JP5538496B2

JP5538496B2 - 原子力発電所の残留熱除去システム

Info

Publication number: JP5538496B2
Application number: JP2012184054A
Authority: JP
Inventors: タエスーンクウォン，; チュルハソン，; ジューンエオンヤン，; ウォンピルベク，
Original assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Current assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: JP2013160757A; US9478318B2; FR2986654B1; FR2986654A1; CN103247356B; CN103247356A; US20130202075A1; KR101200216B1

Description

本発明は、原子力発電所の残留熱除去システムに関し、原発事故初期の残留熱の放出が多い期間は、冷却水を熱交換器に噴射したり、水に浸るようにして水の蒸発熱を利用して熱除去容量を大きくして運転し、冷却水が枯渇したり熱負荷が顕著に減少する事故後半期には、空気冷却によって炉心残留熱を除去して作動時間を大幅に延長させた水噴射及び空気冷却混合型の残留熱除去システムに関する。

加圧軽水炉型原子炉では、残留熱（ｄｅｃａｙｈｅａｔ）を冷ますために蒸気発生器を利用した残留熱除去系統が用いられる。従来の残留熱除去系統の場合、内外部要因による給水ポンプの供給電源が喪失したり、散水用の水源が枯渇する場合は、蒸気発生器補助給水を供給できない。福島原子力発電所の事故のように大災難による事故の場合、現場への接近が難しいため、原子力発電所の冷却系統電源の別途供給が難しく、熱交換器を備える水槽に冷却水を再供給することも難しい。この場合、数日以上の長期的な炉心残留熱除去が不可能となる。

即ち、従来の加圧軽水炉受動補助給水系統の場合は、熱交換器が入っている水槽に水が存在することによってのみ冷却が可能な系統である。したがって、作動時間は、電源供給持続時間と冷却槽の冷却水量によって制限を受けるという短所がある。原子力発電所が内外部要因による深刻な事故のような状況においては、道路破損や放射能汚染によって電源や冷却水の再供給などが非常に難しく、炉心残留熱除去冷却が中断されて原子炉が深刻な危険に直面し得る。

したがって、このような問題を解決するための研究が急がれている実状にある。

したがって、本発明の目的は、熱交換器の冷却のために水冷式だけでなく、大気中の循環空気によっても冷却されるため、冷却作動時間の制限なく冷却運転が可能な原子力発電所の残留熱除去システムを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、原子力発電所の事故初期には、熱交換器に冷却水を噴射して水の蒸発熱を利用したり、熱交換器を水槽に浸けた状態で熱除去運転して、残留熱の大きさが小さい事故後期（事故後８時間以後）には空気冷却方式に転換が可能な原子力発電所の残留熱除去システムを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、交流電源がなくても作動が可能で、空気を用いて熱交換器を冷却させるため、冷却水の再充水なしでも必要な時間だけ制限なく長期冷却が可能な原子力発電所の残留熱除去システムを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、空気冷却−水槽冷却間の自由な転換が可能で、熱交換器チューブが破損して放射能物質が漏れ出す事故のような状況の場合は、空気ダクトの両端の遮断バルブを全て閉じて放射能物質の外部漏出を遮断し、空気ダクトの内部の放射能物質を格納容器に放出する方法によって安全性が向上した原子力発電所の残留熱除去システムを提供することにある。

本発明による原子力発電所の残留熱除去システムは、格納容器の外部に備えた空気ダクトと、前記空気ダクトの内部に位置する熱交換器と、前記格納容器の内部の蒸気発生器で発生する蒸気を前記熱交換器に伝達する第１配管と、前記熱交換器で冷却及び凝縮された凝縮水を前記蒸気発生器に伝達する第２配管と、前記熱交換器に冷却水を供給できる冷却水供給モジュールと、を備え、前記冷却水供給モジュールを介して前記熱交換器に前記冷却水を噴射して前記熱交換器を水冷するとともに、前記空気ダクトの内部を流動する外部空気を用いて前記熱交換器を空冷することを特徴とする。

前記空気ダクトは、前記空気ダクトの一端を選択的に開閉する第１遮断バルブを備え、前記第１遮断バルブの閉鎖時に、前記冷却水供給モジュールによって前記熱交換器が浸かるように冷却水を供給して水冷する。
前記冷却水供給モジュールは、前記熱交換器より高い高度に位置して水頭差によって前記冷却水が供給されることが望ましい。

前記冷却水供給モジュールは、前記冷却水を供給する水配管と、前記水配管を開閉する水配管遮断用電源駆動バルブとを備え、前記水配管遮断用電源駆動バルブは複数備えることが望ましい。

