KR101473378B1 - 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사고 발생시 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 순차적으로 억제하는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전을 제안한다. 피동안전설비는, 격납건물 내부와 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하고 사고 시 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 1차적으로 억제하도록 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 유입된 증기 또는 대기를 수용하는 감압부, 및 상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력 변화에 따라 피동적으로 작동하며 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 2차적으로 억제하도록 상기 감압부에 저장된 냉각수와 상기 격납건물에서 상기 감압부로 유입되어 응축된 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하는 피동격납건물살수부를 포함하고, 상기 피동격납건물살수부는, 상기 냉각수 및 상기 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되는 살수배관, 및 상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면, 압력차에 의해 상기 감압부로부터 상기 살수배관으로 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 살수배관에 연결되는 유체공급배관을 포함한다.

Description

피동안전설비 및 이를 구비하는 원전{PASSIVE SAFETY SYSTEM AND NUCLEAR REACTOR HAVING THE SAME}
본 발명은 사고 발생시 자연력을 이용하여 원전의 안전성을 확보하는 피동형 안전설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 격납건물의 압력변화에 따라 작동하도록 설계되어 순차적으로 격납건물 내부의 압력 상승과 방사능 물질의 농도 상승을 억제하는 설비에 관한 것이다.
원자로는 안전계통의 구성방식과 주요기기의 설치위치에 따라 구분할 수 있다. 먼저 안전계통의 구성방식에 따라, 원자로는 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형원자로와 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형원자로로 나뉜다. 다음으로 주요기기의 설치위치에 따라, 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)가 원자로 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 국내 가압경수로)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다.
본 발명은 감압탱크(감압수조 또는 건식 및 습식수조)와 피동격납건물살수계통에 관한 것으로서, 감압탱크와 격납건물살수계통은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원자로에서 냉각재상실사고나 증기관파단사고 등의 격납건물(원자로건물, 격납용기, 안전보호용기 등)의 내부 압력이 상승하는 사고가 발생했을 때 압력 상승과 방사성 농도의 증가를 억제하는 설비 중의 하나의 수단으로 이용되고 있다.
사고시 격납건물의 내부 압력은 설계압력을 초과하지 않아야 하며, 사고 후 24시간 이내에 첨두압력의 50% 이하로 감소하여야 하는 요건이 있다. 격납건물은 원자로의 외부에 설치되어 방사능 물질이 환경으로 누출되는 것을 방지하며, 격납건물 외에도 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기가 사용될 수 있다. 일반적으로 격납건물 또는 원자로건물은 강화 콘크리트 구조물로 구성되고, 격납용기 또는 안전보호용기는 철재용기로 구성된다.
냉각수 또는 증기 방출에 의해 격납건물 내부의 압력이 상승하는 경우에, 격납건물의 건전성을 유지하기 위해 격납건물의 압력 상승을 억제하기 위한 여러 수단이 이용되고 있다. 격납건물 내부의 내부의 압력 상승을 억제하는 수단으로는 감압탱크 또는 수조(suppression tank or pool: 상용 비등경수로, 미국 IRIS), 열교환기(heat exchanger or condenser: 프랑스 SWR1000, 인도 AHWR), 살수(spray: 국내 SMART 원자로, 상용 가압경수로), 격납용기 외벽 살수 및 냉각(containment external spray and cooling: 미국 AP1000) 등이 이용되고 있다.
감압탱크는 압력차에 의해 격납건물 내부의 대기(증기 및 공기)가 감압부로 유입되고 증기가 응축되면서 압력을 낮추는 방식이다. 열교환기는 열교환기 튜브의 차가운 벽면에서 격납건물 내부의 증기를 응축시켜 압력을 낮추는 방식이다. 살수는 차가운 냉각수를 살수하여 격납건물 내부의 증기를 응축시켜 압력을 낮추는 방식이다. 또한 미국 웨스팅하우스의 AP1000에서 사용하는 격납용기 외벽 살수 (후 공기냉각) 및 냉각 방식은 철재격납용기 외벽에 냉각수를 살수 (후 공기냉각)하여 격납용기를 냉각하고, 내벽에서 증기를 응축시켜 격납용기 내부의 압력을 낮추는 방식이다.
또한 국내 상용원자로(능동형원자로)에서는 살수펌프에 의해 작동되는 능동형 살수계통(내부 살수)이, 미국 웨스팅하우스의 AP1000(피동형원자로) 등에서는 격리밸브 개방 후 중력에 의해 작동되는 피동격납용기살수계통(외부 냉각)이 이용되고 있다. 미국 웨스팅하우스의 IRIS에서는 감압부를 이용하여 격납건물 내부를 감압하고 감압부에 저장되어 있는 냉각수를 원자로로 주입하거나 또는 안전보호용기 내부로 방출하는 형태로 구성되어 있다.
