JP2013057655A - 原子力発電所の被動型冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 事故発生の際に電力供給が中断されても炉心崩壊熱（または残熱）を除去するように被動型で補助給水系統で稼動できる原子力発電所の被動型冷却システムを提供する。
【解決手段】 水冷用用水が内部に貯蔵された水冷用用水貯蔵タンク；前記水冷用用水貯蔵タンクに連結され、水冷用用水が供給され、供給された水冷用用水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生部；前記蒸気発生部に連結され、前記水冷用用水貯蔵タンクの内部に備えられた水冷式熱交換部；及び前記蒸気発生部に連結され、前記水冷用用水貯蔵タンクの外部に備えられた空冷式熱交換部；を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は原子力発電所の被動型冷却システムに係り、より詳しくは原子力発電所の事故発生の際に自然循環方式の炉心冷却に必要な二次系統熱除去方法を被動型装置で具現した冷却システムに関する。

原子力発電所において、原子炉の安全性確保に重要な系統として補助給水系統がある。

補助給水系統は主給水系統の運転が不可能な場合、蒸気発生器（ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の水位を維持し、原子炉冷却系統が高温待機状態から停止状態に切り替えるように蒸気発生器の水位を維持するようにする。

原子力発電所で事故が発生すれば、炉心に装填された核燃料の冷却のために、二次系統である蒸気発生器によって崩壊熱（または残熱）を除去することができる。

従来には、凝縮水貯蔵タンク（ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ）と補助給水ポンプ（ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｆｅｅｄｗａｔｅｒ
ｐｕｍｐ）を用いて蒸気発生器による熱除去機能を遂行する。ポンプを用いた給水システムは電源を必要とし、電源が供給できない場合には、給水系統の運転は不可能である。

このような従来技術による原子力発電所の冷却システムが特許文献１（２００２．０５．１８公開）に開示されている。

従来技術による冷却システムで蒸気発生器に給水して冷却させれば、一次系統を介して伝達された炉心崩壊熱（または残熱）が蒸気発生器で除去される。

しかし、このような従来の原子力発電所の冷却システムは電力供給によってだけ稼動できる能動型であるため、事故発生の際に電力供給が中断される場合には稼動できなくなるという問題点がある。

大韓民国公開特許第２００２−００３７１０５号明細書

したがって、本発明の目的は、事故発生の際に電力供給が中断されても炉心崩壊熱（または残熱）を除去するように被動型で補助給水系統で稼動できる原子力発電所の被動型冷却システムを提供することである。

前記目的は、本発明によって、水冷用用水が内部に貯蔵された水冷用用水貯蔵タンク；前記水冷用用水貯蔵タンクに連結され、水冷用用水が供給され、供給された水冷用用水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生部；前記蒸気発生部に連結され、前記水冷用用水貯蔵タンクの内部に備えられた水冷式熱交換部；及び前記蒸気発生部に連結され、前記水冷用用水貯蔵タンクの外部に備えられた空冷式熱交換部；を含む原子力発電所の被動型冷却システムによって達成される。

水冷用用水と蒸気の循環流動が自重と対流によって連続することができるように、前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部は前記蒸気発生部より上部に配置する。

前記原子力発電所の被動型冷却システムは、前記空冷式熱交換部が内部に備えられた冷却塔をさらに含むことができる。

前記冷却塔の内部には前記水冷用用水貯蔵タンクが備えられ、前記水冷用用水貯蔵タンクの内部には前記水冷式熱交換部が備えられ、前記空冷式熱交換部は前記冷却塔の内部において前記水冷用用水貯蔵タンクの外部に備えられる。

前記冷却塔の下部には外部の空気が流入することができるように外気流入口を形成する。

前記原子力発電所の被動型冷却システムは、前記蒸気発生部の上部と前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部の上部を連結するように備えられた蒸気管と、前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部の下部と前記蒸気発生部の下部を連結するように備えられた給水管とをさらに含むことができる。

前記原子力発電所の被動型冷却システムは、前記蒸気発生部で発生する蒸気が前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部に流量調節されて流入することができるように、前記蒸気管が分岐される地点に備えられた分岐バルブと、前記蒸気管において前記分岐バルブを過ぎた地点に備えられた開閉バルブとをさらに含むことができる。

本発明によれば、事故発生の際に電力供給が中断されても炉心崩壊熱（または残熱）を冷却させるように原子力発電所の冷却システムが被動型で補助給水系統の二次系統で稼動できる。

