KR101780474B1 - 원자로 냉각 계통 및 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 원자로 냉각 계통은, 상부가 개방되고, 수조수를 수용하도록 형성되는 수조; 상기 수조수에 잠기도록 위치되고, 노심을 구비하는 원자로; 상기 노심 주위에 하향 유동이 형성되도록 상기 수조수를 순환시키는 일차냉각계통; 및 상기 일차냉각계통의 정지 시, 기설정된 시간 동안 상기 하향 유동을 유지시키도록 이루어지는 잔열제거계통을 포함하며, 상기 잔열제거계통은, 상기 일차냉각계통의 유로와 연통되는 일 단과, 상기 일 단보다 하부에 위치되는 타 단을 구비하여, 수두압(hydraulic head pressure)에 의해 상기 일 단으로부터 상기 타 단으로 상기 수조수를 방출시키도록 이루어지는 잔열제거유로; 및 상기 잔열제거유로에 장착되어, 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 개방되도록 이루어지는 구동밸브부를 포함한다.

Description

원자로 냉각 계통 및 그 작동 방법{COOLING SYSTEM FOR RESEARCH REACTOR AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 개방형 연구용 원자로의 일차냉각계통 펌프의 예상치 못한 정지 시 노심의 잔열을 효과적으로 제거할 수 있도록 구성되는 잔열제거계통을 포함하는 원자로 냉각 계통에 관한 것이다.

일반적인 개방형 연구용 원자로에서는, 원자로의 정상 정지 시 일차냉각계통을 이용한 충분한 노심 잔열 제거가 이루어진 후, 수조 내 냉각수를 이용한 자연 대류에 의한 냉각이 이루어지면서 원자로 안전 정지가 수행된다.

하지만, 일차냉각계통을 구동하는 펌프의 갑작스러운 작동 불가 등의 사고로 인한 원자로 정지 시에는, 원자로 수조 내 냉각수를 이용한 자연 대류만으로는 충분한 노심 잔열 제거가 불가능하게 된다. 이에 따라, 원자로는 원자로 안전 정지 상태에 도달할 수 없게 되고 핵연료의 손상 등 심각한 문제를 유발하게 된다.

특히, 판상 핵연료가 사용되는 개방형 원자로의 경우 일차냉각계통의 펌프 운전 시 판상 핵연료의 체결에 유리한 노심 하향 유동으로 설계된다. 이러한 설계에서는 펌프 정지 후 노심 하향 유동에 상향 유동으로 유동 역전이 발생하면서 강제대류에서 자연대류로 전환된다. 이러한 전환 과정에서, 노심에서의 유동속도가 현저히 낮아지므로 노심 잔열 제거가 수행되기 어렵다.

한편, 노심 잔열은 초기에는 상당히 높으나 수십 초 후에는 급격하게 낮아지는 특성을 갖는다. 따라서, 사고 등으로 인한 원자로 정지 시 초기 노심 잔열의 제거가 원자로 안전정지에 도달하는 중요한 요소이다.

노심 하향 유동을 가지는 저용량 개방형 연구용 원자로에서는 노심 잔열이 적기 때문에 적은 양의 하향 유량으로도 초기 노심 잔열 제거가 가능하다. 따라서, 다른 특별한 계통 없이 일차냉각계통 펌프에 설치된 관성바퀴를 이용한 관성 서행을 통한 노심 하향 유동에 의해 초기 노심 잔열 제거가 가능하다. 이후, 원자로 수조 내 냉각수를 이용한 자연 대류로 원자로 안전정지 상태에 도달한다.

그러나, 노심 하향 유동을 가지는 고용량 개방형 연구용 원자로에서는 일차냉각계통 펌프의 작동 불가 등으로 인한 사고 후 초기 노심 잔열 제거를 위해 많은 양의 하향 유동이 필요하다. 특히, 일차냉각계통 펌프의 관성 서행으로 초기 노심 제거를 위한 충분한 양의 노심 하향 유동을 생성할 수 없다.

따라서, 특허문헌 1과 같이 잔열제거계통이 구비되어, 잔열제거계통에 설치된 원자력 안전등급의 잔열 제거 전용 펌프의 작동으로 일차냉각계통 펌프 정지 후에도 많은 양의 노심 하향 유동이 유지됨으로써 초기 노심 잔열 제거가 수행된다.

하지만, 특허문헌 1과 같은 잔열제거계통은 원자력 계통에 요구되는 다중성과 다양성 개념에 의해 다수의 펌프가 장착되는 것이 요구되고, 원자력 안전등급 펌프 설계 및 시험 검증에 많은 비용이 발생한다. 또한, 펌프가 원자로 전원 상실 시에도 작동되기 위하여 추가적인 대용량 안전등급 비상전원 등이 공급되어야 하므로 설계가 매우 복잡하게 된다. 나아가, 복잡한 장치 구성의 추가는 오히려 사고 가능성 요인이 증가될 수 있는 문제점을 가져오게 된다.

