KR20140133087A - 피동격납건물살수계통 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 순수하게 자연적인 현상만을 이용하여 격납건물의 내부로 냉각수를 살수할 수 있는 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전을 제안한다. 피동격납건물살수계통은, 원자로를 수용하는 격납건물과 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하는 살수냉각수 저장부, 사고 발생시 상기 격납건물 내부의 압력 상승에 의해 상기 살수냉각수 저장부로부터 공급된 냉각수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부에 설치되는 살수배관, 및 상기 냉각수에 유로를 제공하도록 일단이 상기 살수냉각수 저장부의 내부에 삽입되고 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하여 관 내부로 냉각수의 유동이 형성되면 피동적으로 상기 살수배관에 냉각수를 공급하도록 타단이 상기 살수배관에 연결되는 역U자관을 포함한다.

Description

피동격납건물살수계통{PASSIVE CONTAINMENT SPRAY SYSTEM}
본 발명은 원자로의 사고 발생시 격납건물 내부에 피동적으로 냉각수를 살수하여 원자로로부터 방출된 증기를 응축시키고 격납건물의 압력을 낮추는 피동격납건물살수계통에 관한 것이다.
원자로는 안전계통의 구성방식이나 주요기기의 설치위치에 따라 구분할 수 있다. 우선 안전계통의 구성방식에 따라서는 펌프와 같은 능동력을 사용하는 능동형원자로와 중력 또는 가스압력 등의 피동력을 사용하는 피동형원자로로 나뉜다. 그리고, 주요기기의 설치위치에 따라서는 주요기기(증기발생기, 가압기, 펌프 임펠러 등)가 원자로 외부에 설치되는 분리형원자로(예, 국내 가압경수로)와 주요기기가 원자로용기 내부에 설치되는 일체형원자로(예, SMART 원자로)로 나뉜다.
격납건물살수계통은 일체형원자로를 포함하여 다양한 원자로에서 냉각재상실사고나 증기관 파단사고 등의 격납건물(원자로건물, 격납용기, 안전보호용기 등으로 대체될 수 있으며, 격납건물이나 원자로 건물은 강화 콘크리트 구조물로 구성되고, 격납용기 또는 안전보호용기는 철재용기로 구성된다) 내부의 압력이 상승하는 사고가 발생했을 때 압력 상승을 억제하는 설비 중의 하나로 이용되고 있다. 살수펌프를 이용하여 격납건물 내부에 냉각수를 살수하는 능동형 격납용기살수계통을 적용한 예로는 국내 SMART 원자로, 상용 가압경수로 등이 있다.
격납건물살수계통 외에도 격납건물 내부의 압력 상승을 억제하는 수단으로는 감압탱크 또는 수조(suppression tank or pool: 상용 비등경수로, 미국 웨스팅하우스 IRIS), 열교환기(heat exchanger or condenser: 프랑스 SWR1000, 인도 AHWR), 격납용기 외벽 살수 및 냉각(containment external spray and cooling: 미국 웨스팅하우스 AP1000) 등이 이용되고 있다.
냉각수(기화) 또는 증기 방출에 의해 격납건물 내부의 압력이 상승하는 경우에, 감압탱크는 압력차에 의해 격납건물 내부의 대기(증기 및 공기)가 감압탱크로 유입되고 증기가 응축되면서 압력을 낮추는 방식이고, 열교환기는 열교환기 튜브의 차가운 벽면에서 격납건물 내부의 증기를 응축시켜 압력을 낮추는 방식이며, 살수는 차가운 냉각수를 살수하여 격납건물 내부의 증기를 응축시켜 압력을 낮추는 방식이다. 또한 미국 웨스팅하우스의 AP1000에서 사용하는 격납용기 외벽 살수 (후 공기냉각) 및 냉각 방식은 철재격납용기 외벽에 냉각수를 살수 (후 공기냉각)하여 격납용기를 냉각하고, 내벽에서 증기를 응축시켜 격납용기 내부의 압력을 낮추는 방식이다.
국내 상용원자로(능동형원자로)에서는 살수펌프에 의해 작동되는 능동형 살수계통(내부 살수)이, 미국 웨스팅하우스의 AP1000(피동형원자로) 등에서는 격리밸브 개방 후 중력에 의해 작동되는 피동격납건물살수계통(외부 냉각)이 이용되고 있다.
그러나, 종래의 피동격납건물살수계통은 피동형 계통으로 신뢰성이 높음에도 불구하고, 작동신호와 전원을 포함하는 구동전원에 의해 작동하는 격리밸브가 포함되어 있어, 작동신호 발생계통이나 전력계통이 손상되는 경우 작동되지 않을 가능성이 있다.
[참고문헌 1. IAEA-TECDOC-1624, Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants, IAEA, 2009]
본 발명의 일 목적은 작동신호 발생계통이나 격리밸브 또는 격리밸브 개방을 위한 전력계통 없이도 사고시 격납건물 내부의 압력이 증가하는 자연현상을 이용하여 작동하는 피동격납건물살수계통을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 작동 신뢰성이 높은 피동격납건물살수계통을 제공하여 격납건물의 건정성이 보다 안전하게 유지되는 원전을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 피동격납건물살수계통은, 원자로를 수용하는 격납건물과 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하는 살수냉각수 저장부, 사고 발생시 상기 격납건물 내부의 압력 상승에 의해 상기 살수냉각수 저장부로부터 공급된 냉각수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부에 설치되는 살수배관, 및 상기 냉각수에 유로를 제공하도록 일단이 상기 살수냉각수 저장부의 내부에 삽입되고 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하여 관 내부로 냉각수의 유동이 형성되면 피동적으로 상기 살수배관에 냉각수를 공급하도록 타단이 상기 살수배관에 연결되는 역U자관을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 역U자관은, 상기 격납건물의 압력 상승시 냉각수에 상승 유로를 제공하도록 상기 살수냉각수 저장부에 삽입되고 상기 격납건물의 정상운전 압력 범위에서 상기 살수냉각수 저장부로부터 상기 살수배관으로 냉각수의 유동이 형성되는 것을 방지하도록 기설정된 높이까지 연장되는 상승 유로부, 및 상기 격납건물의 압력이 상승하여 상기 상승 유로부의 높이 이상으로 냉각수의 유동이 형성되면 수두차에 의해 지속적으로 상기 살수배관으로 냉각수를 공급하도록 상기 상승 유로부에서 벤딩되고 하방향으로 연장되어 상기 살수배관에 연결되는 하강 유로부를 포함한다.
