KR20210128638A - 과압방지부가 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과열에 의해 발생하는 과압에 의해 냉각수가 조기 소진되는 것을 방지할 수 있는 원자로의 피동무한 냉각 구조체에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간부, 상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부, 상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 방출하는 에너지 전달공간부, 상기 에너지 방출공간부의 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 에너지 방출공간부와 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력평형관 및 상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열되었을 때에는 상기 압력평형관을 통해 상기 에너지 방출공간부로부터 상기 에너지 흡수공간부에 배출되는 공기의 압력을 감소시키는 과압방지부를 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체가 개시된다.

Description

과압방지부가 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체{Passive Colling System for Nuclear Reactor having Preventing Part for Over Pressure}

본 발명은 원자로의 피동무한 냉각 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 과열에 의해 발생하는 과압에 의해 냉각수가 조기 소진되는 것을 방지할 수 있는 원자로의 피동무한 냉각 구조체에 관한 것이다.

원자력 발전은 핵분열시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 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.

이를 위해, 조작원의 조작이 필요없이 과열에 의해 발생된 열과 압력으로서 원자로의 냉각이 이루어지는 피동무한 냉각 시스템이 개발중에 있으나, 이러한 피동무한 냉각 시스템은 과열에 의해 발생되는 압력으로서 냉각수를 펌핑하는 구조인데, 과열에 의해 과압이 발생한 경우 냉각수가 조기 소진되는 문제점이 있었다.

KR 10-1731817 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원자로 용기의 과열에 의해 냉각수가 조기 소진되는 문제를 해결할 수 있는 과압방지부가 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체를 제공하는 것이 과제이다.

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

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간부, 상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부, 상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 방출하는 에너지 전달공간부, 상기 에너지 방출공간부의 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 에너지 방출공간부와 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력평형관, 상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열되었을 때에는 상기 압력평형관을 통해 상기 에너지 방출공간부로부터 상기 에너지 흡수공간부에 배출되는 공기의 압력을 감소시키는 과압방지부를 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체가 개시된다.

상기 과압방지부는, 상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열되었을 때에는 상기 압력평형관을 통해 상기 에너지 흡수공간부에 배출되는 공기를 냉각시킴으로써 압력을 낮추도록 구비될 수 있다.

상기 과압방지부는, 상기 에너지 방출공간부의 온도가 정상적일 때에는 상기 에너지 방출공간부로부터 배출되는 공기를 상기 에너지 흡수공간부내 냉각수의 상측에 배출하고, 상기 에너지 방출공간부가 과열되었을 때에는 상기 에너지 방출공간부로부터 배출되는 공기를 냉각수내에 직접 배출하여, 배출된 공기가 냉각수에 의해 냉각되어 감압되도록 할 수 있다.

상기 과압방지부는, 상기 압력평형관에 구비되며, 작용되는 압력에 따라 저압일 때와 고압일 때 배출되는 경로를 절환시키는 유로절환밸브, 상기 유로절환밸브에 구비되며, 저압인 공기가 배출되는 저압배출관, 상기 유로절환밸브에 구비되며, 고압인 공기가 배출되는 고압배출관을 포함할 수 있다.

상기 저압배출관은 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수 수면 상측으로 공기를 배출하도록 구비되고, 상기 고압배출관은 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수 내에 공기를 직접 배출하도록, 그 끝단이 냉각수에 잠기도록 구비될 수 있다.

상기 유로절환밸브는, 내부 공간을 형성하는 밸브 하우징, 상기 밸브 하우징에 구비되며, 상기 압력평형관의 공기가 유입되는 압력유입구, 상기 밸브 하우징의 내부공간에 위치되며, 압력에 의해 일측 및 타측으로 이동되고, 저압의 공기가 유통되는 바이패스홀이 형성된 피스톤, 상기 밸브 하우징에 구비되며, 밸브 하우징내 유입되어 상기 피스톤의 바이패스홀을 통해 피스톤을 투과한 저압의 공기가 배출되는 저압배출구, 상기 밸브 하우징에 구비되며, 상기 압력유입부에 의해 유입된 고압의 공기에 의해 피스톤이 이동되었을 때 개방되는 위치에 형성되어 밸브 하우징내 유입된 고압의 공기가 배출되는 고압배출구 및 상기 피스톤을 탄성지지하는 탄성체를 포함할 수 있다.

상기 압력유입구로부터 유입된 고압의 공기에 의해 피스톤이 이동되었을 때 상기 저압배출구를 폐쇄하는 밀폐부재를 더 포함할 수 있다.

