KR101777179B1 - 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치에 관한 것으로, 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서, 상기 원자로에 구비된 노심의 하부측 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및 상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프가 정지되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하여 이루어져, 천재지변 및 비상상황 등에 의해 원자로의 전원이 상실될 경우 외부에서의 임의의 조작없이 완전피동 방식으로 노심의 냉각이 가능한 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치에 관한 것이다.

Description

원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치 {Passive cooling system for nuclear reactor core using downward flow}
본 발명은 천재지변 및 비상상황 등에 의해 원자로의 전원이 상실될 경우 외부에서의 임의의 조작없이 완전피동 개념으로 노심의 잔열을 제거하기 위한 노심 하향유동을 발생 및 유지시킬 수 있는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치에 관한 것이다.
연구용 원자로는 정상운전 시 1차 냉각펌프의 작동에 의해 원자로가 담긴 수조 내부의 1차냉각계통 배관을 따라 냉각수가 유동되어 노심이 냉각되며, 1차 냉각펌프의 정지 시에는 원자로가 담긴 수조 내부의 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브(flap valve)가 자연적으로 열려 수조 내부의 냉각수가 자연대류에 의해 유동되어 노심의 잔열이 제거된다.
최근 건설되는 연구용 원자로(10)는 도 1과 같이 노심(21)에서의 1차냉각수의 유동 방향이 상측에서 하측을 향하는 하향유동(Downward flow) 노심 냉각시스템을 채택하고 있다. 이 경우 1차 냉각펌프(30) 정지 후 초기에는 관성에 의해 노심 하향유동(Downward flow)이 어느 정도 유지되나 도 2와 같이 플랩밸브(31)가 열려 노심의 잔열에 의해 자연대류가 발달하면 냉각수의 노심유동이 상향유동(Upward flow)으로 바뀌게 된다. 노심의 유동이 하향에서 상향으로 역전되는 순간 노심의 핵연료봉 주위의 냉각수 유동 속도가 zero가 되며, 이에 따라 열전달율이 급격히 감소하게 되어 핵연료봉 손상을 초래 할 수 있다.
이러한 유동역전에 의한 핵연료봉 손상위험을 줄이기 위해 원자로 정지 후에도 노심에서 하향유동을 유지시켜 노심의 잔열을 충분히 제거시킨 후 자연대류에 의한 상향유동이 발생할 수 있도록 운전을 조정하고 있다. 이를 위하여 원자로 정상정지 시에는 핵연료봉의 핵분열이 중단된 상태에서도 1차 냉각펌프를 계속 작동시켜 하향유동에 의해 노심의 잔열을 제거하며, 잔열이 충분히 제거된 상태에서 1차 냉각펌프를 정지시키고 자연대류에 의한 상향유동이 발생하게 하고 있다. 또한, 천재지변등에 의해 원자로가 불시 정지되고 전원이 상실되는 경우에 대비하여 1차 냉각펌프 불시 정지 후 노심하향유동을 유지시킬 수 있는 추가 펌프 및 독립 펌프구동장치(디젤엔진 혹은 배터리 구동모터)로 구성된 비상 냉각시스템을 설치하고 있다.
하지만, 이러한 천재지변에 대비한 비상 냉각시스템 역시 천재지변에 의해 손상 및 오작동 될 수 있으며, 높은 안전등급을 요구하여 많은 설치비용 및 유지관리 비용을 필요로 한다. 또한, 노심하향 유동이 충분히 유지되지 않은 상태에서 비상 냉각시스템이 구동력을 상실하면 노심의 잔열이 많이 남아있는 상태에서 자연대류에 의한 상향유동이 발생하여 핵연료봉을 손상 시킬 수 있다.
