KR19980029457A - 가압경수로의 피동형 이차측 응축계통 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 사고시에 증기발생기의 이차측에서 증기를 응축하여 응축된 증기로 증기발생기의 일차측에서 발생한 잔열을 피동적으로 냉각하여 원자력발전소의 안전성을 높일 수 있는 냉각계통에 관한 것이다. 피동형 이차측 응축계통은 비등경수로(SBWR)의 격리응축기(isolation condenser) 개념을 사용한 것으로, 본 발명에 따른 계통의 기본 구성은 비등경수로형에 사용되고 있는 형태의 격리응측기와, 이 격리응축기를 담고 있는 격리응축기 수조와, 증기발생기와 격리응축기를 연결하는 배관으로 되어 있다. 본 발명에 따른 피동형 이차측 응측계통은 새로 건설되는 종래 방식의 가압경수로의 보조냉각계통을 대체할 수 있다.

Description

가압경수로의 피동형 이차측 응축계통

본 발명은 가압경수로형 원자력 발전소의 증기발생기의 이자측 응축계통을 이용한 냉각계통에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 원자로 사고시에 증기발생기의 이차측에서 증기를 응축하여 응축된 증기로 증기발생기의 일차측에서 발생하는 잔열을 피동적으로 냉각하는, 가압경수로의 피동형 이차측 응축계통에 관한 것이다.

원자력 발전소는 지금까지 경제성이나 안전성 및 환경보존성 등에 있어서 수력발전소나 화력발전소에 비해 우월한 운전 성능을 보이며, 중요한 전력생산 수단으로 자리잡아 왔다. 원자력발전은 핵분열물질의 핵분열 과정에서 발생하는 에너지를 이용하여 전력을 생산하는데, 이 과정에서 발생하는 방사성 물질이 비정상적으로 누출되는 사고가 발생하면 대형 재해로 발전될 염려가 있으므로, 원자력 발전소의 안전성은 항상 최우선 과제로 다루어져 왔다. 그에 따라, 기존의 원자력 발전소도 합리적인 안전성을 지닌 것으로 평가되고 있기는 하지만, 안전성을 획기적으로 향상시킨 차세대 원자로의 개발이 전세계적으로 활발하다.

비등경수로(SBWR)형 원자력 발전소에 대해서는, 진보적 원자력 발전소의 설계와 안전성에 대한 ANP 국제회의(1992)에서 에프 마그리스(F.Magris) 등에 의해 발표된 논문(''Design and Experimental Verification of Iso1ation Condenser and Passive Containment Cooler for SBWR)과 제2회 ASME/JSME 원자력공학 회의''(1993)에서 에프 엘 리쪼(F.L.Rizzo) 등에 의해 발표된 논문(''Prototype Tests for ICs/PCCs Components of SBWR)에 기술되어 있다. 여기에는, 비등경수로(SBWR)의 격리응축기 계통(IC)과 피동형 격납용기 냉각계통(PCC)의 설계와 실험적 연구내용이 개시되어 있다. 또한, 제1회 원자력공학에 관한 JSME-ASME 국제회의(1991)에서, 에이치 오이카와(H.Oikawa) 등에 의해 발표된 논문(''Optimization Study on SBWR Isolation Condenser Heat Removal Performance)에는 비등경수로(SBWR)에 사용되는 격리응축기 내에서의 불응축성 기체의 축적에 의한 열제거 능력의 감소에 대한 실험이 개시되어 있다. 비등경수로(SBWR)의 냉각방식으로서는, 격리응축기(isolation condenser) 개념을 이용하여 피동적으로 원자로를 냉각하는 방식이 주로 연구되고 있다.

한편, 가압경수로(PWR)형 원자력 발전소의 냉각계통에 관하여는, 1994년에 이탈리아에서 열린 원자력시스템 열역학의 신기술에 관한 국제회의에서 베 쾰러(W.Khler)에 의해 발표된 논문(''Therma1-Hydraulic Behavior of a Safety Condenser)에 가압경수로형 원자력 발전소의 이차측 응축을 위한 안전응축기(safety condenser)에 대한 실험적 연구가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 특허출원공개 제94-10120호에는 피동형 가압경수로가 개시되어 있지만, 잔열제거계통으로서의 이차측 응축계통은 포함되지 않는다.

