KR20220124892A - 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법 - Google Patents

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KR20220124892A KR1020210028554A KR20210028554A KR20220124892A KR 20220124892 A KR20220124892 A KR 20220124892A KR 1020210028554 A KR1020210028554 A KR 1020210028554A KR 20210028554 A KR20210028554 A KR 20210028554A KR 20220124892 A KR20220124892 A KR 20220124892A
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Abstract

본 발명은 원자로의 이상 발생시 조작원의 별도 조작이나 제어 및 외부 전원의 공급 없이 피동적으로 냉각수가 순환되면서 자체적으로 무한 냉각 순환이 일어나는 원자로의 피동무한냉각 구조체 및 그 작동방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로가 수용되는 에너지 방출공간부; 상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부; 상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되어 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 유입되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 상기 냉각수로서 흡수하여 냉각하는 에너지 전달공간부; 상기 원자로의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 비상냉각유로; 상기 원자로로부터 이격되어 상기 원자로의 상측과 둘레를 둘러 감싸도록 형성되는 원자로 단열용기; 상기 원자로 단열용기 내의 수증기 및 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 원자로 단열용기와 상기 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력 평형관; 상기 압력 평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관;을 포함한다.

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 조작원의 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)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(10) 내의 원자로 노심(20)이 핵분열함에 따라 발생된 엄청난 열에너지가 원자로(10) 내의 냉각수로 전달되며, 가열된 냉각수는 수증기 형태로 터빈(52)을 돌려 발전기(54)로 전기에너지로 전환된 후에 다시 물로 응축되어 원자로(10)로 순환되어 다시 상기 원자로(10)을 냉각하는 순환이 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 냉각수의 누설 없이 열만을 배출하기 위한 열교환기 형태로 이루어지며, 이러한 열교환기는 해수나 강 등의 물 속에 잠겨 열교환 함으로써 열을 방출할 수 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 조작원의 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.
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 필요 없으며, 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.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로가 위치되는 에너지 방출공간부; 상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부; 상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되어 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 유입되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 상기 냉각수로서 흡수하여 냉각하는 에너지 전달공간부; 상기 원자로의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 비상냉각유로; 상기 원자로로부터 이격되어 상기 원자로의 상측과 둘레를 둘러 감싸도록 형성되는 원자로 단열용기; 상기 원자로 단열용기 내의 수증기 및 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 원자로 단열용기와 상기 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력 평형관; 상기 압력 평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관;을 포함하고, 상기 에너지 전달공간부는, 상기 에너지 전달공간부의 내측면에 인접하여 형성되며, 상기 비상냉각유로의 제2열교환기 및 상기 냉각제 분사관의 냉각수 토출단이 위치되어 상기 냉각수 토출단으로부터 유동된 냉각수가 채워지는 공간을 형성하는 포화증기압 냉각챔버; 상기 포화증기압 냉각챔버의 내측면으로부터 내측으로 이격되어 형성되며, 하측이 상기 포화증기압 냉각챔버와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준압력챔버;를 포함하고, 상기 기준압력챔버의 냉각수를 상기 원자로 단열용기내로 안내하는 사이펀 냉각수 재순환관이 구비되며, 상기 사이펀 냉각수 재순환관은 상측의 흡입단은 상기 기준압력챔버에 위치되고, 하측의 토출단은 상기 원자로 단열용기의 하측에 위치되되, 상기 흡입단은 하측을 향하고, 상기 흡입단으로부터 상측을 향하여 연장된 후 하측을 향하여 절곡되어 연장되는 역U 자 형상으로 형성되는 원자로의 피동무한냉각 구조체가 제공된다.
상기 에너지 흡수공간부 및 에너지 전달공간부는 상기 에너지 방출공간부의 일측에 연접되어 위치될 수 있다.
상기 에너지 흡수공간부 및 상기 에너지 전달공간부는 상기 에너지 방출공간부의 외측 둘레를 감싸도록 형성되며, 상기 에너지 방출공간부는, 상기 에너지 흡수공간부 및 상기 에너지 방출공간부의 내측에 위치될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 원자로 노심이 수용된 원자로가 위치되는 에너지 방출공간부; 상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 상기 에너지 방출공간부의 외측 둘레를 감싸도록 형성되며, 냉각수가 수용되고, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부; 상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되어 상기 에너지 방출공간부의 외측둘레를 감싸도록 형성되며, 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 유입되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 상기 냉각수로서 흡수하여 냉각하는 에너지 전달공간부를 포함하여, 상기 에너지 방출공간부가 상기 에너지 흡수공간부 및 상기 에너지 전달공간부에 의해 둘러싸이도록 형성되며, 상기 원자로의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 비상냉각유로; 상기 원자로로부터 이격되어 상기 원자로의 상측과 둘레를 둘러 감싸도록 형성되는 원자로 단열용기; 상기 원자로 단열용기 내의 수증기 및 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 원자로 단열용기와 상기 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력 평형관; 상기 압력 평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관;를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체가 개시된다.
상기 에너지 전달공간부는, 상기 에너지 전달공간부의 내측면에 인접하여 형성되며, 상기 비상냉각유로의 제2열교환기 및 상기 냉각제 분사관의 냉각수 토출단이 위치되어 상기 냉각수 토출단으로부터 유동된 냉각수가 채워지는 공간을 형성하는 포화증기압 냉각챔버; 상기 포화증기압 냉각챔버의 내측면으로부터 내측으로 이격되어 형성되며, 하측이 상기 포화증기압 냉각챔버와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준압력챔버;를 포함하며, 상기 에너지 방출공간부의 일부가 상기 기준압력챔버 내에 위치될 수 있다.
상기 에너지 흡수공간부는, 상기 기준압력챔버의 하측에 위치되며, 냉각수가 저장되는 냉각수 저장조; 상기 냉각수 저장조의 상측에 형성되며, 상기 압력 평형관을 통해 전달된 상기 원자로 단열용기의 수증기가 응축되는 공간을 형성하며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 냉각수 저장조의 냉각수가 상기 냉각제 분사관으로 통해 상기 에너지 전달공간부로 유동되도록 압력을 가하는 가압공간을 형성하도록 상기 냉각수 저장조의 측벽으로부터 소정간격 내측으로 이격된 위치에서, 상기 에너지 흡수공간부의 상측으로부터 하측을 향하여 일정거리 연장되며, 하측은 상기 냉각수 저장조와 연통되는 하부 실린더;를 포함할 수 있다.
또는, 상기 에너지 흡수공간부는, 상기 기준압력챔버의 하측에 위치되며, 냉각수가 저장되는 냉각수 저장조;
상기 냉각수 저장조의 상측에 형성되며, 상기 압력 평형관을 통해 전달된 상기 원자로 단열용기의 수증기가 응축되는 공간을 형성하며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 냉각수 저장조의 냉각수가 상기 냉각제 분사관으로 통해 상기 에너지 전달공간부로 유동되도록 압력을 가하는 가압공간을 형성하도록 상기 냉각수 저장조의 측벽으로부터 소정간격 내측으로 이격된 위치에서, 상기 에너지 흡수공간부의 상측으로부터 하측을 향하여 일정거리 연장되며, 하측은 상기 냉각수 저장조와 연통되는 하부 실린더;를 포함하며, 상기 에너지 방출공간부의 일부가 상기 냉각수 저장조 및 상기 하부 실린더 내에 위치될 수 있다.
상기 기준압력챔버의 냉각수를 상기 원자로 단열용기내로 안내하는 사이펀 냉각수 재순환관이 구비되며, 상기 사이펀 냉각수 재순환관은 상측의 흡입단은 상기 기준압력챔버에 위치되고, 하측의 토출단은 상기 원자로 단열용기의 하측에 위치되되, 상기 흡입단은 하측을 향하고, 상기 흡입단으로부터 상측을 향하여 연장된 후 하측을 향하여 절곡되어 연장되는 역U 자 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 비상냉각유로는, 원자로 용기 내 열을 흡수하는 제1열교환기; 상기 포화증기압 냉각챔버에 구비되며, 상기 제1열교환기에서 흡수한 열을 방출하는 제2열교환기;를 포함하고, 상기 냉각제 분사관의 출수단은 상기 제2열교환기에 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수를 분사하도록 구비될 수 있다.
상기 에너지 흡수공간부는, 상기 가압공간 내의 수증기가 상기 하부 실린더와 상기 냉각수 저장조의 내측면 사이로 이동되는 증기유동통로를 확보하는 증기 유도로 확보관체;를 더 포함할 수 있다.
상기 증기 유도로 확보관체는, 하부 실린더 외측에 상기 하부 실린더의 외주면과 일정간격 이격된 상태로 상기 하부 실린더의 하단보다 더 하측으로 연장되며, 항기 하부 실린더의 하측에서 상기 하부 실린더 내측을 향하여 절곡된후, 상기 하부 실린더의 내주면과 일정간격 이격되면서 상측으로 연장되며, 상기 하부 실린더와의 사이에 증기유동통로를 확보하도록 구비될 수 있다.
