KR102243711B1 - 원자로 장기 냉각 계통 및 이를 구비한 원전 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 장기 냉각 계통 및 이를 구비한 원전에 관한 것으로서, 원자로냉각재계통을 감싸고, 상기 원자로냉각재계통로부터 발생하는 방사성 물질을 함유한 증기가 방출부 이외의 경로로 누설되는 것을 방지하는 경계부; 상기 경계부의 외부에 배치되고, 내부에 재장전수를 저장하는 격납부내핵연료재장전수저장부; 및 상기 경계부와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하고, 사고 시 상기 경계부의 증기를 상기 재장전수로 방출하는 방출배관을 포함하고, 원전의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

원자로 장기 냉각 계통 및 이를 구비한 원전{NUCLEAR REACTOR LONG-TERM COOLING SYSTEM AND NUCLEAR PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 원전의 안전성을 향상시키기 위한 원자로 장기 냉각 계통 및 이를 구비한 원전에 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.

특히, 일체형원자로는 각 계통의 연결부 사이에서 발생할 수 있는 취약점을 배제한 것이 특징이다. 상세하게, 종래의 분리형원자로에서의 열교환기, 냉각기, 증기발생기 및 가압기의 각 부분이 서로 배관으로 연결되었으며, 이에 배관의 파단과 같은 취약점을 보완한 것이 일체형원자로이다.

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 (3일, 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 비안전계통을 활용하여 안전계통 및 비상 직류(DC) 전원의 기능을 유지할 수 있다.

하지만, 사고가 발생하는 경우 규제요건에서 요구하는 시간인 3일이 경과되더라도 원자력 발전소의 원자로는 연료공급이 중단되면 열 발생이 중단되는 일반 화력 발전소와는 다르게 제어봉이 삽입된 노심(핵연료)에서 핵분열반응이 정지된 경우에도 정상운전 중 생산되어 누적되는 핵분열 생성물에 의해 상당한 시간동안 노심에서 잔열이 발생한다. 이에 따라 원전에는 사고 시 노심의 잔열을 제거하기 위한 다양한 안전계통이 설치된다.

원전의 안전성 향상을 위해 개발된 또는 개발되고 있는 피동형 원전(미국 웨스팅하우스 AP1000, 한국 SMART)에는 대용량의 전기가 요구되는 펌프와 같은 능동형 기기를 배제하기 위해 가스압력 또는 중력과 같은 피동력을 도입하여 원전 사고 시 안전한 사고 처리가 가능하도록 할 수 있다.

특히, 원전은 사고가 발생하는 경우 잔열을 제거하기 위하여 장기 냉각이 수행될 수 있다. 종래의 원자로의 장기 냉각은 해수를 이용한 대규모의 냉각 시설로 장기 냉각이 수행되었다. 이와 같은 해수를 이용한 대규모의 냉각 시설은 원전 건설 비용이 증가시키는 요인으로 작용하였다.

나아가, 해수를 이용한 장기 냉각은 근거리에 해수가 있어야 수행될 수 있으므로 원전의 입지 조건을 한정하는 요소로 작용하였다. 또한, 해수를 이용한 장기 냉각은 해수를 냉각원으로 사용하기 위하여 펌프를 구비해야 되고, 만약에 상기 펌프의 작동이 불가능할 경우에는 장기 냉각이 불가능하므로 핵연료 용융 또는 수소 폭발과 같은 대형 사고가 발생될 수 있다.

이에, 본 발명에서는 원전 사고 시 종래의 해수를 이용한 대규모의 냉각 시설을 배제할 수 있는 원자로 장기 냉각 계통이 필요하다.

본 발명의 일 목적은 사고 시 해수 냉각을 위한 대규모 시설을 배제하고 원전 내부의 안전계통을 활용하여 장기 냉각을 수행함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 원자로 장기 냉각 계통 및 이를 구비한 원전을 제공하기 위한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원자로 장기 냉각 계통은 원자로냉각재계통을 감싸고, 상기 원자로냉각재계통로부터 발생하는 방사성 물질을 함유한 증기가 방출부 이외의 경로로 누설되는 것을 방지하는 경계부; 상기 경계부의 외부에 배치되고, 내부에 재장전수를 저장하는 격납부내핵연료재장전수저장부; 및 상기 경계부와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하고, 사고 시 상기 경계부의 증기를 상기 재장전수로 방출하는 방출배관을 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 방출배관의 단부에 형성되고, 상기 방출배관을 따라 흐르는 상기 증기를 상기 재장전수로 분사하는 분사부를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 방출배관은, 일측은 상기 재장전수의 수위보다 더 높은 위치의 상기 경계부와 연결되고, 타측은 상기 수위보다 더 낮은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 하부에 연결되고, 상기 경계부의 내부 압력과 상기 방출배관의 타측에서의 압력 차이에 의해 상기 증기가 상기 재장전수로 방출될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 분사부는 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면과 인접하게 배치되며 상기 바닥면과 평행하게 연장되고, 복수의 분사홀을 구비할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로부터 상기 경계부로의 재장전수의 역류를 방지하도록, 상기 방출배관에 체크밸브가 설치될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 경계부는, 상기 원자로냉각재계통을 감싸는 제1경계부; 및 상기 제1경계부와 연통되고, 사고 시 상기 원자로냉각재계통에 비상냉각수를 안전 주입하는 안전주입계통을 감싸는 제2경계부를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 안전주입계통은, 상기 원자로냉각재계통에 연통되게 연결되는 안전주입탱크 및 노심보충탱크 중 적어도 하나 이상을 구비할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 제2경계부는 상기 제1경계부보다 높게 위치하고, 상기 원자로냉각재계통의 압력을 낮추는 자동감압계통은 상기 제2경계부의 내부에 수용되고, 상기 자동감압계통은 일측이 상기 원자로냉각재계통의 상부에 연결되고, 타측이 상기 제2경계부의 상부로 연장되어, 상기 원자로냉각재계통의 증기를 상기 제1경계부에서 상기 제2경계부로 방출할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 경계부의 전체를 둘러싸고, 방사성 물질 저감을 위한 최종 경계 역할을 하는 격납부; 및 상기 경계부로부터 전달되는 증기와 열교환을 하는 열교환기를 내부에 구비하는 비상냉각탱크를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 비상냉각탱크는 상기 격납부의 외부에 상기 격납부내핵연료재장전수저장부보다 높게 배치될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 비상냉각탱크는 상기 열교환기와 열교환 가능하게 내부에 비상냉각수를 저장하고, 상기 비상냉각탱크의 내부에 외부로부터 공급되는 비상냉각수를 보충하는 냉각수보충배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 경계부와 상기 열교환기를 연결하는 증기배관; 및 상기 열교환기와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하고, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면으로부터 상기 분사부보다 더 높게 위치하는 제1회수배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 방출배관은 사고 초반 시 상기 경계부로부터 상기 증기를 상기 재장전수로 방출하고, 상기 증기는 상기 사고 초반으로부터 기설정된 시간 경과 시 상기 방출배관과 상기 제1회수배관 각각을 통해 상기 재장전수로 방출될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 경계부의 증기는 상기 방출배관을 통해 상기 재장전수로 방출되어 응축되고, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 수위가 상승함에 따라 상기 방출배관을 통해 방출되는 증기는 정지되고, 상기 경계부의 증기는 상기 증기배관을 따라 상기 열교환기로 유입되어 열교환을 통해 응축될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 열교환기와 상기 경계부의 하부를 연결하고, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 관통하여 연장되고, 상기 열교환기로부터 응축된 증기를 상기 재장전수와 열교환시키며 상기 경계부의 하부로 회수하는 제2회수배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 격납부의 내부에 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로부터 더 높게 이격 배치되고, 내부에 냉각수를 저장하는 방사성 물질 저감 수조; 및 일측은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 상부공간과 연통되게 연결되고, 타측은 상기 방사성 물질 저감 수조의 내부로 연장되어, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로부터 상기 상부공간으로 방출된 증기를 상기 방사성 물질 저감 수조의 냉각수로 유입시키는 증기유입관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 증기유입관은, 상기 방사성 물질 저감 수조의 바닥면에서 상기 방사성 물질 저감 수조의 수면 위로 상방향으로 연장되는 제1증기유입관; 및 일측은 상기 제1증기유입관의 상단부와 연통되게 연결되고, 타측은 상기 방사성 물질 저감 수조의 바닥면과 인접하게 하방향으로 연장되며 상기 방사성 물질 저감 수조의 내부와 연통되는 제2증기유입관을 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 열교환기와 상기 방사성 물질 저감 수조를 연결하고, 상기 열교환기로부터 응축된 증기를 상기 방사성 물질 저감 수조로 방출하는 제3회수배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 원전은, 원자로냉각재계통; 상기 원자로냉각재계통을 감싸고, 상기 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간을 구비하는 경계부; 상기 경계부를 감싸고, 상기 경계부를 수용하는 제2공간을 구비하는 격납부; 상기 경계부와 상기 격납부 사이의 제2공간 하부에 배치되고, 재장전수를 내부에 저장하는 격납부내핵연료재장전수저장부; 및 사고 시 상기 경계부에서 발생하는 방사성 물질을 함유한 증기를 상기 경계부의 외부로 방출하여 응축시키는 원자로 장기 냉각 계통을 포함한다.

