KR20220022778A

KR20220022778A - 원자로의 피동형 보호 계통

Info

Publication number: KR20220022778A
Application number: KR1020200104152A
Authority: KR
Inventors: 강경준; 김종욱; 강한옥; 이태호
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2022-02-28
Also published as: KR102437395B1

Abstract

본 발명은, 원전 사고 발생 시 피동형으로 원자로를 냉각하고 격납 건물 내 아이오딘(Iodine)을 저감할 수 있는 원자로의 피동형 보호 계통에 있어서, 일차 격납부, 재장전수조, 상기 일차 격납부와 상기 재장전수조를 연결하고 내부에 벤투리관이 구비되는 증기관, 재장전수조와 인접하게 배치되어 서로에 대하여 열을 교환하는 열 교환 탱크 및 격납 건물을 포함하고, 상기 벤투리관은 상기 격납 건물의 공기를 흡입하며, 상기 열 교환 탱크는 상기 격납 건물의 외부로 공기를 방출하는, 원자로의 피동형 보호 계통을 개시한다.

Description

원자로의 피동형 보호 계통{PASSIVE PROTECTION SYSTEM FOR REACTOR}

본 발명은 원자로의 피동형 보호 계통에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 원전 사고 발생 시 피동형으로 원자로를 냉각하고 격납 건물 내 아이오딘(Iodine)을 저감할 수 있는 원자로의 피동형 보호 계통에 관한 것이다.

원자로는 핵반응을 통해 열에너지를 발생시켜 원자력 발전소에 동력을 공급하는 장치를 의미한다.

구체적으로, 원자로는, 연쇄 핵분열 반응의 결과 다량의 질량 결손 에너지가 순간적으로 방출되도록 연쇄 반응을 제어하여, 핵분열에서 발생되는 열에너지를 원자력 발전소에 동력으로 공급한다.

원자력 발전은 발전 비용이 낮고, 발전 과정에서 온실 가스가 발생되지 않는 장점을 갖는다. 따라서, 과거 반세기 동안 주요 산업 국가에서 중요한 에너지원으로 자리매김하였다.

그러나, 원자력 발전은 핵분열 시 많은 양의 방사성 물질이 생성되고, 방사성 물질이 붕괴될 때 다량의 열이 발생될 수 있다. 따라서, 원자력 발전은 다른 발전 유형에 비하여 대형 사고의 발생 가능성이 높은 편이다.

원자력 발전에 대한 관심이 증가됨에 따라, 원자로 보호 계통에 대한 관심과 중요성 또한 증가되고 있다. 특히, 2011년 3월 11일에 발생한 후쿠시마 원전 사고로 인해, 원자로의 피동형 보호 계통의 개발이 큰 문제로 대두되었다.

2011년 3월 11일, 후쿠시마 원전이 쓰나미로 인해 외부 전원과 단절되고, 외부로부터 전력을 공급받지 못한 원자로 보호 계통이 그 기능을 상실하게 되었다. 이로 인해, 격납 건물이 손상되고, 대규모 방사능이 외부로 누출되었으며, 주변 지역의 토양 및 해양이 매우 심각하게 오염되었다.

위 사고는 많은 수의 피해자와 사회적 위기를 초래하였으며, 원자로의 피동형 보호 계통의 개발의 중요성을 일깨우는 계기가 되었다.

여기에서, 원자로의 피동형 보호 계통은, 외부로부터 전력을 공급받지 않고도 작동될 수 있는 원자로 보호 계통을 의미한다.

원전 사고 발생 시, 원자로의 잔열로 인해 일차 격납부 외부로 증기 및 아이오딘(Iodine) 등의 방사성 물질이 배출되며, 격납 건물 내부의 압력이 증가된다.

이때, 격납 건물 내부의 압력이 내압 설계된 압력보다 높아지게 되는 경우에는, 격납 건물에 손상이 발생될 수 있다. 따라서, 격납 건물 내부의 압력이 내압 설계된 압력보다 낮아지도록 조절되어야 한다.

종래의 원자로 보호 계통은, 이를 위해, 방사성 물질이 격납 건물 내부로 방출되는 양을 감소시키는 구조, 원자로의 잔열을 격납 건물 외부로 방출하는 구조 등을 적용하였다.

그런데, 이러한 유형의 원자로 보호 계통은, 원자로의 냉각과 방사성 물질의 제거에 있어서 그 한계가 존재하는 바, 무한하게 원자로가 냉각되거나 방사성 물질이 제거될 수 없다는 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제10-1738444호는 방사성 요오드의 처리 방법을 개시한다. 구체적으로, 방사성 요오드가 방사성 요오드 흡착제에 흡착되어 처리되는 방사성 요오드의 처리 방법을 개시한다.

그런데, 이러한 유형의 방사성 요오드의 처리 방법은, 방사성 요오드 흡착제에 흡착될 수 있는 방사성 요오드의 양이 한정적이며, 크지 않다.

한국등록특허공보 제10-2085983호는 격납 용기 냉각 시스템을 개시한다. 구체적으로, 격납 용기 외부의 공랭식 응축-냉각기와 연결된 내부의 열 교환기를 통해 격납 용기를 냉각하는 격납 용기 냉각 시스템을 개시한다.

그런데, 이러한 유형의 격납 용기 냉각 시스템은, 공랭식 응축-냉각기가 외부와 단절된 냉각수탱크에 수용된 냉각수에 의해 냉각되는 바, 냉각수가 제거할 수 있는 열량이 한정적이고, 격납 용기가 무한하게 냉각될 수 없다.

