KR101937206B1 - 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성 물질 저감 설비에 관한 것으로, 격납부; 상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 상기 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부; 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되는 냉각수 저장부; 상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 방사성 물질의 유동을 상기 냉각수 저장부로 유도하도록 상기 경계부와 상기 냉각수 저장부에 연결되는 연결배관; 및 상기 냉각수 저장부에 저장된 냉각수에 침지되고, 상기 연결배관을 통과한 상기 방사성 물질을 상기 냉각수에 분사하여 상기 냉각수에 상기 방사성 물질 중 수용성 방사성 물질을 포집되게 하고, 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며 상기 제1공간과 상기 제2공간의 압력 차에 대응하여 작동하는 복수개의 분사부를 포함한다.

Description

방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전 {RADIOACTIVE MATERIAL REDUCTION FACILITY AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 원전의 안전성을 확보하기 위한 안전계통에 관한 것으로, 특히 원전 사고 발생시 피동적인 원리에 의하여 격납부 내부의 압력과 방사성 물질의 농도를 낮출 수 있는 설비에 관한 것이다.

원자로는 주요기기의 설치위치에 따라 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프등)가 원자로용기 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 상용 원자로: 국내)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로: 국내)로 나뉜다.

또한, 원자로는 안전계통의 구현 방식에 따라 능동형원자로와 피동형원자로로 나뉜다. 능동형원자로는 안전계통을 구동하기 위해 비상발전기 등의 전력에 의해 작동하는 펌프와 같은 능동 기기를 사용하는 원자로이며, 피동형원자로는 안전계통을 구동하기 위해 중력 또는 가스압력 등의 피동력에 의해 작동하는 피동 기기를 사용하는 원자로이다. 피동형원자로에서 피동안전계통(passive safety system)은 사고가 발생하는 경우 규제요건에서 요구하는 시간 (72시간) 이상 동안 운전원 조치나 비상 디젤 발전기와 같은 안전등급의 교류(AC) 전원이 없이 계통에 내장되어 있는 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지하고, 72시간 이후는 안전계통이 운전원 조치나 비안전계통의 도움을 받아도 되는 계통이다.

원자로로부터 외부 환경으로의 방사성 물질의 누출을 방지하는 최종방벽 역할을 하는 격납부(격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등)는 압력 경계를 구성하는 재료에 따라 강화콘크리트로 형성되는 격납건물(또는 원자로건물이라 함)과 철재용기로 형성되는 격납용기와 안전보호용기로 나뉜다. 격납용기는 격납건물과 같이 저압으로 설계되는 대형용기이며, 안전보호용기는 설계압력을 증가시켜 소형으로 설계되는 소형용기이다. 특별한 언급이 없는 경우 본 발명에서 격납건물, 원자로건물, 격납용기 또는 안전보호용기 등을 통칭하여 격납부라 지칭한다.

격납부 내부의 압력 및 온도 그리고 방사성 물질의 농도를 낮추는 방식으로는 격납부살수계통, 격납부냉각계통, 감압탱크 또는 감압수조 등의 다양한 형태로 능동 및 피동계통이 이용되고 있다. 이하에서 이들 설비를 차례로 설명한다.

능동격납부살수계통(국내 상용 원자로, SMART 원자로 등) 방식은 사고 시 펌프를 이용하여 대량의 냉각수를 살수하고 냉각수를 격납부내재장전수탱크 또는 수조(sump) 등으로 회수하고 이를 재살수하여 장기간 격납부의 압력, 온도 및 방사성물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 능동격납부살수계통은 장기간 살수 기능을 수행할 수 있으나 반드시 펌프 구동을 위한 전력계통이 사용 가능해야 하는 특성이 있다.

피동격납부살수계통(캐나다 CANDU 등) 방식은 격납부의 상부에 냉각수 저장 탱크를 구비하고 사고 시 대량의 냉각수를 살수하여 격납부 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 피동격납부살수계통은 냉각수 저장 용량의 한계가 있으므로 일정 시간 이상은 가동할 수 없는 특성이 있다. 따라서, 피동격납부살수계통을 장기간 이용하려면 펌프를 이용하여 냉각수 저장탱크를 주기적으로 보충해 주어야 한다. 피동격납부살수계통도 장기간 운전을 위해서는 펌프와 펌프의 구동을 위한 전력 계통을 사용할 수 있어야 함을 의미한다.

감압탱크(suppression tank, 상용 BWR, CAREM:아르헨티나, IRIS:미국 웨스팅하우스 사 등) 방식은 격납부 내부로 방출된 증기를 격납부와 감압탱크 내부의 압력차를 이용하여 감압탱크로 유도하고, 증기를 응축시켜 격납부 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 감압탱크 방식은 격납부 내부의 압력이 감압탱크 내부의 압력보다 높을 때까지만 작동하는 특성이 있다.

피동격납부냉각계통 방식은 격납부 내부 또는 외부에 열교환기 및 냉각수탱크를 설치하고 열교환기를 이용하여 격납부 내부의 증기를 응축시켜 격납부 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행한다. 피동격납부냉각계통 방식은 격납부 내부의 자연 순환을 이용하므로 능동 살수계통에 비해 상대적으로 압력, 온도 및 방사성 물질의 저감 능력이 감소하는 특성이 있다.

이밖에 피동격납부냉각계통 방식의 일환으로 철재격납용기를 적용하고 외벽을 냉각(스프레이, 공기)시키고 격납용기 내부의 증기를 격납용기 내벽에서 응축시켜 격납용기 내부의 압력, 온도 및 방사성 물질의 농도를 낮추는 기능을 수행하도록 구성한 방식 (AP1000:미국 웨스팅하우스 사) 등이 있다. 이 방식은 피동격납부 냉각계통 방식과 동일하게 격납부 내부의 자연 순환을 이용하므로 능동 살수계통에 비해 상대적으로 압력, 온도 및 방사성 물질의 저감 능력이 감소하는 특성이 있다.

이상에서 설명한 계통의 대부분은 격납부 내부의 압력 및 온도를 낮추는 성능은 매우 우수하다. 그러나, 이상에서 설명한 계통은 원전 사고 시 외부환경으로의 확산될 수 있는 방사성 물질인 요오드(Iodine)을 저감하는 것에는 한계가 있다. 원전 사고시 발생하는 요오드는 물과 접촉하는 경우 대부분 용해될 수 있다(용해도 0.029g/100g(20℃)). 이에 따라 이들 격납부 관련 안전계통 중에 격납부 내부의 방사성 물질 농도를 낮추는 성능이 가장 우수한 것은 능동 펌프를 이용하여 대량의 냉각수를 살수하고 냉각수를 장기간 재순환시키는 방식의 능동격납부살수계통(국내 상용 원자로 채용 방식)이다. 그러나, 능동 안전계통은 원전 사고 시 펌프 등의 능동 기기를 가동시키기 위한 비상 교류전력이 반드시 공급되어야 하며, 비상 교류전력이 공급되지 않으면 능동 안전계통은 작동하지 않는 문제점이 있다.

이러한 관점에서 비상 교류전력의 공급없이 안전계통이 작용하는 피동 안전계통에 대한 요구가 증대되고 있다. 원전 사고 시 피동 안전계통을 원전에 적용하는 경우에는 능동 안전계통을 적용하는 경우보다 상대적으로 원전의 안전성을 크게 증가시킬 수 있다.

하지만, 피동 안전계통 방식을 격납부의 안전계통으로 채용하는 경우, 능동 안전계통 방식에 비해 격납부를 냉각하는 성능이 부족하므로 상대적으로 격납부 내부의 방사성 물질의 농도가 높을 수 있다. 따라서, 피동 안전계통 방식을 격납부의 안전계통으로 채용하는 경우, 원전에는 원전 사고를 가정하여 사고 시 일반 대중의 안전을 위해 일반인의 거주를 제한하는 제한구역경계거리(Exclusion Area boundary, EAB)를 설정함에 있어서, 능동 안전계통의 비해 더 넓은 제한구역경계거리(EAB)를 설정하는 것이 일반적이다. 제한구역경계거리(EAB)의 확대는 결과적으로 원전의 건설비용을 크게 증가시키는 문제점을 야기할 수 있다.

이에 본 발명에서는 원전 사고 시 방사성 물질 저감 설비 내부의 압력을 낮출 수 있는 피동 안전계통 방식을 채용하는 분사부를 구비하고, 방사성물질 저감설비의 열침원(heat sink)으로 사용되는 냉각수 저장부를 설계기준사고에 대비한 장기 안전주입이나 중대사고에 대비한 원자로용기 외부주입용 냉각수원으로도 활용할 수 있는 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전에 대하여 제시한다.

본 발명의 일 목적은 원전의 안전성 향상에 기여할 수 있는 방사성 물질 저감 설비를 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 원전에서 원자로 냉각재가 누출되는 사고 발생시 방출되는 방사성 물질의 농도를 낮출 수 있는 방사성 물질 저감 설비를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 원전에서 원자로 냉각재가 누출되는 사고 발생시 사고 진행 과정에 따른 방사성 물질을 포함하는 증기의 압력의 변화에 따라 작동하여 압력을 감소시킴으로써 설계기준사고나 중대사고 발생 시에 대처가 용이한 피동 안전계통을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 본 발명의 다른 일 목적은 원전에 피동 안전계통을 도입하는 경우 야기될 수 있는 제한구역경계거리의 확대문제를 해소할 수 있는 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전을 제안하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 방사성 물질 저감 설비는 격납부와, 상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 상기 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부와, 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되는 냉각수 저장부와, 상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 방사성 물질의 유동을 상기 냉각수 저장부로 유도하도록 상기 경계부와 상기 냉각수 저장부에 연결되는 연결배관 및

상기 냉각수 저장부에 저장된 냉각수에 침지되고, 상기 연결배관을 통과한 상기 방사성 물질을 상기 냉각수에 분사하여 상기 냉각수에 상기 방사성 물질 중 수용성 방사성 물질을 포집되게 하고, 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며 상기 제1공간과 상기 제2공간의 압력 차에 대응하여 작동하는 복수개의 분사부를 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 경계부는 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸도록 형성되는 격벽과 상기 원자로냉각재계통의 상부를 덮도록 형성되는 덮개를 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 냉각수 저장부의 상부에 구비되어 상기 냉각수 저장부의 과압을 방지하고, 상기 제2공간의 상부로 비응축성 가스 또는 증기를 방출하는 방출부를 더 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 방출부로부터 방출된 증기가 냉각되어 응축수를 생성하고, 상기 응축수가 상기 냉각수 저장부로 회수될 수 있도록 냉각수 회수부를 더 포함한다.

