KR101302749B1

KR101302749B1 - 원자로의 다목적 냉각장치

Info

Publication number: KR101302749B1
Application number: KR1020120026693A
Authority: KR
Inventors: 김연식; 박현식; 김경두; 이성재; 최기용
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-08-30

Abstract

본 발명은 원자로 용기(10) 측으로 연결된 냉각회로를 단속하여 잔열을 제거하는 장치에 있어서: 비상냉각수조(20); 상기 비상냉각수조(20)의 내부에 충진된 가압개스(30)의 압력을 설정범위로 유지하도록 설치되는 릴리프 밸브(35); 및 상기 비상냉각수조(20)에 수용된 상태로 공급관(41)과 회수관(42)을 개재하여 원자로 용기(10)에 연결되어 스팀을 응축수로 변환하는 응축열교환기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 원전의 이차계통을 단순화하는 동시에 일차계통 사고 시에도 노심 냉각을 강화할 수 있는 비상보충수로의 활용이 가능함으로써 가압경수로형 신형경수로나 일체형 원전의 안전성을 전반적으로 증진하는 효과가 있다.

Description

원자로의 다목적 냉각장치{Multi purpose cooling apparatus for nuclear reactor}

본 발명은 원자로의 다목적 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가압경수로형의 신형원자로나 일체형 원자로를 지닌 원전에서 원자로 용기나 가압기와 질소가스로 저압가압된 비상냉각수조 내의 열교환기를 연결하여 증기를 응축시키고 응축수는 원자로 용기에 있는 안전주입노즐을 통해서 노심 냉각수로 순환되는 개념을 적용한 원자로의 다목적 냉각장치에 관한 것이다.

통상적으로 가압경수로 형의 원전은 이차계통에 의한 사고에 대비해서 비상급수계통이나 피동형 비상급수계통을 사용하여 노심의 잔열을 제거하는 개념으로 설계되어 있다. 즉, 별도의 펌프나 아니면 냉각수조 내 열교환기를 통한 응축열교환기를 사용한 설계 개념이다. 이런 설계개념은 이차계통에 의한 열제거가 불가능할 때 노심의 잔열을 제거하기 위하여 마련된 설계이므로 일차계통과 관련한 사고나 격납건물내 냉각에 대해서는 전혀 도움이 되지 못하는 개념의 설계라고 볼 수 있다.

선행특허의 일예로, 미국 등록특허공보 제5,309,487호의 "Mitigation of steam generator tube rupture in a pressurized water reactor with passive safety systems"는 저온 냉각재 저장 탱크와, 상기 저장 탱크내 침지된 열교환기와, 1차 루프 안의 냉각재를 열교환기 중에 보내고 붕괴열을 제거하는 제1 밸브 수단을 구비한 제1 배관계 등을 포함하는 가압수형 원자료에 관한 기술을 개시한다.

선행특허의 다른 예로, 미국 등록특허공보 제4,753,771호의 "Passive safety system for a pressurized water nuclear reactor"는 격납용기 본체, 본체내 증기발생기, 원자로 용기로부터 가열된 물을 증가발생기내로 인도하기 위한 제1분기 및 증기발생기로 냉각된 물을 상기 원자로용기내로 인도하기 위한 제2분기를 갖는 원자로 냉각재 회로, 원자로 냉각재 펌프, 가압기 등을 포함하는 원자로 수동적 안전장치에 관한 기술을 개시한다.

그러나 상기한 선행특허에 의하면 이차계통에 적용된 냉각수조 내 응축열교환기 개념을 일차계통에 적용하는 유용성 측면에서 미흡하다. 즉, 일차계통 사고에 대비하여 냉각탱크의 물을 노심 냉각을 위한 비상보충수로 활용할 수 없음에 기인하여 안전성 측면에서 개선의 여지가 큰 설계로 볼 수 있다.

