KR101731817B1

KR101731817B1 - 사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법

Info

Publication number: KR101731817B1
Application number: KR1020160047083A
Authority: KR
Inventors: 이성재
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2036-04-18

Abstract

본 발명의 목적은 원자로 이상 발생 시 운전원의 조작 없이도 피동적으로 과도 발생된 열을 냉각할 수 있도록 하되, 이러한 안전 조처를 위한 냉각 동작이 별도의 제어 지시 없이 원자로 구조 및 압력 등의 환경 조건 변화에 의하여 완전 피동적으로 이루어질 수 있도록 하되, 특히 사이펀 원리 및 이상유동 열전달 원리를 이용하여 다양한 냉각 동작이 이루어지도록 함으로써 제어계통을 간소화하면서도 효과적인 냉각이 이루어질 수 있도록 하는, 사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.

Description

사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법 {Reactor having cooling system using siphon principle and operating method for the reactor}

본 발명은 사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로 이상 발생 시 운전원의 조작 없이도 피동적으로 과도 발생된 열을 냉각할 수 있도록 하되, 이러한 안전 조처를 위한 냉각 동작이 별도의 제어 지시 없이 원자로 구조 및 압력 등의 환경 조건 변화에 의하여 완전 피동적으로 이루어질 수 있도록 하되, 특히 사이펀 원리 및 이상유동 열전달 원리를 이용하여 다양한 냉각 동작이 이루어지도록 함으로써 제어계통을 간소화하는, 사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법에 관한 것이다.

원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 도 1은 일반적인 원자력 발전의 원리를 간략하게 도시하고 있다. 압력 용기(또는 원자로용기라고 칭함)내의 핵연료가 핵분열함에 의하여 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 냉각재로 전달되며, 냉각재는 도 1에 진한 화살표로 표시된 바와 같이 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 냉각재가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기발생기로 전달되며, 증기발생기 내의 물은 열에너지에 의하여 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의하여 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 증기발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.

도 1은 원자력 발전의 주체가 되는 계통들만이 도시되었으나, 실제로는 원자로에는 필수적으로 안전계통이 구비된다. 앞서 설명한 바와 같이 원자로가 작동할 때에는 매우 높은 열이 발생하게 되는데, 이러한 고열 환경은 매우 높은 위험성을 내포하여 원자로 손상 발생 시 대형 사고를 유발할 수도 있기 때문이다. 따라서 원자로의 손상이 발생했을 경우 원자로를 급속히 냉각해 주기 위한 안전계통이 필수적으로 구비되어야만 하는 것이다. 이에 따라 종래에는 원자로 사고 발생 시 원자로를 안전하게 냉각할 수 있도록 하는 다양한 형태의 안전계통(즉 냉각계통)이 구비된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 기존의 원자로에 적용되는 냉각계통 구성으로서, 원자로용기 내에 수용된 냉각재를 외부로 순환시키는 구성(ex. 피동잔열제거(PRHR) 계통 등), 외부에 별도 수용되어 있던 냉각재를 용기 내로 공급해 주는 구성(ex. 노심보충수탱크(CMT), 안전주입펌프(SI pump) 등) 등이 있으며, 그 예시가 도 2에 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같은 전통적인 냉각계통의 경우, 사고가 발생할 경우 운전자가 직접 냉각재를 공급하라는 제어 지시를 내려야만 작동하도록 이루어지는 경우가 많았으며, 이에 따라 사고가 발생했을 때 신속한 초기 진압 조치가 이루어지지 못하여 사고 피해가 확대되는 문제가 있었다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 최근에는 사고가 발생하는 경우 (운전자의 제어 지시 없이도) 변화하는 압력 조건 등에 의하여 피동적으로 냉각 동작이 이루어지도록 하는, 피동식 냉각계통에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 피동식 냉각계통의 구성들이 한국특허공개 제2014-0050154호("이중 격납건물의 환형공간을 활용한 냉각수 탱크를 구비한 피동형 원자로건물 냉각계통", 2014.04.29) 등과 같이 여러 다양한 문헌으로 개시되고 있다.

이러한 원자로의 피동식 냉각계통에 대한 연구는, 단지 기존과 유사한 구성요소들로 이루어지되 단지 피동식으로 냉각 동작이 이루어지도록 하는 것에 그치지 않고, 보다 냉각 효율을 높일 수 있는 새로운 구성에 대한 모색으로 확장되고 있다.

1. 한국특허공개 제2014-0050154호("이중 격납건물의 환형공간을 활용한 냉각수 탱크를 구비한 피동형 원자로건물 냉각계통", 2014.04.29)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원자로 이상 발생 시 운전원의 조작 없이도 피동적으로 과도 발생된 열을 냉각할 수 있도록 하되, 이러한 안전 조처를 위한 냉각 동작이 별도의 제어 지시 없이 원자로 구조 및 압력 등의 환경 조건 변화에 의하여 완전 피동적으로 이루어질 수 있도록 하되, 특히 사이펀 원리 및 이상유동 열전달 원리를 이용하여 다양한 냉각 동작이 이루어지도록 함으로써 제어계통을 간소화하면서도 효과적인 냉각이 이루어질 수 있도록 하는, 사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자로는, 격납건물(500); 원자로노심(111)을 수용하는 원자로용기(110) 및 증기관(121) 및 급수관(122)이 연결된 증기발생기(120)를 포함하여 이루어지는 증기발생계통(100); 냉각재를 수용하며 지면에서 수직하게 연장 형성된 형태로 이루어져 물기둥을 형성하되, 물기둥 상측에 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기를 공급받아 이상유동 열전달 원리를 이용하여 냉각시키는 한 쌍의 열교환기를 수용하는 사이펀탱크(241), 상기 사이펀탱크(241) 하부와 연통되며 상부가 개방된 관 형태로 이루어져 상기 사이펀탱크(241) 내 압력 및 상기 격납건물(500) 내부압력에 의하여 사이펀 원리에 따라 수위가 변동되되, 수위 변동에 따라 하부 일측에 구비된 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출 가능하도록 이루어지는 사이펀유로(242)를 포함하여 이루어지는 사이펀냉각계통(240); 을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 원자로는, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체를 순환시키되, 순환경로 상에 구비된 증기발생기냉각열교환기(212)를 통해 증기를 냉각시키는 증기발생기잔열냉각계통(210); 별도의 냉각재를 순환시키되, 순환경로 상에 구비된 잔열냉각열교환기(221)를 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 열교환하여 잔열을 냉각시키는 잔열냉각계통(220); 냉각재를 수용하며 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부를 공급받아 가압됨으로써 상기 격납건물(500) 내 또는 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 측으로 냉각재를 공급하여, 냉각재로 직접 상기 격납건물(500) 내 열을 흡수하거나 또는 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 간 이상유동 열전달이 이루어지게 하여 냉각을 수행하는 격납건물냉각계통(230); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 사이펀탱크(241)에 의해 형성되는 물기둥 상측에 수용되는 한 쌍의 열교환기는, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)일 수 있다.

또한 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)은, 상기 증기관(121)과 연결되어 증기 일부 또는 전체를 유통시키는 증기우회관(211), 상기 증기우회관(211)과 연결되어 증기를 통과 및 냉각시키는 상기 증기발생기냉각열교환기(212), 상기 증기우회관(211)과 연결되어 증기 일부를 우회시켜 상기 사이펀탱크(241) 내로 공급하는 증기분사관(213), 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 연결되어 증기가 냉각 및 응축되어 생성된 냉각재를 상기 증기발생기(120)로 재유입시키는 보조급수관(214)을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)은, 상기 보조급수관(214)과 연결되어 냉각재 일부를 우회시켜 공급받는 보론저장용기(215), 상기 보론저장용기(215)와 연결되어 보론을 더 함유한 냉각재를 상기 증기발생기(120)로 재유입시키는 냉각재주입관(216)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 잔열냉각계통(220)은, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 인접 배치되어 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로부터 열을 흡수하는 상기 잔열냉각열교환기(221), 상기 잔열냉각열교환기(221)와 연결되어 상기 잔열냉각열교환기(221)에서 배출된 냉각재를 공급받아 수용하는 열교환기수조(222), 상기 열교환기수조(222)와 연결되어 냉각재를 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입시키는 잔열냉각관(223)을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 잔열냉각계통(220)은, 상기 잔열냉각관(223) 상에 구비되어 상기 격납건물(500) 하부에 배치되어 주변으로부터 열을 흡수하는 원자로냉각열교환기(224)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 격납건물냉각계통(230)은, 상기 격납건물(500) 하부에 배치되며 냉각재를 수용 및 저장하는 격납건물냉각재저장탱크(231), 상기 증기관(121)과 연결되어 증기 일부를 우회시켜 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급하는 격납건물냉각측증기우회관(232), 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 격납건물(500) 내로 분사하는 격납건물냉각스프레이(233), 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 사이펀탱크(241) 내로 공급하는 사이펀스프레이주입관(234), 상기 사이펀스프레이주입관(234) 끝단에 구비되어 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키도록 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)에 냉각재를 분사하는 사이펀스프레이(235)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 격납건물냉각계통(230)은, 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 원자로용기(110) 하부로 공급하는 원자로하부냉각관(236)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 사이펀냉각계통(240)은, 상기 사이펀탱크(241)내에 구비되되, 상부가 폐쇄되고 하부가 개방된 통 형태로 형성되어, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)를 수용하는 열교환기용기(243)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

부가적으로 상기 원자로는, 상기 원자로용기(110) 내 냉각재의 양을 1이라 할 때, 상기 증기발생기(120) 내 냉각재의 양은 0.8~1.2 범위 내로 형성되고, 상기 보론저장용기(215) 내 냉각재의 양은 0.1~0.5 범위 내로 형성될 수 있다.

