KR102085983B1 - 격납용기 냉각 시스템 및 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 격납용기 냉각 시스템 및 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템에 관한 것이며, 상기 격납용기 냉각 시스템은 주로 내부 열교환기(1), 라이징 파이프라인(2), 폴링 파이프라인(3), 격리밸브(4,5), 냉각수탱크(6) 및 공랭식 응축-냉각기(7)를 연결하여 구성된다. 상기 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템은, 상기 격납용기 냉각 시스템과 원자로 압력용기 냉각 시스템을 포함한다. 상기 냉각 시스템은 사고 발생 시 외부동력을 제공할 필요가 없이 동시에 격납용기와 원자로 압력용기에 장기적이고 효과적인 냉각을 제공하여, 사고 발생 시 인위적인 간섭과 외부냉각 조치의 투입이 없는 조건하에서, 격납용기와 원자로 압력용기가 항상 안전상태에 있도록 보장한다.
Description
본 발명은 원자력 안전과 열수력 기술분야에 해당하는 격납용기 냉각 시스템에 관한 것이고, 나아가 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템에 관한 것이다.
격납용기와 원자로 압력용기는 원자력 발전소에서 사고 발생 시 방사성물질의 누설을 방지하기 위한 중요한 안전 베리어이다. 냉각재 상실사고(LOCA), 주증기관 파단사고(MSLB) 등 중대사고가 발생하면, 원자력 격납용기는 대량의 증기의 진입으로 인하여, 용기내 온도와 압력은 급격히 상승되고, 일단 온도와 압력이 설계허용 범위를 초과하게 되면, 격납용기가 파손되어 방사성물질이 누설될 수 있으며; 이와 동시에 노심은 심각한 탈수로 인하여 냉각능력이 크게 저하되고, 일단 노심이 용융되면 용융물은 압력용기의 하부실링헤드까지 녹아내릴 수 있고, 만일 하부실링헤드가 과도한 열부하를 받아 멜트스루(melt-through)가 발생하면, 격납용기의 완전성을 엄중히 위협하고, 노심용융물의 누설을 초래할 수 있다. 따라서, 원자력 발전소의 안전을 보장하기 위하여, 격납용기와 원자로 압력용기를 냉각하기 위한 전문 시스템을 설치할 필요가 있다.
현재, 이중 콘크리트 격납용기와 원자로 압력용기에 대하여 냉각 시스템의 설계방안들을 제시하였다.
콘크리트 격납용기에 대하여 제시한 방안은, 주로 내부에 열교환기를 설치하고, 외부의 물탱크와 내부의 열교환기의 높이 차이를 이용하여, 자연순환의 방식으로 열량을 도출하지만, 이와 동시에 물탱크 중의 물도 대량으로 증발된다.(C S Byun，D W Jerng，N E Todreas，et al.Conceptual design and analysis of a semi-passive containment cooling system for a large concrete containment.Nuclear Engineering and Design，2000，199：227-242；S J Cho，B S Kim，M G Kang，et al.The development of passive design features for the Korean Next Generation Reactor.Nuclear Engineering and Design，2000，201：259-271；S W Lee，W P Baek，S H Chang.Assessment of passive containment cooling concepts for advanced pressurized water reactors.Ann.Nucl.Energy，1997，24(6)：467-475). 이와 같이, 상술한 격납용기 열량 도출 시스템의 설계에 있어서, 모두 하나의 주요한 문제가 존재하며, 즉, 일정 시간 내에서만 격납용기의 온도와 압력을 설계기준을 초과하지 않도록 보장할 수 있고, 냉각을 제공할 수 있는 시간은 최대로 72시간이며, 이 시간을 초과하면, 물탱크 중의 물이 소진되어 시스템은 효력을 상실한다. 72시간이 지난 후, 외부의 동력에 의해, 다시 물탱크에 물을 주입한 후에야 시스템은 다시 효력을 발생할 수 있다. 인위적인 간섭이 없는 상태에서 냉각시간을 연장하려면, 물탱크의 용적을 더 크게 하는 방법으로 실현할 수밖에 없으며, 물탱크 용적의 증가는 지진발생 시 초래되는 영향을 크게 증가시킨다.
