KR20140132613A - 비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로의 사고 발생시 시간의 경과에 따라 비상냉각탱크로 전달되는 열량이 달라지는 것에 대비하여 냉각수의 보충 없이 장기냉각이 가능한 비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전을 개시한다. 비상냉각탱크 냉각설비는, 내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크, 대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치, 및 상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함한다.

Description

비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전{COOLING SYSTEM OF EMERGENCY COOLLING TANK AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}
본 발명은 원자로의 사고 발생시 최종 열침원인 비상냉각탱크로 전달되는 열량의 특성을 고려하여 경제적인 비용의 증가를 최소화하면서 비상냉각탱크 내부의 냉각수를 재충수 하지 않고도 비상냉각탱크의 냉각기능을 장기간 동안 유지할 수 있도록 구성하여 안전성을 증진시킨 비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.
비상냉각탱크는 일체형원자로를 포함하여 다양한 원자로에서 사고 발생시 원자로의 열(원자로의 현열 및 노심의 잔열)을 제거하는 열침원으로 이용되고 있다. 원자로의 열은 피동잔열제거계통(원자로 내부의 잔류 열)이나 피동격납건물냉각계통(격납건물 내부로 방출된 열)을 통해 최종적으로 비상냉각탱크로 전달되고, 비상냉각탱크의 냉각수가 증발하면서 대기로 열을 방출한다.
피동잔열제거계통의 열교환기는 외부 냉각방식에 따라 수랭식(water-cooling : 한국 SMART 원자로, 미국 웨스팅하우스사 AP1000), 공랭식(air-cooling : 프랑스 SCOR) 또는 수랭식과 공랭식을 혼합한 혼합식(hybrid-cooling : 일본 IMR)을 적용하고 있다.
열교환기의 냉각방식에 대하여는 참고문헌 1을 참조한다.
[참고문헌 1] IAEA-TECDOC-1624, Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants, IAEA, 2009
일반적으로 수랭식 열교환기는 냉각 효율이 우수하므로 열교환기의 용량을 소형으로 제작할 수 있다는 장점이 있으나, 사고 발생시 열교환기로부터 열을 전달받는 비상냉각탱크 내부의 냉각수는 점점 증발되어 결국 고갈되므로 냉가수 저장 용량을 넘어서는 장기간의 냉각을 위해서는 비상냉각탱크의 냉각수를 주기적으로 재충수해 주어야 하는 단점이 있다.
반면, 공랭식 열교환기는 비상냉각탱크가 없어 냉각수를 주기적으로 보충해 주지 않아도 되는 장점은 있으나, 냉각 효율이 수랭식에 비해 떨어진다. 공랭식 열교환기의 효율은 공기가 접하는 튜브 벽면의 열전달 효율에 의해 좌우되는데, 공랭식 열교환기는 튜브 벽면을 통해 외부(공기)로 열을 전달하는 과정에서 열전달 효율이 낮으므로, 열교환기의 크기를 크게 증가시켜야 하는 단점이 있다.
또한, 혼합식 열교환기도 공랭식으로 작동하는 시점에서는 열전달 성능이 수랭식에 비해 크게 감소하여 수랭식 열교환기보다는 상대적으로 큰 열교환기를 사용해야 하는 단점이 있다.
피동잔열제거계통의 열교환기 내부 냉각방식으로는 열전달 효율이 뛰어난 증기 응축 방식의 응축열교환기를 많이 채용하고 있다. 피동잔열제거계통의 열교환기는 일반적으로 고온 고압에서 작동하므로 설계압력이 매우 높고, 열교환기의 크기를 증가시키는 경우에는 경제성이 크게 떨어진다.
원자로의 사고 발생시 원자로로부터 전달되는 열은 항상 일정한 것이 아니다. 일반 보일러와는 다르게 원자로는 원자로의 노심이 정지한 후에도 상당한 기간 동안 노심에서 잔열이 발생한다. 이에 따라 원자로가 사고 등으로 정지하는 경우, 사고 발생 초기에는 많은 양의 잔열이 노심에서 방출되며, 시간이 지남에 따라 방출되는 잔열은 현저하게 감소하는 특성이 있다. 따라서 원자로로부터 비상냉각탱크로 전달되는 열도 사고 발생 후 시간이 지남에 따라 현저하게 감소하게 된다.
종래의 비상냉각탱크는 이러한 원자로의 사고 특성으로 인해 비상냉각탱크 상부가 개방되어 있었다. 사고시 열이 비상냉각탱크로 전달되면, 그 열을 전달받은 비상냉각탱크 내부의 냉각수는 온도가 상승한 후 증발하여 증기로 상변화되고, 비상냉각탱크의 개방된 부분을 통해 외부로 방출되어 증발열로 열적 부하를 소화하였다.
그러나, 이러한 종래의 구조는 비상냉각탱크의 장기 가동에 따라 비상냉각탱크 내부의 냉각수의 양이 점점 줄어들다가 결국 고갈되는 문제가 있었다. 비상냉각탱크 내부의 냉각수가 고갈되면 비상냉각탱크는 그 기능을 상실하게 되어 주기적으로 냉각수를 재충수해주지 않으면 장기간 기능을 유지할 수 없는 한계가 있었다. 그리고 설계기준을 초과한 사고 발생시 냉각수를 재충수하기 위한 전력계통의 이용이 장기간 중단되는 경우에는 중대사고로 사고 규모가 확대될 수 있는 문제가 있었다.
본 발명의 일 목적은 전력계통의 이용이 불가능하여 비상냉각탱크를 재충수할 수 없는 경우에도 비상냉각탱크의 기능을 장기간 동안 유지할 수 있는 비상냉각탱크 냉각설비를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 원자로의 사고 발생시 비상냉각탱크로 전달되는 열량의 특성을 고려하여 경제적인 비용의 증가를 최소화하면서도, 비상냉각탱크 내부에 냉각수를 재충수하지 않아도 비상냉각탱크 냉각기능을 장기간 동안 유지할 수 있도록 대기압 수준의 저압에서 작동하는 냉각설비를 비상냉각탱크와 함께 구성하여 안전성을 증진시킨 원전을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 비상냉각탱크 냉각설비는, 내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크, 대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치, 및 상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 열교환장치는, 상기 비상냉각탱크 내부의 유체에 상승 유로를 제공하도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되어 상향으로 연장되게 형성되는 덕트, 및 상기 덕트를 통과해 유입된 유체를 냉각 및 응축시키도록 대기와 열교환하고 열을 잃고 밀도차에 의해 하강하는 유체를 회수하도록 상기 비상냉각탱크에 연결되는 열교환부를 포함한다.
