KR20140023067A

KR20140023067A - 분리형 안전주입탱크

Info

Publication number: KR20140023067A
Application number: KR1020120089643A
Authority: KR
Inventors: 김영인; 배영민; 윤주현; 김긍구
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-02-26
Also published as: US20140050292A1; KR101389836B1; US9905320B2

Abstract

본 발명은 냉각재 상실 사고 발생시 내부에 채워진 냉각재가 원자로용기와의 압력차에 의해 상기 원자로용기로 주입되도록 안전주입배관에 의해 상기 원자로용기와 연결되는 냉각재주입부와, 상기 냉각재주입부와 통하도록 연결되며 냉각재 누출 사고시 내부의 가스를 상기 안전주입탱크의 상부로 유입시켜 상기 원자로용기로 주입되는 냉각재를 가압하도록 형성되는 가스주입부, 및 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부 사이에 구비되어 상기 냉각재주입부로 유입되는 상기 가스의 유동단면적을 축소시키도록 이루어지고 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부 사이에 임계압력차 이상의 압력차가 형성되면 상기 냉각재주입부로 유입되는 상기 가스의 유속 및 유량을 임계유속 및 임계유량으로 유지시키는 오리피스를 포함하는 분리형 안전주입탱크를 제공한다.

Description

분리형 안전주입탱크{SEPARATE TYPE SAFETY INJECTION TANK}

본 발명은 일체형 원자로의 냉각재 상실 사고 발생시 원자로용기로 냉각재를 주입시키는 안전주입계통에 관한 것이다.

일체형 원자로는 주요기기들(예를 들어, 증기발생기, 가압기, 펌프, 임펠러 등)이 원자로용기의 내부에 설치되어 있어 상기 주요기기들을 연결하기 위한 대형배관이 존재하지 않고, 화학 및 체적제어계통, 안전주입계통, 정지냉각계통, 안전밸브 등이 일체형 원자로의 원자로용기와 연결되는 배관은 소형이라는 특성이 있다. 또한 일체형 원자로의 원자로 내부에는 주요기기들이 수용되므로 원자로 내부 공간에는 상기 주요기기들을 냉각하기 위한 다량의 냉각재가 존재한다.

이에 따라 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실 사고시 일체형 원자로는 분리형 원자로와 다른 진행양상을 보인다. 분리형 원자로의 경우 대형배관을 구비하므로 대형배관 파단사고 발생시 냉각재의 급격한 손실이 일어난다. 그리고 냉각재 방출에 따라 원자로의 압력은 급격히 감소하여 원자로와 원자로건물(또는 격납용기) 사이의 압력이 신속하게 평형을 이루므로 중력수두에 의한 안전주입이 용이하고 안전주입계통에 의해 신속하게 냉각재가 재충수된다. 이렇게 급격한 진행을 보이는 분리형 원자로와 달리, 일체형 원자로는 대형배관이 존재하지 않으므로 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실 사고 발생시 원자로의 압력과 수위가 서서히 감소한다. 따라서 원자로와 원자로건물 사이의 압력이 신속하게 평형을 이루지 못하고 중력수두에 의한 안전주입에 어려움이 있다.

따라서 일체형 원자로에서는 가스(일반적으로 질소를 사용) 가압식 안전주입탱크를 적용하여 가스 압력을 이용하거나, 원자로건물 대신 안전보호용기와 같은 고압의 소형 격납용기를 채택하여 원자로와 안전보호용기 사이의 압력이 조기에 평형을 이루도록 하여 방출되는 냉각재의 유량을 억제하고 이후 중력수두 또는 가스압력 등을 이용하는 피동형으로 안전주입계통을 구성하고 있다.

안전주입탱크는 피동형 안전주입계통의 하나로써, 특히 냉각재와 가스가 하나의 탱크에 채워져 있는 일체형 가스가압식 안전주입탱크는 냉각재 상실 사고 발생시 원자로의 압력변화에 매우 민감한 특성이 있다. 원자로의 압력이 급속히 감소하는 대형배관이 파단된 경우에는 신속하게 냉각수를 주입하여 단시간에 안전주입이 끝나 버리고, 소형 냉각재 상실 사고의 경우에는 원자로의 압력이 서서히 감소하므로 필요한 때에 안전주입이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 또한 일체형 가스가압식 안전주입탱크는 작동의 기준이 되는 압력을 예상되는 배관 파단 사고보다 저압으로 설정하는 경우 소형 배관파단 사고시 원자로의 압력 감소가 미미해 냉각재의 안전주입이 이루어지지 않을 수 있으며, 고압으로 설정하는 경우 대형 배관 파단사고시 원자로의 압력이 신속히 감소해 안전주입이 조기에 종료되어 버리는 문제가 있다.

