KR101383451B1

KR101383451B1 - 원자로 용기의 외벽 냉각 장치

Info

Publication number: KR101383451B1
Application number: KR1020120106040A
Authority: KR
Inventors: 하희운; 허선; 김한곤
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-04-10

Abstract

본 발명은 원자로의 노심이 용융되는 중대사고 발생시 원자로 용기의 외벽을 통해 전달되는 열이 냉각수에 원활하게 전달되도록 하여 원자로 용기 외벽의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치를 제공함에 그 목적이 있다. 이를 구현하기 위한 본 발명은, 원자로 용기와, 상기 원자로 용기의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 구획 구조물과, 상기 원자로 용기와 구획 구조물이 내부에 구비되는 원자로공동 구조물을 포함하고, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시 상기 원자로공동 구조물 내부의 원자로공동에 냉각수를 공급하여 상기 원자로 용기의 외벽을 냉각시키는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치에 있어서, 상기 구획 구조물의 하부에는 상기 원자로 용기와 구획 구조물 사이의 제1공간부로 냉각수가 유입되는 냉각수 입구가 형성되고, 상기 구획 구조물의 상부에는 상기 제1공간부로부터 상기 구획 구조물과 원자로공동 구조물 사이의 제2공간부로 냉각수가 배출되는 냉각수 출구가 형성되며; 상기 원자로 용기의 하부 외측면에는 상기 원자로 용기의 외벽을 통하여 전달되는 열을 상기 제1공간부를 통과하는 냉각수에 전달하되, 상기 원자로 용기의 외벽보다 넓은 전열면적을 통하여 전달하기 위한 냉각구조물이 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

원자로 용기의 외벽 냉각 장치{Cooling device for external wall of reactor vessel}

본 발명은 원자로 용기의 외벽 냉각 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로의 노심이 용융되는 중대사고 발생시 원자로 용기의 외벽과 이를 냉각하기 위한 냉각수 간의 접촉면적을 증대시켜 원자로 용기의 냉각 효율을 향상시킨 원자로 용기의 외벽 냉각 장치에 관한 것이다.

원자력발전소의 정상운전시 원자로 용기 내부의 노심은 냉각재 펌프에 의해 순환되는 냉각재에 의해 냉각된다. 그러나 소외전원 상실과 같은 심각한 사고가 발생하게 되면 더 이상 노심 냉각은 이루어지지 않게 되어 노심의 온도가 상승하게 되고, 노심 용융온도에 도달하게 되면 노심이 용융되고 노심 용융물은 원자로 용기의 바닥에 재배치(relocation)되게 된다.

이러한 중대사고시 노심 용융물로부터 많은 붕괴열이 생성된다. 이로 인해 원자로 용기가 과열되어 파손되면, 결국 노심 용융물은 원자로 용기 외부로 방출된다. 원자력발전소의 노심 용융물은 방사성 동위원소를 포함하고 있으며, 이러한 용융물이 원자로 용기 외부로 방출되면, 원자로 건물 내의 대기가 방사능으로 오염되며, 원자로 건물의 손상 및 외부 대기의 오염을 유발하게 된다.

이러한 노심 용융물로부터 발생되는 붕괴열을 제거하기 위한 방안으로, 종래에는 중대사고시 원자로 용기가 설치되는 원자로공동에 냉각수를 공급하여 원자로 용기의 외벽을 침수시킴으로써 원자로 용기가 파괴되는 것을 방지하는 원자로 외벽 냉각 기술이 사용되고 있다.

도 1은 종래 원자로 용기의 외벽 냉각 장치의 단면도이다.

종래 원자로 용기의 외벽 냉각장치는, 원자로 용기(1)와, 그 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 구획 구조물(2)과, 상기 원자로 용기(1)와 구획 구조물(20)이 내부에 구비되는 원자로공동 구조물(3)을 포함하고, 상기 원자로공동 구조물(3)의 하부에는 노심이 용융되는 중대사고시 원자로공동 구조물(3) 내부의 원자로공동(4)에 외부로부터 냉각수가 공급되는 냉각수 주입관(5)이 설치되고, 구획 구조물(2)의 하부와 상부에는 원자로공동(4)에 충수된 냉각수의 자연순환을 위한 냉각수 입구(2a)와 냉각수 출구(2b)가 형성된 구조로 이루어져 있다. 상기 구획 구조물(2)은 원자로 용기(1)와 원자로공동 구조물(3) 사이의 공간을 분리할 뿐만 아니라 열 차폐체의 역할을 동시에 수행한다.

