KR20160115065A - 나선형 전열관을 이용하는 액체금속-공기 열교환기 및 이를 구비하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템 - Google Patents

나선형 전열관을 이용하는 액체금속-공기 열교환기 및 이를 구비하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템 Download PDF

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정지영
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은, 상하 방향으로 연장되어 형성되는 외피관(shroud), 상기 외피관의 내주 상부에 구비되고, 고온관을 통하여 유입되는 액체금속을 수용하여 배출하도록 이루어지는 어퍼 챔버(upper chamber), 상기 외피관의 내주 하부에 구비되고, 액체금속을 배출시키는 저온관이 연결되는 로워 챔버(lower chamber), 공기를 유입시키는 상 방향의 제1유로를 형성하는 공기 유입관, 공기를 유출시키는 상 방향의 제2유로를 형성하는 공기 유출관, 상기 공기 유입관 및 상기 공기 유출관에 연결되는 내통 및 상기 내통의 외주와 상기 외피관의 내주 사이의 제1 환형 공간에서 나선형의 방향으로 감겨지고, 양 단부가 상기 어퍼 챔버 및 상기 로워 챔버에 연결되어 상기 액체금속을 유동시키는 복수 개의 전열관을 포함하고, 공기는 상기 제1유로를 통해 유입되고, 상기 제1 환형 공간을 지나면서 상기 전열관의 내부의 액체금속을 냉각시키며, 상기 제2유로를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기를 개시한다.

Description

나선형 전열관을 이용하는 액체금속-공기 열교환기 및 이를 구비하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템{EFFECTIVE COOLING FLOW PATH DESIGN AND SUPPORT CONSTITUTION OF HELICALLY COILED LIQUID METAL-TO-AIR HEAT EXCHANGER WITH AN EXTERNAL AIR COOLING MECHANISM AND RESIDUAL HEAT REMOVAL SYSTEM OF LIQUID METAL COOLED REACTORS HAVING THE SAME}
본 발명은 나선형 전열관을 포함하는 관-통형 열교환기(shell-and-tube type heat exchanger)의 효율적인 냉각유로 구성에 관한 것이며, 상기 관-통형 열교환기를 포함하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템에 관한 것이다.
냉각재의 자연순환 메커니즘을 이용하는 액체금속 냉각 원자로의 경우, 안전성 확보를 위한 가장 중요한 요소 중의 하나인 비상 노심 잔열제거 계통의 작동 신뢰성을 향상시키고자 하는 노력이 원자력 선진 각국에서 활발히 진행되고 있으며, 이와 같은 추세는 2011년 동일본 대지진으로 인한 후쿠시마 원전사고 이후 전반적인 원자력 안전문화 목표의 강화로 이어지고 있다.
본 발명은 이러한 목표 달성을 위한 노력의 일환으로서 공기 냉각 메커니즘의 열 시스템(thermal system)에 대한 효과적인 냉각 특성 확보 및 작동 신뢰성의 획기적인 향상이라는 측면, 그리고 대규모 화학플랜트 등에 대한 상업적 이용 가능성 등에서 충분한 상업적 가치를 갖는것으로 판단된다.
종래기술의 액체금속-공기 열교환기 설계개념은 열교환기 냉각재 유로구성의 불확실성 및 비현실성, 그리고 설계의 완성도 저하 등으로 인해 구조적 건전성과 작동 신뢰성 확보를 위한 구체적인 실시설계가 어려웠던 점이 있었다.
열교환기에서 공기 냉각 메커니즘은 별도 설비의 도입이나 운전 조작 없이 외부공기의 유입에 의해 자발적으로 열을 제거할 수 있다는 점에서 매력적이며, 이와 같은 특징으로 인해 원자력발전소나 화학 플랜트와 같이 안정적인 열침원(heat sink)이 요구되는 산업에 효과적으로 적용될 수 있는 기술이다.
하지만, 물이나 다른 냉각 유체들에 비해 상대적으로 적은 열용량을 갖는 공기의 특성으로 인해 이와 같은 공기 냉각 메커니즘의 효율적 활용을 위해서는 공기와 접촉하는 전열 면을 확장할 필요가 있다. 이를 위해, 충분히 큰 전열면적 확보를 위하여 전열관 외주면에 핀(Fin)을 설치하거나 나선형 전열관 군(群)을 이용하여 전열면적 밀도(heat transfer area density)를 증가시키는 공기냉각 열교환기 설계개념들이 연구, 개발 및 도입되어 활용되고 있다.
나선형 공기 열교환기의 경우, 전열관 외부의 공기 유동을 냉각에 효율적으로 활용하기 위하여 전열관 내부에 일차측 냉각재가 유동하는 전열관 배열뿐만 아니라 전열관 외부 shell측의 이차측 공기유동의 유로 형상에 대한 적절한 배치설계가 요구되며, 이를 위해 다양한 설계상의 노력이 요구된다.
액체금속-공기 열교환기는 일차 냉각재(hot medium) 및 이차 냉각재(cold medium)인 공기 유동이 얼마나 안정적으로 잘 형성되는지에 따라 그 전열 성능이 결정된다. 따라서 신뢰성 높은 제열 성능 확보와 관련하여 해당 설계기준을 만족시키기 위해서는 전 운전기간 동안 안정적인 일/이차 냉각재 공급이 보장되어야 한다.
하지만 종래기술에서는 이와 관련된 개념적인 설계 특징만 제시하고 있을 뿐, 작동성 확보 및 개선을 위한 구체적인 유로구성 방법 및 어떠한 실시 설계안도 제시하지 않고 있다.
특히 액체금속-공기 열교환기 하부로부터의 공기유입을 자연흡기(free intake)로만 규정하고 있을 뿐, 이에 대한 구체적인 실시 설계를 제시하고 있지 않기 때문에 본 열교환기가 원자력발전소나 화학 플랜트와 같이 열 계통(thermal system)의 일부로 기능을 수행하는 경우, 주계통(main system)과의 연결 및 연계와 관련한 모호성을 내포하고 있어 구체적인 실시 설계가 매우 어려운 실정이다.
따라서 본 발명은 종래기술의 모호하고 불확실성이 큰 일/이차 냉각 메커니즘의 유로 구성을 개선하면서도, 실시 설계에 적합한 액체금속 냉각재 및 공기의 유량 확보를 가능하도록 하는 동시에 종래기술의 구조적 문제점(설치 및 유지/보수 측면 포함) 및 일차 냉각재(hot medium) 혼합에 의한 성능 불확실성을 해소하고자 한다.
