KR20190141938A - 고압 밀폐 시스템 감압방법 - Google Patents

고압 밀폐 시스템 감압방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예는 밀폐 시스템 내부에 고압의 증기가 발생할 경우, 미세한 입자를 이용하여 내부의 증기 압력을 일시적으로 또는 지속적으로 감소시켜 밀폐 시스템을 보호할 수 있는 고압 밀폐 시스템 감압방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 미세입자를 밀폐 시스템 내에 투입하고, 밀폐 시스템내의 압력(P)이 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0) 미만이 되면, 미세입자 투입을 중단하는 고압 밀폐 시스템 감압방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 고압에 노출된 밀폐 시스템 내부를 감압시켜 사고를 예방할 수 있다.

Description

고압 밀폐 시스템 감압방법{DEPRESSURIZING METHOD FOR HIGH PRESSURE SEALED SYSTEM}
본 발명은 고압 밀폐 시스템 감압방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미세한 입자를 이용한 고압 밀폐 시스템 감압방법에 관한 것이다.
원자력발전소에서 냉각수가 방출되는 사고가 발생하게 되면 배출된 고온 고압의 물은 수증기로 변화하면서 원자로격납건물 내부 압력을 상승시킨다.
지속적인 내부 압력 상승으로 원자로 격납건물이 견딜 수 없는 압력이상이 되면 격납건물의 손상이 일어날 수 있으므로 이를 사전에 방지하는 것이 필요하다.
원자로 격납건물을 보호하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 새로운 방법을 추가하면 더 안전하게 유지할 수 있으므로 원자로 격납건물 보호를 위한 기술의 추가 개발은 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1747695호
본 발명의 바람직한 일 실시예는 밀폐 시스템 내부에 고압의 증기가 발생할 경우, 미세한 입자를 이용하여 내부의 증기 압력을 일시적으로 또는 지속적으로 감소시켜 밀폐 시스템을 보호할 수 있는 고압 밀폐 시스템 감압방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는
증기에 의해 내부 압력이 증가되는 밀폐 시스템을 준비하는 단계;
상기 밀폐 시스템 내의 증기를 액체 상태로 변화시키는 시드(seed)로서 역할을 하는 미세입자를 준비하는 단계;
상기 밀폐 시스템 내의 압력을 측정하기 위한 압력측정기를 구비하는 단계;
상기 밀폐 시스템 내에 미세입자를 투입하기 위한 미세입자 투입수단을 구비하는 단계;
상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)을 설정하는 단계;
상기 압력측정기에 의해 측정된 밀폐시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 상기 미세입자 투입수단을 통해 미세입자를 상기 밀폐 시스템내에 투입하는 미세입자 투입단계; 및
상기 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0) 미만이 되면, 상기 미세입자 투입을 중단하는 단계를 포함하는 고압 밀폐 시스템 감압방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 고압에 노출된 밀폐 시스템 내부를 감압시켜 고압에 의한 사고를 예방할 수 있다.
도 1은 밀폐시스템이 수증기로 가압된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 미세입자로 수증기가 응축되어 밀폐시스템이 감압된 상태를 나타내는 모식도이다.
고압 밀폐 시스템의 예로서 원자력발전소의 원자로 격납건물 등을 들 수 있다.
상기한 바와 같이, 예를 들면, 원자력발전소에서 냉각수가 방출되는 사고가 발생하게 되면 배출된 고온 고압의 물은 수증기로 변화하면서 원자로격납건물 내부 압력을 상승시키며, 지속적인 내부 압력 상승으로 원자로 격납건물이 견딜 수 없는 압력이상이 되면 격납건물의 손상이 일어날 수 있으므로 이를 사전에 방지하는 것이 필요하다.
물론, 다양한 원자로격납건물 보호 방법들이 제안되어 있지만, 새로운 방법을 추가하면 더 안전하게 유지할 수 있으므로 원자로 격납건물 보호를 위한 추가기술의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은 고압 밀폐 시스템 보호 방법에 대하여 연구 및 실험을 통해 종래의 고압 밀폐 시스템 보호방법의 것과는 전혀 다른 개념으로 고압 밀폐 시스템의 보호방법을 제안하게 이르렀다.
