KR101233314B1

KR101233314B1 - 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치

Info

Publication number: KR101233314B1
Application number: KR1020110094736A
Authority: KR
Inventors: 민병태; 홍성완; 김환열; 송진호; 김종환
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사; 한국원자력연구원
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-02-14

Abstract

본 발명은 원자력발전소에서 노심이 용융되고, 노심 용융물이 원자로 용기를 용융시켜 외부로 배출되는 중대사고가 발생하였을 경우, 노심 용융물을 냉각수 탱크 내에 억류하고, 냉각수에 의하여 효과적으로 냉각시키기 위한 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치에 관한 것으로, 냉각수 저장탱크의 수위와 냉각수분배기의 배관 높이를 연계하여 냉각수 각 배관을 통한 냉각수의 총공급량을 제한할 수 있도록 한다. 상기 냉각탱크의 중앙부와 측벽에는 다단식 희생콘크리트 층과 다단식 냉각수 배출 노즐을 설치하여 노심용융물의 축적된 높이에 따라서 적절한 양의 냉각수를 공급할 수 있도록 했다.
또한 중앙 및 측벽 냉각수 배관에 설치되는 노즐의 냉각수는 상, 하 및 수평으로 냉각수를 분사하며, 다양한 형태의 노즐을 적용하므로서 냉각수 높이 및 위치에 따른 냉각 효과를 향상시킬 수 있도록 하였다. 따라서 노심용융물의 축적된 높이에 대하여 효과적으로 냉각시킬 수 있고, 각 노즐 및 냉각탱크에는 항상 냉각수가 채워져 있으므로 노심용융물이 배출되는 초기단계부터 노심용융물을 효과적으로 신속하게 냉각시키므로 냉각 효율의 증진, 장치의 단순화 및 원자로에 적용 용이성을 특징으로 한다.

Description

다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치{Passive Multiple Cooling Device for the Molten Corium of a Reactor Vessel}

본 발명은 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력발전소에서 노심이 용융되고, 노심 용융물이 원자로 용기를 용융시켜 외부로 배출되는 중대사고가 발생하였을 경우, 노심 용융물을 냉각수 탱크 내에 억류하고, 냉각수에 의하여 효과적으로 냉각시키기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 원자력발전소는 크게 핵연료에 의해 발생한 열로 냉각수를 가열하여 증기를 공급하는 계통과 증기를 공급받아 발전기를 돌리는 터빈·발전기계통, 그리고 기타 부수설비로 구분된다. 여기서, 원자로는 핵분열 반응시 순간적으로 방출되는 다량의 에너지가 서서히 방출되도록 조절함으로써 핵에너지를 실생활에 활용할 수 있도록 하는 기능을 갖는 장치이다.

그러나 이러한 원자로에서 노심용융이 일어나 원자로 용기 외부로 노심용융물이 방출되는 중대사고시 노심용융물을 효율적으로 냉각시키지 못한다면, 방출된 노심용융물이 원자로 공동을 침식하여 주변 토양을 오염시키고 아울러 격납건물의 건전성을 위협하는 상황을 초래할 수 있다.

그래서 이러한 노심용융물을 억류하여 적절하게 냉각시키는 장치 및 그 방법이 꾸준히 연구되고 있다.

종래의 노심용융물 냉각장치는 노심용융물을 별도의 거대한 냉각장치로 이동시키고, 노심용융물을 냉각수로 직.간접적으로 접촉시켜 냉각시키는 냉각장치가 제안된 바 있다(한국특허공개 제10-2005-0080668호, 원자로 용기를 관통한 노심용융물 냉각장치 및 그 방법). 따라서 노심용융물은 충분한 유동성을 유지해야 하므로 융점을 낮추기 위해 다량의 희생콘크리트와 반응시켜야 한다.

