KR20120132493A

KR20120132493A - 1차 냉각재의 자연순환을 가지는 원자로 시스템

Info

Publication number: KR20120132493A
Application number: KR1020127023207A
Authority: KR
Inventors: 크리쉬나 피. 싱; 슈테판 피. 안톤; 랑어 나디그; 인드레이쉬 람팔
Original assignee: 에스엠알, 엘엘씨
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-12-05
Also published as: US20120307956A1; CN102859606A; US10726962B2; US20170133112A1; WO2011097597A1; US11393598B2; EP2534660A1; US20210050122A1

Abstract

본 발명은 자연순환 원자로 시스템에 관한 것으로서, 내부 공동을 가지는 노압력용기; 상기 노압력용기의 하부에서 상기 내부 공동 내에 배치되는 핵 연료를 포함하는 노심; 상기 노압력용기의 외부에 위치한 열교환 서브시스템; 및 상기 노심을 냉각하도록 상기 노압력용기를 통하여, 그리고 2차 냉각재에 열을 전달하도록 상기 열교환 서브시스템을 통하여 1차 냉각재를 흐르게 하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 포함하고, 상기 노심의 작동은 단상으로 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통하여 상기 1차 냉각재의 자연순환을 일으킨다.

Description

1차 냉각재의 자연순환을 가지는 원자로 시스템{NUCLEAR REACTOR SYSTEM HAVING NATURAL CIRCULATION OF PRIMARY COOLANT}

본 발명은 일반적으로 원자로 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로, 가압수형 원자로(pressurized water reactors, PWRs)과 같이, 단상(single phase)내에서 1차 냉각재의 자연순환을 이용하는 원자로 시스템에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안, 원자로를 냉각시키기 위한 것과 2차 냉각재를 구동 가스로 증발시키는 위한 것 모두를 위하여 1차 냉각재를 순환시키는 자연순환 현상(또한 열사이펀(thermosiphon) 현상으로 알려진)을 이용하는 실행가능한 PWRs를 상업적으로 발전시키는 데에 상당한 양의 관심이 증가해왔다.

CAREM(아르헨티나)는 통합된 자동 여압 주 시스템을 가진100MW(e) PWR 원자로 디자인이며, 해당 자동 여압 주 시스템을 통하여 1차 냉각재 순환은 자연순환에 의해 얻어진다. CAREM 디자인은 몇 개의 수동 안정 시스템을 포함한다. 노심, 증기 발생기, 1차 냉각재 및 증기 돔(dome)을 포함하는 전체 주 시스템은 하나의 압력 용기 내에 포함된다. 강한 반응성 부온도계수는 자동 제어 특성을 증가시킨다. 원자로는 실제로 자동 제어되고 제어봉 동작에 대한 필요는 최소화된다. 전체 작동 사이클 동안 강한 반응성 부온도계수를 유지하기 위하여, 연소 보상에 대한 가용성 붕소를 이용하는 것은 필요하지 않다. 연소에 대한 반응성 보상은 가연성 독물, 예를 들면, 이산화 우라늄(uranium di-oxide)로부터 확산된 가돌리늄(gadolinium) 산화물로 얻어진다. 1차 냉각재는 아래쪽의 플리넘(plenum)로부터 노심에 들어간다. 1차 냉각재는 뜨거워진 후, 노심을 나오고 상부의 돔으로 상승관(riser)를 통해 위로 흐른다. 상부에서는, 1차 냉각재는 외부에 대한 측면의 창을 통해 상승관을 떠난다. 그리고 나서, 증기 발생기 안에서 2차 냉각재에 열을 전달함으로써 엔탈피를 감소시키면서 모듈식의(modular) 증기 발생기를 통해 아래로 흐른다. 최종적으로, 1차 냉각재는 내부 증기 발생기를 나오고, 아래쪽의 플리넘에 대한 하강관(down-comer)통하여 아래로 흐른다. 이로써 순환은 종료된다. CAREM은 관류 직관 증기 발생기를 이용한다. 12개의 증기 발생기들은 노심보다 높게 압력용기 내부에 고리 모양으로 배열된다. 1차 냉각재는 해당 관의 내부를 통해 흐르고, 2차 냉각재는 해당 관의 외부를 가로질러 흐른다. 하나의 쉘(shell)과 두 개의 관판(tube plate)은 순환하는 1차 및 2차 냉각재 사이에 장벽을 형성한다.

AST-500(러시아)은 도시들에게 지역 난방과 온수 공급을 위한 저온열을 발생하도록 의도된 500MW(th) 원자로 디자인이다. AST-500은 주요 구성의 통합적인 레이아웃(layout)과 1차 냉각재의 자연순환을 가진 가압수형 원자로이다. AST-500 원자로의 특징은 감소된 작업 한도 하에서 1차 냉각재의 자연순환과 통합 원자로의 구체적인 특징들, 예를 들면 빌트인(built-in) 증기-가스 가압기, 응급 열 제거를 위한 원자로내 열 교환기 및 외부 보호용기를 포함한다.

V-500 SKDI(러시아)는 5미터 미만의 지름을 가진 용기 내에서 1차 냉각재의 자연순환을 가진500MW(e) 경수형 통합 원자로 디자인이다. 노심 및 증기 발생기는 강철 압력 용기(즉, 노압력용기) 내에 포함된다. 노심은 18개의 제어봉 다발을 가진 121개의 쉬라우드(shroud) 없는 연료 집합체를 가진다. 36개의 연료 집합체는 가연성 유독 제어봉을 가진다. 뜨거운 1차 냉각재는 노심으로부터 상승관과 상부 쉬라우드 창을 통해 하강관(downcomer)안에 위치한 증기 발생기 안으로 이동한다. 냉각재는 하강관과 상승관 안에서 냉각재 밀도의 차이 때문에 흐른다. 가압기는 두 개의 파이프라인에 의해 노압력용기와 수정화계통에 연결된다.

NHR-200(중국)은 지역 난방, 산업 공정 및 해수담수화를 위해 열을 공급하기 위한 디자인이다. 원자로 출력은 200MW(th)이다. 노심은 노압력용기(reactor pressure vessel, RPV)의 바닥에 위치한다. 계통압력은 질소(N2)와 증기에 의해 유지된다. 노압력용기는 원통형이다. RPV는 지름이 4.8미터이다. 높이는 14미터이고, 무게는 197톤이다. 보호용기는 지름이 5미터인 원통형 부분과 지름이 최대 7미터인 상부 원뿔 부분으로 이루어진다. 보호용기는 높이가 15.1미터이고 무게는 233톤이다. 노심은 최대 전 출력 작동시부터 잔류 열제거에 이르기까지 자연순환에 의해 냉각된다. 자연순환 용량을 증대시키기 위해 노심 배출구 위에는 긴 상승관이 있다. 상승관의 높이는 약 6미터이다. 냉각재 누출사고(loss-of-coolant accident, LOCA)때문에 주 회로안에서 자연순환의 중단의 경우에도 노심의 잔류열은 주 열교환기의 노출된 관 표면에 응축된 증기에 의해 전달될 수 있다.

앞서 언급한 PWRs이 원자로의 노심을 냉각시키고 2차 냉각재를 데우는 것 모두를 위하여 1차 냉각재의 자연순환을 이용하는 반면에, 모든 이러한 자연순환 PWRs는 열교환장치가 통합되고 노압력용기 내에 위치하는 문제점에 시달린다. 그런한 배치는 열교환장치가 서비스를 수리하기 어렵게 만들 뿐만 아니라, 해당 장치가 부식상태를 겪게 한다. 게다가, 열교환장치를 노압력용기 내에 위치시키는 것은 복잡성을 증가시키고, 노압력용기 내로의 관통건수의 잠재적인 증가를 초래한다. 그러나, 본 발명에 앞서서, 노압력용기 내로의 열 교환 장치의 배치는 PWR사이클 내에서 1차 냉각재의 자연순환을 얻기 위하여 필요하다고 여겨질 개연성이 있다.

선행기술에 존재하는 다른 PWRs의 문제점은 노압력용기가 노압력용기의 상부와 노압력용기의 하부 모두에서 관통부가 있다는 사실이다. 존재하는 PWRs의 또다른 문제점은 상당한 길이의 배관과 다수의 접합부가 1차 냉각재를 노압력용기로부터 열교환장치로 옮기는데에 사용된다는 사실이다. 그 때문에, 관 파손 시나리오에 의한 실패의 위험이 증가한다.

본 발명의 목적은 자연순환을 이용하는 원자로 시스템을 제공하는 것이다.

이러한, 그리고 다른 문제점들은 본 발명에 의하여 해결된다. 원자로 시스템은 여기에서 제시되며, 일 실시예에서, 노심과 열교환 서브시스템을 통하여 단상으로 1차 냉각재를 순환시키기 위하여 자연순환(예를 들면, 열사이펀(thermosiphon))을 이용한다. 그 점에서, 열교환 서브시스템은 노압력용기의 외부에 위치된다. 다른 실시예들에서는, 열교환 서브시스템은 2차 냉각재를 증발시키도록 이용되는 해당 열교환 서브시스템 내에 있는 1차 냉각재의 흐름 내의 어떠한 상당한 압력 강하를 일으키지 않도록 설계된다. 또 다른 실시예에서, 원자로 시스템은 노심이 지하에 위치하고, 노압력용기 내로의 모든 관통부는 지상에 위치하는 것이 개시되어 있다. 특정 실시예에서, 본 발명의 원자로 시스템은 PWR 시스템이다.

