KR101028053B1 - 일체형원자로의 피동 잔열제거계통 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기발생기가 구비된 일체형원자로의 유사시에 피동적으로 잔열제거가 이루어지는 잔열제거계통에 관한 것으로, 특히 하나의 밸브 작동에 의하여 작동이 가능하여 작동의 신뢰성이 향상된 일체형원자로의 피동 잔열계통에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열계통에는 증기발생기에 연결된 주급수배관과 주증기배관에 연통되어 유사시에 일체형원자로의 잔열을 제거하는 피동 진열제거계통에 있어서, 상부는 주증기배관에 연통되는 증기공급관에 연결되고, 하부는 냉각배출관이 연결된 응축열교환기 및 주급수배관과 연통된 냉각회수관과 냉각배출관을 연결하며, 작동시 내부에 물수용공간부를 형성하는 메인밸브가 포함된다.

원자로, 잔열, 열교환기, 피동

Description

일체형원자로의 피동 잔열제거계통{The passive residual heat remover for the integral reactor}

본 발명은 증기발생기가 구비된 일체형원자로의 유사시에 피동적으로 잔열제거가 이루어지는 잔열제거계통에 관한 것으로, 특히 하나의 밸브 작동에 의하여 작동이 가능하여 작동의 신뢰성이 향상된 일체형원자로의 피동 잔열계통에 관한 것이다.

도 3에는 종래의 기술을 도시하였다. 단. 도면 부호 131은 냉매가 담긴 냉각탱크이다.

종래의 기술에 따른 잔열제거계통(100)은 주증기배관(P1)과 주급수배관(P2)의 상부에 설치되는 것으로 주증기배관(P1)과 연통된 증기공급관(110)와, 상기 증기공급관(110)에 결합된 열교환기(130) 및 상기 열교환기(130)에서 냉각되어 액화된 물을 주급수배관(P2)에 되돌리는 냉각수공급관(120)이 구비된다. 이때, 증기공급관(110)과 냉각수공급관(120)에는 각각 밸브(111.121)가 결합되어 원자로가 정상 운영되는 평상시에는 잔열제거계통을 차폐하게 된다.

또한, 열교환기(130)과 나란히 가압기(141)를 구비한 보충탱크(140)를 구비 하며, 이 보충탱크(140)의 상부는 증기공급관(110)과 연통되고, 그 하부는 냉각수공급관(120)과 연통되게 설치된다.

이러한 종래의 기술에서 원자로의 이상으로 인한 잔열제거계통의 작동신호가 있게 되면 증기공급관(110)의 밸브(111)와 냉각수공급관(120)의 밸브(121)를 개방하여 주증기배관(P1)에서 공급된 증기를 열교환기(130)를 통하여 냉각시킨 후 다시 증기발생기(B)로 공급하게 된다.

또한, 잔열제거가 이루어지면서 잔열제거계통의 냉각으로 열교환기측의 수위가 낮아지면 이를 보충하기 위하여 가압기(141)가 작동하여 보충탱크(140) 내의 보충수를 열교환기 측으로 보내게 된다.

위와 같은 종래의 기술에서는 잔열제거계통(100)의 작동을 위해서 증기공급관(110)과 냉각수공급관(120)의 밸브(111,121)를 개방시켜야 하는 것으로, 이러한 2개의 밸브 중 어느 하나라도 개방에 실패하는 경우에는 이러한 잔열제거계통이 전혀 작동할 수 없는 것이다. 즉, 잔열제거계통에 밸브가 두 개 구비됨으로써 작동의 실패 확률이 증가하여 작동 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.

더하여, 종래의 기술에 따른 잔열제거계통(100)은 두 개의 밸브가 잠겨 평상시에는 밀폐된 시스템으로 유지되므로 열교환기(130)에 보충수를 공급하기 위해서는, 열교환기측의 수위가 낮아짐을 파악하는 센서수단, 보충탱크(140)에 연결되어 보충수를 강제 이송시키는 가압기(141) 및 센서수단에 측정된 값에 따라 가압기를 작동 및 정지시키는 제어수단이 필요하게 된다.

이러한 센서수단, 가압기, 제어수단으로 인하여 잔열제거계통은 복잡한 구성을 가지는 것이고, 그에 따라 고장의 확률도 커져 유사시 확실한 작동에 대한 신뢰성을 높게 얻지 못하는 문제가 있게 된다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 하나의 밸브를 작동하여 잔열제거가 이루어지게 하는 목적을 갖는다.

