KR101665248B1 - 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 공동 구역 내 원자로 압력용기(2) 하부에 원자로 압력용기가 파손되는 중대사고에 대비하여 코어 캐쳐(3)가 설치되어 있으며 노심용융물을 냉각시킬 냉각수는 원자로 건물내재장전수탱크(4)의 수원을 이용하여 냉각수 주입밸브(5)가 개방되면 중력에 의해 주입되는데, 냉각수 주입밸브는 온도계와 연동하여 설정치를 넘는 온도신호에 의해 밸브가 개방되며, 스트링(string)의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치에 관한 것이다.

Description

피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치{Passive Actuator for Ex-vessel Corium Cooling System}

본 발명은 원자로 공동 구역 내 원자로 압력용기(2) 하부에 원자로 압력용기가 파손되는 중대 사고에 대비하여 코어 캐쳐(3)가 설치되어 있으며 노심용융물을 냉각시킬 냉각수는 원자로 건물 내 재장전수 탱크(4)의 수원을 이용하여 냉각수 주입밸브(5)가 개방되면 중력에 의해 주입되는데, 냉각수 주입밸브는 온도계와 연동하여 설정치를 넘는 온도신호에 의해 밸브가 개방되며, 스트링(string)의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치에 관한 것이다.

원자력 발전소원자력 건물 내부에 설치되어 있는 원자력 압력 용기 내에서 노심이 용융되는 중대사고 발생시, 노심용융물이 원자로 압력용기의 파손부를 통해 원자로 공동으로 방출된다. 이와 같은 상항에 대비해 원자로 건물 공동에서 노심용융물을 수집, 보유 및 냉각하는 설비를 노외 노심용융물 냉각장치(코어캐처)라 한다.

일반적으로, 원자로 압력용기에서 방출된 노심용융물이 코어캐처에 도달한 이후에노심용융물을 냉각시킬 수 있는 냉각수가 공급되어 직접 또는 간접적으로 노심용융물의 붕괴열을 제거하게 되는데, 이 때 안정적인 냉각수 공급이 고온의 노심용융물을 냉각시키는데 필수적인 요소이다.

기존의 냉각수 주입은 소내외 전원과 별도로 구비된 직류배터리에 의해 구동되는 전동기구 밸브(MOV)를 사용하여 코어캐처 주변 원자로공동의 특정 지점에 설치된 온도계측기로부터 일정 온도를 초과하는 신호가 발생되는 경우에 밸브를 개방함으로써 냉각수가 주입되는 방식을 사용하였다.

그러나 상기와 같은 코어캐처 냉각수 주입방식은 능동 기기 고장 가능성, 중대사고 조건에서 온도 계측기 기기 건전성 미확보 및 온도신호의 신뢰성 저하 등의 요인에 의한 냉각수 주입 실패 가능성이 있다.

