KR102578870B1 - 일체형 원자로의 비상노심냉각계통 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브는, 일체형 원자로의 원자로 용기와 냉각재 상실 사고시 상기 원자로 용기와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 상기 원자로 용기를 감싸도록 형성되는 소형격납용기 사이에 구비되는 비상노심냉각계통 밸브로서, 상기 원자로 용기와 연결되며 상기 소형격납용기를 향해 돌출 형성되어 상기 원자로 용기 내부와 상기 소형격납용기 내부를 연통하도록 연결구가 형성된 외부쉘과, 상기 외부쉘 내부에 상기 외부쉘의 내벽과 기설정된 간격을 두고 구비되는 내부쉘과, 상기 외부쉘의 연결구와 마주하는 위치에서 상기 내부쉘에 형성된 피스톤 개구를 통해 이동 가능하게 구속 삽입되어 상기 연결구를 개폐하는 피스톤, 및 상기 피스톤의 외주면에 구비되어 상기 피스톤이 상기 원자로 용기 쪽으로 이동되도록 하는 복원력을 제공하는 스프링을 포함하고, 상기 원자로 용기 내부 압력과 상기 소형격납용기 내부 압력의 차이가 상기 스프링의 복원력 이하이면 상기 피스톤이 상기 연결구를 개방하도록 작동된다.

Description

일체형 원자로의 비상노심냉각계통 밸브{EMERGENCY CORE COOLING SYSTEM VALVE FOR SYSTEM-INTEGRATED MODULAR ADVANCED REACTOR}
본 발명은 일체형 원자로(System-integrated Modular Advanced ReacTor; SMART)의 비상노심냉각계통(Emergency Core Cooling System; ECCS) 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브 주변의 압력차와 스프링 복원력 사이의 크기 관계에 의해 자동 개폐되는 일체형 원자로의 비상노심냉각계통 밸브에 관한 것이다.
일체형 원자로(SMART, NuScale 등)는 주요기기(예를 들어, 증기발생기, 가압기, 펌프 등)가 원자로용기(Reactor Vessel; RV) 내부에 내장되어 있어, 이들 주요기기를 연결하기 위한 대형 배관이 존재하지 않는다. 또한, 일체형 원자로는 상용 가압 경수로와는 다르게 원자로 용기에 연결되는 배관은 소형이며, 대부분 원자로 상부에 위치한다. 따라서, 일체형 원자로에서 배관 파단 등으로 인해 냉각재 상실 사고(Loss of Coolant Accident; LOCA)가 발생하였을 경우, 원자로의 압력과 수위가 서서히 감소하기 때문에 원자로의 압력이 높아 중력 등의 자연력을 이용해 원자로 내부로 냉각수를 주입하기 어려운 특성이 있다.
이에 따라, NuScale 원자로는 사고시, 노심의 장기피동냉각(long-term passive cooling)을 위해 도 1과 같이 원자로 용기(2)의 원자로 방출밸브(3)와 원자로 재순환밸브(4)를 개방한다. NuScale은 소형격납용기(1)를 채용하여 소형격납용기(1)의 배압을 상승시켜 파단 유량을 억제한다. 원자로 방출밸브(3) 개방으로 인하여 원자로 내 증기가 소형격납용기(1)로 방출되어 원자로 내부의 압력은 낮아지고, 반대로 소형격납용기(1)의 압력은 상승하여 어느 압력에서 평형을 이루게 된다.
자연 순환 냉각 관점에서 원자로 노심에 의해 비등하는 증기가 원자로 방출밸브(3) 및 파단부를 통해 배출되어 저온의 물이 담겨 있는 외부 수조에 의해 소형격납용기(1) 내벽에서 응축된다. 이 응축수는 중력에 의해 자연스럽게 하강하여 소형격납용기(1) 하부에 모이게 되며, 소형격납용기(1) 내부와 원자로 용기(2) 내부의 수두차 및 배압에 의해 원자로 재순환밸브(4)를 통하여 다시 노심으로 주입된다. 이와 같이, 원자로 냉각재는 노심 비등, 원자로 방출밸브(3)를 통한 증기 배출, 소형격납용기(1) 내벽 응축, 원자로 재순환밸브(4)를 통한 냉각수 주입의 순서로 자연순환하며 장기적으로 노심을 냉각한다.