상기 밀폐부재는 상기 피스톤의 저압배출구를 향하는 측에 구비되어, 상기 피스톤이 저압배출구 측으로 이동되었을 때, 상기 저압배출구를 폐쇄하도록 구비될 수 있다.

또는, 상기 밀폐부재는 상기 밸브 하우징의 내부의 저압배출구에서 상기 피스톤측으로 돌출되도록 구비되어, 상기 피스톤이 저압배출구 측으로 이동되었을 때, 상기 바이패스홀을 폐쇄하도록 구비될 수 있다.

상기 고압배출관의 배출단은 분기되어 복수개의 배출단을 형성할 수 있다.

상기 고압배출관의 배출단에 배출되는 공기를 기포의 형태로 배출하는 기포형성부가 구비될 수 있다.

상기 유로절환밸브에서 상기 공기의 배출경로가 고압배출관으로 절환되는 압력은 상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열상태일 때 형성되는 압력일 수 있다.

상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관을 더 할 수 있다.

상기 원자로 용기의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 제1냉각유로 및 상기 에너지 전달공간부의 열을 외부로 방출하는 제2냉각유로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 과압방지부가 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체에 따르면 원자로 용기가 과열되어 과압이 발생된다고 하더라도, 팽창된 공기가 냉각수에 의해 냉각되어 그 부피가 적어지게 되어 과압상태가 해수될 수 있어, 압력에 의해 펌핑되는 냉각수의 조기소진 문제를 방지할 수 있는 효과가 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 유입되는 공기의 압력이 저압일 때의 유로절환밸브를 도시한 단면도;
도 7은 유입되는 공기의 압력이 고압일 때의 유로절환밸브를 도시한 단면도;
도 8은 유로절환밸브의 다른 형태를 도시한 단면도;
도 9는 기포형성부를 도시한 도면이다.

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 원자로의 피동무한 냉각 구조체의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

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

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

상기 에너지 전달공간부(220)(Energy Transfer Space, ETS)는 상기 에너지 방출공간부(110) 및 에너지 흡수공간부(210)와 격리되며, 특히, 상기 에너지 흡수공간부(210)의 상측에 구비되고, 상기 에너지 방출공간부(110)의 원자로 용기(122)에서 발생된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 전달하여 방열할 수 있도록 구비된다. 이러한 방열은 상기 제2공간부(200)의 외벽을 통해 이루어질 수도 있다.

이 때, 상기 에너지 방출공간부(110)은 제1공간부(100)에 구비되며, 에너지 흡수공간부(210)과 에너지 전달공간부(220)은 제2공간부(200)에 구비될 수 있다.상기 제1공간부(100)과 제2공간부(200)는 서로 구획되며, 내폭성을 가지도록 콘크리트나 금속으로 그 외벽이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1공간부(100)는 지중 또는 지상 등의 육지(L)에 설치되며, 상기 제2공간부(200)는 바다(S)나 강 등 수중에 설치되거나 또는 물과 접하도록 설치될 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2공간부(200) 또한 육지에 설치되면서 모처로부터 냉각에 필요한 물을 공급받도록 구비될 수도 있다. 또한, 육지가 아닌 선박 등의 운송수단 등에 설치될 수도 있는 등 다양한 장소에 설치될 수 있다.

이 때, 상기 에너지 전달공간부(220)는 상기 제2공간부(200)의 외벽과 접하도록 설치되어, 열전달을 통해 흡수한 열을 상기 제2공간부(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 전달공간부(220)로 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 여러 가지 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 방출공간부(110)와 에너지 흡수공간부(210)는 압력이 전달되도록 서로 연통될 수 있다. 이를 위해, 상기 에너지 방출공간부(110)의 압력을 상기 에너지 흡수공간부(210)로 전달하는 압력평형관(214)이 상기 제1공간부(100)과 제2공간부(200)을 걸쳐 형성될 수 있다.

이 때, 상기 압력평형관(214)의 제2공간부(200)측 끝단은 상기 에너지 흡수공간부(210)내에 위치될 수 있다. 또한, 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수가 상기 압력평형관(214)을 타고 제1공간부(100)으로 역류하지 않도록 상기 압력평형관(214)은 역 U자형으로 절곡되어 형성될 수 있다.