공개번호 CN201681637, CN203366760U, CN202887747U; CN103632736A, CN102163469A, CN103310856A 등인 특허서류에 개시된 기술방안과 같이, 원자로 압력용기에 대하여 제시한 원자로 외부 냉각 시스템은 거의 동시에 능동과 수동 두가지 물주입방식을 적용하였다. 하지만 상술한 원자로 외부 냉각 시스템은 냉각수의 이용률이 비교적 낮은 공통된 결점이 존재한다. 원자로 하부 수조 내에 물이 채워진 후, 인위적으로 물 펌프 혹은 수동 시스템 중의 제어밸브를 오프 하지 않으면, 물주입시스템은 계속하여 물을 주입하며 (물유량이 작거나 큰), 물은 원자로 하부 수조로부터 넘쳐나 낭비를 초래한다. 따라서, 충분한 냉각시간을 확보하기 위하여, 인위적인 간섭이 없는 상태에서 상술한 수동 냉각 시스템의 물탱크는 많은 물을 저장하여야 하고, 이는 물탱크의 체적을 크게 증가시킨다. 만약 물주입량이 작으면, 원자로 하부 수조 내의 수위가 하강될 수 있으며, 심지어 원자로 압력용기가 완전히 물속에 잠기지 못하여 원자로 압력용기가 충분히 냉각되지 못하여, 원자로 압력용기의 완전성을 위협할 수 있다. 따라서, 냉각수가 추가로 유실되지 않고, 원자로 압력용기에 지속적인 냉각을 제공하기 위해, 인위적으로 냉각 시스템(능동 시스템 혹은 수동 시스템)에 대하여 지속적인 조절 혹은 가동-정지 동작을 실시해야 하는데, 이는 시스템의 실제 작동에 큰 곤난을 조성한다.
또한, 상술한 방안은 이중 콘크리트 격납용기 혹은 원자로 압력용기에 대하여 제시한 것으로서, 양자는 상호 독립적인 것이다. 하지만, 중대사고 발생 시 격납용기와 원자로 압력용기에 동시에 냉각을 제공하여야 하고, 만약 두 개의 시스템이 독립적으로 작동하면 내부 열교환기에서 생성된 응축수는 공연히 손실된다.
본 발명의 목적은 외부동력을 제공할 필요가 없고, 냉각수 소모가 적으며, 격납용기 내의 장기적인 냉각을 실현할 수 있는 격납용기 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 사고 발생 시 격납용기와 원자로 압력용기에 동시에 장기적이고 효과적인 냉각을 제공하여, 격납용기와 원자로 압력용기가 항상 안전상태에 처할 수 있도록 하는 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 격납용기 냉각 시스템은, 내부 열교환기, 라이징 파이프라인, 폴링 파이프라인, 격리밸브, 냉각수탱크 및 공랭식 응축-냉각기를 포함하고, 내부 열교환기는 내층 콘크리트 격납용기 내의 측벽에 가까운 상부공간에 위치하고, 냉각수탱크는 외층 콘크리트 격납용기의 외측에 위치하고, 냉각수탱크의 상대위치는 내부 열교환기보다 높으며, 냉각수탱크와 내부 열교환기는 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인을 통해 연결되어 폐쇄회로를 구성하고, 공랭식 응축-냉각기는 케이스가 없는 열교환기로서, 냉각수탱크 내부에 위치하고, 공랭식 응축-냉각기는 경사지도록 설치되며, 공랭식 응축-냉각기의 전열관의 일부분은 물공간에 배치되고 다른 일부분은 증기공간에 배치되며, 응축-냉각기의 공기측 입구는 냉각수탱크의 측벽의 저면에 가까운 위치에 형성되고, 파이프라인을 통해 외부대기환경과 공랭식 응축-냉각기의 하부실링헤드를 연통하고, 응축-냉각기의 공기측 출구는 냉각수탱크의 측벽의 상부면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 공랭식 응축-냉각기의 상부실링헤드와 내층 콘크리트 격납용기와 외측 콘크리트 격납용기로 이루어진 환형공간을 연통한다.
