KR20230051284A - 원자로용 패시브 열 제거 시스템 - Google Patents

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KR20230051284A
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파벨 헤즐라
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테라파워, 엘엘씨
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Abstract

원자로가 유용한 목적을 위해 원자로 코어로부터 열 에너지를 전달하기 위한 중간 냉각제 루프를 구비하도록 구성된다. 중간 냉각제 루프는 시동 및/또는 정지 중에 원자로 열을 덤핑하기 위한 공기 열 교환기를 갖는 바이패스 유로를 포함한다. 바이패스 유로를 따라 있는 유체 다이오드가 바이패스 유로를 가로지르는 흐름을 비대칭적으로 제한하여, 최대 전력 작동 조건 동안 제1 흐름 방향으로의 흐름을 억제하고 저전력 작동 조건인 시동 및/또는 정지 중에 제2 방향으로 상대적으로 억제되지 않은 흐름을 허용한다.

Description

원자로용 패시브 열 제거 시스템
본 출원은 "PASSIVE HEAT REMOVAL SYSTEM FOR NUCLEAR REACTORS"라는 명칭으로 2021년 1월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제17/159,734호 및 "CARTRIDGE CORE BARREL FOR NUCLEAR REACTOR"라는 명칭으로 2020년 8월 17일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/066,785호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용을 본 명세서에 참조로 인용한다.
대부분의 원자로는 코어를 구비하고, 이 코어 내에는 원자로의 출력을 제어하기 위해 임계 반응성(critical reactivity)을 지원하도록 연료 요소와 제어 요소가 상이한 상호 관계의 배치로 지지되어 있다. 통상, 냉각제는 연료 요소와 제어 요소 사이의 통로를 통과하도록 강제되어, 연료 요소를 핵분열시킴으로써 생성된 열을 열 교환기로 전달하여, 유용한 목적을 위해 사용될 수 있도록 하고 있다.
예컨대, 반응성을 감소시키기 위해 원자로 코어 내에 제어 요소를 삽입하는 등에 의해 원자로가 정지되는 경우, 핵분열 생성물은 방사성 붕괴를 겪음에 따라 열을 계속 생성한다. 일부 경우에, 붕괴 열 전력 수준은, 초기에 정지 전 코어 출력 전력의 약 6% 내지 7%이며, 이는 원자로 정지 시 반드시 처리해야 하는 상당한 양의 열이 발생할 수 있다.
잔류 열 제거 시스템은 정지된 원자로로부터 붕괴 열을 처리하도록 구성되는 표준 안전 시스템이며, 순환 펌프, 패시브 열 제거 시스템 및 기타 유형의 열 제거 시스템을 구동하기 위한 비상 발전기를 포함할 수 있다. 적절히 기능하는 붕괴 열 제거 시스템이 없는 경우, 잔류 열은 원자로 시스템 내의 파국적 고장(catastrophic failures)을 야기할 수 있다.
일부 원자로는 잔류 열을 처리하기 위해 직접적 원자로 보조 냉각 시스템(DRACS) 또는 원자로 용기 보조 냉각 시스템(RVACS)을 활용하며, 그러한 시스템은 주로 원자로의 정지 후 붕괴 열 덤핑(dumping)을 위해 의존하는 안전 시스템이다.
패시브 시스템(passive system)에서 붕괴 열을 제거하는 것에 도움을 줄 뿐만 아니라, 시동 과정에서 원자로부터 열을 제거하는 기능을 하는, 패시브 열 제거 시스템을 사용하는 것은 당업계의 개선이 될 수 있다. 또한, 그러한 시스템이 안전 시스템으로 분류되어 안전 등급 표준에 따라 설계 및 설치되야 하는 요구 사항을 가질 것이 아니라, 그러한 안전 시스템에 추가하여 상업적 제1 방어선이었다면 더욱 유리했을 것이다.
일부 실시예에 따르면, 패시브 열 제거 시스템은, 중간 유체 루프 내에 설치된 열 교환기의 고온 라인(hot leg)과 저온 라인(cold leg) 간의 강제 순환 및 자연 순환 모두를 허용함으로써, 원자로의 시동 중 및 정지 중 모두에 붕괴 열 제거를 허용하도록 기능한다. 중력에 의존하여 고밀도 저온 유체는 하강하고 저밀도 가열 유체는 상승하게 하여, 열 교환기를 통과하는 중간 냉각제 루프를 통해 자연 순환을 일으킴으로써, 유체의 자연 순환이 촉진된다. 일부 경우에, 차별적인 흐름 조절기는 제1 흐름 방향으로 높은 압력 강하를 일으키고, 제2 흐름 방향으로 낮은 압력 강하를 일으킨다.
