KR20180108168A

KR20180108168A - 모듈 원전

Info

Publication number: KR20180108168A
Application number: KR1020170037591A
Authority: KR
Inventors: 이정익; 김성구; 허진영; 정용훈; 김용희; 배성준; 김민길; 백승준
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2018-10-04
Also published as: KR101922967B1

Abstract

본 발명은 소형(Small) 또는 초소형(Micro) 모듈 원전에 관한 것으로서, 본 발명의 모듈 원전은, 원자로가 가열한 순환유체를 터빈, 복열기, 및 등온 압축기를 통해 냉각하고 압축하되, 냉각팬을 갖는 열교환기에 의해 냉각 및 압축된 상기 등온 압축기로부터의 상기 순환 유체를 상기 복열기를 통해 상기 원자로로 순환시켜서, 등온-브레이튼 싸이클을 형성하고, 상기 등온 압축기는, 등엔트로피 압축과정과 등압 냉각 과정으로 이루어진 극소과정을 복수회 반복하는 다단 압축을 통해 전체 등온-브레이튼 싸이클 효율을 증가시킨다.

Description

모듈 원전{Module reactor}

본 발명은 모듈 원전에 관한 것으로, 상세하게는 초임계(Supercritical) 이산화탄소(S-CO₂) 등 초임계 유체를 노심 냉각재와 발전 싸이클의 순환유체로 사용하는 소형(Small) 또는 초소형(Micro) 모듈 원전에 관한 것이다.

종래의 원자력 발전은 원자로에 의해서 가열된 물 등의 냉각재의 열에너지를 열교환기를 통해서 발전 싸이클에 사용되는 유체에 전달하고, 증기화된 유체의 에너지에 의해서 발전기와 연결된 터빈을 회전시키는 과정을 거쳐서 전기를 발생시켰다. 그리고, 터빈을 통과한 증기는 복수기에서 냉각 해수와의 열교환을 통해서 액화된 후 다시 열교환기로 공급된다. 이러한 종래의 원자력 발전소는 건설비용이 많이 소요되며, 넓은 부지가 필요하며, 냉각 해수의 공급을 위해 부지 선정에 어려움이 있다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 최근에는 공장에서 제조할 수 있고, 서로 이어 붙일 수 있는 소형모듈원전(Small Modular Reactor, SMR) 또는 초소형모듈원전(Micro Modular Reactor, MMR)이 주목을 받고 있다. 대부분의 소형/초소형 모듈 원전에서 전력생산계통이 증기 랭킨 싸이클(Rankine cycle)이기 때문에, 전력생산계통을 포함한 완전 모듈화는 상당히 어렵다. 또한, 대부분 소형/초소형 모듈 원전의 안전시스템은 장기간 동안 피동적으로 작동하지 않는다.

관련선행문헌으로서 미국공개특허 US2013/0180259, 일본공개특허 특개2003-057391 등이 참조될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 초임계 이산화탄소 등을 원자로의 냉각재 및 브레이튼 싸이클의 순환유체로 사용하는 소형/초소형 모듈 원전을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 완전한 피동 안전 시스템을 구비한 소형/초소형 모듈 원전을 제공하는데 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈 원전은, 원자로가 가열한 순환유체를 터빈, 복열기, 및 등온 압축기를 통해 냉각하고 압축하되, 상기 등온 압축기로부터의 순환유체가 냉각팬을 갖는 열교환기에 의해 냉각되고, 상기 열교환기로부터의 순환액체가 상기 등온 압축기에 의해 압축된, 상기 순환 유체를 상기 복열기를 통해 상기 원자로로 순환시켜서, 등온-브레이튼 싸이클을 형성하고, 상기 등온 압축기는, 등엔트로피 압축과정과 등압 냉각 과정으로 이루어진 극소과정을 복수회 반복하는 다단 압축 과정에 따른 등온 압축에 가까운 과정을 통해 전체 등온-브레이튼 싸이클 효율을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 상기 극소과정은 각 등온-브레이튼 싸이클에서 100 내지 10000회 반복될 수 있다.

