KR20150081725A - 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 격납부 내부의 대기를 통과시키도록 상기 격납부와 통하는 제1순환유로를 구비하고 상기 격납부 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환을 통해 상기 격납부 내부의 대기를 냉각하는 피동격납부냉각계통, 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 구비하고 원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열을 제거하도록 열교환을 통해 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 피동잔열제거계통, 및 압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비하고 상기 대기, 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 채널들로 통과시켜 냉각하도록 상기 제1순환유로 및 상기 제2순환유로에 연결되는 플레이트형 열교환기를 포함하는 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전을 개시한다.

Description

피동안전계통 및 이를 구비하는 원전{PASSIVE SAFETY SYSTEM AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 한 종류의 열교환기를 이용하여 격납부의 압력 상승을 억제하고, 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하는 피동안전계통과 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.

원자로는 안전계통의 구성방식에 따라 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형원자로와 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형원자로로 나뉜다. 또한, 원자로는 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)가 원자로 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 국내 가압경수로)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다.

인쇄기판형 열교환기는 기술은 영국 Heatric 사에서 개발되어 일반 산업분야에 매우 다양하게 이용되고 있다. 인쇄기판형 열교환기는 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)에 의한 조밀한 유로배치 및 확산접합(diffusion bonding) 기술을 이용하여 열교환기 판 사이의 용접을 없앤 구조를 갖고 있다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기는 고온 고압의 환경에 적용 가능하고, 고집적도와 우수한 열교환 성능을 갖추고 있다. 인쇄기판형 열교환기는 고온 고압의 환경에 대한 내구성과 우수한 고집적도 열교환 성능 등의 장점으로 냉난방시스템, 연료전지, 자동차, 화학 공정, 의료기기, 원자력, 정보 통신 장비, 극저온 환경 등의 증발기, 응축기, 냉각기, 라디에이터, 열교환기, 반응기 등 매우 다양한 분야에 적용되고 있다.

그러나 종래의 인쇄기판형 열교환기는 이상유동(two-phase flow)이 발생하는 증발기 등의 분야에서는 제한된 운전조건 범위에서 이용되어 왔다. 인쇄기판형 열교환기가 쉘&튜브(shell and tube)형 등 다른 형태의 열교환기에 비해 열전달 효율이 매우 우수함에도 불구하고 증기발생기나 피동잔열제거계통(passive residual heat removal system : PRHRS) 또는 피동격납건물냉각계통(passive containment cooling system : PCCS)의 열교환기로 광범위하게 사용되지 못했던 이유는 유로채널에서의 유동불안 문제 및 고집적도 때문이었다.

일반적으로 유로채널(flow channel)로 구성된 이상유동(two-phase flow)이 발생하는 증기발생기나 잔열제거계통 또는 격납건물냉각계통 열교환기에서는 증기가 형성되면서 밀도가 급격히 변화하게 되고, 이로 인한 밀도파가 유로방향의 앞뒤로 전파되어 유동이 불안정해진다. 또한 단상영역과 이상영역의 압력강하 위상차가 서로 되먹임을 하며 유동불안을 증폭시키게 된다. 특히 공통헤더에 연결된 복수개의 유로채널로 구성된 증기발생기나 잔열제거계통 또는 격납건물냉각계통 열교환기의 경우 이러한 현상은 유로채널간의 시간차 유동불안(parallel channel oscillation)으로 발전해 증기발생기나 피동잔열제거계통 열교환기의 성능을 저하시킬 수 있다.

이러한 현상은 증기발생기와 같이 기동 혹은 다른 목적의 저출력운전모드로부터 정상운전범위까지 운전범위가 넓거나 잔열제거계통 또는 격납건물냉각계통 열교환기와 같이 사고 시 작동범위가 넓은 응용분야의 경우에는 특히 중요한 문제가 된다.

이러한 유동불안정 현상을 완화하고자 일반적으로 운전범위가 넓은 쉘&튜브(shell and tube) 형 증기발생기에서는 이차 유로로 이용하는 튜브의 입구 영역에 유로저항이 큰 오리피스를 설치한다(예, 국내 SMART 원자로). 그러나 단순히 유로면적을 줄이는 종래의 기술은 유로오염(fouling) 문제 등을 유발할 수 있어, 또한 이로 인해 원자력 발전과 같이 장기간 운전되는 환경에서는 적용이 제한될 수 있다.

또한, 판형 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형 열교환기는 일반적으로 판을 압출하여 유로 채널을 형성하고, 판 사이를 개스킷을 사용하거나 일반 용접 또는 브레이징 용접을 사용하여 결합시킨다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기와 적용분야는 유사하나 압력이 낮은 저압 환경에서 더 많이 이용되고 있다. 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기보다는 작고 쉘&튜브(shell and tube)형 열교환기 보다는 우수한 특성이 있다. 또한 인쇄기판형 열교환기에 비해서는 제작이 간편한 특성이 있다.

인쇄기판형 열교환기는 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)을 이용하므로 일반 가공 방식보다는 매우 자유롭게 가공할 수 있는 장점이 있으며, 또한 확산접합 기술을 이용하므로 내구성이 강해 내진설계가 용이하고 고온 고압으로 설계되는 피동잔열제거계통 또는 피동격납부냉각계통의 열교환기로 적용이 적합하다. 또한 인쇄기판형 열교환기는 확산접합방식을 이용하므로 플레이트 사이에는 용접부가 포함되지 않아 플레이트에 대한 용접검사 등의 유지보수 작업이 요구되지 않고, 작은 열전달 유로를 이용하므로 고집적도의 열교환기의 구성이 가능하며, 두께가 얇아지고 압력경계를 유지하기는 것이 용이해진다. 그러나 플레이트형(인쇄기판형 또는 판형) 열교환기의 이러한 고집적도의 특성은 유로저항을 증가시켜 자연대류의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

피동잔열제거계통은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원전에서 사고가 발생하는 경우 원자로냉각재계통의 열(원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열)을 제거하는 계통으로 채용되고 있다.

피동잔열제거계통의 냉각수 순환 방식으로는 원자로 일차냉각수를 직접 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(AP1000: 미국 웨스팅하우스)과 증기발생기를 이용하여 이차냉각수를 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(SMART 원자로: 국내) 두 가지가 주로 사용되고 있으며, 일차냉각수를 탱크에 주입하여 직접 응축시키는 방식(CAREM:아르헨티나)도 일부 이용되고 있다.

또한 피동잔열제거계통의 열교환기(응축열교환기)의 외부를 냉각하는 방식으로는 대부분의 원자로에서 적용하고 있는 수랭식(water-cooled, AP1000, SMART 원자로)과, 일부 공랭식(air-cooled, WWER 1000:러시아)과 수-공랭식 병용 방식(IMR:일본)이 이용되고 있다. 피동잔열제거계통의 열교환기는 원자로로부터 전달받은 열을 비상냉각탱크 등을 통해 외부(최종 열침원)로 전달하는 기능을 수행하며, 열교환기 방식으로 열전달 효율이 뛰어난 증기 응축현상을 이용한 응축열교환기가 많이 채용되고 있다.

피동격납건물냉각계통(또는 격납건물냉각계통)은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원자로에서 냉각재상실사고나 증기관파단사고 등의 발생으로 냉각수 또는 증기가 방출되어 격납부(격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등) 내부의 압력이 상승하는 경우에, 증기를 응축시키고 내부 대기를 냉각시켜, 격납건물의 건전성을 유지시키는 계통으로 많이 이용되고 있다. 피동격납건물냉각계통과 유사한 목적으로 사용되는 방식으로는 격납건물로 방출된 증기를 감압탱크로 유도하여 응축시키는 감압탱크(suppression tank)를 이용하는 방식(상용 BWR, CAREM:아르헨티나, IRIS:웨스팅하우스사), 철재격납용기을 적용하고 외벽을 냉각(스프레이, 공기)시키는 방식(AP1000:웨스팅하우스) 그리고 열교환기를 이용하는 방식(SWR1000:프라마톰ANP, AHWR:인도, SBWR:GE) 등이 이용되고 있다. 본 발명과 관련된 격납건물냉각계통 열교환기는 쉘&튜브(shell and tube)형 열교환기 또는 응축기(SBWR: 미국 GE사 등)가 주로 적용되고 있다.

또한 원자로로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종방벽 역할을 하는 격납부는 압력경계를 구성하는 재료에 따라 강화콘크리트로 구성하는 격납건물(또는 원자로건물이라 함)과 철재용기로 구성하는 격납용기와 안전보호용기로 나뉜다. 격납용기는 격납건물과 같이 저압으로 설계되는 대형용기이며, 안전보호용기는 설계압력을 증가시켜 소형으로 설계되는 소형용기이다. 특별한 언급이 없는 경우 본 발명에서 격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등을 통칭하여 격납부라 지칭한다.

일반적으로 피동잔열제거계통은 일차냉각수(원자로냉각재계통) 또는 이차냉각수(증기발생기)를 이용하므로 일차계통 또는 이차계통과 압력경계로서의 역할을 수행하며, 또한 피동잔열제거계통의 열교환기는 일반적으로 격납부 외부의 대기환경과 경계를 이루고 있으므로 압력경계가 손상되는 경우 일차냉각수 또는 이차냉각수가 대기 환경으로 방출될 수 있으므로 원자로 정상운전 시나 사고 시 압력경계를 유지하는 것은 매우 중요한 역할이다. 일반적으로 shell & tube 형태의 피동잔열제거계통 열교환기의 튜브 바깥쪽(shell side)에는 비상냉각수가 자연 순환되고, 튜브 안쪽(tube side)에는 일차냉각수 또는 이차냉각수가 자연 순환된다. 열교환에 의해 일차냉각수 또는 이차냉각수는 응축 및 냉각되고 비상냉각수는 증발 및 온도가 증가된다. 원자로냉각재계통과 이차계통은 높은 압력으로 운전되므로 피동잔열제거계통에 일반적인 shell & tube 형태의 열교환기를 적용하는 경우 두꺼운 튜브를 적용해야 하므로 열전달 성능이 저하되어 열교환기 크기가 증가하고 설계 및 제작비용이 상승하는 원인이 될 수 있다. 또한 종래의 shell & tube 형태 열교환기는 튜브 연결을 위한 많은 용접부를 포함하고 있어 정기적으로 용접부 검사 등의 유지보수 작업을 수행해야 하고, 유지보수 작업의 용이성을 고려하여 튜브의 직경을 크게 만들기 때문에 열교환기 크기가 증가하고 설계 및 제작비용이 상승하는 원인이 될 수 있다.