한국등록특허공보 제10-1738444호 (2017.05.22.) 한국등록특허공보 제10-2085983호 (2020.03.06.)

본 발명의 일 목적은, 원전 사고 시 원자로에서 방출된 증기가 재장전수조 및 격납 건물 내부를 통과하여 다시 일차 격납부 내부로 유입되며 순환되는 원자로의 피동형 보호 계통을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 원자로에서 방출된 증기가 마이크로 버블 형태로 재장전수조로 방출되는 원자로의 피동형 보호 계통을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 원자로의 잔열이 피동형 계통에 의해 제거될 수 있는 원자로의 피동형 보호 계통을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 원전 사고 시 방사성 물질은 격납 건물 내부에 격납되고, 열만이 격납 건물의 외부로 전달되는 원자로의 피동형 보호 계통을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원자로의 피동형 보호 계통은, 내부에 원자로를 수용하는 제1 공간이 형성되는 일차 격납부; 내부에 냉각수가 수용되는 재장전수조; 일 단이 상기 제1 공간에 연통되도록 상기 일착 격납부와 결합되고, 타 단이 상기 냉각수에 침몰되며, 상기 일 단과 상기 타 단이 모두 개방되는 증기관; 및 내부에 상기 일차 격납부 및 상기 재장전수조를 수용하는 제2 공간이 형성되는 격납 건물을 포함하고, 상기 증기관은, 상기 타 단의 내부에 출구 벤투리관이 구비되며, 상기 출구 벤투리관은, 원뿔 형상으로 형성되고, 상기 타 단을 향해 그 내외경이 감소되는 출구 노즐; 원뿔 형상으로 형성되고, 상기 타 단을 향해 그 내외경이 증가되는 출구 디퓨저; 상기 일 단을 향하는 일 측에 상기 출구 노즐이 결합되고, 상기 타 단을 향하는 타 측에 상기 출구 디퓨저가 결합되며, 그 내경이 상기 출구 노즐 및 상기 출구 디퓨저의 최소 내경보다 작거나 동일하게 형성되는 출구 병목부; 및 양 단이 개방되고, 상기 출구 병목부에 결합되며, 상기 출구 병목부 및 상기 제2 공간과 연통되는 출구 흡입관을 포함한다.

또한, 본 발명은, 내부에 원자로를 수용하는 제1 공간이 형성되는 일차 격납부; 내부에 냉각수가 수용되는 재장전수조; 일 단이 상기 제1 공간에 연통되도록 상기 일차 격납부에 결합되고, 타 단이 상기 냉각수에 침몰되며, 상기 일 단과 상기 타 단이 모두 개방되는 증기관; 상기 재장전수조와 인접하게 배치되고, 외부로부터 공기를 흡입하는 열 교환 탱크; 내부에 상기 일차 격납부, 상기 재장전수조 및 상기 열 교환 탱크를 수용하는 제2 공간이 형성되는 격납 건물; 및 상기 격납 건물의 외부에 배치되고, 상기 열 교환 탱크로부터 공기를 흡입하는 외부 냉각 계통을 포함하고, 상기 열 교환 탱크는, 상기 격납 건물의 외부를 향하는 일 측에 배치되고, 상기 열 교환 탱크 및 상기 격납 건물의 외부와 각각 연통되는 공기 인입관; 및 상기 공기 인입관보다 상측에 배치되고, 상기 외부 냉각 계통을 향해 돌출 형성되며, 상기 열 교환 탱크 및 상기 외부 냉각 계통과 각각 연통되는 공기 토출관을 포함하며, 상기 외부 냉각 계통은, 상하 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 공기 토출관과 연통되는 굴뚝을 포함하는, 원자로의 피동형 보호 계통을 제공한다.

본 발명의 다양한 효과 중, 상술한 해결 수단을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.

먼저, 원자로에서 방출된 증기가 격납 건물 내부와의 압력차에 의해 재장전수조 내 냉각수로 방출된다. 이때, 격납 건물 내 공기는 벤투리관과 연결된 흡입관을 통해 다시 일차 격납부 내로 유입된다.

즉, 원자로에서 방출된 증기가 재장전수조, 격납 건물 내부 및 일차 격납부를 통과하며 순환된다.

따라서, 원전 사고 시 발생되는 격납 건물 내부의 압력 증가가 억제될 수 있다.

더 나아가, 격납 건물 및 원자력 발전소의 손상이 방지될 수 있다.

또한, 원자로에서 방출된 증기가 마이크로 버블 형태로 재장전수조 내 냉각수에 방출된다.

따라서, 냉각수에 용해되는 증기 내 아이오딘(Iodine)의 양이 보다 증가될 수 있다.

더 나아가, 재장전수조 외부로의 아이오딘 방출량이 보다 감소될 수 있다.

또한, 펌프 등의 전기 기구가 별도로 요구되지 않으며, 피동형으로 작동될 수 있다.

따라서, 원자로의 잔열이 피동형 계통에 의해 제거될 수 있다.

더 나아가, 공기라는 무한의 열 제거 원천을 통해 원자로의 장기 냉각이 수행될 수 있다.

또한, 열 교환 탱크와 재장전수조가 열만을 교환하며, 물질을 교환하지 않는다.

따라서, 원전 사고 시 방사성 물질은 격납 건물 내부에 격납되고, 열만이 격납 건물의 외부로 전달될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원자로의 피동형 보호 계통을 구비하는 원자력 발전소를 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 원자로의 피동형 보호 계통의 일 부분을 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 도 2의 입구 벤투리관을 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 2의 출구 벤투리관을 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 1의 원자로의 피동형 보호 계통의 다른 부분을 도시하는 확대 단면도이다.
도 6은 도 5의 열 교환 탱크를 도시하는 단면도이다.
도 7은 도 5의 외부 냉각 계통을 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 외부 냉각 계통을 도시하는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 원자로의 피동형 보호 계통에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 원자로의 피동형 보호 계통을 구비하는 원자력 발전소(1)에 대하여 설명한다.

