KR101410759B1 - 고출력 연구로용 피동잔열제거장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력 연구로의 초기잔열제거를 위해 원자로 수조에 접합된 피동잔열제거탱크와 피동잔열제거배관을 이용하여 원자로계통을 단순화할 수 있고, 비상전원이 필요없는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치에 관한 것으로, 원자로가 내장된 원자로수조 하부에 배치되고 내부에 물의 이동을 방해하는 배플이 설치되는 피동잔열제거탱크; 상기 피동잔열제거탱크의 일측에 상측으로 돌출형성되고, 상기 피동잔열제거탱크의 단면적보다 작으며, 요구잔열제거시간 및 유량에 필요한 단면적을 가지는 라이저; 상기 피동잔열제거탱크에 부착되는 펌프실 내에 장착되는 PCS펌프; 상기 PCS펌프에 의해 상기 피동잔열제거탱크 내의 물을 공급받고, 상기 피동잔열제거탱크보다 상측에 배치되며, 열교환된 물을 상기 원자로수조에 공급하는 열교환기; 및일단이 상기 원자로에 연통되고 타단이 상기 피동잔열제거탱크 내부에서 물에 잠기도록 연통되며, 잔열 제거에 요구되는 유량 및 시간을 가지는 피동잔열제거관을 포함한다.

Description

고출력 연구로용 피동잔열제거장치{Passive residual heat removal device for a high power research reactor}
본 발명은 고출력 연구로용 피동잔열제거장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력 연구로의 초기잔열제거를 위해 원자로 수조에 접합된 피동잔열제거탱크와 피동잔열제거배관을 이용하여 원자로계통을 단순화할 수 있고, 비상전원이 필요없는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치에 관한 것이다.
원자로는 사고시 원자로 정지 후 발생하는 잔열을 제거하여야 한다. 연구로의 경우, 잔열이 충분히 낮아진 후에는 오랜 기간 동안 수조내의 자연대류로 잔열제거가 가능하다. 그러나, 잔열은 원자로 정지 후 수초내에 가장 높으며, 다시말하면 수조 내의 자연대류로 인한 잔열제거 전의 초기 잔열제거가 중요하게 된다.
최근 연구로는 출력운전동안에는 판상핵연료를 냉각시키기 위해 노심 내에서 하향유동이 되도록 설계한다. 잔열 제거를 위한 자연대류는 노심 내에서 상향유동이기 때문에 원자로 정지 후에 노심 내에서는 하향유동에서 상향유동으로의 유동역전(flow inversion)이 발생한다. 원자로 정지 후 수초내에는 잔열이 상당히 높은 시간이므로 이 시간동안에 유동역전이 발생하게 되면 핵연료가 손상될 수 있다. 핵연료의 손상을 막기 위해서는 유동역전이 발생하는 시간이 지연되어야 한다. 이를 위해 요구시간동안 하향유동을 유지시키는 초기잔열제거계통이 요구된다.
낮은 열속(heat flux)을 갖는 연구로에서 적용해왔던 초기잔열제거 개념은 펌프에 관성바퀴(flywheel)를 설치하여 펌프 정지 후에도 노심하향유동을 형성시켜 잔열을 제거하는 것이다(일본 특개평09-288193). 그러나, 열출력이 높은 연구로에서는 열속이 높아져서 초기 잔열제거 요구시간이 길어지게 된다. 이 결과, 관성바퀴만으로는 요구되는 시간만큼 초기잔열을 제거하는 것이 어렵게 된다. 그러므로 높은 열속을 갖는 연구로의 경우 일반적으로 이 초기 잔열제거계통을 능동계통으로 설계하였다. 하지만 이 잔열제거계통을 능동계통(active system)으로 설계를 하면, 다중성(redundancy) 개념과 다양성(diversity) 개념, 전원상실시 대책 등의 고비용 설계가 요구된다.