일부 실시예에 따르면, 나트륨 냉각 원자로는, 원자로 용기; 원자로 용기 내의 원자로 코어; 원자로 용기 내의 1차 열 교환기; 1차 열 교환기를 통과해 중간 냉각제를 순환시키도록 구성되는 중간 냉각제 루프로서, 중간 냉각제가 통과해 유동하는 고온 라인 및 저온 라인을 갖는 중간 냉각제 루프; 중간 냉각제 루프와 유체 연통하며 중간 냉각제 루프를 통해 중간 냉각제를 순환시키도록 구성되는 펌프; 중간 냉각제 루프의 고온 라인과 저온 라인 사이의 바이패스 유로를 따라 배치되는 공기 열 교환기; 및 바이패스 유로를 따른 유체 흐름을 비대칭적으로 제한하기 위해 바이패스 유로를 따라 중간에 배치된 유체 다이오드를 포함한다.
일부 경우에, 유체 다이오드는 원자로 용기의 외부에 배치된다. 유체 다이오드는 바이패스 유로를 가로질러 중간 냉각제를 순환시키는 펌프에 대한 흐름 저항을 제공할 수 있다. 즉, 펌프가 작동하는 경우, 유체 다이오드는 중간 냉각제가 바이패스 유로를 따라 저온 라인으로부터 고온 라인으로의 흐르는 것에 대한 저항을 제공한다.
유체 다이오드는, 펌프가 작동하고 있지 않은 경우, 바이패스 유로를 가로질러 상대적으로 제한되지 않은 유체 흐름을 허용할 수 있다. 다시 말해, 펌프가 작동하고 있지 않은 경우, 자연 순환이 중간 유체가 유체 다이오드를 통과해 흐름 저항이 거의 없이 고온 라인으로부터 저온 라인으로 흐르게 할 수 있다.
일부 경우에, 공기 열 교환기는 저전력 시동 작동 조건 중에 원자로 출력 열을 덤핑한다. 예를 들면, 공기 열 교환기는, 원자로 출력이 약 20% 전력 아래, 또는 15% 전력 아래, 10% 전력 아래, 또는 그 이하의 아래로 강하하는 경우와 같은, 저전력 정지 작동 조건 중에 원자로 출력 열을 덤핑할 수 있다.
일부 예에서, 중간 냉각제는 액체 나트륨인 반면, 다른 예에서, 중간 냉각제는 용융 염이다. 물론, 기타 중간 냉각제가 고려되며, 개시된 시스템 및 구성과 함께 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 바이패스 흐름 펌프가 중간 냉각제가 바이패스 유로를 따라 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 바이패스 흐름 펌프는 생략되며, 자연 순환이 중간 냉각제가 바이패스 유로를 따라 흐르게 한다.
일부 실시예에 따르면, 중간 냉각제 루프를 갖는 원자로 작동 방법은, 원자로의 원자로 코어에서 열을 생성하는 단계; 1차 냉각제가 1차 열 교환기를 통과해 원자로 내에 흐르게 하는 단계; 중간 냉각제가 중간 냉각제 루프를 통과하고 1차 열 교환기를 통과해 흐르게 하는 단계; 중간 냉각제가 바이패스 유로를 통과해 흐르게 하는 단계; 및 원자로 전력이 낮은 기간 동안 중간 냉각제 루프의 바이패스 유로를 따라 배치된 공기 열 교환기로부터 열을 덤핑하는 단계를 포함한다.
일부 예에서, 그 방법은 원자로가 목표 임계 전력 출력에 도달할 때까지 바이패스 유로를 따라 배치된 공기 열 교환기로부터 열을 계속 덤핑하는 단계를 포함한다. 다시 말해, 중간 냉각제의 일부는, 원자로가 목표 임계 전력 출력을 초과할 때, 바이패스 유로로부터 멀어지게 방향 전환될 수 있다.
일부 실시예에서, 중간 냉각제가 바이패스 흐름 경로를 통과해 흐르게 하는 단계는, 중간 냉각제가 바이패스 유로와 유체 연통하는 유체 다이오드를 통과해 흐르게 하는 것을 더 포함한다.
일부 경우에, 원자로 전력이 낮은 기간은 원자로 전력의 약 5% 미만, 또는 원자로 전력의 약 10% 미만, 또는 원자로 전력의 약 20% 미만이다. 일부 경우에, 중간 냉각제는 원자로의 시동 중에 공기 열 교환기를 통해 열을 덤핑하도록 된다. 일부 경우에, 중간 냉각제는 원자로의 정지 중에 공기 열 교환기를 통해 열을 덤핑하도록 된다.
