KR19990067183A - 수냉 원자로의 수동 비상 수소 제거 시스템 - Google Patents

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Abstract

냉각수 유출 사고 시에 원자로 내의 수용기 내의 수소를 촉매 수소 재결합에 의해 수동 제거하기 위한 개선된 시스템에 관한 것이다. 수용기 내부에 위치한 배플 벽(26)은 수용기 내에 대류 교환하는 공기 상향 유동 경로와 공기 하향 유동 경로를 형성한다. 공기의 상향 유동은 냉각수관 지역(22)을 통과하며 균열로부터의 수소를 연행하는 데 효과적이고, 공기의 하향 유동은 수용기 벽(12) 부근의 지역(28) 내에 있다. 냉각수관의 하류에 위치한 공기 상향 유동은 연행된 수소를 도관식 공기 상향 유동 경로에만 제한하도록 유도되며, 촉매 수소 재결합기는 도관식 공기 상향 유동 경로 내에 위치하여 상기 연행된 수소가 상기 도관식 공기의 상향 흐름 내의 산소와 재결합하도록 한다.

Description

수냉 원자로의 수동 비상 수소 제거 시스템
종래의 수냉 원자로는 냉각수 유출 사고(loss-of-accident; "LOCA")로 인한 수용기의 손상이 최소화되도록 설계되었다. 냉각수 유출 사고는 2가지의 분명한 문제를 일으킬 수 있다. 우선, 반응로 냉각 회로가 손상되면 고온의 물과 중기가 수용기 기체 중으로 방출된다. 수용기로부터 열을 제거하기 위한 시스템을 사용하지 않으면, 수용기 내의 압력 및 온도가 수용기의 설계 한계 이상으로 증가할 수 있다. 두 번째로는, 냉각수가 유출될 뿐만 아니라 비상 냉각수를 냉각수 시스템에 주입하지 못하는 심각한 냉각수 유출 사고 시에, 연료 온도의 증가가 주 시스템 내의 잔여 증기와 연료 덮개(sheathing) 내의 지르코늄 사이에 고온 반응으로 이어진다. 심각한 경우에는 연료 덮개가 완전 산화되기도 한다. 반응은 발열 반응이며 수소를 생성한다. 반응으로부터 생성된 수소는 주 시스템 내의 균열 지점으로부터 증기와 함께 수용기 기체 중으로 배출된다. 사고가 심각한 경우에는 수소의 질량 배출 속도가 초당 수 킬로그램일 수 있다. 자연 발화 한계 미만으로 수소 농도를 유지하기 위한 시스템을 사용하지 않으면, 폭발성 가스 혼합물이 반응로 수용기 내에 생성될 수 있다.
새로운 구조의 수냉 원자로는 LOCA의 효과를 경감시키는 데 있어서 전원, 서비스 워터(service water) 및 조작자의 역할에 의존하지 않는다. 이와 같은 구조는 수동 수단을 이용하여 수용기 기체로부터 수용기 벽을 통해 열을 전달하여 수용기 압력을 설계 한계 내로 유지한다. 예를 들어, 강철 수용기 벽과 고가(elevated) 탱크로부터의 외부 수냉각이 열전달을 향상시키기 위해 사용된다. 수용기 기체로부터의 열은 자연 대류에 의해 수용기 벽에 전달된다. 균열로부터 방출되는 고온 증기는 공기와 혼합되어 수용기의 상부로 상승하고 저온의 수용기 벽과 접촉하여 냉각된다. 저온의 고밀도 혼합물이 떨어지고 자연 순환 과정이 시작되는데, 이 때에 벽 근방에서는 하향 유동하며 중앙 지역에서는 상향 유동한다. 초기 배출 기간(blow-down) 후에, 수용기 내의 압력과 온도는, 저온 수용기 벽과 임의의 다른 저온 표면 상에서의 증기 응축 속도가 균열로부터의 증기 배출 속도와 같아질 때까지 증가한다.