이에 본 특허에서는 원자로 수조(reactor pool) 옆에 피동잔열제거탱크(passive residual heat removal tank)와 피동잔열제거배관(passive residual heat removal pipe)을 이용한 피동개념을 이용하여 초기 잔열제거계통을 설계를 제안한다. 이 개념에서는 원자로 수조가 피동잔열제거 탱크와 피동잔열제거배관으로 연결되어 있다. 또한, 일차계통 펌프 가동시 펌프가 제공하는 유량만큼 피동잔열제거 탱크의 수위가 낮아진다. 이에 따라 펌프 가동시에는 원자로 수조와 피동잔열제거탱크간의 수위차가 생성되기때문에, 원자로 정지후 일차계통 펌프가 정지되면, 이 수위차에 의해 항상 하향 노심유동이 형성되도록 하여, 초기 잔열제거를 수행하도록 한다. 그러므로 이 계통에서는 초기 잔열제거를 위한 추가적인 능동 기기(active component)가 필요 없으며, 또한 PCS 펌프에 관성바퀴가 필요 없게 된다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원자로가 내장된 원자로수조 하부에 배치되는 피동잔열제거탱크; 상기 피동잔열제거탱크에 상측으로 돌출형성되고, 잔열 제거에 요구되는 유량 및 시간을 가지는 라이저; 상기 피동잔열제거탱크에 부착되는 펌프실; 상기 펌프실 내에 장착되고, 필요 노심유량이 생성되도록 원자로 수조물 수위와 피동잔열제거탱크의 수위차가 나도록 선정되는 PCS펌프; 상기 PCS펌프에 의해 상기 피동잔열제거탱크 내의 물을 공급받고, 열교환된 물을 상기 원자로수조에 공급하는 열교환기; 및 상기 원자로에 연통되고 상기 피동잔열제거탱크 내부에서 물에 잠기도록 연통되며, 잔열 제거에 요구되는 유량 및 시간을 가지는 피동잔열제거관을 포함하는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치이다.
상기 라이저의 높이는 적어도 원자로 수조 높이보다 높은 것을 특징으로 한다.
또, 상기 PCS펌프의 펌프출력관은 상기 피동잔열제거탱크와 상기 라이저 내부를 통과하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 피동잔열제거탱크의 내부에는 물의 이동을 지연하는 하나 이상의 배플이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 펌프실의 높이는 상기 PCS펌프가 동작하는 경우의 상기 피동잔열제거탱크의 내부의 물의 높이보다 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 연구로의 초기잔열제거를 위해 피동계통을 사용하여 연구로계통을 단순화 할 수 있다. 즉, 종래기술에서 초기잔열제거를 위해 필요했던 펌프의 관성바퀴, 잔열제거 펌프, 잔열제거 밸브 등이 필요없다. 특히, 본 발명은 전원이 필요없는 피동계통이기 때문에, 비상전원이 필요없어서 더욱 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 잔열제거를 위한 유량이나 지속시간은 피동잔열제거탱크에 연결되는 피동잔열제거관과 라이저의 단면적을 조절하면 만족시킬 수 있다.
그리고, 피동잔열제거탱크 내에 배플(baffle)을 설치하고 크기를 조절하면, 피동잔열제거탱크가 디케이탱크(decay tank)의 역할을 함께 수행할 수 있기 때문에 추가적인 디케이탱크를 설치할 필요가 없는 장점을 가진다.
또, 펌프실을 밀폐시키고, 배관의 적절한 배치 및 사이폰정지밸브를 설치하면, 원자로 수조의 요구수위를 항상 만족시킬 수 있다. 그리고, 노심요구 하향유량을 원자로 수조와 피동잔열제거탱크와의 수두차로 간단하게 결정할 수 있다.
도 1은 PCS펌프가 동작하는 경우의 원자로의 주위에 설치되는 원자로용 피동잔열제거장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 원자로용 피동잔열제거장치에서 PCS펌프가 정지한 경우의 수위변화를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 실시예에 따른 고출력 연구로용 피동잔열제거장치는, 원자로(102)가 내장된 원자로수조(100) 하부에 배치되는 피동잔열제거탱크(104)와, 상기 피동잔열제거탱크(104)에 상향으로 돌출형성되는 라이저(106)와, 상기 피동잔열제거탱크(104)에 부착되는 펌프실(108) 내에 장착되는 PCS펌프(112)와, 상기 PCS펌프(112)에 의해 상기 피동잔열제거탱크(104) 내의 물을 공급받고 열교환된 물을 상기 원자로수조에 공급하는 열교환기(114)와, 상기 원자로(102)에 연통되고 상기 피동잔열제거탱크(104) 내부에 위치하는 피동잔열제거관(128)을 포함하여 이루어진다.