[참고문서 1. IAEA-TECDOC-1624, Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants, IAEA, 2009]
종래의 감압탱크나 피동격납건물살수계통은 피동형 계통으로 신뢰성이 높은 계통이다. 그러나, 감압탱크는 격납건물 내부의 압력이 감압탱크 내부의 압력보다 높을 때(즉, 첨두압력)까지만 작동하는 단점이 있으며, 피동격납건물살수계통은 작동신호와 전원을 포함한 구동전원에 의해 작동되는 격리밸브를 포함하므로 작동신호 발생계통이나 격리밸브 구동계통이 손상되는 경우 격납건물의 압력상승을 억제할 수 없는 문제가 있었다. 또한, 피동격납건물살수계통의 냉각수 저장 방식 중에 가압식 탱크 방식은 제작비용의 상승과 압력 관리에 어려움이 있을 수 있으며, 중력식 탱크 방식은 설치 높이 등의 형상 조건에 제약을 받는 문제가 있었다.
본 발명의 일 목적은 작동신호나 전원계통 없이도 자연 현상에 의해 피동적으로 작동하는 신뢰성 높은 피동안전설비를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 공간적 제약을 적게 받는 피동안전설비를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 순차적으로 격납건물의 압력과 방사능 물질의 농도 상승을 억제하여 안전성을 향상시킨 원전을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 피동안전설비는, 격납건물 내부와 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하고 사고 시 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 1차적으로 억제하도록 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 유입된 증기 또는 대기를 수용하는 감압부, 및 상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력 변화에 따라 피동적으로 작동하며 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 2차적으로 억제하도록 상기 감압부에 저장된 냉각수와 상기 격납건물에서 상기 감압부로 유입되어 응축된 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하는 피동격납건물살수부을 포함하고, 상기 피동격납건물살수부는, 상기 냉각수 및 상기 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되는 살수배관, 및 상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면 압력차에 의해 상기 감압부로부터 상기 살수배관으로 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 살수배관에 연결되는 유체공급배관을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유체공급배관은, 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하면 증기 또는 대기를 상기 감압부로 유입시키도록 상기 증기 또는 대기에 유로를 제공하고, 상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력차가 상기 살수배관과 상기 감압부와의 높이차에 의한 수두압력을 넘어서면 상기 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하는 양방향 유동배관이다.
피동안전설비는 상기 격납건물로부터 상기 살수배관을 통해 상기 감압부로 유입되는 증기 또는 대기를 상기 감압부 내에 분사하여 증기를 응축시키도록 상기 유체공급배관의 단부에 설치되는 스파저를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동안전설비는, 사고 발생시 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 상기 살수배관 및 상기 유체공급배관을 통하여 상기 감압부로 증기 또는 대기가 유입되는 것을 방지하도록 상기 살수배관과 상기 유체공급배관 중 적어도 하나에 설치되고, 상기 감압부와 상기 격납건물의 압력차가 상기 수두압력을 넘어서면 상기 감압부로부터 상기 살수배관 방향으로 형성된 냉각수 또는 응축수의 유동에 의해 개방되는 적어도 하나의 체크밸브를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동안전설비는 상기 살수배관으로 공급된 냉각수 또는 응축수를 상기 격납건물 내부로 분사하도록 상기 살수배관에 설치되는 복수의 살수노즐을 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동안전설비는 상기 감압부와 상기 격납건물의 압력평형을 유지하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 격납건물 내부에 배치되는 감압배관을 더 포함한다.
상기 감압배관은 상기 유체공급배관으로부터 적어도 일부가 분기되어 형성될 수 있다.
피동안전설비는, 사고 발생시 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 상기 감압부로 증기 또는 대기의 유동이 형성되면 개방되어 상기 증기 또는 대기를 상기 감압부로 인입시키고, 상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 높아지면 상기 감압부로부터 상기 감압배관을 통해 상기 격납건물 내부로 유체가 방출되는 것을 방지하도록 상기 감압배관에 설치되는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
피동안전설비는 상기 격납건물로부터 상기 감압배관을 통해 상기 감압부로 유입된 증기 또는 대기를 상기 감압부 내부로 분사하여 증기를 응축시키도록 상기 감압배관의 일단에 설치되는 스파저를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 감압부는 상기 격납건물 외부의 기설정된 높이에 설치되고, 상기 유체공급배관은 상기 격납건물을 관통하여 상기 살수배관에 연결된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 피동안전설비를 구비하는 원전을 개시한다. 원전은, 원자로, 사고 발생시 상기 원자로로부터 환경으로 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로의 외부에 설치되는 격납건물, 및 사고 발생시 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 순차적으로 억제하는 피동안전설비를 포함하고, 상기 피동안전설비는, 격납건물 내부와 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하고 사고 시 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 1차적으로 억제하도록 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 유입된 증기 또는 대기를 수용하는 감압부, 및 상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력 변화에 따라 피동적으로 작동하며 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 2차적으로 억제하도록 상기 감압부에 저장된 냉각수와 상기 격납건물에서 상기 감압부로 유입되어 응축된 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하는 피동격납건물살수부를 포함하고, 상기 피동격납건물살수부는, 상기 냉각수 및 상기 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되는 살수배관, 및 상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면 압력차에 의해 상기 감압부로부터 상기 살수배관으로 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 살수배관에 연결되는 유체공급배관을 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 감압부와 피동격납건물살수부가 격납건물의 압력 변화에 따라 순차적으로 작동하여 격납건물의 압력상승을 억제하고 방사능 물질의 농도를 낮출 수 있다.