이에 따라, 후쿠시마 원전사고 이후 대두되고 있는 완전 피동형 원전 설계와 점차 증가하고 있는 신형경수로와 중소 모듈형 원전 설계에 적용할 수 있는 혁신적인 설계 개념이 절실하게 요구된다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 원전에서 이차계통의 냉각수조 내 응축열교환기를 사용한 설계 개념을 일차계통으로 전환함에 따라 이차계통에 의한 사고뿐 아니라 일차계통 사고에 대해서도 노심 냉각능력을 증진할 수 있고, 또한 이러한 상황에 해당되지 않는 사고시 비상냉각수조의 물을 격납건물내 침수용으로 사용할 수 있도록 하여 원자로의 안전성 증진에 기여하는 원자로의 다목적 냉각장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원자로 용기 측으로 연결된 냉각회로를 단속하여 잔열을 제거하는 장치에 있어서: 비상냉각수조; 상기 비상냉각수조의 내부에 충진된 가압개스의 압력을 설정범위로 유지하도록 설치되는 릴리프 밸브; 및 상기 비상냉각수조에 수용된 상태로 공급관과 회수관을 개재하여 원자로 용기에 연결되어 스팀을 응축수로 변환하는 응축열교환기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 가압개스는 불활성 가스를 1~10기압으로 유지하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 공급관은 원자로 용기의 상부와 응축열교환기의 상부를 연결하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 응축열교환기는 냉각수관과 보충격리밸브를 개재하여 회수관에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 원자로 용기는 이차계통 사고시 응축열교환기와 연결되어 냉각회로를 구성하고, 일차계통 사고시 비상냉각수조와 연결되어 냉각회로를 구성하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 비상냉각수조는 저장된 물을 격납건물내 침수용으로 사용할 수 있도록 파열밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 원전의 이차계통을 단순화하는 동시에 일차계통 사고 시에도 노심 냉각을 강화할 수 있는 비상보충수로의 활용이 가능함으로써, 또한 경우에 따라 비상냉각수조의 물을 격납건물내 침수용으로 사용할 수 있도록 함으로써, 가압경수로형 신형경수로나 일체형 원전의 안전성을 전반적으로 증진시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 장치를 가압경수로형 신형경수로 원전에 적용되는 예시도
도 2는 본 발명의 장치가 가압경수로형 일체형 원전에 적용되는 예시도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 원자로 용기(10) 측으로 연결된 냉각회로를 단속하여 잔열을 제거하는 장치에 관련된다. 본 발명은 가압경수로형의 신형원자로나 일체형 원자로에서 직접붕괴열제거계통(DRHRS, Direct Residual Heat Removal System)으로 정의된다. 통상 가압경수로형 원전은 일차계통과 이차계통으로 구분된다. 일차계통(Primary System)은 원자로냉각재계통(Reactor Coolant System)으로서 격납용기 내부에서 원자로 용기(10)를 중심으로 2~4개의 냉각회로로 구성된다. 이차계통(Secondary System)은 증기발생기(14), 터빈, 급수설비 등을 포함하여 구성된다. 가압기(12)는 원자로냉각재계통의 압력을 약 150기압으로 유지시킨다.

본 발명에 따르면 원자로냉각재계통의 냉각재가 많이 누출되는 상황에서 물(냉각수)을 제공하도록 비상냉각수조(20)를 구비한다. 냉각수는 일차계통 사고시 노심 냉각을 위한 보충수 역할을 하는 것이므로 비상냉각수조(20)는 노심 냉각에 소요되는 충분한 용량으로 설계하는 것이 좋다.

또, 본 발명에 따르면 상기 비상냉각수조(20)의 내부에 충진된 가압개스(30)의 압력을 설정범위로 유지하도록 릴리프 밸브(35)가 설치된다. 도시에는 생략되나, 가압개스(30)는 별도의 계통에서 비상냉각수조(20)의 상측 공간으로 공급된다. 비상냉각수조(20)의 내부 압력을 검출하도록 센서(도시 생략)를 구비하지만, 이외에 설정된 압력 이상을 초과하지 않도록 릴리프밸브(35)를 부가한다.

이때, 상기 가압개스(30)는 불활성 가스를 1~10기압으로 유지하는 것을 특징으로 한다. 비상냉각수조(20)의 상측 공간에 충진되는 불활성 가스는 질소가 적절하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 비상냉각수조(20)의 질소는 1~10기압 범위의 저압으로 유지됨에 따라 설정된 상황(비상시)에서 비상냉각수조(20)의 냉각수가 설정된 양으로 서서히 공급되도록 한다.

또, 본 발명에 따르면 응축열교환기(40)가 상기 비상냉각수조(20)에 수용된 상태로 공급관(41)과 회수관(42)을 개재하여 원자로 용기(10)에 연결되어 스팀을 응축수로 변환한다. 응축열교환기(40)는 비상냉각수조(20)의 냉각수에 충분하게 잠기는 위치에 배치되고, 공급관(41)과 회수관(42)은 비상냉각수조(20)의 내부에서 외부로 인출되어 원자로 용기(10)에 연결된다. 원자로 용기(10), 공급관(41), 응축열교환기(40), 회수관(42)은 본 발명에 의한 냉각회로를 구성한다.

이때, 상기 공급관(41)은 원자로 용기(10)의 상부, 즉 원자로 용기(10)의 헤드와 응축열교환기(40)의 상부를 연결하는 것이 좋다. 공급관(41)은 원자로 용기(10)의 스팀을 인출하는 경로이고, 회수관(42)은 원자로 용기(10)로 응축수를 인입하는 경로이다. 공급관(41)이 원자로 용기(10)의 헤드와 응축열교환기(40)의 상부에 연결되는 구성에 의하여 냉각회로의 유로저항을 축소할 수 있다. 응축열교환기(40)를 거쳐 냉각된 응축수는 자중으로 낙하되어 회수관(42)을 거쳐 원자로 용기(10)의 노심으로 이동한다. 이러한 구성은 원전의 일차계통 또는 이차계통 사고시 무전원 상태를 고려함이다.

