KR20140133290A - 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 원자로를 수용하는 격납건물의 외부에 배치되고 증기발생기로부터 냉각재에 전달된 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 냉각재와의 열교환을 통해 제거하는 제1 열교환기 및 상기 격납건물의 내부에 배치되며 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 제1 열교환기를 통해 외부로 배출하도록 상기 냉각재가 순환하는 연결배관으로 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제1 열교환기는 상기 제1 및 제2 열교환기 사이에서 중력수두에 의해 자연순환되는 상기 냉각재를 이용하여 상기 원자로의 현열 및 잔열을 제거함과 아울러 상기 격납건물을 냉각하도록 상기 제2 열교환기보다 높은 위치에 설치되는 피동잔열제거계통을 제안한다.

Description

피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전{PASSIVE RESIDUAL HEAT REMOVAL SYSTEM AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}
본 발명은 원전에서 사용되는 잔열제거계통에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 피동력에 의하여 작동되는 잔열제거계통을 구성하는 방식에 관한 것이다.
일반적으로 원자로는 상기 원자로를 구성하는 주요기기의 설치위치에 따라, 상기 주요기기가 원자로 외부에 설치되는 분리형 원자로와 상기 주요기기가 원자로 내부에 설치되는 일체형원자로로 나뉘게 된다.
또한, 원자로의 안전계통은 시스템 내외에서 어떠한 이상이 발생하였을 때 시스템 전체가 안전한 상태로 유도하도록 구성되는 시스템으로서, 상기 안전계통은 구현 방식에 따라 능동형과 피동형으로 나뉘게 된다. 능동형은 상기 안전계통을 구동하기 위해 비상발전기 등의 전력에 의해 작동하는 펌프와 같은 능동기기를 사용하고, 피동형은 상기 안전계통을 구동하기 위해 중력 또는 가스압력 등의 피동력에 의해 작동하는 피동기기를 사용하게 된다.
이러한 피동안전계통 중에는 피동잔열제거계통과 피동격납건물냉각계통 등이 있다.
일반적으로 상기 피동잔열제거계통은 원자로의 사고 발생시 원자로로부터 전달되는 원자로의 현열 및 노심의 잔열을 제거하는 기능을 수행한다.
상기 피동잔열제거계통의 냉각수 순환 방식은 원자로의 1차 냉각수를 직접 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(미국 AP1000 등)과 증기발생기를 이용하여 2차 냉각수를 순환시켜 원자로를 냉각하는 방식(국내 SMART 원자로 등)이 주로 사용되고, 1차 냉각수를 냉각탱크 등에 주입하여 직접 응축시키는 방식(미국 AP1000, Nuscale 등)도 일부 이용되고 있다. 또한 상기 피동잔열제거계통의 열교환기는 원자로로부터 전달받은 열을 비상냉각탱크 등을 통해 최종 열침원으로 전달하는 기능을 수행하며, 상기 열교환기의 방식은 열전달 효율이 뛰어난 응축열교환기가 주로 이용되고 있다.
또한, 상기 피동격납건물냉각계통은 원자로의 사고 발생시 상기 원자로로부터 냉각수가 방출되어 상승하는 격납건물 내부의 압력을 감소시키고 열을 제거하는 기능을 수행한다.
상기 피동격납건물냉각계통의 구성방식으로는 격납건물로 방출된 증기를 감압시키는 감압탱크(Suppression Tank)를 이용하는 방식과 철재격납건물를 적용하고 외벽을 냉각시키는 방식 및 열교환기를 이용하는 방식 등이 이용되고 있다.
이상에서 설명된 피동잔열제거계통과 피동격납건물냉각계통의 설비는 별도로 구성된다. 그리고 증기발생기를 이용하여 냉각수를 순환시킴으로써 원자로를 냉각하는 방식에는 보충탱크(Compensation Tank)가 구비되어 피동잔열제거계통에 냉각수를 보충해주는 역할을 수행한다.
그러나, 두 계통이 별도로 구비되고, 상기 보충탱크(Compensation Tank)를 구비함으로써 상기 피동안전계통의 전체적인 건설비용이 증가하고 구조가 복잡해진다. 따라서, 그 설계를 단순화하는 방안이 고려될 수 있다.
본 발명은 종래와 다른 형태의 피동잔열제거계통을 구비하는 원전을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 보충탱크를 제거한 피동잔열제거계통을 구비하는 원전을 제공하기 위한 것이다.
