비된 냉각수 입구(23)를 통해 열 차폐체(20)의 내부에 지속적으로 공급되면, 공급되는 냉각재는 열 차폐체(20)의 내부를 거치며 나노물질(51)이 원자로 용기(10)의 외벽에 코팅되어 임계열유속 증진 메커니즘으로 작용하게 하면서 냉각한 후, 열 차폐체(20)의 상부에 구비된 냉각수 출구(22)를 통해 원자로 공동(30)으로 빠져나와 아래로 내려가게 되며, 내려온 냉각재는 다시 냉각수 입구(23)로 들어가서 동일한 순환을 반복하게 된다(S2).If the coolant is continuously supplied to the inside of the
상기 S1 단계와 S2 단계를 통하여 열 차폐체(20)의 내부로 주입된 냉각재가 원자로 용기(10)의 외벽을 충분히 냉각시켜 안정 상태가 되면, 냉각수 펌프(100)의 가동을 중지하고 냉각수 주입밸브(80,81) 및 나노물질 주입밸브(90)를 폐쇄하여 냉각을 중지시킨다(S3).
When the coolant injected into the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
10 : 원자로 용기
20 : 열 차폐체
30 : 원자로 공동
40 : 저수조
50 : 나노물질 분산탱크
60,61 : 제1,2냉각수 주입배관
70 : 나노물질 주입배관
80,81 : 냉각수 주입밸브
90 : 나노물질 주입밸브
100 : 펌프
110 : 증기발생기10: reactor vessel
20: heat shield
30: reactor cavity
40: reservoir
50: Nano Material Dispersion Tank
60,61: 1st, 2nd cooling water injection pipe
70: nano material injection piping
80,81: Cooling water injection valve
90: nano material injection valve
100: pump
110: steam generator
Claims (14)
상기 나노물질을 냉각수에 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 나노물질의 이용 방법.The present invention relates to the use of nanomaterials dispersed in cooling water and used as a coolant.
A method of using nanomaterials, wherein the nanomaterials are dispersed in cooling water and used as a coolant in a reactor wall cooling system.
상기 나노물질은 냉각재 전체 부피 대비 10-5~1 부피% 비율로 분산된 것은 특징으로 하는 나노물질의 이용 방법.The method of claim 1,
The nanomaterial is a method of using a nanomaterial, characterized in that dispersed in a ratio of 10 -5 ~ 1% by volume relative to the total volume of the coolant.
상기 나노물질은 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)인 것을 특징으로 하는 나노물질의 이용 방법.The method according to claim 1 or 2,
The nanomaterial is a graphene (graphene) or graphene oxide (graphene-oxide) method of using a nanomaterial, characterized in that.
상기 시스템에 공급되는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.A reactor vessel (10); and a heat shield (20) surrounding the outer wall of the reactor vessel (10) at regular intervals; And a reactor cavity (30) having the heat shield (20) and the reactor vessel (10) therein, wherein the reactor outer wall cooling system comprises:
A nuclear reactor outer wall cooling system, characterized in that for dispersing nanomaterials (51) in the cooling water supplied to the system as a coolant of the reactor outer wall cooling system.
내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40);
내부에 나노물질을 저장하는 나노물질 분산탱크(50);
일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입 배관(60,61);
일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 냉각수 주입 배관(60)과 연통되어 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하는 나노물질 주입 배관(70);
상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81);
상기 나노물질 주입 배관(70)에 구비되어, 상기 냉각수 주입 배관(60)으로 분산되는 나노물질(51)의 흐름을 단속하는 나노물질 주입 밸브(90); 및
상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100);를 포함하여 구성되어,
상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 주입되는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method of claim 4, wherein
Reservoir 40 for storing the cooling water therein;
Nanomaterial dispersion tank 50 for storing the nanomaterial therein;
One end is connected to the reservoir 40 and the other end is connected to the lower portion of the reactor cavity 30 or the heat shield 20, so that the coolant in the reservoir 40 is the reactor cavity 30 or the heat shield 20. Cooling water injection pipe (60, 61) to form a passage that is injected into the interior of the;
One end is in communication with the nanomaterial dispersion tank 50, the other end is in communication with the cooling water injection pipe 60 to form a passage for dispersing the nanomaterial 51 into the cooling water injection pipe 60. 70;
Cooling water injection valves (80,81) provided in the cooling water injection pipes (60, 61) to control the flow of cooling water injected into the reactor cavity (30) or the heat shield (20);
A nanomaterial injection valve (90) provided in the nanomaterial injection pipe (70) to control the flow of the nanomaterial (51) dispersed in the cooling water injection pipe (60); And
And at least one pump (100) provided on the cooling water supply system including the reservoir (40) and the cooling water injection pipe (60, 61) to pump the cooling water.
Reactor outer wall cooling system, characterized in that for dispersing the nano-material (51) in the cooling water injected into the cooling water injection pipe (60, 61) as a coolant of the reactor outer wall cooling system.
