KR101602067B1 - 고온가스로의 열전달 시스템 - Google Patents

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KR101602067B1
KR101602067B1 KR1020140161828A KR20140161828A KR101602067B1 KR 101602067 B1 KR101602067 B1 KR 101602067B1 KR 1020140161828 A KR1020140161828 A KR 1020140161828A KR 20140161828 A KR20140161828 A KR 20140161828A KR 101602067 B1 KR101602067 B1 KR 101602067B1
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김민환
이원재
김용완
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한국원자력연구원
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    • G21C15/02—Arrangements or disposition of passages in which heat is transferred to the coolant; Coolant flow control devices
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Abstract

본 발명은 고온가스로의 열전달 시스템에 관한 것으로서, 특히, 기존의 저온환경에서 운용되던 상용 순환기를 활용하여 고출력의 열전달 시스템을 효율적으로 구현할 수 있는 고온가스로의 열전달 시스템에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명에 따른 고온가스로의 열전달 시스템은, 핵분열을 통해 고온의 열을 발생시키는 가스로; 가스로에서 방출되는 고온상태의 냉각재를 열교환 작용에 의해 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기; 복수의 열교환기를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재를 가스로 내부로 다시 유입시킬 수 있도록 냉각재를 순환시키는 순환기; 순환기를 거쳐 나온 저온상태의 냉각재를 상기 열교환기로 다시 리턴시켜 가스로의 입구온도에 요구되는 적합한 온도까지 상승시켜 주는 제1리턴유로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고온가스로의 열전달 시스템{Heat transport system for high temperature gas-cooled reactor}
본 발명은 고온가스로의 열전달 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 저온환경에서 운용되던 상용 순환기를 활용하여 고출력의 열전달 시스템을 효율적으로 구현할 수 있는 고온가스로의 열전달 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 화석연료를 대체하는 청정한 에너지원으로서 수소에 대한 관심이 증대되고 있으며, 수소는 화석연료와는 달리 지구환경오염 물질의 배출 없이 기존의 화석연료를 사용하는 에너지 시스템을 부분적으로 수정하여 활용할 수 있다는 측면에서 미래의 유망한 청정에너지로 부각되고 있다.
특히, 최근 온실가스 문제가 대두되면서 고온가스로의 열을 수소생산에 활용하려는 노력이 진행 중이며, 여러 가지 수소생산 방법 중에서 고온 열화학 공정을 이용한 열분해 수소생산 방법이 대량의 수소 생산에 적합한 방법으로 고려되고 있다.
고온가스로는 불활성 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하기 때문에 물을 냉각재로 사용하는 경수로 보다 훨씬 높은 열을 얻을 수 있다. 기존의 고온가스로는 700℃ 정도의 노심 출구온도를 가지며 전기 생산 또는 공정열 공급 분야에 활용되어 왔다.
그런데, 이와 같은 고온가스로는 경제적인 수소생산을 위해서 고온가스로의 출구온도를 950℃ 정도까지 상승시켜야 할 필요가 있다. 그러나, 고온가스로는 안전성을 위하여 노심 입구온도와 출구온도의 차이가 일정범위 내로 제한되기 때문에 출구온도를 올리면 입구온도도 함께 올려야 한다. 예를 들어, 고온가스로의 출구온도를 950℃까지 상승시킬 경우 허용 가능한 입구온도는 490℃ 정도가 된다.
도 1은 기존의 수소생산용 고온가스로 열전달계통을 개략적으로 보여주는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 수소생산용 고온가스로 열전달계통에서는 490℃ 정도의 입구온도를 갖는 헬륨(He) 냉각재(H)가 고온가스로(10) 내부의 상승유로(14)를 통해 상승 이동된 후 하강하여 노심(20)을 통과하면서 950℃로 가열된 다음, 2개의 열교환기(30,40)를 순차적으로 지나면서 2차 계통(50)에 열을 전달하고 490℃로 냉각된 후, 순환기(60)에 의하여 다시 고온가스로(10)의 노심(20)으로 보내지는 과정을 거치게 된다.