그런데, NuScale 원자로 재순환밸브(4)는 그 구성이 매우 복잡하여 제작 및 구현하기 쉽지 않다. 또한, 원자로 재순환밸브(4)는 원자로의 압력 신호 및 소형격납용기(1)의 압력 신호에 의해 개폐되는데, 원자로의 압력이 소형격납용기(1)의 압력보다 큰 정상운전시 원자로 재순환밸브(4)는 닫혀 있어야 한다. 그러나, 압력 신호의 비정상 감지로 인해 정상운전시에 원자로 재순환밸브(4)가 오작동하여 개방되는 경우가 발생될 수 있다.
관련 선행문헌으로, 한국공개특허 2013-0104336은 "피동형 노심냉각시스템"을 개시하며, 한국등록특허 1364646은 "소형 안전보호용기를 적용한 피동안전 시스템 및 이를 구비하는 일체형 원자로"를 개시하며, 한국등록특허 0446134는 "일체형원자로 스마트의 자연순환운전을 위한 우회유로를 제공하는 피동 개폐장치"를 개시한다.
한국공개특허 2013-0104336 한국등록특허 1364646 한국등록특허 0446134
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 밸브 주변의 압력차와 스프링 복원력 사이의 크기 관계에 의해 자동 개폐되고, 기존의 격리밸브를 함께 사용하여 오작동 방지 밸브 기능도 구현하기 위한 일체형 원자로의 비상노심냉각계통 밸브를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브는, 일체형 원자로의 원자로 용기와 냉각재 상실 사고시 상기 원자로 용기와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 상기 원자로 용기를 감싸도록 형성되는 소형격납용기 사이에 구비되는 비상노심냉각계통 밸브로서, 상기 원자로 용기와 연결되며 상기 소형격납용기를 향해 돌출 형성되어 상기 원자로 용기 내부와 상기 소형격납용기 내부를 연통하도록 연결구가 형성된 외부쉘과, 상기 외부쉘 내부에 상기 외부쉘의 내벽과 기설정된 간격을 두고 구비되는 내부쉘과, 상기 외부쉘의 연결구와 마주하는 위치에서 상기 내부쉘에 형성된 피스톤 개구를 통해 이동 가능하게 구속 삽입되어 상기 연결구를 개폐하는 피스톤, 및 상기 피스톤의 외주면에 구비되어 상기 피스톤이 상기 원자로 용기 쪽으로 이동되도록 하는 복원력을 제공하는 스프링을 포함하고, 상기 원자로 용기 내부 압력과 상기 소형격납용기 내부 압력의 차이가 상기 스프링의 복원력 이하이면 상기 피스톤이 상기 연결구를 개방하도록 작동된다.
본 발명의 일 실시예는 오작동방지를 위한 간단한 밸브와 기존 격리밸브(fail-open, 고장시 열림)를 사용하여 비상노심냉각계통 밸브 기능을 쉽게 구현 가능하다.
또한, 원자로 사고시 비상노심냉각계통 밸브의 오작동을 방지하여, 노심 노출 가능성을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 비상노심냉각계통 밸브와 기존 격리밸브로 구성함으로써, 원자로 용기의 안전등급을 낮출 수 있어 원자로 설계 특성에 따라 소형격납용기 안전등급을 내려 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브가 구비되는 일체형 원자로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브가 폐쇄된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브가 개방된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 초기 폐쇄가 용이하도록 스윙체크밸브를 구비한 비상노심냉각계통 밸브의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 초기 폐쇄가 용이하도록 볼 밸브를 구비한 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 볼 밸브를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 11은 도 8에 도시된 비상노심냉각계통 밸브의 구조에서 리셋 밸브와 트립 밸브를 구비한 구조를 나타내는 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브가 폐쇄된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브가 개방된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(100)는 일체형 원자로의 원자로 용기(10)와 원자로 용기(10)를 감싸도록 형성되는 소형격납용기(20) 사이에 구비된다. 냉각재 상실 사고시 원자로 용기(10)와 소형격납용기(20) 사이 공간에 냉각재가 채워지고, 비상노심냉각계통 밸브(100)는 기존의 격리밸브(200)와 함께 개방되어 냉각재가 원자로 용기(10) 내부로 주입될 수 있도록 한다.
비상노심냉각계통 밸브(100)는 외부쉘(30)과, 내부쉘(40)과, 피스톤(50), 및 스프링(60)으로 이루어질 수 있다.