본 발명의 격납용기 냉각 시스템은,
1. 냉각수탱크의 측벽에는 수밀봉장치가 연결되고, 수밀봉장치의 상부 연결관은 냉각수탱크의 증기공간과 연통되고, 하부 연결관은 냉각수탱크의 물공간과 연통되며, 상,하부 연결관 사이는 파이프라인에 의해 브리지 접속되며;
2. 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인에는 내부 및 외부 격리밸브가 설치되어 있는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템은, 격납용기 냉각 시스템과 원자로 압력용기 냉각 시스템을 포함하고; 상기 격납용기 냉각 시스템은, 내부 열교환기, 라이징 파이프라인, 폴링 파이프라인, 격리밸브, 냉각수탱크 및 공랭식 응축-냉각기를 포함하고, 내부 열교환기는 내층 콘크리트 격납용기 내의 측벽에 가까운 상부공간에 위치하고, 냉각수탱크는 외층 콘크리트 격납용기의 외측에 위치하고, 냉각수탱크의 상대위치는 내부 열교환기보다 높으며, 냉각수탱크와 내부 열교환기는 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인을 통해 연결되어 폐쇄회로를 구성하고, 공랭식 응축-냉각기는 케이스가 없는 열교환기로서, 냉각수탱크 내부에 위치하고, 공랭식 응축-냉각기는 경사지도록 설치되며, 공랭식 응축-냉각기의 전열관의 일부분은 물공간에 배치되고, 다른 일부분은 증기공간에 배치되며, 응축-냉각기의 공기측 입구는 냉각수탱크의 측벽의 저면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 외부대기환경과 공랭식 응축-냉각기의 하부실링헤드를 연통하고, 응축-냉각기의 공기측 출구는 냉각수탱크의 측벽의 상부면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 공랭식 응축-냉각기의 상부실링헤드와 내층 콘크리트 격납용기와 외측 콘크리트 격납용기로 이루어진 환형공간과 연통하며; 상기 원자로 압력용기 냉각 시스템은, 물저장탱크, 압력평형관, 물주입관, 격리수조, 제어밸브, 연통관, 응축액 집수조, 저수탱크 및 배기관을 포함하고, 물저장탱크는 격리수조의 상방에 위치하고, 물저장탱크와 격리수조 사이는 압력평형관과 물주입관을 통해 연결되고, 격리수조와 원자로 하부 수조 사이는 연통관을 통해 연결되며, 원자로 압력용기는 원자로 하부 수조 내에 위치하고, 응축액 집수조는 내부 열교환기의 하방에 위치하며, 응축액 집수조는 파이프라인을 통해 저수탱크, 제어밸브와 격리수조를 차례로 연결한다.
본 발명의 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템은,
1. 압력평형관의 상단은 물저장탱크의 증기공간에 위치하고, 하단의 상대위치는 원자로 압력용기의 상부 엣지보다 높으며;
2. 물주입관의 상단은 물저장탱크의 최저점과 연결되고, 하단의 상대위치는 압력평형관의 하부 엣지보다 낮으며;
3. 물주입관 하단의 배수구가 "S"형을 나타내며;
4. 물주입관에는 제어밸브가 설치되고;
5. 저수탱크의 상부는 배기관을 통해 응축액 집수조와 연통되고, 저수탱크의 하부에는 블로 다운 밸브가 설치된 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 LOCA, MSLB 등 중대사고 발생 시, 격납용기와 원자로 압력용기에 동시에 장기적인 냉각을 제공하여, 격납용기와 원자로 압력용기가 항상 안전상태에 처하도록 할 수 있다. 해당 시스템은 다음과 같은 효과를 구현할 수 있다.
(1) 사고가 발생시 내부 열교환기와 냉각수탱크 간에는 인위적인 간섭이 없이 직접 단상의 물과 기체-물 혼합물 사이의 밀도차이를 통해 자연순환을 할 수 있다.
(2) 공랭식 응축-냉각기와 외부의 대기 사이에는 공기의 자연순환을 실현하여 냉각수탱크 내의 열량을 즉시 배출할 수 있어, 열량 도출 시스템의 작동시간을 길게 연장하며, 냉각수탱크 내의 열량의 증가치가 공랭식 응축-냉각기의 열교환 출력 이하일 경우, 시스템은 격납용기에 대한 장기적인 냉각을 실현할 수 있다.
(3) 공랭식 응축-냉각기는 냉각수탱크 내의 물과 증기를 동시에 냉각할 수 있어, 냉각수의 소모를 현저히 감소하고, 냉각수의 이용률을 높여 냉각수탱크 내의 물저장량을 크게 감소할 수 있다.
(4) 공랭식 응축-냉각기는 냉각수탱크 내의 물을 냉각하여 물의 온도를 낮추어, 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인 내의 밀도차이를 증가시키고, 자연순환 구동력을 증가시켜, 내부 열교환기 내의 냉각수 유량을 증가시키고, 열교환기의 열교환 출력을 향상시킴으로써, 격납용기 내의 열량을 더 효과적으로 도출할 수 있다.
(5) 수밀봉장치의 설치는 냉각수탱크가 외부환경의 오염을 방지하고, 냉각수탱크 내의 압력이 클 때, 자동으로 열려 냉각수탱크가 초과압력으로 인하여 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
(6) 원자로 외부 냉각 시스템은 완전 수동작동을 실현하여 압력용기를 침몰시킬 수 있고, 물보충량은 인위적인 간섭과 조절이 없이 압력평형관을 이용하여 자동조절을 실현할 수 있다.
(7) "S"형의 설계는 기체, 물 2상의 역류현상을 효과적으로 방지할 수 있고, 유량의 진동을 방지하며, 물주입량을 안정시킬 수 있다.
