KR102176826B1 - 사용후핵연료 냉각장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피동보조급수조를 이용한 사용후핵연료 냉각장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 냉각방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 사용후핵연료 냉각장치는, 증기발생기의 피동보조급수조의 저장수를 이용하여 사용후핵연료저장조의 냉각수와 열교환을 통해 냉각을 함으로써, 발전소 영구정지 이후 기기냉각수 및 필수 해수계통 등 운전부담이 큰 연계설비 운전을 최소화할 수 있어 운전비용을 줄이고, 발전소 내 사용후핵연료 냉각 기능과 무관한 지역에서 해체를 위한 제염 및 일부 설비 철거작업 시의 위험 부담을 최소화할 수 있게 된다.

Description

사용후핵연료 냉각장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 냉각방법{APPARATUS FOR COOLING SPENT NUCLEAR FUEL AND METHOD FOR COOLING SPENT NUCLEAR FUEL USING THE SAME}

본 발명은 피동보조급수조를 이용한 사용후핵연료 냉각장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 냉각방법에 관한 것이다.

원자력 발전소에서 사용후핵연료는 사용후핵연료저장조에서 보관된다. 사용후핵연료에서 지속적으로 열이 발생하기 때문에, 사용후핵연료저장조의 냉각수에 대한 냉각이 필요하다.

기존에는 기기냉각설비를 이용하여 사용후핵연료저장조의 냉각수를 냉각하였다. 기기냉각설비는 원자력 발전소의 다른 냉각 대상 설비도 냉각하기 위해 사용되므로, 큰 용량을 가지고 있고 설비도 대규모로 마련되어 있다.

원자력발전소의 설계수명이 만료되고 해체를 위해 원자로 내의 연료를 사용후핵연료저장조로 영구 인출한 후부터는 주기기와 터빈, 안전정지 관련 설비 등 출력운전에 필요한 제반설비 등은 운전되지 않으며, 사용후핵연료저장조의 냉각 및 정화계통 관련 설비를 포함한 일부 설비들만이 운전된다.

사용후핵연료 저장기간은 연료 영구 인출 후 최소 5년 이상이며, 이 기간 중에 발전소 내에서 제염 및 설비의 부분 철거 등이 병행되므로 운전 경제성을 높이고 해체 작업부담을 줄이기 위하여 가능한 사용후핵연료 냉각계통 운전방식도 연계설비들의 운전을 최소화시킬 수 있도록 변경할 필요가 있다. 특히 출력운전중 주요 펌프나 열교환기(사용후핵연료 냉각 열교환기 포함), 공조기기 냉각코일에 냉각수 공급 기능을 해왔던 기기냉각수계통은 필수 해수계통과의 열교환 기능까지를 수행해야 하므로 영구 정지 발전소의 경우, 연계설비 운전부담이 매우 크다고 할 수 있다.

또한, 원자력 발전소의 해체 시에는 사용후핵연료저장조의 냉각은 계속 필요한 반면 다른 냉각 대상 설비는 해체되기 때문에 냉각이 필요하지 않다. 따라서 해체 시에도 사용후핵연료저장조의 냉각만을 위해 대규모의 기기냉각설비를 유지해야 하는 문제가 있다.

한국특허공개 제2018-0042015호(2018.04.25 공개)

본 발명의 목적은 원자력 발전소 해체 시 사용후핵연료를 해체 전의 피동보조급수조를 이용하여 간단한 설비로 냉각할 수 있는 사용후핵연료 냉각장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 냉각방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 사용후핵연료 냉각장치에 있어서, 냉각수가 채워져 있으며 사용후핵연료가 수용되는 사용후핵연료저장조와, 증기발생기의 비상냉각을 위한 저장수가 저장된 피동보조급수조와, 상기 사용후핵연료저장조의 상기 냉각수와 상기 피동보조급수조의 저장수가 열교환하는 제1열교환기를 포함하는 사용후핵연료 냉각장치에 의해 달성된다.

상기 피동보조급수조 내에 위치하며 상기 피동보조급수조의 저장수를 냉매를 이용하여 냉각시키기 위한 제2열교환기, 상기 제2열교환기는 냉매를 통해 상기 피동보조급수조의 열을 흡수하며, 상기 냉매를 냉각시키기 위한 응축기를 더 포함할 수 있다.