아울러, 본 발명은 피동잔열제거계통과 피동격납건물냉각계통의 일부 핵심 설비를 공용할 수 있는 원전을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 피동잔열제거계통은, 원자로를 수용하는 격납건물의 외부에 배치되고 증기발생기로부터 냉각재에 전달된 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 냉각재와의 열교환을 통해 제거하는 제1 열교환기, 및 상기 격납건물의 내부에 배치되며 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 제1 열교환기를 통해 외부로 배출하도록 상기 냉각재가 순환하는 연결배관으로 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 열교환기를 포함하며, 상기 제1 열교환기는 상기 제1 및 제2 열교환기 사이에서 중력수두에 의해 자연순환되는 상기 냉각재를 이용하여 상기 원자로의 현열 및 잔열을 제거함과 아울러 상기 격납건물을 냉각하도록 상기 제2 열교환기보다 높은 위치에 설치된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 열교환기는 상기 증기발생기와의 높이차에 의한 중력수두를 이용하여 상기 냉각재의 자연순환이 이루어지도록 상기 증기발생기보다 높은 위치에 설치된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 연결배관은, 중력수두를 이용하여 상기 냉각재가 유동할 수 있도록, 상기 제1 열교환기 하부와 상기 제2 열교환기 하부를 연결하는 제1 배관과, 상기 제2 열교환기 상부와 상기 제1 열교환기 하부를 연결하는 제2 배관 및 상기 제2 열교환기 상부와 상기 제1 열교환기 상부를 연결하는 제3 배관을 포함한다.
상기 제2 및 제3 배관 상에는, 상기 격납건물 내부의 온도변화에 따라 상기 제2 및 제3 배관을 통해 상기 냉각재가 상기 제2 열교환기로 유입되는 것을 방지하는 체크밸브가 각각 설치될 수 있고, 상기 체크밸브에 의해 상기 제2 열교환기에서의 상기 냉각재의 유동이 정체됨에 따라 상기 제2 열교환기의 열교환 기능의 작동 및 정지가 피동적으로 이루어질 수 있다.
상기 냉각재가 상기 제2 배관에 설치된 상기 체크밸브를 우회하여 유동이 가능하도록 상기 제1 열교환기 하부와 상기 제2 배관에 설치된 상기 체크밸브 사이로부터 분기되어 상기 제2 열교환기 상부와 상기 제2 배관에 설치된 체크밸브 사이로 연결되는 우회배관을 포함할 수 있고, 상기 격납건물 내부의 온도변화에 따라서 상기 우회배관을 통해 상기 제1 열교환기 하부에서 상기 제2 열교환기 상부로 전달된 상기 냉각재가 상기 제2 열교환기 하부를 거쳐 상기 증기발생기로 보충될 수 있다.
상기 우회배관에는 상기 제2 배관 사이에서 유동되는 상기 냉각재의 유량을 억제하도록 유로저항을 형성하는 제1 유량제어부가 설치될 수 있고, 상기 제1 배관과 상기 증기발생기에서 연장되어 형성되는 배관이 만나는 지점부터 상기 제2 열교환기 하부에서 연장되는 배관 사이에는 상기 제2 열교환기 상부로부터 토출되어 상기 제2 및 제3 배관을 통해 유동되는 상기 냉각재의 유량을 조절하도록 유로저항을 형성하는 제2 유량제어부가 설치될 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 열교환기 상부와 상기 증기발생기에서 증기가 토출되는 배관 사이에는 상기 제2 열교환기 상부로부터 토출되는 상기 냉각재가 증기발생기에서 증기가 토출되는 배관으로 유입되는 것을 방지하는 체크밸브가 더 설치될 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 열교환기의 외부냉각은 수랭, 공랭 또는 수-공랭 공용 방식을 적용할 수 있다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 피동잔열제거계통을 구비하는 원전을 제안한다. 상기 원전은, 원자로를 수용하는 격납건물의 외부에 배치되고 증기발생기로부터 냉각재에 전달된 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 냉각재와의 열교환을 통해 제거하는 제1 열교환기와, 상기 격납건물의 내부에 배치되며 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 제1 열교환기를 통해 외부로 배출하도록 상기 냉각재가 순환하는 연결배관으로 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 열교환기, 및 상기 제1 열교환기는 상기 제1 및 제2 열교환기 사이에서 중력수두에 의해 자연순환되는 상기 냉각재를 이용하여 상기 원자로의 현열 및 잔열을 제거함과 아울러 상기 격납건물을 냉각하도록 상기 제2 열교환기보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통을 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 격납건물 내부에 배치되어 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기를 유입시켜 상기 격납건물의 압력상승을 억제하도록 형성되는 감압계통을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 격납건물 내부에 배치되어 상기 격납건물 내부로 방출되는 상기 현열 및 잔열을 제거하도록 보조 열교환기와 보조비상냉각탱크를 구비하는, 보조 격납건물 냉각계통을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 열교환기의 외부냉각은 수랭, 공랭 또는 수-공랭 공용 방식을 적용할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전에 의하면, 피동잔열제거계통에 설치되는 보충탱크가 제거됨에 따라 피동잔열제거계통 및 이를 구비하는 원전의 설계가 단순화될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 피동잔열제거계통의 주요설비가 격납건물냉각계통에서도 사용될 수 있어 원전의 건설 비용이 절감될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 피동잔열제거계통의 일부가 기능을 상실하는 경우에도 격납건물냉각계통이 작동될 수 있어 원전의 안전성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원전의 피동잔열제거계통을 나타내는 개념도.
도 2는 정상운전시 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 배열을 나타내는 개념도.
도 3은 사고 발생시 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 배열을 나타내는 개념도.
도 4는 사고 발생 후 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 전, 피동격납건물냉각 기능이 단상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도.
도 5는 사고 발생 후 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 전, 피동격납건물냉각 기능이 이상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도.
도 6은 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 단상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도.
