KR20240097489A - 교차형히트파이프와 이를 이용한 원자력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교차형히트파이프(CHP: Crossed Heat Pipe)와 이를 이용한 피동냉각체계(Passive Cooling System)를 갖춘 원자력장치에 관한 것이다.
교차형히트파이프는 내관 및, 상기 내관을 둘러싸는 외관의 이중관 구조로서, 내부에 열전달을 위한 냉매가 있으며, 상승방향과 하강방향의 두 흐름이 서로 섞이거나 충돌하지 않고 교차하도록 고안된 크로스조인트부분으로 구성된다.
교차형히트파이프를 이용하면 별도의 동력이 없어도 하부의 원자로에서 발생한 열을 상부의 증기발생기로 이동시킬 수 있어서 완전한 피동냉각체계를 구현한 원자력장치를 설계할 수 있다.

Description

교차형히트파이프와 이를 이용한 원자력장치{Crossed Heat Pipe and associated Nuclear Device}

본 발명은 교차형히트파이프(CHP: Crossed Heat Pipe)와 이를 이용한 피동냉각체계(Passive Cooling System)를 갖춘 원자력장치에 관한 것이다.

원자력은 저렴하면서도 안정적으로 이용할 수 있는 에너지원이지만 사고로(후쿠시마원전사고나 체르노빌사고 등) 인한 방사능 유출은 심각한 위험요소이다. 원자로에서 사고가 발생하여 내부전력이 차단되면 냉각수를 순환시키는 냉각펌프가 중지된다. 이로 인해 원자로의 노심이 과열되어 녹아내리고 노심에서 발생한 수소의 폭발 등으로 인해 대량의 방사능이 유출된다.

전기와 펌프를 사용하지 않고 외부동력 없이 원자로의 열을 증기발생기로 전달할 수 있는 피동냉각체계(Passive Cooling System)를 구현한다면 위의 사고를 예방할 수 있으므로 원자력발전소의 안전을 크게 향상시킬 수 있다. 이를 위해 히트파이프(Heat Pipe)나 써모싸이펀(ThermoSiphon)등을 이용한 시도가 있지만 원래 소형시스템의 냉각을 위해 사용되었던 기구들이고 구조상 피할 수 없는 낮은 효율로 인해 원자로 용량을 키울 수 없는 한계를 가지고 있다.

써모사이펀(Thermosiphon: 도 9)은 수직방향으로 작동하는데, 하단에 있는 가열부에서 기화된 냉매가 관을 타고 올라가고 상단에 있는 냉각부에서 액체로 응축되어 하단으로 내려오는 구조를 가지고 있다. 써모사이펀은 단순한 구조에 비해서 양호한 열전달효율을 보이지만, 고온유체가 상승하고 저온유체가 하강할 때, 서로 반대방향으로 충돌하게 되므로, 난류가 발생하고 유체의 이동성이 떨어져서, 열전달효율을 올리는데 한계가 있다.

히트파이프(Heat Pipe)의 경우(도 10) 냉매의 증발과 그로 인한 증기의 빠른 유동 그리고, 내부의 윅(Wick)구조를 통한 모세관 현상에 의해 액화된 냉매의 반대방향 이동에 의해 열전달이 일어난다. 히트파이프는 열의 전도에 의존하는 일반 금속방열관에 비해 증기의 빠른 이동을 통해 열을 전달하므로 높은 열전달 속도를 보이고, 중력대신 모세관 현상에 의해 냉매가 이동되기 때문에, 수직이 아닌 수평이나 중력 반대방향으로도 열전달이 가능한 장점이 있어서 소형전자기기의 냉각 등에 활용되어 왔다. 그러나 증기의 빠른 속도와 달리 반대방향 액체의 이동이 상대적으로 느린 모세관현상에 의존하는 방식이어서 시스템이 커지고 히트파이프의 길이가 길어질 경우 냉매의 이동 시간이 오래 걸리므로 열교환용량을 키우는데 한계가 있다.

