KR101364646B1 - 소형 안전보호용기를 적용한 피동안전 시스템 및 이를 구비하는 일체형 원자로 - Google Patents

소형 안전보호용기를 적용한 피동안전 시스템 및 이를 구비하는 일체형 원자로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일체형 원자로의 원자로용기와, 냉각재 상실 사고시 상기 원자로용기와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 기설정된 간격을 두고 상기 원자로용기를 감싸도록 형성되는 안전보호용기와, 중공부를 구비하고 상기 원자로용기 내부의 증기발생기와 연결되는 적어도 하나의 연결부, 및 상기 중공부를 덮도록 형성되며 상기 안전보호용기 외부에서 상기 중공부를 통해 상기 증기발생기의 유지보수가 가능하도록 상기 안전보호용기에 개폐 가능하게 설치되는 연결부덮개를 포함하는 피동안전 시스템을 및 이를 구비하는 일체형 원자로를 제공한다.

Description

소형 안전보호용기를 적용한 피동안전 시스템 및 이를 구비하는 일체형 원자로{PASSIVE SAFETY SYSTEM USING SMALL SAFE GUARD VESSEL AND INTEGRAL REACTOR HAVING THE SAME}
본 발명은 냉각재 상실 사고시 피동적인 방법으로 노심수위를 유지시키는 피동안전 시스템과 이를 구비하는 일체형 원자로에 관한 것이다.
일체형 원자로는 주요기기(예를 들어, 증기발생기, 가압기, 펌프 등)가 원자로용기(Reactor Vessel:RV) 내부에 내장되어 있어 이들 주요기기를 연결하기 위한 대형 배관이 존재하지 않는다. 또한 일체형 원자로의 원자로용기와 연결되는 화학 및 체적제어계통, 정지냉각계통, 안전주입계통 등의 배관은 소형이며, 대부분 원자로의 상부에 위치한다. 따라서 냉각재가 상실되는 사고(Loss of Coolant Accident:LOCA)가 발생하였을 경우, 분리형 원자로는 냉각재가 급격히 손실되어 압력과 수위가 빠르게 감소하는 것과 달리 일체형 원자로는 냉각재가 천천히 손실되어 압력과 수위가 서서히 감소하기 때문에 원자로의 압력이 높아 중력 등의 자연력을 이용해 원자로 내부로 냉각수를 주입하기 어려운 특성이 있다.
이러한 특성에 따라 일체형 원자로는 안전보호용기(Safe Guard Vessel:SGV)를 도입하여 냉각재 상실 사고시 파단유량을 억제하고, 가압식 주입탱크 또는 안전보호용기의 배압과 수두를 이용하여 냉각재를 원자로로 주입함으로써 노심수위를 유지하는 개념을 채택하였다. 그러나 종래의 안전보호용기는 대형으로써 냉각재 상실 사고 발생시 요구되는 냉각재의 양이 지나치게 많이 필요하고 제작성의 문제를 지니고 있었을 뿐만 아니라, 핵연료의 재장전과 내부 구조물의 유지보수에 대한 어려움이 있거나 냉각재의 재순환 시간에 한계가 있는 등의 문제가 있었다.
따라서 본 발명에서는 종래의 안전보호용기가 지닌 한계를 개선할 뿐만 아니라, 사고시 피동으로 작동하여 원자로를 안전한 상태로 유도할 수 있는 새로운 피동안전 시스템을 제시하고자 한다.
본 발명의 배경기술이 개시된 선행기술문헌 정보는 아래의 특허문헌들을 참조한다.
