KR101742644B1

KR101742644B1 - 공냉 이중 격납건물을 갖는 피동보조급수 냉각계통

Info

Publication number: KR101742644B1
Application number: KR1020160118050A
Authority: KR
Inventors: 권태순; 김기환; 배성원; 박현식; 박유선; 주인철
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2017-06-07

Abstract

본 발명은 원자로를 둘러싸며 밀봉하는 제1 격납건물를 둘러싸되, 소정의 간극을 두고 둘러싸는 금속 재질의 제2 격납건물; 상기 간극에 구비되는 냉각수 탱크; 및 상기 냉각수 탱크 내부에 구비되고, 사고 발생 시 상기 제1 격납건물 내부에 위치하는 증기 발생기와 폐순환 루프(closed loop)를 형성하는 있는 열교환기;를 포함하는 피동보조급수 냉각계통을 제공한다. 본 발명에 따른 이중 격납건물을 갖는 피동보조급수 냉각계통은 이중 격납건물로 방사성 물질을 더욱 안정적으로 차단하고, 원자로 사고 발생 시 자연순환 냉각계통에 있어 냉각 시간에 제한이 없으며, 최외곽 금속 재질의 제2 격납건물로 인해 대기 중으로 용이하게 열을 방출할 수 있는 효과가 있다.

Description

공냉 이중 격납건물을 갖는 피동보조급수 냉각계통{Passive Auxiliary Feedwater Cooling System having Air-Cooled Double Containments}

본 발명은 공냉 이중 격납건물 갖는 피동보조급수 냉각계통에 관한 것으로, 상세하게는 원자로를 둘러싸며 밀봉하는 1차 격납건물를 둘러싸되, 소정의 간극을 두고 둘러싸는 금속 재질의 제2 격납건물, 두 벽체 사이의 상기 간극에 구비되는 냉각수 탱크, 상기 냉각수 탱크 내부에 구비되고, 사고 발생 시 상기 1차 격납건물의 증기 발생기와 폐순환 루프(closed loop)를 형성하는 열교환기를 포함하고,

상기 폐순환 루프는 증기 발생기 이차측의 증기를 응축시켜 그 응축수를 수두(head)차를 이용하여 재순환시키고, 증기의 폐순환 루프 순환과정에서 발생하는 열교환기의 열로 냉각수가 증발된 증기는 상기 제2 격납건물의 벽체 내벽에서 응축되어 상기의 냉각수 탱크로 재순환되고, 상기 제2 격납건물의 벽체 내벽에서 외벽으로 전달된 열은 외벽과 접촉하는 대기의 자연대류 열전달에 의해 대기로 방출되어 냉각되는 이중격납건물 계통을 포함하는 피동보조급수 냉각계통에 관한 것이다.

가압경수로의 사고 시 노심 잔열을 증기 발생기로 냉각시키는 종래의 방식은 전기 펌프(능동형) 구동 보조급수 냉각계통과 무전원 자연순환 피동보조급수 냉각계통(대한민국 등록특허 제10-1022164호)이 있다. 전기 펌프(능동형) 구동 보조급수 냉각계통은 전원이 완전 상실된 사고(Station Black Out : SBO) 상황에서는 작동하지 않는다. 후쿠시마 원전사고 이후 원전의 비상냉각계통을 포함한 보조급수 냉각계통은 전원이 없어도 자연순환력으로 구동되는 피동형(또는 무전원 계통) 계통으로 구성되도록 요구되고 있다.

현재의 피동보조급수 냉각계통은 원자로를 냉각시키는 증기발생기의 이차측 증기를 원자로 격납건물 외부에 위치한 냉각수 탱크 내부의 수냉 열교환기에서 응축시키고, 수두 차를 이용하여 응축수를 증기발생기 이차측으로 재순환시키는 폐회로의 자연순환 구동(피동)형 냉각계통이다. 따라서, 냉각수 탱크의 냉각수가 모두 증발되어 고갈되면 더 이상 냉각기능을 지속할 수 없다. 종래의 피동보조급수 냉각계통의 냉각시간 설계기준은 8 시간이며, 후쿠시마 원전사고 이후는 72 시간 적용을 요구하고 있다. 8 시간 냉각기준에서 72 시간 냉각기준을 변경하려면 냉각수 탱크의 체적은 8 시간 기준 용량 보다 최소 3.5 배 이상 더 크게 해야 한다. 냉각수 탱크의 체적이 과도하게 커지면 지진하중 등 외부 충격하중에 견디기 위해 지지구조물의 내진강도를 더 크게 설계하는 문제가 있다.

또한, 현재의 피동보조급수 냉각계통의 냉각수 탱크와 열교환기는 격납건물 외부에 위치하는데, 냉각수 탱크와 열교환기의 파단 사고나 또는 항공기 충돌 등 외력에 의한 파손사고시 원자로계통의 방사능 물질이 피동보조급수 냉각계통을 통해 격납건물 외부의 대기로 누출되는 구조적 취약성이 있다.

