KR101606872B1 - 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법에 관한 것으로서, 일방향 및 일방향과 교차하는 타방향으로 정렬 배치되어 평면을 형성하며, 다수개의 공극을 포함하는 기지부와, 기지부의 일면 및 타면 중 어느 한면으로부터 내부방향으로 연장 형성되는 제1 채널 및 기지부의 측면 사이를 관통하고, 제1 채널과 연통되는 제2 채널을 포함하는 복수의 다공성 냉각블록, 복수의 다공성 냉각블록 상에 안착되어, 다공성 냉각블록들의 노출된 상면을 커버하는 희생부 및 다공성 냉각블록으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛을 포함하여, 노심 용융물의 방출에 의한 이상 발생을 감지하는 단계와, 노심 용융물이 희생부를 용융시킴과 동시에, 복수의 다공성 냉각블록으로 냉각수를 공급하는 단계 및 다공성 냉각블록으로부터 수증기 또는 냉각수를 배출하여 노심 용융물을 냉각시킴으로써, 노심 용융물을 다공의 형태로 냉각시켜 고화시킬 수 있고, 냉각블록이 형성하는 일면에 전체적으로 균일하게 냉각수를 공급할 수 있어 노심 용융물에 용이하게 냉각수를 공급할 수 있다.
그리고, 복수의 벽돌 구조의 단위로 다공성 냉각블록을 용이하게 제작하여 노심 용융물이 방출되는 위치에 정렬 배치함으로써 시공성이 향상될 수 있고 균일한 품질의 블록을 얻을 수 있다. 또한, 제작 및 설치가 용이하여 이미 운전중인 원자로 설비에 용이하게 적용하여 사용할 수 있으며, 탈착 가능하게 형성됨으로써 유지보수가 필요한 영역의 냉각블록만 교체할 수 있어 유지보수가 용이하며 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

Description

노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법 {Porous cooling block and cooling apparatus of corium having the same and the cooling method using it}

본 발명은 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 원자로 설비에 적용하여 노심 용융물을 안전하고 신속하게 냉각시킬 수 있는 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력발전소(원전)는 핵분열에 의해 발생하는 다량의 에너지가 서서히 방출되도록 조절함으로써 핵 에너지를 이용하여 실생활에 활용할 수 있는 전기에너지를 생산하는 기능을 한다.

여기서, 발생 가능성이 매우 낮기는 하나, 원자력발전소에서 중대사고 발생시 노심의 핵연료가 용융되고 원자로 용기가 파손되어 방사능을 띄는 초고온의 노심 용융물이 원자로 용기 하측의 격납건물 공동으로 방출될 수 있다. 이때, 방출되는 노심 용융물은 2000K가 넘는 초고온 방사성 물질로서 지속적으로 열이 발생되는 특성을 갖는데, 방출된 노심 용융물의 적절한 냉각이 이루어지지 않으면, 초고온의 노심 용융물에 의하여 콘크리트 구조물로 지어진 원자로 격납건물이 파손되어 방사성 물질이 외부로 누출될 수 있다. 이와 같이 원자로 격납건물로부터 누출되는 방사성 물질이 토양이나 대기에 방출하게 되는 경우, 원전설비의 안정성도 위협할 뿐만 아니라, 원자력 발전소의 주변 환경을 오염시키는 것은 물론, 일반 대중의 건강에 심각한 악영향을 초래하게 된다.

이에, 최근의 원자력 발전소에는 노심 용융물이 원자로 격납건물 외부로 유출되지 않도록 하기 위해 원자로 격납건물 내에서 노심 용융물을 적절히 냉각하고 제어하는 방법을 적용하거나 개발하고 있다. 즉, 원자로 용기에서 원자로 격납건물 공동구로 방출된 고온의 노심 용융물은 적절히 냉각되지 못하면 원자로 격납건물 바닥 콘크리트를 용융 및 침식시킬 수 있으므로, 노심 용융물을 용이하게 냉각할 수 있는 방법이 요구된다.

이때, 방출된 노심 용융물의 냉각은 노심 용융물의 상부 냉각과 하부 냉각으로 나눌 수 있는데, 바닥 콘크리트의 손상은 노심 용융물의 하부와 접촉하여 발생하므로 노심 용융물의 하부 냉각이 요구되며, 노심 용융물의 하부 냉각은 냉각 용기를 이용하여 냉각수와 노심 용융물이 접촉하지 않은 상태에서 냉각을 수행하는 간접 냉각 방식과, 냉각수와 노심 용융물이 직접 접촉한 상태에서 냉각을 수행하는 직접 냉각 방식 등이 적용될 수 있다.

그 중, 직접 냉각방법은 노심 용융물과 냉각수를 접촉시켜 노심 용융물을 직접적으로 냉각함으로 인해 간접 냉각방법보다 증가된 냉각 효율을 얻을 수 있어 설치 공간이 크게 요구되지 않는 이점이 있다. 따라서, 신규 원전뿐만 아니라 이미 운전중인 원전에 적용 가능하도록 설치가 용이하고, 냉각 효율을 보다 극대화할 수 있는 노심 용융물 냉각 장치의 개발이 필요하다.

KR 1376076 B KR 2011-0037497 B

본 발명은 원자력 발전소의 중대사고 시, 원자로 용기에서 방출된 고온의 노심 용융물을 용이하게 냉각하여 원전의 안전성을 증가시킬 수 있는 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법을 제공한다.

본 발명은 설치 공간에 의한 증설이 요구되지 않아 신규원전뿐만 아니라, 설치 공간이 제한적인 운전 중인 원전에 적용할 수 있으며, 냉각장치의 설치가 용이한 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법을 제공한다.

본 발명은 블록형 적층구조로 자연순환 유로를 형성하여, 제작성, 시공성을 증가시키고, 유지보수가 용이한 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록은, 일면, 상기 일면과 마주보는 타면 및 상기 일면과 타면을 상호 연결하는 측면을 포함하며, 다수개의 공극을 포함하는 기지부와, 상기 기지부의 일면 및 타면 중 어느 한면으로부터 내부방향으로 연장 형성되는 제1 채널 및 상기 기지부의 측면 사이를 관통하고, 상기 제1 채널과 연통되는 제2 채널을 포함한다.

상기 제2 채널은 일방향 및 타방향으로 상기 측면들 사이를 관통하도록 복수로 구비되며, 상기 복수의 제2 채널은 상기 기지부 내에서 교차 형성되어 상호 연통할 수 있다.

상기 제1 채널은 상기 일면 및 타면 중 어느 한 면에 개방 형성되는 제1 홀과, 상기 제1 홀에 연결되어 상기 기지부의 내부 방향으로 경로를 형성하는 제1 유로를 포함할 수 있다.

상기 제2 채널은 상기 측면에 개방 형성되는 한 쌍의 제2 홀과, 상기 제2 홀 사이를 연결하여 상기 기지부의 내부에 경로를 형성하고, 상기 제1 채널과 연통되는 제2 유로를 포함할 수 있다.

상기 제1 채널의 평균 단면적은 상기 제2 채널의 평균 단면적보다 작고, 상기 다수개의 공극의 평균 단면적보다 클 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각장치는 일방향 및 상기 일방향과 교차하는 타방향으로 정렬 배치되어 평면을 형성하는 복수의 다공성 냉각블록과, 상기 복수의 다공성 냉각블록 상에 안착되어, 상기 다공성 냉각블록들의 노출된 상면을 커버하는 희생부 및 상기 다공성 냉각블록으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛을 포함한다.

상기 복수의 다공성 냉각블록 각각은 정렬 배치되는 영역에서 분리 가능하게 배치될 수 있다.