본 발명의 일 목적은 열교환기의 1차 및 2차 냉각재의 유로와 관련하여, 유로 구성의 불확성을 극복하고자 하는데 있다.
본 발명의 다른 일 목적은 2차 냉각재의 유동을 안정적으로 형성하여 안정적인 제열성능을 확보할 수 있는 구조를 제시하는데 있다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 종래 기술의 설치 및 유지/보수 측면의 구조적 문제점 및 일차 냉각재 혼합에 의한 성능 불확실성을 해소하는데 있다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 액체금속-공기 열교환기는 상하 방향으로 연장되어 형성되는 외피관(shroud); 상기 외피관의 내주 상부에 구비되고, 고온관을 통하여 유입되는 액체금속을 수용하여 배출하도록 이루어지는 어퍼 챔버(upper chamber); 상기 외피관의 내주 하부에 구비되고, 액체금속을 배출시키는 저온관이 연결되는 로워 챔버(lower chamber); 공기를 유입시키는 상 방향의 제1유로를 형성하는 공기 유입관; 공기를 유출시키는 상 방향의 제2유로를 형성하는 공기 유출관; 상기 공기 유입관 및 상기 공기 유출관에 연결되는 내통; 및 상기 내통의 외주와 상기 외피관의 내주 사이의 제1 환형 공간에서 나선형의 방향으로 감겨지고, 양 단부가 상기 어퍼 챔버 및 상기 로워 챔버에 연결되어 상기 액체금속을 유동시키는 복수 개의 전열관을 포함하고, 공기는 상기 제1유로를 통해 유입되고, 상기 제1 환형 공간을 지나면서 상기 전열관의 내부의 액체금속을 냉각시키며, 상기 제2유로를 통해 배출된다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 전열관은, 상기 내통의 외주에서 상기 외피관의 내주를 향하는 방향으로 복수의 열(row)로 배치되며 감겨져서 전열면적 밀도를 증가시키도록 이루어지는 곡선관부; 상기 곡선관부의 상측 단부에서 연장되고, 상기 어퍼 챔버의 하단에 연결되는 제1직선관부; 및 상기 곡선관부의 하측 단부에서 연장되고, 상기 로워 챔버의 상단에 연결되는 제2직선관부를 포함한다.
상기 어퍼 챔버의 바닥면은 배출홀(hole)을 복수 개 구비하는 관판(tubesheet)으로 이루어지고, 상기 배출홀의 내부에는 상기 제1직선관부가 삽입되어 액체금속을 배출시킬 수 있다.
상기 제1직선관부는 상기 배출홀에 용접으로 결합될 수 있다.
상기 제1직선관부의 단부는 액체금속의 유동 성능을 향상시키도록 상기 배출홀의 내주에 배치될 수 있다.
상기 로워 챔버의 상면은 유입홀(hole)을 복수 개 구비하는 관판(tubesheet)으로 이루어지고, 상기 유입홀의 내부에는 상기 제2직선관부가 삽입되어 액체금속을 유입시키도록 이루어질 수 있다.
상기 제2직선관부는 상기 유입홀에 용접으로 결합될 수 있다.
상기 제2직선관부의 일 단부는 액체금속의 유동 성능을 향상시키도록 상기 유입홀을 관통하여 배치될 수 있다.
상기 곡선관부는, 홀수 번째 열(row)은 제1방향으로 감겨지고, 짝수 번째 열은 상기 제1방향과 반대되는 제2방향으로 감겨지는 교차 감김 방식(alternate winding method)으로 이루어져서 상기 제1 환형 공간을 통과하는 공기의 전열저항(heat transfer resistance)을 감소시킬 수 있다.
상기 배출홀(hole) 및 상기 유입홀(hole)은 상기 외피관(shroud)의 중심축과 평행하게 배치될 수 있다.
상기 복수의 곡선관부의 자중에 의한 하방향으로의 처짐을 방지하고, 상기 제1 환형 공간에서의 상기 복수의 곡선관부의 격리를 방지하기 위해, 상기 곡선관부에는 상기 곡선관부의 일부를 감싸도록 이루어지는 지지구조물이 설치될 수 있다.
상기 지지구조물은, 상하방향을 따라 이격되도록 형성되고, 상기 곡선관부의 외주에 접촉되는 복수 개의 곡면부; 및 상기 복수 개의 곡면부 사이에서 형성되어 상기 곡선관부의 수직 방향으로 간격을 유지시키는 이격부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 내통의 하단과 상기 공기 유입관 상단 사이에는 원주방향을 따라 소정 거리 이격되도록 복수 개의 제1부재가 연장되고, 상기 복수 개의 제1부재 사이의 공간에는 공기를 상기 제1 환형 공간으로 유입시키도록 이루어지는 공기 유입 통풍구가 형성되고, 상기 내통의 상단과 상기 공기 유출관 하단 사이에는 원주방향을 따라 소정 거리 이격되도록 복수 개의 제2부재가 연장되고, 상기 복수 개의 제2부재 사이의 공간에는 공기를 상기 제2유로로 유출시키도록 이루어지는 공기 유출 통풍구가 형성된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 어퍼 챔버는 환형으로 형성되어 내부에 제2 환형 공간을 구비하고, 상기 로워 챔버는 환형으로 형성되어 내부에 제3 환형 공간을 구비한다.
상기 공기 유입관은 적어도 일부가 상기 제3 환형 공간에 의해 둘러쌓인 공간에 배치될 수 있다.
상기 공기 유출관은, 적어도 일부가 상기 제2 환형 공간에 의해 둘러쌓인 공간에 배치되며, 동일한 단면적으로 연장되어 형성되는 제1부분; 및 상기 제2유로에서의 공기의 압력 손실을 감소시키도록 상부로 갈수록 단면적이 넓어지는 제2부분을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 공기 유입관에는 유입되는 공기의 유량을 조절하도록 이루어지는 댐퍼가 설치된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 내통은 상기 내통 내부로의 공기 유입을 방지하도록 상단 및 하단이 막혀있는 구조이다.
