KR102637429B1 - 핵발전 플랜트용 탈기 시스템 및 원자로 냉각제 흐름의 탈기 방법 - Google Patents

핵발전 플랜트용 탈기 시스템 및 원자로 냉각제 흐름의 탈기 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 원자로와, 원자로 냉각제를 수용한 원자로 냉각제 회로를 포함하고, 또한 원자로 냉각제를 위한 탈기 시스템(2)을 더 포함하는 핵발전 플랜트에 관한 것이다. 본 발명의 기초를 이루는 과제는, 낮은 공간 요구로 주변 시스템 내에 용이하게 통합될 수 있는 한편, 기존의 플랜트의 경우에 다양한 니즈에 맞출 수 있으며 신뢰성 있고 효율적으로 작동하는 탈기 시스템(2)을 갖는 핵발전 플랜트를 제공하는 데에 있다. 이를 위해, 탈기 시스템(2)은, 원자로 냉각제 회로의 라인 내에 또는 원자로 냉각제 회로에 유체 연통하게 연결된 라인 내에 배치된 적어도 하나의 소노트로드(10)를 갖는 소노트로드 클러스터(11)를 포함하는 초음파 탈기 시스템이다.

Description

핵발전 플랜트용 탈기 시스템 및 원자로 냉각제 흐름의 탈기 방법
본 발명은, 원자로와, 원자로 냉각제, 특히 물에 기초하거 물과 유사한 냉각제(예를 들면, 경수 또는 중수)를 수용한 원자로 냉각제 회로를 포함하고, 또한 그 원자로 냉각제를 위한 탈기 시스템을 더 포함하는, 핵발전 플랜트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 원자로의 원자로 냉각제를 탈기시키는 상응하는 방법에 관한 것이다.
핵발전 플랜트는 원자로와, 원자로 냉각제가 순환하는 관련 원자로 냉각제 회로를 포함한다. 다양한 이유로, 액체 원자로 냉각제로부터 용해된 기체를 제거할 필요가 있을 수 있다. 이러한 과정을 탈기(degasification 또는 degassing)라고 부른다. 한 가지 이유는 그 에워싸는 라인 또는 배관 시스템에서의 부식을 피하기 위한 산소의 제거일 수 있다. 다른 이유는, 원자로 베셀 개방 한계에 도달하기 위해 필요할 정도로 방사성 핵종의 양이 낮도록 유지보수를 위해 원자로를 준비하는 것일 수 있다.
청구항 1의 전제부에 따르면, 선행 기술 문헌 EP 2 109 114 A2에서는 원자로 냉각제를 위한 탈기 시스템을 갖는 핵발전 플랜트를 개시하고 있다. 그 탈기 시스템은 기화(적용되는 스트리핑 기체(stripping gas)에 의한 기화)에 기초한다.
US 4 647 425 A에서는 진공 탈기 장치를 갖는 핵발전 플랜트를 개시하고 있다.
US 2016/225470 A1에서는 맴브레인계 탈기 장치를 갖는 핵발전 플랜트를 개시하고 있다.
핵발전 플랜트에 있어서의 그러한 종래의 탈기 시스템은, 값비싸고, 에너지 집약적이고, 비효율적이며 또한 공간 소모적인 것으로 간주되고 있다.
따라서, 본 발명의 기초를 이루는 과제는, 낮은 공간 요구로 주변 시스템 내에 용이하게 통합될 수 있는 한편, 기존의 플랜트의 경우에 다양한 니즈(needs)에 맞출 수 있으며 신뢰성 있고 효율적으로 작동하는 탈기 시스템을 갖는 핵발전 플랜트를 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명은 또한 원자로의 원자로 냉각제 흐름을 탈기시키는 상응하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 장치 관련 과제는 청구항 1의 특징적 구성을 갖는 핵발전 플랜트에 의해 충족된다.
따라서, 본 발명은, 원자로와, 원자로 냉각제를 수용한 원자로 냉각제 회로를 포함하고, 또한 원자로 냉각제를 위한 탈기 시스템을 더 포함하는 핵발전 플랜트로서, 탈기 시스템은, 원자로 냉각제 회로의 라인 내에 또는 그 원자로 냉각제 회로에 유체 연통하게 연결된 라인 내에 배치된 적어도 하나의 소노트로드를 갖는 소노트로드 클러스터(sonotrode cluster)를 포함하고, 바람직하게는 원자로 냉각제의 연속적인 탈기를 가능하게 하는 초음파 탈기 시스템인 핵발전 플랜트를 제안한다.