상기 열교환부는 상기 대기와의 열교환 면적을 충분히 확보하도록 적어도 일부가 곡관과 직관의 혼합형 또는 나선형으로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 열교환장치는, 상기 비상냉각탱크 내부의 유체로부터 열을 전달받도록 상기 비상냉각탱크의 내부에 설치되는 제1열교환기, 및 배관에 의해 상기 제1열교환기와 연결되어 내부에 유체가 흐르는 폐회로를 형성하고 상기 제1열교환기에서 상기 유체에 전달된 열을 대기로 방출하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 설치되는 제2열교환기를 포함한다.
상기 제1 및 제2열교환기는, 상기 비상냉각탱크의 유체와 열교환하고 열교환 면적을 충분히 확보하도록 다발로 형성되는 튜브, 및 상기 유체를 튜브의 입구에서 각 튜브로 분배하며 튜브의 출구에서 분배된 유체를 합류시키는 헤더를 포함할 수 있다.
상기 튜브는 상기 대기와의 열교환 면적을 충분히 확보하도록 적어도 일부가 곡관과 직관의 혼합형 또는 나선형으로 형성될 수 있다.
상기 제1열교환기는 상기 비상냉각탱크 내부의 증기 또는 대기와 열교환하도록 상기 비상냉각탱크의 수위보다 높은 위치에 설치될 수 있다.
상기 제1열교환기는 상기 비상냉각탱크 내부의 증기, 대기 또는 냉각수와 열교환하도록 적어도 일부가 상기 비상냉각탱크의 냉각수에 침지될 수 있다.
상기 제1열교환기는 기체로 상변화되어 상승하려는 유체를 자연순환시키도록 적어도 일부가 상기 유체의 유동방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 제2열교환기는 대기에 열을 전달하고 응축되는 유체를 상기 제1열교환기로 순환시키도록 하방향으로 연장되어 상기 제1열교환기와 연결될 수 있다.
상기 비상냉각탱크 냉각설비는, 상기 열교환장치의 과압을 방지하도록 상기 배관에 연결되어 온도변화에 의해 팽창 또는 수축되는 유체를 수용하는 가압기를 더 포함할 수 있다.
상기 가압기는 상기 열교환장치를 순환하는 유체의 유량을 보충하도록 내부에 보충수를 구비할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 비상냉각탱크 냉각설비는, 상기 비상냉각탱크 위에 설치되어 상기 열교환장치의 적어도 일부를 감싸도록 형성되고, 하부로 유입된 대기를 상부로 통과시켜 상기 열교환장치와 자연대류에 의한 열교환을 유도하는 공기순환부를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 개폐부는 상기 비상냉각탱크 내의 증기에 의해 형성되는 기설정된 압력보다 높은 압력에서 피동적으로 개방되는 체크밸브 또는 플랩밸브 형태이다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 개폐부는, 상기 비상냉각탱크로 전달되는 열적 부하가 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량 이하로 감소하면 증기의 방출을 억제하고 상기 비상냉각탱크의 냉각수 양을 유지하도록 기설정된 압력보다 낮은 압력에서 피동적으로 폐쇄된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 비상냉각탱크 냉각설비를 구비하는 원전을 개시한다.
원전은, 원자로의 사고 발생시 상기 원자로에서 격납건물로 방출되는 증기를 응축시켜 상기 격납건물의 압력 상승을 억제하는 피동격납건물냉각계통, 및 상기 피동격납건물냉각계통으로부터 상기 원자로의 현열 및 잔열을 전달받아 외부로 방출하는 비상냉각탱크 냉각설비를 포함하고, 상기 비상냉각탱크 냉각설비는, 내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크, 대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치, 및 상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 원전은, 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 내부의 증기발생기로 냉각수를 순환시켜 원자로의 현열 및 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통, 및 상기 피동잔열제거계통으로부터 상기 원자로의 현열 및 잔열을 전달받아 외부로 방출하는 비상냉각탱크 냉각설비를 포함하고, 상기 비상냉각탱크 냉각설비는, 내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크, 대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치, 및 상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 사고시 비상냉각탱크가 장기간 작동에도 내부의 냉각수가 고갈되지 않고, 수위를 유지하여 원자로로부터 방출되는 현열 및 잔열을 장기간 제거할 수 있다.
또한 본 발명은, 고압 설비인 피동잔열제거계통 또는 피동격납건물냉각계통의 열교환기의 용량을 증가시키지 않으면서도 대기압 수준의 설비인 비상냉각탱크를 이용해 원자로로부터 방출되는 현열 및 잔열을 장기간 제거하므로 경제성 및 안전성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비의 개념도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비의 개념도.
도 4a 내지 도 4c는 열교환기의 튜브를 나타내는 개념도.
도 5는 피동격납건물냉각계통과 비상냉각탱크 냉각설비를 구비하는 원전의 개념도.
도 6은 피동잔열제거계통과 비상냉각탱크 냉각설비를 구비하는 원전의 개념도.
도 7은 피동잔열제거계통, 피동격납건물냉각계통 및 비상냉각탱크 냉각설비를 구비하는 원전의 개념도.
도 8은 도 7에 도시된 원전의 정상운전 상태를 나타내는 개념도.
도 9는 도 7에 도시된 원전의 냉각재상실사고 발생시 피동잔열제거계통의 작동 전 피동격납건물냉각계통과 비상냉각탱크 냉각설비의 작동을 나타내는 개념도.
도 10은 도 9에 이어 피동안전주입계통, 피동잔열제거계통, 피동격납건물냉각계통 및 비상냉각탱크 냉각설비의 작동을 나타내는 개념도.
도 11은 도 10에 이어 피동안전주입계통, 피동잔열제거계통, 피동격납건물냉각계통 및 비상냉각탱크 냉각설비의 장기냉각을 나타내는 개념도.
도 12는 시간에 따른 비상냉각탱크 냉각설비의 열흐름을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비(100)의 개념도이다.