상기 방출부에 방사성 물질을 포획하는 필터 또는 흡착제를 더 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 방사성 물질 저감 설비는 냉각수 저장부에 용해된 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 냉각수의 pH 값을 기설정된 값 이상으로 유지시켜주는 첨가제주입설비를 더 포함한다.

상기 첨가제주입설비는 상기 냉각수 저장부에 설치되어 상기 냉각수의 수위가 상승할 경우 상기 냉각수에 용해되어 상기 냉각수 저장부로 첨가제를 공급한다.

실시예에 있어서, 상기 연결배관은 상기 복수개의 분사부와 각각 대응되도록 공통 연결배관에서 상기 복수개의 분사부로 분지된다. 상기 연결배관은 상기 복수개의 분사부와 각각 대응되도록 독립된 복수개의 연결배관을 포함한다. 상기 독립된 복수개의 연결배관 중 어느 하나는 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에 있어서, 상기 복수개의 분사부는 각각 상기 방사성 물질을 세분화하여 분사하도록 형성되는 복수의 분사구를 구비한다. 상기 복수개의 분사부는 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 이격 거리에 따라 상이한 유로면적을 가지고, 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 커질수록 분사부의 유로면적이 작아진다.

실시예에 있어서, 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 상이한 복수개의 분사부는 상기 냉각수의 수면에서 이격된 거리만큼의 각각의 수두를 가지고, 상기 각각의 수두와 상기 제2공간의 압력의 합보다 상기 제1공간의 압력이 클 경우, 피동력에 의하여 상기 제1공간의 방사성 물질이 상기 연결배관을 통하여 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 상이한 복수개의 분사부로 순차적으로 분사된다.

실시예에 있어서, 상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 냉각수 저장부의 하부에 설치된 내부주입유로와 상기 내부주입유로에 구비된 격리밸브를 포함하고 상기 원자로냉각재계통 내부로 상기 냉각수 저장부의 냉각수를 공급하는 원자로용기 내부주입계통을 더 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 냉각수 저장부의 하부에 설치된 외부주입유로와 상기 외부주입유로에 구비된 격리밸브를 포함하고 상기 원자로냉각재계통 외부로 상기 냉각수 저장부의 냉각수를 공급하여 상기 원자로냉각재계통을 냉각하는 원자로용기 외부주입계통을 더 포함한다. 상기 원자로용기 외부주입계통은 중력 또는 펌프에 의한 구동력에 근거하여 냉각수를 공급한다.

실시예에 있어서, 상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 제1공간 또는 상기 냉각수 저장부를 냉각하는 냉각설비계통을 더 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 제1공간과 상기 제2공간을 연결하고 상기 제2공간 내의 압력이 상기 제1공간보다 높을 때 체크밸브가 개방되어 압력평형을 이루어주는 압력평형배관을 더 구비한다.

실시예에 있어서, 상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 냉각수 저장부의 하부에 설치되어 상기 제1공간과 상기 제2공간을 연결하는 배출부 연결배관과 상기 배출부 연결배관에 구비되어 격리밸브 및 상기 냉각수 저장부의 하부에 상기 냉각수에 침지되어 상기 제1공간 상부에 누적된 방사성 물질, 수소 및 비응축성 가스를 상기 냉각수 저장부의 하부에 분사하는 스파저를 포함하는 배출부를 더 포함한다.

실시예에 있어서, 본 발명에 따른 원전은 격납부와, 상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 상기 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부와, 상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되는 냉각수 저장부와, 상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 방사성 물질의 유동을 상기 냉각수 저장부로 유도하도록 상기 경계부와 상기 냉각수 저장부에 연결되는 연결배관 및 상기 냉각수 저장부에 저장된 냉각수에 침지되고, 상기 연결배관을 통과한 상기 방사성 물질을 상기 냉각수에 분사하여 상기 냉각수에 상기 방사성 물질 중 수용성 방사성 물질을 포집되게 하고, 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며 상기 제1공간과 상기 제2공간의 압력 차에 대응하여 작동하는 복수개의 분사부를 포함한다.

본 발명에 따른 방사성 저감 설비는 원자로 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 경우 냉각수 저장부로 제1공간의 대기(공기 및 증기)에 함유된 방사성 물질을 냉각수에 분사하여 포집하므로 격납부 내부의 방사성 물질 농도를 저감시킬 수 있어 피동안전계통 적용 시 예상되는 제한구역경계거리의 확대 문제를 해소하여 경제적 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방사성 저감 설비는 원자로 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 경우 냉각수 저장부에 침지되고, 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지는 복수개의 분사부를 통하여 제1공간의 방사성 물질이 분사되고, 사고의 경과에 따른 제1공간의 대기 압력 변화에 따라 작동하여 효과적으로 방사성 물질을 냉각수에 포집할 수 있고, 제1공간의 대기 압력을 조기에 낮출 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방사성 저감 설비는 냉각수 저장부의 냉각수가 설계기준사고에 대비한 장기 안전주입이나 중대사고에 대비한 원자로냉각재계통 내·외부주입용 냉각수원으로 활용될 수 있으므로 원전의 안전성을 향상시킬 수 있는 것은 물론, 설계기준사고나 중대사고 설비를 완화할 수 있어 경제적 비용을 절감할 수 있다.

도 1a 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전을 도시한 개념도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 초기 운전을 도시한 개념도이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 후기 운전을 도시한 개념도이다.
도 1e는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 시 원자로용기 내부주입계통을 통해 원자로냉각재계통으로 냉각수가 주입되는 것을 도시한 개념도이다.
도 1f는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 원자로냉각재계통의 노심이 손상되는 중대 사고 시 운전을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전을 도시한 개념도이다.
도 3c는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 초기 운전을 도시한 개념도이다.
도 3d는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 중기 운전을 도시한 개념도이다.
도 3e는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 후기 운전을 도시한 개념도이다.
도 3f는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 원자로냉각재계통의 노심이 손상되는 중대 사고 시 운전을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 연결배관 및 분사부의 다양한 실시예들을 도시한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 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. 또한, 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.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1a 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 개념도이다.

격납부(12)는 방사성 물질의 누출을 방지하도록 원자로냉각재계통(11)의 외부에 설치된다. 본 발명에서 격납부(12)는 원전(10)에서 격납건물, 원자로건물, 격납용기, 안전보호용기 등을 통칭한다.

화학 및 체적제어계통(13)은 원자로냉각재계통(11)과 직접 연결되어 노심(11a)에서 발생하는 열을 제거하는 냉각수(11b)의 수질과 붕산농도와 냉각수량을 관리하기 위해 냉각수(11b)를 주입하고, 냉각수(11b)를 유출하여 냉각수(11b)를 순환할 수 있다. 또한, 관통배관(13a, 13b)에 구비된 복수의 격리밸브(13a’, 13a”, 13b’) 또는 체크밸브(13b”)가 설치될 수 있다.

피동안전주입계통(15)이 원전(10)에 설치될 수 있다. 피동안전주입계통(15)은 냉각재상실사고 등의 사고 발생시 원자로냉각재계통(11) 내부로 냉각재를 주입하여 원자로냉각재계통(11)의 수위를 유지하기 위한 계통이다. 피동안전주입계통(15)은, 노심보충탱크(15a) 또는 안전주입탱크(15b) 등 다양한 종류의 탱크를 포함할 수 있다. 노심보충탱크(15a) 또는 안전주입탱크(15b)는 안전주입배관(15c)과 압력평형배관(15d)에 의해 원자로냉각재계통(11)과 연결된다.

냉각재는 안전주입배관(15c)을 통해 상기 탱크들(15a, 15b)로부터 원자로냉각재계통(11)으로 주입된다. 원전(10)에 방사성 물질 저감 설비(100)와 피동안전주입계통(15)이 함께 설치되는 경우, 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 피동안전주입계통(15)은 경계부(120)의 내부에 설치될 수 있다.

경계부(110)는 격납부(12)의 내부에 구비되어, 원자로냉각재계통(11)을 수용하는 제1공간(110a)과 제1공간(110a)과 격납부(12) 사이에 형성되는 제2공간(110b)을 구획한다. 또한, 제1공간(110a) 내에 설치된 연결된 배관(13a, 13b, 15c)으로부터 제2공간(110b)으로 방사성 물질이 누출되는 것을 방지하도록 원자로냉각재계통(11)을 감싼다.

방사성 물질 저감 설비(100)는 격납부(12)의 내부에 설치되고, 사고 발생시 격납부(12) 내부에 설치된 원자로냉각재계통(11) 또는 상기 원자로냉각재계통(11)과 연결된 배관(13a, 13b, 15c)으로부터 방출되는 냉각수가 기화된 증기와 이에 함유된 방사성 물질을 냉각수 저장부(120)에 분사하도록 이루어진다. 이를 위해 방사성 물질 저감 설비(100)는 경계부(110), 냉각수 저장부(120), 연결배관(130) 및 분사부(140)를 포함한다.