상기 포화증기압 냉각챔버의 내부에 구비되어, 상기 포화증기압 냉각챔버 내부의 열을 상기 에너지 전달공간부의 외부로 배출하는 열배출유로를 더 포함하여, 상기 냉각제 분사관에서 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기에서 방출되는 열을 흡수하면서 기화되며, 기화된 수증기는 상기 열배출유로에서 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달될 수 있다.
상기 열배출유로는, 상기 포화증기압 냉각챔버 내에 구비되어 상기 비상냉각유로에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버의 열을 흡수하는 제3열교환기; 외부의 냉매를 상기 제3열교환기로 안내하며, 상기 제3열교환기에서 가열된 냉매를 외부로 방출시키는 냉매관;을 포함할 수 있다.
상기 냉매는 해수 또는 담수일 수 있다.
상기 사이펀 냉각수 재순환관 내의 기체를 상기 기준압력챔버 측으로 배출하도록 형성되며, 토출단이 상기 사이펀 냉각수 재순환관의 최상단보다 더 높은 곳에 위치된 사이펀 공기배출관;을 더 포함할 수 있다.
상기 사이펀 냉각수 재순환관의 토출단보다 상부측의 상기 원자로 단열용기의 측면과 상기 에너지 방출공간부의 내측면 사이를 구획하여, 냉각수가 상기 원자로 단열용기의 측면과 상기 에너지 방출공간부의 내측면 사이로 유입되는 것을 차단하는 차단벽; 상기 차단벽에 구비되어 상기 원자로 단열용기와 상기 차단벽으로 둘러쌓인 공간 내부의 비응축가스를 상기 에너지 방출공간부 측으로 방출하는 공기방출밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기 원자로 단열용기의 상측에 배치되어 상기 에너지 방출공간의 온도와 압력이 일정이상 상승되면, 상기 원자로 단열용기 내에 소정량의 냉각수를 공급하는 시동냉각수 공급부;를 더 포함할 수 있다.
상기 시동냉각수 공급부는, 냉각수가 저장된 수조; 상기 수조의 하측에 상기 수조의 냉각수가 유입되는 유입단이 위치되고, 상기 유입단보다 상측으로 연장된 후 절곡되어 하측으로 연장되며, 상기 원자로 단열용기 내측에 상기 냉각수가 토출되는 토출단이 위치되는 사이펀로; 상기 수조를 밀폐하거나 또는 개방하여 공기가 공급되도록 연통시키는 시동밸브;를 포함할 수 있다.
상기 비상냉각유로는, 상기 원자로 단열용기내 압력을 높이기 위하여, 상기 비상냉각유로 내의 수증기를 상기 원자로 단열용기 내부로 선택적으로 배출시키는 증기방출밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 저장조와 상기 하부 실린더 사이의 단면적은 상기 하부 실린더 내의 단면적보다 작도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 원자로의 피동무한냉각 구조체를 작동시키는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법으로서, 에너지 방출공간부 내에 구비된 원자로 단열용기내의 온도가 상승하여, 상기 원자로 단열용기내의 온도 및 압력이 설정치 이상 상승하는 압력상승단계; 원자로의 열이 비상냉각유로를 통해 에너지 전달공간부로 전달되어 상기 에너지 전달공간부의 냉각수에 의해 냉각되는 냉각단계; 상기 에너지 방출공간부 내에 구비된 원자로 단열용기내의 수증기압이 압력 평형관에 의해 에너지 흡수공간부로 전달되는 압력전이단계; 상기 압력전이단계에 의해 상승된 상기 에너지 흡수공간부의 수증기압에 의해 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 냉각제 분사관을 통해 상승되어 상기 비상냉각유로가 위치된 포화증기압 냉각챔버로 이동되는 제1냉각수 상승단계; 상기 제1냉각수 상승단계에서 유입된 냉각수가 기준압력챔버 내측으로 유입되어 상기 기준압력챔버 내측의 수위가 상승되는 제2냉각수 상승단계; 상기 제2냉각수 상승단계에서 상기 기준압력챔버 내측으로 유입된 냉각수의 수위가 사이펀 냉각수 재순환관보다 높아지게 되면, 상기 사이펀 냉각수 재순환관에 의해 냉각수가 상기 원자로 단열용기 측으로 주입되는 냉각수 순환단계;상기 냉각수 순환단계에서 상기 원자로 단열용기 측으로 주입된 냉각수가 상기 원자로의 열에 의해 기화 및 팽창되어 수증기압이 상승되며, 압력이 상승된 수증기가 상기 압력 평형관에 의해 상기 에너지 흡수공간부로 이동되어 응축되는 냉각수 응축단계;를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법이 개시된다.
상기 냉각단계에서, 상기 냉각수는 상기 비상냉각유로를 통해 전달된 열에 의해 기화되며, 상기 기화된 냉각수는 열배출유로에 의해 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달될 수 있다.
상기 압력상승단계에서 상기 원자로 단열용기내의 온도 및 압력이 상승되면, 상기 원자로 단열용기 내로 소정량의 수증기압을 형성시키는 시동압 형성단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 시동압 형성단계는, 시동냉각수 공급부의 시동밸브가 개방되어 상기 시동냉각수 공급부의 수조에 저장된 냉각수가 상기 원자로 단열용기내로 주입되어 상기 원자로의 열에 의해 기화 및 팽창되어 상기 수증기압을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 시동압 형성단계는, 증기방출밸브가 개방되어 상기 비상냉각유로의 수증기를 상기 원자로 단열용기 내부로 배출시켜, 상기 수증기압을 형성하는 단계일 수 있다.
공기방출밸브가 개방되어 상기 원자로 단열용기 내부의 비응축 가스를 상기 에너지 방출공간부 측으로 방출하는 공기방출단계;를 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 필요 없으며 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 전달공간부의 포화증기압 냉각챔버를 외벽에 인접하게 설치함으로써, 포화증기압 냉각챔버의 열을 외벽을 통해 외부로 전도시킬 수 있어 냉각효율이 향상될 수 있다.
넷째, 고온 상태인 에너지 방출공간부와 접하는 에너지 흡수공간부 및 에너지 전달공간부의 내측면에 항상 냉각수가 존재하므로 냉각수의 순환에 의한 냉각 외에도 열전도에 의한 냉각도 동시에 이루어질 수 있다.
다섯째, 밸브의 설치가 최소화 되어도 무한 냉각 순환이 가능하여 오작동 발생의 가능성이 최소화 될 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 구조체를 도시한 도면;
도 3은 도 2의 일부를 확대하여 도시한 도면;
도 4은 도 2의 포화증기압 냉각챔버에 열 배출유로가 구비된 예를 도시한 도면;
도 5는 이상유동 열전달 현상에 의해 냉각제 분사관에서 분사된 냉각수가 제2열교환기에서 증발된 후 제3열교환기에서 응축되는 모습을 도시한 도면;
도 6는 도 2의 원자로의 피동무한냉각 구조체에서 원자로 단열용기의 수증기가 에너지 흡수공간부로 유입되는 상태를 도시한 도면;
도 7은 도 2의 원자로의 피동무한냉각 구조체의 냉각수 저장조 및 하부실린더와 증기유도로 확보관체를 도시한 도면;
도 8 내지 도 10는 압력 평형관을 통해 유입된 수증기압에 의해 가압공간내 냉각수가 하강하면서 수증기가 증기유동통로를 통해 가압공간으로부터 응축공간으로 배출되어 응축되는 것을 순서별로 도시한 도면;
도 11은 도 2의 시동냉각수 공급부가 가동전일 때의 상태를 도시한 도면;
도 12는 도 11의 시동냉각수 공급부가 냉각수를 급수한 상태를 도시한 도면;
도 13는 도 5의 원자로의 피동무한냉각 구조체에서 기준압력챔버의 냉각수가 사이펀 냉각수 재순환관을 통해 원자로 단열용기 측으로 순환되는 상태를 도시한 도면;
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체를 도시한 도면; 그리고,
도 15는 본 발명의 원자로의 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 원자로의 피동무한냉각 구조체의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 방출공간부(110), 에너지 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220)를 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(122) 및 상기 원자로 노심(124)에서 발생된 열을 이용하여 증기를 생성하며, 생성된 증기를 발전 등을 위해 구비되는 외부의 터빈으로 순환시키기 위해 상기 원자로(122)의 내부에 구비된 증기 발생기 및 유로 등을 포함 할 수 있다.