종래의 반응로 구조는 수소 누적을 경감시키기 위한 여러 가지 수단을 사용하였다. 조기 불활성화 방법(pre-inerting)이 한 방법이며 정상 공장 가동 개시 전에 또는 중에 산소 소모 기체를 수용기 내에 생성하는 것과 관련된다. 불활성 기체(일반적으로 질소)가 수용기 내에 주입되고, 동시에 대기 중으로 배출되는 공기를 대체하여, 산소 농도를 수소 연소에 필요한 수준 이하로 낮춘다. 조기 불활성화 방법은 대형 구조가 갖는 본래의 실용 상의 어려움으로 인해 일반적으로 소형 수용기에만 적용된다.
중형 및 대형 수용기 구조에서는 일반적으로 수소 경감을 위해 수소 점화기가 고려된다. 수소 점화기는 일반적으로 수용기 전체에 분포되며, 특히 수소 농도가 높은 경향이 있는 지역에 분포된다. 수소 점화기는 수소 농도가 발화 임계를 초과하는 즉시 개시되며, 이로써 에너지 방출을 공간적으로 일시적으로 분포시키면서 저속 폭연에 의해 수소를 제거한다. 그러나, 수소 점화기의 사용은, 일 지점에서 개시된 폭연이 근방의 보다 민감한(즉, 수소의 배출 지점에 보다 근접한) 지역으로 전파되거나, 가연성의 부근 공간으로 배출되어(소위 제트 점화) 예상보다 격렬히 전파하게 될 수 있는 위험이 있다. 이는 폭연으로부터 폭발로의 전환(transition from deflagration to detonation; TDD)으로 이어질 수 있으며, 이는 수용기 구조와 설비에 상당한 부담을 준다. 고의적 연소 방법의 다른 단점은 혼합 성향과 혼합물의 고의적 연소에 의한 연소 형태가 예측 불가능하다는 것이다. 이러한 불확실성은 폭연 없이도 수소를 제거할 수 있는 방법에 대한 연구를 추진하였다. 또한, AC 전원에 의한 점화기는 전원이 없는 경우에는 사용할 수 없고, 전지에 의한 점화기는 사용 가능한 전력이 제한적이므로 단속적인 작동에만 제한되며, 촉매 점화기는 연소시킬 수 있는 혼합물의 종류와, 반응 시간 및 촉매 작용 억제(poisoning), 오염(fouling) 또는 기계적인 손상에 대한 민감도와 관련된 제한점을 갖는다. 결과적으로, 수소 농도를 폭연 한계 미만으로 유지하기 위한 다른 수단을 제공하고, 이와 같은 다른 수단이 비효과적인 경우에 고의적 연소에 의존하는 것이 종래의 방법이었다.
이러한 다른 수단의 한 방법으로 수소 재결합기를 사용하는 방법이 있다. 수소 재결합기는 수소와 물을 결합하여 물을 생성함으로써, 수용기 내의 수소 농도를 저하시킨다. 열 재결합기에 반해 촉매 재결합기는 자발적이며 외부 전원을 필요로 하지 않으므로, 수동 시스템의 일부로 사용 가능하다. 촉매 수소 재결합기가 수용기 내에 사용될 것이 제안되기는 하였으나, 몇 가지 요인으로 인하여 널리 실시되지 못하였다. 대형 반응로 구조에서는 수용기 기체를 이용하여 균열의 공급원으로부터 생성된 수용기 내의 수소를 희석시키는 것이 일반적이다. 대형 수용기 부피는 폭연 한계 수준에 도달하기 전에 다량의 수소를 희석시킬 수 있으므로 효과적인 것으로 생각되었다. 이는 LOCA를 처리하기 위한 비상 작동을 취할 수 있는 적당한 시간을 제공한다.