KR 10-1407129 B1 (2014.06.05)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 천재지변 및 비상상황 등에 의해 원자로의 전원이 상실될 경우 외부에서의 임의의 조작없이 완전피동 개념으로 노심의 잔열을 제거하기 위한 노심 하향유동을 발생 및 유지시킬 수 있으며, 특히 냉각수의 하향유동에 의한 노심 냉각정도를 간접적으로 측정하여 노심이 충분히 냉각되었을 때 외부에서의 임의의 조작없이 완전피동 개념으로 노심 하향유동을 자동으로 정지시킬 수 있는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는, 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서, 상기 원자로에 구비된 노심의 하부측 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및 상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고 본 발명의 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는, 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서, 상기 원자로에 구비된 노심의 핵연료봉 중앙부와 하단 사이의 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및 상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는, 천재지변 및 비상상황 등에 의해 원자로의 전원이 상실될 경우 외부에서의 임의의 조작없이 완전피동 방식으로 노심의 냉각이 가능하여 연구용 원자로의 안전성이 향상되는 장점이 있다.
또한, 비교적 간단한 설비로 완전피동 냉각을 구현하여 연구용 원자로의 설치 및 유지보수가 용이하며 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 개방수조형 연구형 원자로의 정상 운전 시 노심 냉각을 위한 1차냉각펌프가 작동되는 상태에서의 냉각수 유동을 나타낸 개략도. (하향유동)
도 2는 종래의 개방수조형 연구형 원자로의 1차냉각펌프 정지 시 냉각수의 자연 대류에 의해 노심이 냉각되는 상태에서의 냉각수 유동을 나타낸 개략도. (상향유동)
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 정상 운전 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 원자로 전원상실 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 노심냉각 완료 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 변형된 실시예를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 원자로 전원상실 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
<실시예 1>
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 정상 운전 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 원자로 전원상실 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치의 노심냉각 완료 시 냉각수의 유동을 나타낸 개략도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는, 정상 운전 시 1차냉각펌프(300)의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로(200) 내의 노심(210)을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프(300)의 정지 시 1차냉각계통 배관(310)에 설치된 플랩밸브(320)가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로(200) 내의 노심(210)을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서, 상기 원자로(200)에 구비된 노심(210)의 하부측 냉각수 유로에 노심 냉각배관(340)으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심(210)을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크(400); 및 상기 노심 냉각배관(340)에 설치되며, 상기 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프(300)가 정지되었을 때에 개방되는 제2자동밸브(350); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
우선, 원자로(200)는 냉각수가 채워져 있으며 상측이 개방된 개방형 수조(100) 내에 잠겨있는 상태로 설치되어, 수조(100)의 하부에 원자로(200)가 배치될 수 있다. 그리고 원자로(200)는 내부 중앙부에 핵연료봉(220)이 장착된 노심(210)이 형성될 수 있다. 또한, 노심(210)을 냉각시키기 위해 원자로(200)에는 1차냉각계통 배관(310)이 연결되고 1차냉각계통 배관(310) 상에 1차냉각펌프(300)가 설치될 수 있으며, 원자로(200)는 노심(210)을 통과하도록 상하방향으로 관통된 냉각 유로가 형성되며, 1차냉각계통 배관(310)의 일단이 원자로(200)의 상측에 연결되고 타단이 원자로(200)의 하측에 연결되어, 1차냉각펌프(300)가 작동되면 1차냉각계통 배관(310)을 따라 냉각수가 흐르면서 노심(210)에서 냉각수의 하향유동을 발생시켜 노심(210)이 냉각될 수 있다.
노심냉각수 임시저장 탱크(400)는 냉각수가 저장될 수 있는 공간으로, 수조(100)의 외부에 설치될 수 있으며 수조의 하부에 배치되어 중력에 의해 냉각수가 유입되도록 할 수 있다. 그리고 노심냉각수 임시저장 탱크(400)는 노심 냉각배관(340)으로 원자로(200)에 연결되되, 노심 냉각배관(340)의 일단이 원자로(200)에서 노심(210)의 하측에 연결되고 타단이 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 연결되어, 상측에서 하측방향으로 노심(210)을 통과하면서 가열된 고온의 냉각수가 노심 냉각배관(340)을 통해 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 유입되어 저장될 수 있도록 구성될 수 있다. 이때, 노심 냉각배관(340)의 일단은 원자로(200)의 하부측인 노심(210)의 하단에서 하측으로 이격된 위치에 형성된 공간부에 연결되어 노심(210)을 완전히 통과한 고온의 냉각수가 노심 냉각배관(340)을 통해 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 유입되도록 할 수 있다. 그리고 노심 냉각배관(340)에는 필터 및 이온교환기(360)가 설치되어 유동되는 냉각수에서 방사능 물질 및 부유물 등이 제거될 수 있다.
