KR20100072375A - 핵 반응기용 피동식 비상 급수 시스템 - Google Patents

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KR20100072375A
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호세 엔. 레이예스
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더 스테이트 오브 오레곤 액팅 바이 앤드 쓰루 더 스테이트 보드 오브 하이어 에쥬케이션 온 비해프 오브 오레곤 스테이트 유니버시티
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Abstract

동력 모듈 조립체는 1차 냉각제에 의하여 둘러싸인 반응기 코어를 담고 있는 반응기 용기를 포함한다. 격납 용기는 격납 냉각 풀 안에 잠수되고 또한 격납 용기 외부로 1차 냉각제가 해제되는 것을 방지하도록 적합화된다. 2차 냉각 시스템은 반응기 코어에 의하여 발생된 열을 제거하도록 구성된다. 열은, 격납 냉각 풀로부터의 액체를 1차 냉각제를 통하여 순환시킴에 의하여 제거된다.

Description

핵 반응기용 피동식 비상 급수 시스템{Passive emergency feedwater system for a nuclear reactor}
본 발명은 핵 반응기(원자로)를 위한 냉각 시스템에 관한 것이다.
피동식 작동 시스템으로 설계된 핵 반응기에서는, 평상시 작동 중에 또는 비상 상황에서조차도 작동자의 개입 또는 관리 없이도 적어도 미리 정해진 어떤 시간 기간 동안 핵 반응기의 안전한 작동이 유지되는 것을 보장하도록 물리 법칙들이 채택된다. 오레곤 주립대학의 핵공학부(Nuclear Engineering Department of Oregon State University), 넥산트(NEXANT), 및 아이다호 국립 공학 및 환경 연구소(Idaho National Engineering and Environmental Laboratory)의 도움으로 수행된 멀티-애플리케이션 소형 경수로 프로젝트(Multi-Application Small Light Water 반응기 project)에서는, 안전하고 자연적인 경수로를 개발하는 것을 추구하였다. 도 1 에는 이 프로젝트의 결과물인 핵 반응기 설계안(5)이 도시되어 있다.
핵 반응기 설계안(5)은 반응기 용기(2)에 의하여 둘러싸인 반응기 코어(6)를 포함한다. 반응기 용기(2) 내의 물(10)은 반응기 코어(6)를 둘러싼다. 또한 반응기 코어(6)는 쉬라우드(shroud; 22) 내에 배치되는데, 쉬라우드는 반응기 코어(6)의 측부들 주위에서 반응기 코어(6)를 둘러싼다. 핵분열(fission)의 결과로 인하여 반응기 코어(6)에 의하여 물(10)이 가열되는 때에는, 물(10)이 쉬라우드(22)로부터 상승기(riser; 24) 밖으로 지향된다. 이것은 추가적인 물(10)이 반응기 코어(6) 내로 이끌려오게 하고 또한 그 물이 반응기 코어(6)에 의하여 가열되게 하는 결과를 낳는데, 이것은 더 추가적인 물(10)이 쉬라우드(22) 안으로 이끌려 오게 한다. 상승기(24)로부터 올라온 물(10)은 냉각되고 고리부(annulus; 23)를 향하여 지향되며, 그 후에 자연 순환을 통하여 반응기 용기(2)의 저부로 복귀한다. 물(10)이 가열됨에 따라서, 반응기 용기(2) 내에는 가압된 증기(11)가 생성된다.
열교환기(35)는, 터빈(32)과 발전기(34)로 전기를 발생시키기 위하여, 2차 냉각 시스템(30) 내에서 급수(급수)와 증기를 순환시킨다. 급수는 열교환기(35)를 통과하고 과열된 증기가 된다. 2차 냉각 시스템(30)은 응축기(36) 및 급수 펌프(38)를 포함한다. 2차 냉각 시스템(30) 내의 증기 및 급수는 반응기 용기(2) 내의 물(10)로부터 격리되어서, 그들은 서로 혼합되거나 또는 직접적으로 접촉되는 것이 허용되지 않는다.
반응기 용기(reactor vessel; 2)는 격납 용기(containment vessel; 4)에 의하여 둘러싸인다. 격납 용기(4)는 저수 풀(pool of water; 16) 내에 배치된다. 저수 풀(16) 및 격납 용기(4)는 지면(9) 아래의 반응기 구역(reactor bay; 7) 내에 있다. 격납 용기(4)는, 반응기 용기(2)로부터의 물 또는 증기가 저수 풀(16) 또는 주위 환경으로 이탈하는 것을 허용하지 않도록 설계된다. 반응기 용기(2)로부터 격납 용기(4)의 상측 절반부(upper half; 14)로 증기(11)를 배출시키기 위하여 증기 밸브(steam valve; 8)가 제공된다. 물(10)을 과냉각수(sub-cooled water)를 담고 있는 억제 풀(suppression pool; 12) 내로 보내기 위하여 수중 블로우다운 밸브(submerged blowdown valve; 18)가 제공된다.
