KR20170017699A - Passive cooling system of nuclear power plant using phase change material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자력발전소 중 냉각을 필요로 하는 건물(격납건물, 사용후핵연료 저장조 등) 및 기기(원자로냉각재계통, 피동 보조급수, 피동보조급수탱크 등) 등의 대상 내부의 대기나 유체를 냉각시켜 원자력발전소의 안전성을 도모하기 위한 피동 냉각시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for cooling an atmosphere or a fluid in a nuclear power plant such as buildings (containment buildings, spent nuclear fuel storage tanks) and equipment (reactor coolant system, driven auxiliary water supply, To a passive cooling system for securing safety of a nuclear power plant.
더욱 상세하게는, 원자력발전소 사건/사고시 많은 에너지가 발생되며, 원자력발전소 안전을 위해 냉각되어야 하는 건물 및 기기 등의 대상을 별도의 운전원 조치나 소내/외 전원이 필요한 기기들의 작동없이, 상변환물질을 이용하여 피동적으로 압력 및 온도 상승을 효과적으로 감소시켜 냉각 대상의 건전성을 유지하고 계통내 유체를 냉각시켜 지속적으로 제기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 원자력발전소의 안전성을 도모할 수 있는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템에 관한 것이다.More specifically, a large amount of energy is generated at the time of a nuclear power plant accident / accident, and the objects such as buildings and equipment to be cooled for the safety of a nuclear power plant are converted into phase-change materials It is possible to maintain the integrity of the cooling object by effectively reducing the pressure and the temperature rise by passively, and by cooling the fluid in the system to continuously perform the function, it is possible to improve the safety of the nuclear power plant by using the phase change material And more particularly, to a passive cooling system for a nuclear power plant.
자로냉각재계통은 안전성관점에서는 핵연료를 포함하고 있는 노심을 냉각시키고 노심을 안전한 상태로 유지시키는 기능을 수행한다.The autoclave coolant system functions to cool the core containing the fuel and to keep the core in a safe state from the viewpoint of safety.
한편, 원자력발전소 사건/사고 발생시 노심냉각이 원활히 수행되지 못할 경우 핵연료 피복재가 노출되어 노심이 용융되는 중대사고로 확대될 수 있으므로 노심 및 원자로냉각재계통의 냉각기능은 원자력발전소 안전에 매우 중요하다.On the other hand, if core cooling can not be performed smoothly in the event of nuclear power plant accident / accident, cooling function of core and reactor coolant system is very important for nuclear power plant safety because nuclear fuel cladding material is exposed and can be expanded to serious accident where core is melted.
이에, 노심 및 원자로냉각재계통을 냉각시키는 계통은 원자로냉각재계통으로 냉각재를 직접 주입하여 냉각을 수행하는 안전주입/정지냉각 계통과 증기발생기 이차측으로 보조급수를 주입하여 간접적으로 노심 및 원자로냉각재계통을 냉각하는 보조급수계통이 구비된다.The system for cooling the core and reactor coolant system includes a safety injection / stop cooling system for directly cooling the coolant into the reactor coolant system, and a cooler for cooling the core and the reactor coolant system indirectly by injecting an auxiliary coolant into the steam generator. And an auxiliary water supply system is provided.
또한 격납건물은 내부에 원자로 노심, 원자로냉각재계통 및 안전관련 계통/기기 들이 위치해 있으며, 원통과 둥근 돔이 결합한 형태의 강화 콘크리트 외벽으로 이루어진다.In addition, the containment building contains reactor core, reactor coolant system and safety related systems / equipment inside, and reinforced concrete outer wall in the form of a cylinder and a round dome combined.
여기에서, '격납'의 의미는 외부충격으로부터 원자로 노심, 원자로냉각재계통 및 안전관련 계통/기기 들을 보호해 주고, 원자력발전소 사건/사고시 격납건물내부에서 발생되는 방사성 물질이 외부로 누출 또는 누설되는 것을 막아준다는 의미로 사용되며, 원자력 발전소에서 사건/사고가 발생될 경우 방사성 물질의 누출을 막아 줄 최후의 방어벽에 해당된다.Here, 'containment' means to protect reactor core, reactor coolant system and safety related systems / devices from external impact, and to prevent leakage or leakage of radioactive material generated inside containment building in case of nuclear power plant incident / accident It is used as a means of blocking and it is the last barrier to prevent the leakage of radioactive material in the event of an accident / accident at a nuclear power plant.
이러한 격납건물은 상기 기능을 수행하되, 핵연료 노출로 노심이 용융되는 중대사고가 발생되고, 격납건물 건전성이 손상된다면 대량의 방사성 물질이 격납건물 외부로 누출되어 극심한 피해를 줄 수 있다.Such a containment structure performs the above function, but if a serious accident occurs in which the nuclear core is melted due to the exposure of the fuel, and the integrity of the containment building is damaged, a large amount of radioactive material may leak outside the containment building and cause extreme damage.
이에, 격납건물 건전성 확보는 원자력발전소 안전에 매우 중요하다.Therefore, securing the integrity of containment buildings is very important for the safety of nuclear power plants.