따라서, 상기 압력평형관(214)에 의하여 상기 에너지 방출공간부(110)의 압력이 상승되면 상승된 압력이 상기 에너지 흡수공간부(210)에 전달될 수 있다. 즉, 상기 원자로 용기(122)가 과열되어 에너지 방출공간부(110)의 온도가 상승하면, 상승된 온도에 의해 압력 또한 상승하며, 상승된 압력은 상기 압력평형관(214)에 의해 에너지 흡수공간부(210)에 전달되어 상기 에너지 흡수공간부(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 흡수공간부(210)의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부(220)로 안내하도록 구비될 수 있다.

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

상기 포화증기압 냉각챔버(222)는 상기 제2공간부(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 전달공간부(220)는 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) 내의 압력은 대기압에 비하여 낮은 압력을 형성하며, 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 전달공간부(220) 내에 구비되며, 상기 에너지 전달공간부(220) 내의 열을 제2공간부(200)의 외부의 해수나 강물 또는 대기로 방출할 수 있다. 본 실시예에서 해수라 칭하는 것은 바닷물은 물론 강물 등의 민물까지도 포함하는 의미일 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 흡수공간부(210)에 구비되며, 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수를 냉각하도록 구비될 수 있다.

따라서, 상기 제2냉각유로(230)는 상기 에너지 전달공간부(220)을 냉각함은 몰론, 상기 에너지 흡수공간부(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 제2공간부(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 방출공간부(110)으로 유입시키도록 상기 제1공간부(100)과 제2공간부(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 방출공간부(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 방출공간부(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 방출공간부(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 방출공간부(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 방출공간부(110)으로 배출될 수 있다.

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

또한, 전술한 바와 같이, 상기 제2냉각유로(230)의 유입단(236) 및 출수단(238)은 상기 제2공간부(200)의 외부로 개방되게 형성되어, 제2공간부(200)의 외부의 물과 연통될 수 있다. 이때, 상기 유입단(236)은 상기 출수단(238)보다 하측에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제3열교환기(232)에 에서 가열된 해수는 대류현상에 의해 상기 출수단(238)로 배출되며, 그에 따라 상기 유입단(236)으로 차가운 외부의 해수가 유입될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 원자로 용기(122)의 온도가 과열되면 상기 에너지 방출공간부(110)의 온도 또한 과열되며, 그에 의해 에너지 방출공간부(110)의 압력 또한 상승될 수 있다.

이러한 에너지 방출공간부(110)의 압력은 상기 압력평형관(214)에 의해 에너지 흡수공간부(210)로 전달될 수 있다. 즉, 과열에 의해 팽창한 상기 에너지 방출공간부(110)의 공기가 상기 압력평형관(214)에 의해 에너지 흡수공간부(210)로 이동하여 상기 에너지 흡수공간부(210)의 압력을 상승시킬 수 있다.

상기 에너지 흡수공간부(210)의 압력이 상승함에 따라, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수(C)가 상기 냉각제 분사관(228)에 의해 에너지 전달공간부(220)로 상승되어 분무(spray)될 수 있다.

그런데, 상기 원자로 용기(122)가 지나치게 급과열되어 에너지 방출공간부(110)의 압력이 급상승하게 되는 경우에는 이렇게 급상승된 압력이 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수(C)를 필요 이상으로 가압하게 되어 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수(C)를 조기에 소진시킬 수 있다.

이를 방지하기 위하여, 과압방지부(300)가 구비될 수 있다.

상기 과압방지부(300)는 상기 에너지 방출공간부(110)의 온도가 과열되었을 때에 상기 압력평형관(214)을 통해 상기 에너지 방출공간부(110)로부터 상기 에너지 흡수공간부(210)에 배출되는 공기의 압력을 감소시키는 구성요소이다. 이 때, 상기 압력평형관(214)을 통해 유동되는 공기는 수증기를 포함할 수 있다.

이러한 과압방지부(300)는 상기 에너지 방출공간부(110)의 온도가 과열되었을 때에는 상기 압력평형관(214)을 통해 상기 에너지 흡수공간부(210)에 배출되는 공기를 냉각시킴으로써 그 압력을 낮추도록 구비될 수 있다.

일반적으로, 공기는 온도가 상승되면 부피와 압력이 상승되며, 온도가 하락되면 부피와 압력이 줄어들 수 있다. 또한, 수증기의 경우 기체상태일 때와 액체상태일 때의 부피의 차이가 현저하게 차이나며 기체상태일 때의 부피는 물일 때의 부피보다 현저하게 클 수 있다.

