KR20130077425A - 고온가스로 정지냉각시스템 - Google Patents

고온가스로 정지냉각시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템은 핵분열에 의한 고온의 열을 발생시키는 고온가스로, 상기 고온가스로 내부를 통과하는 제1 냉각유체가 순환하는 제1 순환라인 및 상기 고온가스로 외부에 배치된 제1 열교환기를 통해 상기 제1 냉각유체와 열교환을 수행하는 제2 냉각유체가 순환하는 제2 순환라인을 포함하여, 정지 상태의 상기 고온가스로를 효과적이고 안정적으로 냉각시킬 수 있다.

Description

고온가스로 정지냉각시스템 {Shutdown Cooling System for High Temperature Reactor}
고온가스로 정지냉각시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 고온가스로 정지 시에 고온가스로를 냉각시키는 냉각유체의 열교환기 또는 냉각유체 순환기를 고온가스로 외부에 배치하여, 고온가스로의 안전성을 높이면서 유지보수가 용이한 고온가스로 정지냉각시스템이 개시된다.
화석연료를 대체하는 청정한 에너지원으로서 수소에 대한 관심이 증대되고 있으며, 수소는 화석연료와는 달리 지구환경오염 물질의 배출 없이 기존의 화석연료를 사용하는 에너지 시스템을 부분적으로 수정하여 활용할 수 있다는 측면에서 미래의 유망한 청정에너지로 부각되고 있다.
원자력 에너지를 이용하여 고온의 열을 얻고, 이러한 고온의 열을 이용하여 수소를 생산할 수 있으며, 원자로 중에서 고온의 열을 쉽게 얻을 수 있는 것이 고온가스로이다.
이러한 고온가스로는 원자로 정지시에 과압 혹인 감압 조건에서 강제순환을 이용하여 잔열이나 붕괴열을 노심으로부터 제거하여 대기 중으로 방출하는 기능을 갖는 정지냉각시스템이 필요하다.
고온가스로 정지냉각을 위해 고온가스로 내부에 열교환기를 설치하고 냉매를 이용하여 열교환을 수행하게 되면, 고온가스로 용기가 커지고 고온에서 신뢰성을 확보할 수 있는 순환팬이 필요할 뿐 아니라 고온가스로 내부 손상을 방지하기 위해 냉매 선택에 있어서 제약이 따른다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 고온가스로 용기가 커지는 것을 방지함과 동시에 고온가스로의 열제거 효율을 향상시킬 수 있는 고온가스로 정지냉각시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 열교환기 튜브 파손 시에도 고온가스로의 안전성을 확보할 수 있는 고온가스로 정지냉각시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 목적은, 구성요소들 중 일부가 손상을 입더라도, 이의 유지보수를 용이하게 할 수 있는 고온가스로 정지냉각시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템은, 핵분열에 의한 고온의 열을 발생시키는 고온가스로, 상기 고온가스로 내부를 통과하는 제1 냉각유체가 순환하는 제1 순환라인, 및 상기 고온가스로 외부에 배치된 제1 열교환기를 통해 상기 제1 냉각유체와 열교환을 수행하는 제2 냉각유체가 순환하는 제2 순환라인을 포함한다. 또한, 상기 고온가스로 정지냉각시스템은 상기 제1 순환라인의 경로 상에 구비되어 상기 제1 냉각유체를 순환시키는 제1 냉각유체 순환기를 더 포함할 수 있으며, 이러한 제1 냉각유체 순환기는 상기 고온가스로의 하부와 상기 제1 열교환기 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템은, 핵분열에 의한 고온의 열을 발생시키는 고온가스로, 상기 고온가스로 내부를 통과하는 냉각유체가 순환하는 순환라인, 및 상기 고온가스로 하부와 연결된 순환라인 경로 상에 구비된 냉각유체 순환기를 포함하여, 정지 상태의 상기 고온가스로를 안정적으로 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각유체는 헬륨가스일 수 있으며, 이러한 헬륨가스는 상기 고온가스로 외부에 구비된 냉각탑 또는 공랭열교환기에 의해 냉각된 후, 다시 고온가스로 