또한 본 발명은, 순수하게 자연적인 현상에 의해 피동안전설비가 작동하고 작동신호나 전원계통을 필요로 하지 않으므로 피동안전설비의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 두 가지 감압수단에 의해 격납건물을 보호하고 궁극적으로 원전의 안전성 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전 상태를 나타내는 개념도.
도 3은 도 1에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 사고 발생시 작동 상태를 나타내는 개념도.
도 4는 도 1에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 사고 발생 후 감압부의 작동을 나타내는 개념도.
도 5는 도 4에서 이어지는 단계로 감압부의 작동이 정지되고, 유체공급배관의 수위가 상승하는 과정을 나타내는 개념도.
도 6은 도 5에서 이어지는 단계로 피동격납건물살수부의 작동을 나타내는 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도.
도 11은 사고 발생시 피동안전설비의 작동 여부에 따른 격납건물 내부의 압력 변화 개념을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전에 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 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동안전설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 개념도이다.
원전(10)은 원자로(11), 격납건물(12), 안전주입계통(13), 잔열제거계통(14) 및 피동안전설비(100)를 포함한다. 격납건물(12)은 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기로 대체될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 피동안전설비(100)는 격납건물(12)의 압력 상승 및 방사선의 농도 상승을 순차적으로 억제하는 설비로, 감압부(110) 및 피동격납건물살수부(120)를 포함한다.
감압부(110)는 격납건물(12)의 내부와 통하도록 형성되어 상기 격납건물(12)과 압력평형을 유지한다. 감압부(110)는 감압탱크, 감압수조 또는 건식 및 습식수조가 설치될 수도 있다. 감압부(110)가 격납건물(12)과 통하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으며, 도시한 바와 같이 감압배관(111)에 의해 격납건물(12)과 연통될 수 있다. 감압부(110)의 높이, 체적, 하부 냉각수와 상부 대기의 양은 원자로(11) 및 격납건물(12)의 요구 특성에 맞추어 설정된다.
감압배관(111)은 감압부(110)와 격납건물(12)의 압력평형을 유지하도록 일단이 감압부(110)의 내부에 삽입되고, 타단이 격납건물(12) 내부에 배치된다. 격납건물(12) 내부의 대기는 감압배관(111)을 통과해 감압부(110)로 유입될 수 있으므로, 감압부(110)와 격납건물(12)은 압력평형을 유지할 수 있다.
감압부(110)는 격납건물(12) 내부의 압력 상승과 방사선의 농도 상승을 1차적으로 억제하는 수단이다. 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고 발생에 따라 격납건물(12) 내부로 고온 및 고압의 냉각수(기화) 또는 증기가 방출되면 격납건물(12)의 압력(P1)이 상승한다. 격납건물(12)의 압력이 상승하면 증기 또는 대기가 격납건물(12)로부터 감압부(110)로 유입되고, 감압부(110)는 증기 또는 대기를 수용해 격납건물(12)의 압력 상승을 억제할 수 있다.
스파저(113)는 감압부(110)의 내부에 삽입된 감압배관(111)의 단부에 설치될 수 있다. 스파저(113)는 증기 또는 대기를 감압부(110)의 내부로 분사한다. 스파저(113)가 감압배관(111)의 단부에 설치된 경우와 설치되지 않은 경우를 비교하면, 스파저(113)가 설치되는 경우 감압배관(111)을 통해 유입된 증기 또는 대기는 감압부(110) 내부에 저장되어 있던 냉각수와의 더 많은 열교환 기회를 갖는다. 이에 따라 증기는 스파저(113)를 통과하면서 냉각되어 응축될 수 있다. 증기가 감압배관(111)의 내부에서 응축됨에 따라 격납건물(12) 내부의 방사선 농도 상승을 억제할 수 있다.
감압배관(111)에 설치된 체크밸브(112)는 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고 발생시 격납건물(12)의 압력 상승에 의해 격납건물(12)로부터 감압부(110) 방향으로 형성된 증기 또는 대기의 유동에 의해 개방되어 증기 또는 대기를 감압부(110)로 인입시킨다.
