KR101923802B1 - 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 용기; 원자로 용기의 하부에 위치하는 코어캐쳐; 상기 코어캐쳐의 하부에 위치하며 냉각수로 채워져 있는 냉각수 유로를 가지는 유로구조체; 상기 유로구조체와 제1배관을 통해 연통되어 있으며, 상기 제1배관을 통해 상기 냉각수 유로에 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크를 포함하며, 상기 냉각수 유로는 상기 코어캐쳐에 인접한 제1유로와 상기 코어캐쳐에서 이격된 제2유로로 나누어져 있으며, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 서로 연결되어 있는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치를 가진다.
더불어 원자로 용기; 원자로 용기 하부에 위치하는 코어캐쳐; 상기 코어캐쳐 하부에 위치하며, 내부의 냉각수 유로를 구획하는 판 형상의 구획부재를 구비한 유로구조체; 상기 유로구조체로 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크와 연통되어 있는 제1배관 및 상기 유로구조체에서 발생되는 증기를 대기 중으로 배출시키는 제2배관을 포함하며, 상기 냉각수 유로 내에서의 상기 냉각수는 상부흐름 및 하부흐름을 통해 자연 순환하며, 상기 제2배관을 통해 증기 배출된 냉각수는 상기 냉각수 탱크로부터 피동적으로 보충되는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치를 가진다.

Description

피동 작동형 노심 용융물 냉각장치{Passive apparatus for cooling molten core}

본 발명은 원자로 용기에 수용되는 노심이 용융되는 중대사고시 노심용융물을 냉각하기 위한 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치에 관한 것이다.

원자력발전소의 정상 운전 시 원자로 용기 내부의 노심은 냉각재 펌프에 의해 순환되는 냉각재에 의해 냉각된다. 그러나 냉각재 또는 펌프 전원 상실과 같은 심각한 사고가 발생하게 되면 더 이상 노심 냉각은 이루어지지 않게 되어 노심의 온도가 상승하게 되고, 노심 용융온도에 도달하게 되면 노심이 용융되고 노심 용융물은 원자로 용기의 바닥에 재배치(relocation)되게 된다.

이러한 중대사고시 냉각수를 공급하여 노심용융물을 냉각하는 노심용융물 냉각방식을 사용하고 있으며, 원자로공동 바닥에 코어캐쳐(Core Catcher)라고 불리 우는 노심용융물 포집 및 냉각설비를 설치하여 노심용융물의 상하부에서 노심용융물을 냉각하는 방식도 사용되고 있다.

종래 방식에서는 사고 이전에는 원자로공동에 냉각수를 채우지 않고 있으며, 중대사고시 노심용융물이 원자로공동으로 방출되거나 방출될 거라고 예상되는 순간에 원자로공동을 충수하는 방법을 사용하고 있다. 이는 고온의 노심용융물이 저온의 냉각수와 만나면서 발생할 수 있는 증기폭발과 같은 현상을 방지하고, 발전소 운영을 쉽게 하기 위해서이다. 또한, 냉각수를 공급하기 위해서는, 운전원의 판단과 운전 또는 측정 장치와 제어설비에 의해 구동되는 자동회로에 의해 모터구동밸브를 동작시키거나, 노심용융물 방출에 의해 구동되는 기계식 밸브를 사용하는 방법이 이용되고 있었다.

그러나 이와 같은 종래기술은 기기를 사용함에 있어 기기 및 설비의 고장, 장기간 사고 진행에 따른 기기 작동 전원의 상실은 물론 기기 오작동이나 운전원 실수에 의한 악영향 등 다양한 요인이 존재하고 있으며, 이는 발전소 안전성에 심각한 영향을 초래할 수 있는 문제가 있었다.

한국 등록특허 제10-1504217호 (2015년 03월 13일 등록) 한국 등록특허 제10-1665248호 (2016년 10월 05일 등록)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원자로 용기에 수용되는 노심이 용융되는 중대사고시 노심용융물을 냉각하기 위한 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 원자로 용기에 수용되는 노심이 용융되는 중대사고시 원자로 용기; 원자로 용기의 하부에 위치하는 코어캐쳐; 상기 코어캐쳐의 하부에 위치하며 냉각수로 채워져 있는 냉각수 유로를 가지는 유로구조체; 상기 유로구조체와 제1배관을 통해 연통되어 있으며, 상기 제1배관을 통해 냉각수 유로에 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크를 포함하며, 상기 냉각수 유로는 상기 코어캐쳐에 인접한 제1유로와 상기 코어캐쳐에서 이격된 제2유로로 나누어져 있으며, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 서로 연결되어 있는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치에 의해 달성된다.