가압경수로(PWR)의 대표적인 차세대 원자로형은 개랑형(evolutionary type)과 피동형(passive type)으로 나뉘는데, 개량형은 기존의 경수로 설계를 거의 그대로 이용하면서 일부분의 설계만 개선한 것으로서, 특히 계통 및 기기의 신뢰도 향상과 인간과의 접속부 설계의 개선에 중점을 둔다. 반면, 피동형은 기존 경수로에서 입증된 기술들을 채택하기는 하지만, 외부 동력의 공급이 필요한 능동적 수단보다는 자연현상에 의한 피동적 수단에 의해 원자로의 안전성이 담보되는 특징을 갖는다. 여기서, 자연현상이란 중력, 자연순환, 또는 응축과 비등 등을 의미한다.

한편, 사고 등에 의해 원자력 발전소의 운전이 중단되었을 때에는 상당한 양의 잔열(decay heat)이 계속 발생하는데, 종래의 가압경수로형 원자력 발전소에서는 이러한 잔열을 제거하기 위하여, 증기발생기의 이차측에 펌프 등의 능동적 요소를 이용한 보조냉각계통을 사용하고, 일차측 냉각수단으로서 안전등급인 비상급수계통(EFWS, AFWS)을 사용하였다.

그러나, 냉각재 상실사고 및 천이사고(transient)시 주급수계통(MFWS)이 이용 불능되거나, 고온대기 및 발전소 냉각시 기동급수펌프(SFWP)를 포함한 주급수 계통이 이용 불능될 경우에는, 원자로 냉각재 계통의 온도 및 압력이 기술지침서(tech.spec.)에 명시된 잔열제거 계통(RHRS)의 운전 조건에 도달할 때까지 증기발생기에 급수해야 한다는 문제점이 노출되어 왔다.

이에, 본 발명자들은 종래의 가압경수로형 원자력 발전소의 안전성을 향상시키기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 종래기술에서의 원자로 중단시 발생하는 잔열을 제거하기 위하여 능동형 보조냉각계통을 사용한데 대하여, 원자로의 증기발생기 이차측에 격리응축기를 설치하여 자연적 대류에 의해 증기를 응축시켜 발생되는 냉각수로 증기발생기 일차측과 연결된 원자로에서 발생하는 잔열을 냉각하고 응축되지 않는 불응축성 기체는 따로 배출하여 처리할 수 있는 피동형 냉각계통을 설계하므로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 목적은 가압경수로형 원자력 발전소의 증기발생기의 이차측 냉각계통인 보조급수계통이나 피동 잔열제거계통을 피동형 이차측 응축계통으로 대체하여 가압경수로형 원자력 발전소의 안전성 향상을 도모하는, 가압경수로의 피동형 이차측 응축계통을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 피동형 이차측 응축계통이 구비된 가압경수로의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 원자로 2 : 원자로 냉각수펌프

3 : 증기 발생기 4 : 주증기관

5 : 주급수관 6 : 증기발생기 보충수탱크

7 : 증기발생기 보충수주입관 8 : 격리응축기 입구연결관

9 : 격리응축기 10 : 격리응축기 출구연결관

11 : 격리응축기 입구밸브 12 : 격리응축기 출구밸브

13 : 격리응축기 수조 14 : 불응축성기체 추출관

15 : 주증기 차단밸브 16 : 격납용기

본 발명에 따른 피동형 이차측 응축계통은 전술한 비등경수로(SBWR)의 격리응축기(isolation condenser) 개념을 이용하여 설명하였다. 도 1의 피동형 이차측 응축계통이 설치된 가압경수형 원자로(이하, 편의상 가압경수로라 함)의 개략도에서 보듯이, 본 발명이 적용되는 가압경수로는 크게 원자로(1)와 증기발생기(3)를 싸고 있는 격납용기(16), 이 격납용기(16) 외부에서 증기를 응축시켜 액화하는 격리응축기(9) 및 격리응축기 수조(13)로 구성된다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉각계통의 구성을 설명한다.