감압배관(111)에 설치된 체크밸브(112)는 일방향 유동만을 통과시키는 장치로, 사고의 진행에 따라 감압부(110)의 압력(P2)이 격납건물(12)의 압력보다 높아지면(P1<P2) 감압부(110)로부터 감압배관(111)을 통해 격납건물(12) 내부로 유체가 방출되는 것을 방지한다.
피동격납건물살수부(120)는 감압부(110)에 의한 1차 억제 작용이 종료되면, 격납건물(12)의 압력과 감압부(110)의 압력의 변화에 따라 피동적으로 작동을 시작한다.
원전(10)에서 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고가 발생하면, 사고 초반에는 고온 및 고압의 냉각수(기화) 또는 증기가 격납건물(12) 내부로 방출됨에 따라 격납건물(12) 내부의 압력이 크게 상승한다. 그러나 시간의 경과에 따라 방출량의 감소와 구조물의 열흡수 등에 의해 격납건물(12) 내부의 압력이 감소하여 격납건물(12)의 압력과 감압부(110)의 압력이 역전되고(P1<P2), 피동격납건물살수부(120)는 격납건물(12) 내부에 유체를 살수하여 격납건물(12)의 압력 및 방사선 농도의 상승을 2차적으로 억제한다.
피동격납건물살수부(120)는 살수배관(121) 및 유체공급배관(122)을 포함한다.
살수배관(121)은 감압부(110)의 내부에 저장되어 있던 냉각수 및 격납건물(12)로부터 감압부(110)로 유입되어 감압부(110)에서 유입된 응축수를 격납건물(12)의 내부로 살수하도록 격납건물(12) 내부의 기설정된 높이에 설치된다.
살수배관(121)은 감압부(110)보다 높은 위치에 설치되므로 살수배관(121)과 감압부(110) 사이에는 설치높이에 따른 중력수두가 형성된다. 종래의 중력식 살수계통은 냉각수 탱크가 살수노즐(124)보다 높이 있어야 함에 비해 본 발명에서 제안하는 압력식 피동격납건물살수부(120)는 탱크 또는 수조의 설치 높이 제약을 극복할 수 있다.
원전에 따라 격납건물(12) 상부의 배치 공간이 다를 수 있으므로, 살수배관(121)보다 높은 위치에 감압부(110)를 설치할 수 있는 원전에서는 도시한 바와 달리 감압부(110)를 살수배관(121)보다 높은 위치에 설치할 수 있다. 감압부(110)가 살수배관(121)보다 높은 위치에 설치되면, 감암부(110)와 살수배관(121)은 역U자관에 의해 연결될 수 있다. 이에 따라 원전의 정상운전 압력 범위에서는 감압 작용을 하지 않고, 역U자관의 벤딩 높이를 넘는 유동이 형성된 때에만 감압부(110)에 저장된 냉각수와 응축수를 살수배관(121)에 공급하여 격납건물(12) 내부로 살수할 수 있도록 구성될 수 있다.
유체공급배관(122)은 감압부(110)와 격납건물(12) 내부의 압력차(P2-P1)가 살수배관(121)과 감압부(110)의 수두압력(PH)을 넘어서면, 상기 압력차(P2-P1)에 의해 감압부(110)로부터 살수배관(121)으로 밀려 올라가는 냉각수 및 응축수에 상승 유로를 제공하도록 일단이 감압부(110)의 내부에 삽입되고, 타단이 살수배관(121)에 연결된다.
유체공급배관(122)을 통해 살수배관(121)으로 공급된 냉각수 또는 응축수는 살수배관(121)에 설치된 살수노즐(124)을 통해 격납건물(12)의 내부로 살수된다. 살수노즐(124)은 냉각수 또는 응축수를 격납건물(12) 내부로 분사하도록 살수배관(121)에 복수개가 설치된다. 격납건물(12)의 내부로 냉각수 또는 응축수가 살수되면 격납건물(12) 내부로 방출된 고온의 증기는 냉각 및 응축된다. 증기 응축에 따라 격납건물(12) 내부의 압력 및 방사선 농도의 상승은 2차적으로 억제된다.
체크밸브(123)는 살수배관(121) 또는 유체공급배관(122)에 설치되거나, 살수배관(121)과 유체공급배관(122)의 사이에 설치될 수 있다. 체크밸브(123)는 일방향 유동만을 통과시키는 장치이다. 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고 발생시 격납건물(12)의 압력이 상승하면 살수배관(121) 및 유체공급배관(122)을 통해 격납건물(12)의 증기 또는 대기가 유입될 수 있으나, 체크밸브(123)가 살수배관(121) 및 유체공급배관(122) 중 적어도 하나에 설치되어 증기 또는 대기의 유입을 방지한다.