중대사고시 냉각수 주입관(5)을 통해 냉각수가 공급되어 원자로공동(4)에 냉각수가 충수되면, 노심 용융물(1a)로부터 발생된 열은 원자로 용기(1)의 외벽과 구획 구조물(2)의 내벽 사이의 냉각수에 열을 전달하게 되고, 이에 따라 가열된 냉각수는 상향 이동되어 냉각수 출구(2b)를 통해 배출되어 구획 구조물(2)의 외벽과 원자로공동 구조물(4)의 내벽 사이 공간을 따라 하향 이동된 후에 냉각수 입구(2a)를 통하여 원자로 용기(1)의 외벽과 구획 구조물(2)의 내벽 사이 공간으로 유입되며, 냉각수의 반복 순환에 의해 원자로 용기(1)의 외벽을 냉각하도록 구성되어 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 중대사고시 원자로공동(4)에 충수된 냉각수가 자연순환 방식에 의해 순환됨으로써 냉각수의 순환을 위한 별도의 냉각수 강제순환장치 없이도 원자로 용기(1)의 외벽을 냉각시킬 수 있는 장점이 있으나, 냉각수와 접촉되는 원자로 용기(1)의 외벽은 그 표면적이 제한되어 있어 중대사고시 원자로 용기(1)의 외벽을 신속하게 냉각시키는데 한계가 있으며, 이와 같이 원자로 용기(1) 외벽의 냉각시간이 지연됨에 따라 노심 용융물(1a)의 붕괴열에 의한 원자로 용기(1)의 파손 및 이에 수반되는 피해를 예방할 수 없는 문제점이 있다.

공개특허 제10-2010-0035936호 등록특허 제10-0893598호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고 발생시 원자로 용기의 외벽을 통해 전달되는 열이 냉각수에 원활하게 전달되도록 하여 원자로 용기 외벽의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 원자로 용기의 외벽 냉각 장치는, 원자로 용기(10)와, 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 구획 구조물(20)과, 상기 원자로 용기(10)와 구획 구조물(20)이 내부에 구비되는 원자로공동 구조물(30)을 포함하고, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시 상기 원자로공동 구조물(30) 내부의 원자로공동(40)에 냉각수를 공급하여 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각시키는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치에 있어서, 상기 구획 구조물(20)의 하부에는 상기 원자로 용기(10)와 구획 구조물(20) 사이의 제1공간부(41)로 냉각수가 유입되는 냉각수 입구(21)가 형성되고, 상기 구획 구조물(20)의 상부에는 상기 제1공간부(41)로부터 상기 구획 구조물(20)과 원자로공동 구조물(30) 사이의 제2공간부(42)로 냉각수가 배출되는 냉각수 출구(22)가 형성되며; 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면에는 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 통하여 전달되는 열을 상기 제1공간부(41)를 통과하는 냉각수에 전달하되, 상기 원자로 용기(10)의 외벽보다 넓은 전열면적을 통하여 전달하기 위한 냉각구조물(60;60-1,60-2)이 구비된 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 냉각구조물(60-1)은 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면에서 상기 구획 구조물(20)을 향하는 방향으로 돌출된 다각 형상의 구조물로 이루어져 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면에 원주방향을 따라 일정 각도 간격으로 부착된 것으로 구성될 수 있다.

또한 상기 냉각구조물(60-2)은 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면과 상기 구획 구조물(20)의 내측면에 원주방향을 따라 교대로 접하도록 절곡된 판 형상의 구조물로 이루어져 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면과 상기 구획 구조물(20)의 내측면 사이에 삽입된 것으로 구성될 수 있다.

또한 상기 원자로 용기(10)의 하부는 아래로 볼록한 반구 형상으로 이루어지고, 상기 냉각구조물(60)은 상기 원자로 용기(10)의 저면 중심으로부터 하방향으로 연장되는 가상의 수직선(C)을 기준으로 하여 상기 원자로 용기(10) 하부면의 상측을 향하는 각도가 70°~ 90°의 범위 내에 설치된 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치에 의하면, 원자로 용기 하부의 외측면에 냉각구조물을 설치하여 냉각수와 접촉되는 전열면적을 증가시킴으로써, 원자로 노심이 용융되는 중대사고시 신속하고 효율적으로 원자로 용기 외벽을 냉각시켜 노심의 붕괴열을 제거할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 원자로 용기의 외벽 냉각 장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치의 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 원자로 용기의 하부에 냉각구조물이 부착된 모습을 나타낸 저면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치의 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 원자로 용기의 하부에 냉각구조물이 삽입된 모습을 나타낸 저면도,
도 6은 본 발명에 따른 원자로 용기의 하부에 구비되는 냉각구조물의 설치 각도를 나타낸 단면도.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치의 단면도, 도 3은 도 2에 도시된 원자로 용기의 하부에 냉각구조물이 부착된 모습을 나타낸 저면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치는, 원자로 용기(10)와, 그 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 구획 구조물(20)과, 상기 원자로 용기(10)와 구획 구조물(20)이 내부에 구비되는 원자로공동 구조물(30)을 포함하고, 상기 원자로공동 구조물(30)의 하부에는 원자로 노심이 용융되는 중대사고시 원자로공동 구조물(30) 내부의 원자로공동(40)에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 주입관(50)이 설치되고, 상기 구획 구조물(20)의 하부와 상부에는 원자로공동(40)에 충수된 냉각수의 자연순환을 위한 냉각수 입구(21)와 냉각수 출구(22)가 각각 형성되어 있다. 상기 원자로 용기(10)와 원자로공동 구조물(30) 사이에 구획 구조물(20)이 설치됨에 따라 상기 원자로공동(40)은 원자로 용기(10)의 외벽과 구획 구조물(20)의 내벽 사이에 제1공간부(41)가 형성되고, 구획 구조물(20)의 외벽과 원자로공동 구조물(30)의 내벽 사이에 제2공간부(42)가 형성된다.

