KR0180771B1 - 진공을 이용한 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 충수 및 배기방법 - Google Patents

진공을 이용한 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 충수 및 배기방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공을 이용한 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 충수 및 배기방법에 관한 것이다. 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템은 원자로(10), 증기발생기(20), 가압기(30), 원자로 냉각재펌프(40) 및 관련 배관으로 이루어진 가압경수로형 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 있어서, 원자로(10) 및 가압기(30)와 연결되어 충수 및 배기시스템의 운전시 계통수가 진공폄프(70)로 유입되는 것을 방지하기 위한 기수분리기(60); 상기한 기수분리기(60)의 출구에 연결되어 원자로 냉각재계통 내부의 공기를 제거하기 위한 유압식 진공펌프(70); 및, 상기한 진공펌프(70)의 출구에 연결되어 진공펌프(70) 운전시 발생된 기름포말을 제거하기 위한 포말제거기(80)로 구성된 진공수단(100)이 추가로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

진공을 이용한 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 충수 및 배기방법
제1(a)도 및 제1(b)도는 종래기술에 따른 가압경수로형 원자력발전소의 원자로 냉각재계통의 계통도 및 단면도이다.
제2(a)도 및 제2(b)도는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템에 대한 개략적인 구성도 및 단면도이다.
제3(a)도는 기수분리기의 상세도이며, 제3(b)도는 포말제거기의 상세도이다.
제4도는 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기방법에 대한 개략적인 단계별 흐름도이다.
제5도는 고리 3,4호기 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템을 적용한 설치구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 원자로 20 : 증기발생기
30 : 가압기 40 : 원자로 냉각재펌프
50 : 배기밸브 60 : 기수분리기
70 : 진공펌프 80 : 포말제거기
90 : 유연성호스 100 : 진공수단
본 발명은 진공을 이용한 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 충수 및 배기방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 원자력발전소 설비의 변경없이 원자로 냉각재계통에 진공장치를 부설함으로써, 가압 경수로형 원자력발전소의 기동공정중 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기를 적은 인력으로 단시간에 효과적으로 달성할 수 있는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 전기한 충수 및 배기시스템을 이용한 충수 및 배기방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가압경수로형 원자력발전소의 원자로 냉각재계통은, 제1(a)도의 계통도 및 제1(b)도의 단면도에 도시된 바와 같이, 원자로(1), 증기발생기(2), 가압기(3), 원자로 냉각재펌프(4) 및 관련 배관으로 이루어진 폐회로로 구성되어 있으며, 원자로(1)에서 핵분열로 가열된 유체는 증기발생기(2)를 거쳐 원자로 냉각재 펌프(4)에 의해 원자로(1)로 되돌아오는 순환 유로로 구성되어 있다.
이때, 계통압력은 약 157㎏/㎠이며, 압력조절은 가압기(3)에 의해 이루어진다. 또한, 증기발생기(2)는 그 내부(1차측)에는 원자로 냉각재가 흐르고, 외부에는 별도의 급수장치로 급수가 공급되며, 여기서 가열된 증기는 터빈을 구동하게 된다. 이와 같은 원자로 냉각재 유로는 발전소 규모에 따라 원자로(1)를 중심으로 2 내지 4개가 구성되어 있다.
원자력 발전소에서는 약 12 내지 18개월 주기로 원자로(1) 내부에 장전된 연료의 일부를 새 연료로 교체하게 되며, 연료를 교체한 후에는 원자로 냉각재계통은 계통배관을 기준으로 절반 정도만 물이 채워진 상태가 된다. 이러한 원자로 냉각재계통의 폐회로 내부에는 약 260톤의 경수를 채워 운전하게 되는데, 원자로 냉각재 계통의 운전조건 형성, 계통수 내의 산소농도 기준치 이하 유지, 노심 건전성 확보 및 증기발생기(2)에서의 열전달 등 제반 운전조건의 만족시키기 위해서는 반드시 충수 및 배기과정을 거쳐야 발전소를 기동할 수 있다. 즉, 원자로 냉각재계통을 정상운전 조건으로 만들기 위하여, 계통의 빈 공간을 물로 채우고 계통 내에 존재하는 공기를 제거한 다음, 계통수를 가열 및 가압하여 원자력 발전소를 재운전하게 된다.