본 발명의 원전과 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로 장기 냉각 계통은, 일측은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면보다 높게 위치하는 상기 경계부의 일측과 연결되고, 타측은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면과 인접하게 연통되게 연결되며, 사고 시 상기 경계부 내부의 증기를 상기 재장전수로 방출하는 방출배관을 포함할 수 있다.

본 발명의 원전과 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로 장기 냉각 계통은, 상기 격납부의 외부에 배치되고, 내부에 열교환기를 구비하며 상기 경계부로부터 전달되는 증기와 비상냉각수의 열교환을 통해 상기 증기를 냉각하는 비상냉각탱크를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 원전과 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로 장기 냉각 계통은, 상기 열교환기와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하는 제1회수배관을 더 포함하고, 사고 초반 시 상기 경계부에서 발생한 증기를 상기 방출배관을 통해 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 재장전수로 방출하고, 상기 사고 초반으로부터 기설정된 시간이 경과 후, 상기 경계부의 증기를 상기 방출배관를 통해 상기 재장전수로 방출하며, 이와 함께 상기 열교환기를 통해 응축된 증기를 상기 제1회수배관을 통해 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로 회수할 수 있다.

본 발명의 원전과 관련된 일 예에 따르면, 상기 경계부의 증기가 상기 방출배관과 상기 제1회수배관 각각을 통해 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 재장전수로 방출되어, 상기 재장전수의 수위가 상승함에 따라 상기 방출배관을 통해 방출되는 증기는 정지되고, 상기 열교환기로 유입되는 증기는 상기 비상냉각탱크의 비상냉각수에 의해 응축될 수 있다.

본 발명의 원전과 관련된 일 예에 따르면, 상기 원자로 장기 냉각 계통은, 상기 열교환기로부터 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 관통하여 상기 경계부의 하부로 연결되는 제2회수배관을 더 포함하고, 상기 사고 시로부터 기설정된 기간이 경과 후, 상기 열교환기로부터 응축된 증기를 상기 제2회수배관을 통해 상기 재장전수와 열교환하여 응축된 응축수를 상기 경계부로 회수할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 장기 냉각 계통 및 이를 구비한 원전의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 방출배관은 경계부와 격납부내핵연료재장전수저장부(IRWST)에 연결되고, 경계부의 내부 압력과 IRWST의 수압 간의 압력차에 의해 경계부(LCA) 내부의 증기를 방출배관을 통해 IRWST의 재장전수로 방출함으로써, 증기관파단사고 등과 같은 원전 사고 시 종래의 대규모 해수 냉각 시설을 이용하지 않고도 원전의 장기 냉각이 가능하다. 종래의 해수 펌프의 고장으로 인한 장기 냉각 불능이 발생할 염려가 없어서 원전의 안전성을 향상시킬 수 있다. 종래의 해수를 이용한 대규모 냉각 시설이 불필요하므로, 원전의 건설비용을 절감할 수 있다. 아울러, 해수가 없어도 원전 건설이 가능하여 원전의 입지에 대한 한정된 조건을 완화할 수 있다.

둘째, 비상냉각탱크는 증기배관을 통해 경계부의 상부에 연통되고, 내부에 열교환기와 비상냉각수를 수용하며, 장기 냉각 시 재장전수의 수위 증가로 방출배관의 작동이 불가능한 경우에도 경계부의 증기를 열교환기를 통해 비상냉각수와 열교환 함으로써, 원전의 장기 냉각을 수행할 수 있다.

셋째, 제1회수배관은 열교환기와 IRWST에 연결되고, 열교환기를 통해 응축된 경계부의 증기를 재장전수로 방출함으로써, 원전의 장기 냉각이 가능하다.

넷째, 제2회수배관은 열교환기와 경계부와 연결되고, IRWST를 관통하여 연장되고, 열교환기를 통해 응축된 경계부의 증기가 재장전수와 열교환 후 경계부의 내부로 회수됨으로써, 증기의 냉각 순환이 반복되어 원전의 장기 냉각이 가능하다.

다섯째, 방사성 물질 저감 수조는 IRWST의 상부에 배치되고, 내부에 IRWST의 상부공간과 연통되는 증기유입관과 냉각수를 수용하고, IRWST의 비응축수 증기가 증기유입관을 통해 IRWST로 방출됨으로써, 방사성 물질을 저감할 수 있다.

여섯째, 제3회수배관은 열교환기와 방사성 물질 저감 수조에 연결되고, 열교환기를 통해 응축된 경계부의 증기가 방사성 물질 저감 수조로 회수됨으로써, 증기의 방사성 물질 저감 및 냉각 순환이 장기적으로 수행될 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원전을 보여주는 개념도이다.
도 1b는 도 1a에서 원전 사고 초반 시 경계부의 증기가 방출배관을 통해 격납부내핵연료재장전수저장부(IRWST)로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.
도 1c는 도 1a에서 원전 사고 시점부터 일정 시간이 경과 후, 경계부의 증기가 방출배관과 제1회수배관 각각을 통해 IRWST로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.
도 1d는 도 1a에서 원전 사고 시점부터 3일 경과 후, 경계부의 증기가 비상냉각탱크(ECT)를 통과하여 제2회수배관을 통해 IRWST로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.
도 2는 본 발명의 원자로 장기 냉각 계통에 의한 냉각 시 시간의 흐름에 대한 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1a에서 원전 중대사고 시 경계부의 증기가 ECT를 통과하여 제3회수배관을 통해 방사성 물질 저감 수조로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 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.

본 발명의 원전의 장기 냉각 계통을 설명하기에 앞서, 본 발명의 원전(100)에 대하여 먼저 설명될 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원전(100)을 보여주는 개념도이다.

