KR20220145154A - 소형 모듈형 원자력 발전소 - Google Patents

소형 모듈형 원자력 발전소 Download PDF

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KR20220145154A
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임상규
김용학
허선
강길범
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한국수력원자력 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 발전소는 냉각수가 채워진 원자로 건물, 냉각수에 적어도 일부가 잠기는 격납 용기, 격납 용기 내에 위치하는 원자로 용기를 포함하는 원자로, 격납 용기와 원자로 용기 사이의 공동에 위치하는 열교환기, 공동에 위치하며 열교환기의 하부에 위치하는 붕산수 저장조, 냉각수 내에 위치하며 붕산수 저장조와 연결되어 있는 잔열 제거 열교환기를 포함한다.

Description

소형 모듈형 원자력 발전소{SMALL MODULAR NUCLEAR POWER PLANT}
본 발명은 소형 모듈형 원자력 발전소에 관한 것이다.
소형 모듈형 원자력 발전소는 기존 원자로와 달리 증기 발생기와 원자로심이 하나의 격납 용기 내에 일체형으로 설계된다.
소형 모듈형 원자력 발전소에 적용되는 원자로 및 격납 용기는 물속에 완전히 잠겨(complete submerged), 격납 용기 내부가 진공 상태를 유지한다.
이러한 일체형 원자로에서, 냉각재 상실 사고 등의 사고시 발생시, 분출되는 냉각재가 응축되어 격납 용기 내에 응축수가 모이게 된다. 모인 응축수는 원자로 용기 외부에 존재하는 밸브를 개방하여 격납 용기 내의 응축수가 자연력에 의해서 원자로 용기 내부로 유입되도록 한다.
그러나, 소형 모듈형 원자로의 경우, 격납 용기가 물속에 완전히 잠긴 상태로, 정상 운전시 유지 보수가 어렵고, 격납 용기 내에서 원자로 용기 내부로 냉각재 유입은 격납 용기 내의 응축수가 충분히 모여야만 가능하다.
또한, 소형 모듈형 원자력발전소의 격납 용기는 원통형 구조로 사고 발생시 격납 용기 내부의 열을 제거하기 위한 열전달 면적이 충분하지 않아, 원통형 구조의 격납 용기의 크기가 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 사고시 소형 모듈형 원자로의 격납용기 밖으로 배출되는 열을 최대화하면서도, 격납 용기의 크기를 줄일 수 있는 소형 모듈형 원자력 발전소를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 발전소는 냉각수가 채워진 원자로 건물, 냉각수에 적어도 일부가 잠기는 격납 용기, 격납 용기 내에 위치하는 원자로 용기를 포함하는 원자로, 격납 용기와 원자로 용기 사이의 공동에 위치하는 열교환기, 공동에 위치하며 상기 열교환기의 하부에 위치하는 붕산수 저장조, 냉각수 내에 위치하며 붕산수 저장조와 연결되어 있는 잔열 제거 열교환기를 포함한다.
상기 격납 용기는 원자로 용기 전체를 감싸는 캡슐 형태를 가질 수 있다.
상기 격납 용기는 철로 이루어질 수 있다.
상기 열교환기는 냉각수와 연결되어 냉각수가 열교환기 내부를 자연 순환할 수 있다.
사고 발생시, 열교환기에서 발생되는 응축수는 붕산수 저장조로 낙하될 수 있다.
상기 붕산수 저장조는 원자로 용기의 측벽을 둘러쌀 수 있다.
상기 붕산수 저장조는 격납 용기의 바닥 전체를 덮으며, 원자로 용기의 하부를 감쌀 수 있다.
상기 붕산수 저장조의 붕산수는 원자로 용기의 바닥과 연결된 밸브를 가지는 배관을 통해서, 원자로 용기의 내부로 주입될 수 있다.
상기 격납 용기 내부는 부분 진공 상태를 유지할 수 있으며, 부분 진공 상태는 50℃ 물의 포화 압력으로 유지된 상태일 수 있다.
본 발명에서는 사고시 고농도의 붕산수를 바로 원자로 용기 내부로 주입할 수 있어, 재임계 사고를 방지할 수 있다.