또한 본 발명의 원자로의 동작 방법은, 앞서 설명한 바와 같은 원자로의 동작 방법에 있어서, 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241)로 공급되어 가압되는 단계; 상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 하강하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 상승하여 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출되고, 배출된 냉각재가 상기 격납건물(500) 하부로 공급되어 상기 증기발생계통(100)이 직접 냉각되는 단계; 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 하나에 공급되며, 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 나머지 하나로 열전달이 이루어져 증기가 냉각됨으로써 잔열이 제거되는 단계; 상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 작아지면, 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 상승하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 하강하여 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통한 냉각재의 배출이 정지되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 원자로의 동작 방법은, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)을 순환하는 증기가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)를 통과하여 냉각됨으로써 상기 증기발생기(120)가 냉각되는 단계; 상기 잔열냉각계통(220)을 순환하는 냉각재가, 상기 잔열냉각열교환기(221)을 통과하여 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로부터 열을 흡수하여 외부에 버림으로써 잔열이 냉각되는 단계; 상기 격납건물냉각계통(230)을 순환하는 냉각재 일부가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 측으로 공급되어 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 간 이상유동 열전달이 이루어지게 하는 단계; 상기 격납건물냉각계통(230)을 순환하는 냉각재 일부가, 상기 격납건물(500) 내로 공급되어 직접 상기 격납건물(500) 내 열을 흡수하는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 원자로의 동작 방법에서, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)에서의 증기 또는 냉각재의 순환은, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체가 상기 증기우회관(211)을 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로 공급되는 단계; 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기가 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재와 열교환하여 냉각 및 응축되는 단계; 상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재가 상기 보조급수관(214)을 통해 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 본 발명의 원자로의 동작 방법에서, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)에서의 증기 또는 냉각재의 순환은, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체가 상기 증기우회관(211)을 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로 공급되는 단계; 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기가 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재와 열교환하여 냉각 및 응축되는 단계; 상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재 일부가 상기 보조급수관(214)을 통해 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 단계; 상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재 일부가 우회되어 상기 보론저장용기(215)을 통과하여 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 원자로의 동작 방법에서, 상기 잔열냉각계통(220)에서의 냉각재의 순환은, 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기와 열교환하여 열을 흡수하는 단계; 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 열을 흡수한 냉각재가 상기 열교환기수조(222)로 공급되어 수용됨으로써 외부로 열을 버리는 단계; 외부로 열을 버려서 냉각된 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재가 잔열냉각관(223)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 본 발명의 원자로의 동작 방법에서, 상기 잔열냉각계통(220)에서의 냉각재의 순환은, 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기와 열교환하여 열을 흡수하는 단계; 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 열을 흡수한 냉각재가 상기 열교환기수조(222)로 공급되어 수용됨으로써 외부로 열을 버리는 단계; 외부로 열을 버려서 냉각된 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재가 잔열냉각관(223)을 통해 유통되어 상기 원자로냉각열교환기(224)로 공급되는 단계; 상기 원자로냉각열교환기(224) 내의 냉각재가 주변으로부터 열을 흡수하여 상기 격납건물(500) 하부를 냉각시키고 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 원자로의 동작 방법에서, 상기 격납건물냉각계통(230)에서의 냉각재의 순환은, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부가 상기 격납건물냉각측증기우회관(232)을 통해 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급되어 가압되는 단계; 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 격납건물냉각스프레이(233)를 통해 상기 격납건물(500) 내로 분사되어 냉각이 이루어지는 단계; 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 사이펀스프레이주입관(234)을 통해 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사되는 단계; 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사된 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 사이에 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 본 발명의 원자로의 동작 방법에서, 상기 격납건물냉각계통(230)에서의 냉각재의 순환은, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부가 상기 격납건물냉각측증기우회관(232)을 통해 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급되어 가압되는 단계; 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 격납건물냉각스프레이(233)를 통해 상기 격납건물(500) 내로 분사되어 냉각이 이루어지는 단계; 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 사이펀스프레이주입관(234)을 통해 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사되는 단계; 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사된 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 사이에 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키는 단계; 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 원자로하부냉각관(236)을 통해 상기 원자로용기(110) 하부로 공급되어 상기 원자로용기(110)가 직접 냉각되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 원자로의 냉각계통에 사이펀 원리 및 이상유동 열전달 원리를 도입함으로써, 이상유동 열전달 원리를 이용하여 기존의 열교환기에 비해 훨씬 신속한 열교환이 이루어지게 하여 급속 냉각을 실현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있으며, 동시에 여기에 사이펀 원리도 도입하여 대량의 냉각재의 수용 및 공급이 매우 용이하면서도 편리하게 이루어질 수 있도록 하는 큰 효과를 얻을 수 있다. 이러한 효과로부터, 본 발명은 특히 격납고 자체가 대형으로 되는 대형 원자력 발전소에의 적용이 매우 유리하다는 장점 또한 가진다.

좀더 구체적으로는, 본 발명에 의하면, 냉각재가 채워진 공간 내에 이상유동 열전달을 이용하는 열교환기가 배치되도록 함으로써, 열교환기 작동 시 발생되는 증기가 신속하고 효과적으로 응축되도록 이루어진다. 한편 이처럼 냉각재가 채워진 공간에서의 냉각재의 수위 조절이 사이펀 원리에 의하여 열교환기의 작동 및 정지와 자연적으로 연동되어 이루어지기 때문에, 별도의 작동 및 정지를 위한 제어 등을 해 주어야 할 필요가 없어, 운용 상의 편리함이 극대화되는 큰 효과 또한 있다.

이처럼 본 발명은, 냉각계통이 완전 피동식으로 이루어짐으로써 원자로 손상 발생 시 별도의 제어 지시가 필요 없이 신속한 냉각이 이루어질 수 있도록 하여 사고 위험성을 최소화시켜 줄 수 있는 효과가 있다. 무엇보다도 본 발명은, 종래의 피동식 원자로 냉각계통과는 전혀 상이한, 열수력적 작동 개념에 기반한 새로운 구조를 가지며, 이 새로운 구조를 기반으로 다양한 사고 조건에 따라 맞추어 적절한 냉각 동작을 다양하게 수행할 수 있다. 특히 본 발명의 원자로 냉각계통 구성은 기존의 원자로 냉각계통 구성과 비교하였을 때 비약적으로 단순화된 구조를 가지기 때문에, 이에 따라 기존에 비해 원자로를 설계하고 구축하는데 있어서 난해함을 훨씬 낮출 수 있으며, 구축 완료된 원자로를 운영함에 있어서도 용이성 및 편의성이 비교할 수 없이 향상되는 커다란 효과가 있다. 물론 이에 따라 설계, 구축, 운용, 제어 등에 드는 시간, 인력, 비용 등의 자원들을 절약하는 효과도 매우 크다.

또한 본 발명의 원자로 냉각계통 구성은 기존과는 다를 뿐만 아니라 종래의 원자로 냉각계통과는 달리 이상유동 열전달 방식을 이용하여 원자로의 고온 에너지를 빠르게 흡수하여 외부(해수 등의 히트싱크)에 버리도록 구성됨으로써 냉각 속도가 비약적으로 빨라지는 바, 결과적으로 절대적인 냉각 능력 또한 크게 향상되는 효과 또한 있다. 더불어 히트 싱크로 작용하는 냉각재에 흡수된 열을 외부, 즉 무한대의 히트 싱크에 한 번 더 버리도록 구성됨으로써, 결과적으로는 잔열 제거 시간을 무한대로 확장시켜 주는 큰 효과가 있다.

뿐만 아니라 냉각 동작을 수행함에 있어서 실질적으로 능동적인(즉 외부에서 운전원이 제어 지시를 내려 주면 작동되는) 제어 수단이 전혀 없으며, 전반적인 구조 자체는 훨씬 단순화되어 있기 때문에, 종래에 비하여 제작 및 운용 등에 있어서 편의성이 훨씬 향상되는 효과가 있다. 물론 능동적인 제어나 구동에 필요한 별도의 동력원을 요하지 않는다는 점에서 운용시 불필요한 에너지 낭비를 절약하는 경제적 효과도 물론 있다.