외부쉘(30)은 원자로 용기(10)와 연결되며 소형격납용기(20)를 향해 돌출 형성될 수 있다. 외부쉘(30)에는 소형격납용기(20) 측을 향해, 원자로 용기(10) 내부와 소형격납용기(20) 내부를 연통하도록 연결구(32)가 형성될 수 있으며, 연결구(32)의 반대측 즉, 외부쉘(30)의 원자로 용기(10) 측을 향해 외부쉘 개구(34)가 형성될 수 있다. 따라서, 비상노심냉각계통 밸브(100) 및 격리밸브(200)가 개방되는 경우, 소형격납용기(20) 내부로부터 원자로 용기(10) 내부로 냉각재가 유입될 수 있다.
외부쉘(30) 내부에는 외부쉘(30)의 내벽과 기설정된 간격을 두고 내부쉘(40)이 구비될 수 있다. 내부쉘(40)의 일측 내벽은 원자로 용기(10)와 연결될 수 있다. 내부쉘(40)에는 원자로 용기(10) 측을 향해 내부쉘 개구(44)가 형성될 수 있다. 또한, 내부쉘(40)에는 소형격납용기(20) 측을 향해 피스톤 개구(42)가 형성될 수 있다. 이 피스톤 개구(42)에는 피스톤(50)이 이동 가능하게 삽입될 수 있다.
피스톤(50)은 외부쉘(30)의 연결구(32)와 마주하는 위치에서 피스톤 개구(42)를 통해 이동 가능하게 구속 삽입되어 연결구(32)를 개폐하는 역할을 할 수 있다.
피스톤(50)은 바디부(52), 헤드부(54), 및 바텀부(56)로 이루어질 수 있다. 바디부(52)는 피스톤 개구(42)에 삽입되고, 헤드부(54)는 소형격납용기(20) 측을 향한 바디부(52)의 일측에 바디부(52)와 일체로 형성되고 내부쉘(40)의 외부에 위치하여 피스톤(50)의 이동에 의해 연결구(32)와 접촉될 수 있다. 바텀부(56)는 원자로 용기(10) 측을 향한 바디부(52)의 타측에 바디부(52)와 일체로 형성되고, 내부쉘(40)의 내부에 위치한다.
피스톤(50)의 헤드부(54)는, 단면상 연결구(32)를 향해 경사진 형태의 경사면을 포함하고, 경사면은 연결구(32)의 가장자리와 접촉하여 헤드부(54)가 연결구(32)를 밀폐할 수 있다.
스프링(60)은 피스톤(50)의 바디부(52)의 외주면을 감싸는 형태로 구비되며, 바텀부(56)와 내부쉘(40)의 소형격납용기(20) 측 내벽 사이에 개재된다. 스프링(60)은 피스톤(50)이 원자로 용기(10) 쪽으로 이동되도록 하는 복원력을 제공할 수 있다.
한편, 피스톤(50)의 바디부(52)의 외주면과 피스톤 개구(42)가 접촉되는 부위의 피스톤 바디부(52), 그리고 바텀부(56)와 내부쉘 개구(42)가 접촉되는 부위의 바텀부(56)는 긴밀한 밀폐를 위해 고무(rubber) 등과 같은 재질로 피복될 수 있다.
정상 운전시, 원자로 용기(10) 내부 압력은 높고 소형격납용기(20) 내부 압력은 낮아서 비상노심냉각계통 밸브(100)는 닫혀 있는 상태가 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력은 내부쉘 개구(44)를 통해 바텀부(56)로 작용하게 되고, 피스톤(50)은 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 헤드부(54)가 연결구(32)의 가장자리와 접촉하여 연결구(32)를 밀폐하게 된다. 이 때는 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력 차이가 스프링(60)의 복원력 이상인 상태이므로 스프링(60)은 바텀부(56)와 내부쉘(40)의 내벽 사이에서 압축된 상태가 된다.