도 1a를 참조하면, 원전(100)은 격납부(10), 경계부(20), 격납부내 핵연료재장전수저장부(In-Containment Water Storage Tank, 이하 IRWST)(30), 비상냉각탱크(Emergency Cooling Tank, 이하 ECT)(40) 및 방사성 물질 저감 수조(50)를 구비한다.

격납부(10)는 방사성 물질의 누출을 방지하도록 경계부(20)를 감싸는 최종 경계를 형성한다. 본 발명에서 격납부(10)는 원전(100)에서 격납건물, 원자로건물, 격납용기, 안전보호용기 등을 통칭한다. 격납부(10)는 방사성 물질 저감 설비 2차 경계(Upper Containment Area, UCA)로 명명될 수도 있다.

경계부(20)는 방사성 물질 저감 설비의 1차 경계(Lower Containment Area,LCA)로 명명될 수도 있다. 경계부(20)는 격납부(10)의 내부에 구비된다. 경계부(20)는 제1공간(21a)과 제2공간(21b)을 구획할 수 있다. 제1공간(21a)은 원자로냉각재계통(21)을 수용한다. 제2공간(21b)은 제1공간(20a)과 격납부(10) 사이에 형성된다. 상세하게, 제2공간(20b)은 제1공간(20a)과 비교하여 대형공간으로 형성될 수 있다. 덧붙여, 제1공간(20a)은 경계부(20)의 내부라고 지칭될 수 있으며, 제2공간(20b)은 경계부(20)의 외부라고 지칭될 수 있다. 제2공간(21b)은 격납부(10)의 내부에 형성된다.

경계부(20)는 제1경계부(201)와 제2경계부(202)로 구성될 수 있다. 제1경계부(201)는 원자로냉각재계통(21)을 내부에 수용한다. 제2경계부(202)는 제1경계부(201)의 상부 일측과 연통되게 형성된다.

원자로냉각재계통(21)은 재장전 풀(Refueling Pool)의 내부에 수용된다. 재장전 풀의 상부에 개구부가 형성된다. CPRSS 커버는 재장전 풀의 개구부를 개폐 가능하게 설치된다. CPRSS는 격납건물 압력 및 방사능 저감계통(Containment Pressure and Radioactivity Suppression System)이다.

경계부(20) 내부에는 노심(211) 및 증기 발생기를 구비하는 원자로냉각재계통(21), 자동감압계통(Automatic Depressurization System, ADS)(22), 안전주입탱크(SafetyInjection Tank, SIT)(23), 노심보충탱크(Core Makeup Tank, CMT)(24), 방출배관(25) 및 체크밸브(25a)가 수용될 수 있다. 방출배관(25)과 체크밸브(25a)는 경계부(20)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들면, 방출배관(25)은 경계부(20)의 일측과 IRWST(30) 사이에 배치될 수 있다.

방출배관(25)은 제1공간(21a)과 제2공간(21b) 사이에 배치되거나 제2공간(21b)에 구비될 수 있다.

원자로냉각재계통(21)은 냉각수를 순환시켜 노심(211)과 내부구조물로부터 열을 제거하고, 노심(211)에서 발생한 열을 증기발생기로 전달하도록 구성된다. 원자로냉각재계통(21)은 일체형 원자로의 경우에 원자로 용기를 지칭한다. 원자로 용기의 내부에 원자로냉각재펌프(212)가 구비될 수 있다. 원자로냉각재펌프(212)는 냉각수를 강제 순환하여 증기발생기의 1차유로로 전달할 수 있다. 가압기는 원자로 용기의 상부에 배치될 수 있다. 가압기는 원자로냉각재계통(21)의 압력을 일정하게 유지하는 역할을 한다.

제2경계부(202)는 자동감압계통(22), 안전주입탱크(23) 및 노심보충탱크(24)를 수용하도록 구성된다. 제2경계부(202)는 제1경계부(201)의 상부에서 상방향으로 연장된다. 제2경계부(202)의 하측은 제1경계부(201)의 상부와 연통되게 연결된다.

자동감압계통(22), 안전주입탱크(23) 및 노심보충탱크(24)는 원전(100) 사고 시에 서로 유기적으로 작동하여 피동안전주입계통을 형성할 수 있다.

자동감압계통(22)은 원전(100)의 과압(overpressure) 사고 시 원자로냉각재계통(21)의 과압(overpressure)에 의한 손상을 방지하도록 원자로냉각재계통(21) 내부의 압력을 일정 수준 이하로 낮추도록 이루어진다. 자동감압계통(22)은 감압배관(221) 및 복수의 밸브로 구성될 수 있다. 자동감압계통(22)의 일측은 원자로 용기의 상단부에 연통되게 연결되고, 자동감압계통(22)의 타측은 제1경계부(201)의 상부공간에서 제2경계부(202)의 상부공간에 연통되게 연장된다. 자동감압계통(22)은 원자로냉각재계통(21)의 압력이 기설정된 압력 이상으로 상승하는 경우에 원자로냉각재계통(21)의 증기를 제2경계부(202)의 상부공간으로 전달한다.

안전주입계통(26)은 사고 시 안전주입수를 원자로냉각재계통(21)으로 주입하도록 구성된다. 안전주입탱크(23)와 노심보충탱크(24)는 붕산수 등과 같은 안전주입수를 원자로냉각재계통(21)에 주입하도록 구성된다.

안전주입탱크(23)와 노심보충탱크(24) 각각은 원자로냉각재계통(21)에 병렬 또는 직렬로 배관에 의해 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 안전주입탱크(23)와 노심보충탱크(24)는 직렬로 연결된 모습을 보여준다.

안전주입계통(26)은 안전주입탱크(23), 노심보충탱크(24), 압력평형배관(231) 및 안전주입배관(241)을 포함한다.

안전주입탱크(23)는 노심보충탱크(24)의 상부에 배치될 수 있다. 안전주입탱크(23)와 노심보충탱크(24)는 연결배관(232)에 의해 서로 연통되게 연결될 수 있다. 안전주입탱크(23)에 저장된 안전주입수(붕산수)는 연결배관(232)을 통해 노심보충탱크(24)로 주입될 수 있다.

압력평형배관(231)은 일측이 원자로냉각재계통(21)(일체형원자로의 경우 원자로용기임)의 상단부에 연통되게 연결되고, 타측이 안전주입탱크(23)의 상부에 연통되게 연결될 수 있다. 압력평형배관(231)은 원자로냉각재계통(21)과 안전주입탱크(23) 상호간의 압력평형을 이룰 수 있다. 안전주입탱크(23)와 노심보충탱크(24)는 연결배관(232)을 통해 압력평형을 이룰 수 있다.

안전주입배관(241)은 노심보충탱크(24)의 하부와 원자로용기를 연통되게 연결하도록 구성된다. 안전주입수는 중력에 의해 노심보충탱크(24)에서 안전주입배관(241)을 통해 원자로용기의 내부로 주입될 수 있다.

안전주입탱크(23)는 원자로용기보다 더 높게 위치한다. 한편, 방출배관(25)은 경계부(20)의 증기를 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')로 방출하도록 이루어진다. 방출배관(25)의 일측은 경계부(20)와 연통되고, 방출배관(25)의 타측은 IRWST(30)에 연통되게 연결된다.

방출배관(25)의 일측은 방출배관(25)의 타측보다 더 높게 배치된다. 방출배관(25)의 일측은 제1경계부(201)의 상부와 연통되게 연결되고, 방출배관(25)의 타측은 IRWST(30)의 하부와 연통되게 연결된다.

