KR101407129B1 - 개방수조형 연구로 피동잔열제거계통 - Google Patents

Abstract

피동형 잔열제거계통이 개시된다. 정상 운전 시 하향 유동에 의해 열이 제거되는 노심, 노심을 포함하고 상부에 개구부가 있는 원자로 구조물, 원자로 구조물이 물에 잠겨 있고 상부가 개방된 원자로 수조, 원자로 수조내에 잔열을 식혀주며 유동되는 특성을 지닌 냉각수, 노심의 잔열을 식혀주기 위해 구동되는 냉각펌프, 일차냉각펌프에 설치된 관성 서행으로 잔열을 제거 할 수 있는 관성바퀴, 원자로수조의 냉각수가 일차냉각펌프에 의해 잔열제거가 불가능하거나 원자로 사고 시의 경우 타 공간으로 유동되어 수용되는 잔열 제거 탱크, 원자로수조와 잔열제거탱크 사이에 차단벽이 있으며, 차단벽을 통해 설치되며, 냉각수가 유동되는 통로를 제공하는 잔열 제거 배관, 잔열제거배관에 위치하였으며, 원자로 사고시 원자로수조의 물이 수두 차로 인해 상기 잔열제거탱크로 이송될 수 있게 개방되며, 원자로 정상 운전시 원자로 수조의 물 유출을 막기 위해 폐쇄되는 동력구동 밸브, 원자로 수조 내에 있으며, 노심으로의 자연대류가 형성되어 수조수로 열을 방출하는 플랩밸브브 등으로 구성되어있다.
잔열제거 유량 및 지속시간은 잔열제거배관 크기 및 잔열제거탱크 단면적을 조정하여 조절 할 수 있으며, 설계 및 구성이 단순하여 저비용으로 피동잔열제거 계통 구성이 가능한 효과를 제공한다.

Description

개방수조형 연구로 피동잔열제거계통{Passive residual heat removal system of an open-pool type research reactor}

본 발명은 노심에서 발생하는 잔열제거에 관한 것으로, 보다 구체적으로 일차냉각펌프로 잔열을 제거할 수 없는 원자로 사고 시 잔열제거 배관에 설치된 동력구동 밸브를 개방하여 수두 차에 의해 자연스럽게 잔열제거탱크로 냉각수가 흐르면서 노심하향유동을 충분히 긴 시간 동안 유지시켜 주는 피동잔열제거계통에 관한 것이다.

발명의 배경이 되는 선행문헌은 한국 공개특허공보 제10-2003-0032389(2003.05.21) 풀 직접냉각방식의 피동안전등급 액체 금속로 잔열제거방법 및 잔열제거시스템, 미국 등록특허 US5102616(1992.04.07) 잔열제거시스템에 기재되어 있다.
최근 연구로에 판상 핵연료 사용이 증대되면서 판상 핵연료의 체결에 유리한 노심 내 하향 유동이 사용되고 있다. 노심하향유동을 갖는 연구로의 경우 냉각펌프 정지 후 하향 유동에서 상향유동이 되는 유동역전현상이 발생되는데, 이 현상이 높은 열0속 구간에서 발생한다면 순간적으로 정지유동이 되는 시점을 전후하여 핵연료가 손상 될 수 있다. 따라서 충분히 낮은 열속 구간이 될 때까지 하향 유동을 유지 시켜야 한다.

하지만, 10MW이상 열 용량을 갖는 연구로에서는 일차냉각펌프 관성바퀴의 관성력만으로 낮은 열속 구간이 될 때까지 하향유동을 유지하기 어려운데, 이는 큰 관성력을 가지기 위해 관성바퀴의 직경과 무게가 증가하여 설계 및 제작에 있어 한계에 부딪치기 때문이다.

그래서 종래에 원자력 안전등급의 잔열제거 전용 펌프를 이용한 능동형 잔열제거계통을 설계에 반영하였다. 하지만, 이 경우 일차냉각펌프의 가동과 정지에 따라 계통 압력 강하 차이가 크기 때문에 일차냉각펌프 운전 상태에 따라 잔열 제거용 펌프의 운전 점이 크게 달라져 설계하기 어려웠으며, 일차냉각펌프 정지 시 즉각 대응하기 위해 일차냉각펌프 가동 시에도 잔열 제거용 펌프 역시 계속 가동되어야 하고, 전원상실사고 등을 고려 하여 고비용의 비상 디젤 발전기를 설치해야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 노심 잔열을 제거하는데 있어 기존의 일차냉각펌프 관성바퀴 이용 한계 및 능동잔열제거계통 단점을 극복한 피동잔열제거계통 연구가 시급한 실정이다.

