KR102241474B1 - 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예는 원자로 수조에 연결되는 냉각라인에서 배관 내 압력이 대기압보다 낮은 부분에서 파손 발생 시 감쇠탱크의 압력변화에 대응하여 사이폰 제어밸브를 제어함으로써 배관 파손부분을 통해 공기의 유입을 방지할 수 있는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치 및 방법을 제공한다.

Description

원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING PREVENTION AIR INLET OF REACTOR COOLING LINE AND THEREOF METHOD}

원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치 및 방법이 제공된다.

일반적으로 노심하향유동형 연구로는 냉각라인에 구비된 펌프의 전단 압력이 압력강하가 높은 노심의 압력강하를 직접적으로 영향 받기 때문에 펌프의 유효흡입양정(NPSH : Net Positive Suction Head)의 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 펌프 설치의 높이를 원자로 및 원자로 수조의 바닥보다 낮게 위치시킨다.

펌프의 유효흡입양정의 문제로 인해 펌프를 포함한 냉각라인의 일부가 수조보다 낮게 위치된다. 원자로 수조 내에 저장된 유체는 냉각재 상실사고(LOCA ; Loss of Coolant Accident)를 포함한 어떠한 사고에서도 원자로 상부보다 높게 위치해야 한다. 그리고 1차 냉각라인의 최상단 부분에 사이폰 장치가 연결되어 1차 펌프 부근에서 냉각재 상실사고시에도 유체 높이를 유지시키도록 한다.

한편, 높은 출력을 요구하는 연구로는 노심에서 높은 차압이 형성되고, 노심하향유동형 연구로에서의 높이의 제약이 있는 수조를 관통하는 부분인 1차 냉각라인의 최상단 부위는 대기압보다 낮게 될 수 있다. 이곳에서 배관파손사고가 발생되면, 기존의 냉각재 상실사고처럼 유체가 방출되는 것과는 달리 공기가 유입되는 현상이 발생한다. 공기가 유입되면 더 이상 1차 펌프 또는 잔열제거펌프가 동작하지 않을 수 있으며, 이는 원자로가 정지되더라도 원자로 잔열을 제거할 수 없게 된다. 이에 따라 최상단 배관과 1차 냉각라인 또는 잔열제거펌프 사이에 설치되는 감쇠탱크를 이용하여 최상단 배관의 파손 부분을 통해 유입된 공기를 감쇠탱크내에서 분리하여 1차 냉각라인 또는 잔열제거펌프로는 물만 흐르도록 하여, 잔열제거에 문제가 없도록 한다.

그러나 추가의 별도장치를 장착하지 않으면, 원자로가 정지하더라도, 1차 펌프가 정지하지 않을 수 있다. 이때에는 지속적으로 최상단 배관에 부압이 형성되어, 파손된 부분으로 공기가 유입됨에 따라 감쇠탱크가 모두 또는 상당부분 공기로 점유되면, 이 유입된 공기가 성층화가 깨져, 1차 냉각라인 및 1차 펌프로 공기가 유입되어 잔열이 실패할 수 있다. 따라서, 공기가 지속적으로 유입되는 상황을 제어할 필요가 있다. 이를 위해서는 1차 냉각라인의 최상단 부위의 부압을 제거해야 한다. 이는 1차 펌프의 작동을 멈추어야 한다. 그러나 대부분의 1차 펌프는 비안전등급 전기를 이용하기 때문에 전원의 차단이 어려울 수 있다. 또한 안전등급의 전원을 이용하거나 안전등급의 전원차단기를 이용하기 위해서는 설계자체도 어려울 뿐 아니라 고비용의 장치 설치 및 별도의 안전등급 기기를 위한 독립적인 공간이 필요하게 된다. 따라서, 추가적으로 별도의 안전장치를 설치하지 않고 1차 냉각라인으로 공기의 유입을 제어할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,501,457는 "원자로 수조의 사이펀 효과 차단장치 및 이를 위한 제어방법"을 개시하며, 한국등록특허 1,445,962는 "원자로 장기 냉각 장치 및 이를 이용한 원자로 냉각 방법"을 개시하며, 일본공개특허 2015-078847는 "정적 붕괴열 제거 시스템 및 원자력 발전소"을 개시한다.

