KR101513138B1 - 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부; 및 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 압력강하에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함하는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전을 개시한다.

Description

피동안전설비 및 이를 구비하는 원전{PASSIVE SAFETY FACILITY AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 유체의 자연순환 성능을 향상시켜 격납부 내부의 냉각 성능을 향상시킨 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.

원자로는 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 등)가 원자로용기 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 상용 원자로: 국내)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로: 국내)로 나뉜다.

또한 원자로는 안전계통의 구현 방식에 따라 능동형원자로와 피동형원자로로 나뉜다. 능동형원자로는 안전계통을 구동하기 위해 비상발전기 등의 전력에 의해 작동하는 펌프와 같은 능동 기기를 사용하는 원자로이며, 피동형원자로는 안전계통을 구동하기 위해 중력 또는 가스압력 등의 피동력에 의해 작동하는 피동 기기를 사용하는 원자로이다. 피동형원자로에서 피동안전계통(passive safety system)은 사고가 발생하는 경우 규제요건에서 요구하는 시간 (72시간) 이상 동안 운전원 조치나 비상 디젤 발전기와 같은 안전등급의 교류(AC) 전원이 없이 계통에 내장되어 있는 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지하고, 72시간 이후는 안전계통이 운전원 조치나 비안전계통의 도움을 받아도 되는 계통이다.

종래의 기술에서는 철재격납용기와 증기발생기 2차측을 이용하는 피동잔열제거계통을 이용하여 피동잔열제거계통과 피동격납건물냉각계통을 구성하였다(특허공개번호: 제10-2013-0047871). 그러나 종래의 기술에서 적용하고 있는 철재격납용기는 제작의 어려움, 유지보수 및 경제성 등의 문제로 강화콘크리트를 이용하는 격납건물 형태로 변화하는 추세에 있다. 이하에서는 피동잔열제거계통과 피동격납건물냉각계통에 대하여 설명한다.

먼저, 피동잔열제거계통은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원자로에서 사고 시 원자로냉각재계통의 열(원자로냉각재계통의 현열 및 노심의 잔열)을 제거하는 계통으로 채용되고 있다. 피동잔열제거계통의 냉각수 순환 방식으로는 원자로 1차 냉각수를 직접 순환시켜 원자로냉각재계통를 냉각하는 방식(AP1000: 미국 웨스팅하우스)과 증기발생기를 이용하여 2차 냉각수를 순환시켜 원자로냉각재계통을 냉각하는 방식(SMART 원자로: 국내) 두 가지가 주로 사용되고 있으며, 1차 냉각수를 탱크에 주입하여 직접 응축시키는 방식(CAREM:아르헨티나)도 일부 이용되고 있다.

또한, 피동잔열제거계통의 열교환기(응축열교환기)의 외부를 냉각하는 방식으로는 대부분의 원자로에서 적용하고 있는 수랭식(water-cooled, AP1000)과, 일부 공랭식(air-cooled, WWER 1000:러시아)과 수-공랭식 병용 방식(IMR:일본)이 이용되고 있다. 피동잔열제거계통의 열교환기는 원자로냉각재계통으로부터 전달받은 열을 비상냉각수저장부 등을 통해 외부(최종 열침원)로 전달하는 기능을 수행하며, 열교환기 방식으로 열전달 효율이 뛰어난 증기 응축현상을 이용한 응축열교환기가 많이 채용되고 있다.

다음으로, 피동격납건물냉각계통은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원자로에서 사고 시 원자로냉각재계통으로부터 냉각수가 방출되어 상승하는 격납건물(원자로건물, 격납용기, 또는 안전보호용기) 내부의 압력을 감소시키고 열을 제거하기 위한 계통으로 채용되고 있다. 피동격납건물냉각계통의 구성방식으로는 격납건물로 방출된 증기를 감압시키는 감압탱크(suppression tank)를 이용하는 방식(상용 BWR, CAREM:아르헨티나, IRIS:미국 웨스팅하우스사 등), 철재격납용기를 적용하고 외벽을 냉각(스프레이, 공기)시키는 방식(AP1000:미국 웨스팅하우스사) 그리고 열교환기를 이용하는 방식(SWR1000:프랑스 프라마톰ANP, AHWR:인도, SBWR:미국 GE) 등이 이용되고 있다.

이상에서와 같이 증기발생기 2차측을 이용하는 피동잔열제거계통은 일반적으로 격납건물 외부에 열침원(비상냉각수저장부)을 설치하고 응축열교환기에서 냉각된 냉각수를 증기발생기로 공급하고 원자로냉각재계통의 열을 제거하면서 형성된 증기는 다시 응축열교환기로 자연순환하는 방식을 많이 이용하고 있다(특허공개번호: 제10-2013-0047871). 한편, 피동격납건물냉각계통은 별도의 유동을 유발하는 수단이 없이 격납건물 내부에서 형성되는 자연순환 유동에 의해 격납건물 내부의 열을 제거하는 방식이 일반적으로 이용되고 있다. 또한, 피동잔열제거계통과 피동격납건물냉각계통은 별도의 계통으로 구성하는 방식이 일반적으로 이용되고 있다.

종래의 피동격납건물냉각계통은 유동을 형성시켜주기 위한 별도의 기구(device)가 없이 자연순환유동에 의해서만 그 성능이 결정되었다. 이러한 구성에서는 대기(공기와 증기)가 흐르는 면의 열전달계수가 작아 특히 자연대류 조건 등에서 유동이 약한 경우에는 열교환기의 크기를 상대적으로 크게 증가시켜야 하는 문제가 있었다. 한편 열교환기는 격납건물의 압력경계를 형성하는 구조물이므로 열교환기 크기가 증가하는 경우 압력경계의 손상 가능성이 증가하여 안전성을 저하시킬 수 있다는 문제도 있었다.

본 발명의 일 목적은, 단순한 자연순환유동에서 벗어나 자연순환을 향상시키는 설비를 이용하여 격납부의 내부를 냉각하는 성능이 향상된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 종래의 피동잔열제거계통 및 피동격납건물냉각계통의 기능을 모두 수행하고, 원자로냉각재계통에서 전달된 열을 외부 환경으로 방출할 수 있는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 열교환기의 크기 증가 없이도 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전을 개시하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은, 격납부 내부의 자연 순환을 향상시켜 격납부 내부의 방사성 물질의 농도를 조기에 낮추어 줄 수 있는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전을 개시하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동안전설비는, 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부, 및 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 압력강하에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 순환유도 분사기구는, 상기 제1유체를 공급받도록 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기와 연결되고 공급받은 상기 제1유체를 분사하도록 형성되는 제1유체 분사부, 및 적어도 일부가 상기 제1유체 분사부보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 상기 제1유체 분사부를 둘러싸며 상기 제1유체 분사부와의 사이에 형성되는 환형의 공간을 통해 상기 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체 분사부로부터 분사되는 상기 제1유체와 함께 상기 냉각부에 공급하는 순환유체 분사부를 포함한다.

상기 제1유체 분사부는 상기 제1유체를 상기 순환유체 분사부에 분사하는 노즐을 구비할 수 있다.