또한 매우 밀도가 큰 노심용융물 내부로 냉각수를 주입하기 위해서는 그만큼 높은 수압이 필요하지만, 원자로의 제한된 용적에서 수두 차이를 크게 할 수 없으므로 중력으로 냉각수를 주입하기 위해서는 노심용융물의 높이가 상대적으로 낮아야 하므로, 노심용융물이 냉각되는 계통의 바닥면적을 넓게 하여야 한다. 이것은 별도의 대용량의 시설이 필요하며, 더하여 노심용융물이 이동하기 위한 통로가 필요하다. 그러므로 노심용융물의 밀도를 낮추고, 유동성을 양호하게 하기 위해 많은 양의 희생콘크리트가 필요한 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 원자로에서 배출된 비중이 매우 높은 고온의 노심용융물의 높이에 관계없이 효과적으로 냉각시키고 적은 면적이 소요되므로 원자로 하부에 설치할 수 있는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 이중의 벽으로 된 냉각탱크의 냉각수에 의한 냉각뿐만 아니라 높이에 따라서 다단으로 냉각 노즐을 배치하며, 이에 따라서 노즐 형태를 다양하게 변경시켜 일부의 노즐이 막혀도 냉각능력을 유지하고, 냉각효율을 높이도록 한 것이다.

또한 냉각수 분배기의 수위에 따라서 각 배관으로 공급되는 냉각수량을 한정할 수 있도록 하여 각 배관 높이에 대하여 최대 공급되는 냉각수량을 제한할 수 있도록 한 것이다. 또한 부레에 의한 피동식 안전 냉각수 공급계통, 이중형 공급탱크의 장점을 이용하여, 노심용융물을 초기 단계부터 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 하는 특징이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및 상기 냉각수 공급부로부터 공급받은 냉각수를 이용하여 노심 용융물을 냉각 시키는 냉각탱크를 포함하고, 상기 냉각탱크는, 서로 이격배치되어 이중의 원통용기를 구성하는 외함 및 내함; 상기 내함의 내측에 배치되는 희생콘크리트층; 상기 희생콘크리트 층에 매설되어 상기 내함의 내부를 향해 냉각수를 분사하는 냉각수노즐부를 포함하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치이다.

상기 냉각수 공급부는 냉각수를 저장하는 냉각수저장탱크와, 상기 냉각수저장탱크와 연결돼서 상기 냉각수노즐부로 냉각수를 분해하는 냉각수분배기를 포함하고, 상기 냉각수 분배기는 복수의 냉각수공급관이 높이를 달리하여 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 냉각탱크와 상기 냉각수분배기 사이에는 냉각수 조절밸브가 설치되고, 상기 냉각수 조절밸브는 냉각탱크의 수위에 따라서 최대 공급되는 수량을 조절하는 조절플런저에 의해 냉각수의 유량을 조절하며, 는 상기 냉각탱크의 외함 및 내함 사이의 공간에 설치되는 부레에 복수의 빔 및 회전축으로 링크연결돼서 상기 냉각탱크의 냉각수의 수위에 따라 개폐되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 희생콘크리트층은 상기 내함의 바닥부에 배치되는 바닥콘크리트와, 상기 바닥콘크리트의 상측으로 상기 내함에 배치되는 측벽희생콘크리트와, 상기 바닥희생콘크리의 상측에 배치되는 중앙희생콘크리트를 포함한다. 측벽 및 중앙 희생콘크리트 지지대는 구멍이 있어 용융물이 하부로 배출되기 용이하도록 하였다.

또, 상기 중앙콘크리트는 중심부가 높고 주위가 낮도록 형성되며, 상기 측벽콘크리트는 노심용융물이 중심을 향해 흐르도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 냉각탱크의 바닥, 중앙, 측벽에서 높이에 따라서 냉각수가 여러 단으로 분사되어 노심용융물의 높이가 높거나 냉각 고화되어도 그 상부나 하부에서 냉각수에 의한 냉각시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 내함의 바닥부를 관통하는 바닥냉각수노즐이 상측으로 향해 분사하도록 매설되고, 상기 내함의 측면을 관통하는 측벽냉각수노즐과 상기 내함 중심의 중앙 냉각수 노즐들은 상하 측면으로 냉각수를 분사할 수 있으며, 상기 측벽 및 중앙 냉각수노즐은 상기 내함의 높이 방향으로 다단으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여, 노심용융물이 축적되는 양과 높이에 따라서 냉각수 탱크의 벽과 중앙에 설치된 다단의 냉각수 노즐을 통해 냉각수를 공급하므로써 노심용융물을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 냉각탱크 및 노즐의 배관내에는 냉각수가 항상 채워져 있으므로 노심용융물이 배출되면 즉시 냉각을 개시할 수 있다. 따라서, 노심용융물을 냉각시키기 위하여 별도의 장치로 이동하기 위한 시설이 필요 없고, 초기단계부터 신속하게 효과적으로 냉각을 진행시킬 수 있으며, 용융물의 높이에 따라서 여러 단계의 노즐에서 냉각수를 공급하므로 노심용융물의 냉각능력을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 원하는 경우, 배열된 노즐 높이에 따라서 최대 공급되는 급수량을 제한하여 과도한 냉각수 공급을 방지할 수 있다. 이 같은 특징과 부레에 의한 피동형 냉각수 공급을 채택하여 노심용융물을 효과적으로 신속하게 냉각시키면서, 간단한 설계, 설치의 단순성, 다양한 원자로에 우수한 적응성으로 원자로의 중대사고에 대한 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치의 정단면도 및 부분평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 바닥냉각수노즐의 부분확대도이다.
도 3은 도 1에 도시된 바닥냉각수노즐의 배치모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 측벽냉각수노즐의 배치모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 측벽냉각수노즐을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 중심냉각수노즐을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 노즐유니트의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 도면부호 100은 본 발명의 실시예에 따른 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치의 도면으로써, 개략적인 단면도와, 냉각탱크의 평면도를 도시한다.