(8) 수동식 원자로 외부 냉각 시스템은 냉각수에 대한 이용률이 높고, 유실 낭비가 존재하지 않으며, 종래의 수동기술과 비교하면, 냉각시간이 같은 조건하에서 냉각수의 소모량을 현저히 감소시키고, 냉각수탱크의 용적을 크게 감소시킨다.
(9) 격리수조의 설계는 원자로 하부 수조에서 비등하여 생성된 증기가 냉각수탱크로 역류하는 것을 효과적으로 방지하여, 시스템이 안정적으로 작동할 수 있도록 보장한다.
도 1은 본 발명의 격납용기 냉각 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템의 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
제1실시예
도1을 참조하면, 본 발명의 격납용기 냉각 시스템은 주로 내부 열교환기(1) , 라이징 파이프라인(2), 폴링 파이프라인(3), 격리밸브(4), 격리밸브(5), 냉각수탱크(6), 공랭식 응축-냉각기(7)를 연결하여 구성된다. 내부 열교환기는 내층 콘크리트 격납용기(12) 내의 측벽에 가까운 상부공간에 위치하고; 냉각수탱크는 외층 콘크리트 격납용기(13)의 외측에 위치하고, 상대위치는 내부 열교환기보다 높으며, 각각 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인을 통해 내부 열교환기와 연결되어 폐쇄회로를 구성하고; 공랭식 응축-냉각기는 케이스가 없는 열교환기로서, 냉각수탱크 내부에 위치하고 경사지도록 설치되며, 전열관(heat transfer tube)의 일부분은 물공간에 배치되고, 다른 일부분은 증기공간에 배치되어 냉각수탱크 내의 물과 증기를 냉각함으로써, 냉각수의 소모량을 현저히 감소시키고, 열량 도출 시스템의 연속 작동시간을 크게 연장하며, 격납용기의 장기적인 냉각을 실현하고; 응축-냉각기의 공기측 입구(9)는 냉각수탱크의 측벽의 저면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 외부대기환경과 공랭식 응축-냉각기의 하부실링헤드를 연통하고; 응축-냉각기의 공기측 출구(10)는 냉각수탱크의 측벽의 상부면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 공랭식 응축-냉각기의 상부실링헤드와 내층 콘크리트 격납용기와 외측 콘크리트 격납용기로 이루어진 환형공간을 연통한다.
내부 열교환기는 외부 휜튜브(Fin-Tube), 일체형 핀휜튜브(pin-fin)등과 같은 고효율의 강화된 전열관을 사용하여 열 전달 효율을 향상시키고; 외부 공랭식 응축-냉각기는 내부 휜튜브(Fin-Tube), 내부 리브드 튜브등과 같은 고효율의 강화된 전열관을 사용하여, 열 전달 효율을 향상시키고 열교환기의 부피를 줄인다.
라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인에는 내부 격리밸브 및 외부 격리밸브(4,5)가 설치되어, 수동 열량 도출 시스템의 파이프라인 파괴로 인한 방사성물질의 누설을 방지한다.
냉각수탱크의 측벽에는 수밀봉장치(8)가 연결되어 있고, 비작동시 외부환경으로부터 냉각수탱크를 격리시켜 냉각수탱크 중의 물이 오염되어 파이프라인이 막히는 것을 방지하고; 사고 발생 시, 냉각수탱크는 작업물질(묏醴)이 가열되어 압력이 상승하여 수밀봉장치를 파열하여, 냉각수탱크를 수밀봉장치를 통해 외부의 대기와 연통되도록 한다. 수밀봉장치의 상부 연결관은 냉각수탱크의 증기공간과 연통되고, 하부 연결관은 냉각수탱크의 물공간과 연통되며, 상,하 연결관 사이에는 파이프라인에 의해 브리지 접속된다.
외층 콘크리트 격납용기 돔 중앙의 상부에는 이중 격납용기 간의 공기유동을 가이드 하는 작용을 하여, 공기가 공랭식 응축-냉각기 입구로부터 공랭식 응축-냉각기 및 공랭식 응축-냉각기 출구를 통과하여， 공기 출구로부터 유출되어 외부대기환경과 공기의 자연순환을 구성함으로써, 공랭식 응축-냉각기에 충분한 공기유량을 제공하기 위한 배기구(11)이 설치되어 있다.