비상냉각탱크 냉각설비(100)는 원자로 또는 격납건물로부터 전달되는 열을 외부로 방출하며, 비상냉각탱크(110), 열교환장치(120) 및 개폐부(130)를 포함한다.
비상냉각탱크(110)는 내부에 냉각수를 수용하도록 형성된다. 비상냉각탱크(110)의 내부에는 원자로의 사고 발생시 피동잔열제거계통 또는 피동격납건물냉각계통을 통해 원자로 또는 격납건물로부터 전달된 열을 비상냉각탱크(110) 내부의 냉각수에 전달하는 응축열교환기(11)가 설치된다. 탱크는 탱크 또는 수조를 포괄적으로 지칭한다.
원자로에서 사고 발생시 원자로의 작동이 정지된 후에도 노심에서는 지속적으로 잔열이 발생하므로, 피동잔열제거계통 또는 피동격납건물냉각계통은 원자로로부터 지속적으로 열을 전달받아 응축열교환기(11)를 통해 비상냉각탱크(110)에 전달한다. 비상냉각탱크(110)는 전달받은 열을 대기로 방출하는 열침원으로 작동한다.
열교환장치(120)는 비상냉각탱크(110)에 전달된 열을 대기와의 열교환을 통해 대기중으로 방출한다. 열교환장치(120)는 비상냉각탱크(110)와 대기 사이에서 열교환하도록 비상냉각탱크(110)의 외부에 노출되게 설치된다.
종래의 비상냉각탱크(110)에는 열교환장치(120)와 같은 외부적인 장치 없이 비상냉각탱크(110) 내부의 냉각수가 증발하여 증발열로 열적 부하를 소화하였으나, 냉각수가 모두 증발하여 고갈되면 더 이상 비상냉각탱크(110)가 작동하지 못하는 문제가 있어 장기냉각에 한계가 있었다.
열교환장치(120)는 이러한 문제점을 극복하기 위해 비상냉각탱크(110)에 설치되어 대기와 비상냉각탱크(110) 사이에서 열교환을 통해 비상냉각탱크(110)에 전달된 열을 외부로 방출한다. 열교환장치(120)는 비상냉각탱크(110)의 열교환 방식을 개선하여 비상냉각탱크(110)의 냉각수 고갈 문제를 근본적으로 제거한다.
열교환장치(120)의 작동에 의해 비상냉각탱크(110) 내부의 냉각수가 고갈되지 않으므로, 비상냉각탱크(110)는 냉각수의 보충 없이 열방출 기능을 지속적으로 유지할 수 있다.
열교환장치(120)는 비상냉각탱크(110)의 냉각수가 증발된 증기를 통과시켜 냉각하는 방식과, 폐회로 내에 유체를 순환시켜 유체와 냉각수 사이의 열교환을 통해 냉각하는 방식으로 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 열교환장치(120)는 증기를 통과시켜 냉각하는 방식으로 덕트(121) 및 열교환부(122)를 포함한다.
덕트(121)는 비상냉각탱크(110)의 상부에 설치되고, 열을 전달받아 상승하는 증기에 상승 유로를 제공하도록 상향으로 연장되게 형성된다. 응축열교환기(11)로부터 열을 전달받은 냉각수는 증발되어 증기가 되고, 고온의 증기는 밀도차로 인해 상승하려는 속성을 가진다.
덕트(121)는 비상냉각탱크(110)와 통하도록 연결되고, 증기는 덕트(121)를 통해 열교환장치(120)로 인입된다. 덕트(121)의 입구는 도시한 바와 같이 증기를 충분히 인입시키도록 유로보다 넓은 단면적으로 형성될 수 있다.
열교환부(122)는 덕트(121)를 통과한 증기가 유입될 수 있도록 일단이 덕트(121)에 연결된다. 열교환부(122)의 입구와 출구에는 각각 헤더(123)가 설치된다. 증기는 열교환부(122)를 통과하면서 대기와 열교환을 통해 열을 잃고 냉각 및 응축된다.
열교환부(122)는 열을 잃고 밀도차에 의해 하강하는 유체를 비상냉각탱크(110)로 회수하도록 비상냉각탱크(110)에 연결된다. 덕트(121)가 열을 전달받은 증기에 상승 유로를 제공하는 것과 대응되도록 열교환부(122)는 열을 잃으면서 응축되어 하강하는 유체에 하강 유로를 제공한다.
열교환부(122)의 냉각효율은 대기와 증기의 열교환 면적에 의해 좌우될 수 있으며, 열교환부(122)는 대기와의 열교환 면적을 충분히 확보하도록 적어도 일부가 곡관과 직관의 혼합형 또는 나선형으로 형성될 수 있다. 열교환부(122)가 직선관으로 형성되고 하방향으로 연장되어 비상냉각탱크(110)에 연결되는 것보다, 복잡한 유로를 통과하면 대기와의 열교환 기회가 더 많으므로 냉각 효율을 높일 수 있다. 단, 나선형은 제작이 어려운 단점이 있으므로, 열교환부(122)의 형태는 선택적으로 적용할 수 있다.
열교환부(122)를 통과해 냉각 및 응축된 냉각수는 다시 비상냉각탱크(110)로 회수된다. 이에 따라 비상냉각탱크(110)에 전달되는 열적 부하가 비상냉각탱크(110)의 냉각용량 이하로 감소한 이후에는 비상냉각탱크(110)의 냉각수 양이 일정 수준을 유지할 수 있다.
덕트(121)와 열교환부(122)를 순환하면서 냉각되어 다시 비상냉각탱크(110)로 회수되는 냉각수는 밀도차에 의한 자연순환 현상을 이용하므로, 열교환장치(120)는 외부에서 열교환을 위한 펌프 등의 동력순환장치가 없어도 작동할 수 있다.
개폐부(130)는 냉각수의 수위보다 높도록 비상냉각탱크(110)의 상부에 설치된다. 개폐부(130)는 비상냉각탱크(110)의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 비상냉각탱크(110)의 외부로 방출하도록 기설정된 압력 이상에서 개방된다.
비상냉각탱크(110)의 냉각 용량은 탱크의 크기에 의해 결정될 수 있으나, 원전의 설계상 냉각 용량의 증가를 위해 비상냉각탱크(110)의 크기를 무제한으로 크게 만들 수는 없다. 따라서 비상냉각탱크(110)의 크기는 원전의 건설 공간, 경제성, 원전의 발전량 등에 따라 최적의 크기로 설계되고, 비상냉각탱크(110)의 냉각 용량에도 한계가 있다.