상기 내통의 상단 및 하단에는 개폐가능하도록 이루어지는 개폐부재가 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템은 원자로의 노심을 통과한 액체금속이 유입되는 고온 냉각재 풀; 상기 고온 냉각재 풀로부터 유입되는 액체금속을 냉각하기 위한 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(decay heat exchanger, DHX); 상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기 보다 높은 위치에 구비되는 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따르는 액체금속-공기 열교환기; 상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기에서 배출되는 액체금속을 상기 액체금속 공기 냉각 열교환기로 유입시키도록 이루어지는 고온관; 상기 액체금속 공기 냉각 열교환기에서 냉각된 액체금속을 상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기로 유입시키도록 이루어지는 저온관; 상기 고온 냉각재 풀 내에 배치되고, 상기 고온 냉각재 풀과 상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기를 격리하여 격리 환형공간 냉각재 풀을 형성하는 원자로 배럴(barrel); 상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기를 통과한 액체금속이 유입되는 중간열교환기(Intermediate Heat Exchanger, IHX); 상기 중간열교환기를 통과한 액체금속이 유입되는 저온 냉각재 풀; 및 상기 액체금속의 순환을 위한 펌프를 포함한다.
본 발명의 액체금속-공기 열교환기는 상방향의 유로를 형성하는 공기 유입관 및 공기 유출관을 구비하여, 안정적인 공기 냉각을 가능하게 하고, 2차 냉각재인 공기의 유로 구성의 불확실성을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 액체금속-공기 열교환기의 전열관은 교차 감김 방식으로 이루어져서 제1 환형 공간 내에서 유동하는 공기의 전열저항을 감소시며, 제열성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 액체금속-공기 열교환기의 어퍼 챔버 하부는 관판의 구조를 이루며, 관판의 배출홀에 직선관부가 용접 결합 되어서, 어퍼 챔버의 1차 냉각재가 완전히 배출될 수 있으며 이로 인해 작동 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 액체금속-공기 열교환기의 내통의 양 단에는 개폐 가능한 맨홀이 설치되어 작업자가 내통의 내부 또는 공기 유출관에서 계측, 유지 및 보수를 가능하게 하여 유지 또는 보수 측면의 구조적 문제점을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기 및 열교환기 내부에서 액체금속 및 공기의 유동을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 종단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기를 포함하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템에 대한 개념도.
도 4는 본 발명에서 고려하는 폐회로 배관계의 개념도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기의 개념도.
도 6a는 도 5에서의 액체금속 및 공기의 유동을 나타내는 종단면도.
도 6b는 도 5에서의 공기의 유동을 나타내는 종단면도.
도 7은 도 5의 종단면도.
도 8은 전열관의 상세구조를 나타내는 개념도.
도 9는 도 5의 내피관 내부의 일부를 나타내는 개념도.
도 10은 어퍼 및 로워 챔버의 관판구조를 나타내는 개념도.
도 11a는 어퍼 챔버와 제1직선관부의 결합관계를 도시하는 개념도.
도 11b는 로워 챔버와 제2직선관부의 결합관계를 도시하는 개념도.
도 12는 지지구조물의 상세 구조를 나타내는 개념도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기를 포함하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템에 대한 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 액체금속(Liquid metal)-공기 냉각 열교환기 및 이를 구비하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명과 관련된 냉각재로서, 1차 냉각재(hot medium)와 2차 냉각재(cold medium)가 서술된다.
본 발명의 1차 냉각재로는 소듐(Sodium), 납(Pb), 납-비스무스(Pb-Bi), 용융염(Molten Salt), 및 갈륨(Ga) 등의 액체금속이 될 수 있다. 또한 본 발명에서의 액체금속은 1차 냉각재를 의미한다.
본 발명의 2차 냉각재는 공기가 될 수 있으며, 본 발명에서의 공기는 2차 냉각재의 의미이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(100) 및 열교환기 내부에서 액체금속 및 공기의 유동을 나타내는 개념도이다. 또한, 도 2는 도 1의 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(100) 및 액체금속 및 공기의 유동에 관하여 서술한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 액체금속(Liquid metal)-공기 열교환기(100)는 외피관(110), 어퍼 챔버(120), 로워 챔버(130), 공기 유입구(140), 공기 유출구(150), 내통(160) 및 전열관(170)을 포함한다.
외피관(shroud, 110)은 액체금속-공기 열교환기(100)의 외관을 형성하며, 내부에 이하 서술하는 여러 구성요소들을 수용하도록 이루어진다. 외피관(110)은 상하 방향으로 연장되는데, 나선형의 전열관(170)을 수용하도록 원통형으로 형성될 수 있다.
외피관(110)의 내부에는 상대적으로 고온인 액체금속과 공기가 유동하는 다양한 유로가 형성되기 때문에, 외피관(110)은 고온에 견딜 수 있으며, 열을 외부로 배출하기 용이한 금속으로 형성됨이 바람직하다.
외피관(110) 내부의 상측에는 어퍼 챔버(120)가 설치되는데, 어퍼 챔버(120)는 고온관(123)을 통하여 유입되는 액체금속(1차 냉각재)이 저장되었다가, 후술하는 전열관(170)으로 배출하도록 이루어진다. 어퍼 챔버(120)는 원통형으로 형성될 수 있다. 어퍼 챔버(120)의 측면에는 복수의 전열관(170) 일 단부가 삽입될 수 있어서, 측면 방향으로 전열관(170)을 통하여 액체금속(1차 냉각재)을 방출할 수 있다.
어퍼 챔버(120)에서 배출되는 액체금속은 전열관(170)으로 유입되게 된다. 전열관(170)은 복수 개로 이루어지며, 내부에 액체금속이 유동하는 유로가 형성되고, 어퍼 챔버(120) 및 후술하는 로워 챔버(130)에 연결된다. 내통(160)의 외주와 외피관(110)의 내주 사이의 환형공간(115)에서 나선형의 방향으로 감겨지게 된다.
전열관(170)은 복수의 열(row)로 배치되는 구조를 이루어는데, 전열관(170)은 시계 방향(또는 반시계 방향)으로 감겨질 수 있다. 전열관(170)이 복수로 감겨지는 구조를 형성함으로써, 상대적으로 같은 크기의 공간에 많은 유로를 형성할 수 있어서 전열면적 밀도를 증가시킬 수 있다.
전열관(170)은 나선형으로 감겨지는 곡선부(171), 어퍼 챔버(120)에 결합되는 상측 전열관(173) 및 로워 챔버(130)에 결합되는 하측 전열관(175)을 포함할 수 있다.