이러한 문제를 극복하기 위해서는, 종래의 피동보조급수 냉각수 탱크 체적을 크게 증가시키지 않으면서, 동시에, 격납건물 밖 대기에 노출된 냉각수 탱크와 열교환기를 격납용기 내부로 이전/배치하여 사고시 방사능 물질의 대기 누출을 차단할 수 있는 새로운 개념의 설계가 필요하다.

종래의 피동보조급수 냉각계통의 열교환기 튜브 내부에서는 증기발생기 이차측에서 흘러온 증기가 응축되고, 그 열에 의해 튜브 밖에서는 냉각수 탱크의 냉각수가 증발되어 격납건물 외부 대기로 방출된다.

따라서, 대기로 증발되는 냉각수 증기를 포집하고 응축시켜 재순환시키면 냉각수 탱크의 냉각수 수위는 증기의 증발과 응축이 서로 균형을 이루는 상태 이후에는 더 이상 저하되지 않는다. 즉, 냉각수 탱크의 냉각수가 더 이상 고갈되지 않는다. 이러한 설계조건을 만족하면 피동보조급수 냉각계통의 냉각시간을 무한히 연장시킬 수 있게 된다.

다만, 격납건물 밖에 위치한 냉각수 탱크와 열교환기를 격납건물 내부로 이전하여 배치시킬 때, 원자로 노심잔열을 모두/긍국적으로 격납건물 밖 대기로 배출시킬 수 있어야 격납건물이 가열/가압되어 파손되지 않는다. 격납건물 내부의 열을 외부로 배출시키기 위해서는 격납건물 벽을 통한 직접열전달 방식과 격납건물 내외부에 열교환기를 각각 배치하는 간접 열전달 방식이 있다.

이때, 콘크리트는 격납건물은 열전도율이 금속에 비해 현저히 낮아 벽면을 통한 직접 열전달이 거의 불가능하다. 열교환기를 통한 격납건물 밖으로의 간접 열전달 방식도 수냉 열교환기 대신에 공냉 열교환기를 적용할 경우, 공냉 열 제거율이 수냉에 비해 현저히 낮기 때문에 동일한 열제거 용량의 수냉 열교환기 체적에 비해 공냉 열교환기의 체적은 훨씬 더 증가해야 한다. 이 경우 격납건물 내부 또는 외부 대기에 노출된 열교환기의 접촉 면적이 크게 증가하여 파손 발생 가능 부위가 크게 하는 새로운 문제가 발생할 수 있다.

이에, 본 발명자들은 냉각계통 사고 시 방사성 물질의 방출을 차단하고, 냉각수의 용량 및 시간의 제한 없이 냉각 가능한 피동보조급수 냉각계통에 대해 연구하던 중, 최외곽 제2 격납건물을 금속 재질로 하여 내부 제1 격납건물과 소정의 간극을 두며 구비하고, 사고 발생 시 자연순환 냉각이 가능한 피동보조급수 냉각계통을 고안하여 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-1022164호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제는,

종래의 피동보조급수 냉각계통의 냉각수 탱크 체적을 증가시키지 않고 냉각수 고갈시간을 크게 지연시키거나 무제한으로 연장이 가능한 공냉 이중격납건물의 간극과 대기와 접촉하는 이중격납건물의 외부면을 자연대류 냉각시켜 냉각수 탱크로부터 증발하는 증기를 간극내부에서 응축시켜 재순환시키는 피동보조급수 냉각계통을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는,

종래의 피동보조급수 냉각계통의 열교환기와 냉각수 탱크가 격납용기 외부에 배치되어 대기에 노출됨으로써 열교환기 튜브 파손사고나 외부 충격에 의한 열교환기 파손시 방사능 물질이 대량으로 외부 대기로 누출됨을 방지하는 피동보조급수 냉각계통을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

원자로를 둘러싸며 밀봉하는 제1 격납건물를 둘러싸되, 소정의 간극을 두고 둘러싸는 금속 재질의 제2 격납건물;

상기 간극에 구비되는 냉각수 탱크; 및

상기 냉각수 탱크 내부에 구비되고, 사고 발생 시 상기 제1 격납건물 내부에 위치하는 증기 발생기와 폐순환 루프(closed loop)를 형성하는 열교환기;를 포함하는 피동보조급수 냉각계통을 제공한다.

구체적으로, 상기 냉각수 탱크의 열교환기를 냉각시키면서 그 열에 의해 발생되는 냉각수의 증기는 상기 간극을 구성하는 제2 격납건물의 내벽에서 응축되어 상기의 냉각수 탱크로 재순환되고, 상기 제2 격납건물의 내벽에서 외벽으로 전달된 열은 제2 격납건물의 외벽과 접촉하는 대기의 자연대류 열전달에 의해 대기로 확산되어 벽면이 냉각되는 이중격납건물 계통을 포함하는 피동보조급수 냉각계통을 제공한다.