하부로 향할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고온가스로의 정지 상태에서 이를 냉각함에 있어서, 고온가스로 내부를 통과하는 냉각유체를 냉각하는 열교환기 또는 상기 냉각유체에 추진력을 가하는 냉각유체 순환기를 고온가스로 외부에 배치하여, 고온가스로 용기가 커지는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 고온가스로와 접촉하지 않는 2차측 순환라인을 구비하고 이러한 2차측 순환라인에 제2냉각유체로 질소나 헬륨 등의 비활성 기체를 냉각유체 순환기를 구비하여 순환시키고, 또한 2차측 순환라인의 열을 냉각탑으로 방출하기 위한 열교환기를 구비한 계통으로 열교환기의 냉각탑 측 냉각유체로 냉각 효율이 좋은 물을 사용할 수 있어서, 2차측 순환라인 중 일부가 파손되어 물이 유출되더라도 고온가스로를 안전하게 보호할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 정지 상태의 고온가스로를 냉각시키기 위한 주요 구성요소들이 고온가스로 외부에 배치되어 있으므로, 이러한 구성요소들 중 일부가 손상되더라도 이의 유지보수를 안전하고 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하여, 고온가스로 정지냉각시스템(100)은 핵분열에 의한 고온의 열을 발생시키는 고온가스로(130), 상기 고온가스로(130) 내부를 통과하는 제1 냉각유체가 순환하는 제1 순환라인(110) 및 상기 고온가스로(130) 외부에 배치된 제1 열교환기(114)를 통해 상기 제1 냉각유체와 열교환을 수행하는 제2 냉각유체가 순환하는 제2 순환라인(120)을 포함한다.
또한, 고온가스로 정지냉각시스템(100)은 제2 열교환기(124)를 통해 제2 냉각유체로부터 열을 회수하는 냉각탑(140)을 더 포함할 수 있다.
고온가스로(130)는 핵연료유닛 및 반사유닛을 포함하는 노심, 상/하 플레넘 및 원자로 제어봉 등으로 구성되며, 이들은 금속재질인 압력용기 내에 설치된다. 고온가스로(130)의 정지시에 과압 또는 감압 조건에서 강제순환을 이용하여 잔열이나 붕괴열을 상기 노심으로부터 제어하여야 하며, 고온가스로 정지냉각시스템(100)을 통해 정지 상태의 고온가스로(130)의 냉각이 수행될 수 있다.
제1 순환라인(110)은 고온가스로(130)의 내부를 통과하고, 고온가스로(130)의 외부로 연장 형성되어 다시 고온가스로(130)로 이어지는 루프를 형성한다. 제1 순환라인(110)을 통해 제1 냉각유체가 고온가스로(130) 내부의 열은 효과적으로 회수될 수 있다.
제1 순환라인(110) 상에는 제1 열교환기(114), 제1 냉각유체 순환기(112), 제1 유량계(116) 등이 구비된다. 고온가스로(130)의 상부로부터 제1 열교환기(114), 제1 냉각유체 순환기(112)가 순차적으로 배치될 수 있다.
제1 냉각유체 순환기(112)는 고온가스로(130)의 하부와 제1 열교환기(114) 사이에 배치될 수 있으며, 고온가스로(130)로 제1 냉각유체를 보낼 수 있다. 즉, 제1 냉각유체 순환기(112)는 인입된 제1 냉각유체를 고온가스로(130)를 향해 배출할 수 있으며, 구체적으로 제1 냉각유체 순환기(112)는 회전자를 구비한 구동부의 구동에 의해 임펠러를 고속으로 회전시킴으로써 입구를 통해 유입된 제1 냉각유체를 출구를 통해 배출할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 냉각유체 순환기(112)가 임펠러의 회전에 의해 제1 냉각유체를 추진시키는 형태를 예로 들어 설명하였지만, 제1 냉각유체를 순환시킬 수 있는 다른 압축기 또는 마그네틱 펌프의 형태들도 가능하다 할 것이다.
제1 열교환기(114)는 제1 순환라인(110)을 통해 고온가스로(130)의 상부와 연결되어 있다. 제1 냉각유체는 고온가스로(130)의 하부를 거쳐 상부로 통과하면서 고온가스로(130)로부터 높은 열을 회수하게 된다. 이렇게 고온 상태가 된 제1 냉각유체가 제1 열교환기(114)로 바로 들어갈 수 있어서, 고온가스로(130)의 열 제거 효율이 높아진다.
