KR101949192B1

KR101949192B1 - 대류건조 여과식 격납용기 배기시스템

Info

Publication number: KR101949192B1
Application number: KR1020177003185A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 헨리 쿠퍼
Original assignee: 프라마톰 인크.
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2019-02-18
Also published as: ZA201700333B; EP3170183B1; CN106716547B; JP2017524930A; PL3404668T3; CA3105108C; EP3170183A2; KR20170027830A; CA2955369C; WO2016011055A2; WO2016011055A3; EP3404668B1; HUE041398T2; CA3105108A1; PL3170183T3; CN106716547A; TR201815753T4; US10839967B2; MX368813B; MX2017000719A

Abstract

원자로 격납용기용 건조 여과식 격납용기 배기시스템이 제공된다. 상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은 하우징, 및 상기 하우징 내부에 배치되어, 격납용기의 배기시 상기 하우징을 통과하는 가스로부터 오염 에어로졸을 제거하는 원형 및/또는 세장형 에어로졸 필터를 포함한다. 상기 하우징은 상기 격납용기의 배기시 상기 에어로졸 필터 내로 가스를 유도하도록 구성된 적어도 하나의 유입구부 및 상기 격납용기의 배기시 상기 에어로졸 필터에 의해 여과된 가스를 위한 배출구부를 포함한다. 상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은 상기 배출구부를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 대류, 복사, 및 전도 열전달 중 적어도 하나에 의해 상기 에어로졸 필터에 포집된 에어로졸의 붕괴열이 제거되도록 배열 및 구성된다.

Description

대류건조 여과식 격납용기 배기시스템{CONVECTIVE DRY FILTERED CONTAINMENT VENTING SYSTEM}

본 출원은 2014년 7월 14일에 출원된 미국 가출원 제62/024,348호에 기초한 우선권 주장을 하며, 이는 본원에 참조로 인용된다.

본 발명은 일반적으로 여과식 격납용기 배기시스템(filtered containment venting system, FCVS)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 섬유 필터(metal fiber filter, MFF) 및 분자체(molecular sieve, MS)를 포함하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템에 관한 것이다.

원자력 발전소에서의 중대사고 또는 설계 기준을 초과하는 가능성 낮고 가설적인 상황에 있어서, 원자로 격납 건물 내의 압력은 증강될 수 있으며, 이에 따라 누출이 발생하거나, 격납용기에 고장이 발생할 수 있다. 여과식 격납용기 배기시스템(FCVS)은 핵분열 생성물을 보유하면서도 과도한 압력을 완화할 수 있게 한다.

지금까지 FCVS는 습식 및 건식의 두 가지 범주로 제공되어 왔다. 습식 FCVS는 방사능을 포집하는 주요 방법으로 수용액을 사용한다. 건식 FCVS를 사용하면 방사능을 포집하는 데 물이 필요하지 않다. 건식 FCVS는 습식 FCVS보다 설계가 더 단순하며, 압력 강하가 적다. 그러나, 건식 FCVS는 붕괴열 한계 및 막힘(plugging) 가능성의 문제를 야기하고 있다.

붕괴열 한계 및 막힘(plugging) 가능성을 개선한 건식 FCVS를 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른, 격납용기 외부에 사용되는 FCVS는 유입구부 및 배출구부를 포함할 수 있다. 상기 유입구부는, 유입구 파이프에 대향하는 튜브시트(tubesheet)를 가진 보울형 구조로 확장되는 튜브 또는 파이프를 포함한다. 상기 배출구부는 유사하게 설계된다. 상기 튜브시트는 더 나은 열 제거를 위해 내부 연통을 가질 수 있다. 또는, 상기 튜브시트 대신 헤더를 사용할 수도 있다. 다수의 튜브가 유입구 및 배출구 튜브시트/헤더 사이에서 연장된다. 이들 압력 튜브들 각각은 에어로졸 필터, 바람직하게는 금속 섬유 필터(metal fiber filter, MFF) 및 요오드 필터, 바람직하게는 분자체(molecular sieve, MS)를 포함할 수 있다. 상기 압력 튜브들은 그들 사이에 공기가 흐를 수 있도록 이격되게 배치된다. 이는, 복사, 전도 및/또는 대류 열전달에 의해 붕괴열이 제거되도록 하고, 상기 MFF 및 MS가 안전하지 않은 온도에 도달하는 것을 방지한다. 또한, 공극(air gap)은 상기 필터의 외부 및 상기 압력 튜브의 내부면 사이에 제공될 수 있다. 상기 공극은 최적의 열전달이 이루어지는 크기로 형성되며, 상기 필터로 들어가는 공정 흐름이 과냉각(sub-cooled)되지 않을 만큼 충분히 크게 형성되어야 한다. 상기 공극이 상기 MFF의 직경의 3분의 1에 해당하는 것 이외에, 본 구조는 고온 표면(열을 배출함)의 면적이 저온 표면(열을 수용함)의 면적보다 작게 설계된 것이다.

본 발명의 다른 양태에 따른 격납용기 내부에 사용되는 FCVS는, 상기 격납용기의 배기시 그 내부를 통과하는 가스로부터 오염 물질을 제거하는 에어로졸 필터, 상기 격납용기의 배기시 가스를 상방으로 유도하여 상기 가스가 상기 에어로졸 필터의 하부 내로 향하게 하는 하부 유입구부, 상기 격납용기의 배기시 가스를 하방으로 유도하여 상기 가스가 상기 에어로졸 필터의 상부 내로 향하게 하는 상부 유입구부, 및 상기 격납용기의 배기시 상기 에어로졸 필터에 의해 여과된 가스를 위한 배출구부를 포함할 수 있다. 상기 하부 유입구부 및 상기 상부 유입구부는, 상기 배출구부를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 상기 가스가 상기 하부 유입구부를 통해 유입되어 상기 에어로졸 필터의 하부 및 상부를 통하여 상방으로 유동되고 상기 상부 유입구부를 통하여 밖으로 유동되도록 배치되어, 상기 에어로졸 필터 내에 포집된 에어로졸의 붕괴열을 굴뚝 효과(chimney effect)를 통해 강제 대류 냉각시킨다.