원자력 발전소(1)는 격납 건물(10), 일차 격납부(20), 재장전수조(30), 증기관(40), 벤투리관(50), 열 교환 탱크(60) 및 외부 냉각 계통(70)을 포함한다.

격납 건물(10)은 원자로(22)를 이중으로 밀봉하여 방사성 물질의 외부 누출을 방지한다.

격납 건물(10)은 내부에 일차 격납부(20), 재장전수조(30) 및 열 교환 탱크(60)를 수용하는 제2 공간(S2)이 형성된다.

제2 공간(S2)의 압력은 일반적인 대기압이다. 즉, 제2 공간(S2)의 압력은 약 1bar이다.

원전 사고 시, 일차 격납부(20)에서 방출되는 증기에 의해 제2 공간(S2)의 압력이 증가된다. 이때, 제2 공간(S2)의 압력이 격납 건물(10)의 내압 가능한 최대 압력보다 높아지면, 격납 건물(10)이 손상될 수 있다.

일차 격납부(20)는 원자로(22)를 일차적으로 격납하여, 방사성 물질이 제2 공간(S2)으로 누출되는 것을 방지한다.

일차 격납부(20)는 내부에 노심(21), 원자로(22) 및 증기 발생기(23)를 수용하는 제1 공간(S1)이 형성된다.

노심(21)은 원자로(22) 내 중심부에 위치된다.

노심(21)은 핵연료를 포함한다. 원자로(22)의 핵반응은 노심(21)의 핵연료로부터 발생된다.

원자로(22)는 핵연료의 핵반응을 발생시키는 장치이다. 노심(21)에서 핵반응이 발생되면, 원자로(22)에서 열에너지가 발생된다.

원자로(22)에서 발생된 열은 냉각재계통에 의해 냉각된다. 구체적으로, 냉각재계통에서는 냉각재가 순환되며 원자로(22)에서 발생된 열을 냉각한다.

증기 발생기(23)는 냉각재로부터 열을 전달받아 증기를 발생시킨다.

원전 사고 발생 시, 원자로(22)가 파손되며, 증기 발생기(23)에서 발생된 증기가 제1 공간(S1)으로 방출된다. 이때, 방출된 증기는 아이오딘(Iodine) 등의 방사성 물질과 혼합된다.

따라서, 제1 공간(S1)은 방출된 증기와 기존에 존재하는 공기가 함께 혼합된 상태가 된다. 결과적으로, 제1 공간(S1)의 압력은 정상 운전 시의 압력보다 증가된다. 이때, 제1 공간(S1)의 압력은 5~7bar 또는 그 이상일 수 있다.

원자로의 피동형 보호 계통은, 제1 공간(S1)의 압력 증가로 인한 격납 건물(10)의 손상을 방지한다.

원자로의 피동형 보호 계통은 재장전수조(30), 증기관(40), 벤투리관(50), 열 교환 탱크(60) 및 외부 냉각 계통(70)을 포함한다.

재장전수조(30)는 원자로(22)에서 발생된 증기를 일차적으로 냉각하며 응축시킨다.

재장전수조(30)는 증기관(40)을 통해 일차 격납부(20)와 연결된다.

재장전수조(30)는 내부에 냉각수(31)가 수용되는 공간이 형성된다.

냉각수(31)는 일차 격납부(20)에서 방출된 증기를 응축시키고, 아이오딘 등의 방사성 물질을 용해시킨다.

냉각수(31)의 pH가 9 이상인 경우, 아이오딘이 냉각수(31)에 보다 용이하게 용해되고, 제2 공간(S2)으로 방출되는 아이오딘의 양이 최소화될 수 있다. 따라서, 냉각수(31)의 pH는 9 이상인 것이 바람직하다.

냉각수(31)를 통과한 증기의 일부는 냉각수(31)에 용해되고, 일부는 재장전수조(30)의 증기 배출구(32)를 통해 제2 공간(S2)으로 방출된다.

증기 배출구(32)는 재장전수조(30)의 상측에 위치된다.

증기 배출구(32)는 재장전수조(30)의 내부 및 제2 공간(S2)과 연통되도록 형성된다.

도시된 실시 예에서, 증기 배출구(32)는, 재장전수조(30)의 상측으로 돌출된 형상으로 형성된다.

그러나, 증기 배출구(32)는 도시된 형태에 한정되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 증기 배출구(32)는, 재장전수조(30)의 상측에 관통 형성될 수 있다.

증기관(40)은 제1 공간(S1)과 재장전수조(30)를 연결하여 증기의 배출 통로를 형성한다.

증기관(40)의 일 단은 개방되고, 제1 공간(S1)에 배치되어 제1 공간(S1)과 연통된다.

증기관(40)의 타 단은 개방되고, 냉각수(31)에 침몰되어 재장전수조(30)의 내부와 연통된다.

이때, 증기관 입구(41)는 증기관(40)의 상기 일 단에 위치되고, 증기관 출구(42)는 증기관(40)의 상기 타 단에 위치된다.

즉, 증기관 입구(41)는 제1 공간(S1)에 배치되고, 증기관 출구(42)는 재장전수조(30) 내 냉각수(31)에 침몰되어 재장전수조(30)의 내부와 연통된다.