초음파 탈기 시스템에서, 액체 내에 용해된 기체는 초음파 에너지의 인가로 인해 작은 캐비테이션 기포를 형성한다. 분리 베셀 또는 탱크 내에서, 마이크로 기포들이 모여 보다 큰 기포를 형성하고 액체의 표면으로 상승하여, 분리된 기체가 추출될 수 있도록 한다. 초음파 발진기가 소노트로드라고도 불린다.
본 발명은 기타 산업 분야에서 입증되고 테스트된 상업적으로 이용 가능한 공지의 기술에 기초한 것으로, 그 기술을 핵발전 플랜트의 원자로 냉각제의 탈기를 위한 적절한 용례로 변환한다. 무엇보다도, 비용 및 에너지 효율적이고, 공간 절약형이고, 유지보수가 적고, 설치 및 작동이 용이하고, 모듈형 구조이며, 필요에 따라 확장 가능하다는 이점이 있다.
바람직한 실시예에서, 소노트로드 클러스터는 병렬 흐름 구성의 복수의 소노트로드를 포함한다. 바람직하게는, (활성) 소노트로드를 통한 흐름의 개수는 상응하는 제어 밸브의 도움으로 조절 가능하다.
연속적인 작동을 위해, 각각의 소노트로드는 바람직하게는 흐름 관통 셀 내에 배치되며, 그 흐름 관통 셀은 관통 흐름 운용에 적절한 임의의 컨테이너, 파이프 또는 탱크일 수 있다.
원칙적으로 기체 분리가 이루어지는 곳과 동일한 베셀, 탱크 또는 파이프 내에 소노트로드를 배치하는 것이 가능하지만, 본 명세서에서 설명하는 용례는, 소노트로드 클러스터의 하류에 분리 베셀이 있도록 서로 공간적으로 분리된 초음파 서브시스템과 분리 서브시스템을 구비하는 것이 유리하다.
바람직하게는, 분리 베셀은 추출되는 기체 흐름을 위한 흡인 라인이 연결되는 기체 공간을 포함한다. 따라서, 작동 중에, 기체 공간은 바람직하게는 대기압에 대한 부압으로 유지된다. 기체 분리는 분리 베셀을 통한 퍼징 기체를 통해 달성 또는 지원될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 바람직하게는 개회로 또는 폐회로 냉각 루프 내에서 순환하는 유체 열전달 매체를 갖는 소노트로드 냉각 시스템이 존재한다. 추가로 또는 대안적으로, 특히 큰 소노트로드 클러스터의 경우에, 소노트로드를 떠나는 액체 흐름을 냉각하기 위한 바람직하게는 동일한 종류의 흐름 냉각 시스템이 존재한다.
특히 유리한 실시예는, 가압수 원자로(Pressurized Water Reactor: PWR)를 구비하고 또한 1차 원자로 냉각제 회로와 2차 원자로 냉각제 회로를 갖는 핵발전 플랜트에 관한 것으로, 탈기될 원자로 냉각제는 1차 원자로 냉각제 회로의 1차 원자로 냉각제이다. 하지만, 2차 원자로 냉각제 회로의 2차 원자로 냉각제를 탈기시키는 것도 가능하다. 이러한 맥락에서, "가압수 원자로"란 용어는, 유럽식 가압(가압수) 원자로(EPR) 또는 독일식 가압수 원자로(DWR) 등의 경수로뿐만 아니라, CANDU 등의 중수로를 포함하는 광의의 의미로 이해해야 할 것이다. Canada Deuterium Uranium의 약자인 CANDU는 공지의 캐나다식 가압 중수로 구조이다.
통상적으로, 1차 원자로 냉각제 회로의 1차 원자로 냉각제에 대한 액세스는 관련 유출관(letdown line) 및 체적 제어 탱크(Volume Control Tank)를 포함한 관련 원자로 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)을 통해 가능하다. 바람직하게는, 공급 라인이, CVCS 제어 계통을 통한 흐름의 분기 흐름이 초음파 서브시스템에 의해 처리되도록 유출관에서부터 소노트로드 클러스터까지 연장한다.
이 경우, 체적 제어 탱크가 소노트로드 클러스터를 떠나는 1차 원자로 냉각제의 흐름을 위한 분리 베셀로서 기능하도록 배치되는 경우에 특히 유리하다.
보다 일반적으로 말해, 핵발전 플랜트 내의 임의의 액체, 예를 들면 순환하는 원자로 냉각제 내로 주입되기 전의 붕산 및/또는 탈미네랄수(demineralized water)가 본 명세서에서 설명하는 종류의 초음파 탈기 시스템에 의해 탈기될 수 있다.