또한, 상기 에너지 방출공간부(110)에는 원자로 단열용기(126)가 구비될 수 있다. 상기 원자로 단열용기(126)는 상기 에너지 방출공간부(110) 내에 구비되며, 상기 원자로(122)로부터 이격되어 상기 원자로의 상측과 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 원자로 단열용기(126)는 상기 원자로(122)에서 발생되는 열이 직접적으로 상기 에너지 방출공간부(110)에 방사되는 것을 1차적으로 차폐하여 그 열과 압력이 상기 원자로 단열용기(126)내에서 증가되도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 원자로 단열용기(126)의 하측은 개방되어 상기 에너지 방출공간부(110)과 연통되도록 형성될 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. 본 실시예의 설명에서는 상기 냉각제로서 물이 사용되는 것을 예로 들어 설명하며, 이하의 설명에서 냉각제로 사용되는 물을 냉각수라 칭하기로 한다. 그러나, 본 발명은 상기 냉각제로서 반드시 물을 사용해야 하는 것은 아니며, 알려진 적합한 다른 종류의 매체가 냉각제로 사용될 수 있다. 물론, 상기 물은 해수와 담수를 포함한다.
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(122)에서 발생된 열을 흡수하여 냉각하며, 흡수한 열을 외부로 전달하여 방열할 수 있도록 구비된다. 이러한 방열은 상기 에너지 흡수공간부(210)와 에너지 전달공간부(220)의 외벽을 통해 이루어질 수 있다.
또한, 상기 에너지 흡수공간부(210)와 에너지 전달공간부(220)은 바다나 강에 인접하도록 설치되어 해수 또는 담수와 접하도록 건설되거나 또는 대기의 공기와 접하도록 건설될 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 선박 등의 운송수단 이나 해양 부유물 등에 설치될 수도 있는 등 다양한 장소에 설치될 수 있다.
한편, 비상냉각유로(130)가 구비될 수 있다. 상기 비상냉각유로(130)는 상기 원자로(122)의 열을 상기 에너지 전달공간부(220)로 전달하는 구성요소로서, 상기 원자로(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(122)내로 순환하도록 안내하는 배관(136)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1열교환기(132)는 상기 원자로(122) 내에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 열흡수매체는 여러 가지 성분의 물질일 수 있으나, 대표적으로 물일 수 있다.
이 때, 상기 비상냉각유로(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 비상냉각유로(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)으로 전달하는 압력 평형관(218)이 구비될 수 있다. 이 때, 상기 압력 평형관(218)은 상기 원자로 단열용기와 상기 에너지 흡수공간부(210)를 연통시켜, 상기 원자로 단열용기(126) 내의 수증기압이 상기 압력 평형관(218)을 통해 상기 에너지 흡수공간부(210)로 전달되도록 형성될 수 있다.
따라서, 상기 에너지 방출공간부(110)의 압력이 상승되면 상승된 압력이 상기 압력 평형관(218)에 의하여 상기 에너지 흡수공간부(210)에 전달될 수 있다. 즉, 상기 원자로(122)가 과열되어 상기 원자로 단열용기(126)내의 수증기 압력이 상승하며, 상승된 압력은 상기 압력 평형관(218)에 의해 에너지 흡수공간부(210)로 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 압력 평형관(218)에 의해 가압된 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부(220)로 안내하도록 구비될 수 있다.
상기 냉각제 분사관(228)은 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부(220)까지 안내하도록 상기 에너지 흡수공간부(210)의 하측으로부터 상기 에너지 전달공간부(220)의 상측까지 연장될 수 있다.
한편, 상기 에너지 전달공간부(220)는 포화증기압 냉각챔버(222) 및 기준압력챔버(224)를 포함할 수 있다.
상기 포화증기압 냉각챔버(222)는 그 내부에 냉각수가 수용될 수 있다. 또한, 상기 비상냉각유로(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 기준압력챔버(224)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 하측에 구비되고, 상기 기준압력챔버(224)의 하측에서 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 하측과 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수와 압력균형을 이루도록 기체가 채워지고, 내부공기가 외부로 누설되지 않도록 기밀이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 기준압력챔버(224) 내부의 기체의 압력이 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수를 지지하는 것이다.
따라서, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 압력이 상승되면 냉각수가 기준압력챔버(224)로 유입되고, 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 압력이 하락되면 상기 기준압력챔버(224)의 냉각수가 상기 포화증기압 냉각챔버(222)로 밀려나가는 등, 상기 포화증기압 냉각챔버(222) 내의 압력에 따라 수위가 변할 수 있다.
이 때, 상기 기준압력챔버(224)는 상기 에너지 전달공간부(220)의 포화증기압 냉각챔버(222)의 내측면으로부터 일정간격 이격되어 형성되며, 하측은 개구되어 상기 포화증기압 냉각챔버와 연통되도록 형성될 수 있다.
따라서, 상기 에너지 방출공간부(110)와 접하는 포화증기압 냉각챔버(222)는 항시 냉각수가 채워져 있는 상태로 유지되어 상기 에너지 방출공간부(110)에서 열전도로서 전달되는 열을 효과적으로 흡수할 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 비상냉각유로(130)의 제2열교환기(134)는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에 인접하여 구비될 수 있다. 따라서, 상기 비상냉각유로(130)의 제2열교환기(134)에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 냉각수는 상기 포화증기압 냉각챔버(222)의 상측단에서 쉽게 기화될 수 있다.
상기 비상냉각유로(130)에 의해 전달된 열은 상기 에너지 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220)의 외벽을 통해 외부로 전도되어 발산될 수 있다. 즉, 상기 에너지 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220)와 맞닿은 해수나 담수 또는 대기로 열이 전도를 통해 발산되어 상기 냉각수가 냉각될 수 있다.
또는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 비상냉각유로(130)에 의해 가열된 상기 냉각수의 열을 외부로 배출시켜 냉각시키기 위한 열배출유로(230)가 구비될 수도 있다.
상기 열배출유로(230)는 상기 에너지 전달공간부(220) 내에 구비되며, 상기 에너지 전달공간부(220) 내의 열을 외부의 해수나 강물 또는 대기로 방출할 수 있다.
상기 열배출유로(230)는 상기 냉각제 분사관(228)에서 상기 제2열교환기(134)로 분사된 냉각수에서 흡수한 열을 다시 흡수하는 제3열교환기(232)와 외부의 냉매를 상기 제3열교환기(232)로 안내하며, 상기 제3열교환기(232)에서 열을 흡수하여 가열된 냉매를 외부로 방출시키는 냉매관(234)을 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 4 및 도 5에 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 제2열교환기(134), 냉각제 분사관(228) 및 제3열교환기(232) 주변의 공동은 포화증기압 상태일 수 있다.
이 때, 도 5에 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.
물론, 반드시 이와 같은 이상유동 열전달 현상이 아니더라도 냉각수가 상기 제2열교환기(134)의 열을 흡수한 뒤에 제3열교환기(232)에서 상기 냉각수의 열을 흡수하여 배출할 수도 있을 것이다.
상기 열배출유로(230)의 냉매관(234)의 양 단, 즉 물의 유입단(236)과 출수단(238)은 상기 에너지 전달공간부(220) 외부의 해수 또는 담수 또는 대기와 연통될 수 있다.
그리고, 사이펀 냉각수 재순환관(240)이 구비될 수 있다.
상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)은 상기 기준압력챔버(224)의 냉각수를 상기 에너지 방출공간부(110)의 원자로 단열용기(126)내로 유입시키도록 상기 기준압력챔버(224)에 흡입단이 위치되고, 상기 원자로 단열용기(126)내에 토출단이 위치될 수 있다. 이 때, 상기 토출단은 상기 유입단보다 낮은 위치의 상기 원자로 단열용기(126)의 하측에 위치되도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 상측의 흡입단은 상기 흡입단은 하측을 향하여 개구되고, 상기 흡입단으로부터 상측을 향하여 연장된 후 하측을 향하여 절곡되어 연장되는 역U 자 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 흡입단은 항상 냉각수를 흡입할 수 있도록 상기 기준압력챔버(224)의 하측에 위치될 수 있다.
따라서, 도 6 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 기준압력챔버(224)의 수위가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 절곡된 지점을 넘어서까지 상승하게 되면 사이펀 현상에 의해 상기 기준압력챔버(224)내의 냉각수가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)에 의해 상기 원자로 단열용기(126)내로 공급될 수 있다.
또한, 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)으로 같이 유입된 공기를 상기 기준압력챔버(224) 측으로 배출시키기 위한 사이펀 공기배출관(242)이 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 토출단 인근에서 상기 기준압력챔버(224)측으로 상향연장된다. 이 때, 상기 사이펀 공기배출관(242)의 최상단부는 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 절곡된 최상단보다 더 높은 위치로 연장되어 냉각수가 상기 사이펀 공기배출관(242)으로 유입되지 않도록 구비될 수 있다.
따라서, 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)으로 유입된 냉각수 중에 포함된 기포 같은 기체는 상기 사이펀 공기배출관(242)을 통해 상기 기준압력챔버(224)측으로 배출되어 상기 원자로 단열용기(126)내에 액체 상태의 냉각수만을 공급할 수 있다.
