KR101456575B1 - 내장형 붕산주입 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로용기, 상기 원자로용기의 압력 또는 수위를 감소시키는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산주입탱크, 및 상기 원자로용기로 주입되는 상기 붕산수의 주입 유로를 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 붕산주입탱크에 연결되는 주입배관을 포함하고, 상기 붕산주입탱크는, 상기 원자로용기와 열적 평형 상태를 유지하여 내부에 저장된 붕산수의 농축 상태를 유지함과 아울러 사고 발생시 원자로용기에서 유입되는 유체의 응축에 의한 상기 붕산수의 주입개시 지연을 방지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되는 내장형 붕산주입 시스템을 개시한다.

Description

내장형 붕산주입 시스템{IN VESSEL BORON INJECTION SYSTEM}

본 발명은 안전주입설비의 성능향상과 용량 최적화를 위해 붕산주입탱크가 원자로용기의 내부에 설치되는 내장형 붕산주입 시스템에 관한 것이다.

원자력 발전소(원전)에서는 사고 발생시 원자로로 비상냉각수(붕산수)를 공급하기 위한 다양한 형태의 피동형 탱크가 이용되고 있다. 일례로 국내외 상용 분리형 가압경수로에서는 대형배관이 손상되어 다량의 냉각수가 방출되는 대형냉각재상실사고시에 원자로로 신속히 비상냉각수를 공급하기 위한 질소 가압식 안전주입탱크(또는 축압기라 함)가 이용되고 있다. 또 다른 일례로 미국 웨스팅하우스(사)에서 개발한 피동 분리형 가압경수로 AP600, AP1000 등에서는 상기 질소 가압식 안전주입탱크 이외에 고압의 조건에서 원자로와 탱크 사이의 압력이 평형을 이룬 후 중력 수두를 이용하여 비상냉각수를 주입하는 노심보충탱크(Core Makeup Tank, CMT)가 이용되고 있다.

원자로는 안전계통의 구성방식과 주요기기의 설치위치에 따라 구분한다. 안전계통의 구성방식에 따라서는 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형 원자로와 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형 원자로로 나뉜다. 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)의 설치위치에 따라서는 원자로 외부에 주요기기가 설치되는 분리형원자로(예를 들어 국내 상용 원자로)와 원자로용기 내부에 주요기기가 설치되는 일체형원자로(예를 들어 SMART 원자로)로 나뉜다.

일체형원자로는 주요기기를 연결하기 위한 대형배관이 없고, 화학 및 체적제어계통, 안전주입계통, 정지냉각계통, 안전밸브 등의 소형배관이 원자로용기와 연결된다. 이러한 특성으로 인해 일체형원자로에서는 대형배관이 손상되는 대형냉각재상실사고는 근원적으로 발생하지 않으며, 일체형원자로의 원자로 내부에는 주요기기가 수용되므로 원자로 내부 공간에 많은 양의 냉각수가 존재한다. 이에 따라 일체형원자로에서 냉각재 상실사고(배관손상 등)가 발생하는 경우 원자로의 압력과 수위가 분리형원자로에 비해 비교적 완만하게 감소하는 특성을 갖고 있다.

일반적으로 원자로는 증기관 파단사고와 같은 비냉각재상실사고의 초기에 원자로 내부의 냉각수 온도가 빠른 속도로 감소하여 중성자 감속재로 사용되는 냉각수의 밀도가 빠른 속도로 증가한다. 이에 따라 단위체적당 중성자 감속재의 양이 상대적으로 증가하여 노심의 반응도가 빠른 속도로 증가하는 특성을 가지고 있다. 이런 상황이 발생하는 경우 능동형원자로(국내 상용로)에서는 고압펌프를 사용하는 고압안전주입계통을 가동시켜 노심으로 고농축 붕산수를 신속하게 주입한다. 피동형원자로(미국 AP1000 등)에서는 중력을 이용하는 노심보충탱크를 사용하여 고압에서 붕산수를 주입한다. 노심보충탱크는 냉각재상실사고에도 이용되나, 주로 비냉각재상실사고가 발생하는 경우 원자로 노심의 반응도를 억제할 목적으로 이용한다.

