KR101508176B1

KR101508176B1 - 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치

Info

Publication number: KR101508176B1
Application number: KR20130121198A
Authority: KR
Inventors: 서경우; 윤현기; 이권영; 김성훈; 윤주현
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-07

Abstract

본 발명은 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 관한 것으로서, 1차냉각계통 내에 관성 휠을 설치함과 아울러 능동잔열제거계통을 추가 구성하여 높은 잔열제거 필요 기간과 상대적으로 낮은 잔열이지만 지속적으로 발생하는 잔열을 제거하는 기간을 구분하여 잔열을 제거할 있도록 한다. 즉, 원자로 비상정지시, 개방형 연구로에서 발생하는 말기 잔열제거 상태인 자연순환으로 인한 노심향상유동으로 인해 발생하는 유동 역전 시간을 요구시간만큼 지연시키기 위해 노심하향 유동을 지속적으로 유지시킬 수 있다. 이와 더불어 초기 높은 잔열을 제거하기 위해서 높은 유량을 지속적으로 생성시키기 위한 큰 용량의 펌프를 사용하지 않아도 됨으로 펌프 및 비상발전기 등의 설계에 있어서 경제적 이득을 얻을 수 있고, 능동잔열제거계통의 배관의 파단시를 대비하여 설계함으로써 안전등급의 싸이폰 브레이커를 설치하지 않아도 되는 경제적 이득을 얻을 수 있는 진일보한 상위 효과를 가지게 된다. 또한, 상기 능동잔열제거 계통과 같이 추가계통을 연결하여도, 고출력 및 노심하향유동특성을 지니는 연구로에서 발생할 수 있는 배관 내 기포 발생가능성을 일어나지 않도록 설비를 구축할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치{Residual Heat Removal Device For Reactor core Of A Research Reactor}

본 발명은 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 개방형이며 정상운전시 노심 하향 유동을 형성하고 높은 출력에 따라 잔열 요구 유량이 높은 연구로에서 사고 발생시 지속적인 잔열 제거를 위해 적용할 수 있는 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 관한 것이다.

연구로의 특성은 정상운전을 포함하여 어떠한 사고가 발생하더라도 핵연료가 포함된 원자로가 수조수 내에 잠겨있도록 하는 것이 필수적이다. 한편, 연구로는 이용 측면을 높이기 위해 수조와 원자로 용기를 개방형으로 설계하는 것이 요구된다. 그리고, 상기한 개방형 원자로는 원자로 비상정지시에 발생하는 잔열을 수조내의 수조수를 이용하여 자연대류를 통해 제거할 수 있도록 하는 것이 필요하다.

또한, 판형핵연료를 사용하는 연구로에서는 핵연료 특성상 정상운전시 노심 하향 유동을 갖도록 요구된다. 그러나, 원자로 비상정지시 잔열이 발생하는 동안 노심 하향유동은 자연대류로 인해 노심 상향유동으로 유동전환이 발생하게 되는데, 이때, 잔열이 충분히 냉각되지 않은 시점에서 유동전환이 발생할 경우에는 핵연료 손상을 유발하게 된다.

이를 해결하기 위해 노심하향 유동을 갖는 개방형 연구로에는 잔열제거계통을 추가로 설계하여 잔열이 충분히 감소하여 유동전환이 발생하여도 핵연료 손상이 없는 시점까지 노심하향유동을 강제로 발생시킨다.

한편, 기존 연구로 중 탱크타입 원자로에서는 이 잔열제거계통을 수조수 정화계통 등의 타계통을 이용하여 그 계통의 펌프를 안전등급 펌프로 설계하고, 바이패스 라인(bypass line)에 체크밸브를 설치하여 이를 1차냉각계통의 배관에 연결하도록 하였다. 이는 정상운전시에는 정화 계통으로만 사용하고, 잔열제거계통 요구시에는 각 계통의 압력차 변동을 이용한 우회 배관을 통해 잔열제거 유량이 형성되도록 한다.

그러나, 이러한 설계는 탱크형 원자로에서는 가능하나, 개방형 원자로에서는 핵연료의 압력강하가 크기 때문에 유로가 노심을 통해 형성되지 못하여 잔열제거에 이용할 수 없다.

이를 해결하기 위해서는 정화계통의 펌프를 정상운전시에도 정화유량에 요구 잔열제거 유량을 포함한 용량을 갖는 안전등급 펌프로 설계하여 운전한다. 이러한 상황에서 사고가 발생하면, 노심 잔열제거를 위해 위의 펌프를 이용한다.