이때, 원자력 냉각계계통을 충수 및 배기하는 과정을 구체적으로 설명하면, 첫째, 충수설비를 이용하여 계통을 완전히 물로 채우고, 둘째, 배기밸브 설치개소(5)에 투명호스를 설치하고 배기밸브를 열어 계통내에 잔류하는 공기를 제거하는 정적배기과정을 거치며, 셋째, 배기밸브 설치가 불가능한 개소인 증기발생기(2) 내부 등에 잔류하는 공기를 제거하기 위하여, 원자로 냉각재펌프(4)를 수초간 운전한 후 배기밸브(5)를 통하여 배기를 수행하는 동적배기과정을 15 내지 20회 정도 반복수행한 다음, 넷째, 배기밸브(5)에 설치된 투명호스를 통과하는 유량을 관찰하면서 투명호스를 통과하는 공기층이 거의 없을 때까지 전기한 과정을 반복수행한 후 배기밸브(5)를 닫고 다음 과정인 가열 및 가압과정을 수행하게 된다.
즉, 연료교체가 완료된 후의 원자로 냉각재계통은 계통 전체의 절반 가량만이 물이 채워진 부분충수 상태로서, 충수는 잔열제거 펌프 및 충전 펌프로 실시하게 되는데, 이때, 계통 내의 배기가 불가능한 증기발생기(2) 세관 상부 등에는 공기층이 남게 된다. 이러한 충수과정 후 계통 내에 잔류하는 공기를 제거하는 과정이 배기과정으로, 배기과정은 정적배기와 동적배기의 두 과정으로 되어 있는데, 동적배기는 원자로 냉각재펌프의 기동을 수반하게 된다.
배기과정중 정적배기과정은 계통압력을 약 10㎏/㎠까지 가압하여 계통 내의 공기를 상부측으로 모은 후, 약 3.5㎏/㎠까지 감압하여 각 부위별 배기를 수행하는 과정으로, 이 과정에 의해서는 배기밸브(5)가 설치되어 있는 기기인 원자로 압력용기(1) 및 가압기(3) 등에 대한 배기는 효과적으로 수행할 수 있으나, 배기밸브(5)의 설치가 불가능한 증기발생기(2)의 세관 부위 등은 배기를 이룰 수 없는 한계를 지닌다. 상기한 정적배기과정의 한계성을 해결하기 위하여 동적배기를 수행하게 되는데, 동적배기과정에서는 계통압력을 25㎏/㎠까지 가압하고 원자로 냉각재 유로별로 원자로 냉각재 펌프(4)를 10 내지 20초간 운전한 다음, 3.5㎏/㎠까지 계통압력을 감압하여 각 부위별로 배기를 수행하는 과정을 15 내지 20회 정도 반복수행하게 된다.
그러나, 상기한 종래 기술에 따른 원자로 냉각재계통 충수 및 배기 시스템은 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기에 장시간이 소요되어 전력생산 효율증가에 장애로 작용하였고, 소요인력 또한 과다하게 요구되며, 방사성 액체폐기물이 다량 발생할 뿐 아니라, 배기를 위한 원자로 냉각재펌프(4)의 잦은 기동 및 정지의 반복에 의해 냉각재펌프(4)의 손상을 유발하였고, 배기 밸브를 설치할 수 없는 제어봉 구동장치 연결부위 등에 대한 배기가 불가능하여 원자로 냉각재 계통의 신뢰도가 저하되며, 배기밸브(5)에 설치된 투명호스를 통과하는 공기량을 육안으로 측정하여 배기종료를 평가하였기 때문에, 배기종료에 대한 계량적 평가 및 평가결과의 개관성을 확보할 수 없다는 문제점을 지니고 있었다.