경계부(110)는 이하에서 설명할 연결배관(130) 이외의 경로로 방사성 물질이 누출되는 것을 방지하도록 원자로냉각재계통(11) 주변을 감싸 밀봉구조를 형성한다. 그리고 경계부(110)를 관통하는 배관(13a, 13b, 15c)에는 격리밸브(13a’, 13a”, 13b’, 15c’), 체크밸브(13b’, 15c”)가 설치되고, 사고 시 폐쇄되어 밀봉구조를 유지할 수 있다. 경계부(110)는 냉각수 저장부(120)와 이하에서 설명할 분사부(140) 사이의 수두차 이상의 압력을 견딜 수 있는 설계압력으로 형성된다. 경계부(110)의 적어도 일부는 격납부(12) 내부의 콘크리트 구조물과 상기 콘크리트 구조물에 설치된 코팅부재(미도시)에 의해 형성될 수 있다.

경계부(110)는 격벽(111)과 덮개(112)를 포함할 수 있다. 덮개(112)는 원자로냉각재계통(11)의 상부를 덮도록 형성된다. 격벽(111), 덮개(112) 및 격납부(12)의 바닥면(또는 이중 바닥면)은 원자로냉각재계통(11)의 주변에 밀봉구조를 형성할 수 있다.

냉각수 저장부(120)는 격납부(12)의 내부의 제1공간(110a)과 제2공간(110b)사이에 설치된다. 냉각수 저장부(120)는 내부에 냉각수를 저장하도록 탱크 또는 수조의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 냉각수 저장부(120)는 격납부내재장전수탱크를 이용할 수도 있다. 사고 시 방사성 물질저감 설비(100)의 작동에 의해 경계부(110) 내부의 대기(증기 및 공기)와 방사성물질은 상기 냉각수에 분사된다.

냉각수 저장부(120)는 방사성 물질 저감 설비(100) 이외에 원전(10)의 타 계통과 공유될 수 있다. 예를 들어, 방사성 물질 저감 설비(100)와 안전주입계통(15)은 냉각수 저장부(120)를 공유할 수 있다. 다른 예를 들면, 방사성 물질 저감 설비(100)와 잔열제거계통(미도시)은 냉각수 저장부(120)를 공유할 수 있다.

냉각수 저장부(120)가 설치되는 위치는 격납부(12) 내부 상부, 중부 또는 하부의 제1공간(110a)과 제2공간(110b) 사이가 될 수 있다. 격납부(12)의 내부에는 응축수가 형성되어 낙하할 수 있고, 냉각수 저장부(120)는 도 1a에 도시한 바와 같이 낙하하는 응축수를 집수하도록 격납부(12)의 내부 공간 중 상부에 설치될 수 있다.

냉각수 저장부(120)는 이하에서 설명할 연결배관(130)을 통과시키는 입구(121)를 구비한다. 상기 입구(121)는 냉각수 저장부(120)에 저장된 냉각수의 역류를 방지하도록 냉각수 저장부(120)의 바닥으로부터 기설정된 높이에 형성될 수 있다. 본 발명에서는 연결배관(130)을 배관으로 설명하고 있으나 반드시 배관으로 한정하는 것은 아니며, 적어도 일부를 콘크리트와 같은 구조물을 활용할 수도 있다. 이하 연결배관이라 명명한다.

연결배관(130)은 경계부(110) 내의 제1공간(110a)에 형성되는 대기의 유동을 냉각수 저장부(120)로 유도하도록 경계부(110)와 냉각수 저장부(120)에 연결된다. 경계부(110) 내부 제1공간(110a)의 대기는 원전 정상운전 중에 제1공간(110a)에 존재하는 공기를 포함하고, 증기관파단사고나 냉각재상실사고 시 방출되는 증기나 냉각재상실사고 시 방사성 물질을 포괄적으로 지칭한다. 경계부(110) 내부 제1공간(110a)의 압력이 상승하는 사고가 발생하여 제1공간(110a)의 압력과 제2공간(110b) 내부의 압력차가 일정값 이상으로 증가하면, 경계부(110) 내부의 대기는 피동적으로 연결배관(130)을 통해 냉각수 저장부(120)로 유입된다.

연결배관(130)은 제1공간(110a)의 대기 및 상기 대기에 포함된 방사성 물질을 이하에서 설명할 분사부(140)에 전달하도록, 냉각수 저장부(120)의 입구(121)를 통과하여 냉각수 저장부(120)의 내부까지 연장된다.

연결배관(130)은 후술될 복수개의 분사부와 대응될 수 있는 복수개의 연결배관이 구비될 수 있다. 상기 복수개의 연결배관은 공통의 연결배관에서 분지되어 후술될 분사부와 대응될 수 있다. 또한, 상기 복수개의 분사부는 도 1a에서 도시된 것과 같이 각각 독립된 제1연결배관(130a)과 제2연결배관(130b)을 포함할 수 있다. 덧붙여, 제2연결배관(130b)은 격리밸브(130b’)를 가질 수도 있다. 격리밸브(130b’)는 관련신호에 의해 자동개방되거나 운전원 조치에 의해 개방될 수도 있다. 이하 격리밸브(130b’)에 대한 설명은 도 1c에서 후술한다.

분사부(140)는 연결배관(130)으로부터 제1공간(110a) 내부의 대기 및 상기 대기에 포함된 방사성 물질을 전달받도록 상기 연결배관(130)에 연결된다. 분사부(140)는 대기 및 상기 대기에 포함된 방사성 물질을 냉각수에 분사하도록 적어도 일부가 상기 냉각수 저장부(120)의 냉각수에 침지된다.

분사부(140)는 경계부(120) 내부의 대기 및 상기 대기에 포함된 물질을 세분화하여 분사하도록 형성되는 복수의 분사구(141)를 구비한다. 분사부(140)는 제1공간(110a)의 대기 및 상기 대기에 포함된 방사성 물질을 각 분사구(141)에 균등하게 분배하도록 내부의 유로에 기설정된 유로 저항을 형성할 수 있다.

분사부(140)를 통해 냉각수 저장부(120)로 분사된 증기는 응축되고, 공기는 냉각되면서 상승한다. 그리고, 수용성 방사성 물질은 대부분 냉각수에 용해된다. 냉각수 저장부(120)의 냉각수 수량이 일정량 이상으로 유지되고 제1공간(110a)과 제2공간(110b) 사이의 압력차가 일정값 이상인 경우, 방사성 물질 저감 설비(100)의 작동은 지속적으로 유지된다.

분사부(140)는 냉각수 저장부(120)의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지는 복수개의 분사부들이 구비될 수 있다. 즉, 분사부(140)들이 냉각수에 잠긴 깊이가 서로 다르게 구비될 수 있다. 상기 복수의 분사부들은 제1분사부(140a)와 제2분사부(140b)를 포함할 수 있다. 또한, 제1분사부(140a)는 복수의 분사구(141a)를 구비하고, 제2분사부(140b)는 복수의 분사구(141b)를 구비한다.

제1분사부(140a)는 냉각수 저장부(120)의 바닥면에 가까이 배치될 수 있으며, 제2분사부(140b)는 제1분사부(140a)에 비하여 냉각수 저장부(120)의 바닥면에서 이격된 거리가 더 클 수 있다.

제1분사부(140a)와 제2분사부(140b)는 각각 제1연결배관(130a)과 제2연결배관(130b)에 대응된다. 냉각수 저장부(120)의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지는 복수개의 분사부(140a, 140b)는 냉각수 저장부(120)의 바닥면으로부터 이격 거리가 가까울수록 더 큰 유로면적을 가진다. 즉, 냉각수 저장부(120)의 바닥면에서 거리가 가까운 제1분사부(140a)는 제2분사부(140b)보다 더 큰 유로면적을 가진다.

또한, 복수개의 분사부들(140a, 140b)은 각각 상기 냉각수 수면에서 이격된 거리만큼의 수두를 가진다. 제1공간(110a)의 압력이 상승하는 사고가 발생하여 제1공간(110a)의 압력과 제2공간(110b)의 압력차가 상기 각각의 분사부가 가지는 수두 이상으로 증가하면 제1공간(110a)의 대기는 피동적으로 연결배관(130)을 통해 냉각수 저장부(120)로 유입된다.

또한, 제1공간(110a)의 압력 변화에 따라 냉각수 저장부(120)의 바닥면으로부터 이격된 거리가 상이한 상기 분사부는 순차적으로 작동될 수 있다. 상세하게, 상기 서로 다른 수두를 갖는 상기 분사부들이 제1공간(110a)의 압력 변화와 제2공간(110b)의 압력 및 상기 각각의 분사부가 가지는 수두에 대응되어 순차적으로 작동함을 의미한다.

냉각수에 잠긴 깊이가 서로 다르게 형성된 분사부들에 의하여, 사고 시 효과적으로 수용성 방사성 물질을 포집할 수 있다. 상세하게, 사고 초반에 원자로냉각재계통(11) 또는 이차계통으로부터 제1공간(110a)으로 다량의 증기가 방출되어 제1공간(110a) 압력이 급격히 상승하는 경우에는 제1공간(110a)의 대기 및 대기에 포함되어 있는 방사성 물질을 더 큰 유로면적을 갖고 더 깊이 잠겨있는 제1분사부(140a)로 대부분 분사하여 효과적으로 압력을 낮추고 수용성 방사성 물질을 포집할 수 있다.