이 과정에서 순환기(60)는 고온가스로 열전달계통의 저온부(490℃) 영역에 설치되어 헬륨 냉각재(H)를 순환시키게 되는데, 이러한 경우 고온가스로(10)의 출구온도와 입구온도를 각각 950℃, 490℃ 정도로 유지하기 위해서는 490℃ 정도의 고온환경에서 운전 가능한 순환기가 필요하다.
그러나, 기존의 저온환경(약 350℃ 정도)에서 사용되던 상용 순환기(60)와 달리 490℃의 고온환경에서 운전되는 순환기의 경우에는, 순환기의 설계 시 임펠러의 열구조 건전성, 전동기 냉각, 열팽창 등 다양한 설계 현안이 존재하기 때문에 순환기의 운전온도가 일정 범위 내로 제한될 수밖에 없다.
이 때문에, 현재까지 상용으로 운전된 경험이 있는 순환기의 운전온도가 약 350℃ 정도임을 감안한다면, 490℃의 고온에서 운전될 순환기는 새로이 설계되어 개발되어야 하며, 이러한 고온환경에서 운전 가능한 신규 순환기에 개발에 따른 막대한 연구 개발 비용 및 설계 비용이 요구되는 문제가 있었다.
한국 특허공개 2013-0077425호(2013.07.09), 한국 특허공개 2012-0022415호(2012.03.12)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 기존의 저온환경에서 운용되던 상용 순환기를 활용하여 고출력의 열전달 시스템을 구현할 수 있도록 함으로써, 고온에서 운전 가능한 신규 순환기의 개발부담 없이 대량의 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 고온가스로의 열전달 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고온가스로의 열전달 시스템은, 핵분열을 통해 고온의 열을 발생시키는 가스로; 가스로에서 방출되는 고온상태의 냉각재를 열교환 작용에 의해 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기; 복수의 열교환기를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재를 가스로 내부로 다시 유입시킬 수 있도록 냉각재를 순환시키는 순환기; 순환기를 거쳐 나온 저온상태의 냉각재를 상기 열교환기로 다시 리턴시켜 가스로의 입구온도에 요구되는 적합한 온도까지 상승시켜 주는 제1리턴유로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1리턴유로를 통해 상기 열교환기로 리턴되는 저온상태의 냉각재는 적어도 하나 이상의 열교환기를 순차적으로 거쳐 열교환된 후 상기 가스로의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로 내부로 공급될 수 있다.
한편, 상기 열교환기는, 가스로에서 배출된 고온상태의 냉각재를 일정온도로 순차적으로 냉각시킬 수 있도록 상호 직렬로 연결되는 제1열교환기와 제2열교환기 및 제3열교환기를 포함하며, 상기 제1열교환기는 상기 제1리턴유로와 연결되어, 상기 제1리턴유로를 통해 리턴되는 저온상태의 냉각재가 상기 제1 및 제2열교환기를 순차적으로 거쳐 가스로의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로로 공급되도록 구성할 수 있다.