제2자동밸브(350)는 노심 냉각배관(340)에 설치될 수 있으며, 제2자동밸브(350)는 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프(300)가 정지되었을 때에 개방되도록 형성될 수 있다. 즉, 원자로에 전원이 정상적으로 공급되어 1차냉각펌프(300)가 정상적으로 작동되는 동안이나 정지된 경우에는 폐쇄되어 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 냉각수가 유입되지 않으며, 천재지변 등의 비상 시에 전원 공급이 차단되어 원자로의 전원 상실로 인해 1차냉각펌프(300)가 정지되었을 때 개방되어 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 냉각수가 유입되도록 할 수 있다.
그리하여 도 3과 같이 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 1차냉각계통 배관(310)을 따라 냉각수가 흐르면서 노심(210)에서 냉각수의 하향유동을 발생시켜 노심(210)이 냉각될 수 있으며, 이때에는 제2자동밸브(350)가 닫혀있는 상태를 유지하고 있으므로 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 냉각수가 유입되지 않는다. 여기에서 도 4를 참조하면 천재지변 등과 같은 비상 상황에 의해 원자로가 전원을 상실하면 1차냉각펌프(300)에 전원이 공급되지 않아 1차냉각펌프(300)의 작동이 정지되며, 원자로의 전원 상실로 인해 1차냉각펌프(300)의 작동이 정지되면 제2자동밸브(350)가 개방되어 냉각수가 하향유동으로 노심(210)을 통과하면서 노심(210)을 냉각시킨 후 노심 냉각배관(340)을 따라 노심냉각수 임시저장 탱크(400)쪽으로 유입되어 저장될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는 비상 시 전원공급이 중단되어 1차냉각수펌프가 정지되더라도 노심이 충분히 냉각될 수 있는 특정한 시간동안 1차냉각수펌프의 정상 작동시와 동일하게 냉각수의 하향유동이 유지되도록 할 수 있어, 노심이 고온인 상태에서 냉각수의 유동 역전현상이 발생하지 않아 노심 내 핵연료봉의 손상을 방지할 수 있다. 그리고 천재지변 및 비상상황 등에 의해 원자로의 전원이 상실될 경우 외부에서의 임의의 조작없이 완전피동 방식으로 노심의 냉각이 가능하여 연구용 원자로의 안전성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 연결되어, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에서 배출되는 냉각수가 저장될 수 있는 액체폐기물 섬프(500)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 연결배관(420)으로 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 액체폐기물 섬프(500)가 연결되어, 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 저장되었다가 오버플로우되어 배출되는 냉각수가 액체폐기물 섬프(500)에 저장되도록 할 수 있다. 이때, 액체폐기물 섬프(500)는 원자로에서 발생되는 액체폐기물(510)을 저장하는 공간이며, 액체폐기물 섬프(500)는 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 비해 매우 부피가 크게 형성될 수 있으며, 수조(100)에서 노심(210)을 냉각시킨 후 배출된 냉각수가 노심냉각수 임시저장 탱크(400)를 거쳐 최종적으로는 액체폐기물 섬프(500)에 모여 저장될 수 있다. 그리고 수조(100)의 하부측에 액체폐기물 섬프(500)가 배치될 수 있다. 또한, 액체폐기물 섬프(500)는 노심냉각수 임시저장 탱크(400)의 높이보다 낮거나 같게 배치되어, 중력에 의해 냉각수가 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에서 액체폐기물 섬프(500)로 용이하게 흐르도록 구성될 수 있다. 또한, 액체폐기물 섬프(500)는 노심냉각수 임시저장 탱크(400)보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)의 하부에 설치되며, 고온측(411)이 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 접촉되고 저온측(412)이 고온측(411)의 바깥쪽에 배치된 열전소자(410); 및 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 액체폐기물 섬프(500)를 연결하는 연결배관(420)에 설치되며, 상기 열전소자(410)에 연결된 영전자석밸브(430); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 열전소자(410)는 고온측(411)과 저온측(412)이 결합된 구조로 형성되어, 고온측(411)이 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 접촉되고 저온측(412)이 고온측(411)의 바깥쪽에 배치되며, 열전소자(410)는 노심냉각수 임시저장 탱크(400)의 하부에 설치될 수 있다. 그리고 열전소자(410)는 2종류의 금속 또는 반도체 양단에 온도차를 주면 기전력이 발생하는 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 소자로서, 구조가 간단하고 발전이 불가능한 중온 및 저온의 폐열을 활용할 수 있는 특징이 있다. 또한, 열전소자(410)는 고온측(411)과 저온측(412)의 온도차이에 비례하여 전력이 발생되므로, 온도차이를 크게 하기 위해 저온측(412)의 냉각이 용이하도록 저온측(412)에 냉각핀을 형성할 수 있으며, 잉여 전력으로 구동되는 냉각팬을 설치할 수도 있다.
