KR20170072974A - 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치에 관한 것으로서, 기존의 초대형 원자력발전장치 및 화력발전장치를 소형으로 구성하는 냉각장치와 열 이용 방법을 제시하고, 원반통공휠 터빈과 펌프가 유체의 자연순환으로 구동되며 열교환기의 부하변동을 추종하여 열과 유체운동이 변환되는 정도에 따라 자동으로 제어되며 부하추종형으로 기계적인 장치와 운전수명이 반영구적으로 길게 제작된 원반통공휠 터빈 펌프로 냉각작용을 하면서 열 교환기로 전달되는 열을 활용하는 것은 핵분열이 끝날 때까지 지속되는 안전한 원자로를 제공하기 위한 것이다.
원반통공휠 터빈과 펌프가 원자로 내부에서 핵분열 반응으로 발생된 열에 의해서 유체의 자연순환으로 구동되도록 하여, 열 교환기로 전달되는 열의 부하변동을 추종하여 열과 유체운동이 변환되는 정도에 따라 자동제어 되는 부하추종형으로 제어봉이 필요 없이 핵분열 반응속도를 자동으로 제어할 수 있는 원자로 내부에서 핵분열 반응의 조절장치를 구성할 수 있게 되었으며, 터빈의 수명이 반영구적으로 지속되므로 핵분열이 끝날 때까지 냉각작용이 계속되면서 열을 활용할 수 있는 안전한 원자로를 제공할 수 있게 되었다.
고온고압의 열과 방사선이 외부로 유출되지 않고 안전하게 차단된 상태로 원자로 내부에 가두고 열 교환기를 통해서만 열을 전달하여 활용토록 한다.
원자로의 용기는 고온에 견디는 내열성 재질과 고 압력에 견디는 고강도의 재질로 견고하게 구축하여 격벽을 통해 외부로 열과 유체가 방출되는 것을 안전하게 차단해야 하며, 특히 방사능을 차폐시키는 물질의 소재를 엄선하여 원자로 외벽에 시공하여 방사선과 열과 유체 누설을 3중 벽으로 차단한다.
원자로 내에서 발생되는 열과 사용유체를 순환 시키는 펌프 구동에 필요한 회전동력은 원반통공휠 터빈에서 만들어 지는데, 원반통공휠 터빈과 동일한 회전자축에 결합된 원자로 내부 유체를 순환시킨 펌프를 지속적으로 구동 하여 원자로 내부에서 발생하는 핵분열 반응의 고온 고압유체를 냉각하면서 활용할 수 있는 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 냉각장치를 제공한다.

Description

원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치{ Atomic reactor cooling apparatus }

본 발명은 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 초대형 원자력발전장치 및 화력발전장치를 소형으로 구성하는 냉각장치와 열 이용 방법을 제시하고, 원반통공휠 터빈과 펌프가 유체의 자연순환으로 구동되며 열교환기의 부하변동을 추종하여 열과 유체운동이 변환되는 정도에 따라 자동으로 제어되며 부하추종형으로 기계적인 장치와 운전수명이 반영구적으로 길게 제작된 원반통공휠 터빈 펌프로 냉각작용을 하면서 열 교환기로 전달되는 열을 활용하는 것은 핵분열이 끝날 때까지 지속되는 안전한 원자로를 제공할 수 있도록 한 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치에 관한 것이다.

기존의 원자력 에너지를 평화적으로 이용하기 위한 발전시스템의 구성은, 방사능 위험성을 제대로 알지 못했던 1945년 이전과 다른 문제에 직면했다.

핵분열에 의하여 만들어진 고온의 열과 함께 발생하는 방사능물질의 위험이 생명체에게 치명적으로 유해한 것을 경험한 이후 원자로를 보다 안전하고 지속적으로 관리할 수 있도록 제작 설비 및 운영기술이 개선되고 있다.

일차적으로 개선된 원자력의 열에너지이용기술은 원자로에서 발생되는 열을 사용유체에 직접 가열하지 않고, 원자로의 노심에서 핵분열작용으로 발생된 열을 분리된 배관의 열 교환기에 흐르는 일차 냉각재인 물에 전달하여 물을 고압스팀(고압수증기)인 사용유체로 만들어서 활용하는 방법으로 하며, 일차냉각재인 물을 고압스팀으로 만들고 터빈을 구동시켜서 전기를 발전하였다.

