KR100419194B1 - 원자로보호용기와 압축탱크를 이용한 비상노심냉각 방법과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형원자로 주요기기 및 관련배관을 둘러싸고 있는 철제 보호용기, 냉각수를 저장한 압축탱크 및 원자로 용기내의 자연순환 현상을 이용하는 피동잔열제거계통에 의한 비상노심냉각장치에 관한 것으로 일체형 원자로의 안전성을 향상시킬 수 있도록 하는 방안이다.

본 발명은 일체형원자로의 소형냉각재상실사고시 원자로보호용기로 방출되는 고 에너지 일차냉각재의 증발에 의한 원자로보호용기내의 압력증가현상을 이용하여 일차냉각재의 누출을 제한하여 기존 원자로의 비상노심냉각계통에 비해 사고종결시까지 요구되는 냉각수량을 크게 줄이고 압축탱크에 저장된 냉각수를 압력차이를 이용한 피동적 방법으로 주입하는 방법과 장치를 특징으로 한다.

Description

원자로보호용기와 압축탱크를 이용한 비상노심냉각 방법과 장치{Emergency Core Cooling System Consists of Reactor Safeguard Vessel and Accumulator}

본 발명은 원자로보호용기와 압축탱크를 이용한 비상노심냉각 방법과 장치에 관한 것으로, 본 발명에서 사용하는 주요 기기는 원자로보호용기, 압축탱크, 피동잔열제거계통이다.원자로보호용기는 소형 원자로에서 격납용기를 대치할 목적으로 적용되는 개념이다. 기존 대형 상용원자로의 경우에는 사고시 방사선 방호를 목적으로 대형 격납용기를 설치한다. 격납용기의 형태에는 원통형과 반구형의 혼합형 또는 반구형이 있으며, 1000 MWe급 상용원자로의 경우 내경이 약 44m로 설계된다. 기존 상용로의 격납용기는 크기가 매우 커 설계압력을 높이기 위해서는 많은 비용이 소요되므로 격납용기를 약 0.4 MPa의 저압으로 설계하고 사고발생으로 격납용기 압력이 상승하는 경우 격납용기의 살수계통을 작동하여 압력을 설계기준치 이하로 유지한다. 격납용기를 사용하는 원자로에서는 냉각재상실사고가 발생하는 경우 원자로계통과 격납용기의 큰 압력차로 인하여 원자로계통의 일차냉각재가 파단부위를 통해서 대형 격납용기 내부로 지속적으로 방출된다. 따라서 격납용기를 사용하는 원자로의 경우 사고가 종료될 때까지 펌프를 가동하여 다량의 비상노심냉각수를 노심으로 지속적으로 공급하여야 한다. 다량의 비상노심냉각수를 지속적으로 공급해야하는 단점을 극복하고, 방사성물질의 누출 방지 효과를 향상시키고, 내부 파편 등에 의한 격납용기의 손상 가능성을 줄이기 위해, 현재 국내외에서 운전 또는 개발중인 일부 수십~수백 MWe 급의 일체형원자로, 지역난방로 등의 소형원자로에서는 수백 ??의 고온과 수 MPa의 고압에서 견딜수 있도록 설계되는 원자로보호용기를 채택하고 있다. 65 MWe급 일체형 원자로의 원자로보호용기는 내경이 약 7.5 m로 기존 격납용기에 비해 크기가 대폭 감소하여 제작이 용이하다. 그러나 원자로보호용기를 채택하는 경우에도 소량의 비상노심 냉각수를 지속적으로 공급해야 하므로 이를 위해 별도의 계통을 설치해야한다.압축탱크는 기존 상용로에서 안전주입탱크 또는 축압기 등으로 이름으로 사용되고 있는 탱크이다. 압축탱크는 가압질소가 충전되어 있어 대형 냉각재 상실사고시 압축공기의 힘으로 비상노심냉각수를 사고 초기 수십초~수분 동안 공급하는 기능을 수행한다.피동잔열제거계통은 소형냉각재계통과 같은 사고가 발생할 경우 노심에서 발생하는 붕괴열을 원자로 용기내 일차냉각수의 자연순환, 원자로 용기에 내장된 증기발생기와 원자로 보호용기 외부에 설치된 응축열교환기를 이용하여 제거하는 계통이다. 이러한 계통을 적용한 기술로는 국내특허(특 1992-0013163)에 기출원된 바 있다.