따라서 이를 이용한 피동냉각체계는 열교환용량이 낮을 수밖에 없어서 초소형 원자로(Micro Reactor)에 적용된 사례가 있으나 더 큰 규모의 원자로에 적용하는 것은 무리가 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 한계를 극복하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 대량의 열을 고속으로 방열하거나 전달할 수 있는 교차형히트파이프와(CHP) 이를 이용해 피동냉각체계를 구현한 원자력장치를 고안하여 사고의 위험을 줄인 효율적이고 안전한 에너지생산수단을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 교차형히트파이프는 내관 및, 상기 내관을 둘러싸는 외관의 이중관구조를 가지고, 내관은 하부로 개방되는 제1개구 및 상부로 개방되는 제2개구를 가지며, 상하방향의 중심부에 내관과 외관이 서로 교차하도록 고안된 크로스조인트(Cross Joint)부분으로 구성되어 있다. 그리고, 열전달을 위해 교차형히트파이프 내부에 일정량의 냉매가 흐르고 있다.

교차형히트파이프는 냉매가 비등하고 응축하는 과정에서 발생하고 흡수하는 막대한 기화열을 열전달에 이용하는 것으로서 금속을 이용한 열의 전도나 액체의 대류에 비해 열전달의 속도가 빠르고 용량이 크다.

또한, 상승하고 하강하는 냉매가 서로 섞이거나 충돌하지 않도록 크로스조인트(Cross Joint)를 통하여 유도함으로써 냉매의 이동속도를 높일 수 있고 따라서 열전달의 용량이 증가된다.

이것을 원자력장치의 원자로와 증기발생기간의 열교환에 적용한 것이 교차형히트파이프원자로(CHPR: Crossed Heat Pipe Reactor)이다.

본 발명에 따르면, 교차형히트파이프가 내관 및 외관으로 이중화되고, 중간에 내외부의 냉매가 충돌 없이 교차하도록 크로스조인트(Cross Joint)가 배치되므로, 열전달 과정 중에 냉매의 이동 방향이 서로 충돌하지 않고 한쪽 방향으로만 흐를 수 있게 되어, 냉매의 유속이 커져서 열전달이 고속으로 이루어진다.

교차형히트파이프를 설치하면 별도의 동력이 없어도 하부의 원자로에서 발생한 열을 상부의 증기발생기로 이동시킬 수 있는데 이를 피동냉각체계라 한다. 피동냉각체계는 펌프를 사용하지 않으므로, 재해 등으로 인해 내부전력이 끊어졌을 때 냉각제펌프가 중지되어서 발생할 수 있는 원자로 노심붕괴(Meltdown), 방사능유출 등의 심각한 원전사고를 원천적으로 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명의 교차형히트파이프의 개략도이다.
도 2는 도1의 크로스조인트(Cross Joint) 부분의 3차원 투시도이다.
도 3는 본 발명의 교차형히트파이프(CHP)와 기존 히트파이프(HP)의 비교도이다.
도 4는 본 발명에 따른 구부러진 내관의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열전달핀의 개략도이다.
도 6는 교차형히트파이프원자로의(CHPR) 구조를 나타내는 도면이다.
도 7는 안전성이 강화된 교차형히트파이프원자로의(CHPR) 구조를 나타내는 도면이다.
도 8는 대용량증기발생기의 단면도이다.
도 9는 종래의 써모사이펀의 개략도이다.
도 10은 종래의 모세관 현상을 이용한 히트파이프의 개략도이다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 크로스조인트를 갖는 교차형히트파이프가 도시되어 있다.

교차형히트파이프(CHP:Crossed Heat Pipe)는 내관과 이를 둘러싼 외관이 있는 이중관형태를 가진 열전달기기이다. 내관은 상하방향이 뚫려있고, 외관은 상하방향모두 밀폐되어있으며, 내부에는 기존의 히트파이프처럼 열전달에 관여하는 냉매가 들어있다. 상하방향의 가운데 부분에 내관과 외관에 흐르는 냉매가 교차할 수 있도록 설계된 크로스조인트가(Cross Joint) 있고 이곳을 기준으로 교차형히트파이프의 상부와 하부가 나뉘는데, 구체적으로는 내관은 상부 내관과 하부 내관, 외관은 상부 외관과 하부 외관으로 구역이 나뉘어진다.