상기 모듈 원전은, 상기 복열기의 입출구에 소정의 온도차를 보장하기 위하여, 상기 등온 압축기와 상기 열교환기 사이에 결합된 예냉각기를 더 포함할 수 있다.

상기 순환유체는 초임계 이산화탄소, 초임계 헬륨, 또는 이들의 혼합 가스로 이루어질 수 있다.

상기 원자로의 노심부를 둘러싸며 외벽에 냉각재가 흐르도록 형성된 냉각로에 연결된 피동잔열제거 열교환기를 더 포함하며, 상기 피동잔열제거 열교환기는, 외부의 공기 냉각 루프와 연동하여 별도의 전원 없이 상기 냉각재의 자연순환에 의해 상기 노심부를 냉각시킬 수 있다.

상기 원자로는, 노심부의 복수의 연료봉들과 상기 연료봉들 주위에 원 둘레를 따라 일정한 간격으로 배치된 복수의 주제어봉들을 포함한다. 상기 주제어봉들은 드럼형태이다.

상기 원자로는, 상기 노심부의 중앙에서 밀폐체로부터 가스 플레넘 공간 시작 부근까지 연장된 하나 이상의 부 제어봉을 더 포함할 수 있다.

상기 모듈 원전은, 가로, 세로, 높이가 3~10m 범위의 격납용기 내에 상기 원자로를 포함하도록 소형으로 제작될 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 모듈 원전의 동작 방법은, 원자로가 가열한 순환유체를 터빈, 복열기, 및 등온 압축기를 통해 냉각하고 압축하는 단계를 포함하고, 상기 등온 압축기로부터의 순환유체가 냉각팬을 갖는 열교환기에 의해 냉각되고, 상기 열교환기로부터의 순환액체가 상기 등온 압축기에 의해 압축된, 상기 순환 유체를 상기 복열기를 통해 상기 원자로로 순환시켜서, 등온-브레이튼 싸이클을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 등온 압축기에서, 등엔트로피 압축과정과 등압 냉각 과정으로 이루어진 극소과정을 복수회 반복하는 다단 압축 과정에 따른 등온 압축에 가까운 과정을 통해 전체 등온-브레이튼 싸이클 효율을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 소형/초소형 모듈 원전은, 전력 생산 계통 및 피동 안전시스템까지 포함하는 완전 모듈화가 가능하여 제작된 모듈을 운송한 후 최소한의 건설작업을 통해서 바로 설치하여 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 소형/초소형 모듈 원전은 대용량 원전 도입이 어려운 국가나 도시의 중소용 원전에 대한 수요를 충족시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 소형/초소형 모듈 원전은 노심의 용융을 비롯한 중대사고 가능성을 배제할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 초소형 모듈 원전의 브레이튼 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 원전을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈 원전을 설명하기 위한 도면이다.
도 2c는 도 2a의 노심부와 제어봉을 좀 더 자세히 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 모듈 원전에서의 등온-브레이튼 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명에서 등온 압축기에 초임계 이산화탄소를 사용하는 브레이튼 싸이클을 적용할 때의 온도-엔트로피 (T-s) 다이어그램이다.
도 4b는 도 4a의 4->5 과정을 좀더 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 5은 작동 유체별 단열에서 등온 압축까지의 압축 일의 감소율을 나타내며, 압축기 입구 온도 = 35°C, 압축기 출구 압력 = 20MPa, 압축기 입구 압력 = 7.4MPa인 경우의 예이다.
도 6은 본 발명의 등온-브레이튼 싸이클에서의 압축 과정 수(compression process number)에 따른 등온 압축기의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 등온-브레이튼 싸이클과 종래의 브레이튼 싸이클의 다양한 최대 온도에서의 싸이클 효율(cycle net efficiency)을 나타낸 그래프로서, 압축기 입구 온도 35

C 에서 최적 효율 설계점의 결과를 나타낸다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 초소형 모듈 원전의 브레이튼 싸이클을 설명하기 위한 도면이다.