결국, 본 발명의 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단시간에 적은 인력으로 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기를 이룰 수 있고, 방사성 액체폐기물의 발생량을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 냉각재펌프의 손상을 방지하고 배기밸브를 설치할 수 없는 연결부위 등에 대한 완전배기를 이룰 수 있으며, 배기종료에 대한 계량적 평가 및 평가 결과의 개관성을 확보할 수 있는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 전기한 충수 및 배기시스템을 이용한 충수 및 배기방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템은, 원자로, 증기발생기, 가압기, 원자로 냉각재펌프 및 관련 배관으로 이루어진 가압경수로형 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 있어서, 원자로 및 가압기와 연결되어 충수 및 배기시스템의 운전시 계통수가 진공펌프로 유입되는 것을 방지하기 위한 기수분리기(water seperator); 상기한 기수분리기의 출구에 연결되어 원자로 냉각재계통 내부의 공기를 제거하기 위한 유압식 진공펌프; 및 상기한 진공펌프의 출구에 연결되어 진공펌프 운전시 발생된 기름포말(oil mist)을 제거하기 위한 포말제거기(mist eliminator)로 구성된 진공수단이 추가로 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 원자로 냉각계계통의 충수 및 배기작업시 작업의 편의성을 고려하여, 상기한 원자로 및 가압기와 기수분리기의 연결부분은 유연성 호스(flexible hose)로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 기수분리기는 물의 유입을 육안으로 직접 식별가능하도록 투명한 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 목적을 달성하는 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기방법은, 원자로 냉각재계통의 배기후에 원자로 냉각재계통에 남아 있는 잔류 공기량 허용기준을 설정하는 단계; 상기한 잔류 공기량 허용기준으로 부터 원자로 냉각재계통의 적정진공도를 산출하는 단계; 냉각재계통의 계통수의 온도를 하기 식(1)에 따라 설정하는 단계; 진공형성중 수위불균형을 일으키지 않고 증기발생기 내의 공기 방출유로를 확보하면서 가능한 한 높게 원자로 냉각재 계통의 적정수위를 설정하는 단계; 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템의 진공펌프의 용량을 하기 식(2)에 따라 산출하는 단계; 하기 식(3)에 따라 배기유로의 크기를 산출하는 단계; 상기 단계에서 산출된 데이타에 따라 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 기수분리기, 유압식 진공펌프 및 포말제거기로 구성된 진공수단을 형성하는 단계; 상기한 진공수단을 사용하여 원자로 냉각재계통의 진공형성, 충수 및 확인배기를 수행하는 단계; 및 하기 식(4)에 따라 원자로 냉각재계통의 배기종료를 평가하고 배기를 종료하는 단계를 포함한다;
이때, Q는 진공펌프 용량(ℓ/min)을 나타내고; V는 계통 체적(liter)을 나타내며; P1은 초기 압력(mmHga)을 나타내고; 및 P2는 요구 압력(mmHga)을 나타낸다.
이때, Q는 배기유량(진공펌프 토출량)을 나타내고; S는 배기관 단면적을 나타내며; T는 온도를 나타내고; 및 Ph는 계통압력을 나타낸다.
이때, L1및 L2는 가압 전후의 체적 제어탱크 수위(%)를 나타내고; P1및 P2는 가압 전후의 계통압력(㎏/㎠ a)을 나타내며; P0는 대기압(㎏/㎠ a)을 나타내고; 및 k는 단위 %당 체적제어탱크 체적(ℓ)을 나타낸다.
이하, 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제2(a)도 및 제2(b)도는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템에 대한 개략적인 구성도 및 단면도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템은 원자로(10), 증기발생기(10), 가압기(30), 원자로 냉각재펌프(40) 및 관련 배관으로 이루어진 가압경수로형 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에, 원자로(10) 및 가압기(30)와 연결되어 충수 및 배기시스템의 운전시 계통수가 진공펌프(70)로 유입되는 것을 방지하기 위한 기수분리기(60)와, 전기한 기수분리기(60)의 출구에 연결되어 원자로 냉각재계통 내부의 공기를 제거하기 위한 유압식 진공펌프(70)와, 전기한 진공펌프(70)의 출구에 연결되어 진공펌프(70) 운전시 발생된 기름포말을 제거하기 위한 포말제거기(80)로 구성된 진공수단이 추가로 형성되어 구성된다.
제2(a)도 및 제2(b)도에서, 굵은 실선 부분은 기존의 원자력 냉각재계통을 나타내고, 가는 실선은 본 발명의 진공수단을 나타낸 것으로, 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템은 기존설비를 개조 또는 변형할 필요없이, 가압기(30)와 원자로(10)의 배기밸브(50)에 진공수단을 부가함으로써 간단히 형성할 수 있다.