방법 발명과 관련하여, 본 발명은, 이하의 단계들을 포함하는 원자로의 원자로 냉각제 흐름을 탈기시키는 방법을 제안한다.
(a) 적어도 하나의 소노트로드의 도움으로 흐름 내에 초음파 진동을 인가하는 단계; 및 이어서
(b) 기체 흐름이 액체상으로부터 분리되는 분리 베셀로 그 흐름을 안내하는 단계.
바람직하게는, 단계 (a)와 (b)는 연속적으로 실행된다.
장치 관련한 전술한 설명이 상기한 방법에 유사하게 적용된다.
간단히 요약하면, 본 발명에 따른 시스템은 원자로 냉각제 회로에 연결된 보조 시스템 내의 원자로 냉각제 흐름을 탈기시키고자 한 것으로 그에 적합하다. 보다 양호한 확장성 및 모듈성을 위해, 병렬 흐름 구성의 다수의 소노트로드들의 클러스터가 메인 흐름 라인 내로 스위칭될 수 있다. 추가적인 선택적 구성 요소로는 소노트로드 및/또는 메인 흐름을 위한 냉각 장치, 및 소노트로드 장치 하류의 탈기 기체 분리기를 포함한다. 전체 소노트로드 장치가 이동 가능 컨테이너 내에 배치될 수도 있다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 기체 함유 액체를 위한 탈기 시스템의 개략적 개괄을 도시한다.
도 2는 핵발전 플랜트 내에서의 도 1에 따른 탈기 시스템의 제1 구체적 용례를 도시하는 것으로, 여기서는 가압수 원자로의 1차 원자로 냉각제를 탈기시키기 위한 것이다.
도 3은 도 1에 따른 탈기 시스템의 제2 구체적 용례를 도시한다.
도 4는 도 1에 따른 탈기 시스템의 제3 구체적 용례를 도시하는 것으로, 본 예의 경우 이동식 용례이다.
도 5는 제1 냉각제 회로 및 관련 보조 시스템을 갖는 가압수 원자로(PWR)의 개괄을 제공한다.
유사한 기술적 요소들에는 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호를 부여한다.
도 1은 액체, 즉 용해 기체 또는 증기를 함유한 액체를 위한 탈기 시스템(2)의 개략적 개괄을 도시한다. 탈기될 액체의 유입류(4) 또는 스트림이 이송 라인 또는 파이프 또는 공급 라인(6)을 통해 초음파 서브시스템(8) 내로 들어가며, 그 초음파 서브시스템(8)은 소노트로드(10)들의 클러스터, 간단히 말해 소노트로드 클러스터(11)를 포함한다. 보다 정확하게는, 공급 라인(6)은 다수의 평행한 분기 라인(12) 또는 브랜치로 분기하여, 작동 중에 액체 유입류(4)가 그에 상응하는 부분 흐름 또는 스트림으로 분할되도록 한다. 각 분기 라인(12)은 소노트로드(10)를 포함한 초음파 흐름 관통 셀(14)을 포함한다. 이러한 맥락에서, "셀(cell)"이란 용어는, 흐름 관통 운용에 적절한 임의의 컨테이너, 베셀, 탱크 또는 파이프를 포함한 광의 의미를 의도한 것이다.
일반적으로, 소노트로드는 초음파 진동을 생성하고 진동 에너지를 기체, 액체 고체 또는 조직에 인가하는 장치이다. 소노트로드는 테이퍼진 금속 로드에 부착된 압전 트랜스듀서의 스택으로 일반적으로 이루어진다. 로드의 단부는 작동 재료(working material)에 부착된다. 초음파 진동수로 진동하는 교류 전류가 별개의 전원 유닛에 의해 압전 트랜스듀서에 인가된다. 그 전류는 압전 트랜스듀서가 팽창 및 수축하게 한다. 유리하게는, 전류의 진동수는 공구의 공진 진동수이도록 선택되어, 전체 소노트로드가 공진 진동수에서 길이방향으로 정상파로 진동하는 반파장 공진기로서 기능한다. 초음파 소노트로드에 사용되는 표준 진동수는 20 kHz 내지 70 kHz 범위이다. 통상적으로, 진동의 진폭은 약 13 내지 130 마이크로미터로 작다.