도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 종래의 원자로 냉각계통의 예시.
도 3은 이상유동 열전달 원리.
도 4는 포화증기압 공간 형성 원리.
도 5는 원자로 증기발생계통 구성.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 원자로의 일실시예.
도 9 및 도 10는 사고 발생 시 본 발명의 원자로의 동작 방법.
도 11은 정상 정지 시 본 발명의 원자로의 동작 방법.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 사이펀 원리를 이용한 냉각계통을 가지는 원자로 및 그 동작 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 원자로에서는, 기본적으로 이상유동 열전달 원리 및 사이펀 원리를 이용하여 원자로 내 압력조건의 변화에 따라 냉각재가 이동하면서 열교환을 일으킴으로써 신속하고 효과적인 냉각이 이루어질 수 있도록 한다. 이에 먼저 이상유동 열전달 원리와, (본 발명의 원자로에서 사이펀 원리를 이용하여 냉각재의 수용 및 공급하는 사이펀 탱크 내부에 형성되는) 포화증기압 공간 형성 원리를 설명하고, 다음으로 이러한 원리들이 적용된 본 발명의 원자로의 구성 및 그 동작 방법을 설명한다.

I. 이상유동 열전달 원리 및 포화증기압 공간 형성 원리

도 3은 이상유동 열전달 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하는 열교환부는, 고온의 열교환매체가 흐르는 방출용 튜브(도 3에서는 좌측 튜브), 저온의 열교환매체가 흐르는 흡수용 튜브(도 3에서는 우측 튜브), 그리고 이 두 튜브들에 다른 열교환매체(도 3에서는 냉각수이나, 물론 다른 액체여도 무방하다)를 분사해 주는 노즐, 이 세 가지를 기본적으로 필요로 한다.

방출용 튜브 내에는 고온의 열교환매체가 흘러가고 있으며, 흡수용 튜브 내에는 저온의 열교환매체가 흘러가고 있다. 기존의 열교환기의 경우에는 이러한 두 튜브를 밀착시켜 줌으로써, 튜브 벽면을 통해 고온측에서 저온측으로 열이 전달되도록 하였으나, 이상유동 열전달 현상을 이용하는 본 발명의 열교환부에서는 그렇게 하지 않고 두 튜브를 적절한 간격으로 이격시켜 둔다.

노즐은 방출용 튜브 측에 구비되어, 방출용 튜브로 냉각수를 분사해 준다. 냉각수가 분사되어 그 물방울들이 방출용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 냉각수 물방울들이 방출용 튜브 내의 고온의 열교환매체가 가지고 있는 열을 순간적으로 흡수하여 빠르게 증발하게 된다. 즉 방출용 튜브 외면에서는 냉각수 물방울들에 의하여 급격하게 많은 양의 증발열이 흡수됨으로써 급랭되는 현상이 일어나며(Tube outside: Quenching), 방출용 튜브 내부에서는 고온의 열교환매체가 냉각수 물방울들의 증발열로서 자신이 가지고 있던 열을 빼앗겨 방출하고 냉각되어 응축되는 현상이 일어난다(Tube inside: Condensation).

상술한 바와 같이 방출용 튜브 주변에서 냉각수는 모두 증발하여 증기 상태가 되는데, 이 증기는 방출용 튜브와 이격되어 배치되어 있는 흡수용 튜브와 접촉하게 된다. 이 때 흡수용 튜브에는 저온의 열교환매체가 흐르고 있기 때문에, 증기가 흡수용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 증기는 흡수용 튜브 내의 저온의 열교환매체로 순간적으로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 흡수용 튜브 외면에 맺히게 된다. 즉 흡수용 튜브 외면에서는 증기가 저온의 열교환매체로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 응축수가 되어 튜브 외면에 맺히거나 흘러내리는 현상이 일어나며(Tube outside: Condensing), 흡수용 튜브 내부에서는 저온의 열교환매체가 증기로부터 열을 흡수함으로써 증발되는 현상이 일어난다(Tube inside: Evaporation).

이와 같이 이상유동 열전달 현상에서는, 방출용 튜브 및 흡수용 튜브가 서로 이격되어 있되, 노즐에서 분사되는 별도의 열교환매체(도 3의 예시에서는 냉각수)가, 노즐에서 액체 상태로 분사되어 방출용 튜브 근처에서 증발되어 기체 상태가 되었다가 흡수용 튜브 근처에서 응축되어 다시 액체 상태로 되돌아오는 방식으로, 기상 - 액상의 두 상(two-phase)으로 변화해 가면서 열전달을 수행한다. 이러한 이상유동 열전달 방식은 기존의 열전달 방식에 비하여 훨씬 빠르고 효과적으로 열전달이 이루어지도록 한다는 연구가 최근 발표된 바 있다.

도 4는 포화증기압 공간 형성 원리를 도시하고 있다. 이상유동 열전달 현상의 원리를 설명한 도 3과 대비하여 볼 때, 도 4에서의 제1열교환기(고온유체 유통)가 도 3에서의 방출용 튜브에 해당하며, 도 4에서의 제2열교환기(저온유체 유통)가 도 3에서의 흡수용 튜브에 해당하고, 도 4에서의 유통로가 도 3에서의 노즐에 해당한다. 즉 도 4와 같은 구조로 이루어지는 열교환부에서는, 상술한 바와 같은 이상유동 열전달 원리에 따른 고온유체에서 저온유체로의 열전달이 원활하게 이루어질 수 있다. 이상유동 열전달은 앞서 설명한 바와 같이 냉각재의 증발열 및 응축열을 이용하여 열전달이 일어나도록 하는 것이기 때문에, 일반적인 유체에서의 열전달 즉 대류 열전달에 비해 효율이 비약적으로 높다. 즉 이러한 이상유동 열전달 방식은 기존의 열전달 방식에 비하여 훨씬 빠르고 효과적으로 열전달을 실현할 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같은 열교환부에서 이루어지는 이상유동 열전달에서는, 유통로(도 3에서의 노즐에 해당)에서 분사된 냉각재가 제1열교환기(도 3에서의 방출용 튜브에 해당) 주변에서 증발하고, 제2열교환기(도 3에서의 흡수용 튜브에 해당) 주변에서 응축되는 현상을 이용하여 열전달이 이루어지는 바, 제1열교환기 및 제2열교환기 주변에 냉각재 증기가 최대한 많이 있을수록 유리하다. 거꾸로 말하면, 제1열교환기 및 제2열교환기 주위에 공기와 같은 비응축 기체 비율이 높을수록 이상유동 열전달 효율이 떨어지게 된다.

이 때 도 4에 도시된 바와 같은 열교환부에서는, 원래 기체가 채워진 공간이 없었던 상태(도 4(A) 상태)에서 냉각재의 비등으로 인하여 기체, 즉 냉각재 증기가 채워진 공간이 생겨나며, 따라서 이 공간은 냉각재 증기가 포화증기압을 형성하며 가득 차 있는 공간이 된다. 다시 말해 도 4(B) 상태에서, 밀폐용기부 내 액체 상태의 냉각재 수위 상측 공간에 있는 제1열교환기 및 제2열교환기 주변은, 비응축 기체의 비율이 최소화된 상태가 되며, 따라서 도 4(B) 상태에서 이상유동 열전달 효율은 최대화된다.

II. 본 발명의 원자로

도 5는 일반적인 원자로 증기발생계통 구성을 도시하고 있으며, 본 발명의 원자로에서의 증기발생계통 역시 이와 동일하게 이루어진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 원자로 증기발생계통은 일반적으로 원자로용기(110), 증기발생기(120), 순환펌프(115)를 포함하여 이루어진다.

상기 원자로용기(110)는 내부에 원자로노심(111) 및 열교환매체가 수용되어 외부와 밀폐된 형태로 이루어진다. 상기 원자로노심(111)에서 발생된 고열은 상기 원자로용기(110) 내부에 수용된 열교환매체에 흡수되며, 이러한 고열을 흡수한 열교환매체가 상기 증기발생기(120)로 전달되어 증기를 발생시키는 열원으로서 작동하게 된다.

상기 증기발생기(120)는 내부에 냉각재가 수용되며, 상기 원자로용기(110)와 연결되어 고열을 흡수한 열교환매체를 공급받아 증기를 발생시킨다. 보다 상세히는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 원자로용기(110)로부터 공급받은 고온의 열교환매체가 가지고 있는 열이 증기발생기전열관(125)을 통해 상기 증기발생기(120) 내에 수용된 냉각재로 전달되어, 상기 증기발생기(120) 내에 수용된 냉각재가 증발하여 증기가 발생되게 하는 것이다. 이처럼 상기 증기발생기(120) 내에 수용된 냉각재를 증발시킨 후 냉각된 열교환매체는 다시 상기 원자로용기(110)로 순환되어 돌아오며, 상기 원자로노심(111)에서 발생된 고열을 다시 흡수하여 이러한 순환 과정을 반복한다. 상기 순환펌프(115)는 상기 원자로용기(110) - 상기 증기발생기(120) 간 열교환매체의 원활한 순환을 위해 구비되는 것이다.

이처럼 발생된 냉각재 증기는 증기관(121)을 통해 전력발생용 터빈으로 공급되며, 증기는 전력발생용 터빈을 회전시켜 전력을 발생시키는 과정에서 열에너지를 잃으면서 냉각재로 다시 응축된다. 이렇게 응축된 냉각재는 급수관(122)을 통해 상기 증기발생기(120)로 되돌아와 순환 과정이 반복적으로 이루어지게 된다.