따라서 배관 파단 사고의 규모와 관계없이 비교적 일정한 유량으로 냉각재를 주입할 수 있는 안전주입계통이 고려될 수 있다.

본 발명의 일 목적은 종래와 다른 구조의 분리형 안전주입계통을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 일체형 원자로 등의 설계요구 특성에 맞추어 냉각재 상실 사고 발생시 장기간 안전주입이 가능한 분리형 안전주입계통을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 사고별로 다양한 규모의 배관 파단사고에 대응할 수 있는 분리형 안전주입계통을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 분리형 안전주입탱크는 냉각재 상실 사고 발생시 내부에 채워진 냉각재가 원자로용기와의 압력차에 의해 상기 원자로용기로 주입되도록 안전주입배관에 의해 상기 원자로용기와 연결되는 냉각재주입부와, 상기 냉각재주입부와 통하도록 연결되며 냉각재 상실 사고 발생시 내부의 가스를 상기 안전주입탱크의 상부로 유입시켜 상기 원자로용기로 주입되는 냉각재를 가압하도록 형성되는 가스주입부, 및 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부 사이에 구비되어 상기 냉각재주입부로 유입되는 상기 가스의 유동단면적을 축소시키도록 이루어지고 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부 사이에 임계압력차 이상의 압력차가 형성되면 상기 냉각재주입부로 유입되는 상기 가스의 유속 및 유량을 임계유속 및 임계유량으로 유지시키는 오리피스를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 냉각재주입부는 상기 냉각재가 채워지는 냉각재탱크를 구비하고, 상기 가스주입부는 상기 가스가 채워지는 가스탱크를 구비하며, 상기 냉각재탱크와 상기 가스탱크는 연결배관에 의해 연결되고, 상기 오리피스는 상기 연결배관에 설치된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 안전주입부와 상기 가스주입부는 하나의 안전주입탱크로 형성되고, 상기 안전주입탱크는 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부를 구분하는 격벽을 구비하며, 상기 오리피스는 상기 격벽에 설치된다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 원자로용기로 주입되는 상기 냉각재의 유량을 억제하도록 상기 안전주입배관에 설치되어 상기 안전주입배관의 관로를 축소시키는 교축부재를 더 포함한다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 원자로용기 내부의 냉각재가 역류하여 유출되는 것을 방지하도록 상기 안전주입배관에 설치되는 체크밸브를 더 포함한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 냉각재 상실 사고 발생시 가스의 임계유속 특성을 이용하여 원자로용기로의 안전주입이 목표하는 시간만큼 장시간 이루어질 수 있고, 이에 따라 냉각재의 유량을 안전주입에 효율적으로 이용할 수 있어 설치가 필요한 탱크의 크기를 크게 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 가스의 임계유속 특성을 이용하여 다양한 크기의 배관 파단사고에도 비교적 일정한 안전주입이 이루어지므로, 가스주입부의 초기압력을 예상되는 배관 파단사고시의 원자로용기 내부 압력보다 높게 설정함으로써 다양한 크기의 배관 파단사고에 대응할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 중압과 저압의 안전주입을 위해 별도로 안전주입계통을 구비하지 않아도 되므로 설비가 단순화되어 경제성이 향상되고, 배압을 형성시켜 주기 위한 배압배관이 필요하지 않으므로 배압식 안전주입탱크보다 배관 파단사고의 발생확률이 낮아져 안전성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리형 안전주입탱크의 작동 과정을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 A 부분의 확대도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 다양한 변형례와 관련된 분리형 안전주입탱크의 개념도.
도 4는 정상운전시 분리형 안전주입탱크을 구비하는 일체형 원자로의 계통배열을 나타내는 개념도.
도 5는 도 4에 도시된 일체형 원자로의 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실 사고 발생 초기의 상황을 나타내는 개념도.
도 6은 도 5에 이은 피동잔열제거계통 및 노심보충탱크의 작동상태를 나타내는 개념도.
도 7은 도 6에 이은 노심보충탱크와 분리형 안전주입탱크의 작동상태를 나타내는 개념도.
도 8은 도 7에 이은 노심보충탱크의 기능상실과 분리형 안전주입탱크의 지속적인 안전주입을 나타내는 개념도.

이하, 본 발명과 관련된 분리형 안전주입탱크에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부" 및 "계통"은 명세서 작성이 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리형 안전주입탱크(100)의 작동 과정을 나타내는 개념도이다.

피동안전주입계통은 배관 파단에 의한 원자로용기의 냉각재 상실 사고 발생시 중력, 자연순환, 압력차 등 자연력을 이용하여 원자로용기로 냉각재를 주입하는 계통이다. 그 중 안전주입탱크는 원자로용기와의 압력차에 의해 내부에 채워진 냉각재를 원자로용기로 주입하는 장치이다.

