KR102486836B1 - 수동형 일체형 차단 밸브 - Google Patents

수동형 일체형 차단 밸브 Download PDF

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3세 존 디. 말로이
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비더블유엑스티 엠파워, 인크.
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Abstract

밸브 조립체는 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부에 연결된 플랜지를 포함한다. 밸브는 플랜지 내부에 배치되거나 플랜지로부터 용기 관통부 내로 돌출된다. 밸브는 밸브 시트와, 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치된 가동 밸브 부재를 포함한다. 밸브 조립체는 입구를 갖는 플리넘을 더 포함하며, 플리넘은 입구를 통한 플리넘의 가압이 가동 밸브 부재에 압력을 가하여 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방하도록 구성된다. 플리넘은 부분적으로 가동 밸브 부재의 표면에 의해 형성될 수 있다. 밸브 조립체는 바람직하게는 밸브 엑추에이터를 포함하지 않는다.

Description

수동형 일체형 차단 밸브{PASSIVE INTEGRAL ISOLATION VALVE}
본 발명은 에너지부(Department of Energy)에 의해 부여된 계약 번호 DE-0000583에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가진다.
이하는 원자로 기술, 원자력 기술, 원자로 안전 기술 및 관련 기술에 관련된 것이다.
기존의 원자력 발전소는 일반적으로 비등수형 원자로(BWR) 또는 가압수형 원자로(PWR) 설계의 경수 열 원자로이다. 이러한 원자로에서, 원자로 압력 용기 내에 작동 압력 및 온도로 수용된 냉각수(정제수) 내에 핵분열성 물질(일반적으로 핵분열성 235U이 풍부한 UO2와 같은 우라늄 화합물)을 포함하는 원자로 코어가 배치된다. 핵분열성 235U의 핵분열을 포함하는 핵 연쇄 반응은 원자로 코어 내에 열을 발생시키고, 이 열은 냉각수로 전달된다. PWR 설계에서, 1차 냉각수는 액체 상태(예: 과냉된) 상태로 유지되고 2차 냉각수를 증기 발생기에서 증기로 변환하여 - 이 2차 냉각수 증기가 그 후 터빈을 구동하는 데 사용되는 반면, BWR 설계에서, 열은 냉각수를 터빈을 구동하는데 사용되는 증기로 직접 변환한다. 종래의 PWR 설계에서, 증기 발생기는 원자로를 내장하는 원자로 압력 용기의 외부의 구성 요소이다. 소위 일체형 PWR 설계에서, 증기 발생기는 원자로 코어와 함께(일반적으로 그 위에) 원자로 압력 용기의 내부에 일체형으로 배치된다. 일체형 PWR 설계는 1차 냉각수를 운반하는 대구경 용기 관통부의 수를 유리하게 감소시킨다. 일부 고려된 PWR 설계에서, 이러한 용기 관통부는 1차 냉각수의 유출(let-down) 라인 및 보충 라인과, 비상 코어 냉각(ECC) 연결부로 제한될 수 있다.
원자로의 안전 작동은 환경으로의 방사능 유출에 대한 예방을 제공하는 것을 포함한다. 이를 위해, 일반적으로 강철 및/또는 철근 콘크리트로 구성된 방사성 물질 격납 구조물로 원자로를 감싸고, 이중으로, 안전 시스템을 실행하여, 원자로의 작동이 설계 범위를 벗어나는 경우를 해결하는 것으로 알려져 있다. 경우들 중 한 종류는 냉각수 상실 사고(LOCA)로, 원자로 냉각수가 원자로 압력 용기의 파손부로부터 또는, 더 일반적으로, 용기 관통부에서 원자로 압력 용기와 연결되는 대구경 파이프의 파손부로부터 빠져나가는 것이다. 용기 관통부와 그로부터 가장 가까운 파이프 밸브 사이에서 발생된 LOCA 파손은 특히 문제가 되는데, 이는 이러한 파손으로부터 온 원자로 냉각수 상실이 심지어 파이프 밸브가 폐쇄된 후에도 계속되기 때문이다. 한 알려진 해결책은 용기 관통부에 일체형 차단 밸브(IIV)를 설치하는 것이다. IIV는 압력 용기와 연결되는 플랜지에 내장된 밸브를 포함한다. IIV가 용기 관통부에 직접 일체로 결합되기 때문에, IIV를 폐쇄시키는 것은 LOCA 파손부에서의 원자로 냉각수 상실의 중단을 보장할 수 있다. 2013년 10월 7일에 발행된 말로이 3세 외, U.S. 공보번호 2013/0272478 A1, 그리고 2013년 11월 7일에 발행된 말로이 3세 외, U.S. 공보번호 2013/0294567 A1에 몇몇 IIV 설계가 개시되어 있다.
보충 라인을 보호하는 IIV는 원자로 외부로의 냉각수의 유출을 막도록 배향된 하나의 체크 밸브(또는 여유분을 제공하기 위하여 직렬로 연결된 두 개의 체크 밸브)와 같이 구성될 수 있다. 보충 냉각수가 원자로 용기 내로 유입되기 때문에 체크 밸브가(들이) 적합하다. 반면에, 유출 라인을 보호하는 IIV는 더 어렵다. 이것은 유출 냉각수가 원자로 밖으로 유출되기 때문에, 체크 밸브 설계가 정상적인 유출 작동을 막을 수 있기 때문이다. 따라서, 유출 라인용 IIV 설계는 일반적으로 전동 밸브를 사용한다.
