KR20180126317A - 원자로 용기 외벽 단열체 및 이를 포함하는 냉각 시스템 - Google Patents

원자로 용기 외벽 단열체 및 이를 포함하는 냉각 시스템 Download PDF

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KR20180126317A
KR20180126317A KR1020170061230A KR20170061230A KR20180126317A KR 20180126317 A KR20180126317 A KR 20180126317A KR 1020170061230 A KR1020170061230 A KR 1020170061230A KR 20170061230 A KR20170061230 A KR 20170061230A KR 20180126317 A KR20180126317 A KR 20180126317A
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방인철
이민호
김인국
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울산과학기술원
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Abstract

원자로 용기 외벽 단열체 및 이를 포함하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른, 원자로 공동 내 수용되는 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 단열체는, 원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체; 상기 벽체의 외주면로부터 외측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 외측 돌출부; 및 상기 벽체의 내주면으로부터 내측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 내측 돌출부를 포함한다.

Description

원자로 용기 외벽 단열체 및 이를 포함하는 냉각 시스템{REACTOR VESSEL OUTER WALL INSULATOR AND COOLING SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 원자로 용기 외벽 단열체 및 이를 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 원자로는 안정성 평가에 따라 각종 안전설비가 설계되어 있으나 오작동 또는 노심(reactor core) 냉각이나 반응도의 제어가 적절히 이루어지지 않는 경우 원자로 용기가 파손되는 등의 중대사고가 발생될 수 있다.
이러한 중대사고는 원자로 용기가 파손된 이후에 이를 수용하고 있는 격납 건물의 파손으로 이어져 전체 피해 규모가 확산될 수 있으므로 근본적인 피해 확산을 줄이기 위하여 원자로 용기 외벽 냉각 기술이 개발되고 있다. 여기서, 상기 원자로 용기 외벽 냉각 기술은 가압 경수로 사고 발생시 노심 용융물의 노내 잔류를 위하여 원자로 용기의 외벽을 냉각시키는 것을 의미한다.
예컨대, 원자로 용기의 외벽을 감싸는 단열체를 구비하고, 중대사고 발생시 원자로 용기의 외벽을 냉각수에 침수시켜 원자로 용기 내부의 붕괴열을 제거함으로써 원자로 용기가 파손되는 것을 방지하는 원자로 용기 외벽 냉각 기술이 개발되고 있다.
이러한, 원자로 용기 외벽 냉각 기술은 원자로의 중대사고를 관리하는 주요 기술로 대두됨에 따라 국내외 여러 경수로의 설계에 반영되고 있다.
한편, 고출력 원자로의 경우 붕괴열 또한 고출력에 비례하여 상대적으로 높게 형성되며, 이렇게 높은 붕괴열은 종래의 냉각수를 통한 원자로 용기 외벽냉각 방식에서의 임계 열유속 현상을 발생시킬 가능성이 매우 높다. 따라서, 상기 임계 열유속 현상이 발생하게 되면 원자로 용기의 외벽냉각은 더 이상 그 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 원자로 용기와 일정 간격으로 외벽을 감싸는 단열체를 구비하여 중대사고시 단열체와 용기 사이에 액체금속을 채우고, 단열체 외부에는 냉각수를 채우는 원자로 용기 냉각 기술이 개발되었다.
그러나, 액체금속을 이용한 외벽 냉각의 경우 원자로 용기 외부의 단열체 구조에는 다음과 같은 문제점이 있다.
원자로의 정상운전 상황에서 단열체와 원자로 용기 사이의 공간에서 발생되는 공기의 자연순환으로 인한 열 손실을 무시할 수 없으며 이는 원전의 경제성을 저하시키는 단점이 있다.
또한, 액체금속을 이용한 냉각 방식에도 불구하고 여전히 고출력 원자로의 붕괴열이 높은 열유속으로 단열체에 전달되는 경우를 배제할 수 없으며, 그로 인해 임계 열유속 현상이 발생하게 되어 외벽 냉각성능이 급격히 저하되는 단점이 있다.
따라서, 기존 단열체의 경제성 및 냉각성능 저하의 문제를 해결할 수 있는 새로운 개념의 구조가 절실히 요구된다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
특허문헌 1 : 한국등록특허 제1404955호 (2014.06.09. 공고)
본 발명의 실시 예는 단열체에 하이퍼베이퍼트론(Hypervapotron) 구조를 적용하여 원자로의 정상운전 시 열손실을 줄이고, 사고 시 외벽냉각의 임계 열유속을 증진시킬 수 있는 개선된 원자로 용기 단열체 및 이를 포함하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원자로 공동 내 설치되는 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 단열체는, 원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체; 상기 벽체의 외주면로부터 외측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 외측 돌출부; 및 상기 벽체의 내주면으로부터 내측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 내측 돌출부를 포함한다.