그러나, 높은 출력을 지니는 연구로에서는 요구 잔열제거 유량이 상대적으로 크다. 앞에서 설명한 설계를 높은 출력을 지니는 연구로에 적용하게 되면, 연구로 수명 내내 불필요하게 과용량으로 펌프를 운전하게 되기 때문에 원자로 운영비가 높아지게 되는 문제점이 발생한다.

또한, 노심 잔열은 초기에 상당히 높으나 수십초 후에는 급격하게 낮아지는 특성을 갖는다. 이러한 잔열을 제거하기 위해 일정한 유량을 형성하는 안전등급 펌프로 설계하게 되면 초기 높은 잔열을 제거하기 위한 유량이 지속적으로 형성되어야 하기 때문에 원자로 정지 후 수십 초 후부터는 불필요한 과유량이 흐르게 된다.

또한, 상기한 타계통을 이용하지 않고 독립적으로 잔열제거계통을 설계할 때에는 이 잔열제거계통을 단순화하기 위해서 원자로 근처 즉, 1차냉각계통이 수조를 관통하는 부근에서 1차냉각계통 배관과 연결되게 된다.

이때, 높은 출력의 연구로이면서 노심하향유동이 요구되는 연구로는 정상운전 시 노심 요구유량이 높으며, 그 결과 노심압력강하가 커지게 된다. 이러한 연구로는 1차냉각계통이 파단 되더라도 원자로가 수조수 내에 잠겨 있어야 하는 것이 연구로 안전의 핵심이기 때문에 수조 관통높이 즉, 1차냉각계통 최상단 배관 높이에 제약이 따르게 된다.

이때, 1차냉각계통의 수조 관통의 최소높이는 1차냉각계통 배관 파단시 싸이폰 브레이커 작동 이후 요구되는 원자로 상부의 수조수 수위에 의해 결정된다.

개방형이고 높은 출력을 지니며 노심하향유로의 특성을 지니는 연구로에서는 높은 노심압력강하에 의해, 수조 관통높이가 높아지게 되면 수조수의 높이와 수조관통 높이까지의 압력강하 관계에 따라 수조 관통높이에서 배관내의 압력이 포화 증기압까지 떨어져 1차냉각계통수가 기화될 수 있다.

이때, 1차냉각계통의 일부에서 기포가 생성되어 원자로나 1차냉각펌프에 흘러 들어가면 핵연료나 1차냉각펌프에 치명적인 손상을 줄 수 있기 때문에 이러한 현상을 방지하도록 1차냉각계통 배관의 최상단 높이가 결정된다.

이와 같이 위의 특성을 지는 연구로에서 수조관통 높이는 상당한 제약을 지니어, 배관 내의 압력이 포화 증기압보다 많이 높게 설계하기 어려워진다.

여기서, 잔열제거계통이 1차냉각계통에 연결되도록 설계함에 있어서, 1차냉각계통이 정상적으로 운전될 때 비정상적으로 이 잔열제거계통이 운전될 경우, 노심 관통 유량이 정상운전시 유량보다 조금만 증가하게 되더라도 1차냉각계통 내부의 압력이 포화증기압보다 감소하여 수조 관통 높이에서 기포가 발생하게 되는 문제가 발생한다.

또한, 1차냉각계통에 연결된 잔열제거계통이 파단되더라도 노심이 수조수 내에 계속 잠겨있기 위해서는 이 잔열제거계통을 수조 관통높이보다 높은 곳에 설치해야 한다.

이때, 수조 관통높이의 압력이 포화증기압보다 많이 높지 못하면, 수조 관통 높이보다 높은 곳에 설치된 잔열제거계통 내에는 기포가 발생될 수 있다. 이 기포가 발생된 후 잔열제거계통을 운전하게 되면, 이 기포가 잔열제거펌프 또는 원자로 노심으로 흘러 들어가게 되어 큰 문제가 발생할 수 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1255588호(등록일자 2013년04월04일) 대한민국 등록특허공보 제10-1028053호(등록일자 2011년04월01일) 일본 공개특허공보 제1998-142379호(공개일자 1998년05월29일)