여기서, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에는 상기 제1리턴유로의 일측에서 분기되어 상기 가스로 내부의 냉각유로와 연결되며, 상기 순환기를 통과한 저온상태의 냉각재 일부 유량을 가스로 내부의 냉각유로로 공급하여 압력용기를 냉각시킬 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 우회유로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에는 상기 가스로 내부의 압력용기를 냉각한 후 배출되는 냉각재가 다시 상기 열교환기 측으로 유입될 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 제2리턴유로를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제2리턴유로의 출구는 상기 순환기의 입구 측 유로 상에 연결되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 구성에 따르면, 고온환경에서 운용 가능한 신규 순환기의 개발부담 없이 기존의 저온에서 운용되었던 검증된 상용 순환기를 활용하여 고출력 열전달 시스템을 구현할 수 있기 때문에 신규 순환기의 개발에 따른 막대한 연구개발 비용 및 설계비용을 절감할 수 있고, 적은 비용을 들여 대량의 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 순환기의 출구와 열교환기의 입구를 연결하는 유로로부터 분기되어 고온가스로 내부의 냉각유로와 연결되는 별도의 우회유로를 설치하여, 상기 우회유로를 통해 냉각유로로 유입되는 저온상태의 냉각재를 이용하여 압력용기를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 우회유로를 통해 유입되는 저온의 냉각재를 이용하여 압력용기를 371℃ 이하의 온도로 냉각시키는 것이 가능하기 때문에, 허용온도가 높지만 원자력 압력용기의 재질로서 안전성이 입증되지 않은 고크롬강 재질의 압력용기 사용을 배제하고 기존의 상용 경수로에서 사용되던 안정성이 입증된 저크롬강(SA-508/533) 재질의 압력용기를 사용하여 시스템을 구현하는 것이 가능해지므로 원자로 압력용기에 대한 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존에는 고온가스로 내부의 압력용기를 냉각시키기 위하여 고온가스로 내측 하단부에 냉각재를 공급 및 순환시킬 수 있는 별도의 냉각재 공급 및 순환장치가 설치되었지만, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에서는 순환기를 지나온 저온상태의 냉각재를 우회유로를 통해 고온가스로 내부의 냉각유로로 공급하여 순환시키도록 구성되어 있기 때문에 기존과 같이 압력용기를 냉각시키기 위한 별도의 내부 장치구성이 필요 없고, 이로 인해 시스템의 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 압력용기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각재를 제2리턴유로를 통해 다시 순환기의 입구 측으로 리턴시킴으로써, 순환기의 전,후방의 압력 차에 의해 냉각재가 고온가스로의 내,외부로 자발적으로 효과적으로 순환시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 예시도.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 고온가스로 열전달 시스템은 핵분열을 통해 고온의 열을 발생시키는 고온가스로(100)와, 고온가스로(100)에서 배출되는 고온상태의 헬륨 냉각재(H)를 열교환하여 일정온도까지 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기(130,140,150)와, 복수의 열교환기(130,140,150)를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재(H)가 고온가스로(100) 내부로 다시 유입되도록 냉각재를 순환시키는 순환기(170)와, 순환기(170)를 거쳐 나온 저온상태의 헬륨 냉각재를 열교환기(130,140)로 리턴시켜 재가열하는 제1리턴유로(172)를 포함하여 구성된다.
고온가스로(100)에는 내부에 노심(120) 및 상기 노심(120)을 감싸는 반사체를 포함하는 노심지지배럴(112)과, 노심지지배럴(112)의 외부를 둘러싸고 내부에 냉각유로(116)가 형성된 압력용기(110)와, 노심지지배럴(112)의 내부에 형성되어 노심(120) 측으로 공급되는 헬륨 냉각재의 이동통로를 제공하는 상승유로(114)가 구비된다.
또한, 상기 고온가스로(100)의 일측에는 상승유로(114) 내부로 헬륨 냉각재를 공급할 수 있는 냉각재 입구(미도시), 및 노심(120)을 통과한 헬륨 냉각재가 외부로 배출되는 냉각재 출구(미도시)가 구비된다.
그리고 상기 고온가스로 열전달 시스템 내부에서 순환되는 냉각재는 불활성 가스인 헬륨(He) 가스가 사용된다.
이 헬륨 가스는 물을 냉각재로 사용하는 경수로 보다 훨씬 높은 열을 얻는 것이 가능하기 때문에 대량의 수소생산을 위한 열 공급에 적합하다.
고온가스로(100) 내부에 구비되는 노심지지배럴(112)은 그 내부공간에 노심(120)과, 상기 노심(120)을 감싸는 반사체(부호미표기)가 구비된다.
이러한 노심지지배럴(112)은 노심(120)의 하우징 역할을 담당하게 된다.
