KR101229954B1 - 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템 - Google Patents

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백병찬
양해남
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심경우
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Abstract

본 발명은 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템에 관한 것으로서, 수냉용 용수가 내부에 저장된 수냉용 용수 저장탱크; 상기 수냉용 용수 저장탱크에 연결되어 수냉용 용수가 공급되고, 공급된 수냉용 용수가 가열되어 증기가 발생되는 증기발생부; 상기 증기발생부에 연결되되, 상기 수냉용 용수 저장탱크의 내부에 구비된 수냉식 열교환부; 및, 상기 증기발생부에 연결되되, 상기 수냉용 용수 저장탱크의 외부에 구비된 공냉식 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 사고시 전기 공급이 중단되더라도 노심 붕괴열(또는 잔열)을 냉각시키도록 원자력 발전소의 피동형 냉각시스템으로 가동될 수 있다.

Description

원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템 {passive cooling system for nuclear power plant}
본 발명은 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원자력 발전소의 사고 발생시 자연순환방식의 노심 냉각에 필요한 2차 계통열제거 방법을 피동형 장치로 구현한 냉각 시스템에 관한 것이다.
원자력 발전소에 있어서, 원자로의 안전성 확보에 중요한 계통으로 보조급수계통이 있다.
보조급수계통은 주급수 계통이 운전 불가능한 경우 증기발생기(steam generator)의 수위를 유지하고, 원자로 냉각계통이 고온대기 상태에서 정지상태로 전환할 수 있도록 증기발생기 수위를 유지하도록 한다.
원자력 발전소에서 사고가 발생하면 노심에 장전된 핵연료 냉각을 위해 2차 계통인 증기발생기를 통해 붕괴열(또는 잔열)을 제거할 수 있다.
종래에는 응축수 저장탱크(condensate storage tank)와 보조급수펌프(auxiliary feedwater pump)를 이용하여 증기발생기를 통한 열 제거 기능을 수행한다. 펌프를 이용한 급수시스템은 전원을 필요로 하며, 전원이 공급되지 못하는 경우에는 급수 계통의 운전은 불가능하다.
이러한 종래기술에 따른 원자력 발전소의 냉각 시스템이 한국공개특허공보 제2002-0037105호(2002.05.18. 공개)에 개시되어 있다.
종래기술에 따른 냉각 시스템으로 급수를 증기발생기에 공급하여 냉각시키면 1차 계통을 통해 전달된 노심 붕괴열(또는 잔열)이 증기발생기에서 제거된다.
그러나, 이러한 종래의 원자력 발전소의 냉각 시스템은 전기 공급에 의해서만 가동될 수 있는 능동형이기 때문에 사고시 전기 공급이 중단될 경우에는 가동되지 못할 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 사고시 전기 공급이 중단되더라도 노심 붕괴열(또는 잔열)을 제거하도록 피동형으로 보조급수계통에서 가동될 수 있는 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 수냉용 용수가 내부에 저장된 수냉용 용수 저장탱크; 원자로를 포함한 1차 계통과 열교환이 이루어져 증기가 발생되는 증기발생부; 상기 증기발생부에 연결되되, 상기 수냉용 용수 저장탱크의 내부에 구비된 수냉식 열교환부; 및, 상기 증기발생부에 연결되되, 상기 수냉용 용수 저장탱크의 외부에 구비된 공냉식 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템에 의하여 달성된다.
여기서, 수냉용 용수와 증기의 순환 흐름이 자중과 대류에 의해 연속될 수 있도록, 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부는 상기 증기발생부보다 상부에 배치된 것이 바람직하다.
상기 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템은 상기 공냉식 열교환부가 내부에 구비된 냉각탑을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 냉각탑의 내부에는 상기 수냉용 용수 저장탱크가 구비되어 상기 수냉용 용수 저장탱크의 내부에는 상기 수냉식 열교환부가 구비되고, 상기 공냉식 열교환부는 상기 냉각탑의 내부에서 상기 수냉용 용수 저장탱크의 외부에 구비된 것이 바람직하다.
상기 냉각탑의 하부에는 외부의 공기가 유입될 수 있도록 외기 유입구가 형성된 것이 바람직하다.
상기 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템은, 상기 증기발생부의 상부와 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부의 상부를 연결하도록 구비된 증기관과, 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부의 하부와 상기 증기발생부의 하부를 연결하도록 구비된 급수관을 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템은 상기 증기발생부에서 발생되는 증기가 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부로 유량이 조절되어 유입될 수 있도록 상기 증기관이 분기되는 지점에 구비된 분기 밸브와, 상기 증기관에서 상기 분기 밸브를 지난 지점에 구비된 개폐 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 사고시 전기 공급이 중단되더라도 노심 붕괴열(또는 잔열)을 냉각시키도록 원자력 발전소의 냉각 시스템이 피동형으로 보조급수계통의 2차 계통에서 가동될 수 있다.