그리고 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 액체폐기물 섬프(500)를 연결하는 연결배관(420)에 영전자석밸브(430)가 설치되며, 영전자석밸브(430)는 열전소자(410)에 연결되어 열전소자에서 발생되는 전력에 의해 개폐될 수 있다. 이때, 영전자석밸브(430)는 일반적인 전자석과는 반대의 개념으로 전류가 흐르지 않으면 영구자석처럼 자력을 유지하다가 전류가 흐르면 자력을 상실하는 밸브이며, 주로 물체를 장시간 흡착해야 하는 경우에 사용될 수 있다. 여기에서 본 발명의 영전자석밸브(430)는 영전자석(431), 자성체(432) 및 스프링(433)으로 구성되어, 영전자석(431)에 전원이 공급되지 않는 동안에는 자력이 발생하여 자성체(432)와 밀착되어 폐쇄된 상태로 유지되며, 영전자석(431)에 전원이 공급되면 자력을 잃어 스프링에 의해 자성체(432)와 영전자석(431)이 이격되면서 밸브가 개방된 상태로 유지될 수 있다. 그리하여 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 고온의 냉각수가 유입되면 열전소자(410)에서 전력이 발생하여 영전자석밸브(430)가 개방되어, 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 채워진 후 오버플로우되어 배출되는 냉각수가 액체폐기물 섬프(500)로 유입되어 저장될 수 있다. 또한, 노심이 충분히 냉각되어 저온의 냉각수가 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 유입되면 열전소자(410)에서 전력이 발생하지 않아 영전자석밸브(430)가 폐쇄되어, 수조(100) 내의 냉각수가 노심냉각수 임시저장 탱크(400) 및 액체폐기물 섬프(500)로 더 이상 유입되지 않을 수 있다.
또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 액체폐기물 섬프(500)를 연결하는 바이패스 배관(440) 및 상기 바이패스 배관(440)에 설치된 릴리프 밸브(450)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 노심냉각수 임시저장 탱크(400) 내의 압력이 특정한 압력 이상으로 상승하면 바이패스 배관(440)에 설치된 릴리프 밸브(450)가 개방되어 노심냉각수 임시저장 탱크(400) 내의 과도한 압력 상승을 방지할 수 있다. 이때, 바이패스 배관(440)은 연결배관(420)과 병렬로 연결될 수 있다. 그리고 열전소자(410)에서 전력의 생성이 늦어져 영전자석밸브(430)가 늦게 개방되는 경우 노심냉각수 임시저장 탱크(400) 내에 채워진 냉각수가 릴리프 밸브(450)를 통해 액체폐기물 섬프(500)로 유입될 수도 있다. 그리하여 영전자석밸브(430)가 개방되지 않더라도 노심냉각수 임시저장 탱크(400) 내의 압력이 특정한 압력 이상이 되면 릴리프 밸브(450)가 열려 수조(100)에서 노심냉각수 임시저장 탱크(400)쪽으로 냉각수가 유동될 수 있으므로, 계속적으로 하향유동에 의해 노심(210)이 냉각될 수 있다.