여기에서 상기 원자로용기(110) - 상기 증기발생기(120) 간을 순환하는 열교환매체와, 상기 증기발생기(120) - 외부의 전력발생용 터빈 간을 순환하는 냉각재는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 서로 격리된 상태에서 순환된다. 이는 상기 원자로용기(110) 내 상기 원자로노심(111)과 직접 접촉한 열교환매체에는 생체 및 환경에 매우 치명적인 방사능 물질이 함유되기 때문에 절대 외부로 배출되지 않아야 하기 때문이다. 이처럼 열교환매체와 냉각재가 격리되어 각각 독립적인 순환경로를 형성하기는 하지만, 상기 원자로용기(110) 내의 열교환매체와 상기 증기발생기(120) 내의 냉각재는 동일한 물질로 이루어져도 되며, 실제로 열교환매체, 냉각재 모두 물이 사용되는 경우가 대부분이다.

상술한 바와 같이 원자로의 증기발생계통이 정상적으로 작동하고 있는 동안에는 원자로노심에서 발생되는 열에너지가 전력발생용 터빈으로 전달되어 전력에너지로 전환되는 에너지 순환이 안정적으로 이루어지기 때문에 별도의 냉각이 더 필요하지 않다. 그러나 사고 발생으로 인하여 원자로가 비정상적으로 정지되거나, 또는 필요에 의해서 원자로를 의도적으로 정지시키는 경우(정상 정지)에는, 이러한 에너지 순환이 멈추어 버리기 때문에 별도의 냉각계통을 이용하여 신속하게 냉각해주어야 하는 것이다.

본 발명의 원자로에서의 냉각계통은, 도 5에 도시된 바와 같은 일반적인 대형 원자로에서 증기발생계통이 정지하였을 때 신속하고 효과적인 냉각이 이루어질 수 있도록 하기 위한 것이다. 이 때 본 발명에서는, 앞서 설명한 이상유동 열전달 원리( 및 이와 관련하여 포화증기압 공간형성 원리)를 적용하여 냉각이 이루어지도록 하여 장시간의 잔열 제거가 효과적으로 이루어지도록 한다. 이와 동시에 본 발명에서는, 격납건물 내부압력의 변화에 따라 다량의 냉각재가 수용되어 있는 탱크로부터 사이펀 원리에 의하여 냉각재가 흘러나와 직접 냉각이 수행되도록 함으로써,

도 6은 본 발명의 원자로의 일실시예를 도시하는 것으로, 도 7은 각부가 이루는 체계의 이해를 돕기 위한 도면이며, 도 8은 일부의 입체적인 형상의 예시를 도시한 도면이다. 이하에서 도 6 내지 도 8을 통해 본 발명의 원자로의 일실시예의 구성을 먼저 설명하고, 각부를 통하여 순환하는 증기 및 냉각재에 의한 냉각 과정은 그 다음에 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 원자로는, 기본적으로 격납건물(500) 내에 증기발생계통(100) 및 사이펀냉각계통(240)이 구비된다. 여기에서 상기 증기발생계통(100)은 도시된 바와 같이 원자로노심(111)을 수용하는 원자로용기(110) 및 증기관(121) 및 급수관(122)이 연결된 증기발생기(120)를 포함하여 이루어지는데, 도 5를 통해 설명한 기존의 증기발생계통과 구성 및 동작이 동일하므로 여기에서는 설명을 생략한다.

앞서 간략히 설명했던 바와 같이 원자로가 정상적으로 동작하고 있는 동안에는 원자로의 냉각계통이 동작할 필요가 없으며, 냉각재 누출 등의 사고가 발생하면 비로소 동작이 시작됨으로써 냉각을 수행하게 된다. 이 때 상기 사이펀냉각계통(240)에서는, 상기 원자로노심(111)이 완전히 식을 때까지 상기 증기발생기(120)에서 계속 과도하게 발생되는 증기를 냉각시켜주는 잔열제거 기능과, 사고 발생 시 즉각적으로 상기 증기발생계통(100)으로 냉각재를 직접 공급 및 접촉시킴으로써 초기에 신속한 냉각이 이루어지게 하는 직접냉각 기능, 두 가지를 할 수 있도록 구성된다. 특히 잔열제거 기능을 수행함에 있어서 이상유동 열전달 원리를 이용함으로써 보다 신속한 냉각이 이루어지게 하며, 직접냉각 기능을 수행함에 있어서 사이펀 원리를 이용함으로써 별도의 제어장치 없이 즉각적인 냉각재 공급이 이루어지게 한다. 이러한 상기 사이펀냉각계통(240)은 사이펀탱크(241) 및 사이펀유로(242)를 포함하여 이루어지며, 각부에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 사이펀탱크(241)는, 냉각재를 수용하며 지면에서 수직하게 연장 형성된 형태로 이루어져 물기둥을 형성한다. 도 8은 상기 사이펀탱크(241)의 입체적인 형태를 보여주고 있다. 상기 사이펀탱크(241)가 형성하는 물기둥 상측에는 한 쌍의 열교환기가 수용되며, 상기 한 쌍의 열교환기는 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기를 공급받아 이상유동 열전달 원리를 이용하여 냉각시킨다.

냉각재 누출 사고 등이 발생할 경우 상기 증기발생계통(100)에서는 상기 원자로노심(111)이 완전히 식을 때까지 장시간에 걸쳐 지속적으로 증기가 발생한다. 본 발명에서, 이 증기는 상기 한 쌍의 열교환기 중 하나에 공급되며, 본 발명에서는 이 증기가 가지고 있는 열이 다른 하나로 전달될 때 이상유동 열전달 원리를 이용하여 열전달이 이루어지도록 한다. 이 때 이상유동 열전달 원리는 앞서 설명했던 바와 같이 일반적인 열교환기들이 사용하는 열전달 원리에 비해 훨씬 열전달이 신속하게 이루어진다. 즉 본 발명에 의하면, 기존의 일반적인 열교환기들을 사용하는 냉각계통과 비교할 때 보다 신속하고 효과적인 증기의 냉각, 즉 보다 신속하고 효과적인 잔열 제거를 실현할 수 있게 된다.

상기 사이펀유로(242)는, 상기 사이펀탱크(241) 하부와 연통되며 상부가 개방된 관 형태로 이루어져 상기 사이펀탱크(241) 내 압력 및 상기 격납건물(500) 내부압력에 의하여 사이펀 원리에 따라 수위가 변동되도록 이루어진다. 이 때 상기 사이펀유로(242)의 하부 일측에는 사이펀유로밸브(242v)가 구비되어, 수위 변동에 따라 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출 가능하도록 이루어진다.

사이펀(siphon)이란 일반적으로 높은 곳에 있는 액체를 낮은 곳으로 옮기는 관을 칭하는 것으로, 높은 쪽의 액체 액면에 작용하는 기압에 의하여 액체가 관 안으로 밀어올려지는 힘이, 낮은 쪽의 액체 액면에 작용하는 기압에 의하여 액체가 관 안으로 밀어올려지는 힘보다, 두 액면의 높이 차에 해당하는 액체 기둥만큼 약하기 때문에 액체가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것을 사이펀 원리라고 한다. 본 발명에 대입하여 생각해 보면, 먼저 상기 사이펀탱크(241)가 물기둥을 형성함으로써 높은 쪽의 액체를 형성하며, 평상시(즉 원자로 정상 동작 시)에는 상기 격납건물(500) 내부압력이 상기 사이펀유로(242)를 통해 냉각재 액면을 눌러 줌으로써 물기둥이 유지된다. 이 때 냉각재 누출 사고 등이 발생하면, 상기 사이펀탱크(241)의 상부로 증기가 공급되어 물기둥을 눌러주게 되고, 이에 따라 상기 사이펀탱크(241)의 수위가 하강하는 반면 상기 사이펀유로(242)의 수위는 상승하는 수위 변동이 발생한다. 이러한 수위 변동에 따라 앞서 설명한 바와 같이 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출되는데, 이러한 냉각재의 배출은, 앞서 설명한 바와 같은 사이펀 원리에 의하여, 상기 사이펀탱크(241) 내 형성된 물기둥의 높이가 (상기 사이펀탱크(241) 내 압력 및 상기 격납건물(500) 내부압력에 따라 결정되는 임계 높이만큼) 충분히 낮아질 때까지 지속적으로 이루어진다.

이렇게 배출된 냉각재는 상기 격납건물(500) 하부로 채워짐으로써 상기 증기발생계통(100)과 직접 접촉하여 열을 흡수함으로써 신속하고 즉각적인 직접냉각을 수행한다. 즉 이는 쉽게 말하자면 뜨거운 물건에 물을 끼얹어 즉각적으로 식히는 것인데, 이러한 직접냉각을 통해 (열교환매체의 순환 등을 이용하는 간접냉각에 비해) 훨씬 신속하고 효과적인 초기 냉각을 실현할 수 있다.