도 1을 참조하면 분리형 안전주입탱크는 냉각재주입부(101), 가스주입부(102) 및 오리피스(103)를 구비한다.

냉각재주입부(101)는 내부에 냉각재(예를 들어, 저온의 붕산수)가 채워지고, 하부는 원자로용기와 통하는 안전주입배관(107)과 연결된다. 배관 파단 등에 의해 원자로용기의 냉각재 상실 사고가 발생하면 원자로용기의 압력이 감소하기 시작하고, 이에 따라 원자로용기와 냉각재주입부(101)의 압력차에 의해 냉각재주입부(101)에 채워져 있던 냉각재는 안전주입배관(107)을 통해 원자로용기로 주입된다.

가스주입부(102)는 냉각재주입부(101)와 통하도록 연결되고, 냉각재 누출 사고시 내부에 채워진 가스를 냉각재주입부(101)의 상부로 유입시켜 원자로용기로 주입되는 냉각재를 가압하도록 형성된다. 가스는, 예를 들어 질소가스가 이용될 수 있다.

오리피스(103)는 냉각재주입부(101)와 가스주입부(102) 사이에 구비되어 상기 가스주입부(102)로부터 상기 냉각재주입부(101)로 유입되는 가스의 유동단면적을 축소시키도록 이루어진다. 냉각재주입부(101)와 가스주입부(102)는 연결부(104)에 의해 연결되고, 오리피스(103)는 상기 연결부(104)에 설치될 수 있다. 도시한 바와 같이 연결부(104)는 냉각재주입부(101) 및 가스주입부(102)와 통하도록 설치되는 연결배관이 될 수 있다. 오리피스(103)는 연결부(104)의 관로 내측벽에 설치되거나, 상기 내측벽으로부터 적어도 일부가 돌출되어 관로를 축소시키는 형태로 형성될 수 있다.

가스주입부(102)와 냉각재주입부(101)의 압력차가 임계압력차 이하인 경우에는 상기 압력차가 임계압력차에 도달할때까지 단위시간당 가스주입량도 증가한다. 임계압력이란 압축성유체의 유동에서 발생하는 현상으로 유동의 하류측 압력이 점차 감소하여 유로 내의 유속이 음속과 동일해지는 상태에서의 하류측 압력을 말한다. 임계압력차란 상기 임계압력에 도달한 상태에서 유동의 상류와 하류의 압력차를 말한다. 하류의 압력이 임계압력 혹은 그 이하의 압력으로 감소되어 상류와의 압력차가 임계압력차 혹은 그 이상이 되면 더 이상 하류의 압력을 낮추어도 유속과 유량은 증가하지 않고 임계유속과 임계유량으로 유지된다. 이렇게 하류의 압력이 임계압력보다 낮은 상태에서의 유동, 즉 임계압력차 이상의 압력차를 갖는 상태에서의 유동을 질식유동(chocking flow)이라고 한다.

가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차가 임계압력차에 도달시, 오리피스(103)는 상기 오리피스(103)를 통과하는 가스를 임계유속 및 임계유량을 갖는 가스가 되도록 한다. 그리고 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차가 임계압력차 이상으로 증가하면, 오리피스(103)는 상기 가스를 질식(chocking)시켜 상기 가스의 유속 및 유량을 임계유속 및 임계유량으로 유지시킨다. 오리피스(103)가 가스를 임계유속 및 임계유량으로 유지시키므로, 냉각재주입부(101) 내부의 냉각재는 원자로용기의 급격한 압력변화에서 불구하고 상기 원자로용기로 서서히 지속적으로 주입될 수 있다.

(a)는 배관 파단 등에 의해 원자로용기의 냉각재 상실 사고가 발생한 후 원자로용기의 압력(P3)이 가스주입부(102)의 설정압력(P1) 이하로 감소되어 안전주입이 시작되기 직전의 상태를 나타낸 것이다. 원자로용기의 냉각재 상실에 따라 상기 원자로용기의 압력(P3)이 가스주입부(102)의 설정압력(P1) 이하로 감소되면, 안전주입배관(107)에 설치된 밸브 또는 체크밸브가 개방되고 냉각재주입부(101)에 채워져 있던 냉각재는 안전주입배관(107)을 통해 원자로용기로 주입되기 시작한다. 냉각재주입부(101)로부터 원자로용기로 냉각재의 안전주입이 시작되면 냉각재주입부(101)의 수위는 저하되고 압력(P2)이 감소하여 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이에도 압력차(P1 - P2)가 발생한다. 이 압력차(P1 - P2)에 의해 가스주입부(102)에 채워져 있던 가스는 오리피스(103)를 통과하여 냉각재주입부(101)로 유입된다.