또한, 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)에 의해 상기 원자로 단열용기(126)내로 공급된 냉각수는 상기 원자로(122)의 열을 식히면서 기화되며, 그 압력이 상승되어 수증기 형태로 상기 압력 평형관(218)을 통해 상기 에너지 흡수공간부(210)로 유입될 수 있다.
또한, 상기 에너지 흡수공간부(210)로 유입된 수증기는 상기 에너지 흡수공간부(210)에서 냉각되면서 응축되어 다시 액상으로 액화될 수 있다.
따라서, 별도의 밸브가 구비되지 아니하여도 상기 냉각수의 순환을 제어할 수 있다.
한편, 상기 에너지 흡수공간부(210)는, 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각수 저장조(212)와 하부 실린더(214)를 포함할 수 있다.
상기 냉각수 저장조(212)는 상기 에너지 전달공간부(220)의 상기 기준압력챔버(224)의 하측에 위치되며, 상기 에너지 방출공간부(110)와 연접되고, 냉각수가 저장되도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 하부 실린더(214)는, 상기 냉각수 저장조(212)의 상측에 형성되며, 상기 압력 평형관(218)을 통해 전달된 상기 원자로 단열용기(126)로부터 전달된 수증기가 상기 냉각수를 가압하는 가압공간(215)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 하부 실린더(214)는 상기 냉각수 저장조(212)의 측벽으로부터 소정간격 내측으로 이격된 위치에서, 상기 에너지 흡수공간부(210)의 상측으로부터 하측으로 일정거리 연장되며, 하측은 상기 냉각수 저장조(212)와 연통되도록 개구될 수 있다.
또한, 상기 압력 평형관(218)은 상기 하부 실린더(214)내의 상기 가압공간(215)의 상부와 연통될 수 있다.
따라서, 상기 압력 평형관(218)을 통해 전달된 상기 수증기의 압력에 의해 상기 냉각수 저장조(212)의 냉각수가 상기 냉각제 분사관(228)으로 통해 상기 에너지 전달공간부(220)로 유동되도록 압력이 가해지는 가압공간(215)이 상기 하부 실린더(214)에 의해 형성될 수 있다.
즉, 상기 가압공간(215)의 압력에 따라 상기 냉각수 저장조(212)의 냉각수가 가압되며, 상기 가압공간(215)의 압력이 냉각수를 누르는 힘에 의해 상기 냉각제 분사관(228)을 통해 냉각수가 상기 에너지 전달공간부(220)로 상승될 수 있다.
또한, 상기 에너지 흡수공간부(210)는 증기 유도로 확보관체(217)를 더 포함할 수 있다. 상기 증기 유도로 확보관체(217)는, 상기 가압공간(215) 내의 수증기가 상기 하부실린더(214)와 상기 냉각수 저장조(212)의 내측면 사이로 이동되는 증기유동통로(219)를 확보하는 구성요소이다.
상기 증기 유도로 확보관체(217)는, 하부실린더(214) 외측에 상기 하부실린더(214)의 외주면과 일정간격 이격된 상태로 상기 하부실린더(214)의 하단보다 더 하측으로 연장되며, 상기 하부실린더(214)의 하측에서 상기 하부실린더(214) 내측을 향하여 절곡된후, 상기 하부실린더(214)의 내주면과 일정간격 이격되면서 상측으로 연장되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 하부실린더(214)와 상기 증기 유도로 확보관체(217)의 사이에 상기 가압공간(215) 내의 수증기가 상기 하부실린더(214)의 외주면과 상기 냉각수 저장조(212)의 내측면 사이로 이동되는 증기유동통로(219)가 확보되는 것이다.
또한, 상기 증기 유도로 확보관체(217)의 외주면과 상기 냉각수 저장조(212)의 내주면 사이 또는 상기 하부실린더(214)의 외주면과 상기 냉각수 저장조(212) 내주면의 사이에는 유입된 수증기가 액상으로 응축되는 응축공간(213)을 형성할 수 있다.
즉, 상기 가압공간(215)은 상기 하부실린더(214)에 의해 상기 냉각수 저장조(212)의 내측면과 이격된다. 상기 냉각수 저장조(212)의 벽면은 외측과 접해 있으므로 상대적으로 저온일 수 있으며, 상기 압력 평형관(218)을 통해 유입된 수증기가 상기 냉각수 저장조(212)의 벽면과 직접적으로 접촉되지 아니하므로 상기 수증기는 상기 가압공간(215)에서 응축되는 현상이 최소화 될 수 있으며, 부피와 압력을 유지할 수 있다.
상기 증기유동통로(219)는 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 가압공간(215)의 수증기를 상기 하부실린더(214)와 상기 냉각수 저장조(212)의 사이로 전달시키며, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 하부실린더(214)와 상기 냉각수 저장조(212)의 사이로 전달된 수증기에 의해 상기 하부실린더(214)와 상기 냉각수 저장조(212) 사이의 상기 가압공간(215)의 냉각수가 하측으로 밀려 내려가면서 상기 냉각수를 가압할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가압공간(215)에 수증기가 채워지면서 그 압력에 의해 상기 가압공간(215)내의 수위가 하락한다. 이 때, 상기 가압공간(215) 내의 냉각수 수위가 상기 하부실린더(214)내의 상기 증기 유도로 확보관체(217)의 상단부분을 지나 상기 하부실린더(214)의 하단을 향해 하락하며, 상기 증기유동통로(219)내의 수위 또한 상기 하부실린더(214)내의 수위와 동일하게 하락할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 가압공간(215)내 냉각수 수위가 상기 하부실린더(214)의 하측보다 더 하락하는 순간 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 가압공간(215)내의 수증기가 상기 증기유동통로(219)를 통해 상기 하부실린더(214)의 외주면과 상기 냉각수 저장조(212)의 내측면 사이의 응축공간(213)으로 이동되며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 증기유동통로(219)가 확보될 수 있다.
또한, 상기 가압공간(215)내 수증기의 일부가 상기 응축공간으로 이동되므로, 상기 가압공간(215) 내 수위는 상승되는데, 이 때 상기 가압공간(215)내 냉각수의 수위가 상기 하부실린더(214) 내측의 상기 증기 유도로 확보관체(217)의 상단부보다 높게 상승되지 않을 때 까지 상기 증기유동통로(219)는 확보된 상태를 유지하며, 상기 가압공간(215)내 유입된 수증기는 상기 증기유동통로(219)를 통해 상기 응축공간(213)으로 공급될 수 있다.
상기 응축공간(213)으로 공급된 수증기는 상기 응축공간(213)내 냉각수를 가압하여 상기 응축공간(213)내 냉각수의 수위가 하락하도록 가압할 수 있다.
또한, 상기 응축공간(213)으로 공급된 수증기는 상기 응축공간(213)내에서 상대적으로 저온인 상기 냉각수 저장조(212)의 벽면에서 응측되어 액체 상태로 환원되어 냉각수로 환원될 수 있다.
또한, 상기 냉각수 저장조(212)와 상기 하부 실린더(214) 사이의 단면적은 상기 하부 실린더(214) 내의 단면적보다 작도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 가압공간(215)의 수증기가 상기 하부 실린더(214)내의 냉각수 수위를 낮추도록 작용하기 전에 먼저 상기 하부 실린더(214)와 상기 냉각수 저장조(212)사이로 유입되어 상기 냉각수 저장조(212)와 상기 하부 실린더(214) 사이의 냉각수를 하측으로 가압할 수 있다.
따라서, 상기 하부 실린더(214)와 상기 냉각수 저장조(212)의 사이에 냉각수가 항시 존재하게 되어 상기 에너지 방출공간부(110)열이 보다 쉽게 열전달되어 냉각될 수 있다.
한편, 상기 원자로 단열용기(126)와 상기 에너지 방출공간부(110) 내측면 사이를 구획하는 차단벽(140)이 형성될 수 있다.
상기 차단벽(140)은 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 토출단보다 상부측에 설치되며, 상기 원자로 단열용기(126)와 상기 에너지 방출공간부(110) 내측면 사이를 구획하여 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)을 통해 상기 원자로 단열용기(126)의 하측으로 공급된 냉각수가 상기 차단벽(140)의 상측으로 상승하는 것을 차단할 수 있다.
또한, 상기 차단벽(140)에는 공기방출밸브(142)가 구비될 수 있다. 상기 공기방출밸브(142)는 상기 원자로 단열용기(126)와 상기 차단벽(140)으로 둘러쌓인 공간 내부의 비응축가스를 상기 에너지 방출공간부(110) 측으로 선택적으로 방출할 수 있다. 여기서 상기 비응축가스란 실질적으로 수분을 포함하고 있지 않거나 적게 포함된 건조된 공기를 뜻할 수 있다.
