KR100238459B1 - 가압경수로의콘크리트격납용기용피동격납용기냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가압경수로의 콘크리트 격납용기용 피동 격납용기 냉각시스템에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 가압경수로의 과도상태시 또는 가압경수로의 냉각재 상실사고시 발생된 열에 의한 콘크리트 격납용기 내부의 압력 및 온도상승을 열사이펀(thermosyphon)과 내부 증기응축기를 이용하여 효과적으로 저하시킬 수 있는 피동 격납용기 냉각시스템에 관한 것이다. 본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 콘크리트 격납용기(10) 내부에 설치되어 증기를 응축하기 위한 내부 증기응축기(1)와, 격납용기(10)의 외부에 설치되어 라이저(2)를 통해 상승된 냉각수를 직접접촉에 의해 응축시키기 위한 외부 증기응축풀(3)과, 전기한 내부 증기응축기(1)내의 냉각수로 전달된 열에 의해 온도가 상승된 냉각수가 부력에 의해 증기응축풀(3)로 상승하도록 하는 경로를 제공하기 위한 라이저(2) 및 전기한 증기응축풀(3)의 하단에 설치되어 냉각수를 전기한 내부 증기응축기(1)로 공급하기 위한 다운카머(4)로 구성된 열사이펀; 및, 압출질소가스 저장조(5)로 부터 구동밸브(7)의 작동에 따라 방출된 질소가스에 의해 격납용기(10) 내로 냉각수를 살수시키기 위한 냉각수 저장조(8) 및 살수기(9)로 구성된 피동 살수장치로 이루어진다.

Description

가압경수로의 콘크리트 격납용기용 피동 격납용기 냉각시스템

제 1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 피동 격납용기 냉각시스템에 대한 개략적인 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 내부 증기응축기 2 : 라이저

3 : 외부 증기응축풀 4 : 다운카머

5,5' : 압축질소가스 저장조 6 : 기포유입밸브

7 : 구동밸브 8 : 냉각수 저장조

9 : 살수기 10 : 콘크리트 격납용기

본 발명은 가압경수로의 콘크리트 격납용기용 피동 격납용기 냉각시스템에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 가압경수로의 과도상태시 또는 가압경수로의 냉각재 상실사고시 발생된 열에 의한 콘크리트 격납용기 내부의 압력 및 온도상승을 열사이펀(thermosyphon)과 내부 증기응축기를 이용하여 효과적으로 저하시킬 수 있는 피동 격납용기 냉각시스템에 관한 것이다.

전세계적으로 화석에너지가 고갈됨에 따라, 주요한 에너지원으로서 원자력발전의 중대성이 날로 증가하고 있으나, 원자력발전은 방사능 유출등에 의한 대형사고의 유발가능성을 지니고 있으므로, 원자력발전소(nuclear power plant)의 안전성에 대한 불안감 또한 고조되고 있는 실정이다.

따라서, 원자력발전소의 안전성 향상을 위한 노력이 전세계적으로 활발히 진행되어 왔으며, 이를 바탕으로 안전성이 획기적으로 향상된 차세대 원자로(next generation reactor)의 개발이 이루어지고 있다.

특히, 원자력발전소에 사용되는 원자로 중 가압경수로(pressurized water reactor, PWR)에 대한 차세대 원자로는 크게 개량형(evolutionary type)과 피동형(passive type)으로 나눌 수 있는데, 개량형은 기존의 경수로 설계를 거의 그대로 유지하면서 일부분의 설계를 개선한 원자로로서 계통 및 기기의 신뢰도 향상과 인간과의 접속부에 대한 설계개선에 중점을 두고 개발되었다. 한편, 피동형은 원자력발전소의 안전성이 외부의 동력공급을 필요로 하는 능동적(active) 기기에 의존하는 기존의 경수로와는 달리, 원자력발전소의 안전성이 자연현상에 의한 피동적(passive) 수단에 의존하도록 설계된 원자로로서, 전기한 피동형 가압경수로는 피동적 수단을 이용함으로써 원자로 계통의 단순화를 이룰 수 있는 동시에, 대중의 선호(public acceptance)측면에서도 매우 유리하다는 장점을 지니고 있다.