1. 등록특허공보 10-0813939 (2008.3.10 공고)
2. 공개특허공보 특2002-0037105 (2002.5.18 공개)
본 발명의 일 목적은 안전보호용기 외부에서 내부설비의 유지보수가 가능하도록 이루어지는 피동안전 시스템을 제시하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 핵연료 재장전에 필요한 냉각재의 용량과 작업공간을 줄일 수 있는 일체형 원자로를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 종래 원자로보다 상대적으로 적은 양의 냉각재로도 피동적인 방법을 통해 반영구적으로 원자로용기의 노심수위를 유지할 수 있는 일체형 원자로를 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 피동안전 시스템은 일체형 원자로의 원자로용기와, 냉각재 상실 사고시 상기 원자로용기와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 기설정된 간격을 두고 상기 원자로용기를 감싸도록 형성되는 안전보호용기와, 중공부를 구비하고 상기 원자로용기 내부의 증기발생기와 연결되는 적어도 하나의 연결부, 및 상기 중공부를 덮도록 형성되며 상기 안전보호용기 외부에서 상기 중공부를 통해 상기 증기발생기의 유지보수가 가능하도록 상기 안전보호용기에 개폐 가능하게 설치되는 연결부덮개를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 안전보호용기와 상기 연결부덮개의 체결시 상기 안전보호용기와 상기 연결부덮개 사이를 실링하도록 형성되고, 냉각재가 상실되는 것을 방지하도록 이루어지는 실링부재를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 원자로용기에 분리가능하게 장착되고 상기 원자로용기의 노심에서 가열된 냉각재를 상기 증기발생기로 공급하도록 이루어지는 냉각재펌프와, 상기 냉각재펌프에 대응되도록 상기 안전보호용기에 형성되는 홀, 및 상기 홀을 덮도록 이루어지고 상기 홀을 통해 상기 냉각재펌프를 인출하는 것이 가능하도록 상기 안전보호용기에 개폐 가능하게 설치되는 덮개를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 안전보호용기는, 내부에 기설정된 간격을 두고 상기 원자로용기를 수용하도록 형성되는 하부용기, 및 상기 하부용기에 착탈 가능하게 결합되고 상기 하부용기로부터 분리시 상기 원자로용기의 적어도 일부가 노출되도록 이루어지는 상부헤드를 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 피동안전 시스템과, 상기 원자로용기 외부에 배치되어 상기 원자로용기와 통하는 안전주입배관에 연결되고 상기 원자로용기의 압력 감소 또는 수위 저하에 의해 작동하여 내부에 저장된 냉각재를 상기 원자로용기로 주입시키는 냉각재 주입부와, 연결배관에 의해 상기 원자로용기와 상기 안전보호용기 사이의 공간에 연결되며 압력차에 의해 상기 연결배관을 따라 증기, 대기 또는 냉각재가 유입 또는 유출되도록 이루어지는 감압수조(Suppression Pool:SP), 및 상기 안전주입배관과 연결되며 상기 원자로용기와 상기 안전보호용기 사이에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기 내부로 반영구적으로 주입시키도록 밀도차 또는 수위차에 의한 자연 재순환 유동을 형성하는 재순환계통(Recirculation System:RS)을 포함하는 일체형 원자로를 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 냉각재 주입부는, 상기 원자로용기의 압력 감소 또는 수위 저하에 의해 작동신호가 발생하면 중력수두에 의해 내부에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기로 주입하도록 상기 원자로용기보다 높은 위치에 배치되는 노심보충탱크(Core Makeup Tanks:CMT), 및 일단은 상기 원자로용기와 연결되고 타단은 상기 노심보충탱크와 연결되며 상기 노심보충탱크로부터 상기 원자로용기로의 냉각재 주입이 원활하게 이루어지도록 상기 노심보충탱크의 배압을 형성하는 압력평형배관(Pressure Balance Line)을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 냉각재 주입부는 상기 원자로용기와의 압력차에 의해 내부에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기로 주입하도록 이루어지는 안전주입탱크(Safety Injection Tanks:SIT)를 포함하며, 상기 안전주입탱크는 냉각재 상실 사고에 의해 상기 원자로용기의 압력이 상기 안전주입탱크의 설정압력 이하로 감소하면 작동한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 재순환계통은 냉각재의 흐름을 원활하게 하고 불순물의 유입을 차단하도록 상기 재순환계통의 입구에 배치되는 재순환수조(Recirculation Sump)를 더 포함한다.
상기 일체형 원자로는 상기 원자로용기와 연결되고 냉각재 상실 사고시 상기 안전주입탱크 또는 상기 재순환계통으로부터 상기 원자로용기로의 냉각재 주입이 원활하게 이루어지도록 상기 원자로용기의 압력을 감소시키는 자동감압계통(Automatic Depressurization System:ADS)을 더 포함할 수 있다.
상기 일체형 원자로는 상기 자동감압계통은 단일고장에도 기능을 유지하도록 적어도 2 이상의 가지배관을 구비할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 피동안전 시스템은 경제성과 제작성이 향상된 소형 안전보호용기를 도입하여 안전보호용기 외부에서 전열관과 같은 증기발생기의 설비 및 냉각재펌프 등을 유지보수하는 것이 용이하다.
