KR102381886B1 - 원자로 장기 냉각 계통 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통은, 원자력 발전소 내부에 장기 냉각을 위한 저수 탱크를 구비한다.
원자로의 사고 발생 시 고압 고온의 증기가 상기 저수 탱크로 방출된다.
이 때, 고온 고압의 증기를 방출하는 배관은 상기 저수 탱크의 바닥면으로 이격되어 설치된다.
따라서, 상기 배관과 상기 바닥면 사이에 위치되는 냉각수가 고온 고압의 증기와 접촉되는 빈도가 현저히 감소된다. 즉, 상기 배관과 상기 바닥면 사이에는 냉각에 활용되지 못하는 데드존이 형성된다.
상기 데드존에 위치되는 냉각수를 활용하기 위하여, 상기 데드존에 배치되는 냉각수가 순환된 후 다시 상기 저수 탱크로 회수되는 경로를 형성하는 순환배관이 구비된다.
상기 순환배관은 원자로를 감싸는 격납고 내부를 통과하도록 구성된다.
상기 순환배관을 통과하는 냉각수가 상기 격납고 내부를 통과하는 과정에서 상기 격납고 내부의 열 에너지를 상기 격납고 외부로 이동시킨다.

Description

원자로 장기 냉각 계통{NUCLEAR REACTOR LONG-TERM COOLING SYSTEM}

본 발명은 원자력 발전소의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 원자로 장기 냉각 계통에 관한 것이다.

원자로는 핵반응이 발생되는 노심과 핵반응에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 증기발생기, 가압기, 펌프 등의 장치를 포함한다.

냉각을 위한 증기발생기, 가압기, 펌프 등의 장치들이 원자로의 외부 또는 내부에 설치될 수 있다. 상기 장치들이 원자로의 외부에 설치되는 경우 분리형 원자로(예, 상용 원자로)로 구분되고, 상기 장치들이 원자로의 내부에 서치되는 경우 일체형 원자로(예, SMART 원자로)로 구분된다.

분리형 원자로의 경우, 증기발생기, 가압기, 펌프 등의 장치들을 연결하는 배관의 길이가 증가되므로 배관 파손의 위험성이 증가되는 취약점이 존재했다. 일체형은 원자로의 경우 이러한 취약점을 보완한 것이 특징이다.

또한, 원자로는 안전계통을 동작시키는 동력원의 제공방식에 따라 능동형원자로와 피동형원자로로 구분될 수 있다.

능동형원자로는 안전계통을 동작시키기 위하여 전력에 의해 작동하는 펌프와 같은 능동형 기기를 사용하는 원자로이다. 반면에, 피동형 원자로는 안전계통이 중력, 가스압력 등의 동력원에 의해 작동되는 피동형 기기를 사용하는 원자로이다.

원전의 안전성 향상을 위해 개발된 또는 개발되고 있는 피동형 원자력 발전소(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.

피동형원자로에서 피동안전계통(passive safety system)은 사고가 발생하는 경우 규제요건에서 요구하는 시간(3일, 72시간) 이상 동안 교류(AC) 전원을 공급받지 않고 안전계통에 내장되어 있는 자연력만으로도 원자로를 안전하게 유지할 수 있다.

또한, 72시간 이후는 안전계통이 운전원 조치나 비안전계통을 활용하여 기능을 유지할 수 있다.

하지만, 사고가 발생되는 경우, 3일이 경과되더라도 원자력 발전소의 원자로에서는 정상운전 중 생산되어 누적된 핵분열 생성물에서 지속적인 잔열이 발생된다.

따라서, 원자력 발전소에서는 상술한 잔열을 제거하기 위하여 장기 냉각을 수행하는 계통이 구비될 수 있다.

종래의 원자로 중, 일부의 원자로에는 장기 냉각을 위하여 해수를 이용한 대규모의 냉각 시설이 구비되었다. 다만, 이와 같은 대규모의 냉각 시설은 원자력 발전소의 건설 비용을 과도하게 증가시켰다.

또한, 해수를 이용한 장기 냉각 시설을 구비하는 경우, 원자력 발전소가 해안가에 건설되어야 하므로, 원자력 발전소가 건설될 수 있는 입지가 한정되었다.

또한, 해수를 이용한 장기 냉각은 해수를 운반시키기 위한 펌프를 구비해야 되고, 상기 펌프의 기능이 정지되는 경우, 냉각 프로세스가 중단되어 핵연료 용융 또는 수소 폭발과 같은 재해가 발생될 수 있다.

이러한 문제점을 고려하여, 첫 번째로,원자력 발전소 내에 장기 냉각을 위한 냉각수가 구비될 수 있다. 이 경우, 노심에서 방출되는 잔열에 의해 발생되는 고온의 증기를 냉각수가 포함된 저수 탱크로 방출하는 방식을 통해 냉각이 이루어질 수 있다. 또한, 배관의 유지 보수 및 설치규격을 고려하여, 고온의 증기가 방출되는 배관은 저수 탱크의 바닥면에서 소정 거리만큼 이격되어 설치되어야 한다.

하지만, 고온의 증기는 냉각수에 방출되는 즉시 바닥면에서 멀어지는 방향으로 상승되므로, 증기가 방출되는 배관과 저수 탱크의 바닥면 사이에 배치되는 냉각수는 냉각에 사용되지 않는 문제가 발생될 수 있다. 즉, 냉각에 활용되지 않는 지역인 데드존(Dead Zone)이 발생되어 냉각수의 총 부피대비 냉각효율이 저감되는 문제가 발생된다.

또한, 실제 냉각 성능 확보에 필요한 냉각수에 데드존의 부피만큼의 냉각수가 추가로 필요하게 되므로, 원자력 발전소의 건설비용이 증가되는 문제가 발생된다.

상술한 문제점을 구려하여, 두 번째로, 원자력 발전소의 격납고의 외측에 비상냉각탱크를 구비한 후, 노심에서 방출되는 잔열에 의해 발생된 고온의 증기가 상기 비상냉각탱크를 통과하도록 설계할 수 있다.

다만, 비상냉각탱크 내부에 수용된 비상냉각수가 고온의 증기와 열교환하여 증발되며, 증기 상태의 비상냉각수가 소실될 수 있다. 즉, 비상냉각수가 과도하게 소실됨에 따라 노심에 기인한 잔열의 제거가 제한될 수 있다.

이를 해결하기 위해서는, 비상냉각탱크에 비상냉각수를 지속적으로 주입시킬 수 있는 별도의 시설이 요구된다. 즉, 원자력 발전소의 크기 및 건설비용이 증가될 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 구조의 원자로 장기 냉각 계통을 제공하는 것을 목적으로 한다.

먼저, 본 발명은 유지 보수가 용이하고 설계 규격에 적합한 구조의 원자로 장기 냉각 계통을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 저수 탱크의 냉각수 중 데드존에 배치되는 냉각수를 노심 냉각에 사용할 수 있는 구조의 원자로 장기 냉각 계통을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 저수 탱크의 냉각수에 의해 노심에서 방출된 잔열이 격납고 외부로 방열된 후, 격납고 외부로 이동된 냉각수가 다시 저수 탱크로 회수될 수 있는 순환 구조의 원자로 장기 냉각 계통을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 격납고 외부에 배치된 비상냉각탱크에서 노심에서 방출된 잔열의 방열이 이루어지는 경우, 증발되는 비상냉각수가 회수될 수 있는 구조의 원자로 장기 냉각 계통을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통은, 노심에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 원자로냉각재계통; 내부에 상기 원자로냉각재계통을 수용하는 제1 공간이 형성되는 제1 격납고; 내부에 상기 제1 격납고를 수용하는 제2 공간이 형성되는 제2 격납고; 상기 제2 공간에 배치되고, 내부에 냉각수가 저수되는 저수 탱크; 상기 제2 격납고의 외부에 배치되며, 내부에 비상냉각수가 저수되는 비상냉각탱크; 양 단이 개방되고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 저수 탱크와 연통되는 증기방출배관; 및 개방된 양 단이 상기 저수 탱크와 연통되고, 상기 양 단을 연결하는 부분이 상기 제1 공간, 상기 제2 공간 및 상기 비상냉각탱크를 순차적으로 관통하여 연장되는 순환배관을 포함한다.