또한, 상기 단열체는, 상기 원자로의 사고관련 이벤트시 상기 원자로 용기와의 사이에 충수되는 액체금속이 노심으로부터 발생되는 열을 제거하고, 남은 잔열을 상기 공동과의 사이에 충수되는 냉각수로 전달하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 외측 돌출부와 내측 돌출부는, 각각 상기 벽체의 외주면과 내주면의 둘레를 따라 수평방향으로 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 외측 돌출부는, 서로 이웃하는 외측 돌출부 사이에 외측홈을 형성할 수 있다.
또한, 상기 단열체는, 상기 외측홈의 가장 안쪽 영역에 형성된 표면의 열 전달량이 가장 크고 상기 외측 돌출부의 끝단 영역에 형성된 표면으로 갈수록 열 전달량이 작아질 수 있다.
또한, 상기 내측 돌출부는, 서로 이웃하는 내측 돌출부 사이에 내측홈을 형성할 수 있다.
또한, 상기 내측 돌출부는, 상기 원자로의 정상 운전시 상기 원자로 용기와의 사이에서 자연순환 하는 공기를 상기 내측홈으로 유입할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 냉각 시스템은, 원자로 용기를 내부에 수용하는 공동 내에서 상기 원자로 용기를 둘러싸고, 외주면과 내주면에 각각 원주방향의 요철구조를 형성하는 단열체; 상기 원자로의 정상 운전여부를 감시하는 모니터링부; 원자로의 정상 운전 시 액체금속을 저장하는 제1 탱크; 원자로의 정상 운전 시 냉각수를 저장하는 제2 탱크; 상기 모니터링부로부터 사고 관련 이벤트 신호를 수신하면, 상기 제1 탱크를 개방하여 상기 원자로 용기와 단열체 사이에 액체금속을 충수하고, 상기 제2 탱크를 개방하여 상기 단열체와 공동 사이에 냉각수를 충수하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 단열체는, 상기 원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체; 상기 벽체의 외주면로부터 외측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 외측 돌출부; 및 상기 벽체의 내주면으로부터 내측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 내측 돌출부를 포함할 수 있다.
또한, 제 1 항에 있어서, 상기 모니터링부는, 원자로의 노심 온도를 감시하여 정상치를 초과하는 붕괴열 발생을 감지하거나 원자로 운전에 따라 수집되는 각종 정보의 분석으로 상기 노심의 붕괴열 발생 징후가 예측되면 상기 이벤트 신호을 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 탱크는, 상기 액체 금속이 액체 상태를 유지할 수 있도록 가열 하는 히터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 공동은, 냉각수 주입구와 냉각수 배출구가 서로 상반된 위치에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 모니터링부를 통해 상기 냉각수의 온도를 측정하여 상기 냉각수의 온도가 상기 단열체의 소정 핵비등 한계점에 도달한 것으로 판단되면 가열된 온수를 배출하고 냉수를 주입하는 냉각수 교체 모드로 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따른, 원자로 공동 내 설치되는 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 단열체는, 원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체; 상기 벽체의 일부가 외측 방향으로 절곡되어 형성되는 외측 돌출부; 상기 벽체의 일부가 내측 방향으로 절곡되어 형성되는 내측 돌출부; 상기 외측 돌출부가 형성된 상기 벽체의 타측에 형성되는 내측홈; 및 상기 내측 돌출부가 형성된 상기 벽체의 타측에 형성되는 외측홈을 포함하며, 상기 외측 돌출부와 내측 돌출부는 소정 높이의 간격으로 번갈아 형성될 수 있다.
또한, 상기 외측 돌출부와 내측 돌출부는, 상기 벽체가 'ㄷ' 자 단면 형상의 지그재그로 돌출될 수 있다.
또한, 상기 단열체는, 상기 원자로의 사고관련 이벤트시 상기 공동과의 사이에 충수된 냉각수가 일방향으로 유동하되, 냉각수의 유동속도가 상기 외측 돌출부의 끝단 영역이 가장 크고 상기 외측홈의 가장 안쪽영역 표면으로 갈수록 상기 냉각성능이 작아지도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 원자로의 사고 상황 시 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조를 통해 충수된 액체금속으로부터 냉각수로 전달되는 평균 열유속을 증진시켜 고열유속에서도 핵비등 영역유지에 따른 냉각성능을 극대화할 수 있다.
