자연대류를 이용한 노심 냉각 장치 { APPARATUS FOR COOLING A CORE BLOCKING USING NATURAL CONVECTION }

본 발명은 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1차 냉각펌프의 운전이 정지되더라도 원자로수조의 상부 수조수를 이용하여 노심을 자연대류 냉각하기 위한 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 개방수조형 연구용 원자로는 원자로의 정상 정지 또는 천재지변에 의해 1차 냉각펌프의 운전이 정지되더라도 원자로수조의 수조수를 1차냉각계통배관으로 유입시켜 자연대류를 이용한 원자로 노심 냉각이 가능하게 구성되어 있다.

이 경우, 자연대류를 이용한 원자로 노심 냉각 장치는 1차냉각계통배관에 플랩밸브(Flap valve)를 설치하여 수조수를 1차냉각계통배관으로 유입시키는 방식으로 구성될 수 있다.

즉, 플랩밸브는 1차 냉각펌프의 운전 시 폐쇄 상태로 유지되고, 1차 냉각펌프의 운전 정지 시 자연 개방 상태가 되어 원자로수조 내부의 수조수를 1차냉각계통배관에 형성된 수조수유입홀로 유입시킨다.

이후, 1차냉각계통배관에 유입된 수조수는 고온의 노심에 의해 발생하는 강한 상승 유동으로 노심을 냉각시키게 된다.

이와 관련하여, 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치와 관련된 선행기술로서, 대한민국등록특허 제10-1407129호(특허문헌 1)이 개시된 바 있다.

특허문헌 1은 개방수조형 연구로 피동잔열제거계통에 관한 것으로, 노심, 원자로 구조물, 원자로 수조, 냉각수, 냉각펌프, 관성바퀴, 잔열 제거 탱크, 잔열 제거 배관, 동력구동밸브 등을 포함하여 구성되며, 특히 원자로 수조 내에 있으며 노심으로의 자연대류가 형성되어 수조수로 열을 방출하는 플랩밸브를 개시하고 있다.

이 경우, 특허문헌 1을 포함하는 종래의 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 1차 냉각펌프의 운전 정지 시 원자로수조 바닥에 설치되어 있는 고온의 노심에 의해 가열된 하부 수조수의 온도는 상대적으로 높고 상부 수조수 표면의 자연증발 및 외기에 의한 냉각에 의해 상부 수조수의 온도는 상대적으로 낮은 특성을 가진다.

이 때, 플랩밸브는 상대적으로 저온의 상부 수조수에 인접 설치되는 것이 자연대류의 효과 측면에서 바람직하지만, 천재지변에 의해 원자로수조의 누수 발생 시 수조수의 수위 저하로 플랩밸브가 공기 중에 노출되면 자연대류 냉각이 중단될 수 있어 상대적으로 고온의 하부 수조수에 인접 설치된다.

따라서, 특허문헌 1을 포함하는 종래의 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 플랩밸브가 원자로수조의 내부의 하부 수조수에 인접 설치되어 1차 냉각펌프의 운전이 정지 시 상부 수조수에 비하여 고온의 하부 수조수를 자연대류 냉각재로 사용할 수 밖에 없는 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해소함에 있어, 본 발명의 목적은 플랩밸브의 설치 위치를 변화시키지 않더라도 1차 냉각펌프의 정지 시 상대적으로 저온의 상부 수조수를 1차냉각계통배관으로 공급할 수 있는 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치를 제공함에 있다.

아울러, 천재지변에 의해 원자로수조의 누수 발생 시 수조수의 수위 저하가 발생하더라도 상대적으로 저온의 상부 수조수를 1차냉각계통배관으로 안정적으로 공급할 수 있는 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 실시예에 따른 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 1차 냉각펌프 운전에 의해 원자로수조 내부로 유입된 1차 냉각재를 원자로의 노심 측으로 전달하여 노심과 열교환 되도록 하는 1차냉각계통배관, 1차 냉각펌프의 운전 시 폐쇄 상태로 유지되고 1차 냉각펌프의 운전 정지 시 자연 개방 상태가 되어 원자로수조 내부의 수조수를 1차냉각계통배관에 형성된 수조수유입홀로 유입시키도록 1차냉각계통배관에 설치되는 플랩밸브, 및 중공 관형의 중단부와, 중단부의 상측에 연장 형성되고 일측에 수조수의 표면에 인접되어 수조수입구홀이 형성되는 상단부와, 중단부의 하측으로 연장 형성되어 중단부 및 수조수유입홀과 연통되는 유로를 형성하는 하단부를 포함하는 수조수이동관을 포함하여 구성된다.

