KR20150136120A - 원자력 발전설비의 격납용기의 압력 방출 시스템 - Google Patents
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Abstract
원자력 발전설비(2)의 압력 방출 시스템(30)이 제공되는데, 이 시스템은 특히 수납 가능한 세척 유체(52)의 양의 관점에서 컴팩트한 구조적 설계를 동시에 가지는 습식 세척기(36)의 특히 효율적이고 신뢰성 높은 작동을 가능하게 한다. 본 발명에 의하면, 이들은
격납용기(4)를 관통하여 연장되고 차단 밸브(26)에 의해 폐쇄될 수 있는 압력 방출 배관(28)과,
압력 방출 배관(28)의 일부로 배치되고, 압력 방출 모드에서 차단 밸브(26)가 개방되었을 때 형성되는 압력 방출 흐름을 위한 습식 세척기(36)과,
격납용기(4)의 내부에 배치되어 격납용기(4)의 나머지 공간과 유체적으로 연통되어, 격납용기(4) 외부의 주변환경에 대한 격납용기를 지배하는 과압이 적어도 일부, 바람직하기로는 거의 완전히 또는 완전히 이송되는 저장부(100)와,
저장부(100)로부터 습식 세척기(36)로 연장되어 세척 유체(52)로 작용될 유체(14)를 저장부(100)로부터 습식 세척기(36)로 공급하는 공급 배관(72)을 구비하며,
습식 세척기(36)가 격납용기(4)의 나머지 내부 공간으로부터 밀폐되는 세척 유체 탱크(38)를 포함하고, 압력 방출 배관이 세척 유체 탱크(38)로 진입하는 점(44) 상류의 압력 방출 배관(28)의 일부에 드로틀부(102)가 형성되는
압력 방출 시스템(30)에 의해 달성된다.
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압력 방출 시스템(30)에 의해 달성된다.
Description
본 발명은 원자력 플랜트(nuclear plant)의 격납용기(containment)의 배기 시스템(venting system)으로도 지칭되는 여과(filtration) 기능이 통합된 압력 방출 시스템(pressure-relief system)에 관한 것으로, 더 상세히는 가압수형 원자로(pressurized water reactor)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그 작동 방법에도 관련된다.
노심 용융(core meltdown)이 수반되는 원자력 발전 플랜트의 주요 사고 동안에는 격납용기라고도 호칭되는 안전 외함(safety enclosure) 내에 아주 높은 수준의 공기 전달 방사능(airborne activity)이 발생되는데, 대량의 누설(leakage)과 허용되지 않은 과압 상황(overpressure situation)이 발생되면 주변환경에 상당한 양이 유출될 수 있다. 이러한 상황에서 공기 전달 방사능은 원자력 발전소를 둘러싸는 지역에 원치않는 높은 수준의 장기적인 지역 오염(land contamination)을 야기할 수 있는데, 이는 무엇보다도 이에 포함된 이종의(different) 방사성 핵종(radionuclides). 특히 요드와 세슘 동위원소의 높은 반감기(half-life period)에 기인한다.
사고 상황에서 격납용기의 과압 제한과 압력 방출을 위한 여러 가지 다른 시스템들이 다수의 원자력 발전소에 이미 설치되어 있다. 이 설비들은 연무(aerosol)와 일부 소립자 요소(elementary iodine), 그리고 유기 요드 화합물(organoiodine) 역시 보류(retention)시키는데, 탱크나 다른 저장 용기 형태의 대용량의 기본적 세척수 저장부(water reservoirs)를 가지는 압력 방출 흐름 또는 배기 흐름(venting flow)의 습식 정화 시스템 또는 세척 시스템을 구비하는 경우가 많다.
이 대형 세척수 저장부는 보류된 방사성 연무와 요드로부터의 붕괴열(decay heat)의 바람직하지 못한 효과, 즉 세척수를 증발시키는 온도 상승을 제한하고 배기 모드(venting mode)에서 고온의 가스를 비등점(boiling point) 온도로 냉각시키도록 한다. 세척 시스템의 고갈(drying-out)은 보류 기능을 위협할 뿐 아니라 보류된 방사능의 재유출을 야기한다.
또한 기존의 발전설비들에 대한 격납용기 거동의 연구 결과, 어떤 사고 시나리오에서는 방사능이 현저히 증가하고, 그 결과 연무와 요드 붕괴열이 유츨된다는 결과가 나왔다. 그러므로 배기 시스템의 세척 설비에서의 세척수 요구치가 이러한 상황에서 중요하지만 이에 따른 대용량 설비는 대부분의 경우 더이상 기존 건물 내에 수용되기 어렵다. 이는 상당한 경비가 소요되는 새로운 건물의 건축이 필요함을 의미한다.
예를 들어 세척기 또는 모래 여과 베드(sand bed filters)와 이들의 조합 등의 기존의 보강 설비들은 유기 요드 화합물의 보류 문제를 해결하는데, 이들은 관련 연구의 결과를 기초로 최근에 재평가되어야 했으며 일부 경우에는 상당한 성공을 거두고 있다. 그러나 이 종류의 설비는 외부 영향으로부터 보호가 여전히 필수적으로 필요하고, 그 결과 그 건설이 상당히 고가이며 상당한 경비를 발생시킴이 알려졌다.
본 발명이 언급한 문제는 이 점에 대한 해결수단을 강구하여 배기 흐름에 대한 습식 세척기의 효율적이고 신뢰성 높은 작동이 가능한 동시에, 특히 제공될 수 있는 세척 유체 흐름의 양에 비해 소형(compact)인 설계를 가지는 원자력 발전 플랜트의 격납용기의 배기 시스템을 제공하는 것을 포함한다. 또한, 이 종류의 배기 시스템에 특히 유용한 작동 방법이 제시될 것이다.
본 발명에 의하면, 장치에 관련된 문제점은 청구범위 제1항의 특징에 의해 해결된다. 방법에 관해서는 문제점이 청구범위 제11항의 특징에 의해 해결된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들과 이하의 상세한 설명의 주제(subject matter)이다.
본 발명은 기존의 플랜트에 포함되는 기존의 세척수 저장부의 소극적 개발(passive development)에 의해 달성될 수 있는 공지의 배기 시스템과 관련 세척 설비의 개선에 대한 지식에 기초하고 있다. 그 결과 격납용기와 관련 안전 시스템의 간략화된 배치(simplified layout)와 근본적인 원가 절감이 촉진된다.
본 발명에 의한 방법과 설비들은 바람직하게 사용되어, 누설을 포함하는 잔류열의 방출에 기인하는 노심 용융이 수반되는 비상 조건에서 발생되는 가스 또는 증기가 과압의 경우 완전히 방출(draw off)되며 주변환경으로 배출되기 전에 공기 전달 방사능이 거의 완전히 정화되도록 한다. 보류된 방사능은 바람직하기로 격납용기 내로 신속히 피드백(feed back)된다. 이와 같은 방법으로 관련된 방사능 누출과 그 결과인 원자력 플랜트 주변 지역의 지반 오염(ground contamination)이 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 설계로, 사고 관련(accident-related) 압력 구배(pressure gradients)를 이용하여 바람직하기로 수동적인 충전 수준 제어를 수반하는 수동적인 추진 압력(propellant pressure)을 형성함으로써 세척 설비 내의 세척수 수준(통칭 세척 유체 수준)이 배기 과정 이전이나 시작시 충전 및/또는 바람직한 범위 내에 항상 유지될 수 있게 된다. 여기서, 어느 경우에든 존재하거나 사고의 결과로 형성된 유체 축적은 세척 유체 저장부로 사용되어 매우 작은 크기의 외부 또는 추가 저장 용기만을 필요로 하면서도 신뢰성 높은 작동이 보장된다.
이 경우, 추진 압력(propellant pressure)은 수동적으로 형성, 특히 세척 설비의 가스 유입영역에서의 유체 흐름을 선택적으로 드로틀링(throttling)하여 유체 동역학적 관계를 이용함으로써 발생될 수 있는데, 이 추진 압력이 세척 유체를 세척 설비로 끌어들인다. 필요한 부(negative)의 흡입 압력(intake pressure)은 예를 들어 선택적 드로틀링과 벤튜리 세척기(Venturi washer)의 벤튜리관에서의 압력 강하에 의해 자동으로 생성된다.