본 발명의 한 실시예는 원자로 수조에 연결되는 냉각라인에서 배관 내 압력이 대기압보다 낮은 부분에서 파손 발생 시 감쇠탱크의 압력변화에 대응하여 사이폰 제어밸브를 제어함으로써 배관 파손부분을 통해 공기의 유입을 방지할 수 있는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치는 내부에 저장된 수조수를 포함한 유체로 원자로를 냉각하는 원자로 수조에 연결되는 사이폰 배관에 구비되는 사이폰 제어밸브를 포함하며, 원자로 수조로부터 배출되는 유체를 냉각하고 냉각된 유체를 다시 원자로 수조 내부로 공급하도록 안내하는 냉각라인, 냉각라인에 구비되어 유체의 유입과 배출 경로를 형성하며 원자로에서 발생되는 N-16의 방사선 준위를 감소시키는 감쇠탱크, 감쇠탱크의 내부 차압변화에 대응하는 차압값을 검출하여 해당되는 차압 검출신호를 발생하는 차압 검출부, 그리고 차압 검출부로부터 입력되는 차압 검출신호를 미리 설정된 차압값과 비교 분석하여 감쇠탱크의 차압값이 미리 설정된 차압값이 아니면 냉각라인이 파손된 비정상 상태로 판단하고 사이폰 제어밸브를 개방하여 냉각라인으로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 유입 방지 제어동작을 수행하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 한 실시예는 고출력 및 노심하향유동 연구로의 최상단 배관과 같이 원자로 수조 외부의 냉각라인에서 배관 내 압력이 대기압보다 낮은 부분에서 파손이 발생되는 경우 사이폰 제어밸브를 개방하여 최상단 배관의 파손 부위로 공기가 유입되는 것을 방지함으로써 냉각라인에 구비되는 펌프 또는 노심의 파손 가능성을 저감시킬 수 있고, 원자로 수조와 관련하여 작업자의 방사능 피폭 가능성을 저감시킬 수 있으며, 최상단 배관 파손시에도 잔열을 지속적으로 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어방법을 도시한 흐름도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치는 냉각라인, 감쇠탱크(100), 차압 검출부(120), 그리고 제어부(130)를 포함하며, 원자로 수조(10) 외부의 냉각라인에서 배관 내 압력이 대기압보다 낮은 부분에서 파손이 발생되는 경우 파손부분을 통해 공기가 유입되는 것을 방지함으로써 냉각라인에 구비되는 1차 펌프(140) 또는 노심의 파손 가능성을 저감시킬 수 있고, 원자로 수조(10)와 관련하여 작업자의 방사능 피폭 가능성을 저감시킬 수 있다. 여기서, 원자로는 노심하향 유동형 원자로를 포함한다.

냉각라인은 내부에 저장된 수조수를 포함한 유체로 원자로(20)를 냉각하는 원자로 수조(10)에 연결되는 사이폰 배관(40)에 구비되는 사이폰 제어밸브(42)를 포함하며, 원자로 수조(10)로부터 배출되는 유체를 냉각하고 냉각된 유체를 다시 원자로 수조(10) 내부로 공급하도록 안내할 수 있다. 여기서, 원자로 수조(10)는 상부가 개방되어 바닥면에 구비된 원자로(20)의 노심이 유체에 잠기도록 유체를 내부에 저장하고, 원자로(20)의 노심을 차폐벽으로 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 원자로 수조(10) 내부의 유체는 냉각라인을 통해 냉각될 수 있다. 냉각라인은 원자로(20)의 높이방향 최상부 보다 더 높은 위치(h)에 배치되어 배관 내 압력이 대기압보다 낮게 연결되는 최상단 배관(30)을 포함하며, 사이폰 배관(40)은 최상단 배관(30)과 원자로 수조(10)를 연결하는 위치에 구비될 수 있다. 그리고 냉각라인에는 원자로 수조(10)의 내부에 저장된 유체를 순환시키는 1차 펌프(140), 1차 펌프(140)로부터 배출되는 유체와 열교환하는 열교환기(150)가 구비될 수 있다. 원자로 수조(10)와 1차 펌프(140) 사이에는 감쇠탱크(100)가 구비될 수 있다. 냉각라인은 감쇠탱크(100)를 기준으로 유입라인과 배출라인(114)으로 구분할 수 있다. 여기서, 유입라인은 일측이 원자로(20)의 노심과 연결되어 타측이 원자로(20)의 상부보다 더 높은 위치로 길게 연결되는 제1 유입 배관, 일측이 제1 유입 배관의 타측에 연결되어 원자로(20)의 내부와 외부를 연결하는 방향으로 길게 구비되며 타측이 원자로 수조(10)의 외부로 노출되는 최상단 배관(30), 최상단 배관(30)의 타측에 일측이 하향 연결되어 타측이 감쇠탱크(100)의 유입부(102)에 연결되는 제2 유입 배관을 포함할 수 있다. 그리고 배출라인(114)은 감쇠탱크(100)의 배출부(104)와 원자로 수조(10)를 통해 원자로(20)의 상부로 유체를 공급하도록 구비될 수 있다. 한편, 냉각라인은 1차 냉각라인과 2차 냉각라인을 포함할 수 있다. 1차 냉각라인은 노심에서 발생되는 열을 제거하기 위해 노심과 연결되며, 2차 냉각라인은 1차 냉각라인에 연결되어 1차 냉각라인의 열을 제거하는 기능을 한다. 냉각라인을 1차 냉각라인과 2차 냉각라인으로 구분하여 설명하면, 노심에서 발생되는 열을 제거하기 위한 1차 냉각라인이 노심과 연결되며, 원자로 수조(10)와의 관통부위는 노심보다 높게 설치된다. 1차 냉각라인의 최상단 배관(30)에 사이폰 배관(40)을 연결하고, 사이폰 배관(40)에 사이폰 제어밸브(42)를 구비하여 냉각재 상실사고시 원자로 수조(10)의 유체를 원자로(20) 상부보다 높게 유지할 수 있다. 사이폰 제어밸브(42)는 원자로(20)의 상단보다 낮은 부위에 있는 냉각라인이 파손되었을 때 원자로 수조(10)의 수위 검출신호를 받아 작동하여, 사이폰 현상을 방지할 수 있다. 또한, 감쇠탱크(100) 내부의 수두의 변동을 감지하는 신호를 추가적으로 함께 연동하여 수두의 변동이 생겼을 때 사이폰 제어밸브(42)를 개방하면 최상단 배관(30)의 공기유입을 방지하여 추가적으로 안전기능을 수행할 수 있다. 사이폰 제어밸브(42)는 안전기능을 담당하는 공학적 안전 설비이므로 복수로 구비될 수 있다. 그리고 어느 하나의 사이폰 제어밸브(42)의 작동이 실패되어도 100% 용량의 다른 하나의 사이폰 제어밸브(42)가 작동되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 사이폰 제어밸브를 이용하면 공기의 유입을 방지하기 위해 제1 사이폰 제어밸브 열림이 실패하더라도 다중성을 지닌 다른 제2 사이폰 제어밸브가 작동하여 항상 공기의 유입을 방지할 수 있다.