상측 전열관(173)은 벤딩되는 부분을 일부 포함할 수 있으며, 어퍼 챔버(120)의 측면에 삽입될 수 있다. 또한, 상측 전열관(173)은 어퍼 챔버(120)에 용접 결합될 수 있다.
하측 전열관(175) 역시 벤딩되는 부분을 일부 포함할 수 있다. 하측 전열관(175)은 로워 챔버(130)의 상면에 삽입될 수 있는데, 로워 챔버(130)의 상면과 용접 결합될 수 있다.
외피관(110) 내부의 중앙에는 전열관(170)에 의해 감겨지는 내통(160)이 설치된다. 내통(160)은 일례로 원통형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 상면과 하면은 막혀있는 구조를 이루어서 2차 냉각재인 공기가 내통(160)의 내부로 유입될 수 없게 한다.
외피관(110) 내부의 하측에는 로워 챔버(130)가 결합되는데, 액체금속은 로워 챔버(130)의 상측에 삽입된 하측 전열관(175) 내부에서 로워 챔버(130)로 이동하고, 로워 챔버(130) 내부에 적체된 액체금속은 로워 챔버(130)에 연결된 저온관(cold-leg, 133)을 통하여 배출된다. 저온관(133)은 도시되는 바와 같이 로워 챔버(130)의 하면 또는 측면에 결합될 수 있다.
로워 챔버(130)는 어퍼 챔버(120)와 마찬가지로 원통형으로 형성되어 내부에 액체금속의 수용이 가능하다. 로워 챔버(130)의 상면에는 하측 전열관(175)이 삽입될 수 있다.
외피관(110)의 외주 하부에는 공기가 유입될 수 있는 공기 유입구(140)가 설치될 수 있다. 공기 유입구(140)를 통해 유입된 공기는 환형공간(115)으로 이동하며 전열관(170)의 내부에서 유동하는 액체금속을 냉각시킨다.
한편, 외피관(110)의 상측에는 공기 유출구(150)가 설치될 수 있는데, 이를 통해 공기를 외부로 배출시키도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(100)를 포함하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템(100a)에 대한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX; decay heat exchanger, 181)는 원자로 고온 냉각재 풀(182) 지역에 배치된다.
이 경우, 1차 계통 냉각재펌프(185)가 정지하는 과도기 작동 모드에서 노심(186)을 통과하는 고온의 액체금속이 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(181)로 유입되어 계통의 열을 본 발명의 액체금속-공기 열교환기로 전달한다.
한편, 여기서, 중간열교환기(187)는 2개가 1조로 구성될 수 있고, 각 조별로 원자로 외부에 위치하는 증기발생기(steam generater, 미도시)와 연결되어 정상운전시 원자로 노심(189)에서 발생하는 열을 제거하게 된다.
그 후, 액체금속은, 중간열교환기(187)의 전열관 번들지역을 거쳐 저온 풀(188)로 유입되고, 노심(186)을 거쳐 고온 냉각재 풀(182) 지역으로 다시 순환하게 된다.
즉, 상기한 바와 같은 과정을 통하여, 노심(186), 고온 냉각재 풀(182), 격리 환형공간 냉각재 풀(184), 중간열교환기(IHX, 187), 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX, 181), 저온 냉각재 풀(188) 및 노심(186)으로 냉각재가 유동되는 구성되는 과도기 순환유로 구조를 형성한다.
한편, 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(181)에는 고온관(123) 및 저온관(133)이 연결되어 있는데, 고온관(123)은 팽창탱크(Expansion vessel, 123a)를 거쳐서 액체금속-공기 열교환기(100)로 고온의 액체금속을 유입시고, 액체금속-공기 열교환기(100)에서 냉각된 액체금속은 저온관(133)을 통해 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(181)로 유입된다. 액체금속-공기 열교환기(100)에 관한 설명은 도 1 및 도 2 부분의 설명 내용으로 갈음하기로 한다.
도 4는 본 발명에서 고려하는 폐회로 배관계(100b, 200b)의 개념도이다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 열의 이동에 대하여 간략히 서술한다.
도 4의 개념도에는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(100, 200), 고온관(123, 223), 저온관(133, 233) 및 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX, 181, 281)가 도시되어 있다.
액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX, 181, 281)는 Heat Source의 역할을 하며 열을 공급받는다. 한편 공급된 열에 의해 가열된 1차 냉각재(액체금속)는 고온관(123, 223)을 따라서 유동하며 액체금속-공기 열교환기(100, 200)로 유입된다. 액체금속-공기 열교환기(100, 200)는 Heat Sink의 역할을 하며 외부로 열을 배출하여 액체금속의 온도를 낮추도록 한다. 후술하는 바와 같이, 2차 냉각재인 공기에 의해 액체금속은 냉각되며 저온관(133, 233)을 통해 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX, 181, 281)로 다시 유입되게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(200)의 개념도이다. 도 6a는 도 5에서의 액체금속 및 공기의 유동을 나타내는 종단면도이고, 도 6b는 도 5에서의 공기의 유동을 나타내는 종단면도이다. 한편, 도 7은 도 5의 종단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(200)에 대하여 서술한다. 액체금속-공기 열교환기(200)는 외피관(210), 어퍼 챔버(220), 로워 챔버(230), 공기 유입관(240), 공기 유출관(250), 내통(260) 및 전열관(270)을 포함한다.
외피관(shroud, 210)은 액체금속-공기 열교환기(200)의 외관을 형성하며, 내부에 이하 서술하는 여러 구성요소들을 수용하도록 이루어진다. 외피관(210)은 상하 방향으로 연장되는데, 일례로 후술하는 나선형의 전열관(270)을 수용하도록 원통형으로 형성될 수 있다.
외피관(210)의 내부에는 상대적으로 고온인 액체금속과 공기가 유동하는 다양한 유로가 형성되기 때문에, 외피관(210)은 고온에 견딜 수 있으며, 외부는 단열재로 보온하여 고온 액체금속이 유동하는 전열관으로부터 제거되는 열이 제1환형공간을 유동하는 공기로만 전달되도록 구성한다. 이런 구조는, 열제거량을 예측 가능하게 하거나 필요시에 열제거량을 적절히 조절 가능하게 한다.