냉각재 상실 사고 등의 비상 상태가 되면, 원자로 용기(10)의 원자로 방출밸브(도 1의 '3')와 격리밸브(200)가 개방된다. 원자로 방출밸브(3)의 개방에 의해 원자로 용기(10) 내 증기가 소형격납용기(20) 내부로 방출되어 원자로 내부의 압력이 낮아지고 소형격납용기(20) 내의 압력은 상승하게 된다. 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(60)의 복원력 이하가 되면, 비상노심냉각계통 밸브(100)는 개방되고, 소형격납용기(20) 내 하부에 모인 물이 연결구(32)와 외부쉘 개구(34)를 통하여 원자로 내부로 주입되게 된다. 즉, 소형격납용기(20) 내의 압력이 상승함에 따라 그 압력은 연결구(32)를 통해 헤드부(54)로 작용하게 되고, 피스톤(50)은 원자로 용기(10) 측으로 이동하여 헤드부(54)가 연결구(32)의 가장자리로부터 이탈하여 연결구(32)가 개방된다. 이 때는 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력 차이가 스프링(60)의 복원력 이하인 상태이므로 스프링(60)은 이완 상태가 된다.
한편, 도 2 및 도 3을 통해 설명한 스프링(60)의 복원력은 원자로 설계 특성에 의해 정해질 수 있으며, 약 0 내지 약 15MPa 사이의 값으로 정해질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(300)는 외부쉘(30)과, 내부쉘(40)과, 피스톤(70), 및 스프링(60)으로 이루어질 수 있다.
외부쉘(30), 내부쉘(40), 및 스프링(60)의 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
피스톤(70)은 바디부(72), 헤드부(74), 및 바텀부(76)로 이루어질 수 있다. 바디부(72)는 피스톤 개구(42)에 삽입되고, 헤드부(74)는 소형격납용기(20) 측을 향한 바디부(72)의 일측에 바디부(72)와 일체로 형성되고 내부쉘(40)의 외부에 위치하여 피스톤(70)의 이동에 의해 연결구(32)와 접촉될 수 있다. 바텀부(76)는 원자로 용기(10) 측을 향한 바디부(72)의 타측에 바디부(72)와 일체로 형성되고, 내부쉘(40)의 내부에 위치한다.
피스톤(70)의 헤드부(74)는, 단면상 연결구(32)를 향해 단차진 형태의 단차면을 포함하고, 단차면은 연결구(32)의 가장자리와 접촉하여 헤드부(74)가 연결구(32)를 밀폐할 수 있다.
비상시, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(60)의 복원력 이하가 되면, 피스톤(70)은 원자로 용기(10) 측으로 이동하여 헤드부(74)가 연결구(32)의 가장자리로부터 이탈하여 연결구(32)가 개방된다. 그리고, 소형격납용기(20) 내 하부에 모인 물이 연결구(32)와 외부쉘 개구(34)를 통하여 원자로 내부로 주입되게 된다.
또한, 정상 운전시, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력 차이가 스프링(60)의 복원력 이상인 상태이므로, 피스톤(70)은 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 헤드부(74)가 연결구(32)의 가장자리와 접촉하여 연결구(32)를 밀폐하게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(400)는 외부쉘(31)과, 내부쉘(40)과, 피스톤(80), 및 스프링(60)으로 이루어질 수 있다.
내부쉘(40), 및 스프링(60)의 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
피스톤(80)은 바디부(82), 헤드부(84), 및 바텀부(86)로 이루어질 수 있다. 바디부(82)는 피스톤 개구(32)에 삽입되고, 헤드부(84)는 소형격납용기(20) 측을 향한 바디부(82)의 일측에 바디부(82)와 일체로 형성되고 내부쉘(40)의 외부에 위치하여 피스톤(80)의 이동에 의해 연결구(32)와 접촉될 수 있다. 헤드부(84)는 소형격납용기(20) 측을 향해 경사진 형태의 면을 갖는다. 바텀부(86)는 원자로 용기(10) 측을 향한 바디부(82)의 타측에 바디부(82)와 일체로 형성되고, 내부쉘(40)의 내부에 위치한다.
외부쉘(31)은 피스톤(80)의 헤드부(84)의 경사면에 대응하는 형태로 소형격납용기(20) 측으로 돌출되도록 형성될 수 있다.
비상시, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(60)의 복원력 이하가 되면, 피스톤(80)은 원자로 용기(10) 측으로 이동하여 헤드부(84)가 외부쉘(31)의 경사진 내면으로부터 이탈하여 연결구(32)가 개방된다. 그리고, 소형격납용기(20) 내 하부에 모인 물이 연결구(32)와 외부쉘 개구(34)를 통하여 원자로 내부로 주입되게 된다.