또한 본 발명은 하부용기에 개폐가능하게 장착되는 상부헤드를 채택하여 핵연료 재장전에 필요한 냉각재 용량과 원자로 내부설비의 유지보수에 필요한 작업공간을 줄일 수 있다.
또한 본 발명은 원자로용기의 주변공간이 최소화되어 상대적으로 적은 냉각재의 양으로도 중력수두, 압력차, 밀도차 등과 같은 자연현상을 이용하여 피동적인 방법으로 반영구적인 노심수위를 유지할 수 있으므로 원자로의 안전성이 향상되고, 피동잔열제거계통을 함께 작동시키는 경우 노심수위 유지와 동시에 증기발생기로 유체를 지속적으로 순환시켜 노심의 잔열 및 현열을 장시간 제거할 수 있다.
도 1은 정상운전 시 피동안전 시스템을 구비하는 일체형 원자로의 작동상태를 보인 개념도.
도 2는 냉각재 상실 사고 시 피동안전 시스템을 구비하는 일체형 원자로의 작동상태를 보인 개념도.
도 3은 냉각재 상실 사고 후 피동안전 시스템을 구비하는 일체형 원자로의 냉각재 재순환 과정을 보인 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 피동안전 시스템 및 이를 구비하는 일체형 원자로에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "계통", "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 정상운전 시 피동안전 시스템을 구비하는 일체형 원자로(100)의 작동상태를 보인 개념도이다.
원자로용기(110)는 원자로하부용기(110a)와 원자로상부헤드(110b)를 포함하고, 원자로하부용기(110a)와 원자로상부헤드(110b)는 체결부재(111)에 의하여 견고하게 체결된다. 원자로용기(110)의 내부에는 하단 중앙에 노심(112)이 배치되고, 상기 노심(112)의 상부 측면에는 적어도 하나의 증기발생기(113)가 배치된다. 원자로용기(110)의 내부에는 냉각재가 충수되며, 냉각재의 수위는 원자로하부용기(110a)와 원자로상부헤드(110b)의 결합부분과 유사한 높이에 형성될 수 있다.
안전보호용기(120)는 냉각재 상실 사고시 원자로용기(110)와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 기설정된 간격을 두고 원자로용기(110)를 감싸도록 형성된다. 다만, 도시된 바와 같이 정상운전 시에는 상기 사이 공간에 냉각재가 채워지지 않는다. 냉각재 상실 사고시 재순환계통(160)이 원활하게 작동하기 위해서는 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 공간에 냉각재가 안전주입배관(114)의 설치 높이 이상으로 채워져야 하는데, 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 거리가 멀면 노심수위를 유지하기 위해 필요한 냉각재의 양이 증가하게 된다. 따라서 소형의 안전보호용기(120)를 적용하면 상대적으로 적은 양으로도 재순환계통(160)을 작동시켜 반영구적으로 원자로의 수위를 유지할 수 있다.
안전보호용기(120)는 원자로용기(110)와 마찬가지로 하부용기(120a)와 상부헤드(120b)를 포함하며, 체결부재(121)에 의하여 견고하게 결합된다. 체결부재(121)는, 예를 들어 스터드 볼트 등이 될 수 있다. 도시한 바와 같이 하부용기(120a)와 상부헤드(120b)의 체결 높이는 원자로하부용기(110a)와 원자로상부헤드(110b)의 체결 높이와 유사할 수 있다. 하부용기(120a)는 내부에 기설정된 간격을 두고 원자로용기(110)를 수용하도록 형성된다. 상부헤드(120b)는 하부용기(120a)에 착탈가능하게 결합되고, 하부용기(120a)로부터 분리시 원자로용기(110)의 적어도 일부가 노출되도록 이루어진다. 원자로용기(110)의 일부를 노출시킨 후 원자로상부헤드(110b)를 원자로하부용기(110a)로부터 분리시킴으로써 핵연료를 포함한 원자로 내부 설비에 접근할 수 있다. 이러한 구조로 인하여 원자로용기(110) 내부에 핵연료를 재장전하거나 교체하는 작업 또는 원자로용기(110)나 내부설비를 검사하기 위해 안전보호용기(120)로부터 인출하거나 재설치하는 등의 유지보수 작업시 필요한 냉각재의 용량과 작업공간을 줄일 수 있다
도면에 도시되어 있지 않으나, 안전보호용기(120)와 외부 콘크리트 구조물 사이에는 외부의 공기가 안전보호용기(120)를 원활히 냉각할 수 있도록 공기의 자연순환 유로를 형성하는 것도 가능하다.