이때, 원자로 냉각계계통의 충수 및 배기작업시 작업의 편의성을 고려하여, 원자로(10) 및 가압기(30)와 기수분리기(60)의 연결부분(90)은 유연성 호스로 구성하며, 포말제거기(80)의 출구측은 기존설비의 배기팬 흡입구와 연결한다.
제3(a)도는 기수분리기의 상세도이며, 제3(b)도는 포말제거기의 상세도이다.
제3(a)도에 도시된 바와 같이, 기수분리기(60)의 내부에는 계통으로부터 유입되는 유도관(61)이 연장 삽입형성되고, 기수분리기(60)의 내부로 유입된 공기는 필터(62)를 거쳐 진공펌프(70) 흡입구로 유출된다. 이때, 기수분리기(60)는 물의 유입을 육안으로 직접 식별가능하도록 투명한 재질로 형성하며, 물이 유입될 경우에는 배수밸브를 열어 배수한다.
또한, 포말제거기(80)는 진공펌프(70)가 유압식이기 때문에 출구측으로 방출될 수 있는 기름포말을 제거하기 위한 것이다. 즉, 진공펌프(70) 출구측 호스는 격납용기의 배기팬 흡입구측에 연결되는데, 만일 기름포말이 유입될 경우에는 배기팬 입구측에 설치된 목탄필터(charcoal filter)의 성능 저하를 초래하기 때문에, 이를 방지하기 위하여 포말제거기(80)의 설치가 필요하게 된다.
제3(b)도에 도시된 바와 같이, 포말제거기(80)은 이중 필터로 구성되는데, 기름포말은 1.0㎛의 기공크기를 지닌 1차 필터(81)를 거친 후, 0.1㎛의 기공크기를 지닌 2차 필터(82)를 거쳐 완전히 제거된다.
이하, 상기한 본 발명의 원자로 냉각재계통충수 및 배기시스템을 이용한 원자로 냉각재계통 충수 및 배기방법을 보다 상세히 설명한다.
원자로 냉각재계통 충수 및 배기에 진공을 이용하기 위해서는, 계통 내에 존재를 허용하는 최대허용 잔류공기량, 이를 만족할 수 있는 적정 진공도, 계통수의 수위 및 온도조건 등을 평가하는 기술적 배경이 확립되어 있어야 한다.
제4도는 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기방법에 대한 개략적인 단계별 흐름도로서, 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기방법을 대한민국의 원자력발전소인 고리 3,4호기를 예로 들어 단계별로 설명한다.
1) 계통 내의 잔여공기량 허용기준 설정단계:
잔여공기량 허용기준의 설정단계는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기에 진공을 이용하기 위해서 가장 우선적으로 수행해야 할 필수적인 단계이다. 원자로 냉각재계통에 존재하는 공기의 양은 적을수록 바람직하나, 이를 완전히 제거하는 것은 현실적으로 불가능하며, 원자로 냉각재 펌프의 운전에 지장을 주지 않고 원자로 냉각재 계통수의 화학적 조건을 충족시킬 수 있으면, 최소한의 공기 존재는 허용된다고 볼 수 있다. 배기종료 후에 존재하는 일부 공기는 가압기의 시료채취관을 통한 배기, 체적제어탱크의 탈기작용 및 하이드라진 등을 사용한 화학약품 처리공정 등에 의해서 대부분 제거된다.
고리 3,4호기의 배기종료후 원자로 냉각재계통 내에 존재하는 잔류공기량의 측정결과는 하기 표 1에서 보는 바와 같이, 약 6,700ℓ 내지 11,000ℓ 정도로 나타났다. 즉, 고리 3,4호기의 경우, 6,700 내지 11,000ℓ 수준의 잔류공기량을 유지할 경우, 원자로 냉각재 펌프의 운전조건 및 계통수의 화학적 조건을 충족시킬 수 있음을 의미한다고 볼 수 있으며, 이는 계통 전체체적의 2.6 내지 4.2%에 해당한다.