도 7은 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 정지시 계통의 작동상태를 나타내는 개념도.
도 8은 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 단상 또는 이상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도.
도 9는 도 1에 도시된 피동잔열제거계통에 체크밸브를 추가시 시스템의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 단상 또는 이상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도.
도 10은 도 9에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 전, 피동격납건물냉각 기능이 이상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도.
도 11은 사고 발생 후 시간변화에 따른 격납건물 내부의 압력변화를 나타내는 그래프.
도 12는 도 1에 도시된 제2 교환기의 형상을 나타내는 개념도.
도 13, 14는 본 발명의 변형예와 관련된 원전의 구성을 나타내는 개념도.
이하, 본 발명의 피동잔열제거계통을 구비한 원전에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 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. 또한, 본 발명의 명세서에서 사용된 격납건물이란 용어는 원자로건물, 격납용기 그리고 안전보호용기와 같은 용어를 포괄적으로 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원전의 피동잔열제거계통을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 피동잔열제거계통(100)은 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)를 포함하며, 피동잔열제거계통(100)을 순환하는 냉각재는 액체 또는 증기의 유체상태로 유동이 이루어질 수 있다.
격납건물(140)은 원자로(150)의 방사성물질이 대기중으로 유출되는 것을 방지하도록 원자로(150)의 외부에 설치된다.
제1 열교환기(110)는 상기 격납건물(140)의 외부에 배치되고, 격납건물(140)의 내부에 설치되는 원자로(150)의 노심으로부터 발생되는 열이 증기발생기(155)를 통하여 액체에서 증기로 바뀌어 제1 열교환기(110)로 전달된다. 증기에 포함된 열은 제1 열교환기(110) 내부에서 열교환을 통해 제거되고, 열이 제거된 냉각재는 다시 증기발생기(155)로 유입되어 순환됨으로써 원자로(150)의 현열 및 잔열이 제거될 수 있다.
제2 열교환기(120)는 격납건물(140)의 내부에 배치되고, 냉각재상실 등의 사고 발생시 격납건물(140) 내부로 원자로(150)의 현열 및 잔열을 포함하는 증기가 방출되는데, 상기 증기에 포함된 열은 제2 열교환기와(120)의 열교환을 통하여 단상(액체) 또는 이상(액체 및 증기)의 상태로 제1 열교환기(110)로 전달되어 최종적으로 열이 제거된다. 그리고 열이 제거된 냉각재는 다시 제1 열교환기(110) 하부에서 제2 열교환기(120)의 하부로 유입되어 순환됨으로써 격납건물(140)의 내부가 냉각될 수 있다.
격납건물(140) 외부에는 원자로(150)의 현열 및 잔열을 제거함으로써 열침원 역할을 수행하는 비상냉각탱크(115)가 설치된다. 비상냉각탱크(115)는, 제1 열교환기(110)로 전달된 원자로(150)의 현열 및 잔열을 전달받아 제거함과 아울러, 격납건물(140)의 냉각에 사용되는 제2열교환기(120)로부터 전달받은 원자로(150)의 현열 및 잔열도 제1 열교환기(110)로 전달된 후, 최종적으로 비상냉각탱크(115)에 수용된 냉각재를 통해 제거될 수 있다.
제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)를 연결하는 연결배관(130)을 통해서는 냉각재가 유동할 수 있다. 연결배관(130)은, 제1 열교환기(110) 하부와 제2 열교환기 하부를 연결하는 제1 배관(131), 제2 열교환기(120) 상부와 제1 열교환기(110) 하부를 연결하는 제2 배관(133) 및 제2 열교환기(120)의 상부와 제1 열교환기(110) 상부를 연결하는 제3 배관(137)을 통해서 냉각재가 유동하며 순환될 수 있다.
제2 및 제3 배관(133, 137) 상에는, 제1 열교환기(110)의 유체온도가 격납건물(140) 내부의 온도보다 높은 경우, 제2 및 제3 배관(133, 137)을 통해 제2 열교환기(120)로 열이 반대 방향으로 유입되는 것을 방지하는 체크밸브(V5, V6)가 설치된다.
체크밸브(V5, V6)는 격납건물(140) 내부의 온도변화에 따라 냉각재의 유동이 제1 열교환기(110)에서 제2 열교환기(120)로 발생되는 경우, 상기 냉각재가 제2 열교환기(120)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 제2 배관(133)에는 체크밸브(V5)를 우회하여 냉각재가 유동될 수 있도록 우회배관(135)이 설치될 수도 있다. 이때, 우회배관(135)은 제1 열교환기(110) 하부와 체크밸브(V5) 사이로부터 분기되어 제2 열교환기(120) 상부와 체크밸브(V5) 사이로 연결될 수 있다.
또한, 우회배관(135) 상에는 우회배관(135)을 통해 유동하는 냉각재의 유량을 억제하도록 유로저항을 형성하는 제1 유량제어부(136)가 설치될 수도 있다. 냉각재의 유동이 제1 열교환기(110) 하부에서 제2 열교환기(120) 상부로 형성될 경우 제1 유량제어부(136)의 유로저항으로 인하여 미세 유동으로 제한될 수 있다.