이와 관련된 종래기술로, 한국공개특허공보 제10-2014-0139947호에는 노심용융물을 1차 냉각하는 노내 구조물과 노심용융물을 2차 냉각하도록 수합된 노심용융물에 냉각수 및 가스를 주입하는 노외 구조물을 포함하는 노심용융물의 피동 순차 냉각 장치가 개시되어 있고, 한국공개특허공보 제10-2014-0051622호에는 액체 금속층을 이용한 노심용융물 냉각방법 및 이를 이용한 원자로 냉각시스템이 개시되어 있으나, 본 발명의 주요 기술적 구성인 냉각수 주입밸브가 온도계와 연동하여 설정치를 넘는 온도신호에 의해 스트링(string)의 장력을 이용하여 밸브가 개방되며, 밸브 개방 시 중력에 의하여 냉각수가 공급되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치를 제공하는 것과는 기술적 구성과 작용효과에서 현저한 차이가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로 코어캐처의 냉각수 주입에 있어서 전원 및 계측을 필요로 하지 않고, 스트링(string)의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치를 제공하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 원자력 압력 용기의 파손 부위를 통해 방출되는 노심 용융물과, 노심용융물이 중력에 의하여 모이는 단열체 최하단부에 설치된 가용 플러그와, 가용 플러그의 아래층에 금속재질을 사용하여 가용 플러그가 파손되는 기계적 신호를 냉각수 주입밸브로 전달하도록 매개체로 매립 설치된 스트링과, 상기 노심용융물이 가용플러그를 뚫고 떨어지면서 담길 수 있도록 가용플러그의 직하부에 설치된 코어캐처와, 노심용융물을 냉각하기 위하여 원자로 외측에 설치된 냉각수 탱크와, 냉각수 탱크 내의 냉각수를 노심용융물이 있는 코어캐처로 이송하기 위한 배관 및 배관의 일측에 설치되어 스트링과 연동하도록 구성된 냉각수 주입밸브를 포함하되, 노심용융물이 낙하는 시점에 가용플러그 내에 고정 매립 설치된 스트링이 끊어지면서 가용플러그와 냉각수 주입밸브 양 끝단을 연결하는 스트링(string)의 장력에 의해 닫힘으로 유지되던 냉각수 주입밸브가 열림으로 전환되도록 구성된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 가용 플러그에 고정 매립된 스트링의 끝단과 반대편 끝단의 냉각수 주입밸브 구동장치 사이에 스트링 장력제어기가 설치되고, 양 끝단을 지탱하고 있는 스트링의 장력을 상기 스트링 장력제어기로 주기적으로 점검 및 조정할 수 있도록 구성된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 가용플러그의 면적으로 최대한 수용하도록 스트링을 배치 설치하고, 양 방향 2 계열로 설치하되, 정상상태에서의 기계적 오작동 가능성을 최소화할 수 있도록 각 계열별로도 1개의 냉각수 주입밸브에 2개씩 스트링을 설치하고, 두개 모두가 끊어질 때만 냉각수 주입밸브가 열리도록 구성된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로 냉각수 탱크 내의 냉각수를 노심용융물이 있는 코어캐처로 이송하기 위한 배관은 수압을 이용하여 신속하게 냉각수를 이송할 수 있도록 냉각수 탱크 하단부와 코어캐처의 하단부에 해당하는 높이로 고정 설치된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 코어캐처에 의하면, 냉각수 주입에 있어서 전원 및 계측기를 사용하지 않는 피동으로 구동되므로 전원 및 계측 관련 요소들에 의한 작동 실패의 가능성을 원천적으로 배제하여 노심용융물 도달 이전에 냉각수 충수로 인한 증기 폭발의 가능성을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 노심용융물 냉각장치 점검이 용이해지는 이점이 있다.

도 1은 기존에 설치된 코어캐처 시스템을 개략적으로 보여주는 단면 구성도이다.
도 2는 스트링의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치의 세부 구성 및 작용을 나타낸 것이다.
도 3은 가용플러그에 고정 매립시키는 스트링의 배치에 관한 예시를 나타낸다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명은 원자로 공동 구역 내 원자로 압력용기 하부에 원자로 압력용기가 파손되는 중대 사고에 대비하여 코어 캐쳐가 설치되어 있으며 노심용융물을 냉각시킬 냉각수는 원자로 건물내 재장전수 탱크의 수원을 이용하여 냉각수 주입밸브가 개방되면 중력에 의해 주입되는데, 냉각수 주입밸브는 온도계와 연동하여 설정치를 넘는 온도신호에 의해 밸브가 개방되며, 스트링(string)의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다.

도 1은 기존에 설치된 코어캐처 시스템을 개략적으로 보여주는 단면 구성도이다. 원자로공동(1) 구역 내 원자로 압력용기(2) 하부에 원자로 압력용기가 파손되는 중대사고에 대비하여 코어캐처(3)가 설치되어 있으며 노심용융물을 냉각시킬 냉각수는 원자로 건물내 재장전수 탱크(4)의 수원을 이용하며 냉각수 주입밸브(5)가 개방되면 중력에 의해 주입되는데, 냉각수 주입밸브는 원자로 공동 내 설치된 온도 계측기(6)의 신호를 받아 설정치를 넘는 온도신호에 의해 밸브가 개방되는 방식이다.

도 2에서는 스트링(string)의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치의 세부 구성 및 작용을 설명한다. 원자로 단열체의 가용플러그 부분과 코어캐처에 공급되는 냉각수 주입밸브를 기계적으로 연결하여 노심용융물에 의해 가용플러그가 파손되는 시점에 기계적 구동력에 의해 냉각수 주입밸브를 개방하도록 피동으로 작동되는 냉각 계통을 구성할 수 있다. 원자력 압력 용기(1)의 파손 부위를 통해 방출되는 노심용융물(2)은 원자력 압력용기 외부에 설치된 단열체(3)에 1차적으로 포집되고, 최종적으로는 중력에 의해 단열체 최하단부에 가용 플러그(4, fusible plug) 부분으로 모이게 된다.