또한, 정상 운전시, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력 차이가 스프링(60)의 복원력 이상인 상태이므로, 피스톤(80)은 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 헤드부(84)가 외부쉘(31)의 경사진 내면과 접촉하여 연결구(32)를 밀폐하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(500)는 외부쉘(30)과, 내부쉘(45)과, 피스톤(70), 및 스프링(60)으로 이루어질 수 있다.
외부쉘(30), 스프링(60), 및 피스톤(70)의 구조는 도 4를 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
내부쉘(45)은 외부쉘(30)의 일측 내벽과 내벽을 공유하도록 형성될 수 있다.
비상시, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(60)의 복원력 이하가 되면, 피스톤(70)은 원자로 용기(10) 측으로 이동하여 헤드부(74)가 연결구(32)의 가장자리로부터 이탈하여 연결구(32)가 개방된다. 그리고, 소형격납용기(20) 내 하부에 모인 물이 연결구(32)와 외부쉘 개구(36)를 통하여 원자로 내부로 주입되게 된다.
또한, 정상 운전시, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력 차이가 스프링(60)의 복원력 이상인 상태이므로, 피스톤(7)은 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 헤드부(74)가 연결구(32)의 가장자리와 접촉하여 연결구(32)를 밀폐하게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 개폐 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(600)는 외부쉘(30)과, 내부쉘(45)과, 피스톤(90), 및 스프링(62)으로 이루어질 수 있다.
외부쉘(30), 및 내부쉘(45)의 구조는 도 6를 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
스프링(62)은 헤드부(94)의 단차면과 외부쉘(30)의 내벽 사이에 개재될 수 있다. 이를 위해서, 피스톤(90)의 헤드부(94)는 도 4 및 도 6에 도시된 피스톤(70)의 헤드부(74) 보다 더 긴 길이로 형성될 수 있다.
비상시, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(62)의 복원력 이하가 되면, 피스톤(90)은 원자로 용기(10) 측으로 이동하여 헤드부(94)가 연결구(32)의 가장자리로부터 이탈하여 연결구(32)가 개방된다. 그리고, 소형격납용기(20) 내 하부에 모인 물이 연결구(32)와 외부쉘 개구(36)를 통하여 원자로 내부로 주입되게 된다.
또한, 정상 운전시, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력 차이가 스프링(62)의 복원력 이상인 상태이므로, 피스톤(90)은 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 헤드부(94)가 연결구(32)의 가장자리와 접촉하여 연결구(32)를 밀폐하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 초기 폐쇄가 용이하도록 스윙체크밸브를 구비한 비상노심냉각계통 밸브의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 비상노심냉각계통 밸브(700)는 스윙체크밸브(41)와 유체펌프(33)를 더 포함하는 구조 이외의 구조는 도 6을 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(700)는 원자로 용기(10)와 피스톤(70)의 바텀부(76) 사이의 내부쉘(45) 내부로 유체를 공급하는 유체펌프(33)를 더 포함할 수 있다. 유체펌프(33)는 유체탱크와 같은 유체 공급원에 배관에 의해 연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(700)는, 원자로 용기(10) 측의 내부쉘(45) 내벽에 힌지 회동하도록 구비되고 원자로 용기(10) 내부 압력과 유체펌프(33)로부터 내부쉘(45) 내부로 공급된 유체 압력에 따라 원자로 용기(10)와 내부쉘(45) 사이의 내부쉘 개구(49)를 개폐하는 스윙체크밸브(41)를 더 포함할 수 있다.
유체펌프(33)와 스윙체크밸브(41)는 비상노심냉각계통 밸브(700)의 초기 닫힘이 용이하도록 구비된다. 즉, 초기에 원자로 용기(10) 내부 압력과 내부쉘(45) 내부 압력이 동일한 상태로 스윙체크밸브(41)가 열려있는 상태(a)에서, 내부쉘(45) 내부로 유체를 흘려보내면 유체의 유동에 의해 스윙체크밸브(41)가 힌지회동하게 되고 압력이 높아지면 스윙체크밸브(41)는 완고히 닫히게 된다. 그리고, 내부쉘(45) 내부의 압력은 주입되는 유체의 압력에 의해 점점 더 높아지면서 비상노심냉각계통 밸브(700)의 피스톤(70)이 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 밸브(700)가 닫히게 된다(b).
