KR100906717B1 - Air/Water hybrid passive reactor cavity cooling apparatus and method for core decay heat removal of a High Temperature Gas-Cooled Reactor - Google Patents

Air/Water hybrid passive reactor cavity cooling apparatus and method for core decay heat removal of a High Temperature Gas-Cooled Reactor Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로 특히 초고온가스로의 원자로 공동의 잔열을 제거하기 위하여 공기 냉각방식과 물 냉각방식의 장점을 모두 채용한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치에 관한 것으로, 원자로 특히 고온가스로의 정상 운전시에는 공기 냉각방식을 채택함으로써 기생 열손실을 최소화하고, 원자로 정지와 같은 과도 상태 또는 원자로 사고시에는 공기 냉각과 물 냉각을 겸용함으로써 피동 냉각능력과 지속성을 극대화할 수 있는 것으로 외부의 찬 공기를 유입시켜 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 공기를 대기로 방출하는 공기 냉각장치와 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 물을 순환시켜 외부와의 열교환을 통해 냉각시키는 물 냉각장치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an air / water hybrid passive reactor cavity cooling system employing both the advantages of air cooling and water cooling in order to remove residual heat in a reactor cavity, particularly in ultra-high temperature gas. In the case of air cooling, the parasitic heat loss can be minimized. In the event of a transient condition such as a reactor shutdown or a reactor accident, air cooling and water cooling can be combined to maximize passive cooling capacity and durability. And an air cooler for releasing the air heated by the residual heat delivered from the reactor cavity to the atmosphere, and a water cooler for circulating the water heated by the residual heat delivered from the reactor cavity to cool through heat exchange with the outside. It is characterized by.

고온가스로, 원자로 공동, 잔열제거, 공기 냉각장치, 물 냉각장치 Hot gas furnace, reactor cavity, residual heat removal, air cooler, water chiller

Description

고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치{Air/Water hybrid passive reactor cavity cooling apparatus and method for core decay heat removal of a High Temperature Gas-Cooled Reactor}Air / Water hybrid passive reactor cavity cooling apparatus and method for core decay heat removal of a High Temperature Gas-Cooled Reactor}

본 발명은 수소를 생산하기 위한 원자로 출구온도가 높은 고온가스로 특히 초고온가스로의 원자로 공동의 잔열을 제거하기 위하여 공기 냉각방식과 물 냉각방식의 장점을 모두 채용한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부의 찬 공기를 유입시켜 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 공기를 대기로 방출하는 공기 냉각장치와 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 물을 순환시켜 외부와의 열교환을 통해 냉각시키는 물 냉각장치로 이루어지는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치에 관한 것이다.In the present invention, the air / water combined passive reactor joint cooling employing both the advantages of the air cooling method and the water cooling method to remove the residual heat of the reactor cavity to a high temperature gas having a high reactor outlet temperature for producing hydrogen, particularly an ultra high temperature gas. More specifically, the present invention relates to an air cooler that introduces external cold air and releases air heated by residual heat delivered from the reactor cavity to the atmosphere, and water heated by residual heat delivered from the reactor cavity. The present invention relates to an air / water combined passive reactor common cooling device for removing core residual heat to a hot gas consisting of a water cooling device that circulates and cools through heat exchange with the outside.

산업화가 진행되고 삶의 질적 향상에 대한 요구가 증가됨에 따라 에너지 과소비형 사회구조로의 전환은 필연적이며, 석유 또는 천연가스 등의 화석연료를 기초로 하는 산업구조는 화석연료의 고갈과 대기오염, 지구 온난화 등의 문제를 초래하고 있다.As industrialization progresses and the demand for quality of life increases, the transition to energy-consuming social structures is inevitable. Industrial structures based on fossil fuels such as petroleum or natural gas are depleted of fossil fuels, air pollution, It is causing problems such as global warming.

이를 극복하기 위하여 최근 청정한 대체에너지원으로서 수소에 대한 관심이 증대되고 있다. 수소는 화석연료와는 달리 지구환경오염물질(CO2, NOX, SOX)의 배출없이 기존의 석유, 천연가스 등을 연료로 사용하는 에너지 시스템을 부분적으로 수정하여 활용할 수 있다는 측면에서 미래의 유망한 청정에너지로서 부각되고 있다.In order to overcome this, the interest in hydrogen as a clean alternative energy source is increasing recently. Unlike fossil fuels, hydrogen is a promising clean energy in the future in that it can partially utilize the energy system that uses existing oil and natural gas as fuel without releasing global environmental pollutants (CO2, NOX, SOX). It is emerging as.

특히 원자력 에너지를 이용하여 고온의 열을 얻고, 이 고온의 열을 이용하여 물을 직접 전기분해하여 대량의 수소를 생산할 수 있으며, 원자로 중에서 고온의 열을 가장 손쉽게 얻을 수 있는 것이 고온가스로이며, 근래에는 대량의 효율적 수소생산에 적합한 950℃의 고온 열을 공급할 수 있는 초고온가스로에 대해 많은 관심이 집중되고 있으며 전 세계적으로 본격적인 초고온가스로(VHTR, Very High Temperature Reactor)의 연구, 개발이 시작되고 있다. 초고온가스로에 관한 기술은 기본적으로 고온가스로(HTGR, High Temperature Gas-Cooled Reactor)의 기술을 근간으로 한다.In particular, high-temperature heat is obtained by using nuclear energy, and the high-temperature heat can be used to directly electrolyze water to produce a large amount of hydrogen, and a high-temperature gas furnace is one of the easiest to obtain high-temperature heat among nuclear reactors. This year, much attention has been focused on the ultra-high temperature gas furnace that can supply high temperature heat of 950 ° C suitable for mass efficient hydrogen production, and the research and development of the Very High Temperature Reactor (VHTR) has begun. . The technology for the ultra high temperature gas furnace is basically based on the technology of the high temperature gas-cooled reactor (HTGR).

