KR20100072306A

KR20100072306A - 사고 상황에서 향상된 냉각능력을 갖는 원자로

Info

Publication number: KR20100072306A
Application number: KR1020107009166A
Authority: KR
Inventors: 롤랑 프랑스와즈 펠리송
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-06-30
Also published as: US20100260302A1; EP2201576B1; CN101836262A; WO2009053322A1; RU2010120709A; CN101836262B; RU2496163C2; FR2922678A1; ES2390940T3; EP2201576A1; JP2011501811A

Abstract

노심을 내포하도록 된 용기(4), 그 반응로를 냉각하는 주 순환로, 용기(4)가 위치하는 반응로 갱(6), 상기 반응로 갱(6) 내의 용기(4)의 아래 부분을 에워싸며, 정상 운전 중에는 열 차폐부로서 작용하고 사고 발생 시에는 액체의 흐름을 상승시키도록 하기 위한 환상 채널(16), 상기 반응로 갱을 채울 수 있는 액체 저장고, 반응로 격납부(22, 비도시), 상기 격납부(22)로부터 이격되어 있고 반응로 갱(6)의 상단에서 생성된 증기를 수집하기 위한 챔버(26), 환상 채널(16) 안에서 액체의 강제 대류를 발생시킬 수 있는 순환 펌프(40), 및 순환 펌프(40)를 작동하기 위한, 그리고 수집된 증기를 써서 강제 대류를 발생시킬 수 있는 로브 펌프 또는 증기 피스톤 기계 또는 터빈(32)을 구비하는 원자로.

Description

사고 상황에서 향상된 냉각능력을 갖는 원자로 {NUCLEAR REACTOR WITH IMPROVED COOLING IN AN ACCIDENT SITUATION}

사고 상황에서 냉각능력이 향상된 원자로(nuclear reactor(핵 반응로))에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 심각한 사고 동안에 노심(reactor core)이 격납되어 있는 반응로 용기(vessel of reactor)에 대한 외부 냉각에 관한 것이다.

원자로는 일반적으로 예컨대 연료봉이나 연료판 형태로 된 핵연료를 내포하면서 용기 안에 갇혀 있는 노심과, 물을 그 용기 안으로 들여보내 순환시켜 노심에서의 핵반응에 의해 발생된 열량을 회수하여 용기 밖으로 내보내는 주 순환로(primary circuit)를 구비한다. 원자로는 또한 물이 순환하는 부 순환로(secondary circuit)를 구비한다. 그 주 및 부 순환로는 서로 격리되어 있지만, 용기(vessel)에서 나오는 주 순환로의 물과 부 순환로의 물 간에는 열교환이 일어난다. 그 부 순환로의 물은 증발하여 터빈들에게 보내져 전류를 생산하게 된다.

정상적인 운전 시 결과적으로 그 노심은 물이 차서 넘친다.

그 용기는 그의 일부분이 자신의 지지부로서 복무하면서 방사 차폐부를 형성하는 콘크리트 갱(pit) 안에 설치된다.

반응로의 정상적인 냉각의 약화(degradation)를 야기하는 주 순환로 또는 부 순환로의 고장이나 누수와 같은 사고 시 그 노심의 냉각을 보장하기 위한 백업 시스템들이 제공된다. 그렇지만 그 백업 시스템들이 동시에 고장을 일으키는 경우에는, 그 노심의 잔류 전력이 충분하게 방출되지(evacuated) 못하여 그 노심 주위에 있는 물의 증발을 초래하고 그에 따라 정상적으로는 차서 넘치는 물의 수위가 점차적으로 감소하게 된다.

액체상태 물의 점진적인 증발은 노심 연료봉(또는 연료판)들의 가열을 야기하고, 그 가열은 연료봉 피복부의 과발열수반 산화반응을 발생시키는 수증기의 존재로 인해 증폭된다. 그 피복부가 깨져 그의 내용물이 자유롭게 되고, 코리움(corium)으로 알려진 마그마로 변형될 수 있는 파편 잔해들의 무덤을 형성한다.

이런 극단적인 경우에, 노심은 용기 기저부(base)에서 코리움의 연속적인 흐름의 형태로 재국부화(re-localise) 하려는 경향이 있다. 그렇게 해서 얻어진 중탕(bath)(코리움 중탕(corium bath)이라 함)은, 2700K 정도의 온도에서 수십 톤의 무게를 보이며, 그 용기의 두께 감소를 야기하고 심지어는 그것의 천공을 야기할 수 있다.

용기의 천공을 피하기 위한 한 가지 해법은 그 용기에 가득 넘치도록 물을 가하여 외부 냉각을 시키는 것이다. 이를 위해, 그 용기가 위치한 그 갱(pit)을 핵 발전소의 풀장과 다른 수조들에 있는 가용한 물로 채운다. 공기에서의 낮은 대류와 차폐부에 의해 방해 받는 열방사 때문에 물로 하는 열교환이 공기로 하는 열교환보다 더 좋으므로, 그 용기의 외부 온도는 물의 온도에 매우 근접하게 유지된다. 그와 같은 조건에서는, 높은 선속(fluxes)에서도 코리움의 유폐(confinement)를 보장하기 위해 그 용기의 충분한 벽 두께 및 600℃ 정도인 크리프 온도(creep temperature)보다 더 낮은 벽 온도를 유지하는 것이 가능하다.

그런 다음에는 용기의 냉각은 자연 대류를 통해 일어난다.

그러나 실제로는 자연 대류는 종종 다음과 같은 것에 의해 방해를 받게 된다:

- 용기와 열차폐부 사이에 불충분한 공간

- 증기에 의한 용기 벽 저부의 집어삼킴(licking)

- 용기 상부에 형성하는 증기 폐색(vapour locks)의 발생

덧붙여, 자연대류 현상은, 특히 물과 용기 사이의 에너지 선속(energy fluxes)이 메가와트/제곱미터(Megawatt/m²) 수준이나 큰 원자로의 경우에는 그 이상의 매우 높은 경우에, 용기 외벽에 중요한 증기 거품(steam bubbles)의 형성을 동반한다.