또한, 본 발명은

상기의 피동보조급수 냉각계통의 증기 발생기의 증기가 냉각수 탱크 내 열교환기로 이송되는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 상기 열교환기로 이송된 증기는 응축되어 폐순환 루프 내 를 순환하고, 상기 이송된 증기의 열로 냉각수 탱크 내 물이 증발하며, 상기 증발된 증기가 간극 내부를 순환하면서 제2 격납건물로 열을 전달하는 단계(단계 2);

상기 단계 2에서 열을 전달받은 제2 격납건물의 열이 대기로 방출되고, 간극 내 증기가 응축되어 냉각수 탱크로 회수되는 단계(단계 3); 및

상기 단계 2 및 단계 3이 반복되며 증기 발생기 및 피동보조급수 냉각계통을 냉각하는 단계(단계 4);를 포함하는 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 단계 2의 제2 격납건물의 열은 대기의 자연대류 열전달에 의해 대기로 방출되고, 상기 제2 격납건물의 냉각에 의해 간극 내 증기가 응축되며, 원자로 비상노심의 냉각을 시간 제한없이 가능하게 하는 공냉-수냉 복합 냉각방식의 피동보조급수 냉각계통 냉각방법을 제공한다.

본 발명에 따른 이중 격납건물을 갖는 피동보조급수 냉각계통은 원자로 사고 발생 시 증기 발생기 이차측 증기열을 냉각수 탱크의 냉각수 고갈 없이 증기발생기와 열교환기의 폐순환 루프를 통해 냉각시키고, 최종적으로는 제2 격납건물 외벽에서 자연대류 공냉방식으로 냉각시켜 열교환기 냉각수의 증기 응축 재순환을 가능하게 하며, 냉각수 탱크의 수위를 일정 수준 이하로 감소하지 않게 하여 피동보조급수 냉각계통의 냉각시간에 제한이 없는 효과가 있다.

또한, 원자로의 정상 운전시는 이중 격납건물이 방사성 물질의 대기누출을 더욱 안정적으로 차단하고, 열교환기 파손사고시는 최외곽 제2 격납건물를 이용해 증기발생기의 방사능 물질이 외부 대기로 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통의 일례를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법의 일례를 개략적으로 나타낸 모식도이고,
도 3은 종래 피동보조급수 냉각계통의 일례를 나타낸 모식도이고,
도 4는 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통과 종래 피동보조급수 냉각계통의 시간에 따른 냉각수 수위를 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통의 냉각수 탱크의 일례를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은

*원자로를 둘러싸며 밀봉하는 제1 격납건물(31)을 둘러싸되, 소정의 간극(71)을 두고 둘러싸는 금속 재질의 제2 격납건물(41);

상기 간극에 구비되는 냉각수 탱크(61); 및

상기 냉각수 탱크 내부에 구비되고, 사고 발생 시 상기 제1 격납건물 내부에 위치하는 증기 발생기와 폐순환 루프(closed loop)를 형성하는 열교환기(51);를 포함하는 피동보조급수 냉각계통(100)을 제공한다.

구체적으로, 상기 냉각수 탱크(61)의 열교환기를 냉각시키면서 그 열에 의해 발생되는 냉각수의 증기는 상기 간극을 구성하는 제2 격납건물의 내벽에서 응축되어 상기의 냉각수 탱크로 재순환되고, 상기 제2 격납건물의 내벽에서 외벽으로 전달된 열은 제2 격납건물의 외벽과 접촉하는 대기의 자연대류 열전달에 의해 대기로 확산되어 벽면이 냉각되는 이중격납건물 계통을 포함하는 피동보조급수 냉각계통을 제공한다.

이때, 도 1에 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통(100)의 일례를 개략적으로 나타내었으며,

이하, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통에 대하여 상세히 설명한다.