이처럼 본 발명의 원자로는 상기 사이펀냉각계통(240)을 포함하여 이루어짐으로써, 사이펀 원리를 이용한 직접냉각 기능에 의하여 사고 발생 시 즉각적이고 효과적인 초기 냉각을 수행하고, 또한 이상유동 열전달 원리를 이용한 잔열제거 기능에 의하여 장시간에 걸친 잔열제거 역시 효과적으로 수행할 수 있다.

본 발명의 원자로는 상기 사이펀냉각계통(240) 외에도 여러 냉각계통들을 더 포함하여 이루어질 수 있는데, 즉 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 증기발생기잔열냉각계통(210), 잔열냉각계통(220), 격납건물냉각계통(230)을 더 포함할 수 있다. 이러한 여러 다른 냉각계통들은 상기 사이펀냉각계통(240)의 기능이 보다 원활하면서도 효과적으로 발휘될 수 있도록 함과 더불어, 냉각재 또는 증기를 더욱 다양한 경로로 순환시킴으로써 냉각 효과를 더욱 높이기 위하여 구비되는 것이다.

이러한 여러 다른 냉각계통들을 간략히 설명하자면 다음과 같다. 먼저 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)은, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체를 순환시키되, 순환경로 상에 구비된 증기발생기냉각열교환기(212)를 통해 증기를 냉각시키는 역할을 한다. 또한 상기 잔열냉각계통(220)은, 별도의 냉각재를 순환시키되, 순환경로 상에 구비된 잔열냉각열교환기(221)를 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 열교환하여 잔열을 냉각시키는 역할을 한다. 마지막으로 상기 격납건물냉각계통(230)은, 냉각재를 수용하며 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부를 공급받아 가압됨으로써 상기 격납건물(500) 내 또는 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 측으로 냉각재를 공급하여, 냉각재로 직접 상기 격납건물(500) 내 열을 흡수하거나 또는 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 간 이상유동 열전달이 이루어지게 하여 냉각을 수행하는 역할을 한다.

앞서 설명한 바와 같이 상기 사이펀냉각계통(240)에서는 직접냉각 기능 및 잔열제거 기능이 수행된다. 이 때 잔열제거 기능을 수행하는 한 쌍의 열교환기(즉 상기 사이펀탱크(241)에 의해 형성되는 물기둥 상측에 수용되는 한 쌍의 열교환기)가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)가 되게 함으로써, 상기 사이펀냉각계통(240) - 상기 증기발생기잔열냉각계통(210) 간 연계 동작 및 상기 사이펀냉각계통(240) - 상기 잔열냉각계통(220) 간 연계 동작이 자연스럽게 이루어지게 된다. 즉 사고 발생 시, 상기 원자로노심(111)의 잔열은 먼저 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)으로 전달되고, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)의 열은 상기 잔열냉각계통(220)으로 전달되고, 상기 잔열냉각계통(220)은 이 열을 외부의 히트 싱크(heat sink)에 버림으로써, 결과적으로 상기 원자로노심(111)의 잔열이 외부로 버려지는 냉각 동작이 이루어지는 것이다.

부가적으로, 상기 사이펀냉각계통(240)은, 상기 사이펀탱크(241)내에 구비되되, 상부가 폐쇄되고 하부가 개방된 통 형태로 형성되어, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)를 수용하는 열교환기용기(243)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 역시 앞서 설명했던 바와 같이, 이상유동 열전달이 가장 효과적으로 이루어지기 위해서는 해당 공간이 포화증기압 공간이 되게 하는 것이 좋다. 상기 열교환기용기(243)는 바로, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 주변에 이러한 포화증기압 공간 형성이 원활하게 이루어지게 하기 위해 구비되는 것이다.

상기 격납건물냉각계통(230)은, 상기 사이펀냉각계통(240)에서 수행하는 직접냉각 기능과 유사한 기능, 즉 냉각재를 직접 격납건물(500) 내에 쏟아주는 기능을 수행하기도 하고, 이와 더불어 상기 사이펀냉각계통(240) 내의 한 쌍의 열교환기에서 일어나는 이상유동 열전달이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 보조해 주는 역할도 한다. 앞서 설명한 바와 같이 이상유동 열전달은 고온유체튜브 - 저온유체튜브 사이의 공간에 있는 열교환매체가 증발-응축을 반복적으로 일으킴으로써 일어나게 되는 것으로, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)가 고온유체튜브 역할을, 상기 잔열냉각열교환기(221)가 저온유체튜브 역할을 하게 된다. 앞서 간략히 설명한 바와 같이 사고 발생 시에는 물기둥이 하강하므로 상기 증기발생기냉각열교환기(212) - 상기 잔열냉각열교환기(221) 사이에 빈 공간이 형성되며, 여기에 (열교환매체로서) 냉각재를 분사해 줌으로써 이상유동 열전달이 일어날 수 있게 된다. 이처럼 분사되는 냉각재가 별도의 다른 소스로부터 공급될 수도 있겠으나, 본 발명의 일실시예에서는 상기 격납건물냉각계통(230)에서 이 냉각재가 공급되도록 함으로써, 냉각 동작이 전체적으로 연관되어 유기적으로 이루어지게 하고 있다.

이하에서 각 냉각계통들의 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 이후에 원자로의 동작 방법에 대해 구체적으로 설명할 것이므로, 여기에서는 각 냉각계통들을 이루는 부품들 및 그 연결관계에 대해서만 설명하기로 한다. 또한, 도 6에는 각 부품들이 모두 도면부호로 표시되어 있으며, 도 7에는 각 냉각계통들이 형성하는 순환 경로로서 각 냉각계통이 도면부호로 표시되어 있는 바, 각 부품이 어느 냉각계통에 속하는지는 도 6 및 도 7을 함께 참조하면 쉽게 파악할 수 있다.

상기 증기발생기잔열냉각계통(210)은, 증기우회관(211), 증기발생기냉각열교환기(212), 증기분사관(213), 보조급수관(214)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에 보론저장용기(215), 냉각재주입관(216)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

먼저 상기 증기우회관(211)은 상기 증기관(121)과 연결되어 증기 일부 또는 전체를 유통시킨다. 상기 증기발생기냉각열교환기(212)는 상기 증기우회관(211)과 연결되어 증기를 통과 및 냉각시키는 역할을 하는 것으로, 상술한 바와 같이 상기 잔열냉각열교환기(221)로 열을 전달함으로써 내부의 증기를 냉각하게 된다. 상기 증기분사관(213)은 상기 증기우회관(211)과 연결되어 증기 일부를 우회시켜 상기 사이펀탱크(241) 내로 공급하는 역할을 하는 것으로, 즉 상기 사이펀탱크(241)의 물기둥을 하강시켜 상기 사이펀냉각계통(240)의 직접냉각 기능이 수행될 수 있게 해 준다. 상기 보조급수관(214)은 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 연결되어 증기가 냉각 및 응축되어 생성된 냉각재를 상기 증기발생기(120)로 재유입시킴으로써, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기의 순환이 이루어진다.

한편 상기 보론저장용기(215)는 상기 보조급수관(214)과 연결되어 냉각재 일부를 우회시켜 공급받으며, 상기 냉각재주입관(216)은 상기 보론저장용기(215)와 연결되어 보론을 더 함유한 냉각재를 상기 증기발생기(120)로 재유입시킨다. 여기에서 상기 보론저장용기(215)에 저장되어 있는 보론은 중성자를 흡수하는 역할을 하는 물질로서, 일반적으로 원자로에 사용되는 냉각재에 함유시키는 물질이다. 앞서 도 5를 통해 설명하였던 바와 같이 상기 증기발생기(120)는, 상기 원자로용기(110) - 상기 증기발생기(120) 간을 순환하는 열교환매체와, 상기 증기발생기(120) - 외부의 전력발생용 터빈 간을 순환하는 냉각재가, 서로 격리된 공간에서 각각 독립적으로 순환될 수 있도록 형성되며, 일반적으로 동일한 물질(대부분의 경우 물)이 사용된다. 앞서 보조급수관(214)으로 유입된 냉각재는 상기 증기발생기(120) - 외부의 전력발생용 터빈 순환경로에 해당하는 공간으로 유입되는 반면, 상기 보론저장용기(215)를 통과하여 상기 냉각재주입관(216)으로 유입된 냉각재는 상기 원자로용기(110) - 상기 증기발생기(120) 순환경로에 해당하는 공간으로 유입된다. 즉 상기 냉각재주입관(216)으로 주입된 냉각재는 열교환매체와 혼합되며, 대부분의 경우 이들은 동일한 물질이므로 혼합되어도 아무 문제가 없다. 단 이렇게 새로 주입된 냉각재는 직접 상기 원자로노심(111)과 접촉하여야 하기 때문에 중성자 흡수를 더 할 필요가 있으며, 이에 따라 상기 보론저장용기(215)를 통과시킴으로써 보론 함유 정도를 더 높이도록 하는 것이다.

