KR100436978B1 - 원자력발전소의 원자로 공동구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소의 원자로가 사고로 인하여 원자로의 노심이 용융되어 방출될 때 용융물에 내재된 방사성물질로 구성된 원자로의 파편이 방출되지 않도록 간섭단계를 갖는 배출구를 구비하고 각각의 배출구의 방향을 다르게 전환하여 용융물이 관성력에 의하여 배출되지 않도록 하는 원자력발전소의 원자로 공동구조를 기술적과제로 관한 것이다. 이러한 기술적과제를 해결하기 위하여 본 발명은 원자력발전소의 매우 심각한 노심 용융사고를 대비하기 위하여 원자로용기가 손상되는 경우 용융물이 배출시에 용융물에 내재된 방사성 물질이 배출되지 않도록 원자로 공동구조에 노심파편챔버와 과압방출댐퍼를 구비하고 각각의 배수로의 방향을 직각으로 변환시켜 구비하여 용융물이 배출될 시에 관성력에 의하여 방사성물질이 나가지 못하도록 차단하는 것이다.

Description

원자력발전소의 원자로 공동구조{The Reactor cavity geometric structure of nuclear power plant}

본 발명은 원자력발전소의 원자로가 모든 조치의 실패로 인하여 원자로의 노심이 용융되어 방출될 때 용융물에 내재된 방사성물질로 구성된 원자로의 파편이 여러 간섭단계로 이루어진 배출구를 방향을 다르게 전환하여 관성력에 의하여 배출되지 않도록 하는 원자력발전소의 원자로 공동구조에 관한 것이다.

일반적으로 원자로는 핵폭탄과는 달리 핵폭발의 위험은 없지만 방사성 물질의 누출이라는 위험 때문에 안전성 문제는 중요하게 다루어지고 있다. 만약 원자로가 냉각기능을 상실하면 자동정지하게 되지만, 노심에 남은 잔열이 제거되지 못하면 이로 인해 노심이 용융하게 되고 결국은 다량의 방사성 물질이 외부로 누출되므로 원자로를 설치할 때는 이러한 사고가 방지될 수 있도록 안전설비를 최대한 강화하여 설계하고 있다. 1979년 3월 발생한 미국 펜실베이니아주에 위치한 스리마일섬 원자력 발전소와 1986년 4월 발생한 러시아의 체르노빌 원자력 발전소의 사고는 원자로의 안전성 문제에 대해 심각한 논란을 불러일으켰으며, 현재 그에 대한 여러 가지 보안조치의 시행은 물론 획기적인 안전성 개념을 적용한 차세대 원자로의 개발을 서두르게 되었다.

도1은 종래의 원자로용기(10) 하부헤드의 지하에 위치한 원자로공동(11) 구조를 나타낸 것으로 원자로용기(10)는 핵연료집합체를 장전하여 중성자 핵분열에 의해 열을 생산하는 것으로 연료 집합체, 제어봉 집합체 및 노심 지지에 필요한 내부구조물을 내장하며 중성자와 감마선에 견디고 높은 강도를 유지 할 수 있는 재질로 되어있다.

즉, 원자력발전소의 설계기준 사고를 초과하여 노심이 용융되는 중대사고가 발생하는 경우 원자로계통의 감압과 안전주입 등과 같은 특별한 다른 조치를 취할 수 없으면 용융된 노심이 원자로용기(10) 바닥으로 이동하여 원자로용기(10) 하부헤드를 용융 손상시키고 ICI(In-Core Instrument) 홈(Chase) 등을 통하여 직접 격납건물 상부로 고압으로 방출되어 격납건물 구조물의 건전성을 상실할 수 있다.

이러한 고압방출시에는 원자로용기(10)의 바닥에 용융된 노심은 손상된 원자로부위를 통해 격납건물 상부로 방출되어 격납건물 내벽을 직접타격 하여 Liner Plate 손상, 유출되는 용융물 및 비응축성 기체압력 등으로 인하여 격납건물 구조의 건전성이 위협받을 수 있다.