본 발명의 가압경수로 피동형 냉각계통은, 격납용기(16)의 외부에 설치되어 원자로(1)의 운전 중단시 상기 주증기관(4)을 외부 계통으로부터 차단하기 위해 격납용기(16) 외부에 설치되는 주증기 차단밸브(15), 원자로(1)의 운전 중단시 상기 주증기관(4)을 통해 배출되는 증기를 응축하여 냉각수로 변환하기 위하여 격납용기(16) 외부에 설치되는 격리응축기(9), 상기 격리응축기(9)에 공급된 증기를 응축시키기 위해 상기 격리응축기(9)가 담기는 수조(13), 상기 주증기관(4)을 통하여 상기 격리응축기(9)로 유입되는 증기를 단속하기 위하여 상기 격리응축기(9)의 입구연결관(8)에 설치되어 상기 주중기관(4)을 개폐하는 격리응축기 입구밸브(11), 원자로(1)를 냉각하기 위하여 상기 격리응축기(9)에서 응축된 냉각수가 중력에 의한 자연적 순환현상으로 증기발생기(3)의 일차측으로 되돌아가도록 하는 주급수관(5) 및 상기 격리응축기(9)의 출구연결관(l0)을 개폐하여 상기 주급수관을 통하는 냉각수를 단속하기 위한 격리응축기 출구밸브(12)로 구성된다.

상기 증기발생기(3)에 별도로 연결되어 있는 보충수탱크(6)는 격리응축기(9)에서 응축되지 않고, 후술하는 바와 같이 방출되는 증기의 양만큼 소실되는 냉각수를 보충하는 역할을 하는데, 냉각수가 부족함을 검지하여 자동으로 보충하는 기구(미도시)가 포함된다.

상기 증기발생기(3)의 일차측은 원자로(1)와 연결되어 격납용기(16) 내부에 설치되고, 증기발생기(3)의 이차측에는 증기발생기(3)에서 발생하는 증기를 격납용기(16) 외부로 배출하는 주증기관(4)이 연결된다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉각계통의 작용을 설명한다.

가압경수로 사고로 원자로(1)의 운전이 중단되면, 주중기 차단 밸브(l5)가 차단되어 증기발생기(3)의 이차측은 폐회로가 된다. 원자로(1)의 운전이 중단된 후에도 원자로(1)에서는 많은 양의 잔열이 발생하여 증기발생기(3)의 이차측 계통에 막대한 양의 증기를 발생시켜 이차측의 압력을 상승시키며. 발생한 증기는 증기발생기(3)의 이차측과 주증기관(4)에 가득차게 된다. 이때, 이차측 응축계통 작동밸브인 격리응축기 입구밸브(11)가 열리면서 증기발생기(3)에서 발생한 증기가 주증기관(4)을 통하여 격리응축기 입구연결관(8)을 통하여 격리응축기(9)에 공급된다.

공급된 증기는 격리응축기(9)에서 응축되어 액화되는데, 액화된 냉각수가 격리응측기(9)에 차면 격리응축기 출구밸브(12)가 열리면서 격리응축기 출구연결관(10)과 주급수관(5)을 통하여 냉각수가 증기발생기(3)로 다시 유입되어 증기발생기(3) 일차측과 연결된 원자로(1)를 냉각하는 작용을 하게 되는 것이다.

이러한 폐회로는 증기발생기(3)와 격리응축기(9) 사이의 수두 차이에 의한 자연적 대류현상에 의하여 작동하기 때문에 피동형 냉각계통이 된다. 도 1을 보면 격리응축기(9)가 증기발생기(3)보다 수위가 높도록 설치되어 있음을 알 수 있다.

