KR20140075205A

KR20140075205A - 나선형 소듐대-소듐 열교환기를 이용하여 자연순환 냉각 성능을 강화한 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템

Info

Publication number: KR20140075205A
Application number: KR1020120143326A
Authority: KR
Inventors: 어재혁; 강석훈; 박창규
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-19
Also published as: KR101436497B1

Abstract

본 발명은 나선형 소듐대-소듐 열교환기를 이용하여 자연순환 냉각 성능을 강화한 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 중간열교환기 및 소듐대-소듐 붕괴열교환기를 포함하되, 상기 중간열교환기의 상측 동축배관의 외주면에 소듐대-소듐 붕괴열교환기가 나선형으로 구비된 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 잔열제거 시스템은 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하여 소듐냉각 원자로의 피동형 잔열제거 설계개념이 종래에는 복잡하고 불확실성이 큰 노심냉각 메커니즘을 가졌던 문제점을 개선하여, 안정적인 노심 통과 순환유량 확보를 가능케 하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 잔열제거 시스템은 발전소 전 운전기간 동안에 예산되는 모든 종류의 설계기준 사고를 대비할 수 있도록 작동 신뢰성을 향상시키고, 안정적인 비상 잔열제거 성능을 확보할 수 있는 피동형 안전등급 잔열제거 시스템으로서, 특히 일차원적인 단일 순환유로 구조를 통해 원자로 내부구조물의 단순화 및 냉각 성능의 최적화를 구현하여 정상운전뿐만 아니라 사고시의 안정적인 열제거 성능 확보에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

나선형 소듐대-소듐 열교환기를 이용하여 자연순환 냉각 성능을 강화한 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템{Passive decay heat removal system for liquid metal cooled reactors with enhanced natural circulation cooling capability using a helical type sodium-to-sodium heat exchanger}

본 발명은 나선형 소듐대-소듐 열교환기를 이용하여 자연순환 냉각 성능을 강화한 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 능동형 기기 또는 운전원의 개입 없이도 자연현상만으로 안정적인 작동이 가능한 소듐냉각 원자로의 피동형 안전등급 잔열제거 시스템에 관한 것이다.

현재 통상적으로 설계되는 대부분의 소듐냉각 원자로는 "원자로심-중간열교환기(IHX)-증기발생기(SG)"로 연결되는 정상 열제거 경로의 기능 상실시, 긴급 원자로 정지에 이은 노심의 붕괴열(decay heat) 제거를 위해서 안전등급 잔열제거시스템을 활용한다. 지금까지 전 세계적으로 다양한 종류의 소듐냉각 원자로(액체금속로)에서는 안전성 강화를 목적으로 피동형 안전등급 잔열제거시스템을 채택하여 왔으며, 이의 일환으로 소듐과 같은 액체금속을 냉각재로 사용하는 원자로의 잔열제거시스템은 원자로심 출구 상부에 위치한 고온풀(고온 플레넘(plenum))의 열적 관성을 이용하여 시스템의 열을 냉각재 루프의 자연순환에 의해 효과적으로 제거할 수 있도록 설계하고 있다.

한편, 도 1에 도시한 종래 기술의 대용량 소듐냉각 원자로의 경우에는 원자로용기 내부의 고온풀에 1차시스템의 열을 제열용 중간루프 소듐으로 전달하는 기능을 수행하는 소듐대-소듐 열교환기 (DHX ; sodium-to-sodium decay Heat eXchanger)를 설치하고 원자로 건물 상단에 소듐대-공기 열교환기를 설치하여 상기 두 열교환기를 별도의 제열용 중간 소듐루프로 연결함으로써, 열 유입원 및 열제거원의 높이차(20 m 이상) 및 이로 인해 발생하는 소듐의 자연순환을 이용하여 원자로용기 내부 1차시스템 냉각재의 열을 최종 열침원인 공기로 제거하는 원자로 풀 직접 냉각(Direct Reactor Auxiliary Cooling System; DRACS) 방식을 채택하고 있다.

이때, 도 1의 DRACS 설계개념은 기본적으로 노심 냉각의 주된 수단으로 고온풀에 잠기도록 설치된 소듐대-소듐 열교환기(DHX)를 이용한다. 원자로심에서 가열된 고온풀의 소듐 냉각재는 DHX 입구로 유입되어 전열관 번들 지역을 통과하면서 냉각되고, 냉각된 1차시스템 소듐이 밀도차에 의해 고온풀 하부에 모여서 노심의 핵연료집합체(Fuel Assembly)사이 공간을 채우면서 노심으로 유입되며, 유입된 소듐 냉각재는 반경방향 전열과정에 의해 핵연료집합체를 냉각한다.