본 발명의 목적은 소형원자로에 적용되는 원자로보호용기와 대형냉각재상실사고시 사용되는 압축탱크를 접목시켜, 일체형원자로의 소형냉각재상실사고시 별도의 펌프를 사용하지 않고 압축탱크 만을 이용하여 비상냉각수를 수십분~수시간 동안 공급하고 원자로보호용기를 사용하여 원자로보호용기와 원자로의 압력평형을 이용하여 장시간 동안 노심수위를 유지하게 하는 기술을 제시하고자 한다. 본 발명에서는 이와 병행하여 사고시 노심에서 발생하는 붕괴열은 원자로 용기내 일차냉각수의 자연순환, 원자로 용기에 내장된 증기발생기와 원자로 보호용기 외부에 설치된 열교환기를 이용하여 제거하는 기 출원된 피동잔열제거계통과 유사한 기술을 더욱 개량한 기술을 제공하는데 있다.본 발명은 일체형원자로의 비상노심냉각계통은 소형냉각재상실사고시 일차냉각재의 방출에 따라 원자로용기 내부의 압력이 감소하고 원자로용기 외부를 둘러싸고 있는 원자로보호용기의 압력은 상승하는 원리를 이용한다.원자로보호용기는 일체형원자로 외부에 설치된 소형의 철제용기로서 원자로계통의 건전성이 상실되는 냉각재상실사고시 원자로계통에서 누출되는 일차냉각재를 용기 내에 가두어 외부로 누출되는 것을 방지한다.이때 원자로보호용기는 원자로용기로부터 방출되는 고 에너지 일차냉각재의 급격한 증발(Flashing)로 압력이 상승하게된다. 원자로용기의 내부압력은 일차냉각재의 방출로 점진적으로 감소하게되므로 최종적으로는 원자로 용기의 압력과 원자로 보호용기의 압력이 평형을 이루게 되어 원자로 용기로부터의 냉각재 방출이 멈추게 된다.따라서 원자로와 대형의 격납용기로 구성된 기존원전의 설계에 비하여 소량의 냉각재가 원자로 용기 외부로 방출되므로 비교적 소량의 냉각수 주입만으로도 노심의 노출이 발생하지 않는 안전한 상태를 유지할 수 있다.노심냉각에 필요한 냉각수는 원자로 보호용기 안에 설치된 압축탱크에 저장된 물을 압력 차이를 이용하여 피동적인 방법으로 원자로 용기 내로 주입한다.한편냉각재사고초기부터 작동되는 피동잔열제거계통에의해 일차계통의 냉각재는 지속적으로 냉각된다. 사고초기에는 일차계통의 자연순환이 원활하지 않아 원자로에서 국부적인 온도 불균형이 발생할수 있으나, 장기냉각시에는 압축탱크를 통한 지속적인 냉각수 공급으로 일차계통의 수위가 최소 증기발생기 상단 이상으로 회복되어 일차계통의 자연순환이 원활히 이루어 질수 있어 일차계통의 국부적인 온도 불균형이 해소될 수 있다.압축탱크의 압력과 용량은 초기에 일차계통으로 방출되는 냉각수의 수위가 최소 증기발생기 이상으로 회복되도록 하고, 원자로용기와 원자로보호용기 사이의 압력평형이 이루어진 후에도 장시간 사용가능록 설정하는 경우, 압력평형후 피동잔열제거계통을 통한 일차계통 냉각율과 외부 자연대류에 의한 원자로보호용기의 냉각율 차이로 인해 발생할 수 있는 일차계통의 소량의 냉각재 손실을 보충할 수 있다. 장기냉각시에 공급되는 유량은 원자로 보호용기가 원자로 용기 연결배관의 파단부위를 통해 방출되는 냉각재량을 제한하므로 압축탱크가 개방되어 압력평형 시점까지 공급하고 남은 압축탱크의 잔여 냉각수를 이용한다.따라서 기존원전에서와 같이 장기냉각을 위해 사고종결 시까지 펌프를 이용하여 지속적인 냉각수의 주입이 요구되지 않으므로 이들 관련 계통을 제거할 수 있어 보다 경제성 있는 발전소의 설계가 가능하며 사고 종결시 까지 모든 계통이 피동적인 방법에 의하여 이루어지므로 펌프와 같은 능동기기의 고장 또는 운전원의 실수 가능성이 없어지므로 원자력 발전소의 안전성이 향상되게 된다.