한편, 냉각재상실사고가 발생하는 경우에는 상기 고압계통 이외에도 가스압력을 이용하는 안전주입탱크가 앞서 언급보다 고압보다 낮은 압력(중압)에서 붕산수를 주입하기 위해 이용되고, 격납용기(원자로건물) 내 재장전수탱크(AP1000)가 중력에 의해 또는 저압안전주입펌프(국내 상용로)가 상기 중압보다 낮은 압력(저압)에서 붕산주를 주입하기 위해 함께 사용되기도 한다.

종래의 AP1000에서 이용되고 있는 노심보충탱크는 원자로용기 외부에 설치되며 개방된 상태의 압력평형관에 의해 원자로용기와 연결되어 있다. 노심보충탱크는 원자로용기 외부에 설치되므로 원자로용기 수준의 고압으로 설계된다. 이에 따라 노심보충탱크의 제작비용이 상승하는 문제가 있다. 또한, 원자로의 핵분열 반응도를 억제하기 위해 사용되는 붕산은 노심보충탱크와 같은 저온에서는 냉각수가 녹아들어갈 수 있는 농도가 낮으므로, 별도의 가열기(히터)를 구비하는 않는 한 붕산농도를 높일 수 없는 단점이 있다. 또한 노심보충탱크를 원자로용기의 외부에 설치하는 경우 탱크는 외부의 대기압과 원자로 내부 고압의 차압을 견딜 수 있도록 외벽을 두껍게 설계해야 하는 단점이 있다. 이는 노심보충탱크의 제작비용을 상승시키는 또 하나의 요인이 된다. 그리고, 노심보충탱크와 같이 원자로용기의 외부에 탱크를 설치하는 경우에는 노심보충탱크는 상온에 가까운 온도를 유지하므로, 노심보충탱크의 작동 초기에 압력평형관을 통해 상대적으로 고온의 증기 또는 혼합유체가 노심보충탱크로 유입되는 경우 노심보충탱크에서는 증기응축에 의한 압력 감소현상이 나타나므로, 원자로와 노심보충탱크가 압력평형을 이루고 중력에 의한 붕산수 주입이 시작될 때까지 다소의 시간 지연이 발생한다.
기타 본 발명과 관련된 배경기술은 아래의 선행기술문헌을 참조한다.
1. 일본 공개특허공보 특개평06-174871호(1994.06.24.)
2. 일본 공개실용신안공보 평06-047895호(1994.06.28.)

본 발명의 일 목적은 원자로용기의 내부 공간 활용이 가능한 원자로에서 보다 효율적으로 고농축 붕산수를 주입할 수 있는 내장형 붕산주입 시스템을 개시하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 종래의 붕산주입탱크를 원자로용기 외부에 설치하고 상대적으로 저농축인 붕산수를 사용함에 따른 탱크 크기의 증가 문제, 붕산주입탱크의 작동 초기 증기응축 현상 및 저농축 붕산수 사용에 따른 붕산 주입성능 저하 문제, 고압 및 대용량 설계에 따른 제작 비용증가 문제를 해결한 내장형 붕산주입 시스템을 제안하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 내장형 붕산주입 시스템은, 원자로용기, 상기 원자로용기의 압력 또는 수위를 감소시키는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산주입탱크, 및 상기 원자로용기로 주입되는 상기 붕산수의 주입 유로를 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 붕산주입탱크에 연결되는 주입배관을 포함하고, 상기 붕산주입탱크는, 상기 원자로용기와 열적 평형 상태를 유지하여 내부에 저장된 붕산수의 농축 상태를 유지함과 아울러 사고 발생시 원자로용기에서 유입되는 유체의 응축에 의한 상기 붕산수의 주입개시 지연을 방지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치된다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 붕산주입탱크는 상기 원자로용기 내부의 유휴공간에 설치된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 붕산주입탱크는 상기 원자로용기 상부의 가압기 내부 공간 또는 상기 원자로용기의 외벽과 내부구조물 사이에 설치된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 붕산주입탱크는 상기 원자로용기 상부에 설치되도록 환형으로 형성된다.