하부 내관의 아래쪽 끝은 하부 외관과 제1개구를 통하여 연결되어 있고 상부 내관의 위쪽 끝은 상부 외관과 제2개구를 통하여 연결되어 있다.

냉매는 별도의 동력 없이 중력에 의해서 가벼운 증기는 위로 올라가고 무거운 액체는 아래로 떨어지는 힘에 의하여 교차형히트파이프 내부를 순환하도록 설계되어있다.

교차형히트파이프는(CHP) 어떤 특정시스템에서 하부가 뜨겁고 상부는 차가울 때 하부의 뜨거운 열을(가열부) 상부의 차가운 곳으로(냉각부) 이동시키는 역할을 한다.

외부에서 열이 가해지는 곳은 하부 외관이며 하부 외관의 외벽으로부터 열이 전달되어 하부 외관에 고여있는 냉매를 끓게 만든다. 끓어서(비등) 증기가 된 냉매는 하부 외관의 내벽을 타고 상승한다. 상승해서 중간지점의 크로스조인트를 만나면 상부 내관으로 증기가 교차하면서 계속 상승한다. 상부 내관의 윗쪽 끝부분인 제2개구를 통하여 증기는 상부 외관을 만나게 되는데 차가운 외관의 벽면으로부터 열을 잃고 응축되어 액체로 변한다. 이때 발생하는 응축열이 상부 외관의 외벽을 통하여 방출된다. 응축한 액체는 중력에 의해 아래로 흘러내리게 되고 다시 중간부분에 있는 크로스조인트를 거치면서 하부 내관으로 모이게 된다.

액화된 냉매가 하부 내관에 계속 쌓이면 수위가 높아져서 도 1에 도시된 것처럼 압력차가 발생하게 된다. 이 압력차는 냉매가 계속해서 같은 방향으로 순환하도록 만드는 힘으로 작용한다.

냉매가 내관의 하부 끝인 제1개구를 통해 하부 외관으로 빠져 나오게 되고 다시 하부 외관의 벽체를 통해 열을 전달받아 끓으면서(비등) 냉매의 순환이 반복된다.

도 2는 교차형히트파이프의 핵심 부분이라고 할 수 있는 크로스조인트(Cross Joint)의 3차원 입체구조를 도시하고 있다.

크로스조인트란(Cross Joint) 본 발명에서, 내관과 외관을 상하방향으로 흐르는 냉매가 교차형히트파이프의 상하방향의 중간지점에서 서로 섞이지 않고 교차할 수 있도록 설계된 부분이다.

크로스조인트는 하부 외관의 위쪽 끝과 상부 내관의 아래쪽 끝이 만나서 상승방향으로 연결되는 제1연결로와, 상부 외관의 아래쪽 끝과 하부 내관의 위쪽 끝이 만나서 하강방향으로 연결되는 제2연결로를 갖는 구조이다. 비등하여 증기가 된 냉매는 제1연결로를 통하여 하부 외관에서 상부 내관으로 상승이동한다. 그리고, 식어서 액화된 냉매는 제2연결로를 통하여 상부 외관에서 하부 내관으로 이동한다. 상하방향의 흐름이 서로 섞이거나 충돌하지 않도록 차단플레이트로 막혀 있는데 차단플레이트는 제1연결로와 제2연결로 둘레로 방사상으로 연장된다. 차단플레이트는 외관의 내면, 내관의 외면과 접한다. 따라서 크로스조인트는 제1연결로 방향의 경로와 제2연결로 방향의 경로가 차단플레이트로 막혀있는 형상을 가진다.

이와 같이 내관과 외관 및 크로스조인트를 구성함으로써, 상승하는 기체와 하강하는 액체가 서로 충돌 없이 일정한 방향으로만 흐르게 되어, 기존의 써모사이펀처럼 냉매가 상하 방향으로 이동하는 도중에 충돌함으로써 속도가 떨어지는 문제점이 해결되었다. 또한 종래의 히트파이프가 윅을 통한 모세관 현상으로 액체를 이동시킴으로써 이동 시간이 오래 걸린다는 문제점도 해결되었다.