또한, 특허문헌 1의 구성은, 일차냉각계통 펌프의 기동과 정지에 따라 일차냉각계통과 잔열제거계통 간의 압력 강하의 차이가 크기 때문에 일차냉각계통 펌프의 운전 상태에 따라 잔열제거계통의 운전점이 크게 달라져 최적화 설계에 어려움이 존재한다.

이러한 상황에서, 노심 하향 유동을 가지는 고용량 개방형 연구용 원자로에서 일차냉각계통 펌프의 작동 불가 등으로 인한 사고로 원자로 정지 후 초기 노심 잔열 제거를 위해, 비용이 절감되면서도 안정성을 높일 수 있는 방안이 요구되고 있다.

KR 10-1508176 B1 (2015.03.27. 등록)

본 발명의 첫 번째 목적은, 개방형 원자로의 사고 등에 의한 일차냉각계통 펌프 정지 시, 수두압(hydraulic head pressure)에 의하여 수조수를 방출시켜 노심 하향 유동을 유지하도록 구성되는 잔열제거계통을 구비하는 원자로 냉각 계통을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은, 개방형 원자로의 일차냉각계통 펌프의 예상치 못한 정지 이후, 원자로를 안전 정지에 이르도록 노심을 냉각시키기에 충분한 수조수 방출 수량을 손쉽게 조절할 수 있는 잔열제거계통을 구비하는 원자로 냉각 계통을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은, 개방형 원자로의 일차냉각계통을 구성하는 유로를 이용하도록 연결되며 일차냉각계통 펌프의 정지에 대응하여 일정 시간 수조수를 방출시켜 하향 유동을 유지시키도록 조절되는 잔열제거계통을 구비하는 원자로 냉각 계통을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은, 개방형 원자로의 노심 하향 유동을 형성하는 일차냉각계통 펌프 정지 시 일정 시간 노심 하향 유동이 유지되어 초기 노심의 냉각을 수행하고, 노심의 냉각이 일정 수준 진행된 뒤에는 자연 대류에 의해 노심을 냉각하도록 이루어지는 원자로 냉각 계통의 작동 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통은, 상부가 개방되고, 수조수를 수용하도록 형성되는 수조; 상기 수조수에 잠기도록 위치되고, 노심을 구비하는 원자로; 상기 노심 주위에 하향 유동이 형성되도록 상기 수조수를 순환시키는 일차냉각계통; 및 상기 일차냉각계통에 구비되는 일차냉각계통 펌프의 정지 시, 기설정된 시간 동안 상기 하향 유동을 유지시키도록 이루어지는 잔열제거계통을 포함하며, 상기 잔열제거계통은, 상기 일차냉각계통의 유로와 연통되는 일 단과, 상기 일 단보다 하부에 위치되는 타 단을 구비하여, 수두압(hydraulic head pressure)에 의해 상기 일 단으로부터 상기 타 단으로 상기 수조수를 방출시키도록 이루어지는 잔열제거유로; 및 상기 잔열제거유로에 장착되어, 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 개방되도록 이루어지는 구동밸브부를 포함한다.

본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통의 상기 잔열제거유로는, 서로 병렬로 배치되는 복수 개의 구동밸브 설치유로를 포함하고, 상기 구동밸브부는, 상기 복수 개의 구동밸브 설치유로에 각각 설치되는 복수 개의 구동밸브를 포함한다.

또한, 상기 복수 개의 구동밸브는 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 전부 개방되었다가 단계적으로 폐쇄되어, 상기 잔열제거유로를 통과하는 수조수의 유량이 단계적으로 감소되도록 이루어질 수 있다.

한편, 상기 잔열제거계통은, 상기 잔열제거유로에 설치되고 상기 일차냉각계통의 작동 및 상기 구동밸브부의 개방 시 상기 잔열제거유로를 폐쇄하도록 이루어지는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 체크밸브는 상기 일차냉각계통의 작동 시 형성되는 수압보다 크고 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 형성되는 수압과 같거나 작은 압력에 의해 개방되도록 이루어질 수 있다.

다른 한편으로, 상기 잔열제거계통은, 상기 잔열제거유로에 설치되고, 상기 잔열제거계통으로 유입되는 수조수의 최대 유량을 제한하는 유량제한부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 세 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통은, 상부가 개방되고, 수조수를 수용하도록 형성되는 수조; 상기 수조수에 잠기도록 위치되고, 노심을 구비하는 원자로; 상기 노심의 하 측에 일 단이 배치되어 상기 수조수를 외부로 유출시키도록 형성되는 유출유로와, 상기 유출유로의 타 단에 연결되는 열교환기와, 상기 열교환기 및 상기 수조와 각각 연결되는 유입유로를 구비하는 일차냉각계통; 및 상기 일차냉각계통에 구비되는 일차냉각계통 펌프의 정지 시 상기 노심의 하 측으로부터 상기 수조수의 일부를 방출시키는 잔열제거계통을 포함하며, 상기 잔열제거계통은, 상기 유출유로에 연통되는 일 단과, 상기 방출을 위한 수두압을 형성하도록 상기 일 단보다 하부에 위치되는 타 단을 구비하는 잔열제거유로; 상기 잔열제거유로를 개폐하도록 장착되는 구동밸브부; 및 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 상기 구동밸브부를 기설정된 시간 동안 개방하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

아울러, 상기 잔열제거유로의 상기 일 단은 상기 유출유로와 상기 수조의 외부에서 연통될 수 있다.