상기 붕산주입탱크는 서로 독립적인 설치 및 보수가 가능하도록 상기 환형의 적어도 일부가 분할되어 복수개로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 주입배관은 일단이 상기 붕산주입탱크에 연결되고, 타단이 안전주입설비들과 상기 원자로용기를 연결하는 안전주입배관에 연결된다.

상기 주입배관은, 상기 붕산주입탱크와 상기 원자로용기 사이에 배치되는 내부 주입배관, 상기 원자로용기와 상기 안전주입배관 사이에 배치되는 외부 주입배관, 및 상기 내부 주입배관과 상기 외부 주입배관을 연결하도록 상기 내부 주입배관과 상기 외부 주입배관 사이에 설치되는 플랜지를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 붕산주입탱크의 상부에 설치되어 상기 원자로용기와 통하도록 형성되고, 상기 붕산주입탱크와 상기 원자로용기 사이의 압력 평형을 유지하여 중력 수두에 의한 붕산수의 주입을 가능하게 하도록 개방된 상태로 유지되는 압력평형관을 더 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 주입배관에 설치되고, 정상 운전시 상기 붕산주입탱크로부터 상기 원자로용기로의 붕산수 주입을 차단하도록 폐쇄된 상태로 유지되며, 사고 발생시 상기 붕산주입탱크로부터 상기 원자로용기로 붕산수의 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 작동신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함한다.

상기 주입배관에 설치되고, 상기 격리밸브의 개방 후 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입되는 붕산수의 유동이 형성되면 개방되도록 형성되는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 주입배관에 설치되어 기설정된 유로 저항을 형성하는 오리피스를 더 포함한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 내장형 붕산주입 시스템은 고농축 붕산수를 붕산주입탱크에 저장할 수 있어 탱크의 체적을 크게 감소시킬 수 있고, 원자로용기 내부에 장착되는 탱크를 저압으로 설계할 수 있어 경제적 비용을 줄일 수 있다.

또한 본 발명은, 원자로용기와 붕산주입탱크가 열적 평형 상태를 유지하므로 붕산주입탱크의 작동 초기에 압력 평형 단계에서 유체의 응축에 의한 주입개시 지연이 발생하지 않아 신속하게 붕산수를 주입할 수 있다.

또한 본 발명은 고농축 붕산수를 사용할 수 있어 소량의 주입으로도 많은 붕산을 주입하는 효과를 얻을 수 있으므로, 신속한 붕산수 주입이 가능하여 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 내장형 붕산주입 시스템의 정상운전 상태를 나타내는 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 내장형 붕산주입 시스템의 정상운전 상태를 나타내는 수평 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 붕산주입탱크의 변형례를 나타내는 수평 단면도.
도 4는 도 1에 도시된 내장형 붕산주입 시스템의 사고 발생시 압력평형 및 붕산수 주입개시 상태를 나타내는 개념도.
도 5는 도 4에 이은 내장형 붕산주입 시스템의 붕산수 주입지속 상태를 나타내는 개념도.
도 6은 도 5에 이은 내장형 붕산주입 시스템의 붕산수 주입종료 상태를 나타내는 개념도.
도 7은 도 6에 이은 기타 안전주입설비들에 의한 안전주입 상태를 나타내는 개념도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예와 관련된 내장형 붕산주입 시스템의 정상운전 상태를 나타내는 개념도.
도 9는 도 8에 도시된 내장형 붕산주입 시스템의 사고 발생시 압력평형 및 붕산수 주입개시 상태를 나타내는 개념도.
도 10은 도 9에 이은 내장형 붕산주입 시스템의 붕산수 주입지속 상태를 나타내는 개념도.
도 11은 도 10에 이은 내장형 붕산주입 시스템의 붕산수 주입종료 상태를 나타내는 개념도.
도 12는 도 11에 이은 기타 안전주입설비들에 의한 안전주입 상태를 나타내는 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 내장형 붕산주입 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 원자로의 정상운전시 본 발명의 일 실시예와 관련된 내장형 붕산주입 시스템(100)을 나타내는 개념도이다.