또한, 일반적으로 격납부냉각계통의 열교환기는 원자로용기 보다 높은 상부에 설치되어야 하므로 지진하중 등에 관한 엄격한 설계기준 준수에 어려움이 크며, 격납부 압력경계의 일부로서의 역할을 수행하므로 압력경계의 보호를 위한 설계 및 제작에 어려움이 크다. 또한 냉각재상실사고나 증기관파단사고 등의 사고시 격납부 내부는 고온 고압의 환경에 노출되므로 격납부냉각계통의 열교환기와 같은 안전기기는 격납부의 환경요건을 준수해야 한다. 또한 격납부냉각계통의 열교환기는 격납부 내부의 대기(공기 및 증기)를 자연순환에 의해 응축 및 냉각시킨다. 그러나 열교환기의 성능은 주로 증기의 응축현상에 의해 좌우되므로 대기가 원활하게 순환되지 않으면 증기가 원활히 공급되지 않아 열교환기의 성능이 저하될 수 있다. 또한 격납부냉각 열교환기를 격납부의 내부에 배치하는 원전에서는 격납부의 내부에 많은 기기 및 구조물들이 배치되므로 배치에 어려움이 있어 소형화 및 경량화가 필요하다.

이상에서와 같이 일반적으로 피동잔열제거계통과 피동격납부냉각계통은 서로 구분되는 계통으로 원전에서는 별도로 구비되고 있다. 사고 발생 시 원자로냉각재계통으로부터 제거해야 하는 열은 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열이다. 그러므로 냉각재상실사고가 발생하는 경우에도 원자로냉각재계통에서 격납부로 방출되는 열과 원자로냉각재계통에 잔류하는 열의 총합은 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열과 동일하다. 따라서 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하기 위한 열교환기기를 통합하여 구성하는 것 또한 설계를 단순화하고 용량을 최적화할 수 있는 효과적인 설계 방법이 될 수 있다.

본 발명의 일 목적은 종래의 피동격납부냉각계통과 피동잔열제거계통을 통합적으로 구성하여 격납부의 압력 상승을 억제함과 동시에 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거할 수 있는 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 플레이트형 열교환기를 피동안전계통에 적용하여 고온 고압의 환경에서 격납부의 환경 조건을 극복하고 엄격한 원전 안전 설비 기준을 준수할 수 있는 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전을 개시하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 입구 병목 현상 등 플레이트형 열교환기를 피동안전계통에 적용함에 있어 발생하는 문제를 해결하는 방안을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 피동안전계통은, 격납부 내부의 대기를 통과시키도록 상기 격납부와 통하는 제1순환유로를 구비하고 상기 격납부 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환을 통해 상기 격납부 내부의 대기를 냉각하는 피동격납부냉각계통, 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 구비하고 원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열을 제거하도록 열교환을 통해 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 피동잔열제거계통, 및 압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비하고 상기 대기, 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 채널들로 통과시켜 냉각하도록 상기 제1순환유로 및 상기 제2순환유로에 연결되는 플레이트형 열교환기를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 채널들은 이상(two phase) 유동에 의한 유동 불안정을 완화하도록, 입구 영역과 출구 영역을 연결하는 주열전달 영역의 유로저항보다 상기 입구 영역의 유로저항이 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.

상기 입구 영역은, 상기 주열전달 영역보다 작은 폭으로 형성되며, 유로의 길이를 연장시켜 직선형 유로보다 상대적으로 더 큰 유로저항을 구비하도록 형성될 수 있다.

상기 피동안전계통은, 상기 입구 영역과 상기 주열전달 영역 사이에 형성되고 상기 입구 영역의 유로 크기에서 상기 주열전달 영역의 유로 크기까지 유로의 폭이 점차 증가하도록 형성되는 유로확대부를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 채널들은, 상기 격납부의 대기를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제1유로, 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제2유로, 및 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하는 냉각 유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되고 압력 경계를 유지하면서 상기 제1유로 또는 제2유로를 통과하는 유체와 상기 냉각 유체를 열교환 시키도록 상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 하나와 교대로 배열되는 복수의 제3유로를 포함할 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 상기 제1유로 내지 제3유로들이 각각 배열되는 제1 내지 제3플레이트를 포함하고, 상기 제1플레이트 내지 제3플레이트는 순차적으로 반복되게 배열될 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 상기 제1유로 및 제2유로들이 함께 배열되는 제1플레이트와 상기 제3유로들이 배열되는 제2플레이트를 포함하고, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 순차적으로 반복되게 배열될 수 있다.

상기 피동안전계통은, 상기 플레이트형 열교환기로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로 내지 제3유로 중 적어도 하나의 입구에 형성되는 입구 헤더, 및 상기 각 채널들을 통과한 상기 유체들을 모으도록 상기 제1유로 내지 상기 제3유로 중 적어도 하나의 출구에 형성되는 출구 헤더를 더 포함할 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 외부에 설치되고, 상기 피동격납부냉각계통은 상기 제1순환유로를 형성하도록 상기 격납부의 내부와 상기 제1유로를 연결하는 격납부 연결배관을 포함하며, 상기 피동잔열제거계통은 상기 제2순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치되는 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통과 상기 제2유로를 연결하는 잔열제거유체 순환배관을 포함할 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 공랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록, 상기 제3유로가 상기 격납부의 외부와 통하도록 형성되어 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시킬 수 있다.

상기 피동안전계통은, 내부에 상기 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 상기 격납부의 외부에 설치되고, 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 상기 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부를 구비하는 비상냉각수저장부를 더 포함할 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 수랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 비상냉각수저장부에 침지되어 상기 제3유로로 상기 냉각 유체를 통과시킬 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 수랭식과 공랭식의 혼합 방식으로 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기와 상기 비상냉각수저장부의 냉각 유체 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부 외부의 대기와 상기 냉각 유체 중 열전달에 의해 증발된 유체를 상기 비상냉각수저장부의 외부로 직접 방출하도록 상단부가 상기 비상냉각수저장부를 관통하여 상기 비상냉각수저장부의 외부로 돌출될 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 내부 공간에 설치되고, 상기 제1유로는 입구와 출구가 개방되어 상기 격납부의 내부 공간과 통하도록 형성되며, 상기 피동잔열제거계통은 상기 제2순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치되는 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통과 상기 제2유로를 연결하는 잔열제거유체 순환배관을 포함할 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는 공랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 격납부를 관통하는 비상냉각유체 순환배관에 의해 상기 격납부의 외부와 연결되어 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시킬 수 있다.

상기 피동안전계통은, 내부에 상기 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 상기 격납부의 외부에 설치되고, 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 상기 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부를 구비하는 비상냉각수저장부를 더 포함하고, 상기 플레이트형 열교환기는 수랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 격납부를 관통하는 비상냉각유체 순환배관에 의해 상기 비상냉각수저장부와 연결되어 상기 제3유로로 상기 냉각 유체를 통과시킬 수 있다.

상기 플레이트형 열교환기는, 수랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 비상냉각유체 순환배관에 의해 상기 비상냉각수저장부와 연결되어 상기 제3유로로 상기 냉각 유체를 통과시키고, 이어서 상기 비상냉각수저장부의 냉각 유체 고갈 후 공랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시킬 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는 입구에서의 병목 현상을 완화하도록, 상기 채널들의 연장 방향과 교차하는 방향으로 형성되며 측면에서 유체를 유입시켜 상기 채널들을 통과하는 유체와 합류시키는 개방형 유로를 구비할 수 있다.

상기 피동안전계통은, 상기 격납부 내부의 대기 및 증기가 상기 제1유로를 통과하면서 냉각 유체에 의해 냉각 및 응축되어 형성된 응축수를 집수하도록 상기 제1유로의 출구와 연결되거나 상기 제1유로의 출구 하부에 설치되는 응축수 집수부 또는 격납부내재장전수조를 더 포함하고, 상기 응축수 집수부 또는 격납부내재장전수조는 상기 응축수를 상기 원자로냉각재계통의 수위 유지에 이용하도록 안전주입배관에 의해 상기 원자로냉각재계통과 연결될 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는 입출구의 병목 현상을 완화하도록 복수개로 구비되며, 상기 피동안전계통은, 상기 플레이트형 열교환기의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 케이싱, 및 열전달 면적을 확장시키도록 상기 케이싱의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 냉각핀을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는, 확산접합에 의해 형성되며 광화학적 식각기술에 의해 조밀한 상기 채널들을 구비하는 인쇄기판형 열교환기일 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트형 열교환기는, 플레이트를 압출하여 상기 채널들을 형성하고, 플레이트들을 개스킷, 용접, 브레이징 용접 중 적어도 하나로 결합시킨 판형 열교환기일 수 있다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 피동안전계통을 구비하는 원전을 개시한다. 원전은, 원자로냉각재계통, 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로냉각재계통의 외부를 감싸는 격납부, 및 사고 시 상기 격납부의 압력 상승을 억제하고 상기 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하는 피동안전계통을 포함하고, 상기 피동안전계통은, 상기 격납부 내부의 대기를 통과시키도록 상기 격납부와 통하는 제1순환유로를 구비하고 상기 격납부 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환을 통해 상기 격납부 내부의 대기를 냉각하는 피동격납부냉각계통, 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 구비하고 상기 원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열을 제거하도록 열교환을 통해 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 피동잔열제거계통, 및 압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비하고 상기 대기, 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 채널들로 통과시켜 냉각하도록 상기 제1순환유로 및 상기 제2순환유로에 연결되는 플레이트형 열교환기를 포함한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 고집적도 열전달 성능과 고온 고압에 대한 내구성을 갖는 플레이트형 열교환기를 피동격납부냉각계통과 피동잔열제거계통의 통합 계통에 적용할 수 있다. 본 발명에서 피동안전계통의 플레이트형 열교환기에는 폐쇄형 유로와 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로가 선택적으로 도입되어 유체를 원활히 순환시키고 배출시킬 수 있으며, 수랭식, 공랭식 또는 혼합식의 냉각 방식이 모두 적용될 수 있다.

