KR102302989B1 - 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템의 피트 보호장치, 피트 보호장치용 필터 모듈 및 피트 보호장치용 필터 요소 - Google Patents

수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템의 피트 보호장치, 피트 보호장치용 필터 모듈 및 피트 보호장치용 필터 요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력발전소의 비상 보호 시스템에 관한 것이다. 구체적으로,　본 발명은 냉각수 손실 사고 시에 원자로 코어의 비상냉각 시스템에 관한 것이다. 즉,　 VVER의 비상 냉각 시스템 내의 피트(pit,sump) 보호 장치(SPD), 피트 보호장치의 필터 모듈 및 피트 보호장치의 여과 요소에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 냉각제의 누출로 인한 사고의 경우에 파편(찌꺼기)의 축적으로부터 피트를 보호하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서 피트를 보호하는 장치가 제안되었다. 이 장치는 비상 냉각 시스템의 파이프라인의 흡기구에 연결된 격납고 바닥에 위치한 격납물 피트 상부의 수용구멍에 설치되고 흡입구에 연결된 필터 모듈을 구비하는 필터시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 필터 모듈은 비상 냉각 시스템의 파이프라인의 흡입구로 파편이 침입하는 것을 방지한다. 각각의 필터 모듈은 측방향 표면 및 상부에 슬롯 격자와,　내부 공동이 헤더에 연결되는 구멍이 뚫린 분배 튜브가 내부에 배치된 필터 튜브의 형태로 된 필터 요소를 갖는다.

Description

수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템의 피트 보호장치, 피트 보호장치용 필터 모듈 및 피트 보호장치용 필터 요소
본 발명은 원자력발전소의 비상 보호 시스템에 관한 것이다. 구체적으로,　본 발명은 냉각수 손실 사고 시에 원자로 코어의 비상냉각 시스템에 관한 것이다. 즉,　 VVER의 비상 냉각 시스템 내의 피트(pit,sump) 보호 장치(SPD), 피트 보호장치의 필터 모듈 및 피트 보호장치의 여과 요소에 관한 것이다.
원자로의 설계,　분석 및 운전 시 비상 보호 시스템의 주요 요구 사항은 냉각수 손실 사고(최대 설계 기준 사고)가 발생할 경우 안전을 보장해야 한다는 것이다.　원자로 코어를 통한 냉각제의 예상치 못한 종료는 원자력발전소 전체에 심각한 결과를 초래할 수 있다.　냉각수 흐름의 붕괴는 순환펌프 또는 밸브의 파손 또는 원자로 용기의 입구 또는 원자로 용기의 출구에서 파이프라인의 파열로 인해 발생할 수 있다.
사고가 발생하면 냉각수가 누출된다. 이 물은 인접한 파이프 또는 다른 원자로 구조의 단열재 파괴로 인한 고체의 물질을 운반할 수 있다.　이물질과 함께 물은 원자로 건물의 가장 낮은 곳에 있는 부분의 침전조(피트)로 흘러 들어간다. 발전소에는 물을 원자로의 다양한 냉각시스템으로 다시 펌핑하는 안전시스템이 장착되어 있다.
원자로 격납고(쉘) 아래의 비상용 피트(비상용 구덩이, 침전조)는 안전시스템이 격납 건물 내에서 용액 순환 모드로 전환 된 후 냉각제 손실 사고 중에 축적된 1차 회로의 냉각수와 화학적으로 활성인 용액을 냉각제 손실과 함께 취하도록 설계되었다.
파열로 인한 에너지로 보호 격납고(쉘)에서 장비가 파손되고 파편으로 냉각수가 포화된다.
냉각수가 손실된 사고 과정에서 봉쇄하에 형성된 잔해는 그 성질에 따라 여러 범주로 나눈다:
-잠복 파편;
-단열구조 파괴로 인한 파편;
-부식 방지 코팅의 파괴로 인한 파편;
-냉각제와 보호 쉘의 구조물 및 구조물과의 상호작용 중에 형성되는 화학 파 편.