붕괴열 한계 및 막힘(plugging) 가능성을 개선한 건식 FCVS를 제공할 수 있다.

이하, 하기의 도면들을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건식 FCVS의 횡단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 압력 튜브들을 보다 상세하게 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS의 유입구부를 도시한 부분 횡단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS를 도시하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS를 도시하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS의 측면 횡단면도이다.
도 6c는 도 6a의 A-A 선을 따라 취한 횡단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 FCVS들의 배치를 도시하기 위한 원자로 격납용기의 예를 도시하는 도면이다.

본 발명의 일부 실시예들은 압력 튜브 구조를 갖는 건식 FCVS에 관한 것이다. 일반적인 건조 FCVS들은 수집된 방사능으로 인해 상승된 온도에 도달하여 "붕괴열(decay heat)"이라고 지칭되는 열을 발생시킨다. 상기 붕괴열은 필터 표면 온도를 270°C 이상으로 상승시킬 수 있으며, 이는 중대사고 발생시에 생성되는 에어로졸인 CsOH의 용융 온도보다 높다. 결과적으로, 상기 용융된 에어로졸은 상기 필터를 코팅하여 흐름을 막을 수 있다(이를 필터 케이크 용융(filter cake melting)이라고 함). 또한, 일반적인 건식 FCVS들이 도달할 수 있는 온도는 550°C로, 수소 자동 발화온도에 비해 상당히 높기 때문에 화재나 폭발을 초래할 수 있다.

또한, 일반적인 건식 FCVS 설계에서는 냉각 파이프가 배출 가스의 흐름 내에 배치된다. 이는 상기 가스를 과냉각시켜 젖게 하고, 상기 필터 및 분자체의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.

일반적인 건식 FCVS들에 대한 다른 우려는, 상기 필터들을 정위치에서 세정할 방법이 없다는 것이다. 따라서, 이들 공지된 FCVS는 에어로졸 적재에 있어 한계가 있다.

본 발명의 실시예들은 이러한 단점들 중 하나 이상에 영향을 받지 않는 개선된 건식 FCVS를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 FCVS는 열을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 압력 튜브 구조를 포함한다. 또한, 상기 압력 튜브 구조의 실시예들은 유로 내에서 냉각을 진행하지 않을 수 있으므로, 필터 효율이 떨어지지 않는다. 또한, 수동 압력 펄싱(passive pressure pulsing)이 상기 MFF들에 가해질 수 있으며, 이는 상기 MFF가 막히지 않게 하고, 분진 부하(dust loading)가 매우 높을 수 있는 용융 콘크리트-코륨 상호 작용(molten concrete-corium interaction)을 발생시킨다. 다른 실시예에서, 상기 FCVS는 상기 FCVS가 배기 중이지 않을 때 붕괴열을 대류식으로 제거하는 연통 구조를 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건식 FCVS(10)의 횡단면도이다. FCVS(10)는 유입구부(12), 배출구부(14) 및 압력 튜브(28)를 갖는 하우징(11)을 포함한다. 유입구부(10)는 유입구 파이프(16)에 대향하는 튜브시트(20)를 유지하는 보울형(bowl-shaped) 매니폴드(18)로 확장하는 유입구 튜브 또는 파이프(16)를 포함한다. 배출구부(14)는 유사하게 설계되며, 배출구 파이프(22)에 대향하는 튜브시트(26)를 유지하는 보울형 매니폴드(24)로 확장하는 배출구 튜브 또는 파이프(22)를 포함한다. 다수의 압력 튜브(28)는 유입구 및 배출구 튜브시트들(20, 26) 사이에서 연장되어, 튜브시트들(20, 26) 사이에 축 방향으로 개재된 원통 형상을 함께 형성한다. 이들 압력 튜브(28) 각각은 원통형 MFF(30) 형태의 둥근 세장형 에어로졸 필터 및 MS(32) 형태의 요오드 필터를 수용한다. 바람직한 실시예들에서, MFF(30)는 압력 튜브(28) 각각의 유입구측(34)에 위치되고, MS(32)는 압력 튜브(28) 각각의 배출구측(36)에 위치된다. 압력 튜브(28)들은 서로 이격되어 배치되어, 그들 사이에 공기가 흐를 수 있게 하고 외기(39)와 대류 열전달하게 하는 공간(38)을 형성한다. 상기 이격된 배치는 복사 및 대류 열전달에 의해 붕괴열(50)이 제거되도록 하고, MFF(30) 및 MS(32)가 안전하지 않은 온도에 도달하는 것을 방지한다.