상기 상승 유로부와 상기 하강 유로부는 기체 배출을 원활히 하도록 서로 다른 유로 면적으로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동격납건물살수계통은, 상기 살수냉각수 저장부로부터 상기 역U자관 쪽으로 형성되는 냉각수의 유동을 강화시키도록 상기 역U자관의 타단에 설치되어 상기 살수냉각수 저장부와 압력차를 형성하고 상기 역U자관을 통과한 냉각수를 상기 살수배관에 공급하도록 상기 살수배관에 연결되는 중간공동부를 더 포함한다.
상기 살수배관은, 상기 중간공동부의 수위가 기설정된 높이에 도달한 후부터 냉각수의 살수를 시작하도록 상기 중간공동부의 상부에 연결될 수 있다.
피동격납건물살수계통은, 상기 중간공동부의 상부와 연결된 배관에 설치되고 상기 역U자관을 통해 유입된 냉각수에 의해 상기 중간공동부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면 상기 중간공동부 내의 기체를 배출하도록 개방되는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
피동격납건물살수계통은, 상기 체크밸브를 통해 배출되는 유체의 유량을 제한하여 상기 살수배관으로 공급되는 냉각수의 유량을 충분히 확보하도록 상기 배관에 설치되는 오리피스를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 격납건물 내부로 방출된 증기 또는 대기가 상기 살수배관을 통해 상기 역U관으로 유입되는 것을 차단하도록 상기 살수배관에 설치되고 상기 살수냉각수 저장부의 냉각수를 통과시키도록 상기 살수배관 쪽으로 개방되는 체크밸브를 더 포함한다.
상기 중간공동부의 상부와 연결된 배관에 설치된 체크밸브 및 상기 살수배관에 설치된 체크밸브 중 적어도 하나는 단일고장에 의한 계통 전체의 오작동을 방지하도록 복수로 설치될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동격납건물살수계통은, 상기 격납건물 내부로 냉각수를 분사하도록 상기 살수배관에 설치되는 적어도 하나의 살수노즐을 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 살수냉각수 저장부는, 중력수두에 의한 냉각수 살수가 가능하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되고 상기 격납건물과 압력 평형을 형성하도록 적어도 상부의 일부가 개방된 상태로 유지된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 살수냉각수 저장부는, 중력수두에 의한 냉각수 살수가 가능하도록 상기 격납건물 외부의 기설정된 높이에 설치되고 상기 격납건물과 압력 평형을 형성하도록 상부가 배관에 의해 상기 격납건물 내부와 연결된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동격납건물살수계통은, 상기 역U자관으로부터 분기된 배관에 설치되고 원자로의 정상운전 또는 상기 살수냉각수 저장부의 충수 또는 유지 보수시 사이펀 브레이크 현상을 이용하여 상기 살수냉각수 저장부로부터 유동이 형성되는 것을 방지하도록 개폐 가능한 격리밸브를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 피동격납건물살수계통은, 상기 살수냉각수 저장부의 하부와 상기 살수배관을 연결하는 배관, 및 상기 배관에 설치되고 사고 발생시 계통의 미작동에 대비하여 개방 가능한 격리밸브를 더 포함한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 피동격납건물살수계통을 구비하는 원전을 개시한다. 원전은, 원자로, 사고 발생시 상기 원자로로부터 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로의 외부에 설치되는 격납건물, 및 사고 발생시 상기 격납건물 내부에 피동적으로 냉각수를 살수하여 상기 원자로에서 방출된 증기를 응축시키는 피동격납건물살수계통을 포함하고, 상기 피동격납건물살수계통은, 원자로를 수용하는 격납건물과 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하는 살수냉각수 저장부, 사고 발생시 상기 격납건물 내부의 압력 상승에 의해 상기 살수냉각수 저장부로부터 공급된 냉각수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부에 설치되는 살수배관, 및 상기 냉각수에 유로를 제공하도록 일단이 상기 살수냉각수 저장부의 내부에 삽입되고 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하여 관 내부로 냉각수의 유동이 형성되면 피동적으로 상기 살수배관에 냉각수를 공급하도록 타단이 상기 살수배관에 연결되는 역U자관을 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 원자로에서 사고 발생시 피동격납건물살수계통은 격납건물의 내부 압력이 기설정된 값 이상으로 상승하는 경우 별도의 신호 없이 순수한 자연력만으로 작동하므로 계통의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 피동격납건물살수계통의 작동 확률을 크게 높여 격납건물의 건전성을 유지하고, 원전의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전을 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전을 나타내는 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전의 정상 운전 상태를 나타내는 개념도.