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 개방형 원자로의 정상운전시 노심하향 유동을 형성하며 높은 출력에 따른 잔열 요구 유량이 높은 연구로에 적용할 수 있도록 정상운전시에는 중지하고 있고 있다가 잔열제거가 요구될 때 가동되는 노심하향유동용 잔열제거계통을 구성하도록 하고 이때, 잔열제거계통이 가동될 때까지의 잔열제거유량 유지를 위해 1차냉각계통 유량을 지속시키는 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 높은 출력으로 인해 정상운전시 연구로의 높은 노심 요구 유량 및 압력강하에 의해 수조관통높이에서의 압력이 포화수증기압보다 약간 높아지게 설계되어도, 상기 잔열제거계통을 설계함에 있어서 1차냉각계통 및 1차냉각계통에 연결되는 능동잔열제거계통 내에 기포가 발생하지 않도록 하여 이로 인한 펌프의 파손을 방지함과 아울러 원자로의 안정성을 확보할 수 있도록 하는 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치는 수조 내에서 개방된 상태로 수조수에 잠겨 설치되는 연구로; 상기 연구로 내부의 노심으로부터 냉각수를 상기 수조 외부로 인출 가능하게 1차냉각배관이 연장 설치되고, 상기 1차냉각배관 상에 설치되는 1차냉각펌프에 의해 상기 냉각수가 상기 연구로 내부에서 노심 하향 유동을 거친 후 상기 수조 외부로 인출시켜연구로 노심에서 발생한 열을 열교환기와 냉각타워 등을 통해 외부환경으로 방출되도록 하는 1차냉각계통; 및 비상정지시 상기 1차냉각계통의 상기 1차냉각배관을 통해 상기 연구로의 노심으로부터 상기 냉각수를 연속적으로 인출하여 상기 수조수 내로 배출하여 지속적인 잔열 제거가 가능하도록 하는 능동잔열제거계통;을 포함하고, 상기 능동잔열제거계통은 상기 1차냉각배관 상에서 분지되어 상기 1차냉각배관 을 통해 상기 연구로의 노심으로부터 인출된 상기 냉각수를 상기 수조수 내에 배출할 수 있게 유로를 형성하도록 가설되는 능동잔열제거배관; 상기 능동잔열제거배관 상에 설치되어 상기 1차냉각펌프의 비상정지시 작동되어 상기 냉각수를 상기 수조수 내로 배출시키도록 하는 능동잔열제거펌프; 및 상기 능동잔열제거펌프에 전기적으로 연결되어 작동에 필요한 비상 전력을 생산 공급하는 비상발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 1차냉각냉계통은 상기 1차냉각펌프에 설치되어 비상정지시 상기 비상발전기로 상기 능동잔열제거펌프를 구동시키는데 필요한 기설정된 시간 동안 상기 1차냉각펌프가 관성 운전되도록 하는 관성 휠;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 능동잔열제거배관은 상기 1차냉각배관 상에서 상기 1차냉각펌프 이전에서 분지되되, 상기 연구로의 노심보다 더 높은 위치에서 분지되게 가설되는 것을 바람직하다.