체크밸브(123)는, 사고 진행에 따라 감압부(110)와 격납건물(12)의 압력차(P2-P1)가 살수배관(121)과 감압부(110) 사이의 수두압력(PH)을 넘어서면 감압부(110)로부터 살수배관(121) 방향으로 형성된 냉각수 또는 응축수의 유동에 의해 개방된다. 체크밸브(123)를 통과한 냉각수 또는 응축수는 살수배관(121)에서 살수노즐(124)을 통과해 격납건물(12)의 내부로 살수된다.
피동안전설비(100)는 격납건물(12)과 감압부(110)의 압력변화에 따라 피동적으로 작동한다. 격납건물(12)의 압력이 감압부(110)의 압력보다 높아지는 사고 초반에는(P1>P2), 감압부(110)의 작동에 의해 1차적으로 격납건물(12)의 압력 및 방사선 농도 상승을 억제한다. 사고가 진행됨에 따라 격납건물(12)의 압력과 감압부(110)의 압력이 역전되고(P1<P2), 감압부(110)와 격납건물(12)의 압력차(P2-P1)가 살수배관(121)과 감압부(110)의 수두압력(P2-P1>PH)을 넘어서면 피동격납건물살수부(120)가 작동하여 2차적으로 격납건물(12)의 압력 및 방사선 농도 상승을 억제한다. 피동격납건물살수부(120)의 작동에 의해 격납건물(12) 내부의 압력은 감소하고, 방사선의 농도도 감소한다.
피동안전설비(100)는 외부에서 가해지는 능동력에 의해 작동하는 것이 아니라, 사고 발생시 나타나는 자연 현상에 따라 피동적으로 작동하므로 신뢰성이 높아 원전(10)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 피동안전설비(100)는 순차적으로 격납건물(12)의 압력 및 방사선 농도 상승을 억제하므로 소요되는 피동안전설비(100)의 용량을 감소시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 피동안전설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 정상 운전 상태를 나타내는 개념도이다.
원전(10)의 정상 운전시 작동이 요구되는 배관(11b)의 격리밸브(11b')는 개방되어 있다. 원자로(11)는 노심(11a)에서 생산되는 열을 이용하여 터빈계통(미도시)을 가동하고 이를 통해 유용한 에너지를 생산한다.
원전(10)의 정상 운전 상태에서도 격납건물(12) 내부의 압력이 변화하나, 격납건물(12) 내부의 압력은 정상 압력 범위에서만 변화되고, 감압부(110)와 격납건물(12)은 압력 평형을 유지한다(P1=P2).
원전(10)의 정상 운전시에는 원전(10)의 안전성이 유지되고 있는 상태이므로, 사고 발생에 의해 격납건물(12)의 압력이 상승하지 않는 한 피동안전설비(100)는 작동하지 않는다.
도 3은 도 1에 도시된 피동안전설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 사고 발생시 작동 상태를 나타내는 개념도이다.
원전(10)에서 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고 발생시 원자로(11)와 연결된 배관(11b)에 설치된 격리밸브(11b')는 폐쇄된다. 안전주입계통(13)은 원자로(11)로 냉각수를 안전주입하여 원자로(11)의 냉각수 수위를 유지하고, 잔열제거계통(14)은 원자로(11)의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거한다. 원전(10)에 따라 피동안전주입계통 또는 피동잔열제거계통 등의 피동형 안전계통이 적용될 수도 있다.
파단부에서 고온 고압의 냉각수(기화) 또는 증기가 격납건물(12) 내부로 방출되면 격납건물(12) 내부의 압력(P1)이 상승한다. 감압부(110)는 1차적으로 격납건물(12) 내부의 압력과 방사선 농도의 상승을 억제하고, 피동격납건물살수부(120)는 감압부(110)에 의한 억제 작용 이후에 2차적으로 격납건물(12) 내부의 압력과 방사선 농도의 상승을 억제한다.
도 4는 도 1에 도시된 피동안전설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 사고 발생 후 감압부(110)의 작동을 나타내는 개념도이다.
안전주입계통(13) 및 잔열제거계통(14)의 작동에 따라 원자로(11)가 냉각되고, 격납건물(12) 내부에 설치된 구조물도 격납건물(12)로 방출된 열을 흡수하여 격납건물(12) 내부의 압력 및 온도 상승을 억제한다.
사고 초반에 파단부에서 고온 고압의 냉각수(기화) 또는 증기가 격납건물(12) 내부로 방출되면, 격납건물(12) 내부의 압력(P1)이 급격하게 상승하여 감압부(110)의 압력(P2)보다 커진다(P1>P2).
감압배관(111)에 설치된 체크밸브(112)는 개방되고, 격납건물(12) 내부의 증기 또는 대기는 감압배관(111)읕 통과해 감압부(110) 내부로 유입된다. 유입된 증기는 스파저(113)를 통과하면서 감압부(110) 내부에 저장되어 있던 냉각수에 의해 냉각되어 응축되고, 일부 비응축성 가스는 감압부(110)의 상부에 수집된다. 수집된 비응축성 가스에 의해 감압부(110) 내부의 압력은 상승한다.