(b)는 (a)에 이어 원자로용기의 압력이 더욱 감소하여 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차(P1′- P2′)가 (a)보다 더욱 증가한 상태를 나타낸 것이다. 상기 압력차(P1′- P2′)가 임계압력차 이하일 때는 차압이 증가할수록 가스주입부(102)에서 냉각재주입부(101)로 주입되는 가스의 유량도 증가한다. 그리고 상기 압력차(P1′- P2′)가 임계압력차에 도달하면 오리피스(103)를 통과하는 가스의 유속 및 유량은 임계유속 및 임계유량을 형성한다.

(c)는 (b)에 이어 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차(P1″- P2″)가 임계압력차 이상으로 증가한 상태를 나타낸 것이다. 오리피스(103)는 상기 가스주입부(102)로부터 상기 냉각재주입부(101)로 유입되는 가스의 유속과 유량을 임계유속 및 임계유량으로 유지시키므로 냉각재주입부(101)의 압력이 고압으로 형성되는 것을 억제한다. 원자로용기로 주입되는 냉각재의 유량은 냉각재주입부(101)와 원자로용기 사이의 압력차(P2″- P3″)에 의해 형성되므로 오리피스(103)를 구비하는 분리형 안전주입탱크(100)는, 가스와 냉각재가 하나의 탱크에 채워진 일체형 안전주입탱크에 비해 안전주입되는 냉각재의 유량을 소량으로 유지시킬 수 있다. 따라서 원자로용기로의 안전주입이 단시간에 급속하게 끝나는 것을 막고 목표하는 시간까지 장시간 안전주입이 이루어질 수 있다.

분리형 안전주입탱크(100)로부터 원자로용기로 주입되는 냉각재의 유량은 임계유속의 특성에 의해 원자로용기의 압력변화 양상에 크게 영향을 받지 않고 비교적 일정하므로, 분리형 안전주입탱크(100)는 냉각재 상실 규모가 상이한 다양한 배관 파단 사고 등에 대응할 수 있다. 또한, 분리형 안전주입탱크(100)에서 원자로용기의 압력변화에 직접 영향을 받는 부분은 냉각재주입부(101)이므로, 냉각재 상실 사고 초중반에는 일체형 안전주입탱크에 비해 냉각재주입부(101)로 유입되는 가스의 양이 현저하게 작다. 따라서 가스 체적의 작은 변화에도 냉각재주입부(101)의 압력은 압력이 크게 감소된다. 결과적으로 분리형 안전주입탱크(100)는 상대적으로 원자로용기의 압력변화에 민감하지 않고 급속한 냉각재 주입을 방지할 수 있다.

분리형 안전주입탱크(100)는 원자로용기와의 압력차를 이용하여 냉각재를 상기 원자로용기로 주입하므로 자연력을 이용한 피동적인 방법으로 장시간 냉각재 주입이 가능하다. 따라서 분리형 안전주입탱크(100)는 일체형 원자로의 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 A 부분의 확대도 및 단면도이다.

확대도 (a)를 참조하면, 오리피스(103)는 연결부(104)의 내측벽으로부터 적어도 일부가 돌출되어 연결부(104)의 관로를 축소시킨다. 오리피스(103)는 연결부(104)를 통과하는 가스의 유동단면적을 축소시켜, 가스의 유동을 억제한다. 가스는 오리피스(103)를 통과하기 전까지 유동단면적이 일정하다가 관로의 축소로 인해 유동단면적이 축소되고, 도 1에서 설명한 바와 같이 임계압력차 이상의 압력차에서는 임계유동이 형성되며, 임계유동이 형성되는 지점은 유로면적이 가장 작은 축소부분이므로 작은 임계유량을 유지하게 된다.

단면도 (b)를 참조하면, 오리피스(103)의 단면은 연결부(104)의 내측벽 둘레를 따라 형성되는 원형이 될 수 있다. 다만 본 발명에서 오리피스(103)의 형상은 이에 한정되지 않고 단면도 (c)와 같이 연결부(104)의 내측벽 일부에만 형성될 수도 있다. 오리피스(103)의 형상에 따라 관내의 가스 유동이 달라질 수 있으나, 임계압력차 이상에서 임계유동을 형성하는 것에는 변함이 없다.

도 3은 본 발명의 다양한 변형례와 관련된 분리형 안전주입탱크(110, 120, 130, 140, 150)의 개념도이다.

도시한 바와 같이 분리형 안전주입탱크(110, 120, 130, 140, 150)는 탱크의 형상과 냉각재주입부(111, 121, 131, 141, 151a)에 채워진 냉각재의 수위가 다양하게 정해질 수 있다. 냉각주의 수위에 따라 원자로용기로 주입되는 냉각재의 안전주입 양상이 달라진다.