도 4는 도 2에 도시된 원전에서 냉각재상실사고가 발생했을 때 피동격납건물살수계통의 작동을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 도 2에 도시된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전에서 냉각재상실사고 발생에 의해 중간공동부에 냉각재가 충수되는 단계를 설명하기 위한 개념도.
도 6은 도 5에서 이어지는 단계로 피동격납건물살수계통의 살수단계를 설명하기 위한 개념도.
도 7은 도 6에서 이어지는 단계로 중간공동부의 배기 작동단계를 설명하기 위한 개념도.
도 8은 도 7에서 이어지는 단계로 중간공동부의 배수 작동단계를 설명하기 위한 개념도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전을 나타내는 개념도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전을 나타내는 개념도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통 및 이를 구비하는 원전을 나타내는 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 피동격납건물살수계통에 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 피동격납건물살수계통(100) 및 이를 구비하는 원전(10)을 나타내는 개념도이다.
원전(10)은 원자로(11) 내부에 배치된 노심(11a)에서 발생하는 열을 이용하여 유용한 에너지를 생산하도록 여러 계통을 포함한다. 또한 배관 파단 등에 의한 냉각재상실사고 또는 비냉각재상실사고에 대비하여 원전(10)의 건전성을 유지하기 위한 여러 안전계통을 포함한다.
격납건물(12)은 안전계통과 더불어 원자로에서 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 방지하도록 원자로(11)의 외부에 설치된다. 격납건물(12)은 그 용어에도 불구하고 방사성 물질의 누출을 방지하기 위한 것이면 어느 것이나 무방하며, 원전(10)의 설계에 따라 격납용기, 원자로건물 또는 안전보호용기로 대체될 수 있다.
안전계통 중 안전주입계통(13)은 원자로(11)의 내부로 냉각수를 주입하여 원자로의 수위를 유지시키는 계통이고, 잔열제거계통(14)은 원자로(11) 내부로 냉각수를 순환시켜 원자로(11)의 현열 및 노심(11a)의 잔열을 제거하는 계통이다.
피동격납건물살수계통(100)은 안전계통의 하나로, 원전(10)의 사고 발생시 차가운 냉각수를 격납건물(12) 내부에 살수하여, 원자로(11)로부터 격납건물(12)로 방출된 고온의 증기를 냉각 및 응축시키고 격납건물(12)의 구조적 건전성을 유지하는 계통이다.
피동격납건물살수계통(100)은 운전원에 의한 조작 없이 순수하게 자연적 원리만을 이용하여 작동하도록 살수냉각수 저장부(110), 살수배관(120) 및 역U자관(130)을 포함한다.
살수냉각수 저장부(110)에는 격납건물(12) 내부로 살수될 냉각수가 저장되고, 살수냉각수 저장부(110)는 격납건물(12)의 내부의 기설정된 높이에 설치된다. 본 명세서에서 저장부는 탱크 또는 수조를 포괄적으로 지칭한다. 살수냉각수 저장부(110)에 저장된 냉각수가 격납건물(12) 내부로 살수되는 원리는 중력에 의한 수두차를 이용하므로, 살수냉각수 저장부(110)는 원활한 살수를 위해 원자로와 적절한 높이차를 갖도록 원자로(11)보다 상부에 설치되는 것이 바람직하다.
살수냉각수 저장부(110)는 격납건물(12)과 통하도록 형성되어 격납건물(12)과 압력 평형을 유지한다. 격납건물(12)과 통하도록 형성되는 것은, 도 1에 도시한 바와 같이 살수냉각수 저장부(110)의 적어도 일부가 개방되어 있거나, 개방된 배관에 의해 살수냉각수 저장부(110)와 격납건물(12)의 내부가 서로 연결되어 있어 격납건물(12) 내부의 증기 또는 공기가 살수냉각수 저장부(110)와 격납건물(12) 사이를 오갈 수 있도록 형성되는 구조 등을 말한다.
살수냉각수 저장부(110)는, 도시한 바와 달리 격납건물(12)의 외부에 설치될 수 있다. 살수냉각수 저장부(110)가 격납건물(12)의 외부에 설치되는 경우에는, 살수냉각수 저장부(110)의 상부가 개방된 채로는 격납건물(12)과 압력 평형을 유지할 수 없다. 따라서 살수냉각수 저장부(110)는 밀폐되고, 살수냉각수 저장부(110) 상부에 삽입된 배관에 의해 격납건물(12)과 연결되어 상기 격납건물(12)과 압력 평형을 유지한다(도 11 참조).
살수냉각수 저장부(110)는 격납건물(12)과 압력 평형을 유지하므로, 격납건물(12) 내부의 압력이 상승하면 살수냉각수 저장부(110)의 압력도 상승하고, 격납건물(12) 내부의 압력이 저하되면 살수냉각수 저장부(110)의 압력도 저하된다.
살수냉각수 저장부(110)는 냉각수 저장탱크, 냉각수 저장수조 등 그 용어에 관계없이 내부에 냉각수를 수용하도록 형성되고, 격납건물(12)의 내부 또는 외부에 원자로와 적절한 높이차를 갖도록 설치되면 족하다.
살수배관(120)은 살수냉각수 저장부(110)로부터 공급된 냉각수를 격납건물(12)의 내부로 살수하도록 상기 격납건물(12)의 내부에 설치된다. 살수배관(120)은 살수냉각수 저장부(110)로부터 중력수두에 의한 냉각수 공급이 원활하도록 살수냉각수 저장부(110)보다 낮은 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
살수노즐(121)은 격납건물(12) 내부로 냉각수를 분사하도록 살수배관(120)에 설치된다. 살수노즐(121)은 살수배관(120)에 복수로 설치될 수 있다. 살수노즐(121)의 설치 위치와 분사 방향에 따라 살수배관(120)으로부터 살수되는 냉각수의 방향이 달라지므로 살수노즐(121)의 분사 방향은 격납건물(12) 내부에 골고루 퍼지도록 형성되는 것이 바람직하다.