일부 실시예에서, 중간 냉각제를 흐르게 하는 단계는 나트륨 또는 염이 중간 냉각 루프를 통과해 흐르게 하는 것을 포함한다. 원자로 구성 및 중간 루프 구성에 따라 기타 적절한 냉각제가 대안으로 사용될 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 정상 상태(steady state) 작동 조건에서의 원자로의 중간 냉각제 루프의 개략도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 자연 순환 작동 조건에서의 원자로의 중간 냉각제 루프의 개략도를 도시한다.
도 3은 일부 실시예에 따른, 정상 상태 작동 조건에서의 유체 다이오드를 포함하는 원자로의 중간 냉각제 루프의 개략도를 도시한다.
도 4는 일부 실시예에 따른, 자연 순환 작동 조건에서의 유체 다이오드를 포함하는 원자로의 중간 냉각제 루프의 개략도를 도시한다.
본 개시는, 일반적으로 정지 및/또는 시동 중에 원자로로부터 붕괴 열 제거를 위한 패시브 장치 및 구성에 관한 것으로, 자연 순환의 원리를 통해 작동할 수 있는 패시브 시스템을 포함한다.
도 1은 정상 상태 작동 조건에서 원자로 중간 냉각제 루프를 도시한다. 임의의 적절한 구조의 원자로(100)는, 통상 원자로 용기(104) 내의 코어를 포함할 수 있다. 코어는, 통상 핵분열 프로세스를 통해 열을 생성하는 연료를 수용할 수 있다. 임의의 적절한 냉각제일 수 있는 1차 냉각제는, 코어(102)를 통해 핵분열 연료로부터 열을 추출하도록 강제된다. 1차 냉각제가 코어를 통과한 후, 그 냉각제는 열 에너지를 중간 냉각제 루프(108)에서 흐르는 중간 냉각제로 전달하게 되는 1차 열 교환기로 보내진다.
도시한 실시예에서, 원자로 용기 내의 1차 냉각제는 임의의 적절한 냉각제일 수 있으며, 일부 예에서는 나트륨과 같은 액체 금속이다. 중간 냉각제 루프(108) 내의 중간 냉각제도 마찬가지로 임의의 적절한 냉각제일 수 있지만, 일부 경우에는 나트륨이다. 일부 예에서, 중간 냉각제 루프(108) 내의 중간 냉각제는 염이다.
수많은 경우에, 중간 냉각제 루프(108)는 고온 라인(110), 저온 라인(112) 및 펌프(114)를 포함하는 폐쇄 유체 루프이다. 정상 사용 중에, 펌프(114)는 중간 냉각제를 가압하여, 저온 라인(108) 내 냉각제가 1차 열 교환기 내로 흘러, 원자로(100) 내의 1차 냉각제로부터 열 에너지를 받아 들이게 한다. 중간 냉각제는 고온 라인(110)을 통해 1차 열 교환기(106)를 빠져 나와, 그 에너지가 유용한 목적으로 사용되는 다른 시스템으로 운반된다. 일부 실시예에서, 중간 냉각제 루프(108)에 의해 전달된 열 에너지는 열 에너지를 저장하거나, 증기를 생성하는 데에 사용되거나, 기타 목적으로 제공된다.
일부 실시예에서, 공기 열 교환기(116)는 바이패스 유로(118)를 따라 고온 라인(110)과 저온 라인(112) 사이에 마련된다. 일부 경우에, 공기 열 교환기(116)가 상승되고, 중력이 저온 라인(112)으로부터 바로 고온 라인(110)으로 흐르는 바이패스 흐름을 억제한다. 바이패스 흐름은 고온 라인(110) 내의 중간 냉각제의 온도를 감소시키는 경향이 있어, 그에 따라 바이패스 흐름 경로(118)의 하류에서 유용한 목적으로 이용 가능한 열 에너지를 감소시킨다.
원자로(100)의 정상 작동 중에, 펌프(114)는 중간 냉각제가 1차 열 교환기(106)를 통과해 흐르게 하도록 중간 냉각제 루프(108) 내의 유체를 가압한다. 중간 냉각제 루프가 가압되기 때문에, 중간 냉각제가 1차 열 교환기(106)를 통한 유로와 평행하게 바이패스 유체 경로(118)를 따라 흐를 수 있는 기회가 존재한다. 일부 경우에, 이는, 바이패스 유로가 저온 라인과 고온 라인의 혼합을 초래하고 그에 따라 고온 라인에서 중간 냉각제의 열 에너지를 감소시키기 때문에, 원하지 않는 상황이다. 공기 열 교환기(116)를 상승시키는 것은, 중력이 바이패스 유로(118)를 따라 흐름 저항을 부여하기 때문에, 바이패스 흐름의 일부를 완화시킬 수 있다.
