KR20120125012A - 원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형의 상부과 반구형의 하부가 결합된 구조로서 하부에 노심 용융물이 수용된 용기, 용기의 외벽을 일정한 간격을 두고 둘러싸고 있는 열 차폐체, 열 차폐체와 용기를 내부에 구비하는 원자로 공동, 열 차폐체로부터 용기의 외벽을 향하여 등 간격으로 형성되되, 용기의 외벽과 소정의 간격만큼 이격된 상태로 형성된 격벽 및 등간격으로 형성된 격벽 간에 형성되는 안내날개를 포함하여, 외벽의 냉각 능력이 향상되도록 함으로써 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어져 원자력 안전성 확보와 경제성 증진에 기여하도록 하는 원자로에 관한 것이다.

Description

원자로{NUCLEAR REACTOR}

본 발명은 원자로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 노심 용융물이 담긴 원자로 용기의 외벽과 소정간격만큼 이격된 상태로 둘러싸고 있는 열 차폐체 사이에 격벽 및 안내날개를 구비시켜, 외벽의 냉각 능력이 향상되도록 함으로써 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어져 원자력 안전성 확보와 경제성 증진에 기여하도록 하는 원자로에 관한 것이다.

일반적으로 노심 용융물이 담기 종래 원자로의 외벽은 구조는 원통형 구조의 상부와 반구형 구조의 하부가 결합한 구조이다.

이때, 핵연료가 녹아 반구형 구조물 안에 위치하게 되면, 상기 반구형의 구조물에서 기포가 발생하게 되며, 외벽 경사가 80°보다 크고 90°보다 작은 구간에 이러한 기포들의 크기가 확대되어 결합함에 따라 막을 형성하여 외벽을 덮게 된다.

이와 같이 기포로 이루어진 막이 형성되어 덮게 되면, 원자로 중대 사고시, 원자로 외부로의 열 방출 능력이 떨어져, 핵연료로 이루어진 노심 용융물을 원자로 용기(노내)에 성공적으로 보존하기 위해서 용융물로 이루어진 용융풀의 붕괴열로 인한 원자로 용기 하부에 가해지는 열적부하가 원자로 외벽 냉각시에 임계열유속값보다 충분히 (열적) 마진을 두고 작아야 하는데, 종래 외벽의 구조에서는 임계열유속으로 불리는 열제거능력 한계점에 관하여 외벽으로부터 열유속과의 여유도가 충분하지 않은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원자로 용기의 외벽과 열 차폐체 사이에 격벽 및 안내날개를 구비시켜, 냉각수의 유속을 증가시키고, 냉각수의 건도를 낮추어 외벽에서 형성되는 기포 제거를 원활하게 하여 외벽에서 기포의 막이 형성되는 것을 방지하여 외벽의 냉각 능력이 향상되도록 함으로써 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어져 원자력 안전성 확보와 경제성 증진에 기여하도록 하는 원자로를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원자로는 원통형의 상부과 반구형의 하부가 결합된 구조로서 하부에 노심 용융물이 수용된 용기, 용기의 외벽을 일정한 간격을 두고 둘러싸고 있는 열 차폐체, 열 차폐체와 용기를 내부에 구비하는 원자로 공동, 열 차폐체로부터 용기의 외벽을 향하여 등 간격으로 형성되되, 용기의 외벽과 소정의 간격만큼 이격된 상태로 형성된 격벽 및 등간격으로 형성된 격벽 간에 형성되는 안내날개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 본 발명에 따른 원자로의 격벽은 원자로 용기 외벽의 기울기가 80°~90°인 지점과 대응되는 지점의 열 차폐체에 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 본 발명에 따른 원자로의 안내날개는 판형, 라운드형 또는 단차진형 중 어느 하나의 구조로 이루어져 열 차폐체 방향으로 용기의 외벽에서 형성되거나 또는 상기 격벽 간에 형성되고, 소정의 각도만큼 상방으로 기울어져 형성되며, 단층으로 형성되거나 또는 복층구조로 형성되되, 복층구조로 형성될 때, 상방으로 기울어진 각 안내날개의 소정각도가 서로 동일하거나 또는 상이한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 원자로는 중대 사고시 원자로 외벽에 형성되던 기포들로 이루어진 막이 형성되는 것을 방지함으로써, 원자로 외벽 냉각 능력을 향상하여 성공적인 외벽 냉각 능력을 확보할 수 있어, 중대 사고시 원자로 핵연료 노심 용융물들의 노내 저장이 이루어질 수 있으므로 원자력 안전성 확보에 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한 원자로 용기 붕괴 이후의 사고전략을 간략화시킴으로써 원자력 발전소 건설의 비용을 줄여 경제성 확보에도 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원자로의 종단면도 및 일부 확대도,
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 원자로의 다양한 실시예에 따른 횡단면도 및
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 원자로에 형성된 안내날개의 구조와 그에 따른 온도분포도를 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 격벽이 구비된 원자로를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 원자로는 원자로 용기(100), 열 차폐체(200) 및 원자로 공동(300)을 포함한다.