이 경우, 1차냉각계통배관은 상향 강제 유동 방식으로 1차 냉각재를 노심 측으로 전달하도록 구성될 수 있다.

이 때, 플랩밸브는 1차 냉각재가 노심 측으로 유입되는 1차냉각계통배관의 노심 입구 측 배관에 설치될 수 있다.

한편, 1차냉각계통배관은 하향 강제 유동 방식으로 1차 냉각재를 노심 측으로 전달하도록 구성될 수 있다.

이 때, 플랩밸브는 1차 냉각재가 노심 측에서 배출되는 1차냉각계통배관의 노심 출구 측 배관에 설치될 수 있다.

한편, 수조수이동관은 원자로수조 내의 수조수의 수위 변화에 따라 상하 방향으로 탄력적으로 신축 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.

이 경우, 중단부는 벨로우즈관으로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 수조수 표면에 부유하면서 수조수의 수위 변화 시 수조수이동관을 신축시키도록 상단부의 타측에 설치되는 부력체를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 상단부는 측면에 수조수입구홀이 형성된 중공 관형으로 이루어지고, 부력체는 상단부의 개구부를 덮도록 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 수조수이동관의 신축 시 상하 방향으로의 이동을 가이드하도록 원자로수조의 내부에 설치되는 가이드부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 가이드부재는 수조수이동관이 소정 간격 이격되어 수용되는 가이드홀이 구비된 중공 원통 형상의 가이드부, 및 가이드부의 외주면에 연장 형성되어 원자로의 내측벽에 고정 설치되는 지지부를 포함하여 구성될 수 있다.

이 때, 지지부는 가이드부의 외주면을 따라 방사형으로 복수개 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 가이드부재는 상호 간 이격되어 상하 방향으로 복수개 구비되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 플랩밸브의 설치 위치를 변화시키지 않더라도 1차 냉각펌프의 정지 시 상대적으로 저온의 상부 수조수를 1차냉각계통배관으로 공급할 수 있게 한다.

아울러, 본 발명에 의한 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 천재지변에 의해 원자로수조의 누수 발생 시 수조수의 수위 저하가 발생하더라도 상대적으로 저온의 상부 수조수를 1차냉각계통배관으로 안정적으로 공급할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 수조수 수위 저하에 따른 도 1에 도시된 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치의 동작 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명에 있어 첨부된 도면은 종래 기술과의 차별성 및 명료성, 그리고 기술 파악의 편의를 위해 과장된 표현으로 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로써, 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 기술적 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 한편, 실시예는 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하고, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니며, 권리범위는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 토대로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 수조수 수위 저하에 따른 도 1에 도시된 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치의 동작 상태를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 1차냉각계통배관(10), 플랩밸브(20), 및 수조수이동관(30)을 포함하여 구성된다.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 부력체(40) 및/또는 가이드부재(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

1차냉각계통배관(10)은 1차 냉각펌프(1) 운전에 의해 원자로수조(2) 내부로 유입된 1차 냉각재를 원자로(3b)의 노심(3a) 측으로 전달하여 노심(3a)과 열교환 되도록 하는 역할을 수행한다.

즉, 1차냉각계통배관(10)은 핵연료봉이 적어도 하나 이상 구비되어 있는 노심(3a)에 1차 냉각재를 순환시켜 노심(3a)의 붕괴열을 냉각시키는 유로를 형성한다.

이 경우, 1차냉각계통배관(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 노심(3a)의 하부로 1차 냉각재를 유입시켜 상향 강제 유동 방식으로 1차 냉각재를 노심(3a) 측으로 전달하도록 구성될 수 있다.