일차로 핵분열이 일어나는 고온고압의 원자로 내부를 통과하는 냉각기의 물이 고속 증식로의 노심을 냉각시키는 작용과 동시에 상대적으로 고온의 열을 받아서 가열된 일차 냉각제인 물을 직접 고압스팀으로 만들어서 터빈을 구동하게 되는 비등경수로방식 시스템에서는 방사능이 누설될 위험성이 있다는 것을 인식하여 보완 대책을 찾아서 개선해 왔다.

이렇게 개선된 대형 원자력발전시스템은 가압경수로 또는 가압중수로 라고 했는데, 원자로의 일차 노심을 냉각하면서 상대적으로 열을 발아서 가열된 일차 냉각계통은 이차 냉각계통과 유체흐름은 완전히 분리된 폐회로의 순환루프방식 배관으로 구성되어 사용유체는 일차 냉각계통과 이차 냉각계통이 서로 독립되어 흐르면서, 열에너지만 열 교환기를 통해서 고압스팀발생기에 전달하여 고압스팀으로 날개형 터빈을 구동시켜서 전기를 발전하고 있다.

기존의 발전장치에 이용되는 원자로의 핵분열을 일으키는데 사용되고 있는 핵연료는 저 전열특성으로 우라늄 235 또는 플루토늄 239를 함유하는 금속 산화물인 연료를 펠릿 상태로 성형하여 특수물질로 만든 피복관에 삽입하여 안전하게 밀봉된 다수의 연료봉을 결합시킨 연료봉 다발(200개 정도)을 집합체로 구성하였으며, 연료봉 집합체 사이에 연료의 반응속도를 조절하기 위한 제어봉이 배치되어 원자로의 노심을 구성하고 있다.

이렇게 제어봉으로 연료반응속도를 제어해야만 하는 대형원자로는 제어봉을 조절하는 기구들이 고장이나 오작동이 발생하는 등으로 제어봉의 자동제어장치 작동이 정지되거나 오작동이 되면서 원자로 내부의 핵반응을 일으키는 노심에서 핵분열 반응이 폭주하는 위험성이 있다.

이와 같이 중앙집중식의 에너지장치로 대형 발전시스템을 구축하기 위하여 개발되었던 일차 냉각재의 고압스팀으로 직접 터빈을 구동했던 고속증식로방식이나 이후에 가압수형 경수로나 가압수형 중수로 방식 등으로 개선되고 있으나, 가압수형 열 교환기도 열을 전달하는 매개체로 증발 잠열이 높으며 고온에도 열 팽창 부피가 큰 물을 사용함으로 고온의 원자로를 냉각시키고 열을 전달하는 이차 냉각계통부터 열 교환기 전체의 구조가 대형으로 설치되었고 복잡한 장치의 구성으로 정비 유지 및 관리에 많은 인력이 필요했다.

특히 대형 원자로의 핵반응 속도를 조절하는 제어봉의 감시 및 조절장치를작동시키기 위해서는 원자로 내부에 전기를 공급해야 하는 문제가 있었다.

고온 고압에서 핵반응을 일으키는 원자로 내부는 고도의 내압력과 기밀성이 유지되어야 하며 원자로의 케이스는 특수소재를 사용하여 방사선을 완전히 차폐시켜야 하는데 제어봉 자동제어장치에 전기를 공급함으로 이에 따르는 문제 해결을 위해서 원자로의 소재선택과 구조는 더욱 복잡하게 되었다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위해 제작과 정비 유지보수 관리가 용이하고 안전한 소형 원자로(스마트형 원자로)를 탱크형 원자로를 개발하고 있으나, 고속 증식로의 노심을 냉각하는 나트륨 위험성을 개선하기 위한 냉각기에 가압 경수로나 중수로 열 교환기를 쓰고 있기에 소형화는 어려운 과제였다.

산업혁명 이후 사람의 노동력을 대신하여 화석연료를 대량으로 연소시키는 열기관장치 폐기물이 지구환경을 파괴하며 온난화 문제가 극심한 시점에서 상용화된 원자력에너지이용 기술이 초기에는 청정한 에너지로 인식되었으나, 핵분열의 부작용으로 방사능물질이 유출되는 환경문제에 직면하게 되었다.

원자력에너지는 활용하면서 방사능물질은 안전하게 관리하는 것이 과제이다.

