KR102273291B1 - 원자로건물의 냉각시스템 및 이를 이용한 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로건물의 냉각시스템 및 냉각방법에 관한 것으로서, 일체형 원자로가 위치한 격리공간에서 누출된 가스의 경로를 바꾸어 기체흡착수단이 마련된 배관에 통과시킬 수 있다. 따라서, 누출된 가스가 열교환기에 도달하기 전에 미리 불응축성가스를 제거함으로써 잔류 불응축성가스에 의해 열교환기의 열 제거 효율이 저하되는 현상을 막을 수 있다.

Description

원자로건물의 냉각시스템 및 이를 이용한 냉각방법{Cooling system of containment building and cooling method using the system}

본 발명은 원자로건물의 냉각시스템 및 이를 이용한 냉각방법에 관한 것이다. 상세하게는, 원자로건물 내부의 일체형 원자로가 위치한 격리공간에서 증기와 불응축성 가스혼합물이 누출될 경우, 이를 원자로건물 외부에 위치한 냉각수탱크로 이송하여 응축시키는 냉각시스템과 그 냉각방법에 관한 것이다.

종래의 일체형 원자로의 원자로건물 냉각시스템(Passive Containment Cooling System, PCCS)은 원자로건물 외부에 냉각수탱크가 위치하고, 상기 냉각수탱크 내에 열교환기가 구비되며, 열교환기에서 증기 및 기타 가스 기체의 열교환이 이루어짐으로써 격납건물 내부를 냉각한다.

도1은 종래의 냉각시스템을 설명한다. 일체형 원자로(230)가 위치한 격리공간(220)에서 증기 및 기타 가스혼합물이 누출된 경우, 누출된 기체가 유입배관(260)을 따라 이동하고, 냉각수탱크(240) 내부의 열교환기(250)에 도달하여 열 제거 과정이 이루어진다.

그러나, 원자로 사고 시 방출되는 기체는 증기 등의 응축성가스 뿐만 아니라 불응축성의 가스혼합물도 존재한다. 응축성 가스는 열교환기를 통해 냉각하는 과정에서 응축되어 배관을 통해 빠져나가지만, 불응축성 가스는 배출되지 않고 열교환기 내부에 잔류하여 열교환기의 열 제거 효율을 저하시킨다.

도2를 참조하면, 열교환기(250)의 상부헤더(251)와 튜브(252), 하부헤더(253)에 잔류하는 불응축성가스(10)를 도시한다. 이와 같이, 열교환기(250)에 잔류한 불응축성가스(10)는 열교환기(250)의 효율을 떨어뜨려 냉각시스템의 전반적인 성능을 저하한다.

원자로 가스 누출 사고 초반에는 누출된 가스 중 증기의 비율이 높고 유체의 속도가 빨라 열교환기의 열 제거 효율이 크게 저하되지 않는다. 그러나, 사고 후반부로 갈수록 방출되는 증기량은 적어지고 불응축성 가스의 비율이 높아지면서 열교환기의 열 제거 효율이 점점 악화될 수 있다.

종래 이러한 불응축성 가스를 열교환기로부터 국부적으로 제거하기 위해 Ejector나 Fan 등의 능동계통을 사용하는 기술이 있으나, 이러한 기술은 국부적으로 불응축성 가스를 제거하는 것에 불과하여 열교환기 전체의 성능 향상을 이루기에 한계가 있는바, 개선의 필요성이 있다.