도 5는 도 4에서 이어지는 단계로 감압부(110)의 작동이 정지되고, 유체공급배관(122)의 수위가 상승하는 과정을 나타내는 개념도이다.
격납건물(12) 내부의 압력(P1)이 최대치(첨두압력)를 넘어 감소하기 시작하면(방출열<냉각열, 냉각열:구조물의 열 흡수 등에 의한 냉각) 감압부(110)의 감압기능은 정지된다. 감압부(110) 내부의 압력(P2)과 격납건물(12) 내부의 압력이 역전되고(P1<P2), 격납건물(12) 내부의 압력이 점차 감소하면서 감압부(110)의 내부와 격납건물(12)의 내부 압력차(P2-P1)가 증가한다. 이에 따라 감압배관(111)에 설치된 체크밸브(112)는 닫히고, 유체공급배관(122)의 수위는 상승하여 살수배관(121) 또는 유체공급배관(122)에 설치된 체크밸브(112)는 개방된다.
도 6은 도 5에서 이어지는 단계로 피동격납건물살수부(120)의 작동을 나타내는 개념도이다.
격납건물(12) 내부와 감압부(110) 내부의 압력차(P2-P1)가 살수배관(121)의 설치 높이에 따른 수두압력(PH)보다 커지면, 유체공급배관(122)으로부터 살수배관(121)으로 냉각수 또는 응축수가 공급된다. 냉각수 또는 응축수는 살수배관(121) 및 살수노즐(124)을 통해 격납건물(12)의 내부로 살수된다. 피동격납건물살수부(120)의 작동에 의해 격납건물(12) 내부의 압력과 방사선 농도가 감소한다.
피동격납건물살수부(120)에 의한 2차적인 억제 작용은, 격납건물(12)과 감압부(110)의 압력차(P2-P1)가 살수배관(121)의 높이에 따른 수두압력(PH)을 극복할 수 있는 상태에서는 감압부(110) 내부의 냉각수 또는 응축수가 고갈되지 않는 한 지속적으로 유지된다. 2차적인 억제 작용은, 감압부(110)의 냉각수 또는 응축수가 고갈되거나, 격납건물(12)과 감압부(110)의 압력차(P2 -P1)가 살수배관(121)의 높이에 따른 수두압력을 극복하지 못하는 시점에서 중지된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 개념도이다.
피동안전설비(200)는 도 1에 도시된 피동안전설비(100)와 비교하면 살수배관(221) 또는 유체공급배관(222)에 설치되었던 체크밸브(123)가 제거되고, 대신 감압부(210)의 내부에 삽입된 유체공급배관(222)의 단부에 스파저(225)가 설치된다.
살수배관(221) 또는 유체공급배관(222)에 설치되었던 체크밸브(123)가 제거됨에 따라 격납건물(22) 내부의 압력이 감압부(210) 내부의 압력보다 커지는 사고 초반에 격납건물(22) 내부로 방출된 증기 또는 대기가 살수배관(221)과 유체공급배관(222)을 통해 감압부(210)로 유입되는 현상이 발생할 수 있다.
스파저(225)는 유입되는 증기 또는 대기를 감압부(210) 내로 분사하여 감압부(210) 내부에 저장되어 있던 냉각수와 증기의 열교환 기회를 증가시킨다. 이에 따라 감압부(210)로 유입된 증기는 냉각수와의 열교환에 의해 냉각 및 응축된다.
피동격납건물살수부(220)에 의한 살수는 감압부(210)에 의한 격납건물(22) 내부의 압력 및 방사선 농도의 상승 억제 작용이 종료된 이후에 시작된다. 따라서 살수배관(221)과 유체공급배관(222)은 사고 발생에 의해 격납건물(22)의 압력이 상승하면 증기 또는 대기를 감압부(210)로 유입시키도록 증기 또는 대기의 유로를 형성하고, 피동격납건물살수부(220)가 작동하는 시점에서는 감압부(210)의 냉각수 또는 응축수를 살수배관(221)에 공급하는 양방향 유동배관으로 작동한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 개념도이다.
피동안전설비(300)는 도 7에 도시된 피동안전설비(200)와 비교하면 감압배관(211) 마저 제거된다. 감압배관(211)의 기능은 살수배관(321)과 유체공급배관(322)으로 흡수되어, 살수배관(321)과 유체공급배관(322)이 감압배관(211)의 기능을 공유한다. 살수배관(321) 및 유체공급배관(322)은 양방향 유동배관으로 작동한다.