상기 증기방출배관의 상기 타 단은 상기 저수 탱크의 바닥면에서 소정 높이만큼 이격되어 배치되고, 상기 제1 공간에서 상기 저수 탱크의 내부를 향하여 연장되는 상기 순환배관의 일 단은, 상기 증기방출배관의 상기 타 단과 상기 바닥면 사이에 배치된다.

또한, 상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되는 증기배관; 상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되어 상기 증기배관의 상기 타 단과 연결되며, 타 단이 상기 제1 공간과 연통되는 회수배관; 양 단이 상기 비상냉각탱크의 내부와 연통되는 비상냉각수 순환계통; 및 내부에 열교환냉매가 순환되고, 상기 비상냉각수 순환계통의 내부에 설치되는 증발부 및 상기 비상냉각수 순환계통의 외부에 설치되어 상기 증발부와 연결되는 응축부를 구비하는 비상냉각수 열교환 계통을 포함할 수 있다.

또, 본 발명의 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통은, 노심에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 원자로냉각재계통; 내부에 상기 원자로냉각재계통을 수용하는 제1 공간이 형성되는 제1 격납고; 내부에 상기 제1 격납고를 수용하는 제2 공간이 형성되는 제2 격납고; 상기 제2 격납고의 외부에 배치되며, 내부에 비상냉각수가 저수되는 비상냉각탱크; 상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되는 증기배관; 상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되어 상기 증기배관의 상기 타 단과 연결되며, 타 단이 상기 제1 공간과 연통되는 회수배관; 양 단이 상기 비상냉각탱크의 내부와 연통되는 비상냉각수 순환계통; 및 내부에 열교환냉매가 순환되고, 상기 비상냉각수 순환계통의 내부에 설치되는 증발부 및 상기 비상냉각수 순환계통의 외부에 설치되어 상기 증발부와 연결되는 응축부를 구비하는 비상냉각수 열교환 계통을 포함한다.

또한, 상기 제2 공간에 배치되고, 내부에 냉각수가 저수되는 저수 탱크; 양 단이 개방되고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 저수 탱크와 연통되는 증기방출배관; 및 개방된 양 단이 상기 저수 탱크와 연통되고, 상기 양 단을 연결하는 부분이 상기 제1 공간, 상기 제2 공간 및 상기 비상냉각탱크를 순차적으로 관통하여 연장되는 순환배관을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 도출될 수 있다.

먼저, 고온의 증기를 저수 탱크로 방출하는 방출관은 저수 탱크의 바닥면에서 소정 거리만큼 이격되어 설치된다. 이에 의해, 설계 규격을 충족시킴과 동시에 방출관을 용이하게 유지보수 할 수 있다.

또한, 방출관과 저수 탱크의 바닥면 사이인 데드존에 위치되는 냉각수는 순환배관에 의해 제1 격납고로 이동된다.

따라서, 제1 격납고의 열이 제1 격납고로 이동된 냉각수에 흡수될 수 있다.

그러므로, 데드존에 위치되는 냉각수가 제1 격납고의 냉각에 활용될 수 있다.

그 결과, 저수 탱크에 포함된 냉각수의 대부분이 냉각에 활용될 수 있어 냉각효율이 향상될 수 있다. 또한, 저수 탱크에 저수되는 냉각수의 양이 감소될 수 있으므로, 원자력 발전소의 건설비용이 저감될 수 있다.

또한, 제1 격납고의 열을 흡수해서 증발된 냉각수는, 순환배관의 압력 증가에 의해 제2 격납고 외부에 위치된 비상냉각탱크로 이동된다. 비상냉각탱크에는 냉각수가 배치된다.

비상냉각탱크로 이동된 고온의 냉각수는 열교환기를 거쳐 액화된 후, 순환배관을 통해 저수 탱크로 회수된다.

이에 의해, 제1 격납고의 열이 제2 격납고 외부로 방출될 수 있고, 저수 탱크의 냉각수의 순환이 이루어질 수 있다.

또한, 고온의 증기는 비상냉각탱크를 통과하며, 고온의 증기에 의해 비상냉각수가 증발된다. 비상냉각탱크에는 증발된 비상냉각수가 회수될 수 있는 순환계통이 구비된다. 상기 순환계통은 증발된 비상냉각수를 응축시킬 수 있는 열교환 계통과 연결된다.

이에 의해, 별도의 비상냉각수 공급시설 없이 비상냉각탱크에 의해 노심의 장기 냉각이 수행될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소를 도시하는 개념도이다.
도 2는 도 1에 따른 원자력 발전소에서 데드존에 배치된 냉각수가 순환되는 과정을 도시하는 작동 상태도이다.
도 3은 도 1에 따른 원자로 장기 냉각 계통의 다른 실시 예를 도시하는 개념도이다.
도 4는 도 1에 따른 저수 탱크를 도시하는 확대도이다.
도 5는 도 1에 따른 원자로 장기 냉각 계통의 또 다른 실시 예를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소를 도시하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소를 도시하는 개념도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.

1. 용어의 설명

아래에서 사용되는 "상측" 및 "하측"이라는 용어는 도 1 내지 5에 도시된 좌표계를 참조하여 이해될 수 있다.

아래에서 사용되는 "배관"이라는 용어는 내부에 유체가 이동될 수 있는 공간이 형성되고 양 단이 개구된 중공형 부재를 의미한다. "일 단" 및 "타 단"은 서로 반대쪽에 배치되는 단부를 의미한다.

다음으로, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자로 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)에 대해 설명한다.

2. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자로 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소의 설명

본 실시 예에 따른 원자로 냉각 계통은 노심(21)을 포함하는 원자로 냉각재계통(2) 및 냉각재계통(2)과 연결되는 자동감압배관(3), 안전주입탱크(4) 및 노심보충탱크(5)를 포함한다.

또한, 상술한 구성들(2, 3, 4, 5)은 제1 격납고(6)에 수용되고, 제1 격납고(6)는 제2 격납고(7)에 수용된다.

제1 격납고(6)와 제2 격납고(7) 사이에는 냉각수(IF)가 수용되는 저수 탱크(8)가 구비된다.

냉각수(IF) 중 일부는 순환배관(100)을 통해 제1 격납고(6) 및 제2 격납고(7)를 통과하여 제2 격납고(7)의 외부로 이동된다.

제2 격납고(7)의 외부로 이동된 냉각수(IF)는 비상냉각수(OF)가 수용되는 비상냉각탱크(9)를 통과한 후, 저수 탱크(8)로 회수된다.

아래에서는, 상술한 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다.

(1) 원자로 냉각재계통(2)의 설명

원자로 냉각재계통(2)은 노심(21), 원자로(22) 및 증기발생기(23)를 포함한다.

노심(21)(nuclear reactor core)은 핵연료를 포함하며, 원자로(22) 내 중심부에 위치된다. 원자로(22)는 핵반응(nuclear reaction)을 발생시키는 장치이며, 원자로(22)에 포함된 노심(21)에서 핵반응이 발생된다. 이에 따라, 원자로(22)에서 열 에너지가 발생된다.

원자로(22)에서 발생된 열을 냉각시키기 위하여, 원자로 냉각재계통(2)에서는 냉각수가 순환된다. 순환되는 냉각수는 원자로(22)에서 발생된 열을 증기발생기로 전달한다.

도시되지는 않았으나, 원자로 냉각재계통(2)에는 냉각수의 순환동력을 제공하는 원자로 냉각재펌프(미도시) 및 가압기(미도시)를 포함할 수 있다. 가압기는 원자력 냉각재계통(2)의 압력을 일정하게 유지한다.