나아가, 사고 후반에 제1공간(110a)으로의 방출량이 감소하는 경우에는 제2분사부(140b)로 분사하여 효과적으로 압력을 낮추고 수용성 방사성 물질을 포집하도록 한 것이다. 사고 초반에도 제2분사부(140b)로 일정 분량의 제1공간(110a)의 대기 및 대기에 포함되어 있는 방사성 물질이 분사되나, 대부분이 제1분사부(140a)로 분사되므로 대기(증기)와 방사성 물질이 냉각수와 접촉하는 시간이 길어지게 된다. 또한 사고 후반에 제2분사부(140b)를 통해 지속적으로 감압되므로 제1공간(110a)의 압력은 제2분사부(140b)의 잠긴 깊이까지 감소하게 된다.

전술한 것과 같이 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며 제1공간과 제2공간의 압력 차에 대응하여 작동하는 상기 분사부들에 의해 원전 사고시 효과적으로 압력을 감소 시킬 수 있으며, 상기 압력에 감소에 따라 다양한 안전주입을 실행할 수 있게 된다.

방사성 물질 저감 설비(100)는 방출부(150) 및 냉각수 회수부(160)를 더 포함할 수 있다.

사고 시 제1공간(110a)의 대기 및 대기에 포함되어 있는 방사성 물질(기체)이 냉각수 저장부(120) 내부로 분사되면서, 증기는 응축되고 수용성 방사성 물질 포집되어 냉각수 저장부(120)의 냉각수에 수용된다. 그러나 대기에 함유되어 있는 공기(비응축성 가스)와 비수용성(water-insoluble) 방사성 물질은 냉각수를 통과하여 냉각수 저장부(120)의 상부 공간으로 방출되며, 물에 응축되지 않은 증기나 수용성 방사성 물질이 일부 방출될 수 있다. 이에 따라 상부공간의 압력은 증가한다. 방출부(150)는 냉각수 저장부(120)의 과압을 방지하도록 냉각수 저장부(120)의 상부에 설치되어 격납부(12)의 내부로 냉각수 저장부(120) 내부의 대기(비응축성 가스, 증기, 또는 방사성 물질 등)를 방출한다.

반대로, 냉각수 회수부(160)는 냉각수 저장부(120)에서 방출된 증기가 응축된 냉각수 또는 기타 발생 가능한 냉각수를 회수한다. 냉각수 저장부(120)의 냉각수가 증발하여 방출부(150)를 통해 격납부(12)의 내부로 방출되었다가 냉각되면 응축수를 형성한다. 냉각수 회수부(160)는 응축수를 냉각수 저장부(120)로 회수하도록 냉각수 저장부(120)의 상부에 설치된다. 냉각수 회수부(160)와 냉각수 저장부(120) 사이의 연결 방식은 배관의 형태로 형성되거나 구조물의 형태로 형성될 수 있다.

보다 구체적으로는, 냉각수 저장부(120)를 형성하는 상부 구조물의 일부가 개방되어 방출부(150)와 냉각수 회수부(160)를 형성할 수 있다. 방출부(150)와 냉각수 저장부(120)는 서로 구분되는 구역에 설치된다. 다만, 방출부(150)와 냉각수 회수부(160)는 동일한 유로를 서로 공유하도록 형성될 수도 있다. 원자로용기 내부주입계통(170)은 냉각수 저장부(120)와 원자로냉각재계통(11) 사이에 설치되어 원자로냉각재계통(11) 내부로 상기 냉각수를 공급할 수 있다. 예를 들어, 제1공간(110a) 내부의 증기가 방출되면서 압력이 감소하고, 원자로냉각재계통(11) 내부의 냉각재가 증기로 방출되면서 원자로냉각재계통(11)의 수위 및 압력이 충분히 감소하면 피동력(수위차)에 의하여 상기 냉각수 저장부(120)의 냉각수가 냉각수 저장부(120) 하부에 설치된 내부주입유로(170a)를 통하여 원자로냉각재계통(11) 내부로 공급될 수 있다.

냉각재상실사고가 발생하는 경우 예를 들면, 사고 초반에는 원자로냉각재계통(11), 제1공간(110a), 제2공간(110b)의 순으로 압력이 높게 형성된다. 사고가 진행됨에 따라 피동잔열제거계통(14)과 피동안전주입계통(15)과 같은 각종 안전계통이 원자로냉각재계통(11)을 냉각함에 따라 원자로냉각재계통(11)의 압력은 점차 감소한다. 제2공간(110b)의 압력은 제1공간(110a)으로부터 방출되는 비응축성 가스와 냉각수 저장부(120) 상부로부터 방출되는 증기 등으로 다소 상승한다. 장시간 사고가 진행되면 원자로냉각재계통(11)과 제1공간(110a)의 압력은 점차 평형상태에 도달하고 원자로냉각재계통(11)으로부터 방출되는 증기량도 현저하게 감소한다.

사고 후반의 원자로냉각재계통(11)의 압력(제1공간(110a)의 압력과 유사)은 제2공간(110b)의 압력과 제2분사부(140b)가 잠긴 깊이(수두압)의 합에 의해 결정되므로, 제2분사부(140b)의 잠긴 깊이가 작은 경우에는 냉각수 저장부(120)의 냉각수를 원자로냉각재계통(11) 내부 또는 제1공간(110a)으로 주입하기가 용이하게 된다.

원자로용기 내부주입계통(170)으로 상기 냉각수가 주입될 때, 격리밸브(170b)와 체크밸브(170c)를 포함하는 내부주입유로(170a) 통과하여 상기 냉각수가 주입될 수 있다. 격리밸브(170b)는 사고 시 관련신호에 의해 개방된다. 또한, 체크밸브(170c)는 내부주입유로(170a)에 유동이 형성되면서 개방된다.

원자로용기 외부주입계통(180)은 냉각수 저장부(120)와 원자로냉각재계통(11) 외부 사이에 설치되어 원자로냉각재계통(11) 외부로 상기 냉각수를 공급할 수 있다. 본 실시예는 일체형 원자로를 대상으로 설명하므로 상기 원자로냉각재계통(11)은 원자로용기를 의미한다.

예를 들어, 원전 사고 중 원자로용기가 손상되거나 노심(11a)이 노출되는 것과 같은 중대 사고가 발생하였을 때, 관련신호 또는 운전원조치에 의해 냉각수 저장부(120)의 상기 냉각수가 냉각수 저장부(120) 하부에 설치된 외부주입유로(180a)를 통하여 원자로용기 외부로 공급되어 원자로용기 외벽을 냉각 할 수도 있다.

상세하게, 원자로냉각재계통(11)과 원자로냉각재계통(11)외부를 둘러싸고 있는 단열재(미도시) 사이로 주입될 수 있다. 원자로용기 외부주입계통(180)을 통하여 주입된 냉각수는 증기로 변화되어, 그 일부는 개방된 상기 단열재 사이로 방출될 수 있다. 원자로용기 외부주입계통(180)으로 상기 냉각수가 주입될 때, 격리밸브(180b) 를 포함하는 외부주입유로(180a) 통과하여 상기 냉각수가 주입될 수 있으며, 외부주입유로(180a)를 통하여 상기 냉각수를 주입하는 방법은 중력 주입방법 또는 펌프에 의한 주입방법일 수 있다.

원자로용기 내부주입계통(170)과 원자로용기 외부주입계통(180)은 냉각수 저장부(120)의 냉각수를 활용한다. 따라서, 설계기준 사고 시 장기냉각을 위한 안전등급의 안전주입설비를 별도로 구비할 필요 없이 안전주입이 될 수 있다. 또한, 중대사고 시 원자로용기 내 ·외부주입 설비를 별도로 구비하지 않아도 상기 냉각수가 원자로냉각재계통(11)을 냉각할 수 있으므로 원전의 안전성이 향상될 수 있다. 또한, 원전 안전성의 향상으로 제한구역경계거리의 확대 문제를 해소하여 경제적 비용을 절감할 수도 있다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 정상 운전을 도시한 개념도이다.

원전(10)의 정상 운전시 원자로냉각재계통(11)과 원전(10)의 정상 운전을 위한 계통들에 관련된 격리밸브들(13a, 13a', 13b)과 체크밸브(13b”)는 개방되어 있다. 원전(10)의 정상 운전 시에는 원자로냉각재계통(11)의 수위는 정상 수위로 유지된다. 따라서, 피동안전주입계통(15)은 대기 상태로 유지된다.

방사성 물질 저감 설비(100)는 경계부(110)와 격납부(12) 사이에 형성되는 압력차에 의해 피동적으로 작동하는 설비이고, 원전(10)의 정상 운전시에는 경계부(110)와 냉각수 저장부(120) 사이의 압력차가 거의 없으므로 방사성 물질 저감 설비(100)는 대기 상태로 유지된다.

도 1c는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 초기 운전을 도시한 개념도이다.

배관 파단과 같은 사고에 의해 원전(10)에서 냉각재상실사고가 발생하면, 파단부(13’)를 통해 증기(고온의 원자로냉각재가 방출되면서 형성되는 증기) 및 방사성 물질이 방출된다. 그리고, 원전(10)에 설치된 안전계통들이 작동을 시작한다.

사고 발생 초기 원전(10)의 정상 운전과 관련된 격리밸브들(13a', 13a", 13b')은 관련신호에 의하여 폐쇄된다. 정상 운전 중에 작동되지 않는 계통의 격리밸브들(15c')은 폐쇄된 상태로 운전된다. 원자로냉각재계통(11)을 향하는 방향으로 유로를 형성하는 체크밸브(13b”, 15c")가 설치되어 있는 경우, 상기 원자로냉각재계통(11)으로부터 나오는 방향의 유동은 차단되고, 방사성 물질 저감 설비(100)는 밀봉구조를 유지한다. 격리밸브들(13a', 13a", 13b', 15c')이 닫히면 방사성 물질 저감 설비(100)가 작동된다.