핵분열이 계속되어 폭발 위험이 있는 원자로의 핵분열이 다할 때까지 안전하게 관리할 수 있는 컴팩트하고 안전한 스마트형 원자로가 요청되고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치의 특허기술 내용에서는 핵분열작용은 다루지 않는다.

기존의 과학기술을 기반으로 원자핵이 충돌하면서 일어나는 핵분열 반응을 제어하는 방법으로 핵반응이 폭주하는 현상이 일어나는 원인이 부분적인 과열에 의한 것임을 알고 원자로의 냉각장치를 지속적으로 운전하는 방법을 제시하며, 고온 고압의 열이 상존하고 있는 원자로를 지속적으로 안전하게 냉각시키면서 방사능 물질의 누설을 차단하고 관리하기 위하여 냉각장치 및 중간 열 교환기를 일체화 하며, 안전하고 효율적인 열매개체를 사용함으로 영구적인 냉각과 열을 활용할 수 있는 원자로 냉각장치를 구성하는 것이다.

후쿠시마 원자력발전소의 사고로 인한 방사능 유출문제가 전 세계 인류의 걱정이 되어 원자력발전 반대운동이 일고 있는데 무조건 반대 또는 찬성이 아니라, 사고 요인을 합리적으로 분석하여 기술적으로 해결할 필요가 있다.

후쿠시마 원자력발전소는 한국보다 먼저 설치된 비등경수로방식(BWR)으로 원자로를 냉각하고 핵반응작용을 제어하는 감속재로서 경수를 사용하는데 원자로에 있는 스팀발생기는 액체인 물과 기체상태인 스팀이 함께 있다.

원자로 내에서 핵반응 작용의 직접 열을 받아서 고온 고압 스팀이 만들어 지면서 터빈을 구동하는 방식으로 구성되었기 때문에 원자로를 냉각시키는 열 교환기 전원이 차단되거나 고장이 발생하면 고온의 원자로가 부분적으로 가열되면서 방사능이 유출될 수 있는 가능성이 높은 반면에, 한국에 건설되었던 원자력 발전소는 초기에 건설되었던 월성 1-4호기는 후쿠시마와 같은 비등경수로(BWR)방식이지만 이후에 건설된 원자력발전소 대부분은 가압경수로(PWR)방식으로 건설되었으며, 원자로를 냉각시키는데 가압경수로(가압중수로: 온도 300°C 이상에서 액체상태, 압력을 가한 물)를 열 전달 매개체로 열 교환기를 구성하는데 가압경수로 내부에는 고압상태의 물만 가득 차 있으며 원자로 외부에 있는 스팀발생기에 열을 전달하여 고온 고압의 스팀을 발생시켰기 때문에 원자로 냉각작용을 보다 더 원활이 하여 비등경수로보다는 안전하다고 했지만 가압된 압력에 따른 문제가 있다.

상기와 같이 비등경수로(BWR) 방식은 가압경수로(PWR) 방식과는 다르게 스팀발생기가 따로 구성되지 않았기 때문에 원자로의 노심의 열에 의해서 직접 스팀을 생산함으로 가압경수로(PWR) 보다 스팀압력이 낮지만, 원자로 계통과 고압스팀으로 구동되는 터빈계통이 완전히 분리되지 않아서 원자로 냉각기의 고압스팀 배관에 문제점이 발생했을 때 방사능에 오염된 스팀이 직접 터빈을 구동함으로써 방사선 차폐가 어렵다는 단점을 안고 있다.

모든 원자력발전소는 고온 고압에 견디며 방사능을 차폐시킨 원자로에서 핵분열을 일으킬 수 있는 환경조건을 만들고 연료봉에 중성자를 반사시켜 핵분열을 유도하고, 핵반응으로 발생하는 고온의 열을 이용하는 것이다.