이와 같은 증기거품은, 그 양이 제한적인 때에는, 벽을 따라 물의 마이크로-혼합을 일으키면서 용기 벽의 냉각에 긍정적인 효과를 가지며, 이는 열교환 현상에 유리하다: 이 현상은 핵비등(nucleate boiling)으로 알려져 있다.

한편, 매우 높은 열선속(thermal fluxes)에서, 증기거품의 양은 매우 중요해지고 그 증기거품은 벽에 붙어 고정되는데(pinned against), 그에 의해 열적으로 절연영역이 형성되고, 벽과 물 간의 열교환 계수가 낮아진다. 이러한 현상은 임계 열선속(critical heat flux)의 존재와 연계된 비등위기(boiling crisis)로 알려져 있다. 이러한 경우에 고출력 원자로들은 벽이 더 이상 올바르게 냉각되지 않고, 용기의 무결성(integrity)은 확실하게 보장되지 않을 수 있다. 이러한 비등위기는, 단순한 자연대류에 의해 냉각하는 경우에는 현실적으로 피할 수 없다.

증기로 된 절연층의 발생을 늦춰 비등위기의 시작을 지연시키기 위해, 벽의 습윤양상(wetting aspect)을 유리하게 하여 증기거품의 축적을 피하고자 하는 의도로, 물 속에 나노입자를 존재시키는 것 또는 용기 외면에 표면 코팅하거나 또는 그것을 단순히 산화시키는 것에 관한 제안이 예로서 제시되어 왔다.

더구나, 600MW 이상의 원자로의 경우, 특히 금속층이 코리움 중탕(corium bath)의 산화물(oxides) 위에서 형성되는 경우에, 그 열 에너지는 그것의 수평적 대류와 그 용기 벽과의 높은 열교환 계수 때문에 그 용기의 영역에 집중되는데, 이러한 현상은 코리움 중탕(corium bath)의 에너지가 집중되는 지점에서 용기 벽의 천공에 이르게 하는 '초점 효과(focusing effect)'로 알려져 있다.

결과적으로 본 발명의 목적은 사고가 난 경우 외부에서 사람의 개입 또는 외부 에너지의 투입 없이 용기의 천공을 피할 수 있는, 극단적이고 가변적인 조건에서도 작동할 수 있는, 안전시스템을 제공하는 것이다.

위에 언급된 목적은, 중대 사고가 발생한 경우에, 그 중대 사고 시나리오에 의해 예상되는 최대 선속(maximum fluxes)을 넘어 한계열유속 위기의 지연된 발생 위험(risk of onset of departure from boiling crisis) 때문에, 코리움을 용기 안에 봉쇄할 수 있도록 하기 위해, 원자로 용기 주위에 있는 냉각수를 강제대류 상태에 처하게 하는 자율 시스템(autonomous system)을 갖춘 원자로에 의해 달성된다.

그 시스템은 구체적으로 외벽을 따라 물이 흐르도록 강제하는 펌프를 구비하며, 그 펌프는 반응로 갱(reactor pit) 안에 있는 물로 만든 증기에 의해 구동되며, 사고가 발생한 경우 그 반응로 갱 안의 용기에는 물이 가득 넘친다(flooded). 따라서 이러한 강제된 대류를 일으키기 위해 외부의 에너지 입력은 필요하지 않다. 이러한 강제된 대류는 전기 공급의 중단을 초래하는 중대한 사고가 일어나는 경우에도 보장된다.

환언하면, 용기 주위의 물을 강제대류 상태에 처하게 하여 냉각시키는 수단에 의해 원자로 용기를 물로 외부 냉각하는 것을 개선하는 것이 제공된다. 이러한 냉각은 자연대류에 의한 냉각에 더해지며, 상기 수단은 자율적인 방식으로 운전한다.

이것을 하기 위해, 본 발명에 따른 반응로는 용기 주변에 발생된 증기를 회수하는 수단, 상기 증기의 운동 에너지로 펌프를 작동시키는 수단 - 상기 증기의 운동 에너지는 현재로서는 수익성 있게 활용되지는 않음 - 이 에너지에 의해 구동되고 상기 용기 주변의 물을 강제적으로 대류시킬 수 있는 펌프를 구비한다. 반응로 갱(reactor pit)의 레벨에서 생성되는 증기를 수집하여 과잉 압력을 발생시키기 위한 챔버를 형성하기 위해, 반응로 격납부(reactor containment) 안에 격리 파티션이 형성된다. 이 파티션은 수집챔버를 반응로 격납부로부터 격리한다.

그러하여 수집 증기의 과잉 압력의 모티브 출력 파워(motive power)가 사용된다.

강제 대류에 있어서, 순환로 내의 물의 흐름은 3m/s 수준이며, 반면 자연 대류의 경우 용기 주변의 물의 흐름은 대략 0.5m/s 정도로 추정될 수 있다. 더구나, 용기의 천공을 유발하는 임계 열선속(critical heat flux )은 출력(power)의 1/3에 대한 질량흐름의 함수이다. 결과적으로 물의 질량흐름의 증가는, “초점 효과” 영역에서 상기 용기가 감수해야 할 수도 있는 최대선속을 넘어 지연되어 나타나는, 임계 열선속 흐름의 증가를 야기한다.

본 발명은 극단적으로 나쁜 좋은 조건하에서, 예를 들어 전기 또는 다른 출력 예를 들어 디젤의 공급이 모두 고장난 때에도 작동 가능한 매우 안전한 시스템을 제공한다는 점에 주목할 필요가 있다.

본 발명은 따라서 외부 대류에 알맞은(favouring) 펌프를 사용하여 용기 바깥의 물을 벽을 따라 움직이도록 하는 데 있고, 이러한 일은 용융된 노심으로부터 얻어지는 잔류 에너지를 상기 용기 외부에서 소멸시키는 것을 통해 생성되는 증기를 이용하여 수행한다.