즉, 상기 원자로 단열용기(126) 및 에너지 방출공간부(110)에는 평소에는 공기가 채워져 있는데, 이러한 공기는 수분을 포함하고 있지 않거나 적게 포함하고 있으므로 상기 에너지 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220)로 유입되어도 냉각효과가 떨어지므로, 상기 냉각수가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)을 통해 상기 원자로 단열용기(126)의 하측에서부터 채워짐으로 인해 밀려나는 공기를 상기 에너지 방출공간부(110) 측으로 배출할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 원자로(122)가 정상적으로 운전되고 있는 상태인 경우, 상기 원자로(124)에서 발생된 열은 모두 원자로 구동계통(120)을 통해 전력을 발생시키는 데에 사용된다. 이 경우에는 에너지 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220) 등의 원자로 안전계통은 작동되지 아니하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간부(210) 및 포화증기압 냉각챔버(222)는 모두 냉각수로 만충된 상태를 유지하며, 상기 원자로 단열용기(126) 및 에너지 방출공간부(110)에는 평소에는 공기가 채워져 있다.
또한, 원자로의 운전 도중 여러 가지 원인에 의해 원자로가 이상과열된 상태인 경우, 원자로 안전계통이 작동될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 원자로 안전계통이 작동되기 시작할 때, 상기 압력 평형관(218)을 통해 수증기가 상기 에너지 흡수공간부(210)로 유입되어야 하는데, 상기 원자로(122)가 정상적으로 운전되는 상태에서는 상기 원자로 단열용기(126) 및 에너지 방출공간부(110)에 수증기가 아닌 건조한 공기가 채워져 있어 초기 운전시 수증기압이 부족할 수 있다.
따라서, 상기 원자로 안전계통이 작동되기 시작할 때 이를 시동할 수 있는 수증기를 공급하기 위한 시동냉각수 공급부(150)가 구비될 수 있다.
상기 시동냉각수 공급부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 단열용기(126)의 상측에 배치되어 상기 에너지 방출공간부(110) 내의 상기 원자로 단열용기(126)의 온도와 압력이 상기 원자로 안전계통이 작동되는 조건에 이를 정도로 일정이상 상승되면, 상기 원자로 단열용기(126) 내에 소정량의 냉각수를 공급하도록 구비될 수 있다.
상기 시동냉각수 공급부(150)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 소정량의 냉각수가 저장된 수조(152), 사이펀로(154) 및 시동밸브(156)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 상기 수조(152)는 도시된 바와 같이 구형의 형태인 것을 예로 들어 설명하나 상기 수조(152)의 형태는 이에 한정되지 아니한다.
상기 사이펀로(154)는 하측에 상기 수조(152)의 냉각수가 유입되는 유입단이 위치되고, 상기 유입단보다 상측으로 연장된 후 절곡되어 하측으로 연장되며, 상기 원자로 단열용기(126) 내측에 상기 냉각수가 토출되는 토출단이 위치될 수 있다.
이 때, 상기 사이펀로(154)의 절곡된 상측은 상기 수조의 최대수위보다 낮은 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 시동밸브(156)는 상기 수조(152)를 밀폐하거나 또는 상기 수조(152)와 상기 에너지 방출공간부(110)와 연통되도록 개방하여 상기 에너지 방출공간부(110)내의 공기가 상기 수조(152)내로 공급되도록 개방할 수 있다.
이 때, 상기 시동밸브(156)가 개방되는 조건은 상기 에너지 방출공간부(110) 또는 상기 원자로 단열용기(126)의 온도와 압력이 상기 원자로 안전계통이 작동되는 조건에 해당할 수 있다.
따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 원자로 단열용기(126) 내에 냉각수가 공급되며 상기 원자로(122)의 열에 의해 공급된 냉각수가 기화하여 수증기 형태가 되면서 압력이 상승되며, 상기 압력 평형관(218)을 통해 상기 에너지 흡수공간부(210)로 유동됨으로써 상기 원자로 안전계통이 작동되기 시작할 수 있다.
또는, 초기 운전시 수증기압을 형성하기 위하여, 상기 비상냉각유로(130)에 구비된 증기방출밸브(138)를 활용할 수 있다.
상기 비상냉각유로(130) 내의 냉매 또한 물일 수 있는데, 상기 비상냉각유로(130)의 가열된 냉매가 흐르는 배관(136)의 고온부는 상기 원자로(122)에 의해 가열된 상태이다. 이 때, 상기 비상냉각유로(130)의 증기방출밸브(138)가 개방되면 상기 비상냉각유로(130)의 냉매가 수증기형태로 상기 원자로 단열용기(126)내로 방출되어 상기 원자로 단열용기(126)내에 수증기압을 형성할 수 있다.
이를 위해, 상기 증기방출밸브(138)는 상기 비상냉각유로(130)의 배관(136)의 고온의 냉매가 흐르는 부분에 위치되며, 상기 원자로 단열용기(126) 내측에 위치될 수 있다.
이하, 본 발명의 원자로의 피동무한냉각 구조체(1000)의 다른 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
전술한 실시예의 원자로의 피동무한냉각 구조체(100)는 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220)가 상기 에너지 방출공간부(110)의 일측에 연접되어 나란하게 위치되나, 본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체(1000)는 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간부(1210) 및 상기 에너지 전달공간부(1220) 내에 상기 에너지 방출공간부(1110)가 위치될 수 있다.
즉, 상기 에너지 흡수공간부(1210) 및 에너지 전달공간부(1220)가 상기 에너지 방출공간부(1110)의 외측 둘레를 감싸도록 형성되며, 상기 에너지 방출공간부(1110)는 상기 에너지 흡수공간부(1210) 및 상기 에너지 방출공간부(1110)의 내측에 위치되는 것이다.
즉, 상기 에너지 전달공간부(1220)는 전술한 실시예와 유사하게 포화증기압 냉각 챔버 및 기준압력챔버(1224)를 포함할 수 있다.
상기 포화증기압 냉각챔버(1222)는 비상냉각유로(1130)의 제2열교환기 및 냉각제 분사관(1228)의 냉각수 토출단이 위치되어 상기 냉각수 토출단으로부터 유동된 냉각수가 채워질 수 있다.
또한, 상기 기준압력쳄버는 상기 포화증기압 냉각챔버(1222)의 내측면으로부터 내측으로 이격되어 형성되며, 하측이 상기 포화증기압 냉각챔버(1222)와 연통되도록 개구되고, 상기 포화증기압 냉각챔버(1222)의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버(1222) 내의 압력에 따라 수위가 변하도록 구비될 수 있다.
이 때, 상기 에너지 방출공간부(1110)의 상측 일부가 상기 기준압력챔버(1224) 내측에 위치되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 에너지 흡수공간부(1210)는, 전술한 실시예와 유사하게 냉각수 저장조(1212) 및 하부실린더(1214)를 포함할 수 있는데, 상기 냉각수 저장조(1212)는 상기 기준압력챔버(1224)의 하측에 상기 기준압력챔버(1224)와는 구획되도록 형성되며, 냉각수가 저장될 수 있다.
또한, 상기 하부실린더(1214)는, 상기 냉각수 저장조(1212)의 상측에 형성되며, 상기 압력 평형관(1218)을 통해 전달된 상기 원자로(1122) 단열용기의 수증기가 응축되는 공간을 형성하며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 냉각수 저장조(1212)의 냉각수가 상기 냉각제 분사관(1228)으로 통해 상기 에너지 전달공간부(1220)로 유동되도록 압력을 가하는 가압공간(1215)을 형성하도록 상기 냉각수 저장조(1212)의 측벽으로부터 소정간격 내측으로 이격된 위치에서, 상기 에너지 흡수공간부(1210)의 상측으로부터 하측을 향하여 일정거리 연장되며, 하측은 상기 냉각수 저장조(1212)와 연통되도록 개구될 수 있다.
그리고, 상기 에너지 방출공간부(1110)의 상기 기준압력챔버(1224)에 위치된 부분을 제외한 나머지가 상기 하부실린더(1214) 및 상기 하부실린더(1214) 내측 및 상기 냉각수 저장조(1212)에 구획되어 위치될 수 있다.
즉, 상기 에너지 방출공간부(1110)는 상기 에너지 방출공간부(1110) 및 상기 에너지 흡수공간부(1210)에 걸쳐 위치되며, 상기 에너지 방출공간부(1110) 및 에너지 흡수공간부(1210)는 상기 에너지 방출공간부(1110)의 외측을 둘러쌓도록 배치되는 것이다.
따라서, 상기 에너지 방출공간부(1110)가 상기 에너지 방출공간부(1110) 및 상기 에너지 흡수공간부(1210)의 냉각수에 의해 둘러싸이게 되므로, 상기 원자로(1122)에서 방사되는 열이 상기 냉각수에 쉽게 흡수될 수 있다.
또한, 상기 에너지 방출공간부(1110)를 방사선 차폐효율이 우수한 냉각수가 둘러 싸고 있으므로, 혹시 상기 원자로(1122)에서 방사선이 누출된다고 하여도 상기 냉각수에 의해 효과적으로 차폐될 수 있다.