방출배관(25)의 상측에 체크밸브(25a)가 설치될 수 있다. 체크밸브(25a)는 경계부(20)의 내부압력과 IRWST(30)의 재장전수의 압력 차이에 의해 작동된다. 경계부(20)의 내부압력이 IRWST(30)의 압력보다 더 크면 체크밸브(25a)는 개방되고, 경계부(20)의 내부압력이 IRWST(30)의 압력보다 더 작으면 체크밸브(25a)는 폐쇄된다. 체크밸브(25a)는 경계부(20) 내부의 증기의 유동 방향을 단일방향으로 제한한다. 체크밸브(25a)는 경계부(20)의 내부 증기가 IRWST(30)로 이동하도록 제한한다. 즉, 체크밸브(25a)는 IRWST(30)의 재장전수가 방출배관(25)을 따라 경계부(20)로 이동하는 것을 차단한다.

방출배관(25)의 하측에 분사부(251)가 구비될 수 있다. 분사부(251)는 방출배관(25)의 단부에 형성된다. 분사부(251)는 방출배관(25)을 따라 흐르는 경계부(20) 내부의 증기를 재장전수로 분사하도록 구성된다. 분사부(251)는 IRWST(30)의 바닥면과 인접하게 배치될 수 있다. 분사부(251)는 IRWST(30)의 바닥면과 평행하게 연장될 수 있다. 분사부(251)는 복수의 분사홀(252)을 구비한다. 분사부(251)는 재장전수에 침지되게 구성될 수 있다.

따라서, 경계부(20) 내부의 증기는 원전(100) 사고 시 제1공간(20a)과 제2공간(20b)의 압력차이에 의하여 방출배관(25)을 따라 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')로 방출될 수 있다. 이때, 방출배관(25)은 체크밸브(25a)를 구비하여, 제1공간(20a)으로 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')가 역류하는 것을 방지할 수 있다.

나아가, 경계부(20)는 격납부(10)의 내부에 구비되어, 원자로냉각재계통(21)을 수용하는 제1공간(20a)과 격납부(10) 사이에 형성되는 제2공간(20b)을 구획한다. 또한, 경계부(20)는 원전(100)의 사고 시 증기 및 방사성 물질이 제2공간(20b)으로 누출되는 것을 방지하도록 밀봉구조로 형성된다.

따라서, 경계부(20) 내부 제1공간(20a)은 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고와 같은 원전(100) 사고 시에는 방출되는 증기나 방사성 물질을 포함할 수 있다. 이에, 경계부(20)는 사고 시 기화된 증기의 압력을 견딜 수 있는 설계압력으로 형성된다.

격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에는 재장전수(30')가 수용될 수 있다. 원전(100)의 재장전 운전 시, 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)와 원자로냉각재계통(21) 사이에 재장전수가 유동되도록 형성된 재장전수 공급배관(미도시)이 연결된다. 재장전수 공급배관은 원자로냉각재계통(21)으로 재장전수를 공급할 수 있다.

비상냉각탱크(40)는 격납부(10)의 외부에 배치된다. 비상냉각탱크(40)의 내부에 비상냉각수가 저장된다. 비상냉각탱크(40)에 비상냉각수 주입관(42)이 연결될 수 있다. 비상냉각수 주입관(42)의 일측은 비상냉각탱크(40)의 상부에 연통되고, 비상냉각수 주입관(42)의 타측은 외부의 비상냉각수 공급부와 연결될 수 있다. 비상냉각수는 비상냉각수 주입관(42)을 통해 비상냉각탱크(40)로 주입될 수 있다.

비상냉각탱크(ECT)(40)는 원전(100) 사고 시 발생되는 증기를 응축하여 경계부(20) 내부의 온도를 낮추도록 구성된다. 원전(100) 사고 시 발생되는 증기는 비상냉각탱크(ECT)(40)에 수용된 비상냉각수(40')와 열교환하여 냉각된다.

상세하게, 원전(100) 사고 시 발생되는 증기와 비상냉각수(40')의 열교환은 비상냉각탱크(ECT)(40)에 구비된 열교환기(heat exchanger)(41)에서 수행된다. 열교환기(41)에서는 사고 시 경계부(20)로부터 발생되는 증기를 열교환을 통해 냉각시켜 응축수를 형성할 수 있다. 이에, 사고 시 발생되는 증기는 열을 잃으며 냉각되어 경계부(20) 내부의 온도가 낮아질 수 있다. 또한, 비상냉각수 주입관(42)을 구비하여, 외부의 냉각수원을 충전하여 비상냉각탱크(ECT)(40)에 냉각수를 보충할 수 있다.

방사성 물질 저감 수조(50)는 격납부(10)의 내부에 구비될 수 있다. 방사성 물질 저감 수조(50)는 격납부(10)의 제2공간(20b)에 구비된다. 또한, 방사성 물질 저감 수조(50)는 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)의 상부에 배치된다.

방사성 물질 저감 수조(50)는 내부에 증기유입관(51)을 구비할 수 있다.

증기유입관(51)은 제1증기유입관과 제2증기유입관으로 구성될 수 있다. 제1증기유입관은 방사성 물질 저감 수조(50)의 저면에서 상방향으로 수면 위로 연장된다. 제2증기유입관은 제1증기유입관의 상부에서 방사성 물질 저감 수조(50)의 저면을 향해 하방향으로 연장된다. 제1증기유입관과 제2증기유입관은 U자를 거꾸로 뒤집어 놓은 형태의 연결관으로 연결된다.

제1증기유입관의 하측은 IRWST(30)의 상부공간과 연통되게 연결된다. 제1증기유입관의 상측은 제2증기유입관의 상측에 연통되게 연결된다. 제2증기유입관의 하측은 방사성 물질 저감 수조(50)의 내부에 연통되게 연결된다.

IRWST(30)의 상부공간은 밀봉커버에 의해 덮여져서 밀폐될 수 있다.

이에, 원전(100) 사고 시 압력이 높아진 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30) 내부의 증기 또는 방사성 물질은 증기유입관(51)을 따라 이동하며 방사성 물질 저감 수조(50)에 수용된 냉각수(50')에 분사될 수 있다.

따라서, IRWST(30) 상부의 증기 또는 방사성 물질은 냉각수(50')에 의하여 응축될 수 있다. 특히, 방사성 물질은 냉각수(50')에 용해되며 포집될 수 있다. 이에, 냉각수(50')에 분사되어 응축된 증기는 제2공간(20b)에 유입되어, 경계부(20)를 냉각할 수 있으며, 방사성 물질의 농도를 저감할 수 있다.

나아가, 냉각수(50')에서의 방사성 물질의 저감이 효과적으로 수행되기 위해서, 냉각수(50')는 방사성 물질(특히, 아이오딘)의 휘발을 방지하도록 기설정된 값 이상의 pH의 재장전수를 수용하도록 형성될 수 있다. 상세하게 냉각수(50')는 알칼리성을 가지도록 형성될 수 있다. 나아가, 냉각수(50')의 기설정된 값의 pH는 pH 7일 수 있으며, 바람직하게는 pH 7.5 내지 pH 10일 수 있다.

덧붙여, 격납부(10), 경계부(20), 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30), 비상냉각탱크(ECT)(40) 및 방사성 물질 저감 수조(50)는 배관으로 서로 연결될 수 있다.

상세하게, 원전(100)은 증기배관(60), 제1회수배관(70) 내지 제3회수배관(90)을 구비할 수 있으며, 상기 제1배관 내지 제3배관에는 밸브가 구비된다.

상세하게, 증기배관(60)은 경계부(20)와 열교환기(41)를 연결하도록 구성된다. 덧붙여, 증기배관(60) 상에는 증기밸브(60a)가 구비된다.

