Search

KR-20260061480-A - NUCLEAR THERMAL PLANT WITH LOAD-FOLLOWING POWER GENERATION

KR20260061480AKR 20260061480 AKR20260061480 AKR 20260061480AKR-20260061480-A

Abstract

통합 에너지 시스템은 원자력 부지(nuclear site)에 위치된 원자력 열 플랜트(nuclear thermal plant)를 포함한다. 원자력 열 플랜트는 원자력 부지 외부에 위치된 열 에너지 저장 시스템으로 수송되는 열 에너지를 생성한다. 열 저장 시스템은 원자력 부지에 대해서 또한 원격에 있는 발전 시스템에 열적으로 결합된다. 이러한 구성에 의해, 원자력 열 플랜트는 발전 시스템으로부터 격리되고 분리된다. 원자력 열 플랜트는, 예를 들어 산업용 열, 발전 또는 기타 사용을 위하여, 필요할 때까지 열 에너지 저장 시스템에 저장하기 위해 800℃ 이상의 열 에너지를 공급할 수 있다. 열 저장 시스템은 공급원에 구애되지 않으며, 추가 원자로, 태양열 플랜트 또는 기타 열 에너지 생성기와 같은 하나 이상의 추가 열 에너지 생성기가 공통 열 저장 시스템 및 발전 시스템에 결합될 수 있다.

Inventors

  • 치텀 제시 알 3세
  • 왈터 조슈아 씨.
  • 베르너 마크 알.
  • 코빈 로버트 에이.
  • 길랜드 존 알.
  • 헤즐라 파벨
  • 크라머 케빈
  • 마틴 크리스토퍼 에이.
  • 모리스 브라이언
  • 페트로스키 로버트 씨.
  • 슐로스 필립 엠.

Assignees

  • 테라파워, 엘엘씨

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20200916
Priority Date
20200916

Claims (20)

  1. 시스템으로서, 원자력 부지(nuclear site)에 위치되는 원자로; 상기 원자로를 둘러싸고, 상기 원자력 부지에 대한 접근을 금지하는 하나 이상의 장벽에 의해 획정되는 원자력 부지 경계; 상기 원자력 부지 경계 외부에 위치되고, 상기 원자로와 열 연통(thermal communication)하는 열 에너지 저장 시스템; 및 상기 열 에너지 저장 시스템과 열 연통하고, 상기 원자력 부지 경계 외부에 위치되는 발전기 를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 에너지 저장 시스템은 에너지 전달 시스템(energy transfer system)에 의해 상기 원자로와 열 연통하는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 에너지 전달 시스템은 유체 루프를 포함하고, 상기 유체 루프는 상기 원자로와 상기 열 에너지 저장 시스템 사이에 폐루프를 생성하는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 에너지 전달 시스템의 상기 유체 루프는 제1 열 교환기에 의해 상기 원자로와 열 연통하고 제2 열 교환기에 의해 상기 열 에너지 저장 시스템과 열 연통하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유채 루프는 작동 유체로서 염을 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 원자력 부지 경계는 울타리를 포함하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열 에너지 저장 시스템은 상기 원자로의 열 동력 출력(thermal power output)보다 큰 열 동력 입력을 갖는 에너지 변환 시스템에 결합되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 발전기는 작동 유체로서 용융염을 활용하는 에너지 딜리버리 시스템(energy delivery system)에 의해 상기 열 에너지 저장 시스템과 열 접촉하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 원자로는 제1 원자로이고, 상기 열 에너지 저장 시스템과 열 연통하는 제2 원자로를 더 포함하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 원자로는 제2 원자력 부지 경계 내의 제2 원자력 부지에 위치되고, 상기 열 에너지 저장 시스템 및 상기 발전기는 상기 제2 원자력 부지 경계 외부에 위치되는, 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열 에너지 저장 시스템과 열 연통하는 태양열 에너지 시스템을 더 포함하는, 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 원자로 주위에 비상 계획 구역(emergency planning zone)을 더 포함하고, 상기 열 에너지 저장 시스템 및 상기 발전기는 상기 비상 계획 구역 외부에 위치되는, 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 원자로는: 원자로 용기; 상기 원자로 용기 내에 배치된 1차 냉각재 루프; 및 상기 1차 냉각재 루프와 열 연통하는 1차 열 교환기 를 포함하는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 1차 열 교환기는 나트륨-염 열 교환기인, 시스템.
  15. 시스템으로서, 원자력 부지 경계에 의해 획정된 원자력 부지 내에 있고, 원자로 용기를 갖는 원자로; 상기 원자로 용기 내에 있고, 상기 원자로 용기 내의 1차 냉각재를 냉각재 루프 내의 염 냉각재와 열적으로 결합하도록 구성된 열 교환기; 및 상기 원자력 부지 외부에 위치되고 상기 냉각재 루프 내의 상기 염 냉각재로부터 열 에너지를 공급받도록 구성된 열 에너지 저장 시스템 을 포함하는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 열 에너지 저장 시스템과 열 연통하는 발전 시스템을 더 포함하고, 상기 발전 시스템은 상기 원자력 부지 경계 외부에 위치되는, 시스템.
  17. 시스템으로서, 열 동력 출력을 갖는 원자로; 및 상기 원자로와 열 연통하며 열 동력 입력을 갖는 발전 시스템 을 포함하고, 상기 열 동력 입력은 상기 열 동력 출력보다 큰, 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 원자로와 상기 발전 시스템 사이에 배치된 열 저장 시스템을 더 포함하고, 상기 열 저장 시스템은 상기 원자로로부터 제1 열 동력을 공급받고 제2 열 동력을 상기 발전 시스템에 전달하는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 열 동력은 상기 제1 열 동력보다 큰, 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 원자력 부지 경계를 더 포함하고, 상기 원자로는 상기 원자력 부지 경계 내에 위치되는, 시스템.