상기 다공성 냉각블록은 전술한 특징 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 희생부는 상기 다공성 냉각블록을 커버하는 분리부재와, 상기 분리부재 상에 안착되는 희생부재를 포함하고, 상기 분리부재 및 상기 희생부재 중 적어도 어느 한 부재는 복수로 분할 구비되어, 상기 평면 상에 순서대로 정렬 적층될 수 있다.

상기 다공성 냉각블록 측면에는 상기 평면이 형성하는 폭의 최외단에 배치되는 측면 분리부재가 배치될 수 있다.

상기 분리부재는 상기 다공성 냉각블록을 밀봉시키기 위한 밀폐공간을 제공할 수 있다.

상기 냉각수 공급유닛은 상기 다공성 냉각블록으로 공급되는 냉각수를 저장하는 냉각수 저장기와, 상기 냉각수 저장기에 일단이 연결되고, 타단은 상기 다공성 냉각블록과 연통되는 냉각수 경유관을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각방법은 노심 용융물의 방출에 의한 이상 발생을 감지하는 단계와, 상기 노심 용융물이 희생부를 용융시킴과 동시에, 복수의 다공성 냉각블록으로 냉각수를 공급하는 단계 및 상기 다공성 냉각블록으로부터 상기 냉각수를 배출하여, 상기 노심 용융물을 냉각시키는 단계를 포함한다.

상기 희생부는 상기 노심 용융물의 단위체적당 열부하를 낮추고, 상기 노심 용융물을 상기 희생부 상면에 분포하도록 할 수 있다.

상기 노심 용융물을 냉각시키는 단계는 상기 노심 용융물과 상기 냉각수의 열전달에 의해 수증기가 생성되는 단계와, 상기 수증기 또는 상기 냉각수가 상기 노심 용융물로 분출하여 상기 노심 용융물을 다공 형태로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다공성 냉각블록은 전술한 특징 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각장치 및 이들을 이용한 노심 용융물 냉각방법에 의하면, 고온의 노심 용융물을 안전하고 용이하게 냉각할 수 있어, 고온의 노심 용융물이 원자로 격납건물 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 중대사고 발생으로 인해 원자로 용기에서 방출된 노심 용융물로부터 전달되는 온도를 견딜 수 있는 다공성 냉각블록을 복수로 구비하며, 복수개의 다공성 냉각블록 각각에 형성된 냉각수 유로를 상호 연통되도록 제작함으로써, 냉각블록이 형성하는 일면에 전체적으로 균일하게 냉각수를 공급할 수 있어 용이하게 노심 용융물을 냉각하고 다공의 형태로 고화시킬 수 있다.

그리고, 다공성 냉각블록은 복수의 벽돌 구조의 단위로 제작되어 노심 용융물이 방출되는 위치에 정렬 배치됨으로써, 공장 제작이 가능하여 균일한 품질의 블록을 얻을 수 있으며, 현장에서 조립이 가능하여 시공성이 향상될 수 있다. 따라서, 이미 운전중인 원자로 설비에 용이하게 적용하여 사용할 수 있도록 제작 및 설치가 용이하며, 유지보수가 요구되는 경우 필요한 영역의 냉각블록만 교체할 수 있어 유지보수가 용이하여 유지보수의 소요 시간을 단축시킬 수 있고, 이로 인한 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 이처럼 시공성 및 유지보수의 용이함에 의한 설치 및 유지보수 시간 단축은 작업자의 방사선 피폭을 최소화하고 원전 운영자의 비용을 절감할 수 있다.

그리고, 다공성 냉각블록은 노심 용융물과 마주보는 일면에 소형의 수직 채널을 형성함으로써, 채널을 통해 분사되는 수증기가 노심 용융물을 밀어내며 노심 용융물로 침투하여 신속히 냉각 및 다공 형태로 고화시킬 수 있다. 이때, 소형 수직 채널은 노심 용융물이 냉각 및 고화되면서 발생 가능한 찌꺼기 등의 부유물이 냉각블록에 형성된 공극을 막는 경우에도 충분한 냉각 유로를 확보하게 할 수 있다.

또한, 신규 원자로 설비에 설치할 경우에는 냉각수를 공급하는 유닛을 직접적으로 다공성 냉각블록에 연결되도록 제작함으로써, 다공성 냉각블록이 수용공간 내에서 완전 밀봉 구조로 설치가 가능하여 중대사고 시에도 외부 전원이나 운전원의 조치, 밸브 및 펌프 등의 능동설비가 불필요한 수준 높은 피동설비로 설치가 가능할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각장치가 설치된 원자로 설비의 모습을 개략적으로 보여주는 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각장치를 발췌 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 냉각블록을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 변형 예에 따른 다공성 냉각블록을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 3에 도시된 다공성 냉각 블록의 충수상태 및 냉각수의 순환 상태를 설명하기 위한 도면
도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 노심 용융물 냉각 장치의 설치 상태를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 냉각블록 및 노심 용융물 냉각장치를 이용한 노심 용융물 냉각 방법을 순차적으로 나타내는 순서도.
도 8은 도 7의 노심 용융물 냉각 방법을 나타내는 공정 진행도.

본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있으며, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

여기서, 장치 또는 구성 요소 방향(예를 들어 “전(front)”, “후(back)”, “위(up)”, “아래(down)”, “상(top)”, “하(bottom)”, “좌(left)”, “우(right)”, “횡(lateral)”)등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, “제 1(first)”, “제 2(second)”와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

그리고, 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.

본 발명의 실시 예에 따른 용융물 냉각장치는 일정 크기의 수용공간을 형성하는 설비 내에 배치된 용기로부터 고온의 용융물이 방출될 때에, 상기 수용공간 내에서 용융물을 용이하게 냉각하여 수용공간 외부로 용융물이 배출되는 것을 차단하는 장치로서, 다공성의 냉각블록을 포함하여 냉각블록과 접촉하는 용융물에 용이하게 냉각매체를 공급하여 용융물의 온도를 감소시킬 수 있다.

이에, 본 발명에서는 원자로 용기가 배치되는 공간을 형성하는 원자로 격납건물을 구비한 원자로 설비에서, 원자로 용기로부터 노심 용융물이 방출되는 위치에 구비되어 노심 용융물을 냉각시키는 데에 사용할 수 있다. 그러나, 다공성 냉각블록 및 이를 포함하는 용융물 냉각장치가 사용되는 곳은 이에 한정되지 않고, 고온의 용융물로 인해 설비의 열적 손상을 억제하거나 방지하여야 하는 다양한 설비에 구비되어 사용될 수 있다.

즉, 본원 발명에서 용융물은 노심 용융물일 수 있으며, 용융물이 수용된 용기는 원자로 용기일 수 있다. 또한, 일정크기의 수용공간을 형성하는 것은 원자로 격납건물일 수 있다. 이에, 상기 설명한 용어들은 혼용하여 사용하여도 동일한 의미를 나타낸다.