종래 피동보조급수 냉각계통(Passive Auxiliary Feedwater System, PAFS)의 설계는 원자로 격납건물 밖에 위치한 열교환기 냉각수조(Passive Condensation Cooling Tank, PCCT)의 냉각수가 끓기 시작하면 증발되는 증기를 대기로 방출해 버리는 구조이므로, 열교환기 냉각수조(PCCT)의 냉각수가 모두 증발한 이후에는 종래 피동보조급수 냉각계통의 냉각능력이 상실된다. 피동보조급수 냉각계통의 냉각시간은 통상 8 시간 냉각능력 확보 기준으로 설계되었다. 그런데 후쿠시마 원전 사고 이후 피동보조급수 냉각계통은 약 72 시간 이상의 냉각능력 확보가 요구되고 있다. 종래 피동급수 냉각계통의 냉각시간을 기존 8 시간에서 72 시간 이상으로 대폭 연장시키기 위해서 피동급수 냉각계통의 냉각수 탱크 체적을 몇 배 더 크게 설계해야 하므로 냉각수 탱크의 체적증가 뿐만 아니라 이를 지지해주는 지지구조물도 지진 등에 견디도록 견고하게 설계해야 하는 문제점들을 수반한다. 또한, 펌프를 사용하는 보조급수 냉각계통은 운전원의 실수, 전원상실, 펌프의 오작동 등에 의해 실패의 가능성이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 원자로 사고시에 증기발생기의 이차측에서 발생하는 증기를 응축하여 원자로 잔열을 피동적으로 냉각함으로써, 발전소 소 내외의 안전성과 경제성을 높일 수 있는 피동형 보조급수냉각계통의 개념이 제안되었으며, 이는 비등경수로의 수직형 격리응축기(Isolation condenser)와, 그 격리응축기와 열교환이 일어날 수 있는 냉각수를 포함하는 격리응축기 수조, 증기발생기와 상기 격리응축기를 연결하는 배관 및 보충수 탱크를 포함하고 있다.

그런데, 종래 경수로의 피동형 보조급수냉각시스템은 열교환기 냉각수조(PCCT)의 냉각수가 모두 증발한 이후에는 피동보조급수 냉각계통의 냉각수조에 냉각수를 재보충해 주거나, 또는 종래의 냉각수조보다 몇 배 더 크게 설계해야만 하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점으로 인해, 본 발명은, 피동보조급수 냉각계통의 냉각수 탱크를 최외곽 제2 격납건물 및 내부 제1 격납건물로 구성되는 이중격납건물벽 사이의 간극 내 설치하여, 증기발생기 이차측을 효과적으로 피동냉각시키면서 냉각수의 고갈 우려가 없도록 한 냉각계통을 제공하고자 한다.

먼저, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통(100)에 있어서, 상기 제2 격납건물(41)은 원자로를 둘러싸며 밀봉하는 제1 격납건물(31)을 둘러싸되, 소정의 간극(71)(gap)을 두고 둘러싸며 밀봉한다.

상기 제1 격납건물(31)은 금속 또는 콘크리트 재질일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 제2 격납건물(41)은 철 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금 및 황동일 수 있고, 바람직하게는 스텐레스강 재질일 수 있으나, 열 전도도 및 열 복사율이 양호하고 격납건물로써 기계적 물성이 우수한 재질이라면 이에 제한하는 것은 아니다.

이때, 상기 제1 격납건물(31)은 원자로 계통으로부터 나오는 방사성 물질을 1차적으로 차단하는 역할을 수행할 수 있고, 상기 제2 격납건물(41)은 2차적으로 방사성 물질을 차단할 수 있다.

또한, 종래 원자로 격납건물의 최외곽 격납건물은 콘크리트 재질로 열 전도도가 금속에 비해 현저하게 낮아서, 내부의 열을 직접 흡수하고 대기로 방출하는 것이 어려웠으나, 상기 제2 격납건물(41)은 간극 내 증기의 열을 흡수하고, 이를 대기 중으로 자연대류를 통해 방출하여 격납건물을 냉각하는 역할을 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통(100)에 있어서, 상기 냉각수 탱크(61)는 상기 간극(71) 내에 구비되어 냉각수를 저장하되, 상기 냉각수가 증발 시 간극 내를 순환할 수 있도록 상기 냉각수 탱크의 상부는 개방되어 있을 수 있다.

이때, 상기 간극(71)의 폭은 1 m 내지 5 m 일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 제1 격납건물(31) 반경 방향으로의 냉각수 탱크(61)의 폭은 상기 간극(71)과 동일하게 구비될 수 있고, 일반적으로는 유지보수 작업 반경을 고려하여 상기 간극보다 작은 폭으로 구비될 수 있다.

사고 발생 시, 상기 증기 발생기(32)의 상부(이차측)로부터 열을 전달받은 열교환기(51)를 포함하는 냉각수 탱크(61)의 냉각수는 증발하며 상기 제2 격납건물(41)의 내벽으로 열을 전달할 수 있으며, 이후 증발된 증기가 상기 제2 격납건물의 외벽이 대기와의 대류열전달로 냉각됨에 따라 다시 응축되며 상기 냉각수 탱크로 회수될 수 있어, 사고 발생시 피동냉각을 효과적으로 수행함과 동시에 냉각수 탱크 내 물이 고갈되지 않는 장점이 있다.