현재 원자력발전소는 사건/사고가 발생되면, 노심의 용융 방지 및 격납건물의 건전성을 유지하기 위해 사건/사고 발생 후 단기간 동안에는 원자로 노심 노출로 인한 노심용융을 방지하기 위해 안전성관련 원자로냉각재계통 압력계측기기와 연동된 안전주입계통의 자동 작동을 통해 붕산수가 원자로냉각재계통으로 유입되며, 안전성관련 격납건물 압력계측기기와 연동된 격납건물 살수계통이 자동으로 작동되어 격납건물 내부의 증기를 응축시켜 격납건물 내부의 압력과 온도를 설계 값 이하로 감소시켜 격납건물 건전성을 확보하며, 그 후 정지냉각계통과 격납건물 살수계통이 지속적으로 작동되도록 하여 지속적으로 노심용융과 격납건물 건전성을 확보할 수 있어야 한다.In order to prevent the melting of the core and the integrity of the containment building in case of an incident / accident, the nuclear power plant is required to maintain a safety reactor coolant pressure meter Through the automatic operation of the interlocked safety injection system, the boric acid water flows into the reactor coolant system, and the containment building water spray system linked with the safety related containment building pressure meter is automatically operated to condense the steam inside the containment building, It is necessary to secure the integrity of the containment building by reducing the temperature and the temperature below the designed value and then to ensure the continuous cooling of the static cooling system and the containment building water spray system so that the core melting and the integrity of the containment building can be secured continuously.
이때, 원자로냉각재계통의 유입되는 붕산수 등의 재고가 자연 순환을 일으킬 정도로 그 양이 충분하면 보조급수계통의 작동으로 증기발생기를 통해 노심 및 원자로냉각재계통의 열을 제거할 수 있으며, 계통의 지속적인 작동을 위해 증기발생기의 수위 감시 또한 기능이 유지되어야 한다.In this case, if the amount of the intake water such as boric acid water flowing into the reactor coolant system is enough to cause natural circulation, the operation of the auxiliary water supply system can remove the heat of the core and the reactor coolant system through the steam generator, The level monitoring of the steam generator should also be maintained for the purpose.
그러나 원자로냉각재계통의 재고가 계통내부에서 자연 순환을 일으킬 정도로 그 양이 충분치 못하거나 또는 증기발생기의 수위 감시 기능이 상실되거나 또는 보조급수탱크의 물이 고갈되면 증기발생기를 통한 열 제거를 수행할 수 없는 한계가 있다.However, if the volume of the reactor coolant system is not sufficient enough to cause natural circulation within the system, or if the water level monitoring function of the steam generator is lost or the water in the auxiliary water tank is exhausted, heat removal through the steam generator can be performed There is no limit.
또한 안전주입/정지냉각계통과 격납건물 살수계통은 전원이 필요한 펌프 및 자동작동 밸브와 능동기기들이 안전성관련 계측기기들과 연동되어 자동적으로 작동하게 되어있으며, 이들 기기들이 작동에 실패할 경우 주 제어실에 있는 운전원의 조치(핸드 수위치 작동)에 의한 수동조작이 가능하도록 설계되어 있다.In addition, the safety injection / stop cooling system and the containment building sprinkler system are designed to automatically operate the pumps and the automatic actuating valves and active devices connected to the safety related measurement devices, Is designed so that the manual operation can be performed by the action of the operator (operation of the hand number position).
따라서 이들 계통의 작동을 위해서는 전원의 공급이 필수적이며, 격납건물 내부에서 발생된 열은 정지냉각/살수 열교환기를 통해 기기냉각계통으로 전달되고 전달된 열은 기기냉각수 열교환기를 통해 기기냉각해수 계통으로 이송되며 이송된 격납건물 내부 열은 기기냉각해수계통을 통해 최종 열 제거원인 바다로 방출된다.Therefore, the supply of power is essential for the operation of these systems, the heat generated inside the containment building is transferred to the equipment cooling system through the stationary cooling / sprinkling heat exchanger, and the transferred heat is transferred to the equipment cooling seawater system through the equipment cooling water heat exchanger And the heat inside the transferred containment building is discharged through the equipment cooling seawater system to the sea where the final heat is removed.
또한 원자력발전소 소내의 저장고에 보관되어 있는 사용이 완료된 핵연료는 핵연료 생성물의 붕괴열이 지속적으로 발생되고 있어, 이에 대한 냉각이 열교환기와 펌프를 통해 수행되며, 열교환기를 통해 이송된 붕괴열은 최종 열제거원인 바다로 방출된다.In addition, the spent nuclear fuel stored in the repository of the nuclear power plant is continuously generated by the heat exchanger and the pump because the decay heat of the nuclear fuel product is continuously generated, and the decay heat transferred through the heat exchanger is the heat Lt; / RTI >
그러나 후쿠시마와 같이 지진해일 등이 발생하여 기기냉각해수계통의 기능이 상실되거나, 기기냉각열교환기 건물 등이 항공기 충돌과 같은 사고가 발생하여 기기냉각계통의 기능이 상실되면, 격납건물 내부에서 발생된 열을 정지냉각/살수 열교환기 및 기기냉각수 열교환기를 통해 방출할 수 없고, 또한 핵연료 저장조의 붕괴열을 저장조 냉각열교환기를 통해 최종 열 제거원인 바다로 방출할 수 없기 때문에 냉각기능을 수행하지 못하는 문제점이 있다.However, if the function of the equipment cooling system is lost due to the occurrence of a tsunami such as Fukushima, or the equipment cooling system is lost due to an accident such as an aircraft collision, etc., There is a problem in that the cooling function can not be performed since the heat can not be discharged through the quiescent cooling / sprinkling heat exchanger and the equipment cooling water heat exchanger and the decay heat of the nuclear fuel storage vessel can not be discharged to the sea of the final heat removal through the storage tank cooling heat exchanger .