본 발명에서는 기존의 초대형 원자력발전장치 및 화력발전장치를 소형으로 구성하는 냉각장치와 열 이용 방법을 제시하며, 원반통공휠 터빈과 펌프가 유체의 자연순환으로 구동되며 열교환기의 부하변동을 추종하여 열과 유체운동이 변환되는 정도에 따라 자동제어 되며 부하추종형으로 기계적인 장치와 운전수명이 반영구적으로 길고 냉각작용은 핵분열이 끝날 때까지 지속되는 안전한 원자로를 제공할 수 있도록 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은,

원자로에서 핵분열작용이 일어나서 열이 발생 되는 것과 동시에 원반 통공휠 터빈이 가동 및 핵반응 유체 순환펌프가 구동되도록 구성하되,

원자로는 상,하부에 원형의 돔이 구비된 원통형의 몸체로 이루어진 원자로 하우징과;

원반 통공휠 터빈과 핵반응 유체 순환펌프가 동시에 구성되도록 원자로 하우징의 내부에 구비된 하부 베어링 케이스와 상부 베어링 케이스에 상,하단이 각각 결합 되며, 핵반응 고온고압 유체에 의해 회전되는 터빈&펌프 회전자축과;

터빈&펌프 회전자축의 상부에 결합 되는 원반통공휠 터빈과;

핵분열 반응 작용에 의해 열이 발생하는 동안에 항상 핵반응 고온 고압 유체의 운동으로 인해 원반통공휠 터빈이 연속적으로 구동할 수 있도록 상기 원반통공휠 터빈과 일체형으로 형성되며, 터빈&펌프 회전자축의 하부에 결합 되는 핵반응 유체 순환펌프;로 구성되며,

핵반응 유체순환펌프에 의해 핵반응 고온 고압유체를 지속적으로 순환 및 열교환시켜 일차 열교환 고온 고압 유체를 이루도록 원반통공휠 터빈과 상기 핵반응 유체순환펌프에 연결되게 원자로 하우징의 외주면에 열교환기를 유체배관으로 결합 구성하되,

상기 열교환기는 일차 열교환계통 고압해드와 이차 열교환계통 고압해드을 분리 구성하여 다양한 온도의 열을 전달할 수 있게 설치하여

핵반응 고온 고압유체가 항상 축척되어 있는 원자로 하우징내부에 있는 열을 지속적으로 냉각하면서 원자로 하우징 외부에 전달하여 다양한 분야에 필요한 사용유체의 압력과 온도의 열을 끊임없이 활용해야 하기 때문에 원자로 내부의 핵반응 고온 고압유체와는 유체가 완전히 분리된 상태로 열 교환기를 통해서 임계 포화가스 CO2를 냉각재인 일차 열교환 고온 고압 유체가 흐르며, 일차 열교환계통 고압해드와 이차 열교환계통 고압해드 등, 필요한 압력과 온도에 따라 구성된 유체배관을 통해, 사용유체의 압력에 따른 운동에너지와 열을 활용할 수 있도록 하며, 화력발전소가 가스나 석탄 그리고 석유등 화석연료의 연소열을 이용하여 사용유체를 만들어 터빈을 구동함으로써 전기를 생산하는 것처럼 원자력발전소의 원자로에서 만들어진 열로 안전하게 전기를 생산할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 됨을 특징으로 한다.

본원 발명에 의하면, 원자로 하우징 내부에는 핵분열 연료봉 세트가 고정 배치되며 핵반응 고온고압 유체에 의해서 회전하게 구성되어 있는 터빈 & 펌프 회전자축에 원반통공휠 터빈과 핵반응 유체 순환펌프가 일체형으로 결합 되어 함께 회전하도록 하부 베어링 케이스와 상부 베어링 케이스사이에 조립 구성되어 핵반응작용에 의해 열이 발생하는 동안에는 항상 핵반응 고온 고압 유체의 운동으로 원반통공휠 터빈이 구동되면서 핵반응 유체순환펌프에 의해서 핵반응 고온 고압유체가 원자로 내부에서 지속적으로 순환되므로서, 일차 열교환 고온 고압 유체는 열 교환기를 통해서 안전하게 활용될 수 있는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

또한, 일차 열교환계통 고압해드와 이차 열교환계통 고압해드을 구분하여 설치하므로서, 사용유체의 압력에 따른 운동에너지와 열을 활용할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

그리고 화력발전소가 가스나 석탄 그리고 석유등 화석연료의 연소열을 이용하여 사용유체를 만들어 터빈을 구동함으로써 전기를 생산하는 것처럼 원자력발전소의 원자로에서 만들어진 열로 안전하게 전기를 생산할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치의 순환을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치의 펌프회전자축이 설치된 상태를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치를 도시한 단면도.
도 4는 상용화된 기존 원자력 발전소의 에너지전달과 변환 시스템 계통도를 도시한 참고도.
도 5는 비등경수로 방식 원자력발전소 에너지전달과 변환 시스템을 도시한 참고도.
도 6은 가압경수로 방식 원자력발전소 에너지전달과 변환 시스템을 도시한 참고도.
도 7은 대형원전과 비교하여 소형으로 개발된 스마트형 원자로를 도시한 참고도.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 설명에 앞서 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치를 구성하는데, 원자로에서 핵분열 반응을 일으키는 작용에 관한 내용은 공개된 기술로서 생략하기로 한다.