상기 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치(100)는, 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부와, 노심용융물을 안전하게 축적하고 상기 냉각수 공급부로부터 공급받은 냉각수로 이를 냉각시키는 다단식 노즐들을 가지는 냉각탱크(148)를 포함하여 이루어진다.

상기 냉각수 공급부는 냉각수저장탱크(102)와, 상기 냉각탱크(148)에 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 밸브부로 구성된다. 상기 밸브부는 냉각수차단밸브(106)와, 냉각수조절밸브(112)와, 바이패스밸브(110)와, 유량제한기(136,138,140)와 체크밸브(142,144,146)를 포함하며, 상기 밸브부는 상기 냉각탱크(148) 내의 냉각수의 수위와 연동하여 이루어지고, 다단식 노즐에 연결되는 측벽냉각수공급관(130,132) 및 바닥냉각수공급관(134)에 공급되는 총급수량은 냉각분배기(128)에 의해 조절되며, 이에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.

상기 냉각수저장탱크(102)는 내격납 재장전수 저장조인 IRWST(In-Containment Refueling Water Storage Tank)를 이용한다.

상기 냉각탱크(148)는 이중의 원통용기로써, 외함(149)과 내함(150)으로 구성되며, 상기 외함(149)과 상기 내함(150)은 서로 이격배치된다. 상기 외함(149)과 상기 내함(150) 사이에 형성된 공간에는 냉각수가 채워져 있다. 상기 냉각탱크(148)의 상부는 개방되며, 따라서 증기가 외부로 배출가능하다. 상기 내함(150)과 상기 외함(149) 사이에는 도시되지 않은 지지수단을 이용하여 간격을 유지할 수 있다.

상기 냉각탱크(148)의 상부에는 격자로 이루어진 상부지지판(172)을 설치하며, 상기 상부지지판(172)은 원자로 관련 작업을 용이하게 하고, 대형 노심 용융물 파편이 떨어질 경우, 상기 냉각탱크(148)에 포함되는 노즐들의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 상부지지판(172)은 중심부가 낮아지도록 완만한 사면을 갖도록 하여 원자로(10)의 노심 용융물이 상기 냉각탱크(148) 내부로 용이하게 낙하할 수 있도록 한다.

상기 내함(150)의 바닥부에는 단열재층(164)이 형성되서, 고온의 노심용융물의 열충격을 방지한다. 그리고, 상기 단열재층(164)의 상부에 바닥희생콘크리트(162)가 부착된다. 또한 상기 내함(150)의 내벽측에는 상기 바닥희생콘크리트(162)의 상측으로 측벽희생콘크리트(152)가 배치되고, 상기 측벽희생콘크리트(152)는 측벽지지대(153)에 의해 지지된다. 상기 측벽지지대(153)는 복수개가 설치될 수 있으며, 상기 측벽지지대(153)의 설치개수 및 길이는 상기 측벽희생콘크리트(152)의 형상에 의해 결정된다. 특히, 상기 측벽희생콘크리트(152)는 사면을 이루어, 낙하되는 노심용융물이 상기 냉각탱크(148)의 중심을 향하여 흐를 수 있도록 한다. 또, 상기 측벽지지대(153)는 다공성으로 형성돼서, 상기 측벽희생콘크리트(152)가 용융되면 하부로 배출되도록 한다. 그리고, 상기 측벽희생콘크리트(152)의 내부에는 측벽냉각수노즐(158,160)이 매설된다.