상기 순환유체 분사부는, 상기 제1유체의 분사 시 국부적인 압력강하를 유발하도록 주변보다 좁은 내경으로 형성되는 목, 상기 제1유체가 분사되면서 상기 목에 유발되는 압력강하에 의해 상기 제2유체가 인입되도록 상기 노즐의 둘레에 환형으로 형성되는 제2유체 인입부, 및 상기 목을 통과한 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 상기 냉각부로 원활히 유도하는 디퓨저를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉각부는 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 냉각시켜 응축수를 형성하고, 상기 피동안전설비는 상기 냉각부에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하도록 상기 냉각부의 하부에 설치되는 냉각수 저장부를 더 포함한다.

상기 피동안전설비는, 상기 냉각부에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하여 상기 냉각수 저장부로 회수시키도록 상기 냉각부와 상기 냉각수 저장부 사이에 설치되는 응축수 집수부를 더 포함할 수 있다.

상기 피동안전설비는, 상기 응축수 집수부에 집수된 응축수를 상기 냉각수 저장부로 전달하는 유로를 형성하도록 상기 응축수 집수부에서 상기 냉각수 저장부로 연장되는 회수배관을 더 포함할 수 있다.

상기 피동안전설비는, 상기 제1유체를 상기 냉각수 저장부에서 상기 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통을 거쳐 상기 순환유도 분사기구로 순환시키는 유체 순환부를 더 포함하고, 상기 유체 순환부는, 상기 냉각수 저장부 내부의 냉각수를 상기 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통으로 공급하도록 상기 원자로냉각재계통에 연결되는 유체공급배관, 및 상기 원자로냉각재계통을 통과한 상기 제1유체를 상기 순환유도 분사기구로 공급하도록 상기 원자로냉각재계통과 상기 순환유도 분사기구를 연결하는 유체순환배관을 포함할 수 있다.

상기 냉각수 저장부는, 상기 원자로냉각재계통 내부의 현열 및 잔열을 제거하도록 상기 원자로냉각재계통의 내부에 설치된 증기발생기로 공급될 순수 냉각수를 저장하는 순수 냉각수 저장부, 및 상기 원자로냉각재계통의 수위를 유지시키도록 상기 원자로냉각재계통 내부로 주입될 붕산수를 저장하는 붕산수 저장부를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉각부는, 내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고 열전달에 의한 온도 상승 시 상기 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상기 격납부의 외부에 설치되는 비상냉각수저장부, 및 상기 격납부의 내부에 설치되어 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 비상냉각수저장부와 연결되며 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각수를 통과시켜 상기 제1유체 및 상기 제2유체로부터 열을 전달받도록 형성되는 열교환기를 포함하고, 상기 순환유도 분사기구는 상기 열교환기의 표면에 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 형성된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉각부는, 내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고 열전달에 의한 온도 상승 시 상기 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상기 격납부의 외부에 설치되는 비상냉각수저장부, 및 상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되어 상기 격납부의 내부와 통하도록 상기 격납부를 관통하는 연결배관과 연결되며 상기 격납부에서 유입되는 유체를 통과시켜 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각수와 열교환을 유도하는 열교환기를 포함하고, 상기 순환유도 분사기구는 상기 연결배관 내부로 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 상기 연결배관에 연결된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉각부는, 내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고 열전달에 의한 온도 상승 시 상기 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상기 격납부의 외부에 설치되는 비상냉각수저장부, 상기 격납부의 내부에 설치되어 상기 격납부 내부의 유체와 열교환하는 제1열교환, 및 상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되어 폐회로를 형성하도록 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 제1열교환기와 연결되며 상기 폐회로를 순환하는 유체에 전달된 열을 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각수에 전달하는 제2열교환기를 포함한다.

상기 냉각부는, 내부에 유체를 저장하도록 형성되고 상기 폐회로 내의 유체를 보충하도록 상기 연결배관과 연결되는 보충탱크를 더 포함할 수 있다.

또한, 이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전설비는, 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부, 및 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 터빈의 회전력에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함한다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 피동안전설비를 구비하는 원전을 개시한다. 본 발명에서 개시하는 원전은, 원자로냉각재계통, 방사성 물질이 외부 환경으로 누출되는 것을 방지하도록 상기 원자로냉각재계통을 감싸는 격납부, 및 상기 원자로냉각재계통의 열을 제거하도록 상기 원자로냉각재계통 내부로 유체를 순환시키고 상기 원자로냉각재계통에서 방출된 제1유체와 상기 격납부 내부의 제2유체를 함께 냉각하여 상기 격납부 내부의 열을 외부 환경으로 방출하는 피동안전설비를 포함하고, 상기 피동안전설비는, 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부, 및 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 압력강하에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 격납부는, 상기 원자로냉각재계통을 감싸도록 형성되는 철재 격납용기, 및 상기 격납용기와의 사이에 공기순환유로를 형성하도록 상기 격납용기로부터 이격된 위치에서 상기 격납용기를 감싸도록 형성되는 콘크리트재 격납건물을 포함한다.

상기 격납건물은, 상기 공기순환유로를 순환하면서 상기 격납용기를 냉각할 외부 공기를 유입시키도록 적어도 하나의 공기유입구를 구비할 수 있다.

상기 원전은, 냉각수를 저장하도록 형성되어 상기 격납건물의 상부에 설치되고, 상기 격납용기를 냉각하도록 상기 격납용기의 외부면에 냉각수를 살수하는 피동격납용기살수계통을 더 포함할 수 있다.

상기 순환유도 분사기구는 상기 격납용기의 내벽면에 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 형성될 수 있다.

상기 격납용기는 상기 순환유도 분사기구로부터 분사된 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 냉각하여 응축수를 형성하고, 상기 원전은 상기 격납용기의 내벽면에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하도록 상기 순환유도 분사기구 출구의 하부에 설치되는 냉각수 저장부를 더 포함할 수 있다.

상기 원전은, 상기 피동안전설비는 상기 격납용기의 내벽면에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하여 상기 냉각수 저장부로 회수시키도록 상기 냉각부와 상기 냉각수 저장부 사이에 설치되는 응축수 집수부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 순환유도 분사기구는 국부적으로 형성되는 낮은 압력으로 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 증기발생기 또는 원자로냉각재계통의 열을 전달받아 온도가 상승한 제1유체와 함께 분사할 수 있으므로, 피동적인 방법으로 자연순환 이상의 유동을 형성할 수 있다.

또한 본 발명은, 자연순환에만 의지하지 않고 격납부 내부의 유체를 냉각부로 유도할 수 있고, 순환유도 분사기구에 의해 형성되는 유동을 이용해 열교환기의 크기 증가 없이 격납부의 냉각성능을 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로 경제적인 방법으로 원전의 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은, 격납부 내부의 압력과 온도, 그리고 격납부 내부 대기 중 방사성 물질의 농도를 조기에 낮춰 격납부 내부의 대기 중 방사성 물질의 제거 효율을 증가시키고 제한구역경계거리 (Exclusion Area Boundary, EAB)의 축소 등의 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 정상운전 시를 나타내는 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 순환유도 분사기구를 확대하여 나타낸 개념도.
도 3은 도 1에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 사고발생 시를 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 정상운전 시를 나타내는 개념도.
도 5는 도 4에 도시된 순환유도 분사기구를 확대하여 나타낸 개념도.
도 6은 도 4에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 사고발생 시를 나타내는 개념도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 정상운전 시를 나타내는 개념도.
도 8은 도 7에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 사고발생 시를 나타내는 개념도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 정상운전 시를 나타내는 개념도.
도 10은 도 9에 도시된 순환유도 분사기구를 확대하여 나타낸 개념도.
도 11은 도 9에 도시된 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 사고발생 시를 나타내는 개념도.
도 12 내지 도 14는 순환유도 분사기구의 변형례를 나타낸 개념도.

