KR20210072363A

KR20210072363A - 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR20210072363A
Application number: KR1020190162602A
Authority: KR
Inventors: 이성재; 박현식
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-17
Also published as: US11942227B2; CN113035390A; FR3104310B1; US20210174977A1; FR3104310A1; KR102274079B1

Abstract

본 발명은 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간, 상기 에너지 방출공간과 구획되는 에너지 흡수공간, 상기 에너지 흡수공간의 상측에 구비되고, 상기 원자료 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외벽을 통해 외부로 방출하는 에너지 전달공간, 원자로 용기의 열을 에너지 전달공간으로 전달하는 제1냉각유로, 상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 에너지 흡수공간으로 전달하는 압력평형관, 상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 전달공간으로 유동시키는 냉각제 분사관을 포함하고, 상기 에너지 전달공간은, 제2공간의 상측 외벽의 내측에 연접하도록 형성되며, 냉각수가 수용되며, 상기 제1냉각유로의 열교환기가 위치되며, 상기 냉각제 분사관의 분사측 끝단이 위치되는 포화증기압 냉각챔버, 상기 포화증기압 냉각챔버의 하측에 구비되고, 상기 포화증기압 냉각부와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각침버의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준기압챔버를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체를 제공한다.

Description

원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법 {Passive Colling System for Nuclear Reactor and Method for Operating the Same}

본 발명은 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원자로의 이상 발생시 운전원의 별도 조작이나 제어 및 외부 전원의 공급 없이 피동적으로 냉각수가 순환되면서 자체적으로 무한 냉각 순환이 일어나는 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법에 관한 것이다.

원자력 발전은 핵분열시 발생되는 에너지를 이용해 터빈(52)을 운전하여 전기 에너지를 생산시키는 방식으로서, 발전과정에서 이산화탄소를 발생시키지 아니하며 적은 연료로서 막대한 전기를 생산할 수 있어 여러 국가에서 발전방식 중 하나로 채택 운용 되고 있다.

이러한 원자력 발전은 막대한 열이 발생함으로 인해 냉각이 필수적인데, 일반적인 원자력 발전은 도 1에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내의 원자로 노심(20)이 핵분열함에 따라 발생된 엄청난 열에너지가 원자로 용기(10) 내의 냉각제로 전달되며, 냉각제는 열교환기(30)에서 열을 교환한 뒤에 다시 원자로 용기(10) 내로 순환된다. 또한 상기 냉각제와는 독립된 경로로서 구동계통(50)의 물을 순환시키며, 상기 열교환기(30)에서는 상기 냉각제로부터 흡수한 열로서 구동계통(50)에 증기를 발생시기고, 이를 통해 터빈(52)을 돌려 발전기(54)로 전기에너지로 전환된 후에 다시 물로 응축되어 열교환기(30)로 순환되는 방식으로 이루어진다.

이러한 원자로에서는 엄청난 열에너지가 발생되며, 평상시에는 이러한 원자로의 열이 적절히 냉각되고 있지만, 예기치 못한 사고 등이 발생하여 원자로의 열이 적절히 냉각되지 않을 경우 원자로 시설 자체가 파괴되는 대형 사고가 발생할 수 있으며, 이는 시설의 유실 이외에도 주변환경의 방사능 오염을 야기할 수 있는 아주 위험한 상황을 초래할 수 있다.

따라서, 비상 상황시 원자로를 냉각시켜주기 위한 다양한 안전계통들이 필수적으로 구비된다. 이러한 안전계통들은 원자로의 각 부에 냉각제를 보충 공급하는 형태 및 냉각제를 적절하게 순환시켜 회수된 열을 히트싱크를 통해 외부로 방출하는 형태로 구비된다.

이러한 히트싱크는 내부의 냉각제의 누설 없이 열만을 배출하기 위한 열교환기 형태로 이루어지며, 이러한 열교환기는 해수나 강 등의 물 속에 잠겨 열교환 함으로써 열을 방출할수 있다.

이렇게 열교환기가 냉매(물)속에 잠긴 형태를 풀 보일링(Pool Boiling)이라 부르는데, 이러한 풀 보일링 방식의 열 교환은 열전달속도가 만족스럽지 않아 열을 방출하는 속도가 원자로가 열을 생성하는 속도보다 느릴 수 있으며, 그에 따라 전체 장비가 커져야 하는 문제점이 있다.

또한, 기존의 원자로들은 비상상황 발생시 매뉴얼에 따른 작업원의 조작에 의해 작동하도록 이루어져 있는데, 대형 사고 발생시 조작원 또한 부상 또는 사망하거나 대피하여 조작할 조작원의 부재상태가 발생할 수도 있으며, 매뉴얼이 너무 복잡하여 숙지하기 어렵고 긴급상황 발생시 조작원의 조작실수에 의해 사고를 차단하지 못하게 되는 상황이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

KR 10-1731817 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원자로의 이상 발생시 발생되는 열과 압력에 의해 냉각수가 피동적으로 순환되면서 자체적으로 무한 냉각 순환이 일어남으로써, 조작원의 별도 조작이 필요없으며, 외부전원의 공급이 최소화 될 수 있고, 열을 방출하는 속도가 빨라 전체 냉각 시스템의 크기를 줄임과 동시에 안전성을 향상시킬 수 있는 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법을 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간, 상기 에너지 방출공간과 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간, 상기 에너지 흡수공간의 상측에 구비되고, 상기 원자료 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외벽을 통해 외부로 방출하는 에너지 전달공간, 상기 에너지 방출공간을 구획하는 제1공간, 상기 에너지 흡수공간과 에너지 전달공간을 상기 제1공간으로부터 구획하는 제2공간을 포함하며, 상기 원자로 용기의 열을 에너지 전달공간으로 전달하는 제1냉각유로, 상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 에너지 흡수공간으로 전달하는 압력평형관, 상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 전달공간으로 유동시키는 냉각제 분사관을 포함하고, 상기 에너지 전달공간은, 제2공간의 상측 외벽의 내측에 연접하도록 형성되며, 냉각수가 수용되며, 상기 제1냉각유로의 열교환기가 위치되며, 상기 냉각제 분사관(228)의 분사측 끝단이 위치되는 포화증기압 냉각챔버, 상기 포화증기압 냉각챔버의 하측에 구비되고, 상기 포화증기압 냉각부와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각침버의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준기압챔버를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체를 제공한다.

상기 제1냉각유로는, 원자로 용기 내 열을 흡수하는 제1열교환기, 상기 포화증기압 냉각챔버에 구비되며, 상기 제1열교환기에서 흡수한 열을 방출하는 제2열교환기를 포함하고, 상기 냉각제 분사관의 상측 끝단은 상기 제2열교환기에 상기 에너지 흡수공간의 냉각수를 분사하도록 구비될 수 있다.

상기 제1냉각유로는, 상기 에너지 방출공간의 압력을 높이기 위하여, 제1냉각유로 내의 수증기를 상기 에너지 방출공간 내부로 선택적으로 배출시키는 증기방출밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 에너지 전달공간은, 상기 포화증기압 냉각챔버와 기준기압챔버를 구획하며, 상기 포화증기압 냉각챔버와 기준기압챔버의 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버와 기준기압챔버를 연통시키도록 구비되는 기준기압 구획격벽을 포함할 수 있다.