따라서, 배기후에 원자로 냉각재계통에 남아있는 잔류공기량은 계통 전체체적의 5% 이하를 유지해야 하고, 적정수준은 약 3.4%(고리 3,4호기의 경우, 9,000ℓ)이며, 잔류공기량은 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하나 지나치게 낮게 유지할 경우의 계통수의 증발에 따른 문제를 고려해야 하므로, 2.5 내지 5% 사이를 유지하는 것이 보다 바람직하다.
2) 적정 진공도 산출단계 :
원자로 냉각재 계통에 진공을 형성한 후 계통을 충수하는 방법에는 2가지가 있다. 즉, 계통을 형성한 후에 계통이 충수됨에 따라 진공감소분에 대한 보상없이 계통을 충수하는 방법과, 진공을 형성한 후 계통을 충수함에 따라 감소되는 진공도를 계속 보상하여 일정 진공도를 유지하면서 충수하는 두가지 방법이 있는데, 상호 장단점은 있으나, 계통 내의 잔여 공기량을 최소화하기 위해서는 진공을 이용한 계통 충수방법으로는 후자인 진공도 보상방법을 사용하는 것이 바람직하다.
제5도는 고리 3,4호기 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템을 적용한 설치구성도를 나타낸 도면으로, 원자로 냉각재계통에 진공수단(100)을 이용하여 냉각재계통에 적정 진공이 형성되면 계통을 충수하게 되는데, 충수중에도 진공수단(100)을 계속적으로 운전하여 일정한 진공을 유지하므로, 원자로 압력용기(10) 및 가압기(30) 등 대부분의 계통 구조물은 완전한 충수가 가능하게 된다. 그러나, 증기발생기(20) 측에는 하부의 챔버(chamber) 측에 충수가 이루어진 후에는 배기유로가 형성되지 않아 증기발생기(20)의 세관 상부에는 공기층이 잔류하게 된다. 따라서, 적정 진공도를 산출하기 위한 진공도와 잔여공기량의 상관관계는 증기발생기(20)를 위주로 평가하며 된다. 고리 3,4호기의 경우, 증기발생기(20)의 1차측 체적은 1대당 27,350ℓ(참조: 제작사 메뉴얼)이며, 총 체적은 3대 x 27,350ℓ/대 = 82,050ℓ가 된다.
고리 3,4호기의 경우, 잔류공기량 유지범위인 2.5 내지 5%에 해당하는 잔류공기량은 6,562 내지 13,123ℓ이므로, 형성해야할 진공도는 61 내지 121mmHga가 되며, 타 발전소의 경우도 상기와 동일한 방법으로 계산하면 된다.
3) 원자로 냉각재 온도기준 설정단계 :
원자로 냉각재 온도는 계통수의 증발이 일어나지 않는 수준에서 결정되어야 한다. 계통수의 증발이 발생하면, 형성하고자 하는 진공도의 달성이 불가능하게 된다.
83mmHga의 진공도에 해당하는 포화온도는 약 48℃로서, 원자로 냉각재계통의 계획예방 정비종료 후, 원자로 냉각재 계통에 진공형성이 가능한 시점에서 원자로 냉각재의 온도는 일반적으로 60℃ 이하를 유지하고 있으며, 통상 30 내지 40℃를 유지한다.
계통수의 증발이 일어나지 않게 하기 위해서는 계통수의 온도를 상기한 포화온도 이하로 유지하면 되나, 보수적인 개념을 적용하여 계측기 허용오차 약 1.5%를 여유도로 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 관리해야 할 온도범위는 다음 식(1)로 정의된다:
즉, 83mmHga의 진공도를 형성할 경우, 유지해야 할 원자로 냉각재의 온도는 45℃ 이하가 되며, 어떠한 경우에도 포화온도인 48℃를 초과하면 안된다.
4) 원자로 냉각재 계통 수위의 설정단계 :
진공 형성전에 원자로 냉각재 수위의 결정은 매우 중요한 요소이다. 특히, 충수시에 진공보상을 하지 않을 경우에는 원자로 냉각재 수위는 잔류공기량에 미치는 영향이 매우 커서, 고리 3,4호기의 경우 수위가 121.25ft 이상되면, 완전진공을 형성하더라도 최대허용 잔류공기량인 14,162ℓ를 만족할 수 없는 것으로 평가되었다. 그러나, 충수시에 진공보상법을 적용하는 경우, 잔류공기량 측면보다는 진공형성시 원자로 냉각재의 수위불균형 발생 방지측면에서 검토가 필요하다.
