KR20220135505A - 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템 - Google Patents

원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것으로, 공기를 흡입하고, 흡입된 공기를 압축, 냉각하여 저장 탱크에 에너지를 저장하는 공기 액화 및 저장부; 상기 공기 액화 및 저장부를 통과하여 액화된 공기가 저장되는 액화공기 저장탱크; 상기 저장 탱크에서 에너지를 공급받아 상기 액화공기 저장탱크의 액화된 공기를 가열, 재기화, 팽창시켜 공기를 배출하는 액화공기 재기화 및 발전부; 원자력발전소의 증기 터빈 발전기에서 발생하는 열을 냉각시키는 증기 계통부; 상기 증기 계통부와 상기 재기화 및 발전부를 연결하는 폐열 활용부; 원자력발전소의 사용후핵연료가 저장되는 사용후핵연료 저장시설; 상기 사용후핵연료 저장시설과 상기 액화공기 저장탱크를 연결하는 안전 활용부;를 더 포함하며, 상기 증기 계통부에서 발생한 폐열은 상기 폐열 활용부를 통해 상기 재기화 및 발전부로 공급되어, 액화 공기를 가열시키며, 상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시, 상기 안전 활용부를 통해 상기 액화공기 저장탱크에 저장된 액화된 공기를 상기 사용후핵연료 저장시설로 공급하여 원자로사고 발생시의 사용후핵연료의 붕괴열을 제거하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템 {Liquid air energy storage system linked to Spent nuclear fuel storage facility of nuclear power plant}
본 발명은 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 발전소의 폐열을 활용하여 액화공기 에너지 저장장치의 효율을 개선시키고, 에너지 저장장치를 통해 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시 사용후핵연료의 손상 및 방사능 누출을 최소화할 수 있는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것이다.
최근에는 에너지 저장시스템(ESS, Energy Storage System)에 관한 연구가 집중되고 있으며, 대용량 에너지 저장 분야에서는 기존 양수발전(PSH, pumped storage hydroelectricity)의 단점을 극복하기 위해 배터리, 플라이휠, 공기저장, 열저장 방식 등 다양한 방식의 에너지 저장기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
액화공기 에너지 저장장치(LAES, Liquid Air Energy Storage)는 에너지 저장 시스템 중 하나로, 공기를 극저온으로 냉각 및 압축시켜 에너지 밀도가 높은 액체 상태로 액화시켜 에너지를 저장하고, 발전 시 저장된 액화공기를 가압, 재기화 그리고 터빈에서 팽창시켜 전기 에너지로 변환하는 기술이다.
그러나 액화공기 에너지 저장장치(LAES)는 액화 및 재기화 공정에서 소모되는 많은 엑서지(Exergy) 손실로 인해 열에너지 저장을 하지 않는 단독 공정에서의 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.
따라서 액화공기 에너지 저장장치(LAES)를 사용하기 위해서는, 액화 공정에서 발생하는 압축열을 저장하는 열매체유 순환 및 저장 공정이 결합되거나, 타 설비의 폐열을 활용하는 것이 필수적으로 요구되고 있다.
한편, 원자력 발전소는 큰 설비용량을 가지며 임계압력 및 온도 이하로 운전되므로(150기압 및 300°C 가량, 초초임계압 석탄발전소는 240기압 및 593°C 이상으로 운전) 이로 인해 낮은 발전 효율과 대량의 온배수가 발생할 수 있어 액화공기 에너지 저장장치(LAES) 설치 시 낮은 효율을 보완할 수 있는 환경을 가지고 있다.
초기 원자력 발전소들은 공학적으로 상식적인 범주에서 예상되는 사고인 설계기준사고(DBA, Design Basis Accident)를 가정하고 이러한 사고 조건 하에서 동작이 가능한 안전설비들만을 고려하여 설계하였다. 그러나, 운전원의 판단착오로 발생한 1979년 스리마일섬 원자력사고(TMI, Three Mile Island Accident), 안전기준을 무시한 상부의 잘못된 지시로 인한 1986년 체르노빌 원자력 발전소 사고, 지진과 고려되지 않았던 천재지변인 쓰나미가 복합적으로 작용하여 발생한 후쿠시마 원자력사고(Fukushima dai-ichi Nuclear Accident) 등이 발생함에 따라 이후 원자력 발전소들은 이러한 사고 사례들을 설계기준초과사고(beyond design basis accident) 및 다중고장사고(Multiple Failure Accidents) 등으로 부르며 기존 설계기준사고(DBA)와 다른 개념으로 반영하게 되었다.