도 1과 같이, 종래의 초소형 모듈 원전은, 원자로(5)에 의해 열에너지를 갖는 증기가 터빈(11)을 돌리고, 복열기(12)에서 냉각기(13), 압축기(14)를 통해 냉각된 후 원자로(15)로 다시 돌아가 순환하는 브레이튼 싸이클을 이룬다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 원전을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈 원전의 일실시예는, 격납용기(10), 외부 격납용기(20), 원자로(30), 순환배관(40), 터빈(50), 등온압축기(isothermal compressor)(60), 복열기(Recuperator)(70), 발전기(80), 피동잔열제거 열교환기(34)를 포함한다.

도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈 원전을 설명하기 위한 도면이다. 도 2b는 도 2a의 모듈 원전에 예냉각기(90)를 추가한 실시예이다.

발전기(80)를 제외한 원자로(30), 순환배관(40), 터빈(50), 등온압축기(60), 및 복열기(70)는 격납용기(10) 안에 설치된다.

격납용기(10)는 외부 격납용기(20) 안에 배치되며, 발전기(80)는 격납용기(10)와 외부 격납용기(20) 사이에 설치된다.

원자로(30)는 노심부(31), 원자로 용기(32) 및 제어봉(control rod)(33) 등을 포함한다.

도 2c는 도 2a/도 2b의 노심부(31)과 제어봉(33)을 좀 더 자세히 나타낸 도면이다.

도 2c와 같이, 원자로(30)에서 노심부(31)와 제어봉(33)은 밀폐체(340)로 이루어진다. 노심부(31)는 바닥의 중성자 반사체(reflector)(312) 위에 장착된 노심(active core) 연료봉들(311), 상부의 가스 플레넘(plenum) 공간(313)을 가진다. 제어봉(33)은 밀폐체(340) 내에서 노심 연료봉들(311) 주위에 원 둘레를 따라 일정한 간격으로 배치된 드럼형 주(primary) 제어봉들(331)과, 밀폐체 끝에서 노심부(31) 중앙의 상부 가스 플레넘 공간(313) 시작 부근까지(시작 부근과 일치할 필요없이 조금 짧거나 길어도 상관없음) 내려오도록 배치된 하나 이상의 드럼형 부(secondary) 제어봉(332)을 포함한다. 부 제어봉(332)은 2이상 복수개로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 노심 연료봉들(311)은 18개의 핵연료 집합체로 이루어질 수 있으며 12개의 드럼형(속이 빈 원통형 또는 속이 빈 원통형의 일부 벽면이 열린 형태) 주 제어봉들(331)을 이용할 수 있다. 핵연료 집합체 바깥은 PbO 소재의 반사체와 B4C 소재의 실딩으로 둘러싸여 밀폐체를 형성할 수 있다. 노심부(31) 출력은 36MWth 이며, 활성 노심부(31)의 반경은 0.5~1.5m(예,82cm)이고 활성 노심부(31)의 높이는 0.8~2m(예, 1.2m)일 수 있다. 원자로 용기(32)의 총 높이는 2~4m(예, 3.15m)로, 격납용기(10)(예, 가로/세로/높이가 3~10m 범위) 내부 모듈에 들어갈 수 있도록 소형/초소형으로 설계될 수 있다. 19% 농축도의 UN을 핵연료로 사용하며, 피복재로는 ODS (Oxide-dispersed Strengthened) Steel을 사용할 수 있다.