이하에서는 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 냉각블록 및 이를 구비하는 노심 용융물 냉각 장치에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각장치가 설치된 원자로 설비의 모습을 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 노심 용융물 냉각장치를 발췌 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 냉각 블록을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 3의 (a)는 다공성 냉각블록 및 내부 수로를 나타내는 사시도이며, 도 3의 (b) 내지 (d)는 다공성 냉각블록의 다측면도이다. 도 4는 본 발명의 변형 예에 따른 다공성 냉각블록을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 3에 도시된 다공성 냉각 블록의 충수상태 및 냉각수의 순환상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 노심 용융물 냉각 장치의 설치 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 냉각 장치(1000)는 원자력발전소에서 중대사고 발생시 원자로 용기(10)의 파손부를 통해 방출된 노심 용융물(M)을 냉각시키고, 노심 용융물(M)과 원자로 격납건물(20)의 상호 반응을 방지하기 위해 원자로 용기(10) 하측의 하부 공동에 설치될 수 있다. 즉, 용융물 냉각 장치(1000)의 적어도 일부 구성은 격납건물(20)이 형성하는 수용공간(R) 상에서, 원자로 용기(10)의 하부로부터 이격된 수용공간(R)의 구조물 격벽에 배치될 수 있다. 이때, 용융물 냉각장치(1000)는 원자로 용기(10)의 하부로부터 이격된 위치에서 일방향(X축 방향) 및 일방향(X축 방향)과 교차하는 타방향(Y축 방향)으로 정렬 배치되어 소정 크기의 평면을 형성하며, 다수의 공극(P)과 상부 및 평면 방향으로 각각 형성되는 제1 채널(130) 및 제2 채널(150)을 포함하는 복수의 다공성 냉각블록(100)과, 복수의 다공성 냉각블록(100) 상에 안착되어, 상기 다공성 냉각블록(100)들의 노출된 상면을 커버하는 희생부(300) 및 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛(500)을 포함한다.

수용공간(R)은 원자로 용기(10)가 구비되는 공간을 제공하며, 후술하는 냉각수(W)가 공급될 수 있는 영역을 제공할 수 있다. 즉, 수용공간(R)은 원자로 용기(10)의 외부로 이격되어 배치되는 다수의 격벽으로 이루어진 것으로 원자로 격납건물(20)일 수 있다. 이는, 원자로 사고시 관리되는 구역을 넘어서 허용된 양을 초과하는 방사성 물질이 토양 또는 대기와 같은 환경으로 배출되는 것을 방지하기 위해 형성된 공간으로서, 원자로 용기(10) 및 용융물 냉각 장치(1000)의 일부 구성이 내부에 배치될 수 있다. 이와 같은 수용공간(R)은 크게 노심 용융물(M)이 원자로 용기(10)의 파손부로부터 방출되어 하향으로 떨어지며, 상기 노심 용융물(M)을 냉각하기 위한 냉각 장치(1000)의 일부 구성이 배치되는 냉각부(R_b)와, 냉각부(R_b)의 외측 영역에서 후술하는 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 주입하기 위해 일정양의 냉각수(W)를 수용하고 있는 저장부(R_a)로 나눌 수 있다. 그러나, 수용공간(R)은 상기 분리영역에 한정되지 않고, 후술하는 변형예에 따라서 추가로 밀폐부를 제공할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 다공성 냉각블록(100)은 원자로 용기(10)의 하부로부터 이격된 위치에 배치되며, 보다 구체적으로 수용공간(R)을 구성하는 격벽 중 원자로 용기(10)의 하부와 마주보는 바닥 구조물 상에 정렬 배치된다. 다공성 냉각블록(100)은 원자로 설비에서의 중대사고 발생시에 원자로 용기(10)로부터 방출되는 노심 용융물(M)을 냉각하기 위해 노심 용융물(M)로 냉각수(W)를 공급하기 위해 구비되는 것으로서, 일면(112), 일면(112)과 마주보는 타면(114) 및 일면(112)과 타면(114)을 상호 연결하는 측면(116)을 포함하며, 다수개의 공극(P)을 포함하는 기지부(110)와, 기지부(110)의 일면(112) 및 타면(114) 중 어느 한 면으로부터 내부방향으로 연장 형성되는 제1 채널(130) 및 기지부(110)의 측면 사이를 관통하고, 제1 채널(130)과 연통되는 제2 채널(150)을 포함한다. 여기서, 다공성 냉각블록(100)은 도 2에 도시된 것처럼, 소정 크기의 블록 구조물로, 다수개가 일방향(X축 방향) 및 타방향(Y축 방향)으로 정렬 배치됨으로써, 일방향(X축 방향) 및 타방향(Y축 방향)으로 소정의 크기(즉, 면적)을 갖는 평면을 형성할 수 있으며, 원자로 용기(10)의 하부와 마주보는 바닥 구조물 상에서 분리 가능하게 배치될 수 있다.

기지부(110)는 다공성 냉각블록(100)의 몸체를 형성하기 위한 기본 구조물로서, 일면(112)과, 일면(112)과 마주보는 타면(114) 및 일면(112)과 타면(114)을 상호 연결하는 측면(116)들로 구성되고, 다수개의 공극(P)을 포함한다. 즉, 기지부(110)는 소정 크기의 벽돌(brick)로 제작되며, 냉각수가 내부에 용이하게 전달될 수 있도록 상호 다양한 경로로 연통되는 공극(P)들이 형성된다.

이와 같은 기지부(110)는 다공의 콘크리트 또는 고온 세라믹 물질로 제작될 수 있으며, 전자인 다공의 콘크리트로 기지부(110)를 제작하는 경우, 콘크리트를 소정 크기의 틀에 부어 경화시킴으로써 블록 형상의 기지부(110)를 형성할 수 있어 간단한 방법으로 기지부(110)를 형성할 수 있다. 그러나, 고온 강도가 약한 콘크리는 노심 용융물(M)의 방출하중이나 원자로 용기(20)의 손상부의 낙하하중에 의해 파손이 발생할 수 있으며, 노심 용융물(M)의 냉각 과정 중 노심 용융물(M)에 의해 용융되는 문제가 발생할 수도 있다.

한편, 후자인 고온의 세라믹 물질은 예컨대, 고온 강도가 우수하며, 용융점이 2072℃인 고순도의 산화알루미늄(Al₂O₃), 용융점이 2730℃인 탄화규소(SiC), 용융점이 1900℃인 질화규소(Si₃N₄) 및 용융점이 2715℃인 산화 지르코늄(ZrO₂)을 포함하며, 상기 물질들을 이용하여 기지부(110)를 제작할 때에 가해지는 압축 압력을 기지부(110)에 공극(P)이 형성될 정도로 압축함으로써 기지부(110)가 다수개의 공극(P)을 가지도록 제작할 수 있다. 이때, 압축력을 매우 낮은 압력으로 할 경우에는 기지부(110)가 충분한 기계적 강도를 나타낼 수 없기 때문에, 고온의 노심 용융물(M)에 견딜 수 있으며, 복수개의 기지부(110)들을 정렬 배치할 때에 상호 접촉하는 기지부(110)가 파손되지 않을 정도의 강도를 가지도록 기지부(110)에 압축력을 제공하여 형성할 수 있다. 이때, 고온의 세라믹 물질을 이용하여 기지부(110)가 제작됨으로 인해 다공 콘크리트를 이용한 기지부(110)보다 증가된 열적 안정성 및 구조적 강도를 구현할 수 있다.

이와 같이 기지부(110)는 전술한 물질 중 선택되어 제작될 수 있으며, 보다 구체적으로 노심 용융물(M)의 온도와 설계하중에 따라 적용되어 사용될 수 있다.