원자로(22)에 의해 발생된 증기는, 제1 공간(S1), 증기관 입구(41) 및 증기관 출구(42)를 순차적으로 통과하여, 재장전수조(30) 내 냉각수(31)로 방출된다.

벤투리관(50)은 증기관 입구(41) 또는 증기관 출구(42)의 내부로 제2 공간(S2)의 공기를 흡입한다. 이를 위해, 벤투리관(50)은 증기관 입구(41) 또는 증기관 출구(42)의 내부에 구비된다.

도시된 실시 예에서, 벤투리관(50)은 입구 벤투리관(51) 및 출구 벤투리관(52)을 포함한다.

입구 벤투리관(51)은 입구 흡입관(513)을 통해 제2 공간(S2)과 연통된다. 또한, 출구 벤투리관(52)은 출구 흡입관(523)을 통해 제2 공간(S2)과 연통된다.

벤투리관(50)에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다(도 2 내지 도 4 참조).

일차 격납부(20)에서 방출된 증기로 인해 가열된 냉각수(31)는 열 교환 탱크(60)에 의해 냉각된다.

열 교환 탱크(60)는 재장전수조(30) 내 냉각수(31)로부터 열을 전달받아 냉각수(31)를 냉각한다.

열 교환 탱크(60)는 재장전수조(30)와 인접하게 배치되어 재장전수조(30) 내 냉각수(31)와 열을 교환한다. 또한, 열 교환 탱크(60)는 외부 냉각 계통(70)과 연결되어 외부 냉각 계통(70)으로 가열된 공기를 방출한다.

외부 냉각 계통(70)은 격납 건물(10)의 외부에 배치되고, 열 교환 탱크(60)의 내부로부터 공기를 흡입하여 열 교환 탱크(60)를 냉각한다.

열 교환 탱크(60) 및 외부 냉각 계통(70)에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다(도 5 내지 도 8 참조).

이하에서는, 도 2 내지 도 4를 참조하여 도 1의 증기관(40) 및 벤투리관(50)에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

전술하였듯이, 증기관 입구(41)는 제1 공간(S1)에 배치되고, 증기관 출구(42)는 재장전수조(30) 내 냉각수(31)에 침몰되어 재장전수조(30)의 내부와 연통된다.

이때, 증기관 출구(42)는 재장전수조(30)의 저면에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 증기관 출구(42)의 압력이 증가되면, 방사성 물질의 냉각수(31)에 대한 용해도가 보다 증가될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 증기관 입구(41)의 내부에는 증기관 입구 체크 밸브(411)가, 증기관 출구(42)의 내부에는 증기관 출구 체크 밸브(421)가 구비된다.

증기관 입구 체크 밸브(411)는 증기관 입구(41)의 내부에 구비되며, 입구 벤투리관(51)과 인접하게 배치된다. 또한, 증기관 출구 체크 밸브(421)는 증기관 출구(42)의 내부에 구비되며, 출구 벤투리관(52)과 인접하게 배치된다.

증기관 입구 체크 밸브(411) 및 증기관 출구 체크 밸브(421)는 각각 증기관 입구(41)에서 증기관 출구(42)를 향하는 방향으로만 개방되도록 형성된다.

증기관 입구 체크 밸브(411) 및 증기관 출구 체크 밸브(421)는 도시된 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 증기관 입구 체크 밸브(411)는 입구 노즐(511)과 인접하게 배치되고, 증기관 출구 체크 밸브(421)는 출구 디퓨저(524)와 인접하게 배치될 수 있다.

증기관(40) 내부에는 벤투리관(50)과 흡입관(513, 523)을 통해 제2 공간(S2)의 공기가 흡입된다.

전술한 바와 같이, 벤투리관(50)은 증기관 입구(41) 또는 증기관 출구(42)의 내부에 구비된다.

입구 벤투리관(51)은 증기관 입구(41)의 내부에 구비되어, 제2 공간(S2)의 공기를 증기관 입구(41)로 흡입한다.

입구 벤투리관(51)은 입구 노즐(511), 입구 병목부(512), 입구 흡입관(513) 및 입구 디퓨저(514)를 포함한다.

입구 노즐(511)은 증기관 입구(41)에서 증기관 출구(42)를 향하는 방향으로 그 내외경이 감소되는 원뿔 형상으로 형성된다.

입구 노즐(511)의 일 단에는 입구 병목부(512)가 결합된다. 구체적으로, 입구 노즐(511)의 증기관 입구(41)에서 반대되는 일 단에 입구 병목부(512)가 결합된다. 다시 말해, 입구 병목부(512)의 증기관 입구(41)를 향하는 일 측에 입구 노즐(511)이 결합된다.

입구 병목부(512)의 내경은 입구 노즐(511) 및 입구 디퓨저(514)의 최소 내경보다 작거나 동일하게 형성된다.

도시된 실시 예에서, 입구 병목부(512)의 내경은 일정하고, 입구 노즐(511) 및 입구 디퓨저(514)의 최소 내경과 동일하다.

입구 병목부(512)에는 입구 노즐(511) 외에도, 입구 흡입관(513) 및 입구 디퓨저(514)가 각각 결합된다.

입구 흡입관(513)은 양 단이 개방되고, 입구 병목부(512) 및 제2 공간(S2)과 연통된다.

입구 디퓨저(514)는, 입구 병목부(512)의 상기 일 측과 다른 타 측에 결합된다. 구체적으로, 입구 디퓨저(514)는, 입구 병목부(512)의 증기관 입구(41)에 반대되는 타 측에 결합된다.