또한, DHX를 통과하면서 냉각된 소듐이 노심 출구지역에서 가열된 1차시스템 소듐 냉각재와 직접 질량교환을 통해 혼합되면서 고온풀로 유입되는 소듐의 온도를 낮추는 기능도 함께 수행한다. 이와 같은 냉각 메커니즘을 종래기술의 DRACS 설계개념에서는 도 2에 나타낸 바와 같은 구조인 "Inter-wrapper flow"라고 지칭한다.

하지만 종래기술의 Inter-wrapper flow는 소듐 냉각재 플레넘 내부에서의 다차원 현상에 대한 성능 입증을 위해 대규모 실험시설이 필요할 뿐만 아니라, 실험장치의 설계 및 실험 결과의 적절한 활용을 위해서는 축소 실험장치로부터 유발되는 장치설계상의 왜곡(distortion)에 대한 상세한 평가가 수반되어야 한다는 점에서 불확실성이 크고 성능을 보장하기 쉽지 않은 설계개념으로 알려져 있다.

아울러, 도 1의 종래 기술은 DHX를 통과한 소듐이 노심을 냉각하는 메커니즘을 단순화하여 비상 잔열제거와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능을 확보할 필요성이 요구되고 있다.

도 1에 도시한 종래기술의 불확실성을 극복하기 위하여, 도 3에 도시한 종래 기술에서는 피동형 잔열제거시스템을 채택한 풀(pool)형 소듐냉각 원자로를 대상으로, 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)를 설치할 수 있도록 고온풀 및 저온풀을 연통시키는 수직 원형관을 설치하고, 1차시스템 펌프의 양정에 의해 형성되는 고온풀 및 저온풀 간의 액위차를 이용하여 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)가 소듐과 직접 접촉하지 않도록 DHX 유니트를 지지통(support barrel) 내부의 저온풀 자유액면 상부에 설치하고 있다. 이를 통해 정상운전 중에는 소듐과의 직접접촉을 원천적으로 차단하여 제열용 중간 소듐루프의 격리밸브 또는 소듐대-공기 열교환기(AHX) 공기유로 입/출구의 댐퍼(damper) 없이도 정상운전중의 불필요한 열손실을 최소화할 수 있도록 설계하고 있다.

하지만, 도 3에 도시한 종래 기술은 정상 열제거원 기능 상실로 인해 원자로 및 1차시스템 펌프의 작동이 중지되는 경우의 원자로 풀 내부 소듐액위 상승 시에만 1차시스템 소듐과, 열제거용 중간루프 소듐 사이의 활발한 대류 전열과정을 통해 시스템의 열을 최종 열침원인 대기 중으로 방출할 수 있다. 따라서 본격적인 냉각이 이루어지는 시점까지의 지연시간으로 인해 과도기 초기의 노심 냉각기능 제공이 불가능하고, 원자로용기의 파손 등으로 인해 원자로 풀(pool)의 액위가 감소하는 경우에는 본연의 기능을 수행할 수 없다.

따라서 작동대기 기간을 포함하는 발전소 전 운전기간 동안에 예상되는 모든 유형의 사고에 대해 안정적인 열제거 성능을 발휘할 수 있는 방안 및 이를 포함하는 설계개념이 필수적으로 요구되고 있다.

아울러, 도 3에 도시한 종래기술에서 가장 시급하게 해결해야할 문제 중 하나는 원자로 정지 후 1차시스템 냉각재 펌프가 정지되지 않고 가동되는 경우의 완전 피동형 잔열제거시스템(PDRC)의 작동성능이라고 할 수 있다. 이 경우, 펌프 가동에 의해 고온풀 및 저온풀의 액위가 그대로 유지되며, 저온풀의 액체금속 냉각재 액위상승이 불가능하여 도 3에 도시한 종래기술의 설계개념으로는 원활한 열제거 기능 수행이 불가능하므로 안전시스템 본연의 기능 수행에 심각한 차질이 빚어질 수 있다.

따라서 고온풀 및 저온풀의 액위차가 유지되는 경우에도 일정량의 열제거 기능이 제공될 수 있는 설계개념이 필요하지만, 도 3에 도시한 종래기술에서는 이와 관련된 작동 신뢰성 및 안정적인 성능확보에 대하여 적절한 대비책을 기술하고 있지 못한 실정이다.