제1 배관(131) 상에는 제2 열교환기(120) 상부로부터 토출되는 냉각재의 유량을 조절하도록 유로저항을 형성하는 제2 유량제어부(132)가 설치될 수 있다. 냉각재의 유동이 제2 열교환기(120) 상부로부터 토출되어 제2 및 제3 배관(133, 137)을 통해 유동이 형성될 경우 제2 열교환기(120)로 유입되는 냉각재의 유량이 제2 유량제어부(132)의 유로저항으로 인하여 설계된 유동으로 제한될 수 있다.
제1 열교환기(110)는 제2 열교환기(120)보다 높은 위치에 설치됨으로써 제1 및 제2 열교환기(110, 120) 사이에서 유체가 중력수두에 의해 자연순환이 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 열교환기(110)의 내부에서는 격납건물(140)의 내부로 방출되는 열에 대하여 열교환되는 냉각재와 제1 배관(131)을 통해 제2 열교환기(120)로 유입되는 냉각재 사이에는 온도차가 발생하는데, 상기 온도차에 의해 상기 제2 열교환기(120) 내부에서 냉각재의 밀도차가 발생하여 밀도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 유동이 발생되는 현상이 생기게 된다. 그리고, 제1 열교환기(110)를 통해 원자로(150)의 현열 및 잔열이 제거된 냉각재는 중력수두에 의해 제2 열교환기(120) 보다 상대적으로 높게 설치된 제1 열교환기(110)의 하부를 통하여 제2 열교환기(120)의 하부로 전달되는 방식으로 냉각재의 자연순환이 이루어질 수 있다.
아울러, 제1 열교환기(110)는 증기발생기(155)보다 높은 위치에 설치됨으로써, 제1 열교환기(110)와 증기발생기(155) 사이에 흐르는 냉각재 또한 피동잔열제거계통(100)에서 순환하는 유체의 밀도차 및 제1 열교환기(110)과 증기발생기(155)가 설치되는 높이 차이에 의한 중력수두에 의해서 자연순환되는 방식으로 원자로(150)의 사고 발생시 피동잔열제거계통(100)의 기능이 작동될 수 있다.
증기발생기(150)는 원자로(150)의 내부(일체형 원자로) 또는 외부(분리형 원자로)에 설치될 수 있다. 또한, 피동잔열제거계통(100)에 설치되는 밸브는 단일고장을 고려하여 병렬로 설치될 수 있다. 아울러, 제1 열교환기(110)의 외부냉각은 수랭, 공랭 또는 수-공랭 공용 방식이 선택적으로 적용될 수 있다.
도 2, 3은 각각 정상운전시 및 사고 발생시 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 배열을 나타내는 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 정상운전시에는 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 개방되고 피동잔열제거계통(100)에 설치된 격리밸브(V3)는 폐쇄된 상태로 운전이 이루어지고, 사고 발생시에는 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 폐쇄되고 피동잔열제거계통(100)에 설치된 격리밸브(V3)는 개방된다. 또한, 정상운전시 원자로(150)의 운전 흐름은 급수계통(W)을 통해 증기발생기(155)로 급수가 이루어지고 증기발생기(155)로 유입된 유체는 원자로(150)의 노심에서 발생되는 열에 의해 고압의 증기로 변하여 터빈계통(T)으로 유입되어 발전이 이루어지게 된다.
이에 따라, 정상운전시에는 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 개방되고 피동잔열제거계통(100)에 설치된 격리밸브(V3)는 폐쇄된 상태로 피동잔열제거계통(100)을 통한 유체의 흐름이 차단된다. 그리고 원자로(150)에 냉각재상실 및 비냉각재상실 등의 사고가 발생할 경우에는 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 폐쇄되고 피동잔열제거계통(100)에 설치된 격리밸브(V3)는 개방됨으로써 증기발생기(155)로의 급수가 차단되고 원자로(150)의 현열 및 잔열을 제거하기 위한 피동잔열제거계통(100)의 기능이 작동될 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각 냉각재상실사고 발생 후 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 전, 피동격납건물냉각 기능이 단상 및 이상순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 피동잔열제거계통(100)의 피동잔열제거 기능이 작동되기 전 상태에서 원자로(150)로부터 격납건물(140)의 내부로 방출된 열은 제2 열교환기(120)를 통해 제거된다. 보다 구체적으로, 원자로(150)에 사고가 발생하면 관련신호가 발생하여 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 폐쇄되고 피동잔열제거계통(100)에 설치된 격리밸브(V3)는 개방되어 피동잔열제거계통(100)의 피동잔열제거 기능이 작동된다.
이때 사고 초반 원자로(150)의 상태 등이 피동잔열제거계통(100)의 작동 관련신호를 발생시키는 기 설정값에 도달하기 이전으로서 상기 격리밸브(V1~V3)의 개폐가 이루어지지 않아 피동잔열제거기능이 작동되기 전, 격납건물(140) 내부로 방출되는 증기에 포함된 원자로(150)의 현열 및 잔열은, 격납건물(140) 내부에 설치된 제2 열교환기(120)로 전달되어 내부를 순환하는 냉각재와의 열교환을 거쳐 제2 열교환기(120) 상부에서 제2 배관(133)을 통해 제1 열교환기(110) 하부로 전달되어 제거된다.
