KR20220040835A - 피동냉각 설비 - Google Patents

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KR20220040835A
KR20220040835A KR1020200124033A KR20200124033A KR20220040835A KR 20220040835 A KR20220040835 A KR 20220040835A KR 1020200124033 A KR1020200124033 A KR 1020200124033A KR 20200124033 A KR20200124033 A KR 20200124033A KR 20220040835 A KR20220040835 A KR 20220040835A
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강경준
유용환
강한옥
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 피동냉각 설비에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 열이 발생되는 열원부; 상기 매체의 열을 이용하여 전력을 생산하는 열전발전기; 상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 피동으로 상기 매체의 열을 제거하는 피동냉각 장치; 상기 열원부와 상기 피동냉각 장치를 연결하는 연결관; 및 상기 연결관을 감싸도록 배치되고, 상기 열전발전기에서 생산된 전력에 의해 열을 발생시키는 전기열선을 포함하는, 피동냉각 설비이 제공될 수 있다.

Description

피동냉각 설비{PASSIVE COOLING INSTALLATION}
본 발명은 피동냉각 설비에 관한 것으로, 선박에 설치된 원자로를 피동냉각할 수 있는 피동냉각 설비에 대한 발명이다.
후쿠시마 사고 이후, 원자력 시설의 피동냉각에 대한 설계 최적화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 피동냉각 설비은 원자로에 사고 등이 발생하는 경우, 원자로의 운전이 정지된 상태에서 노심에 남아있는 잔열을 제거하기 위한 설비이다. 이러한 피동냉각 설비은 노심의 잔열을 제거할 때 전원을 사용하지 않은 상태에서, 대략 3일 정도 운영될 수 있도록 설계된다.
원자로의 사고가 발생한 이후 약 3일 이후에 사용자가 원자로에 개입할 수 있게 제한하는 것이 세계적인 추세이다. 따라서 피동냉각 설비은 노심의 잔열을 3일 이상 제거할 수 있어야 한다.
이러한 피동냉각에 대한 설비은 육상에 설치된 원자로뿐만 아니라, 선박에 설치된 원자로에도 적용할 필요가 있다. 그런데, 선박의 경우, 육상에서보다 가혹한 환경에서 사고가 발생할 수 있기 때문에 사고 발생 후 3일이 경과한 경우에도 사용자의 개입이 어려울 수 있다.
한편, 최근 육상에 설치된 피동냉각 설비은 대부분 열원의 상부에 거대한 물탱크를 설치하는 구조이다. 이렇게 거대한 물탱크가 설치된 피동냉각 설비은 물탱크를 매우 높은 위치에 설치할 필요가 있어 진동 등이 쉽게 발생할 수 있는 선박에 설치하는 것이 쉽지 않다.
더욱이, 선박에 피동냉각을 위한 피동냉각 장치를 선박에 설치할 때, 선박의 갑판 등과 같이, 외부 환경에 노출되는 위치에 설치한다. 이때, 선박은 주변 온도가 영하인 지역으로 이동할 수 있고, 그에 따라 피동냉각 장치로 연결된 연결관이 외부 환경에 노출됨에 따라 연결관이 동결되는 문제가 발생할 수 있다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0036689호 (2015.04.07.) 대한민국 등록특허 제10-1915977호 (2018.11.01.)
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 배경에서 발명된 것으로서, 선박에 피동냉각 장치가 설치될 때, 선박의 내부에 설치된 열원부와 피동냉각 장치를 연결하는 연결관이 동결되는 것을 방지하는 피동냉각 설비을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열이 발생되는 열원부; 상기 열원부에서 전달되는 매체의 열을 이용하여 전력을 생산하는 열전발전기; 상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 피동으로 상기 매체의 열을 제거하는 피동냉각 장치; 상기 열원부와 상기 피동냉각 장치를 연결하는 연결관; 및 상기 연결관을 감싸도록 배치되고, 상기 열전발전기에서 생산된 전력에 의해 열을 발생시키는 전기열선을 포함하는, 피동냉각 설비이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 선박의 내부에 설치된 열원부와 선박의 외부에 설치된 피동냉각 장치를 연결하는 연결관에 전기열선을 감아 열원부가 동작하는 동안 상시적으로 전기열선에 전원을 공급함으로써, 연결관이 동결되는 것을 방지할 수 있다.
따라서 사고가 발생하여 열원부의 동작이 정지되는 경우, 연결관이 동결되지 않아 피동냉각 장치를 통해 열원부의 잔열을 제거할 수 있으며, 열전발전기에서 생산된 전원이 공급됨에 따라 별도 전원이 없는 상태에서 동작될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비의 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비에서 피동냉각 장치로 이동하는 매체가 동결되는 것을 방지하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비에서 사고가 발생했을 때 피동냉각 장치를 이용하여 열원부의 잔열을 제거하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피동냉각 설비(10)는, 열원부(100), 피동냉각 장치(200) 및 열전발전기(300)를 포함한다.