도 4에 도시한 또 다른 종래 기술(종래기술 c)는 종래기술 (a)에서의 주 노심냉각 수단인 "Inter-wrapper flow"를 삭제하여 설계의 불확실성 감소와 종래기술 (b)의 고온풀 및 저온풀을 연통하는 순환유로 확보라는 장점을 접목시켜 개발된 설계개념이다. 종래기술 c에서는 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX; sodium-to-sodium Decay Heat eXchanger)를 원자로 고온풀 지역과 원자로 배럴(core barrel)로 구분되는 고온 소듐 플레넘(plenum) 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region)에 배치한다. 이 경우 1차시스템 펌프가 정지하는 과도기 작동 모드에서 노심을 통과하는 고온의 소듐이 원자로 배럴(barrel)을 따라 상승하여 원자로 배럴 상단을 넘어 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역에 위치한 DHX로 유입되고, DHX를 통과하면서 냉각된 소듐은 소듐 냉각재의 밀도 차이에 의해 격리 환형공간 소듐 풀(Separated and annular sodium region) 지역의 하부에 모이게 되며, 국부적인 소듐 냉각재 성층화(Stratification)를 유도하게 된다.

종래기술 c의 냉각 방식에 의해 국부적으로 성층화된 격리 환형공간 소듐 지역의 소듐 냉각재는 DHX 출구노즐 보다 낮은 위치에 그 입구가 위치하는 중간열교환기(IHX; Intermediate Heat Exchanger)의 입구노즐을 통해 유입된 후 IHX 전열관 번들지역을 거쳐 IHX 출구노즐을 통해 저온풀로 유입되고, 노심을 거쳐 고온 소듐 풀 지역으로 다시 순환하면서 "노심→고온 소듐 풀→격리 환형공간 소듐 풀→중간열교환기(IHX)→저온 소듐 풀→노심"으로 구성되는 과도기 순환유로 구조를 형성한다. 이때, 고온풀과 원자로 배럴(barrel)로 구분되는 고온풀 외곽의 격리 환형공간 소듐 풀 내부에서는 DHX 출구에서 IHX 입구로의 횡방향 다차원 유동이 형성되면서 냉각에 의한 온도차이 및 그에 따른 밀도차에 의해 냉각된 소듐이 IHX 입구지역으로 유입된다.

종래기술 c의 상기 과도기 순환유로 구조는 종래기술 a 및 b의 유로망 구조도와 비교할 때, 고온풀 및 저온풀을 연통하여 노심을 통과하는 순환유량에 의해 핵연료집합체을 직접 냉각한다는 측면에서 냉각성능의 불확실성을 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다. 하지만, 원자로 배럴을 이용한 성층화에 의한 열응력 발생 및 "Y-piece" 구조형상 등이 구조적인 문제를 야기할 수 있고, 원자로 배럴 외부 공간에서의 소듐 냉각재 혼합특성이 전반적인 시스템 순환유량 형성 및 제열 성능에 지배적인 영향을 줄 수 있다는 측면에서 여전히 불확실성을 내포하고 있다.

종래의 피동형 안전등급 잔열제거시스템(PDRC)에 있어서 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)에서의 열전달 특성은 넓은 고온풀 지역에 설치되는 DHX로 얼마나 많은 양의 고온 냉각재(소듐)가 유입되느냐에 따라 그 전열 성능이 결정된다. 따라서, 비상잔열제거와 관련하여 설계기준을 만족시키기 위해서는 정상운전 모드를 포함하는 발전소 전 운전 기간 동안 DHX로의 안정적인 소듐 냉각재 공급이 보장되어야 한다. 하지만, 상기한 바와 같은 종래기술 a, b, 및 c에 개시된 DHX 설치방법으로는 발전소 전 운전모드에 대하여 동일한 형태의 예측 가능한 노심 통과 순환유량의 확보가 어렵고, 이로 인해 비상 잔열제거시스템의 안정적 성능 확보를 위한 어떠한 대처방법 및 대처 설비도 제공하지 못하고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 종래의 피동형 잔열제거시스템의 문제점을 해결하기 위한 연구를 수행하던 중, 정상 열제거기능 상실시에도 원자로심에서 발생하는 붕괴열을 효과적으로 제거할 수 있도록 소듐대-소듐 붕괴열교환기를 중간열교환기 외주면에 설치한 일체형 잔열제거 열교환기를 적용하여 능동형 기기 또는 운전원의 개입 없이도 자연현상만으로 안정적인 작동이 가능한 소듐냉각 원자로의 피동형 안전등급 잔열제거 시스템을 개발하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 나선형 소듐대-소듐 열교환기를 이용하여 자연순환 냉각 성능을 강화한 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀;

상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간열교환기;

원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 고온풀 내부에 수용된 소듐대-소듐 붕괴열교환기;

상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐대-공기 열교환기; 및

상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기와 소듐대-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프;를 포함하는 완전 피동형 잔열제거시스템에 있어서,

중간열교환기 및 소듐대-소듐 붕괴열교환기를 포함하되, 상기 중간열교환기의 상측 동축배관의 외주면에 소듐대-소듐 붕괴열교환기가 나선형으로 구비된 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은

상기 잔열제거 시스템의 고온풀 하단에 복수개의 핵연료봉이 장입된 원자로심이 구비된 소듐냉각 원자로를 제공한다.