また、既存のＰＡＦＳ（Ｐａｓｓｉｖｅ
Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｆｅｅｄｗａｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ：被動型補助給水システム）の欠点である冷却水の枯渇の際に冷却が中断される問題を解決し、空冷による恒久的な冷却が可能であり、水冷だけで構成されたときの熱衝撃問題を緩和することができる。冷却を空冷と水冷に分けてなすことができるので、水冷式熱交換部と水冷用用水貯蔵タンクの大きさを減らすことができる。すなわち、熱が多く発生する事故の初期には冷却容量の大きな水冷式熱交換部と空冷式熱交換部を一緒に用いて冷却を遂行し（水冷式熱交換部の大きさは既存のＰＡＦＳに比べて減少することができる）、水冷式熱交換部の冷却水が暖められる事故中盤、後半の後には空冷を用いて冷却を遂行することができる。

本発明の一実施例による原子力発電所の被動型冷却システムの構成図である。 本発明の他の実施例による原子力発電所の被動型冷却システムの構成図である。 本発明のさらに他の実施例による原子力発電所の被動型冷却システムの構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。

本発明による加圧軽水炉型原子力発電所の冷却システム１００は、図１に示すように、加圧軽水炉、加圧重水炉、沸騰軽水炉、沸騰重水炉などのような原子炉の安全性確保に重要な系統で、一次系統（原子炉−高温管−蒸気発生器−冷却材ポンプ−低温管−原子炉）でない一次系統に連結された蒸気発生器を介してタービンに連結される系統である二次系統（蒸気発生器−蒸気管−高温タービン−低温タービン−復水器−給水管−蒸気発生器）に適用されるものであり、二次系統の熱を水と交換する水冷部と二次系統の熱を空気と交換する空冷部に大別され、より具体的には、水冷用用水１０が内部に貯蔵された水冷用用水貯蔵タンク１１０と、水冷用用水貯蔵タンク１１０に連結され、水冷用用水１０が供給され、供給された水冷用用水１０を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生部１２０と、蒸気発生部１２０に連結され、水冷用用水貯蔵タンク１１０の内部に備えられた水冷式熱交換部１３１と、蒸気発生部１２０に連結され、水冷用用水貯蔵タンク１１０の外部に備えられた空冷式熱交換部１３３とを含む。

したがって、非常時に二次系統を冷却させれば炉心内の崩壊熱（または残熱）を除去することができる。より具体的には、蒸気発生部１２０で蒸気が発生するにつれて、蒸気発生部１２０の上部には軽い蒸気が排出されて熱交換部１３１に流入し、熱交換部１３１を経ながら蒸気が冷却凝縮して蒸気発生部１２０の下部に再流入するときには水の状態で再流入するので、事故発生の際に電力供給が中断されても炉心崩壊熱（または残熱）を冷却させるように原子力発電所の冷却システム１００がポンプなどの構成がなくても被動型で二次系統で稼動できる。

また、本発明による原子力発電所の被動型冷却システム１００は、図１に示すように、蒸気発生部１２０の上部と水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３の上部を連結するように備えられた蒸気管１４０と、水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３の下部と蒸気発生部１２０の下部を連結するように備えられた給水管１２５と、蒸気発生部１２０で発生する蒸気が水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３に流量調節されて流入することができるように蒸気管１４０が分岐される地点に備えられた分岐バルブ１４５と、蒸気管１４０において分岐バルブ１４５を過ぎた地点に備えられた開閉バルブ１４７とをさらに含むことが好ましい。

これにより、水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３から水冷用用水１０が給水管１２５を通じて蒸気発生部１２０に再流入して回収されることができ、蒸気発生部１２０から蒸気管１４０を通じて水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３に流入することができ、分岐バルブ１４５及び開閉バルブ１４７によって水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３への蒸気供給が選択的に開閉できる。

本発明の一実施例として、給水管１２５は水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３の上部にそれぞれ備えられ、蒸気管１４０は水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３の下部にそれぞれ備えられることが好ましい。

分岐バルブ１４５の調節（水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３への蒸気流路調節）は制御部（図示せず）により冷却熱容量によって自動的に計算されて遂行されるか、水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３の熱除去容量によって変更されることができ、そうではない場合には、オペレータが直接操作することもできる。この際、蒸気発生部１２０の水位はいつも一定に維持されるように制御することが好ましい。