외피관(210)의 내주 상부에는 고온관(223)을 통하여 유입되는 액체금속이 저장되었다가, 후술하는 전열관(270)으로 배출하도록 이루어지는 어퍼 챔버(220)가 결합된다. 어퍼 챔버(220)는 환형으로 형성되어 내부에 제2 환형 공간(225)을 구비할 수 있는데, 전체적으로 도넛의 형상일 수 있다. 어퍼 챔버(220)의 바닥면은 배출홀(237)을 복수 개 구비하는 관판(tubesheet)으로 이루어질 수 있으며, 상기 배출홀(237)에는 후술하는 전열관(270)의 일 단부가 삽입될 수 있다. 배출홀(237)은 외피관(210)의 중심축과 평행하게 형성될 수 있으며, 이로 인해 배출홀(237)에 결합되는 제1직선관부(273)는 벤딩 없는 직관(straight tube)의 구조를 이룰 수 있다. 따라서 액체금속의 배출성능이 향상될 수 있다.
어퍼 챔버(220)의 바닥면이 관판으로 이루어지므로, 하방향으로의 냉각재의 배출이 가능해지며, 이는 어퍼 챔버(220)의 측면 방향으로 냉각재를 배출하는 구조에 비해 유리한 구조가 된다. 예를 들면, 어퍼 챔버(220) 내부의 액체금속은 하측으로 배출되기에 어퍼 챔버(220) 안쪽 하부에 냉각재가 고이지 않고 냉각재의 배출을 가능하게 하며, 냉각재의 압력손실을 감소시키는 구조를 형성한다.
어퍼 챔버(220)에서 배출되는 액체금속은 전열관(270)으로 유입되게 된다. 전열관(270)은 복수 개로 이루어지며, 내부에 액체금속이 유동하는 유로가 형성되고, 어퍼 챔버(220) 및 후술하는 로워 챔버(230)에 연결된다. 내통(260)의 외주와 외피관(210)의 내주 사이의 제1 환형 공간(215)에서 나선형의 방향으로 감겨지게 된다.
도 8은 전열관(270)의 상세구조를 나타내는 개념도이다. 도 8을 참조하여 전열관(270)의 상세구조에 대하여 서술한다.
전열관(270)은 내통(260)의 외주와 외피관(210)의 내주 사이에서 감겨지는 곡선관부(271), 곡선관부(271)의 상측 단부에서 연장되고, 어퍼 챔버(220)의 하단에 연결되는 제1직선관부(273) 및 곡선관부(271)의 하측 단부에서 로워 챔버(230)의 상단에 연결되는 제2직선관부(275)를 포함할 수 있다.
곡선관부(271)는 내통(260)의 외주에서 외피관(210)의 내주를 향하는 방향으로 복수의 열(row)로 배치되는 구조를 이루게 된다. 특히, 곡선관부(271)는 홀수 번째 열(row)은 제1방향으로 감겨지고, 짝수 번째 열은 제1방향과는 반대의 방향인 제2방향으로 감겨질 수 있다. 제1방향은 시계방향(또는 반시계 방향)이고, 제2방향은 반시계 방향(또는 시계방향)일 수 있다.
상기 곡선관부(271)의 구조와 같은, 각각의 열이 반대방향으로 감겨지는 감김 방식을 교차 감김 방식(alternate winding method)이라고 한다. 교차 감김 방식으로 배치되는 곡선관부(271)는 복수의 열이 한 방향(일례로, 시계방향)으로만 감겨지는 방식에 비해 제1 환형 공간(215) 내에서 상대적으로 열을 균일하게 분산시킬 수 있다. 또한, 같은 크기의 공간에 많은 유로를 형성할 수 있어서 전열면적 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 10은 어퍼 및 로워 챔버의 관판구조를 나타내는 개념도이다.
도 11a는 어퍼 챔버(220)와 제1직선관부(273)의 결합관계를 도시하는 개념도이고, 도 11b는 로워 챔버(230)와 제2직선관부(275)의 결합관계를 도시하는 개념도이다.
도 10을 참조하여 어퍼 및 로워 챔버의 관판구조에 대하여 서술하고, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 어퍼 챔버(220) 및 로워 챔버(230)에 연결되는 제1 및 제2직선관부(273, 275)의 결합관계에 대하여 서술한다.
제1직선관부(273)는 상방향으로 연장되는데, 복수의 열의 곡선관부(271)의 상측 단부에서 어퍼 챔버(220)의 하단에 연결된다. 일례로 제1직선관부(273)는 벤딩(bending)되지 않는 직선의 관의 형태로 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이 어퍼 챔버(220)의 하단은 관판으로 이루어지고, 제1직선관부(273)는 관판의 배출홀(237)에 삽입된다.
한편, 제1직선관부(273)는 어퍼 챔버(220)의 하단의 배출홀(237)에 삽입된 후 용접으로 결합될 수 있다. 제1직선관부(273)의 배출홀(237)에 삽입되는 측의 단은 배출홀(237) 내주에 라운드진 부분에 용접되어서, 액체금속이 어퍼 챔버(220)에서 제1직선관부(273)로 잘 배출될 수 있는 구조를 형성하도록 한다.
제2직선관부(275)는 하방향으로 연장되는데 복수의 열의 곡선관부(271)의 하측 단부에서 로워 챔버(230)의 상단에 연결된다. 일례로, 제2직선관부(275)는 벤딩되지 않은 직선의 관의 형태로 이루어질 수 있다. 로워 챔버(230)의 상단은 복수 개의 유입홀(227)을 구비한 관판으로 이루어지는데, 제2직선관부(275)는 유입홀(227)에 삽입된다. 관판 구조는 도 10에 도시되어 있다. 유입홀(227)은 일례로, 외피관(210)의 중심축과 평행하게 형성될 수 있으며, 이로 인해 유입홀(227)에 결합되는 제2직선관부(275)는 벤딩 없는 직관(straight tube)의 구조를 이룰 수 있다. 따라서 액체금속의 유동성능이 향상될 수 있다.
한편, 제2직선관부(275)는 로워 챔버(230)의 상단의 유입홀(227)에 삽입된 후 용접으로 결합될 수 있다. 제1직선관부(273)가 배출홀(237)의 내주에서 라운드진 부분에 용접되는 것과는 다르게, 제2직선관부(275)는 유입홀(227)을 관통하여 로워 챔버(230)의 상면과 용접이 되는 일례가 도 11b에 도시된다. 따라서, 액체금속은 제2직선관부(275) 하단에서 로워 챔버(230) 내부로 떨어지게 되어 저장된다.