급수 유동의 손실 중에는, 핵 반응기(5)가, 반응기 코어(reactor core; 6)를 긴급정지(scramming)시키고, 격납 용기(4)를 범람(flooding)시키거나 또는 반응기 용기(2)를 감압시킴에 의하여 반응하도록 설계된다. 이와 같은 반응 들 중 뒤의 두 가지는, 핵 반응기(5)가 정지되고 긴 시간 기간 동안 전기를 발생시키지 못하는 결과로 귀결된다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제 및 다른 문제들을 해결하는 것을 목적으로 한다.
여기에서 제시되는 동력 모듈 조립체는 1차 냉각제에 의하여 둘러싸인 반응기 코어를 담고 있다. 격납 용기는 격납 냉각 풀 내에 잠수되고(submerged) 또한 격납 용기 외측의 1차 냉각제의 해제를 방지하도록 적합화된다. 2차 냉각 시스템은 반응기 코어에 의하여 발생되는 열을 제거하도록 구성되는데, 여기에서 열은 격납 냉각 풀로부터의 액체를 1차 냉각제를 통하여 순환시킴에 의하여 제거된다.
여기에서 제시되는 핵 반응기용 냉각 시스템은 냉각제를 열교환기로 전달하도록 구성된 유입 라인(inlet line) 및 열교환기에 연결된 유출 라인을 포함한다. 유출 라인은 핵 반응기로부터 열을 제거하도록 구성된다. 냉각 시스템은 비상 급수를 유입 라인으로 공급하도록 적합화된 유입 포트, 및 유출 라인에 연결되고 또한 비상 급수를 배출시키도록 구성된 유출 포트를 더 포함한다. 냉각 시스템은 비상 급수를 자연 순환에 의하여 열교환기를 통하도록 순환시키게끔 구성된다.
핵 반응기의 냉각 방법이 제시된다. 그 방법은 급수 손실 상태를 검출하는 단계, 및 2차 냉각 시스템으로부터의 급수 유동을 비상 급수 공급부로 대체하는 단계를 포함한다. 비상 급수는 열교환기를 통하여 순환되어서 핵 반응기로부터 열을 제거한다. 비상 급수는 자연 순환을 통하여 순환된다.
본 발명에 의하여, 종래 기술의 문제 및 다른 문제들이 해결된다.
도 1 에는 종래 기술로서 알려진 핵 발전 시스템이 도시되어 있다.
도 2 에는 2차 냉각 시스템을 포함하는 신규한 동력 모듈 조립체가 도시되어 있다.
도 3 에는 신규한 비상 냉각 시스템의 실시예가 도시되어 있다.
도 4 에는 핵 반응기의 신규한 냉각 방법이 도시되어 있다.
종래의 핵 시설은, 허가받고 건설하기에 많은 비용이 소요되고 또한 초기 투자 비용이 현저히 높으며 이익 회수에 오랜 시간이 소요된다. 에너지 비용, 효율 요건, 및 신뢰성 문제에 부가하여, 오늘날의 핵 반응기의 설계에 있어서는 핵 확산, 테러리스트의 활동, 및 높아진 환경 의식의 이슈들도 감안해야 한다.
핵 발전으로부터 현저한 이익을 얻을 수 있는 개발도상국들은 종종 석탄, 가스, 수력 발전기와 같은 다른 에너지원에 의존하는 채로 남아있는데, 그것들은 현저한 양의 오염을 발생시키거나 또는 다른 유해한 환경적 영향을 미친다. 이 개발도상국들은 핵 발전 플랜트(nuclear power plant)를 건설할 수 있게 하는 기술 또는 천연 자원을 가지고 있지 않을 수 있다. 이미 핵 발전을 개발한 국가들은 기술 또는 핵 물질의 통제의 손실을 우려하여 그 기술을 개발도상국들에 도입시키기를 주저하기도 한다. 피동식으로 안전한 핵 발전 시스템은 이러한 문제들 중의 일부를 해결하는데에 도움을 준다. 추가적인 시스템의 개선 및 혁신적인 설계안들은 핵 발전이 범세계적으로 성장하는 1차적인 에너지원이 되는 새로운 시대로 안내할 것으로 예상된다.