체크밸브(122)는 살수배관(120)에 설치될 수 있다. 체크밸브(122)는 한 방향으로 형성되는 유동에 의해 개방되고 다른 방향으로 형성되는 유동은 차단시킨다. 이에 따라, 체크밸브(122)는 격납건물(12) 내부로 방출된 증기가 살수배관(120)으로 유입되어 살수냉각수 저장부(110) 쪽으로 이동하는 것을 차단한다. 반대로 살수냉각수 저장부(110)로부터 살수배관(120) 쪽으로 냉각수의 유동이 형성되면 개방되어 살수냉각수 저장부(110)에 저장되어 있던 냉각수를 통과시킨다. 체크밸브(122)를 통과한 냉각수는 살수노즐(121)을 통해 격납건물(12) 내부로 살수될 수 있다.
역U자관(130)은 살수냉각수 저장부(110)에서 살수배관(120)으로 공급되는 냉각수에 유로를 제공하도록 살수냉각수 저장부(110)와 살수배관(120) 각각에 연결된다. 역U자관(130)의 일단은 살수냉각수 저장부(110)의 내부에 삽입되고, 타단은 살수배관(120)에 연결될 수 있다.
역U자관(130)은 정상 운전 상태와 사고 발생시를 구분하여 작동되도록 상승 유로부(130a)와 하강 유로부(130b)를 포함한다. 상승 유로부(130a)는 살수냉각수 저장부(110)에 삽입되어 윗 방향으로 연장되고, 하강 유로부(130b)는 상승 유로부(130a)에서 벤딩되어 다시 아래 방향으로 연장된다.
상승 유로부(130a)는 살수냉각수 저장부(110) 내부에 삽입되어 냉각수에 상승 유로를 제공한다. 살수냉각수 저장부(110)와 격납건물(12)은 서로 압력 평형 상태를 유지하므로, 격납건물(12) 내부의 압력이 상승하면 살수냉각수 저장부(110)의 압력도 상승한다. 살수냉각수 저장부(110)의 압력 상승에 따라 살수냉각수 저장부(110) 내부의 냉각수는 상승 유로부(130a)로 밀려 올라간다.
원자로(11)의 정상 운전시 격납건물(12) 내부의 압력은 항상 일정한 것이 아니라 정상운전 압력 범위 내에서 지속적으로 변한다. 원자로(11)의 정상 운전 중 격납건물(12) 내부의 압력이 정상운전 압력 범위 내에 있음에도 불구하고 압력이 어느 정도 상승하면, 살수냉각수 저장부(110) 내부의 냉각수가 가압되어 피동격납건물살수계통(100)이 작동될 가능성이 있다.
이러한 가능성을 배제하기 위해, 상승 유로부(130a)는 격납건물(12)의 정상운전 압력 범위에서 살수냉각수 저장부(110)로부터 살수배관(120)으로 냉각수의 유동이 형성되는 것을 방지하도록 냉각수의 수위를 넘어 기설정된 높이까지 연장된다. 기설정된 높이는 격납건물(12)의 정상압력 범위에 따라 달라질 수 있으며, 정상압력 범위가 크면 클수록 상승 유로부(130a)의 높이는 높아진다. 이에 따라 격납건물(12) 내부의 압력이 정상운전 압력 범위 내에 있는 한, 어느 정도 압력이 상승하더라도 냉각수가 상승 유로부(130a)의 가장 높은 위치(벤딩되어 하강 유로부(130b)와 연결되는 위치)를 넘지 못하므로 원자로(11)의 정상 운전 상태에서는 살수냉각수 저장부(110)로부터 살수배관(120)으로 냉각수의 유동이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
사고 발생시 격납건물(12) 내부로 증기가 방출되면, 격납건물(12) 내부의 압력은 정상 압력 범위를 넘어 고압으로 상승한다. 격납건물(12)의 압력 상승에 의해 상승 유로부(130a)의 높이 이상으로 냉각수의 유동이 형성되면, 하강 유로부(130b)는 수두차에 의해 지속적으로 살수배관(120)으로 냉각수를 공급하도록 상승 유로부(130a)에서 벤딩되어 하방향으로 연장되어 살수배관(120)에 연결된다.
상승 유로부(130a)와 하강 유로부(130b)를 포함하는 역U자관(130)은 사이펀 현상(Siphon)을 이용한 것으로, 격납건물(12) 내로 방출된 고압의 증기로 인해 상승 유로부(130a)의 높이를 넘는 유동이 형성되면 살수냉각수 저장부(110)로부터 살수배관(120)으로의 냉각수 공급은 수두 차에 의해 냉각수가 모두 고갈될 때까지 지속적으로 계속된다.
격납건물(12)의 정상 압력 범위 및 이에 따른 상승 유로부(130a)의 높이는 원전(10)의 설계에 따라 달라질 수 있으며, 피동격납건물살수계통(100)은 상승 유로부(130a)의 적절한 높이 조절을 통해 순수하게 자연력만으로 냉각수를 살수할 수 있다.
격리밸브(131)는 피동격납건물살수계통(100)의 유지 보수 또는 살수냉각수 저장부(110)의 충수를 위해 역U자관(130)으로부터 분기된 배관에 설치될 수 있다. 원자로의 정상 운전시 격리밸브(131)는 폐쇄되어 있으며, 피동격납건물살수계통(100)의 유지 보수가 필요한 시점에서 사이펀 브레이크 현상을 이용해 살수냉각수 저장부(110)로부터 유동이 형성되는 것을 방지하기 위해 격리밸브(131)가 개방된다.