이 경우, 바람직하기로 배기 시작시 격납용기 내의 1bar 보다 큰(바람직하기로 적어도 절대압력 2bar, 특히 바람직하기로 절대압력 4bar 보다 큰)의 고압일 때, 예를 들어 비등수형 원자로의 응축수 저장부 또는 가압수형 원자로(pressurized water reactor)의 오수 저장부(building sump) 등의 공급수 저장부에 대한 0.1bar보다 큰, 바람직하기로 0.3bar 보다 큰 또는 심지어 1bar에 달하는 큰 부의 추진 압력차이가 세척 설비의 가스 유입 영역에, 예를 들어 노즐(nozzle), 특히 벤튜리 노즐, 관통 노즐(perforated nozzle) 또는 유사물에 의해 발생된다.
벤튜리 목 부분에서의 배기 흐름의 흐름 속도(간단히 벤튜리 속도)는 바람직하기호 설치 현장을 감안하여 적절한 흡입 압력이 생성될 수 있도록 설정된다. 예를 들어 벤튜리 세척기가 기존의 세척수 저장부보다 10m 위에 설치되면 시스템 초기화(system initiation) 동안 벤튜리 노즐에서 예를 들어 1bar보다 큰 압력강하(pressure drop)에 해당하는 특히 고속의 벤튜리 속도가 선택적으로 작동되므로 200m/s, 더 바람직하기로 250m/s의 영역이 될 것이다. 후술하는 드로틀(throttle)(아래 참조)과 조합하면 배기 배관 전체적으로는 확실한 2단 압력 강하가 존재하게 된다. 낮은 내부 세척기 압력은 더 큰 가스 용적이 흐르도록 하므로 가능한 공관 속도(empty pipe speed)가 커지지만, 컴팩트한 구조 설계는 어려워진다.
세척수 흡입 배관(water suction lines)도 이와 같은 방식의 크기가 되어 흡입 배관에 증기 포말 형성(steam bubble formation)으로 비등 풀(boiling pool)이 형성되더라도, 특히 25mm보다 작은 충분히 작은 직경, 바람직하기로 15mm보다 작은 직경의 효율적인 이물질 이송(plug conveying)이 가능해진다.
서로 다른 정상적 폭의 흡입 배관들의 조합을 통해 비등 풀을 포함하여 초기 급속 충전과 이에 이어지는 충전 수준의 만충(top-up)이 각각 별도로 최적화될 수 있다.
상술한 수단은 예를 들어 세척수 저장부(통칭 세척 유체 저장부)와 세척 유닛 간의 5 내지 30m 이상의 비교적 큰 높이 차이를 극복할 수 있음을 의미한다.
세척기 유닛(scrubber unit)이 예를 들어 고 에너지 영양이 미치지 않도록 보호된 건물의, 특히 상대적으로 높은 영역에 더 설치될 수 있다. 이와는 달리, 세척 설비는 격납용기의 바로 집수 영역(sump area)이나 바닥 영역(floor area) 등 비교적 낮은 수준에도 설치될 수 있다. 이와 같이 세척 설비가 침수 영역(flooding area)에 설치되면 주변 냉각(ambient)에 의해 제거될 수 있는 붕괴열은 100kW보다 큰 값으로 증가될 수 있다.
그러나 격납용기의 대기만을 배출시킬 수 있도록 배기 배관의 유입 개구부는 바람직하기로 모든 설치 조건의 격납용기에서 예상할 수 있는 최대 침수 충전 영역보다 위에 위치한다.
이를 둘러싸는 외부의 더 큰 풀(pool) 내에 비교적 작은 내부 풀을 가지는 벤튜리 세척기(Venturi scrubber)내의 세척 유체 탱크의 단계적 구조가 특히 유용한데, 벤튜리 노즐의 세척 유체 흡입 포트(suction port)가 이 내부 풀에 연통된다. 전체 구성을 둘러싸며 이하에 세척 유체 탱크로도 지칭될 외부 풀은 재순환되는 세척 유체와 제1 풀의 오버플로우(overflow)를 수용하는데 사용된다. 압력 방출 시스템이 최대 구동 압력차이로 시작될 때 바로 충전이 일어나고 오버플로우되기까지 작은 양의 세척수만을 필요로 하므로 내부 풀의 충전은 매우 신속하다.
내부 풀에 아주 작은 양의 세척수가 있다는 것은 배기 가스 측과 세척 유체 측에서 거의 동시에 또는 적응 시간(fitting runtime)만의 시차로 "건조된(dry)" 벤튜리 세척기가 시작될 수 있음을 의미하는데, 즉 소량의 세척 유체의 도입이 벤튜리 목 부분의 오버플로우를 일으키고 이에 따라 가스가 이송되면 벤튜리 노즐의 고속 영역에서 세척 유체의 흡입/분사가 일어나므로 효율적인 연무(aerosol)와 요드의 보류가 거의 즉각적으로 일어나게 된다.
달리 말해, 3분 미만, 바람직하기로 1분 미만인 내부 풀의 짧은 충전시간은 세척 유체가 배기 모드(venting mode)에서만 팔요함을 의미한다. 그러면 충전되지 않은 건조한 세척 설비가 사고 작동을 위해 유지될 수 있게 되어 경비, 중량 등의 관점에서 특히 유용하다. 이 바람직한 설계로, 벤튜리 세척 유닛은 대기 모드(standby mode)에서 파열 포일(bursting foil) 및/또는 스프링 작동식 또는 중량 작동식 오버플로우 밸브로 흡입측이 폐쇄될 수 있다. 사고의 시작시 이 폐쇄부는 압력차이 및/또는 온도 증가의 발생의 결과 자동으로 개방되어 격납용기의 대기와 압력 및 온도 보상이 일어난다.
첫 충전후, 세척기 내의 충전 수준의 조정과 제어는 (준) 정적 배기모드에서 바람직하기로 플로트(float) 충전 수준 제어를 통하거나, 바람직하기로 오염 방지 제어볼 락(dirt-proof control ball lock) 또는 로터리 슬라이드 밸브(rotary slide valve)를 사용하여 수행된다. 이 두 기구를 직렬로 연결하면 더 큰 충전 신뢰성이 달성될 수 있다. 이 경우 예를 들어 제어볼 락이 세척수 유출부에 삽입되고 로터리 슬라이드 밸브가 만충 배관(top-up line)에 통합되어 상류측에 구비된다.
특히 배기 모드와 예를 들어 과열 가스의 유입 및/또는 세척기에서의 붕괴열에 의해 증발이 발생되는 경우, 각 경우에서 증발되는 세척수의 양은 저장부 밖으로 수동적으로 피드백된다.
세척 유닛을 격납용기의 내부에 설치하여 격납용기와 거의 같은 온도가 되도록 함으로써 시작시 밸브 배관에 의해 제거되는 격납용기 대기에 예를 들어 벤튜리 풀에서의 증기 응축 등에 관련된 변화가 없도록 하는 것이 특히 바람직하다는 것이 입증되었는데, 이에 따라 H2/O2 농도(concentration)도 일정하게 유지된다. 이는 안전성을 크게 향상시킨다.
또한 격납용기 압력을 제한하기 위해 집수 배관(달리 말해 세척 유체 공급 배관)을 통해 추가적 공기 흡입을 하는 압력 방출 시스템을 통한 증가된 처리에 집수된 물(sump water)을 끌어다 써야 함에도 집수부가 고갈(dry sump)되고 더 냉각된 연료 요소(fuel element)를 가지는 LUHS(궁극적 열싱크의 손실: Loss of Ultimate Heat Sink) 상황이 유용하게 설정될 수 있다.