원자로 냉각재 수위가 지나치게 높은 상태에서 계통에 진공을 형성하게 되면, 각 기기별 진공도 차이 발생으로 원자로 냉각재 수위의 부분적 불균형이 발생하게 되며, 이와 같은 현상이 심화될 경우 원자로심내의 냉각수 부족현상 및 잔열제거펌프의 흡입수두 상실 등과 같은 부작용을 일으킬 수 있다.
또한, 원자로 냉각재 고온관이 완전히 충수된 상태에서 진공을 형성할 경우, 증기발생기(20) 내에 존재하고 있던 공기가 원자로 냉각재 배관을 통해 배출되면서, 고운관 내부에서 수위 요동현상을 일으켜 이러한 수위 요동현상은 진공형성속도가 빠를수록 심화되며, 증기발생기(20)로부터 배출되는 공기가 잔열 제거펌프 입구측으로 유입될 경우, 펌프 손상의 원인이 될 수 있다. 따라서, 원자로 냉각재 수위결정에 있어 고려해야할 기본원칙은 진공형성중 수위불균형을 일으키지 않을 것과, 증기발생기(20) 내의 공기 방출유로를 확보하면서 가능한 한 수위를 높게 유지해야 한다는 것이다. 결국 원자로 냉각재의 적정수위는 고온관에 연결된 가압기(30)의 밀림관 중앙위치(고리 3,4호기의 경우, 116ft 6inch)가 최적수위가 된다.
5) 진공펌프 용량 산출단계 :
진공펌프의 용량은 계통, 체적, 진공형성시간 및 요구되는 진공도 등에 따라 변화하며, 다음 식(2)를 사용하여 산출될 수 있다:
이때, Q는 진공펌프 용량(ℓ/min)을 나타내고; V는 계통 체적(liter)을 나타내며; P1은 초기 압력(mmHga)을 나타내고; 및 P2는 요구 압력(mmHga)을 나타낸다.
6) 배기유로 크기 산출단계 :
배기유로의 크기는 다음의 개략식 (3)으로부터 산출 가능하며, 배기유로 선정의 기준이 된다:
이때, Q는 배기유량(진공펌프 토출량)을 나타내고; S는 배기관 단면적을 나타내며; T는 온도를 나타내고; 및 Ph는 계통압력을 나타낸다.
7) 진공수단 형성단계 및 원자로 냉각재계통의 진공형성, 충수 및 확인배기 수행단계:
상기 단계에서 산출된 데이타에 따라 원자력 발전소의 원자로 냉각재계통에, 제5도와 같이, 기수분리기(60), 유압식 진공펌프(70) 및 포말제거기(80)로 구성된 진공수단(100)을 형성한 다음, 진공펌프(70)를 사용하여 원자로 냉각재 계통에 진공을 형성하고 계통 충수를 수행한 후, 계통 배기를 수행한다.
8) 원자로 냉각재계통의 배기종료 평가단계 :
원자로 냉각재계통 내에 존재하는 잔류공기량을 직접 측정할 수 있는 방법은 없으므로, 원자로 냉각재계통 가압시 소요되는 물량을 공기 체적으로 역산하는 방법을 채택하였으며, 측정수단으로는 체적제어탱크의 수위변화를 다음 식(4)에 따라 대기압 상태의 공기체적으로 환산하여 계산하였다.
이때, L1및 L2는 가압 전후의 체적 제어탱크 수위(%)를 나타내고; P1및 P2는 가압 전후의 계통압력(㎏/㎠ a)을 나타내며; P0는 대기압(㎏/㎠ a)을 나타내고; 및 k는 단위 %당 체적제어탱크 체적(ℓ)(고리 3,4호기의 경우, k=77.48ℓ/%)을 나타낸다.
1회의 동적배기 실시후, 상기 식(4)에 의한 계산결과가 잔류공기량 허용기준 이내이면 원자로 냉각계 계통의 배기가 완결된 상태가 된다.