일 실시예에서, 본 발명은 내부 공동을 가지는 노압력용기; 노압력용기의 하부에서 내부 공동 내로 배치되는 핵연료를 포함하는 노심; 노압력용기의 외부에 위치하는 열교환 서브시스템; 노심을 냉각하도록 노압력용기를 통하여 1차 냉각재를 흐르게 하고, 또한 동시에 2차 냉각재에 열을 전달하도록 열교환 서브시스템을 통하여 상기 1차 냉각재를 흐르게 하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 포함하고, 노심의 작동은 단상으로 폐쇄루프 1차 냉각 회로를 통하여 1차 냉각재의 자연순환을 일으키는 자연순환 원자로 시스템일 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명은 1차 냉각재를 수용하는 내부 공동, 실질적으로 수직인 축을 따라 연장되는 노압력용기, 지면 아래에 위치하는 노압력용기의 축 방향의 메이져부를 가지는 길쭉한 노압력용기; 노압력용기의 하부 및 지면의 아래에서 내부 공동 내로 배치되는 핵연료를 포함하는 노심; 지면 위에 배치되는 1차 냉각재 출구를 포함하는 노압력용기; 지면 위에 배치되는 1차 냉각재 입구를 포함하는 노압력용기; 노압력용기의 외부 및 지면의 위에 위치하는 열교환 서브시스템, 1차 냉각재의 출구에 유체적으로 연결된 열교환 시스템의 들어오는 열관, 1차 냉각재의 입구와 유체적으로 연결된 열교환 시스템의 나가는 냉관을 포함하고, 노압력용기의 메이져부는 관통부가 필요없는 원자로 시스템일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 1차 냉각재를 수용하는 내부 공동, 실질적으로 수직인 축을 따라 연장되는 노압력용기를 가지는 길쭉한 노압력용기; 노압력용기의 하부에서 내부 공동 내로 배치되는 핵연료를 포함하는 노심; 노압력용기의 내부 공동을 1차 냉각재 상승관 통로와 1차 냉각재 하강관 통로로 나누는 파티션, 1차 냉각재 상승관 통로 내에서 배열되는 노심; 1차 냉각재 통로의 상부와 유체적으로 연결된 1차 냉각재 출구 포트를 포함하는 노압력용기; 주 하강관 상승관 통로의 상부와 유체적으로 연결된 1차 냉각재 입구 포트를 포함하는 노압력용기; 노압력용기의 외부에 위치하는 적어도 하나의 증기 발생기, 1차 냉각재 출구 포트에 유동적으로 연결된 증기 발생기의 들어오는 열관, 1차 냉각재 입구 포트에 유동적으로 연결된 증기 발생기의 나가는 냉관을 포함하고, 증기 발생기는 고도의 증가에 기인한 증기 발생기를 통한 1차 냉각재의 흐름에 있어서 어떠한 상당한 압력 강하를 일으키지 않는 원자로 시스템일 수 있다.

본 발명의 더욱 적용 가능한 영역은 이하에서 제공되는 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 상세한 설명과 구체적인 예는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내지만, 오직 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하기 위함이 아님이 이해되어야 한다.

본 발명은 상세한 설명과 도면들로부터 더욱 완벽히 이해될 것이다.

본 발명은 자연순환을 이용하는 원자로 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 시스템의 자연순환의 구성도이다.
도 2는 도 1의 자연순환 원자로 시스템에서 사용될 수 있는 열교환 서브시스템의 실시예의 구성도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 단일 경로 수평 증기 발생기의 도식적인 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 단일 경로 수평 증기 발생기의 도식적인 측면도이다.
도 4는 하나의 구조상의 실시예에 따른 도 1의 자연순환 원자로 시스템의 일부의 측면도이다.
도 5는 하나의 구조상의 실시예에 따른 도 1의 자연순환 원자로 시스템의 일부의 위에서 바라본 등축도이다.

바람직한 실시예의 후술하는 설명은 단지 현실적인 예시이며, 본 발명, 그 응용이나 이용을 한정하려는 것은 아니다.

도 1 내지 5를 상세히 설명하기에 앞서, 발명의 자연순환 원자로 시스템, 및 그 작동의 구체적인 실시예의 개요가 기술될 것이다. 해당 기술분야의 당업자들은은 그 개요가 하나의 매우 구체적인 실시예를 알려주고 그것의 세부 사항들은 모든 실시예에 있어서 본 발명을 한정하지 않는다는 것을 인식할 것이다. 게다가, 해당 기술분야의 당업자들은 도 1 내지 5의 상세한 설명에 그 개요를 어떻게 적용시키는지 인식할 것이다.

Ⅰ.잠재적인 상업적인 실시예의 개요

본 발명의 원자로 시스템은, 잠재적인 상업적인 실시예에서, 핵부열로부터 경제적이고 안전한 클린에너지(clean energy)를 공급하도록 설계된 145MW 원자로이다. 본 발명의 원자로 시스템의 강점은 고유의 안전성과 작동의 간단함을 포함한다. 원자로 시스템을 설립하고 위임하기 위해 요구되는 본 발명의 원자로 시스템의 작동의 간단함과 소액의 경비는 신뢰할 만한 전원이나 견고한 전기에너지 공급 시스템에 접근하지 못하는 지구의 많은 인류들에게 오염 없는 원자력 에너지의 과실을 전달할 수 있도록 한다. 메가와트 단위인 큰 원자로와 경쟁하는 본 발명의 원자로 시스템은 증가하는 기본경비에 따라 점차 증가하는 인스톨드 베이스(installed base)에 발생 용량을 점차 증가시킬 수 있도록 맞추어져 있다. 그것의 고유의 작동의 간단함 때문에, 본 발명의 원자로 시스템은 시설을 운영하기 위한 숙달된 직원들로 이루어진 최소한의 간부회를 필요로 한다. 본 발명의 원자로 시스템의 복수의 유닛들은 하나의 위치에서 다발을 이룰 수 있으며, 또는 메가와트당 건설 비용의 현저한 증가없이 지리적으로 분산되어 있을 수 있다. 지리적인 분산과 지하 배치는 9/11 테러 이후의 걱정에 대한 자연적인 방어 수단의 역할을 한다. 본 발명의 원자로 시스템의 적절한 출력은 그것을 발전가능한 신뢰할 수 있는 전기 에너지원 후보로 만들거나, 또는 도시에 가열증기를 공급하거나 산업공장에 제공하는 열병합발전소로서 공정용증기를 공급하는 데에 도움이 된다.

안전성, 유지의 용이함과 최고의 보안성을 지닌 PWR장르의 수동적인 소형모듈원전으로서, 본 발명의 원자로 시스템은 어느 나라의 중요한 국가 자산에 신뢰할 수 있는 전력원으로서 역할하기에 이상적으로 적합하다. 본 발명의 원자로 시스템의 설계 특징들의 고유의 안정성과 신뢰성들은 다음과 같다.

1. 지하 깊은 곳의 노심

노심은 큰 가압수형 원자로(PWR)과 비등수형 원자로(BWR, Boiling Water reactor)내에서 원자로 무결성을 유지함이 수십년간 효율적이라고 입증된 ASME 코드 재료로 만들어진 두꺼운 벽을 지닌 노압력용기(RPV)내에서 지하 깊이 존재한다. 원자로 냉각재에 의해 젖은 모든 표면들은 스태인레스 강(stainless steel) 또는 인코넬(inconel)으로 만들어지고, 스테인리스 강과 인코넬은 원자로 압력용기안의 침전물 축적의 주 원인을 제거할 수 있다.

2. 원자로 냉각재의 자연순환

본 발명의 원자로 시스템은 어떠한 능동적인 구성요소에 의존하지 않는다. 예를 들면, 폐쇄루프 1차 냉각 회로를 통한 1차 냉각재를 순환시키기 위한 노 냉각재 펌프, 그 노 냉각재 펌프는 노심과 열교환 서브시스템을 통하는 흐름을 포함한다. 대신에, 노압력용기를 통하는 1차 냉각재의 흐름, 수평 증기 발생기, 및 다른 여러 장치들은 폐쇄루프 1차 냉각 회로의 뜨거운 부분과 차가운 부분 내에서 유수의 밀도 차이에 의한 압력 수두에 의해 일어난다. 원동력으로서 중력의 신뢰성은 본 발명의 원자로 시스템의 고유의 안전성을 보강한다. 특정 실시예들에서는, 1차 냉각재의 움직임은 펌프, 밸브, 또는 어떤 종류의 움직이는 기계류를 필요로 하지 않는다.

3. 외부 전원 의존 없음

외부 전원은 본 발명의 원자로 시스템을 정지시키기 위하여 필수적이지 않다. 정지동안에 원자로 잔류 열의 폐기는 또한 자연순환에 의해 일어난다. 그러므로, 원자력 발전소의 주요 걱정거리인, 부지에서 비상 정지 전원 공급에 대한 필요는 제거된다.

4. 노심 전반과 주위에 많은 양의 물의 잔류보장

본 발명의 원자로 시스템의 노압력용기는 그것의 지하부에 관통부가 없으며, 그것은 지하 100피트에 있을 수 있다. 이는 노심이 많은 양의 잔류된 물에 잠겨있다는 것을 의미한다. 노압력용기 내의 모든 관통부는 노압력용기의 지상부나 상부에 위치하고 크기는 작다. 폐쇄루프 1차 냉각회로 내에서 큰 배관의 부재는 “큰 파손”인 냉각재 누출사고의 가능성을 배제시킨다.

5. 모든 주요 구성들에 쉽게 접근가능

증기 발생기를 포함하는 열교환 서브시스템과 제어봉 구동 시스템 모두는 쉬운 접속을 가능하게 하고, 예방 유지 보수가 편리하게 수행되는 활동이 되도록 수평으로 노압력용기의 외부에 위치한다. 각각의 증기 발생기들은 편리하게 관에 접근하여 막을 수 있는 빌트인 디자인 특성을 지닌 수평 압력 용기이다.

6. 탈염수

1차 냉각재(또한 노 냉각재로 언급되기도 함)는 탈염수이다. 그 탈염수는 그것의 온도 상승에 따른 강력한 부 반응성 변화도때문에 임계안정성을 높인다. 붕산수의 제거는 또한 1차 냉각재 내의 붕소 레벨을 유지하고 제어하기 위하여 필요한 시스템과 장치를 제거함으로써 원자력 발전소 증기 공급 설비(nuclear steam supply system, NSSS)를 간소화 한다. 순수한 물과 부식방지 1차 냉각재 루프는 노압력용기 내에서 침전물 축적을 최소화하는데 도움이 된다.

7. 모듈방식

하나의 부지 또는 많은 수의 부지에 오직 하나의 본 발명의 원자로 시스템을 지을 수 있다.

하나의 부지에 많은 수의 본 발명의 원자로 시스템을 모으는 것은 종합적인 사무개선활동(organization and method, O&M) 비용을 줄일 것이다.

8. 긴 작동 사이클

본 발명의 원자로 시스템은 연료 교체를 요구하기 전까지 약 3.5년 동안 작동한다.