또, 상기 내함(150)의 중앙의 상기 바닥희생콘크리트(162)의 상측으로 중앙희생콘크리트(154)가 배치되며, 상기 중앙희생콘크리트(154)가 용융되어 무너져 내리는 것을 방지하기 위하여 중앙지지대(155)가 설치된다. 상기 중앙지지대(155)는 다공성으로 형성돼서, 상기 중앙희생콘크리트(154)가 용융되면 하부로 배출되도록 한다. 상기 중앙희생콘크리트(154) 내부에는 중앙냉각수노즐(174)이 매설된다.

상기 중앙희생콘크리트(154)는 중심부가 높고 하부의 주변부가 낮도록 경사면을 가진다. 상기 측벽희생콘크리트(152)와 상기 측벽냉각수노즐(158)은 각각 내부쪽으로 경사를 주어 노심용융물이 흘러 내리면서 축적될 수 있도록 하였다. 또, 상기 중앙희생콘크리트(154)의 주위로 상기 측벽희생콘크리트(152)의 하부에 여유공간(156)을 두어 노심용융물이 상기 바닥희생콘크리트(162)와 상기 측벽희생콘크리트(152) 및 상기 중앙희생콘크리트(154)를 점차 용융시키면서 용융 용적을 증가시킬 수 있도록 하여 상기 냉각탱크(148)에 대한 급격한 열충격을 방지하도록 하였다.

상기 측벽희생콘크리트(152)와 상기 바닥희생콘크리트(162) 및 상기 중앙희생콘크리트(154)는 CaO, Fe₂O₃, ZrO₂, SiO₂ 등과 같은 물질로 구성되는 혼합물을 고화시킨 것으로, 고온의 노심 용융물과 반응하여 용융물의 융점을 낮추고, 유동성을 좋게 하며, 핵분열 생성물 등을 포집하는 역할을 한다. 또한, 상기 희생콘크리트는 낙하되는 고온의 노심 용융물과 냉각수 노즐이 직접 접촉하는 것을 방지하여 노즐의 손상을 방지한다.

상기 바닥냉각수노즐(166)은 도 1 및 3에 도시된 바와 같이 상기 내함(150)의 바닥에 배치되며, 상기 측벽냉각수노즐(158,160)과 중앙냉각수노즐(174)은 도 1 및 도 4에 도시된 같이 측벽과 내부를 중심으로 배치된다. 상기 냉각탱크(148) 중심부에 중심배관이 설치되고, 상기 중심배관의 주위로 보조배관이 복수개가 방사상으로 배치되는 것과 동시에 높이방향으로도 여러 단이 설치돼서, 혼합 용융물의 높이에 따라서 전방향으로 냉각수를 공급하도록 한다. 그러므로 노심용융물의 높이에 따라서 측벽이나 중앙 노즐에서 냉각수가 배출되므로 바닥의 노즐을 통해서만 냉각수가 공급되는 방식에 비해 한 부분으로만 과도한 냉각수가 공급되는 것을 방지하고, 노심용융물의 높이가 증가해도 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 상기 측벽냉각수노즐(158,160)과 중앙냉각수노즐(174)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 노즐에서 분사되는 냉각수가 상, 하, 수평 방향으로 배출되도록 설치할 수 있으므로 노심용융물의 어떠한 조건에서도 일부의 냉각수가 분사되어 냉각기능을 할 수 있도록 하였다. 또한 도 6에서 보는 바와 같이 노즐 형태를 다양하게 제작하여 노즐플러그가 쉽게 용융되어 냉각수를 배출하기 용이하도록 하고, 냉각효과를 높일 수 있도록 할 수 있다.

밀도가 높은 혼합 용융물의 부분적인 고화와 양의 증가에 따라서 상기 바닥냉각수노즐(166)을 통한 냉각수의 공급이 어려워지므로, 상기 측벽냉각수노즐(158,160)과 상기 중앙냉각수노즐(174)의 역할은 더욱 중요하며, 노심용융물의 높이가 증가해도 냉각수를 지속적으로 공급할 수 있다.