그리고 열이 제거된 냉각재는 다시 제1 열교환기(110) 하부에서 제1 배관(131)을 통해 제2 열교환기(120) 하부로 유입되어 순환되면서 격납건물(140)을 냉각시킬 수 있다. 이때, 순환되는 냉각재는 액체상태로써 단상자연순환이 이루어질 수 있다.
아울러, 격납건물(140)의 냉각기능이 지속되면서 제2 열교환기(120) 내부를 순환하는 냉각재의 온도가 지속적으로 상승하는 경우, 제2 열교환기(120) 상부를 통해 방출되는 냉각재는 액체와 증기의 2가지 상태로 이루어질 수 있는데, 이때 상기 단상자연순환과 함께 제3 배관(137)을 통한 이상자연순환이 이루어지게 된다.
보다 구체적으로, 증기상태의 냉각재는 제2 열교환기(120) 상부에서 제3 배관(137)을 통해 제1 열교환기(110) 상부로 유입되고, 다시 제1 열교환기(110) 하부에서 제1 배관(131)을 통해 제2 열교환기(120) 하부로 유입되어 순환된다. 또는 제2 열교환기(120) 상부로부터 토출되어 증기발생기(155)에서 발생되는 증기가 제1 열교환기(110)로 흘러들어가는 배관을 통해 이동하여 아직 폐쇄되지 않은 터빈계통(T)의 격리밸브(V2)를 거쳐 외부로 방출됨으로써 격납건물(140)의 내부에 발생되는 원자로(150)의 현열 및 잔열이 제거될 수 있다.
이하, 격납건물(140) 내부의 온도변화에 따라 제2 열교환기(120)의 열교환 기능의 작동 및 정지가 피동적으로 이루어지는 메커니즘에 대하여 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 6은 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 단상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도이다.
도 6을 참조하면, 사고발생 초기 제2 열교환기(120)의 온도가 저온인 상태에서, 우회배관(135)을 통해 제2 열교환기(120)가 피동잔열제거계통(100)에 냉각재를 보충해 주는 기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 제2 열교환기(120)의 온도가 격납건물(140) 내부의 온도 및 제1 배관(131)을 흐르는 냉각재의 온도보다 낮을 경우, 제2 열교환기(120)는 격납건물(140) 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 원자로(150)의 현열 및 잔열이 냉각재와의 열교환을 통해 제2 열교환기(120) 하부로 토출된다. 이때, 피동잔열제거계통(100)과 제2 열교환기(120)는 유체가 유동될 수 있는 개방 상태이므로, 피동잔열제거계통(100)의 냉각재가 부족한 경우에 제2 열교환기(120)의 냉각재가 유입되어 피동잔열제거계통(100)에 냉각재가 보충될 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 정지시 계통의 작동상태를 나타내는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 격납건물(140) 내부의 냉각을 수행하는 제2 열교환기(120)의 온도가 상승하여 격납건물(140) 내부의 온도와 차이가 작아짐에 따라 제2 열교환기(120)에서 냉각재의 유동이 정체되어 열교환기능이 정지된다. 보다 구체적으로, 제2 열교환기(120)는 격납건물(140) 내부의 온도와 차이가 있을 경우 발생되는 냉각재의 유동에 의해 열교환기능이 작동하게 되는데, 이때, 제2 열교환기(120)의 작동이 지속되면서 온도가 상승하여 격납건물(140) 내부의 온도와 제2 열교환기(120)의 온도가 평형상태에 근접하게 되면 제2 열교환기(120)에서 냉각재의 유동이 정체될 수 있다. 또한, 제2 및 제3 배관(133, 137)에는 제2 및 제3 배관(133, 137)을 통해 제2 열교환기(120) 상부로 냉각재가 유입되는 것을 방지하는 체크밸브(V5, V6)가 설치된다. 이에 따라, 냉각재의 유동이 정체되며 제2 열교환기(120)의 열교환기능 또한 정지된다. 이때, 피동잔열제거계통(100)의 냉각재가 부족한 경우에는 우회배관(135)이 개방되어 있는 상태이므로 제2 열교환기(120)가 피동잔열제거계통(100)에 냉각재를 보충해주는 기능을 수행할 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 피동잔열제거계통의 피동잔열제거 기능이 작동 후, 피동격납건물냉각 기능이 단상 또는 이상자연순환으로 작동되는 상태를 나타내는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 피동잔열제거계통(100)의 작동 후 시간이 지남에 따라 제2 열교환기(120)의 열교환기능이 다시 작동하여 격납건물(140)을 냉각하게 된다. 보다 구체적으로, 원자로(150)의 온도가 감소하여 연결배관(130)을 흐르는 냉각재의 온도가 격납건물(140) 내부의 온도보다 낮아지고 이에 따라 제2 열교환기(120)의 온도도 감소하는 경우, 제2 열교환기(120)는 격납건물(140) 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 원자로(150)의 현열 및 잔열이 냉각재와의 열교환을 통해 액체 또는 증기의 상태로 변하고, 변화된 냉각재는 제2 및 제3 배관(133, 137)을 통해 제1 열교환기(110)의 하부 또는 상부로 공급된 후 다시 제1 열교환기(110)의 하부에서 제2 열교환기(120)의 하부로 유입되는 방식으로 냉각재의 순환이 이루어진다. 이에 따라, 정지되었던 제2 열교환기(120)의 열교환기능이 다시 회복될 수 있다. 이때, 피동잔열제거계통(100)과 제2 열교환기(120)는 유체가 유동될 수 있는 개방 상태이므로, 피동잔열제거계통(100)의 냉각재가 부족한 경우에 제2 열교환기(120)의 냉각재가 유입되어 피동잔열제거계통(100)에 냉각재가 보충될 수 있다.