즉, 기존 설계기준사고(DBA)가 전용의 안전설비를 이용하여 발전소 수명중에 발생하는 하나의 사건(event)으로 설계에 고려하는 개념으로 접근하고 있으나 상기에 언급한 설계기준사고 및 다중고장사고는 규모가 크고 예측이 어렵기 때문에 전용의 안전설비 및 비안전 설비까지 고려하여 비상운전절차서(EOP, Emergency Operation Procedure) 및 사고관리절차서(AMP, Accident Management Plan)과 같은 대응 절차를 마련하여 사고 발생 시에도 장기적 오염을 유발하지 않도록 방사능 방출을 완화하는 개념으로 접근하고 있다.
세계적인 원자력 발전소의 안전성 강화 추세에 따라 국내에서도 원자력안전위원회고시 제2017-34호 사고관리 범위 및 사고관리능력 평가의 세부기준에 관한 규정이 공표되면서 사고시 대응 절차인 사고관리계획서의 인허가 기관 제출이 법제화되고 사고관리계획서에 고려해야 하는 사고들이 구체적으로 규정되었다.
이러한 사고들 중 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실사고(LOSFPC, Loss of Spent Fuel Pool Cooling)는 사고로 인해 사용후핵연료 냉각기능을 담당하는 기기들이 동작하지 못해 사용후핵연료의 붕괴열제거가 불가능해짐에 따라 냉각수가 비등하여 사용후핵연료가 대기 중에 노출 및 손상되는 사고이다.
원자력 발전소는 주기적으로 핵연료를 교체하여야 하며 교체된 사용후핵연료는 붕괴열(decay heat)이라 부르는 일정한 열에너지가 지속적으로 발생한다. 따라서, 사용후핵연료는 장시간(최소 몇 년 이상)동안 발전소 내에 위치한 사용후핵연료 저장조(spent nuclear fuel storage)에 머무르게 되므로 사용후핵연료 냉각기능을 담당하는 기기들은 원자력발전소의 안전에 필수적이다.
이와 같은 사고 발생시에는 사용후핵연료저장조의 붕괴열을 제거(decay heat removal)하는 것이 중요하며, 기존 안전설비 외에도 이동형 설비, 안전설비는 아니나 내진성능을 갖춘 기기 등 다양한 설비를 활용하여 사고 시 대응 절차를 개발하는 것이 중요해지고 있으며 기화과정을 통해 에너지 흡수가 가능한 액화공기는 사용후핵연료의 붕괴열을 제거하는데 적합한 수단이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 발전소의 폐열을 활용하여 액화공기 에너지 저장장치의 효율을 개선시키고, 에너지 저장장치를 통해 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시 사용후핵연료의 손상 및 방사능 누출을 최소화할 수 있는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은, 공기의 압축, 재기화, 팽창과정을 통해 에너지를 저장하는 에너지 저장장치 시스템으로, 공기를 흡입하고, 흡입된 공기를 압축, 냉각하여 저장 탱크에 에너지를 저장하는 공기 액화 및 저장부; 상기 공기 액화 및 저장부를 통과하여 액화된 공기가 저장되는 액화공기 저장탱크; 상기 저장 탱크에서 에너지를 공급받아 상기 액화공기 저장탱크의 액화된 공기를 가열, 재기화, 팽창시켜 공기를 배출하는 액화공기 재기화 및 발전부; 원자력발전소의 증기 터빈 발전기에서 발생하는 열을 냉각시키는 증기 계통부; 상기 증기 계통부와 상기 재기화 및 발전부를 연결하는 폐열 활용부; 원자력발전소의 사용후핵연료가 저장되는 사용후핵연료 저장시설; 상기 사용후핵연료 저장시설과 상기 액화공기 저장탱크를 연결하는 안전 활용부;를 더 포함하며, 상기 증기 계통부에서 발생한 폐열은 상기 폐열 활용부를 통해 상기 재기화 및 발전부로 공급되어, 액화 공기를 가열시키며, 상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시, 상기 안전 활용부를 통해 상기 액화공기 저장탱크에 저장된 액화된 공기를 상기 사용후핵연료 저장시설로 공급하여 원자로사고 발생시의 사용후핵연료의 붕괴열을 제거하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 상기 공기 액화 및 저장부에서 공기를 압축, 냉각할 때 발생하는 열에너지를 저장할 수 있는 저장 탱크는 고온 저장탱크와 저온 저장탱크를 포함하며, 상기 공기 액화 및 저장부에는 복수 개의 압축기와 복수 개의 냉각기가 구비되고, 상기 액화공기 재기화 및 발전부에는 복수 개의 가열기와 복수 개의 터빈이 구비될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 상기 액화공기 재기화 및 발전부에는, 상기 증기 계통부에서 발생한 폐열과 초저온의 공기를 열교환하는 폐열재생 열교환기가 구비될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 상기 폐열재생 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 