나아가, 상기 유출유로는, 상기 잔열제거유로의 일 단이 연통되는 지점과 상기 수조와 연통되는 지점 사이에, 상기 원자로보다 기설정된 높이만큼 상 측에 위치되는 사이펀(siphon)부; 및 상기 원자로가 상기 수조수에 잠긴 상태를 유지하도록, 상기 사이펀부와 상기 수조를 서로 연통시키는 사이펀 차단부를 포함할 수 있다.

본 발명의 네 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통의 작동 방법은, 상부가 개방되도록 형성되는 수조 내부에 수용되는 수조수에 잠기도록 위치되는 원자로의 노심을 냉각시키도록 형성되고, 상기 노심 주위에 하향 유동이 형성되도록 상기 수조수를 순환시키는 일차냉각계통 작동 단계; 상기 일차냉각계통에 구비되는 일차냉각계통 펌프의 정지 시, 상기 하향 유동을 유지시키기 위한 수두압을 형성하여 상기 노심의 하 측으로부터 상기 수조수를 상기 수조의 외부로 방출시키는 잔열제거계통 작동 단계; 및 상기 잔열제거계통의 정지 시, 상기 노심 주위에 상기 하향 유동의 반대 방향으로 자연 대류에 의한 유동을 형성시켜 상기 수조수를 상기 수조 내에서 순환시키는 상향 유동 형성 단계를 포함한다.

상기 잔열제거계통 작동 단계는 병렬로 배치되는 복수 개의 구동밸브 설치유로를 구비하는 잔열제거유로에 각각 장착되는 복수 개의 구동밸브를 단계적으로 폐쇄하여 상기 수조수의 방출 유량이 단계적으로 감소되도록 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫 번째, 본 발명은 잔열제거계통이 잔열제거유로의 양 단의 높이 차에 의한 수두압에 의해 구동됨으로써, 잔열제거계통을 위한 별도의 펌프 및 펌프 구동에 요구되는 비상 전원이 추가될 필요가 없다. 따라서, 펌프 및 비상 전원의 장치 및 검증을 위한 비용을 절감할 수 있고, 또한, 잔열제거계통 구성을 단순화하여 사고 가능 요인을 줄일 수 있다.

두 번째, 본 발명은 잔열제거유로 및 구동밸브가 병렬로 구성됨으로써, 사고에 의한 일차냉각계통 펌프 정지 시, 초기의 노심 잔열을 큰 유량으로 제거하는 한편으로 수조수를 지나치게 방출시키지 않도록 초기 이후에는 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 일차냉각계통의 예상치 못한 정지 상황에 요구되는 효율적인 냉각이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 일차냉각계통 펌프의 정상 작동 시에는 개방되지 않도록 이루어지는 체크밸브를 구비함으로써, 잔열제거계통을 작동시키는 구동밸브의 오작동에 대비하여 수조수의 상실을 방지하고, 이에 따라 원자로 냉각 계통의 안전성을 한층 더 강화할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명은 잔열제거유로로 방출되는 수조수의 최대 유량을 제한하는 유량제한부를 구비함으로써, 잔열 제거에 충분한 유량을 유지하면서도 수조수의 상실을 방지하고 노심이 수조수에 잠긴 상태를 유지할 수 있다.

세 번째, 본 발명은 제어부에 의해 일차냉각계통 펌프의 예상치 못한 정지를 감지하고 구동밸브를 조절하여 잔열제거계통을 작동시킴으로써, 잔열제거계통의 신뢰성 있는 작동을 보장할 수 있다.

나아가, 본 발명은 일차냉각계통의 유출유로의 수조 외부에 잔열제거유로가 연결됨으로써, 수조를 관통하는 배관을 최소화하여 사고 가능성 요인을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 잔열제거계통의 작동 후 자연 대류에 의한 노심 냉각을 위한 상향 유동 형성 밸브를 포함함으로써, 수조수의 상실을 최소화하여 원자로를 안전한 상태로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명은, 구동밸브, 체크밸브 및 유량제한부 등의 오작동 시 수조수의 방출을 방지할 수 있는 사이펀부 및 사이펀 차단부를 구비함으로써, 원자로가 수조수 내부에 잠기도록 위치되는 것을 추가적으로 보장할 수 있다.

네 번째, 본 발명은 원자로의 정상 작동 시, 일차냉각계통의 사고 초기 및 초기 이후에 각각 최적화된 방식으로 노심을 냉각하도록 구성됨으로써, 노심의 냉각을 위한 장치 및 구동 비용이 절감되고, 안전성이 증대되는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통의 개략도.

이하, 본 발명에 관련된 원자로 냉각 계통 및 그 작동 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)은, 수조(110), 원자로(120), 일차냉각계통(130) 및 잔열제거계통(140)을 포함한다.