예시적인 예로서 본 명세서에 설명된 일부 실시예에서, 밸브 조립체는 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부와의 연결되도록 구성된다. 밸브 조립체는, 용기 관통부와 연결되도록 구성된 플랜지; 플랜지가 용기 관통부와 연결될 때, 플랜지 내부에 배치되거나 플랜지로부터 용기 관통부 내로 돌출되도록 배치된 밸브 바디; 밸브 시트와 가동 밸브 부재를 포함하는 밸브로서, 밸브는 밸브 바디 내부에 배치되고, 가동 밸브 부재는 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치되는 밸브; 및 밸브 바디와 가동 밸브 부재 사이에 형성되고 입구를 갖는 플리넘(plenum)을 포함한다. 플리넘은 입구를 통한 플리넘의 가압이 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방하도록 구성된다. 밸브 바디가 플랜지 내부에 배치되는 실시예에서, 밸브 바디는 플랜지와 일체로 형성되거나, 플랜지로부터 분리되어 플랜지 내부에 장착될 수 있다. 플리넘은 가동 밸브 부재 주위에 배치된 복수의 플리넘 영역을 포함할 수 있으며, 가동 밸브 부재는 플리넘 영역 내로 연장되는 돌출부를 포함한다. 플리넘 영역은 가동 밸브 부재 둘레에 배치되고 가동 밸브 부재의 이동 방향으로 정렬된 슬롯(slot)일 수 있다. 밸브 조립체는 바람직하게는 밸브 액추에이터를 포함하지 않는다.
예시적인 예로서 본 명세서에 설명된 일부 실시예에서, 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부를 보호하기 위한 시스템은 전 단락에서 설명된 바와 같이 용기 관통부에 연결된 플랜지를 갖는 밸브 조립체를 포함하고, 밸브 조립체의 플리넘의 입구와 연결된 유체 라인을 포함하는 밸브 조립체 제어 라인과, 밸브 조립체 제어 라인 상에 배치된 파일럿 밸브를 더 포함한다. 시스템은 원자로 압력 용기에 보충 냉각수를 공급하는 보충 라인을 포함하는 원자로 냉각수 재고 및 정화 시스템(RCIPS)을 더 포함할 수 있고, 밸브 조립체 제어 라인은 보충 라인과 연결된다. 이러한 실시예에서, 밸브 조립체는 RCIPS의 유출 라인에 연결되어 원자로 압력 용기로부터 유출 냉각수를 제거할 수 있다.
예시적인 예로서 본 명세서에 설명된 일부 실시예에서, 밸브 조립체는 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부와 연결되도록 구성된다. 밸브 조립체는 용기 관통부와 연결되도록 구성된 플랜지와, 플랜지가 용기 관통부와 연결될 때 플랜지 내부에 배치되거나 플랜지로부터 용기 관통부 내로 돌출되도록 배치된 밸브를 포함한다. 밸브는 밸브 시트와, 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치된 가동 밸브 부재를 포함한다. 밸브 조립체는 입구를 가지는 플리넘을 더 포함하며, 플리넘은 입구를 통하여 가압되어 가동 밸브 부재에 압력을 가할 수 있고, 이 압력은 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방한다. 하나의 예시적인 구성에서, 플랜지는 중공 채널에 의해 연결된, 이격된 제1 및 제2 플랜지 립을 포함하는 스풀 플랜지이고, 밸브는 스풀 플랜지 내부에 배치된다. 일부 실시예에서, 밸브 조립체는 플랜지 상에 장착된 원통형 밸브 바디를 더 포함하고, 원통형 밸브 바디는 밸브를 포함하며, 원통형 밸브 바디는 플랜지가 용기 관통부와 연결될 때, 원자로 압력 용기의 벽을 관통하는 원통형 보어를 포함하는 용기 관통부 내로 동축으로 삽입되도록 크기가 정해진다. 플리넘은 부분적으로 가동 밸브 부재의 표면에 의해 형성될 수 있다. 밸브 조립체는 바람직하게는 밸브 액추에이터를 포함하지 않는다.
예시적인 예로서 본 명세서에 설명된 일부 실시예에서, 시스템은 용기 관통부를 포함하는 원자로 압력 용기와, 원자로 압력 용기의 하부에 수용된 핵분열성 물질을 포함하는 원자로 코어와, 전 단락에서 설명된 바와 같이 용기 관통부에 연결되는 플랜지를 갖는 밸브 조립체와, 밸브 조립체의 플리넘의 입구와 연결된 유체 라인을 포함하는 밸브 조립체 제어 라인과, 밸브 조립체 제어 라인 상에 배치된 파일럿 밸브로 구성되는 원자로를 포함한다. 시스템은 원자로 압력 용기로부터 유출 냉각수를 제거하기 위하여 밸브 조립체를 통해 용기 관통부에 연결된 유출 라인을 포함하는 원자로 냉각수 재고 및 정화 시스템(RCIPS)을 더 포함할 수 있다. RCIPS는 보충 냉각수를 원자로 압력 용기에 공급하는 보충 라인을 더 포함할 수 있으며, 보충 라인은 또한 보충 라인으로부터 온 보충 냉각수로 밸브 조립체의 플리넘을 가압하기 위하여 밸브 조립체 제어 라인에 연결된다. 시스템은 원자로 코어를 포함하는 원자로 압력 용기의 하부가 배치되는 원자로 공동을 포함하는 방사성 물질 격납 구조물을 더 포함할 수 있으며, 밸브 조립체는 파일럿 밸브보다 원자로 공동에 더 가깝게 배치된다. 예를 들어, 밸브 조립체는 원자로 공동 내부에 배치될 수 있고 파일럿 밸브는 원자로 공동 외부에 배치될 수 있다.
본 발명은, 다양한 구성요소 및 구성요소의 배열과, 다양한 공정 동작 및 공정 동작의 배열의 형태를 취할 수 있다. 이 도면들은 단지 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 본 개시는 이하의 도면을 포함한다.
도 1은 원자로와 주위의 원자로 공동을 포함하는 방사성 물질 격납 구조물의 일부, 그리고 본원에 개시된 바와 같이 일체형 차단 밸브(IIV)에 의해 보호된 보충 라인 및 유출 라인을 포함하는 원자로 냉각수 재고/정제 시스템(RCIPS)을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 밸브가 개방 위치(유출 냉각수의 유출을 허용)에 있는, 도 1의 유출 라인을 보호하는 IIV의 예시적인 실시예를 도식적으로 나타낸다.