격리밸브(131)가 개방되면 역U자관(130) 내부는 격납건물(12)의 압력과 평형을 이루게 되므로, 살수냉각수 저장부(110)로부터 역U자관(130)을 통해 살수배관(120)으로 냉각수의 유동이 형성되지 못한다. 이에 따라 피동격납건물살수계통(100)이 작동하지 않으므로, 비로소 살수냉각수 저장부(110)의 충수 등 유지 보수를 할 수 있게 된다.
살수냉각수 저장부(110)의 충수 등 유지 보수 작업 후 원자로(11)의 정상운전 상태에서 격리밸브(131)는 닫힌 상태를 유지하며, 살수냉각수 저장부(110) 내부에 삽입된 부분 중 살수냉각수 저장부(110) 수위 이하를 제외하면 역U자관(130)은 격납건물 내부의 공기와 같은 압력의 공기로 채워진 상태를 유지한다.
피동격납건물살수계통(100)은 격납건물(12) 내부로 냉각수를 살수하여 격납건물(12) 내부로 방출된 증기를 응축시키고 압력 상승을 억제할 수 있다. 피동격납건물살수계통(100)이 격납건물(12) 내부의 증기를 응축시킴에 따라 격납건물(12) 내부의 방사성 물질의 농도도 함께 감소한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통(200) 및 이를 구비하는 원전(20)을 나타내는 개념도이다.
피동격납건물살수계통(200)은 살수냉각수 저장부(210), 살수배관(220), 역U자관(230) 및 중간공동부(240)를 포함한다.
중간공동부(240)는 살수냉각수 저장부(210)로부터 역U자관(230) 쪽으로 형성되는 냉각수의 유동을 강화시키도록 하강 유로부(230b)의 끝에 설치되어 살수냉각수 저장부(210)와 압력차를 형성한다. 살수냉각수 저장부(210)에서 살수배관(220)으로 유동이 형성되는 원리는 압력차에 의한 사이펀 현상이므로, 중간공동부(240)가 살수냉각수 저장부(210)와 더 큰 압력차를 형성할수록 살수냉각수 저장부(210)로부터 살수배관(220) 쪽으로 형성되는 유동은 강화된다.
하강 유로부(230b)는 중간공동부(240)의 내부로 삽입되고, 중간공동부(240)는 역U자관(230)을 통과한 냉각수를 살수배관(220)에 공급하도록 살수배관(220)에 연결된다.
중간공동부(240)로 냉각수가 유입됨에 따라 중간공동부(240)의 수위는 상승하고 압력도 상승한다. 체크밸브(241)는 역U자관(230)을 통해 유입된 냉각수에 의해 중간공동부(240)의 압력이 격납건물(22)의 압력보다 커지면 중간공동부(240) 내의 기체를 배출할 수 있도록 중간공동부(240) 상부의 배관에 설치된다.
중간공동부(240)로부터 배출되는 유체는, 중간공동부(240)의 수위가 만수위가 되기 전까지는 기체이나 중간공동부(240)의 수위가 만수위가 되면 액체가 배출된다. 체크밸브를 통해 중간공동부(240)로부터 배출되는 유체는 미량이며, 기체의 배출에 따라 살수냉각수 저장부(210), 중간공동부(240) 및 살수배관(220) 사이는 냉가수로 단상유동 상태를 유지한다. 단상유동 상태가 유지되므로 격납건물(22)의 압력이 증가하더나 또는 감소하는 경우에도 사이펀 현상에 의한 살수 기능을 유지할 수 있다.
이하에서는 도 3에서 도 2에 도시된 원전(20)의 정상 운전 상태를 설명하고, 도 4 내지 도 8에서 사고 발생 후 피동격납건물살수계통(200)의 작동과 각각의 작동 단계들을 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 피동격납건물살수계통(200) 및 이를 구비하는 원전(20)의 정상 운전 상태를 나타내는 개념도이다.
원자로(21)에는 여러 배관(21b)들이 연결되고, 원자로(21)의 정상 운전 상태에서 작동이 요구되는 배관(21b)에 설치된 격리밸브(21b')들은 개방되어 있다.
살수냉각수 저장부(210)에는 냉각수가 저장되어 있으나, 역U자관(230)의 상승 유로부(230a)와 살수냉각수 저장부(210)의 수위 사이에는 높이차(H)가 존재한다. 따라서 격납건물(22) 내부의 압력이 정상운전 압력 범위에서 변하더라도 높이차(H)를 극복할 만큼 격납건물(22)의 압력이 상승하지 않기 때문에 피동격납건물살수계통(200)은 작동하지 않는다. 이에 따라 종래의 살수계통에서 원자로의 정상운전 중 격리밸브가 오작동하여, 살수계통의 작동이 시작되는 경우는 근원적으로 배제된다.
살수냉각수 저장부(210)로부터 냉각수가 공급되지 않는 한 중간공동부(240)의 내부는 비어있다. 따라서 살수냉각수 저장부(210)와 격납건물(22)은 압력 평형을 유지하며, 중간공동부(240) 또한 원자로(21)의 정상 운전 조건에서의 격납건물(22)의 내부 압력과 동일한 압력의 공기로 채워져 있으므로, 원자로(21)의 정상 운전 조건에서는 살수냉각수 저장부(210), 중간공동부(240) 및 격납건물(22)은 압력평형을 유지한다.