제1회수배관(70)의 일측은 열교환기(41)에 연결되고, 제1회수배관(70)은 타측은 IRWST(30)의 내부에 연통되게 연결된다. 제1회수배관(70)에 제1밸브(70a)가 설치되어, 제1회수배관(70)을 개폐하도록 구성된다. 제1회수배관(70)은 열교환기(41)에서 연장 형성되어 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')로 증기 및 응축수를 방출하도록 구성된다.

나아가, 제1회수배관(70)의 타측은 전술한 방출배관(25)의 단부에 형성된 분사부(251)보다 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)의 바닥면에서 이격된 거리가 더 멀게 배치된다. 이에, 열교환기(41)로부터 응축된 증기 또는 응축수는 방출배관(25)의 체크밸브(25a)가 작동하는 압력차이 보다 더 작은 압력차이에도 제1회수배관(70)을 통해 IRWST(30)로의 방출이 이루어질 수 있다.

제2회수배관(80)의 일측은 열교환기(41)와 연결되고, 제2회수배관(80)의 타측은 IRWST(30)를 관통하도록 수평하게 연장되어 경계부(20)의 내부에 연통되게 연결될 수 있다. 제2회수배관(80)에 제2밸브(80a)가 설치되어, 제2회수배관(80)을 개폐하도록 구성된다.

열교환기(41)에서 응축된 증기 또는 응축수는 제2회수배관(80)을 따라 하강하며 IRWST(30)를 통과 시 재장전수와 열교환되어 냉각될 수 있다. IRWST(30)를 통과하며 냉각된 증기 또는 응축수는 경계부(20)로 회수될 수 있다.

제1배관의 타측은 IRWST(30)의 바닥면으로부터 높이가 제2회수배관(80)보다 더 높게 위치할 수 있다.

제3회수배관(90)의 일측은 열교환기(41)와 연결되고, 제3회수배관(90)의 타측은 방사성 물질 저감 수조(50)의 내부에 연통되게 연결된다. 제3회수배관(90)에 제3밸브가 설치되어, 제3회수배관(90)을 개폐할 수 있다. 열교환기(41)에서 응축된 증기 또는 응축수는 방사성 물질 저감 수조(50)에 저장된 냉각수(50')로 방출될 수 있다. 전술된 체크밸브(25a) 및 증기밸브(60a), 제1밸브(70a), 제2밸브(80a) 및 제3밸브(90a)는 원전(100) 사고 시에 기설정된 순서로 선택적으로 개폐된다.

제1 내지 제3회수배관(70,80,90)은 열교환기(41)로부터 서로 독립적으로 분리되어 IRWST(30), 경계부(20) 및 방사성 물질 저감 수조(50)에 각각 연결되거나, 열교환기(41)로부터 하나의 배관으로 연장되다가 IRWST(30)의 바닥면으로부터 서로 다른 높이로 이격되는 위치에서 각각 분기 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 내지 제3회수배관(70,80,90)은 열교환기(41)로부터 하나의 배관으로 연장되다가 IRWST(30)의 바닥면으로부터 서로 다른 높이에서 각각 분기 형성된 모습을 보여준다.

이하에서는 전술된 원전(100)의 사고 시 수행되는 원전(100)의 장기 냉각 계통의 작동상태에 대하여 설명한다. 도 1b는 도 1a에서 원전(100) 사고 초반 시 경계부(20)의 증기가 방출배관(25)을 통해 격납부내핵연료재장전수저장부(IRWST(30))로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.

도 1c는 도 1a에서 원전(100) 사고 시점부터 일정 시간이 경과 후, 경계부(20)의 증기가 방출배관(25)과 제1회수배관(70) 각각을 통해 IRWST(30)로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.

도 1d는 도 1a에서 원전(100) 사고 시점부터 3일 경과 후, 경계부(20)의 증기가 비상냉각탱크(ECT)를 통과하여 제2회수배관(80)을 통해 IRWST(30)로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.

원전(100)의 설계기준 사고 초반 시 경계부(20) 내부의 증기압력이 기설정된 압력 이상으로 상승하는 경우에 방출배관(25)의 체크밸브(25a)는 경계부(20) 내부의 증기압력과 분사부(251)에 작용하는 재장전수의 압력 차이에 의해 개방된다.

경계부(20) 내부의 증기압력이 분사부(251)에 작용하는 재장전수 압력보다 더 크면, 체크밸브(25a)가 개방되고, 제1경계부(201) 내부의 증기는 방출배관(25)을 따라 분사부(251)를 향해 하강한다.

경계부(20)의 증기는 분사부(251)의 분사홀(252)을 통해 재장전수로 분사된다.

원전(100) 사고 시점으로부터 일정 시간이 경과된 후 원자로냉각재계통(21)의 압력이 기설정된 압력 이상으로 상승하면, 자동감압계통(22)이 작동을 하여, 원자로냉각재계통(21)의 증기가 감압배관(221)을 따라 상승하여 제2경계부(202)의 상부공간으로 이동한다.

제2경계부(202)의 증기는 제2경계부(202)에 연결된 증기배관(60)을 따라 이동하여 열교환기(41)로 유입된다. 비상냉각탱크(40) 내부의 열교환기(41)는 제2경계부(202)의 증기와 비상냉각탱크(40)의 냉각수를 열교환시켜 응축시킴으로, 제2경계부(202)의 증기를 냉각시킨다.

열교환기(41)에서 응축된 증기 또는 응축수는 제1회수배관(70)을 따라 IRWST(30)로 이동하여 재장전수로 회수된다.

경계부(20)의 증기는 방출배관(25)과 제1회수배관(70)을 통해 재장전수로 방출되면, 경계부(20)의 증기압력은 낮아지고, 재장전수의 수위는 증가한다. 재장전수의 수위가 증가하면 IRWST(30)의 재장전수 압력이 상승함에 따라, 방출배관(25)을 통한 증기의 배출이 감소하며 결국에 정지될 수 있다. 이때, 증기 배출은 제1회수배관(70)을 통해서만 이루어질 수 있다.

원전(100) 사고시점으로부터 일정 기간(예, 3일)이 경과 후, 열교환기(41)로부터 응축된 증기 또는 응축수는 제2회수배관(80)을 따라 하강하고, IRWST(30)를 관통하는 제2회수배관(80)을 따라 이동하면서 증기와 재장전수가 서로 열교환된다.

열교환된 증기는 냉각되어 제1경계부(201)의 내부로 회수된다.

사고 시점으로부터 3일 경과 후, 열교환기(41)로부터 응축된 증기 또는 응축수는 제3회수배관(90)을 따라 하강하고, 방사성 물질 저감 수조(50)로 회수된다.

본 발명에 따른 원전(100)의 장기 냉각 계통은 경계부(20) 내부의 증기를 방출배관(25), 제1회수배관(70), 제2회수배관(80) 및 제3회수배관(90)을 따라 이동시킴으로, 해수의 대규모 냉각시설을 이용하지 않고도 순차적으로 장기 냉각을 수행하여 원전(100)의 안전성이 향상될 수 있다.

방출배관(25), 제1 내지 제3회수배관(70,80,90)을 통한 증기의 장기 냉각은 원전(100) 설계기준 사고 시 발생되는 열원에 의한 피동력으로 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 원전(100)의 장기 냉각 계통은 전력과 같은 별도의 동력원이 배제될 수 있다.