전기한 피동형 가압경수로의 대표적인 형태로는 미국의 웨스팅하우스(Westinghouse)사를 중심으로 개발되고 있는 AP600 모델을 예로 들 수 있는데, 전기한 AP600 가압경수로에서는 다음과 같은 피동 안전기기를 채택하고 있다: 첫째는, 노심냉각계통인 비상 노심냉각계통(emergency core cooling system: ECCS)으로 종래의 능동 안전주입계통(active safety injection system) 대신에 피동 안전주입계통(passive safety injection system)을 도입함으로써 냉각재 상실사고에 대처할 수 있도록 형성하였으며, 둘째로, 그 이외의 원자력발전소의 과도상태에 대처할 수 있도록 피동잔열제거계통(passive residual heat removal system)을 채택하였다. 또한 원자력발전소의 사고발생시 또는 과도상태시에는 노심으로 부터 발생되는 열이 격납용기 내의 압력 및 온도를 상승시켜 원자로 및 원자로의 냉각계통을 둘러싸고 있는 격납용기의 건전성을 위협하게 되는데, 이를 방지하기 위하여 기존의 원자력발전소에서 사용되는 펌프 등의 능동기기를 이용한 살수계통 및 팬을 사용하는 냉각계통 대신에, 철제 격납용기 및 피동 격납용기 냉각계통을 설치하여 사용하였다[참조: R. M. Kemper et al, Nucl. Tech., 91:118-128(1990); T. van de Venne, Int'1 Conf. on Designing and Safety of Advanced Nuclear Power Plants, 10.1-1 - 10.1-7; K. M. Vieorw et al., Int'l Conf. on Designing and Safety of Advanced Nuclear Power Plants, 31.2-1 - 31.2-7].

전기한 종래의 피동형 가압경수로에 사용된 냉각시스템은 원자력발전소의 사고발생시 격납용기 내의 열을 철제 격납용기를 통한 전도에 의해 외부로 전달하여, 격납용기 내의 온도 및 압력을 설계치 이하로 유지하도록 하였다. 이때, 격납용기의 벽을 통해 외부로 전달된 열은 격납용기의 외부상단에 설치된 피동 격납용기 냉각수 저장탱크에서 살수된 물과 대기로 부터의 공기에 의한 자연대류에 의해서 제거되게 된다.

한편, 유럽공개특허 EP 393,805 A호에도 철제 격납용기를 사용하여 대류 및 전도 등의 열전달현상을 이용함으로써, 가압경수로 내의 온도 및 압력을 설계치 이하로 낮출 수 있는 격납용기 냉각시스템에 대하여 개시되어 있다.

현재, 웨스팅하우스와 일본의 전력회사들은 AP600의 설계를 중심으로 하여 원자로의 용량을 1,000MWe 내지 1,300MWe까지 증가시킨 대용량의 피동형 가압경수로(SPWR)의 설계를 추진중에 있는데, 1,000MWe 이상의 대용량을 지닌 전력생산설비가 요구되는 우리나라의 실정을 감안해 볼 때 전기한 피동형 가압경수로는 바람직한 차세대 원자로의 한 형태로 고려될 수 있다.

그러나, 전기한 종래의 피동형 가압경수로에 사용된 냉각시스템은 대형의 철제 격납용기의 설치를 필요로 하므로, 대용량의 원자력발전소에 대하여는 재료의 특성상 낮은 설계압력과 구조적인 문제점 때문에 효과적으로 사용될 수 없다는 문제점을 지니고 있었다. 특히, 현재 우리나라에서 추진중에 있는 가압경수로인 한국표준 원자력발전소(Korean Standard Nuclear Power Plant: KSNPP)를 비롯한 여러 국가의 원자력발전소에서는 격납용기로 콘크리트 격납용기를 채택하고 있는데, 콘크리트 격납용기의 경우에는 재료의 특성상 열전도계수가 철에 비해 현저히 낮으므로 전기한 종래의 냉각시스템은 현실적으로 사용이 불가능하다는 한계를 지니고 있었다.