이상 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 본 발명의 구조에 의하면, 격납건물(140) 내부와 제2 열교환기(120)의 온도차이에 따라 발생되는 냉각재의 유동이 체크밸브(V5, V6)에 의해 제2 열교환기(120)에서 제1 열교환기(110)로 형성될 경우에는 냉각재의 정상적인 순환이 이루어지고, 냉각재의 유동이 제1 열교환기(110)에서 제2 열교환기(120)로 형성될 때는 냉각재의 유동이 정체됨에 따라, 상기 제2 열교환기(120)의 열교환 기능의 작동 및 정지가 피동적으로 구현될 수 있다.
도 9, 10은 각각 도시된 피동잔열제거계통에 체크밸브를 추가시 시스템의 배열 및 작동상태를 나타내는 개념도이다.
도 9, 10을 참조하면, 제1 열교환기(110) 상부와 증기발생기(155)에서 증기가 토출되는 배관 사이에는, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120) 상부에서 토출되는 냉각재가 증기발생기(155)에서 증기가 토출되는 배관으로 유입되는 것을 방지하는 체크밸브(V7)가 더 설치될 수 있다. 원자로(150)에 사고가 발생하면 피동잔열제거계통(100)의 작동 관련신호가 발생하고, 이에 따라 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 폐쇄되고 피동잔열제거계통(100)에 설치된 격리밸브(V3)는 개방되어 피동잔열제거계통(100)의 기능이 작동된다. 그러나 원자로(150)에 사고가 발생하고 피동잔열제거계통(100)의 작동 관련신호가 발생하기까지는 다소의 시간지연이 발생한다. 이때, 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 폐쇄되기 이전에는 제1 열교환기(110) 또는 제2 열교환기(120)의 유체가 증기발생기(155)에서 토출되는 배관을 통해 터빈계통(T)으로 유실될 수 있다. 이에 따라, 상기 체크밸브(V7)를 설치하여 증기발생기(155)로의 냉각재의 흐름을 차단함으로써 피동잔열제거계통(100)의 기능저하를 예방할 수 있다.
이때, 피동잔열제거계통(100)의 작동 전, 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 개방된 상태에서 제2 열교환기(120)을 통해 이루어지는 격납건물(140)의 냉각기능 작동시, 제2 열교환기(120) 상부를 통해 토출되는 증기 상태의 냉각재가 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V2)를 통해 외부로 방출되는 기능은 일부 제한될 수 있다.
도 11은 사고 발생 후 시간변화에 따른 격납건물 내부의 압력변화를 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하여 시간변화에 따라 변화하는 격납건물(140) 내부의 압력변화 및 제2 열교환기(120) 열제거 기능의 작동상태를 설명한다.
냉각재상실 등의 사고 발생 초기 피동잔열제거계통(100)의 피동잔열제거 기능이 작동되기 전, 피동격납건물냉각 기능이 작동되면서 제2 열교환기(120)의 열제거 기능이 수행된다. 이때, 격납건물(140) 내부의 압력은 상승된다.
이후, 피동격납건물냉각 기능과 함께 피동잔열제거 기능이 작동을 시작하며 원자로(150)의 잔열 및 현열을 제거하게 된다. 이때, 격납건물(140) 내부의 압력은 상승된다.
그리고, 격납건물(140) 내부의 냉각을 수행하는 제2 열교환기(120)의 내부 온도가 상승하여 제2 열교환기(120)와 격납건물(140) 내부의 온도차이가 작아짐에 따라, 제2 열교환기(120)에서 냉각재의 유동이 정체되어 제2 열교환기(120)의 열교환기능이 정지된다. 이때, 피동잔열제거계통(100)에서는 피동잔열제거 기능이 주로 작동을 하게 되며, 격납건물(140) 내부의 압력은 상승된다.
이후, 피동잔열제거계통(100)의 피동잔열제거 기능이 지속됨에 따라 제1 배관(131)을 흐르는 냉각재의 온도가 하강하면서 다시 제2 열교환기의 열교환기능이 작동된다. 이때, 격납건물(140) 내부의 압력은 상승을 지속하다가 피동잔열제거계통(100)의 피동잔열제거 및 피동격납건물냉각 기능이 지속적으로 작동됨에 따라서 점차 하강하게 된다.
도 12는 도 1에 도시된 제2 교환기의 형상을 나타내는 개념도이다.