9. 짧은 건설 수명 사이클

본 발명의 원자로 시스템의 거의 모든 구성들은 공장 조립된다. 현장 시공은 철근 콘크리트 구조, 공장제작된 장비와 부품들을 조립하기 위한 제한된 양의 용접으로 한정된다. 그 결과, 공사 시작으로부터 24개월 내에 본 발명의 원자로 시스템 하나의 건설을 완료하는 것이 가능하다.

10. 효율적인 증기 사이클

두 개의 수평 증기 발생기 한 쌍은 연속적으로 배열되고 노압력용기에 통합적으로 용접된다. 본 발명의 원자로 시스템의 전력 사이클의 효율, 및 그것의 긴밀함은 수평 증기 발생기에 통합적으로 용접된 과열기에 의하여 더욱 증대된다. 과열기는, 각 증기 발생기에 부착되고, 사이클 효율을 증가시키고 또한 습증기의 악영향으로부터 고압과 저압 터빈 모두를 보호한다.

11. 일체형 가압기

노압력용기의 설계는 노압력용기의 상층부를 차지하는 일체형 가압기를 포함한다. 가압기는 노압력용기 내의 압력을 제어하는 역할을 한다.

12. 물 부족 지역에 대한 적합함

본 발명의 원자로 시스템은 제한된 수자원 가용능력 예를 들면, 큰 원자로에는 부적합한 작은 만과 작은 강을 가진 부지에 설치될 수 있다. 본 발명의 원자로 시스템은 발전소의 폐열을 방출하기 위한 공랭식 응축 기술을 이용하여 물부족 지역에서도 동등하게 잘 작동될 수 있다. 물론, 물 대신에 공기를 이용하는 것은 발전소의 비용의 적당한 증가를 초래한다.

13. 안전과 입증된 범위에서의 시스템 파라미터들

노압력용기 내에서의 동작 압력과 온도는 PWRs에 대한 입증된 범위 내에 있다.

개선된 열수력 제어(아래의 테이블 참조)와 노심안에서의 핵비등한계에 대한 개선된 오차에 대한 큰 PWRs에서 이용되는 낮은 노심 출력 밀도

모범적인 시스템 파라미터들	데이터
노심안의 핵연료 집합체의 개수	32
공칭 화력(MWt)	446
공칭 재순환율(MLb/hr)	5.46
원자로 냉각재 출구 온도, (℉)	580
원자로 냉각재 입구 온도, (℉)	333
원자로 압력, (lb/inch2)	2,250
노압력용기(RV) 공동 내의 물, (gallon)	30,00

14. 감소된 배관 거리와 비용 경쟁력과 신뢰도를 증대시키기 위한 능동적인 구성의 최소 이용

본 발명의 원자로 시스템에서 폐쇄루프 1차 냉각재 회로와 2차 냉각재 회로 내에서 배관의 양은 시장에서의 어떠한 원자력 발전소 디자인 중에서 최소이며, 펌프와 밸브의 수도 마찬가지이다.

15. 가동중 검사( In - Service Inspection )

노압력용기 내에서 용접층들을 포함하는 주 시스템 내의 모든 용접층들은 항상 검사가 가능하다. 특히, 노압력용기 내의 모든 용접층들은 전력 발생 동안 노우물 내의 가동 중 검사 장치를 구비한 조정 장치를 작동시키는 것에 의하여 검사받을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 원자로 시스템은 ASME 코드 섹션 XI 하에서 원자로 발전소의 예상되는 가동중 검사 능력을 초과한다.

16. 지진 강화 설계

본 발명의 원자로 시스템 내의 거의 모든 주요 장치는 강한 지진동(seismic motion)을 견디기 위하여 지하 또는 수평 중 어느 하나로 고정된다. 이것은 노압력용기, 연료 풀(fuel pool), 노 물저장 탱크(모두 지하), 및 플로어(floor)에 고정되는 수평 증기 발생기, 수평 과열기, 및 수평 솥형 보일러를 포함한다.

17. 항공기 충격 보호 격납

본 발명의 원자로 시스템의 격납 구조는 벽을 관통하는 틈이 생기지 않도록 굉음을 내는 전투기 또는 민간 항공기의 충격을 견디도록 설계되었다.

Ⅱ. 상세한 설명

도 1을 참조하면, 자연순환 원자로 시스템(1000)(이하에서는 원자로 시스템(1000))은 본 발명의 일 실시예에 따라 설명된다. 원자로 시스템(1000)은 일반적으로 노압력용기(100)와 열교환 서브시스템(200)을 포함한다. 노압력용기(100)는 노심(102)을 냉각시키고 열교환 서브시스템(200) 내부에서 2차 냉각재를 데우는데 사용되는 1차 냉각재(101)을 수용한다. 노압력용기(100)는 1차 냉각재 출구 포트(103)을 통하여 열교환 서브시스템(200)의 들어오는 열관(201)과 유동적으로 연결된다. 유사하게, 노압력용기(100)는 또한 1차 냉각재 입구 포트(104)를 통하여 열교환 서브시스템(200)의 나가는 냉관(202)과 유동적으로 연결된다. 그 결과, 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)가 형성되고, 1차 냉각재(101)는 그 회로(300)를 통하여 단상으로 흐른다. 아래에서 더욱 자세히 논의되듯이, 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통한 1차 냉각재(101)의 흐름은 노심(102)의 정상적인 작동에 의해 발산되는 열에 의하여 유도되는 자연순환 흐름이다.

특정 실시예에서는, 노압력용기(100)의 내부 공동(105)은 노압력용기(100) 내부의 높은 온도에도 불구하고 1차 냉각재(101)를 액체 상태로 유지하기 위한 충분한 압력하에서 유지된다. 예시된 실시예에서, 압력 제어 서브시스템(50) (일반적으로 선행기술에서는 가압기로 언급된다.)은 노압력용기(100)의 상부 영역 내에 위치하고, 노압력용기(100)의 내부 공동(105)의 압력을 제어하도록 형성된다. 압력 제어 서브시스템(50)은 선형 파손 문제를 방지하고 더욱 콤팩트(compact)한 원자로 시스템(1000)을 제공하기 위하여 노압력용기(100)의 제거 가능한 헤드(head, 106)와 일체이다. 가압기는 선행기술에서 잘 알려져 있고 어떠한 표준 가압기도 압력 제어 서브시스템(50)으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 노압력용기(100)의 내부 공동(105)은 2000 psia(pounds per square inch) 내지 2500 psia 범위 내의 압력으로 유지된다. 더욱 구체적인 실시예에서, 노압력용기(100)의 내부 공동(105)은 2200 psia 내지 2300 psia 사이의 압력으로 유지된다. 물론, 노압력용기(100)의 내부 공동(105) 내에서 유지되는 정확한 압력은 특별히 요구되지 않는 한 본 발명을 한정하지 않는다.

노압력용기(100)는 용인되는 ASME 재료, 예를 들면 스테인리스 강으로 이루어진 두꺼운 벽에 의해 형성되는 길쭉한 관형 압력 용기이다. 노압력용기(100)는 실질적으로 수직인 축 A-A를 따라 하단(107)으로부터 상단(108)까지 연장되고, 그것에 의하여 노압력용기(100)의 축 길이를 정한다. 일 실시예에서, 노압력용기(100)는 자연순환(선행 기술에서는 열사이펀 현상으로 언급된다)으로부터의 1차 냉각재(101) 재순환 내에서 적합한 레벨의 난류를 조성하기 위하여 100피트 이상의 축 길이를 가진다. 어떤 다른 실시예들에서, 노압력용기(100)는 100 피트 내지 150 피트 사이 범위의 축 길이를 가진다. 물론, 본 발명은 특정한 대체 실시예에서는 그렇게 한정되지 않는다.

노압력용기(100)는 일반적으로 돔형 헤드(106)와 몸체(109)를 포함한다. 돔형 헤드(106)는 연료 교체와 보수를 위하여 그것으로부터 제거 가능할 수 있도록 몸체(109)의 상단과 분리가능하게 연결된다. 돔형 헤드(106)는 볼트, 클램프 등을 포함하는 어느 적합한 잠금장치의 사용을 통해 몸체(109)와 연결될 수 있다. 예시된 실시예에서, 몸체(109)는 상부 플랜지(flange, 110)를 포함하고, 돔형 헤드(106)는 하부 플랜지(111)를 포함하고, 제공된 교합 구조는 몸체(109)에 돔형 헤드(106)를 연결시키도록 교합 구조를 통하여 볼트(114, 도 4)가 연장된다. 돔형 헤드(106)가 몸체(109)와 연결될 때, 개스킷(gasket)의 사용 또는 다른 적합하게 윤곽이 있는 경계면을 통하여 그것들 사이에 밀봉이 형성된다.

노압력용기(100)의 몸체(109)는 직립 관형 벽(112)과 노압력용기(100)의 하단(107)을 밀봉하는 돔형 바닥(113)을 포함한다. 관형 벽(112)은 설명된 실시예에서 원형의 가로지르는 단면의 프로파일(profile)을 가지나, 바람직하게 다른 형태일 수 있다. 예시된 실시예에서, 돔형 바닥(113)는 관형 벽(112)에 대하여 통합되고 하나로 구성된다. 물론, 다른 실시예들에서, 돔형 바닥(113)은 용접이나 다른 밀봉 연결 기술, 예를 들면, 돔형 헤드(106)와 몸체(109)에 대하여 위에서 기술된 플랜지 기술을 통해 관형 벽(112)에 고정되는 분리된 구조일 수 있다. 그러나, 파열 가능성을 일으킬 수 있는 경계선 및/또는 경계면을 제거하기 때문에, 특정 실시예에서는 돔형 바닥(113)와 몸체(109)가 통합되고 하나로 된 구조물은 바람직하다.

노압력용기(100)는 노심(102)이 수용되는 내부 공동(105)을 형성한다. 노심(102)는 선행기술에서 알려진 바와 같이, 연료 집합체의 형태로 핵연료를 포함한다. 노심(102)의 구체적인 구조는 본 발명의 한정이 아니고, 원자로 시스템(1000)은 어느 타입의 노심 또는 핵연료를 이용할 수 있다. 노심(102)은 노압력용기(100)의 하부(115)에 위치한다. 일 실시예에서, 노심(102)은 작동되는 동안 400MWt 내지 600MWt의 노심 열출력을 가진다.

