KR101364621B1 - 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형 원자로의 원자로 냉각재 펌프에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 일체형 원자로 등의 원자로냉각재펌프에 있어서, 대형냉각재상실사고를 배제하고 원자로냉각재펌프의 유지보수를 원활하게 하면서도, 원자로냉각재펌프 주변의 유지보수 공간을 최소화할 수 있는 방안에 관한 것이다.
본 발명은 원자로용기 외부에 구성되어 유체를 순환시키는 모터펌프; 원자로용기 외부에서 원자로용기 내부로 연결되며 상기 모터펌프에 의해 유체가 순환되는 외부순환유로; 상기 외부순환유로로부터 유입되는 유체의 동력을 기계적 회전력으로 전환시키도록 원자로용기 내부에 구성된 터빈임펠러; 상기 터빈임펠러의 외곽에 상기 외부순환유로와 원자로냉각재계통유로를 분리하여 압력경계를 유지하기 위하여 구성된 케이싱; 상기 기계적 회전력을 유체 동력으로 전환시켜 원자로냉각재계통의 냉각수를 순환시키기 위하여 구성된 펌프임펠러; 및 상기 터빈임펠러와 펌프임펠러를 연결시켜주는 일체형 축;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프를 제시한다.
본 발명의 경우 원자로용기와 연결되는 외부순환유로를 이용하여 모터펌프를 원자로용기와 이격되게 적절한 공간에 설치함으로써, 원자로냉각재펌프에서 고장수리가 가장 많이 요구되는 모터펌프에 대한 접근성이 향상되고, 유지보수가 용이하게 되며, 원자로용기 주변에는 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간을 확보하지 않아도 되는 장점이 있다.

Description

외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프{The reactor coolant pump of an integral reactor using an external circulation loop}

본 발명은 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 일체형 원자로 등의 원자로냉각재펌프에 있어서, 대형냉각재상실사고를 배제하고 원자로냉각재펌프의 유지보수를 원활하게 하면서도, 원자로냉각재펌프 주변의 유지보수 공간을 최소화할 수 있는 방안에 관한 것이다.

원자로는 분리형 원자로와 일체형 원자로로 크게 구분되며, 분리형 원자로와 다르게 일체형 원자로는 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프의 임펠러 등 주요기기를 원자로용기 내부에 설치하여 대형냉각재상실사고를 근원적으로 배제하고 있다.

상기 원자로냉각재펌프는 원자력발전소의 1차 계통에 설치되어 고온고압의 원자로냉각재를 강제 순환시켜 핵연료에서 발생된 열을 증기발생기 2차측 순환로로 전달하기 위한 기기이며, 일반적으로 일체형 원자로에서는 원자로용기 상부나 측면에 설치된다.

일체형 원자로에는 임펠러를 원자로용기 내부에 설치하고 밀봉설비가 필요하지 않은 캔드모터 형태의 원자로냉각재펌프를 사용하여 원자로냉각재펌프를 통한 냉각재 누설 또는 대형냉각재상실사고를 근원적으로 배제한다.

그러나, 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프는 모터 등의 구동부가 원자로용기에 인접하게 설치되어 있어 방사능 노출 위험상 정상운전시에는 접근이 제한되며, 또한 유지보수 기간에 주기적으로 수행되는 원자로용기 외부로 펌프를 인출하여 수리하는 등의 유지보수 작업을 위해 원자로냉각재펌프 주변에는 큰 공간이 필요하다.

반면, 분리형 원자로의 원자로냉각재펌프는 원자로 용기 외부에 설치하므로 원자로냉각재펌프와 원자로용기를 연결하는 대형배관이 함께 설치되어야 하며, 이에 따라 노심 손상 가능성이 큰 대형냉각재상실사고(대형배관 파단)를 근원적으로 배제할 수 없게 된다.

최근, 후쿠시마 사고 등에 의한 영향으로 원전의 안전성을 증진시키기 위한 중력 또는 가스 압력 등의 자연력에 의해 작동되는 피동안전계통에 대한 요구가 더욱 커지고 있다. 미국 웨스팅하우스에서 개발한 AP1000 원전과 같은 분리형 피동 원자로에서는 배관파단 등에 의해 냉각재상실사고가 발생하는 경우에 원자로용기 외부를 냉각수로 완전히 채워 피동적인 방법으로 안전주입이 이루어지도록 하는 개념의 피동안전주입계통을 적용하고 있다.