도 2는 원자로 정지 구성에서의 원자로의 중간 냉각제 루프(108)를 도시한다. 도시한 바와 같이, 펌프(114)는 전력이 없을 수 있으며, 그에 따라 중간 냉각제를 순환시키도록 중간 냉각제 루프(108)를 가압하지 못할 수도 있다. 중간 냉각제는, 예컨대 화살표(202)로 나타낸 방향으로, 자연 순환을 통해 계속 흐를 수 있다. 원자로 정지의 경우에, 원자로 코어로부터의 붕괴 열이 처리될 필요가 있으며, 통상 잔류 열 제거 시스템에 의해 처리되며, 그 잔류 열 제거 시스템은 원자로 코어에서 잔류 열을 덤핑하도록 구성된 다수의 적절한 안전 시스템 중 어느 하나일 수 있다. 도시한 바와 같이, 펌프(114)가 전력 공급이 되지 않아 펌핑력을 제공하지 않는 경우, 중간 냉각제 루프(108)의 고온 라인(110) 및 저온 라인(112) 내의 유체는 정체될 수 있으며, 그에 따라 열 에너지를 의도한 바에 따라 원자로 코어로부터 멀리 운반하지 못할 수 있다. 공기 열 교환기(116)는, 심지어 펌핑 전력이 없는 경우에도, 중간 냉각제를 위한 유체 경로를 제공하는 자연 순환 흐름을 계속 허용하여, 고온 라인(110) 내의 유체가 공기 열 교환기(116)를 통과해 저온 라인(112)으로 흘러, 원자로 코어(102)로부터의 열 제거를 계속 제공하도록 순환하는 것을 허용한다. 물론, 1차 열 교환기(106)로부터 공기 열 교환기(116)로의 중간 냉각제 유체의 강제 순환을 제공하여 붕괴 열이 주변 공기로 덤핑되도록 하기 위해, 예컨대 바이패스 유로(118)를 따라 펌프가 제공될 수 있다. 도시한 실시예는 개략적으로 나타내었고, 수많은 경우에 공기 열 교환기(116)는 상승되며, 그에 따라 고밀도의 저온 유체가 하강하고 저밀도의 가열 유체는 상승하도록 중력에 의존하는 자연 순환을 제공하여, 중간 냉각제 루프를 통해 공기 열 교환기(116)를 통과하는 자연 순환을 일으킬 수 있다.
수많은 경우에, 심지어 전력의 부재 시에도, 바이패스 유로(118)는 자동적으로 액세스되며, 중간 냉각제가 공기 열 교환기(116)를 통과해 흐르게 하도록 하는 데에 유로에 대한 임의의 수정을 요구하지 않는다. 예를 들면, 고온 라인(110) 및 저온 라인(112)은, 바이패스 유로(118)가 유체 흐름에 대한 가장 작은 저항의 경로가 되기에 충분한 흐름 마찰을 제공할 수 있다. 이 경우에, 중간 냉각제는 1차 열 교환기(106)로부터 흘러, 원자로 코어(102)로부터 열을 인출하여, 고온 라인(110)을 따라 공기 열 교환기(116)로, 이어서 저온 라인(112)으로, 다시 1차 열 교환기(106)로 흐르며, 따라서 원자로 코어(102)로부터 열 에너지를 받아 들여, 그 열 에너지를 공기 열 교환기(116)에서 주변 공기로 덤핑한다.
일부 실시예에서, 붕괴 열의 덤핑을 더욱 촉진시키기 위해 바이패스 유로(118)를 따라 제공되는 펌프가 존재할 수 있다. 공기 열 교환기(116)는 상승되어, 저온 라인(112)으로부터 고온 라인(110)으로 중간 유체의 바이패스 흐름에 대한 저항을 제공할 수 있지만, 일부 실시예에서는, 바이패스 흐름의 가능성을 더욱 감소시키기 위해 바이패스 흐름에 대한 추가적인 저항이 도입될 수도 있다.
도 3은 차별적인 흐름 저항을 제공하기 위해 바이패스 유로(118)에 유체 다이오드(302)가 통합된 원자로의 중간 냉각제 루프(300)를 도시한다. 원자로(100)의 정상 최대 전력 작동 중에, 펌프(114)는 중간 냉각제 루프(108)를 통해 중간 유체를 순환시킬 수 있다. 유체 다이오드(302)는, 예컨대 저온 라인(112)과 공기 열 교환기(116) 사이의 바이패스 유로(118)에 제공될 수 있으며, 중간 냉각제가 저온 라인(112)으로부터 공기 열 교환기(116)로 들어가는 것을 억제하기 위해 증가된 흐름 저항을 제공하도록 구성된다.