비상냉각탱크(110)로 전달되는 열적 부하가 비상냉각탱크(110)의 냉각 용량을 초과하는 원자로 사고 초반에는 매우 많은 열이 방출되므로, 이 열적 부하를 모두 소화하기 위해서는 매우 큰 열교환장치(120)가 요구된다. 이는 지나친 설비 비용의 증가를 초래한다. 본 발명은 열교환장치(120)는 잔열이 크게 감소하는 사고 후반부에 맞추어 용량을 설계하므로 본 발명의 열교환장치(120)만으로 사고 초반의 모든 열적 부하를 소화할 수 없다. 따라서 사고 초반에는 냉각수가 증발된 증기가 비상냉각탱크(110) 내부에 높은 압력을 형성하고, 높은 압력에 의해 형성된 증기의 유동에 의해 개폐부(130)가 개방된다.
냉각수가 증발하여 형성된 증기의 일부는 개폐부(130)를 통과해 비상냉각탱크(110)의 외부로 방출되고, 다른 일부는 덕트(121)로 유입된다. 따라서 사고 초반에는 증기 방출과 열교환장치(120)의 냉각에 의해 비상냉각탱크(110)의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하를 소화한다.
개폐부(130)는 비상냉각탱크(110)와 연결되는 배관에 설치되는 체크밸브나, 비상냉각탱크(110)의 외벽에 설치되는 플랩밸브 등이 적용될 수 있다. 체크밸브 및 플랩밸브는, 비상냉각탱크(110) 내에 형성된 고압의 유체가 개폐부(130) 쪽으로 이동함에 따라 개방된다. 그리고, 시간이 지남에 따라 비상냉각탱크(110)로 전달되는 열적 부하가 점점 감소하여 비상냉각탱크(110)의 냉각 용량 이하로 감소되면 기설정된 압력 이하에서 피동적으로 폐쇄된다.
비상냉각탱크(110)의 냉각 용량 이하에서는 열교환장치(120)만으로 비상냉각탱크(110)에 전달되는 열적 부하를 모두 소화할 수 있다. 개폐부(130)가 폐쇄됨에 따라 증기의 방출은 억제되고, 비상냉각탱크(110) 및 열교환장치(120)의 용량 이하로 열적 부하가 형성된다. 따라서 냉각수는 모두 회수되어 비상냉각탱크(110)의 냉각수 양은 비교적 일정하게 유지며, 비상냉각탱크(110)의 냉각수 고갈 문제는 발생하지 않는다.
개폐부(130)가 폐쇄된 이후에도 열교환장치(120)는 지속적으로 작동하면서 증기를 냉각시켜 비상냉각탱크(110)에 전달되는 열을 외부로 방출한다. 그리고, 비상냉각탱크(110) 내부의 냉각수는 열교환장치(120)를 순환할 뿐 더 이상 외부로 방출되지 않으므로 비상냉각탱크(110)는 반영구적으로 원전의 열침원 역할을 수행할 수 있다.
피동잔열제거계통의 응축열교환기(11)는 매우 높은 설계압력(SMART 원자로 : 약 17MPa)으로 설계 제작되므로 냉각 용량 증가를 위해 크기가 증가하는 경우 제작비용이 지나치게 많이 소요된다. 더욱이 피동잔열제거계통과 같은 안전 설비는 보수적으로 설계되어야 하는 특성상 크기 증가는 경제성을 크게 낮추는 문제가 있다. 또한 피동격납건물냉각계통도 대기압보다는 높은 압력으로 설계하므로 피동잔열제거계통과 유사한 문제가 있다.
반면, 비상냉각탱크(110)의 냉각수를 재충수하지 않아도 냉각 기능을 장기간 동안 유지할 수 있다. 또한 비상냉각탱크 냉각설비(100)는 대기압 수준의 저압력에서 작동된다. 이에 따라 원전의 안전성이 크게 향상될 뿐만 아니라 설비 비용의 증가를 최소화할 수 있다.
비상냉각탱크 냉각설비(100)는 공랭식으로 대기를 순환시켜 비상냉각탱크(110)로부터 증발된 증기를 냉각하는 공기순환부(140)를 더 포함할 수 있다. 공기순환부(140)는 대기의 자연대류에 의한 열교환을 유도하며, 냉각탑, 덕트 또는 굴뚝이 될 수 있다.
공기순환부(140)는 열교환장치(120)의 외부를 감싸도록 비상냉각탱크(110)의 위에 설치된다. 공기순환부(140)의 하부로 대기가 유입되어 열교환장치(120) 내부를 통과하는 유체와 열교환하여 열을 흡수한다. 열을 흡수한 대기는 상승하여 공기순환부(140)의 상부로 빠져나간다. 열교환장치(120)의 자연순환과 마찬가지로 공기순환부(140) 내부를 통과하는 대기의 밀도차에 의한 자연순환 원리를 이용한다.
이하에서는, 상기 열교환장치(120)의 규격 산정에 대하여 설명한다. 이러한 규격은 일 예이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로서, 본 발명에 관련된 SMART(System-integrated Modular Advanced Reactor, 정격출력 330MWt)에 적용되는 피동잔열제거계통은 모두 4 계열이 설치된다. SMART에 적용 가능한 열교환장치(120)의 규격 산정을 위해 사용된 주요 가정사항은, ⅰ) 열교환장치(120)의 튜브 외부에서 자연대류에 의한 열전달만을 고려(critical path)하고, ⅱ) 용량계산의 기준 시간은 72시간 이후로 설정한다.
그 외 열교환장치(120의 크기 산정을 위한 주요 입력값은 표 1에 나타내었다.
튜브 형태 직관을 가정
대수(NHX) 4대
튜브 직경 (d) 10~30㎜
튜브 피치 (P) 2d ㎜
튜브 유효 높이 (L) 1m
튜브 외벽 열전달 계수(공기) (hair) 5 W/㎡K
튜브 온도 (THX) 100℃
외부 대기 온도 (Tair) 40℃
원자로 정지 후 노심에서 발생하는 잔열은 ANS-73 붕괴열 곡선에 20%의 여유도를 추가로 고려할 경우 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure pat00001
본 발명에서 제안하는 열교환장치(120)가 정상 작동하는 시점인 72시간 이후의 잔열은 정상출력의 약 0.54%로, 열교환장치(120) 1대당 필요한 열제거량은 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
72시간 이후 비상냉각탱크(110)의 수위를 유지하기 위해서는 튜브 외부에서의 자연대류에 의한 열전달량이 잔열보다 커야 하므로, 이러한 조건은 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
잔열제거에 필요한 열전달면적 A는 수학식 4와 같이 주어진다.
