KR20150089615A - 다중 액체금속 충수를 통한 원자로용기 외벽 냉각 방법 및 이를 이용한 원자로용기 외벽 냉각 시스템 - Google Patents

다중 액체금속 충수를 통한 원자로용기 외벽 냉각 방법 및 이를 이용한 원자로용기 외벽 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 원자로용기 외벽의 냉각시스템은, 노심 용융물이 수용된 원자로용기; 상기 원자로용기의 외벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치된 제1원자로공동; 및 상기 제1원자로공동의 격벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치된 제2원자로공동을 포함하여 이루어지며, 상기 제1원자로공동 내의 상기 원자로용기 외벽과 접하여 상기 노심 용융물로부터 발생되는 열을 제거하기 위한 냉각재가 충수되도록 구성되며, 상기 냉각재는 서로 다른 밀도를 갖는 적어도 2 이상의 액체금속들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 액체금속 충수를 통한 원자로용기 외벽 냉각 방법 및 이를 이용한 원자로용기 외벽 냉각 시스템{Method for Cooling an External Reactor Vessel by Flooding with Multiple Liquid Metals, and System for Cooling an External Reactor Vessel Using the Same Method}
본 발명은 다중 액체금속 충수를 통한 원자로용기 외벽 냉각 방법 및 이를 이용한 원자로용기 외벽 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밀도 차이가 나는 복수의 액체 금속들로 이루어진 냉각재를 원자로용기 외벽 냉각용으로 사용하여 열적 안정성을 도모함과 동시에 액체금속 충수 설비에 대한 비용 문제를 해결할 수 있는, 다중 액체금속 충수를 통한 원자로용기 외벽 냉각 방법 및 이를 이용한 원자로용기 외벽 냉각 시스템에 관한 것이다.
원자로는 안정성 평가에 따라 설계된 각종 안전설비가 오작동하여 노심(Reactor Core) 냉각이나 반응도 제어가 적절히 이루어지지 않는 경우에 노심에 중대한 손상이 발생하는 중대사고가 발생하게 된다. 이러한 중대사고의 주요 현상으로는, 핵연료 피복재 산화로 인한 수소 발생과 폭발, 핵연료의 용융과 용융된 핵연료의 원자로용기 내 거동, 원자로용기 파손, 증기 폭발, 격납건물(Reactor Containment Building) 직접 가열, 노심 용융물-콘크리트 반응 및 격납건물 과압 등이 있는데, 특히 중대사고의 전체 피해 규모에 직접적으로 영향을 미치는 현상은 원자로의 용기가 파손된 이후에 주로 발생하는 격납건물의 파손이다. 이러한 중대사고의 여러 현상은 그 전개 과정이 대단히 불확실하고 복잡하므로 중대사고를 분석하거나 관리하는 데에 어려움이 많은 실정이다.
최근, 중대사고 발생시, 원자로의 용기 외벽을 침수시킴으로써 원자로용기 내부의 노심 용융물로부터 발생하는 붕괴열을 제거하여 원자로용기가 파손되는 것을 방지하는 원자로 외벽 냉각 기술이 원자로의 중대사고를 관리하는 주요 기술로 대두됨에 따라, 해외의 여러 경수로에서는 이러한 원자로 외벽 냉각 기술을 고려하여 설계에 반영하는 추세이다. 그 예로, 도 5에 도시된 미국 웨스팅하우스의 신형 경수로 AP1000에서의 원자로 외벽 냉각 방법을 들 수 있다.
이 방법에 따르면, 원자로의 노심이 용융되어 노심 용융물(125)이 생성되는 중대사고가 발생하는 경우 원자로공동(Reactor Cavity; 140)으로 냉각수를 투입하여 원자로공동(140)의 저면에서부터 1차측 배관(150) 접합부까지의 공간을 냉각수로 채워줌으로써 원자로의 외벽을 침수시킨다. 원자로공동(140)에 냉각수가 채워지면 채워진 냉각수의 압력에 의해 열 차폐체(130) 하부의 냉각수 입구(134)가 열리고, 이를 통해 냉각수가 열 차폐체(130) 내부로 유입되며, 내부로 유입된 냉각수는 자연대류현상에 의해 원자로용기(120)의 외벽을 따라 열 차폐체(130) 상부에 있는 냉각수 출구(135)를 통해 다시 원자로공동(140)으로 배출되게 된다.