더 바람직한 실시예에서는, 예를 들어 10 내지 50kW 미만의 붕괴열의 작은 발생 등의 배출(throughput)이 없는 배기 이후 모드(after-venting mode)에서라도 세척 설비 표면을 통한 증발과 복사 열전달(convective heat delivery)의 조합으로 발생된 열을 제거함으로써 장기 운전 동안이라도 설비의 완전한 수동성과 독립성을 달성할 수 있다.
붕괴열이 더 크게 발생하면, 세척기 유닛 내에 (세척 유체 내의 증기 쿠션(steam cushion)의 형성에 기인하는) 증기압의 선택적 형성(build-up)이 발생할 수 있고, 그러므로 사용된(charged) 세척 유체를 배기 배관의 시작부(initial section)을 통해 격납용기로 자동으로 배수(draining-back)시키게 된다.
또한, 예를 들어 지상(ground level) 등에 배치된 저장탱크 형태의 추가적 세척수 저장부가 세척 설비를 충전 또는 재충전시키는데 사용될 수 있다. 이 경우, 세척 설비에 대한 세척수 공급은 예를 들어 배터리 모듈로 작동하거나 압축공기 실린더를 통한 독립적 펌프 유닛에 의해 수행된다. 예를 들어 집수 및/또는 상술한 다른 세척수 저장부에 의한 추가적 충전의 조합을 통해 세척기에 매우 높은 붕괴열 출력이 발생하더라도 장기적으로 신뢰성 높은 열 제거가 보장된다.
이에 대체적으로 또는 이와 동시에, 기존의 비상 냉각 또는 분무 시스템(spraying system)에 부착함으로써 추가적인 세척수 저장부로의 근접이 보장되거나 세척수를 끌어올 다른 풀이 형성될 수 있다. 이러한 비상 냉각 및 분무 시스템과 조합하고 다른 저장부에서 추가적인 충전을 함으로써, 매우 높은 붕괴열이 세척기에 발생되더라도 안전이 더 향상되고 장기적인 열 제거가 보장될 수 있다.
추가적인 변형으로, 세척 유닛은 압력 방출 배관(배기 배관)을 통해 격납용기 외부로부터 충전될 수 있는데, 예를 들어 가스압 하의 외부 세척수 저장부로부터 도움을 받을 수 있다. 이 경우 충전은 오버플로우가 대응하는 제한과 도달된 충전 수준의 유용한 조정이 되도록 하는 배관 연결의 적절한 선택으로 제한된다. 이 외부로부터의 충전은 배기 과정 후에 특히 유용함이 입증되었는데, 방사능이 축적된 세척 유체를 격납용기로 배수(flush)시키기 위해 사용될 수 있다.
벤튜리 세척기의 벤튜리부는 바람직하기로 긴 벤튜리관으로 형성되는데, 그 세척 유체 흡입 영역이 풀(pool)에 깊이 잠겨있어 그 대부분을 세척 유체 수준 이상의 높이로 불어 올린다.
이 벤튜리 유닛들은 후속될 임계 드로틀링(critical throttling)과 조합되어 벤튜리 목 부분의 세척 유체 흡입 영역에 대해 독일특허 DE 103 28 773 B3로 공지된 바와 같이 바람직하기로 150m/s보다 큰, 바람직하기로 200m/s보다 큰 높은 벤튜리 속도로 작동된다.
원형 벤튜리건 편평형 벤튜리건 2 cm2 내지 20 cm2보다 큰 목 영역 내의 벤튜리관은 바람직하기로 최소의 수치인 동시에 5cm 두께보다 작은 크기, 바람직하기로 3cm 두께보다 작은 크기를 보장하기 위해 사용되는데, 최적의 분리 공정을 달성하기 위해 바람직하기로 벤튜리 축에 대해 30° 내지 90°의 각도인 목 면적의 50%보다 작은 짧은 세척 유체 반입 경로(feed-in path)와 세척 유체 흡입 슬릿/영역(suction slits/areas)을 보장한다.
일부 경우에는, 짧은 벤튜리관을 사용하거나 짧고 긴 벤튜리관들을 조합하여 사용하여 세척수 수면 밑에서 불어 올리는 구성 역시 유용하다.
벤튜리관에서 정화된 가스 흐름으로부터 세척 유체의 분리는 단계적으로 이뤄진다.
사용된(charged) 세척 유체의 일부는 벤튜리 출구에서의 충격 분리에 의해 바로 분리된다. 시작 국면(start-up phase) 동안의 세척수 소요량을 더 최소화시키기 위해 출구 배관(outlet pipe)에서 벤튜리 유체를 충격 분리하여 흡입 영역으로 선택적으로 복귀시킬 수도 있다. 또한, 매우 효율적인 반응 표면을 통해 유해물질의 추가적 분리를 일으키는 예를 들어 1 내지 3m/s의 매우 높은 공관 속도(empty pipe speed)와 선택적인 물방울 포착(entrainment)이 바람직하게 설정될 수 있다.
특히 3보다 크고, 바람직하기로 10보다 큰 고속 영역과 저속 영역을 가지며, 10 μm보다 작은 물방울 직경의 작은 제한을 달성하도록 블레이드 열(blade row)들이 바람직하기로 5m/s보다 큰 속도로 수평으로 흐르는, 후속적인 고속 블레이드 분리기(blade separator)에서, 세척 유체가 가스 흐름에서 분리되어 풀로 복귀된다.
상류의 응집기/연무제거기(agglomerator/demister)를 사용함으로써 제한되는 물방울의 직경을 5 μm보다 작은 값으로 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 특히 작은 물방울의 분리 속도를 크게 증가시킬 수 있다.
바람직하기로 60 μm 보다 큰 두께로부터 8 μm 이상 두께로 종료하는 금속 섬유(metal fibres)에 의한 추가적인 연무제거 단계(demister stage)에서, 남아있는 미세한 물방울의 응집과 함께 미세한 연무(aerosols)의 부분적 분리 역시 이뤄진다. 또한 더 미세한 구성의 섬유 매트나 소결 공극 필터(sintering pore filters)가 하류측에 구비될 수 있다.
후속적인 임계 드로틀링(critical throttling)에 의해 조정되는 영구적으로 고속인 벤튜리 속도와 높은 공관 속도, 그리고 원심력(centrifugal force)과 연무 제거들의 이 부분적인 조합은 1 μm보다 큰 입자 직경의 연무를 99.9% 보다 큰 분리 및 보류(separation/retention)가 가능하게 함과 동시에 1 μm보다 작은 입자 직경의 미세 연무를 99% 보다 큰, 유사 요드(parallel iodine) 분리 역시 99% 보다 크게 달성한다.
또한, 예를 들어 수산화 나트륨(NaOH) 및/또는 티오황산염(thiosulphates) 등 시약을 직접 공급 및 점적(drop)시켜 효과적인 요드 흡착(sorption)이 이뤄진다. 이 시약 공급은 예를 들어 압력차 방출 또는 열적 밸브(thermally soldered valve)를 통해 이뤄질 수 있다.
도시된 조합은 특히 최소의 공간에서 매우 높은 가스 처리(throughput)가 가능하도록 한다. 이에 따라 매우 컴팩트하고 처리 집중wjr(throughput-intensive)일 뿐 아니라 작은 벤튜리 세척 유닛들로 분리될 수도 있는 벤튜리 유닛이 가능하게 된다. 이러한 방법으로 유닛들은 매우 한정된 설치공간밖에 없는 구역에 통합될 수 있다.
이는 특히 외부 영향(EVA)에 대한 격납용기의 보호 작용으로 배기 설비의 기능적 신뢰성을 결정적으로 향상시키게 된다. 또한 현저히 감소된 경비와 건물 차폐효과(building screening effect)가 동시에 달성된다.