상기 피동잔열제거탱크(104)의 상부의 일부영역은 상기 원자로수조(100)에 의해 커버되어 겹쳐진다. 그리고, 이 겹쳐진 영역에 상기 피동잔열제거관(128)이 배치되며, 그 일단이 상기 원자로수조(100)의 바닥면을 관통하여 상기 원자로(102)에 연결되고 타단은 이 상기 피동잔열제거탱크(104) 내부에 위치하게 된다. 따라서, 상기 피동잔열제거관(128) 또는 그 주위로 누설이 발생해도 상기 원자로(102) 내부의 물은 상기 피동잔열제거탱크(104)의 내부로 낙하하므로 원자로수조(100) 내부의 물이 유출될 우려가 없다.
상기 피동잔열제거관(128)은 원자로수조(100)와 피동잔열제거탱크(104)에 연결되어 있어, 펌프가 작동하지 않으면 원자로수조(100)의 수위와 피동잔열제거탱크(104)의 수위는 같은 수위를 유지한다. 여기에서 PCS펌프(112) 가동되면 PCS펌프(112)의 유량만큼 피동잔열제거탱크(104)의 수위가 낮아진다. PCS펌프(112)가 정지되면 원자로수조(100)의 수위와 피동잔열제거탱크(104)의 수위차만큼의 노심유량이 형성된다.
그리고, 상기 피동잔열제거탱크(104)의 상부면은 모두 폐쇄되어 있으며, 일측에 라이저(106)가 상기 피동잔열제거탱크(104)의 상단부보다 돌출되도록 배치된다. 상기 피동잔열제거관(128)과 상기 라이저(106)의 단면적은 요구되는 잔열제거 유량 및 시간에 의해 결정된다.
그리고, 상기 피동잔열제거탱크(104)의 내부에는 펌프가동시 상기 피동잔열제거관(128)으로부터 상기 라이저(106)를 향한 물의 흐름을 억제하여 유체체류시간을 증대시키기 위한 배플(110)이 하나 이상 배치된다. 이 유체체류시간의 증대 목적은 노심으로부터 흘러나온 유체의 방사선 준위를 낮추기 위한 기존 연구로의 디케이 탱크 역할을 수행하는 것이다.
상기 배플(110)은 여러가지 형태를 가질 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 상기 피동잔열제거탱크(104)의 바닥면에서 수직상방으로 돌출되는 벽체와 상기 피동잔열제거탱크(104)의 상면에서 수직하방으로 돌출되는 벽체가 교대로 배치된다. 다만, 상기 피동잔열제거탱크(104)의 바닥면에서 수직상방으로 돌출되는 벽체는 상기 PCS펌프(112)의 동작시 상기 피동잔열제거탱크(104) 내부의 물의 이동을 차단하지 않도록, 상기 피동잔열제거탱크(104) 내부의 물의 평시(平時) 수위보다 낮게 배치된다.
상기 피동잔열제거탱크(104)에는 PCS펌프(112)를 설치하기 위한 펌프실(108)이 부착된다. 상기 펌프실(108)은 펌프의 안전성을 위해 펌프 유효수두를 고려하여 위치를 정해야 한다. 원자로 노심 하향 유동을 적용하는 원자로에서는 노심의 압력강하를 추가로 고려해 펌프 유효수두를 고려해야 하고, 이에 대부분 이러한 형태의 일차계통 펌프는 원자로 수조보다 낮게 위치해야만 한다.