前記空気ダクトは前記空気ダクトの両端を選択的に開閉する第１遮断バルブ及び第２遮断バルブを備え、前記第１及び第２配管は前記第１及び第２配管を選択的に開閉する第１及び第２開閉バルブユニットを備え、前記第１及び第２遮断バルブと前記第１及び第２開閉バルブユニットの閉鎖時に前記空気ダクトを前記外部空気及び前記格納容器と断絶させることを特徴とする。

前記システムは、前記空気ダクトと前記格納容器との間に連結配管をさらに備え、前記連結配管はチェックバルブ及び安全バルブを備える。

前記第１及び第２配管は、前記蒸気発生器方向に下り勾配を保持することが望ましい。

このように構成され、熱交換器の冷却のために水冷式だけでなく、大気中の循環空気によっても冷却されるため、冷却作動時間の制限なく冷却運転が可能であるという効果があり、原子力発電所の事故初期には、熱交換器に冷却水を噴射して水の蒸発熱を利用したり熱交換器を水槽に浸けた状態で熱除去運転して、残留熱の大きさが小さい事故後期（事故後８時間以後）には空気冷却方式に転換することが可能である。

また、交流電源がなくても作動が可能で、空気を用いて熱交換器を冷却させるため、冷却水の再充水なしでも必要な時間だけ制限なく長期冷却が可能であるという効果があるだけでなく、空気冷却−水槽冷却間の自由な転換が可能で、熱交換器チューブが破損して放射能物質が漏れ出す事故のような状況の場合は、空気ダクトの両端の遮断バルブを全て閉じて放射能物質の外部漏出を遮断し、空気ダクトの内部の放射能物質を空気ダクトと格納容器との間の連結配管を介して格納容器に放出し、安全性が向上する。

本発明によれば、熱交換器の冷却のために水冷式だけでなく、大気中の循環空気によっても冷却されるため、冷却作動時間の制限なく冷却運転が可能であるという効果がある。

また、原子力発電所の事故初期には、熱交換器に冷却水を噴射して水の蒸発熱を利用したり熱交換器を水槽に浸けた状態で熱除去運転して、残留熱の大きさが小さい事故後期（事故後８時間以後）には空気冷却方式に転換することが可能である。

交流電源がなくても作動が可能で、空気を用いて熱交換器を冷却させるため、冷却水の再充水なしでも必要な時間だけ制限なく長期冷却が可能であるという効果がある。

空気冷却−水槽冷却間の自由な転換が可能で、熱交換器チューブが破損して放射能物質が漏れ出す事故のような状況の場合は、空気ダクトの両端の遮断バルブを全て閉じて放射能物質の外部漏出を遮断し、空気ダクトの内部の放射能物質を空気ダクトと格納容器との間の連結配管を介して格納容器に放出し、安全性が向上する。

本発明に係る残留熱除去システムを示す概略図である。本発明の一実施形態を示す概略図である。様々な実施形態による作動形態に係る残留熱を示すグラフである。本発明に係る他の実施形態を示す概略図である。本発明に係るまた他の実施形態を示す概略図である．

以下にて、本発明に係る実施形態を添付する図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が実施形態によって制限されたり限定されることはない。各図面に提示した同一の参照符号は、同一の部材を示す。

図１は、本発明に係る残留熱除去システムを示す概略図である。ここに示すように、この残留熱除去システム１００は、空気ダクト１１０、熱交換器１２０、第１配管１３０、第２配管１４０を備えて構成される。

原子力発電システム１０は、格納容器１１の中で蒸気発生器１２などの装置を介して熱サイクルをなしながら発電する。ここで、熱サイクルの一軸をなす熱交換器１２０は、格納容器１１の外部に位置する空気ダクト１１０の中に位置する。

蒸気発生器１２と熱交換器１２０は、第１配管１３０及び第２配管１４０を介して連結され、冷媒が循環して熱サイクルを形成するように構成される。第１配管１３０及び第２配管１４０には、冷媒の流れを開閉調節するための第１及び第２開閉バルブユニット１３５，１４５が備えられる。後述するが、原子力発電の異常が発生した場合、前記開閉バルブユニット１３５，１４５を用いて配管１３０，１４０を遮断して格納容器１１の内外部間の冷媒の流出／流入がないように実現してもよい。

ここで、蒸気発生器１２から熱交換器１２０に冷媒気体などの流体が移動する第１配管は、熱交換器１２０の側に上り勾配するようにし、自然流動がなされるように構成することがよい。また、熱交換器１２０から蒸気発生器１２に流体が移動する第２配管は、蒸気発生器１２側に下り勾配するように構成することがよい。即ち、第１配管と第２配管は、互いに平行するように配置されるが、熱交換器１２０側がさらに高い位置に位置するように配置して自然流動がなされるように構成することが望ましい。