고온가스로는 원자로가 고온에서 운전되더라도 TRISO 피복핵연료 사용, 저 출력밀도, 큰 열용량과 늦은 열반응 거동 및 고온안정성이 있는 흑연반사체 사용, 불활성/단상의 헬륨가스 냉각재 사용 등 원자로 노심의 고유한 안전설계 특성을 갖는다. 이와 더불어 고온가스로에서는 원자로 공동 냉각 시스템(Reactor Cavity Cooling System, 이하“RCCS”라 칭한다)을 채택하여 사고 시 노심 잔열을 순수한 자연현상 열전달 방식인 복사, 전도, 자연대류의 잔열제거 과정을 통해 대기로 방출할 수 있도록 하고 있다. 따라서 고온가스로에서 RCCS는 필수적으로 피동 작동되 도록 설계된다. 이러한 피동형 RCCS의 채택은 고온가스로가 기본적으로 노심 출력밀도가 낮고, 노심의 표면 대 부피의 비가 커서 원자로 용기가 가늘고 긴 형태를 취할 수 있으며, 원자로 용기 외면에 열 차폐체가 없도록 설계되기 때문에 가능하다. 그러나 이러한 사고 시 냉각능력의 향상은 정상상태 운전 시에는 열손실을 증가시켜 경제성에 영향을 주게 되므로, 안전성과 경제성 측면에서 최적화된 RCCS의 개발이 필수적으로 요구된다.High-temperature gas furnaces have unique safety design, including the use of TRISO-covered fuel, low power density, large heat capacity and late thermal reaction behavior, high temperature stability graphite reflector, and use of inert / single-phase helium gas coolant, even when the reactor is operated at high temperatures. Has characteristics. In addition, in the hot gas furnace, the reactor cavity cooling system (referred to as "RCCS") is adopted to transfer the core residual heat in the event of an accident to the atmosphere through the removal of residual heat from radiation, conduction, and natural convection, which is a pure natural phenomenon. To release. Therefore, RCCS is designed to be passively driven in hot gas furnaces. The use of the passive RCCS is possible because the hot gas furnace has a low core power density, a large surface-to-volume ratio of the core, and thus the reactor vessel can be thin and long, and is designed without a heat shield on the outer surface of the reactor vessel. However, the improvement of cooling capacity in the event of an accident affects the economics by increasing the heat loss during the steady state operation, so the development of optimized RCCS in terms of safety and economics is essential.

따라서, 고온가스로는 고유 안전특성 확보를 위하여 사고시 원자로 공동(Reactor Cavity)을 통한 노심 잔열(decay heat)제거가 완전히 피동적으로 작동됨이 보장되어야 한다. 원자로 공동을 통한 열제거는 정상운전시 열손실을 최소화하며, 사고시에는 피동 냉각능력 및 이의 지속성이 최대로 보장되는 서로 상반된 두가지 기능을 수행할 수 있어야 한다.Therefore, in order to secure intrinsic safety characteristics, hot gas furnaces should be ensured that core heat removal through reactor cavities is completely passive in the event of an accident. Heat removal through reactor cavities minimizes heat loss during normal operation, and in the event of an accident, it should be able to perform two opposing functions, ensuring maximum passive cooling capacity and its sustainability.

종래의 RCCS의 원자로공동 잔열제거 방식으로는 대표적으로 공기냉각 방식과 물냉각 방식의 개념이 사용되고 있다.Conventionally, the concept of air cooling and water cooling has been used as a nuclear reactor residual heat removal method of the RCCS.

대표적인 공기냉각 방식의 RCCS는 미국 General Atomics사의 MHTGR(Modular High Temperature Gas-cooled Reactor)에 적용되는 것으로서, 1992년 8월 Dilling, D.A. et al.에 의해 Proc. of a specialists meeting held in Juelich, Germany 발표된 “Passive decay and residual heat removal in the MHTGR" 논문에 개시되어 있다.The typical air-cooled RCCS is applied to Modular High Temperature Gas-cooled Reactor (MHTGR) of General Atomics, USA, Dilling, D.A. et al. by Proc. The paper is published in the paper "Passive decay and residual heat removal in the MHTGR" published in a specialists meeting held in Juelich, Germany.

이러한 공기냉각 방식의 RCCS는 원자로 용기 둘레에 수직으로 설치된 냉각판 넬과 대기 냉각용 공기의 통로인 두 개의 입/출구 구조물, 그리고 냉각판넬의 공기와 입/출구 구조물의 공기를 서로 연결해 주는 동심의 고온/저온 덕트로 구성된다.This air-cooled RCCS is a concentric conduit that connects the cooling panel installed vertically around the reactor vessel, the two inlet / outlet structures that are the passages for atmospheric cooling air, and the air of the cooling panel and the inlet / outlet structures. Consists of high / low temperature ducts.

공기냉각 방식의 RCCS는 노심으로부터 원자로용기로 전달되는 열이 냉각판넬에 도달하면 냉각판넬 내에서 자연대류가 일어나게 되므로 항상 피동 모드의 냉각운전이 가능하게 된다. 따라서 이러한 공기냉각 방식 RCCS는 고장이 거의 없고 상시 작동(피동성)할 수 있는 장점이 있다. 공기냉각 방식 RCCS는 별도의 이차냉각이 불필요하므로 비교적 단순한 구조가 될 수 있다. 그러나 공기냉각 방식의 RCCS는 방식은 열제거 효율이 떨어지고 반응속도가 느리다는 문제가 있을 수 있다.In the air-cooled RCCS, when the heat transferred from the core to the reactor reaches the cooling panel, natural convection occurs in the cooling panel, so that the cooling operation in the driven mode is always possible. Therefore, this air-cooled RCCS has almost no failure and has the advantage of being able to operate at all times (passive). Air-cooled RCCS can be a relatively simple structure because no separate secondary cooling is required. However, air-cooled RCCS may have a problem that the method has a low heat removal efficiency and a slow reaction rate.