한편, 상기 원자로(1122)의 열을 상기 에너지 전달공간부(1220)로 전달하는 비상냉각유로(1130) 및 원자로 단열용기(1126), 압력 평형관(1218), 냉각제 분사관(1228), 사이펀 냉각수 재순환관(1240), 비상냉각유로(1130), 증기 유도로 확보관체(1217), 사이펀 공기배출관(1242), 차단벽(1140), 공기방출밸브(1142), 시동냉각수 공급부(1150) 등은 전술한 실시예와 동일하다.
즉, 상기 에너지 방출공간부(1110)의 원자로(1122)가 과열되어 원자로(1122) 단열용기내 열과 압력이 상승되면, 그 열에 의해 의해 수증기가 발생하여 그 수증기압이 상기 압력 평형관(1218)을 통해 상기 에너지 흡수공간부(1210)로 전달되어 상기 에너지 흡수공간부(1210)의 가압공간(1215)의 압력을 상승시키며, 상승된 압력에 의해 상기 냉각제 분사관(1228)을 통해 상기 포화증기압 냉각챔버(1222)로 공급된다.
한편, 원자로(1122)의 열은 상기 비상냉각유로(1130)를 통해 상기 에너지 전달공간부(1220)로 전달되어 상기 에너지 전달공간부(1220)의 냉각수에 의해 냉각된다.
또한, 상기 냉각제 분사관(1228)을 통해 상기 포화증기압 냉각챔버(1222)로 공급된 냉각수에 의해 상기 기준압력챔버(1224) 내의 냉각수 수위가 상승되며, 상기 기준압력챔버(1224) 내의 냉각수 수위가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(1240)보다 높아지게 되면, 상기 냉각수가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(1240)에 의해 상기 원자로(1122) 단열용기로 주입된다.
그리고, 상기 원자로(1122) 단열용기로 주입된 냉각수가 상기 원자로(1122)의 열에 의해 기화 및 팽창되어 수증기로 상변화되며, 압력이 상승된 수증기가 상기 압력 평형관(1218)에 의해 상기 에너지 흡수공간부(1210)로 이동되는 순환이 지속적으로 이루어지면서 상기 원자로(1122)의 열을 냉각시킬 수 있다.
이하, 전술한 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법의 일 실시예에 대해서 도 15를 참고하여 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법은 압력상승단계(S110), 냉각단계(S130), 압력전이단계(S140), 제1냉각수 상승단계(S150), 제2냉각수 상승단계(S160), 냉각수 순환단계(S170) 및 냉각수 응축단계(S190)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 흡수공간부(210) 및 에너지 전달공간부(220) 등의 원자로 안전계통은 작동되지 아니하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간부(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(124)에서 발생된 열은 모두 비상냉각유로(130)를 통해 배출될 수 있다.
상기 원자로가 이상과열된 상태인 경우 압력상승단계(S110)에 진입할 수 있다. 상기 압력상승단계(S110)는 상기 에너지 방출공간부(110)내에 구비된 상기 원자로 단열용기(126)내의 온도도 및 압력이 설정치 이상 상승하는 단계이다. 이 때 상기 설정치는 원자로가 이상과열되었을 때 도달되는 온도 또는 압력일 수 있다.
상기 압력상승단계(S110)에서 상기 원자로 단열용기(126)내의 압력이 설정치 이상 상승되었을 때 시동압 형성단계(S120)가 수행될 수 있다. 상기 시동압 형성단계(S120)는 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 압력상승단계(S110)에서 상기 원자로 단열용기(126)내의 온도 및 압력이 상승되면, 상기 원자로 단열용기(126) 내로 소정량의 수증기압을 형성시키는 단계이다.
상기 시동압 형성단계(S120)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 시동냉각수 공급부(150)의 상기 시동밸브(156)가 개방되어 상기 시동냉각수 공급부(150)의 상기 수조(152)에 저장된 냉각수가 상기 원자로 단열용기(126)내로 주입하여 수행될 수 있다.
상기 원자로 단열용기(126)내로 주입된 냉각수는 상기 원자로(122)의 열에 의해 기화 및 팽창되어 초기 수증기압을 형성할 수 있다.
또는, 상기 시동압 형성단계(S120)는 상기 비상냉각유로(130)의 증기방출밸브(138)가 개방되어 상기 비상냉각유로(130)의 증기방출밸브(138)를 통해 수증기가 상기 원자로 단열용기(126)내로 분사되어 초기 수증기압을 형성할 수도 있다.
한편, 이상과열된 상기 원자로(122)의 열은 상기 비상냉각유로(130)를 통해 상기 에너지 전달공간부(220)의 냉각수에 의해 냉각될 수 있다.
그리고, 상기 압력전이단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 압력전이단계(S140)는, 상기 원자로 단열용기(126)내에서 압력과 온도가 상승된 수증기는 상기 압력 평형관(218)에 의해 상기 에너지 흡수공간부(210)로 전달되는데, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 압력 평형관(218)에 의해 상기 에너지 흡수공간부(210)의 하부 실린더(214) 내의 가압공간(215)으로 유입된 수증기는 상기 에너지 흡수공간부(210)내의 냉각수를 가압하는 단계이다.
상기 압력전이단계(S140)의 후에는 제1냉각수 상승단계(S150)가 수행될 수 있다. 상기 제1냉각수 상승단계(S150)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수 저장조(212) 내의 냉각수가 상기 압력전이단계(S140)에 의해 전달된 수증기의 압력에 의해 가압되는데, 가압된 상기 에너지 흡수공간부(210)의 냉각수가 상기 냉각제 분사관(228)을 통해 상기 비상냉각유로(130)가 위치된 포화증기압 냉각챔버(222)로 상승될 수 있다.
상기 포화증기압 냉각챔버(222)로 상승된 냉각수는 상기 비상냉각유로(130)의 제2열교환기(134)의 열을 흡수할 수 있다.
상기 제1냉각수 상승단계(S150)의 후에는 제2냉각수 상승단계(S160)가 수행될 수 있다. 상기 제2냉각수 상승단계(S160)에서는 상기 제1냉각수 상승단계(S150)에서 상기 포화증기압 냉각챔버(222)내로 유입된 냉각수의 양이 많아지면, 상기 냉각수가 상기 기준압력챔버(224) 내측으로 유입되어 상기 기준압력챔버(224) 내측의 수위가 상승되는 단계이다.
상기 제2냉각수 상승단계(S160)에서 상기 기준압력챔버(224) 내측으로 유입된 냉각수의 수위가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 절곡된 최상단보다 높아지게 되면, 도 6 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)에 의해 상기 원자로 단열용기(126) 측으로 주입되는 냉각수 순환단계(S170)가 수행될 수 있다.
상기 기준압력챔버(224) 내에서 상승되는 상기 냉각수의 수위가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)의 절곡된 최상단 보다 높아지게 되면, 사이펀 현상에 의해 상기 기준압력챔버(224) 내측의 냉각수가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)을 타고 상기 원자로 단열용기(126)의 하측으로 주입된다.
이 때, 상기 차단벽(140)에 구비된 공기방출밸브(142)가 개방되는 공기방출단계(S180)가 수행되어 상기 냉각수가 상기 사이펀 냉각수 재순환관(240)을 통해 상기 원자로 단열용기(126)의 하측에서부터 채워짐으로 인해 밀려나는 공기를 상기 에너지 방출공간부(110) 측으로 배출할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 순환단계(S170)에서 상기 원자로 단열용기(126)측으로 주입된 냉각수는 상기 원자로(122)의 열에 의해 기화 및 팽창되어 수증기압이 상승되며, 압력이 상승된 수증기는 상기 압력 평형관(218)에 의해 상기 에너지 흡수공간부(210)의 하부 실린더(214)에 의해 형성된 가압공간(215)으로 이동되는데, 상기 가압공간(215)내에서 상기 수증기의 일부는 주변의 냉각수에 의해 응축되어 액화되고, 일부는 상기 가압공간(215)의 냉각수를 가압하는 냉각수 응축단계(S190)가 수행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 압력 평형관(218)을 통해 유입된 수증기는 일부 액화되고 일부는 기체상태로 존재하면서 상기 가압공간(215)의 냉각수를 가압하는데, 상기 압력 평형관(218)을 통해 수증기가 상기 가압공간(215)으로 유입됨에 따라 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가압공간(215)내의 냉각수 수위가 내려갈 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 가압공간(215)내의 냉각수 수위가 상기 하부실린더(214)의 하측보다 더 아래측으로 하강하면, 상기 가압공간(215)내의 수증기가 상기 증기유동통로(218)을 통해 상기 상기 하부실린더(214)의 외주면과 상기 냉각수 저장조(212)의 내측면 사이의 응축공간(213)으로 이동되며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 증기유동통로(219)가 확보될 수 있다.