나아가, 본 발명은

상기 잔열제거 시스템을 이용하여 고온풀의 소듐을 소듐대-소듐 붕괴열교환기로 직접 유입시키고, 소듐대-소듐 붕괴열교환기에서 냉각된 소듐을 중간열교환기를 통해 고온풀로부터 저온풀로 유입시켜 원자로의 잔열을 피동적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 원자로 잔열의 제거방법을 제공한다.

본 발명에 따른 잔열제거 시스템은 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하여 소듐냉각 원자로의 피동형 잔열제거 설계개념이 종래에는 복잡하고 불확실성이 큰 노심냉각 메커니즘을 가졌던 문제점을 개선하여, 안정적인 노심 통과 순환유량 확보를 가능케 하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 잔열제거 시스템은 발전소 전 운전기간 동안에 예산되는 모든 종류의 설계기준 사고를 대비할 수 있도록 작동 신뢰성을 향상시키고, 안정적인 비상 잔열제거 성능을 확보할 수 있는 피동형 안전등급 잔열제거 시스템으로서, 특히 일차원적인 단일 순환유로 구조를 통해 원자로 내부구조물의 단순화 및 냉각 성능의 최적화를 구현하여 정상운전뿐만 아니라 사고시의 안정적인 열제거 성능 확보에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술 a에 해당하는 잔열제거 시스템을 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 2는 종래기술 a의 냉각 메커니즘을 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 3은 종래기술 b에 해당하는 잔열제거 시스템을 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 4는 종래기술 c에 해당하는 잔열제거 시스템을 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 5는 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템의 일실시예를 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 6은 종래의 잔열제거 시스템과 본 발명의 따른 잔열제거 시스템의 헤드부분을 나타낸 그림이고;
도 7은 종래기술 a, b, 및 c의 잔열제거 시스템에 따른 냉각재 유로를 나타낸 그림이고;
도 8은 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템에 따른 냉각재 유로를 나타낸 그림이고;
도 9는 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템에 있어서, 일체형 잔열제거 열교환기를 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 10은 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템에 있어서, 다중축 환형 챔버의 단면을 나타낸 그림이고;
도 11은 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 또 그림이고;
도 12는 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템을 투시하여 나타낸 투시도이고;
도 13은 본 발명에 따른 완전 피동형 잔열제거 시스템에 있어서, 나선형 전열관을 고정하는 지지구조체의 일례를 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은

상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간열교환기;

이때, 본 발명에 따른 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템을 개략적으로 나타낸 구조도를 도 5에 나타내었으며,

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템을 상세히 설명한다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템은 원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀; 상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간열교환기(IHX); 원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 고온풀 내부에 수용된 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX); 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)보다 높은 위치에 설치되는 소듐대-공기 열교환기(AHX); 및 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)와 소듐대-공기 열교환기(AHX)를 연결하는 제열용 중간 소듐루프;를 포함한다.

이때, 본 발명에 따른 잔열제거 시스템은 상기 중간열교환기(IHX)의 상측 동축배관(coaxial pipe)의 외주면에 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)가 나선형으로 구비된 일체형 잔열제거 열교환기(100)를 포함한다.

상기 일체형 잔열제거 열교환기(100)는 중간열교환기(IHX)와 붕괴열교환기(DHX)를 일체화한 것으로, 고온풀 내부에서 이루어지는 다차원의 냉각재 유동특성을 일차원 유동으로 획기적으로 단순화함으로서, 자연순환 유동에 의한 DHX의 열제거 메커니즘을 효율적으로 활용할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 종래기술 c에 구비되는 원자로 통(core barrel) 및 격리판 Y-piece의 제거가 가능해지므로 원자로 내부구조물을 획기적으로 단순화할 수 있다. 나아가, 도 6에서 비교한 바와 같이 종래기술 a, b, 및 c에 비해 원자로 헤드의 관통부 수를 줄일 수 있으며, 전통적인 관-통형 직관형 DHX를 제거함으로써 기기(component) 수의 감소로 인해 설계/제작/건설 및 유지보수 비용의 절감을 통한 경제성 향상효과도 기대할 수 있다.

이때, 상기 일체형 잔열제거 열교환기(100)는 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)에서 냉각된 소듐을 중간열교환기(IHX)를 통해 고온풀로부터 저온풀로 유입시킨다.