노심이 용융되는 중대사고 발생시 상기 냉각수 주입관(50)을 통하여 원자로공동(40)으로 급수된 냉각수는 상기 냉각수 입구(21)를 통하여 원자로 용기(10)의 외벽과 구획 구조물(20)의 내벽 사이의 제1공간부(41)로 유입되고, 상기 제1공간부(41)로 유입된 냉각수는 원자로 용기(10)의 외벽을 통하여 전달되는 열을 흡수하여 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각하게 되고, 열을 흡수한 냉각수는 부피가 팽창함과 동시에 밀도가 낮아져 제1공간부(41)를 따라 상방으로 이동하게 되고, 냉각수 출구(22)를 통해 제2공간부(42)로 배출되어 제2공간부(42)를 따라 하방으로 이동된 후 냉각수 입구(21)를 통하여 제1공간부(41)로 재유입되는 자연대류 방식에 의한 냉각수의 순환을 반복함으로써 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각시키게 된다.

본 발명에서는 중대사고시 노심 용융물(11)에서 발생된 붕괴열이 원자로 용기(10)의 외벽에 접촉되는 냉각수에 전달되는 전열면적을 넓게 확보하여 원자로 용기(10) 외벽의 냉각효율을 높이기 위한 구성으로, 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면에는 냉각구조물(60;60-1,60-2)이 구비된 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 냉각구조물(60;60-1)은, 원자로 용기(10)의 하부 외측면에서 구획 구조물(20)을 향하는 방향으로 돌출된 다각 형상의 구조물로 이루어지며, 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면에 원주방향을 따라 일정 각도 간격으로 부착된 구조로 이루어져 있다.

이와 같이 원자로 용기(10)의 외측면에 냉각구조물(60;60-1)을 구비함으로써 원자로 용기(10)의 외측면이 민자형상으로 이루어진 구조와 비교할 때, 냉각수와의 접촉면적이 증대되어 원자로 용기(10)의 외벽을 보다 신속하게 냉각시킬 수 있게 되어, 노심용융물(11)의 붕괴열을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.

도 3에서는 상기 냉각구조물(60;60-1)이 직육면체 형상으로 돌출되고, 원자로 용기(10)의 하부 외측면에 일정 각도 간격으로 8개가 배치된 경우의 실시예를 보여주고 있으나, 상기 냉각구조물(60;60-1)은 이러한 형상 및 설치개수에 한정되지 않으며, 원자로 용기(10) 대비 냉각수와의 표면적을 증대시킬 수 있는 구조라면 형상 및 설치 개수를 달라하여 변형 실시될 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치의 단면도, 도 5는 도 4에 도시된 원자로 용기의 하부에 냉각구조물이 삽입된 모습을 나타낸 저면도이다.

본 실시예에 따른 원자로 용기의 외벽 냉각 장치는, 전술한 실시예와 동일한 구성으로 원자로 용기(10), 냉각수 입구(21)와 냉각수 출구(22)가 형성된 구획 구조물(20), 원자로공동 구조물(30)과 그 내부의 원자로 공동(40), 냉각수 주입관(50)을 포함하고, 원자로 용기(10)의 외벽에 구비되는 냉각구조물(60;60-2)의 구조에 있어서 차이가 있다.

본 실시예에 따른 냉각구조물(60;60-2)은, 원자로 용기(10)의 외벽과 구획 구조물(20)의 내측면 사이에 삽입되는 절곡된 판 형상의 구조물로 이루어져 있다.