상기 펌프실(108)은 외부와는 차단되며, 상기 피동잔열제거탱크(104)의 벽체를 관통하여 펌프유입관(118)과 펌프출력관(120)이 설치된다. 따라서, 상기 펌프실(108)은 격리가능하고, 펌프실(108) 내의 펌프유입관(118)과 펌프출력관(120)이 설치된 벽체가 훼손될 경우에도, 상기 피동잔열제거탱크(104)의 물이 상기 펌프실(108) 내부로 유입될 뿐이어서, 여전히 상기 원자로수조(100)와 상기 피동잔열제거탱크(104)의 물이 외부로 유출되지 않는다. 또한, 상기 펌프(108)의 펌프유입관(118)의 최대높이는 상기 PCS펌프(112)의 동작시 상기 피동잔열제거탱크(104) 내부의 물을 이송해야 하므로 펌프 동작시의 피동잔열제거탱크(104)의 수위보다 낮게 배치된다.
상기 원자로(102)의 상부보다 높은 곳에서 라이저(106)의 상부를 통해 관통한 상기 펌프출력관(120)의 단부가 상기 열교환기(114)에 연결되며, 상기 열교환기(114)를 포함하여 원자로수조 및 피동잔열제거 탱크 외부에 설치되는 PCS관 (122) 및 기기들은 원자로(102) 상부보다 높게 위치하도록 한다. 또한, 이 PCS관(122)이 상기 열교환기(114)를 통과하여 원자로 수조 내부로 다시 관통할 때의 높이도 원자로(102) 상부보다 높게 하여, 어떠한 시고시에도 원자로 수조의 요구수위를 유지시키도록 한다.
상기 열교환기(114)를 통과한 물은 열교환기출력관(122)를 통해 다시 상기 원자로수로(100)로 공급된다.
본 발명에 따른 고출력 연구로용 피동잔열제거장치는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 고출력 연구로용 피동잔열제거장치의 작동모습에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, PCS펌프(112)가 동작이 되면 수두차(H1)에 의해 원자로수조(100)에서 시작하여 원자로(102)을 통과한 후 피동잔열제거관(128)을 통해 피동잔열제거탱크(104)로 흐르는 유로가 형성된다.
PCS펌프(112)를 노심을 통과하는 유량(이하, 노심유량)과 같도록 용량을 결정하면, PCS펌프(112)에 의해 노심유량만큼 피동잔열제거탱크(104)에서 원자로수조(100)로 물이 이송되어 수두차가 유지된다. 노심유량은 수두차(H1)에 의해 결정된다.
연구로에서 출력이 커지면 노심에 필요한 유량이 늘어난다. 본 특허의 경우, 높아진 노심유량 요구조건은 수두차를 키우는 것만으로 만족시킬 수 있다. 또한 이 수두차는 사고로 인해 PCS펌프(112) 및 원자로(102)가 정지되면, 원자로 정지후 발생되는 잔열제거를 위해 필요한 노심유량을 지속시킬 수 있게 한다. 이 지속되는 유량은 원자로수조(100)와 라이저(106)의 H1 수두차가 없어질 때까지 유지된다. 이는 정상적으로 PCS펌프(112)가 동작할 때와 같은 유동방향으로 유지되기 때문에, 후기 노심 잔열제거를 위한 원자로 수조내 자연대류의 노심 상향 유동으로의 유동 역전시간을 원하는 시간 만큼 지체할 수 있다. 그러므로 기존의 일차계통 펌프의 관성바퀴와 같은 보조 장치가 필요없게 된다. 또한 잔열제거를 위해 펌프나 밸브 등 능동기기가 없기 때문에 다중성 및 다양성 개념을 고려하지 않아도 되며, 전원도 비상전원 등이 필요없게 된다. 잔열제거를 위한 유량이나 지속시간은 상기 라이저(106)의 상부 단면적과 상기 피동잔열제거관(128)의 단면적을 조절하면 만족시킬수 있다.
연구로 안전성의 핵심은 원자로 수조가 일정 수위를 보존하여 원자로가 어떠한 사고의 경우에도 물에 잠겨 공기에 노출되지 않게 하는 것이다.