일 실시예에서, 노심(102)은 수직으로 배열된 연료 집합체로 구성된다. 연료 집합체들 사이의 간격은 노압력용기(100) 내의 모든 위치에서 1.0의 반응성(중성자 증배인자)을 유지하기 위한 설계 목적에 의하여 통제된다. 축 방향에서 임계 제어는 연료봉(웨스팅하우스(Westinghouse)에 의해 IFBAs라 불림) 내의 빌트인 중성자독(netron poison)에 의하여 제공되고 제어봉에 의해서도 제공될 수 있다.

파티션(120)은 내부 공동을 1차 냉각재 상승관 통로(105a)와 1차 냉각재 하강관 통로(105b)로 분할하는 노압력용기(100)의 내부 공동(105) 내부에 제공된다. 양 통로(105a, 105b)는 모두 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)의 일부를 형성하는 축방향으로 연장되는 수직방향의 통로이다.

예시된 실시예에서, 파티션(120)은 직립 관형 벽부(upstanding tubular wall portion, 120a)와 횡단벽부(transverse wall portion, 120b)를 포함한다. 관형 벽부(120a)는 노압력용기(100)의 직립 벽(112)에 대하여 동심으로 배열되도록 노압력용기(100)의 내부 공동(105) 내에 고정되는 환상(annular)의 관이다. 그 결과, 1차 냉각재 하강관 통로(105b)는 1차 냉각재 상승관 통로(105a)를 둥글게 둘러싸는 환상의 통로이다. 1차 냉각재 하강관 통로(105b)는 파티션(120)의 직립 관형 벽부(120a)의 외부 표면(121)과 노압력용기(100)의 직립 벽(112)의 내부 표면(116) 사이에 형성된다. 1차 냉각재 상승관 통로(105b)는 파티션(120)의 직립 관형 벽부(120a)의 내부 표면(122)에 의해 형성된다.

횡단벽부(120b)는 일단에서 파티션(120)의 직립 관형 벽부(120a)의 상단과 연결되고, 타단상에서 노압력용기(100)의 직립 벽(112)와 연결되는 환상의 고리모양의 플레이트이다. 횡단벽부(120b)는 노압력용기(100)의 상부(117) 내의 1차 냉각재 상승관 통로(105a)와 1차 냉각재 하강관 통로(105b) 사이에서 1차 냉각재(101)의 직교류(cross-flow)를 방지하는 세퍼레이터(separator) 요소로 기능한다. 본질적으로, 횡단벽부(120b)는 1차 냉각재 출구 포트(103)를 통해 노압력용기(100)를 나가는 뜨거워진 1차 냉각재(101)가 1차 냉각재 입구 포트(104)를 통해 노압력용기(100)로 들어가는 냉각된 1차 냉각재(101)와 혼합되는 것, 그리고 그 반대를 방지하기 위하여 1차 냉각재 하강관 통로(105b)의 지붕을 형성한다. 1차 냉각재 상승관 통로(105a)와 1차 냉각재 하강관 통로(105b) 사이의 1차 냉각재의 직교류는 파티션(120)의 직립 관형 벽부(120a)에 의해 금지된다.

게다가 물리적으로 1차 냉각재 하강관 및 상승관 통로(105a, 105b) 내부에서 가열된 1차 냉각재와 냉각된 1차 냉각재의 흐름을 분리시키는 것은 위에서 말한 바와 같이, 파티션(120) 또한 1차 냉각재 하강관 통로(105b) 내의 냉각된 1차 냉각재(101)를 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내의 가열된 1차 냉각재(101)로부터 열적으로 절연시킨다. 간단히 말하면, 파티션(120)을 통하여 열이 자유롭게 전달되는 것을 원하지 않는다. 그러므로, 파티션의 실질적인 열 전도 계수(1차 냉각재 상승관 통로(105a)로부터 1차 냉각재 하강관 통로(105b)로 방사상으로 측정된)가 1차 냉각재(101)의 열 전도 계수보다 작다는 점에서 파티션(120)은 절연 파티션임이 바람직하다.

파티션(120)의 실질적인 열 전도 계수를 1차 냉각재(101)의 열 전도 계수보다 작게 만드는 것은 1차 냉각재 하강관 통로(105b) 내의 1차 냉각재(101)가 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내의 1차 냉각재(101)보다 차갑게 유지되는 것을 보장하고, 그렇게 함으로써, 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)를 통하여 1차 냉각재(101)의 자연순환율을 최대화할 수 있다. 매우 간단한 구조에서, 이것은 낮은 열전도 계수를 갖는 하나의 금속 재료로 파티션(120)를 만듦으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 그 재료는 노압력용기(100)의 작동 온도와 압력 하에서 저하되거나 변형되어서는 안된다는 점이 반드시 고려되어야 한다. 그러한 실시예에서, 유효 열전도 계수는 단순히 하나의 금속 재료의 열전도 계수이다.

예시된 실시예에서, 파티션(120)의 낮은 열전도 계수는 파티션(120)을 다중층 구조로 만듦으로써 얻어진다. 예시된 바와 같이, 파티션(120)은 두 개의 외부층(125a, 125b) 사이에 끼워진 단열층(124)을 포함한다. 일 실시예에서, 외부 층(125a, 125b)가 스테인리스 강 또는 다른 부식 방지 재료인 한편, 절연층(124)은 내열성 재료이다. 특정 실시예에서, 절연층(124)은 외부층(125a, 125b)에 완전히 둘러싸여 있다.

노압력용기(100)의 내부 공동(115)은 또한 노압력용기(100)의 하부(115)에 플리넘(118)을 포함하고, 플리넘(118)은 1차 냉각재 하강관 통로(105b)로부터 1차 냉각재 상승관 통로(105a)로 1차 냉각재(101)의 직교류를 허용한다. 예시된 실시예에서, 플리넘(118)은 파티션(120)의 직립 관형 벽부(120a)의 하단(123)이 돔형 바닥(113)의 내부 표면(119)으로부터 간격을 두고 있다는 점에 의해 생성된다. 대체 실시예에서, 파티션(120)은 돔형 바닥(113)의 내부 표면(119)까지 연장될 수 있다. 그러한 실시예에서, 플리넘(118)은 바람직한 직교류를 위하여 허용하기 위하여 파티션(120) 내에 다수의 틈이나 개구를 제공함으로써 형성될 것이다.

내부 공동(105)은 노압력용기(100)의 상부(117)에 플리넘(126)을 더 포함할 수 있다. 플리넘(126)은 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내에서 상승하는 가열된 1차 냉각재(101)가 노압력용기(100)의 상부(117)에 모이고, 그 후 수직방향 축 A-A로부터 가로질러 밖으로 향하고, 1차 냉각재 출구 포트(103)를 통하여 흐르는 것을 허용한다.

노심(102)은 노압력용기 플리넘(118) 위의 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내에 위치한다. 노심의 작동 동안에, 노심(102)에 의해 생성된 열 에너지는 노심(102)에 인접한 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내의 1차 냉각재(101)로 전달되고, 그에 따라 가열된다. 이 가열된 1차 냉각재(101)는 감소된 밀도 때문에 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내에서 위쪽을 향하여 상승한다. 이 가열된 1차 냉각재(101)는 상부 플리넘(126) 안에서 모이고 들어오는 열관(201)으로서 열교환 서브시스템(200)으로 들어가는 1차 냉각재 출구 포트(103)를 통하여 노압력용기(100)를 나간다. 일 실시예에서, 열 교환기의 열관(201)에 들어가는 가열된 1차 냉각재(101)는 적어도 570℉의 온도를 가지고, 또 다른 실시예에서는 570℉ 내지 620℉ 범위의 온도이다.

이 가열된 1차 냉각재(101)는 열에너지가 2차 냉각재(도 2에 대하여 이하에서 상세히 기술한다)로 전달되는 열교환 서브시스템(200)을 통하여 지나가고, 그에 의하여 냉각되고 냉관(202)을 통하여 열교환 서브시스템(200)을 나간다. 열교환 서브시스템(200)의 냉관(202)을 나갈 때, 일 실시예에서, 이 냉각된 1차 냉각재(101)는 300℉ 내지 400℉ 범위의 온도이다. 또 다른 실시예에서, 열교환 서브시스템(200)은 열관(201)에서 가열된 1차 냉각재와 냉관에서 냉각된 1차 냉각재 사이의 온도 차이가 적어도 220℉이도록 설계된다.

열교환 서브시스템(200)의 냉관에서 존재하는 냉각된 1차 냉각재(101)는 그 후 1차 냉각재 입구 포트(104)를 통하여 노압력용기(100)로 들어가고, 그에 의하여, 1차 냉각재 하강관 통로(105b)의 상부(127) 안으로 흘러간다. 1차 냉각재 하강관 통로(105b) 안으로 들어오면, 냉각된 1차 냉각재(101)(1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내에서 가열된 1차 냉각재(101)보다 더 큰 밀도를 가진다)는 1차 냉각재 하강관 통로(105b)를 통하여 하부 플리넘(118) 안으로 아래방향으로 흐른다. 하부 플리넘(118)에서 1차 냉각재(101)는 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 안으로 되돌려지고, 다시 노심(102)에 의해 가열된다. 그에 의하여 폐쇄루프 1차 회로(300)를 통한 사이클을 완료한다.

위에서 언급한 바와 같이, 노심(102)의 작동은 폐쇄루프인 1차 냉각재 회로(300)을 통하여 1차 냉각재 상승관 통로(105a) 내에서 상승관 수주(riser water column)를 생성하고 1차 냉각재 하강관 통로(105b) 내에서 하강관 수주(downcomer water column)를 생성함으로써 1차 냉각재(101)의 자연순환을 일으킨다. 일 실시예에서, 상승관 수주와 하강관 수주는 80 피트 내지 150 피트 범위의 수직 높이를 가지고, 더욱 바람직하게는 80 피트 내지 120 피트이다. 자연순환(또는 열사이펀)의 강력함은 두 개의 수주(원자로 디자인에 따라 고정됨)의 높이와 두 수주(물속에서의 SES와 하강관 공간)의 대량 온도 사이의 차이에 의해 결정된다. 예를 들면, 2200 psia 및 580℉인 물은 44.6lb/ft3의 밀도를 가진다. 만일 온도가 250℉로 감소하면, 이 밀도는 60.5lb/ft3으로 증가한다. 60피트 높이의 뜨겁고 차가운 수주는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)을 통하여 1차 냉각재(101)의 자연순환을 일으킬 수 있는 6.6 psi의 압력 수두를 발생시킨다. 90피트 높이 수주는 50% 더 큰 수두(예를 들면, 9.9 psi)를 발생시킬 것이다.