즉, 원자로용기(10)의 경우 설계기준사고를 초과하여 중대사고가 발생하면 원자로용기(10)의 손상이 발생하고 일시에 방출되는 용융물이 원자로용기(10) 하부에 콘크리트와 반응과 압력 등으로 격납건물 구조의 건전성이 손상되어 방사능이 외부로 누출될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원자력발전소의 매우 심각한 노심 용융사고를 대비하기 위하여 원자로용기가 손상되는 경우 용융물의 배출시에 용융물에 내재된 방사성물질이 배출되지 않도록 원자로 공동구조에 노심파편챔버와 과압방출댐퍼를 구비하고 각각의 배수 경로의 방향을 직각으로 변환시켜 용융물이 배출될 시에 관성력에 의하여 방사성물질이 나가지 못하도록 차단할 수 있는 원자력발전소의 원자로 공동구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도1은 종래의 원자로 공동구조 장치의 종단면도,

도2는 본 발명에 적용된 원자로 공동구조 장치의 평단면도,

도3과 도4는 본 발명에 적용된 원자로 공동구조와 용융물의 배출상태를 나타낸 종단면도,

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20 : 원자로 21 : 원자로공동

22 : 노심파편챔버 23 : 과압방출댐퍼

30 : 기초부 31 : 1차배출구

32 : 2차배출구 33 : 3차배출구

40 : 벽체

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원자로에서 방출되는 용융물을 방출하는데 있어서, 용융물에 내재된 상기 원자로용기의 파편과 관성력에 의해 파편이 빠져나가지 못하도록 상기 원자로용기에서 방출되는 용융물이 모여져서 열교환되는 원자로공동이 형성된 1차배출구와, 1차배출구에서 낮은 온도로 열교환되어 방출되는 용융물의 파편을 간섭하여 원자로공동에 포집하는 노심파편챔퍼를 형성한 2차배출구와, 2차배출구에서 방출되는 용융물의 배출속도를 느리게 간섭하는 과압방출댐퍼가 융기된 3차배출구를 갖추고, 상기 3차배출구와 2차배출구는 원자로가 내장된 벽체에 구비됨과 1차배출구는 벽체가 구축되어 원자로용기의 하측에 위치하는 콘크리트 기초부에 구비된 것을 특징적 구성으로 한다.

또한 1차배출구, 2차배출구, 3차배출구는 여러 회수 방향전환되어 연결되어서 용융물에 내재된 노심파편을 수집 및 배출압력을 낮추는 것을 특징적 구성으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도2는 본 발명의 적용된 원자로 공동구조 장치의 평단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 원자로용기(20)로부터 방출되는 용융물은 원자로공동(21)을 거쳐서 배출구가 직각으로 방향이 전환되어 노심파편챔버(22)와 연결되며 다시 배출구가 직각으로 방향이 전환되어 과압방출댐퍼(23)와 연결되어 용융물에 내재된 방사성 물질 파편들이 배출되지 않도록 하는 것이다.

따라서 본 발명은 용융물이 격납건물 상부로 방출되어 격납건물 내벽의 직접타격으로 인한 Liner Plate 손상과 유출되는 용융물 및 비응축성 기체압력 등으로 인하여 발생할 수 있는 격납건물 구조의 위협을 차단하는 것이다.

도3과 도4는 본 발명의 적용된 원자로 공동구조 및 용융물의 배출구를 나타낸 종단면도이다.

도면에서 부호 20은 원자로용기를 나타낸 것으로서, 상기 원자로용기(20)는 격납건물 내에 구축된된 수납공간(25)에 내장된다.

수납공간(25)은 격납건물이 구축되는 콘크리트 기초부(30)와 이 기초부(30)에 일정 테두리를 갖는 콘크리트 벽체(40)에 형성된다.

이에 원자로용기(20)에서 유사시 방출되는 용융물의 배출구는 콘크리트 기초부(30)와 벽체(40)에 형성된다.

원자로용기(200에서 방출되는 용융물을 방출하는 배출구는 원자로의 하부의 콘크리트 기초부(30)에 갖추어진 1차배출구(31)와, 이 1차배출구(31)에 수직 상방에 연통하도록 벽체(40)에 갖추어진 2차배출구(32)와, 이 2차배출구(32)와 직각으로 전환되어 연통하는 벽체(40)에 갖추어진 3차배출구(33)로 구성된다.

상기 1차배출구(31)에는 확장된 수용공간을 이루어 용융물이 1차 모여지는 원자로공동(21)이 형성된다.

2차배출구(32)에는 원자로공동(21)과 수직방향으로 확장된 공간을 이루는 노심파편챔버가 형성된다.

3차배출구(33)에는 경로상으로 융기되어 돌출된 과압방출댐퍼(23)가 구비된다.