안전보호용기(120)는 외부에서 원자로용기(110) 내부에 설치된 전열관 등 증기발생기(113) 설비의 유지보수가 가능하도록 적어도 하나의 연결부(124)를 포함한다. 연결부(124)는 중공부를 구비하고, 상기 중공부를 통하여 증기발생기(113)와 연결된다. 연결부(124)는, 도시한 바와 같이 증기발생기(113)마다 상부 및 하부에 각각 연결되도록 구비될 수 있다. 이 경우 연결부(124)는 증기발생기(113)의 하부에 급수를 공급하는 급수관(190a) 및 증기발생기의 상부로부터 터빈으로 증기를 공급하는 증기관(191a)과 각각 대응되는 높이에 설치될 수 있다.
연결부(124)의 길이는 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 거리에 따라 달라지므로, 증기발생기(113)로의 접근성을 높이고 보다 용이하게 증기발생기(113) 설비를 유지보수하기 위해서는 연결부(124)의 거리가 짧을수록 유리하다. 본 발명에서는 소형 안전보호용기(120)를 적용하여 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 거리를 최소화하였으므로, 유지보수의 작업성이 향상된다.
연결부덮개(125)는 연결부(124)의 중공부를 덮도록 형성되며, 안전보호용기(120)에 개폐가능하게 설치된다. 체결부재(126)에 의해 안전보호용기(120)에 결합된 연결부덮개(125)를 해체하고 연결부(124)의 중공부를 통해 전열관(tube) 등과 같은 증기발생기(113)의 설비에 접근할 수 있다.
안전보호용기(120)와 연결부덮개(125) 사이에는 체결부재(126)의 체결시 안전보호용기(120)와 연결부덮개(125) 사이를 실링하도록 형성되고, 냉각재가 체결부분을 통해 상실되는 것을 방지하도록 이루어지는 실링부재(미도시)가 배치될 수 있다.
냉각재펌프(130)는 원자로용기(110)에 장착되어 노심(112)에서 가열된 냉각재를 증기발생기(113)로 공급하도록 이루어진다. 냉각재 상실 사고시 재순환계통(160)이 원활하게 작동하기 위해 필요한 냉각재의 양을 줄이기 위해서는 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 거리가 최소화되어야 한다. 도면에 도시된 바와 같이 상기 거리를 최소화하기 위해 냉각재펌프(130)는 안전보호용기(120)에 형성된 홀을 관통하여 적어도 일부가 노출되도록 설계될 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 원자로의 특성에 따라 원자로용기(110)로부터 냉각재펌프(130)가 돌출된 길이가 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 거리보다 짧아 안전보호용기(120)의 외부로 노출되지 않을 수도 있다.
냉각재펌프(130)는 노심(112)에서 가열된 냉각재를 증기발생기(113)로 공급해주고, 냉각재는 증기발생기(113) 내에서 열교환에 의해 냉각된 후 다시 노심(112)으로 공급되는 순환 과정을 반복한다. 따라서 냉각재펌프(130)는 원자로용기(110) 내부에 충수된 냉각재를 순환시키도록 상기 냉각재의 수면보다 아래에 배치된다.
안전보호용기(120)에는 냉각재펌프(130)에 대응되도록 홀이 형성되고, 덮개(122)는 상기 홀을 덮도록 이루어진다. 덮개(122)는 개폐시키는 것이 가능하도록 안전보호용기(120)에 설치된다. 덮개(122)를 개방시켜 원자로용기(110)에 분리가능하게 장착된 냉각재펌프(130)를 상기 홀을 통해 인출하여 유지보수할 수 있다. 도시한 바와 같이 안전보호용기(120) 외부로 냉각재펌프(130)의 일부가 노출될 경우 덮개(122)는 상기 냉각재펌프(130)의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 다만, 냉각재펌프(130)는 안전보호용기(120) 외부로 노출되지 않을 수 있으므로 덮개(122)의 형상에는 제한이 없다.
덮개(122)는 체결부재(123)에 의해 안전보호용기(120)와 결합되고 상기 안전보호용기(120)에 탈부착 가능하게 설치될 수 있다. 체결부재(123)는, 예를 들어 볼트 등이 될 수 있다. 연결부덮개(125)와 마찬가지로 덮개(122)와 안전보호용기(120) 사이에는 체결부재(123)의 체결시 덮개(122)와 안전보호용기(120) 사이를 실링하도록 형성되고, 냉각재가 체결부분을 통해 상실되는 것을 방지하도록 이루어지는 실링부재(미도시)가 배치될 수 있다.