또한, 상기 냉각수 탱크(61)는 도 5에 도시한 바와 같이 상기 간극(71) 내 일체형 고리 형태로 구비될 수 있고, 4분면으로 분할된 4 개가 구비될 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

도 5에 도시한 4분면으로 분할된 4 개의 냉각수 탱크(61)는, 하나의 증기 발생기로부터 발생한 증기가 각각의 열교환기(51)를 거쳐 순환하도록 각각의 폐순환 루프를 형성할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

또한, 도 5에 도시한 일체형 고리 형태의 냉각수 탱크(61)는 하나의 증기 발생기로부터 발생한 증기가 각각의 열교환기(51)를 거쳐 순환하도록가 각각의 폐순환 루프를 형성할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

나아가, 도 5에 도시한 4분면으로 분할된 4 개의 냉각수 탱크(61) 및 고리 형태의 냉각수 탱크는 상기 언급한 바와 같이 작업자의 유지보수 환경을 고려하여, 간극의 폭 보다 작은 폭으로 구비될 수 있다.

즉, 도 5에서는 4 개의 폐순환 루프가 형성되어 있으며, 사고 발생 시, 2 개의 폐순환 루프만 작동하더라도 사고 온도 제한을 초과하지 않도록 냉각설계를 수행할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통(100)에 있어서, 상기 열교환기(51)는 상기 냉각수 탱크(61) 내부에 구비되고, 상기 제1 격납건물(31) 내부와 연결되어, 사고 발생 시 증기 발생기(21)의 열을 폐순환 루프(closed loop)를 통해 냉각할 수 있다.

상기 폐순환 루프는 증기 발생기(21) 상부와 상기 열교환기(51) 일단을 연결하며 제1 격납건물(31)을 관통하는 제1 유로(52); 및 증기 발생기 하부와 상기 열교환기 타단을 연결하며 격납건물을 관통하는 제2 유로(53);를 포함할 수 있다.

즉, 증기 발생기(21), 제1 유로(52), 열교환기(51) 및 제2 유로(53)로 구성되는 폐순환 루프를 통해, 증기 발생기에서 발생되는 증기를 상기 열교환기(51)로 이송시키고, 상기 열교환기로 이송된 증기는 냉각수 탱크에 의해 응축되어 액체 상태로 상기 제2 유로를 통해 다시 증기 발생기로 유입될 수 있다.

상기 제1 유로(52)는 적어도 1 개 이상의 밸브를 포함할 수 있고, 또한 상기 제2 유로(53)는 적어도 1 개 이상의 밸브를 포함할 수 있다.

상기 밸브는 원자로 정상 작동 시 닫혀 있으며, 원자로 사고 시에는 초기 구동을 위해 구비되되, 구동에 필요한 전기동력 공급을 위해 전용 배터리를 포함하도록 구성된다.

또한, 증기 발생기(21), 제1 유로(52), 열교환기(51) 및 제2 유로(53)로 구성되는 폐순환 루프는 적어도 1 개 이상이 구비될 수 있고, 바람직하게는 각각이 독립된 4 개가 구비될 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

도 3은 종래 원자로 피동냉각계통의 일례를 나타내었다. 도 3의 1은 격납건물 내부가 가열된 상태를 나타내는 것이고, 2는 가열된 증기 발생기를 나타내는 것이고, 3은 가열된 증기 발생기로부터 열교환기로 증기를 이송하는 배관을 나타내는 것이고, 4는 열교환기로부터 열교환이 수행된 물이 증기 발생기로 이송되는 배관을 나타내는 것이며, 5는 열교환기로부터 가열된 물을 포함하는 냉각수 탱크를 나타낸 것이다.

상기와 같은 종래 열교환기가 격납건물 외부에 배치된 피동냉각계통은 파손사고 발생 시 방사성 물질이 대기로 누출될 우려가 있는 것에 비해, 본 발명에 따른 상기 열교환기(51)는 파손 사고 발생 시, 상기 제2 격납건물(41)로 밀봉되어 있어 방사성 물질이 대기로 누출되는 것을 방지할 수 있다.

나아가, 상기 피동보조급수 냉각계통(100)은 격납건물 내부에 구비되는 저장수(22)를 더 포함할 수 있다.

더욱 나아가, 상기 피동보조급수 냉각계통(100)은 방사성 물질을 필터링하는 FCVS(Filtered Containment Ventilation System)를 적어도 1 개 이상 더 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통 및 종래 원자로 피동보조급수냉각계통(PAFS)의 사고 시 냉각 구동시간과 냉각수 수위를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 종래 방식의 피동보조급수냉각계통으로 증기 발생기 열을 냉각수 탱크의 열교환기로 냉각시킬 때, 사고발생 이후 냉각수 탱크의 냉각수 증발이 시작되어 약 8시간에 도달하면 냉각수가 모두 증발되어 냉각수가 고갈되게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통은 증발된 냉각수가 제2 격납건물(41)와 열교환 후 응축되어, 냉각수 탱크(61)로 회수됨으로써, 냉각수가 고갈되지 않는 장점이 있다.