입구 디퓨저(514)는 증기관 입구(41)에서 증기관 출구(42)를 향하는 방향으로 그 내외경이 증가되는 원뿔 형상으로 형성된다.

출구 벤투리관(52)은 증기관 출구(42)의 내부에 구비되어, 제2 공간(S2)의 공기를 증기관 출구(42)로 흡입한다.

출구 벤투리관(52)은 출구 노즐(521), 출구 병목부(522), 출구 흡입관(523) 및 출구 디퓨저(524)를 포함한다.

출구 노즐(521)은 증기관 입구(41)에서 증기관 출구(42)를 향하는 방향으로 그 내외경이 감소되는 원뿔 형상으로 형성된다.

출구 노즐(521)의 일 단에는 출구 병목부(522)가 결합된다. 구체적으로, 출구 노즐(521)의 증기관 입구(41)에서 반대되는 일 단에 출구 병목부(522)가 결합된다. 다시 말해, 출구 병목부(512)의 증기관 입구(41)를 향하는 일 측에 출구 노즐(521)이 결합된다.

출구 병목부(522)의 내경은 출구 노즐(521) 및 출구 디퓨저(524)의 최소 내경보다 작거나 동일하게 형성된다.

도시된 실시 예에서, 출구 병목부(522)의 내경은 일정하고, 출구 노즐(521) 및 출구 디퓨저(524)의 최소 내경과 동일하다.

출구 병목부(522)에는 출구 노즐(521) 외에도, 출구 흡입관(523) 및 출구 디퓨저(524)가 각각 결합된다.

출구 흡입관(523)은 양 단이 개방되고, 출구 병목부(522) 및 제2 공간(S2)과 연통된다.

출구 디퓨저(524)는, 출구 병목부(512)의 상기 일 측과 다른 타 측에 결합된다. 구체적으로, 출구 디퓨저(524)는, 출구 병목부(522)의 증기관 입구(41)에서 반대되는 타 측에 결합된다.

출구 디퓨저(524)는 증기관 입구(41)에서 증기관 출구(42)를 향하는 방향으로 그 내외경이 증가되는 원뿔 형상으로 형성된다.

유동 유체는 유동 단면적이 좁아짐에 따라 압력이 감소된다. 이를 벤투리 효과라 한다.

따라서, 벤투리관(50)의 병목부(512, 522)를 통과하며 유동하는 증기는, 유동 단면적이 좁아짐에 따라 압력이 감소된다. 이에 따라, 상대적 고압 상태인 제2 공간(S2)의 공기가 흡입관(513, 523)을 통해 병목부(512, 522)로 유입된다.

벤투리관(50)은 도시된 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 벤투리관(50)은 입구 벤투리관(51) 또는 출구 벤투리관(52) 중 어느 하나만이 구비될 수 있다.

이하에서는, 원전 사고 발생 시 증기의 유동에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

원전의 정상 가동 시에는, 제1 공간(S1)의 압력과 제2 공간(S2)의 압력이 유사하여, 제1 공간(S1)의 증기가 제2 공간(S2)으로 방출되지 않는다.

그러나, 원전 사고 발생 시, 원자로(22)의 손상에 의해 증기가 제1 공간(S1)으로 누출된다. 이에 따라, 제1 공간(S1)의 압력이 증가되고, 증기가 상대적으로 저압 상태인 제2 공간(S2)으로 방출된다.

먼저, 제1 공간(S1)의 증기가 증기관 입구(41)로 유입된다. 증기관 입구(41)로 유입된 증기는 입구 벤투리관(51)을 통과하며, 입구 흡입관(513)으로 유입된 제2 공간(S2)의 공기와 교반된다.

입구 벤투리관(51)을 통과한 증기는 증기관 출구(42)를 향해 방출된다. 구체적으로, 증기는 출구 벤투리관(52)을 통과하여 증기관 출구(42)를 향해 방출된다.

이때, 출구 벤투리관(52)을 통과하는 증기가 출구 흡입관(523)으로 유입된 제2 공간(S2)의 공기와 교반된다. 구체적으로, 출구 벤투리관(52)을 통과하는 증기와 제2 공간(S2)의 공기가 출구 디퓨저(524)에서 교반된다.

따라서, 출구 벤투리관(52)을 통과한 증기가, 출구 디퓨저(524)에서 마이크로 버블 형태로 방출된다.

정리하면, 원전 사고 발생 시, 제1 공간(S1)으로 누출된 증기가 증기관 입구(41), 입구 벤투리관(51), 출구 벤투리관(52) 및 증기관 출구(42)를 순차적으로 통과하며 마이크로 버블 형태로 재장전수조(30)에 방출되고, 제2 공간(S2)의 공기가 벤투리관(50)으로 유입되며, 증기가 순환된다.

증기 발생기(23)에서 발생된 증기에는 아이오딘 등의 방사성 물질이 혼합된다. 상기 방사성 물질은 증기와 함께 마이크로 버블 형태로 냉각수(31)에 방출되어 용해된다.

이 과정에서, 대량의 냉각수(31)가 다량의 방사성 물질을 용해하여 수용할 수 있다.

이때, 버블의 사이즈가 마이크로 단위로 감소됨에 따라, 버블과 물의 접촉 면적이 보다 증가될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 버블 내의 방사성 물질의 용해도가 보다 증가될 수 있다.

또한, 버블에 작용하는 부력이 보다 감소될 수 있다. 따라서, 버블의 상승 속도가 감소되어, 버블과 물의 접촉 시간이 보다 증가될 수 있다. 결과적으로, 마이크로 버블 내의 방사성 물질의 용해도가 보다 더 증가될 수 있다.