또한, 상기 가압공간(215)내 수증기의 일부가 상기 응축공간으로 이동되므로, 상기 가압공간(215) 내 수위는 상승되는데, 이 때 상기 가압공간(215)내 냉각수의 수위가 상기 하부실린더(214) 내측의 상기 증기 유도로 확보관체(217)의 상단부보다 높게 상승되지 않을 때 까지 상기 증기유동통로(219)는 확보된 상태를 유지하며, 상기 가압공간(215)내 유입된 수증기는 상기 증기유동통로(219)를 통해 상기 응축공간(213)으로 공급될 수 있다.
상기 응축공간(213)으로 공급된 수증기는 상기 응축공간(213)내 냉각수를 가압하여 상기 응축공간(213)내 냉각수의 수위가 하락하도록 가압할 수 있다.
또한, 상기 응축공간(213)으로 공급된 수증기는 상기 응축공간(213)내에서 상대적으로 저온인 상기 냉각수 저장조(212)의 벽면에서 응측되어 액체 상태로 환원되어 냉각수로 환원될 수 있다.
상기 냉각수 응축단계(S190)의 후에는 압력전이단계(S140), 제1냉각수 상승단계(S150), 제2냉각수 상승단계(S160) 및 냉각수 순환단계(S170)가 순차적으로 순환될 수 있으며, 상기 냉각수가 순환됨에 따라 상기 포화증기압 냉각 챔버내의 냉각수도 지속적으로 순환되며, 그에 따라 상기 비상냉각유로(130)의 제2열교환기(134)의 열을 지속적으로 흡수하여 상기 원자로(122)의 열을 지속적으로 냉각시킬 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.
110 에너지 방출공간부 120 원자로 구동계통
122 원자로 124 원자로 노심
126 원자로 단열용기 130 비상냉각유로
132 제1열교환기 134 제2열교환기
136 배관 138 증기방출밸브
140 차단벽 142 공기방출밸브
150 시동냉각수 공급부 152 수조
154 사이펀로 156 시동밸브
220 에너지 전달공간부 228 냉각제 분사관
222 포화증기압 냉각챔버 224 기준압력챔버
230 열배출유로 232 제3열교환기
234 냉매관 236 유입단
238 출수단 240 사이펀 냉각수 재순환관
242 사이펀 공기배출관 215 가압공간
210 에너지 흡수공간부 218 압력 평형관
212 냉각수 저장조 214 하부실린더
217 증기 유도로 확보관체 219 증기유동통로
213 응축공간

Claims (26)

  1. 원자로 노심이 수용된 원자로가 위치되는 에너지 방출공간부;
    상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 냉각수가 수용되며, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부;
    상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되어 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 유입되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 상기 냉각수로서 흡수하여 냉각하는 에너지 전달공간부;
    상기 원자로의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 비상냉각유로;
    상기 원자로로부터 이격되어 상기 원자로의 상측과 둘레를 둘러 감싸도록 형성되는 원자로 단열용기;
    상기 원자로 단열용기 내의 수증기 및 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 원자로 단열용기와 상기 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력 평형관;
    상기 압력 평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관;
    을 포함하고,
    상기 에너지 전달공간부는,
    상기 에너지 전달공간부의 내측면에 인접하여 형성되며, 상기 비상냉각유로의 제2열교환기 및 상기 냉각제 분사관의 냉각수 토출단이 위치되어 상기 냉각수 토출단으로부터 유동된 냉각수가 채워지는 공간을 형성하는 포화증기압 냉각챔버;
    상기 포화증기압 냉각챔버의 내측면으로부터 내측으로 이격되어 형성되며, 하측이 상기 포화증기압 냉각챔버와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준압력챔버;
    를 포함하고,
    상기 기준압력챔버의 냉각수를 상기 원자로 단열용기내로 안내하는 사이펀 냉각수 재순환관이 구비되며,
    상기 사이펀 냉각수 재순환관은 상측의 흡입단은 상기 기준압력챔버에 위치되고, 하측의 토출단은 상기 원자로 단열용기의 하측에 위치되되, 상기 흡입단은 하측을 향하고, 상기 흡입단으로부터 상측을 향하여 연장된 후 하측을 향하여 절곡되어 연장되는 역U 자 형상으로 형성되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 흡수공간부 및 에너지 전달공간부는
    상기 에너지 방출공간부의 일측에 연접되어 위치되는, 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 흡수공간부 및 상기 에너지 전달공간부는 상기 에너지 방출공간부의 외측 둘레를 감싸도록 형성되며,
    상기 에너지 방출공간부는, 상기 에너지 흡수공간부 및 상기 에너지 방출공간부의 내측에 위치되는, 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  4. 원자로 노심이 수용된 원자로가 위치되는 에너지 방출공간부;
    상기 에너지 방출공간부와 구획되면서 상기 에너지 방출공간부의 외측 둘레를 감싸도록 형성되며, 냉각수가 수용되고, 상기 에너지 방출공간부의 압력이 전달되는 에너지 흡수공간부;
    상기 에너지 흡수공간부의 상측에 구비되어 상기 에너지 방출공간부의 외측둘레를 감싸도록 형성되며, 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 유입되고, 상기 원자로 용기에서 전달된 열을 상기 냉각수로서 흡수하여 냉각하는 에너지 전달공간부를 포함하여,
    상기 에너지 방출공간부가 상기 에너지 흡수공간부 및 상기 에너지 전달공간부에 의해 둘러싸이도록 형성되며,
    상기 원자로의 열을 상기 에너지 전달공간부로 전달하는 비상냉각유로;
    상기 원자로로부터 이격되어 상기 원자로의 상측과 둘레를 둘러 감싸도록 형성되는 원자로 단열용기;
    상기 원자로 단열용기 내의 수증기 및 압력을 상기 에너지 흡수공간부로 전달하도록 상기 원자로 단열용기와 상기 에너지 흡수공간부를 연통시키는 압력 평형관;
    상기 압력 평형관에 의해 가압된 에너지 흡수공간부의 냉각수를 상기 에너지 전달공간부로 유동시키는 냉각제 분사관;
    를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 전달공간부는,
    상기 에너지 전달공간부의 내측면에 인접하여 형성되며, 상기 비상냉각유로의 제2열교환기 및 상기 냉각제 분사관의 냉각수 토출단이 위치되어 상기 냉각수 토출단으로부터 유동된 냉각수가 채워지는 공간을 형성하는 포화증기압 냉각챔버;
    상기 포화증기압 냉각챔버의 내측면으로부터 내측으로 이격되어 형성되며, 하측이 상기 포화증기압 냉각챔버와 연통되며, 상기 포화증기압 냉각챔버의 냉각수와 압력 균형을 이루도록 공기가 채워져, 상기 포화증기압 냉각챔버 내의 압력에 따라 수위가 변하는 기준압력챔버;
    를 포함하며,
    상기 에너지 방출공간부의 일부가 상기 기준압력챔버 내에 위치되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 흡수공간부는,
    상기 기준압력챔버의 하측에 위치되며, 냉각수가 저장되는 냉각수 저장조;
    상기 냉각수 저장조의 상측에 형성되며, 상기 압력 평형관을 통해 전달된 상기 원자로 단열용기의 수증기가 응축되는 공간을 형성하며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 냉각수 저장조의 냉각수가 상기 냉각제 분사관으로 통해 상기 에너지 전달공간부로 유동되도록 압력을 가하는 가압공간을 형성하도록 상기 냉각수 저장조의 측벽으로부터 소정간격 내측으로 이격된 위치에서, 상기 에너지 흡수공간부의 상측으로부터 하측을 향하여 일정거리 연장되며, 하측은 상기 냉각수 저장조와 연통되는 하부 실린더;
    를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 흡수공간부는,
    상기 기준압력챔버의 하측에 위치되며, 냉각수가 저장되는 냉각수 저장조;
    상기 냉각수 저장조의 상측에 형성되며, 상기 압력 평형관을 통해 전달된 상기 원자로 단열용기의 수증기가 응축되는 공간을 형성하며, 상기 수증기의 압력에 의해 상기 냉각수 저장조의 냉각수가 상기 냉각제 분사관으로 통해 상기 에너지 전달공간부로 유동되도록 압력을 가하는 가압공간을 형성하도록 상기 냉각수 저장조의 측벽으로부터 소정간격 내측으로 이격된 위치에서, 상기 에너지 흡수공간부의 상측으로부터 하측을 향하여 일정거리 연장되며, 하측은 상기 냉각수 저장조와 연통되는 하부 실린더;
    를 포함하며,
    상기 에너지 방출공간부의 일부가 상기 냉각수 저장조 및 상기 하부 실린더 내에 위치되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 기준압력챔버의 냉각수를 상기 원자로 단열용기내로 안내하는 사이펀 냉각수 재순환관이 구비되며,
    상기 사이펀 냉각수 재순환관은 상측의 흡입단은 상기 기준압력챔버에 위치되고, 하측의 토출단은 상기 원자로 단열용기의 하측에 위치되되, 상기 흡입단은 하측을 향하고, 상기 흡입단으로부터 상측을 향하여 연장된 후 하측을 향하여 절곡되어 연장되는 역U 자 형상으로 형성되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  9. 제1항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비상냉각유로는,
    원자로 용기 내 열을 흡수하는 제1열교환기;
    상기 포화증기압 냉각챔버에 구비되며, 상기 제1열교환기에서 흡수한 열을 방출하는 제2열교환기;