일체형 원자로(100)는 정상운전시 증기발생기(113)로 급수를 공급하는 급수관(190a)의 밸브(190b)와 증기발생기(113)에서 터빈으로 증기를 공급하는 증기관(191a)의 밸브(191b)가 개방된 상태로 유지된다. 급수는 급수관(190a)을 통해 증기발생기(113)로 공급되고, 증기발생기(113)에서 고온 및 고압의 증기가 되어 증기관(191a)을 통해 터빈으로 공급된다. 밸브(190b, 191b)는 단수로 설치될 경우 고장시 제 기능을 못할 수 있으므로 다수개가 설치되는 것이 바람직하다. 밸브(190b, 191b)와 같이 전원이 필요한 기기는 전원 상실에 대비하여 축전기(Battery) 등에 의해 작동될 수 있다.
냉각재 상실 사고가 발생한 경우 냉각재 주입부(140), 감압수조(150), 재순환계통(160), 자동감압계통(170) 및 피동잔열제거계통(180)이 작동하며 이하에서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 다만 노심보충탱크(141)와 피동잔열제거계통(180)은 비냉각재 상실 사고가 발생하는 경우에도 작동할 수 있다.
도 2는 냉각재 상실 사고시 피동안전 시스템을 구비하는 일체형 원자로(100)의 작동상태를 보인 개념도이다.
냉각재가 상실되는 사고는 원자로용기(110)의 상부로 연결되는 배관의 파단에 의해 발생한다. 일체형 원자로(100)의 배관은 소형이므로 냉각재 상실 사고 초기에는 액체상태의 냉각재가 원자로용기(110)로부터 급격히 방출되나, 원자로용기(110)의 냉각재 수위가 파단된 배관의 높이 이하로 감소하면 증기 상태의 냉각재가 방출되므로 원자로용기(110)의 온도, 압력 및 수위는 서서히 감소하고, 안전보호용기(120)의 압력은 상승한다.
안전보호용기(120)는 냉각재 상실 사고시 원자로용기(110) 외부의 대기 압력을 빠른 시간 내에 고압으로 만들어 파단유량을 억제한다. 냉각재가 상실되기 시작하면 더 이상 원자로용기(110) 내에 존재하는 냉각재의 양만으로 노심수위를 유지할 수 없다. 그러므로 안전보호용기(120)는, 원자로용기(110)와 압력평형을 이루어 파단유량을 억제하고 중력수두에 의한 냉각재 주입이 가능하도록 하며 안전보호용기(120) 외부로의 2차 상실을 방지한다. 도면에는 도시 되어 있지 않으나, 안전보호용기(120) 외벽에는 과압으로부터 안전보호용기(120)를 보호하고 냉각을 위해 공기순환유로 또는 냉각수 저장탱크를 설치하거나 외부 살수계통을 이용하여 외부에 살수 할 수도 있다.
냉각재 주입부(140)는 원자로용기(110)와 통하는 안전주입배관(114)에 연결되고, 상기 원자로용기(110)의 냉각재가 상실되어 상기 원자로용기의 압력이 감소하거나 냉각재 수위가 저하되는 경우 내부에 저장된 냉각재를 상기 원자로용기(110)로 주입시키도록 이루어진다. 냉각재 주입부(140)는 원자로의 설계 특성에 따라 노심보충탱크(141)와 안전주입탱크(142)를 선택적으로 포함하거나 모두 포함할 수 있다. 노심보충탱크(141)는 상대적으로 고압조건에서, 안전주입탱크(142)는 상대적으로 중압조건에서 원자로용기(110)로 안전주입을 수행할 수 있는 계통이다.
노심보충탱크(141)는 내부에 냉각재가 저장되어 있으며, 노심보충탱크(141)와 안전주입배관(114) 사이에는 밸브(141a)가 설치되고, 연결배관(141b)에 의해 연결된다. 냉각재 상실에 의해 원자로용기(110)의 압력이 설정압력 이하로 감소되는 경우 닫혀있던 밸브(141a)가 개방된다. 그리고 밸브(141a)가 개방됨에 따라 노심보충탱크(141) 내부에 저장되어 있던 냉각재는 중력수두에 의해 원자로용기(110) 내부로 주입된다. 따라서 노심보충탱크(141)는 원자로용기(110)보다 높은 위치에 배치되고, 적절한 높이차를 갖도록 설치되어야 한다. 원자로의 설계 특성에 따라 노심보충탱크(141)는 질소가압식 고압안전주입탱크로 대체할 수도 있다.