Figure pat00004
따라서 수학식 4의 열전달 면적을 만족하는 튜브의 직경 및 개수를 구하고, 이를 튜브 피치를 고려하는 배치하면 표 2와 같다. 표 2는 SMART 원자로의 72시간 이후 잔열을 기준으로 계산된 열교환 장치(120)의 크기이다.
구분 기호 단위 Case A Case B Case C Case D Case E
열교환기 대수 NHX 대 4 4 4 4 4
튜브 개수/대 Ntube 개 1600 1600 2500 3600 3600
튜브 직경 d ㎜ 30 20 20 20 10
튜브 피치 P ㎜ 60 40 40 40 20
튜브 높이(길이) L m 4 5.5 3.5 2.5 5
튜브 온도 THX ℃ 200 200 200 200 200
외기 온도 Tair ℃ 40 40 40 40 40
열전달 계수 hair W/㎡K 5 5 5 5 5
열제거량/대 Q· req MW 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45
열교환장치(120) 튜브 전체 box 크기
높이 HHX m 6.6 7.3 5.7 5.1 6.4
가로/세로 LHX m 2.4 1.6 2.0 2.4 1.2
열교환장치(120)는 초기사건 또는 단일고장을 유발할 만한 밸브 또는 기기가 없으나, 보수적으로 단일고장을 고려하는 경우에는 가로(또는 세로)가 약 15% 증가하거나 높이가 약 33% 증가한다.
본 용량산정에서는 유지보수 및 제작의 편의성을 고려하여 튜브의 형태를 직관으로 가정하여 계산하였으나, 나선관을 사용하는 경우나 열교환장치(120)의 튜브에 핀을 장착하는 경우에는 열교환장치(120)를 더욱 소형화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비(200)의 개념도이다.
열교환장치(220)는 폐회로 내에 유체를 순환시켜 유체와 증기 또는 대기 사이의 열교환을 통해 냉각하는 방식으로 구성된다. 열교환장치(220)는 배관(221), 비상냉각탱크(210)의 내부에 설치되는 제1열교환기(222a), 비상냉각탱크(210)의 외부에 설치되는 제2열교환기(222b)를 포함한다.
제1열교환기(222a)는 비상냉각탱크(210)의 내부에 설치되되, 비상냉각탱크(210) 내의 증기 또는 대기와 열교환하도록 냉각수 수위보다 높은 위치에 배치된다. 열교환장치(220) 내부를 흐르는 유체는 제1열교환기(222a)를 통과하면서 비상냉각탱크(210) 내의 증기 또는 대기로부터 열을 전달받는다. 유체도 열을 전달받음에 따라 온도가 상승한다.
제1열교환기(222a)는 온도가 상승함에 따라 밀도가 감소하여 상승하려는 유체를 자연순환시키도록 적어도 일부가 도시한 바와 같이 유체의 유동방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
제2열교환기(222b)는 제1열교환기(222a)에서 열을 전달받은 유체를 대기와 열교환시켜 냉각되도록 비상냉각탱크(210)의 외부에 설치된다. 제2열교환기(222b)는 배관(221)에 의해 제1열교환기(222a)와 연결되어 폐회로를 형성하고, 폐회로 내에 유체가 순환한다.
제2열교환기(222b)는 대기에 열을 전달하고 온도가 감소하여 밀도가 증가한 유체를 제1열교환기(222a)로 유출시키도록 하방향으로 연장되어 제1열교환기(222a)와 연결될 수 있다. 폐회로를 흐르는 유체는 자연대류에 의해 열교환장치(220)를 순환한다.
제1열교환기(222a) 및 제2열교환기(222b)는 튜브(224) 및 헤더(223)를 포함할 수 있다. 튜브(224)는 열교환 면적을 충분히 확보하도록 다발로 형성될 수 있고, 헤더(223)는 튜브(224)의 입구와 출구에 설치되어 유체를 튜브로 분배하거나 분배되었던 유체를 다시 합류시킨다.
비상냉각탱크 냉각설비(200)는 열교환장치(220)의 과압을 방지하도록 배관에 연결되어 열에 의해 팽창 또는 수축되는 유체를 수용하는 가압기(250)를 더 포함할 수 있다. 유체가 배관으로부터 가압기(250)로 인입되면 배관 내부의 압력은 낮아지므로 열교환장치(220)의 과압을 방지할 수 있다.
가압기(250)는 보충수가 저장될 수 있도록 보충탱크 형태로 형성되고, 가압기(250)의 내부에는 열교환장치(220)를 순환하는 유체의 유량을 보충하도록 보충수를 구비할 수 있다. 원자로의 장기 냉각시 열교환장치(220) 내부를 흐르는 유체의 일부 누설 현상이 발생할 수 있으며, 이에 따라 비상냉각탱크 냉각설비(200) 전체의 기능이 상실될 우려가 있다.
가압기(250)는 이러한 문제에 대비하여 열교환장치(220)와 연결되어 보충수를 공급한다. 특히, 가압기(250)는 열교환장치(220)와 압력평형을 유지하려는 성질로 인해, 열교환장치(220)가 과압되는 경우 유체를 내부로 인입시켜 피동적으로 열교환장치(220)의 압력을 낮추고, 열교환장치(220) 내의 유체가 부족한 경우에도 피동적으로 내부의 보충수를 열교환장치(220)에 공급한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 비상냉각탱크 냉각설비(300)의 개념도이다.
열교환장치(320)는 제1열교환기(322a) 및 제2열교환기(322b)를 포함하고, 특히 제1열교환기(322a)는 비상냉각탱크(310) 내부의 냉각수와 열교환하도록 적어도 일부가 비상냉각탱크(310)의 냉각수에 침지될 수 있다.