원전(10)은 원자로냉각재계통(11) 내부의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통(14)과, 원자로냉각재계통(11)의 수위를 유시하도록 상기 원자로냉각재계통(11)으로 냉각재를 주입하는 피동안전주입계통(15)을 포함할 수 있다.

피동잔열제거계통(14)은 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거할 수 있다. 원전(10)의 특성에 따라 상기에 언급한 피동형 안전계통들과 다른 형태(예, 능동형 안전계통) 또는 다른 계통들을 추가로 구비할 수 있다.

피동안전주입계통(15)은 노심보충탱크(15a)와 연결되는 배관에는 격리밸브(15a') 및 체크밸브(15a")가 설치되어 있고, 상기 격리밸브(15a') 및 체크밸브(15a")가 개방되면 노심보충탱크(15a)의 냉각재는 신속하게 원자로냉각재계통(11)으로 주입된다. 그리고 압력평형배관(15d)에 설치된 격리밸브(15d')가 개방되어 원자로냉각재계통(11)과 안전주입탱크(15b)가 압력평형을 형성하면, 상기 안전주입탱크(15b)의 냉각재도 원자로냉각재계통(11)으로 주입된다. 노심보충탱크(15a)와 안전주입탱크(15b)의 냉각재는 모두 안전주입배관(15c)을 통해 원자로냉각재계통(11)으로 주입된다.

파단부(13’)에서 증기가 방출되면, 방사성 물질은 증기와 함께 경계부(110) 내부 제1공간(110a)으로 방출된다. 파단부(13’)에서 증기와 방사성 물질이 지속적으로 방출됨에 따라 경계부(110) 내부의 압력은 점점 상승하게 된다. 경계부(110) 내부의 압력이 상승함에 따라 제1공간(110a)와 제2공간(110b) 사이에 제1분사부(140a)가 가지는 수두(H1) 이상의 압력차가 형성되면, 상대적으로 고압인 경계부(110)로부터 상대적으로 저압인 냉각수 저장부(120)로 피동력에 의한 대기(증기, 공기 및 방사성 물질을 포함)의 유동이 형성된다.

연결배관(130a)은 압력차에 의해 형성되는 대기의 유동을 냉각수 저장부(120)로 유도한다. 연결배관(130a)을 통과한 대기는 냉각수 저장부(120)에 침지된 제1분사부(140a)를 통해 냉각수에 분사된다. 이에 따라, 증기와 방사성 물질이 냉각수에 분사되어 증기는 응축되고 수용성 방사성 물질은 냉각수에 용해되어 포집되고, 비응축성 가스 또는 응축되지 않은 일부 증기는 냉각되면서 상승한다. 이에 따라, 방사성 물질 저감 설비(100)는 수용성 방사성 물질을 대부분 냉각수 저장부(120)의 냉각수 내에 포집하도록 설계하므로 방사성 물질이 직접 외부 환경으로 누설되는 것을 억제할 수 있다.

특히, 방사성 물질 중 외부 환경으로 누설되어 확산되는 경우 위험도가 높은 방사성 물질인 요오도(Iodine)는 친수성을 갖고 있는 방사성 물질로서 냉각수에 대부분 용해된다. 방사성 물질 저감 설비(100) 제1분사부(140a)의 작동은 냉각수 저장부(120)의 냉각수 수량이 일정량 이상 유지되고, 제1공간(110a)과 제2공간(110b)의 압력차가 H1 이상인 경우 지속적으로 유지된다. 여기서 H1은 제1분사부(140a)의 잠긴 깊이에 의해 형성되는 수두압을 의미한다.

방사성 물질 저감 설비(100)는 격납부(12) 내부의 압력, 즉 제2공간(110b)의 압력을 상승시킬 우려가 있는 증기를 제1분사부(140a)를 통해 냉각수 저장부(120)에 응축시킨다. 따라서, 방사성 물질 저감 설비(100)는 격납부(12) 내부의 압력 상승을 억제할 수 있고, 격납부(12)의 설계 압력을 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 1d는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 후기 운전을 도시한 개념도이다.

사고 발생 후기로 접어들 경우, 제1공간(110a)과 제2공간(110b)의 압력차가 줄어들어 압력차가 거의 없어지므로 제1분사부(140a)는 기능이 정지된다. 상세하게, 제1공간(110a)의 압력 P1이 제2공간(110b)의 압력 P2와 H1의 합보다 같거나 작아지는 (P1 ≤ P2 + H1) 시점에서 제1분사부(140a)의 기능이 정지된다.

또한, 제1공간(110a)의 압력 P1과 원자로냉각재계통(11) 내부의 압력이 거의 유사평형상태가 되어 원자로냉각재계통(11)으로부터 냉각수 방출이 정지된다. 나아가 피동안전주입계통(15)로부터 냉각수 주입이 이루어지면서, 피동안전주입계통(15)의 냉각수는 거의 고갈될 수도 있다. 또한 피동잔열제거계통(14)은 지속적으로 작동하여 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거할 수도 있다. 제1공간(110a)과 제2공간(110b)의 압력차가 H1 이하로 감소하는 경우에 제1분사부(140a)는 기능을 정지하고 방사성 물질 저감 설비(100)는 제1공간(110a)의 경계를 유지하는, 즉 제1공간(110a)의 내부 대기 및 방사성 물질이 제2공간(110b) 또는 외부환경으로 누출되지 않도록 억제(경계를 유지)하는 기능을 수행한다.

도 1e는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 시 원자로용기 내부주입계통(170)을 통해 원자로냉각재계통(11)으로 냉각수가 주입되는 것을 도시한 개념도이다.

사고 발생 후기로 접어들 경우, 제1공간(110a)과 제2공간(110b)의 압력차가 줄어들어 압력차 H1보다 작아질 수 있다. 이에 제1분사부(140a)는 기능이 정지되지만, 여전히 제1공간(110a)의 압력 P1이 제2공간(110b)의 압력 P2보다 클 수 있다.

제2분사부(140b)는 제1분사부(140a)보다 냉각수 저장부(120)의 바닥면으로부터 더 큰 이격 거리를 가진다. 따라서, 상기 냉각수 수면에서 더 가까이 위치하게 되며 이에 제2분사부(140b)는 제1분사부(140a)가 가지는 수두(H1)보다 더 작은 수두(H2)를 가진다.

제1공간(110a)의 압력 P1과 제2공간(110b)의 압력 P2의 압력차가 H1 1보다는 작으나, H2 보다 클 경우(H2＜P1-P2＜H1), 관련신호 또는 운전원조치에 의해 격리밸브(130b’)가 개방되며, 제2분사부(140b)가 작동되고, 제1공간(110a)의 증기가 방출되면서 제1공간(110a)의 압력이 감소할 수 있다. 즉, 제1분사부(140a)의 작동 후 원전 사고의 경과에 따라 제2분사부(140b)를 순차적으로 수동 작동시키거나, 자동 작동하도록 구성할 수 있다.

또한, 원자로냉각재계통(11) 내부의 냉각수 또는 증기가 원자로냉각재계통(11)의 외부로 방출되면서 원자로냉각재계통(11)의 수위 및 압력이 감소할 수 있다. 원자로냉각재계통(11)의 압력이 감소하여 냉각수 저장부의 압력(P2+H1)이 원자로냉각재계통(11) 내부의 압력보다 커질 경우, 원자로용기 내부주입계통(170)이 작동하여 냉각수 저장부(120)으로부터 원자로냉각재계통(11) 내부로 상기 냉각수를 공급할 수 있다.

상세하게, 원자로냉각재계통(11) 내부와 냉각수 저장부의 압력(P2+H1)의 압력차로 인한 피동력에 의하여 냉각수 저장부(120)의 상기 냉각수가 냉각수 저장부(120) 하부에 설치된 내부주입유로(170a)를 통하여 원자로냉각재계통(11) 내부로 공급될 수 있다. 원자로용기 내부주입계통(170)으로 상기 냉각수가 주입될 때, 개방된 격리밸브(170b)와 체크밸브(170c)를 포함하는 내부주입유로(170a) 통과하여 상기 냉각수가 주입될 수 있다. 격리밸브(170b)는 사고 시 관련신호에 의해 개방된다. 또한, 체크밸브(170c)는 내부주입유로(170a)에 유동이 형성되면서 개방된다.

덧붙여, 피동잔열제거계통(14)은 지속적으로 작동하여 원자로냉각재계통(11)의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거할 수도 있다. 또한, 피동안전주입계통(15)의 냉각수가 고갈된 경우 재충수되어 계속 작동할 수도 있다.

도 1f는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(100) 및 이를 구비하는 원전(10)의 원자로냉각재계통(11)이 손상되는 중대 사고 시 운전을 도시한 개념도이다.

원자로냉각재계통(11)이 손상되거나 노심(11a)이 노출되는 중대 사고의 경우, 전술된 안전계통 이외에 원자로용기 외부주입계통(180)이 추가로 작동할 수 있다. 상기 중대 사고가 발생하였을 때, 관련신호 또는 운전원조치에 의해 냉각수 저장부(120)의 상기 냉각수가 냉각수 저장부(120) 하부에 설치된 외부주입유로(180a)를 통하여 원자로냉각재계통(11) 외부로 공급되어 원자로냉각재계통(11)을 냉각 할 수도 있다. 여기서 일체형 원자로를 대상으로 설명하여 원자로냉각재계통(11)이라 하였으나, 상기 설명에서 원자로냉각재계통(11)은 원자로용기를 의미한다.