고리 원자력 발전소 4호기의 기동기간인 '95년 1월에 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템을 실제 적용하여 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기를 수행하였다. 진공펌프(70)를 3시간 43분간 가동하여 원자로 냉각재계통에 진공도가 100mmHga가 되도록 진공을 형성한 후, 2시간 47분간 계통 충수를 수행한 다음, 9시간 22분간 정적배기 1회 및 동적배기 2회의 계통 배기를 수행하였다. 즉, 진공형성시부터 계통 충수 및 배기가 완료되는데까지 순 소요시간은 18시간 45분이었으며, 진공형성으로 인한 원자로 냉각재계통의 구성설비에는 이상이 발견되지 않았다.
고리 3,4호기 운전실적을 근거로 하면, 종래기술에 따라 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기를 달성하기 위해서는 74시간의 평균 공정수행 소요시간과 72명의 평균 소요인원이 요구되고, 원자로 냉각재펌프의 초대 기동횟수는 46회, 평균 기동횟수는 22.3회이며, 94년도의 방사성 액체폐기물의 발생량은 169.92톤, 액체폐기물 처리시 열량은 전력이 1830kWh, 열량이 159x106kcal가 소요되었다.
따라서, 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템은 종래 기술에 비하여 다음과 같은 직·간접적인 효과를 지니고 있다:
1) 공정단축:
종래기술에서는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시에 공정수행에 소요되는 시간은 74시간이었으나, 본 발명에서는 소요시간은 약 19시간(18시간 45분)으로 종래기술에 비하여 약 2.3일(55시간)의 시간을 절약할 수 있으므로, 그만큼 원자력발전소의 기동시간을 단축하여 950MW급 발전소의 경우 약 52,250Mwh의 추가 전력생산이 가능하게 된다.
2) 방사성 액체폐기물 발생억제:
종래기술에서는 169.92㎥의 액체폐기물이 발생되었으나, 본 발명에서는 액체폐기물의 발생량이 13.52㎥으로 1/10로 감축이 가능하므로, 이를 처리하는데 필요한 1,800kwh의 전력과 1600Gcal의 열소비를 절감할 수 있다.
3) 원자로 냉각재펌프 부품의 손상방지:
원자로 냉각재펌프는 7,000마력의 대형기기로서, 배기목적으로 빈번한 냉각재펌프의 기동 및 정지를 반복할 경우, 밀봉장치의 손상을 유발할 수 있다. 본 발명에 따르면, 원자로 냉각재펌프의 기동횟수를 획기적으로 줄일 수 있으므로, 중요설비인 원자로 냉각재펌프의 건전성을 확보할 수 있다.
4) 원자로 냉각재 화학조건의 개선:
종래기술에서는 배기후에 원자로 냉각재계통 내에 잔류하는 공기량을 9,000ℓ 이하로 줄이기가 어려웠으나, 본 발명에서는 1/3 수준인 약 3,300리터까지 계통 내의 공기량을 줄일 수 있으므로, 하이드라진 등의 용존 산소 처리약품의 사용량을 절반 수준으로 감소시킬 수 있음은 물론, 용존산소의 처리시간을 3시간 이상 단축할 수 있다.
5) 원자로 냉각재계통내 배기불가능 부위의 완전배기:
종래기술에서는 배기밸브를 설치할 수 없는 제어봉 구동장치 연결부위 등에 대한 배기가 불가능하였으나, 본 발명에서는 완전배기가 가능하여 원자로 냉각재계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
6) 작업결과 평가수단 제공:
본 발명에서는 진공형성 중 진공도 감소를 측정하여 계통 구성설비의 누설여부를 점검할 수 있는 수단을 제공함으로써, 계통에 대한 문제점의 조기발견 및 조치를 가능하게 한다.
7) 방사선 쪼임량 최소화:
종래기술에서는 약 10개소의 배기밸브에 운전요원이 투입되어 15 내지 20회의 배기를 반복수행함으로써 방사선 쪼임량이 증가하였으나, 본 발명에서는 배기개소를 2곳으로 제한할 수 있고, 배기횟수도 1회로 줄일 수 있으므로, 운전요원의 방사선 쪼임량을 대폭적으로 줄일 수 있다.