다목적 소형 경수로(Multi-Application Small Light Water Reactor; MASLWR) 설계안에서는, 급수 손실 유동으로 인하여, 코어 냉각을 제공하기 위하여 장기간 동안 냉각 작동 모드가 작동될 것을 필요로 한다. 예를 들어, 반응기 코어의 긴급 정지, 격납 용기의 범람, 또는 반응기 용기의 감압. 이와 같은 반응(response)들 중 뒤의 두 가지 것은 핵 반응기가 정지되고 또한 오랜 시간 기간 동안 전기를 발생시키지 못하게 되는 결과를 초래한다. 또한 MASLWR 설계안에는 현장 동력(site power)의 손실 중에 붕괴열(decay heat) 제거를 위한 수단이 제공되지 않았다.
도 2 에는 2차 냉각 시스템(50)을 포함하는 신규한 동력 모듈 조립체(25)가 도시되어 있다. 동력 모듈 조립체(25)는 내부적으로 건조한 격납 용기(44)를 포함한다. 격납 용기(44)는 원통형의 형상을 가지며, 구형의 상측 단부 및 하측 단부를 구비한다. 동력 모듈 조립체(25) 전체는 궁극적인 히트 싱크(heat sink)로서의 역할을 하는 격납 냉각 풀(46) 내에 잠수되어 있을 수 있다. 격납 용기(44)는 용접 등에 의하여 주위 환경에 대해 밀봉되어서, 액체 및 가스가 동력 모듈 조립체(25)로 들어가거나 그로부터 이탈하지 못하도록 된다. 격납 용기(44)는 저부에서 지지되거나, 상부에서 지지되거나, 또는 그 중앙부에서 지지될 수 있다. 격납 용기(44)를 상부에서 지지하는 것은 격납 냉각 풀(46)로부터 동력 모듈 조립체(25)를 제거하는 것과 유지관리(maintenance)하는 것을 용이하게 할 수 있다.
반응기 용기(42)는 격납 용기(44) 내측에 장착 또는 배치된다. 반응기 용기(42)의 내측 표면은 물과 같은 액체 또는 1차 냉각제(100)를 포함하는 젖은 환경에 노출될 수 있으며, 외측 표면은 공기와 같은 건조한 환경에 노출될 수 있다. 반응기 용기(42)는 스테인레스 스틸(stainless steel) 또는 카본 스틸(carbon steel)에 의하여 제작될 수 있는 것으로서, 클래딩(cladding)을 포함할 수 있고, 또한 격납 용기(44) 내에서 지지될 수 있다.
동력 모듈 조립체(25)는 궤도차(rail car)에 의하여 이송될 수 있는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 격납 용기(44)는 대략 4.3 미터의 직경과 17.7 미터의 높이(길이)를 갖도록 제작될 수 있다. 격납 용기(44)의 밀봉을 완료함에 의하여, 반응기 코어(6)에 대한 접근성은 제한될 수 있다. 어떤 허가되지 않은 접근 또는 접촉은 감시될 수 있다. 또한, 핵 발전 시스템의 지하 프로파일(subterranean profile)은 그것이 덜 보이도록 하고 또는 은닉하는 것을 용이하게 한다. 격납 냉각 풀(46)은 보호 차폐물(protective shield)(미도시)에 의하여 덮일 수 있는데, 이로써 동력 모듈 조립체(25)가 비행기 또는 미사일과 같은 항공 물체 또는 외부의 위협으로부터 더 격리될 수 있다.
격납 용기(44)는 반응기 코어(6)를 캡슐화하며, 어떤 조건에서는 반응기 코어를 냉각시킨다. 그것은 상대적으로 소형이며, 높은 강도를 가지고, 또한 종래의 격납 설셰의 압력보다 6 내지 7 배를 견딜 수 있는데, 이것은 부분적으로는 그 전체적인 크기가 작기 때문이다. 동력 모듈 조립체(25)의 1차 냉각 시스템이 파손되어도, 핵분열 생성물이 주위 환경으로 누설되지 않는다. 1차 냉각제(100)는 격납 용기(44) 내에 완전히 담겨진 채로 유지된다.
반응기 코어(6)는 물과 같은 1차 냉각제(100) 내에 잠기거나 잠수되는 것으로 도시되어 있다. 반응기 용기(42)는 1차 냉각제(100) 및 반응기 코어(6)를 수용한다. 쉬라우드(22)는 반응기 코어(6)의 측부들을 둘러싸고, 1차 냉각제(100)를 고리부(23)를 통해서 상향으로 지향시키고 또한 1차 냉각제(100)의 자연 순환의 결과로 인하여 반응기 용기(42)의 상측 절반부 내에 배치된 상승기(24)로부터 나가도록 지향시키는 역할을 한다. 일 실시예에서, 반응기 용기(42)는 대략 2.7 미터의 직경을 가지며, 13.7 미터의 전체 높이(길이)를 갖는다. 반응기 용기(42)는 두드러지게 원통형인 형상을 가질 수 있고 또한 구형의 상측 단부 및 하측 단부를 가질 수 있다. 반응기 용기(42)는 평상시에 작동 압력 및 작동 온도에 있다. 일 실시예에서는, 격납 용기(44)가 내부적으로 건조하며, 격납 냉각 풀(46)의 온도이거나 그에 가까운 벽 온도을 갖는 채로 대기압에서 작동할 수 있다.