다시 말해서, 원자로공동(140) → 냉각수 입구(134) → 열 차폐체(130) 내부 → 냉각수 출구(135) → 원자로공동(140)의 순으로 냉각수가 지속적인 자연 순환을 하며 원자로의 외벽을 냉각하게 된다.
이러한 원자로공동 침수에 의한 원자로 외벽 냉각 방법은 해외는 물론 국내에서도 대부분의 경수로에서 원자로의 외벽을 냉각하는 방법으로 채택되어 사용되고 있다. 또한, 상기 냉각수로는 비용 및 획득의 용이성을 고려하여 물을 이용하는 것이 일반적이다.
그러나, 이와 같이 냉각수로 물을 이용하는 경우, 원자로 노심용융물(125)이 원자로용기(120)를 뚫고 원자로공동(140)으로 유출되거나 상기 원자로 노심용융물(125)에 의해 열차폐체(130) 및 원자로공동(140)의 물이 증발하여 원자로 외벽이 증기막으로 덮이게 되면 임계열유속 현상이 발생하면서 열 제거능력 제한을 야기하여 결국 원자로가 손상을 입어 노심용융물이 노외로 유출되는 사고가 발생하는 문제점이 있었다.
한편, 최근에는 냉각수 대신에 액체금속을 냉각재로 사용하여 원자로용기 외벽을 냉각하는 기술이 본 출원의 발명자에 의해 기제안된바 있다(대한민국 특허출원 제10-2012-0117868호). 그러나, 이러한 갈륨 또는 갈륨 합금과 같은 단일 액체금속을 사용한 냉각 방법 또한 액체금속 충수 설비에 있어서 많은 비용이 요구되는 문제점이 존재한다.
한국 공개특허공보 제2011-0037497호(2011.04.13), 원자로 용기의 외벽 냉각 장치 한국 공개특허공보 제2008-0112776호(2008.12.26), 가압경수형 원자로의 노심용융 방지를 위한 노외 냉각 구조
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 서로 밀도 차이를 갖는 적어도 두 종류 이상의 액체금속들로 이루어진 냉각재를 원자로용기 외벽 냉각용으로 사용하여 열적 안정성을 도모함과 동시에 단일 액체금속을 사용할 경우 설비 비용이 증가하는 문제를 해결할 수 있는, 다중 액체금속 충수를 통한 원자로용기 외벽 냉각 방법 및 이를 이용한 원자로용기 외벽 냉각 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원자로 외벽 냉각방법은, 원자로공동 내의 원자로용기 외벽과 접하도록 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 제거하는 냉각재를 사용하고, 상기 냉각재에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되며, 상기 냉각재는 서로 다른 밀도를 갖는 적어도 2 종류 이상의 액체금속들인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 또 다른 본 발명에 의한 원자로용기 외벽의 냉각시스템은, 노심 용융물이 수용된 원자로용기; 상기 원자로용기의 외벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치된 제1원자로공동; 및 상기 제1원자로공동의 격벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치된 제2원자로공동을 포함하여 이루어지며, 상기 제1원자로공동 내의 상기 원자로용기 외벽과 접하여 상기 노심 용융물로부터 발생되는 열을 제거하기 위한 냉각재가 충수되도록 구성되며, 상기 냉각재는 서로 다른 밀도를 갖는 적어도 2 이상의 액체금속들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 제1 액체금속과 상기 제1 액체금속보다 높은 밀도를 갖는 제2 액체금속으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 액체금속과 상기 제2 액체금속의 경계층은 상기 원자로 용기의 반구 하부를 기준으로 0.5 내지 1.5 m에 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 액체금속과 상기 제2 액체금속의 경계층은 상기 원자로용기 내부의 반구 하부에 위치되는 손상된 핵연료의 높이보다 낮게 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 액체금속은 갈륨 또는 갈륨합금을 포함하고, 상기 제2 액체금속은 수은 또는 수은합금을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 상기 원자로공동보다 상부에 위치된 적어도 하나 이상의 액체금속 저장탱크로부터 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 별도의 분리막이 존재하지 않는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 저장되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 설치된 별도의 분리막을 포함하는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 서로 구분되어 