상기 잔열냉각계통(220)은, 잔열냉각열교환기(221), 열교환기수조(222), 잔열냉각관(223)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에 원자로냉각열교환기(224)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 잔열냉각열교환기(221)는 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 인접 배치되어 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로부터 열을 흡수한다. 상기 열교환기수조(222)는 상기 잔열냉각열교환기(221)와 연결되어 상기 잔열냉각열교환기(221)에서 배출된 냉각재를 공급받아 수용하며, 말하자면 외부 히트 싱크에 해당한다고 할 수 있다. 상기 잔열냉각관(223)은 상기 열교환기수조(222)와 연결되어 냉각재를 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입시킴으로써, 냉각재가 증기로부터 흡수한 잔열을 외부에 버림으로써 잔열 제거가 이루어지는 냉각재의 순환이 이루어진다.

상기 원자로냉각열교환기(224)는, 상기 잔열냉각관(223) 상에 구비되어 상기 격납건물(500) 하부에 배치되어 주변으로부터 열을 흡수하는 역할을 하며, 이렇게 함으로써 보조적으로 냉각을 더 수행할 수 있다.

상기 격납건물냉각계통(230)은, 격납건물냉각재저장탱크(231), 격납건물냉각측증기우회관(232), 격납건물냉각스프레이(233), 사이펀스프레이주입관(234), 사이펀스프레이(235)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에 원자로하부냉각관(236)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 격납건물냉각계통(230)은 상기 격납건물(500)로 냉각재를 직접 쏟아줌으로써 직접냉각을 시켜 주기도 하고, 이와 동시에 이상유동 열전달을 이용한 잔열제거용 한 쌍의 열교환기(본 발명의 일실시예에서 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221))에 냉각재를 분사해 주는 역할을 하기도 한다.

먼저 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)는 상기 격납건물(500) 하부에 배치되며, 상술한 바와 같이 직접냉각 또는 잔열제거에 사용될 냉각재를 수용 및 저장한다. 상기 격납건물냉각측증기우회관(232)은 상기 증기관(121)과 연결되어 증기 일부를 우회시켜 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급하며, 이렇게 증기가 공급됨에 따라 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내 냉각재가 이동하여 직접냉각 또는 잔열제거를 위해 사용될 수 있게 된다.

직접냉각에 사용되는 냉각재의 이동을 위한 부품이 바로 상기 격납건물냉각스프레이(233)로서, 상기 격납건물냉각스프레이(233)는 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 격납건물(500) 내로 분사한다. 또한 부가적으로 더 구비되는 상기 원자로하부냉각관(236)도, 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 원자로용기(110) 하부로 공급함으로써 직접냉각을 수행하게 된다.

잔열제거에 사용되는 냉각재의 이동을 위한 부품들이 바로 상기 사이펀스프레이주입관(234) 및 상기 사이펀스프레이(235)이다. 상기 사이펀스프레이주입관(234)은 상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 사이펀탱크(241) 내로 공급하는 역할을 하며, 상기 사이펀스프레이(235)는 상기 사이펀스프레이주입관(234) 끝단에 구비되어 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키도록 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)에 냉각재를 분사한다.

이와 같이 본 발명의 원자로에서는, 4개의 냉각계통들 및 이들을 이루는 각 구성부품들이 서로 유기적으로 연계되어 구성됨으로써, 초기 대응용 직접냉각과 장기적 잔열제거를 모두 효과적으로 수행할 수 있다. 이처럼 서로 유기적 연계 동작이 원활하게 이루어지기 위해서는, 각각의 냉각계통들에 저장되어 있는 냉각재가 적당히 분배되어 있어야 한다. 본 발명의 일실시예에서, 상기 원자로용기(110) 내 냉각재의 양을 1이라 할 때, 상기 증기발생기(120) 내 냉각재의 양은 0.8~1.2 범위 내로 형성되게 하는 것이 바람직하고(가장 바람직하게는 약 1), 상기 보론저장용기(215) 내 냉각재의 양은 0.1~0.5 범위 내로 형성되도록 하는 것이 바람직하다(가장 바람직하게는 약 0.3). 한편 대형 원자로의 경우 원자로용기(110) 1개당 상기 증기발생기(120)가 다수 개 구비될 수도 있는데, 이 때 상기 상대적 체적 비율은 개당으로 생각하면 된다.

III. 본 발명의 원자로 동작 방법

이하에서 앞서 설명한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 원자로 동작 방법을 구체적으로 상세히 설명한다. 앞서도 설명한 바와 같이, 원자로가 정상적으로 동작하고 있는 동안에는 원자로에서 발생되는 열에너지는 외부의 전력발생용 터빈으로 보내져 변환되기 때문에 냉각계통들은 동작할 필요가 없다. 즉 냉각계통들이 동작할 필요가 있을 때는 원자로가 정지하였을 때, 즉 열에너지가 터빈으로 보내짐으로써 소비되지 못하게 되었을 때로서, 크게는 사고가 발생하여 갑자기 정지한 경우와, 원자로 점검, 수리 등을 위해 정상적으로 정지시켰을 경우로 나누어 생각할 수 있다. 사고 발생 시 원자로를 신속하게 냉각하는 것이 가장 중요하기 때문에, 일반적으로 원자로의 냉각계통들은 사고 발생 시를 전제로 하여 설계 및 구성되며, 본 발명의 원자로에서도 마찬가지이다. 정상 정지 시에는, 별도의 냉각계통들을 설계할 필요 없이 이처럼 사고 발생 시를 전제로 하여 설계 및 구성된 냉각계통들을 활용하면 된다. 이러한 점을 고려하여, 이하에서는 사고 발생 시 원자로 동작 방법을 주로 하여 먼저 설명하고, 부가적으로 정상 정지 시 원자로 동작 방법을 설명한다.

사고 발생 시 원자로 동작 방법

도 9 및 도 10는 사고 발생 시 본 발명의 원자로의 동작 방법을 나타낸 것으로서, 사고 발생 시 증기 및 냉각재의 이동 방향 등이 나타나 있다.

먼저 상기 사이펀냉각계통(240)에서의 직접냉각 및 잔열제거 동작이 일어나는 단계를 설명한다. 사고가 발생하면 외부와의 연결 즉 증기관(121) 및 급수관(122)의 밸브가 닫히는데, 상기 증기발생기(120)에서는 여전히 증기가 발생된다. 이처럼 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241)로 공급되어, 상기 사이펀탱크(241) 상부의 압력이 급격히 상승하게 된다.

상기 사이펀냉각계통(240)에 의한 직접냉각 기능은 다음과 같은 식으로 이루어진다. 이처럼 상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 도 9에 보이는 바와 같이 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 하강하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 상승하게 된다. 이처럼 상기 사이펀냉각계통(240) 내 압력이 높아지면서 또한 상기 사이펀유로(242) 내 냉각재 수위가 높아져서 상기 사이펀유로밸브(242v) 위치에 도달하게 되면, 상기 사이펀유로밸브(242v)가 개방되어 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출된다. 이와 같이 배출된 냉각재가 상기 격납건물(500) 하부로 공급되어, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 증기발생계통(100)이 냉각재에 직접 담가지는 형태가 됨으로써 상기 증기발생계통(100)이 직접 냉각된다. 이와 같이 뜨거운 물건에 직접 물을 끼얹는 방식으로, 즉각적이고 신속한 초기 냉각을 효과적으로 실현할 수 있게 된다.

상기 사이펀냉각계통(240)에 의한 잔열제거 기능은 다음과 같은 식으로 이루어진다. 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부는 앞서 설명한 바와 같이 상기 사이펀탱크(241) 내에 직접 공급되어 물기둥을 하강시킴으로써 직접냉각 기능을 유발하는 역할을 한다. 이 때 증기의 다른 일부는 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 하나에 공급되며, 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 나머지 하나로 열전달이 이루어져 증기가 냉각됨으로써 잔열의 제거가 이루어지게 된다. 앞서 설명한 직접냉각은 냉각재가 한꺼번에 대량이 공급됨으로써 단시간 동안 즉각적으로 이루어지는 반면, 이러한 잔열제거는 상기 원자로노심(111)이 완전히 식을 때까지 장시간에 걸쳐 지속적으로 이루어진다.

사고 발생 초기에는 상기 원자로노심(111)에서 발생되는 엄청난 열에너지 때문에 급격한 증기 발생 및 압력 상승이 발생하나, 상술한 바와 같이 여러 방식으로 냉각이 이루어지면 이러한 압력 상승 요인이 점차로 줄어들면서 상태가 바뀌게 된다. 즉 어느 정도 시간이 지나고 나면 잔열이 점차 제거됨에 따라 증기 발생량도 점차 줄어들며, 따라서 상기 사이펀탱크(214) 내 물기둥을 하강시킬 만큼 강하게 누르던 증기의 압력이 점차로 약해진다. 이처럼 상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 작아지면, 도 10에 나타나는 것과 같이 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 상승하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 하강하게 된다. 그러다가 상기 사이펀유로(242)의 수위가 상기 사이펀유로밸브(242v)의 위치보다 낮아지게 되면, 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통한 냉각재의 배출이 정지된다. 이처럼 냉각재 배출이 정지된다는 것은 직접냉각 동작이 정지된다는 것인데, 물론 이후에도 잔열제거 동작은 계속해서 장시간에 걸쳐 이루어진다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210), 상기 잔열냉각계통(220), 상기 격납건물냉각계통(230)은 상술한 바와 같은 상기 사이펀냉각계통(240)과 연계 동작함으로써 상기 사이펀냉각계통(240)의 직접냉각 또는 잔열제거 동작이 원활하게 이루어질 수 있게 한다. 각각의 냉각계통에서의 증기 또는 냉각재의 순환을 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 증기발생기잔열냉각계통(210)에서의 냉각 동작을 간략하게 설명하자면, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)을 순환하는 증기가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)를 통과하여 냉각됨으로써 상기 증기발생기(120)가 냉각된다.