물냉각 방식의 RCCS는 남아공의 PBMR(Pebble Bed Modular Reactor)과 러시아의 GT-MHR에서 채택한 방식이다. PBMR의 RCCS는 열전달 판넬 루프에서 상변화 없는 물의 자연순환으로 RCCS를 피동적으로 작동시키는 개념이다. 원자로 공동에 물탱크를 설치하며, 정상운전 중 원자로 공동 냉각은 RCCS 수관을 통해 일어나며 탱크 상부에 설치된 안티 사이펀 장치(anti-syphoning device)를 통해 소량의 자연대류 유량이 순환되면서 일어난다. 사고 시에는 탱크 내 물의 비등증발을 통해 열 제거가 가능토록 하였으며 파열판을 통해 대기로 증기를 방출한다.Water-cooled RCCS is adopted by Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) in South Africa and GT-MHR in Russia. The RCB of PBMR is a concept of passively operating the RCCS with the natural circulation of water without phase change in the heat transfer panel loop. A water tank is installed in the reactor cavity, and during normal operation, the reactor cavity cooling takes place through the RCCS water pipe and occurs as a small amount of natural convection flow is circulated through an anti-syphoning device installed at the top of the tank. In the event of an accident, heat can be removed by boiling water in the tank and steam is released through the rupture disc.

GT-MHR의 RCCS는 표면냉각기와 증발열교환기, 증발열교환기 전, 후의 RCCS 헤더, 연결배관 등으로 된 폐회로로 구성되는데, 사고 시에는 증발열교환기에 있는 물의 비등증발을 통해 열 제거가 가능토록 되어있다.The RCCS of GT-MHR consists of a closed circuit consisting of a surface cooler, an evaporative heat exchanger, a RCCS header before and after an evaporative heat exchanger, and a connecting pipe.In case of an accident, heat can be removed by boiling evaporation of water in the evaporative heat exchanger.

물냉각 방식 RCCS는 일반적으로 열제거 반응속도가 빠르다는 장점이 있다. 그러나, 물냉각 방식 RCCS는 이차적인 냉각이 필요하므로 공기냉각 방식에 비해 상대적으로 그 구조가 복잡해질 수 있다.Water-cooled RCCS generally has the advantage of fast heat removal reaction rate. However, since the water-cooled RCCS requires secondary cooling, its structure may be relatively complicated compared to the air-cooled method.

결국, 성능 면에서 기존의 공기냉각 방식은 정상운전시 기생 열손실이 작고 피동성과 지속성은 좋으나, 사고시 냉각용량이 제한되며 작동 응답속도가 느린 문제가 있으며, 기존의 물냉각 방식은 사고시 대용량의 잔열제거와 응답속도에는 유리하나, 피동 지속성에는 한계가 있으며 정상운전시 기생 열손실이 큰 문제가 있다.As a result, the conventional air cooling method has a low parasitic heat loss and good passiveness and durability in normal operation, but there is a problem that the cooling capacity is limited in case of an accident and the operation response speed is slow. It is advantageous for removal and response speed, but there is a limit to driven persistence and parasitic heat loss during normal operation.

원자로의 출구온도가 높은 초고온가스로의 경우에는 기존의 고온가스로에 비해 노심의 내부에너지가 증가하기 때문에 사고 조건에서도 안전성이 확보되려면 원자로 공동(Reactor Cavity)을 통한 열제거 능력이 기존의 고온가스로의 경우보다 커야 한다. 또한 원자로 공동 냉각방식은 경제성 측면에서 정상 운전시 기생 열손실을 최소화하고, 안전성 측면에서 사고시 대용량의 피동 잔열제거 능력과 지속성 및 응답속도를 보장할 수 있어야 한다.In the case of ultra-high temperature gas reactors with high outlet temperatures, the internal energy of the core is increased compared to the existing high-temperature gas furnaces. Must be greater than In addition, the reactor cavity cooling method should be able to minimize parasitic heat loss during normal operation in terms of economics and to ensure the ability to remove large amounts of passive residual heat in case of an accident in terms of safety, and to maintain the sustained response speed.

따라서, 본 발명은 초고온가스로 원자로 공동의 잔열 제거방법으로 공기 냉각방식과 물 냉각방식의 장점을 모두 채용하여, 원자로 특히 고온가스로의 정상 운전시에는 공기 냉각방식을 채택함으로써 기생 열손실을 최소화하고, 원자로 정지와 같은 과도 상태 또는 원자로 사고시에는 공기 냉각과 물 냉각을 겸용함으로써 피동 냉각능력과 지속성을 극대화하며, 특히 물냉각 장치에 능동 냉각개념을 적용하여 사고를 조기에 완화시킴으로써 안전성을 극대화하고자 하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the present invention adopts both the advantages of the air cooling method and the water cooling method as a method of removing residual heat of the reactor cavity with ultra high temperature gas, and minimizes parasitic heat loss by adopting an air cooling method in the normal operation of the reactor, especially a hot gas furnace. In the event of a transient condition such as a reactor shutdown or a reactor accident, air cooling and water cooling are combined to maximize passive cooling capacity and sustainability.In particular, the active cooling concept is applied to the water cooling system to minimize the accident early to maximize safety. For the purpose of