상세하게, 원자로냉각재계통(11)와 원자로냉각재계통(11)외부를 둘러싸고 있는 단열재(미도시) 사이로 주입될 수 있다. 원자로용기 외부주입계통(180)을 통하여 주입된 냉각수는 증기로 변화되어, 그 일부는 개방된 상기 단열재 사이로 방출될 수 있다. 원자로용기 외부주입계통(180)으로 상기 냉각수가 주입될 때, 격리밸브(180b) 를 포함하는 외부주입유로(180a) 통과하여 상기 냉각수가 주입될 수 있으며, 외부주입유로(180a)를 통하여 상기 냉각수를 주입하는 방법은 중력 주입방법 또는 펌프에 의한 주입방법일 수 있다. 제2분사부(140b)가 작동되어 제1공간(110a)의 압력이 감소하므로 수두압을 이용한 중력주입이 용이하게 된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 개념도이다.

방사성 물질 저감 설비(200)는 제1분사부(240a), 제2분사부(240b) 및 제3분사부(240c)를 가질 수 있다. 제1분사부(240a), 제2분사부(240b) 및 제3분사부(240c)는 냉각수 저장부(220)의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가진다. 즉, 냉각수에 잠긴 깊이가 서로 다르게 구성된다.

제1분사부(240a)는 냉각수 저장부(220)의 바닥면에 가까이 배치될 수 있으며, 제2분사부(240b)는 제1분사부(240a)에 비하여 냉각수 저장부(220)의 바닥면에서 이격된 거리가 더 클 수 있다. 또한, 제3분사부(240c)는 제2분사부(240b)에 비하여 냉각수 저장부(220)의 바닥면에서 이격된 거리가 더 클 수 있다.

또한, 제1분사부(240a), 제2분사부(240b) 및 제3분사부(240c)는 냉각수 저장부(220) 바닥면으로부터 이격 거리에 따라 상이한 유로면적을 가지고, 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 커질수록 분사부의 유로면적이 작아진다. 즉, 제1분사부(240a)가 가장 큰 유로면적을 가지며, 제3분사부(240c)는 가장 작은 유로면적을 가진다.

제1분사부(240a), 제2분사부(240b) 및 제3분사부(240c)는 공통의 연결배관(230)에서 분지된 연결배관에 대응된다. 따라서, 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 시 관련신호에 따른 밸브의 개방없이, 피동적으로 작동한다.

도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 개념도이다.

방사성 물질 저감 설비(300)의 방출부(350)는 냉각수 저장부(320)의 상부에서 격납부(32) 내부를 향해 돌출되도록 형성된다. 방출부(350)는 배관 또는 구조물에 의해 형성되는 유로를 구비한다. 그리고, 상기 유로에는 냉각수 저장부(320)를 빠져나가려고 하는 방사성 물질을 포획하기 위한 필터 또는 흡착제(351)가 배치된다.

냉각수 저장부(320)의 압력이 상승하면, 상기 냉각수 저장부(320) 내부의 대기(증기, 비응축성가스, 방사성 물질 등)는 방출부(350)를 통해 배출된다. 이 과정에서 냉각수 저장부(320)에 용해된 방사성 물질 중 일부는 재휘발되어 증기 또는 대기와 함께 방출부(350)를 통해 제2공간(310b)로 빠져나갈 우려가 있다. 만약 방사성 물질이 제2공간(310b)으로 빠져나간다면 제2공간(310b) 내부의 방사성 물질 농도를 상승시킬 수 있다.

필터 또는 흡착제(351)는 방출부(350)를 통해 증기와 함께 상기 제2공간(310b)으로 방출되려는 방사성 물질을 포획하도록 상기 방출부(350)의 유로에 배치된다. 필터 또는 흡착제(351)는 증기 또는 대기를 통과시키고, 방사성 물질을 포획하도록 이루어진다.

필터는 고효율입자여과기(HEPA filter)를 사용할 수 있다. 증기 또는 대기에 포함된 기체 형태의 방사성 물질은 필터를 통과하면서 제거된다. 예를 들어, 방사성 물질이 요오드인 경우, 상기 요오드는 필터를 통과하면서 질산은(silver nitrate)과 결합하여 iodic silver로 변환되고 증기 또는 대기로부터 제거된다.

흡착제는 활성탄을 사용할 수 있다. 요오드 유기화합물들은 활성탄에 함침되어 있는 물질들과 결합하여 quaternary ammonium salt 형태로 변환되고, 활성탄에 흡착된다. 분자 형태의 요오드는 활성탄에 화학적 흡착을 통해 결합된다. 활성탄은 다공성 구조에 의한 내부 접착면적이 크기 때문에 흡착 물질로 활용된다.

필터와 흡착제는 함께 배치될 수도 있고, 필터와 흡착제 중 어느 하나만 배치될 수도 있다. 다만, 상기 설명한 필터와 흡착제는 예를 들어 설명한 것일 뿐, 본 발명에서 필터와 흡착제의 종류가 반드시 상기 설명한 바에 한정되는 것은 아니다.

냉각수 회수부(360)도 방출부(350)와 마찬가지로 배관 또는 구조물에 의해 형성되는 유로를 구비한다. 냉각수 회수부(260)의 유로는 냉각수 저장부(320)로 침지되도록 형성될 수 있다. 그러나, 냉각수 저장부(320)와 냉각수 회수부(360)는 분리되는 것은 아니고 서로 통하도록 형성된다.

방사성 물질 저감 설비(300)는 첨가제주입설비(361)를 더 포함할 수 있다. 첨가제주입설비(361)는 냉각수 저장부(320)에 용해된 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 냉각수의 pH를 기설정된 값 이상(일반적으로 pH 7 이상)으로 유지시키는 첨가제를 상기 냉각수 저장부(320)에 공급한다. 첨가제주입설비(361)는 냉각수 회수부(360)의 유로에 설치될 수도 있다.

냉각수에 용해된 방사성 요오드는 음이온의 형태로 존재하게 되는데. 방사성 요오드는 용해되어 있는 냉각수의 pH가 낮은 경우 재휘발되는 양이 크게 증가할 수 있다. 그 이유는, pH 7 이하의 냉각수에서 방사성 요오드는 휘발이 가능한 원소형 요오도(I2)의 형태로 변환되는 양이 크게 증가하기 때문이다.

첨가제주입설비(361)는 냉각수에 용해된 방사성 물질이 재휘발되지 않도록 냉각수 저장부(320)에 첨가제를 주입한다. 첨가제는 예를 들어, 인산삼나트륨을 사용할 수 있다. 인산삼나트륨은 사고 시 격납부(32) 내부의 부식과 방사성 핵종의 재휘발을 방지하기 위해 냉각수의 pH를 조절한다. 그러나, 본 발명에서 첨가제의 종류가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 첨가제에는 냉각수 저장부(320)의 수질을 피동적으로 관리하도록, 노심(31a)의 반응도를 억제하는 붕산 또는 기기의 부식 등을 억제하기 위한 기타 첨가제가 추가될 수 있다.

또한, 방사성 물질 저감 설비(300)의 원자로용기 외부주입계통(380)은 외부주입유로(380a)에 추가적으로 외부주입유로(380a’)를 더 포함할 수 있다. 외부주입유로(380a’)는 냉각수 저장부(320)의 하부로부터 외부주입유로(380a) 연결되어 원자로냉각재계통(31)을 냉각 할 수도 있다. 상세하게, 외부주입유로(380a’)를 통한 주입방법은 격리밸브(380b’)를 통과하여 펌프(381)에 의한 주입하여 주입방법일 수 있다.

도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 정상 운전을 도시한 개념도이다.

원전(30)의 정상 운전시 원자로냉각재계통(31)과 원전(30)의 정상 운전을 위한 계통들에 관련된 격리밸브들(33a, 33a', 33b)과 체크밸브(33b”)는 개방되어 있다. 원전(30)의 정상 운전 중에 작동하지 않는 계통의 격리밸브들(35c')은 닫혀있다. 원자로냉각재계통(31)의 수위는 정상 수위로 유지된다. 따라서, 피동안전주입계통(35)와 방사성 물질 저감 설비(300)는 대기 상태로 유지된다.

도 3c는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(300) 및 이를 구비하는 원전(30)의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 초기 운전을 도시한 개념도이다.

배관 파단과 같은 사고에 의해 원전(30)에서 냉각재상실사고가 발생하면, 파단부(33’)를 통해 증기 및 방사성 물질이 방출된다. 그리고, 원전(30)에 설치된 피동잔열제거계통(34)과 피동안전주입계통(35)과 같은 안전계통들이 작동을 시작한다.

또한, 파단부(33’)에서 증기가 방사성 물질이 지속적으로 방출됨에 따라 경계부(310) 내부 제1공간(310a)의 압력은 점점 상승하게 된다. 경계부(110) 내부의 압력이 상승함에 따라 제1공간(310a)와 제2공간(310b) 사이에 제1분사부(340a)가 가지는 수두(H1) 이상의 압력차가 형성되면, 상대적으로 고압인 경계부(310)로부터 상대적으로 저압인 냉각수 저장부(320)로 피동력에 의한 대기(증기, 공기 및 방사성 물질을 포함)의 유동이 제1분사부(340a), 제2분사부(340b) 및 제3분사부(340c) 모두를 통해 형성된다. 이때, 제1분사부(340a), 제2분사부(340b) 및 제3분사부(340c) 모두를 통하여 증기, 공기 및 방사성 물질이 냉각수 저장부(320)으로 분사된다. 한편, 냉각수 저장부(320)의 바닥면에서 거리가 가까우며, 가장 큰 유로면적을 가진 제1분사부(340a)을 통하여, 증기, 공기 및 방사성 물질이 가장 많이 방출된다. 또한, 제1분사부(340a)는 냉각수 저장부(320) 수면에서부터 가장 멀게 이격되어 있다. 따라서, 제1분사부(340a)를 통하여 방출된 증기, 공기 및 방사성 물질은 상승을 하며 냉각수와 오랜 시간 접촉을 할 수 있으며 이를 통해 효과적으로 수용성 방사성 물질이 냉각수에 용해되어 포집될 수 있다.