위와 같은 이차측 응축계통의 작동시, 증기발생기(3)의 이차측에 있는 불응축성 기체는 격리응축기(9)에서 응축되지 않고 격리응축기(9)의 하단부에 축적되는데, 이 축적된 불응축성 기체는 불응축성 기체 추출관(14)을 통하여 격납용기(16) 내부로 방출되어 외부로 누출되지 못하도록 한다. 이 불응축성 기체는 미량이기 때문에 격납용기(16) 내에서 자연 소멸될 수 있다.

전술한 바와 같이, 증기발생기(3)에서 발생한 증기에 포함된 이 불응축성 기체의 분량만큼 폐회로 내에서 소실되는 물은 증기발생기 보충수탱크(6)에 자동적으로 보충되어 물 재고량이 일정하게 유지될 수 있다.

이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명에 따른 피동형 이차측 응축계통은 피동형 냉각방식을 채용하여 가압경수로 사고시 비교적 단순한 구조로 안정적으로 원자로를 냉각시킬 수 있고, 증기발생기의 이차계통 내에 불응축성 기체가 존재하더라도 원자로를 냉각시킬 수 있으며, 증기발생기의 이차계통 내의 물재고량을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다. 더욱이, 펌프 등과 같은 능동적 수단을 사용하지 않고 그 구조가 단순하기 때문에, 전체 계통의 신뢰성이 향상되고 그에 따라 안전성이 향상되는 효과가 있다.

본 발명에 따른 피동형 이차측 응측계통은 새로 건설되는 종래 방식의 가압경수로의 보조냉각계통을 대체할 수 있을 것이다. 구체적인 예를 들면, 본 발명은 현재 사용되고 있는 컴버스쳔엔지니어링사(ABB-CE)와 웨스팅하우스사(Westinghouse)의 가압경수로의 비상급수계통, 현재 설계 중인 미국 ABB-CE사의 개량형 가압경수로인 System 80⁺의 비상급수계통, 캐나다 AECL사의 증수로형 원자력발전소의 비상급수계통, 웨스팅하우스사의 AP-600의 피동잔열제거계통(PRHR) 등 현재 개발 중인 격납용기를 가진 신형원자로에 적용하는 비상급수계통이나 피동잔열제거계통(PRHR)을 대체하는 안전등급 피동형 이차측 응축계통이 될 수 있다.

Claims (2)

1. 증기발생기와 원자로가 격납용기 내에 설치된 가압경수형 원자로 계통에 있어서, 증기발생기의 이차측에 연결되어 증기발생기에서 발생하는 증기를 격납용기 외부로 배출하는 주증기관, 격납용기의 외부에 설치되어 원자로의 운전 중단시 상기 주증기관을 외부 계통으로부터 차단하기 위해 격납용기 외부에 설치되는 주증기 차단밸브, 원자로의 운전 중단시 상기 주증기관을 통해 배출되는 증기를 응축하여 냉각수로 변환하기 위하여 격납용기 외부에 설치된 격리응축기, 상기 격리응축기에 공급된 증기를 응축시키기 위해 상기 격리응축기가 담기는 수조, 상기 주증기관을 통하여 상기 격리응축기로 유입되는 증기를 단속하기 위하여 상기 격리응축기의 입구에 설치되어 상기 주증기관을 개폐하는 격리응축기 입구밸브, 원자로를 냉각하기 위하여 상기 격리응축기에서 응축된 냉각수가 상기 증기발생기와 상기 격리응축기 사이의 수두 차이에 의한 자연적 대류현상으로 증기 발생기로 되돌아가도록 하는 주급수관, 상기 격리응측기의 출구를 개폐하여 상기 주급수관을 통하는 냉각수를 단속하기 위한 격리응축기 출구밸브 및 상기 격리응축기에서 응축되지 않는 불응축성 기체를 격납용기 내로 배출시키는 불응축성기체 추출관으로 구성된, 가압경수로의 피동형 이차측 응축계통.
2. 제 1항에 있어서, 상기 증기발생기는 발생하는 증기에 포함된 불응축성 기체의 양만큼 소실되는 냉각수를 보충하기 위한 증기발생기 보충수탱크를 포함하는 가압경수로의 피동형 이차측 응축계통.