또한, 원자로의 정상 운전 시 유동 저항체로 작용하는 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조를 통해 단열체와 원자로 용기 사이에 공기 유동을 억제함으로써 공기의 자연순환 감소에 따른 열손실을 줄이고 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원자로 용기 외벽 냉각 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 원자로의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 일반적인 평면 단열체에 따른 열전달 방식의 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조의 냉각 성능을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조의 대류 자연순환 억제 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 원자로 용기 외벽 단열체 및 이를 포함하는 냉각 시스템에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원자로 용기 외벽 냉각 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 원자로 용기 외벽 냉각 시스템은 원자로(100), 모니터링부(200), 제1 탱크(300), 제2 탱크(400) 및 제어부(500)를 포함한다.
원자로(100)는 원자로 용기(110), 원자로 용기(110)를 내부에 수용하는 공동(120) 및 공동(120) 내에서 원자로 용기(110)를 둘러싸고 있는 단열체(130)를 포함한다.
단열체(130)는 내벽이 원자로 용기(110)의 외벽과 소정 간격을 두고 떨어진 위치에 설치되어 전체 형상으로는 공동(120)과 같이 원자로 용기(110)를 담고 있는 또 하나의 용기 구조를 가지며, 외주면과 내주면에 원주방향으로 요철구조를 형성한다.
모니터링부(200)는 각종 센서를 통해 원자로(100)를 모니터링하여 정상 운전여부를 감시하고, 오작동, 비정상 운전에 따른 중대사고 및 그 발생을 예측하여 경보 한다.
예컨대, 모니터링부(200)는 노심의 붕괴열 발생, 중대사고의 발생 및 전원상실 등의 비상상태를 예측 및 검출하여 이벤트 신호를 발생 할 수 있다. 상기 중대사고는 핵연료 피복재 산화로 인한 수소 발생과 폭발, 노심의 용융 및 원자로 용기 파손 등일 수 있다.
또한, 모터링부(200)는 노심 온도를 감시하여 정상치를 초과하는 붕괴열 발생을 감지할 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고 원자로(100) 운전에 따라 수집되는 각종 정보를 종합적으로 분석하여 노심의 붕괴열 발생 징후를 예측할 수 있으며, 이를 위해 그에 따른 예측 시나리오를 저장할 수 있다.
제1 탱크(300)는 원자로(100)의 정상 운전 시 액체금속(10)을 저장한다.
제1 탱크(300)는 상기 액체 금속이 액체 상태를 유지할 수 있도록 가열 하는 히터(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 탱크(300)는 노심 붕괴열 등의 이벤트 상황이 발생되면, 제1 밸브(310)를 개방하여 제1 배관(320)을 통해 원자로 용기(110)와 단열체(120)사이에 액체금속(10)을 충수한다.
제2 탱크(400)는 원자로(100)의 정상 운전 시 냉각수(20)를 저장한다.
제2 탱크(400)는 상기 사고 이벤트 상황 시 제2 밸브(410)를 개방하여 제2 배관(420)을 통해 공동에 냉각수(20)를 충수한다.
이러한 제1 탱크(300)와 제2 탱크(400)는 인가되는 제어신호에 따라 각각의 밸브(310, 320)을 개방할 수 있으며, 원자로(100) 보다 높은 위치에 배치하여 중력에 의해 각 유체가 흘러 각각 목적한 공간에 유입되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 제1 탱크(300)와 제2 탱크(400)는 각자 배관에 펌프나 공기 압축기를 구비하여 배관 내 유체 이송을 위한 압력을 가할 수 있다.
제어부(500)는 본 발명의 실시 예에 따른 원자로(100)의 운용과 그 안전한 냉각을 위한 전반적인 동작을 제어한다.
제어부(500)는 원자로 냉각제어를 위한 서버나 컴퓨터 또는 그에 준한 기능의 전자통신장비로 구성될 수 있으며, 그 구동을 위한 각종 프로그램 및 데이터를 포함한다.
제어부(500)는 모니터링부(200)로부터 비상상태 예측 및 사고 상황의 이벤트 신호를 수신하면, 제1 탱크(300)와 제2 탱크(400)의 밸브를 개방하여 액체금속과 냉각수를 채우도록 제어한다.