또한, 상기 플랩밸브(320)가 접촉되도록 1차냉각계통 배관(310)에 설치되며 상기 열전소자(410)에 연결되어, 작동 시 상기 플랩밸브(320)가 닫힌 상태를 유지하도록 하는 전자석(330)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 전자석(330)은 열전소자(410)에 연결되어, 열전소자(410)로부터 전원이 공급되면 자력이 발생할 수 있으며, 전자석(330)은 1차냉각계통 배관(310)에 설치되되 플랩밸브(320)가 설치된 부분의 1차냉각계통 배관(310)의 개구를 플랩밸브(320)가 막아 폐쇄할 수 있도록 설치될 수 있다. 즉, 플랩밸브(320)가 1차냉각계통 배관(310)의 개구에 접촉되는 부분에 전자석(330)이 설치될 수 있다.
그리하여 도 3과 같이 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 1차냉각계통 배관(310)을 따라 냉각수가 흐르면서 노심(210)에서 냉각수의 하향유동을 발생시켜 노심(210)이 냉각될 수 있으며, 이때에는 제2자동밸브(350)가 닫혀있는 상태를 유지하고 있으므로 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 냉각수가 유입되지 않으며 이에 따라 열전소자(410)에서는 전력이 발생하지 않으며 전자석(330)은 자력이 없는 상태로 유지된다.
여기에서 도 4를 참조하면 천재지변 등과 같은 비상 상황에 의해 원자로가 전원을 상실하면 1차냉각펌프(300)에 전원이 공급되지 않아 1차냉각펌프(300)의 작동이 정지되며, 원자로의 전원 상실로 인해 1차냉각펌프(300)의 작동이 정지되면 제2자동밸브(350)가 개방되어 노심(210)을 통과하며 열교환되어 가열된 고온의 냉각수가 노심 냉각배관(340)을 따라 노심냉각수 임시저장 탱크(400)쪽으로 유입되어 저장될 수 있다. 이때, 노심냉각수 임시저장 탱크(400) 내로 유입된 고온의 냉각수에 의해 열전소자(410)에서 전력이 발생하게 되고, 이에 따라 열전소자(410)에 연결된 전자석(330)이 작동되어 자력이 발생함에 따라 플랩밸브(320)가 닫혀있는 상태로 유지될 수 있다.
이에 따라 비상 시 원자로의 전원 상실로 인해 1차냉각펌프(300)가 정지되더라도 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 냉각수가 유입되어 저장되는 특정한 시간 동안에는 정상 냉각시와 마찬가지로 노심(210)에서의 냉각수 유동이 하향유동을 유지할 수 있다. 이때, 원자로의 전원상실 초기에는 전자석(330)에 공급되는 전력이 충분하지 않아 플랩밸브가 열릴 수 있으나, 1차냉각펌프(300)에는 관성바퀴가 설치되어 있어, 1차냉각펌프(300)에 전원공급이 중단되더라도 일정한 시간동안에는 관성바퀴의 힘에 의해 1차냉각펌프(300)가 회전될 수 있어 플랩밸브(320)가 개방되는 시점이 연기될 수 있다. 그리하여 플랩밸브(320)가 개방된 개구를 통해 중온 또는 저온의 냉각수가 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면 특정한 시간동안 냉각수가 하향유동을 유지하고 있다가 노심(210)이 충분히 냉각되어 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 중온 또는 저온의 냉각수가 유입되면, 열전소자(410)에서 전력이 발생되지 않아 전자석(330)에서 자력이 발생되지 않으며, 이로 인해 플랩밸브(320)가 열려 자연대류에 의해 노심(210)에서의 냉각수 유동이 상향유동으로 전환될 수 있다. 이때, 하향유동에서 상향유동으로 유동 역전이 되더라도 노심(210)이 충분히 냉각된 상태이므로 핵연료봉(220)에 손상이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 상기 원자로(200)가 내부에 배치된 수조(100)의 상측에 구비되는 비상보충수 탱크(600); 및 상기 비상보충수 탱크(600)에 형성된 비상보충수 공급배관(610)에 설치되어 수조의 수위에 따른 부력체(621)의 위치 변화에 의해 개폐가 조절되는 플로팅 밸브(620); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 제2자동밸브(350)가 개방되어 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 냉각수가 유입되면 수조(100)의 수위가 점점 낮아지게 되므로, 수조(100)에 냉각수를 보충할 수 있도록 수조(100)의 상부측에 비상보충수 탱크(600)가 구비되어 중력에 의해 냉각수를 보충하도록 할 수 있다. 그리고 비상보충수 탱크(600)에 연결된 비상보충수 공급배관(610)에는 플로팅 밸브(620)가 설치되고 플로팅 밸브(620)를 구성하는 부력체(621)가 수조(100)의 수면에 부상되어 있어, 수면의 수위 변화에 따라 부력체(621)가 상하방향으로 이동되어 플로팅 밸브(620)의 개폐가 자동으로 조절될 수 있다. 그리하여 수조(100)의 수위가 낮아지면 부력체(621)가 하강하여 플로팅 밸브(620)가 개방되어 비상보충수 탱크(600)의 냉각수가 수조(100)로 보충되어 수조의 수위가 다시 높아질 수 있으며, 수위가 높아지면 부력체가 상승하여 플로팅 밸브가 폐쇄되어 냉각수의 보충이 정지될 수 있다. 이때, 플로팅 밸브(620)는 수조(100)의 수위에 따라 부력체(621)가 이동되면서 자동으로 개폐될 수 있는 다양한 기계식 밸브로 형성될 수 있다.