노심부(31)는 원자로(30)의 중심부로서 핵연료의 원자핵이 중성자와 결합해 쪼개지는 핵분열을 일으키며 에너지를 발생시키는 곳이다. 제어봉들(331/332)는 중성자를 흡수하고 핵연료의 반응도를 조절한다. 원자로 용기(32)는 노심(31)과 원자로 냉각 계통 등을 수용하는 밀폐 용기를 말한다. 제어봉(33)은 열중성자를 잘 흡수하는 재료로 피복되어 있다. 또한, 원자로 용기(32)는 노심부(31)를 냉각하기 위한 냉각재 및 순환유체가 유동하는 공간을 형성한다.

노심부(31)를 냉각하기 위한 냉각재로는, 물, 이산화탄소, 순환유체(예, 초임계 이산화탄소, 초임계 헬륨, 또는 이들의 혼합 기체)와 동일한 기체, 또는 이들의 혼합기체 등이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 초임계 이산화탄소를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 피동잔열제거(PDHR, passive decay heat removal) 열교환기(34)는 노심부(31)를 둘러싸며 원자로(30) 외벽에 냉각재가 흐르도록 형성된 냉각로에 연결되며, 외부의 공기 냉각 루프와 연동하여 별도의 전원 없이 냉각재의 순환 동안의 상변화 또는 열전달율 등을 이용한 자연순환에 의해 노심부(31)가 냉각되도록 하여, 노심부(31)의 핵분열에 의한 붕괴열을 외부로 자연 방출시킬 수 있다.

한편, 원자로(30), 순환배관(40), 터빈(50), 복열기(70) 및 등온압축기(60)는 초임계 상태의 순환유체에 의해 열에너지를 전달과 이용이 이루어지게 하는 등온-브레이튼 싸이클(iso-Brayton cycle)을 이룬다.

원자로(30)는 등온-브레이튼 싸이클의 열원으로서 초임계 상태의 순환유체를 가열하며, 순환배관(40)은 원자로(30)에서 배출된 초임계 상태의 순환유체가 순환하는 경로를 형성하고, 터빈(50)은 초임계 상태의 순환유체의 팽창과정에서 회전한다. 터빈(50)을 나온 순환 유체는 복열기(70)에서 등온압축기(60)를 통해 냉각된 후 원자로(30)로 다시 돌아가 순환된다(도 3 참조).

등온 압축기(60)는 외부 격납용기(20)의 외부에 있는 열교환기(61)와의 열 교환을 통해 초임계 상태의 순환유체를 냉각하고 압축하여 등온-브레이튼 싸이클을 완성한다. 구체적으로, 상기 등온 압축기(60)는 압축에 필요한 일을 최소화하는 등온압축과정을 사용하는 터보기계로서, 기존의 압축기와 예냉각기의 기능을 동시에 수행할 수 있다. 따라서, 예냉각기(90)가 차지하는 부피를 줄일 수 있으며, 등온압축 과정으로 전체 싸이클 효율이 증가하는 장점을 가지고 있다.

도 4a에서 보는 바와 같이, 등온 압축기(60)를 사용하면 4->5로의 다단 압축과정에서 온도를 일정하게 유지하며 엔트로피 변화를 유도할 수 있으므로, 더 많은 열을 회복할 수 있고, 열교환 효율을 증가시킬 수 있다.

이때 복열기(70)는 싸이클 중간에서 순환유체로부터 열을 회수하고 냉각된 순환유체가 원자로(30)로 다시 돌아가도록 하여 싸이클의 효율을 높인다.

초임계 상태의 순환유체는 상기 격납용기(10)의 내부 공간 및 격납용기(10)와 외부 격납용기(20) 사이의 공간에 충진될 수 있다. 상기 초임계 상태의 순환유체로는 초임계 이산화탄소, 초임계 헬륨, 또는 이들의 혼합기체가 사용될 수 있으며, 초임계 이산화탄소를 순환유체로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 순환유체인 초임계 이산화탄소는 온도 변화에 의해서 열에너지를 흡수하고 방출하는 역할을 한다. 초임계 유체는 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리킨다. 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가진다. 초임계 이산화탄소는 등온-브레이튼 싸이클의 각각의 구성요소들을 서로 연결하고 있는 순환배관(40)을 따라 순환하면서 열에너지를 전달한다.