또한, 제어부(500)는 이벤트 상황을 알람 및 각종 정보통신을 통해 운영자에게 전달할 수 있으며, 상기 이벤트 상황의 심각성 레벨(정도)에 따른 시나리오를 마련하여 심각성이 낮은 레벨에서는 수동으로 액체금속과 냉각수의 주입을 입력 받거나 일정이상 높은 레벨이상에서는 자동으로 주입할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 원자로의 구조를 개략적으로 나타낸다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 원자로(100)는 노심에 붕괴열이 발생하는 사고로 원자로 용기(110)와 단열체(130) 사이에 액체금속(10)이 채워지고, 단열체(130)와 공동(120, 미도시) 사이에 냉각수(20)가 충수된 상태를 나타낸다.
이는 도면에서는 생략되었으나 원자로(100)의 정상 운전시 액체금속(10)과 냉각수(20)가 충수되지 않음을 시사한다.
액체금속(10)은 원자로 용기(110)의 외벽과 단열체(130)의 내벽 사이의 공간으로 주입되어 원자로 용기(110)의 노심으로부터 발생되는 열을 제거하고(이하, 1차 냉각이라 명명함), 상기 1차 냉각 후 남은 잔열을 냉각수(20)로 전달한다.
여기서, 액체금속(10)은 갈륨(Gallium)으로 구성할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고 경수에 비해 비등점이 높은 것으로 알려진 다양한 냉각재를 사용할 수 있다.
냉각수(20)는 단열체(130)의 외벽과 공동(120) 사이의 공간으로 주입되어 단열체(130)를 통해 액체금속(10)을 로부터 전달되는 잔열을 제거한다(이하, 2차 냉각이라 명명함).
냉각수(20)는 채워진 공동(120) 내부에서 순환하므로 순환 냉각수라 부를 수 있으며, 상기 순환 냉각수는 순환과정에서 공동(120)의 외부환경(예; 외부 차가운 공기) 의해 자연스럽게 3차 냉각이 이루어질 수 있다.
또한, 냉각수(20)는 상기 2차 냉각의 순환과정에서 뜨겁게 가열된 온수를 일부 배출하고 배출된 양만큼의 냉수를 채우는 냉각수 교체 모드를 통해 냉각효율을 향상시킬 수 있다. 이를 위하여 공동(120)에는 냉각수 주입구와 배출구(미도시)가 서로 상반된 위치에 배치될 수 있으며, 냉각수의 온도는 모니터링부(200)에서 체크할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 단열체(130)는 사고관련 이벤트 상황 시 임계 열유속을 증진시켜 냉각성능을 극대화하고, 종래 원자력 발전소의 경제성을 해치는 단열체와 원자로 용기 사이의 자연순환을 줄이는 하이퍼베이퍼트론 구조를 갖는다.
여기서, 임계 열유속을 증진시킨다는 것은 단열체(130)의 외벽에서 냉각수(20)로 전달되는 평균 열유속을 증진시킨다는 의미로, 단열체(130)의 하이퍼베이퍼트론 구조를 통해 기존 원자로 용기 외벽 냉각 방식 보다 높은 고열유속(High heat flux)에서도 핵비등 영역을 유지할 수 있음을 의미한다.
단열체(130)는 원자로 용기(110)의 외벽과 소정 간격을 두고 설치되는 벽체(131), 원주방향(수평방향)으로 돌출되며 벽체(131)의 외주면으로부터 외측방향으로 형성된 외측 돌출부(132) 및 벽체(132)의 내주면으로부터 내측 방향으로 형성된 내측 돌출부(133)를 포함한다.
외측 돌출부(132)와 내측 돌출부(133)는 벽체(131)의 외주면과 내주면의 둘레를 따라 빨래판과 같이 요철 구조로 형성된 단면을 가지며, 각각 원자로 용기(110)를 중심으로부터 일정 높이의 간격을 두고 형성된다.
한편, 이러한 단열체(130)의 하이퍼베이퍼트론 구조의 기능을 구체적으로 설명하기에 전에 아래의 도 3을 통해 단열체(130)를 일반적인 평면으로 구성했을 경우의 문제점을 살펴본다.
도 3은 일반적인 평면 단열체에 따른 열전달 방식의 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 수직으로 평면인 단열체의 단면을 기준으로 우측에는 액체금속이 위치하고 좌측에는 냉각수가 위치할 때 우측의 액체금속이 1차 냉각 후 남은 잔열이 단열체를 통해 좌측 냉각수로 전달된다.