저장되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 분리막은 액체금속들 사이의 화학작용 및 확산에 의한 혼합을 방지하기 위한 얇은 박판 형상으로 이루어지고 수평 방향으로 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 분리막은 수직 방향으로 설치된 것을 특징으로 하고, 상기 분리막을 중심으로 밀도가 더 높은 액체금속이 저장된 제1 챔버에 액체금속 배출구가 형성되고, 상기 분리막의 하단에는 상기 제1 챔버와 인접한 제2 챔버에 저장된 액체금속이 상기 제1 챔버로 이동할 수 있도록 하기 위하여 압력차에 의해 회전가능한 회전체가 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 회전체는 시계 또는 반시계 방향으로 회전가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원자로용기 외벽 냉각 시스템에 의하면, 액체금속으로 이루어진 냉각재를 원자로용기 외벽 냉각용으로 사용하여 열적 안정성을 도모하여, 원자로용기 외벽에 증기막이 형성되면서 발생하는 임계열유속 현상으로 인한 노심용융물이 노외로 유출되는 사고를 방지할 수 있으며, 원자로 공동 충수 시, 가장 큰 부피를 차지하는 원자로 하부 부분을 값싼 수은 및 수은 합금으로 충수시키고 그 위에 갈륨 또는 갈륨 합금을 충수시키는 등 서로 밀도가 다른 2 이상의 액체금속을 충수시킴에 의해 액체금속 충수 설비의 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 액체금속들이 저장 및 공급되는 위치를 원자로공동의 위치보다 높게 설정하고 다양하게 액체금속들이 내부에 배치될 수 있도록 함에 의하여, 피동안정계통방식인 중력을 이용한 충수전략을 채택하여 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할 수 있으며 나아가 피동적으로 초기 액체금속 배치를 설계된 값으로 가져갈 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 액체금속들의 배치 개념도,
도 2는 수은 충수시 내부 온도 분포도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체금속 충수시스템의 구성을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 액체금속들 저장탱크 내의 액체금속들에 대한 배치도,
도 5는 종래 기술에 따른 원자로용기 외벽 냉각 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자로용기 외벽 냉각시스템은 기본적으로 복수의 종류의 액체금속들(111)로 이루어진 냉각재를 원자로용기(10)의 외벽 냉각용으로 사용하여 열적 안정성을 도모함과 동시에 기존에 단일 액체금속만을 냉각재로 사용하는 경우에 비해 경제적으로 매우 유리한 효과가 있다. 이는 본 발명의 개념을 설명하는 도 1에 의하면 명확하게 이해될 수 있다.
도 1 (a)는 기존의 단일 액체금속 충수 개념에 관한 것이며, 도 1 (b)는 본 발명에서와 같은 다중 액체금속 충수 개념에 관한 것이다.
비록 도 1 (b)에서는 두 종류의 액체금속들을 예시적으로 도시하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 2 이상의 액체금속들이 사용될 수 있다. 중요한 것은 도 1 (b)에서와 같은 액체금속들의 배치를 위해서는 사용된 액체금속들의 밀도차가 존재하여야만 하며, 동 도면에서는 제1 액체금속의 밀도가 제2 액체금속의 밀도보다 크다.
일반적으로 제1 액체금속로서 갈륨 또는 갈륨합금이 사용될 수 있으며, 제2 액체금속로서 수은 또는 수은합금이 사용될 수 있다. 일반적으로 수은 등과 같이 제2 액체금속로 사용되는 액체금속은 값싼 물질로 사용되는 것이 바람직한데, 이는 액체금속 충수설비의 비용을 절감할 수 있기 때문이다.
즉, 도 1에서 붉게 표시된 부분으로 도시된 바와 같이, 손상된 핵연료는 원자로용기 하부에 위치하게 되는데, 통상적으로 가장 높은 열이 발생하는 부분은 원자로용기 상부에 위치하며 하부 기준으로 약 1.6 내지 2 m 지점에 해당한다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이 수은(끓는점: 365℃) 충수 시 내부 온도분포에 대한 해석결과에 따른 것이며, 이 부분에서 수은의 비등이 발생하므로 임계열 유속 현상 가능성이 존재하고 이는 수은 증기 발생을 의미한다. 그러므로 이 부분 전까지 수은이 충수되어야 하고, 결국 제1 액체금속과 제2 액체금속의 경계층은 원자로 용기의 반구 하부를 기준으로 0.5 내지 1.5 m에 형성되도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 일반적으로, 제1 액체금속과 제2 액체금속의 경계층은 원자로용기 내부의 반구 하부에 위치되는 손상된 핵연료의 높이보다 낮게 형성되도록 구성된다.