평상시 작동 중에, 반응기 코어(6) 내의 핵분열로부터의 열 에너지는 1차 냉각제(100)가 가열되도록 한다. 1차 냉각제(100)가 가열됨에 따라서, 그것의 밀도가 작게 되고 상승기(24)를 통하여 위로 상승하는 경향을 갖게 된다. 1차 냉각제가 냉각됨에 따라서, 그 밀도는 가열된 냉각제에 비하여 상대적으로 높게 되어서 고리부(23) 외측 주위에서 반응기 용기(42)의 저부로 순환되어 쉬라우드(22)를 통하여 상승되며, 반응기 코어(6)에 의하여 다시 가열된다. 이와 같은 자연 순환은 1차 냉각제(100)가 반응기 코어(6)를 통하여 사이클을 이루도록 하는바, 열을 2차 냉각 시스템(50)으로 전달하여서 도 1 의 발전기(34)와 같은 발전기에서 전기를 발생시키도록 한다.
2차 냉각 시스템(50)은 동력 모듈 조립체(25)를 위한 히트 싱크로서 작동하는 열교환기(55)에 2차 냉각제를 전달하도록 구성된 유입 라인(53)을 포함한다. 유출 라인(52)은 열교환기(55)에 연결되고, 또한 반응기 용기(42) 내에 담겨진 1차 냉각제를 통하여 2차 냉각제를 순환시킴에 의하여 반응기 코어(6)로부터 열을 제거하도록 구성된다. 그러므로 유입 라인(53) 및 유출 라인(52)은 2차 냉각 시스템(50)을 위한 2차 냉각제의 전달 수단으로서의 역할을 한다. 상대적으로 찬 2차 냉각제는 유입 라인(53)을 거쳐서 열교환기(55)로 이송되고, 상대적으로 뜨거운 또는 과열된 냉각제는 유출 라인(52)을 거쳐서 열교환기(55)로부터 발전기로 이송된다.
2차 냉각 시스템(50)은 유입 라인(53)에 비상 급수를 공급하도록 적합화된 하나 이상의 유입 포트(54)들을 더 포함한다. 일 실시예에서는 비상 급수 공급부가 격납 냉각 풀(46) 내에 포함된다. 격납 냉각 풀(46)은 물 또는 어떤 다른 액체 냉각제를 담고 있을 수 있다. 하나 이상의 유출 밸브(58)는 유출 라인(52)에 연결될 수 있고 또한 비상 급수가 열교환기(55)를 통하여 순환한 후에 비상 급수를 배출시키도록 구성될 수 있다. 유입 포트(54)와 유입 라인(53) 사이에는 체크 밸브(check valve 56)가 제공될 수 있는데, 이것은 비상 급수 또는 2차 냉각제의 일 방향으로의 유동을 제한하기 위한 것이다. 유입 포트(54)는 격납 냉각 풀(46) 내의 오염물을 여과시키는 유입 스크린(inlet screen)을 포함할 수 있다.
2차 냉각 시스템(50)은 비상 급수가 자연 순환에 의하여 열교환기(55)를 통해 순환하게끔 구성될 수 있다. 자연 순환은 1차 냉각제와 격납 냉각 풀(46) 내의 액체 간의 온도 차이에 의하여 이루어질 수 있다. 그 액체 또는 비상 급수는 열교환기(55)를 통과함에 따라서 온도 변화를 겪는다. 유입 포트(54)와 유출 밸브(58)의 높이 차이와 비상 급수의 온도 변화로 인하여 그 자연 순환이 더 원활하게 이루어지거나 또는 보강될 수 있다. 일 실시예에서 하나 이상의 유입 포트(54)는 격납 냉각 풀(46)의 저부 가까이에 배치된다.
앞서 설명된 바와 같이, 유입 라인(53)은 도 1 의 펌프(38)와 같은 급수 펌프에 연결될 수 있고, 유출 라인(52)은 도 1 의 터빈(32)과 같은 증기 터빈에 연결될 수 있다. 2차 냉각 시스템(50)은 외부 동력원 또는 급수 펌프의 도움 없이 비상 급수의 자연 순환을 제공할 수 있다.