수소 재결합기가 효과적으로 작동하기 위해서는 비교적 고속의 공기가 필요하다. 수용기를 냉각시키기 위해 통상적으로 이용되는 수용기 기체의 자연 순환은 수동 수소 재결합기가 대형 수용기를 효과적으로 처리할 수 있기 위해 필요한 충분히 높은 유속을 생성하지 못한다. 또한, 수용기 내에 존재하는 기계 장치 및 공간에 의해, LOCA에 의해 유발된 자연 대류 유동 패턴을 예측하거나 모형화하는 것은 극히 난해하므로, 그 결과 수동 수소 재결합기의 최적 위치를 선택하는 것은 부정확하다. 따라서, 수소 재결합기는, 수용기 기체의 일부가 팬에 의해 순환되는 배기관에 내에 위치되는 것이 일반적이다. 물론 이는 수동 시스템이 아니며 순환 팬을 구동시키는 전력이 없는 경우에는 효과가 없다. 재결합기로의 공기 흐름을 개선하기 위한 여러 가지 방법이 제안되었다. 독일 특허 출원 제DE 3035103호에는, 연도 효과에 의해 재결합기로의 흐름을 개선하기 위한 수직 샤프트와 샤프트 내의 가열 장치의 이용이 개시되어 있다. 흐름을 재결합기로 보내는 데 샤프트가 효과적일 수 있으나, 공기의 상향 흐름을 생성하기 위해 사용되는 전기 히터는 외부 전원에 의존한다. 더불어, 대형 샤프트가 수용기 내의 장비에 합체되는 데는 물리적인 곤란함이 있다.
이러한 많은 제한점들로 인해, 수소 재결합기는 방사선 분해와 붕괴로부터 생성되는 수소의 제거에만 사용될 수 있음을 알게 되었다. 사고 통제 장치에 있어서, 시판되는 반응로는 지금까지 수소 재결합기에만 의존하지 않고, 점화기 및/또는 불활성화 방법을 추가로 제공하였다. 그러므로, 수소가 촉매 재결합기에 의해 제거될 수 있는 조건을 개선할 필요가 있다.
본 발명은 냉각수 유출 사고 시에 원자로 내의 수용기(containment) 내의 수소를 촉매 수소 재결합에 의해 수동으로 제거하기 위한 개량된 시스템에 관한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 수소 제거 시스템의 개략도이다.
도2는 배플 벽과 본 발명의 수소 재결합기를 갖는 CANDU 반응로의 단면도이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 수용기 벽 내에 노심과 이에 합체된 냉각수관을 포함하는 수냉 원자로에는, 냉각수관의 지역 내에 배치되고 균열로부터의 수소를 연행하는 데 효과적인 공기 상향 유동 경로와, 상기 수용기 벽 부근의 지역에 있는 하향 유동 경로를 대류 교환 방식으로 수용기 내부에 형성하기 위한 수단과, 연행된 수소를 도관식 공기 상향 경로에 효과적으로 제한하도록 공기 상향 유동 경로를 냉각수관의 하류에 유도하기 위한 수단 및, 연행된 수소를 도관식 공기 상향 유동부 내의 산소와 재결합시키기 위해 상기 도관식 공기 상향 경로 내에 위치된 촉매 수소 재결합기를 포함하는, 냉각수관의 균열에 의해 발생되는 냉각수 유출 사고 시에 생성된 수용기 기체로부터 수소를 제거하기 위한 시스템이 구비된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 공기 상향 유동 경로 및 공기 하향 유동 경로를 형성하기 위한 수단은, 냉각수관 지역과 외부 수용기 벽 사이에 배치되었으면서 하부 및 상부 구멍을 갖는 배플 벽을 포함하며, 이 배플 벽은, 하부 구멍으로부터 냉각수관의 지역을 통해서 상부 구멍으로의 공기 상향 유동 경로와, 상기 배플 벽과 외부 수용기 벽 사이의 지역에서 상부 구멍으로부터 하부 구멍으로의 공기 하향 유동 경로를 형성한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 공기 상향 유동 경로는 증기 발생기 인클로저를 통과한다.
도1을 참조하면, 넓은 개념의 본 발명의 개략도가 도시되었다. 반응로 건물(10)은 수용기 벽(12)을 포함한다. 외벽(14)이 수용기 벽(12)을 둘러싸며 상부(16)와 바닥(18)이 개방되었고 외부 냉각 공기가 자연 대류의 힘에 의해 유동할 수 있는 외부 환형 지역(20)을 제공한다. 수용기 벽(12)은 강철 또는 다른 열전도 금속으로 제작될 수 있는 반면에, 외벽(14)은 콘크리트로 만들어지는 것이 일반적이다. 강철과 콘크리트 구조가 도1에 도시되었으며, 본 발명은 다른 반응로 구조와 관련되어 사용될 수 있다.