원자로 냉각재계통(2)은 자동감압배관(3), 안전주입탱크(4) 및 노심보충탱크(5)와 연통될 수 있다.

(2) 자동감압배관(3), 안전주입탱크(4) 및 노심보충탱크(5)의 설명

자동감압배관(3)은 원자력 냉각재계통(2)에 과도한 압력 발생되는 경우 원자력 냉각재계통(2)의 압력을 감소시키도록 구성된다. 이에 의해, 원자력 냉각재계통(2)에 과도한 압력이 발생되어 파손이 발생되는 것이 억제될 수 있다.

자동감압배관(3)은 양단이 개방되며, 일 단이 원자력 냉각재계통(2)과 연통되고 타 단이 원자력 냉각재계통(2) 외부를 향하여 개방된다. 또한, 자동감압배관(3)에는 소정의 압력 이상에서 개방되는 밸브(미도시)가 구비된다. 밸브(미도시)는 자동감압배관(3)의 양 단 사이에 배치되어 원자력 냉각재계통(2)에 과도한 압력이 형성 시 개방된다. 이에 따라, 원자력 냉각재계통(2) 내부에서 과도하게 압축된 증기가 외부로 방출될 수 있다.

냉각재계통(2)에 사고가 발생되는 경우, 안전주입탱크(4) 및 노심보충탱크(5)는 붕산수와 같은 안전주입수를 원자로 냉각재계통(2)으로 주입하도록 구성된다.

안전주입탱크(4)(Safety Injection Tank, SIT) 와 노심보충탱크(5)(Core Makeup Tank, CMT)는 각각 원자로 냉각재계통(2)과 배관에 의해 연통되며, 안전주입탱크(4)와 노심보충탱크(5)도 서로 배관에 의해 연통된다.

원자로 냉각재계통(2), 자동감압배관(3), 안전주입탱크(4) 및 노심보충탱크(5)는 제1 격납고(6) 내부에 수용된다.

(3) 제1 격납고(6), 제2 격납고(7) 및 저수 탱크(8)의 설명

제1 격납고(6)는 내부에 제1 공간(6a)이 형성되며, 제1 공간(6a)에 원자로(22)를 포함하는 원자로 냉각재계통(2)이 수용된다.

원자로(22)에서는 방사성 물질이 방출되므로, 제1 격납고(6)는 제1 공간(6a)에 원자로(22)를 수용하여 방사성 물질이 외부로 방출되는 것을 저감시킨다. 제1 격납고(6)는 방사성 물질 저감 설비의 1차 경계(Lower Containment Area, LCA)로 명명될 수 있다.

제1 격납고(6)는 제2 격납고(7)의 내부에 형성된 제2 공간(7a)에 수용된다.

제2 격납고(7)는 제1 격납고(6)와 같이 방사성 물질이 외부로 방출되는 것을 저감시킨다. 제2 격납고(7)는 방사성 물질 저감 설비의 2차 경계(Upper Containment Area, UCA)로 명명될 수 있다.

원자로(22)가 방사성 물질의 방출을 차폐시키는 구조의 제1 격납고(6) 및 제2 격납고(7)에 의해 이중으로 밀폐되므로, 원자력 발전소(1)의 외부로 방사성 물질이 방출되는 것이 저감될 수 있다.

제2 격납고(7)와 제1 격납고(6) 사이에는 냉각수(IF)가 수용되는 저수 탱크(8)가 구비된다. 저수 탱크(8)는 격납고 내 저수 탱크(In-Containment Water Storage Tank, IRWST)로 명명될 수도 있다.

저수 탱크(8) 내부의 압력이 과도하게 상승되는 것을 억제하기 위하여 저수 탱크(8)는 상측으로 개방된다.

저수 탱크(8)는 제2 공간(7a)의 하측에 배치된다. 이에 한정되는 것은 아니나, 저수 탱크(8)에는 소정의 냉각수(IF)가 저수되어 많은 하중을 구비하므로, 저수 탱크(8)가 제2 격납고(7)의 하측에서 이격되어 설치되는 경우 이를 지지할 수 있는 지지구조가 구비된다.

일 실시 예에서, 저수 탱크(8)는 제1 격납고(6)와 일체형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 저수 탱크(8)의 일측 면은 제1 격납고(6)의 외벽일 수 있다.

일 실시 예에서, 저수 탱크(8)는 제1 격납고(6)의 별도의 부재로 형성될 수 있다.

저수 탱크(8)와 제1 격납고(6)의 제1 공간(6a)은 증기방출배관(61)에 의해 서로 연통된다. 증기방출배관(61)은 양 단이 개구되며, 일 단이 제1 공간(6a)을 향해 개방되고, 타 단이 저수 탱크(8)를 향해 개방된다.

냉각수(IF)의 수면의 높이는 설계된 범위 내에서 변동되며, 냉각수(IF)가 제1 공간(6a)으로 역류하는 것을 억제하기 위해, 증기방출배관(61)의 일 단은 냉각수(IF)의 수면의 상측에 배치된다.

증기방출배관(61)은 저수 탱크(8)의 내벽에 결합되어 상하 측으로 연장된다. 증기방출배관(61)의 내부에 형성된 방출 유로(61a)를 따라 고온의 증기가 이동되는 경우 증기방출배관(61)에는 강한 진동이 발생될 수 있으나, 증기방출배관(61)이 저수 탱크(8)의 내벽과 결합되어 지지되므로 진동에 대한 증기방출배관(61)의 신뢰성이 향상될 수 있다.

증기방출배관(61)의 타 단에는 증기가 방출되는 증기방출부(611)가 형성된다. 증기방출부(611)는 상하 방향과 교차하는 방향으로 연장되고, 단부가 개방되며, 증기방출부(611)의 외주면에는 복수 개의 관통공(611a)이 형성된다.

방출 유로(61a)를 통해 이동된 고온의 증기가 증기방출부(611)의 개방된 단부와 복수 개의 관통공(611a)을 통해 냉각수(IF)를 향하여 방출된다.

방출 유로(61a)에는 복수 개의 체크 밸브(612, 613)가 구비될 수 있다. 복수 개의 체크 밸브(612, 613)는 제1 공간(6a)에서 저수 탱크(8)를 향하는 방향으로만 개방되도록 형성된다.

이에 의해, 제1 공간(6a)에 소정 압력 이상의 압력이 형성되는 경우 복수 개의 체크 밸브(612, 613)가 개방되어 고온의 증기가 저수 탱크(8)로 유입되고, 제1 공간(6a)에 소정 압력 미만의 압력이 형성되는 경우 냉각수(IF)가 제1 공간(6a)으로 역류하지 않도록 복수 개의 체크 밸브(612, 613)가 차단된다.

체크 밸브(612, 613)는 증기방출배관(61)의 양 단에 인접되어 설치될 수 있다.

증기방출배관(61)을 통해 고온의 증기가 저수 탱크(8)로 유입되는 과정을 요약하면 다음과 같다.

원자로 냉각재계통(2)에서 사고 발생 시, 원자로(22)에서 발생되는 열에 의해 제1 공간(6a) 내부의 압력이 과도하게 증가된다.

제1 공간(6a)의 내부 압력이 기 설계된 소정 압력 이상으로 형성되면, 증기방출배관(61)의 체크 밸브(612, 613)가 개방된다.

제1 공간(6a)에 있던 고온 고압의 증기는 개방된 증기방출배관(61)의 방출 유로(61a)를 통해 저수 탱크(8)로 방출된다.

저수 탱크(8)로 방출된 고온 고압의 증기는 상측을 향하여 부상된다. 상측으로 부상되는 과정에서, 고온 고압의 증기는 냉각수(IF)와 접촉되어 열 교환되며, 이 과정에서 방출된 고온 고압의 증기 중 일부는 응축되어 냉각수(IF)에 포함될 수 있다.