또한 본 발명은, 플레이트형 열교환기에서 기판의 폭과 높이를 자유롭게 선정하고 판의 수를 자유롭게 선택하여, 복수의 플레이트형 열교환기로 구성된 열교환기 집합체를 구비하는 피동안전계통을 구성할 수 있다. 이에 따라 플레이트형 열교환기의 입구에서 병목 현상을 완화시킨 피동안전계통을 구성할 수 있다.

또한 본 발명은, 공랭식 또는 혼합식의 냉각 방식 채택을 통해 피동안전계통의 안전기능을 장기간(반영구적) 유지할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도.
도 1b는 도 1a에 도시된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생시를 나타낸 개념도.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도.
도 3b는 도 3a에 도시된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생시를 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생시를 나타낸 개념도.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도.
도 6b는 도 6a에 도시된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도.
도 7b는 도 7a에 도시된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도.
도 8 내지 도 14는 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통에 선택적으로 채용될 수 있는 플레이트형 열교환기의 유로 개념도.
도 15 내지 도 21은 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통에 선택적으로 채용될 수 있는 플레이트형 열교환기의 다른 유로 개념도.
도 22 내지 도 23은 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통에 선택적으로 채용될 수 있는 플레이트형 열교환기의 또 다른 유로 개념도.
도 24는 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통에 선택적으로 적용될 수 있는 복수의 플레이트형 열교환기의 개념도.
도 25 내지 도 26은 도 24에 도시된 복수의 플레이트형 열교환기의 배치 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 플레이트형 열교환기라 함은, 특별한 언급이 없는 한 일반적인 판형 열교환기와 인쇄기판형 열교환기뿐만 아니라 플레이트(판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우도 모두 포괄적으로 지칭한다.

또한, 본 명세서에서 격납부라 함은, 특별한 언급이 없는 한 격납건물, 격납용기, 원자로건물, 안전보호용기 등을 모두 포괄적으로 지칭한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동안전계통(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도이고, 도 1b는 도 1에 도시된 피동안전계통(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 원전(10)은 일체형 원자로에 대하여 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 일체형 원자로에만 적용되는 것은 아니고 분리형 원자로에도 적용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b에서는 설명의 편의를 위하여 본 발명에서 개시하는 피동안전계통(100) 및 이를 구비하는 원전(10)에 대하여 원자로냉각재계통(12)을 중심으로 대칭으로 도시하였다. 도 1a의 우측에는 원전(10)의 정상 운전시를 도시하고 좌측에는 원전(10)의 사고 발생 초기를 도시하였다. 그리고, 도 1b의 좌측에는 사고 발생 중기를 도시하고, 우측에는 사고 발생 후기를 도시하였다.

원전(10)은 정상적인 운용과 사고 발생에 대비하여 원전(10)의 건전성을 유지하기 위한 다양한 계통들을 포함하고, 그 밖에 격납부(11) 등의 구조물을 포함한다.

격납부(11)는 방사성 물질의 누출을 방지하도록 원자로냉각재계통(12)의 외부에 상기 원자로냉각재계통(12)을 감싸도록 형성된다. 격납부(11)는 원자로냉각재계통(12)으로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종 방벽 역할을 한다.

격납부(11)는 압력경계를 구성하는 재료에 따라 강화콘크리트로 구성하는 격납건물(또는 원자로건물이라 함)과 철재용기로 구성하는 격납용기와 안전보호용기로 나뉜다. 격납용기는 격납건물과 같이 저압으로 설계되는 대형용기이며, 안전보호용기는 설계압력을 증가시켜 소형으로 설계되는 소형용기이다.

원전(10)의 정상 운전시 주급수관(13a)을 통해 급수계통(13)으로부터 증기발생기(12b)로 급수가 공급되면, 증기발생기(12b)는 노심(12a)에서 전달된 열을 이용해 증기를 발생시킨다. 증기는 주증기관(14a)을 통해 터빈계통(14)으로 공급되며, 터빈계통(14)은 공급받은 증기를 이용하여 전기를 생산한다. 주급수관(13a)과 주증기관(14a)에 설치되는 격리밸브(13b, 14b)들은 원전(10)의 정상 운전시에는 개방되어 있으나, 사고 발생시에는 작동 신호에 의해 닫힌다.

원자로냉각재계통(12)의 내부에는 일차계통유체가 채워져 있으며, 노심(12a)에서 전달받은 열을 증기발생기(12b)에서 이차계통유체에 전달한다. 원전(10)의 일차계통이란 노심(12a)으로부터 직접적으로 열을 전달받아 노심(12a)을 냉각하는 계통이고, 이차계통이란 상기 일차계통과 압력경계를 유지하면서 상기 일차계통으로부터 열을 전달받아 전기를 생산하는 계통이다. 원전(10)의 건전성을 위해 일차계통과 이차계통 사이에는 반드시 압력경계가 유지되어야 한다.

원자로냉각재계통(12)에는 일차계통유체를 순환시키기 위한 원자로냉각재펌프(12c)가 설치되고, 가압경수로에서는 냉각재의 비등을 억제하기 위한 가압기(12d)가 설치된다. 증기발생기(12b)는 일차계통과 이차계통 경계에 배치되어 일차계통유체와 이차계통유체 사이의 열교환을 유도한다.

본 발명에서 제안하는 피동안전계통(100)은 종래의 안전계통들과 구분되는 별개의 계통이 아니라, 원전(10)에서 사고 발생시 원전(10)의 안전성을 확보하기 위한 피동격납부냉각계통(또는 피동격납건물냉각계통)과 피동잔열제거계통의 통합 계통으로, 격납부(11) 내부의 압력 상승을 억제함과 아울러 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열을 제거하여 외부로 방출할 수 있는 안전계통이다.

이하에서는 먼저 피동안전계통(100)의 구조에 대하여 설명하고, 이어서 원전(10)에서 사고 발생시 피동안전계통(100)의 작동에 대하여 설명한다.

도 1a의 우측을 참조하면, 피동안전계통(100)은 피동격납부냉각계통, 피동잔열제거계통 및 플레이트형 열교환기(110)를 포함하고, 비상냉각수저장부(150)를 포함할 수 있다.

피동격납부냉각계통은 사고시 격납부(11) 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환을 통해 상기 격납부(11) 내부의 대기를 냉각하고 대기에 함유되어 있는 증기를 응축시키는 계통이다. 피동격납부냉각계통은 격납부(11)의 내부에서 외부로 열을 전달하도록 격납부(11) 내부와 외부의 경계를 형성한다.

피동격납부냉각계통은 격납부(11)와 플레이트형 열교환기(110)를 연결하는 격납부 연결배관(121, 122), 상기 격납부 연결배관에 설치되는 격리밸브(121a, 122a)와 체크밸브(121b), 플레이트형 열교환기(110)를 포함할 수 있으며, 비상냉각수저장부(150)를 더 포함할 수 있다.

피동격납부냉각계통은 격납부(11) 내부의 대기를 통과시키도록 상기 격납부(11)와 통하는 제1순환유로를 구비한다. 제1순환유로를 통해 격납부(11)의 내부에 형성된 고온 고압의 대기를 순환시키고 상기 대기를 냉각 및 응축시키며, 상기 격납부(11) 내부의 대기에서 전달된 열을 격납부(11) 외부의 환경으로 배출한다.

피동잔열제거계통은 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열을 제거하도록 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 계통이다. 피동잔열제거계통은 이차계통유체를 순환시키 위하여 주증기관(14a) 및 주급수관(13a)에 연결되는 잔열제거유체 순환배관(131, 132), 잔열제거유체 순환배관(131, 132) 중 출구배관에 설치되는 격리밸브와 체크밸브(132a, 132b), 플레이트형 열교환기(110)를 포함할 수 있으며, 비상냉각수저장부(150)를 더 포함할 수 있다.

피동잔열제거계통은 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 구비한다. 제2순환유로를 통해 일차계통유체 또는 이차계통유체를 순환시키고 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체에서 전달된 열을 격납부(11) 외부의 환경으로 배출한다. 도시된 피동잔열제거계통은 이차계통유체을 순환시키도록 이루어진다.

플레이트형 열교환기(110)는 압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비한다. 플레이트형 열교환기(110)는 격납부(11) 내부의 대기, 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 채널들로 통과시켜 냉각하도록 상기 제1순환유로 및 상기 제2순환유로에 연결된다.

플레이트형 열교환기(110)의 채널들은, 격납부(11)의 대기를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제1유로, 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제2유로 및 상기 제1유로와 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하는 냉각 유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제3유로를 포함한다. 제1유로, 제2유로 및 제3유로는 서로 구분되며, 그 세부 구조에 대하여는 도 8 이하에서 후술한다.

플레이트형 열교환기(110)의 적어도 하나의 입구와 출구에는 입구 헤더(111a, 112a)와 출구 헤더(111b, 112b)가 형성된다. 입구 헤더(111a, 112a)는 플레이트형 열교환기(110)로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로 내지 제3유로 중 적어도 한 곳의 입구에 형성된다. 반대로 출구 헤더(111b, 112b)는 각 채널들을 통과한 유체들을 모으도록 제1유로 내지 제3유로 중 적어도 한 곳의 출구에 형성된다. 플레이트형 열교환기(110)에 공급된 유체들과 각 채널들을 통과한 유체들이란, 제1유로를 통과하는 격납부(11)의 대기, 제2유로를 통과하는 일차계통유체 또는 이차계통유체, 제3유로를 통과하는 냉각 유체 또는 격납부(11) 외부의 대기를 포함한다.