상기 열 차폐체(200)는 상기 원자로 용기(100)의 외벽을 일정한 간격을 두고 둘러싸고 있으며, 상기 공동(300)은 상기 열 차폐체(200) 및 상기 원자로 용기(100)를 내부에 구비하여 냉각수의 순환이 이루어지는 곳이다.

상기 원자로 용기(100)는 원통 형상의 상부와 반구 형상의 하부가 결합한 구조로서 노부에 노심 용융물(110)이 수용되어 있다.

참고로, 상기 원자로 용기(100)의 구조에 대한 설명에서 자칫 반구 형상의 하부가 결합된 원통 형상의 상부의 반대쪽이 개방되어 있는 것으로 판단할 수 있는 오해의 소지가 있으나 도시되지 않았을 뿐 밀폐되어 있다.

이때, 도 1에서 알 수 있듯이, 원자로 용기(100) 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(100) 외벽 기울기는 0°~90°까지 분포됨을 알 수 있다.

나아가, 외벽에서 기포들이 발생하게 되고, 원자로 용기(100) 외벽의 기울기가 80° 지점인 a점부터 원자로 용기(10) 외벽의 기울기가 90°지점인 b점사이에서 기포들의 크기가 확대되어 결합함에 따라 기포 막이 형성되는데, 이러한 기포로 이루어진 막이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 열 차폐체(200)에 복수의 격벽(230)이 형성되는 것이 바람직하다.

더욱 구체적으로, 상기 격벽(230)은 상술한 외벽의 지점(기울기가 80°~90°인 지점)과 대응되는 상기 열 차폐체(200)의 지점으로부터 상기 용기(100)의 외벽을 향하여 등 간격으로 형성되되, 상기 용기(100)의 외벽과 소정의 간격만큼 이격된 상태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 격벽(230)이 형성됨에 따라 상기 용기(100)의 외벽에 형성된 기포는 막을 이루지 못하고, 격벽으로 분할된 부분에서 각각 따로 기포가 형성되어 기포가 상기 용기(100)의 외벽을 따라 원형의 막을 형성함으로써 발생하던 열 제거 능력 저하 문제가 극복되어 외벽 냉각 능력을 향상시키게 된다.

한편, 등간격으로 형성된 상기 격벽(230) 사이사이에 안내날개(120)가 구비되는데, 이때 상기 안내날개(120)는 상기 격벽(230)이 상기 열 차폐체(200)의 내주면에 형성된 것과는 달리 도 1에 도시된 바와 같이 상기 용기(100)의 외벽에 결합되고 지지되어 상기 열 차폐체(200) 방향으로 형성된다.

여기서, 상기 안내날개(120)는 상기 용기(100)의 외벽에 결합되어 상기 열 차폐체(200) 방향으로 형성되되, 소정의 각도만큼 상방으로 기울어져 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 안내날개(120)는 상술한 바와 같이 한 개가 단층으로 형성될 수도 있고, 적어도 두 개 이상이 복층구조로 형성될 수도 있다.