또한, 상기 비상보충수 공급배관(610)에 설치되며, 상기 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프가 정지되었을 때에 개방되는 제1자동밸브(630)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이는 비상보충수 탱크(600)에 저장된 많은 양의 냉각수의 수압에 의해 플로팅 밸브(620)만으로 비상보충수 공급배관(610)을 폐쇄할 수 없을 경우가 있으므로, 비상보충수 공급배관(610)에 1차냉각펌프(300)의 작동 시에는 폐쇄되어 있고 1차냉각펌프(300)의 정지 시에 개방되는 제1자동밸브(630)가 설치되어, 냉각수의 보충을 정확하게 제어할 수 있다. 이때, 제1자동밸브(630)는 플로팅 밸브(620)와 비상보충수 탱크(600) 사이에 설치될 수 있다.
또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)는 상기 액체폐기물 섬프(500)의 내부에 배치되며, 상기 열전소자(410)의 저온측(412)이 상기 액체폐기물 섬프(500)의 내부에 채워진 액체폐기물(510)에 접촉되도록 배치될 수 있다.
즉, 열전소자(410)는 고온측(411)과 저온측(412)의 온도차이에 비례하여 전력이 발생되므로, 도 6과 같이 온도차이를 크게 하기 위해 저온측(412)의 냉각이 용이하도록 액체폐기물 섬프(500) 내의 액체폐기물(510)에 저온측(412)가 접촉되도록 할 수 있다. 이때, 액체폐기물 섬프(500)의 내부에는 액체폐기물(510)이 항상 최소한의 수위를 유지하고 있을 수 있다. 또는, 노심냉각수 임시저장 탱크(400)가 상기 액체폐기물 섬프(500)의 외부에 배치된 상태에서, 열전소자(410)의 저온측(412)에 냉각핀을 연장 형성하고 냉각핀이 액체폐기물 섬프(500) 내의 액체??기물(510)에 접촉되도록 구성될 수도 있다.
<실시예 2>
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치를 나타낸 개략도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는, 정상 운전 시 1차냉각펌프(300)의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로(200) 내의 노심(210)을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프(300)의 정지 시 1차냉각계통 배관(310)에 설치된 플랩밸브(320)가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로(200) 내의 노심(210)을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서, 상기 원자로(200)에 구비된 노심(210)의 핵연료봉(220) 중앙부와 하단 사이의 냉각수 유로에 노심 냉각배관(340)으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심(210)을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크(400); 및 상기 노심 냉각배관(340)에 설치되며, 상기 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프(300)가 정지되었을 때에 개방되는 제2자동밸브(350); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이는 상기한 본 발명의 제1실시예와 유사하나, 플랩밸브(320)가 닫힌 상태로 유지되도록 할 수 있는 전자석이 없이, 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 제2자동밸브(350)로 구성되며 노심 냉각배관(340)의 일단이 노심(210)의 냉각수 유로에 연결되는 지점을 변경한 실시예이다. 이때, 노심 냉각배관(340)은 노심(210)을 통과하는 냉각수 유로에 연결되되 높이방향으로 노심(210)의 핵연료봉(220) 중앙부와 하단 사이의 부분에 해당되는 냉각수 유로에 연결될 수 있다. 그리고 제2자동밸브(350)는 상기한 제1실시예와 동일하게 구성 및 작동될 수 있다.