空気ダクト１１０は、管状であって、熱交換器１２０が位置する部分では、内部流動面積が縮小して空気流動時の空気の速度が増加し得るベンチュリ管状に形成される。空気ダクト１１０の両側には第１、第２遮断バルブ１１８，１１６が備えられるが、このような遮断バルブ１１８，１１６は空気ダクト１１０内の流動を許可する役割をし、詳細については後述するが、空気ダクト１１０の一側を閉鎖して、水２２０によって熱交換器１２０が浸るようにして水冷の役割を行う助けとなる。各第１、第２遮断バルブ１１８，１１６には、各々駆動モータ１１７，１１５が取付けられて遮断バルブを作動する。

冷却水供給モジュール２００は、冷却水タンク２１０と、その中に含まれる冷却水２２０とを含むが、冷却水は水配管２３０を介して冷却水タンク２１０と連結して、冷却水２２０を熱交換器１２０に噴射してもよい。これは、熱交換器１２０に冷却水２２０による冷却効果をもたらすためである。この場合、噴射される冷却水２２０及び空気ダクト１１０の内部で流動する外部空気の二重冷却効果を実現できるようになる。また、空気ダクト１１０の内部を水配管２３０を介して供給される冷却水２２０で満たして水冷方式の冷却を行ってもよい。

水配管２３０には、冷却水２２０の流れを制御するために水配管遮断用電源駆動バルブ２３５が備えられる。ここで、電源駆動バルブに電源を供給する電源は、ＤＣ専用バッテリで構成してもよく、複数で構成して故障時に予備電源が作動して安全性を担保できるように構成することがよい。また、水配管遮断用電源駆動バルブ２３５もまた複数で構成して故障時に備えることが望ましい。

空気ダクト１１０と格納容器１１の内部とを連通する連結配管１５５を備えられ、詳細については後述するが、これは空気ダクト１１０の内部の高圧の流体を格納容器１１の内部に放出するために用いられる。連結配管１５５にはバルブが備えられるが、チェックバルブであってもよく、複数備えてもよい。また、連結配管１５５は、安全バルブ１５０を備えてもよい。

以下、本発明に係るシステムの作動を説明する。

図１に示すように、空気ダクト１１０の両端を開放して外部空気が流動できるようにして熱交換器１２０を空冷してもよい。また、選択的に冷却水供給モジュール２００を用いて冷却水２２０を熱交換器１２０に噴射して水冷方式の冷却を併行してもよい。

これとは別に、図２に示すように、空気ダクト１１０の下段に位置する第１遮断バルブ１１８を閉鎖して、冷却水供給モジュール２００を用いて空気ダクト１１０の内部に冷却水２２０を供給する。熱交換器１２０は、冷却水２２０に浸ることとなり、水冷方式によって冷却されることになる。ここで、第２遮断バルブ１１６は、開放して冷却水２２０の蒸気が排出されるようにしてもよい。

それぞれの冷却方式の有用性を説明するために、図３を提示する。図３は、熱除去容量が大きい水噴射冷却後の熱除去容量が比較的小さい空気冷却方式に切り替えた時の残留熱を示すものである。約８時間を基準として冷却の目的、緊急性、効率などを考慮して適切な方式を選択的に運転できることを示すものである。また、熱除去容量が大きい熱交換器を冷却水に浸るようにして、水冷する方式も選択的に使用できることはもちろんである。事故初期には、熱交換器に冷却水を噴射して水の蒸発熱を利用したり熱交換器を水槽に浸けた状態で熱除去運転して、残留熱の大きさが小さい事故後期（事故後８時間以後）には空気冷却方式に転換が可能な熱交換器を適用して冷却時間の制限を排除する。

原発事故初期の残留熱の放出が多い期間は、冷却水を熱交換器に噴射したり、水に浸るようにして水の蒸発熱を利用して熱除去容量を大きくして運転し、冷却水が枯渇したり熱負荷が顕著に減少する事故後半期には、空気冷却によって炉心残留熱を除去して作動時間を大幅に延長させた水噴射及び空気冷却混合型システムである。このシステムを適用すれば、熱交換器の槽への冷却水の再補充なしでも残留熱の除去時間を延長させることができ、大型自然災害対処安全系統やＳＢＯ（ＳｔａｔｉｏｎＢｌａｃｋＯｕｔ）対処安全系統として適用が可能である。