본 발명의 격납용기 냉각 시스템은 수동 격납용기 열량 도출 시스템으로서, 단독으로 작동 시, 그 작동원리는 다음과 같다. 원자로의 주파이프가 파단되거나 주증기관이 파열된 경우, 대량의 증기가 격납용기로 석방되어 진입되며, 격납용기 내의 공기와 혼합되어 격납용기 내의 온도와 압력을 상승시킨다. 격납용기 내의 압력이 어느 한 임계치에 도달하면, 격납용기 내의 압력센서는 고압신호를 발전소의 주제어실(main control room)로 발송하여, 격납용기 열량 도출 시스템을 가동시킨다. 격납용기 열량 도출 시스템이 가동되면, 냉각수탱크 중의 물은 폴링 파이프라인(3)을 통해 내부 열교환기(1)로 유입되고, 점차 가열되어 온도가 상승되며, 폴링 파이프라인과 라이징 파이프라인 내의 물은 밀도차이에 의해 자연순환을 발생하여, 격납용기 내의 열량을 냉각수탱크로 도입시켜 냉각수탱크(6)의 내부온도가 상승되도록 한 후, 공랭식 응축-냉각기가 가동되며, 공기는 응축-냉각기의 공기측 입구(9)로부터 공랭식 응축-냉각기(7)에 진입하여 충분한 열교환을 진행한 후, 응축-냉각기 공기측 출구(10)로부터 유출되며, 내층 콘크리트 격납용기(12)와 외층 콘크리트 격납용기(13)로 형성된 환형공간을 통과하여 최종적으로 배기구(11)로부터 대기에 배출되어 공기의 자연순환을 실현하고, 냉각수탱크 내의 열량을 가져간다.
사고 발생 초기에 격납용기 내로 주입되는 증기량이 비교적 많기 때문에, 격납용기 내의 온도를 매우 빠르게 상승시키고, 내부 열교환기로부터 냉각수탱크에 도입되는 열량이 공랭식 응축-냉각기(7)의 열교환 출력보다 높을 수 있으므로, 냉각수탱크(6) 내에 증기가 산생되어 냉각수탱크 내의 압력이 상승되며, 냉각수탱크의 압력이 수밀봉장치(8)의 오픈압력보다 높으면, 수밀봉장치는 자동으로 오픈되어 냉각수탱크(6)는 직접 대기 중에 압력을 배출하며, 압력을 배출한 후 수밀봉이 다시 구축되어 냉각수탱크(6)를 외부환경으로부터 격리시킨다.
사고 발생 중,후기에 격납용기로 주입되는 증기량이 점차 안정되거나, 시간이 흐름에 따라 감소된다. 이때, 내부 열교환기가 냉각수탱크에 도입하는 열량은 공랭식 응축-냉각기(7)의 열교환능력이하이며, 공랭식 응축-냉각기(7)는 냉각수탱크(6) 내의 나머지 물과 상부의 증기에 대하여 효과적으로 냉각 및 응축을 진행하여, 냉각수의 소모를 방지하여, 격납용기의 장기적인 냉각을 실현하고, 격납용기의 안전성을 크게 향상시킨다.
제2실시예
도2를 참조하면, 본 발명의 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템은 주로 격납용기 냉각 시스템과 원자로 압력용기 냉각 시스템 두 부분을 포함한다. 격납용기 냉각 시스템의 구조는 실시예1에서 설명한 바와 같다.
상술한 원자로 압력용기 냉각 시스템은 주로 물저장탱크(14), 압력평형관(15), 물주입관(16), 격리수조(17), 제어밸브(18, 24), 연통관(19), 원자로 하부 수조(20), 원자로 압력용기(21), 응축액 집수조（퀸捻섞彊넥）(22), 저수탱크(嗜彊芎)(23), 배기관(25) 및 블로 다운 밸브(26)를 포함한다. 그중 물저장탱크는 격리수조의 상방에 위치하고, 양자는 압력평형관과 물주입관을 통해 연결되며, 격리수조와 원자로 하부 수조는 연통관을 통해 연결되며, 원자로 압력용기는 원자로 하부 수조 내에 위치하고, 응축액 집수조는 내부 열교환기의 하방에 위치하며, 파이프라인을 통해 저수탱크, 제어밸브 및 격리수조를 차례로 연결한다.
압력평형관의 상단은 물저장탱크의 증기공간에 위치하고, 하단의 상대위치는 원자로 압력용기의 상부 엣지보다 높으며, 시스템이 대기 상태일 때, 튜브 내에는 물이 없고, 사고 발생 시 원자로 압력용기가 항상 물속에 침몰되어 있도록 보장한다.
물주입관의 상단은 물저장탱크의 최저점과 연결되고, 하단의 상대위치는 압력평형관의 하부 엣지보다 낮다.
배수구가 수면에 누출되면 공기가 물주입관을 통해 물저장탱크에 진입하여 튜브 내에 기체-액체 2상이 역류하는 현상이 나타나, 물주입 저항력을 증가하고 유동진동을 야기하는 것을 방지하기 위하여, 물주입관의 하단 배출구를 "S"형으로 설계한다.