수주와 중력에 의하여 얻어진 1차 냉각재(101)의 자연순환의 결과에 따라, 원자로 시스템(1000)은 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통하여 1차 냉각재의 순환을 강제하기 위한 능동적 장치, 예를 들면 펌프 또는 팬이 필요없다.

도 1에 도시된 실시예에서, 1차 냉각재 출구 포트(103)는 1차 냉각재 입구 포트(104)보다 약간 낮은 높이(1~3피트)에 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 1차 냉각재 출구 포트(103)과 1차 냉각재 입구 포트(104)는 실질적으로 동일한 위치에 있다(도 4 및 5 참조). 1차 냉각재 출구 포트(103)과 1차 냉각재 입구 포트(104)는 실질적으로 동일한 위치일 때, 파티션(120)이 적합하게 설계될 것이다. 게다가, 여기서 사용된 바와 같이, 포트라는 용어는 단순한 틈이나 개구를 포함한다.

일 실시예에서, 1차 냉각재(101)은 부 반응도 계수를 가지는 액체이다. 그러므로, 만일, 가상의 시나리오에서 열교환 서브시스템(200)으로의 열 배출 경로를 잃어버리게 되면, 노심(102)의 연속 반응은 자동적으로 멈추게 될 것이다. 그러므로, 원자로 시스템(1000)은 본질적으로 안전하다. 구체적인 실시예에서, 1차 냉각재(101)은 탈염수이다. 전형적인 PWRs에서 노압력용기 내에서 붕소 농도를 유지하는데 사용되는 모든 시스템과 제어들은 원자로 시스템(1000)으로부터 제거된다. 게다가, 1차 냉각재(101)로서 탈염수의 사용과 노압력용기(100)의 부식 방지 표면의 존재는 침전물 축적을 최소한으로 유지하도록 도와준다. 노심(102) 내에서 반응도 제어는 수직으로 부유하며 핵연료 집합체의 내부와 주위에서 중요한 위치를 차지하고 중성자 선속을 균질화하고 제어하는 한 세트의 제어 요소(가연성 독물)에 의해 유지된다.

도 1, 4 및 5를 동시에 참조하면, 노압력용기(100)의 축 길이의 마이너부(131)가 지면(400) 위로 연장되는 반면에, 노압력용기(100)의 축 길이의 메이져부(130)는 지면(400) 아래에 위치하는 것이 보여질 수 있다. 이처럼, 열교환 서브시스템(200)이 지면(400) 위에 위치하는 반면에, 노심(102)은 지면(400) 아래 깊이 존재한다. 일 실시예에서, 열교환 서브시스템(200)은 노심(102)의 높이보다 80피트 내지 150피트, 바람직하게는 80피트 내지 120피트, 높은 고도에 있다.

노압력용기(100)의 마이너부(131)는 몸체(109)의 상부(132)와 돔형 헤드(106)를 포함한다. 1차 냉각재 출구 포트(103)과 1차 냉각재 입구 포트(104)는 지면(400) 위에 있는 노압력용기(100)의 마이너부(131)에 위치한다. 좀더 구체적으로, 1차 냉각재 출구 포트(103)과 1차 냉각재 입구 포트(104)는 지면(400) 위에 있는 노압력용기(100)의 몸체(109)의 상부(132) 상에 위치한다.

메이져부(130)는 몸체(109)의 메이져부와 돔형 바닥(113)를 포함한다. 특정 실시예어서, 노압력용기(130)의 메이져부(130)는 노압력용기(100)의 축 길이의 최소한 75%이다. 다른 실시예에서, 노압력용기(130)의 메이져부(130)는 노압력용기(100)의 축 길이의 60% 내지 95% 사이이다. 또 다른 실시예에서, 노압력용기(130)의 메이져부(130)는 노압력용기(100)의 축 길이의 75% 내지 95% 사이이다.

노압력용기(100)은 노플랜지(core flange, 150)를 포함한다. 노압력용기(100)의 몸체(109)의 상부(132)는 노플랜지(150)에 용접된다. 그것은 큰 상부 단조물이다. 노플랜지(150)는 또한 1차 냉각재 입구 포트(104)와 1차 냉각재 출구 포트(103)(도 4 및 5), 및 열교환 서브시스템(200)(그리고 다양한 가정된 사고 시나리오를 처리하기 위한 제작된 안전 시스템에 대하여)과의 연결들에 대한 위치를 제공한다. 이 노플랜지(150)는 수직으로 지향된 캔틸레버(cantilever) 방식으로 노우물(reactor well, 410) 안에서 노압력용기(100)의 무게를 지지하기 위한 용접 돌출부를 포함한다. 그 결과, 노압력용기는 벽 표면(411)과 노우물(410)의 바닥 표면(412)로부터 공간을 갖는다. 그것에 의하여, 노심(102)이 작동 중에 가열되고 노압력용기(100)의 열 팽창을 일으킴에 따라, 노압력용기(100)는 방사형으로 그리고 축방향으로 팽창한다.

게다가, 노압력용기(100)의 메이져부(130)는 관통부가 필요없다. 즉, 노압력용기(100)의 메이져부(130)는 틈, 구멍, 개구부 또는 열려있거나 파이프나 다른 도관이 붙여지는 다른 관통부를 포함하지 않는다. 노압력용기(100)의 모든 관통부(예를 들면 1차 냉각재 입구와 출구 포트(103, 104))는 지상의 마이너부(131)내에 위치하고, 더욱 구체적으로 노압력용기(100)의 몸체(109)의 상부(132) 내에 위치한다. 일 실시예에서, 메이져부(130)는 연결부, 조인트, 용접이 없는 하나의 구조물인 것이 더욱 바람직하다.

노압력용기(100)의 하부(115)는 지진을 견디기 위하여 노압력용기(100)의 몸체(109)와 노우물(410)의 벽 표면(411) 사이의 공간을 메우는 측면 지진 저항 시스템(160)에 의하여 측면으로 구속되어 있다. 복수의 탄력 있게 압축가능한 버팀대(161)를 포함하는 지진 저항 시스템(160)은 노압력용기의 자유로운 축과 지름 방향의 열 팽창을 허용한다. 노우물(410)의 하부는 원자로의 내용물의 엔탈피의 급격한 증가를 일으키는 사고(가상의, 비기계론적인)에 대하여 종심방어를 제공하기 위하여 물이 넘치게 하는 제작된 특징들을 수용한다. 원자로 시스템(1000)은 유출이나 파손에 의하여 1차 냉각재(101)의 손실을 예방하기 위하여 설계되었으며, 노우물(410)은 마음대로 넘칠 수 있으며, 용융 연료에 의한 노압력용기(100)의 용락(burn-through)은 믿을 수 있는 필요 요건으로서 배제될 수 있다. 이러한 본질적으로 안전한 측면은 원자로 시스템(1000)의 설계와 분석을 간단하게 한다.

도 2, 4 및 5를 동시에 참조하면, 열교환 서브시스템(200)의 실시예가 설명된다. 열교환 서브시스템(200)의 구체적인 실시예가 여기서 기술될 것이고, 한편 다른 실시예에서는 바람직하게는 하나 또는 그 이상의 구성들이 생략될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 하나 또는 수평 과열기(205, 206) 모두가 생략될 수 있다. 특정 실시예에서, 수평 증기 발생기(203, 204)의 하나가 생략될 수 있다. 그리고/또는 수평 증기 발생기(203, 204)의 다른 것에 결합될 수 있다. 게다가, 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)를 통하여 1차 냉각재(101)의 자연순환이 상당한 수두 손실의 대면에 의하여 금지되지 않는 한, 추가적인 장치들은 필요한 대로 포함될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 열교환 서브시스템(200)은 열교환 서브시스템(200)을 통하여 흐르는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)의 일부분 안으로 들어오는 가열된 1차 냉각재를 유도하는 들어오는 열관(incoming hot leg, 201)과 열교환 서브시스템(200)을 통하여 흐르는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)의 일부분으로부터 1차 냉각재를 배출하는 나가는 냉관(outgoing cold leg, 202)을 포함한다. 1차 냉각재 흐름의 높이 증가에 의하여 발생되는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 안에서 압력 손실을 최소화(특정 실시예에서는 제거)하기 위하여, 증기 발생기(203, 204)와 과열기(205, 206)는 모두 수평의 방식(즉, 1차 냉각재를 나르는 관은 쉘측(shell side) 유체를 통하여 외벽 측면 유체를 통하여 실질적으로 수평으로 연장된다)이고 서로 가능한 수평 정열을 한다.

열교환 서브시스템(200) 내에서, 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)의 1차 냉각재 흐름은 흐름 분할기(215)에서 두 개의 경로(211, 212)로 분할된다. 흐름 분할기(210)는 3방 밸브, 3방 질량유량제어장치, 또는 단순한 Y남땜 조인트일 수 있다. 제1 냉각재 흐름의 대부분을 나르는 제1 경로(211)는 제1 수평 증기 발생기(203)를 통해 이동하고, 그 후 제2 수평 증기 발생기(204)를 통해 이동한다. 반면에, 1차 냉각재 흐름의 적은 부분을 나르는 제2 경로(212)는 제1 수평 과열기(205)를 통해 이동하고, 그 후 제2 수평 과열기(206)를 통해 이동한다. 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)와 제1 및 제2 수평 과열기(205, 206)를 통하여 지나간 뒤, 제1 및 제2 경로(211, 212)는 흐름 수렴기(216)안에서 수렴하고, 그 흐름 수렴기(216)는 제1 및 제2 경로(211, 212)의 1차 냉각재 흐름을 결합시키고, 결합된 흐름을 나가는 냉관(202)으로 안내한다. 흐름 분할기(215)와 마찬가지로, 흐름 수렴기(216)는 3방 밸브, 3방 질량유량제어장치, 또는 단순한 Y남땜 조인트일 수 있다.