감압부(310)가 작동하는 시점에서 살수배관(321) 및 유체공급배관(322)을 통해 격납건물(32) 내부의 증기가 감압부(310)로 유입되어 응축된다. 감압부(310)의 작동이 정지되고 피동격납건물살수부(320)의 작동이 시작되는 시점부터는 유체공급배관(322)을 통해 냉각수 또는 응축수가 살수배관(321)으로 공급되어 격납건물(32) 내부로 살수된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 개념도이다.
감압배관(411)은 유체공급배관(422)과 별개의 배관으로 형성되지 않고, 유체공급배관(422)으로부터 적어도 일부가 분기되어 형성된다. 유체공급배관(422)은 감압부(410)의 작동시 감압배관(411)을 통해 유입된 증기 또는 대기가 감압부(410)로 흘러가도록 유로를 제공한다.
유체공급배관(422)은 감압부(410)의 작동이 정지된 후 감압부(410) 내부의 냉각수 또는 응축수를 살수배관(421)으로 공급한다. 따라서, 유체공급배관(422)의 공유배관은 양방향 유동배관으로 작동한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(500) 및 이를 구비하는 원전(50)의 개념도이다.
감압부(510)의 설치위치는 반드시 격납건물(52) 내부로 제한되지 않는다. 감압부(510)는 격납건물(52) 외부에 설치될 수 있으며, 감압배관(511)은 갑압탱크와 격납건물(52)의 압력평형을 유지시키도록 적어도 일부가 격납건물(52)의 외벽을 관통한다. 감압배관(511)에 의해 격납건물(52)과 감압부(510)가 연통되므로, 격납건물(52) 및 감압부(510) 사이에는 압력의 평형이 유지될 수 있다.
감압배관(511)에는 격리밸브(514)가 추가로 설치될 수 있으며, 격리밸브(514)는 개방된 상태를 유지한다. 다만, 피동안전설비(200)의 유지 보수 또는 사고시 배관의 격리를 위해 필요한 경우에만 닫힌다.
살수배관(521)은 격납건물(52) 내부로 유체를 살수하기 위해 반드시 격납건물(52) 내부에 설치되어야 하는 것과 달리, 유체공급배관(522)의 설치위치는 반드시 격납건물(52) 내부로 제한되지 않는다. 격납건물(52) 외부에 설치된 감압부(510)로부터 격납건물(52) 내부에 설치된 살수배관(521)에 냉각수 또는 응축수를 공급하도록 적어도 일부가 격납건물(52)의 외벽을 관통한다.
유체공급배관(522)에도 격리밸브(526)가 추가로 설치될 수 있으며, 격리밸브(526)는 개방된 상태를 유지한다. 다만, 피동안전설비(200)의 유지 보수 또는 사고시 배관의 격리를 위해 필요한 경우에만 닫힌다.
유사한 방법으로 도 7 내지 도 9의 감압부(210, 310, 410)가 격납건물(22, 32, 42)의 외부에 설치될 수 있다.
도 11은 사고 발생시 피동안전설비의 작동 여부에 따른 격납건물 내부의 압력 변화 개념을 나타내는 그래프이다.
증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 발생시(LOCA) 등의 사고 발생시 격납건물의 압력은 점점 증가한다. 감압부(SUPPRESSION UNIT)는 별개의 작동신호 없이도, 격납건물의 압력 상승에 의해 즉시 작동된다.
격납건물로 방출된 증기는 대기와 함께 감압부로 유입되고, 증기는 감압부에서 응축되므로 격납건물의 압력상승은 억제된다. 감압부가 작동하는 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하면, 감압부의 작동시 격납건물의 압력 상승을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라 첨두압력을 격납건물의 허용 안전 기준 이하로 낮출 수 있다.
감압부의 작동이 정지된 후, 살수배관의 수위가 상승되면 피동격납건물살수부(PCSU:PASSIVE CONTAINMENT SPRAY UNIT)의 작동이 시작되고 격납건물의 압력을 더욱 낮출 수 있다. 격납건물의 허용 안전 기준 중의 하나에 따라 사고 발생 후 24시간 이내에 격납건물의 압력은 첨두압력의 절반 이하로 감소되어야 한다. 피동격납건물살수부가 작동하지 않는 경우와 작동하는 경우를 비교하면, 피동격납건물살수부의 작동시 격납건물의 허용 안전 기준을 보다 효과적으로 만족함을 확인할 수 있다.
피동안전설비는 작동신호나 밸브 구동을 위한 DC전원을 포함한 전원계통을 포함하지 않고, 격납건물 내부의 압력이 상승함에 따라 피동적으로 작동되어 격납건물의 구조적 건전성을 유지하므로 원전의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히 작동신호가 필요 없는 점은 작동 신호의 오작동에 의한 원전의 정상 운전시 오작동(작동) 또는 사고시 오작동(미작동)의 가능성을 근원적으로 배제할 수 있다.
