KR20160026229A

KR20160026229A - Ess 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치

Info

Publication number: KR20160026229A
Application number: KR1020140114351A
Authority: KR
Inventors: 길영미; 우일국; 변윤철; 김상명; 오준; 김연태; 엄항섭
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-09
Also published as: KR102227882B1

Abstract

본 발명은 ESS 기반으로 선박용 원자로(10)를 냉각하는 장치에 있어서: 상기 원자로(10)의 폐열을 이용하여 열매체를 기화하고, 터빈(22)과 압축기(24)로 열매체를 순환시켜 발전하는 보조발전수단(20); 및 상기 기화된 열매체로 냉각수펌프(31)를 작동하여 원자로(10) 상의 냉각수를 순환시키는 냉각수단(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 해상 부양식 원자력 발전에서 나오는 폐열을 이용함으로써 전반적인 에너지 효율을 높이고, 추가적인 비상 발전 시스템 구축으로 인해 더욱 안전한 원전 설비의 확보가 가능한 효과가 있다.

Description

ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치{Emergency cooling apparatus for marine nuclear reactor based on ESS}

본 발명은 원자로 냉각에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 CO₂를 액화 및 압축시켜 용기에 저장한 후 이를 비상 에너지로 사용하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치에 관한 것이다.

해상 부양식 원자력 발전소는 해양 생태계에 미치는 영향에 대한 검증을 필요로 하지만 지진해일의 영향이 적으면서 거의 무한대의 자원인 해수를 활용하여 냉각하는 장점에 기인하여 향후 활용성이 기대된다. 물론 이 경우에도 원자력 발전의 특성상 사고에 의한 원자로의 정지시 노심을 냉각시키는 비상냉각 시스템의 신뢰성이 확보되어야 한다.

이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2014-0012817호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2013-0130994호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 원자로를 차폐하는 격납고의 외부 상부에 위치하고, 내부에 해수가 저장되는 해수저장탱크와, 격벽 내부에서 원자로의 이상 유무를 감지하는 격납고센서와, 해수저장탱크에 해수를 공급하는 펌프와, 격납고센서의 신호를 받아서 격납고의 내부에 해수저장탱크에 저장된 해수를 공급하고, 펌프를 가동시켜 해수저장탱크 내부로 해수를 추가 공급하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 냉각을 위한 해수를 안정적으로 공급할 수 있는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 원자력 발전 설비의 원자로 비상 냉각 시스템에 있어서, 비상시 원자로에 냉각수를 공급하여 냉각하는 비상 노심냉각 장치(ECCS)와, 가압 후 태양열로 가열한 고온수를 비상시 원자로에 공급하여 원자로를 냉각시키는 태양열 온수 냉각부를 포함한다. 이에 따라, 고온의 원자로를 냉각시킬 때 발생할 수 있는 원자로 및 관련 설비의 손상가능성을 해결하는 효과를 기대한다.

1. 한국 공개특허공보 제2014-0012817호 "해상용 원자력 발전소의 비상 냉각 시스템" (공개일자 : 2014. 2. 4.) 2. 한국 공개특허공보 제2013-0130994호 "비상용 원자로 냉각 시스템" (공개일자 : 2013. 12. 3.)

상기와 같은 원자로 비상 냉각에 착안하기 위한 본 발명의 목적은, 해상 부양식 원자력 발전에서 발생하는 폐열을 이용하여 CO₂를 기화한 후 이를 발전에 이용하며, 비상상황에서 냉각펌프를 가동하여 원자로에 냉각수 공급이 가능하도록 하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ESS 기반으로 선박용 원자로를 냉각하는 장치에 있어서: 상기 원자로의 폐열을 이용하여 열매체를 기화하고, 터빈과 압축기로 열매체를 순환시켜 발전하는 보조발전수단; 및 상기 기화된 열매체로 펌프를 작동하여 원자로 상의 냉각수를 순환시키는 냉각수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 보조발전수단은 원자로의 펀넬에 인접하여 폐열을 흡수하도록 설치되는 열매체 저장조를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 열매체 저장조는 브레이튼(Brayton) 사이클의 히터 측으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 냉각수단의 펌프는 유공압구동부에 더하여 터빈구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 냉각수단의 터빈구동부는 분기관을 개재하여 브레이튼(Brayton) 사이클의 히터 측으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 해상 부양식 원자력 발전에서 나오는 폐열을 이용함으로써 전반적인 에너지 효율을 높이고, 추가적인 비상 발전 시스템 구축으로 인해 더욱 안전한 원전 설비의 확보가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비상냉각 장치를 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 비상냉각 장치의 주요부 연결을 나타내는 블럭도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 ESS 기반으로 선박용 원자로(10)를 냉각하는 장치에 관하여 제안한다. 해양 원자력 발전을 위한 원자로(10)는 일반적인 선박이나 잠수함 등을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것이 하니고 육상의 원자력 발전에도 적용할 수 있다. 어느 경우에나 원자력 발전은 비상용 디젤발전기, 배터리 등을 포함하는 에너지 저장 시스템(ESS)를 구비한다.