상기 에너지 전달공간 내의 상기 제2열교환기 인근에 구비되어, 상기 에너지 전달공간 내의 열을 제2공간 외부로 배출하는 제2냉각유로를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각제 분사관에서 상기 제2열교환기를 향하여 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기의 열을 흡수하면서 기화되며, 기화된 수증기는 상기 제2냉각유로에서 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달될 수 있다.

상기 제2냉각유로는, 상기 포화증기압 냉각챔버 내에 구비되어 상기 제1냉각유로에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버의 열을 흡수하는 제3교환기를 포함할 수 있다.

상기 제2냉각유로는, 상기 에너지 흡수공간에 구비되어 에너지 흡수공간의 열을 흡수하는 제4열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 제2냉각유로는 상기 제4열교환기가 상기 제3열교환기보다 더 전류에 형성되며 상기 제4열교환기가 상기 제3열교환기보다 더 하측에 구비될 수 있다.

상기 기준압력챔버의 냉각수를 에너지 방출공간으로 유입시키기 위한 냉각제 주입관, 상기 냉각제 주입관을 개방시키는 주입관 개폐밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제2공간은 해수 또는 강물에 접하도록 위치될 수 있다.

상기 에너지 방출공간의 수증기의 압력으로 상기 제2공간 외벽의 물 또는 공기를 유동시키는 외벽냉각모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 외벽냉각모듈은, 상기 에너지 방출공간의 수증기를 유입받는 압력 유입관, 상기 압력유입관에서 토출되는 수증기의 압력으로 발전되는 터빈, 상기 제2공간의 상측에 구비되며, 상기 터빈에의 회전력으로 제2공간 외벽측의 물 또는 공기를 상측으로 유동시키도록 회전되는 냉각팬을 포함할 수 있다.

상기 압력 유입관을 선택적으로 개방하는 압력개방밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제2공간의 외벽측에 구비되는 냉각핀을 더 포함할 수 있다.

상기 냉각핀은 상기 에너지 방출공간에 해당하는 제2공간 외벽측에 상기 냉각핀에 의해 생성되는물의 흐름방향과 평행하게 형성될 수 있다.

상기 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 방출공간의 원자로 용기 하측으로 안내하는 냉각수 공급관, 상기 냉각수 공급관의 끝단측에 구비되어 상기 냉각수 공급관을 차폐하고 있다가 상기 원자로 용기의 온도가 과도하게 상승될 때, 상기 원자로 용기로부터 전달된 열에 의해 용융됨으로써 상기 냉각수 공급관을 개방하는 저온용융합금체를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각수 공급관의 상기 저온용융합금체가 구비된 끝단의 전측에 상측으로 만곡된 역U자 형태의 고온유체역류방지관이 형성될 수 있다.

상기 저온용융합금체의 외측단부에 구비되는 중량체를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 에너지 방출공간의 온도가 상승하여, 제1공간의 압력이 상승하는 압력상승단계, 원자로 용기의 열이 제1냉각유로의 제2열교환기를 통해 포화증기압 냉각챔버로 전달되고, 상기 제2열교환기에 의해 가열된 포화증기압 냉각챔버의 냉각수가 기화되어 공동부가 생기며, 상기 제1냉각유로의 제2열교환기와, 제2냉각유로의 제3열교환기가 수면위로 노출되는 공동화 단계, 압력평형관에 의해 제1공간의 압력이 에너지 흡수공간으로 전달되는 압력전이단계, 에너지 흡수공간의 압력이 상승되어 상기 에너지 흡수공간의 냉각수가 냉각제 분사관(228)을 통해 상승되어 제1냉각유로의 제2열교환기에 분사되는 냉각수 분사단계, 냉각수에서 분사된 냉각수가 상기 제2열교환기에서는 기화되고, 상기 제3열교환기에서는 응축되는 이상열전달 현상으로 열교환이 이루어지는 이상열전달 냉각단계를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동 방법이 제공된다.

상기 에너지 흡수공간의 온도가 설정온도 이상 상승할 경우, 주입관 계패밸브가 개방되어 기준압력챔버의 냉각수를 에너지 방출공간에 주입하는 냉각수 주입단계를 더 포함할 수 있다.

상기 에너지 흡수공간의 압력이 설정압력 이상 상승할 경우, 압력 유입관이 개방되어 에너지 방출공간의 압력으로 터빈이 회전되며, 상기 터빈의 회전력에 의해 냉각팬이 회전되는 냉각팬 회전단계를 더 포함할 수 있다.

상기 원자로 용기의 온도가 설정온도 이상 상승할 경우, 저온용융합금체가 용융되어 냉각수 공급관이 개방됨으로써 에너지 흡수공간의 냉각수가 원자로 용기 하측으로 유입되어 원자로 용기를 냉각하는 원자로 용기 용융방지단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 원자로에서 발생되는 열 및 압력에 의해 자연적으로 냉각수의 순환이 일어날 수 있으므로, 조작원의 별도 조작이 필요없으며 외부의 전원 공급이 최소화 됨으로써 조작원의 대피나 부상 등의 결원이 발생하거나, 냉각시스템에 공급되는 전원이 차단된다고 하더라도 스스로 작동할 수 있어 안전성이 향상될 수 있다.

둘째, 풀 보일링 방식 대신 이상유동 열전달 현상을 이용함으로써 열전달 속도가 비약적으로 향상되며, 그에 따라 냉각 성능이 향상됨으로써 안전성이 향상될 수 있다.

셋째, 이상유동 열전달 현상이 일어나는 에너지 전달공간의 포화증기압 냉각챔버를 외벽에 인접하게 설치함으로써, 포화증기압 냉각챔버의 열을 외벽을 통해 제2공간의 외부로 전도시킬 수 있어 냉각효율이 향상될 수 있다.

넷째, 냉각수를 냉각하는 제2냉각유로가 에너지 전달공간은 물론 에너지 흡수공간의 냉각수도 냉각함으로서 보다 원할하게 방열할 수 있다.

다섯째, 에너지 방출공간의 압력으로서, 제2공간의 외벽을 냉각시키는 외벽냉각모듈이 구비됨으로써, 제2공간의 외벽에 의한 열전도를 보다 활성화 시킬 수 있어 보다 효율적으로 냉각이 이루어질 수 있다.

여섯째, 원자로 용기가 비정상적으로 과열되었을 때 이를 냉각시키기 위한 냉각수 공급관 및 저온용융합금체가 구비되므로, 원자로 용기가 녹아 노심 용융물이 원자로 용기를 탈출하는 멜트쓰루를 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 종래의 원자로를 간략하게 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체의 가동 전 또는 가동초기상태를 도시한 도면;
도 3은 도 2의 원자로의 피동무한냉각 구조체의 가동중 상태를 도시한 도면;
도 4는 이상유동 열전달 현상에 의해 냉각제 분사관(228)에서 분사된 물이 제2열교환기에서 증발된 후 제3열교환기에서 응축되는 모습을 도시한 도면;
도 5는 도 3의 원자로의 피동무한냉각 구조체가 더욱 가열되었을 때의 상태을 도시한 도면;
도 6은 원자로 용기가 과열되어 노심 용융물이 탈출하는 멜트쓰루가 일어나는 모습을 도시한 도면;
도 7은 원자로 용기의 하측에 냉각수 공급관이 설치된 모습을 도시한 도면;
도 8은 도 7의 냉각수 공급관 및 저온용융합금체를 도시한 단면도;
도 9는 원자로 용기의 열에 의해 용융된 저온용융합금체가 냉각수 공급관으로부터 이탈되어 냉각수 공급관이 개방된 모습을 도시한 도면;
도 10은 도 8의 중량체의 다른 형태를 도시한 도면;
도 11은 본 발명의 일 형태에 따른 원자로 피동무한냉각 구조체의 작동방법을 도시한 순서도 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체를 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체는 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 방출공간(110), 에너지 흡수공간(210) 및 에너지 전달공간(220)을 포함할 수 있다.