상기의 목적을 달성하기 위하여, 원자로 공동을 통한 노심의 잔열을 제거하기 위하여 본 발명에 따른 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치는 외부의 찬 공기를 유입시켜 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 공기를 대기로 방출하는 공기 냉각장치와; 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 물을 순환시켜 외부와의 열교환을 통해 냉 각시키는 물 냉각장치;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in order to remove the residual heat of the core through the reactor cavity, the air / water hybrid passive reactor cavity cooling apparatus for removing the core residual heat to the hot gas according to the present invention is introduced into the cold air An air cooler configured to discharge air heated by residual heat transferred from the reactor cavity to the atmosphere; And a water cooling device for circulating the water heated by the residual heat transferred from the reactor cavity to cool it through heat exchange with the outside.

특히, 상기 공기 냉각장치는 외부의 찬공기가 유입되는 통로인 입구덕트와, 유입된 찬 공기를 일차로 모아주는 상부저온플레넘과, 찬 공기가 하방으로 흐르도록 하는 하향공기덕트와, 하방으로 흐르는 공기를 상방으로 분배해 주는 하부저온플레넘과, 원자로 공동의 열을 전달받아 가열된 공기가 상방으로 흐르도록 하는 고온상승판넬과, 상방으로 흐르는 공기를 모아주는 고온플레넘과, 가열된 공기를 대기 중으로 방출하는 굴뚝으로 이루어진 것을 특징으로 한다.In particular, the air cooling device includes an inlet duct that is a passage through which external cold air flows, an upper low temperature plenum that collects cold air introduced first, a downward air duct that allows cold air to flow downward, and a downward direction. Lower low temperature plenum that distributes the air upwards, a high temperature rise panel that receives the heat from the reactor cavity and the heated air flows upward, a high temperature plenum that collects the air flowing upwards, and heated air It characterized by consisting of a chimney for emitting to the atmosphere.

이와 더불어, 상기 하향공기덕트와 상기 고온상승판넬은 사각형상의 덕트로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the downward air duct and the high temperature rise panel is characterized by consisting of a rectangular duct.

특히, 상기 하향공기덕트를 통해 하방으로 내려온 외부의 찬 공기는 상기 고온상승판넬에서 원자로 용기의 측벽면을 통해 가열되어 상방으로 흐름으로써 자연대류에 의한 냉각을 수행하는 것을 특징으로 한다.In particular, the external cold air descending downward through the downward air duct is heated through the side wall surface of the reactor vessel in the high temperature rise panel to flow upward to perform cooling by natural convection.

또한, 상기 물 냉각장치는 물을 모아 상방으로 분배해 주는 하부헤더와, 상기 공기 냉각장치의 하향공기덕트와 고온상승판넬 사이에 설치되어 원자로 공동의 잔열을 전달받아 가열된 물이 상방으로 흐르도록 하는 고온상승관과, 상기 고온상승관을 통해 상방으로 유입된 고온의 물을 한데로 모아주는 상부헤더와, 상기 상부헤더와 연결되어 고온의 물이 흐르도록 하는 고온출구관과, 상기 고온출구관을 흐르는 고온의 물을 냉각시키기 위하여 다수개소에서 절곡되어 냉각 유체가 저장된 수조에 잠겨있는 수조열교환기와, 체크밸브를 매개로 상기 수조열교환기를 통해 냉각된 물이 다시 상기 하부헤더로 유입되도록 하는 저온입구관으로 이루어진 폐회로 로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the water cooling device is installed between the lower header to collect the water and distributes upwards, and the lower air duct of the air cooling device and the high temperature rise panel to receive the residual heat of the reactor cavity so that the heated water flows upwards. A high temperature riser pipe, an upper header collecting the high temperature water introduced upwardly through the high temperature riser tube, a high temperature outlet pipe connected to the upper header to allow high temperature water to flow, and the high temperature outlet pipe. A water tank heat exchanger bent at a plurality of places to cool the high temperature water flowing through the water, and a low temperature inlet for allowing the water cooled through the water tank heat exchanger to flow back into the lower header through a check valve. It is characterized by consisting of a closed circuit consisting of a tube.

또한, 상기 물 냉각장치는 상기 수조열교환기에서 배출된 물을 상기 체크밸브 전후에서 우회시켜 능동적으로 외부와 열교환을 시키도록 펌프와 강제냉각열교환기를 포함하는 능동냉각장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.The water cooling device may further include an active cooling device including a pump and a forced cooling heat exchanger to bypass the water discharged from the water tank heat exchanger before and after the check valve to actively exchange heat with the outside. .

또한, 상기 능동냉각장치의 입출구부에는 격리밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the inlet and outlet of the active cooling device is characterized in that the isolation valve is further provided.

또한, 상기 수조에는 히트파이프가 설치되어 외부 공기와의 열교환을 통해 상기 수조에 저장된 물을 냉각시키는 한편, 상기 히트파이프를 통한 열제거 상실 사고시 추가 열제거 수단으로 상기 수조에 저장된 물의 비등 증발을 통한 열제거가 가능하도록 증기방출파열판이 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, a heat pipe is installed in the tank to cool the water stored in the tank through heat exchange with external air, and through boiling evaporation of water stored in the tank as an additional heat removal means in the event of loss of heat removal through the heat pipe. Characterized in that the steam discharge bursting plate is installed to enable heat removal.