또한, 피동안전설비는 격납건물 내부의 압력과 방사선 농도를 2단계로 낮추어 주므로 요건의 준수가 용이해지고 대중의 안전성 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한 피동형 설비로 기타 피동형 안전계통과 원전에 함께 설치될 경우 원전의 전반적인 안전성 향상에 기여할 수 있다.
한편, 종래의 감압계통이나 살수계통에 비해 설비를 최소화 시키면서도, 제한구역경계(EAB :Exclusion Area Boundary)를 줄일 수 있어 경제적 효과를 얻을 수 있다는 점이 특징이다.
이상에서 설명된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전은 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.
10 : 원전 100 : 피동안전설비
110 : 감압부 120 : 피동격납건물살수부

Claims (11)

  1. 격납건물 내부와 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하고, 사고 시 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 1차적으로 억제하도록 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 유입된 증기 또는 대기를 수용하는 감압부; 및
    상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력 변화에 따라 피동적으로 작동하며, 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 2차적으로 억제하도록 상기 감압부에 저장된 냉각수와 상기 격납건물에서 상기 감압부로 유입되어 응축된 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하는 피동격납건물살수부를 포함하고,
    상기 피동격납건물살수부는,
    상기 냉각수 및 상기 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되는 살수배관; 및
    상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면, 압력차에 의해 상기 감압부로부터 상기 살수배관으로 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 살수배관에 연결되는 유체공급배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체공급배관은, 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하면 증기 또는 대기를 상기 감압부로 유입시키도록 상기 증기 또는 대기에 유로를 제공하고, 상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력차가 상기 살수배관과 상기 감압부와의 높이차에 의한 수두압력을 넘어서면 상기 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하는 양방향 유동배관인 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 격납건물로부터 상기 살수배관을 통해 상기 감압부로 유입되는 증기 또는 대기를 상기 감압부 내에 분사하여 증기를 응축시키도록 상기 유체공급배관의 단부에 설치되는 스파저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  4. 제2항에 있어서,
    사고 발생시 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 상기 살수배관 및 상기 유체공급배관을 통하여 상기 감압부로 증기 또는 대기가 유입되는 것을 방지하도록 상기 살수배관과 상기 유체공급배관 중 적어도 하나에 설치되고, 상기 감압부와 상기 격납건물의 압력차가 상기 수두압력을 넘어서면 상기 감압부로부터 상기 살수배관 방향으로 형성된 냉각수 또는 응축수의 유동에 의해 개방되는 적어도 하나의 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 살수배관으로 공급된 냉각수 또는 응축수를 상기 격납건물 내부로 분사하도록 상기 살수배관에 설치되는 복수의 살수노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감압부와 상기 격납건물의 압력평형을 유지하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 격납건물 내부에 배치되는 감압배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감압배관은 상기 유체공급배관으로부터 적어도 일부가 분기되어 형성되는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  8. 제6항에 있어서,
    사고 발생시 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 상기 감압부로 증기 또는 대기의 유동이 형성되면 개방되어 상기 증기 또는 대기를 상기 감압부로 인입시키고, 상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 높아지면 상기 감압부로부터 상기 감압배관을 통해 상기 격납건물 내부로 유체가 방출되는 것을 방지하도록 상기 감압배관에 설치되는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 격납건물로부터 상기 감압배관을 통해 상기 감압부로 유입된 증기 또는 대기를 상기 감압부 내부로 분사하여 증기를 응축시키도록 상기 감압배관의 일단에 설치되는 스파저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 감압부는 상기 격납건물 외부의 기설정된 높이에 설치되고,
    상기 유체공급배관은 상기 격납건물을 관통하여 상기 살수배관에 연결되는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
  11. 원자로;
    사고 발생시 상기 원자로로부터 환경으로 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로의 외부에 설치되는 격납건물; 및
    사고 발생시 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 순차적으로 억제하는 피동안전설비를 포함하고,
    상기 피동안전설비는,
    격납건물 내부와 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하고, 사고 시 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 1차적으로 억제하도록 상기 격납건물의 압력 상승에 의해 유입된 증기 또는 대기를 수용하는 감압부; 및
    상기 감압부와 상기 격납건물 내부의 압력 변화에 따라 피동적으로 작동하며, 상기 격납건물 내부의 압력 및 방사선 농도 상승을 2차적으로 억제하도록 상기 감압부에 저장된 냉각수와 상기 격납건물에서 상기 감압부로 유입되어 응축된 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하는 피동격납건물살수부를 포함하고,
    상기 피동격납건물살수부는,
    상기 냉각수 및 상기 응축수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되는 살수배관; 및
    상기 감압부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면, 압력차에 의해 상기 감압부로부터 상기 살수배관으로 냉각수 및 응축수의 유로를 제공하도록 일단이 상기 감압부의 내부에 삽입되고 타단이 상기 살수배관에 연결되는 유체공급배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
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