또한 상기 계통들은 전원공급이 필요한 다수의 능동기기들을 포함하고 있기 때문에 소외전원상실 또는 전원완전상실과 같은 사고들이 발생하여도 격납건물 냉각기능을 수행하지 못하는 문제점이 있다.In addition, since the systems include a plurality of active devices that require power supply, there is a problem that the storage building cooling function can not be performed even if an accidental loss such as an extraneous power loss or a complete power loss occurs.
일 예로, 후쿠시마 원자력발전소 사고는 최종열제거원 상실을 동반한 전원완전상실 사고에 해당한다. For example, an accident at a nuclear power plant in Fukushima corresponds to a complete loss of power source accompanied by a loss of the final heat removal source.
격납건물을 냉각시키기 위한 예로 등록특허공보 제10-1517449호에 원자로용기 외벽 냉각용 액체금속 충수시스템이 개시되었다.An example of cooling the containment building is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1517449, which discloses a liquid metal impregnation system for cooling an outer wall of a reactor vessel.
도 1은 종래 원자로용기 외벽 냉각용 액체금속 충수시스템의 구성을 나타낸 개략도로, 그 구성은 노심 용융물이 수용된 원자로용기; 상기 원자로용기의 외벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치되고, 내부에는 상기 외벽과 접하며 순환공급되는 액체금속(111)이 충수된 제1원자로공동(110); 상기 제1원자로공동(110)의 격벽으로부터 일정간격 이격되어 둘러싸는 형태로 배치되고, 내부에는 상기 격벽과 접하며 순환공급되는 냉각수(121)가 충수된 제2원자로공동(120); 및 상기 제1원자로공동(110)의 격벽에 관통 삽입되면서 일측은 상기 제1원자로공동(110)의 내부에 배치되고 타측은 상기 제2원자로공동(120)의 내부에 배치되며, 일측과 타측이 연통된 폐회로구조로 구비되어 가열된 액체금속(111)의 열을 냉각수(121)로 전달하는 제1히트파이프(130);를 포함하되, 상기 제1히트파이프(130)는 상기 1원자로공동(110) 및 상기 제2원자로공동(120)의 내부에 배치된 부분이 복수 회 절곡되거나 또는 복수 개의 돌기가 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.FIG. 1 is a schematic view showing the construction of a conventional liquid metal impregnation system for cooling an outer wall of a reactor vessel, which comprises: a reactor vessel containing a core melt; A first reactor cavity (110) in which the first reactor cavity (110) is filled with liquid metal (111) circulating and supplied to the outer wall in contact with the outer wall; A
이러한 종래 원자로용기 외벽 냉각용 액체금속 충수시스템은 액체금속(111)으로 이루어진 냉각재를 원자로용기의 외벽 냉각용으로 사용함으로써, 열적 안전성을 도모하고, 나아가, 제1원자로공동(110)의 내부와 제2원자로공동(120)의 내부에 걸쳐지도록 배치된 제1히트파이프(130)에 의해 제1원자로공동(110)에 충수된 액체금속(111)의 가열된 열을 제2원자로공동(120)의 충수된 냉각수(121)로 전달함으로써, 상기 원자로용기의 가열된 열이 냉각되도록 한다.This conventional liquid metal impregnation system for reactor wall outer wall cooling uses thermal conductivity of the coolant made of the
그러나 상기 종래 기술은 일반적으로 건물의 2,3층 크기를 갖는 원자로용기의 외부에 상기 원자로용기가 수용될 수 있도록 부피가 큰 제1원자로공동(110) 및 상기 1원자로공동(110)이 수용될 수 있도록 부피가 큰 제2원자로공동(120)을 구비해야 하므로, 격납건물을 설치함에 있어서 많은 부피를 차지하고, 시공비용이 증대되는 문제점이 있다.However, the above-described prior art generally requires a bulky
또한 액체금속 저장조(112)는 원자로용기 보다 상부에 위치되도록 설치되어, 액체금속(111)이 중력에 의해 제1원자로공동(110)의 내부로 제공되도록 하는 점은 긍정적이나, 서술한 바와 같이, 건물의 2,3층 크기를 갖는 원자로용기 보다 액체금속 저장조(112)를 높게 설치하기 위해서는 많은 부피를 차지하고, 시공비용이 증대되어 설치가 용이하지 않은 문제점이 있다.It is also positive that the
또한 중력을 이용한 충수방식을 채택함으로써, 발전소 전원상실 사고의 경우에도 운용할 수 있도록 하는 점은 긍정적이나, 액체금속 저장조(112)에 저장된 액체금속(112)이 액체상태(약 600℃이상)를 유지하도록 하기 위하여 상기 액체금속 저장조(112)에 별도의 가열장치가 구비되고, 이러한 가열장치의 지속적인 가동을 유지하기 위해 별도의 동력을 필요로 함으로써, 별도의 운전원을 항시 대기시켜야하는 문제점이 있다.In addition, it is positively possible to operate the system even in the event of a loss of power in the power plant by adopting the gravity-type plugging system. However, when the
또한 원자력발전소 사건/사고 동안 원자로냉각재계통내부 유체와 안전주입/살수 계통으로 격납건물 내부로 유입된 물의 가열을 막기 위한 장치가 필요하며 장기적으로 원자로용기 외벽 냉각용 액체금속 충수계통을 지속적으로 사용한다면 격납건물 온도가 600℃에 도달하게 되어 격납건물 건전성을 보장할 수 없는 문제점이 있다.In addition, during the accident / accident of a nuclear power plant, a device for preventing the heating of the water entering the containment building by the fluid inside the reactor coolant system and the safety injection / sprinkler system is required and in the long term, the liquid metal application system for cooling the outer wall of the reactor vessel is continuously used There is a problem that the containment building integrity can not be guaranteed because the containment building temperature reaches 600 ° C.