그리하여 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 냉각수가 하향유동되어 노심(210)을 냉각시키다가, 천재지변 등과 같은 비상 상황에 의해 원자로가 전원을 상실하여 1차냉각펌프(300)의 작동이 정지되면 제2자동밸브(350)가 개방되어 노심 냉각배관(340)을 따라 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 노심(210)을 통과하며 열교환되어 가열된 고온의 냉각수가 유입되어 저장될 수 있다. 이때, 전자석이 없으므로 플랩밸브(320)가 개방되어, 원자로(200)의 상측에서 하측으로 하향유동되는 냉각수와 개방된 플랩밸브(320)의 개구를 통해 원자로(200)의 하측에서 상측으로 상향유동되는 냉각수가 노심(210)의 핵연료봉(220) 중앙부와 하단 사이에서 합류되어 노심 냉각배관(340)을 따라 노심냉각수 임시저장 탱크(400)로 유입될 수 있다.
그리하여 본 발명의 제2실시예에서는 전자석이 없더라도 제1실시예와 유사한 피동노심냉각이 가능하다. 또한, 제2실시예에서는 노심의 상부측에서 하향유동되는 냉각수에 의해 핵연료봉(220)의 상부 및 중앙부를 냉각시키고 노심의 하부측에서 상향유동되는 냉각수에 의해 핵연료봉(220)의 하부를 냉각시키게 되므로, 핵연료봉의 상측 및 하측을 고르게 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치는, 상기한 제1실시예와 같이 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 연결되어, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에서 배출되는 냉각수가 저장될 수 있는 액체폐기물 섬프(500)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)의 하부에 설치되며, 고온측(411)이 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)에 접촉되고 저온측(412)이 고온측(411)의 바깥쪽에 배치된 열전소자(410); 및 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 액체폐기물 섬프(500)를 연결하는 연결배관(420)에 설치되며, 상기 열전소자(410)에 연결된 영전자석밸브(430); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)와 액체폐기물 섬프(500)를 연결하는 바이패스 배관(440) 및 상기 바이패스 배관(440)에 설치된 릴리프 밸브(450)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 원자로(200)가 내부에 배치된 수조(100)의 상측에 구비되는 비상보충수 탱크(600); 및 상기 비상보충수 탱크(600)에 형성된 비상보충수 공급배관(610)에 설치되어 수조(100)의 수위에 따른 부력체(621)의 위치 변화에 의해 개폐가 조절되는 플로팅 밸브(620); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 비상보충수 공급배관(610)에 설치되며, 상기 1차냉각펌프(300)의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프가 정지되었을 때에 개방되는 제1자동밸브(630)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크(400)는 상기 액체폐기물 섬프(500)의 내부에 배치되며, 상기 열전소자(410)의 저온측(412)이 상기 액체폐기물 섬프(500)의 내부에 채워진 액체폐기물(510)에 접촉되도록 배치될 수 있다. 또한, 제1실시예에 대해 기재한 다양한 실시예들이 제2실시예에도 적용될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 수조
200 : 원자로 210 : 노심
220 : 핵연료봉
300 : 1차냉각펌프 310 : 1차냉각계통 배관
320 : 플랩밸브 330 : 전자석
340 : 노심 냉각배관 350 : 제2자동밸브
360 : 필터 및 이온교환기
400 : 노심냉각수 임시저장 탱크 410 : 열전소자
411 : 고온측 412 : 저온측
420 : 연결배관 430 : 영전자석밸브
431 : 영전자석 432 : 자성체
433 : 스프링 440 : 바이패스 배관
450 : 릴리프 밸브
500 : 액체폐기물 섬프 510 : 액체폐기물
600 : 비상보충수 탱크 610 : 비상보충수 공급배관
620 : 플로팅 밸브 621 : 부력체
630 : 제1자동밸브

Claims (15)

  1. 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서,
    상기 원자로에 구비된 노심의 하부측 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및