본 발명의 맥락에서, 각 소노트로드(10)는 해당 흐름 관통 셀(14)을 통해 흐르는 액체에 진동 에너지를 인가한다. 이는, 액체 내에서의 급속한 압력 변화가 국부적 기화를 야기하고 나아가서는 증기로 채워진 작은 캐비티를 형성하는 현상인 캐비테이션을 야기한다. 다시 말해, 용해된 기체는 마이크로 기포 내에 갇히게 되며, 그 기포는 바람직하게는 하류의 분리 베셀(16)에서 액체로부터 용이하게 분리될 수 있다.
이를 위해, 흐름 관통 셀(14) 하류의 분기 라인(12)들은 공통의 포집 라인(18) 또는 파이프로 합쳐지고, 그 포집 라인은 연결 라인(20) 또는 파이프를 통해 분리 서브시스템(22)에 이른다. 분리 서브시스템(22)은 흐름 관통 운용 중에 연결 라인(20)으로부터 들어오는 액체(23)로 주어진 설계 충전 레벨(24)까지 채워지도록 구성된 분리 베셀(16) 또는 탱크를 포함한다. 액체(23) 위에는 작동 중에 바람직하게는 부압(대기압 이하의 압력)으로 유지되는 기체 공간(26)이 있다. 이는 기체 공간(26)의 영역에서 분리 베셀(16)에 부착된 추출 라인 또는 흡인 라인(28)을 통해 달성된다(해당 흡인 펌프는 도시 생략). 이러한 식으로, 액체(23) 내에 함유된 기포는 액체(23)의 표면(30)까지 상승하여 기체 공간(26) 내로 들어가고, 여기서 포집된 기체는 흡인 라인(28)을 통한 흡인에 의해 기체 흐름(31)으로서 추출된다. 따라서, 분리 베셀(16)은 상류측의 소노트로드 클러스터(11)에서 미리 처리된 액체를 위한 기체 분리기로서 기능한다. 탈기된 액체는 분리 베셀(16)로부터 배출 라인(31)을 통해 액체 유출류(34) 또는 스트림으로서 배출된다.
연결 라인(20)은 바람직하게는 기체 공간(26) 아래의 영역에서 분리 베셀(16) 내에 들어가, 그 내에 모인 액체(23) 내로 배출한다. 높은 분리 효율을 지원하기 위해, 분리 베셀(16) 내로의 입구 개구(36)는 바람직하게는 접선 방향 내향 흐름을 지원하도록 구성된다. 마찬가지로, 바람직하게는 배출 라인(32)으로의 출구 개구(389)가 접선 방향 외향 흐름을 지원한다.
부압에 의해 유발되는 흡인에 추가하여 또는 그에 대안으로, 액상 위의 기체 공간(26) 내에 모이는 분리된 기체는 부착된 퍼징 기체 라인(42)(해당 퍼징 기체 공급원은 도시 생략)을 통해 기체 공간(26) 내로 들어가는 퍼징 기체 흐름(40)에 의해 분리 베셀(16)로부터 인출될 수 있다.
작동 조건 또는 작동 목적에 따라, 소노트로드(10)들 중 일부는 비활성 상태로 오프될 수 있다. 또한, 초음파 서브시스템(8)의 해당 분기 라인(12) 내의 차단 밸브 또는 제어 밸브(44)의 도움으로 해당 흐름 관통 셀(14)을 통한 액체 흐름을 차단 또는 제어하는 것이 바람직할 수도 있다. 바람직하게는, 제어 밸브(44)는 소노트로드(10)를 포함하는 흐름 관통 셀(14)의 상류에 배치된다.
시스템 사양 및 작동 조건에 따라, 소노트로드(10)의 냉각을 제공하는 것이 유리할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 초음파 서브시스템(8) 내에 통합되어 소노트로드(10)와 열 접촉하고 특히 유동하는 냉각제로서 물을 사용하는 냉각 라인(46)의 시스템을 구비한다. 그 냉각제는 냉각제 입구(48)에서 냉각제 유입류(50)로서 제공되고, 소노트로드(10)의 폐열에 의해 가열된 후에 냉각제 출구(52)에서 냉각제 유출류(54)로서 배출된다. 작동 중에 폐회로 냉각 회로가 존재하도록 냉각제의 재냉각은 바람직하게는 외부 재냉각 시스템(도시 생략)에 의해 제공된다. 냉각제 회로 내의 냉각제는 바람직하게는 냉각제 펌프에 의해 구동되며, 그 펌프는 초음파 서브시스템(8) 내에 통합될 수 있거나 대안적으로는 외부에 위치할 수 있다.