또한, 방출배관(25), 제1 내지 제3회수배관(70,80,90)을 통한 증기의 장기 냉각은 공기 냉각을 통한 장기 냉각 방법이므로, 원전(100)의 건설에서 해수 냉각을 위한 대규모 시설을 배제하여 원전(100)의 건설 비용을 절감할 수 있다. 나아가, 원전(100)의 근거리에 해수가 없는 경우에도 원전(100)의 건설이 가능하여 원전(100)의 입지에 대한 한정된 조건이 완화될 수 있다.

원전(100)의 장기 냉각 방법은 제1냉각 단계, 제2냉각 단계 및 제3냉각 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

도 1b를 참조하면, 제1냉각 단계는 경계부(20) 내부의 증기를 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')로 방출하여 경계부(20) 내부를 냉각할 수 있다.

상세하게, 원전(100) 설계기준 사고 시 경계부(20) 내부에 생성된 증기는 원자로냉각재계통(21) 또는 배관파단으로 생성되는 증기일 수 있으며, 증기는 방사성 물질을 포함하는 증기일 수 있다. 이하, 원전(100)의 사고 시 발생되는 증기라 함은 순수한 증기 또는 방사성 물질을 포함하는 증기를 포괄적으로 지칭한다.

원전(100) 설계기준 사고 시 방출되는 증기는 경계부(20)의 내부로 방출된다. 특히, 자동감압계통(22)을 통해 경계부(20) 상부로 증기가 방출되어, 경계부(20)의 상부에는 다량의 증기가 조성될 수 있다.

원전(100) 설계기준 사고 시 발생된 증기로 인하여 경계부(20) 내부인 제1공간(20a)과 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30) 사이의 압력차이가 발생한다. 이에, 제1경계부(201) 상부의 증기가 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')로 방출되어 경계부(20) 내부를 냉각한다. 이에, 경계부(20) 내부의 온도가 낮아질 수 있고, 경계부(20) 내부의 압력 또한 낮아질 수 있다.

즉, 체크밸브(25a)가 개방되어 경계부(20) 내부의 증기가 재장전수(30')에서 응축되며 경계부(20)의 내부를 냉각한다. 나아가, 재장전수(30')로 방출된 증기는 응축되어 응축수를 형성할 수 있다. 재장전수를 통과하며 형성된 응축수는 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용될 수 있다.

한편, 재장전수(30')에서 응축되지 못한 증기 또는 방사성 물질은 증기유입관(51)을 통해 방사성 물질 저감 수조(50)의 냉각수로 유입되어 응축될 수 있다. 나아가, 방사성 물질은 방사성 물질 저감 수조(50)의 냉각수에서 용해되어 포집될 수 있다.

도 1c를 참조하면, 제2냉각 단계는 경계부(20) 내부의 증기를 열교환기(41)를 통과시켜 비상냉각수와 열교환하고, 제1회수배관(70)을 따라 재장전수(30')로 방출하여 경계부(20)를 냉각할 수 있다. 이에, 경계부(20) 내부의 온도가 낮아질 수 있고, 경계부(20) 내부의 압력 또한 낮아질 수 있다.

또한, 상기 제2냉각 단계는 경계부(20) 내부의 압력이 160kPa에서 작동하여 제1공간(20a)을 냉각하는 것으로, 경계부(20) 내부의 압력은 급격하게 낮아진다. 원전(100)의 장기 냉각 계통에 따른 경계부(20) 내부의 압력변화에 대해서는 도 2에서 설명한다. 덧붙여, 상기 제2냉각 단계에서도 전술된 제1냉각 단계와 마찬가지로 재장전수(30')에서 응축되지 못한 증기는 방사성 물질 저감 수조(50)에서 응축될 수 있다. 나아가, 방사성 물질 또한 방사성 물질 저감 수조(50)에서 용해되어 포집될 수 있다.

한편, 상기 제2냉각 단계를 수행하기 위해, 증기밸브(60a) 및 제1밸브(70a)가 개방된다. 이에, 경계부(20) 내부의 증기가 열교환기(41)에서 열교환되어 응축된 다음 재장전수(30')에 방출되며 경계부(20)의 내부를 냉각할 수 있다. 이에, 경계부(20) 내부의 온도가 낮아질 수 있고, 경계부(20) 내부의 압력 또한 낮아질 수 있다.

상기 제2단계에서의 열교환기(41)를 통과하는 증기는 비상냉각탱크(ECT)(40)에 수용된 비상냉각수(40')와 열교환한다. 따라서, 비상냉각수(40')의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 비상냉각수(40')의 온도 상승은 비상냉각탱크(ECT)(40)를 통해 대기로 방출되며, 냉각되므로 사고 시 발생하는 증기는 지속적으로 냉각될 수 있다.

또한, 상기 제2냉각 단계 초기에는 상기 제1냉각 단계가 동시에 수행될 수 있다. 이에, 경계부(20) 내부의 온도 및 압력이 효과적으로 낮아질 수 있다. 하지만, 상기 제1냉각 단계가 지속적으로 수행됨에 따라, 사고 시 생성되는 증기가 재장전수(30')에 직접 응축되어 재장전수(30')의 수위가 상승할 수 있다. 이에, 제2공간(20b)의 압력이 상승할 수 있다.

제2공간(20b)을 수용하는 격납부(10)의 설계 압력은 경계부(20)의 설계 압력보다 낮게 형성되므로 사고 시 발생된 증기 및 방사성 물질의 외부 유출을 방지하기 위해서 일정 수준의 압력을 유지할 필요가 있다. 따라서, 재장전수(30')에 증기가 직접 응축되어 재장전수(30')의 수위가 상승할 경우, 체크밸브(25a)가 폐쇄된다. 즉, 체크밸브(25a)가 폐쇄되어 분사부(251)를 통한 증기의 방출은 정지된다.

구체적으로, 상기 제2냉각 단계 초기에는 분사부(251)를 통한 증기의 방출과 제1회수배관(70)통한 증기의 방출이 수행되지만, 재장전수(30')의 수위가 상승할 경우에는 제1회수배관(70)통한 증기의 방출만이 수행된다.

도 1d를 참조하면, 제3냉각 단계는 경계부(20) 내부의 증기를 열교환기(41)를 통과시켜 열교환하고, 재장전수(30')를 관통하도록 형성된 제2회수배관으로 다시 열교환하여 냉각한다. 이에, 열교환기(41) 및 재장전수(30')와의 열교환으로 응축된 증기를 제1공간(20a)로 재공급하여 경계부(20) 내부를 냉각한다. 이에, 경계부(20) 내부의 온도가 낮아질 수 있고, 경계부(20) 내부의 압력 또한 낮아질 수 있다.

특히, 상기 제3냉각 단계는 설계기준사고 발생 3일이 경과된 시점에서 수행되어 경계부(20)의 내부를 냉각한다. 설계기준사고 발생 3일이 경과된 시점은 사고가 발생하는 경우 규제요건에서 요구하는 시간이다. 사고 발생 3일 간은 운전원 조치나 비상 발전기를 활용하는 계통의 작동을 배제하고, 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지할 필요가 있다.

하지만, 사고 발생 후 3일 이후는 전력 계통이나 운전원 등을 정상화하여 이들을 활용한 안전계통이 작동할 수 있다. 따라서, 상기 제3냉각 단계에서는 열교환기(41) 및 재장전수(30')를 관통하도록 형성된 제2회수배관에 의한 폐루프(close loop)를 형성하며 열교환으로 충분히 경계부(20) 내부를 냉각할 수 있다.