격리수조는 소형의 수조로서, 사고 발생 시 원자로 하부 수조에서 비등하여 생성된 증기가 물저장탱크에 들어가는 것을 방지하기 위하여, 수조 중의 물은 항상 냉각상태를 유지하여야 한다.
물주입관에는 제어밸브가 설치되어 있고, 시스템이 대기상태에 있을 때 제어밸브는 오프되어 있고, 격리수조는 물이 없는 상태에 있으며, 사고 발생 시 제어밸브가 오픈되고, 물이 물저장탱크로부터 격리수조로 주입되고, 연통관을 통해 원자로 하부 수조에 흘러들어 원자로 압력용기를 침몰시킨다.
응축액 집수조 중의 물이 저수탱크에 원할하게 유입되고, 파이프라인에서 2상 역류현상이 나타나는 것을 방지하기 위하여, 저수탱크 상부는 배기관을 통해 응축액 집수조와 연통되고; 저수탱크 하부에는 블로 다운 밸브를 설치하여 주기적으로 응축액 집수조로 물을 주입하여, 응축액 집수조, 저수탱크 및 관련 파이프라인를 씻어내고, 물은 블로 다운 밸브를 통해 배출되어 회로의 원활한 소통을 보장하고, 회로가 막히는 것을 방지한다.
본 실시예에서 격납용기 냉각 시스템은 수동 격납용기 열량 도출 시스템이고, 원자로 압력용기 냉각 시스템은 수동 원자로 외부 냉각 시스템이다. 수동 격납용기 열량 도출 시스템과 수동 원자로 외부 냉각 시스템은 연합작동할 수 있으며, 단독으로 작동할 수도 있다. 수동 격납용기 열량 도출시스템이 단독으로 작동할 때, 제어밸브는 오프상태에 처해있고, 내부 열교환기로부터 생성된 응축액은 응축액 집수조에 수집되어 저수탱크에 주입되어 저장된다. 수동 격납용기 열량 도출 시스템과 수동 원자로 외부 냉각 시스템이 연합작동할 때, 제어밸브는 오픈되고, 응축액은 저수탱크로부터 격리수조에 유입되어 원자로 압력용기의 냉각에 참여하므로, 물저장탱크 중의 물량을 절약하고, 물저장탱크의 용적을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
수동 격납용기 열량 도출 시스템과 수동 원자로 외부 냉각 시스템이 연합작동할 때, 그 작동원리는 다음과 같다. 원자로 중의 주파이프가 파단되거나 주증기관이 파열되면, 대량의 증기가 격납용기로 진입하며, 격납용기 내의 공기와 혼합되어 격납용기 내의 온도와 압력을 상승시키고; 이와 동시에, 노심은 대량의 탈수로 인하여 노심의 용융을 초래할 수 있으며, 노심의 용융물은 압력용기의 하부실링헤드까지 녹아내릴 수 있고, 하부실링헤드가 과도한 열부하를 받아 멜트스루가 발생하면, 격납용기의 완전성을 위협할 수 있다. 노심 용융물이 압력용기의 하부실링헤드에 대한 멜트스루 현상을 방지하기 위하여, 원자로 하부 수조(20)에 물을 주입하여야 한다. 이때, 수동 격납용기 열량 도출 시스템과 수동 원자로 외부 냉각 시스템을 동시에 가동시켜야 한다.
시스템이 가동되면, 냉각수탱크 중의 물은 폴링 파이프라인(3)을 통해 내부 열교환기(1)로 유입되어, 점차 가열되어 온도가 상승되며, 폴링 파이프라인과 라이징 파이프라인 내의 물은 밀도차이에 의해 자연순환을 발생되어, 격납용기 내의 열량을 냉각수탱크에 도입시켜 냉각수탱크(6)의 온도가 상승되도록 한 후, 공랭식 응축-냉각기가 가동되며, 공기는 응축-냉각기의 공기측 입구(9)를 통해 공랭식 응축-냉각기(7)에 진입하여 충분한 열교환을 진행한 후, 응축-냉각기의 공기측 출구(10)로부터 유출되며, 내층 콘크리트 격납용기(12)와 외층 콘크리트 격납용기(13)로 형성된 환형공간을 통과하여 최종적으로 배기구(11)로부터 대기에 배출되어 공기의 자연순환을 실현하고, 냉각수탱크 중의 열량을 가져간다.