노심이 용융되는 중대사고시, 상기 제1유로를 따라 상기 냉각수가 상승하고, 상기 제2유로를 따라 상기 냉각수가 하강하여, 상기 냉각수 유로를 통해 상기 냉각수가 자연 순환 할 수 있다.

상기 냉각수 유로는, 상기 제1유로를 따라 상기 냉각수가 상승하기 시작하는 상승 경로 시작 부분과, 상기 제2유로를 따라 상기 냉각수가 하강하기 시작하는 하강 경로 시작 부분을 포함할 수 있다.

상기 냉각수 유로는, 상기 제1유로와 상기 제2유로가 상기 상승 경로 시작 부분과 상기 하강 경로 시작 부분에서 서로 연통될 수 있다.

상기 유로구조체는, 상기 제1유로 및 상기 제2유로를 구획하는 구획부재를 포함할 수 있다.

상기 구획부재는, 판 형상을 포함할 수 있다.

일단이 상기 유로구조체와 연통되어 있고, 타단이 대기 중에 노출되어 있으며, 상기 냉각수 유로에서의 상기 냉각수 순환을 통해 발생되는 증기를 대기 중으로 배출시키는 제2배관을 포함할 수 있다.

상기 냉각수 탱크는, 상기 유로구조체보다 높은 곳에 배치되어 있을 수 있다.

상기 냉각수 탱크는, 상기 냉각수로 채워져 있는 제1공간과, 상기 제2배관을 통해 배출되는 증기가 대기 중으로 배출되는 제2공간을 포함할 수 있다.

더불어, 상기 본 발명의 목적은 원자로 용기에 수용되는 노심이 용융되는 중대사고시 원자로 용기; 원자로 용기 하부에 위치하는 코어캐쳐; 상기 코어캐쳐 하부에 위치하며, 내부의 냉각수 유로를 구획하는 판 형상의 구획부재를 구비한 유로구조체; 상기 유로구조체로 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크와, 상기 냉각수 탱크와 연통되어 있는 제1배관 및 상기 유로구조체에서 발생되는 증기를 대기 중으로 배출시키는 제2배관을 포함하며, 상기 냉각수 유로 내에서의 상기 냉각수는 상부흐름 및 하부흐름을 통해 자연 순환하며, 상기 제2배관을 통해 증기 배출된 냉각수는 상기 냉각수 탱크로부터 피동적으로 보충되는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치에 의해 달성된다.

상기 냉각수 유로는, 상기 코어캐쳐에 인접한 제1유로와 상기 코어캐쳐에서 이격된 제2유로로 나누어져 있으며, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 서로 연결되어 있다.

본 발명에 따르면 원자로 용기에 수용되는 노심이 용융되는 중대사고시 노심용융물을 냉각하기 위한 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치가 제공된다.

또한, 고온의 노심용융물과 냉각수의 가열, 비등에 의한 자연 순환 및 냉각수 탱크로부터 피동적으로 보충되는 냉각수 공급에 따른 일정한 냉각 수량의 유지가 이루어지는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치가 제공되며, 이 때 설비의 운전에 있어서 동작이 필요한 기계적 부품을 전혀 포함하지 않으므로 기기의 고장이나 운전원의 조작 실수에 의한 영향을 원천적으로 방지할 수 있다.

더불어, 노심용융물과 냉각수가 직접 접촉할 수 없는 구조이므로, 증기폭발과 같은 노심용융물-냉각수 반응을 원천적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치의 단면도이고,
도 2는 도 1의 유로구조체의 확대 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수의 순환을 나타낸 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치의 단면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.

도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치의 단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치(10)는, 원자로 용기와, 원자로 용기의 하부에 위치하는 코어캐쳐(200)와, 코어캐쳐(200)의 하부에 위치하며 냉각수로 채워져 있는 냉각수 유로(310)를 가지는 유로구조체(300)로 및, 유로구조체(300)와 제1배관(500)을 통해 연통되어 있으며, 제1배관(500)을 통해 냉각수 유로(310)에 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크(400)를 포함한다.