상기 사용후핵연료저장조의 냉각수가 순환하는 제1순환배관부와, 상기 피동보조급수조의 저장수가 순환하는 제2순환배관부와, 상기 냉매가 순환하는 제3순환배관부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1순환배관부는 상기 냉각수가 이동하는 배관인 제1배관과 상기 냉각수를 순환시키기 위한 제1펌프를 포함할 수 있으며, 상기 제2순환배관부는 상기 저장수가 이동하는 배관인 제2배관과 상기 저장수를 순환시키기 위한 제2펌프를 포함할 수 있으며, 상기 제3순환배관부는 상기 냉매가 이동하는 배관인 제3배관과 상기 냉매를 순환시키기 위한 제3펌프를 포함할 수 있다.

상기 피동보조급수조는, 비상상황 발생 시 증기발생기의 비상냉각을 위해 설치된 것이며, 상기 증기발생기의 증기는 상기 제2열교환기에서 열교환되어 응축된 후 상기 증기발생기로 재공급되는 것일 수 있다.

상기 제2열교환기는 상기 제3배관이 연결되는 두 개의 직선구간과 상기 두 개의 직선구간을 연결하는 곡선 절곡구간을 포함하는 다수의 튜브를 포함하는 것일 수 있다.

상기 제3배관은, 상기 제2열교환기에 상기 증기발생기의 증기와 상기 냉매 중 하나를 선택하여 공급할 수 있도록 제1삼방향밸브와 제2삼방향밸브를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1삼방향밸브와 상기 제2삼방향밸브의 사이에는 상기 제2열교환기가 위치하는 것일 수 있다.

상기 제3순환배관부는 냉매의 흐름을 제어하기 위한 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 해결 수단으로서, 사용후핵연료 냉각방법에 있어서, 사용후핵연료가 수용되는 사용후핵연료저장조의 냉각수를 피동보조급수조의 저장수와 열교환하여 냉각시키는 냉각수 냉각단계, 상기 저장수를 냉매와 상기 피동보조급수조의 열교환기를 통해 열교환하여 냉각시키는 저장수 냉각단계를 포함하는 사용후핵연료 냉각방법에 의해 달성된다.

상기 냉매를 응축시키는 냉매 응축단계를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 의해 발전소 영구정지 이후 기기냉각수 및 필수해수계통 등 운전부담이 큰 연계설비 운전을 최소화할 수 있어 운전비용을 줄이고, 발전소 내 사용후핵연료 냉각 기능과 무관한 지역에서 해체를 위한 제염 및 일부 설비 철거작업 시의 위험 부담을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사용후핵연료 냉각장치를 나타낸 것이다.

본 발명은 연계설비 운전을 최소화하기 위하여 발전소 출력운전 시 사용후핵연료 냉각계통 열교환기 냉각에 사용되어 오던 기기냉각수 및 필수해수계통과의 연계 운전방식을 공냉식의 설비로 대체하여, 운전방식을 단순화시키는 것에 관한 것이다. 즉, 열침원을 해수에서 공기로 전환하되, 신규 설비도입을 최소화시키기 위하여, 본 발명의 설비 구성을 위해, 해체 전 출력운전 시 사고의 경우를 대비하여 설비한 피동보조급수조를 사용후핵연료 냉각계통의 열교환기의 냉각을 위한 주 연계설비가 되도록 계통을 변경하고, 피동보조급수조의 물은 냉매를 이용하여 지속 냉각기능을 유지할 수 있도록 공냉식 냉매 순환설비를 부가하는 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 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 제1실시예에 따른 사용후핵연료 냉각장치에 대해 설명한다.

사용후핵연료 냉각장치(1)는 사용후핵연료저장조(10), 피동보조급수조(500), 및 제1열교환기(400)를 포함한다.

사용후핵연료저장조(10)에는 사용후핵연료가 수용되어 있으며, 사용후핵연료는 냉각수 내에 위치하고 있다.