한편, 1차 냉각라인에서 최상단 배관(30)과 1차 펌프(140) 사이에 1차 냉각라인 차폐를 위해 감쇠탱크(100)를 설치한다. 정상 운전시에는 노심을 통과한 유체가 감쇠탱크(100)를 통과하여 N-16이 충분히 저감할 수 있도록 유체의 흐름을 지체한 후 1차 냉각라인의 1차 펌프(140), 열교환기(150), 2차 냉각라인 및 냉각 타워(160)를 통해 열을 제거하여 1차 냉각라인의 목적을 달성할 수 있다. 본 발명의 설명에서 냉각라인은 별도의 한정이 없는 경우 최상단 배관(30), 사이폰 제어밸브(42), 그리고 감쇠탱크(100)를 포함하는 1차 냉각라인을 나타내며, 주로 1차 냉각라인의 범위에서 설명한다.

감쇠탱크(100)는 냉각라인에 구비되어 유체의 유입과 배출 경로를 형성하며 원자로(20)에서 발생되는 고방사능 단반감기를 갖는 N-16의 방사선 준위를 기준치 이하로 감소시킬 수 있다. 감쇠탱크(100)는 연구용 원자로(20)의 운전시 발생되는 N-16의 방사선 준위를 감소시키는 기능뿐만 아니라, 냉각라인의 파손시 유입되는 공기를 내부에서 분리시켜 물과 공기의 성층화를 이용하여 잔열제거 기능을 지속할 수 있다. 냉각라인의 최상단 배관(30)이 파손되어　감쇠탱크(100) 내부로 공기가 유입되더라도 유입된 공기를 감쇠탱크(100) 내에서 분리하여 냉각라인 또는 잔열제거라인(170)으로 유체만 흐르도록 하여 잔열제거 기능을 유지할 수 있다. 감쇠탱크(100)의 하부에는 냉각라인을 통해 유체가 유입되는 통로인 유입부(102), 감쇠탱크(100)의 내부에 저장된 유체가 외부로 배출되는 통로인 배출부(104)가 각각 구비될 수 있다. 감쇠탱크(100)는 최상단 배관(30)으로부터 하향 연결되는 유입부(102)를 통해 유체가 내부로 유입되어 저장되고, 내부에 저장된 유체가 배출부(104)를 통해 외부로 배출되도록 구비될 수 있다. 감쇠탱크(100)의 길이방향 상부에 연결되어 감쇠탱크(100) 내부의 공기를 외부로 배출하는 벤트라인(112)과 감쇠탱크(100)의 하부에서 배출부(104)에 연결되어 감쇠탱크(100) 내부의 유체를 외부로 배출하는 배출라인(114)을 연결하는 차압 검출라인(110)을 더 포함할 수 있다.