본 발명에 따르면 보조발전수단(20)이 상기 원자로(10)의 폐열을 이용하여 열매체를 기화하고, 터빈(22)과 압축기(24)로 열매체를 순환시켜 발전하는 구조를 특징으로 한다. 이와 같은 보조발전수단(20)의 발전 방식으로 브레이튼(Brayton) 사이클이 선호되지만 반드시 이에 국한되지 않는다. 브레이튼 사이클 방식은 히터(21), 터빈(22), 쿨러(23), 압축기(24)로 구성된다. 본 발명은 CO₂를 열매체로 하는 초임계 CO₂ 발전시스템을 적용하는 바, 크기를 소형화하면서 효율을 높일 수 있다. 이는 임계압력 이상의 초고압으로 압축된 CO₂를 고온으로 가열하여 터빈(22)과 발전기(28)를 구동한다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 보조발전수단(20)은 원자로(10)의 펀넬(15)에 인접하여 폐열을 흡수하도록 설치되는 열매체 저장조(26)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 열매체 저장조(26)는 열매체인 CO₂를 초고압으로 압축한 상태로 저장하며 열교환기(도시 생략)를 개재하여 펀넬(15)에 인접하게 설치된다. 해양 원자력 발전에 있어서 펀넬(15)은 원자로(10)의 상측으로 설치되어 고온의 공기를 외부로 배출한다.

이때, 상기 열매체 저장조(26)는 브레이튼(Brayton) 사이클의 히터(21) 측으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 초임계 CO₂ 발전 사이클은 최소 압력이 73기압 이상의 임계압력 이상으로 작동한다. 히터(21)는 고압의 초임계 CO₂를 최대 공정온도까지 가열한다. 열매체 저장조(26)는 밸브(36)를 개재하여 히터(21)의 상류단으로 연결되고 평상시 브레이튼 사이클에서 열매체의 부족분을 보충한다. 물론 열매체 저장조(26)가 폐쇄된 상태에도 히터(21)는 별도의 열원(도시 생략)으로 브레이튼 사이클을 지속한다.

또, 본 발명에 따르면 냉각수단(30)이 상기 기화된 열매체로 냉각수펌프(31)를 작동하여 원자로(10) 상의 냉각수를 순환시키는 구조를 특징으로 한다. 냉각수단(30)은 원자로(10)를 냉각시키는 수단으로서 배관상에 다수의 냉각수펌프(31), 밸브 등을 구비한다. 냉각수펌프(31)는 열매체 저장조(26)에 저장된 기화 상태의 열매체로 구동되므로 원자로(10)에 대한 냉각을 지속할 수 있다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 냉각수단(30)의 냉각수펌프(31)는 유공압구동부(32)에 더하여 터빈구동부(38)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 냉각수펌프(31)는 평상시 유공압으로 작동하기 위한 유공압구동부(32)를 구비한다. 반면 열매체 저장조(26)의 열매체는 고온 고압 상태이므로 별도의 터빈구동부(38)를 구비하는 것이 좋다. 즉, 냉각수펌프(31)는 임펠러와 연결된 하나의 구동축에 유공압구동부(32)와 터빈구동부(38)를 동시에 구비한다.

이때, 상기 냉각수단(30)의 터빈구동부(38)는 분기관(35)을 개재하여 브레이튼(Brayton) 사이클의 히터(21) 측으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 분기관(35)은 히터(21)의 하류단과 냉각수펌프(31)의 터빈구동부(38)를 연결하며 별도의 밸브(34)를 개재하여 유로를 단속한다. 이 경우 열매체 저장조(26)의 열매체가 히터(21)를 거치면서 승온되어 구동력을 증대한다.

한편, 본 발명의 냉각수단(30)은 반드시 냉각수펌프(31)를 포함하는 냉각시스템에 한정되지 않는다. 일예로 냉각제 저장조에 수용된 냉각제를 핵열원의 외부에 고압으로 분사하는 냉각시스템에도 적용 가능하다. 이 경우에도 본 발명의 분기관(35)으로 공급되는 열매체를 이용하여 냉각 분사를 위한 펌프(도시 생략)를 구동할 수 있다.

작동에 있어서, 평상시 펀넬(15)의 폐열을 이용하여 열매체인 CO₂를 기화한 후 열매체 저장조(26)에 저장하고, 일부의 열매체는 브레이튼 사이클을 이용하여 발전에 이용하며, 선박 전복 등의 비상상황시 침수로 인하여 원자로(10) 및 관련 장비에 전력이 공급되지 않는 경우, 밸브(34)(36)를 개방하여 냉각수펌프(31)를 가동하여 냉각수 공급을 지속시킨다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 원자로 15: 펀넬
20: 보조발전수단 21: 히터
22: 터빈 23: 쿨러
24: 압축기 26: 열매체 저장조
28: 발전기 30: 냉각수단
31: 냉각수펌프 32: 유공압구동부
34: 밸브 35: 분기관
36: 밸브 38: 터빈구동부

Claims

ESS 기반으로 선박용 원자로(10)를 냉각하는 장치에 있어서:
상기 원자로(10)의 폐열을 이용하여 열매체를 기화하고, 터빈(22)과 압축기(24)로 열매체를 순환시켜 발전하는 보조발전수단(20); 및
상기 기화된 열매체로 냉각수펌프(31)를 작동하여 원자로(10) 상의 냉각수를 순환시키는 냉각수단(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 보조발전수단(20)은 원자로(10)의 펀넬(15)에 인접하여 폐열을 흡수하도록 설치되는 열매체 저장조(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 열매체 저장조(26)는 브레이튼(Brayton) 사이클의 히터(21) 측으로 연결되는 것을 특징으로 하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각수단(30)의 냉각수펌프(31)는 유공압구동부(32)에 더하여 터빈구동부(38)를 구비하는 것을 특징으로 하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 냉각수단(30)의 터빈구동부(38)는 분기관(35)을 개재하여 브레이튼(Brayton) 사이클의 히터(21) 측으로 연결되는 것을 특징으로 하는 ESS 기반의 선박용 원자로 비상냉각 장치.