유체 다이오드(302)는, 증가된 흐름 저항을 제공하고 따라서 일 방향으로의 유체 흐름을 제한하면서, 제2 방향으로의 유체 흐름에 대해 낮은 저항을 제공하는 장치이다. 체크 밸브가 그러한 구성에 사용될 수 있다. 통상, 체크 밸브는, 개방 위치와 폐쇄 위치 간에 이동 가능한 밀봉 부재 등의 이동 가능 구성요소를 가지며, 밀봉 부재는 제1 방향으로의 유체 흐름에 응답하여 폐쇄 위치로 압박되고, 제2 방향으로의 유체 흐름에 응답하여 개방 위치로 압박된다. 그러나, 체크 밸브는 복잡하고 신뢰할 수 없으며, 일부 경우에, 개방 또는 폐쇄 상태로 고장나거나 고착될 수 있다. 따라서, 유체 다이오드(302)는 복잡성 또는 고장의 가능성 없이 동일한 많은 이점을 제공할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 유체 다이오드는 가동 부품을 갖지 않으며, 오히려 내부 유체 경로의 형상 및/또는 유입구와 유출구의 크기로부터 차등 유체 마찰(differential fluid friction)이 얻어진다. 그 결과는, 제1 방향으로의 흐름에 대한 높은 저항 및 제2 방향으로의 흐름에 대한 낮은 저항을 제공하는 가동 부품이 없는 밸브이다. 일부 실시예에 따르면, 제1 방향으로의 유체 다이오드에 의해 야기되는 압력 강하는, 제2 방향으로의 유체 다이오드에 의해 야기되는 압력 강하보다 대략 1.5배 정도 크거나, 2배 크거나, 5배 크거나, 10배 또는 그 이상 크다. 일부 실시예에서, 유체 다이오드는 바이패스 유로(118)를 가로질러 저온 라인(112)으로부터 고온 라인(110)으로 흐르는 흐름에 저항한다. 유체 다이오드(302)는 공기 열 교환기(116)를 통과하여 고온 라인(110)으로부터 저온 라인(112)으로 흐르는 유체 흐름은 반대 방향으로의 유체 흐름보다 상당히 작은 저항으로 허용할 수 있다.
도 4는 차별적인 흐름 저항을 제공하도록 유체 다이오드(302)가 통합된 원자로의 중간 냉각제 루프(300)를 도시한다. 도시한 바와 같이, 중간 펌프(114)가 중간 냉각제 루프(300)를 가압하도록 펌핑을 행하고 있지 않은 경우, 중간 냉각제 유체는 자연 순환에 의해 화살표로 나타낸 방향으로 흐를 수 있다. 이러한 구성에서, 고온 라인(110)으로부터의 유체는, 자연적으로 공기 열 교환기(116)를 통과하고, 유체 다이오드(302)를 통과해 저온 라인(112)으로 흐를 수 있다.
열 에너지를 전력 사이클 또는 열 저장소 등의 그 의도된 목적지로 보내는 것보다는 오히려, 원자로의 생성된 열을 방출(venting)하는 것이 바람직한 상황이 존재한다. 예를 들면, 원자로 시동 중에, 공기 열 교환기(116)는 원자로가 임계 작동 전력에 도달할 때까지 생성된 열 에너지를 덤핑하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 원자로 시동 중에, 중간 냉각제는 원자로가 전력을 상승시키고 있을 때 공기 열 교환기(116)를 통과하여 흐를 수 있고, 일부 경우에, 공기 열 교환기는, 예컨대 원자로가 3% 전력, 또는 4% 전력, 또는 5% 전력, 또는 7% 전력, 또는 8% 전력, 또는 10% 전력 또는 그 이상에 도달할 때까지와 같은, 저전력 작동 중에 원자로의 생성된 열을 덤핑하는 데에 사용된다. 시동 후에 원자로가 전력을 점진적으로 증가시킴에 따라 원자로가 임계 전력 출력에 도달하고 나면, 열은 1차 열 전달 구조로 전달될 수 있으며, 공기 열 교환기(116)는 실질적으로 아이들 상태로 될 수 있다.