가용 플러그(4) 부분은 2개 층으로 구성되는데 위층은 노심용융물과 반응성이 크고 쉽게 침식 및 파손되는 희생물질로 구성하고 아래층은 급속재질을 사용하여 가용플러그(4)가 파손되는 기계적 신호를 냉각수 주입밸브(7)로 전달하는 매개체인 스트링(6, string)을 고정 매립하도록 구성되어 있다.

고온의 노심용융물과 가용플러그 희생물질의 상호 반응을 통해 희생물질 침식이 시작되며 계속된 침식으로 노심용융물이 가용플러그 부분을 뚫고 직하부에 설치된 코어캐처(5)로 낙하하며, 이 시점에 가용플러그(4) 내에 고정 매립 설치된 스트링(6)이 끊어지면서 가용플러그(4)와 냉각수 주입밸브(7) 양 끝단을 연결한 스트링(6)의 장력에 의해 닫힘으로 유지되던 냉각수 주입밸브가 열림으로 전환되며 냉각수 주입이 시작된다.

또한 가용 플러그(4)에 고정 매립된 스트링(6)의 끝단과 반대편 끝단의 냉각수 주입밸브(7) 구동장치 사이에 스트링 장력제어기(8)가 설치되어 있고, 양 끝단을 지탱하고 있는 스트링(6)의 장력을 상기 스트링 장력제어기(8)로 주기적으로 점검 및 조정할 수 있도록 구성되어 있다.

스트링(6)은 중대사고가 발생하지 않는 상항에서 스트링이 끊어지지 않도록 제어하여 냉각수 주입실패 가능성을 최소화할 수 있도록 구성되어 있다.

도 3에서는 가용플러그(4)에 고정 매립시키는 스트링(6)의 배치에 관한 예시를 나타낸다.

단열체로 방출되는 노심용융물이 최종적으로 모이는 최하단부에 위치한 가용플러그(4)의 면적으로 최대한 수용하도록 스트링을 배치 설치하고, 양 방향 2 계열로 설치하여 냉각수 공급에 대한 다중성을 확보하도록 구성할 수 있다.

또한, 양 방향 2 계열로 설치하되, 각 계열별로도 1개의 냉각수 주입밸브에 2개의 스트링을 연결 설치하고, 설치된 2개 스트링 모두가 끊어질 때만 냉각수 주입밸브가 열리도록 함으로써 정상상태에서의 기계적 오작동 가능성을 최소화할 수 있다.

물론, 신뢰성과 오작동의 가능성 등을 고려하여 스트링의 수를 2개 이상 설치할 수도 있다.

콘크리트 재질의 베이스먼트(10, Basemat)가 코어 캐처 하부에 설치되고, 베이스먼트 위에 코어캐처가 설치되어 있다. 처음 냉각수 유입 시에는 베이스먼트(10)와 코어캐처사이를 냉각수가 지나가면서 냉각을 시킨다.

일정 시간 후에는 코어캐처 상부로 냉각수가 유입되면서 직접냉각이 이루어지며 직접냉각 이후에는 자연 순환을 통하여 냉각이 진행되도록 구성되어 있다.

상기 냉각수 탱크 내의 냉각수를 노심용융물이 위치하는 코어캐처로 이송하기 위한 배관(9)은 수압을 이용하여 신속하게 냉각수를 이송할 수 있도록 냉각수 탱크 하단부와 코어캐처의 하단부에 해당하는 높이로 연결 설치되는 것이 바람직하다.

앞서 기술된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치의 기술적 구성을 요약 기술하면 아래와 같다.

본 발명은 원자력 압력 용기(1)의 파손 부위를 통해 방출되는 노심용융물(2)과, 노심용융물(2)이 중력에 의하여 모이는 단열체(3)의 최하단부에 설치된 가용 플러그(4)와, 가용 플러그(4)의 아래층에 금속재질을 사용하여 가용플러그(4)가 파손되는 기계적 신호를 냉각수 주입밸브(7)로 전달하도록 매개체로 매립 설치된 스트링(6)을 포함한다.