상기 사용후핵연료 저장시설에는, 상기 사용후핵연료가 저장되는 사용후핵연료 저장조와 상기 안전 활용부를 통해 공급받은 액화 공기를 재기화 시킬 수 있는 냉각열교환기가 상기 사용후핵연료 저장조에 구비되며, 상기 냉각열교환기를 통해 액화공기를 재기화시킴에 따라 발생하는 흡열 반응을 통해 상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시의 사용후핵연료의 붕괴열을 제거할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 상기 액화공기 저장탱크와 상기 액화공기 재기화 및 발전부 사이에는 액화공기가 이동하는 통로를 열고 닫을 수 있는 격리밸브가 구비되며, 상기 액화공기 저장탱크와 상기 사용후핵연료 저장시설 사이에는 액화공기가 이동하는 통로를 열고 닫을 수 있는 비상밸브가 구비될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 상기 액화공기 재기화 및 발전부에서 액화공기를 가열, 재기화, 팽창시킬 때 상기 격리밸브는 열려있고, 상기 비상밸브는 닫혀 있으며, 상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시에는 상기 격리밸브는 닫히고, 상기 비상밸브는 열릴 수 있다.
본 발명은 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것으로, 원자력 발전소의 폐열을 활용하여 액화공기 에너지 저장장치의 효율을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
이와 함께 본 발명은 액화공기 에너지 저장장치가 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시 안전관련 기능을 수행함에 따라 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시 사용후핵연료의 손상 및 방사능 누출을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템의 내부 구성을 상세하게 도시한 도면이다.
본 명세서는 본 발명의 권리범위를 명확히 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록, 본 발명의 원리를 설명하고, 실시 예들을 개시한다. 개시된 실시 예들은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어, 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것으로, 원자력 발전소의 폐열을 활용하여 액화공기 에너지 저장장치의 효율을 개선시키고, 에너지 저장장치를 통해 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시 사용후핵연료의 손상 및 방사능 누출을 최소화할 수 있는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 공기의 압축, 재기화, 팽창과정을 통해 에너지를 저장하는 액화공기 에너지 저장장치에, 원자력 발전소의 폐열을 활용할 수 있는 열교환기를 추가하여 에너지 발전효율을 개선할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 비상밸브와 비상유로를 구비하고 원자력 발전소의 사용후핵연료 저장시설에 열교환기를 추가하여, 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시 액화공기의 재기화를 통한 흡열반응을 통해 사용후핵연료저장조의 붕괴열 제거(decay heat removal) 기능을 수행함에 따라 에너지 저장장치를 사용후핵연료 저장시설의 안전설비로 사용할 수 있는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 공기 액화 및 저장부(110), 액화공기 저장탱크(120), 액화공기 재기화 및 발전부(130), 원자력 발전소의 2차 계통부(220), 폐열 활용부(150), 사용후핵연료 저장시설(210), 안전 활용부(160)를 포함한다.
상기 공기 액화 및 저장부(110)는 공기를 흡입하고, 흡입된 공기를 압축, 냉각하여 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장하고, 압축과정동안 발생하는 열 에너지를 저장탱크(140)에 저장하는 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 공기 액화 및 저장부(110)의 공기흡입유로(AIR-IN)로 흡입된 공기는 공기 필터(113)를 거쳐 압축기(111) 및 냉각기(112)를 통해 압축 및 냉각된다.
상기 공기 액화 및 저장부(110)에는 복수 개의 상기 압축기(111)와 상기 냉각기(112)가 구비될 수 있으며, 상기 공기 액화 및 저장부(110)에는 초저온 냉각기(114)가 구비될 수 있다.