본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 원자력발전소 사건/사고시 발생되는 많은 에너지가 방출됨에 따라, 건물 내부의 온도와 압력 상승에 의해 초래될 수 있는 발전소의 상태를 감시하는 계측기기들과 안전계통의 기능상실 및 건물 건전성 위협을 미연에 방지하기 위하여, 별도의 운전원 조치나 외부전원이 필요한 정지냉각/살수계통 등의 능동형 기기들의 사용 없이 상변환물질을 이용하여 피동적으로 냉각 대상의 압력 및 온도 상승을 효과적으로 감소시켜 냉각 대상의 건전성을 유지하고 계통내 유체를 냉각시켜 관련계통 기능을 지속적으로 유지할 수 있도록 함으로써, 원자력발전소 안전성을 도모할 수 있는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a power plant capable of generating a large amount of energy at the time of a nuclear power plant accident / accident, The use of phase change materials without the use of active equipment such as measuring equipment to monitor the condition of the safety system and the prevention of the loss of function of the safety system and the threat of building integrity, By effectively reducing the pressure and temperature rise of the cooling object by using passively, it is possible to maintain the soundness of the cooling object and to cool the fluid in the system to continuously maintain the function of the related system. Thus, the phase change material To provide a passive cooling system for a nuclear power plant.
위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템은 냉각 대상의 내부로 연통된 인입부와 외부로 연통된 배출부를 포함하며, 내/외부에 냉각재가 수용되어 이송되는 배관; 냉각 대상 내부에 구비되는 배관에 연결된 내부열교환기; 및 냉각 대상 외부에 구비되는 배관에 연결된 외부열교환기;를 포함하여 구성되되, 냉각재는 인입부를 통해 냉각 대상 내부로 인입되고, 배출부를 통해 냉각 대상 외부로 배출됨으로써, 배관을 따라 냉각 대상 내부와 외부로 순환되면서, 냉각 대상 내부의 열을 외부로 배출시키는 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템을 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.In order to solve the above problems, the passive cooling system for a nuclear power plant using the phase-change material according to the present invention includes an inlet portion communicating with the inside of a cooling object and a discharge portion communicating with the outside, Piping; An internal heat exchanger connected to a pipe provided inside the cooling object; And an external heat exchanger connected to a pipe provided outside the object to be cooled. The coolant is introduced into the object to be cooled through the inlet portion and discharged to the outside of the object to be cooled through the outlet portion, And the heat of the inside of the cooling object is discharged to the outside while circulating the cooling water to the outside of the cooling object, thereby solving the technical problem.
본 발명은 상변환물질을 이용하여 냉각 대상 내부의 열을 피동적으로 제거할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.The present invention has a remarkable effect that the heat inside the cooling object can be passively removed by using the phase change material.
또한 본 발명은 최종 열제거원으로 냉각 대상의 외부 대기를 이용함으로써, 전기 또는 냉각수의 공급과 같은 별도의 운전원조치를 필요로 하지 않아 외부동력없이 냉각이 가능한 현저한 효과를 보유하고 있다.Further, the present invention has a remarkable effect that the external atmosphere of the object to be cooled is used as the final heat eliminating source, so that it is possible to cool without external power without requiring separate operator measures such as supply of electricity or cooling water.
또한 본 발명은 상변환물질을 포함하는 냉각계통의 유체가 냉각 대상의 내/외부 온도 범위에서 상변환시 발생하는 상들 간의 현저한 밀도 차에 의해 자연 대류 순환되도록 함으로써, 시간제한 없이 장기적으로 냉각 수행이 가능한 현저한 효과를 보유하고 있다.Further, according to the present invention, the cooling system fluid containing the phase-change material circulates in a natural convection flow by a remarkable density difference between phases generated at the time of phase conversion in the temperature range of the inside / outside of the cooling object, And has a remarkable effect.
도 1은 종래 원자로용기 외벽 냉각용 액체금속 충수시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템에서 냉각 대상 내부의 온도 상승에 따른 열이 상승하는 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템에서 고체 상태의 상변환물질이 액체 상태로 냉각 대상 내부의 열을 흡수하고 외부로 배출되는 예를 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of a conventional liquid metal impregnation system for cooling an outer wall of a reactor vessel.
2 is a schematic view of a nuclear power plant passive cooling system using a phase change material according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing an example in which the heat is raised in accordance with the temperature rise inside the cooling object in the passive cooling system of a nuclear power plant using the phase-change material according to the present invention.