열원부(100)는, 본 실시예에서, 원자로일 수 있다. 그리고 원자로의 내부에 노심이 배치될 수 있다. 이러한 원자로의 노심에서 발생된 열은 원자로에 포함된 증기발생기에서 열교환이 이루어지고, 증기발생기에서 증기를 발생시킬 수 있다.
이러한 열원부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 선박(20)의 내부에 배치될 수 있으며, 열원부(100)를 감싸도록 격납실(110)이 배치될 수 있다.
그리고 열원부(100)가 정상적으로 동작할 때, 증기발생기에서 생성된 증기는 열전발전기(300)로 공급될 수 있다. 그리고 열전발전기(300)를 거치면서 온도가 낮아진 상태로 열원부(100)로 회수될 수 있다.
피동냉각 장치(200)는, 열원부(100)가 사고에 의해 동작이 정지되는 경우에 열원부(100)로부터 열이 전달된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 경우, 열원부(100)에서 생성된 열은 증기의 형태로 열전발전기(300) 측으로 이동되지만, 열원부(100)에 사고가 발생하여 정지되는 경우, 피동냉각 장치(200) 측으로 이동될 수 있다.
이를 위해 사고가 발생하는 경우, 열원부(100)에서 배출되는 증기가 열전발전기(300) 측이 아닌 피동냉각 장치(200) 측으로 전환하기 위한 피동 밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 이러한 피동 밸브는 열원부(100)와 피동냉각 장치(200)를 연결하는 연결관(CP)에 설치될 수 있다.
여기서, 피동냉각 설비(10)에서 열을 이송하는 매체는, 물일 수 있으며 온도에 따라 증기의 상태일 수 있다.
이때, 피동 밸브는, 전원이 공급되는 경우 열원부(100)에서 생성된 증기가 증기터빈(400) 측으로 이송되도록 폐쇄되며, 공급되는 전원이 차단되는 경우 열원부(100)에서 생성된 증기가 피동냉각 장치(200) 측으로 이송되도록 개방될 수 있다.
이러한 피동냉각 장치(200)는, 열원부(100)에서 발생된 열을 제거하기 위해 열원부(100)보다 상부에 배치되며, 자연 순환에 의한 구동력을 일으킬 수 있을 정도로 증기의 형태로 이송된 열을 제거할 수 있다.
피동냉각 장치(200)는 열원부(100)보다 상부에 배치될 수 있으며, 피동냉각 설비(10)가 선박(20)에 설치됨에 따라 선박(20)의 상부 등에 설치될 수 있다. 즉, 피동냉각 장치(200)는 외부 환경에 노출된 상태로 선박(20)에 배치될 수 있다.
열원부(100)에서 생성된 열은, 고온의 물이나 증기의 형태로 열원부(100)에서 배출되는데, 열원부(100)의 입구 측에 있는 물보다 밀도가 낮기 때문에 상부로 이동할 수 있다.
따라서 열원부(100)에서 생성된 열은 열원부(100)보다 상부에 배치된 피동냉각 장치(200) 측으로 이송될 수 있다.
피동냉각 장치(200)에서 냉각된 물이나 증기는 상대적으로 밀도가 높아 상부에 배치된 피동냉각 장치(200)에서 하부로 이동함에 따라 열원부(100)까지 이송될 수 있는 구동력이 발생될 수 있다.
피동냉각 장치(200)에서 냉각된 유체는 자중에 의해 이동함에 따라 열원부(100) 및 피동냉각 장치(200)를 순환할 수 있는 구동력이 발생할 수 있다.
피동냉각 장치(200)는 사고가 발생하여 열원부(100)의 동작이 정지되는 경우에 이용되기 때문에 선박(20)의 내부 온도보다 선박(20)의 외부 온도가 낮을 수 있어 냉각 효율이 높아질 수 있어 외부 환경에 노출되는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 피동냉각 장치(200)는 열원부(100)의 열이 직접적인 영향을 받지 않기 위해 선박(20)에서 외부 환경에 노출되는 위치에 배치될 수 있다.
이러한 피동냉각 장치(200)는, 물을 이용하여 냉각하는 수랭 장치가 이용될 수 있고, 또는, 공기를 이용하여 냉각하는 공기냉각기가 이용될 수 있다. 또는, 필요에 따라 물과 공기를 모두 이용하여 냉각하는 냉각기가 이용될 수도 있다.
이때, 피동냉각 설비(10)에서, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 경우, 피동냉각 장치(200)는 동작하지 않으며, 열원부(100)와 피동냉각 장치(200)는 연결관(CP)으로 연결된다.