이러한 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치는 고온가스로의 정상운전시에는 상기 공기 냉각장치만 사용되고, 사고시에는 상기 공기 냉각장치와 물 냉각장치 모두 사용되는 것을 특징으로 한다.The air / water hybrid passive reactor joint cooling device for removing the core residual heat to the hot gas furnace is characterized in that only the air cooler is used in the normal operation of the hot gas furnace, and both the air cooler and the water cooler are used in case of an accident. .

본 발명은 원자로 특히 고온가스로의 사고시 대용량의 피동냉각과 지속성을 확보하고, 동시에 능동냉각도 겸용할 수 있으며, 정상운전시 기생 열손실을 최소화할 수 있으므로, 대용량의 냉각성능을 요구하는 초고온가스로나 열출력 용량이 큰 고온가스로에 적용하여 안전성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention ensures a large amount of passive cooling and persistence in the event of an accident, especially in a high temperature gas reactor, can also be active cooling at the same time, and can minimize the parasitic heat loss during normal operation, so as a super high temperature gas that requires a large capacity cooling performance It is effective to improve safety and economic efficiency by applying to high temperature gas furnace with large heat output capacity.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세 하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 공기/물 복합형 냉각장치의 개념을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 A-A'부의 단면도이며, 도 3은 공기 냉각장치의 작동 유로를 나타내는 개략도이며, 도 4는 물 냉각장치의 작동 유로를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing the concept of an air / water combined cooling device according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the AA ′ part of FIG. 1, FIG. 3 is a schematic view showing an operating flow path of the air cooling device, and FIG. 4 is a schematic diagram showing an operating flow path of the water chiller.

도 1에서 보듯이 본 발명에 따른 공기/물 복합형 냉각장치는 핵연료 등이 내장된 원자로용기(Reactor vessel)의 외벽을 통해 상기 원자로용기를 콘크리트 구조물로 감싸게 됨으로써 생기는 공간인 원자로 공동(Reactor Cavity)으로 전달되는 노심잔열(Core decay heat)을 최종 열침원인 대기로 방출하기 위한 것으로, 공기 냉각장치와 물 냉각장치로 이루어져 있다.As shown in FIG. 1, the air / water complex cooling device according to the present invention is a reactor cavity, which is a space formed by wrapping the reactor vessel with a concrete structure through an outer wall of a reactor vessel in which nuclear fuel is embedded. The core decay heat is delivered to the atmosphere, the final heat sink, and consists of an air cooler and a water cooler.

이러한 공기/물 복합형 냉각장치의 주요 열전달 메커니즘은 원자로용기로부터 냉각판넬/관(4)으로 전달되는 복사 열전달과 자연대류 열전달이다. 공기 냉각장치 내에서의 자연대류는 냉각판넬 내부의 가열된 공기가 외부의 찬 공기와의 온도 차이로 인해(이른바 굴뚝효과라 함) 야기되는 부력을 받아 공기가 순환되면서 일어난다. 물 냉각장치는 관을 통해 흐르는 물의 부분비등과 응축을 통하여 대기로 열을 방출한다.The main heat transfer mechanisms of such air / water combined chillers are radiant heat transfer and natural convective heat transfer from the reactor vessel to the cooling panel / tube (4). Natural convection in an air cooler is caused by the air circulating under the buoyancy caused by the temperature difference between the cold air inside the cooling panel and the cold air outside (so-called chimney effect). The water chiller releases heat to the atmosphere through partial boiling and condensation of water flowing through the tube.

특히, 원자로용기 외벽을 통해 원자로 공동으로 전달되는 노심 잔열은 원자로 주변 공간인 원자로 공동의 일측에 수직으로 설치된 공동 냉각판넬/관(4)의 내부를 흐르는 공기 및 물로 이루어진 외부공급 냉각유체를 통해 최종 열침원인 대기로 방출된다. 이러한 냉각판넬/관(4)은 열발생원이 되는 원자로 공동의 공기와 열 침원이 되는 외부 유체를 서로 분리시켜 주는 물리적인 경계가 된다.In particular, the core residual heat transferred to the reactor cavity through the outer wall of the reactor vessel is finally passed through an externally supplied cooling fluid consisting of air and water flowing inside the cavity cooling panel / pipe 4 vertically installed at one side of the reactor cavity, the space surrounding the reactor. Emitted into the atmosphere, a heat sink. The cooling panel / tube 4 is a physical boundary that separates the air of the reactor cavity, which is a heat generating source, and the external fluid, which is a heat source, from each other.

상기 냉각판넬/관(4)은 도 2와 같이 노심 잔열이 전달되는 방향으로 순차적으로 공기로 채워지는 장방형 고온상승판넬(15)과, 물로 채워지는 원형의 고온상승관(25)과, 단열재 및 외부의 찬 공기가 흐르는 하향공기덕트(13)로 이루어져 있다.The cooling panel / tube (4) is a rectangular high temperature rise panel (15) filled with air sequentially in the direction in which the core residual heat is transferred as shown in Figure 2, a circular high temperature rise tube (25) filled with water, and a heat insulating material and It consists of a downward air duct 13 through which cold air flows.

상기 고온상승판넬(15)은 다수개의 격벽에 의해 그 내부 공간이 구획되어 있으며, 원자로 공동을 통해 전달되는 노심 잔열을 받아 외부에서 유입된 찬 공기가 가열되어 상방으로 흐르도록 하는 유로를 제공한다.The high temperature rising panel 15 is partitioned by a plurality of partitions, the inner space is partitioned, and receives a core residual heat transferred through the reactor cavity provides a flow path for the cold air introduced from the outside is heated to flow upward.