또한, 상기 능동잔열제거배관 상에서 상기 능동잔열제거펌프 이전에 역류 방지 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 능동잔열제거배관 상에서 상기 능동잔열제거펌프 전, 후 단에 인접하게 각각의 차단밸브가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 1차냉각계통의 상기 1차냉각배관 상에는 적어도 하나 이상의 유량측정기가 더 구비되고, 상기 능동잔열제거계통은 상기 1차냉각계통의 유량측정기에 의해 측정된 유량값이 설정치 이하에서 상기 능동잔열제거펌프를 가동시키도록 자동 제어하기 위한 제어기;를 더 포함하는 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 각 차단밸브들은 능동잔열제거펌프 보호를 위해 상기 제어기에 의해 단속 제어되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 개방형으로 이루어지고 노내에서 냉각수가 하향유동을 형성하며, 높은 출력에 따른 잔열 제거 요구 유량이 높은 연구로에 있어서, 정상운전시에는 중지하고 있고 있다가 비상정지시 잔열제거가 요구될 때 가동되는 능동잔열제거계통을 구성할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 정상운전시에는 멈춰있다가 필요시 가동되는 능동잔열제거계통을 설계함으로써, 능동잔열제거계통이 동시에 운전되는 경우 1차냉각유량이 증가하여 노심 통과 유량이 증가하는 경우 이에 따라 노심압력강하가 증가하여 1차냉각배관 내에서의 압력이 감소해 수조 관통높이에서 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 1차냉각계통의 배관에 연결되어 능동잔열제거펌프를 통해 잔열제거 유량을 형성시킨 후 수조에 배출하도록 함으로써, 개방형 원자로에서도 잔열제거 요구유량을 노심에 통과시킬 수 있기 때문에 잔열제거를 위한 노심하향 유동을 지속적으로 유지시킬 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 관성 휠을 포함하는 능동잔열제거계통을 구성하여 높은 잔열제거 필요 기간과 상대적으로 낮은 잔열이지만 지속적으로 발생하는 잔열을 제거하는 기간을 구분하여 잔열을 제거할 있도록 함으로써, 초기 높은 잔열을 제거하기 위해서 높은 유량을 지속적으로 생성시키기 위한 큰 용량의 능동잔열제거펌프를 사용하지 않아도 됨으로 펌프 및 비상발전기 등의 설계에 있어서 경제적 이득을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 비상발전기를 이용하여 정상운전시에는 멈춰있다가 필요시 가동되는 능동잔열제거계통을 설계함으로써, 정상운전시 능동잔열제거펌프가 가동됨에 따라 정상운전 동안 불필요한 유량을 흘러 보내 발생할 수 있는 경제적 손실을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 잔열제거계통이 정상운전 동안에 비정상적으로 작동될 때, 노심 통과 유량이 증가함에 따라 위의 특성을 지니는 연구로에서 수조 관통높이에서의 냉각배관 내에서 기포발생을 방지하기 위하여 잔열제거 계통을 단순화시키며, 이에 따라 1차냉각펌프의 헤드도 작은 용량을 사용할 수 있기 때문에 경제적 이득을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 작은 헤드의 펌프를 이용하기 때문에 능동잔열제거펌프가 비정상적으로 작동하더라도 펌프 특성상 1차냉각계통의 높은 헤드를 이기지 못하여 유량을 형성시키지 못하여, 1차냉각계통 유량을 증가시키지 못해 수조관통높이에서의 압력에 변화를 주지 않게 되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면 능동잔열제거계통의 위치를 노심 상부에 설치함에 따라 건설비의 이득이 생기며, 능동잔열제거계통 배관의 파단시를 대비하여 안전등급의 싸이폰 브레이커를 설치하지 않아도 됨으로 경제적 이득을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

여기에서 능동제거계통이 1차냉각계통의 수조관통 높이보다 높게 설치되며 1차냉각계통에서 분리되기 때문에, 능동잔열제거계통이 작동되지 않은 상태에서 능동잔열제거계통 배관 내의 압력이 수조관통높이의 1차냉각계통 배관의 압력보다 낮아져 능동잔열제거계통 내에 기포가 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 1차냉각계통에서 분기되는 지점에 체크밸브를 설치하여 1차냉각계통펌프가 작동될 때에는 열리게 함으로써 능동잔열제거계통이 작동되지 않는 상황에서 계통 내에 기포가 형성되어 쌓이는 것을 방지할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치를 도시한 계락도이다.

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.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치를 도시한 계통도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치는 연구로(10) 내부의 노심 잔열 제거를 위해 1차냉각계통(30; Primary Cooling System) 및 능동잔열제거계통(40; Active Residual Heat Removal System)을 포함하여 구성된다.

여기서, 연구로(10)는 수조(20) 내에서 개방된 상태로 수조수(21)에 잠겨 설치되는 개방형으로 이루어지고, 고출력으로 많은 잔열 제거 유량을 필요로 할 때, 잔열 제거를 위해 오랜 시간 동안 노심 하향 유동을 갖도록 구성된다.

그리고, 상기한 개방형 연구로(10)에 적용되는 본 실시예의 노심 잔열 제거 장치는 정상운전시 연구로(10)의 노심 잔열 제거를 위한 2개의 상기 1차냉각계통들(30: A, B)이 설치되고, 비상정지시 연구로(20)의 노심 잔열 제거를 위한 능동잔열제거계통(40)이 각각의 1차냉각계통(30)에 부가되어 설치되는 것을 예시한다.

이처럼, 상기한 능동잔열제거계통(40)을 1차냉각계통(30)에 부가 구비되도록 구성함으로써 1차냉각계통(30)과 중복적으로 사용되는 구성을 제거하여 능동잔열제거계통(40)의 설치 비용을 절감시킬 뿐만 아니라 장치의 구성을 단순화시킬 수 있는 효과를 가지게 된다.