압력평형배관(141c)은 일단이 원자로용기(110)와 연결되고 타단이 노심보충탱크(141)에 연결되며, 노심보충탱크(141)로부터 원자로용기(110)로의 냉각재 주입이 원활하게 이루어지도록 노심보충탱크(141)의 배압을 형성한다. 배압이 형성되면 노심보충탱크(141) 내부의 압력이 원자로용기(110)의 압력과 같아지게 되고, 노심보충탱크(141)의 냉각재는 원자로용기(110)로의 안전주입이 원활하게 이루어질 수 있다.
안전주입탱크(142)는 배관(142a)에 의해 안전주입배관(114)에 연결되고, 배관에는 체크밸브(142b)가 설치된다. 체크밸브(142b)는 원자로용기(110)로부터 냉각재가 역류하여 원자로용기(110) 내의 냉각재가 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 안전주입탱크(142)는 내부에 냉각재가 저장되어 있으며 탱크의 상부에는 가스가 존재하여 냉각재를 가압하도록 이루어진다. 냉각재는 저온의 붕산수가 될 수 있고, 가스는 질소가스가 될 수 있다.
안전주입탱크(142)는 정상운전시 체크밸브(142b)에 의해 원자로용기(110)와 격리되나, 냉각재 상실 사고 발생시 원자로용기(110)의 압력이 감소되어 안전주입탱크(142)의 압력보다 낮아지면 안전주입탱크(142)는 원자로용기(110)와의 압력차에 의해 내부에 저장된 냉각재를 원자로용기(110)의 내부로 주입시킨다. 따라서 가스의 압력은 정상운전 시의 원자로용기(110) 압력보다 낮게 설정된다. 안전주입탱크(142)는 도시한 바와 같이 안전보호용기(110)의 내부에 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 외부에 설치될 수도 있다.
감압수조(150)는 연결배관(151)에 의해 원자로용기(110)와 안전보호용기(120)의 사이 공간에 연결되며, 압력차에 의해 상기 연결배관을 따라 증기, 대기(예를 들어, 비응축성 가스) 또는 냉각재가 유입 또는 유출되도록 이루어진다. 정상운전시 감압수조(150)의 내부에는 저온 붕산수 등의 냉각재와 질소 등의 대기로 채워져 있다. 감압수조(150) 내부에 저장된 냉각재와 가스의 유량은 안전보호용기(120)의 과압 방지와 원자로용기(110)의 외부를 충분히 충수하여 안전주입 및 재순환이 원활이 수행될 수 있도록 설계된다. 감압수조(150)는, 도시한 바와 같이 안전보호용기(120)의 외부에 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 안전보호용기(120)의 내부에 설치되는 것도 가능하다.
냉각재가 원자로용기(110)로부터 상실되는 사고가 발생하는 초기에는 원자로용기(110)로부터 방출된 증기에 의해 안전보호용기(120)의 압력이 상승한다. 안전보호용기(120)로 방출된 증기 또는 대기는 안전보호용기(120)와 감압수조(150) 사이에 형성되는 압력차에 의해 감압수조(150)로 유도되어 안전보호용기(120)가 과압되는 것을 방지한다. 이때 감압수조(150)로 유도된 증기는 감압수조(150)에서 응축되고, 비응축성 가스는 감압수조의 상부공간에 포집된다.
냉각재 상실 사고가 발생하고 난 뒤 시간이 지나면 원자로용기(110)와 안전보호용기(120)의 압력은 평형을 이루고 냉각됨에 따라 안전보호용기(120)의 압력은 감소하기 시작한다. 안전보호용기(120)의 내부 압력이 감소하면 감압수조(150) 내부의 냉각재는 감압수조(150)에 형성된 배압에 의해 방출되어 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 공간에 충수(flooding)된다.
피동잔열제거계통(180)은 냉각재 상실 사고시 증기발생기(113)로 유체를 지속적으로 순환시켜 노심의 잔열 및 현열을 제거하도록 이루어진다.