제1 채널(130)은 기지부(110)의 상면으로 냉각수(W)를 배출하기 위해 구비되는 것으로서, 원자로 용기(10)와 마주보는 기지부(110)의 일면(112) 및 타면(114) 중 어느 한 면으로 개방 형성되는 제1 홀(132)과, 제1 홀(132)에 연결되어 기지부(110)의 내부 방향으로 경로를 형성하는 제1 유로(134)를 포함한다. 즉, 제1 채널(130)은 공극(P)을 통해 냉각수(W)를 배출하는 것보다 용이하게 냉각수(W)를 상부로 배출하기 위해 형성되는 것으로서, 원형의 경로를 형성하는 경우, 도 3에 도시된 것처럼, 공극(P) 하나의 평균직경인 p보다 큰 크기인 h의 평균 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 원형이 아닌 경우에는 다수개의 공극(P)에 대한 평균 단면적보다 증가된 평균 단면적을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 평균 단면적은 하나의 공극(P)에 대한 평균 단면적을 의미하며, 다수개의 공극(P)들 각각의 평균 단면적은 제1 채널(130)의 평균 단면적에 대해 작은 평균 단면적을 갖는 것을 의미한다. 또한, 제1 채널(130)은 후술하는 희생부재(330)의 용융 및 노심 용융물(M)의 냉각 시에 발생 가능한 부유물 등의 찌꺼기에 의해 공극(P)의 일부가 막히더라도 냉각수(W)의 유로 손실을 최소화하기 위한 역할을 할 수 있다. 이와 같은 제1 채널(130)의 연장 형성 방향은 냉각수(W)를 유입하는 제2 채널(150)과 연통되는 깊이까지 기지부(110)의 내부방향으로 연장 형성될 수 있으며, 형상은 원형의 홀로부터 유로를 형성하는 것으로 나타나 있으나, 제1 채널(130)의 형상은 이에 한정되지 않으며 다양한 크기로 형성될 수 있다.

제2 채널(150)은 다공성 냉각블록(100) 내로 냉각수(W)를 유입시키기 위해 기지부(110)의 측면 사이를 관통하며 형성되고, 기지부(110)에 형성된 적어도 일부의 공극(P) 및 제1 채널(130)과 연통되어 공극(P) 및 제1 채널(130)로 냉각수(W)를 전달하기 위해 구비되며, 측면에 개방 형성되는 한 쌍의 제2 홀(152)과, 제2 홀(152) 사이를 연결하여 기지부(110)의 내부에 경로를 형성하고, 제1 유로(134)와 연통되는 제2 유로(154)를 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 일방향 및 타방향으로 정렬 배치되는 복수의 다공성 냉각블록(100)들로 냉각수(W)의 공급을 용이하게 하기 위해 기지부(110)에 한 쌍의 제2 채널이 구비되며, 한 쌍의 제2 채널(150)은 기지부(110) 내에서 교차 형성되어 상호 연통되도록 형성될 수 있다. 즉, 하나의 제2 채널(150)이 기지부(110)의 측면(116)들 중 2개의 마주보는 측면들 사이를 관통하며 형성될 때, 다른 하나의 제2 채널(150)은 기지부(110)의 나머지 측면(116)들 중 2개의 마주보는 측면들 사이를 관통하여 서로 연통되며 형성될 수 있다. 이처럼 제2 채널(150)이 기지부(110)당 한 쌍이 구비되어 형성되는 경우, 일방향 및 타방향으로 정렬 배치되는 다공성 냉각블록(100) 각각에 형성된 제2 채널(150)들은 일방향 및 타방향으로 상호 연통될 수 있어 냉각수(W)가 용이하고 균일하게 제2 채널(150)들을 따라 이동하여 균일한 냉각수의 공급이 가능하다.

여기서, 제2 채널(150)은 냉각수(W)를 복수의 기지부(110)로 공급하기 위해 원형으로 형성될 경우 평균 직경 H가 전술한 제1 채널(130)의 평균 직경 h 보다 큰 크기로 형성될 수 있으며, 원형이 아닌 경우 제1 채널(130)의 평균 단면적보다 증가된 평균 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.

이처럼, 제1 채널(130)과 제2 채널(150)은 A-A'의 단면도를 하부방향에서 도시한 평면도인 도 3의 (d)을 통해 살펴보면, 기지부(110) 내에서 상호 연통되는 냉각수(W)의 이동경로를 형성함으로써 냉각수(W)가 기지부(110) 내에서 측면 및 상면측으로 용이하게 이동하도록 할 수 있으며, 더욱이 복수의 다공성 냉각블록(100)이 상호 정렬 배치되어 각각의 다공성 냉각블록(100)에 형성되는 제2 채널(150)들이 연통되는 경우, 유로를 통해 냉각수(W)가 용이하게 전달될 수 있어 고른 냉각수(W)의 공급이 가능할 수 있다.

한편, 다공성 냉각블록(100)은 도 4에 도시된 것과 같이 변형되어 제작될 수도 있다. 본 발명의 변형 형태에 따른 다공성 냉각블록(100')은 기지부(110)에 형성되는 제2 채널(150')이 서로 마주보는 측면 및 제1 채널(130)이 형성되는 일면(112) 및 타면(114) 중 어느 한 면에 개방 형성된다.

도 4를 참조하면, 변형 예에 따른 제2 채널(150')은 기지부(110)의 타면(114)에 개방 형성되어, b)에 도시된 것처럼, 빗금 친 B 영역과 같이 기지부(110)의 측면(116)과 타면(114)의 적어도 일부 영역이 개방되도록 형성될 수 있다. 이처럼, 제2 채널(150')이 형성될 경우, 하부로부터 냉각수(W)를 공급하는 것이 용이하며, 측면으로만 냉각수(W)를 공급받는 것에 비해 증가된 유로 면적으로 냉각수(W)를 공급받을 수 있기 때문에 냉각수(W)를 다량 유입하더라도 유동 저항에 의한 문제점이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 변형예의 다공성 냉각블록(100')에 따른 자세한 설명은 도 6과 관련되어 설명될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 다공성 냉각블록(100, 100')은 복수개가 일방향 및 타방향으로 정렬되어 평면을 이룸으로써, 용이하게 설비에 적용하여 설치할 수 있는 이점이 있다. 이는, 종래에 냉각수를 공급하기 위한 구조물을 제작하기 위해, 설치 공간에 콘크리트 조성물을 소정 높이까지 포설하고 양생한 후, 냉각수를 콘크리트 조성물로 흘려줌으로써 노심 용융물로 냉각수를 공급하는 것 보다 설비의 구조 및 형성 방법이 단순하고 쉬운 이점이 있다.

희생부(300)는 다공성 냉각블록(100)들이 구성한 평면상에 안착되어, 다공성 냉각블록(100)과 노심 용융물(M)이 접촉하기까지의 소요시간을 증가시키기 위해 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 희생부(300)는 원자로 설비의 중대사고 발생에 의해 노심 용융물(M)이 원자로 용기(10)로부터 방출된 것이 감지되면, 후술하는 냉각수 공급유닛(500)에 의해 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 충수시키기 까지의 시간을 확보하기 위해, 노심 용융물(M)과 1차적으로 반응할 수 있으며, 다공성 냉각블록(100)의 상부에 안착되는 분리부재(310)와, 분리부재(310) 상부에 안착되는 희생부재(330)를 포함한다.

분리부재(310)는 다공성 냉각블록(100) 상에 배치되어 희생부재(330)와 다공성 냉각블록(100) 사이를 분리하기 위한 것으로서, 단일 혹은 복수로 분할 구비되어 다공성 냉각블록(100)이 형성하는 평면상에 정렬되어 다공성 냉각블록(100)의 노출된 상면을 커버할 수 있다. 분리부재(310)는 금속의 판으로 구성될 수 있으며, 후술하는 희생부재(330)의 현장 시공시 굳어지지 않은 희생부재(330)가 다공성 냉각블록(100)의 공극(P)이나 제1 채널(130)로 들어가 막는 것을 억제하거나 방지하기 위해 구비된다. 이때, 분리부재(310)는 용접과 같은 별도의 고정부재(미도시)에 의해 다공성 냉각블록(100)을 밀폐시키거나 하지 않아도 되기 때문에 설치가 간단한 이점이 있다. 즉, 분리부재(310)는 단일의 구성 또는 분할된 구성으로 다공성 냉각블록(100) 상에 별다른 고정 없이 안착된 상태로 다공성 냉각블록(100)을 커버할 수 있다. 분리부재(310)가 복수로 분할된 구성을 갖는 경우에는, 유지보수시 원하는 영역의 분리부재(310)만 분리하여 용이하게 유지보수할 수 있으며, 기존 운전중인 원자로 설비 내에 설치할 경우에도, 단일로 구비되는 경우보다 용이하게 설치할 수 있는 이점이 있다.