상기 펌프유입관(118)의 최대높이는 상기 PCS펌프(112)의 동작시 상기 피동잔열제거탱크(104) 내부의 물을 이송해야 하므로 펌프 동작시 피동 잔열탱크의 수위보다 낮게 배치된다. 따라서, PCS펌프(112)는 원자로수조(100)보다 낮게 설치되어야 한다. 만약 이 펌프 연결배관에서 파단이 발생하면, 원자로 수조의 물이 모두 빠지게 되어 원자로가 공기 중에 노출되게 된다. 이를 방지하기 위해 펌프실(108)을 누설방지(leak tight)로 설계를 하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로 인해 PCS펌프(112)의 펌프유입관(118) 또는 펌프출력관(120)에서 파단이 나더라도 펌프실(108) 밖으로는 원자로수조(102) 물이 방출되지 않고, 원자로는 항상 원자로수조(100)의 물에 잠겨 있게 된다.
또한, 펌프 후단의 펌프출력관(120)을 피동잔열제거탱크(104) 내에 위치하게 하고 펌프출력관(120)의 관통 높이를 요구 수조 높이(H2) 위에 위치하도록 한다. 이 결과, 펌프출력관(120)이 상기 피동잔열제거탱크(104) 내에서 파단되면 피동잔열제거탱크(104) 내로 물이 유입되도록 하여 수조물이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있고, 상기 피동잔열제거탱크(104) 외부에서 파단되더라도 요구 수조높이 이하로는 수조물이 외부로 방출되지 않도록 할 수 있다.
연구로에서는 차폐관점에서 PCS 펌프 전단에서 방사능 준위를 낮추게 하는 설비를 설치한다. 이 설비는 충분한 시간동안 노심을 통과한 유량이 정체될 수 있도록 하여 N-16의 붕괴를 통한 방사능 준위를 PCS펌프 후단에서 낮추도록하여 PCS의 차폐를 용이하도록 하기 위함이다. 이의 목적을 위해 기존 연구로에서는 상당한 크기의 디케이탱크(decay tank)를 추가로 설치하여야만 한다. 상기 피동잔열제거탱크(104) 내에 설치된 배플(110)의 크기 및 형태를 요구 정체 시간이 만족되도록 설계하면 PCS펌프(112) 전단에 설치가 요구되는 디케이탱크(decay tank) 역할을 추가적으로 수행할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 원자로수조 102: 원자로
104: 피동잔열제거탱크 106: 라이저
108: 펌프실 110: 배플
112: PCS펌프 114: 열교환기
118: 펌프유입관 120: 펌프출력관
122: 열교환기출력관 128: 피동잔열제거관

Claims (5)

  1. 원자로가 내장된 원자로수조 하부에 배치되는 피동잔열제거탱크;
    상기 피동잔열제거탱크에 상측으로 돌출형성되고, 잔열 제거에 요구되는 유량 및 시간을 가지는 라이저;
    상기 피동잔열제거탱크에 부착되는 펌프실;
    상기 펌프실 내에 장착되고, 필요 노심유량이 생성되도록 원자로 수조물 수위와 피동잔열제거탱크의 수위차가 나도록 선정되는 PCS펌프;
    상기 PCS펌프에 의해 상기 피동잔열제거탱크 내의 물을 공급받고, 열교환된 물을 상기 원자로수조에 공급하는 열교환기; 및
    상기 원자로에 연통되고 상기 피동잔열제거탱크 내부에서 물에 잠기도록 연통되며, 잔열 제거에 요구되는 유량 및 시간을 가지는 피동잔열제거관을 포함하는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 라이저의 높이는 원자로수조보다 높은 것을 특징으로 하는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피동잔열제거탱크의 내부에는 물의 이동을 방해하는 하나 이상의 배플이 설치되는 것을 특징으로 하는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 펌프실의 높이는 상기 PCS펌프가 동작하는 경우의 상기 피동잔열제거탱크의 내부의 물의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 PCS펌프의 펌프출력관은 상기 라이저 내부를 통과하는 것을 특징으로 하는 고출력 연구로용 피동잔열제거장치.
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