내부 열교환기(1)의 표면에서 생성된 응축수는 응축액 집수조(22)에 수집되고 저수탱크(23), 제어밸브(24)를 통해 격리수조(17)에 진입하고, 격리수조(17)에서 물저장탱크(14)로부터 물주입관(16)을 통해 흘러든 물과 혼합하여 함께 원자로 압력용기(21)의 냉각수로 된다. 격리수조(17)의 수위가 저면의 연통관(19)이 위치한 수평위치보다 높은 경우, 물은 격리수조(17)로부터 연통관(19)을 통해 원자로 하부 수조(20)에 유입되어 원자로 압력용기(21)를 신속히 침몰시킨다. 격리수조(17)와 원자로 하부 수조(20)는 연통관 구조이기 때문에 양자 사이의 수위는 평형된다. 격리수조(17) 중의 수위가 압력평형관(15)의 하부를 초과하지 않을 경우, 물저장탱크(14)로부터 격리수조(17)에 주입된 냉각수는 정지될 때까지 급속히 감소된다.
원자로 노심의 붕괴열이 대량으로 발생됨에 따라, 고온상태에 있는 원자로 압력용기(21) 표면은 원자로 하부 수조(20) 중의 냉각수를 지속적으로 가열하며, 원자로 하부 수조(20) 중의 물의 온도가 높아져 비등 증발한다. 그러나 이때, 주파이프의 파손된 곳도 여전히 격납용기로 증기를 주입한다. 증기가 열교환기(1)의 표면에서 응축된 후, 응축수는 응축액 집수조(22)에 수집되고 지속적으로 원자로 하부 수조(20)에 주입되어 원자로 압력용기(21)의 표면을 냉각하며, 만일 내부 열교환기(1) 표면의 응축수의 량이 저수탱크(23)이 격리수조(17)로 주입하는 물의 량보다 많으면, 응축수는 저수탱크(23) 중에 저장된다.
사고 발생 초기에, 격납용기에 주입되는 증기량이 비교적 많기 때문에, 격납용기 내의 온도를 매우 빠르게 상승시키고, 내부 열교환기로부터 냉각수탱크에 도입되는 열량이 공랭식 응축-냉각기의 열교환 출력보다 높을 수 있으므로, 냉각수탱크(6) 내에 증기가 산생되어 냉각수탱크 내의 압력이 상승되며, 냉각수탱크의 압력이 수밀봉장치(8)의 오픈압력보다 높으면, 수밀봉장치는 자동으로 오픈되어 냉각수탱크가 직접 대기 중에 압력을 배출하며, 압력을 배출한 후 수밀봉장치는 다시 구축되어 냉각수탱크(6)를 외부환경으로부터 격리시킨다. 또한, 내부 열교환기(1) 표면의 응축수 량이 많고(응축수는 주로 원자로 하부 수조의 증발과 파손된 곳에서 분출하는 증기의 대량 응축에 의해 생성됨), 응축수는 지속적으로 격리수조(17)에 주입되어 압력평형관(15)의 하단이 항상 침몰되게 보장하므로, 물저장탱크(14) 중의 물은 처음에 격리수조(17)에 주입된 외에는 거의 소모되지 않는다.
사고 발생 중,후기에 격납용기에 주입되는 증기량은 점차 안정되거나, 시간이 흐름에 따라 감소된다. 이때, 내부 열교환기가 냉각수탱크에 도입하는 열량은 공랭식 응축- 냉각기(7)의 열교환능력이하이며, 공랭식 응축-냉각기(7)는 냉각수탱크(6) 내의 나머지 물과 상부의 증기에 대하여 효과적인 냉각 및 응축을 진행하여, 냉각수의 소모를 방지하여, 격납용기의 장기적인 냉각을 실현하며, 격납용기의 안전성을 크게 향상시킨다. 또한, 내부 열교환기(1) 표면의 응축수가 감소되므로, 원자로 하부 수조(20) 중 물의 증발량이 응축 수집량보다 클 경우, 증발로 인하여 수위는 하강되어 압력평형관(15)의 하단보다 낮아지고, 물저장탱크(14)는 물이 압력평형관(15)의 하단을 다시 침몰시킬 때까지 물의 주입을 회복한다. 이와 같이 반복하면 원자로 압력용기(21)는 인위적인 간섭이 없이 항상 침몰 상태에 있도록 보장된다.