냉매의 이동경로를 정리하면

하부외관(비등) -> 제1연결로(크로스조인트) -> 상부내관 -> 제2개구 -> 상부외관(응축) -> 제2연결로(크로스조인트) -> 하부내관 -> 제1개구 -> 하부외관

이런 순서로 한 방향으로 순환되고 비등과 응축의 반복으로 하부에서 상부로 열전달이 이루어진다.

도 3에는 시스템이 커져서 기존 히트파이프가 적용되는 길이가 길어졌을 때 발생하는 문제점과 이에 비해 교차형히트파이프가 가진 장점을 간략히 도시하였다.

기존의 히트파이프는 길이 짧을 때 비교적 좋은 성능을 보이지만 길이가 길어질 경우 열전달이 전체 구간에 걸쳐서 이루어지기보다 경계부분에 집중되는 경향이 있다. 윅을 통해 히트파이프의 끝까지 도달하기 전에 냉매가 증발해버려서 경계에서 멀리 떨어진 부분은 열전달에 별로 기여하지 못한다. 또, 가열부에서 증발한 냉매는 기체상태라 빠르게 진행할 수 있으나 멀리까지 도달한 증기가 냉각부에서 액화한후에 반대방향의 가열부까지 돌아올 때 액체상태로 윅의 모세관현상을 통해 이동하다 보니 시간이 오래 걸리게 된다.

이에 비해 교차형히트파이프는 상부 내관을 통하여 유도된 증기가 냉각부의 끝까지 도달한 후에 제2개구를 통해 반대방향으로 진행하는 방식이라 냉각부 전구간에 걸쳐서 액화가 일어나고, 액화된 냉매 역시 하부 내관을 통해 가열부의 끝까지 도달하여서 제1개구를 통해 하부외관으로 돌아와서야 비로소 냉매가 끓기 시작하므로 가열부의 넓은 구간에 걸쳐서 비등이 일어난다. 이것은 열전달에 실질적으로 기여하는 구간이 더 늘어남을 의미한다.

또한 교차형히트파이프가 길어진 만큼 내부의 냉매양도 늘어나고, 응축되어 하강해서 하부 내관에 쌓이는 액화된 냉매의 수위도 높아져, 중력에 의해 순환하는 방향으로 작용하는 압력차가 커지므로, 냉매의 이동속도가 증가하는 힘을 받게 된다.

이런 특징으로 인해 원자로등의 비교적 큰 시스템에 적용했을 때 기존의 히트파이프보다 교차형히트파이프의 열교환성능이 우수해지는 결과를 얻을 수 있다.

도 4에는 구부러진 내관이 도시되어 있다. 내관의 상단부 및/또는 하단부에서 외관과 충돌하는 끝부분을 진행하는 방향으로 구부려놓으면 충돌 저항이 감소하여 충돌로 인한 냉매의 속도저하를 줄일 수 있다.

도 5에서 열전달핀이 도시되어 있는데, 교차형히트파이프의 외관의 상부 및 하부 외부벽면에 열전도를 위한 날개구조물(열전달핀)을 달면 열전도 속도를 더욱 증가시킬 수 있다.

한편, 내관은 냉매의 이동을 유도하는 기능을 하고 실제 냉각부와 가열부에서 열전달이 이루어지는 부분은 외관의 벽면이므로 내관은 열전도율이 낮은 재질을, 외관은 상대적으로 열전도율이 높은 재질을(동 또는 알루미늄등) 사용하면 내관에서 불필요한 응축이 발생하지 않고 외관에서 효율적으로 응축과 비등이 일어날 수 있다.

내관 및 외관의 내벽에 소수성 재질을 활용하거나 소수성 코팅을 하게 되면, 액체가 벽면에 달라붙지 않고 굴러 떨어지므로 순환 속도를 더 높일 수 있다.