피트(침전조 구덩이)의 여과면에 쌓인 부스러기는 냉각수의 허용,　탈기 및 비등점 이하에서 안전시스템 펌프의 캐비테이션 저장량을 감소시키는 헤드(수두) 손실을 발생시켜서는 안된다. 잔류물(파편)의 농도와 그 분획물의 조성은 원자로 시설의 열제거 및 사고 후 기간 동안의 안전시스템의 재활용 회로 장비의 작동성에 영향을 주어서는 안된다. 피트의 보호 설계는 어떠한 작동 조건에서도 냉각수의 흐름에서 깔때기가 형성되어서는 안된다.
따라서,　피트는 안전을 위해 중요한 장치이며, 피트를 보호하기 위한 봉쇄장치가 있어야 한다. 이러한 장치는 원자로 건물 및 원자로 설치가 완전히 냉각될 때까지 안전시스템의 펌프에 의한 지속적 재순환을 보장하기에 충분한 범위 내에서 찌꺼기로부터 냉각제를 제거하도록 설계된다.　걸쇠(catches)는 높은 구조 강도와 작동 신뢰성을 가져야한다.
원자로 반응기의 비상냉각 시스템에 있는 유출 파이프라인의 흡입구 위의 피트　바닥에 평평한 직물 필터가 설치되는 것으로 알려져 있다. 필터에는 보강 요소가 장착되거나 휨 보강재가 있을 수 있다(WO2015169752, 2015; S2006075697, 2006).　이러한 장치의 주된 단점은 바닥에 설치되어 사고 후에 축적된 잔해의 층에 쌓여 있으며, 빈번한 막힘으로 인해 작업이 효과적이지 않다는 것이다.　상술된 구조의 필터를 세척하는 것은 필터 섹션을 가로지르는 유동의 불균일한 흐름으로 인해 상당한 시간 및 상당한 유체역학적 힘을 필요로 한다.
원자로의 비상냉각 시스템을 위한 필터 모듈이 있는데, 이 모듈은 동심원 천공 튜브인 필터 요소로 이루어지며, 그 사이에 필터 재료(US20110215059, 2011)　또는 메시 중공 튜브(US20120037559,　2012)가 배치된다.
이러한 장치는 전술한 단점뿐만 아니라,　또한 흐름(유동) 분배기가 없기 때문에,　파편 층이 여과 표면 상에 불균일하게 퇴적되고, 이는 작동 효율의 손실을 초래하는 문제를 가지고 있다. 필터의 효율이 낮으면 안전시스템 펌프의 캐비테이션 스톡이 허용 수준 이하로 감소하는 흐름 헤드의 손실로 이어질 수 있으며 냉각수의 탈기 및 비등을 수반한다. 파이프라인의 흡입구에 설치된 필터는 크기가 작아서 비효율적이다. 흐름 분배기(US20080156712, 2008)를 갖는 필터모듈은 필터모듈을 통과하는 유동의 분배를 제공하지만, 필터요소의 표면을 따르는 유동은 고르지 않아 고르지 않은 파편 층의 형성 및 냉각제 흐름의 깔대기 형성을 초래할 수 있다. 이 소스는 제안된 소스에 가장 가깝다.
전술한 바와 같이, 원자로의 첫번째 회로의 파이프라인이 파손된 사고로 인해 냉각수가 격납 용기의 양단 누출을 초래한다. 이 과정은 과열증기　-　공기 혼합물의 형태로 밀폐 공간으로의 질량 및 에너지를 상당히 방출한다.
이것은 반응기의 탈수를 유도하고,　활성 영역은 잔류열에 의해 가열된다.　동시에 보호 쉘 아래에서 압력과 온도가 증가한다. 파이프라인 파열로 인한　1차회로 냉각수는 격납고의 하부 공간으로 들어간다. 질량과 에너지의 방출의 결과로,　장비 및　밀폐 셀의 부식 방지 코팅이 파괴되고 냉각수는 파편으로 채워진다.