또한, FCVS(10)는, 상기 배출구부(14)를 통하는 가스의 흐름이, 예컨대 배출구 파이프(22)에 제공된 제어 밸브(62)를 통해 차단될 때, MFF(30)로부터 붕괴열을 제거하기 위해 공기를 제공하는, 개략적으로 도시된 공기 공급원(60)을 포함한다. 상기 공기 공급원(60)은 MFF(30)에서 포집된 방사성 에어로졸의 붕괴열을 제거하기 위해 압력 튜브(28)를 통과하는 대류적 공기 흐름을 제공한다. 공기 공급원(60)은 매니폴드(18)의 유입구부(12)에 형성된 제어 밸브(66)에 의해 개폐될 수 있는 냉각 유입구 포트(64)에 연결될 수 있다. 또한, 배출구부(14)는 매니폴드(24)에 제공되는 제어 밸브(70)에 의해 개폐될 수 있는 냉각 배출구 포트(68)를 포함할 수 있다. 배출구 파이프(22)가 밸브(62)에 의해 폐쇄될 때, 포트들(64, 68)은 각각의 밸브들(66, 70)에 의해 개방될 수 있으며, 이에 따라 공기 공급원(60)으로부터의 냉각 공기는 유입구부(12)로 유입되고, 압력 튜브(28)를 통해 유동되며, 냉각 배출구 포트(68)를 경유해 배출구부(14) 밖으로 유동된다.

FCVS(10)는 배출구부(14)를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 대류, 복사, 및 전도 열전달에 의해 MFF(30)에 포집된 에어로졸의 붕괴열이 제거되도록 배열 및 구성된다. 대류 열전달은 압력 튜브(28)의 외면 및 주변 공기 사이에서 발생하고, 복사 열전달은 MFF(30)와 압력 튜브(28) 사이에서 발생하며, 전도 열전달은 붕괴열을 MFF(30)로부터 압력 튜브(28)로 전도시킴으로써 발생한다. 복사 열전달에 있어서, 종래의 시스템과는 대조적으로, 압력 튜브(28)의 내면에 의해 형성된 압력 튜브(28) 각각의 저온 표면적은, MFF(30)의 외면에 의해 형성된 압력 튜브(28) 각각의 고온 표면적보다 크므로, 붕괴열은 MFF(30)로부터 압력 튜브(28)로 방출된다. 즉, FCVS(10)의 구조는 열전달을 위한 고온 표면에 대한 저온 표면의 상대 표면적이 1보다 크게 형성된 것이다. 다른 압력 튜브 실시예들의 FCVS들(110, 210, 310)은 유사하게 설계될 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 압력 튜브들을 보다 상세하게 도시한 도면들이다. 도 2a는 도 1에 도시된 압력 튜브들(28) 중 하나의 횡단면을 도시한 확대도로서, 상기 압력 튜브들(28)을 통과하는 가스 흐름을 도시하는 도면이고, 도 2b는 도 2a와 동일한 횡단면에 따라 압력 튜브(28)를 도시한 도면이며, 도 2c는 도 2b의 A-A를 따라 압력 튜브(28)를 도시한 횡단면도이고, 도 2d는 압력 튜브(28)의 유입구측(34)을 도시한 사시도이다. 공극(40)은 MFF(30)의 외면(42)과 압력 튜브(28)의 내면(44) 사이에 제공될 수 있다. 공극(40)은, MFF(30)의 외면(42)과 압력 튜브(28)의 내면(44) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 스페이서들(43) 사이에서 원주 방향으로 한정되고, 부가적인 전도성 열전달이 이루어지는 크기로 형성되며, MFF(30)로 들어가는 공정 흐름이 과냉각되지 않도록 너무 크지 않다. 스페이서(43)는 전도성 열전달을 위한 금속으로 형성되어 MMF(30)로부터 압력 튜브(28)로 붕괴열을 전도시킨다. 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 오염된 유입구 가스(46)는 압력 튜브(28)의 유입구측(34)으로 진입하고, 공극(40)으로 진입하며, 에어로졸 필터링을 위하여 MFF(30) 내를 향해 반경 방향으로 통과할 수 있다. 그 다음, MFF(30)에서 배출되는 상기 에어로졸 필터링된 가스는 MFF(30)와 MS(32)를 분리하는 배리어(46)의 홀(45)을 통과하고, 요오드 필터링을 위하여 MS(32)로 진입한다. 에어로졸 필터링 및 요오드 필터링된 배출구 가스(48)는 압력 튜브(28)의 MS(32) 및 배출구측(36)을 빠져나와서, 다른 튜브들(48)에서 나오는 에어로졸 필터링 및 요오드 필터링된 배출구 가스와 병합시키는 매니폴드(24)로 진입한다. 다음으로, 에어로졸 필터링 및 요오드 필터링된 배출구 가스(48)는 배출구 파이프(22)를 나와서 원자로 격납용기의 외부로 방출된다. 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 붕괴열(50)은 대류 열전달을 위해 공간(38) 및 외기(39)로 방출된다.

MFF(30)는 격납 건물의 외부로 배기될 수도 있는 핵분열 생성물을 포집한다. MFF(30)는 스테인리스 스틸 소결 금속섬유로 형성될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, MFF(30)는 상업적으로 이용 가능한 카트리지로서, 비용을 낮추고 설치 및 제거를 용이하게 한다. 예를 들어, Porvair Filtration Group의 SINTERFLO 소결 스테인리스 스틸 필터 카트리지가 사용될 수 있다. 카트리지형 필터의 대체 물질들 역시 활용될 수도 있다.

MS(32)는 요오드를 흡수하는 매체로 충전된 카트리지일 수 있다. 예를 들어, 상기 매체는 은으로 코팅된 제올라이트(zeolite)일 수 있다. 상기 은은 배기 가스에 존재하는 요오드와 반응하여 요오드를 포집하여, 격납 건물 외부로 배출되는 것을 방지한다. 상업적으로 이용 가능한 체(sieve) 매체를 사용하면 필터링 하드웨어에 더 적은 비용이 들게 된다. 요오드 포집이 최종 사용자에 의해 요구되지 않는다면, 분자체 부분은 제거될 수 있다.