LOCA는 냉각수관의 손상과 관련된다. 노심은 통상적으로 수용기 바닥의 중심에 위치하며 심의 둘레와 상부에 냉각수관이 집중되어 있다. 도시를 위해, 냉각수관 지역은 일반적으로 도1에 참조 번호 22로 표시되었다. 지역(22) 내의 균열로부터의 증기는 수용기 내부의 중앙 지역(23)에서 상승하여 저온의 수용기 벽(12)의 내표면을 따라 하강하는 경향이 있다. 이는 열을 균열 지역으로부터 수용기 벽(12)을 통해 수용기 외부로 전달하는 자연 대류 순환을 형성한다. 도1에는 간략한 도시를 위해 생략되어 있으나, 당해 기술 분야의 숙련자라면 수용기 벽(12) 의 내부 지역에 반응로 볼트(vault)와, 연료 재보급 격실, 증기 발생기 인클로저 및, 펌프실 등을 포함한 많은 기계 장치들이 수용되어짐을 알 것이다. 결과적으로, 전술한 자연 대류 순환은 많은 장애물들과 부딪칠 것이며, 그 결과 순환 속도는 매우 낮아서 정확한 유동 경로를 예측하기 어렵다.
본 발명에 따르면, 수용기 체적은 공기 상향 유동 경로와 공기 하향 유동 경로로 분할되어 있다. 배플 벽(26)은 수용기 벽(12)의 내부에 이격 관계로 위치되어 있어서, 공기 하향 유동 경로가 사이에 형성된 환형 공간(28)과, 공기 상향 유동 경로를 형성하는 중앙 공간(23)을 제공한다. 수직으로 배치된 배플 벽(26)에 의해 분리되어 있는 하향 유동 및 상향 유동 경로는 수소(22) 공급원보다 높게 위치되어 있는 배플 벽(26)을 통한 구멍(30)에 의해 상단 부근에서 그리고 수소(22)의 공급원보다 낮게 위치된 배플 벽(26)을 통한 구멍(32)에 의해 하단 부근에서 이어진다. 중앙 공간(23) 내의 공기 상향 유동은 상부 구멍(30)을 통해 환형 공간(28) 내의 공기 하향 유동과 연통 가능하며, 환형 공간(28) 내의 공기 하향 유동은 하부 구멍(32)을 통해 중앙 공간(23) 내의 공기 상향 유동과 연통 가능하다. 실제로, 장비 및 기계 장치 공간의 침입은, 공기 하향 유동 경로를 형성하는 공간(28)이 완전한 환형 지역이 아님을 의미하며 상기 공간(28)은 수용기 벽(12) 내부의 주변 둘레에 위치한 불규칙한 형태의 다수개의 공간들로 이루어지기 쉽다. 결과적으로, 공기 하향 유동 경로는 도1에 도시된 것보다는 훨씬 많이 방해받는다. 실제로, 하부 구멍(32)은 배플 벽(26)을 통해 형성된 진짜 구멍일 수 있는 반면에, 상부 구멍(30)은 배플 벽(26)의 상단과 돔(24) 사이의 개방 공간으로 용이하게 제공될 수 있다.
배플 벽(26)을 이용함으로써, 수용기 기체의 자연 대류는 증진되며 구획된 예측 가능한 공기의 상향 유동 및 하향 유동 경로가 형성된다. 수소 공급원 지역(22)의 상부와 하부에 구멍(30, 32)을 위치시킴으로써, 생성된 수소는 강력한 공기 상향 유동 경로에 연행된다.