한편, 상기 제3냉각 단계를 수행하기 증기밸브(60a) 및 제2밸브(80a)가 개방된다. 이에, 경계부(20) 내부의 증기가 열교환기(41) 및 재장전수(30')에서 열교환되어 응축된 다음 경계부(20)에 재공급되어 경계부(20) 내부를 냉각할 수 있다. 이에, 경계부(20) 내부의 온도가 낮아질 수 있고, 경계부(20) 내부의 압력 또한 낮아질 수 있다.

도 2를 참조하면, 원전 설계기준 사고 시 본 발명의 원전(100)의 장기 냉각 계통에 의한 냉각시 시간의 흐름에 대한 각 영역의 압력의 변화를 나타낸다.

원전 설계기준 사고 시 그래프 상의 LCA로 표기된 제1공간(20a)의 급격한 압력 증가가 발생한다. 또한, IRWST(30)로 표기된 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30) 내부의 압력, UCA로 표기된 제2공간(20b)의 압력 순으로 압력이 낮게 형성되며 RRT의 압력 또한 UCA로 표기된 제2공간(20b)의 압력과 유사하게 형성된다. 즉, 원전 설계기준 사고 시 증가하는 압력의 변화가 큰 순서는 LCA로 표기된 제1공간(20a), IRWST(30)로 표기된 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30) 내부, UCA로 표기된 제2공간(20b) 순으로 형성된다. 이는 원전(100)의 사고 시 증기 및 방사성 물질이 제2공간(20b)으로 누출되는 것을 방지하도록 경계부(20)가 밀봉구조로 형성되는 것과 밀접한 관계가 있다.

원전 설계기준 사고 시 초기 제1공간(20a)의 급격한 압력 증가에 상기 제1냉각 단계가 수행되며, 압력이 지속적으로 증가하며, 경계부(20) 내부의 압력이 160kPa에서 상기 제2냉각 단계의 작동될 수 있다. 이에, 원전 설계기준 사고 시 초기 급격하게 증가된 경계부(20) 내부의 압력은 안정적으로 낮아질 수 있다.

나아가, 상기 제2냉각 단계의 초기에는 도 1b 및 도 1c에 도시된 제1냉각 단계 및 제2냉각단계가 동시에 수행되어 제1공간(20a)의 급격한 압력 증가를 막을 수 있으나, 이때의 재장전수(30')의 수위가 상승함에 따른 원전(100)의 위험성이 증가될 수 있다.

이에, 제2냉각 단계가 수행되고, 경계부(20) 내부의 압력이 약 190kPa 으로 떨어질 경우 상기 제1냉각 단계가 종료되고, 도 1c에 도시된 제2냉각 단계만 수행되어 사고 발생 후 3일이 경과되는 시점까지 소폭의 압력 상승이 나타난다.

이후, 사고 발생 후 3일이 경과되는 시점에서 운전원 조치나 비상 발전기를 활용하는 계통이 작동하고, 이에, 제3냉각 단계가 수행되는 장기 냉각이 이루어질 수 있다.

도 3은 도 1a에서 원전(100) 중대사고 시 경계부(20)의 증기가 비상냉각탱크(40)를 통과하여 제3회수배관(90)을 통해 방사성 물질 저감 수조(50)로 방출되는 모습을 보여주는 작동상태도이다.

도 3을 참조하면, 원전(100) 중대사고 시 증기밸브(60a) 및 제3밸브(90a)가 개방되어 경계부(20) 내부인 제1공간(20a)을 냉각하는 장기 냉각 방법이 수행될 수 있다. 원전(100) 중대사고 시에는 전술된 설계기준 사고 시 제1공간(20a)에 생성되는 증기와 방사성물질에 수소가 추가로 생성되어 축적될 수 있다.

즉, 원전(100) 중대사고 시에는 제1공간(20a)의 증기, 방사성물질 및 수소가 열교환기(41)에서 열교환되고 방사성 물질 저감 수조(50)에 수용된 냉각수(50') 내로 방출한다. 이에, 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30) 내부로 증기, 방사성물질 및 수소가 방출되는 것을 방지할 수 있다.

원전(100) 중대사고 시에 상기 제1냉각 단계와 같이 증기밸브 및 제1밸브가 개방되어 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30)에 수용된 재장전수(30')로 수소가 방출된다면 격납부내 핵연료재장전수저장부(IRWST)(30) 상부에 수소가 축적되어 폭발 가능성이 증가하기 때문이다.

다시 도 3을 참고하면, 원전(100) 중대사고 시에는 증기밸브(60a) 및 제3밸브(90a)가 개방되어 열교환기(41)에서 응축된 증기, 방사성물질 및 수소를 제2공간(20b)과 같은 대형의 공간에 방출시키는 냉각 방법이 수행될 수 있다.

상세하게, 증기는 대부분 열교환기(41)에서 응축되어 냉각되며 온도를 낮추고, 압력 또한 감소시킬 수 있다. 또한, 방사성 물질은 알칼리성을 나타내는 냉각수(50')에 용해되어 방사성 물질을 저감할 수 있다. 덧붙여, 수소는 제1공간(20a) 공간에 비교하여 대형공간인 제2공간(20b)에 방출되므로 폭발 가능성을 줄일 수 있다.

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.

100 : 원전 10 : 격납부
20 : 경계부 201 : 제1경계부
202 : 제2경계부 21 : 원자로냉각재계통
211 : 노심 212 : 원자로냉각재펌프
213 : 증기발생기 21a : 제1공간
21b : 제2공간 22 : 자동감압계통(ADS)
221 : 감압배관 23 : 안전주입탱크
24 : 노심보충탱크(CMT) 231 : 압력평형배관
241 : 안전주입배관 232 : 연결배관
25 : 방출배관 25a : 체크밸브
251 : 분사부 252 : 분사홀
26 : 안전주입계통 30 : 격납부내핵연료재장전수저장부(IRWST)
30' : 재장전수 40 : 비상냉각탱크(ECT)
40' : 비상냉각수 41 : 열교환기
42 : 비상냉각수 주입배관 50 : 방사성 물질 저감 수조
50' : 냉각수 51 : 증기유입관
60 : 증기배관 60a : 증기밸브
70 : 제1회수배관 70a : 제1밸브
80 : 제2회수배관 80a : 제2밸브
90 : 제3회수배관 90a : 제3밸브

Claims (23)