수조(110) 및 원자로(120)는, 개방형으로 이루어지는 연구용 원자로를 이루는 구성요소들이다. 구체적으로, 수조(110)는 상부가 개방되고 수조수(111)가 수용되도록 형성되고, 원자로(120)는 핵연료를 포함하는 노심(121)을 구비하고, 수조수(111)에 잠기도록 위치된다.

원자로(120)는 핵연료의 반응에 의해 생성되는 방사성 동위 원소들을 포함하는 반응물을 활용하기 위한 목적을 갖는 연구용 원자로이며, 위와 같이 개방형의 수조(110) 내부에 노심(121)이 수조수(111)에 잠기도록 위치되는 구조를 갖는 것이면 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)이 적용될 수 있다.

일차냉각계통(130)은, 핵연료로 구성되는 노심(121)을 냉각시키도록 수조수(111)를 순환시키는 역할을 한다. 특히, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)에서는 판상 핵연료가 적용될 수 있고, 일차냉각계통(130)은 판상 핵연료의 체결이 용이하도록 노심(121)의 주위에 상 측에서 하 측으로 수조수(111)가 흐르는 하향 유동(노심 하향 유동)을 형성하도록 작동될 수 있다.

본 실시예에서 일차냉각계통(130)은, 하향 유동을 형성하기 위해 유출유로(131), 열교환기(132) 및 유입유로(133)를 포함할 수 있다. 유출유로(131)는, 도 1에 보인 것과 같이 노심(121)의 하 측으로부터 수조수(111)를 외부로 배출시키도록 배치될 수 있다. 유출유로(131)에서 배출되는 수조수(111)는 열교환기(132)를 통과하면서 냉각되도록 구성되고, 열교환기(132)를 통과한 수조수(111)는 다시 수조(110) 내부로 공급될 수 있다.

한편, 이상에서와 같은 유로 구성을 일 예로 들 수 있는 일차냉각계통(130)은, 수조수(111)의 순환을 위한 구동력을 공급하는 일차냉각계통 펌프(134)를 더 포함할 수 있다. 도 1에 보인 것과 같이 일차냉각계통 펌프(134)의 비정상적인 작동이나 예상치 못한 정지는 노심(121)의 과열 또는 온도 상승에 따른 사고를 유발할 수 있으므로 원자력 계통의 안전을 위하여 중요한 요소들이다.

본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)에 포함되는 잔열제거계통(140)은, 일차냉각계통 펌프(134)의 예상치 못한 정지에 따른 노심(121)의 과열을 방지하기 위해, 사고 등에 의한 일차냉각계통 펌프(134)의 정지 시 일차냉각계통(130)에 의해 형성되었던 하향 유동을 일정 시간 유지하도록 기능한다.

도 1에 보인 것과 같이 잔열제거계통(140)은, 잔열제거유로(141)와 구동밸브부(142)를 포함한다. 잔열제거유로(141)는 수조(110) 내부에서 노심(121)에 의해 가열된 수조수(111)를 외부로 방출시켜 하향 유동을 일정 시간 유지시키는 역할을 하며, 구동밸브부(142)는 잔열제거유로(141)를 개폐시켜 수조수(111)가 방출되는 것을 조절하는 역할을 한다.

수조수(111)를 외부로 방출시켜 하향 유동을 계속 유지시키기 위해서, 잔열제거유로(141)의 일 단은 별도로 노심(121)의 하 측에 연결되거나, 또는 일차냉각계통(130)의 유출유로(131)의 일 지점에 연결될 수 있다. 그리고, 잔열제거유로(141)의 타 단은 노심(121)의 하 측 또는 일차냉각계통(130)의 유출유로(131)의 일 지점보다 하부에 위치되도록 구성된다.

이러한 일 단과 타 단의 배치는, 잔열제거유로(141)를 통하여 수조수(111)가 별도의 펌프 없이도 방출될 수 있도록, 상호 간 높이 차에 의한 수두압(hydraulic head pressure)를 형성하기 위한 것이다. 해당 수두압의 크기 또는 일 단과 타 단의 높이 차이는 기존의 일차냉각계통(130)에 의해 유지되던 하향 유동이 사고 초기의 노심(121)의 잔열을 제거하기에 충분하도록 설계될 수 있다.

한편, 잔열제거유로(141)의 타 단은 개방된 수조(110)의 상부와 마찬가지로 개방된 공간에 연결될 수 있으며, 예를 들어, 도 1에 보인 것과 같이 수조수 저장탱크(143)가 타 단에 연결되어 방출되는 수조수(111)를 보관할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 수조수 저장탱크(143)와 함께, 사고 상황이 종료된 뒤 정상적인 전원 공급에 의해 작동되어 수조수 저장탱크(143)에 저장된 수조수(111)를 수조(110)로 되돌리는 펌프가 추가로 구비될 수 있다.

이상에서와 같은 잔열제거유로(141)의 배치에 의해, 종래 잔열제거계통(140)에 구비되는 잔열제거계통 구동용 펌프가 대체될 수 있다. 따라서, 잔열제거계통 구동용 펌프 자체에 대한 설계 및 장치 비용과, 추가적인 검증 및 인증에 대한 비용이 절약될 수 있는 효과가 있다.