이러한 액체금속들은 원자력발전소 정상운전 시에는 별도의 저장탱크에서 보관되며, 보관방식으로 후술하는 다양한 방법을 따를 수 있다(도 4 참조). 이를 통해서 피동적으로 초기 액체금속 배치를 설계된 값으로 가져갈 수 있다.
이와 같이, 원자력 발전소 비상 상황 발생시, 원자로 반구 하부를 기준으로 일정 높이까지 상대적으로 저가이면서 밀도가 큰 수은 및/또는 수은 합금과 같은 제2 액체금속을 충수시키고, 충수된 합금 위에 갈륨 및/또는 갈륨 합금과 같은 제1 액체금속을 충수시키면, 도 1 (b)에서와 같은 밀도에 의한 자연스러운 배치가 가능하게 된다. 결국, 비상운전상황에 따른 원자로 공동 충수 시, 가장 큰 부피를 차지하는 원자로 하부 부분을 값싼 수은 및 수은 합금 등과 같은 액체금속으로 충수시켜 전체적으로 액체금속 충수 설비의 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 이러한 본 발명에 의한 기본 개념을 구체적으로 구현한 냉각/충수시스템을 나타낸다.
도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 냉각시스템은 제1원자로공동(110), 제2원자로공동(120), 다중 액체금속 저장탱크(111) 및 냉각수 저장탱크(122) 등을 포함하여 이루어진다.
먼저, 제1원자로공동(110)은, 노심용융물이 수용된 원자로용기(10)로부터 가열된 열을 전달받아 냉각시키도록 서로 다른 밀도를 갖는 2 이상의 다중 액체금속들(111)을 수용하는 용기부로서, 상기 원자로용기(10)의 외벽으로부터 일정간격 이격되어 원자로용기(10)를 둘러싸는 형태로 배치되고, 내부에는 상기 원자로용기(10)의 외벽과 접하며 순환공급되는 액체금속들(111)이 충수된다.
여기서, 상기 액체금속들(111)로서 제1 액체금속인 갈륨(Gallium)/갈륨 합 금, 제2 액체금속인 수은/수은 합금을 이용할 수 있으며, 이는 별도로 배치된 인근의 액체금속 저장조(111)에 저장되어 상기 제1원자로공동(110)과 액체금속 저장조(111)를 상호 연결하는 액체금속 공급관(113)을 통해 충수되는 액체금속들(111)을 공급받으며, 상기 액체금속 공급관(113) 상에 배치된 액체금속 공급밸브(114)를 이용하여 제1원자로공동(110)에 공급되는 액체금속(111)의 유량을 제어할 수 있다.
이때, 상기 액체금속 저장조(111)는 원자로용기(10) 보다 상부에 위치되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 액체금속(111)이 중력에 의해 제1원자로공동(110)의 내부로 제공되도록 하기 위함인데, 본 발명은 이와 같이 피동안정계통인 중력을 이용한 충수방식을 채택함으로써 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할수 있게 된다. 비록 도시되지는 않았지만, 상기 액체금속 저장조(111)에는 가열장치가 구비되어 있어 저장된 액체금속(111)가 액체상태를 유지하도록 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 이러한 액체금속 저장조에서의 이종 액체금속들의 배치도는 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 별도의 분리막이 존재하지 않는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 저장될 수 있고, 대안적으로 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 설치된 별도의 분리막을 포함하는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 서로 구분되어 저장될 수도 있다. 분리막은, 액체금속들 사이의 화학작용 및 확산에 의한 혼합을 방지하기 위한 얇은 박판 형상으로 이루어지고 수평 방향으로 설치되거나, 또는 수직 방향으로 설치되되 상기 분리막을 중심으로 밀도가 더 높은 액체금속이 저장된 제1 챔버에 액체금속 배출구가 형성되고 상기 분리막의 하단에는 상기 제1 챔버와 인접한 제2 챔버에 저장된 액체금속이 상기 제1 챔버로 이동할 수 있도록 하기 위하여 압력차에 의해 시계/반시계 방향으로 회전가능한 회전체가 형성될 수 있다. 이와 같은 액체금속 저장탱크 내부의 배치를 자유롭게 설계함으로써, 피동적으로 원하는 충수배치를 가져올 수 있다.