    상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하며,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크에 연결되어, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크에서 배출되는 냉각수가 저장될 수 있는 액체폐기물 섬프와,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크의 하부에 설치되며, 고온측이 상기 노심냉각수 임시저장 탱크에 접촉되고 저온측이 고온측의 바깥쪽에 배치된 열전소자와,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크와 액체폐기물 섬프를 연결하는 연결배관에 설치되며, 상기 열전소자에 연결된 영전자석밸브; 를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크와 액체폐기물 섬프를 연결하는 바이패스 배관 및 상기 바이패스 배관에 설치된 릴리프 밸브를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플랩밸브가 접촉되도록 1차냉각계통 배관에 설치되며 상기 열전소자에 연결되어, 작동 시 상기 플랩밸브가 닫힌 상태를 유지하도록 하는 전자석을 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  6. 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서,
    상기 원자로에 구비된 노심의 하부측 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및
    상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하며,
    상기 원자로가 내부에 배치된 수조의 상측에 구비되는 비상보충수 탱크; 및
    상기 비상보충수 탱크에 형성된 비상보충수 공급배관에 설치되어 수조의 수위에 따른 부력체의 위치 변화에 의해 개폐가 조절되는 플로팅 밸브; 를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비상보충수 공급배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되어 1차냉각펌프가 정지되었을 때에 개방되는 제1자동밸브를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  8. 삭제
  9. 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서,
    상기 원자로에 구비된 노심의 핵연료봉 중앙부와 하단 사이의 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및
    상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하며,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크에 연결되어, 상기 노심냉각수 임시저장 탱크에서 배출되는 냉각수가 저장될 수 있는 액체폐기물 섬프와,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크의 하부에 설치되며, 고온측이 상기 노심냉각수 임시저장 탱크에 접촉되고 저온측이 고온측의 바깥쪽에 배치된 열전소자와,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크와 액체폐기물 섬프를 연결하는 연결배관에 설치되며, 상기 열전소자에 연결된 영전자석밸브; 를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 노심냉각수 임시저장 탱크와 액체폐기물 섬프를 연결하는 바이패스 배관 및 상기 바이패스 배관에 설치된 릴리프 밸브를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  13. 정상 운전 시 1차냉각펌프의 작동에 의해 냉각수가 하향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시키며, 상기 1차냉각펌프의 정지 시 1차냉각계통 배관에 설치된 플랩밸브가 열려 냉각수가 자연대류에 의해 상향유동되어 원자로 내의 노심을 냉각시킬 수 있도록 구성된 냉각장치에 있어서,
    상기 원자로에 구비된 노심의 핵연료봉 중앙부와 하단 사이의 냉각수 유로에 노심 냉각배관으로 연결되어, 하향유동에 의해 노심을 통과한 냉각수가 유입되어 저장될 수 있는 노심냉각수 임시저장 탱크; 및
    상기 노심 냉각배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제2자동밸브; 를 포함하며,
    상기 원자로가 내부에 배치된 수조의 상측에 구비되는 비상보충수 탱크; 및
    상기 비상보충수 탱크에 형성된 비상보충수 공급배관에 설치되어 수조의 수위에 따른 부력체의 위치 변화에 의해 개폐가 조절되는 플로팅 밸브; 를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 비상보충수 공급배관에 설치되며, 상기 1차냉각펌프의 정상 작동 시 및 정상 정지 시에는 폐쇄되어 있고 비상 상황 시 원자로의 전원이 상실되었을 때에 개방되는 제1자동밸브를 더 포함하여 이루어지는 원자로 하향유동 노심완전피동 냉각장치.
  15. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2682722C1 (ru) * 2017-12-20 2019-03-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Система регулируемого аварийного отвода энерговыделений активной зоны реактора аэс

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KR101407129B1 (ko) * 2013-04-05 2014-06-13 한국원자력연구원 개방수조형 연구로 피동잔열제거계통
KR101445494B1 (ko) 2013-07-18 2014-09-26 한국원자력연구원 중력노심냉각탱크를 활용한 연구용 원자로 피동잔열제거시스템
KR101508176B1 (ko) 2013-10-11 2015-04-07 한국원자력연구원 개방형 연구로 노심 잔열 제거 장치

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