본 발명자들은 인공 강우와 같이 습도가 높은 환경에서 적절한 시드(seed) 입자를 분사하게 되면, 시드 입자 표면에 증기(수증기)가 응축되면서 액체(물방울)이 생성된다는 것에 착안하여, 연구 및 실험을 통해 밀폐시스템 내부에 고압 증기가 발생하여 내부 압력이 올라간 조건에서 시드 입자를 분사하게 되면 시스템 내부의 증기가 시드에서 액체(물방울) 상태로 변화하게 되고, 따라서 기체상태의 분자가 물방울의 액체 상태로 뭉쳐지면서 시스템 내부에 존재는 기체상태의 분자수가 감소하고, 이에 따라 시스템 내부 압력이 감소하게 되고, 이를 이용하여 고압에 노출된 밀폐 시스템 내부를 감압시켜 사고를 예방하게 될 수 있음을 확인하고, 그 결과에 기초하여 본 발명을 제안하게 되었다.
본 발명은, 도 1에 나타난 바와 같이, 밀폐 시스템 내부에 고압 증기(수증기)가 발생하여 내부 압력이 일정한 값 이상으로 상승하게 되면, 도 2에 나타난 바와 같이 상기 밀폐 시스템내부에 미세입자를 시드(seed)로 분사하여 밀폐시스템 내부의 증기(수증기)가 미세입자에서 액체(물방울) 상태로 변화되도록 하여 기체상태의 분자수를 줄여 시스템 내부 압력을 감소시키게 하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 고압 밀폐 시스템 감압방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 고압 밀폐 시스템 감압방법은
증기에 의해 내부 압력이 증가되는 밀폐 시스템을 준비하는 단계;
상기 밀폐 시스템 내의 증기를 액체 상태로 변화시키는 시드(seed)로서 역할을 하는 미세입자를 준비하는 단계;
상기 밀폐 시스템 내의 압력을 측정하기 위한 압력측정기를 구비하는 단계;
상기 밀폐 시스템 내에 미세입자를 투입하기 위한 미세입자 투입수단을 구비하는 단계;
상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)을 설정하는 단계;
상기 압력측정기에 의해 측정된 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 상기 미세입자 투입수단을 통해 미세입자를 상기 밀폐 시스템내에 투입하는 미세입자 투입단계; 및
상기 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0) 미만이 되면, 상기 미세입자 투입을 중단하는 단계를 포함한다.
밀폐 시스템을 준비하는 단계
상기 밀폐 시스템으로는 증기에 의해 내부 압력이 증가되는 것이라면, 어느 것이나 적용 가능하다. 예를 들면, 고온 고압의 물이 수증기로 변화하면서 내부 압력이 증가되는 원자력발전소의 원자로격납건물 또는 고압의 증기가 발생할 수 있는 각종 탱크 및 플랜트 등을 들 수 있다.
상기 증기는 밀폐 시스템 내의 압력을 증가시키는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 수증기, 냉매, 기체상태의 화학물질 등을 들 수 있다.
상기 증기는 예를 들면, 수증기, 냉매 및 기체상태의 화학물질 중의 어느 하나일 수 있다.
미세입자를 준비하는 단계
상기 미세입자는 밀폐 시스템 내의 증기를 액체상태로 변화시키는 시드(seed)로서 역할을 하는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니며, 그 예로는 요소, 염화나트륨, 염화칼슘 및 염화칼륨 등의 흡습성 화학물질, 친수성 콜로이드, 구리 및 알루미늄 등과 같은 표면의 물 분자를 부착할 수 있는 물질 등을 들 수 있다.
상기 미세입자는 예를 들면, 요소, 염화나트륨, 염화칼슘, 염화칼륨, 친수성 콜로이드, 구리 및 알루미늄 중의 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
상기 미세입자는 예를 들면, 밀폐시스템 내의 불순물을 흡착 제거할 수 있는 기능도 갖는 것일 수 있다. 예를 들면, 원자로 격납건물내의 핵종을 흡착 제거할 수 있는 기능도 갖는 것일 수 있다.
상기 미세입자의 크기는 밀폐 시스템내의 증기를 액체상태로 변화시키는 시드(seed)로서 역할을 할 수 있는 정도라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 미세입자의 종류, 미세입자의 투입량, 미세입자의 투입조건, 밀폐시스템 내의 온도 및 압력 등을 고려하여 특정될 수 있다.
상기 미세입자의 크기는 예를 들면, 1mm 이하일 수 있고, 바람직하게는 1nm ~ 1mm일 수 있다.
미세입자의 크기가 너무 큰 경우에는 시드(seed)로서 역할을 충분히 수행할 수 없고, 너무 적은 경우에는 급격한 반응이 일어나 오히려 밀폐 시스템에 과부하가 걸릴 수 있고 미세입자의 투입조건도 까다로워 질 수 있다.