따라서, 상기 에너지 흡수공간부(210)에 배출되는 과열된 공기 및 수증기를 냉각시키면 부피 및 압력이 감소하게 되므로 그만큼 에너지 흡수공간부(210)의 압력을 낮춰 냉각수(C)가 에너지 전달공간부(220)로 펌핑되는 펌핑량을 줄일 수 있다.

이를 위해, 상기 과압방지부(300)는, 상기 에너지 방출공간부(110)의 온도가 정상적일 때에는 상기 에너지 방출공간부(110)로부터 배출되는 공기를 상기 에너지 흡수공간부(210)내 냉각수(C)의 상측에 배출할 수 있다. 상기 에너지 방출공간부(110)의 온도가 정상적이라면 상기 압력평형관(214)을 통해 배출되는 공기를 굳이 냉각할 필요가 없기 때문이다.

그런데, 상기 에너지 방출공간부(110)가 과열된 경우에는 상기 압력평형관(214)을 통해 배출되는 공기를 냉각해야 할 필요가 있으므로, 상기 압력평형관(214)을 통해 에너지 방출공간부(110)으로부터 배출되는 과열된 공기를 상기 에너지 흡수공간부(210)내 냉각수(C) 내에 직접 배출하여, 배출된 공기가 냉각수(C)와 접촉되면서 냉각수(C)에 의해 냉각되어 감압이 이루어지도록 할 수 있다.

이를 위하여, 상기 과압방지부(300)는 도 2 내지 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 유로절환밸브(310)와 저압배출관(340) 및 고압배출관(350)을 포함할 수 있다.

상기 유로절환밸브(310)는 상기 압력평형관(214)에 구비되며, 상기 압력평형관(214)을 통해 작용되는 압력이 저압일때는 저압배출관(340)으로 공기를 배출하고, 고압일 때에는 고압배출관(350)으로 공기를 배출하도록 그 배출경로를 절환시키도록 구비될 수 있다.

이 때, 상기 저압배출관(340)은 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수(C) 수면의 상측으로 공기를 배출하도록 구비되고, 상기 고압배출관(350)은 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수(C) 내에 공기를 직접 배출하도록 그 배출단이 냉각수(C)에 잠기도록 구비될 수 있다. 물론, 상기 저압배출관(340) 또한 필요에 따라 그 배출단이 냉각수(C)에 잠기도록 구비될 수도 있을 것이다.

상기 유로절환밸브(310)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 밸브 하우징(312), 압력 유입구(314), 피스톤(320), 저압배출구(316), 고압배출구(318) 및 탄성체(324)를 포함할 수 있다.

상기 밸브 하우징(312)은 외관을 이루면서 내부 공간을 형성하는 구성요소로서, 일측에 상기 압력평형관(214)과 결합되어 상기 내부 공간으로 상기 압력평형관(214)의 공기가 유입되는 압력 유입구(314)가 형성될 수 있다.

또한, 상기 밸브 하우징(312)의 내부공간에는 상기 압력평형관(214)에서 유입되는 공기의 압력에 의해 이동되는 피스톤(320)이 구비될 수 있다. 즉, 압력에 의해 일측으로 밀리도록 구비되며, 상기 피스톤(320)은 스프링 등의 탄성체(324)에 의해 탄성적으로 지지된다.

즉, 압력이 작용되면 상기 피스톤(320)에도 일측으로 이동되려는 압력이 작용된다. 이 때, 상기 탄성체(324)가 피스톤(320)을 지지하고 있으므로, 상기 피스톤(320)은 탄성체(324)의 지지력보다 큰 압력이 작용되었을 때 이동될 수 있다.

그리고, 상기 저압배출구(316)는 상기 밸브 하우징(312)의 상기 피스톤(320)이 압력에 의해 이동되는 측에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 저압배출구(316)는 상기 피스톤(320)이 압력에 의해 이동되는 이동경로상에서 벗어난 위치에 형성될 수 있다. 즉, 상기 피스톤(320)이 끝까지 이동된다고 하더라도 상기 저압배출구(316)를 지나가지 않는 위치에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 고압배출구(318)는 상기 피스톤(320)이 압력에 이동되는 경로상에 구비되며, 상기 피스톤(320)이 이동되므로 인해 상기 밸브 하우징(312)의 내부공간을 통해 상기 압력 유입구(314)와 연통되는 위치에 형성될 수 있다.