또한, 일단이 상기 유로구조체(300)와 연통되어 있고, 타단이 대기중에 노출되어 있으며, 냉각수 유로(310)에서의 냉각수 순환을 통해 발생되는 증기를 대기 중으로 배출시키는 제2배관(600)을 포함하고 있다.

원자로 용기 내부에는 노심이 위치하고 있다.

코어캐쳐(200)는 원자로 용기의 외측으로 소정 간격 이격되어 배치되어 있으며, 원자로 용기를 둘러싸고 있다.

코어캐쳐(200)는 이에 한정되지 않으나, 금속재질로 만들어 질 수 있으며, 노심용융물의 하중을 지지하기 위해 그 두께가 일정 두께 이상으로 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 수 cm 이상이다.

도시하지는 않았지만, 원자로 용기와 코어캐쳐(200) 사이에는 중대사고시 고온의 노심용용물 방출에 따른 충격을 방지하고, 노심용융물에 용융되어 단위부피당 열생성량을 감소시키기 위한 희생물질층이 위치할 수 있다.

유로구조체(300)는 코어캐쳐(200)의 하부에 위치하며, 냉각수가 채워져 있는 냉각수 유로(310)가 형성되어 있다.

유로구조체(300) 외측에는 제1배관(500)을 통해 냉각수 유로(310)에 냉각수를 공급하는 냉각수 탱크(400)가 형성되어 있다.

냉각수 탱크(400)는 유로구조체(300)보다 높은 곳에 위치하고 있으며, 냉각수로 채워져 있는 제1공간(410)과, 냉각수 유로(310) 내부에서 냉각수 순환에 의해 발생되는 증기가 배출되는 제2공간(420)으로 형성되어 있다.

유로구조체(300)의 하측에는 냉각수 유로(310)로 냉각수를 공급하는 제1배관(500)이 마련되고, 상측에는 냉각수 유로(310)에서의 냉각수 순환을 통해 발생되는 증기를 대기 중으로 배출시키는 제2배관(600)이 마련되어 있다.

제1배관(500)은 일단이 냉각수 탱크(400)와 연결되어 있고, 타단이 유로구조체(300)와 연결되어 있으며, 냉각수 탱크(400)로부터 냉각수를 공급받아 냉각수 유로(310)의 하측에 위치하는 상승 경로 시작 부분(A)으로 냉각수를 공급한다.

도시하지는 않았지만, 제1배관(500)을 통과하여 유로구조체(300)로 유입되는 냉각수의 양을 조절하기 위한 추가적인 밸브가 제1배관(500)에 설치될 수 있다.

제2배관(600)은 일단이 유로구조체(300)와 연결되어 있고, 타단이 냉각수 탱크(400)와 연결되어 있으며, 냉각수 유로(310)에서 발생되는 증기를 냉각수 탱크(400) 내부의 제2공간(420)으로 배출한다.

제2배관(600)은 중대사고 이전에는 냉각수로 충수되어 있으나, 노심이 용융되는 중대사고 발생 시 액체 상태의 냉각수와 일부 증기 상태의 액적이 혼재되며, 증기 상태의 액적은 제2배관(600)을 통해 냉각수 탱크(400) 내부의 제2공간(420)으로 배출된다.

도시하지는 않았지만, 제2공간(420)에서 외부로 방출되는 증기의 액적 회수 증가를 위한 습분분리기 및 별도의 냉각설비가 추가로 설치 될 수 있다.

도 2를 참조하여 본 발명의 유로구조체를 설명한다.

도 2는 도 1의 유로구조체의 확대 단면도이다.

유로구조체(300)는 코어캐쳐(200)의 하부에 위치하며, 냉각수가 채워져 있는 냉각수 유로(310)를 가진다.

냉각수 유로(310)는 코어캐쳐(200)에 인접한 제1유로(311)와, 코어캐쳐(200)에서 이격된 제2유로(312)로 나누어져 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유로구조체(300)는, 제1유로(311) 및 제2유로(312)를 구획하는 구획부재(320)를 포함하고 있다.