본 발명의 목적은 연구용 원자로 사고 시 원자로 정지 후 노심에서 발생하는 잔열을 제거하기 위한 계통을 제공하기 위한 것이다.

따라서, 기존 관성바퀴만을 이용한 방법의 한계를 극복하고, 설계가 어렵고 안전등급 잔열제거용 펌프와 비상디젤발전기가 필요한 능동 잔열제거계통의 단점을 극복하며, 수두 차에 의해 원자로 냉각수가 피동적으로 노심을 통과하며 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통을 제공하는 것에 있다.

정상 운전 시 하향 유동에 의해 열이 제거되는 노심, 노심을 포함하고 상부에 개구부가 있는 원자로 구조물, 원자로 구조물이 물에 잠겨 있고 상부가 개방된 원자로 수조, 원자로 수조내에 잔열을 식혀주며 유동되는 특성을 지닌 냉각수, 노심의 잔열을 식혀주기 위해 구동되는 일차냉각펌프, 일차냉각펌프에 설치된 관성 서행으로 잔열을 제거 할 수 있는 관성바퀴, 원자로수조의 냉각수가 일차냉각펌프에 의해 잔열제거가 불가능하거나 원자로 사고 시의 경우 타 공간으로 유동되어 수용되는 잔열 제거 탱크, 원자로수조와 잔열제거탱크 사이에 차단벽이 있으며, 차단벽을 통해 설치되며, 냉각수가 유동되는 통로를 제공하는 잔열제거배관, 잔열제거배관에 위치하였으며, 원자로 사고시 원자로수조의 물이 수두 차로 인해 잔열제거탱크로 이송될 수 있게 개방되며, 원자로 정상 운전시 상기 원자로 수조의 물 유출을 막기 위해 폐쇄되는 동력구동 밸브, 원자로 수조 내에 있으며, 노심으로의 자연대류가 형성되어 수조수로 열을 방출하는 플랩밸브 등으로 구성되어있다.

원자로 수조는 원자로 정상 운전 시에는 수위 변화가 없고, 사고 시에만 잔열제거탱크로 물이 이송되어 수위가 약간 낮아진다.

동력구동 밸브는 솔레노이드 밸브 또는 공기압 자동밸브로 하며, 동력구동 밸브가 고장 날 가능성을 고려하여 4개의 동력구동 밸브로 구성되어있으며, 동력구동 밸브 고장 시 수리를 위해 그 전단에 격리 밸브를 두는 것을 특징으로 한다.

동력구동 밸브와 격리밸브의 밸브실이 밸브 누수로 인해 원자로 수조의 물이 계속 유출되는 것을 막기 위해 기밀실인 것을 특징으로 한다.

원자로 수조와 잔열제거탱크의 수두차로 인해 잔열제거 유동이 형성되며, 수두 차가 같아지는 지점에서 유동이 멈춘다.

잔열제거배관의 유량은 잔열제거배관의 크기와 수두 차에 의해 결정되며, 수두 차는 잔열제거탱크의 형상 및 크기와 잔열제거배관의 위치 등에 의해 결정된다.

잔열제거탱크가 원자로 수리 시 원자로 수조의 수조수 일부를 저장해두는 목적으로 사용하여 공간 활용도가 높다. 플랩밸브는 장기 냉각시 밸브가 개방되는 것을 특징으로 한다.

일차냉각펌프로 노심 잔열을 제거 할 수 없는 연구로 사고 시 잔열제거를 위한 계통에 피동개념이 적용되어 설계 및 구성이 간단하고, 안전등급의 잔열 제거용 펌프와 비상디젤발전기가 필요 없어 비용이 적게 든다.

그리고, 잔열제거배관을 통과하는 유량과 지속시간은 잔열제거배관의 크기와 위치, 잔열제거탱크의 단면적에 따라 결정되기 때문에 쉽게 조정 할 수 있으며, 잔열 제거탱크는 원자로 수리 시 원자로 수조의 물 일부를 저장해 두는 목적으로 사용되어 따로 수조수 저장탱크가 필요 없어 공간활용도 가 높은 장점이 있다.

도 1은 개방 수조형 연구로(100) 구성도 이다.

도 1은 개방 수조형 연구로(100) 구성도 이다.