도 3은 밸브가 폐쇄 위치(유출 라인을 통한 원자로로부터의 냉각수 상실을 방지)에 있는, 도 2의 IIV를 도식적으로 나타낸다.
도 4는 도 1의 유출 라인을 보호하는 IIV의 다른 예시적인 실시예를 도식적으로 나타낸다.
유출 라인에 사용되는 기존의 전동식 일체형 차단 밸브(IIV) 설계는 특정한 결함을 갖는다는 것이 본원에서 인식된다. IIV를 구동하는 모터는 유출 라인에서 파이프 파손부를 차단하기 위해 신속하게 반응하고 작동해야 한다. 모터는 또한 원자로 근처의 공간을 차지하고, IIV에 인접한 영역에서 원자로 단열을 방해할 수 있다. 또한, 모터는 원자로 용기에 인접한 고온 및 높은 방사능 레벨의 존재하에서 견고하고 신뢰성이 있어야 한다.
본 명세서에 개시된 IIV 설계에서, IIV 플랜지에 장착되거나 플랜지로부터 용기 관통부 내로 돌출되는 밸브는 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치되는 가동 밸브 부재를 포함한다. 개시된 IIV 설계는 입구를 갖는 플리넘을 더 포함한다. 플리넘이 유체에 의해 가압되면, 플리넘 내부의 압력은 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방한다. 하나의 적합한 설계에서, 플리넘은 가동 밸브 부재의 이동 방향과 평행하게 배향된 슬롯과 같은, 다수의 플리넘 영역을 포함하고, 가동 밸브 부재는 플리넘 슬롯 내의 가압된 유체가 돌출부를 밀어 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방하도록 하는, 슬롯 내로 연장된 돌출부를 포함한다.
이러한 IIV 설계에서, 밸브는 플리넘 내의 압력이 원자로 압력 용기 내의 압력에 의해 적용되는 폐쇄력(closing force)보다 큰 개방력(opening force)을 부과할 만큼 충분히 높을 때마다 개방된다. 따라서 IIV는 다음 두 가지 조건하에 폐쇄된다: (1) 플리넘 압력이 제거되거나 밸브 개방을 유지하지 못하는 수준으로 감소되거나, 또는 (2) 압력 용기 내부의 압력이 적용된 플리넘 압력을 극복하고 밸브를 폐쇄하기에 충분한 수준까지 상승하는 경우이다[이것은 용기 과압 상황으로, 다른 전용 안전 밸브 또는 응급 코어 냉각(즉, ECC) 시스템이 작동된다]. 플리넘 내의 압력은 유체를 플리넘 안으로 공급하는 제어 라인 상의 임의의 위치의 원격 파일럿 밸브로 제어할 수 있다. 플리넘 내의 압력 손실은 IIV의 안전 폐쇄를 야기하기 때문에, 제어 라인 상의 파손부는 냉각수 상실 사고(LOCA)를 유발할 수 없다.
제어 라인에 대한 가압 유체의 공급원이 손실되면, IIV가 다시 닫혀 안전 장치의 동작을 제공한다. 일부 개시된 실시예들에서, 이러한 가압 유체의 공급원은 원자로 냉각수 재고 및 정제 시스템(RCIPS)의 보충 라인이다. IIV의 제어 라인을 RCIPS의 보충 라인 중 하나에 연결하는 것은 이미 방사성 물질 격납고 내부에 위치한 충분한 가압원을 제공한다. 이 배열은 또한 보충 라인의 감압을 일으키는 임의의 RCIPS 고장 모드의 시작시에, IIV의 폐쇄를 보장한다. 제어 라인의 유체 공급원으로 보충 라인을 사용하는 또 다른 이점은 만일 플리넘에 균열이 생겨 플리넘의 유체가 IIV의 유동으로 누설될 수 있는 경우에도, 이것이 단순히 정제된 냉각수의 유동으로의 도입일 뿐이라는 것이다.
본 명세서에 제시된 예시적인 실시예에서, 개시된 IIV 설계는 전형적인 고려된 적용인, RCIPS의 유출 라인을 보호하는 환경에서 제공된다. 그러나, 개시된 IIV 설계가 압력 용기의 외부로 냉각수를 운반할 수 있는 임의의 용기 관통부를 보호하기 위해 적합하게 적용된다는 것을 알 수 있을 것이다. 개시된 IIV 설계는 또한 보충 라인과 같이 냉각수를 압력 용기 내로 독점적으로 운반하는 용기 관통부를 보호하기 위해 사용되는 것이 고려되지만, 이 경우에는 더 간단한 체크 밸브 IIV 설계가 보다 비용 효율적일 수 있다.