나아가, 종래 잔열제거계통(140)을 구동하는 펌프 등의 구동 장치는, 일차냉각계통(130)의 전원이 공급되지 않아 발생되는 사고 상황 시에도 작동되는 것이 요구되므로 비상 전원이 추가로 연결되어야 한다. 이와 달리, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)은 수조수(111)의 하향 유동이 별도의 펌프 등에 의하여 형성되지 않으므로 전원 장치 설계 및 구동 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 잔열제거계통 구동용 펌프 및 비상 전원을 설치할 필요가 없게 됨으로써, 잔열제거계통(140)의 구성 및 작동이 단순화될 수 있으므로, 복잡한 장치 구성에 따른 예측하기 어려운 위험 요인 증가를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 잔열제거계통(140)을 구성하는 잔열제거유로(141)는, 수조(110)의 내부에서부터 형성될 필요 없이, 수조(110)의 외부에서 일차냉각계통(130)을 구성하는 유출유로(131)와 연통되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은, 수조(110)를 관통하여 배치되는 배관을 최소화시킬 수 있어 수조수(111)의 건전성을 더욱 보장할 수 있다. 즉, 잔열제거계통(140)이 추가적으로 구성됨에 따라, 수조(110)를 관통하는 구성이 추가되어 사고 발생 가능성이 높아지는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 잔열제거계통(140)에서, 잔열제거유로(141)로 방출되는 수조수(111)의 흐름을 조절하는 기능은 구동밸브부(142)에 의해 수행된다. 도 1에 보인 것과 같이, 구동밸브부(142)는 잔열제거유로(141)에 설치되고, 잔열제거유로(141)를 개폐시킴으로써 잔열제거계통(140)의 작동을 개시 및 정지하도록 이루어진다. 구동밸브부(142)는 후술하는 것과 같이 복수 개의 구동밸브(142a)를 포함할 수 있다. 구동밸브(142a) 각각은 통상적인 유로의 개폐를 형성할 수 있는 종류의 것이면 무방하다.

구동밸브부(142)는 사고에 의한 일차냉각계통 펌프(134)의 정지를 감지한 운전원에 의해 개방 및 폐쇄되도록 조작될 수 있고, 또한, 구동밸브부(142)의 개폐 작동을 위해 본 발명의 잔열제거계통(140)은 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 사고에 의한 일차냉각계통 펌프(134)의 정지를 감지할 수 있고, 그에 따라 구동밸브부(142)를 개방하도록 작동될 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)은 구동밸브부(142) 개방 이후 추가적인 전원 공급 없이 작동되므로, 앞서 설명한 것과 같이 단순하고 저비용으로 잔열 제거가 수행된다. 본 발명의 잔열제거계통(140)이 비상 전원 또는 내장된 전원에 의해 동작되는 제어부를 포함하더라도, 구동밸브(142a)를 개폐하는 동작에 소비되는 전력은 종래 펌프 등을 작동시키는 것에 비해 적은 전력이 사용될 수 있으므로 여전히 장치 간소화 및 저비용 운전의 이점이 유지된다.

한편, 도 1에 보인 것과 같이, 일차냉각계통(130)이 노심(121)의 하 측으로부터 수조수(111)를 방출시키는 두 개의 유출유로(131)를 가지는 경우, 잔열제거유로(141)도 두 개의 유출유로(131)에 각각 구비될 수 있고, 어느 하나가 비정상적인 작동을 하는 경우에도 노심(121)의 잔열 제거가 이루어질 수 있다. 나아가, 이하에서 설명하는 것과 같이, 하나의 잔열제거계통(140)이 병렬로 구성되는 복수 개의 구동밸브 설치유로(144)를 갖출 수 있는 것과 함께, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)에서 방출되는 수조수(111)의 유량을 조절하는 역할을 할 수 있다.

도 1에 보인 것과 같이 본 발명에 구비되는 잔열제거계통(140)은, 복수 개의 구동밸브 설치유로(144)와 복수 개의 구동밸브(142a)를 포함할 수 있다. 이들은 노심(121)의 잔열 제거를 위한 하향 유동의 유량을 조절하도록 기능할 수 있다.

본 실시예에서는, 수조(110)에 두 개의 잔열제거유로(141)가 연결되고 각각의 잔열제거유로(141)는 병렬로 구성되는 두 개의 구동밸브 설치유로(144)를 구비할 수 있다. 이에 따라, 도 1에 보인 것과 같이, 총 네 개의 구동밸브(142a)가 하나의 수조(110)에 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다.

병렬로 연결된 네 개의 구동밸브(142a)는, 일차냉각계통 펌프(134)의 예상치 못한 정지 초기에 모두 개방될 수 있다. 모든 구동밸브(142a)가 개방되면 본 발명의 잔열제거유로(141)를 통해 방출될 수 있는 수조수(111)의 유량이 최대가 되고, 초기 노심(121)의 높은 잔열의 제거가 수행될 수 있다.