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 정상운전 시를 나타내는 개념도이다.

원전(10)은 원자로냉각재계통(11), 격납부(12) 및 피동안전설비(100)를 포함한다.

원자로냉각재계통(11)의 내부에는 노심(11a)과 증기발생기(11b)가 구비되며, 증기발생기(11b)의 하부는 급수관(13a)에 의해 급수계통(13)과 연결되고, 증기발생기(11b)의 상부는 증기관(14a)에 의해 터빈계통(14)과 연결된다.

격납부(12)는 방사성 물질이 외부 환경으로 누출되는 것을 방지하도록 원자로냉각재계통(11)을 감싼다. 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 등의 사고 발생 시 원자로냉각재계통(11)으로부터 방사성 물질이 누출될 우려가 있으므로, 격납부(12)는 원자로냉각재계통(11)의 외부에서 상기 원자로냉각재계통(11)을 감싸도록 형성되어 방사성 물질의 누출을 방지한다.

격납부(12)는 원자로냉각재계통(11)으로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종 방벽 역할을 한다. 격납부(12)는 압력경계를 구성하는 재료에 따라 강화콘크리트로 구성하는 격납건물(또는 원자로건물)과 철재용기로 구성하는 격납용기와 안전보호용기로 나뉜다. 격납용기는 격납건물과 같이 저압으로 설계되는 대형용기이며, 안전보호용기는 설계압력을 증가시켜 소형으로 설계되는 소형용기이다. 본 발명에서 격납부(12)는 특별한 언급이 없는 한 격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등을 통칭한다. 도 1에 도시된 격납부(12)는 강화콘크리트로 형성된 격납건물이 도시되어 있다.

격납부(12)의 내부에는 원전(10)의 안전성 유지를 위한 다양한 유체들이 존재한다. 원자로냉각재계통(11)에는 냉각재의 수위를 유지시키기 위한 유체가 채워져 있다. 또한, 격납부(12)의 내부에는 각종 사고를 대비한 유체들도 저장되어 있다. 이하에서는 격납부(12) 내부의 유체들 중 원자로냉각재계통(11)으로부터 방출된 유체를 제1유체로 구분하고, 원자로냉각재계통(11)과 격납부(12) 사이의 공간에 존재하는 유체를 제2유체로 구분하여 설명한다. 다만, 유체에 대한 이러한 구분이 유체의 성질이나 유체를 구성하는 물질과는 관계가 없다. 따라서, 제1유체와 제2유체가 서로 같은 종류의 유체일 수도 있다.

피동안전설비(100)는 1차 냉각수 순환방식 또는 2차 냉각수 순환방식을 이용하여 원자로냉각재계통(11)의 열을 제거하도록 원자로냉각재계통(11)으로 유체를 순환시키고, 원자로냉각재계통(11)으로부터 방출된 제1유체와 격납부(12) 내부의 제2유체를 함께 냉각하여 격납부(12) 내부의 열을 외부 환경으로 방출하도록 이루어진다. 피동안전설비(100)는 격납부(12) 내부에서 발생하는 순수한 자연대류 유동을 이용하는 종래의 방식에서 벗어나, 자연순환을 촉진시키도록 형성되는 구조를 이용하여 피동적인 방법으로 격납부(12) 내부의 열 및 압력 감소 효율과 방사성 물질의 제거 효율을 증가시키도록 이루어진다.

피동안전설비(100)는 냉각부(110) 및 순환유도 분사기구(120)를 포함한다.

냉각부(110)는 원자로냉각재계통(11)으로부터 방출된 제1유체를 격납부(12) 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성된다. 냉각부(110)는 상기 제1유체와 제2유체를 냉각함에 따라 상기 제1유체와 제2유체로부터 전달받은 열을 외부 환경으로 방출시키고, 냉각된 제1유체와 제2유체를 냉각수 저장부(130)로 회수시키도록 이루어진다.

냉각부(110)는 비상냉각수저장부(111) 및 열교환기(112)를 포함한다.

비상냉각수저장부(111)는 내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고, 제1유체와 제2유체로부터 열을 전달받아 냉각수의 온도가 상승하게 되면 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부 환경으로 방출한다. 비상냉각수저장부(111)는 냉각수를 외부 환경으로 증발시키는 것이 가능하도록 상부의 적어도 일부가 개방되어 있다.

열교환기(112)는 비상냉각수저장부(111)의 내부에 설치되어 격납부(12)의 내부와 통하도록 상기 격납부(12)를 관통하는 연결배관(113)에 연결된다. 열교환기(112)는 격납부(12)에서 연결배관(113)을 통해 유입되는 유체를 통과시켜 비상냉각수저장부(111) 내부에 저장된 냉각수와의 열교환을 유도한다. 격납부(12)에서 연결배관(113)을 통해 유입되는 유체는 원자로냉각재계통(11)으로부터 방출된 제1유체와 격납부(12) 내부의 제2유체를 포함한다.

연결배관(113)은 격납부(12)와 비상냉각수저장부(111)를 관통하여 격납부(12)의 내부와 열교환기(112)를 연결한다. 연결배관(113)에는 유지 보수를 위한 격리밸브(114)가 설치될 수 있다.

순환유도 분사기구(120)는 제1유체와 제2유체를 냉각부(110)로 분사하도록 형성된다. 제1유체가 분사되면서 유발되는 압력강하에 의해 격납부(12) 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사한다. 순환유도 분사기구(120)의 구체적인 구조와 작동 매커니즘은 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 순환유도 분사기구(120)를 확대하여 나타낸 개념도이다.

순환유도 분사기구(120)는 제1유체 분사부(121)와 순환유체 분사부(122)를 포함한다.

제1유체 분사부(121)는 원자로냉각재계통(11)과 연결되어 상기 원자로냉각재계통(11)으로부터 제공된 제1유체를 분사한다. 제1유체 분사부(121)는, 도 1에 도시한 바와 같이 원자로냉각재계통(11) 내부의 증기발생기(11b)와 연결되어 상기 증기발생기(11b)를 통과한 제1유체를 공급받을 수 있다.

제1유체를 분사하는 제1유체 분사부(121)는 제1유체를 분사하도록 형성되는 노즐(121a)을 포함한다. 노즐(121a)을 통해 방출된 제1유체는 유로면적이 작은 목(122a)을 통과하면서 급격히 속도가 증가하고 압력이 감소하여 국북적으로 압력강하가 유발된다.

순환유체 분사부(122)는 적어도 일부가 제1유체 분사부(121)보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 제1유체 분사부(121)를 둘러싼다. 이에 따라 제1유체 분사부(121)와의 사이에 환형의 공간을 형성하게 되고, 환형의 공간을 통해 순환유체 분사부(122)의 내부와 격납부(12)의 내부 공간은 서로 통한다.

순환유체 분사부(122)는 압력에 의해 제2유체를 인입시키고, 제1유체와 제2유체를 함께 냉각부(110)로 공급하여 순환시키도록 형성되며, 목(122a), 제2유체 인입부(122b), 디퓨저(122c)를 포함한다.