각각의 압력 튜브(28) 내에 다수의 MFF(30)/MS(32) 세트를 각각 사용함으로써, 각각의 개별 MFF(30)/MS(32) 세트는, 압력 튜브(28)에 의해 제한되며 외기에 노출되는 고유의 압력경계를 갖는다. 이러한 방식으로, 기존의 건식 FCVS 구조에서와 같이 붕괴열을 처리하기 위한 열전달이 압력 용기의 내부로 가로질러 일어나는 것(표면적 비율이 더 낮음)은 필요하지 않게 된다. 각각의 압력 튜브(28)는 요구되는 열을 방출하기에 충분한 표면적을 갖는다. 여러 개의 상대적으로 작은 튜브를 제공함으로써, 압력 튜브(28)는 두께가 얇다는 장점을 가지면서도, 그보다 더 두꺼운 등가의 압력 용기에 상응하는 동일한 압력을 처리할 수 있다. 압력 튜브(28)는 플랜트 구성에 기초하여, 원하는 열전달을 수용할 수 있는 크기로 정해질 수 있다. 압력 튜브(28)의 바람직한 내부 직경 크기는 약 2인치 내지 약 10인치이며, 보다 바람직하게는 공칭 내경이 4인치인 것이다. 압력 튜브(28)의 벽 두께는 직경 및 압력의 함수이다. 4인치 공칭 내경의 경우, 바람직한 공칭 벽 두께는 1/16인치가 된다.

FCVS(10)는 HVAC형 인클로져(enclosure)를 사용하는 다른 건식 시스템보다 높은 압력에서 작동될 수 있다. 일반적인 HVAC FCVS는 정사각형 케이싱을 사용하고, 압력을 분위기압까지 강하시키는 시스템 앞에 오리피스 판을 구비하며, 이에 따라 증기/공기 혼합물의 체적이 팽창하기 때문에 더 큰 필터 영역이 필요하게 된다. 압력 튜브 FCVS(10)의 소경 압력 튜브(28)는 얇게 형성될 수 있으며, 동시에 복수의 압력 튜브(28)에 걸쳐 분산된 압력을 처리할 수 있다. 또한, 수소 연소압력 급증이 발생하는 경우, FCVS(10)는 압력 급증을 쉽게 처리할 수 있는 반면, HVAC형 인클로져는 처리에 실패할 수 있다.

각각의 압력 튜브(28) 내의 일체형 MFF(30) 및 MS(32)는, 다른 건식 FCVS 구조에서와 같은 두 개의 별도 용기/인클로져, 즉, 하나는 MFF용이고 다른 하나는 MS용인 용기/인클로져를 필요로 하지 않는다.

FCVS(10)의 압력 튜브 구조는 다단 (multi-unit) 발전소의 높은 붕괴열 부하를 포함하여 수동 붕괴열 제거를 가능하게 한다. 붕괴열은 포집된 에어로졸과 요오드의 방사성 붕괴에 의해 발생된다. 각각의 MFF(30)는 각각의 압력 튜브(28)에 가깝게 배치되고, 압력 튜브(28)는 주위 환경과 간접적으로 연결되어 있으므로 열전달 경로가 짧아지게 된다. 공지된 건조 FCVS의 압력 용기 구조에 의하면, 상기 열은 압력 용기 표면까지 도달해야 하고, 표면적은 제한적이다. 공지된 HVAC형 구조의 경우, 요구되는 인클로져는 크고 유효 표면적이 비교적 작으며, 냉각 튜브들이 공정 흐름 내에 배치되어 상기 흐름을 과냉각시킬 수 있다.

따라서, FCVS(10)는 물 또는 화학 물질을 첨가할 필요 없이 완전히 수동적이다. 막힘은 MFF(10)의 표면적 증가 및 압력 펄스 기술의 사용에 의해 현저히 감소될 수 있다. 붕괴열 제거 능력은 온도를 수소의 자동 발화온도보다 낮게 유지하고, 또한 흡습성 에어로졸의 융점보다 낮게 유지한다. 공극과 기하학적 구조는 정상 작동 중에 열 손실이 성능에 영향을 미치지 않도록 설계되지만, 유휴 배기 기간 중에는 붕괴열로부터 증가되는 열이, 고온으로 인한 복사열 및 대기 튜브(즉, 유휴 기간 동안 사용되지 않는 압력 튜브) 내에 형성된 자연 대류셀의 조합에 의해 배출되거나 스페이서(43)를 통해 전도적으로 제거될 수 있다.

비교적 작은 크기의 압력 튜브(28)는 MFF(30) 및 MS(32)를 정위치에서 세정할 수 있게 한다. 질소 병 시스템(nitrogen bottle system)은 백 퍼지 압력 튜브(28)에 추가되어 0.5초 미만의 압력 펄스로 필터를 역 세정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS(110)의 유입구부(112)를 도시한 부분 횡단면도이다. FCVS(110)는 튜브시트(20)의 하류의 FCVS(10)와 동일한 방식으로 구성될 수 있다. 유입구부(112)는, 압력 펄스 역 세척 공정으로부터 각각의 압력 튜브(28)의 배출구측 내로 가스를 펄싱함으로써 발생하는 에어로졸을 수집하기 위한 배수조(sump)(114)를 포함한다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS(210)를 도시한다. 도 4a는 FCVS(210)를 도시한 횡단면도이며, 도 4b는 FCVS(210)를 도시한 사시도이고, 도 4c는 FCVS(210)를 도시한 절개 사시도이다. FCVS(210)는 FCVS(10)와 동일한 방식으로 형성되지만, FCVS(210)가 내부 튜브 네스트 냉각(internal tube nest cooling)을 위해 설계된다는 점이 다르다. 더 구체적으로, FCVS(210)는 유입구부(212), 배출구부(214) 및 압력 튜브(28)를 갖는 하우징(211)을 포함한다. 유입구부(212)는 유입구 파이프(216)에 대향하는 환형 튜브시트(220)를 유지하는 환형 매니폴드(218)로 확장하는 유입구 튜브 또는 파이프(216)를 포함한다. 유입구 냉각 튜브(219)는 유입구부(212)에 매설되며, 매니폴드(218) 및 튜브시트(220)를 통과한다. 배출구부(214)는 유사하게 설계되며, 유입구 파이프(216)에 대향하는 환형 튜브시트(226)를 유지하는 환형 매니폴드(224)로 확장하는 배출구 튜브 또는 파이프(222)를 포함한다. 내부 연통을 형성하는 배출구 냉각 튜브(227)는 배출구부(214)에 매설되며, 매니폴드(224) 및 튜브시트(226)를 통과한다. 외기(39)는 유입구 냉각 튜브(219)로 진입하고, 그 중심축(CA)을 따라 FCVS(210) 내에 형성된 내부 공기 공간(240)으로 진입한다. 외기 흐름(242)도 붕괴열의 대류 제거를 위해 중심(CA)을 향해 반경 방향으로 진입한다. 그 다음, 냉각 공기는 배출구 냉각 튜브(227)를 통과한다.