그러한 소노트로드 냉각 시스템(56)에 추가하여 또는 그에 대안으로, 소노트로드(10)를 떠나는 액체 흐름을 위한 흐름 냉각 시스템(56)이 존재할 수 있다. 이 흐름 냉각 시스템(58)은 바람직하게는 앞선 단락에서 설명한 소노트로드 냉각 시스템(56)과 마찬가지로 순환하는 유체 냉각제를 갖는 냉각 회로로서 실현된다. 바람직하게는, 그 냉각 회로는 포집 라인(18)과 열 접촉하는 열 교환기를 포함한다. 대안적으로 또는 추가로, 소노트로드(10) 하류의 개개의 분기 라인(12)들 중 일부 또는 전부와 열 접촉할 수도 있다. 특히, 소노트로드(10)로부터 외측으로 흐르는 액체를 위한 흐름 냉각 시스템(58)은 소노트로드 냉각 시스템(56)의 일부 또는 브랜치이거나 그와 공용 구성 요소를 공유할 수도 있다.
요약하면, 탈기 시스템(2)의 작동 중에, 용해된 기체상 성분을 운반하는 액체의 스트림 또는 유입류(4)가 공급 라인(6)을 통해 초음파 서브시스템(8)에 들어간 후, 병렬 분기 라인(12)들로 방향 전환 또는 분배되어 흐름 관통 셀(14)을 통과하며, 여기서 소노트로드(10)가 액체 내에 작은 기포의 형성을 야기한다. 이어서, 상이한 분기 라인(12)들로부터의 그와 같이 처리된 액체는 포집 라인(18)에 포집된다. 그 결과로 생성되는 액체 흐름은 연결 라인(20)을 통해 분리 서브시스템(22)에 이르며, 여기서 그 액체 흐름은 분리 베셀(16) 내로 주입된다. 분리 베셀(16) 내에서 액체상이 기체상으로부터 분리된다. 기체상은 흡인에 의하거나 퍼징 기체 흐름(40)의 도움으로 흡인 라인(28) 또는 다른 적절한 추출 라인을 통해 분리 베셀(26)로부터 기체 흐름(31)으로서 인출된다. 탈기된 액체 유출류(34)는 액체 배출 라인(32)을 통해 분리 베셀(16)을 떠난다.
작동 중에, 바람직하게는 소노트로드(10) 및/또는 이 소노트로드(10)로부터 온 액체 흐름이 냉각제 흐름, 바람직하게는 물에 의해 냉각된다.
바람직하게는, 전체 시스템 및 해당 프로세스는 기체 함유 액체의 연속적인 유입류와, 기체 및 탈기 액체의 연속적인 유출류에 의해 연속적으로 작동하도록 구성된다. 액체의 운반은 바람직하게는 다수의 펌프에 의해 달성되며, 이들 펌프는 초음파 서브시스템(8) 내에 통합될 수 있거나 및/또는 액체를 안내하는 라인 시스템 내의 임의의 다른 곳에 배치될 수도 있다.
흐름 관통 셀(14), 소노트로드(10), 관련 분기부와 접속부를 갖는 분기 라인(12) 및 존재한다면 내부 냉각 라인(46)을 에워싸는 하우징(60) 내에 초음파 서브시스템(8)을 통합함으로써 모듈형 구조가 달성된다. 탈기 시스템(2)의 외부 구성 요소 및 장치에 대한 인터페이스는 기체 함유 액체의 유입류 및 탈기 액체의 유출류를 위한 라인 커넥터는 물론 적용 가능하다면 냉각제의 유입류 및 유출류를 위한 라인 커넥터를 포함한다. 대안적으로, 적어도 하나의 소노트로드(10)와 적용 가능하다면 해당 냉각 시스템을 각각 포함하는 개개의 흐름 관통 셀(14)만이 개별 하우징 내에 배치되는 반면, 해당 라인 분기부 및 접속부는 해당 하우징의 외부에 위치한다.
전체 초음파 서브시스템(8)은, 지진 하중 등에 대한 필요조건의 측면에서 고정식 설치가 유리할 수 있다고 하더라도 예를 들면 운반 롤러(62)를 갖는 이동식 장치로서 구성될 수 있다.
분리 베셀(16)을 갖는 분리 서브시스템(22)은 바람직하게는 초음파 서브시스템(8) 외부에 외부 설비로서 배치된다. 특히, 분리 베셀(16)은 기존의 기술 설비의 기존의 구성 요소일 수 있다. 초음파 서브시스템(8)을 분리 서브시스템(22)에 연결하는 데에는 간단한 연결 라인(20)(예를 들면, 호스 또는 파이프)이 요구된다. 라인 연결은 예를 들면 플러그 및/또는 클램핑 수단에 의한 분리 가능 연결로서, 또는 예를 들면 용접에 의한 영구적 연결로서 실현될 수 있다.