8) 배기종료의 평가용이:
종래기술에 따른 배기종료 평가방법은 배기밸브에 설치된 투명호스를 통과하는 공기량을 육안으로 평가하는 방법을 사용하여 비계량적일 뿐만아니라, 평가자에 따라 평가결과가 달라질 수 있는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 배기종료 여부를 확인할 수 있는 수식을 사용하여 평가함으로써, 배기종료에 대한 계량적 평가 및 평가결과의 개관성을 확보할 수 있다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템과 전기한 충수 및 배기시스템을 이용한 충수 및 배기방법은 단시간에 적은 인력으로 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기를 이룰 수 있고, 방사성 액체폐기물의 발생량을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 냉각재펌프의 손상을 방지하고 배기밸브를 설치할 수 없는 연결부위 등에 대한 완전 배기를 이룰 수 있으며, 배기종료에 대한 계량적 평가 및 평가결과의 개관성을 확보할 수 있다는 것이 확인되었다.

Claims (4)

  1. 원자로(10), 증기발생기(20), 가압기(30), 원자로 냉각재펌프(40) 및 관련 배관으로 이루어진 가압경수로형 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 있어서, 원자로(10) 및 가압기(30)와 연결되어 충수 및 배기시스템의 운전시 계통수가 진공펌프(70)로 유입되는 것을 방지하기 위한 기수분리기(60); 상기한 기수분리기(60)의 출구에 연결되어 원자로 냉각재계통 내부의 공기를 제거하기 위한 유압식 진공펌프(70); 및, 상기한 진공펌프(70)의 출구에 연결되어 진공펌프(70) 운전시 발생된 기름포말을 제거하기 위한 포말제거기(80)로 구성된 진공수단(100)이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템.
  2. 제1항에 있어서, 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기작업시 작업의 편의성을 고려하여, 상기한 원자로(10) 및 가압기(30)와 기수분리기(60)의 연결부는 유연성호스(90)로 구성하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 기수분리기(60)는 물의 유입을 육안으로 직접 식별가능하도록 투명한 재질로 형성하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템.
  4. 원자로 냉각재계통의 배기후에 원자로 냉각재계통에 남아있는 잔류공기량 허용기준을 설정하는 단계; 상기한 잔류 공기량 허용기준으로 부터 원자로 냉각재계통의 적정진공도를 산출하는 단계; 냉각재계통의 계통수의 온도를 하기 식(1)에 따라 설정하는 단계; 진공형성중 수위불균형을 일으키지않고 증기발생기 내의 공기 방출유로를 확보하면서 가능한 한 높게 원자로 냉각재 계통의 적정수위를 설정하는 단계; 원자로 냉각재계통 충수 및 배기시스템의 진공펌프의 용량을 하기 식(2)에 따라 산출하는 단계; 하기 식(3)에 따라 배기유로의 크기를 산출하는 단계; 상기 단계에서 산출된 데이타에 따라 원자력발전소의 원자로 냉각재계통에 기수분리기(60), 유압식 진공펌프(70) 및 포말제거기(80)로 구성된 진공수단(100)을 형성하는 단계; 상기한 진공수단(100)을 사용하여 원자로 냉각재계통의 진공형성, 충수 및 확인배기를 수행하는 단계; 및, 하기 식(4)에 따라 원자로 냉각재계통의 배기종료를 평가하고 배기를 종료하는 단계를 포함하는 원자로 냉각재계통의 충수 및 배기방법:
    이때, Q는 진공펌프 용량(ℓ/min)을 나타내고; V는 계통 체적(liter)을 나타내며; P1은 초기 압력(mmHga)을 나타내고; 및 P2는 요구 압력(mmHga)을 나타낸다.
    이때, Q는 배기유량(진공펌프 토출량)을 나타내고; S는 배기관 단면적을 나타내며; T는 온도를 나타내고; 및 Ph는 계통압력을 나타낸다.
    이때, L1및 L2는 가압 전후의 체적 제어탱크 수위(%)를 나타내고; P1및 P2는 가압 전후의 계통압력(㎏/㎠ a)을 나타내며; P0는 대기압(㎏/㎠ a)을 나타내고; 및 k는 단위 %당 체적제어탱크 체적(ℓ)을 나타낸다.
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