유사하게, 원자로 정지 중에, 공기 열 교환기(116)는 저전력 작동 조건동안 정지되고 있을 때 열 에너지를 덤핑하고 원자로를 냉각시키는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 원자로가 약 20% 전력 출력으로 감소될 때, 중간 냉각제 루프는 과잉의 열을 덤핑하기 위해 공기 열 교환기를 통해 중간 냉각제가 흐르게 하기 시작할 수 있다. 원자로가 전력 출력이 약 20% 아래로 계속 감소함에 따라, 원자로가 정지 중에 약 5%의 전력에 도달하면, 공기 열 교환기(116)가 붕괴 열의 100%를 취급하도록, 열 전달 책임(duty)이 공기 열 교환기(116)에 상응하게 넘겨질 수 있다. 공기 열 교환기(116)는 가동 부품 없이, 그리고 시스템, 밸브 또는 펌프를 활성화시키기 위해 요구되는 개입 없이, 패시브 모드로 정지 중에 원자로부터 붕괴 열 제거를 안전하게 처리할 수 있다.
일부 실시예에서, 공기 열 교환기(116)는 원자로 전력 출력에 응답하여 열 에너지를 받는다. 예를 들면, 시동시, 공기 열 교환기(116)는 초기에 원자로가, 예컨대 약 5% 전력 출력과 같은 임계 전력 출력에 도달할 때까지 원자로에 의해 생성된 열 에너지의 100%를 받아들인다. 이때, 공기 열 교환기(116)는, 원자로가 다른 임계 전력 출력에 도달하여 전체 열 에너지가 통상의 열 관리 시스템으로 넘겨질 때까지, 중간 냉각제 펌프(114)의 활성화 등을 통해, 통상의 열 관리 시스템에 열 에너지를 점차 보내기 시작한다. 수많은 경우에, 유체 다이오드(302)는 제1 흐름 방향과 제2 흐름 방향 간에 비대칭적으로 유체 흐름을 제약하며, 따라서 중간 냉각제 루프가 가압되고 원자로가 최대 전력 출력에서 작동하는 경우, 제1 방향으로의 흐름을 억제하고, 시동 및/또는 정지 등의 낮은 원자로 전력 출력 시나리오 중에 제2 방향으로 흐름을 허용한다. 일부 경우에, 제2 방향으로의 유체 흐름은, 제1 방향으로의 유체 흐름과 비교하여 실질적으로 제한되지 않는다.
일부 예에서, 중간 냉각제는 나트륨이고, 1차 열 교환기는 나트륨/나트륨 열 교환기이다. 일부 예에서, 중간 냉각제는 염이고, 1차 열 교환기는 나트륨/염 열 교환기이다. 물론, 그러한 구성은 나트륨을 1차 냉각제로서 활용하는 원자로에 의존하며, 기타 1차 냉각제들이 개시한 시스템 및 구성에 동일하게 적용 가능하다.
본 개시 내용은 예시적인 실시예를 제시하고, 이에 따라 본 개시 내용의 실시예 및 첨부된 청구범위의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것이 아니다. 특정 요소, 기능 및 그들의 관계의 구현을 예시하는 기능적 구성 블록의 도움으로 실시예들을 전술하였다. 이러한 기능적 구성 블록의 경계는 설명의 편의를 위해 본 명세서에서 임의로 정의되었다. 특정 기능 및 그 기능들의 관계가 적절히 수행되는 범위에서, 대안적인 경계가 정해질 수 있다.
특정 실시예에 대한 전술한 설명은, 다른 사람들이 당업자의 지식을 적용함으로써, 과도한 실험 없이, 본 개시 내용의 실시예의 일반적인 개념으로부터 벗어나지 않고, 이러한 특정 실시예들과 같은 다양한 용례에 맞춰 용이하게 변형 및/또는 조정할 수 있다는, 본 개시 내용의 실시예의 일반적인 특성을 충분히 드러낼 것이다. 따라서, 이러한 조정 및 변형은, 본 명세서에 제시된 교시 및 지침에 기초하여, 개시된 실시예의 균등물의 의미 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 명세서의 어법 또는 용어들은 제한이 아닌 설명을 목적으로 한 것이므로, 상세한 설명의 용어 또는 어법은 본 명세서에서 제시된 교시 및 지침에 비추어 당업자에 의해 해석되어야 한다.
본 개시 내용의 실시예들의 범위와 범주는 전술한 예시적인 실시예들 중의 어느 것에 의해서도 제한되어서는 안되며, 이하의 청구범위와 그 균등물에 따라서만 정의되어야 한다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 주어진 파라미터, 특성 또는 조건과 관련하여 "실질적으로"라는 용어는, 주어진 파리미터, 특성 또는 조건이 허용 가능한 공차 내에서와 같이 약간의 어긋남을 충족한다는 것을 당업자가 이해할 정도를 의미하고 포함할 수 있다. 예를 들면, 실질적으로 충족되는 특정 파라미터, 특성 또는 조건에 따라 그 파라미터, 특성 또는 조건은 적어도 대략 90% 충족되거나, 적어도 대략 95% 충족되거나, 심지어 적어도 약 99% 충족될 수 있다.