원자로가 기동하면서 원자로 내부 압력이 높아지면, 내부쉘(45) 내부의 압력보다 원자로 용기(10) 내부 압력이 더 높아지면서 자연스레 스윙체크밸브(41)가 개방되고 시간이 지남에 따라 내부쉘(45) 내부의 압력과 원자로 용기(10) 내부 압력이 평형이 된다(c).
사고 발생시 원자로 용기(10) 내부 압력이 감소하여 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(60)의 복원력 이하가 되면, 비상노심냉각계통 밸브(700)가 개방된다(d).
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브의 초기 폐쇄가 용이하도록 볼 밸브를 구비한 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(800)는 원자로 용기(10)와 피스톤(70)의 바텀부(76) 사이의 내부쉘(45) 내부로 유체를 공급하는 유체펌프(33)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(800)는, 원자로 용기(10) 측의 내부쉘(45) 내벽의 내부에 구비되고 원자로 용기(10) 내부 압력과 유체펌프(33)로부터 내부쉘(45) 내부로 공급된 유체 압력에 따라 이동하여 원자로 용기(10)와 내부쉘(45) 내부를 연통 또는 단절시키는 볼 밸브(43)를 더 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 유체펌프(33)와 볼 밸브(43) 또한, 도 8을 참조하여 설명한 유체펌프(33)와 스윙체크밸브(41)와 마찬가지로, 비상노심냉각계통 밸브(800)의 초기 닫힘이 용이하도록 구비된다.
초기에 원자로 용기(10) 내부 압력과 내부쉘(45) 내부 압력이 동일한 상태로 볼 밸브(43)가 열려있는 상태(a)에서, 내부쉘(45) 내부로 유체를 흘려보내면 유체의 유동에 의해 볼 밸브(43)가 원자로 용기(10) 내부 측으로 이동하게 되고 압력이 높아지면 볼 밸브(43)는 원자로 용기(10) 내부 측으로 완전히 이동하여 밀착되게 된다. 그리고, 내부쉘(45) 내부의 압력은 주입되는 유체의 압력에 의해 점점 더 높아지면서 비상노심냉각계통 밸브(800)의 피스톤(70)이 소형격납용기(20) 측으로 이동하여 밸브(800)가 닫히게 된다(b).
원자로가 기동하면서 원자로 내부 압력이 높아지면, 내부쉘(45) 내부의 압력보다 원자로 용기(10) 내부 압력이 더 높아지면서 자연스레 볼 밸브(43)가 내부쉘(45) 내부 측으로 이동하고 시간이 지남에 따라 내부쉘(45) 내부의 압력과 원자로 용기(10) 내부 압력이 평형이 된다(c).
사고 발생시 원자로 용기(10) 내부 압력이 감소하여 원자로 용기(10) 내부 압력과 소형격납용기(20) 내부 압력의 차이가 스프링(60)의 복원력 이하가 되면, 비상노심냉각계통 밸브(800)가 개방된다(d).
도 10은 도 9에 도시된 볼 밸브를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 내부쉘(45) 내벽의 내부의 내부쉘(45) 측에는, 볼 밸브(43)가 내부쉘(45) 측으로 이동 접촉시 볼 밸브(43)를 우회하여 원자로 용기(10) 내부와 내부쉘(45) 내부 사이에서 유체의 유동이 유지되도록 하는 유체 개구(46)가 형성되어 있다. 이는, 원자로가 기동하면서 원자로 내부 압력이 높아지면서 시간이 지남에 따라 내부쉘(45) 내부의 압력과 원자로 용기(10) 내부 압력이 평형이 되도록 유동이 항상 흐를 수 있도록 하기 위함이다.
도 11은 도 8에 도시된 비상노심냉각계통 밸브의 구조에서 리셋 밸브와 트립 밸브를 구비한 구조를 나타내는 도면이다.
도 11(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(900)는, 리셋 밸브(39) 및 트립 밸브(37)를 더 포함하는 구조 이외에는 도 8을 참조하여 설명한 비상노심냉각계통 밸브(700)의 구조와 동일하므로, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
도 11(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비상노심냉각계통 밸브(900)는 유체펌프(33)에 연결되고 개방에 의해 유체펌프(33)로부터 원자로 용기(10)와 피스톤(70)의 바텀부(76) 사이의 내부쉘(45) 내부로 유체를 공급하도록 하는 리셋 밸브(39)와, 리셋 밸브(39)의 오작동시 또는 작동 신호에 의해 개방되어 내부쉘(45) 내부의 압력을 떨어뜨리도록 작동하는 트립 밸브(37)를 더 포함할 수 있다.