여기서, 도 3(A)의 경우는, 일반 열유속으로 냉각수와 접촉되는 단열체의 외벽에 기포가 형성되는 핵비등(Nuclear boiling)이 발생하여 열전달 및 냉각이 효율적으로 이루어 진다.
그러나, 도 3(B)와 같이, 고출력 원자로의 붕괴열 등으로 인해 고열유속(High heat flux)이 전달되면, 상기 외벽의 핵비등의 임계 열유속점 초과하여 열전달이 급격히 저하되는 천이비등(Transition boiling)이나 막 비등(Film boiling)으로 전환된다. 이로 인해 단열체는 냉각효율이 급격히 떨어져 원자로 용기의 외벽냉각 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제가 발생된다(도4의 비등곡선 참조).
한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 단열체(130)는 하이퍼베이퍼트론 구조를 통해 단열체(130)의 외벽에서 냉각수(20)로 전달되는 임계 열유속을 증진시키는 기술을 제안한다. 그리고, 이를 통해 위의 도 3(B)와 같은 고출력 원자로의 고열유속에도 항시 핵비등 상태를 유지함으로써 열전달 및 냉각을 효율적으로 수행할 수 있으며, 이러한 내용을 아래의 도면을 통해 구체적으로 설명한다.
한편, 도 4는 본 발명의 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조의 냉각 성능을 설명하기 위한 단면도이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 상기 도 2의 "A"부분을 확대 도시한 단면도로써 단열체(130)를 기준으로 우측에 액체금속(10)이 충수되고 좌측에 냉각수(20)가 충수되어 액체금속(10)의 고열유속이 냉각수(20)로 전달되는 상태를 보여준다.
단열체(130)는 벽체(131)의 외주면에 높이방향의 일정 간격으로 외측 돌출부(132)와 외측홈(H1)이 번갈아 배치된다. 이때, 벽체(131)의 외주면으로부터 일정 간격을 두고 돌출된 외측 돌출부(132)는 서로 이웃하는 다른 외측 돌출부(132)와 함께 외측홈(H1)을 이룬다.
단열체(130)의 외측부를 영역별로 구분하면, 벽체(131)의 외주면에 근접한 순서대로 외측홈(H1)의 안쪽 영역(a), 외측홈(H1)의 중간 영역(b), 외측홈(H1)의 바깥 영역(c) 및 돌출부 끝단 영역(d)으로 구분할 수 있다.
이때, 벽체(131) 외주면으로부터 전달되는 열전달량의 크기는 (a) > (b) > (c) > (d) 영역의 순서로 이루어질 수 있다.
도 4와 같이 액체금속(10)에 의한 고열유속(High heat flux)이 전달되어 벽체(131) 외주면에 형성된 외측홈(H1)의 안쪽 영역(a)에 막비등이 발생되더라도 상대적으로 열전달이 낮은 외측 홈(H1) 바깥 영역(c)에서는 핵비등 상태를 유지할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 단열체(130)는 상기 도 3(B)의 예시와는 다르게 외측 돌출부(132)의 요철 구조를 통해 고출력 원자로의 고열유속에도 항시 핵비등 상태를 유지할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 막비등이 형성된 외측홈(H1)의 안쪽 영역(a)은 끓는 냉각수(20)의 상변화로 거대한 기포를 분출하여 외측홈(H1)의 내부에 갇혀 가열된 냉각수(20)와 내벽에 붙어있는 기포들을 밖으로 밀어 냄으로써 외측홈(H1)내 냉각수(20)를 순환시키는 긍정적인 역할을 한다.
또한, 도 4를 참조하면, 단열체(130)는 상기 고열유속에 비해 열유속이 약하거나 더 강하더라도 외측 돌출부(132)의 형성으로 냉각수(20)와 닿는 전체적인 열전달 면적이 늘어나 냉각효율을 극대화할 수 있으며, 더 높은 열유속에 대해서도 평균열유속을 증진시켜 냉각 기능을 유지할 수 있음을 시사한다.
가령, 도 4의 상기 고열유속에 비해 낮은 일반적인 열유속이 전달되어 외측홈(H1)의 안쪽 영역(a)에 상기 막비등 보다 낮은 레벨의 핵비등이 형성되는 경우 상기 열 전도 순서에 따라 (b) 및 (c) 영역의 비등이 한 단계씩 내려가면서 전체 핵비등 영역과 그 열전달 면적이 늘어난다.