본 발명은 자율적(autonomous)이라는 장점을 가지며, 운전자의 존재나 또는 그 사고에 의해 자유롭게 풀려난(released) 에너지 이외의 다른 에너지 소스를 필요로 하지 않는 최상의 안전 시스템을 효과적으로 형성하는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 상기 시스템은 특별한 견고함 즉, 고출력 운전이 아니라, 사고 후에 순환하는 물이 잔류물과 함께 충만되어 있고 증기 누설이 존재할 수 있는 그런 운전 위험 조건하에서도 그것의 작동이 보장되는 그런 극단적인 조건 하에서의 운전 능력을 제공한다.

나아가 본 발명에 따른 상기 안전 시스템은 증기 흐름율(steam flow rate) 및 압력의 넓은 범위에서 운전할 수 있는데, 예를 들어 압력범위는 반응로 격납부(reactor containment)에서는 1바에서 5바 사이이고 증기 흐름율은 10 m³/s까지 이를 수 있다.

본 발명의 청구대상은 주로는 원자로이다. 이 원자로(핵 반응로)는 노심을 내포하도록 된 용기, 그 반응로를 냉각하는 주 순환로, 상기 용기가 위치하는 반응로 갱, 상기 반응로 갱 내의 상기 용기의 아래 부분을 에워싸는 환상 채널, 상기 반응로 갱을 액체로 채울 수 있는 수단, 반응로 격납부, 상기 반응로 격납부로부터 격리된 상기 반응로 갱의 상단에서 발생되는 증기를 수집하는 수단, 상기 환상 채널 내에서 액체의 강제대류를 발생시킬 수 있는 수단, 그리고 상기 수집된 증기에 의해 상기 강제대류발생수단을 작동시키는 수단을 구비한다.

예를 들면 상기 증기수집수단은 반응로 격납부로부터 격리된 수집챔버에 의해 형성되고, 상기 수집챔버 및 상기 반응로격납부를 소통할 수 있도록 해주는 배출통로, 상기 배출 통로 안에 삽입 배치되어 수집된 운동/위치 에너지를 강제대류발생수단을 구동하는 모터 에너지로 변환하는 강제대류발생수단 작동수단을 구비한다.

상기 강제대류발생수단 작동수단은 바람직하게는 상기 강제대류발생수단에 연결된 로브(lobe) 펌프 및 트랜스미션 메커니즘(transmission mechanism)을 구비하며, 상기 로브 펌프는 상당한 견고성과 높은 시공 단순성을 제공한다.

상기 강제대류발생수단은 환상 채널의 입구 레벨에서 반응로 갱의 하단에 놓이는 순환 펌프를 구비할 수도 있다.

상기 트랜스미션 메커니즘은 예를 들어 상기 로브 펌프 및 상기 순환 펌프와 기어로 각각 맞물리는 제1 및 제2 샤프트와, 상기 제1 및 제2 샤프트 사이의 직각 트랜스미션(angle transmission)을 구비한다. 이 메커니즘은 매우 간단하며 극단적인 조건 하에서도 동작하도록 되어 있다.

반응로 갱을 액체로 채우는 수단은 예를 들어 액체 저장고(reserve of liquid. 즉, 저수조)와 상기 저장고를 상기 갱(pit)의 하단까지 연결해주는 덕트를 구비하며, 상기 덕트는 정상적인 운전에서는 냉각 공기를 상기 갱에 공급할 수 있다.

상기 수집챔버 및 상기 덕트와 소통할 수 있는 상기 저장고는, 바람직하게는 공동 현상(cavitation phenomena)을 피할 수 있도록 해주는 나팔 형상(flared shape)을 가진 커넥터에 의해 상기 수집챔버에 연결된다.

상기 저장고는 바람직하게는 반응로 갱의 높이보다 더 높은 곳에 제공되어, 추가 장치를 사용할 필요가 없도록 해주는 중력에 의해 또는 강제대류발생수단 작동수단에 의해 구동되는 펌프를 사용하는 것에 의해 상기 저장고에서부터 반응로 갱까지 물이 흐르도록 한다; 상기 냉각 시스템은 그러니까 완전히 자율적이다.

상기 강제대류발생수단 작동수단은 또한 시스템을 백업하거나 및/또는 모니터링 하기 위해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치에 연결될 수도 있다.

상기 수집챔버는 바람직하게는 주어진 값 예를 들어 0.3바 정도 보다 더 큰 수집챔버 내의 과잉압력이 발생하는 경우에 반응로 격납부로 증기 배출을 가능하게 하는 안전밸브를 구비한다.

원자로(핵 반응로)는 바람직하게는 수집챔버가 더 작은 크기인 경우에는 상기 펌프 및 상기 안전밸브의 업스트림에 물/증기 격리기를 구비할 수도 있다.

본 발명의 다른 과제는 용기가 안치되어 있는 반응로 갱이 사고 가 발생하여 물이 넘칠 때, 상기 용기 주위에서 강제대류발생수단을 구동하기 위해 원자로 주위에서 발생된 증기를 사용하는 것이다.

발생된 상기 증기는 반응로 갱에 물을 공급하는 펌프를 구동하는 데 이용될 수도 있다.

발생된 상기 증기는 또한 모니터링 장치들에게 제공하는 전기를 생산하는 데 이용될 수도 있을 것이다.

본 발명은 극단적으로 나쁜 좋은 조건하에서, 예를 들어 전기 또는 다른 출력 예를 들어 디젤의 공급이 모두 고장난 때에도 작동 가능한 매우 안전한 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 자율적(autonomous)이라는 장점을 가지며, 운전자의 존재나 또는 그 사고에 의해 자유롭게 풀려난(released) 에너지 이외의 다른 에너지 소스를 필요로 하지 않는 최상의 안전 시스템을 효과적으로 형성하는 장점을 가진다.

나아가 본 발명에 따른 상기 안전 시스템은 증기 흐름율(steam flow rate) 및 압력의 넓은 범위에서 운전할 수 있다.

이하의 발명의 상세한 설명과 첨부한 도면을 참조하면 본 발명은 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 안전 시스템이 제공된 반응로를 부분적으로 나타낸 개략적인 단면도이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 반응로를 물로 냉각하는 경우에 용기의 기저부(base)의 벽에서의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
- 도 3A와 3B는 본 발명에 따른 반응로와 종래기술의 반응로 안에서 용기를 따라 흐르는 물의 속도를 각각 나타내는 그래프이다.
- 도 4A와 4B는 본 발명에 따른 반응로와 종래기술의 반응로 내에서 용기에서의 압력을 각각 나타내는 그래프이다.