상술한 구조의 차이를 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 6 내지 도 9는 안내날개(120)가 상기 용기(100)의 기울기가 80°~90°인 지점의 외벽에 형성된 경우와 형성되지 않은 경우 그리고 그에 따른 외벽의 온도분포를 도시한 도면이다.

도 6에서, 상기 안내날개(120)가 형성되지않은 경우 상기 용기(100)의 기울기가 80°~90°인 지점의 외벽온도는 170.9°이고, 도 7에서 상기 안내날개(120)가 단층으로 형성된 경우 상기 용기(100)의 기울기가 80°~90°인 지점의 외벽온도는 158.9°이고, 도 8에서 상기 안내날개(120)가 이층으로 형성된 경우 상기 용기(100)의 기울기가 80°~90°인 지점의 외벽온도는 139.8°이며, 도 9에서 상기 안내날개(120)가 삼층으로 형성된 경우 상기 용기(100)의 기울기가 80°~90°인 지점의 외벽온도는 138.4°임을 알 수 있다.

즉, 상술한 바와 같은 내용을 종합해 보면, 상기 안내날개(120)가 단층으로 형성될 때보다 복층으로 형성되는 경우 상기 용기(100)의 기울기가 80°~90°인 지점의 외벽 냉각 능력이 향상됨을 알 수 있다.

상술한 도 6 내지 도 9에서 상기 안내날개(120)는 그 구조가 평평한 판형으로서 소정의 각도만큼 상방으로 기울어져 형성되어 있지만, 상기 외벽의 냉각 능력 향상을 위해 도 10 및 도 11과 같이 평평한 구조가 아닌 라운드형 또는 단차진형으로도 실시될 수 있다.

또한, 상기 안내날개(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 일단과 타단이 등간격으로 형성된 상기 격벽(230)에 결합되고, 상기 용기(100)의 외벽과 상기 열 차폐체(200)의 내주면과는 소정의 간격만큼 이격되어 틈이 생기도록 형성될 수 있다.

상기 안내날개(120)는 상술한 바와 같이 격벽(230)에 결합되어 형성되는 것에 한정되지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 열 차폐체(200) 방향으로 상기 용기(100)의 외벽에서 형성되도록 실시할 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 용기(100) 방향으로 상기 열 차폐체(200)의 내주면에 형성되도록 실시할 수 있다.

상술한 바와 같이 안내날개(120)가 상기 격벽(230) 사이사이에 형성됨에 따라 냉각수가 이동할 수 있는 공간이 협소해져, 상기 냉각수의 유속이 빨라지게 된다.

결국, 상기 용기(100) 외벽의 기울기가 80°~90°인 지점에서 발생하던 기포는 상기 빠른 유속의 냉각수의 형성과 용기 외벽 위를 지나는 유체의 건도를 낮추어주어, 상기 용기(100)의 외벽을 따라 원형의 기포 막이 형성될 때 발생하던 문제가 극복되어 외벽 냉각 능력이 확보될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 원자로는 상기 안내날개(120)가 상기 격벽(230)에 결합되어 상기 용기(100)의 외벽 및 상기 열 차폐체(200)의 내주면과 소정의 간격만큼 이격되어 틈이 생기도록 형성된 경우, 더욱 빠른 유속과 낮은 건도를 진닌 냉각수가 상기 용기(100)의 외벽을 통과함에 따라 기포의 제거가 원활해져 외벽의 냉각 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 구성들로 이루어진 본 발명에 따른 원자로의 냉각 능력이 향상되는 과정을 종합적으로 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 원자로의 노심이 용융되어 노심 용융물(110)이 생성되는 중대한 사고가 발생하는 경우 원자로 공동(Reactor cavity;300)으로 냉각수를 투입하여 원자로 공동(300)의 저면에서부터 배관(400) 접합부까지의 공간을 냉각수로 채워줌으로써 원자로의 외벽을 침수시킨다.

원자로 공동(300)에 냉각수가 채워지면 채원진 냉각수의 압력에 의해 열 차폐체(200) 하부의 냉각수 입구(210)가 열리고, 이곳을 통해 냉각수가 열 차폐체(200) 내부로 유입된다.