즉, 피동냉각 장치(200)는 열원부(100)로부터 연결관(CP)을 통해 증기가 이송되어 열원부(100)에서 발생된 잔열을 제거하는데, 열원부(100)가 정상적으로 동작하는 동안 열원부(100)에서 발생하는 열은 열전발전기(300)를 통해 제거될 수 있다.
그렇다 하더라도 피동냉각 장치(200)와 열원부(100)를 연결하는 연결관(CP)에는 상시적으로 물이 채워질 수 있다. 연결관(CP)에 물이 채워짐에 따라 열원부(100)가 갑작스러운 사고에 의해 정지될 때, 열원부(100)로부터 증기가 빠르게 피동냉각 장치(200)로 이송될 수 있기 때문이다.
그런데 이러한 피동냉각 장치(200)는 선박(20)에서 외부 환경에 노출된 상태로 배치되기 때문에 선박(20)이 주변 온도가 영하인 지역으로 이동할 수 있고, 그에 따라 연결관(CP)을 채운 물이 동결될 수 있다.
이렇게 연결관(CP)이 동결되는 것을 방지하기 위해, 본 실시예에서, 연결관(CP)을 감싸도록 전기열선(EC)이 배치될 수 있다. 전기열선(EC)은 전원이 공급되면 공급된 전원에 의해 발열할 수 있다.
따라서 연결관(CP)은 전기열선(EC)에서 발열된 열에 의해 내부의 물이 동결되지 않을 수 있고, 사고에 의해 열원부(100)의 동작이 정지되는 경우, 열원부(100)로부터 연결관(CP)을 통해 증기가 피동냉각 장치(200)로 원활하게 이송될 수 있다.
열전발전기(300)는, 열원부(100)에서 발생된 열을 냉각시키고, 또한, 열원부(100)로부터 공급된 증기를 이용하여 전력을 생산하기 위해 구비된다. 이를 위해, 열전발전기(300)는 열수부(310), 냉수부(320) 및 열전소자(330)를 포함한다.
열수부(310)는, 열원부(100)로부터 공급된 증기가 통과할 수 있으며, 열전발전기(300) 내부에서 소정의 시간 동안 증기가 머물 수 있도록 내부에 공간을 가질 수 있다.
냉수부(320)는, 바다로부터 해수가 공급되며, 열전발전기(300) 내부에서 소정의 시간 동안 해수가 머물 수 있도록 내부에 공간을 가질 수 있다. 이러한 냉수부(320)는 해수를 공급받은 다음 배출하기 위해 해수 공급관(P1) 및 해수 배출관(P2)이 연결된다.
해수의 온도는 깊이가 깊을수록 낮은 온도를 가지므로, 해수 공급관(P1)은 해수 배출관(P2)보다 상대적으로 낮은 위치에 배치될 수 있다.
따라서 해수 공급관(P1)을 통해 낮은 온도의 해수가 냉수부로 공급될 수 있고, 냉수부를 거쳐 온도가 상승된 해수는 해수 배출관(P2)을 통해 바다로 배출될 수 있다.
열전소자(330)는, 열수부(310)와 냉수부(320) 사이에 배치되며, 열수부(310)의 온도와 냉수부(320)의 온도 차이에 의해 전력을 생산할 수 있다. 이러한 열전소자(330)는 열수부(310)와 냉수부(320)의 온도 차이가 클수록 큰 전력이 생산될 수 있다.
열전소자(330)는, N형 반도체 물질과 P형 반도체 물질을 포함하고, N형 반도체 물질 및 P형 반도체 물질은, 전기적으로는 직렬로 연결되고 열적으로 병렬로 연결될 수 있다. N형 반도체 물질은 전자가 완벽한 분자 격자 구조체를 완성하는데 필요한 것보다 많도록 도핑되고, P형 반도체 물질은 전자가 완벽한 격자 구조체를 완성하는데 필요한 것보다 적게 도핑될 수 있다.
따라서 N형 반도체 물질 내에 여분의 전자가 형성되고, P형 반도체 물질의 전자 결핍으로 생성된 정공이 형성된다. 이때, 열전소자(330)의 양측에 배치된 열수부(310)와 냉수부(320) 사이의 온도 차이에 의해 N형 반도체 물질에 형성된 여분의 전자가 P형 반도체 물질에 형성된 정공으로 이동하여 열전소자(330)에서 전류가 발생할 수 있다.
여기서, 열전소자(330)의 양측에 배치된 열수부(310)와 냉수부(320) 사이의 온도 차이가 클수록 열전소자(330)에서 발생하는 전류의 양이 많아질 수 있다.
또한, 열수부(310)와 냉수부(320) 사이의 온도 차이는 열전소자(330)의 N형 반도체 물질과 P형 반도체 물질이 열적으로 병렬로 연결됨에 따라 열전소자(330)에서 열교환이 이루어질 수 있다.