FIG. 4 is a view illustrating an example in which a phase-change material in a solid state in a passive cooling system of a nuclear power plant using a phase-change material according to the present invention absorbs heat inside a cooling object in a liquid state and is discharged to the outside.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of embodiments of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
본 발명은 원자력발전소 사건/사고시 발생되는 많은 에너지가 건물 및 기기 등의 냉각 대상으로 방출됨에 따라, 냉각 대상 내부의 온도와 압력 상승에 의해 초래될 수 있는 발전소상태를 감시하는 계측기기들과 안전계통의 기능상실 및 냉각 대상의 건전성 위협을 미연에 방지하기 위하여, 별도의 운전원조치가 필요하거나 외부전원이 필요한 정지냉각/살수계통 등의 능동형 기기들 없이, 상변환물질을 이용하여 피동적으로 냉각 대상의 압력 및 온도의 상승을 효과적으로 감소시켜, 냉각 대상인 건물의 건전성을 유지하고, 계통내 유체를 냉각시켜 관련계통의 기능을 지속적으로 보장할 수 있으므로, 원자력발전소의 안전성을 도모할 수 있는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for monitoring a state of a power plant which may be caused by a temperature increase and a pressure increase inside a cooling target as a large amount of energy generated during a nuclear power plant accident / In order to prevent the malfunction of the cooling object and the soundness of the cooling object in advance, it is necessary to use a phase change material to passively control the cooling object It is possible to effectively reduce the rise of pressure and temperature, to maintain the integrity of the building to be cooled, to cool the fluid in the system, and to continuously ensure the function of the related system. Therefore, the phase change material And more particularly, to a passive cooling system for a nuclear power plant.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a passive cooling system for a nuclear power plant using a phase change material according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템의 개략도이다.2 is a schematic view of a nuclear power plant passive cooling system using a phase change material according to the present invention.
먼저, 본 명세서에서 냉각 대상(10)은 원자력발전소에 구비되는 격납건물, 핵연료 저장조, 원자로냉각재계통, 피동 보조 급수 또는 피동보조급수탱크 등을 의미하는 것으로, 원자력발전소의 안전성을 도모함에 있어, 냉각기능을 필요로 하는 건물 또는 기기 등을 의미한다.First, in the present specification, the
본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템은 원자력발전소 사건/사고 발생시 냉각 대상(10)으로 유입되는 에너지를 외부로 배출시켜 냉각 대상(10) 내 부의 온도와 압력 상승에 의해 초래될 수 있는 발전소상태를 감시하는 계측기기들과 안전계통의 기능상실 및 건물의 건전성 위협을 미연에 방지하기 위한 것으로, 배관(20), 내부열교환기(30) 및 외부열교환기(40)를 포함하여 구성된다.The passive cooling system of a nuclear power plant using the phase change material according to the present invention is a system in which the energy flowing into the
배관(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 대상(10)의 내부로 연통된 인입부(21)와 외부로 연통된 배출부(22)를 포함하되, 상기 인입부(21)와 배출부(22)를 통해 배관(20)의 일부분이 냉각 대상(10)내부로 구비되도록 하고, 나머지 일부분이 냉각 대상(10) 외부로 구비되도록 함으로써, 상기 배관(20)이 냉각 대상(10) 내부와 외부를 연통할 수 있도록 구비된다.2, the
이때, 인입부(21)는 지면에 설치되는 냉각 대상(10)을 기준으로 배출부(22) 보다 낮은 위치에 설치됨이 바람직하다.At this time, the
이에, 배관(20)에 수용되어 이송되는 냉각재는 인입부(21)를 통해 냉각 대상(10) 내부로 인입되며, 냉각 대상(10)의 내부열교환기(30)로 이송되어 냉각 대상(10) 내부에 형성되는 열을 빼앗아 배출부(22)를 통해 냉각 대상(10) 외부로 이송되어 외부열교환기(40)를 통해 냉각 대상(10) 내부의 에너지를 냉각 대상(10) 외부 대기로 배출되도록 한다.The coolant accommodated in the
이때, 배관(20)은 내식성이 우수하여 녹이 잘 슬지 않으며, 내구성이 강해 쉽게 휘거나 찌그러지지 않고, 내마모성이 높으며, 저온특성이 우수하고, 내화 및 내열성이 높아 약 1400도를 넘는 온도에도 강도를 유지할 수 있으며, 내 산화성이 크고, 가공성 및 경제성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.At this time, the
설계조건에 따라, 배관(20)은 스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어질 수도 있다.Depending on the design conditions, the
이러한 배관(20)은 냉각재가 수용되어 이송되도록 하는데, 이때, 배관에 수용되는 냉각재는 인입부(21)를 지나 냉각 대상(10) 내부로 이송되고, 상기 냉각 대상(10) 내부의 열을 빼앗아 배출부(22)를 통해 냉각 대상(10) 외부로 이송되며 빼앗은 열을 배출시킨다.At this time, the coolant accommodated in the pipe is transferred to the inside of the
냉각재는 물과 상변환 물질로 이루어진 혼합물이다.The coolant is a mixture of water and phase change materials.