이 때, 1차냉각계통배관(10)은 1차 냉각재가 노심(3a)으로 유입되는 노심 입구 측 배관과 1차 냉각재가 노심(3a)으로부터 배출되는 노심 출구 측 배관으로 구성되며, 도 1에서는 노심 입구 측 배관 만이 도시되어 있다.

한편, 비록 도 1 및 도 2에서는 상향 강제 유동 방식의 1차냉각계통배관(10)이 도시되어 있으나, 1차냉각계통배관(10)은 하향 강제 유동 방식으로 1차 냉각재를 노심(3a) 측으로 전달하도록 구성될 수 있음은 물론이다.

플랩밸브(20)는 1차 냉각펌프(1)의 운전 시 폐쇄 상태로 유지되고, 1차 냉각펌프(1)의 운전 정지 시 자연 개방 상태가 되어 원자로수조(2) 내부의 수조수(4)를 1차냉각계통배관(10)에 형성된 수조수유입홀(11)로 유입시키도록 1차냉각계통배관(10)에 설치된다.

예를 들어, 플랩밸브(20)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상향 강제 유동 방식으로 1차냉각계통배관(10)이 구성된 경우에는 1차 냉각재가 노심(3a) 측으로 유입되는 1차냉각계통배관(10)의 노심 입구 측 배관에 설치될 수 있다.

이 경우, 플랩밸브(20)는 1차냉각계통배관(10)의 노심 입구 측 배관의 내측으로 설치되어 1차 냉각펌프(1)의 운전 시 1차 냉각재의 유압에 의해 폐쇄 상태로 유지되고, 1차 냉각펌프(1)의 운전 정지 시 편심된 무게 중심에 의한 중력 및 노심 입구 측 배관 내외부의 수두 차이로 인하여 노심 입구 측 배관의 내측으로 자동적으로 자연 개방된다.

따라서, 도 1 및 도 2에서와 같이, 1차 냉각펌프(1)가 정지된 상황에서는 플랩밸브(20)가 자연 개방되어 수조수(4)가 1차냉각계통배관(10)으로 유입된다.

한편, 다른 예로써, 플랩밸브(20)는, 하향 강제 유동 방식으로 1차냉각계통배관(10)이 구성된 경우에는 1차 냉각재가 노심(3a)으로부터 배출되는 1차냉각계통배관(10)의 노심 출구 측 배관에 설치될 수 있을 것이다.

이 경우, 플랩밸브(20)는 1차냉각계통배관(10)의 노심 출구 측 배관의 외측으로 설치되어 1차 냉각펌프(1)의 운전 시 수조수(4)의 유압에 의해 폐쇄 상태로 유지되고, 1차 냉각펌프(1)의 운전 정지 시 편심된 무게 중심에 의한 중력 및 노심 출구 측 배관 내외부의 수두 차이로 인하여 노심 출구 측 배관의 외측으로 자동적의 자연 개방된다.

도 1 및 도 2에서와 같이, 1차 냉각펌프(1)가 정지된 상황에서는 플랩밸브(20)가 자연 개방되어 수조수(4)가 1차냉각계통배관(10)으로 유입된다.

수조수이동관(30)은 중공 관형의 중단부(31)와, 중단부(31)의 상측에 연장 형성되고 일측에 수조수(4)의 표면(4a)에 인접되어 수조수입구홀(32a)이 형성되는 형성되는 상단부(32)와, 중단부(31)의 하측으로 연장 형성되어 중단부(31) 및 수조수유입홀(11)과 연통되는 유로를 형성하는 하단부(33)를 포함하여 구성된다.

수조수이동관(30)은 원자로수조(2)의 내부에서 1차 냉각펌프(1)의 정지 시 상대적으로 저온의 상부 수조수(4)를 1차냉각계통배관(10)으로 유입시켜 자연대류를 활성화시키기 위한 구성이다.