제1 열교환기(114)를 통해 제1 순환라인(110)과 제2 순환라인(120) 사이의 열교환이 수행된다. 즉, 제1 냉각유체의 열은 제1 열교환기(114)를 통해 제2 순환라인(120)을 따라 흐르는 제2 냉각유체로 전달되고, 저온 상태가 되어 제1 열교환기(114)를 통과한 제1 냉각유체는 제1 냉각유체 순환기(112)를 거쳐 다시 고온가스로(130)로 들어가게 된다.
제1 열교환기(114)를 통해 제2 순환라인(120)과 제1 순환라인(110) 사이의 열전달이 이루어진다. 제2 순환라인(120) 상에는 제1 열교환기(114), 제2 열교환기(124), 제2 냉각유체 순환기(122), 제2 유량계(126)가 순차적으로 배치될 수 있다.
제2 냉각유체 순환기(122)는 제2 냉각유체를 제2 순환라인(120)을 통해 흐를 수 있게 한다. 제2 냉각유체 순환기(122)는 제2 냉각유체의 종류에 적합한 압축기 또는 마그네틱 펌프가 선택될 수 있다.
제2 열교환기(124)에 의해 제1 열교환기(114)를 빠져 나온 고온의 제2 냉각유체가 냉각될 수 있다. 즉, 고온의 제2 냉각유체의 열은 제2 열교환기(124)를 통해 회수되어 냉각탑(140)에서 대기로 방출된다.
제1 유량계(116)에서 제1 냉각유체의 유량이 실시간으로 측정되어 고온가스로(130)의 상태에 따라 제1 순환라인(110)에서의 제1 냉각유체의 유량이 적절히 제어될 수 있다. 마찬가지로, 제2 유량계(126)는 제2 순환라인(120)의 제2 냉각유체의 유량을 측정한다.
제1 냉각유체로는 헬륨가스가 이용될 수 있다. 헬륨가스는 비활성 기체이므로, 고온가스로(130) 내부에서 제1 순환라인(110)에 손상이 가해져 헬륨가스가 고온가스로(130) 내부로 누출되더라도 고온가스로(130)를 손상시키지 않는다. 즉, 헬륨가스는 고온가스로(130) 내부의 구성요소들과 반응하지 않으므로, 고온가스로(130)는 안전하다.
제2 냉각유체는 물 또는 비활성 기체를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2 냉각유체로 물이 이용될 수 있는데, 물은 비교적 작은 열전달 면적을 필요로 하므로 제2 열교환기(124)가 커지는 단점을 미연에 방지할 수 있다. 제2 냉각유체로 비활성 기체가 이용될 경우에는, 헬륨 또는 질소(N2)하는 것이 바람직하다.
고온가스로 정지냉각시스템(100)의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.
고온가스로 정지냉각시스템(100)은 과압 혹은 감압 조건에서 강제순환을 이용하여 잔열이나 붕괴열을 노심으로부터 제거하여 대기 중으로 방출하는 기능을 하며, 이는 동력변환계통의 냉각능력이 상실되었을 경우나 핵연료 재장전 시 노심에서 발생하는 열을 제거하는 기능을 수행한다.
동력변환계통 정지 후, 고온가스로(130)를 정지시켜야 하는 경우에 고온가스로 정지냉각시스템(100)이 작동하는 경우에, 노심 내 역류를 방지하기 위해 적절한 유량을 제공하고 동력변환계통에서의 역류를 방지할 수 있도록 제1 냉각유체 순환기(112)가 적절한 유량을 공급한다. 제1 냉각유체의 유량은 정지 제1 열교환기(114) 내 적절한 과냉각 여유도를 확보하도록 공급되어야 한다.
동력변환계통이 정상적으로 작동하는 정상운전 상태인 대기모드에서는, 제1 냉각유체 순환기(112)는 작동하지 않는다. 그러나, 소량의 제1 냉각유체를 제1 열교환기(114)로 공급하여 고온가스로 정지냉각시스템(100)이 가동될 경우 발생할 수 있는 열충격을 방지하고, 제1 열교환기(114) 내에서 제1 냉각유체의 정체로 인한 비등을 방지하는 것이 바람직하다. 다만, 이러한 대기모드에서의 제1 냉각유체의 유동은 열손실로서의 기능을 하므로, 열충격과 비등이 일어나지 않는 범위 내에서 최소 유량을 유지하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템(200)의 구성도이다. 전술한 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템(100)과 본 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템(200) 사이의 동일하거나 유사한 구성들은 설명의 간략화를 위해 생략하기로 한다.