도 4a에 도시되고 도 4b 및 도 4c에서는 생략된 바와 같이, FCVS(210)는 FCVS(10)와 유사하게, 배출구부(214)를 통하는 가스의 흐름이, 예컨대 배출구 파이프(222)에 제공된 제어 밸브(262)를 통해 차단될 때, MFF(30)로부터 붕괴열을 제거하기 위해 공기를 제공하는, 개략적으로 도시된 공기 공급원(260)을 포함한다. 상기 공기 공급원(260)은 MFF(30)에서 포집된 방사성 에어로졸의 붕괴열을 제거하기 위해 압력 튜브(28)를 통과하는 대류적 공기 흐름을 제공한다. 공기 공급원(260)은 매니폴드(218)의 유입구부(212)에 형성된 제어 밸브(266)에 의해 개폐될 수 있는 냉각 유입구 포트(264)에 연결될 수 있다. 또한, 배출구부(214)는 매니폴드(224)에 제공되는 제어 밸브(270)에 의해 개폐될 수 있는 냉각 배출구 포트(268)를 포함할 수 있다. 배출구 파이프(222)가 밸브(262)에 의해 폐쇄될 때, 포트들(264, 268)은 각각의 밸브들(266, 270)에 의해 개방될 수 있으며, 이에 따라 공기 공급원(260)으로부터의 냉각 공기는 유입구부(212)로 유입되고, 압력 튜브(28)를 통해 유동되며, 냉각 배출구 포트(268)를 경유해 배출구부(214) 밖으로 유동된다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS(310)를 도시하는 도면이다. 도 5a는 건식 FCVS(310)의 유입구부(312)를 도시한 부분 횡단면도이고, 도 5b는 FCVS(310)를 도시한 사시도이다. 압력 튜브(28)는 도 5a에 도시된 바와 같이 수평으로, 또는 도 5b에 도시된 바와 같이 수직으로 배치될 수 있다. 상기 FCVS(10)와는 달리, FCVS(310)는 유입구부(312)에 튜브시트(20) 대신에 유입구 헤더(320)를 포함하고, 배출구부(314)에는 튜브시트(26) 대신에 배출구 헤더(326)를 포함한다. 헤더들(320, 326)은 유입구 및 배출구 파이프들(316, 322) 각각에 연결되고, 원통형으로 형성된다. 압력 튜브(28)는 실질적으로 헤더들(320, 326)의 전체 길이를 따라 헤더들(320, 326) 각각의 일 측면으로부터 연장된다. 헤더들(320, 326)은 압력 튜브(28)가 종적으로 연장되는 방향(352)에 수직하는 방향(350)으로 종적 연장된다. 헤더들은 FCVS(10, 110, 210)의 튜브시트 대신에 사용될 수도 있으며, 이러한 실시예에서의 압력 튜브는 수직 대신에 수평으로 배열될 수도 있다. 바람직한 실시예에서, FCVS(10, 210)와 유사하게, FCVS(310)는 추가 냉각 포트, 밸브 및 공기 공급원을 구비하여, 상기 배출구부(314)를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 압력 튜브(28)를 통해 대류적 공기 흐름을 제공하여 MFF(30)로부터 붕괴열을 제거한다.