또한, 기존 PAFS(Passive Auxiliary Feedwater System: 피동형 보조급수 시스템)의 단점인 냉각수 고갈시 냉각이 중단되는 문제를 해결하고, 공냉을 이용한 항구적인 냉각이 가능하며, 수냉으로만 구성되었을 때의 열충격 문제를 완화할 수 있다. 냉각을 공냉과 수냉에서 나눠서 할 수 있기 때문에 수냉식 열교환부와 수냉용 용수 저장탱크의 크기를 줄일 수 있다. 즉, 열이 많이 발생되는 사고 초기에는 냉각 용량이 큰 수냉식 열교환부와 공냉식 열교환부를 함께 이용하여 냉각을 수행하고(수냉식 열교환부의 크기는 기존 PAFS에 비해서 줄어들 수 있다), 수냉식 열교환부의 냉각수가 데워지는 사고 중반, 후반 이후에는 공냉을 이용해서 냉각을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템의 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 가압경수로형 원자력 발전소의 냉각 시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 가압경수로, 가압중수로, 비등경수로, 비등중수로 등과 같은 원자로의 안전성 확보에 중요한 계통으로 1차 계통(원자로-고온관-증기발생기-냉각재펌프-저온관-원자로)이 아닌 2차 계통과 연결된 증기발생기를 통해 터빈과 연결되는 계통인 2차 계통(증기발생기-증기관-고온터빈-저온터빈-복수기-급수관-증기발생기)에 적용되는 것으로서, 2차 계통의 열을 물과 교환하는 수냉 파트와, 2차 계통의 열을 공기와 교환하는 공냉파트로 크게 나누어지며, 좀더 구체적으로는, 수냉용 용수(10)가 내부에 저장된 수냉용 용수 저장탱크(110)와, 원자로를 포함한 1차 계통과 열교환이 이루어져 증기가 발생되는 증기발생부(120)와, 증기발생부(120)에 연결되되 수냉용 용수 저장탱크(110)의 내부에 구비된 수냉식 열교환부(131)와, 증기발생부(120)에 연결되되 수냉용 용수 저장탱크(110)의 외부에 구비된 공냉식 열교환부(133)를 포함한다.
이에 따라, 비상시 2차 계통을 냉각시키면 노심 내 붕괴열(또는 잔열)을 제거시킬 수 있다. 좀더 구체적으로는, 증기발생부(120)에서 증기가 발생됨에 따라 증기가 증기발생부(120)의 상부로는 가벼운 증기가 배출되어 열교환부(130)로 유입되고 열교환부(130)를 거치며 증기가 냉각 응축되어 증기발생부(120)의 하부로 재유입될 때에는 물의 상태로 재유입됨으로써 사고시 전기 공급이 중단되더라도 노심 붕괴열(또는 잔열)을 냉각시키도록 원자력 발전소의 냉각 시스템(100)이 펌프 등의 구성이 없이도 피동형으로 2차 계통에서 가동될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 증기발생부(120)의 상부와 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)의 상부를 연결하도록 구비된 증기관(140)과, 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)의 하부와 증기발생부(120)의 하부를 연결하도록 구비된 급수관(125)과, 증기발생부(120)에서 발생되는 증기가 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)로 유량이 조절되어 유입될 수 있도록 증기관(140)이 분기되는 지점에 구비된 분기 밸브(145)와, 증기관(140)에서 분기 밸브(145)를 지난 지점에 구비된 개폐 밸브(147)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 공냉식 열교환부(133)와 수냉식 열교환부(131)를 경유하면서 발생된 응축수는 급수관(125)을 따라서 증기발생부(120)로 유입되며, 증기발생부(120)에서 발생된 증기는 수냉식 열교환부(131)와 공냉식열교환부(133)로 재유입될 수 있다. 이때, 분기 밸브(145)와 개폐 밸브(147)에 의해 수냉식 열교환부(131)와 공냉식 열교환부(133)로의 증기 공급이 선택되어 개폐가 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예로서, 급수관(125)은 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)의 상부에 각각 구비되고, 증기관(140)은 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)의 하부에 각각 구비된 것이 바람직하다.
분기 밸브(145)의 조절(수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)로의 증기의 유로 조절)은 제어부(미도시)가 구비되어 냉각 열용량에 따라 자동으로 계산되어 수행되거나 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)의 열제거 용량에 따라 변경될 수 있고, 그렇지 않을 경우엔 운전원이 직접 조작할 수도 있다. 이때, 증기발생부(120)의 수위는 항상 일정하게 유지되도록 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 증기발생기(120), 증기관(140), 열교환부(130) 및 급수관(125)을 따라 순환하는 냉매의 순환 흐름이 자중과 대류에 의해 피동형으로 연속될 수 있도록, 수냉식 열교환부(131) 및 공냉식 열교환부(133)는 증기발생부(120)보다 상부에 배치된 것이 바람직하다.