상술한 과정을 통해 사고 시, 제1 공간(6a)의 압력이 저감되고, 온도가 저하될 수 있다.

다만, 원자력 발전소(1)의 설계 규격 및 유지 보수를 고려하여, 증기방출부(611는 저수 탱크(8)의 바닥면에서 소정 거리만큼 이격되어 설치된다. 일 실시 예에서, 상기 소정 거리는 0.5m 이상일 수 있다.

증기방출부(611가 바닥면에서 이격되어 설치되고, 증기방출부(611에서 방출된 고온 고압의 증기는 상측을 향하여 부상되므로, 증기방출부(611와 바닥면 사이에 위치되는 냉각수(IF)는 고온 고압의 증기와 접촉되지 않아 냉각에 활용되지 않는다.

즉, 냉각에 활용되지 않는 지역인 데드존(Dead Zone)이 발생된다. 도시된 실시 예에서, 데드존은 데드존 경계선(DL)과 바닥면 사이의 공간이다.

이러한 경우, 냉각 탱크(8)에는 냉각 성능 확보를 위한 용량에 데드존의 부피만큼의 용량이 부가된 양의 냉각수(IF)가 저수되야 한다.

즉, 냉각수(IF)가 냉각 성능 대비 과다하게 저수되야 하는 문제가 발생된다. 다른 말로 하면, 냉각수(IF)의 총 부피대비 냉각효율이 저감되는 문제가 발생된다.

또한, 사고 시 원자로의 장기 냉각 성능을 확보하기 위해서는, 저수 탱크(8)에 상당한 용량의 냉각수(IF)가 저수되야 하고, 이에 따라 데드존의 부피 역시 증가될 수 있다. 일 실시 예에서, 데드존에 포함되는 냉각수(IF)는 800톤 이상일 수 있다.

필요한 냉각수(IF)가 증가됨에 따라 원자력 발전소(1)의 건설비용이 과도하게 증가될 수 있다.

데드존에 포함된 냉각수(IF)가 제1 격납고(6)의 냉각에 사용될 수 있으면, 냉각 성능을 확보함과 동시에 저수 탱크(8)에 저수되는 냉각수(IF)의 양을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 원자력 발전소(1)의 건설비용을 절감시킬 수 있다.

본 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통은 데드존에 있는 냉각수(IF)를 제1 공간(6a), 제2 공간(7a) 및 제2 격납고(7)의 외부를 거친 후 다시 저수 탱크(8)로 회수하는 순환배관(100)을 구비한다.

이에 의해, 제1 공간(6a)의 열 에너지가 데드존에 배치되는 냉각수(IF)에 흡수된 후, 제2 격납고(7)의 외부로 이동되어 방출될 수 있다.

(4) 비상냉각탱크(9) 및 순환배관(100)의 설명

순환배관(100)의 내부를 흐르는 냉각수(IF)는 제1 공간(6a)에서 열을 흡수하여 기화된 후, 제2 격납고(7)의 외부로 이동된다.

제2 격납고(7)의 외부로 이동된 냉각수(IF)는 열을 방출하며 액화된 후, 저수 탱크(8)로 회수된다.

제2 격납고(7)의 외부에는 비상냉각탱크(9)가 설치되고, 비상냉각탱크(9)의 내부에는 비상냉각수(OF)가 저수된다.

비상냉각수(OF)가 저수된 비상냉각탱크(9)의 내부에는 제1 열교환기(91)가 구비된다. 제1 열교환기(91)의 내부에는 비상냉각수(OF)와의 열교환 면적을 증가시키기 위한 형태를 구비하는 제1 열교환 유로(91a)가 구비된다. 일 실시 예에서, 제1 열교환 유로(91a)는 반복적으로 굴곡되어 접힌 지그재그(zigzag) 형태의 배관으로 구현될 수 있다.

순환배관(100)은 비상냉각탱크(9)를 통과한다. 기화된 냉각수(IF)는 비상냉각탱크(9)를 통과하는 과정에서 비상냉각수(OF)로 열을 방출한 후 액화된다.

비상냉각수(OF)는 기화된 냉각수(IF)의 열을 흡수하여 기화될 수 있다. 비상냉각수(OF)가 증발에 의해 과도하게 유실되는 경우, 제1 열교환기(91)에서의 열교환이 원활하게 수행될 수 없으므로, 비상냉각탱크(9)에는 비상냉각수 공급 유로(92)가 구비된다.

비상냉각수 공급 유로(92)는 비상냉각수(OF)를 공급하는 배관 및 배관을 개폐하는 밸브로 구성될 수 있다.

비상냉각탱크(9)에 비상냉각수(OF)가 과도하게 유실되는 경우, 비상냉각수 공급 유로(92)로부터 비상냉각수(OF)가 공급되므로, 제1 열교환기(91)에서의 열교환이 원활하게 수행될 수 있다.

순환배관(100)은 제1 공간(6a)을 지나는 제1 순환부(110), 제2 공간(7a)을 지나는 제2 순환부(120) 및 제2 격납고(7) 외부에서 저수 탱크(8)로 냉각수(IF)를 공급하는 제3 순환부(130)로 구성된다.

제1 순환부(110)는 제1 순환배관(110)으로 명명될 수 있다.

제1 순환배관(110)은 데드존에 배치된 냉각수(IF)가 제1 공간(6a)을 통과하는 경로를 형성한다.

제1 순환배관(110)은 제1 공간(6a)에 배치되며, 일 단이 저수 탱크(8)의 데드존과 연통되며, 타 단이 제2 공간에 배치되는 제2 순환부(120)와 연통된다.

데드존과 연통되는 제1 순환배관(110)의 일 단은, 저수 탱크(8)의 내벽의 부분 중 바닥면과 연결되는 부분과 연통될 수 있다. 즉, 제1 순환배관(110)의 일 단은 저수 탱크(8)의 바닥면과 인접하여 형성된다.

이에 의해, 데드존에 배치된 냉각수(IF)의 대부분을 제1 공간(6a)으로 이동시킬 수 있다.

제1 순환배관(110)은 데드존에서 제1 공간(6a)을 향하여 소정 길이만큼 연장된 후 상측을 향하여 굴곡되어 연장된다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 형성될 수 있다.

데드존에 배치된 냉각수(IF)는 제1 순환배관(110)으로 이동된다. 구체적으로, 제1 순환배관(110)에 배치된 액상의 냉각수(IF)의 수위는, 저수 탱크(8)에 배치된 냉각수(IF)의 수위와 유사하게 형성된다.

즉, 원자력 발전소(1)의 정상 운전 상태 및 사고 시, 제1 순환배관(110)에는 저수 탱크(8)의 수위와 유사한 수위로 냉각수(IF)가 배치된다.

제2 순환부(120)는 제2 순환배관(120)으로 명명될 수 있다.

제2 순환배관(120)은 제2 공간(7a)에 배치되고, 제2 순환배관(120)의 일 단은 제1 순환배관(110)의 타 단과 연통된다. 구체적으로, 제2 순환배관(120)과 제1 순환배관(110)은 제1 격납고(6)를 관통하여 서로 연결된다.

제2 순환배관(120)의 타 단은 제2 격납고(7)의 외부에 배치된 제3 순환부(130)와 연통된다.

제3 순환부(130)는 제3 순환배관(131) 및 제4 순환배관(132)을 포함한다.

제3 순환배관(131)의 일 단은 제2 순환배관(120)의 타 단과 연통된다. 구체적으로, 제3 순환배관(131)과 제2 순환배관(120)은 제2 격납고(7)를 관통하여 연결된다.

제3 순환배관(131)의 타 단은 제1 열교환 유로(91a)의 일 단과 연통된다. 제3 순환배관(131)은 제2 순환배관(120)에서 제1 열교환 유로(91a)까지 연장 형성된다.