그러나, 원자로냉각재펌프 주변에 유지보수를 위한 큰 공간이 요구되는 종래의 일체형원자로에서는 이 공간을 채우기 위해 많은 양의 냉각수가 공급되어야 하므로, 피동안전주입계통을 적용하는데 어려움이 크다.
이에 관해, 한국 공개특허공보 제2003-0017566호에서 일체형 원자로 SMART 환형덮개에 수직으로 설치되어 노심에서 가열된 고온고압의 일차냉각재를 증기발생기로 강제순환시킬 수 있는 주냉각재펌프를 개시하고 있으나, 원자로용기 주변에는 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간확보가 필요하지 않도록 구성된 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프에 대해서는 개시하지 못하고 있다.

1. 한국 공개특허공보 제2003-0017566호 "일체형 원자로 SMART 주냉각재펌프"(공개일자: 2003.03.20)

상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 유지보수가 용이한 적절한 공간에 모터펌프를 이격되게 설치함으로써, 원자로용기 주변에는 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간확보가 필요하지 않도록 구성된 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프를 제시하는 것을 목적으로 한다.

또한, 외부순환유로가 파손되는 경우에도 원자로냉각재계통으로부터 냉각재가 대량으로 방출되는 대형냉각재상실사고가 발생하지 않도록 구성된 원자로냉각재펌프를 제시하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원자로용기 외부에 구성되어 유체를 순환시키는 모터펌프; 원자로용기 외부에서 원자로용기 내부로 연결되며 상기 모터펌프에 의해 유체가 순환되는 외부순환유로; 상기 외부순환유로로부터 유입되는 유체의 동력을 기계적 회전력으로 전환시키도록 원자로용기 내부에 구성된 터빈임펠러; 상기 터빈임펠러의 외곽에 상기 외부순환유로와 원자로냉각재계통유로를 분리하여 압력경계를 유지하기 위하여 구성된 케이싱; 상기 기계적 회전력을 유체 동력으로 전환시켜 원자로냉각재계통의 냉각수를 순환시키기 위하여 구성된 펌프임펠러; 및 상기 터빈임펠러와 펌프임펠러를 연결시켜주는 일체형 축;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프를 제시한다.

본 발명인 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프를 통해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫 번째로, 본 발명과 같이 원자로용기와 연결되는 외부순환유로를 이용하여 모터펌프를 원자로용기와 이격되게 적절한 공간에 설치함으로써, 원자로냉각재펌프에서 고장수리가 가장 많이 요구되는 모터펌프에 대한 접근성이 향상되고, 유지보수가 용이하게 되며, 원자로용기 주변에는 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간을 확보하지 않아도 되는 장점이 있다.

두 번째로, 본 발명의 터빈임펠러 케이싱과 원자로냉각재계통 사이에는 밀봉장치가 설치되므로, 외부순환유로가 파손되는 경우에도 밀봉장치를 통해 제한된 양의 냉각재가 누설될 뿐 대형냉각재상실사고는 발생하지 않게 되는 효과가 있다.

세 번째로, 본 발명의 밀봉장치에 의해 원자로냉각재계통의 유량 방출이 제한되므로, 원자로용기 내부에 터빈임펠러 - 펌프임펠러의 설치 위치는 원자로용기 상부나 측면에 한정되지 않고 어느 위치든지 설치가 가능한 장점이 있다.

네 번째로, 본 발명의 경우 원자로용기 주변에 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간을 별도로 확보할 필요가 없어, 냉각재상실사고시 종래의 일체형 원자로에 비해 크게 감소한 양의 냉각수로도 원자로용기 외부를 채우는 개념의 피동안전주입계통의 적용이 용이한 효과가 있다.

도 1, 2는 본 발명에 의한 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로냉각재펌프의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로냉각재펌프의 유지보수 공간에 대한 개념도이다.
도 4a,4b는 본 발명에 의한 외부순환유로를 이용한 원자로냉각재펌프의 작동상태도이다.

이하 본 발명인 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프를 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.

도 1, 2는 본 발명에 의한 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로냉각재펌프의 구성도이다. 도 3은 본 발명에 의한 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로냉각재펌프의 유지보수 공간에 대한 개념도이다. 도 4는 본 발명에 의한 외부순환유로를 이용한 원자로냉각재펌프의 작동상태도이다.