목(122a)은 제1유체의 분사 시 국부적인 압력강하를 유발하도록 주변보다 좁은 내경으로 형성된다. 도 2에 도시한 바에 의하면, 목(122a)은 제2유체 인입부(122b)나 디퓨저(122c)보다 좁은 내경을 갖도록 형성된다.

제2유체 인입부(122b)는 제1유체가 분사되면서 목(122a)에 유발되는 압력강하에 의해 제2유체를 인입시키도록 노즐(121a)의 둘레에 환형으로 형성된다. 제1유체가 분사되면서 목(122a)에 국부적인 압력강하가 발생하면, 격납부(12) 내부에 있던 제2유체는 제2유체 인입부(122b)를 통해 순환유체 분사부(122)의 내부로 인입된다. 압력강하에 의해 제2유체 인입부(122b)로 유입되는 제2유체의 속도는 증가하게 된다.

디퓨저(122c)는 목(122a)을 통과한 제1유체 및 제2유체에 압력손실을 크게 발생시키지 않으면서 자연스럽게 냉각부(110)로 유도한다. 목(122a)을 통과한 제1유체와 제2유체의 유동이 자연스럽게 확산되지 않으면 유로 저항이 증가하여 순환 유량이 감소하게 되므로, 디퓨저(122c)는 자연스럽게 동압력을 정압력을 바꾸어 줌으로써 유로저항을 감소시켜 제1유체와 제2유체를 원활하게 냉각부(110)에 공급한다.

도 2에 도시한 바와 같이 제2유체 인입부(122b), 목(122a), 디퓨저(122c)는 순차적으로 연결되며, 제2유체 인입부(122b)에서 목(122a)으로 가면서 내경이 점점 감소하고, 목(122a)에서 디퓨저(122c)로 가면서 내경이 다시 증가하도록 형성된다.

순환유체 분사부(122)는 격납부(12)를 관통하는 연결배관(113)에 연결되어 제1유체와 제2유체를 연결배관(113)의 내부로 분사하며, 분사된 제1유체와 제2유체는 도 1에서 설명한 바와 같이 열교환기(112)를 통과하면서 비상냉각수저장부(111) 내부의 냉각수와 열교환한다.

이와 같은 순환유도 분사기구(120)의 구조적인 특징으로 인해 본 발명은 격납부(12) 내부의 순수한 자연대류에 의존하지 않고 제1유체와 제2유체의 순환을 촉진시켜 격납부(12) 내부의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 피동안전설비(100)는 냉각수 저장부(130), 유체 순환부(140), 응축수 집수부(150), 회수배관(160)을 더 포함한다.

냉각수 저장부(130)는 내부에 원자로냉각재계통(11)으로 주입될 냉각수를 저장하도록 형성된다. 냉각수 저장부(130)는 중력수두에 의한 냉각수의 주입이 가능하도록 원자로냉각재계통(11)보다 높은 위치에 설치된다. 원자로냉각재계통(11)이라 함은 증기발생기(11b)를 이용하는 2차 냉각수 순환방식과 원자로냉각재계통(11)으로 직접 냉각수를 주입하는 1차 냉각수 순환방식의 피동잔열제거계통과 피동안전주입계통의 후반부 안전주입 기능을 포괄적으로 지칭한다.

냉각수 저장부(130)에 저장된 냉각수는 용도에 따라 원자로냉각재계통(11)의 잔열제거와 원자로냉각재계통(11)으로의 안전주입 중 적어도 하나에 이용될 수 있다.

사고 발생 시 원자로냉각재계통(11)의 내부에는 현열과 노심(11a)에서 발생하는 잔열이 존재하므로, 상기 현열과 잔열을 제거해 주어야 노심(11a)을 안전하게 유지할 수 있다. 본 실시예에서는 원자로냉각재계통(11) 내부의 증기발생기(11b)로 냉각수를 순환시켜 원자로냉각재계통(11) 내부의 현열 및 잔열을 제거하는 방식을 적용하였다. 냉각수 저장부(130)는 내부에 저장된 냉각수를 잔열제거에 이용하도록 급수관(13a)과 연결될 수 있다.

또한, 사고 발생 시 원자로냉각재계통(11)의 수위가 저하되므로 수위를 유지시키기 위해 원자로냉각재계통(11) 내부로 냉각수를 주입해야 한다. 냉각수 저장부(130)는 내부에 저장된 냉각수를 안전주입에 이용하도록 배관(115)에 의해 안전주입배관(15a)과 연결될 수 있다.

냉각수 저장부(130)는, 도 1에 도시한 바와 같이 잔열제거에 이용될 순수 냉각수와 안전주입에 이용될 붕산수를 각각 구분하여 저장하도록 순수 냉각수 저장부(130a)와 붕산수 저장부(130b)를 따로 구비할 수 있다.

순수 냉각수 저장부(130a)는 원자로냉각재계통(11) 내부의 현열 및 잔열을 제거하도록 증기발생기(11b)로 공급될 순수 냉각수를 저장하고, 붕산수 저장부(130b)는 원자로냉각재계통(11)의 수위를 유지시키도록 원자로냉각재계통(11) 내부로 직접 주입될 붕산수를 저장한다.

유체 순환부(140)는 냉각수 저장부(130)에서 원자로냉각재계통(11)을 거쳐 순환유도 분사기구(120)로 제1유체를 순환시키도록 형성된다. 유체 순환부(140)는 유체공급배관(141)과 유체순환배관(142)을 포함한다.

유체공급배관(141)은 냉각수 저장부(130) 내부의 냉각수를 원자로냉각재계통(11)으로 공급하도록 냉각수 저장부(130)와 원자로냉각재계통(11)을 연결한다. 유체공급배관(141)은 원자로냉각재계통(11)에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 유체공급배관(141)은 도시한 바와 같이 원자로냉각재계통(11) 내부의 증기발생기(11b)로 냉각수를 공급하도록 급수관(13a)과 연결될 수 있다.

유체순환배관(142)은 원자로냉각재계통(11)을 통과한 제1유체를 순환유도 분사기구(120)로 공급하도록 원자로냉각재계통(11)과 순환유도 분사기구(120)를 연결한다. 유체순환배관(142)은 도시한 바와 같이 증기발생기(11b)와 연결되어 증기발생기(11b)에서 방출되는 제1유체를 순환유도 분사기구(120)로 공급할 수 있다.

응축수 집수부(150)는 냉각부(110)에 제1유체와 제2유체가 냉각되어 형성된 응축수를 집수한다. 응축수 집수부(150)는 냉각부(110)에서 낙하하는 응축수를 집수하도록 상부의 적어도 일부가 개구되며 냉각부(110)와 냉각수 저장부(130)의 사이에 설치된다.

회수배관(160)은 응축수 집수부(150)에 집수된 응축수를 다시 냉각수 저장부(130)로 회수시키도록 응축수 집수부(150)에서 냉각수 저장부(130)로 연장된다. 회수배관(160)에는 응축수의 유량을 조절하는 유량조절기(161)가 설치될 수 있다.

응축수가 응축수 집수부(150)에서 집수되고, 회수배관(160)을 통해 냉각수 저장부(130)로 회수되면, 냉각수 저장부(130)에서 출발한 유체의 순환이 완료된다. 본 발명은 자연력에 의한 피동적인 방법으로 유체의 순환을 유도하므로, 유체의 순환은 1순환에서 끝나는 것이 아니라 격납부(12) 내에서 유체의 순환을 유도할 수 있는 충분한 피동력 유지되는 한 계속적으로 지속될 수 있다.