또한, 제4 순환배관(132)의 일 단은 제1 열교환 유로(91a)의 타 단과 연통된다. 즉, 제3 순환배관(131)과 제4 순환배관(132)은 제1 열교환 유로(91a)를 통해 서로 연결된다.

또한, 제4 순환배관(132)의 타 단은 저수 탱크(8)와 연통된다. 제4 순환배관(132)은 제1 열교환 유로(91a)의 타 단에서 저수 탱크(8)까지 제2 격납고(7)를 관통하여 연장된다.

다시 말하면, 순환배관(100)은 데드존에 배치된 냉각수(IF)를 순환시켜 저수 탱크(8)로 회수하는 경로를 형성하는 제1 순환배관(110), 제2 순환배관(120), 제3 순환배관(131), 제1 열교환 유로(91a) 및 제4 순환배관(132)을 포함한다.

도 2를 참조하면, 사고 시, 데드존에 배치되는 냉각수(IF)가 순환배관(100)을 통해 순환되면서 제1 공간(6a)의 열을 제2 격납고(7) 외부로 이동시키는 과정이 도시된다.

먼저, 사고 시 제1 공간(6a)의 고온 고압 증기에 포함된 열 에너지가, 제1 순환배관(110)에 배치되고 상대적으로 저온인 액상의 냉각수(IF)로 전달된다. 이에 의해, 흡수한 열 에너지에 의해 액상의 냉각수(IF)가 증기 상태로 기화된다.

냉각수(IF)의 기화에 의해 제1 순환배관(110) 내부의 압력이 증가되고, 기화된 증기 상태의 냉각수(IF)는 압력 차에 의해 제2 순환배관(120) 및 제3 순환배관(131)을 통과하여 제1 열교환 유로(91a)로 유입된다.

제1 열교환 유로(91a)로 유입된 증기 상태의 냉각수(IF)는 제1 열교환 유로(91a)를 통과하는 과정에서 상대적으로 저온인 비상냉각수(OF)로 가지고 있던 열 에너지를 방출한다.

열 에너지를 방출함에 따라, 냉각수(IF)는 액체 상태로 액화된다. 액체 상태의 냉각수(IF)는 제4 순환배관(132)을 통해 저수 탱크(8)로 회수된다.

상술한 과정을 통해, 데드존에 배치된 냉각수(IF)가 제1 공간(6a)의 열 에너지를 제2 격납고(7)의 외부로 이동시킨 후, 다시 저수 탱크(8)로 회수될 수 있다.

고온의 증기 상태의 냉각수(IF)는 압력 차에 의해 제1 열교환 유로(91a)로 이동되고, 액체 상태의 냉각수(IF)는 중력에 의해 저수 탱크(8)로 회수될 수 있다.

이에 의해, 별도의 동력을 제공하는 장치 없이 데드존에 배치된 냉각수(IF)가 순환될 수 있다.

도 4를 참조하면, 데드존에 배치된 냉각수(IF)가 순환됨에 따라 저수 탱크(8)의 수위가 소정 범위 내에서 변동될 수 있다.

냉각수(IF)의 수면이 바닥면에서 가장 멀어지는 경우, 냉각수(IF)는 저수 탱크(8)에 제1 수위(H2)로 저수되고, 제4 순환배관(132)의 타 단은 제1 수위(H2)보다 상기 바닥면에서 멀게 배치된다. 즉, 제4 순환배관(132)의 타 단과 바닥면 사이의 거리(L3) 값은 제1 수위(H2) 값보다 크게 형성된다.

또한, 제1 공간(6a)으로 개방된 증기방출배관(61)의 일 단은 제1 수위(H2)보다 상기 바닥면에서 멀게 배치된다. 즉, 증기방출배관(61)의 일 단과 바닥면 사이의 거리(L2) 값은 제1 수위(H2) 값보다 크게 형성된다.

또한, 냉각수(IF)의 수면이 바닥면에서 가장 인접되는 경우, 냉각수(IF)는 저수 탱크(8)에 제2 수위(H1)로 저수된다.

증기방출부(611)가 형성된 증기방출배관(61)의 타 단은 제2 수위(H1)보다 바닥면에 인접하게 배치된다. 즉, 증기방출배관(61)의 타 단과 바닥면 사이의 거리(L1) 값은 제2 수위(H1) 값보다 작게 형성된다.

(5) 순환배관(100)에 의한 효과에 대한 설명

데드존에 배치된 냉각수(IF)가 제1 공간(6a)의 냉각에 활용될 수 있으므로, 저수 탱크(8)에 포함된 냉각수(IF)의 대부분이 냉각에 활용될 수 있어 냉각효율이 향상될 수 있다.

결과적으로, 저수 탱크에 저수되는 냉각수의 양이 감소될 수 있으므로, 원자력 발전소의 건설비용이 저감될 수 있다.

또한, 냉각수(IF)가 순환배관(100) 내에서 증발됨에 따라 발생하는 압력 차와 중력에 의해 순환되므로, 냉각수(IF)를 순환시키기 위한 별도의 동력장치 없이 냉각수(IF)가 순환될 수 있다.

즉, 사고 시, 제1 공간(6a)으로 방출되는 열에 의해 냉각수(IF)가 순환되므로, 원자력 발전소(1)의 장기 냉각에 적합한 구조이다.

또한, 제1 공간(6a) 내부의 고온 고압의 증기가 증기방출배관(61)을 통해 저수 탱크(8)로 유입되면, 고온 고압의 증기가 액화됨에 따라 저수 탱크(8)의 수위가 증가할 수 있다.

따라서, 데드존에서 제1 순환배관(110)으로 유입되는 냉각수(IF)의 양이 증가되고, 제1 순환배관(110)에서 냉각수(IF)가 제1 공간(6a)과 열교환하는 면적이 증가된다.

그러므로, 제1 순환배관(110) 내부의 액상의 냉각수(IF)가 보다 빠른 속도로 증발되어 순환하게 된다.

그 결과, 상승된 저수 탱크(8)의 수위가 자동적으로 조절되어 낮아질 수 있다.

아래에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)에 대해 설명한다.

3. 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)의 설명

도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 일 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)와 비교하면, 본 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)에는 다음과 같은 차이가 있다.

증기방출배관(61)의 타 단은 상하방향으로 저수 탱크(8)의 바닥면의 중앙부와 중첩되도록 배치된다.

증기방출배관(61)의 타 단에는 상하 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 증기방출부(611)가 형성된다.

증기방출부(611)는 복수 개로 형성되고, 복수 개의 상기 증기방출부(611)는 서로 소정 각도를 이룬다. 각각의 증기방출부(611)는 저수 탱크(8)의 내주면을 향하여 소정 길이만큼 연장된다.

즉, 증기방출부(611)가 저수 탱크(8)의 중심부에 배치되어 복수 개로 구비되고, 복수 개의 증기방출부(611)는 서로 소정 각도를 이루며 방사 방향으로 연장된다.

이에 의해, 증기방출부(611)에서 고온 고압의 증기가 방출 시, 냉각수(IF)와 보다 넓은 면적으로 접촉될 수 있다. 이에 따라, 고온 고압의 증기와 냉각수(IF) 사이의 열교환 효율이 향상될 수 있다.

증기방출부(611)의 하부에는, 증기방출부(611)의 하부와 저수 탱크(8)의 바닥면을 연결하는 지지부재(62)가 구비된다.

본 실시 예에서 설명이 생략된 구성은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 일 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통과 구조 및 기능이 동일하므로, 상기 일 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)에 대해 설명한다.

4. 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)의 설명

도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 일 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)와 비교하면, 본 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)에는 다음과 같은 차이가 있다.

본 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통에는, 제1 공간(6a)의 고온 고압의 증기를 비상냉각탱크(9)로 직접적으로 이동시키는 경로를 형성하는 증기배관(210)이 구비된다.