특히 분리된 플로트 밸브 공급의 경우, 개별적인 설비들은 바람직하기로 통신 가능하게 연결되어서로 다른 높이들에 개별적 또는 그룹으로 수납될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 사용에 의해 달성되는 이점들은 특히 격납용기 외측에 설치되며 격납용기 내에 위치하는 세척 유체 저장부에 연결되는 격납용기 배기 시스템의 세척기 설비에 의해, 바람직하기로 플로트 충전 수준 제어되는 세척 설비의 수동적인 첫 충전과 후속적인 충전이 사고 조건의 결과인 시스템 고유의 흡입 압력 형성을 통해 이뤄질 수 있는 동시에 특히 컴팩트한 공간 절감 설계가 가능하다. 특히 압력 변화 작동(sliding pressure operation) 동안의 배기 흐름의 후속적인 임계 압력 방출에 의해 제어되는 고속 벤튜리 세척기를 사용하면, 매우 효율적인 방사능 보류가 달성될 수 있다. 정상적인 발전소 동작 동안에는 세척 유체가가 충전되지 않고 사고 작동을 대기하고 있는 "건조(dry)" 세척 설비라는 것은 경비나 중량 등에 있어 더 많은 이점들을 달성할 수 있음을 의미한다.
이하에서 본 발명의 예시적 실시예가 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 여기서 단일한 도면은 격납용기 배기 시스템을 가지는 가압수형 원자로 방식의 원자력 발전소 전체의 매우 간략화된 개략도이다.
도 1에 도시된 원자력 플랜트(nuclear plant; 2)는 가압수형 원자로(pressurized water reactor; PWR) 방식의 원자력 발전플랜트이다. 격납용기(containment; 4)로 불리는 안전 외함(safety enclosure) 내에는 강철 및/또는 보강 콘크리트로 만들어져 외부 환경에 대해 밀폐된 안전 케이싱(safety casing) 내에 다른 기기들 중에 원자로 압력 용기(reactor pressure vessel; 도시 안됨)가 수납되는 원자로 공간(reactor space)이 배치된다. 안전 케이싱은 다른 이름으로 안전 외함이나 격납용기 케이싱으로도 호칭된다. 안전 케이싱으로 둘러싸인 격납용기 내부 공간 역시 지금까지 짧게 격납용기로 호칭되어 왔다. 원자로 압력용기와 필요한 원자력 시스템 요소들은 도시되지 않은 구획벽(partition wall)에 의해 격납용기(4) 내의, 거기서 처리하지 않더라도 비원자력 재고(non-nuclear inventory)가 수납된 플랜트룸(plant roonm)과 분리될 수 있다.
많고 다양한 안전 수단에도 불구하고, 증기의 대량 방출을 수반하는 중대 사고에서는 격납용기(4) 내에는 격납용기(4)의 구조적 일체성을 위협할 수 있는 임계 과압(critical overpressure)이 발생될 수 있다.
도 1에 의한 원자력 발전소에서 이와 같은 시나리오에 대해 가능하면 시작부터 대처하기 위해, 격납용기 분무 시스템 또는 간단히 분무 시스템(spray system; 10)에는 특히 격납용기(4)의 천정 영역에 복수의 분무 노즐(12)들을 구비한다. 유체(14)를 분무함으로써 막 시작된 사고로 가열된 격납용기(4) 내의 시스템 요소들의 냉각이 증발 냉각(evaporative cooling)으로 이뤄진다.
분무 노즐(12)에는 이러한 목적으로 공급 배관(16)을 통해 (일반적으로 필요한 첨가제나 시약과 조합된 물인) 유체(14)가 공급되는데, 이 유체(14)는 저장 탱크(18)로부터 공급된다. 이 예시적 실시예에서 저장 탱크(18)는 격납용기(4)의 외부에 위치하여, 격납용기(4)가 뜨겁게 가열되더라도 저장 탱크에 수납된 유체(14)는 비교적 차다. 이에 따라, 공급 배관(16)이 격납용기의 덕트(duct; 20)로 관통된다. 저장 탱크(18)로부터 분무 노즐(12)로 유체(14)를 이송하기 위해 바람직하기로 자체적인 비상 동력원을 가지는 전기 구동 이송 펌프(22)가 구비된다. 밖에도 설치될 수 있지만, 도시된 실시예에서 이송 펌프(22)는 격납용기(4) 내의 배관부에 배치되어 있다.
외부 설치된 저장 탱크(18)를 대체하거나 추가적으로 역시 격납용기 내에 유체 저장부가 추가될 수 있다. 이는 또한 내부 저장 탱크나 저장 수조(srtorage basin)과 별도로 예를 들어 높이 올려진 침수조(flood basin)를 구비하여 격납용기(4) 내에 이미 보유된 유체가 필요시 중력 구동 또는 중력 지원 방식으로 방출될 수 있도록 한다.
유체(14)는 예를 들어 분무 시스템(10)의 사용시 분무되거나 대응 비상 냉각 시스템이나 침수 시스템의 도움으로 건물부나 시스템 요소들이 침수될 때 방출되는데, 이 유체는 증발되지 않으며 응축되어 축적되며, 누설된 유체는 주로 원자로 건물이나 격납용기(4)의 바닥 영역의 집수조(sump; 24)에 위치한다. 여기서 집수조(24)는 격납용기(4)의 나머지 내부 공간에 대해 개방된 압력 평향 수조 또는 저수부(100)을 형성한다.
그러나 사고가 진행되어 격납용기의 내부 압력이 임계값에 근접하거나 이를 초과하면 지금까지 논의한 수단이나 다른 어떤 수단도 안정(stabilization)을 달성할 수 없게 된다.
이와 같은 종류의 중대 사고를 통제하기 위해, 도 1에 의한 원자력 발전 설비의 경우에는 안전 시스템의 일체적 부분으로 격납용기(4)의 여과된 압력 방출(여과된 격납용기 배기)가 필요한 곳에 제공된다. 이를 위해 원자력 발전 설비의 정상적 동작 동안에는 차단 밸브(shutoff valve)로 폐쇄되는 압력 방출 배관(pressure-relief line; 28)이 격납용기에 설치되는데, 압력 방출 모드에서 차단 밸브(26)가 개방되었을 때 이 배관을 통해 압력 방출 흐름이 격납용기(4)로부터 외부 환경으로 방출된다. 이 과정은 배기(venting)라고도 호칭된다. 주로 가스 상(狀)이며 부분적으로 증기 구성요소와 비응축성 가스를 포함하는 압력 방출 흐름은 이에 따라 배기 흐름(venting flow)으로 호칭된다. 압력 방출 배관(28)도 배기 배관으로 호칭된다. 이들은 전체적으로 배기 시스템(30)으로 호칭된다.
이미 언급한 바와 같이, 원자력 발전설비가 정상적으로 작동할 때는 압력 방출 배관(28)이 폐쇄되어 있다. 이 목적을 위한 차단 밸브가 구비되는데, 이는 직렬로 연결된 두 개별적 밸브들(탠덤(tandem) 구조)로 된 쌍둥이 밸브로 설계된다. 배기 흐름의 흐름 방향(32)에서 보았을 때, 차단 밸브(26)은 격납용기(4)를 관통하는 관련 덕트(34)의 직후방에 위치한다. 배기 과정을 개시하기 위해서는 차단 밸브(26)가 개방되고, 그러면 배기 흐름이 예상된 대로 압력 방출 배관(28)을 통과한다.
배기 중 주변환경으로의 방사능(radioactive activity)의 유출을 적당한 정도로 감소시키기 위해 여과 장치(filter device)나 세척 설비(scrubber facility) 형태의 해당 보류 시스템(retention system)이 압력 방출 배관(28) 내에 삽입된다.
벤튜리 세척형(Venturi scrubber-type) 배기 흐름을 위해 특히 습식 세척기(wet scrubber; 36)가 격납용기(4) 내부에 설치되는데, 이에 따라 습식 세척기는 외부 영향으로부터 잘 보호된다. 이 습식 세척기(36)는 주변 환경에 대해 밀폐하는 차단벽(enclosing wall)과 함께 세척 유체 탱크(38), 간단히 세척 탱크를 구비한다. 적어도 한 벤튜리관(Venturi tube; 40), 바람직하기로는 복수의 벤튜리관(40)이 바람직하기로 수직 또는 약간 경사지게 세척 유체 탱크(38) 내에 배치되어 있다. 입력측에는 각 벤튜리관(40)의 하단에서 압력 방출 배관(28)의 상류측 시작부(initial section)에 연결되고, 벤튜리관(40)의 유입 개구부(42)가 격납용기(4) 내에 위치한다. 출력측에서는 벤튜리관(40)의 유출 개구부(44)가 세척 유체 탱크(38)보다 높게 돌출되어 있다. 그 사이에 위치하는 목(neck) 부분에는 벤튜리관 또는 라발 노즐(Laval nozle) 방식으로 테이퍼(tapor)를 가지는, 더 정확히는 가장 좁은 점을 지칭하는 목 부분(44)에, 벤튜리관(40)이 예를 들어 슬롯(slot) 형태, 특히 원형 벤튜리관의 경우는 고리형 슬롯으로 구성된 세척 유체의 흡입 개구부(intake opening; 46)를 가진다.