즉, 종래의 피동급수냉각계통의 냉각수 탱크의 체적을 몇 배 더 크게 설계하지 않고도 냉각시간을 무한정하게 확대할 수 있다. 따라서, 피동급수냉각계통의 냉각수 탱크 체적 증가 문제와, 냉각수 탱크의 체적 증가에 따른 원자로 보조건물의 벽체두께 증가 문제를 동시에 해결할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 원자력 발전소 내외의 전원 공급이 불가능한 상황에서도 간극 내 물 및 증기가 자연순환되어 격납건물을 피동냉각시킬 수 있는 구조로 되어 있다.

따라서 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통(100)은 사고 발생 시 가동되는 것으로, 원자로 정상 가동 시에는 상기 증기 발생기(21)의 증기가 터빈으로 향하여 발전하도록 구동되고, 사고가 발생하면 상기 언급한 바와 같이 제1 유로(52) 및 제2 유로(53)의 밸브가 개방되어 증기 발생기(21)로부터 발생되는 증기가, 제1 유로(52), 열교환기(51), 제2 유로(54), 증기 발생기 및 제1 유로를 거치는 폐순환 루프로 순환될 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통의 일 실시 예로

원자로를 둘러싸며 밀봉하는 콘크리트 격납건물을 둘러싸되, 3 m 내지 4 m 간극을 두고 둘러싸는 SUS304 격납건물; 상기 간극에 구비되는 4 개의 냉각수 탱크; 및 상기 냉각수 탱크 내부에 구비되고, 사고 발생 시 상기 콘크리트 격납건물 내부에 위치하는 2 개의 증기 발생기와 폐순환 루프를 형성하는 4 개의 열교환기;를 포함하는 피동보조급수 냉각계통을 구비할 수 있다.

또한, 본 발명은

상기의 피동보조급수 냉각계통(100)의 증기 발생기(21)의 증기가 냉각수 탱크(61) 내 열교환기(51)로 이송되는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 상기 열교환기로 이송된 증기는 응축되어 폐순환 루프 내 를 순환하고, 상기 이송된 증기의 열로 냉각수 탱크 내 물이 증발하며, 상기 증발된 증기가 간극(71) 내부를 순환하면서 제2 격납건물(41)로 열을 전달하는 단계(단계 2);

이때, 도 2a 내지 도 2c에 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법의 일례를 모식도를 통해 나타내었으며,

이하, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법에 있어서, 상기 단계 1은 상기의 피동보조급수 냉각계통(100)의 증기 발생기(21)의 증기가 냉각수 탱크(61) 내 열교환기(51)로 이송되는 단계이다.

도 2a를 참조하면, 상기 단계 1에서는 증기 발생기(21)에서 발생된 증기가 상기 제1 유로(52)를 통해 상기 냉각수 탱크(61) 내 열교환기(51)로 도달한다. 이를 도 2a에서 빨간색으로 표시하였다. 이때 도달한 증기가 상기 열교환기 외부 냉각수 탱크 내 물로 열을 전달하면서 응축되며, 상기 응축된 물은 하기 후술할 단계 2에서 다시 증기 발생기로 이송되며 폐순환 루프를 통해 순환할 수 있다. 이때, 열을 전달받은 상기 냉각수 탱크 내 물은 증발될 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 상기 열교환기(51)로 이송된 증기는 응축되어 폐순환 루프 내를 순환하고, 상기 이송된 증기의 열로 냉각수 탱크(61) 내 물이 증발하며, 상기 증발된 증기가 간극(71) 내부를 순환하면서 제2 격납건물(41)로 열을 전달하는 단계이다.

도 2b를 참조하면, 상기 단계 2에서, 상기 냉각수 탱크(61)의 물로부터 증발된 증기가 상기 간극(71) 상부로 상승하면서 사고 초기에는 상대적으로 낮은 온도의 상기 제2 격납건물(41)와 열교환을 수행하며 응축될 수 있다.

도 2b의 냉각수 탱크의 보라색 부분은 증발하기 시작하는 물을 나타낸 것이고, 주황색 제2 격납건물은 증발된 증기에 의해 온도가 상승하여 열을 대기 중으로 방출하는 모습을 나타낸 것이며, 파란색 제2 유로(53)는 상기 열교환기(51)에서 응축된 물이 증기 발생기를 향해 이송되는 모습을 나타낸 것이다. 즉, 상기 열교환기내에서 응축된 물은 다시 증기 발생기로 이송되며 폐순환 루프를 통해 순환할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 열을 전달받은 제2 격납건물(41)의 열이 대기로 방출되고, 간극(71) 내 증기가 응축되어 냉각수 탱크(61)로 회수되는 단계이다.