이에 따라, 증기는 가볍고 물은 무거운 성질을 이용한 자연 대류 및 중력에 의해 순환 흐름에 의하여 전력과 같은 별도의 동력이 없이도 피동형으로 연속될 수 있다.
한편, 수냉용 용수 저장탱크(110)에는 외부로부터 수냉용 용수(10)가 공급될 수 있도록 구비된 수냉 용수 공급관(111)과 내부의 수냉용 용수(10)를 외부로 배출할 수 있도록 구비된 수냉 용수 취출관(113)이 구비된 것이 바람직하다.
이에 따라, 수냉식 열교환기(131) 및 공냉식 열교환기(133)가 수냉용 용수 저장탱크(110)의 내부와 외부에 함께 구비됨으로써 기존 PAFS(Passive Auxiliary Feedwater System: 피동형 보조급수 시스템)의 단점인 냉각수 고갈시 냉각이 중단되는 문제를 해결하고, 공냉을 이용한 항구적인 냉각이 가능하며, 수냉으로만 구성되었을 때의 열충격 문제를 완화할 수 있다. 또한, 냉각을 공냉과 수냉에서 나눠서 할 수 있기 때문에 수냉식 열교환부와 수냉용 용수 저장탱크의 크기를 줄일 수 있다. 즉, 열이 많이 발생되는 사고 초기에는 냉각 용량이 큰 수냉식 열교환부와 공냉식 열교환부를 함께 이용하여 냉각을 수행하고(수냉식 열교환부의 크기는 기존 PAFS에 비해서 줄어들 수 있다), 수냉식 열교환부의 냉각수가 데워지는 사고 중반, 후반 이후에는 공냉을 이용해서 냉각을 수행할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템(100)은 공냉식 열교환부(133)가 내부에 구비된 냉각탑(150)을 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 냉각탑(150)은 공냉식 열교환부(133)의 설치 장소를 제공하고, 대기압차에 의해 하부로부터 바람이 상부로 불어 올라가는 현상을 이용해 공냉의 열교환 효율을 높일 수 있다.
냉각탑(150)의 하부에는 외부의 공기가 냉각탑(150)의 내부로 자연 유입될 수 있도록 외기 유입구(151)가 형성된 것이 바람직하다.
이에 따라, 냉각탑(150)의 내부로 외기가 유입됨으로써 공냉식 열교환기(133)의 열교환 효율을 높일 수 있다.
증기발생부(120)의 열을 식히는 이 과정은 증기발생부(120) 내 급수의 기화-대류-상승-수공냉 열교환부(131,133)에서의 냉각-응축-중력 하강-급수 공급-기화의 사이클로 구성된다. 따라서, 펌프 등을 이용한 유동 발생 장치가 필요 없고, 이에 따른 기기 가동 에너지 공급이 필요 없다. 대기와 수냉용수와의 열교환을 통해서 냉각이 이뤄지는 피동형 냉각 시스템(100)이 구현된다. 수냉과 공냉은 서로 보완 관계이며 각각의 열교환 용량의 한계 때문에 크기가 커지는 문제를 수냉식 열교환부(131)의 도입으로 해결할 수 있고 수냉식 열교환부(131)만으로 구성됐을 때 수냉 용수가 증발된 뒤 냉각이 중단되는 문제를 해결하고 수냉식 열교환부(131)만으로 구성됐을 때 냉각 용량 때문에 크기가 커지게 되어 냉각 초반에 급냉이 이뤄져 배관에 열충격이 가해지는 문제를 공냉과 수냉의 공존으로 열냉각 성능을 조절하여 해결할 수 있다.
본 발명은 증기발생부(120)가 설치되어 있는 원전에는 모두 적용이 가능하며 증기발생부(120)가 노심과 직접 연결되어 있든지 간접 연결되어 있든지 아니면 별도로 존재하든지 모두 적용될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 냉각탑(150)의 내부에는 수냉용 용수 저장탱크(110)가 구비되어 수냉용 용수 저장탱크(110)의 내부에는 수냉식 열교환부(131)가 구비되고, 공냉식 열교환부(133)는 냉각탑(150)의 내부에서 수냉용 용수 저장탱크(110)의 외부에 구비된 것이 바람직하다.
노심에서 생성된 열은 1차 계통을 통해 증기발생부(120)로 전달되고, 증기발생부(120)에서 열교환이 이루어져 2차 계통으로 열이 전달된다.