특히, 초임계 이산화탄소는 임계점인 31.1

C, 7.39MPa 근처에서 높은 밀도를 갖는 특성을 보인다. 이를 더욱 활용하기 위해서는 온도 상승이 유발되는 일반 압축기(예, 공기, 헬륨 등 사용)를 사용하기 보다는, 도 5과 같이 등온 압축기(60)를 통해 동일한 온도에서 압축이 이뤄지도록 등온 압축을 하게 되어 임계점 근처에서 압축일을 더욱 감소할 수 있게 하는 것이 최대 이점이라 할 수 있다. 이산화탄소를 작동 유체로 사용하면 다른 유체에 비해 등온압축기를 사용할 때 압축일을 더 효과적으로 감소할 수 있게 된다.

상기 초임계 이산화탄소를 사용하는 등온-브레이튼 싸이클은 다음과 같은 이점이 있다. 첫째, 싸이클 내에서 상변화가 일어나지 않기 때문에 터빈이나 등온 압축기에서 이상류에 의한 블레이드의 파괴 우려가 없다. 둘째, 등온 압축기의 유입 조건이 임계점 부근에 위치함으로써 순환유체의 높은 밀도로 인해 등온 압축기가 마치 펌프와 같이 동작하여 소모 일이 크게 줄어든다. 결과적으로, 터빈 일(work)과 등온 압축기 일의 차이로 나타내지는 순일의 양이 증가하여 싸이클의 열 이용 효율이 크게 증가한다. 셋째, 초임계 이산화탄소는 기화되어 날아갈 때 오염물질만 남기 때문에, 방사능에 오염된 물과 같은 2차 폐기물이 남지 않는다.

상기 초임계 이산화탄소는 원자로(30)에서 공급된 열에너지에 의해서 임계 온도 및 압력 이상으로 가열된 상태로 터빈(50)에 공급된다. 터빈(50)에 공급된 초임계 이산화탄소는 터빈(50)을 회전시킨다. 터빈(50)이 회전하면 터빈(50)에 연결된 회전형 발전기(80)에서 발전이 이루어진다. 터빈(50)과 발전기(80)는 격납용기(10)를 사이에 두고 자기 커플링을 통해서 서로 연결된다. 씰링부분에서 발생할 수 있는 누출을 원척적으로 차단하기 위함이다. 터빈(50)과 등온 압축기(60)의 회전축도 서로 연결되어 있어, 등온 압축기(60)는 터빈(50)의 회전 동력을 이용하여 회전축을 회전시킴으로써 순환유체를 압축시킬 수 있다.

터빈(50)을 회전시키는 과정에서 열에너지를 소모한 초임계 이산화탄소는 터빈(50)에서 배출된다. 터빈(50)에서 배출된 초임계 이산화탄소의 열에너지는 복열기(70)에서 일부 회수된다. 회수된 열에너지는 등온 압축기(60)를 거치면서 냉각된 초임계 이산화탄소가 복열기(70)에서 소정의 온도로 유지 또는 가열하는데 사용된다.

복열기(70)를 거친 초임계 이산화탄소는 등온 압축기(60)에서 소정의 온도로 냉각되어 원자로(30)로 배출된다. 등온 압축기(60)는 외부 격납용기(20) 외부에 설치된 공냉식 열교환기(61)와 열교환기 순환배관(62)을 통해서 연결되어 있다. 등온 압축기(60)의 초임계 이산화탄소는 열교환기 순환배관(62)을 통해서 열교환기(61)에 공급되고, 열교환기(61)에서는 공기냉각팬 등을 통해서 공급되는 외부공기와 초임계 이산화탄소 사이의 열교환이 이루어진다. 열교환기(61)에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 등온 압축기(60)로 다시 공급된다.