구체적으로 먼저, 도 4에 도시된 제1안은 제1 액체금속, 2가 별도의 분리막 없이 같이 저장된 경우를 의미하며, 비중에 의한 자연스러운 배치가 형성되는 특징이 있다.
다음, 제2안은 제1 액체금속, 2가 얇은 박판에 의해서 분리된 경우를 나타낸다. 이러한 얇은 박판에 의해서 이종의 액체금속들 사이의 화학작용 및 확산에 의한 혼합을 방지할 수 있다. 제2 액체금속가 원자로 공동 충수를 위해 빠져나갈 경우, 액체금속1의 하중에 의해서 얇은 박판이 손상되어 자연스럽게 제1 액체금속이 충수되는 특징이 있다.
그리고, 제3안은 제1 액체금속, 2가 수직으로 형성된 판에 의해서 분리되어 각각 좌우의 제1, 제2 챔버에 저장된 경우이다. 먼저 제2 액체금속가 제2 챔버 하단부에 형성된 배출구를 통해 빠져나가게 되면, 제2 액체금속의 공간은 비어지게 된다. 이때, 도 4에서 주황색으로 표기된 회전체 좌우에 압력차가 발생하므로 동 도면의 화살표로 도시된 같이 회전체가 움직이게 된다. 이로 인해 생긴 틈을 통해서 제1 액체금속이 제2 챔버를 통해 빠져나가는 특징이 있다.
마지막으로, 제4안은 제3안과 마찬가지로 제1 액체금속, 2가 수직으로 형성된 판에 의해서 분리된 경우이며, 제3안과 비슷하게 압력차에 의해서 생긴 틈으로 제1 액체금속이 빠져나가는 경우이다. 다만, 제3안에 의한 경우와는 달리, 중력 또한 회전체의 운동에 관여하므로 제3안보다 보다 안정적으로 회전체가 개방되는 장점을 갖는다.
도 3에 도시된 제2원자로공동(120)은, 제1원자로공동(110)에 충수된 액체금속(111) 및 제1원자로공동(110)의 격벽으로부터 가열된 열을 전달받아 냉각시키는 냉각수(121)를 수용하는 용기부로서, 상기 제1원자로공동(110)의 격벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치되고, 내부에는 상기 격벽과 접하여 순환공급되는 냉각수(121)가 충수된다.
여기서, 상기 냉각수(121)는 통상적으로 이용되는 물을 이용할 수 있으며, 별도로 배치된 인근의 저수조(122)에 저장되어 상기 제2원자로공동(120)과 저수조(122)를 상호 연결하는 냉각수 공급관(126)을 통해 충수되는 냉각수(121)를 공급받으며, 상기 냉각수 공급관(126) 상에는 제2원자로공동(120)의 내부로 공급되는 냉각수(121)의 유량을 제어하는 냉각수 공급밸브(124,125) 및 냉각수(121)를 일정압력으로 가압하여 펌핑해주는 하나 이상의 펌프(123)가 배치될 수 있다.
또한, 상기 저수조(122)에는 노심이 용융되는 중대사고시에 원자로용기(10)의 외벽을 냉각시키기 위한 냉각수(121)가 저장되는데, 상기 원자로용기(10)가 배치되는 격납건물의 내부에 구비되는 핵연료 재장전수조(In-containment Refueling Water Storage Tank : IRWST)를 저수조(122)로 사용하면 상기 제2원자로공동(120)에 충수시키기 위한 별도의 저수조 설비 없이도 기존의 설비를 이용하여 냉각시스템을 구성할 수 있다.