도 1a는 본 발명의 기본 원리도,도 1b는 본 발명의 원자로용기 및 원자로보호용기의 시간에 대한 압력의 변화를 보인 그래프,

도 2는 본 발명의 계통 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 원자로 용기 (2) : 원자로 보호용기

(3) : 증기 발생기 (4) : 피동잔열제거계통

(5) : 압축탱크

본 발명의 구성은 첫째 방법론으로서, 원자로용기 외부에 고압으로 설계된 소형의 보호용기를 설치하여 냉각재상실사고시 방출되는 냉각재의 증발에 의한 압력증가현상을 이용하여 원자로용기로부터 방출되는 냉각재량을 차단하고 비상노심냉각수를 압축탱크를 이용한 피동적 방법으로 공급하는 것과, 노심에서 발생하는 붕괴열을 원자로용기(일차계통)내의 자연순환유동과 증기발생기를 이용한 피동잔열제거계통을 이용하여 장시간 제거하는 것이고,둘째 장치론으로서 원자로 용기(1)의 외곽에 원자로 보호용기(2)를 설치하고, 이 원자로 용기(1)내의 증기 발생기(3)는 외부 피동 잔열제거계통(4)에 순환되게 배관하며, 상기 원자로 용기(1) 상단에 압축탱크(5)로서 냉각수가 주입되게 배관한 구조로 되어 있다.즉, 본 발명의 일체형 원자로의 비상노심냉각방법은,원자로용기 외부에 고온 고압으로 설계된 소형의 원자로 보호용기를 설치하여 냉각재상실사고시 방출되는 냉각재의 증발에 의한 압력증가현상을 이용하여 원자로용기로부터 방출되는 냉각재량을 차단하도록, 비상노심냉각수가 담겨진 압축탱크를 이용하여 피동적 방법으로 냉각재상실사고시 냉각수를 원자로용기 내로 공급하여 증기발생기 상단부까지 채워지도록 하는 단계와,상기 단계와 동시에 원자로용기 내에 설치된 증기발생기 및 외부에 설치되는 열교환기를 포함한 피동잔열제거계통을 이용하여 일차계통을 냉각하고, 지속적인 압축탱크에 의한 안전주입으로 충분한 일차계통 수위가 확보되면 원자로용기(일차계통)내에서 자연순환 유동시켜 노심에서 발생하는 붕괴열을 제거하며, 압력평형후 피동잔열제거계통을 통한 일차계통 냉각율과 외부 자연대류에 의한 원자로보호용기의 냉각율 차이로 인해 발생할 수 있는 일차계통의 소량의 냉각재 손실은 압축탱크의 잔여 냉각수를 이용하여 보충 하는 단계로 이루어진 방법을 특징으로 한다.또한 본 발명 일체형 원자로의 비상노심냉각 장치 구성은,원자로 용기(1)의 외곽에 이를 감싸는 원자로 보호용기(2)를 설치한 후, 원자로 용기(1)의 상단부에 비상노심냉각용 냉각수가 저장된 압축탱크(5)를 설치하여 냉각재상실사고시 압력차에 의해 냉각수가 원자로용기(1)내의 증기발생기 상단부까지 주입되도록, 압력평형후에는 피동잔열제거계통을 통한 일차계통 냉각율과 외부 자연대류에 의한 원자로보호용기의 냉각율 차이로 인해 발생할 수 있는 일차계통의 소량의 냉각재 손실은 압축탱크의 잔여 냉각수가 주입되도록 배관구성하고,장기 냉각시 노심에서 발생하는 붕괴열을 제거하기 위해 원자로 용기(1) 내에 설치된 증기발생기(3)와 원자로 보호용기(2) 외부에 설치된 열교환기(7)를 포함하여 구성된 피동잔열제거계통(4)이 순환되도록 배관을 연결 구성한 것을 특징으로 한다.