마찬가지로 상기 고온상승관(25)은 상기 고온상승판넬(15)의 후방에 배치되어 있으며, 원자로 공동을 통해 전달되는 노심 잔열을 받아 가열된 물이 상방으로 흐르도록 다수개의 원형 관으로 이루어져 있다.Similarly, the high temperature rise tube 25 is disposed at the rear of the high temperature rise panel 15, and is composed of a plurality of circular tubes to receive heated residual heat transmitted through the reactor cavity so that heated water flows upward.

또한, 상기 하향공기덕트(13)는 상기 고온상승관(25)의 후방에 배치되되, 다수개의 격벽에 의해 그 내부 공간이 구획되어 외부의 찬 공기가 하방으로 흐르도록 하는 유로를 제공한다.In addition, the downward air duct 13 is disposed at the rear of the high temperature rise pipe 25, the inner space is partitioned by a plurality of partitions to provide a flow path for the external cold air flows downward.

여기서, 상기 하향공기덕트(13)와 상기 고온상승관(25) 사이에는 단열재가 구비되어, 원자로 공동을 통해 전달되는 노심 잔열이 상기 하향공기덕트(13)로 전달되는 것을 차단한다. Here, a heat insulating material is provided between the downward air duct 13 and the high temperature rise pipe 25 to block the core residual heat transmitted through the reactor cavity from being transmitted to the downward air duct 13.

상기 공기 냉각장치는 도 1 및 도 3에서 보듯이 원자로용기의 복사열에 의해 가열된 공기가 외부의 찬 공기와의 온도 차이로 인한 자연대류를 통해 순환되면서 냉각되는 것으로, 외부의 찬 공기가 유입되는 통로인 입구덕트(11)와, 상기 입구덕 트(11)를 통해 유입된 찬 공기를 일차로 모아주는 공간인 상부저온플레넘(12)과, 상기 상부저온플레넘(12)에 저장된 찬 공기가 하방으로 흐르도록 하는 하향공기덕트(13)와, 하방으로 흐르는 공기를 모았다가 다시 상방으로 분배해 주는 공간인 하부저온플레넘(14)과, 원자로 공동의 열을 전달받아 가열된 공기가 상방으로 흐르도록 하는 고온상승판넬(15)과, 상방으로 흐르는 공기를 모아주는 고온플레넘(16)과, 가열된 공기를 대기 중으로 방출하는 굴뚝(17)으로 이루어져 있다.The air cooler is cooled as the air heated by the radiant heat of the reactor vessel is circulated through natural convection due to the temperature difference from the outside cold air, as shown in FIGS. Cold air stored in the upper low temperature plenum 12 and the upper low temperature plenum 12, which is a passage for collecting the primary air inlet duct 11, the cold air introduced through the inlet duct 11 Air duct 13 to allow gas to flow downward, the lower low temperature plenum 14, which is a space for collecting the air flowing downward and distributing it upward, and the air heated by receiving heat from the reactor cavity It consists of a high temperature rising panel 15 to flow in, a high temperature plenum 16 for collecting the air flowing upward, and a chimney 17 for discharging the heated air into the atmosphere.

또한, 상기 하향공기덕트(13)와 고온상승판넬(15)은 사각형상의 덕트로 이루어져 있으며, 상기 하향공기덕트(13)를 통해 하방으로 내려온 외부의 찬 공기는 상기 고온상승판넬(15)에서 상기 원자로용기의 측면 벽을 통해 가열되어 다시 상방으로 흐름으로써 자연대류에 의한 열교환을 통해 냉각을 수행하게 된다.In addition, the downward air duct 13 and the high temperature rise panel 15 is formed of a rectangular duct, the outside cold air descended downward through the down air duct 13 is the high temperature rise panel 15 in the It is heated through the side wall of the reactor vessel and flows upward again to perform cooling through heat exchange by natural convection.

상기 물 냉각장치는 도 1 및 도 4에서 보듯이 관을 통해 흐르는 물의 부분비등과 응축을 통하여 대기로 열을 방출하는 것으로, 물을 모아 상방으로 분배해 주는 하부헤더(24)와, 상기 공기 냉각장치의 하향공기덕트(13)와 고온상승판넬(15) 사이에 설치되어 원자로 공동의 열을 전달받아 가열된 물이 상방으로 흐르도록 하는 고온상승관(25)과, 상기 콘크리트 구조물의 외부에 배치되어 상기 고온상승관(25)을 통해 상방으로 유입된 고온의 물을 한데로 모아주는 상부헤더(26)와, 상기 상부헤더(26)와 연결되어 고온의 물이 흐르도록 하는 고온출구관(27)과, 상기 고온출구관(27)을 흐르는 고온의 물을 냉각시키기 위하여 다수개소에서 절곡되어 수조(32)에 잠겨있는 수조열교환기(28)와, 체크밸브(29)를 매개로 상기 수조열교환 기(28)를 통해 냉각된 물이 다시 상기 하부헤더(24)로 유입되도록 상기 콘크리트 구조물을 관통하여 연결된 저온입구관(23)으로 이루어진 폐회로로 구성되어 있다. 또한 상기 고온출구관(27)의 일측에는 폐회로 내 물의 일차 비등 시 압력을 흡수해 주어 자연순환이 잘 일어날 수 있도록 해 주는 체적제어기(31)가 설치되어 있다.1 and 4, the water cooling device discharges heat to the atmosphere through partial boiling and condensation of water flowing through the pipe as shown in FIGS. 1 and 4, and the lower header 24 which collects water and distributes it upwards, and the air cooling. A high temperature riser (25) installed between the down-air duct (13) of the apparatus and the high temperature rise panel (15) so that the heated water flows upwards by receiving heat from the reactor cavity, and disposed outside the concrete structure And an upper header 26 for collecting hot water introduced upwardly through the high temperature rising pipe 25, and a high temperature outlet pipe 27 connected to the upper header 26 to allow high temperature water to flow. ) And the water tank heat exchanger via a check valve 29 and a water tank heat exchanger 28 which is bent at a plurality of places and cooled in the water tank 32 to cool the high temperature water flowing through the high temperature outlet pipe 27. The water cooled through the device 28 again reminds It is composed of a closed circuit consisting of a low-temperature inlet pipe 23 connected through the concrete structure to be introduced into the sub-header (24). In addition, a volume controller 31 is installed at one side of the high temperature outlet pipe 27 to absorb the pressure during the first boiling of the water in the closed circuit so that natural circulation can occur well.