제1열교환기(322a)가 도시한 바와 같이 일부가 냉각수에 침지된 경우 제1열교환기(322a)를 통과하는 유체는 먼저 비상냉각탱크의 냉각수와 열교환하고, 유동의 방향이 유로를 따라 상향으로 변경된 후 증기와 열교환하면서 상승한다.
제1열교환기(322a)도 온도가 상승함에 따라 밀도가 감소하여 상승하려는 유체를 자연순환시키도록 적어도 일부가 도 2에 도시한 제1열교환기(222a)와 같이 유체의 유동방향을 따라 경사지게 형성될 수 있다.
제1열교환기(322a)가 냉각수에 침지되는 경우와 그렇지 않은 경우는 열교환장치의 냉각 효율에 차이를 보이며, 제1열교환장치(322a)의 설치 위치는 요구되는 냉각 효율에 따라서 선택적으로 사용될 수 있는 설계 옵션이다.
도 4a 내지 4c는 열교환기의 튜브에 대한 변형례를 나타내는 개념도이다.
튜브는 제작성을 고려하여 도 4a에 도시한 바와 같이 단순한 직관(424a)의 형태로 형성될 수 있으나, 대기와의 열교환 면적을 충분히 확보하도록 적어도 일부가 나선형으로 형성될 수도 있다.
도 4b와 같이 나선형 튜브(424b) 형태 또는 도 4c와 같이 곡관과 직관의 혼합형(424c)도 가능하며, 나선형 튜브(424b)를 통과하는 유체는 직선관(424a)를 통과하는 경우보다 더 큰 냉각효과를 기대할 수 있다.
튜브(424)의 선택 및 형태의 조합은 요구되는 냉각 효율에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
도 5는 피동격납건물냉각계통(52)과 비상냉각탱크 냉각설비(500)를 구비하는 원전(50)의 개념도이다.
피동격납건물냉각계통(52)은 원자로(53)의 냉각재상실사고 또는 증기관파단사고 등의 사고 발생시 격납건물(54)로 방출되는 증기를 냉각 및 응축시켜 격납건물(54)의 압력 상승을 억제하는 안전계통이다. 피동격납건물냉각계통(52)은 격납건물(54) 내부에 설치되어 응축열교환기(51)와 연결되는 냉각열교환기(52a), 냉각열교환기(52a)와 응축열교환기(51)를 연결하는 연결배관(52b) 및 가압기(미도시)를 포함한다.
원자로(53)의 냉각재상실사고 또는 증기관파단사고 등의 사고 발생에 의해 고온 고압의 증기가 격납건물(54)로 방출되고, 피동격납건물냉각계통(52)은 작동신호 없이 작동을 시작한다. 냉각열교환기(52a)와 응축열교환기(51) 사이에는 유체가 순환하고, 유체는 냉각열교환기(52a)에서 열을 전달받아 응축열교환기(51)에서 비상냉각탱크(510)로 전달한다.
열을 전달받은 비상냉각탱크(510)는 도 1 내지 도 4에서 설명한 비상냉각탱크 냉각설비(500)의 작동 매커니즘에 따라 열을 대기로 방출한다.
도 6은 피동잔열제거계통(61)과 비상냉각탱크 냉각설비(600)를 구비하는 원전(60)의 개념도이다.
피동잔열제거계통(61)은 원자로(63)의 사고 발생시 원자로(63) 내부의 증기발생기(63a)로 냉각수를 순환시켜 원자로(63)의 현열 및 노심의 잔열을 제거하는 안전계통이다. 응축열교환기(61a)의 하부와 상부는 각각 연결배관(61b, 61c)에 의해 급수관(65a) 및 증기관(66a)에 연결된다. 냉각수는 급수관(65a) 및 증기관(66a)을 통해 증기발생기(63a)로부터 전달받은 열을 응축열교환기(61a)에서 비상냉각탱크(610)로 전달한다.
열을 전달받은 비상냉각탱크(610)는 도 1 내지 도 4에서 설명한 비상냉각탱크 냉각설비(600)의 작동 매커니즘에 따라 열을 대기로 방출한다.
도 7은 피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72) 및 비상냉각탱크 냉각설비(700)를 구비하는 원전(70)의 개념도이다.
피동잔열제거계통(71)과 피동격납건물냉각계통(72)으로부터 비상냉각탱크(710)로 원자로(73)와 격납건물(74)의 열이 전달되고, 비상냉각탱크(710)는 피동잔열제거계통(71) 및 피동격납건물냉각계통(72)의 통합 열침원으로 작동한다.
본 발명에서 제안하는 비상냉각탱크 냉각설비(700)는 장기 냉각이 가능하도록 구성되므로, 특히 도 7에 도시한 바와 같이 피동잔열제거계통(71) 및 피동격납건물냉각계통(72)의 통합 열침원으로 작동하여 그 냉각 용량을 용이하게 최적화할 수 있는 장점이 있다.
원전(70)은 피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72) 및 비상냉각탱크 냉각설비(700) 외에 원자로(73)의 냉각수 수위를 유지시키도록 상기 원자로(73)에 냉각수를 주입하는 피동안전주입계통(77)을 더 포함할 수 있다.
피동격납건물냉각계통(72)의 작동을 통해 응축된 응축수가 다시 피동안전주입계통(77)의 집수탱크(77a)에 집수되어 원자로(73a)로 재주입되도록 형성될 수 있다. 이에 따라 냉각수는 원자로(73)와 피동안전주입계통(77)을 순환하므로 반영구적으로 원자로(73)의 수위를 유지할 수 있다.
또한, 피동잔열제거계통(71)과 피동격납건물냉각계통(72)은 비상냉각탱크 냉각설비(700)를 통해 반영구적으로 원자로(73)와 격납건물(74)의 열을 대기로 방출할 수 있으므로, 원전(70)이 비상냉각탱크 냉각설비(700), 피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72) 및 피동안전주입계통(77)을 포함하는 경우 원전(70)의 안전성을 극대화할 수 있다.
원전(70)은 격납건물(74) 내에 설치되는 재장전수조(78)를 더 포함할 수 있다. 특히 도 7에 도시된 재장전수조(78)는 피동안전주입계통(77)의 집수탱크(77a)로터 배수관(78b)을 통해 응축수가 유입되도록 형성된다. 배수관(77b)은 집수탱크(77a) 내부의 기설정된 높이까지 연장되므로, 배수관(77b)의 높이를 초과하는 응축수는 배수관(77b)으로 유입되어 재장전수조(78)로 흘러간다.