지금까지의 대부분의 전통적 시스템 설계에서는, 세척 유체 탱크(38)가 배기중 흡입 포트(suction port; 48)보다 위이고 유출 개구부(44)보다 아래인 설계 충전 수준(50)까지 세척 유체(52)가 충전되었다. 이 작동 방법은 도 1에 도시된 습식 세척기(36)의 우반부에 도시되어 있다. (좌반부와 우반부는 각각 동일한 세척 장치의 다른 작동 상태를 나타낸다.) 하방으로부터 벤튜리관(40)에 진입한 배기 흐름은 목 부분(46)에서 최대 흐름 속도에 도달하고 그럼으로써 흡입 포트(48)를 통해 세척 유체 탱크(38)로부터 주변의 세척 유체(52)를 끌어당기는데, 이 세척 유체는 물방울의 미세한 안개의 형태로 유입된다. 세척 유체(52)의 미세화(fragmentation)와 무화(misting)에 의해 벤튜리관(40) 내에서 배기 흐름과 세척 유체(52) 간의 상호작용이 발생하고, 그 결과 공기 전달 또는 가스 전달 방사능이 에어로졸(aerosol)와 요드 화합물 형태로 배기 흐름 내에 포착(entrain)되어 세척 유체 방울 내에 축적(deposit)된다.
다음 방사능 축적 세척 유체 연무와 혼합된 배기 흐름은 바람직하기로 벤튜리관(40) 상단, 즉 세척 유체 수준 위에 위치한 자유 분출 구조로 형성된 자유 유출 개구부(44)로 배출된다. 충격 분리기(impact separator; 54)의 한편에서 세척 유체(52)의 제1 분리가, 다른 편에서 가스 상(狀)의 세척 흐름의 분리가 이뤄진다. 이 경우 방사능 활성 요소들이 대부분 세척 유체(52) 내에 포착되어 남아있는데, 세척 유체는 중력 분리의 원리에 따라 다시 하방으로 하강한다. 반편 세척된 배기 가스 흐름은 세척 유체 수준 이상에 축적되어 압력 방출 배관(16)의 하류측으로 진입하는데, 연무 제거기(demister)로도 불리는 미세 분리기(fine seperator; 56)를 흐른 뒤 세척 유체 탱크(38)의 배수전(head)에 연결된 압력 방출 배관(28)의 하류부로 진입한다.
바람직하기로 물이 주로 세척 유체(52)로 사용되는데, 이 물은 필요한 경우 시약 탱크(chemical tank)로부터의 화학 첨가물 또는 시약(reagent)과 조합된다.
이 실시예에서 시약 탱크(58)는 연결 배관(60)을 통해 세척 유체 탱크(38)에 연결된다. 시약 탱크는 바람직하기로 높은 위치에 설치되어 배기 흐름으로의 시약의 공급은 왼전히 중력만에 의해 수동적(passively)으로 이뤄진다. 바람직하기로 연결배관(60)의 조절 가능한 드로틀 밸브(62)가 원하는 투약량(dose)을 투입한다. 여기 설명된 대로 시약을 세척 유체 탱크(38)에 직접 투입하는 대신, 시약 탱크(58)가 습식 세척기(36) 상류의 압력 방출 배관(28)에 부착되어 압력 방출 배관(28) 내의 배기 흐름이 시약을 포함하여 세척 유체 탱크(38)로 이송하는 구성도 가능하다.
단일한 습식 세척기(36) 대신에 복수의 습식 세척기(36)를 특히 격납용기(4) 내의 기존의 구조적 상황에 맞도록 병렬로 구성하는 것도 가능하다. 이를 위해, 세척부의 상류가 이와 같이 부분적 유닛들로 분할(split)되고(분할 구조), 압력 방출 배관(28)도 대략 세척부의 상류에서 부분들(partial section)과 접점(unions/junctions)들로 대응하는 분지(branch)를 가진다.
습식 세척기(36)의 하류에는, 정화된 배기 흐름이 먼저 격납용기(4)의 덕트(34)를 통과하고 최종적으로 압력 방출 배관(28)의 종단에 삽입된 드로틀 장치/드로틀 밸브(64)를 통과한다. 이 과정에서 배기 흐름은 대략 주변 대기압(atmospheric pressure)으로 안정화(relax)된다. 특히 건식 필터 및/또는 흡착식 필터(sorbent filter) 방식의 추가적 여과장치(66)가 드로틀 밸브(64) 상류 또는 하류에 위치하거나 압력 방출 배관(28)의 이 부위의 바이패스(bypass) 구조로 위치할 수 있다. 최종적으로, 정화되고 압력이 완화된(pressure-relieved) 배기 흐름이 나팔관(flue; 66)이나 다른 유출 개구부를 통해 주변 환경으로 방출된다.
이 실시예에서의 배기 시스템(30)은 특히 배기 과정에서 습식 세척기(36)의 높은 보류 속도(retention rate)를 위해 설계되었다. 당시 Framatome ANP GmbH(현 AREVA GmbH)에 의 출원된 독일특허 DE 103 28 773 B3에 기재된 바와 같이, 벤튜리관(40)의 목 부분(46)에서 측정했을 때 예를 들어 150m/s 이상, 바람직하기로 200m/s 내지 250m/s 이상의 특히 높은 흐름 속도의 배기 흐름의 설정이 가능하다. 이는 압력 변화 상황(sliding pressure regime)에서 드로틀 밸브(64)에서의 배기 흐름의 소위 임계 압력 방출(critical pressure relief)을 통해 순전히 수동적으로 달성된다. 이를 가능하게 하는 시스템 설계의 상세, 특히 흐름 안내 요소들의 구조와 치수, 그리고 관련된 방법의 특성에 대해서는 본 발명의 상세한 설명에 명시적으로 포함된 전술한 독일특허 DE 103 28 773 B3를 참조할 수 있다.
이에 따라 배기 작동중의 드로틀 밸브(64) 상류의 압력 방출 배관(28)의 단부는 거의 대기압(약 1bar)인 저압부를 형성한다. 반면 압력 방출 배관(16)의 시작부는 대조적으로 격납용기 압력(배기의 시작시 전형적으로 2 내지 4bar 또는 그 이상)의 고압부를 형성한다. 그러나 일반적으로 습식 세척기(36)의 벤튜리관(40) 및/또는 이 벤튜리 유입구에 도달하기 전에 특히 이 경우 이 바람직한 효과를 위한 바람직한 설계에 따라 아주 명확한 압력 강하(약 0.3 내지 1bar)가 발생될 수 있다. 압력 방출 배관(28)의 드로틀부(throttle portion; 102)는 이와 같은 방식으로 세척 유체 탱크(38)로의 유출 개구부(44)의 상류측에 구성되는데, 비교하여 말하면 드로틀부는 흐름 방향(34)로 팽창되거나 하나 또는 그 이상의 짧은 드로틀 점에서 축소될 수도 있으며, 이는 도 1에 개략적으로만 제시되어 있다. 압력 단계들의 이와 같이 명확한 특성화(2단계 압력 강화)에 따라, (배기 작동에 관련하여) 벤튜리관(40) 상류의 고압부, 드로틀 장치(64)까지의 배관 하류부의 중압부, 그리고 드로틀 장치(64) 하류의 저압부로 지칭할 수 있게 된다.