또한, 방출부(350)를 통해 증기와 함께 상기 제2공간(310b)으로 방출되는 방사성 물질을 필터 또는 흡착제(351)로 포획할 수 있다. 나아가, 냉각수 회수부(360)의 유로에 설치된 첨가제주입설비(361)가 작동될 수 있다. 첨가제주입설비(361)는 냉각수 저장부(320)에 용해된 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 냉각수의 pH를 기설정된 값 이상(일반적으로 pH 7 이상)으로 유지시키는 첨가제를 상기 냉각수 저장부(320)에 공급한다.

도 3d는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 중기 운전을 도시한 개념도이다.

사고 발생 중기로 접어들 경우, 제1공간(310a)의 압력 P1과 제2공간(310b)의 압력 P2의 압력차가 줄어들어 제1분사부(340a)의 수두 H1을 극복할 수 없게 된다. 이에 제1분사부(340a)의 기능이 정지된다. 하지만 제1공간(310a)의 압력 P1이 제2분사부(340b)와 제3분사부(340c)의 수두 H2와 H3를 극복할 수 있으므로, 증기, 공기 및 방사성 물질은 제2분사부(340b)와 제3분사부(340c)을 통하여 분사된다.

상세하게, 상기 서로 다른 수두를 갖는 상기 분사부들이 제1공간(310a)의 압력 변화와 제2공간(310b)의 압력 및 상기 각각의 분사부가 가지는 수두에 대응되어 순차적으로 작동함을 의미한다.

도 3e는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비 및 이를 구비하는 원전의 냉각재가 누출되는 사고가 발생하는 사고 후기 운전을 도시한 개념도이다.

사고 발생 후기로 접어들어 제1공간(310a)의 압력 P1이 제1분사부(340a)와 제2분사부(340b)의 수두 H1과 H2를 극복하지 못할 경우, 증기, 공기 및 방사성 물질은 제3분사부(340c)만을 통하여 분사된다. 상세하게, 상기 서로 다른 수두를 갖는 상기 분사부들이 제1공간(310a)의 압력 변화와 제2공간(310b)의 압력 및 상기 각각의 분사부가 가지는 수두에 대응되어 순차적으로 작동함을 의미한다.

또한, 시간이 더 경과하여, 냉각수 저장부의 압력(P2+H1)이 원자로냉각재계통(31) 내부의 압력보다 커질 수 있다. 이러한 경우, 원자로용기 내부주입계통(370)이 작동하여 냉각수 저장부(320)으로부터 원자로냉각재계통(31) 내부로 상기 냉각수를 공급할 수 있다.

도 3f는 본 발명의 일 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(300) 및 이를 구비하는 원전(300)의 원자로냉각재계통(31)이 손상되는 중대 사고 시 운전을 도시한 개념도이다.

원자로냉각재계통(31)이 손상되거나 노심(31a)이 노출되는 중대 사고의 경우, 관련신호 또는 운전원조치에 의해 원자로용기 외부주입계통(380)이 추가로 작동할 수 있다. 또한, 원자로용기 외부주입계통(380)은 외부주입유로(380a)와 외부주입유로(380a’)를 가질 수 있다. 또한, 격리밸브(380b)를 통과하여 중력 주입방법에 의해 외부주입유로(380a)로 냉각수를 주입할 수 있으며, 격리밸브(380b’)를 통과하여 펌프(381) 주입방법에 의해 외부주입유로(380a’)로 냉각수를 주입할 수도 있다.

전술된 도 2 및 도 3과 같이 3개의 분사부가 설치되어 도 1a 내지 도 1f의 분사부 보다 더 많은 분사부를 설치하는 경우에는 사고 진행 상황에 따라 분사부들의 작동 상태가 변화하면서 보다 원활하게 분사부들을 통한 분사량을 제어하여, 증기 응축율과 방사성 물질의 포집율을 제어할 수 있고, 제1공간(210a, 310a)의 압력을 제어할 수 있는 장점은 있다. 반면, 상대적으로 설비가 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 있으므로 원전 특성에 따라 적절하게 분사부 개수를 선정해야 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(400) 및 이를 구비하는 원전(40)의 개념도이다.

원전(40)은 방사성 물질 저감 설비(400)와 함께 피동격납부냉각계통을 구비할 수 있다. 피동격납부냉각계통은 격납부(42) 내부의 압력 상승을 억제하도록 열교환기(46)를 이용해 격납부(42) 내부의 열을 외부로 방출하는 계통이다. 열교환기(46)에서 격납부(42) 내부의 대기와 냉각수 저장부(420)의 냉각수가 냉각된다.

격납부(42) 내부의 대기에 포함된 증기와 공기는 각각 응축되거나 냉각될 수 있다. 격납부(42) 내부의 온도가 낮아지면, 격납부(42)의 증기 또는 대기 중 일부는 응축된다. 따라서, 격납부(42) 내부의 압력 상승은 피동격납부냉각계통에 의해 억제될 수 있다.

피동격납부냉각계통의 열교환기(46)는 격납부(42)의 내부 공간에 설치될 수 있고, 냉각수 저장부(420)의 냉각수에 침지되도록 설치될 수도 있다. 열교환기(46)는 냉각수 저장부(420)의 상부 구조물을 관통하도록 설치될 수도 있다. 도 4에 도시된 열교환기(46)의 어느 일부는 격납부(42) 내부의 공간에 배치되고, 다른 일부는 냉각수 저장부(420)의 내부에 배치된다.

본 실시예에서는 피동격납부냉각계통의 열교환기(46)를 격납부(42)의 내부 공간에 설치하는 것으로 예시하였으나, 관련 유로를 연결하고 피동격납부냉각계통의 열교환기를 격납부(42)의 외부 공간에 설치할 수도 있으므로, 열교환기(46)의 위치를 한정하는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(500) 및 이를 구비하는 원전(50)의 개념도이다.

냉각수 저장부(520)는 격납부(52)의 내부 공간 중 하부 영역에 설치될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 방사성 물질 저감 설비(500)는 제1공간(510a)과 제2공간(510b)의 압력과 분사부들의 잠긴 깊이에 따른 수두압에 의해 작동하므로, 증기를 응축하고 방사성 물질을 포집하는 고유 기능은 냉각수 저장부(520)의 위치에 영향을 거의 받지 않는다.

한편, 제1공간(110a,210a,310a,410a,510a) 내부 공간에는 분사부들(140, 240, 340, 440, 540)로 형성되는 유동에서 벗어난 유동 정체 구간이 존재한다. 특히 가벼운 수소 및 비응축성 가스, 방사성 물질이 제1공간(110a,210a,310a,410a,510a)의 상부공간에 축적되어 냉각수 저장부(120, 220, 320, 420, 520)를 통과하지 않는 경우에는 제거되지 않으므로, 이를 배출하기 위한 배출부(590)를 더 구비하여, 상부 공간에 누적된 수소 및 비응축성 가스, 증기, 방사성 물질을 냉각수 저장부(120, 220, 320, 420, 520)로 유도하여 분사해 줄 수 있다. 제1공간(110a, 210a, 310a, 410a, 510a)의 상부공간과 냉각수 저장부(120, 220, 320, 420, 520)의 압력차가 형성되면, 배출부(590)의 배출부 연결배관(590a)을 통과해서 상기 냉각수 저부에 설치되는 스파저(590b)로 제1공간(110a,210a,310a,410a,510a)의 상부 공간의 수소 및 비응축성 가스, 증기, 방사성 물질이 분출될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(600) 및 이를 구비하는 원전(60)의 개념도이다.

방사성 물질 저감 설비(600)는 압력평형배관(652)을 더 포함한다. 방사성 물질 저감 설비(600)의 압력평형배관(652)은 피동안전주입계통(65)의 압력평형배관(65d)과 구별해야 한다. 방사성 물질 저감 설비(600)의 압력평형배관(652)은 경계부(610)의 제1공간(610a)과 제2공간(610b)를 각각 통하도록 형성된다. 제1공간(610a)의 압력보다 제2공간(610b)의 압력이 높은 경우, 압력평형배관(652)은 제2공간(610b)의 대기를 제1공간(610a)으로 유입시키도록 형성된다. 이에 따라, 냉각수 저장부(620)의 냉각수가 경계부(110)의 내부로 역류하는 것을 방지할 수 있다. 압력평형배관(652)은 도시한 바와 같이 냉각수 저장부(620) 상부의 구조물을 통과할 수 있다.

압력평형배관(652)에는 한 방향의 유동만을 통과시키는 체크밸브(652a)가 설치될 수 있다. 체크밸브(652a)는 한 방향의 유동만을 통과시키도록 형성된다. 체크밸브(652a)는, 제1공간(610a)의 대기가 압력평형배관(652)을 통해 제2공간(610b)으로 방출되는 것을 방지하도록 형성된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관련된 방사성 물질 저감 설비(700) 및 이를 구비하는 원전(70)의 개념도이다.

첨가제 주입설비(761)는 냉각수 저장부(720)의 내부에 설치될 수 있다. 냉각수 저장부(720)의 내부에 설치되는 첨가제 주입설비(761)는, 냉각수 저장부(720)의 수위 상승에 의해 냉각수에 침지되도록 기설정된 높이에 설치될 수 있다. 제1공간(710a)의 대기가 분사부(740)를 통해 냉각수로 지속적으로 분사되면, 냉각수 저장부(720)의 수위가 점점 상승한다. 그리고, 냉각수 저장부(720)의 수위가 첨가제 주입설비(761)보다 높아지면, 첨가제 주입설비(761)는 냉각수에 침지된다. 첨가제 주입설비(761)가 냉각수에 침지됨에 따라 첨가제는 냉각수에 용해된다.