반응기가 코어의 과열 및 용융을 방지하기 위해,　수동부품,　고압 응급 주입 시스템 및 비상 저압 주입 시스템을 포함하는 응급구역 냉각 시스템이 제공된다.　격납고로부터의 압력 감소 및 열 제거는 스프링클러시스템에 의해 영향을 받는다. 붕소 용액 예비는 사고의 첫 단계에서 모든 시스템의 작동에 사용된다.　이 모드에서는 탱크의 냉각수가 반응기로 들어가고 파이프라인에서의 파손물이 하부 수용실로 들어간다.　탱크가 비워진 후에는 모든 시스템이 축적된 냉각수의 재순환으로 전환된다.
이 시점부터 상당량의 부스러기가 포함된 열전달 매체(냉각수)가 원자로의 비상 코어 냉각시스템(ECCS)의 순환 루프 회로로 유입되어 순환 루프의 요소의 실패로 귀결되고 시스템의 보호 기능이 종료될 수 있다.
본 발명의 목적은 찌꺼기(파편)의 축적으로부터 피트를 보호함으로써 냉각제의 정제를 보장하고 지속적인 순환을 유지하는 것이다.
청구된 해결책의 기술적인 결과는 여과 표면상으로의 유동의 균일한 흐름을 보장하고, 파편의 고르지 않은 축적을 방지하며, 또한 필터 부재 자체의 표면을 따라 유동의 균일성을 제공하는 데 있다.
이 문제를 해결하기 위해 수랭식 원자로(VVER)의 비상냉각 시스템에서 피트를 보호하는 장치가 제안되었다. 이 장치는 비상 냉각 시스템의 파이프라인의 흡기구에 연결된 격납고 바닥에 위치한 격납물 피트 상부의 수용구멍에 설치되고 흡입구에 연결된 필터 모듈을 구비하는 필터시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 필터 모듈은 비상 냉각 시스템의 파이프라인의 흡입구로 파편이 침입하는 것을 방지한다. 각각의 필터 모듈은 측방향 표면 및 상부에 슬롯 격자와,　내부의 공동이 헤더에 연결되는 구멍이 뚫린 분배 튜브가 내부에 배치된 필터 튜브의 형태로 된 필터 요소를 갖는다.
바람직하게는,　필터 요소의 튜브(tube, pipe)는 나선형 슬릿의 형태로 천공된다.
바람직하게는,　필터 요소의 튜브는 회전 사이에 갭(gap 또는 slot)을 형성하는 와이어로 제조된다.
와이어는 삼각형 프로파일인 것이 바람직하다.
와이어 프로파일의 단면은　1.0x2.0mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
슬롯 크기는　1mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
수랭식 원자로의 비상냉각 시스템에서 피트 보호장치의 필터 모듈이 또한 제안된다. 이 모듈은 측면 및 상부 슬롯형 격자 및 내부에 배열된 필터 요소를 포함하며, 이 필터 요소는 측면에 슬롯이 있는 일련의 필터 튜브와, 필터 튜브 내부에 배치된 구멍이 뚫린 분배 튜브를 구비하고 있으며, 분배 튜브의 내부 공동은 헤더(수집기)에 연결된다.
바람직하게는,　필터 요소의 튜브는 나선형 슬롯의 형태로 천공된다.
바람직하게는,　필터 요소의 튜브는 회전 사이에 갭을 형성하는 와이어로 제조된다.
와이어는 삼각형 프로파일인 것이 바람직하다.
와이어 프로파일의 단면은　1.0x2.0mm를 초과하지 않는 것이 바람직하고, 슬롯 크기는　1mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
수랭식 원자로의 비상냉각 시스템에서의 피트 보호장치의 필터 요소도 제안된다. 이 요소는 슬롯을 갖는 측면 및 관내 부스에 배치된 구멍이 천공된 분배 튜브를 갖는 파이프의 형태로 만들어지며,　상기 천공된 구멍의 직경은 유동을 따라 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,　유동을 따르는 끝단부에서 천공된 분배 튜브의 구멍의 직경은 튜브의 시작부에 형성한 구멍 직경의 절반을 초과하지 않는다.