내장형 붕산주입 시스템(100)은 원자로용기(110)의 압력 또는 수위를 저하시키는 사고의 발생 초기에 원자로용기(110)로 붕산수를 신속하게 주입하기 위한 시스템이다. 내장형 붕산주입 시스템(100)은 원자로용기(110), 붕산주입탱크(120) 및 주입배관(130)을 포함한다.

원자로용기(110)는 원자로건물 내부에 배치된다. 원자로용기(110)는 내부에 증기발생기(112), 가압기(114), 펌프(113)의 임펠러 등 주요기기를 수용하도록 형성되므로, 원자로용기(110)의 내부에는 활용 가능한 공간이 많이 존재한다.

붕산주입탱크(120)는 내부에 붕산수를 수용하도록 형성되고, 원자로의 사고 발생시 중력 수두에 의해 원자로용기(110)로 상기 붕산수를 주입하도록 이루어진다. 붕산주입탱크(120)는 원자로용기(110)와 열적 평형 상태를 유지하도록 원자로용기(110)의 내부에 설치된다. 붕산주입탱크(120)는 도시한 바와 같이 원자로용기(110) 상부의 가입기 내부 공간에 배치될 수 있다. 붕산주입탱크(120)가 원자로용기(110)의 외부에 설치되는 경우 상온을 유지하는 것과 달리, 본 발명은 붕산주입탱크(120)가 원자로용기(110)의 내부에 설치됨에 따라 노심(111)의 반응으로부터 발생한 열을 전달받고 상대적으로 고온의 상태를 유지한다.

원자로의 핵분열 반응도를 억제하기 위해 사용되는 붕산은 상온에서 냉각수에 녹을 수 있는 농도가 약 4000ppm으로 낮지만, 원자로의 정상운전과 같이 노심(111)의 반응으로부터 발생한 열에 의해 상대적으로 고온인 상태(약 300℃ 이상)에서는 녹을 수 있는 농도가 약 20000ppm으로 상온의 약 5배까지 크게 증가한다. 붕산수는, 붕산주입탱크(120)가 노심(111)에서 발생한 열에 의해 상대적으로 고온의 상태를 유지함에 따라 붕산주입탱크(120)가 원자로용기(110)의 외부에 설치될 때보다 약 5배 높은 농도로 사용될 수 있다. 그리고 붕산주입탱크(120)는 원자로용기(110)와 열적 평형 상태를 유지하고 주입배관(130)이 격리밸브(131)에 의해 격리되어 있어 내부에 저장된 붕산수의 고농축상태를 유지할 수 있다.

붕산주입탱크(120)의 내부에 저장된 붕산수가 고농축상태가 유지되므로 내장형 붕산주입 시스템(100)은 붕산주입탱크(120)가 원자로용기(110)의 외부에 설치되는 경우보다 적은 양의 붕산수로도 약 5배 많은 붕산수를 주입했을 때와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 내장형 붕산주입 시스템(100)은 종래보다 적은 양의 붕산수만을 이용하므로 붕산주입탱크(120)의 크기를 종래보다 줄일 수 있게 되고, 종래보다 더욱 신속한 고농축 붕산수 주입이 가능해진다. 이러한 효과는 설비의 간소화 경제성 향상, 안전성 증가로 이어질 수 있다.

붕산주입탱크(120)를 원자로용기(110)의 내부에 설치하면, 붕산주입탱크(120)의 설계압력을 원자로용기(110)의 압력변화에 견딜 수 있을 정도로만 설계하면 되므로 설계압력을 저압으로 할 수 있어 경제적 비용을 줄일 수 있다. 또한, 붕산주입탱크(120)를 원자로용기(110)의 내부에 설치하는 것은 원자로용기(110) 내부의 잔여 공간을 효율적으로 이용하게 되는 것이다.