플레이트형 열교환기(110)는 격납부(11) 내부 또는 외부 중 적어도 한 곳에 설치될 수 있다. 도 1a에 도시된 플레이트형 열교환기(110)는 격납부(11)의 외부에 설치되는 것으로 도시되어 있으며, 플레이트형 열교환기(110)는 피동격납부냉각계통과 피동잔열제거계통에 공통적으로 속하는 구성요소이다.

피동안전계통(100)은 비상냉각수저장부(150)를 포함할 수 있다.

비상냉각수저장부(150)는 내부에 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 격납부(11)의 외부에 설치된다. 비상냉각수저장부(150)는 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부(151)를 구비한다.

플레이트형 열교환기(110)는 격납부(11) 외부의 대기와 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체 중 열전달에 의해 증발된 유체를 상기 비상냉각수저장부(150)의 외부로 직접 방출하도록 상단부가 상기 비상냉각수저장부(150)를 관통하여 상기 비상냉각수저장부(150)의 외부로 돌출될 수 있다.

플레이트형 열교환기(110)가 비상냉각수저장부(150)의 내부에 설치되는 경우, 피동격납부냉각계통은 격납부(11)의 대기를 통과시키는 제1순환유로를 형성하도록 적어도 일부가 격납부(11)를 관통하여 상기 격납부(11)의 내부와 상기 제1유로를 연결하는 격납부 연결배관(121, 122)을 포함한다. 구체적으로, 격납부 연결배관(121, 122)은 격납부(11)의 내부와 플레이트형 열교환기(110)의 제1유로에 설치되는 입구 헤더(111a)를 연결하는 입구배관(121), 격납부(11)의 내부와 플레이트형 열교환기(110)의 제1유로에 설치되는 출구 헤더(111b)를 연결하는 출구배관(122)을 포함한다.

격납부(11) 내부의 대기는 입구배관(121)을 통해 격납부(11)의 내부로부터 비상냉각수저장부(150) 내부의 플레이트형 열교환기(110)로 이동하고, 제1유로를 통과하면서 냉각되며, 플레이트형 열교환기(110)에서 배출되어 다시 출구배관(122)을 통해 격납부(11) 내부로 되돌아온다. 입구배관에(121)는 격리밸브(121a)와 체크밸브(121b)가 설치될 수 있으며, 출구배관(122)에는 격리밸브(122a)가 설치될 수 있다. 단, 체크밸브(121b)는 출구배관(122)에 반대방향으로 설치될 수도 있다. 격리밸브(121a, 122a)는 유지와 보수를 위해 필요한 경우에만 닫히며, 체크밸브(121b)는 유체의 역류를 방지한다.

그리고, 플레이트형 열교환기(110)가 비상냉각수저장부(150)의 내부에 설치되는 경우, 피동잔열제거계통은 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치되는 증기발생기(12b)와 제2유로를 연결하는 잔열제거유체 순환배관(131, 132)을 포함한다. 구체적으로, 잔열제거유체 순환배관(131, 132)은 주증기관(14a)과 플레이트형 열교환기(110)의 제2유로에 설치되는 입구 헤더(112a)를 연결하는 입구배관(131), 주급수관(13a)과 플레이트형 열교환기(110)의 제2유로에 설치되는 출구 헤더(112b)를 연결하는 출구배관(132)을 포함한다.

증기발생기(12b)에서 증기가 된 이차계통유체는 주증기관(14a) 및 입구배관(131)을 통해 플레이트형 열교환기(110)로 이동하고, 제2유로를 통과하면서 냉각되며, 플레이트형 열교환기(110)에서 배출되어 출구배관(132) 및 주급수관(13a)을 통해 다시 증기발생기(12b)로 되돌아간다. 출구배관(132)에는 격리밸브(132a)와 체크밸브(132b)가 설치된다.

플레이트형 열교환기(110)는 비상냉각수저장부(150)에 설치될 수 있으며, 플레이트형 열교환기(110)는 수랭식과 공랭식의 혼합 방식으로 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 제3유로로 격납부(11) 외부의 대기와 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체 중 적어도 하나를 통과시킨다.

플레이트형 열교환기(110)의 크기와 비상냉각수저장부(150)의 수위는, 냉각 방식을 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시한 바와 같이 플레이트형 열교환기(110)가 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체에 일부만 침지된 경우, 사고 발생 초기에는 냉각 유체에 의한 수랭식의 냉각 방식으로 냉각이 시작되나, 시간이 흐름에 따라 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체가 증발하여 수위가 저하되면 수랭식과 공랭식의 혼합식으로 전환되며, 시간이 더 흐르면 공랭식의 냉각 방식으로 전환된다.

다음으로, 사고 발생시 피동안전계통(100)의 작동에 대하여 설명한다.

도 1a의 좌측을 참조하면, 원전(10)에서 냉각재상실사고 등의 사고 발생시 주증기관(14a)과 주급수관(13a)에 설치된 격리밸브(13b, 14b)들이 관련 신호에 의해 닫히며, 피동안전계통(100)의 작동이 시작된다.

사고가 발생하면 원자로냉각재계통(12)으로부터 일차계통유체를 포함하는 증기가 격납부(11) 내부로 방출됨에 따라 격납부(11) 내부의 압력이 상승하여, 격납부(11) 내부에 고온 고압의 환경에 형성된다. 밀도차에 의해 격납부(11) 내부의 대기는 격납부 연결배관(121, 122) 중 입구배관(121)을 통해 플레이트형 열교환기(110)로 유입된다.

마찬가지로, 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열로 인하여 증기발생기(12b)를 통과하는 이차계통유체는 가열되고, 잔열제거유체 순환배관(131, 132) 중 입구배관(131)을 통해 플레이트형 열교환기(110)로 유입된다. 또한, 비상냉각수저장부(150) 내부의 냉각 유체도 플레이트형 열교환기(110)로 유입되어 수랭식의 냉각이 이루어진다.

플레이트형 열교환기(110)의 제1유로로는 격납부(11) 내부의 대기가 흐르고, 제2유로로는 이차계통유체가 흐르며, 제3유로로는 냉각 유체가 흐른다. 대기와 이차계통유체는 냉각 유체에 열을 전달하고 온도 및 밀도가 감소하거나 응축되어 하강한다. 그리고, 냉각 유체는 열을 전달받고 온도 및 밀도가 증가하거나 증발되어 상승한다.

각 유체들이 서로 다른 채널들을 통과하면서 수랭식의 열전달이 이루어지면서 격납부(11) 내부의 압력 상승은 억제되고, 원자로냉각재계통(12)의 현열 및 노심(12a)의 잔열도 제거된다. 그리고, 비상냉각수저장부(150) 내부의 냉각 유체는 점점 온도가 상승하면서 증발하고 개구부(151)를 통해 외부로 방출된다. 증발열에 의해 냉각 유체로 전달된 열이 외부로 방출될 수 있다.

도 1b의 좌측을 참조하면, 사고 발생 중기의 상태를 나타낸 것으로 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체가 증발하여 수위가 감소했음을 확인할 수 있다. 이에 따라 제3유로에는 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체뿐만 아니라 격납부(11) 외부의 대기도 통과하여 수랭식과 공랭식이 혼합된 혼합식 냉각이 이루어진다. 특히, 제3유로에 측면으로부터 유체 유입이 가능한 개방식 유로가 적용된 경우, 플레이트형 열교환기(110)가 완전히 수면 위로 노출되지 않고 일부만 노출되더라도 혼합식 냉각이 이루어질 수 있다.

시간이 더욱 경과하여 도 1b의 우측을 참조하면, 사고 발생 후기의 상태를 나타낸 것으로 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체가 대부분 증발하여 수위가 더욱 감소했음을 확인할 수 있다. 이에 따라 제3유로에는 격납부(11) 외부의 대기만 통과하여 공랭식의 냉각이 이루어진다.

유체들의 순환은 온도차로부터 발생하는 밀도차 또는 유체와 기체의 상변화에 의한 밀도차에 의한 것으로 자연적인 현상에 근거하는 것이므로, 본 발명은 외부로부터 에너지가 공급되지 않더라도 자연적으로 격납부(11) 내부의 압력 상승을 억제할 수 있고 원자로냉각재계통(12)의 현열과 노심(12a)의 잔열을 제거할 수 있다. 또한, 순환에 필요한 충분한 밀도차가 소멸될 때까지 유체들의 순환을 계속된다.

이와 같이 피동안전계통(100)은 자연력에 의한 피동적인 방법으로 유체들을 순환시켜 피동격납부냉각계통과 피동잔열제거계통의 기능을 수행할 수 있으며, 특히 하나의 플레이트형 열교환기(110)의 서로 구분되는 채널들로 유체들을 통과시키므로 압력 경계의 손상을 방지할 수 있으며, 미세 유로를 통해 고효율로 충분한 열교환을 유도할 수 있다.

이하에서는 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전계통(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 정상 운전시와 사고 발생시를 나타낸 개념도이다.

도 2에 도시된 피동안전계통(200) 및 원전(20)은 원자로냉각재계통(22)을 기준으로 좌우가 서로 대칭적으로 도시되어 있으며, 우측은 원전(20)의 정상 운전시를 도시한 것이고 좌측은 원전(20)에서 사고 발생시를 도시한 것이다.

피동안전계통(200)은 비상냉각수저장부(150, 도 1 참조) 없이, 플레이트형 열교환기(210)가 격납부(21) 외부의 공간에 설치된다. 플레이트형 열교환기(210)는 공랭식의 냉각 방식으로 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 제3유로가 격납부(21)의 외부와 통하도록 형성되고 상기 제3유로로 상기 격납부(21) 외부의 대기를 통과시킨다.

도 2의 우측을 참조하면 원전(20)에서 사고 발생시 플레이트형 열교환기(210)의 제1유로로는 격납부(21) 내부의 대기가 통과하고, 제2유로로는 이차계통유체가 통과하며, 제3유로로는 격납부(21) 외부의 대기가 통과하여 상기 격납부(21) 내부의 대기 및 이차계통유체를 냉각한다.

도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 정상 운전시(우측)와 사고 발생 초기(좌측)를 나타낸 개념도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 피동안전계통(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 사고 발생 중기(좌측)와 후기(우측)를 나타낸 개념도이다.