도 12를 참조하면, 제2 열교환기(120)는 격납건물(140)의 내부에 설치되어 격납건물(140) 내부로 방출되는 증기에 포함된 원자로(150)의 현열 및 잔열을 제거하는 역할을 하며, 제2 열교환기(120) 상부에서 토출되는 냉각재가 액체와 증기 2가지 상태일 경우에 제2 및 제3 배관(133, 137)을 통한 이상자연순환이 이루어지게 된다.
보다 구체적으로, 제2 열교환기(120)의 하부로 유입된 냉각재가 제2 열교환기(120)의 내부에서 열교환을 거친 후, 액체상태의 냉각재는 제2 배관(133)을 통해 제1 열교환기(110) 하부로 전달되고 증기상태의 냉각재는 제3 배관(137)을 통해 제1 열교환기(110)의 상부로 전달된다. 그리고 제1 열교환기(110)를 통해 냉각재에 포함된 원자로(150)의 현열 및 잔열이 제거되며 다시 제1 열교환기(110)의 하부에서 제1 배관(131)을 통해 제2 열교환기(120) 하부로 유입되는 방식으로 냉각재의 순환이 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 변형예와 관련된 원전의 구성에 대하여 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다.
도 13은 본 발명의 변형예에 따른 피동잔열제거계통과 감압계통을 구비하는 원전을 나타내는 개념도이다.
도 13을 참조하면, 도 1에 도시된 피동잔열제거계통(100)을 구비하는 원전(200)은, 격납건물(140) 내부의 압력상승을 억제하도록 상기 격납건물(140)의 내부에 감압계통(230)을 포함할 수 있다.
상기 감압계통(230)은 격납건물(140) 내부와 감압계통(230) 내부의 압력차에 의해 격납건물(140) 내부의 유체를 감압계통(230) 내부로 유입시키고 증기를 응축시킬 수 있도록 구성된다. 보다 구체적으로, 원자로(150)의 사고로 인하여 격납건물(140) 내부의 압력은 원자로(150)로부터 방출되는 증기에 의해 상기 감압계통(230) 내부공간의 압력보다 상대적으로 고압의 상태이다. 이로 인하여 압력차가 발생하고, 상기 압력차로 인하여 고압의 증기 또는 기체는 감압계통(230)에 설치되는 관을 통하여 감압계통(230) 내부의 저장수로 유입된다. 그리고 유입된 증기 또는 기체는 상기 저장수와 열교환이 이루어짐으로써 응축되어 액체로 변하거나 온도가 낮아지게 된다. 이에 따라, 격납건물(140) 내부의 압력이 감압계통을 통하여 낮아질 수 있다.
도 14는 본 발명의 변형에에 따른 피동잔열제거계통과 보조 격납건물냉각계통을 구비하는 원전을 나타내는 개념도이다.
도 14를 참조하면, 도 1에 도시된 피동잔열제거계통(100)을 구비하는 원전(200)은, 격납건물(140)의 내부로 방출되는 원자로(150)의 현열 및 잔열을 제거하도록 상기 격납건물(140)의 내부에 보조 격납건물냉각계통(250)을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 보조 격납건물냉각계통(250)은 격납건물(140) 내부에 발생되는 증기로부터 원자로(150)의 현열 및 잔열을 전달받아 열교환을 수행하는 보조열교환기(251)와 상기 보조열교환기(251)로부터 전달받은 냉각재에 포함된 상기 원자로(150)의 현열 및 잔열을 제거하는 보조비상냉각탱크(253)를 구비할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 피동잔열제거계통(100)과 격납건물(140) 내부를 냉각하는 제2 열교환기(120)가 제1 열교환기(110)를 공유하여 설비의 건설비용을 경감할 수 있다. 또한, 냉각재상실 또는 증기관 파단사고 등 격납건물(140)의 압력이 상승하는 사고가 발생하는 경우에 피동잔열제거계통(100)의 작동 이전부터 제2 열교환기(120)가 작동하여 사고 초반 격납건물(140) 내부의 급격한 온도 및 압력 상승을 억제하며, 이후 제2 열교환기(120)가 보충탱크(115)의 기능을 병행하고, 원자로(150)의 현열과 잔열이 감소하게 되면 정지되었던 제2 열교환기(120)의 기능이 다시 회복되어 장시간 격납건물(140) 내부의 냉각기능을 수행할 수 있다.
아울러, 피동형 계통으로 원자로(150)의 잔열제거와 격납건물냉각을 위한 설계가 가능하여, 피동안전계통에서 요구되는 시간 동안에 운전원의 조치나 비상전원이 없어도 자연력을 이용하여 원자로(150)와 격납건물(140)을 안전한 상태로 유지할 수 있어 안전성이 향상될 수 있다. 또한, 사고 시 피동잔열제거계통(110) 격리밸브(V3)가 개방되지 않아 피동잔열제거계통(100)의 일부가 기능을 상실하는 경우에도 급수계통(W)과 터빈계통(T)에 설치된 격리밸브(V1, V2)가 폐쇄되면, 제1 열교환기(110)는 격납건물(140) 냉각기능을 수행할 수 있어 안전성이 향상될 수 있다.
다만, 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예들에 한정됨은 아니고, 특허청구범위로부터 파악되는 본 발명의 권리범위와 비교하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자 수준에서 변형, 부가, 삭제, 치환 가능한 발명 등 모든 균등한 수준의 발명에 대하여는 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.