따라서 집수탱크(77a)에 집수되는 응축수의 일부는 원자로(73)의 안전주입에 다른 일부는 재장전수조(78)를 통해 원자로(73)의 하부 냉각에 이용될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 원전(77)의 정상운전 상태를 나타내는 개념도이다.
원전(77)의 정상운전시, 급수계통(75)은 급수관(75a)을 통해 원자로(73)에 급수를 공급하고, 증기발생기(73a)는 노심으로부터 공급받은 열을 이용해 급수를 고온의 증기로 변환시킨다. 고온의 증기는 증기관(76a)을 통해 터빈계통(76)으로 전달되고, 터빈계통(76)에서 에너지를 생산한다.
비상냉각탱크 냉각설비(700), 피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72), 피동안전주입계통(77) 및 재장전수조(78)는 모두 원전(70)의 사고 발생을 대비한 안전설비로 정상운전 상태에서는 작동하지 않는다.
도 9는 도 7에 도시된 원전(70)의 냉각재상실사고 발생시 피동잔열제거계통(71)의 작동 전 피동격납건물냉각계통(72)과 비상냉각탱크 냉각설비(700)의 작동을 나타내는 개념도이다.
배관파단 등에 의해 원자로(73)에서 냉각재상실사고가 발생하면 파단 부위를 통해 증기가 격납건물(74)로 방출되고, 격납건물(74) 내부의 압력 및 온도는 상승한다.
피동격납건물냉각계통(72)은 별도의 신호에 의해 작동을 시작하는 것이 아니라, 격납건물(74)로 방출되는 증기와의 온도차에 의해 작동을 시작한다. 따라서 피동잔열제거계통(71)이나 피동안전주입계통(77)의 작동이 시작되기 전이라도 피동격납건물냉각계통(72)은 격납건물(74)의 압력 및 온도 상승을 억제하는 작동을 기능을 제공할 수 있다.
피동격납건물냉각계통(72)을 통해 비상냉각탱크(71a)로 전달된 열은 비상냉각탱크 냉각설비(700)를 통해 대기로 방출된다. 특히 사고 초반에는 비상냉각탱크(710)의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하가 비상냉각탱크(710)로 전달되므로, 비상냉각탱크(710)는 냉각수가 증발하여 형성된 증기의 일부를 개폐부(730)를 통해 외부로 방출함으로써 열적 부하를 소화한다.
도 10은 도 9에 이어 피동안전주입계통(77), 피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72) 및 비상냉각탱크 냉각설비(700)의 작동을 나타내는 개념도이다.
원자로(73)의 냉각재상실사고 발생 후 시간이 지남에 따라 원자로(73)의 압력 또는 온도는 점점 하강하기 시작하고, 압력 또는 온도가 기설정된 값 이하로 떨어지는 경우 관련계통에서 피동잔열제거계통(71) 및 피동안전주입계통(77)의 격리밸브에 개방신호를 전달한다.
이에 따라 피동잔열제거계통(71)은 증기발생기(73a)로 급수를 순환시켜 원자로의 현열 및 노심의 잔열을 지속적으로 제거하고, 제거된 열을 응축열교환기(71a)를 통해 비상냉각탱크(710)로 전달한다.
피동안전주입계통(77)도 작동신호에 의해 격리밸브가 개방되어 원자로(73)로 냉각수를 주입한다. 이때 주입되는 냉각수는 피동안전주입계통(77)의 여러 탱크들에 채워진 냉각수와 집수탱크(77a)에 집수된 응축수 중 적어도 하나가 될 수 있다.
피동잔열제거계통(71) 및 피동격납건물냉각계통(72)의 작동에 따라 비상냉각탱크(710)로 전달된 열은 비상냉각탱크 냉각설비(700)를 통해 대기로 방출된다. 비상냉각탱크(710)로 전달되는 열적 부하가 비상냉각탱크(700)의 냉각 용량보다 여전히 큰 상태에서, 비상냉각탱크 냉각설비(700)는 개폐부(730)의 개방 상태를 유지함으로써 증기를 방출시키고 증발열에 의해 열적 부하를 소화한다.
도 11은 도 10에 이어 피동안전주입계통(77), 피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72) 및 비상냉각탱크 냉각설비(700)의 장기냉각을 나타내는 개념도이다.
피동잔열제거계통(71), 피동격납건물냉각계통(72) 및 피동안전주입계통(77)은 작동을 지속한다. 특히, 피동안전주입계통(77)은 집수된 응축수를 이용하여 장기적으로 원자로(73)의 수위를 유지한다.
비상냉각탱크(710)의 냉각 용량 이하의 열적 부하가 비상냉각탱크(710)로 전달되는 시점에 도달하면 개폐부(730)는 폐쇄되고 증기의 방출은 정지된다. 이에 따라 개폐부(730)가 폐쇄된 시점부터는 열교환장치(720)만으로 열적 부하를 소화하고 비상냉각탱크 냉각설비(700)의 냉각수 양은 비교적 일정하게 유지된다.
도 12는 시간에 따른 비상냉각탱크 냉각설비의 열흐름을 나타내는 그래프이다.
그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 비상냉각탱크로 전달되는 열량을 나타낸다.
배관 파단 등에 의해 냉각재상실사고가 발생하면, 피동잔열제거계통의 작동신호가 지연되거나 격납건물 내의 열 확산에 다소의 시간이 소요되므로 비상냉각탱크 냉각설비는 사고 발생 극초반에는 작동 지연이 발생한다.
피동잔열제거계통의 작동신호가 발생하거나 격납건물 내에 열이 확산되어 피동격납건물냉각계통이 작동을 시작하면 비상냉각탱크에 열이 전달되고, 비상냉각탱크 냉각설비는 작동을 시작한다.
비상냉각탱크에 저장된 냉각수는 열을 흡수하여 냉각수의 온도는 점점 상승한다. 그러나 냉각수가 증기로 상 변화되어 증발하기 전까지 냉각수의 비상냉각탱크의 냉각수 수위는 유지된다.