도 1을 참조하면, 원자로(10)는 핵분열성 물질을 포함하는 원자로 코어(14)를 포함하는, 다양한 구성 요소를 내장하는 원자로 압력 용기(12)를 포함한다. 원자로 코어(14)는 압력 용기(12)의 하부 부분의 원자로 코어의 위치를 도식적으로 나타내기 위해 점선으로 도시되어 있으며 - 원자로 코어는 압력 용기(12)의 하부의 내부에 수용되므로 실제로는 볼 수 없게 된다. 일반적인 상업용 경수로 설계에서, 원자로 코어(14)는 우라늄이 핵분열성 235U 동위 원소로 농축된 UO2(더 높은 농축이 고려되나, 상업용 원자로에서는 일반적으로 5% 이하로 농축된다)를 함유하는 연료봉을 포함하며, 연료봉은 일반적으로 수직으로 배향되고 스페이서 격자 요소(상세히 도시되지 않음)에 의해 이격된 배열로 유지된다. 원자로(10)의 정상 작동 중에, 원자로 압력 용기(12)는, 열흡수재를 통해 냉각수를 순환시킴으로써 제공되는 열흡수에 의하여 균형을 유지하는 원자로 코어(14) 내에서의 핵 연쇄 반응에 의해 생성되는 열 에너지에 의해, 설계 작동 압력과 작동 온도로 유지되는 (1차) 냉각수로 가득 차 있다. 열 흡수 방법은, 예를 들어, 가압수형 원자로(PWR) 설계의 경우 증기 발생기일 수 있고, 비등수형 원자로(BWR) 설계의 경우 터빈을 구동하도록 배관된 증기를 갖는 압력 용기 내의 냉각수의 직접적인 비등일 수 있다. 예시적인 PWR 설계는 증기 발생기가 압력 용기(12) 내부에 배치되는 일체형 PWR 설계이며(도 1에 도시되지 않은 내부 증기 발생기); 더 일반적인 PWR 설계에서 증기 발생기는 대구경 배관으로 압력 용기와 연결된 외부 구성요소이다. 도 1에 도시되지 않은 다른 구성요소 또한 압력 용기(12)에 포함될 수 있으며, 중앙 라이저(central riser) 또는 다른 냉각수 순환 제어, 제어봉 및 관련된 구동 장치(대안적으로 압력 용기의 외부에 위치할 수도 있는), 압력 제어를 제공하기 위하여 압력 용기(12) 정부에 위치하는 내부 가압기 내의 가열 요소 및 스파저(sparger)(대안적으로, 외부 가압기가 적절한 배관을 통하여 연결될 수 있다.) 등이 이에 해당한다. 예시적인 PWR(10)은 외부의 냉각수 펌프(RCP) 유닛을 포함하며 그 모터(16)가 원자로 압력 용기(12)의 정부에 가까운 외부에 위치하지만, 냉각수 순환이 원자로 코어 내에서 생성되는 열에 의해 구동되는 대안적인 “자연 순환” 원자로 설계와 같이, 다른 내부 또는 외부 RCP 구성이 고려된다. BWR의 경우, 압력 용기는 증기를 취급하는 구성요소(건조기 등)를 적절하게 포함할 수 있다. 이들은 단지 예시적인 예이며, 개시된 IIV 설계는 가압된 냉각수를 포함하는 실질적으로 임의의 유형의 원자로의 결합과 관련하여 적절하게 사용되는 것으로 이해되어야 한다. 추가적인 예로서, 개시된 IIV 설계는 냉각수가 중수(즉, 중수소)이고, 원자로 코어가 대개 더 낮은 235U 농축이거나 심지어 비농축 우라늄(대략 0.7%의 235U로서 자연 존재비를 갖는)일 수도 있는 UO2를 포함하는 중수로에 사용되도록 고려된다.
계속해서 도 1을 참조하면, 원자로(10)는 원자로(10)를 둘러싸고 있는, 일반적으로 강철 또는 철근 콘크리트 구조물인 방사성 물질 격납 구조물(20) 내에 수용된다. 예시적인 목적에 따라, 방사성 물질 격납 구조물(20)의 하부 일부만이 파선을 사용하여 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 예시적인 방사성 물질 격납 구조물(20)은 원자로 코어(14)를 포함하는 원자로 압력 용기(12)의 하부가 배치되는 원자로 공동(22)을 포함한다. 냉각수 상실 사고(LOCA)의 경우 또는 원자로 코어(14)의 과도한 가열을 야기하는 다른 경우에 있어서, 원자로 공동(22)은 냉각을 보조하기 위하여 격납 구조물(20) 내부에 위치한 연료 교체용수 저장 탱크(RWST, 도시되지 않음) 내에 있는 물에 의해 침수될 수 있다. 중성자 차폐부를 포함하는 방사선 차폐가 통상적으로 원자로 코어 주위에 제공되지만, 고농도의 중성자는 일반적으로 원자로(10)의 정상 작동 중에 원자로 코어(14)에 의하여 원자로 압력 용기(12)의 하부 수용부의 외부에 생성된다. 결과적으로, 압력 용기(12)와 원자로 공동(22)의 벽 사이의 갭은 상대적으로 높은 방사성 환경이며, 방사선 수치는 원자로 공동(22)의 정부 위로 높이가 증가함에 따라 감소한다.
원자로(10)의 정상 작동 중에, 압력 용기(12) 내부의 냉각수 재고가 조정된다. 이를 위해, 원자로 냉각수 재고 및 정제 시스템(RCIPS)(30)은 원자로 압력 용기(12) 외부에 정제된 원자로 냉각수 재고(32)를 포함한다. 보충 라인(34)은 압력 용기(12) 내로 주입하기에 충분한 압력으로 정제된 보충 냉각수 공급원을 제공한다. 압력 용기(12) 내의 냉각수가 작동 원자로 압력(Preactor)으로 유지되기 때문에, 보충 라인(34)은 보충 냉각수가 내부 압력(Preactor)을 극복하고 압력 용기(12) 내로 주입될 수 있도록 적절한 펌핑(미도시)을 통해 원자로 압력(Preactor)보다 높은 압력 헤드(Pmake-up)를 적절히 제공한다. 보충 밸브(36)는 일체형 차단 밸브(IIV)(38)에 의해 선택적으로 보호되는 보충 라인 용기 관통부를 통한 원자로 압력 용기(12)로의 정제된 보충 냉각수의 전달을 제어한다. 보충 라인(34)이 보충 냉각수를 원자로 압력 용기(12) 내로 전달하기 때문에, 보충 라인 IIV(38)는 원자로 압력 용기(12) 내로 유입을 허용하지만 원자로 압력 용기(12) 외부로 유출을 차단하는 체크 밸브로 적절히 구성될 수 있다. 유리하게도, 보충 라인 IIV(38)는 모터 또는 다른 액추에이터를 포함하지 않는 수동형 체크 밸브이고, 따라서 보충 라인 IIV(38)는 도시된 바와 같이 원자로 공동(22) 내부에 배치될 수 있고, 또는 높은 방사성 그리고 고온의 환경인, 원자로 공동의 정부 근처에 배치될 수 있다.