도 5를 참조하면, 상기 냉각구조물(60;60-2)은 원자로 용기(10)의 하부 외측면과 구획 구조물(20)의 내측면에 원주방향을 따라 교대로 접하도록 절곡되어 있어, 별도의 체결수단에 의하지 않더라도 원자로 용기(10)의 외벽과 구획 구조물(20)의 내벽 사이에 냉각구조물(60;60-2)을 삽입시켜 용이하게 고정시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 상기 냉각구조물(60;60-2)은 제1공간부(41)를 통과하는 냉각수의 흐름을 방해하지 않으면서 냉각수와의 접촉면적을 증대시킬 수 있도록 냉각수의 흐름 방향과 나란하거나 소정의 경사를 이루도록 배치됨이 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 원자로 용기의 하부에 구비되는 냉각구조물의 설치 각도를 나타낸 단면도이다.

전술한 실시예들에서, 원자로 용기(10)의 하부는 아래로 볼록한 반구 형상으로 이루어지는데, 원자로 용기(10) 외벽의 냉각효율을 향상시키기 위해서는 노심용융물(11)의 붕괴열이 방출되는 열속(heat flux)이 가장 많은 영역에 상기 냉각구조물(60;60-1,60-2)이 배치되도록 구성함이 바람직하다.

이를 위한 구성으로, 상기 냉각구조물(60;60-1,60-2)이 배치되는 영역(θ1<θ<θ2))은, 원자로 용기(10)의 저면 중심으로부터 하방향으로 연장되는 가상의 수직선(C)을 기준으로 하여 원자로 용기(10) 하부면의 상측을 향하는 각도가 70°~90°의 범위 내에 설치된 것으로 구성됨이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에서는 노심이 용융되는 중대사고시, 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각하기 위한 구성으로 원자로공동(40)에 냉각수를 공급하고, 원자로공동(40)에 충수된 냉각수가 자연 대류 방식에 의해 원자로공동(40)의 제1공간부(41)와 제2공간부(42)를 순환하면서 원자로의 외벽(10)을 냉각시키도록 구성함과 아울러, 원자로 용기(10)의 외벽에 냉각수와의 접촉면적을 증대시키기 위한 냉각구조물(60;60-1,60-2)을 구비함으로써, 원자로 외벽(10)을 신속하게 냉각시켜 노심용융물(11)의 붕괴열을 효과적으로 제거시켜 원자로 용기(10)의 파괴에 따른 사고를 예방할 수 있게 된다.

1 : 원자로 용기 1a : 노심 용융물
2 : 구획 구조물 2a : 냉각수 입구
2b : 냉각수 출구 3 : 원자로공동 구조물
4 : 원자로공동 5 : 냉각수 주입관
10 : 원자로 용기 20 : 구획 구조물
21 : 냉각수 입구 22 : 냉각수 출구
30 : 원자로공동 구조물 40 : 원자로공동
41 : 제1공간부 42 : 제2공간부
50 : 냉각수 주입관 60,60-1,60-2 : 냉각구조물

Claims

원자로 용기(10)와, 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 소정 간격을 두고 둘러싸는 구획 구조물(20)과, 상기 원자로 용기(10)와 구획 구조물(20)이 내부에 구비되는 원자로공동 구조물(30)을 포함하고, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시 상기 원자로공동 구조물(30) 내부의 원자로공동(40)에 냉각수를 공급하여 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 냉각시키는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치에 있어서,
상기 구획 구조물(20)의 하부에는 상기 원자로 용기(10)와 구획 구조물(20) 사이의 제1공간부(41)로 냉각수가 유입되는 냉각수 입구(21)가 형성되고, 상기 구획 구조물(20)의 상부에는 상기 제1공간부(41)로부터 상기 구획 구조물(20)과 원자로공동 구조물(30) 사이의 제2공간부(42)로 냉각수가 배출되는 냉각수 출구(22)가 형성되며;
상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면에는 상기 원자로 용기(10)의 외벽을 통하여 전달되는 열을 상기 제1공간부(41)를 통과하는 냉각수에 전달하되, 상기 원자로 용기(10)의 외벽보다 넓은 전열면적을 통하여 전달하기 위한 냉각구조물(60;60-2)이 구비되되,
상기 냉각구조물(60;60-2)은 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면과 상기 구획 구조물(20)의 내측면에 원주방향을 따라 교대로 접하도록 절곡된 판 형상의 구조물로 이루어져 상기 원자로 용기(10)의 하부 외측면과 상기 구획 구조물(20)의 내측면 사이에 삽입된 것을 특징으로 하는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치.
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제1항에 있어서,
상기 원자로 용기(10)의 하부는 아래로 볼록한 반구 형상으로 이루어지고,
상기 냉각구조물(60)은 상기 원자로 용기(10)의 저면 중심으로부터 하방향으로 연장되는 가상의 수직선(C)을 기준으로 하여 상기 원자로 용기(10) 하부면의 상측을 향하는 각도가 70°~ 90°의 범위 내에 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 용기의 외벽 냉각 장치.