그리고, 본 발명에서 상기 응축열교환기(40)는 냉각수관(22)과 보충격리밸브(25)를 개재하여 회수관(42)에 연결된다. 냉각수관(22)은 비상냉각수조(20)의 저면에서 회수관(42)으로 연결되고, 냉각수의 유동 경로 상에 보충격리밸브(25)를 구비한다. 공급관(41)과 회수관(42)을 통한 냉각회로에서는 원자로 용기(10)의 헤드나 가압기(12)가 이송력을 부가할 수 있고, 냉각수관(22)과 회수관(42)을 통한 냉각회로에서는 가압개스(30)가 이송력을 부가할 수 있다.

한편, 상기 원자로 용기(10)는 이차계통 사고시 응축열교환기(40)와 연결되어 냉각회로를 구성하고, 일차계통 사고시 비상냉각수조(20)와 연결되어 냉각회로를 구성한다. 이차계통에 사고가 발생하면 메인밸브(45)를 열어서 노심의 잔열을 직접 냉각한다. 즉, 원자로 용기(10)의 스팀이 응축열교환기(40)에서 응축되고 응축수가 중력에 의하여 원자로 용기(10)의 노심으로 이동하여 잔열을 지속적으로 제거하게 하는 작동이 수행된다. 이때 비상냉각수조(20)에서 발생한 증기는 릴리프밸브(35)를 통하여 수조 외부로 방출된다. 만일 일차계통에 사고가 나서 원자로냉각재계통의 냉각재가 많이 빠져 나가는 상황이 발생하면 보충격리밸브(25)를 열어서 저압으로 가압된 비상냉각수조(20)의 물을 노심 냉각에 사용한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 비상냉각수조(20)는 저면에 배수관(52)과 함께 파열밸브(55)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 예상된 일차, 이차계통에 의한 사고 범위를 벗어나는 경우에는 비상냉각수조(20)의 물을 격납건물내 침수를 위하여 파열밸브(55)를 조작한다. 전술한 보충격리밸브(25)와 메인밸브(45)는 전기적 제어로 자동작동하지만 수동작동도 가능한 방식을 택하며, 파열밸브(55)는 수동작동 방식을 택한다.

이와 같이 본 발명은 이차계통에 의한 모든 사고를 대처하게 할 수 있어서 이차계통 설계를 단순화하는 기여할 수 있고, 냉각재 상실사고와 같은 일차계통 사고 발생시 저압가압에 의하여 비상냉각수조(20)의 물을 원자로 용기(10)의 노심에 대한 비상냉각재로서 활용할 수 있고, 경우에 따라서는 비상냉각수조(20)의 물을 격납건물내 침수용으로 사용할 수 있도록 함으로써 가압경수로형의 신형원자로(도 1) 또는 일체형 원자로(도 2)를 지닌 원전의 안전성을 증진한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 원자로 용기 12: 가압기
14: 증기발생기 20: 비상냉각수조
22: 냉각수관 25: 보충격리밸브
30: 가압개스 35: 릴리프밸브
40: 응축열교환기 41: 공급관
42: 회수관 45: 메인밸브
47: 안전주입노즐 52: 침수관
55: 파열밸브(Squid Valve)

Claims

원자로 용기(10) 측으로 연결된 냉각회로를 단속하여 잔열을 제거하는 장치에 있어서:
비상냉각수조(20);
상기 비상냉각수조(20)의 내부에 충진된 가압개스(30)의 압력을 설정범위로 유지하도록 설치되는 릴리프 밸브(35); 및
상기 비상냉각수조(20)에 수용된 상태로 공급관(41)과 회수관(42)을 개재하여 원자로 용기(10)에 연결되어 스팀을 응축수로 변환하는 응축열교환기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로의 다목적 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 가압개스(30)는 불활성 가스를 1~10기압으로 공급하는 것을 특징으로 하는 원자로의 다목적 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 공급관(41)은 원자로 용기(10)의 상부와 응축열교환기(40)의 상부를 연결하는 것을 특징으로 하는 원자로의 다목적 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 응축열교환기(40)는 냉각수관(22)과 보충격리밸브(25)를 개재하여 회수관(42)에 연결되는 것을 특징으로 하는 원자로의 다목적 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 원자로 용기(10)는 이차계통 사고시 응축열교환기(40)와 연결되어 냉각회로를 구성하고, 일차계통 사고시 비상냉각수조(20)와 연결되어 냉각회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 원자로의 다목적 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 비상냉각수조(20)는 저장된 물을 격납건물내 침수용으로 사용할 수 있도록 파열밸브(55)를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로의 다목적 냉각장치.