상기 바닥냉각수노즐(166)는 도 2에 도시된 바와 같이, 관체의 내부에 분사되는 유량을 제한하도록 노즐유량제한부(168)가 형성되고, 단부에는 상기 노즐플러그(170)가 배치되어, 평시(平時)에는 상기 바닥냉각수노즐(166)를 통한 냉각수의 분사를 억제한다. 상기 유량제한부(168)는 공지의 유량제한장치를 사용하거나, 간단하게 단면적을 좁혀서 배출되는 유체의 압력을 강하시키는 것에 의해 상부에서 용융물에 의해 가해지는 압력과의 차이를 작게 하는 것으로 이루어질 수 있다. 상기 노즐유량제한부(168)는 노즐로 냉각수가 과도하게 흐르는 것을 방지하여 전체 바닥냉각수노즐(166)에 균일한 냉각수 분배가 되도록 한다. 상기 노즐플러그(170)는 소정의 온도에서 용융될 수 있는 고분자 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 노즐플러그(170)가 용융되면 제한된 냉각수가 상기 바닥냉각수노즐(166)을 통해 배출될 수 있다.

상기 바닥냉각수노즐(166)은 도 3에 도시된 바와 같이 복수개가 배치될 수 있으며, 상기 내함(150)의 바닥의 전영역에 걸쳐 고르게 분포하도록 배치시키는 것이 바람직하다.

상기 측벽냉각수노즐(158,160)은 도 5에 도시된 바와 같이, 수평의 수평관체(161)에 주위 또는 단부에 냉각수노즐유니트(165)이 복수개 설치되어 구성된다. 따라서, 상기 측벽냉각수노즐(158,160)은 둘레방향 및 상기 내함(150)의 중심방향을 향한 분사가 가능하다. 상기 냉각수노즐유니트(165)은 상기 바닥냉각수노즐(166)과 기본적으로 동일한 구성을 가진다.

특히, 밀도가 높은 혼합 용융물의 부분적인 고화와 양의 증가에 따라서 상기 바닥냉각수노즐(166)을 통한 냉각수의 공급이 어려워지므로, 상기 측벽냉각수노즐(158,160)을 통하여 냉각수를 지속적으로 공급할 수 있다.

또, 상기 중앙냉각수노즐(174)은 수직관체(175)에 둘레방향으로 복수의 가지관(176)을 가진다. 상기 복수의 가지관(176)은 서로 높이를 달리 하여 설치될 수 있다. 그리고, 상기 수직관(175)의 단부, 상기 가지관(176)의 단부 및 둘레에는 냉각수노즐유니트(177)이 설치되며, 상기 냉각수노즐유니트(177)은 상기 바닥냉각수노즐(166)과 기본적으로 동일한 구성을 가진다. 따라서, 냉각수가 상기 중앙냉각수노즐(174)의 주위 전방향으로 분사될 수 있다.

상기 냉각수노즐유니트(165,177)은 도 7에 도시된 바와 같이, 다양한 형태의 노즐단부를 가질 수 있으며, 이를 통하여 노즐플러그가 쉽게 용융되어 냉각수를 배출하기 용이하도록 하고, 냉각효과를 높일 수 있도록 할 수 있다. 특히, 노즐의 단부를 다양한 형태로 절곡하는 것에 의해, 노심용융물에 의한 노심플러그의 용융이 용이하며, 이를 통해 특정의 방향으로 냉각수를 분사하므로 노심용융물을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

따라서, 상기 노심용융물이 상기 측벽희생콘크리트(152)와 상기 바닥희생콘크리트(162) 및 상기 중앙희생콘크리트(154)을 용융시키고, 바닥냉각수노즐(166), 측벽냉각수노즐(158,160), 중앙냉각수노즐(174)과 접촉하면, 저융점의 금속이나 고분자물질로 된 노즐플러그(170)를 용융시켜서 내부에 있는 냉각수가 배출된다. 상기 각 노즐들은 위치에 따라서 직경은 변경시킬 수 있으며, 노즐유량제한부(168)에 의해 단위 시간당 각 노즐 배관을 통한 최대 냉각수량을 제한하도록 하여 과도한 냉각수 공급 및 증기폭발 가능성을 최소로 하였다.

상기 냉각수분배기(128)에는 하나 이상의 측벽냉각수공급관(130,132)과 바닥냉각수공급관(134)가 연결된다. 상기 측벽냉각수공급관(130,132)과 상기 바닥냉각수공급관(134) 각각에는 유량제한기(1136,138,140), 및 체크밸브(142,144,146)이 순차적으로 배치된다. 상기 체크밸브(142,144,146)의 후단에서 상기 냉각탱크(148)의 내부 또는 상기 측벽냉각수노즐(158,160)과 연결된다.