상기 증기발생기잔열냉각계통(210)에서의 증기 또는 냉각재 이동 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체가 상기 증기우회관(211)을 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로 공급된다. 다음으로, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기가 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재와 열교환하여 냉각 및 응축된다. 다음으로, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재가 상기 보조급수관(214)을 통해 상기 증기발생기(120)로 재유입됨으로써 순환이 이루어진다.

이 때, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재 일부가 우회되어 상기 보론저장용기(215)을 통과하여 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 동작이 더 이루어질 수도 있다. 이렇게 재유입된 냉각재는 앞서 설명한 바와 같이 상기 원자로용기(110)를 직접 통과하여 순환하는 흐름을 보충해 주게 된다.

상기 잔열냉각계통(220)에서의 냉각 동작을 간략하게 설명하자면, 상기 잔열냉각계통(220)을 순환하는 냉각재가, 상기 잔열냉각열교환기(221)을 통과하여 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로부터 열을 흡수하여 외부에 버림으로써 잔열이 냉각된다.

상기 잔열냉각계통(220)에서의 증기 또는 냉각재 이동 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기와 열교환하여 열을 흡수한다. 다음으로, 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 열을 흡수한 냉각재가 상기 열교환기수조(222)로 공급되어 수용됨으로써 외부로 열을 버리게 된다. 다음으로, 외부로 열을 버려서 냉각된 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재가 잔열냉각관(223)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입됨으로써 순환이 이루어진다.

이 때, 상기 잔열냉각관(233) 상에 원자로냉각열교환기(224)가 더 구비되어 있는 경우, 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재는 다음과 같이 이동한다. 즉 외부로 열을 버려서 냉각된 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재가 잔열냉각관(223)을 통해 유통되어 (상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입되기 전에) 상기 원자로냉각열교환기(224)로 공급된다. 다음으로 상기 원자로냉각열교환기(224) 내의 냉각재가 주변으로부터 열을 흡수하여 상기 격납건물(500) 하부를 냉각시키고, 그 다음에 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입됨으로써 순환이 이루어진다. 상기 원자로냉각열교환기(224)

도 9 및 도 10에 보이는 바와 같이 사고 발생 시 초기에 냉각재가 상기 격납건물(500) 하부로 대량 공급됨으로써 급격한 초기 냉각이 수행되는데, 상기 원자로냉각열교환기(224)가 없을 경우 상기 격납건물(500) 하부에 채워져 있는 냉각재가 흡수한 열은 냉각재의 증발 외에는 버려질 곳이 없다. 그러나 이처럼 상기 원자로냉각열교환기(224)가 구비됨으로써, 상기 격납건물(500) 하부에 채워져 있는 냉각재가 가지고 있는 열이 외부로 전달되어 버려질 수 있게 되어, 보다 효과적인 냉각이 이루어질 수 있다.

상기 격납건물냉각계통(230)에서의 냉각 동작은 두 가지로서, 상기 사이펀냉각계통(240)에서의 잔열제거 동작이 더욱 원활하게 이루어지게 해 주는 잔열제거 동작과, 냉각재를 직접 배출하는 직접냉각 동작이 있다. 잔열제거 동작을 간략하게 설명하자면, 상기 격납건물냉각계통(230)을 순환하는 냉각재 일부가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 측으로 공급되어 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 간 이상유동 열전달이 이루어지게 한다. 직접냉각 동작을 간략하게 설명하자면, 상기 격납건물냉각계통(230)을 순환하는 냉각재 일부가, 상기 격납건물(500) 내로 공급되어 직접 상기 격납건물(500) 내 열을 흡수한다.

상기 격납건물냉각계통(230)에서의 증기 또는 냉각재 이동 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부가 상기 격납건물냉각측증기우회관(232)을 통해 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급되어 가압된다.

직접냉각 동작과 관련하여, 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 격납건물냉각스프레이(233)를 통해 상기 격납건물(500) 내로 분사된다. 이렇게 분사된 냉각재는 상기 증기발생계통(100)에 직접 뿌려짐으로써 직접냉각이 이루어지게 된다. 또한 상기 원자로하부냉각관(236)이 더 구비되는 경우, 냉각재의 다른 일부가 상기 원자로하부냉각관(236)을 통해 상기 원자로용기(110) 하부로 공급되어 상기 원자로용기(110)가 직접 냉각되도록 이루어질 수도 있다.

잔열제거 동작과 관련하여, 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 먼저 냉각재 일부가 상기 사이펀스프레이주입관(234)을 통해 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사된다. 그러면 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사된 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 사이에 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시킨다. 즉 상기 격납건물냉각계통(230)이 직접적으로 냉각을 수행하는 것은 아니지만, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210) 및 상기 잔열냉각계통(220) 간의 열교환이 더욱 원활하게 이루어지게 해 줌으로써, 간접적으로 잔열제거에 기여를 하게 된다.

정상 정지 시 원자로 동작 방법

도 11은 정상 정지 시 본 발명의 원자로의 동작 방법을 나타낸 것으로서, 정상 정지 시 증기 및 냉각재의 이동 방향 등이 나타나 있다. 정상 정지 시에는, 상술한 바와 같은 사고 발생 시 원자로 동작 방법 중 일부만이 활용되어 냉각이 이루어진다. 즉 도 11에 보이는 바와 같이, 상기 사이펀냉각계통(240)에서 냉각재가 상기 격납건물(500) 하부로 흘러넘치지 않음으로써 직접냉각 동작은 이루어지지 않는 대신, 잔열제거 동작만이 일어나게 된다.

보다 구체적으로 설명하자면, 맨 처음에는 사고 발생 시 상기 사이펀냉각계통(240)의 동작 방법과 유사하게, 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241)로 공급되어 가압된다. 상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 하강하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 상승하나, 사고 발생 시에 비해 상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 낮기 때문에, 상기 사이펀유로밸브(242v)는 개방되지 않고, 따라서 냉각재의 배출 및 직접냉각은 이루어지지 않는다.

그러나 잔열제거는 사고 발생 시와 마찬가지로 이루어지는데, 즉 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 하나에 공급되며, 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 나머지 하나로 열전달이 이루어져 증기가 냉각됨으로써 잔열이 제거된다. 이러한 잔열제거 동작에 있어서, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210), 상기 잔열냉각계통(220), 상기 격납건물냉각계통(230)의 동작은 사고 발생 시와 마찬가지로 이루어지므로, 반복 설명은 생략한다.

본 발명은 상기한 일실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 증기발생계통 110: 원자로용기
111: 원자로노심 115: 순환펌프
120: 증기발생기 121: 증기관
122: 급수관 125: 증기발생기전열관
210: 증기발생기잔열냉각계통
211: 증기우회관 212: 증기발생기냉각열교환기
213: 증기분사관 214: 보조급수관
215: 보론저장용기 216: 냉각재주입관
220: 잔열냉각계통
221: 잔열냉각열교환기 222: 열교환기수조
223: 잔열냉각관 224: 원자로냉각열교환기
230: 격납건물냉각계통
231: 격납건물냉각수저장탱크 232: 격납건물냉각측증기우회관
233: 격납건물냉각스프레이 234: 사이펀스프레이주입관
235: 사이펀스프레이 236: 원자로하부냉각관
240: 사이펀냉각계통
241: 사이펀탱크 242: 사이펀유로
242v: 사이펀유로밸브 243: 열교환기용기
500: 격납건물