그리고 원자력으로 발생된 고온 고압의 열에 의해서 원자로에서 유체운동 일어나는 작용과 방사능 물질을 안전하게 유지 관리하는 것이며, 원자로 내부에서 발생되는 열에너지를 독립된 열 교환기를 통해서 외부에 전달하여 활용할 수 있도록 융/복합 결합시키는 엔지니어링시스템을 구성하여 기존의 원자로 관리와 열 이용에도 적용시키고자 하는 것이다.

원자로에서 핵분열 반응으로 발생된 열을 안전하게 활용하는 원반 통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치의 구성 특성과 실시예의 구체적인 사항과 시스템에 적용방법은 설명과 함께 제시하는 도면에 포함되어 있다.

상기 도면에 의하면 본 발명은

원자로에서 핵분열작용이 일어나서 열이 발생 되는 것과 동시에 원반 통공휠 터빈(102)이 가동 및 핵반응 유체 순환펌프(103)가 구동되도록 구성하되,

원자로는 상,하부에 원형의 돔이 구비된 원통형의 몸체로 이루어진 원자로 하우징(100)과;

원반 통공휠 터빈(102)과 핵반응 유체 순환펌프(103)가 동시에 구성되도록

원자로 하우징(100)의 내부에 구비된 하부 베어링 케이스(104)와 상부 베어링 케이스(105)에 상,하단이 각각 결합 되며, 핵반응 고온고압 유체(201)에 의해 회전되는 터빈&펌프 회전자축(101)과;

터빈&펌프 회전자축(101)의 상부에 결합 되는 원반통공휠 터빈(102)과;

핵분열 반응 작용에 의해 열이 발생하는 동안에 항상 핵반응 고온 고압 유체의 운동으로 인해 원반통공휠 터빈(102)이 연속적으로 구동할 수 있도록 상기 원반통공휠 터빈(102)과 일체형으로 형성되며, 터빈&펌프 회전자축(101)의 하부에 결합 되는 핵반응 유체 순환펌프(103);로 구성되며,

핵반응 유체순환펌프(103)에 의해 핵반응 고온 고압유체(201)를 지속적으로 순환 및 열교환시켜 일차 열교환 고온 고압 유체(202)를 이루도록 원반통공휠 터빈(102)과 상기 핵반응 유체순환펌프(103)에 연결되게 원자로 하우징(100)의 외주면에 열교환기를 유체배관으로 결합 구성하되,

상기 열교환기는 일차 열교환계통 고압해드(107)와 이차 열교환계통 고압해드(108)을 분리 구성하여 다양한 온도의 열을 전달할 수 있게 설치하여

핵반응 고온 고압유체(201)가 항상 축척되어 있는 원자로 하우징(100)내부에 있는 열을 지속적으로 냉각하면서 원자로 하우징(100) 외부에 전달하여 다양한 분야에 필요한 사용유체의 압력과 온도의 열을 끊임없이 활용해야 하기 때문에 원자로 내부의 핵반응 고온 고압유체(201)과는 유체가 완전히 분리된 상태로 열 교환기를 통해서 임계 포화가스 CO2를 냉각재인 일차 열교환 고온 고압 유체(202)가 흐르며, 일차 열교환계통 고압해드(107)와 이차 열교환계통 고압해드(108) 등, 필요한 압력과 온도에 따라 구성된 유체배관을 통해, 사용유체의 압력에 따른 운동에너지와 열을 활용할 수 있도록 하며, 화력발전소가 가스나 석탄 그리고 석유등 화석연료의 연소열을 이용하여 사용유체를 만들어 터빈을 구동함으로써 전기를 생산하는 것처럼 원자력발전소의 원자로에서 만들어진 열로 안전하게 전기를 생산할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 됨을 특징으로 하는 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치에 관한 것이다.

이때, 원자로 하우징(100)의 내주면을 따라 원반통공휠 터빈(102)과 핵반응 유체순환펌프(103)를 연결하는 유체배관이 형성된다.