상기 압축기(111) 및 상기 냉각기(112)를 통해 압축되고 냉각된 공기는 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)를 이용한 교축밸브(115)를 통해 액화되어 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장된다.
상기 공기 액화 및 저장부(110)에서 공기를 압축, 냉각할 때 발생하는 열에너지는 상기 저장탱크(140)에 저장될 수 있다. 상기 저장탱크(140)는 고온 저장탱크(141)와 저온 저장탱크(142)를 포함하며, 상기 저장탱크(140)는 열매체유를 통해 열에너지를 저장할 수 있다.
구체적으로, 상기 공기 액화 및 저장부(110)에서 공기를 압축, 냉각할 때 발생하는 열에너지는 상기 저장탱크(140)의 열매체유에 전달되면서 저장되며, 상기 열매체유에 저장된 열에너지는 이후 액화된 공기를 가열 및 기화시킬 때 사용된다.
상기 액화공기 저장탱크(120)는 상기 공기 액화 및 저장부(110)를 통과하여 액화된 공기가 저장되는 탱크이다.
도 1을 참조하면, 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)는 상기 저장탱크(140)에서 에너지를 공급받아 상기 액화공기 저장탱크(120)의 액화된 공기를 가열, 재기화, 팽창시켜 공기를 배출하는 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장된 액화공기는 액화공기펌프(134)를 통해 가압된 이후 초저온 가열기(135)를 통해 기화될 수 있다. 이후 가열기(131)와 터빈(132)을 통해 에너지 발전 후 공기배출유로(AIR-OUT)로 배출될 수 있다.
상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)에는 복수 개의 상기 가열기(131)와 상기 터빈(132)이 구비될 수 있으며, 상기 가열기(131)는 상기 저장탱크(140)로부터 열에너지를 공급받아 액화된 공기를 기화시킬 수 있게 된다. 액화된 공기가 기화되면서 상기 터빈(132)을 회전시켜 전력을 생산하게 된다.
원자력 발전소의 상기 증기 계통부(220)는 원자력 발전소의 증기 터빈 발전기(221)에서 발생하는 열을 냉각시키는 것이다. 원자력 발전소는 폐회로(closed loop)인 원자로냉각재계통(RCS)을 통해 핵연료에 의해 가열되는 고온, 고압의 냉각수(150기압 및 300°C 가량)를 증기 발생기(Steam Generator)로 순환시켜 포화증기를 만들고, 상기 증기 터빈 발전기(221)를 회전시켜 전력을 생산하게 된다.
상기 증기 터빈 발전기(221)를 회전시킨 포화증기는 상기 증기 계통부(220)의 복수기(222)를 통해 응축되고 해수를 이용하여 냉각된다. 냉각된 물은 상기 증기 발생기로 다시 공급된다.
원자력 발전소는 큰 설비용량을 가지며 임계압력 및 온도 이하로 운전되므로(150기압 및 300°C 가량, 초초임계압 석탄발전소는 240기압 및 593°C 이상으로 운전), 이로 인해 낮은 발전효율과 대량의 온배수가 발생할 수 있다. 상기의 온배수를 배출하는 경우 해양환경에 열오염이 발생할 수 있다.
최근 원자력발전소는 상기의 온배수 배출에 따른 해양환경 영향을 최소화하기 위해 발전소 연안이 아닌 수백미터 이상 떨어진 해역에 온배수를 희석 및 배출하는 방식을 채택하고 있으나 온배수에 의한 해양환경 영향을 완전히 없애기는 어려운 실정이다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 상기 폐열 활용부(150)를 통해 상기 온배수의 폐열을 활용할 수 있는 것이다.
상기 폐열 활용부(150)는 상기 증기 계통부(220)와 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)를 연결하는 것이다. 상기 폐열 활용부(150)는 상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열을 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)로 이동시키는 것이다.
상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열은 상기 복수기(222)에서 배출되는 데워진 해수일 수 있으며, 상기 해수가 상기 폐열 활용부(150)를 통해 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)로 이동될 수 있다.
다만, 상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열은 전력생산 후 터빈을 거쳐 상기 복수기(222)에서 응축되어 데워진 2차 냉각수, 전력생산 후 복수기로 가는 터빈 증기 등 다양한 폐열원일 수 있다.