또한, 본 발명은 상기 노심용융물이 가용플러그를 뚫고 떨어지면서 담길 수 있도록 가용플러그의 직하부에 설치된 코어캐처(5)와, 노심용융물을 냉각하기 위하여 원자로 외측에 설치된 냉각수 탱크와, 냉각수 탱크 내의 냉각수를 노심용융물이 있는 코어캐처(5)로 이송하기 위하여 연결 설치된 배관(9)을 포함한다.

배관의 일측에 설치되어 스트링과 연동하는 냉각수 주입밸브(7)가 설치되어 있다.

상기 노심용융물이 낙하는 시점에 가용플러그(4) 내에 고정 매립 설치된 스트링(6)이 끊어지면서 가용플러그(4)와 냉각수 주입밸브(7)양 끝단을 연결한 스트링(6)의 장력에 의해 닫힘으로 유지되던 냉각수 주입밸브가 열림으로 전환되도록 구성되어 있다.

본 발명은 원자로 공동 구역 내 원자로 압력용기(2) 하부에 원자로 압력용기가 파손되는 중대 사고에 대비하여 코어 캐쳐(3)가 설치되어 있으며 노심용융물을 냉각시킬 냉각수는 원자로 건물내 재장전수 탱크(4)의 수원을 이용하여 냉각수 주입밸브(5)가 개방되면 중력에 의해 주입되는데, 냉각수 주입밸브는 온도계와 연동하여 설정치를 넘는 온도신호에 의해 밸브가 개방되며, 스트링(string)의 장력을 이용하여 기계식으로 구동되는 피동 작동형 노외 노심용융물 냉각장치를 제공하여 용이하게 냉각할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

1; 단열체 2; 원자로 압력용기
3; 노심 용융물 4; 가용플러그
5; 코어캐처 6; 스트링
7; 냉각수 주입밸브 8; 장력제어기
9; 배관 10; 베이스먼트

Claims (4)

1. 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치에 있어서,
   원자력 압력 용기(1)의 파손 부위를 통해 방출되는 노심용융물(2);
   노심용융물(2)이 중력에 의하여 모이는 단열체(3)의 최하단부에 설치된 가용 플러그(4);
   가용 플러그(4)의 아래층에 금속재질을 사용하여 가용플러그(4)가 파손될 때 끊어져 기계적 신호를 냉각수 주입밸브(7)로 전달하도록 매립 설치된 스트링(6);
   상기 노심용융물이 가용플러그를 뚫고 떨어지면서 담길 수 있도록 가용플러그의 직하부에 설치된 코어캐처(5);
   노심용융물을 냉각하기 위하여 원자로 외측에 설치된 냉각수 탱크;
   냉각수 탱크 내의 냉각수를 노심용융물이 있는 코어캐처(5)로 이송하기 위한 배관; 및
   배관의 일측에 설치되어 스트링과 연동하도록 구성된 냉각수 주입밸브(7)를 포함하되,
   노심용융물이 낙하는 시점에 가용플러그(4) 내에 고정 매립 설치된 스트링(6)이 끊어지면서 가용플러그(4)와 냉각수 주입밸브(7)양 끝단을 연결한 스트링(6)의 장력에 의해 닫힘으로 유지되던 냉각수 주입밸브가 열림으로 전환되도록 구성된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   가용 플러그에 고정 매립된 스트링의 끝단과 반대편 끝단의 냉각수 주입밸브 구동장치 사이에 스트링 장력제어기(8)가 설치되고,
   양 끝단을 지탱하고 있는 스트링(6)의 장력을 상기 스트링 장력제어기(8)로 주기적으로 점검 및 조정할 수 있도록 구성된 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   가용플러그의 면적으로 최대한 수용하도록 스트링을 배치 설치하고, 양 방향 2 계열로 설치하되, 정상상태에서의 기계적 오작동 가능성을 최소화할 수 있도록 각 계열별로도 1개의 냉각수 주입밸브에 2개씩 스트링 모두가 끊어질 때만 냉각수 주입밸브가 열리도록 구성함을 특징으로 하는 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   냉각수 탱크 내의 냉각수를 노심용융물이 있는 코어캐처로 이송하기 위한 배관(9)은 수압을 이용하여 신속하게 냉각수를 이송할 수 있도록 냉각수 탱크 하단부와 코어캐처의 하단부에 해당하는 높이로 고정 설치됨을 특징으로 하는 피동 작동형 노외 노심 용융물 냉각장치.

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