이를 해결하기 위하여, 콘크리트 격납용기에 적합할 것으로 기대되는 증기응축풀(condensing pool)을 이용하여 원자력발전소의 사고발생시 격납용기 내의 증가된 압력을 증기로 직접 방출시켜 격납용기 외부에 설치된 증기응축풀에서 응축시킴으로써, 격납용기 내부의 압력을 설계압력 이하로 유지할 수 있는 피동 격납용기 냉각시스템이 일부에서 개념적으로 설계된 적이 있으나, 전기한 종래의 냉각시스템은 직접적인 증기응축을 사용하므로 냉각효율이 증대될 수 있는 반면에, 증기응축풀 내부의 압력을 낮추기 위해서는 격납용기 외부로의 여과배기가 필수적으로 요구되므로, 작은 양이지만 방사성 물질이 외부로 유출될 수 있다는 결정적인 문제점을 지니고 있었다.

따라서, 대용량의 피동형 가압경수로의 과도상태시 또는 가압경수로의 냉각재 상실사고시 발생된 열에 의한 콘크리트 격납용기 내부의 압력 및 온도상승을 효과적으로 저하시킬 수 있도록 콘크리트 격납용기에 적합한 피동 격납용기 냉각시스템의 개발이 끊임없이 요구되어 왔다.

결국, 본 발명은 콘크리트 격납용기를 채택하고 있는 피동형 가압경수로형 원자력발전소의 안전성 및 격납용기의 건전성을 확보하기 위하여, 대용량의 피동형 가압경수로의 과도상태시 또는 가압경수로의 냉각재 상실사고시 발생된 열에 의한 콘크리트 격납용기 내부의 압력상승을 효과적으로 저하시킬 수 있는 피동 격납용기 냉각시스템을 제공함에 있다.

본 발명자들은 피동 살수계통의 채용과 동시에 응축기를 통하여 격납용기 내의 증기를 응축하고 전기한 증기응축과정에서 발생된 열을 열사이펀을 통해 격납용기의 외부로 방출할 수 있는 피동 격납용기 냉각시스템을 사용함으로써, 대용량의 피동형 가압경수로의 과도상태시 또는 가압경수로의 냉각재 상실사고시 발생된 열에 의한 콘크리트 격납용기 내부의 압력상승을 효과적으로 저하시킬 수 있다는 것을 발견하고, 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

전기한 목적을 달성하는 본 발명의 가압경수로 콘크리트 격납용기용 피동 격납용기 냉각시스템은, 콘크리트 격납용기 내부에 설치되어 증기를 응축하기 위한 내부 증기응축기와, 격납용기의 외부에 설치되어 라이저(riser)를 통해 상승된 냉각수를 직접접촉에 의해 응축시키기 위한 외부 증기응축풀과, 전기한 내부 증기응축기 내의 냉각수로 전달된 열에 의해 온도가 상승된 냉각수가 부력에 의해 증기응축풀로 상승하도록 하는 경로를 제공하기 위한 라이저 및 전기한 증기응축풀의 하단에 설치되어 냉각수를 전기한 내부 증기응축기로 공급하기 위한 다운카머(downcomer)로 구성된 열사이펀; 및, 압출질소가스 저장조로 부터 구동밸브의 작동에 따라 방출된 질소가스에 의해 격납용기 내로 냉각수를 살수시키기 위한 냉각수 저장조 및 살수기로 구성된 피동 살수장치로 이루어진다.

이때, 전기한 피동 격납용기 냉각시스템에는 전기한 라이저 내에서 냉각수의 자연순환이 원활히 이루어질 수 있도록, 라이저 내로 기포를 공급하기 위한 압축질소가스 저장조 및 기포유입밸브가 추가로 포함될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 피동 격납용기 냉각시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

제 1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압경수로 콘크리트 격납용기 피동 격납용기 냉각시스템에 대한 개략적인 구성도이다.