(a) 내지 (d)에 도시된 분리형 안전주입탱크(110, 120, 130, 140)의 경우 냉각재주입부(111, 121, 131, 141)와 가스주입부(112, 122, 132, 142)가 각각 별개의 탱크를 구비한다. 냉각재주입부(111, 121, 131, 141)는 냉각재가 채워지는 냉각재탱크(111, 121, 131, 141)를 구비하고, 가스주입부(112, 122, 132, 142)는 가스가 채워지는 가스탱크(112, 122, 132, 142)를 구비한다. 냉각재탱크(111, 121, 131, 141)와 가스탱크(112, 122, 132, 142)는 연결배관(114, 124, 134, 144)에 의해 연결되고, 오리피스(113, 123, 133, 143)는 상기 연결배관(114, 124, 134, 144)에 설치된다.

반면, (e)에 도시된 분리형 안전주입탱크(150)는 냉각재주입부(151a)와 가스주입부(151b)가 하나의 안전주입탱크(151)로 형성된다. 안전주입탱크(151)는 냉각재주입부(151a)와 가스주입부(151b)를 구분하는 격벽(152)을 구비하며, 오리피스(153)는 상기 가스주입부(151b)로부터 유입되는 가스가 상기 오리피스(153)를 통과하도록 상기 격벽(152)에 설치된다. 오리피스(153)는, (e)와 같이 냉각재주입부(151a)와 가스주입부(151b) 사이에 설치되면 가스의 임계유동이 형성될 수 있게 하므로, 분리형 안전주입탱크(150)가 냉각재주입부(151a)와 가스주입부(151b)를 사이에 오리피스(153)가 설치될 수 있는 연결배관을 반드시 구비해야 하는 것은 아니다.

(a)와 (b)는 도 1에 도시된 분리형 안전주입탱크(100)와 같은 형상을 갖지만, 냉각재 수위에 따라 다른 안전주입특성을 갖는 분리형 안전주입탱크(110, 120)를 나타낸 것이다.

(a)에 도시된 분리형 안전주입탱크(110)의 냉각재탱크(111)에는 이미 가스가 일부 채워져 있다. 따라서 배관 파단 사고 발생 초반에 상기 냉각재탱크(111)에 채워져 있는 가스가 팽창하여 다량의 냉각재가 원자로용기로 주입된다. 다량의 냉각재가 원자로용기로 주입되고 난 후에는 가스탱크(112)와 냉각재탱크(111) 사이에 임계유동이 형성되어 사고의 중후반에는 냉각재가 소량씩 서서히 주입된다.

(b)에 도시된 분리형 안전주입탱크(120)는 냉각재가 가스탱크(122)의 일부까지 채워져 있다. 따라서 배관 파단 사고 발생 초반에 가스탱크(122)에 채워져 있는 냉각재의 유량만큼 다량의 냉각재가 원자로용기로 주입된다. 가스탱크(122)에 채워져 있던 냉각재가 모두 주입된 후에는 가스탱크(122)의 가스가 오리피스(123)에 의해 임계유동을 형성하고 사고의 중후반에는 냉각재가 소량씩 서서히 주입된다.

(c)에 도시된 분리형 안전주입탱크(130)는 (a)와 (b)에 도시된 분리형 안전주입탱크(110, 120)의 가스탱크(112, 122) 형상을 변형한 것이다. 가스탱크(112)는, 도시한 바와 같이 요구되는 일체형 원자로의 설계특성에 따라 공간적인 제약을 극복하고 불필요한 공간의 낭비를 줄일 수 있는 형상으로 설계될 수 있다. (c)에 도시된 분리형 안전주입탱크(13)는 냉각재의 수위가 (b)에 도시된 분리형 안전주입탱크(120)와 유사하므로 원자로용기로의 안전주입 양상은 (b)에서 설명한 바와 동일하다.

(d)에 도시된 분리형 안전주입탱크(140)는 (a)와 (b)에 도시된 분리형 안전주입탱크(110, 120)의 냉각재탱크(111, 121) 형상을 변형한 것이다. 냉각재 탱크(141)도 가스탱크(142)와 마찬가지로 요구되는 일체형 원자로의 설계 특성이 따라 공간적인 제약을 극복하고 불필요한 공간의 낭비를 줄일 수 있는 형상으로 설계될 수 있다. 다만, 냉각재의 수위는 (a) 내지 (c)에 도시된 분리형 안전주입탱크(110, 120, 130)와 다르므로 원자로용기로의 안전주입 양상은 (a) 내지 (c)와 다르고, 도 1에서 설명한 분리형 안전주입탱크(100)와 유사하다. (d)에 도시된 분리형 안전주입탱크(140)는 가스의 팽창 또는 가스탱크(142)의 상부에 채워진 냉각재가 없으므로 배관 파단 사고 발생의 초반부터 후반까지 가스의 임계유동에 의한 냉각재 주입이 소량씩 서서히 이루어진다.