이후, 노심(121)의 잔열이 일정 수준 이하로 떨어지게 되면, 노심(121)의 냉각에 요구되는 유량보다 상대적으로 많은 유량으로 수조수(111)를 방출시키는 것은, 수조(110)의 수위를 필요 이상으로 낮추게 되는 결과가 된다. 개방형의 연구용 원자로는 항상 수조수에 잠겨 있는 상태가 유지되어야 하고, 수조수를 필요 이상으로 방출시키는 것은 안전상의 문제 발생 여지가 높아지고, 추후 수조수를 보충하여야 할 수량이 증대되는 결과가 되므로, 필요 이상의 수조수 방출은 바람직하지 않다.

따라서, 노심(121)의 잔열이 일정 수준 이하로 떨어지게 되는 시점에 도달하게 되면, 본 발명의 잔열제거계통(140)은 복수 개의 구동밸브(142a)가 단계적으로 폐쇄되도록 작동될 수 있다. 이에 따라, 병렬로 구성되는 구동밸브 설치유로(144)들이 단계적으로 폐쇄되어 전체 잔열제거유로(141)를 통해 방출되는 수조수(111)의 유량이 작아지고, 결과적으로 노심(121)의 주위에 형성되는 수조수(111)의 하향 유동이 노심(121)의 냉각에 충분한 수준으로 조절될 수 있다.

최종적으로, 노심(121)의 잔열이 자연대류에 의한 냉각이 가능한 만큼의 열량으로 떨어지는 시점에 도달하면, 모든 구동밸브(142a)가 폐쇄되어 더 이상 수조수(111)의 방출을 통한 하향 유동이 발생하지 않게 되고, 결과적으로 후술하는 것과 같이 자연 대류에 의한 상향 유동에 의한 노심(121)의 냉각이 이루어지며, 본 발명의 원자로는 안전 정지에 이르게 된다.

위와 같은 병렬의 유로 연결에 의해, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)은 잔열제거계통(140)의 작동 시 필요한 양의 수조수(111)만을 방출시켜 하향 유동 유지에 활용할 수 있다. 따라서, 가능한 한 많은 수조수(111)가 수조(110) 내에 유지될 수 있으므로, 안전성이 더욱 보장될 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)은, 도 1에 보인 것과 같이 체크밸브(145)를 더 포함할 수 있고, 체크밸브(145)는 잔열제거계통(140)의 오작동 가능성을 낮추는 역할을 수행할 수 있다.

본 실시예에서와 같이, 체크밸브(145)는 잔열제거유로(141) 내의 수조수(111)의 흐름을 기준으로 구동밸브부(142)보다 후단에 설치될 수 있다. 일차냉각계통 펌프(134)의 정상 작동 시 유체가 노심(121)을 통과하며 발생하는 압력 차이에 의해서 체크밸브(145) 전단의 압력은 후단의 압력보다 항상 낮다.

체크밸브(145)는 잔열제거유로(141)의 내부의 상 측에 힌지를 통해 커버 시트가 연결되는 구조를 가질 수 있다. 일차냉각계통(130)의 작동 시에는 유로를 가로막도록 형성되는 커버 시트가 그 자체의 무게에 의해 상하 방향으로 닫혀 있다가, 일차냉각계통(130)의 정지에 의해 증가되는 수압에 의해 좌우 방향으로 개방되어 수조수(111)를 통과시키도록 배치되도록 구성될 수 있다. 이때, 체크밸브(145)가 개방되는 압력 값은, 힌지를 중심으로 회전되는 커버 시트 자체의 무게를 조절하여 설정될 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)은, 구동밸브부(142)의 오작동 시에도 수조수(111)를 상실하지 않도록 작용되는 체크밸브(145)를 더 포함함으로써, 신뢰성 및 안전성이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 본 발명의 잔열제거계통(140)은, 유량제한부(146)를 더 포함할 수 있고, 유량제한부(146)는 수조수(111)의 방출 유량의 상한값을 설정하도록 기능할 수 있다.

본 실시예에서는, 도 1에 보인 것과 같이, 구동밸브부(142)의 전단에 유량제한부(146)가 설치될 수 있다. 유량제한부(146)는, 잔열제거유로(141)를 통과하는 수조수(111)의 유량을 조절할 수 있는 장치이며, 예를 들면, 유량 조절 오리피스 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)은 수조수(111)를 방출시키는 방식으로 잔열 제거를 수행하도록 구성되므로, 하향 유동을 유지시킬 수 있는 방출 유량 및 시간에 제약이 따른다. 즉, 노심(121)을 구비하는 원자로(120)가 수조수(111)에 잠겨 있는 상태를 유지할 수 있을 만큼만 수조수(111)가 방출되어야 한다.