증기배관(210)은 제1 격납고(6) 및 제2 격납고(7)를 관통하여 비상냉각탱크(9)에 구비된 제2 열교환기(93)에 연결된다. 구체적으로, 증기배관(210)은 제2 열교환기(93)에 구비된 제2 열교환 유로(93a)의 일 단에 연결된다.

제2 열교환기(93) 및 제2 열교환 유로(93a)의 구조는 제1 열교환기(91) 및 제1 열교환 유로(91a)와 동일하므로, 제2 열교환기(93) 및 제2 열교환 유로(93a)에 대한 설명은 이에 갈음한다.

또한, 제2 열교환 유로(93a)의 일 단의 반대편 타 단은 회수배관(220)과 연결된다. 회수배관(220)은 제2 열교환 유로(93a)와 저수 탱크(8)를 연통시킨다.

회수배관(220)은 제2 열교환 유로(93a)의 타 단에서 저수 탱크(8)까지 제2 격납고(7)를 관통하여 연장된다.

증기배관(210)을 통해 제2 열교환기(93)로 이동된 고온 고압의 증기는 비상냉각수(OF)와 열교환 후 액화된다. 액화된 증기는 회수배관(220)을 통해 저수 탱크(8)로 유입된다.

증기배관(210), 제2 열교환기(93) 및 회수배관(220)이 추가로 구비됨으로써, 사고 시 제1 공간(6a)을 냉각시키는 냉각 성능이 향상될 수 있다.

본 실시 예에서 설명이 생략된 구성은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 일 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통과 구조 및 기능이 동일하므로, 상기 일 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.

다음으로, 도 6를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)에 대해 설명한다.

5. 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)의 설명

본 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 일 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)에 포함된 원자로 냉각재계통(2), 자동감압배관(3), 안전주입탱크(4), 노심보충탱크(5), 제1 격납고(6), 제2 격납고(7), 저수 탱크(8) 및 비상냉각탱크(9)를 모두 포함한다.

따라서, 도 6에 도시된 원자로 냉각재계통(2), 자동감압배관(3), 안전주입탱크(4), 노심보충탱크(5), 제1 격납고(6), 제2 격납고(7), 저수 탱크(8) 및 비상냉각탱크(9)는 위에서 도 1 및 도 2를 참조한 설명을 통해 이해될 수 있다.

다만, 본 실시 예에 따른 비상냉각탱크(9)는 상측이 개방되지 않고 폐쇄된다.

또한, 본 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)에는 순환배관(100)이 구비되지 않는다.

반면에, 본 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)에는 제2 공간(7a)을 관통하여 제1 공간(6a)과 비상냉각탱크(9)를 서로 연통시키는 증기배관(310) 및 회수배관(320)이 구비된다.

(1) 증기배관(310) 및 회수배관(320)의 설명

증기배관(310)은 일 단이 제1 공간(6a)과 연통되고, 반대편 타 단이 비상냉각탱크(9)의 내부에 수용된다. 증기배관(310)의 타 단은 후술할 회수배관(320)과 연결된다.

즉, 증기배관(310)의 양 단을 연결하는 부분은 제1 격납고(6)의 외벽, 제2 공간(7a), 제2 격납고(7)의 외벽 및 비상냉각탱크(9)의 외벽을 순차적으로 관통한다.

노심의 잔열에 의해 발생되는 고온의 증기는 증기배관(310)은에 의해 비상냉각탱크(9)의 내부로 이동될 수 있다. 고온의 증기는 상측으로 상승되므로, 제1 공간(6a)과 연통되는 증기배관(310)의 일 단은 제1 공간(6a)의 상측에 형성되는 것이 바람직하다.

회수배관(320)은 일 단이 비상냉각탱크(9)의 내부에 수용되어 증기배관(310)의 타 단과 연결된다. 또한, 회수배관(320)의 타 단은 제1 공간(6a)과 연통된다. 증기배관(310)의 양 단을 연결하는 부분은 비상냉각탱크(9)의 외벽, 제2 격납고(7)의 외벽, 제2 공간(7a), 제1 격납고(6)의 외벽을 순차적으로 관통한다.

도시된 실시 예에서, 증기배관(310)의 타 단과 회수배관(320)의 일 단은 열교환기(95)에 의해 서로 연결된다. 구체적으로, 증기배관(310)의 타 단과 회수배관(320)의 일 단은 열교환기(95)의 내부 유로(95a)의 양 단과 각각 결합된다.

이에 의해, 증기배관(310)을 통해 비상냉각탱크(9)로 이동된 고온의 증기가 내부 유로(95a)를 통과한다. 내부 유로(95a)를 통과하는 과정에서, 고온의 증기와 비상냉각수(OF) 사이에서 열 교환이 발생된다. 즉, 고온의 증기의 열이 비상냉각수(OF)로 이동됨에 따라 고온의 증기가 응축된다.

응축된 증기는 회수배관(320)을 통해 제1 공간(6a)으로 이동된다. 응축된 증기는 중력에 의해 하측으로 이동되므로, 회수배관(320)의 타 단은 제1 공간(6a)의 하측에 배치되는 것이 바람직하다.

일 실시 예에서, 증기배관(310)의 일 단은 회수배관(320)의 타 단에 비해 상측에 형성된다.

제1 공간(6a)으로 이동된 응축된 증기는 노심의 잔열을 흡수하여 다시 기화된다.

노심에서 잔열의 발생이 지속되는 경우, 고온의 증기가 제1 공간(6a), 증기배관(310), 열교환기(95) 및 회수배관(320)을 거쳐 다시 제1 공간(6a)으로 회수되는 과정이 반복하여 수행된다. 이에 의해, 노심에서 지속적으로 발생되는 잔열을 냉각하는 과정인 장기 냉각이 수행될 수 있다.

다만, 비상냉각탱크(9)에 저수되는 비상냉각수는 열교환기(95)를 통과하는 고온의 증기의 열을 흡수한다. 열을 흡수한 비상냉각수(OF)가 기화됨에 따라 비상냉각수(OF)의 유실이 발생될 수 있다.

장기냉각이 지속적으로 이루어지기 위해서는, 유실된 비상냉각수(OF)를 보충하기 위한 별도의 비상냉각수(OF) 공급설비가 요구된다.

다만, 비상냉각수를 지속적으로 공급하기 위해서는, 비상냉각수(OF)를 계속하여 공급할 수 있는 별도의 수원이 요구된다.

이는, 원자력 발전소(1)가 설치될 수 있는 입지를 제한 할뿐만 아니라 원자력 발전소(1)의 크기 및 건설비용을 증가시킨다.

따라서, 본 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)는 이러한 문제점을 고려하여, 기화된 비상냉각수(OF)를 다시 비상냉각탱크(9)로 회수할 수 있는 비상냉각수 순환계통(400) 및 비상냉각수 열교환 계통(500)을 구비한다.

(2) 비상냉각수 순환계통(400) 및 비상냉각수 열교환 계통(500)의 설명

본 실시 예에 따른 비상냉각탱크(9)에는 양 단이 비상냉각탱크(9)의 내부와 연통되는 비상냉각수 순환계통(400)이 구비된다.

비상냉각수 순환계통(400)은 비상냉각수 증기배관(410), 열교환부(420) 및 비상냉각수 회수배관(430을 포함하며, 증발된 비상냉각수 증기는 증기배관(410)을 통해 열교환부(420)로 유입된다.

열교환부(420)로 유입된 비상냉각수 증기는 열교환부(420)에 구비된 비상냉각수 열교환 계통(500)의 증발부(510)에 의해 응축된다.

응축된 비상냉각수는 비상냉각수 회수배관(430)을 통해 다시 비상냉각탱크(9)로 유입된다.

비상냉각수의 수면이 비상냉각탱크(9)의 바닥면에서 가장 멀어지는 경우, 즉 설계상 비상냉각수의 수위가 가장 높을 때의 비상냉각수의 수위를 제1 수위라고 할 때, 비상냉각탱크(9)와 연통되는 비상냉각수 증기배관(410) 및 비상냉각수 회수배관(430의 각 단부들은 제1 수위보다 상측에 배치된다.