본 발명은 1000[MWe] 이상의 고출력 가압수형 원자로 (pressurised water reactor: PWR)의 범위 이내에서 설명될 것이지만, 본 발명은 더 낮은 출력의 원자로들(reactors)에도 적용될 수 있다.

이하의 설명에서, 사용되는 냉각액체는 순수(pure water)이나, 적당한 열적 성질들을 제공하는 어떤 다른 조성물도 적합할 수 있다(오염 침출수(dirty run off water), 열교환에 유리한 나노입자들로 충만된 물 등).

도 1에서, 용기(vessel)(4)를 구비하는 본 발명에 따른 반응로(2)가 부분적으로 도시되어 있으며, 그 용기(4)의 하부는 콘크리트 반응로 갱(6) 안에 놓여진다. 용기(4)는 자신의 바깥쪽으로 향해 방사방향으로 돌출된 환상 플랜지(8)를 매개로 하여 반응로 갱 (6)의 상단(6.1)에 안치된다. 용기(4)는 반응로 갱(6) 안에 낙낙하게 수납되고, 그 용기의 측벽(10)과 반응로 갱(6)의 벽 사이에 환상의 공간이 마련된다.

용기(4)는 노심(비도시)을 형성하는 핵 연료를 수납하는 유폐 공간의 범위를 정한다; 그 핵 연료는 예를 들어 핵 연료봉(또는 핵 연료판)의 조립체 형태이다.

반응로 갱(6)은 또한 노심에 의해 방출되는 방사열에 대한 차폐부(shield)를 구비한다.

반응로(2)는 또한 반응로 갱(6) 상부의 용기 안으로 들어가고 나오는 수압식 덕트들에 의해 형성되는 주 순환로(12)를 구비하며, 이를 통해 물이 용기(4)안으로 들어가고 나온다. 이 물은 노심의 에너지를 수집하는 열 이송매체를 형성한다. 그 주 순환로는 부 순환로(비도시)와 협력하는데, 그것에 의해 이송 유체가 냉각된다. 부 순환로에서 발생되는 증기는 전기를 생산하기 위해 마련한 터빈을 가동하는 데 쓰인다.

정상 운전 중에는 단열재 역할 그리고 안 좋은 상태의(degraded) 운전 중에는 물의 자연대류 역할을 보장하기 위해, 용기(4)의 벽 주위에는 환상 채널(16)이 제공된다.

이 냉각제 채널(16)은 반응로 갱(6) 안에 위치한 용기(4)의 저부를 둘러싸고 있는 금속 케이싱(18)에 의해 범위가 정해진다.

이 케이싱(18)은, 용기(4) 저부의 형상을 가지며 정상 운전 중에는 열차폐부로서 작용하며, 사고 운전 시에는 물의 입력을 위해 용기 하단부에 마련된 통로(20)를 구비한다.

이 케이싱(18)은 콘크리트를 방사열로부터 보호하기 위한 열차폐부를 형성하여 적정한 온도로 유지하며, 상기 차폐부의 바깥쪽과 반응로 갱(6)의 콘크리트 사이에는 공기 순환이 제공된다.

반응로는 또한, 예를 들어 주 순환로의 파괴와 같은 사건이 발생한 경우, 방사능 구성요소들로 충만되어 있는 물의 누수를 피하기 위해 용기(4) 주위를 감싸는 반응로 격납부(reactor containment)(22)를 구비한다. 그 반응로 격납부(22)는 일반적으로는 실린더 형상이고 예컨대 콘크리트로 만들어지는 큰 체적의 케이싱이며, 반응로, 주 순환로, 교환기들 및 주 펌프들을 에워싼다.

용기(4)를 지지하는 높이에서 콘크리트 구조물을 보호하기 위해 열차폐부는 케이싱(18)의 상단의 높이에 제공될 수도 있다.

냉각 공기와 운전에 딸린 그 물의 배출에 대한 방해물 형성을 피하기 위해 지지 플랜지(8)와 상부 열차폐부가 제공된다.

반응로 갱(6)의 기저부에는 정상 운전 시에 냉각 공기의 유입을 위한 유입구(24)가 마련되어, 반응로 갱이 물로 넘치도록 하기 위해 그 반응로 갱에 대한 물 공급부를 형성한다.

본 발명에 따르면, 상기 반응로는 사고 발생 시 물로 냉각하는 동안에 생산되는 증기를 한 곳에 가두고, 환상 냉각 채널(16) 안에서 강제 대류를 일으킬 수 있는 펌프를 구동하기 위해 상기 증기의 운동/위치 에너지를 사용한다.

이를 위해, 상기 반응로는 상기 용기를 물로 냉각하는 동안에 생성되는 증기를 수집하고 그 증기를 물을 이동시킬 수 있는 수단을 구동하는 데 사용될 수 있는 영역까지 이송하는 수단을 구비한다.

이들 수단은 특히 콘크리트 구조물 안에 만들어진 주 순환로의 덕트들의 통로들을 밀폐시키고, 반응로 갱(6)의 한 쪽에 부가되어 서로 소통하도록 된 챔버(26)를 구비한다. 그 챔버(26)는 상기 격납부 안에 존재하게 되며, 동시에 상기 반응로 격납부의 큰 체적에 대하여 밀폐 공간을 형성하도록 그 반응로 격납부로부터는 격리되어 있다.

수집챔버(26)는 보다 상세하게는 냉각제 채널(16)의 상단과 통한다.

격납부 안쪽에서 이와 같이 파티셔닝하는 것은 반응로 격납부의 전체 체적에 대해 적은 부피를 고립시키는 것이다. 이와 같은 적은 부피는 반응로 갱에서 생산되는 증기를 받아 모티브 파워로 활용될 수 있을 국지적인 과잉 압력을 발생시킬 수 있다.