한편, 분리부재(310)의 연장 방향과 교차하는 방향으로의 다공성 냉각블록(100)의 측면에는 측면 분리부재(320)가 구비될 수도 있다. 측면 분리부재(320)는 다공성 냉각블록(100)의 측면 중 적어도 일부 영역을 커버하고, 다공성 냉각블록(100)보다 높은 위치로 연장하여 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 측면 분리부재(320)는 다공성 냉각블록(100)의 개방된 일측의 적어도 일부를 커버하고 상부방향으로 소정길이 연장 형성되어 구비될 수 있다. 측면 분리부재(320)는 다공성 냉각블록(100)이 냉각부(R_b)의 바닥부에 안착 정렬될 때, 다공성 냉각블록(100)이 개방된 측면에 배치됨으로써 복수의 다공성 냉각블록(100) 사이사이의 이격거리를 감소시키기 위해 다공성 냉각블록(100)들을 밀어주는 역할을 할 수 있다. 즉, 다공성 냉각블록(100)이 형성하는 평면의 최외단에 접촉 배치되어, 다공성 냉각블록(100)이 자치하는 격벽 상의 공간을 제한하는 역할을 할 수 있다.

희생부재(330)는 분리부재(310) 상에 안착 구비되어 다공성 냉각블록(100)과 분리되어 구비될 수 있으며, 중대사고가 발생하여 상부에 노심 용융물(M)이 방출될 때, 온도를 1차적으로 낮추고 평면 상에서 노심 용융물(M)에 퍼짐성을 제공하기 위해 구비된다. 즉, 노심 용융물(M)과의 반응으로 노심 용융물(M)의 단위체적당 열축력을 낮춰, 노심 용융물(M)의 단위체적당 열부하를 감소시킬 수 있어 다공성 냉각블록(100)으로부터 배출되는 냉각수(W)에 의한 냉각을 용이하게 할 수 있고, 노심 용융물(M)과의 반응에 의해 노심 용융물의 점도를 감소시켜 노심 용융물(M)의 퍼짐(spreading)을 향상시킬 수 있고, 이에 다공성 냉각블록(100) 상에 국부적인 열 부하 상승을 억제하거나 방지할 수 있다. 또한, 희생부재(330)는 노심 용융물(M)과 반응하는 동안 다공성 냉각블록(100)에 냉각수(W)가 충수되는데 필요한 시간을 확보하는 역할을 할 수 있다.

희생부재(330)는 분리부재(310)와 마찬가지로 단일로 구성되어 분리부재(310) 상에 구비되거나, 분리부재(310)와 동일하거나 유사한 개수로 구비되어 분리부재(310)의 상부에 적층 배치될 수 있다.

한편, 희생부재(330)의 연장 방향과 교차하는 방향으로의 측면 분리부재(320)의 안측면 및 원자로 격납건물 격벽에는 측면 희생부재(340)가 구비될 수도 있다. 측면 희생부재(340)는 측면 분리부재(320)의 안측에 구비되어, 노심 용융물(M)과 반응하지 않더라도 측면 분리부재(320)의 일부 영역을 보호하기 위해 구비될 수 있다. 즉, 측면 희생부재(340)는 다공성 냉각블록(100)의 측면으로의 압력을 가해주는 역할을 하며, 다공성 냉각블록(100)을 통해 냉각수(W)가 공급되기 전 고온에 의해 용융이 시작될 경우에, 복수의 다공성 냉각블록(100) 사이의 이격이 발생할 수 있어, 각각의 다공성 냉각블록(100)들의 제2 채널(150)들 사이의 연통에 이격이 발생하여 냉각수(W)가 균일하게 이동하지 않는 문제점이 발생하는 것을 억제하거나 방지할 수 있다.

이와 같은 희생부재(330) 및 측면 희생부재(340)를 구성하는 물질로는 희생 콘크리트 조성물을 사용하여 희생부재(330) 및 측면 희생부재(340)를 제작할 수 있으며, 이의 조성물에 대해서는 한정되지 않으나 노심 용융물(M)과 반응함으로써 노심 용융물(M)의 단위체적당 열출력 및 점도를 감소시킬 수 있는 조성물로 형성될 수 있다. 또한, 노심 용융물(M)의 재임계를 방지하고 노심 용융물(M)과의 반응에 의해서 수소 생성량 또는 발생률을 감소시킬 수 있는 조성물로 형성될 수도 있다.

냉각수 공급유닛(500)은 수용공간(R)에 연결되어 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 공급하기 위한 수단으로서, 고온의 노심 용융물(M)과 희생부(300)가 반응하여 희생부(300)가 용융된 후 다공성 냉각블록(100)의 상부가 노출될 때(즉, 노심 용융물(M)과 다공성 냉각블록(100)이 상호 접촉할 때), 노심 용융물(M)의 온도를 낮춰 수용공간(R)을 형성하는 격납건물(20)의 외부로 노심 용융물(M)이 방출되는 것을 방지하기 위해 냉각수(W)를 공급한다. 이와 같은 냉각수 공급유닛(500)은 냉각수가 수용되는 냉각수 저장기(510)와, 일단은 냉각수 저장기(510)와 연결되고 타단은 다공성 냉각블록(100)과 연통되는 냉각수 경유관(530)을 포함한다.

냉각수 저장기(510)는 다공성 냉각블록(100)에 공급되는 냉각수(W)를 수용 및 공급하기 위해 구비되며, 다공성 냉각블록(100)에 공급되는 냉각수(W)를 지속적으로 또는 반복적으로 일정량씩 공급할 수 있는 장치가 사용될 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 수용공간(R)내에서 다공성 냉각블록(100)의 개방된 최외측면의 제2 채널(150)을 통해 냉각수(W)를 공급하기 위해 제2 채널(150)과 연통되는 저장부(R_a)에 냉각수(W)를 공급할 수 있다. 이때, 냉각수 저장기(510)로부터 공급되는 냉각수(W)는 일정의 낮은 온도로 설정된 상태로 공급되어, 고온의 노심 용융물(M)을 단시간에 냉각시킬 수 있도록 할 수 있다. 또한, 다공성 냉각블록(100)에 공급되어 노심 용융물(M)을 냉각시킨 냉각수(W)를 냉각수 저장기(510)에 다시 수용하여 일정한 온도로 낮춰 냉각수(W)를 재공급하여 냉각수(W)의 순환율을 증가시킬 수도 있다.

냉각수 경유관(530)은 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 공급하기 위한 냉각수(W)의 이동경로를 형성한다. 여기서 실시예에서는 수용공간(R)에 연통되어 저장부(R_a)로 냉각매체를 공급하기 위한 경로를 형성한다. 이에, 냉각수 경유관(530)은 격납건물(20)의 외측에 구비되는 냉각수 저장기(510)에서 격납건물(20)의 내측으로 소정 영역이 삽입 배치되어, 냉각수 저장기(510)로부터 냉각수(W)를 수용공간(R)의 내측으로 공급할 수 있다. 이때, 냉각수 경유관(530)과 격납건물(20) 사이에는 밀봉을 위한 밀폐부재(미도시)가 구비되어 냉각수 경유관(530)과 격납건물(20) 사이의 이격공간이 발생하지 않도록 형성할 수 있다.