도 4는 도 2에 도시된 원전(20)에서 냉각재상실사고가 발생했을 때 피동격납건물살수계통(200)의 작동을 설명하기 위한 개념도이다.
원전(20)에서 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고가 발생하면 관련계통의 작동신호에 따라 안전주입계통(23)과 잔열제거계통(24)이 작동된다.
증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고 발생시 파단부를 통해 격납건물(22) 내부로 냉각수(기화) 또는 증기가 방출되면 격납건물(22) 내부의 온도와 압력이 상승한다. 격납건물(22) 내부의 압력 상승에 의해 역U자관(230)으로 냉각수가 유입되고 상승 유로부(230a) 내의 냉각수 수위는 점점 높아진다.
원자로(21)의 정상 운전 상태와 달리 격납건물(22)의 압력이 정상운전 압력 범위를 넘어서면, 상승 유로부(230a) 내의 냉각수 수위도 역U자관(230)의 벤딩된 부분을 넘어서게 되고 역U자관(230)의 하강 유로부(230b)를 통과하는 냉각수의 유동이 형성된다.
살수냉각수 저장부(210)에서 역U자관(230)으로 유입된 냉각수는 중간공동부(240)를 점점 채운다. 중간공동부(240)에 채워진 냉각수에 의해 살수배관(220)으로 유동이 형성되면 살수배관(220)에 설치된 체크밸브(222)는 개방된다. 살수배관(220)을 통과한 냉각수는 살수노즐(221)을 통해 격납건물(22) 내부로 분사된다.
중간공동부(240)의 냉각수 수위가 점점 높아짐에 따라 격납건물(22) 내부와의 압력차가 점점 감소한다. 중간공동부(240)의 압력이 격납건물(22) 내부의 압력보다 높아지면, 중간공동부(240) 상부의 배관에 설치된 체크밸브(241)가 개방되고 중간공동부(240) 내부의 기체를 배출한다. 중간공동부(240)의 기체가 배출되면 살수냉각수 저장부(210), 중간공동부(240), 및 살수배관(220) 사이는 냉각수로 단상유동 상태를 유지한다. 단상유동 상태가 유지되므로 격납건물(22) 내부의 압력이 변하는(감소 또는 증가하는) 경우에도 사이펀 현상에 의한 냉각수의 흐름을 유지할 수 있다. 중간공동부(240) 상부의 체크밸브(241)가 설치되는 배관에는 유량을 제한하기 위한 오리피스(미도시)가 설치될 수 있으며, 이에 따라 체크밸브(241)를 통해 방출되는 유량은 제한되고, 살수배관(220)을 통해 살수되는 유량은 원활이 형성될 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 피동격납건물살수계통(200) 및 이를 구비하는 원전(20)에서 냉각재상실사고 발생에 의해 중간공동부(240)에 냉각재가 충수되는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
격납건물(22) 내부의 압력(P1)이 증가하여 살수냉각수 저장부(210)로부터 역U자관(230)을 통해 중간공동부(240)로 냉각수가 유입되면, 중간공동부(240) 내부의 압력(P2)이 증가한다. 그리고, 중간공동부(240) 내부의 냉각수 수위도 점점 증가하여 중간공동부(240)에는 중력수두(PH)가 형성된다.
그러나 격납건물(22) 내부의 압력(P1)이 중간공동부(240)의 압력(P2)과 중력수두(PH)의 합(PT=P2+PH)보다 높으면(P1>PT), 체크밸브(222)는 개방되지 않는다.
체크밸브(222)가 개방되지 않아도 역U자관(230)을 통과하는 냉각수는 사이펀 현상에 의해 지속적으로 중간공동부(240)로 유입되고, 중간공동부(240)의 압력(P2)과 중력수두(PH)는 점점 커진다.
도 6은 도 5에서 이어지는 단계로 피동격납건물살수계통(200)의 살수단계를 설명하기 위한 개념도이다.
냉각수는 살수냉각수 저장부(210)로부터 역U자관(230)을 통해 중간공동부(240)로 지속적으로 유입된다. 격납건물(22) 내부의 압력(P1)보다 중간공동부(240)의 압력(P2)과 중간공동부(240)의 중력수두(PH)의 합(PT=P2+PH)이 커지면(P1<PT), 살수배관(220)에 설치된 체크밸브(222)가 개방된다. 이에 따라 냉각수가 살수배관(220)으로 흐르고 살수노즐(221)을 통해 격납건물(22)로 냉각수의 살수가 시작된다.
피동격납건물살수계통(200)의 작동에 의해 격납건물(22) 내부로 방출된 증기가 응축되어 격납건물(22) 내부의 압력 상승이 억제된다.
도 7은 도 6에서 이어지는 단계로 중간공동부(240)의 배기 작동단계를 설명하기 위한 개념도이고, 도 8은 도 7에서 이어지는 단계로 중간공동부(240)의 배수 작동단계를 설명하기 위한 개념도이다.
살수배관(220)으로부터 냉각수의 살수가 지속되며, 역U자관(230)을 통해 유입된 냉각수에 의해 중간공동부(240)의 압력(P2)과 수위가 상승한다. 중간공동부(240)의 압력(P2)이 격납건물(22) 내부의 압력(P1)보다 커지면, 중간공동부(240) 상부의 배관에 설치된 체크밸브(241)가 개방된다.
도 7을 참조하면, 중간공동부(240)의 수위가 만수위에 도달하기 전까지는 체크밸브(241)를 통해 중간공동부(240)의 기체(공기)가 배출되고, 도 8을 참조하면, 중간공동부(240)의 수위가 만수위에 도달해 체브밸브(241)를 통해 중간공동부(240)의 액체(냉각수)가 배출된다. 체크밸브(241)을 통해 배출되는 유량을 억제하고 살수배관(220)을 통해 원활히 형성될 수 있도록 체크밸브(241)가 설치되는 배관에는 오리피스가 설치될 수 있다.