또한, 상기 물 냉각장치는 상기 수조열교환기(28)를 통과하여 배출되는 물을 우회시켜 펌프(21)와 강제냉각열교환기(30) 및 격리밸브(22)를 통해 능동적으로 외부와 열교환을 시키는 능동냉각장치(3)를 더 구비하고 있다.In addition, the water cooling device bypasses the water discharged through the water tank heat exchanger 28 to actively heat exchange with the outside through the pump 21, the forced cooling heat exchanger 30, and the isolation valve 22. An active cooling device 3 is further provided.

또한, 상기 수조(32)에는 히트파이프(34)가 설치되어 외부 공기와의 열교환을 통해 상기 수조(32)에 저장된 물을 냉각시키는 한편, 상기 히트파이프(34)를 통한 열제거 상실 사고시 추가 열제거 수단으로 상기 수조(32)에 저장된 물의 비등증발을 통한 열제거가 가능하도록 증기방출파열판(33)이 설치되어 있다.In addition, a heat pipe 34 is installed in the water tank 32 to cool the water stored in the water tank 32 through heat exchange with external air, and additional heat in the event of loss of heat removal through the heat pipe 34. The vapor release burst plate 33 is installed to remove heat by boiling evaporation of the water stored in the water tank 32 as a removal means.

또한, 상기 수조(32)에 저장되는 유체로는 열전달 촉진이 가능한 나노유체(Nano Fluid)를 사용할 수도 있다. 이러한 나노 유체는 물, 오일 등 일반 유체에 소량의 나노 입자를 균일하게 분산시켜 만든 유체로 기존 유체보다 훨씬 높은 열전도도를 얻을 수 있는 장점이 있다.In addition, as the fluid stored in the tank 32, a nano fluid capable of promoting heat transfer may be used. Such a nanofluid is a fluid made by uniformly dispersing a small amount of nanoparticles in a general fluid such as water and oil, and has an advantage of obtaining much higher thermal conductivity than a conventional fluid.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the appended claims. Anyone can easily know.

도 1은 본 발명에 따른 공기/물 복합형 냉각장치의 개념을 나타내는 개략도,1 is a schematic view showing the concept of an air / water combined cooling device according to the present invention;

도 2는 도 1의 냉각판넬/관을 나타내는 A-A'의 단면도,FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A 'illustrating the cooling panel / tube of FIG. 1;

도 3은 공기냉각장치의 작동 유로를 나타내는 개략도,3 is a schematic view showing an operating flow path of the air cooling apparatus;

도 4는 물 냉각장치의 작동 유로를 나타내는 개략도.4 is a schematic view showing an operating flow path of a water chiller;

** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **** Explanation of symbols for main parts of the drawing **

4 : 냉각판넬/관 11 : 입구덕트4: Cooling panel / pipe 11: Entrance duct

12 : 상부저온플레넘 13 : 하향공기덕트12: upper low temperature plenum 13: down air duct

14 : 하부저온플레넘 15 : 고온상승판넬14: lower low temperature plenum 15: high temperature rising panel

16 : 고온플레넘 17 : 굴뚝16: high temperature plenum 17: chimney

21 : 펌프 22 : 격리밸브21: pump 22: isolation valve

23 : 저온입구관 24 : 하부헤더23: low temperature inlet tube 24: lower header

25 : 고온상승관 26 : 상부헤더25: high temperature rise tube 26: upper header

27 : 고온출구관 28 : 수조열교환기27: high temperature outlet pipe 28: water tank heat exchanger

29 : 체크밸브 30 : 강제냉각열교환기29 check valve 30 forced cooling heat exchanger

31 : 체적제어기 32 : 수조31: volume controller 32: water tank

33 : 증기방출파열판 34 : 히트파이프33: steam discharge burst plate 34: heat pipe

Claims (11)