교차형히트파이프의 냉매는 기존 히트파이프와 동일하게 사용할 수 있다. 물이 가장 보편적인 냉매로 사용되는데, 동작 온도가 더 낮아야 할 경우, 아세톤, 암모니아, 에탄올 등을 사용할 수 있고, 동작 온도가 물보다 높은 경우, 끓는점이 더 높은 나프탈렌, 유황, 수은 등을 사용할 수 있으며, 동작 온도가 400도 이상의 고온일 경우 세슘, 칼슘, 소듐 등을 사용할 수 있다.

단순 방열 목적이 아니라 냉각부와 가열부의 열교환 효율이 중요할 경우, 경계 부분을 단열재로 싸서 이동 경로의 열손실을 줄일 수 있다.

내관과 외관의 재질로 원형관을 사용하는 것이 일반적이지만, 열교환 환경에 따라 사각형이나 납작한 모양 등 다양한 모양을 사용할 수 있다. 또한, 크로스조인트 역시 내관과 외관의 형상에 따라 제1연결로와 제2연결로의 냉매 흐름이 원활하도록 변형이 가능하다.

원자력발전소의 내부설비는 원자로와 증기발생기 그리고, 기타설비(가압기, 냉각펌프, 배관계통, 안전설비등) 및 발전계통으로 이루어지는데 원자로와 증기발생기등 핵심시설을 하나의 압력용기에 내장하여 구현한 것을 일체형원자로(Integral Reactor)라고 한다.

상기 교차형히트파이프(CHP: Crossed Heat Pipe)를 이용하여 원자로의 열을 증기발생기로 전달하는 일체형원자로(Integral Reactor)형태의 원자력장치를 교차형히트파이프원자로(CHPR: Crossed Heat Pipe Reactor)라고 한다.

도 6에는 교차형히트파이프원자로(CHPR)의 구조가 도시되어 있다.

주로 소형 또는 초소형원자로에서 계통을 단순화하고 안전성을 키우기 위하여 일체형원자로 방식을 선택하는데 교차형히트파이프의 우수한 열전달능력을 이용하여 원자로와 증기발생기의 열교환을 구현하였다.

원자로의 안전성을 위해 하나의 압력용기로 원자로와 증기발생기를 포함한 관련시스템을 감싸고 있는데 압력용기의 상단에서 하단까지 수직방향으로 교차형히트파이프를 배치한다. 이렇게 하면 히트파이프의 하부가 원자로를 관통하고 히트파이프의 상부가 증기발생기를 관통하는데 도 1에서 도시하였던 가열부가 원자로에 해당되고 냉각부가 증기발생기에 해당 된다.

도 6의 노심부분 단면도를 보면 원자로의 연료봉등을 감싼 형태로 교차형히트파이프를 배치해서 하부의 원자로에서 발생한 열을 상부의 증기발생기로 이동시킨다.

중수로, 경수로, 소듐 및 납냉각고속로는 주로 봉형태의 핵연료를 사용하지만 고온가스냉각로는 구형의 피복입자핵연료를 사용하고 용융염원자로는 액체상태로 용융된 핵연료를 사용하므로 노심부분 단면도와 다를 수 있다. 그러나, 대부분의 상용 원자로가 봉형태의 핵연료를 사용하므로 이해를 쉽게 하기 위해 봉형태로 도시하였다.

교차형히트파이프는 원자로와 증기발생기 사이의 격벽을 뚫고 지나가므로 틈새가 없도록 용접하여야 한다. 교차형히트파이프의 내부 냉매는 나프탈렌, 황, 수은등이 이용될 수 있는데 원자로의 구성이 다양하고 그에 따라 운전환경의 온도와 압력이 상이하므로 조건에 적합한 냉매를 사용하여야 한다. 예컨대 일체형원자로 설계에 많이 적용되는 소듐냉각고속로(SFR)의 경우 원자로의 온도가 500도~550도, 증기발생기의 증기압이 50~70기압, 온도가 260도~350도 정도로 운전되는데 이 경우 수은(끓는점 1기압 357도)을 적합한 냉매로 사용할 수 있다.

도 7에서 상기 교차형히트파이프원자로(CHPR)의 안전성이 강화된 설계를 도시하였다. 원자로는 도 6과 동일하므로 생략하였고 증기발생기 부분을 도시하고 있다.