이때, 기울기가 80°~90°지점에 형성되던 기포들은 상기 열 차폐체(200)로부터 상기 용기(100)의 외벽을 향하여 등 간격으로 형성된 격벽(230)과 상기 격벽(230) 사이에 형성된 안내날개(120)로 인해 막을 이루지 못하고 제거된다.

상술한 바와 같이 상기 용기(100)의 외벽에서 기포로 이루어진 막이 형성되지 못하는 것은 먼저, 상기 격벽(230)이 상기 용기(100)의 외벽에 생긴 기포들이 확대되어 결합하는 것을 방지하고 무엇보다, 상기 격벽(230)들 사이에 안내날개(120)가 형성됨에 따라 이곳을 통과하여 유속이 빨라지고 건도가 낮아진 냉각수에 의하여 상기 외벽에 형성된 기포들이 제거되기 때문이다.

따라서, 상기 기포가 외벽에서 막을 형성하지 못하고 제거되도록 상기 격벽(230)과 안내날개(120)가 형성됨에 따라 본 발명에 따른 원자로는 열 제거 능력이 향상되고 원활한 냉각이 이루어질 수 있다.

이후, 상기 열 차폐체(200)의 내부로 유입된 냉각수는 자연대류 현상에 의해 원자로 용기(100)의 외벽을 따라 열 차폐체(200) 상부에 있는 냉각수 출구(220)를 통해 다시 원자로 공동(300)으로 배출되게 된다.

즉, 원자로 공동(300), 냉각수 입구(210), 열 차폐체(200) 내부, 냉각수 출구(220), 원자로 공동(300)의 순으로 냉각수가 지속적으로 자연 순환을 하며 원자로 외벽을 냉각시키는 과정에서, 상술한 바와 같이 상기 열 차폐체(200)의 내주면에 등간격으로 격벽(230)이 형성되고, 상기 격벽(230) 사이사이에 안내날개가 단층 또는 복층으로 형성됨에 따라, 본 발명에 따른 외벽에 형상이 구비된 원자로는 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 작아지게 되고, 임계열유속으로 불리는 열제거능력 한계점에 관하여 외벽으로부터 열유속과의 여유도가 충분해져 열제거 능력이 향상된다.

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.

100 : 원자로 용기
110 : 노심 용융물
120 : 안내날개
200 : 열 차폐체
210 : 냉각수 입구
220 : 냉각수 출구
230 : 격벽
300 : 공동

Claims (8)

1. 원통형의 상부과 반구형의 하부가 결합된 구조로서 하부에 노심 용융물(110)이 수용된 용기(100);
   상기 용기(100)의 외벽을 일정한 간격을 두고 둘러싸고 있는 열 차폐체(200);
   상기 열 차폐체(200)와 상기 용기(100)를 내부에 구비하는 원자로 공동(300); 및
   상기 열 차폐체(200)로부터 상기 용기(100)의 외벽을 향하여 형성되되, 상기 용기(100)의 외벽과 소정의 간격만큼 이격된 상태로 형성된 격벽(230);을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 격벽(230) 사이에 형성되는 안내날개(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 격벽(230)은 상기 원자로 용기(100) 외벽의 기울기가 80°~90°인 지점과 대응되는 지점의 상기 열 차폐체(200)에 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 안내날개(120)는 상기 열 차폐체(200) 방향으로 상기 용기(100)의 외벽에서 형성되거나, 상기 용기(100) 방향으로 상기 열 차폐체(200)의 내주면에 형성되거나 또는 상기 격벽(230) 간에 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 안내날개(120)는 소정의 각도만큼 상방으로 기울어져 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 안내날개(120)는 복층구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 안내날개(120)가 복층구조로 형성될 때, 상방으로 기울어진 각 안내날개(120)의 소정각도는 서로 동일하거나 또는 상이한 것을 특징으로 하는 원자로.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 안내날개(120)는
   판형, 라운드형, 또는 단차진형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원자로.

Images