피동보조급수조(500)에는 저장수가 저장되어 있으며, 저장수는 원자력 발전소 가동 중에는 증기발생기의 비상냉각을 위한 용도로 사용된다. 피동보조급수조(500)의 저장수는 원자력발전소의 전원 상실 등의 사고 시 증기발생기를 피동으로 냉각하기 위한 비상상태를 대비하기 위해 설치된 설비이나, 본 발명에서는 사용후핵연료저장조(10)의 냉각수와 제1열교환기(400)에서 열교환을 위한 매체로서 기능한다.

피동보조급수조(500) 내에는 제2열교환기(320)가 위치한다. 제2열교환기(320)는 원자력 발전소의 해체 전에는 비상상태에서 증기발생기의 증기를 공급받아 응축시키는 기능을 위한 설비이다. 그러나 본 발명에서와 같이, 해체가 진행되어 더 이상 증기발생기의 비상냉각을 위한 대비가 필요 없게 될 경우 제2열교환기(320)는 사용후핵연료저장조(10)와 열교환하여 온도가 올라간 피동보조급수조(500)의 저장수를 냉각하기 위한 열교환장치로 전환된다.

제2열교환기(320)는 제3배관(310)과 연결되어 냉매를 통해 피동보조급수조(500)의 저장수를 냉각시킨다. 제2열교환기(320)는 제3배관(310)이 연결되는 두 개의 직선구간과 상기 두 개의 직선구간을 연결하는 곡선 절곡구간을 포함하는 다수의 튜브를 포함하여 이루어진다. 다른 실시예에서 제2열교환기(320)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.

제2열교환기(320)에서 피동보조급수조의 열을 흡수하여 기화된 냉매는 응축기(330)에서 응축된다.

이와 같이 본 발명에서는 냉각수, 저장수 및 냉매가 순환하는 순환배관부가 각각 존재한다.

냉각수가 순환하는 제1순환배관부(100)는 냉각수유출구(130), 냉각수의 순환을 위한 제1펌프(140), 냉각수유입구(140)를 포함한다. 저장수가 순환하는 제2순환배관부(200)는 제2배관(210), 저장수유출구(230), 저장수를 순환시키기 위한 제2펌프(240), 저장수유입부(220)를 포함한다. 냉매가 순환하는 제3순환배관부(300)는 제2열교환기(320), 냉매를 순환하기 위한 제3펌프(340), 제3배관(310), 응축기(330)를 포함한다. 냉매의 원활한 공급을 위해 제3배관에는 팽창밸브(360)를 더 포함할 수 있다.

사용후핵연료저장조(10)의 냉각수는 냉각수유출구(130)로 배출되어 제1배관(110)을 통해 제1열교환기(400)에서 열교환하여 냉각되며 냉각수유입구(140)를 통해 사용후핵연료저장조(10)로 회수되며, 냉각수는 이러한 과정을 반복하며 순환한다.

피동보조급수조(500)의 저장수는 저장수유출구(230)를 통해 제2배관(210)을 통해 제1열교환기에서 열교환하며, 결과적으로 냉각수와 열교환하여 온도가 올라간다. 온도가 올라간 저장수는 저장수유입부(220)를 통해 피동보조급수조(500)로 회수되며, 저장수는 이러한 과정을 반복하며 순환된다. 저장수가 순환하며 지속적으로 냉각수의 열을 흡수하여 회수되므로, 피동보조급수조(500)의 저장수는 온도가 올라가게 된다. 따라서, 피동보조급수조(500)의 냉각이 필요하게 되며, 피동보조급수조(500) 내에 설치되어 있는 제2열교환기(320)에 냉매를 순환시켜 냉각을 하게 된다.

냉매는 제2열교환기(320)에서 승온되어 증발되며, 순환하여 응축기(330)에서 외부공기에 의해 냉각되어 응축된다.

증기발생기의 비상발생 시 증기의 응축을 위해 사용되었던 제2열교환기(320)를 냉매를 순환시키기 위한 설비로 용이하게 전환하기 위해서, 증기발생기의 증기를 제2열교환기(320)로 순환시키기 위한 배관이 제3배관(310)과 연결되는 구조가 바람직하며, 이를 위해 증기발생기에서 발생한 증기가 제2열교환기(320)로 유입되기 전의 제3배관의 위치에 제1삼방향밸브(351)가 연결될 수 있으며, 증기가 제2열교환기(320)를 통과한 이후의 제3배관의 위치에 제2삼방향밸브(352)가 연결될 수 있다. 이를 통해 원자력 발전소의 해체가 진행되어 증기발생기의 기능이 정지되면, 제1삼방향밸브(351)와 제2삼방향밸브(352)의 내부 이동로를 전환하여 제3순환배관부로서 기능할 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 제1삼방향밸브(351)와 제2삼방향밸브(352)의 위치를 배관의 절단과 용접 등으로 영구적으로 냉매순환만 가능하도록 변경하는 것도 가능하다.