상술한 E 103 28 773 B3의 특허 명세서에 이미 기술되었지만, 이 방식의 배기 시스템(30)을 운용할 때 중심된 문제는 세척 유체(52) 내에 축적된 핵분열 생성물(fission products)들의 붕괴열(decay heat)이다. 이는 붕괴열이 습식 세척기(36) 내의 공급된 세척 유체의 증발을 야기하는데, 이는 소위 "드라이 러닝(dry running)"의 위험에 관련된다. 이는 실제로 바람직한 여과 및 보류 기능의 광범위한 상실을 야기할 수 있다. 이 문제는 습식 세척기(36)가 사고 상황에서 심하게 가열될 수 있는 격납용기(4) 내에 설치되는 이 실시예에서는 더욱 악화될 수 있다. DE 103 28 773 B3에 따른 플랜트에서는 이 문제가 한편으로는 방사능이 축적된 뜨거운 세척 유체(52)를 격납용기(4)에 재순환시켜 해결된다. 다른 한편으로는, 습식 세척기(36)에 수납된 세척 유체의 양을 초기에 비교적 넉넉한 크기로 한다. 또한 증발과 습식 세척기(36)의 재순환으로 "사용된" 세척수는 외부 저장탱크로부터의 비교적 찬 세척 유체(52)의 후속적 공급으로 대체된다. 결과적으로 비교적 대용량의 탱크를 필요로 하므로 이에 따른 공간 요구치의 증가와 높은 생산 및 유지 경비를 요구하게 된다.
이 문제의 해결을 위해 도 1에 의한 배기 시스템(30)은 근본적으로 다른 근접을 하고 있다.
습식 세척기(36)는 대기 상태(즉 원자력 발전소가 정상 작동중일 때)에서는 건조 상태로 유지된다. 세척 유체 탱크(38)에는 배기 과정이 시작되기 직전에만 세척 유체(52)가 충전된다. 이를 위해 유체(14)는 격납용기(4)의 집수조(4)에 축적되어 있다가(집적수(sump water; 70)로 지칭함) 사고 조건에서 세척 유체 탱크(38)로 이송되어 세척 유체(52)로 사용된다. 바람직하기로 이 이송은 전기 작동이나 다른 능동적 요소 없이 순전히 수동적으로 이뤄진다.
집수조(24) 또는 이에 부가하여 사고 조건에서 유체(14)가 충전되는 다른 저수부(100)가 세척 유체(52)의 공급에 사용될 수 있다. 바람직하기로 이 저수부(100)는 격납용기(4)의 나머지 부분에 유체적으로 연결되거나 가스 압력 측에 연결되어, 격납용기(4) 외부의 환경에 대해 과압이 존재하면 적어도 일부, 바람직하기로는 거의 전부 또는 전부가 저수부(100)로 이송된다. 이와 같은 방식, 즉 궁극적으로 격납용기(4) 내의 과압의 결과로, 집적수 저장부(sump water reservoir)의 예를 기준으로 후술할 바와 같이 습식 세척기(36)에 대한 유체(14)의 수동적 이송이 보장된다.
구체적으로 말하면, 이 목적으로 집적수(70)의 만충을 위한 충전 배관(top-up line) 또는 공급 배관(68)이 집수조(24)로부터 습식 세척기(36)의 세척 유체 탱크(38)로 연장된다. 공급 배관(72)의 유입 개구부(74)는 집수조(24)의 바닥 영역에 가능한 한 낮게 배치되는데, 이 집수조는 대개 선행하는 사고 시퀀스 동안 분무 시스템(10)의 작동 및/또는 대응하는 비상 냉각 시스템이나 침수 시스템(flood system)에 의해 침수된다. 달리 말해 공급 배관(72)의 유입측이 집적수(70)에 잠기게 된다. 다른 단부에서, 공급 배관(72)은 세척 유체 탱크(38)의 내부 공간으로 개방된다. 공급 배관(72)은 습식 세척기(36)을 향하는 흐름 방향(76)으로 자유롭게 흐를 수 있는데, 필요하다면 초기에는 파열 포일(bursting foil) 등으로 밀봉되어 있다가 사고 조건에서 자동으로 개방될 수 있다. (아래 참조). 그러나 특히 다른 저장부로부터의 추가적 공급 배관이 이 경우처럼 개방되어 있는 경우에는 역류(flow-back)를 방지하는 역류 방지 밸브(nonreturn valve; 78)가 구비될 수도 있다.
배기 작동이 개시되었을 때, 습식 세척기(36)의 세척 유체 탱크(38)에는 아직 세척 유체(52)가 없고 건조(dry) 상태이다. 격납용기(4)의 사고 관련 압력 상승은 차단 밸브(26)에 단일 단계(one-stage) 압력 구배(pressure gradient)가 형성되었음을 의미한다. 그러나 압력 방출 배관(28)의 차단 밸브(26)를 열어 배기 과정을 시작하자마자 배관 시스템의 밀봉과 흐름 동역학의 결과, 압력 방출 배관(28)에 전술한 바와 같이 고압부, 중압부, 저압부를 가지는 2중 압력 등급이 전개된다. 격납용기(4)의 집수 영역과 세척 유체 탱크(38) 사이의 일반적으로 0.3 내지 1bar 또는 그 이상의 압력 차이가 집적수(70)가 공급 배관(72)을 거쳐 습식 세척기(36)로 밀어내고, 거기서 세척 유체(52)로 활용된다. 이와 같은 방식으로 초기 충전과 증발오 소모된 양의 후속적 세척 유체(52)의 공급은 바람직하기로 사고 조건하에서 언제나 존재하는 내부 저장부로부터 수동적으로 이뤄진다.
습식 세척기(36)를 대기상태에서 신뢰성 높게, 예를 들어 부식(corrosion) 등의 방지에 바람직 한건조 상태로 유지시키기 위해, 압력 방출 배관(28)의 상류 시작부의 유입 개구부(42) 둘레에, 바람직하기로 사고 조건하에서 규정된 압력 차이가 인가되면 자동으로 개방되는 파열성 포일이나 다른 밀봉수단으로 초기에는 밀봉해둘 수 있다. 집수조(24)에 잠긴 공급 배관(72)의 유입구도 바찬가지로 할 수 있다. 밀봉 수단이 흐름 경오레서 제거되자마자 압력 등급에 대한 상술한 조건들이 설정된다.
이상에 설명한 설계에 기초하여, 추가적으로 존재하는 세척 유체(52)의 외부 저장탱크(80)는 종래의 플랜트와 비교하여 비교적 작은 용적으로 구성될 수 있다. 저장탱크가 외부. 즉 격납용기(4) 외부에 설치되므로 추가 공급 배관 또는 연결 배관(82)이 저장탱크(80)로부터 격납용기를 필요한 대로 관통해 습식 세척기(36)로 연장된다. 이 저장탱크(80)는 예를 들어 높은 위치에 설치되어 세척 유체 탱크(38)에 대한 세척 유체(52)의 공급과 재공급이 중력에 의해 가능하다. 이와는 달리 또는 추가적으로, 이송 펌프가 연결 배관(82)에 삽입될 수 있는데, 이 펌프는 예를 들어 전기 모터 방식의 구동 모터 또는 가스 팽창 모터 등에 의해 구동된다. 관련된 비상 동력 유닛, 배터리, 저장 배터리, 압축가스통 등이 이 목적을 위해 비치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그 목적지로 이송될 세척 유체(52)의 추진제(propellant)로 압축가스통(84)으로부터 압축가스의 직접 사용 역시 제공될 수 있다.
격납용기를 통과하는 덕트 수를 최소화하기 위해, 압력 방출 배관(28)의 이중 사용 역시 제공될 수 있는데, 외부 저장부나 저장탱크(80)로부터 세척 유체(52)를 반입하는데 세척 유체 탱크(38)로의 배기 흐름의 흐름 방향(32)에 거스를 수 있다. 도 1에 의하면 이를 위해 배기 흐름의 흐름 방향(32)에서 보았을 때, 연결 배관(82)이 차단 밸브(26)의 하류이고 다른 차단 밸브(86)의 상류인 압력 방출 배관(28)에 연결된다. 세척 유체(52)를 세척 유체 탱크(38)로 공급하기 위해서는 각 경우에 차단 밸브(86)를 폐쇄함으로써 배기 흐름이 일시 중단(interupt)된다.