도 5를 참조하여 냉각수 공급유닛(500)을 이용한 다공성 냉각블록(100)의 충수상태에 대해 간략하게 설명하면, 냉각수 저장기(510)에서 냉각수 경유관(530)을 통해 수용공간(R)으로 배출되는 냉각수(W)는 수용공간(R) 중에서 다공성 냉각블록(100)의 측면과 연통되는 공간인 저장부(R_a)에 충전된다. 즉, 저장부(R_a)보다 상대적으로 높은 위치에 배치되는 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)가 유입되도록 저장부(R_a)와 다공성 냉각블록(100)이 연통되는 높이까지 냉각수(W)가 차오르게 된다. 그리고, 냉각수(W)가 다공성 냉각블록(100)의 측면과 유사하거나 나란한 선상 혹은 보다 높은 위치까지 올라오면 냉각수(W)는 복수의 다공성 냉각블록(100)의 상호 연통된 제2 채널(150)들을 통해 평면을 구성하는 다공성 냉각블록(100)들 내로 냉각수(W)가 공급된다. 이처럼 공급되는 냉각수(W)는 다공성 냉각블록(100)들의 제1 채널(130), 제2 채널(150) 및 복수의 공극(P)들에 충수된 후, 다공성 냉각블록(100)의 상면이 개방되었을 때, 다공성 냉각블록(100) 상부로 배출될 수 있다. 그리고, 배출된 냉각수(W)는 그 배출량에 따라 저장부(R_a)로 다시 유입되어 재순환되어 사용될 수 있다.

한편, 상기에서는 냉각수 공급유닛(500)이 수용공간(R)으로 냉각수(W)를 공급하여 냉각수(W)가 다공성 냉각블록(100)으로 유입되는(즉, 저장부(R_a)에 일정량으로 차오르던 냉각수(W)가 다공성 냉각블록(100)으로 확산되어 공급되는) 방법에 대해 설명하였으나, 냉각수 공급유닛(500)이 구비되는 방법은 상기 방법에 한정되지 않으며, 후술하는 변형예의 용융물 냉각장치(1000)와 같이 구비될 수도 있다. 따라서, 냉각수 공급유닛(500)은 이미 기 운전중인 원자로 설비 및 신규로 제작되는 원자로 설비에서 원자로 설비의 주요 구성에 방해가 되지 않은 영역에 구비되어 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 공급할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

이하에서는 도 6을 참조하여 변형예에 따른 노심 용융물 냉각 장치(1000')의 설치 상태를 설명하기로 한다. 여기서, 도 6은 본 발명의 변형 예들에 따른 노심 용융물 냉각 장치의 설치 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 변형 예에 따른 용융물 냉각 장치(1000')는 다공성 냉각블록(100')이 수용공간(R) 내에서 밀봉 구비되도록 희생부(300')를 위치시키며, 이에 따라 냉각수 공급유닛(500)의 배치위치가 상이한 점을 제외하고는 전술한 실시예에 따른 용융물 냉각 장치(1000)에 제시된 구성과 동일 혹은 유사한 역할을 수행한다. 이에, 이하에서는 다공성 냉각블록(100)에 대한 설명은 생략하며, 희생부(300') 및 냉각수 공급유닛(500)의 구성 위치에 대해서 설명하기로 한다.

희생부(300')는 정렬 배치되는 복수의 다공성 냉각블록(100)의 개방된 상면을 커버하여 밀봉시키기 위한 밀폐공간을 형성하는 분리부재(310')와, 분리부재(310')상에 안착되는 희생부재(330)를 포함한다. 여기서, 분리부재(310')는 원자로 용기(10)와 마주보는 격벽 상에 정렬 배치되는 다공성 냉각블록(100')의 개방된 상면을 개방공간 없이 밀봉 커버하여, 다공성 냉각블록(100')이 외부와 연통되는 것을 억제하거나 방지할 수 있다. 또한, 변형예에서는 다공성 냉각블록(100')의 격납건물 격벽에 접촉하지 않고 개방된 일측면에 접촉배치되며, 분리부재(310')와 연결되는 측면 분리부재(320')를 포함함으로써, 다공성 냉각블록(100') 밀봉된 상태로 구비될 수 있도록 할 수 있다.

이때, 다공성 냉각블록(100')으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛(500)은 다공성 냉각블록(100')이 밀봉된 밀폐공간으로 냉각수를 공급하기 위해 다공성 냉각블록이 정렬 배치된 격벽 구조물에 매립되어 냉각수 경유관(530)이 구비될 수 있다. 즉, 격벽 구조물 내에 일부가 매립되도록 격벽 구조물의 하부로부터 격벽 구조물을 관통하여 다공성 냉각블록(100')의 하부로 냉각수(W)를 공급할 수 있다.

이와 같은 다공성 냉각블록(100')의 밀폐 공간에서의 냉각수 공급은 신규 원전과 같이 냉각수 경유관(530)의 매설이 용이한 경우 적용할 수 있으며, 이처럼 밀폐구조로 다공성 냉각블록(100')을 배치하고 밀폐공간으로 직접 냉각수를 공급함으로써, 복수의 다공성 냉각블록(100')에 냉각수(W)를 항상 충전시켜 놓거나 충전하기까지 소요되는 충수시간을 최소화할 수 있다. 즉, 소정의 공간에 냉각수(W)를 수용한 뒤, 냉각수(W)가 밀폐된 다공성 냉각블록(100)을 채우고 있으므로 원자로 설비의 중대사고 발생시 노심 용융물(M)에 의해 희생부재(330')가 침식되고 분리부재(310')가 응용되어 개방되면 냉각수(W)가 다공성 냉각블록(100') 상부로 자연스럽게 방출되어 피동설비를 구현할 수 있다. 이때, 원자로 설비 정상운전 동안 냉각수(W)rk 장시간 다공성 냉각블록(100')에 충수되어 냉각수(W)의 수질 저하 및 불순물의 발생으로 분리부재(310') 및 냉각수 경유관(530)의 부식 및 다공성 냉각블록(100') 공극의 오염을 방지하거나 억제하기 위하여, 원자로 설비의 정상운전 시 다공성 냉각블록(100') 내 및 일부의 냉각수 경유관(530)에 부식방지제 EH는 소정의 기체를 주입한 상태에서 운전할 수도 있다.

한편, 전술한 노심 용융물 냉각장치(1000)에는 수용공간(R)으로의 노심 용융물(M) 방출을 감지할 수 있는 온도 감지기가 구비될 수도 있다.

온도감지기(미도시)는 노심 용융물(M)이 방출되는 수용공간(R)의 적어도 어느 한 곳에 구비되어 수용공간(R)의 온도를 측정함으로써 노심 용융물(M)의 방출 발생을 감지할 수 있다. 더욱 자세하게는, 원자로 용기(10)로부터 방출되는 노심 용융물(M)이 방출되는 지점(희생부(300) 및 다공성 냉각블록(100)이 배치되는 지점)과 근접한 위치에 배치되어 수용공간(R)의 온도를 측정할 수 있다. 이때, 온도감지기는 비접촉식으로 노심 용융물(M)이 방출되는 지점으로부터 이격된 곳에서 온도를 측정할 수 있으며, 열 에너지를 감지하여 온도를 측정할 수 있는 고온계가 사용될 수도 있다.

또한, 노심 용융물 냉각장치(1000)에는 온도 감지기와 연결되어 온도감지기의 온도 측정 결과에 따라서 냉각수 공급유닛(500)의 작동을 제어하는 제어기(미도시)가 구비될 수도 있다.