이하에서는 피동안전설비(100) 및 원전(10)의 사고발생 시 작동에 대하여 설명한다.

도 3은 도 1에 도시된 피동안전설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 사고발생 시를 나타내는 개념도이다.

냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고 등의 사고가 발생하면, 급수관(13a)과 증기관(14a)에 각각 설치된 격리밸브(13b, 14b)는 폐쇄되고, 안전주입배관(15a)에 설치된 밸브(15b)들은 개방되어 안전주입설비(15)로부터 원자로냉각재계통(11)으로 안전주입이 이루어진다. 붕산수 저장부(130b)에 저장된 붕산수도 안전주입배관(15a)과 연결된 배관(115)에 설치된 격리밸브(115a)와 체크밸브(115b)가 개방됨에 따라 원자로냉각재계통(11) 내부의 압력이 감소하면 중력수두에 의해 원자로냉각재계통(11) 내부로 안전주입배관(15a)을 통해 주입된다. 붕산수 저장부(130b)에 저장된 붕산수는 안전주입설비(15)에 이어 원자로냉각재계통(11) 내부의 수위를 유지시키는 역할을 한다.

순수 냉각수 저장부(130a)와 급수관(13a)을 연결하는 유체공급배관(141)에 설치된 격리밸브(141a)와 체크밸브(141b)도 개방되어 중력수두에 의한 냉각수의 공급이 시작된다. 냉각수는 급수관(13a)을 통해 증기발생기(11b)의 하부로 공급되고, 증기발생기(11b)에서 원자로냉각재계통(11) 내부의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거하고 증기발생기(11b)의 상부로 방출된다.

유체순환배관(142)에 설치된 격리밸브(142a)도 개방되며, 증기발생기(11b)의 상부로 방출된 제1유체는 유체순환배관(142)을 통해 증발한다. 제1유체는 순환유도 분사기구(120)로 공급되고, 순환유도 분사기구(120)는 유체순환배관(142)을 통해 공급된 제1유체와 격납부(12) 내부에서 압력강하에 의해 인입된 제2유체를 연결배관(113)에 분사한다.

순환유도 분사기구(120)에서 분사된 제1유체와 제2유체는 비상냉각수저장부(111) 내부에 설치된 열교환기(112)를 통과하면서 비상냉각수저장부(111) 내부의 냉각수에 열을 전달하고 냉각 및 응축된다. 비상냉각수저장부(111) 내부의 냉각수는 온도가 상승하면, 증발하여 외부 환경으로 열을 방출한다.

제1유체와 제2유체가 열교환기(112)에서 냉각 및 응축되어 형성된 응축수는 다시 연결배관(113)을 통해 격납부(12) 내부로 유입되고, 연결배관(113)의 하부에 설치된 응축수 집수부(150)로 낙하하여 집수된다. 연결배관(113)에서 응축수와 함께 배출된 비응축성 가스는 격납부(12) 내부로 배출된다. 응축수 집수부(150)에 집수된 응축수는 회수배관(160)을 통해 다시 냉각수 저장부(130)에 회수되며, 유체의 순환은 연속적이고 지속적으로 이루어진다. 다만, 원전(10)의 특성에 따라 응축수를 냉각수 저장부(130)로 직접 수집되도록 구성하는 경우에는 응축수 집수부(150)를 별도로 구비하지 않을 수도 있다.

이하에서는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 다른 실시예에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 정상운전 시를 나타내는 개념도이다.

피동안전설비(200)는 냉각부(210) 및 순환유도 분사기구(220)를 포함한다.

냉각부(210)는 비상냉각수저장부(211), 열교환기(212)를 포함한다.

비상냉각수저장부(211)는 격납부(22)의 외부에 설치되며, 내부에는 냉각수가 저장된다. 열교환기(212)는 비상냉각수저장부(211)의 내부가 아니라 격납부(22)의 내부에 설치되며, 격납부(22)를 관통하는 연결배관(213)에 의해 비상냉각수저장부(211)와 연결된다. 연결배관(213)의 단부에는 냉각수를 분사하는 스파저(215)가 설치될 수 있다. 열교환기(212)는 비상냉각수저장부(211) 내부의 냉각수를 통과시켜 순환유도 분사기구(220)에서 분사되는 제1유체 및 제2유체와 열교환하도록 이루어진다.

도 4에 도시된 순환유도 분사기구(220)의 구조 및 작동에 대하여는 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 도 4에 도시된 순환유도 분사기구(220)를 확대하여 나타낸 개념도이다. (a)는 순환유도 분사기구(220)를 정면에서 바라본 개념도이고, (b)는 순환유도 분사기구(220)를 측면에서 바라본 개념도이다.

열교환기(212)와 연결배관(213) 사이에는 입구헤더(212b)와 출구헤더(212c)가 설치되고, 비상냉각수저장부(211) 내부의 냉각수는 연결배관(213)을 통해 입구헤더(212b)와 출구헤더(212c)를 순차적으로 통과한다. 입구헤더(212b)와 출구헤더(212c) 사이에는 튜브(212a)가 설치되고, 튜브의 둘레에는 사고시 비산물(파편)으로부터 튜브(212a)를 보호하는 케이싱(212d)이 설치된다.

순환유도 분사기구(220)는 도 2에 도시된 순환유도 분사기구(220)와 달리 제1유체와 제2유체를 열교환기(212)의 표면에 분사하도록 형성된다. 순환유도 분사기구(220)에서 분사된 제1유체와 제2유체는 열교환기(212)의 표면에서 열교환기(212) 내부를 통과하는 냉각수와 열교환하여 냉각 및 응축된다.

다시 도 4를 참조하면, 피동안전설비(200)는 냉각수 저장부(230)를 더 포함한다.

냉각수 저장부(230)는 순수 냉각수 저장부(230a)와 붕산수 저장부(230b)를 따로 구비하지 않고, 순수 냉각수 저장부(230a)와 붕산수 저장부(230b)가 통합된 탱크 또는 수조로 형성될 수 있다. 냉각수 저장부(230)는 복수로 구비될 수 있으며, 어느 일부의 냉각수 저장부(230')는 유체공급배관(241)에 의해 급수관(23a)과 연결되고 다른 일부의 냉각수 저장부(230")는 안전주입배관(25a)에 연결될 수 있다.

이하에서는 도 4 및 도 5에서 설명한 피동안전설비(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 사고발생 시 작동을 설명한다.

도 6은 도 4에 도시된 피동안전설비(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 사고발생 시를 나타내는 개념도이다.

원전(20)에서 사고가 발생하면 급수관(23a)과 증기관(24a)에 각각 설치된 격리밸브(23b, 24b)는 폐쇄된다. 그리고, 냉각수 저장부(230')와 연결된 유체공급배관(241)에 설치된 격리밸브(241a) 및 체크밸브(241b)가 개방되며, 냉각수 저장부(230")와 안전주입배관(25a)을 연결하는 배관(215)에 설치된 격리밸브(215a)와 체크밸브(215b)도 개방된다.