이에 따라, 재장전수조(30)의 증기 배출구(32)를 통해 제2 공간(S2)으로 방출되는 방사성 물질의 양이 보다 감소될 수 있다. 더 나아가, 제2 공간(S2)의 압력 증가폭이 감소되어, 격납 건물(10) 및 원자력 발전소(1)의 손상이 방지될 수 있다.

다만, 위의 과정이 반복됨에 따라, 냉각수(31)의 온도는 증가될 수 있다. 이에, 열 교환 탱크(60)를 통해 냉각수(31)의 열을 격납 건물(10)의 외부로 방출한다.

이하에서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여 도 1의 열 교환 탱크(60) 및 외부 냉각 계통(70)에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

상술하였듯이, 열 교환 탱크(60)는 재장전수조(30)와 인접하게 배치되어, 냉각수(31)와 열을 교환한다. 구체적으로, 열 교환 탱크(60)는 냉각수(31)로부터 열을 전달받는다.

일 실시 예에서, 열 교환 탱크(60)의 재장전수조(30)와 인접하는 면은 금속으로 형성될 수 있다. 따라서, 열 교환 탱크(60)와 냉각수(31) 간 열 교환이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.

열 교환 탱크(60)는 외부 수도관(61), 공기 인입관(62) 및 공기 토출관(63)을 포함한다.

외부 수도관(61)은 외부 급수원과 연결되어, 외부 급수원으로부터 열 교환 탱크(60)로 물을 공급한다. 이를 위해, 외부 수도관(61)은 외부 급수원 및 열 교환 탱크(60)와 연통되도록 형성된다.

외부 수도관(61)은 열 교환 탱크(60)의 격납 건물(10) 외부를 향하는 일 측에 배치된다.

공기 인입관(62)은 격납 건물(10)의 외부로부터 열 교환 탱크(60)의 내부로 차가운 공기를 공급한다.

공기 인입관(62)은 열 교환 탱크(60)의 격납 건물(10) 외부를 향하는 일 측에 배치된다.

공기 인입관(62)은 열 교환 탱크(60) 및 격납 건물(10)의 외부와 각각 연통된다.

후술하는 공기 토출관(63)을 통해 공기가 토출되면, 토출되는 공기량만큼 공기 인입관(62)을 통해 열 교환 탱크(60)로 차가운 공기가 유입된다.

도시된 실시 예에서, 공기 인입관(62)의 내부에는 공기 인입관 체크 밸브(621)가 배치된다.

공기 인입관 체크 밸브(621)는 열 교환 탱크(60)의 외부에서 열 교환 탱크(60)의 내부를 향하는 방향으로만 개방되도록 형성된다.

공기 인입관(62)의 상측에는 공기 토출관(63)이 배치된다.

공기 토출관(63)은 열 교환 탱크(60) 내부의 가열된 공기를 외부 냉각 계통(70)으로 방출한다.

공기 토출관(63)은 열 교환 탱크(60) 및 외부 냉각 계통(70)과 연통된다. 구체적으로, 공기 토출관(63)은 열 교환 탱크(60) 및 굴뚝 입구(711)와 연통된다. 이를 위해, 공기 토출관(63)은 굴뚝 입구(711)를 향해 돌출되도록 형성된다.

열 교환 탱크(60)가 냉각수(31)로부터 열을 전달받아 가열되면, 열 교환 탱크(60)의 내부 공기 또한 가열된다. 가열된 공기는 밀도가 감소되어 상승되고, 공기 토출관(63)을 통해 굴뚝 입구(711)로 방출된다.

도시된 실시 예에서, 공기 토출관(63)의 내부에는 공기 토출관 체크 밸브(631)가 배치된다.

공기 토출관 체크 밸브(631)는 열 교환 탱크(60)에서 굴뚝 입구(711)를 향하는 방향으로만 개방되도록 형성된다.

공기 토출관(63)을 통해 방출된 공기는 외부 냉각 계통(70)에 의해 냉각된다.

이하에서는, 외부 냉각 계통(70)에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

외부 냉각 계통(70)은 격납 건물(10)의 외부에 배치된다. 따라서, 격납 건물(10)의 외부 공기를 이용할 수 있다. 즉, 무한한 공기를 열 제거 원천으로 이용할 수 있다.

외부 냉각 계통(70)은 굴뚝(71), 응축판(72), 응축수조(73) 및 응축수 회수관(731)을 포함한다.

굴뚝(71)은 공기 토출관(63)과 연통되어 열 교환 탱크(60)로부터 공기를 흡입한다. 구체적으로, 굴뚝 입구(711)가 공기 토출관(63)과 연통되어 열 교환 탱크(60)로부터 공기를 흡입한다.

굴뚝(71)은 상하 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다.

굴뚝(71)의 하측 단부에는 굴뚝 입구(711)가, 상측 단부에는 굴뚝 출구(712)가 형성된다.

도시된 실시 예에서, 굴뚝 입구(711)는 하측을 향해 내외경이 증가되는 나팔 형상으로 형성된다. 또한, 굴뚝 출구(712)는 상측을 향해 내외경이 증가되는 나팔 형상으러 형성된다. 따라서, 굴뚝 입구(711)는 노즐 역할을 수행하고, 굴뚝 출구(712)는 디퓨저 역할을 수행할 수 있다.

열 교환 탱크(60)가 가열되면, 내부 공기의 온도가 증가되고 밀도가 감소된다. 밀도가 감소된 공기는 부력에 의해 상승되어, 공기 토출관(63)을 통해 굴뚝 입구(711)로 방출된다. 이때, 방출된 공기량만큼 공기 인입관(62)을 통해 열 교환 탱크(60)로 차가운 공기가 유입된다.