전술한 바와 같이, 습식 세척기(36)의 세척 유체(52)의 초기 충전(intial filling)은 세척 유체 탱크(38)과의 사이에 동적으로 조정된 압력차이에 의해 배기 과정의 개시와 동시에 이뤄지는데, 여기서 세척 유체 탱크는 그 내부 공간에 감소된 압력을 가지며 격납용기 압력이 집수조(24)의 영역을 지배하고 있다. 습식 세척기(36)의 초기 건식 작동을 가능한 한 짧게 지속시키기 위해, 세척 유체 탱크(38)에는 내부 또는 외부 저장부로부터 세척 유체가 도입되는 동안 벤튜리관(40)의 흡입 포트(48) 영역에서 세척 유체 수준이 비교적 신속히 상승할 수 있게 하는 적절히 선택된 내부 형상 및/또는 내부 구획을 가지도록 설계되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 벤튜리 구조를 전체적으로 둘러싸 외부환경에 대해 밀봉하는 비교적 큰 세척 유체 탱크 내에는, 예를 들어 상당히 더 작고 상방으로 개방된 세척 유체 탱크 또는 풀(pool)(88)이 설치되는데, 이는 벤튜리관(40)을 목 부분(throat point; 46)을 흡입 포트(48)와 함께 둘러싸고 공급 배관(72)의 유출 개구부(90)가 이에 잠기거나 개방되어 있다. 예시적 실시예에서 집수 깔때기(collecting funnel) 또는 상방으로 개방된 고리형 챔버(annular chamber) 형태로 구성된 이 작은 풀(86)은 특히 충격 분리기(54)에서 낙하되는 세척 유체 방울을 가능한 한 완전히 수집한다. 이를 위해 이 분리기의 복귀 배관(92)이 분리기에서 풀(88)로 직결될 수 있다.
풀(86)은 설계 충전 수준(50)에 대해 세척 유체 탱크(38)의 전체 용적의 예를 들어 1/10보다 작은 용적을 가져, 도 1의 습식 세척기(36)의 좌반부에 도시된 바와 같이 배기 및 충전 과정의 조합된 시작시 예를 들어 10분 미만, 바람직하기로 3분 미만의 최단시간에 상단 모서리까지 충전된다. 그 결과 상술한 배기 흐름의 습식 세척이 매우 빨리 시작된다. 배기 과정이 진행됨에 따라 남은 세척 유체 탱크(38)도 특히 균형된 작동 조건을 보장하는 바람직한 설계 수준(50)까지 충전된다.
이러한 방식의 구조는 둘러싸는 세척 유체 탱크(38)가 필연적으로 비교적 용적이 크므로, 복수의 벤튜리관(40)이 분배기를 통해 병렬로 연결되어 세척 유체 탱크(38)로 형성되는 외함 내에 배치될 때 특히 실용적이다. 이 경우 바람직하기로는 각각의 또는 적어도 대부분의 벤튜리관(40)에는 신속한 초기 충전을 위해 자체적인 작은 풀(88)이 구비된다.
(준) 정적 작동중에는 도 1의 습식 세척기 우반부에 도시된 바와 같이 세척 유체 탱크(38)의 세척 유체 충전의 자동 제어는 공급 배관(72) 내의 수동적인 플로트 밸브(float valve; 94) 등에 의해 구현될 수 있다. 달리 말해, 세척 유체 탱크(38) 내에서 제어 밸브의 밸브 몸체가 이에 기계적으로 연결된 플로트에 의해 현재의 수준에 따라 기동된다.
도시 안된 복귀 배관을 통한 세척 유체 탱크(38)로부터 격납용기(4)의 집수조(24)로의 지속적인 또는 단속적인 세척유체(52)의 복귀 또는 재순환이 선택적으로 제공될 수 있다.
가압수형 원자로의 경우에는, 중대한 사고 상황에서 약간 불활성이거나 그렇지 못한 격납용기 대기에 수소의 상당한 유출이 발생될 것으로 예상되는데, 잠재적 폭발성의 가스가 압력 방출 시스템(30)의 배관이나 장치에 축적되거나 유입되지 않도록 주의를 기울여야 한다. 이를 위해 압력 방출 배관(28)에 유입되는 가스 흐름에서 수소 제거에 촉매로 지원하거나 제거하는 촉매 재조합 장치(catalytic recombination device; 96)가 압력 방출 배관(28)의 유입 개구부(42)의 상류에 삽입될 수 있다. 이 장치는 바람직하기로 by AREVA NP GmbH(현 AREVA GmbH)가 출원한 독일 특허출원 10 2012 211 897.7를 참조할 수 있지만, 거기에 선택적으로 제시된 복사 냉각 모듈은 제외하는 것이 바람직하다. 이 관련 출원 서류는 본 발명의 상세한 설명의 일체적인 부분이라고 여기서 명시적으로 선언한다. (참고로 포함됨.)
이러한 촉매 유닛에 의해 배기 배관의 유입 흐름애서 배기 가스 내의 H2/O2 농도(concentration)는 거의 완전히 제거될 수 있다. 이에 따라 배기 가스 흐름 내에 형성된 고온도 습식 세척기(36)에서의 세척 유체 공급에 바로 이어 바람직하게 저하될 수 있는데, 다른 말로 직접 냉각("급냉(quenching)")이 이뤄진다. 이와 같이 수소가 제거되고, 정화되었으며 온도가 조절된 배기 가스는 안전하게 전환될 수 있어 치명적인 수소 혼합물들(critical hydrogen mixtures)이 기본적으로 제거된다.
이상의 설명이 특히 가압수형 원자로에서 건물 집수부로부터 세척 유체를 공급하는 중요한 경우를 강조하였지만, 이는 격납용기(4)의 내부 및/또는 외부의 다른 유체 저장부에 의지할 수도 있다. 예를 들어, 격납용기(4) 내에 설치된 침수 저류조(flood basin), 저장 저류조(storage basin) 또는 저장탱크들이 공급될 세척 유체의 저장부가 될 수 있다. 이런 종류의 내부 저장부는 상술한 수동적 이송 기구가 습식 세척기의 내부 공간과 다른 격납용기 용적 사이의 배기에 의해 형성되는 압력 차이를 이용하여 정상적으로 수행될 수 있는 이점을 가진다. 이와는 달리 또는 이에 더하여, 대응 연결 배관이 격납용기를 관통하는 덕트와 함께 설치되는 한, 외부 저장부도 사용할 수 있다. 그러나 이 경우, 세척 유체로 작용될 유체의 이송은 격납용기(4)와 외부 환경 사이에 존재하는 압력 구배를 이길만 한 펌프나 추진 가스 등의 적극적 이송수단을 사용해 이뤄져야 한다. 그러나 특히, 아직 전기 펌프 등이 신뢰선 높게 동작될 수 있는 초기 사고 국면에서는 외부 저장부로부터 내부 저장부로의 적극적 공급이 아직 이뤄질 수 있다. 더 이후의 사교 국면에서는, 전술한 바와 같이 이미 충전된 내부 저장부로부터 습식 세척기로의 유체의 수동적 이송이 이뤄진다.
에를 들어, 비상 냉각 시스템이나 분무 시스템(10), 그리고 그 저장탱크(18)의 직접 연결은 이러한 맥락에서 제공된다. 도 1에 의한 실시예에서는 이를 위해, 공급 배관(feeding line; 98)이 이송 펌프(22) 하류에서 분무 노즐(12)로 연장되는 공급 배관(supply line; 16)으로부터 분기되고, 더 하류에서 집수조(24)로부터의 공급 배관(72)와 통합되거나, 이와는 달리 세척 유체 탱크(38)로 별도로 연장된다.