압력용기(110)는 노심지지배럴(112)의 외부를 둘러싸는 형태로 구비되며, 상기 압력용기(110)와 노심지지배럴(112) 사이에는 헬륨 냉각재가 이동될 수 있도록 환형의 냉각유로(116)가 형성된다.
이와 같은 압력용기(110)의 재질로는 기존의 상용 경수로에서 사용되던 저크롬강(SA-508/533)이 사용된다.
이는 순환기(170)를 거쳐 나온 저온의 냉각재를 후술되는 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 유입시켜 압력용기(110)를 냉각하는 것을 통해 가능해진다.
즉, 상기 우회유로(180)를 통해 유입되는 저온의 냉각재로 압력용기(110)를 저크롬강(SA-508/533)의 허용온도인 371℃ 이하로 냉각시킬 수 있기 때문에 안전성이 검증되지 않은 고크롬강 재질의 압력용기를 사용하지 않고서도 고출력의 고온가스로 열전달 시스템을 구현할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 고온가스로(100)는 정상 운전시 압력용기(110)의 하부에 위치한 냉각재 입구를 통해 유입된 냉각재(헬륨 가스)가 상승유로(114)를 따라 상부까지 상승한 후 다시 하강하여 내부의 노심(120)을 지나면서 가열된 다음 냉각재 출구를 통해 열교환기(130,140,150) 측으로 배출된다.
열교환기(130,140,150)는 상기 고온가스로(100)에서 배출되는 고온상태의 냉각재를 열교환하여 2차 계통(160)으로 열을 전달하게 되며, 상기 열교환기(130,140,150)를 통과한 냉각재는 순환기(170)의 정상운전에 요구되는 일정 온도까지 냉각된다.
상기 열교환기(130,140,150)로는 인쇄회로기판형 열교환기(PCHE)가 사용될 수 있다.
인쇄회로기판형 열교환기는 튜브형 또는 판형 열교환기에 비해 장치의 부피가 아주 작으면서도 높은 열교환 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 인쇄회로기판형 열교환기는 고온고압의 환경에서 사용이 가능하고 복잡한 금형 공정을 거치지 않고 용이하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 열교환기(130,140,150)는 냉각재가 배출되는 고온가스로(100)의 출구 측 방향을 따라 복수 개가 순차적으로 배치된다.
즉, 3개의 제1열교환기(130), 제2열교환기(140), 제3열교환기(150)가 순차적으로 배치되어 상호 직렬로 연결된다.
이와 같은 3개의 열교환기(130,140,150)는 고온가스로(100)에서 배출되는 약 950℃ 정도의 고온상태의 냉각재를 순차적으로 냉각하여, 상용 순환기(170)의 운전가능 온도인 약 350℃ 정도의 저온상태로 냉각시킨다.
반면, 상기 제1, 제2, 제3열교환기(150)를 거쳐 순차적으로 냉각된 냉각재의 온도는 350℃ 정도의 저온상태이기 때문에, 고온가스로(100) 내부로 다시 유입시키기 위해서는 고온가스로(100)의 적정 입구온도(490℃)까지 온도를 높여주어야만 한다.
이를 위해 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에는 3개의 열교환기(130,140,150)를 거쳐 열교환된 후 순환기(170)를 거쳐 토출되는 저온상태(350℃)의 냉각재를 다시 제1열교환기(130)와 제2열교환기(140) 내부로 리턴시켜 열교환에 의해 고온가스로(100)의 입구온도(490℃)까지 상승시켜 줄 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 제1리턴유로(172)가 추가적으로 설치된다.
이 경우 제1열교환기(130) 내에서 상기 제1리턴유로(172)를 통해 제1열교환기(130) 내부로 유입되는 저온의 냉각재와 고온가스로(100)에서 유입되는 고온의 냉각재가 서로 합류되지 않고 효율적으로 열교환될 수 있도록 각 냉각재의 입,출구와 이동통로가 열교환기의 서로 다른 위치상에 배치될 수 있다.