상기 에너지 방출공간(110)(Energy Release Space, ERS)는 원자로 구동계통(120)이 수용된다. 상기 원자로 구동계통(120)은 원자로 노심(124)이 수용된 원자로 용기(122) 및 상기 원자로 노심(124)에서 발생된 열을 이용하여 증기를 생성하며, 생성된 증기를 외부의 터빈(253)으로 순환시키기 위해 상기 원자로 용기(122)의 내부에 구비된 증기 발생기 및 유로 등을 포함 할 수 있다.

상기 에너지 흡수공간(210)(Energy Absorbing Space, EAS)는 냉각제가 수용되며, 상기 에너지 방출공간(110)과는 구획되되, 그 상측에서 상기 에너지 방출공간(110)과 연통되어 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상기 에너지 흡수공간(210)에 전달되도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 냉각제는 여러 종류가 적용될 수 있는데, 대표적으로 물일 수 있다.

상기 에너지 전달공간(220)(Energy Transfer Space, ETS)는 상기 에너지 방출공간(110) 및 에너지 흡수공간(210)과 격리되며, 특히, 상기 에너지 흡수공간(210)의 상측에 구비되고, 상기 에너지 방출공간(110)의 원자로 용기(122)에서 발생된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 전달하여 방열할 수 있도록 구비된다. 이러한 방열은 상기 제2공간(200)의 외벽을 통해 이루어질 수도 있다.

이 때, 상기 에너지 방출공간(110)은 제1공간(100)에 구비되며, 에너지 흡수공간(210)과 에너지 전달공간(220)은 제2공간(200)에 구비될 수 있다.

상기 제1공간(100)과 제2공간(200)은 서로 구획되며, 내폭성을 가지도록 콘크리트나 금속으로 그 외벽이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1공간(100)은 지중 또는 지상 등의 육지(L)에 설치되며, 상기 제2공간(200)은 바다(S)나 강 등 수중에 설치되거나 또는 물과 접하도록 설치될 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 선박 등의 운송수단 등에 설치될 수도 있는 등 다양한 장소에 설치될 수 있다.

이 때, 상기 에너지 전달공간(220)은 상기 제2공간(200)의 외벽과 접하도록 설치되어, 열전달을 통해 흡수한 열을 상기 제2공간(200)의 외측의 물로 전달하여 방열할 수 있도록 구비될 수 있다.

한편, 제1냉각유로(130)가 구비될 수 있다. 상기 제1냉각유로(130)는 상기 원자로 용기(122)의 열을 상기 에너지 전달공간(220)으로 전달하는 구성요소로서, 상기 원자로 용기(122)에서 열을 흡수하는 제1열교환기(132) 및 흡수한 열을 방열하는 제2열교환기(134), 그리고 상기 제1열교환기(132)와 제2열교환기(134)를 흐르는 열흡수매체를 상기 제1열교환기(132)와 원자로 용기(122)내로 순환하도록 안내하는 배관(136)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1열교환기(132)는 상기 원자로 용기(122) 내에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 열흡수매체는 여러가지 성분의 물질일 수 있으나, 대표적으로 물일 수 있다.

이 때, 상기 제1냉각유로(130)의 제1열교환기(132)는 전술한 원자로 구동계통(120)의 증기 발생기일 수 있으며 또는 상기 증기 발생기와는 별개의 구성요소일 수 있다. 즉, 상기 제1열교환기(132)가 원자로 구동계통(120)의 증기발생기인 경우에는 상기 제1냉각유로(130)의 배관(136)은 상기 원자로 구동계통(120)의 유로배관의 어느 지점에서 분기되거나 합류되도록 구비될 수 있다.

또한, 상기 에너지 방출공간(110)과 에너지 흡수공간(210)은 압력이 전달되도록 서로 연통될 수 있다. 이를 위해, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 상기 에너지 흡수공간(210)으로 전달하는 압력평형관(214)이 상기 제1공간(100)과 제2공간(200)을 걸쳐 형성될 수 있다. 이 때, 상기 압력평형관(214)의 제2공간(200)측 끝단은 상기 에너지 흡수공간(210)내에 위치될 수 있다. 또한, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수가 상기 압력평형관(214)을 타고 제1공간(100)으로 역류하지 않도록 상기 압력평형관(214)은 역 U자형으로 절곡되어 형성될 수 있으며, 그 절곡된 부분의 상단은 상기 에너지 흡수공간(210)의 상측단보다 높게 위치될 수 있다.

따라서, 상기 압력평형관(214)에 의하여 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되면 상승된 압력이 상기 에너지 흡수공간(210)에 전달될 수 있다. 즉, 상기 원자로 용기(122)가 과열되어 에너지 방출공간(110)의 온도가 상승하면, 상승된 온도에 의해 압력 또한 상승하며, 상승된 압력은 상기 압력평형관(214)에 의해 에너지 흡수공간(210)에 전달되어 상기 에너지 흡수공간(210)에 수용된 냉각수를 가압할 수 있다.

그리고, 냉각제 분사관(228)이 구비될 수 있다. 상기 냉각제 분사관(228)은 상기 압력평형관(214)에 의해 가압된 에너지 흡수공간(210)의 냉각수를 상기 에너지 전달공간(220)으로 안내하도록 구비될 수 있다.

한편, 상기 에너지 전달공간(220)은 포화증기압 냉각챔버(222) 및 기준기압챔버(224)를 포함할 수 있다.

상기 포화증기압 냉각챔버(222)는 상기 제2공간(200)의 외벽의 내측에 연접하도록 형성되고, 그 내부에 냉각수가 수용될 수 있다. 또한, 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)가 내부에 위치되며, 상기 냉각제 분사관(228)의 분사측 끝단이 상기 제2열교환기(134)에 냉각수를 스프레이 하도록 구비될 수 있다.

그리고, 상기 기준기압챔버(224)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 하측에 구비되고, 그 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 하측과 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수와 압력균형을 이루도록 공기가 채워지며, 내부공기가 외부로 누설되지 않도록 기밀이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 기준기압챔버(224) 내부의 공기의 압력이 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수를 지지하는 것이다.

따라서, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 압력이 상승되면 냉각수가 기준기압챔버(224)로 유입되고, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 압력이 하락되면 상기 기준기압챔버(224)의 냉각수가 상기 포화증기압 냉각챔버(222)로 밀려나가는 등, 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내의 압력에 따라 수위가 변할 수 있다.

그리고, 상기 에너지 전달공간(220)은 기준기압 구획격벽(226)을 포함할 수 있다. 상기 기준기압 구획격벽(226)은 상기 포화증기압 냉각챔버(222)와 기준기압챔버(224)를 구획하며, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)와 상기 기준기압챔버(224)의 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버(222)와 기준기압챔버(224)를 연통시키도록 구비될 수 있다.