비상냉각수 증기배관(410)으로 유입되는 비상냉각수 증기는 상측으로 상승되고, 비상냉각수 회수배관(430을 통해 비상냉각탱크(9)로 회수되는 응축된 비상냉각수는 중력에 의해 하측으로 이동된다. 따라서, 비상냉각탱크(9)와 연통된 비상냉각수 증기배관(410)의 단부가 비상냉각탱크(9)와 연통된 비상냉각수 회수배관(430의 단부보다 상측에 배치되는 것이 바람직하다.

비상냉각수 증기가 흡수한 열은 비상냉각수 순환계통(400)과 연결된 비상냉각수 열교환 계통(500)에 의해 비상냉각탱크(9)의 외측으로 배출될 수 있다.

비상냉각수 열교환 계통(500)은 증발부(510) 및 응축부(520)를 구비하고, 열교환 냉매(EF)가 증발부(510) 및 응축부(520)의 내부에서 순환된다. 일 실시 예에서, 열교환 냉매(EF)는 아이오다인(Iodine)일 수 있다.

증발부(510)가 비상냉각수 순환계통(400)의 열교환부(420)에 수용되고, 증발부(510)에 배치된 열교환 냉매(EF)가 열교환부(420)로 유입된 비상냉각수 증기의 열을 흡수하여 기화된다.

증발된 열교환 냉매(EF)는 응축부(520)로 이동하여 열을 방출한 후 응축되어 다시 증발부(510)로 유입된다.

일 실시 예에서, 응축부(520)는 원자력 발전소(1) 부지내의 외부 물탱크, 공기냉각탑 또는 지하부로 열을 방출할 수 있다.

증발부(510)와 응축부(520)의 상측 부분은 열교환부(420)를 관통하는 열교환냉매 증기배관(512)에 의해 서로 연통된다. 또한, 증발부(510)와 응축부(520)의 하측 부분은 열교환부(420)를 관통하는 열교환냉매 회수배관(522)에 의해 서로 연통된다.

이에 의해, 증발된 열교환 냉매(EF) 증기가 상승되어 열교환냉매 증기배관(512)로 유입되고, 유입된 열교환 냉매(EF) 증기는 열교환냉매 증기배관(512)을 통해 응축부(520)로 이동된다.

또한, 응축부(520)에서 열을 방출한 후 응축된 열교환 냉매(EF)는 중력에 의해 열교환냉매 회수배관(522)으로 유입된 후, 열교환냉매 회수배관(522)을 통해 증발부(510)로 재유입된다.

본 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)에서, 노심에서 발생되는 잔열이 장기적으로 냉각되는 과정은 다음과 같다.

노심에서 발생되는 잔열이 비상냉각탱크(9)로 이동되어 비상냉각수(OF)로 흡수되고, 비상냉각수(OF)로 흡수된 열은 비상냉각수(OF)가 비상냉각수 순환계통(400)을 순환하는 과정에서 열교환 냉매(EF)로 전달된다.

열교환 냉매(EF)로 흡수된 열은 열교환 냉매(EF)가 비상냉각수 열교환 계통(500)을 순환하는 과정에서 비상냉각탱크(9)의 외부로 방출된다. 구체적으로, 응축부(520)에서 비상냉각탱크(9)의 외부로 방출된다.

노심의 잔열에 의해 발생된 고온의 증기가 증기배관(310), 열교환기(95) 및 회수배관(320)을 통해 순환하는 경로인 제1 사이클을 통해 순환된다.

또한, 고온의 증기에서 열을 흡수한 비상냉각수(OF) 증기가 비상냉각수 증기배관(410), 열교환부(420), 비상냉각수 회수배관(430을 통해 순환하는 경로인 제2 사이클을 통해 순환된다.

또한, 비상냉각수 증기에서 열을 흡수한 열교환 냉매(EF)가 증발부(510), 열교환냉매 증기배관(512), 응축부(520) 및 열교환냉매 회수배관(522)을 통해 순환하는 경로인 제3 사이클을 통해 순환된다.

즉, 제1 사이클, 제2 사이클 및 제3 사이클이 반복적으로 작동되는 과정에서 노심에서 지속적으로 발생되는 잔열이 원자력 발전소(1)의 외부로 방출될 수 있다.

즉, 비상냉각수(OF)의 손실 없이 장기적인 냉각이 이루어질 수 있다.

(3) 열교환냉매 필터(600)의 설명

원자력 발전소(1)에 사고가 발생되는 경우, 비상냉각수 열교환 계통(500)에 손상이 발생될 수 있다. 즉, 열교환 계통(500)의 손상에 의해 열교환 냉매(EF)가 누설될 수 있다.

누설된 열교환 냉매(EF)는 주변 환경에 안 좋은 영향을 줄 수 있으므로, 비상냉각수 순환계통(400)에는 열교환냉매 필터(600)가 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 열교환냉매 필터(600)는 아이오다인(Iodine) 필터일 수 있다.

누설된 열교환 냉매(EF)는 비상냉각수(OF)와 함께 비상냉각수 순환계통(400)을 순환하게 되고, 누설된 열교환 냉매(Ef)는 비상냉각수 순환계통(400)에 구비된 열교환냉매 필터(600)에 흡착된다.

이에 의해, 누설된 열교환 냉매(EF)가 회수되며, 주변 환경으로 방출되는 것이 방지될 수 있다.

일 실시 예에서, 열교환냉매 필터(600)는 비상냉각수 증기배관(410)에 구비될 수 있다.

6. 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비한 원자력 발전소(1)의 설명

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 원자로 장기 냉각 계통을 구비하는 원자력 발전소(1)가 도시된다.

본 실시 예에 따른 원자력 발전소(1)는 도 1 및 도 2을 참조하여 설명한 순환배관(100)과 도 6을 참조하여 설명한 비상냉각수 순환계통(400) 및 비상냉각수 열교환 계통(500)을 모두 포함한다.

따라서, 본 실시 예에 도시된 순환배관(100), 비상냉각수 순환계통(400) 및 비상냉각수 열교환 계통(500)은 도 1, 도 2 및 도 6을 참조한 설명을 통해 이해될 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 원자력 발전소
2: 원자로 냉각재계통
21: 노심
22: 원자로
23: 증기발생기
3: 자동감압배관
4: 안전주입탱크
5: 노심보충탱크
6: 제1 격납고
6a: 제1 공간
61: 증기방출배관
62: 지지부재
61a: 방출 유로
611: 증기방출부
611a: 관통공
612: 체크 밸브
613: 체크 밸브
7: 제2 격납고
7a: 제2 공간
8: 저수 탱크
9: 비상냉각탱크
91: 제1 열교환기
91a: 제1 열교환 유로
92: 비상냉각수 공급 유로
93: 제2 열교환기
93a: 제2 열교환 유로
100: 순환배관
110: 제1 순환부(제1 순환배관)
120: 제2 순환부(제2 순환배관)
130: 제3 순환부
131: 제3 순환배관
132: 제4 순환배관
210: 증기배관
220: 회수배관
310: 증기배관
320: 회수배관
400: 비상냉각수 순환계통
410: 비상냉각수 증기배관
420: 열교환부
430: 비상냉각수 회수배관
500: 비상냉각수 열교환 계통
510: 증발부
512: 열교환냉매 증기배관
520: 응축부
522: 열교환냉매 회수배관
600: 열교환냉매 필터
IF: 냉각수
OF: 비상냉각수
EF: 열교환냉매
DL: 데드존 경계선

Claims (16)