상기 원자로 하우징(100)의 내부에 설치된 유체배관은 상기 원자로 하우징(100)의 외주면에 결합 되는 유체배관과 연결되게 설치된다.

이와 같이 원자로 하우징(100)의 내,외부에 유체배관을 각각 연결되게 결합 구성하므로, 원반통공휠 터빈(102)과 핵반응 유체순환펌프(103)의 작동을 인해 핵반응 고온고압 유체는 열 교환기를 통해 일차 열교환 고온고압 유체(202)를 이루는 것이다.

그리고 핵반응 고온고압 유체(201)에 의해 터빈 ＆ 펌프 회전자축(101)이 일측 방향으로 고속 회전하는 것이다.

이때, 터빈 ＆ 펌프 회전자축(101)이 결합 되는 하부 베어링케이스(104)와 상부 베어링케이스(105)에 베어링 냉각 윤활펌프(300)를 연결하여 상기 하부 베어링케이스(104)와 상부 베어링케이스(105)가 열에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 마찰을 최소화시켜 터빈 ＆ 펌프 회전자축(101)의 회전을 원활하게 할 수 있도록 한다.

그리고 터빈 & 펌프 회전자축(101)의 상단에는 회전자 프라이휠(106)이 설치됨을 밝히는 바이다.

따라서, 원자로에서 핵분열작용이 일어나서 열이 발생되는 것과 동시에 원반 통공휠 터빈(102)이 가동되며 핵반응 유체순환펌프(103)가 구동되도록 한 것이다.

상기 원자로 하우징(100)은 원통형의 몸체와 그 몸체 상부와 하부는 원형 돔으로 형성된다.

그리고 원자로 하우징(100) 내부에는 핵분열 연료봉 세트(200)가 고정 배치되며 핵반응 고온고압 유체(201)에 의해서 회전하게 구성되어 있는 터빈 & 펌프 회전자축(101)에 원반통공휠 터빈(102)과 핵반응 유체 순환펌프(103)가 일체형으로 결합 되어 함께 회전하도록 하부 베어링 케이스(104)와 상부 베어링 케이스(105)사이에 조립 구성되어 핵반응작용에 의해 열이 발생하는 동안에는 항상 핵반응 고온 고압 유체의 운동으로 원반통공휠 터빈(102)이 구동되면서 핵반응 유체순환펌프(103)에 의해서 핵반응 고온 고압유체(201)가 원자로 내부에서 지속적으로 순환되어야만 일차 열교환 고온 고압 유체(202)는 열 교환기를 통해서 안전하게 활용될 수 있는 것이다.

상기 열 교환기는 도 1과 같이 일차 열교환계통 고압해드(107)와 이차 열교환계통 고압해드(108)을 구분하여 설치한다.

따라서, 핵반응 고온 고압유체(201)가 항상 축척되어 있는 원자로 하우징(100)내부의 열을 지속적으로 냉각하고, 상기 원자로 하우징(100) 외부에 전달하여 다양한 분야에 필요한 사용유체의 압력과 온도의 열을 끊임없이 활용해야 하기 때문에 원자로 내의 핵반응 고온 고압유체(201)과는 유체가 완전히 분리된 상태로 열 교환기를 통해서 임계 포화가스 CO2를 냉각재인 일차 열교환 고온 고압 유체(202)가 흐르며, 일차 열교환계통 고압해드(107)와 이차 열교환계통 고압해드(108) 등, 필요한 압력과 온도에 따라 구성된 유체 배관을 통해서 사용유체의 압력에 따른 운동에너지와 열을 활용한다.

또한, 일반적인 화력발전소가 가스나 석탄 그리고 석유등 화석연료의 연소열을 이용하여 사용유체를 만들어 터빈을 구동함으로써 전기를 생산하는 것처럼 원자력발전소도 원자로의 핵분열에서 만들어진 열로 전기를 생산한다.

도 4부터 도 7은 원자력의 핵분열 반응으로 발생되는 고온 고압의 열을 평화적으로 이용하기 위해 원자력발전시스템이 발전되었던 참고도면으로,

도 4는 상용화된 기존 원자력 발전소의 에너지전달과 변환 시스템 계통도이며, 도 5는 비등경수로 방식 원자력발전소 에너지전달과 변환 시스템 계통도이며, 도 6은 가압경수로 방식 원자력발전소 에너지전달과 변환 시스템 계통도이며, 도 7은 대형원전을 기본으로 규격화시킨 표준형, 소형 이동식으로 한수원에서 정부지원으로 개발하고 있는 스마트형 원자로의 개념도이다.