(e)에 도시된 분리형 안전주입탱크(150)는 냉각재주입부(151a)와 가스주입부(151b)가 하나의 안전주입탱크(151)로 형성되어 있으나, 격벽(152)에 의해 여전히 공간적으로 분리되어 있다. 냉각재주입부(151a)에는 배관 파단 사고 발생 전에 이미 가스가 채워져 있으므로, 배관 파단 사고 발생 시 초반에 상기 가스의 팽창에 의한 다량의 냉각재 주입이 이루어지는 것은 (a)에서 설명한 바와 같다. 이후 배관 파단 사고 발생 후 중후반의 냉각재 주입 양상도 (a)에서 설명한 바와 같다.

도 3의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 다양한 변형례로서, 분리형 안전주입탱크의 형태와 냉각재의 수위에 따라 원자로 용기로 주입되는 냉각재의 안전주입 양상이 달라진다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 원자로의 요구 특성에 따라 다양한 형태와 수위의 조합으로 구성할 수 있다.

이하에서는 이상에서 설명한 분리형 안전주입탱크를 구비하는 일체형 원자로의 작동에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4는 정상운전시 본 발명의 일 실시예에 따르는 분리형 안전주입탱크(100)을 구비하는 일체형 원자로(200)의 계통배열을 나타내는 개념도이다.

일체형 원자로(200)는 원자로용기(210), 피동잔열제거계통(220), 노심보충탱크(230) 및 분리형 안전주입탱크(100)를 포함한다.

원자로용기(210)의 내부에는 주요기기들을 냉각하기 위한 냉각재가 다량 채워져 있다. 정상 운전시 급수밸브(213a)와 증기밸브(214a)는 개방되어 있으며 급수관(213b)을 통해 급수가 유입되어 증기발생기(211)에서 고온 및 고압의 증기로 변환되며 증기관(214b)을 통해 터빈으로 공급함으로써 발전이 이루어진다.

분리형 안전주입탱크(100)는 가스가 냉각재를 가압하는 가스가압식으로써 상대적으로 고압의 조건에서 작동한다. 분리형 안전주입탱크(100)는, 노심의 열을 지속적으로 제거하는 피동잔열제거계통(220) 및 원자로의 배압을 이용해 냉각재를 주입하는 배압식의 노심보충탱크(230)와 함께 일체형 원자로(200)에 포함되는 경우, 펌프 작동을 위한 비상 디젤발전기와 같은 전력계통이 필요 없게 되며, 원자로 운전원의 오류도 감소시킬 수 있어 일체형 원자로(200)의 신뢰성과 안전성이 크게 향상된다.

도 5 내지 도 8은 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실 사고 발생시 관련계통의 작동을 시간의 순서대로 나타낸 것이다.

도 5는 도 4에 도시된 일체형 원자로(200)의 배관 파단 등에 의한 냉각재 상실 사고 발생 초기의 상황을 나타내는 개념도이다.

도 5를 참조하면 원자로용기(210)와 연결되는 배관이 파단되는 사고의 발생시 파단부위(240)로 원자로용기(210)의 냉각재가 상실되기 시작한다. 이에 따라 원자로용기(210)의 수위는 저하되고 압력은 감소한다.

도 6은 도 5에 이은 피동잔열제거계통(220) 및 노심보충탱크(230)의 작동을 나타내는 개념도이다.

피동잔열제거계통(220)은 노심(212)의 현열과 잔열을 제거하는 계통이다. 급수밸브(213a)와 증기밸브(214a), 및 격리밸브(241)는 원자로의 수위 저하와 압력 감소에 의해 격리신호가 발생함으로써 폐쇄된다. 개방되어 있던 급수밸브(213a)와 증기밸브(214a)가 폐쇄되면 피동잔열제거계통(220)의 밸브(223)와 체크밸브(224)가 개방되고, 피동잔열제거계통(220) 내부에 저장되어 있던 유체가 증기발생(211)와 열교환기(222)를 순환하면서 노심의 열을 비상냉각탱크(221)로 전달하게 된다.

노심보충탱크(230)는 냉각재 또는 비냉각재 상실 사고 발생시 원자로용기(210)로 냉각재를 주입하는 안전주입계통의 하나로써 탱크의 수위에 의한 배압식 안전주입이 이루어진다. 노심보충탱크(230)는 원자로용기로 냉각재를 주입하기 위해 중력수두를 이용하므로 원자로용기와는 적절한 높이차를 갖도록 설치되어야 한다. 원자로용기(210)의 압력이 감소되고 수위가 저하되면 작동신호가 발생하여 밸브(232)와 체크밸브(233)가 개방되며, 노심보충탱크(230)로부터 원자로용기(210)로 냉각재 주입이 이루어진다.