상기 냉각수분배기(128)는 냉각수의 유량을 분배한다. 상기 냉각수분배기(128)의 높이는 상기 냉각수저장탱크(102)보다 높게 하여 냉각수가 넘치지 않도록 하였으며, 냉각수의 유량의 분배는 상기 냉각수분배기(128)의 수위에 의해 결정된다. 즉, 상기 냉각수분배기(128)는 길이방향으로 긴 공간을 가지는 관형태로 이루어지며, 상기 냉각수분배기(128)에는 하부에 상기 바닥냉각수공급관(134)이 연결되고, 그 상측으로 상기 측벽냉각수공급관(130,132)이 연결된다. 따라서, 상기 바닥냉가수공급관(134)과 상기 측벽냉각수공급관(130,132)에 가해지는 수두차가 달라지게 되고, 이에 의해 제공되는 유량분배량의 차이가 발생하게 된다.

다시 말해, 상기 냉각탱크(148)의 측벽냉각수공급관(130,132)과 바닥냉각수공급관(134)은 냉각수분배기(128)의 높이에 따라서 냉각수를 공급받는 배관의 높이가 다르다. 상기 냉각수분배기(128)은 냉각수저장탱크(102)보다 높은 위치까지 수직으로 설치되었고, 상부는 개방되어있다. 따라서, 상기 냉각수분배기(128)의 특정 위치에서 측벽냉각수공급관(130,132)과 바닥냉각수공급관(134)이 배치되고, 상기 냉각수저장탱크(102)의 수위가 점차 낮아 지면, 상기 냉각수저장탱크(102)의 수위보다 높게 배관된 곳으로 냉각수가 흐르지 않으므로 냉각탱크(148)의 위치에 따라서 공급되는 최대의 냉각수량을 제한할 수 있다.

따라서, 각 냉각수 배관으로 통해 공급되는 냉각수의 최대 양은 상기 냉각수저장탱크(102)의 수위까지만 공급되므로 한 노즐 부위로 과도한 냉각수 공급을 방지하였다. 이 같은 냉각수분배기(128)에서 상기 측벽냉각수공급관(130,132)의 설치 높이는 상기 냉각탱크(148)의 노심 용융물을 냉각시키기 위한 방법에 따라서 변경시킬 수 있다. 또, 상기 유량제한기(136,138,140)는 소정의 유량을 초과하지 않도록 설치되며, 공지의 유량제한기를 사용할 수 있다. 상기 유량제한기(136,138,140)는 각 노즐을 통해 공급되는 냉각수의 유량 속도를 해당되는 용적의 용융물을 냉각시키는 양으로 제한하여 증기폭발 가능성을 줄이고, 과도한 냉각수 유입을 방지할 수 있다. 상기 체크밸브(142,144,146)는 냉각수가 역으로 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.

상기 냉각수분배기(128)는 냉각수저장탱크(102)로부터 냉각수를 공급받는다. 따라서, 별도의 동력없이 안정적인 냉각수의 공급이 가능하도록 상기 냉각수저장탱크(102)의 수위와 상기 냉각수분배기(128)의 수위가 동일하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 냉각수저장탱크(102)에서는 주배관(104)과 바이패스관(108)이 각각 연결되며, 상기 주배관(104)에는 냉각수차단밸브(106)가 배치되고, 상기 바이패스관(108)에는 바이패스밸브(110)가 배치된다. 상기 바이패스관(108)은 상기 주배관(104)에 이상이 있는 경우에도 냉각수의 공급을 원활히 하기 위해 설치된다. 냉각수차단밸브(106)와 바이패스밸브(110)는 냉각장치를 점검할 때 냉각수를 일시 차단하는 역할을 한다.

상기 주배관(104)에는 상기 냉각수차단밸브(106)의 후단으로 냉각수조절밸브(112)가 설치되며, 상기 냉각수조절밸브(112)에는 수직운동에 의해 냉각수의 흐름을 걔페하는 조절플런저(114)가 설치된다.

그리고, 상기 냉각수조절밸브(112)의 출력측과 상기 바이패스관(108)의 바이패스밸브(110)의 후단은 메인냉각수공급관(127)에서 만나고, 상기 메인냉각수공급관(127)에는 냉각수분배기(128)가 연결된다.