뿐만 아니라, 상술한 설계는 격납용기 내의 설치 공간이 세척 유닛의 내부 설치를 허용하면 비등수형 원자로에도 적용될 수 있다, 예를 들어, 세척 유체로 사용될 응축수 저장부(wet well)로부터의 응축수의 수동적 흡입이 거기서 이뤄진다.
2: 원자력 발전설비(Nuclear power facility)
4: 격납용기(Containment)
10: 분무 시스템(Spray system)
12: 분무 노즐(Spray nozle)
14: 유체(Liquid)
16: 공급 배관(Supply line)
18: 저장탱크(Storage tank)
20; 덕트(Duct)
22: 이송 펌프(Delivery pump)
24: 집수부(Sump)
26: 차단 밸브(Shut-off valve)
28: 압력 방출 배관(Pressure relief line)
30: 압력 방출 시스템(Pressure relief system)
32: 흐름 방향(Flow direction)
34: 덕트(Duct)
36: 습식 세척기(Wet scrubber)
38: 세척 유체 탱크(Washing liquid tank)
40: 벤튜리관(Venturi tube)
42: 유입 개구부(Inlet opening)
44: 유출 개구부(Outlet opening)
46: 목 부분(Throat point)
48 흡입 포트(Intake port)
50: 설계 충전 수준(Design filling level)
52: 세척 유체(Scrubbing liquid)
54: 충격 분리기(Impact separator)
56: 미세 분리기(Fine separator)
58: 시약 탱크(Chemical tank)
60: 연결 배관(Connection line)
62, 64: 드로틀 밸브(Throttle valve)
64: 드로틀 장치(Throttle device)
66: 여과장치(Filtration device)
68: 나팔관(Flue)
70: 집적수(Sump water)
72: 공급 배관(Feeding line)
74: 유입 개구부(Inlet opening)
76: 흐름 방향(Flow direction)
78: 역류 방지 밸브(Nonreturn valve)
80: 저장 탱크(Storage tank)
82: 연결 배관(Connection line)
84: 압축가스통(Compressed gas canister)
86: 차단 밸브(Shut-off valve)
88: 풀(Pool)
90: 유출 개구부(Outlet opening)
92: 복귀 배관(Return line)
94: 플로트 밸브(Float valve)
96: (촉매) 재조합장치(Recombination device)
98: 공급 배관(Supply line)
100: 저장부(Reservoir)
102: 드로틀부(Throttle portion)
4: 격납용기(Containment)
10: 분무 시스템(Spray system)
12: 분무 노즐(Spray nozle)
14: 유체(Liquid)
16: 공급 배관(Supply line)
18: 저장탱크(Storage tank)
20; 덕트(Duct)
22: 이송 펌프(Delivery pump)
24: 집수부(Sump)
26: 차단 밸브(Shut-off valve)
28: 압력 방출 배관(Pressure relief line)
30: 압력 방출 시스템(Pressure relief system)
32: 흐름 방향(Flow direction)
34: 덕트(Duct)
36: 습식 세척기(Wet scrubber)
38: 세척 유체 탱크(Washing liquid tank)
40: 벤튜리관(Venturi tube)
42: 유입 개구부(Inlet opening)
44: 유출 개구부(Outlet opening)
46: 목 부분(Throat point)
48 흡입 포트(Intake port)
50: 설계 충전 수준(Design filling level)
52: 세척 유체(Scrubbing liquid)
54: 충격 분리기(Impact separator)
56: 미세 분리기(Fine separator)
58: 시약 탱크(Chemical tank)
60: 연결 배관(Connection line)
62, 64: 드로틀 밸브(Throttle valve)
64: 드로틀 장치(Throttle device)
66: 여과장치(Filtration device)
68: 나팔관(Flue)
70: 집적수(Sump water)
72: 공급 배관(Feeding line)
74: 유입 개구부(Inlet opening)
76: 흐름 방향(Flow direction)
78: 역류 방지 밸브(Nonreturn valve)
80: 저장 탱크(Storage tank)
82: 연결 배관(Connection line)
84: 압축가스통(Compressed gas canister)
86: 차단 밸브(Shut-off valve)
88: 풀(Pool)
90: 유출 개구부(Outlet opening)
92: 복귀 배관(Return line)
94: 플로트 밸브(Float valve)
96: (촉매) 재조합장치(Recombination device)
98: 공급 배관(Supply line)
100: 저장부(Reservoir)
102: 드로틀부(Throttle portion)
Claims (11)
- 원자력 발전설비(2)의 격납용기(4)의 압력 방출 시스템(30)에 있어서,
격납용기(4)를 관통하여 연장되고 차단 밸브(26)에 의해 폐쇄될 수 있는 압력 방출 배관(28)과,
격납용기(4) 내에 위치한 압력 방출 배관(28)의 일부로 배치되고, 압력 방출 모드에서 차단 밸브(26)가 개방되었을 때 형성되는 압력 방출 흐름을 위한 습식 세척기(36)과,
격납용기(4)의 내부에 배치되어 격납용기(4)의 나머지 공간과 유체적으로 연통되어, 격납용기(4) 외부의 주변환경에 대한 격납용기를 지배하는 과압이 적어도 일부, 바람직하기로는 거의 완전히 또는 완전히 이송되는 저장부(100)와,
저장부(100)로부터 습식 세척기(36)로 연장되어 세척 유체(52)로 작용될 유체(14)를 저장부(100)로부터 습식 세척기(36)로 공급하는 공급 배관(72)을 구비하며,
습식 세척기(36)가 격납용기(4)의 나머지 내부 공간으로부터 밀폐되는 세척 유체 탱크(38)를 포함하고, 압력 방출 배관이 세척 유체 탱크(38)로 진입하는 점(44) 상류의 압력 방출 배관(28)의 일부에 드로틀부(102)가 형성되는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항에 있어서,
드로틀부(102)가 압력 방출 과정의 시작시 격납용기(4) 내의 압력이 적어도 절대압력 2bar, 바람직하기로는 절대압력 4bar인 반면, 세척 유체 탱크(38)의 압력은 적어도 0.3bar, 바람직하기로 적어도 1bar 만큼 감소되는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항 또는 제2항 중의 어느 한 항에 있어서,
저장부(100)이 격납용기(4)의 나머지 부분에 대해 개방된 풀인 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
공급 배관(72)로 공급되는 세척 유체(52)의 충전 수준 제어 수단이 구비되며, 이 제어수단이 세척 유체 탱크(38) 내의 플로트 밸브(94)로 구성되는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
습식 세척기(36)가 벤튜리관(40)을 가지는 벤튜리 세척기로 설계되고, 벤튜리관은 세척 유체 탱크(38) 내에 배치되며 그 목 부분(46)에 세척 유체(52)를 압력 방출 흐름 내로 벤튜리 분사하기 위한 흡입 포트(48)가 배치되는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제5항에 있어서,
세척 유체 탱크(38) 내에 배치되고 벤튜리관(40)의 흡입 포트(48)을 둘러싸며 그 용량이 세척 유체 탱크(38)의 용량보다 현저히 작은 풀(88)을 구비하는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
드로틀 밸브(64)가 압력 방출 흐름의 방향에서 보았을 때 압력 방출 배관(28)의 습식 세척기(36) 하류에 배치되어, 압력 방출 흐름의 임계 압력을 완화시키는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
저장부(100)가 가압수형 원자로의 집수조(24)로 형성되는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
대기 모드에서 건조 상태인 습식 세척기(36)을 구비하는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비의 압력 방출 시스템. - 특히 가압수형 원자로이며, 격납용기(4)와 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 의한 압력 방출 시스템(30)을 구비하는 것을
특징으로 하는 원자력 발전설비. - 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 의한 압력 방출 시스템(30)을 작동시키는 방법에 있어서,
압력 방출 과정 동안 차단 밸브(26)가 개방되면, 흐름에 따라 조정되는 격납용기(4)와 습식 세척기(36) 사이의 압력 차이의 결과, 공급 배관(72)을 통해 유체(14)가 저장부(100)로부터 습식 세척기(36)로 이송되는 것을
특징으로 하는 압력 방출 시스템의 작동방법.
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