공개특허공보 특1997-0051468(1997.07.29.공개)

본 발명은 상술한 문제점을 개선한 것으로서, 열교환기에서 불응축성 가스를 국부적으로 제거하는 것이 아니라, 누출된 가스가 열교환기 내부로 진입하기 전 불응축성 가스를 처리하여 열교환기의 효율을 전반적으로 향상시키는 냉각시스템 및 냉각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 원자로건물의 냉각시스템 또는 이를 이용한 냉각방법에 관한 것으로서, 일체형 원자로가 위치한 격리공간 외부에 냉각수탱크가 위치하고, 상기 냉각수탱크 내부에 열교환기가 위치하며, 상기 원자로의 가스 누출 시 상기 가스가 상기 열교환기로 이송되어 열이 제거되는 냉각시스템에 있어서, 상기 원자로에서 누출된 가스를 상기 열교환기로 안내하는 배출배관과 상기 열교환기에서 열이 제거된 응축수를 회수하는 회수배관 및 상기 회수배관을 통해 회수된 응축수를 모으는 재장전수탱크를 포함하며, 상기 배출배관은 불응축성가스를 제거하는 기체흡착수단을 구비한다.

바람직하게는 상기 배출배관은 제1 배관과 제2 배관을 포함하고, 상기 제2 배관은 입구와 출구가 상기 제1 배관에 연결되며 상기 기체흡착수단을 포함하여, 누출된 가스가 상기 기체흡착수단을 통과하여 지나가도록 한다.

또한, 바람직하게는 상기 기체흡착수단은 산소흡착필터 또는 질소흡착필터를 포함한다.

또한, 바람직하게는 상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 밸브를 포함하고, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 중 어느 하나가 개방된다.

또한, 바람직하게는 상기 원자로의 가스 누출 시, 상기 열교환기의 열 제거 효율에 따라 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 중 어느 하나를 개방할 수 있다.

또한, 전술한 냉각시스템을 이용한 냉각방법에 있어서, (a) 일체형 원자로의 가스 누출 시, 제1 배관을 통해 누출된 가스를 열교환기로 이송하는 제1 단계와 (b) 상기 열교환기의 열교환 효율을 판단하는 제2 단계 및 (c) 상기 제2 단계의 판단 결과에 따라 특정한 시점에 상기 제1 배관을 닫고, 기체흡착수단이 구비된 제2 배관을 통해 누출된 가스를 이송하는 제3 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 열교환기 내부에 쌓이는 불응축성 가스를 제거하기 위해 능동형 장비를 이용하지 않으므로 시스템의 신뢰도가 향상된다.

또한, 열교환기 내부에 진입하기 전에 불응축성 가스가 처리되어 열교환기의 전반적인 성능향상을 기대할 수 있다.

또한, Ejector 또는 Blower와 같은 능동형 장치 대비 구조와 설계가 단순하여 현장에 적용이 용이하다.

도 1은 종래의 일체형 원자로 격납건물의 냉각시스템이다.
도 2는 열교환기 내부의 잔류 불응축성 가스를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자로건물의 냉각시스템이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기체흡착필터이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(100)을 도시한 것이다. 도3을 참조하면, 원자로건물(110) 내부에 일체형원자로(130)가 위치하는 별도의 격리공간(120)이 형성된다. 격리공간(120)은 원자로건물(110) 내부의 다른 공간과 분리되고 폐쇄되어 있으며, 격리공간(120)의 내부는 배출배관(160)과 연결된다.

격리공간(120)은 도면에 도시된 형상 또는 위치에 한정되는 것은 아니며, 일체형원자로(130)의 운영을 위해 원자로건물(110) 내부의 폐쇄된 공간으로서 형성될 수 있다.

냉각수탱크(140)는 원자로건물(110)의 상부 측면에 형성될 수 있다. 냉각수탱크(140)는 내부의 수용공간에 냉각수를 구비하며, 배출배관(160)의 일 측에 연결된 열교환기(150)가 냉각수탱크(140) 내부에 위치한다. 따라서, 배출배관(160)을 통해 열교환기(150)에 도달한 증기 또는 기타 가스혼합물이 냉각수탱크(140) 내부의 냉각수와 열 교환하여 응축이 일어난다.

냉각수탱크(140)의 형상은 한정되지 않으나, 사각형의 단면을 갖는 것이 제작 및 운용의 편의상 바람직할 것이다. 또한, 냉각수탱크(140)는 열교환기(150) 내부의 응축수가 수두차에 의해 자연 배출되도록 적당한 높이에 위치한다.