RCIPS(30)는 또한 원자로 압력 용기(12)로부터 유출 냉각수를 제거하기 위해 유출 라인(44)을 포함한다. 유출 밸브(46)는 일체형 차단 밸브(IIV)(50)에 의해 선택적으로 보호되는 유출 라인 용기 관통부를 통한, 원자로 압력 용기(12)로부터의 유출 냉각수의 제거를 제어한다. 유출 라인(44)이 압력 용기(12)로부터 유출 냉각수를 제거하기 때문에, 유출 라인 IIV(50)는 체크 밸브가 될 수 없고 이는 체크 밸브는 정상적인 유출 동작을 저지할 수 있기 때문이다. 종래의 해결책은 유출 IIV로 능동 밸브를 사용하는 것이다. 그러나 이미 언급했듯이 이러한 접근법은 문제가 된다. 능동 밸브를 구동하는 모터 또는 다른 액추에이터는 파손이 발생한 경우 유출 라인(44)을 차단하기 위해 신속하게 반응하고 작동해야 한다. 모터 또는 다른 밸브 엑추에이터는 또한 원자로(10) 근처의 공간을 차지하고, 원자로의 단열을 방해할 수 있다. 또한, 유출 라인이 원자로 공동의 내부 또는 원자로 공동의 정부 근처에 위치하는 예시적인 예에서, 모터 또는 다른 밸브 엑추에이터는 그 영역의 고온 및 높은 방사능 레벨의 존재 하에서 견고하고 신뢰성이 있어야 한다.
본 명세서에 개시된 실시예에서, 유출 IIV(50)는 보통은 원자로 압력 용기(12) 내부의 압력(Preactor)에 의해 폐쇄된 상태로 유지되며, 밸브 조립체 제어 라인(52)을 통하여 밸브 조립체(50) 내의 플리넘에 가해지는 가압에 의해 개방되는, 밸브 조립체(50)다. 제어 라인(52) 상의 파일럿 밸브(54)는 이 압력을 밸브 잠금으로써 밸브 조립체(50)가 폐쇄되도록 한다. 도 1의 예시적인 예에서, 밸브 조립체 제어 라인(52)은 플리넘에 압력을 제공하기 위해 보충 라인(34)에 연결된다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 개방 상태(도 2) 및 폐쇄 상태(도 3)에서의 밸브 조립체(50)의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 도 2 및 도 3의 예시적인 밸브 조립체(50)는 플랜지(64) 내에 배치된 가동 밸브 부재(60) 및 밸브 시트(62)를 포함한다. 이 예시적인 실시예에서, 플랜지(64)는 중공 채널(70)에 의해 연결된, 이격된 제1 플랜지 및 제2 플랜지 립(66, 68)을 포함하는 스풀 플랜지이며, 가동 밸브 부재(60) 및 밸브 시트(62)를 포함하는 밸브는 스풀 플랜지(64) 내부에 배치된다. 제1 플랜지 립(66)은 보어 홀(72) 또는 제1 플랜지 립(66)이 압력 용기(12)의 유출 라인 관통부에 밀봉된 방식으로 고정될 수 있게 하는 다른 고정 형상부를 포함한다. 제2 플랜지 립(68)은 보어 홀(74) 또는 제2 플랜지 립(68)이 밸브 조립체 제어 라인(52)에 대한 결합부(도시되지 않음)에 밀봉된 방식으로 고정될 수 있게 하는 다른 고정 형상부를 포함한다. 따라서, 제1 플랜지 립(66)은 원자로 압력 용기 측(76)을 향하고, 제2 플랜지 립(68)은 제어 라인 측(78)을 향한다. 도 2 및 도 3을 비교하면, 가동 밸브 부재는 도 2 및 도 3에 도시된 이동 방향(T)으로 이동하는 것을 알 수 있다.
밸브 조립체(50)는, 이 예시적인 실시예에서는 가동 밸브 부재(60) 둘레에 배열되고 가동 밸브 부재(60)의 이동 방향(T)으로 정렬된 플리넘 슬롯(80)으로 형성된, 복수의 플리넘(80)을 더 포함한다. 가동 밸브 부재(60)는 슬롯(80) 내로 연장된 돌출부(82)를 포함한다. 밸브 부재(60)는 또한, 도 2 및 도 3의 예시적인 예에서는 슬롯(80)과 평행한 측방향 연장부(84)를 포함하는 돌출부(82)를 포함함으로써, 플리넘 슬롯(80)의 폐쇄를 형성한다. 따라서, 도 2 및 도 3의 예시적인 예에서, 각 플리넘 슬롯(80)은 스풀 플랜지(64)의 중공 채널(70)의 내부 직경의 일부를 포함하는 벽, 그리고 돌출부(82) 및 가동 밸브 부재(60)의 측방향 연장부(84)에 의해 형성된다. 다른 식으로 말해, 플리넘 슬롯(80)은 밸브 바디(스풀 플랜지(64)와 일체인)와 가동 밸브 부재(60) 사이에 형성된다. 플리넘 슬롯(80)은 밸브 조립체 제어 라인(52)과 연결된 하나 이상의 입구(86)를 갖는다.