상변환 물질은 원자로 정상가동 운전시 냉각 대상(10) 온도보다 높고, 사건/사고가 발생되는 동안 냉각 대상(10)의 최대온도보다 낮은 상변환 온도를 갖고 물과 안정적으로 혼합되어 유동에 유리하며, 자연 대류 순환이 활발히 이루어지도록 상변환시 상들 간의 밀도가 크며, 단위 부피당 많은 냉각 대상(10)의 내부 에너지를 흡수할 수 있도록 상변환 잠열이 높은 물질로 이루어질 수 있다.The phase change material has a phase transformation temperature that is higher than the temperature of the object to be cooled 10 during the normal operation of the reactor and has a phase transformation temperature lower than the maximum temperature of the
설계조건에 따라, 원자력발전소에서 개별적으로 요구되는 사항과 발전소특성을 고려하여 다양한 상변환물질로 이루어질 수 있음은 물론이다.Depending on the design conditions, it may be made of various phase change materials in consideration of the individual requirements of the nuclear power plant and the characteristics of the power plant.
이러한 상변환물질은 고체 상태에서 액체 상태로 상변환시 냉각 대상(10) 내부의 열을 흡수하고, 고체 상태에서 액체 상태로 상변환시 냉각 대상(10) 외부로 열을 방출한다.The phase change material absorbs the heat inside the
즉 물과 상변환물질이 혼합된 냉각재는 배관(20)에 수용되어 이송되되, 인입부(21)를 통해 냉각 대상(10) 내부로 인입된 후, 배관(20)을 따라 냉각 대상(10)의 배출부(22)를 통해 냉각 대상(10) 외부로 배출되고, 냉각 대상(10) 외부에 구비된 배관(20)을 따라 다시 인입부(21) 측으로 이송되어, 순환하게 된다.That is, the coolant mixed with water and the phase change material is received in the
나아가, 상변환물질은 물과 안정적으로 혼합됨으로써, 상변환되어 고체 상태에서도 이송이 원활하다.Further, the phase-change material is stably mixed with water, so that the phase-change material is smoothly conveyed even in a solid state.
예를 들어, 상변환물질은 SODIUM ACETATE TRIHYDRATE(CH3CO2Na3H2O)로 이루어질 수도 있다.For example, the phase change material may comprise SODIUM ACETATE TRIHYDRATE (CH 3 CO 2 Na 3 H 2 O).
SODIUM ACETATE TRIHYDRATE(CH3CO2Na3H2O)은 아세트산 나트륨 삼수화물의 화학 명칭을 가지며, 녹는점(Melting point)은 58℃이고, 상변환시 잠열은 264kJ/kg이며, 밀도(Density)는 1.45kg/dm3이고, 비열(Specific heat)은 2.79kJ/kgK이다.SODIUM ACETATE TRIHYDRATE (CH 3 CO 2 Na 3 H 2 O) is a chemical name for sodium acetate trihydrate with a melting point of 58 ° C, a latent heat of 264 kJ / kg during phase conversion, a density of 1.45 kg / dm 3 , and specific heat is 2.79 kJ / kgK.
이때, 냉각재는 물 100중량부에 대하여 상변환물질 70 ~ 200중량부로 구성될 수 있다.At this time, the coolant may be composed of 70 to 200 parts by weight of phase change material with respect to 100 parts by weight of water.
이러한 냉각재는 물 100중량부에 대하여 상변환물질이 70중량부(최소중량부) 미만이면, 냉각 대상(10) 내부의 열을 흡수하는 정도가 미미하여 열배출 효과를 크게 얻을 수 없으며, 물 100중량부에 대하여 상변환물질이 200중량부(최대중량부)를 초과하면, 상변환시 고체 상태인 상변환물질이 물에 비례하여 배관(20) 내부에 많게 수용됨으로써 이송이 원활하지 못하는 문제점이 있다.If the phase change material is less than 70 parts by weight (minimum weight part) based on 100 parts by weight of water, the degree of absorbing the heat inside the
따라서, 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템은 물과 상변환물질로 이루어진 냉각재가 배관(20)을 따라 이송되되, 인입부(21)를 통해 냉각 대상(10) 내부로 이송된 냉각재는 냉각 대상(10) 내부의 고온의 열에 의해 내부열교환기(30)에서 고체 상태에서 액체 상태로 상변환되면서, 냉각 대상(10) 내부의 열을 빼앗아 흡수하게 된다. 이때, 내부열교환기(30)에서 상변환물질이 상변화를 일으켜 발생된 상들 간의 현저한 밀도 차에 의해 냉각재는 부력에 의해 배관(20)을 따라 상승하므로, 상기 밀도 차에 의해서 생기는 자연 대류에 의해 유동되도록 한다.Therefore, in the passive cooling system for a nuclear power plant using the phase change material according to the present invention, the coolant made of water and phase change material is conveyed along the