상기한 1차냉각계통(30)은 1차냉각배관(31) 및 1차냉각펌프(32)를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기서, 1차냉각배관(31)은 상기 연구로(10) 내부의 노심으로부터 냉각수를 상기 수조 외부로 인출 가능하게 연장 설치되고, 1차냉각펌프(32)는 상기 1차냉각배관(31) 상에 설치되어, 상기 냉각수가 상기 연구로(20) 내부에서 노심 하향 유동을 거친 후 상기 수조(20) 외부로 인출시켜 연구로(10) 노심에서 발생한 열을 열교환기와 냉각타워 등을 통해 외부환경으로 방출시키도록 한다.

한편, 능동잔열제거계통(40)은 비상정지시 상기 1차냉각계통(30)의 상기 1차냉각배관(31)을 통해 상기 연구로(10)의 노심으로부터 상기 냉각수를 연속적으로 인출하여 지속적인 잔열 제거가 가능하도록 구성된다.

이처럼, 능동잔열제거계통(40)은 정상운전시에는 멈춰 있다가 필요시에만 작동되기 때문에 정상운전시에도 능동잔열제거를 위해 펌프가 가동되어 불필요한 유량을 흘러 보내 경제적 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 1차냉각배관(31)을 통해 잔열 제거 유량을 형성시킨 후 수조수(21) 내에 배출하도록 함으로써 개방형 연구로(20)에서도 잔열제거 요구 유량을 노심에 통과시킬 수 있기 때문에 노심 잔열 제거를 위한 냉각수의 하향 유동을 지속시킴으로써, 잔열냉각 기간 동안에 발생하는 유동 역전 시간을 필요한 만큼 지연시킬 수 있게 된다.

한편, 본 실시예의 상기 각 1차냉각계통(30)의 상기 1차냉각펌프(32)에는 관성 휠(33)이 추가되어 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 관성 휠(33)은 비상정지시 후술하는 상기 비상발전기(44)로 상기 능동잔열제거계통(40)의 능동잔열제거펌프(42)를 구동시키는데 필요한 기설정된 시간 동안 상기 1차냉각펌프(32)를 관성 운전시키도록 한다.

즉, 사고가 발생하여 연구로(20)가 정지된 후 노심내에 발생된 잔열은 초기에 높고 급격하게 떨어지는 특성을 지니기 때문에, 초기에는 유량이 높다가 관성(Inertia)에 따라 감소하는 특성을 지니는 관성 휠(33)을 설치하여 1차냉각계통(30)의 임시 운전을 통해 초기의 잔열을 제거할 수 있도록 하는 것이다.

이처럼, 관성 휠(33)을 사용함으로써 비상정지시 초기에 높은 잔열을 제거하기 위해서 높은 유량을 지속적으로 생성시키기 위한 큰 용량의 펌프를 사용하지 않아도 되므로 후술하는 펌프 및 비상발전기 등의 설계 규모를 줄여 경제적 이득을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 1차냉각냉계통(30)의 상기 1차냉각배관(31) 상에는 적어도 하나 이상의 유량측정기(34)가 더 구비될 수 있다.

즉, 연구로(10) 및 1차냉각계통(30)의 1차냉각펌프(32)에 사고로 인해 전원 공급이 중단되어 비상 정지되는 경우 1차냉각배관(31) 내에 흐르는 냉각수의 유량이 저하되게 된다.

따라서, 유량측정기(34)를 통해 측정된 1차냉각배관(31) 내의 유량값이 설정치 이하가 되는 경우 후술하는 제어기(45)를 통해 능동잔열제거계통(40)을 비상 가동시켜 지속적인 연구로(20)의 노심 잔열 제거가 이루어지게 자동 제어하도록 한다.

한편, 유량측정기(34)는 1차냉각계통(30)의 유량이 감소하게 되면 원자로를 정지시키기 위한 RPS신호를 발생을 위한 유량 감지 수단으로 사용될 수 있다.

그리고, 본 실시예의 능동잔열제거계통(40)은 능동잔열제거배관(41), 능동잔열제거펌프(42), 비상발전기(44), 제어기(45), 역류방지밸브(43) 및 차단밸브(46, 47)들을 포함하여 구성되는 것을 예시한다.

능동잔열제거배관(41)은 상기 1차냉각배관(31) 상에서 분지되어 상기 연구로(10)의 노심으로부터 인출된 상기 냉각수를 상기 수조수(21) 내에 배출할 수 있게 유로를 형성하도록 가설된다.