따라서, 수조수(111)가 노심(121)의 냉각에 요구되는 필요 유량 이상으로 한꺼번에 방출되는 것을 방지할 필요가 있고, 유량제한부(146)가 구비됨으로써 적정 유량 이상으로 수조수(111)가 방출되는 것을 막아 수조수(111)를 노심(121)의 냉각에 효율적으로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 일차냉각계통(130)에 구비되는 사이펀(siphon) 차단부(147)도 수조수(111)의 예상치 못한 상실을 막는 역할을 수행할 수 있다. 도 1에 보인 것과 같이, 일차냉각계통(130)의 유출유로(131)는 수조(110)에 연통되는 노심(121)의 하 측 지점보다 높고, 원자로(120)보다 기설정된 높이만큼 상 측에 위치하는 사이펀부(131c)를 포함할 수 있고, 사이펀부(131c)와 수조(110)를 서로 연통시키는 사이펀 차단부(147)가 유출유로(131)와 수조(110)의 측 벽에 설치될 수 있다.

사이펀부(131c) 및 사이펀 차단부(147)는, 일차냉각계통(130) 또는 잔열제거계통(140)의 오작동, 파단 등에 의해 유출유로(131)를 통해 수조수(111)가 방출되더라도, 수조수(111)의 수위가 사이펀부(131c)보다 낮게 형성되면 사이펀 차단부(147)를 통해 공기가 유입되어 유출유로(131)를 통한 수조수(111)의 방출이 정지될 수 있다. 사이펀부(131c) 및 사이펀 차단부(147)는, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)에 구비되는 체크밸브(145) 및 유량제한부(146)와 함께, 수조수(111)의 상실을 방지하는 것을 다중으로 보장하는 효과가 있다.

한편, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 일차냉각계통(130) 및 잔열제거계통(140)의 수조수(111) 순환 및 방출에 사용되는 유출유로(131)에는 상향 유동 형성 밸브(131a)가 더 포함될 수 있다. 상향 유동 형성 밸브(131a)는 하향 유동을 통한 노심(121)의 냉각이 일정 수준으로 완료된 뒤에 노심 상향 유동을 형성하여 노심(121)을 자연 대류에 의해 냉각시키도록 기능한다.

이상에서는 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 구성요소들의 구조 및 기능에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)에 의해 원자로(120)에 구비되는 노심(121)의 잔열이 제거되는 작동 방법에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 일차냉각계통 펌프(134)가 정상적으로 작동되는 일차냉각계통 작동 단계에서는, 판상 핵연료로 구성되는 노심(121)의 주위에 하향 유동이 형성되어 냉각이 수행된다. 일차냉각계통 펌프(134)는 전원의 공급에 의해 두 대가 기동되며 이에 따라 수조수(111)가 순환 및 냉각될 수 있다.

일차냉각계통 펌프(134)가 비정상적으로 정지하게 되면, 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100)의 잔열제거계통(140)이 작동되는 단계가 개시된다. 잔열제거계통(140)은 잔열제거유로(141) 양 단의 수두압에 의해 수조(110)로부터 수조수(111)가 방출되면서 일차냉각계통(130)에 의해 형성되었던 하향 유동이 기설정된 시간 동안 유지된다.

잔열제거계통 작동 단계는 잔열제거유로(141)를 통해 수조(110)로부터 방출되는 수조수(111)가 병렬로 연결되는 구동밸브부(142)의 단계적인 작동에 의해 유량이 조절될 수 있고, 특히, 상대적으로 초기 노심(121) 잔열이 높은 것에 대응하여 초기에는 많은 유량의 수조수(111)를 방출시켜 노심(121) 주위의 하향 유동이 강하게 유지되고, 이후에는 구동밸브(142a)가 단계적으로 폐쇄됨으로써, 점차 방출되는 유량을 줄여 수조수(111)의 수위 저하를 최소화시키면서 냉각을 수행할 수 있다.

잔열제거계통(140)에 의한 충분한 노심(121)의 냉각이 수행되면, 잔열제거계통(140)의 작동은 정지되고 수조(110) 내부에 별도의 구동력 없이 형성되는 자연 대류에 의한 노심(121)의 냉각이 수행되는 상향 유동 형성 단계가 개시된다. 이 단계에서, 잔열제거계통(140)의 모든 구동밸브(142a)는 폐쇄되어 더 이상 수조수(111)의 방출은 없게 되고, 수조(110) 내부의 수조수(111)의 하향 유동도 점차 약해지면서 소멸되며 원자로(120)의 안전 정지가 달성될 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 원자로 냉각 계통(100) 및 그 작동 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100: 원자로 냉각 계통 110: 수조
111: 수조수 120: 원자로
121: 노심 130: 일차냉각계통
131: 유출유로 131c: 사이펀부
132: 열교환기 133: 유입유로
134: 일차냉각계통 펌프 140: 잔열제거계통
141: 잔열제거유로 142: 구동밸브부
142a: 구동밸브 143: 수조수 저장탱크
144: 구동밸브 설치유로 145: 체크밸브
146: 유량제한부 147: 사이펀 차단부

Claims (11)