도시된 바를 참조하면, 본 발명인 일체형 원자로에 사용되는 원자로냉각재펌프의 구성을 보면 원자로용기 외부에서 이격되어 모터펌프(100)가 구성된다.

상기 모터펌프(100)는 전기동력을 이용해 유체를 순환시키도록 모터와 임펠러 등으로 이루어진 펌프이며, 모터펌프(100)는 밀봉설비가 필요하지 않은 캔드모터 형태로 구성하여 원자로냉각재계통의 냉각재가 외부순환유로(200)와 모터펌프(100)를 거쳐 원자로용기 외부로 누설되지 않도록 할 수 있다.

상기 모터펌프(100)와 연결되도록 본 발명의 원자로용기 외부와 원자로용기 내부 사이에는 연결배관을 이용한 외부순환유로(200)가 형성되며, 보다 상세하게는 상기 외부순환유로(200)는 원자로용기에 설치되는 노즐 부분에서 형성될 수 있다.

상기 외부순환유로(200)에는 밀봉수 공급장치(미도시)로부터 밀봉수가 주입되고, 주입된 밀봉수를 상기 모터펌프(100)를 이용하여 가압시켜 원자로용기 내부의 원자로냉각재계통의 냉각수를 순환시키기 위한 동력을 제공하게 된다.

상기 모터펌프(100)는 외부순환유로(200)의 유체를 순환시켜 원자로용기 내부 원자로냉각재계통의 냉각재를 순환시키기 위한 동력을 제공하게 된다.

이에 원자로용기 내부에는 상기 외부순환유로(200)로부터 유입되는 유체의 동력을 기계적 회전력으로 전환시키도록 터빈임펠러(300)가 구성된다.

또한, 상기 터빈임펠러(300)에서 전환된 상기 기계적 회전력을 유체 동력으로 전환시켜 원자로냉각재계통의 냉각수를 순환시키기 위하여 펌프임펠러(400)가 구성되며, 상기 터빈임펠러(300)와 펌프임펠러(400)는 일체형 축(500)으로 서로 연결되며, 상기 일체형 축(500)에는 베어링이 설치된다.

상기 터빈임펠러(300)의 외곽에는 상기 외부순환유로(200)와 원자로냉각재계통 유로를 분리하여 압력경계를 유지하기 위하여 케이싱(600)이 감싸진다.

상기 외부순환유로(200)에는 밀봉수 공급장치(미도시)로부터 밀봉수가 주입되고, 주입된 밀봉수는 상기 외부순환유로(200)와 상기 케이싱(600)을 거쳐 원자로냉각재계통으로 유입되며, 원자로냉각재계통의 방사선 물질이 외부순환유로(200)로 나오지 못하게 하는 역할과 밀봉장치(700)를 냉각하는 역할을 수행한다.

다시말해, 상기 케이싱(600)은 원자로용기 내부의 원자로냉각재계통유로와 외부순환유로(200)를 분리하게 되며, 외부순환유로(200)의 유로압력은 원자로냉각재계통의 운전압력보다 미세하게 높은 압력으로 유지되도록 하여 원자로냉각재계통의 방사선 물질이 상기 외부순환유로(200)로 나오지 못하게 하는 경계를 형성하는 역할을 하게 된다.

이에 따라, 상기 모터펌프(100)가 정상 운전중에는 외부순환유로(200)에서 원자로냉각재계통 유로방향으로 미세하게 밀봉수가 흐르게 된다.

또한, 상기 외부순환유로(200)에는 유입되는 밀봉수의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(800)가 설치되어 원자로냉각재계통과 외부순환유로(200)의 연계부분이 손상되는 경우에도 원자로냉각재계통의 냉각재가 외부순환유로(200)와 밀봉수 주입유로(900)를 거쳐 원자로용기 외부로 누설되지 않도록 구성된다.

즉, 상기 터빈임펠러(300)는 모터펌프(100)를 통해 순환되는 외부순환유로(200)의 유체 동력을 기계적 회전력으로 전환시키는 역할을 하고, 일반적인 수차와 유사하게 유체동력을 이용해 일체형 축(500)을 회전시키게 되며, 그 형태는 원자로의 유구특성(비속도 등)에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다.

다시 말해, 상기 터빈임펠러(300)와 펌프임펠러(400)는 서로 반대되는 원리로 작동되며, 유동에 의해 터빈임펠러(300)가 회전하고 이 회전력은 일체형 축(500)을 따라 원자로용기 내부의 원자로냉각재계통 유로에 설치된 펌프임펠러(400)에 전달되어 원자로냉각재계통의 냉각재를 순환시키게 된다.