피동잔열제거계통(180)은 안전보호용기(120) 외부에 설치되며, 증기발생기(113)와 적절한 높이차를 갖는 비상냉각탱크(181, Emergency Cooling Tank:ECT)와 상기 비상냉각탱크(181) 내에 배치되는 응축열교환기(182, Heat Exchanger:HX), 보충탱크(183, Makeup Tank:MT), 밸브(184) 및 이들은 연결하는 연결배관을 포함한다.
연결배관은 급수관(190a) 및 증기관(191a)에 연결된다. 냉각재 상실 사고시 급수관(190a)의 밸브(190b)와 증기관(191a)의 밸브(191b)가 잠기고, 열교환기(182)와 연결되는 밸브(184)는 개방된다. 비상냉각탱크(181) 내의 열교환기(182)와 증기발생기(113)의 중력에 의한 수두 차이에 의해 열교환기(182)로부터 증기발생기(113)으로의 급수유량이 형성된다. 증기발생기(113)로 공급되는 냉각재는 노심의 잔열과 현열을 전달받아 비상냉각탱크(181) 내의 열교환기(182)로 이송된다. 이송된 증기는 열교환기(182)의 내벽에서 응축되어, 중력에 의한 자연순환에 의해 다시 배관을 통해 증기발생기(113)로 들어가 재순환하게 된다.
도 3은 냉각재 상실 사고 후 피동안전 시스템을 구비하는 일체형 원자로(100)의 냉각재 재순환 과정을 보인 개념도이다.
재순환계통(160)은 안전주입배관(114)과 연결되며 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기(110) 내부로 반영구적으로 주입시키도록 밀도차 또는 수위차에 의한 자연 재순환 유동을 형성한다.
재순환계통(160)은 밸브(161) 및 체크밸브(162)를 포함할 수 있으며 이들을 연결하는 배관이 안전주입배관(114)에 연결된다. 냉각재 상실 사고 후 원자로용기(110)와 안전보호용기(120) 사이의 공간에 냉각재가 채워지면 밸브(161) 및 체크밸브(162)가 개방되고, 상기 공간에 채워진 냉각재의 밀도(수위가 비슷한 경우) 또는 수위가 원자로용기(110) 내부의 냉각재의 밀도 또는 수위보다 큰 경우 재순환계통(160)을 통해 상기 공간에 채워진 냉각재가 원자로용기(110)의 내부로 주입된다. 냉각재가 상실되면 원자로용기(110)의 수위는 감소하고, 파단부로 방출된 증기는 안전보호용기(120)의 내벽에서 열을 방출하고 응축되며, 이 응축된 냉각재는 안전보호용기(120) 내부의 아래쪽에 모이게 되어 안전보호용기(120) 내부의 수위는 상승한다. 아래쪽으로 모인 냉각재는 수위에 의한 수두차에 의해 재순환계통(160)을 통해 다시 원자로용기(110)로 주입되어 피동력에 의한 반영구적인 재순환을 하게 된다. 안전보호용기(120)로 전달된 열은 외벽을 통해 외부로 방출된다.
도면에는 도시되어 있지 않으나, 재순환계통(160)의 입구에는 냉각재의 흐름을 원활하게 하고, 불순물의 유입을 차단하도록 이루어지는 재순환수조(Recirculation Sump)가 포함될 수 있다.
자동감압계통(170)은 원자로용기(110)와 연결되고 냉각재 상실 사고시 냉각재 주입부(140)와 재순환계통(160)으로부터 원자로용기(110) 내부로의 냉각재 주입이 원활하게 이루어지도록 원자로용기(110)의 압력을 감소시킨다. 도시한 바와 같이 자동감압계통(170)은 단일고장에도 기능을 유지하도록 적어도 적어도 2 이상의 가지배관을 구비할 수 있다.