도 2를 참조하면, 개방 위치에서의 밸브 조립체(50)가 도시되어 있다. 밸브를 개방 상태로 유지하기 위해, 제어 라인(52)으로부터 입구(86)를 통해 플리넘(80)에 가압(90)이 가해진다. 도 1을 다시 간단히 참조해서, 보충 라인(34)이 가압된다고 가정하면, 플리넘 가압(90)은 파일럿 밸브(54)를 개방함으로써 가해진다. 가동 밸브 부재(60)에는 원자로 압력(Preactor)과 가동 밸브 부재(60)의 이동 방향(T)을 따라 투영된 면적의 곱과 같은 힘(도 2에 도시된 방향에서 우측을 향하여 작용하는)(60)이 작용하고, 이는 밸브 시트(62)에 대해 가동 밸브 부재(60)를 가압하여 밸브를 폐쇄한다. 이 힘과 반대로 도 2에 도시된 개방 위치에 밸브 조립체(50)를 유지하기 위해, 플리넘 가압(90) 에 의해 돌출부(82)에 가해지는 힘(도 2에 도시된 방향에서 좌측을 향하여 작용하는)은 원자로 압력(Preactor)에 의한 폐쇄력을 극복하기에 충분할 만큼 커야 한다. (보충 밸브(36)가 개방될 때) 보충 라인(34) 내의 압력은 원자로 압력 용기(12) 내로 보충 냉각수를 도입하기 위해 원자로 압력(Preactor)을 극복하기에 충분히 높기 때문에, 밸브 개방을 유지하기에 충분한 힘은 이미 달성되었다. 돌출부(82)가 플리넘 슬롯(80)의 극단(좌측) 단부와 접촉할 때 가동 밸브 부재(60)의 개방 위치를 향한 이동(즉, 도 2에 도시된 방향에서 좌측 방향)은 정지한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가동 밸브 부재(60)가 가장 좌측의 위치에 있을 때, 입구(86)를 통하여 플리넘(80)에 가해지는 압력에 의해, 냉각수 유동(F)은 가동 밸브 부재(60)의 공동 그리고 밸브 시트(62)의 공동을 통과하여 흐른다. 이 냉각수의 유동(F)은 유출 라인(44) 내로 흘러 들어가는 유출 유동이다. 유출 유동 F는 다음과 같은 경우에만 흐를 것임을 주의해야 한다: (1) 도 2에 도시된 바와 같이 일체형 차단 밸브 조립체(50)가 개방 위치에 있는 경우, 그리고 (2) 유출 밸브(46) 또한 RCIPS(30)로 유출 유동(F)을 허용하도록 개방된 경우. 정상적인 원자로의 작동 중에, 플리넘 가압(90)은 파일럿 밸브(54)를 개방 상태로 유지함으로써 유지되며, 유출 동작은 실질적으로 유출 밸브(46)에 의해 제어된다. 만일 플리넘(80)이 잘 밀봉된다면, 입구(86)로의 유체의 유입은 플리넘(80)의 초기 가압시를 제외하고(즉, 파일럿 밸브(54)가 처음으로 열릴 때를 제외하고) 실질적으로 0이다. 실제로는, 가동 밸브 부재(60)의 돌출부(82) 및 측방향 연장부(84)에 의해 제공되는 플리넘(80)의 밀봉은 불완전할 수 있다. 이 경우, 제어 라인(52)에 약간의 작은 누수가 존재할 수 있다. 도 4의 예시적인 실시예에서와 같이 보충 라인(34)이 가압 유체를 제공한다면, 이 작은 누수는 주요 유출 유동(F)과 결합하고 RCIPS(30)로부터 온 정제된 냉각수를 포함하기 때문에 문제가 되지 않는다.
이제 도 3을 참조하면, 폐쇄 위치에서의 일체형 차단 밸브 조립체(50)가 설명된다. 밸브를 폐쇄하기 위해, 플리넘 가압(90)이 제거되어, 원자로 압력(Preactor)에 의해 제공되는(우측으로 도시된) 힘에 대항하는(좌측으로 도시된) 힘이 제거된다. 이제 대항 받지 않으므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 가동 밸브 부재(60)가 밸브 시트(62)에 안착하여 밸브를 폐쇄할 때까지, 원자로 압력(Preactor)에 의한 (오른쪽 방향의) 힘은 가동 밸브 부재(60)를 밸브 시트(62)쪽으로 이동시킨다. 이것은, 예를 들어 파일럿 밸브(54)를 폐쇄함으로써, 플리넘 가압(90)이 완전히 제거되는 경우에 발생한다. 이 밸브 폐쇄는 또한 플리넘 가압(90)에 의한 밸브를 개방시키려는 힘이 원자로 압력(Preactor)에 의한 밸브를 폐쇄시키려는 힘보다 작아지는 경우에도 발생한다. 후자의 경우는 RCIPS 보충 라인(34)의 압력이 충분히 떨어지거나, 원자로 과압 조건으로 인해 원자로 압력(Preactor)이 충분히 증가하면 발생할 수 있다.
도 4를 참조하면, 밸브 조립체(150)로 표시되어 있는, 유출 일체형 차단 밸브 조립체의 다른 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 도 4의 실시예는 플랜지(164) 상에 장착되고, 플랜지(164)가 용기 관통부에 연결될 때 플랜지(164)로부터 압력 용기(12)의 용기 관통부 내로 돌출되는 밸브 바디(152)를 포함한다. 밸브 조립체(150)는 이중화를 제공하기 위해 2개의 가동 밸브 부재(160)와 2개의 정합 밸브 시트(162)를 포함한다. 예시적인 목적으로, 도 4의 우측의 밸브는 개방 위치의 밸브[밸브 시트(162)로부터 먼 가장 좌측의 위치의 가동 밸브 부재(160)]로 도시되어 있는 데 반해, 도 4의 좌측의 밸브는 폐쇄 위치의 밸브[밸브 시트(162)에 대해 안착된 가장 우측의 위치의 가동 밸브 부재(160)]로 도시되어 있다. 밸브들의 대부분은 밸브 바디(152) 내에 있지만, 우측 밸브의 밸브 시트(162)는 플랜지(164) 내에 있음을 유의하여야 한다. 밸브는 플리넘 슬롯(180)을 포함하며, 가동 밸브 부재(160)의 연장부(182)가 그 내부로 연장된다. 그러나, 도 4의 실시예에서, 도 2 및 도 3의 실시예의 측방향 연장부(84)는 생략되고, 가동 밸브 부재(160)를 그 외부 측면이(돌출부(180)와 함께) 플리넘 슬롯(180)을 밀봉하도록 원통형 구성요소로 구성함으로써 기능적으로 대체되었다. 다른 식으로 말해, 플리넘 슬롯(180)은 밸브 바디(152)와 가동 밸브 부재(160) 사이에 형성된다. 입구(186)는 일체형 차단 밸브(150)가 파일럿 밸브(54)를 개방함으로써 개방 위치에 유지되거나 파일럿 밸브(54)를 폐쇄함으로써 폐쇄될 수 있도록, 밸브 조립체 제어 라인(52)과 적절하게 연결된다(도 1 참조). 개방 위치에서, 화살표(FF)는 일체형 차단 밸브 조립체(150)를 통과하는 유출 냉각수의 유동을 나타낸다.