한편, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)는 그 내부에 냉각수가 가득 찼을 때, 그 상측단에서 기압에 의한 공동이 발생되지 않을 수 있는 최대한 높은 높이로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수의 온도가 상승될 경우, 그 상측단에서 보다 쉽게 기화할 수 있다.

그리고, 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에 인접하여 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에서 쉽게 기화될 수 있다.

그리고, 제2냉각유로(230)가 구비될 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)는 상기 에너지 전달공간(220) 내에 구비되며, 상기 에너지 전달공간(220) 내의 열을 제2공간(200)의 외부의 해수나 강물 또는 대기로 방출할 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)는 상기 냉각제 분사관(228)에서 상기 제2열교환기(134)로 분사된 냉각수에서 흡수한 열을 다시 흡수하는 제3열교환기(232)를 포함할 수 있다.

상기 제2열교환기(134), 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내에 구비될 수 있다.

전술한 바와 같이, 포화증기압 냉각챔버(222)는 평상시에 그 내부에 냉각수가 가득 채워져 있지만, 냉각수의 온도가 상승될 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에서부터 기화되어 공동이 형성되며, 그에 따라 상기 제2열교환기(134), 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232)가 공동에 노출될 수 있다. 이 때, 상기 2열교환기, 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232) 주변의 공동은 포화증기압 상태일 수 있다.

이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각제 분사관(228)에서 상기 제2열교환기(134)에 냉각수를 점적상태로 분사(spray)하면, 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기(134)에서 열을 흡수하여 수증기로 증발한다. 이 수증기는 인근의 제3열교환기(232)에서 열을 빼앗겨 냉각되어 다시 물로 응축될 수 있다.

따라서, 물이 기화되는 기화열 및 기화된 수증기가 물로 응축되는 응축열을 통해 열을 흡수하거나 방출하는 것이다. 이렇게 냉각수의 기화와 응축에 의한 열전달 현상을 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)이라 부른다.

이러한 이상유동 열전달 방식은 전술한 풀 보일링(pool-boiling) 방식에 비해서 열전달 속도가 대략 20배 이상 우수한 것으로 평가되고 있다.

또한, 상기 제2냉각유로(230)는 제4열교환기(234)를 더 포함할 수 있다. 상기 제4열교환기(234)는 에너지 흡수공간(210)에 구비되며, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수를 냉각하도록 구비될 수 있다.

따라서, 상기 제2냉각유로(230)는 상기 에너지 전달공간(220)을 냉각함은 몰론, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수도 냉각할 수 있다.

이 때, 상기 제3열교환기(232)가 상측에 구비되며, 상기 제4열교환기(234)는 상대적으로 상기 제3열교환기(232)의 하측에 구비될 수 있다.

상기 제3열교환기(232)에서 흡수하는 열이 더 많으므로, 자연적으로 물이 제4열교환기(234)에서 상측의 제3열교환기(232) 측으로 흐르며, 그에 따라 상기 제4열교환기(234) 하측에서 물이 유입되고, 열을 흡수하여 가열된 물은 제3열교환기(232)의 상측으로 배출될 수 있다.

상기 제2냉각유로(230)는 양 단, 즉 물의 유입단(236)과 출수단(238)이 제2공간(200)의 외부의 물과 연통될 수 있다. 따라서, 별도의 펌프 등이 반드시 구비될 필요없이 자연적인 대류현상에 의해 상기 제2냉각유로(230) 내의 물을 순환시킬 수 있다. 이 때, 유입단(236)은 상기 제4열교환기(234)의 하측에 구비되고, 출수단(238)은 상기 제3열교환기(232)의 상측에 구비될 수 있다.

그리고, 냉각제 주입관(242) 및 주입관 개폐밸브(244)가 구비될 수 있다.

상기 냉각제 주입관(242)은 상기 기준압력챔버(224)의 냉각수를 상기 에너지 방출공간(110)으로 유입시키도록 상기 제1공간(100)과 제2공간(200)을 거쳐 형성되는 배관일 수 있다. 그리고, 상기 주입관 개폐밸브(244)는 상기 냉각제 주입관(242)을 선택적으로 개폐하도록 구비될 수 있다.

상기 주입관 개폐밸브(244)는 평상시에는 폐쇄되어 있다가 상기 원자로 용기(122) 또는 에너지 방출공간(110)의 온도나 압력이 지나치게 상승되었다거나 또는, 상기 기준압력챔버(224)의 냉각수 수위가 지나치게 상승되어 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내에 공동이 형성되지 않는다던가 할 때에 개방될 수 있다.

상기 주입관 개폐밸브(244)가 개방된 경우, 상기 기준압력챔버(224) 내의 냉각수가 상기 에너지 방출공간(110)으로 흘러들며, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)의 하측 일부가 냉각수에 잠기게 됨으로써 상기 원자로 용기(122)를 냉각할 수 있다.

상기 주입관 개폐밸브(244)는 일정유량이 흐른 뒤에 다시 패쇄될 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 주입관 개폐밸브(244)에 작용하는 압력에 따라 기 설정된 압력이상 증가된 경우에 개방되며, 기 설정된 압력에 미치지 못하는 경우 폐쇄될 수도 있다. 또한, 상기 주입관 개폐밸브(244)는 상기 에너지 방출공간(110)의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우 개방되며, 기설정된 온도보다 낮은 경우 폐쇄되도록 구비될 수도 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)의 하측 임의의 장소에 순환유입밸브(126)이 구비될 수 있다. 상기 순환유입밸브(126)를 통해 상기 에너지 방출공간(110)으로 흘러든 냉각수가 원자로 용기(122) 내측으로 유입되어 상기 노심(124)을 직접 냉각시킬 수 있다.

또한, 상기 원자로 용기(122)의 상측에는 순환배출밸브(128)이 구비되어 상기 노심(124)의 열에 의해 기화된 냉각수가 상기 에너지 방출공간(110)으로 배출될 수 있다.

한편, 상기 제1냉각유로(130)는 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 높이기 위하여, 상기 제1냉각유로(130) 내의 수증기를 상기 에너지 방출공간(110) 내부로 선택적으로 배출시키는 증기방출밸브(138)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되는 시점을 인위적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 에너지 방출공간(110)의 압력이 상승되기 전에 이상유동 열전달 현상에 의한 냉각이 필요할 경우, 상기 증기방출밸브(138)가 개방되어 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 직접적으로 가압함으로써 전술한 이상유동 열전달 현상에 의한 냉각의 순환이 이루어지도록 할 수 있다.

한편, 본 실시예의 원자로의 피동무한냉각 구조체는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 외벽냉각모듈(250)을 더 포함할 수 있다.

상기 외벽냉각모듈(250)은 상기 에너지 방출공간(110)의 수증기의 압력으로 상기 제2공간(200) 외벽을 물 또는 공기로서 냉각하는 구성요소이다.

상기 외벽냉각모듈(250)은, 압력유입관(251), 터빈(253), 냉각팬(255), 압력개방밸브(257) 및 냉각핀(259)을 포함할 수 있다.

상기 압력유입관(251)은 상기 에너지 방출공간(110)의 수증기 압력을 유입받는 공간이다. 상기 압력유입관(251)은 일단은 상기 에너지 방출공간(110)에 위치되며, 타단은 상기 에너지 방출공간(110)의 압력과 차이나는 상기 에너지 전달공간(220)에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 에너지 방출공간(110)의 포화증기압 냉각챔버(222)는 냉각수로 충만된 상태이므로, 상기 에너지 방출공간(110)과는 압력적으로 구획되며 공기가 존재하는 기준기압챔버(224)에 상기 압력유입관(251)의 타단이 위치될 수 있다.