내부에 냉각수를 저장하는 저수조(40);
내부에 나노물질(51)을 저장하는 나노물질 분산탱크(50);
일단이 상기 저수조(40)에 연결되고 타단은 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 하부에 연결되어, 상기 저수조(40)의 냉각수가 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 통로를 형성하는 냉각수 주입 배관(60,61);
일단은 상기 나노물질 분산탱크(50)와 연통되고, 타단은 상기 열 차폐체(20)의 내부와 연통되어 상기 열 차폐체(20)의 내부로 나노물질(51)을 분산시키는 통로를 형성하는 나노물질 주입 배관(71);
상기 냉각수 주입 배관(60,61)에 구비되어, 상기 원자로 공동(30) 또는 열 차폐체(20)의 내부로 주입되는 냉각수의 흐름을 단속하는 냉각수 주입 밸브(80,81);
상기 나노물질 주입 배관(71)에 구비되어, 상기 열 차폐체(20)로 분산되는 나노물질의 흐름을 단속하는 나노물질 주입 밸브(90); 및
상기 저수조(40)와 상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 구성된 냉각수 공급 계통상에 구비되어 냉각수를 펌핑해주는 적어도 하나 이상의 펌프(100);를 포함하여 구성되어,
상기 냉각수 주입 배관(60,61)으로 주입되어 상기 열 차폐체(20) 내부를 순환하는 냉각수에 나노물질(51)을 분산시켜 원자로 외벽 냉각 시스템의 냉각재로 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method of claim 4, wherein
Reservoir 40 for storing the cooling water therein;
Nanomaterial dispersion tank 50 for storing the nanomaterial 51 therein;
One end is connected to the reservoir 40 and the other end is connected to the lower portion of the reactor cavity 30 or the heat shield 20, so that the coolant in the reservoir 40 is the reactor cavity 30 or the heat shield 20. Cooling water injection pipe (60, 61) to form a passage that is injected into the interior of the;
One end is in communication with the nanomaterial dispersion tank 50, the other end is in communication with the interior of the heat shield 20 to form a passage for dispersing the nanomaterial 51 into the inside of the heat shield 20 Injection pipe 71;
Cooling water injection valves (80,81) provided in the cooling water injection pipes (60, 61) to control the flow of cooling water injected into the reactor cavity (30) or the heat shield (20);
A nanomaterial injection valve (90) provided in the nanomaterial injection pipe (71) to control a flow of nanomaterials dispersed in the heat shield (20); And
And at least one pump (100) provided on the cooling water supply system including the reservoir (40) and the cooling water injection pipe (60, 61) to pump the cooling water.
Reactor outer wall cooling system, characterized in that the injection of the cooling water injection pipes (60, 61) and the nano material 51 in the cooling water circulating inside the heat shield 20 to be used as a coolant of the reactor outer wall cooling system .
상기 나노물질(51)은 전체 냉각재 부피 대비 10-5~1 부피% 비율로 분산된 것은 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method according to any one of claims 4 to 6,
The nanomaterial (51) is a cooling system of the outer wall of the reactor, characterized in that dispersed in a ratio of 10 -5 ~ 1% by volume relative to the total coolant volume.
상기 나노물질(51)은 그라핀(graphene) 또는 그라핀 산화물(graphene-oxide)인 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method of claim 7, wherein
The nanomaterial (51) is a cooling system of the reactor outer wall, characterized in that the graphene (graphene) or graphene oxide (graphene-oxide).
상기 나노물질 분산탱크(50)에 압축가스(52)가 주입되어 나노물질 주입 밸브(90)가 열리면 나노물질(51)을 가스압으로 밀어내는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method according to claim 5 or 6,
When the compressed gas (52) is injected into the nanomaterial dispersion tank (50) to open the nanomaterial injection valve (90) to push the nanomaterial (51) with gas pressure, the cooling system of the reactor outer wall.
상기 압축가스(52)는 N2 가스인 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.10. The method of claim 9,
Cooling system of the reactor outer wall, characterized in that the compressed gas (52) is N 2 gas.
상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 열 차폐체(20) 중 상기 원자로 용기(10)의 외벽 경사가 70°보다 크고 90°보다 작은 구간에 분사되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method of claim 6,
The other end of the nanomaterial injection pipe 71 is installed so that the inclination of the outer wall of the reactor vessel 10 of the heat shield 20 is sprayed in a section larger than 70 ° and less than 90 °, the cooling of the outer wall of the reactor system.
상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단은 상기 원자로 용기(10)의 외벽에 수직하게 분사되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method of claim 11,
The other end of the nanomaterial injection pipe (71) is installed so as to be perpendicular to the outer wall of the reactor vessel (10) cooling system of the outer wall of the reactor.
상기 나노물질 주입 배관(71)의 타단에는 분사노즐(Nozzle, 72)이 구비되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method according to any one of claims 6, 11 and 12,
Cooling system of the outer wall of the reactor, characterized in that the injection nozzle (Nozzle, 72) is provided at the other end of the nanomaterial injection pipe (71).
상기 저수조(40)는 격납건물(1) 내부에 구비되는 핵연료 재장전수조(in-containment refueling water storage tank:IRWST)인 것을 특징으로 하는 원자로 외벽의 냉각 시스템.The method according to claim 5 or 6,
The reservoir 40 is an in-containment refueling water storage tank (IRWST) provided in the containment building (1), the cooling system of the outer wall of the reactor.
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