本発明の一実施例として、図１に示すように、水冷用用水１０と蒸気の循環流動が自重と対流によって被動型で連続することができるように、水冷式熱交換部１３１及び空冷式熱交換部１３３は蒸気発生部１２０より上部に配置されることが好ましい。

これにより、蒸気は軽くて水は重い性質を用いた自然対流及び重力によって水冷用用水１０と蒸気の循環流動が電力のような付加の動力がなくても被動型で連続することができる。

一方、水冷用用水貯蔵タンク１１０には、外部から水冷用用水１０を供給することができるように備えられた水冷用水供給管１１１と、内部の水冷用用水１０を外部に排出するように備えられた水冷用水取出管１１３が備えられることが好ましい。

これにより、水冷式熱交換器１３１及び空冷式熱交換器１３３が水冷用用水貯蔵タンク１１０の内部と外部に一緒に備えられることにより、既存のＰＡＦＳ（被動型補助給水システム）の欠点である冷却水の枯渇時に冷却が中断される問題を解決し、空冷による恒久的な冷却が可能であり、水冷だけで構成されたときの熱衝撃問題を緩和することができる。また、冷却を空冷と水冷に分けて行うことができるので、水冷式熱交換部と水冷用用水貯蔵タンクの大きさを減らすことができる。すなわち、熱が多く発生する事故初期には冷却容量が大きい水冷式熱交換部と空冷式熱交換部を一緒に用いて冷却を遂行し（水冷式熱交換部の大きさは既存のＰＡＦＳに比べて減少することができる）、水冷式熱交換部の冷却水が暖められる事故中盤、後半の後には空冷で冷却を遂行することができる。

一方、図２及び図３に示すように、本発明の他の実施例による原子力発電所の被動型冷却システム１００は、空冷式熱交換部１３３が内部に備えられた冷却塔１５０をさらに設けることができる。

これにより、冷却塔１５０は空冷式熱交換部１３３の設置場所を提供し、大気圧差によって下部から空気が上部に上昇する現象を用いて空冷の熱交換効率を高めることができる。

冷却塔１５０の下部には外部の空気が冷却塔１５０の内部に自然流入することができるように外気流入口１５１が形成されることが好ましい。

これにより、冷却塔１５０の内部に外気が流入することで空冷式熱交換器１３３の熱交換効率を高めることができる。

蒸気発生部１２０の熱を冷やすこの過程は、蒸気発生部１２０内の給水の気化−対流−上昇−水空冷熱交換部１３１、１３３での冷却−凝縮−重力下降−給水供給−気化のサイクルで構成される。したがって、ポンプなどを用いた流動発生装置が必要でなく、よって器機稼動エネルギーの供給が必要でない。大気と水冷用水との熱交換によって冷却がなされる被動型冷却システム１００が具現される。水冷と空冷は互いに補完関係であり、それぞれの熱交換容量の限界のため大きさが大きくなる問題を水冷式熱交換部１３１の導入で解決することができ、水冷式熱交換部１３１だけで構成されたとき、水冷用水が蒸発した後に冷却が中断される問題を解決し、水冷式熱交換部１３１だけで構成されたとき、冷却容量のために大きさが大きくなって冷却初盤に急冷されて配管に熱衝撃が加わる問題を空冷と水冷の共存で熱冷却性能を調節して解決することができる。

本発明は蒸気発生部１２０が設置されている原電にはいずれにも適用可能であり、蒸気発生部１２０が炉心に直接連結されているか間接連結されているかあるいは別に存在するかにかかわらずいずれにも適用できる。

一方、図３に示すように、本発明のさらに他の実施例として、冷却塔１５０の内部には水冷用用水貯蔵タンク１１０が備えられ、水冷用用水貯蔵タンク１１０の内部には水冷式熱交換部１３１が備えられ、空冷式熱交換部１３３は冷却塔１５０の内部において水冷用用水貯蔵タンク１１０の外部に備えられることが好ましい。