1. 원자로냉각재계통을 감싸고, 상기 원자로냉각재계통로부터 발생하는 방사성 물질을 함유한 증기가 방출부 이외의 경로로 누설되는 것을 방지하는 경계부;
   상기 경계부의 외부에 배치되고, 내부에 재장전수를 저장하는 격납부내핵연료재장전수저장부; 및
   상기 경계부와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하고, 사고 시 상기 경계부의 증기를 상기 재장전수로 방출하는 방출배관을 포함하고,
   상기 경계부는,
   상기 원자로냉각재계통을 감싸는 제1경계부; 및
   상기 제1경계부와 연통되고, 사고 시 상기 원자로냉각재계통에 비상냉각수를 안전 주입하는 안전주입계통을 감싸는 제2경계부를 포함하고,
   상기 제2경계부는 상기 제1경계부보다 높게 위치하고,
   상기 원자로냉각재계통의 압력을 낮추는 자동감압계통은 상기 제2경계부의 내부에 수용되고,
   상기 자동감압계통은 일측이 상기 원자로냉각재계통의 상부에 연결되고, 타측이 상기 제2경계부의 상부로 연장되어, 상기 원자로냉각재계통의 증기를 상기 제1경계부에서 상기 제2경계부로 방출하는 원자로 장기 냉각 계통.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방출배관의 단부에 형성되고, 상기 방출배관을 따라 흐르는 상기 증기를 상기 재장전수로 분사하는 분사부를 포함하는 원자로 장기 냉각 계통.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방출배관은,
   일측은 상기 재장전수의 수위보다 더 높은 위치의 상기 경계부와 연결되고, 타측은 상기 수위보다 더 낮은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 하부에 연결되고, 상기 경계부의 내부 압력과 상기 방출배관의 타측에서의 압력 차이에 의해 상기 증기가 상기 재장전수로 방출되는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
4. 제2항에 있어서,
   상기 분사부는 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면과 인접하게 배치되며 상기 바닥면과 평행하게 연장되고, 복수의 분사홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
5. 제1항에 있어서,
   상기 격납부내핵연료재장전수저장부로부터 상기 경계부로의 재장전수의 역류를 방지하도록, 상기 방출배관에 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 안전주입계통은,
   상기 원자로냉각재계통에 연통되게 연결되는 안전주입탱크 및 노심보충탱크 중 적어도 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
8. 삭제
9. 원자로냉각재계통을 감싸고, 상기 원자로냉각재계통로부터 발생하는 방사성 물질을 함유한 증기가 방출부 이외의 경로로 누설되는 것을 방지하는 경계부;
   상기 경계부의 외부에 배치되고, 내부에 재장전수를 저장하는 격납부내핵연료재장전수저장부;
   상기 경계부와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하고, 사고 시 상기 경계부의 증기를 상기 재장전수로 방출하는 방출배관; 및
   상기 방출배관의 단부에 형성되고, 상기 방출배관을 따라 흐르는 상기 증기를 상기 재장전수로 분사하는 분사부를 포함하고,
   상기 경계부의 전체를 둘러싸고, 방사성 물질 저감을 위한 최종 경계 역할을 하는 격납부; 및
   상기 경계부로부터 전달되는 증기와 열교환을 하는 열교환기를 내부에 구비하는 비상냉각탱크;
   상기 경계부와 상기 열교환기를 연결하는 증기배관; 및
   상기 열교환기와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하고, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면으로부터 상기 분사부보다 더 높게 위치하는 제1회수배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
10. 제9항에 있어서,
    상기 비상냉각탱크는 상기 격납부의 외부에 상기 격납부내핵연료재장전수저장부보다 높게 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
11. 제9항에 있어서,
    상기 비상냉각탱크는 상기 열교환기와 열교환 가능하게 내부에 비상냉각수를 저장하고,
    상기 비상냉각탱크의 내부에 외부로부터 공급되는 비상냉각수를 보충하는 냉각수보충배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
12. 삭제
13. 제9항에 있어서,
    상기 방출배관은 사고 초반 시 상기 경계부로부터 상기 증기를 상기 재장전수로 방출하고,
    상기 증기는 상기 사고 초반으로부터 기설정된 시간 경과 시 상기 방출배관과 상기 제1회수배관 각각을 통해 상기 재장전수로 방출되는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
14. 제13항에 있어서,
    상기 경계부의 증기는 상기 방출배관을 통해 상기 재장전수로 방출되어 응축되고, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 수위가 상승함에 따라 상기 방출배관을 통해 방출되는 증기는 정지되고,
    상기 경계부의 증기는 상기 증기배관을 따라 상기 열교환기로 유입되어 열교환을 통해 응축되는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
15. 제9항에 있어서,
    상기 열교환기와 상기 경계부의 하부를 연결하고, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 관통하여 연장되고, 상기 열교환기로부터 응축된 증기를 상기 재장전수와 열교환시키며 상기 경계부의 하부로 회수하는 제2회수배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
16. 제9항에 있어서,
    상기 격납부의 내부에 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로부터 더 높게 이격 배치되고, 내부에 냉각수를 저장하는 방사성 물질 저감 수조; 및
    일측은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 상부공간과 연통되게 연결되고, 타측은 상기 방사성 물질 저감 수조의 내부로 연장되어, 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로부터 상기 상부공간으로 방출된 증기를 상기 방사성 물질 저감 수조의 냉각수로 유입시키는 증기유입관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
17. 제16항에 있어서,
    상기 증기유입관은,
    상기 방사성 물질 저감 수조의 바닥면에서 상기 방사성 물질 저감 수조의 수면 위로 상방향으로 연장되는 제1증기유입관; 및
    일측은 상기 제1증기유입관의 상단부와 연통되게 연결되고, 타측은 상기 방사성 물질 저감 수조의 바닥면과 인접하게 하방향으로 연장되며 상기 방사성 물질 저감 수조의 내부와 연통되는 제2증기유입관을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
18. 제16항에 있어서,
    상기 열교환기와 상기 방사성 물질 저감 수조를 연결하고, 상기 열교환기로부터 응축된 증기를 상기 방사성 물질 저감 수조로 방출하는 제3회수배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 장기 냉각 계통.
19. 원자로냉각재계통;
    상기 원자로냉각재계통을 감싸고, 상기 원자로냉각재계통을 수용하는 제1공간을 구비하는 경계부;
    상기 경계부를 감싸고, 상기 경계부를 수용하는 제2공간을 구비하는 격납부;
    상기 경계부와 상기 격납부 사이의 제2공간 하부에 배치되고, 재장전수를 내부에 저장하는 격납부내핵연료재장전수저장부; 및
    사고 시 상기 경계부에서 발생하는 방사성 물질을 함유한 증기를 상기 경계부의 외부로 방출하여 응축시키는 원자로 장기 냉각 계통을 포함하고,
    상기 원자로 장기 냉각 계통은,
    일측은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면보다 높게 위치하는 상기 경계부의 일측과 연결되고, 타측은 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 바닥면과 인접하며 연통되게 연결되고, 사고 시 상기 경계부 내부의 증기를 상기 재장전수로 방출하는 방출배관;
    상기 격납부의 외부에 배치되고, 내부에 열교환기를 구비하며 상기 경계부로부터 전달되는 증기와 비상냉각수의 열교환을 통해 상기 증기를 냉각하는 비상냉각탱크;
    상기 열교환기와 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 연결하는 제1회수배관; 및
    상기 열교환기로부터 상기 격납부내핵연료재장전수저장부를 관통하여 상기 경계부의 하부로 연결되는 제2회수배관을 더 포함하고,
    사고 초반 시 상기 경계부에서 발생한 증기를 상기 방출배관을 통해 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 재장전수로 방출하고,
    상기 사고 초반으로부터 기설정된 시간이 경과 후, 상기 경계부의 증기를 상기 방출배관를 통해 상기 재장전수로 방출하며, 이와 함께 상기 열교환기를 통해 응축된 증기를 상기 제1회수배관을 통해 상기 격납부내핵연료재장전수저장부로 회수하고,
    상기 사고 시로부터 기설정된 기간이 경과 후, 상기 열교환기로부터 응축된 증기를 상기 제2회수배관을 통해 상기 재장전수와 열교환하여 응축된 응축수를 상기 경계부로 회수하는 것을 특징으로 하는 원전.
20. 삭제
21. 삭제
22. 제19항에 있어서,
    상기 경계부의 증기가 상기 방출배관과 상기 제1회수배관 각각을 통해 상기 격납부내핵연료재장전수저장부의 재장전수로 방출되어, 상기 재장전수의 수위가 상승함에 따라 상기 방출배관을 통해 방출되는 증기는 정지되고, 상기 열교환기로 유입되는 증기는 상기 비상냉각탱크의 비상냉각수에 의해 응축되는 것을 특징으로 하는 원전.
23. 삭제

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