제어기는 온도감지기가 측정하는 수용공간 내의 온도에 따라서 냉각수 공급유닛(500)의 작동을 제어한다. 더욱 상세하게는, 온도감지기에 의해 측정된 수용공간(R)의 온도가 정상상태(즉, 노심 용융물이 원자로 용기로부터 방출되지 않았을 때)의 온도에 비해 급격하게 높아진 온도 값이 전달되면, 제어기는 노심 용융물(M)이 방출되어 중대사고가 발생한 것이라 판단하여 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 공급하기 위해 냉각수 공급유닛(500)을 작동시킨다. 이때, 제어기는 온도 값을 전달받아 사고 발생을 판단한 뒤 냉각수 공급유닛(500)으로 동작신호를 전달할 수 있는 장치로서, 예컨대, PLC판넬, PC 등이 사용될 수 있다. 그러나, 제어기는 이에 한정되지 않고 운전원의 조치 및 다양한 신호 전달 장치가 사용될 수 있다.

또한, 도 6의 변형 실시예(1000')와 같이 구비되어 중대사고 발생을 감지하는 온도감지기가 불필요하거나, 냉각수 공급 유닛(500)에 외부의 전원이나 운전원 조치와 같은 능동 설비가 불필요한 피동설비로 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이 제작되어 구성된 용융물 냉각 장치(1000)를 이용한 용융물 냉각방법에 대해 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 냉각블록 및 용융물 냉각장치를 이용한 용융물 냉각 방법을 순차적으로 나타내는 순서도이며, 도 8은 도 7의 용융물 냉각 방법을 나타내는 공정 진행도이다. 이하에서는, 전술한 실시예의 다공성 냉각블록 및 이를 포함한 용융물 냉각장치를 기준으로 노심 용융물 냉각방법에 대해서 설명하나, 이의 냉각 방법은 변형 예에도 동일하게 적용된다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용융물 냉각 방법은 노심 용융물(M)의 방출에 의한 중대사고 발생을 감지하는 단계와, 노심 용융물(M)이 희생부(300)를 용융시킴과 동시에, 다수의 공극(P)과 상부 및 평면 방향으로 각각 형성되는 제1 채널(130) 및 제2 채널(150)을 포함하는 복수의 다공성 냉각블록(100)으로 냉각수(W)를 공급하는 단계 및 공극(P) 및 제1 채널(130)을 통해 냉각수(W)를 배출하여 노심 용융물(M)을 냉각시키는 단계를 포함한다.

발생 가능성이 높지는 않으나, 원자력 발전소에서의 중대사고 발생시 노심 용융물(M)이 원자로 용기(10)의 파손부를 통해 원자로 용기(10)의 하부로 방출될 가능성이 있다. 노심 용융물(M)은 원자로 용기(10) 내부에 설치된 원자로 노심의 핵연료인 농축우라늄과, 피복재로 사용되는 지르코늄 및 원자로 용기(10) 내부 다수의 물질들이 혼합된 고온의 용융물질을 말하며, 노심 용융물(M)은 그 내부의 핵분열 생성물의 붕괴로 열을 발생시킨다. 이에, 방출된 노심 용융물(M)은 격납건물(20)을 구성하는 바닥 콘크리트와 반응하여 다량의 비응축성 가스를 발생시키면서 바닥을 용융 침식시키기 때문에 노심 용융물(M)의 냉각이 요구된다.

이에, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 노심 용융물(M)이 원자로 용기(10)로부터 방출되어 격납건물(20)의 내부 공간에 탈락된 것을 감지한다(S1). 즉, 격납건물(20) 내 수용공간(R)의 온도를 측정하는 온도감지기를 통해 수용공간(R) 내 온도가 급격하게 증가하는 것을 확인하여, 노심 용융물(M)이 원자로 용기(10)로부터 방출된 중대사고의 발생 유무를 확인한다.

노심 용융물(M)의 방출이 감지되면, 노심 용융물(M)의 냉각을 위한 다공성 냉각블록 내 냉각수를 충수 하기 위해 냉각수를 공급한다(S2). 즉, 도 8의 (b)에 도시된 것처럼, 다공성 냉각블록(100)의 측면 사이를 관통하는 제2 채널(150)로 냉각수(W)를 공급하기 위해 수용공간(R) 내 저장부(R_a)에 냉각수를 공급하고, 저장부(R_a)에 일정높이를 채워진 냉각수(W)는 다공성 냉각블록(100)으로 유입되어 각각의 다공성 냉각블록(100)에 형성된 제2 채널(150)들을 통해 복수의 블록들에 균일하게 냉각수(W)가 공급된다. 한편, 냉각수(W)를 공급하는 과정에서 노심 용융물(M)이 다공성 냉각블록(100) 상에 배치된 희생부(300)와 용융하여 침식되는 과정(S3)이 동시에 수행된다. 즉, 적어도 희생부(300)의 용융 침식으로 다공성 냉각블록(100)이 노심 용융물(M)에 개방되기 전에 다공성 냉각블록(100) 상부 또는 상위의 수위까지 냉각수(W)의 충수가 완료되거나, 다공성 냉각블록(100) 내 냉각수(W)의 충수완료와, 희생부(300)의 용융 침식과정이 동시에 수행될 수 있다.

이처럼, 희생부(300)와 노심 용융물(M)이 반응하는 과정은 1차적으로 가장 상면에 배치되는 희생부재(330)와 노심 용융물(M)이 반응하여 희생부재(330)가 용융된 후, 희생부재(330)의 하부에 배치된 분리부재(310)와 노심 용융물(M)이 반응하여 분리부재(310)가 용융된다. 여기서, 희생부재(330)와 노심 용융물(M)의 용융반응에 의해서 노심 용융물(M)의 단위 체적당 열출력이 감소하게 되며, 노심 용융물(M)의 점도가 감소하게 된다. 이로 인해, 후 공정에서 냉각수(W)에 의해 노심 용융물(M)을 냉각하는 과정의 부하를 감소시킬 수 있으며, 점도를 감소시켜 희생부(300) 및 다공성 냉각블록(100)이 형성하는 평면 상에 분포시킬 수 있어 노심 용융물(M)의 뭉침에 의한 국부적인 온도 증가 영역이 발생하는 것을 억제하거나 방지할 수 있다.

냉각수(W)가 충수(S2)된 후 희생부(300)가 용융(S3)이 되어, 희생부(300)에 의해 커버된 다공성 냉각블록(100)의 상면이 노출된다(S4). 즉, 노심 용융물(M)은 희생부(300)와의 용융에 의해 점점 다공성 냉각블록(100) 측으로 이동하여, 도 8의 (c)에 도시된 것처럼 개방된 다공성 냉각블록(100)의 상면으로 개구된 복수의 공극(P)과 제1 채널(130)들을 통해 노심 용융물(M)에 냉각수(W)를 직접 접촉(S5)시켜 노심 용융물(M)을 냉각할 수 있다(S6).