냉각된 초임계 이산화탄소는 등온 압축기(60)에서 압축된 후 복열기(70)에서 열을 흡수한다. 그리고 다시 원자로(30)로 공급되어 싸이클이 완성된다.

도 2b와 같이, 예냉각기(90)가 등온 압축기(60)와 열교환기(61) 사이에 결합되는 경우에, 복열기(70)를 거친 순환 유체는 예냉각기(90)에서 열교환기(61)에 의해 소정의 온도로 냉각되어 등온압축기(60)로 배출된다. 예냉각기(90)의 순환 유체는 순환 배관을 통해 연결된 열교환기(61)로 공급되고, 열교환기(61)에서는 공기냉각팬 등을 통해서 공급되는 외부공기와 초임계 이산화탄소 사이의 열교환이 이루어진다. 열교환기(61)에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 예냉각기(90)로 공급되고, 예냉각기(90)에서 등온 압축기(60)로 다시 공급된다. 싸이클이 완성되는 나머지 과정은 위에서 기술한 바와 같다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 원전이 비상시에 작동되는 방법에 대해서 설명한다.

정상 작동시에는 발전기(80)에서 생산된 전력의 일부를 이용하여 등온 압축기(60)와 열교환기(61)의 공기냉각팬을 작동시킴으로써, 초임계 이산화탄소의 열을 제거하고 순환시킨다. 이때, 피동잔열제거 열교환기(34)를 통해서도 열이 일부 배출된다.

그러나, 노심부(31)가 과열되는 비상시에는 수 분 동안 터빈(50)의 회전 동력을 이용해 등온 압축기(60)를 돌리는 터보 차저(charger) 모드로 변경하여 노심부(31)의 열을 제거한다. 또한, 피동잔열제거 열교환기(34)를 통해서 노심부(31)의 붕괴열은 직접 외부로 배출한다. 이를 통해서 노심부(31) 용융 등 중대사고를 방지할 수 있다.

일반적으로 도 1과 같이 예냉각기(2)를 사용하는 종래의 시스템에서는 등엔트로피 팽창, 등압 방열, 등엔트로피 압축, 등압 급열 과정의 브레이튼 싸이클을 이루며 열교환이 이루어진다.

반면, 본 발명의 등온 압축기(60)를 이용하는 시스템에서는, 도 4a와 같이, 더 넓은 범위의 엔트로피 변화가 일어나는 등온-브레이튼 싸이클(1->2->3->4->5->6->1)을 이루며 열교환이 이루어진다.

이에 따라 실질적으로 도 4a와 같이, 복열기(70)와 함께 등온 압축기(60)를 사용하면, 4->5로의 다단 압축과정에서 온도(T)를 일정하게 유지하며 엔트로피(S) 변화를 유도할 수 있으므로, 더 많은 열을 회복할 수 있고, 열교환 효율을 증가시킬 수 있다. 도 4a의 4->5 다단 압축과정을 확대한 도 4b를 참조하면, 소정의 압력 P₂ 근처에서, 등엔트로피 압축과정과 등압 냉각 과정의 극소과정이 반복된다. 이와 같이 각 등온-브레이튼 싸이클에서 다단 압축과정 또는 등온압축과정의 압축 과정 수를 200번 정도(예, 100 이상 10000 이하)의 극소과정으로 나누면, 이상적인 등온압축과정의 일(work)과 매우 근접하게 계산이 될 수 있다. 이와 같은 극소과정(infinitesimal compression process)은 실제 압축 일을 계산 가능하게 하는 가상의 다단 압축 과정으로서, 실제 일어나는 다단 압축 과정과는 차이가 있으나, 이와 같은 극소 과정의 압축 과정 수 (compression process number) 라는 변수에 따라서 이상적인 등온 압축 과정에 가까운 동작이 이루어질 수 있다.