상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열은 상기 폐열 활용부(150)를 통해 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)로 공급되어 액화공기를 가열시키게 된다. 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)에는 상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열과 액화된 공기를 열교환하는 폐열재생 열교환기(133)가 구비될 수 있으며, 상기 폐열재생 열교환기(133)를 통해 상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열을 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)로 공급할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 고온 저장탱크(141)에서 공급되는 열 에너지로 공기를 팽창시키기 전에, 상기 폐열재생 열교환기(133)를 통해 상기 증기 계통부(220)에서 발생한 폐열을 공급받아 공기를 가열할 수 있게 된다. 이를 통해 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)의 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 2에서는 상기 폐열재생 열교환기(133)가 하나만 도시되어 있으나, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 폐열재생 열교환기(133)는 복수 개가 구비될 수도 있다.
도 2에 도시되어 있는 상기 증기 계통부(220)는 원자력 발전소를 구성하는 계통 중 1차측기기냉각해수계통(Essential Service Water System)과 1차측기기냉각수계통(Primary Component Cooling Water System)의 일부분과 증기터빈발전기(221), 복수기(222)를 나타낸 것이다.
도 2의 원자력 발전소(20)는 형태에 따라 기기 냉각수 펌프(23), 필수냉각 해수펌프(21), 기기 냉각수 열교환기(22)의 대수 및 배치방법, 유로의 배치(CCW-COOL, SEA-IN, SEA-OUT) 등이 변형될 수도 있다. 상기의 구성은 이미 공지된 기술인 바 상세한 설명은 생략한다.
상기 사용후핵연료 저장시설(210)은 원자력 발전소의 사용후핵연료가 저장되는 것이다. 도 2에 도시되어 있는 상기 사용후핵연료 저장시설(210)은 핵연료 저장 및 취급시설(Fuel Storage and Handling System)의 일부분을 나타낸 것이다.
상기 사용후핵연료 저장시설(210)은 사용후핵연료(212)와 상기 사용후핵연료(212)가 저장되는 사용후핵연료 저장조(211)를 포함한다. 도 2의 원자력 발전소(20)는 형태에 따라 상기 사용후핵연료 저장조(211), 사용후핵연료 저장조 냉각펌프(25), 사용후핵연료저장조 냉각열교환기(24)의 대수 및 배치방법, 유로의 배치(SFP-COOL) 등이 변형될 수도 있다.
여기서, 상기 사용후핵연료 저장시설(210)은 화학제어 계통부(230)를 통해 붕산수를 공급받을 수 있다. 상기 화학제어 계통부(230)는 붕산 저장탱크(231)와 붕산 보충펌프(232)를 포함할 수 있다.
상기 사용후핵연료 저장조(211)의 붕산수 수위는 사용후핵연료(212)의 방사선 차폐를 위해 일정한 값을 유지되며, 상기 사용후핵연료 저장조 냉각펌프(25)와 상기 사용후핵연료 저장조 냉각열교환기(24)를 통해 사용후핵연료의 붕괴열(decay heat)을 제거하게 된다. 상기의 구성은 이미 공지된 기술인 바 상세한 설명은 생략한다.
사용후핵연료 저장시설 냉각기능 상실 사고(LOSFPC, Loss of Spent Fuel Pool Cooling)는 사용후핵연료 냉각기능을 담당하는 기기들이 동작하지 못해 사용후핵연료의 붕괴열제거가 불가능해짐에 따라 냉각수가 비등하여 사용후핵연료가 대기 중에 노출 및 손상되는 사고로, 종래에는 별도의 이동형 펌프를 이용하여 비상보충수를 공급함으로써 사고에 대처한다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 상기 안전 활용부(160)를 통해 사용후핵연료 저장시설 냉각기능 상실 사고시 붕괴열을 제거할 수 있게 된다.
상기 안전 활용부(160)는 상기 사용후핵연료 저장시설(210)과 상기 액화공기 저장탱크(120)를 연결하는 것이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시, 상기 안전 활용부(160)를 통해 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장된 액화된 공기를 상기 사용후핵연료 저장시설(210)로 공급하여 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시의 붕괴열을 제거할 수 있게 된다.
상기 사용후핵연료 저장시설(210)은 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시, 상기 안전 활용부(160)를 통해 액화공기를 공급받을 수 있으며, 상기 사용후핵연료 저장시설(210)에는 상기 안전 활용부(160)를 통해 공급받은 액화공기를 재기화 시킬 수 있는 냉각열교환기(213)가 구비될 수 있다.