일 실시예에서, 열관(201)을 통하여 열교환 서브시스템(200)으로 들어가는 들어가는 1차 냉각재 흐름(incoming primary coolant flow)의 10% 내지 15%는 제2 경로(212)로 안내되고, 반면에 들어가는 1차 냉각재의 나머지 85% 내지 90%는 제1 경로로 안내된다. 구체적인 예에서, 열관(201)을 통하여 열교환 서브시스템(200)으로 들어가는 들어가는 1차 냉각재는 5 내지 7 million lbs/hr 유량을 갖는다. 이 예에서, 1차 냉각재의 0.6 내지 1 million lbs/hr는 제2 경로(212)로 안내되고, 반면에 제1 냉각재 흐름의 나머지는 제1 경로(211)로 안내된다.

제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)의 제1 경로(211)를 따라 서로 사용 가능하게 연결된다. 수평 증기 발생기(203, 204) 모두는 수평으로 배치되는 다관형 열 교환기(shell and tube heat exchangers)이다. 제1 수평 증기 발생기(203)는 고압 증기 발생기이고, 반면에 제2 수평 증기 발생기(204)는 저압 증기 발생기(고압 증기 발생기에 비하여)이다. 높은 제1 증기 발생기(203)는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300)를 따라 제2 수평 증기 발생기(204)의 상류에 위치한다. 비슷하게, 제1 및 제2 수평 과열기(205, 206)는 폐쇄루프 제1 냉각재(300)의 제2 경로(212)를 따라 서로 연속적으로 사용 가능하게 연결된다. 제1 수평 과열기(205)는 고압 과열기이며, 반면에 제2 수평 과열기(206)는 저압 과열기(고압 과열기에 비하여)이다. 높은 제1 증기 과열기(205)는 폐쇄 1차 냉각재 회로(300)를 따라 제2 수평 과열기(206)의 상류에 위치한다. 게다가, 제1 및 제2 과열기(205, 206)는 폐쇄루프 1차 냉각재(300)을 따라 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)와 평행하게 위치한다.

게다가, 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)는 환수 헤더에 의하여 서로 연결되고, 제1 수평 증기 발생기(203)으로 들어가는 뜨거운 1차 냉각재는 고압 터빈(220)을 위한 증기를 만들기 위해 2차 냉각재를 가열하고, 그리고 나서, 저압 터빈(221)에 대한 증기를 만들기 위해 최소 압력 손실을 가진 제2 수평 증기 발생기(204)에 이른다.

제1 경로(211) 내의 1차 냉각수의 흐름은 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204) 내부에서 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204) 의 쉘사이드(shell side)를 통해 흐르는 제2 냉각수의 흐름을 1차 냉각재로부터 2차 냉각재로의 열 전달을 통해 액체 상태에서 기체 상태로 전환시킨다. 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)를 통하는 1차 냉각재의 흐름은 사실상 실질적으로 수평이고, 제1 경로(211)를 통한 1차 냉각재의 흐름은 고도 증가로부터 기인하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 안에서의 어떠한 실질적인 압력 강하를 일으키지 않는다. 게다가, 서로 간의 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)의 수평 정열과 노압력용기(100, 도 5)의 1차 냉각재 출구 및 입구 포트(103, 104) 때문에, 노압력용기(100)의 1차 냉각재 출구 포트(103)으로부터 노압력용기(100)의 1차 냉각재 입구 포트(104)로 제1 경로(211)을 따라 이동하는 제1 냉각재 흐름은 고도 증가에 기인하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 내의 어떠한 실질적인 압력 강하를 일으키지 않는다. 고도 증가로부터 기인하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 내의 실질적인 제로 압력 강하의 달성은 수평 흐름 면에서 예시되는 한편, 그러한 실질적인 제로 압력 강하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 내에서 1차 냉각재가 하류로 흐름에 따라 고도의 기울기에 의하여 얻어질 수 있다.

제2 경로(212) 안에서 1차 냉각재의 흐름은 각각 제1 및 제2 수평 과열기(205, 206)을 통하여 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)를 나가는 제2 냉각재의 기체 상태를 과열하는 데에 사용되고, 그에 따라 제2 냉각재의 기체 상태를 더욱 건조시킨다. 만일 수평 과열기가 터빈 사이클의 열역학적 효율을 증대시킨다면, 그 사용은 고압 터빈(220)과 저압 터빈(221)에서 수행된다.

제1 및 제2 수평 과열기(205, 206)은 제1 및 제2 증기 발생기(205, 206, 도 5)와 (직렬로) 정확히 위에 위치하는 수평으로 배치되는 다관형 열 교환기이다. 그러나, 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204) 위의 과열기(205, 206)들의 위치로부터 기인하는 과열기(205, 206)의 약간의 고도의 증가 때문에, 제2 경로(212) 내에서 1차 냉각재의 흐름은 고도 증가에 기인하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 내에서 약간의 전압 강하를 일으킨다. 그러나, 열교환 서브시스템(200)을 통하여 흐르는 전체 1차 냉각재의 오직 작은 양(10% 내지 15%)이 제2 경로(212) 안으로 안내되고, 수평 과열기(205, 206)를 통하여 안내되기 때문에, 전압 강하는 바람직한 자연순환에 현저하게 영향을 미치지 않는다. 게다가, 수주를 구동하는 흐름의 높이에 비교해 볼 때, 고도의 증가는 무시해도 될 정도이다. 그러한 실시예에서, 열교환 서브시스템(200)을 통한 1차 냉각재의 흐름의 적어도 85%는 1차 냉각재 출구(103)로부터 1차 냉각재 입구(104)까지 여전히 전체적으로 수평이고, 높이 증가에 기인한 폐쇄루프 1차 냉각재 회로(300) 안에서 어떠한 실질적인 압력 강하를 일으키지 않는다. 나아가, 특정 대체 실시예에서, 수평 과열기(205, 206)은 제거될 수 있으며, 그리고/또는 수평 증기 발생기(203, 204)와 수평 정열을 이루도록 위치가 바뀔 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)는 서로 직접 연결되고 노압력용기(100)와도 연결된다. 더욱 구체적으로, 제1 수평 증기 발생기(203)의 입구는 노압력용기(100)의 1차 냉각재 출구 포트(103)에 직접 연결되고, 한편, 1차 증기 발생기(203)의 출구는 제2 수평 증기 발생기(204)의 입구와 직접 연결된다. 제2 수평 증기 발생기(204)의 출구는 차례로, 노압력용기(100)의 1차 냉각재 입구 포트(104)에 직접 연결된다. 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)는 서로 실질적으로 평행을 연장하도록 정열된다. 그에 따라, 전체적으로 일반적인 U형상 구조를 형성한다. 그러므로, 제1 경로(211)는 일반적인 U형의 형상을 띤다. 특정 실시에에서, 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)는 노압력용기(100)와 통합적으로 용접되고 서로 간에도 용접된다.

도 2, 3a 및 3b를 참조하면, 제1 및 제2 수평 증기 발생기 각각은 예열대(208, 210)와 가열대(207, 209)를 포함한다. 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204) 모두는 단일 경로 방식이고, 그 단일 경로 방식으로 제1 경로(211)의 제1 냉각재 흐름은 관측 유체이다. 단일 경로 관(330)은 예열대(208, 210)과 가열대(207, 209)를 통하여 실질적으로 수평으로 연장된다. 제2 냉각재 회로는 주 급수 흡입구(501)와 열교환 서브시스템(200)의 각각 안과 밖으로의 응결장치 출구(502)로의 반송을 포함한다.

액체상(liquid-phase, 505)인 제2 냉각재는 라인(503)을 따라 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)의 각각으로 들어간다. 들어오는 제2 냉각재의 액체상(505)은 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)의 예열대(208, 210) 내에서 예열된다. 액체상(505)인 제2 냉각재는 예열대(208, 210)안에서 쉘측 유체로서 구부러진 경로를 따라 흐르고, 그 후 예열대(207, 209)로 들어가며, 거기서 관(330)을 통해 지나는 1차 냉각재 흐름에 의해 더욱 가열된다. 가열대(207, 209)에서 액체상의 제2 냉각재(505)는 증발되고 고압 및 저압 터빈(220, 221)에 각각 공급되는 고압 및 저압 증기(504)로서 제1 및 제2 수평 증기 발생기(203, 204)를 나온다.

수평 증기 발생기(203, 204)의 쉘과 수평 과열기(205, 206)는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 노압력용기(100)에 증기 발생기(203, 204)를 연결시키는 회전가능한 플리넘과 편심의 플랜지가 하듯이 잠재적인 큰 파손인 LOCA에 대한 추가적인 방어책을 제공한다. 노압력용기(100)에 연결된 모든 시스템은 노압력용기(100)로부터 물이 빠르게 배출되고 노심(102) 드러나는 큰 파손인 LOCA에 대한 잠재성이 없도록 보장하기 위하여 유사한 처리방법을 사용한다. 노심(102)이 모든 잠재적인 작동 조건과 가정적인 사고 하에서 보호되는 한, 일반인들에 대한 방사성 물질의 유출은 최소화된다.

앞서 설명한 바와 같이, 원자로 시스템(1000)은 본질적으로 안전한 원자로이고, 원자로 격납건물에 대한 외부나 내부에 문제가 발생한 경우에, 그 원자로 시스템(1000)은 자연순환 냉각으로 안전 모드에서 자동적으로 정지되도록 설계되었다. 그럼에도 불구하고, 최대 신뢰도를 주입하기 위하여, 알려진 또는 알려지지 않은(즉, 기계론적으로 가정될 수 없는) 가정적인 사고 시나리오 하에서 공공의 건강과 안전을 예방하기 위하여 수많은 과잉의 안전 시스템이 제작될 수 있다. 증기 발생기를 통한 정상적인 열 전송 경로를 이용할 수 없는 비정상적인 상황의 경우에, 노압력용기(100)의 압력은 증가하기 시작할 것이다. 그러한 경우에 파열 표면은 원자로 냉각재가 위에 위치한 솥형 보일러 내로 흘러들어 가도록 갈라질 것이다. 솥은 원자로 시스템이 정지할 때까지 냉각재로부터 열을 추축하는 역할을 하는 많은 양의 잔류하는 물을 가질 것이다. 다양한 시스템은 정상 모드 실패가 불가능하도록 보장하기 위하여 여러 가지의 물리적 원리와 장치들을 이용하여 이중으로 또는 겹치는 기능을 수행한다.