또한 액체 상태로 상변환된 상변환물질과 물의 혼합물은 열을 흡수한 채 배출부(22)를 통해 냉각 대상(10) 외부로 배출되고, 배관(20)을 따라 이송되면서 외부열교환기(40)에서 상변환물질이 액체 상태에서 고체 상태로 상변환되면서, 응고되어 대기로 열을 방출하며, 액체 상태에서 고체 상태로 상변환되면서 상들 간의 현저한 밀도차가 다시 발생하여 냉각재의 대류를 가속시켜 계통 내부의 냉각재 순환 속도를 현저히 증가시킨다.The mixture of the phase change material and the water that has been phase-converted into the liquid state is discharged to the outside of the
열을 방출하면서 상변환된 고체 상태의 상변환물질과 물이 혼합된 냉각재는 배관(20)을 따라 이송되면서 자연 대류 순환에 의해 다시 인입부(21)로 이송된다.The coolant, in which the phase-transformed solid phase-change material and the water are mixed while releasing heat, is conveyed along the
이러한 과정을 통해, 상변환물질을 이용하여 냉각 대상(10) 내부의 열을 피동적으로 제거할 수 있으며, 자연 대류에 의해 순환되어 시간제한없이 장기적으로 냉각 기능을 수행하고, 최종 열제거원으로 냉각 대상(10)의 외부 대기를 이용함으로써, 전기 또는 냉각수의 공급과 같은 별도의 운전원조치를 필요로 하지 않아 외부동력없이 냉각이 가능한 이점이 있다.Through this process, the heat inside the
한편, 냉각 대상(10)의 외부에 구비되되, 배관(20)의 경로 중 인입부(21)가 구비되는 부분과 배출부(22)가 구비되는 부분에 각각 체크밸브(51, 52)가 구비될 수 있다.On the other hand,
이러한 체크밸브(51, 52)는 유체를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로는 흐르지 못하도록 하는 밸브로, 배관(20)에 수용된 냉각재가 인입부(21)와 배출부(22)를 순차적으로 순환하도록 일방향으로 흐를 수 있도록 한다.The
그러나 체크밸브(51, 52)를 설치하는 것은 피동적으로 흐르는 냉각재의 흐름에 방해 요인이 될 수 있기에, 필요시에만 설치할 수 있음은 물론이다.However, it is needless to say that the installation of the
설계조건에 따라, 배관(20)에 연결되는 완충탱크(60)가 구비될 수 있다.Depending on the design conditions, a
이러한 완충탱크(60)는 배관(20)의 일측 또는 타측에 연결되어, 냉각재가 상변화 과정에서 발생되는 부피변화를 수용하고 불순물이 계통내부로 유입되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 또한 배관(20) 내부에 수용되어 이송되는 냉각재의 압력이나 유량이 급격히 변하였을 때, 그것이 완충탱크(60)가 설치되지 않은 반대 측인 타측 또는 일측에 영향을 미치지 않도록 하는 기능을 수행한다.The
이때, 완충탱크(60)는 릴리프밸브(relief valve, 61) 및 에어밸브(air valve, 62)가 더 구비될 수 있다.At this time, the
릴리프밸브(61)는 배관(20)과 완충탱크(60) 내부의 압력이 소정 압력 이상이 되었을 때 계통내부 유체를 외부로 분출되도록 함으로써, 계통 압력이 설계압력을 초과하는 것을 방지할 수 있어 계통의 건전성을 유지시킨다.The
에어밸브(62)는 외부의 공기를 완충탱크(60) 및 배관(20) 내부로 유입되도록 함으로써, 계통 내부의 음압을 방지할 수 있다.The
설계조건에 따라, 완충탱크(60)에 의한 가스 배출 및 공기 유입은 배관(20) 내부의 압력을 체크하고, 상기 체크된 압력 값에 의해 피동적으로 동작되도록 구성될 수 있음은 물론이다.It goes without saying that, according to the design conditions, the gas discharge and the air inflow by the
이에 따라, 배관(20)을 따라 이송되는 냉각재가 액체 상태, 고체 상태 또는 기체 상태로 상변화됨에 따라, 팽창 또는 수축이 발생되어도, 일정한 압력을 유지할 수 있도록 함으로써, 본원 발명에서의 상변환물질을 이용한 냉각을 원활하게 수행할 수 있다.Accordingly, even when expansion or contraction occurs due to a phase change of the coolant conveyed along the
이러한 구성에 따라, 본 발명에 따른 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템은 상변환물질을 이용하여 냉각 대상(10) 내부의 열을 피동적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.According to this configuration, the passive cooling system of the nuclear power plant using the phase-change material according to the present invention has an advantage that the heat inside the
또한 최종 열제거원으로 냉각 대상(10)의 외부 대기를 이용함으로써, 전기 또는 냉각수의 공급과 같은 별도의 운전 조치를 필요로 하지 않아 외부동력없이 냉각이 가능하다.Further, by using the external atmosphere of the
또한 물과 상변환물질이 혼합된 냉각재가 자연 대류에 의해 순환되도록 함으로써, 원활한 이송이 이루어지도록 하고, 나아가, 시간제한없이 장기적으로 냉각 수행이 가능하다.Further, the coolant mixed with the water and the phase change material is circulated by the natural convection, so that the smooth transfer can be performed, and furthermore, the cooling can be performed for a long time without any time limit.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 알 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It can be seen that branch substitution, modification and modification are possible.