예시적인 실시예는 스풀 플랜지를 사용하지만, 개시된 일체형 차단 밸브 조립체는 다른 유형의 플랜지를 사용하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 스풀 플랜지는 용기 관통부에서 원자로 압력 용기(12)에 볼트로 고정된 플랜지 립을 갖는 단면 플랜지로 대체될 수 있고 반대편에는 제어 라인(52)에 연결하기 위한 니플(nipple) 또는 다른 파이프 결합부를 포함할 수 있다. 비록 도 1의 예시적인 실시예는 플리넘(80, 180)을 가압하기 위한 가압 유체 공급원으로서 RCIPS 보충 라인(34)을 사용하고, 이는 본원에 설명된 바와 같이 소정의 이점을 갖지만, 이 목적을 위해 다른 가압 유체 공급원을 사용하는 것이 고려된다. 다른 변형 예로서, 플리넘 슬롯을 가동 밸브 요소에 형성된 홈으로 형성하여 가동 밸브 요소의 돌출부가 가동 밸브 바디 내로 수용되도록 하는 것이 고려된다.
일체형 차단 밸브 조립체(50, 150)는 바람직하게는 밸브 엑추에이터를 포함하지 않는다. 오히려, 차단 밸브 조립체(50, 150)는, 능동 밸브일 수 있지만 원자로(10)의 고온의, 높은 방사성 환경으로부터 떨어져 위치될 수 있는, 파일럿 밸브(54)의 작용에 의해 원격으로 작동된다. 파일럿 밸브(54)의 방사능 노출을 줄이기 위해, 밸브 조립체(50, 150)는 파일럿 밸브(54)보다 원자로 공동(22)에 더 가깝게 위치된다. 예시적인 도 1에서, 파일럿 밸브(54)가 원자로 공동(22)의 외부에 배치되는데 반해 밸브 조립체(50, 150)는 원자로 공동(22) 내부에 배치된다.
바람직한 실시예를 포함하는 예시적인 실시예가 설명되었다. 비록 본 발명의 응용 및 원리 및 방법을 예시하기 위해 특정 실시예가 상세하게 도시되고 기술되었지만, 본 발명이 이들로 제한되는 것을 의도하지 않으며 본 발명은 이러한 원칙들로부터 벗어나지 않고 다른 형태로 실시될 수 있는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 본 발명의 소정 특징들은 때때로 그 이점을 위하여 다른 특징들의 대응하는 사용 없이 이용될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변경 및 실시예는 다음의 청구항의 범위 내에 적절하게 포함된다. 명백하게, 전술한 상세한 설명을 읽고 이해할 때 다른 사람들에게 수정 및 변경이 일어날 것이다. 본 발명은 첨부된 청구 범위 또는 그 등가물의 범위 내에 있는 모든 그러한 변형 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부에 연결되는 밸브 조립체이며,
    용기 관통부와 연결되도록 구성된 플랜지;
    플랜지가 용기 관통부에 연결될 때, 플랜지 내부에 배치되거나 플랜지로부터 용기 관통부로 돌출되도록 배치된 밸브 바디;
    밸브 시트와 가동 밸브 부재를 포함하는 밸브로서, 밸브는 밸브 바디 내부에 배치되고, 가동 밸브 부재는 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치되는 밸브; 그리고
    밸브 바디와 가동 밸브 부재 사이에 형성되고 입구를 갖는 플리넘으로서, 입구를 통한 플리넘의 가압이 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방하도록 구성된 플리넘을 포함하고,
    플리넘은 가동 밸브 부재 주위에 배치된 복수의 플리넘 영역을 포함하고, 가동 밸브 부재는 플리넘 영역 내로 연장되는 돌출부를 포함하는 밸브 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 밸브 바디는 플랜지 내부에 배치되고, (i) 플랜지와 일체로 형성되거나 (ii) 플랜지로부터 분리되어 플랜지 내부에 장착되는 것 중 하나인 밸브 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 밸브 바디는 플랜지 상에 장착되고 플랜지가 용기 관통부에 연결될 때 플랜지로부터 용기 관통부 내로 돌출되도록 배치되는 밸브 조립체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 복수의 플리넘 영역은 가동 밸브 부재 주위에 배치되고 가동 밸브 부재의 이동 방향과 정렬된 복수의 슬롯을 포함하며, 가동 밸브 부재의 돌출부는 슬롯 내로 연장되는 밸브 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 밸브 조립체는 밸브 엑추에이터를 포함하지 않는 밸브 조립체.