또한, 하나의 밸브를 사용하기 위하여 제거계통의 유로에 액체의 형성 구역을 제한할 수 있게 하는 목적을 갖는다.

한편, 잔열제거계통의 작동에 따라 열교환기에서 줄어드는 수위의 보충이 자동으로 이루어지게 하는 목적도 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 증기발생기에 연결된 주급수배관과 주증기배관에 연통되어 유사시에 일체형원자로의 잔열을 제거하는 피동 진열제거계통에 있어서, 상부는 상기 주증기배관에 연통되는 증기공급관에 연결되고, 하부는 냉각배출관이 연결된 응축열교환기 및 상기 주급수배관과 연통된 냉각회수관과 상기 냉각배출관을 연결하며, 작동시 내부에 물수용공간부를 형성하는 메인밸브가 포함되는 것을 특징으로 하는 일체형원자로의 피동 잔열제거계통을 제시한다.

또한, 상부는 상기 증기공급관에 연통되게 연결되는 보충수탱크가 더 포함되고, 상기 보충수탱크의 하부는 상기 보충수탱크 쪽 유로의 수위와 상기 응축열교환기 쪽의 수위에 의하여 결정되는 압력차에 의하여 개방되는 보조밸브를 통하여 상 기 냉각배출관과 연통되는 것을 특징으로 하는 일체형원자로의 피동 잔열제거계통을 제시한다.

또한, 상기 증기공급관은 상기 응축열교환기 보다 높게 형성되는 수직관과, 상기 수직관의 끝단에서 오름 경사지게 절곡되는 경사관이 포함되는 것을 특징으로 하는 일체형원자로의 피동 잔열제거계통을 제시한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열제거계통에 따르면, 잔열제거계통이 작동하기 위해서는 하나의 메인밸브를 개방하면 되므로 확실한 작동의 신뢰성이 증대되는 효과를 갖는다. 또한, 메인밸브의 개방으로 물수용공간부를 형성함으로써 응축열교환기의 상부에 고여 있는 물이 수용되어 작동 초기에 응축열교환기에서 열교환이 원활하게 이루어지게 되는 효과를 갖는다.

한편, 보충수탱크와 보조밸브가 구비됨으로써 응축열교환기에 보충수의 공급이 가압기 및 제어수단 없이도 자동으로 이루어지는 효과를 갖으며, 보조밸브는 보충수탱크 쪽 유로와 응축열교환기 쪽 유로의 압력차로 개방됨으로써 전원을 소비하는 추가적인 장치의 개입 없이 보충수의 공급이 가능해져 전원이 차단된 경우에도 효율적인 잔열제거가 이루어지게 되는 효과를 갖는다.

또한, 증기공급관에 경사관이 포함되는 경우에는 증기공급관에 고이는 물을 최소화하여 메인밸브의 개방에 의하여 수용되어야 하는 응축열교환기 상류의 물의 양을 줄일 수 있게 되어 물수용공간부의 체적을 줄일 수 있으며, 보다 신속한 초기 열교환이 이루어지게 되는 효과를 갖는다.

이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 일체형원자로의 피동 잔열제거계통의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열제거계통의 유로관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)은 증기발생기(41)에 연결된 주급수배관(43)과 주증기배관(42)에 연통되어 유사시에 일체형원자로(4)의 잔열을 제거하는 피동 진열제거계통에 있어서, 상부는 상기 주증기배관(42)에 연통되는 증기공급관(L1)에 연결되고, 하부는 냉각배출관(L2)이 연결된 응축열교환기(1) 및 상기 주급수배관(43)과 연통된 냉각회수관(L3)과 상기 냉각배출관(L2)을 연결하며, 작동시 내부에 물수용공간부를 형성하는 메인밸브(2)가 포함된다.

이때, 증기공급관(L1)은 주증기배관(42)과 연통되게 연결되어 있으며, 이 증기공급관(L1)에는 별다른 밸브가 설치되어 있지 아니하므로, 항상 개방된 상태가 되어 정상적인 일체형원자로의 운영 중 주증기배관(42)을 통과하는 증기의 일부가 유입될 수 있다.

이러한 증기공급관(L1)은 통상 지면과 수직된 방향으로 설치되는 수직관(L11)과, 이 수직관(L11)의 상단에서 오름 경사지게 설치되는 경사관(L12)으로 이루어질 수 있다. 이로써 증기가 수직관(L11) 및 경사관(L12)을 통과하는 과정 중에서 냉각되어 액화되는 경우에는 경사를 타고 주증기배관(42)으로 이동되어 수직관(L11)과 경사관(L12)의 내부에는 물이 고여 있지 아니하게 된다.