이하 발명의 실시 예를 첨부 도면에 연계시켜 상세하게 설명하면 다음과 같다.도 1a는 본 발명의 기본 원리도이고, 도 1b는 본 발명의 원자로용기 및 원자로보호용기의 시간에 대한 압력의 변화를 보인 그래프로, 일차냉각재의 방출로 원자로 용기의 압력은 감소하고 원자로 용기로부터 방출되는 일차냉각재의 급격한 증발로 원자로 보호용기의 압력은 상승하게되며 원자로 용기와 원자로 보호용기의 압력이 평형을 이루는 A점(도 1b 참조)에 도달하게 되면 원자로 용기로부터의 일차냉각재 유출이 차단되게 된다.도 2는 본 발명의 계통 구성도로 일체형원자로의 원자로 용기에 연결된 일체형배관이 파단된 냉각재상실사고시 원자로 보호용기를 이용한 일차냉각재의 방출량 제한, 비상노심냉각수의 주입 및 냉각을 목적으로 구성된 비상노심냉각계통의 실시 예를 보여 주고 있는데,원자로 용기(1)의 외곽에 이를 감싸는 원자로 보호용기(2)를 설치되어 있고, 원자로 용기(1)의 상단부에는 비상노심냉각용 냉각수가 저장된 압축탱크(5)를 설치구성되고, 이 압축탱크와 원자로용기(1) 사이에는 배관이 연결구성된다.냉각재상실 사고후 원자로용기(1)내의 압력이 압축탱크(5) 압력보다 작아지면 압축탱크(5)의 압력에 의해 냉각수가 원자로용기(1)내로 피동적으로 주입되도록 장치 구성된다. 압축탱크(5)의 냉각수가 고갈되는 시점의 압력은 목표로 하는 시점(도 1b의 B점)에서의 원자로용기 압력과 동일하게 설정한다.냉각재상실 사고후 원자로용기(1)의 압력은 냉각재 상실로 인해 점차 감소하고 원자로 보호용기(2)의 압력은 증가한다. 이 상황에서 원자로 노심의 노출이 발생하지 않은 시점에서 원자로용기(1)와 원자로 보호용기(2)가 상호 압력평형을 이루어 냉각재 방출을 제한할 수 있도록 장치 구성된다.또한 노심에서 발생하는 붕괴열을 제거하기 위해 원자로 용기(1) 내에 설치된 증기발생기(3)와 원자로 보호용기(2) 외부에 설치된 열교환기(7)를 포함하여 구성된 피동잔열제거계통(4)이 순환되도록 배관이 연결 구성된다.도면중 미설명부호 6는 냉각수배관, 7은 열교환기, 8은 보상탱크 이다.도 2를 참조하여 본발명의 작용을 설명하자면 냉각재 상실사고의 초기에는 파단부위를 통하여 원자로 냉각재가 원자로 보호용기내로 급격히 방출된다.이때 원자로 용기의 압력은 일차냉각재의 방출로 감소하며 원자로 보호용기는 용기 안으로 유입되는 고 에너지의 일차냉각재의 급격한 증발현상(Flashing)으로 압력이 상승하게 된다.냉각재 상실사고 발생과 동시에 피동잔열제거계통이 작동되어 일차계통을 냉각하기 시작한다. 이 때에는 냉각재의 손실로 일차계통의 자연순환이 원활히 이루어지지않아 국부적인 온도 불균형이 발생할 수 있다.원자로 용기의 압력이 압축탱크의 압력이하로 감소하면 압력 차에 의하여 압축탱크에 저장된 냉각수가 원자로용기 내로 주입되게 된다.일차냉각재의 지속적인 방출로 원자로 용기와 원자로 보호용기의 압력이 평형을 이루면(도 1b의 A점) 더 이상의 냉각재 방출이 일어나지 않으며 원자로 용기는 압축탱크로부터 주입된 냉각수에 의하여 증기발생기 상단까지 채워지게 된다.따라서 증기발생기 상단까지 냉각수가 채원진 후에는 원자로 용기내에 일차계통냉각수의 자연순환회로가 형성되어 일차계통의 온도 불균형이 해소되고, 노심에서 발생한 붕괴열을 증기발생기를 통해 피동잔열제거계통에 의하여 원활히 제거하게 된다.즉 증기발생기 이차측에 전달된 붕괴열은 피동잔열제거계통에 자연순환 유로를 형성하며 증기발생기에서의 증발 및 응축열교환기에서의 응축현상을 이용하여 노심의 붕괴열을 제거하여 원자로를 장시간 안전한 상태로 유지하게된다.