상기 미세입자의 형태는 특별히 한정되는 것은 아니며, 그 예로는 구형, 다각형 등을 들 수 있으며, 반응 표면적을 고려하면, 구형이 유효하다.
압력측정기를 구비하는 단계
압력 측정기는 밀폐 시스템 내의 압력을 측정할 수 있는 것이라면, 어느 것이나 사용 가능하다.
상기 압력 측정기는 예를 들면, 밀폐 시스템 내의 압력을 측정할 수 있도록 밀폐 시스템에 부착설치될 수 있다.
상기 압력 측정기는 예를 들면, 밀폐 시스템 내의 압력을 연속적으로 측정할 수 있도록 구비될 수 있다.
미세입자 투입수단을 구비하는 단계
상기 미세입자 투입수단은 미세입자를 밀폐 시스템 내에 투입할 수 있는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 미세입자 투입수단은 기계적 방식이거나 전기적 방식일 수 있다. 상기 기계적 방식은 정전사태가 발생할 경우에 바람직하게 적용되도록 구성될 수 있으며, 예를 들면, 밀폐시스템 내의 압력(P)이 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 미세입자 투입수단의 밸브 등이 열려 미세입자가 밀폐 시스템내에 투입되도록 구성될 수 있다.
상기 전기적 방식은 예를 들면, 압력측정기에서 측정된 밀폐시스템 내의 압력(P) 값을 입력받아, 밀폐시스템 내의 압력(P)이 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 미세입자 투입수단을 작동시켜 미세입자가 밀폐 시스템 내에 투입되도록 구성되는 제어기를 포함하여, 미세입자를 밀폐 시스템에 투입할 수 있다.
상기 미세입자 투입수단은 밀폐시스템에 부착설치될 수 있다.
목표 미세입자 투입압력(P0)을 설정하는 단계
목표 미세입자 투입 압력은 예를 들면, 밀폐 시스템이 손상 없이 견딜 수 있는 압력(밀폐시스템의 내구압력) 및 미세입자 투입에 의해 감소되는 압력량 등을 고려하여 설정될 수 있다.
예를 들면, 밀폐시스템의 내구압력에서 미세입자 투입에 의해 감소되는 압력량 만큼 뺀 압력을 목표 미세입자 투입 압력으로 설정할 수 있다.
미세입자 투입단계
상기 압력측정기에 의해 측정된 밀폐시스템내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 상기 미세입자 투입수단을 통해 미세입자를 상기 밀폐 시스템 내에 투입한다.
상기 미세입자는 단속적으로 또는 연속적으로 투입될 수 있다.
상기 미세입자를 단속적으로 투입하는 경우에는 밀폐 시스템 내의 압력(P)의 상승을 일시적으로 지연시킬 수 있다.
상기 미세입자의 투입량은 예를 들면, 증기의 함량, 밀폐 시스템 내의 압력 및 온도 등을 고려하여 설정될 수 있다.
상기 미세입자의 투입방법은 예를 들면, 미세입자를 입자상태로 투입하는 방법일 수 있다. 예를 들면, 미세입자를 입자상태로 밀폐 시스템 내에 분사할 수 있다.
상기 미세입자의 투입방법은 예를 들면, 와이어 형태 또는 포대 형태 투입방법일 수 있다.
미세입자를 와이어 형태로 투입하는 경우에는 밀폐 시스템 내에서 용해될 수 있는 물질로 이루어진 와이어 형태의 피복체 내에 미세입자를 포함시켜 투입한다.
미세입자를 포대 형태로 투입하는 경우에는 밀폐 시스템 내에서 용해될 수 있는 물질로 이루어진 포대 형태의 피복체 내에 미세입자를 포함시켜 투입한다.
상기 포대는 예를 들면, 망상일 수 있다.
상기 미세입자를 와이어 형태 또는 포대 형태로 투입하는 경우에는 밀폐 시스템 내의 상부는 물론 내부 및 하부까지 미세입자를 투입할 수 있다.
미세입자 투입을 중단하는 단계
상기 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0) 미만이 되면, 상기 미세입자 투입을 중단한다.