일차냉각 펌프로 노심 잔열을 제거할 수 없는 원자로 사고 시 노심(21)에서 발생하는 잔열을 피동적으로 제거하기 위한 장치로써, 원자로 정지 직후 초기냉각 시에는 일차냉각계통(40)에 있는(도면에 도시하지 않은)일차냉각펌프의 관성바퀴를 이용하여 노심(21)내 하향유동을 지속시켜 냉각한다. 여기서 관성바퀴가 필요한 이유는 원자로 정지직후의 잔열이 가장 큰 반면 잔열제거 배관(30)으로의 유동은 정지 상태로부터 형성되어야 하기 때문에 일차냉각펌프의 관성바퀴 없이는 하향유동이 부족하여 노심 손상이 우려되기 때문이다.

그 후, 중기냉각 시에는 잔열제거배관(30)상의 동력구동 밸브(34)가 열리면서 이 배관(30)으로 원자로 수조(20)내에 있는 개구부를 구비한 원자로 구조물(22)내의 노심(21)을 통과한 냉각수가 잔열제거 탱크(10)로 흐른다.

원자로 수조(20)와 잔열제거 탱크(10)의 수두 차에 의해 냉각수가 노심(21)을 통과하여 잔열제거 탱크(10)로 흐르면서 잔열을 제거하는 원리이다. 이는 수두 차에 의해 냉각수가 유동되는 것을 특징으로 한다.

잔열제거 배관(30)을 통한 유동은 원자로수조(20)와 잔열제거탱크(10)의 수두차가 시간이 지남에 따라 작아지므로 유량이 서서히 감소하고, 수위가 같아지는시점에서 멈추게 된다.

원자로수조(20)와 잔열제거 탱크(10) 사이에 차단벽(31)이 있으며, 차단벽(31)을 통과하여 잔열제거배관(30)이 놓이게 된다.

잔열제거 배관(30)에 동력구동 밸브(34)가 있으며 원자로 정상 운전 시에는밸브(34)가 폐쇄되어 원자로수조(20)의 물 유출을 막고, 일차냉각펌프를 이용 할 수 없는 원자로 사고 시에는 동력구동 밸브(34)가 개방되어 수두 차로 인해 냉각수가 원자로 구조물(22)내의 노심(21)을 통과하여 흐르게 한다.

동력구동 밸브(34)의 유지보수를 위해 동력구동 밸브(34) 전단에 격리밸브(32)를 두는 것을 특징으로 하며, 1개의 동력구동 밸브(34)가 고장 날 가능성을 고려하여 4개의 동력구동 밸브(34)를 구성하고, 동력구동 밸브(34)와 격리밸브(32)는 기밀실(33), (35)안에 배치되는 것을 특징으로 한다.

이후 장기 냉각 시에는, 원자로 수조 내 냉각계통(40)의 플랩밸브(41)가 개방되면서 원자로 구조물(22)내의 노심(21)으로의 자연대류를 형성해주어 수조수로 열을 방출한다.

사고 대처 후에는 잔열 제거 탱크(10)의 물은 일반 펌프(50)를 통해 원자로 수조(20)로 환원되고, 잔열 제거탱크(10)는 순수 공급 계통(52)으로부터 순수를 공급받아 청소한 후 액체 폐기물계통(53)으로 폐수 처리된다.

즉, 연구로의 정상 운전시에는 원자로 수조의 수위변화가 없으며, 사고 시에만 잔열제거탱크(10)로 물이 이송되고, 원자로 수위는 약간 낮아지게 된다.

이하에서는, 상세구성을 설명한다.

잔열제거 탱크(10)와 원자로수조(20)사이에 차단 벽(31)을 두었으며, 원자로수조(20)내의 물이 유동되지 않고 막혀있다. 차단 벽(31) 쪽에는 잔열제거 배관(30)이 구비되어 있으며, 그 배관에 동력구동밸브(34), 그 전단에 격리밸브(32)가 있다. 원자로 수조 (20)내에는 개구부를 구비한 원자로 구조물(22)이 있으며 그 안에는 잔열이 발생하는 노심(21)과 원자로 내의 일차냉각계통(40) 배관상에 자연대류를 형성시켜주는 플랩밸브(41)가 있다.

사고 시에는 잔열제거 배관(30)상에 동력구동밸브(34)가 열려 원자로 수조(20)내의 물이 잔열제거탱크(10)내로 유동된다. 원자로수조(20)내의 물과 잔열제거탱크(10) 내의 수두 차가 같아지는 지점에서 유동이 멈춘다.

잔열제거탱크(10)의 외부에는 액체 폐기물계통(53), 환원배관(51), 순수공급계통(52)이 있으며 사고대처 후의 잔열제거탱크(10)의 물은 펌프(50)를 통하여 원자로수조(20)로 환원된다. 순수를 공급받은 잔열제거탱크(10)의 물은 액체폐기물 계통(53)으로 폐수처리 되는 구조이다.

이하에서는, 상세사항을 설명한다.