즉, 열원(Heat source)인 노심(RX core)을 통과하여 냉각재가 고온풀을 거쳐 과도기 비상 열침원(Heat sink)인 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)에서 냉각된 후, 정상 열침원(Heat sink)인 중간열교환기(IHX)로 유입되고, 중간열 교환기를 통해 냉각된 소듐은 저온풀로 유입된다. 이와 같이, 상기 일체형 잔열제거 열교환기(100)는 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)와 중간열교환기(IHX)로 이어지는 직렬형 순환 유로(Serialized circulation flow path)를 형성하며, 이에 따라 발전소 정전을 포함하는 어떠한 사고가 발생하더라도 원자로 내부 소듐 냉각재의 순환 유동 경로 상에 직접적인 냉각 기능을 제공하여 안정적인 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

이와 같은 단일 순환유로 구조의 제공은 DHX를 통한 열제거 기능이 중간열교환기(IHX)와 병렬적으로 제공되는 종래기술의 피동형 잔열제거 시스템과 비교할 때, 과도기 일차계통 냉각재의 원활한 순환유량 형성에 의한 계통 냉각성능 향상뿐만 아니라 안전등급 잔열제거 시스템의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

아울러, 일체형 잔열제거 열교환기를 통해 상기한 바와 같은 단일 순환유로를 형성함에 따라 DHX 통과유량의 명료화가 가능하므로, 고온풀의 잔열제거 유로 최적화 및 원자로용기 내부구조 단순화를 통해 잔열제거 성능의 불확실성을 원천적으로 감소시켜 인허가 과정의 검증실험 및 해석을 용이하게 할 수 있다.

이는 도 7에 개시한 종래기술 a, b, 및 c의 잔열제거 유로와, 도 8에 개시한 본 발명의 일체형 잔열제거 열교환기를 통한 단일 순환유로를 비교함으로서 더욱 용이하게 확인할 수 있다.

즉, 도 7에 개시한 종래기술 a, b, 및 c의 유로와 비교할 때, 도 8에 개시한 바와 같이 본 발명의 일체형 잔열제거 열교환기를 통한 단일 순환유로는 고온풀 및 저온풀을 직접적으로 연통하여 노심을 통과하는 순환유량에 의해 노심을 직접 냉각한다는 측면에서 매우 단순화되고 효과적인 냉각성능을 나타낼 수 있는 구조이다.

한편, 상기 일체형 잔열제거 열교환기에 있어서, 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)는 도 9에 나타낸 바와 같이 상기 중간 열교환기의 상측 동축배관(coaxial pipe)의 외주면에 구비되는 나선형 전열관(helical tube, 500)을 포함한다.

상기 나선형 전열관(500)은 전열면적 밀도(area density)를 극대화하기 위한 것으로, 중간열교환기(IHX)의 상측 외주면, 즉 중간열교환기의 동축배관(coaxial pipe) 외주면에 구비되며, 중간열교환기의 상측 동축배관(coaxial pipe)의 외주면에 서로 상이한 방향으로 회전된 형태인 복수개의 나선형 전열관이 교차된 형태로 구비될 수 있다.

이때, 상기 나선형 전열관(500)은 상기 고온풀에 모두 잠기도록 구비될 수 있으며, 특히 나선형 전열관이 항상 고온풀의 소듐 자유액면보다 충분히 낮게 배치되도록 한다. 이를 통해, 고온풀 자유액면으로부터의 가스흡입 방지 및 상기 나선형 전열관에서 고온풀의 소듐을 더욱 효율적으로 냉각할 수 있다.

아울러, 상기 나선형 전열관(500)을 포함하는 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)는 소듐대-공기 열교환기(AHX)로부터 잔열제거용 소듐 루프의 저온소듐이 유입되는 저온소듐챔버(203)의 끝단이 상기 나선형 전열관(500)의 최하단부보다 낮은 위치까지 확장될 수 있고, 저온소듐챔버(203)의 하부는 고온풀에 잠기도록 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 잔열제거 시스템에 있어서, 상기 일체형 잔열제거 열교환기(100)는 도 10에 도시한 바와 같이, 다중축 환형 챔버(Multi-layered annular chamber, 200) 를 포함할 수 있다.

즉, 상기 일체형 잔열제거 열교환기(100)는 총 4개의 구역으로 구분될 수 있는 다중축 환형 챔버(200)를 포함할 수 있으며, 도 10에 도시한 바와 같이 상기 다중축 환형 챔버(200)의 중심부로는 중간열교환기(IHX)에 있어서 중간열전달계통(IHTS)의 저온 소듐이 하부방향으로 유동하는 저온소듐 하강관(201) 및 고온 소듐이 상부로 유동하는 고온소듐 상승관(202)으로 이루어지는 중간열교환기(IHX)의 동축배관부가 구비되고,

상기 중간열교환기(IHX)의 상측 동축배관부 외측면으로는 소듐대-공기 열교환기(AHX)로부터 잔열제거용 소듐 루프의 저온소듐이 유입되는 저온소듐챔버(203) 및 나선형 전열관(500)을 통과하면서 가열된 고온 소듐이 유출되는 고온소듐챔버(204)가 상기 중간열교환기(IHX)의 동축배관부와 동축으로 구비될 수 있다.