상기 1차배출구(31), 2차배출구(32), 3차배출구(33)는 직각으로 방향전환되어 연결되어서 용융물이 배출되는 과정에서 경로를 용융물에 내재된 노심파편을 수집 및 배출압력을 낮추게된다.

즉, 원자로공동(21) 공간은 노심 용융물의 파편 냉각능력이 0.02m²/MWt 이상으로 충분한 냉각능력의 넓이, 고압 노심용융물이 격납건물 대기로 방출되는 양을 줄이기 위하여 노심파편을 수집할 수 있는 노심파편챔버(22)와 원자로공동(21) 구조가 직각 구조를 유지하고 일정압력 이상시 방출하는 과압방출댐퍼(23)로 격납건물 대기로 전달되는 노심 용융물의 전달을 지연시키는 것이다.

도 4는 본 발명의 적용된 원자로 공동구조 장치의 상세 단면도이다.

본 발명은 중대한 사고로 인하여 원자로의 노심이 용융되어 방출되어도 용융물에 내재된 방사성물질의 배출의 차단 및 배출압력을 낮추기 위한 것이다.

도3과 도4를 참고로 배출과정을 설명하면 다음과 같다.

우선 원자로 용기(20)의 노심에서 용융된 용융물이 원자로 하부헤드의 1차배출구(31)를 경유하는 과정에서 원자로공동(21) 구조에 침수되어 일정한 시간동안 냉각된다.

이후 낮은 온도의 용융물은 2차배출구(32)를 통하는 과정에서노심파편챔버(22)의 내부공간에 부딪히면서 노심파편이 원자로공동(21)에 떨어져 모이게 된다. 노심파편이 제거된 고압력의 용융물은 3차배출구(33)를 통하면서 융기되어 돌출된 과압방출댐퍼(23)에 부딪히면서 낮은 압력으로 방출 에너지를 감소시켜 격납건물 구조의 건전성 상실과 그에 따른 방사성 물질의 외부 방출을 예방하게 된다.

또한 이러한 방출경로가 유동손실계수를 극대화 시키기 위한 90˚방향전환을 이룸으로서 노심용융시 용융물 파편의 90% 정도를 원자로용기(20)의 하부헤드에 원자로공동(21)을 포함한 노심파편챔버(22)에 가두고, 격납건물 상부로 방출되는 노심용융물의 방출을 최소화 시킬수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 가상의 중대사고에 의한 원자로 용융사고시 용융물이 격납건물 상부로 직접 유출되는 것을 방지하고 방출경로의 유동손실계수를 극대화시켜 용융물을 원자로 하부의 원자로 공동구조에 집적시키고 냉각 및 유지, 용융물 파편의 90% 정도가 노심 파편 챔버(Core Debris Chamber)에 집적하도록 하여 격납용기 구조의 건전성 유지와 방사성 물질의 외부 방출을 예방할 수 있어 원자력 발전소 경수로의 출력의 크기에 관계없이 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 원자로에서 방출되는 용융물을 방출하는데 있어서,

   용융물에 내재된 상기 원자로용기(20)의 파편과 관성력에 의해 파편이 빠져나가지 못하도록 상기 원자로용기(20)에서 방출되는 용융물이 모여져서 열교환되는 원자로공동이 형성된 1차배출구(31)와,

   1차배출구(31)에서 낮은 온도로 열교환되어 방출되는 용융물의 파편을 간섭하여 원자로공동(21)에 포집하는 노심파편챔퍼(22)를 형성한 2차배출구(32)와,

   2차배출구(32)에서 방출되는 용융물의 배출속도를 느리게 간섭하는 과압방출댐퍼(23)가 융기된 3차배출구(33)를 갖추고,

   상기 3차배출구(33)와 2차배출구(32)는 원자로용기(20)가 내장된 벽체(40)에 구비됨과 1차배출구(31)는 벽체(40)가 구축되어 원자로용기(20)의 하측에 위치하는 콘크리트 기초부(30)에 구비된 구성을 특징으로 하는 원자력발전소의 원자로 공동구조.
2. 제 1항에 있어서,

   1차배출구(31), 2차배출구(32), 3차배출구(33)는 여러 회수 방향전환되어 연결되어서 용융물에 내재된 노심파편을 수집 및 배출압력을 낮추는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 원자로 공동구조.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 방향전환은 직각으로 전환되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 원자로 공동구조.