또한, 상기 압력유입관(251)에는 압력개방밸브(257)가 구비되어, 기 설정된 압력 이상의 압력이 상기 압력유입관(251)에 작용될 경우 상기 압력개방밸브(257)가 개방되어 상기 압력유입관(251)을 개방시킬 수 있다. 물론, 설정된 압력 이하의 압력일 경우 상기 압력개방밸브(257)가 폐쇄될 수 있다.

상기 터빈(253)은 상기 압력유입관(251)을 통해 유입되는 고압기체의 압력으로 회전되도록 구비된다. 상기 압력유입관(251)의 타단이 기준기압챔버(224)내에 위치되므로 상기 터빈(253) 또한 기준기압챔버(224)내에 위치될 수 있다.

또한, 상기 터빈(253)을 회전시킨 기체는 상기 기준압력챔버(224) 내의 냉각수에 잠겨 응축되어 냉각수로 환원될 수 있다. 일반적으로 기체가 물로 응축되는 경우 그 부피가 매우 수축되므로 상기 기준압력챔버(224)내의 압력에 끼치는 영향은 미미할 수 있다.

상기 냉각팬(255)은 상기 제2공간(200)의 외측 상단에 구비되며, 상기 터빈(253)의 회전력에 의해 회전될 수 있다. 상기 냉각팬(255)은 상기 터빈(253)과 기계적으로 연결되어 회전력을 전달받을 수 있거나 또는 상기 터빈(253)에 의해 발전되는 전력으로서 회전될 수 있도록 구비될 수 있다.

상기 냉각팬(255)은 상기 제2공간(200)의 외측의 물에 상기 제2공간(200)의 외벽을 타고 흐르는 강제흐름을 발생시켜, 제2공간(200)의 외벽을 냉각시키도록 구비될 수 있다. 이 때, 상기 냉각팬(255)은 제2공간(200)의 아래에서 위쪽으로 흐르는 물의 흐름을 발생시키도록 구비될 수 있다.

따라서, 외벽의 열을 흡수하여 가열된 물이 보다 신속하게 상측으로 배출되며, 하측에 있는 보다 저온의 물이 제2공간(200) 외벽측으로 유입될 수 있다.

또한, 상기 제2공간(200)의 외벽에는 냉각핀(259)이 하나 이상 설치될 수 있다. 상기한 냉각핀(259)은 상기 냉각팬(255)에 의해 발생되는 물의 흐름과 수평하게 형성되어 물의 흐름을 방해하지 않도록 구비될 수 있다.

상기한 바와 같이, 상기 이상유동 열전달 현상에 의해 열전달이 일어나는 상기 포화증기압 챔버가 상기 제2공간(200)의 외벽의 내측에 접하도록 배치되므로, 상기 포화증기압 챔버의 열이 제2공간(200)의 외벽을 타고 전도될 수 있으며, 이렇게 전도된 열은 상기 제2공간(200)의 외벽 및 냉각핀(259)의 표면을 따라 흐르는 물의 흐름에 의해 냉각될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 상기 제2냉각유로(230)의 유입단(236) 및 출수단(238)은 상기 제2공간(200)의 외부로 개방되게 형성되어, 제2공간(200)의 외부의 물과 연통될 수 있다. 이 때, 상기 제2냉각유로(230)의 출수단(238)은 상기 냉각팬(255)의 하측에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제2냉각유로(230)의 출수단(238)에 상기 냉각팬(255)에 의해 흐르는 물에 의한 음압이 형성될 수 있어, 상기 제2냉각유로(230)내의 물의 흐름이 원활해질 수 있다.

한편, 원자로의 사고에는 다양한 유형이 있으며, 그 중 어떠한 요인에 의해 원자로 용기(122)가 파손되면, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(122) 내부의 냉각재 또는 냉각수가 원자로 용기(122)의 외부로 완전히 누출되고, 이에 원자로 노심(124)의 붕괴열이 제거되지 못하여 온도가 지속적으로 상승하여 결국 원자로 노심(124)이 녹아 그 열로서 원자로 용기(122)의 하부가 용융되어 도 6의 (c) 에 도시된 바와 같이, 노심(124) 용융물이 원자로 용기(122)의 하부로 이탈되는 멜트 쓰루가 발생될 수 있으며, 이는 원자로 사고 중에 매우 위험하고 위급한 중대사고로 취급된다.

이러한 멜트 쓰루를 방지하기 하기 위하여 여러 가지 안전계통 및 장치 등이 설치되나, 이러한 장치 중 일부가 고장나서 작동하지 않거나 조작원이 부재하거나 또는 조작원의 실수 등으로 인해 적절한 조치가 취해지지 않는다면 중대사고가 발생될 위험이 있다.

이를 예방하기 위해, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 노심(124) 용융에 의해 원자로 용기(122)의 온도가 급격히 올라가 원자로 용기(122)의 용용 파손이 우려되는 위급 상황에서 원자로 용기(122)의 온도 상승에 직접 반응하여 원자로 용기(122)를 냉각시켜 멜트 쓰루를 방지할 수 있도록 냉각수 공급관(261) 및 저온용융합금체(263)가 구비될 수 있다.

상기 냉각수 공급관(261)은 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수를 상기 에너지 방출공간(110)의 원자로 용기(122) 하측으로 안내할 수 있다. 이를 위해 상기 냉각수 공급관(261)은 상기 제1공간(100)과 제2공간(200)을 걸쳐 구비되며, 일단은 상기 에너지 방출공간(110)에 위치되고, 타단은 상기 에너지 흡수공간(210)에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 에너지 흡수공간(210)에 위치되는 타단은 상기 에너지 방출공간(110)의 일단보다 더 높은 위치에 형성되어, 냉각수가 중력에 의해 흘러가도록 구비될 수 있다.

상기 저온용융합금체(263)는 상기 냉각수 공급관(261)의 상기 에너지 방출공간(110)측 끝단에 구비되어 평소에는 상기 냉각수 공급관(261)을 차폐하여 냉각수의 흐름을 차단하고 있다가 상기 원자로 용기(122)의 온도가 과열되었을 때, 상기 원자로 용기(122)로부터 전달된 열에 의해 용융됨으로써 상기 냉각수 공급관(261)을 개방하는 구성요소일 수 있다.

이 때, 상기 저온용융합금체(263)가 구비된 냉각수 공급관(261)은 상기 원자로 용기(122)에 접촉되거나 또는 매우 근접하게 설치될 수 있다. 이는 상기 원자로 용기(122)의 열을 보다 잘 전달받기 위함이다.

또한, 상기 냉각수 공급관(261)에는 상기 원자로 용기(122)에 의해 가열된 냉각수 공급관(261) 내 고온의 냉각수가 에너지 흡수공간(210)으로 역류하는 것을 차단하기 위한 고온유체역류방지관(265)이 형성될 수 있다.

상기 고온유체역류방지관(265)은 상기 냉각수 공급관(261)의 상기 저온용융합금체(263)가 구비된 끝단에서 이격된 지점에서 상측으로 만곡된 역U자 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 고온유체역류방지관(265)의 상단은 상기 냉각수 공급관(261)의 에너지 흡수공간(210)측 끝단보다 높은 위치에 형성되는 것이다.