본 발명 장치의 실행은 찌꺼기로부터 냉각제를 세정할 수 있게 하고, 쉘 및 원자로 설치가 완전히 냉각될 때까지 안전시스템의 펌프에 의해 지속적 순환을 유지하도록 한다.
또 여과 표면상으로의 유동의 균일한 흐름을 보장하고, 파편의 고르지 않은 축적을 방지하며, 또한 필터 부재 자체의 표면을 따라 유동의 균일성을 제공하는 효과가 있다.
도　1은 피트의 개구 및 그 위에 설치된 필터 모듈을 갖는 원자로 반응기의 격납고의 하부의 개략도이다.
도　2는 피트 입구의 상부에 설치된 필터 모듈의 배치도이다.　
도　3은 피트를 상부로부터 본 평면도이다.
도　4는 필터 모듈의 사시도이다.　
도　5는 필터 요소를 나타낸 도면이다.
도　6은 필터 모듈을 통과하는 냉각수 흐름도를 도시한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이,　원자로의 격납용기(1)의 바닥에는 피트(2)가 있고,　그 상부에는 헤더(4)를 통해 연결된 필터 모듈(3)이 있다.　반응기의 비상냉각 시스템의 파이프라인의 흡입구(6)를 갖는 피트(2)의 흡입구(5)를 통과한다. 필터 모듈(3)은 상부 슬롯 격자(7)와 상부 및 하부 패널(9,10)에 의해 상호 연결된 상부 슬롯 격자(8)를 포함하며,　그 사이에 필터 요소(11)가 보강된다.　필터 요소(11)는 필터 튜브(12)　및 그 내부에 배치된 분배 튜브(13)의 형태로 이루어지며, 분배 튜브(13)에 형성된 복수의 구멍(14,　15)은 유동 방향을 따라 점차 직경이 감소한다.
이 장치는 다음과 같이 작동한다. 격납용기(1)의 보호 셀의 바닥은 냉각제 전달의 최소 속도 및 피트(2)로의 경로를 따라 파편을 침전시킬 가능성을 보장하는 정도의 상당한 치수를 갖는다. 파편잔해가 바닥에 닿기 시작하는 속도는 하천에서 파편이 침강하는 속도보다 크다. 필터 모듈(3)은 바닥 레벨로부터 일정한 높이에 있다. 이것은 파편이 바닥에 도달할 때까지 추가 지연을 제공한다.　피트(2)로 유입된 후 반응기의 비상냉각 시스템의 파이프라인의 흡입구(6)로 유입되기 전에,　파편잔해와 함께 냉각제의 흐름은 피트(2)의 상부에 설치된 필터 모듈(3)을 통과한다. 필터 모듈(3)은 헤더(4)에 의해 피트(2)의 흡입구(수용 구멍)(5)에 연결된다. 그 후,　측부 슬롯 격자(7),　상부 슬롯 격자(8)를 통해,　열전달 매체(냉각제)의 흐름이 필터 모듈(3)로 들어간다. 슬롯 격자(7,　8)의 외부 표면은　17x170mm　크기의 구멍을 가지며,　17mm보다 큰 입자 지연을 제공한다.　슬롯 격자(7,　8)의 내부 부분은 사각형상의 경사 채널을 형성하고,　등급 4　이상의 입자 및 섬유에 대해　200　㎛ 이상의 특징적인 크기로　0.017 m/s　이상의 침전 속도를 갖는 입자의 침착을 제공한다. 필터 요소(11)는 구멍(개구부)을 갖는 필터 튜브(12)의 형태이다. 필터 요소(11)의 구멍은 길이보다 폭이 훨씬 큰 나선형의 직사각형 슬롯의 형태로 만들어진다. 슬롯의 폭은 순환시스템의 최소 허용 입자 크기를 기준으로　1mm이다. 그리드 또는 구멍 뚫린 플레이트에서처럼 정사각형 대신 슬롯 구멍 모양을 사용하면 동시에 슬롯에 접근할 때 틈새 크기보다 작은 입자로 막히게 되는 가능성이 줄어든다. 개구(구멍)를 갖는 필터 튜브(12)를 통과하는 유동은 구멍(14,　15)이 있는 분배 튜브(13)　내로 유입되어 흐름의 크기가 축소된다.　필터 요소(11)의 표면적은 흡입구(6)의 영역보다 훨씬 크며,　이는 필터 표면을 통한 열전달 매체의 현저한 고르지 않은 유속을 초래한다. 이러한 효과를 없애기 위해,　분배 튜브(13)는 필터 요소(11)의 내부 공동과 흡입구(6)를 연결하도록 필터 요소(11)　내부에 설치된다. 분배 튜브(13)는 길이를 따라 분포된 상이한 직경의 일련의 구멍(14,　15)들을 가지며,　이는 필터 표면을 따라 유동의 균일한 분포를 보장한다. 파편잔해로부터 방출된 냉각제의 흐름은 흡입구(6)를 통해 반응기의 비상냉각 시스템의 파이프라인으로 배출된다.