차압 검출부(120)는 감쇠탱크(100)의 내부 차압변화에 대응하는 차압값을 검출하여 해당되는 차압 검출신호를 발생할 수 있다. 차압 검출부(120)는 차압 검출라인(110)에 구비되는 차압계를 포함하며, 벤트라인(112)과 배출라인(114) 사이의 압력 차이를 검출하여 해당되는 차압 검출신호를 발생할 수 있다. 필요한 경우, 냉각라인의 배관 일부가 파손되는 것을 경고하는 경보부를 구비하여 경고함으로써 추후 원자로(20) 보호계통을 통해 원자로(20)를 정지하여 보수 작업을 시행하는 등의 조치를 취할 수도 있다.

제어부(130)는 정보 처리 장치의 프로세서에 의하여 연산, 처리 등이 되는 것으로, 컴퓨터에서 특정한 기능을 수행하는 프로그램의 논리적인 일부분을 뜻하며, 소프트웨어, 하드웨어 등으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정보 처리 장치는 퍼스널 컴퓨터(personal computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer), PDA(personal digital assistant), 휴대폰, 스마트 기기, 태블릿(tablet) 등이 있다. 그리고 제어부(130)는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어와 관련된 데이터를 저장하는 메모리부를 별도로 구비할 수 있다. 메모리부는 정보를 저장하는 장치로, 고속 랜덤 액세스 메모리(high-speed random access memory, 자기 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치, 기타 비휘발성 고체 상태 메모리 장치(non-volatile solid-state memory device) 등의 비휘발성 메모리 등 다양한 종류의 메모리를 포함할 수 있다. 제어부(130)는 원자로 냉각라인의 일반적인 냉각 제어뿐만 아니라 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어와 관련된 일련의 제어동작을 수행할 수 있다.

예를 들어, 제어부(130)는 차압 검출부(120)로부터 입력되는 차압 검출신호를 미리 설정된 차압값과 비교 분석하여 감쇠탱크(100)의 차압값이 미리 설정된 차압값이 아니면 냉각라인이 파손된 비정상 상태로 판단하고 사이폰 제어밸브(42)를 개방하여 냉각라인으로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 유입 방지 제어동작을 수행할 수 있다. 여기서, 냉각라인의 파손은 최상단 배관(30)의 파손을 포함하며, 제어부(130)는 차압 검출부(120)로부터 입력되는 차압 검출신호를 미리 설정된 차압값과 비교 분석하여 감쇠탱크(100)의 내부 차압변화가 미리 설정된 차압범위가 아니면 최상단 배관(30)이 파손된 비정상 상태로 판단하고 사이폰 제어밸브(42)를 개방하여 최상단 배관(30)의 파손 부위로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 유입 방지 제어동작을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 감쇠탱크(100)의 차압값이 미리 설정된 차압값이면 정상 상태로 판단하고 사이폰 제어밸브(42)를 닫힘 제어하여 냉각 유지 제어동작을 수행할 수 있다.

한편, 감쇠탱크(100)의 배출라인(114)에 연결되어 원자로(20)의 노심에 있는 잔열을 제거하도록 감쇠탱크(100)로부터 배출되는 유체의 흐름을 원자로 수조(10)로 안내하는 잔열제거라인(170), 그리고 잔열제거라인(170)에 구비되어 감쇠탱크(100)로부터 배출되는 유체를 원자로 수조(10)의 내부로 공급되도록 펌핑하는 잔열제거펌프(172)를 포함할 수 있다. 잔열제거라인(170)은 감쇠탱크(100)와 1차 펌프(140) 사이의 냉각라인에 연결되어 원자로(20)의 노심에 있는 잔열을 제거하는 기능을 한다. 제어부(130)는 냉각라인에 구비되는 1차 펌프(140)가 정지되면 잔열제거펌프(172)를 구동하여 원자로 수조(10) 내부로 감쇠탱크(100)로부터 배출되는 유체가 공급되도록 안내하는 잔열제거 제어동작을 수행할 수 있다.