또한, 상기 케이싱(600)과 일체형 축(500) 사이에는 상기 외부순환유로(200)가 파손되는 경우 원자로냉각재계통의 냉각재가 방출을 억제하여 사고를 방지하도록 밀봉장치(700)가 구성된다.

즉, 상기 밀봉장치(700)를 터빈임펠러 케이싱(600)과 원자로냉각재계통 사이에 설치함으로서, 외부순환유로(200)가 파손되더라도 밀봉장치(700)와 케이싱(600)사이의 미세공간을 통해 냉각재가 아주 제한적으로 누설될 뿐이며, 원자로냉각재계통의 대형 상실사고는 발생하지 않게 된다.

이러한 밀봉장치(700)에 의해 원자로냉각재계통의 유량손실이 제한되므로, 원자로용기 내부에 터빈임펠러(300), 펌프임펠러(400)의 설치 위치는 원자로용기 상부나 측면에 한정되지 않고 어느 위치든지 크게 제약을 받지 않고 적절한 위치에 설치가 가능한 장점이 있다.

도 3에 도시된 바를 참조하면, 원자로용기 외부에 설치되는 모터펌프(100)로 이어지는 외부순환유로(200)를 별도로 구성함으로써 모터펌프(100)를 원자로용기와 이격되게 적절한 공간에 설치함으로써, 원자로냉각재펌프에서 고장수리가 가장 많이 요구되는 모터펌프에 대한 접근성이 향상되고, 유지보수가 용이하게 되며, 원자로용기 주변에는 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간을 확보하지 않아도 되는 장점이 있다.

다시 말해, 본 발명의 원자로냉각재펌프를 일체형 원자로에 장착하면, 외부순환유로(200)가 파손되는 경우에도 밀봉장치(700)를 통해 제한된 양의 냉각재가 누설될 뿐 대형냉각재상실사고는 발생하지 않게 된다.

또한, 원자로용기 주변에 원자로냉각재펌프를 유지보수하기 위한 공간을 별도로 확보할 필요가 없어, 냉각재상실사고시 종래의 일체형 원자로에 비해 크게 감소한 양의 냉각수로도 원자로용기 외부를 채울 수 있어 이러한 개념의 피동안전주입계통의 적용이 용이해지며, 원자로냉각재펌프에서 고장수리가 가장 많이 요구되는 모터펌프(100) 부분을 원자로용기 외부의 별도 공간에 설치할 수 있어 고장수리 등의 유지보수 작업이 용이하다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 모터펌프 200: 외부순환유로
300: 터빈임펠러 400: 펌프임펠러
500: 일체형 축 600: 케이싱
700: 밀봉장치 800: 체크밸브
900: 밀봉수 주입유로

Claims (4)

1. 원자로용기 외부에 구성되어 유체를 순환시키는 모터펌프;
   원자로용기 외부에서 원자로용기 내부로 연결되며 상기 모터펌프에 의해 유체가 순환되는 외부순환유로;
   상기 외부순환유로로부터 유입되는 유체의 동력을 기계적 회전력으로 전환시키도록 원자로용기 내부에 구성된 터빈임펠러;
   상기 터빈임펠러의 외곽에 상기 외부순환유로와 원자로냉각재계통유로를 분리하여 압력경계를 유지하기 위하여 구성된 케이싱;
   상기 기계적 회전력을 유체 동력으로 전환시켜 원자로냉각재계통의 냉각수를 순환시키기 위하여 구성된 펌프임펠러; 및
   상기 터빈임펠러와 펌프임펠러를 연결시켜주는 일체형 축;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 외부순환유로가 파손되는 경우 원자로냉각재계통의 냉각재 방출을 억제하도록 상기 케이싱과 일체형 축 사이에 구성된 밀봉장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 모터펌프는 원자로냉각재계통의 냉각재가 외부순환유로와 모터펌프를 통해 원자로용기 외부로 누설되지 않도록 캔드모터 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 외부순환유로에는 밀봉수 공급장치로부터 밀봉수를 주입할 수 있는 밀봉수 주입유로; 및
   밀봉수의 역류를 방지하기 위한 체크밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 외부순환유로를 이용한 일체형 원자로의 원자로냉각재펌프.

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