노심 상부 지역 내의 중앙 공간(23)은 장비와 기계 장치 공간들로 채워지는 것이 일반적이다. 결과적으로, 다수개의 개별 공기 상향 유동 경로가 존재하게 된다. 본 발명에 따르면, 수소 재결합기가 배치된 것을 제외한 모든 공기 상향 유동 경로는 차단되며, 상기 냉각수관의 하류에 위치한 공기 상향 유동 경로는 연행된 수소가 도관식 공기 상향 유동 경로에만 제한되도록 도관식다. 이는 냉각수관을 거쳐 통과하는 공기가 수소 재결합기가 위치된 단일 혹은 제한된 개수의 상향 유동 경로로 유도되도록 장비 기계 장치 공간을 형성하는 격벽을 형성 또는 변형함으로써 달성된다. 도1을 참조하면, 격벽(36)을 단순화한 도면이 도시되었으며, 여기서 격벽은, 재결합기가 바람직하게 배치될 수 있는 수소 공급원(22)의 바로 하류에 위치한 단일 도관식 공기 상향 유동 경로(34)를 형성한다. 이는 연행된 수소를 균열로부터의 도관식 공기 흐름에 제한하여, 수용기 기체와 혼합되어 희석되기 전에 재결합기를 통과할 수 있도록 한다. 배플 벽(26)을 이용하여 생성된 강력한 공기의 상향 유동은 연행된 수소와 효과적으로 재결합하도록 잉여 산소를 공급한다. 결과적으로, 공기 상향 유동 경로(34) 내의 재결합기는 수용기 내부의 수소 수준을 효과적으로 비폭연 수준으로 유지하는 데 필요한 작동 조건을 갖는다. 더불어, 수소와 산소의 발열 촉매 재결합 반응에 의해 생성된 열은 균열을 통과하는 수용기 기체의 상향 유동에 기여하여, 수용기 기체의 자연 대류 순환 및 열전달의 증진을 돕는다.
이하 도2를 참조하면, 본 발명이 CANDU 반응로에 응용된 것이 도시되었다. 반응로는 일반적으로 수용기 외피(40)를 포함하며, 외피는 노심(42)과 증기 발생기(44)를 둘러싼다. 주 시스템 내에서, 노심(42)으로부터의 냉각수가 증기 발생기(44)로 그리고 다시 냉각수관을 통해 펌프(46)에 의해 노심(42)으로 순환되는데, 냉각수관은 일반적으로 헤더(48)와, 피더 캐비넷(49)을 통해 노심(42) 내의 개별 연료 채널에 연결된 피더를 포함할 수 있다. 냉각수로부터 제거된 열은, 주 증기관(50)을 거쳐 증기 터빈(도시되지 않음)으로 통하는 증기 발생기(44) 내에 고압 증기를 생성한다.
수용기 체적은 접근 불가능 지역과, 접근 가능 지역 및 돔 지역으로 구성된다. 배플 벽(62)이 접근 불가능 지역을 접근 가능 지역으로부터 분리시킨다. 중앙에 배치된 접근 불가능 지역은 증기 발생기 인클로저(52)와, 연료 공급 장치 볼트(56)와, 헤더(48) 인접 지역 및 피더 캐비넷(49)을 포함한다. 환형 또는 부분 환형 접근 가능 지역(58)은 여러 기계 장치 공간을 포함한다. 돔 지역은 일반적으로 참조 번호 60으로 표시되어 있다.
본 발명에 따르면, 배플 벽(62)의 낮은 높이에 하부 구멍(64)이 구비되어 있어서 기체가 접근 가능 지역(58)과 연료 공기 기계 볼트(56) 간에 연통할 수 있도록 한다. 마찬가지로, 배플 벽(62)은 상부 구멍(66)을 구비하고 있어서 중앙의 접근 불가능 지역이 이하에 더욱 상세히 설명된 바와 같이 증기 발생기 인클로저(52)의 상단 및 돔 지역(60)을 통해 접근 가능 지역(58)과 연통할 수 있도록 한다. 도2에 분명한 바와 같이, 배플 벽(62)은 사실상 수용기 내부의 변형된 구조 벽이며 수용기 내부의 외주에 대해 연속적일 필요는 없다. 그 결과, 배플 벽(62)과 수용기 벽(40) 사이의 "환형" 접근 가능 지역(58)의 형태는 불규칙하며 수용기 내부의 외주에 대해 위치한 일련의 이산된 공간일 수 있다. 이와는 달리, 배플 벽(62)은 크레인 벽 또는 다른 수직 배치된 격벽으로 형성될 수 있다. 또한 도2에 분명히 도시된 바와 같이, 상부 구멍(66)은 실제로는 접근 불가능 지역과 연통하는 배플 벽(62) 상단의 상부 공간이다.