한편, 수조수이동관(30)은 원자로수조(2) 내의 수조수(4)의 수위 변화에 따라 상하 방향으로 탄력적으로 신축 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 천재지변에 의해 원자로수조(2)에 누수가 발생하여 수조수(4)의 수위가 저하된 경우, 상단부(32)의 수조수입구홀(32a)이 변화된 표면(4a) 아래에 위치하여 지속적으로 상부 수조수(4)를 1차냉각계통배관(10)으로 유입시킬 수 있도록 수조수이동관(30)을 구성하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 중단부(32)를 벨로우즈관(주름관)으로 구성하면 수조수이동관(30)이 상하 방향으로 탄력적으로 신축 가능하게 구비될 수 있다.

부력체(40)는 수조수(4) 표면(4a)에 부유하면서 수조수(4)의 수위 변화 시 수조수이동관(30)을 신축시키도록 상단부(32)의 타측에 설치되는 구성이다.

예를 들어, 중단부(32)를 벨로우즈관(주름관)으로 구성한 경우, 천재지변에 의해 원자로수조(2)에 누수가 발생하여 수조수(4)의 수위가 저하되면 부력체(40)는 그 무게에 의해 중단부(32)의 길이를 줄이는 동시에 수조수이동관(30)을 부력에 의해 지지하여 상단부(32)의 수조수입구홀(32a)이 변화된 표면(4a)에 인접하여 위치하도록 지지한다.

이 경우, 부력체(40)는 수조수이동관(30)의 내부로 외부공기가 유입되는 것을 차단하기 위해 상단부(32)를 그 측면에 수조수입구홀(32a)이 형성된 중공 관형으로 이루어지게 한 후 상단부(32)의 상단 개구부를 덮도록 설치되는 것이 바람직하다.

가이드부재(50)는 수조수이동관(30)의 신축 시 상하 방향으로의 이동을 가이드하도록 원자로수조(2)의 내부에 설치되는 부재이다.

가이드부재(50)는 부력체(40)가 수조수(4) 표면에서 외기에 의해 이동되는 경우 부력체(40)에 의하여 지지되는 수조수이동관(30)이 함께 이동하여 수조수(4)내부에서 유동하는 것을 방지한다.

이 경우, 가이드부재(50)는 수조수이동관(30)이 소정 간격 이격되어 수용되는 가이드홀(51a)이 구비된 중공 원통 형상의 가이드부(51), 및 가이드부(51)의 외주면에 연장 형성되어 원자로수조(2)의 내측벽에 고정 설치되는 지지부(52)를 포함하여 구성될 수 있다.

이 때, 지지부(52)는 원자로수조(2) 내부의 수조수(4)의 유동을 효과적으로 견딜 수 있도록 가이드부(51)의 외주면을 따라 방사형으로 복수개 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 가이드부재(50)는 안정적으로 수조수이동관(30)을 지지하기 위하여 수조수이동관(30)의 길이 방향을 따라 상호 간 이격되어 상하 방향으로 복수개 구비되는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이, 본 발명에 의한 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치는 플랩밸브의 설치 위치를 변화시키지 않더라도 1차 냉각펌프의 정지 시 상대적으로 저온의 상부 수조수를 1차냉각계통배관으로 공급할 수 있게 하고, 원자로수조의 누수 발생 시 수조수의 수위 저하가 발생하더라도 상대적으로 저온의 상부 수조수를 1차냉각계통배관으로 안정적으로 공급할 수 있게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 기초로 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해해야 한다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하 기술할 특허청구범위에 의하며, 상술한 발명의 구체적 내용을 토대로 정해져야 할 것이다.

본 발명은 자연대류를 이용한 노심 냉각 장치에 관한 것으로, 원자로의 설계, 유지, 및 정비와 관련된 산업 분야에 이용 가능하다.

1: 1차 냉각펌프 2: 원자로수조
3a: 노심 3b: 원자로
4: 수조수 4a: 표면
10: 1차냉각계통배관 11: 수조수유입홀
20: 플랩밸브
30: 수조수이동관 31: 중단부
32: 상단부 32a: 수조수입구홀
33: 하단부
40: 부력체
50: 가이드부재 51: 가이드부
51a: 가이드홀 52: 지지부