한편, 경사관(L12)의 끝단에는 지면과 평행한 수평관(L13)이 형성될 수 있으며, 이러한 수평관(L13)의 끝단은 수평관보다 통상 낮게 설치되는 응축열교환기와 연통되어 있다.

이때, 응축열교환기(1)는 일반적으로 사용되는 열교환기의 형상을 가지는 것으로, 냉매가 채워진 비상냉각탱크(11)에 잠기게 설치된다. 이로써, 응축열교환기(1)의 상부에서 유입된 증기의 열은 응축열교환기(1)를 통하여 비상냉각탱크(11)의 냉매로 열교환됨으로써, 증기가 액체로 상변화되도록 유도된다. 이후, 응축열교환기(1)의 내부에서 액화된 물은 응축열교환기의 하부에 결합된 냉각배출관(L2)을 통하여 배출된다.

한편, 메인밸브(2)는 냉각배출관(L2)과 냉각회수관(L3) 사이에 구비되며, 이 냉각회수관(L3)은 증기발생기(41)에 물을 공급하는 주급수배관(43)과 연통되어 있다.

메인밸브(2)가 닫힌 때는 냉각배출관(L2)과 냉각회수관(L3)의 연통을 차폐함으로써 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)의 흐름을 차단하게 되고, 메인밸브 가 열리는 경우에는 냉각배출관(L2)과 냉각회수관(L3)을 연통되게 함으로써 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)의 흐름이 이루어지게 한다.

이러한 메인밸브(2)를 보다 구체적으로 설명하면, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 폐쇄된 경우 하우징(21)의 내부에 구비된 피스톤부재(22)가 냉각배출관(L2)과 냉각회수관(L3)의 유로를 차폐하며, 개방된 경우 피스톤부재(22)가 하우징(21)의 후방으로 이동되어 냉각배출관(L2)과 냉각회수관의 유로를 개방함과 아울러 하우징(21)의 내부에 물수용공간부(23)를 형성할 수 있게 구성된다.

이때, 물수용공간부(23)의 체적은 응축열교환기 쪽 유로(응축열교환기의 상부의 수평관(L13)을 포함하여 내부에 물이 차 있는 증기공급관(L1)의 내부 유로 및 응축열교환기(1) 내부의 유로를 포함함)의 상부에 고여 있는 물의 체적만큼의 공간으로 형성된다. 즉 이 물수용공간부(23)로 응축열교환기 쪽 유로의 고인 물이 일부가 수용되었을 때, 응축열교환기(1)가 원활하게 작동할 수 있는 수위로 맞춰지는 것이다.

이러한 물수용공간부를 형성하는 메인밸브는 하우징과 피스톤부재 외에 개방에 의하여 공간을 형성할 수 있는 기타의 다른 구성으로 대체될 수 있다.

한편, 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)이 작동됨에 따라 잔열제거계통 내의 물 온도가 점차 낮아져 밀도 및 체적이 감속하게 된다. 이렇게 되면, 응축열교환기 쪽 유로의 수위가 낮아져 수두차 감소에 의해 잔연순환 유량이 감소하게 되므로 잔열제거율도 낮아지게 된다.

따라서 응축열교환기 쪽 유로의 수위를 높이기 위하여 보충수를 주입할 필요가 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)에는 상부는 상기 증기공급관(L1)에 연통되게 연결되는 보충수탱크(3)가 더 포함되고, 상기 보충수탱크(3)의 하부는 상기 보충수탱크 쪽 유로의 수위와 상기 응축열교환기 쪽의 수위에 의하여 결정되는 압력차에 의하여 개방되는 보조밸브(31)를 통하여 상기 냉각배출관(L2)과 연통된다.

상기 보충수탱크(3)는 응축열교환기(1)의 높이와 동일하거나 보다 높게 위치되되, 상기 경사관(L12) 또는 수평관(L13)보다 낮은 위치에 설치된다. 이러한 보충수탱크(3) 내부에는 일체형원자로(4)의 정상 운영시에 증기공급관(L1)에서 유입된 증기가 일부 냉각되면서 형성된 물이 자연스럽게 축적되어, 물수용공간부(23)에 고인 물이 일부 수용된 응축열교환기 쪽 유로의 수위보다 높은 수위를 가질 수 있게 된다.