즉, 도 3(A)와 같이, 일반적인 열유속이 전달되어 벽체(131)에 핵비등이 형성되면 해당 벽체(131)뿐만 아니라 이웃하는 외측 돌출부(132)의 양쪽 내벽까지 3면에 걸쳐 핵비등이 형성됨으로써 냉각성능을 극대화 할 수 있다.
반대의 경우, 상기 도 4의 고열유속에 비해 더 높은 열유속의 전달로 (a), (b)영역까지 막비등이 형성되어 (c) 및 (d) 영역의 비등이 한 단계씩 올라가더라도 돌출부 끝단 영역(d)은 핵비등을 형성하여 냉각 기능을 유지할 수 있다.
따라서, 이러한 결과로 볼 때 단열체(130)는 외측홈(H1)의 일부 영역에서 막비등이 일어나더라도 핵비등을 유지하여 전체적으로 열전달 능력이 감소하는 것을 방지하고, 전체 영역에서 막비등이 일어나는 것을 막을 수 있어 임계열유속이 국부적이 아닌 단열체(130)의 전체의 입장에서 볼 때 증진된다.
나아가, 앞서 설명한 제어부(500)는 모니터링부(200)를 통해 냉각수(20)의 온도를 측정하여 냉각수의 온도가 단열체(130)의 소정 핵비등 한계점에 도달한 것으로 판단되면 안전적인 냉각을 위해 가열된 온수를 배출하고 냉수를 주입하는 냉각수 교체 모드로 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 단열체(130)는 앞서 목적한 바와 같이 원자로(100)의 정상 운전시 원자력 발전소의 경제성을 해치는 단열체(130)와 원자로 용기(110) 사이의 공기자연순환을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조의 대류 자연순환 억제 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
단열체(130)의 내주면은 원자로 용기(110)의 벽면과 일정 간격 떨어진 공간을 이루고, 원자로(100)의 정상운전 시 비워진 상태로 공기가 채워져 대류현상에 따라 일방향으로 자연순환 한다. 이러한 공기의 자연순환은 유동속도가 빠를수록 냉각효율이 증가하고 차가운 공기가 빠르게 유입되기 때문에 원자로(100)의 열손실이 발생될 수 있다.
첨부된 도 5를 참조하면, 단열체(130) 내부 하이퍼베이퍼트론 구조는 벽체(131)의 내주면에 일정 간격으로 내측 돌출부(133)를 형성하여 이웃하는 내측 돌출부(133)와 함께 내측홈(H2)을 이룬다.
이러한, 단열체(130)는 내측 돌출부(133)가 내측으로 돌출된 요철 구조를 통해 공기의 자연순환과 유동속도를 줄이는 저항체로 작용한다.
단열체(130)의 내측 돌출부(133)는 이웃하는 다른 내측 돌출부(133)와 형성된 내측홈(H2)으로 공기를 유입하여 공기의 유동속도를 지연시킴과 동시에, 내측홈(H2)으로 유입되어 회전된 공기를 내측홈(H2) 바깥쪽의 불규칙한 방향으로 흐르게 하여 공기가 일방향으로 흐르지 않고 요동치도록 방해한다.
따라서, 단열체(130)는 요철구조의 내측 돌출부(133)를 통한 공기의 유동저항으로 작용하여 공기의 자연순환을 감소시키고 단열 성능을 증진시킴으로써 기존 공기의 자연순환에 따른 열손실을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 원자로의 사고 상황 시 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조를 통해 충수된 액체금속으로부터 냉각수로 전달되는 평균열유속을 증진시켜 고열유속에서도 핵비등 영역유지에 따른 냉각성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 원자로의 정상 운전 시 유동 저항체로 작용하는 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조를 통해 단열체와 원자로 용기 사이에 공기 유동을 억제함으로써 공기의 자연순환 감소에 따른 열손실을 줄이고 단열 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 상기 도 4에서는 벽체(131)의 양측면에 각각 외측 돌출부(132)와 내측 돌출부(133)를 형성하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 벽체(131)를 절곡하여 양측에 교대로 요철구조를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단열체의 하이퍼베이퍼트론 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 앞서 설명된 도 4와 대부분이 유사하므로 중복된 설명은 생략하고 단열체(130)의 하이퍼베이퍼트론 구조에서의 다른 부분을 위주로 설명한다.
첨부된 도 6을 참조하면, 단열체(130)를 기준으로 우측에 액체금속(10)이 충수되고 좌측에 냉각수(20)가 충수되어 액체금속(10)의 고열유속이 냉각수(20)로 전달되는 상태를 보여준다.