한편, 상기 다중축 환형 챔버(200)를 구성하는 저온소듐 하강관(201), 고온소듐 상승관(202), 저온소듐챔버(203) 및 고온소듐챔버(204)는 사이에는 열적 격리를 위한 간극을 갖도록 이격되어 구비되며, 특히 저온소듐챔버(203)와 중간열교환기의 고온소듐 상승관(202) 사이는 이탈 가능한 간극을 부여하여 나선형 전열관(500)의 분리 및 유지/보수가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다중축 환형 챔버(Multi-layered annular chamber, 200)의 상단에는 소듐 루프의 고온관 및 저온관과 연결되는 노즐이 설치되어 잔열제거용 소듐 루프로의 연결이 가능하도록 설계 및 배치되어 있으며, 상기 소듐 루프의 설계 및 배치는 특별히 제한되지 않으며, 통상적인 설계를 토대로 수행될 수 있다.

상기 나선형 전열관(500)으로부터 소듐대-공기 열교환기(AHX)로 유출되는 고온소듐은 도 11에 나타낸 바와 같이 원자로 배플(baffle, 300)보다 상부에 구비되는 고온소듐챔버를 통해 유출될 수 있다. 즉, 소듐대-공기 열교환기(AHX)로 고온소듐을 유출시키는 고온소듐챔버는 원자로 배플(baffle, 300)보다 상부에 구비된다. 이는 고온풀 내의 소듐 액위가 상승하는 것을 대비하기 위한 것으로, 고온풀 내의 소듐 액위가 상승하더라도 상기 고온소듐챔버와 고온풀의 소듐이 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 잔열제거 시스템은 일체형 잔열제거 열교환기(100)를 지지하는 지지통(support barrel, 400)을 더 포함할 수 있다.

상기 지지통(400)은 붕괴열교환기(DHX)의 나선형 전열관(500)에서의 냉각성능을 돕고, 나선형 전열관 구역을 통과한 소듐 냉각재가 중간열교환기(IHX)의 유입구까지 원활히 유입될 수 있도록 유로를 제공하는 기능을 제공하는 것으로, 도 12에 나타낸 바와 같이 상기 지지통(400)의 하부는 수평 격리판(separation plate, 600)에 연결되어 지지되며, 지지통(400)의 상부는 별도의 배플판(Baffle plate)에 의해 지지될 수 있다. 이때, 상기 배플판(Baffle plate)은 고온풀에 잠겨 있는 일정 두께를 갖는 판형 구조물로서, 노심쪽으로는 어떠한 구조물과도 연결되어 있지 않으며 단지 복수개의 지지통(400) 상단을 모두 연결하고 바깥쪽으로는 수직으로 서 있는 원자로 배플(300)에 연결되도록 설치되어 지지통(400)을 지지하도록 구비될 수 있다. 아울러, 상기 배플판(300)은 지지통(400)의 상부를 지지하는 기능만을 제공하기 위한 것일 뿐, 냉각재가 유동하는 유로에는 어떠한 영향도 미치지 않으며, 냉각재가 유동하는 유로에 영향을 주지않는 범위 내에서 지지통(400) 상부를 지지하는 적절한 형태로 구비될 수 있다.

한편, 상기 지지통(400)은 고온풀의 소듐이 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)의 하단부, 즉 나선형 전열관(500)을 거친 후, 중간열교환기(IHX)의 유입구까지 유동할 수 있는 공간이 구비되도록 확장된 형태인 것이 바람직하며, 이를 통해 소듐 냉각재가 중간열교환기(DHX)의 유입구까지 더욱 원할하게 유동할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 잔열제거 시스템에 있어서, 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기(DHX)의 나선형 전열관(500)은 지지구조체(700)를 통해 고정 및 지지될 수 있다.

즉, 복수개의 나선형 전열관(500)이 존재하는 경우, 상기 나선형 전열관들은 그 무게(自重)로 인하여 형태가 변형되거나 파손될 수 있다. 따라서, 본 발명의 잔열제거 시스템에서는 상기 나선형 전열관(500)을 고정 및 지지할 수 있는 지지구조체(700)를 더 포함할 수 있으며, 상기 지지구조체는 예를 들어 도 13에 개시한 바와 같이 나선형 전열관(500)의 각 열(row)에 해당하는 전열관들이 관통될 수 있는 복수개의 구멍을 포함하는 일정 두께를 갖는 판형 구조물 형태일 수 있다.