LOCA 이후의 배출 초기 단계에서, 연료는 적절히 저온으로 유지된다. 그러나, 몇 분 이내에, 비상 냉각수의 유출에 의해, 연료 온도는 충분히 높아지고 수소가 생성되기 시작하여 수용기 기체 내에 방출된다. 이러한 지체는 중요한데, 그 이유는 수소 배출 전에 공기와 증기의 자연 대류 순환이 형성되기 위한 시간이 충분하도록 하기 때문이다. 수소가 배출되면, 수소는 공기 및 증기와 함께 자연 대류에 의해 형성된 유동 경로를 따라 순환하기 시작한다.
LOCA 시에, 균열이 형성되기 가장 쉬운 지역은 헤더(48) 또는 피더 캐비넷(49) 내의 피더일 것이다. 사고가 발생된 직후에, 증기와 고온의 물은 균열 지역을 통해 신속히 빠져나갈 것이다. 증기는 공기와 혼합되어 연료 공급 장치 볼트(56) 지역을 신속히 채우며 증기 발생기 인클로저(52)를 통해 상승하여 증기 발생기 인클로저(52)의 상부의 개방된 패널(68)을 통해 돔 지역(60) 속으로 유동한다. 고온의 혼합물은 저온의 돔 지역(60) 내부면 및 수용기 벽(40)의 상부와 접촉하여 냉각되고 응축되기 시작한다. 냉각된 고밀도의 증기와 공기의 혼합물은 수용기 벽(40)의 내부면을 거쳐 환형 지역(58)으로 하강하여 자연 순환 과정을 시작할 것이며, 이로써 접근 가능 지역(58) 내에서의 증기와 공기 혼합물의 흐름은 하향하여 하부 구멍(64)을 통해 접근 불가능 지역으로 통과하고, 중앙의 접근 불가능 지역 내에서 공기 흐름은 상향한다.
수용기 벽(40)은 제한된 열 용량을 가지며, 본 발명의 공기 하향 유동 경로를 형성하는 환형 지역(58) 내의 수용기 기체로부터 열을 제거하기 위한 다른 수단이 취해지지 않는다면 수용기 내부의 자연 대류 순환은 감소될 것이다. 이러한 열의 제거는 당해 기술 분야의 숙련자들에게 공지된 여러 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 강철 수용기를 사용한 반응로 구조에서는, 높이 위치된 외부 탱크로부터 수용기의 외부면에 냉각수를 제공하여 열 방출을 향상시키는 방법이 공지되어 있다. 이는 종종 도1에 개략적으로 도시되고 참조 번호 14로 표시된 것과 같은 외부 벽에 의한 수용기의 습윤한 외표면 상의 증진된 공기 순환과 결합된다. 이와는 달리, 도2에 도시되고 1995년 10월 3일자로 출원된 계류 중인 미국 특허 출원(번호 미확인)에 개시된 바와 같이, 열전달 및 수용기 내에서의 자연 대류는, 열 교환기 튜브 내의 대류에 의해 관(76)을 통해 수용기 기체로부터 높이 위치된 외부 저수조로 열을 전달하도록 된, 환형 공간(58) 내에 높이 위치한 튜브 뱅크(72) 형태의 열 교환기에 의해 향상될 수 있다.
배플 벽(62)은 수용기 기체의 자연 대류 순환을 상당히 증진시키며 냉각수관 지역을 통과하는 잘 발달된 공기 상향 유동 경로를 보장한다. 수소 공급원이 대체로 위치되는 피더 캐비넷(49) 지역과 헤더(48)의 바로 하류에 있는 공기 상향 유동 경로는, 증기 발생기 인클로저(52)에 제한된다. 본 발명에 따르면, 수소 재결합기(70)는 수소 공급원 바로 하류에 위치한 공기 상향 유동 경로 내에 위치하며 바람직하게는 증기 발생기 인클로저(52) 내에 위치할 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 재결합기(70)는 각 증기 발생기를 가로질러 배치되어 있으므로 증기 발생기 내부의 공기 상향 유동 경로는 개방 패널(68)을 통해 돔 지역(60)으로 배출되기 전에 재결합기를 통과하여야 한다.