열교환기(150) 내부에서 형성된 응축수는 회수배관(170)을 따라 재활용될 수 있다. 회수배관(170)의 일단은 열교환기(150)와 연결되고 타단은 원자로건물(110) 내부의 재장전수탱크(180)에 연결되어, 응축수가 재장전수탱크(180)로 이송될 수 있다. 또한, 그 밖에 장소에 회수배관(170)을 연결하여 응축수를 유도하도록 할 수 있을 것이다.

한편, 배출배관(160)은 제1 배관(161)과 제2 배관(162)을 포함할 수 있다. 제1 배관(161)은 일측이 격리공간(120) 내부와 연결되고, 타측이 열교환기(150)의 상부헤더와 연결된다. 따라서, 격리공간(120) 내부에서 누출된 가스를 열교환기(150)로 이송하는 통로의 기능을 한다.

제2 배관(162)은 제1 배관(161)으로부터 분기되었다가 다시 결합하는 라인이다. 따라서, 제2 배관(162)의 일측과 타측은 제1 배관과 연결된다. 또한, 제2 배관(162)은 기체흡착수단(163)을 포함할 수 있다. 기체흡착수단(163)은 제2 배관(162)을 흐르는 물질이 기체흡착수단(163)을 통과하도록 형성되어 불응축성가스를 제거할 수 있다. 도4를 참조하면, 기체흡착수단(163)은 산소흡착필터(165) 또는 질소흡착필터(166)를 포함하며, 상기 필터들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예상되는 불응축성가스의 종류 또는 양에 따라 기체흡착수단(163)을 구성하는 흡착필터의 구성은 적절히 변형될 수 있다.

제1 배관(161)과 제2 배관(162)은 각각 가스 유입부에 밸브(164)를 포함한다. 따라서, 제1 배관(161)을 따라 이동하던 유체는 밸브(164)의 상태에 따라 제1 배관(161)으로 계속 흐르거나 제2 배관(162)으로 흐를 수 있다.

전술한 바와 같이, 원전 사고 초반에는 누출 가스 중 증기의 함량이 높고 누출 가스의 유속이 빨라 열교환기(150)의 열 제거 효율이 크게 낮아지지 않는다. 그러나 사고 후 시간이 지날수록 증기의 함량이 낮아지고 누출 가스의 유속이 느려지면서, 열교환기(150) 내부에 잔류한 불응축성가스에 의해 열 제거 효율이 떨어진다.

본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(100)은 격리공간(120) 내부에서 누출된 가스가 특정 시점부터 제2 배관(162)을 따라 열교환기(150)에 도달하도록 한다. 누출 가스는 기체흡착수단(163)에 의해 불응축성가스가 제거되므로, 불응축성가스가 열교환기(150) 내부에 잔류할 수 없다. 또한, 제2 배관(162)에서의 흐름이 기체흡착수단(163) 때문에 느려지더라도 격리공간(120)이 고압 조건이므로 제2 배관(162)을 흐르는 누출 가스가 역류할 염려가 없다.

격리공간(120)에서 가스 누출 시, 열교환기(150)의 열 제거 효율에 따라 제1 배관(161)과 제2 배관(162)을 선택적으로 오픈할 수 있다. 사고 초반부에는 제1 배관(161)만 개방하여 누출 가스가 흐르도록 하고, 열교환기(150)에서 열 제거 효율을 지속적으로 관찰하여 특정한 시점에 제1 배관(161)을 닫고, 제2 배관(162)을 개방할 수 있다.

열교환기(150)의 열 제거 효율은 열교환기(150) 상하부의 온도 차이, 응축수의 양 또는 그 밖에 공지의 방식에 의해 판단할 수 있다. 이러한 방식으로 측정된 열교환기(150)의 상태 또는 누출되는 가스 물질의 압력, 유체 속도 등을 고려하여 시스템 운전원은 기체흡착수단(163)의 가용 시점을 판단할 수 있다.