도 7a 및 도 7b와 관련하여 아래에서 예로서 개시되는 바와 같이, FCVS(10, 110, 210, 310)는 격납 건물의 외부 또는 격납용기 내부공간에서 사용하도록 구성된다. FCVS(10, 110, 210, 310)는 다른 (습식 또는 건식) 압력 용기 구조보다 가벼운 구조일 수 있으며, 이는 두 개의 중압력 용기를 필요로 하는데, 하나는 필터를 위한 것이고 다른 하나는 체(sieve)를 위한 것이다. 또한, FCVS(10, 110, 210, 310)는, 요구되는 흐름을 얻기 위해 더 많은 채널을 추가하는 것, 그리고/또는 튜브시트 및/또는 헤더 당 여러 그룹의 압력 튜브(28)를 만드는 것으로써 모듈화를 용이하게 할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건식 FCVS(410)의 횡단면도이다. 도 6c는 도 6a의 A-A선을 따라 취한 횡단면도이다. FCVS(10, 110, 210, 310)의 압력 튜브 구조를 이용하는 대신에, FCVS(410)는 붕괴열의 대류 이동을 위한 연통 구조를 포함하며, 격납용기(420) 내부에서 사용되도록 구성된다. FCVS(410)는 이 실시예에서 금속으로 형성되고, 두 개의 유입구부들(412, 413) 및 배출구부(414)를 갖는 이중 유입구 하우징(411)을 포함한다. 하부 유입구부(412)는 매니폴드(418)로 확장하는 유입구 튜브 또는 파이프(416)를 포함하고, 상부 유입구부(413)는 매니폴드(419)로 확장하는 유입구 튜브 또는 파이프(417)를 포함한다. 유입구부(412)는 배출구부(413) 아래에 수직하게 위치한다. 배출구부(414)는, 수평으로 배치되며, 배출구 매니폴드(424)로부터 에어로졸 및 요오드 필터 가스를 수용하고 격납용기(420)로부터 가스를 배출하기 위한 배출구 튜브 또는 파이프(422)를 포함한다. 종방향 및 수평방향으로 연장하는 원통형 MFF(430) 형태의 복수의 둥근 세장형 필터들은, 유입구들(412, 413) 사이, 즉, 하부 유입구부(412)의 상방 및 상부 유입구부(413)의 하방 사이에서 하우징(411) 내부에 수직으로 배치된다. 또한, MS(432) 형태의 요오드 필터는 MFF(430)와 배출구부(414) 사이에서 하우징(411) 내부에 수평으로 배치된다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 모범적인 실시예에 있어서, 도 6c에 도시된 바와 같이, FCVS(410)는 5열, 5행의 정사각형 배열로 서로 이격되게 배치된 25개의 MFF들(430)을 포함하며, 상기 MFF들(430)은 서로 공간(435)만큼의 거리를 두고 배치된다. 다른 실시예들에서, 상이한 수의 MFF들(430)이 사용될 수 있으며, MFF들(430)은 상이한 기하학 구조들을 가지도록 배치될 수 있다.

격납용기(420)의 정상 배기시 FCVS(410)를 통한 가스의 흐름이 도 6a에 도시된다. 격납용기(420)의 배기시, 두 개의 오염된 유입구 가스 스트림들(434, 436)은 동시에 FCVS(410)로 진입할 수 있으며, MFC(430) 및 MS(432)를 통해 유동된 다음, FCVS(410)에서 배출되어 격납용기(420) 밖으로 나갈 수 있다. 제1 유입구부 가스 스트림(434)은 하부 유입구부(412) 내로 상방 유동하고, 제2 유입구부 가스 스트림(436)은 상부 유입구부(413) 내로 하방 유동한다. 격납용기(420) 외부의 외기(440)와 비교하여 격납용기(420) 내부의 외기(438)가 더 높은 온도 및 압력을 가지는 것은, 유입구부 가스 스트림들(434, 436)이 FCVS(410)로 진입하고, 배출구부(414)에서 FCVS(410)로부터 배출되어 격납용기(420) 외부의 공기(440) 내로 유동하게 한다. 하부 유입구부(412)는 격납용기(420)의 배기시 오염된 가스 스트림(434)을 상방으로 유도하여 상기 가스 스트림이 MFF(430)의 하부(442) 내로 향하도록 배치되고, 상부 유입구부(413)는 격납용기(420)의 배기시 오염된 가스 스트림(436)을 하방으로 유도하여 상기 가스 스트림이 MFF(430)의 상부(444) 내로 향하도록 배치된다. 가스 스트림(434)은 유입구 파이프(416)를 통해 매니폴드(418) 내로 상방 유동하여 MFF(430)의 최하부 또는 저면(446)을 통해 유동하며, 가스 스트림(436)은 유입구 파이프(417)를 통해 매니폴드(419) 내로 하방 유동하고 MFF(430)의 최상부 또는 상면(448)을 통해 유동한다.

MFF(430)에 진입하는 오염된 가스는 MFF(430)의 원통형 외면(450)을 통과한다. 필터(450)는 오염된 가스 스트림으로부터 에어로졸 입자를 제거하며, 그 내부에는 에어로졸 필터링된 가스(454)의 유동을 위한 채널(452)이 형성되어 있다. 상기 에어로졸 필터링된 가스(454)는 채널(452)에 대해 종방향으로 유동하고 채널(452) 밖으로 수평 유동하여, 직접 인접하는 MS(432)로 유동한다. MS(432)에 인접한 MFF(430)의 종단부(433)에서, MFF(430)는 MS(432) 내로 유동하는 기류를 에어로졸 필터링된 가스(454)로 제한하는 튜브시트(431)에 내장된다. MS(432)를 통해 수평으로 유동하는 에어로졸 필터링된 가스는 요오드 필터링된 후 매니폴드(424) 및 배출구 파이프(422)를 통해 수평으로 유동하여 격납용기(420) 외부의 외기(440)와 결합된다.

도 6b는 FCVS(410)가 배기하지 않을 때, 즉, 배출구부(414)를 통한 가스의 흐름이 차단될 때 FCVS(410)를 통한 가스의 흐름을 도시한다. FCVS(410)가 배기하지 않을 때, 외기(438)와 외기(440) 사이의 압력차는 존재하지 않으며, 가스는 유입구부(413)를 통해 하방 유동되어 하우징(411) 내로 흡입되지 않는다. 그러나, 유입구부(412)와 유입구부(413) 사이의 온도차로 인해, 가스 스트림(434)은 유입구부(412)로 진입하고, MFF들(430) 사이의 공간(435)을 통과하여 유입구부(413)를 빠져나간다. 가스 스트림(434)은 하부(442)의 MFF들(430) 사이로 상방 진입하여 상부(444)의 밖으로 빠져나간다. 보다 상세하게는, 가스 스트림(434)은 유입구 파이프(416)를 통해 상방 진입하여, 매니폴드(418)를 통해 MFF(430)의 하부면(446)을 지나, MFF들(430) 사이의 공간(435)을 통해 상부면(448)을 지나고, 매니폴드(419) 내로 유동하여 배출구 파이프(417) 밖으로 빠져나간다. 따라서, 하부 유입구부(412) 및 상부 유입구부(413)는, 배출구부(414)를 통한 가스의 흐름을 차단하여 MFF(430)에 포집된 에어로졸의 붕괴열을 강제 대류 냉각하고자 때, 가스가 하부 유입구부(412)를 통해 유입되어 MFF(430)의 하부(442) 및 상부(444)를 지나 상방 유동하고, 상부 유입구부(413)를 통해 밖으로 빠져나가도록 배치된다.