상기 냉각열교환기(213)는 상기 사용후핵연료 저장조(211) 내부에 구비될 수 있으며, 상기 냉각열교환기(213)는 액화공기를 재기화시킴에 따라 발생하는 흡열 반응을 통해 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시의 붕괴열을 제거할 수 있게 된다.
상기 안전 활용부(160)는 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시에 사용될 수 있는 것으로, 원자로 정상 운전시에는 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장된 액화공기는 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)로 공급된다.
이를 위해 상기 액화공기 저장탱크(120)와 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130) 사이에는 액화공기가 이동하는 통로를 열고 닫을 수 있는 격리밸브(121)가 구비되며, 상기 액화공기 저장탱크(120)와 상기 사용후핵연료 저장시설(210) 사이에는 액화공기가 이동하는 통로를 열고 닫을 수 있는 비상밸브(122)가 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)에서 액화공기를 가열, 재기화, 팽창시킬 때 상기 격리밸브(121)는 열려있고, 상기 비상밸브(122)는 닫혀 있게 된다. 원자로 정상 운전시에는 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)에서 액화공기를 가열, 재기화, 팽창시키게 되다가, 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시에는 상기 격리밸브(121)는 닫히고, 상기 비상밸브(122)가 열리게 된다.
이를 통해 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장된 액화공기가 상기 사용후핵연료 저장시설(210)로 이동하게 된다. 조금 더 구체적으로, 상기 비상밸브(122)는 비상유로(123)에 구비되면서 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시에 열리게 된다.
상기 비상밸브(122)가 열리면서 상기 비상유로(123)를 통해 액화공기가 상기 사용후핵연료 저장시설(210)의 상기 냉각열교환기(213)로 공급되고, 상기 냉각열교환기(213)에서 액화공기와 붕괴열이 열교환되면서 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시의 붕괴열을 제거할 수 있게 된다.
여기서, 상기 액화공기 저장탱크(120)에 저장되는 액화공기의 저장용량은, 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시 붕괴열을 제거하는데 필요한 최소 액화 공기의 양 보다 많을 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 액화공기 저장탱크(120), 상기 격리밸브(121), 상기 비상밸브(122)는 내진 설계된 건물(10)에 배치될 수 있으며, 상기 냉각열교환기(213)는 원자력 안전설계기준에 따라 설계되며, 내진 설계된 원자력 발전소 건물 안에 위치할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은, 상기 폐열 활용부(150)를 통해 원자력 발전소의 폐열을 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)로 공급함에 따라 액화공기 에너지 저장장치의 발전 효율을 개선할 수 있다.
동시에, 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시에 상기 안전 활용부(160)를 통해 상기 사용후핵연료 저장시설(210)에 액화공기를 공급하여 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시의 붕괴열을 제거함에 따라, 액화공기 에너지 저장장치를 통해 원자력 발전소의 안전 관련 기능도 수행할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 전력 수요가 적은 경부하(off-peak) 시간대에서는 상기 공기 액화 및 저장부(110)를 통해 에너지를 저장하고, 전력수요가 많은 최대부하(on-peak) 시간대에서는 상기 액화공기 재기화 및 발전부(130)를 통해 발전을 수행할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 원자력 발전소의 대량의 폐열을 활용하여 액화공기 에너지 저장장치의 효율을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
이와 함께 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고 발생시 액화공기 에너지 저장장치가 안전관련 기능을 수행함에 따라 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시 사용후핵연료의 손상 및 방사능 누출을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