보다 자세하게 냉각시스템의 냉각방법을 설명하면, 격리공간(120) 내부의 일체형원자로(130)에서 가스 누출사고 발생 시, 누출된 가스가 제1 배관(161)을 따라 냉각수탱크(140) 내부의 열교환기(150)로 이송된다. 그다음 열교환기(150)에서 열교환 과정이 이루어지며, 측정이 가능한 데이터에 의해 열교환 효율이 판단된다. 그다음 이전 과정에서 판단한 결과에 따라 특정 시점에 제1 배관(161)을 닫고, 제2 배관(162)을 열어 누출된 가스가 제2 배관(162)의 기체흡착수단(163)을 통과하여 열교환기(150)에 도달하게 한다.

이와같은 과정을 통해, 누출 가스에 포함된 불응축성가스를 미리 제거함으로써 열교환 효율을 지속적으로 건전하게 유지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

10: 잔류불응축성가스
100: 본 발명의 실시예에 따른 원자로건물의 냉각시스템
110: 원자로건물
120: 격리공간
130: 일체형원자로
140: 냉각수탱크
150: 열교환기
160: 배출배관
161: 제1 배관
162: 제2 배관
163: 기체흡착수단
164: 밸브
165: 산소흡착필터
166: 질소흡착필터
170: 응축수회수배관
180: 재장전수탱크
200: 종래의 일체형 원자로 격납건물의 냉각시스템
210: 원자로건물
220: 격리공간
230: 일체형원자로
240: 냉각수탱크
250: 열교환기
251: 상부헤더
252: 튜브
253: 하부헤더
260: 유입배관
270: 응축수회수배관
280: 재장전수탱크

Claims (6)

1. 일체형 원자로가 위치한 격리공간 외부에 냉각수탱크가 위치하고, 상기 냉각수탱크 내부에 열교환기가 위치하며, 상기 원자로의 가스 누출 시 상기 가스가 상기 열교환기로 이송되어 열이 제거되는 냉각시스템에 있어서,
   상기 원자로에서 누출된 가스를 상기 열교환기로 안내하는 배출배관;
   상기 열교환기에서 열이 제거된 응축수를 회수하는 회수배관; 및
   상기 회수배관을 통해 회수된 응축수를 모으는 재장전수탱크를 포함하고,
   상기 배출배관은,
   제1 배관과 제2 배관으로 구성되며, 상기 제2 배관은 불응축성가스를 제거하는 기체흡착수단을 구비하고 입구와 출구가 상기 제1 배관에 연결되며,
   상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 각각 밸브를 구비하여 상기 열교환기의 열 제거 효율에 따라 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 중 어느 하나는 개방되고,
   상기 열교환기의 열 제거 효율은 상기 열교환기의 상부와 하부의 온도 차이, 응축수의 양, 누출 가스의 압력 또는 누출 가스의 속도를 고려하여 판단되며,
   상기 기체흡착수단은 산소흡착필터 또는 질소흡착필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
   
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6. 청구항 1의 냉각시스템을 이용한 냉각방법에 있어서,
   (a) 일체형 원자로의 가스 누출 시, 누출된 가스를 제1 배관을 통해 열교환기로 이송하는 제1 단계;
   (b) 상기 열교환기의 상부와 하부의 온도 차이, 응축수의 양, 누출 가스의 압력 또는 누출 가스의 속도를 고려하여 열교환 효율을 판단하는 제2 단계; 및
   (c) 상기 제2 단계에서 열교환 효율이 낮다고 판단되는 경우, 상기 제1 배관을 닫고 기체흡착수단이 구비된 제2 배관을 통해 누출된 가스를 이송하는 제3 단계;를
   를 포함하는 원자로 건물의 냉각방법.

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