도 6은 본 발명의 등온-브레이튼 싸이클에서의 압축 과정 수 (compression process number)에 따른 등온 압축기의 효율을 나타낸 그래프이다. 도 6에서 CIT(Compressor inlet temperature, 압축기 입구 온도) = 35^oC, CIP(Compressor inlet pressure, 압축기 입구 압력) = 7.5MPa, PR(Pressure ratio, 입구/출구 압력비) = 2.67를 가정하였다. 도 6과 같이, 소정의 설계 조건(η_s)에서 극소 과정의 압축 과정 수 (compression process number)가 증가함에 따라 등온 압축기의 효율이 증가함을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 복열 등온-브레이튼 싸이클(Recuperated iso-Brayton)과 종래의 단순 브레이튼 싸이클(Reference Recuperated)의 다양한 최대 온도에서의 싸이클 효율(cycle net efficiency)을 나타낸 그래프이다. 도 7은 압축기 입구 온도 35

C 에서 최적 효율 설계점의 결과를 나타낸다.

[수학식 1]과 같이, 싸이클 효율 η_iso-c는 이상적인 등온 압축일 W_ideal과 실제 등온 압축일 W_actual 간의 관계로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 복열 등온-브레이튼 싸이클 효율(Recuperated iso-Brayton)은 종래의 시스템(Reference Recuperated) 보다 월등히 향상됨을 확인하였고, 터빈 주입구 온도가 증가할수록 싸이클 효율도 증가됨을 알 수 있었다. 또한, 이상 기체 가정하에 본 발명의 등온-브레이튼 싸이클 효율은 Carnot efficiency(카르노 효율)에 근접하다는 것을 알 수 있었다.

한편, [수학식 1]의 싸이클 효율을 기초로, 본 발명의 모듈 원전의 실질적인 전체 등온-브레이튼 싸이클 효율 η_net은 대략 [수학식 2]과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, q_{out,precooler}는 예냉각기(90)를 통해 버려지는 열을 나타내고, q_out,iso-c는 등온압축기(60)를 통해 냉각 시 버려지는 열을 나타낸다. 이와 같이 등온압축기(60)가 예냉각기(90)와 등온 압축기(60)의 역할을 동시에 수행하기 때문에, 사이클에 적용하게 되면 예냉각기(90)의 부피/용량이 감축되도록 설계할 수 있고, 경우에 따라 도 2a와 같이 예냉각기(90)가 불필요할 수도 있다. 다만, 단순 복열 브레이튼 사이클에서 복열기(70)의 입출구에 소정의 온도차를 보장해주기 위하여, 도 2b와 같이 예냉각기(90)를 추가하되, 작은 용량으로 결합될 수 있다. 도 4a에서, 3->4 과정은 예냉각기(90)의 열역학 상태값을 나타내며, 온도차가 작은 것으로 보았을 때, 요구되는 예냉각기(90)의 용량이 작을 것으로 유추할 수 있다.

위와 같이, 초임계 이산화탄소 사이클은 매우 작은 크기와 높은 효율을 갖는다. 초임계 이산화탄소 사이클의 터보 머신들은 증기 Rankine 사이클이나 헬륨 사이클보다 크기가 상당히 작다. 또한 상대적으로 낮은 터빈 입구 온도 영역 (섭씨550도-850도) 에서도 높은 효율을 달성할 수 있는 장점이 있다. 따라서 이 사이클은 노심 출구 온도가 500도 이상은 원자로에 적합하다. 초임계 이산화탄소 사이클은 상변화를 겪지 않으며, 이산화탄소가 초임계점 근처에서 물성치가 급격하게 변하여 압축에 필요한 일/에너지가 크게 감축되기에 높은 효율을 달성할 수 있다. 초임계 이산화탄소 사이클은 복열기에서 회복하는 열이 매우 큰 편이며 따라서 복열기(70)가 대부분의 비용과 부피를 차지한다. 인쇄기판형 열교환기(PCHE)는 집적도가 매우 높고, 열전달 성능이 떨어지는 유체에서도 사용될 수 있으며 열교환기(61)의 부피를 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 초임계 이산화탄소 사이클에서 유용하게 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 (소형/초소형) 모듈 원전은, 전력 생산 계통 및 피동 안전시스템까지 포함하는 완전 모듈화가 가능하여 제작된 모듈을 운송한 후 최소한의 건설작업을 통해서 바로 설치하여 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다. 또한, 대용량 원전 도입이 어려운 국가나 도시의 중소용 원전에 대한 수요를 충족시킬 수 있으며, 노심의 용융을 비롯한 중대사고 가능성을 배제할 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형(예, 대형 모듈 원전에 적용 가능)이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