Description

부하 추종 발전 방식의 원자력 열 플랜트{NUCLEAR THERMAL PLANT WITH LOAD-FOLLOWING POWER GENERATION} 관련 출원에 대한 상호 참조 본 출원은 2020년 3월 9일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/986,902호의 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 이익을 주장하며, 본 출원은 양자 모두 "부하 추종 발전 방식의 원자력 열 플랜트"라는 제목을 가지고 그 개시 내용이 본 참조 사항에 의해 온전히 포함된, 2019년 4월 12일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/833,623호 및 2019년 10월 31일자 출원된 미국 가출원 번호 제62/929,003호의 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 이익을 주장하는, 2020년 4월 13일자 출원된 PCT/US2020/028011의 부분 연속 출원이다. 배경 본 개시 내용의 분야는 원자로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성 및 부하 추종 능력(load-following ability)이 향상된 열 생성 원자로에 관한 것이다. 원자로에서 전기를 발생시키기 위한 종래의 방법 및 시스템은 원자로의 가동 전에 원자로에 대한 중대한 설계, 시공 및 원자력 지대(nuclear island)의 규제 허가를 받는 것이 필요하다. 원자로는 일반적으로 물을 작동 유체로 사용하는 증기 터빈에 의해 원자력 열 에너지를 전기로 변환하기 위한 동력 사이클에 연결된다. 이러한 방식으로 작동하는 원자로는 수십 년 동안 사용되어 왔지만, 통상적인 구성은 일부 단점을 가진다. 예를 들어, 원자로 영역, 연료 취급 시스템 및 에너지 변환 시스템을 포함하는 원자력 지대는 일반적으로 고온 및 고압에서 작동되기 때문에 대형 격납 구조물이 필요하다. 또한, 원자력 지대에 위치된 구조물은 운영을 위해서는 규제 당국에 의한 검사 및 핵면허의 승인이 필수적인 데, 이는 시간과 비용이 소요되는 작업이다. 더욱이, 원자로는 오작동하는 장비로 인해 자동 원자력정지가 발생하는 2차측(Balance of Plant: BOP - 원자로 이외의 설비) 트립(trip: 정지)을 겪게 된다. 마지막으로, 원자력 발전소는 출력이 급격하게 변화되도록 설계되지 않아서 전력망의 부하 수요를 효율적으로 추종할 수 없다. 원자력 발전소는 다른 형태의 발전에 비해 수많은 중요한 장점을 제공하지만, 열 에너지를 생성, 저장 및 변환하기 위한 보다 안전하고 유연하고 효율적인 시스템 및 다음의 설명으로부터 분명해질 다른 특징들을 제공할 수 있는 개선이 요망될 것이다. 일부 실시예에 따르면, 원자력 발전소는 많은 장점을 제공하는 원자력 열 플랜트(nuclear thermal plant)로서 재구성되고, 재배열되고, 운영될 수 있다. 예를 들어, 원자력 발전소는 열 저장 시스템으로 소외(off-site) 운반될 수 있는 열 에너지를 제공하도록 재구성 및 운영될 수 있다. 열 저장 시스템은 다시 열 에너지를 산업용 열, 전기 또는 다른 유용한 목적으로 변환하는 에너지 변환 플랜트에 결합될 수 있다. 에너지 변환 시스템을 포함하는 2차측(BOP)으로부터 원자로를 분리하는 것에 의해, 실현될 수 있는 많은 장점이 있다. 예를 들어, 원자력 지대에 설치된 장비가 적은 경우에 규제 허가가 훨씬 더 효율적으로 수행될 수 있다. 일부 원자로에서, 냉각재는 나트륨과 같은 액체 금속에 의해 제공된다. 