바람직하게는, 상기 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상압(1기압)으로 낮아질 때 미세입자 투입을 중단하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 밀폐 시스템 내부에 고압 증기가 발생하여 내부 압력이 일정한 값 이상으로 상승하게 되면, 밀폐 시스템내부에 미세입자를 시드(seed)로 분사하여 밀폐 시스템 내부의 증기가 미세입자에서 액체상태로 변화되도록 함으로써 기체상태의 분자 수가 줄어 밀폐 시스템 내부 압력이 감소하게 되어 밀폐시스템의 손상을 방지할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
원자력발전소의 격납건물과 같이 밀폐된 내부 공간에 증기로 가압된 시스템을 기준으로 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 대상인 밀폐 시스템의 내부 부피는 80000m3, 시스템 허용압력은 0.5MPa 로 가정하였다. 시뮬레이션의 초기 조건은 밀폐 시스템 내부가 147℃의 포화수증기로 가득차고 0.45MPa로 가압된 조건을 가정하였다.
상기 조건에서 미세입자가 투입되었을 때 감압률을 시뮬레이션 하였다. 0.45MPa의 격납건물의 초기 수증기의 mol을 계산하면 약 10.7 x 106 mol 이 된다. 투입되는 입자는 1nm의 은(Ag) 입자로 가정하였다. 1nm의 은입자의 질량은 약 5.492 x 10-21 g 이다.
분자동역학(molecular dynamics)을 이용하여 1nm 은(Ag) 입자 표면에 모이는 물분자의 수를 계산하여 약 600개의 물분자가 모이는 결과를 얻었다. 이는 1nm 은입자 1개가 약 9.961 x 10- 22 mol의 수증기를 제거함을 의미한다.
하기 표 1의 질량의 1 nm 은입자를 투입했을 때, 투입 후 시스템 압력(Mpa) 및 투입후 시스템 감압률(%)을 조사하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에는 투입되는 은입자의 총 부피도 나타내었다.
투입 입자 질량
(kg)		 투입 입자 부피
(m3)		 투입 후 시스템 압력
(MPa)		 투입 후 시스템 감압률
(%)
1000 0.0953 0.442 1.6
5000 0.477 0.412 8.5
10000 0.953 0.374 16.9
15000 1.430 0.336 25.4
20000 1.907 0.298 33.8
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 밀폐 시스템 내부에 미세입자를 시드(seed)로 분사하여 밀폐 시스템 내부의 수증기가 미세입자에서 물방울 상태로 변화되도록 함으로써 밀폐 시스템 내부 압력이 감소됨을 알 수 있고, 이는 밀폐 시스템의 고압에 의한 손상이 방지될 수 있음을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 증기에 의해 내부 압력이 증가되는 밀폐 시스템을 준비하는 단계;
    상기 밀폐 시스템 내의 증기를 액체 상태로 변화시키는 시드(seed)로서 역할을 하는 미세입자를 준비하는 단계;
    상기 밀폐 시스템 내의 압력을 측정하기 위한 압력측정기를 구비하는 단계;
    상기 밀폐 시스템 내에 미세입자를 투입하기 위한 미세입자 투입수단을 구비하는 단계;
    상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)을 설정하는 단계;
    상기 압력측정기에 의해 측정된 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 상기 미세입자 투입수단을 통해 미세입자를 상기 밀폐 시스템 내에 투입하는 미세입자 투입단계; 및
    상기 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 상기 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0) 미만이 되면, 상기 미세입자 투입을 중단하는 단계를 포함하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밀폐 시스템이 원자로격납건물인 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 증기는 수증기, 냉매 및 기체상태의 화학물질 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미세입자는 요소, 염화나트륨, 염화칼슘, 염화칼륨, 친수성 콜로이드, 구리 및 알루미늄 중의 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미세입자의 크기는 1nm ~ 1mm인 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 미세입자 투입수단은 기계적 방식 또는 전기적 방식인 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기계적 방식의 미세입자 투입수단은 정전사태가 발생할 경우에도 적용되도록 구성되는 것임을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전기적 방식의 미세입자 투입수단은 압력측정기에서 측정된 밀폐 시스템 내의 압력(P) 값을 입력받아, 밀폐 시스템 내의 압력(P)이 밀폐 시스템의 목표 미세입자 투입압력(P0)이상이 되면, 미세입자 투입수단을 작동시켜 미세입자가 밀폐 시스템 내에 투입되도록 구성되는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 미세입자 투입단계에서 미세입자는 단속적으로 또는 연속적으로 투입되는 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 미세입자 투입단계는 입자상태로 미세입자를 밀폐 시스템 내에 분사하는 방식, 포대 형태의 피복체 내에 미세입자를 포함시켜 밀폐 시스템 내에 투입하는 방식 및 와이어 형태의 피복체 내에 미세입자를 포함시켜 밀폐 시스템 내에 투입하는 방식 중의 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 고압 밀폐 시스템 감압방법.
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