"할 수 있다", "할 수 있을 것이다", "할 수 있을 것 같다", 또는 "할 수도 있다" 등과 같은 조건부 언어는, 달리 구체적으로 언급되지 않거나, 사용되는 문맥 내에서 달리 이해되지 않으면, 일반적으로 다른 구현예는 포함하지 않지만, 특정 구현예가 특정 피처, 요소 및/또는 작동을 포함할 수 있다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로, 피처, 요소 및/또는 작동이 하나 이상의 구현예에 어떤 식으로든 필요하거나, 하나 이상의 구현예가 사용자의 입력 또는 프롬프팅의 유무에 관계없이, 그러한 피처, 요소 및/또는 작동이 임의의 특정 구현예에 포함되는지 또는 임의의 특정 구현예에서 수행되는지 여부를 결정하기 위한 로직을 반드시 포함한다는 것을 시사하도록 의도되지 않는다.
상세한 설명 및 도면은, 원자로의 모듈들이 제조 시설에서 제작되고, 모듈들이 조립될 수 있는 건설 현장으로 운송될 수 있게 하여, 현장 제작의 복잡성 및 비용을 크게 줄일 수 있는, 시스템, 장치, 디바이스 및 기술의 실시예를 개시한다. 또한, 원자로의 시스템들이 단순화되어, 현장 제작 대신 공장 제작을 더욱 촉진한다.
당업자는, 본 명세서에 개시된 임의의 프로세스 또는 방법이 많은 방식으로 변경될 수 있음을 인식할 것이다. 본 명세서에 설명 및/또는 도시된 단계들의 프로세스 파라미터 및 순서는 단지 예로서만 제공되며 원하는 바에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 예시 및/또는 설명된 단계들은 특정 순서로 도시되거나 논의될 수 있지만, 이러한 단계들은 예시 또는 논의된 순서로 반드시 수행될 필요는 없다.
본 명세서에 설명 및/또는 예시된 다양한 예시적인 방법은 또한, 본 명세서에 설명 또는 예시된 단계들 중 하나 이상을 생략하거나 또는 개시된 단계에 더하여 추가 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 임의의 방법의 단계가 본 명세서에 개시된 임의의 다른 방법의 임의의 하나 이상의 단계와 조합될 수 있다.
물론, 본 개시 내용의 다양한 피처의 설명을 목적으로 요소 및/또는 방법의 모든 상정 가능한 조합을 설명하는 것은 가능하지 않지만, 당업자라면 개시된 피처들의 많은 추가적인 조합 및 치환이 가능하다는 것을 인식한다. 따라서, 본 개시 내용의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서 본 개시 내용에 대해 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 또한, 본 개시 내용의 다른 실시예는 상세한 설명과 첨부 도면의 고려를 통해, 그리고 본 명세서에 제시된 바와 같은 개시된 실시예들의 실시를 통해, 명백해질 수 있다. 상세한 설명과 첨부 도면에 제안된 실시예는 모든 면에서 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야만 한다. 본 명세서에서 특정 용어들이 사용되고 있지만, 이들 용어는 단지 포괄적이고 설명적인 의미로 사용되는 것이며 제한을 목적으로 사용되지 않는다.
달리 언급되지 않는 한, 상세한 설명에서 사용된 용어 "에 연결되는" 및 "에 커플링되는"(및 이들의 파생어)은, 직접 및 간접적(즉, 다른 요소 또는 구성요소를 통한) 연결 모두를 허용하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 표현은 "중 적어도 하나"를 의미하는 것으로 해석되어야만 한다. 마지막으로, 사용의 편의를 위해, 본 명세서에서 사용되는 용어 "포함하는" 및 "갖는"(및 이들의 파생어)은, 단어 "구성하는"과 상호 교환 가능하고 동일한 의미를 갖는다.