또한, 상기 고압배출구(318)는 상기 피스톤(320)이 압력에 의해 움직이지 않은 초기상태에서는 상기 피스톤(320)에 의해 폐쇄되는 위치에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤(320)에는 저압의 공기가 상기 저압배출구(316)측으로 유동되도록 상기 피스톤(320)을 관통하는 바이패스홀(322)이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 압력 유입구(314)로부터 유입된 고압의 공기에 의해 상기 피스톤(320)이 끝까지 이동되었을 때, 상기 저압배출구(316)를 폐쇄하는 밀패부재가 상기 피스톤(320)에 구비될 수 있다.

또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 밀폐부재(326) 대신 상기 압력 유입구(314)로부터 유입된 고압의 공기에 의해 상기 피스톤(320)이 끝까지 이동되었을 때 상기 바이패스홀(322)을 폐쇄하는 바이패스홀 밀폐부재(328)가 상기 밸브 하우징(312)의 내부공간 내측에 구비될 수도 있을 것이다.

즉, 상기 압력 유입구(314)로부터 저압의 공기가 유입되면 상기 피스톤(320)은 상기 탄성체(324)의 탄성력에 의해 지지되므로 이동되지 아니하며, 유입된 저압의 공기는 상기 바이패스홀(322)을 통해 상기 저압배출구(316)로 유동될 수 있다.

또한, 상기 압력 유입구(314)로부터 고압의 공기가 유입되어 상기 피스톤(320)에 작용되는 압력이 상기 탄성체(324)의 지지력보다 커지게 되면 상기 피스톤(320)이 일측으로 밀려 이동되어 상기 고압배출구(318)가 개방되며, 상기 피스톤(320)의 밀폐부재(326)가 저압배출구(316)를 폐쇄하므로, 유입된 고온 고압의 공기는 상기 고압배출구(318)를 통해 배출될 수 있다.

이 때, 상기 유로절환밸브(310)에서 상기 공기의 배출경로가 고압배출관(350)으로 절환되는 압력은 상기 에너지 방출공간부(110)의 온도가 과열상태일 때 형성되는 압력이 되도록 상기 탄성체(324)의 탄성력 및 바이패스홀(322)의 직경 등이 조절될 수 있다.

또한, 상기 저압배출구(316)는 저압배출관(340)과 결합되며, 고압배출구(318)는 고압배출관(350)과 결합될 수 있다.

따라서, 저온 저압의 공기는 상기 저압배출관(340)을 통해 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수(C) 상측에 배출되고, 고온 고압의 공기는 상기 고압배출관(350)을 통해 냉각수(C)에 직접 배출될 수 있다.

따라서, 상기 고압배출관(350)을 통해 냉각수(C)에 직접 배출된 고온 고압의 공기는 냉각수(C)와 접촉하면서 냉각이 이루어지며, 특히 공기 중에 포함된 수증기는 액화가 이루어질 수 있으므로 그 부피가 현저하게 줄어들게 되어 상기 에너지 흡수공간부(210) 내에 증가되는 압력의 크기가 감소될 수 있다.

이 때, 상기 고압배출관(350)을 통해 배출되는 고온 고압의 공기는 그 부피가 클 것이므로, 원할한 배출을 위해, 상기 고압배출관(350)의 배출단은 복수개가 분지되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 고압배출관(350)에서 배출되는 고온 고압의 공기는 상기 냉각수(C)와 접촉면적이 클수록 냉각효율이 상승될 것이므로, 냉각수(C)와의 접촉 표면적을 극대화 시키기 위하여 도 9에 도시된 바와 같이 배출되는 공기를 기포(B)의 형태로 배출하도록 낙은 직경의 홀이 복수개 형성된 기포형성부(352)가 구비될 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: 제1공간부 110: 에너지 방출공간부
120: 원자로 구동계통 122: 원자로 용기
124: 노심 130: 제1냉각유로
132: 제1열교환기 134: 제2열교환기
136: 배관 138: 증기방출밸브
200: 제2공간부 210: 에너지 흡수공간부
220: 에너지 전달공간부 222: 포화증기압 챔버
224: 기준기압챔버 226: 기준기압 구획격벽
228: 냉각제 분사관 230: 제2냉각유로
212: 제3열교환기 214: 압력평형관
234: 제4열교환기 236: 유입단
238: 출수단 242: 냉각제 주입관
244: 주입관 개폐밸브 300: 과압방지부
310: 유로절환밸브 312: 밸브하우징
314: 압력 유입구 316: 저압배출구
318: 고압배출구 320: 피스톤
322: 바이패스홀 324: 탄성체
326, 328: 밀폐부재 340: 저압배출관
350: 고압배출관 352: 기포형성부