그리고, 능동잔열제거펌프(42)는 상기 능동잔열제거배관(41) 상에 설치되어 상기 1차냉각펌프(32)의 비상정지시 작동되어 상기 냉각수를 상기 수조수(21) 내로 순환 배출시키도록 한다.

여기서, 능동잔열제거배관(41)은 상기 냉각배관(31) 상에서 상기 냉각펌프(32) 이전에서 분지되되, 상기 연구로(10) 보다 더 높은 위치에서 분지되게 가설되는 것이 바람직하다.

즉, 높은 출력이고 노심하향유동이 요구되는 연구로(10)는 정상운전시 노심 요구유량이 높아지게 되면 노심압력강하가 커지게 된다. 상기한 노심압력강하를 방지하기 위해 냉각배관(31)의 최상단 배관 높이를 가능한 낮추어 설치하는 것이 바람직하나 1차냉각계통(30)이 파단 되더라도 연구로(10)가 수조수(21) 내에 잠겨 있어야 하는 것이 연구로(10) 안전의 핵심이기 때문에 수조(20) 관통높이 즉, 1차냉각계통(30)의 최상단 배관 높이에 제약이 따르게 된다.

따라서, 1차냉각배관(31)의 수조(20) 관통 최소높이 즉, 최상단 배관 높이는1차냉각배관(31) 파단시 싸이폰 브레이커 작동 이후 요구되는 연구로 상부의 수조수(21) 수위에 의해 결정되게 된다.

그러나, 1차냉각배관(31)의 수조 관통높이가 높아지게 되면 수조수(21)의 높이와 노심압력강하의 관계에 따라 수조 관통높이에서 1차냉각배관(31)내 압력이 포화 증기압까지 떨어져 1차냉각계통(30) 내의 냉각수가 기화될 수 있다. 1차냉각배관(31)일부에서 기포가 생성되면 원자로(10)나 1차냉각펌프(32)에 치명적인 손상을 줄 수 있기 때문에 이러한 현상을 방지하여야만 한다.

한편, 능동잔열제거펌프(42)는 멈춰 있다가 사고 후 1차냉각펌프(32)의 정지시에만 사용되기 때문에 정상운전시 노심유량이 증가시키지 않기 때문에 연구로의 노심 높이보다 높게 1차냉각배관(31)의 수조 관통 높이가 형성되더라도 그 내부에서의 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 정상운전시 능동잔열제거계통(40)이 비정상적으로 작동되게 되면, 노심유량이 증가되고 이에 따라 1차냉각계통내 압력강하가 증가될 수 있어, 이에 따른 1차냉각배관의 수조 관통높이에서의 기포발생도 방지하여야 한다. 이를 위해서는 상기한 능동잔열제거계통(40)을 최대한 단순화하여 헤드 손실(Head Loss)을 최소화하는 것이 요구된다.

상기한 능동잔열제거계통(40)의 헤드 손실을 최소하기 위하여 원자로(10) 상단부 근처 즉, 1차냉각배관(31)이 수조(20)를 관통하는 부근에서 분지되도록 연결하는 것이 바람직하고 아울러 배관 길이 및 엘보(elbow)등의 기기개수를 최소화하는 것이 바람직하다.

이처럼, 능동잔열제거계통(40)의 헤드 손실(Head Loss)를 최소화하는 경우 1차냉각펌프(32)가 정상운전시에는 1차냉각계통(30)의 전체 헤드(head)가 상대적으로 크기 때문에 비정상적으로 능동잔열제거펌프(42)가 작동되더라도 능동잔열제거계통(40)으로 흐르는 유량이 형성되지 못하기 때문에 전체 노심유량이 증가되는 것을 방지 할 수 있어 1차냉각배관(31)의 수조(20) 관통높이에서 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 능동잔열제거배관(41)이 파단될 경우에도 연구로(10)가 수조수(21)내에 계속 잠겨있기 위해서는 능동잔열제거계통(40)의 기기 및 배관을 1차냉각배관(31)의 수조(20) 관통높이보다 높게 하거나 또는 능동잔열제거계통(40) 내에 싸이폰 브레이커를 설치해야 한다. 그러나, 싸이폰 브레이커를 설치하게 되면 안전등급의 밸브 및 신호가 필요하게 되며 다중성을 위해 많은 개수의 밸브가 설치되어야만 한다.

따라서, 능동잔열제거계통(40)의 능동잔열제거배관(41)을 전술한 바와 같이 1차냉각배관(31)이 수조를 관통하는 부근에서 상기 연구로(10)의 노심보다 더 높게 위치하도록 분지되어 설치되는 것이 바람직하다.