図４は、本発明に係る他の実施形態を示す概略図である。

本実施形態では、第１配管１３０及び第２配管１４０に備えた第１及び第２開閉バルブユニット１３５，１４５を用いて第１配管１３０及び第２配管１４０の流動を遮断する実施形態である。このような実施形態は、熱交換器１２０などで非正常的な問題が発生する場合に、配管内の冷媒の流動を遮断するために冷媒流動を遮断する実施形態を示すものである。

図５は、本発明に係るまた他の実施形態を示す概略図である。

熱交換器１２０が破損した場合、空気ダクト１１０をその両側に備えた第１、第２遮断バルブ１１８，１１６を用いて閉鎖して、図４のように第１配管１３０及び第２配管１４０に備えた第１及び第２開閉バルブユニット１３５，１４５を用いて第１配管１３０及び第２配管１４０を遮断して放射能物質の外部漏出を防止する。また、連結配管１５５を開放して空気ダクト１１０の内部の高圧の放射能物質が格納容器１１の内部に流動するように作動する。このような場合、圧力の境界値がさらに拡張されて安全性を図れるようになる。即ち、前記連結配管１５５に備えたチェックバルブは、放射能物質が格納容器１１から熱交換器１２０に逆流しないように作動し、格納容器１１の設計圧力より低い圧力で開かれる安全バルブ１５０が設けられて、空気ダクト１１０の両端の第１及び第２遮断バルブ１１８，１１６が閉じて空気ダクト１１０の圧力が高まれば、空気ダクト１１０の内部の加圧された放射能物質が再び格納容器１１の内部に放出して放射能物質の外部流出を防止するように作動する。

また、噴射用冷却水が完全に枯渇した後は、空気ダクトの上下部の第１、２遮断バルブを完全に開放すれば、空気ダクトの下部から上部に自然循環される空気によって熱交換器の熱が除去され、この場合、別途冷却水なしでも熱交換器の放出熱が除去されるため、冷却水の補充なく続けて熱除去することができる。

１０：原子力発電システム
１００：残留熱除去システム
１１０：空気ダクト
１２０：熱交換器
１３０：第１配管
１４０：第２配管
１３５、１４５：開閉バルブユニット
２００：冷却水供給モジュール
２１０：冷却水タンク
２２０：冷却水

Claims

原子力発電所の残留熱除去システムにおいて、
格納容器の外部に備えた空気ダクトと、
前記空気ダクトの内部に位置する熱交換器と、
前記格納容器の内部の蒸気発生器で発生する蒸気を前記熱交換器に伝達する第１配管と、
前記熱交換器で冷却及び凝縮された凝縮水を前記蒸気発生器に伝達する第２配管と、
前記熱交換器に冷却水を供給できる冷却水供給モジュールと、
を備え、
前記冷却水供給モジュールを介して前記熱交換器に前記冷却水を噴射して前記熱交換器を水冷するとともに、前記空気ダクトの内部を流動する外部空気を用いて前記熱交換器を空冷することを特徴とする残留熱除去システム。
前記空気ダクトは、前記空気ダクトの一端を選択的に開閉する第１遮断バルブを備え、前記第１遮断バルブの閉鎖時に、前記冷却水供給モジュールによって前記熱交換器が浸るように冷却水を供給して水冷することを特徴とする請求項１に記載の残留熱除去システム。
前記冷却水供給モジュールは、前記熱交換器より高い高度に位置して水頭差によって前記冷却水が供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の残留熱除去システム。
前記冷却水供給モジュールは、
前記冷却水を供給する水配管と、
前記水配管を開閉する水配管遮断用電源駆動バルブと、
を備え、
前記水配管遮断用電源駆動バルブは複数であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の残留熱除去システム。
前記空気ダクトは前記空気ダクトの両端を選択的に開閉する第１遮断バルブ及び第２遮断バルブを備え、
前記第１及び第２配管は前記第１及び第２配管を選択的に開閉する第１及び第２開閉バルブユニットを備え、
前記第１及び第２遮断バルブと前記第１及び第２開閉バルブユニットの閉鎖時に前記空気ダクトを前記外部空気及び前記格納容器と断絶させることを特徴とする請求項１に記載の残留熱除去システム。
前記システムは、
前記空気ダクトと前記格納容器との間に連結配管をさらに備え、
前記連結配管はチェックバルブ及び安全バルブを備え、前記第１及び第２遮断バルブと前記第１及び第２開閉バルブユニットの閉鎖時に前記空気ダクトの内部の流体が前記格納容器の内部に放出されることを特徴とする請求項５に記載の残留熱除去システム。
前記第１及び第２配管は、前記蒸気発生器方向に下り勾配を保持することを特徴とする請求項１、請求項５、または請求項６のいずれかに記載の残留熱除去システム。