급수 손실 유동의 시나리오(loss of feedwater flow scenario)에서는, 반응기가 긴급정지되고, 작동 신호에 의하여 터빈 트립(turbine trip)이 개시된다. 2차 냉각 시스템(50) 내의 증기 압력이 증가함에 따라서, 하나 이상의 유출 밸브(58)들이 단계적인 방식으로 개방되어서 증기 발생기를 감압시킨다. 하나 이상의 유출 밸브(58)는 잉여의 안전보장 배출 밸브(redundant fail safe vent valve)들을 포함할 수 있는데, 이들은 2차 냉각제를 격납 냉각 풀(46)의 표면 아래에 배치된 잠수된 스파저 노즐(submerged sparger nozzle)들의 세트(set)로 방출시킨다. 유출 밸브(58)의 작동으로부터의 미리설정된 시간 지연 후에, 하나 이상의 유입 포트(54)들과 연관된 밸브들의 제2 세트가, 급수 공급 파이프를 격납 냉각 풀(46)의 저부와 정렬시키도록 개방될 수 있다.
증기 발생기가 감압됨에 따라서, 자연 순환의 유동경로는 유입 포트(54)로부터 열교환기(55)를 통하여 유출 밸브(58) 밖으로 수립된다. 격납 냉각 풀(46)로부터의 액체는 비상 급수의 보충 공급원을 제공한다. 열교환기(55) 내에서 생성되고 유출 밸브(58)를 통하여 해제된 증기는 격납 냉각 풀(46) 내에서 응축된다. 유출 밸브(58)들은 격납 냉각 풀(46)의 표면 바로 아래에 위치될 수 있다.
2차 냉각 시스템(50)은 하나 이상의 유형의 비상 작동 중에 격납 냉각 풀(46)로부터 액체를 제거하도록 구성될 수 있다. 비상 작동은 무엇보다도 냉각제 유실 사고, 2차 냉각제 유동 유실, 현장 동력의 유실 등을 포함할 수 있다.
도 3 에는 신규한 냉각 시스템(60)의 실시예가 도시되어 있다. 냉각 시스템은 도 2 의 동력 모듈 조립체(25)와 같은 핵 반응기와 작동하도록 구성될 수 있다. 냉각 시스템(60)은 열교환기(55)를 통하여 냉각제를 순환시킴으로써 반응기 코어로부터 열을 제거하도록 구성된 유출 라인(52) 및 유입 라인(53)을 포함한다. 상대적으로 찬 냉각제는 유입 라인(52)을 거쳐서 열교환기(55)로 이송되고, 상대적으로 뜨거운 또는 과열된 냉각제는 열교환기(55)로부터 유출 라인(52)을 거쳐서 발전기로 이송된다.
냉각 시스템(60)은 유입 라인(53)에 비상 급수를 공급하도록 적합화된 하나 이상의 유입 포트(54)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 비상 급수 공급부는 냉각 풀(cooling pool; 46) 내에 담겨지고(도 2 참조), 또한 물 또는 다른 어떤 냉각제를 포함한다. 유입 포트(54)를 유입 라인(53)에 연결시키는 냉각 파이프(57)는 단열될 수 있는데, 이것은 냉각 풀의 상부와 저부에 배치된 냉각제의 온도 차이로 인하여 발생될 수 있는, 냉각 파이프(57)를 통하여 이동하는 비상 급수의 열의 양을 저감시키기 위한 것이다. 하나 이상의 유출 포트(outlet pot; 58)가 유출 라인(52)에 연결될 수 있는바, 이로써 비상 급수가 열교환기(55)를 통하여 순환한 후에 비상 급수를 배출시킨다. 비상 냉각 시스템(60)은, 급수 손실 유동이 검출된 때에 냉각제를 유입 라인(53) 안으로 주입하도록 구성된 하나 이상의 축적기 탱크(accumulator tank; 70)를 더 포함한다. 하나 이상의 축적기 탱크(70)는, 유입 포트(54) 및 유출 포트(58)를 거쳐서 비상 급수의 자연 순환이 수립될 때까지 열교환기(55)에 냉각제를 제공한다.
하나 이상의 축적기 탱크(70)는 물에 의하여 부분적으로 채워질 수 있다. 축적기 탱크(70)는 질소와 같은 비-응축성 가스로 가압될 수 있다. 일 실시예에서는, 축적기 탱크(70)에 또는 그 내부에 블래더(bladder; 71)가 제공되어서 열교환기(55) 내로 비-응축성 가스(예를 들어 질소)가 해제되는 것을 방지한다. 급수 손실 유동 시나리오에서, 축적기 탱크(70)는 물을 유입 라인(53) 내로 주입시킨다. 물의 주입은, 냉각 시스템 내에 자연 순환이 수립되는 중에, 반응기 용기 내의 물을 과냉각시키는 역할을 한다.