한편, 사이폰 제어밸브(42)는 최상단 배관(30) 이외의 냉각라인이 파손되었을 때 파손된 부위로 유체가 지속적으로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 냉각라인에서 냉각재 상실사고시 사이폰 현상으로 인해 원자로 수조(10) 내부의 유체가 지속적으로 외부로 유출되면 냉각라인에 연결된 원자로 수조(10)의 수위가 감소되어 원자로(20) 안전에 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해 원자로 수조(10)의 수위가 감소되었을 때 안전급 수위신호로 인해 사이폰 제어밸브(42)의 열림이 되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 원자로 수조(10)의 수위가 사이폰 배관(40)의 끝단 보다 낮게 하강하였을 때 사이폰 배관(40)으로 공기가 유입되어, 사이폰 현상을 방지함으로써 원자로 수조(10)의 수위를 안전수위 이상으로 유지할 수 있다. 이러한 경우, 원자로 수조(10)에 저장된 유체의 수위를 검출하는 수위 검출부를 더 포함할 수 있다. 그리고 제어부(130)는 원자로 수조(10)에 저장된 유체의 수위가 미리 설정된 수위보다 낮으면 사이폰 제어밸브(42)를 개방하여 원자로 수조(10) 내부로 공기가 유입되도록 안내하여 사이폰 현상을 방지함으로써 원자로 수조(10)의 수위를 안전수위 이상으로 유지할 수 있다.

그러나 고출력 하향노심유동형 연구로에 대해서, 최상단 배관(30)의 파손시 최상단 배관(30) 내의 압력이 최상단 배관(30) 외의 압력보다 낮으므로 원자로 수조(10) 내부의 유체가 최상단 배관(30)을 통해 배출되지 않고 외부의 공기가 역으로 최상단 밸브로 유입될 수 있다.

이때 사이폰 제어밸브(42)를 개방하면, 사이폰 배관(40)을 통해서 유로가 형성된다. 사이폰 배관(40)은 노심만큼의 압력강하가 발생하지 않기 때문에 최상단 배관(30)으로 대기압보다 높은 압력의 유량이 형성될 수 있다. 이에 따라 최상단 배관(30)의 압력이 상승하여 더 이상 부압을 형성하지 않아 최상단 배관(30)의 파손부로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

상기한 바와 같이 원자로 수조(10)의 수위 검출신호로만 작동되던 사이폰 제어밸브(42)를 추가적으로 원자로 수조(10)와 1차 펌프(140) 사이의 냉각라인에 구비되는 감쇠탱크(100)의 차압신호와 연동하여 사이폰 제어밸브(42)의 개방을 제어할 수 있다.

상대적으로 높은 출력을 지니는 원자로(20)는 비례적으로 많은 유량을 요구한다. 또한 핵연료 고정의 편리성과 연구로 이용측면에서 유리함으로 인해 노심하향유동이 요구된다. 이러한 상황에서는 노심에서의 압력강하가 상대적으로 많이 발생하여 냉각라인의 최상단 배관(30) 부근에 부압이 형성된다. 그런데, 이 최상단 배관(30)에서 파손이 발생하면, 대기압보다 냉각라인 내의 압력이 낮으므로 일반적인 냉각재 상실사고와 달리 외부에서 최상단 배관(30)의 파손 부위로 공기가 유입되며, 유입된 공기가 지속적으로 계통내부로 유입되면 원자로(20) 냉각에 문제가 발생하여 핵연료 건전성을 위협하게 된다. 따라서 최상단 배관(30)이 파손되고, 비안전 모터와 전기를 사용하는 1차 펌프(140)의 멈춤이 실패되더라도 공기가 지속적으로 유입되는 것을 막을 필요가 있다. 여기서, 연구로 사고시에는 보수적인 관점에서 비안전으로 작동하는 기기는 사고가 악화되는 방향으로 운전되는 것으로 가정하여도 연구로 안전에 문제가 없어야 한다. 즉, 최상단 배관(30)의 파손시에는 1차 펌프(140)의 운전이 지속될 때와 지속되지 않는 경우를 모두 포함하여 안전상에 문제가 없어야 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어방법을 도시한 흐름도이다. 도 1과 도 2를 참조하여 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어방법을 설명한다. 먼저, 제어부(130)는 차압 검출부(120)를 통해 측정된 감쇠탱크(100)의 차압값을 검출한다(S210). 여기서, 냉각라인은 원자로 수조(10)로부터 배출되는 유체를 냉각하고 냉각된 유체를 다시 원자로 수조(10) 내부로 공급하도록 안내한다. 그리고 감쇠탱크(100)의 차압값 검출단계는 감쇠탱크(100)의 길이방향 상부에 연결되어 감쇠탱크(100) 내부의 공기를 외부로 배출하는 벤트라인(112)과 감쇠탱크(100)의 하부에 연결되어 감쇠탱크(100) 내부의 유체를 외부로 배출하는 배출라인(114)을 연결하는 차압 검출라인(110)에 구비되는 차압 검출부(120)를 통해 검출할 수 있다.