1. 상부가 개방되고, 수조수를 수용하도록 형성되는 수조;
   상기 수조수에 잠기도록 위치되고, 노심을 구비하는 원자로;
   상기 노심 주위에 하향 유동이 형성되도록 상기 수조수를 순환시키는 일차냉각계통; 및
   상기 일차냉각계통에 구비되는 일차냉각계통 펌프의 정지 시, 기설정된 시간 동안 상기 하향 유동을 유지시키도록 이루어지는 잔열제거계통을 포함하며,
   상기 잔열제거계통은,
   상기 일차냉각계통의 유로와 연통되는 일 단과, 상기 일 단보다 하부에 위치되는 타 단을 구비하여, 수두압(hydraulic head pressure)에 의해 상기 일 단으로부터 상기 타 단으로 상기 수조수를 방출시키도록 이루어지는 잔열제거유로; 및
   상기 잔열제거유로에 장착되어, 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 개방되도록 이루어지는 구동밸브부를 포함하고,
   상기 잔열제거유로는,
   서로 병렬로 배치되는 복수 개의 구동밸브 설치유로를 포함하고,
   상기 구동밸브부는,
   상기 복수 개의 구동밸브 설치유로에 각각 설치되고, 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 전부 개방되었다가 단계적으로 폐쇄되어, 상기 잔열제거유로를 통과하는 수조수의 유량이 단계적으로 감소되도록 이루어지는 복수 개의 구동밸브를 포함하는 원자로 냉각 계통.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 잔열제거계통은, 상기 잔열제거유로에 설치되고 상기 일차냉각계통의 작동 및 상기 구동밸브부의 개방 시 상기 잔열제거유로를 폐쇄하도록 이루어지는 체크밸브를 더 포함하는 원자로 냉각 계통.
5. 제4항에 있어서,
   상기 체크밸브는 상기 일차냉각계통의 작동 시 형성되는 수압보다 크고 상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 형성되는 수압과 같거나 작은 압력에 의해 개방되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각 계통.
6. 제1항에 있어서,
   상기 잔열제거계통은, 상기 잔열제거유로에 설치되고 상기 잔열제거계통으로 유입되는 수조수의 최대 유량을 제한하는 유량제한부를 더 포함하는 원자로 냉각 계통.
7. 상부가 개방되고, 수조수를 수용하도록 형성되는 수조;
   상기 수조수에 잠기도록 위치되고, 노심을 구비하는 원자로;
   상기 노심의 하 측에 일 단이 배치되어 상기 수조수를 외부로 유출시키도록 형성되는 유출유로와, 상기 유출유로의 타 단에 연결되는 열교환기와, 상기 열교환기 및 상기 수조와 각각 연결되는 유입유로를 구비하는 일차냉각계통; 및
   상기 일차냉각계통에 구비되는 일차냉각계통 펌프의 정지 시 상기 노심의 하 측으로부터 상기 수조수의 일부를 방출시키는 잔열제거계통을 포함하며,
   상기 잔열제거계통은,
   상기 유출유로에 연통되는 일 단과, 상기 방출을 위한 수두압을 형성하도록 상기 일 단보다 하부에 위치되는 타 단을 구비하는 잔열제거유로;
   상기 잔열제거유로를 개폐하도록 장착되는 구동밸브부; 및
   상기 일차냉각계통 펌프의 정지 시 상기 구동밸브부를 기설정된 시간 동안 개방하도록 제어하는 제어부를 포함하는 원자로 냉각 계통.
8. 제7항에 있어서,
   상기 잔열제거유로의 상기 일 단은 상기 유출유로와 상기 수조의 외부에서 연통되는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각 계통.
9. 제7항에 있어서,
   상기 유출유로는,
   상기 잔열제거유로의 일 단이 연통되는 지점과 상기 수조와 연통되는 지점 사이에, 상기 원자로보다 기설정된 높이만큼 상 측에 위치되는 사이펀(siphon)부; 및
   상기 원자로가 상기 수조수에 잠긴 상태를 유지하도록, 상기 사이펀부와 상기 수조를 서로 연통시키는 사이펀 차단부를 포함하는 원자로 냉각 계통.
10. 상부가 개방되도록 형성되는 수조 내부에 수용되는 수조수에 잠기도록 위치되는 원자로의 노심을 냉각시키는 원자로 냉각 계통의 작동 방법에 있어서,
    상기 노심 주위에 하향 유동이 형성되도록 상기 수조수를 순환시키는 일차냉각계통 작동 단계;
    상기 일차냉각계통에 구비되는 일차냉각계통 펌프의 정지 시, 상기 하향 유동을 유지시키기 위한 수두압을 형성하여 상기 노심의 하 측으로부터 상기 수조수를 상기 수조의 외부로 방출시키는 잔열제거계통 작동 단계; 및
    상기 잔열제거계통의 정지 시, 상기 노심 주위에 상기 하향 유동의 반대 방향으로 상향 유동을 형성시켜 상기 수조수를 상기 수조 내에서 순환시키는 상향 유동 형성 단계를 포함하며,
    상기 잔열제거계통 작동 단계는 병렬로 배치되는 복수 개의 구동밸브 설치유로를 구비하는 잔열제거유로에 각각 장착되는 복수 개의 구동밸브를 단계적으로 폐쇄하여 상기 수조수의 방출 유량이 단계적으로 감소되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각 계통의 작동 방법.
11. 삭제

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