냉각수 저장부(230")의 냉각수는 안전주입설비(25)와 함께 원자로냉각재계통(21)으로 안전주입되고, 냉각수 저장부(230')의 냉각수는 유체공급배관(241)을 통해 증기발생기(21b)로 공급되어 원자로냉각재계통(21) 내부의 현열 및 노심(21a)의 잔열을 제거한다.

증기발생기(21b)에서 방출된 제1유체는, 격리밸브(242a)가 개방되어 있는 유체순환배관(242)을 통해 증발하며, 순환유도 분사기구(220)로 공급된다. 제2유체는 순환유도 분사기구(220)로 인입되어 제1유체와 함께 열교환기(212)의 표면에 분사되고, 열교환기(212)의 표면에서 비상냉각수저장부(211)로부터 공급된 냉각수와 열교환하여 냉각 및 응축되고 낙하한다.

낙하하는 응축수는 응축수 집수부(250)에서 집수되고, 회수배관(260)을 통해 냉각수 저장부(230)에 회수되며, 유체의 순환은 지속적으로 이루어진다.

이하에서는 피동안전설비 및 이를 구비하는 원전의 또 다른 실시예에 대하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 정상운전 시를 나타내는 개념도이다.

피동안전설비(300)는 냉각부(310) 및 순환유도 분사기구(320)를 포함한다.

냉각부(310)는 비상냉각수저장부(311), 제1열교환기(312') 및 제2열교환기(312")를 포함한다.

비상냉각수저장부(311)는 도 1 및 도 4에서 설명한 바에 갈음한다.

제1열교환기(312')는 격납부(32)의 내부에 설치되어 격납부(32) 내부의 유체와 열교환한다.

제2열교환기(312")는 비상냉각수저장부(311) 내부에 설치되어 폐회로를 형성하도록 연결배관(313)에 의해 제1열교환기(312')와 연결된다. 폐회로 내부에는 비상냉각수저장부(311) 내부의 냉각수 또는 격납부(32) 내부의 유체와 독립적으로 유체가 순환한다. 제2열교환기(312")는, 제1열교환기(312')에서 폐회로를 순환하는 유체에 전달된 열을 비상냉각수저장부(311) 내부의 냉각수에 전달한다. 비상냉각수저장부(311)로 전달된 열은 냉각수의 증발에 의해 외부 환경으로 방출된다.

연결배관(313)은 격납부(32)를 관통하여 제1연결배관(313')과 제2연결배관(313")에 각각 연결된다. 보충탱크(326)는 내부에 유체를 저장하도록 형성되고, 폐회로 내의 유체를 보충하도록 연결배관(313)과 연결된다.

냉각수 저장부(330)는 원자로냉각재계통(31) 내부의 현열 및 노심(31a)의 잔열을 제거하는 용도로 사용될 수 있으며, 안전주입설비(35)는 냉각수 저장부(330)와 별개로 구비될 수 있다.

도 8은 도 7에 도시된 피동안전설비(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 사고발생 시를 나타내는 개념도이다.

원전(30)에서 사고 발생 시 급수관(33a)과 증기관(34a)에 각각 설치된 격리밸브(33b, 34b)는 폐쇄된다.

그리고, 냉각수 저장부(330)와 증기발생기(31b)를 연결하는 유체공급배관(341)에 설치된 격리밸브(341a)와 체크밸브(341b)는 개방되어 냉각수가 증기발생기(31b)로 공급된다. 증기발생기(31b)로 공급된 냉각수는 증기발생기(31b)에서 증발한다. 증기발생기(31b)에서 방출된 제1유체는 유체순환배관(342)을 통해 증발하고, 순환유도 분사기구(320)로 공급된다.

순환유도 분사기구(320)는 유체순환배관(342)을 통해 공급된 제1유체와 격납부(32)로부터 인입된 제2유체를 제1열교환기(312')의 표면에 분사한다. 제1열교환기(312')의 표면으로 분사된 제1유체와 제2유체는, 제1열교환기(312'), 제2열교환기(312") 및 연결배관(313)에 의해 형성된 폐회로 내부를 흐르는 냉각수와 열교환하여 냉각 및 응축되고, 응축수가 되어 낙하한다. 낙하하는 응축수는 응축수 집수부(350)에 집수된다.

폐회로 내부를 흐르는 유체는 지속적으로 폐회로를 순환하면서 격납부(32) 내부에서 열을 전달받아 비상냉각수저장부(311) 내부의 냉각수에 전달받은 열을 다시 전달한다. 폐회로 내의 유체가 부족할 때에는 보충탱크(326)로부터 유체를 보충받아 순환을 지속한다. 비상냉각수저장부(111) 내부의 냉각수는 열을 전달받음에 따라 온도가 증가하며, 증발하여 외부 환경을 열을 방출한다.

이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(400) 및 이를 구비하는 원전(40)에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동안전설비(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 정상운전 시를 나타내는 개념도이다.

원전(40)은 원자로냉각재계통(41), 격납부(42), 피동격납용기살수계통(46) 및 피동안전설비(400)를 포함한다.

도 9에 도시된 격납부(42)는 앞서 설명한 격납부(42)와 달리 격납용기(42a) 및 격납건물(42b)을 포함한다.

격납용기(42a)는 철재로 형성되며, 원자로냉각재계통(41)을 감싸도록 형성된다. 격납건물(42b)은 콘크리트로 형성되며, 격납용기(42a)와의 사이에 공기순환유로(42c)를 형성하도록 격납용기(42a)로부터 이격된 위치에서 상기 격납용기(42a)를 감싸도록 형성된다. 격납건물(42b)은, 공기순환유로(42c)를 순환하면서 격납용기(42a)를 냉각할 외부 공기를 유입시키도록 적어도 하나의 공기유입구(42b')를 구비한다.

피동격납용기살수계통(46)은 살수냉각수저장부(46a), 살수배관(46b), 살수격리밸브(46b) 및 살수노즐(46d)을 포함한다. 살수냉각수저장부(46a)는 냉각수를 저장하도록 형성되어 격납건물(42b)의 상부에 설치된다. 살수배관(46b)은 살수냉각수저장부(46a)의 냉각수가 이동하는 유로를 형성하며, 살수배관(46b)에는 살수격리밸브(46b)가 설치될 수 있다. 살수배관(46a)의 단부에는 살수노즐(46d)이 설치될 수 있다. 피동격납용기살수계통(46)은 격납용기(42a)를 냉각하도록 격납용기(42a)의 외부면에 냉각수를 살수한다.

피동안전설비(400)는 냉각수 저장부(430), 냉각부(420) 및 순환유도 분사기구(420)를 포함한다.

냉각수 저장부(430)는 원자로냉각재계통(41) 내부로 직접 냉각수를 주입하도록 안전주입배관(45a)과 연결된다. 냉각수 저장부(430)에 안전주입된 냉각수는 원자로냉각재계통(41)을 순환하고 원자로냉각재계통(41)으로부터 방출되는 유체는 유체순환배관(442)을 통해 순환유도 분사기구(420)로 공급된다.

순환유도 분사기구(420)는 도 10을 참조하여 설명한다.

도 10은 도 9에 도시된 순환유도 분사기구(420)를 확대하여 나타낸 개념도이다. (a)는 순환유도 분사기구(420)를 정면에서 바라본 개념도이고, (b)는 순환유도 분사기구(420)를 측면에서 바라본 개념도이다.