격납용기(10)
외부 격납용기(20)
원자로(30)
피동잔열제거 열교환기(34)
순환배관(40)
터빈(50)
등온압축기(60)
복열기(70)
발전기(80)
예냉각기(90)

Claims

원자로가 가열한 순환유체를 터빈, 복열기, 및 등온 압축기를 통해 냉각하고 압축하되,
상기 등온 압축기로부터의 순환유체가 냉각팬을 갖는 열교환기에 의해 냉각되고, 상기 열교환기로부터의 순환액체가 상기 등온 압축기에 의해 압축된, 상기 순환 유체를 상기 복열기를 통해 상기 원자로로 순환시켜서, 등온-브레이튼 싸이클을 형성하고,
상기 등온 압축기는, 등엔트로피 압축과정과 등압 냉각 과정으로 이루어진 극소과정을 복수회 반복하는 다단 압축 과정에 따른 등온 압축에 가까운 과정을 통해 전체 등온-브레이튼 싸이클 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제1항에 있어서,
상기 극소과정은 각 등온-브레이튼 싸이클에서 100 내지 10000회 반복되는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제1항에 있어서,
상기 복열기의 입출구에 소정의 온도차를 보장하기 위하여, 상기 등온 압축기와 상기 열교환기 사이에 결합된 예냉각기
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제1항에 있어서,
상기 순환유체는 초임계 이산화탄소, 초임계 헬륨, 또는 이들의 혼합 가스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제1항에 있어서,
상기 원자로의 노심부를 둘러싸며 외벽에 냉각재가 흐르도록 형성된 냉각로에 연결된 피동잔열제거 열교환기를 더 포함하며,
상기 피동잔열제거 열교환기는, 외부의 공기 냉각 루프와 연동하여 별도의 전원 없이 상기 냉각재의 자연순환에 의해 상기 노심부를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제1항에 있어서,
상기 원자로는,
노심부의 복수의 연료봉들과 상기 연료봉들 주위에 원 둘레를 따라 일정한 간격으로 배치된 복수의 주제어봉들
을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제6항에 있어서,
상기 주제어봉들은 드럼형인 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제6항에 있어서,
상기 원자로는,
상기 노심부의 중앙에서 밀폐체로부터 가스 플레넘 공간 시작 부근까지 연장된 하나 이상의 부 제어봉
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
제1항에 있어서,
가로, 세로, 높이가 3~10m 범위의 격납용기 내에 상기 원자로를 포함하도록 소형으로 제작되는 것을 특징으로 하는 모듈 원전.
원자로가 가열한 순환유체를 터빈, 복열기, 및 등온 압축기를 통해 냉각하고 압축하는 단계를 포함하고,
상기 등온 압축기로부터의 순환유체가 냉각팬을 갖는 열교환기에 의해 냉각되고, 상기 열교환기로부터의 순환액체가 상기 등온 압축기에 의해 압축된, 상기 순환 유체를 상기 복열기를 통해 상기 원자로로 순환시켜서, 등온-브레이튼 싸이클을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 등온 압축기에서, 등엔트로피 압축과정과 등압 냉각 과정으로 이루어진 극소과정을 복수회 반복하는 다단 압축 과정에 따른 등온 압축에 가까운 과정을 통해 전체 등온-브레이튼 싸이클 효율을 증가시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 원전의 동작 방법.