소노트로드(10)로부터 액체 유출류가 분리 베셀(16)에 들어가기 전에 그 액체 유출류 내에 기포가 재용해되는 것을 피하기 위해, 연결 라인(20)의 길이는 메인 파이프의 공칭 직경과 유량에 기초하여 가능한 한 짧게 선택하는 것이 바람직하다. 소노트로드(10)에서부터 분리 베셀(16)로의 운반 시간은 최대 2초 내지 3초 정도일 것이다.
초음파 서브시스템(8) 내에서의 분기 라인(12) 및 해당 소노트로드(10)의 개수는 실제 용례의 요구에 따라 선택된다. 특수한 경우에는 단일 소노트로드(10)로도 충분할 수 있는 한편(즉, "소노트로드 클러스터"라는 용어는 하한으로 단지 하나의 분기 라인을 포함함을 의미함), 큰 체적 흐름을 취급하는 데에는 일반적으로 복수의 병렬 분기 라인(12) 및 해당 소노트로드(10)가 요구될 수 있다. 액체 라인에서의 관련 압력 강하는 대부분의 경우에 무시 가능하여 실질적인 문제가 되지 않는다.
전술한 초음파 서브시스템(9) 다수 개를 병렬로 배치하여 병렬 소노트로드 분기부의 개수를 그만큼 증가시키는 것도 가능하다. 마찬가지로, 상응하는 라인 분기부 및 접속부가 제공된다면 분리 베셀(16) 다수 개를 병렬로 배치하는 것이 가능하다.
또한, 적절한 라인 분기부 및 접속부를 단순히 제공함으로써 특히 상이한 형태의 기존의 탈기 시스템에 대한 리던던시(redundancy) 및/또는 성능 향상이 달성될 수 있다.
상응하는 제어 시스템이 개개의 소노트로드(10)(특히, 액체 흐름 내에 도입되는 초음파 파워), 활성 분기 라인의 개수(차단 밸브 또는 제어 밸브(44)를 통해), 냉각 용량(냉각제, 예를 들면 냉각수의 흐름을 통해) 및/또는 분리 베셀(16) 내의 액체 수위를 제어할 수 있다.
도 2는 핵발전 플랜트 내에서의 전술한 개념의 제1 구체적 용례를 도시한다.
가압수 원자로는 1차 원자로 냉각제를 운반하는 1차 원자로 냉각제 회로(90)를 포함한다. 1차 원자로 냉각제 회로(90)는 원자로 압력 베셀(Reactor Pressure Vessel: RPV)(92), 가압 장치(94), 증기 발생기(96) 및 1차 냉각제 펌프(98)를 포함한다. 증기 발생기(96)는 2차 냉각제 회로에 대한 열적 연결을 제공한다. 순환하는 1차 원자로 냉각제의 체적, 화학적 조성 및 기타 물리적 특성은 1차 원자로 냉각제 회로(90)에 유체 연통하게 연결된 원자로 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)(70)에 의해 제어될 수 있다. 이는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다.
도 2를 다시 살펴보면, 원자로 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)(70)은 1차 원자로 냉각제를 1차 원자로 냉각제 회로 내로 다시 주입하기 위한 고압 충전 펌프(74)에 이르는 1차 원자로 냉각제용 유출관(72)을 포함한다. 체적 제어 탱크(VCT)(76)가 충전 펌프(74) 상류의 라인 섹션에 있어서의 3방향 라인 분기부(78)에서 유출관(72)에 유체 연통하게 연결된다.
1차 원자로 냉각제의 분기 스트림의 탈기를 지원하기 위해, 전술한 종류의 소노트로드 클러스터(11)를 갖는 초음파 서브시스템(8)이 사용된다. 초음파 서브시스템(8)을 위한 공급 라인(6)은 입구측에서 유출관(72)에 유체 연통하게 연결된다. 상응하는 3방향 라인 분기부(80)가 VCT(76)를 유출관(72)에 연결하는 라인 분기부(78) 상류에 배치된다. 또한, 전체 흐름이 그 분기 라인을 통해 안내될 수 있다. 출구측에서는 초음파 서브시스템(8)이 연결 라인(20)을 통해 VCT(86)에 유체 연통하게 연결된다. 연결 라인(20)은, 작동 중에 1차 원자로 냉각제의 액체상을 통상 수용하고 있는 VCT(76)의 하부 영역으로 배출한다. 액체상 위에는 기체 공간(26)이 있고, 이 기체 공간(26)에 흡인 라인(28)이 연결된다. 작동 중에 부압으로 유지되는 흡인 라인(28)은 배기 시스템(도시 생략)에 이른다. 또한, 질소 또는 다른 적절한 스트리핑 기체를 함유한 스트리핑 기체 스트림을 VCT(76)에 제공하도록 기체 공간(26) 내로 배출하는 퍼징 기체 라인(42)이 존재할 수도 있다.