단열체(130)는 원자로 용기(110)이 외벽을 소정 간격을 두로 둘러싸는 벽체(131)의 일부가 외측 방향으로 절곡되어 형성되는 외측 돌출부(132), 벽체(131)의 일부가 내측 방향으로 절곡되어 형성되는 내측 돌출부(133)를 포함한다.
또한, 외측 돌출부(132)가 형성된 벽체(131)의 타측에 형성되는 내측홈(H2) 및 내측 돌출부(133)가 형성된 벽체(131)의 타측에 형성되는 외측홈(H1)을 포함한다.
단열체(130)의 외측 요철구조는 바깥쪽으로 형성된 이웃하는 외측 돌출부(132) 사이에 순차적으로 외측홈(H1)을 형성하고, 내측 요철구조는 이웃하는 내측 돌출부(133) 사이에 순차적으로 내측홈(H2)을 형성한다.
이 때, 단열체(130)의 양방향 요철구조는 도 4와 같이 벽체(131)로부터 양쪽방향으로 연장된 돌출부를 별도로 형성할 필요 없이 동일한 두께의 벽체(131)를 'ㄷ'자 단면형상으로 외측방향과 내측방향 번갈아 절곡되어 형성된 점이 다르다. 이는 단열체(130)의 외측 돌출부(132)와 내측 돌출부(133)가 번갈아 가면서 지그재그로 형성되었다고 설명할 수 있다.
또한, 외측 돌출부(132) 및 내측 돌출부(133)의 내측으로도 액체금속(10)이 유입되는 점에서도 상이하다.
이러한 단열체(130)의 냉각 성능 특성을 살펴보면, 냉각수(20) 순환 측면에서 볼 때 충수된 냉각수(20)가 자연순환으로 일방향으로 흐르게되며, 외측 돌출부(132)의 끝단 영역(d)은 냉각수의 유동유속이 가장 빨라 냉각성능이 가장 높게 나타난다.
반면에, 외측홈(H1)으로 유입되는 일부 냉각수(20)는 외측 돌출부(132)의 저항에 의해 유속을 잃고 홈 내 잠시 머무르게 되면서 가열되어 상기 외측 돌출부의 끝단 영역(d)에 비해 냉각효율이 낮아진다.
이를 정리하면, 냉각수(20)의 순환에 따른 냉각성능의 크기는 (d) > (c) > (b) > (a)의 영역 순으로 낮아진다.
이를 열 전달 측면에서 설명하면, 상기한 영역별 표면의 냉각성능 차이로 인하여 단열체(130)의 외측 요철구조에서의 열 전달량의 크기는 외측홈(H1)의 안쪽 영역(a)으로부터 중간 영역(b), 바깥 영역(c) 및 돌출부 끝단 영역(d)의 순서대로 이루어질 수 있다.
그러므로, 도 4와 마찬가지로 액체금속(10)에 의한 고열유속이 전달되면 외측홈(H1)의 안쪽 영역(a)에 막비등이 발생되고 상대적으로 열전달량이 낮은 외측 홈(H1) 바깥 영역(c)에서는 핵비등 상태를 유지할 수 있다.
따라서, 단열체(130)는 냉각수(20)와 접촉되는 전체 영역에서 막비등이 일어나는 것을 막을 수 있으며 단열체(130)의 전체 면적에서 볼 때 임계 열유속을 증진시킬 수 있는 효과가 있다.