플레이트형 열교환기(310)는 격납부(31)의 내부에 설치된다. 플레이트형 열교환기(310)는 공랭식의 냉각 방식으로 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 격납부(31)를 관통하는 비상냉각유체 순환배관(341, 342)에 의해 상기 격납부(31)의 외부와 연결되어 제3유로로 상기 격납부(31) 외부의 대기를 통과시킨다.

격납부(31) 내부의 대기를 통과시키는 제1유로는 입구와 출구가 개방되어 상기 격납부(31)의 내부 공간과 통하도록 형성된다. 격납부(31) 내부의 대기는 별도의 배관을 통과하지 않고, 플레이트형 열교환기(310)의 상부로 직접 유입된다. 그리고, 대기는 플레이트형 열교환기(310)의 제1유로를 통과하면서 냉각 및 응축되어 플레이트형 열교환기(310)의 하부로부터 격납부(31)의 내부로 직접 방출된다.

잔열제거유체 순환배관(331, 332)은 제2순환유로를 형성하도록 증기발생기(32b)와 제2유로를 연결한다. 보다 구체적으로, 잔열제거유체 순환배관(331, 332)은 주증기관(34a)과 주급수관(33a)을 플레이트형 열교환기(310)에 연결한다. 증기발생기(32b)에서 방출된 이차계통유체는, 플레이트형 열교환기(310)에 설치된 입구 헤더(312a)를 통해 플레이트형 열교환기(310)로 유입되고 제2유로를 통과하면서 냉각된다. 이차계통유체는 출구 헤더(312b)를 통해 방출되어 다시 증기발생기(32b)로 되돌아간다.

비상냉각유체 순환배관(341, 342)은 격납부(31)를 관통하여 비상냉각수저장부(350)와 플레이트형 열교환기(310)를 연결한다. 비상냉각수저장부(350) 내부의 유체는 비상냉각유체 순환배관(341, 342) 중 입구배관(341) 및 입구 헤더(312a)를 통해 플레이트형 열교환기(310)로 유입되고, 제3유로를 통과하면서 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들로부터 열을 전달받는다. 그리고, 출구 헤더(312b)를 통해 방출되어 다시 비상냉각유체 순환배관(341, 342) 중 출구배관(342)을 통해 비상냉각수저장부(350)로 되돌아간다.

도 3a의 좌측에 도시된 사고 발생 초기의 개념도를 참조하면, 비상냉각유체 순환배관(341, 342)을 통해 비상냉각수저장부(350)의 냉각 유체가 순환하면서 수랭식의 냉각이 이루어진다. 그리고, 도 3b의 좌측에 도시된 사고 발생 중기의 개념도를 참조하면, 냉각 유체의 증발에 의해 비상냉각수저장부(350)의 수위가 감소하였음을 확인할 수 있다. 사고 발생 중기로부터 시간이 흐른 사고 발생 후기는 도 3b의 우측에 도시되어 있다. 비상냉각수저장부(350)의 냉각 유체가 모두 증발하고 격납부(31) 외부의 대기가 비상냉각유체 순환배관(341, 342)을 순환하면서 공랭식의 냉각이 이루어진다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 정상 운전시와 사고 발생시를 나타낸 개념도이다. 도 4의 우측은 원전(40)의 정상 운전시를 도시한 것이고, 좌측은 원전(40)에서 사고 발생시를 도시한 것이다.

플레이트형 열교환기(410)는 격납부(41)의 내부에 설치되며, 도 3a 내지 도 3b에 도시된 피동안전계통(300)과 달리 비상냉각수저장부(350, 도 3a 내지 도 3b 참조)가 설치되지 않는다. 플레이트형 열교환기(410)는 공랭식 전용으로 유체들을 냉각하며, 기타 구성은 도 3a 내지 도 3b에 도시된 피동안전계통(400)과 유사하다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통(500) 및 이를 구비하는 원전(50)의 정상 운전시와 사고 발생시를 나타낸 개념도이다. 원자로냉각재계통(52)을 중심으로 우측이 정상 운전시이고 좌측이 사고 발생시이다.

격납부(51)의 외부에는 비상냉각수저장부(550)에 설치되고, 플레이트형 열교환기(510)는 비상냉각수저장부(550)에 완전히 침지된다. 플레이트형 열교환기(510)는 수랭식의 냉각 방식으로 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 격납부(51)를 관통하는 비상냉각유체 순환배관에 의해 비상냉각수저장부(550)와 연결되어 제3유로로 냉각 유체를 통과시킨다. 이에 따라, 플레이트형 열교환기(510)는 비상냉각수저장부(550)의 냉각 유체를 이용하여 수랭식 전용의 냉각 방식으로 유체들을 냉각한다. 비상냉각수저장부(550)의 냉각 유체가 고갈되기 전에 냉각 유체를 다시 충수해주어 냉각 성능을 유지할 수 있다.

도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통(600) 및 이를 구비하는 원전(60)의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 피동안전계통(600) 및 이를 구비하는 원전(60)의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도이다.

피동안전계통(600)은, 격납부(61) 내부의 대기가 플레이트형 열교환기(610)의 제1유로를 통과하면서 냉각 유체에 의해 냉각 및 응축되어 형성된 응축수를 집수하도록 제1유로의 출구와 연결되거나 제1유로의 출구 하부에 설치되는 응축수 집수부(660) 또는 격납부내재장전수조(미도시)를 포함한다.

응축수 집수부(660) 또는 격납부내재장전수조는, 격납부 연결배관(621, 622) 중 출구배관(622)에 연결될 수 있으며, 이와 달리 격납부 출구배관(622)으로부터 이격되어 상기 출구배관(622)의 하부에 설치될 수도 있다.

원전(60)에는 원자로냉각재계통(62)의 수위를 유지하기 위해 자연력을 이용하여 상기 원자로냉각재계통(62)으로 냉각재를 주입하는 피동안전주입계통(65)이 포함될 수 있다. 피동안전주입계통(65)은 안전주입배관(65a)에 의해 원자로냉각재계통(12)과 연결되며, 안전주입배관(65a)에는 관련 신호에 의해 개방되는 격리밸브(65b) 또는 냉각재의 유동에 의해 개방되는 체크밸브(65c)가 설치될 수 있다.

응축수 집수부(660) 또는 격납부내재장전수조는 상기 응축수를 원자로냉각재계통(62)의 수위 유지에 이용하도록 안전주입배관(65a)에 의해 원자로냉각재계통(62)과 연결된다. 응축수 집수부(660) 또는 격납부내재장전수조와 안전주입배관(65a)을 연결하는 배관(661)에도 격리밸브(661a)와 체크밸브(661b)가 설치될 수 있다.

도 6a의 좌측을 참조하면, 원전(60)에서 사고 발생 초기를 도시한 것으로 플레이트형 열교환기(610)로 유체들이 순환하면서 격납부(61) 내부의 압력 상승이 억제되고, 원자로냉각재계통(62)의 현열과 노심(62a)의 잔열이 제거된다. 특히 냉각재상실사고 등과 같은 사고 발생시 원자로냉각재계통(62)으로 냉각재가 증발하여 격납부(61) 내부에 증기를 형성하는 경우, 증기는 격납부(61) 내부의 대기와 함께 격납부 연결배관(621, 622)을 통해 플레이트형 열교환기(610)에서 냉각 및 응축되어 응축수를 형성한다.

도 6b의 좌측을 참조하면, 원전(60)의 사고 발생 중기를 도시한 것으로 냉각 유체의 증발에 의해 비상냉각수저장부(650)의 냉각 유체 수위가 감소하였음을 확인할 수 있다. 안전주입배관(65a)에 설치된 격리밸브(65b)와 체크밸브(65c)가 개방됨에 따라 피동안전주입계통(65)은 원자로냉각재계통(62)의 수위를 유지시키기 위하여 안전주입배관(65a)을 통해 원자로냉각재계통(62)으로 냉각재를 주입한다.

도 6b의 우측을 참조하면, 원전(60)의 사고 발생 후기를 도시한 것으로 관련신호에 의해 격리밸브(661a)와 체크밸브(661b)가 개방되어 응축수 집수부(660) 또는 격납부내재장전수조에 집수된 응축수는 원자로냉각재계통(62)으로 주입된다.

이와 같이 구성되는 피동안전계통(600)은 일차계통유체와 이차계통유체의 압력 경계를 유지하면서 격납부(61) 내부의 압력 상승을 억제하는 피동격납부냉각계통으로 기능하며, 원자로냉각재계통(62)의 현열과 노심(62a)의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통으로 기능하고, 동시에 사고 발생 후기에 원자로냉각재계통(62)의 수위를 유지하는 피동안전주입계통으로서도 기능할 수 있다.

도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전계통(700) 및 이를 구비하는 원전(70)의 정상 운전시와 사고 발생 초기를 나타낸 개념도이며, 도 7b는 도 7a에 도시된 피동안전계통(700) 및 이를 구비하는 원전(70)의 사고 발생 중기와 후기를 나타낸 개념도이다. 도 1a 내지 도 6b에는 이차계통유체를 순환시키는 방식을 설명하였으나, 도 7a와 7b와 같이 일차계통유체를 순환시키는 방식도 유사하게 적용이 가능하다

피동안전계통(700)은 제2유로로 일차계통유체를 순환시키도록 형성되는 잔열제거유체 순환배관(731, 732)을 구비한다. 잔열제거유체 순환배관(731, 732)은 원자로냉각재계통(72)과 플레이트형 열교환기(710)의 제2유로를 연결한다.

도 7a의 좌측을 참조하면, 원전(70)에서 사고 발생 초기를 도시한 것으로 일차계통유체는 입구배관(731)을 통해 플레이트형 열교환기(710)로 유입되고, 제2유로를 통과하면서 비상냉각수저장부(150)의 냉각 유체에 의해 냉각 및 응축된다. 그리고, 일차계통유체는 주입배관(732)을 통해 다시 원자로냉각재계통(72)으로 주입된다.