본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예와 변형예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 설계변경적 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

상기의 본 발명은 일체형원자로 주요기기 및 관련배관을 둘러싸고 있는 철제 보호용기, 냉각수를 저장한 압축탱크 및 원자로 용기내의 자연순환 현상을 이용하는 피동잔열제거계통에 의한 비상노심 냉각이 가능하여 일체형 원자로의 안전성을 향상시킨다는 장점이 있어, 기존원전에서와 같이 냉각재 상실사고와 같은 사고 발생시 비상노심냉각을 위해 사고발생부터 사고종결 시까지 펌프를 이용하여 지속적인 냉각수의 주입이 요구되지 않으므로 이들 관련 계통을 제거할 수 있어 보다 경제성 있는 발전소의 설계가 가능하며 사고 종결시까지 모든 계통이 피동적인 방법에 의하여 이루어지므로 펌프와 같은 능동기기의 고장 또는 운전원의 실수 가능성이 없어지므로 원자력 발전소의 안전성이 향상된다는 현저한 효과가 있는 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 일체형 원자로의 비상노심냉각방법에 있어서,

   원자로용기 외부에 고온 고압으로 설계된 소형의 원자로 보호용기를 설치하여 냉각재상실사고시 방출되는 냉각재의 증발에 의한 압력증가현상을 이용하여 원자로용기로부터 방출되는 냉각재량을 차단하도록, 비상노심냉각수가 담겨진 압축탱크를 이용하여 피동적 방법으로 냉각재상실사고시 냉각수를 원자로용기 내로 공급하여 증기발생기 상단부까지 채워지도록 하는 단계와,

   상기 단계와 동시에 원자로용기 내에 설치된 증기발생기 및 외부에 설치되는 열교환기를 포함한 피동잔열제거계통을 이용하여 일차계통을 냉각하고, 지속적인 압축탱크에 의한 안전주입으로 충분한 일차계통 수위가 확보되면 원자로용기(일차계통)내에서 자연순환 유동시켜 노심에서 발생하는 붕괴열을 제거하며, 압력평형후 피동잔열제거계통을 통한 일차계통 냉각율과 외부 자연대류에 의한 원자로보호용기의 냉각율 차이로 인해 발생할 수 있는 일차계통의 소량의 냉각재 손실은 압축탱크의 잔여 냉각수를 이용하여 보충 하는 단계로 이루어진 방법을 특징으로 하는 원자로 보호용기와 압축탱크를 이용한 비상노심 냉각 방법.
2. 일체형 원자로의 비상노심냉각 장치에 있어서,

   원자로 용기(1)의 외곽에 이를 감싸는 원자로 보호용기(2)를 설치한 후, 원자로 용기(1)의 상단부에 비상노심냉각용 냉각수가 저장된 압축탱크(5)를 설치하여 냉각재상실사고시 압력차에 의해 냉각수가 원자로용기(1)내의 증기발생기 상단부까지 주입되도록, 압력평형후에는 피동잔열제거계통을 통한 일차계통 냉각율과 외부 자연대류에 의한 원자로보호용기의 냉각율 차이로 인해 발생할 수 있는 일차계통의 소량의 냉각재 손실은 압축탱크의 잔여 냉각수가 주입되도록 배관구성하고,

   장기 냉각시 노심에서 발생하는 붕괴열을 제거하기 위해 원자로 용기(1) 내에 설치된 증기발생기(3)와 원자로 보호용기(2) 외부에 설치된 열교환기(7)를 포함하여 구성된 피동잔열제거계통(4)이 순환되도록 배관을 연결 구성한 것을 특징으로 하는 원자로 보호 용기와 압축탱크를 이용한 비상노심 냉각장치.
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