작동
이하에서는, 도 2 의 2차 냉각 시스템(50)과 도 3 의 비상 냉각 시스템(60)을 참조로 하여 다양한 실시예들의 예시적인 작동에 관하여 설명한다. 반응기 코어(6)는 제어 로드가 삽입된 상태에서 고온 정지 상태(hot shutdown condition)를 겪는다. 정지 상태는 2차 냉각 시스템 또는 동력 모듈 조립체(25)의 비상 작동으로부터 귀결될 수 있다. 유출 라인(52)을 통한 평상시의 증기 유동과 유입 라인(53)을 통한 급수 유동은 격리된다. 유입 포트(54) 및 유출 밸브(58)는 격납 냉각 풀(46)로 개방된다. 이것은 냉각제 밀도 차이, 및 유출 밸브(58)와 유입 포트(54)에서의 찬 물 간의 높이 차이에 의하여 구동되는 자연 순환 유동 경로를 생성시킨다.
격납 냉각 풀(46)로부터의 찬 물은 열교환기(55) 내로 끌여들여지는데, 여기에서는 그 찬 물이 가열되어서 격납 냉각 풀(46) 안으로 배출된다. 열교환기(55)는 고리부(23) 내의 예를 들어 냉각제(100)인 유체로부터 열을 제거하여, 고리부(23) 내의 유체와 상승기(24) 내측의 유체 사이에 밀도 차이를 생성시킨다. 반응기 코어(6)는 열교환기(55) 아래의 높이에 배치되기 때문에, 쉬라우드(22) 및 상승기(24)를 통하여 따뜻한 유체를 상승시키고 또한 찬 유체를 고리부(23)를 통하여 하측 플레넘(lower plenum; 51)으로 하강시키는 부력이 생성된다. 이것은 반응기 코어(6)를 통한 자연 순환 유동을 생성시키는바, 이로써 붕괴열이 제거된다. 체크 밸브(56)는 일 방향으로의 유체 유동을 제한한다.
메인 급수 유동(main feedwater flow)의 손실 중에, 낮은 메인 급수 펌프(Low Main Feedwater Pump; 72)의 낮은 방출 압력 또는 증기 발생기(74)의 낮은 물 레벨(low water level)은, 반응기 트립(reactor trip)으로 귀결될 수 있다. 반응기 트립으로부터의 시간 지연 후에는, 메인 증기 배출 밸브(유출 밸브(58))가 단계적인 방식으로 개방된다. 축적기 탱크(Accumulator tank; 70)의 낮은 레벨과 낮은 메인 급수 펌프(72)의 낮은 방출 압력이 검출되는 때에는, 메인 급수 중단 밸브(76)가 폐쇄된다. 그러면, 격납 냉각 풀(46)로의 찬 유동을 정렬시키기 위하여 유입 밸브(유입 포트(54))가 개방된다. 체크 밸브(66)는 증기 발생기(74)로부터의 역류를 방지하고, 고점 배출부(high point vent; 68)는 비상 급수 라인에서의 공기의 초기 축출(initial purging)을 제공한다.
다양한 실시예들에서, 현장 설비에 동력(전력)이 유실되거나 또는 정전되는 중에, 상기 메인 급수 유동 손실 상태에 관하여 설명된 바와 동일한 작동이 후속하여 이루어질 수 있다.
냉각제 유실 사고 시에는, 낮은 가압기(73)의 낮은 물 레벨, 냉각제 시스템의 낮은 압력, 또는 격납 용기(44)의 높은 압력으로 인하여 반응기 트립이 귀결될 수 있다. 메인 증기 고립 밸브(Main Steam Isolation Valve; 78) 및 메인 급수 중단 밸브(76)는 폐쇄된다. 증기 발생기 압력(77)이 증가되지 않고(예를 들어, 증기 발생기 튜브 파열이 없음), 또한 증기 발생기 튜브 밴드 압력(steam generator tube band pressure)들이 동일하다면, 유출 밸브(58)들이 단계적인 방식으로 개방될 수 있다. 예를 들어, 축적기 탱크(70)의 낮은 레벨 및 낮은 메인 급수 펌프(72)의 낮은 방출 압력이 검출되는 때에는 메인 급수 중단 밸브(76)가 폐쇄된다. 또한, 격납 냉각 풀(46)로의 냉각 유동을 정렬시키기 위하여 유입 포트(54)가 개방될 수 있다. 유출 밸브(58)들도 단계적인 방식으로 개방될 수 있다. 격납 용기(44)와 반응기 용기(42) 사이에서 낮은 차이의 압력이 검출되는 때에는 반응기 섬프 밸브(reactor sump valve)가 개방될 수 있다.