순환유도 분사기구(420)는 제1유체와 제2유체를 격납용기(42a)의 내벽면에 분사하도록 형성된다. 순환유도 분사기구(420)의 출구는 격납용기(42a)의 내벽면을 향하도록 설치된다.

유체순환배관(442, 도 9 참조))에서 공급된 제1유체는 제1유체 분사부(421)에서 분사되며, 제2유체도 압력강하에 의해 인입되어 제1유체와 함께 격납용기(42a)의 내벽면에 분사된다. 격납용기(42a)에 분사된 제1유체와 제2유체는 격납용기(42a)의 내벽면에서 냉각 및 응축된다.

다시 도 9를 참조하면, 냉각부(420)는 원전(40)에 별도의 장치가 설치되는 것이 아니라 격납용기(42a)가 냉각부(420)로 기능한다. 공기유입구(42b')를 통해 공기순환유로(42c)를 순환하는 공기와 피동격납용기살수계통(46)에서 살수된 냉각수는 격납용기(42a)를 지속적으로 냉각하고, 순환유도 분사기구(120)에서 분사된 제1유체와 제2유체는 격납용기(42a)에 열을 전달하며, 열은 공기순환유로(42c)를 순환하는 공기 및 격납용기(42a)의 외부면에 살수된 냉각수에 의해 외부 환경으로 방출된다.

응축수 집수부(미도시)가 설치될 수도 있으나, 원전(40)에는 응축수 집수부가 따로 설치되지 않고 냉각수 저장부(430)가 순환유도 분사기구(420)의 출구 하부에 설치되어 격납용기(42a)의 내벽면에서 응축되어 낙하하는 응축수를 집수할 수 있다.

이하에서는 도 9에 도시된 피동안전설비(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 사고발생 시 작동에 대하여 설명한다.

도 11은 도 9에 도시된 피동안전설비(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 사고발생 시를 나타내는 개념도이다.

원전(40)에서 사고 발생 시 급수관(43a) 및 증기관(44a)에 각각 설치된 격리밸브(43b, 44b)는 폐쇄된다. 안전주입설비(45)와 원자로냉각재계통(41)을 연결하는 안전주입배관(45a)에 설치된 격리밸브(45b)는 개방되고, 안전주입배관(45a)과 냉각수 저장부(430)를 연결하는 배관(415)에 설치된 격리밸브(415a)와 체크밸브(415b)도 개방되어 원자로냉각재계통(11) 내부의 압력이 감소하면 중력수두에 의해 원자로냉각재계통(41) 내부로 안전주입이 이루어진다.

원자로냉각재계통(41) 내부에서 열을 전달받은 제1유체는 유체순환배관(442)을 통해 증발하며, 순환유도 분사기구(420)를 통해 제2유체와 함께 격납용기(42a)의 내벽면에 분사된다.

격납용기(42a)의 외부면에서는, 공기유입구(42b')를 통해 외부 공기가 유입되어 공기순환유로(42c)를 순환하면서 격납용기(42a)를 냉각한다. 격납용기(42a)의 외부면에서 열을 전달받은 공기는 상승하여 격납건물(42b)의 상부의 개구부를 통해 외부로 방출된다. 또한, 피동격납용기살수계통(46)에서는 살수밸브(46c)가 개방됨에 따라 냉각수를 격납용기(42a)의 외부면에 살수하여 격납용기(42a)를 냉각한다. 격납용기(42a)가 공기순환과 살수에 의해 냉각되므로, 순환유도 분사기구(420)에서 격납용기(42a)에 제1유체와 제2유체를 분사함으로써 격납용기(42a)에 전달된 열은 외부 환경으로 방출될 수 있다.

격납용기(42a)의 내벽면에서 제1유체와 제2유체가 냉각 및 응축되어 형성된 응축수는 낙하하여 냉각수 저장부(430)에 회수된다.

이하에서는 순환유도 분사기구의 변형례에 대하여 설명한다.

도 12 내지 도 14는 순환유도 분사기구의 변형례를 나타낸 개념도이다.

도 12는 도 1 내지 도 11에 도시한 순환유도 분사기구(120)를 나타낸 것으로, 제트펌프의 원리를 응용한 것이다. 이에 대한 설명은 앞에서 설명한 것으로 갈음한다.

도 13과 도 14는 도 12와 다른 순환유도 분사기구의 변형례로, 제트펌프가 아니라 터빈펌프의 원리를 응용한 것이다. 순환유도 분사기구(520, 620)는 제1유체 분사부(521, 621), 순환유체 분사부(522, 622), 터빈블레이드(523, 623) 및 펌프임펠러(524, 624)를 포함한다. 터빈블레이드(523, 623)와 펌프임펠러(524, 624)는 제1유체 분사부(521, 621)의 출구에 설치되며, 이들의 회전력을 이용하면 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 격납부 내부의 자연순환을 촉진시킬 수 있다.

도 13을 참조하면, 터빈은 제1유체 분사부(521)의 출구에 배치되는 상대적으로 소형의 터빈블레이드(523)와 상기 제1유체 분사부(521)의 출구로부터 소정 거리 이격된 위치에 배치되는 상대적으로 대형의 펌프임펠러(524)를 포함한다.

도 14를 참조하면, 펌프임펠러(624)의 위치가 (b)의 경우보다 터빈블레이드(623)에 가깝게 배치된다.

도 13과 도 14에 도시된 순환유도 분사기구(520, 620)에서 터빈블레이드(523, 623)는 제1유체의 원활한 분사를 유도하고, 펌프임펠러(524, 624)는 제2유체의 원활한 인입을 유도한다.

본 발명은 격납부 내부의 단순한 자연순환에만 의지하는 것이 아니라, 순환유도 분사기구를 이용하여 자연순환을 촉진시켜 격납부 내부를 냉각하는 효율을 증가시킬 수 있다. 순환유도 분사기구를 이용하면, 원자로냉각재계통에서 방출된 제1유체를 격납부 내부로 방출하지 않고 열교환기로 직접 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 제1유체의 방출유동에 의해 격납부 내부의 제2유체도 함께 열교환기로 유도할 수 있으므로, 원전에서 격납부를 냉각하기 위한 열교환기의 크기 증가와 비용 증가 및 안전성 저하 문제를 해결할 수 있다.

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 : 냉각부 120 : 순환유도 분사기구
130 : 순환유도 분사기구

Claims (21)