도 8은 본 발명의 연결배관 및 분사부의 다양한 실시예들을 도시한 개념도이다.

도 8의 도시와 같이, 본 발명은 복수개의 분사부에 대응되는 연결배관을 가질 수 있다. 상기 연결배관은 상기 복수개의 분사부와 각각 대응되도록 공통 연결배관에서 상기 복수개의 분사부로 분지될 수 있다. 한편, 상기 연결배관은 상기 복수개의 분사부와 각각 대응되도록 독립된 복수개의 연결배관을 가질 수도 있다. 상기 연결배관은 목적과 원전 사고시 대응 방법에 따라 각각의 연결배관에 격리밸브를 포함할 수 있으며, 상기 격리밸브는 사고 시 관련신호에 의해 개방될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 분사부는 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며, 상기 서로 다른 이격 거리에 의하여 서로 다른 수두를 가질 수 있다. 이에 사고의 흐름에 따라 변화하는 전술된 방사성 물질 저감 설비의 압력의 변화로 피동력에 의해 상기 복수개의 분사부는 순차적으로 작동할 수도 있다. 즉, 사고시 압력의 변화와 상기 각각의 분사부가 가지는 수두가 서로 대응되어 순차적으로 작동함을 의미한다.

상기 복수개의 분사부는 복수의 분사구를 구비하여 방사성 물질을 세분화하여 상기 냉각수 저장부에 분사할 수 있다. 나아가, 상기 복수개의 분사부는 상기 냉각수 저장부 바닥면으로부터 이격 거리에 따라 상이한 유로면적을 가지고, 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 커질수록 분사부의 유로면적이 작아지는 것을 특징으로 한다.

분사부 및 연결배관을 각각 독립적으로 설치하는 경우, 연결배관에서 유입유동이 상호 영향 받지 않아 각각의 분사부가 독립적으로 작동시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 연결배관에 격리밸브를 설치하는 경우에는 격리밸브가 설치된 분사부를 자동 또는 수동으로 작동 또는 중지시킬 수 있는 장점이 있다. 반면, 상대적으로 설비가 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 있으므로 원전 특성에 따라 적절하게 분사부의 배관 구성, 격리밸브의 설치 여부 등을 선정해야 한다.

발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 : 원전
11, 21, 31, 41, 51, 61, 71 : 원자로냉각재계통
12, 22, 32, 42, 52, 62, 72 : 격납부
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 : 방사성 물질 저감 설비
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710 : 경계부
120, 220, 320, 420, 520, 620, 720 : 냉각수 저장부
130, 230, 330, 430, 530, 630, 730 : 연결배관
140, 240, 340, 440, 540, 640, 740 : 분사부
150, 250, 350, 450, 550, 650, 750 : 방출부
160, 260, 360, 460, 560, 660, 760 : 냉각수 회수부
170, 270, 370, 470, 570, 670, 770 : 원자로용기 내부주입계통
180, 280, 380, 480, 580, 680, 780 : 원자로용기 외부주입계통

Claims (20)

1. 격납부;
   상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부;
   상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되는 냉각수 저장부;
   상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 방사성 물질의 유동을 상기 냉각수 저장부로 유도하도록 상기 경계부와 상기 냉각수 저장부에 연결되는 연결배관; 및
   상기 냉각수 저장부에 저장된 냉각수에 침지되고, 상기 연결배관을 통과한 상기 방사성 물질을 상기 냉각수에 분사하여 상기 냉각수에 상기 방사성 물질 중 수용성 방사성 물질을 포집되게 하고, 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며 상기 제1공간과 상기 제2공간의 압력 차에 대응하여 작동하는 복수개의 분사부를 포함하고,
   상기 바닥면으로부터 이격 거리가 상이한 복수개의 분사부는 상기 냉각수의 수면에서 이격된 거리만큼의 각각의 수두를 가지고, 상기 각각의 수두와 상기 제2공간의 압력의 합보다 상기 제1공간의 압력이 클 경우, 피동력에 의하여 상기 제1공간의 방사성 물질이 상기 연결배관을 통하여 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 상이한 복수개의 분사부로 순차적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 경계부는 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸도록 형성되는 격벽; 및
   상기 원자로냉각재계통의 상부를 덮도록 형성되는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각수 저장부의 상부에 구비되어 상기 냉각수 저장부의 과압을 방지하고, 상기 제2공간의 상부로 비응축성 가스 또는 증기를 방출하는 방출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 방출부로부터 방출된 증기가 냉각되어 응축수를 생성하고, 상기 응축수가 상기 냉각수 저장부로 회수될 수 있도록 냉각수 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 방출부에 방사성 물질을 포획하는 필터 또는 흡착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비
6. 제 1항에 있어서
   상기 방사성 물질 저감 설비는 냉각수 저장부에 용해된 방사성 물질의 휘발을 방지하도록 냉각수의 pH 값을 기설정된 값 이상으로 유지시켜주는 첨가제주입설비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 첨가제주입설비는 상기 냉각수 저장부에 설치되어 상기 냉각수의 수위가 상승할 경우 상기 냉각수에 용해되어 상기 냉각수 저장부로 첨가제를 공급하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 연결배관은 상기 복수개의 분사부와 각각 대응되도록 공통 연결배관에서 상기 복수개의 분사부로 분지되는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 연결배관은 상기 복수개의 분사부와 각각 대응되도록 독립된 복수개의 연결배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 독립된 복수개의 연결배관 중 어느 하나는 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 분사부는 각각 상기 방사성 물질을 세분화하여 분사하도록 형성되는 복수의 분사구를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 분사부는 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 이격 거리에 따라 상이한 유로면적을 가지고, 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 커질수록 분사부의 유로면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감설비.
13. 삭제
14. 제 1항에 있어서,
    상기 방사성 물질 저감 설비는
    상기 냉각수 저장부의 하부에 설치된 내부주입유로; 및
    상기 내부주입유로에 구비된 격리밸브를 포함하고 상기 원자로냉각재계통내부로 상기 냉각수 저장부의 냉각수를 공급하는 원자로용기 내부주입계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
15. 제 1항에 있어서,
    상기 방사성 물질 저감 설비는
    상기 냉각수 저장부의 하부에 설치된 외부주입유로; 및
    상기 외부주입유로에 구비된 격리밸브를 포함하고 상기 원자로냉각재계통외부로 상기 냉각수 저장부의 냉각수를 공급하여 상기 원자로냉각재계통을 냉각하는 원자로용기 외부주입계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
16. 제 15항에 있어서,
    상기 원자로용기 외부주입계통은 중력 또는 펌프에 의한 구동력에 근거하여 냉각수를 공급하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감설비.
17. 제 1항에 있어서,
    상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 제1공간 또는 상기 냉각수 저장부를 냉각하는 냉각설비계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감설비.
18. 제 1항에 있어서,
    상기 방사성 물질 저감 설비는 상기 제1공간과 상기 제2공간을 연결하고 상기 제2공간 내의 압력이 상기 제1공간보다 높을 때 체크밸브가 개방되어 압력평형을 이루어주는 압력평형배관을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
19. 제 1항에 있어서,
    상기 방사성 물질 저감 설비는
    상기 냉각수 저장부의 하부에 설치되어 상기 제1공간과 상기 제2공간을 연결하는 배출부 연결배관;
    상기 배출부 연결배관에 구비되어 격리밸브; 및
    상기 냉각수 저장부의 하부에 상기 냉각수에 침지되어 상기 제1공간 상부에 누적된 방사성 물질, 수소 및 비응축성 가스를 상기 냉각수 저장부의 하부에 분사하는 스파저를 포함하는 배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 물질 저감 설비.
20. 격납부;
    상기 격납부의 내부에 구비되어, 상기 격납부의 내부공간을 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간과 상기 제1공간과 격납부 사이에 형성되는 제2공간을 구획하고, 사고 시 상기 제1공간 내의 상기 원자로냉각재계통 또는 상기 원자로냉각재계통과 연결된 배관으로부터 방출되는 방사성 물질이 상기 제2공간으로 직접 방출되지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 둘러싸는 경계부;
    상기 제1공간과 상기 제2공간 사이에 설치되는 냉각수 저장부;
    상기 경계부 내 제1공간에 형성되는 방사성 물질의 유동을 상기 냉각수 저장부로 유도하도록 상기 경계부와 상기 냉각수 저장부에 연결되는 연결배관; 및
    상기 냉각수 저장부에 저장된 냉각수에 침지되고, 상기 연결배관을 통과한 상기 방사성 물질을 상기 냉각수에 분사하여 상기 냉각수에 상기 방사성 물질 중 수용성 방사성 물질을 포집되게 하고, 상기 냉각수 저장부의 바닥면으로부터 서로 다른 이격 거리를 가지며 상기 제1공간과 상기 제2공간의 압력 차에 대응하여 작동하는 복수개의 분사부를 포함하고,
    상기 바닥면으로부터 이격 거리가 상이한 복수개의 분사부는 상기 냉각수의 수면에서 이격된 거리만큼의 각각의 수두를 가지고, 상기 각각의 수두와 상기 제2공간의 압력의 합보다 상기 제1공간의 압력이 클 경우, 피동력에 의하여 상기 제1공간의 방사성 물질이 상기 연결배관을 통하여 상기 바닥면으로부터 이격 거리가 상이한 복수개의 분사부로 순차적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 원전.

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