도 4 에는 핵 반응기의 신규한 냉각 방법이 도시되어 있다. 작동 410 에서는, 급수 손실 상태가 검출된다. 급수 손실은 냉각제 유실 사고, 급수 손실 압력, 급수 펌프 고장, 또는 시설물 정전과 같은 현장 동력 유실에 기인할 수 있다. 작업 420 에서는 2차 냉각 시스템으로부터의 급수 유동이 비상 급수 공급에 의하여 대체된다.
작동 430 에서는, 핵 반응기로부터 열을 제거하기 위하여 열교환기를 통해서 비상 급수가 순환된다. 비상 급수는 자연 순환을 통하여 열교환기를 통해서 순환된다. 자연 순환은 열교환기를 통해 순환하는 비상 급수와 비상 급수 공급부 간의 온도 차이에 의하여 이루어진다.
일 실시예에서, 비상 급수 공급부는 핵 반응기를 둘러싸는 격납 냉각 풀을 포함한다. 작동 440 에서, 비상 급수는 격납 냉각 풀 안으로 배출된다. 격납 냉각 풀 안에 잠수된 유입 포트와 유출 포트 간의 높이 차이는, 비상 급수의 유지가능한 자연 순환을 3일 이상 제공할 수 있다. 일 실시예에서는, 격납 냉각 풀의 크기에 따라서, 자연 순환이 90일 이상으로 유지될 수 있다.
급수 손실 유동 및 붕괴열 제거는, 여기에서 제시된 다양한 실시예들에 의하여 해결된다. 신규한 시스템은, 외부 동력의 필요 없이도, 제어 로드 삽입 후에 핵 코어를 냉각시키는 피동식 수단을 제공함에 의하여, MASLWR 반응기 설계안에 현저한 능력을 부가시킨다. 다양한 실시예들은, 평상시 급수 유동의 손실 시에 증기 발생기에 비상 급수를 제공할 수 있고, 또한 반응기 제어 로드 삽입에 후속하여 반응기 코어에 반응기 코어의 붕괴열 제거를 제공할 수 있다.
격납 냉각 풀은 보충 급수 공급원 및 붕괴열 제거를 위한 히트 싱크로서의 역할을 수행한다. 냉각제를 대형의 격납 냉각 풀로부터 반응기 용기 고리부 내에 위치된 나선형 코일 열교환기 튜브를 통하여 안내함으로써 코어의 붕고열을 제거할 수 있는 다양한 실시예들이 제공된다. 뜨거운 물 및 증기가 격납 풀 안으로 배출되고 또한 찬 물이 유입 포트 안으로 끌여들여짐에 의하여 자연 순환 유동 경로가 수립된다.
여기에서 제시되는 다양한 실시예들은, 작동자의 행위가 없어도 수행되는 반응기 코어의 미정의 열 제거(indefinite heat removal), 및 대안적인 장기간의 냉각 작동 모드를 제공한다. 격납 풀로부터는 매우 적은 질량이 손실된다. 다양한 실시예들은 유지관리를 위하여 붕괴열을 제거하도록 수동으로 작동될 수 있고, 시스템은 있더라도 별로 없는 움직이는 부분들을 갖기 때문에 상대적으로 단순한 구성을 갖는다. 피동식 시스템은 현장 동력의 작동을 필요로 하지 않으며, 그 대신에 자연 순환의 원리에 의존한다. 나아가, 다양한 실시예들은 반응기 모듈의 신속한 재시동을 제공하는바, 이로써 작동 중단 시간이 저감되며 투자 자본의 보호가 증대된다.
여기에서 제공된 실시예들은 주로 가압식 경수로에 관하여 설명되었지만, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예들은 설명된 다른 형태의 핵 동력 시스템에 적용될 수 있거나 또는 일부 자명한 변형을 가함으로써 그 다른 형태의 동력 시스템에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 그것의 실시예들 또는 변형예들은 비등수 원자로(boiling water reactor)에서도 작동가능하게 될 수 있다. 비등수 원자로는 동일한 에너지 출력을 생산하기 위하여 더 큰 용기를 필요로 할 수 있다.
본 발명의 원리는 바람직한 실시예들을 참조로 하여 설명되고 예시되었지만, 본 발명은 그러한 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 구체적인 구성과 상세 부분들이 변형될 수 있다는 것은 자명하다. 출원인은 하기의 청구범위의 범위와 그 취지 내에 포함되는 모든 변형 및 변경사항들에 대한 권리를 청구한다.