나트륨이 물과 만나면, 그에 따른 반응은 발열성의 고에너지 반응이므로, 이 반응을 억제하고 이러한 반응이 발생할 경우 이를 억제할 수 있는 안전 시스템이 있어야 한다. 원자로로부터 원격으로 증기 플랜트를 제공함으로써, 원자로는 일반적으로 원자력 발전소와 함께 사용될 수 있는 임의의 물 함유 시스템으로부터 격리된다. 또한, 다수의 원자력 열 플랜트는 공유 열 저장 시스템에 결합될 수 있으며, 이는 전체 원자력 열 플랜트에 영향을 미치지 않고 하나 이상의 원자로가 정지될 수 있으므로 시공 비용 및 시간, 유지 보수 용이성의 측면에서 장점을 제공하며, 원자력 열 플랜트는 에너지 변환 시스템에 직접 결합될 경우에 전달할 수 있는 것보다 높은 수요의 기간 동안 더 많은 에너지를 효과적으로 전달할 수 있다. 다음의 설명은 다른 연료, 냉각재 및 기술을 사용하는 원자로 발전소 뿐만 아니라 나트륨 원자로 발전소의 경제성을 위한 혁신적인 잠재력을 제공하는 개념을 제공한다. 이러한 혁신은 비용 및 일정의 불확실성을 줄이기 위해 기술을 재구상하거나 소비자에게 전기와 열을 모두 공급하는 것과 같은 수익원을 확장함으로써 얻을 수 있다. 경제적 장점 외에도, 정책 문제(전력망 신뢰성, 무기 확산 방지, 수출 가능성, 용이한 부지 확보성 등)를 해결할 수 있는 능력의 확보가 이러한 장점의 실현에 고려된다. 본 개시 내용의 특징, 장점 및 원리에 대한 더 확실한 이해는 예시적인 실시예를 설명하는 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조로 얻어질 것이며, 첨부 도면에서: 도 1은 전형적인 원자력 발전소를 도시하며; 도 2는 발전 플랜트로부터 분리된 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트를 도시하며; 도 3은 열 저장 플랜트에 결합된 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트를 도시하며; 도 4는 선택적인 보조 열 저장부를 갖는 원격 열 저장 플랜트에 결합된 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트를 도시하며; 도 5는 외부 부하에 결합된 원격 열 저장 시스템에 결합된 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트를 도시하며; 도 6은 예시적인 산업용 난방 응용예 및 요구되는 온도를 도시하며; 도 7은 다수의 열원이 공통 열 저장 및 에너지 변환 시스템을 공유하는 일부 실시예에 따른 에너지 시스템을 도시하며; 도 8은 보조 전력 시스템과 함께 다수의 열원이 공통 열 저장 및 에너지 변환 시스템을 공유하는 일부 실시예에 따른 에너지 시스템을 도시하며; 도 9는 외부 부하 및 보조 열 사용에 결합된 원격 열 저장 시스템에 결합된 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트를 도시하며; 도 10은 공통 열 저장 시스템 및 공통 동력 변환 시스템에 여러 형태의 열 에너지 발생기가 결합된 일부 실시예에 따른 하이브리드 에너지 시스템을 도시하며; 도 11은 통합 에너지 저장 블록에 의해 원자력 블록이 전력 블록으로부터 분리된 일부 실시예에 따른 에너지 시스템을 도시하며; 도 12a는 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트를 갖는 통합 에너지 시스템을 도시하며; 도 12b는 일부 실시예에 따른 시스템 아키텍처로부터 중간 열 루프가 제거된 원자력 열 플랜트를 갖는 통합 에너지 시스템을 도시하며; 도 13a는 일부 실시예에 따른 소형 