FCVS(410)는 배출구부(14)를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 대류 및 복사 열전달로 인해 MFF(430)에 포집된 에어로졸의 붕괴열을 제거하도록 배열 및 구성된다. 대류 열전달은 MFF(430)의 외면 및 굴뚝 효과로 인해 하우징(411)을 상방으로 통과하는 공기를 통해 발생하고, 복사 열전달은 MFF들(30) 사이 및 하우징(411)에서 발생한다.

FCVS(410)는 이중 유입구 하우징(411)에 하나 이상의 MFF(430) 및 MS(432)를 사용함으로써, 중대사고가 발생하는 경우에 격납용기(420)의 과압을 처리하며, 배기 중에는 두 개의 유입 경로를 허용하지만, 이중 유입구(dual-inlets)의 굴뚝 효과를 통해 붕괴열을 제거하기 위한 배기 중이 아닐 때는 자연 대류 열전달 경로를 생성한다. 이중 유입구 하우징(411)은 하나의 유입구가 다른 유입구보다 높게 형성됨으로써 굴뚝 효과를 생성하여, 비 배기기간(non-venting period) 동안, 격납용기의 분위기가 대류 열전달을 통해 붕괴열을 실제로 냉각시키며, 큰 열 부하를 처리하는 중요한 능력을 가짐으로써 모든 유형의 원자로 구조에 적합하다. FCVS(410)의 대류 구조는 물 또는 화학 물질을 첨가할 필요 없이 수동 붕괴열 제거가 이루어지도록 한다. FCVS(410)는 다단(multi-unit) CANDU, 그리고 BWR 및 PWR 원자력 발전소의 고붕괴열 부하를 제거하는 것을 처리할 수 있다.

또한, 이중 유입구 하우징(411)은 격납용기(420) 내부에 설치되어, 전체 방사능을 격납용기(420) 내부에 유지하고 임의의 외부 건물이 필요하지 않게 하는 비압력 용기 인클로져(non-pressure vessel enclosure)를 형성한다. 대안적인 실시예에서, 상이한 높이에 있는 두 개의 격납용기 관통부 및 압력 용기 구조를 이용하여, FCVS(410)는 격납용기(420)의 외부에 설치될 수도 있다.

바람직한 실시예에서, Porvair Filtration Group의 SINTERFLO 소결 스테인리스 스틸 필터 카트리지 및 상업적으로 입수할 수 있는 MS 매체는 FCVS(410)에 사용되어 필터링 하드웨어의 비용을 낮출 수 있다.

FCVS(410)의 대류 붕괴열 제거 역량은 온도를 수소의 자동 발화 온도 이하 및 흡습성 에어로졸의 융점 이하로 유지시키며, 이는 굴뚝 효과를 온도 제한 이내로 설계함으로써 실현된다. 상기 열전달이 대류적이기 때문에, 다른 건식 FCVS 기술의 효과를 제한하는 복사 열전달 방사율과 관련된 에어로졸 파울링(fouling)은 FCVS(410)에서 문제되지 않는다.

도 7a 및 도 7b는 FCVS들(210, 310)의 배치를 도시하기 위한 원자로 격납용기(500)의 예를 도시하는 도면이다. 이들 실시예에서, 원자로 격납용기(500)는, 격납용기(500)의 내부(504) 및 격납용기(500)의 외부(506)에서 밀봉되는 내부공간(502)을 포함한다. 도 7a에 도시된 실시예에서, 내부공간(502)은 4개의 FCVS(210)를 포함한다. FCVS(210)의 유입구(508)는 격납용기의 내부(504)에 연결되고, FCVS(210)의 배출구(510)는 격납용기의 외부(506)에 연결된다. 도 7b에 도시된 실시예에서, 하나의 FCVS(310)는 내부공간(502)에 도시되고, 여기서 유입구(512)는 격납용기의 내부(504)에 연결되며 FCVS(310)의 배출구(514)는 격납용기(500)의 외부(506)에 연결된다.

전술한 명세서에서, 본 발명은 특정한 모범적인 실시예 및 그 예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 이하의 청구 범위에 개시된 바와 같은 본 발명의 넓은 사상 및 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 예시로서 간주되어야 하며, 이에 제한되어서는 안된다.