원자로 공동(Reactor Cavity)을 통한 노심의 잔열을 제거하기 위하여,To remove the residual heat of the core through the reactor cavity, 외부의 찬 공기를 유입시켜 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 공기를 대기로 방출하는 공기 냉각장치와;An air cooler that introduces cold air from outside and discharges air heated by residual heat transferred from the reactor cavity into the atmosphere; 상기 원자로 공동에서 전달되는 잔열에 의해 가열된 물을 순환시켜 외부와의 열교환을 통해 냉각시키는 물 냉각장치;로 이루어지고,And a water cooling device configured to circulate the water heated by the residual heat transferred from the reactor cavity to cool it through heat exchange with the outside. 상기 공기 냉각장치는 외부의 찬공기가 유입되는 통로인 입구덕트(11)와, 유입된 찬 공기를 일차로 모아주는 상부저온플레넘(12)과, 찬 공기가 하방으로 흐르도록 하는 하향공기덕트(13)와, 하방으로 흐르는 공기를 상방으로 분배해 주는 하부저온플레넘(14)과, 원자로 공동의 열을 전달받아 가열된 공기가 상방으로 흐르도록 하는 고온상승판넬(15)과, 상방으로 흐르는 공기를 모아주는 고온플레넘(16)과, 가열된 공기를 대기 중으로 방출하는 굴뚝(17)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.The air cooling device includes an inlet duct 11 that is a passage through which external cold air flows, an upper low temperature plenum 12 that collects the introduced cold air as a primary, and a downward air duct that allows cold air to flow downward. (13), the lower low temperature plenum 14 for distributing the air flowing downward, and the high temperature rising panel 15 for receiving the heat from the reactor cavity so that the heated air flows upward, An air / water composite passive reactor co-cooling system for removing residual heat of a core with a hot gas, comprising a high temperature plenum (16) for collecting flowing air and a chimney (17) for discharging heated air into the atmosphere. 삭제delete 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하향공기덕트(13)와 상기 고온상승판넬(15)은 사각형상의 덕트로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.The downstream air duct (13) and the high temperature rise panel (15) is a combined air / water type driven reactor reactor cooling system for the core residual heat removal to the hot gas, characterized in that consisting of a rectangular duct. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하향공기덕트(13)를 통해 하방으로 내려온 외부의 찬 공기는 상기 고온상승판넬(15)에서 원자로 용기의 측벽면을 통해 가열되어 상방으로 흐름으로써 자연대류에 의한 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.External cold air descending downward through the downward air duct 13 is heated through the side wall surface of the reactor vessel in the high temperature rise panel 15 to flow upward to perform cooling by natural convection. Air / water hybrid passive reactor cavity cooler for removal of core residual heat from hot gases. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 물 냉각장치는 물을 모아 상방으로 분배해 주는 하부헤더(24)와, 상기 공기 냉각장치의 하향공기덕트(13)와 고온상승판넬(15) 사이에 설치되어 원자로 공동의 잔열을 전달받아 가열된 물이 상방으로 흐르도록 하는 고온상승관(25)과, 상기 고온상승관(25)을 통해 상방으로 유입된 고온의 물을 한데로 모아주는 상부헤더(26)와, 상기 상부헤더(26)와 연결되어 고온의 물이 흐르도록 하는 고온출구관(27)과, 상기 고온출구관(27)을 흐르는 고온의 물을 냉각시키기 위하여 다수개소 에서 절곡되어 냉각 유체가 저장된 수조(32)에 잠겨있는 수조열교환기(28)와, 체크밸브(29)를 매개로 상기 수조열교환기(28)를 통해 냉각된 물이 다시 상기 하부헤더(24)로 유입되도록 하는 저온입구관(23)으로 이루어진 폐회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.The water cooling device is installed between the lower header 24 for collecting water and distributing it upwards, and between the lower air duct 13 and the high temperature rising panel 15 of the air cooling device to receive the residual heat of the reactor cavity to be heated. High temperature riser tube 25 for allowing the water to flow upward, the upper header 26 for collecting the high temperature water introduced upward through the high temperature riser tube 25, and the upper header 26 And a high temperature outlet pipe 27 connected to the hot water outlet pipe 27 so as to cool the high temperature water flowing through the high temperature outlet pipe 27 and immersed in a plurality of tanks 32 where the cooling fluid is stored. A closed circuit composed of a water tank heat exchanger (28) and a low temperature inlet pipe (23) through which the water cooled through the water tank heat exchanger (28) flows back into the lower header (24) through a check valve (29). Core residual heat to hot gas, characterized in that made Air / water driven hybrid reactor cavity cooling system for the distance. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 물 냉각장치는 상기 수조열교환기(28)에서 배출된 물을 상기 체크밸브(29) 전후에서 우회시켜 능동적으로 외부와 열교환을 시키도록 펌프(21)와 강제냉각열교환기(30)를 포함하는 능동냉각장치(3)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.The water cooling device includes a pump 21 and a forced cooling heat exchanger 30 to bypass the water discharged from the water tank heat exchanger 28 before and after the check valve 29 to actively exchange heat with the outside. An air / water combined passive reactor cavity cooler for removing core residual heat from a hot gas furnace, further comprising an active cooling device (3). 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 능동냉각장치(3)의 입출구부에는 격리밸브(22)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.Inlet / outlet portion of the active cooling device (3) is characterized in that the isolation valve 22 is further air / water combined passive reactor reactor cooling system for the core residual heat removal to the hot gas. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 수조(32)에는 히트파이프(34)가 설치되어 외부 공기와의 열교환을 통해 상기 수조(32)에 저장된 물을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.A heat pipe 34 is installed in the water tank 32 to cool the water stored in the water tank 32 through heat exchange with external air. Reactor cavity chiller. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 히트파이프(34)를 통한 열제거 상실 사고시 추가 열제거 수단으로 상기 수조(32)에 저장된 물의 비등증발을 통한 열제거가 가능하도록 증기방출파열판(33)이 설치되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.In the case of a heat loss loss through the heat pipe 34, the steam discharge burst plate 33 is installed to enable heat removal by boiling evaporation of water stored in the water tank 32 as additional heat removal means. Air / water hybrid passive reactor cavity cooler for core residual heat removal. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 수조(32)에 저장되는 유체로 열전달 촉진이 가능한 나노유체를 사용하는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.Air / water hybrid passive reactor reactor cooling system for removing the core residual heat to the hot gas, characterized in that for using the nano-fluid to promote heat transfer to the fluid stored in the tank (32). 제 1항 또는 제3항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 or 3 to 10, 정상운전시에는 상기 공기 냉각장치만 사용되고, 사고시에는 상기 공기 냉각장치와 물 냉각장치 모두 사용되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동 원자로 공동 냉각장치.In the normal operation, only the air cooler is used, and in case of an accident, both the air cooler and the water cooler are used.
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