이상 설명한 본 발명에서 일부 구성은 발전소 해체 과정에서 새롭게 설치될 수 있으며, 다른 실시예에서는 발전소 해체 전에 미리 설치되어 있을 수 있다.

이하 본 발명에 따른 사용후핵연료의 냉각방법에 대해 설명한다.

사용후핵연료가 수용되는 사용후핵연료저장조(10)의 냉각수를 피동보조급수조(500)의 저장수와 열교환하여 냉각시킨 후, 열교환되어 승온된 피동보조급수조(500)의 저장수는 피동보조급수조(500) 내의 열교환기에서 냉매를 통해 저장수를 냉각시킨다. 열교환기에서 기화된 냉매는 외부공기에 의해 응축시킨다.

이와 같이, 본 발명의 사용후핵연료 냉각장치를 통해 기존 증기발생기의 피동보조급수조 설비를 이용함으로써, 발전소 영구정지 이후 기기냉각수 및 필수해수계통 등 운전부담이 큰 연계설비 운전을 최소화할 수 있어 사용후핵연료저장조의 운전비용을 줄이고, 발전소 내 사용후핵연료 냉각 기능과 무관한 지역에서 해체를 위한 제염 및 일부 설비 철거작업 시의 위험 부담을 최소화할 수 있게 된다.

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 (9)

1. 사용후핵연료 냉각장치에 있어서,
   냉각수가 채워져 있으며 사용후핵연료가 수용되는 사용후핵연료저장조와;
   증기발생기의 비상냉각을 위한 저장수가 저장된 피동보조급수조와;
   상기 사용후핵연료저장조의 냉각수와 상기 피동보조급수조의 저장수가 열교환하는 제1열교환기; 를 포함하며,
   상기 피동보조급수조 내에 위치하며 상기 피동보조급수조의 저장수를 냉매를 이용하여 냉각시키기 위한 제2열교환기(상기 제2열교환기는 냉매를 통해 상기 피동보조급수조의 열을 흡수함); 및
   상기 냉매를 냉각시키기 위한 응축기; 를 더 포함하며,
   상기 사용후핵연료저장조의 냉각수가 순환하는 제1순환배관부와;
   상기 피동보조급수조의 저장수가 순환하는 제2순환배관부와;
   상기 냉매가 순환하는 제3순환배관부; 를 더 포함하며,
   상기 제1순환배관부는 상기 냉각수가 이동하는 배관인 제1배관과 상기 냉각수를 순환시키기 위한 제1펌프를 포함하며,
   상기 제2순환배관부는 상기 저장수가 이동하는 배관인 제2배관과 상기 저장수를 순환시키기 위한 제2펌프를 포함하며,
   상기 제3순환배관부는 상기 냉매가 이동하는 배관인 제3배관과 상기 냉매를 순환시키기 위한 제3펌프를 포함하는 사용후핵연료 냉각장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 피동보조급수조는, 비상상황 발생 시 증기발생기의 비상냉각을 위해 설치된 것이며,
   상기 증기발생기의 증기는 상기 제2열교환기에서 열교환되어 응축된 후 상기 증기발생기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 냉각장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2열교환기는 상기 제3배관이 연결되는 두 개의 직선구간과 상기 두 개의 직선구간을 연결하는 곡선 절곡구간을 포함하는 다수의 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 냉각장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제3배관은, 상기 제2열교환기에 상기 증기발생기의 증기와 상기 냉매 중 하나를 선택하여 공급할 수 있도록 제1삼방향밸브와 제2삼방향밸브를 더 포함하며,
   상기 제1삼방향밸브와 상기 제2삼방향밸브의 사이에는 상기 제2열교환기가 위치하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 냉각장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제3순환배관부는 냉매의 흐름을 제어하기 위한 팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 냉각장치.
8. 삭제
9. 삭제

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