도 7b의 좌측은 사고 발생 중기를 도시한 것이고, 도 7b의 우측은 사고 발생 후기를 도시한 것이다.

피동안전계통(700)의 작동에 의해 비상냉각수저장부(750)의 수위는 점점 낮아지면서 수랭식에서 점차 공랭식으로 냉각 방식이 전환된다. 일차계통유체는 지속적으로 플레이트형 열교환기(710)와 원자로냉각재계통(72)을 순환한다. 이에 따라, 원자로냉각재계통(72)의 현열 및 노심(72a)의 잔열은 외부로 배출된다.

이상에서 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)의 구조와 자연 순환에 의한 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)의 작동을 설명하였으나, 실제로 플레이트형 열교환기(110, 210, 310, 410, 510, 610, 710)가 피동안전계통에 적용되는 경우에는 이상(two pahse) 유동 영역에서의 유동 불안 문제, 열교환기 입구에서의 병목 현상 등의 문제가 발생하므로 이를 개선하는 것이 필요하다. 이하에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 본 발명에서 제안하는 플레이트형 열교환기(110, 210, 310, 410, 510, 610, 710)의 구조에 대하여 설명한다.

이하에서의 설명은 제1유로 내지 제2유로를 구분하지 않고 설명할 수도 있으며, 설명하는 바가 대기 제1유로와 제2유로 중 어느 하나에만 한정되는 것으로 명시하지 않는 한, 제1유로 내지 제3유로 중 어느 하나에 대하여 설명하는 바는 다른 유로에도 적용될 수 있다.

이하에서는 도 1a 내지 도 7b에서 설명한 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)에 선택적으로 적용될 수 있는 플레이트형 열교환기(110, 210, 310, 410, 510, 610, 710)의 구체적인 구조에 대하여 설명한다.

도 8 내지 도 14는 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)에 선택적으로 채용될 수 있는 플레이트형 열교환기(810)의 유로 개념도이다.

플레이트형 열교환기(810)에 인쇄기판형 열교환기의 제작기법을 적용하는 경우, 광화학적 식각 기술에 의해 조밀한 유로배치가 가능하며 확산 접합 기술을 이용하여 열교환기의 판 사이의 용접을 제거할 수 있는 구조를 갖으며, 또한 일반적인 판형 열교환기도 조밀한 유로배치가 가능하다.

플레이트형 열교환기(810)는 압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비한다. 상기 채널들은, 상기 격납부(11)의 대기를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제1유로(814, 914, 1014, 도 8 내지 도 23 참조), 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제2유로(815, 915, 1015, 도 8 내지 도 23 참조), 및 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하는 냉각 유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되고 압력 경계를 유지하면서 상기 제1유로 또는 제2유로를 통과하는 유체와 상기 냉각 유체를 열교환 시키도록 상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 하나와 교대로 배열되는 복수의 제3유로(816, 916, 1016, 도 8 내지 도 23 참조)를 포함한다.

각각의 채널은 제1유로(814, 914, 1014), 제2유로(815, 915, 1015) 및 제3유로(816, 916, 1016) 중 어느 하나에 해당한다.

제1유로(814, 914, 1014) 내지 제3유로(816, 916, 1016)의 형태는, 일 방향으로만 유체가 통과하는 형태의 폐쇄형 유로일 수 있다. 이와 달리 상기 일 방향과 교차하는 방향으로도 유체가 통과하는 형태의 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로일 수도 있다. 다만, 플레이트형 열교환기(110, 210, 310, 410, 510, 610, 710)의 설치 위치에 따라 개방향 유로 또는 부분 개방형 유로는 압력 경계를 손상시키지 않는 범위 내에서만 적용 가능하다.

먼저 도 8을 참조하면, 도시된 플레이트형 열교환기(810)는 냉각 유체 또는 격납부(81) 외부의 대기가 흐르는 제3유로(816)의 단면을 나타낸 것이다. 플레이트형 열교환기(810)는 입구 영역(810a), 주열전달 영역(810b) 및 출구 영역(810c)을 포함한다. 입구 영역(810a)은 플레이트형 열교환기(810)에 공급된 냉각 유체를 각각의 제3유로(816)로 분배하는 영역이며, 주열전달 영역(810b)은 플레이트형 열교환기(810)를 통과하는 유체 간의 실질적인 열교환이 이루어지는 영역이고, 출구 영역(810c)은 열교환을 마친 유체들을 각각의 제3유로(816)로부터 모아 방출하는 영역이다. 주열전달 영역(810b)은 입구 영역(810a)과 출구 영역(810c)을 연결하며, 상기 입구 영역(810a)과 출구 영역(810c)의 사이에 형성된다.

냉각 유체 또는 격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 도 1a 내지 도 7b 참조) 외부의 대기 온도는 플레이트형 열교환기(810)를 통과하는 다른 유체들의 온도보다 낮으므로 냉각 유체 또는 대기는 상기 다른 유체들로부터 열을 전달받아 온도가 상승한다. 냉각 유체 또는 격납부(81) 외부의 대기는 온도가 상승하거나 증발하면 밀도가 감소하므로 플레이트형 열교환기(810) 내에서 상승하게 된다.

입구 헤더(813a)는 제3유로의 입구에 설치되어 플레이트형 열교환기(810)로 공급된 유체를 각각의 제3유로(816)에 분배시킨다. 그리고, 출구 헤더(813b)는 제3유로(816)의 출구에 설치되어 제3유로(816)를 통과한 유체들을 모아 배출한다.

입구 헤더(813a)와 출구 헤더(813b)의 설치 위치는 플레이트형 열교환기(810)의 설계에 따라 달라질 수 있다. 특히 플레이트형 열교환기(810)에 인쇄기판형 열교환기의 제작 기법을 적용하는 경우 광화학적 식각 방법에 의해 제조되므로 채널의 구조를 자유롭게 선택할 수 있고, 일반 판형 열교환기도 유로구성이 매우 자유로우므로, 입구 헤더(813a)와 출구 헤더(813b)의 위치도 달라질 수 있다. 또한, 플레이트형 열교환기(810)가 격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 도 1a 내지 도 7b 참조)의 외부에 설치되는 경우의 입출구 헤더(813a, 813b)는 입출구 유동을 원활하게 하기 위한 유로안내구조물로 대체되거나, 경우에 따라 설치되지 않을 수도 있다.

도 9 내지 도 10을 참조하면 입구 헤더(813a)와 출구 헤더(813b)가 각각 플레이트형 열교환기(810)의 측면에 설치되고, 각각의 유로들은 입구 영역(810a)과 출구 영역(810c)에서 절곡되거나 곡선 유로를 형성하여 입구 헤더(813a) 또는 출구 헤더(813b)까지 연장된다.

입구 영역(810a)에서 유로의 연장 방향과 출구 영역(810b)에서 유로의 연장 방향은, 도 9에 도시된 바와 같이 동일한 방향일 수도 있고, 도 10에 도시한 바와 같이 서로 반대 방향일 수도 있으며, 이는 피동안전계통의 설계에 따라 달라질 수 있다.

다음으로 도 11을 참조하면, 유로들은 이상(two phase) 유동에 의한 유동 불안정을 완화하도록, 입구 영역(810a)과 출구 영역(810c)을 연결하는 주열전달 영역(810b)의 유로저항보다 입구 영역(810a)의 유로저항이 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

유로저항을 상대적으로 크게 만드는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으나, 도 11에 도시된 플레이트형 열교환기(810)는 주열전달 영역(810b)의 유로보다 입구 영역(810a)에서의 유로가 작은 폭으로 형성되어 길게 연장되는 방식을 채택하였다.

입구 영역(810a)의 유로는 직선형 유로보다 상대적으로 큰 유로저항을 구비하도록 지그재그 형태로 형성되어 주열전달 영역(810b)에 연결된다. 구체적으로는 입구 영역(810a)의 유로(816a)가 플레이트형 열교환기(810)의 길이 방향과 폭 방향으로 교대로 반복적으로 연결되어 주열전달 영역(810b)까지 연장되는 형태로 형성된다. 입구 영역(810a)의 유로저항을 주열전달 영역(810b)의 유로저항보다 크게 형성함에 따라 이상(two phase) 유동에서의 유동 불안 발생 확률을 감소시킬 수 있다.

유로확대부(816b)는 입구 영역(810a)과 주열전달 영역(810b) 사이에 형성되고, 입구 영역(810a)의 유로(816a) 크기에서 주열전달 영역(810b)의 유로 크기까지 연장 방향을 향해 유로의 폭이 점차 증가하도록 형성된다. 유로확대부(816b)를 지나면서 유로저항은 상대적으로 작아지고, 이후의 주열전달 영역(810b)과 출구 영역(810c)의 유로에서는 상대적으로 작은 유로저항이 유지된다.

도 12를 참조하면, 플레이트형 열교환기(810)의 측면에 배치되는 입구 헤더(813a)와 입구 영역(810a)의 각 제3유로(816)들을 연결하는 공통헤더(813c)가 플레이트형 열교환기(810)에 설치될 수 있다.

공통헤더(813c)는 냉각 유체를 상기 제3유로(816)들에 균등하게 분배하도록 플레이트형 열교환기(810)의 일측부로부터 타측부까지 연장되어 입구 헤더(813a)와 제3유로(816)들을 연결한다. 공통헤더(813c)는 열교환 유체를 유체 유로에 균등하게 분배하여 어느 하나의 유체 유로로 유량이 집중되는 것을 방지하며, 입구 유동의 불안 문제를 극복할 수 있도록 한다.

도 13 및 도 14는 각각 부분 개방형 유로와 개방형 유로를 구비하는 플레이트형 열교환기(810)의 유로 개념도이다.

플레이트형 열교환기(810)는 유체들의 압력 경계를 유지하면서 입구에서의 병목 현상을 완화하도록 측면에서 냉각 유체 또는 대기를 유입시켜 제3유로를 통과하는 유체와 합류 또는 분류시키는 부분 개방형 유로 또는 개방형 유로를 구비한다. 도 13에 도시된 플레이트형 열교환기(810)는 주열전달 영역(810b)의 일부에만 개방적으로 형성되는 부분 개방형 유로를 구비하고, 도 14에 도시된 플레이트형 열교환기(810)는 주열전달 영역(810b)의 전체에 개방적으로 형성되는 개방형 유로를 구비한다.