Claims (14)

  1. 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서 피트를 보호하기 위한 장치에 있어서,　
    상기 장치는 비상 냉각기의 파이프라인의 흡입구에 연결된 격납용기의 하부에 위치된 피트인 클로저의 상부의 흡입구에 설치되는 필터 시스템을 포함하며, 이 비상 냉각 시스템은 흡입구에 연결된 필터 모듈이며,　상기 필터 모듈은 비상 냉각 시스템의 파이프라인의 흡입구로 파편이 침입하는 것을 방지하며, 각각의 필터 모듈은 측면 및 상부에 슬롯 격자 및 내부 필터 요소를 가지며, 상기 필터 요소는 필터 튜브의 형태로 만들어지며　측면에는 슬롯이 있고, 복수의 구멍들이 있는 분배 튜브가 필터 튜브 내부에 배치되며,
    상기 분배 튜브의 복수의 구멍들의 직경은 냉각수 흐름 방향을 따라 연속적으로 감소하고,
    상기 구멍들이 있는 분배 튜브의 내부 공동은 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,　상기 필터 요소의 필터 튜브는 나선형 슬롯의 형태로 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 필터 요소의 필터 튜브가 선회 사이에 슬롯(갭)을 형성하는 와이어로 제조되는 것을 특징으로 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 와이어의 프로파일이 삼각형임을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 와이어 프로파일의 단면이　1.0x2.0　mm를 초과하지 않음을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 슬롯의 크기가　1mm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  7. 제1항에 있어서, 냉각수 유동을 따르는 끝단부에서 천공된 상기 분배 튜브의 구멍의 직경은, 분배 튜브의 시작부에 천공된 구멍 직경의 절반을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 필터 모듈은 측면 및 상부에 슬롯 격자 및 내부 필터 요소를 가지며,　내부에 배열된 필터 요소는 측면에 슬롯을 가진 필터 튜브와, 그 필터 튜브 내부에 배치된 구멍이 천공된 분배 튜브의 세트이며,
    상기 언급된 튜브의 구멍의 직경은 냉각수 흐름 방향을 따라 연속적으로 감소하고,
    상기 분배 튜브의 내부 공동이 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  9. 제8항에 있어서,　상기 필터 모듈은 필터 요소의 튜브가 나선형 슬롯 형태로 천공된 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 필터 모듈은 필터 요소의 튜브가 선회 사이에 슬롯(갭)을 갖는 와이어로 제조되는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 필터 모듈은 와이어 프로파일이 삼각형임을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  12. 제11항에 있어서,　상기 필터 모듈은 와이어 프로파일의 단면이　1.0 × 2.0　mm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  13. 제8항에 있어서,　상기 필터 모듈은 슬롯의 크기가　1mm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
  14. 제8항에 있어서, 냉각수 유동을 따르는 끝단부에서 천공된 상기 분배 튜브의 구멍의 직경은, 분배 튜브의 시작부에 천공된 구멍 직경의 절반을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 수랭식 원자로의 비상 냉각 시스템에서의 피트 보호 장치.
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