Claims

격납건물(500);
원자로노심(111)을 수용하는 원자로용기(110), 증기관(121) 및 급수관(122)이 연결된 증기발생기(120)를 포함하여 이루어지는 증기발생계통(100);
냉각재를 수용하며 지면에서 수직하게 연장 형성된 형태로 이루어져 물기둥을 형성하되, 물기둥 상측에 상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기를 공급받아 이상유동 열전달 원리를 이용하여 냉각시키는 한 쌍의 열교환기를 수용하는 사이펀탱크(241), 상기 사이펀탱크(241) 하부와 연통되며 상부가 개방된 관 형태로 이루어져 상기 사이펀탱크(241) 내 압력 및 상기 격납건물(500) 내부압력에 의하여 사이펀 원리에 따라 수위가 변동되되, 수위 변동에 따라 하부 일측에 구비된 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출 가능하도록 이루어지는 사이펀유로(242)를 포함하여 이루어지는 사이펀냉각계통(240);
상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체를 순환시키되, 순환경로 상에 구비된 증기발생기냉각열교환기(212)를 통해 증기를 냉각시키는 증기발생기잔열냉각계통(210);
별도의 냉각재를 순환시키되, 순환경로 상에 구비된 잔열냉각열교환기(221)를 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 열교환하여 잔열을 냉각시키는 잔열냉각계통(220);
냉각재를 수용하며 상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부를 공급받아 가압됨으로써 상기 격납건물(500) 내 또는 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 측으로 냉각재를 공급하여, 냉각재로 직접 상기 격납건물(500) 내 열을 흡수하거나 또는 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 간 이상유동 열전달이 이루어지게 하여 냉각을 수행하는 격납건물냉각계통(230);
을 포함하여 이루어지며,
상기 사이펀탱크(241)에 의해 형성되는 물기둥 상측에 수용되는 한 쌍의 열교환기는, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)인 것을 특징으로 하는 원자로.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)은,
상기 증기관(121)과 연결되어 증기 일부 또는 전체를 유통시키는 증기우회관(211),
상기 증기우회관(211)과 연결되어 증기를 통과 및 냉각시키는 상기 증기발생기냉각열교환기(212),
상기 증기우회관(211)과 연결되어 증기 일부를 우회시켜 상기 사이펀탱크(241) 내로 공급하는 증기분사관(213),
상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 연결되어 증기가 냉각 및 응축되어 생성된 냉각재를 상기 증기발생기(120)로 재유입시키는 보조급수관(214)
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 3항에 있어서, 상기 증기발생기잔열냉각계통(210)은,
상기 보조급수관(214)과 연결되어 냉각재 일부를 우회시켜 공급받는 보론저장용기(215),
상기 보론저장용기(215)와 연결되어 보론을 더 함유한 냉각재를 상기 증기발생기(120)로 재유입시키는 냉각재주입관(216)
을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 1항에 있어서, 상기 잔열냉각계통(220)은,
상기 증기발생기냉각열교환기(212)와 인접 배치되어 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로부터 열을 흡수하는 상기 잔열냉각열교환기(221),
상기 잔열냉각열교환기(221)와 연결되어 상기 잔열냉각열교환기(221)에서 배출된 냉각재를 공급받아 수용하는 열교환기수조(222),
상기 열교환기수조(222)와 연결되어 냉각재를 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입시키는 잔열냉각관(223)
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 5항에 있어서, 상기 잔열냉각계통(220)은,
상기 잔열냉각관(223) 상에 구비되어 상기 격납건물(500) 하부에 배치되어 주변으로부터 열을 흡수하는 원자로냉각열교환기(224)
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 1항에 있어서, 상기 격납건물냉각계통(230)은,
상기 격납건물(500) 하부에 배치되며 냉각재를 수용 및 저장하는 격납건물냉각재저장탱크(231),
상기 증기관(121)과 연결되어 증기 일부를 우회시켜 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급하는 격납건물냉각측증기우회관(232),
상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 격납건물(500) 내로 분사하는 격납건물냉각스프레이(233),
상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 사이펀탱크(241) 내로 공급하는 사이펀스프레이주입관(234),
상기 사이펀스프레이주입관(234) 끝단에 구비되어 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키도록 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)에 냉각재를 분사하는 사이펀스프레이(235)
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 7항에 있어서, 상기 격납건물냉각계통(230)은,
상기 격납건물냉각재저장탱크(231)와 연결되어 냉각재를 상기 원자로용기(110) 하부로 공급하는 원자로하부냉각관(236)
을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 1항에 있어서, 상기 사이펀냉각계통(240)은,
상기 사이펀탱크(241)내에 구비되되, 상부가 폐쇄되고 하부가 개방된 통 형태로 형성되어, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221)를 수용하는 열교환기용기(243)
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 4항에 있어서, 상기 원자로는,
상기 원자로용기(110) 내 냉각재의 양을 1이라 할 때,
상기 증기발생기(120) 내 냉각재의 양은 0.8~1.2 범위 내로 형성되고,
상기 보론저장용기(215) 내 냉각재의 양은 0.1~0.5 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 1항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241)로 공급되어 가압되는 단계;
상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 하강하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 상승하여 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통해 냉각재가 배출되고, 배출된 냉각재가 상기 격납건물(500) 하부로 공급되어 상기 증기발생계통(100)이 직접 냉각되는 단계;
상기 증기발생계통(100)에서 발생된 증기 일부가 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 하나에 공급되며, 이상유동 열전달 원리에 의하여 상기 사이펀탱크(241) 내 한 쌍의 열교환기 중 나머지 하나로 열전달이 이루어져 증기가 냉각됨으로써 잔열이 제거되는 단계;
상기 사이펀탱크(241) 내 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 작아지면, 상기 사이펀탱크(241) 내 물기둥 수위가 상승하고 상기 사이펀유로(242)의 수위가 하강하여 상기 사이펀유로밸브(242v)를 통한 냉각재의 배출이 정지되는 단계;
상기 증기발생기잔열냉각계통(210)을 순환하는 증기가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212)를 통과하여 냉각됨으로써 상기 증기발생기(120)가 냉각되는 단계;
상기 잔열냉각계통(220)을 순환하는 냉각재가, 상기 잔열냉각열교환기(221)을 통과하여 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로부터 열을 흡수하여 외부에 버림으로써 잔열이 냉각되는 단계;
상기 격납건물냉각계통(230)을 순환하는 냉각재 일부가, 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 측으로 공급되어 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 간 이상유동 열전달이 이루어지게 하는 단계;
상기 격납건물냉각계통(230)을 순환하는 냉각재 일부가, 상기 격납건물(500) 내로 공급되어 직접 상기 격납건물(500) 내 열을 흡수하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.
삭제
제 3항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 증기발생기잔열냉각계통(210)에서의 증기 또는 냉각재의 순환은,
상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체가 상기 증기우회관(211)을 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로 공급되는 단계;
상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기가 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재와 열교환하여 냉각 및 응축되는 단계;
상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재가 상기 보조급수관(214)을 통해 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.
제 4항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 증기발생기잔열냉각계통(210)에서의 증기 또는 냉각재의 순환은,
상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부 또는 전체가 상기 증기우회관(211)을 통해 상기 증기발생기냉각열교환기(212)로 공급되는 단계;
상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기가 상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재와 열교환하여 냉각 및 응축되는 단계;
상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재 일부가 상기 보조급수관(214)을 통해 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 단계;
상기 증기발생기냉각열교환기(212)에서 배출된 냉각재 일부가 우회되어 상기 보론저장용기(215)을 통과하여 상기 증기발생기(120)로 재유입되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.
제 5항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 잔열냉각계통(220)에서의 냉각재의 순환은,
상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기와 열교환하여 열을 흡수하는 단계;
상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 열을 흡수한 냉각재가 상기 열교환기수조(222)로 공급되어 수용됨으로써 외부로 열을 버리는 단계;
외부로 열을 버려서 냉각된 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재가 잔열냉각관(223)을 통해 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.
제 6항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 잔열냉각계통(220)에서의 냉각재의 순환은,
상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 내의 증기와 열교환하여 열을 흡수하는 단계;
상기 잔열냉각열교환기(221) 내의 열을 흡수한 냉각재가 상기 열교환기수조(222)로 공급되어 수용됨으로써 외부로 열을 버리는 단계;
외부로 열을 버려서 냉각된 상기 열교환기수조(222) 내의 냉각재가 잔열냉각관(223)을 통해 유통되어 상기 원자로냉각열교환기(224)로 공급되는 단계;
상기 원자로냉각열교환기(224) 내의 냉각재가 주변으로부터 열을 흡수하여 상기 격납건물(500) 하부를 냉각시키고 상기 잔열냉각열교환기(221)로 재유입되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.
제 7항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 격납건물냉각계통(230)에서의 냉각재의 순환은,
상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부가 상기 격납건물냉각측증기우회관(232)을 통해 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급되어 가압되는 단계;
상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 격납건물냉각스프레이(233)를 통해 상기 격납건물(500) 내로 분사되어 냉각이 이루어지는 단계;
상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 사이펀스프레이주입관(234)을 통해 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사되는 단계;
상기 사이펀스프레이(235)에서 분사된 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 사이에 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.
제 8항에 의한 원자로의 동작 방법에 있어서,
상기 격납건물냉각계통(230)에서의 냉각재의 순환은,
상기 증기발생기(120)에서 발생된 증기 일부가 상기 격납건물냉각측증기우회관(232)을 통해 상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 내로 공급되어 가압되는 단계;
상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 격납건물냉각스프레이(233)를 통해 상기 격납건물(500) 내로 분사되어 냉각이 이루어지는 단계;
상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 사이펀스프레이주입관(234)을 통해 상기 사이펀스프레이(235)에서 분사되는 단계;
상기 사이펀스프레이(235)에서 분사된 냉각재가 상기 증기발생기냉각열교환기(212) 및 상기 잔열냉각열교환기(221) 사이에 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환을 유발시키는 단계;
상기 격납건물냉각재저장탱크(231) 압력이 상기 격납건물(500) 내부압력보다 커지면, 냉각재 일부가 상기 원자로하부냉각관(236)을 통해 상기 원자로용기(110) 하부로 공급되어 상기 원자로용기(110)가 직접 냉각되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 동작 방법.