또한, 격납 용기 내부가 부분 진공 상태를 유지하므로, 냉각재 상실 사고시 방출되는 순수 증기만 열교환되므로, 열교환 효율이 증가한다. 따라서, 종래의 소형 모듈형 원자로의 격납용기 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에의 열교환기는 자연 순환 방식으로 열교환이 이루어지므로, 별도의 전원 공급이 필요없어 원자로 건물의 건전성이 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 모듈형 원자력 발전소의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 모듈형 원자력 발전소의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 발전소의 사고 발생시 유체 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 모듈형 원자력 발전소의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 모듈형 원자력 발전소의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력 발전소는 원자로 건물(10), 원자로 건물 (10)내에 위치하는 소형 모듈형 원자로(100)을 포함한다.
원자로 건물(10)은 콘크리트로 이루어질 수 있으며, 발전 용량에 따라서 복수의 원자로(100)가 위치할 수 있다.
원자로 건물(10)에는 원자로(100)의 적어도 일부가 잠기도록 냉각수(W)가 채워져 있다. 따라서, 사고 발생시 원자로(100)는 잠긴 상태에서 냉각수(W)와 열교환으로 내부 온도를 낮출 수 있다.
각각의 원자로(100)는 격납 용기(110), 격납 용기(110) 내에 각각 설치된 원자로(120)를 포함한다.
원자로 용기(120)는 격납 용기(110) 내에 밀봉될 수 있으며, 격납 용기(110)와 일정한 간격을 두고 격납 용기(110) 내에 위치할 수 있다.
원자로 용기(120)는 내부에 노심(11)을 수용하는 공간을 가지며, 원자로 용기(120)의 하부에 위치하는 노심(11)을 포함한다.
노심(11)은 핵연료 집합체로 노심(11)은 제어봉 집합체 연장축(control element assembly extension shaft) 안내관(13)을 통해서, 격납 용기 밖에 위치하는 제어봉 구동 장치(도시하지 않음)와 연결될 수 있다.
원자로 용기(120)의 상부에는 사고 발생시 내부에 발생되는 증기를 신속하게 배출하기 위한 증기 제어 밸브(15)가 연결되어 있다. 증기 제어 밸브(15)는 일반적인 원자로 운전 시 닫힌 상태(close)이며, 사고 발생 시 개방(open)될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
증기 발생기(17)는 원자로용기(120) 내에 설치되며, 노심(11)에서 발생되는 열과 열교환에 의해 증기를 생성하여, 배출시킨다.
증기 발생기(17)는 외부에 설치된 급수 계통과 연결되는 수관과, 노심(11)에서 발생된 열교환에 의해서 생산되는 증기가 이동하여 외부의 터빈 계통과 연결되는 증기관으로 이루어지는 전열관을 포함한다. 증기 발생기(17)의 전열관은 헬리컬 코일 전열관, 또는 U자형 전열관 일 수 있다.
수관을 통해서 증기 발생기(17)로 공급된 급수는 전열관 내부에서 열전달을 통해서 증기가 되고, 증기는 증기관을 통해서 터빈 계통으로 공급되어, 제너레이터에 연결된 터빈을 돌려 전기를 생산한다.
격납 용기(110)는 상, 하부가 반구형을 가지는 실린더 형태, 또는 캡슐 형태를 가지며, 원자로(120)를 둘러싸고 있으며, 철제로 이루어진다. 격납 용기(110)는 내부 공간, 즉 공동(cavity)이 부분 진공 상태를 유지하며, 격납 용기(110)에 외부 냉각을 제공하도록 콘크리트 구조물의 원자로 건물(10)에 잠겨있다. 이때, 격납 용기(110)는 일부분이 수조에 잠기며, 격납 용기(110)의 상부는 외부로 노출되어 있을 수 있다.
제어봉 집합체 연장축은 격납 용기(110) 밖으로 인출될 수 있으며, 제어봉 구동 장치와 연결될 수 있다.
한편, 원자로 용기(120)와 격납 용기(110) 사이의 공동(cavity)(S)에는 붕산수 저장조(20) 및 열교환기(30)가 설치될 수 있으며, 열교환기(30)와 붕산수 저장조(20)는 격납 용기(110) 내벽에 설치될 수 있다. 이때, 열교환기(30)는 붕산수 저장조(20) 위에 위치한다.
열교환기(30)의 표면은 격납 용기(110) 내부의 부분 진공 상태의 공간과 접촉한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 격납 용기(110) 내부의 부분 진공 상태는, 진공도가 100%가 아닌 것으로, 50℃ 물의 포화 압력인 0.12 bar이하의 압력으로 유지되는 것을 의미하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
열교환기(30)는 격납 용기(110) 밖에 위치하는 냉각수(W)와 연결되어, 상대적으로 온도가 낮은 냉각수가 열교환기로 유입된 후 격납 용기 내부의 상대적으로 높은 온도의 격납 용기(110) 내부 공간과 접촉하여 열교환되어 가열된 냉각수가 격납 용기 밖으로 배출되는 자연 순환 구조를 형성할 수 있다.