제어부(130)는 차압 검출부(120)로부터 입력되는 차압 검출신호를 미리 설정된 차압값과 비교 분석한다(S220). 제어부(130)는 감쇠탱크(100)의 차압값이 미리 설정된 차압값이 아니면 냉각라인이 파손된 비정상 상태로 판단하고 원자로 수조(10)에 연결되는 사이폰 배관(40)에 구비되는 사이폰 제어밸브(42)를 개방하여 최상단 배관(30)을 포함한 냉각라인으로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 유입 방지 제어동작을 수행한다(S230, S240). 최상단 배관(30)의 파손시 외부의 공기는 파손된 최상단 배관(30)을 통해 감쇠탱크(100) 내부로 유입될 수 있으며, 유입된 외부 공기가 1차 펌프(140)와 잔열제거펌프(172)의 작동을 방해하여 잔열제거에 방해가 될 수 있다. 그리고 최상단 배관(30)이 균열이 발생하거나 파손된 부분이 발생되면 감쇠탱크(100)로 냉각수를 포함한 유체와 함께 공기가 감쇠탱크(100)의 하우징 내부로 유입됨으로써 감쇠탱크(100)의 압력이 낮아져서 배출라인(114)과 벤트라인(112) 사이의 압력 차이가 많이 발생하지 않게 된다. 이러한 상태를 냉각라인의 비정상 상태로 설정하고, 배출라인(114)과 벤트라인(112) 사이의 압력차이가 많이 발생되지 않는 비정상 상태에서의 차압범위를 미리 설정할 수 있다. 제어부(130)는 차압 검출부(120)에서 검출된 차압 검출신호를 분석하여 검출된 차압값이 미리 설정된 차압값이면 정상으로 판단하여 냉각 유지 제어동작을 수행할 수 있다. 냉각라인의 정상 작동시에는 벤트라인(112)과 배출라인(114) 사이의 압력차이가 많이 발생하게 된다. 압력차이에 대한 데이터는 미리 설정하여 별도의 메모리부에 저장할 수 있다. 제어부(130)는 이를 기준으로 하여 차압 검출부(120)에서 검출한 차압 검출신호로 냉각라인의 정상 작동을 판단할 수 있다.

이와는 달리, 제어부(130)는 차압 검출부(120)에서 검출된 차압값이 미리 설정된 차압값이 아니면 비정상으로 판단하여 사이폰 제어밸브(42)를 개방하여 차압 유지 제어동작을 실시할 수 있다. 비정상 상태의 압력차이가 검출되면 잔열제거 제어동작을 중단시킬 수 있다. 상기한 바와 같이, 최상단 배관(30)이 파손되어 감쇠탱크(100) 내부로 외부 공기가 유입되더라도 감쇠탱크(100) 내부의 차압변화를 신속하게 검출하여 사이폰 제어밸브(42)를 제어함으로써 사이폰 제어밸브(42)를 통해 원자로 수조(10)의 내부에 저장된 유체를 최상단 배관(30)으로 공급하여 파손된 최상단 배관(30)으로 공기가 유입되는 것을 방지하고, 유체를 계속 공급함으로써 감쇠탱크(100)로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 감쇠탱크(100)의 길이방향을 기준으로 상부와 하부의 차압으로 사이폰 제어밸브(42)의 개방을 제어하는 방식은 다음과 같이 할 수 있다. 최상단 배관(30)에서 파손이 발생되고, 1차 펌프(140)의 운전이 계속 유지되면, 외부의 공기가 지속적으로 최상단 배관(30)의 파손 부분으로 유입되고 최상단 배관(30)으로 유입된 공기는 일정시간 동안 감쇠탱크(100)의 내부로 유입되어 감쇠탱크(100)의 내측 상부에 쌓일 수 있다. 감쇠탱크(100)에 공기가 쌓이면 정상운전시 물만 차있을 때와 수두압에서 차이가 발생할 수 있다. 감쇠탱크(100)의 수두의 변화는 공기의 유입량에 따라 커지게 되므로 초기 수두변화에 원자로(20)를 먼저 정지시키고 두 번째 차압변화에 사이폰 제어밸브(42)를 열어 공기의 유입을 방지할 수 있다. 이러한 방식을 이용하면, 원자로(20) 정지 후 사이폰 제어밸브(42)가 열리도록 함으로써, 원자로(20) 작동시 사이폰 제어밸브(42)가 닫혀있도록 제어하여 사이폰 제어밸브(42)의 열림을 방지할 수 있어, 사이폰 제어밸브(42)를 통한 노심우회 유량이 되는 현상을 방지할 수 있다. 여기서, 원자로(20) 작동시는 냉각재 상실사고 및 최상단 배관(30) 파손사고 이외의 작동을 나타낸다.