구획부재(320)는 판 형상이나 이에 한정하지 않고, 냉각수 유로(310) 내에서의 냉각수 순환을 발생시킬 수 있는 구조라면 형상은 다양하게 변화할 수 있고, 설치 개수를 달리하여 변형 실시될 수 있음은 물론이다. 도시하지는 않았지만, 유로의 간격을 유지하기 위한 간격유지부가 산점 등 형태로 위치할 수 있다. 이 경우 구획부재(320)는 간격유지부의 형상 및 배치에 따라 적절히 변형될 수 있다.

냉각수 유로(310)는 제1유로(311)를 따라 냉각수가 상측으로 상승하기 시작하는 상승 경로 시작 부분(A)과, 제2유로(312)를 따라 냉각수가 하측으로 하강하기 시작하는 하강 경로 시작 부분(B)을 포함하고 있다.

제1유로(311)와 제2유로(312)는 상승 경로 시작 부분(A)과 하강 경로 시작 부분(B)에서 서로 연통되어 있다.

이에, 노심이 용융되는 중대사고시, 제1유로(311)를 따라 냉각수가 상승하고, 제2유로(312)를 따라 냉각수가 하강하여 냉각수 유로(310)를 통해 냉각수가 자연 순환하게 된다.

자연 순환을 자세히 설명하면 다음과 같다. 중대사고시 고온의 노심용융물이 발생시킨 열로 인해 제1배관(500)을 통해 유로구조체(300)로 공급된 냉각수가 가열하게 된다.

이 후, 제1유로(311)를 따라 상승된 냉각수가 하강 경로 시작 부분(B)을 순환하게 되며, 제2유로(312)를 따라 하강하여 다시 상승 경로 시작 부분(A)부터 재순환하게 된다. 이 때, 냉각수의 일부는 증기 형태로 제2배관(600)을 통해 대기 중으로 배출된다.

배출된 냉각수는 냉각수 탱크(400)로부터 피동적으로 보충되어 유로구조체(300)는 냉각수로 충수되어 있게 된다. 이에, 냉각수 충수로 인한 냉각효율 향상 및 자연 순환 흐름이 원활해진다.

따라서 이상에 따른 본 발명에 따르면, 냉각수 유로(310) 내에서의 상부흐름 및 하부흐름을 통한 냉각수의 자연 순환이 이루어지게 되며, 냉각수를 활용한 노심용융물 냉각이 효율적으로 이루어지게 된다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 피동 작동형 노심 용용물 냉각장치 내에서의 냉각수 순환에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 냉각수의 순환을 나타낸 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치의 단면도이다.

본 발명에서 중대사고 이전에는 냉각수 탱크(400)와 제1배관(500) 및 유로구조체(300)가 모두 냉각수로 모두 충수되어 있으며, 원자로 용기의 외측으로 소정 간격 이격되어 배치되어 있는 코어캐쳐(200) 및 도시하지는 않았지만, 원자로 용기와 코어캐쳐(200) 사이에 형성되어 있는 희생물질을 통하여 냉각수는 일정 온도를 유지하게 된다.

노심용융이 발생하게 되면, 노심용융물이 원자로 용기를 관통 방출되어 희생물질을 녹이게 되고, 원자로 용기 내부에서 흘러내리거나 자유 낙하하는 노심용융물을 수합하는 코어캐쳐(200)에 의해 포집된다. 이 때, 코어캐쳐(200)의 하부에 위치하며 냉각수로 채워져 있는 냉각수 유로(310)를 가지는 유로구조체(300) 내부의 냉각수가 가열되고, 제1유로(311)를 따라 상승된 냉각수가 제2유로(312)를 따라 하강하여 냉각수 유로(310)를 통한 냉각수의 자연 순환이 이루어지게 된다.

구체적으로 도 3과 같이, 노심이 용융되는 중대사고시 고온의 노심용융물이 발생시킨 열로 인해 가열된 냉각수는, 유로구조체(300)의 하측 상승 경로 시작 부분(A)으로부터 제1유로(311)를 따라 상승하게 되어 하강 경로 시작 부분(B)을 순환하게 되며, 제2유로(312)를 따라 하강하여 다시 상승 경로 시작 부분(A)부터 재순환하게 된다.

이 때, 냉각수 유로(310)를 자연 순환하는 냉각수의 일부가 증기 형태로 제2배관(600)을 통해 대기 중으로 배출될 수 있으며, 일부 액적만이 냉각수 탱크(400)의 제2공간(420)을 통해 액체 상태의 냉각수로 회수된다.