제1리턴유로(172) 및 열교환기(130,140)에 의한 냉각재의 재가열 과정을 설명하면, 먼저, 상기 제1리턴유로(172)를 통해 제1열교환기(130) 내부로 유입된 저온상태(350℃)의 냉각재는 제1열교환기(130) 내부를 통과하면서 고온환경에서 가열되어 일정온도(420℃)로 승온된 후 배출된다.
이와 같이 제1열교환기(130)를 거쳐 일정온도까지 승온된 냉각재는 다시 제2열교환기(140) 내부로 유입되어 재가열된 후 고온가스로(100)의 적정 입구온도에 해당되는 약 490℃의 온도까지 승온된 상태에서 상기 고온가스로(100) 내부로 공급된다.
이처럼 순환기(170)를 거친 저온상태(350℃)의 냉각재를 제1리턴유로(172)를 통해 다시 제1열교환기(130) 및 제2열교환기(140)에 순차적으로 통과시켜 고온가스로의 입구온도에 적합한 490℃까지 온도를 순차적으로 상승시킨 후 고온가스로(100)에 제공되도록 함으로써, 기존의 저온환경에서 사용되던 안전성이 검증된 상용 순환기(170)를 사용하고서도 950℃ 정도의 높은 출구온도를 갖는 고출력의 고온가스로(100) 운전이 가능해지는 이점이 있다.
아울러, 안전성이 검증된 기존의 상용 순환기(170)를 활용하여 높은 출구온도를 갖는 고온가스로 열전달 시스템의 구현이 가능해지기 때문에 대량의 수소를 효율적으로 생산할 수 있고, 고온환경(490℃)에서 운전 가능한 신규 순환기 개발에 대한 필요성이 없어지기 때문에 새로운 순환기 개발에 따르는 막대한 연구개발 비용 및 설계 비용을 절감할 수 있는 이점도 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에서는 순환기(170)를 거친 저온의 냉각재를 제1리턴유로(172)를 통해 2개의 열교환기(130,140)에 순차적으로 통과시켜 고온가스로의 입구온도까지 재가열한 후 고온가스로(100)로 공급되도록 하였으나, 제1열교환기(130)의 크기 규모 및 열교환 성능에 따라 하나의 열교환기(130)에만 냉각재가 통과되도록 하여 적정온도까지 상승시킬 수 있도록 구성할 수도 있다.
또한, 전술한 실시 예에서는 고온가스로(100)에서 배출되는 고온의 냉각재를 3개의 열교환기(130,140,150)를 이용하여 일정온도까지 순차적으로 냉각시키도록 구성하였지만, 열교환기의 설치 개수는 시스템의 요구성능에 맞게 다양하게 변경 적용할 수 있다.
한편, 기존부터 운용되고 있는 고온가스로에서는 내부의 압력용기 재질을 상용 가압경수로에서 검증된 저크롬강(SA-508/533) 재질로 사용하고 있다. 이와 같은 저크롬강 재질로 구성된 기존의 상용 압력용기는 저크롬강(SA-508/533)의 허용온도인 371℃ 이하로 유지되어야만 한다.
그러나, 본 발명과 같이 입구온도 490℃, 출구온도 950℃를 갖는 고출력 고온가스로(100)에서는 냉각재가 유입되는 입구온도가 490℃에 달해 압력용기(110)가 490℃의 고온의 입구 냉각재에 직접적으로 노출되기 때문에 허용온도가 371℃ 이하인 저크롬강 재질의 압력용기를 사용할 수 없는 문제가 발생한다.
이 때문에, 490℃ 정도의 높은 냉각재 온도에도 내구성을 발휘할 수 있는 고크롬강(High-Cr Steel) 재질의 압력용기가 필요하다.