상기한 바와 같이 감쇠탱크(100)의 벤트라인(112)과 배출라인(114)의 압력 차이를 이용하여 최상단 배관(30) 파손의 차이를 검출하여 먼저 원자로(20)를 정지시키고, 사이폰 제어밸브(42)를 열게 되면, 원자로 수조(10)의 수위가 정상상태 이상으로 유지되는 상태이기 때문에 사이폰 배관(40)을 통하여 공기 유입대신 수두압을 가지는 물이 유입될 수 있다. 사이폰 배관(40)을 통한 약간의 압력강하로 인해 최상단 배관(30) 부위는 외부보다 압력이 상승될 수 있다. 이에 따라 최상단 배관(30)의 파손부위로 물이 방출되어 원자로 수조(10) 수위가 감소될 수 있다. 이때에는 최상단 배관(30)의 파손부위로 계속 물이 방출되어 수위가 감소되더라도 최상단 배관(30)의 위치가 노심 상부보다 높게 위치하기 때문에 파손부위가 노심 상부보다 높게 될 수 있다. 따라서 원자로 수조(10) 수위는 노심 상부위로 물이 유지되어 핵연료 안전성을 유지할 수 있다.

이와 같은 상황에서 원자로(20) 정지 후 비안전등급 신호에 의해 1차 펌프(140)가 정지되면, 1차 냉각라인 유량감소에 의해 기설치된 잔열제거펌프(172)가 가동될 수 있다. 이때에는 1차 냉각라인 유량이 감소되어, 최상단 배관(30)의 압력이 대기압보다 상승하여 최상단 배관(30)의 파손부위로 공기가 더 이상 유입되지 않음으로 인해 지속적으로 잔열을 제거할 수 있다. 또한 1차 펌프(140)가 최상단 배관(30)의 파손사고 시 일정 시간이 지난 후에 운전되어도 감쇠탱크(100)의 차압검출신호로 인해 사이폰 제어밸브(42)가 열리면 공기유입이 중단되고, 그 후 1차 펌프(140)가 정지되어도 잔열제거펌프(172)로 인해 잔열이 제거될 수 있다.

제어부(130)는 냉각라인에 구비되는 1차 펌프(140)가 정지되면 감쇠탱크(100)로부터 배출되는 유체의 흐름을 원자로 수조(10)로 안내하는 잔열제거라인(170)에 구비되는 잔열제거펌프(172)를 구동하여 감쇠탱크(100)로부터 배출되는 유체가 원자로 수조(10) 내부로 공급되도록 안내하는 잔열제거 단계를 수행할 수 있다(S250, S260).

이와 같이 기존의 공학적 안전설비를 이용하면, 기존의 비안전 전기로 연결된 1차 펌프(140)를 정지시키기 위해, 고비용의 안전등급 배터리 또는 비상 디젤 발전기(EDG ; emergency diesel generator)를 통해 전원을 연결하고 안전등급 모터를 개발하여 그 사이에 안전등급 펌프 정지 장치의 고비용 설계 및 설치하여 안전신호로 일차펌프를 정지시키는 추가의 공학적 안전설비가 불필요하다. 그리고 고출력 및 노심하향유동 연구로의 최상단 배관(30) 파손시 감쇠탱크(100)의 차압변화와 사이폰 제어밸브(42)를 이용하여 최상단 배관(30)의 파손부위로 지속적인 공기유입을 방지함으로써 최상단 배관(30) 파손시에도 잔열을 지속적으로 제거할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 ; 원자로 수조 20 ; 원자로
30 ; 최상단 배관 40 ; 사이폰 배관
42 ; 사이폰 제어밸브 100 ; 감쇠탱크
102 ; 유입부 104 ; 배출부
110 ; 차압 검출라인 112 ; 벤트라인
114 ; 배출라인 120 ; 차압 검출부
130 ; 제어부 140 ; 1차 펌프
150 ; 열교환기 170 ; 잔열제거라인
172 ; 잔열제거펌프

Claims (9)