이 챔버(26)는 정상적인 상황에서 나오는 더운 공기와 증기 그리고 여기에다 사고 상황에서 냉각제 채널(16)에서 나오는 물의 일부를 수집한다. 그것은 예컨대 반응로 격납부를 따라 0.5바(bars)의 차압(differential pressure)을 견뎌낼 수 있는 철근강화 콘크리트로 만든다. 그것은, 정상 운전 시에는 신선한 공기를 반응로 갱(6)에 공급하고 사고 상황 시에는 물을 그 반응로 갱(6)에 공급하는(후술함) 것을 보장하는, 취수용 유입구(24) 안으로 더 넓어지는 덕트(28)와 하부에서 통한다.

수집챔버(26)는 상부에 증기 방출을 위한 출구(30)를 구비하며, 이 출구(30)는 증기를 써서 펌프를 구동할 수 있는 수단(32)을 갖추고 있으며, 상기 수단(32)은 예를 들어 터빈이나 로브(lobe) 펌프이다.

증기로부터 에너지를 회수하는 수단으로 로브 펌프를 선택하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 그것은 특별히 튼튼하기 때문이다. 사실, 그것은 단지 두 개의 회전가동부를 구비할 뿐이고 유지보수를 필요로 하지 않는다. 그 펌프의 내구성을 더욱 향상시키기 위해, 요구되는 것보다 더 높은 성능의 베어링이 더 사용될 수 있다.

덧붙여, 운전 시작(start-up)은 자동적으로 이루어지는 바, 터빈과 달리 낮은 증기 흐름율의 경우에도 그러하다. 로브들(lobes)에 인가되는 압력은 용기 주위에서 유체의 순환을 가속화시키는 그 펌프에 직접적으로 전달된다.

증기 피스톤 구동 기계를 사용하는 것도 예상될 수 있다.

수집챔버는 또한, 과잉 압력의 상한치 예컨대 0.2에서 0.3바 사이의 압력에는 결코 도달하지 않음을 보장하는 중력작용형 안전밸브(36)를 구비한다. 이 안전밸브(36)는 로브 펌프 또는 터빈이 작동하지 않는 경우에 동작하도록 되어 있고 증기가 반응로 격납부로 탈출하지 않도록 막아준다.

상기 수집챔버는 그의 하부에 반응로 갱(6)의 기저부 안으로 더 넓어지는 덕트(28)에 연결된 출구(34)를 구비한다.

제시된 예에서, 수집챔버(26)는 심각한 사고가 발생한 경우, 그 반응로 갱에 물이 넘치도록 하기 위해 예를 들어 풀에 저장되어 있는 저수조(38)들과 통할 수 있고, 상기 물은 이 저수조들로부터 나와 덕트(28)를 통해 흘러 반응로 갱(6) 안으로 흘러 들어간다.

수집챔버(26)와 저수조들(38)을 서로 통하도록 하는 것은 수집챔버(26)의 아래쪽에 위치하며 반응로 격납고와 통하는 수평채널(37)에 의해 달성된다.

저수조는 상기 반응로 갱에 비해 높으므로 반응로 갱(6)의 채워짐은 중력을 통해 일어난다는 점은 예상할 수 있는 것이다.

나아가, 증발에도 불구하고 반응로 갱 내의 수위를 실질적으로 동일하게 유지하기 위해 조절하는 것이 제공된다.

다음과 같은 것이 제공된다.

- 로브 펌프를 통해 나오는 증기에 의해 구동되는 펌프. 로프 펌프는 빠져나가는 증기 때문에 생기는 유체 손실을 보상하기 위해 반응로 갱 안으로 액체를 주입하며, 그 주입되는 물의 최대량은 대략 10kg/s이어야 함. 이 경우, 증기를 수집하는 챔버(26)의 아래쪽에 위치한 수평채널(37)에는 챔버(26)내의 과잉 압력이 유지되는 것을 보장하기 위한 비반환형 밸브(non-return valve)(39)가 마련된다.

- 증발된 물의 부피만큼의 보상은 용기 내의 물의 필요 레벨보다 대략 2 내지 3m 더 높게 위치한 영구 저수조로부터 중력에 의해 이송되는 물의 입력에 의해 이루어지며, 이것은 그 시스템의 보다 높은 내부 압력-상기 안전 밸브의 무게 때문에 최대 0.3바임-에도 불구하고 물의 입력을 보장할 것이다. 중력에 의한 보상은 가동부들의 개수를 줄여주는 장점을 가지며, 이는 나쁜 조건하에서 운전하는 동안에 바람직하다.

바람직하게는, 너무 많은 쓰레기가 침투해 들어오는 것을 막는 여과수단(50)을 물 공급라인에 위치시켜 제공한다. 실제로, 사고가 발생한 동안에, 이 물의 일부는 상기 격납부(벽면상에 또는 스프레이 링에) 내의 응축 증기로부터 나올 것이고 흘러 넘쳐 반응로 갱에까지 이른다. 제시된 예에서, 상기 여과수단은 저수조 안에 위치한다.

퇴적 영역(52)이 반응로 갱의 기저부에 마련될 수도 있으며, 이 퇴적 영역은 유입구(24) 아래에 위치하며, 이 퇴적 영역(52)은 바람직하게는 여과수단(50)에 의해 수행되는 여과를 완성시킨다.

제시된 예에서, 저수조(38)는 수집챔버(26)에 인접하게 나타내었지만, 그것으로부터 좀 떨어져서 덕트에 의해 연결될 수도 있음은 자명하다. 지리적으로 이격된 여러 개의 저수조가 있을 수 있다. 예를 들어, 어떤 저수조들은 반응로 갱(6)에 물이 넘치도록 하기 위해 사고 발생 초기에 작동되는 안전 저수조들이고, 다른 저수조들은 상기 용기의 냉각 동안에 유거수(runoff water)를 회수하기 위한 저수조들이다. 이 경우, 상기 갱에 물을 공급하기 위한 몇 개의 별도의 덕트들이 마련된다.

로브 펌프(32)는 반응로 갱(6)의 기저부 내, 환상 케이싱(18)의 기저부에 있는 통로(20) 바로 밑에 설치되어 있고, 냉각수를 강제 대류 상태로 만드는 순환 펌프(40)에 기계적으로 연결되어 있다.