도시하지는 않았지만, 제2공간(420)에서 외부로 방출되는 액적의 회수율을 증가시키기 위한 습분분리기 및 별도의 냉각설비가 추가로 설치 될 수 있다.

이 후, 제2배관(600)을 통해 대기 중으로 배출된 증기의 양만큼의 냉각수는, 유로구조체(300) 보다 높은 곳에 배치되어 있는 냉각수 탱크(400)로부터 높이차에 의해 제1배관(500)으로 공급되며, 제1배관(500)을 통해 공급된 냉각수는 유로구조체(300)의 하측 상승 경로 시작 부분(A)으로 유입 된다.

이와 같은 과정에 의해, 유로구조체(300) 내의 냉각수 유로(310)에서의 냉각수의 완전 충수가 피동적으로 이루어지며, 일정한 냉각 수량의 유지가 이루어지게 된다.

따라서 이상에 따른 본 발명에 따르면, 노심이 용융되는 중대사고시 고온의 노심용융물과 냉각수의 가열, 비등에 의한 냉각수 유로(310) 내에서의 냉각수 자연 순환 및 냉각수 탱크로부터 피동적으로 보충되는 냉각수 공급에 따른 일정한 냉각 수량의 유지가 이루어지는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치가 제공되며, 이 때 설비의 운전에 있어서 동작이 필요한 기계적 부품을 전혀 포함하지 않으므로 기기의 고장이나 운전원의 조작 실수에 의한 영향을 원천적으로 방지할 수 있다.

더불어, 노심용융물과 냉각수가 직접 접촉할 수 없는 구조이므로, 증기폭발과 같은 노심용융물-냉각수 반응을 원천적으로 방지할 수 있다.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 원자로 용기;
   원자로 용기의 하부에 위치하는 코어캐쳐;
   상기 코어캐쳐의 하부에 위치하며 냉각수로 채워져 있는 냉각수 유로를 가지는 유로 구조체;
   상기 유로 구조체보다 높은 곳에 배치되어 있으며, 상기 냉각수로 채워져 있는 제1공간과 상기 유로 구조체에서 발생 되는 증기가 대기 중으로 배출되는 제2공간을 포함하는 냉각수 탱크;
   상기 냉각수 탱크의 상기 제1공간과 연통 되어 있으며, 상기 유로 구조체로 냉각수를 공급하는 제1배관; 및
   일단이 상기 유로 구조체와 연통 되어 있고 타단이 대기 중에 노출되어 있으며, 상기 냉각수 유로에서의 상기 냉각수 순환을 통해 발생 되는 증기를 상기 제2공간으로 배출시키는 제2배관;을 포함하며,
   상기 냉각수 유로는 상기 코어캐쳐에 인접한 제1유로와 상기 코어캐쳐에서 이격된 제2유로로 나누어져 있고, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 서로 연결되어 있어, 상기 냉각수 유로 내에서의 상기 냉각수가 상부 흐름 및 하부 흐름을 통해 자연순환하고,
   상기 유로 구조체는 1개 이상의 상기 제1배관과 1개 이상의 상기 제2배관을 제외하고는 개구부가 없는 밀폐형 구조이며, 상기 제2배관을 통해 증기 배출된 냉각수가 상기 냉각수 탱크로부터 상기 제1배관을 통해 피동적으로 보충되는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치.
2. 제1항에서,
   노심이 용융되는 중대사고시,
   상기 제1유로를 따라 상기 냉각수가 상승하고,
   상기 제2유로를 따라 상기 냉각수가 하강하여,
   상기 냉각수 유로를 통해 상기 냉각수가 자연 순환하는 것을 특징으로 하는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치.
3. 제2항에서,
   상기 냉각수 유로는,
   상기 제1유로를 따라 상기 냉각수가 상승하기 시작하는 상승 경로 시작 부분과,
   상기 제2유로를 따라 상기 냉각수가 하강하기 시작하는 하강 경로 시작 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치.
4. 제3항에서,
   상기 냉각수 유로는,
   상기 제1유로와 상기 제2유로가 상기 상승 경로 시작 부분과 상기 하강 경로 시작 부분에서 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치.
5. 제1항에서,
   상기 유로구조체는,
   상기 제1유로 및 상기 제2유로를 구획하는 구획부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치.
6. 제5항에서,
   상기 구획부재는,
   판 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동 작동형 노심 용융물 냉각장치.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

Images