압력평형관(121)은 붕산주입탱크(120)와 원자로용기(110)의 압력평형 상태를 유지하도록 개방된 상태로 붕산주입탱크(120)의 상부에 설치된다. 압력평형관(121)은 개방된 상태로 유지되므로 원자로의 사고 발생시 원자로용기(110) 내부의 유체(증기)는 압력평형관(121)을 통해 붕산주입탱크(120)로 유입될 수 있고, 붕산주입탱크(120)는 원자로용기(110)와 압력평형 상태에 있으므로 중력 수두에 의한 붕산수 주입이 가능하다.

주입배관(130)은 붕산주입탱크(120) 내부에 수용된 붕산수의 주입 유로를 형성하도록 원자로용기(110)와 붕산주입탱크(120)에 연결된다. 주입배관(130)의 일단은 붕산주입탱크(120)와 연결되며, 타단은 원자로용기(110)의 내부로 직접 연결될 수도 있고 안전주입설비들과 원자로용기(110)를 연결하는 안전주입배관(140)을 통해 연결될 수도 있다.

주입배관(130)은 붕산수가 원자로용기(110)와 연결되는 안전주입배관(140)을 경유하여 상기 원자로용기(110)로 주입되는 경우, 상기 원자로용기(110)와 연결되기 위해 내부 내부주입배관(130), 외부 주입배관(130), 플랜지를 포함할 수 있다. 내부 주입배관(130)은 붕산주입탱크(120)와 원자로용기(110) 사이에 배치되고, 외부 주입배관(130)은 원자로용기(110)와 안전주입배관(140) 사이에 배치되며, 플랜지는 상기 내부 주입배관(130)과 상기 외부 주입배관(130) 사이에 설치되어 내부 주입배관(130)과 외부 주입배관(130)을 연결한다. 붕산주입탱크(120)의 작동시 붕산주입탱크(120) 내부에 저장되어 있던 붕산수는 플랜지에 의해 연결된 내부 주입배관(130)과 외부 주입배관(130) 및 안전주입배관(140)을 지나 원자로용기(110)로 주입된다.

격리밸브(131)는 주입배관(130)에 설치된다. 원자로의 정상운전시 붕산주입탱크(120)로부터 원자로용기(110)로 붕산수 주입을 차단하도록 폐쇄된 상태로 유지된다. 격리밸브(131)는 원자로의 사고 발생시 관련계통의 작동신호에 의해 개방되어 붕산주입탱크(120)로부터 원자로용기(110)로 붕산수의 주입을 가능하게 한다. 격리밸브(131)는 고장에 의해 내장형 붕산주입 시스템(100) 전체가 작동하지 않을 것에 대비하고, 격리 또는 개방의 신뢰성을 보장하기 위해 도시한 바와 같이 복수의 가지배관마다 복수개가 설치될 수 있다. 도 1에는 2개의 병렬배관 각각에 2개씩의 격리밸브(131)가 직렬로 설치되어 총 4개(2×2)의 격리밸브(131)가 배치된다. 격리밸브(131)는 전원상실(AC)에 대비하여 축전기(battery) 등에 의해 백업을 받도록 설계될 수 있다.

체크밸브(132)는 주입배관(130)에 설치된다. 원자로의 정상운전시 폐쇄상태로 유지되어 원자로용기(110)로부터 주입배관(130)을 통해 유체가 유입되는 것을 차단한다. 원자로의 사고 발생시 상기 격리밸브(131)의 개방에 의해 원자로용기(110)로 주입되는 붕산수의 유동이 형성되면 체크밸브(132)는 개방된다.

오리피스(133)는 주입배관(130)에 설치되며, 격리밸브(131)가 개방되어 붕산수가 주입될 때 적절한 유량이 주입되도록 유로저항을 형성한다.

주입배관(130)에 복수로 설치되는 경우 상기 격리밸브(131), 체크밸브(132), 오리피스(133)는 각 주입배관(130)마다 각각 설치된다. 그리고 오리피스(133)들은 각각 기설정된 유로저항을 형성하며, 각각의 오리피스(133)에 의해 형성된 유로저항들은 원자로의 안전주입 요구 특성에 따라 서로 다른 조건으로 형성될 수 있다.