전술한 내용 및 첨부 도면으로부터, 특정 구현예가 예시의 목적으로 본 명세서에 설명되었지만, 첨부된 청구범위 및 그 안에 인용된 요소의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 게다가, 특정 양태가 특정 청구항의 형태로 이하에 제시되지만, 발명자는 임의의 이용 가능한 청구항의 형태에서 다양한 양태를 고려한다. 예를 들면, 일부 양태만이 특정 형태로 구현되어 있는 것으로 현재 인용될 수 있지만, 다른 양태도 마찬가지로 그와 같이 구현될 수 있다. 본 개시 내용의 이점을 갖는 당업자에게 자명한 바와 같이 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다. 이는 이러한 모든 변형 및 변경을 포괄하는 것으로 의도되며, 따라서 위의 설명은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 나트륨 냉각 원자로로서,
    원자로 용기;
    상기 원자로 용기 내의 원자로 코어;
    상기 원자로 용기 내의 1차 열 교환기;
    상기 1차 열 교환기를 통해 중간 냉각제를 순환시키도록 구성되는 중간 냉각제 루프로서, 상기 중간 냉각제가 통과하는 고온 라인 및 저온 라인을 갖는 중간 냉각제 루프;
    상기 중간 냉각제 루프와 유체 연통하며 상기 중간 냉각제 루프를 통해 상기 중간 냉각제를 순환시키도록 구성되는 펌프;
    상기 중간 냉각제 루프의 고온 라인과 저온 라인 사이의 바이패스 유로를 따라 배치되는 공기 열 교환기; 및
    상기 바이패스 유로를 따른 유체 흐름을 비대칭적으로 제한하기 위해 상기 바이패스 유로를 따라 중간에 배치된 유체 다이오드
    를 포함하는, 나트륨 냉각 원자로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체 다이오드는 상기 원자로 용기의 외부에 배치되는, 나트륨 냉각 원자로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유체 다이오드는 상기 바이패스 유로를 가로질러 상기 중간 냉각제를 순환시키는 상기 펌프에 대한 흐름 저항을 제공하는, 나트륨 냉각 원자로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체 다이오드는, 상기 펌프가 작동되고 있지 않은 경우, 상기 바이패스 유로를 가로질러 상대적으로 제한되지 않은 유체 흐름을 허용하는, 나트륨 냉각 원자로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기 열 교환기는 저전력 시동 작동 조건 동안 원자로 출력 열을 덤핑(dumping)하는, 나트륨 냉각 원자로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공기 열 교환기는 저전력 정지 작동 조건 동안 원자로 출력 열을 덤핑하는, 나트륨 냉각 원자로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중간 냉각제는 나트륨인, 나트륨 냉각 원자로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중간 냉각제는 염인, 나트륨 냉각 원자로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 흐름 경로를 따라 중간 냉각제가 흐르게 하도록 구성되는 바이패스 흐름 펌프를 포함하는, 나트륨 냉각 원자로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유체 다이오드는 제2 방향으로 흐르는 유체와 비교하여 제1 방향으로 흐르는 유체에 5배보다 더 큰 흐름 제한을 제공하는, 나트륨 냉각 원자로.
  11. 중간 냉각제 루프를 갖는 원자로 작동 방법으로서,
    원자로의 원자로 코어에서 열을 생성하는 단계;
    1차 냉각제가 1차 열 교환기를 통과해 상기 원자로 내로 흐르게 하는 단계;
    중간 냉각제가 중간 냉각제 루프를 통과해 그리고 상기 1차 열 교환기를 통과해 흐르게 하는 단계;
    상기 중간 냉각제가 바이패스 유로를 통과해 흐르게 하는 단계; 및
    원자로 전력이 낮은 기간 동안 상기 중간 냉각제 루프의 상기 바이패스 유로를 따라 배치된 공기 열 교환기로부터 열을 덤핑하는 단계
    를 포함하는 원자로 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 원자로가 목표 임계 전력 출력에 도달할 때까지, 상기 바이패스 유로를 따라 배치된 상기 공기 열 교환기로부터 열을 계속 덤핑하는 단계를 더 포함하는 원자로 작동 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 원자로가 상기 목표 임계 전력 출력을 초과할 때, 상기 중간 냉각제의 일부를 상기 바이패스 유로로부터 멀어지게 방향 전환시키는 것을 더 포함하는 원자로 작동 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 중간 냉각제가 바이패스 유로를 통과해 흐르게 하는 단계는, 상기 중간 냉각제가 상기 바이패스 유로와 유체 연통하는 유체 다이오드를 통과해 흐르게 하는 것을 더 포함하는 원자로 작동 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 원자로 전력이 낮은 기간은 약 5% 원자로 전력 미만인 원자로 작동 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 원자로 전력이 낮은 기간은 약 20% 원자로 전력 미만인 원자로 작동 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 원자로 전력이 낮은 기간은 상기 원자로가 정지될 때 발생하는 원자로 작동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열을 덤핑하는 단계는, 원자로 정지 사이클 동안 상기 원자로로부터 붕괴 열을 덤핑하는 것을 포함하는 원자로 작동 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 중간 냉각제를 흐르게 하는 단계는, 나트륨이 상기 중간 냉각 루프를 통해 흐르게 하는 것을 포함하는 원자로 작동 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 중간 냉각제를 흐르게 하는 단계는, 염이 상기 중간 냉각 루프를 통해 흐르게 하는 것을 포함하는 원자로 작동 방법.
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