열교환기의 실시예의 사시도를 도시하며; 도 13b는 일부 실시예에 따른 소형 열교환기의 실시예의 사시도를 도시하며; 도 14a는 일부 실시예에 따른 쉘 및 튜브 열교환기를 구비한 원자력 열 플랜트의 개략도를 도시하며; 도 14b는 일부 실시예에 따른 소형 열교환기를 구비한 원자력 열 플랜트의 개략도를 도시하며; 도 15는 일부 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 전력 사이클을 이용하는 통합 에너지 시스템의 개략도를 도시하며; 도 16은 외부 부하에 결합된 원격 초임계 이산화탄소 전력 사이클에 결합된 일부 실시예에 따른 원자력 열 플랜트의 개략도를 도시하며; 도 17은 원자력 열 플랜트가 열 저장 시스템 및 전력 사이클 시스템으로 열 에너지를 공급하는 일부 실시예에 따른 통합 에너지 시스템의 개략도를 도시한다. 다음의 상세한 설명은 본 명세서에 개시된 실시예들에 따라 본 개시내용에 설명된 본 발명의 특징 및 장점의 더 확실한 이해를 제공한다. 상세한 설명은 많은 특정 내용을 포함하고 있지만, 이들은 단지 예로서 제공되며 여기에 개시된 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 원자력 에너지의 비용이 중요하고 주의를 기울일 가치가 있지만, 원자력의 수익적 측면과 정책적 측면은 동등하게 초점을 맞출 가치가 있다. 원자력 비용은 고도로 규제되고 상품화된 기저 부하(baseload) 발전 시장에 진입하면서 상업적인 매력을 설명하는 데 중요한 척도가 되었다. 규제 부담을 줄이고 상업적 시장 기회를 확대하기 위한 접근 방식을 찾는 것은 보통의 비용 증가로 수익을 증가시키는 획기적인 경제적 변화의 핵심이다. 정책 문제에 대한 기술적 해법을 가능케 하는 것은 속성 시공 비용의 고려 사항에서 포착하기 어려운 전략적 가치를 가지기도 한다. 점점 더 역동적인 전력망과 통합할 수 있는 능력과 함께 이산화탄소 배출 제로와 같이 현재 과소평가된 속성을 활용하는 것은 향후 수십 년 내에 더욱 가치 있게 될 것이다. 원자력 에너지의 부하 추종(load following)에 대한 운영 비용 문제 외에도, 기저 부하 발전은 "피커(peaker)" 발전소(예를 들어, 높은 또는 최고의 수요가 있을 때에만 가동될 수 있는 발전소)와 같이 하루 종일 전기 가격이 변하기 때문에 수익 창출 능력이 없다. 변화하는 에너지 환경에서 원자력의 경쟁력을 향상시키려면, 원자력이 최대 용량으로 운전되고 전체 전력 생산 외에 시장 차익 거래(arbitrage) 기회에 접근할 수 있도록 기술 및 프로세스 혁신이 필요하다. 간헐적인 재생 에너지로 인하여 전기 가격이 생산 원가 이하로 떨어지는 시간에, 원자력 발전소는 오직 전력 수요를 부하 추종하는 대신에 대체 생산 방안을 필요로 한다. 이것은 기본적으로 간헐적 재생 에너지에 비교되는 원자력 발전소의 경쟁 우위에 대한 이해를 필요로 한다. 이러한 경쟁 우위는 에너지 생산 및 제조 프로세스에서 집중의 경제를 달성하기 위해 다른 산업 프로세스와의 공동 배치를 위한 소망과 기회로 이어진다. 풍력, 태양열 및 기타 재생 에너지와 비교할 때 원자력에 비교되는 구별되는 특징 중 하나는 전기 생산 및 열 출력 이전의 집중된 샤프트 동력(shaft power)이다. 이러한 차이점을 활용하는 것은 에너지를 더욱 효율적으로 저장하거나 다른 판매 가능한 제품을 만들기 위한 저렴한 에너지 생산 기간 동안의 경쟁 우위를 정의할 수 있다. 많은 동력 생산 시설은 열 에너지를 전기로 변환하기 위해 증기 랭킨(Rankine) 사이클에 의존한다. 회전식 발전기에서 샤프트 동력을 전기로 변환하는 것이 매우 효율적이지만