상기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예 일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 원리를 벗어나지 않는 전제하에서 다양한 개진 및 윤색을 할 수 있음은 물론이고, 이러한 개진 및 윤색도 본 발명의 청구범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
Claims (9)
- 내부 열교환기, 라이징 파이프라인, 폴링 파이프라인, 격리밸브, 냉각수탱크 및 공랭식 응축-냉각기를 포함하는 격납용기 냉각 시스템에 있어서,
내부 열교환기는 내층 콘크리트 격납용기 내의 측벽에 가까운 상부공간에 위치하고,
냉각수탱크는 외층 콘크리트 격납용기의 외측에 위치하고, 냉각수탱크의 상대위치는 내부 열교환기보다 높으며, 냉각수탱크와 내부 열교환기는 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인을 통해 연결되어 폐쇄회로를 구성하고,
공랭식 응축-냉각기는 케이스가 없는 열교환기로서, 냉각수탱크 내부에 위치하고, 공랭식 응축-냉각기는 경사지도록 설치되며, 공랭식 응축-냉각기의 전열관의 일부분은 물공간에 배치되고 다른 일부분은 증기공간에 배치되며,
응축-냉각기의 공기측 입구는 냉각수탱크의 측벽의 저면에 가까운 위치에 형성되고, 파이프라인을 통해 외부대기환경과 공랭식 응축-냉각기의 하부실링헤드를 연통하고,
응축-냉각기의 공기측 출구는 냉각수탱크의 측벽의 상부면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 공랭식 응축-냉각기의 상부실링헤드와 내층 콘크리트 격납용기와 외측 콘크리트 격납용기로 이루어진 환형공간을 연통하는 것을 특징으로 하는 격납용기 냉각 시스템. - 제1항에 있어서,
냉각수탱크의 측벽에는 수밀봉장치가 연결되고, 수밀봉장치의 상부 연결관은 냉각수탱크의 증기공간과 연통되고, 하부 연결관은 냉각수탱크의 물공간과 연통되며, 상,하부 연결관 사이는 파이프라인에 의해 브리지 접속되는 것을 특징으로 하는 격납용기 냉각 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인에는 내부 및 외부 격리밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 격납용기 냉각 시스템. - 격납용기 냉각 시스템과 원자로 압력용기 냉각 시스템을 포함하고;
상기 격납용기 냉각 시스템은, 내부 열교환기, 라이징 파이프라인, 폴링 파이프라인, 격리밸브, 냉각수탱크 및 공랭식 응축-냉각기를 포함하고, 내부 열교환기는 내층 콘크리트 격납용기 내의 측벽에 가까운 상부공간에 위치하고, 냉각수탱크는 외층 콘크리트 격납용기의 외측에 위치하고, 냉각수탱크의 상대위치는 내부 열교환기보다 높으며, 냉각수탱크와 내부 열교환기는 라이징 파이프라인과 폴링 파이프라인을 통해 연결되어 폐쇄회로를 구성하고, 공랭식 응축-냉각기는 케이스가 없는 열교환기로서, 냉각수탱크 내부에 위치하고, 공랭식 응축-냉각기는 경사지도록 설치되며, 공랭식 응축-냉각기의 전열관의 일부분은 물공간에 배치되고, 다른 일부분은 증기공간에 배치되며, 응축-냉각기의 공기측 입구는 냉각수탱크의 측벽의 저면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 외부대기환경과 공랭식 응축-냉각기의 하부실링헤드를 연통하고, 응축-냉각기의 공기측 출구는 냉각수탱크의 측벽의 상부면에 가까운 위치에 형성되며, 파이프라인을 통해 공랭식 응축-냉각기의 상부실링헤드와 내층 콘크리트 격납용기와 외측 콘크리트 격납용기로 이루어진 환형공간과 연통하며;
상기 원자로 압력용기 냉각 시스템은, 물저장탱크, 압력평형관, 물주입관, 격리수조, 제어밸브, 연통관, 응축액 집수조, 저수탱크 및 배기관을 포함하고, 물저장탱크는 격리수조의 상방에 위치하고, 물저장탱크와 격리수조 사이는 압력평형관과 물주입관을 통해 연결되고, 격리수조와 원자로 하부 수조 사이는 연통관을 통해 연결되며, 원자로 압력용기는 원자로 하부 수조 내에 위치하고, 응축액 집수조는 내부 열교환기의 하방에 위치하며, 응축액 집수조는 파이프라인을 통해 저수탱크, 제어밸브와 격리수조를 차례로 연결하는 것을 특징으로 하는 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템. - 제4항에 있어서,
압력평형관의 상단은 물저장탱크의 증기공간에 위치하고, 하단의 상대위치는 원자로 압력용기의 상부 엣지보다 높은 것을 특징으로 하는 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템. - 제4항에 있어서,
물주입관의 상단은 물저장탱크의 최저점과 연결되고, 하단의 상대위치는 압력평형관의 하부 엣지보다 낮은 것을 특징으로 하는 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템. - 제4항에 있어서,
물주입관 하단의 배수구가 "S"형을 나타내는 것을 특징으로 하는 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템. - 제4항에 있어서,
물주입관에는 제어밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템. - 제4항에 있어서,
저수탱크의 상부는 배기관을 통해 응축액 집수조와 연통되고, 저수탱크의 하부에는 블로 다운 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 격납용기와 원자로 압력용기의 연합 냉각 시스템.
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