압력평형배관(231)은 일단이 원자로용기(210)와 연결되고, 타단이 노심보충탱크(230)와 연결된다. 압력평형배관(231)은 노심보충탱크(230)에 배압을 형성하여 상기 노심보충탱크(230)로부터 원자로용기(210)로의 안전주입이 원활하게 이루어지도록 한다.

노심보충탱크(230)는 압력평형배관(231)을 구비함으로써 원자로용기(210)와의 압력평형 현상을 이용해 중력수두에 의해 냉각재를 원자로용기(210)로 주입한다. 따라서 노심보충탱크(230)는 원자로용기(210)의 압력변화에 민감하지 않고, 설치할 수 있는 높이가 제한적이므로 설계 중력수두가 크지 않은 특성이 있다. 이러한 특성으로 인해 원자로용기의 압력이 급격하게 감소하여 신속한 안전주입이 요구되는 상황(예를 들어, 분리형 원자로의 대형 냉각재 상실 사고 등)에 적용하기에는 부적절하다. 또한 원자로의 파단부보다 높은 위치에 설치해야 하므로 공간확보가 어려운 경우에도 적용이 어렵다.

도 6을 참조하면, 원자로용기(210)의 냉각재 수위는 시간이 지날수록 점차 저하되고, 압력도 감소한다. 노심보충탱크(230)는 분리형 안전주입탱크(100)에 비해 상대적으로 고압의 조건에서 작동하므로, 원자로용기(210)의 압력이 분리형 안전주입탱크(100)의 설정압력 이하로 저하되기 전 이미 작동을 시작한 상태이다. 그러나 분리형 안전주입탱크(100)는 원자로용기(210)의 압력이 분리형 안전주입탱크(100)의 설정압력 이하로 감소하지 않았으므로 아직 작동을 시작하지 않은 상태이다.

도 7은 도 6에 이은 피동잔열제거계통(220), 노심보충탱크(230) 및 분리형 안전주입탱크(100)의 작동상태를 나타내는 개념도이다.

도 7을 참조하면 도 6보다 배관 파단 발생 후 시간이 더 흘러 원자로용기(210)의 냉각재 수위는 더욱 저하되고, 압력도 더욱 감소하여 분리형 안전주입탱크(100)의 설정압력 이하로 감소된 상태이다.

피동잔열제거계통(220)과 노심보충탱크(230)는, 도 5와 마찬가지로 지속적으로 작동을 하여 각각 노심을 열을 제거하고 원자로용기(210)로 냉각재를 주입한다.

분리형 안전주입탱크(100)는, 원자로용기(210)의 압력이 설정압력(가스주입부(102)의 압력) 이하로 감소되어 안전주입배관(107)에 설치된 체크밸브(105)가 개방됨에 따라 원자로용기(210)로의 안전주입을 시작한다. 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차가 임계압력차에 도달하지 전까지는 차압이 증가할수록 가스주입부(102)로부터 냉각재주입부(101)로 주입되는 가스의 유량이 증가하고, 이에 따라 분리형 안전주입탱크(100)로부터 원자로용기(210)로 주입되는 냉각재의 유량도 증가한다.

분리형 안전주입탱크(100)는, 도시한 바와 같이 안전주입배관(107)에 설치되는 체크밸브(105)를 더 포함할 수 있다. 체크밸브(105)는, 정상운전시 폐쇄된 상태에서 원자로용기(210) 내부의 냉각재가 역류하여 유출되는 것을 방지하고 원자로용기(210)의 압력이 가스주입부(102)의 압력 이하로 감소되면 개방되어 분리형 안전주입탱크(100)로부터 안전주입이 이루어질 수 있도록 한다.

또한 분리형 안전주입탱크(100)는, 도시한 바와 같이 안전주입배관(107)에 설치되는 교축부재(106)를 더 포함할 수 있다. 교축부재(106)는, 예를 들어 오리피스가 될 수 있다. 교축부재(106)는 분리형 안전주입탱크(100)로부터 원자로용기(210)로 주입되는 냉각재의 유량을 억제하도록 안전주입배관(107)의 관로를 축소시킨다. 냉각재의 유량이 억제되므로 분리형 안전주입탱크(100)로부터 원자로용기(210)로의 안전주입이 단시간에 끝나는 것을 방지할 수 있다.

분리형 안전주입탱크(100)는 가스가압식이므로 배압식과 다르게 원자로용기(210)와의 압력평형을 이루도록 하는 압력평형관이 필요없다. 따라서 냉각재 상실 사고의 발생요인을 줄일 수 있다.