Claims (14)

1. 원자로 노심이 수용된 원자로 용기가 수용되는 에너지 방출공간부;
   상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부;
   상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 방출하는 에너지 전달공간부;
   상기 에너지 방출공간부의 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 에너지 방출공간부와 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력평형관;
   상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열되었을 때에는 상기 압력평형관을 통해 상기 에너지 방출공간부로부터 상기 에너지 흡수공간부에 배출되는 공기의 압력을 감소시키는 과압방지부;
   를 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 과압방지부는,
   상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열되었을 때에는 상기 압력평형관을 통해 상기 에너지 흡수공간부에 배출되는 공기를 냉각시킴으로써 압력을 낮추도록 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 과압방지부는,
   상기 에너지 방출공간부의 온도가 정상적일 때에는 상기 에너지 방출공간부로부터 배출되는 공기를 상기 에너지 흡수공간부내 냉각수의 상측에 배출하고, 상기 에너지 방출공간부가 과열되었을 때에는 상기 에너지 방출공간부로부터 배출되는 공기를 냉각수내에 직접 배출하여, 배출된 공기가 냉각수에 의해 냉각되어 감압되도록 하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 과압방지부는,
   상기 압력평형관에 구비되며, 작용되는 압력에 따라 저압일 때와 고압일 때 배출되는 경로를 절환시키는 유로절환밸브;
   상기 유로절환밸브에 구비되며, 저압인 공기가 배출되는 저압배출관;
   상기 유로절환밸브에 구비되며, 고압인 공기가 배출되는 고압배출관;
   을 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 저압배출관은 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수 수면 상측으로 공기를 배출하도록 구비되고,
   상기 고압배출관은 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수 내에 공기를 직접 배출하도록, 그 끝단이 냉각수에 잠기도록 구비되는 원자로의 파동무한 냉각 구조체.
6. 제4항에 있어서,
   상기 유로절환밸브는,
   내부 공간을 형성하는 밸브 하우징;
   상기 밸브 하우징에 구비되며, 상기 압력평형관의 공기가 유입되는 압력유입구;
   상기 밸브 하우징의 내부공간에 위치되며, 압력에 의해 일측 및 타측으로 이동되고, 저압의 공기가 유통되는 바이패스홀이 형성된 피스톤;
   상기 밸브 하우징에 구비되며, 밸브 하우징내 유입되어 상기 피스톤의 바이패스홀을 통해 피스톤을 투과한 저압의 공기가 배출되는 저압배출구;
   상기 밸브 하우징에 구비되며, 상기 압력유입부에 의해 유입된 고압의 공기에 의해 피스톤이 이동되었을 때 개방되는 위치에 형성되어 밸브 하우징내 유입된 고압의 공기가 배출되는 고압배출구;
   상기 피스톤을 탄성지지하는 탄성체;
   를 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
7. 제6항에 있어서,
   상기 압력유입구로부터 유입된 고압의 공기에 의해 피스톤이 이동되었을 때 상기 저압배출구를 폐쇄하는 밀폐부재를 더 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
8. 제7항에 있어서,
   상기 밀폐부재는 상기 피스톤의 저압배출구를 향하는 측에 구비되어, 상기 피스톤이 저압배출구 측으로 이동되었을 때, 상기 저압배출구를 폐쇄하도록 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
9. 제7항에 있어서,
   상기 밀폐부재는 상기 밸브 하우징의 내부의 저압배출구에서 상기 피스톤측으로 돌출되도록 구비되어, 상기 피스톤이 저압배출구 측으로 이동되었을 때, 상기 바이패스홀을 폐쇄하도록 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
10. 제 4항에 있어서,
    상기 고압배출관의 배출단은 분기되어 복수개의 배출단을 형성하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
11. 제4항에 있어서,
    상기 고압배출관의 배출단에 배출되는 공기를 기포의 형태로 배출하는 기포형성부가 구비되는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
12. 제3항에 있어서,
    상기 유로절환밸브에서 상기 공기의 배출경로가 고압배출관으로 절환되는 압력은 상기 에너지 방출공간부의 온도가 과열상태일 때 형성되는 압력인 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
13. 제1항에 있어서,
    상기 압력평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관을 더 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
14. 제1항에 있어서,
    상기 원자로 용기의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 제1냉각유로;
    상기 에너지 전달공간부의 열을 외부로 방출하는 제2냉각유로;
    를 더 포함하는 원자로의 피동무한 냉각 구조체.

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