전체적으로 사용되었듯이, 범위들은 각각의 그리고 모든 값을 기술하기 위하여 약칭으로써 사용되며, 그 약칭들은 그 범위내에 있다. 그 범위 내의 어떠한 값도 그 범위의 경계로서 선택될 수 있다. 추가적으로, 여기서 인용된 모든 참조들은 참조되는 그것들의 전체에 의하여 이에 포함된다.

현재 발명의 개시 내용과 인용된 문헌 사이에 정의가 상충되는 경우에는 본 발명에 따른다.

본 발명이 본 발명을 수행하는 현재 바람직한 모드를 포함하는 구체적인 예에 대하여 기술되어 있으나, 당업자는 상기 기재된 시스템과 기술의 수많은 변형과 치환이 있음을 이해할 것이다. 다른 실시예들이 이용되고 구조적이고 기증적인 수정이 현재 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 만들어질 수 있음이 이해되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 정신과 범위는 덧붙인 청구항에서 넓게 구성되어야 한다.

100 : 노압력용기
101 : 1차 냉각재
102 : 노심
103 : 1차 냉각재 출구 포트
104 : 1차 냉각재 입구 포트
105 : 내부 공동
120 : 파티션
130 : 메이져부
131 : 마이너부
200 : 열교환 서스시스템
1000 : 원자로 시스템