이러한 보충수탱크(3)에 채워진 물은 보조밸브(31)를 통하여 냉각배출관(L2)에 연통된 상태가 되며, 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)의 작동 후에, 추후 설명되는 일정 조건에 따라 보조밸브(31)가 개방되어 보충수탱크(3)에 담긴 보충수를 응축열교환기 측 유로에 공급할 수 있게 되는 것이다.

한편, 보조밸브(31)의 개방은 상기 보충수탱크 쪽 유로의 수위와 상기 응축열교환기 쪽의 수위에 의하여 결정되는 압력차에 의해 결정되는 것이 바람직하다. 즉, 보충수탱크(3)뿐만 아니라, 보충수탱크의 상부배관(L4)에까지 물이 차올라 형 성되는 보충수탱크 쪽 유로의 수위와 앞에서 설명한 응축열교환기 쪽 유로의 수위의 차이에 의한 압력차가 미리 설정된 압력차값 이상일 때 개방되도록 구성되는 것이다.

이러한 보조밸브(31)는 일예로 스프링의 탄성으로 압력차를 가늠하여 개방되는 스프링 밸브로 이루어질 수 있다. 그 외 밸브 양단의 압력차에 의하여 개방되는 공지된 다른 구성의 밸브일 수도 있는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열제거계통의 작용을 설명한다.

일체형원자로(4)가 정상 작동시에는 주급수배관(43)으로 주입된 물은 증기발생기(41)에서 기화되어 주증기배관(42)으로 배출된다. 이때, 일부 증기는 증기공급관(L1)에 유입되어 수직관(L11)과 경사관(L12)에 이른다. 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)을 구성하는 각 배관은 외기에 노출되어 증기공급관(L1) 내의 증기가 액화될 수 있는데, 이렇게 형성된 물의 일부는 경사지게 설치되는 경사관(L12)과 중력방향과 수직되는 수직관(L11)을 타고 주증기배관으로 되돌아가게 된다. 이후, 기액분리기를 통하여 증기와 분리되어 다시 주급수배관으로 되돌려진다.

한편, 증기공급관(L1)에서 액화되어 생성된 물의 나머지는, 메인밸브(2)가 닫힘에 따라 수평관(L13), 응축열교환기(1), 보충수탱크(3), 보충수탱크의 상부배관(L4)을 채워 고여 있게 된다.

한편, 일체형원자로(4)의 이상으로 인하여 잔열제거계통의 작동신호가 발생하면 메인밸브(2)가 개방된다. 메인밸브(2)의 작동으로 하우징(21) 내부에서 피스톤부재(22)가 이동함으로써, 냉각배출관(L2)과 냉각회수관(L3)이 연통됨과 아울러 하우징 내부에는 물수용공간부(23)가 형성된다.

수평관(L13)에 채워져 있던 물과, 응축열교환기(1) 상부에 고여 있던 물의 일부는 메인밸브(2) 내에 형성된 물수용공간부(23)에 수용되어 응축열교환기 쪽 유로의 수위는 응축열교환기가 원활하게 작동 가능하도록 낮아지게 된다.

이후 증기공급관(L1)을 통하여 유입된 증기는 응축열교환기(1)에서 비상냉각탱크(11)의 냉매로 열교환되어 급속히 액화되며, 이렇게 생성된 물은 응축열교환기 쪽 유로의 수위가 증기발생기(41)보다 높은 위치에 설치됨에 따라 자중력에 의하여 냉각배출관(L2), 냉각회수관(L3) 및 주급수배관(43)을 거처 증기발생기(41)로 자연스럽게 순환된다. 즉 메인밸브(2)의 개방으로 증기발생기(41)의 잔열은 인위적인 조작 없이 잔열제거계통(10)과 증기발생기(41)를 자연순환하는 증기 또는 물로 인하여 피동적으로 제거되는 것이다.

이러한 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)은 하나의 메인밸브(2) 개방으로 개시되는 것이어서, 두 개의 밸브가 별도로 구비되어야 했던 종래의 기술에 비하여 확실한 작동의 신뢰성이 대폭 증가하게 되는 것이다.

한편, 일체형원자로의 피동 잔열제거계통(10)의 작동이 진행되면서. 전술된 바와 같이. 응축열교환기 쪽 유로의 수위가 내려가게 되면 보충수탱크 쪽 유로의 수로와의 압력차에 의하여 보조밸브(31)가 개방된다. 이때, 보조밸브(31)를 개방하는 개방압력차는 일례로 양단의 수두차가 수 m에 이를 때의 압력차로 세팅될 수 있다.