1. 내부에 저장된 수조수를 포함한 유체로 원자로를 냉각하는 원자로 수조에 연결되는 사이폰 배관에 구비되는 사이폰 제어밸브를 포함하며, 상기 원자로 수조로부터 배출되는 유체를 냉각하고 냉각된 유체를 다시 상기 원자로 수조 내부로 공급하도록 안내하는 냉각라인,
   상기 냉각라인에 구비되어 상기 유체의 유입과 배출 경로를 형성하며 상기 원자로에서 발생되는 N-16의 방사선 준위를 감소시키는 감쇠탱크,
   상기 감쇠탱크의 내부 차압변화에 대응하는 차압값을 검출하여 해당되는 차압 검출신호를 발생하는 차압 검출부, 그리고
   상기 차압 검출부로부터 입력되는 차압 검출신호를 미리 설정된 차압값과 비교 분석하여 상기 감쇠탱크의 차압값이 미리 설정된 차압값이 아니면 상기 냉각라인이 파손된 비정상 상태로 판단하고 상기 사이폰 제어밸브를 개방하여 상기 냉각라인으로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 유입 방지 제어동작을 수행하는 제어부
   를 포함하는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치.
2. 제1항에서,
   상기 제어부는 상기 감쇠탱크의 차압값이 미리 설정된 차압값이면 정상 상태로 판단하고 상기 사이폰 제어밸브를 닫힘 제어하여 냉각 유지 제어동작을 수행하는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치.
3. 제1항에서,
   상기 냉각라인은 상기 원자로의 높이방향 최상부 보다 더 높은 위치에 배치되어 배관 내 압력이 대기압보다 낮게 연결되는 최상단 배관을 포함하며,
   상기 사이폰 배관은 최상단 배관과 상기 원자로 수조를 연결하는 위치에 구비되는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치.
4. 제3항에서,
   상기 감쇠탱크는 상기 최상단 배관으로부터 하향 연결되는 유입부를 통해 상기 유체가 내부로 유입되어 저장되고, 내부에 저장된 유체가 배출부를 통해 외부로 배출되도록 구비되는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치.
5. 제4항에서,
   상기 감쇠탱크의 길이방향 상부에 연결되어 상기 감쇠탱크 내부의 공기를 외부로 배출하는 벤트라인과 상기 감쇠탱크의 하부에서 상기 배출부에 연결되어 상기 감쇠탱크 내부의 유체를 외부로 배출하는 배출라인을 연결하는 차압 검출라인을 더 포함하며,
   상기 차압 검출부는 상기 차압 검출라인에 구비되는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치.
6. 제5항에서,
   상기 감쇠탱크의 배출라인에 연결되어 상기 원자로의 노심에 있는 잔열을 제거하도록 상기 감쇠탱크로부터 배출되는 유체의 흐름을 상기 원자로 수조로 안내하는 잔열제거라인, 그리고
   상기 잔열제거라인에 구비되어 상기 감쇠탱크로부터 배출되는 유체를 상기 원자로 수조의 내부로 공급되도록 펌핑하는 잔열제거펌프를 포함하며,
   상기 제어부는
   상기 냉각라인에 구비되는 1차 펌프가 정지되면 상기 잔열제거펌프를 구동하여 상기 원자로 수조 내부로 상기 감쇠탱크로부터 배출되는 유체가 공급되도록 안내하는 잔열제거 제어동작을 수행하는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어장치.
7. 원자로 수조로부터 배출되는 유체를 냉각하고 냉각된 유체를 다시 상기 원자로 수조 내부로 공급하도록 안내하는 냉각라인에 구비되는 감쇠탱크의 차압값을 검출하는 단계, 그리고
   검출된 차압값을 미리 설정된 차압값과 비교 분석하여 상기 감쇠탱크의 차압값이 미리 설정된 차압값이 아니면 상기 냉각라인이 파손된 비정상 상태로 판단하고 상기 원자로 수조에 연결되는 사이폰 배관에 구비되는 사이폰 제어밸브를 개방하여 상기 냉각라인으로 공기가 유입되는 것을 방지하는 공기 유입 방지 제어동작을 수행하는 단계를 포함하는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어방법.
8. 제7항에서,
   상기 감쇠탱크의 차압값 검출단계는 상기 감쇠탱크의 길이방향 상부에 연결되어 상기 감쇠탱크 내부의 공기를 외부로 배출하는 벤트라인과 상기 감쇠탱크의 하부에 연결되어 상기 감쇠탱크 내부의 유체를 외부로 배출하는 배출라인을 연결하는 차압 검출라인에 구비되는 차압 검출부를 통해 검출하는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어방법.
9. 제7항에서,
   상기 냉각라인에 구비되는 1차 펌프가 정지되면 상기 감쇠탱크로부터 배출되는 유체의 흐름을 상기 원자로 수조로 안내하는 잔열제거라인에 구비되는 잔열제거펌프를 구동하여 상기 감쇠탱크로부터 배출되는 유체가 상기 원자로 수조 내부로 공급되도록 안내하는 잔열제거 단계를 더 포함하는 원자로 냉각라인의 공기 유입 방지 제어방법.

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