중간공동부(240)로부터 기체가 배출되면 살수냉각수 저장부(210), 중간공동부(240) 및 살수배관(220) 사이는 액체(냉각수)로 채워진 단상유동 상태를 유지한다. 단상유동 상태가 유지되므로 격납건물(22) 내부의 압력이 변하는(감소 또는 증가하는) 경우에도 사이펀 현상에 의한 냉각수의 흐름을 유지할 수 있다. 이에 따라 피동격납건물살수계통(200)은 지속적으로 격납건물(22) 내부로 냉각수를 살수할 수 있다.
피동격납건물살수계통(200)에 의한 냉각수의 살수는 살수냉각수 저장부(210)와 중간공동부(240)의 냉각수가 대부분 고갈될 때까지 지속적으로 진행된다. 격납건물(22)은 냉각수의 고갈로 피동격납건물살수계통(200)의 작동이 중지될 때까지 압력 상승이 억제된다.
피동격납건물살수계통(200)은 격납건물(22) 내부의 압력이 비교적 급격하게 상승하는 증기관파단사고 또는 냉각재상실사고 등의 사고 초반에 작동되어 격납건물(22)을 보호하고, 증기 방출이 감소하는 사고 중후반부에는 냉각수가 고갈되어 작동이 중지될 수 있다.
다만, 격납건물(22) 내의 상부 공간에는 이용 가능한 공간이 많으므로 살수냉각수 저장부(210)의 용량 설계에 따라 작동이 중지되는 시점을 늦출 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통(300) 및 이를 구비하는 원전(30)을 나타내는 개념도이다.
살수배관(320)은 중간공동부(340)의 수위가 기설정된 높이에 도달한 후부터 냉각수의 살수를 시작하도록 중간공동부(340)의 상부에 연결된다. 도 9에 도시한 바와 같이 중간공동부(340)의 가장 위쪽에 살수배관(320)에 연결되는 경우에는, 중간공동부(340)의 수위가 높아짐에 따라 중간공동부(340) 내부의 기체(공기)가 먼저 살수배관(320)을 통과해 격납건물(32) 내부로 방출된다. 그리고, 중간공동부(340)가 만수위에 도달한 후부터 냉각수가 살수배관(320)을 통과해 격납건물(32) 내부로 살수된다.
살수배관(320)이 중간공동부(340)의 상부에 연결되면 중간공동부(340)로부터 기체가 우선적으로 방출되므로, 피동격납건물살수계통(300)은 중간공동부(340)의 기체를 방출하기 위한 별도의 체크밸브를 구비하지 않아도 지속적으로 작동될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통(400) 및 이를 구비하는 원전(40)을 나타내는 개념도이다.
피동격납건물살수계통(400)은 살수냉각수 저장부(410)의 하부와 살수배관(420)을 연결하는 배관(450)과 상기 배관(450)에 설치되는 격리밸브(451)를 포함한다.
피동격납건물살수계통(400)은 순수하게 자연적인 현상에 의해 작동하므로, 예측되지 않은 오작동 또는 미작동의 가능성을 전혀 배제할 수는 없다. 피동격납건물살수계통(400)은 사고 발생시 계통의 미작동에 대비하여 개방 가능한 격리밸브(451)를 포함하여 예측되지 않은 미작동에 대처할 수 있다.
격리밸브(451)가 개방되면, 냉각수는 중력수두에 의해 살수냉각수 저장부(410)로부터 살수배관(420)으로 직접 공급되고 살수노즐(421)을 통해 격납건물(42) 내부로 분사될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 관련된 피동격납건물살수계통(500) 및 이를 구비하는 원전(50)을 나타내는 개념도이다.
살수냉각수 저장부(510)는 중력수두에 의한 냉각수 살수가 가능하도록 격납건물(52) 외부의 기설정된 높이에 설치되고, 격납건물(52)과 압력 평형을 형성하도록 배관(511)에 의해 격납건물(52) 내부와 연결된다.
살수냉각수 저장부(510)와 격납건물(52)을 연결하는 배관(511)에는 격리밸브(512)가 설치될 수 있으며, 평상시에는 개방된 상태이나 피동격납건물살수계통(500)의 유지 보수나 원자로 사고와 살수계통 배관(511)의 파단이 중복되어 격리를 위해 필요한 경우에는 폐쇄될 수 있다.
중간공동부(540)도 격납건물(52)의 외부에 설치되어 있으나, 도시한 바와 달리 중간공동부(540)는 격납건물(52)의 내부에 설치될 수 있고 이 경우 역U자관(530)은 격납건물(52) 외부의 살수냉각수 저장부(510)와 격납건물(52) 내부의 중간공동부(540)를 연결하기 위해 격납건물(52)을 관통할 수 있다.
중간공동부(540)에 연결된 배관들에도 각각 격리밸브들(523, 542)이 설치될 수 있으며, 각 격리밸브들(523, 542)은 유지 보수나 원자로 사고와 살수관련 배관 파단이 중복되어 필요한 경우에는 폐쇄될 수 있다.
살수냉각수 저장부(510) 또는 중간공동부(540)의 설치 위치 및 높이는 원전(50)의 설계에 따라 달라질 수 있는 옵션이다.
이상에서 설명된 피동격납건물살수계통 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.