공기 상향 유동 경로가 재결합기(70)를 우회하지 않도록 하기 위해서, 증기 발생기 인클로저(52)를 제외한 임의의 다른 공기 상향 유동 경로는 차단된다. 종래의 반응로 구조에 있어서, 냉각수관의 상부에 위치한 격벽(bulkhead)과 바닥(deckhead)은 일반적으로 이와 같은 임의의 다른 유동 경로를 차단하거나, 차단할 수 있는 형태를 갖거나 차단하도록 변형될 수 있다. 반응로의 증기 발생기 인클로저가 제한된 접근 등과 같은 이유로 편리하지 못하다면, 다른 상향 유동 경로 또는 경로들이 특별히 재결합기를 수용하도록 설계될 수 있다.
배플 벽(62) 내의 하부 구멍(64)이 정상 작동 중에 패널(도시되지 않음)에 의해 밀봉되어 접근 불가능 지역으로부터 접근 가능 지역으로 공기가 순환하지 못하도록 할 수도 있다. LOCA 신호 시에, 이와 같은 패널을, 증기 발생기 인클로저(52)의 상부에 위치한 패널(68)과 함께, 기계적으로 개방되거나 압력 상승에 의해 날아가도록 하여 수용기 내의 공기가 순환하도록 할 수 있다. 이와는 달리, 이러한 패널을 없앨 수 있으며, 벽부를 덮어서 연료 공급 장치 볼트(56) 부근의 접근 불가능 지역과 반응로로부터 방사선이 빠져나갈 수 있는 접근 가능 지역(58) 사이의 관측 개구의 선을 없앰으로써 하부 구멍(64)이 형성될 수도 있다. 이와 같은 장치에 의해, 수용기 내의 기체의 자연 순환이 정상 가동 중에 계속될 것이며 튜브 뱅크(72) 또는 유사하게 위치된 냉각기들이 삼중 수소가 포함된 증기를 응축시키는 데 사용되어, 접근 가능 지역으로 순환하는 트리튬의 수준을 감소시킬 수 있게 된다.
CANDU 6 타입 반응로의 LOCA 계산에 의하면 수소 생성율은 최대 2.7 ㎥/s이다. 배플 벽(62)과 고가 튜브 뱅크(72)를 사용함으로써, 수소 방출 기간 중에 각 연료 공급 장치 볼트(55)로의 공기와 증기 상향 유동 속도는 최소한 85 ㎥/s가 될 수 있다. 균열로부터의 수소가 모두 상향 유동하는 공기와 하나의 연료 공급 장치 볼트(56) 내에서 혼합된다고 가정하면, 재결합기(70)에 유입되는 수소 농도는 약 3.1 %일 것이다. 이러한 공기 흐름에 의해, 80 %의 효율을 갖는 재결합기는 재결합기로부터의 배출구에서 수소 농도를 약 0.6 % 미만으로 감소시킬 것이다. 결과적으로, 재순환하는 공기와 증기는 0.6 %의 수소 농도를 가지게 되어 재결합기의 입구에서의 총 수소 농도는 최대 0.6 %가 되도록 한다. 이는 약 5 %인 폭연 한계 미만이며 폭발 한계보다 훨씬 낮다.
소정 공기 유속에 대하여 효율은 재결합기 유동 면적이 작을수록 커진다. 그러나, 유동 면적이 너무 작으면 큰 압력 강하를 초래하게 되어 충분한 공기 흐름이 달성되지 못한다. 더불어, 재결합기의 유동 단면적이 작으면 바람직하지 못하게 배출 중에 재결합기 상에 큰 힘이 가해질 수 있다. 소정 공기 유속과 수소 농도에 대해 재결합기 유동 면적을 정하기 위한 적절한 계산 방법은 당해 기술 분야에 공지되어 있다. CANDU 타입 반응로에 대해서는, 재결합기 유동 단면적이 증기 발생기 인클로저 당 10 ㎡ 정도로 표시되었다.