그러나, 상기 지지구조체(700)가 이에 제한되는 것은 아니며, 나선형 전열관(500)을 고정 및 지지할 수 있는 구조 및 형태라면 이를 적절히 변형 및 가공하여 상기 나선형 전열관(500)에 구비시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 잔열제거 시스템에 있어서, 일체형 잔열제거 열교환기(100)는 하나의 원자로 헤드에 저온의 소듐 유입부 및 고온 소듐의 유출부가 함께 구비될 수 있으며, 이는 종래의 잔열제거 시스템에서 붕괴열교환기(DHX)와 중간열교환기(IHX)가 병렬로 구비되어 그 구조 및 메커니즘이 복잡하였던 문제를 해결한 것으로, 이를 통해 잔열제거 시스템 구조의 단순화 및 냉각 성능의 최적화를 구현해낼 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은

이하, 본 발명에 따른 소듐냉각 원자로에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소듐냉각 원자로는 중간열교환기 및 소듐대-소듐 붕괴열교환기를 포함하되, 상기 중간열교환기의 상측 외주면에 소듐대-소듐 붕괴열교환기가 동축으로 구비된 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하는 완전 피동형 잔열제거 시스템이 구비된 것으로서,

상기 잔열제거 시스템이 일체형 잔열제거 열교환기를 포함함에 따라, 열원(Heat source)인 원자로심을 통과하여 냉각재가 고온풀을 거쳐 과도기 비상 열침원(Heat sink)인 소듐대-소듐 붕괴열교환기에서 냉각된 후, 정상 열침원(Heat sink)인 중간열교환기(IHX)로 유입되고, 중간열 교환기를 통해 냉각된 소듐은 저온풀로 유입된다. 이와 같이, 상기 일체형 잔열제거 열교환기는 소듐대-소듐 붕괴열교환기와 중간열교환기로 이어지는 직렬형 순환 유로(Serialized circulation flow path)를 형성하는바, 이에 따라 본 발명에 따른 소듐냉각 원자로에 발전소 정전을 포함하는 어떠한 사고가 발생하더라도 원자로 내부 소듐 냉각재의 순환 유동 경로 상에 직접적인 냉각 기능을 제공할 수 있어 안정적인 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

나아가, 본 발명은

전술한 바와 같이, 상기 잔열제거 시스템은 중간열교환기 및 소듐대-소듐 붕괴열교환기를 포함하되, 상기 중간열교환기의 상측 외주면에 소듐대-소듐 붕괴열교환기가 동축으로 구비된 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하며, 상기 일체형 잔열제거 열교환기는 하기와 같은 냉각경로를 통해 냉각재인 소듐을 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기 일체형 잔열제거 열교환기로 인하여, 열원(Heat source)인 원자로심을 통과하여 냉각재가 고온풀을 거쳐 과도기 비상 열침원(Heat sink)인 일체형 잔열제거 열교환기의 소듐대-소듐 붕괴열교환기에서 냉각된 후, 정상 열침원(Heat sink)인 중간열교환기(IHX)로 유입되고, 정상열제거 기능상실로 인해 냉각기능을 상실한 중간열교환기의 통(shell)측 유로를 통과한 소듐은 저온풀로 유입될 수 있다.

일반적으로 원자로가 정상적으로 작동하는 경우에는 "원자로심→고온풀→중간열교환기(IHX)→저온풀→원자로심"으로 구성되는 정상열제거 경로가 작동되어 냉각재인 소듐의 냉각이 수행될 수 있으나, 전력의 공급이 중단되는 등의 사고 발생시에는 상기 정상열제거 경로가 효과적으로 작동될 수 없다.

그러나, 본 발명에 따른 원자로 잔열의 제거방법에서는 상기 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하는 잔열제거 시스템을 이용하여 "원자로심→고온풀→붕괴열교환기(나선형 전열관)→중간열교환기(IHX)→저온풀→원자로심"으로 구성되는 과도기 순환유로가 피동적으로 작동됨에 따라, 발전소 정전으로 인해 중간열교환기(IHX)의 열제거 기능이 상실되어도 붕괴열교환기의 냉각기능을 지속적으로 제공할 수 있는 바, 잔열제거 시스템의 안정적인 열제거 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

IHX : 중간열교환기
DHX : 붕괴열교환기
RX core : 원자로 노심
AHX : 소듐대-공기 열교환기
UIS : 상부내부구조물(Upper Internal Structure)
100 : 일체형 잔열제거 열교환기
200 : 다중축 환형 챔버(Multi-layered annular chamber)
201 : 저온소듐 하강관
202 : 고온소듐 상승관
203 : 저온소듐챔버
204 : 고온소듐챔버
300 : 원자로 배플
400 : 지지통
500 : 나선형 전열관
600 : 수평 격리판
700 : 지지구조체