한편, 사고 발생시, 격납 용기(110) 내부의 가열된 수증기는 상대적으로 낮은 열교환기 표면에서 응축되어, 응축수가 발생한다. 응축수는 열교환기(30) 하부에 위치하는 붕산수 저수조(20)로 유입된다. 격납 용기(110)가 사고 발생 전 부분 진공 상태로 운전되므로, 격납 용기(110) 내에 산소가 미량으로 존재하고, 미량으로 존재하는 산소로 인해서, 사고 발생시 격납 용기(110) 내부로 수소가 배출되더라도 폭발의 위험을 대폭 줄일 수 있다.
붕산수 저장조(20)는 원자로 용기(120)를 둘러싸도록 격납 용기(110)의 내벽에 설치될 수 있다.
붕산수 저장조(20)는 상부가 개방된 상태로, 열교환기(30)에서 응축수가 붕산수 저장조(20)로 쉽게 유입될 수 있도록 열교환기(30)의 하부와 대응하는 상부가 개방될 수 있다.
붕산수 저장조(20)의 일측은 정상운전조건에서 원자로 용기의 노심과 인접하여 노심으로부터 발생하는 열에 의해서 가열될 수 있으나, 격납 용기(10) 내부는 부분 진공으로 열전달량이 적고, 붕산수 저장조(20)의 타측은 냉각수(W)와 접촉하고 있어 노심으로부터 전달되는 열을 제거할 수 있다.
따라서, 붕산수 저장조(20)의 붕산수가 가열되어 증발되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 붕산수가 증발하더라도 상부에 위치하는 열교환기(30)에 의해서 응축되어 다시 붕산수 저장조(20)로 낙하하므로 붕산수 저장조(20)는 항상 일정한 수위로 유지될 수 있다.
붕산수 저장조(20)는 밸브(22)가 설치된 배관(24)을 통해서 원자로 용기(120) 내부와 연결될 수 있다.
원자로 사고 발생시, 사고 발생 신호에 의해서 자동으로 밸브(22)가 개방되면 붕산수 저장조(20)의 붕산수가 원자로 용기 내로 신속하게 주입될 수 있다. 사고 발생으로 배출되는 증기가 열교환기(30)의 표면에서 응축되어, 붕산수 저장조(20)로 낙하하여 저장되고, 붕산수와 함께 원자로 용기(120) 내로 주입(도 3 화살표 참조)된다.
붕산수 저장조(20)에는 잔열 제거 열교환기(50)가 더 연결될 수 있다. 잔열 제거 열교환기(50)는 격납 용기(110) 밖의 냉각수(W)내에 위치한다.
잔열 제거 열교환기(50)는 붕산수 저장조(20)의 붕산수가 이동하면서, 냉각수(W)와 열교환하여, 붕산수 및 응축수의 온도가 항상 낮은 온도를 유지할 수 있도록 한다.
따라서, 사고 발생시 원자로 용기 내로 주입되는 붕산수의 온도가 낮아 노심의 온도를 더욱 신속하게 하강시킬 수 있다.
붕산수 저장조(20)는 도 1에서와 같이 격납 용기(120)의 하부로부터 일정간격 이격된 상태로, 원자로 용기(120)의 측벽을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이때, 붕산수 저장조(20)와 원자로 용기(120)가 마주하는 붕산수 저장조(20)의 하부는 곡면을 가지는 원자로 용기(120)의 하부를 감싸도록 곡면 구조를 가질 수 있다.
또한, 붕산수 저장조(20)는 도 2에서와 같이 격납 용기(110)의 바닥부 전체와 대응하도록 형성될 수 있다.
도 1의 붕산수 저장조(20)의 배관(22)은 원자로 용기(120)의 하부 측벽에서 붕산수가 주입되도록 연결되며, 도 2의 붕산수 저장조(20)의 배관(26)은 원자로 용기(120)의 하부 바닥에서 붕산수가 주입되도록 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 붕산수가 더 잘 유입될 수 있도록 붕산수 저장조(20)는 다양한 형태로 설치될 수 있다.