예컨대 소듐을 원자로 1차냉각제로 사용하는 소듐냉각고속로(SFR)의 경우 소듐이 증기발생기의 물과 만나면 격렬한 화학반응을 일으키고 폭발할 위험까지 있기 때문에 원자로와 증기발생기 사이의 격벽을 교차형히트파이프가 관통하는 설계는 안전에 문제가 있을 수 있다. 철저히 용접하더라도 증기발생기의 고압과 장시간의 운전에 따른 피로현상으로 상기 격벽에 균열이 생길 수 있기 때문이다.

이 경우 교차형히트파이프가 증기발생기의 물과 직접 접촉하는 것보다 열교환효율이 떨어질 수 있지만 증기발생기의 용기를 도면과 같이 이중으로 설계하면 이중용기내부의 물과 원자로 내부의 1차냉각제를 완벽하게 격리할 수 있다. 그리고, 이중용기와 압력용기 사이에 교차형히트파이프를 감싼 빈 공간을 알루미늄등의 열전달특성이 뛰어난 금속으로 채우면 열전달에 도움이 될 뿐만 아니라 증기발생기내부의 구조도 튼튼하게 유지할 수 있다.

이중용기의 내부는 효율적인 열전달을 위해서 열전달핀을 달아준다.

통상적으로 원자로의 크기는 발전용량에 따른 핵연료계통의 크기에 따라 결정되는데 비해 증기발생기는 필요에 따라서 위쪽방향으로 길이를 늘릴 수 있다. 그만큼 열교환을 위한 교차형히트파이프의 길이도 늘어나게 되므로 열교환용량도 커지게 된다.

그리고, 더 큰 용량의 열교환을 구현해야 할 경우, 상기의 이중용기의 개수를 더 늘리고 각각의 이중용기를 교차형히트파이프가 감싸는 구조로 설계하여 열교환용량을 키울 수 있다. 도 8의 대용량증기발생기단면도에서 이것을 도시하였는데 이 도면에서 총7개의 이중용기를 사용하도록 도시하였으나 그 숫자는 필요한 열교환용량에따라 2개이상의 대칭형상으로 다양하게 구현할 수 있다.

그리고, 이중용기와 압력용기 사이의 빈 공간은 열전도가 뛰어나고 튼튼한 알루미늄등의 재질로 채워 열전달효율을 높일 수 있다.

Claims (8)

1. 내관 및, 상기 내관을 둘러싸는 외관의 이중관 구조로서,
   내관은 상하방향이 뚫려있고 외관은 상하방향모두 밀폐되어있으며,
   내부에 열전달을 위한 냉매가 있고,
   상하방향의 중간부분에 하부 외관의 위쪽 끝과 상부 내관의 아래쪽 끝이 만나서 상승방향으로 연결되는 제1연결로와, 상부 외관의 아래쪽 끝과 하부 내관의 위쪽 끝이 만나서 하강방향으로 연결되는 제2연결로를 갖는 구조로서, 제1연결로 방향의 경로와 제2연결로 방향의 경로가 차단플레이트로 막혀있는 형상의 크로스조인트부분을 가진,
   히트파이프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내관의 상단부 끝 및/또는 하단부 끝이 구부러진 형태를 가지는 히트파이프.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 외관의 상단부 혹은 하단부 외벽에 열전달핀을 달아준 히트파이프.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 내관은 상대적으로 열전도율이 낮은 재질로 구성되고, 상기 외관은 열전도율이 높은 재질로 구성되는 히트파이프.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 내관 및 외관의 내벽에 소수성코팅을 한 히트파이프.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 히트파이프를 이용하여,
   원자로와 증기발생기를 하나의 압력용기에 내장하고,
   압력용기의 수직방향으로 히트파이프를 배치하여 히트파이프의 하부가 원자로를 관통하고 히트파이프의 상부가 증기발생기를 관통하도록 설계된 원자력장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   증기발생기의 압력용기를 이중으로 구성하여 안전성을 높인 원자력장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   이중용기를 2개이상 설치하여 열전달용량을 증가시킨 원자력장치.