당해 분야의 숙련자가 주지하고 있는 바와 같이, 균열 부근의 재결합기로부터 상류에서의 수소 농도는 폭연 수준을 초과할 수 있으나, 이러한 제한된 부피 내의 수소량에 의해 균열 부근에서의 폭연은 제한된다. 더불어, 재결합기로부터 배출되는 수소는 반응로 돔 지역(60) 내에서 재집중될 수 있으며 이는 이 지역 내에 추가적인 재결합기가 통상적으로 분포되어져야 함을 나타낸다.
LOCA 시에 파손되기 쉬운 몇몇 파이프 위치를 약간 변경하는 것은 임의의 가능한 수소 공급원이 재결합기의 바로 하류에 놓이도록 하는 데 필요할 수 있다. 예를 들어, 압축기(도시되지 않음)에 연결된 감압 파이프는 압축기 상부에서 압축기를 빠져나오며, 그 높이는 재결합기의 소정 높이보다 높은 것이 일반적이다. 이러한 파이프의 균열로부터 방출되는 수소는 재결합기를 우회하거나 갇혀 있다. 이와 같은 잠재적인 문제를 해결하기 위해, 감압 배관은 압력기 내부의 아래에 놓이거나 바닥을 통해 재결합기보다 낮은 높이에 놓여질 수 있다. 다른 유사한 적용이 본 발명이 응용되는 원자로 설비의 정밀한 구성에 따른 필요에 따라 만들어질 수 있다.
본 발명은 AECL CANDU 가압 중수로와 연관지어 설명되었으나, 소정의 변형을 가함으로써 가압 경수로를 포함한 종래의 반응로 구조에 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 수용기 벽 내에 노심과 이에 합체된 냉각수관을 포함하는 수냉 원자로에서, 냉각수관의 균열에 의해 발생되는 냉각수 유출 사고 시에 생성된 수용기 기체로부터 수소를 제거하기 위한 시스템에 있어서,
    냉각수관의 지역 내에 배치되고 균열로부터의 수소를 연행하는 데 효과적인 공기 상향 유동 경로와, 상기 수용기 벽 부근의 지역에 있는 하향 유동 경로를 대류 교환 방식으로 수용기 내부에 형성하기 위한 수단과,
    연행된 수소를 도관식 공기 상향 경로에 효과적으로 제한하도록 공기 상향 유동 경로를 냉각수관의 하류에 유도하기 위한 수단 및,
    연행된 수소를 도관식 공기 상향 유동부 내의 산소와 재결합시키기 위해 상기 도관식 공기 상향 경로 내에 위치된 촉매 수소 재결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 공기 상향 유동 경로 및 공기 하향 유동 경로를 형성하기 위한 수단은, 냉각수관 지역과 외부 수용기 벽 사이에 배치되었으면서 하부 및 상부 구멍을 갖는 배플 벽을 포함하며, 이 배플 벽은, 하부 구멍으로부터 냉각수관의 지역을 통해서 상부 구멍으로 유동하는 공기 상향 유동 경로와, 상기 배플 벽과 외부 수용기 벽 사이의 지역에서 상부 구멍으로부터 하부 구멍으로 유동하는 공기 하향 유동 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 증기 발생기 인클로저가 수용기 내부에 마련되고 도관식 공기 상향 유동 경로가 상기 증기 발생기 인클로저를 통과하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 하부 구멍과 증기 발생기 인클로저는, 냉각수 유출 사고에 의한 압력 상승 시에 개방되도록 된 개방 패널(blow-out panel)에 의해 공기 흐름에 대해 폐쇄된 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상부 구멍이 상기 냉각수관보다 높게 위치하고, 상기 하부 구멍이 냉각수관보다 낮게 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 공기 하향 유동 경로로부터 열을 제거하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 열을 제거하기 위한 수단이 공기 하향 유동 경로 내에 위치하고 고가 저수조와 대류 열 교환 관계에 있는 열 교환기인것을 특징으로 하는 시스템.
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