로브 펌프(32)는 터빈 또는 로브 펌프(32)의 회전을 순환 펌프(40)의 회전으로 전달할 수 있는 기계적인 트랜스미션(42)에 의해 상기 순환 펌프에 연결된다. 도시된 예에서, 그 기계적인 트랜스미션은 제1 사프트(44), 제2 아암(46) 그리고 그 두 개의 샤프트(44, 46) 사이에 있는 직각 트랜스미션(angle transmission)(47)을 구비하여, 적당한 기어 감속비를 보장한다.

제1 아암(44)은 제1 단부에서 로브 펌프 내지 터빈(32)과 맞물리고, 제2 단부에서 베벨 피니언(45)을 구비하며, 제1 샤프트(44)에 수직인 제2 사프트(46)는 제1 단부에서 베벨 피니언(45)과 기어물림을 이루는 베벨 피니언(48)을 마련하고 제2 단부에서 순환펌프(40)와 기어물림을 이룬다.

상기 트랜스미션 메커니즘은 보다 복잡한 형상을 가질 수 있고 향상된 효율을 가질 수 있음은 자명하지만, 안 좋은 조건에서도 동작 가능한 견고한 메커니즘이 바람직하다.

순환 펌프(40)는 용기의 기저부에 위치하기 때문에 포화 온도 보다 약간 낮은 온도에서 동작하도록 되어 있고, 따라서 캐비테이션(cavitation)에 가깝게 운전할 것이다. 결과적으로, 그것을 순환로 내에서 가능하면 낮게 위치시키고 또한 낮은 유입 진공을 만들 수 있는 큰 사이즈를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 순환 펌프로서 슈라우드 프로펠러(shrouded propeller)가 선택될 수도 있다.

수집챔버(26)에 대한 덕트(28)의 연결부는 나팔모양이고, 그것은 어떤 공간에 대한 파이프의 연결에 연계된 국지적인 헤드 손실을 최대로 줄일 수 있게 해준다. 사실, 이 지점에서, 냉각수는 포화온도에 가깝고, 결과적으로 만약 그 흐름이 최적화 되지 않으면 부분적으로 그 덕트는 증기로 채우게 되고, 그렇게 되면 공동화 현상이 이 지점에서 나타날 수 있다. 그와 같은 연결을 선택함으로써, 이와 같은 공동화 위험은 줄어든다.

상태 표시기, 온도 또는 방사능 센서 등과 같은 모니터링 시스템 및 추가적인 백업 시스템과 같은 부속 시스템을 공급하기 위해, 로브 펌프(32)를 전기발전기(비도시)에 그리고 이와 병행하여 순환펌프(40)에 결합하는 것을 생각해볼 수도 있다. 이것은 바람직하게는 완전히 자율적인 시스템을 가지는 것을 가능하게 해준다.

본 발명에 따른 안전 시스템의 운전이 이하에서 설명될 것이며, 보다 일반적으로는 본 발명에 따른 반응로의 행동에 관한 설명이 주어질 것이다.

정상적인 운전의 경우, 물은 주 순환로를 써서 용기(4) 안에서 순환하고, 이 물은 노심과의 열교환에 의해 가열된다. 가열된 물은 부 순환로와의 열교환에 의해 냉각되며, 그 부 순환로에서 만들어진 증기는 터빈을 작동하는 데 이용되어 전기를 생산한다. 노심과 주 순환로 간 그리고 주 순환로와 부 순환로 간의 열교환 때문에, 노심의 온도는 연료봉들의 무결성이 보장되는 그런 온도에서 유지된다.

노심 냉각 시스템에서 예컨대 부 순환로에서 고장이 일어나는 경우, 그리고 백업 냉각 시스템의 고장이 발생하는 경우, 노심의 폐쇄(제어봉의 감소)에도 불구하고 주 순환로 물의 끓음은 그것을 탈수상태로 이끌고, 그러면 그것의 온도는 연료봉 싸개의 용융을 야기하는 온도에 이르고, 코리움이 형성된다. 자연 대류에 의한 냉각은 충분하지 않다. 용기 벽의 천공이라는 중요한 위험이 일어난다.

본 발명에 따른 안전 시스템은 저수조에 담겨 있는 물을 써서 반응로 갱(6)을 물로 채워 용기(4) 바깥으로 흘러 넘치게 하고, 그 물은 덕트(28)를 통해 또는 상기 안전 저수조들에 직접 연결된 다른 덕트들을 통해 그 갱 안으로 흐른다.

용기(4)를 감싸는 물은 부분적으로 증발한다; 그것에 의해 형성된 증기는 수집챔버(26) 안에 모이고, 그 챔버는 약간의 과잉 압력 상태로 들어가게 되며, 그런 다음 그 증기는 그 수집챔버의 배출구를 통해 흘러나오고, 로브 펌프(32)의 회전을 일으키며, 이것은 상기 트랜스미션(42)을 통하여, 반응로 갱(6)의 기저부에 설치된 순환펌프(40)를 구동한다. 이 펌프(40)의 작동은 물의 강제 대류를 만들어내며, 그것에 의해 한계열유속(departure from nucleate boiling)의 발생을 피하고; 이에 의해 상기 용기의 천공을 피한다.

일부는 케이싱(18)과 반응로(6)의 벽에 의해 경계지워지는 상기 채널에 의해 그리고 일부는 수집챔버(26)를 통한 덕트(28)에 의해 물의 복귀가 이루어진다. 증발되는 물의 체적은 앞서 설명한 대로 사라진다.

본 발명은 냉각 시스템의 통상적인 운전을 방해하지 않는 장점을 가진다. 실제로, 정상 운전을 할 때 냉각 공기는 펌프(40)를 피해가고, 사고가 발생했을 때에는, 만약 그 펌프가 작동하지 않으면, 물의 자연 대류는 펌프(40)의 브레이드(blades)를 피해가는 것에 의해 정상적으로 일어난다.

핵발전소 사고 시나리오를 연산하기 위한 유럽 소프트웨어 프로그램, ASTEC V1, -이 소프트웨어는 용기 내에서의 격납의 경우를 다루도록 되어 있음-을 써서 얻은 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다.