제1 및 제2직선관부(273, 275)의 이런 구조는 액체금속의 압력손실을 감소시켜서 유동을 원활하게 하도록 한다.
한편, 외피관(210) 내부의 중앙에는 곡선관부(271)에 의해 감겨지는 내통(260)이 설치된다. 내통(260)은 일례로 원통형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 상면과 하면은 막혀있는 구조를 이루어서 2차 냉각재인 공기가 내통(260)의 내부로 유입될 수 없게 한다.
내통(260)의 하단과 후술하는 공기 유입관(240) 상단 사이에는 원주방향을 따라 소정 거리 이격되도록 복수 개의 제1부재(263)가 연장되고, 복수 개의 제1부재(263) 사이의 공간에는 공기를 상기 제1 환형 공간(215)으로 유입시키도록 이루어지는 공기 유입 통풍구(263a)가 형성된다. 또한, 상기 내통(260)의 상단과 상기 공기 유입관(240) 하단 사이에는 원주방향을 따라 소정 거리 이격되도록 복수 개의 제2부재(267)가 연장되고, 상기 복수 개의 제2부재(267) 사이의 공간에는 공기를 상기 제2유로(252)로 유출시키도록 이루어지는 공기 유출 통풍구(267a)가 형성된다.
내통(260)의 상면과 하면에는 개폐부재(미도시)가 설치될 수 있는데, 개폐부재는 내통의 상면과 하면에 개폐 가능하게 결합되어, 개폐부재가 개방되면 작업자는 내통(260) 내부로 들어갈 수 있도록 열고 닫힐 수 있다.
개폐부재는 일례로 맨홀 또는 서비스 포트(service port)일 수 있다. 작업자는 내통(260)의 내부에서 액체금속에 의해 가열된 내통(260) 내부 온도를 계측할 수 있도록 각종 계측장비의 설치될 수 있다. 또한, 내통(260)이 열에 의해 변형, 균열 등이 생긴 경우, 이를 수리할 수 있다. 작업자는 상, 하면의 개폐부재를 통과하여 공기 유출관(250)의 내주로 이동할 수 있으며, 공기 유출관(250)의 균열, 변형 등이 발생한 경우 이를 수리할 수 있다. 일례로, 온도 및 속도 측정과 관련하여 열전대 또는 유속측정 기구를 길이방향 및 원주방향으로 다수 지점에 설치하여 제1 환형 공간(215) 공기유동의 온도 및 속도를 측정하여 모니터링할 수 있는 특징을 갖는다.
개폐부재는 내통(260)의 상면과 하면에 힌지결합 될 수 있으며, 개폐부재는 일례로 맨홀 또는 서비스 포트가 될 수 있다.
외피관(210)의 내주 하부에는 로워 챔버(230)가 결합되는데, 액체금속은 로워 챔버(230)의 상측에 삽입된 제2직선관부(275) 내부에서 로워 챔버(230)로 이동하고, 로워 챔버(230) 내부에 적체된 액체금속은 로워 챔버(230)에 연결된 저온관(cold-leg, 233)을 통하여 배출된다. 저온관(233)은 도시되는 바와 같이 로워 챔버(230)의 하면에 결합될 수 있다.
로워 챔버(230)는 어퍼 챔버(220)와 마찬가지로 환형으로 형성되어 내부에 액체금속의 수용이 가능한 제3 환형 공간(235)을 구비하는데 전체적으로 도넛의 형상일 수 있다. 로워 챔버(230)의 상면은 도 10에 도시된 바와 같이, 유입홀(227)을 복수 개 구비하는 관판(tubesheet)으로 이루어질 수 있으며, 상기 유입홀(227)에는 전술했던 제2직선관부(275)가 삽입될 수 있다. 또한, 제2직선관부(275)의 일 단부가 유입홀(227)에 관통하며 삽입되어, 로워 챔버(230)의 상면에 용접될 수 있다.
제2 및 제3 환형 공간(225, 235)은 소듐 챔버의 기능을 수행한다.
로워 챔버(230)는 상면에는 복수의 유입홀(227)이 전체적으로 분포되게 형성되어, 액체금속을 유입할 수 있는 구조를 형성한다. 도넛의 형상으로 외피관(210)의 외주와 접하는 구조를 이루고, 공기 유입관(240)과 함께 액체금속-공기 열교환기(200)의 하면 전체를 형성하기에, 하부 중앙에만 형성된 로워 챔버(230)에 비해 안정적인 구조를 형성할 수 있다.
로워 챔버(230)의 안쪽에는 공기를 유입시키는 제1유로(243)를 형성하는 공기 유입관(240)이 결합된다. 공기 유입관(240)은 원통형의 형상으로 형성될 수 있으며, 적어도 일부가 제3 환형 공간(235)에 의해 둘러쌓인 공간에 배치된다. 공기는 2차 냉각재로서, 전열관(270) 내부에 유동하는 액체금속을 냉각시키도록 이루어진다. 상기 제1유로(243)는 상방향의 유로로서 외부의 공기를 유입시키고, 유입된 공기는 상기 공기 유입 통풍구(263a)를 통해 제1 환형 공간(215)으로 이동하며 액체금속을 냉각시킨다.
공기 유입관(240)은 일례로, 외피관(210)의 연장 방향과 나란하게 연장되도록 형성될 수 있다.
공기 유입관(240)에는 유입되는 공기의 유량을 조절하도록 이루어지는 댐퍼(미도시)가 설치될 수 있다. 댐퍼는 제1유로(243) 내에 설치될 수 있으며, 2차 냉각재인 공기의 유량을 조절하여, 제열성능을 향상시킬 수 있다.
전술한, 어퍼 챔버(220)의 안쪽에는 공기를 유출시키는 제2유로(252)를 형성하는 공기 유출관(250)이 결합된다. 공기 유출관(250)은 적어도 일부가 제2 환형 공간(225) 내에 삽입될 수 있다.
공기 유출관(250)은 제1부분(253), 제2부분(257) 및 제3부분(258)을 포함할 수 있다. 제1부분(253)은 적어도 일부가 제2 환형 공간(225)에 의해 둘러쌓인 공간에 배치되며, 동일한 단면으로적 연장되어 형성된다.
공기 유출관(250)의 제1부분(253)은 일례로, 외피관(210)의 연장 방향과 나란하게 연장되도록 형성될 수 있다.