1. 노심에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 원자로냉각재계통;
   내부에 상기 원자로냉각재계통을 수용하는 제1 공간이 형성되는 제1 격납고;
   내부에 상기 제1 격납고를 수용하는 제2 공간이 형성되는 제2 격납고;
   상기 제2 공간에 배치되고, 내부에 냉각수가 저수되는 저수 탱크;
   상기 제2 격납고의 외부에 배치되며, 내부에 비상냉각수가 저수되는 비상냉각탱크;
   양 단이 개방되고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 저수 탱크와 연통되는 증기방출배관; 및
   개방된 양 단이 상기 저수 탱크와 연통되고, 상기 양 단을 연결하는 부분이 상기 제1 공간, 상기 제2 공간 및 상기 비상냉각탱크를 순차적으로 관통하여 연장되는 순환배관을 포함하고,
   상기 증기방출배관의 상기 타 단은 상기 저수 탱크의 바닥면에서 소정 높이만큼 이격되어 배치되고,
   상기 제1 공간에서 상기 저수 탱크의 내부를 향하여 연장되는 상기 순환배관의 일 단은, 상기 증기방출배관의 상기 타 단과 상기 바닥면 사이에 배치되는,
   원자로 장기 냉각 계통.
2. 제1항에 있어서,
   상기 증기방출배관의 상기 타 단에는 상기 바닥면의 법선과 교차하는 방향으로 연장되는 증기방출부가 형성되고,
   상기 증기방출부의 외주면에는 복수 개의 관통공이 형성되는,
   원자로 장기 냉각 계통.
3. 제2항에 있어서,
   상기 증기방출부는 복수 개로 형성되고,
   복수 개의 상기 증기방출부는 서로 소정 각도를 이루며,
   각각의 증기방출부는 상기 저수 탱크의 내주면을 향하여 소정 길이만큼 연장되는,
   원자로 장기 냉각 계통.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수의 수면이 상기 바닥면에서 가장 멀어지는 경우, 상기 냉각수는 상기 저수 탱크에 제1 수위로 저수되고,
   상기 증기방출배관의 상기 일 단은 상기 제1 수위보다 상기 바닥면에서 멀게 배치되고,
   상기 냉각수의 수면이 상기 바닥면에서 가장 인접되는 경우, 상기 냉각수는 상기 저수 탱크에 제2 수위로 저수되고,
   상기 증기방출배관의 상기 타 단은 상기 제2 수위보다 상기 바닥면에서 인접하게 배치되는,
   원자로 장기 냉각 계통.
5. 제1항에 있어서,
   상기 순환배관의 상기 일 단은,
   상기 저수 탱크의 내벽의 부분 중 상기 바닥면과 연결되는 부분에 형성되는,
   원자로 장기 냉각 계통.
6. 제1항에 있어서,
   상기 비상냉각탱크에는 내부 유로가 형성된 열 교환기가 구비되고,
   상기 순환배관의 부분 중 상기 비상냉각탱크를 관통하는 부분은 상기 내부 유로를 포함하는,
   원자로 장기 냉각 계통.
7. 제6항에 있어서,
   상기 순환배관의 타 단은 상기 순환배관의 상기 일 단보다 상측에 배치되고,
   상기 냉각수의 수면이 상기 바닥면에서 가장 멀어지는 경우, 상기 냉각수는 상기 저수 탱크에 제1 수위로 저수되며,
   상기 순환배관의 상기 타 단은 상기 제1 수위보다 상측에 배치되는,
   원자로 장기 냉각 계통.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되는 증기배관;
   상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되어 상기 증기배관의 상기 타 단과 연결되며, 타 단이 상기 제1 공간과 연통되는 회수배관;
   양 단이 상기 비상냉각탱크의 내부와 연통되는 비상냉각수 순환계통; 및
   내부에 열교환냉매가 순환되고, 상기 비상냉각수 순환계통의 내부에 설치되는 증발부 및 상기 비상냉각수 순환계통의 외부에 설치되어 상기 증발부와 연결되는 응축부를 구비하는 비상냉각수 열교환 계통을 포함하는,
   원자로 장기 냉각 계통.
9. 노심에서 발생되는 열을 냉각시키도록 구성되는 원자로냉각재계통;
   내부에 상기 원자로냉각재계통을 수용하는 제1 공간이 형성되는 제1 격납고;
   내부에 상기 제1 격납고를 수용하는 제2 공간이 형성되는 제2 격납고;
   상기 제2 격납고의 외부에 배치되며, 내부에 비상냉각수가 저수되는 비상냉각탱크;
   상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되는 증기배관;
   상기 제2 공간을 관통하고, 일 단이 상기 비상냉각탱크 내부에 수용되어 상기 증기배관의 상기 타 단과 연결되며, 타 단이 상기 제1 공간과 연통되는 회수배관;
   양 단이 상기 비상냉각탱크의 내부와 연통되는 비상냉각수 순환계통; 및
   내부에 열교환냉매가 순환되고, 상기 비상냉각수 순환계통의 내부에 설치되는 증발부 및 상기 비상냉각수 순환계통의 외부에 설치되어 상기 증발부와 연결되는 응축부를 구비하는 비상냉각수 열교환 계통을 포함하는,
   원자로 장기 냉각 계통.
10. 제9항에 있어서,
    상기 비상냉각수의 수면이 상기 비상냉각탱크의 바닥면에서 가장 멀어지는 경우, 상기 비상냉각수는 제1 수위로 저수되고,
    상기 비상냉각수 순환계통은,
    상기 제1 수위의 상측에서, 일 단이 상기 비상냉각탱크와 연통되는 비상냉각수 증기배관;
    상기 제1 수위의 상측에서, 일 단이 상기 비상냉각탱크와 연통되는 비상냉각수 회수배관; 및
    상기 비상냉각수 증기배관과 상기 비상냉각수 회수배관을 서로 연통시키며, 내부에 상기 증발부가 수용되는 열교환부를 포함하는,
    원자로 장기 냉각 계통.
11. 제10항에 있어서,
    상기 비상냉각수 증기배관의 상기 일 단은, 상기 비상냉각수 회수배관의 상기 일 단보다 상측에 배치되는,
    원자로 장기 냉각 계통.
12. 제10항에 있어서,
    상기 비상냉각수 증기배관의 내부에는 상기 열교환냉매가 흡착되는 열교환냉매 필터가 구비되는,
    원자로 장기 냉각 계통.
13. 제10항에 있어서,
    상기 열교환냉매는 아이오다인(Iodine)인,
    원자로 장기 냉각 계통.
14. 제10항에 있어서,
    상기 증발부와 상기 응축부의 상측 부분은 상기 열교환부를 관통하는 열교환냉매 증기배관에 의해 서로 연통되고,
    상기 증발부와 상기 응축부의 하측 부분은 상기 열교환부를 관통하는 열교환냉매 회수배관에 의해 서로 연통되는,
    원자로 장기 냉각 계통.
15. 제9항에 있어서,
    상기 증기배관의 상기 타 단과 상기 회수배관의 상기 일 단은 열교환기를 통해 서로 연결되는,
    원자로 장기 냉각 계통.
16. 제9항에 있어서,
    상기 제2 공간에 배치되고, 내부에 냉각수가 저수되는 저수 탱크;
    양 단이 개방되고, 일 단이 상기 제1 공간과 연통되며, 상기 일 단의 반대편 타 단이 상기 저수 탱크와 연통되는 증기방출배관; 및
    개방된 양 단이 상기 저수 탱크와 연통되고, 상기 양 단을 연결하는 부분이 상기 제1 공간, 상기 제2 공간 및 상기 비상냉각탱크를 순차적으로 관통하여 연장되는 순환배관을 포함하고,
    상기 증기방출배관의 상기 타 단은 상기 저수 탱크의 바닥면에서 소정 높이만큼 이격되어 배치되고,
    상기 제1 공간에서 상기 저수 탱크의 내부를 향하여 연장되는 상기 순환배관의 일 단은, 상기 증기방출배관의 상기 타 단과 상기 바닥면 사이에 배치되는,
    원자로 장기 냉각 계통.

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