따라서, 유출관(72)을 통해 이동하는 1차 원자로 냉각제 스트림의 부분 또는 전체 스트림이 초음파 서브시스템(8)으로 방향 전환되어 VCT(76)에 이르게 되며, 이 VCT(76)가 전술한 바와 같은 의미 및 방식의 분리 베셀(16)로서 기능한다. VCT(76)로부터, 탈기 체적이 배출 라인(32)으로서 기능하는 라인 및 3방향 분기부(78)를 통해 다시 유출관(72)으로 보내진다. 따라서, 초음파 서브시스템(8) 및 VCT(76)가 원자로 화학 및 체적 제어 계통(70) 내에서 탈기 시스템(2)을 구성하며, 이 탈기 시스템(2)은 1차 원자로 냉각제 스트림의 분기 스트림을, 또는 필요에 따라서는 그 전체 스트림을 연속적으로 탈기시킬 수 있다.
그러한 탈기 시스템(2)을 기존의 플랜트 내에 개장하기 위해서는 원칙적으로 초음파 서브시스템(8)을 위한 연결부 및 필요하다면 흡인 라인(28) 및 퍼징 기체 라인(28)을 위한 연결부를 제공하는 것만이 필요하다. 따라서, 초음파 서브시스템(8)은 계획 단계 중에 "블랙박스" 시스템으로서 취급될 수 있다.
진공 기화에 기초한 종래의 탈기 시스템(72 m3/h의 체적 유량에 대해 > 2 MW 전력)과 달리, 본 발명에 따른 탈기 시스템은 훨씬 더 에너지 효율적이다(72 m3/h의 체적 유량에 대해 0.1 MW 전력).
도 3은 핵발전 플랜트 내에서의 전술한 개념의 제2 구체적 용례를 도시한다. 이 도면에서는 체적 제어 탱크(76) 상류의 메인 스트림 내에 클러스터로서 초음파 서브시스템(8)을 도시하고 있다. 전체 흐름이 초음파 서브시스템(8)을 통해 안내될 것이며, 그 시스템은 고정식 시스템 부분으로서 건설된다. 이러한 용례는 예를 들면 체적 제어 탱크(76) 내에서의 수소화(hydrogenation)를 포함하는 구형의 독일 또는 프랑스식 플리트 플랜트(fleet plant)에 적합하다. 배관의 개장은 불필요한 것으로 여겨지며, 메인 흐름은 베셀 헤드를 통해 스트리핑 기체 흐름 내로 분사될 것이다. 하지만, 이 경우, 1차 냉각제 내의 스트리핑 기체의 농도가 현저히 상승할 가능성이 있을 것으로 여겨진다. 논리적 결과로서, 분리 베셀(16)을, 그 베셀 내의 유체 표면 아래의 추가적인 연결부에 의해 개조함으로써 그러한 효과를 최소화하는 것이 상정된다.
도 4는 핵발전 플랜트 내에서의 전술한 개념의 제3 구체적 용례를 도시하는 것으로, 초음파 서브시스템(8)의 이동식 형태가 필요에 따라 사용되고 있다. 이 용례는, 장비가 마음대로 용이하게 연결 및 분리될 수 있다는 점을 제외하면, 도 3에서와 동일한 방식으로 작동하도록 되어 있다.
전술한 상세한 설명이 핵발전 분야에서의 용례에서 초점을 두었지만, 제안된 탈기 시스템 및 상응하는 방법 또는 프로세스는 액체를 탈기시킬 필요가 있는 종래의 (비핵) 발전 플랜트 또는 산업 플랜트에 이용될 수도 있다. 특히, 도 4의 이동식 용례는 주요한 수정 없이 그러한 용례에도 즉시 적합할 것이다.