제2부분(257)은 제1부분(253)의 상측에서 대각 방향으로 연장되어, 외피관(210)의 내측에 접촉되도록 배치될 수 있다. 도 9 등을 참조하면, 제2부분(257)은 상부로 갈수록 단면적이 넓어지도록 이루어지는데, 이런 구조는 공기의 압력 손실을 감소시키도록 이루어져 냉각 성능을 향상시키는데 유리하다. 하지만, 제2부분(257)은 상부로 갈수록 단면적이 넓어지는 구조에 한정되지 않고, 동일 단면적으로 상부로 연장되도록 형성될 수 있다. 제3부분(258)은 제2부분(257)의 상부에서 연결되어 상측을 향해 동일한 단면이 연장되도록 이루어진다.
도 12는 지지구조물(277)의 상세 구조를 나타내는 개념도이다. 도 12를 참조하여, 지지구조물(277)에 대하여 서술한다.
지지구조물(support strip, 277)은 전열관(270)의 곡선관부(271) 사이에 곡선관부(271)의 하방향으로의 처짐을 방지하기 위하여 설치될 수 있다. 지지구조물(277)은 곡선관부(271)를 사이에 두고 대칭적으로 배치되어 곡선관부(271)의 적어도 일부를 감싸도록 이루어진다. 일례로, 지지구조물(277)은 두께 10mm 정도의 Stainless steel의 재질로 형성될 수 있다.
지지구조물(277)은 곡선관부(271)를 상하방향으로 이격시키도록 형성되는데, 곡선관부(271)의 외주에 접촉되는 복수 개의 곡면부(278) 및 복수 개의 곡면부(278) 사이에서 형성되어 곡선관부(271)를 수직 방향으로 간격을 유지시키는 이격부(279)를 포함할 수 있다. 곡면부(278)는 전열관(270) 모양의 반원(half-circle) 홈으로 형성되며, 복수의 곡면부(278)의 사이에 이격부(279)가 형성되는 일례가 도 12에 도시된다.
지지구조물(277)은 곡면부(278) 및 이격부(279)를 포함하고 대칭적으로 배치되어 곡선관부(271)를 지지하는 구조를 형성하여 곡선관부(271)의 자중에 의한 하방향으로의 처짐을 방지할 수 있다. 또한, 지지구조물(277)은 곡선관부(271)를 수평방향으로도 간격을 유지할 수 있게 한다.
지지구조물(277)은 내통(260)의 외주에서 외피관(210)의 내주쪽으로 복수 개로 배치될 수 있다. 또한, 상부에서 내려다 보았을 때, 전열관(270)의 매 90도 마다 배치(0도, 90도, 180도, 270도에 배치)되거나, 전열관(270)의 전체적인 크기 및 전열관(270)의 하중을 고려하여 매 30도 마다 배치(0도, 30도, 60도, 90도, 120도, 150도, 180도, 210도, 240도, 270도, 300도 및 330도에 배치)될 수도 있다.
지지구조물(277)은 전열관(270)의 설치와 관련된 CAD 작업을 통해 위치 및 형상 등을 미리 반영하여 별도로 제작한 후, 전열관(270) 열(row) 별 설치 시, 반쪽 피스씩 미리 설치하고 각 지지구조물(277)을 볼트 또는 용접으로 서로 간격을 유지하며, 설치하도록 한다. 또한, 한 피스의 지지구조물(277) 사이에는 간극을 유지할 수 있도록 조각편(278a)이 설치될 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 액체금속-공기 열교환기(200)를 포함하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템(200a)에 대한 개념도이다.
도 13을 참조하면, 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX; decay heat exchanger, 281)는 원자로 고온 냉각재 풀(282) 지역과 원자로 배럴(barrel, 283)로 구분되는 고온 풀(282) 외곽의 격리 환형공간 냉각재 풀(284)에 배치된다.
이 경우, 1차 계통 냉각재펌프(285)가 정지하는 과도기 작동 모드에서 노심(286)을 통과하는 고온의 액체금속이 원자로 배럴(283)을 타고 유동하여, 원자로 배럴(283) 상단을 넘어 격리 환형공간 냉각재 풀(284) 지역에 위치한 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(281)로 유입된다.
또한, 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(281)를 통과하면서 냉각된 액체금속은 액체금속의 밀도 차이에 의해 격리 환형공간 냉각재 풀(284) 지역의 하부에 모이게 되고, 결과적으로 국부적인 액체금속 성층화(Stratification)를 유도하게 된다.
이와 같이 냉각에 의해 국부적으로 성층화된 격리 환형공간 냉각재 풀(284) 지역의 액체금속은, 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(281)의 출구노즐보다 낮은 위치에 그 입구가 위치하는 중간열교환기(IHX, Intermediate Heat Exchanger, 287)에 입구노즐을 통해 유입된다.
한편, 여기서, 중간열교환기(287)는 2개가 1조로 구성될 수 있고, 각 조별로 원자로 외부에 위치하는 증기발생기(steam generater, 미도시)와 연결되어 정상운전시 원자로 노심(289)에서 발생하는 열을 제거한다.
액체금속은, 중간열교환기(287)의 전열관 번들지역을 거쳐 저온 풀(288)로 유입되고, 노심(286)을 거쳐 고온 냉각재 풀(282) 지역으로 다시 순환하게 된다.
즉, 상기한 바와 같은 과정을 통하여, 노심(286), 고온 냉각재 풀(282), 격리 환형공간 냉각재 풀(284), 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(DHX, 281), 중간열교환기(IHX, 287), 저온 냉각재 풀(288) 및 노심(286)으로 냉각재가 유동되는 구성되는 과도기 순환유로 구조를 형성한다.
한편, 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(281)에는 고온관(223) 및 저온관(233)이 연결되어 있는데, 고온관(223)은 팽창탱크(Expansion vessel, 223a)를 거쳐서 액체금속-공기 열교환기(200)로 고온의 액체금속을 유입시고, 액체금속-공기 열교환기(200)에서 냉각된 액체금속은 저온관(233)을 통해 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(281)로 유입된다. 액체금속-공기 열교환기(200)에 관한 설명은 도 5 내지 도 12 부분의 설명 내용으로 갈음하기로 한다.