제 1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 콘크리트 격납용기(10) 내부에 설치되어 증기를 응축하기 위한 내부 증기응축기(1)와, 격납용기(10)의 외부에 설치되어 라이저(2)를 통해 상승된 냉각수를 직접접촉에 의해 응축시키기 위한 외부 증기응축풀(3)과, 전기한 내부증기응축기(1) 내의 냉각수로 전달된 열에 의해 온도가 상승된 냉각수가 부력에 의해 증기응축풀(3)로 상승하도록 하는 경로를 제공하기 위한 라이저(2) 및 전기한 증기응축풀(3)의 하단에 설치되어 냉각수를 전기한 내부 증기응축기(1)로 공급하기 위한 다운카머(4)로 구성된 열사이펀이 형성되며, 전기한 라이저(2) 내에서 냉각수의 자연순환이 원활히 이루어질 수 있도록 라이저(2) 내로 기포를 공급하기 위한 압축질소가스 저장조(5') 및 기포유입밸브(6)가 형성된다.

또한, 격납용기 내의 효율적인 감압을 위하여, 압출질소가스 저장조(5)로 부터 구동밸브(7)의 작동에 따라 방출된 질소가스에 의해 격납용기(10)내로 냉각수를 살수시키기 위한 냉각수 저장조(8) 및 살수기(9)로 구성된 피동 살수장치가 형성된다. 이때, 전기한 압축질소가스 저장조(5,5')는 600psia 이상의 압력을 지닌 질소가스가 저장된 저장조를 사용한다.

본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템에서는, 가압경수로의 사고발생시 콘크리트 격납용기(10) 내의 증기는 내부 증기응축기(1)와의 접촉에 의해 응축되면서 증기에 포함된 열은 내부 증기응축기(1) 내부의 냉각수로 전달되게 된다. 전기한 과정에 따라 내부 증기응축기(1) 내의 냉각수로 전달된 열에 의해 온도가 상승된 냉각수는 부력에 의해 라이저(2)를 따라 증기응축풀(3)로 상승하게 된다. 이때, 압축질소가스 저장조(5')에 연결된 기포유입밸브(6)를 개방하게 되면, 라이저(2) 내부의 냉각수에 기포가 발생하여 라이저(2) 내에서의 냉각수의 자연순환이 촉진되게 된다.

전기한 과정에 의해 라이저(2)를 따라 상승된 고온의 냉각수는 격납용기(10)의 외부에 설치된 외부 증기응축풀(3)로 유입되어 전기한 증기응축풀(3) 내의 저온 냉각수와 직접접촉하여 냉각되게 되고, 증기응축풀(3) 내의 냉각수는 증기응축풀(3)의 하단에 설치된 다운카머(4)를 통하여 다시 내부 증기응축기(1)로 환원되게 된다.

만일, 전술한 열 사이펀에 의한 냉각과정을 거친 후에도 콘크리트 격납용기(10) 내의 압력이 계속적으로 상승되는 경우에는, 압출질소가스 저장조(5)에 연결된 구동밸브(7)를 개방시켜 고압의 질소가스가 냉각수 저장조(8)로 유동되도록 하고, 냉각수 저장조(8) 내부의 냉각수가 콘크리트 격납용기(10)의 내부에 설치된 살수기(9)를 통하여 격납용기(10) 내로 살수되도록 함으로써, 콘크리트 격납용기(1) 내의 압력 및 온도상승을 효과적으로 낮출 수 있게 된다.

본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 원자력발전소가 정상적으로 운전되는 경우에는 작동되지 않으나, 가압경수로의 냉각재 상실사고 및 과동상태 등과 같이 격납용기 내의 압력과 온도를 상승시키는 사고가 발생하게 되면, 내부 증기응축기(1) 내의 냉각수와 콘크리트 격납용기(10) 내의 수증기의 온도차에 의한 열사이펀 현상에 따라 자동적으로 작동하게 된다.

본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 자연순환에 의해 격납용기내의 열 제거를 수행하기 때문에, 작동초기에는 원하는 유량이 원활히 형성되지 않을 수 있으나, 사고발생시 압축질소가스 저장조(5')에 연결된 기포유입밸브(6)를 개방함으로써, 라이저(2) 내부의 냉각수에 기포를 발생시켜 라이저(2) 내에서의 냉각수의 자연순환을 촉진시키게 된다.