자동감압계통(170)은 원자로용기(110)의 압력을 안전보호용기(120)의 압력으로 낮추어 압력평형이 원활하게 이루어지도록 하고, 이 압력은 안전주입탱크(142)보다 낮은 압력이 된다. 원자로용기(110)의 압력이 감압되면 중압 및 저압 조건에서도 냉각재가 원자로용기(110) 내부로 주입될 수 있으므로, 안전주입탱크(142)로부터 저온의 냉각재 주입이 이루어질 수 있고, 작은 중력수두에 의해서도 냉각재의 흐름이 형성될 수 있어 재순환계통(160)으로부터 중력을 이용한 냉각재 주입이 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 피동안전 시스템 및 이를 구비하는 일체형 원자로는 위에서 설명된 실시예의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예는 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성과 방법의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
100 ; 일체형 원자로 110 ; 원자로용기
120 ; 안전보호용기 130 ; 냉각재펌프
140 ; 냉각재 주입부 141 ; 노심보충탱크
142 ; 안전주입탱크 150 ; 감압수조
160 ; 재순환계통 170 ; 자동감압계통
180 ; 피동잔열제거계통

Claims (10)

  1. 일체형 원자로의 원자로용기;
    냉각재 상실 사고시 상기 원자로용기와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 기설정된 간격을 두고 상기 원자로용기를 감싸도록 형성되는 안전보호용기;
    중공부를 구비하고, 상기 원자로용기 내부의 증기발생기와 연결되는 적어도 하나의 연결부; 및
    상기 중공부를 덮도록 형성되며, 상기 안전보호용기 외부에서 상기 중공부를 통해 상기 증기발생기의 유지보수가 가능하도록 상기 안전보호용기에 개폐 가능하게 설치되는 연결부덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안전보호용기와 상기 연결부덮개의 체결시 상기 안전보호용기와 상기 연결부덮개 사이를 실링하도록 형성되고, 냉각재가 상실되는 것을 방지하도록 이루어지는 실링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전 시스템.
  3. 제1항이 있어서,
    상기 원자로용기에 분리가능하게 장착되고, 상기 원자로용기의 노심에서 가열된 냉각재를 상기 증기발생기로 공급하도록 이루어지는 냉각재펌프;
    상기 냉각재펌프에 대응되도록 상기 안전보호용기에 형성되는 홀; 및
    상기 홀을 덮도록 이루어지고, 상기 홀을 통해 상기 냉각재펌프를 인출하여 유지보수하는 것이 가능하도록 상기 안전보호용기에 개폐 가능하게 설치되는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안전보호용기는,
    내부에 기설정된 간격을 두고 상기 원자로용기를 수용하도록 형성되는 하부용기; 및
    상기 하부용기에 착탈 가능하게 결합되고, 상기 하부용기로부터 분리시 상기 원자로용기의 적어도 일부가 노출되도록 이루어지는 상부헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따르는 피동안전 시스템;
    상기 원자로용기 외부에 배치되어 상기 원자로용기와 통하는 안전주입배관에 연결되고, 상기 원자로용기의 압력 감소 또는 수위 저하에 의해 작동하여 내부에 저장된 냉각재를 상기 원자로용기로 주입시키는 냉각재 주입부;
    연결배관에 의해 상기 원자로용기와 상기 안전보호용기 사이의 공간에 연결되며, 압력차에 의해 상기 연결배관을 따라 증기, 대기 또는 냉각재가 유입 또는 유출되도록 이루어지는 감압수조; 및
    상기 안전주입배관과 연결되며, 상기 원자로용기와 상기 안전보호용기 사이에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기 내부로 반영구적으로 주입시키도록 밀도차 또는 수위차에 의한 자연 재순환 유동을 형성하는 재순환계통을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각재 주입부는,
    상기 원자로용기의 압력 감소 또는 수위 저하에 의해 작동신호가 발생하면 중력수두에 의해 내부에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기로 주입하도록 상기 원자로용기보다 높은 위치에 배치되는 노심보충탱크; 및
    일단은 상기 원자로용기와 연결되고, 타단은 상기 노심보충탱크와 연결되며, 상기 노심보충탱크로부터 상기 원자로용기로의 냉각재 주입이 원활하게 이루어지도록 상기 노심보충탱크의 배압을 형성하는 압력평형배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 냉각재 주입부는 상기 원자로용기와의 압력차에 의해 내부에 채워진 냉각재를 상기 원자로용기로 주입하도록 이루어지는 안전주입탱크를 포함하며,
    상기 안전주입탱크는,
    냉각재 상실 사고에 의해 상기 원자로용기의 압력이 상기 안전주입탱크의 설정압력 이하로 감소하면 작동하는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 재순환계통은 냉각재의 흐름을 원활하게 하고, 불순물의 유입을 차단하도록 상기 재순환계통의 입구에 배치되는 재순환수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 원자로용기와 연결되고, 냉각재 상실 사고시 상기 안전주입탱크 또는 상기 재순환계통으로부터 상기 원자로용기로의 냉각재 주입이 원활하게 이루어지도록 상기 원자로용기의 압력을 감소시키는 자동감압계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자동감압계통은 단일고장에도 기능을 유지하도록 적어도 2 이상의 가지배관을 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로.
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