안전주입배관(140)은 붕산주입탱크(120) 외에 기타의 안전주입설비들과 연결되며, 붕산주입탱크(120)로부터 원자로용기(110)로 주입되는 붕산수뿐만 아니라 기타 안전주입설비로부터 원자로용기(110)로 주입되는 붕산수의 주입유로를 형성한다. 붕산주입탱크(120) 내부의 붕산수는 주로 사고 발생 초기에 신속한 붕산수 주입이 요구되는 경우에 작동되고, 기타의 안전주입설비들은 붕산주입탱크(120)에 의한 붕산수 주입 후 비교적 낮은 농도(약 4000ppm)로 붕산수를 주입한다.

안전주입배관(140)에는 격리밸브(141)와 체크밸브(142)가 설치된다. 격리밸브(141)와 체크밸브(142)는 원자로의 비상냉각탱크로부터 원자로용기(110)로 붕산수가 주입될 때, 상기 붕산수가 원자로용기(110)로 주입되지 못하고 외부로 유출되는 것을 방지하며, 원자로용기(110)로부터 기타의 안전주입설비들로 유체가 역류하는 것을 방지한다.

도 2는 원자로의 정상운전시 도 1에 도시된 내장형 붕산주입 시스템(100)을 나타내는 수평 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 붕산주입탱크(120)의 변형례를 나타낸 수평 단면도이다.

도 2를 참조하면, 붕산주입탱크(120)는 원자로용기(110)의 상부에 설치되도록 환형으로 형성될 수 있다. 또한 도 3을 참조하면, 붕산주입탱크(120')는 서로 독립적으로 설치 및 보수가 가능하도록 도 2에 도시된 환형의 적어도 일부가 분할되어 복수개로 형성될 수 있다. 분할된 각각의 붕산주입탱크(120')들은 오리피스(133')에 의해 각각 다르게 형성된 유로저항에 따라 각각 다른 조건으로 붕산수를 원자로용기(110')에 주입할 수도 있고, 동일하게 형성된 유로저항을 따라 동일한 조건으로 붕산수를 원자로용기(110')에 주입할 수도 있다.

이하에서는 도 4 내지 도 7을 참조하여 원자로의 사고 발생시 내장형 붕산주입 시스템(100)에 의한 안전주입과정을 설명한다.

도 4는 도 1에 도시된 내장형 붕산주입 시스템(100)의 사고 발생시 압력평형 및 붕산수 주입개시 상태를 나타내는 개념도이다.

원자로에서 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고가 발생하는 경우 원자로의 제어봉이 삽입되면서 원자로 노심(111)이 정지되고, 원자로용기(110)에 연결된 잔열제거계통이 작동된다. 원자로가 냉각되거나 냉각수가 방출되면서 원자로의 압력과 수위는 감소하게 되며, 사고시 발생하는 작동신호에 의해 주입배관(130)에 설치된 격리밸브(131)가 개방된다.

격리밸브(131)가 개방되면 붕산주입탱크(120) 내부의 붕산수는 중력 수두에 의한 유동이 형성되고, 이 유동에 의해 주입배관(130)에 설치된 체크밸브(132)는 개방된다. 격리밸브(131)와 체크밸브(132)가 개방되고, 원자로용기(110)와 붕산주입탱크(120)는 개방된 상태의 압력평형관(121)에 의해 압력평형을 이루면서 붕산수가 주입배관(130) 및 안전주입배관(140)을 통해 원자로용기(110)로 주입되기 시작한다.

붕산주입탱크(120)는 원자로용기(110)와 열적 평형 상태를 유지하여 붕산수의 주입개시시간 지연을 방지한다. 붕산주입탱크(120)는 중력 수두라는 피동력을 이용하므로 붕산주입탱크(120)에 의한 붕산수 주입이 개시되기 위해서는 압력평형관(121)을 통해 원자로용기(110)로부터 유체가 유입되어 붕산주입탱크(120)와 원자로용기(110) 사이에 압력평형이 형성되어야 한다. 붕산주입탱크(120)가 원자로용기(110)의 외부에 설치되는 경우 원자로용기(110)와 열적 평형 상태를 이루지 못하고 상온의 상태에 있게 된다. 사고 발생시 상대적으로 고온인 원자로용기(110)로부터 압력평형관(121)을 통해 유체가 붕산주입탱크(120)로 유입되면 온도의 저하에 따라 유체의 응축이 발생하게 된다. 이러한 유체의 응축 현상은 원자로용기(110)와 붕산주입탱크(120) 사이에 압력 평형을 형성하는데에 다소의 시간 지연을 발생시키고 결과적으로 붕산주입탱크(120)에 의한 붕산수 주입개시를 지연시키게 된다.