도 8은 도 7에 이은 노심보충탱크(230)의 기능상실과 분리형 안전주입탱크(100)의 지속적인 안전주입을 나타내는 개념도이다.

도 8을 참조하면 도 7보다 시간이 더 흐른 상태이다. 피동잔열제거계통(220)은 도 7에 이어 지속적으로 노심의 열을 제거하나, 노심보충탱크(230)는 내부에 저장되어 있던 냉각재를 원자로용기(210)로 모두 주입함으로써 기능을 상실한다.

반면, 분리형 안전주입탱크(100)는 도 1에서 설명한 바와 같이 원자로용기(210)의 압력이 더욱 감소하여 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차가 입계압력차 이상으로 증가하더라도 가스주입부(102)로부터 냉각재주입부(101)로 주입되는 가스의 유량은 오리피스(103)를 통과하는 압축성유체의 임계유동 특성에 의해 임계유량으로 억제된다. 이때 원자로용기(210)로 주입되는 냉각재의 유량은 냉각재주입부(101)와 원자로용기(210) 사이의 압력차에 의해 형성되므로, 원자로용기(210)로 주입되는 냉각재의 유량 또한 억제되고, 냉각재의 주입속도를 늦추어 지속적인 안전주입이 이루어질 수 있다.

원자로용기(210)의 압력이 안정화되면서 임계유동에 의한 가스주입과 차압에 의한 냉각재주입이 장시간 이루어진다. 가스주입부(102)로부터 가스가 지속적으로 방출되며 가스주입부(102)와 냉각재주입부(101) 사이의 압력차는 감소한다.

도 4 내지 도 8을 참조하면, 노심보충탱크(230)가 고압으로 설계되어 비교적 빠른 시간에 냉각재를 주입하는 반면 분리형 안전주입탱크(100)는 비교적 서서히 장시간에 걸쳐 목표하는 시간까지 냉각재를 주입할 수 있다. 분리형 안전주입탱크(100)는 냉각재의 유량을 효율적으로 안전주입에 이용할 수 있으므로 필요한 탱크의 크기를 감소시킬 수 있고, 가스주입부(102)의 초기압력을 상승시킬 수 있어 원자로용기(210)의 압력을 낮추는 감압계통이 작동되지 않는 경우에도 안전주입을 수행할 수 있게 구성할 수도 있다.

이상에서 설명한 분리형 안전주입탱크는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100 ; 분리형 안전주입탱크 200 ; 일체형 원자로
210 ; 원자로용기 220 ; 피동잔열제거계통
230 ; 노심보충탱크

Claims

냉각재 상실 사고 발생시 내부에 채워진 냉각재가 원자로용기와의 압력차에 의해 상기 원자로용기로 주입되도록 안전주입배관에 의해 상기 원자로용기와 연결되는 냉각재주입부;
상기 냉각재주입부와 통하도록 연결되며, 냉각재 누출 사고시 내부의 가스를 상기 안전주입탱크의 상부로 유입시켜 상기 원자로용기로 주입되는 냉각재를 가압하도록 형성되는 가스주입부; 및
상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부 사이에 구비되어 상기 냉각재주입부로 유입되는 상기 가스의 유동단면적을 축소시키도록 이루어지고, 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부 사이에 임계압력차 이상의 압력차가 형성되면 상기 냉각재주입부로 유입되는 상기 가스의 유속 및 유량을 임계유속 및 임계유량으로 유지시키는 오리피스를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리형 안전주입탱크.
제1항에 있어서,
상기 냉각재주입부는 상기 냉각재가 채워지는 냉각재탱크를 구비하고,
상기 가스주입부는 상기 가스가 채워지는 가스탱크를 구비하며,
상기 냉각재탱크와 상기 가스탱크는 연결배관에 의해 연결되고,
상기 오리피스는 상기 연결배관에 설치되는 것을 특징으로 하는 분리형 안전주입탱크.
제1항에 있어서,
상기 안전주입부와 상기 가스주입부는 하나의 안전주입탱크로 형성되고,
상기 안전주입탱크는 상기 냉각재주입부와 상기 가스주입부를 구분하는 격벽을 구비하며,
상기 오리피스는 상기 격벽에 설치되는 것을 특징으로 하는 분리형 안전주입탱크.
제1항에 있어서,
상기 원자로용기로 주입되는 상기 냉각재의 유량을 억제하도록 상기 안전주입배관에 설치되어 상기 안전주입배관의 관로를 축소시키는 교축부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리형 안전주입탱크.
제1항에 있어서,
상기 원자로용기 내부의 냉각재가 역류하여 유출되는 것을 방지하도록 상기 안전주입배관에 설치되는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리형 안전주입탱크.