굴뚝 입구(711)에 유입된 공기는 대기보다 낮은 밀도를 갖는 바, 굴뚝 출구(712)를 향해 상승된다. 결과적으로, 공기는 굴뚝 출구(712)를 통해 방출된다.

굴뚝 출구(712)를 통과한 공기는 응축판(72)에 충돌하게 된다.

응축판(72)은 굴뚝(71)의 상측에 배치된다. 구체적으로, 응축판(72)은 굴뚝 출구(712)의 상측에 굴뚝 출구(712)와 상하 방향으로 중첩되도록 배치된다.

도 7에 도시된 실시 예에서, 응축판(72)은 중심부로부터 방사성 외측을 향해 하측으로 만곡되며 연장된다.

따라서, 응축판(72)에 충돌되는 증기가 응축되어 응축판(72)을 따라 흐르며 하강된다.

응축판(72)은 도 7에 도시된 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 응축판(72)은 소정의 각도로 굴절되는 판 형상으로 형성될 수 있다(도 8 참조).

응축판(72)으로부터 하강되는 응축수는 응축수조(73)에 포집된다.

응축수조(73)는 굴뚝(71)의 하측에 배치된다. 구체적으로, 응축수조(73)는 굴뚝 입구(711)의 하측에 굴뚝 입구(711) 및 응축판(72)과 상하 방향으로 중첩되도록 배치된다.

응축수조(73)는 내부에 응축수를 수용하는 공간이 형성된다.

응축수조(73)는 도시된 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 응축수조(73)는 하측을 향해 그 내외경이 감소되는 원뿔 형상으로 형성될 수 있다.

응축수조(73)의 하측에는 응축수 회수관(731)이 결합된다. 이때, 응축수 회수관(731)은 응축수조(73) 및 열 교환 탱크(60)와 연통된다.

따라서, 응축수조(73)에 포집된 응축수는 중력에 의해 응축수 회수관(731)으로 유입된다. 결과적으로, 응축수는 응축수 회수관(731)을 통해 열 교환 탱크(60)로 유입된다.

정리하면, 열 교환 탱크(60) 내부의 가열된 공기는 공기 토출관(63), 굴뚝(71), 응축판(72), 응축수조(73) 및 응축수 회수관(731)을 순차적으로 통과하고 열 교환 탱크(60)로 회수되며 순환된다.

즉, 열 교환 탱크(60) 내부의 공기는, 외부 냉각 계통(70)을 통과하여 응축수 형태로 열 교환 탱크(60)에 유입되며 회수된다.

따라서, 열 교환 탱크(60) 내부의 물이 고갈되는 것이 방지될 수 있다. 이는 외부 급수원이 없는 경우에도 마찬가지다.

또한, 열 교환 탱크(60)와 외부 냉각 계통(70)의 작동에 있어서, 펌프 등의 전기 기구가 별도로 요구되지 않는다. 즉, 열 교환 탱크(60)와 외부 냉각 계통(70)이 피동형으로 작동될 수 있다.

따라서, 원자로(22)의 잔열이 피동형 계통에 의해 제거될 수 있다.

게다가, 열 교환 탱크(60)와 재장전수조(30)가 물질을 교환하지 않고, 열만을 교환한다. 따라서, 원전 사고 발생 시, 방사성 물질은 격납 건물(10) 내부에 격납되고, 열만이 격납 건물(10)의 외부로 전달될 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 설명된 실시 예들의 구성에 한정되는 것이 아니다.

또한, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.

더 나아가, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

1: 원자력 발전소
10: 격납 건물
20: 일차 격납부
21: 노심
22: 원자로
23: 증기 발생기
30: 재장전수조
31: 냉각수
32: 증기 배출구
40: 증기관
41: 증기관 입구
411: 증기관 입구 체크 밸브
42: 증기관 출구
421: 증기관 출구 체크 밸브
50: 벤투리관
51: 입구 벤투리관
511: 입구 노즐
512: 입구 병목부
513: 입구 흡입관
514: 입구 디퓨저
52: 출구 벤투리관
521: 출구 노즐
522: 출구 병목부
523: 출구 흡입관
524: 출구 디퓨저
60: 열 교환 탱크
61: 외부 수도관
62: 공기 인입관
621: 공기 인입관 체크 밸브
63: 공기 토출관
631: 공기 토출관 체크 밸브
70: 외부 냉각 계통
71: 굴뚝
711: 굴뚝 입구
712: 굴뚝 출구
72: 응축판
73: 응축수조
731: 응축수 회수관
S1: 제1 공간
S2: 제2 공간