100 : 피동잔열제거계통 110 : 제1 열교환기
120 : 제2 열교환기 130 : 연결배관
131 : 제1 배관 133 : 제2 배관
137 : 제3 배관 140 : 격납건물
150 : 원자로 155 : 증기발생기

Claims (13)

  1. 원자로를 수용하는 격납건물의 외부에 배치되고, 증기발생기로부터 냉각재에 전달된 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 냉각재와의 열교환을 통해 제거하는 제1 열교환기; 및
    상기 격납건물의 내부에 배치되며, 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 제1 열교환기를 통해 외부로 배출하도록 상기 냉각재가 순환하는 연결배관으로 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 열교환기를 포함하고,
    상기 제1 열교환기는 상기 제1 및 제2 열교환기 사이에서 중력수두에 의해 자연순환되는 상기 냉각재를 이용하여 상기 원자로의 현열 및 잔열을 제거함과 아울러 상기 격납건물을 냉각하도록, 상기 제2 열교환기보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 증기발생기와의 높이차에 의한 중력수두를 이용하여 상기 냉각재의 자연순환이 이루어지도록 상기 증기발생기보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연결배관은,
    중력수두를 이용하여 상기 냉각재가 유동할 수 있도록,
    상기 제1 열교환기 하부와 상기 제2 열교환기 하부를 연결하는 제1 배관;
    상기 제2 열교환기 상부와 상기 제1 열교환기 하부를 연결하는 제2 배관; 및
    상기 제2 열교환기 상부와 상기 제1 열교환기 상부를 연결하는 제3 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 배관 상에는, 상기 격납건물 내부의 온도변화에 따라 상기 제2 및 제3 배관을 통해 상기 냉각재가 상기 제2 열교환기로 유입되는 것을 방지하는 체크밸브가 각각 설치되고,
    상기 체크밸브에 의해 상기 제2 열교환기에서의 상기 냉각재의 유동이 정체됨에 따라, 상기 제2 열교환기의 열교환 기능의 작동 및 정지가 피동적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 냉각재가 상기 제2 배관에 설치된 상기 체크밸브를 우회하여 유동이 가능하도록, 상기 제1 열교환기 하부와 상기 제2 배관에 설치된 상기 체크밸브 사이로부터 분기되어 상기 제2 열교환기 상부와 상기 제2 배관에 설치된 체크밸브 사이로 연결되는 우회배관을 포함하고,
    상기 격납건물 내부의 온도변화에 따라서 상기 우회배관을 통해 상기 제1 열교환기 하부에서 상기 제2 열교환기 상부로 전달된 상기 냉각재가 상기 제2 열교환기 하부를 거쳐 상기 증기발생기로 보충되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 우회배관에는 상기 제2 배관 사이에서 유동되는 상기 냉각재의 유량을 억제하도록 유로저항을 형성하는 제1 유량제어부가 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 배관과 상기 증기발생기에서 연장되어 형성되는 배관이 만나는 지점부터 상기 제2 열교환기 하부에서 연장되는 배관 사이에는, 상기 제2 열교환기 상부로부터 토출되어 상기 제2 및 제3 배관을 통해 유동되는 상기 냉각재의 유량을 조절하도록 유로저항을 형성하는 제2 유량제어부가 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기 상부와 상기 증기발생기에서 증기가 토출되는 배관 사이에는, 상기 제2 열교환기 상부로부터 토출되는 상기 냉각재가 증기발생기에서 증기가 토출되는 배관으로 유입되는 것을 방지하는 체크밸브가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기의 외부냉각은 수랭, 공랭 또는 수-공랭 공용 방식인 것을 특징으로 하는 원자로.
  10. 원자로를 수용하는 격납건물의 외부에 배치되고, 증기발생기로부터 냉각재에 전달된 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 냉각재와의 열교환을 통해 제거하는 제1 열교환기;
    상기 격납건물의 내부에 배치되며, 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기로부터 전달받은 상기 원자로의 현열 및 잔열을 상기 제1 열교환기를 통해 외부로 배출하도록 상기 냉각재가 순환하는 연결배관에 의해 상기 제1 열교환기와 연결되는 제2 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기는 상기 제1 및 제2 열교환기 사이에서 중력수두에 의해 자연순환되는 상기 냉각재를 이용하여 상기 원자로의 현열 및 잔열을 제거함과 아울러 상기 격납건물을 냉각하도록, 상기 제2 열교환기보다 높은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 피동잔열제거계통을 포함하는 원전.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 격납건물 내부에 배치되어, 상기 격납건물의 내부로 방출되는 증기를 유입시켜 상기 격납건물 내부의 압력상승을 억제하도록 형성되는 감압계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 격납건물 내부에 배치되어, 상기 격납건물 내부로 방출되는 상기 현열 및 잔열을 제거하도록 보조열교환기와 보조비상냉각탱크를 구비하는, 보조격납건물 냉각계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원전.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 열교환기의 외부냉각은 수랭, 공랭 또는 수-공랭 공용 방식인 것을 특징으로 하는 원전.
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