상기 냉각수 공급관(261)의 끝단측은 상기 원자로 용기(122)에 접촉되어 있으므로, 상기 원자로 용기(122)의 열을 전도받을 수 있는데, 이에 의해 상기 냉각수 공급관(261) 끝단 측의 내부에 있는 냉각수는 원자로 용기(122)의 열에 의해 가열될 수 있다. 이러한 고온의 냉각수가 에너지 흡수공간(210) 측으로 유입되면 전체적인 냉각성능에서 악영향을 미칠 수 있으므로, 상기 고온유체역류방지관(265)이 구비되어 고온으로 가열된 냉각수가 에너지 흡수공간(210) 측으로 유입되는 것을 차단하는 것이다.

또한, 저온용융합금체(263)의 끝단부에는 중량체(267)가 구비될 수 있다. 이는 상기 저온용융합금체(263)가 용융되었을 때, 중량체(267)의 자중에 의해 상기 냉각수 공급관(261)으로부터 떨어지도록 하기 위함이다.

원자로 용기(122)의 냉각재가 완전 누출되면, 노심(124) 붕괴열의 누적으로 원자로 용기(122)의 외벽 온도가 급격하게 상승하여 안전 관리 최대 온도인 예를 들어 350℃를 넘어 지속적으로 상승한다.

원자로 용기(122)는 일반적으로 대략 1500℃ 정도에서 녹기 시작하는 바, 상기 안전 관리 최대 온도와 원자로 용기(122)의 녹는 온도를 감안하여 대략 350℃ ~ 600℃ 범위에서 냉각수의 공급이 이루어지면 확실하게 원자로 용기(122)의 과열에 의한 용융을 방지할 수 있다.

따라서, 상기 저온용융합금체(263)는 350℃ ~ 600℃ 범위의 녹는점(용융점)을 가지는 저온용융합금으로 이루어질 수 있다. 안전도 향상 측면에서 합금의 녹는점이 약 400℃ 정도이면 보다 바람직하다.

그러나, 상기와 같은 온도 범위는 안전도를 감안하여 임의로 설정한 값이며, 통상적인 원자로 운전 상태에서 원자로 용기(122)가 가지는 정상적인 온도 범위를 초과하는 값이라면 상기 온도 범위 이하여도 무방하다

상기와 같은 온도 범위의 녹는점을 가지는 저온용융합금은, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 안티몬(Sb), 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 비스무트(Bi), 주석(Sn) 등의 녹는점이 낮은 금속을 적절히 조합하여 제조할 수 있다.

또한, 상기 중량체(267)(70)는 원자로 용기(122)(20)의 온도 상승에 영향 받지 않으면서 중량이 무거운 것이 바람직한 바, 예를 들어 스틸 재질로 제작될 수 있다. 물론 이에 한정되지 아니하며, 스톤이나 세라믹 재질로 이루어질 수도 있을 것이다.

따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)가 과열되면, 그 과열된 열에 의해 상기 저온용융합금체(263)가 용융되며, 용융된 저온용융합금체(263)는 상기 중량체(267)와 함께 자중에 의해 낙하할 수 있다.

상기 냉각수 공급관(261)을 차폐하고 있던 저온용융합금체(263)가 제거되므로 상기 냉각수 공급관(261)이 개방되어 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수가 에너지 방출공간(110)의 원자로 용기(122)의 하측으로 유입되어 상기 원자로 용기(122)의 하측 일부가 유입된 냉각수에 잠기게 되어 냉각이 이루어져, 상기 원자로 용기(122)의 용융을 방지할 수 있다.

또는 상기 저온용융합금체(263)가 용융되었을 때 이를 보다 확실하게 제거하기 위하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 중량체(267)의 내부 일측 벽면으로부터 연결봉(268)이 돌출 형성되고, 연결봉(268)의 단부에 직경이 확장된 걸림판(269)이 형성될 수 있다.

상기 연결봉(268)은 저온용융합금체(263)를 관통하고, 걸림판(269)은 저온용융합금체(263)의 배출구 내부의 측면에 걸려진다.

상기와 같은 구조가 적용되면, 저온용융합금체(263)가 용융되어 중량체(267)가 자중에 의해 낙하할 때 걸림판(269)이 보다 많은 양의 저온용융합금체(263)의 용융물을 냉각수 공급관(261)으로부터 제거할 수 있으므로 개방상태가 좋아져 보다 신속하게 다량의 저온수가 공급될 수 있다.

이하, 전술한 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법의 일 실시예에 대해서 도 12를 참고하여 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체는 도 0에 도시된 바와 같이, 압력상승단계(S110), 공동화 단계, 압력전이단계(S130), 냉각수 분사단계(S140), 이상열전달 냉각단계(S150)를 포함할 수 있다.

먼저, 원자로가 정상적으로 운전되고 있는 상태인 경우, 상기 원자로 노심(124)에서 발생된 열은 모두 원자로 구동계통(120)을 통해 전력을 발생시키는 데에 사용된다. 이 경우에는 에너지 흡수공간(210) 및 에너지 전달공간(220) 등의 원자로 안전계통은 작동되지 아니하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간(210) 및 포화증기압 냉각챔버(222)는 모두 냉각수로 만충된 상태를 유지할 수 있다.

한편, 원자로의 운전 도중 여러가지 원인에 의해 원자로가 이상과열된 상태인 경우, 원자로 안전계통이 작동될 수 있다.

상기 원자로 안전계통이 작동될 때에는 상기 원자로 구동계통(120)은 정지될 수 있으며, 상기 원자로 노심(124)에서 발생된 열은 모두 제1냉각유로(130)를 통해 배출될 수 있다.

상기 원자로가 이상과열된 상태인 경우 압력상승단계(S110)에 진입할 수 있다. 상기 압력상승단계(S110)는 상기 에너지 방출공간(110)의 온도가 상승하여 상기 제1공간(100)의 압력이 상승하는 단계이다. 상기 에너지 방출공간(110)에는 공기 등의 기체가 채워져 있는데, 널리 알려진 보일-샤를의 법칙에 의해 원자로 노심(124)이 과열될 경우, 이 열은 원자로 용기(122)를 통해 에너지 방출공간(110) 내의 기체에 전달되며, 가열된 에너지 방출공간(110) 내의 기체는 보일-샤를의 법칙에 의해 압력이 상승될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 원자로 노심(124)에서 발생된 열은 상기 제1냉각유로(130)를 통해 배출되는데, 이에 의해 공동화 단계에 진입할 수 있다.

상기 공동화 단계에서는, 도 3에도시된 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)의 열이 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)를 통해 상기 포화증기압 냉각챔버(222)로 전달되고, 상기 제2열교환기(134)에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수가 기화되어 공동부가 발생하며, 이에 따라 상기 제1냉각유로(130)의 제2열교환기(134)와 제2냉각유로(230)의 제3열교환기(232)의 일부 또는 전부가 수면 위로 노출될 수 있다.

한편, 상기 압력상승단계(S110)에서 상승된 에너지 방출공간(110)의 압력이 상기 에너지 흡수공간(210)에 전달되는 압력전이단계(S130)에 진입할 수 있다.

상기 압력전이단계(S130)에서는, 상기 압력평형관(214)에 의해 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 상기 에너지 흡수공간(210)으로 전이될 수 있다.

상기 압력평형관(214)에 의해 에너지 흡수공간(210)으로 전해진 압력은 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수를 상측에서 하측으로 가압함으로써 냉각수 분사단계(S140)로 진입할 수 있다.