또한, 본 발명의 피동 살수장치는 약 600psia 정도의 압축질소가스가 저장된 압축질소가스 저장조(5)와 콘크리트 격납용기(10) 내의 압력차에 따른 구동력에 의해 피동적으로 구동되며, 본 발명의 피동 살수장치는 직접 접촉응축의 메카니즘을 사용하기 때문에 격납용기 내의 온도 및 압력을 효과적으로 저하시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 외력에 의존하지 않는 피동개념 만을 사용하여 설계되었으며, 원자력 발전소의 냉각재 상실사고시 원자로 냉각재 계통의 파단부위 또는 핵연료교환용 수저장탱크 등의 증기원으로 부터 발생된 증기와 격납용기 내에 존재하는 공기와 같은 비응축성 기체에 의해 증가된 격납용기 내의 압력 및 온도를 효과적으로 저하시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 피동개념을 이용한 격납용기 냉각계통을 제공함으로써, 원자력발전소의 궁극적인 안전성 및 경제성을 높일 수 있으며, 원자력발전소에 대한 대중의 선호도를 개선할 수 있다.

아울러, 본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 철제 격납용기를 사용한 종래의 냉각시스템에 비하여, 더욱 더 효과적으로 격납용기 내의 압력 및 온도를 저하시킬 수 있으며, 격납용기의 크기를 감소시킬 수 있음은 물론, 원자력발전소의 용량증대에 따라 유동적으로 냉각시스템을 증대시킬 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 피동 격납용기 냉각시스템은 대용량의 피동형 가압경수로의 과도상태시 또는 가압경수로의 냉각재 상실사고시 발생된 열에 의한 콘크리트 격납용기 내부의 압력 및 온도상승을 효과적으로 저하시킬 수 있으므로, 콘크리트 격납용기를 채택하고 있는 가압경수로형 원자력발전소의 안전성 및 격납용기의 건전성을 확보할 수 있다는 것이 확인되었다.

Claims (2)

1. (3회 정정) 격납용기(10)의 외부에 설치된 풀로서, 그 내부에 담긴 냉각수를 이용하여 격납용기(10) 내부의 증기를 직접접촉에 의해 응축시키기 위한 외부 증기응축풀(3)과,

   격납용기(10)의 내부에 상기 외부 증기응축풀(3) 보다 낮은 위치에 설치되어 격납용기 내의 증기를 응축하기 위한 내부 증기응축기(1)와,

   상기 외부 증기응축풀(3)의 하부 일부와 상기 내부 증기응축기(1)의 상부를 연결하여 상기 내부 증기응축기(1) 내부의 냉각수가 상기 외부 증기응축풀(3)로 상승하도록 하는 경로를 제공하는 라이저(2)로서, 상기 라이저(2)에는 내부 증기응축기(1)의 냉각수 상승을 촉진하도록 내부로 기포를 공급하기 위한 압출질소가스 저장조(5')가 기포유입밸브(6)를 통하여 연결되고,

   상기 외부 증기응축풀(3)의 하부 일부와 상기 외부 증기응축풀(3)의 하부를 연결하여 상기 외부 증기응축풀(3)의 냉각수를 상기 내부 증기응축기(1)로 공급하기 위한 다운카머(4)로 구성되는

   열사이펀 및

   격납용기(10)의 외부에 위치하는 냉각수 저장조(8)와,

   이 냉각수 저장조(8)와 구동밸브(7)를 통해 연결된 압출질소가스 저장조(5)와,

   상기 냉각수 저장조(8)의 냉각수를 격납용기(10) 내부로 살수하기 위한 살수기(9)로 구성되어,

   상기 압출질소가스 저장조(5)에서 분출되는 질소가스에 의해 상기 냉각수 저장조(8) 내의 냉각수가 상기 살수기(9)에 의해 격납용기(10) 내부로 살수되도록 하는 피동 상수장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압경수로 콘크리트 격납용기용 피동 격납용기 냉각시스템.
2. (삭제)