내장형 붕산주입 시스템(100)은 붕산주입탱크(120)가 원자로용기(110)와 열적 평형 상태를 유지하도록 원자로용기(110)의 내부에 설치되므로, 원자로용기(110)로부터 붕산주입탱크(120)로 유체가 유입되더라도 유체의 온도가 낮아지지 않는다. 따라서 붕산주입탱크(120)에서는 유입된 유체의 응축현상이 발생하지 않고, 이에 따라 붕산수의 주입개시 지연을 방지할 수 있다.

도 5는 도 4에 이은 내장형 붕산주입 시스템(100)의 붕산수 주입지속 상태를 나타내는 개념도이고, 도 6은 도 5에 이은 내장형 붕산주입 시스템(100)의 붕산수 주입종료 상태를 나타내는 개념도이다.

붕산주입탱크로부터 원자로용기(110)로 붕산수가 주입됨에 따라 원자로용기(110) 내부의 붕산농도는 지속적으로 증가한다. 붕산주입탱크(120)에 의한 붕산수의 주입은 붕산수가 고갈될 때까지 지속된다. 붕산주입탱크(120)에 의한 붕산수의 주입이 종료되면 원자로용기(110) 내부의 붕산 농도는 비교적 일정하게 유지된다.

배관 파단이 발생하지 않는 비냉각재상실사고의 경우 점진적으로 잔열제거계통의 냉각율이 감소하면서 정상상태와 유사한 안정상태에 도달한다.

도 7은 도 6에 이은 기타 안전주입설비들에 의한 안전주입 상태를 나타내는 개념도이다.

냉각재상실사고가 발생하는 경우 붕산주입탱크(120)로부터 붕산수의 주입이 종료되면, 붕산주입탱크(120) 외에 기타 안전주입설비에 의한 붕산수의 안전주입이 시작되어 원자로용기(110)의 수위를 유지하게 된다. 안전주입설비들은 안전주입배관(140)에 의해 원자로용기(110)와 연결되어 있으며 원자로용기(110)로 붕산수를 주입하여, 원자로용기(110) 내부의 붕산 농도를 증가시킨다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예와 관련된 내장형 붕산주입 시스템(200)의 정상운전 상태를 나타내는 개념도이다.

내장형 붕산주입 시스템(200)은 원자로용기(210), 붕산주입탱크(220), 주입배관(230)을 포함한다. 붕산주입탱크(220)는 원자로용기(210)와 내부구조물 사이의 펌프(213) 토출부인 증기발생기(212) 상부의 환형 공간에 설치될 수 있다.

기타 내장형 붕산주입 시스템(200)의 구조 및 기능은 도 1내지 도 7에서 설명한 내장형 붕산주입 시스템(100)과 동일하므로 그 설명은 처음의 설명으로 갈음한다.

도 9는 도 8에 도시된 내장형 붕산주입 시스템(200)의 사고 발생시 압력평형 및 붕산수 주입개시 상태를 나타내는 개념도이고, 도 10은 도 9에 이은 내장형 붕산주입 시스템(200)의 붕산수 주입지속 상태를 나타내는 개념도이다. 도 11은 도 10에 이은 내장형 붕산주입 시스템(200)의 붕산수 주입종료 상태를 나타내는 개념도이며, 도 12는 도 11에 이은 기타 안전주입설비들에 의한 안전주입 상태를 나타내는 개념도이다.