상기 냉각수 분사단계(S140)는 상기 압력평형관(214)에 의해 가압된 냉각수가 그 압력에 의해 상기 냉각제 분사관(228)을 통해 상기 포화증기압 냉각챔버(222)까지 상승되어 상기 제2열교환기(134)에 분사될 수 있다.

한편, 상기 냉각수가 제2열교환기(134)에 분사되면 이상열전달 냉각단계(S150)가 수행될 수 있다.

상기 이상열전달 냉각단계(S150)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 분사관에서 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기(134)의 표면에서 상기 제2열교환기(134)의 열을 흡열하면서 기화되고, 상기 제3열교환기(232) 주변의 수증기는 상기 제3열교환기(232)에 의해 냉각되어 응축되어 물의 형태로 되돌아오는 이상유동 열전달 현상으로서 냉각이 이루어질 수 있다. 상기 제3열교환기(232)에서 흡수된 열은 상기 제2냉매유로에 의해 제2공간(200)의 외부로 방열될 수 있다.

또한, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)가 제2공간(200)의 외벽에 연접해 있으므로, 상기 제2공간(200)의 외벽을 통한 열전달에 의해 방열이 이루어질 수도 있다.

상기 원자로의 과열이 더 진행되어 상기한 절차로도 만족스러운 냉각이 이루어지지 않을 경우, 냉각수 주입단계(S160)로 진입될 수 있다.

상기 제2열교환기(134)에서 방열되는 열이 더 커질 경우, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측에 공동이 커지게 되며, 그만큼 상기 기준기압챔버(224) 내로 유입되는 냉각수의 양이 증가할 수 있다.

또한, 상기 냉각수 분사관에서 포화증기압 냉각챔버(222)로 분사되는 냉각수가 누적됨에 따라 상기 포화증기압 냉각챔버(222)에서 기준기압챔버(224) 내로 유입되는 냉각수의 양이 증가할 수 있다. 따라서, 상기 기준기압챔버(224) 내의 수위가 상승할 수 있다.

이러한 상황에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 원자로의 과열이 더 진행된 경우, 상기 주입관 개폐밸브(244)가 개방되어 냉각수 주입단계(S160)로 진입될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 주입관 개폐밸브(244)는 상기 주입관 개폐밸브(244)에 작용하는 압력에 따라 기 설정된 압력이상 증가된 경우에 개방되며, 기 설정된 압력에 미치지 못하는 경우 폐쇄될 수도 있다. 또한, 상기 주입관 개폐밸브(244)는 상기 에너지 방출공간(110)의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우 개방되며, 기설정된 온도보다 낮은 경우 폐쇄되도록 구비될 수도 있다.

상기 냉각수 주입단계(S160)에서는 상기 기준압력챔버(224) 내의 냉각수가 에너지 방출공간(110)으로 주입되어 상기 원자로 용기(122)가 냉각수에 의해 직접적으로 냉각될 수 있다.

상기 원자로 용기(122)에 의해 가열된 냉각수는 수증기화 되어 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 상승시키며, 상승된 압력은 압력상승관으로 전달되어 전술한 압력전이단계(S130)와 냉각수 분사단계(S140) 및 이상열전달 냉각단계(S150)가 반복 순환될 수 있다.

또한, 상기 원자로 용기(122) 내의 냉각수 수위가 하강한 경우, 상기 순환유입밸브(126)을 통해 상기 에너지 방출공간(110)으로 흘러든 냉각수가 원자로 용기(122) 내측으로 유입되어 상기 노심(124)을 직접 냉각시킬 수 있다.

또한, 상기 원자로 용기(122)의 상측에는 순환배출밸브(128)이 구비되어 상기 노심(124)의 열에 의해 기화된 냉각수가 상기 에너지 방출공간(110)으로 배출될 수 있다.또한, 상기 에너지 흡수공간(210)의 압력이 설정압력 이상으로 상승할 경우, 냉각팬 회전단계(S170)가 수행될 수 있다. 상기 에너지 흡수공간(210)의 압력이 설정압력 이상으로 상승할 경우 상기 압력개방밸브(257)가 작동되어 냉각팬 회전단계(S170)로 진입될 수 있다.

상기 압력개방밸브(257)가 개방되어 상기 압력유입관(251)으로 고압의 에너지 흡수공간(210)의 압력이 작용되어 그 압력에 의해 터빈(253)이 회전되며, 상기 터빈(253)의 회전력에 의해 상기 냉각팬(255)이 회전될 수 있다.

상기 냉각팬(255)이 회전됨으로써 제2공간(200) 주변의 물에 흐름이 발생되어 제2공간(200) 외벽으로 전달되는 열을 보다 원할게 흡수하여 상기 제2공간(200)을 냉각할 수 있다.

한편, 상기 원자로 용기(122)의 온도가 이상과열되는 경우에는 원자로 용기(122) 용융방지단계(S180)로 진입할 수 있다.

상기 원자로 용기(122)의 온도가 이상과열되면, 상기 냉각수 공급관(261)에 구비된 저온용융합금체(263)가 용융되어 상기 냉각수 공급관(261)이 개방됨으로써, 상기 에너지 흡수공간(210)의 냉각수가 원자로 용기(122)의 하측으로 유입되어 상기 원자로 용기(122)의 일부가 냉각수에 잠기게 되며, 이 냉각수에 의해 상기 원자로 용기(122)가 직접적으로 냉각될 수 있어 멜트 쓰루가 방지될 수 있다.

한편, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력이 증가하기 전에도 원자로 안전계통을 긴급하게 작동시키고자 할 때에는 상기 증기방출밸브(138)를 개방하여, 상기 에너지 방출공간(110)의 압력을 직접적으로 상승시키는 증기방출단계가 수행될 수도 있다.

상기 증기방출단계에서 증기방출밸브(138)가 개방되면, 전술한 압력상승단계(S110), 공동화 단계, 압력전이단계(S130) 냉각수 분사단계(S140) 및 이상열전달 냉각단계(S150)가 순차적으로 또는 동시적으로 수행될 수 있다.

따라서, 조작원의 별도 제어 없이도 전술한 원자로의 피동무한냉각 구조체가 작동될 수 있으며, 별도 전원의 공급 없이도, 원자로에서 발생되는 열 및 그로 인해 증가되는 압력에 의해 원자로 안전계통이 작동될 수 있으며, 별도의 냉각수의 보충 없이도 원자로 내의 압력이 떨어질 때 까지 무한순환작동될 수 있어 원자로의 안전성이 한층 향상될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 제1공간 110: 에너지 방출공간
120: 원자로 구동계통 122: 원자로 용기
124: 노심 130: 제1냉각유로
132: 제1열교환기 134: 제2열교환기
136: 배관 138: 증기방출밸브
200: 제2공간 210: 에너지 흡수공간
220: 에너지 전달공간 222: 포화증기압 챔버
224: 기준기압챔버 226: 기준기압 구획격벽
228: 냉각제 분사관 230: 제2냉각유로
212: 제3열교환기 234: 제4열교환기
236: 유입단 238: 출수단
242: 냉각제 주입관 244: 주입관 개폐밸브
250: 외벽냉각모듈 251: 압력유입관
253: 터빈 255: 냉각팬
257: 압력개방밸브 259: 냉각핀
261: 냉각수 공급관 263: 저온용융합금체
265: 고온유체역류방지관 267: 중량체
268: 연결봉 269: 걸림판
S110: 압력상승단계 S120: 공동화단계
S130: 압력전이단계 S140: 냉각수 분사단계
S150: 이상열전달 냉각단계 S160: 냉각수 주입단계
S170: 냉각팬 회전단계 S180: 원자로 용기 용융방지단계