25: 동력 모듈 조립체
44: 격납 용기
46: 격납 냉각 풀
50: 2차 냉각 시스템

Claims (20)

1차 냉각제(primary coolant)에 의하여 둘러싸인 반응기 코어(reactor core)를 담고 있는 반응기 용기(reactor vessel);
격납 냉각 풀(containment cooling pool) 내에 잠수되고(submerged) 또한 격납 용기 외측으로 1차 냉각제가 해제되는 것을 방지하도록 적합화된 격납 용기; 및
반응기 코어에 의하여 발생되는 열을 제거하도록 구성된 2차 냉각 시스템(secondary cooling system);을 포함하는 동력 모듈 조립체(power module assembly)로서,
액체를 격납 냉각 풀로부터 1차 냉각제를 통하여 순환시킴에 의하여 열이 제거되는, 동력 모듈 조립체.
제 1 항에 있어서,
2차 냉각 시스템은, 반응기 용기 내에서 2차 냉각제를 순환시키도록 구성된 열교환기(heat exchanger)를 포함하는, 동력 모듈 조립체.
제 2 항에 있어서,
2차 냉각 시스템은 비상 작동 중에 격납 냉각 풀로부터 액체를 제거하도록 구성된, 동력 모듈 조립체.
제 3 항에 있어서,
비상 작동은 냉각제 유실 사고를 포함하는, 동력 모듈 조립체.
제 3 항에 있어서,
비상 작동은 2차 냉각제 유동의 손실을 포함하는, 동력 모듈 조립체.
제 3 항에 있어서,
비상 작동은 현장 동력(on-site power)의 유실을 포함하는, 동력 모듈 조립체.
제 1 항에 있어서,
2차 냉각 시스템은, 1차 냉각제를 통하여 순환된 후에 액체를 격납 냉각 풀 안으로 배출시키도록 구성된 하나 이상의 배출부(vent)를 포함하는, 동력 모듈 조립체.
제 7 항에 있어서,
액체는 그 액체와 1차 냉각제 간의 온도 차이로 인한 자연 순환에 의하여 1차 냉각제를 통해 순환되는, 동력 모듈 조립체.
제 1 항에 있어서,
2차 냉각 시스템은 격납 냉각 풀의 저부 가까이에 배치된 하나 이상의 유입부(inlet)를 포함하는, 동력 모듈 조립체.
냉각제를 열교환기에 전달하도록 구성된 유입 라인;
열교환기에 연결되고 또한 핵 반응기로부터 열을 제거하도록 구성된 유출 라인(outlet line);
유입 라인에 비상 급수를 공급하도록 적합화된 유입 포트(inlet port); 및
유출 라인에 연결되고 또한 비상 급수를 배출시키도록 구성된 유출 포트(outlet port);를 포함하는, 핵 반응기용 냉각 시스템으로서,
냉각 시스템은 비상 급수를 자연 순환(natural circulation)에 의하여 열교환기를 통해 순환시키도록 구성된, 핵 반응기용 냉각 시스템.
제 10 항에 있어서,
자연 순환은, 유입 포트와 유출 포트의 높이 차이 및 비상 급수의 온도 변화의 결과로서 일어나는, 핵 반응기용 냉각 시스템.
제 10 항에 있어서,
유입 라인은 급수 펌프에 연결되고, 유출 라인은 증기 터빈에 연결되는, 핵 반응기용 냉각 시스템.
제 12 항에 있어서,
비상 급수의 자연 순환은 급수 펌프의 도움없이 일어나는, 핵 반응기용 냉각 시스템.
제 10 항에 있어서,
급수 손실 유동이 검출되는 때에 냉각제를 유입 라인 안으로 주입하도록 구성된 축적기 탱크(accumulator tank)를 더 포함하는, 핵 반응기용 냉각 시스템.
제 14 항에 있어서,
축적기 탱크는, 비상 급수의 자연 순환이 수립될 때까지, 열교환기에 냉각제를 제공하는, 핵 반응기용 냉각 시스템.
급수 손실 상태를 검출하는 단계;
2차 냉각 시스템으로부터의 급수 유동을 비상 급수 공급부로 대체하는 단계; 및
핵 반응기로부터 열을 제거하기 위하여, 비상 급수를 열교환기를 통하여 순환시키는 단계;를 포함하고,
비상 급수는 자연 순환을 통하여 순환되는, 핵 반응기의 냉각 방법.
제 16 항에 있어서,
비상 급수 공급부는 핵 반응기를 둘러싸는 격납 냉각 풀을 포함하는, 핵 반응기의 냉각 방법.
제 17 항에 있어서,
비상 급수를 격납 냉각 풀 안으로 배출시키는 단계를 더 포함하는, 핵 반응기의 냉각 방법.
제 16 항에 있어서,
자연 순환은, 열교환기를 통하여 순환하는 비상 급수와 비상 급수 공급부 간의 온도 차이에 근거하는, 핵 반응기의 냉각 방법.
제 16 항에 있어서,
자연 순환은 3일 이상 동안 유지가능한, 핵 반응기의 냉각 방법.
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