Claims

원자로 노심에 의하여 가열된 고온의 소듐이 수용된 고온풀;
상기 고온풀의 소듐과 열교환하는 중간열교환기;
원자로 내부의 붕괴열을 제거하기 위하여 상기 고온풀 내부에 수용된 소듐대-소듐 붕괴열교환기;
상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기보다 높은 위치에 설치되는 소듐대-공기 열교환기; 및
상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기와 소듐대-공기 열교환기를 연결하는 제열용 중간 소듐루프;를 포함하는 완전 피동형 잔열제거시스템에 있어서,
중간열교환기 및 소듐대-소듐 붕괴열교환기를 포함하되, 상기 중간열교환기의 상측 동축배관의 외주면에 소듐대-소듐 붕괴열교환기가 나선형으로 구비된 일체형 잔열제거 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제1항에 있어서, 상기 일체형 잔열제거 열교환기는 고온풀 소듐을 항상 소듐대-소듐 붕괴열교환기에서 냉각 후 중간열교환기를 통해 저온풀로 유입시키도록 유로를 구성하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제1항에 있어서, 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기는 나선형 전열관 (helical tube)을 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제3항에 있어서, 상기 나선형 전열관은 중간열교환기의 상측 동축배관의 외주면에 서로 상이한 방향으로 엇갈리게 회전된 형태인 복수개의 나선형 전열관이 교차된 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제3항에 있어서, 상기 나선형 전열관은 상기 고온풀에 모두 잠기도록 구비되어, 나선형 전열관이 고온풀의 소듐 자유액면보다 낮게 배치되는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제3항에 있어서, 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기는 소듐대-공기 열교환기로부터 잔열제거용 소듐 루프의 저온소듐이 유입되는 저온소듐챔버의 끝단이 상기 나선형 전열관의 최하단부보다 낮은 위치까지 확장되고, 저온소듐챔버의 하부는 고온풀에 잠기도록 배치되는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제3항에 있어서, 상기 나선형 전열관으로부터 소듐대-공기 열교환기로 유입되는 고온소듐은 원자로 배플(baffle)보다 상부에 구비되는 고온소듐챔버를 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제3항에 있어서, 상기 일체형 잔열제거 열교환기는
중간열교환기에 있어서 중간열전달계통(IHTS)의 저온 소듐이 하부방향으로 유동하는 저온소듐 하강관;
고온 소듐이 상부로 유동하는 고온소듐 상승관으로 이루어지는 중간열교환기(IHX)의 동축배관부;
상측 동축배관부 외측면으로는 소듐대-공기 열교환기로부터 잔열제거용 소듐 루프의 저온소듐이 유입되는 저온소듐챔버; 및
나선형 전열관을 통과하면서 가열된 고온 소듐이 유출되는 고온소듐챔버가 순차적으로 배치된 환형구조인 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제8항에 있어서, 상기 환형구조는 저온소듐 하강관, 동축배관부, 저온소듐챔버 및 고온소듐챔버로 이루어진 다중축 환형 챔버(Multi-layered annular chamber) 구조인 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제8항에 있어서, 상기 환형구조에 있어서, 저온소듐 하강관, 동축배관부, 저온소듐챔버 및 고온소듐챔버는 열적 격리를 위한 간극이 부여되는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제3항에 있어서, 상기 소듐대-소듐 붕괴열교환기는 상기 나선형 전열관을 고정하는 지지구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제11항에 있어서, 상기 지지구조체는 나선형 전열관의 각 열(row)에 해당하는 전열관들이 관통될 수 있는 복수개의 구멍을 포함하는 일정 두께를 갖는 판형 구조물인 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제1항에 있어서, 상기 잔열제거 시스템은 일체형 잔열제거 열교환기를 지지하는 지지통(support barrel)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제13항에 있어서, 상기 지지통은 고온풀의 소듐이 소듐대-소듐 붕괴열교환기의 하단부를 거친 후, 중간열교환기의 유입구까지 유동할 수 있는 공간이 구비되도록 확장된 형태인 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제13항에 있어서, 상기 지지통의 하단은 수평 격리판(Separation plate)과, 지지통의 상단은 배플판(Baffle plate)과 연결되는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제15항에 있어서, 상기 배플판(Baffle plate)은 고온풀에 잠겨 있는 판형구조물로서, 복수개의 지지통 상단을 모두 연결하되 원자로 배플에 연결되도록 설치되어 지지통을 지지하는 것을 특징으로 하는 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템.
제1항의 잔열제거 시스템을 이용하여 고온풀의 소듐을 소듐대-소듐 붕괴열교환기로 직접 유입시키고, 소듐대-소듐 붕괴열교환기에서 냉각된 소듐을 중간열교환기를 통해 고온풀로부터 저온풀로 유입시켜 원자로의 잔열을 피동적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 원자로 잔열의 제거방법.