도 2c를 참조하면, 상기 단계 3에서, 열을 전달받은 제2 격납건물(41)은 또한 지속적으로 자연대류 및 복사를 통해 대기로 열이 방출될 수 있다. 이로 인해 상기 제2 격납건물은 상대적으로 간극(71) 내 증기보다 낮은 온도를 나타내고, 이에 증기의 열을 지속적으로 흡수하고 이를 대기로 방출하는 역할을 수행할 수 있다.

종래 원자로 격납건물은 최외곽 벽체가 콘크리트 재질로 구성되어, 벽체면을 통한 직접적인 열전도 방출이 거이 불가능하고, 별도의 열교환기를 최외각 격납건물 밖의 냉각수 탱크에 설치해 간극 내 발생된 증기를 배출하여, 열교환기 파손사고 발생 시 이중격납건물 구조임에도 불구하고 방사성 물질의 유출 및 냉각 시간의 제한이 있는 문제가 있었으나, 본 발명은 밀봉된 금속 재질의 최외곽 제2 격납건물(41)로 효과적으로 열을 대기로 방출시킬 수 있으며, 방사성 물질의 누출을 2차적으로 차단할 수 있다.

또한, 상기 제2 격납건물(41)로 열을 전달한 상기 간극(71) 내 증기는 응축되어 냉각수 탱크(61)로 회수될 수 있고, 일정 시간이 지난 후 상기 냉각수 탱크 내 물의 증발 및 간극 내 증기의 응축이 평형을 이루면서 상기 냉각수 탱크 내 물의 수위가 일정하게 유지될 수 있다.

도 3c의 주황색 간극(71)은 증발된 증기가 간극 내 채워져 있는 모습을 나타낸 것이고, 상기 간극과 연두색 제2 격납건물(41) 사이 하늘색 물은 증기가 응축되어 냉각수 탱크(61)로 회수되는 모습을 나타낸 것이며, 상기 제2 격납건물 외주면의 빨간색 화살표는 간극 내 증기로 가열된 제2 격납건물의 열이 방출되는 모습을 나타낸 것이다.

다음으로, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법에 있어서, 상기 단계 4는 상기 단계 2 및 단계 3이 반복되며 증기 발생기(21) 및 피동보조급수 냉각계통(100)을 냉각하는 단계이다.

종래 피동보조급수 냉각계통의 냉각 시간은 냉각수의 용량에 따라 8 시간 내지 72 시간으로 제한이 있으나, 본 발명은 냉각 시간에 제한이 없는 장점이 있다. 즉, 원자로의 잔열을 전달받은 증기 발생기로부터 발생된 증기가 열교환기를 거쳐 수냉식 열교환을 수행하여 응축되고, 상기 응축된 물이 다시 증기 발생기로 이송되며 증기 발생기 및 원자로의 잔열을 냉각할 수 있다. 더불어, 상기 열교환기로부터 열을 전달받은 냉각수 탱크 내 물은 증발하여 제2 격납건물에 열을 전달한 뒤 응축되어 상기 냉각수 탱크로 회수되며 피동냉각이 수행되고, 상기 열을 전달받은 제2 격납건물은 대기로 열을 방출하여, 최종적으로는 상기 단계 4와 같이 내부의 열을 시간제한 없이 지속적으로 대기로 방출하는 피동냉각이 수행될 수 있다.

나아가, 본 발명은

상기의 피동보조급수 냉각계통의 폐순환 루프를 작동시키는 단계(단계 1); 및

상기 단계 1의 폐순환 루프로 증기 및 물을 순환시키는 단계(단계 2);를 포함하는 사고 시 피동보조급수 냉각계통 구동방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 피동보조급수 냉각계통(100) 구동방법에 대해 상세히 설명한다.

*먼저, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통(100) 구동방법에 있어서, 상기 단계 1은 상기의 피동보조급수 냉각계통의 폐순환 루프를 작동시키는 단계이다.

상기 단계 1에서는 폐순환 루프를 구성하는 상기 제1 유로(52) 및 제2 유로(53)에 구비된 밸브를 개방하여 상기 폐순환 루프를 작동시킬 수 있다.

상기 밸브는 구동에 필요한 전기동력 공급을 위해 전용 배터리를 포함하도록 구성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 사고 시 피동보조급수 냉각계통(100) 구동방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1의 폐순환 루프로 증기 및 물을 순환시키는 단계이다.

상기 단계 2에서는 추가적인 조작 없이 피동보조급수 냉각계통이 구동되는 단계로, 상기 폐순환 루프를 순환하는 증기로 인하여 상기 냉각수 탱크(61) 내 물이 간극(71) 내에서 증발 및 응축되어 순환하며 피동냉각이 수행된다.