이상에서 설명한 액체금속-공기 냉각 열교환기 및 이를 구비하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 상술한 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예로서 통상의 기술자가 발명을 실시하기 위한 구체적인 예시이고, 출원인의 권리가 이에 한정되는 것은 아니다. 출원인의 권리는 이하에서 서술되는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여진다

Claims (20)

  1. 상하 방향으로 연장되어 형성되는 외피관(shroud);
    상기 외피관의 내주 상부에 구비되고, 고온관을 통하여 유입되는 액체금속을 수용하여 배출하도록 이루어지는 어퍼 챔버(upper chamber);
    상기 외피관의 내주 하부에 구비되고, 액체금속(Liquid metal)을 배출시키는 저온관이 연결되는 로워 챔버(lower chamber);
    공기를 유입시키는 상 방향의 제1유로를 형성하는 공기 유입관;
    공기를 유출시키는 상 방향의 제2유로를 형성하는 공기 유출관;
    상기 공기 유입관 및 상기 공기 유출관에 연결되는 내통; 및
    상기 내통의 외주와 상기 외피관의 내주 사이의 제1 환형 공간에서 나선형의 방향으로 감겨지고, 양 단부가 상기 어퍼 챔버 및 상기 로워 챔버에 연결되어 상기 액체금속을 유동시키는 복수 개의 전열관을 포함하고,
    공기는 상기 제1유로를 통해 유입되고, 상기 제1 환형 공간을 지나면서 상기 전열관의 내부의 액체금속을 냉각시키며, 상기 제2유로를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전열관은,
    상기 내통의 외주에서 상기 외피관의 내주를 향하는 방향으로 복수의 열(row)로 배치되며 감겨져서 전열면적 밀도를 증가시키도록 이루어지는 곡선관부;
    상기 곡선관부의 상측 단부에서 연장되고, 상기 어퍼 챔버의 하단에 연결되는 제1직선관부; 및
    상기 곡선관부의 하측 단부에서 연장되고, 상기 로워 챔버의 상단에 연결되는 제2직선관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 어퍼 챔버의 바닥면은 배출홀(hole)을 복수 개 구비하는 관판(tubesheet)으로 이루어지고, 상기 배출홀의 내부에는 상기 제1직선관부가 삽입되어 액체금속을 배출시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1직선관부는 상기 배출홀에 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1직선관부의 단부는 액체금속의 유동 성능을 향상시키도록 상기 배출홀의 내주에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 로워 챔버의 상면은 유입홀(hole)을 복수 개 구비하는 관판(tubesheet)으로 이루어지고, 상기 유입홀의 내부에는 상기 제2직선관부가 삽입되어 액체금속을 유입시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2직선관부는 상기 유입홀에 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2직선관부의 일 단부는 액체금속의 유동 성능을 향상시키도록 상기 유입홀을 관통하여 배치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 곡선관부는,
    홀수 번째 열(row)은 제1방향으로 감겨지고, 짝수 번째 열은 상기 제1방향과 반대되는 제2방향으로 감겨지는 교차 감김 방식(alternate winding method)으로 이루어져서 상기 제1 환형 공간을 통과하는 공기의 전열저항(heat transfer resistance)을 감소시키는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  10. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    상기 배출홀(hole) 및 상기 유입홀(hole)은 상기 외피관(shroud)의 중심축과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 곡선관부의 자중에 의한 하방향으로의 처짐을 방지하고, 상기 제1 환형 공간에서의 상기 복수의 곡선관부의 격리를 방지하기 위해,
    상기 곡선관부에는 상기 곡선관부의 일부를 감싸도록 이루어지는 지지구조물이 설치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 지지구조물은,
    상하방향을 따라 이격되도록 형성되고, 상기 곡선관부의 외주에 접촉되는 복수 개의 곡면부; 및
    상기 복수 개의 곡면부 사이에서 형성되어 상기 곡선관부의 수직 방향으로 간격을 유지시키는 이격부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 내통의 하단과 상기 공기 유입관 상단 사이에는 원주방향을 따라 소정 거리 이격되도록 복수 개의 제1부재가 연장되고, 상기 복수 개의 제1부재 사이의 공간에는 공기를 상기 제1 환형 공간으로 유입시키도록 이루어지는 공기 유입 통풍구가 형성되고,
    상기 내통의 상단과 상기 공기 유출관 하단 사이에는 원주방향을 따라 소정 거리 이격되도록 복수 개의 제2부재가 연장되고, 상기 복수 개의 제2부재 사이의 공간에는 공기를 상기 제2유로로 유출시키도록 이루어지는 공기 유출 통풍구가 형성되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼 챔버는 환형으로 형성되어 내부에 제2 환형 공간을 구비하고,
    상기 로워 챔버는 환형으로 형성되어 내부에 제3 환형 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공기 유입관은 적어도 일부가 상기 제3 환형 공간에 의해 둘러쌓인 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 공기 유출관은,
    적어도 일부가 상기 제2 환형 공간에 의해 둘러쌓인 공간에 배치되며, 동일한 단면적으로 연장되어 형성되는 제1부분; 및
    상기 제2유로에서의 공기의 압력 손실을 감소시키도록 상부로 갈수록 단면적이 넓어지는 제2부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 공기 유입관에는 유입되는 공기의 유량을 조절하도록 이루어지는 댐퍼가 설치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 내통은 상기 내통 내부로의 공기 유입을 방지하도록 상단 및 하단이 막혀있는 구조인 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 내통의 상단 및 하단에는 개폐가능하도록 이루어지는 개폐부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 액체금속-공기 열교환기.
  20. 원자로의 노심을 통과한 액체금속이 유입되는 고온 냉각재 풀;
    상기 고온 냉각재 풀로부터 유입되는 액체금속을 냉각하기 위한 액체금속-액체금속 붕괴열교환기(decay heat exchanger, DHX);
    상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기 보다 높은 위치에 구비되는 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따르는 액체금속-공기 열교환기;
    상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기에서 배출되는 액체금속을 상기 액체금속 공기 냉각 열교환기로 유입시키도록 이루어지는 고온관;
    상기 액체금속 공기 냉각 열교환기에서 냉각된 액체금속을 상기 액체금속-액체금속 붕괴열교환기로 유입시키도록 이루어지는 저온관;
    상기 고온 냉각재 풀에 연결되어 냉각 유로를 형성하는 중간열교환기(Intermediate Heat Exchanger, IHX);
    상기 중간열교환기를 통과한 액체금속이 유입되는 저온 냉각재 풀; 및
    상기 액체금속의 순환을 위한 유로구성을 포함하는 액체금속 냉각 원자로의 잔열제거 시스템.
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