제어기(45)는 전술한 바와 같이 상기 유량측정기(34)에 의해 측정된 유량값이 설정치 이하인 경우 상기 능동잔열제거펌프(42) 가동시켜 자동 제어하도록 구성된다.

비상발전기(44)는 상기 능동잔열제거펌프(42)에 전기적으로 연결되어 작동에 필요한 비상 전력을 생산하여 공급하도록 한다. 본 실시예에서 비상발전기(44)는 비상디젤발전기(EDG; Emergency Diesel Generater)인 것을 예시한다.

즉, 사고가 발생하게 되면 외부 전원(Off-site Power)으로 작동되는 모든 펌프의 전원이 끊긴다고 가정하기 때문에 상기한 능동잔열제거펌프(42)가 전원이 끊기더라도 가동될 수 있도록 하기 위해서는 비상디젤발전기(44)가 필요하게 된다.

관성 휠(33; Flywheel)에 의한 연구로(10) 내에서 노심하향유동이 멈춰지기 전에 1차냉각계통(30)의 유량이 감소하게 되면 전술한 바와 같이 제어기(45)를 통해 비상디젤발전기(44)를 가동시키게 된다.

따라서, 비상디젤발전기(44)가 가동하는 데에는 일정 시간이 걸리기 때문에 이를 고려하여 관성 휠(33; Flywheel)을 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 능동잔열제거배관(41) 상에는 계통 운전 및 펌프 보수 등을 위해 역류방지밸브(43) 및 차단밸브들(46, 47)이 더 구비될 수 있다.

여기서, 역류방지밸브(43)는 상기 능동잔열제거배관(41) 상에서 상기 능동잔열제거펌프(42) 이전에 설치되는 것이 바람직하다.

즉, 1차냉각계통(30) 내의 수조(20) 관통높이 압력이 포화증기압보다 많이 높지 못하면, 수조(20) 관통 높이보다 높은 곳에 설치된 능동잔열제거배관(40)내에는 수두차에 의한 압력이 낮아져 기포가 발생될 수 있다. 이 기포가 발생된 후 능동잔열제거계통(30)을 운전하게 될 때 기포가 능동잔열제거펌프(42) 또는 원자로(10) 노심으로 흘러 들어가게 되면 더 큰 문제를 야기할 수 있다.

따라서, 상기 능동잔열제거배관(41) 상에서 상기 능동잔열제거펌프(42) 이전에 상기한 역류방지밸브(43)를 설치함으로써, 상기한 역류방지밸브(43)가 정상운전시에는 1차냉각계통(30)의 압력보다 운전이 되지 않는 능동잔열제거계통(40)의 압력이 수두압으로 인해 높기 때문에 닫혀 있게 되며, 사고로 인해 1차냉각계통(30)의 비상정지시 에 능동잔열제거계통(40)이 가동되면 역류방지밸브(43)의 전단 압력이 후단 압력보다 높아지므로 열리게 된다.

즉, 정상운전시 역류방지밸브(43)가 닫혀있게 되면, 1차냉각계통(30)과 능동잔열제거계통(40)이 분리되기 때문에 운전되는 1차냉각계통(30)의 낮은 압력이 능동잔열제거계통(40)의 압력과 분리되어 능동잔열제거계통(40)내에 기포가 생성되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 차단밸브들(46, 47)은 상기 능동잔열제거배관(41) 상에서 상기 능동잔열제거펌프(42) 전, 후 단에 인접하게 설치되어, 능동잔열제거펌프(42)의 수리 및 교체가 가능하도록 한다.

한편, 상기한 차단밸브들(46, 47)은 상기한 제어기(45)에 의해 단속 제어되어 운전자의 실수 등에 의해 차단밸브들(46, 47)이 닫힌 상태에서 능동잔열제거펌프(42)가 가동되는 것을 방지하여 능동잔열제거펌프(42)의 파손을 방지할 수 있도록 한다.