구체적으로, 상술한 바와 같이 증기 발생기로부터 발생된 증기가 상기 열교환기(51)를 거쳐 수냉식 열교환을 수행하여 응축되고, 상기 응축된 물이 다시 증기 발생기로 이송되며 증기 발생기 및 원자로의 잔열을 냉각할 수 있다. 더불어, 상기 열교환기로부터 열을 전달받은 냉각수 탱크(61) 내 물은 증발하여 제2 격납건물(41)에 열을 전달한 뒤 응축되어 상기 냉각수 탱크(61)로 회수되며 피동냉각이 수행되고, 상기 열을 전달받은 제2 격납건물은 대기로 열을 방출하여, 최종적으로는 증기발생기 이차측의 열 및 원자로 잔열을 시간제한 없이 지속적으로 대기로 방출하는 피동냉각이 수행될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

11 : 원자로 21 : 증기 발생기
22 : 저장수 31 : 제1 격납건물
41 : 제2 격납건물 51 : 열교환기
52 : 제1 유로 53 : 제2 유로
61 : 냉각수 탱크 71 : 간극
81 : FCVS

Claims

원자로를 둘러싸며 밀봉하는 제1 격납건물을 둘러싸되, 소정의 간극을 두고 둘러싸며, 외부로 증기 및 방사성 물질이 누출되지 않도록 밀봉하는 금속 재질의 제2 격납건물;
상기 간극에 구비되는 냉각수 탱크; 및
상기 냉각수 탱크 내부에 구비되고, 사고 발생 시 상기 제1 격납건물 내부에 위치하는 증기 발생기와 폐순환 루프(closed loop)를 형성하는 열교환기;를 포함하는 피동보조급수 냉각계통이되,
상기 폐순환 루프는 상기 증기 발생기 상부와 상기 열교환기 일단을 연결하며 상기 제1 격납건물를 관통하는 제1 유로; 및 상기 증기 발생기 하부와 상기 열교환기타단을 연결하며 제1 격납건물를 관통하는 제2 유로;를 포함하고,
사고 발생시 증기 발생기의 증기가 냉각수 탱크 내 열교환기로 이송되고, 상기 열교환기로 이송된 증기는 응축되어 폐순환 루프 내 를 순환하고, 상기 이송된 증기의 열로 냉각수 탱크 내 냉각수가 증발하며, 상기 증발된 증기가 간극 내부를 순환하면서 제2 격납건물로 열을 전달하고, 열을 전달받은 제2 격납건물의 열이 대기로 방출되고, 간극 내 증기가 응축되어 냉각수 탱크로 회수됨으로써, 냉각수 탱크 내의 냉각수가 고갈되지 않는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 유로는 적어도 1 개 이상의 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 제2 유로는 적어도 1 개 이상의 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 냉각수 탱크는 상기 간극 내 1 개 내지 4 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 피동보조급수 냉각계통은 상기 제1 격납건물 내부에 구비되는 저장수;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 제1 격납건물은 콘크리트 또는 금속 재질인 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 제2 격납건물은 스테인레스강, 알루미늄 합금, 니켈 합금 및 구리 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 재질인 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 간극의 폭은 1 m 내지 5 m인 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 열교환기는 수냉식 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
삭제
제1항에 있어서,
상기 피동보조급수 냉각계통은 방사성 물질을 필터링하는 FCVS(Filtered Containment Ventilation System)를 적어도 1 개 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항에 있어서,
상기 열교환기 파손 사고 발생 시, 상기 제2 격납건물로 인해 방사성 물질이 대기로 누출되지 않는 것을 특징으로 하는 피동보조급수 냉각계통.
제1항의 피동보조급수 냉각계통의 증기 발생기의 증기가 냉각수 탱크 내 열교환기로 이송되는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 상기 열교환기로 이송된 증기는 응축되어 폐순환 루프 내 를 순환하고, 상기 이송된 증기의 열로 냉각수 탱크 내 물이 증발하며, 상기 증발된 증기가 간극 내부를 순환하면서 제2 격납건물로 열을 전달하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 열을 전달받은 제2 격납건물의 열이 대기로 방출되고, 간극 내 증기가 응축되어 냉각수 탱크로 회수되는 단계(단계 3); 및
상기 단계 2 및 단계 3이 반복되며 증기 발생기 및 피동보조급수 냉각계통을 냉각하는 단계(단계 4);를 포함하는 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법.
제14항에 있어서,
상기 단계 3에서 열을 전달받은 제2 격납건물의 외벽은 자연대류 및 복사를 통해 대기로 열이 방출되는 것을 특징으로 하는 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법.
제14항에 있어서,
상기 단계 4의 냉각 시간은 제한이 없는 것을 특징으로 하는 사고 시 피동보조급수 냉각계통 냉각방법.
제1항의 피동보조급수 냉각계통의 폐순환 루프를 작동시키는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 폐순환 루프로 증기 및 물을 순환시키는 단계(단계 2);를 포함하는 사고 시 피동보조급수 냉각계통 구동방법.