사고 초반에는 피동잔열제거계통이나 피동격납건물냉각계통을 통해 비상냉각탱크로 전달되는 열이, 비상냉각탱크 냉각설비의 냉각 용량을 초과한다. 비상냉각탱크로 전달되는 열적 부하가 비상냉각탱크 냉각설비의 냉각 용량을 초과하는 때에는 개폐부가 개방되고, 증기는 비상냉각탱크로부터 외부로 방출되어 열적 부하를 소화한다. 증기가 방출되는 만큼 비상냉각탱크의 냉각수 수위는 저하된다.
증기의 방출과 아울러 열교환장치의 작동에 의해 증기로부터 다시 응축수를 회수한다. 회수되는 응축수의 양은 이론적으로 비상냉각탱크 냉각설비의 냉각 용량에 해당한다.
비상냉각탱크로 전달되는 열량이 비상냉각탱크 냉각설비의 냉각 용량 이하로 감소되면, 개폐부는 폐쇄되고 열교환장치의 냉각에 의한 증기 회수는 계속된다. 비상냉각탱크의 냉각수 수위는 유지되고, 이에 따라 원전을 장기 냉각할 수 있다.
이상에서 설명된 비상냉각탱크 냉각설비 및 이를 구비하는 원전은 상기 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 : 비상냉각탱크 냉각설비 110 : 비상냉각탱크
120 : 열교환장치 130 : 개폐부
140 : 공기순환부 150 : 가압기

Claims (17)

  1. 내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고, 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크;
    대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며, 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치; 및
    상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며, 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환장치는,
    상기 비상냉각탱크 내부의 유체에 상승 유로를 제공하도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되어 상향으로 연장되게 형성되는 덕트; 및
    상기 덕트를 통과해 유입된 유체를 냉각 및 응축시키도록 대기와 열교환하고, 열을 잃고 밀도차에 의해 하강하는 유체를 회수하도록 상기 비상냉각탱크에 연결되는 열교환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 대기와의 열교환 면적을 충분히 확보하도록 적어도 일부가 곡관과 직관의 혼합형 또는 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열교환장치는,
    상기 비상냉각탱크 내부의 유체로부터 열을 전달받도록 상기 비상냉각탱크의 내부에 설치되는 제1열교환기; 및
    배관에 의해 상기 제1열교환기와 연결되어 내부에 유체가 흐르는 폐회로를 형성하고, 상기 제1열교환기에서 상기 유체에 전달된 열을 대기로 방출하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 설치되는 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2열교환기는,
    상기 비상냉각탱크의 유체와 열교환하고, 열교환 면적을 충분히 확보하도록 다발로 형성되는 튜브; 및
    상기 유체를 튜브의 입구에서 각 튜브로 분배하며, 튜브의 출구에서 분배된 유체를 합류시키는 헤더를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 대기와의 열교환 면적을 충분히 확보하도록 적어도 일부가 곡관과 직관의 혼합형 또는 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1열교환기는 상기 비상냉각탱크 내부의 증기 또는 대기와 열교환하도록 상기 비상냉각탱크의 수위보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1열교환기는 상기 비상냉각탱크 내부의 증기, 대기 또는 냉각수와 열교환하도록 적어도 일부가 상기 비상냉각탱크의 냉각수에 침지되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  9. 제4항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1열교환기는 기체로 상변화되어 상승하려는 유체를 자연순환시키도록 적어도 일부가 상기 유체의 유동방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제2열교환기는 대기에 열을 전달하고 응축되는 유체를 상기 제1열교환기로 순환시키도록 하방향으로 연장되어 상기 제1열교환기와 연결되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 열교환장치의 과압을 방지하도록 상기 배관에 연결되어 온도 변화에 의해 팽창 또는 수축되는 유체를 수용하는 가압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가압기는 상기 열교환장치를 순환하는 유체의 유량을 보충하도록 내부에 보충수를 구비하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 비상냉각탱크 위에 설치되어 상기 열교환장치의 적어도 일부를 감싸도록 형성되고, 하부로 유입된 대기를 상부로 통과시켜 상기 열교환장치와 자연대류에 의한 열교환을 유도하는 공기순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 개폐부는 상기 비상냉각탱크 내의 증기에 의해 형성되는 기설정된 압력보다 높은 압력에서 피동적으로 개방되는 체크밸브 또는 플랩밸브 형태인 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 개폐부는, 상기 비상냉각탱크로 전달되는 열적 부하가 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량 이하로 감소하면 증기의 방출을 억제하고 상기 비상냉각탱크의 냉각수 양을 유지하도록 기설정된 압력보다 낮은 압력에서 피동적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 비상냉각탱크 냉각설비.
  16. 원자로의 사고 발생시 상기 원자로에서 격납건물로 방출되는 증기를 응축시켜 상기 격납건물의 압력 상승을 억제하는 피동격납건물냉각계통; 및
    상기 피동격납건물냉각계통으로부터 상기 원자로의 현열 및 잔열을 전달받아 외부로 방출하는 비상냉각탱크 냉각설비를 포함하고,
    상기 비상냉각탱크 냉각설비는,
    내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고, 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크;
    대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며, 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치; 및
    상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며, 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
  17. 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 내부의 증기발생기로 냉각수를 순환시켜 원자로의 현열 및 잔열을 제거하는 피동잔열제거계통; 및
    상기 피동잔열제거계통으로부터 상기 원자로의 현열 및 잔열을 전달받아 외부로 방출하는 비상냉각탱크 냉각설비를 포함하고,
    상기 비상냉각탱크 냉각설비는,
    내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고, 원자로의 사고 발생시 상기 원자로 또는 격납건물로부터 상기 냉각수에 열을 전달받는 비상냉각탱크;
    대기중에서 작동하도록 상기 비상냉각탱크의 외부에 노출되게 설치되며, 냉각수의 보충 없이 상기 비상냉각탱크의 작동을 지속적으로 유지하도록 상기 냉각수와 대기 사이에서 열교환하여 열을 외부로 방출하는 열교환장치; 및
    상기 냉각수의 수위보다 높은 위치에 배치되도록 상기 비상냉각탱크의 상부에 설치되며, 상기 비상냉각탱크의 냉각 용량을 초과하는 열적 부하의 전달시 상기 냉각수의 증발에 의해 형성된 증기의 일부를 외부로 방출하도록 기설정된 압력보다 높은 압력에서 외부 대기와의 압력차로부터 형성되는 상기 증기의 유동에 의해 개방되는 개폐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
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