열원부(100)에서 공급되는 증기의 온도는 대략 200℃ 내지 300℃의 온도를 가질 수 있으며, 해수의 온도는 대략 15℃일 수 있다. 그리고 시간이 지남에 따라 열원부(100)에서 공급되는 증기의 온도는 원자로가 냉각됨에 따라 점차 낮아질 수 있다.
이렇게 열전발전기(300)의 열수부(310)와 냉수부(320) 사이의 온도 차이가 줄어들어 열전소자(330)에서 생성되는 전력도 점차 감소할 수 있다.
열전발전기(300)는 선박(20)의 내부에 설치되며, 냉수부(320)에 해수가 공급될 수 있다. 따라서 해수의 온도에 따라 열전발전기(300)에서 생산되는 전력의 효율이 달라질 수 있으며, 해수의 온도가 낮은 지역에서 보다 효율적으로 전력이 생산될 수 있다.
열전발전기(300)에서 생산된 전력은 전기열선(EC)으로 공급될 수 있다. 그에 따라 전기열선(EC)은 열전발전기(300)에서 전력이 생산되는 경우, 열전발전기(300)에서 생산된 전력에 의해 지속적으로 동작할 수 있다.
피동냉각 설비(10)는, 열원부(100)가 정상적으로 동작되는 동안 도 2에 도시된 바와 같이, 열원부(100)에서 생성된 증기가 열전발전기(300) 측으로 공급될 수 있다. 그에 따라 열전발전기(300)는, 열수부(310)를 채운 증기와 냉수부(320)를 채운 해수의 온도차에 의해 열전소자(330)에서 전력이 생성될 수 있다.
또한, 열수부(310)를 채운 증기는 냉수부(320)를 채운 해수와의 열교환을 통해 냉각될 수 있다. 이렇게 증기가 냉각되어 물로 응축된 상태로 열교환기에서 열원부(100)로 회수될 수 있다.
그리고 열전발전기(300)에서 생산된 전력은 전기열선(EC)으로 공급되며, 전기열선(EC)이 동작하여 열원부(100)와 피동냉각 장치(200)를 연결하는 연결관(CP)을 채운 물이 동결되는 것을 방지할 수 있다.
열원부(100)가 사고에 의해 동작이 정지되는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 열원부(100)에서 생성되는 증기는 열전발전기(300) 측으로 공급되지 않고, 피동냉각 장치(200)로 공급될 수 있다.
이때, 열원부(100)와 피동냉각 장치(200)를 연결하는 연결관(CP)을 채운 물은 전기열선(EC)에 의해 동결되지 않은 상태이므로, 열원부(100)의 증기가 피동냉각 장치(200)로 원활하게 이송될 수 있고, 피동냉각 장치(200)는 열원부(100)의 잔열을 냉각할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 피동냉각 설비
100: 열원부 110: 격납실
200: 피동냉각 장치
300: 열전발전기 310: 열수부
320: 냉수부 330: 열전소자
20: 선박
CP: 연결관 EC: 전기열선
P1: 해수 공급관 P2: 해수 배출관

Claims (7)

  1. 열이 발생되는 열원부;
    상기 열원부에서 전달되는 매체의 열을 이용하여 전력을 생산하는 열전발전기;
    상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 피동으로 상기 매체의 열을 제거하는 피동냉각 장치;
    상기 열원부와 상기 피동냉각 장치를 연결하는 연결관; 및
    상기 연결관을 감싸도록 배치되고, 상기 열전발전기에서 생산된 전력에 의해 열을 발생시키는 전기열선을 포함하는,
    피동냉각 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전발전기는 상기 열원부에서 발생된 열이 매체를 통해 전달되어 상기 매체의 열을 제거하는,
    피동냉각 설비.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열원부가 동작하는 경우, 상기 매체는 상기 열원부에서 상기 열전발전기로 열을 전달하고,
    상기 열원부가 정지되는 경우, 상기 매체는 상기 열원부에서 상기 피동냉각 장치로 열을 전달하는,
    피동냉각 설비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전발전기는, 상기 열원부가 동작하는 동안 상기 전기열선에 전력을 공급하는,
    피동냉각 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전발전기는,
    상기 열원부로부터 상기 매체가 공급되는 열수부;
    바다로부터 해수가 공급되는 냉수부; 및
    상기 열수부 및 상기 냉수부 사이에 배치되며, 상기 열수부 및 상기 냉수부의 온도 차이에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는,
    피동냉각 설비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피동냉각 장치는, 상기 매체에 의해 전달되는 열을 공냉 및 수냉 중 하나 이상의 방식으로 열교환이 이루어지는,
    피동냉각 설비.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원부 및 상기 열전발전기는 선박의 내부에 설치되고,
    상기 피동냉각 장치는 상기 선박에 설치되되, 상기 열원부보다 상부에 배치된,
    피동냉각 설비.
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