Claims

내부 공동을 가지는 노압력용기(reactor pressure vessel);
상기 노압력용기의 하부에서 상기 내부 공동 내에 배치되는 핵 연료를 포함하는 노심;
상기 노압력용기의 외부에 위치한 열교환 서브시스템(sub-system); 및
상기 노심(reactor core)을 냉각하도록 상기 노압력용기를 통하여 1차 냉각재를 흐르게 하고, 또한 동시에 2차 냉각재에 열을 전달하도록 상기 열교환 서브시스템을 통하여 상기 1차 냉각재를 흐르게 하는 폐쇄루프(closed-loop) 1차 냉각재 회로
를 포함하고,
상기 노심의 작동은 단상(single phase)으로 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통하여 상기 1차 냉각재의 자연순환을 일으키는,
자연순환 원자로 시스템.
제1항에 있어서,
상기 노압력용기의 내부 공동(internal cavity)을 1차 냉각재 상승관 통로(riser passageway)와 1차 냉각재 하강관 통로(downcomer passageway)로 분할하고, 상기 노심은 상기 1차 냉각재 상승관 통로 내부에 배치되고, 상기 노심의 작동은 상기 1차 냉각재 상승관 통로 내에서 상기 1차 냉각재가 상승하는 것을 일으키는, 파티션(partition);
상기 1차 냉각재 상승관 통로와 유체 소통하는 상기 노압력용기의 상부에 위치하는 1차 냉각재 출구 포트를 포함하는 상기 노압력용기;
상기 1차 냉각재 하강관 통로와 유체 소통하는 상기 노압력용기의 상부에 위치하는 1차 냉각재 입구 포트를 포함하는 상기 노압력용기; 및
상기 1차 냉각재 하강관 통로부터 상기 1차 냉각재 상승관 통로까지 상기 1차 냉각재의 직교류(cross-flow)를 허용하는 상기 노압력용기의 하부에 위치하는 플리넘(plenum)을 더 포함하는, 자연순환 원자로 시스템.
제2항에 있어서,
상기 파티션은 상기 노압력용기의 상부에서 상기 1차 냉각재 하강관 통로와 상기 1차 냉각재 상승관 통로 사이에 상기 1차 냉각재의 직교류를 방지하도록 형성되는, 자연순환 원자로 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 파티션은 상기 1차 냉각재 상승관 통로부터 상기 1차 냉각재 하강관 통로까지 측정된 유효 열전도 계수를 가지고, 상기 측정된 유효 열전도 계수는 상기 1차 냉각재의 유효 열전도 계수보다 작은, 자연순환 원자로 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파티션은 내부 표면과 외부 표면을 가지는 관 모양 구조이고, 상기 내부 표면은 상기 1차 냉각재 상승관 통로를 형성하고, 상기 1차 냉각재 하강관 통로는 상기 노압력용기의 상기 관 모양 구조의 외부 표면과 상기 내부 표면 사이에서 형성되고, 상기 1차 냉각재 하강관 통로는 상기 1차 냉각재 상승관 통로를 둥글게 둘러싸는 환상의 통로인, 자연순환 원자로 시스템.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 냉각재 출구 포트와 상기 1차 냉각재 입구 포트는 실질적으로 같은 고도인, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차 냉각재는 상기 1차 냉각재로부터 전달된 열에 의하여 상기 열교환 서브시스템 내에서 액체상(liquid-phase)으로부터 기체상(gas-phase)로 변환되는, 자연순환 원자로 시스템.
제7항에 있어서,
2차 냉각재를 액체상으로부터 기체상으로 변환시키는 상기 열교환 서브시스템 내부에서의 1차 냉각재의 흐름이 고도의 증가로부터 기인하는 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로 내의 어떠한 실질적인 압력 강하도 일으키지 않는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기는 실질적으로 수직인 축을 따라 연장되고, 상기 노압력용기의 축 길이의 메이져(major)부는 지면 아래에 위치하고, 노심은 지면 아래에 위치하고 열교환 서브 시스템은 지면 위에 위치한, 자연순환 원자로 시스템.
제9항에 있어서,
상기 노압력용기의 내부 공동(internal cavity)을 1차 냉각재 상승관 통로와 1차 냉각재 하강관 통로로 분할하고, 상기 1차 냉각재 상승관 통로 내부에는 상기 노심이 배치되는, 파티션(partition)
을 더 포함하고;
상기 노압력용기는 상기 노압력용기의 상부에 위치한 1차 냉각재 출구 포트를 포함하고, 상기 노압력용기의 상부는 지면 위에 있고 상기 1차 냉각재 상승관 통로와 유체 소통하고, 상기 1차 냉각재 출구 포트는 상기 열교환 서브시스템의 1차 냉각재의 들어오는 열관(incoming hot leg)을 형성하는 상기 열교환 서브시스템에 유체적으로 연결되고,
상기 노압력용기는 지면 위의 상기 노압력용기의 상부에 위치한 1차 냉각재 입구 포트를 포함하고, 상기 노압력용기의 상부는 상기 1차 냉각재 하강관 통로와 유체 소통하고, 1차 냉각재 입구 포트는 상기 열교환 서브시스템의 1차 냉각재의 나가는 냉관(outgoing cold leg)을 형성하는 상기 열교환 서브시스템에 유체적으로 연결되는,
자연순환 원자로 시스템.
제10항에 있어서,
상기 1차 냉각재는 상기 들어오는 열관 내에서의 제1 고온과 상기 나가는 냉관내에서의 제2 저온을 가지고, 제1 고온은 제2 저온보다 적어도 220℉ 높은, 자연순환 원자로 시스템.
제10항에 있어서,
상기 1차 냉각재는 상기 들어오는 열관에서 570℉ 내지 620℉ 범위의 제1 고온과 상기 나가는 냉관에서 300℉ 내지 400℉ 범위의 제2 저온을 가지는, 자연순환 원자로 시스템.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기의 메이져부는 관통부가 필요없는, 자연순환 원자로 시스템.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기의 메이져부는 상기 노압력용기의 상기 축 길이의 적어도 75%인, 자연순환 원자로 시스템.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기는 노우물(reactor well)내에 수직으로 지향된 캔틸래버(cantilever) 방식으로 지면 아래에서 상기 노압력용기의 상기 메이져부를 지지하는 플랜지(flange)부를 포함하는, 자연순환 원자로 시스템.
제15항에 있어서,
상기 노압력용기의 상기 메이져부의 외부 표면으로부터 상기 노우물의 벽 표면까지 연장되는 하나 이상의 지진 방지부를 더 포함하는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템을 통하는 제1차 냉각재의 흐름의 적어도 85%가 실질적으로 수평인, 자연순환 원자로 시스템.
제1 항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템을 통하는 제1차 냉각재의 흐름의 적어도 85%가 고도의 증가에 기인한 상기 폐쇄로프 1차 냉각재 회로 내의 어떠한 실질적인 압력 강하를 일으키지 않는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템이 상기 1차 냉각재의 온도를 적어도 220℉까지 감소시키는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템은 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 따라 서로 직렬로 작동가능하게 연결된 제1 수평 증기 발생기 및 제2 수평 증기 발생기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 증기 발생기는 상기 1차 냉각재로부터 전달된 열을 통해 상기 2차 냉각재를 액체상으로부터 기체상으로 변환시키는, 자연순환 원자로 시스템.
제20항에 있어서,
상기 제1 수평 증기 발생기는 고압 증기 발생기이고 상기 제2 수평 증기 발생기는 저압 증기 발생기이고, 상기 고압 증기 발생기는 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 따라 상기 저압 증기 발생기의 상류인, 자연순환 원자로 시스템.
제20항 또는 제21항에 있어서,
상기 고압 증기 발생기로부터 제2 냉각재의 증기상(vapor-phase)을 받아들이는 고압 터빈(turbine) 및 상기 저압 증기 발생기로부터 상기 제2 냉각재의 증기상을 받아들이는 저압 터빈
을 더 포함하고,
상기 고압 터빈을 나가는 상기 제2 냉각재의 증기상은 상기 저압 터빈으로 공급되는,
자연순환 원자로 시스템.
제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 증기 발생기는 단일 경로 열교환기이고, 상기 1차 냉각재는 상기 제1 및 제2 증기 발생기 모두 내에서 튜브측(tube-side) 유체이고, 상기 제1 및 제2 증기 발생기는 고도 증가에 기인한 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로 내의 어떠한 실질적인 압력 강하를 발생시키지 않는, 자연순환 원자로 시스템.
제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 증기 발생기의 각각은 예열기(preheater) 영역과 증기 발생 영역을 포함하는, 자연순환 원자로 시스템.
제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 수평 증기 발생기의 입구는 상기 노압력용기의 1차 냉각재 출구 포트와 직접 연결되고, 상기 제1 수평 증기 발생기의 출구는 상기 제2 수평 증기 발생기의 입구와 직접 연결되고, 상기 제2 수평 증기 발생기의 출구는 상기 노압력용기의 1차 냉각재 입구 포트와 직접 연결되는, 자연순환 원자로 시스템.
제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수평 증기 발생기는 서로 실질적으로 병렬로 연장되는, 자연순환 원자로 시스템.
제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수평 증기 발생기는 상기 노압력용기에 통합적으로 용접되는, 자연순환 원자로 시스템.
제20항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템은 상기 제1 증기 발생기를 나가는 상기 제2 냉각재의 증기상을 가열하도록 형성된 제1 과열기 및 상기 제2 증기 발생기를 나가는 상기 2차 냉각재의 증기상을 가열하도록 형성된 제2 과열기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 과열기는 상기 폐쇄루프 1차 냉각재를 따라 서로 직렬로 작동가능하게 연결되고 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 따라 상기 제1 및 제2 증기 발생기와 병렬로 작동가능하게 연결되는, 자연순환 원자로 시스템.
제28항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템을 통하는 상기 1차 냉각재의 상기 흐름의 10% 내지 15%는 상기 제1 및 제2 과열기를 통해 보내지고, 상기 열교환 서브시스템을 통하는 상기 1차 냉각재의 상기 흐름의 나머지는 상기 제1 및 제2 증기 발생기를 통해 보내지는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자연순환 원자로 시스템은 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통하는 상기 1차 냉각재의 순환을 강제하기 위한 능동적인 장치가 필요없는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노심의 작동은 상기 노압력용기의 상기 내부 공동 내에 상승관 수주(riser water column)와 하강관 수주(downcomer water column)를 생성함으로써 상기 1차 냉각재의 자연순환을 일으키고, 상기 상승관 수주와 상기 하강관 수주는 80피트 내지 120피트 범위의 수직 높이를 가지는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 냉각재는 부 반응도 계수(negative reactivity coefficient)를 가지는, 자연순환 원자로 시스템.
제32항에 있어서,
상기 1차 냉각재는 탈염수(demineralized water)인, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기의 상부영역 내에 위치하고 상기 노압력용기의 상기 내부 공동의 압력을 제어하도록 형성된 압력 제어 서브시스템을 더 포함하는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기의 상기 내부 공동은 2000 psia(pounds per square inch) 내지 2500 psai의 범위의 압력에서 유지되는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노심은 작동하는 동안에 400MWt 내지 600MWt의 심화력(core thermal power)를 가지는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템은 상기 노심의 고도 보다 80피트 내지 120피트 높은 고도에 있는, 자연순환 원자로 시스템.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단상은 액체상인, 자연순환 원자로 시스템.
1차 냉각재를 수용하는 내부 공동을 가지고, 실질적으로 수직인 축을 따라 연장되고, 당해 노압력용기의 축의 길이의 메이져부가 지면 아래에 위치된 길쭉한 노압력용기;
상기 노압력용기의 하부 및 상기 지면의 아래에서 상기 내부 공동 내에 배치되는 핵연료를 포함하는 노심;
상기 지면 위에 배치되는 1차 냉각재 출구 포트를 포함하는 상기 노압력용기;
상기 지면 위에 배치되는 1차 냉각재 입구 포트를 포함하는 상기 노압력용기; 및
상기 노압력용기의 외부 및 상기 지면의 위에 위치하고, 당해 열교환 시스템의 들어오는 열관은 상기 1차 냉각재 출구 포트와 유체적으로 연결되고, 당해 열교환 시스템의 나가는 냉관은 1차 냉각재 입구 포트와 유체적으로 연결되는 열교환 서브시스템
을 포함하고,
상기 노압력용기의 메이져부는 관통부가 필요없는,
원자로 시스템.
제39항에 있어서,
상기 노압력용기의 내부 공동을 1차 냉각재 상승관 통로와 1차 냉각재 하강관 통로로 분할하고, 상기 노심은 상기 1차 냉각재 상승관 통로 내부에 배치되는, 파티션(partition);
상기 1차 냉각재 상승관 통로의 상부와 유체 소통하는 상기 1차 냉각재 출구 포트; 및
상기 1차 냉각재 하강관 통로의 상부와 유체 소통하는 상기 1차 냉각재 입구 포트를 더 포함하는, 원자로 시스템.
제40항에 있어서,
상기 파티션은 상기 1차 냉각재 상승관 통로부터 상기 1차 냉각재 하강관 통로까지 측정된 유효 열전도 계수를 가지고, 상기 측정된 유효 열전도 계수는 상기 1차 냉각재의 유효 열전도 계수보다 작은, 원자로 시스템.
제40항 또는 제41항에 있어서,
상기 1차 냉각재는 상기 들어오는 열관 내에서의 제1 고온과 상기 나가는 냉관 내에서의 제2 저온을 가지고, 제1 고온은 제2 저온보다 적어도 220℉ 높은, 원자로 시스템.
제39항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기의 메이져부는 상기 노압력용기의 상기 축 길이의 적어도 75%인, 원자로 시스템.
제39항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노압력용기의 상기 메이져부는 노우물(reactor well)내에 수직으로 지향된 캔틸래버(cantilever) 방식으로 지면 아래에서 지지되는, 원자로 시스템.
제44항에 있어서,
상기 노압력용기의 상기 메이져부의 외부 표면으로부터 상기 노우물의 벽 표면까지 연장되는 하나 이상의 지진 방지부를 더 포함하는, 원자로 시스템.
제39항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템과 상기 노압력용기의 상기 내부 공동은 통합적으로 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 형성하고, 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로는 상기 노심을 냉각하도록 상기 노압력용기를 통하여 상기 1차 냉각재를 흐르게 하고, 또한 동시에 2차 냉각재에 열을 전달하도록 상기 열교환 서브시스템을 통하여 상기 1차 냉각재를 흐르게 하고, 상기 노심의 작동은 단상으로 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통하여 상기 1차 냉각재의 자연순환을 일으키고, 상기 2차 냉각재는 상기 1차 냉각재로부터 전달된 열에 의하여 열교환 서브시스템 내에서 액체상으로부터 기체상으로 변환되는, 원자로 시스템.
제46항에 있어서,
상기 2차 냉각재를 액체상으로부터 기체상으로 변환하는 상기 열교환 서브시스템 내에서 상기 1차 냉각재의 상기 흐름은 고도의 증가에 기인한 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로 내의 어떠한 실질적인 압력 강하를 발생시키지 않는, 원자로 시스템.
제46항 또는 제47항에 있어서,
상기 열교환 서브시스템은 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 따라 서로 직렬로 작동가능하게 연결된 제1 수평 증기 발생기 및 제2 수평 증기 발생기를 포함하고, 상기 제1 및 제2 증기 발생기는 상기 1차 냉각재로부터 전달된 열을 통해 상기 2차 냉각재를 액체상으로부터 기체상으로 변환시키는, 원자로 시스템.
제48항에 있어서,
상기 제1 및 제2 증기 발생기는 단일 경로 열 교환기이고, 상기 1차 냉각재는 상기 제1 및 제2 증기 발생기 모두 내에서 튜브측 유체이고, 상기 제1 및 제2 증기 발생기는 고도 증가에 기인한 상기 폐쇄루프 1차 냉각재 회로 내의 어떠한 실질적인 압력 강하를 발생시키지 않는, 원자로 시스템.
제48항 또는 제49항에 있어서,
상기 제1 수평 증기 발생기의 입구는 상기 노압력용기의 상기 1차 냉각재 출구 포트와 직접 연결되고, 상기 제1 수평 증기 발생기의 출구는 상기 제2 수평 증기 발생기의 입구와 직접 연결되고, 상기 제2 수평 증기 발생기의 출구는 상기 노압력용기의 상기 1차 냉각재 입구 포트와 직접 연결되는, 원자로 시스템.
제48항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수평 증기 발생기는 서로 실질적으로 병렬로 연장되는, 원자로 시스템.
제46항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노심의 작동은 상기 노압력용기의 상기 내부 공동 내에 상승관 수주와 하강관 수주를 생성함으로써 상기 1차 냉각재의 자연순환을 일으키고, 상기 상승관 수주와 상기 하강관 수주는 80피트 내지 120피트 범위의 수직 높이를 가지는, 원자로 시스템.
제39항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 냉각재는 부 반응도 계수를 가지는, 원자로 시스템.
1차 냉각재를 수용하는 내부 공동을 가지고 실질적으로 수직인 축을 따라 연장되는 길쭉한 노압력용기;
상기 노압력용기의 하부에서 상기 내부 공동 내에 배치되는 핵연료를 포함하는 노심;
상기 노압력용기의 내부 공동을 1차 냉각재 상승관 통로와 1차 냉각재 하강관 통로로 분할하고, 상기 노심은 상기 1차 냉각재 상승관 통로 내에 배치되는, 파티션;
상기 1차 냉각재 상승관 통로의 상부와 유체 소통하는 1차 냉각재 출구 포트를 포함하는 상기 노압력용기;
상기 1차 냉각재 하강관 통로의 상부와 유체 소통하는 1차 냉각재 입구 포트를 포함하는 상기 노압력용기; 및
상기 노압력용기의 외부에 위치하고, 당해 증기 발생기의 들어오는 열관은 1차 냉각재 출구 포트와 유체적으로 연결되고, 당해 증기 발생기의 나가는 냉관은 1차 냉각재 입구 포트와 유체적으로 연결되는 적어도 하나의 증기 발생기
를 포함하고,
상기 증기 발생기는 고도의 증가에 기인하는 상기 증기 발생기를 통한 상기 1차 냉각재의 흐름 내의 어떠한 실질적인 압력 강하를 발생시키지 않는,
원자로 시스템.
제54항에 있어서,
상기 노심의 작동은 상기 증기 발생기, 상기 1차 냉각재 상승관 통로 및 상기 1차 냉각재 하강관 통로를 포함하는 폐쇄루프 1차 냉각재 회로를 통하여 상기 1차 냉각재의 자연순환을 일으키는, 원자로 시스템.
제54항 또는 제55항에 있어서,
상기 증기 발생기는 단일 경로 수평 증기 발생기인, 원자로 시스템.