그러나, 허용온도가 590℃인 고크롬강(SA-336/9Cr-1Mo-V)은 현재까지 원자로의 압력용기로서 사용된 적이 없기 때문에 인허가 상의 새로운 현안으로 대두될 수 있는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에서는 순환기(170)를 지나 토출되는 저온상태의 냉각재 일부 유량을 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100) 내부로 유입시켜 압력용기(110)를 저크롬강(SA-508/533)의 허용온도인 371℃ 이하로 냉각시킬 수 있도록 하였다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 압력용기 냉각용 우회유로가 구비된 고온가스로 열전달 시스템을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 고온가스로 열전달 시스템에는 고온가스로(100)의 내부에 구비된 압력용기(110)를 상용 저크롬강 재질의 허용온도인 371℃ 이하의 온도로 냉각시킬 수 있도록 냉각재의 우회이동 통로를 제공하는 우회유로(180)가 마련된다.
상기 우회유로(180)는 순환기(170)와 제1열교환기(130) 사이를 연결하는 제1리턴유로(172)의 일측으로부터 분기되어 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116) 상부측 부분과 상호 연결되도록 구비된다.
이에 따라, 순환기(170)를 지나 제1리턴유로(172)를 따라 이동되는 저온상태(350℃)의 냉각재는 그 일부 유량이 상기 제1리턴유로(172)에서 분기된 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100)의 냉각유로(116) 내부로 공급되어 압력용기(110)를 371℃ 이하의 온도 냉각시키게 된다.
이 경우 우회유로(180) 상의 적정 위치에는 상기 우회유로(180)릍 통해 고온가스로(100) 내부로 공급되는 냉각재 유량과 제1열교환기(130)로 공급되는 냉각재 유량의 비를 적절히 조절할 수 있도록 유량조절밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 우회유로(180)를 통해 냉각유로(116) 내부로 유입되어 압력용기(110)를 냉각시킨 후 배출되는 냉각재를 제1열교환기(130)로 유입되는 유로 상으로 다시 리턴시켜 주기 위한 제2리턴유로(182)가 구비된다.
상기 제2리턴유로(182)는 고온가스로(100)의 냉각유로(116) 하부측과 순환기(170)의 입구측 유로 사이를 상호 연결하도록 구성된다.
이에 따라, 고온가스로(100) 내부의 압력용기(110)를 냉각시킨 후 배출되는 냉각재는 제2리턴유로(182)를 통해 다시 순환기(170)의 입구측 유로로 유입하게 되며, 상기 순환기(170)의 토출압력에 의해 제1열교환기(130) 내부로 제공된다.
이때, 상기 제2리턴유로(182)가 연결되는 순환기(170)의 입구측은 상기 순환기(170)의 토출압력에 의해 순환기(170)의 출구측보다 압력이 낮은 상태로 유지되기 때문에, 우회유로(180) 및 제2리턴유로(182)를 경유하여 고온가스로(100) 내,외부로 이동되는 냉각재는 자발적인 순환이 가능하다.
그리고, 기존의 고온가스로 시스템에서는 고온가스로 내부의 압력용기를 허용온도 이하로 냉각시키기 위하여 고온가스로 내부의 냉각유로로 냉각재를 공급하여 순환시킬 수 있도록 고온가스로의 내측 하단부에 별도의 냉각재 공급순환장치를 설치하여 구성하였다.
그러나, 본 발명의 고온가스로 열전달 시스템에서는 순환기(170)를 통과한 저온의 냉각재를 우회유로(180)를 통해 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 공급하여 압력용기(110)를 허용온도(371℃) 이하로 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있기 때문에 종래와 같이 고온가스로 하단부에 별도의 냉각재 공급순환장치를 설치하지 않고서도 압력용기(110)의 효율적인 냉각이 가능하다.