노심 하향 유동의 개방 수조형 연구로(100)는 노심(21)이 항상 물에 잠겨 있으며, 결국 원자로 수조 (20)내 물이 최종 열 제거 원으로 작동한다. 연구로에 사고가 발생하면 원자로는 즉각 정지되어야 하고, 이후 노심(21) 잔열이 충분히 잘 제거 되어야 노심 용융을 막을 수 있다.

잔열제거배관(30)으로의 유량은 잔열제거배관(30) 크기와 수두 차에 의해 결정되며, 수두 차는 잔열제거탱크(10)의 형상 및 크기와 잔열제거배관(30)의 위치에 의해 결정된다.

추가적으로, 잔열제거탱크(10)는 원자로 (20)수리 시 작업자의 계획에 의해 동력구동밸브(34)를 개방하고 선택적으로 원자로 수조수를 저장하여 원자로 수조(20)의 수위를 낮추어 주는 저장조의 역할을 감당할 수도 있다.

이는 연구로 사고 시 노심 잔열제거를 위한 계통에 피동개념이 적용돠어 설계 및 구성이 간단하며, 안전등급의 잔열제거용 펌프와 비상디젤발전기 등이 필요 없는 장점이 있다. 또한, 저비용으로 피동형 잔열제거 설비 구성이 간단한 특징을 가지고 있으며, 잔열제거 유량 및 지속시간은 잔열제거배관의 크기 및 잔열제거 탱크 단면적을 조정하여 쉽게 조절할 수 있는 특징을 가지고 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 잔열제거탱크 20: 원자로 수조
21: 노심 22: 원자로 구조물
30: 잔열제거배관 31: 차단벽
32: 격리밸브 33: 격리밸브 기밀실
34: 동력구동 밸브 35: 동력구동 밸브 기밀실
40: 일차냉각계통 41: 플랩밸브
50: 펌프 51: 환원배관
52: 순수공급계통 53: 액체폐기물계통
100: 개방수조형 연구로 구성도

Claims (10)

1. 정상 운전 시 하향 유동에 의해 열이 제거되는 노심;
   상기 노심을 포함하고 상부에 개구부가 있는 원자로 구조물;
   상기 원자로 구조물이 물에 잠겨 있고 상부가 개방된 원자로 수조;
   상기 원자로 수조를 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 일차냉각펌프;
   상기 일차냉각 펌프에 설치된 관성 서행으로 잔열을 제거 할 수 있는 관성바퀴;
   상기 원자로수조의 냉각수가 상기 일차냉각펌프에 의해 잔열제거가 불가능하거나 원자로 사고 시의 경우 타 공간으로 유동되어 수용되는 잔열 제거 탱크;
   상기 원자로수조와 상기 잔열제거탱크 사이에 차단벽이 있으며, 차단벽을 통해 설치되며, 상기 냉각수가 유동되는 통로를 제공하는 잔열 제거 배관;
   상기 잔열제거배관에 위치하였으며, 원자로 사고시 상기 원자로수조의 물이 수두 차로 인해 상기 잔열제거탱크로 이송될 수 있게 개방되며, 원자로 정상 운전시 상기 원자로 수조의 물 유출을 막기 위해 폐쇄되는 동력구동 밸브; 및
   상기 원자로 수조 내에 있으며, 노심으로의 자연대류가 형성되어 수조수로 열을 방출하는 플랩밸브;
   를 구성하는 피동잔열제거계통.
2. 제1항에 있어서,
   상기 원자로 수조에 원자로 정상 운전 시에는 수위 변화가 없고, 사고 시에만 상기 잔열제거탱크로 물이 이송되어 수위가 약간 낮아지는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
3. 제1항에 있어서,
   상기 동력구동 밸브는 솔레노이드 밸브 또는 공기압 자동밸브인 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
4. 제1항에 있어서,
   상기 동력구동 밸브의 고장날 가능성을 고려하여 복수개의 동력구동 밸브를 구성하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
5. 제1항에 있어서,
   상기 동력구동 밸브 고장시 수리를 위해 그 전단에 격리 밸브를 두는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
6. 제1항에 있어서,
   상기 동력구동 밸브와 격리밸브의 밸브실이 밸브 누수로 인해 원자로 수조의 물이 계속 유출되는 것을 막기 위해 기밀실인 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
7. 제1항에 있어서,
   상기 원자로 수조와 상기 잔열제거탱크의 수두차로 인해 잔열제거 유동이 형성되며, 수두 차가 같아지는 지점에서 유동이 멈추는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 잔열제거탱크가 원자로 수리 시 상기 원자로 수조의 수조수 일부를 저장하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
10. 삭제

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