    를 포함하고,
    상기 냉각제 분사관의 출수단은 상기 제2열교환기에 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수를 분사하도록 구비되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  10. 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수공간부는,
    상기 가압공간 내의 수증기가 상기 하부 실린더와 상기 냉각수 저장조의 내측면 사이로 이동되는 증기유동통로를 확보하는 증기 유도로 확보관체;를 더 포함하는, 원자로의 피동무한 냉각 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 증기 유도로 확보관체는,
    하부 실린더 외측에 상기 하부 실린더의 외주면과 일정간격 이격된 상태로 상기 하부 실린더의 하단보다 더 하측으로 연장되며, 항기 하부 실린더의 하측에서 상기 하부 실린더 내측을 향하여 절곡된후, 상기 하부 실린더의 내주면과 일정간격 이격되면서 상측으로 연장되며, 상기 하부 실린더와의 사이에 증기유동통로를 확보하도록 구비되는, 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 포화증기압 냉각챔버의 내부에 구비되어, 상기 포화증기압 냉각챔버 내부의 열을 상기 에너지 전달공간부의 외부로 배출하는 열배출유로를 더 포함하여,
    상기 냉각제 분사관에서 분사된 냉각수는 상기 제2열교환기에서 방출되는 열을 흡수하면서 기화되며, 기화된 수증기는 상기 열배출유로에서 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열배출유로는,
    상기 포화증기압 냉각챔버 내에 구비되어 상기 비상냉각유로에 의해 가열된 상기 포화증기압 냉각챔버의 열을 흡수하는 제3열교환기;
    외부의 냉매를 상기 제3열교환기로 안내하며, 상기 제3열교환기에서 가열된 냉매를 외부로 방출시키는 냉매관;
    을 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉매는 해수 또는 담수인 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  15. 제1항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이펀 냉각수 재순환관 내의 기체를 상기 기준압력챔버 측으로 배출하도록 형성되며, 토출단이 상기 사이펀 냉각수 재순환관의 최상단보다 더 높은 곳에 위치된 사이펀 공기배출관;
    을 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  16. 제1항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사이펀 냉각수 재순환관의 토출단보다 상부측의 상기 원자로 단열용기의 측면과 상기 에너지 방출공간부의 내측면 사이를 구획하여, 냉각수가 상기 원자로 단열용기의 측면과 상기 에너지 방출공간부의 내측면 사이로 유입되는 것을 차단하는 차단벽;
    상기 차단벽에 구비되어 상기 원자로 단열용기와 상기 차단벽으로 둘러쌓인 공간 내부의 비응축가스를 상기 에너지 방출공간부 측으로 방출하는 공기방출밸브;
    를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  17. 제1항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자로 단열용기의 상측에 배치되어 상기 에너지 방출공간의 온도와 압력이 일정이상 상승되면, 상기 원자로 단열용기 내에 소정량의 냉각수를 공급하는 시동냉각수 공급부;
    를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 시동냉각수 공급부는,
    냉각수가 저장된 수조;
    상기 수조의 하측에 상기 수조의 냉각수가 유입되는 유입단이 위치되고, 상기 유입단보다 상측으로 연장된 후 절곡되어 하측으로 연장되며, 상기 원자로 단열용기 내측에 상기 냉각수가 토출되는 토출단이 위치되는 사이펀로;
    상기 수조를 밀폐하거나 또는 개방하여 공기가 공급되도록 연통시키는 시동밸브;
    를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 비상냉각유로는,
    상기 원자로 단열용기내 압력을 높이기 위하여, 상기 비상냉각유로 내의 수증기를 상기 원자로 단열용기 내부로 선택적으로 배출시키는 증기방출밸브를 더 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  20. 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각수 저장조와 상기 하부 실린더 사이의 단면적은 상기 하부 실린더 내의 단면적보다 작도록 형성되는 원자로의 피동무한냉각 구조체.
  21. 원자로의 피동무한냉각 구조체를 작동시키는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법으로서,
    에너지 방출공간부 내에 구비된 원자로 단열용기내의 온도가 상승하여, 상기 원자로 단열용기내의 온도 및 압력이 설정치 이상 상승하는 압력상승단계;
    원자로의 열이 비상냉각유로를 통해 에너지 전달공간부로 전달되어 상기 에너지 전달공간부의 냉각수에 의해 냉각되는 냉각단계;
    상기 에너지 방출공간부 내에 구비된 원자로 단열용기내의 수증기압이 압력 평형관에 의해 에너지 흡수공간부로 전달되는 압력전이단계;
    상기 압력전이단계에 의해 상승된 상기 에너지 흡수공간부의 수증기압에 의해 상기 에너지 흡수공간부의 냉각수가 냉각제 분사관을 통해 상승되어 상기 비상냉각유로가 위치된 포화증기압 냉각챔버로 이동되는 제1냉각수 상승단계;
    상기 제1냉각수 상승단계에서 유입된 냉각수가 기준압력챔버 내측으로 유입되어 상기 기준압력챔버 내측의 수위가 상승되는 제2냉각수 상승단계;
    상기 제2냉각수 상승단계에서 상기 기준압력챔버 내측으로 유입된 냉각수의 수위가 사이펀 냉각수 재순환관보다 높아지게 되면, 상기 사이펀 냉각수 재순환관에 의해 냉각수가 상기 원자로 단열용기 측으로 주입되는 냉각수 순환단계;
    상기 냉각수 순환단계에서 상기 원자로 단열용기 측으로 주입된 냉각수가 상기 원자로의 열에 의해 기화 및 팽창되어 수증기압이 상승되며, 압력이 상승된 수증기가 상기 압력 평형관에 의해 상기 에너지 흡수공간부로 이동되어 응축되는 냉각수 응축단계;
    를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 냉각단계에서, 상기 냉각수는 상기 비상냉각유로를 통해 전달된 열에 의해 기화되며, 상기 기화된 냉각수는 열배출유로에 의해 냉각되어 응축되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의해 열이 전달되는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 압력상승단계에서 상기 원자로 단열용기내의 온도 및 압력이 상승되면, 상기 원자로 단열용기 내로 소정량의 수증기압을 형성시키는 시동압 형성단계;를 더 포함하는 원자로 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 시동압 형성단계는, 시동냉각수 공급부의 시동밸브가 개방되어 상기 시동냉각수 공급부의 수조에 저장된 냉각수가 상기 원자로 단열용기내로 주입되어 상기 원자로의 열에 의해 기화 및 팽창되어 상기 수증기압을 형성하는 단계인 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 시동압 형성단계는, 증기방출밸브가 개방되어 상기 비상냉각유로의 수증기를 상기 원자로 단열용기 내부로 배출시켜, 상기 수증기압을 형성하는 단계인 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
  26. 제21항에 있어서,
    공기방출밸브가 개방되어 상기 원자로 단열용기 내부의 비응축 가스를 상기 에너지 방출공간부 측으로 방출하는 공기방출단계;
    를 포함하는 원자로의 피동무한냉각 구조체의 작동방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101502395B1 (ko) * 2014-04-28 2015-03-13 한국원자력연구원 피동 격납부 살수 및 냉각계통, 및 이를 구비하는 원전
KR101564553B1 (ko) * 2014-06-11 2015-11-03 한국원자력연구원 무인 원자로
KR101619075B1 (ko) * 2015-04-17 2016-05-11 한국원자력연구원 포화증기압을 이용한 분사식 냉각계통을 포함하는 원자로

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015078847A (ja) * 2013-10-15 2015-04-23 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 静的崩壊熱除去システム及び原子力発電プラント
KR101654096B1 (ko) * 2015-04-17 2016-09-07 한국원자력연구원 자가진단 사고대처 무인 원자로
JP2017032594A (ja) * 2016-11-01 2017-02-09 元浩 岡田 緊急炉心冷却装置を備えた原子力発電所装置。
GB2568692B (en) * 2017-11-23 2020-01-22 Rolls Royce Plc Nuclear power plants

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101502395B1 (ko) * 2014-04-28 2015-03-13 한국원자력연구원 피동 격납부 살수 및 냉각계통, 및 이를 구비하는 원전
KR101564553B1 (ko) * 2014-06-11 2015-11-03 한국원자력연구원 무인 원자로
KR101619075B1 (ko) * 2015-04-17 2016-05-11 한국원자력연구원 포화증기압을 이용한 분사식 냉각계통을 포함하는 원자로

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