원자력 발전소는 임계압력 및 온도 이하로 운전되며(150기압 및 300°C 가량), 이로 인해 낮은 발전효율과 큰 설비용량으로 대량의 온배수가 발생할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 원자력 발전소의 온배수를 전기 에너지로 변환하는 효과와 함께 원자력 발전소에서 배출되는 온배수의 온도를 낮춤으로써 해양환경에 미치는 열오염을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템은 사용후핵연료 저장시설의 안전설비로서 동작이 가능하기 때문에, 사용후핵연료 저장시설의 추가적인 안전설비 설치를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10...내진 설계된 건물 20...원자력 발전소
21...필수냉각 해수펌프 22...기기 냉각수 열교환기
23...기기 냉각수 펌프 24...사용후핵연료 저장조 냉각열교환기
25...사용후핵연료 저장조 냉각 펌프
110...공기 액화 및 저장부 111...압축기
112...냉각기 113...공기 필터
114...초저온 냉각기 115...교축밸브
120...액화공기 저장탱크 121...격리 밸브
122...비상밸브 123...비상유로
130...액화공기 재기화 및 발전부 131...가열기
132...터빈 133...폐열재생 열교환기
134...액화공기 펌프 135...초저온 가열기
140...저장탱크 141...고온 저장탱크
142...저온 저장탱크 150...폐열 활용부
160...안전 활용부 210...사용후핵연료 저장시설
211...사용후핵연료 저장조 212...사용후핵연료
213...냉각열교환기 220...증기 계통부
221...증기 터빈 발전기 222...복수기
230...화학제어 계통부 231...붕산 저장탱크
232...붕산 보충펌프

Claims (7)

  1. 공기의 압축, 재기화, 팽창과정을 통해 에너지를 저장하는 에너지 저장장치 시스템에 있어서,
    공기를 흡입하고, 흡입된 공기를 압축, 냉각하여 저장 탱크에 에너지를 저장하는 공기 액화 및 저장부;
    상기 공기 액화 및 저장부를 통과하여 액화된 공기가 저장되는 액화공기 저장탱크;
    상기 저장 탱크에서 에너지를 공급받아 상기 액화공기 저장탱크의 액화된 공기를 가열, 재기화, 팽창시켜 공기를 배출하는 액화공기 재기화 및 발전부;
    원자력발전소의 증기 터빈 발전기에서 발생하는 열을 냉각시키는 증기 계통부;
    상기 증기 계통부와 상기 재기화 및 발전부를 연결하는 폐열 활용부;
    원자력발전소의 사용후핵연료가 저장되는 사용후핵연료 저장시설;
    상기 사용후핵연료 저장시설과 상기 액화공기 저장탱크를 연결하는 안전 활용부;를 더 포함하며,
    상기 증기 계통부에서 발생한 폐열은 상기 폐열 활용부를 통해 상기 재기화 및 발전부로 공급되어, 액화 공기를 가열시키며,
    상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시, 상기 안전 활용부를 통해 상기 액화공기 저장탱크에 저장된 액화된 공기를 상기 사용후핵연료 저장시설로 공급하여 원자로사고 발생시의 사용후핵연료의 붕괴열을 제거하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 액화 및 저장부에서 공기를 압축, 냉각할 때 발생하는 열에너지를 저장할 수 있는 저장 탱크는 고온 저장탱크와 저온 저장탱크를 포함하며,
    상기 공기 액화 및 저장부에는 복수 개의 압축기와 복수 개의 냉각기가 구비되고,
    상기 액화공기 재기화 및 발전부에는 복수 개의 가열기와 복수 개의 터빈이 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액화공기 재기화 및 발전부에는, 상기 증기 계통부에서 발생한 폐열과 액화된 공기를 열교환하는 폐열재생 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐열재생 열교환기는 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사용후핵연료 저장시설에는, 상기 사용후핵연료가 저장되는 사용후핵연료 저장조와
    상기 사용후핵연료 저장조에 구비되며, 상기 안전 활용부를 통해 공급받은 액화 공기를 재기화 시킬 수 있는 냉각열교환기가 구비되며,
    상기 냉각열교환기를 통해 액화공기를 재기화시킴에 따라 발생하는 흡열 반응을 통해 상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시의 붕괴열을 제거하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 액화공기 저장탱크와 상기 액화공기 재기화 및 발전부 사이에는 액화공기가 이동하는 통로를 열고 닫을 수 있는 격리밸브가 구비되며,
    상기 액화공기 저장탱크와 상기 사용후핵연료 저장시설 사이에는 액화공기가 이동하는 통로를 열고 닫을 수 있는 비상밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액화공기 재기화 및 발전부에서 액화공기를 가열, 재기화, 팽창시킬 때 상기 격리밸브는 열려있고, 상기 비상밸브는 닫혀 있으며,
    상기 사용후핵연료 저장시설의 냉각기능 상실 사고시에는 상기 격리밸브는 닫히고, 상기 비상밸브는 열리는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 사용후핵연료 저장시설과 연계된 에너지 저장장치 시스템.
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