[화석연료의 연소장치를 대신하여 열을 만드는 원자로의 핵분열 반응]

원자번호가 높은 우라늄 235나 플루토늄 239와 같은 방사능물질의 원자핵이 중성자를 흡수하면 원자핵은 두 가지 이상의 원자번호가 낮은 물질로 붕괴하며 동시에 자기에너지, 감마선, 중성자를 발생시키는 반응을 보이는데, 이를 핵분열이라고 하며, 핵분열이 발생하면 핵분열 이전보다 많은 수의 중성자가 만들어지고 이 중성자들은 다른 핵분열을 일으키는 방아쇠가 되는데 이렇게 핵분열이 연쇄적으로 일어나는 현상을 연쇄 핵분열반응이라고 하며, 연쇄 핵분열반응은 시간이 지남에 따라 핵반응의 수가 급격하게 증가하며 결국은 핵폭발을 발생하게 되었는데, 이러한 연쇄반응을 조절하여 원자력의 열을 이용하기 위해서 중성자 중화 또는 중성자 감속재를 사용하여 열발생 속도를 적절하게 조절하고 있으나, 만일의 위험한 경우를 대비하여 원자로는 자동적이나 수동적인 안전시스템을 구성하여 핵분열을 중단시킬 수 있다.

본 발명에서는 원자로의 핵폭발 위험을 원천적으로 방지하는 시스템으로 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치를 구상하게 된 것이다.

대부분의 원자로에서는 천연우라늄보다는 농축우라늄을 연료로 사용하며 원자로 내에서 지속적인 열을 발생시키기 위해서 복합적인 기술이 이용된다.

기초적으로 핵분열에 따라 만들어진 자기에너지가 인근의 원자와 충돌할 때 고온의 열이 발생되는데, 핵분열에 따른 방사선 붕괴와 중성자 포획으로 인한 방사선 붕괴는 연쇄반응으로 중첩된 열을 발생시키게 되므로 원자로의 가동을 중단시킨 이후에도 일정기간 동안은 계속해서 열이 발생하는데, 원자력의 핵분열에 의해서 발생된 열량은, 우라늄 235 Kg당(7.2 X 10^13)줄, 이며 같은 무게의 석탄과 대비해 보면 (2.4 X 10^7)줄, 보다 약 300만배 이상으로 열에너지를 발생시키는 경제성과, 수 많은 장점을 가지고 있으나 핵반응의 폭발사고와 방사능 유출사고를 안전하게 차단해야 하는 과제를 안고 있는데, 기본적으로 핵분열을 일으키는 것은 순간적으로 대량의 열 발생하는 것과 동시에 연쇄적으로 충돌한 원자핵들이 중성자를 흡수하면서 핵분열반응을 일으키는 폭발현상으로 자기장, 감마선, 방사능 물질이 확산되어 생명체를 살상하고 물리학적으로 이루어진 세상을 파괴하는 핵폭탄을 만들어 졌는데, 화염이 연소물질을 태워 버리듯이 핵분열이 방치되면 세상은 파괴될 것이다.

그러나 불이나 핵분열 반응으로 만들어지는 열에너지는 생명체들의 삶에 필요하고 중요한 에너지원으로 활용하면서 잘 관리해야 하는 것이 과제이다.

본 발명에서는 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 냉각장치통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 화석연료의 연소 열을 이용하는 기술과 핵분열 반응으로 발생되는 원자력의 열에너지를 이용하는 기술이 열을 얻는 방법이 다를 뿐이지 다양한 분야의 열원에서 획득하게 되는 열을 전달하고 변환하여 활용하는 기술은 동일한 에너지변환장치라는 점을 인지할 것이다.

다만 원자의 핵분열 반응으로 발생되는 고온 고압의 유체운동과 방사능은 원자로의 제어장치와 공간을 벗어나서 유출되면 거대한 재앙이 되기 때문에 일반적인 연소장치에 비하여 더욱 안전하게 고온 고압의 열을 다루고 제어하기 위해서 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 냉각장치를 고차원 기술인 원자력발전시스템의 구성에 적용하게 되었음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 이상에서 기술한 실시예들은 어떤 특정한 원자로시스템에 적용되는것이 아니라 대량의 열과 함께 생명체를 위협하는 방사능물질과 폐기물이 있는 모든 원자로에 적용하여 열에너지를 활용하는 방법으로 이해해야 한다.