개방형 유로 또는 부분 개방형 유로를 구비하는 플레이트형 열교환기(810)는 상기 개방형 유로 또는 부분 개방형 유로를 형성하는 종방향 유로(816')와 횡방향 유로(816")를 포함한다. 종방향 유로(816')는 플레이트형 열교환기(810)의 상단부의 입구 영역(810a)과 하단부의 출구 영역(810c)을 연결한다. 횡방향 유로(816")는 입출구의 병목 현상을 완화하도록 플레이트형 열교환기(810)의 양 측면부에 형성되는 입구와 출구를 통해 냉각 유체 또는 대기를 유입 및 유출시키며 종방향 유로(816')와 교차하도록 형성된다.

개방형 유로 또는 부분 개방형 유로가 적용될 수 있는 경우는 제1유로 내지 제3유로를 나누어 설명한다.

먼저, 격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 도 1a 내지 도 7b 참조) 내부의 대기가 통과하는 제1유로(914, 도 15 내지 도 21 참조)의 경우에는, 플레이트형 열교환기(810)가 격납부의 내부에 설치되는가 외부에 설치되는가에 따라 적용될 수 있는 유로가 달라진다. 플레이트형 열교환기(810)가 격납부의 내부에 설치되는 경우에는 개방형 유로가 적용될 수 있으나, 격납부의 외부에 설치되는 경우에는 방사성 물질의 누출을 방지하기 위해 폐쇄형 유로만 적용 가능하다.

다음으로, 일차계통유체 또는 이차계통유체가 통과하는 제2유로(915, 도 15 내지 도 18 참조)의 경우에는, 플레이트형 열교환기(810)의 설치 위치와 관계없이 압력 경계의 손상을 방지하기 위해 폐쇄형 유로만 적용될 수 있다.

마지막으로, 비상냉각수저장부(850)의 냉각 유체 또는 격납부 외부의 대기가 통과하는 제3유로(816)의 경우에는, 플레이트형 열교환기(810)의 설치 위치에 따라 적용될 수 있는 유로가 달라진다. 플레이트형 열교환기(810)가 격납부의 외부에 설치되는 경우, 제3유로(816)에는 폐쇄형 유로, 개방형 유로, 부분 개방형 유로가 모두 적용될 수 있다. 플레이트형 열교환기(810)가 비상냉각수저장부(150, 350, 550, 650, 750, 도 1a 내지 도 7b 참조)의 내부에 수랭식으로 배치되는 경우나, 격납부의 외부에 공랭식 전용으로 설치되는 경우 유체의 흐름을 원활하게 만들도록 개방형 유로가 적용될 수 있다. 다만, 플레이트형 열교환기(810)가 격납부의 내부에 설치되는 경우에는 압력 경계의 손상을 방지하기 위해 폐쇄형 유로만 적용될 수 있다.

수랭식과 공랭식의 혼합식으로 플레이트형 열교환기(810)를 구성하는 경우, 플레이트형 열교환기(810)에는 부분 개방형 유로가 적용될 수 있다. 혼합식으로 구성하는 이유는 사고 발생 초기 원자로의 과냉각 문제를 완화하기 위한 것이다. 급격한 냉각은 원자로의 구조적인 건전성에 문제점을 야기할 수 있기 때문에 냉각률을 제한하는 것이 필요하다. 혼합식 플레이트형 열교환기(810)가 수랭식의 운전 단계에서는 비상냉각수저장부 내부의 냉각 유체 순환을 원활하게 만들고, 공기의 유입에 의한 추가적인 냉각률 증가를 억제하며, 공랭식의 운전 단계에서는 공기의 흐름을 원활하게 만들 수 있다.

도 15 내지 도 21은 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)에 선택적으로 채용될 수 있는 플레이트형 열교환기(910)의 다른 유로 개념도이다.

도 15 내지 도 21에 도시된 플레이트형 열교환기(910)는 제1유로(914)와 제2유로(915) 중 적어도 하나가 도시되어 있으며, 하나의 플레이트에 제1유로(914)와 제2유로(915)가 서로 구분되게 배열된 형태의 플레이트형 열교환기(910)도 도시되어 있다.

먼저, 도 15를 참조하면, 하나의 플레이트에 제1유로(914), 제2유로(915) 및 각각의 입구 헤더(911a, 912a)와 출구 헤더(911b, 912b)가 도시되어 있다. 이와 같이 플레이트형 열교환기(910)는 유로의 구성이 자유로우므로 하나의 플레이트에 제1유로(914)와 제2유로(915)가 동시에 배열될 수 있다. 제1유로(914)와 제2유로(915)는 서로 구분되므로, 상기 제1유로(914)와 제2유로(915)를 통과하는 유체들은 서로 혼합되지 않는다.

다음으로, 도 16을 참조하면, 제1유로(914)는 입구와 출구가 개방되어 입구 헤더(911a, 도 15 참조)나 출구 헤더(911b, 도 15 참조) 없이 격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 도 1a 내지 도 7b 참조) 내부의 대기가 통과할 수 있도록 구성되어 있다. 제2유로(915)는 입구 헤더(912a)와 출구 헤더(912b)를 구비한다. 이와 같은 구성은 플레이트형 열교환기(910)가 격납부의 내부에 설치될 때 가능하다.

도 17을 참조하면, 제1유로(914)는 종방향 유로(914')와 횡방향 유로(914")가 결합되어 개방형 유로로 형성된다. 이와 달리 제2유로(915)는 입구 헤더(912a)와 출구 헤더(912b)가 구비된 폐쇄형 유로로 형성된다.

도 18을 참조하면, 제1유로(914)와 제2유로(915)는 모두 폐쇄형 유로로 형성되나, 제2유로(915)에만 입구 헤더(912a)와 출구 헤더(912b)가 구비된다.

도 15 내지 도 18에 도시된 플레이트형 열교환기(910)는 하나의 플레이트에 제1유로(914)와 제2유로(915)가 함께 구비되나, 도 19 내지 도 21에 도시된 플레이트형 열교환기(910)는 하나의 플레이트에 한 종류의 유로만 구비된다. 이는 플레이트형 열교환기(910)의 유로 구성이 자유롭게 구성될 수 있기 때문이다. 도 19 내지 도 21에 대한 설명은 앞에서 설명한 바로 갈음한다.

도 22 내지 도 23은 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)에 선택적으로 채용될 수 있는 플레이트형 열교환기(1010)의 또 다른 유로 개념도이다.

플레이트형 열교환기(1010)는 복수의 플레이트들이 결합되어 형성되며, 각각의 플레이트에는 제1유로(1014) 내지 제3유로(1016)가 형성된다. 도 22에 도시된 플레이트형 열교환기(1010)는 제1유로(1014) 내지 제3유로(1016)가 서로 다른 플레이트에 형성된다. 제1유로(1014)가 형성된 플레이트, 제2유로(1015)가 형성된 플레이트, 제3유로(1016)가 형성된 플레이트는 순차적으로 반복되게 배열될 수 있다.

이와 달리, 도 23에 도시된 플레이트형 열교환기(1010)는 제1유로(1014)와 제2유로(1015)가 하나의 플레이트에 서로 구분되도록 형성되고, 제3유로(1016)만 다른 플레이트에 형성된다. 제1유로(1014) 및 제2유로(1015)가 형성되는 플레이트와 제3유로(1016)가 형성되는 플레이트도 순차적으로 반복되게 배열될 수 있다.

도 24는 도 1a 내지 도 7b의 피동안전계통(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700)에 선택적으로 적용될 수 있는 복수의 플레이트형 열교환기(1110)의 개념도이다.

(a), (b), (c) 및 (d)는 각각 복수의 플레이트형 열교환기(1110)의 평면도, 좌측면도, 정면도, 우측면도를 나타낸 것이다. 복수의 플레이트형 열교환기(1110)는 각각 케이싱(1118)에 의해 감싸지며, 케이싱(1118)에는 열전달 면적 확장을 위한 냉각핀(1119)이 설치될 수 있다.

격납부(11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 도 1a 내지 도 7b 참조) 외부에 플레이트형 열교환기(1110)가 설치되는 경우, 격납부 내부의 대기는 격납부 연결배관(1121, 1122)의 입구배관(1121)을 통해 플레이트형 열교환기(1110)로 공급되고, 제1유로(미도시)의 입구에 설치된 입구 헤더(1111a)를 통해 각각의 제1유로로 분배된다. 그리고, 제1유로를 통과한 격납부 내부의 대기는 제1유로의 출구에 설치된 출구 헤더(1111b)에 모이고 격납부 연결배관(1121, 1122)의 출구배관(1122)을 통해 다기 격납부 내부로 방출된다. 이 경우 제3유로 및 플레이트형 열교환기(1110) 외부로는 격납부 외부의 냉각 유체 또는 대기가 흐른다. 반대로, 격납부 내부에 플레이트형 열교환기(1110)가 설치되는 경우 격납부 외부 대기가 입출구 헤더(1111a, 1111b)를 통해 제3유로로 공급되고 방출되며, 제1유로와 플레이트형 열교환기(1110) 외부로 격납부 내부의 대기가 흐른다.

일차계통유체 또는 이차계통유체는 잔열제거유체 순환배관(1131, 1132)의 입구배관(1131)을 통해 플레이트형 열교환기(1110)로 공급되고, 제2유로(미도시)의 입구에 설치된 입구 헤더(1112a)를 통해 각각의 제2유로로 분배된다. 그리고, 제2유로를 통과한 일차계통유체 또는 이차계통유체는 제2유로의 출구에 설치된 출구 헤더(1112b)에 모이고 잔열제거유체 순환배관(1131, 1132) 중 출구배관(1132)을 통해 다시 원자로냉각재계통(미도시)으로 되돌아가거나 증기발생기(미도시)로 되돌아간다.

도 25 내지 도 26은 도 24에 도시된 복수의 플레이트형 열교환기(1210)의 배치 개념도이다.