1. 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기를 경계로 1차계통과 2차계통이 분리되는 가압경수형 원자로;
   상기 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부;
   적어도 일부가 상기 원자로냉각재계통 내부의 현열 및 잔열을 제거하도록 상기 증기발생기로 공급될 순수 냉각수를 저장하는 냉각수 저장부; 및
   상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고, 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 압력강하에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
2. 제1항에 있어서,
   상기 순환유도 분사기구는,
   상기 제1유체를 공급받도록 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기와 연결되고, 공급받은 상기 제1유체를 분사하도록 형성되는 제1유체 분사부; 및
   적어도 일부가 상기 제1유체 분사부보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 상기 제1유체 분사부를 둘러싸며, 상기 제1유체 분사부와의 사이에 형성되는 환형의 공간을 통해 상기 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체 분사부로부터 분사되는 상기 제1유체와 함께 상기 냉각부에 공급하는 순환유체 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1유체 분사부는 상기 제1유체를 상기 순환유체 분사부에 분사하는 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
4. 제3항에 있어서,
   상기 순환유체 분사부는,
   상기 제1유체의 분사 시 국부적인 압력강하를 유발하도록 주변보다 좁은 내경으로 형성되는 목;
   상기 제1유체가 분사되면서 상기 목에 유발되는 압력강하에 의해 상기 제2유체가 인입되도록 상기 노즐의 둘레에 환형으로 형성되는 제2유체 인입부; 및
   상기 목을 통과한 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 상기 냉각부로 유도하는 디퓨저를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
5. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부는 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 냉각시켜 응축수를 형성하고,
   상기 냉각수 저장부는 상기 냉각부에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하도록 상기 냉각부의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
6. 제5항에 있어서,
   상기 냉각부에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하여 상기 냉각수 저장부로 회수시키도록 상기 냉각부와 상기 냉각수 저장부 사이에 설치되는 응축수 집수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
7. 제6항에 있어서,
   상기 응축수 집수부에 집수된 응축수를 상기 냉각수 저장부로 전달하는 유로를 형성하도록 상기 응축수 집수부에서 상기 냉각수 저장부로 연장되는 회수배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
8. 제5항에 있어서,
   상기 제1유체를 상기 냉각수 저장부에서 상기 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통을 거쳐 상기 순환유도 분사기구로 순환시키는 유체 순환부를 더 포함하고,
   상기 유체 순환부는,
   상기 냉각수 저장부 내부의 냉각수를 상기 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통으로 공급하도록 상기 원자로냉각재계통에 연결되는 유체공급배관; 및
   상기 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통을 통과한 상기 제1유체를 상기 순환유도 분사기구로 공급하도록 상기 증기발생기 또는 상기 원자로냉각재계통과 상기 순환유도 분사기구를 연결하는 유체순환배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
9. 제5항에 있어서,
   상기 냉각수 저장부는,
   상기 순수 냉각수를 저장하도록 형성되는 순수 냉각수 저장부; 및
   상기 원자로냉각재계통의 수위를 유지시키도록 상기 원자로냉각재계통 내부로 주입될 붕산수를 저장하는 붕산수 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고, 열전달에 의한 온도 상승 시 상기 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상기 격납부의 외부에 설치되는 비상냉각수저장부; 및
    상기 격납부의 내부에 설치되어 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 비상냉각수저장부와 연결되며, 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각수를 통과시켜 상기 제1유체 및 상기 제2유체로부터 열을 전달받도록 형성되는 열교환기를 포함하고,
    상기 순환유도 분사기구는 상기 열교환기의 표면에 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
11. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고, 열전달에 의한 온도 상승 시 상기 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상기 격납부의 외부에 설치되는 비상냉각수저장부; 및
    상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되어 상기 격납부의 내부와 통하도록 상기 격납부를 관통하는 연결배관과 연결되며, 상기 격납부에서 유입되는 유체를 통과시켜 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각수와 열교환을 유도하는 열교환기를 포함하고,
    상기 순환유도 분사기구는 상기 연결배관 내부로 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 상기 연결배관에 연결되는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
12. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    내부에 냉각수를 저장하도록 형성되고, 열전달에 의한 온도 상승 시 상기 냉각수를 증발시켜 전달받은 열을 외부로 방출하도록 상기 격납부의 외부에 설치되는 비상냉각수저장부;
    상기 격납부의 내부에 설치되어 상기 격납부 내부의 유체와 열교환하는 제1열교환기; 및
    상기 비상냉각수저장부의 내부에 설치되어 폐회로를 형성하도록 상기 격납부를 관통하는 연결배관에 의해 상기 제1열교환기와 연결되며, 상기 폐회로를 순환하는 유체에 전달된 열을 상기 비상냉각수저장부 내부의 냉각수에 전달하는 제2열교환기를 포함하고,
    상기 순환유도 분사기구는 상기 제1열교환기의 표면에 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
13. 제12항에 있어서,
    상기 냉각부는, 내부에 유체를 저장하도록 형성되고 상기 폐회로 내의 유체를 보충하도록 상기 연결배관과 연결되는 보충탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
14. 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기를 경계로 1차계통과 2차계통이 분리되는 가압경수형 원자로;
    상기 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부;
    적어도 일부가 상기 원자로냉각재계통 내부의 현열 및 잔열을 제거하도록 상기 증기발생기로 공급될 순수 냉각수를 저장하는 냉각수 저장부; 및
    상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고, 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 터빈의 회전력에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동안전설비.
15. 원자로냉각재계통;
    방사성 물질이 외부 환경으로 누출되는 것을 방지하도록 상기 원자로냉각재계통을 감싸는 격납부; 및
    상기 원자로냉각재계통의 내부에 설치되는 증기발생기에서 방출된 제1유체와 상기 격납부 내부의 제2유체를 함께 냉각하여 상기 격납부 내부의 열을 외부 환경으로 방출하는 피동안전설비를 포함하고,
    상기 피동안전설비는,
    상기 증기발생기를 경계로 1차계통과 2차계통이 분리되는 가압경수형 원자로;
    상기 증기발생기로부터 방출된 제1유체를 격납부 내부의 제2유체와 함께 냉각하도록 형성되는 냉각부;
    적어도 일부가 상기 원자로냉각재계통 내부의 현열 및 잔열을 제거하도록 상기 증기발생기로 공급될 순수 냉각수를 저장하는 냉각수 저장부; 및
    상기 원자로냉각재계통 또는 상기 증기발생기로부터 상기 제1유체를 전달받아 상기 냉각부로 분사하도록 형성되고, 적어도 일부가 상기 격납부의 내부와 통하도록 형성되어 상기 제1유체가 분사되면서 유발되는 압력강하에 의해 상기 격납부 내부의 제2유체를 인입시켜 상기 제1유체와 함께 분사하는 순환유도 분사기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
16. 제15항에 있어서,
    상기 격납부는,
    상기 원자로냉각재계통을 감싸도록 형성되는 철재 격납용기; 및
    상기 격납용기와의 사이에 공기순환유로를 형성하도록 상기 격납용기로부터 이격된 위치에서 상기 격납용기를 감싸도록 형성되는 콘크리트재 격납건물을 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
17. 제16항에 있어서,
    상기 격납건물은, 상기 공기순환유로를 순환하면서 상기 격납용기를 냉각할 외부 공기를 유입시키도록 적어도 하나의 공기유입구를 구비하는 것을 특징으로 하는 원전.
18. 제16항에 있어서,
    냉각수를 저장하도록 형성되어 상기 격납건물의 상부에 설치되고, 상기 격납용기를 냉각하도록 상기 격납용기의 외부면에 냉각수를 살수하는 피동격납용기살수계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
19. 제16항에 있어서,
    상기 순환유도 분사기구는 상기 격납용기의 내벽면에 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 분사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원전.
20. 제19항에 있어서,
    상기 격납용기는 상기 순환유도 분사기구로부터 분사된 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 냉각하여 응축수를 형성하고,
    상기 냉각수 저장부는 상기 격납용기의 내벽면에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하도록 상기 순환유도 분사기구 출구의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 원전.
21. 제20항에 있어서,
    상기 피동안전설비는 상기 격납용기의 내벽면에서 낙하하는 상기 응축수를 집수하여 상기 냉각수 저장부로 회수시키도록 상기 냉각부와 상기 냉각수 저장부 사이에 설치되는 응축수 집수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.

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