도 2는 코리움 중탕(corium bath)이 단번에 그 용기 기저부 안으로 흘러 들어간 후 3349초에 용기 벽의 기저부에 분포된 온도 T를 K단위로 나타내고 있다. 상기 용기의 기저부의 하부 1/4이 도시되어 있고, X-축에는 용기의 반지름 R이 미터 단위로 표시되고 Y-축에는 그 용기의 높이 h가 미터 단위로 표시되어 있다.

시뮬레이션에서, 상기 용기 바깥의 물은 강제대류로 15cm 두께의 냉각제 채널 안에서 순환하는 것으로 고려하였다. 이 기하학적 구조는 고출력 반응로의 그것에 대응한다.

본 발명 때문에, 상기 용기의 기저부의 온도는 600K 에서 1000K 사이, 환언하면 크리프(creep) 온도 이하로 유지되고 그에 따라 그 용기에 천공이 생기는 것을 피할 수 있음이 관찰된다.

도 3A의 곡선은 본 발명에 따른 반응로의 냉각제 채널 안의 다른 높이에서 연속적으로 강제 대류로 순환하는 물의 속도 V[m/s]를 초(s) 단위의 시간 t의 함수로서 나타낸다. 도 3B는 냉각제 채널 안의 다른 높이에서 자연 대류 상태의 물의 속도 V[m/s]를 초(s) 단위의 시간 t의 함수로 나타낸다. 사용된 참조부호 I, II, III, IV, 그리고 V는 바닥에서 상부까지의 다른 높이를 나타낸다.

본 발명에 의해, 코리움이 있는 용기 기저부 영역에는 물의 흐름 속도가 6배 정도 상승된다는 점을 유념할 만하다. 순환펌프(40)에 의해 발생된 과잉 압력으로 인해 상승중인 증기 형성에 의해 유동 양식(flow regime)도 방해받지 않는다. 본 발명에 의하면, 최대 용인선속(maximal admissible flux) 즉, 한계열유속(departure from nucleate boiling )이 나타나는 선속에 관해 80%의 이득이 얻어진다. 왜냐하면 그 선속의 값은 출력의 1/3에 대한 속도에 좌우되기 때문이다.

도 4A의 곡선은 용기(4)의 냉각제 채널(16) 안에 있는 본 발명에 따른 시스템내의 순환펌프에 의해 발생되는, 냉각제 채널(16) 안의 다른 높이에서의 압력 P를 초 단위의 시간 t의 함수로서 나타낸다. 그 모습은, 다른 것들 중에서, 상승중인 증기 폐색의 형성을 피하는 것을 가능하게 하는 과잉 압력이라고 할 수도 있고, 그것은 자연 대류를 향상시키고 따라서 냉각을 향상시킨다. 참조부호 I', II', III', IV', V', 및 VI'는 바닥에서 상단까지의 다른 높이를 나타낸다.

다음의 사항들이 시뮬레이션에 고려되었다:

- 환상 공간의 상부 출구에서, 냉각수가 상기 용기를 벗어나오는 그 지점에서의 국지적 헤드 손실계수는 예각에서 나오는 덕트의 그것과 동일한 값인 0.5임

- 상기 모터에 공급하는 하강 채널의 상부에서의 국지적 헤드 손실계수는 0.03이며, 이는 상대적으로 높은 반경곡률(high bend radius)을 갖는 원형 수집기의 그것과 동일함.

도 4B는 종래 기술에 따른 반응로의 냉각제 채널 안의 다른 높이에서 발생되는 압력을 나타낸다. 과잉 압력은 관찰되지 않는다. 결과적으로 증기 폐색(vapor locks)이 나타날 위험이 본 발명에 따른 반응로보다 더 크다.

증기 수집이 반드시 양질일 필요는 없고, 실제로 증기의 에너지를 회수하는 시스템은 가장 기본적이고 낮은 효율일 수 있음에 주목해야 한다. 왜냐하면 방출되는 에너지는 매우 높고 노심에 의해 풀려나는 잔류 출력은 최초에는 20 MW 정도이고, 그 후에는 점차적으로 감소하여 예를 들어 20세기 증기 기관차나 페리호의 출력 정도로 되고; 그리고 순환 펌프(40)의 운전에 필요한 에너지는 풀려난 증기의 양에 비하면 낮기 때문이다. 마찬가지로, 주 순환로의 수준에서의 밀폐는 상기 시스템에 의해 요구되는 출력에 부정적으로 영향을 주지 않고 원래 그대로일 수 있다.

배출되어야 할 열선속이 높을 때 자신들의 한계에 이르는 자연 대류 상태에서만 작동하는 시스템들과는 달리, 이 시스템의 성능(performance)은 가장 강한 선속이 발생할 때, 바람직하게 증가한다. 따라서 생산되는 증기의 양이 충분하게 되자마자 그 시스템의 전체적인 운전 자율성과 그것의 자동화된 시동은 본 발명에 따른 냉각 시스템으로 하여금 자연 대류에 의한 냉각을 대체하도록 만들 수 있다.

예를 들어, 다음과 같은 크기가 주어질 수 있다: 4m 지름의 용기에는 5cm에서 15cm 사이의 폭을 갖는 환상 공간(16)이 적절할 것이며, 이 값은 강제대류 상태의 가열 경사 채널 내에서의 한계열유속(departure from nucleate boiling)의 연구에 관해 그레노블(Grenoble)의 씨이에이(CEA)에서 수행된 술탄(SULTAN) 실험에 의해 얻어진 것이다. 나아가, 더구나 상기 증기가 10 kg/s 즉, 운전 압력에서 10 m³/s 이상에 이를 수 있다는 것을 안다면, 큰 체적 예를 들어 10 m³ 이상의 수집챔버(26)가 바람직하다. 이것은 또한 유지보수를 가능하게 해준다. 보다 줄어든 공간의 경우, 로프 펌프 및 안전 밸브의 업스트림에 물/증기 격리기 장치를 부가할 수도 있다.