이외에 단열체(130)는 원자로의 정상 운전 시 유동 저항체로 작용하는 내용은 상기 도 5를 통해 설명한 것과 유사하므로 중복된 설명을 생략한다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 원자로 200: 모니터링부
300: 제1 탱크 400: 제2 탱크
500: 제어부 110: 원자로 용기
120: 공동 130: 단열체
131: 벽체 132: 외측 돌출부
133: 내측 돌출부 H1: 외측홈
H2: 내측홈 10: 액체금속
20: 냉각수

Claims (17)

  1. 원자로 공동 내 설치되는 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 단열체에 있어서,
    원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체;
    상기 벽체의 외주면로부터 외측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 외측 돌출부; 및
    상기 벽체의 내주면으로부터 내측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 내측 돌출부
    를 포함하는 원자로 용기 외벽 단열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열체는,
    상기 원자로의 사고관련 이벤트시 상기 원자로 용기와의 사이에 충수되는 액체금속이 노심으로부터 발생되는 열을 제거하고, 남은 잔열을 공동과의 사이에 충수되는 냉각수로 전달하도록 구성되는 원자로 용기 외벽 단열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 외측 돌출부와 내측 돌출부는,
    각각 상기 벽체의 외주면과 내주면의 둘레를 따라 수평방향으로 연장 형성되는 원자로 용기 외벽 단열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 돌출부는,
    서로 이웃하는 외측 돌출부 사이에 외측홈을 형성하는 원자로 용기 외벽 단열체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단열체는,
    상기 외측홈의 가장 안쪽 영역에 형성된 표면의 열 전달량이 가장 크고 상기 외측 돌출부의 끝단 영역에 형성된 표면으로 갈수록 열 전달량이 작아지는 원자로 용기 외벽 단열체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 내측 돌출부는,
    서로 이웃하는 내측 돌출부 사이에 내측홈을 형성하는 원자로 용기 외벽 단열체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내측 돌출부는,
    상기 원자로의 정상 운전시 상기 원자로 용기와의 사이에서 자연순환 하는 공기를 상기 내측홈으로 유입하는 원자로 용기 외벽 단열체.
  8. 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 냉각 시스템에 있어서,
    원자로 용기를 내부에 수용하는 공동 내에서 상기 원자로 용기를 둘러싸고, 외주면과 내주면에 각각 원주방향의 요철구조를 형성하는 단열체;
    상기 원자로의 정상 운전여부를 감시하는 모니터링부;
    원자로의 정상 운전 시 액체금속을 저장하는 제1 탱크;
    원자로의 정상 운전 시 냉각수를 저장하는 제2 탱크; 및
    상기 모니터링부로부터 사고 관련 이벤트 신호를 수신하면, 상기 제1 탱크를 개방하여 상기 원자로 용기와 단열체 사이에 액체금속을 충수하고, 상기 제2 탱크를 개방하여 상기 단열체와 공동 사이에 냉각수를 충수하는 제어부
    를 포함하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단열체는,
    상기 원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체;
    상기 벽체의 외주면로부터 외측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 외측 돌출부; 및
    상기 벽체의 내주면으로부터 내측방향으로 돌출되며 소정 높이 간격으로 형성되는 내측 돌출부를 포함하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    원자로의 노심 온도를 감시하여 정상치를 초과하는 붕괴열 발생을 감지하거나 원자로 운전에 따라 수집되는 각종 정보의 분석으로 상기 노심의 붕괴열 발생 징후가 예측되면 상기 이벤트 신호을 발생하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 탱크는,
    상기 액체 금속이 액체 상태를 유지할 수 있도록 가열 하는 히터를 포함하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 공동은,
    냉각수 주입구와 냉각수 배출구가 서로 상반된 위치에 배치되는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모니터링부를 통해 상기 냉각수의 온도를 측정하여 상기 냉각수의 온도가 상기 단열체의 소정 핵비등 한계점에 도달한 것으로 판단되면 가열된 온수를 배출하고 냉수를 주입하는 냉각수 교체 모드로 동작하는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 액체금속은,
    갈륨으로 구성되거나 경수에 비해 비등점이 높은 냉각재로 구성되는 원자로 용기 외벽 냉각 시스템.
  15. 원자로 공동 내 설치되는 원자로 용기의 외벽 냉각을 위한 원자로 용기 외벽 단열체에 있어서,
    원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 벽체;
    상기 벽체의 일부가 외측 방향으로 절곡되어 형성되는 외측 돌출부;
    상기 벽체의 일부가 내측 방향으로 절곡되어 형성되는 내측 돌출부;
    상기 외측 돌출부가 형성된 상기 벽체의 타측에 형성되는 내측홈; 및
    상기 내측 돌출부가 형성된 상기 벽체의 타측에 형성되는 외측홈을 포함하며,
    상기 외측 돌출부와 내측 돌출부는 소정 높이의 간격으로 번갈아 형성되는 원자로 용기 외벽 단열체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 외측 돌출부와 내측 돌출부는,
    상기 벽체가 'ㄷ' 자 단면 형상의 지그재그로 돌출되는 원자로 용기 외벽 단열체.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 단열체는,
    상기 원자로의 사고관련 이벤트시 공동과의 사이에 충수된 냉각수가 일방향으로 유동하되, 냉각수의 유동속도가 상기 외측 돌출부의 끝단 영역이 가장 크고 상기 외측홈의 가장 안쪽영역 표면으로 갈수록 냉각성능이 작아지도록 구성되는 원자로 용기 외벽 단열체.
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