10 : 냉각 대상 20 : 배관
21 : 인입부 22 : 배출부
30 : 내부열교환기 40 : 외부열교환기
51, 52 : 체크밸브 60 : 완충탱크
61 : 릴리프밸브 62 : 에어밸브10: cooling object 20: piping
21: inlet 22: outlet
30: internal heat exchanger 40: external heat exchanger
51, 52: Check valve 60: Buffer tank
61: relief valve 62: air valve
Claims (9)
상기 냉각 대상(10) 내부에 구비되는 배관(20)에 연결된 내부열교환기(30); 및
상기 냉각 대상(10) 외부에 구비되는 배관(20)에 연결된 외부열교환기(40);를 포함하여 구성되되,
상기 냉각재는
상기 인입부(21)를 통해 냉각 대상(10) 내부로 인입되고, 배출부(22)를 통해 냉각 대상(10) 외부로 배출됨으로써, 상기 배관(20)을 따라 냉각 대상(10) 내부와 외부로 순환되면서, 상기 냉각 대상(10) 내부의 열을 외부로 배출시키는 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
A pipe 20 including an inlet 21 communicating with the inside of the cooling object 10 and a discharge portion 22 communicating with the outside and having a coolant accommodated therein and being transported;
An internal heat exchanger (30) connected to a pipe (20) provided inside the cooling object (10); And
And an external heat exchanger (40) connected to a pipe (20) provided outside the object to be cooled (10)
The coolant
Is drawn into the cooling object 10 through the inlet portion 21 and discharged to the outside of the cooling object 10 through the discharge portion 22 so that the inside and the outside of the cooling object 10 , And the heat inside the cooling object (10) is discharged to the outside while being circulated to the cooling object (10).
상기 냉각재는
용매와 상변환물질이 혼합된 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method according to claim 1,
The coolant
A passive cooling system for a nuclear power plant using a phase change material, characterized in that a solvent and a phase change material are mixed.
상기 용매는 물로 이루어지되,
상기 냉각재는
물 100중량부에 대하여 상변환물질 70 ~ 200중량부로 구성된 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method of claim 2,
Wherein the solvent is water,
The coolant
And 70 to 200 parts by weight of a phase change material based on 100 parts by weight of water.
상기 상변환물질은
원자로 정상가동 운전시 냉각 대상(10) 온도보다 높으며, 사건/사고 발생시 냉각 대상(10)의 최대온도보자 낮은 상변환 온도를 갖고 물과 안정적으로 혼합되어 유동에 유리하고, 자연 대류 순환이 활발하게 이루어지로고 상변환시 상들 간의 밀도가 크며, 단위 부피당 많은 냉각 대상(10)의 내부 에너지를 흡수할 수 있도록 상변환 잠열이 높은 물질인 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method of claim 2,
The phase-
(10) when the reactor is in a normal operation state and has a low phase transformation temperature at the maximum temperature of the object to be cooled (10) at the time of an event / accident and is stably mixed with water, And a phase change latent heat is high so that the internal energy of the cooling object (10) per unit volume can be absorbed. The passive cooling system of the nuclear power plant using the phase change material.
상기 상변환물질은
SODIUM ACETATE TRIHYDRATE(CH3CO2Na3H2O)로 이루어진 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method of claim 4,
The phase-
SODIUM ACETATE TRIHYDRATE (CH 3 CO 2 Na 3 H 2 O).
상기 배관(20)은
냉각 대상(10) 외부에 구비되는 배관(20)을 따라 이송되는 냉각재가 상기 인입부(21)를 통해 냉각 대상(10) 내부로 인입되도록 하기 위한 체크밸브(51); 및
냉각 대상(10) 내부에 구비된 배관(20)을 따라 이송되는 냉각재가 냉각 대상(10) 외부에 구비되는 배관(20)을 따라 이송되도록 하기 위한 체크밸브(52);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method according to claim 1,
The pipe (20)
A check valve 51 for allowing a coolant to be conveyed along a pipe 20 provided outside the cooling object 10 to be drawn into the cooling object 10 through the inlet 21; And
And a check valve 52 for allowing the coolant to be conveyed along the pipe 20 provided in the cooling object 10 to be conveyed along the pipe 20 provided outside the cooling object 10 Characteristics of Passive Cooling System of Nuclear Power Plant Using Phase Change Materials.
상기 배관(20)의 경로 중 배출부(22)가 구비되는 부분에 완충탱크(60)가 더 구비되되,
상기 완충탱크(60)는
냉각 대상(10) 내부 기체를 외부로 배출시키는 릴리프밸브(61); 및
외부의 공기가 인입되도록 하는 에어밸브(62);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method according to claim 1,
A buffer tank 60 is further provided at a portion of the path of the pipe 20 where the discharge portion 22 is provided,
The buffer tank (60)
A relief valve (61) for discharging the gas inside the cooling object (10) to the outside; And
And an air valve (62) for allowing outside air to be drawn in. The passive cooling system of a nuclear power plant using the phase change material.
상기 배관(20)은
내식성이 우수하여 녹이 잘 슬지 않으며, 내구성이 강해 쉽게 휘거나 찌그러지지 않고, 내마모성이 높으며, 저온특성이 우수하고, 내화 및 내열성이 높아 고온에서도 강도를 유지할 수 있으며, 내 산화성이 크고, 가공성 및 경제성이 우수한 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.
The method according to claim 1,
The pipe (20)
It has excellent resistance to corrosion and is resistant to rust. It has high durability. It does not bend or squeeze easily. It has high abrasion resistance, excellent low temperature characteristics, high fire resistance and heat resistance, can maintain strength even at high temperature, Wherein the phase change material is made of an excellent material.
상기 배관(20)은
스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어진 것을 특징으로 하는 상변환물질을 이용한 원자력발전소 피동 냉각시스템.The method of claim 8,
The pipe (20)
A passive cooling system for a nuclear power plant using a phase change material, characterized in that it is made of stainless steel.
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