전술한 바와 같이 본 실시예의 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치에 따르면, 1차냉각계통의 관성 휠(33)과 능동잔열제거계통(40)을 추가 구성하여 높은 잔열 제거 필요 기간과 상대적으로 낮은 잔열이지만 지속적으로 발생하는 잔열을 제거하는 기간을 구분하여 잔열을 제거할 있도록 함으로써, 연구로(10)가 고장으로 인해 비상정지시에도 지속적인 잔열 제거가 가능하도록 한다. 또한, 개방형 연구로(20)에서 발생하는 말기 잔열제거 상태인 자연순환으로 인한 노심향상유동으로 인해 발생하는 유동 역전 시간을 요구시간만큼 지연시키기 위해 노심하향 유동을 지속적으로 유지시킬 수 있다. 이와 더불어 초기 높은 잔열을 제거하기 위해서 높은 유량을 지속적으로 생성시키기 위한 큰 용량의 펌프를 사용하지 않아도 됨으로 펌프 및 비상발전기 등의 설계에 있어서 경제적 이득을 얻을 수 있고, 능동잔열제거계통(40)의 배관의 파단시를 대비하여 안전등급의 싸이폰 브레이커를 설치하지 않아도 됨으로 경제적 이득을 얻을 수 있는 진일보한 상위 효과를 가지게 된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 연구로 20: 수조
21: 수조수 30: 1차냉각계통
31: 냉각배관 32: 냉각펌프
33: 관성 휠 34: 유량측정기
40: 능동잔열제거계통 41: 능동잔열제거배관
42: 능동잔열제거펌프 43: 역류방지밸브
44: 비상디젤발전기 45: 제어기
46, 47: 차단밸브

Claims

수조 내에서 개방된 상태로 수조수에 잠겨 설치되는 연구로;
상기 연구로 내부의 노심으로부터 냉각수를 상기 수조 외부로 인출 가능하게1차냉각배관이 연장 설치되고, 상기 1차냉각배관 상에 설치되는 1차냉각펌프에 의해 상기 냉각수가 상기 연구로 내부에서 노심 하향 유동을 거친 후 상기 수조 외부로 인출시켜 외부환경으로 방출되도록 하는 1차냉각계통; 및
비상정지시 상기 1차냉각계통의 상기 1차냉각배관을 통해 상기 연구로의 노심으로부터 상기 냉각수를 연속적으로 인출하여 상기 수조수 내로 배출하여 지속적인 잔열 제거가 가능하도록 하는 능동잔열제거계통;을 포함하고,

상기 능동잔열제거계통은,
상기 1차냉각배관 상에서 분지되어 상기 1차냉각배관을 통해 상기 연구로의 노심으로부터 인출된 상기 냉각수를 상기 수조수 내에 배출할 수 있게 유로를 형성하도록 가설되는 능동잔열제거배관;
상기 능동잔열제거배관 상에 설치되어 상기 1차냉각펌프의 비상정지시 작동되어 상기 냉각수를 상기 수조수 내로 배출시키도록 하는 능동잔열제거펌프; 및
상기 능동잔열제거펌프에 전기적으로 연결되어 작동에 필요한 비상 전력을 생산 공급하는 비상발전기;를 포함하는 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치.
제1항에서,
상기 1차냉각계통은,
상기 1차냉각펌프에 설치되어 비상정지시 상기 비상발전기로 상기 능동잔열제거펌프를 구동시키는데 필요한 기설정된 시간 동안 상기 1차냉각펌프가 관성 운전되도록 하는 관성 휠;을 포함하는 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치.
제2항에서,
상기 능동잔열제거배관은,
상기 1차냉각배관 상에서 상기 1차냉각펌프 이전에서 분지되되,
상기 연구로의 노심보다 더 높은 위치에서 분지되게 가설되는 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치.
제3항에서,
상기 능동잔열제거배관 상에서 상기 능동잔열제거펌프 이전에 역류 방지 밸브가 설치되는 개방형 연구로의 노심 잔열 제거 장치.
제4항에서,
상기 능동잔열제거배관 상에서 상기 능동잔열제거펌프 전, 후 단에 인접하게 각각의 차단밸브가 구비되는 개방형 연구로의 노심 잔열 제거 장치.
제5항에서,
상기 1차냉각계통의 상기 냉각배관 상에는 적어도 하나 이상의 유량측정기가 더 구비되고,

상기 능동잔열제거계통은
상기 1차냉각펌프의 정상운전시는 가동하지 않다가 상기 유량측정기에 의해 측정된 유량값이 설정치 이하에서 상기 능동잔열제거펌프를 가동시키도록 자동 제어하기 위한 제어기;를 더 포함하는 개방형 연구로의 노심 잔열 제거 장치.
제6항에서,
상기 각 차단밸브들은 상기 제어기에 의해 단속 제어되는 개방형 연구로의 노심 잔열 제거 장치.