상기 냉각수저장탱크(102)에서 상기 냉각수분배기(128)로 공급되는 냉각수는 상기 냉각탱크(148)의 수위에 따라서 부레(126)의 상하이동으로 연결된 빔(116, 120, 122)과 회전축(118)을 따라서 조절플런저(114)가 상하 이동하여 냉각수의 공급량을 조절하도록 하였다. 상기 부력평형추(124)는 제1빔(122)에 의해 일체로 고정되며, 상기 제1빔(140)은 회전조인트(121)에 의해 제2빔(120)에 연결된다. 그리고, 상기 제2빔(120)은 회전축(118)에 연결된다. 상기 부력평형추(124)를 도 1에 도시된 바와 같이 복수개 설치하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 제2빔(120)은 상기 개폐밸브회전축(118)에 의해 회전되는 것에 의해, 상기 회전조인트(121)와 반대측 단부에 회전가능하도록 고정되는 제3빔(116)을 상하로 이동시키는 것이 가능하다. 상기 제3빔(116)의 하단은 상기 개폐플런저(114)와 연결되기 때문에, 상기 부레(126)에 의한 제1빔(122)의 상하운동은 상기 제3빔(116)에 전달돼서 상기 냉각수의 수위에 의해 상기 개폐밸브(112)의 개폐가 가능하게 된다.

상기 부레(126)는 상기 내함(150)과 상기 외함(149) 사이의 공간에 설치되며, 는 냉각수의 수위를 지시하기 위하여, 부레(126)와 상기 부레(126)에 일체로 부력평형추(124)가 설치된다. 상기 냉각탱크(148)의 수위가 감소하면 상기 부레(126)에 부착된 부력평형추(124)의 무게에 의해 상기 부레(126)가 하강하여 개폐플런저(114)가 열리도록 하여 피동적으로 냉각수를 공급 및 차단할 수 있도록 하였다. 상기 부레(126)을 이용하는 냉각수 공급계통은 다중으로 여러 개 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 열교환식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치(100)의 작동원리에 대해 설명한다.

중대사고가 발생하여 노심이 용융되고, 노심 용융물이 원자로(10)를 용융시키면 고온의 노심용융물은 상기 냉각탱크(148)로 배출된다. 노심용융물은 상기 냉각탱크(148)에 있는 일부의 상기 중앙희생콘크리트(154)와 상기 측벽희생콘크리트(152)를 용융시키고, 주로 바닥에 쌓이면서 상기 바닥희생콘크리트(162)를 용융시킨다. 노심용융물이 희생콘크리트층을 용융시키면서 형성된 혼합 용융물은 융점이 낮아지고, 유동성을 좋게 하며, 핵분열 생성물을 포집하는 역할을 한다.

상기 바닥희생콘크리트(162)가 더욱 용융되면 노즐플러그(170)을 용융시키고, 이곳에 있는 냉각수가 배출되면서 노심혼합용융물을 냉각시킨다. 냉각수가 증기로 배출되면서 상기 냉각탱크(148)의 수위가 약간 낮아져도 냉각탱크에는 상대적으로 많은 양의 냉각수가 있으므로 소비되는 냉각수를 보충할 수 있다. 이후 부레(126)가 하강하고, 개폐플런저(114)가 상승하여 냉각수저장탱크(102)의 냉각수가 공급된다.