炉心で生成された熱は一次系統を通じて蒸気発生部１２０に伝達され、蒸気発生部１２０で熱交換されることで二次系統に熱が伝達される。

蒸気発生部１２０の内部には給水が満たされており、この給水された水が伝達された炉心の熱によって加熱されて蒸気に気化する。

気化された蒸気は蒸気発生部１２０の上部に設置された蒸気管１４０に沿って流動し、蒸気管１４０が分岐される地点には分岐バルブ１４５が備えられることで、蒸気が空冷式熱交換部１３３及び水冷式熱交換部１３１の中で少なくとも一つに供給されるように流路を調節する。一方、水冷式熱交換部１３１に供給された蒸気は水冷用用水１０が満たされている水冷用用水貯蔵タンク１１０の内部に設置された水冷式熱交換部１３１を通過し、このように水冷式熱交換部１３１を通過する過程で蒸気は水冷用用水１０と熱交換することになる。熱交換過程で凝縮した蒸気は重力によって下降して水冷式熱交換部１３１の下部に連結された給水管１２５に沿って蒸気発生部１２０に再流入して回収される。一方、空冷式熱交換部１３３に供給された蒸気は大気と熱交換する空冷式熱交換部１３３を通過しながら大気と熱交換することになる。熱交換過程で凝縮した蒸気は重力によって下降して空冷式熱交換部１３３の下部に連結された給水管１２５に沿って蒸気発生部１２０に再流入して回収される。この過程は自然対流−凝縮−重力下降でなるので、水冷式熱交換部１３１と空冷式熱交換部１３３は蒸気発生部１２０より上部に設置されることが好ましい。

空冷の効率を高めるために、空冷空間が別に設置されることができる。例えば、冷却塔１５０形態の空冷空間が導入されることができる。冷却塔１５０は上部と下部が開放した形態に構成され、冷却塔１５０の内部には空冷式熱交換部１３３が設置される。冷却塔１５０構造物の高さによる気圧差によって下部からで流入した空気が上部に上昇する。よって、内部に設置された空冷式熱交換部１３３の表面に空気が接触して空冷の効率を高めることができる。

このように、本発明によれば、事故発生の際に電力供給が中断されても炉心崩壊熱（または残熱）を除去するように原子力発電所の冷却システム１００が被動型で稼動できる。

本発明は、原子力発電所の事故発生の際に自然循環方式の炉心冷却に必要な二次系統熱除去方法を被動型装置で具現した冷却システムに適用可能である。

１１０ 水冷用用水貯蔵タンク
１２０ 蒸気発生部
１２５ 給水管
１３１ 水冷式熱交換部
１３３ 空冷式熱交換部
１４０ 蒸気管
１４５ バルブ
１５０ 冷却塔
１５１ 外気流入口

Claims (7)

1. 水冷用用水が内部に貯蔵された水冷用用水貯蔵タンク；
   前記水冷用用水貯蔵タンクに連結され、水冷用用水が供給され、供給された水冷用用水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生部；
   前記蒸気発生部に連結され、前記水冷用用水貯蔵タンクの内部に備えられた水冷式熱交換部；及び
   前記蒸気発生部に連結され、前記水冷用用水貯蔵タンクの外部に備えられた空冷式熱交換部；
   を含むことを特徴とする、原子力発電所の被動型冷却システム。
2. 水冷用用水と蒸気の循環流動が自重と対流によって連続することができるように、前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部は前記蒸気発生部より上部に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の原子力発電所の被動型冷却システム。
3. 前記空冷式熱交換部が内部に備えられた冷却塔をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の原子力発電所の被動型冷却システム。
4. 前記冷却塔の内部には前記水冷用用水貯蔵タンクが備えられ、前記水冷用用水貯蔵タンクの内部には前記水冷式熱交換部が備えられ、前記空冷式熱交換部は前記冷却塔の内部において前記水冷用用水貯蔵タンクの外部に備えられることを特徴とする、請求項３に記載の原子力発電所の被動型冷却システム。
5. 前記冷却塔の下部には外部の空気が流入することができるように外気流入口が形成されることを特徴とする、請求項３または４に記載の原子力発電所の被動型冷却システム。
6. 前記蒸気発生部の上部と前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部の上部を連結するように備えられた蒸気管と、前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部の下部と前記蒸気発生部の下部を連結するように備えられた給水管とをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の原子力発電所の被動型冷却システム。
7. 前記蒸気発生部で発生する蒸気が前記水冷式熱交換部及び前記空冷式熱交換部に流量調節されて流入することができるように、前記蒸気管が分岐される地点に備えられた分岐バルブと、前記蒸気管において前記分岐バルブを過ぎた地点に備えられた開閉バルブとをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の原子力発電所の被動型冷却システム。

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