Claims

원자로노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간;
상기 에너지 방출공간과 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간;
상기 에너지 흡수공간의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외벽을 통해 외부로 방출하는 에너지 전달공간;
상기 에너지 방출공간을 구획하는 제1공간;
상기 에너지 흡수공간과 에너지 전달공간을 상기 제1공간으로부터 구획하는 제2공간;
을 포함하며,
상기 원자로 용기의 열을 에너지 전달공간으로 전달하는 제1냉각유로;
상기 에너지 방출공간의 압력을 상기 에너지 흡수공간으로 전달하는 압력평형관;
상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 전달공간으로 유동시키는 냉각제 분사관;
을 포함하고,
상기 에너지 전달공간은,
제2공간의 상측 외벽의 내측에 연접하도록 형성되며, 냉각수가 수용되며, 상기 제1냉각유로의 열교환기가 위치되며, 상기 냉각제 분사관(228)의 분사측 끝단이 위치되는 포화증기압 냉각챔버;
상기 포화증기압 냉각챔버의 하측에 구비되고, 상기 포화증기압 냉각부와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각부의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준기압챔버;
를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제1항에 있어서,
상기 제1냉각유로는,
원자로 용기 내 열을 흡수하는 제1열교환기;
상기 포화증기압 냉각챔버에 구비되며, 상기 제1열교환기에서 흡수한 열을 방출하는 제2열교환기;
를 포함하고,
상기 냉각제 분사관의 상측 끝단은 상기 제2열교환기에 상기 에너지 흡수공간의 냉각수를 분사하도록 구비되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제2항에 있어서,
상기 제1냉각유로는,
상기 에너지 방출공간의 압력을 높이기 위하여, 제1냉각유로 내의 수증기를 상기 에너지 방출공간 내부로 선택적으로 배출시키는 증기방출밸브를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제1항에 있어서,
상기 에너지 전달공간은,
상기 포화증기압 냉각챔버와 기준기압챔버를 구획하며, 상기 포화증기압 냉각챔버와 기준기압챔버의 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버와 기준기압챔버를 연통시키도록 구비되는 기준기압 구획격벽을 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제2항에 있어서,
상기 에너지 전달공간 내에 구비되어, 상기 에너지 전달공간 내의 열을 제2공간 외부로 배출하는 제2냉각유로를 더 포함하며,
상기 냉각제 분사관에서 상기 제2열교환기를 향하여 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기의 열을 흡수하면서 기화되며, 기화된 수증기는 상기 제2냉각유로에서 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제5항에 있어서,
상기 제2냉각유로는,
상기 포화증기압 냉각챔버 내에 구비되어 상기 제1냉각유로에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버의 열을 흡수하는 제3열교환기;
를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제6항에 있어서,
상기 제2냉각유로는,
상기 에너지 흡수공간에 구비되어 에너지 흡수공간의 열을 흡수하는 제4열교환기;
를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제7항에 있어서,
상기 제2냉각유로는
상기 제4열교환기가 상기 제3열교환기보다 더 전류에 형성되며, 상기 제4열교환기가 상기 제3열교환기보다 더 하측에 구비되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제1항에 있어서,
상기 기준압력챔버의 냉각수를 에너지 방출공간으로 유입시키기 위한 냉각제 주입관;
상기 냉각제 주입관을 개방시키는 주입관 개폐밸브를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제1항에 있어서,
상기 제2공간은 해수 또는 강물에 접하도록 위치되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제1항에 있어서,
상기 에너지 방출공간의 수증기의 압력으로 상기 제2공간 외벽의 물 또는 공기를 유동시키는 외벽냉각모듈을 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제11항에 있어서,
상기 외벽냉각모듈은,
상기 에너지 방출공간의 수증기를 유입받는 압력 유입관;
상기 압력유입관에서 토출되는 수증기의 압력으로 발전되는 터빈;
상기 제2공간의 상측에 구비되며, 상기 터빈에의 회전력으로 제2공간 외벽측의 물 또는 공기를 상측으로 유동시키도록 회전되는 냉각팬; 및
상기 압력 유입관을 선택적으로 개방하는 압력개방밸브를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제12항에 있어서,
상기 제2공간의 외벽측에 구비되는 냉각핀을 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제1항에 있어서,
상기 에너지 흡수공간의 냉각수를 상기 에너지 방출공간의 원자로 용기 하측으로 안내하는 냉각수 공급관;
상기 냉각수 공급관의 끝단측에 구비되어 상기 냉각수 공급관을 차폐하고 있다가 상기 원자로 용기의 온도가 과열되었을때, 상기 원자로 용기로부터 전달된 열에 의해 용융됨으로써 상기 냉각수 공급관을 개방하는 저온용융합금체;
를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제14항에 있어서,
상기 냉각수 공급관의 상기 저온용융합금체가 구비된 끝단에서 이격된 지점에서 상측으로 만곡된 역U자 형태의 고온유체역류방지관이 형성되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
제14항에 있어서,
상기 저온용융합금체의 외측단부에 구비되는 중량체를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
에너지 방출공간의 온도가 상승하여, 제1공간의 압력이 상승하는 압력상승단계;
원자로 용기의 열이 제1냉각유로의 제2열교환기를 통해 포화증기압 냉각챔버로 전달되고, 상기 제2열교환기에 의해 가열된 포화증기압 냉각챔버의 냉각수가 기화되어 공동부가 생기며, 상기 제1냉각유로의 제2열교환기와, 제2냉각유로의 제3열교환기가 수면위로 노출되는 공동화 단계;
압력평형관에 의해 제1공간의 압력이 에너지 흡수공간으로 전달되는 압력전이단계;
에너지 흡수공간의 압력이 상승되어 상기 에너지 흡수공간의 냉각수가 냉각제 분사관을 통해 상승되어 제1냉각유로의 제2열교환기에 분사되는 냉각수 분사단계;
냉각수 분사관에서 분사된 냉각수가 상기 제2열교환기에서는 기화되고, 상기 제3열교환기에서는 응축되는 이상열전달 현상으로 열교환이 이루어지는 이상열전달 냉각단계;
를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동 방법.
제17항에 있어서,
상기 에너지 흡수공간의 온도가 설정온도 이상 상승할 경우,
주입관 개패밸브가 개방되어 기준압력챔버의 냉각수를 에너지 방출공간에 주입하는 냉각수 주입단계;를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
제17항에 있어서,
상기 에너지 흡수공간의 압력이 설정압력 이상 상승할 경우,
압력 유입관이 개방되어 에너지 방출공간의 압력으로 터빈이 회전되며, 상기 터빈의 회전력에 의해 냉각팬이 회전되는 냉각팬 회전단계;를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
제17항에 있어서,
상기 원자로 용기의 온도가 설정온도 이상 상승할 경우,
저온용융합금체가 용융되어 냉각수 공급관이 개방됨으로써 에너지 흡수공간의 냉각수가 원자로 용기 하측으로 유입되어 원자로 용기를 냉각하는 원자로 용기 용융방지단계;를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.