만일 노심용융물의 양이 많지 않다면 냉각탱크(148)의 수위 증가로 부레(126)가 상승하여, 개폐플런저(114)를 막아 냉각수 공급을 차단하게 된다. 노심용융물의 양이 점차 많이 배출된다면, 노심용융물은 측벽 및 중앙의 희생콘크리트층을 용융시키고, 측벽냉각수노즐(158,160)과 중앙냉각수노즐(174)의 플러그를 용융시키면 냉각수가 배출되어 노심용융물을 냉각시킨다. 따라서 노심용융물의 높이가 높아도 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 냉각탱크의 바닥면적을 적게 하면서 많은 양의 노심용융물을 냉각시킬 수 있다. 만일 어떠한 위치의 냉각수 배관에 공급되는 최대량을 한정시키려면 냉각수분배기(128)에서 적절한 배관 높이에 배관하면 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치
102: 냉각수저장탱크 104: 주배관
106: 냉각수차단밸브 108: 바이패스관
110: 바이패스밸브 112: 냉각수조절밸브
114: 조절플런저 116: 제3빔
118: 회전축 120: 제2빔
121: 회전조인트 122: 제1빔
124: 부력평형추 126: 부레
128: 냉각수분배기 130,132: 측벽냉각수공급관
134: 바닥냉각수공급관 136,138,140: 유량제한기
142,144,146: 체크밸브 148: 냉각탱크
149: 외함 150: 내함
152: 측벽희생콘크리트 153: 측벽지지대
154: 중앙희생콘크리트 156: 여유공간
158,160: 측벽냉각수노즐 161: 수평관체
162: 바닥희생콘크리트 164: 희생콘크리트층
165: 측벽냉각수노즐유니트 166: 바닥냉각수노즐
168: 노즐유량제한부 170: 노즐플러그
172: 상부지지판 174: 중앙냉각수노즐
175: 수직관체 176: 가지관
177: 중앙냉각수노즐유니트

Claims

냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및
상기 냉각수 공급부로부터 공급받은 냉각수를 이용하여 노심 용융물을 냉각 시키는 냉각탱크를 포함하고,
상기 냉각탱크는,
서로 이격배치되어 이중의 원통용기를 구성하는 외함 및 내함;
상기 내함의 내측에 배치되는 희생콘크리트층;
상기 희생콘크리트 층에 매설되어 상기 내함의 내부를 향해 냉각수를 분사하는 냉각수노즐부를 포함하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각수 공급부는 냉각수를 저장하는 냉각수저장탱크와, 상기 냉각수저장탱크와 연결돼서 상기 냉각수노즐부로 냉각수를 분해하는 냉각수분배기를 포함하고,
상기 냉각수 분배기는 복수의 냉각수공급관이 높이를 달리하여 배치되는 것을 특징으로 하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.
제2항에 있어서,
상기 냉각탱크와 상기 냉각수분배기 사이에는 냉각수 조절밸브가 설치되고,
상기 냉각수 조절밸브는 상하로 이동하는 조절플런저에 의해 이동하는 냉각수의 유량을 조절하며,
상기 조절플런저는 상기 냉각탱크의 외함 및 내함 사이의 공간에 설치되는 부레에 복수의 빔 및 회전축으로 링크연결돼서 상기 냉각탱크의 냉각수의 수위에 따라 상하로 이동하는 것을 특징으로 하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 희생콘크리트층은 상기 내함의 바닥부에 배치되는 바닥콘크리트와, 상기 바닥콘크리트의 상측으로 상기 내함의 내주면에 배치되는 측벽콘크리트와, 상기 바닥콘크리의 상측에 배치되는 중앙콘크리트를 포함하고,
상기 측벽콘크리트와 상기 중앙콘크리트는 냉각수의 분사가 용이하고 노심용융물이 관통하여 흐를 수 있는 다공성 지지대에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.
제4항에 있어서,
상기 중앙콘크리트는 중심부가 높고 주위가 낮도록 형성되며, 상기 측벽콘크리트는 노심용융물이 중심을 향해 흐르도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.
제5항에 있어서,
상기 내함의 바닥부에서 관통하여 상기 바닥콘크리트의 내부에는 바닥냉각수노즐이 상측으로 향해 분사하도록 매설되고, 상기 내함의 내주면을 관통하여 상기 측벽콘크리트의 내부에는 측벽냉각수노즐이 상기 내함의 중심 및 상기 측벽냉각수노즐의 길이방향에 대하여 둘레방향으로 분사하도록 상기 측벽콘크리트 내부에 매설되며, 중앙냉각수노즐이 상기 바닥부에서 관통하여 그 길이방향에 대하여 둘레방향으로 분사하도록 상기 중앙콘크리트 내부에 매설되며, 상기 측벽냉각수노즐은 상기 내함의 높이 방향으로 다단으로 설치되는 것을 특징으로 하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.
제6항에 있어서,
상기 측벽냉각수노즐 및 상기 중앙냉각수노즐은 상기 바닥냉각수노즐과 동일한 구조를 가지는 냉각수노즐유니트를 가지고, 상기 냉각수노즐유니트의 단부는 절곡가능하여 특정의 방향으로 냉각수를 분사할 수 있는 것을 특징으로 하는 다단식 피동형 원자로 노심 용융물 냉각장치.