이때, 노심 용융물(M)을 냉각하는 방법에 대해 자세하게 설명하면, 다공성 냉각블록(100)의 빈 공간인 다수의 공극(P)과 제1 채널(130)에 충수된 냉각수(W)는 노심 용융물(M)의 가열에 의해 비등하게 된다. 즉, 냉각수(W)가 가열되어, 증기압이 주위의 압력보다 커져서 액체의 표면뿐만 아니라 내부에서도 비등하여 급격히 증기를 발생시키며 노심 용융물(M)을 냉각시킨다. 이후, 계속되는 노심 용융물(M)의 가열에 의하여 희생부(300)의 용융 및 침식이 반복되어 냉각블록(100)이 노심 용융물(M)과 접촉되면 냉각블록(100) 내의 수증기 또는 냉각수(W)가 노심 용융물(M)에 침투 및 분출하여 노심 용융물(M)이 냉각된다. 냉각된 노심 용융물(M)은 다공의 형태로 고화되어 이후 냉각수(W)의 자연순환으로 장기 냉각할 수 있다. 본 발명에서는 냉각수(W)가 비등하여 노심 용융물(M)의 하부에 직접 접촉하며 냉각이 수행될 뿐만 아니라, 노심 용융물(M)이 다공의 형태로 고화된 장기냉각 시 공극(P) 및 제1 채널(130)들을 통해 냉각수(W) 또는 수증기가 지속적으로 상부로 배출됨으로써, 노심 용융물(M)을 둘러쌀 수 있어 노심 용융물(M)의 전 영역(즉, 상부 및 하부)에 걸쳐 접촉하여 냉각할 수 있다. 따라서, 냉각수(W)와 노심 용융물(M) 간의 접촉 표면적이 보다 증가될 수 있어 노심 용융물(M)이 더욱 용이하게 냉각될 수 있다. 그리고, 다공성 냉각블록(100)에서 배출되는 냉각수(W) 중 일부는 다시 저장부(R_a)로 이동함으로써 한번 공급된 냉각수(W)를 재순환시켜 노심 용융물(M)을 냉각하는데 재사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 다공성 냉각블록 및 이를 포함한 노심 용융물 냉각장치는 노심 용융물의 온도에 의한 용융에 저항성이 증가된 고온 세라믹 재질을 사용하고, 이를 이용하여 다공성의 블록을 제작하여 서로 정렬된 상태로 평면을 형성함으로써 설비에 한정되지 않고 원자로 설비를 포함한 다양한 설비에 용이하게 적용될 수 있다.

이때, 다공성 냉각블록의 측면 사이 및 상면에 개방되는 채널을 형성하여, 복수개의 다공성 냉각블록 사이의 냉각수의 전달을 용이하게 하여 냉각수가 노심 용융물과 접촉하는 냉각블록의 평면에 균일하게 공급되도록 할 수 있다.

그리고 상면에 개방 형성된 제1 채널은 냉각수의 흐름을 원활하게 유지하고, 냉각수가 재순환될 때 노심 용융물과 희생부재의 찌꺼기가 공극으로 침투해 냉각 유로의 감소로 인한 냉각 성능의 저하를 완화하거나 방지할 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

M : 노심 용융물 W : 냉각수
P : 공극 R : 수용공간
R_a : 저장부 1000 : 노심 용융물 냉각 장치
100, 100' : 다공성 냉각 블록 110 : 기지부
112 : 일면 114 : 타면
116 : 측면 130 : 제1 채널
132 : 제1 홀 134 : 제1 유로
150, 150' : 제2 채널 152, 152' : 제2 홀
154, 154' : 제2 유로 300, 300' : 희생부
310 : 분리부재 320 : 측면 분리부재
330, 330' : 희생부재 340 : 측면 희생부재
500 : 냉각수 공급유닛 510 : 냉각수 저장기
530 : 냉각수 경유관

Claims (16)

1. 일면, 상기 일면과 마주보는 타면 및 상기 일면과 타면을 상호 연결하는 측면을 포함하며, 다수개의 공극을 포함하는 기지부;
   상기 기지부의 일면 및 타면 중 어느 한면으로부터 내부방향으로 연장 형성되는 제1 채널; 및
   상기 기지부의 측면 사이를 관통하고, 상기 제1 채널과 연통되는 제2 채널;을 포함하며,
   상기 제1 채널의 평균 단면적은 상기 제2 채널의 평균 단면적보다 작고, 상기 다수개의 공극의 평균 단면적보다 큰 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록.
2. 청구항 1 에 있어서,
   상기 제2 채널은 일방향 및 타방향으로 상기 측면들 사이를 관통하도록 복수로 구비되며, 상기 복수의 제2 채널은 상기 기지부 내에서 교차 형성되어 상호 연통하는 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록.
3. 청구항 1 에 있어서,
   상기 제1 채널은
   상기 일면 및 타면 중 어느 한 면에 개방 형성되는 제1 홀과;,
   상기 제1 홀에 연결되어 상기 기지부의 내부 방향으로 경로를 형성하는 제1 유로;를 포함하는 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록.
4. 청구항 1 에 있어서,
   상기 제2 채널은
   상기 측면에 개방 형성되는 한 쌍의 제2 홀과;,
   상기 제2 홀 사이를 연결하여 상기 기지부의 내부에 경로를 형성하고, 상기 제1 채널과 연통되는 제2 유로;를 포함하는 노심 용융물 냉각용 다공성 냉각블록.
5. 삭제
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 복수의 다공성 냉각블록;
   상기 복수의 다공성 냉각블록 상에 안착되어, 상기 다공성 냉각블록들의 노출된 상면을 커버하는 희생부; 및
   상기 다공성 냉각블록으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛;을 포함하는 노심 용융물 냉각장치.
7. 청구항 6 에 있어서,
   상기 복수의 다공성 냉각블록은 일방향 및 상기 일방향과 교차하는 타방향으로 정렬 배치되어 평면을 형성하는 노심 용융물 냉각 장치.
8. 청구항 7 에 있어서,
   상기 복수의 다공성 냉각블록 각각은 정렬 배치되는 영역에서 분리 가능하게 배치되는 노심 용융물 냉각장치.
9. 청구항 7 에 있어서,
   상기 희생부는
   상기 다공성 냉각블록을 커버하는 분리부재와;,
   상기 분리부재 상에 안착되는 희생부재;를 포함하고,
   상기 분리부재 및 상기 희생부재 중 적어도 어느 한 부재는 복수로 분할 구비되어, 상기 평면 상에 순서대로 정렬 적층되는 노심 용융물 냉각장치.
10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 다공성 냉각블록 측면에는 상기 평면이 형성하는 폭의 최외단에 배치되어 상기 다공성 냉각블록의 측면 중 적어도 일부 영역을 커버하는 측면 분리부재가 배치되는 노심 용융물 냉각장치.
11. 청구항 9 에 있어서,
    상기 분리부재는 상기 다공성 냉각블록을 밀봉시키기 위한 밀폐공간을 제공하는 노심 용융물 냉각장치.
12. 청구항 6 에 있어서,
    상기 냉각수 공급유닛은
    상기 다공성 냉각블록으로 공급되는 냉각수를 저장하는 냉각수 저장기와;,
    상기 냉각수 저장기에 일단이 연결되고, 타단은 상기 다공성 냉각블록과 연통되는 냉각수 경유관;을 포함하는 노심 용융물 냉각장치.
13. 노심 용융물의 방출에 의한 이상 발생을 감지하는 단계와;,
    상기 노심 용융물이 희생부를 용융시킴과 동시에, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 복수의 다공성 냉각블록으로 냉각수를 공급하는 단계;
    상기 다공성 냉각블록으로부터 상기 냉각수를 배출하여, 상기 노심 용융물을 냉각시키는 단계;를 포함하는 노심 용융물 냉각방법.
14. 청구항 13 에 있어서,
    상기 희생부는 상기 노심 용융물의 단위체적당 열부하를 낮추고, 상기 노심 용융물을 상기 희생부 상면에 분포하도록 하는 노심 용융물 냉각방법.
15. 청구항 13 에 있어서,
    상기 노심 용융물을 냉각시키는 단계는,
    상기 노심 용융물과 상기 냉각수의 열전달에 의해 수증기가 생성되는 단계와;,
    상기 수증기 또는 상기 냉각수가 상기 노심 용융물로 분출하여 상기 노심 용융물을 다공 형태로 냉각시키는 단계;를 포함하는 노심 용융물 냉각방법.
16. 삭제

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