Claims

원자로 격납용기용 건조 여과식 격납용기 배기시스템으로서,
하우징; 및
상기 하우징 내부에 배치되어, 격납용기의 배기시 상기 하우징을 통과하는 가스로부터 오염 에어로졸을 제거하는 복수의 원형 및/또는 세장형 에어로졸 필터들을 포함하며,
상기 하우징은 상기 격납용기의 배기시 상기 복수의 에어로졸 필터들 내로 가스를 유도하도록 구성된 적어도 하나의 유입구부 및 상기 격납용기의 배기시 상기 복수의 에어로졸 필터들에 의해 여과된 가스를 위한 배출구부를 포함하고,
상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은 상기 배출구부를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 대류, 복사, 및 전도 열전달 중 적어도 하나에 의해 상기 복수의 에어로졸 필터들에 포집된 에어로졸의 붕괴열이 제거되도록 배열 및 구성되며,
상기 적어도 하나의 유입구부는, 상기 배출구부를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때 가스가 상기 적어도 하나의 유입구부를 통해 유입되어 상기 복수의 에어로졸 필터들에 포집된 에어로졸의 붕괴열을 제거하도록, 상기 복수의 에어로졸 필터들에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 격납용기용 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유입구부는 유입구 파이프 및 유입구 튜브시트를 포함하고, 상기 배출구부는 배출구 파이프 및 배출구 튜브시트를 포함하며, 상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은 상기 유입구 튜브시트와 상기 배출구 튜브시트 사이에서 연장되는 복수의 튜브를 더 포함하고, 상기 복수의 튜브 각각은 상기 튜브의 내부에 위치한 상기 복수의 에어로졸 필터들 중 적어도 하나를 포함하여 상기 시스템을 통과하는 기류 내의 오염 물질을 포집하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 튜브 각각은, 상기 튜브 내에 위치하여 상기 시스템을 통과하는 기류 내의 오염 물질을 포집하는 체(sieve)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 튜브는 약 10인치 내지 약 2인치의 공칭 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 튜브 중 적어도 하나에서 상기 복수의 에어로졸 필터들은 상기 복수의 튜브 중 적어도 하나에 대해 이격됨으로써, 상기 필터의 외면 및 상기 복수의 튜브 중 적어도 하나의 내면 사이에 갭(gap)이 형성되고, 열전달을 위한 고온 표면에 대한 저온 표면의 상대 표면적이 1보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수의 에어로졸 필터들 및 상기 배출구부 사이에 가스 유동 방향으로 배치된 요오드 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제6항에 있어서,
상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은, 상기 원자로 격납용기의 외부 또는 격납용기 내부공간에 위치하도록 구성된 일체형 구조인 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유입구부는 유입구 파이프 및 유입구 헤더를 포함하고, 상기 배출구부는 배출구 파이프 및 배출구 헤더를 포함하며, 상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은 상기 유입구 헤더와 상기 배출구 헤더 사이에서 연장되는 복수의 튜브를 더 포함하고, 상기 복수의 튜브 각각은 상기 튜브의 내부에 위치한 상기 복수의 에어로졸 필터들 중 적어도 하나를 포함하여 상기 시스템을 통과하는 기류 내의 오염 물질을 포집하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제8항에 있어서,
상기 복수의 튜브 각각은, 상기 튜브 내에 위치하여 상기 시스템을 통과하는 기류 내의 오염 물질을 포집하는 체(sieve)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제8항에 있어서,
상기 복수의 튜브는 약 10인치 내지 약 2인치의 공칭 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제8항에 있어서,
상기 복수의 튜브 중 적어도 하나에서 상기 에어로졸 필터는 상기 복수의 튜브 중 적어도 하나에 대해 이격됨으로써, 상기 필터의 외면 및 상기 복수의 튜브 중 적어도 하나의 내면 사이에 갭(gap)이 형성되고, 열전달을 위한 고온 표면에 대한 저온 표면의 상대 표면적이 1보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유입구부는 하부 유입구부 및 상부 유입구부를 포함하고, 상기 하부 유입구부는 상기 격납용기의 배기시 가스를 상방으로 유도하여 상기 가스가 상기 복수의 에어로졸 필터들의 하부 내로 향하도록 배치되고, 상기 상부 유입구부는 상기 격납용기의 배기시 가스를 하방으로 유도하여 상기 가스가 상기 복수의 에어로졸 필터들의 상부 내로 향하도록 배치되며, 상기 하부 유입구부 및 상기 상부 유입구부는, 상기 배출구부를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 상기 가스가 상기 하부 유입구부를 통해 유입되어 상기 에어로졸 필터의 하부 및 상부를 지나 상방으로 유동되고 상기 상부 유입구부를 지나서 밖으로 유동되도록 배치되어, 상기 복수의 에어로졸 필터들 내에 포집된 에어로졸의 붕괴열을 강제 대류 냉각시키는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제12항에 있어서,
상기 복수의 에어로졸 필터들은 각각 그 내부에 수평으로 연장된 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제13항에 있어서,
상기 복수의 에어로졸 필터들은, 오염 가스 스트림의 배기시 상기 오염 가스 스트림이 하부 및 상부 유입구부 모두로 진입하고 상기 복수의 에어로졸 필터들 내로 유동되어 상기 채널 내로 유동된 후 상기 배출구부 밖으로 수평 유동되도록, 상기 하부 및 상부 유입구부에 대해 구성되는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제14항에 있어서,
상기 복수의 에어로졸 필터들과 상기 배출구부 사이에 수평적으로 구비된 요오드 필터를 더 포함하며, 상기 가스는 상기 배출구부 밖으로 수평 유동하기 전에 상기 요오드 필터를 통과하는 상기 채널 내로 유동하는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제15항에 있어서,
상기 요오드 필터는 분자체(molecular sieve, MS)인 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제15항에 있어서,
상기 건조 여과식 격납용기 배기시스템은, 상기 원자로 격납용기의 내부에 위치하도록 구성된 일체형 구조인 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제13항에 있어서,
상기 복수의 에어로졸 필터들은, 상기 배출구부를 통하는 가스의 흐름이 차단될 때, 가스 스트림이 상기 하부 유입구부로 진입하여 상기 복수의 에어로졸 필터들을 지나 상기 배출구부 밖으로 상방 유동되도록, 상기 하부 및 상부 유입구부에 대해 구성되는 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.
제1항에 있어서,
상기 복수의 에어로졸 필터들은 원형 금속 섬유 필터(metal fiber filter, MFF)인 것을 특징으로 하는 건조 여과식 격납용기 배기시스템.