Claims

내부에 원자로를 수용하는 제1 공간이 형성되는 일차 격납부;
내부에 냉각수가 수용되는 재장전수조;
일 단이 상기 제1 공간에 연통되도록 상기 일차 격납부와 결합되고, 타 단이 상기 냉각수에 침몰되며, 상기 일 단과 상기 타 단이 모두 개방되는 증기관; 및
내부에 상기 일차 격납부 및 상기 재장전수조를 수용하는 제2 공간이 형성되는 격납 건물을 포함하고,
상기 증기관은, 상기 타 단의 내부에 출구 벤투리관이 구비되며,
상기 출구 벤투리관은,
원뿔 형상으로 형성되고, 상기 타 단을 향해 그 내외경이 감소되는 출구 노즐;
원뿔 형상으로 형성되고, 상기 타 단을 향해 그 내외경이 증가되는 출구 디퓨저;
상기 일 단을 향하는 일 측에 상기 출구 노즐이 결합되고, 상기 타 단을 향하는 타 측에 상기 출구 디퓨저가 결합되며, 그 내경이 상기 출구 노즐 및 상기 출구 디퓨저의 최소 내경보다 작거나 동일하게 형성되는 출구 병목부; 및
양 단이 개방되고, 상기 출구 병목부에 결합되며, 상기 출구 병목부 및 상기 제2 공간과 연통되는 출구 흡입관을 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제1항에 있어서,
상기 증기관은, 상기 일 단의 내부에 입구 벤투리관이 구비되고,
상기 입구 벤투리관은,
원뿔 형상으로 형성되고, 상기 타 단을 향해 그 내외경이 감소되는 입구 노즐;
원뿔 형상으로 형성되고, 상기 타 단을 향해 그 내외경이 증가되는 입구 디퓨저;
상기 일 단을 향하는 일 측에 상기 입구 노즐이 결합되고, 상기 타 단을 향하는 타 측에 상기 입구 디퓨저가 결합되며, 그 내경이 상기 입구 노즐 및 상기 입구 디퓨저의 최소 내경보다 작거나 동일하게 형성되는 입구 병목부; 및
양 단이 개방되고, 상기 입구 병목부에 결합되며, 상기 입구 병목부 및 상기 제2 공간과 연통되는 입구 흡입관을 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제2항에 있어서,
상기 증기관의 내부에는,
상기 입구 벤투리관과 인접하게 배치되고, 상기 타 단을 향하는 방향으로만 개방되도록 형성되는 증기관 입구 체크 밸브를 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제1항에 있어서,
상기 출구 흡입관에서 유입된 공기와 상기 제1 공간에서 유입된 증기가 상기 출구 디퓨저에서 교반되는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제1항에 있어서,
상기 냉각수에는,
상기 출구 디퓨저에서 방출된 방사성 물질이 용해되는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제5항에 있어서,
상기 방사성 물질은 아이오딘(Iodine)인,
원자로의 피동형 보호 계통.
제6항에 있어서,
상기 냉각수의 pH는 9 이상인,
원자로의 피동형 보호 계통.
제1항에 있어서,
상기 증기관은,
상기 타 단이 상기 재장전수조의 저면에 인접하게 배치되는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제1항에 있어서,
상기 증기관의 내부에는,
상기 출구 벤투리관과 인접하게 배치되고, 상기 타 단을 향하는 방향으로만 개방되도록 형성되는 증기관 입구 체크 밸브를 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
내부에 원자로를 수용하는 제1 공간이 형성되는 일차 격납부;
내부에 냉각수가 수용되는 재장전수조;
일 단이 상기 제1 공간에 연통되도록 상기 일차 격납부와 결합되고, 타 단이 상기 냉각수에 침몰되며, 상기 일 단과 상기 타 단이 모두 개방되는 증기관;
상기 재장전수조와 인접하게 배치되고, 외부로부터 공기를 흡입하는 열 교환 탱크;
내부에 상기 일차 격납부, 상기 재장전수조 및 상기 열 교환 탱크를 수용하는 제2 공간이 형성되는 격납 건물; 및
상기 격납 건물의 외부에 배치되고, 상기 열 교환 탱크로부터 공기를 흡입하는 외부 냉각 계통을 포함하고,
상기 열 교환 탱크는,
상기 격납 건물의 외부를 향하는 일 측에 배치되고, 상기 열 교환 탱크 및 상기 격납 건물의 외부와 각각 연통되는 공기 인입관; 및
상기 공기 인입관보다 상측에 배치되고, 상기 외부 냉각 계통을 향해 돌출 형성되며, 상기 열 교환 탱크 및 상기 외부 냉각 계통과 각각 연통되는 공기 토출관을 포함하며,
상기 외부 냉각 계통은,
상하 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 공기 토출관과 연통되는 굴뚝을 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제10항에 있어서,
상기 외부 냉각 계통은,
상기 굴뚝의 상측에 상기 굴뚝과 상하 방향으로 중첩되도록 배치되고, 중심부로부터 방사성 외측을 향해 하측으로 만곡되며 연장되는 응축판을 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제11항에 있어서,
상기 외부 냉각 계통은,
상기 굴뚝의 하측에 상기 굴뚝 및 상기 응축판과 상하 방향으로 중첩되도록 배치되고, 내부에 응축수를 수용하는 공간이 형성되는 응축수조; 및
상기 응축수조의 하측에 배치되고, 상기 응축수조 및 상기 열 교환 탱크와 각각 연통되도록 결합되는 응축수 회수관을 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제10항에 있어서,
상기 굴뚝의 상측 단부는,
상측을 향해 내외경이 증가되는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제13항에 있어서,
상기 굴뚝의 하측 단부는,
하측을 향해 내외경이 증가되는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제10항에 있어서,
상기 열 교환 탱크는,
상기 격납 건물의 외부를 향하는 일 측에 배치되고, 외부 급수원 및 상기 열 교환 탱크와 각각 연통되는 외부 수도관을 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제10항에 있어서,
상기 공기 인입관의 내부에는,
상기 열 교환 탱크를 향하는 방향으로만 개방되도록 형성되는,
공기 인입관 체크 밸브를 포함하는,
원자로의 피동형 보호 계통.
체16항에 있어서,
상기 공기 토출관의 내부에는,
상기 외부 냉각 계통을 향하는 방향으로만 개방되도록 형성되는,
원자로의 피동형 보호 계통.
제10항에 있어서,
상기 열 교환 탱크는,
상기 재장전수조와 인접하는 면이 금속으로 형성되는,
원자로의 피동형 보호 계통.