리셋 밸브(39)는 평소에 닫혀 있으며, 초기의 비상노심냉각계통 밸브(900) 닫힘을 위해 개방되어 유체펌프(33)로부터 유체가 내부쉘(45) 내부로 주입된다. 비상노심냉각계통 밸브(900)가 닫히고 원자로 용기(10) 내부 압력이 내부쉘(45) 내부 공간 압력보다 더 높아지면 리셋 밸브(39)는 닫히게 된다.
리셋 밸브(39)가 오작동으로 개방이 되면 유체가 내부쉘(45) 내부로 계속 유입되어 원자로 용기(10) 내부 압력이 낮아지더라도 비상노심냉각계통 밸브(900)가 열리지 않는 상황이 발생할 수 있으므로, 이 경우, 트립 밸브(37)를 개방하여 내부쉘(45) 내부의 압력을 낮추어 비상노심냉각계통 밸브(900)가 개방되도록 할 수 있다. 트립 밸브(37)는 작동 신호에 의해 개방될 수도 있다.
이와 같은 리셋 밸브(39)와 트립 밸브(37)는 비상노심냉각계통 밸브의 닫힘이 용이하도록, 도 8 및 도 9에 도시된 실시예에서도 채용될 수 있다. 또한, 스프링(60)이 피스톤(70)의 헤드부(72)의 외주면에 구비된 경우에도 동일하게 채용될 수 있다(도 11(b)).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 오작동방지를 위한 간단한 밸브와 기존 격리밸브(fail-open, 고장시 열림)를 사용하여 비상노심냉각계통 밸브 기능을 쉽게 구현 가능하다.
또한, 원자로 사고시 비상노심냉각계통 밸브의 오작동을 방지하여, 노심 노출 가능성을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 비상노심냉각계통 밸브와 기존 격리밸브로 구성함으로써, 원자로 용기의 안전등급을 낮출 수 있어 원자로 설계 특성에 따라 소형격납용기 안전등급을 내려 설계할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 원자로 용기 20: 소형격납용기
30, 31: 외부쉘 32: 연결구
33: 유체펌프 34, 36: 외부쉘 개구
37: 트립 밸브 39: 리셋 밸브
40, 45: 내부쉘 41: 스윙체크밸브
42: 피스톤 개구 43: 볼 밸브
44: 내부쉘 개구 46: 유체 개구
49: 내부쉘 개구 50, 70, 80, 90: 피스톤
52, 72, 82, 92: 바디부 54, 74, 84, 94: 헤드부
56, 76, 86, 96: 바텀부 60, 62: 스프링

Claims (16)

  1. 일체형 원자로의 원자로 용기와 냉각재 상실 사고시 상기 원자로 용기와의 사이 공간에 냉각재가 채워질 수 있도록 상기 원자로 용기를 감싸도록 형성되는 소형격납용기 사이에 구비되는 비상노심냉각계통 밸브로서,
    상기 원자로 용기와 연결되며 상기 소형격납용기를 향해 돌출 형성되어 상기 원자로 용기 내부와 상기 소형격납용기 내부를 연통하도록 연결구가 형성된 외부쉘;
    상기 외부쉘 내부에 상기 외부쉘의 내벽과 기설정된 간격을 두고 구비되는 내부쉘;
    상기 외부쉘의 연결구와 마주하는 위치에서 상기 내부쉘에 형성된 피스톤 개구를 통해 이동 가능하게 구속 삽입되어 상기 연결구를 개폐하는 피스톤;
    상기 피스톤의 외주면에 구비되어 상기 피스톤이 상기 원자로 용기 쪽으로 이동되도록 하는 복원력을 제공하는 스프링;
    상기 원자로 용기와 상기 피스톤의 바텀부 사이의 상기 내부쉘 내부로 유체를 공급하는 유체펌프;
    상기 유체펌프에 연결되고 개방에 의해 상기 유체펌프로부터 상기 원자로 용기와 상기 피스톤의 바텀부 사이의 상기 내부쉘 내부로 유체를 공급하도록 하는 리셋 밸브; 및
    상기 리셋 밸브의 오작동시 또는 작동 신호에 의해 개방되어 상기 내부쉘 내부의 압력을 떨어뜨리도록 작동하는 트립 밸브를 포함하고,
    상기 원자로 용기 내부 압력과 상기 소형격납용기 내부 압력의 차이가 상기 스프링의 복원력 이하이면 상기 피스톤이 상기 연결구를 개방하도록 작동되고,
    상기 내부쉘은, 상기 외부쉘의 일측 내벽과 내벽을 공유하도록 형성되는 비상노심냉각계통 밸브.