도 2에서와 같이, 붕산수 저장조(20)가 원자로 용기(120)의 바닥에까지 연장되도록 설치하면, 도 1의 붕산수 저장조(20)보다 저수 용량이 증가하고, 배관(26)이 하부에 위치하게 되어, 수위와의 차이가 크므로 수두차가 커 신속하게 더 많은 붕산수를 원자로 용기 내로 주입할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 발전소의 사고 발생시 유체 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 냉각재 상실 사고 발생시 안전 계통 작동 신호가 발생하면 작동 신호를 전달받은 붕산수 저장조(22)와 연결된 밸브(24)가 개방되어 붕산수가 원자로 용기(120) 내로 주입된다.
따라서, 사고 발생 후 붕산수가 바로 주입되어 재임계 사고를 방지할 수 있다.
또한, 냉각재 상실 사고 발생 시, 원자로 용기(120) 상부에 위치하는 증기 제어 밸브(15)가 개방되고, 상실된 냉각재로부터 발생되는 증기가 격납 용기(110)와 원자로 용기(120) 사이의 공동(S)으로 배출된다.
배출된 증기는 열교환기(30)와 접촉하게 되어 응축되고, 증기의 응축으로 생산된 응축수는 붕산수 저장조(20)로 낙하하여 붕산수와 함께 원자로 용기 내부로 주입된다.
본 발명에서는 원자로 구조물의 내부가 진공 상태로, 냉각재 상실 사고시 원자로 용기 밖으로 배출되는 증기만 열교환기와의 열교환이 이루어지고 응축된다.
본 발명에서와 달리, 공기를 포함할 경우 공기 중에 포함되는 질소 또는 산소 등 비응축성 기체에 의해서 열교환 효율이 저하될 수 있으나, 본 발명에서는 부분 진공 상태로 질소 또는 산소의 양이 작기 때문에 열교환 효율이 높으므로 빠르게 증기를 응축시켜 내부 압력을 감소시킬 수 있다. 이처럼, 본 발명에서는 내부 공간의 크기와 상관없이 충분한 열교환 효율을 얻을 수 있으므로, 격납 용기의 크기를 줄일 수 있다
본 발명의 일 실시예에서는 격납 용기(110) 밖의 냉각수와 격납 용기 내의 열교환기가 온도 차이에 의한 자연 순환이 가능하므로, 무전원으로 사용 가능하므로, 원자로 발전소의 건전성이 유지될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
10: 원자로 건물
20: 붕산수 저장조
30: 열교환기
100: 원자로
110: 격납 용기
120: 원자로 용기

Claims (10)

  1. 냉각수가 채워진 원자로 건물
    상기 냉각수에 적어도 일부가 잠기는 격납 용기, 상기 격납 용기 내에 위치하는 원자로 용기를 포함하는 원자로,
    상기 격납 용기와 상기 원자로 용기 사이의 공동에 위치하는 열교환기,
    상기 공동에 위치하며 상기 열교환기의 하부에 위치하는 붕산수 저장조,
    상기 냉각수 내에 위치하며 상기 붕산수 저장조와 연결되어 있는 잔열 제거 열교환기
    를 포함하는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  2. 제1항에서,
    상기 격납 용기는 상기 원자로 용기 전체를 감싸는 캡슐 형태를 가지는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  3. 제2항에서,
    상기 격납 용기는 철로 이루어지는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  4. 제1항에서,
    상기 열교환기는 상기 냉각수와 연결되어 상기 냉각수가 상기 열교환기 내부를 자연 순환하는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  5. 제1항에서,
    사고 발생시, 상기 열교환기에서 발생되는 응축수는 상기 붕산수 저장조로 낙하되는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  6. 제1항에서,
    상기 붕산수 저장조는 상기 원자로 용기의 측벽을 둘러싸고 있는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  7. 제6항에서,
    상기 붕산수 저장조는 상기 격납 용기의 바닥 전체를 덮으며, 상기 원자로 용기의 하부를 감싸고 있는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  8. 제7항에서,
    상기 붕산수 저장조의 붕산수는 상기 원자로 용기의 바닥과 연결된 밸브를 가지는 배관을 통해서, 상기 원자로 용기의 내부로 주입되는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  9. 제1항에서,
    상기 격납 용기 내부는 부분 진공 상태를 유지하는 소형 모듈형 원자력 발전소.
  10. 제9항에서,
    상기 부분 진공 상태는, 50℃ 물의 포화 압력으로 유지된 상태인 소형 모듈형 원자력 발전소.
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