도 9 내지 도 12에 도시된 내장형 붕산주입 시스템(200)의 작동은 도 1 내지 도 7에 도시된 내장형 붕산주입 시스템(100)과 동일하므로 그 설명은 처음의 설명으로 갈음한다.

비상 붕산수 주입관점에서 볼 때, 본 발명은 종래의 AP1000 등에서 이용하는 노심보충탱크 방식에 비해 원자로용기와 더 가까운 거리에 배관을 설치할 수 있으므로 유로저항을 감소시킬 수 있어 동일한 수위 차(중력수두)를 가정할 경우 더 많은 붕산수의 유량을 주입할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 원자로의 압력 등과 연계하여 자동으로 작동되므로 운전원의 조치가 필요 없으며 펌프와 같은 능동기기를 사용하지 않고 중력과 같은 계통에 내장되어 있는 자연력만을 이용하는 피동계통으로, 피동안전주입 또는 피동잔열제거 등의 피동안전기기와 함께 피동안전계통을 구성하기에 용이하다. 피동안전계통은 비상디젤발전기와 같은 교류(AC) 전원이 필요 없는 설비로 구성되어 장시간 운전원의 조치가 필요 없으며 이에 따라 계통의 신뢰성이 향상되어 원자로의 안전성 향상에 기여할 수 있다.

이상에서 설명된 내장형 붕산주입 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (11)

1. 원자로용기;
   상기 원자로용기의 압력 또는 수위를 감소시키는 사고 발생시 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입될 붕산수를 수용하도록 형성되는 붕산주입탱크; 및
   상기 원자로용기로 주입되는 상기 붕산수의 주입 유로를 형성하도록 상기 원자로용기와 상기 붕산주입탱크에 연결되는 주입배관을 포함하고,
   상기 붕산주입탱크는,
   상기 원자로용기와 열적 평형 상태를 유지하여, 내부에 저장된 붕산수의 농축 상태를 유지함과 아울러 사고 발생시 원자로용기에서 유입되는 유체의 응축에 의한 상기 붕산수의 주입개시 지연을 방지하도록 상기 원자로용기의 내부에 설치되며,
   상기 주입배관은 일단이 상기 붕산주입탱크에 연결되고, 타단이 안전주입설비들과 상기 원자로용기를 연결하는 안전주입배관에 연결되며,
   상기 주입배관은,
   상기 붕산주입탱크와 상기 원자로용기 사이에 배치되는 내부 주입배관;
   상기 원자로용기와 상기 안전주입배관 사이에 배치되는 외부 주입배관; 및
   상기 내부 주입배관과 상기 외부 주입배관을 연결하도록 상기 내부 주입배관과 상기 외부 주입배관 사이에 설치되는 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 붕산주입탱크는 상기 원자로용기 내부의 유휴공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 붕산주입탱크는 상기 원자로용기 상부의 가압기 내부 공간 또는 상기 원자로용기의 외벽과 내부구조물 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 붕산주입탱크는 상기 원자로용기에 설치되도록 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 붕산주입탱크는 서로 독립적인 설치 및 보수가 가능하도록 상기 환형의 적어도 일부가 분할되어 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 붕산주입탱크의 상부에 설치되어 상기 원자로용기와 통하도록 형성되고, 상기 붕산주입탱크와 상기 원자로용기 사이의 압력 평형을 유지하여 중력 수두에 의한 붕산수의 주입을 가능하게 하도록 개방된 상태로 유지되는 압력평형관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 주입배관에 설치되고, 정상 운전시 상기 붕산주입탱크로부터 상기 원자로용기로의 붕산수 주입을 차단하도록 폐쇄된 상태로 유지되며, 사고 발생시 상기 붕산주입탱크로부터 상기 원자로용기로 붕산수의 주입이 이루어지도록 원자로의 사고시 발생하는 작동신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 주입배관에 설치되고, 상기 격리밸브의 개방 후 중력 수두에 의해 상기 원자로용기로 주입되는 붕산수의 유동이 형성되면 개방되도록 형성되는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    상기 주입배관에 설치되어 기설정된 유로 저항을 형성하는 오리피스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 붕산주입 시스템.

Images