아울러, 압력용기(110)를 냉각시키고 배출되는 냉각재를 제2리턴유로(182)를 통해 다시 순환기(170) 입구 측으로 리턴시켜 순환기(170) 전,후방의 압력 차를 이용하여 고온가스로(100) 내,외부로 효과적으로 순환시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 예에서 언급된 바와 같이 우회유로(180)를 통해 냉각재를 고온가스로(100)의 상단부로 유입하여 압력용기(110)를 냉각시킨 후 고온가스로(100)의 하단부에서 추출할 수 있도록 구성할 수 있으나, 그 반대의 경우도 가능하다.
상술한 바와 같이, 고온가스로(100)에서 배출되는 고온(950℃)의 냉각재를 복수의 열교환기(130,140,150)에 순차적으로 통과시켜 상용 순환기(170)의 운전이 가능한 350℃ 정도의 저온상태로 냉각시키고, 상기 냉각된 냉각재를 제1리턴유로(172)를 통해 다시 고온 측 열교환기(130,140)로 리턴시켜 순차적으로 가열되도록 하여 고온가스로(100)의 적정 입구온도인 490℃까지 상승시킨 다음 고온가스로(100)의 노심(120) 측으로 공급되도록 함으로써, 고온환경에서 운전 가능한 새로운 순환기의 개발 없이도 기존의 저온환경에서 운전 경험이 있는 안전성이 검증된 상용 순환기를 활용하여 고출력의 고온가스로 열전달 시스템을 구현할 수 있고, 새로운 순환기의 개발에 따른 막대한 연구개발 및 설계비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 저온 순환기(170)의 출구측 유로상에 고온가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 저온의 냉각재를 공급할 수 있는 별도의 우회유로(180)를 마련하여 압력용기(110)를 저크롬강의 허용온도인 371℃ 이하로 냉각할 수 있도록 구성함으로써, 기존의 검증된 상용 경수로 재질을 압력용기로 사용할 수 있는 장점을 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 고온가스로 110 : 압력용기
112 : 노심지지배럴 114 : 상승유로
116 : 냉각유로 120 : 노심
130,140,150 : 제1,2,3열교환기
170 : 순환기 172 : 제1리턴유로
180 : 우회유로 182 : 제2리턴유로

Claims (6)

  1. 핵분열을 통해 고온의 열을 발생시키는 가스로(100);
    상기 가스로(100)에서 방출되는 고온상태의 냉각재를 열교환 작용에 의해 순차적으로 냉각시키는 복수의 열교환기;
    상기 복수의 열교환기를 거치면서 순차적으로 냉각된 저온상태의 냉각재를 상기 가스로(100) 내부로 다시 유입시킬 수 있도록 상기 냉각재를 순환시키는 순환기(170);
    상기 순환기(170)를 거쳐 나온 저온상태의 냉각재를 상기 열교환기로 다시 리턴시켜 상기 가스로(100)의 입구온도에 요구되는 온도까지 상승시켜 주는 제1리턴유로(172);를 포함하며,
    상기 제1리턴유로(172)를 통해 상기 열교환기로 리턴되는 저온상태의 냉각재는 상기 가스로(100)의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로(100) 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는,
    상호 직렬로 연결되는 제1열교환기(130)를 포함하는 복수의 열교환기를 포함하며,
    상기 제1열교환기(130)는 상기 제1리턴유로(172)와 연결되어, 상기 제1리턴유로(172)를 통해 리턴되는 저온상태의 냉각재가 상기 가스로(100)의 입구온도까지 승온된 상태에서 상기 가스로(100)로 공급되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 순환기(170)를 통과한 저온상태의 냉각재 일부 유량을 가스로(100) 내부의 냉각유로(116)로 공급하여 압력용기(110)를 냉각시킬 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 우회유로(180)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스로(100) 내부의 압력용기(110)를 냉각한 후 배출되는 냉각재가 다시 상기 열교환기 측으로 유입될 수 있도록 냉각재의 이동통로를 제공하는 제2리턴유로(182)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2리턴유로(182)의 출구는 상기 순환기(170)의 입구 측 유로 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 고온가스로의 열전달 시스템.
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