2: 탈기 시스템
4: 액체 유입류
6: 공급 라인
8: 초음파 서브시스템
10: 소노트로드
11: 소노트로드 클러스터
12: 분기 라인
14: 흐름 관통 셀
16: 분리 베셀
18: 포집 라인
20: 연결 라인
22: 분리 서브시스템
23: 액체
24: 충전 수위
26: 기체 공간
28: 흡인 라인
30: 표면
31: 기체 흐름
32: 배출 라인
34: 액체 유출류
36: 입구 개구
38: 출구 개구
40: 퍼징 기체 흐름
42: 퍼징 기체 라인
44: 제어 밸브
46: 냉각 라인
48: 냉각제 입구
50: 냉각제 유입류
52: 냉각제 출구
54: 냉각제 유출류
56: 소노트로드 냉각 시스템
58: 흐름 냉각 시스템
60: 하우징
62: 운반 롤러
70: 원자로 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)
72: 유출관
74: 충전 펌프
76: 체적 제어 탱크(VCT)
78: 라인 분기부
80: 라인 분기부
90: 1차 원자로 냉각제 회로
92: 원자로 압력 베셀(RPV)
94: 가압 장치
96: 증기 발생기
98: 1차 냉각제 펌프

Claims (15)

  1. 원자로 및 원자로 냉각제 회로를 포함하며, 또한 상기 원자로 냉각제 회로에서 순환하는 원자로 냉각제를 위한 탈기 시스템(2)을 더 포함하는, 핵발전 플랜트에 있어서,
    상기 탈기 시스템(2)은, 상기 원자로 냉각제 회로의 라인 내에 또는 상기 원자로 냉각제 회로에 유체 연통하게 연결된 라인 내에 배치된 적어도 하나의 소노트로드(10)를 갖는 소노트로드 클러스터(sonotrode cluster)(11)를 포함하는 초음파 탈기 시스템이고,
    상기 소노트로드 클러스터(11)는 병렬 흐름 구성의 복수의 소노트로드(10)를 포함하고, 상기 소노트로드(10)는 캐비테이션을 야기하도록 각 흐름 내에 초음파 진동을 인가하는 것을 특징으로 하는 핵발전 플랜트.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    흐름이 통과하는 소노트로드(10)의 개수는 상응하는 제어 밸브(44)의 도움으로 조절 가능한 것인 핵발전 플랜트.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 소노트로드(10)가 흐름 관통 셀(14) 내에 배치되는 것인 핵발전 플랜트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소노트로드 클러스터(11)의 하류에 분리 베셀(16)이 있는 것인 핵발전 플랜트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분리 베셀(16)은 추출되는 기체 흐름(31)을 위한 흡인 라인(28)이 연결되는 기체 공간(26)을 포함하는 것인 핵발전 플랜트.
  7. 제1항에 있어서,
    소노트로드 냉각 시스템(56)이 있는 것인 핵발전 플랜트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소노트로드(10)를 떠나는 원자로 냉각제 흐름을 위한 흐름 냉각 시스템(58)이 있는 것인 핵발전 플랜트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 소노트로드 클러스터(11)는 이동식 장치로서 구성되는 것인 핵발전 플랜트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 핵발전 플랜트는 1차 원자로 냉각제 회로 및 2차 원자로 냉각제 회로를 구비하는 가압수 원자로(Pressurized Water Reactor) 또는 CANDU 원자로이며, 탈기될 원자로 냉각제는 상기 1차 원자로 냉각제 회로의 1차 원자로 냉각제인 것인 핵발전 플랜트.
  11. 제10항에 있어서,
    유출관(72) 및 체적 제어 탱크(76)를 갖는 원자로 화학 및 체적 제어 계통(70)이 존재하며, 공급 라인(6)이 상기 유출관(72)에서부터 상기 소노트로드 클러스터(11)에 이르는 것인 핵발전 플랜트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 체적 제어 탱크(76)가 상기 소노트로드 클러스터(11)를 떠나는 1차 원자로 냉각제의 흐름을 위한 분리 베셀(16)로서 기능하도록 배치되는 것인 핵발전 플랜트.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 핵발전 플랜트는 1차 원자로 냉각제 회로 및 2차 원자로 냉각제 회로를 구비하는 가압수 원자로(Pressurized Water Reactor) 또는 CANDU 원자로이며, 탈기될 원자로 냉각제는 상기 2차 원자로 냉각제 회로의 2차 원자로 냉각제인 것인 핵발전 플랜트.
  14. 원자로의 원자로 냉각제 흐름을 탈기시키는 방법으로서:
    (a) 병렬 흐름 구성의 복수의 소노트로드(10)의 도움으로 캐비테이션을 야기하도록 각 흐름 내 에 초음파 진동을 인가하는 단계; 및 이어서
    (b) 기체 흐름이 액체상으로부터 분리되는 분리 베셀(16)로 상기 흐름을 안내하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단계 (a)와 (b)는 연속적으로 실행되는 것인 방법.
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