개방된 보조밸브(31)를 통하여 보충수탱크(3) 내의 보충수는 양단의 수두차로 인하여 자연스럽게 응축열교환기(1)로 이동하여 응축열교환기 쪽 유로의 수위를 상승, 회복시킨다. 아울러 보충수탱크 쪽 유로는 하강되므로, 양단의 압력차는 점차 감소하게 된다. 이렇게 줄어든 압력차가 일정 수준에 이르게 되면 보조밸브(31)는 닫히게 된다. 이때, 보조밸브(31)를 폐쇄하는 폐쇄압력차는 상기 개방압력차의 75% 내지 80% 정도의 압력차로 세팅될 수 있다.

일례로, 보충수탱크 쪽 유로의 수두가 5m이고, 응축열교환기 쪽 유로의 수두가 2m로 양단의 수두차가 3m일 때 보조밸브가 개방되도록 셋팅되어 개방압력차가 3m인 경우에는, 보조밸브의 폐쇄압력차는 80% 인 2.4m로 셋팅되어 보충수탱크 쪽 유로의 수두가 4.7m로 감소하고 응축열교환기의 수로가 2.3m로 회복될 때 보조밸브가 닫히게 설정되는 것이다.

이러한 개방압력차와 폐쇄압력차의 설정값은 일체형원자로의 피동 잔열제거계통의 크기 등 사용환경에 따라 구체적으로 조정될 수 있는 것이다.

이 경우, 보충수탱크 및 보조밸브에 의한 응축열교환기에 보충수의 공급은 양단의 압력차에 의하여 자동으로 이루어져 종래의 기술에서와 같이 보충수를 강제로 이동시킬 필요가 없게 된다. 따라서 보충수를 강제로 이동시키는 가압기 등의 고장에 의한 보충수 공급 불능 등 작동의 불확실요소를 제거할 수 있으므로 잔열제거계통의 확실한 작동에 대한 신뢰성이 더욱 증가하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일체형원자로의 피동 잔열제거계통의 유로관계를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 도 1에 도시된 일체형원자로의 피동 잔열제거계통에 채용된 메인밸브의 개략적인 작동관계를 나타낸 도면으로, (a)는 폐쇄된 상태의 도면이고, (b)는 개방된 상태의 도면.

도 3은 종래의 기술을 나타낸 개념도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 잔열제거계통

L1 : 증기공급관 L11 : 수직관 L12 : 경사관 L13 : 수평관

L2 : 냉각배출관 L3 : 냉각회수관

1 : 응축열교환기 11 : 비상냉각탱크

2 : 메인밸브 21 : 하우징 22 : 피스톤부재 23 : 물수용공간부

3 : 보충수탱크 31 : 보조밸브 L4 : 상부배관

4 : 일체형원자로

41 : 증기발생기 42 : 주증기배관 43 : 주급수배관

Claims (3)

1. 증기발생기(41)에 연결된 주급수배관(43)과 주증기배관(42)에 연통되어 유사시에 일체형원자로(4)의 잔열을 제거하는 피동 진열제거계통에 있어서,

   상부는 상기 주증기배관(42)에 연통되는 증기공급관(L1)에 연결되고, 하부는 냉각배출관(L2)이 연결된 응축열교환기(1); 및

   상기 주급수배관(43)과 연통된 냉각회수관(L3)과 상기 냉각배출관(L2)을 연결하며, 작동시 내부에 물수용공간부(23)를 형성하는 메인밸브(2);가 포함되는 것을 특징으로 하는 일체형원자로의 피동 잔열제거계통.
2. 제1항에서,

   상부는 상기 증기공급관(L1)에 연통되게 연결되는 보충수탱크(3)가 더 포함되고,

   상기 보충수탱크(3)의 하부는

   상기 보충수탱크(3) 쪽 유로의 수위와 상기 응축열교환기(1) 쪽 유로의 수위에 의하여 결정되는 압력차에 의하여 개방되는 보조밸브(31)를 통하여 상기 냉각배출관(L2)과 연통되는 것을 특징으로 하는 일체형원자로의 피동 잔열제거계통.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 증기공급관(L1)은

   상기 응축열교환기(1) 보다 높게 형성되는 수직관(L11)과,

   상기 수직관(L11)의 끝단에서 오름 경사지게 절곡되는 경사관(L12)이 포함되는 것을 특징으로 하는 일체형원자로의 피동 잔열제거계통.

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