  2. 제 1 항에서,
    상기 피스톤은,
    상기 내부쉘의 피스톤 개구에 삽입되는 바디부;
    상기 바디부의 일측에 상기 바디부와 일체로 형성되고 상기 연결구와 접촉되는 헤드부; 및
    상기 바디부의 타측에 상기 바디부와 일체로 형성되고, 상기 내부쉘의 내부에 구비되는 바텀부를 포함하는 비상노심냉각계통 밸브.
  3. 제 2 항에서,
    상기 스프링은,
    상기 내부쉘의 내부에서 상기 내부쉘의 내벽과 상기 피스톤의 바텀부 사이에 개재되는 비상노심냉각계통 밸브.
  4. 제 2 항에서,
    상기 피스톤 개구는,
    상기 피스톤의 바디부가 삽입되어 밀폐가 이루어지는 비상노심냉각계통 밸브.
  5. 제 2 항에서,
    상기 헤드부는,
    단면상 상기 연결구를 향해 경사진 형태의 경사면을 포함하고, 상기 경사면은 상기 연결구의 가장자리와 접촉하여 상기 헤드부가 상기 연결구를 밀폐하는 비상노심냉각계통 밸브.
  6. 제 5 항에서,
    상기 외부쉘은,
    상기 헤드부의 경사면에 대응하는 형태로 상기 소형격납용기 측으로 돌출되도록 형성된 비상노심냉각계통 밸브.
  7. 제 2 항에서,
    상기 헤드부는,
    단면상 상기 연결구를 향해 단차진 형태의 단차면을 포함하고, 상기 단차면은 상기 연결구의 가장자리와 접촉하여 상기 헤드부가 상기 연결구를 밀폐하는 비상노심냉각계통 밸브.
  8. 제 7 항에서,
    상기 스프링은,
    상기 헤드부의 단차면과 상기 외부쉘의 내벽 사이에 개재되는 비상노심냉각계통 밸브.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에서,
    상기 원자로 용기 측의 상기 내부쉘 내벽에 힌지 회동하도록 구비되고 상기 원자로 용기 내부 압력과 상기 유체펌프로부터 상기 내부쉘 내부로 공급된 유체 압력에 따라 상기 원자로 용기와 상기 내부쉘 사이의 내부쉘 개구를 개폐하는 스윙체크밸브를 더 포함하는 비상노심냉각계통 밸브.
  12. 제 1 항에서,
    상기 원자로 용기 측의 상기 내부쉘 내벽의 내부에 구비되고 상기 원자로 용기 내부 압력과 상기 유체펌프로부터 상기 내부쉘 내부로 공급된 유체 압력에 따라 이동하여 상기 원자로 용기와 상기 내부쉘 내부를 연통 또는 단절시키는 볼 밸브를 더 포함하는 비상노심냉각계통 밸브.
  13. 제 12 항에서,
    상기 볼 밸브는,
    상기 내부쉘 내벽의 내부에서 상기 원자로 용기 측으로 이동 접촉하여 상기 원자로 용기와 상기 내부쉘 내부를 단절시키는 비상노심냉각계통 밸브.
  14. 제 13 항에서,
    상기 내부쉘 내벽의 내부의 상기 내부쉘 측에는, 상기 볼 밸브가 상기 내부쉘 측으로 이동 접촉시 상기 볼 밸브를 우회하여 상기 원자로 용기 내부와 상기 내부쉘 내부 사이에서 유체의 유동이 유지되도록 하는 유체 개구가 형성되어 있는 비상노심냉각계통 밸브.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에서,
    상기 연결구와 연통되도록 상기 외부쉘과 연결되고 냉각재 상실 사고시 상기 원자로 용기 내 저압력 신호 및 상기 소형격납용기 내 고압력 신호에 따른 작동 신호에 의해 개방되는 격리밸브를 더 포함하는 비상노심냉각계통 밸브.
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