  7. 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부를 보호하기 위한 시스템이며,
    밸브 조립체로서,
    용기 관통부에 연결된 플랜지로서, 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 중공 채널을 포함하는 플랜지;
    플랜지가 용기 관통부에 연결될 때, 플랜지 내부에 배치되거나 플랜지로부터 용기 관통부 내로 돌출되도록 배치된 밸브 바디;
    밸브 시트와 가동 밸브 부재를 포함하는 밸브로서, 밸브는 그 전체가 플랜지 내부에 배치되고, 가동 밸브 부재는 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 이동 방향을 따라 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치되고, 가동 밸브 부재의 이동 방향은 플랜지의 중공 채널의 길이방향 중심축과 평행한 밸브;
    밸브 바디와 가동 밸브 부재 사이에 형성되고 입구를 갖는 플리넘으로서, 입구를 통한 플리넘의 가압이 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 이동 방향을 따라 가압하여 밸브를 개방하도록 구성된 플리넘;
    을 포함하는 밸브 조립체;
    밸브 조립체의 플리넘의 입구와 연결된 유체 라인을 포함하는 밸브 조립체 제어 라인; 그리고
    밸브 조립체 제어 라인 상에 배치된 파일럿 밸브를 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    보충 냉각수를 원자로 압력 용기에 공급하는 보충 라인을 포함하는 원자로 냉각수 재고 및 정화 시스템(RCIPS)을 더 포함하며,
    밸브 조립체 제어 라인은 보충 라인과 연결되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 밸브 조립체는 원자로 압력 용기로부터 유출 냉각수를 제거하기 위하여 RCIPS의 유출 라인에 연결되는 시스템.
  10. 원자로의 원자로 압력 용기의 용기 관통부와 연결되도록 구성된 밸브 조립체이며,
    용기 관통부와 연결되도록 구성된 플랜지;
    플랜지가 용기 관통부에 연결될 때 플랜지 내부에 배치되거나 용기 관통부 내로 돌출되도록 배치된 밸브로서, 밸브 시트와, 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치된 가동 밸브 부재를 포함하는 밸브;
    를 포함하고,
    밸브 조립체는 입구를 가지는 플리넘을 더 포함하며, 플리넘은 입구를 통하여 가압되어 가동 밸브 부재에 압력을 가할 수 있고, 이 압력은 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방하고,
    플리넘은 가동 밸브 부재 주위에 배치된 복수의 플리넘 영역을 포함하고, 가동 밸브 부재는 플리넘 영역 내로 연장되는 돌출부를 포함하며, 입구를 통한 플리넘의 가압이 돌출부에 압력을 가해 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 가압하여 밸브를 개방하는, 밸브 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 플랜지는 중공 채널에 의해 연결된, 이격된 제1 및 제2 플랜지 립을 포함하는 스풀 플랜지이며, 밸브는 스풀 플랜지 내부에 배치되는 밸브 조립체.
  12. 제10항에 있어서,
    플랜지 상에 장착된 원통형 밸브 바디를 더 포함하고, 원통형 밸브 바디는 밸브를 포함하며, 원통형 밸브 바디는 플랜지가 용기 관통부와 연결될 때 원자로 압력 용기의 벽을 관통하는 원통형 구멍을 포함하는 용기 관통부 내로 동축으로 삽입되도록 크기가 정해지는, 밸브 조립체.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서, 복수의 플리넘 영역은 가동 밸브 부재 주위에 배치되고 가동 밸브 부재의 이동 방향으로 정렬된 복수의 슬롯을 포함하며, 가동 밸브 부재의 돌출부는 슬롯 내로 연장되는 밸브 조립체.
  15. 제10항에 있어서, 플리넘은 부분적으로 가동 밸브 부재의 표면에 의해 형성되는 밸브 조립체.
  16. 제10항에 있어서, 밸브 조립체는 밸브 엑추에이터를 포함하지 않는, 밸브 조립체.
  17. 시스템이며,
    용기 관통부를 포함하는 원자로 압력 용기와, 원자로 압력 용기의 하부에 수용된 핵분열성 물질을 포함하는 원자로 코어를 포함하는 원자로;
    밸브 조립체로서,
    용기 관통부에 연결된 플랜지로서, 제1 단부, 제2 단부 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 플랜지의 전체 길이로 연장되는 중공 채널을 포함하는 플랜지;
    전체가 플랜지 내부에 배치된 밸브로서, 밸브 시트와, 원자로 압력 용기 내부의 압력이 밸브 시트를 향하여 이동 방향을 따라 가동 밸브 부재를 가압하여 밸브를 폐쇄하도록 위치되는 가동 밸브 부재를 포함하고, 가동 밸브 부재의 이동 방향은 플랜지의 중공 채널의 길이방향 중심축과 평행한 밸브
    를 포함하고;
    밸브 조립체는 입구를 갖는 플리넘을 더 포함하며, 플리넘은 입구를 통해 가압되어 가동 밸브 부재에 압력을 가해 가동 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀어지도록 이동 방향을 따라 가압하여 밸브를 개방하도록 구성된
    밸브 조립체;
    밸브 조립체의 플리넘의 입구와 연결된 유체 라인을 포함하는 밸브 조립체 제어 라인; 그리고
    밸브 조립체 제어 라인 상에 배치된 파일럿 밸브를 포함하는, 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    원자로 압력 용기로부터 유출 냉각수를 제거하기 위하여 밸브 조립체를 통해 용기 관통부에 연결된 유출 라인을 포함하는 원자로 냉각수 재고 및 정화 시스템(RCIPS)을 더 포함하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, RCIPS는 보충 냉각수를 원자로 압력 용기에 공급하는 보충 라인을 더 포함하며, 보충 라인은 또한 보충 라인으로부터 온 보충 냉각수로 밸브 조립체의 플리넘을 가압하기 위하여 밸브 조립체 제어 라인에 연결되는 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    원자로 코어를 포함하는 원자로 압력 용기의 하부가 배치되는 원자로 공동을 포함하는 방사성 물질 격납 구조물을 더 포함하고,
    밸브 조립체가 파일럿 밸브보다 원자로 공동에 더 가깝게 배치되는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 밸브 조립체는 원자로 공동의 내부에 배치되고, 파일럿 밸브는 원자로 공동의 외부에 배치되는 시스템.
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