고온가스로 정지냉각시스템(200)은 고온가스로(230), 상기 고온가스로(230) 내부를 통과하는 냉각유체가 순환하는 순환라인(210) 및 상기 고온가스로(230) 하부와 연결된 순환라인(210)의 경로 상에 구비된 냉각유체 순환기(212)를 포함한다.
상기 냉각유체는 헬륨가스를 포함할 수 있고, 이러한 헬륨가스는 제2 열교환기(214)를 통해 고온가스로(230)의 외부에 구비된 냉각탑(240)에서 냉각될 수 있다. 또는 제2 열교환기(214)가 공랭열교환기로 형성되어, 고온가스로(230)로부터 나온 고온의 헬륨가스는 대기에 의해 냉각될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고온가스로 정지냉각시스템(100, 200)은 열교환기(114, 214)를 고온가스로(130, 230) 외부에 설치하여 냉각유체를 냉각시킴으로써, 고온가스로(130, 230) 내부 공간을 줄일 수 있어 고온가스로(130, 230) 용기 크기를 줄일 수 있다.
또한, 고온가스로(130, 230) 내부를 통과하는 냉각유체로 물을 사용하지 않으므로 순환라인(110, 210)의 파손 시에도 고온가스로(130, 230)가 안전하다.
그리고, 고온의 냉각유체를 고온가스로(130, 230) 상부에서 흡입하여 냉각시키므로 열제거 효율이 좋고, 주요 구성요소들이 고온가스로(130, 230)의 외부에 있어 내부에 있는 경우와 비교하여 유지 보수가 용이한 장점이 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100, 200 : 고온가스로 정지냉각시스템
110: 제1 순환라인 112 : 제1 냉각유체 순환기
114 : 제1 열교환기 116: 제1 유량계
120 : 제2 순환라인 122 : 제2 냉각유체 순환기
124 : 제2 열교환기 126 : 제2 유량계
130 : 고온가스로 140 : 냉각탑
210 : 순환라인 212 : 냉각유체 순환기
214 : 열교환기 216 : 유량계
230 : 고온가스로 240 : 냉각탑

Claims (7)

  1. 핵분열에 의한 고온의 열을 발생시키는 고온가스로;
    상기 고온가스로 내부를 통과하는 제1 냉각유체가 순환하는 제1 순환라인; 및
    상기 고온가스로 외부에 배치된 제1 열교환기를 통해 상기 제1 냉각유체와 열교환을 수행하는 제2 냉각유체가 순환하는 제2 순환라인;
    을 포함하고, 정지 상태의 상기 고온가스로를 냉각시키는, 고온가스로 정지냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 순환라인의 경로 상에 구비되어 상기 제1 냉각유체를 순환시키는 제1 냉각유체 순환기를 더 포함하고, 상기 제1 냉각유체 순환기는 상기 고온가스로의 하부와 상기 제1 열교환기 사이에 배치되는, 고온가스로 정지냉각시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 냉각유체로부터 열을 회수하여 냉각하는 냉각탑을 더 구비하고, 상기 냉각탑과 상기 제2 순환라인 사이에 제2 열교환기가 구비되는, 고온가스로 정지냉각시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 냉각유체는 헬륨가스인, 고온가스로 정지냉각시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 냉각유체는 물 또는 비활성 기체 중 어느 하나인, 고온가스로 정지냉각시스템.
  6. 핵분열에 의한 고온의 열을 발생시키는 고온가스로;
    상기 고온가스로 내부를 통과하는 냉각유체가 순환하는 순환라인; 및
    상기 고온가스로 하부와 연결된 순환라인 경로 상에 구비된 냉각유체 순환기;
    를 포함하고, 정지 상태의 상기 고온가스로를 냉각시키는, 고온가스로 정지냉각시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각유체는 헬륨가스이고,
    상기 헬륨가스는 상기 고온가스로 외부에 구비된 냉각탑 또는 공랭열교환기에 의해 냉각되는, 고온가스로 정지냉각시스템.
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