증기발생부(120)의 내부에는 급수가 채워져 있고, 이 급수가 전달된 노심의 열에 의해 가열되어 증기로 기화된다.
기화된 증기는 증기발생부(120)의 상부에 설치된 증기관(140)을 따라 유동하게 되고, 증기관(140)이 분기되는 지점에는 분기 밸브(145)가 구비되어 증기가 공냉식 열교환부(133) 및 수냉식 열교환부(131) 중 적어도 어느 한 곳으로 공급되도록 유로를 조절한다. 한편, 수냉식 열교환부(131)로 공급된 증기는 수냉용 용수(10)가 담겨져 있는 수냉용 용수 저장탱크(110)의 내부에 설치된 수냉식 열교환부(131)를 통과하게 되고 수냉식 열교환부(131)를 통과하는 과정에서 증기는 수냉용 용수(10)와 열교환 하게 된다. 열교환이 이뤄지는 과정에서 응축된 증기는 중력에 의해 하강되어 수냉식 열교환부(131)의 하부에 연결된 급수관(125)을 따라 증기발생부(120)로 재유입되어 회수된다. 한편, 공냉식 열교환부(133)로 공급된 증기는 대기와 열교환이 이뤄지는 공냉식 열교환부(133)를 통과하면서 대기와 열교환 하게 된다. 열교환이 이뤄지는 과정에서 응축된 증기는 중력에 의해 하강되어 공냉식 열교환부(133)의 하부에 연결된 급수관(125)을 따라 증기발생부(120)로 재유입되어 회수된다. 이 과정은 자연 대류-응축-중력 하강에 의해 이뤄지므로 수냉식 열교환부(131)와 공냉식 열교환부(133)는 증기발생부(120)보다 상부에 설치된 것이 바람직하다.
공냉의 효율을 높이기 위해 공냉 공간이 별도로 설치될 수 있다. 예를 들어, 냉각탑(150) 형태의 공냉 공간이 도입될 수 있다. 냉각탑(150)은 상부와 하부가 개방된 형태로 마련되고, 냉각탑(150)의 내부에는 공냉식 열교환부(133)가 설치된다. 냉각탑(150) 구조물의 높이에 의한 기압차 때문에 하부에서 유입된 대기 바람이 상부로 불어 올라간다. 따라서, 내부에 설치된 공냉식 열교환부(133)의 표면에 바람이 접촉되면서 공냉의 효율을 높여 줄 수 있다.
이에, 본 발명에 따르면, 사고시 전기 공급이 중단되더라도 노심 붕괴열(또는 잔열)을 제거하도록 원자력 발전소의 냉각 시스템(100)이 피동형으로 가동될 수 있다.
110 : 수냉용 용수 저장탱크 120 : 증기발생부
125 : 급수관 131 : 수냉식 열교환부
133 : 공냉식 열교환부 140 : 증기관
145 : 밸브 150 : 냉각탑
151 : 외기 유입구

Claims (7)

  1. 수냉용 용수가 내부에 저장된 수냉용 용수 저장탱크;
    원자로를 포함한 1차 계통과 열교환이 이루어져 증기가 발생되는 증기발생부;
    상기 증기발생부에 연결되되, 상기 수냉용 용수 저장탱크의 내부에 구비된 수냉식 열교환부;
    상기 증기발생부에 연결되되, 상기 수냉용 용수 저장탱크의 외부에 구비된 공냉식 열교환부; 및
    상기 공냉식 열교환부가 내부에 구비되는 냉각탑을 포함하되,
    상기 냉각탑의 내부에는 상기 수냉용 용수 저장탱크가 구비되어 상기 수냉용 용수 저장탱크의 내부에는 상기 수냉식 열교환부가 구비되고, 상기 공냉식 열교환부는 상기 냉각탑의 내부에서 상기 수냉용 용수 저장탱크의 외부에 구비되며,
    상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부는 상기 증기발생부보다 상부에 배치되어 수냉용 용수와 증기의 순환 흐름이 자중과 대류에 의해 연속될 수 있는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각탑의 하부에는 외부의 공기가 유입될 수 있도록 외기 유입구가 형성된 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증기발생부의 상부와 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부의 상부를 연결하도록 구비된 증기관과, 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부의 하부와 상기 증기발생부의 하부를 연결하도록 구비된 급수관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 증기발생부에서 발생되는 증기가 상기 수냉식 열교환부 및 상기 공냉식 열교환부로 유량이 조절되어 유입될 수 있도록 상기 증기관이 분기되는 지점에 구비된 분기 밸브와, 상기 증기관에서 상기 분기 밸브를 지난 지점에 구비된 개폐 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 피동형 냉각 시스템.
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