본 발명은 특히 용기내부보전형 반응로(in-vessel retention reactor), 특히 가압경수로(pressurised water reactors: PWR)에 적합하다.

본 발명은 대류에 의한 수냉방식의 반응로(원자로)에 적용될 수 있으며, 다른 유형의 반응로 특히 예컨대 비등수형 원자로(boiling water reactors)에도 또한 적용될 수 있다. 설계 당시의 용기를 물로 자연 대류방식으로 외부 냉각하는 기하학적 구조가 제공되지 않은 임의의 반응로(가압수형 또는 다른 유형)에도 적용될 수 있다. 이 경우, 적정하지 못하거나 지나치게 좁은 공간 때문에, 본 발명에 의해 단순하고 견고한 방식으로 얻어진 강제대류 상태의 물의 통로만이 그 용기의 무결성을 보장할 수 있다.

2: 반응로(원자로) 4: 용기
6: 반응로 갱 8: 환상 플랜지
10: 측벽 12: 주 순환로
16: 환상 채널 18: 금속 케이싱
20: 통로 22: 반응로 격납부
24: 냉각 공기 26: 챔버
28: 덕트 30: 출구
32: 로브 펌프 34: 출구
36: 안전 밸브 37: 수평 채널
38: 저수조 39: 비반환형 밸브
40: 순환 펌프 42: 기계적 트랜스미션
44: 제1 샤프트 45: 베벨 피니언
46: 제2 샤프트(아암) 47: 직각 트랜스미션
48: 베벨 피니언 50: 여과수단
52: 퇴적영역

Claims

노심을 내포하도록 된 용기(4), 반응로를 냉각하는 주 순환로, 상기 용기(4)가 위치하는 반응로 갱(6), 상기 반응로 갱(6) 내의 상기 용기(4)의 아래 부분을 에워싸는 환상 채널(16), 상기 반응로 갱을 액체로 채울 수 있는 수단, 및 상기 반응로 갱 및 상기 용기가 위치하는 반응로 격납부(22)를 구비하는 원자로(핵 반응로)로서,
상기 원자로는 또한,
상기 반응로 격납부로부터 격리된 상기 반응로 갱(6)의 상단에서 발생되는 증기를 수집하는 수단(26),
상기 환상 채널 내에서 액체의 강제대류를 발생시킬 수 있는 수단(40), 그리고
상기 수집된 증기에 의해 상기 강제대류발생수단(40)을 작동시키는 수단(32, 42)을 구비하고,
상기 수집수단은 상기 반응로 격납부 안에 위치하며 과잉 증기압의 발생을 가능하게 하도록 상기 반응로 격납부(22)의 공간에 대해 분리된 공간을 정의하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제1항에 있어서, 상기 증기 수집 수단(26)은 상기 반응로 격납부(22)로부터 격리된 수집챔버에 의해 형성되고, 상기 수집챔버(26) 및 상기 반응로 격납부(22)를 소통할 수 있도록 해주는 배출 통로(30), 상기 배출 통로 안에 삽입 배치되어 수집된 운동/위치 에너지를 강제대류발생수단(40)을 구동하는 모터 에너지로 변환하는 강제대류발생수단(40) 작동수단(32, 42)을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강제대류발생수단(40) 작동수단(32, 42)은 상기 강제대류발생수단(40)에 연결된 로브(lobe) 펌프(32) 및 트랜스미션 메커니즘(transmission mechanism)(42)을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 강제대류발생수단(40)은 상기 환상 채널(16)의 입구 레벨에서 상기 반응로 갱(6)의 하단에 설치되는 순환 펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 3항과 조합한 제4항에 있어서, 상기 트랜스미션 메커니즘(42)은 상기 로브 펌프 및 상기 순환 펌프와 각각 기어 물림을 이루는 제1 및 제2 샤프트(44, 46)와, 상기 제1 및 제2 샤프트(44, 46) 사이의 직각 트랜스미션(angle transmission)(47)을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응로 갱을 액체로 채우는 수단은 액체 저장고(reserve of liquid)와, 상기 저장고를 상기 반응로 갱(pit)의 하단까지 연결해주는 덕트(28)를 구비하며, 상기 덕트(28)는 정상적인 운전에서는 냉각 공기를 상기 반응로 갱(6)에 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 원자로.
제6항에 있어서, 상기 저장고는 상기 수집챔버(26)와 소통할 수 있고, 상기 덕트(28)는 나팔 형상(flared shape)의 커넥터에 의해 상기 수집챔버에 연결되는 것을 특징으로 하는 원자로.
제 6항 또는 제7항에 있어서, 상기 저장고는 상기 반응로 갱의 높이보다 더 높은 곳에 제공되어, 상기 저장고에서 상기 반응로 갱까지의 상기 액체의 흐름은 중력에 의해 일어나는 것을 특징으로 하는 원자로.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 저장고에서 상기 반응로 갱(6)으로 상기 액체를 이송하려고, 상기 강제대류발생수단 작동수단(32)에 의해 구동되는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 강제대류발생수단(40) 작동수단은 또한 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 원자로.
제2항과 조합하는 선행 청구항들 중 하나의 항에 있어서, 상기 수집챔버(26)는, 주어진 값 예를 들어 0.3바 정도 보다 큰 상기 수집챔버 내의 과잉압력이 발생하는 경우에, 상기 반응로 격납부(22)로 증기를 배출할 수 있는 안전 밸브(36)를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
제11항과 조합하는 제4항에 있어서, 상기 펌프와 상기 안전 밸브의 업스트림에서 액체/증기 격리기를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로.
용기가 안치되어 있는 반응로 갱이 사고가 발생하여 물이 넘칠 때, 상기 용기 주위에서 강제대류발생수단을 구동하기 위해 반응로 갱 내의 원자로(핵 반응로) 주위에서 발생되는 증기의 운동/위치 에너지의 사용.
상기 반응로 갱에 액체를 공급하기 위한 펌프를 구동하기 위해 선행 청구항에 따라 발생되는 상기 증기의 사용.
모니터링 장치에 공급하는 전기를 생산하기 위해 제13항 또는 제14항에 따라 발생된 상기 증기의 사용.