본 발명의 특허청구범위와 의미 그리고 그와 균등한 개념으로부터 공개되는 원자로의 핵분열에 관련된 과학기술은 인류문명의 유산이 되어야 할 것이며, 원자로를 안전하게 냉각하면서 열을 활용하게 만들어지는 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 냉각장치를 구성하는 방법만이 본 발명에 해당된 것이다.

미 설명된 도면 부호 400은 이차 열교환 에너지활용시스템을 나타낸다.

100: 원자로 하우징
101: 터빈 & 펌프 회전자축 102: 원반통공휠 터빈
103: 핵반응 유체순환펌프 104: 하부 베어링케이스
105: 상부 베어링케이스 106: 회전자 프라이휠
107: 일차 열교환계통 고압해드 108: 이차 열교환계통 고압해드
200: 핵분열 연료봉세트
201: 핵반응 고온고압 유체 202: 일차 열교환 고온고압 유체
300: 베어링 냉각 윤활펌프
400: 이차 열교환 에너지활용시스템

Claims (1)

1. 원자로에서 핵분열작용이 일어나서 열이 발생 되는 것과 동시에 원반 통공휠 터빈(102)이 가동 및 핵반응 유체 순환펌프(103)가 구동되도록 구성하되,
   원자로는 상,하부에 원형의 돔이 구비된 원통형의 몸체로 이루어진 원자로 하우징(100)과;
   원반 통공휠 터빈(102)과 핵반응 유체 순환펌프(103)가 동시에 구성되도록
   원자로 하우징(100)의 내부에 구비된 하부 베어링 케이스(104)와 상부 베어링 케이스(105)에 상,하단이 각각 결합 되며, 핵반응 고온고압 유체(201)에 의해 회전되는 터빈&펌프 회전자축(101)과;
   터빈&펌프 회전자축(101)의 상부에 결합 되는 원반통공휠 터빈(102)과;
   핵분열 반응 작용에 의해 열이 발생하는 동안에 항상 핵반응 고온 고압 유체의 운동으로 인해 원반통공휠 터빈(102)이 연속적으로 구동할 수 있도록 상기 원반통공휠 터빈(102)과 일체형으로 형성되며, 터빈&펌프 회전자축(101)의 하부에 결합 되는 핵반응 유체 순환펌프(103);로 구성되며,
   핵반응 유체순환펌프(103)에 의해 핵반응 고온 고압유체(201)를 지속적으로 순환 및 열교환시켜 일차 열교환 고온 고압 유체(202)를 이루도록 원반통공휠 터빈(102)과 상기 핵반응 유체순환펌프(103)에 연결되게 원자로 하우징(100)의 외주면에 열교환기를 유체배관으로 결합 구성하되,
   상기 열교환기는 일차 열교환계통 고압해드(107)와 이차 열교환계통 고압해드(108)을 분리 구성하여 다양한 온도의 열을 전달할 수 있게 설치하여
   핵반응 고온 고압유체(201)가 항상 축척되어 있는 원자로 하우징(100)내부에 있는 열을 지속적으로 냉각하면서 원자로 하우징(100) 외부에 전달하여 다양한 분야에 필요한 사용유체의 압력과 온도의 열을 끊임없이 활용해야 하기 때문에 원자로 내부의 핵반응 고온 고압유체(201)과는 유체가 완전히 분리된 상태로 열 교환기를 통해서 임계 포화가스 CO2를 냉각재인 일차 열교환 고온 고압 유체(202)가 흐르며, 일차 열교환계통 고압해드(107)와 이차 열교환계통 고압해드(108) 등, 필요한 압력과 온도에 따라 구성된 유체배관을 통해, 사용유체의 압력에 따른 운동에너지와 열을 활용할 수 있도록 하며, 화력발전소가 가스나 석탄 그리고 석유등 화석연료의 연소열을 이용하여 사용유체를 만들어 터빈을 구동함으로써 전기를 생산하는 것처럼 원자력발전소의 원자로에서 만들어진 열로 안전하게 전기를 생산할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 됨을 특징으로 하는 원반통공휠 터빈 펌프구동 자연순환 원자로 냉각장치.
   

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