플레이트형 열교환기(1210)는 복수개가 집합되어 열교환기 집합체를 형성한다. 도 25는 열교환기 집합체는 격납부(81)의 내부에 설치되고, 도 26에 도시된 열교환기 집합체는 격납부(11)의 외부에 설치된다.

먼저, 도 25를 참조하면, (a)에 도시된 플레이트형 열교환기(1210)는 격납부(81)의 곡선에 대응하는 형태로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하고 격납부(81)의 내부의 상부에 배치된다. (b)에 도시된 플레이트형 열교환기(1210)는 횡으로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며 격납부(81)의 내부의 상부에 배치된다. (c)에 도시된 플레이트형 열교환기(1210)는 격자형태로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며, 격납부(81) 내부의 상부에 배치된다. (d)에 도시된 플레이트형 열교환기(1210)는 사선으로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며, 격납부(81)의 내부에 상기 격납부(81) 측벽과 인접하도록 배치된다. (e)에 도시된 플레이트형 열교환기(1210)는 횡으로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하고 격납부(81) 내부에 상기 격납부(81) 측벽과 인접하도록 배치된다.

다음으로 도 26을 참조하면, (a)에 도시된 플레이트형 열교환기(1310)는 횡으로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하고 비상냉각수저장부(850)의 내부에 배치된다. (b)에 도시된 플레이트형 열교환기(1310)는 격자 형태로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며 비상냉각수저장부(850)의 내부에 배치된다. (c)에 도시된 플레이트형 열교환기(810) 횡으로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하며 격납부의 외부에 배치된다. (d)에 도시된 플레이트형 열교환기(1310)는 격자 형태로 배열되어 열교환기 집합체를 형성하고 격납부의 외부에 배치된다.

이상에서 설명된 피동안전계통 및 이를 구비하는 원전은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 : 원전
11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 : 격납부
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 : 피동안전계통
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910 : 플레이트형 열교환기
150, 350, 550, 650, 750 : 비상냉각수저장부

Claims (24)

1. 격납부 내부의 대기를 통과시키도록 상기 격납부와 통하는 제1순환유로를 구비하고, 상기 격납부 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환을 통해 상기 격납부 내부의 대기를 냉각하는 피동격납부냉각계통;
   일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 구비하고, 원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열을 제거하도록 열교환을 통해 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 피동잔열제거계통; 및
   압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비하고, 상기 대기, 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 채널들로 통과시켜 냉각하도록 상기 제1순환유로 및 상기 제2순환유로에 연결되는 플레이트형 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
2. 제1항에 있어서,
   상기 채널들은 이상(two phase) 유동에 의한 유동 불안정을 완화하도록, 입구 영역과 출구 영역을 연결하는 주열전달 영역의 유로저항보다 상기 입구 영역의 유로저항이 상대적으로 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
3. 제2항에 있어서,
   상기 입구 영역은, 상기 주열전달 영역보다 작은 폭으로 형성되며, 유로의 길이를 연장시켜 직선형 유로보다 상대적으로 더 큰 유로저항을 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
4. 제3항에 있어서,
   상기 입구 영역과 상기 주열전달 영역 사이에 형성되고, 상기 입구 영역의 유로 크기에서 상기 주열전달 영역의 유로 크기까지 유로의 폭이 점차 증가하도록 형성되는 유로확대부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
5. 제1항에 있어서,
   상기 채널들은,
   상기 격납부의 대기를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제1유로;
   상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되는 복수의 제2유로; 및
   상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하는 냉각 유체를 통과시키도록 서로 이격되게 배열되고, 압력 경계를 유지하면서 상기 제1유로 또는 제2유로를 통과하는 유체와 상기 냉각 유체를 열교환 시키도록 상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 하나와 교대로 배열되는 복수의 제3유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
6. 제5항에 있어서,
   상기 플레이트형 열교환기는 상기 제1유로 내지 제3유로들이 각각 배열되는 제1 내지 제3플레이트를 포함하고,
   상기 제1플레이트 내지 제3플레이트는 순차적으로 반복되게 배열되는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
7. 제5항에 있어서,
   상기 플레이트형 열교환기는 상기 제1유로 및 제2유로들이 함께 배열되는 제1플레이트와 상기 제3유로들이 배열되는 제2플레이트를 포함하고,
   상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 순차적으로 반복되게 배열되는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
8. 제5항에 있어서,
   상기 플레이트형 열교환기로 공급된 유체들을 각 채널들에 분배하도록 상기 제1유로 내지 제3유로 중 적어도 하나의 입구에 형성되는 입구 헤더; 및
   상기 각 채널들을 통과한 상기 유체들을 모으도록 상기 제1유로 내지 상기 제3유로 중 적어도 하나의 출구에 형성되는 출구 헤더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
9. 제5항에 있어서,
   상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 외부에 설치되고,
   상기 피동격납부냉각계통은 상기 제1순환유로를 형성하도록 상기 격납부의 내부와 상기 제1유로를 연결하는 격납부 연결배관을 포함하며,
   상기 피동잔열제거계통은 상기 제2순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치되는 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통과 상기 제2유로를 연결하는 잔열제거유체 순환배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
10. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 공랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록, 상기 제3유로가 상기 격납부의 외부와 통하도록 형성되어 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
11. 제9항에 있어서,
    내부에 상기 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 상기 격납부의 외부에 설치되고, 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 상기 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부를 구비하는 비상냉각수저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
12. 제11항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 수랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 비상냉각수저장부에 침지되어 상기 제3유로로 상기 냉각 유체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
13. 제11항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 수랭식과 공랭식의 혼합 방식으로 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기와 상기 비상냉각수저장부의 냉각 유체 중 적어도 하나를 통과시키는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
14. 제13항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부 외부의 대기와 상기 냉각 유체 중 열전달에 의해 증발된 유체를 상기 비상냉각수저장부의 외부로 직접 방출하도록 상단부가 상기 비상냉각수저장부를 관통하여 상기 비상냉각수저장부의 외부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
15. 제5항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 상기 격납부의 내부 공간에 설치되고,
    상기 제1유로는 입구와 출구가 개방되어 상기 격납부의 내부 공간과 통하도록 형성되며,
    상기 피동잔열제거계통은 상기 제2순환유로를 형성하도록 일차계통과 이차계통의 경계에 배치되는 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통과 상기 제2유로를 연결하는 잔열제거유체 순환배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
16. 제15항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 공랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 격납부를 관통하는 비상냉각유체 순환배관에 의해 상기 격납부의 외부와 연결되어 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
17. 제15항에 있어서,
    내부에 상기 냉각 유체를 저장하도록 형성되어 상기 격납부의 외부에 설치되고, 전달받은 열에 의해 온도 상승시 내부에 저장된 상기 냉각 유체를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상부에 개구부를 구비하는 비상냉각수저장부를 더 포함하고,
    상기 플레이트형 열교환기는 수랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 격납부를 관통하는 비상냉각유체 순환배관에 의해 상기 비상냉각수저장부와 연결되어 상기 제3유로로 상기 냉각 유체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
18. 제17항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는, 수랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 비상냉각유체 순환배관에 의해 상기 비상냉각수저장부와 연결되어 상기 제3유로로 상기 냉각 유체를 통과시키고, 이어서 상기 비상냉각수저장부의 냉각 유체 고갈 후 공랭식의 냉각 방식으로 상기 제1유로 및 제2유로를 통과하는 유체들을 냉각하도록 상기 제3유로로 상기 격납부 외부의 대기를 통과시키는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
19. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 입구에서의 병목 현상을 완화하도록, 상기 채널들의 연장 방향과 교차하는 방향으로 형성되며 측면에서 유체를 유입시켜 상기 채널들을 통과하는 유체와 합류시키는 개방형 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
20. 제1항에 있어서,
    상기 격납부 내부의 대기 및 증기가 상기 제1유로를 통과하면서 냉각 유체에 의해 냉각 및 응축되어 형성된 응축수를 집수하도록 상기 제1유로의 출구와 연결되거나 상기 제1유로의 출구 하부에 설치되는 응축수 집수부 또는 격납부내재장전수조를 더 포함하고,
    상기 응축수 집수부 또는 격납부내재장전수조는 상기 응축수를 상기 원자로냉각재계통의 수위 유지에 이용하도록 안전주입배관에 의해 상기 원자로냉각재계통과 연결되는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
21. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는 입출구의 병목 현상을 완화하도록 복수개로 구비되며,
    상기 플레이트형 열교환기의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 케이싱; 및
    열전달 면적을 확장시키도록 상기 케이싱의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 냉각핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
22. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는, 확산접합에 의해 형성되며 광화학적 식각기술에 의해 조밀한 상기 채널들을 구비하는 인쇄기판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
23. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트형 열교환기는, 플레이트를 압출하여 상기 채널들을 형성하고, 플레이트들을 개스킷, 용접, 브레이징 용접 중 적어도 하나로 결합시킨 판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 피동안전계통.
24. 원자로냉각재계통;
    방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로냉각재계통의 외부를 감싸는 격납부; 및
    사고 시 상기 격납부의 압력 상승을 억제하고, 상기 원자로냉각재계통의 현열과 노심의 잔열을 제거하는 피동안전계통을 포함하고,
    상기 피동안전계통은,
    상기 격납부 내부의 대기를 통과시키도록 상기 격납부와 통하는 제1순환유로를 구비하고, 상기 격납부 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환을 통해 상기 격납부 내부의 대기를 냉각하는 피동격납부냉각계통;
    일차계통유체 또는 이차계통유체를 통과시키는 제2순환유로를 구비하고, 상기 원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열을 제거하도록 열교환을 통해 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 냉각하는 피동잔열제거계통; 및
    압력 경계를 유지하면서 유체 간의 열교환을 유도하도록 플레이트에 서로 구분되게 배열되는 채널들을 구비하고, 상기 대기, 상기 일차계통유체 또는 이차계통유체를 상기 채널들로 통과시켜 냉각하도록 상기 제1순환유로 및 상기 제2순환유로에 연결되는 플레이트형 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.

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