한편, 대안적으로, 앞서 설명한 제1, 2 원자로 공동의 구분없이 하나의 원자로 공동으로 구성된 시스템이 구성될 수도 있다. 이 경우, 이종의 액체금속들은 저수조(40)로부터의 순환 냉각수와 함께 하나의 원자로 공동 내부에 충수되도록 구성된다. 이러한 구성에 의하면, 액체금속들과 냉각수 사이의 밀도 차이에 의하여 자연스럽게 냉각수가 상부에 위치되며 액체금속들은 하부에 위치되게 되어 액체금속들에 의해 제거된 열이 냉각수로 최종적으로 전달된다. 이 경우에도 마찬가지로 기존의 냉각수 충진을 위한 배관설비 및 수원(IRWST)설비를 그대로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 원자로 발전소에 추가 차폐막과 같은 새로운 구조물을 추가로 설치할 필요가 없으므로 설계를 단순화시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...원자로용기 110...제1원자로공동
120...제2원자로공동 111...다중 액체금속 저장탱크
122...냉각수 저장탱크

Claims (22)

  1. 원자로 외벽 냉각방법으로서,
    원자로공동 내의 원자로용기 외벽과 접하도록 충수되어 원자로 노심으로부터 발생되는 열을 제거하는 냉각재를 사용하고, 상기 냉각재에 의해 제거된 열은 순환 냉각수로 전달되어 최종적으로 제거되도록 구성되며,
    상기 냉각재는 서로 다른 밀도를 갖는 적어도 2 종류 이상의 액체금속들인 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 제1 액체금속과 상기 제1 액체금속보다 높은 밀도를 갖는 제2 액체금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 액체금속과 상기 제2 액체금속의 경계층은 상기 원자로 용기의 반구 하부를 기준으로 0.5 내지 1.5 m에 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 액체금속과 상기 제2 액체금속의 경계층은 상기 원자로용기 내부의 반구 하부에 위치되는 손상된 핵연료의 높이보다 낮게 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 액체금속은 갈륨 또는 갈륨합금을 포함하고, 상기 제2 액체금속은 수은 또는 수은합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 상기 원자로공동보다 상부에 위치된 적어도 하나 이상의 액체금속 저장탱크로부터 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 별도의 분리막이 존재하지 않는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 설치된 별도의 분리막을 포함하는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 서로 구분되어 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분리막은 얇은 박판 형상으로 이루어지고 수평 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분리막은 수직 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각방법.
  11. 원자로용기 외벽의 냉각시스템으로서,
    노심 용융물이 수용된 원자로용기;
    상기 원자로용기의 외벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치된 제1원자로공동; 및
    상기 제1원자로공동의 격벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치된 제2원자로공동;
    을 포함하여 이루어지며,
    상기 제1원자로공동 내의 상기 원자로용기 외벽과 접하여 상기 노심 용융물로부터 발생되는 열을 제거하기 위한 냉각재가 충수되도록 구성되며, 상기 냉각재는 서로 다른 밀도를 갖는 적어도 2 이상의 액체금속들을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 제1 액체금속과 상기 제1 액체금속보다 높은 밀도를 갖는 제2 액체금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 액체금속과 상기 제2 액체금속의 경계층은 상기 원자로 용기의 반구 하부를 기준으로 0.5 내지 1.5 m에 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 액체금속과 상기 제2 액체금속의 경계층은 상기 원자로용기 내부의 반구 하부에 위치되는 손상된 핵연료의 높이보다 낮게 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 액체금속은 갈륨 또는 갈륨합금을 포함하고, 상기 제2 액체금속은 수은 또는 수은합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 상기 원자로공동보다 상부에 위치된 적어도 하나 이상의 액체금속 저장탱크로부터 중력에 의해 상기 원자로공동 내부로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 별도의 분리막이 존재하지 않는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 2 종류 이상의 액체금속들은 내부에 설치된 별도의 분리막을 포함하는 하나의 액체금속 저장탱크 내에 서로 구분되어 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 분리막은 액체금속들 사이의 화학작용 및 확산에 의한 혼합을 방지하기 위한 얇은 박판 형상으로 이루어지고 수평 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 분리막은 수직 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 분리막을 중심으로 밀도가 더 높은 액체금속이 저장된 제1 챔버에 액체금속 배출구가 형성되고, 상기 분리막의 하단에는 상기 제1 챔버와 인접한 제2 챔버에 저장된 액체금속이 상기 제1 챔버로 이동할 수 있도록 하기 위하여 압력차에 의해 회전가능한 회전체가 형성된 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 회전체는 시계 또는 반시계 방향으로 회전가능한 것을 특징으로 하는 원자로 외벽 냉각시스템.
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KR102556952B1 (ko) * 2022-03-18 2023-07-19 한국과학기술원 초소형 원자로 구현을 위한 용융염-금속 원자로

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