10 : 원전 11 : 원자로
100 : 피동격납건물살수계통 110 : 살수냉각수 저장부
120 : 살수배관 130 : 역U자관
140 : 중간공동부

Claims (15)

  1. 원자로를 수용하는 격납건물과 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하는 살수냉각수 저장부;
    사고 발생시 상기 격납건물 내부의 압력 상승에 의해 상기 살수냉각수 저장부로부터 공급된 냉각수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부에 설치되는 살수배관; 및
    상기 냉각수에 유로를 제공하도록 일단이 상기 살수냉각수 저장부의 내부에 삽입되고, 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하여 관 내부로 냉각수의 유동이 형성되면 피동적으로 상기 살수배관에 냉각수를 공급하도록 타단이 상기 살수배관에 연결되는 역U자관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역U자관은,
    상기 격납건물의 압력 상승시 냉각수에 상승 유로를 제공하도록 상기 살수냉각수 저장부에 삽입되고, 상기 격납건물의 정상운전 압력 범위에서 상기 살수냉각수 저장부로부터 상기 살수배관으로 냉각수의 유동이 형성되는 것을 방지하도록 기설정된 높이까지 연장되는 상승 유로부; 및
    상기 격납건물의 압력이 상승하여 상기 상승 유로부의 높이 이상으로 냉각수의 유동이 형성되면, 수두차에 의해 지속적으로 상기 살수배관으로 냉각수를 공급하도록 상기 상승 유로부에서 벤딩되고 하방향으로 연장되어 상기 살수배관에 연결되는 하강 유로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상승 유로부와 상기 하강 유로부는 기체 배출을 원활히 하도록 서로 다른 유로 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 살수냉각수 저장부로부터 상기 역U자관 쪽으로 형성되는 냉각수의 유동을 강화시키도록 상기 역U자관의 타단에 설치되어 상기 살수냉각수 저장부와 압력차를 형성하고, 상기 역U자관을 통과한 냉각수를 상기 살수배관에 공급하도록 상기 살수배관에 연결되는 중간공동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 살수배관은, 상기 중간공동부의 수위가 기설정된 높이에 도달한 후부터 냉각수의 살수를 시작하도록 상기 중간공동부의 상부에 연결되는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 중간공동부의 상부와 연결된 배관에 설치되고, 상기 역U자관을 통해 유입된 냉각수에 의해 상기 중간공동부의 압력이 상기 격납건물 내부의 압력보다 커지면 상기 중간공동부 내의 기체를 배출하도록 개방되는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 체크밸브를 통해 배출되는 유체의 유량을 제한하여 상기 살수배관으로 공급되는 냉각수의 유량을 충분히 확보하도록 상기 배관에 설치되는 오리피스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 격납건물 내부로 방출된 증기 또는 대기가 상기 살수배관을 통해 상기 역U관으로 유입되는 것을 차단하도록 상기 살수배관에 설치되고, 상기 살수냉각수 저장부의 냉각수를 통과시키도록 상기 살수배관 쪽으로 개방되는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  9. 제6항 또는 8항에 있어서,
    상기 중간공동부의 상부와 연결된 배관에 설치된 체크밸브 및 상기 살수배관에 설치된 체크밸브 중 적어도 하나는 단일고장에 의한 계통 전체의 오작동을 방지하도록 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 격납건물 내부로 냉각수를 분사하도록 상기 살수배관에 설치되는 적어도 하나의 살수노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 살수냉각수 저장부는, 중력수두에 의한 냉각수 살수가 가능하도록 상기 격납건물 내부의 기설정된 높이에 설치되고, 상기 격납건물과 압력 평형을 형성하도록 적어도 상부의 일부가 개방된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 살수냉각수 저장부는, 중력수두에 의한 냉각수 살수가 가능하도록 상기 격납건물 외부의 기설정된 높이에 설치되고, 상기 격납건물과 압력 평형을 형성하도록 상부가 배관에 의해 상기 격납건물 내부와 연결되는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 역U자관으로부터 분기된 배관에 설치되고, 원자로의 정상운전 또는 상기 살수냉각수 저장부의 충수 또는 유지 보수시 사이펀 브레이크 현상을 이용하여 상기 살수냉각수 저장부로부터 유동이 형성되는 것을 방지하도록 개폐 가능한 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 살수냉각수 저장부의 하부와 상기 살수배관을 연결하는 배관; 및
    상기 배관에 설치되고, 사고 발생시 계통의 미작동에 대비하여 개방 가능한 격리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피동격납건물살수계통.
  15. 원자로;
    사고 발생시 상기 원자로로부터 방사성 물질의 누출을 방지하도록 상기 원자로의 외부에 설치되는 격납건물; 및
    사고 발생시 상기 격납건물 내부에 피동적으로 냉각수를 살수하여 상기 원자로에서 방출된 증기를 응축시키는 피동격납건물살수계통을 포함하고,
    상기 피동격납건물살수계통은,
    원자로를 수용하는 격납건물과 통하도록 형성되어 상기 격납건물과 압력 평형을 유지하는 살수냉각수 저장부;
    사고 발생시 상기 격납건물 내부의 압력 상승에 의해 상기 살수냉각수 저장부로부터 공급된 냉각수를 상기 격납건물 내부로 살수하도록 상기 격납건물 내부에 설치되는 살수배관; 및
    상기 냉각수에 유로를 제공하도록 일단이 상기 살수냉각수 저장부의 내부에 삽입되고, 사고 발생에 의해 상기 격납건물의 압력이 상승하여 관 내부로 냉각수의 유동이 형성되면 피동적으로 상기 살수배관에 냉각수를 공급하도록 타단이 상기 살수배관에 연결되는 역U자관을 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
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